鎳氫電池是一種堿性電池，鎳氫電池的標稱電壓為1．2V。它具有高倍率的放電性(xing)能，短時間可(ke)以以3C(C：電池充放電時電流大小的比率)的倍率放電，瞬時脈沖放電率很大。鎳氫電池的過放電和過充電性能很好，可快充深放，無記憶性，不含汞，鎘，鉛等有害物質，從而避免了二次電池對環境造成的污染。這些優勢使得鎳氫電池得到了迅速和廣泛的推廣應用。
    充電方式、充電電流和電池的溫度以及充電停止電壓等條件是影響鎳氫電池使用壽命的主要因素，本文設計的智能鎳氫充電器可以準確檢測電池端電壓和充電溫度，有效防止過充和充電不足的現象，提高充電的效率，而且在充電器存在故障時，能夠及時停止充電，避免損害電池。

l 硬件電路設(she)計
    智能充電器的原理框圖如圖1所示，主要包括開關電源、PWM控制電路、采樣電路等三個部分。本充電器的工作原理是把開關電源輸出的30V直流電源，通過可控恒流源電路把穩壓源轉換為恒流源，對鎳氫電池組進行充電。

  1)開關電源
    本系統采用TOFSwitch―GX系列PWM開關(guan)控制電路來實現220V交流(liu)電(dian)到(dao)低壓直流(liu)電(dian)壓的轉換，克(ke)服(fu)了采(cai)用傳統工頻變(bian)壓器的體積龐大，效率低，發熱量(liang)大的缺(que)點(dian)。開關電(dian)源(yuan)電(dian)路如圖2所示。開關(guan)電源有兩(liang)路(lu)輸(shu)出(chu)：一路(lu)輸(shu)出(chu)電壓(ya)為5V，用于(yu)對MCU進行供(gong)電；一路(lu)輸(shu)出電壓(ya)為30V，此路電源(yuan)有兩個用途：通過PWM控制(zhi)電(dian)路對電(dian)池進行充電(dian)和經過穩壓(ya)電(dian)源芯片7818的轉換對采用電路和(he)PWM控制電(dian)(dian)路進行(xing)供電(dian)(dian)。
    2)PWM控制電路
    控制電路的(de)(de)控制芯片(pian)采(cai)用的(de)(de)是帶(dai)有AD和PWM口的STC12C2052AD單(dan)(dan)片機。使(shi)用單(dan)(dan)片機的四個AD來采集電池的電壓、充(chong)電電流(liu)、電池的溫度和(he)環境溫度。控制主電路如圖3所示(shi)。VT2(IRFZ44)正常工作時，VGS必須大于2V，因此系(xi)統(tong)采(cai)用了升壓電(dian)路把l8V電壓升壓為36V電壓。當G1端的電平為低(di)時，VT2處于關閉狀態，這時候停止對(dui)電池充電。當Gl端的(de)電平(ping)為高時，IRFZ44處于導通的(de)狀態(tai)，這時候處于對電池的(de)充電狀態(tai)。因此通過控制PWM的占空比，就可以控制VT2的導通時間，進而控制(zhi)充(chong)電(dian)電(dian)流。

   3)采樣電路
    該系統的檢(jian)(jian)測電(dian)(dian)路主(zhu)要由電(dian)(dian)壓檢(jian)(jian)測，電(dian)(dian)流檢(jian)(jian)測和溫(wen)度(du)檢(jian)(jian)測構成。采樣(yang)電(dian)(dian)路如圖(tu)3所示。

    電(dian)(dian)壓檢測的實現：電(dian)(dian)池的端電(dian)(dian)壓通過電(dian)(dian)阻R11，R2分(fen)壓，經過放(fang)大電路進入控制芯片的AD口。計算公式如下(xia)：

 其中壤示(shi)電(dian)池(chi)電(dian)壓，Vc為采(cai)樣到的電壓
    電(dian)流檢測(ce)的實現：在這里先用(yong)電(dian)阻R1(0．1Ω)將電(dian)(dian)流轉(zhuan)換為電(dian)(dian)壓(ya)。由于轉(zhuan)換后的電(dian)(dian)壓(ya)很小，因此(ci)在把該電(dian)(dian)壓(ya)送入AD口(kou)前進行了電壓的(de)放大，放大的(de)倍數為(wei)16倍。計算公式如下：

