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      基于開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)的智能電源管理系統(tǒng)

      2021-06-23 09:44:54鄒德東
      煤礦安全 2021年6期
      關(guān)鍵詞:恒流導(dǎo)通充放電

      鄒德東

      (1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順113122;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順113122)

      隨著礦井智能化建設(shè)的推進(jìn),越來越多的電氣設(shè)備被應(yīng)用到煤礦井下。井下條件惡劣,且有些設(shè)備需不間斷工作[1],所以后備電源成為很多電氣設(shè)備的必要組成部分。鎳氫電池以其安全性高、成本低等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[2]。礦用備用電源常規(guī)充電方式以大電流恒流充電加小電流續(xù)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(gè)弊端:一是長(zhǎng)時(shí)間續(xù)流充電會(huì)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(duì)電池進(jìn)行充電,效率低。大電流充電時(shí),發(fā)熱量大,有一定的安全隱患。為此,針對(duì)鎳氫電池的充放電特性及充電效率問題,設(shè)計(jì)出一款基于開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)和MCU采集控制的智能電源管理系統(tǒng)。

      1 智能電源管理系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

      智能電源管理系統(tǒng)功能框圖如圖1。

      圖1 智能電源管理系統(tǒng)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(chǔ)上,采集各工作點(diǎn)電壓、電流、電池溫度等參數(shù),通過計(jì)算判斷,最終智能控制充放電過程。同時(shí)將所有狀態(tài)、參數(shù)就地顯示并且傳輸給上位機(jī)或其它監(jiān)控設(shè)備方便用戶對(duì)電源健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)控和管理[2]。設(shè)計(jì)的智能電源管理系統(tǒng),除滿足上述功能外,增加了輸入電源與電池供電零延時(shí)轉(zhuǎn)換、充放電轉(zhuǎn)換開關(guān)以及電池直接供電功能。系統(tǒng)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(tǒng)硬件

      根據(jù)系統(tǒng)整體方案,對(duì)各部分硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。智能電源管理系統(tǒng)原理圖如圖2。

      圖2 智能電源管理系統(tǒng)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(guān)電源芯片U1作為充電電源[4];采用電流檢測(cè)放大器U2將充放電電流轉(zhuǎn)換成電壓,一方面供MCU采集,另一方面將電壓信號(hào)通過U3B引至U1的電壓調(diào)整端實(shí)現(xiàn)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(diào)整范圍為1.23~37 V,最大輸出電流6.9 A,滿足1~24節(jié)電池的充電要求。該芯片自身具有關(guān)斷功能。5腳懸空或低電平時(shí),使能芯片輸出,否則關(guān)斷輸出。可由單片機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)充電的啟動(dòng)與停止。芯片4腳為電壓反饋管腳,內(nèi)置基準(zhǔn)為1.23 V。通過調(diào)整R7和R12的值,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)U1輸出電壓UC的調(diào)節(jié)。根據(jù)式(1)計(jì)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(zhǔn)電壓UREF。5腳輸出電壓UCH與充放電電流IB的關(guān)系為式(2)。

      充電時(shí)IB為正值,放電時(shí)IB為負(fù)值。

      運(yùn)算放大器U3B正輸入端接UCH,負(fù)輸入端接5 V電壓,輸出端接U1的輸出調(diào)整腳4腳,構(gòu)成負(fù)反饋[5],實(shí)現(xiàn)恒流。穩(wěn)態(tài)時(shí),UCH維持在5 V。此時(shí)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(guān)系為式(3)。

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

      2.2 放電單元

      單節(jié)鎳氫電池放電保護(hù)電壓為1 V,低于1 V必須停止放電,否則會(huì)對(duì)電池造成致命傷害。所以需要設(shè)計(jì)過放電路以保護(hù)電池。為了降低電池供電時(shí)的功耗,設(shè)計(jì)采用P溝道MOSET管放電開關(guān)。通過U3A實(shí)現(xiàn)硬件過放保護(hù),通過單片機(jī)控制Q5實(shí)現(xiàn)軟件過放保護(hù),進(jìn)而達(dá)到雙重保護(hù)的目的。

