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化設備中。使用普通的充電器對蓄電池充電容易發(fā)生過充電或充電不足的現象。過充電，可使蓄電池發(fā)熱，電解液失水；充電不足，可使蓄電池內化學反應不充分，并且長期充電不足會導致蓄電池容量下降。以上兩種情況都會降低蓄電池的使用壽命。由此可見，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、實時監(jiān)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

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

鎳鎘電池的特點是效率高、循環(huán)壽命長、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

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共同決定。近年來，蓄電池充電器大致可以分為連續(xù)電流充電和脈沖電流充電兩大類。

連續(xù)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程中電池極化所產生氣體的阻力，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，雖可克服這個缺點，但充電時間過長。

脈沖電流充電在充電過程中是斷斷續(xù)續(xù)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間都是固定的，不能根據充電狀態(tài)改變充、放電的時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，本設計采用了一種更好、更優(yōu)化的充電方式，即恒流限壓與實時監(jiān)測的智能控制充電方式。該充電方式對主回路開關電源進行數字控制輸出電壓和電流。

鎳鎘電池充電特性曲線如圖1所示。當恒定電流充入剛放完電的電池時，由于電池內阻產生壓降，電池電壓很快上升至A點。此后，電池開始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續(xù)上升。在AB之間，電化學反應以一定的速率產生氧氣，同時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。經過一定時間至C點，電解液中開始產生氣泡，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生的，不是由氫氧化鎘還原為鎘而產生的。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。因此電池電壓曲線出現峰值D點。電解液中，氧氣的產生和復合是放熱反應，電池過充電即E點，不停地產生氧氣，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進行控制，使用了開關電源及A／D、D/A等技術。實現了鎳鎘電池的智能充電。其硬件電路如圖2所示，整個電路分為開關電源部分和以單片機為主的控制電路部分。

此開關電源屬于復合式開關電源，采用TL431的精密基準和PC817組成反饋電路。整個工作過程：交流輸入經濾波、整流后成為直流高壓，再由功率開關管斬波、高頻變壓器降壓后得到高頻矩形波電壓，最后經過輸出整流濾波器，獲得所需要的直流輸出電壓。此開關電源達到了：交流輸入電壓范圍為90～270V，能同時輸出+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行實時電壓、電流取樣，經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，通過數字電位器對開關電源的輸出電壓進行控制，通過改變電池組端電壓來達到控制充電過程的目的。

電路接上蓄電池后，充電過程開始，當檢測到電池電壓在正常范圍內時，充電器軟啟動，充電電壓、電流逐漸增加到額定恒定充電電流值，進行恒流充電，“正充電”LED燈閃爍，同時開始計時。此后不斷檢測電池電壓，當電池電壓大于或達到規(guī)定的最大值(該電池規(guī)定的最大值為10．5V)或充電時間等于5小時后，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”LED指示燈亮。這樣就避免了因電池溫升過快或嚴重極化，影響充電質量、降低蓄電池的使用壽命甚至產生事故，從而快速、安全、高質量地完成充電過程。

4 軟件智能控制

在程序的初始階段首先應對單片機進行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據電池電壓判斷應該進入哪一個充電階段，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程中存在的過充電、充電不足、發(fā)熱等問題。該充電器已批量生產并投入使用，效果令人滿意。同時，在已有的基礎上針對不同種類的電池，只要根據不同電池的最佳充電曲線對控制器中的程序進行相應的調整，就能對不同類型的電池進行充電。