镍氢电池充电管理系统设计

电力电子• Power Electronics

鎳氢电池充电管理系统设计

文/张文兴

在分析了徐氢电池充电特性 摘 的基础上，设计出板载線氢电池 要 充电管理系统，包括预处理电路、 充电电路、充放电切换电路。预 处理电路对系统进行稳压、滤波、 防冲击；充电电路基于充电芯片 LTC4709,釆用三段式充电方法对 謀氢电池充电，并通过充电电压、 电池温度、充电时间等因素对充 电状态进行控制；充放电切换电 路利用M0S场效应管的开关特性， 判断是否有外部电源输入，来完 成电池充放电之间的自动切换。 实验结果表明，系统能够根据是 否有外部电源输入自动对电池的 充放电进行切换；充电过程安全 可靠，既最大限度地充足了电， 又没有产生过充。设计的系统具 有可行性与实用性。

【关键词】镖氢电池充电管理三段式充 电预处理电路充电电路充放电切换电路 LTC4709

1引言

随着电子技术的快速发展，各种各样的 电子产品都朝着轻量小型化、便携式的方向发 展。为了保证系统持续稳定的运行，大多数电 子产品都配备有独立的板载电池，并利用一定 的策略对电池进行充电，当外部电源由于异常 断电，系统能够自动切换到电池供电，使其能 够在一定时间内继续稳定的运行，这点对于安 全类设备，例如汽车仪表、安防监控、实时工 控等至关重要。传统的蓄电池充电方法有恒压充电、恒 流充电、恒压限流充电。恒压充电是以某一恒 定电压对每只单体电池进行充电，在充电初期 由于电池内阻低而导致充电电流过大，容易损 坏电池，充电过程中电流逐渐减小，在充电后 期只有很小的电流通过。恒流充电是以恒定电 流对电池充电，此方法适应性较强，可以任意 调整充电电流，但其在充电初期充电电流总是 低于电池的可接受能力，造成充电效率低，充 电时间长，而在充电后期，充电电流又总是高 于电池可接受的程度，会缩短电池的使用寿命。 恒压限流充电是为了补救恒压充电时充电电流 过大的缺点，通过在充电电源和电池之间串联 限流电阻来自动调节充电电流。当充电电流过 大时，限流电阻上的压降也大，从而减小了充 电电压；当充电电流小时，限流电阻上的压降 也很小，充电设备输岀的电压损失也小，这样， 就自动调节了充电电流，使之不超过某个限度。目前，被广泛使用的蓄电池有锂电池、 谋镉电池、银氢电池、铅蓄电池。葆氢电池具 有能量密度高、可快速充放电、循环寿命长、 重量轻、无记忆效应、无污染、安全可靠等特 点，被称为“绿色电池”。因此，谋氢电池具 有更广阔的应用领域和发展空间，目前正受到 越来越多的行业所关注与重视。如何利用镰氢 电池的特性，对其釆取有效的充电控制技术， 使其充放电效率得到最大发挥，并最大限度地 延长其使用寿命，研究目的就是以此展开的。首先分析镰氢电池的充电特性，阐述利 用三段式充电方法对镰氢电池进行充电控制， 然后根据充电管理系统的功能要求，对其总体 框架以及各个子电路进行设计，接着通过实验 验证设计的正确性以及可行性，并给出分析， 最终得出结论。2 ¥臬氢电池的充电特性和充电控制方法