其中I表示充電電流，Vc為(wei)采樣電壓(ya)

 溫度檢測(ce)的實現：通過(guo)電阻(zu)R15和電池(chi) 溫度檢(jian)測的實現：通(tong)過(guo)電阻R15和電池內部的NTC電阻構成一個回路。由于NTC的阻值隨著溫度產(chan)生(sheng)變化，因(yin)此(ci)通(tong)過檢(jian)測NTC電阻(zu)的(de)端電壓(ya)，可以(yi)通過下(xia)面的(de)計(ji)算(suan)公式計(ji)算(suan)出(chu)當前電池組的(de)溫度。內部的(de)NTC電(dian)阻構(gou)成一個回路。由于NTC的阻值隨著溫度產生變化，因此通(tong)過(guo)檢測NTC電阻的端電壓，可以通過下面的計算公式計算出當前電池組的溫度。

其中I表(biao)示電池組溫(wen)度(du)，B表示熱(re)敏指(zhi)數(shu)，Rn表示在額定(ding)溫度Tn(K)時的NTC熱敏電阻阻值，且Tn=25+273．15=298．15K同樣的原(yuan)理，通過檢測NTC電阻(zu)R32的電壓，并通過計算公(gong)式就可以(yi)檢測(ce)出環(huan)境的溫度(du)。

2 充電算法
    為了既提高蓄電池充電速度，又避免充電過程中產生過量的氣泡，使極板活性物質脫落損壞，影響電池的使用壽命，充電器采用了預充電一陜速充電一補足充電一涓流充電的四段分級恒流充電方式。
    1)預充電階段
    當電池組的(de)端電壓小于20V或電池的溫(wen)低于一(yi)5℃時，為了避免快速充(chong)電(dian)對電(dian)池(chi)造成損害，充(chong)電(dian)器按(an)照(zhao)0．05C的(de)穩定(ding)小(xiao)電流對(dui)電池進行充電。當電池組的(de)電壓大(da)于20V而且電(dian)池溫度大于一5℃時，就進入(ru)快速(su)充(chong)電階段(duan)。
    2)快速(su)充電(dian)階(jie)段
    這(zhe)個(ge)階段采用恒(heng)定大(da)電(dian)(dian)流(liu)對電(dian)(dian)池(chi)進行充電(dian)(dian)。電(dian)(dian)流(liu)的(de)大(da)小和電(dian)(dian)池(chi)組有關(guan)，一般0．3C～1C。在這里我們采用1C的充電(dian)電(dian)流。當電(dian)池的狀態(tai)符(fu)合停止快速(su)充電(dian)的狀態(tai)則(ze)進入補(bu)足充電(dian)階段。
    3)補足充電階段
    用定時控制和最高電(dian)壓(ya)快速(su)充電(dian)終止法時，快速(su)充電(dian)終止后，電(dian)池并未充足電(dian)。為了保證充人100％的電(dian)量，還(huan)應(ying)加(jia)入補(bu)足(zu)充(chong)電(dian)階段。補(bu)足(zu)充(chong)電(dian)速率一般不超(chao)過(guo)0．3C。在補足充電過程中，溫度(du)(du)會繼續上(shang)升(sheng)，當(dang)溫度(du)(du)和(he)充電時(shi)間超過規定(ding)的極限時(shi)，充電器轉入(ru)涓(juan)流(liu)充電階段。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)在存放時，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)量會因為自(zi)(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)而導致電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)量減少(shao)，為了(le)補(bu)償電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)自(zi)(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)損失的電(dian)(dian)(dian)(dian)量，在補(bu)足充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段結(jie)束后(hou)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器進入涓(juan)流充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段。由于電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的自(zi)(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)速率(lv)一般(ban)都(dou)很低，在這(zhe)個(ge)階(jie)段采用了(le)0．01C的電(dian)(dian)(dian)流給(gei)電(dian)(dian)(dian)池(chi)補充電(dian)(dian)(dian)荷，讓電(dian)(dian)(dian)池(chi)一直處于充足電(dian)(dian)(dian)的狀態。

