0 引言

　　礦用不間斷電源是為礦山井下環(huán)境監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和通信等電子系統(tǒng)供電的重要設(shè)備，能夠保證在礦井交流供電系統(tǒng)意外停電時(shí)礦井環(huán)境監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和通信系統(tǒng)的正常供電，避免因交流供電系統(tǒng)停止工作而造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。礦用不間斷電源的性能對(duì)礦山井下電子系統(tǒng)的正常工作起到關(guān)鍵性作用[1-3]。因此，礦用不間斷電源應(yīng)具有多路穩(wěn)壓輸出、備用電池不間斷供電、過壓過流保護(hù)和電池管理等功能[4]。鎳氫電池由于具有良好的使用安全性，在不間斷電源中被廣泛用作備用電池，而現(xiàn)有的礦用不間斷電源對(duì)備用電池的管理只具備基本的防過充、過放功能，給井下直流供電系統(tǒng)帶來(lái)了安全隱患。本設(shè)計(jì)采用低功耗16位單片機(jī)MSP430F149為控制核心，將鎳氫電池組監(jiān)控管理技術(shù)應(yīng)用到礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了不間斷雙路穩(wěn)壓輸出和備用電池管理功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　礦用不間斷電源的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由變壓器、整流濾波模塊、充電模塊、備用電池組、電池管理模塊、切換模塊、DC/DC模塊和保護(hù)模塊組成。

　　礦山井下交流供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)一般為127 V/220 V/380 V AC，為了兼容3種不同的輸入電壓，采用輸入多抽頭變壓器，變壓器輸出為雙路，一路輸出用于備用電池組充電，另一路輸出作為DC/DC模塊的輸入。電池管理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)備用電池組的工作狀態(tài)，包括單體電壓、溫度和工作電流，并對(duì)備用電池組進(jìn)行電壓均衡控制，避免備用電池組單體過壓、過充電、過放電和溫度過高，提高電池組的有效儲(chǔ)能容量。備用電池切換模塊負(fù)責(zé)在交流供電系統(tǒng)斷電時(shí)將電源切換到由備用電池組供電狀態(tài)。電源經(jīng)兩路DC/DC模塊的穩(wěn)壓和保護(hù)模塊的過壓、過流保護(hù)后輸出直流12 V和18 V向負(fù)載供電。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 變壓器和整流濾波模塊的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)電源系統(tǒng)的輸入電壓等級(jí)和輸出功率等要求，選用R型變壓器，容量為50 VA，26 V/1.3 A和28 V/1 A雙路輸出。R型變壓器具有噪聲低、漏磁小、空載電流小、鐵損低、效率高等優(yōu)點(diǎn)；并且由于線圈是圓柱形，與環(huán)形變壓器相比，每圈的銅線長(zhǎng)度短、內(nèi)阻小、銅耗低、溫升低、過載波動(dòng)小。另外，初、次級(jí)線圈采用骨架分別繞制，從而耐壓等級(jí)高，安全性好。整流濾波模塊采用兩個(gè)全橋整流電路，電容濾波。

　　2.2 備用電池和充電模塊的設(shè)計(jì)

　　本電源的備用電池采用鎳氫電池。鎳氫電池是一種性能穩(wěn)定的儲(chǔ)能元件，具有高比能量、放電電流大、體積小、污染小、安全性好、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。鎳氫電池的單體額定電壓只有1.4 V，因此在實(shí)用中必須串聯(lián)構(gòu)成電池組使用。為保證不間斷電源可連續(xù)供電2 h以上，本系統(tǒng)選用20節(jié)2 300 mAh的鎳氫電池串聯(lián)組成備用電池。

　　充電模塊采用恒壓限流充電方式對(duì)鎳氫電池組充電。電路采用LM317穩(wěn)壓，將充電電壓恒定在29 V，最大充電電流為0.5 A。備用電池前端采用雙向精密電流放大器MAX472設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)電路，用于電池組的充、放電電流檢測(cè)，將電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，如圖2所示。利用微處理器MSP430F149對(duì)電流檢測(cè)放大器輸出的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)電流超過設(shè)置值時(shí)，單片機(jī)控制充、放電開關(guān)，停止充電或者放電，起到充、放電保護(hù)作用，避免由于過充電和過放電對(duì)電池組造成的損害，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

　　2.3 電池管理模塊設(shè)計(jì)

　　電池管理模塊主要由MSP430F149單片機(jī)、LCD顯示電路、電壓均衡電路和監(jiān)測(cè)電路組成。采用Linear公司的電池組監(jiān)控管理芯片LTC6803-3來(lái)完成鎳氫電池單體電壓與溫度的測(cè)量。LTC6803-3芯片內(nèi)置一個(gè)12位ADC、一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)SPI串行接口，最多可測(cè)量12節(jié)串聯(lián)電池的電壓[5]。選用兩片LTC6803-3，每片LTC6803-3負(fù)責(zé)監(jiān)控10節(jié)鎳氫電池。采用LTC6803-3的第一組鎳氫電池模塊（10節(jié)）單體電壓與溫度測(cè)量電路如圖3所示。