      運(yùn)算放大器U3A正輸入端接電池電壓經(jīng)過R8與R16分壓后的信號(hào),負(fù)輸入端接5 V電壓。當(dāng)電池電壓降低使分壓值低于5 V時(shí),輸出為低電平,控制Q2關(guān)斷放電回路。式(4)為過放保護(hù)電壓UL與分壓電阻之間的關(guān)系。

      在切斷放電回路的瞬間,由于Q2極間電容的存在,Q2關(guān)斷實(shí)際是一個(gè)阻抗逐漸增加的過程。在Q2阻抗增加到一定程度時(shí),電池電壓由于負(fù)載電流減少會(huì)逐漸增大。此時(shí)運(yùn)算放大器并未失電,所以運(yùn)算放大器輸出會(huì)恢復(fù)為高電平,控制Q2再次導(dǎo)通。為避免切斷瞬間的反復(fù)通斷,設(shè)計(jì)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(shí),輸出對(duì)電池分壓沒有任何影響;當(dāng)輸出為低電平時(shí),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(lián)后再與R8進(jìn)行分壓,所以分壓值會(huì)比關(guān)斷瞬間更低。只要保證電池上升后,經(jīng)過R8、R9、R16分壓后仍低于5 V,即可避免反復(fù)通斷,實(shí)現(xiàn)可靠斷電。

      由于隔爆類產(chǎn)品[6]在煤礦井下有爆炸性氣體的環(huán)境中嚴(yán)禁帶電開蓋,所以設(shè)計(jì)引入了防爆開關(guān)S1和S2。

      S1用來實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的靈活性及使用的便捷性,設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)此功能,同時(shí)還需要保證在Q2關(guān)斷后所有器件均不工作,以降低電池關(guān)機(jī)功耗,設(shè)計(jì)在Q5的基極對(duì)電池正極接入了C2、R6。C2為儲(chǔ)能元件,當(dāng)S1接通瞬間,C2充電經(jīng)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(dǎo)通,進(jìn)而導(dǎo)通Q2。Q2導(dǎo)通后,MCU上電,通過R13控制Q5,進(jìn)而控制Q2維持導(dǎo)通。只要保證電容C2的充電時(shí)間大于MCU啟動(dòng)的時(shí)間就可以達(dá)到電池直接啟動(dòng)的目的。可以通過改變C2的值來調(diào)整充電時(shí)間。

      S2用來實(shí)現(xiàn)在設(shè)備不開蓋的情況下進(jìn)行充放電切換。S2導(dǎo)通1次,MCU將控制Q1通斷狀態(tài)變換1次,實(shí)現(xiàn)充放電切換功能。Q1關(guān)斷為放電狀態(tài);Q1導(dǎo)通為充電狀態(tài)。

      2.3 電源切換單元

      在輸入正常時(shí),輸入電源向負(fù)載供電,電池處于充電或者待機(jī)狀態(tài);輸入電源故障時(shí),電池自動(dòng)向負(fù)載供電。為了實(shí)現(xiàn)無縫切換,設(shè)計(jì)采用雙回路同時(shí)在線的方式。輸入電源通過D2向負(fù)載供電,電池通過R4、Q2、D1向負(fù)載供電。

      在輸入電源正常情況下,D2導(dǎo)通。因?yàn)檩斎腚娫措妷捍笥陔姵仉妷?,所以二極管D1的負(fù)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(duì)外提供電能。此時(shí)負(fù)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(shí),D1導(dǎo)通,D2反向截止。此時(shí)負(fù)載由電池供電。真正實(shí)現(xiàn)交直流無縫切換。該設(shè)計(jì)的另外一個(gè)好處是可以避免由于輸入電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)供電造成影響。

