新型鎳氫電池充電器

1 鎳氫電池充電算法
隨著鎳氫電池的廣泛應(yīng)用，其充電器也引入了多項技術(shù)。一般需要采用恒流源對鎳氫電池充電，當(dāng)達(dá)到充滿狀態(tài)時，電池會發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)致電池溫度上升，電池端電壓降低?？蓹z測電池溫度上升速率或者負(fù)向電壓變化率，來終止充電。這些充電終止方法分別稱為dT/dt和-△V。除了這兩種檢測條件外，當(dāng)前大多數(shù)鎳氫快充充電器還整合了溫度門限測量和超時定時器等安全功能。無論以上哪個條件最先滿足，都將結(jié)束快充。充電速率非常低時，dT/dt和-△V不太明顯，很難精確檢測到。終止檢測方法在充電速率大于C/3時要比低充電速率時容易得多，溫度上升速率大約為1？C/分鐘，-△V響應(yīng)也比低充電速率時更明顯。
快充結(jié)束后將以0.lC左右的充電速率浮充30分鐘(當(dāng)浮充電流設(shè)置為其它值時，時間相應(yīng)調(diào)整)，從而徹底充足電池。為補償鎳氫電池的自放電效應(yīng)，完成浮充后充電器會在電池取出前始終以C/20或者C/30的涓流充電，使電池維持在充滿狀態(tài)。

2 新型鎳氫電池充電器
DS271l(線性模式)和DS2712(開關(guān)模式)是兩款設(shè)計巧妙的鎳氫電池充電管理器件，為l節(jié)或2節(jié)AA或AAA標(biāo)準(zhǔn)鎳氫電池提供了一種理想的充電方案。它們可以構(gòu)成單機(jī)式充電器，或者嵌入系統(tǒng)使用，而且可以靈活地配置為電池串連或電池并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這兩款器件同樣采用溫度、電壓和充電超時等參數(shù)來進(jìn)行快充控制，并提供浮充和涓充等基本功能。最重要的是，它們還可以自動測試電池類型，避免對堿性原電池充電。下面以DS2712為例對其充電控制和電池檢測功能進(jìn)行說明。
2.1 電路原理分析
圖1所示為開關(guān)模式充電器。它采用DS2712調(diào)節(jié)充電電流和終止充電?？刂破鞅O(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。兩個熱敏電阻輸入THMl和THM2分別監(jiān)視每節(jié)電池的溫度。電壓檢測輸入端VPl和VP2分別用于檢測2節(jié)并聯(lián)電池的端電壓?？斐鋾r間通過TMR與地之間的電阻設(shè)置，時間范圍在0.5h至10h之間。浮充時間是快充時間的一半。

