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(bei)率的放電(dian)性能，短時間可以(yi)以(yi)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
    本系統(tong)采用TOFSwitch―GX系列PWM開關控制電路來(lai)實現220V交流電(dian)到低(di)壓(ya)直流電(dian)壓(ya)的轉換，克(ke)服了采用傳統(tong)工(gong)頻變壓(ya)器的體積(ji)龐大，效(xiao)率低(di)，發熱(re)量大的缺點。開關電(dian)源電(dian)路(lu)如圖2所示。開關電源有(you)兩路(lu)輸(shu)出：一路(lu)輸(shu)出電壓(ya)為5V，用于對(dui)MCU進(jin)行供電；一路輸出電壓(ya)為30V，此路電源有兩(liang)個用途：通過PWM控制電路對電池進行充(chong)電和(he)經(jing)過穩壓(ya)電源芯片7818的轉換對采用電路和(he)PWM控制電(dian)路進行(xing)供(gong)電(dian)。
    2)PWM控制電路
    控制電路的控制芯片采用的是帶有AD和PWM口的STC12C2052AD單(dan)片機。使用單(dan)片機的四個AD來采集電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓、充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流、電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)和(he)環境(jing)溫(wen)度(du)(du)。控制主(zhu)電(dian)(dian)(dian)路如圖3所(suo)示。VT2(IRFZ44)正常工作時，VGS必須大于(yu)2V，因此系統采用(yong)了升(sheng)壓電(dian)路把l8V電壓升(sheng)壓為36V電壓。當G1端的電平為低時(shi)，VT2處于關閉(bi)狀態，這時候停止對電池充電。當Gl端的電平為高時，IRFZ44處于導通的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，這時候處于對電池的充電狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。因此通過(guo)控制(zhi)PWM的(de)占空比(bi)，就可以控制VT2的(de)導通時間，進而(er)控制充(chong)電電流。

   3)采樣電路
    該系統的檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)路主要(yao)由(you)電(dian)(dian)(dian)壓檢測(ce)，電(dian)(dian)(dian)流檢測(ce)和溫度(du)檢測(ce)構成。采樣電(dian)(dian)(dian)路如(ru)圖3所示。

    電(dian)壓檢測的實現：電(dian)池(chi)的端電(dian)壓通過電(dian)阻R11，R2分壓(ya)，經過放(fang)大電(dian)路(lu)進入控制芯片的AD口。計算公式如(ru)下：

 其中壤示電池電壓，Vc為采樣到的電壓
    電流檢(jian)測的實(shi)現：在這(zhe)里先用電阻R1(0．1Ω)將(jiang)電流轉(zhuan)(zhuan)換為電壓(ya)。由于轉(zhuan)(zhuan)換后的電壓(ya)很小(xiao)，因此在把該(gai)電壓(ya)送入AD口(kou)前(qian)進行了(le)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(cai)樣電壓

 溫(wen)度檢測的實現：通過電(dian)阻R15和電池 溫度檢測的實現：通過電阻R15和(he)電池內部的(de)NTC電阻構成一個回(hui)路。由于(yu)NTC的阻(zu)值(zhi)隨著溫度(du)產生變化，因此通過檢測NTC電(dian)阻的端電(dian)壓，可以通過(guo)下面的計算公式(shi)計算出當前電(dian)池(chi)組的溫度。內部的NTC電阻構(gou)成一個回(hui)路。由于NTC的阻值隨著溫度產生變化，因此通過檢(jian)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表示電池(chi)組溫度，B表示熱敏指數，Rn表示在額定(ding)溫度Tn(K)時(shi)的NTC熱敏電阻(zu)阻(zu)值，且Tn=25+273．15=298．15K同(tong)樣的原(yuan)理，通過檢測NTC電(dian)阻(zu)R32的電壓，并通過(guo)計(ji)算公式(shi)就可以檢測出環(huan)境(jing)的溫(wen)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)預充電階段
    當電池組的端電壓小于20V或(huo)電(dian)池的(de)溫低(di)于一5℃時，為了避(bi)免快速(su)充(chong)電(dian)(dian)對電(dian)(dian)池造成損害，充(chong)電(dian)(dian)器按照0．05C的穩定小電(dian)流對電(dian)池進(jin)行充電(dian)。當(dang)電(dian)池組的電(dian)壓(ya)大于(yu)20V而且電池溫度大于一5℃時，就進入快速充電階段。
    2)快速(su)充電階段(duan)
    這個階(jie)段采用恒定大電(dian)流對電(dian)池進行充電(dian)。電(dian)流的(de)大小和(he)電(dian)池組有關，一般0．3C～1C。在(zai)這(zhe)里我(wo)們(men)采用1C的充電(dian)電(dian)流。當(dang)電(dian)池的狀(zhuang)態符合停止(zhi)快(kuai)速充電(dian)的狀(zhuang)態則(ze)進(jin)入(ru)補足充電(dian)階(jie)段。
    3)補足充電(dian)階段
    用定(ding)時(shi)控制和最高(gao)電(dian)壓快速(su)充(chong)電(dian)終止法時(shi)，快速(su)充(chong)電(dian)終止后，電(dian)池(chi)并(bing)未充(chong)足(zu)電(dian)。為了(le)保證充(chong)人100％的(de)電量(liang)，還應加(jia)入補(bu)足充電階段。補(bu)足充電速率一般(ban)不超過0．3C。在補足充電(dian)過(guo)程中，溫度會繼續上升，當溫度和(he)充電(dian)時間超過(guo)規定的極限時，充電(dian)器轉入涓流充電(dian)階段。
    4)涓流充電階段
    鎳(nie)氫電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)在存放(fang)(fang)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)會因為自放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)而導(dao)致電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)減少，為了補(bu)償電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)自放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)損失的電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)，在補(bu)足充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段結束后(hou)，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器進入涓流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階(jie)段。由于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的自放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)速率一般都很(hen)低，在這個階(jie)段采用(yong)了0．01C的電流(liu)給電池補(bu)充(chong)電荷，讓電池一直處(chu)于充(chong)足電的狀態。

