車用鎳氫電池自保護充電器

沈紅雷

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?本設計涉及的車用鎳氫動力電池智能充電控制電路是一種專門為車用鎳氫動力電池充電而設計的控制電路，鎳氫電池的性能不會受其影響，從而大大延長了鎳氫電池的使用時間及壽命，使鎳氫電池能正常地發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 ? ?鍵 ? 詞] ?鎳氫電池;低溫;控制電路

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

一、研究相關

（一）研究背景

車用鎳氫動力電池自保護充電器是一種專門為車用鎳氫動力電池充電而設計的充電器，鎳氫電池的性能不會受其影響，從而大大延長了鎳氫電池的使用時間及壽命，使鎳氫電池能正常地發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，在車用鎳氫電池充電過程中具有廣泛的使用前景。

（二）研究現況

現在車用動力啟動電池基本都是采用鉛酸電池，鉛酸電池的優點是：成本低、充電電路簡單。其最大的缺點是在低溫的情況下啟動能力特別差，只要第一次沒有啟動成功，就需要過幾分鐘才能啟動。在生活中這可能不算什么特別大的問題，但在軍隊之中，這幾分鐘可能就會成為戰事的隱患。所以只有使用鎳氫電池才能在根本上解決問題。鎳氫電池的優點是：重量輕、體積小、在低溫情況下放電性能好。雖然優點很多，但是鎳氫電池對充電要求也很高，如果在充電中出現過虧過充情況，都會對鎳氫電池的性能造成極大影響。這樣一來鎳氫電池使用壽命就會嚴重縮短。所以，既要鎳氫電池的使用性能，又要鎳氫電池的使用壽命，就需要設計一種適合對鎳氫動力電池進行充電的智能管理控制系統。這樣，系統與鎳氫電池相結合，就可以克服低溫下啟動困難的缺點。

（三）研究內容

1.設計“充電驅動電路”“充電反饋電路”“排風扇驅動電路”“動態指示燈電路”和“電源電路”，使整個控制電路的工作更加穩定、安全、可靠。

2.設計“電池信息檢測電路”，在充電中可以隨時檢測電池的電壓，充電過程中出現過虧、過充時，單片機可以做出相應的變化，保護電池，延長電池的使用壽命。

3.設計“充電信息檢測電路”，保證充電時的電流問題，保證電池能在穩定的狀態下充滿。

4.設計“電池溫度檢測電路”，解決充電過程中因為溫度升高電流變化的問題，可以及時調整，保證電池充電安全。

二、車用鎳氫自保護充電器設計模型

車用鎳氫動力電池智能充電控制電路，如圖1所示。

三、車用鎳氫智能充電控制電路的組成

（一）單片機的作用

車用鎳氫智能充電控制電路的核心是單片機。與單片機相接的電路分別是電池信息檢測電路、充電信息檢測電路、電池溫度檢測電路、充電驅動電路、充電反饋電路、排風扇驅動電路、指示燈電路。

在該控制電路中，單片機使用了4個輸出控制信號端口以及17個控制信號輸入端口。17個輸入信號口中：電池信息輸入口有10個端口分別是：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、P1.7兩個端口為電池溫度信息輸入。4個輸出端口分別是：P3.0口和P3.7口為充電驅動信號輸出;P2.2口為排風扇驅動信號輸出;動態指示燈驅動信號輸出口為P2.7口。

（二）電池信息檢測電路

作用：電池信息檢測電路檢測到電池組中電壓和電流的變化信息，發送給單片機進行相應的處理。

工作原理：電池信息檢測電路內部一共有10個檢測點，并把它們分成5組，分別與電池組中的5個檢測點連接。由10個單電池串聯連接組成12 V鎳氫電池組，其中將每2個單電池組合成一組，一共為5組，用于檢測該組中兩塊單電池的工作狀態信息為每組中的2個檢測點。其中檢測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內部導通就說明第一個電池組充滿電壓了，輸出端的電位從充電狀態時的高電位變成低電位，經過IC2a的比較放大后，給單片機的P0.7口發送低電位的信號。

（三）充電信息檢測電路

作用：單片機處理檢測電池在充電過程中的動態信息。

工作原理：充電信息檢測電路主要由IC5、IC6a等元件組成。4個電壓檢測點由IC5b-IC5d和IC6a四個運放與外圍元件組成。不斷對鎳氫電池的充電電壓進行檢測，并為電池組選擇合適的充電電流，以免出現故障。

