文/张文兴

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，充电设备输出的电压损失也小，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、镍镉电池、镍氢电池、铅蓄电池。镍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，镍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。如何利用镍氢电池的特性，对其采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。

首先分析镍氢电池的充电特性，阐述利用三段式充电方法对镍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 镍氢电池的充电特性和充电控制方法

镍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，由于镍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，必须采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（Vmax）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。

图1：镍氢电池充电特性曲线

（3）电压负增量（-△V）检测：充电过程中，当电池接近充满时，充电电压达到峰值（Vmax），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℃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℃。

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。

根据镍氢电池的充电特性，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，采用恒压限流法对电池进行连续小电流充电，此阶段充电电压基本不变，充电电流非常微小；

图2：充电管理系统框图

图5：充电电路原理图

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；充电电路完成对镍氢电池的充电；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：

图3：预处理电路原理图

图4：LTC4709引脚图

图6：充放电切换电路原理图

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；

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：

最大充电时间tTIMER与C4关系如下：

R4和R5构成充电分压网络，与充电电压VCHG的关系如下：

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）电压，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-AAAT600×3 的镍氢电池组，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，R1=3.01KΩ，R4 = 412KΩ，R5=1.07MΩ，C4=1.1µF；电池组自带NTC型热敏电阻，标称值为10KΩ，故R2=10KΩ。

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镍氢电池充电特性，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

图7：充电电压曲线

图8：充电电流曲线

通过对镍氢电池充电特性的分析，采用三段式充电方法对镍氢电池充电，分为快速充电、补足充电、涓流充电，并综合利用电压负增量、最大电池温度、最大充电时间的方法对充电状态进行控制，设计了基于充电芯片LTC4709的充电电路；利用MOS场效应管的开关特性，设计了充放电切换电路，能够根据是否有外部电源输入在充电与放电之间自动切换；对外部输入电源进行稳压、滤波、防冲击，设计了预处理电路，以上共同构成了充电管理系统。通过实验验证设计的正确性与可行性并测量充电电压和充电电流，结果表明当有外部电源输入时，电池充电，同时外部电源为负载电路供电，当没有外部电源输入时，电池放电，电池为负载电路供电；充电过程符合镍氢电池的充电特性，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，可以作为板载镍氢电池充电管理的解决方案。