蓄電池作為能(neng)量的轉存裝置或備用(yong)電源被廣泛地應用(yong)于(yu)各種自(zi)動化設備中(zhong)。使(shi)用(yong)普通的充電器對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(jiang)機(ji)所使用的(de)8．41V3Ah的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(zhan)及特點(dian)
    
       1899年，Waldmar Jungner首先在開口型鎳(nie)鎘蓄(xu)電弛中使用(yong)了(le)鎳(nie)極板，同時(shi)，Thomos Edison發明了(le)用于電(dian)動車的(de)鎳鐵電池。但是．由于當時這些(xie)堿性(xing)蓄電池的(de)(de)極板(ban)材料比其他蓄電池的(de)(de)材料貴(gui)得多，其實(shi)際應用受到了極大的(de)(de)限制。直到1932年，鎳鎘電池經歷了最重要的改進：科(ke)學家在鎳電池中(zhong)開始(shi)使用(yong)活性(xing)物(wu)質。1947年(nian)，密(mi)封型鐮(lian)鎘電

池研制成功。

　　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 鎳鎘電池的充電方(fang)式(shi)及充電特性(xing)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(xu)電(dian)(dian)流(liu)充電(dian)(dian)和脈沖(chong)電(dian)(dian)流(liu)充電(dian)(dian)兩大類。

　　連續電(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)因放電(dian)(dian)容量受到(dao)電(dian)(dian)池(chi)接受能(neng)力的(de)限(xian)制和受到(dao)在充(chong)電(dian)(dian)過程中電(dian)(dian)池(chi)極(ji)化所產生氣體的(de)阻力，使得在大(da)電(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)的(de)情況下(xia)，電(dian)(dian)池(chi)放電(dian)(dian)容量下(xia)降和電(dian)(dian)池(chi)發熱；若(ruo)用小電(dian)(dian)流充(chong)電(dian)(dian)，雖可克服這個缺點(dian)，但充(chong)電(dian)(dian)時間過長。

　　脈沖(chong)電(dian)(dian)流充(chong)(chong)電(dian)(dian)在(zai)充(chong)(chong)電(dian)(dian)過程(cheng)中是斷斷續續的(de)。采用(yong)這種充(chong)(chong)電(dian)(dian)方(fang)式可以提高電(dian)(dian)池的(de)接受能力、消除電(dian)(dian)極化(hua)作用(yong)、縮短充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間(jian)、增(zeng)大(da)放(fang)電(dian)(dian)容量、減少電(dian)(dian)池發熱和提高充(chong)(chong)電(dian)(dian)效(xiao)率(lv)。但是目前(qian)的(de)脈沖(chong)充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)脈沖(chong)寬(kuan)度和間(jian)歇(xie)時間(jian)都是固定的(de)，不能根(gen)據充(chong)(chong)電(dian)(dian)狀態改變充(chong)(chong)、放(fang)電(dian)(dian)的(de)時間(jian)參數(shu)以及適應快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)的(de)要(yao)求，因(yin)此充(chong)(chong)電(dian)(dian)效(xiao)果(guo)受到了限制。

　　結合以上(shang)兩點，本設(she)計采(cai)用了一種更(geng)(geng)好、更(geng)(geng)優化的充電方(fang)式(shi)，即恒(heng)流限壓與實時監測的智能控制充電方(fang)式(shi)。該充電方(fang)式(shi)對主(zhu)回路開關電(dian)(dian)源進行(xing)數字控(kong)制輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流。

　　鎳鎘電(dian)池充(chong)電(dian)特性曲線如圖1所示(shi)。當(dang)恒定電流充入剛(gang)放完電的(de)電池(chi)時，由于電池(chi)內阻產生(sheng)壓降，電池(chi)電壓很快(kuai)上升至A點。此后，電(dian)池開始接受電(dian)荷，電(dian)池電(dian)壓以(yi)較低(di)的速率持續上升。在AB之(zhi)間，電化學(xue)反應以(yi)一定(ding)的速(su)率產生氧氣(qi)，同(tong)時(shi)氧氣(qi)也以(yi)同(tong)樣的速(su)率與(yu)氫(qing)氣(qi)化臺，使電池內部的溫度和氣(qi)體壓力都(dou)很(hen)低。經過一定(ding)時(shi)間至C點，電(dian)(dian)(dian)解液中開(kai)始(shi)產生氣泡，這些氣泡聚集在極板表面(mian)，使極板的(de)有效(xiao)面(mian)積(ji)減小，電(dian)(dian)(dian)池的(de)內阻抗增加。電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓開(kai)始(shi)較快上升(sheng)。這是(shi)接(jie)近充(chong)足(zu)電(dian)(dian)(dian)的(de)信號(hao)。

　　充(chong)足(zu)電(dian)(dian)(dian)后，充(chong)入電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流不(bu)是轉換為(wei)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)儲能，而(er)是在正極板上(shang)產(chan)生(sheng)氧氣(qi)超(chao)電(dian)(dian)(dian)位。氧氣(qi)是由(you)氫氧化(hua)鉀和(he)水組成的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)解液電(dian)(dian)(dian)解而(er)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)，不(bu)是由(you)氫氧化(hua)鎘(ge)還原為(wei)鎘(ge)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)。由(you)于從(cong)大量的(de)(de)(de)氫氧離子中(zhong)比(bi)從(cong)很少的(de)(de)(de)氫氧化(hua)鎘(ge)中(zhong)更容易分(fen)解出氧氣(qi)，所以電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)內(nei)的(de)(de)(de)溫度急(ji)劇上(shang)升(sheng)，使得電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)下(xia)降。因此電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)曲線出現峰值D點。電(dian)(dian)解液中，氧氣的產生和(he)復合是放熱反(fan)應，電(dian)(dian)池過充(chong)電(dian)(dian)即(ji)E點，不停地產(chan)生氧氣(qi)，從而使(shi)電池內的溫度(du)和壓(ya)力升高。