3 程序設計
    本系統(tong)利(li)用電(dian)池(chi)電(dian)壓、溫升、充電(dian)時間以及電(dian)壓變化量(liang)等參(can)數來綜合判斷(duan)是否應該結(jie)束充電(dian)過程(cheng)(cheng)，程(cheng)(cheng)序(xu)由主程(cheng)(cheng)序(xu)和定時中斷(duan)程(cheng)(cheng)序(xu)組成。主程(cheng)(cheng)序(xu)如圖5所(suo)示。為了防(fang)止掉電對電池充電過程(cheng)的影(ying)響，在EEPROM里面存有充(chong)電的(de)時間和狀態(tai)。如(ru)果上次(ci)不是一個完整(zheng)的(de)充(chong)電過(guo)程(cheng)，再次(ci)上電時就可以根據EEPROM里面(mian)的充電的狀(zhuang)態(tai)和充電的時間來繼(ji)續充電過程。
    中(zhong)斷服務(wu)程(cheng)序如圖6所示，程序每隔100ms執行(xing)一次。進入中斷后(hou)先(xian)采集電(dian)池電(dian)壓，充(chong)電(dian)電(dian)流，電(dian)池溫度和環境溫度，并計(ji)算充(chong)電(dian)時(shi)間。當充(chong)電(dian)電(dian)流偏離設定值10％時則要調整(zheng)PWM參數(shu)，使電流(liu)維持在設定值(zhi)附近。當現在的(de)充(chong)(chong)電狀態(tai)為快(kuai)充(chong)(chong)的(de)時候，如果電池電壓(ya)，溫(wen)度和充(chong)(chong)電時間滿足下(xia)面(mian)的(de)條件(jian)時，停止快(kuai)充(chong)(chong)：當電池電壓(ya)大于(yu)設定值(zhi)或出現5～10毫(hao)伏／分鐘／節的負△V變化時；電池溫度超(chao)過45℃、出現10℃的溫升或出(chu)現0．5℃／min的溫度(du)變化(hua)率時；充(chong)電時間(jian)超過90分鐘時(本系統采用(yong)1．0C充電(dian))，都(dou)應停(ting)止快速充電(dian)；當現在的(de)(de)充電(dian)狀態為補足(zu)充電(dian)的(de)(de)時候，如果補足(zu)充電(dian)的(de)(de)時間超(chao)過(guo)了30分鐘或溫度超過50℃的時(shi)候，則(ze)進入涓流充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段(duan)，充(chong)電(dian)(dian)結束。

  為(wei)了防止(zhi)由于電(dian)池(chi)的(de)長時間閑置或(huo)過(guo)度放電(dian)而(er)造成的(de)充電(dian)前期的(de)電(dian)壓起(qi)伏(fu)帶來的(de)誤判(pan)出現，在開(kai)始充電(dian)的(de)前10分鐘關閉電池電壓(ya)變化的(de)判(pan)斷。實際(ji)的(de)效果表明(ming)這(zhe)是一種很(hen)有效的(de)解決這(zhe)種誤判(pan)的(de)方法。

4 結束語
    在(zai)實(shi)驗室中(zhong)(zhong)進行(xing)了大量的實(shi)驗，實(shi)驗表明該(gai)電(dian)(dian)路可靠性高，能夠實(shi)現快速(su)充電(dian)(dian)和(he)電(dian)(dian)池(chi)(chi)保護功(gong)(gong)能，而且簡單實(shi)用。該(gai)設(she)計也已經成功(gong)(gong)投放(fang)市(shi)場，為了讓產品具有(you)更強的競爭力，該(gai)電(dian)(dian)路在(zai)充電(dian)(dian)算法和(he)硬件電(dian)(dian)路設(she)計方面還可以進一(yi)步提(ti)高。比如在(zai)充電(dian)(dian)過程(cheng)中(zhong)(zhong)加入具有(you)去極(ji)化功(gong)(gong)能的放(fang)電(dian)(dian)環節，將會(hui)進一(yi)步提(ti)高充電(dian)(dian)效率(lv)和(he)電(dian)(dian)池(chi)(chi)組使(shi)用壽命。