镍氢电池组电压均衡与管理系统的研究

曹洪奎 米继玲 付彦杰 王江平 沈阳

【摘要】针对镍氢电池组在矿用不间断直流稳压电源中应用时需要进行电压均衡和状态监控管理的问题，设计了一种以MSP430单片机和LTC6803-1电池管理芯片为核心的镍氢电池组电压均衡与管理系统，实现了对20节串联镍氢电池组的电压均衡和单体电压、电流、温度的监控管理。

【关键词】镍氢电池组；电池管理；电压均衡；LTC6803-1

镍氢电池具有体积小、重量轻、无污染和安全性好等优势，作为备用电池广泛应用于各种不间断电源系统中。由于镍氢电池单体电压较低，在实际应用中需要将多节镍氢电池串联构成镍氢电池组。镍氢电池组在循环使用中，因单体电池参数存在一定的差异而导致单体电压不均等，影响储能效率安全性[1-2]。矿用不间断直流稳压电源是井下监测和通信系统的供电设备[3]，本文设计了一种以MSP430单片机和电池组监控芯片LTC6803-1为控制核心的矿用不间断直流稳压电源用20节镍氢电池组电压均衡与管理系统。

1.系统硬件设计

1.1 系统硬件总体框架

矿用不间断直流稳压电源镍氢电池组管理系统的组成结构如图1所示。主要由单片机模块、液晶模块、测量与监控模块、电流检测模块和镍氢电池模块组成。

图1 系统的组成结构框图

图2 LTC6803-1的单体电压与温度测量电路原理图

1.2 单片机模块

本系统选用低功耗微处理器MSP430F149为控制核心。该单片机具有6个8位并行端口，且2个8位端口有中断能力，内置一个10位AD 转换器和60kB的FLASH。

1.3 测量与均衡模块

测量与均衡模块采用Linear公司生产的电池组监控芯片LTC6803-1。LTC6803-1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節串联电池的电压[4-5]。选用两片电池管理芯片LTC6803-1，每片LTC6803-1负责监控10节镍氢电池。

1.3.1 单体电压与温度测量电路

采用LTC6803-1的第一组镍氢电池模块单体电压与温度测量电路原理图见图2。LTC6803-1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。LTC6803-1的VTEMP1、VTEMP2引脚为两路温度检测引脚，采用100k负温度系数的热敏电阻（NTC）实现温度的测量。

1.3.2 均衡电路

矿用不间断电源镍氢电池组监控管理系统中的单节电池均衡电路如图3所示。LTC6803-1的均衡放电控制引脚S（n）分别控制与每个镍氢电池并联的功率三极管T（n）和3.3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，LTC6803-1自动控制开启对应的功率三极管T（n），通过均衡电阻放电，直到所有电池均达到电压上限值时为止，达到电压均衡的目的。

图3 均衡电路原理图

1.4 电流检测模块

电流检测是采用高精度电流检测芯片MAX471来实现的。MAX471具有优良的I/V转换特性、完善的高端双向电流灵敏放大器和内置检流电阻。电流检测电路如图4所示。检测电路输出信号VOUT送MSP430单片机的A/D进行转换和运算后得到电流值。

图4 电流检测电路原理图

1.5 显示模块

管理系统的显示模块采用LCD12864点阵液晶显示屏，用于显示系统检测的电池单体电压、温度和电流等状态信息。

2.系统软件设计

系统软件流程如图5所示。

系统软件设计的核心任务是通过MSP430与LTC6803-1通信，采集电池单体电压、电流、温度等信息并在LCD12864上显示出来，同时控制均衡电路，使电池组的电压保持均衡。

3.测试结果与分析

本系统选用20节2300mAh镍氢电池串联构成镍氢电池组进行测试。

充电均衡测试中，系统的均衡电压上限设定为1.41V，电压下限设定为1.39V，当镍氢电池单体电压超过1.41V时放电功率三极管打开，启动电压均衡，电压低于1.39V时放电功率三极管关闭，停止均衡。充电模式选择恒流-恒压模式，最大充电电流为500mA，最高充电电压为28.50V。整个充电测试过程中，最大均衡电流达到300mA，均衡电路动作偏差小于20mV。管理系统对20节镍氢电池单体电压和温度的检测时间约为60ms，能够满足对镍氢电池组快速充、放电过程中电压和温度检测速度的需要。

图5 系统软件流程图

4.结论

本文设计的以MSP430单片机和LTC6803-1芯片为核心的矿用不间断直流稳压电源镍氢电池组电压均衡与管理系统，实现了电压均衡控制和单体电压、电流和温度等状态的监测。系统结构简单、检测精度高、速度快、均衡效果好，确保镍氢电池组的安全使用，提高了储能效率。本系统也可广泛应用于电动工具、通信后备电源等领域。

参考文献

[1]吴铁洲，孙杨，夏防震等.镍氢动力串联电池组均衡充电方法研究[J].湖北工业大学学报，2011，26（2）：6-8.

[2]张瑞松，吴仲光，金丽娟等.镍氢电池管理系统研究[J].工业控制计算机，2013（8）： 123-124.

[3]高志风，欧阳名三.矿用隔爆兼本安型不间断直流电源[J].煤矿机械，2013，34（2）.

[4]王波.基于 LTC6803 的电池管理系统的设计[J].电源技术，2013，37（7）： 1188-1189.

[5]徐朝胜，闫改珍，李进等.具有均衡控制功能的锂电池管理系统设计[J].电源技术， 2013，37（6）：959-962.

基金项目：辽宁省教育厅基金项目（L2011096）、辽宁工业大学大学生创新创业计划项目（2013062）资助。