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        客艙噴淋滅火控制器備用電池充電電路設(shè)計(jì)

        2022-03-25 22:03:10趙圣寶
        時(shí)代汽車 2022年6期
        關(guān)鍵詞:充電控制器

        趙圣寶

        摘 要:本文首先分析了客艙噴淋滅火控制器需要自備電池的原因,介紹了自備電池的選型,基于CN3306充電芯片的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

        關(guān)鍵詞:客艙噴淋 控制器 自備電池 充電 試驗(yàn)驗(yàn)證

        1 引言

        隨著新能源汽車的不斷發(fā)展,為新能源汽車提供動力的電池安全問題受到國家的高度重視,在動力電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致汽車起火時(shí),需要啟動客艙噴淋滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火,以最大限度的減少人員傷亡和降低經(jīng)濟(jì)損失。

        在汽車處于啟動狀態(tài)下,客艙噴淋滅火系統(tǒng)的控制器是由整車供電的,但汽車處于停止并且沒有上鑰匙電的情況下,標(biāo)準(zhǔn)要求此時(shí)客艙噴淋滅火系統(tǒng)的控制器也要處于工作狀態(tài),并能提供不小于72小時(shí)待機(jī)防護(hù)[1]。

        因此,客艙噴淋滅火控制器要具備雙電源供電,即除了車載鑰匙電供電外,還必須具備獨(dú)立的自備電池供電;并同時(shí)具備電源選擇功能,即有鑰匙電時(shí),通過電源選擇電路選擇鑰匙電給控制器供電,鑰匙下電后電源選擇電路自動切換到自備電池給控制器供電;客艙噴淋控制器的MCU檢測車載供電的電壓,當(dāng)鑰匙開關(guān)控制車載蓄電池下電切換到自備電池供電后,MCU通過控制充電芯片的關(guān)斷引腳禁用充電功能,防止自備電池自充電。該系統(tǒng)的供電框圖如圖1所示:

        2 備用電池介紹

        2.1 磷酸鐵鋰電池

        磷酸鐵鋰電池相對穩(wěn)定,具備耐高溫、過充、擠壓等能力,因此磷酸鐵鋰電池相對比較安全。但磷酸鐵鋰電池最大缺點(diǎn)是堆積密度低,在相同的電池容量下,磷酸鐵鋰電池的體積會比三元鋰電池大一倍多。

        2.2 三元鋰電池

        三元鋰電池的能量密度高,在過去幾年里有代替磷酸鐵鋰電池的趨勢,尤其是在高檔車型應(yīng)用上。在啟動客艙噴淋滅火時(shí),控制器需要較大的瞬間功耗,三元鋰電池相比磷酸鐵鋰電池具備較高的瞬間放電倍率,更適合用于客艙噴淋滅火控制器的自備電池。

        因此,本設(shè)計(jì)中選用三元鋰電池作為客艙噴淋滅火控制器的自備電池,具體選用一并三串的組合方式,其工作電壓范圍為8.25V~12.5V,額定電壓11.1V,額定容量2.2Ah,標(biāo)準(zhǔn)放電電流1.1A,最大瞬間放電電流11A。

        3 基于CN3306的充電電路設(shè)計(jì)

        CN3306是電流模式升壓型充電管理集成芯片,具備固定的開關(guān)頻率330KHz。其輸入電壓范圍較寬,最低能到4.5V,最高到32V,外圍器件比較少,可用于鋰電池的充電管理。具有恒流和恒壓充電模式,在恒壓充電階段,充電電流逐漸減小,當(dāng)充電電流降低到恒流充電電流的16.6%時(shí),充電結(jié)束。由于電池自放電或者負(fù)載耗電的原因,電壓逐漸下降,當(dāng)電池電壓降低到恒壓充電電壓的95.8%時(shí),將開始新的充電周期[2]。

        3.1 恒壓充電電壓設(shè)計(jì)

