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能，短時(shi)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(she)計(ji)
    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(xi)列PWM開關控制電路(lu)來實現220V交流電(dian)(dian)到(dao)低壓直流電(dian)(dian)壓的轉(zhuan)換，克服了采用傳統(tong)工頻變壓器的體(ti)積(ji)龐(pang)大(da)，效(xiao)率低，發熱(re)量大(da)的缺點。開關電(dian)(dian)源電(dian)(dian)路(lu)如圖(tu)2所示。開關電(dian)源有兩路輸(shu)出：一(yi)路輸(shu)出電(dian)壓為5V，用于(yu)對MCU進(jin)行供電；一路輸出電壓為30V，此路電源有兩個用途：通過PWM控制電路對電池(chi)進(jin)行充電和經過穩壓電源芯片7818的轉換對采用電路和PWM控制(zhi)電路進行供電。
    2)PWM控制電路
    控制電(dian)路的控制芯片采用(yong)的是帶有AD和PWM口的STC12C2052AD單片(pian)機。使用單片(pian)機的四個AD來(lai)采集電(dian)(dian)(dian)池的電(dian)(dian)(dian)壓、充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流、電(dian)(dian)(dian)池的溫(wen)度和環境溫(wen)度。控制主(zhu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)如圖(tu)3所示。VT2(IRFZ44)正常工作時，VGS必須大于2V，因此系統采(cai)用(yong)了升壓電路把l8V電壓升(sheng)壓為36V電壓。當G1端的(de)電平為低時，VT2處于關(guan)閉(bi)狀態，這(zhe)時候停(ting)止對電池充電。當Gl端的電平為(wei)高(gao)時，IRFZ44處(chu)于(yu)導通(tong)的狀態(tai)，這時候處(chu)于(yu)對電池的充電狀態(tai)。因此通(tong)過控(kong)制(zhi)PWM的(de)占空比，就可以控制VT2的導(dao)通(tong)時間，進而控制充電電流。

   3)采樣電路
    該系統的檢(jian)(jian)(jian)測電(dian)路(lu)主要由電(dian)壓檢(jian)(jian)(jian)測，電(dian)流(liu)檢(jian)(jian)(jian)測和溫度檢(jian)(jian)(jian)測構(gou)成(cheng)。采樣(yang)電(dian)路(lu)如圖3所示。

    電壓檢測的實現：電池的端電壓通過(guo)電阻(zu)R11，R2分壓(ya)，經過(guo)放大電路進入控制芯(xin)片的AD口。計算公(gong)式如(ru)下：

 其中壤示電(dian)池電(dian)壓，Vc為采樣到的(de)電壓
    電流檢測(ce)的實(shi)現：在這里先用(yong)電阻(zu)R1(0．1Ω)將電流轉換為電壓(ya)(ya)。由于轉換后(hou)的電壓(ya)(ya)很小，因此在(zai)把該電壓(ya)(ya)送入AD口前進(jin)行(xing)了電壓的放大(da)，放大(da)的倍數為16倍。計算公式如(ru)下：

其中I表示充電電流，Vc為采樣電壓

 溫(wen)度檢測的實現：通過電(dian)阻R15和電池 溫(wen)度檢測的實現(xian)：通過電(dian)阻R15和電池內部的NTC電(dian)阻構成一個回(hui)路。由于NTC的阻值隨著(zhu)溫度產生(sheng)變化(hua)，因此通過檢測NTC電阻的端電壓，可以通過下面的計算(suan)公式計算(suan)出當(dang)前電池組的溫度(du)。內部的NTC電阻構成一(yi)個回路。由(you)于NTC的(de)阻值隨(sui)著溫度(du)產生變化，因此(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。

其中(zhong)I表示電池組溫度，B表(biao)示熱敏(min)指數，Rn表示在額定溫度Tn(K)時的NTC熱敏電阻(zu)阻(zu)值，且Tn=25+273．15=298．15K同樣的原理，通過檢測NTC電阻(zu)R32的電壓(ya)，并通過(guo)計(ji)算公式就可以檢測(ce)出環境的溫度。