上電時LED2引腳的三種電平狀態(tài)(低電平、懸空和高電平)分別選擇l節(jié)串聯(lián)、2節(jié)串聯(lián)或2節(jié)并聯(lián)充電模式，圖中接法選擇2節(jié)并聯(lián)模式。而DM-SEL引腳的三種輸入電平狀態(tài)則選擇兩個LED的充電狀態(tài)顯示方式。因此僅通過三個引腳即完成了充電模式選擇、充電狀態(tài)顯示方式選擇和狀態(tài)顯示。
Q3是開關(guān)模式充電器的開關(guān)功率晶體管；Ll是濾波電感；Dl是整流二極管；C2、C3和C1分別是調(diào)節(jié)器的輸入電容和輸出電容。Rsense是檢流比較器(DS2711內(nèi)部是檢流放大器)的檢流電阻。檢流比較器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為O.125V，DS2712的比較器輸入具有24mV滯回，通過比較器輸出CSOUT提供閉環(huán)、開關(guān)模式電流控制。CSOUT為低時，充電電流逐漸增大，直到檢流電阻兩端的電壓達(dá)到0.125V時，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，關(guān)斷Q3。此后，電感電流開始下降，直到檢流電阻兩端的電壓降至約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖?。該輸出能夠?qū)動PNP雙極型晶體管或者PMOSFET。經(jīng)過調(diào)節(jié)的充電電流ICHG可在開關(guān)Ql和Q2的控制下分別為2節(jié)并聯(lián)的電池充電。
充電控制引腳CCl和CC2為開漏極輸出，輸出拉低時可打開相應(yīng)的開關(guān)Q1和Q2，使充電電流源與電池接通。充電過程中，輸出CCl和CC2的操作取決于充電模式配置。并聯(lián)模式下，CCl和CC2輪流交替拉低(每路輸出持續(xù)32個時鐘周期，每周期0.96秒),任何時刻充電電流只對l節(jié)電池充電?？梢姴⒙?lián)模式下充電電流是間歇的。在1節(jié)或2節(jié)電池串聯(lián)模式下．僅會拉低CCl。除了周期性的電池阻抗測試和-△V測試外，串聯(lián)模式下的充電電流是連續(xù)的。
2.2 充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換
DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制著CCl和CC2的工作。充電開始時，DS2712先對電池進(jìn)行狀態(tài)測試，以確保電池電壓為1.0 V～1.65 V，并確認(rèn)溫度為0℃~+45℃。如果電壓低于1.0 V，DS2712將以12.5％的占空比分時拉低CCl和CC2，對電池緩慢預(yù)充，以防損壞電池。一旦電池電壓超過1.0 V，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為快充模式。
進(jìn)入快充模式幾分鐘之后，每32個時鐘周期進(jìn)行電池電壓測量(在CCl和CC2為高時進(jìn)行測量)。如果新的測量結(jié)果大于以前的測量結(jié)果，則保留新的最大測量結(jié)果。電池電壓不再升高時，始終保留最大測量值，并與后續(xù)測量值比較。一旦檢測到電池電壓跌落-△V門限(典型值為2mV)，將終止快充。如果電池電壓沒有跌落，但保持平坦電壓的時間持續(xù)了16分鐘，也將終止快充而進(jìn)入浮充模式。
浮充時CCl和CC2的占空比為12.5％(即快充電流的25％,和預(yù)充電流相同)，持續(xù)時間為所設(shè)快充時間的一半。浮充結(jié)束后，充電器進(jìn)入涓充維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。
2.3 電池類型測試
該充電控制器還能夠自動檢測電池類型，并避免對其它類型電池充電。該測試主要依據(jù)鎳氫電池和堿性電池的阻抗差異來實現(xiàn)。盡管不同廠家提供的電池阻抗會有所不同，同一電池在各種電量狀態(tài)下內(nèi)阻也會變化，但總的來看，堿性電池比鎳氫電池的內(nèi)阻要高許多。因此DS2712通過檢測電池的內(nèi)阻決定電池是否可以充電。
快充時占空比為31/32，跳過的時鐘周期進(jìn)行電池阻抗測試。充電控制引腳CCx為低時，電流充入電池,此時電池兩端的電壓為VON。跳過的時鐘周期內(nèi)CCx變?yōu)楦?，切斷充電電流，此時電池兩端的電壓為VOFF。當(dāng)VON-VOFF超過某電壓門限(VCTSE)時，表示電池阻抗過高，內(nèi)部狀態(tài)機(jī)自動跳入故障模式并停止充電。VCTST通過接在CTST引腳和地之間的電阻設(shè)置，范圍在32mV至400mV之間。VCTST和設(shè)置電阻RSET的關(guān)系為：

而VCTST與電池阻抗門限RCTST的關(guān)系為：

對于AA和AAA電池可考慮選擇160mΩ(該值可根據(jù)需要作相應(yīng)調(diào)整)作為判斷可充電鎳氫電池(新電池或舊電池)的檢測門限，進(jìn)行新、舊電池的阻抗測試，而堿性電池則不能通過測試，因此不會對其充電。
圖2所示為采用DS2712鎳氫充電器對鎳氫電池(事先已充了一部分電)進(jìn)行充電的電池電壓曲線。上面一條曲線對應(yīng)CCx為低時(充電電流灌入電池時)的電池電壓，下面那條曲線對應(yīng)CCx為高切斷電流時的電池電壓。只要這兩條曲線的差值超過VCTST，即表示電池阻抗超過門限阻抗。因此巧妙地實現(xiàn)了電池測試功能。