鎳鎘電池智能充電器的研制

　　蓄電池作為能量的轉(zhuǎn)存裝置或備用電源被廣泛地應(yīng)用于各種自動(dòng)化設(shè)備中。使用普通的充電器對(duì)蓄電池充電容易發(fā)生過充電或充電不足的現(xiàn)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(nèi)化學(xué)反應(yīng)不充分，并且長(zhǎng)期充電不足會(huì)導(dǎo)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，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(jiān)測(cè)的智能控制充電方法設(shè)計(jì)了一種對(duì)講機(jī)所使用的8．41V3Ah的鎳鎘智能充電器。同一原理完全可設(shè)計(jì)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(diǎn)

1899年，Waldmar Jungner首先在開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)車的鎳鐵電池。但是．由于當(dāng)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(yīng)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(zhǎng)、能量密度大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、不需要維護(hù)，因此在工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

　　2 鎳鎘電池的充電方式及充電特性曲線

充電器能否達(dá)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(lái)，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(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)間過長(zhǎng)。

　　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(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(jù)充電狀態(tài)改變充、放電的時(shí)間參數(shù)以及適應(yīng)快速充電的要求，因此充電效果受到了限制。

　　結(jié)合以上兩點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(jiān)測(cè)的智能控制充電方式。該充電方式對(duì)主回路開關(guān)電源進(jìn)行數(shù)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(dāng)恒定電流充入剛放完電的電池時(shí)，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，電池電壓很快上升至A點(diǎn)。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(xué)反應(yīng)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(tái)，使電池內(nèi)部的溫度和氣體壓力都很低。經(jīng)過一定時(shí)間至C點(diǎn)，電解液中開始產(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(nèi)阻抗增加。電池電壓開始較快上升。這是接近充足電的信號(hào)。

　　充足電后，充入電池的電流不是轉(zhuǎn)換為電池的儲(chǔ)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(nèi)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(xiàn)峰值D點(diǎn)。電解液中，氧氣的產(chǎn)生和復(fù)合是放熱反應(yīng)，電池過充電即E點(diǎn)，不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高。

　　
3 硬件電路

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