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张逸
【摘 要】为了对同线扩音电话中的镍氢电池组提供尽可能完备的保护和管理,并解决镍氢电池在小电流充电模式下的效率问题,提出了一种镍氢电池的充放电管理单元.基于BUCK-BOOST芯片设计了一个宽输入范围、高效率的稳压电源;基于PIC12F615单片机和LTC31 14芯片设计了充放电管理单元,确定了系统工艺,设计了系统电路,测试了相关功能.经实验研究表明,该电池管理单元充电效率高,工作灵活可靠,取得了良好的效果. 【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】牛头饰 手工制作镍氢电池;电池管理单元;PIC12F615单片机;LTC3114芯片;BUCK-BOOST稳压电源
【作 者】张逸
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【作者单位】中国煤炭科工集团上海有限公司,上海200030
【正文语种】吸油烟机止回阀中 文
【中图分类】TM910.6
0 引言
按照标准GB 3836.4—2010《爆炸性环境 本质安全“i”》的要求，应用在煤矿井下带式输送机沿线和采煤工作面的本质安全型同线对讲扩音电话，既要保证电路的本质安全，又要实现音频输出功率放大器有足够能量，故其内部一般使用容量较大、寿命长、安全系数高的镍氢电池进行电能的储备和释放。然而同线扩音电话线路上有多个扩音电话同时吸收电流，使得整个电话对讲扩音电话系统的总电流收到限制，这样，镍氢电池的小电流高效充电和管理成为对讲扩音电话性能的关键影响因素。
文献［1］介绍了一种使用MAX713 快速充电控制器来实现镍氢电池的充电方法，它能为1
6 节以上的串联镍氢电池充电，但其充电方式为线性充电，反而使得扩音电话系统的供电效率降低;文献［2］介绍了一种Buck 型电池管理器电路，具有效率高、可控小电流充电等特点，然而该电路需要使用单片机进行驱动控制，不但电路复杂，而且控制工艺复杂。而Linear 等公司设计有镍氢充电管理芯片，比如LTC4012 芯片具备完整的充电和电池管理功能，然而其只适合应用于通用型的大电流快速充电场合，对小电流充电需求却无法满足。
为了解决小电流的高效率充电问题，并对电池和电路能提供尽可能完备的保护和管理，经研究分析设计了基于PIC 单片机和LTC3114 芯片构成的电池管理系统，可实现宽电压、高效率的小电流充电电路，同时又设计针对电池放电时输出电压动态变化的输出管理电路，可对电池进行管理和容量保护。 1 镍氢电池充电管理电路原理及充电控制要求
1.1 基本原理
镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，记忆效应较轻、对环境无污染且性能稳定，充电时由Ni(OH)2和M 发生化学反应生成储存能量的NiOOH、MH，并附带产生H2、O2和H2O，而
放电时为以上反应的可逆反应。如果充电速度过快会导致析氢困难，影响电池的寿命［2］。镍氢电池的充电曲线如图1 所示。
图1 镍氢电池充电特性曲线图
1.2 充电控制方法
镍氢电池的充电方法有:标准充放电、快速充电、急速充电、脉冲充电、涓流充电等方法，同线扩音电话中的镍氢电池属于后备电源，适合采用涓流持续充电，此充电方法对电池性能无影响。
为了防止电池过充，需要对充电终点进行控制，常用的充电控制方法有以下几种。
1)容量控制法。充电控制器以恒流I 对电池充电时间t 进行充电，其充电量Q=I·t。当充电量Q 达到要求，充电便停止。
2)Vmax控制法。在电池最高电压Vmax之前设置一电压阈值VGATE，当充电电压达到该阈值时，充电便停止。
3)-ΔV 控制法。镍氢电池充电到100%之后再继续充电，会存在一个明显的电压下降，充电控制器监测-ΔV 变化点，就能判断电池充满。
4)ΔT/Δt 控制法。当电池充满后继续充电，其温度变化率ΔT/Δt 迅速增大，检测此变化率增大到一定阈值，即判断电池充满［3-4］。
1.3 充电控制要求
1)安全充电。上述4 类充电控制技术各有所长，然而对于煤矿井下扩音电话而言，总功率受限，镍氢电池的充电电流小，充电时间长，每次放电不充分，都是其独特之处。为了满足这些特殊要求，提出了“涓流+Vmax”控制法，即使用小电流的恒流源进行持续的涓流充电，并对充电电压设置电压阈值VGATE≈Vmax，电池电压达到VGATE便停止充电。
2)宽范围的输入稳压电路。同线扩音电话的工作距离较长，供电线路压降较大，为了保证电池有足够的充电电压，应该有一个能宽范围工作的稳压电路，以维持稳定的电池充电电压。
3)电池输出电压动态管理。镍氢电池在较低电压水平时工作放电，往往会导致后续电路的
工作电压波动范围加大无法稳定工作。此时电池管理电路需要动态检测电池的工作电压，当其不能满足所供电电路的要求时，必须关断电池输出，待其能量补充到一定水平后再工作。
2 方案设计
mp3手表2.1 系统目标
通过上述技术分解，得到的系统目标是:
1)供电电源实现宽范围稳压。
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2)实现小电流恒流充电。
3)可靠监测电池充电电压。
4)动态监测电池输出电压。
5)能够关断充电回路。
6)能够关断放电回路。
2.2 系统方案
1)电源部分由Buck-Boost 型升压/降压稳压电路实现宽电压范围的非隔离高效率变换，效率能达90%以上［5］。如图2 所示，U1 为LTC3114 型Buck-Boost 稳压电路，输入电压为DC 9 V～36 V，输出电压为DC 11 V。
2)恒流充电电路实现对电池的充电并提供过流保护。图3 中，其U4 为LM317 三端稳压器，与限流电阻R5构成的恒流源实现对电池BATT 的恒流充电。
图2 基于LTC3114 的Buck-Boost 型稳压电路图
3)电池监控电路使用PIC12F615 单片机作为控制管理核心，实现对电池充电电压检测、电池放电电压检测、充电回路关断控制、放电回路关断控制，并保留一个外部控制接口。模拟量输入口AN3 读入电池端电压，进行电池充电电压检测。模拟量输入口AN1 读入电池输出电压值，动态检测线路供电电压。充电回路关断由GP5 通过三极管T1控制一个P-MOSFET Q1 实现，放电回路关断由GP0 通过三极管T2控制一个P-MOSFET Q2 实现。外
部控制信号Ctrl 接入GP2，当输入一个高电平时，打开放电回路，使电池能够输出至外部电路。GP3 作为备用，可用来实现其他控制或指示功能。
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