0 引言

　　礦用不間斷電源是為礦山井下環境監控、監測和通信等電子系統供電的重要設備，能夠保證在礦井交流供電系統意外停電時礦井環境監控、監測和通信系統的正常供電，避免因交流供電系統停止工作而造成安全事故和經濟損失。礦用不間斷電源的性能對礦山井下電子系統的正常工作起到關鍵性作用[1-3]。因此，礦用不間斷電源應具有多路穩壓輸出、備用電池不間斷供電、過壓過流保護和電池管理等功能[4]。鎳氫電池由于具有良好的使用安全性，在不間斷電源中被廣泛用作備用電池，而現有的礦用不間斷電源對備用電池的管理只具備基本的防過充、過放功能，給井下直流供電系統帶來了安全隱患。本設計采用低功耗16位單片機MSP430F149為控制核心，將鎳氫電池組監控管理技術應用到礦用不間斷直流穩壓電源的設計中，實現了不間斷雙路穩壓輸出和備用電池管理功能。

1 系統的總體設計

　　礦用不間斷電源的總體結構如圖1所示，主要由變壓器、整流濾波模塊、充電模塊、備用電池組、電池管理模塊、切換模塊、DC/DC模塊和保護模塊組成。

　　礦山井下交流供電系統的電壓等級一般為127 V/220 V/380 V AC，為了兼容3種不同的輸入電壓，采用輸入多抽頭變壓器，變壓器輸出為雙路，一路輸出用于備用電池組充電，另一路輸出作為DC/DC模塊的輸入。電池管理模塊實時監測備用電池組的工作狀態，包括單體電壓、溫度和工作電流，并對備用電池組進行電壓均衡控制，避免備用電池組單體過壓、過充電、過放電和溫度過高，提高電池組的有效儲能容量。備用電池切換模塊負責在交流供電系統斷電時將電源切換到由備用電池組供電狀態。電源經兩路DC/DC模塊的穩壓和保護模塊的過壓、過流保護后輸出直流12 V和18 V向負載供電。

2 系統的硬件設計

　　2.1 變壓器和整流濾波模塊的設計

　　根據電源系統的輸入電壓等級和輸出功率等要求，選用R型變壓器，容量為50 VA，26 V/1.3 A和28 V/1 A雙路輸出。R型變壓器具有噪聲低、漏磁小、空載電流小、鐵損低、效率高等優點；并且由于線圈是圓柱形，與環形變壓器相比，每圈的銅線長度短、內阻小、銅耗低、溫升低、過載波動小。另外，初、次級線圈采用骨架分別繞制，從而耐壓等級高，安全性好。整流濾波模塊采用兩個全橋整流電路，電容濾波。

　　2.2 備用電池和充電模塊的設計

　　本電源的備用電池采用鎳氫電池。鎳氫電池是一種性能穩定的儲能元件，具有高比能量、放電電流大、體積小、污染小、安全性好、循環使用壽命長等優點。鎳氫電池的單體額定電壓只有1.4 V，因此在實用中必須串聯構成電池組使用。為保證不間斷電源可連續供電2 h以上，本系統選用20節2 300 mAh的鎳氫電池串聯組成備用電池。

　　充電模塊采用恒壓限流充電方式對鎳氫電池組充電。電路采用LM317穩壓，將充電電壓恒定在29 V，最大充電電流為0.5 A。備用電池前端采用雙向精密電流放大器MAX472設計的電流檢測電路，用于電池組的充、放電電流檢測，將電流轉化為電壓輸出，如圖2所示。利用微處理器MSP430F149對電流檢測放大器輸出的電壓進行A/D轉換，當電流超過設置值時，單片機控制充、放電開關，停止充電或者放電，起到充、放電保護作用，避免由于過充電和過放電對電池組造成的損害，延長電池的使用壽命。

　　2.3 電池管理模塊設計

　　電池管理模塊主要由MSP430F149單片機、LCD顯示電路、電壓均衡電路和監測電路組成。采用Linear公司的電池組監控管理芯片LTC6803-3來完成鎳氫電池單體電壓與溫度的測量。LTC6803-3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[5]。選用兩片LTC6803-3，每片LTC6803-3負責監控10節鎳氫電池。采用LTC6803-3的第一組鎳氫電池模塊（10節）單體電壓與溫度測量電路如圖3所示。

　　LTC6803-3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。LTC6803-3的VTEMP1、VTEMP2引腳為兩路溫度檢測引腳，采用100 k負溫度系數的熱敏電阻（NTC）實現溫度的測量。