      2.4 智能控制單元

      控制單元是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心。MCU[7]采用STC15W4K32S4。負(fù)責(zé)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(jù)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系判斷電池狀態(tài),控制對(duì)電池進(jìn)行充放電。同時(shí)與液晶屏接口、通信接口配合完成人機(jī)交互及信息傳輸。

      MCU通過采集3腳、4腳、5腳的電壓,根據(jù)對(duì)應(yīng)的分壓電阻的比例關(guān)系可分別計(jì)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(guān);16腳控制放電開關(guān)。

      通過采集2腳電壓,可以根據(jù)分壓電阻計(jì)算出UCH,再根據(jù)式(2)計(jì)算出充放電電流。

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

      鎳氫電池充電時(shí)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(chǎn)品的使用環(huán)境溫度差別較大,所以僅判斷電壓很難將電池充滿[10]。同時(shí)經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),電池在充滿后如果繼續(xù)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(jù)電池電壓結(jié)合電池溫升判斷電池是否充滿。一旦充滿立即停止充電。當(dāng)電池投入使用或電池由于自放電導(dǎo)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(xù)流充電導(dǎo)致電荷堆積影響電池活性,降低電池效率等問題,延長(zhǎng)電池使用壽命。

      2.5 顯示模塊

      設(shè)計(jì)采用彩色液晶屏LCD1作為系統(tǒng)的顯示模塊,用以顯示設(shè)備地址、電源狀態(tài)、電池狀態(tài)、電池電壓、電池電流、電池溫度等參數(shù)。

      該液晶屏具有結(jié)構(gòu)輕、功耗低等特點(diǎn)。采用ST7796S芯片驅(qū)動(dòng),功能強(qiáng)大,穩(wěn)定性好,指令功能強(qiáng),可顯示320×480點(diǎn)陣彩色圖片。可以用指令控制顯示內(nèi)容順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°或倒立豎放。支持串口SPI、IIC協(xié)議及并口協(xié)議。工作溫度范圍為-30~+80℃,完全滿足工業(yè)應(yīng)用。

      為保證顯示刷新速度,設(shè)計(jì)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(diào)整該電阻阻值來調(diào)解背光亮度,進(jìn)而達(dá)到降低功耗的目的。

      2.6 通信模塊

      設(shè)計(jì)采用在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的RS485總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。硬件部分采用增強(qiáng)型嵌入式隔離RS485收發(fā)器RSM3485ECHT。該收發(fā)器采用單一電源供電,內(nèi)部隔離,隔離電壓高達(dá)2 500 V。總線最多可連接256個(gè)節(jié)點(diǎn)。并且集成抗電磁干擾器件,對(duì)電磁兼容要求不高的場(chǎng)所可無需另外設(shè)計(jì)抗干擾電路。

      3 系統(tǒng)軟件

      系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)所有參數(shù)的采集以及根據(jù)各個(gè)參數(shù)對(duì)充放電過程進(jìn)行智能控制,并驅(qū)動(dòng)顯示和通信單元對(duì)所有狀態(tài)信息進(jìn)行顯示和通信。智能電源管理系統(tǒng)軟件流程圖如圖3。

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

      1)電源狀態(tài)判斷。當(dāng)輸入電壓大于1 V時(shí),為外部供電;否則為電池供電。

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

      4 結(jié) 語

      設(shè)計(jì)了一種基于開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)和MCU采集控制的智能電源管理系統(tǒng)。用開關(guān)電源恒流調(diào)節(jié)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(jié)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(shí)的容量達(dá)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(xù)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(shè)計(jì)了充放電開關(guān),解決了礦用設(shè)備井下禁止開蓋的問題;設(shè)計(jì)了電池直接啟動(dòng)的功能,為礦用設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)提供了方便。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已經(jīng)配接監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦井下,得到現(xiàn)場(chǎng)用戶一致好評(píng),完全滿足礦用產(chǎn)品對(duì)備用電源的供電要求。

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