鎳氫電池充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/張文興

1 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種各樣的電子產(chǎn)品都朝著輕量小型化、便攜式的方向發(fā)展。為了保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，大多數(shù)電子產(chǎn)品都配備有獨(dú)立的板載電池，并利用一定的策略對(duì)電池進(jìn)行充電，當(dāng)外部電源由于異常斷電，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換到電池供電，使其能夠在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，這點(diǎn)對(duì)于安全類設(shè)備，例如汽車儀表、安防監(jiān)控、實(shí)時(shí)工控等至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的蓄電池充電方法有恒壓充電、恒流充電、恒壓限流充電。恒壓充電是以某一恒定電壓對(duì)每只單體電池進(jìn)行充電，在充電初期由于電池內(nèi)阻低而導(dǎo)致充電電流過(guò)大，容易損壞電池，充電過(guò)程中電流逐漸減小，在充電后期只有很小的電流通過(guò)。恒流充電是以恒定電流對(duì)電池充電，此方法適應(yīng)性較強(qiáng)，可以任意調(diào)整充電電流，但其在充電初期充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，充電時(shí)間長(zhǎng)，而在充電后期，充電電流又總是高于電池可接受的程度，會(huì)縮短電池的使用壽命。恒壓限流充電是為了補(bǔ)救恒壓充電時(shí)充電電流過(guò)大的缺點(diǎn)，通過(guò)在充電電源和電池之間串聯(lián)限流電阻來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流。當(dāng)充電電流過(guò)大時(shí)，限流電阻上的壓降也大，從而減小了充電電壓；當(dāng)充電電流小時(shí)，限流電阻上的壓降也很小，充電設(shè)備輸出的電壓損失也小，這樣，就自動(dòng)調(diào)節(jié)了充電電流，使之不超過(guò)某個(gè)限度。

目前，被廣泛使用的蓄電池有鋰電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛蓄電池。鎳氫電池具有能量密度高、可快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、重量輕、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、安全可靠等特點(diǎn)，被稱為“綠色電池”。因此，鎳氫電池具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間，目前正受到越來(lái)越多的行業(yè)所關(guān)注與重視。如何利用鎳氫電池的特性，對(duì)其采取有效的充電控制技術(shù)，使其充放電效率得到最大發(fā)揮，并最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命，研究目的就是以此展開的。

首先分析鎳氫電池的充電特性，闡述利用三段式充電方法對(duì)鎳氫電池進(jìn)行充電控制，然后根據(jù)充電管理系統(tǒng)的功能要求，對(duì)其總體框架以及各個(gè)子電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性以及可行性，并給出分析，最終得出結(jié)論。

2 鎳氫電池的充電特性和充電控制方法

鎳氫電池充電電壓特性曲線如圖1所示。當(dāng)以恒定電流沖入完全放電的電池時(shí)，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，所以起始階段電池電壓上升很快（AB段）。然后，電池開始以一定的速率接受電荷，電池電壓以較低的速率上升（BC段）。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，由于鎳氫電池的電化學(xué)特性，電池的內(nèi)阻增加，電池的電壓再次較快上升（CD段），并會(huì)達(dá)到峰值（D點(diǎn)），這也是電池接近充滿的信號(hào)。此時(shí)，沖入電池的電流不是轉(zhuǎn)換為電池的貯能，電池內(nèi)的溫度會(huì)急劇上升，從而使得電池內(nèi)的電壓下降（DE段），電池進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)，電池內(nèi)部的溫度和壓力會(huì)迅速上升，若不及時(shí)停止充電，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，容量下降，甚至漏液。

為了保證既充足電又不過(guò)充電，必須采取有效的充電終止控制方法，常用的方法有：

（1）定時(shí)控制：根據(jù)電池容量和充電電流，預(yù)設(shè)所需的充電時(shí)間。充電過(guò)程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)充電時(shí)間時(shí)，停止充電，此種控制方法簡(jiǎn)單安全，但由于起始充電時(shí)，電池剩余電量時(shí)不確定的，會(huì)導(dǎo)致有的電池充不足，有的電池過(guò)充電。

（2）峰值電壓（Vmax）檢測(cè)：充電過(guò)程中檢測(cè)電池的充電電壓來(lái)判斷充電狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到峰值時(shí)，即為充足電。但峰值電壓會(huì)隨著環(huán)境溫度以及充電電流的大小而改變，各個(gè)單體電池的峰值電壓也不相同，因此在充電過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)對(duì)峰值檢測(cè)電壓進(jìn)行修正，并采取溫度補(bǔ)償，否則會(huì)導(dǎo)致電池充不足電或過(guò)充電，縮短電池使用壽命，甚至損壞電池。該方法不能準(zhǔn)確地判斷電池是否已經(jīng)充足電，缺乏靈活性。

