帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源*

曹洪奎，王江平，席樂(lè)樂(lè)，韓　剛，米繼玲

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州121001)

帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源*

曹洪奎，王江平，席樂(lè)樂(lè)，韓剛，米繼玲

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州121001)

礦用不間斷電源是為礦井監(jiān)測(cè)和通信系統(tǒng)供電的重要設(shè)備。介紹了一種帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源設(shè)計(jì)方案。采用集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2576構(gòu)成DC/DC穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)多路穩(wěn)壓輸出。以20節(jié)鎳氫電池組作為后備電池，并采用低功耗16位單片機(jī)MSP430F149和電池組監(jiān)控管理芯片 LTC6803-3實(shí)現(xiàn)了電池組狀態(tài)監(jiān)控與管理功能，使電池組保持電壓均衡，同時(shí)將采集的單體電壓、電流、溫度等信息顯示在 LCD12864上。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的礦用不間斷電源達(dá)到了系統(tǒng)要求的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電池管理功能全面，運(yùn)行安全可靠，具有重要的實(shí)用意義和推廣價(jià)值。

不間斷電源；電池管理；鎳氫電池；LTC6803-3

0　引言

礦用不間斷電源是為礦山井下環(huán)境監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和通信等電子系統(tǒng)供電的重要設(shè)備，能夠保證在礦井交流供電系統(tǒng)意外停電時(shí)礦井環(huán)境監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和通信系統(tǒng)的正常供電，避免因交流供電系統(tǒng)停止工作而造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。礦用不間斷電源的性能對(duì)礦山井下電子系統(tǒng)的正常工作起到關(guān)鍵性作用[1-3]。因此，礦用不間斷電源應(yīng)具有多路穩(wěn)壓輸出、備用電池不間斷供電、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)和電池管理等功能[4]。鎳氫電池由于具有良好的使用安全性，在不間斷電源中被廣泛用作備用電池，而現(xiàn)有的礦用不間斷電源對(duì)備用電池的管理只具備基本的防過(guò)充、過(guò)放功能，給井下直流供電系統(tǒng)帶來(lái)了安全隱患。本設(shè)計(jì)采用低功耗16位單片機(jī)MSP430F149為控制核心，將鎳氫電池組監(jiān)控管理技術(shù)應(yīng)用到礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了不間斷雙路穩(wěn)壓輸出和備用電池管理功能。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

礦用不間斷電源的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由變壓器、整流濾波模塊、充電模塊、備用電池組、電池管理模塊、切換模塊、DC/DC模塊和保護(hù)模塊組成。

礦山井下交流供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)一般為 127 V/ 220 V/380 V AC，為了兼容3種不同的輸入電壓，采用輸入多抽頭變壓器，變壓器輸出為雙路，一路輸出用于備用電池組充電，另一路輸出作為DC/DC模塊的輸入。電池管理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)備用電池組的工作狀態(tài)，包括單體電壓、溫度和工作電流，并對(duì)備用電池組進(jìn)行電壓均衡控制，避免備用電池組單體過(guò)壓、過(guò)充電、過(guò)放電和溫度過(guò)高，提高電池組的有效儲(chǔ)能容量。備用電池切換模塊負(fù)責(zé)在交流供電系統(tǒng)斷電時(shí)將電源切換到由備用電池組供電狀態(tài)。電源經(jīng)兩路DC/DC模塊的穩(wěn)壓和保護(hù)模塊的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)后輸出直流 12 V和 18 V向負(fù)載供電。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1變壓器和整流濾波模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)電源系統(tǒng)的輸入電壓等級(jí)和輸出功率等要求，選用R型變壓器，容量為50 VA，26 V/1.3 A和28 V/1 A雙路輸出。R型變壓器具有噪聲低、漏磁小、空載電流小、鐵損低、效率高等優(yōu)點(diǎn)；并且由于線(xiàn)圈是圓柱形，與環(huán)形變壓器相比，每圈的銅線(xiàn)長(zhǎng)度短、內(nèi)阻小、銅耗低、溫升低、過(guò)載波動(dòng)小。另外，初、次級(jí)線(xiàn)圈采用骨架分別繞制，從而耐壓等級(jí)高，安全性好。整流濾波模塊采用兩個(gè)全橋整流電路，電容濾波。

2.2備用電池和充電模塊的設(shè)計(jì)

