【正文】 過熱 電池充電是將電能傳輸?shù)诫姵氐倪^程。能量以化學(xué)反應(yīng)的方式保存了下來。但不是所有的電能都轉(zhuǎn)化為了電池中的化學(xué)能。一些電能轉(zhuǎn)化成了熱能，對(duì)電池起了加熱的作用。當(dāng)電池充滿后，若繼續(xù)充電，則所有的電能都將轉(zhuǎn)化為電池的熱能。在快速充電時(shí)這將使電池 快速升溫，若不及時(shí)停止充電就會(huì)造成電池的損壞。因此，在設(shè)計(jì)電池充電器江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 時(shí)，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)停止充電是非常重要的。 現(xiàn)代消費(fèi)類電器主要使用如下四種電池： ? 密封鉛酸電池 (SLA) ? 鎳鎘電池 (NiCd) ? 鎳氫電池 (NiMH) ? 鋰電池 (LiIon) 在正確選擇電池和充電算法時(shí)需要了解這些電池的背景知識(shí)。 密封鉛酸電池 (SLA) 密封鉛酸電池主要用于成本比空間和重量更重要的場合，如 UPS和報(bào)警系統(tǒng)的備份電池。 SLA 電池以恒定電壓進(jìn)行充電，輔以電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。只要電池 單元電壓不超過生產(chǎn)商的規(guī)定 ( 典型值為 )， SLA 電池可以無限制地充電。 鎳鎘電池 (NiCd) NiCd 電池目前使用得很普遍。它的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)便宜，易于使用；缺點(diǎn)是自放電率比較高。典型的 NiCd 電池可以充電 1000 次。失效機(jī)理主要是極性反轉(zhuǎn)。在電池包里第一個(gè)被完全放電的單元會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。為了防止損壞電池包，需要不間斷地監(jiān)控電壓。一旦單元電壓下降到 就必須停機(jī)。 NiCd 電池以恒定電流的方式進(jìn)行充電。 鎳氫電池 (NiMH) 在輕重量的手持設(shè)備中如手機(jī)、手持?jǐn)z象機(jī)，等等鎳氫電池是使用最廣 的。這種電池的容量比 NiCd 的大。由于過充電會(huì)造成 NiMH 電池的失效，在充電過程中進(jìn)行精確地測量以在合適的時(shí)間停止是非常重要的。和 NiCd 電池一樣，極性反轉(zhuǎn)時(shí)電池也會(huì)損壞。 NiMH 電池的自放電率大概為 20%/ 月。和 NiCd 電池一樣， NiMH 電池也為恒定電流充電。 鋰電池 (LiIon) 和本文中所述的其他電池相比，鋰電池具有最高的能量 / 重量比和能量 / 體積比。鋰電池以恒定電壓進(jìn)行充電，同時(shí)要有電流限制以避免在充電過程的初期電池過熱。當(dāng)充電電流下降到生產(chǎn)商設(shè)定的最小電流時(shí)就要停止充電。過充 電將造成電池?fù)p壞，甚至爆炸。 市場需求情況及發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，微型電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用 ,特別是 MP3，數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)，CD播放器的普及為電池的大量使用提供了廣闊的市場前景。 電池的廣泛使用為各種便攜式設(shè)備的普及提供了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。不可充電電池，（特別是含有重金屬汞的電池），由于對(duì)環(huán)境的污染而遭到普遍的批評(píng)，各電池生產(chǎn)廠商把業(yè)務(wù)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到可充電電池上 ,隨著技術(shù)的日趨成熟，可充電電池正以迅雷不及掩耳之勢取代了不可充電電池的市場。可充電電池不但可以滿足對(duì)耗電量大的設(shè)備提供持續(xù)的電力供 應(yīng)而且可以減少環(huán)境污染?，F(xiàn)代可充電電池有鎳鎘 (NiCd)電池 ,鎳氫 (NiMn)電池，要強(qiáng)調(diào)說明的是由于重金江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 屬鎘的污染問題和記憶效應(yīng)等缺點(diǎn)，鎳鎘電池已不再生產(chǎn)、使用，雖然市面上仍有銷售。因此，本文設(shè)計(jì)的充電器是針對(duì)鎳氫電池。 