        電池的恒壓充電電壓通過電阻R1和R2構(gòu)成的電阻分壓反饋到FB引腳,CN3306根據(jù)該引腳的電壓判定充電狀態(tài),當(dāng)該引腳電壓接近1.205V時(shí),充電進(jìn)入恒壓充電模式。該設(shè)計(jì)中,恒壓充電模式時(shí)的充電電壓即為電池的最高電壓12.5V,取電阻R2值為20K,依據(jù)以下公式計(jì)算R1的值:

        得R1=187.5K。

        3.2 恒流充電電流設(shè)計(jì)

        恒流充電階段的充電電流通過引腳8和引腳9之間的電流檢測電阻進(jìn)行設(shè)計(jì),恒流充電階段的電流計(jì)算公式如下:

        RCS選型為0.51歐姆,則此設(shè)計(jì)中的恒流充電電流ICH=0.12/0.51=0.235A。

        3.3 MOS管占空比計(jì)算

        工作于連續(xù)導(dǎo)通模式下的充電電路,其占空比為

        公式中VIN為充電芯片輸入電壓,VBAT為自備電池電壓,VD為整流二極管的正向?qū)▔航?。本設(shè)計(jì)中VIN為前級Buck電源的輸出電壓,設(shè)計(jì)為6V,精度在1%,VBAT為12.5V,VD=0.3V,因該處的占空比D=0.53。

        3.4 電感值計(jì)算及選型

        電感飽和電流應(yīng)該大于最大輸入電流的要求,最大輸入電流在輸入電壓最低時(shí)出現(xiàn),同時(shí)還要使得電感紋波電流峰峰值不大于其最大電流的30%,所以電感值應(yīng)該滿足如下公式:

        上式中,fsw為充電芯片CN3306的開關(guān)頻率,取典型值330KHz,ICH為設(shè)計(jì)的恒流充電電流,其值為0.235A,輸入電壓VIN等于6V,MOS管占空比為0.53,帶入上式,電感最小值為64uH,因此,此設(shè)計(jì)中電感L4取68uH。

        3.5 電池連接端防護(hù)設(shè)計(jì)

        自備電池通過接插件跟電路板進(jìn)行連接,在插拔接插件時(shí)容易產(chǎn)生靜電等浪涌沖擊,因此要在充電電路的輸出與電池連接的端口做好抗浪涌防護(hù),以保護(hù)充電芯片。本設(shè)計(jì)中選用TVS及接口電容的方式進(jìn)行抗浪涌防護(hù)。

        充電芯片的CSP、BAT腳的最大耐受電壓為36V,因此選擇TVS的最大鉗位電壓必須小于36V,SMCJ18CA的最高鉗位電壓為29.2V,滿足本設(shè)計(jì)要求。

        充電芯片CN3306的其他引腳參數(shù),可參照其手冊進(jìn)行具體設(shè)計(jì),在此不再做詳細(xì)敘述。設(shè)計(jì)完成后的充電電路如圖2所示。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        通過實(shí)際PCB焊接后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的充電參數(shù)是否符合要求,試驗(yàn)前確認(rèn)備用電池組的參數(shù),充電前備用電池組電壓9.2V,連接好試驗(yàn)設(shè)備,進(jìn)行充電測試,每隔10分鐘,測量記錄一次充電電壓值及充電電流值,直至備用電池充滿電,因數(shù)據(jù)量較大,在此,通過對數(shù)據(jù)分析,擬合成電池充電曲線圖如圖3所示:

        5 結(jié)論

        本文首先分析了客艙噴淋滅火控制器需要備用電池的必要性,通過備用電池選型,基于CN3306的充電芯片,通過關(guān)鍵外圍器件的設(shè)計(jì)選型,實(shí)現(xiàn)了備用電池組的充電功能。從實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)看,恒流充電階段的充電電流為233.3mA,恒壓充電階段充電電壓為12.59V,與理論設(shè)計(jì)值相比,存在一定的誤差,該誤差是由充電芯片本身、外圍阻容器件的誤差及測試過程誤差的綜合表現(xiàn),在合理范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)對實(shí)際使用的要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1]公共汽車客艙固定滅火系統(tǒng)[S]GA 1264-2015.

        [2]具有太陽能板MPPT功能的升壓型多種電池充電集成電路CN3306[Z],如韻電子.

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