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(ben)系統采用TOFSwitch―GX系列PWM開關控制電路來實現220V交流電(dian)到(dao)低壓直流電(dian)壓的(de)轉換，克服了采用傳統工頻變壓器(qi)的(de)體積龐大(da)，效率低，發熱(re)量大(da)的(de)缺點。開關電(dian)源電(dian)路如圖2所示。開關電(dian)源有兩路輸出：一路輸出電(dian)壓(ya)為5V，用于對(dui)MCU進行供電；一路輸出電壓(ya)為(wei)30V，此(ci)路電源有兩(liang)個用途：通過PWM控制電(dian)(dian)路對電(dian)(dian)池進(jin)行(xing)充電(dian)(dian)和經(jing)過穩壓電(dian)(dian)源(yuan)芯片7818的轉換對采用電路和PWM控制電(dian)路(lu)進行供電(dian)。
    2)PWM控制電路
    控制電路(lu)的控制芯片采用的是帶有AD和(he)PWM口的STC12C2052AD單(dan)片(pian)機。使(shi)用單(dan)片(pian)機的四個(ge)AD來采集電(dian)池的電(dian)壓、充電(dian)電(dian)流、電(dian)池的溫度和環(huan)境溫度。控制主(zhu)電(dian)路如圖3所(suo)示。VT2(IRFZ44)正常工作時(shi)，VGS必(bi)須(xu)大(da)于2V，因此系統采用(yong)了(le)升壓電(dian)路把l8V電壓升壓為36V電(dian)壓(ya)。當G1端的電平為低時(shi)，VT2處于(yu)關閉狀態，這時候(hou)停(ting)止(zhi)對電池充(chong)電。當Gl端的(de)電平(ping)為高時，IRFZ44處于導(dao)通的(de)(de)狀態，這時候處于對電池的(de)(de)充電狀態。因(yin)此通過(guo)控(kong)制(zhi)PWM的占(zhan)空比，就可以控制VT2的導通時間，進而控制充電(dian)電(dian)流。

   3)采樣電路
    該系統的檢測電(dian)(dian)路主要由電(dian)(dian)壓檢測，電(dian)(dian)流檢測和溫度(du)檢測構成。采(cai)樣電(dian)(dian)路如圖3所示。

    電(dian)(dian)壓檢測的實現：電(dian)(dian)池的端電(dian)(dian)壓通過(guo)電(dian)(dian)阻R11，R2分壓，經過放大電路進(jin)入控制芯片的AD口。計算公式如下(xia)：

 其中壤示電池電壓，Vc為采樣到(dao)的電壓(ya)
    電(dian)流檢測的(de)實(shi)現：在這里先用(yong)電(dian)阻R1(0．1Ω)將電流轉換(huan)為電壓。由于(yu)轉換(huan)后的電壓很小，因(yin)此在(zai)把該電壓送入AD口(kou)前(qian)進(jin)行了(le)電壓(ya)的放大，放大的倍數為(wei)16倍(bei)。計(ji)算公式如下：

其中I表示充電電流，Vc為采樣電壓

 溫(wen)度(du)檢測的實現：通(tong)過電(dian)阻R15和電(dian)池(chi) 溫度(du)檢(jian)測的實現：通過電阻R15和(he)電池內部的NTC電阻構成一個回路。由于NTC的阻值隨著(zhu)溫度產生變化(hua)，因此通過檢測NTC電阻的(de)端電壓(ya)，可以通過下面的(de)計算公式計算出當前電池(chi)組的(de)溫度。內部(bu)的(de)NTC電阻(zu)構(gou)成一個(ge)回路。由于NTC的阻值隨著(zhu)溫(wen)度(du)產生變(bian)化，因(yin)此(ci)通(tong)過檢測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(qi)中(zhong)I表示(shi)電池組溫度，B表示(shi)熱敏指數(shu)，Rn表示在額定溫度Tn(K)時的NTC熱敏電(dian)阻(zu)阻(zu)值，且Tn=25+273．15=298．15K同(tong)樣(yang)的原理，通過檢測(ce)NTC電阻(zu)R32的電(dian)壓，并通過計算公式(shi)就可以檢測出(chu)環境的溫度。

