基于開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)的智能電源管理系統(tǒng)

鄒德東

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

隨著礦井智能化建設(shè)的推進(jìn)，越來越多的電氣設(shè)備被應(yīng)用到煤礦井下。井下條件惡劣，且有些設(shè)備需不間斷工作[1]，所以后備電源成為很多電氣設(shè)備的必要組成部分。鎳氫電池以其安全性高、成本低等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[2]。礦用備用電源常規(guī)充電方式以大電流恒流充電加小電流續(xù)流充電為主。這種方式雖然可以滿足大部分用電需求，但有2個(gè)弊端：一是長(zhǎng)時(shí)間續(xù)流充電會(huì)使電池兩極電荷堆積，電池活性下降，降低使用壽命；二是很難將電池充滿，基本在額定容量70%左右。使用線性電源做成恒流源對(duì)電池進(jìn)行充電，效率低。大電流充電時(shí)，發(fā)熱量大，有一定的安全隱患。為此，針對(duì)鎳氫電池的充放電特性及充電效率問題，設(shè)計(jì)出一款基于開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)和MCU采集控制的智能電源管理系統(tǒng)。

1 智能電源管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

智能電源管理系統(tǒng)功能框圖如圖1。

圖1 智能電源管理系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of intelligent power management system

電源的智能管理是在具備正常充放電功能的基礎(chǔ)上，采集各工作點(diǎn)電壓、電流、電池溫度等參數(shù)，通過計(jì)算判斷，最終智能控制充放電過程。同時(shí)將所有狀態(tài)、參數(shù)就地顯示并且傳輸給上位機(jī)或其它監(jiān)控設(shè)備方便用戶對(duì)電源健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)控和管理[2]。設(shè)計(jì)的智能電源管理系統(tǒng)，除滿足上述功能外，增加了輸入電源與電池供電零延時(shí)轉(zhuǎn)換、充放電轉(zhuǎn)換開關(guān)以及電池直接供電功能。系統(tǒng)整體由充電單元、放電單元、智能控制單元、電源切換單元、顯示單元、通信單元組成[3]。

2 系統(tǒng)硬件

根據(jù)系統(tǒng)整體方案，對(duì)各部分硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。智能電源管理系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 智能電源管理系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent power management system

2.1 充電單元

為提高充電效率，采用開關(guān)電源芯片U1作為充電電源[4]；采用電流檢測(cè)放大器U2將充放電電流轉(zhuǎn)換成電壓，一方面供MCU采集，另一方面將電壓信號(hào)通過U3B引至U1的電壓調(diào)整端實(shí)現(xiàn)恒流充電的目的。

U1選用LM2596－ADJ。該系列芯片最高效率為98%，最高輸入電壓為45 V，輸出電壓可調(diào)整范圍為1.23～37 V，最大輸出電流6.9 A，滿足1～24節(jié)電池的充電要求。該芯片自身具有關(guān)斷功能。5腳懸空或低電平時(shí)，使能芯片輸出，否則關(guān)斷輸出。可由單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)充電的啟動(dòng)與停止。芯片4腳為電壓反饋管腳，內(nèi)置基準(zhǔn)為1.23 V。通過調(diào)整R7和R12的值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)U1輸出電壓UC的調(diào)節(jié)。根據(jù)式（1）計(jì)算可得U1輸出電壓UC，此電壓為該電路充電截止電壓。

U2選用MAX4081TASA。該芯片可以將1腳與8腳間的差分電壓放大20倍后，在5腳輸出單相電壓。6腳、7腳接基準(zhǔn)電壓UREF。5腳輸出電壓UCH與充放電電流IB的關(guān)系為式（2）。

充電時(shí)IB為正值，放電時(shí)IB為負(fù)值。

運(yùn)算放大器U3B正輸入端接UCH，負(fù)輸入端接5 V電壓，輸出端接U1的輸出調(diào)整腳4腳，構(gòu)成負(fù)反饋[5]，實(shí)現(xiàn)恒流。穩(wěn)態(tài)時(shí)，UCH維持在5 V。此時(shí)的充電電流即為該電路的恒流充電電流值。UREF由5 V通過電阻R14、R15分壓得出。將5 V代入式（2）中的UCH后，可整理得出恒流充電過程中充電電流IB與R14、R15的關(guān)系為式（3）。

由此可見，通過調(diào)整電阻R4、R14、R15的值，即可調(diào)整恒流充電過程中的充電電流。

2.2 放電單元

單節(jié)鎳氫電池放電保護(hù)電壓為1 V，低于1 V必須停止放電，否則會(huì)對(duì)電池造成致命傷害。所以需要設(shè)計(jì)過放電路以保護(hù)電池。為了降低電池供電時(shí)的功耗，設(shè)計(jì)采用P溝道MOSET管放電開關(guān)。通過U3A實(shí)現(xiàn)硬件過放保護(hù)，通過單片機(jī)控制Q5實(shí)現(xiàn)軟件過放保護(hù)，進(jìn)而達(dá)到雙重保護(hù)的目的。

