鎳鎘電池智能充電器

蓄電池作為能量的轉存裝置或備用電源被廣泛地應用于各種自動(dòng)化設備中。使用普通的充電器對蓄電池充電容易發(fā)生過(guò)充電或充電不足的現象。過(guò)充電，可使蓄電池發(fā)熱，電解液失水；充電不足，可使蓄電池內化學(xué)反應不充分，并且長(cháng)期充電不足會(huì )導致蓄電池容量下降。以上兩種情況都會(huì )降低蓄電池的使用壽命。由此可見(jiàn)，充電器性能的好壞直接影響到蓄電池的使用效果和使用壽命。本文采用恒流限壓、實(shí)時(shí)監測的智能控制充電方法設計了一種對講機所使用的8．41V3Ah的鎳鎘智能充電器。同一原理完全可設計出用于其他不同類(lèi)型、不同容量的蓄電池的充電器。

1 鎳鎘電池的發(fā)展及特點(diǎn)

1899年，Waldmar Jungner首先在開(kāi)口型鎳鎘蓄電弛中使用了鎳極板，同時(shí)，Thomos Edison發(fā)明了用于電動(dòng)車(chē)的鎳鐵電池。但是．由于當時(shí)這些堿性蓄電池的極板材料比其他蓄電池的材料貴得多，其實(shí)際應用受到了極大的限制。直到1932年，鎳鎘電池經(jīng)歷了最重要的改進(jìn)：科學(xué)家在鎳電池中開(kāi)始使用活性物質(zhì)。1947年，密封型鐮鎘電池研制成功。

鎳鎘電池的特點(diǎn)是效率高、循環(huán)壽命長(cháng)、能量密度大、體積小、重量輕、結構緊湊、不需要維護，因此在工業(yè)和消費產(chǎn)品中得到了廣泛應用。

2 鎳鎘電池的充電方式及充電特性曲線(xiàn)

充電器能否達到最佳充電效果由所選擇的充電方式和充電特性曲線(xiàn)共同決定。近年來(lái)，蓄電池充電器大致可以分為連續電流充電和脈沖電流充電兩大類(lèi)。

連續電流充電因放電容量受到電池接受能力的限制和受到在充電過(guò)程中電池極化所產(chǎn)生氣體的阻力，使得在大電流充電的情況下，電池放電容量下降和電池發(fā)熱；若用小電流充電，雖可克服這個(gè)缺點(diǎn)，但充電時(shí)間過(guò)長(cháng)。

脈沖電流充電在充電過(guò)程中是斷斷續續的。采用這種充電方式可以提高電池的接受能力、消除電極化作用、縮短充電時(shí)間、增大放電容量、減少電池發(fā)熱和提高充電效率。但是目前的脈沖充電器的充電脈沖寬度和間歇時(shí)間都是固定的，不能根據充電狀態(tài)改變充、放電的時(shí)間參數以及適應快速充電的要求，因此充電效果受到了限制。

結合以上兩點(diǎn)，本設計采用了一種更好、更優(yōu)化的充電方式，即恒流限壓與實(shí)時(shí)監測的智能控制充電方式。該充電方式對主回路開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行數字控制輸出電壓和電流。

鎳鎘電池充電特性曲線(xiàn)如圖1所示。當恒定電流充入剛放完電的電池時(shí)，由于電池內阻產(chǎn)生壓降，電池電壓很快上升至A點(diǎn)。此后，電池開(kāi)始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續上升。在A(yíng)B之間，電化學(xué)反應以一定的速率產(chǎn)生氧氣，同時(shí)氧氣也以同樣的速率與氫氣化臺，使電池內部的溫度和氣體壓力都很低。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間至C點(diǎn)，電解液中開(kāi)始產(chǎn)生氣泡，這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，電池的內阻抗增加。電池電壓開(kāi)始較快上升。這是接近充足電的信號。

