基于開關電源恒流調節的智能電源管理系統

鄒德東

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

隨著礦井智能化建設的推進，越來越多的電氣設備被應用到煤礦井下。井下條件惡劣，且有些設備需不間斷工作[1]，所以后備電源成為很多電氣設備的必要組成部分。鎳氫電池以其安全性高、成本低等特點得到廣泛應用[2]。礦用備用電源常規充電方式以大電流恒流充電加小電流續流充電為主。這種方式雖然可以滿足大部分用電需求，但有2個弊端：一是長時間續流充電會使電池兩極電荷堆積，電池活性下降，降低使用壽命；二是很難將電池充滿，基本在額定容量70%左右。使用線性電源做成恒流源對電池進行充電，效率低。大電流充電時，發熱量大，有一定的安全隱患。為此，針對鎳氫電池的充放電特性及充電效率問題，設計出一款基于開關電源恒流調節和MCU采集控制的智能電源管理系統。

1 智能電源管理系統整體設計方案

智能電源管理系統功能框圖如圖1。

圖1 智能電源管理系統功能框圖Fig.1 Functional block diagram of intelligent power management system

電源的智能管理是在具備正常充放電功能的基礎上，采集各工作點電壓、電流、電池溫度等參數，通過計算判斷，最終智能控制充放電過程。同時將所有狀態、參數就地顯示并且傳輸給上位機或其它監控設備方便用戶對電源健康狀態進行及時有效的監控和管理[2]。設計的智能電源管理系統，除滿足上述功能外，增加了輸入電源與電池供電零延時轉換、充放電轉換開關以及電池直接供電功能。系統整體由充電單元、放電單元、智能控制單元、電源切換單元、顯示單元、通信單元組成[3]。

2 系統硬件

根據系統整體方案，對各部分硬件電路進行了設計。智能電源管理系統原理圖如圖2。

圖2 智能電源管理系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent power management system

2.1 充電單元

為提高充電效率，采用開關電源芯片U1作為充電電源[4]；采用電流檢測放大器U2將充放電電流轉換成電壓，一方面供MCU采集，另一方面將電壓信號通過U3B引至U1的電壓調整端實現恒流充電的目的。

U1選用LM2596－ADJ。該系列芯片最高效率為98%，最高輸入電壓為45 V，輸出電壓可調整范圍為1.23～37 V，最大輸出電流6.9 A，滿足1～24節電池的充電要求。該芯片自身具有關斷功能。5腳懸空或低電平時，使能芯片輸出，否則關斷輸出。可由單片機控制，實現充電的啟動與停止。芯片4腳為電壓反饋管腳，內置基準為1.23 V。通過調整R7和R12的值，可以實現對U1輸出電壓UC的調節。根據式（1）計算可得U1輸出電壓UC，此電壓為該電路充電截止電壓。

U2選用MAX4081TASA。該芯片可以將1腳與8腳間的差分電壓放大20倍后，在5腳輸出單相電壓。6腳、7腳接基準電壓UREF。5腳輸出電壓UCH與充放電電流IB的關系為式（2）。

充電時IB為正值，放電時IB為負值。

運算放大器U3B正輸入端接UCH，負輸入端接5 V電壓，輸出端接U1的輸出調整腳4腳，構成負反饋[5]，實現恒流。穩態時，UCH維持在5 V。此時的充電電流即為該電路的恒流充電電流值。UREF由5 V通過電阻R14、R15分壓得出。將5 V代入式（2）中的UCH后，可整理得出恒流充電過程中充電電流IB與R14、R15的關系為式（3）。

由此可見，通過調整電阻R4、R14、R15的值，即可調整恒流充電過程中的充電電流。

2.2 放電單元

單節鎳氫電池放電保護電壓為1 V，低于1 V必須停止放電，否則會對電池造成致命傷害。所以需要設計過放電路以保護電池。為了降低電池供電時的功耗，設計采用P溝道MOSET管放電開關。通過U3A實現硬件過放保護，通過單片機控制Q5實現軟件過放保護，進而達到雙重保護的目的。

