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)具有高倍率的(de)放電性能，短時間(jian)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(lu)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
    本系統采(cai)用(yong)TOFSwitch―GX系列(lie)PWM開關控制電(dian)路來實現220V交流(liu)電(dian)到低壓(ya)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)的(de)轉(zhuan)換(huan)，克服了采用傳統(tong)工頻變壓(ya)器的(de)體(ti)積龐大，效(xiao)率低，發熱量大的(de)缺點。開關(guan)電(dian)源電(dian)路如圖(tu)2所(suo)示。開關電(dian)(dian)源有(you)兩路(lu)輸出：一路(lu)輸出電(dian)(dian)壓(ya)為(wei)5V，用于對MCU進行供電；一(yi)路輸出電壓(ya)為30V，此路(lu)電源有兩個用途：通過PWM控制電路對(dui)電池進行(xing)充(chong)電和經(jing)過穩壓電源(yuan)芯片7818的轉換(huan)對(dui)采用電(dian)路(lu)和PWM控制電路進(jin)行供(gong)電。
    2)PWM控制電路
    控(kong)制電路的控(kong)制芯片(pian)采(cai)用的是帶有AD和PWM口的(de)STC12C2052AD單片機。使(shi)用單片機的(de)四(si)個AD來采集電(dian)池的電(dian)壓(ya)、充電(dian)電(dian)流、電(dian)池的溫度和環境溫度。控制主電(dian)路如圖3所示(shi)。VT2(IRFZ44)正常工(gong)作(zuo)時，VGS必須大于2V，因此系統采(cai)用了升壓(ya)電路(lu)把l8V電壓升壓為36V電壓(ya)。當G1端的電平(ping)為低(di)時，VT2處(chu)于關(guan)閉狀態(tai)，這(zhe)時(shi)候停止對(dui)電池充(chong)電。當Gl端(duan)的電平為高時，IRFZ44處于導通(tong)的狀態(tai)(tai)，這(zhe)時候處于對(dui)電池的充電狀態(tai)(tai)。因此通(tong)過(guo)控制PWM的占空比(bi)，就可以控制VT2的導通(tong)時(shi)間，進而控制(zhi)充電電流。

   3)采樣電路
    該(gai)系統的檢測電(dian)路(lu)主(zhu)要由電(dian)壓檢測，電(dian)流檢測和溫度檢測構成。采樣(yang)電(dian)路(lu)如圖3所示。

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

 其中壤示電池電壓，Vc為(wei)采(cai)樣到的(de)電壓
    電流檢測的實現：在這里(li)先(xian)用(yong)電阻R1(0．1Ω)將電(dian)流(liu)轉換為(wei)電(dian)壓。由于轉換后的電(dian)壓很(hen)小，因此在把該電(dian)壓送入AD口前進行(xing)了(le)電壓(ya)的(de)(de)放(fang)大(da)(da)，放(fang)大(da)(da)的(de)(de)倍數為16倍。計算公(gong)式(shi)如下：

其中I表示充電電流，Vc為采樣電壓

 溫度(du)檢測的實現：通過電阻R15和電池 溫度檢(jian)測的實現：通過電阻R15和電(dian)池(chi)內部的(de)NTC電阻構成(cheng)一個回路。由于NTC的阻(zu)值(zhi)隨(sui)著溫度(du)產生變化，因此(ci)通過檢測NTC電(dian)阻的端(duan)電(dian)壓，可(ke)以通過下面的計(ji)(ji)算(suan)公式計(ji)(ji)算(suan)出當前電(dian)池(chi)組的溫度。內(nei)部的NTC電阻構(gou)成一(yi)個(ge)回路。由于(yu)NTC的(de)阻值隨著(zhu)溫度(du)產生變化，因此(ci)通過(guo)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)示電池(chi)組溫度，B表示熱敏(min)指(zhi)數，Rn表示(shi)在額定(ding)溫度(du)Tn(K)時的NTC熱敏(min)電(dian)阻阻值(zhi)，且Tn=25+273．15=298．15K同樣的原理，通過檢測NTC電阻R32的(de)電壓，并(bing)通(tong)過計算公式就(jiu)可(ke)以檢測出環境的(de)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)預充電階段
    當電池(chi)組的端電壓小于20V或電池的溫低于一(yi)5℃時，為了避免快速充(chong)電對電池造成損害，充(chong)電器按照0．05C的(de)穩定小電(dian)流對電(dian)池(chi)進行充電(dian)。當電(dian)池(chi)組的(de)電(dian)壓大于20V而(er)且(qie)電池溫(wen)度大于一5℃時，就進入快速充電階段。
    2)快速(su)充(chong)電階(jie)段
    這個階段采用恒定大電(dian)流對電(dian)池(chi)進行充電(dian)。電(dian)流的大小和(he)電(dian)池(chi)組有關(guan)，一般(ban)0．3C～1C。在這(zhe)里我們采用1C的(de)(de)充(chong)(chong)電電流。當電池的(de)(de)狀(zhuang)態符合停止快速充(chong)(chong)電的(de)(de)狀(zhuang)態則進(jin)入(ru)補足充(chong)(chong)電階段(duan)。
    3)補(bu)足(zu)充電階段(duan)
    用定時控制和(he)最高(gao)電(dian)壓快(kuai)速充(chong)電(dian)終止法(fa)時，快(kuai)速充(chong)電(dian)終止后，電(dian)池(chi)并(bing)未充(chong)足電(dian)。為(wei)了保證充(chong)人100％的電量，還應(ying)加入(ru)補足(zu)(zu)充電階段。補足(zu)(zu)充電速率一(yi)般不超過(guo)0．3C。在(zai)補(bu)足(zu)充(chong)電(dian)過程中(zhong)，溫(wen)度(du)會繼續上升(sheng)，當溫(wen)度(du)和充(chong)電(dian)時間(jian)超過規定的極限時，充(chong)電(dian)器轉(zhuan)入涓流充(chong)電(dian)階(jie)段。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)在存放(fang)時(shi)，電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)量會因為自放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)而(er)導致電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)量減少，為了補償電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)自放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)損(sun)失的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)量，在補足充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階段(duan)結束后(hou)，充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)進(jin)入涓流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)階段(duan)。由于電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)自放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)速率一(yi)般都很低(di)，在這個階段(duan)采用了0．01C的(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)給電(dian)(dian)(dian)池補充電(dian)(dian)(dian)荷，讓(rang)電(dian)(dian)(dian)池一直處于(yu)充足電(dian)(dian)(dian)的(de)狀態。

