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鎳鎘電池智能充電器的研制

   電池作為(wei)能量的轉(zhuan)存裝(zhuang)置(zhi)或(huo)備用電源被(bei)廣泛地應用于各種自(zi)動化設備中。使用普通的充電器蓄電池充電容易發生過充電或充電不足的現象。過充電,可使蓄電池發熱,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、實時監測的智能控制充電方法設計了一種對講機所使用的841V3Ah鎳鎘智能充電器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 鎳鎘電池的發展及特點
    
       1899
年,Waldmar Jungner首(shou)先(xian)在開(kai)口(kou)型鎳(nie)鎘蓄電弛中使用了鎳(nie)極板,同(tong)時,Thomos Edison發明了用于(yu)電(dian)動車(che)的鎳(nie)鐵電池。但是(shi).由于當(dang)時這些堿性蓄(xu)電池的極板材料比其(qi)他蓄(xu)電池的材料貴得(de)多,其(qi)實際應(ying)用受到(dao)了極大的限制(zhi)。直到(dao)1932年,鎳鎘電池經歷(li)了最重要的改進(jin):科學(xue)家在鎳電池中開(kai)始使用活性(xing)物質(zhi)。1947年,密封型鐮鎘電

 

池研制成(cheng)功。

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

  2 鎳鎘電池(chi)的充(chong)電方式(shi)及充(chong)電特性曲(qu)線(xian)
   
      
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,電池充電器大致(zhi)可以分(fen)為連續電(dian)(dian)流(liu)充電(dian)(dian)和脈沖電(dian)(dian)流(liu)充電(dian)(dian)兩大類(lei)。

  連續電(dian)(dian)流(liu)充(chong)電(dian)(dian)因放(fang)電(dian)(dian)容量(liang)受到(dao)電(dian)(dian)池接(jie)受能(neng)力的限(xian)制和(he)受到(dao)在(zai)充(chong)電(dian)(dian)過程中電(dian)(dian)池極化所產生氣(qi)體(ti)的阻力,使得在(zai)大電(dian)(dian)流(liu)充(chong)電(dian)(dian)的情況下(xia)(xia),電(dian)(dian)池放(fang)電(dian)(dian)容量(liang)下(xia)(xia)降和(he)電(dian)(dian)池發熱;若用小電(dian)(dian)流(liu)充(chong)電(dian)(dian),雖可(ke)克服這個缺點(dian),但(dan)充(chong)電(dian)(dian)時(shi)間過長。

  脈(mo)沖電(dian)(dian)(dian)流(liu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)在充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)過程中是斷斷續續的(de)。采用這種充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)方(fang)式(shi)可以提高電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)接(jie)受(shou)能(neng)(neng)力、消除電(dian)(dian)(dian)極化作用、縮(suo)短充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)、增大(da)放電(dian)(dian)(dian)容量、減少(shao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)發熱和提高充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)效率。但是目(mu)前的(de)脈(mo)沖充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)器的(de)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)脈(mo)沖寬度和間(jian)歇時(shi)間(jian)都是固定的(de),不能(neng)(neng)根據充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)狀態(tai)改變充(chong)(chong)(chong)、放電(dian)(dian)(dian)的(de)時(shi)間(jian)參數以及適應快速充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)的(de)要求,因此充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)效果受(shou)到了(le)限制。

  結合以(yi)上兩點,本設計(ji)采用(yong)了一種更好(hao)、更優化的(de)充電(dian)方式,即恒流限壓與實時監測的(de)智能控制充電(dian)方式。該充電(dian)方式對主回路開關電源(yuan)進(jin)行數字控制輸出電壓和(he)電流。