運(yùn)算放大器U3A正輸入端接電池電壓經(jīng)過R8與R16分壓后的信號(hào)，負(fù)輸入端接5 V電壓。當(dāng)電池電壓降低使分壓值低于5 V時(shí)，輸出為低電平，控制Q2關(guān)斷放電回路。式（4）為過放保護(hù)電壓UL與分壓電阻之間的關(guān)系。

在切斷放電回路的瞬間，由于Q2極間電容的存在，Q2關(guān)斷實(shí)際是一個(gè)阻抗逐漸增加的過程。在Q2阻抗增加到一定程度時(shí)，電池電壓由于負(fù)載電流減少會(huì)逐漸增大。此時(shí)運(yùn)算放大器并未失電，所以運(yùn)算放大器輸出會(huì)恢復(fù)為高電平，控制Q2再次導(dǎo)通。為避免切斷瞬間的反復(fù)通斷，設(shè)計(jì)了由D5、R9組成的正反饋回路。由于D5具有反向截止作用，所以在輸出為高電平時(shí)，輸出對(duì)電池分壓沒有任何影響；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，電池分壓回路改變。如忽略D5壓降的影響，可近似理解為R9與R16并聯(lián)后再與R8進(jìn)行分壓，所以分壓值會(huì)比關(guān)斷瞬間更低。只要保證電池上升后，經(jīng)過R8、R9、R16分壓后仍低于5 V，即可避免反復(fù)通斷，實(shí)現(xiàn)可靠斷電。

由于隔爆類產(chǎn)品[6]在煤礦井下有爆炸性氣體的環(huán)境中嚴(yán)禁帶電開蓋，所以設(shè)計(jì)引入了防爆開關(guān)S1和S2。

S1用來實(shí)現(xiàn)在電池供電的情況下切斷電池電源，無需帶電開蓋，保證安全。另外，為增加系統(tǒng)的靈活性及使用的便捷性，設(shè)計(jì)了在沒有電源輸入的情況下，連接S1后，可直接使電池投入使用。為了實(shí)現(xiàn)此功能，同時(shí)還需要保證在Q2關(guān)斷后所有器件均不工作，以降低電池關(guān)機(jī)功耗，設(shè)計(jì)在Q5的基極對(duì)電池正極接入了C2、R6。C2為儲(chǔ)能元件，當(dāng)S1接通瞬間，C2充電經(jīng)R6、Q5充電，充電電流即為Q5的基極電流。該電流可以保證Q5導(dǎo)通，進(jìn)而導(dǎo)通Q2。Q2導(dǎo)通后，MCU上電，通過R13控制Q5，進(jìn)而控制Q2維持導(dǎo)通。只要保證電容C2的充電時(shí)間大于MCU啟動(dòng)的時(shí)間就可以達(dá)到電池直接啟動(dòng)的目的。可以通過改變C2的值來調(diào)整充電時(shí)間。

S2用來實(shí)現(xiàn)在設(shè)備不開蓋的情況下進(jìn)行充放電切換。S2導(dǎo)通1次，MCU將控制Q1通斷狀態(tài)變換1次，實(shí)現(xiàn)充放電切換功能。Q1關(guān)斷為放電狀態(tài)；Q1導(dǎo)通為充電狀態(tài)。

2.3 電源切換單元

在輸入正常時(shí)，輸入電源向負(fù)載供電，電池處于充電或者待機(jī)狀態(tài)；輸入電源故障時(shí)，電池自動(dòng)向負(fù)載供電。為了實(shí)現(xiàn)無縫切換，設(shè)計(jì)采用雙回路同時(shí)在線的方式。輸入電源通過D2向負(fù)載供電，電池通過R4、Q2、D1向負(fù)載供電。

在輸入電源正常情況下，D2導(dǎo)通。因?yàn)檩斎腚娫措妷捍笥陔姵仉妷?，所以二極管D1的負(fù)極電壓要高于正極電壓。由于二極管的反向截止功能，所以電池供電回路雖然連通，但并對(duì)外提供電能。此時(shí)負(fù)載由輸入電源供電。在輸入電源電壓小于電池電壓或者故障時(shí)，D1導(dǎo)通，D2反向截止。此時(shí)負(fù)載由電池供電。真正實(shí)現(xiàn)交直流無縫切換。該設(shè)計(jì)的另外一個(gè)好處是可以避免由于輸入電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)供電造成影響。

2.4 智能控制單元

控制單元是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心。MCU[7]采用STC15W4K32S4。負(fù)責(zé)采集電源電壓、充電電壓、電池電壓、充放電電流、電池溫度。并根據(jù)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系判斷電池狀態(tài)，控制對(duì)電池進(jìn)行充放電。同時(shí)與液晶屏接口、通信接口配合完成人機(jī)交互及信息傳輸。

