鎳氫電池是一種堿性電池，鎳氫電池的標稱電壓為1．2V。它(ta)具有(you)高倍率(lv)的放電性能(neng)，短時間(jian)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(jian)電(dian)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
    本系統(tong)采用(yong)TOFSwitch―GX系列PWM開關控(kong)制電(dian)路來實現(xian)220V交流電到低壓(ya)直流電壓(ya)的轉換(huan)，克(ke)服了采用(yong)傳統(tong)工頻變壓(ya)器的體(ti)(ti)積龐大(da)，效率低，發(fa)熱量大(da)的缺點(dian)。開關電源電路(lu)如圖2所(suo)示。開(kai)關電源有兩(liang)路輸出(chu)：一路輸出(chu)電壓為(wei)5V，用(yong)于對(dui)MCU進(jin)行(xing)供電；一路輸出電壓為30V，此路電(dian)源有兩個用途：通過PWM控制電(dian)(dian)路對(dui)電(dian)(dian)池進行充電(dian)(dian)和(he)經過穩壓(ya)電(dian)(dian)源芯片7818的轉(zhuan)換對采用電路和PWM控制電路進行供電。
    2)PWM控制電路
    控制電路(lu)的控制芯片采(cai)用的是帶有(you)AD和PWM口(kou)的STC12C2052AD單(dan)片機。使用單(dan)片機的四個AD來采集電(dian)(dian)(dian)池的電(dian)(dian)(dian)壓、充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流、電(dian)(dian)(dian)池的溫度和(he)環境(jing)溫度。控(kong)制主電(dian)(dian)(dian)路如圖3所示(shi)。VT2(IRFZ44)正常工作時，VGS必須大于2V，因此系(xi)統采(cai)用了升壓電(dian)路把l8V電壓(ya)升壓(ya)為(wei)36V電壓(ya)。當G1端(duan)的電平為(wei)低時(shi)，VT2處于(yu)關閉狀態，這時候停止對(dui)電池充電。當Gl端的電平為高時，IRFZ44處于導(dao)通的(de)狀(zhuang)態(tai)，這時候處于對電池的(de)充電狀(zhuang)態(tai)。因此通過控制PWM的占空比，就(jiu)可以控制(zhi)VT2的導(dao)通時間，進而(er)控制充電電流。

   3)采樣電路
    該系統的檢(jian)測電路(lu)主要由電壓檢(jian)測，電流檢(jian)測和(he)溫(wen)度檢(jian)測構成。采樣電路(lu)如圖(tu)3所示(shi)。

    電(dian)壓檢測的實(shi)現：電(dian)池的端電(dian)壓通過電(dian)阻R11，R2分壓，經過(guo)放大電路(lu)進入控制芯片的(de)AD口。計算公式如下：

 其中壤示電池電壓，Vc為采樣到的電(dian)壓
    電流檢測的實現：在這里(li)先(xian)用(yong)電阻R1(0．1Ω)將電(dian)流轉(zhuan)換(huan)(huan)為電(dian)壓(ya)。由于轉(zhuan)換(huan)(huan)后的電(dian)壓(ya)很(hen)小，因此在(zai)把該(gai)電(dian)壓(ya)送入AD口前進行了電壓的(de)放大，放大的(de)倍(bei)數為16倍(bei)。計算公式如下：

其中(zhong)I表示充電電流，Vc為采樣電壓(ya)

 溫度檢測的實現(xian)：通過電阻R15和電池 溫度檢測的(de)實(shi)現：通(tong)過電阻R15和(he)電池內部的(de)NTC電(dian)阻構成一個回路。由(you)于NTC的阻(zu)值隨(sui)著(zhu)溫度產生變化，因此(ci)通過檢(jian)測(ce)NTC電阻的(de)端電壓，可以(yi)通過(guo)下(xia)面的(de)計算公式計算出(chu)當前電池組的(de)溫度(du)。內(nei)部的(de)NTC電阻構成一個回路(lu)。由于NTC的阻值隨著(zhu)溫度產生變(bian)化，因(yin)此通過檢測(ce)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I表示(shi)電池組(zu)溫(wen)度(du)，B表示熱敏(min)指數，Rn表示(shi)在額定溫度Tn(K)時的NTC熱(re)敏電阻阻值，且Tn=25+273．15=298．15K同樣的原理，通(tong)過檢(jian)測NTC電(dian)阻R32的電壓，并通過計算公式就可以檢測出(chu)環境的溫度。