　　
       3 硬件電(dian)路
   
       該智能(neng)充電(dian)器采用單片機AT89C2051進行控制，使用了(le)開關電源及(ji)A／D、D/A等技術。實現了鎳鎘電(dian)池的智能充電(dian)。其硬件電(dian)路如圖2所(suo)示，整(zheng)個電(dian)路(lu)分(fen)(fen)為開關電(dian)源(yuan)部分(fen)(fen)和以單片(pian)機(ji)為主的控制(zhi)電(dian)路(lu)部分(fen)(fen)。

　　
       此開關電(dian)源(yuan)屬于復合式(shi)開關電(dian)源(yuan)，采用TL431的精密基準(zhun)和(he)PC817組成反饋電(dian)路。整個工作(zuo)過程：交(jiao)流輸入經濾波、整流后成為直流高壓，再由功率開關管(guan)斬波(bo)、高頻(pin)變(bian)壓器降壓(ya)后(hou)(hou)得到(dao)高頻矩(ju)形波電(dian)壓(ya)，最后(hou)(hou)經過輸(shu)出(chu)整流(liu)濾波器(qi)，獲得所需(xu)要的直流輸(shu)出電壓。此(ci)開關電源達到(dao)了：交流輸(shu)入(ru)電壓范圍為(wei)90～270V，能同時輸出(chu)+5V(作為(wei)控制部分電源)及4.4~11.3V(主回路)的電(dian)壓，輸出電(dian)流為1A。其電路如圖(tu)3所示。

       
       控制電路部分(fen)主要由AT89C2051、ADC TLC0832、運放LM358及數字電位器(qi)X9C102、分壓電阻(zu)、電流采樣(yang)電阻(zu)組成。單片機(ji)對正(zheng)在充電(dian)的(de)電(dian)池(chi)進行實(shi)時電(dian)壓(ya)、電(dian)流取(qu)樣，經A／D轉換后輸入單片機(ji)。單片機(ji)根據電(dian)池不同(tong)的(de)充電(dian)狀態采取不同(tong)的(de)充電(dian)算法(fa)，通過數字電位(wei)器對開關電源的輸出電壓進行控(kong)制，通過改變電池組端電(dian)壓來(lai)達(da)到控制充(chong)電(dian)過程的(de)目的(de)。

　　電(dian)(dian)路接上蓄電(dian)(dian)池(chi)后，充(chong)電(dian)(dian)過程開始，當檢測到電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓在正常范圍內時，充(chong)電(dian)(dian)器軟(ruan)啟動，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流逐漸增加到額定恒(heng)定充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流值，進(jin)行恒(heng)流充(chong)電(dian)(dian)，“正(zheng)充電”LED燈閃爍，同時開始計時。此后不斷(duan)檢(jian)測電池電壓(ya)，當電池電壓(ya)大于或達(da)到規(gui)定(ding)的(de)最大值(該電池規定(ding)的最大值為10．5V)或充電時間等(deng)于5小時后(hou)，單片機(ji)發出指令，減小數控輸出值(zhi)大(da)小，使充(chong)電電流減小，轉為涓流充(chong)電(0．1A)，“已充(chong)滿”LED指示燈(deng)亮。這樣(yang)就避免了(le)因電(dian)(dian)池溫升過快或嚴重極化，影(ying)響充電(dian)(dian)質量、降低蓄電(dian)(dian)池的使(shi)用壽命(ming)甚至產(chan)生事故，從而(er)快速、安全、高(gao)質量地完成充電(dian)(dian)過程。

　　4 軟(ruan)件(jian)智能控制
   
       在程序的(de)初始階(jie)段首先應對單(dan)片機進(jin)行初始化，然后判斷(duan)電(dian)(dian)池是否連接正確(que)，根(gen)據(ju)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓判斷(duan)應該進(jin)入哪(na)一個(ge)充(chong)電(dian)(dian)階(jie)段，即(ji)恒

流(liu)或(huo)者涓(juan)流(liu)充(chong)電方式。恒(heng)流(liu)方式：不斷檢測(ce)流(liu)過(guo)電池(chi)的(de)電流(liu)是否達(da)到恒(heng)定(ding)電流(liu)(1A)，如果小于lA則抬高電池兩端的(de)電壓使(shi)之達到lA(在(zai)電(dian)池(chi)兩端(duan)電(dian)壓小于電(dian)池(chi)的(de)最大充電(dian)電(dian)壓10．5V的前提下)。涓流方式：在(zai)電池兩端電壓達到最大值后進(jin)入涓流充電模(mo)式。程序結(jie)構圖(tu)如圖(tu)4所示(shi)。

      本文提出(chu)一(yi)種恒流(liu)限壓、智能(neng)控制(zhi)的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)方案(an)，能(neng)很好(hao)地解決鎳(nie)鎘蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組在充(chong)電(dian)(dian)(dian)過(guo)程中存在的(de)(de)過(guo)充(chong)電(dian)(dian)(dian)、充(chong)電(dian)(dian)(dian)不足、發熱等問題。該充(chong)電(dian)(dian)(dian)器已批量生產并投(tou)入使用，效果令人滿(man)意。同時，在已有的(de)(de)基礎上針對不同種類的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，只要根據不同電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)最佳充(chong)電(dian)(dian)(dian)曲線對控制(zhi)器中的(de)(de)程序進行(xing)(xing)相應的(de)(de)調整，就(jiu)能(neng)對不同類型的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)進行(xing)(xing)充(chong)電(dian)(dian)(dian)。