  鎳鎘電池充(chong)電特性曲(qu)線如(ru)圖(tu)1所示。當恒定電(dian)流充(chong)入剛(gang)放完電(dian)的電(dian)池(chi)時,由于電(dian)池(chi)內阻產生(sheng)壓降,電(dian)池(chi)電(dian)壓很快上升至A點。此(ci)后,電池開始接受(shou)電荷,電池電壓以較低的速率持續上升(sheng)。在AB之間(jian),電(dian)(dian)化學反應(ying)以一定的速率(lv)產生氧氣(qi),同時(shi)氧氣(qi)也以同樣的速率(lv)與氫(qing)氣(qi)化臺(tai),使(shi)電(dian)(dian)池內(nei)部的溫度和氣(qi)體(ti)壓力(li)都(dou)很低(di)。經過一定時(shi)間(jian)至(zhi)C點,電(dian)(dian)解液中開(kai)始產(chan)生氣泡,這(zhe)些氣泡聚(ju)集在(zai)極(ji)板表面(mian),使極(ji)板的有效面(mian)積減小,電(dian)(dian)池的內阻抗(kang)增加。電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓開(kai)始較快上升(sheng)。這(zhe)是接近充足電(dian)(dian)的信號(hao)。

  充(chong)足電(dian)(dian)后,充(chong)入電(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)流不(bu)是轉換為電(dian)(dian)池的(de)儲能,而(er)是在正極板上(shang)產(chan)生(sheng)氧氣(qi)(qi)超(chao)電(dian)(dian)位。氧氣(qi)(qi)是由(you)氫氧化(hua)鉀和水組成的(de)電(dian)(dian)解(jie)(jie)液(ye)電(dian)(dian)解(jie)(jie)而(er)產(chan)生(sheng)的(de),不(bu)是由(you)氫氧化(hua)鎘還原為鎘而(er)產(chan)生(sheng)的(de)。由(you)于(yu)從大量(liang)的(de)氫氧離(li)子(zi)中比從很少的(de)氫氧化(hua)鎘中更容易分解(jie)(jie)出(chu)氧氣(qi)(qi),所以電(dian)(dian)池內的(de)溫度急劇上(shang)升,使得電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓下降。因(yin)此電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓曲(qu)線(xian)出(chu)現峰值D點。電(dian)(dian)解液中,氧氣的產生和復合是放熱反應,電(dian)(dian)池(chi)過充電(dian)(dian)即E點,不停(ting)地(di)產生氧氣,從而使電池內的溫(wen)度和壓力升高。

  
      
3 硬(ying)件電路(lu)
   
      
該智能充電器采(cai)用單片機AT89C2051進(jin)行控制,使用了(le)開關電源ADD/A等(deng)技術。實(shi)現了鎳鎘電池的智(zhi)能充電。其硬件電路如圖2所示,整(zheng)個電(dian)路分(fen)為開(kai)關電(dian)源部(bu)(bu)分(fen)和以單(dan)片機為主的(de)控制電(dian)路部(bu)(bu)分(fen)。

  
      
此開關電源屬于復合式開關電源,采用TL431的精密(mi)基準和PC817組成(cheng)反饋電(dian)路。整個工(gong)作過(guo)程:交流(liu)輸入(ru)經濾(lv)波、整流(liu)后成(cheng)為直流(liu)高壓(ya),再由功率開關管斬波、高頻變壓器降壓(ya)后得到高頻矩形波(bo)電壓(ya),最(zui)后經過輸出整流(liu)濾波器,獲得所需(xu)要(yao)的直(zhi)流輸出電(dian)(dian)壓。此開關電(dian)(dian)源達到(dao)了:交流輸入電(dian)(dian)壓范圍(wei)為(wei)90270V,能同(tong)時輸出+5V(作(zuo)為(wei)控(kong)制(zhi)部分(fen)電源(yuan))及(ji)4.4~11.3V(主回(hui)路)的電(dian)壓,輸出電(dian)流為1A。其電(dian)路(lu)如圖3所示。


 

       
      