MCU通過采集3腳、4腳、5腳的電壓，根據(jù)對(duì)應(yīng)的分壓電阻的比例關(guān)系可分別計(jì)算出電池電壓、充電電壓、輸入電壓。6腳控制輸入電源的通斷；11腳控制充電開關(guān)；16腳控制放電開關(guān)。

通過采集2腳電壓，可以根據(jù)分壓電阻計(jì)算出UCH，再根據(jù)式（2）計(jì)算出充放電電流。

RT1為3950型熱敏電阻。在25℃時(shí)電阻值為10 kΩ。通過采集1腳電壓，根據(jù)分壓電阻可計(jì)算出RT1的阻值，再根據(jù)式（5）可計(jì)算出電池溫度TB。

鎳氫電池充電時(shí)電壓、溫度、容量的變化非常明顯。同等容量下，溫度越低電壓越高[8－9]。而礦用產(chǎn)品的使用環(huán)境溫度差別較大，所以僅判斷電壓很難將電池充滿[10]。同時(shí)經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電池在充滿后如果繼續(xù)大電流充電可是電池溫度急速上升，所以合理的做法是根據(jù)電池電壓結(jié)合電池溫升判斷電池是否充滿。一旦充滿立即停止充電。當(dāng)電池投入使用或電池由于自放電導(dǎo)致電壓低至一定閾值后重新使能充電功能。這樣可有效避免續(xù)流充電導(dǎo)致電荷堆積影響電池活性，降低電池效率等問題，延長(zhǎng)電池使用壽命。

2.5 顯示模塊

設(shè)計(jì)采用彩色液晶屏LCD1作為系統(tǒng)的顯示模塊，用以顯示設(shè)備地址、電源狀態(tài)、電池狀態(tài)、電池電壓、電池電流、電池溫度等參數(shù)。

該液晶屏具有結(jié)構(gòu)輕、功耗低等特點(diǎn)。采用ST7796S芯片驅(qū)動(dòng)，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好，指令功能強(qiáng)，可顯示320×480點(diǎn)陣彩色圖片。可以用指令控制顯示內(nèi)容順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°或倒立豎放。支持串口SPI、IIC協(xié)議及并口協(xié)議。工作溫度范圍為－30～+80℃，完全滿足工業(yè)應(yīng)用。

為保證顯示刷新速度，設(shè)計(jì)中液晶屏與MCU采用并口連接方式。為降低功耗，背光電源引入限流電阻R23?？赏ㄟ^調(diào)整該電阻阻值來調(diào)解背光亮度，進(jìn)而達(dá)到降低功耗的目的。

2.6 通信模塊

設(shè)計(jì)采用在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的RS485總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。硬件部分采用增強(qiáng)型嵌入式隔離RS485收發(fā)器RSM3485ECHT。該收發(fā)器采用單一電源供電，內(nèi)部隔離，隔離電壓高達(dá)2 500 V。總線最多可連接256個(gè)節(jié)點(diǎn)。并且集成抗電磁干擾器件，對(duì)電磁兼容要求不高的場(chǎng)所可無需另外設(shè)計(jì)抗干擾電路。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)所有參數(shù)的采集以及根據(jù)各個(gè)參數(shù)對(duì)充放電過程進(jìn)行智能控制，并驅(qū)動(dòng)顯示和通信單元對(duì)所有狀態(tài)信息進(jìn)行顯示和通信。智能電源管理系統(tǒng)軟件流程圖如圖3。

圖3 智能電源管理系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Flow chart of intelligent power management system

1）電源狀態(tài)判斷。當(dāng)輸入電壓大于1 V時(shí)，為外部供電；否則為電池供電。

2）電池狀態(tài)判斷。外部供電時(shí)，如正在充電且無充電電流或者充滿后電池?zé)o電壓，則判斷為電池離線。外部供電時(shí)，充電過程中檢測(cè)到電池電壓及電池溫度大于設(shè)定閾值時(shí)，判斷為電池充滿；否則為電池充電。在電池充滿后，如檢測(cè)到電池電壓低于設(shè)定再充電閾值時(shí)，亦判斷為電池充電。電池供電時(shí)，判斷為電池放電。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種基于開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)和MCU采集控制的智能電源管理系統(tǒng)。用開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)的充電方式取代了以往線性電源恒流充電的方式，充電效率提高了將近30%；采用MCU智能控制，通過判斷電池溫度，結(jié)合電池電壓取代原有的僅靠電池電壓判斷容量的方式，使電池充滿時(shí)的容量達(dá)到了額定容量的95%以上。采用充滿截止，欠壓再充的方式取代了原有恒流充電加續(xù)流充電的方式，減少了充電過程中的電極電荷堆積，提高了電池的活性；設(shè)計(jì)了充放電開關(guān)，解決了礦用設(shè)備井下禁止開蓋的問題；設(shè)計(jì)了電池直接啟動(dòng)的功能，為礦用設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)提供了方便。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已經(jīng)配接監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦井下，得到現(xiàn)場(chǎng)用戶一致好評(píng)，完全滿足礦用產(chǎn)品對(duì)備用電源的供電要求。