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(you)高倍(bei)率的(de)放(fang)電性能，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(dian)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(lie)PWM開關控制電路(lu)來實現220V交流(liu)電(dian)(dian)到低壓直流(liu)電(dian)(dian)壓的轉換，克(ke)服了采用傳統工(gong)頻變壓器的體積龐(pang)大，效率低，發熱(re)量大的缺點。開關電(dian)(dian)源電(dian)(dian)路如圖2所示。開(kai)關電源有(you)兩(liang)路(lu)輸出：一(yi)路(lu)輸出電壓為5V，用于對(dui)MCU進行供電；一路輸出(chu)電壓為(wei)30V，此路電源有兩(liang)個用途(tu)：通過PWM控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)路對電(dian)(dian)池(chi)進行充電(dian)(dian)和經過穩(wen)壓電(dian)(dian)源芯片7818的(de)轉(zhuan)換對采用電路和(he)PWM控制電路進行供電。
    2)PWM控制電路
    控制(zhi)電(dian)路的控制(zhi)芯片采用的是帶有AD和PWM口的STC12C2052AD單片(pian)機。使(shi)用單片(pian)機的四個AD來采集電(dian)池的(de)電(dian)壓、充電(dian)電(dian)流(liu)、電(dian)池的(de)溫度(du)和環境溫度(du)。控制(zhi)主電(dian)路如(ru)圖(tu)3所示。VT2(IRFZ44)正常(chang)工作時，VGS必須大于2V，因此系統(tong)采用了升壓(ya)電路把l8V電壓升壓為36V電壓(ya)。當G1端的電平為低時，VT2處于關閉狀態，這時候停止對電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。當Gl端的(de)電平為高時，IRFZ44處(chu)于導(dao)通的狀態，這(zhe)時候處(chu)于對電(dian)池的充電(dian)狀態。因此通過(guo)控制(zhi)PWM的占(zhan)空(kong)比，就(jiu)可(ke)以控制VT2的導通時間(jian)，進而控制充電(dian)電(dian)流。

   3)采樣電路
    該系統的檢(jian)測電(dian)(dian)路主要由電(dian)(dian)壓檢(jian)測，電(dian)(dian)流(liu)檢(jian)測和溫度(du)檢(jian)測構(gou)成(cheng)。采(cai)樣電(dian)(dian)路如圖(tu)3所示。

    電(dian)壓(ya)檢測的實現：電(dian)池的端電(dian)壓(ya)通過電(dian)阻R11，R2分壓，經過放大電路進入控制芯片的AD口。計算公式(shi)如下：

 其中壤(rang)示電(dian)池電(dian)壓(ya)，Vc為(wei)采樣到的電壓
    電流檢(jian)測的實現：在這里先用電阻R1(0．1Ω)將電(dian)流轉(zhuan)換(huan)為電(dian)壓。由于轉(zhuan)換(huan)后的(de)電(dian)壓很(hen)小，因此在把該(gai)電(dian)壓送入AD口(kou)前進行了(le)電壓的放大(da)，放大(da)的倍(bei)數為16倍(bei)。計算公式如下：

其中I表示充電電流，Vc為采樣電壓(ya)

 溫(wen)度檢測(ce)的實現：通過(guo)電阻(zu)R15和電池 溫度檢(jian)測的實現：通過電阻R15和電池內(nei)部的NTC電阻構成一(yi)個回路。由于NTC的阻(zu)值隨著溫度產生變化，因此通(tong)過檢測NTC電阻的端(duan)電壓，可以通過下面的計(ji)算(suan)公(gong)式計(ji)算(suan)出當(dang)前電池組的溫度。內部的NTC電阻構成一個回路(lu)。由于NTC的阻值(zhi)隨(sui)著溫度產生變化(hua)，因此通過檢測NTC電阻的端電壓，可以通過下面的計算公式計算出當前電池組的溫度。

