文章描述了鎳氫電池充放電原理和特性的分析,並根據鎳氫電池充放電管理需求,提出了一種基於(yu) C8051F單片機對多節鎳氫電池串聯電池組進行綜合監測和管理的方案,通過設計:實現了新型電池管理電路,包括完整的硬件和軟件解決(jue) 方案。

    隨著中國煤炭工業(ye) 的發展和礦山裝備技術的進步，我國對煤礦甲烷安全監控係統，運輸監控係統，應急救援係統等使用的後備電源的設備要求越來越高，尤其是其安全特性。作為(wei) 煤礦用後備電源的重要的組成之一，鎳氫電池無論在安全性上，還是可靠性，成本等方麵，都具有較大優(you) 勢。鎳氫電池組是一個(ge) 串聯的組成係統，其中任何單節電池損壞必將影響整個(ge) 電池組，如何在保證鎳氫電池安全性能的同時，發揮電池自身最大的能量效率，這是礦用鎳氫電池管理係統研究和設計的方向。

    1 鎳氫電池充放電原理

    鎳氫電池(金屬氫化物鎳蓄電池)采用儲(chu) 氫合金，在充電的時候可以存儲(chu) 數大量的氫氣形成金屬氫化物，將電能轉換為(wei) 化學能;放電的時候又能將存儲(chu) 的氫氣釋放，將化學能轉換為(wei) 電能。其基本電化學反應為(wei) ：Ni(OH)2+M〈=〉NiOH+MHab(式中：M為(wei) 儲(chu) 氫合金，Hab為(wei) 吸收的氫氣)。

    在電池充電後期和充電結束時，還伴隨發生下列反應：

    基於(yu) 以上3個(ge) 電化學反應，鎳氫電池的充放電表現如下特性：

    1)充電電流取決(jue) 於(yu) 電池容量C。充電電流過大會(hui) 使電池內(nei) 部壓力升高較快，電池自身的安全閥打開，電池漏液，引起安全問題。在設計中，充電電流宜取0.1C。

    2)電池充電飽和後，極板上的物質已經全部中和，電池電壓不再上升而是略有下降。此時，若繼續大電流充電，將會(hui) 大大影響電池的壽命，此時的電壓稱為(wei) 充電終止電壓，一般單節電池不超過1.5 V。充電終止電壓與(yu) 電流充電率、環境溫度、電池生產(chan) 工藝等因素有關(guan) 。

    3)電池放電結束後，極板上的活性物質已經全部消耗。如果繼續對外放電，會(hui) 造成負極析出的氫氣無法中和，電池內(nei) 部壓力上升，安全閥打開，對外析氫，引起安全問題。

    20節串聯鎳氫電池的充放電曲線如圖1所示。

    圖1 鎳氫電池組充放電曲線

    根據鎳氫電池的充放電特性，設計了一種新型的智能型鎳氫電池組管理電路，能夠支持多達20節鎳氫電池串聯的電池組管理，能夠實現對單節電池和整體(ti) 電池組的有效檢測與(yu) 控製，可以更高效，更安全的完成鎳氫電池的充放電管理功能。

    2 鎳氫電池管理係統硬件設計

    采用由恒流充電電路，實時電壓檢測電路，CPU控製電路和其他外圍電路共同構成的鎳氫電池充放電管理係統。

    1)恒流充電電路

    恒流充電電路采用閉環控製和脈衝(chong) 調製方式實現充電電流的恒流負反饋控製。充電電路原理圖如圖2所示。

    圖2 充電電路原理圖

    CPU輸出占空比可調的PWM信號，控製NPN三極管5551的通斷，最終實現對場效應管通斷的控製，達到電流控製的目的。同時CPU實時檢測當前電流值，並根據實時電流值閉環調節PWM信號的占空比，從(cong) 而實現充電電流的恒流閉環調節。

    在一個(ge) PWM周期中，當PWM信號為(wei) 高時，低邊NPN三極管5551導通，使高邊NPN三極管5551基極拉低，三極管關(guan) 斷，場效應管門級變為(wei) 低電平，場效應管關(guan) 斷;當PWM信號為(wei) 低時，低邊NPN三極管5551關(guan) 斷，高邊NPN三極管5551被上拉電阻拉高，三極管導通，場效應管門級變為(wei) 高電平，場效應管導通;在每一個(ge) PWM周期中，重複以上過程。

