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摘要：镍氢电池具有能量比大、重量轻、温度特性好等特点，它属于碱性电池，相比镍镉电池、铅酸蓄电池等传统电池，对环境污染小，被称为绿色电池，应用广泛。使用于煤矿井下的特殊环境时，电池在使用中有严格的防爆设计要求，所以，对镍氢电池有必要配备一款智能、可靠、高效、稳定的镍氢电池管理系统。基于此，本文针对一种基于镍氢电池作为矿用隔爆设备后备电源的管理系统进行了简要研讨，仅供参考。
关键词：镍氢电池；后备电源管理系统
新国标GB3836.2—2010《爆炸性气体环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》中规定隔爆外壳内可使用的蓄电池为镍镉、镍氢和锂电池，由于镉是有毒，废弃电池处理复杂且会对环境造成污染；锂电池易于发生爆炸，存在安全隐患；而镍氢电池具有容量大，绿色、无污染，安全性能高等优点。因此，选用镍氢电池作为矿用隔爆型设备的备用电池成为趋势。鉴于此，设计一种基于镍氢电池作为矿用隔爆设备后备电源的管理系统。
1镍氢电池的后备电源管理系统设计概括
系统包括充电管理电路，单节电池电压监测、液晶显示、人机交互、输出控制和中央处理模块，辅以交流转直流设备及安全栅电路，可实现交流和备用电池智能切换给负载设备提供本安电源，如图1所示。交流输入经过外部变压器及AC/DC电路，由系统MCU控制输出控制电路导通进行本安处理输出，并通过充电管理电路对电池进行充电管理；交流断电时，系统自动切换为电池供电并进行放电管理。备用电池为由12节13Ah的镍氢电池组成，系统采用LTC6803对电池单节电池电压进行实时监测，并监测电池温度、总电压等状态参数，根据采集的参数通过软件算法对电池状态进行评估，进行充、放电管理。液晶显示模块显示系统工作及电池状态等信息。井上工作人员可通过人机交互单元获取系统状态信息并可强制操作管理系统对电池进行充、放电管理，实现对电池的远程维护。
2充电管理电路
镍氢电池充电电容在0.1～1C时，使用效率最高，综合考虑电路散热和成本等因素，系统设置充电电流为1.3A（0.1C）恒流充电和0.01C（0.13A）涓流充电。充电管理电路通过Buck-Boost开关稳压控制器LM5118实现10~55V的直流输入对电池进行充电，并通过运放搭建的充电电流调节电路调节LM5118反馈增益，实现2种充电模式切换。充电管理电路图如图2所示，电池组的最高电压在18V左右，因此设计LM5118的额定输出电压为18.5V。当Vin>Vout时，LM5118工作在Buck模式时，器件Q1、D4以及L1处于工作状态，Q2处于关闭状态，实现降压输出。LM5118工作在Boost模式时，Q1是处于导通状态，功率电感L1、MOSFETQ2、以及输出二极管D1实现升压输出。在充电电流控制电路中，ICON由MCU的I/O引脚控制，为低电平时为0.1C的恒流充电模式；引脚为高电平时，切换为0.01C的涓流充电模式，调节R57的电阻值可实现充电电流额定值调节。充电电流经过检流电阻R20，产生感应电压接入电流检测放大器AD8418，AD8418经过放大输出进入MCU实现充电电流值检测。
3软件设计
3.1软件主流程
软件系统主要包括电池电压采集、充放电电流数据采集、电池温度采集、充放电管理、液晶显示以及串口通讯模块。系统上电后首先完成MCU初始化配置、读取铁电中保存的电池电量等状态信息和判断交流和电池状态的工作。如果交流输入不正常且电池正常则进行放电控制，若交流输入正常则进行充电控制，并通过RS485通讯上传系统的状态信息。
3.2充电软件设计
系统对电池充电管理方式，直接关系到电池使用性能和循环使用寿命，镍氢电池的特性与锂电池等有很大区别，系统根据多次试验后总结电池充电特性曲线，并设计一种针对镍氢电池的充电方法充电管理算法。图3为SUPPO的13Ah镍氢电池在不同温度和充电电流下，电池电压变化曲线。
由图3可以看出，镍氢电池在不同充电电流和温度下，电池电压
变化曲线不同，充电饱和后会出现电压负增长并伴随着温度急剧上升，系统针对这一特性设计了基于压负增量和电池温度的充电管理算法。镍氢电池具有自放电非常快特点，因此系统设定充电为0.1C的恒流和0.01C的涓流充电2个阶段。第1个阶段为正常充电阶段，当出现-ΔV≥0.5V或10min内的温度增量大于5℃时，认为电池达到充电饱和状态，同时监测电池最高温度、最高总电压、最大单节电压、充电时间等参数实现充满条件失效时的防过充控制；第2阶段为电池充满后的0.01C涓流充电，针对镍氢电池的自放电非常快的特点而设计，使电池保持在电量近似充满状态。
系统根据用户需求，采用的镍氢电池为12节13Ah镍氢电池串联而成。系统对充电过程中充电电流数据进行测试分析。在镍氢电池充电的过程中，利用数字测量仪对镍氢电池组的充电电流进行多次测量与系统理论设定值进行比较，如表1所示系统充电电流稳定,误差小，符合系统的设计要求。
结语
综上所述，该系统依据镍氢电池的特性而设计，本文分析充电管理电路设计原理、以及充电管理部分的充电管理算法和软件流程设计过程，最后，对系统运行测试数据进行了分析。实际应用表明该系统运行安全可靠，具有可靠性高、智能化高的特点。
参考文献
[1]何明刚，李长录，杨晓丹，等．煤矿井下监控系统后备电源用锂电池管理系统[J]．煤矿安全，2012．
[2]石发强.基于C8051F的镍氢电池组管理系统设计和实现[J].电子设计工程,2014.
作者简介：
陈翔（1988.12），男，浙江台州人，上海同济大学，学士，单位：国网浙江省电力公司台州供电公司（浙江，台州），单位邮编：318000
许楚航（1989.11），女，浙江台州人，华北电力大学，学士，单位：国网浙江省电力公司台州供电公司（浙江，台州），单位邮编：318000
翁振洲1988-07男，浙江台州人，上海电力学院学士，单位：国网浙江台州市黄岩区供电有限公司浙江，台州单位邮编：318020
论文作者:陈翔,许楚航,翁振洲
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/13
标签：镍氢电池论文; 电池论文; 系统论文; 电流论文; 管理系统论文; 电压论文; 状态论文; 《电力设备》2017年第32期论文;