3 程序設計
    本系統(tong)利用電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)、溫升(sheng)、充電(dian)(dian)時間(jian)以及電(dian)(dian)壓(ya)變化量等參(can)數來綜合判斷是(shi)否應該結束充電(dian)(dian)過程(cheng)，程(cheng)序由主(zhu)程(cheng)序和定時中斷程(cheng)序組成。主(zhu)程(cheng)序如(ru)圖5所示。為了防止掉電對電池充電過程的影響，在EEPROM里面(mian)存有充電(dian)的(de)時(shi)間和狀態。如果(guo)上(shang)(shang)次不是一個完整的(de)充電(dian)過(guo)程，再次上(shang)(shang)電(dian)時(shi)就可以根據EEPROM里面的(de)充電(dian)(dian)的(de)狀態和充電(dian)(dian)的(de)時間(jian)來繼(ji)續充電(dian)(dian)過程。
    中斷服(fu)務程序如圖6所示，程序(xu)每隔100ms執行一次。進入中斷(duan)后先采集電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓，充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，電(dian)(dian)池溫度(du)和環境溫度(du)，并計(ji)算充電(dian)(dian)時間。當(dang)充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流偏離設定(ding)值10％時則要調整PWM參數，使電(dian)(dian)流維(wei)持在設定值(zhi)(zhi)附(fu)近。當現(xian)在的充(chong)電(dian)(dian)狀態為快(kuai)充(chong)的時候，如果電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓，溫度(du)和(he)充(chong)電(dian)(dian)時間滿足下面的條(tiao)件時，停(ting)止快(kuai)充(chong)：當電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓大于設定值(zhi)(zhi)或出(chu)現(xian)5～10毫伏／分(fen)鐘／節(jie)的(de)負△V變化時(shi)；電池溫(wen)度超(chao)過45℃、出現10℃的溫升或出(chu)現0．5℃／min的溫度變化率時(shi)；充電時(shi)間超過90分鐘時(本系(xi)統采用1．0C充(chong)電)，都(dou)應停止快速充(chong)(chong)電(dian)；當現在的充(chong)(chong)電(dian)狀態為補(bu)足充(chong)(chong)電(dian)的時候，如果補(bu)足充(chong)(chong)電(dian)的時間(jian)超(chao)過了30分鐘或溫度超過50℃的時候(hou)，則進入(ru)涓流充電階段，充電結(jie)束(shu)。

  為了防止由于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的長時間閑置或過(guo)度(du)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)而造成的充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)前(qian)期(qi)的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓起伏帶來的誤判(pan)出(chu)現，在(zai)開始充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的前(qian)10分鐘關(guan)閉電池(chi)電壓變化的(de)判斷。實際的(de)效果(guo)表明(ming)這(zhe)是一(yi)種很有(you)效的(de)解決這(zhe)種誤(wu)判的(de)方(fang)法。

4 結束語
    在(zai)(zai)實驗(yan)室中(zhong)進行了(le)大量的實驗(yan)，實驗(yan)表明該電(dian)路(lu)(lu)可(ke)(ke)靠性高，能夠實現(xian)快速(su)充(chong)電(dian)和電(dian)池(chi)保護功能，而且簡單實用(yong)。該設計也已(yi)經成功投放(fang)市場(chang)，為(wei)了(le)讓產(chan)品具(ju)有更強的競爭力，該電(dian)路(lu)(lu)在(zai)(zai)充(chong)電(dian)算法和硬件(jian)電(dian)路(lu)(lu)設計方面還可(ke)(ke)以進一步提高。比如在(zai)(zai)充(chong)電(dian)過程中(zhong)加(jia)入具(ju)有去極(ji)化功能的放(fang)電(dian)環(huan)節，將會進一步提高充(chong)電(dian)效率和電(dian)池(chi)組使用(yong)壽命。