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(gao)倍率(lv)的放電(dian)性能，短時(shi)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(ben)系(xi)統采用TOFSwitch―GX系列PWM開(kai)關控制電(dian)路(lu)來實(shi)現220V交(jiao)流電(dian)到低壓直流電(dian)壓的轉換，克服了采用(yong)傳統工頻變壓器的體積龐大，效率低，發熱量大的缺點(dian)。開關電(dian)源電(dian)路如圖2所示(shi)。開(kai)關電源有兩(liang)路(lu)輸(shu)(shu)出：一路(lu)輸(shu)(shu)出電壓(ya)為5V，用于對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(jin)行充電和經過(guo)穩壓電源芯(xin)片7818的轉換對采用電(dian)路和PWM控(kong)制電路進行供(gong)電。
    2)PWM控制電路
    控制(zhi)電路的控制(zhi)芯片采用(yong)的是(shi)帶有AD和PWM口的STC12C2052AD單片(pian)機。使用單片(pian)機的四個AD來采集(ji)電(dian)(dian)池(chi)的電(dian)(dian)壓、充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)、電(dian)(dian)池(chi)的溫度和(he)環境溫度。控制主電(dian)(dian)路如圖(tu)3所示。VT2(IRFZ44)正常工作時，VGS必須大于2V，因此系統(tong)采用了升壓電路把(ba)l8V電壓(ya)升壓(ya)為36V電壓。當G1端的電平為低時，VT2處于關閉(bi)狀態，這(zhe)時候停止對電池充(chong)電。當(dang)Gl端的電平(ping)為高時，IRFZ44處于(yu)導通的狀(zhuang)態(tai)(tai)，這(zhe)時(shi)候(hou)處于(yu)對電(dian)池的充電(dian)狀(zhuang)態(tai)(tai)。因(yin)此通過控制(zhi)PWM的占空(kong)比(bi)，就可以控制VT2的導通時間，進而控制充電(dian)電(dian)流。

   3)采樣電路
    該系(xi)統的檢(jian)(jian)測電(dian)路主要(yao)由(you)電(dian)壓檢(jian)(jian)測，電(dian)流檢(jian)(jian)測和溫度檢(jian)(jian)測構成。采樣電(dian)路如圖3所示。

    電(dian)壓檢測的實現：電(dian)池的端電(dian)壓通(tong)過(guo)電(dian)阻R11，R2分壓(ya)，經過放大電路(lu)進入(ru)控制芯片的AD口。計算公式如下：

 其中壤示電池電壓，Vc為采樣到的電壓
    電(dian)流(liu)檢(jian)測的(de)實現：在這里(li)先用電(dian)阻R1(0．1Ω)將電流轉(zhuan)換(huan)為電壓。由于轉(zhuan)換(huan)后的電壓很(hen)小(xiao)，因(yin)此在把該電壓送入AD口前進行了電(dian)壓的放(fang)大(da)，放(fang)大(da)的倍數為16倍。計算公(gong)式如下：

其(qi)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(chi) 溫度檢測的實現：通過電(dian)阻R15和電池內部(bu)的NTC電(dian)阻構(gou)成一個回路。由于(yu)NTC的阻值隨著溫度(du)產(chan)生變化(hua)，因此通過檢測NTC電(dian)阻的(de)端電(dian)壓，可以通過下(xia)面的(de)計(ji)算公式計(ji)算出(chu)當前電(dian)池組的(de)溫度。內部(bu)的(de)NTC電阻構成一個回路。由于(yu)NTC的阻值隨著(zhu)溫度產(chan)生(sheng)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)示電池組溫度，B表(biao)示熱(re)敏指數(shu)，Rn表示在額定溫度(du)Tn(K)時的NTC熱(re)敏電阻阻值，且Tn=25+273．15=298．15K同樣的(de)原理，通(tong)過檢測NTC電阻R32的(de)電壓，并通過計算(suan)公式就可以(yi)檢測出環境的(de)溫度(du)。

