摘 要：利用新型的芯片，根據(jù)鎳氫電池的充電特性，結(jié)合市場實(shí)際的需求，給出一套靈活實(shí)用、體積小、重量輕的便攜式智能鎳氫電池充電器方案，同時(shí)該充電的算法也適用于其他的化學(xué)電池充電器，從而更好地保障了充電電池的使用壽命與充電容量，有效地降低了充電器的成本，提高了充電器的性能。

關(guān)鍵詞：C8051F330；涓流充電；容積充電；PWM；PID調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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

鑒于產(chǎn)品使用的靈活性以及方便性的需要，許多系統(tǒng)都把可充電電池作為主要的能量來源，鎳氫（NiMH）電池是鎳金屬氫化合物堿性蓄電池的簡稱，它屬于二次電池，由于不污染環(huán)境、儲(chǔ)電量高、重量輕、低溫特性好、體積小、成本低、充電時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，近年來得到了快速的發(fā)展，廣泛地應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。鎳氫電池的充電對(duì)電池的使用壽命及放電容量影響很大，特別是要制作一款能適應(yīng)國產(chǎn)各種質(zhì)量水平的電池充電器，確實(shí)不易^［1］。電池充電器的較典型的實(shí)現(xiàn)方法是用一個(gè)專門功能的集成電路IC 去控制充電電流/電壓的范圍，這種普通的恒流或恒壓充電器都有充電效率低、充電時(shí)間長、降低電池壽命等缺陷。本文針對(duì)鎳氫電池的充放電特性及實(shí)際使用中的需求，利用新型的芯片給出一套實(shí)用、小型化、重量輕、靈活的便攜式智能鎳氫電池充電器方案，同時(shí)該充電的算法也適用于其他的化學(xué)電池充電器。

2 系統(tǒng)分析

充電器的好壞直接影響到電池的2個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)：可充電池的使用容量；可充電池的循環(huán)

使用次數(shù)，即使用壽命。本系統(tǒng)通過對(duì)電池充電的曲線^{［2，3］}進(jìn)行詳細(xì)的研究，同時(shí)為了克服一般充電器所用的恒流、恒壓充電的缺陷，仍采用三段式充電的方案，即：低電流調(diào)節(jié)階段(40 mA涓流充電)；恒流階段(650 mA容積充電)；恒壓階段(1.4 V恒壓充電)/充電終止。但和以往的智能充電器相比，通過使用新型的芯片，增加溫度檢測和軟件算法等方法，進(jìn)行更加靈活和合理的設(shè)計(jì)，綜合利用了電流、電壓判斷^［4］，并通過監(jiān)測溫度，保證無異常充電，避免引起電池或充電器損壞、燒毀，保障了安全，在充電的精確度、準(zhǔn)確度及便攜方面都進(jìn)行了提高。三段式充電方案如圖1所示。

2.1 硬件部分

該系統(tǒng)的硬件電路由于使用了新型的芯片和巧妙的技術(shù)，使得電路變得很簡潔、小巧。主要由脈沖電源、控制模塊、充電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

其脈沖電源是利用MCU控制MOS管構(gòu)成；控制模塊選用了C8051F330單片機(jī)^［5］。該器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，片內(nèi)有上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、時(shí)鐘振蕩器、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)（Crossbar）、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）、10位高速ADC/DAC、8 kB可編程FLASH存儲(chǔ)器，768 B片內(nèi)RAM，具有高速度（MIPS）、微型封裝 (4 mm×4 mm)，且內(nèi)置溫度傳感器（±3 ℃），且該器件是一個(gè)與8051全兼容的內(nèi)核，非常適合于本系統(tǒng)。

使用該芯片的關(guān)鍵點(diǎn)在于片上高速ADC 為控制充電電壓提供較高的精度(這一點(diǎn)對(duì)于防止電池應(yīng)用中的過充電是非常重要的)，并使充電效率和電池壽命達(dá)到最大化；片上PWM （脈寬調(diào)制）提供了用一個(gè)小的外部電感實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換的方法；片上溫度傳感器為測量電池的溫度提供一個(gè)精確穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓也可以通過靈活的模擬輸入AMUX用一個(gè)外部RTD 電阻性溫度器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的測量；一個(gè)C8051F330 可以為實(shí)現(xiàn)多節(jié)化學(xué)性能的充電器提供充分的硬件資源，大大加快了產(chǎn)品的市場適應(yīng)期，并減少庫存。

2.2 軟件部分

本設(shè)計(jì)為了提高充電的精度及準(zhǔn)確度，軟件設(shè)計(jì)中使用PID調(diào)節(jié)和通過過采樣和均值的方法達(dá)到提高精度^［6］。用軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)充電脈寬的調(diào)制（PWM），得到所需的各種脈沖電流。

本設(shè)計(jì)采用充電分時(shí)管理方案，即在一個(gè)無限循環(huán)中，設(shè)置一個(gè)寄存器位CELL，表示選擇進(jìn)行哪一個(gè)電池的管理，每循環(huán)一次讓該位反轉(zhuǎn)，進(jìn)入另一節(jié)電池的管理。另外進(jìn)行了溫度和短路異常處理，當(dāng)電池溫度超出充電溫度范圍或電池槽兩極短路，進(jìn)入異常處理，中止充電，紅燈閃爍；充電無電池處理，電壓過高也認(rèn)為無電池，可以一定程度上避免它類電池誤充電。主流程如圖3所示。

充電控制流程圖如圖4所示。

3 結(jié) 語

該系統(tǒng)充分利用新型的芯片和軟件算法，巧妙地構(gòu)成市場需求的實(shí)用、精度和準(zhǔn)確度高的便攜式智能鎳氫電池充電器并進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證，同時(shí)該充電的算法也適用于其他的化學(xué)電池充電器，其能更好地保障充電電池的使用壽命與充電容量，有效地降低充電器的成本、提高充電器的性能。

但本程序雖然加入了溫度監(jiān)控，但只是對(duì)充電適宜溫度進(jìn)行了判斷與處理，由于鎳氫電池充電對(duì)溫度也有相當(dāng)大的依賴性，如果能對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并按模糊數(shù)學(xué)原理分別記分，按照置信度做出最佳判斷才是更好的充電方案，所以，這也是以后本設(shè)計(jì)更加智能化的研究方向。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］陳軍，陶占良.鎳氫二次電池［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］路秋生.常用充電器電路與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］楊幫文.實(shí)用電池充電器與保護(hù)器電路集錦［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2000.

［4］周志敏.充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，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.

作者簡介 周 蕓 女，1966年出生，陜西西安人，副教授。從事電子信息與自動(dòng)控制技術(shù)方面的教學(xué)和研究工作。