镍镉电池智能充电器的研制

　　蓄电池作为能量的转存装置或备用电源被广泛地应用于各种自动化设备中。使用普通的充电器对蓄电池充电容易发生过充电或充电不足的现象。过充电，可使蓄电池发热，电解液失水；充电不足，可使蓄电池内化学反应不充分，并且长期充电不足会导致蓄电池容量下降。以上两种情况都会降低蓄电池的使用寿命。由此可见，充电器性能的好坏直接影响到蓄电池的使用效果和使用寿命。本文采用恒流限压、实时监测的智能控制充电方法设计了一种对讲机所使用的8．41V3Ah的镍镉智能充电器。同一原理完全可设计出用于其他不同类型、不同容量的蓄电池的充电器。

　　1 镍镉电池的发展及特点
    
       1899年，Waldmar Jungner首先在开口型镍镉蓄电弛中使用了镍极板，同时，Thomos Edison发明了用于电动车的镍铁电池。但是．由于当时这些碱性蓄电池的极板材料比其他蓄电池的材料贵得多，其实际应用受到了极大的限制。直到1932年，镍镉电池经历了最重要的改进：科学家在镍电池中开始使用活性物质。1947年，密封型镰镉电

池研制成功。

　　镍镉电池的特点是效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑、不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用。

　　2 镍镉电池的充电方式及充电特性曲线
   
       充电器能否达到最佳充电效果由所选择的充电方式和充电特性曲线共同决定。近年来，蓄电池充电器大致可以分为连续电流充电和脉冲电流充电两大类。

　　连续电流充电因放电容量受到电池接受能力的限制和受到在充电过程中电池极化所产生气体的阻力，使得在大电流充电的情况下，电池放电容量下降和电池发热；若用小电流充电，虽可克服这个缺点，但充电时间过长。

　　脉冲电流充电在充电过程中是断断续续的。采用这种充电方式可以提高电池的接受能力、消除电极化作用、缩短充电时间、增大放电容量、减少电池发热和提高充电效率。但是目前的脉冲充电器的充电脉冲宽度和间歇时间都是固定的，不能根据充电状态改变充、放电的时间参数以及适应快速充电的要求，因此充电效果受到了限制。

　　结合以上两点，本设计采用了一种更好、更优化的充电方式，即恒流限压与实时监测的智能控制充电方式。该充电方式对主回路开关电源进行数字控制输出电压和电流。

　　镍镉电池充电特性曲线如图1所示。当恒定电流充入刚放完电的电池时，由于电池内阻产生压降，电池电压很快上升至A点。此后，电池开始接受电荷，电池电压以较低的速率持续上升。在AB之间，电化学反应以一定的速率产生氧气，同时氧气也以同样的速率与氢气化台，使电池内部的温度和气体压力都很低。经过一定时间至C点，电解液中开始产生气泡，这些气泡聚集在极板表面，使极板的有效面积减小，电池的内阻抗增加。电池电压开始较快上升。这是接近充足电的信号。

　　充足电后，充入电池的电流不是转换为电池的储能，而是在正极板上产生氧气超电位。氧气是由氢氧化钾和水组成的电解液电解而产生的，不是由氢氧化镉还原为镉而产生的。由于从大量的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更容易分解出氧气，所以电池内的温度急剧上升，使得电池电压下降。因此电池电压曲线出现峰值D点。电解液中，氧气的产生和复合是放热反应，电池过充电即E点，不停地产生氧气，从而使电池内的温度和压力升高。

　　
       3 硬件电路
   
       该智能充电器采用单片机AT89C2051进行控制，使用了开关电源及A／D、D/A等技术。实现了镍镉电池的智能充电。其硬件电路如图2所示，整个电路分为开关电源部分和以单片机为主的控制电路部分。[page]

　　
       此开关电源属于复合式开关电源，采用TL431的精密基准和PC817组成反馈电路。整个工作过程：交流输入经滤波、整流后成为直流高压，再由功率开关管斩波、高频变压器降压后得到高频矩形波电压，最后经过输出整流滤波器，获得所需要的直流输出电压。此开关电源达到了：交流输入电压范围为90～270V，能同时输出+5V(作为控制部分电源)及4.4~11.3V(主回路)的电压，输出电流为1A。其电路如图3所示。

       
       控制电路部分主要由AT89C2051、ADC TLC0832、运放LM358及数字电位器X9C102、分压电阻、电流采样电阻组成。单片机对正在充电的电池进行实时电压、电流取样，经A／D转换后输入单片机。单片机根据电池不同的充电状态采取不同的充电算法，通过数字电位器对开关电源的输出电压进行控制，通过改变电池组端电压来达到控制充电过程的目的。

　　电路接上蓄电池后，充电过程开始，当检测到电池电压在正常范围内时，充电器软启动，充电电压、电流逐渐增加到额定恒定充电电流值，进行恒流充电，“正充电”LED灯闪烁，同时开始计时。此后不断检测电池电压，当电池电压大于或达到规定的最大值(该电池规定的最大值为10．5V)或充电时间等于5小时后，单片机发出指令，减小数控输出值大小，使充电电流减小，转为涓流充电(0．1A)，“已充满”LED指示灯亮。这样就避免了因电池温升过快或严重极化，影响充电质量、降低蓄电池的使用寿命甚至产生事故，从而快速、安全、高质量地完成充电过程。

　　4 软件智能控制
   
       在程序的初始阶段首先应对单片机进行初始化，然后判断电池是否连接正确，根据电池电压判断应该进入哪一个充电阶段，即恒

流或者涓流充电方式。恒流方式：不断检测流过电池的电流是否达到恒定电流(1A)，如果小于lA则抬高电池两端的电压使之达到lA(在电池两端电压小于电池的最大充电电压10．5V的前提下)。涓流方式：在电池两端电压达到最大值后进入涓流充电模式。程序结构图如图4所示。

      本文提出一种恒流限压、智能控制的充电方案，能很好地解决镍镉蓄电池组在充电过程中存在的过充电、充电不足、发热等问题。该充电器已批量生产并投入使用，效果令人满意。同时，在已有的基础上针对不同种类的电池，只要根据不同电池的最佳充电曲线对控制器中的程序进行相应的调整，就能对不同类型的电池进行充电。