賈俊霞李一文時(shí)慧喆

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院人工智能學(xué)院，重慶 402160；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.山東科技大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，山東 青島 266590)

煤礦井下皮帶軌道巡檢機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛，按行走方式分類，主要有鋼絲繩牽引式及自驅(qū)式[1]。兩種巡檢機(jī)器人都內(nèi)置有電池組，為機(jī)器人本安電源模塊供電，輸出本安電源供機(jī)器人本體的煙霧、一氧化碳、甲烷、聲壓等本安傳感器及攝像儀等設(shè)備供電。自驅(qū)式巡檢機(jī)器人采用雙組或多組電池組供電，輸出非本安電源供機(jī)器人行走電機(jī)使用，具有沿軌道自主行走、自主充電、長時(shí)定點(diǎn)駐足、安裝成本低等優(yōu)點(diǎn)。電池組采用鎳氫電池，具有能量密度大、壽命長的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。電池組采用整體灌封設(shè)計(jì)，既可滿足GB3836 相關(guān)安全要求，又可避免采用防爆外殼造成機(jī)器人整體重量過大[4]。鎳氫電池組在大電流充放電時(shí)自身溫度上升較快，灌封后熱量存在積聚風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電池組進(jìn)行合理的充電設(shè)計(jì)及溫度保護(hù)可有效保證巡檢機(jī)器人的續(xù)航能力及使用壽命。鑒于此，本文提出一種具有溫度分級(jí)熱保護(hù)功能的充電電路設(shè)計(jì)，針對(duì)巡檢機(jī)器人灌封鎳氫電池組進(jìn)行多重溫度保護(hù)。

1 常用充電及溫度保護(hù)電路原理與缺點(diǎn)

鎳氫電池組溫度保護(hù)大多采用在電池組輸出主回路中串聯(lián)溫度開關(guān)的方式:每?jī)晒?jié)或四節(jié)單體電池之間布置一個(gè)溫度開關(guān)，再將所有溫度開關(guān)串聯(lián)在電池組主輸出回路中。溫度開關(guān)檢測(cè)到某一節(jié)單體電池溫度超溫后動(dòng)作，切斷電池組的電源輸出；溫度降低到一定值后，溫度開關(guān)復(fù)位，接通電池組的電源輸出。

溫度開關(guān)布置方式及原理圖如圖1 所示。

圖1 溫度開關(guān)布置示意圖及原理圖

以BWE55 溫度開關(guān)為例，其內(nèi)阻約為50 mΩ，動(dòng)作溫度為55±5 ℃，復(fù)位溫度為42±6 ℃。24 節(jié)電池組主回路中如串接12 只BWE55 溫度開關(guān)，其總內(nèi)阻達(dá)到0.6 Ω。電池組在平均4 A 電流輸出時(shí)的回路功耗最高可達(dá)9.6 W，消弱了鎳氫電池組的續(xù)航能力。另外，溫度開關(guān)動(dòng)作及恢復(fù)時(shí)的閾值誤差較大，不利于對(duì)電池組進(jìn)行精準(zhǔn)溫度保護(hù)。減少溫控開關(guān)串聯(lián)數(shù)量可減小回路功耗，但無法監(jiān)測(cè)每一節(jié)電池溫度，存在安全隱患。

鎳氫電池充電電路大多采用電池充電芯片與單片機(jī)配合的方式[5-7]，充電芯片進(jìn)行電源變換對(duì)電池充電，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓、溫度采集并對(duì)電池組進(jìn)行保護(hù)，這種方式適合單電池組充電場(chǎng)合[8-9]。自驅(qū)式巡檢機(jī)器人多電池組之間需要電氣隔離，且灌封后要對(duì)電池進(jìn)行多重溫度保護(hù)，以防單片機(jī)死機(jī)引起溫度監(jiān)測(cè)失效，普通充電方案無法滿足應(yīng)用需求。因此設(shè)計(jì)了一種具有隔離充電、直接溫度調(diào)節(jié)、超溫保護(hù)及故障自恢復(fù)功能的充電電路。

