客舱喷淋灭火控制器备用电池充电电路设计

赵圣宝

摘 要：本文首先分析了客舱喷淋灭火控制器需要自备电池的原因，介绍了自备电池的选型，基于CN3306充电芯片的关键参数设计，并进行了试验验证，试验结果满足设计要求。

关键词：客舱喷淋 控制器 自备电池 充电 试验验证

1 引言

随着新能源汽车的不断发展，为新能源汽车提供动力的电池安全问题受到国家的高度重视，在动力电池发生热失控导致汽车起火时，需要启动客舱喷淋灭火系统进行灭火，以最大限度的减少人员伤亡和降低经济损失。

在汽车处于启动状态下，客舱喷淋灭火系统的控制器是由整车供电的，但汽车处于停止并且没有上钥匙电的情况下，标准要求此时客舱喷淋灭火系统的控制器也要处于工作状态，并能提供不小于72小时待机防护[1]。

因此，客舱喷淋灭火控制器要具备双电源供电，即除了车载钥匙电供电外，还必须具备独立的自备电池供电;并同时具备电源选择功能，即有钥匙电时，通过电源选择电路选择钥匙电给控制器供电，钥匙下电后电源选择电路自动切换到自备电池给控制器供电;客舱喷淋控制器的MCU检测车载供电的电压，当钥匙开关控制车载蓄电池下电切换到自备电池供电后，MCU通过控制充电芯片的关断引脚禁用充电功能，防止自备电池自充电。该系统的供电框图如图1所示：

2 备用电池介绍

2.1 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池相对稳定，具备耐高温、过充、挤压等能力，因此磷酸铁锂电池相对比较安全。但磷酸铁锂电池最大缺点是堆积密度低，在相同的电池容量下，磷酸铁锂电池的体积会比三元锂电池大一倍多。

2.2 三元锂电池

三元锂电池的能量密度高，在过去几年里有代替磷酸铁锂电池的趋势，尤其是在高档车型应用上。在启动客舱喷淋灭火时，控制器需要较大的瞬间功耗，三元锂电池相比磷酸铁锂电池具备较高的瞬间放电倍率，更适合用于客舱喷淋灭火控制器的自备电池。

因此，本设计中选用三元锂电池作为客舱喷淋灭火控制器的自备电池，具体选用一并三串的组合方式，其工作电压范围为8.25V～12.5V，额定电压11.1V，额定容量2.2Ah，标准放电电流1.1A，最大瞬间放电电流11A。

3 基于CN3306的充电电路设计

CN3306是电流模式升压型充电管理集成芯片，具备固定的开关频率330KHz。其输入电压范围较宽，最低能到4.5V，最高到32V，外围器件比较少，可用于锂电池的充电管理。具有恒流和恒压充电模式，在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到恒流充电电流的16.6%时，充电结束。由于电池自放电或者负载耗电的原因，电压逐渐下降，当电池电压降低到恒压充电电压的95.8%时，将开始新的充电周期[2]。

3.1 恒压充电电压设计

电池的恒压充电电压通过电阻R1和R2构成的电阻分压反馈到FB引脚，CN3306根据该引脚的电压判定充电状态，当该引脚电压接近1.205V时，充电进入恒压充电模式。该设计中，恒压充电模式时的充电电压即为电池的最高电压12.5V，取电阻R2值为20K，依据以下公式计算R1的值：

得R1=187.5K。

3.2 恒流充电电流设计

恒流充电阶段的充电电流通过引脚8和引脚9之间的电流检测电阻进行设计，恒流充电阶段的电流计算公式如下：

RCS选型为0.51欧姆，则此设计中的恒流充电电流ICH=0.12/0.51=0.235A。

3.3 MOS管占空比计算

工作于连续导通模式下的充电电路，其占空比为

公式中VIN为充电芯片输入电压，VBAT为自备电池电压，VD为整流二极管的正向导通压降。本设计中VIN为前级Buck电源的输出电压，设计为6V，精度在1%，VBAT为12.5V，VD=0.3V，因该处的占空比D=0.53。

3.4 电感值计算及选型

电感饱和电流应该大于最大输入电流的要求，最大输入电流在输入电压最低时出现，同时还要使得电感纹波电流峰峰值不大于其最大电流的30%，所以电感值应该满足如下公式：

上式中，fsw为充电芯片CN3306的开关频率，取典型值330KHz，ICH为设计的恒流充电电流，其值为0.235A，输入电压VIN等于6V，MOS管占空比为0.53，带入上式，电感最小值为64uH，因此，此设计中电感L4取68uH。

3.5 电池连接端防护设计

自备电池通过接插件跟电路板进行连接，在插拔接插件时容易产生静电等浪涌冲击，因此要在充电电路的输出与电池连接的端口做好抗浪涌防护，以保护充电芯片。本设计中选用TVS及接口电容的方式进行抗浪涌防护。

充电芯片的CSP、BAT脚的最大耐受电压为36V，因此选择TVS的最大钳位电压必须小于36V，SMCJ18CA的最高钳位电压为29.2V，满足本设计要求。

充电芯片CN3306的其他引脚参数，可参照其手册进行具体设计，在此不再做详细叙述。设计完成后的充电电路如图2所示。

4 试验验证

通过实际PCB焊接后进行试验验证，验证设计的充电参数是否符合要求，试验前确认备用电池组的参数，充电前备用电池组电压9.2V，连接好试验设备，进行充电测试，每隔10分钟，测量记录一次充电电压值及充电电流值，直至备用电池充满电，因数据量较大，在此，通过对数据分析，拟合成电池充电曲线图如图3所示：

5 结论

本文首先分析了客艙喷淋灭火控制器需要备用电池的必要性，通过备用电池选型，基于CN3306的充电芯片，通过关键外围器件的设计选型，实现了备用电池组的充电功能。从实测试验数据看，恒流充电阶段的充电电流为233.3mA，恒压充电阶段充电电压为12.59V，与理论设计值相比，存在一定的误差，该误差是由充电芯片本身、外围阻容器件的误差及测试过程误差的综合表现，在合理范围内，满足设计对实际使用的要求。

参考文献：

[1]公共汽车客舱固定灭火系统[S]GA 1264-2015.

[2]具有太阳能板MPPT功能的升压型多种电池充电集成电路CN3306[Z]，如韵电子.