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)預充電(dian)階段
    當電池組的(de)端電壓(ya)小(xiao)于20V或電池(chi)的(de)溫低于(yu)一5℃時，為(wei)了(le)避免快速充電(dian)(dian)對電(dian)(dian)池造成損害，充電(dian)(dian)器按照0．05C的(de)穩定小電(dian)(dian)流對(dui)電(dian)(dian)池進行充電(dian)(dian)。當電(dian)(dian)池組的(de)電(dian)(dian)壓大于(yu)20V而且(qie)電(dian)池溫(wen)度大于一5℃時，就進(jin)入(ru)快速充(chong)電(dian)階(jie)段。
    2)快速充電階段
    這個階段(duan)采用恒(heng)定大(da)電流(liu)對電池進行充(chong)電。電流(liu)的大(da)小和電池組有關，一般0．3C～1C。在這里我們(men)采用1C的充電電流。當電池的狀(zhuang)態符合停止快速(su)充電的狀(zhuang)態則進入(ru)補足充電階段。
    3)補足充(chong)電(dian)階段
    用(yong)定(ding)時控制和最高電壓快(kuai)速充電終止法(fa)時，快(kuai)速充電終止后，電池(chi)并未充足電。為(wei)了保證充人100％的(de)電量，還應加入(ru)補足(zu)充電階段。補足(zu)充電速率(lv)一般不超過0．3C。在補足充電(dian)過程中，溫度會繼續上升，當(dang)溫度和(he)充電(dian)時間超過規定的極限時，充電(dian)器(qi)轉入涓流充電(dian)階段。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)在(zai)存放時(shi)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)會因(yin)為自(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)而導致電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)減少，為了補償(chang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)自(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)損(sun)失(shi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)，在(zai)補足充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階段結(jie)束后，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)進入涓流(liu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)階段。由于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)自(zi)放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)速率一般都很低，在(zai)這(zhe)個(ge)階段采用了0．01C的電(dian)(dian)流給電(dian)(dian)池補充(chong)電(dian)(dian)荷(he)，讓電(dian)(dian)池一直處(chu)于充(chong)足(zu)電(dian)(dian)的狀態。

3 程序設計
    本系統利用電池(chi)電壓(ya)、溫升、充(chong)電時(shi)間以及(ji)電壓(ya)變化量等參數(shu)來綜合判斷是否應該結束充(chong)電過程(cheng)，程(cheng)序由主程(cheng)序和定時(shi)中斷程(cheng)序組成(cheng)。主程(cheng)序如圖5所示。為了(le)防止掉電(dian)對電(dian)池充電(dian)過程(cheng)的影響，在EEPROM里面存(cun)有充電的時間(jian)和(he)狀態。如果上次不是一個完整的充電過程，再次上電時就可(ke)以根據EEPROM里面的(de)充(chong)電(dian)的(de)狀態和充(chong)電(dian)的(de)時間來繼續充(chong)電(dian)過程。
    中斷服務(wu)程序如圖6所示，程序每隔100ms執行一次。進入中斷后(hou)先采集電池(chi)電壓(ya)，充電電流，電池(chi)溫度(du)和環境溫度(du)，并計算充電時間。當充電電流偏離設定值10％時則要調(diao)整PWM參數，使電流維持(chi)在設(she)定值附近。當現在的(de)充(chong)電狀態為快充(chong)的(de)時候，如果電池(chi)電壓，溫度和充(chong)電時間(jian)滿(man)足下面的(de)條件(jian)時，停(ting)止快充(chong)：當電池(chi)電壓大于設(she)定值或(huo)出現5～10毫伏／分(fen)鐘(zhong)／節的負△V變(bian)化時；電池(chi)溫度超過45℃、出現10℃的溫升或出現(xian)0．5℃／min的溫(wen)度變化率時(shi)；充電時(shi)間超(chao)過(guo)90分(fen)鐘(zhong)時(本系統采用1．0C充電)，都應停止快速充電；當現(xian)在的(de)充電狀態為補足充電的(de)時(shi)候，如(ru)果補足充電的(de)時(shi)間超過了30分鐘或溫度超過50℃的時候，則進入涓流(liu)充電階段，充電結(jie)束。

  為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)由(you)于電(dian)(dian)池的(de)長(chang)時間閑置(zhi)或(huo)過度放電(dian)(dian)而(er)造(zao)成的(de)充電(dian)(dian)前期(qi)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)起(qi)伏帶來的(de)誤判出現，在開始充電(dian)(dian)的(de)前10分鐘關閉(bi)電(dian)池電(dian)壓變化的(de)判斷(duan)。實際的(de)效果表明這是一種很有(you)效的(de)解決(jue)這種誤判的(de)方法。

4 結束語
    在實(shi)(shi)驗室(shi)中(zhong)進行了大量的實(shi)(shi)驗，實(shi)(shi)驗表(biao)明該電(dian)(dian)路(lu)可(ke)(ke)靠(kao)性高，能夠(gou)實(shi)(shi)現快速(su)充電(dian)(dian)和(he)電(dian)(dian)池保護功(gong)能，而且簡單實(shi)(shi)用。該設(she)(she)計(ji)(ji)也(ye)已經成功(gong)投放(fang)市場，為(wei)了讓產品(pin)具有更強的競爭力(li)，該電(dian)(dian)路(lu)在充電(dian)(dian)算法和(he)硬(ying)件(jian)電(dian)(dian)路(lu)設(she)(she)計(ji)(ji)方面(mian)還可(ke)(ke)以進一步(bu)提高。比如在充電(dian)(dian)過程中(zhong)加(jia)入(ru)具有去極(ji)化(hua)功(gong)能的放(fang)電(dian)(dian)環節(jie)，將會進一步(bu)提高充電(dian)(dian)效率和(he)電(dian)(dian)池組使(shi)用壽命。