客艙噴淋滅火控制器備用電池充電電路設計

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充電芯片的關鍵參數設計，并進行了試驗驗證，試驗結果滿足設計要求。

關鍵詞：客艙噴淋 控制器 自備電池 充電 試驗驗證

1 引言

隨著新能源汽車的不斷發展，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，在動力電池發生熱失控導致汽車起火時，需要啟動客艙噴淋滅火系統進行滅火，以最大限度的減少人員傷亡和降低經濟損失。

在汽車處于啟動狀態下，客艙噴淋滅火系統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，標準要求此時客艙噴淋滅火系統的控制器也要處于工作狀態，并能提供不小于72小時待機防護[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，還必須具備獨立的自備電池供電;并同時具備電源選擇功能，即有鑰匙電時，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，當鑰匙開關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斷引腳禁用充電功能，防止自備電池自充電。該系統的供電框圖如圖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用上。在啟動客艙噴淋滅火時，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，本設計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，標準放電電流1.1A，最大瞬間放電電流11A。

3 基于CN3306的充電電路設計

CN3306是電流模式升壓型充電管理集成芯片，具備固定的開關頻率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，當充電電流降低到恒流充電電流的16.6%時，充電結束。由于電池自放電或者負載耗電的原因，電壓逐漸下降，當電池電壓降低到恒壓充電電壓的95.8%時，將開始新的充電周期[2]。

3.1 恒壓充電電壓設計

電池的恒壓充電電壓通過電阻R1和R2構成的電阻分壓反饋到FB引腳，CN3306根據該引腳的電壓判定充電狀態，當該引腳電壓接近1.205V時，充電進入恒壓充電模式。該設計中，恒壓充電模式時的充電電壓即為電池的最高電壓12.5V，取電阻R2值為20K，依據以下公式計算R1的值：

得R1=187.5K。

3.2 恒流充電電流設計

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行設計，恒流充電階段的電流計算公式如下：

RCS選型為0.51歐姆，則此設計中的恒流充電電流ICH=0.12/0.51=0.235A。

3.3 MOS管占空比計算

工作于連續導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導通壓降。本設計中VIN為前級Buck電源的輸出電壓，設計為6V，精度在1%，VBAT為12.5V，VD=0.3V，因該處的占空比D=0.53。

3.4 電感值計算及選型

電感飽和電流應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出現，同時還要使得電感紋波電流峰峰值不大于其最大電流的30%，所以電感值應該滿足如下公式：

上式中，fsw為充電芯片CN3306的開關頻率，取典型值330KHz，ICH為設計的恒流充電電流，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，此設計中電感L4取68uH。

3.5 電池連接端防護設計

自備電池通過接插件跟電路板進行連接，在插拔接插件時容易產生靜電等浪涌沖擊，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，以保護充電芯片。本設計中選用TVS及接口電容的方式進行抗浪涌防護。

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，滿足本設計要求。

充電芯片CN3306的其他引腳參數，可參照其手冊進行具體設計，在此不再做詳細敘述。設計完成后的充電電路如圖2所示。

4 試驗驗證

通過實際PCB焊接后進行試驗驗證，驗證設計的充電參數是否符合要求，試驗前確認備用電池組的參數，充電前備用電池組電壓9.2V，連接好試驗設備，進行充電測試，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，因數據量較大，在此，通過對數據分析，擬合成電池充電曲線圖如圖3所示：

5 結論

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，通過關鍵外圍器件的設計選型，實現了備用電池組的充電功能。從實測試驗數據看，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，與理論設計值相比，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，在合理范圍內，滿足設計對實際使用的要求。

參考文獻：

[1]公共汽車客艙固定滅火系統[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.