　　LTC6803-3的C0～C12引腳可測(cè)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(shè)計(jì)中只有C0～C10引腳接有鎳氫電池。LTC6803-3的VTEMP1、VTEMP2引腳為兩路溫度檢測(cè)引腳，采用100 k負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

　　單片機(jī)MSP430F149通過SPI串行總線與LTC6803-3通信，采集溫度、電壓、電流等信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部處理后顯示在LCD12864顯示屏上，并將采集到的信號(hào)與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的單體電壓上限值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制單節(jié)電池的電壓均衡，防止電壓不均衡對(duì)鎳氫電池組造成的影響，提高鎳氫電池組的運(yùn)行安全性和儲(chǔ)能效率。

　　電壓均衡電路采用開關(guān)電阻法均衡，可根據(jù)均衡電流的大小來(lái)選擇均衡電阻的阻值，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。LTC6803-3的均衡放電控制引腳Sn分別控制與每個(gè)鎳氫電池并聯(lián)的功率三極管Tn和3.3 ?贅放電均衡電阻，在充電過程中，當(dāng)某個(gè)鎳氫電池的單體電壓超過芯片配置寄存器設(shè)定的上限值時(shí)，LTC6803-3自動(dòng)控制開啟對(duì)應(yīng)的功率三極管Tn，通過均衡電阻放電，直到所有電池均低于電壓上限值時(shí)為止，達(dá)到電壓均衡的目的。

　　2.4 DC/DC穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

　　DC/DC穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)采用集成開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576-ADJ，穩(wěn)壓后輸出18 V和12 V，具有外圍器件少、電路簡(jiǎn)潔、電源寬范圍連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。電源效率達(dá)到80%以上，發(fā)熱小，使整機(jī)的重量和體積有所減小。采用LM2576-ADJ的DC/DC穩(wěn)壓模塊電路如圖4所示。

　　2.5 保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

　　保護(hù)模塊具有過壓保護(hù)和過流保護(hù)功能，使電源的輸出電壓、電流不會(huì)超過設(shè)定值。保護(hù)電路主要采用比較器LM339、精密電壓基準(zhǔn)LM336Z和P溝道功率MOSFET IRF9530設(shè)計(jì)。以功率MOSFET IRF9530作為電源輸出開關(guān)，由LM336Z提供5 V電壓基準(zhǔn)，經(jīng)電阻分壓后作為過壓、過流的比較閾值。當(dāng)電源輸出端電壓采樣值或輸出電流檢測(cè)電阻的電流檢測(cè)值超過閾值時(shí)，比較器立即關(guān)斷電源輸出端的開關(guān)管IRF9530，停止輸出，起到過壓保護(hù)和過流保護(hù)作用。本設(shè)計(jì)采用了雙重過壓過流保護(hù)，從而大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是通過MSP430與LTC6803-3通信，采集電池單體電壓、電流和溫度等信息，并在LCD12864上顯示，同時(shí)控制電壓均衡電路，使電池組的電壓保持均衡。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

　　依據(jù)國(guó)家煤炭行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]，礦用不間斷直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)包括：輸出電壓偏離值不超過±5%，負(fù)載效應(yīng)≤5%，源效應(yīng)≤5%，周期與隨機(jī)偏移峰峰值≤250 mV。本電源的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　電池管理功能測(cè)試分為單體電壓采集測(cè)試與電壓均衡測(cè)試。單體電壓采集測(cè)試是將系統(tǒng)中LTC6803-3測(cè)量的單體電壓值與F17B萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比及分析，單體電壓采集測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，LTC6803-3的單體電壓測(cè)量誤差小于10 mV。

　　電壓均衡測(cè)試中，系統(tǒng)的均衡電壓設(shè)定為1.350 V，當(dāng)鎳氫電池單體電壓超過1.360 V時(shí)放電功率開關(guān)管打開，啟動(dòng)電壓均衡；電壓低于1.340 V時(shí)放電功率開關(guān)管關(guān)閉，停止均衡。充電模式選擇恒流-恒壓模式，最大充電電流為500 mA，最高充電電壓為28.50 V。整個(gè)充電測(cè)試過程中，最大均衡電流達(dá)到200 mA。對(duì)其中10節(jié)鎳氫電池均衡前后分別進(jìn)行測(cè)量，可得到如表3所示的數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，均衡后單體間電壓偏差小于20 mV。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)現(xiàn)了雙路穩(wěn)壓輸出和過壓、過流保護(hù)功能，不間斷供電時(shí)間不低于2 h，并具有備用電池管理功能。該電源已通過國(guó)家礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)單位的檢驗(yàn)，并投入使用，實(shí)際工作性能良好。本電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，同時(shí)具有對(duì)電池組進(jìn)行過充電、過放電、過溫保護(hù)和電壓均衡等功能，運(yùn)行安全可靠，能夠滿足礦山井下電子系統(tǒng)供電的需要，具有重要的實(shí)用意義。

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