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(guò)壓過(guò)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(guò)充,、過(guò)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(guò)壓,、過(guò)充電,、過(guò)放電和溫度過(guò)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(guò)壓、過(guò)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(guò)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(guò)設(shè)置值時(shí),，單片機(jī)控制充、放電開(kāi)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(guò)充電和過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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?lè)烹娋怆娮瑁诔潆娺^(guò)程中,，當(dāng)某個(gè)鎳氫電池的單體電壓超過(guò)芯片配置寄存器設(shè)定的上限值時(shí),，LTC6803-3自動(dòng)控制開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的功率三極管Tn，通過(guò)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(kāi)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(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，使電源的輸出電壓,、電流不會(huì)超過(guò)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(kāi)關(guān),，由LM336Z提供5 V電壓基準(zhǔn)，經(jīng)電阻分壓后作為過(guò)壓,、過(guò)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(guò)閾值時(shí)，比較器立即關(guān)斷電源輸出端的開(kāi)關(guān)管IRF9530,，停止輸出,，起到過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)作用,。本設(shè)計(jì)采用了雙重過(guò)壓過(guò)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(guò)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(guò)±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(guò)1.360 V時(shí)放電功率開(kāi)關(guān)管打開(kāi),，啟動(dòng)電壓均衡,；電壓低于1.340 V時(shí)放電功率開(kāi)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(guò)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(guò)壓、過(guò)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(guò)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(guò)充電、過(guò)放電,、過(guò)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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