圖1：鎳氫電池充電特性曲線

（3）電壓負(fù)增量（-△V）檢測(cè)：充電過(guò)程中，當(dāng)電池接近充滿時(shí)，充電電壓達(dá)到峰值（Vmax），繼續(xù)充電，充電電壓會(huì)下降，產(chǎn)生負(fù)增量。因此，當(dāng)檢測(cè)到充電電壓負(fù)增量時(shí)，就可以認(rèn)為電池已經(jīng)充滿，從而停止充電。電壓負(fù)增量與電池的絕對(duì)溫度無(wú)關(guān)，并且不隨電池本身的特性、充電電流的大小以及充電環(huán)境等因素的變化而變化，可以對(duì)不同單體電池?cái)?shù)的電池組充電，可靠靈敏。但該控制方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)溫度較高時(shí)，電壓負(fù)增量不明顯，因此需要與其它方法配合使用。

（4）最高溫度檢測(cè)：充電過(guò)程中，當(dāng)電池溫度達(dá)到45℃時(shí)，停止充電。電池溫度可通過(guò)熱敏電阻來(lái)檢測(cè)，但熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度檢測(cè)會(huì)有一定的滯后。此外，此控制方法受環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，充足電后，電池溫度有可能達(dá)不到45℃。

上述方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了能夠準(zhǔn)確可靠地對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行控制，需將各方法綜合起來(lái)應(yīng)用。

根據(jù)鎳氫電池的充電特性，對(duì)其其充電采用三段式充電方法，即快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電。

（1）快速充電（A-B）：充電開始時(shí)，采用恒流法對(duì)電池進(jìn)行充電，電池電壓迅速增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)時(shí)，快速充電結(jié)束，進(jìn)入補(bǔ)足充電階段；

（2）補(bǔ)足充電（B-E）：利用恒壓限流法對(duì)電池進(jìn)行充電，充電電流逐漸減小，利用電壓負(fù)增量檢測(cè)方法停止充電，進(jìn)入涓流充電階段；

（3）涓流充電（E-）：為補(bǔ)償電池自放電產(chǎn)生的電量損失，采用恒壓限流法對(duì)電池進(jìn)行連續(xù)小電流充電，此階段充電電壓基本不變，充電電流非常微?。?/p>

圖2：充電管理系統(tǒng)框圖

圖5：充電電路原理圖

充電過(guò)程中，如果電池溫度或充電時(shí)間高于設(shè)定閾值，則停止充電。

3 充電管理系統(tǒng)

充電管理系統(tǒng)的功能要求如下：

（1）根據(jù)電池規(guī)格設(shè)定各種閾值，包括充電電壓、最大充電時(shí)間、最大充電電流、最高電池溫度等，并據(jù)此確定電路元件參數(shù)；

（2）系統(tǒng)接入外部電源并接入電池后，外部電源為負(fù)載電路供電，檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，利用三段式充電方法為電池充電；

（3）每次充電開始時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)充電時(shí)間超過(guò)最大充電時(shí)間時(shí)，停止充電；

（4）充電過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)電池溫度，當(dāng)溫度高于最高溫度閾值時(shí)，停止充電；

（5）當(dāng)接入電池未接入電源時(shí)，采用電池為負(fù)載電路供電；

3.1 充電管理系統(tǒng)框架

充電管理系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由預(yù)處理電路、充電電路和充放電切換電路構(gòu)成。預(yù)處理電路對(duì)外部電源輸入進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波，保證為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電；充電電路完成對(duì)鎳氫電池的充電；充放電切換電路起到開關(guān)的作用，對(duì)電池充放電進(jìn)行控制，當(dāng)有外部電源輸入時(shí)，其為電池充電，同時(shí)為負(fù)載電路供電；當(dāng)沒有外部電源輸入時(shí)，電池為負(fù)載電路供電。

3.2 預(yù)處理電路

預(yù)處理電路如圖3所示。D1為瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)，對(duì)其后方電路起到穩(wěn)壓以及沖擊保護(hù)作用，LC濾波電路去除外部電源中的高頻分量，減小由外部電源抖動(dòng)對(duì)電路產(chǎn)生的影響。

3.3 充電電路

充電電路作為充電管理系統(tǒng)的核心部分，其控制芯片的選擇至關(guān)重要，可以選擇普通的MCU作為控制芯片來(lái)完成對(duì)充電的管理和控制，但這需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的外圍電路，同時(shí)也會(huì)增加維護(hù)成本。

LTC4709是ADI公司生產(chǎn)的一款專用的低功耗充電控制芯片，其具有較寬的輸入電壓范圍，可調(diào)的充電電壓與充電電流，支持充電電壓、充電電流、電池溫度和充電時(shí)間檢測(cè)、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，如圖4所示。

