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(ju)有高(gao)倍(bei)率的放電性能，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(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
    本系統采用TOFSwitch―GX系列PWM開關控制(zhi)電路來實(shi)現220V交流電(dian)到(dao)低(di)壓(ya)直流電(dian)壓(ya)的轉換，克服了(le)采用傳統工(gong)頻(pin)變壓(ya)器(qi)的體積龐大，效率低(di)，發熱量大的缺點。開關電(dian)源(yuan)電(dian)路如(ru)圖2所示。開(kai)關電源有兩路(lu)(lu)輸出(chu)：一(yi)路(lu)(lu)輸出(chu)電壓為5V，用于對MCU進行供電；一(yi)路輸(shu)出(chu)電壓為30V，此路(lu)電源有兩個用途：通(tong)過PWM控制電(dian)(dian)路對(dui)電(dian)(dian)池進行充電(dian)(dian)和經(jing)過穩(wen)壓(ya)電(dian)(dian)源芯片(pian)7818的(de)轉(zhuan)換對采用(yong)電(dian)路(lu)和PWM控(kong)制電路進行供電。
    2)PWM控制電路
    控(kong)制電(dian)路的控(kong)制芯片采(cai)用(yong)的是帶有AD和PWM口的STC12C2052AD單(dan)片機。使用單(dan)片機的(de)四個AD來采集電(dian)(dian)池的電(dian)(dian)壓(ya)、充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流、電(dian)(dian)池的溫(wen)度和環(huan)境(jing)溫(wen)度。控制主電(dian)(dian)路如圖3所示。VT2(IRFZ44)正常工作(zuo)時，VGS必須(xu)大于2V，因此系(xi)統采用(yong)了升(sheng)壓電路把l8V電壓(ya)升壓(ya)為(wei)36V電(dian)壓。當G1端的電平為(wei)低時，VT2處(chu)于關閉狀態(tai)，這時(shi)候(hou)停(ting)止對電池(chi)充電。當Gl端的電平為高時，IRFZ44處于導(dao)通(tong)的(de)狀態，這時候處于對電池的(de)充電狀態。因(yin)此通(tong)過控制PWM的占空比，就可以控(kong)制VT2的導通時間(jian)，進而控制充電(dian)電(dian)流(liu)。

   3)采樣電路
    該(gai)系統(tong)的檢(jian)測電(dian)路(lu)主要由電(dian)壓(ya)檢(jian)測，電(dian)流(liu)檢(jian)測和溫(wen)度檢(jian)測構成(cheng)。采樣電(dian)路(lu)如圖3所示。

    電(dian)壓(ya)檢測的實(shi)現：電(dian)池的端電(dian)壓(ya)通過(guo)電(dian)阻R11，R2分壓，經過放大(da)電路進(jin)入控制芯片的AD口。計算公式如(ru)下(xia)：

 其(qi)中壤示電(dian)池電(dian)壓，Vc為采樣到的電壓
    電流(liu)檢測的實(shi)現：在(zai)這里先(xian)用電阻R1(0．1Ω)將電(dian)流轉換(huan)為電(dian)壓。由于轉換(huan)后的電(dian)壓很小，因此在把該電(dian)壓送入AD口(kou)前進行了電壓的(de)放大(da)，放大(da)的(de)倍數為(wei)16倍。計算公式如下：

其中I表示充電電流，Vc為采樣電壓(ya)