（四）電池溫度檢測電路

作用：單片機控制該電路檢測電池在充電過程中的溫度信息。

工作原理：當電路的RT1阻值減小，使TC6b負輸入端的電位低于正輸入端的電位說明電池組中的溫度達到80度時，于是IC6b向單片機的P1.6口輸送低電位，表示電池組的溫度達到80度，于是單片機控制充電驅動電路減小對電池組的充電電流。

（五）充電驅動電路和充電反饋電路

作用：使用單片機控制充電驅動電路，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揮的作用，單片機收到充電信息送給充電驅動電路。充電驅動電路主要由晶閘管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動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帶來

的電壓降，就有必要提高原有電動汽車的發電機對鎳氫電池的充電效率，因此充電控制電路設計了三個檔位的充電模式，分別由部分電阻以及晶體管和繼電器之間的各種組合來完成實現。

（六）排風扇驅動電路

作用：排風扇驅動電路受單片機控制，何時打開排風扇，對元器件的工作溫度進行降溫，對控制電路的穩定有所提高。排風扇驅動電路組成主要由晶閘管VT10和VT11還有排風扇等元器件組成。

工作原理：鎳氫充電電池輸出電能比較大，在對電池組充電時，電子元器件就會產生很多的熱量，對元器件的工作環境有影響。因此，當進入充電狀態時，控制電路單片機P2.2口就會輸出低電位，使晶閘管VT10和VT11導通，排風扇開始工作運行。排風扇可以很大程度上降低充電器工作時所產生的高溫，從而有效消除對智能充電控制電路的負面影響。

（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控制。電源電路是為單片機等控制電路提供工作電源的。指示燈電路由發光二極管和電阻組成。電源電路主要由電源驅動芯片等元器件組成。

四、實物及設計相關

（一）實物概要

本設計實物為新型的車用鎳氫動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電路板安裝在一個鋁質材料的金屬外殼中，鋁質外殼重量輕，使用壽命長其散熱效果也比較好，另外還需要在外殼上安裝一個排風扇的通風口。電池的信號輸出線采用了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檢測輸出線，由電池組生產廠家進行連接與安裝，汽車發電機直流電源輸出線和電池組的正負輸出線，都需要通過一個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，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充電指示燈，可以觀察充電狀態時的鎳氫電池組，電池組的負端與鉛酸電池的負端相同和電動汽車的金屬底座相互連接。車用鎳氫自保護充電器電路具有以下特點：新穎的電路設計、可靠的工作性能、替代現有從電器方便等優點。

（二）主要程序流程圖

車用鎳氫自保護充電器程序方框圖，如圖2。

（三）繪制PCB圖

1.創建工程，新建“PrjPCB”文件。

2.畫原理圖，新建“SchDOC”文件。

3.畫PCB圖，新建“PcbDoc”文件。然后切換到原理圖下，到“設計”菜單下更新原理圖到剛剛新建的“PcbDoc”文件。更新時，把room選項勾選去掉。

4.在畫PCB圖時，在“窗口”下點擊“垂直分割”，將原理圖和PCB圖分別放到AD界面左側和右側。然后點擊一下左側的原理圖窗口，在“工具”菜單下打開“交叉選擇模式”，這樣選中左側原理圖中的一部分元器件右側的PCB窗口也選中了對應的元器件，這樣就比較方便一部分一部分地進行PCB布局。

5.布局好元器件后再開始手動布線。

6.切換到keep-out layer層繪制PCB板的外邊框。

7.在PCB板的四個角落放置螺絲孔，一般設置3.1 mm的孔徑，5 mm的外徑。

8.最后該覆銅了。點擊菜單“放置”“鋪銅”進行覆銅。

9.若是PCB板上有導線沒有連接，則回到PCB板中，按住“Shift+S”，就可以查看到哪些導線沒連接。電路板實物如圖3。

（四）實物調試

給實物車用鎳氫電池充電器輸入14.5 V電壓，通電之后，排風扇開始工作;在空載情況下，指示燈閃爍，說明沒有檢測到電池，2 s之后排風扇也停止工作，在負載情況下，測得輸出電壓12 V，指示燈長亮，車用鎳氫電池自保護充電器正在充電。

五、結束語

該設計可以完美地給鎳氫電池進行充電，鎳氫電池克服了車輛在低溫下啟動性能差的致命缺點。

編輯 馬燕萍