其中I表(biao)示電(dian)池組(zu)溫度，B表示熱敏(min)指(zhi)數，Rn表示在額定溫度Tn(K)時的NTC熱敏(min)電阻阻值，且(qie)Tn=25+273．15=298．15K同樣的原(yuan)理(li)，通過檢測(ce)NTC電阻(zu)R32的電壓，并(bing)通(tong)過計算公式就可以檢測出環境的溫度(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(ya)小于(yu)20V或電池的(de)溫低于一5℃時(shi)，為(wei)了避免快速充(chong)電對(dui)電池造成(cheng)損害，充(chong)電器按照0．05C的穩定小(xiao)電(dian)流對電(dian)池(chi)進行充電(dian)。當電(dian)池(chi)組的電(dian)壓大于20V而且電(dian)池溫(wen)度大于一(yi)5℃時(shi)，就(jiu)進入快速充電階段。
    2)快速(su)充電階段
    這(zhe)個階段采用(yong)恒定大電(dian)(dian)流(liu)對電(dian)(dian)池進行充電(dian)(dian)。電(dian)(dian)流(liu)的大小和電(dian)(dian)池組有關，一(yi)般0．3C～1C。在這里我們(men)采用1C的充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流。當(dang)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的狀(zhuang)態符合停止(zhi)快速(su)充電(dian)(dian)(dian)(dian)的狀(zhuang)態則進入補足(zu)充電(dian)(dian)(dian)(dian)階段(duan)。
    3)補足充電階段
    用定時控(kong)制和最高電壓快速(su)充電終止(zhi)法時，快速(su)充電終止(zhi)后，電池并未充足電。為了保證充人100％的電量，還應加入補足充電階段(duan)。補足充電速(su)率一般不超(chao)過0．3C。在補足充(chong)電過(guo)(guo)程(cheng)中，溫度(du)會繼(ji)續上(shang)升，當溫度(du)和充(chong)電時間(jian)超過(guo)(guo)規定的極限時，充(chong)電器轉入(ru)涓流充(chong)電階段(duan)。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電(dian)(dian)(dian)池(chi)在(zai)存放(fang)(fang)(fang)時(shi)，電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)量(liang)會因(yin)為自(zi)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)而導致電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)量(liang)減少，為了補(bu)(bu)償電(dian)(dian)(dian)池(chi)自(zi)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)損失的(de)電(dian)(dian)(dian)量(liang)，在(zai)補(bu)(bu)足充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)結束后，充(chong)電(dian)(dian)(dian)器進(jin)入(ru)涓流充(chong)電(dian)(dian)(dian)階(jie)段(duan)。由于(yu)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)自(zi)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)速率一般都很低，在(zai)這個階(jie)段(duan)采用了0．01C的(de)電(dian)流給電(dian)池補充電(dian)荷，讓(rang)電(dian)池一直處于充足電(dian)的(de)狀態。

3 程序設計
    本(ben)系統利用電池(chi)電壓、溫升、充(chong)電時間以及電壓變化量等參數來綜合判斷是否應該結束充(chong)電過(guo)程(cheng)(cheng)，程(cheng)(cheng)序(xu)由(you)主程(cheng)(cheng)序(xu)和定時中(zhong)斷程(cheng)(cheng)序(xu)組成。主程(cheng)(cheng)序(xu)如圖(tu)5所示。為了防止(zhi)掉電對(dui)電池充電過程的影響，在EEPROM里面(mian)存有充電的時間和狀態。如果上(shang)次不是一個完整(zheng)的充電過程，再次上(shang)電時就(jiu)可以根(gen)據EEPROM里面(mian)的充(chong)電(dian)(dian)的狀(zhuang)態和充(chong)電(dian)(dian)的時間來繼續(xu)充(chong)電(dian)(dian)過(guo)程。
    中斷服務程序如圖6所示(shi)，程序每(mei)隔100ms執行一次。進入(ru)中斷后先(xian)采集電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)，電(dian)(dian)池溫(wen)(wen)度(du)和環境溫(wen)(wen)度(du)，并計算充(chong)電(dian)(dian)時間。當充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)偏離(li)設定值10％時則(ze)要調整PWM參數，使(shi)電(dian)(dian)(dian)流維持(chi)在設定值附近。當現在的充(chong)電(dian)(dian)(dian)狀態(tai)為快充(chong)的時候，如果電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，溫度和(he)充(chong)電(dian)(dian)(dian)時間滿足下(xia)面的條件(jian)時，停(ting)止(zhi)快充(chong)：當電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)大于設定值或出(chu)現5～10毫伏／分鐘／節的(de)負△V變化時；電池溫(wen)度(du)超過45℃、出現10℃的溫升或出(chu)現0．5℃／min的溫度變化(hua)率時；充電(dian)時間超過90分鐘時(本系統(tong)采用1．0C充電)，都應停止快速充電；當現(xian)在(zai)的充電狀(zhuang)態為補(bu)足(zu)充電的時候，如(ru)果補(bu)足(zu)充電的時間超(chao)過了30分鐘或溫度超過50℃的時候，則進入涓流(liu)充電(dian)階段，充電(dian)結束。

  為了防(fang)止(zhi)由于電池的(de)(de)長(chang)時(shi)間閑置或(huo)過度(du)放電而造成的(de)(de)充電前期的(de)(de)電壓起伏帶(dai)來的(de)(de)誤判(pan)出現，在(zai)開始充電的(de)(de)前10分鐘關閉電(dian)池電(dian)壓變化(hua)的(de)判斷。實(shi)際的(de)效果表明這是一種(zhong)很有效的(de)解決這種(zhong)誤判的(de)方法。

4 結束(shu)語
    在(zai)實驗室中進(jin)行了(le)大量的(de)(de)實驗，實驗表明該(gai)(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)路可(ke)靠性高，能夠實現快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)池保(bao)護功能，而且簡單(dan)實用(yong)。該(gai)(gai)設(she)計也已經成(cheng)功投放市(shi)場，為了(le)讓(rang)產品(pin)具有(you)更(geng)強的(de)(de)競爭力，該(gai)(gai)電(dian)(dian)(dian)(dian)路在(zai)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)算法和(he)硬件電(dian)(dian)(dian)(dian)路設(she)計方(fang)面(mian)還可(ke)以進(jin)一(yi)步(bu)提高。比如(ru)在(zai)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)過程中加入具有(you)去(qu)極化功能的(de)(de)放電(dian)(dian)(dian)(dian)環節，將會進(jin)一(yi)步(bu)提高充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)效率和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)池組使用(yong)壽命(ming)。