文章描述了鎳氫電池充放電原理和特性的分析,并根據(jù)鎳氫電池充放電管理需求,提出了一種基于C8051F單片機(jī)對(duì)多節(jié)鎳氫電池串聯(lián)電池組進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)和管理的方案,通過(guò)設(shè)計(jì):實(shí)現(xiàn)了新型電池管理電路,包括完整的硬件和軟件解決方案。

    隨著中國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展和礦山裝備技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)對(duì)煤礦甲烷安全監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)急救援系統(tǒng)等使用的后備電源的設(shè)備要求越來(lái)越高，尤其是其安全特性。作為煤礦用后備電源的重要的組成之一，鎳氫電池?zé)o論在安全性上，還是可靠性，成本等方面，都具有較大優(yōu)勢(shì)。鎳氫電池組是一個(gè)串聯(lián)的組成系統(tǒng)，其中任何單節(jié)電池?fù)p壞必將影響整個(gè)電池組，如何在保證鎳氫電池安全性能的同時(shí)，發(fā)揮電池自身最大的能量效率，這是礦用鎳氫電池管理系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的方向。

    1 鎳氫電池充放電原理

    鎳氫電池(金屬氫化物鎳蓄電池)采用儲(chǔ)氫合金，在充電的時(shí)候可以存儲(chǔ)數(shù)大量的氫氣形成金屬氫化物，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能;放電的時(shí)候又能將存儲(chǔ)的氫氣釋放，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。其基本電化學(xué)反應(yīng)為：Ni(OH)2+M〈=〉NiOH+MHab(式中：M為儲(chǔ)氫合金，Hab為吸收的氫氣)。

    在電池充電后期和充電結(jié)束時(shí)，還伴隨發(fā)生下列反應(yīng)：

    基于以上3個(gè)電化學(xué)反應(yīng)，鎳氫電池的充放電表現(xiàn)如下特性：

    1)充電電流取決于電池容量C。充電電流過(guò)大會(huì)使電池內(nèi)部壓力升高較快，電池自身的安全閥打開(kāi)，電池漏液，引起安全問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中，充電電流宜取0.1C。

    2)電池充電飽和后，極板上的物質(zhì)已經(jīng)全部中和，電池電壓不再上升而是略有下降。此時(shí)，若繼續(xù)大電流充電，將會(huì)大大影響電池的壽命，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓，一般單節(jié)電池不超過(guò)1.5 V。充電終止電壓與電流充電率、環(huán)境溫度、電池生產(chǎn)工藝等因素有關(guān)。

    3)電池放電結(jié)束后，極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)全部消耗。如果繼續(xù)對(duì)外放電，會(huì)造成負(fù)極析出的氫氣無(wú)法中和，電池內(nèi)部壓力上升，安全閥打開(kāi)，對(duì)外析氫，引起安全問(wèn)題。

    20節(jié)串聯(lián)鎳氫電池的充放電曲線如圖1所示。

    圖1 鎳氫電池組充放電曲線

    根據(jù)鎳氫電池的充放電特性，設(shè)計(jì)了一種新型的智能型鎳氫電池組管理電路，能夠支持多達(dá)20節(jié)鎳氫電池串聯(lián)的電池組管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單節(jié)電池和整體電池組的有效檢測(cè)與控制，可以更高效，更安全的完成鎳氫電池的充放電管理功能。

    2 鎳氫電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    采用由恒流充電電路，實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)電路，CPU控制電路和其他外圍電路共同構(gòu)成的鎳氫電池充放電管理系統(tǒng)。

    1)恒流充電電路

    恒流充電電路采用閉環(huán)控制和脈沖調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)充電電流的恒流負(fù)反饋控制。充電電路原理圖如圖2所示。

    圖2 充電電路原理圖

    CPU輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，控制NPN三極管5551的通斷，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管通斷的控制，達(dá)到電流控制的目的。同時(shí)CPU實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前電流值，并根據(jù)實(shí)時(shí)電流值閉環(huán)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)充電電流的恒流閉環(huán)調(diào)節(jié)。

    在一個(gè)PWM周期中，當(dāng)PWM信號(hào)為高時(shí)，低邊NPN三極管5551導(dǎo)通，使高邊NPN三極管5551基極拉低，三極管關(guān)斷，場(chǎng)效應(yīng)管門級(jí)變?yōu)榈碗娖剑瑘?chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷;當(dāng)PWM信號(hào)為低時(shí)，低邊NPN三極管5551關(guān)斷，高邊NPN三極管5551被上拉電阻拉高，三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管門級(jí)變?yōu)楦唠娖剑瑘?chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通;在每一個(gè)PWM周期中，重復(fù)以上過(guò)程。

