摘 要：矿用不间断电源是为矿井监测和通信系统供电的重要设备。介绍了一种带电池管理系统的矿用不间断电源设计方案。采用集成开关稳压器LM2576构成DC/DC稳压电路，实现多路稳压输出。以20节镍氢电池组作为后备电池，并采用低功耗16位单片机MSP430F149和电池组监控管理芯片 LTC6803-3实现了电池组状态监控与管理功能，使电池组保持电压均衡，同时将采集的单体电压、电流、温度等信息显示在 LCD12864上。测试结果表明，设计的矿用不间断电源达到了系统要求的各项参数指标。该电源结构简单，电池管理功能全面，运行安全可靠，具有重要的实用意义和推广价值。
关键词：不间断电源；电池管理；镍氢电池；LTC6803-3
0 引言
矿用不间断电源是为矿山井下环境监控、监测和通信等电子系统供电的重要设备，能够保证在矿井交流供电系统意外停电时矿井环境监控、监测和通信系统的正常供电，避免因交流供电系统停止工作而造成安全事故和经济损失。矿用不间断电源的性能对矿山井下电子系统的正常工作起到关键性作用[1-3]。因此，矿用不间断电源应具有多路稳压输出、备用电池不间断供电、过压过流保护和电池管理等功能[4]。镍氢电池由于具有良好的使用安全性，在不间断电源中被广泛用作备用电池，而现有的矿用不间断电源对备用电池的管理只具备基本的防过充、过放功能，给井下直流供电系统带来了安全隐患。本设计采用低功耗16位单片机MSP430F149为控制核心，将镍氢电池组监控管理技术应用到矿用不间断直流稳压电源的设计中，实现了不间断双路稳压输出和备用电池管理功能。
1 系统的总体设计
矿用不间断电源的总体结构如图1所示，主要由变压器、整流滤波模块、充电模块、备用电池组、电池管理模块、切换模块、DC/DC模块和保护模块组成。
矿山井下交流供电系统的电压等级一般为 127 V/ 220 V/380 V AC，为了兼容3种不同的输入电压，采用输入多抽头变压器，变压器输出为双路，一路输出用于备用电池组充电，另一路输出作为DC/DC模块的输入。电池管理模块实时监测备用电池组的工作状态，包括单体电压、温度和工作电流，并对备用电池组进行电压均衡控制，避免备用电池组单体过压、过充电、过放电和温度过高，提高电池组的有效储能容量。备用电池切换模块负责在交流供电系统断电时将电源切换到由备用电池组供电状态。电源经两路DC/DC模块的稳压和保护模块的过压、过流保护后输出直流 12 V和 18 V向负载供电。
图1 系统总体结构
2 系统的硬件设计
2.1 变压器和整流滤波模块的设计
根据电源系统的输入电压等级和输出功率等要求，选用R型变压器，容量为50 VA，26 V/1.3 A和28 V/1 A双路输出。R型变压器具有噪声低、漏磁小、空载电流小、铁损低、效率高等优点；并且由于线圈是圆柱形，与环形变压器相比，每圈的铜线长度短、内阻小、铜耗低、温升低、过载波动小。另外，初、次级线圈采用骨架分别绕制，从而耐压等级高，安全性好。整流滤波模块采用两个全桥整流电路，电容滤波。
2.2 备用电池和充电模块的设计
本电源的备用电池采用镍氢电池。镍氢电池是一种性能稳定的储能元件，具有高比能量、放电电流大、体积小、污染小、安全性好、循环使用寿命长等优点。镍氢电池的单体额定电压只有 1.4 V，因此在实用中必须串联构成电池组使用。为保证不间断电源可连续供电2 h以上，本系统选用20节2 300 mAh的镍氢电池串联组成备用电池。
充电模块采用恒压限流充电方式对镍氢电池组充电。电路采用 LM317稳压，将充电电压恒定在 29 V，最大充电电流为0.5 A。备用电池前端采用双向精密电流放大器MAX472设计的电流检测电路，用于电池组的充、放电电流检测，将电流转化为电压输出，如图2所示。利用微处理器 MSP430F149对电流检测放大器输出的电压进行A/D转换，当电流超过设置值时，单片机控制充、放电开关，停止充电或者放电，起到充、放电保护作用，避免由于过充电和过放电对电池组造成的损害，延长电池的使用寿命。
图2 电流检测电路原理图
2.3 电池管理模块设计
电池管理模块主要由 MSP430F149单片机、LCD显示电路、电压均衡电路和监测电路组成。采用Linear公司的电池组监控管理芯片LTC6803-3来完成镍氢电池单体电压与温度的测量。LTC6803-3芯片内置一个 12位ADC、一个精准电压基准、一个高电压输入多路复用器和一个SPI串行接口，最多可测量12节串联电池的电压[5]。选用两片 LTC6803-3，每片 LTC6803-3负责监控10节镍氢电池。采用 LTC6803-3的第一组镍氢电池模块（10节）单体电压与温度测量电路如图3所示。