 溫度檢測的實現：通過電阻R15和電池(chi) 溫度檢測的實(shi)現：通過(guo)電阻R15和(he)電池(chi)內部的(de)NTC電阻構成一個回(hui)路。由于NTC的阻(zu)值(zhi)隨(sui)著溫(wen)度(du)產生變化(hua)，因(yin)此通過檢測NTC電阻的端電壓，可以通過(guo)下面的計算公式計算出當前電池組的溫(wen)度。內(nei)部的NTC電阻構成一(yi)個回(hui)路。由于NTC的阻(zu)值隨(sui)著溫度(du)產生變化，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(qi)中I表示電池組溫(wen)度(du)，B表示熱(re)敏(min)指數，Rn表示(shi)在(zai)額定溫度Tn(K)時(shi)的NTC熱敏電阻(zu)(zu)阻(zu)(zu)值，且Tn=25+273．15=298．15K同樣(yang)的原理(li)，通過檢測NTC電(dian)阻(zu)R32的電壓(ya)，并通(tong)過計算公式就可以檢測出(chu)環境(jing)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(yu)充(chong)電階段(duan)
    當電池組的端電壓小于20V或電池的溫低于(yu)一5℃時，為了避免(mian)快速充電(dian)(dian)對電(dian)(dian)池造(zao)成損害，充電(dian)(dian)器按照0．05C的穩定小(xiao)電(dian)(dian)流(liu)對電(dian)(dian)池(chi)進(jin)行充電(dian)(dian)。當電(dian)(dian)池(chi)組的電(dian)(dian)壓大于20V而且電池溫度大于(yu)一5℃時(shi)，就進入(ru)快速充電階段。
    2)快(kuai)速充電階(jie)段
    這個(ge)階段(duan)采用恒定大電(dian)流對電(dian)池(chi)進行充電(dian)。電(dian)流的大小和電(dian)池(chi)組有關，一(yi)般0．3C～1C。在這里我們采用(yong)1C的充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流。當(dang)電(dian)(dian)池的狀(zhuang)態符合停止快速(su)充(chong)電(dian)(dian)的狀(zhuang)態則(ze)進入補足充(chong)電(dian)(dian)階段。
    3)補足充電階段
    用定時(shi)控制和(he)最(zui)高電(dian)壓快速(su)充電(dian)終止法(fa)時(shi)，快速(su)充電(dian)終止后，電(dian)池并未充足電(dian)。為了保(bao)證(zheng)充人100％的電(dian)量，還(huan)應加入補足(zu)(zu)充電(dian)階(jie)段。補足(zu)(zu)充電(dian)速(su)率(lv)一般不超過(guo)0．3C。在補足充(chong)電過程(cheng)中，溫度會(hui)繼續上升，當(dang)溫度和充(chong)電時間超(chao)過規(gui)定的極(ji)限時，充(chong)電器轉入涓流充(chong)電階段(duan)。
    4)涓流充電階段
    鎳(nie)氫電(dian)(dian)池(chi)在(zai)存放(fang)時，電(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)量(liang)(liang)會(hui)因(yin)為自(zi)放(fang)電(dian)(dian)而(er)導致電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)量(liang)(liang)減少(shao)，為了補償電(dian)(dian)池(chi)自(zi)放(fang)電(dian)(dian)損失(shi)的(de)電(dian)(dian)量(liang)(liang)，在(zai)補足充電(dian)(dian)階(jie)(jie)段(duan)結(jie)束后(hou)，充電(dian)(dian)器進入涓(juan)流充電(dian)(dian)階(jie)(jie)段(duan)。由(you)于(yu)電(dian)(dian)池(chi)的(de)自(zi)放(fang)電(dian)(dian)速率一般(ban)都很低，在(zai)這個階(jie)(jie)段(duan)采用了0．01C的(de)電(dian)流(liu)給電(dian)池補(bu)充電(dian)荷(he)，讓(rang)電(dian)池一(yi)直處于充足電(dian)的(de)狀態。

