鎳氫電池組電壓均衡與管理系統的研究

曹洪奎 米繼玲 付彥杰 王江平 沈陽

【摘要】針對鎳氫電池組在礦用不間斷直流穩壓電源中應用時需要進行電壓均衡和狀態監控管理的問題，設計了一種以MSP430單片機和LTC6803-1電池管理芯片為核心的鎳氫電池組電壓均衡與管理系統，實現了對20節串聯鎳氫電池組的電壓均衡和單體電壓、電流、溫度的監控管理。

【關鍵詞】鎳氫電池組；電池管理；電壓均衡；LTC6803-1

鎳氫電池具有體積小、重量輕、無污染和安全性好等優勢，作為備用電池廣泛應用于各種不間斷電源系統中。由于鎳氫電池單體電壓較低，在實際應用中需要將多節鎳氫電池串聯構成鎳氫電池組。鎳氫電池組在循環使用中，因單體電池參數存在一定的差異而導致單體電壓不均等，影響儲能效率安全性[1-2]。礦用不間斷直流穩壓電源是井下監測和通信系統的供電設備[3]，本文設計了一種以MSP430單片機和電池組監控芯片LTC6803-1為控制核心的礦用不間斷直流穩壓電源用20節鎳氫電池組電壓均衡與管理系統。

1.系統硬件設計

1.1 系統硬件總體框架

礦用不間斷直流穩壓電源鎳氫電池組管理系統的組成結構如圖1所示。主要由單片機模塊、液晶模塊、測量與監控模塊、電流檢測模塊和鎳氫電池模塊組成。

圖1 系統的組成結構框圖

圖2 LTC6803-1的單體電壓與溫度測量電路原理圖

1.2 單片機模塊

本系統選用低功耗微處理器MSP430F149為控制核心。該單片機具有6個8位并行端口，且2個8位端口有中斷能力，內置一個10位AD 轉換器和60kB的FLASH。

1.3 測量與均衡模塊

測量與均衡模塊采用Linear公司生產的電池組監控芯片LTC6803-1。LTC6803-1芯片內置一個12位ADC，一個精準電壓基準，一個高電壓輸入多路復用器和一個SPI串行接口，最多可測量12節串聯電池的電壓[4-5]。選用兩片電池管理芯片LTC6803-1，每片LTC6803-1負責監控10節鎳氫電池。

1.3.1 單體電壓與溫度測量電路

采用LTC6803-1的第一組鎳氫電池模塊單體電壓與溫度測量電路原理圖見圖2。LTC6803-1的C0～C12引腳可測量12節電池的電壓。S1～S12引腳為均衡放電控制引腳。在本設計中只有C0～C10引腳接有鎳氫電池。LTC6803-1的VTEMP1、VTEMP2引腳為兩路溫度檢測引腳，采用100k負溫度系數的熱敏電阻（NTC）實現溫度的測量。

1.3.2 均衡電路

礦用不間斷電源鎳氫電池組監控管理系統中的單節電池均衡電路如圖3所示。LTC6803-1的均衡放電控制引腳S（n）分別控制與每個鎳氫電池并聯的功率三極管T（n）和3.3放電均衡電阻，在充電過程中，當某個鎳氫電池的單體電壓超過芯片配置寄存器設定的上限值時，LTC6803-1自動控制開啟對應的功率三極管T（n），通過均衡電阻放電，直到所有電池均達到電壓上限值時為止，達到電壓均衡的目的。

圖3 均衡電路原理圖

1.4 電流檢測模塊

電流檢測是采用高精度電流檢測芯片MAX471來實現的。MAX471具有優良的I/V轉換特性、完善的高端雙向電流靈敏放大器和內置檢流電阻。電流檢測電路如圖4所示。檢測電路輸出信號VOUT送MSP430單片機的A/D進行轉換和運算后得到電流值。

圖4 電流檢測電路原理圖

1.5 顯示模塊

管理系統的顯示模塊采用LCD12864點陣液晶顯示屏，用于顯示系統檢測的電池單體電壓、溫度和電流等狀態信息。

2.系統軟件設計

系統軟件流程如圖5所示。

系統軟件設計的核心任務是通過MSP430與LTC6803-1通信，采集電池單體電壓、電流、溫度等信息并在LCD12864上顯示出來，同時控制均衡電路，使電池組的電壓保持均衡。

3.測試結果與分析

本系統選用20節2300mAh鎳氫電池串聯構成鎳氫電池組進行測試。

充電均衡測試中，系統的均衡電壓上限設定為1.41V，電壓下限設定為1.39V，當鎳氫電池單體電壓超過1.41V時放電功率三極管打開，啟動電壓均衡，電壓低于1.39V時放電功率三極管關閉，停止均衡。充電模式選擇恒流-恒壓模式，最大充電電流為500mA，最高充電電壓為28.50V。整個充電測試過程中，最大均衡電流達到300mA，均衡電路動作偏差小于20mV。管理系統對20節鎳氫電池單體電壓和溫度的檢測時間約為60ms，能夠滿足對鎳氫電池組快速充、放電過程中電壓和溫度檢測速度的需要。

圖5 系統軟件流程圖

4.結論

本文設計的以MSP430單片機和LTC6803-1芯片為核心的礦用不間斷直流穩壓電源鎳氫電池組電壓均衡與管理系統，實現了電壓均衡控制和單體電壓、電流和溫度等狀態的監測。系統結構簡單、檢測精度高、速度快、均衡效果好，確保鎳氫電池組的安全使用，提高了儲能效率。本系統也可廣泛應用于電動工具、通信后備電源等領域。

參考文獻

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[2]張瑞松，吳仲光，金麗娟等.鎳氫電池管理系統研究[J].工業控制計算機，2013（8）： 123-124.

[3]高志風，歐陽名三.礦用隔爆兼本安型不間斷直流電源[J].煤礦機械，2013，34（2）.

[4]王波.基于 LTC6803 的電池管理系統的設計[J].電源技術，2013，37（7）： 1188-1189.

[5]徐朝勝，閆改珍，李進等.具有均衡控制功能的鋰電池管理系統設計[J].電源技術， 2013，37（6）：959-962.

基金項目：遼寧省教育廳基金項目（L2011096）、遼寧工業大學大學生創新創業計劃項目（2013062）資助。