2 方案設(shè)計(jì)

鎳氫電池組采用24 節(jié)8.5 Ah/1.2 V/-20 ℃～70 ℃高溫單體電池串聯(lián)方式，電池組標(biāo)稱輸出電壓為28.8 V。考慮成本及安裝調(diào)試便利性，使用NTC1～NTC12 共12 只溫度測(cè)量電阻對(duì)每?jī)晒?jié)單體電池進(jìn)行超溫保護(hù)，充電電流根據(jù)電池包中心電池溫度進(jìn)行分級(jí)調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人兩電池組之間充電時(shí)的可靠電氣隔離，同時(shí)適應(yīng)較寬的充電供電電壓范圍，開關(guān)電源采用隔離反激變換拓?fù)?。充電方式為兩段式即恒?最大電壓法[10]，反激開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)恒流階段充電，單片機(jī)STM32F030 實(shí)時(shí)采集電池電壓，鎳氫電池恒流充電至最大電壓時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出停止充電命令，完成鎳氫電池充電。

3 電池組超溫?cái)嚯娂肮收献曰謴?fù)

針對(duì)常用溫度保護(hù)電路自身內(nèi)阻大、功耗高、檢測(cè)不靈敏等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)低功耗超溫?cái)嚯娂肮收献曰謴?fù)電路，當(dāng)溫度超過保護(hù)閾值后斷開電池組電源輸出，溫度回落后接通電池組電源輸出。原理圖如圖3所示。

圖3 超溫?cái)嚯娂白曰謴?fù)電路原理圖

為盡量減小電池輸出主回路的功耗，Q1 及Q2選用具有超低導(dǎo)通電阻的P 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管SQM40031EL 組成“電子開關(guān)”，電流可雙向流動(dòng)滿足充放電電流方向不一致的需求，Q1 及Q2 典型導(dǎo)通電阻RDS在VGS=-10 V 時(shí)僅為3.1 mΩ，在4 A 電池電流下PMOS 管的自身功耗＜0.05 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用溫控開關(guān)串聯(lián)時(shí)的功耗。D2～D4、NTC1、Q3 及外圍電阻電容器件等構(gòu)成超溫保護(hù)及故障自恢復(fù)電路模塊，D2、D3 為2.5 V 電壓基準(zhǔn)TL431，其在-40 ℃～120 ℃的溫度范圍內(nèi)輸出電壓的變化范圍＜7 mV，運(yùn)算放大器LM358 在0～70 ℃溫度范圍內(nèi)的最大輸入偏置電壓也只有7 mV，兩種器件都具有較小的溫漂值[11]。D3 與R5、R13組成5 V 電源供后級(jí)電路使用，D4 單獨(dú)構(gòu)成2.5 V 精準(zhǔn)電源供測(cè)溫電路使用。NTC1 為電池測(cè)溫電阻，選用10 kΩ-3950 型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。

D2A 與NTC1、R11、R14及R15構(gòu)成溫度測(cè)量及同相比例放大電路，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，NTC1 電阻值下降，R14兩端電壓升高，運(yùn)算放大器D2A 的8 腳輸出電壓升高，其溫度測(cè)量輸出電壓Vtemp1為:

式中:RNTC1為NTC1 測(cè)溫電阻的阻值，VTL431為電壓基準(zhǔn)2.5 V。

D2B 與R8、R9構(gòu)成電壓遲滯比較電路，根據(jù)輸出電壓的不同值(VOH或VOL)可以分別求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT-分別為:

式中:VREF為門限比較參考電壓值

VOL、VOH分別為0 V、5 V。

溫度升高時(shí)，NTC1 阻值降低，溫度測(cè)量輸出電壓Vtemp1升高，當(dāng)其大于VT+時(shí)，D2B 輸出低電平0 V，Q3 關(guān)斷，Q1 及Q2 因柵極電壓升高同時(shí)關(guān)斷，進(jìn)而切斷電池組主電源輸出；當(dāng)溫度回落時(shí)，NTC1 阻值升高，溫度測(cè)量輸出電壓Vtemp1降低，當(dāng)其小于VT-時(shí)，D2B 輸出高電平5 V，Q3 導(dǎo)通，Q1 及Q2 因柵極電壓降低同時(shí)導(dǎo)通，進(jìn)而接通電池組主電源輸出，由此可實(shí)現(xiàn)電池組超溫?cái)嚯娂肮收献曰謴?fù)功能。此功能電路為三極管集電極開路OC 輸出，可使用多個(gè)功能電路輸出并接達(dá)到檢測(cè)多節(jié)電池的目的。根據(jù)NTC 分度表并選擇式(1)～式(2)中合適的電阻值可設(shè)計(jì)需要的超溫保護(hù)及故障恢復(fù)溫度值。

另外，S1 可接入手動(dòng)旋鈕開關(guān)，在電池不需要工作時(shí)可切斷電池溫度檢測(cè)模塊及電池主電源輸出，防止電池長時(shí)間不使用造成電池過放。

4 充電電流分級(jí)熱調(diào)節(jié)

如圖4 所示，充電電路采用專用開關(guān)電源芯片UC3842 進(jìn)行控制，利用U2 光耦對(duì)電流進(jìn)行反饋使開關(guān)電源工作在恒流模式。Q1 為開關(guān)電源次級(jí)同步整流控制NMOS 管，次級(jí)工作在同步整流模式，避免采用二極管整流時(shí)因壓降較大造成過多熱損耗。U6 為充電電流檢測(cè)放大芯片INA195，放大倍數(shù)為100 V/V，INA195 對(duì)充電電流檢流電阻R9兩端的電壓信號(hào)進(jìn)行放大后輸入運(yùn)算放大器U5B 的反向輸入端進(jìn)行電流反饋[12]。調(diào)整U5B 的同相輸入端電壓參考值Viref可調(diào)整電流反饋值，進(jìn)而調(diào)節(jié)充電電流。

圖4 充電電流分級(jí)熱調(diào)節(jié)電路原理圖

溫度傳感器NTC13、電壓基準(zhǔn)D2、運(yùn)算放大器U4 及外圍電阻電容等器件組成溫度調(diào)節(jié)模塊。NTC13 布置在電池封包最中間的單體電池之間，以感測(cè)電池組的最高溫度。電阻R17、R21、R23進(jìn)行分壓得到兩級(jí)超溫保護(hù)閾值Vpre1、Vpre2并通過運(yùn)算放大器U4A 與溫度測(cè)量輸出電壓Vtemp2進(jìn)行比較，三者電壓分別為:

正常充電:Q5 及Q6 處于關(guān)斷狀態(tài)，Viref由R3及R5分壓得到4 V，充電電流恒定為4 A；

一級(jí)超溫:電池組溫度升高時(shí)，溫度測(cè)量輸出電壓Vtemp2升高，當(dāng)其大于Vpre1時(shí)，U5B 輸出高電平5 V，Q5 導(dǎo)通，Viref減小為2.04 V，充電電流減小為約2 A；

二級(jí)超溫:溫度繼續(xù)升高，Vtemp2繼續(xù)升高，大于VT+pre2時(shí)，U4B 輸出5 V 高電平，Q6 導(dǎo)通，Viref減小為0.996 V，充電電流減小為約1 A，由此實(shí)現(xiàn)充電電流的溫度分級(jí)調(diào)節(jié)。

ChargeDisable 為充電電路禁能接口，輸入高電平時(shí)，反饋光耦U2 一直導(dǎo)通，將UC3842 鎖定在關(guān)閉狀態(tài)，停止PWM 輸出。單片機(jī)STM32F030 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電壓，當(dāng)電壓高于軟件預(yù)設(shè)值時(shí)輸出高電平信號(hào)給ChargeDisable 接口，同時(shí)輸出充電完成信號(hào)切斷充電電源，完成充電。