各引腳功能如下：

圖3：預(yù)處理電路原理圖

圖4：LTC4709引腳圖

圖6：充放電切換電路原理圖

IN：供電輸入；

EN：充電使能；

PROG：充電電流配置，需與地之間連接一電阻來(lái)配置恒流充電電流；

NTCBIAS：NTC熱敏電阻偏置輸出，需與NTC引腳之間連接一電阻，阻值為NTC熱敏電阻標(biāo)稱值；

NTC：電池溫度檢測(cè)輸入，需與NTC熱敏電阻相連；

TIMER：定時(shí)器電容輸入，需與地之間連接一電容來(lái)配置最大充電時(shí)間；

FBG：電池電壓分壓參考輸入，需與FB引腳之間連接一電阻構(gòu)成充電分壓網(wǎng)絡(luò)，此引腳用來(lái)檢測(cè)單體電池電壓；

FB：電池電壓分壓感應(yīng)輸入，需BAT引腳之間連接一電阻構(gòu)成充電分壓網(wǎng)絡(luò)；

BAT：電池充電輸出，為電池提供充電電流，與電池正極相連；

GND：地；

根據(jù)充電管理系統(tǒng)功能要求以及充電芯片LTC4709特性設(shè)計(jì)充電電路，如圖5所示。

恒流充電電流ICHG與R1的關(guān)系如下：

最大充電時(shí)間tTIMER與C4關(guān)系如下：

R4和R5構(gòu)成充電分壓網(wǎng)絡(luò)，與充電電壓VCHG的關(guān)系如下：

電路中各參數(shù)根據(jù)電池規(guī)格利用上述公式來(lái)確定。

3.4 充放電切換電路

充放電切換電路如圖6所示。

Q1為P溝道增強(qiáng)型MOS管，在電路中起到開關(guān)作用。當(dāng)有外部電源輸入時(shí)，柵極（1）電壓大于源級(jí)（2）電壓，MOS管截止，VOUT = VCC，外部電源為負(fù)載電路供電；當(dāng)沒有外部電源輸入時(shí)（VCC=0），柵極（1）電壓小于源級(jí)（2）電壓，MOS管導(dǎo)通，VOUT=VBAT，電池為負(fù)載電路供電。電容C5、C6、C7起到濾波作用，保證VOUT穩(wěn)定輸出。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性與可行性。選擇12V直流開關(guān)電源作為外部輸入電源，即VCC_IN=12V；選擇型號(hào)為HFR-AAAT600×3 的鎳氫電池組，其由三個(gè)單體電池串聯(lián)而成，單體電池額定電壓為1.2V，即電池組額定電壓為3.6V；根據(jù)電池規(guī)格要求以及充電管理芯片LTC4709推薦，恒流充電電流規(guī)定為ICHG=100mA，充電電壓規(guī)定為VCHG=4.2V，最大充電時(shí)間規(guī)定為tTIMER=5.5Hr，根據(jù)3.3節(jié)中公式確定電路參數(shù)，R1=3.01KΩ，R4 = 412KΩ，R5=1.07MΩ，C4=1.1μF；電池組自帶NTC型熱敏電阻，標(biāo)稱值為10KΩ，故R2=10KΩ。

接入外部電源，電池充電，同時(shí)外部電源為負(fù)載電路供電，測(cè)量充電電壓VCHG以及充電電流ICHG，如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，充電電壓的變化符合鎳氫電池充電特性，充電電流最終趨近于0，既最大限度地充足了電，又沒有產(chǎn)生過(guò)充。

接入外部電源，電池放電，電池為負(fù)載電路供電。

5 結(jié)論

圖7：充電電壓曲線

圖8：充電電流曲線

通過(guò)對(duì)鎳氫電池充電特性的分析，采用三段式充電方法對(duì)鎳氫電池充電，分為快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電，并綜合利用電壓負(fù)增量、最大電池溫度、最大充電時(shí)間的方法對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了基于充電芯片LTC4709的充電電路；利用MOS場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)特性，設(shè)計(jì)了充放電切換電路，能夠根據(jù)是否有外部電源輸入在充電與放電之間自動(dòng)切換；對(duì)外部輸入電源進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波、防沖擊，設(shè)計(jì)了預(yù)處理電路，以上共同構(gòu)成了充電管理系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性與可行性并測(cè)量充電電壓和充電電流，結(jié)果表明當(dāng)有外部電源輸入時(shí)，電池充電，同時(shí)外部電源為負(fù)載電路供電，當(dāng)沒有外部電源輸入時(shí)，電池放電，電池為負(fù)載電路供電；充電過(guò)程符合鎳氫電池的充電特性，安全可靠，既最大限度地充足了電，又沒有產(chǎn)生過(guò)充。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有可行性與實(shí)用性，可以作為板載鎳氫電池充電管理的解決方案。