基于Ｃ８０５１Ｆ３３０的镍氢电池充电器

　　摘 要：利用新型的芯片，根据镍氢电池的充电特性，结合市场实际的需求，给出一套灵活实用、体积小、重量轻的便携式智能镍氢电池充电器方案，同时该充电的算法也适用于其他的化学电池充电器，从而更好地保障了充电电池的使用寿命与充电容量，有效地降低了充电器的成本，提高了充电器的性能。
　　关键词：C8051F330；涓流充电；容积充电；PWM；PID调节
　　中图分类号：TP368.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1606102
　　
　　Nickel Hydrogen Battery Charger Based on C8051F330
　　ZHOU Yun,LU Qingqi
　　(Telegraphic Institute,Xi′an Technological University,Xi′an,710032,China)
　　
　　Abstract：Using a kind of new type chip,according to market demand and characteristics of charging of Nickel Hydrogen battery,the portable intelligent Nickel Hydrogen battery charger scheme with practical,small volume and light weight is proposed.The algorithm of charger is adapted to other chemistry battery charger,so as to ensure life time and charging capacities of the battery,the cost is reduced and function is improved efficiently.
　　Keywords：C8051F330;bulkcharge;tricklecharge;PWM;PIDadjusted
　　
　　1 引 言
　　
　　鉴于产品使用的灵活性以及方便性的需要，许多系统都把可充电电池作为主要的能量来源，镍氢（NiMH）电池是镍金属氢化合物碱性蓄电池的简称，它属于二次电池，由于不污染环境、储电量高、重量轻、低温特性好、体积小、成本低、充电时间短等优势，近年来得到了快速的发展，广泛地应用于各类电子产品中。镍氢电池的充电对电池的使用寿命及放电容量影响很大，特别是要制作一款能适应国产各种质量水平的电池充电器，确实不易^［1］。电池充电器的较典型的实现方法是用一个专门功能的集成电路IC 去控制充电电流/电压的范围，这种普通的恒流或恒压充电器都有充电效率低、充电时间长、降低电池寿命等缺陷。本文针对镍氢电池的充放电特性及实际使用中的需求，利用新型的芯片给出一套实用、小型化、重量轻、灵活的便携式智能镍氢电池充电器方案，同时该充电的算法也适用于其他的化学电池充电器。
　　
　　2 系统分析
　　
　　充电器的好坏直接影响到电池的2个重要技术指标：可充电池的使用容量；可充电池的循环
　　使用次数，即使用寿命。本系统通过对电池充电的曲线^［2,3］进行详细的研究，同时为了克服一般充电器所用的恒流、恒压充电的缺陷，仍采用三段式充电的方案，即：低电流调节阶段(40 mA涓流充电)；恒流阶段(650 mA容积充电)；恒压阶段(1.4 V恒压充电)/充电终止。但和以往的智能充电器相比，通过使用新型的芯片，增加温度检测和软件算法等方法,进行更加灵活和合理的设计，综合利用了电流、电压判断^［4］，并通过监测温度，保证无异常充电，避免引起电池或充电器损坏、烧毁，保障了安全，在充电的精确度、准确度及便携方面都进行了提高。三段式充电方案如图1所示。
　　2.1 硬件部分
　　该系统的硬件电路由于使用了新型的芯片和巧妙的技术，使得电路变得很简洁、小巧。主要由脉冲电源、控制模块、充电模块、数据采集模块构成。其系统框图如图2所示。
　　其脉冲电源是利用MCU控制MOS管构成；控制模块选用了C8051F330单片机^［5］。该器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，片内有上电复位、VDD监视器、时钟振荡器、可编程数字I/O和交叉开关（Crossbar）、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、10位高速ADC/DAC、8 kB可编程FLASH存储器，768 B片内RAM，具有高速度（MIPS）、微型封装 (4 mm×4 mm),且内置温度传感器（±3 ℃），且该器件是一个与8051全兼容的内核，非常适合于本系统。
　　
　　使用该芯片的关键点在于片上高速ADC 为控制充电电压提供较高的精度(这一点对于防止电池应用中的过充电是非常重要的),并使充电效率和电池寿命达到最大化；片上PWM （脉宽调制）提供了用一个小的外部电感实现快速转换的方法；片上温度传感器为测量电池的温度提供一个精确稳定的驱动电压也可以通过灵活的模拟输入AMUX用一个外部RTD 电阻性温度器件实现对电池温度的测量；一个C8051F330 可以为实现多节化学性能的充电器提供充分的硬件资源，大大加快了产品的市场适应期，并减少库存。
　　2.2 软件部分
　　本设计为了提高充电的精度及准确度，软件设计中使用PID调节和通过过采样和均值的方法达到提高精度^［6］。用软件来实现对充电脉宽的调制（PWM），得到所需的各种脉冲电流。
　　本设计采用充电分时管理方案，即在一个无限循环中，设置一个寄存器位CELL，表示选择进行哪一个电池的管理，每循环一次让该位反转，进入另一节电池的管理。另外进行了温度和短路异常处理，当电池温度超出充电温度范围或电池槽两极短路，进入异常处理，中止充电，红灯闪烁；充电无电池处理，电压过高也认为无电池，可以一定程度上避免它类电池误充电。主流程如图3所示。
　　充电控制流程图如图4所示。
　　
　　3 结 语
　　
　　该系统充分利用新型的芯片和软件算法，巧妙地构成市场需求的实用、精度和准确度高的便携式智能镍氢电池充电器并进行了实践验证，同时该充电的算法也适用于其他的化学电池充电器，其能更好地保障充电电池的使用寿命与充电容量，有效地降低充电器的成本、提高充电器的性能。
　　但本程序虽然加入了温度监控，但只是对充电适宜温度进行了判断与处理，由于镍氢电池充电对温度也有相当大的依赖性，如果能对每个指标进行跟踪，并按模糊数学原理分别记分，按照置信度做出最佳判断才是更好的充电方案，所以，这也是以后本设计更加智能化的研究方向。
　　
　　参 考 文 献
　　［1］陈军,陶占良.镍氢二次电池［M］.北京：化学工业出版社,2006.
　　［2］路秋生.常用充电器电路与应用［M］.北京:机械工业出版社,2005.
　　［3］杨帮文.实用电池充电器与保护器电路集锦［M］.北京:电子工业出版社,2000.
　　［4］周志敏.充电器电路设计与应用［M］.北京:人民邮电出版社,2005.
　　［5］http://www.xhl.com.cn/sjsc/sjscdetal.asp?sid=9.
　　［6］Silicon laboratories.HighSpeed Lithium Ion Battery Charger Rev1.2.AN146DS12［J/OL］,2003.12.
　　
　　作者简介 周 芸 女，1966年出生，陕西西安人，副教授。从事电子信息与自动控制技术方面的教学和研究工作。