3 程序設計
    本系統利(li)用電池電壓、溫(wen)升、充(chong)電時間(jian)以及電壓變化量等參數(shu)來綜(zong)合判(pan)斷是(shi)否應該(gai)結束充(chong)電過(guo)程，程序由主程序和定(ding)時中斷程序組成(cheng)。主程序如(ru)圖(tu)5所示。為了防止掉(diao)電(dian)對(dui)電(dian)池充電(dian)過程的(de)影響，在EEPROM里面存(cun)有充電(dian)的時間和狀(zhuang)態。如果上次不是一個完整的充電(dian)過程(cheng)，再次上電(dian)時就可以根據(ju)EEPROM里面的充(chong)(chong)(chong)電(dian)的狀態(tai)和充(chong)(chong)(chong)電(dian)的時間來繼續充(chong)(chong)(chong)電(dian)過(guo)程。
    中斷服務程序如圖6所示，程序每隔(ge)100ms執行(xing)一次。進入(ru)中(zhong)斷(duan)后先采(cai)集(ji)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓，充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)，電(dian)(dian)池溫度和(he)環(huan)境溫度，并計算充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間。當充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)偏離設定值(zhi)10％時(shi)則要調整PWM參數，使電(dian)流維持在設定(ding)值附近。當(dang)現(xian)在的(de)充(chong)電(dian)狀態(tai)為快(kuai)充(chong)的(de)時候(hou)，如果電(dian)池電(dian)壓(ya)，溫度(du)和充(chong)電(dian)時間滿足下面的(de)條(tiao)件時，停止快(kuai)充(chong)：當(dang)電(dian)池電(dian)壓(ya)大于設定(ding)值或出現(xian)5～10毫伏／分鐘／節的負△V變化時；電池(chi)溫度(du)超(chao)過45℃、出現10℃的溫升或出現0．5℃／min的溫度變(bian)化率時(shi)；充(chong)電時(shi)間超過90分(fen)鐘時(shi)(本(ben)系統采用(yong)1．0C充電(dian))，都應(ying)停止(zhi)快速充電(dian)(dian)(dian)；當現(xian)在的(de)充電(dian)(dian)(dian)狀態為補(bu)(bu)足(zu)(zu)充電(dian)(dian)(dian)的(de)時(shi)候(hou)，如(ru)果補(bu)(bu)足(zu)(zu)充電(dian)(dian)(dian)的(de)時(shi)間超(chao)過了30分鐘或溫度超過50℃的時候，則進入涓流(liu)充(chong)(chong)電(dian)階(jie)段，充(chong)(chong)電(dian)結束。

  為了防止由于電池的(de)(de)長時(shi)間閑置(zhi)或過度放(fang)電而造成的(de)(de)充(chong)電前(qian)期的(de)(de)電壓起伏帶來的(de)(de)誤判出現(xian)，在開始充(chong)電的(de)(de)前(qian)10分鐘(zhong)關(guan)閉電(dian)池電(dian)壓變化的(de)判(pan)斷(duan)。實際的(de)效(xiao)果表(biao)明(ming)這是(shi)一(yi)種(zhong)很有效(xiao)的(de)解決這種(zhong)誤判(pan)的(de)方法。

4 結束(shu)語(yu)
    在實驗室中進行(xing)了(le)大量的實驗，實驗表明該(gai)電(dian)(dian)路(lu)可(ke)靠性高(gao)，能(neng)夠實現(xian)快(kuai)速(su)充電(dian)(dian)和電(dian)(dian)池保護功能(neng)，而且(qie)簡單(dan)實用。該(gai)設計也已經成功投放市場，為了(le)讓產品(pin)具(ju)有更強的競(jing)爭力(li)，該(gai)電(dian)(dian)路(lu)在充電(dian)(dian)算法和硬(ying)件電(dian)(dian)路(lu)設計方(fang)面還可(ke)以(yi)進一(yi)步提(ti)高(gao)。比(bi)如在充電(dian)(dian)過程中加入具(ju)有去極化功能(neng)的放電(dian)(dian)環節，將會進一(yi)步提(ti)高(gao)充電(dian)(dian)效(xiao)率(lv)和電(dian)(dian)池組使用壽命。