　　單片機MSP430F149通過SPI串行總線與LTC6803-3通信，采集溫度、電壓、電流等信號，經過內部處理后顯示在LCD12864顯示屏上，并將采集到的信號與系統預先設定的單體電壓上限值相比較，根據比較的結果控制單節電池的電壓均衡，防止電壓不均衡對鎳氫電池組造成的影響，提高鎳氫電池組的運行安全性和儲能效率。

　　電壓均衡電路采用開關電阻法均衡，可根據均衡電流的大小來選擇均衡電阻的阻值，電路結構簡單，成本低。LTC6803-3的均衡放電控制引腳Sn分別控制與每個鎳氫電池并聯的功率三極管Tn和3.3 ?贅放電均衡電阻，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，LTC6803-3自動控制開啟對應的功率三極管Tn，通過均衡電阻放電，直到所有電池均低于電壓上限值時為止，達到電壓均衡的目的。

　　2.4 DC/DC穩壓模塊設計

　　DC/DC穩壓模塊的設計采用集成開關穩壓器LM2576-ADJ，穩壓后輸出18 V和12 V，具有外圍器件少、電路簡潔、電源寬范圍連續可調等優點。電源效率達到80%以上，發熱小，使整機的重量和體積有所減小。采用LM2576-ADJ的DC/DC穩壓模塊電路如圖4所示。

　　2.5 保護模塊設計

　　保護模塊具有過壓保護和過流保護功能，使電源的輸出電壓、電流不會超過設定值。保護電路主要采用比較器LM339、精密電壓基準LM336Z和P溝道功率MOSFET IRF9530設計。以功率MOSFET IRF9530作為電源輸出開關，由LM336Z提供5 V電壓基準，經電阻分壓后作為過壓、過流的比較閾值。當電源輸出端電壓采樣值或輸出電流檢測電阻的電流檢測值超過閾值時，比較器立即關斷電源輸出端的開關管IRF9530，停止輸出，起到過壓保護和過流保護作用。本設計采用了雙重過壓過流保護，從而大大提高了系統運行的可靠性。

3 系統的軟件設計

　　系統的軟件設計采用C語言。系統軟件設計的核心任務是通過MSP430與LTC6803-3通信，采集電池單體電壓、電流和溫度等信息，并在LCD12864上顯示，同時控制電壓均衡電路，使電池組的電壓保持均衡。系統軟件流程圖如圖5所示。

4 系統測試與分析

　　依據國家煤炭行業相關技術標準[4]，礦用不間斷直流穩壓電源的主要技術參數指標包括：輸出電壓偏離值不超過±5%，負載效應≤5%，源效應≤5%，周期與隨機偏移峰峰值≤250 mV。本電源的主要技術參數指標測試結果如表1所示，各項技術參數能夠滿足設計標準要求。

　　電池管理功能測試分為單體電壓采集測試與電壓均衡測試。單體電壓采集測試是將系統中LTC6803-3測量的單體電壓值與F17B萬用表的測量結果進行對比及分析，單體電壓采集測試數據如表2所示。測試結果表明，LTC6803-3的單體電壓測量誤差小于10 mV。

　　電壓均衡測試中，系統的均衡電壓設定為1.350 V，當鎳氫電池單體電壓超過1.360 V時放電功率開關管打開，啟動電壓均衡；電壓低于1.340 V時放電功率開關管關閉，停止均衡。充電模式選擇恒流-恒壓模式，最大充電電流為500 mA，最高充電電壓為28.50 V。整個充電測試過程中，最大均衡電流達到200 mA。對其中10節鎳氫電池均衡前后分別進行測量，可得到如表3所示的數據。測試結果表明，均衡后單體間電壓偏差小于20 mV。

5 結論

　　本文設計的帶電池管理系統的礦用不間斷電源各項技術參數指標達到了國家相關標準的要求，實現了雙路穩壓輸出和過壓、過流保護功能，不間斷供電時間不低于2 h，并具有備用電池管理功能。該電源已通過國家礦用設備檢測檢驗單位的檢驗，并投入使用，實際工作性能良好。本電源結構簡單，效率高，同時具有對電池組進行過充電、過放電、過溫保護和電壓均衡等功能，運行安全可靠，能夠滿足礦山井下電子系統供電的需要，具有重要的實用意義。

參考文獻

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　　[2] 鄭安平，宋玉強.礦井直流穩壓電源的設計[J].工礦自動化報，2009，8(2)：91-93.

　　[3] 田文靜.礦用本安電源的設計與實現[J].電子與通信，2012，33(4)：115-117.

　　[4] MT/T 408-1995煤礦用直流穩壓電源[S].北京：國家標準出版社，1995.

　　[5] 曹洪奎，沈陽，米繼玲，等.鎳氫電池組電壓均衡與管理系統的研究[J].電子世界，2014，10(12)：339.