谋氢电池充电电压特性曲线如图1所示。 当以恒定电流冲入完全放电的电池时，由于电 池内阻产生压降，所以起始阶段电池电压上升 很快（AB段）。然后，电池开始以一定的速 率接受电荷，电池电压以较低的速率上升（BC 段）。经过一段时间，由于银氢电池的电化学 特性，电池的内阻增加，电池的电压再次较快 上升（CD段），并会达到峰值（D点），这 也是电池接近充满的信号。此时，冲入电池的 电流不是转换为电池的贮能，电池内的温度会 急剧上升，从而使得电池内的电压下降（DE 段），电池进入过充状态，电池内部的温度和 压力会迅速上升，若不及时停止充电，会导致 电池内阻增大，容量下降，甚至漏液。为了保证既充足电又不过充电，必须釆 取有效的充电终止控制方法，常用的方法有：（1） 定时控制：根据电池容量和充电电 流，预设所需的充电时间。充电过程中，当到 达充电时间时，停止充电，此种控制方法简单 安全，但由于起始充电时，电池剩余电量时不 确定的，会导致有的电池充不足，有的电池过 充电。（2） 峰值电压（V^）检测：充电过程 中检测电池的充电电压来判断充电状态，当达 到峰值时，即为充足电。但峰值电压会随着环 境温度以及充电电流的大小而改变，各个单体 电池的峰值电压也不相同，因此在充电过程中， 需要实时对峰值检测电压进行修正，并采取温间图1:標氢电池充电特性曲线度补偿，否则会导致电池充不足电或过充电， 缩短电池使用寿命，甚至损坏电池。该方法不 能准确地判断电池是否已经充足电，缺乏灵活 性。（3） 电压负增量（-A V）检测：充电 过程中，当电池接近充满时，充电电压达到峰 值（V^）,继续充电，充电电压会下降，产 生负增量。因此，当检测到充电电压负增量时， 就可以认为电池已经充满，从而停止充电。电 压负增量与电池的绝对温度无关，并且不随电 池本身的特性、充电电流的大小以及充电环境 等因素的变化而变化，可以对不同单体电池 数的电池组充电，可靠灵敏。但该控制方法的 缺点是，当温度较高时，电压负增量不明显， 因此需要与其它方法配合使用。（4） 最高温度检测：充电过程中，当电 池温度达到45°C时，停止充电。电池温度可 通过热敏电阻来检测，但热敏电阻响应时间较 长，温度检测会有一定的滞后。此外，此控制 方法受环境温度影响较大，当环境温度较低时， 充足电后，电池温度有可能达不到45°Co上述方法各有其优缺点，为了能够准确 可靠地对充电状态进行控制，需将各方法综合 起来应用。根据谋氢电池的充电特性，对其其充电 采用三段式充电方法，即快速充电、补足充电、 涓流充电。（1） 快速充电（A-B）：充电开始时， 采用恒流法对电池进行充电，电池电压迅速增 加，当到达B点时，快速充电结束，进入补 足充电阶段；（2） 补足充电（B・E）：利用恒压限流 法对电池进行充电，充电电流逐渐减小，利用 电压负增量检测方法停止充电，进入涓流充电 阶段；（3） 涓流充电（E・）：为补偿电池自放 电产生的电量损失，釆用恒压限流法对电池进

234 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software

EngineeringPower Electronics •电力电子

VCC_INV0C_IN

负载电路

图2：充电管理系统框图LI150pH, 10ASM8S2UF.25V7k ci0. luF10 nF

SI2333CDS-T1210KOU3i Qif(X)KO=f= C50. 1 nFBATFB FBG CHRG TIMER

XOCT

=f= C6 4= C7 lOuF

图6:充放电切换电路原理图22 uF

行连续小电流充电，此阶段充电电压基本不变， 充电电流非常微小；充电过程中，如果电池温度或充电时间 高于设定阈值，则停止充电。3充电管理系统

充电管理系统的功能要求如下：(1) 根据电池规格设定各种阈值，包括 充电电压、最大充电时间、最大充电电流、最 高电池温度等，并据此确定电路元件参数；(2) 系统接入外部电源并接入电池后， 外部电源为负载电路供电，检测电池电压，当 电池电压低于设定阈值时，利用三段式充电方 法为电池充电；(3) 每次充电开始时计时，当充电时间 超过最大充电时间时，停止充电；(4) 充电过程中实时检测电池温度，当 温度高于最高温度阈值时，停止充电；(5) 当接入电池未接入电源时，采用电 池为负载电路供电；3. 1充电管理系统框架

