智能鎳氫充電器的研制

發(fā)布日期 : 2014年08月13日00時(shí)00分00秒

鎳氫電池是一種堿性電池，鎳氫電池的標(biāo)稱電壓為1．2V。它具有高倍率的放電性能，短時(shí)間可以以3C(C：電池充放電時(shí)電流大小的比率)的倍率放電，瞬時(shí)脈沖放電率很大。鎳氫電池的過(guò)放電和過(guò)充電性能很好，可快充深放，無(wú)記憶性，不含汞，鎘，鉛等有害物質(zhì)，從而避免了二次電池對(duì)環(huán)境造成的污染。這些優(yōu)勢(shì)使得鎳氫電池得到了迅速和廣泛的推廣應(yīng)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(shè)計(jì)的智能鎳氫充電器可以準(zhǔn)確檢測(cè)電池端電壓和充電溫度，有效防止過(guò)充和充電不足的現(xiàn)象，提高充電的效率，而且在充電器存在故障時(shí)，能夠及時(shí)停止充電，避免損害電池。

l 硬件電路設(shè)計(jì)
智能充電器的原理框圖如圖1所示，主要包括開(kāi)關(guān)電源、PWM控制電路、采樣電路等三個(gè)部分。本充電器的工作原理是把開(kāi)關(guān)電源輸出的30V直流電源，通過(guò)可控恒流源電路把穩(wěn)壓源轉(zhuǎn)換為恒流源，對(duì)鎳氫電池組進(jìn)行充電。

1)開(kāi)關(guān)電源
    本系統(tǒng)采用TOFSwitch―GX系列PWM開(kāi)關(guān)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)220V交流電到低壓直流電壓的轉(zhuǎn)換，克服了采用傳統(tǒng)工頻變壓器的體積龐大，效率低，發(fā)熱量大的缺點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源電路如圖2所示。開(kāi)關(guān)電源有兩路輸出：一路輸出電壓為5V，用于對(duì)MCU進(jìn)行供電；一路輸出電壓為30V，此路電源有兩個(gè)用途：通過(guò)PWM控制電路對(duì)電池進(jìn)行充電和經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電源芯片7818的轉(zhuǎn)換對(duì)采用電路和PWM控制電路進(jìn)行供電。
    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單片機(jī)。使用單片機(jī)的四個(gè)AD來(lái)采集電池的電壓、充電電流、電池的溫度和環(huán)境溫度?？刂浦麟娐啡鐖D3所示。VT2(IRFZ44)正常工作時(shí)，VGS必須大于2V，因此系統(tǒng)采用了升壓電路把l8V電壓升壓為36V電壓。當(dāng)G1端的電平為低時(shí)，VT2處于關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)候停止對(duì)電池充電。當(dāng)Gl端的電平為高時(shí)，IRFZ44處于導(dǎo)通的狀態(tài)，這時(shí)候處于對(duì)電池的充電狀態(tài)。因此通過(guò)控制PWM的占空比，就可以控制VT2的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制充電電流。

3)采樣電路
該系統(tǒng)的檢測(cè)電路主要由電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)構(gòu)成。采樣電路如圖3所示。

電壓檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)：電池的端電壓通過(guò)電阻R11，R2分壓，經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)入控制芯片的AD口。計(jì)算公式如下：

其中壤示電池電壓，Vc為采樣到的電壓
電流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)：在這里先用電阻R1(0．1Ω)將電流轉(zhuǎn)換為電壓。由于轉(zhuǎn)換后的電壓很小，因此在把該電壓送入AD口前進(jìn)行了電壓的放大，放大的倍數(shù)為16倍。計(jì)算公式如下：

其中I表示充電電流，Vc為采樣電壓

溫度檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)電阻R15和電池溫度檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)電阻R15和電池內(nèi)部的NTC電阻構(gòu)成一個(gè)回路。由于NTC的阻值隨著溫度產(chǎn)生變化，因此通過(guò)檢測(cè)NTC電阻的端電壓，可以通過(guò)下面的計(jì)算公式計(jì)算出當(dāng)前電池組的溫度。內(nèi)部的NTC電阻構(gòu)成一個(gè)回路。由于NTC的阻值隨著溫度產(chǎn)生變化，因此通過(guò)檢測(cè)NTC電阻的端電壓，可以通過(guò)下面的計(jì)算公式計(jì)算出當(dāng)前電池組的溫度。