图3 LTC6803-3的电池管理模块原理图
LTC6803-3的C0～C12引脚可测量12节电池的电压。S1～S12引脚为均衡放电控制引脚。在本设计中只有 C0～C10引脚接有镍氢电池。LTC6803-3的 VTEMP1、VTEMP2引脚为两路温度检测引脚，采用 100 kΩ负温度系数的热敏电阻（NTC）实现温度的测量。
单片机MSP430F149通过SPI串行总线与LTC6803-3通信，采集温度、电压、电流等信号，经过内部处理后显示在LCD12864显示屏上，并将采集到的信号与系统预先设定的单体电压上限值相比较，根据比较的结果控制单节电池的电压均衡，防止电压不均衡对镍氢电池组造成的影响，提高镍氢电池组的运行安全性和储能效率。
电压均衡电路采用开关电阻法均衡，可根据均衡电流的大小来选择均衡电阻的阻值，电路结构简单，成本低。LTC6803-3的均衡放电控制引脚Sn分别控制与每个镍氢电池并联的功率三极管 Tn和3.3 Ω放电均衡电阻，在充电过程中，当某个镍氢电池的单体电压超过芯片配置寄存器设定的上限值时，LTC6803-3自动控制开启对应的功率三极管Tn，通过均衡电阻放电，直到所有电池均低于电压上限值时为止，达到电压均衡的目的。
2.4 DC/DC稳压模块设计
DC/DC稳压模块的设计采用集成开关稳压器LM2576-ADJ，稳压后输出 18 V和 12 V，具有外围器件少、电路简洁、电源宽范围连续可调等优点。电源效率达到80%以上，发热小，使整机的重量和体积有所减小。采用LM2576-ADJ的DC/DC稳压模块电路如图4所示。
2.5 保护模块设计
保护模块具有过压保护和过流保护功能，使电源的输出电压、电流不会超过设定值。保护电路主要采用比较器LM339、精密电压基准LM336Z和P沟道功率MOSFET IRF9530设计。以功率MOSFET IRF9530作为电源输出开关，由LM336Z提供5 V电压基准，经电阻分压后作为过压、过流的比较阈值。当电源输出端电压采样值或输出电流检测电阻的电流检测值超过阈值时，比较器立即关断电源输出端的开关管IRF9530，停止输出，起到过压保护和过流保护作用。本设计采用了双重过压过流保护，从而大大提高了系统运行的可靠性。
图4 LM2576-ADJ的DC/DC稳压模块电路
3 系统的软件设计
系统的软件设计采用C语言。系统软件设计的核心任务是通过 MSP430与 LTC6803-3通信，采集电池单体电压、电流和温度等信息，并在LCD12864上显示，同时控制电压均衡电路，使电池组的电压保持均衡。系统软件流程图如图5所示。
图5 系统软件流程图
4 系统测试与分析
依据国家煤炭行业相关技术标准[4]，矿用不间断直流稳压电源的主要技术参数指标包括：输出电压偏离值不超过±5%，负载效应≤5%，源效应≤5%，周期与随机偏移峰峰值≤250 mV。本电源的主要技术参数指标测试结果如表1所示，各项技术参数能够满足设计标准要求。
表1 参数测试结果
电池管理功能测试分为单体电压采集测试与电压均衡测试。单体电压采集测试是将系统中LTC6803-3测量的单体电压值与F17B万用表的测量结果进行对比及分析，单体电压采集测试数据如表2所示。测试结果表明，LTC6803-3的单体电压测量误差小于10 mV。
表2 单体电压测量结果与误差
电压均衡测试中，系统的均衡电压设定为 1.350 V，当镍氢电池单体电压超过1.360 V时放电功率开关管打开，启动电压均衡；电压低于1.340 V时放电功率开关管关闭，停止均衡。充电模式选择恒流-恒压模式，最大充电电流为 500 mA，最高充电电压为 28.50 V。整个充电测试过程中，最大均衡电流达到200 mA。对其中 10节镍氢电池均衡前后分别进行测量，可得到如表3所示的数据。测试结果表明，均衡后单体间电压偏差小于20 mV。
表3 电压均衡测试结果
5 结论
本文设计的带电池管理系统的矿用不间断电源各项技术参数指标达到了国家相关标准的要求，实现了双路稳压输出和过压、过流保护功能，不间断供电时间不低于2 h，并具有备用电池管理功能。该电源已通过国家矿用设备检测检验单位的检验，并投入使用，实际工作性能良好。本电源结构简单，效率高，同时具有对电池组进行过充电、过放电、过温保护和电压均衡等功能，运行安全可靠，能够满足矿山井下电子系统供电的需要，具有重要的实用意义。