運算放大器U3A正輸入端接電池電壓經過R8與R16分壓后的信號，負輸入端接5 V電壓。當電池電壓降低使分壓值低于5 V時，輸出為低電平，控制Q2關斷放電回路。式（4）為過放保護電壓UL與分壓電阻之間的關系。

在切斷放電回路的瞬間，由于Q2極間電容的存在，Q2關斷實際是一個阻抗逐漸增加的過程。在Q2阻抗增加到一定程度時，電池電壓由于負載電流減少會逐漸增大。此時運算放大器并未失電，所以運算放大器輸出會恢復為高電平，控制Q2再次導通。為避免切斷瞬間的反復通斷，設計了由D5、R9組成的正反饋回路。由于D5具有反向截止作用，所以在輸出為高電平時，輸出對電池分壓沒有任何影響；當輸出為低電平時，電池分壓回路改變。如忽略D5壓降的影響，可近似理解為R9與R16并聯后再與R8進行分壓，所以分壓值會比關斷瞬間更低。只要保證電池上升后，經過R8、R9、R16分壓后仍低于5 V，即可避免反復通斷，實現可靠斷電。

由于隔爆類產品[6]在煤礦井下有爆炸性氣體的環境中嚴禁帶電開蓋，所以設計引入了防爆開關S1和S2。

S1用來實現在電池供電的情況下切斷電池電源，無需帶電開蓋，保證安全。另外，為增加系統的靈活性及使用的便捷性，設計了在沒有電源輸入的情況下，連接S1后，可直接使電池投入使用。為了實現此功能，同時還需要保證在Q2關斷后所有器件均不工作，以降低電池關機功耗，設計在Q5的基極對電池正極接入了C2、R6。C2為儲能元件，當S1接通瞬間，C2充電經R6、Q5充電，充電電流即為Q5的基極電流。該電流可以保證Q5導通，進而導通Q2。Q2導通后，MCU上電，通過R13控制Q5，進而控制Q2維持導通。只要保證電容C2的充電時間大于MCU啟動的時間就可以達到電池直接啟動的目的?？梢酝ㄟ^改變C2的值來調整充電時間。

S2用來實現在設備不開蓋的情況下進行充放電切換。S2導通1次，MCU將控制Q1通斷狀態變換1次，實現充放電切換功能。Q1關斷為放電狀態；Q1導通為充電狀態。

2.3 電源切換單元

在輸入正常時，輸入電源向負載供電，電池處于充電或者待機狀態；輸入電源故障時，電池自動向負載供電。為了實現無縫切換，設計采用雙回路同時在線的方式。輸入電源通過D2向負載供電，電池通過R4、Q2、D1向負載供電。

在輸入電源正常情況下，D2導通。因為輸入電源電壓大于電池電壓，所以二極管D1的負極電壓要高于正極電壓。由于二極管的反向截止功能，所以電池供電回路雖然連通，但并對外提供電能。此時負載由輸入電源供電。在輸入電源電壓小于電池電壓或者故障時，D1導通，D2反向截止。此時負載由電池供電。真正實現交直流無縫切換。該設計的另外一個好處是可以避免由于輸入電源波動對系統供電造成影響。

2.4 智能控制單元

控制單元是整個電池管理系統的核心。MCU[7]采用STC15W4K32S4。負責采集電源電壓、充電電壓、電池電壓、充放電電流、電池溫度。并根據各個參數之間的關系判斷電池狀態，控制對電池進行充放電。同時與液晶屏接口、通信接口配合完成人機交互及信息傳輸。

MCU通過采集3腳、4腳、5腳的電壓，根據對應的分壓電阻的比例關系可分別計算出電池電壓、充電電壓、輸入電壓。6腳控制輸入電源的通斷；11腳控制充電開關；16腳控制放電開關。