本電源的備用電池采用鎳氫電池。鎳氫電池是一種性能穩(wěn)定的儲(chǔ)能元件，具有高比能量、放電電流大、體積小、污染小、安全性好、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。鎳氫電池的單體額定電壓只有 1.4 V，因此在實(shí)用中必須串聯(lián)構(gòu)成電池組使用。為保證不間斷電源可連續(xù)供電2 h以上，本系統(tǒng)選用20節(jié)2 300 mAh的鎳氫電池串聯(lián)組成備用電池。

充電模塊采用恒壓限流充電方式對(duì)鎳氫電池組充電。電路采用 LM317穩(wěn)壓，將充電電壓恒定在 29 V，最大充電電流為0.5 A。備用電池前端采用雙向精密電流放大器MAX472設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路，用于電池組的充、放電電流檢測(cè)，將電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，如圖2所示。利用微處理器 MSP430F149對(duì)電流檢測(cè)放大器輸出的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)置值時(shí)，單片機(jī)控制充、放電開(kāi)關(guān)，停止充電或者放電，起到充、放電保護(hù)作用，避免由于過(guò)充電和過(guò)放電對(duì)電池組造成的損害，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

圖2　電流檢測(cè)電路原理圖

2.3電池管理模塊設(shè)計(jì)

電池管理模塊主要由 MSP430F149單片機(jī)、LCD顯示電路、電壓均衡電路和監(jiān)測(cè)電路組成。采用Linear公司的電池組監(jiān)控管理芯片LTC6803-3來(lái)完成鎳氫電池單體電壓與溫度的測(cè)量。LTC6803-3芯片內(nèi)置一個(gè) 12位ADC、一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)SPI串行接口，最多可測(cè)量12節(jié)串聯(lián)電池的電壓[5]。選用兩片 LTC6803-3，每片 LTC6803-3負(fù)責(zé)監(jiān)控10節(jié)鎳氫電池。采用 LTC6803-3的第一組鎳氫電池模塊（10節(jié)）單體電壓與溫度測(cè)量電路如圖3所示。

圖3　LTC6803-3的電池管理模塊原理圖

LTC6803-3的C0～C12引腳可測(cè)量12節(jié)電池的電壓。S1～S12引腳為均衡放電控制引腳。在本設(shè)計(jì)中只有 C0～C10引腳接有鎳氫電池。LTC6803-3的 VTEMP1、VTEMP2引腳為兩路溫度檢測(cè)引腳，采用 100 kΩ負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

單片機(jī)MSP430F149通過(guò)SPI串行總線(xiàn)與LTC6803-3通信，采集溫度、電壓、電流等信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理后顯示在LCD12864顯示屏上，并將采集到的信號(hào)與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的單體電壓上限值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制單節(jié)電池的電壓均衡，防止電壓不均衡對(duì)鎳氫電池組造成的影響，提高鎳氫電池組的運(yùn)行安全性和儲(chǔ)能效率。

電壓均衡電路采用開(kāi)關(guān)電阻法均衡，可根據(jù)均衡電流的大小來(lái)選擇均衡電阻的阻值，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。LTC6803-3的均衡放電控制引腳Sn分別控制與每個(gè)鎳氫電池并聯(lián)的功率三極管 Tn和3.3 Ω放電均衡電阻，在充電過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)鎳氫電池的單體電壓超過(guò)芯片配置寄存器設(shè)定的上限值時(shí)，LTC6803-3自動(dòng)控制開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的功率三極管Tn，通過(guò)均衡電阻放電，直到所有電池均低于電壓上限值時(shí)為止，達(dá)到電壓均衡的目的。

2.4DC/DC穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

DC/DC穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)采用集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2576-ADJ，穩(wěn)壓后輸出 18 V和 12 V，具有外圍器件少、電路簡(jiǎn)潔、電源寬范圍連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。電源效率達(dá)到80%以上，發(fā)熱小，使整機(jī)的重量和體積有所減小。采用LM2576-ADJ的DC/DC穩(wěn)壓模塊電路如圖4所示。

2.5保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

保護(hù)模塊具有過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，使電源的輸出電壓、電流不會(huì)超過(guò)設(shè)定值。保護(hù)電路主要采用比較器LM339、精密電壓基準(zhǔn)LM336Z和P溝道功率MOSFET IRF9530設(shè)計(jì)。以功率MOSFET IRF9530作為電源輸出開(kāi)關(guān)，由LM336Z提供5 V電壓基準(zhǔn)，經(jīng)電阻分壓后作為過(guò)壓、過(guò)流的比較閾值。當(dāng)電源輸出端電壓采樣值或輸出電流檢測(cè)電阻的電流檢測(cè)值超過(guò)閾值時(shí)，比較器立即關(guān)斷電源輸出端的開(kāi)關(guān)管IRF9530，停止輸出，起到過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)作用。本設(shè)計(jì)采用了雙重過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，從而大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖4　LM2576-ADJ的DC/DC穩(wěn)壓模塊電路

