曹洪奎 米繼玲 付彥杰 王江平 沈陽

【摘要】針對鎳氫電池組在礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源中應用時需要進行電壓均衡和狀態(tài)監(jiān)控管理的問題，設計了一種以MSP430單片機和LTC6803-1電池管理芯片為核心的鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對20節(jié)串聯(lián)鎳氫電池組的電壓均衡和單體電壓、電流、溫度的監(jiān)控管理。

【關鍵詞】鎳氫電池組；電池管理；電壓均衡；LTC6803-1

鎳氫電池具有體積小、重量輕、無污染和安全性好等優(yōu)勢，作為備用電池廣泛應用于各種不間斷電源系統(tǒng)中。由于鎳氫電池單體電壓較低，在實際應用中需要將多節(jié)鎳氫電池串聯(lián)構成鎳氫電池組。鎳氫電池組在循環(huán)使用中，因單體電池參數(shù)存在一定的差異而導致單體電壓不均等，影響儲能效率安全性[1-2]。礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源是井下監(jiān)測和通信系統(tǒng)的供電設備[3]，本文設計了一種以MSP430單片機和電池組監(jiān)控芯片LTC6803-1為控制核心的礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源用20節(jié)鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件總體框架

礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源鎳氫電池組管理系統(tǒng)的組成結構如圖1所示。主要由單片機模塊、液晶模塊、測量與監(jiān)控模塊、電流檢測模塊和鎳氫電池模塊組成。

圖1 系統(tǒng)的組成結構框圖

圖2 LTC6803-1的單體電壓與溫度測量電路原理圖

1.2 單片機模塊

本系統(tǒng)選用低功耗微處理器MSP430F149為控制核心。該單片機具有6個8位并行端口，且2個8位端口有中斷能力，內置一個10位AD 轉換器和60kB的FLASH。

1.3 測量與均衡模塊

測量與均衡模塊采用Linear公司生產的電池組監(jiān)控芯片LTC6803-1。LTC6803-1芯片內置一個12位ADC，一個精準電壓基準，一個高電壓輸入多路復用器和一個SPI串行接口，最多可測量12節(jié)串聯(lián)電池的電壓[4-5]。選用兩片電池管理芯片LTC6803-1，每片LTC6803-1負責監(jiān)控10節(jié)鎳氫電池。

1.3.1 單體電壓與溫度測量電路

采用LTC6803-1的第一組鎳氫電池模塊單體電壓與溫度測量電路原理圖見圖2。LTC6803-1的C0～C12引腳可測量12節(jié)電池的電壓。S1～S12引腳為均衡放電控制引腳。在本設計中只有C0～C10引腳接有鎳氫電池。LTC6803-1的VTEMP1、VTEMP2引腳為兩路溫度檢測引腳，采用100k負溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）實現(xiàn)溫度的測量。

1.3.2 均衡電路

礦用不間斷電源鎳氫電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)中的單節(jié)電池均衡電路如圖3所示。LTC6803-1的均衡放電控制引腳S（n）分別控制與每個鎳氫電池并聯(lián)的功率三極管T（n）和3.3放電均衡電阻，在充電過程中，當某個鎳氫電池的單體電壓超過芯片配置寄存器設定的上限值時，LTC6803-1自動控制開啟對應的功率三極管T（n），通過均衡電阻放電，直到所有電池均達到電壓上限值時為止，達到電壓均衡的目的。

圖3 均衡電路原理圖

1.4 電流檢測模塊

電流檢測是采用高精度電流檢測芯片MAX471來實現(xiàn)的。MAX471具有優(yōu)良的I/V轉換特性、完善的高端雙向電流靈敏放大器和內置檢流電阻。電流檢測電路如圖4所示。檢測電路輸出信號VOUT送MSP430單片機的A/D進行轉換和運算后得到電流值。

圖4 電流檢測電路原理圖

1.5 顯示模塊

管理系統(tǒng)的顯示模塊采用LCD12864點陣液晶顯示屏，用于顯示系統(tǒng)檢測的電池單體電壓、溫度和電流等狀態(tài)信息。

2.系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

系統(tǒng)軟件設計的核心任務是通過MSP430與LTC6803-1通信，采集電池單體電壓、電流、溫度等信息并在LCD12864上顯示出來，同時控制均衡電路，使電池組的電壓保持均衡。

3.測試結果與分析

本系統(tǒng)選用20節(jié)2300mAh鎳氫電池串聯(lián)構成鎳氫電池組進行測試。

充電均衡測試中，系統(tǒng)的均衡電壓上限設定為1.41V，電壓下限設定為1.39V，當鎳氫電池單體電壓超過1.41V時放電功率三極管打開，啟動電壓均衡，電壓低于1.39V時放電功率三極管關閉，停止均衡。充電模式選擇恒流-恒壓模式，最大充電電流為500mA，最高充電電壓為28.50V。整個充電測試過程中，最大均衡電流達到300mA，均衡電路動作偏差小于20mV。管理系統(tǒng)對20節(jié)鎳氫電池單體電壓和溫度的檢測時間約為60ms，能夠滿足對鎳氫電池組快速充、放電過程中電壓和溫度檢測速度的需要。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4.結論

本文設計的以MSP430單片機和LTC6803-1芯片為核心的礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了電壓均衡控制和單體電壓、電流和溫度等狀態(tài)的監(jiān)測。系統(tǒng)結構簡單、檢測精度高、速度快、均衡效果好，確保鎳氫電池組的安全使用，提高了儲能效率。本系統(tǒng)也可廣泛應用于電動工具、通信后備電源等領域。

參考文獻

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[5]徐朝勝，閆改珍，李進等.具有均衡控制功能的鋰電池管理系統(tǒng)設計[J].電源技術， 2013，37（6）：959-962.

基金項目：遼寧省教育廳基金項目（L2011096）、遼寧工業(yè)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（2013062）資助。