3 程(cheng)序設計
    本(ben)系統利用電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓、溫(wen)升、充電(dian)(dian)時間以及電(dian)(dian)壓變(bian)化量(liang)等參數來綜(zong)合判斷(duan)是否應該(gai)結束充電(dian)(dian)過程(cheng)，程(cheng)序(xu)(xu)(xu)由主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)和定時中斷(duan)程(cheng)序(xu)(xu)(xu)組成(cheng)。主程(cheng)序(xu)(xu)(xu)如圖5所(suo)示。為(wei)了防止掉電對電池充電過程的影(ying)響，在(zai)EEPROM里面存有充電(dian)的時間和狀態。如(ru)果上次不是一個完整的充電(dian)過(guo)程，再次上電(dian)時就可以根(gen)據EEPROM里面(mian)的充(chong)電(dian)的狀態和充(chong)電(dian)的時間來繼續(xu)充(chong)電(dian)過程。
    中斷(duan)服務程序如圖6所示，程序每隔100ms執行一(yi)次。進入中斷(duan)后先采(cai)集電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，電(dian)(dian)池(chi)溫(wen)(wen)度和(he)環境溫(wen)(wen)度，并計算充(chong)電(dian)(dian)時間。當充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流偏(pian)離設(she)定值10％時則要調整PWM參數，使電(dian)流(liu)維持在(zai)設(she)定值附近。當現(xian)在(zai)的(de)充電(dian)狀態為快充的(de)時候，如(ru)果電(dian)池電(dian)壓，溫度(du)和充電(dian)時間滿足下面的(de)條(tiao)件時，停止快充：當電(dian)池電(dian)壓大(da)于設(she)定值或出(chu)現(xian)5～10毫伏／分鐘(zhong)／節的負(fu)△V變化時；電(dian)池溫(wen)度(du)超過45℃、出現10℃的(de)溫升或出現0．5℃／min的溫(wen)度變化率時(shi)；充電(dian)時(shi)間超過(guo)90分(fen)鐘時(shi)(本(ben)系統采用1．0C充電)，都應停止(zhi)快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)；當現在的(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)狀態(tai)為補(bu)(bu)足(zu)(zu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)的(de)時(shi)候，如果補(bu)(bu)足(zu)(zu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)的(de)時(shi)間超過了30分鐘或溫度超過50℃的時候，則進入(ru)涓流充電(dian)階段，充電(dian)結束。

  為了(le)防止由(you)于電(dian)池(chi)的(de)長時間(jian)閑置或過度(du)放(fang)電(dian)而造成(cheng)的(de)充電(dian)前期的(de)電(dian)壓起伏帶來的(de)誤判出(chu)現，在(zai)開始充電(dian)的(de)前10分鐘關閉電(dian)池電(dian)壓變化的(de)判(pan)(pan)斷(duan)。實(shi)際的(de)效果(guo)表明(ming)這是一種(zhong)(zhong)很有(you)效的(de)解(jie)決這種(zhong)(zhong)誤判(pan)(pan)的(de)方法。

4 結束(shu)語
    在(zai)實(shi)驗(yan)(yan)室中(zhong)進(jin)行了大量的(de)實(shi)驗(yan)(yan)，實(shi)驗(yan)(yan)表(biao)明該電(dian)(dian)路可(ke)(ke)靠性高(gao)，能(neng)夠實(shi)現快速充(chong)電(dian)(dian)和(he)電(dian)(dian)池保(bao)護功(gong)能(neng)，而(er)且簡單實(shi)用(yong)(yong)。該設計(ji)也已經成功(gong)投(tou)放市場(chang)，為(wei)了讓產品(pin)具(ju)(ju)有更強的(de)競爭(zheng)力(li)，該電(dian)(dian)路在(zai)充(chong)電(dian)(dian)算法和(he)硬件電(dian)(dian)路設計(ji)方面還(huan)可(ke)(ke)以(yi)進(jin)一步提(ti)高(gao)。比(bi)如(ru)在(zai)充(chong)電(dian)(dian)過程(cheng)中(zhong)加入具(ju)(ju)有去極化功(gong)能(neng)的(de)放電(dian)(dian)環節，將會進(jin)一步提(ti)高(gao)充(chong)電(dian)(dian)效率和(he)電(dian)(dian)池組使用(yong)(yong)壽命。