其中I表示電池組溫度，B表示熱敏指數(shù)，Rn表示在額定溫度Tn(K)時(shí)的NTC熱敏電阻阻值，且Tn=25+273．15=298．15K同樣的原理，通過(guò)檢測(cè)NTC電阻R32的電壓，并通過(guò)計(jì)算公式就可以檢測(cè)出環(huán)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(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量的氣泡，使極板活性物質(zhì)脫落損壞，影響電池的使用壽命，充電器采用了預(yù)充電一陜速充電一補(bǔ)足充電一涓流充電的四段分級(jí)恒流充電方式。
    1)預(yù)充電階段
    當(dāng)電池組的端電壓小于20V或電池的溫低于一5℃時(shí)，為了避免快速充電對(duì)電池造成損害，充電器按照0．05C的穩(wěn)定小電流對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池組的電壓大于20V而且電池溫度大于一5℃時(shí)，就進(jìn)入快速充電階段。
    2)快速充電階段
    這個(gè)階段采用恒定大電流對(duì)電池進(jìn)行充電。電流的大小和電池組有關(guān)，一般0．3C～1C。在這里我們采用1C的充電電流。當(dāng)電池的狀態(tài)符合停止快速充電的狀態(tài)則進(jìn)入補(bǔ)足充電階段。
    3)補(bǔ)足充電階段
    用定時(shí)控制和最高電壓快速充電終止法時(shí)，快速充電終止后，電池并未充足電。為了保證充人100％的電量，還應(yīng)加入補(bǔ)足充電階段。補(bǔ)足充電速率一般不超過(guò)0．3C。在補(bǔ)足充電過(guò)程中，溫度會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)溫度和充電時(shí)間超過(guò)規(guī)定的極限時(shí)，充電器轉(zhuǎn)入涓流充電階段。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電池在存放時(shí)，電池的電量會(huì)因?yàn)樽苑烹姸鴮?dǎo)致電池電量減少，為了補(bǔ)償電池自放電損失的電量，在補(bǔ)足充電階段結(jié)束后，充電器進(jìn)入涓流充電階段。由于電池的自放電速率一般都很低，在這個(gè)階段采用了0．01C的電流給電池補(bǔ)充電荷，讓電池一直處于充足電的狀態(tài)。

3 程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)利用電池電壓、溫升、充電時(shí)間以及電壓變化量等參數(shù)來(lái)綜合判斷是否應(yīng)該結(jié)束充電過(guò)程，程序由主程序和定時(shí)中斷程序組成。主程序如圖5所示。為了防止掉電對(duì)電池充電過(guò)程的影響，在EEPROM里面存有充電的時(shí)間和狀態(tài)。如果上次不是一個(gè)完整的充電過(guò)程，再次上電時(shí)就可以根據(jù)EEPROM里面的充電的狀態(tài)和充電的時(shí)間來(lái)繼續(xù)充電過(guò)程。
中斷服務(wù)程序如圖6所示，程序每隔100ms執(zhí)行一次。進(jìn)入中斷后先采集電池電壓，充電電流，電池溫度和環(huán)境溫度，并計(jì)算充電時(shí)間。當(dāng)充電電流偏離設(shè)定值10％時(shí)則要調(diào)整PWM參數(shù)，使電流維持在設(shè)定值附近。當(dāng)現(xiàn)在的充電狀態(tài)為快充的時(shí)候，如果電池電壓，溫度和充電時(shí)間滿足下面的條件時(shí)，停止快充：當(dāng)電池電壓大于設(shè)定值或出現(xiàn)5～10毫伏／分鐘／節(jié)的負(fù)△V變化時(shí)；電池溫度超過(guò)45℃、出現(xiàn)10℃的溫升或出現(xiàn)0．5℃／min的溫度變化率時(shí)；充電時(shí)間超過(guò)90分鐘時(shí)(本系統(tǒng)采用1．0C充電)，都應(yīng)停止快速充電；當(dāng)現(xiàn)在的充電狀態(tài)為補(bǔ)足充電的時(shí)候，如果補(bǔ)足充電的時(shí)間超過(guò)了30分鐘或溫度超過(guò)50℃的時(shí)候，則進(jìn)入涓流充電階段，充電結(jié)束。

為了防止由于電池的長(zhǎng)時(shí)間閑置或過(guò)度放電而造成的充電前期的電壓起伏帶來(lái)的誤判出現(xiàn)，在開(kāi)始充電的前10分鐘關(guān)閉電池電壓變化的判斷。實(shí)際的效果表明這是一種很有效的解決這種誤判的方法。

4 結(jié)束語(yǔ)
在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該電路可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電和電池保護(hù)功能，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。該設(shè)計(jì)也已經(jīng)成功投放市場(chǎng)，為了讓產(chǎn)品具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，該電路在充電算法和硬件電路設(shè)計(jì)方面還可以進(jìn)一步提高。比如在充電過(guò)程中加入具有去極化功能的放電環(huán)節(jié)，將會(huì)進(jìn)一步提高充電效率和電池組使用壽命。