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是通過(guò) MSP430與 LTC6803-3通信，采集電池單體電壓、電流和溫度等信息，并在LCD12864上顯示，同時(shí)控制電壓均衡電路，使電池組的電壓保持均衡。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件流程圖

4　系統(tǒng)測(cè)試與分析

依據(jù)國(guó)家煤炭行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)包括：輸出電壓偏離值不超過(guò)±5%，負(fù)載效應(yīng)≤5%，源效應(yīng)≤5%，周期與隨機(jī)偏移峰峰值≤250 mV。本電源的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1　參數(shù)測(cè)試結(jié)果

電池管理功能測(cè)試分為單體電壓采集測(cè)試與電壓均衡測(cè)試。單體電壓采集測(cè)試是將系統(tǒng)中LTC6803-3測(cè)量的單體電壓值與F17B萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比及分析，單體電壓采集測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，LTC6803-3的單體電壓測(cè)量誤差小于10 mV。

表2　單體電壓測(cè)量結(jié)果與誤差

電壓均衡測(cè)試中，系統(tǒng)的均衡電壓設(shè)定為 1.350 V，當(dāng)鎳氫電池單體電壓超過(guò)1.360 V時(shí)放電功率開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，啟動(dòng)電壓均衡；電壓低于1.340 V時(shí)放電功率開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，停止均衡。充電模式選擇恒流-恒壓模式，最大充電電流為 500 mA，最高充電電壓為 28.50 V。整個(gè)充電測(cè)試過(guò)程中，最大均衡電流達(dá)到200 mA。對(duì)其中 10節(jié)鎳氫電池均衡前后分別進(jìn)行測(cè)量，可得到如表3所示的數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，均衡后單體間電壓偏差小于20 mV。

表3　電壓均衡測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)現(xiàn)了雙路穩(wěn)壓輸出和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能，不間斷供電時(shí)間不低于2 h，并具有備用電池管理功能。該電源已通過(guò)國(guó)家礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)單位的檢驗(yàn)，并投入使用，實(shí)際工作性能良好。本電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，同時(shí)具有對(duì)電池組進(jìn)行過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)溫保護(hù)和電壓均衡等功能，運(yùn)行安全可靠，能夠滿(mǎn)足礦山井下電子系統(tǒng)供電的需要，具有重要的實(shí)用意義。

[1]朱前偉.礦用本質(zhì)安全電源的基本要求和設(shè)計(jì)方法[J].工礦自動(dòng)化，2012，11(2)：22-25.

[2]鄭安平，宋玉強(qiáng).礦井直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化報(bào)，2009，8(2)：91-93.

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[4]MT/T 408-1995煤礦用直流穩(wěn)壓電源[S].北京：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[5]曹洪奎，沈陽(yáng)，米繼玲，等.鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)的研究[J].電子世界，2014，10(12)：339.

Mine uninterruptable power supply with buttery management system

Cao Hongkui，Wang Jiangping，Xi Lele，Han Gang，Mi Jiling
(Electronic&Information Engineering College，Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001，China)

Mine uninterruptable power supply is important power supply equipment for the mine monitoring and communication system.A mine uninterruptable power supply with battery management system is introduced.Integrated switch regulator LM2576 is adopted to constitute DC/DC circuit and realize regulated output of the power supply.20 Ni-MH batteries are used as backup batteries,low power 16-bit micro-controller MSP430F149 and special chip for battery group management LTC6803-3 are adopted to realize the battery status monitoring and management functions,which keeps voltage balance of the batteries.At the same time, the information collected such as the monomer voltage,current and temperature are displayed on the LCD12864.Test results show that the designed uninterruptable power supply for mine meets various parameters requirements of the system.The power supply is of simple structure,fully battery management function,safe and reliable operation.It has important practical significance and promotion value.

uninterruptable power supply；battery management；Ni-MH battery；LTC6803-3

TD611

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.033

遼寧省教育廳基金項(xiàng)目（L2012218）

2015-05-26)

曹洪奎（1979-），男，碩士，講師，主要研究方向：高效率功率變換。

中文引用格式：曹洪奎，王江平，席樂(lè)樂(lè)，等.帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：122-124.

英文引用格式：Cao Hongkui，Wang Jiangping，Xi Lele，et al.Mine uninterruptable power supply with buttery management system [J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：122-124.