充電電池的普及對(duì)充電器的技術(shù)要求越來越高。市售充電器價(jià)格一般在幾元到幾十元之間，充電時(shí)間長，充電電流小，沒有保護(hù)能力。這些設(shè)計(jì)缺陷對(duì)充電電池有極大的危害，會(huì)縮短電池的使用壽命。設(shè)計(jì)充電器的原則是以適用滿足需求為前提，盡量采用常用的電子元器件，避免使用昂貴的集成電路芯片，即便于制作同時(shí) 又降低成本。 充電器的技術(shù)設(shè)計(jì)要求：可對(duì) 2 節(jié)鎳氫電池充電；具有過流、過壓保護(hù)功能；充電方式根據(jù)電池狀態(tài)自動(dòng)切換；具有短路保護(hù)功能；具有狀態(tài)顯示功能。 智能充電器的發(fā)展現(xiàn)狀是充電器普遍采用智能型芯片外加輔助電路構(gòu)成，成本比較高，最終導(dǎo)致售價(jià)居高不下，這就是設(shè)計(jì)粗糙的市售充電器仍占據(jù)廣大市場的緣故。智能充電器能夠根據(jù)電池充電狀態(tài)的三個(gè)階段自動(dòng)切換工作方式，這樣不僅可以保護(hù)電池，延長電池循環(huán)壽命，而且可以提高充電效率，縮短充電時(shí)間。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 鎳氫電池特性 本章簡要介紹鎳氫電池的化學(xué)特性，解釋電池的幾個(gè)重要參數(shù)，分 析其充電的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。這些數(shù)據(jù)可以為充電器電路的設(shè)計(jì)提供參考。 鎳氫電池化學(xué)特性 由于鎳氫電池容量大，可多次循環(huán)使用，無記憶效應(yīng)而得到廣泛應(yīng)用，是市場的主流產(chǎn)品，因此，本設(shè)計(jì)主要針對(duì)鎳氫電池。 鎳氫電池與同體積的鎳鎘電池相比，容量增加了一倍，充放電循環(huán)壽命長，無記憶效應(yīng)。正常充電狀態(tài)下的鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為 NiOOH(放電時(shí) )和 Ni(OH)2(充電時(shí) )，負(fù)極的活性物質(zhì)是 H2（放電時(shí)）和 H2O(充電時(shí) )。電解液采用 30%的 KOH 溶液。充放電時(shí)的電化學(xué)化應(yīng)如下式所示。 正極： Ni(OH)2+OH￣?e=NiOOH+H2O (21) 負(fù)極： H2O+e=1/2H2+OH￣ (22) 總反應(yīng)： Ni(OH)2=NiOOH+1/2H2 (23) 由電極反應(yīng)方程式 21～ 23 可以看出：充電時(shí)，負(fù)極析出氫氣，存儲(chǔ)在容器中，正極由氫氧化亞鎳（ Ni(OH)2）轉(zhuǎn)化成氫氧化鎳（ NiOOH）和水（ H2O）。放電時(shí)，氫氣在負(fù)極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳（ NiOOH）轉(zhuǎn)化成氫氧化亞鎳（ Ni(OH)2）。過量充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)如下式所示。 正極： 2OH￣?2e=1/2O2+ H2O (24) 負(fù)極： 2H2O+2e= H2+2OH￣ (25) 總反應(yīng)： H2O= H2+1/2O2 (26) 再化合： H2+1/2O2= H2O (27) 從反應(yīng)方程式 24～ 27 不難得出： 電池過量充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。由于有催化濟(jì)的氫電極表面面積大，加之氧氣容易擴(kuò)散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣在電池內(nèi)部很容易再化合生成水，使容器的內(nèi)部壓力保持不變，這種再化合的江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 速率很快，可使電池內(nèi)部的氧氣濃度不超過千分之幾。 鎳氫電池可以做成密封型結(jié)構(gòu)，電解液多采用氫氧化鉀水溶液，并加入少量的氫氧化鋰。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。 鎳氫電池重要參數(shù) 充電終止電壓：電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的充電電壓叫做充電終止電壓。 鎳氫電池的充電終止電壓為 或 。 放電終止電壓：電池放電時(shí)所能允許的最低電壓。