    2)實時電壓檢測電路

    針對煤礦產(chan) 品的特點，鎳氫電池充放電管理係統應至少能夠實現對20節串聯電池組中任一單節電池的實時進行監控。要求檢測電壓範圍寬，精度高，響應時間快等一係列特點，因此，必須對20節電池進行同時測量，減少實時誤差，並通過內(nei) 部軟件校正實現測量精度要求。測量電路原理圖如3所示。

    圖3 實時電壓檢測電路原理圖

    20節電池電壓經過不同阻值的分壓電阻，進入CPU進行AD轉換，得到不同AD采樣值，再通過內(nei) 部軟件恢複出實際的電壓值，相鄰電壓值之差即是單節電池電壓。

    係統設計了5組分壓電阻，實現了從(cong) 1/3到1/20共5組分壓比。針對不同的電池電壓，將分壓後的電壓數據盡可能的包含在AD采樣的滿量程內(nei) ，提高了AD采樣的精度。簡化AD外圍電路，不經過運算放大器進行放大，直接進入CPU的模擬采樣端口，消除了由外部器件差異引入的采樣誤差;通過CPU對模擬端口同時采樣，消除了由采樣時間差異引入的時差誤差。

    CPU選用的是Silicon公司推出的8051F5XX係列CPU，它內(nei) 部包括一個(ge) 12 bit的ADC，且支持多達32個(ge) 單端輸入，完全符合係統設計要求。

    3 鎳氫電池管理係統軟件設計

    軟件設計考慮到采集單節電池電壓、實時電流、電池溫度、記錄充電時間以及電壓變化量等參數，綜合判斷當前電池狀態，控製電池充放電啟動和結束，並實時檢測是否有單節電池異常、短路、溫度異常、放電大電流、充電大電流等多種異常情況，對外輸出電池基本狀態信息和報警信號。軟件按功能可分為(wei) PWM控製模塊、計時模塊以及電壓檢測、電流檢測、溫度檢測模塊等幾部分。

    管理係統工作時，CPU首先判斷是否外接負載(放電)或外接電源(充電)。當檢測到外接負載時，係統打開放電場效應管，鎳氫電池對外放電。在放電過程中，CPU不斷檢測放電電流和單節電池電壓，當監測到過高的放電電流或負載短路時，CPU立即關(guan) 斷放電回路，並持續對外報警;當監測到單節電池電壓低於(yu) 額定門限(1.0 V)時，CPU立即關(guan) 斷放電回路。

    當管理係統檢測到外接電源時，係統進入充電狀態。CPU輸出PWM波形控製充電場效應管，並不斷檢測充電電流，實時進行閉環調節，實現充電恒流控製目的。在放電過程中，CPU不斷檢測充電電流和單節電池電壓，當監測到過高的充電電流或負載短路時，CPU立即關(guan) 斷充電回路，並持續對外報警;當監測到單節電池電壓高於(yu) 額定門限(1.5 V)時，CPU立即關(guan) 斷充電回路。

    係統軟件的核心部分為(wei) AD數據處理和PWM閉環控製兩(liang) 個(ge) 模塊。下麵給出這兩(liang) 部分的相應程序，編譯環境為(wei) Silicon Laboratories IDE。

    AD數據處理模塊程序代碼，以充電電流數據濾波處理為(wei) 例：

    4 結論

    設計了一款基於(yu) C8051F的鎳氫電池管理係統，支持最高20節鎳氫電池串聯電池組，能夠實時檢測每一隻單體(ti) 電池電壓，充放電電流等參數。通過簡化外部采樣電路，使用高精度ADC和CPU內(nei) 部參考電平，通過優(you) 化軟件參數和濾波算法，在實際工程應用中達到了0.01 V的采樣精度，誤差≤1 mV。建立了電池組管理係統電路的設計模型，在實際應用中，根據電池的不同類型和使用工況條件仍需要進一步完善和研究。