控制電路部分主要由AT89C2051ADC TLC0832、運放(fang)LM358及數字電位器(qi)X9C102、分壓電(dian)阻、電(dian)流采樣電阻組(zu)成。單(dan)片機對(dui)正在充電的電池進行(xing)實時電壓、電流取樣,經(jing)AD轉換后輸入單片機(ji)。單片機(ji)根據電(dian)池不同的充電(dian)狀態采取(qu)不同的充電(dian)算法,通過數字電位器對開關電(dian)源的輸出電(dian)壓進行控制(zhi),通過(guo)改變電(dian)池(chi)組(zu)端電壓來達(da)到控制(zhi)充電過(guo)程的(de)目的(de)。

  電(dian)(dian)(dian)路(lu)接上蓄電(dian)(dian)(dian)池后,充電(dian)(dian)(dian)過程開始,當檢測到(dao)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓(ya)在(zai)正常范圍內時,充電(dian)(dian)(dian)器軟啟動,充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)、電(dian)(dian)(dian)流逐漸(jian)增(zeng)加到(dao)額定(ding)恒定(ding)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流值,進行恒流充電(dian)(dian)(dian),正(zheng)充(chong)電LED燈(deng)閃爍,同(tong)時(shi)(shi)開始計時(shi)(shi)。此后(hou)不斷檢測電池電壓,當電池電壓大(da)于或達到(dao)規(gui)定的(de)最大(da)值(該電池規定的最大值為105V)或充電時間等于(yu)5小(xiao)時(shi)后(hou),單片機(ji)發出(chu)指令,減(jian)小(xiao)數控(kong)輸(shu)出(chu)值大小(xiao),使充(chong)電(dian)電(dian)流減(jian)小(xiao),轉為涓流充(chong)電(dian)(01A)已充滿”LED指示(shi)燈亮。這(zhe)樣就避免了(le)因電(dian)池溫升(sheng)過快或(huo)嚴重極化,影響充電(dian)質量、降(jiang)低蓄電(dian)池的使用壽命甚至(zhi)產生事故,從而快速、安全、高質量地完成(cheng)充電(dian)過程。

  4 軟(ruan)件智能控制
   
      
在程序的初(chu)始(shi)階(jie)段首先應(ying)對單片(pian)機進行(xing)初(chu)始(shi)化,然后判斷電(dian)池是否連接正確,根據電(dian)池電(dian)壓(ya)判斷應(ying)該進入哪一個(ge)充電(dian)階(jie)段,即恒

 

流或(huo)者涓(juan)流充電方(fang)式。恒(heng)流方(fang)式:不(bu)斷(duan)檢測流過電池的電流是否(fou)達到恒(heng)定(ding)電流(1A),如果小于lA則抬高電(dian)(dian)池兩(liang)端(duan)的電(dian)(dian)壓使之達(da)到lA(在電池(chi)兩端電壓小(xiao)于電池(chi)的最大(da)充電電壓105V的前(qian)提下(xia))。涓流方式:在電池兩端(duan)電壓達到最大值后進入(ru)涓流充(chong)電模式。程序結構(gou)圖如(ru)圖4所示。

      本(ben)文提出一種(zhong)恒(heng)流限壓、智能(neng)控(kong)制的(de)(de)充(chong)電(dian)方(fang)案,能(neng)很好(hao)地解(jie)決(jue)鎳鎘蓄(xu)電(dian)池(chi)(chi)(chi)組在充(chong)電(dian)過(guo)程中存(cun)在的(de)(de)過(guo)充(chong)電(dian)、充(chong)電(dian)不(bu)(bu)足、發熱等問(wen)題。該(gai)充(chong)電(dian)器(qi)已(yi)批量生產并投入使(shi)用,效果令人滿意。同(tong)時,在已(yi)有的(de)(de)基礎上針對(dui)不(bu)(bu)同(tong)種(zhong)類的(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)(chi),只要根據不(bu)(bu)同(tong)電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)最佳(jia)充(chong)電(dian)曲(qu)線對(dui)控(kong)制器(qi)中的(de)(de)程序(xu)進行相應的(de)(de)調整(zheng),就能(neng)對(dui)不(bu)(bu)同(tong)類型(xing)的(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)(chi)進行充(chong)電(dian)。

 

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