如果電池電壓低于放電終止電壓時(shí)繼續(xù)放電，電池電壓迅速下降，形成深度放電，則再進(jìn)行充電時(shí)，電池極板上的活性物質(zhì)就不易再恢復(fù)，嚴(yán)重影響電池的壽命。鎳氫電池的放電終止電壓為 1V。 工作溫度：指充電電池在正常充放電狀態(tài)下的溫度，一般為 20176。C ～ 55176。C 。 電壓容限：電壓容限即市電電壓容忍限度，這個(gè)參數(shù)表明充電器電路對(duì)市電電壓波動(dòng)的容忍能力，也就是說它抗擊市電電壓不穩(wěn)定的能力。 鎳氫 \鎘電池的充放電特性 鎳氫 \鎘電池 的充放電特性如圖 21所示 。 2． 0 1． 8 電 1． 6 壓 1． 4 （ v） 1． 2 1． 0 0． 8 0 20 40 60 80 100 120 容量（ %） 圖 21 電池特性曲線 從電池的特性曲線分析得出：充電的全過程可以分為三個(gè)階段，在電池電壓低于約 時(shí)，特性曲線較陡，電壓上升較快。這是由于電 池內(nèi)部基本沒有存貯電量，活性化學(xué)物質(zhì)會(huì)大面積的快速激活，電壓也隨之快速上升。當(dāng)電池電壓達(dá)到 左右后，此時(shí)，電池內(nèi)部的電量基本恢復(fù)，活性物質(zhì)絕大部分已激活，正在大量吸附電荷，電壓上升較慢，持續(xù)時(shí)間也長，直到進(jìn)入下一個(gè)價(jià)段。最后一個(gè)階段電池進(jìn)入飽和狀態(tài)，這時(shí)再充電電池電壓也不會(huì)明顯上升，電量也不會(huì)增多，活性物質(zhì)所能容納的電荷量已經(jīng)達(dá)到極限。這時(shí)應(yīng)該停止充電，否則過充只會(huì)損毀電池電極。 鎳 鎘 鎳 氫 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 鎳氫電池的充電狀態(tài) 通過分析鎳氫電池的充放電特性曲線將充電狀態(tài)（階段）分為三個(gè)，以利于充電器功能的規(guī)化。 (1) 預(yù)充電區(qū) 根據(jù)鎳氫電池的充放電特性曲線，需要給充電的電池維持一個(gè)小電流（大約為正常充電電流的 1/10），這時(shí)電池電壓快速提升至標(biāo)稱電壓的 60%左右，持續(xù)時(shí)間短。當(dāng)單節(jié)電池電壓上升到 ～ ，充電進(jìn)入下一個(gè)階段。 (2) 快速充電區(qū) 這一階段可以達(dá)到正常的充電電流，即市售鎳氫電池所標(biāo)稱的 1300mA。電池電壓緩慢從預(yù)充電電壓上升到標(biāo)稱電壓。這一階段持續(xù)時(shí)間較長，是充電的主要階段。 (3) 維持充電區(qū) 當(dāng) 電池電壓達(dá)到標(biāo)稱電壓時(shí)，電池進(jìn)入充電飽和狀態(tài)。充電電流降至正常充電電流的 1/50 左右。電壓維 持在標(biāo)稱狀態(tài)。這一階段可以以涓流充電方式，也可以以恒壓限壓方式充電。 智能充電器的充電電路能夠自動(dòng)跟蹤上文所述的充電電池的狀態(tài)并根據(jù)電池所處的狀態(tài)自動(dòng)切換電路的工作方式，在保證電池安全充電的前提下，提高充電的效率，節(jié)省充電時(shí)間。將鎳氫電池的充電特性曲線劃分為三個(gè)不同的階段（狀態(tài)）是本文設(shè)計(jì)方案規(guī)劃的依據(jù)。 江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 智能充電 器 設(shè)計(jì)方案分析 本章分析幾個(gè)國內(nèi)外比較典型的充電器電路，他們的設(shè)計(jì)思想值得本設(shè)計(jì)借鑒。本設(shè)計(jì)是在這些電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和功能上的完善。在上一章中，本文論述了鎳氫電池在充電過程中的 狀態(tài)變化，指出智能充電器要根據(jù)充電電池所處的狀態(tài)確定合適的充電方式。接下來，將分析這幾款電路是否具有智能充電器具有的這個(gè)最基本的功能。 最普通的 充電器電路 充電器電路如圖 31所示 。 圖 31 ZSMCU的一款充電器電路 這個(gè)鎳鎘電池自動(dòng)充電器，具有狀態(tài)指示功能。充電時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)綠光。充滿后，保護(hù)電路動(dòng)作，發(fā)光二極管發(fā)紅光，指示電池已充滿。當(dāng)電池充滿后，保護(hù)電路自動(dòng)切斷充電電流，從而防止過充電。故該充電器可對(duì)普通鋅錳電池進(jìn)行充電。 電容 C二極管 VD1－ VD4 構(gòu)成降壓（限流）、整流電路 。由于電容的內(nèi)阻很大，則輸出近似為恒流，經(jīng)二