車(chē)用鎳氫電池自保護(hù)充電器

沈紅雷

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?本設(shè)計(jì)涉及的車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池智能充電控制電路是一種專門(mén)為車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池充電而設(shè)計(jì)的控制電路，鎳氫電池的性能不會(huì)受其影響，從而大大延長(zhǎng)了鎳氫電池的使用時(shí)間及壽命，使鎳氫電池能正常地發(fā)揮出低溫條件下的大功率輸出特性以及該有的大電流輸出特性。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?鎳氫電池;低溫;控制電路

[中圖分類號(hào)] ?U224.5 ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）13-0186-02

一、研究相關(guān)

（一）研究背景

車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池自保護(hù)充電器是一種專門(mén)為車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池充電而設(shè)計(jì)的充電器，鎳氫電池的性能不會(huì)受其影響，從而大大延長(zhǎng)了鎳氫電池的使用時(shí)間及壽命，使鎳氫電池能正常地發(fā)揮出低溫條件下的大功率輸出特性以及該有的大電流輸出特性，在車(chē)用鎳氫電池充電過(guò)程中具有廣泛的使用前景。

（二）研究現(xiàn)況

現(xiàn)在車(chē)用動(dòng)力啟動(dòng)電池基本都是采用鉛酸電池，鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是：成本低、充電電路簡(jiǎn)單。其最大的缺點(diǎn)是在低溫的情況下啟動(dòng)能力特別差，只要第一次沒(méi)有啟動(dòng)成功，就需要過(guò)幾分鐘才能啟動(dòng)。在生活中這可能不算什么特別大的問(wèn)題，但在軍隊(duì)之中，這幾分鐘可能就會(huì)成為戰(zhàn)事的隱患。所以只有使用鎳氫電池才能在根本上解決問(wèn)題。鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、體積小、在低溫情況下放電性能好。雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但是鎳氫電池對(duì)充電要求也很高，如果在充電中出現(xiàn)過(guò)虧過(guò)充情況，都會(huì)對(duì)鎳氫電池的性能造成極大影響。這樣一來(lái)鎳氫電池使用壽命就會(huì)嚴(yán)重縮短。所以，既要鎳氫電池的使用性能，又要鎳氫電池的使用壽命，就需要設(shè)計(jì)一種適合對(duì)鎳氫動(dòng)力電池進(jìn)行充電的智能管理控制系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)與鎳氫電池相結(jié)合，就可以克服低溫下啟動(dòng)困難的缺點(diǎn)。

（三）研究?jī)?nèi)容

1.設(shè)計(jì)“充電驅(qū)動(dòng)電路”“充電反饋電路”“排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路”“動(dòng)態(tài)指示燈電路”和“電源電路”，使整個(gè)控制電路的工作更加穩(wěn)定、安全、可靠。

2.設(shè)計(jì)“電池信息檢測(cè)電路”，在充電中可以隨時(shí)檢測(cè)電池的電壓，充電過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)虧、過(guò)充時(shí)，單片機(jī)可以做出相應(yīng)的變化，保護(hù)電池，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

3.設(shè)計(jì)“充電信息檢測(cè)電路”，保證充電時(shí)的電流問(wèn)題，保證電池能在穩(wěn)定的狀態(tài)下充滿。

4.設(shè)計(jì)“電池溫度檢測(cè)電路”，解決充電過(guò)程中因?yàn)闇囟壬唠娏髯兓膯?wèn)題，可以及時(shí)調(diào)整，保證電池充電安全。

二、車(chē)用鎳氫自保護(hù)充電器設(shè)計(jì)模型

車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池智能充電控制電路，如圖1所示。

三、車(chē)用鎳氫智能充電控制電路的組成

（一）單片機(jī)的作用

車(chē)用鎳氫智能充電控制電路的核心是單片機(jī)。與單片機(jī)相接的電路分別是電池信息檢測(cè)電路、充電信息檢測(cè)電路、電池溫度檢測(cè)電路、充電驅(qū)動(dòng)電路、充電反饋電路、排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、指示燈電路。

在該控制電路中，單片機(jī)使用了4個(gè)輸出控制信號(hào)端口以及17個(gè)控制信號(hào)輸入端口。17個(gè)輸入信號(hào)口中：電池信息輸入口有10個(gè)端口分別是：P0.0-P0.2口、P0.5-P0.7口和P1.0-P1.3口;充電信息輸入口有5個(gè)端口分別是P2.0-P2.1口和P3.2-P3.4口;P2.3口為充電反饋信息輸入;P1.6、P1.7兩個(gè)端口為電池溫度信息輸入。4個(gè)輸出端口分別是：P3.0口和P3.7口為充電驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出;P2.2口為排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出;動(dòng)態(tài)指示燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口為P2.7口。