充电管理系统框图如图2所示，主要由 预处理电路、充电电路和充放电切换电路构成。 预处理电路对外部电源输入进行稳压、滤波，保证为系统提供稳定的供电：充电电路完成对 線氢电池的充电；充放电切换电路起到开关的 作用，对电池充放电进行控制，当有外部电源 输入时，其为电池充电，同时为负载电路供电； 当没有外部电源输入时，电池为负载电路供电。3.2预处理电路

预处理电路如图3所示。D1为瞬态抑制 二极管(TVS管)，对其后方电路起到稳压以 及冲击保护作用，LC滤波电路去除外部电源 中的高频分量，减小由外部电源抖动对电路产 生的影响。3. 3充电电路

充电电路作为充电管理系统的核心部分， 其控制芯片的选择至关重要，可以选择普通的 MCU作为控制芯片来完成对充电的管理和控 制，但这需要设计复杂的外围电路，同时也会 增加维护成本。LTC4709是ADI公司生产的一款专用的 低功耗充电控制芯片，其具有较宽的输入电压 范围，可调的充电电压与充电电流，支持充电 电压、充电电流、电池温度和充电时间检测、 外围电路简单等特点，如图4所示。各引脚功能如下：IN：供电输入；EN：充电使能；PROG：充电电流配置，需与地之间连接 一电阻来配置恒流充电电流；NTCBIAS： NTC热敏电阻偏置输出，需 与NTC引脚之间连接一电阻，阻值为NTC热 敏电阻标称值；NTC：电池温度检测输入，需与NTC热 敏电阻相连；TIMER：定时器电容输入，需与地之间 连接一电容来配置最大充电时间；CHRG：充电状态指示，开漏输出，充电 过程中输出低电平，停止充电后呈高阻态；FBG：电池电压分压参考输入，需与FB 引脚之间连接一电阻构成充电分压网络，此引 脚用来检测单体电池电压；FB：电池电压分压感应输入，需BAT引 脚之间连接一电阻构成充电分压网络；BAT：电池充电输出，为电池提供充电电 流，与电池正极相连；GND：地；根据充电管理系统功能要求以及充电芯 片LTC4709特性设计充电电路，如图5所示。恒流充电电流IchG与R1的关系如下：

【CHG ⑴

Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程•

235电力电子• Power Electronics

最大充电时间tnMER与C4关系如下： CdutnMER «18.2nl7Hr (2)R4和R5构成充电分压网络，与充电电 压Vchg的关系如下：

Vchg=1.17V«| 1 + — |CHG I R4 + 160Q丿 (3)电路中各参数根据电池规格利用上述公 式来确定。3.4充放电切换电路

充放电切换电路如图6所示。Q1为P沟道增强型MOS管，在电路中 起到开关作用。当有外部电源输入时，栅极(1)电压大于源级(2)电氐 MOS管截止， VOUT = VCC,外部电源为负载电路供电；当 没有外部电源输入时(VCC=0),栅极(1) 电压小于源级(2)电压，MOS管导通， VOUT=VBAT,电池为负载电路供电。电容 C5、C6、C7起到滤波作用，保证VOUT稳定 输出。4实验与结果分析

通过实验验证设计的正确性与可行性。选 择12V直流开关电源作为外部输入电源，即 VCC_IN=12V；选择型号为 HFR-AAAT600X3 的镰氢电池组，其由三个单体电池串联而成， 单体电池额定电压为1.2V,即电池组额定电 压为3.6V；根据电池规格要求以及充电管理 芯片LTC4709推荐，恒流充电电流规定为 Ichg= 100mA,充电电压规定为Vchg=4.2V , 最大充电时间规定为tTIMER=5.5Hr,根据3.3 节中公式确定电路参数，Rl=3.01KG, R4 = 412KQ, R5=1.07MQ, C4=l.lyF；电池组自 带NTC型热敏电阻，标称值为10KQ,故 R2=10KQo接入外部电源，电池充电，同时外部电 源为负载电路供电，测量充电电压Vchg以及 充电电流Ichg，如图7、图8所示。由图7和图8可以看出，充电电压的变化 符合银氢电池充电特性，充电电流最终趋近于 0,既最大限度地充足了电，又没有产生过充。接入外部电源，电池放电，电池为负载 电路供电。5结论