基于C8051F单片机的镍氢电池组管理系统 管理系统, 单片机, 电池

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关键字：镍氢电池   单体电池监测   PWM   C8051F  



文章描述了镍氢电池充放电原理和特性的分析,并根据镍氢电池充放电管理需求,提出了一种基于C8051F单片机对多节镍氢电池串联电池组进行综合监测和管理的方案,通过设计:实现了新型电池管理电路,包括完整的硬件和软件解决方案。
随着中国煤炭工业的发展和矿山装备技术的进步，我国对煤矿甲烷安全监控系统，运输监控系统，应急救援系统等使用的后备电源的设备要求越来越高，尤其是其安全特性。作为煤矿用后备电源的重要的组成之一，镍氢电池无论在安全性上，还是可靠性，成本等方面，都具有较大优势。镍氢电池组是一个串联的组成系统，其中任何单节电池损坏必将影响整个电池组，如何在保证镍氢电池安全性能的同时，发挥电池自身最大的能量效率，这是矿用镍氢电池管理系统研究和设计的方向。

1 镍氢电池充放电原理

镍氢电池(金属氢化物镍蓄电池)采用储氢合金，在充电的时候可以存储数大量的氢气形成金属氢化物，将电能转换为化学能;放电的时候又能将存储的氢气释放，将化学能转换为电能。其基本电化学反应为：Ni(OH)2+M〈=〉NiOH+MHab(式中：M为储氢合金，Hab为吸收的氢气)。

在电池充电后期和充电结束时，还伴随发生下列反应：




基于以上3个电化学反应，镍氢电池的充放电表现如下特性：

1)充电电流取决于电池容量C。充电电流过大会使电池内部压力升高较快，电池自身的安全阀打开，电池漏液，引起安全问题。在设计中，充电电流宜取0.1C。

2)电池充电饱和后，极板上的物质已经全部中和，电池电压不再上升而是略有下降。此时，若继续大电流充电，将会大大影响电池的寿命，此时的电压称为充电终止电压，一般单节电池不超过1.5 V。充电终止电压与电流充电率、环境温度、电池生产工艺等因素有关。

3)电池放电结束后，极板上的活性物质已经全部消耗。如果继续对外放电，会造成负极析出的氢气无法中和，电池内部压力上升，安全阀打开，对外析氢，引起安全问题。

20节串联镍氢电池的充放电曲线如图1所示。



图1 镍氢电池组充放电曲线



根据镍氢电池的充放电特性，设计了一种新型的智能型镍氢电池组管理电路，能够支持多达20节镍氢电池串联的电池组管理，能够实现对单节电池和整体电池组的有效检测与控制，可以更高效，更安全的完成镍氢电池的充放电管理功能。3 镍氢电池管理系统软件设计

软件设计考虑到采集单节电池电压、实时电流、电池温度、记录充电时间以及电压变化量等参数，综合判断当前电池状态，控制电池充放电启动和结束，并实时检测是否有单节电池异常、短路、温度异常、放电大电流、充电大电流等多种异常情况，对外输出电池基本状态信息和报警信号。软件按功能可分为PWM控制模块、计时模块以及电压检测、电流检测、温度检测模块等几部分。

管理系统工作时，CPU首先判断是否外接负载(放电)或外接电源(充电)。当检测到外接负载时，系统打开放电场效应管，镍氢电池对外放电。在放电过程中，CPU不断检测放电电流和单节电池电压，当监测到过高的放电电流或负载短路时，CPU立即关断放电回路，并持续对外报警;当监测到单节电池电压低于额定门限(1.0 V)时，CPU立即关断放电回路。

当管理系统检测到外接电源时，系统进入充电状态。CPU输出PWM波形控制充电场效应管，并不断检测充电电流，实时进行闭环调节，实现充电恒流控制目的。在放电过程中，CPU不断检测充电电流和单节电池电压，当监测到过高的充电电流或负载短路时，CPU立即关断充电回路，并持续对外报警;当监测到单节电池电压高于额定门限(1.5 V)时，CPU立即关断充电回路。

系统软件的核心部分为AD数据处理和PWM闭环控制两个模块。下面给出这两部分的相应程序，编译环境为Silicon Laboratories IDE。

AD数据处理模块程序代码，以充电电流数据滤波处理为例：






4 结论

设计了一款基于C8051F的镍氢电池管理系统，支持最高20节镍氢电池串联电池组，能够实时检测每一只单体电池电压，充放电电流等参数。通过简化外部采样电路，使用高精度ADC和CPU内部参考电平，通过优化软件参数和滤波算法，在实际工程应用中达到了0.01 V的采样精度，误差≤1 mV。建立了电池组管理系统电路的设计模型，在实际应用中，根据电池的不同类型和使用工况条件仍需要进一步完善和研究。