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文章描述了鎳氫電池充放電原理和特性的分析,并根據鎳氫電池充放電管理需求,提出了一種基于C8051F單片機對多節鎳氫電池串聯(lián)電池組進(jìn)行綜合監測和管理的方案,通過(guò)設計:實(shí)現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(zhù)中國煤炭工業(yè)的發(fā)展和礦山裝備技術(shù)的進(jìn)步，我國對煤礦甲烷安全監控系統，運輸監控系統，應急救援系統等使用的后備電源的設備要求越來(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，鎳氫電池無(wú)論在安全性上，還是可靠性，成本等方面，都具有較大優(yōu)勢。鎳氫電池組是一個(gè)串聯(lián)的組成系統，其中任何單節電池損壞必將影響整個(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研究和設計的方向。 1 鎳氫電池充放電原理 鎳氫電池(金屬氫化物鎳蓄電池)采用儲氫合金，在充電的時(shí)候可以存儲數大量的氫氣形成金屬氫化物，將電能轉換為化學(xué)能;放電的時(shí)候又能將存儲的氫氣釋放，將化學(xué)能轉換為電能。其基本電化學(xué)反應為：Ni(OH)2+M〈=〉NiOH+MHab(式中：M為儲氫合金，Hab為吸收的氫氣)。 在電池充電后期和充電結束時(shí)，還伴隨發(fā)生下列反應： 基于以上3個(gè)電化學(xué)反應，鎳氫電池的充放電表現如下特性： 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。在設計中，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)，若繼續大電流充電，將會(huì )大大影響電池的壽命，此時(shí)的電壓稱(chēng)為充電終止電壓，一般單節電池不超過(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)電池放電結束后，極板上的活性物質(zhì)已經(jīng)全部消耗。如果繼續對外放電，會(huì )造成負極析出的氫氣無(wú)法中和，電池內部壓力上升，安全閥打開(kāi)，對外析氫，引起安全問(wèn)題。 20節串聯(lián)鎳氫電池的充放電曲線(xiàn)如圖1所示。 圖1 鎳氫電池組充放電曲線(xiàn) 根據鎳氫電池的充放電特性，設計了一種新型的智能型鎳氫電池組管理電路，能夠支持多達20節鎳氫電池串聯(lián)的電池組管理，能夠實(shí)現對單節電池和整體電池組的有效檢測與控制，可以更高效，更安全的完成鎳氫電池的充放電管理功能。 2 鎳氫電池管理系統硬件設計 采用由恒流充電電路，實(shí)時(shí)電壓檢測電路，CPU控制電路和其他外圍電路共同構成的鎳氫電池充放電管理系統。 1)恒流充電電路 恒流充電電路采用閉環(huán)控制和脈沖調制方式實(shí)現充電電流的恒流負反饋控制。充電電路原理圖如圖2所示。 圖2 充電電路原理圖 CPU輸出占空比可調的PWM信號，控制NPN三極管5551的通斷，最終實(shí)現對場(chǎng)效應管通斷的控制，達到電流控制的目的。同時(shí)CPU實(shí)時(shí)檢測當前電流值，并根據實(shí)時(shí)電流值閉環(huán)調節PWM信號的占空比，從而實(shí)現充電電流的恒流閉環(huán)調節。 在一個(gè)PWM周期中，當PWM信號為高時(shí)，低邊NPN三極管5551導通，使高邊NPN三極管5551基極拉低，三極管關(guān)斷，場(chǎng)效應管門(mén)級變?yōu)榈碗娖�，�?chǎng)效應管關(guān)斷;當PWM信號為低時(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，三極管導通，場(chǎng)效應管門(mén)級變?yōu)楦唠娖�，�?chǎng)效應管導通;在每一個(gè)PWM周期中，重復以上過(guò)程。 