通過采集2腳電壓，可以根據分壓電阻計算出UCH，再根據式（2）計算出充放電電流。

RT1為3950型熱敏電阻。在25℃時電阻值為10 kΩ。通過采集1腳電壓，根據分壓電阻可計算出RT1的阻值，再根據式（5）可計算出電池溫度TB。

鎳氫電池充電時電壓、溫度、容量的變化非常明顯。同等容量下，溫度越低電壓越高[8－9]。而礦用產品的使用環境溫度差別較大，所以僅判斷電壓很難將電池充滿[10]。同時經測試發現，電池在充滿后如果繼續大電流充電可是電池溫度急速上升，所以合理的做法是根據電池電壓結合電池溫升判斷電池是否充滿。一旦充滿立即停止充電。當電池投入使用或電池由于自放電導致電壓低至一定閾值后重新使能充電功能。這樣可有效避免續流充電導致電荷堆積影響電池活性，降低電池效率等問題，延長電池使用壽命。

2.5 顯示模塊

設計采用彩色液晶屏LCD1作為系統的顯示模塊，用以顯示設備地址、電源狀態、電池狀態、電池電壓、電池電流、電池溫度等參數。

該液晶屏具有結構輕、功耗低等特點。采用ST7796S芯片驅動，功能強大，穩定性好，指令功能強，可顯示320×480點陣彩色圖片?？梢杂弥噶羁刂骑@示內容順時針旋轉90°、逆時針旋轉90°或倒立豎放。支持串口SPI、IIC協議及并口協議。工作溫度范圍為－30～+80℃，完全滿足工業應用。

為保證顯示刷新速度，設計中液晶屏與MCU采用并口連接方式。為降低功耗，背光電源引入限流電阻R23?？赏ㄟ^調整該電阻阻值來調解背光亮度，進而達到降低功耗的目的。

2.6 通信模塊

設計采用在工業中廣泛應用的RS485總線的方式進行數據通信。硬件部分采用增強型嵌入式隔離RS485收發器RSM3485ECHT。該收發器采用單一電源供電，內部隔離，隔離電壓高達2 500 V。總線最多可連接256個節點。并且集成抗電磁干擾器件，對電磁兼容要求不高的場所可無需另外設計抗干擾電路。

3 系統軟件

系統軟件主要負責所有參數的采集以及根據各個參數對充放電過程進行智能控制，并驅動顯示和通信單元對所有狀態信息進行顯示和通信。智能電源管理系統軟件流程圖如圖3。

圖3 智能電源管理系統軟件流程圖Fig.3 Flow chart of intelligent power management system

1）電源狀態判斷。當輸入電壓大于1 V時，為外部供電；否則為電池供電。

2）電池狀態判斷。外部供電時，如正在充電且無充電電流或者充滿后電池無電壓，則判斷為電池離線。外部供電時，充電過程中檢測到電池電壓及電池溫度大于設定閾值時，判斷為電池充滿；否則為電池充電。在電池充滿后，如檢測到電池電壓低于設定再充電閾值時，亦判斷為電池充電。電池供電時，判斷為電池放電。

4 結 語

設計了一種基于開關電源恒流調節和MCU采集控制的智能電源管理系統。用開關電源恒流調節的充電方式取代了以往線性電源恒流充電的方式，充電效率提高了將近30%；采用MCU智能控制，通過判斷電池溫度，結合電池電壓取代原有的僅靠電池電壓判斷容量的方式，使電池充滿時的容量達到了額定容量的95%以上。采用充滿截止，欠壓再充的方式取代了原有恒流充電加續流充電的方式，減少了充電過程中的電極電荷堆積，提高了電池的活性；設計了充放電開關，解決了礦用設備井下禁止開蓋的問題；設計了電池直接啟動的功能，為礦用設備現場安裝維護提供了方便。設計的產品已經配接監控系統應用到煤礦井下，得到現場用戶一致好評，完全滿足礦用產品對備用電源的供電要求。