客艙噴淋滅火控制器備用電池充電電路設(shè)計(jì)

趙圣寶

摘 要：本文首先分析了客艙噴淋滅火控制器需要自備電池的原因，介紹了自備電池的選型，基于CN3306充電芯片的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：客艙噴淋 控制器 自備電池 充電 試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，為新能源汽車提供動(dòng)力的電池安全問題受到國(guó)家的高度重視，在動(dòng)力電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致汽車起火時(shí)，需要啟動(dòng)客艙噴淋滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火，以最大限度的減少人員傷亡和降低經(jīng)濟(jì)損失。

在汽車處于啟動(dòng)狀態(tài)下，客艙噴淋滅火系統(tǒng)的控制器是由整車供電的，但汽車處于停止并且沒有上鑰匙電的情況下，標(biāo)準(zhǔn)要求此時(shí)客艙噴淋滅火系統(tǒng)的控制器也要處于工作狀態(tài)，并能提供不小于72小時(shí)待機(jī)防護(hù)[1]。

因此，客艙噴淋滅火控制器要具備雙電源供電，即除了車載鑰匙電供電外，還必須具備獨(dú)立的自備電池供電;并同時(shí)具備電源選擇功能，即有鑰匙電時(shí)，通過電源選擇電路選擇鑰匙電給控制器供電，鑰匙下電后電源選擇電路自動(dòng)切換到自備電池給控制器供電;客艙噴淋控制器的MCU檢測(cè)車載供電的電壓，當(dāng)鑰匙開關(guān)控制車載蓄電池下電切換到自備電池供電后，MCU通過控制充電芯片的關(guān)斷引腳禁用充電功能，防止自備電池自充電。該系統(tǒng)的供電框圖如圖1所示：

2 備用電池介紹

2.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池相對(duì)穩(wěn)定，具備耐高溫、過充、擠壓等能力，因此磷酸鐵鋰電池相對(duì)比較安全。但磷酸鐵鋰電池最大缺點(diǎn)是堆積密度低，在相同的電池容量下，磷酸鐵鋰電池的體積會(huì)比三元鋰電池大一倍多。

2.2 三元鋰電池

三元鋰電池的能量密度高，在過去幾年里有代替磷酸鐵鋰電池的趨勢(shì)，尤其是在高檔車型應(yīng)用上。在啟動(dòng)客艙噴淋滅火時(shí)，控制器需要較大的瞬間功耗，三元鋰電池相比磷酸鐵鋰電池具備較高的瞬間放電倍率，更適合用于客艙噴淋滅火控制器的自備電池。

因此，本設(shè)計(jì)中選用三元鋰電池作為客艙噴淋滅火控制器的自備電池，具體選用一并三串的組合方式，其工作電壓范圍為8.25V～12.5V，額定電壓11.1V，額定容量2.2Ah，標(biāo)準(zhǔn)放電電流1.1A，最大瞬間放電電流11A。

3 基于CN3306的充電電路設(shè)計(jì)

CN3306是電流模式升壓型充電管理集成芯片，具備固定的開關(guān)頻率330KHz。其輸入電壓范圍較寬，最低能到4.5V，最高到32V，外圍器件比較少，可用于鋰電池的充電管理。具有恒流和恒壓充電模式，在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到恒流充電電流的16.6%時(shí)，充電結(jié)束。由于電池自放電或者負(fù)載耗電的原因，電壓逐漸下降，當(dāng)電池電壓降低到恒壓充電電壓的95.8%時(shí)，將開始新的充電周期[2]。

3.1 恒壓充電電壓設(shè)計(jì)

電池的恒壓充電電壓通過電阻R1和R2構(gòu)成的電阻分壓反饋到FB引腳，CN3306根據(jù)該引腳的電壓判定充電狀態(tài)，當(dāng)該引腳電壓接近1.205V時(shí)，充電進(jìn)入恒壓充電模式。該設(shè)計(jì)中，恒壓充電模式時(shí)的充電電壓即為電池的最高電壓12.5V，取電阻R2值為20K，依據(jù)以下公式計(jì)算R1的值：

得R1=187.5K。

3.2 恒流充電電流設(shè)計(jì)

恒流充電階段的充電電流通過引腳8和引腳9之間的電流檢測(cè)電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)，恒流充電階段的電流計(jì)算公式如下：

RCS選型為0.51歐姆，則此設(shè)計(jì)中的恒流充電電流ICH=0.12/0.51=0.235A。

3.3 MOS管占空比計(jì)算

工作于連續(xù)導(dǎo)通模式下的充電電路，其占空比為

公式中VIN為充電芯片輸入電壓，VBAT為自備電池電壓，VD為整流二極管的正向?qū)▔航怠１驹O(shè)計(jì)中VIN為前級(jí)Buck電源的輸出電壓，設(shè)計(jì)為6V，精度在1%，VBAT為12.5V，VD=0.3V，因該處的占空比D=0.53。

3.4 電感值計(jì)算及選型

電感飽和電流應(yīng)該大于最大輸入電流的要求，最大輸入電流在輸入電壓最低時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)還要使得電感紋波電流峰峰值不大于其最大電流的30%，所以電感值應(yīng)該滿足如下公式：

上式中，fsw為充電芯片CN3306的開關(guān)頻率，取典型值330KHz，ICH為設(shè)計(jì)的恒流充電電流，其值為0.235A，輸入電壓VIN等于6V，MOS管占空比為0.53，帶入上式，電感最小值為64uH，因此，此設(shè)計(jì)中電感L4取68uH。

3.5 電池連接端防護(hù)設(shè)計(jì)

自備電池通過接插件跟電路板進(jìn)行連接，在插拔接插件時(shí)容易產(chǎn)生靜電等浪涌沖擊，因此要在充電電路的輸出與電池連接的端口做好抗浪涌防護(hù)，以保護(hù)充電芯片。本設(shè)計(jì)中選用TVS及接口電容的方式進(jìn)行抗浪涌防護(hù)。

充電芯片的CSP、BAT腳的最大耐受電壓為36V，因此選擇TVS的最大鉗位電壓必須小于36V，SMCJ18CA的最高鉗位電壓為29.2V，滿足本設(shè)計(jì)要求。

充電芯片CN3306的其他引腳參數(shù)，可參照其手冊(cè)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，在此不再做詳細(xì)敘述。設(shè)計(jì)完成后的充電電路如圖2所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過實(shí)際PCB焊接后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的充電參數(shù)是否符合要求，試驗(yàn)前確認(rèn)備用電池組的參數(shù)，充電前備用電池組電壓9.2V，連接好試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行充電測(cè)試，每隔10分鐘，測(cè)量記錄一次充電電壓值及充電電流值，直至備用電池充滿電，因數(shù)據(jù)量較大，在此，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析，擬合成電池充電曲線圖如圖3所示：

5 結(jié)論

本文首先分析了客艙噴淋滅火控制器需要備用電池的必要性，通過備用電池選型，基于CN3306的充電芯片，通過關(guān)鍵外圍器件的設(shè)計(jì)選型，實(shí)現(xiàn)了備用電池組的充電功能。從實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，恒流充電階段的充電電流為233.3mA，恒壓充電階段充電電壓為12.59V，與理論設(shè)計(jì)值相比，存在一定的誤差，該誤差是由充電芯片本身、外圍阻容器件的誤差及測(cè)試過程誤差的綜合表現(xiàn)，在合理范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際使用的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]公共汽車客艙固定滅火系統(tǒng)[S]GA 1264-2015.

[2]具有太陽(yáng)能板MPPT功能的升壓型多種電池充電集成電路CN3306[Z]，如韻電子.