（二）電池信息檢測(cè)電路

作用：電池信息檢測(cè)電路檢測(cè)到電池組中電壓和電流的變化信息，發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

工作原理：電池信息檢測(cè)電路內(nèi)部一共有10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并把它們分成5組，分別與電池組中的5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)連接。由10個(gè)單電池串聯(lián)連接組成12 V鎳氫電池組，其中將每2個(gè)單電池組合成一組，一共為5組，用于檢測(cè)該組中兩塊單電池的工作狀態(tài)信息為每組中的2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。其中檢測(cè)第一電池組中的兩塊電池的電壓值分別為光耦Nla與電阻R1、R2和光耦N1b與R5、R6。光電耦合器N1a內(nèi)部導(dǎo)通就說(shuō)明第一個(gè)電池組充滿電壓了，輸出端的電位從充電狀態(tài)時(shí)的高電位變成低電位，經(jīng)過(guò)IC2a的比較放大后，給單片機(jī)的P0.7口發(fā)送低電位的信號(hào)。

（三）充電信息檢測(cè)電路

作用：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理檢測(cè)電池在充電過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息。

工作原理：充電信息檢測(cè)電路主要由IC5、IC6a等元件組成。4個(gè)電壓檢測(cè)點(diǎn)由IC5b-IC5d和IC6a四個(gè)運(yùn)放與外圍元件組成。不斷對(duì)鎳氫電池的充電電壓進(jìn)行檢測(cè)，并為電池組選擇合適的充電電流，以免出現(xiàn)故障。

（四）電池溫度檢測(cè)電路

作用：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制該電路檢測(cè)電池在充電過(guò)程中的溫度信息。

工作原理：當(dāng)電路的RT1阻值減小，使TC6b負(fù)輸入端的電位低于正輸入端的電位說(shuō)明電池組中的溫度達(dá)到80度時(shí)，于是IC6b向單片機(jī)的P1.6口輸送低電位，表示電池組的溫度達(dá)到80度，于是單片機(jī)控制充電驅(qū)動(dòng)電路減小對(duì)電池組的充電電流。

（五）充電驅(qū)動(dòng)電路和充電反饋電路

作用：使用單片機(jī)控制充電驅(qū)動(dòng)電路，為充電器電池提供充電的電流。充電反饋電路在充電器中發(fā)揮的作用，單片機(jī)收到充電信息送給充電驅(qū)動(dòng)電路。充電驅(qū)動(dòng)電路主要由晶閘管VT1到晶閘管VT8、繼電器和部分電阻等電子元器件組成。充電反饋電路主要由電源驅(qū)動(dòng)芯片和晶閘管等電子元器件組成。

工作原理：為了能夠最大限度地克服電子元器件充電時(shí)帶來(lái)

的電壓降，就有必要提高原有電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)電機(jī)對(duì)鎳氫電池的充電效率，因此充電控制電路設(shè)計(jì)了三個(gè)檔位的充電模式，分別由部分電阻以及晶體管和繼電器之間的各種組合來(lái)完成實(shí)現(xiàn)。

（六）排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

作用：排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路受單片機(jī)控制，何時(shí)打開(kāi)排風(fēng)扇，對(duì)元器件的工作溫度進(jìn)行降溫，對(duì)控制電路的穩(wěn)定有所提高。排風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路組成主要由晶閘管VT10和VT11還有排風(fēng)扇等元器件組成。

工作原理：鎳氫充電電池輸出電能比較大，在對(duì)電池組充電時(shí)，電子元器件就會(huì)產(chǎn)生很多的熱量，對(duì)元器件的工作環(huán)境有影響。因此，當(dāng)進(jìn)入充電狀態(tài)時(shí)，控制電路單片機(jī)P2.2口就會(huì)輸出低電位，使晶閘管VT10和VT11導(dǎo)通，排風(fēng)扇開(kāi)始工作運(yùn)行。排風(fēng)扇可以很大程度上降低充電器工作時(shí)所產(chǎn)生的高溫，從而有效消除對(duì)智能充電控制電路的負(fù)面影響。

