基于C8051F單片機的鎳氫電池組管理系統(tǒng)

    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單片機對多節(jié)鎳氫電池串聯(lián)電池組進(jìn)行綜合監(jiān)測和管理的方案,通過設(shè)計:實現(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(jiān)控系統(tǒng)，運輸監(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。鎳氫電池組是一個串聯(lián)的組成系統(tǒng)，其中任何單節(jié)電池?fù)p壞必將影響整個電池組，如何在保證鎳氫電池安全性能的同時，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，在充電的時候可以存儲數(shù)大量的氫氣形成金屬氫化物，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能;放電的時候又能將存儲的氫氣釋放，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為儲氫合金，Hab為吸收的氫氣)。

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

    基于以上3個電化學(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。充電電流過大會使電池內(nèi)部壓力升高較快，電池自身的安全閥打開，電池漏液，引起安全問題。在設(shè)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，若繼續(xù)大電流充電，將會大大影響電池的壽命，此時的電壓稱為充電終止電壓，一般單節(jié)電池不超過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)對外放電，會造成負(fù)極析出的氫氣無法中和，電池內(nèi)部壓力上升，安全閥打開，對外析氫，引起安全問題。

    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)對單節(jié)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(tǒng)硬件設(shè)計

    采用由恒流充電電路，實時電壓檢測電路，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，控制NPN三極管5551的通斷，最終實現(xiàn)對場效應(yīng)管通斷的控制，達(dá)到電流控制的目的。同時CPU實時檢測當(dāng)前電流值，并根據(jù)實時電流值閉環(huán)調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，從而實現(xiàn)充電電流的恒流閉環(huán)調(diào)節(jié)。

    在一個PWM周期中，當(dāng)PWM信號為高時，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，場效應(yīng)管門級變?yōu)榈碗娖?，場效?yīng)管關(guān)斷;當(dāng)PWM信號為低時，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，場效應(yīng)管門級變?yōu)楦唠娖?，場效?yīng)管導(dǎo)通;在每一個PWM周期中，重復(fù)以上過程。

    2)實時電壓檢測電路

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

    圖3 實時電壓檢測電路原理圖

    20節(jié)電池電壓經(jīng)過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，再通過內(nèi)部軟件恢復(fù)出實際的電壓值，相鄰電壓值之差即是單節(jié)電池電壓。

    系統(tǒng)設(shè)計了5組分壓電阻，實現(xiàn)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(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。簡化AD外圍電路，不經(jīng)過運算放大器進(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CPU對模擬端口同時采樣，消除了由采樣時間差異引入的時差誤差。

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

    3 鎳氫電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

    軟件設(shè)計考慮到采集單節(jié)電池電壓、實時電流、電池溫度、記錄充電時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和結(jié)束，并實時檢測是否有單節(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(tǒng)工作時，CPU首先判斷是否外接負(fù)載(放電)或外接電源(充電)。當(dāng)檢測到外接負(fù)載時，系統(tǒng)打開放電場效應(yīng)管，鎳氫電池對外放電。在放電過程中，CPU不斷檢測放電電流和單節(jié)電池電壓，當(dāng)監(jiān)測到過高的放電電流或負(fù)載短路時，CPU立即關(guān)斷放電回路，并持續(xù)對外報警;當(dāng)監(jiān)測到單節(jié)電池電壓低于額定門限(1.0 V)時，CPU立即關(guān)斷放電回路。

    當(dāng)管理系統(tǒng)檢測到外接電源時，系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)。CPU輸出PWM波形控制充電場效應(yīng)管，并不斷檢測充電電流，實時進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)充電恒流控制目的。在放電過程中，CPU不斷檢測充電電流和單節(jié)電池電壓，當(dāng)監(jiān)測到過高的充電電流或負(fù)載短路時，CPU立即關(guān)斷充電回路，并持續(xù)對外報警;當(dāng)監(jiān)測到單節(jié)電池電壓高于額定門限(1.5 V)時，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檢測每一只單體電池電壓，充放電電流等參數(shù)。通過簡化外部采樣電路，使用高精度ADC和CPU內(nèi)部參考電平，通過優(yōu)化軟件參數(shù)和濾波算法，在實際工程應(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)計模型，在實際應(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。