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(yu)充電階段
    當電池組的端電壓(ya)小(xiao)于20V或電池的(de)溫低于一5℃時，為了避免快速充電(dian)對(dui)電(dian)池造成損害，充電(dian)器按照0．05C的(de)穩定小電(dian)流對電(dian)池進行(xing)充電(dian)。當電(dian)池組的(de)電(dian)壓大于20V而且電池溫(wen)度大于一5℃時(shi)，就進入(ru)快(kuai)速充電階段。
    2)快速充電(dian)階段
    這個(ge)階段采用恒定大電(dian)流(liu)對電(dian)池進行充(chong)電(dian)。電(dian)流(liu)的大小和(he)電(dian)池組有關，一(yi)般0．3C～1C。在這里(li)我們采用1C的(de)充電(dian)電(dian)流。當電(dian)池的(de)狀(zhuang)態符合停止快速充電(dian)的(de)狀(zhuang)態則進(jin)入補足(zu)充電(dian)階(jie)段。
    3)補(bu)足(zu)充電(dian)階段
    用定(ding)時(shi)控制和最高(gao)電(dian)(dian)(dian)壓快(kuai)速(su)充電(dian)(dian)(dian)終(zhong)止法時(shi)，快(kuai)速(su)充電(dian)(dian)(dian)終(zhong)止后，電(dian)(dian)(dian)池并未充足電(dian)(dian)(dian)。為(wei)了保證充人(ren)100％的電(dian)量，還應(ying)加(jia)入補足充電(dian)階段。補足充電(dian)速率一般(ban)不超(chao)過0．3C。在補(bu)足充電(dian)過(guo)程中，溫度(du)會繼續上(shang)升(sheng)，當溫度(du)和充電(dian)時(shi)間超過(guo)規定的極限(xian)時(shi)，充電(dian)器轉入涓流充電(dian)階段。
    4)涓流充電階段
    鎳氫(qing)電池(chi)在(zai)(zai)存(cun)放(fang)時，電池(chi)的電量(liang)會因為(wei)自放(fang)電而導致電池(chi)電量(liang)減少，為(wei)了補償電池(chi)自放(fang)電損失(shi)的電量(liang)，在(zai)(zai)補足充(chong)電階段結束后(hou)，充(chong)電器進入涓流充(chong)電階段。由于電池(chi)的自放(fang)電速率一(yi)般都很低，在(zai)(zai)這個階段采用了0．01C的電流給電池補(bu)充(chong)(chong)電荷，讓電池一(yi)直(zhi)處于(yu)充(chong)(chong)足電的狀(zhuang)態。

3 程(cheng)序設計
    本系(xi)統利用電(dian)池電(dian)壓、溫升、充電(dian)時(shi)間(jian)以及電(dian)壓變化(hua)量等參(can)數(shu)來綜合判(pan)斷是否應該(gai)結(jie)束(shu)充電(dian)過程(cheng)(cheng)，程(cheng)(cheng)序由主程(cheng)(cheng)序和定時(shi)中斷程(cheng)(cheng)序組成。主程(cheng)(cheng)序如圖5所示(shi)。為了防(fang)止掉(diao)電(dian)(dian)對電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)過程(cheng)的(de)影響，在EEPROM里面存有充電的時間(jian)和狀態。如(ru)果(guo)上次不(bu)是(shi)一個(ge)完(wan)整的充電過(guo)程，再(zai)次上電時就可以根據EEPROM里面的充電的狀態(tai)和充電的時(shi)間(jian)來繼續充電過程。
    中斷服務程序如圖6所示，程序每(mei)隔(ge)100ms執(zhi)行一(yi)次。進入中斷(duan)后(hou)先采集電(dian)池電(dian)壓，充電(dian)電(dian)流，電(dian)池溫(wen)度和環境溫(wen)度，并計算充電(dian)時間。當充電(dian)電(dian)流偏離設定值(zhi)10％時則要調整PWM參(can)數，使(shi)電(dian)(dian)流(liu)維(wei)持在設定值附近。當現(xian)在的(de)充電(dian)(dian)狀態(tai)為快(kuai)充的(de)時(shi)候，如(ru)果(guo)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓，溫(wen)度和(he)充電(dian)(dian)時(shi)間滿足下面的(de)條件(jian)時(shi)，停止快(kuai)充：當電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓大(da)于設定值或出(chu)現(xian)5～10毫(hao)伏／分鐘／節的負△V變(bian)化時；電池溫度超過45℃、出現10℃的溫(wen)升或出(chu)現0．5℃／min的溫度變化(hua)率(lv)時；充(chong)電時間超過(guo)90分鐘(zhong)時(本系統采用1．0C充電)，都應停(ting)止快(kuai)速(su)充電；當現在的(de)充電狀態(tai)為補(bu)足充電的(de)時候，如果補(bu)足充電的(de)時間超過了(le)30分鐘或溫度超過50℃的時候，則進入涓流充(chong)電階(jie)段，充(chong)電結束(shu)。

  為(wei)了防止由于電池的長(chang)時間閑置或過(guo)度(du)放電而(er)造成的充(chong)電前(qian)期的電壓起(qi)伏帶來(lai)的誤判出現，在開始充(chong)電的前(qian)10分鐘關閉電池(chi)電壓變化的判斷(duan)。實際的效(xiao)果表明(ming)這是一種很(hen)有效(xiao)的解決這種誤判的方(fang)法。

4 結束語
    在(zai)實(shi)(shi)(shi)(shi)驗室中進(jin)(jin)行了大量的(de)實(shi)(shi)(shi)(shi)驗，實(shi)(shi)(shi)(shi)驗表明該電路可靠性(xing)高(gao)，能夠實(shi)(shi)(shi)(shi)現快速充(chong)(chong)電和電池保護功(gong)能，而且簡單實(shi)(shi)(shi)(shi)用。該設計也(ye)已經成(cheng)功(gong)投放市(shi)場(chang)，為了讓(rang)產(chan)品(pin)具有更強的(de)競爭力(li)，該電路在(zai)充(chong)(chong)電算法和硬(ying)件電路設計方(fang)面還可以進(jin)(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)。比如(ru)在(zai)充(chong)(chong)電過程中加入具有去極化功(gong)能的(de)放電環節，將會進(jin)(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)充(chong)(chong)電效率和電池組(zu)使用壽命。