充足電后，充入電池的電流不是轉換為電池的儲能，而是在正極板上產(chǎn)生氧氣超電位。氧氣是由氫氧化鉀和水組成的電解液電解而產(chǎn)生的，不是由氫氧化鎘還原為鎘而產(chǎn)生的。由于從大量的氫氧離子中比從很少的氫氧化鎘中更容易分解出氧氣，所以電池內的溫度急劇上升，使得電池電壓下降。因此電池電壓曲線(xiàn)出現峰值D點(diǎn)。電解液中，氧氣的產(chǎn)生和復合是放熱反應，電池過(guò)充電即E點(diǎn)，不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內的溫度和壓力升高。

3 硬件電路

該智能充電器采用單片機AT89C2051進(jìn)行控制，使用了開(kāi)關(guān)電源及A／D、D/A等技術(shù)。實(shí)現了鎳鎘電池的智能充電。其硬件電路如圖2所示，整個(gè)電路分為開(kāi)關(guān)電源部分和以單片機為主的控制電路部分。

此開(kāi)關(guān)電源屬于復合式開(kāi)關(guān)電源，采用TL431的精密基準和PC817組成反饋電路。整個(gè)工作過(guò)程：交流輸入經(jīng)濾波、整流后成為直流高壓，再由功率開(kāi)關(guān)管斬波、高頻變壓器降壓后得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波器，獲得所需要的直流輸出電壓。此開(kāi)關(guān)電源達到了：交流輸入電壓范圍為90～270V，能同時(shí)輸出+5V(作為控制部分電源)及4.4~11.3V(主回路)的電壓，輸出電流為1A。其電路如圖3所示。

控制電路部分主要由AT89C2051、ADC TLC0832、運放LM358及數字電位器X9C102、分壓電阻、電流采樣電阻組成。單片機對正在充電的電池進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓、電流取樣，經(jīng)A／D轉換后輸入單片機。單片機根據電池不同的充電狀態(tài)采取不同的充電算法，通過(guò)數字電位器對開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行控制，通過(guò)改變電池組端電壓來(lái)達到控制充電過(guò)程的目的。

電路接上蓄電池后，充電過(guò)程開(kāi)始，當檢測到電池電壓在正常范圍內時(shí)，充電器軟啟動(dòng)，充電電壓、電流逐漸增加到額定恒定充電電流值，進(jìn)行恒流充電，“正充電”LED燈閃爍，同時(shí)開(kāi)始計時(shí)。此后不斷檢測電池電壓，當電池電壓大于或達到規定的最大值(該電池規定的最大值為10．5V)或充電時(shí)間等于5小時(shí)后，單片機發(fā)出指令，減小數控輸出值大小，使充電電流減小，轉為涓流充電(0．1A)，“已充滿(mǎn)”LED指示燈亮。這樣就避免了因電池溫升過(guò)快或嚴重極化，影響充電質(zhì)量、降低蓄電池的使用壽命甚至產(chǎn)生事故，從而快速、安全、高質(zhì)量地完成充電過(guò)程。

4 軟件智能控制

在程序的初始階段首先應對單片機進(jìn)行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據電池電壓判斷應該進(jìn)入哪一個(gè)充電階段，即恒流或者涓流充電方式。恒流方式：不斷檢測流過(guò)電池的電流是否達到恒定電流(1A)，如果小于lA則抬高電池兩端的電壓使之達到lA(在電池兩端電壓小于電池的最大充電電壓10．5V的前提下)。涓流方式：在電池兩端電壓達到最大值后進(jìn)入涓流充電模式。程序結構圖如圖4所示。

本文提出一種恒流限壓、智能控制的充電方案，能很好地解決鎳鎘蓄電池組在充電過(guò)程中存在的過(guò)充電、充電不足、發(fā)熱等問(wèn)題。該充電器已批量生產(chǎn)并投入使用，效果令人滿(mǎn)意。同時(shí)，在已有的基礎上針對不同種類(lèi)的電池，只要根據不同電池的最佳充電曲線(xiàn)對控制器中的程序進(jìn)行相應的調整，就能對不同類(lèi)型的電池進(jìn)行充電。