2)實(shí)時(shí)電壓檢測電路 針對煤礦產(chǎn)品的特點(diǎn)，鎳氫電池充放電管理系統應至少能夠實(shí)現對20節串聯(lián)電池組中任一單節電池的實(shí)時(shí)進(jìn)行監控。要求檢測電壓范圍寬，精度高，響應時(shí)間快等一系列特點(diǎn)，因此，必須對20節電池進(jìn)行同時(shí)測量，減少實(shí)時(shí)誤差，并通過(guò)內部軟件校正實(shí)現測量精度要求。測量電路原理圖如3所示。 圖3 實(shí)時(shí)電壓檢測電路原理圖 20節電池電壓經(jīng)過(guò)不同阻值的分壓電阻，進(jìn)入CPU進(jìn)行AD轉換，得到不同AD采樣值，再通過(guò)內部軟件恢復出實(shí)際的電壓值，相鄰電壓值之差即是單節電池電壓。 系統設計了5組分壓電阻，實(shí)現了從1/3到1/20共5組分壓比。針對不同的電池電壓，將分壓后的電壓數據盡可能的包含在A(yíng)D采樣的滿(mǎn)量程內，提高了AD采樣的精度。簡(jiǎn)化AD外圍電路，不經(jīng)過(guò)運算放大器進(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，它內部包括一個(gè)12 bit的ADC，且支持多達32個(gè)單端輸入，完全符合系統設計要求。 3 鎳氫電池管理系統軟件設計 軟件設計考慮到采集單節電池電壓、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，綜合判斷當前電池狀態(tài)，控制電池充放電啟動(dòng)和結束，并實(shí)時(shí)檢測是否有單節電池異常、短路、溫度異常、放電大電流、充電大電流等多種異常情況，對外輸出電池基本狀態(tài)信息和報警信號。軟件按功能可分為PWM控制模塊、計時(shí)模塊以及電壓檢測、電流檢測、溫度檢測模塊等幾部分。 管理系統工作時(shí)，CPU首先判斷是否外接負載(放電)或外接電源(充電)。當檢測到外接負載時(shí)，系統打開(kāi)放電場(chǎng)效應管，鎳氫電池對外放電。在放電過(guò)程中，CPU不斷檢測放電電流和單節電池電壓，當監測到過(guò)高的放電電流或負載短路時(shí)，CPU立即關(guān)斷放電回路，并持續對外報警;當監測到單節電池電壓低于額定門(mén)限(1.0 V)時(shí)，CPU立即關(guān)斷放電回路。 當管理系統檢測到外接電源時(shí)，系統進(jìn)入充電狀態(tài)。CPU輸出PWM波形控制充電場(chǎng)效應管，并不斷檢測充電電流，實(shí)時(shí)進(jìn)行閉環(huán)調節，實(shí)現充電恒流控制目的。在放電過(guò)程中，CPU不斷檢測充電電流和單節電池電壓，當監測到過(guò)高的充電電流或負載短路時(shí)，CPU立即關(guān)斷充電回路，并持續對外報警;當監測到單節電池電壓高于額定門(mén)限(1.5 V)時(shí)，CPU立即關(guān)斷充電回路。 系統軟件的核心部分為AD數據處理和PWM閉環(huán)控制兩個(gè)模塊。下面給出這兩部分的相應程序，編譯環(huán)境為Silicon Laboratories IDE。 AD數據處理模塊程序代碼，以充電電流數據濾波處理為例： 4 結論 設計了一款基于C8051F的鎳氫電池管理系統，支持最高20節鎳氫電池串聯(lián)電池組，能夠實(shí)時(shí)檢測每一只單體電池電壓，充放電電流等參數。通過(guò)簡(jiǎn)化外部采樣電路，使用高精度ADC和CPU內部參考電平，通過(guò)優(yōu)化軟件參數和濾波算法，在實(shí)際工程應用中達到了0.01 V的采樣精度，誤差≤1 mV。建立了電池組管理系統電路的設計模型，在實(shí)際應用中，根據電池的不同類(lèi)型和使用工況條件仍需要進(jìn)一步完善和研究。 |
