賈俊霞李一文時慧喆

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

煤礦井下皮帶軌道巡檢機器人應(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]。兩種巡檢機器人都內(nèi)置有電池組，為機器人本安電源模塊供電，輸出本安電源供機器人本體的煙霧、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)式巡檢機器人采用雙組或多組電池組供電，輸出非本安電源供機器人行走電機使用，具有沿軌道自主行走、自主充電、長時定點駐足、安裝成本低等優(yōu)點。電池組采用鎳氫電池，具有能量密度大、壽命長的優(yōu)點[2-3]。電池組采用整體灌封設(shè)計，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器人整體重量過大[4]。鎳氫電池組在大電流充放電時自身溫度上升較快，灌封后熱量存在積聚風(fēng)險，對電池組進行合理的充電設(shè)計及溫度保護可有效保證巡檢機器人的續(xù)航能力及使用壽命。鑒于此，本文提出一種具有溫度分級熱保護功能的充電電路設(shè)計，針對巡檢機器人灌封鎳氫電池組進行多重溫度保護。

1 常用充電及溫度保護電路原理與缺點

鎳氫電池組溫度保護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:每兩節(jié)或四節(jié)單體電池之間布置一個溫度開關(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)檢測到某一節(jié)單體電池溫度超溫后動作，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)阻達到0.6 Ω。電池組在平均4 A 電流輸出時的回路功耗最高可達9.6 W，消弱了鎳氫電池組的續(xù)航能力。另外，溫度開關(guān)動作及恢復(fù)時的閾值誤差較大，不利于對電池組進行精準溫度保護。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配合的方式[5-7]，充電芯片進行電源變換對電池充電，單片機實現(xiàn)電壓、溫度采集并對電池組進行保護，這種方式適合單電池組充電場合[8-9]。自驅(qū)式巡檢機器人多電池組之間需要電氣隔離，且灌封后要對電池進行多重溫度保護，以防單片機死機引起溫度監(jiān)測失效，普通充電方案無法滿足應(yīng)用需求。因此設(shè)計了一種具有隔離充電、直接溫度調(diào)節(jié)、超溫保護及故障自恢復(fù)功能的充電電路。

2 方案設(shè)計

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，電池組標稱輸出電壓為28.8 V?？紤]成本及安裝調(diào)試便利性，使用NTC1～NTC12 共12 只溫度測量電阻對每兩節(jié)單體電池進行超溫保護，充電電流根據(jù)電池包中心電池溫度進行分級調(diào)節(jié)。

為實現(xiàn)巡檢機器人兩電池組之間充電時的可靠電氣隔離，同時適應(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撲。充電方式為兩段式即恒流-最大電壓法[10]，反激開關(guān)電源實現(xiàn)恒流階段充電，單片機STM32F030 實時采集電池電壓，鎳氫電池恒流充電至最大電壓時，由單片機發(fā)出停止充電命令，完成鎳氫電池充電。

3 電池組超溫斷電及故障自恢復(fù)

針對常用溫度保護電路自身內(nèi)阻大、功耗高、檢測不靈敏等缺點，設(shè)計低功耗超溫斷電及故障自恢復(fù)電路，當溫度超過保護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 超溫斷電及自恢復(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 溝道增強型場效應(yīng)管SQM40031EL 組成“電子開關(guān)”，電流可雙向流動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 時僅為3.1 mΩ，在4 A 電池電流下PMOS 管的自身功耗＜0.05 W，遠遠小于采用溫控開關(guān)串聯(lián)時的功耗。D2～D4、NTC1、Q3 及外圍電阻電容器件等構(gòu)成超溫保護及故障自恢復(fù)電路模塊，D2、D3 為2.5 V 電壓基準TL431，其在-40 ℃～120 ℃的溫度范圍內(nèi)輸出電壓的變化范圍＜7 mV，運算放大器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 電源供后級電路使用，D4 單獨構(gòu)成2.5 V 精準電源供測溫電路使用。NTC1 為電池測溫電阻，選用10 kΩ-3950 型負溫度系數(shù)熱敏電阻。

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

式中:RNTC1為NTC1 測溫電阻的阻值，VTL431為電壓基準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，NTC1 阻值降低，溫度測量輸出電壓Vtemp1升高，當其大于VT+時，D2B 輸出低電平0 V，Q3 關(guān)斷，Q1 及Q2 因柵極電壓升高同時關(guān)斷，進而切斷電池組主電源輸出；當溫度回落時，NTC1 阻值升高，溫度測量輸出電壓Vtemp1降低，當其小于VT-時，D2B 輸出高電平5 V，Q3 導(dǎo)通，Q1 及Q2 因柵極電壓降低同時導(dǎo)通，進而接通電池組主電源輸出，由此可實現(xiàn)電池組超溫斷電及故障自恢復(fù)功能。此功能電路為三極管集電極開路OC 輸出，可使用多個功能電路輸出并接達到檢測多節(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)計需要的超溫保護及故障恢復(fù)溫度值。