    2)實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)電路

    針對(duì)煤礦產(chǎn)品的特點(diǎn)，鎳氫電池充放電管理系統(tǒng)應(yīng)至少能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)20節(jié)串聯(lián)電池組中任一單節(jié)電池的實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。要求檢測(cè)電壓范圍寬，精度高，響應(yīng)時(shí)間快等一系列特點(diǎn)，因此，必須對(duì)20節(jié)電池進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，減少實(shí)時(shí)誤差，并通過(guò)內(nèi)部軟件校正實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度要求。測(cè)量電路原理圖如3所示。

    圖3 實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)電路原理圖

    20節(jié)電池電壓經(jīng)過(guò)不同阻值的分壓電阻，進(jìn)入CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到不同AD采樣值，再通過(guò)內(nèi)部軟件恢復(fù)出實(shí)際的電壓值，相鄰電壓值之差即是單節(jié)電池電壓。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5組分壓電阻，實(shí)現(xiàn)了從1/3到1/20共5組分壓比。針對(duì)不同的電池電壓，將分壓后的電壓數(shù)據(jù)盡可能的包含在AD采樣的滿量程內(nèi)，提高了AD采樣的精度。簡(jiǎn)化AD外圍電路，不經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，直接進(jìn)入CPU的模擬采樣端口，消除了由外部器件差異引入的采樣誤差;通過(guò)CPU對(duì)模擬端口同時(shí)采樣，消除了由采樣時(shí)間差異引入的時(shí)差誤差。

    CPU選用的是Silicon公司推出的8051F5XX系列CPU，它內(nèi)部包括一個(gè)12 bit的ADC，且支持多達(dá)32個(gè)單端輸入，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

    3 鎳氫電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)考慮到采集單節(jié)電池電壓、實(shí)時(shí)電流、電池溫度、記錄充電時(shí)間以及電壓變化量等參數(shù)，綜合判斷當(dāng)前電池狀態(tài)，控制電池充放電啟動(dòng)和結(jié)束，并實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有單節(jié)電池異常、短路、溫度異常、放電大電流、充電大電流等多種異常情況，對(duì)外輸出電池基本狀態(tài)信息和報(bào)警信號(hào)。軟件按功能可分為PWM控制模塊、計(jì)時(shí)模塊以及電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)模塊等幾部分。

    管理系統(tǒng)工作時(shí)，CPU首先判斷是否外接負(fù)載(放電)或外接電源(充電)。當(dāng)檢測(cè)到外接負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)放電場(chǎng)效應(yīng)管，鎳氫電池對(duì)外放電。在放電過(guò)程中，CPU不斷檢測(cè)放電電流和單節(jié)電池電壓，當(dāng)監(jiān)測(cè)到過(guò)高的放電電流或負(fù)載短路時(shí)，CPU立即關(guān)斷放電回路，并持續(xù)對(duì)外報(bào)警;當(dāng)監(jiān)測(cè)到單節(jié)電池電壓低于額定門限(1.0 V)時(shí)，CPU立即關(guān)斷放電回路。

    當(dāng)管理系統(tǒng)檢測(cè)到外接電源時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)。CPU輸出PWM波形控制充電場(chǎng)效應(yīng)管，并不斷檢測(cè)充電電流，實(shí)時(shí)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)充電恒流控制目的。在放電過(guò)程中，CPU不斷檢測(cè)充電電流和單節(jié)電池電壓，當(dāng)監(jiān)測(cè)到過(guò)高的充電電流或負(fù)載短路時(shí)，CPU立即關(guān)斷充電回路，并持續(xù)對(duì)外報(bào)警;當(dāng)監(jiān)測(cè)到單節(jié)電池電壓高于額定門限(1.5 V)時(shí)，CPU立即關(guān)斷充電回路。

    系統(tǒng)軟件的核心部分為AD數(shù)據(jù)處理和PWM閉環(huán)控制兩個(gè)模塊。下面給出這兩部分的相應(yīng)程序，編譯環(huán)境為Silicon Laboratories IDE。

    AD數(shù)據(jù)處理模塊程序代碼，以充電電流數(shù)據(jù)濾波處理為例：

    4 結(jié)論

    設(shè)計(jì)了一款基于C8051F的鎳氫電池管理系統(tǒng)，支持最高20節(jié)鎳氫電池串聯(lián)電池組，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)每一只單體電池電壓，充放電電流等參數(shù)。通過(guò)簡(jiǎn)化外部采樣電路，使用高精度ADC和CPU內(nèi)部參考電平，通過(guò)優(yōu)化軟件參數(shù)和濾波算法，在實(shí)際工程應(yīng)用中達(dá)到了0.01 V的采樣精度，誤差≤1 mV。建立了電池組管理系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)模型，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)電池的不同類型和使用工況條件仍需要進(jìn)一步完善和研究。