2 充(chong)電(dian)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(chong)電階段
    當電池組(zu)的端電壓小于20V或電(dian)池的溫(wen)低于一5℃時，為了避(bi)免快(kuai)速(su)充電對電池(chi)造成(cheng)損害，充電器按(an)照0．05C的(de)穩定小電流對電池(chi)進行充電。當電池(chi)組的(de)電壓大于20V而且電池(chi)溫度大于一5℃時，就(jiu)進入快速充電階(jie)段。
    2)快速(su)充電階段
    這(zhe)個(ge)階段采用恒定大電(dian)流對電(dian)池進行充電(dian)。電(dian)流的大小和電(dian)池組有關，一(yi)般0．3C～1C。在這里我(wo)們采用1C的(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流。當電(dian)(dian)池(chi)的(de)狀態符(fu)合停(ting)止快速充(chong)電(dian)(dian)的(de)狀態則(ze)進入補足充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段。
    3)補(bu)足充電階段
    用定時(shi)控制和最(zui)高電(dian)(dian)(dian)壓(ya)快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)終(zhong)止法時(shi)，快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)終(zhong)止后，電(dian)(dian)(dian)池(chi)并未充(chong)(chong)足電(dian)(dian)(dian)。為了保證充(chong)(chong)人100％的電量，還(huan)應加入補(bu)足充電階段(duan)。補(bu)足充電速(su)率一般不超過0．3C。在補足充(chong)電(dian)過(guo)程中，溫度(du)會繼續上升，當溫度(du)和充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)超過(guo)規定的(de)極限時(shi)，充(chong)電(dian)器(qi)轉入涓流充(chong)電(dian)階段。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)在存(cun)放(fang)(fang)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)會因為自(zi)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)而導致電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)減少，為了補(bu)償電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)自(zi)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)損失(shi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)，在補(bu)足充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階段(duan)結束后(hou)，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器進入涓流充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階段(duan)。由(you)于電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的自(zi)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)速率一般都很(hen)低(di)，在這個階段(duan)采(cai)用了0．01C的(de)電(dian)流給電(dian)池補充電(dian)荷(he)，讓電(dian)池一直(zhi)處于充足電(dian)的(de)狀態。

3 程序設(she)計(ji)
    本系(xi)統利用(yong)電(dian)池電(dian)壓、溫升(sheng)、充(chong)電(dian)時間以及電(dian)壓變(bian)化量(liang)等參數來(lai)綜合判(pan)斷(duan)是否應該結束充(chong)電(dian)過程(cheng)，程(cheng)序(xu)(xu)由主程(cheng)序(xu)(xu)和定時中(zhong)斷(duan)程(cheng)序(xu)(xu)組成。主程(cheng)序(xu)(xu)如圖5所示。為了防止掉電對電池充電過程的影響(xiang)，在EEPROM里面(mian)存有充(chong)電(dian)的時(shi)間和狀態。如果(guo)上次不是(shi)一個完整的充(chong)電(dian)過程，再(zai)次上電(dian)時(shi)就可以根據EEPROM里面(mian)的充(chong)(chong)電(dian)的狀態和充(chong)(chong)電(dian)的時間(jian)來繼續充(chong)(chong)電(dian)過程。
    中斷(duan)服務程序如圖6所(suo)示，程序每隔(ge)100ms執行一(yi)次。進入中斷后(hou)先采集電(dian)池電(dian)壓，充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，電(dian)池溫(wen)度和(he)環(huan)境(jing)溫(wen)度，并計算充(chong)(chong)電(dian)時間。當充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)偏離設定值10％時(shi)則要(yao)調整PWM參數，使電(dian)(dian)流維(wei)持在設定值附近。當(dang)現在的(de)充電(dian)(dian)狀態(tai)為(wei)快充的(de)時(shi)候，如果(guo)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓，溫度(du)和充電(dian)(dian)時(shi)間滿足下面(mian)的(de)條件時(shi)，停止快充：當(dang)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓大于設定值或出(chu)現5～10毫伏(fu)／分鐘／節的負△V變化時；電池溫度超過45℃、出現(xian)10℃的溫升或出現0．5℃／min的(de)溫度變化率時；充電時間超過90分(fen)鐘時(本系統采用1．0C充電)，都應(ying)停止快速充(chong)電(dian)(dian)；當現在的(de)充(chong)電(dian)(dian)狀態為補足充(chong)電(dian)(dian)的(de)時候，如果補足充(chong)電(dian)(dian)的(de)時間超過(guo)了30分鐘或溫度超過50℃的時(shi)候，則進入涓流充電(dian)階(jie)段，充電(dian)結(jie)束。

  為了防(fang)止由于電(dian)池(chi)的長時間閑置或過(guo)度(du)放電(dian)而造成的充電(dian)前期的電(dian)壓起伏帶來(lai)的誤判出現(xian)，在(zai)開始充電(dian)的前10分鐘(zhong)關閉(bi)電池電壓變(bian)化的(de)(de)判斷。實際(ji)的(de)(de)效(xiao)果表明這是一種(zhong)(zhong)很有效(xiao)的(de)(de)解決(jue)這種(zhong)(zhong)誤判的(de)(de)方法。

4 結束(shu)語(yu)
    在(zai)實(shi)(shi)驗室中進(jin)行了(le)大(da)量的(de)實(shi)(shi)驗，實(shi)(shi)驗表明(ming)該電路可(ke)靠性高，能夠實(shi)(shi)現(xian)快速充(chong)電和(he)電池保護功(gong)能，而且簡單實(shi)(shi)用。該設(she)計也已(yi)經(jing)成(cheng)功(gong)投放(fang)市場，為(wei)了(le)讓產品具(ju)有更強(qiang)的(de)競爭力，該電路在(zai)充(chong)電算(suan)法和(he)硬件電路設(she)計方面還可(ke)以進(jin)一步提高。比(bi)如在(zai)充(chong)電過程中加入具(ju)有去極化功(gong)能的(de)放(fang)電環節，將會進(jin)一步提高充(chong)電效率和(he)電池組(zu)使用壽命。