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

4 充電電流分級熱調(diào)節(jié)

如圖4 所示，充電電路采用專用開關(guān)電源芯片UC3842 進行控制，利用U2 光耦對電流進行反饋使開關(guān)電源工作在恒流模式。Q1 為開關(guān)電源次級同步整流控制NMOS 管，次級工作在同步整流模式，避免采用二極管整流時因壓降較大造成過多熱損耗。U6 為充電電流檢測放大芯片INA195，放大倍數(shù)為100 V/V，INA195 對充電電流檢流電阻R9兩端的電壓信號進行放大后輸入運算放大器U5B 的反向輸入端進行電流反饋[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，進而調(diào)節(jié)充電電流。

圖4 充電電流分級熱調(diào)節(jié)電路原理圖

溫度傳感器NTC13、電壓基準D2、運算放大器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，以感測電池組的最高溫度。電阻R17、R21、R23進行分壓得到兩級超溫保護閾值Vpre1、Vpre2并通過運算放大器U4A 與溫度測量輸出電壓Vtemp2進行比較，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；

一級超溫:電池組溫度升高時，溫度測量輸出電壓Vtemp2升高，當其大于Vpre1時，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；

二級超溫:溫度繼續(xù)升高，Vtemp2繼續(xù)升高，大于VT+pre2時，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，由此實現(xiàn)充電電流的溫度分級調(diào)節(jié)。

ChargeDisable 為充電電路禁能接口，輸入高電平時，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STM32F030 實時監(jiān)測充電電壓，當電壓高于軟件預(yù)設(shè)值時輸出高電平信號給ChargeDisable 接口，同時輸出充電完成信號切斷充電電源，完成充電。

將電池組超溫斷電及故障自恢復(fù)電路與充電電流分級調(diào)節(jié)電路串聯(lián)使用，可實現(xiàn)電池組充電過程中的分級熱保護功能，隨溫度升高分級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，并減小電池損耗。

5 試驗測試

為驗證超溫保護電路及自恢復(fù)電路和充電電流分級熱調(diào)節(jié)電路的可靠性，對兩個電路分別進行試驗驗證。

(1)設(shè)計電池組超溫保護閾值溫度為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，計算得知VREF=1.78 V。將超溫斷電及自恢復(fù)保護電路設(shè)計成12 路溫度保護電路板，將12 只片式NTC 布置在24 節(jié)電池組的每兩節(jié)單體電池之間，將測試裝置置于恒溫箱內(nèi)進行試驗。恒溫箱從45 ℃開始升溫，高于65 ℃后降低溫度，低于30 ℃時試驗結(jié)束，溫度變化速率±0.5 ℃/min。使用EX3016 溫度巡檢儀實時記錄12 路溫度值，試驗進行6 次，測試電池輸出關(guān)斷及恢復(fù)時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 的測試數(shù)據(jù)可以得出:電池組超溫斷電及故障自恢復(fù)電路斷電及恢復(fù)溫度與設(shè)計值誤差在±1.2 ℃范圍內(nèi)，遠小于采用溫控開關(guān)時的溫度偏差值。

表1 超溫斷電及自恢復(fù)保護電路測試數(shù)據(jù)

(2)將充電電流分級熱調(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，計算得到電流調(diào)節(jié)點溫度值分別為35 ℃和42 ℃。將充電電路及鎳氫電池置于25 ℃恒溫箱內(nèi)，使用EX3016 溫度巡檢儀測量NTC 布置點溫度，每5 min 記錄溫度及充電電流，測試曲線如圖5 所示。

測試曲線表明:在135 min 的電池組充電過程中，分級熱調(diào)節(jié)電路可根據(jù)設(shè)定溫度閾值對充電電流自動分級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)溫度點分別為34.7 ℃和41.8 ℃，達到了設(shè)計目的。

電池組超溫斷電及故障自恢復(fù)電路和充電電流分級熱調(diào)節(jié)電路兩者相結(jié)合，可實現(xiàn)對鎳氫電池組的充電分級熱調(diào)節(jié)及保護。

6 結(jié)語

本文詳細分析了具有分級熱保護功能的巡檢機器人鎳氫電池組充電電路的工作原理，對電路功能進行了試驗驗證。結(jié)果表明，具有分級熱保護功能的充電電路電流調(diào)節(jié)可靠、溫度保護精準。本設(shè)計已應(yīng)用在自驅(qū)式巡檢機器人澆封兼本安型電池箱內(nèi)，工作穩(wěn)定可靠。