2 充電(dian)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(dian)池組(zu)的端電(dian)壓小于20V或電(dian)池的溫低于一5℃時，為了避免快速充電(dian)(dian)對電(dian)(dian)池造成(cheng)損害，充電(dian)(dian)器按(an)照0．05C的(de)穩定(ding)小(xiao)電流對(dui)電池進行充(chong)電。當電池組的(de)電壓大于20V而(er)且電(dian)池溫度大于一(yi)5℃時，就進入快速充電(dian)階段。
    2)快速充電(dian)階段
    這個(ge)階段(duan)采用恒定大電流對電池(chi)進(jin)行充電。電流的大小和電池(chi)組有關，一般0．3C～1C。在這里我們采用1C的充電電流。當電池的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)符合(he)停止快速充電的狀(zhuang)(zhuang)態(tai)則(ze)進入補足充電階段。
    3)補足(zu)充電階(jie)段
    用定時(shi)控制和最高(gao)電(dian)(dian)壓快速充(chong)電(dian)(dian)終止法時(shi)，快速充(chong)電(dian)(dian)終止后，電(dian)(dian)池并未(wei)充(chong)足電(dian)(dian)。為(wei)了保證充(chong)人100％的(de)電(dian)量(liang)，還(huan)應加入補足(zu)充電(dian)階(jie)段。補足(zu)充電(dian)速率一般不(bu)超(chao)過0．3C。在補足充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中，溫(wen)度(du)會繼續上升(sheng)，當溫(wen)度(du)和充(chong)電(dian)時(shi)間超過(guo)規(gui)定的極(ji)限(xian)時(shi)，充(chong)電(dian)器轉入涓(juan)流充(chong)電(dian)階(jie)段(duan)。
    4)涓流充電階段
    鎳氫電(dian)(dian)池在存放(fang)(fang)時，電(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)量(liang)會因(yin)為(wei)自放(fang)(fang)電(dian)(dian)而導(dao)致(zhi)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)量(liang)減少，為(wei)了補償電(dian)(dian)池自放(fang)(fang)電(dian)(dian)損失(shi)的(de)電(dian)(dian)量(liang)，在補足充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段結(jie)束后，充(chong)電(dian)(dian)器進入涓流充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段。由(you)于電(dian)(dian)池的(de)自放(fang)(fang)電(dian)(dian)速率一般(ban)都很低(di)，在這個(ge)階(jie)段采用了0．01C的電流給電池(chi)(chi)補充(chong)(chong)電荷(he)，讓電池(chi)(chi)一(yi)直處于(yu)充(chong)(chong)足電的狀態。

3 程序設計
    本系統利用(yong)電池電壓、溫(wen)升、充電時(shi)(shi)間以及電壓變化量等參數(shu)來綜合判斷是否應該結束充電過程(cheng)，程(cheng)序由主(zhu)程(cheng)序和定時(shi)(shi)中斷程(cheng)序組成。主(zhu)程(cheng)序如(ru)圖5所示。為(wei)了防止掉(diao)電(dian)對電(dian)池充(chong)電(dian)過(guo)程的影響，在EEPROM里面(mian)存有充電(dian)的時間和(he)狀態。如(ru)果(guo)上(shang)(shang)次(ci)不是一個(ge)完(wan)整(zheng)的充電(dian)過程(cheng)，再次(ci)上(shang)(shang)電(dian)時就(jiu)可以根據EEPROM里面的充(chong)電(dian)的狀態和充(chong)電(dian)的時間來繼續充(chong)電(dian)過程。
    中斷服(fu)務程序如(ru)圖6所示，程序每隔100ms執(zhi)行(xing)一次(ci)。進入(ru)中斷(duan)后先采(cai)集電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，電(dian)(dian)池(chi)溫度(du)和環境(jing)溫度(du)，并計算充(chong)電(dian)(dian)時間。當充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流偏(pian)離(li)設(she)定值(zhi)10％時則要(yao)調整PWM參數，使電(dian)(dian)流維(wei)持在(zai)設定值附近。當現在(zai)的(de)充電(dian)(dian)狀(zhuang)態(tai)為快充的(de)時候，如果電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)，溫度和充電(dian)(dian)時間(jian)滿(man)足下面的(de)條(tiao)件時，停止快充：當電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)大于設定值或(huo)出現5～10毫伏／分鐘／節的負△V變(bian)化時(shi)；電池溫度超過45℃、出現10℃的溫升或出現0．5℃／min的溫度變化率時；充電時間超過90分(fen)鐘時(shi)(本系統(tong)采用1．0C充電)，都應(ying)停止快速充電；當現在(zai)的充電狀態(tai)為補足充電的時(shi)候，如果(guo)補足充電的時(shi)間超過(guo)了30分鐘或溫度超過50℃的時候，則進入(ru)涓流(liu)充(chong)電階段，充(chong)電結束。

  為了防止由于電池(chi)的長時間閑置或過度放電而造(zao)成的充電前期的電壓起伏帶來的誤(wu)判(pan)出(chu)現，在開始(shi)充電的前10分鐘(zhong)關閉電池電壓變化的判(pan)斷。實際的效(xiao)果表明這是一種很有(you)效(xiao)的解決這種誤判(pan)的方(fang)法。

4 結束語(yu)
    在實(shi)(shi)驗室中進行了大量的實(shi)(shi)驗，實(shi)(shi)驗表明該(gai)電(dian)路(lu)可(ke)靠性(xing)高，能(neng)夠實(shi)(shi)現(xian)快速充(chong)電(dian)和(he)電(dian)池保護功(gong)(gong)能(neng)，而且(qie)簡單實(shi)(shi)用(yong)。該(gai)設計也已(yi)經成功(gong)(gong)投放市場，為了讓產(chan)品(pin)具有更(geng)強(qiang)的競爭(zheng)力，該(gai)電(dian)路(lu)在充(chong)電(dian)算法和(he)硬件(jian)電(dian)路(lu)設計方面還可(ke)以(yi)進一步提高。比如在充(chong)電(dian)過(guo)程中加入具有去極化功(gong)(gong)能(neng)的放電(dian)環節，將會進一步提高充(chong)電(dian)效率和(he)電(dian)池組使用(yong)壽命。