（七）指示燈電路和電源電路

指示燈電路和電源電路都受單片機(jī)控制。電源電路是為單片機(jī)等控制電路提供工作電源的。指示燈電路由發(fā)光二極管和電阻組成。電源電路主要由電源驅(qū)動(dòng)芯片等元器件組成。

四、實(shí)物及設(shè)計(jì)相關(guān)

（一）實(shí)物概要

本設(shè)計(jì)實(shí)物為新型的車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池智能充電控制電路，所有的電子元器件都安裝焊接在一塊PCB電路板上，元器件焊接完成后將PCB電路板安裝在一個(gè)鋁質(zhì)材料的金屬外殼中，鋁質(zhì)外殼重量輕，使用壽命長(zhǎng)其散熱效果也比較好，另外還需要在外殼上安裝一個(gè)排風(fēng)扇的通風(fēng)口。電池的信號(hào)輸出線采用了GX16-8的公插頭引出，與外殼上的GX16-8母插座配套使用，然后再將GX16-8的母插座與控制電路相互連接，電池組中熱敏電阻輸出線和信號(hào)檢測(cè)輸出線，由電池組生產(chǎn)廠家進(jìn)行連接與安裝，汽車(chē)發(fā)電機(jī)直流電源輸出線和電池組的正負(fù)輸出線，都需要通過(guò)一個(gè)10位段子排與控制電路相連接，按線排安裝在PCB電路板的最外側(cè)，并露出外殼，方便電池組與外部電源相連接，在段子排的旁還有一個(gè)充電指示燈，可以觀察充電狀態(tài)時(shí)的鎳氫電池組，電池組的負(fù)端與鉛酸電池的負(fù)端相同和電動(dòng)汽車(chē)的金屬底座相互連接。車(chē)用鎳氫自保護(hù)充電器電路具有以下特點(diǎn)：新穎的電路設(shè)計(jì)、可靠的工作性能、替代現(xiàn)有從電器方便等優(yōu)點(diǎn)。

（二）主要程序流程圖

車(chē)用鎳氫自保護(hù)充電器程序方框圖，如圖2。

（三）繪制PCB圖

1.創(chuàng)建工程，新建“PrjPCB”文件。

2.畫(huà)原理圖，新建“SchDOC”文件。

3.畫(huà)PCB圖，新建“PcbDoc”文件。然后切換到原理圖下，到“設(shè)計(jì)”菜單下更新原理圖到剛剛新建的“PcbDoc”文件。更新時(shí)，把room選項(xiàng)勾選去掉。

4.在畫(huà)PCB圖時(shí)，在“窗口”下點(diǎn)擊“垂直分割”，將原理圖和PCB圖分別放到AD界面左側(cè)和右側(cè)。然后點(diǎn)擊一下左側(cè)的原理圖窗口，在“工具”菜單下打開(kāi)“交叉選擇模式”，這樣選中左側(cè)原理圖中的一部分元器件右側(cè)的PCB窗口也選中了對(duì)應(yīng)的元器件，這樣就比較方便一部分一部分地進(jìn)行PCB布局。

5.布局好元器件后再開(kāi)始手動(dòng)布線。

6.切換到keep-out layer層繪制PCB板的外邊框。

7.在PCB板的四個(gè)角落放置螺絲孔，一般設(shè)置3.1 mm的孔徑，5 mm的外徑。

8.最后該覆銅了。點(diǎn)擊菜單“放置”“鋪銅”進(jìn)行覆銅。

9.若是PCB板上有導(dǎo)線沒(méi)有連接，則回到PCB板中，按住“Shift+S”，就可以查看到哪些導(dǎo)線沒(méi)連接。電路板實(shí)物如圖3。

（四）實(shí)物調(diào)試

給實(shí)物車(chē)用鎳氫電池充電器輸入14.5 V電壓，通電之后，排風(fēng)扇開(kāi)始工作;在空載情況下，指示燈閃爍，說(shuō)明沒(méi)有檢測(cè)到電池，2 s之后排風(fēng)扇也停止工作，在負(fù)載情況下，測(cè)得輸出電壓12 V，指示燈長(zhǎng)亮，車(chē)用鎳氫電池自保護(hù)充電器正在充電。

五、結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)可以完美地給鎳氫電池進(jìn)行充電，鎳氫電池克服了車(chē)輛在低溫下啟動(dòng)性能差的致命缺點(diǎn)。

編輯 馬燕萍