1管理电路架构
镍氢电池管理电路主要通过主控芯片控制外围电压采集电路、电流检测电路、温度监测电路和UART通讯电路。为了有效保证镍氢电池电压测量精度在毫伏级，同时满足多个测量通路，系统选用的主控芯片最大特点就是内部包括一个12－bit200ksps的ADC，并且支持多达32个单端输入。在电压测量电路中根据电池数量进行硬件通道分组，同时由于电池串联，接入端电压从低到高递增。因此针对不同分组进行了降压处理。在电流检测电路中，为了降低系统功耗，采用小电阻取样，使用增益放大器得到有效测量信号。温度监测电路采用专用温度测量器件将温度转化为电压，通过电压采集得到当前外界温度。UART通讯采用主控芯片内部通讯模块，通过控制相应寄存器实现特定波特率通讯。
2管理系统原理分析
2．1工作原理
管理系统在功能实现上主要通过中断实时响应方式实现电压、电流和温度的采集，以及与外部设备的通讯，通过时间片轮询处理方式实现管理系统状态控制及信息处理。整个系统的软件架构图如图2所示。初始化过程中根据系统信号电池进入充电或放电状态。在电压处理程序中，根据系统当前工作状态，结合镍氢电池特性处理管理系统的运行过程，在运行中如果发现系统异常，如单体镍氢电池出现短路，则立刻停止当前运行状态，系统进入故障报警。通过数据处理流程将当前故障通知外部设备。在电流处理程序中，充电过程中由于电池电压不断提高，电流需要根据采集到的电流大小及时调整外部场效应管，使充电过程达到恒流充电。放电过程中如果出现电流过大等异常状况要及时停止放电并报警。温度处理程序主要进行温度异常判断，如果出现异常则立刻停止充放电流程并报警。通过电压、电流、温度和数据处理程序，电池管理系统高效的保证了镍氢电池的安全运行和使用效率，为矿用设备提供了可靠的备用电源系统。
2．2电压信息采集
镍氢电池管理系统能够实现对20组串联电池组中任一单节电池的实时电压进行监控。串联电池组具有大范围（测量电压范围为0～28V），高精度（测量精度要求达到mV级别），强实时（测量时间要求达到秒级）等一系列特点，因此必须对20组电池电压进行同时测量，减少实时误差，并通过内部软件校正实现测量精度要求。测量电路原理图如图3所示。20组电池电压经过不同阻值的分压电阻，进入主控芯片进行AD转换，得到不同电压采样值，再通过内部软件恢复出实际的电压值，相邻电压值之差即是单节电池电压。系统设计了5组分压电阻，实现了从1／3到1／20共5组分压比。针对不同的电池电压，将分压后的电压数据尽可能的包含在AD采样的满量程内，提高了AD采样的精度。简化AD外围电路，不经过运算放大器进行放大，直接进入CPU的模拟采样端口，基本消除了由外部器件差异引入的采样误差；通过CPU对模拟端口同时采样，基本消除了由采样时间差异引入的时差误差。
2．3电流信息采集和控制
电流模块分为电流采集模块和控制模块。采样电路如图4所示。ADC1端接取样电阻。在充电过程中，取样电阻两端产生压降，通过ADC1将取样电阻电压引入放大器，再将放大之后的信号ADC2或ADC3引入主控芯片，由主控芯片进行AD转换得电流采样值。在放电过程中，主控芯片控制比较简单，在放电电流未出现异常的情况下，对三极管进行开关控制即可达到对外放电的目的。在充电过程中，一方面镍氢电池内阻较小，另一方面充电过程中电池电压不断提升，因此不能直接将外部电源接入电池，需要实施电流控制。充电电流控制原理如图5所示，通过主控芯片输出占空比可调的PWM信号，控制NPN三极管5551的通断，最终实现对场效应管通断的控制，达到电流控制的目的。同时主控芯片根据实时检测到的电流值闭环调节PWM信号的占空比，从而实现充电电流的恒流闭环调节。在一个PWM周期中，当PWM信号为高时，低边NPN三极管5551导通，使高边NPN三极管5551基极拉低，三极管关断，场效应管门级变为低电平，场效应管关断；当PWM信号为低时，低边NPN三极管5551关断，高边NPN三极管5551被上拉电阻拉高，三极管导通，场效应管门级变为高电平，场效应管导通；在每一个PWM周期中，重复以上过程。
2．4温度信息采集
一般对外界温度的采集，是将温度传感器作为从设备接入。通过温度传感器自带转换电路将外界温度直接转换为数值，主控芯片通过特定的命令读取温度值。这种方法不仅增加了代码量，同时也增加了系统成本和不稳定性。在本系统中采用的是将温度值转换为电压值，再通过主控芯片内部AD转换器转换得到对应的电压值，将得到的电压值进行电压－温度对应转换，即可得到当前外界温度值。由于系统本身需要测量单体镍氢电池电压和充放电电流，因此这种温度测量方式在软件结构上实现了统一测量，提高了系统维护性。
2．5UART通讯
在矿用设备安全规范中，井下设备的运行状况需要实时的反应给井上人员，并在出现故障的时候要及时对外报警。因此作为井下备用电源，其运行状况和故障信息需要实时的对外传输。管理系统中采用了主控芯片自带的一个标准异步全双工串行通讯方式：UART通讯。管理系统运行过程中，系统会将当前的运行状况：镍氢电池单体电池电压，当前电池电量，当前电流值，及时的通过UART发送给外部设备。当管理系统出现故障的时候，如温度异常，输出短路等，系统将切断镍氢电池与外部输出的通路，并立刻将报警信息传出。当故障消除后，系统会自动恢复到正常工作状态。
3结束语
通过使用高精度AD采样主控芯片，实现了对镍氢电池单体电池电压的精确测量，是测量精度控制在10mV以内，通过采用PWM控制和闭环调整方式使镍氢电池实现了恒流充电，同时在系统工作过程中全程监控外部环境温度，并及时的对外输出了系统的运行信息和故障信息，达到了对镍氢电池的精确测量和高效控制的目的。
作者：张瑞松 吴仲光 金丽娟 马士友 单位：四川大学计算机学院 中国人民解放军78188部队 中国人民解放军防空兵指挥学院
