煤炭在我国能源领域依然扮演着非常重要的角色,为我国的经济发展提供了充足的动力。随着我国经济的发展,煤炭生产供不应求,煤矿安全问题日益突出,矿用监控系统在煤矿井下的广泛应用,全面提高了煤矿的安全生产水平。电源作为矿用监控系统的重要组成部分,除具有将交流转换为本安直流外,还需要有备用电源。铅酸电池作为矿用监控系统的第一代备用电源,已经得到了广泛的应用,随着国家环保标准的提高,铅酸电池因为含有有毒元素铅,逐渐被其他蓄电池替代。新国标GB3836.2-2010规定隔爆外壳内的可使用的蓄电池为:镍镉、镍氢和锂电池,由于镉是有毒的,锂电池安全性能还有待改善,因此选用镍氢电池作为备用电源。镍氢电池具有耐充放能力强、高容量、无污染、循环寿命长等特点,而且个体差异很小,非常适合串联成组使用。
本文致力于矿用后备电源镍氢电池充电及管理系统的设计,首先详细分析了镍氢电池的电化学反应原理和基本特性;其次分析比较了几种不同的充电方式,根据镍氢电池的充电特性选择二阶段恒流充电方式,并对镍氢电池组充电及管理系统的硬件部分进行设计,其中包括:充电模块、电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、数据通讯模块以及保护电路,采用BQ24702对镍氢电池组进行充电,Max11068对镍氢电池单体进行监控,DS18B20对镍氢电池单体进行温度检测;然后对镍氢电池充电及管理系统的软件进行设计,其中包括:充放电控制、数据采集、数据通讯以及SOC预测,通过分析比较常用的电池荷电状态(SOC-State Of Charge)的几种预测方法,提出了本文基于实验数据拟合的通用SOC测量方法,通过查表实现对镍氢电池充放电过程中剩余容量的实时预测,同时向人机交互系统发送电源的相关状态信息;最后搭建了镍氢电池充电及管理系统实验装置,给出了硬件电路的实验结果,并且对这些实验结果进行了详细地分析,验证了所设计系统的实用性。