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)意外停電時礦井環(huán)境監(jiān)控、監(jiān)測和通信系統(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)帶來了安全隱患。本設(shè)計采用低功耗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)計中，實現(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

　　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。電池管理模塊實時監(jiān)測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

　　2.1 變壓器和整流濾波模塊的設(shè)計

　　根據(jù)電源系統(tǒng)的輸入電壓等級和輸出功率等要求，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；并且由于線圈是圓柱形，與環(huán)形變壓器相比，每圈的銅線長度短、內(nèi)阻小、銅耗低、溫升低、過載波動小。另外，初、次級線圈采用骨架分別繞制，從而耐壓等級高，安全性好。整流濾波模塊采用兩個全橋整流電路，電容濾波。

　　2.2 備用電池和充電模塊的設(shè)計

　　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)使用壽命長等優(yōu)點。鎳氫電池的單體額定電壓只有1.4 V，因此在實用中必須串聯(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)計的電流檢測電路，用于電池組的充、放電電流檢測，將電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，如圖2所示。利用微處理器MSP430F149對電流檢測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，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電池組造成的損害，延長電池的使用壽命。

　　2.3 電池管理模塊設(shè)計

　　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)測電路組成。采用Linear公司的電池組監(jiān)控管理芯片LTC6803-3來完成鎳氫電池單體電壓與溫度的測量。LTC6803-3芯片內(nèi)置一個12位ADC、一個精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)、一個高電壓輸入多路復(fù)用器和一個SPI串行接口，最多可測量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)）單體電壓與溫度測量電路如圖3所示。

　　LTC6803-3的C0～C12引腳可測量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引腳，采用100 k負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）實現(xiàn)溫度的測量。

　　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，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，防止電壓不均衡對鎳氫電池組造成的影響，提高鎳氫電池組的運行安全性和儲能效率。

　　電壓均衡電路采用開關(guān)電阻法均衡，可根據(jù)均衡電流的大小來選擇均衡電阻的阻值，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。LTC6803-3的均衡放電控制引腳Sn分別控制與每個鎳氫電池并聯(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，LTC6803-3自動控制開啟對應(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為止，達(dá)到電壓均衡的目的。

　　2.4 DC/DC穩(wěn)壓模塊設(shè)計

　　DC/DC穩(wěn)壓模塊的設(shè)計采用集成開關(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、電路簡潔、電源寬范圍連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點。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

　　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。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電阻的電流檢測值超過閾值時，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)計采用了雙重過壓過流保護(hù)，從而大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言。系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心任務(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)測試與分析

　　依據(jù)國家煤炭行業(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)測試結(jié)果如表1所示，各項技術(shù)參數(shù)能夠滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　電池管理功能測試分為單體電壓采集測試與電壓均衡測試。單體電壓采集測試是將系統(tǒng)中LTC6803-3測量的單體電壓值與F17B萬用表的測量結(jié)果進(jìn)行對比及分析，單體電壓采集測試數(shù)據(jù)如表2所示。測試結(jié)果表明，LTC6803-3的單體電壓測量誤差小于10 mV。

　　電壓均衡測試中，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時放電功率開關(guān)管打開，啟動電壓均衡；電壓低于1.340 V時放電功率開關(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。整個充電測試過程中，最大均衡電流達(dá)到200 mA。對其中10節(jié)鎳氫電池均衡前后分別進(jìn)行測量，可得到如表3所示的數(shù)據(jù)。測試結(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)計的帶電池管理系統(tǒng)的礦用不間斷電源各項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實現(xiàn)了雙路穩(wěn)壓輸出和過壓、過流保護(hù)功能，不間斷供電時間不低于2 h，并具有備用電池管理功能。該電源已通過國家礦用設(shè)備檢測檢驗單位的檢驗，并投入使用，實際工作性能良好。本電源結(jié)構(gòu)簡單，效率高，同時具有對電池組進(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，具有重要的實用意義。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 朱前偉.礦用本質(zhì)安全電源的基本要求和設(shè)計方法[J].工礦自動化，2012，11(2)：22-25.

　　[2] 鄭安平，宋玉強(qiáng).礦井直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計[J].工礦自動化報，2009，8(2)：91-93.

　　[3] 田文靜.礦用本安電源的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子與通信，2012，33(4)：115-117.

　　[4] MT/T 408-1995煤礦用直流穩(wěn)壓電源[S].北京：國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

　　[5] 曹洪奎，沈陽，米繼玲，等.鎳氫電池組電壓均衡與管理系統(tǒng)的研究[J].電子世界，2014，10(12)：339.