將電池組超溫?cái)嚯娂肮收献曰謴?fù)電路與充電電流分級(jí)調(diào)節(jié)電路串聯(lián)使用，可實(shí)現(xiàn)電池組充電過程中的分級(jí)熱保護(hù)功能，隨溫度升高分級(jí)減小充電電流及溫度超限后停止充電，防止電池組因溫度過高引起熱失控，并減小電池?fù)p耗。

5 試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證超溫保護(hù)電路及自恢復(fù)電路和充電電流分級(jí)熱調(diào)節(jié)電路的可靠性，對(duì)兩個(gè)電路分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)設(shè)計(jì)電池組超溫保護(hù)閾值溫度為55 ℃(NTC1 電阻值為2.98 kΩ)，故障恢復(fù)溫度為40 ℃(NTC1 電阻值為5.3 kΩ)，圖2 中設(shè)置R4=27.4 kΩ，R12=15.15 kΩ，計(jì)算得知VREF=1.78 V。將超溫?cái)嚯娂白曰謴?fù)保護(hù)電路設(shè)計(jì)成12 路溫度保護(hù)電路板，將12 只片式NTC 布置在24 節(jié)電池組的每?jī)晒?jié)單體電池之間，將測(cè)試裝置置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。恒溫箱從45 ℃開始升溫，高于65 ℃后降低溫度，低于30 ℃時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，溫度變化速率±0.5 ℃/min。使用EX3016 溫度巡檢儀實(shí)時(shí)記錄12 路溫度值，試驗(yàn)進(jìn)行6 次，測(cè)試電池輸出關(guān)斷及恢復(fù)時(shí)的最大偏差溫度值數(shù)據(jù)如下。

圖2 方案原理框圖

通過表1 的測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出:電池組超溫?cái)嚯娂肮收献曰謴?fù)電路斷電及恢復(fù)溫度與設(shè)計(jì)值誤差在±1.2 ℃范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于采用溫控開關(guān)時(shí)的溫度偏差值。

表1 超溫?cái)嚯娂白曰謴?fù)保護(hù)電路測(cè)試數(shù)據(jù)

(2)將充電電流分級(jí)熱調(diào)節(jié)電路中NTC13 布置在電池封包最中心兩節(jié)單體電池之間，圖3 中設(shè)置R4=30.8 kΩ，R12=2.4 kΩ，R23=10.2 kΩ，計(jì)算得到電流調(diào)節(jié)點(diǎn)溫度值分別為35 ℃和42 ℃。將充電電路及鎳氫電池置于25 ℃恒溫箱內(nèi)，使用EX3016 溫度巡檢儀測(cè)量NTC 布置點(diǎn)溫度，每5 min 記錄溫度及充電電流，測(cè)試曲線如圖5 所示。

測(cè)試曲線表明:在135 min 的電池組充電過程中，分級(jí)熱調(diào)節(jié)電路可根據(jù)設(shè)定溫度閾值對(duì)充電電流自動(dòng)分級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)溫度點(diǎn)分別為34.7 ℃和41.8 ℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

電池組超溫?cái)嚯娂肮收献曰謴?fù)電路和充電電流分級(jí)熱調(diào)節(jié)電路兩者相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳氫電池組的充電分級(jí)熱調(diào)節(jié)及保護(hù)。

6 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了具有分級(jí)熱保護(hù)功能的巡檢機(jī)器人鎳氫電池組充電電路的工作原理，對(duì)電路功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，具有分級(jí)熱保護(hù)功能的充電電路電流調(diào)節(jié)可靠、溫度保護(hù)精準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用在自驅(qū)式巡檢機(jī)器人澆封兼本安型電池箱內(nèi)，工作穩(wěn)定可靠。