车用镍氢电池自保护充电器

沈红雷

[摘           要]  本设计涉及的车用镍氢动力电池智能充电控制电路是一种专门为车用镍氢动力电池充电而设计的控制电路，镍氢电池的性能不会受其影响，从而大大延长了镍氢电池的使用时间及寿命，使镍氢电池能正常地发挥出低温条件下的大功率输出特性以及该有的大电流输出特性。

[关    键   词]  镍氢电池;低温;控制电路

[中图分类号]  U224.5              [文献标志码]  A             [文章编号]  2096-0603（2020）13-0186-02

一、研究相关

（一）研究背景

车用镍氢动力电池自保护充电器是一种专门为车用镍氢动力电池充电而设计的充电器，镍氢电池的性能不会受其影响，从而大大延长了镍氢电池的使用时间及寿命，使镍氢电池能正常地发挥出低温条件下的大功率输出特性以及该有的大电流输出特性，在车用镍氢电池充电过程中具有广泛的使用前景。

（二）研究现况

现在车用动力启动电池基本都是采用铅酸电池，铅酸电池的优点是：成本低、充电电路简单。其最大的缺点是在低温的情况下启动能力特别差，只要第一次没有启动成功，就需要过几分钟才能启动。在生活中这可能不算什么特别大的问题，但在军队之中，这几分钟可能就会成为战事的隐患。所以只有使用镍氢电池才能在根本上解决问题。镍氢电池的优点是：重量轻、体积小、在低温情况下放电性能好。虽然优点很多，但是镍氢电池对充电要求也很高，如果在充电中出现过亏过充情况，都会对镍氢电池的性能造成极大影响。这样一来镍氢电池使用寿命就会严重缩短。所以，既要镍氢电池的使用性能，又要镍氢电池的使用寿命，就需要设计一种适合对镍氢动力电池进行充电的智能管理控制系统。这样，系统与镍氢电池相结合，就可以克服低温下启动困难的缺点。

（三）研究内容

1.设计“充电驱动电路”“充电反馈电路”“排风扇驱动电路”“动态指示灯电路”和“电源电路”，使整个控制电路的工作更加稳定、安全、可靠。

2.设计“电池信息检测电路”，在充电中可以随时检测电池的电压，充电过程中出现过亏、过充时，单片机可以做出相应的变化，保护电池，延长电池的使用寿命。

3.设计“充电信息检测电路”，保证充电时的电流问题，保证电池能在稳定的状态下充满。

4.设計“电池温度检测电路”，解决充电过程中因为温度升高电流变化的问题，可以及时调整，保证电池充电安全。

二、车用镍氢自保护充电器设计模型

车用镍氢动力电池智能充电控制电路，如图1所示。

三、车用镍氢智能充电控制电路的组成

（一）单片机的作用

车用镍氢智能充电控制电路的核心是单片机。与单片机相接的电路分别是电池信息检测电路、充电信息检测电路、电池温度检测电路、充电驱动电路、充电反馈电路、排风扇驱动电路、指示灯电路。

在该控制电路中，单片机使用了4个输出控制信号端口以及17个控制信号输入端口。17个输入信号口中：电池信息输入口有10个端口分别是：P0.0-P0.2口、P0.5-P0.7口和P1.0-P1.3口;充电信息输入口有5个端口分别是P2.0-P2.1口和P3.2-P3.4口;P2.3口为充电反馈信息输入;P1.6、P1.7两个端口为电池温度信息输入。4个输出端口分别是：P3.0口和P3.7口为充电驱动信号输出;P2.2口为排风扇驱动信号输出;动态指示灯驱动信号输出口为P2.7口。

（二）电池信息检测电路

作用：电池信息检测电路检测到电池组中电压和电流的变化信息，发送给单片机进行相应的处理。

工作原理：电池信息检测电路内部一共有10个检测点，并把它们分成5组，分别与电池组中的5个检测点连接。由10个单电池串联连接组成12 V镍氢电池组，其中将每2个单电池组合成一组，一共为5组，用于检测该组中两块单电池的工作状态信息为每组中的2个检测点。其中检测第一电池组中的两块电池的电压值分别为光耦Nla与电阻R1、R2和光耦N1b与R5、R6。光电耦合器N1a内部导通就说明第一个电池组充满电压了，输出端的电位从充电状态时的高电位变成低电位，经过IC2a的比较放大后，给单片机的P0.7口发送低电位的信号。

（三）充电信息检测电路

作用：单片机处理检测电池在充电过程中的动态信息。

工作原理：充电信息检测电路主要由IC5、IC6a等元件组成。4个电压检测点由IC5b-IC5d和IC6a四个运放与外围元件组成。不断对镍氢电池的充电电压进行检测，并为电池组选择合适的充电电流，以免出现故障。

（四）电池温度检测电路

作用：单片机控制该电路检测电池在充电过程中的温度信息。

工作原理：当电路的RT1阻值减小，使TC6b负输入端的电位低于正输入端的电位说明电池组中的温度达到80度时，于是IC6b向单片机的P1.6口输送低电位，表示电池组的温度达到80度，于是单片机控制充电驱动电路减小对电池组的充电电流。

（五）充电驱动电路和充电反馈电路

作用：使用单片机控制充电驱动电路，为充电器电池提供充电的电流。充电反馈电路在充电器中发挥的作用，单片机收到充电信息送给充电驱动电路。充电驱动电路主要由晶闸管VT1到晶闸管VT8、继电器和部分电阻等电子元器件组成。充电反馈电路主要由电源驱动芯片和晶闸管等电子元器件组成。

工作原理：为了能够最大限度地克服电子元器件充电时带来

的电压降，就有必要提高原有电动汽车的发电机对镍氢电池的充电效率，因此充电控制电路设计了三个档位的充电模式，分别由部分电阻以及晶体管和继电器之间的各种组合来完成实现。

（六）排风扇驱动电路

作用：排风扇驱动电路受单片机控制，何时打开排风扇，对元器件的工作温度进行降温，对控制电路的稳定有所提高。排风扇驱动电路组成主要由晶闸管VT10和VT11还有排风扇等元器件组成。

工作原理：镍氢充电电池输出电能比较大，在对电池组充电时，电子元器件就会产生很多的热量，对元器件的工作环境有影响。因此，当进入充电状态时，控制电路单片机P2.2口就会输出低电位，使晶闸管VT10和VT11导通，排风扇开始工作运行。排风扇可以很大程度上降低充电器工作时所产生的高温，从而有效消除对智能充电控制电路的负面影响。

（七）指示灯电路和电源电路

指示灯电路和电源电路都受单片机控制。电源电路是为单片机等控制电路提供工作电源的。指示灯电路由发光二极管和电阻组成。电源电路主要由电源驱动芯片等元器件组成。

四、实物及设计相关

（一）实物概要

本设计实物为新型的车用镍氢动力电池智能充电控制电路，所有的电子元器件都安装焊接在一块PCB电路板上，元器件焊接完成后将PCB电路板安装在一个铝质材料的金属外壳中，铝质外壳重量轻，使用寿命长其散热效果也比较好，另外还需要在外壳上安装一个排风扇的通风口。电池的信号输出线采用了GX16-8的公插头引出，与外壳上的GX16-8母插座配套使用，然后再将GX16-8的母插座与控制电路相互连接，电池组中热敏电阻输出线和信号检测输出线，由电池组生产厂家进行连接与安装，汽车发电机直流电源输出线和电池组的正负输出线，都需要通过一个10位段子排与控制电路相连接，按線排安装在PCB电路板的最外侧，并露出外壳，方便电池组与外部电源相连接，在段子排的旁还有一个充电指示灯，可以观察充电状态时的镍氢电池组，电池组的负端与铅酸电池的负端相同和电动汽车的金属底座相互连接。车用镍氢自保护充电器电路具有以下特点：新颖的电路设计、可靠的工作性能、替代现有从电器方便等优点。

（二）主要程序流程图

车用镍氢自保护充电器程序方框图，如图2。

（三）绘制PCB图

1.创建工程，新建“PrjPCB”文件。

2.画原理图，新建“SchDOC”文件。

3.画PCB图，新建“PcbDoc”文件。然后切换到原理图下，到“设计”菜单下更新原理图到刚刚新建的“PcbDoc”文件。更新时，把room选项勾选去掉。

4.在画PCB图时，在“窗口”下点击“垂直分割”，将原理图和PCB图分别放到AD界面左侧和右侧。然后点击一下左侧的原理图窗口，在“工具”菜单下打开“交叉选择模式”，这样选中左侧原理图中的一部分元器件右侧的PCB窗口也选中了对应的元器件，这样就比较方便一部分一部分地进行PCB布局。

5.布局好元器件后再开始手动布线。

6.切换到keep-out layer层绘制PCB板的外边框。

7.在PCB板的四个角落放置螺丝孔，一般设置3.1 mm的孔径，5 mm的外径。

8.最后该覆铜了。点击菜单“放置”“铺铜”进行覆铜。

9.若是PCB板上有导线没有连接，则回到PCB板中，按住“Shift+S”，就可以查看到哪些导线没连接。电路板实物如图3。

（四）实物调试

给实物车用镍氢电池充电器输入14.5 V电压，通电之后，排风扇开始工作;在空载情况下，指示灯闪烁，说明没有检测到电池，2 s之后排风扇也停止工作，在负载情况下，测得输出电压12 V，指示灯长亮，车用镍氢电池自保护充电器正在充电。

五、结束语

该设计可以完美地给镍氢电池进行充电，镍氢电池克服了车辆在低温下启动性能差的致命缺点。

编辑 马燕萍