【正文】 0頁(yè) 1 概述 鎳氫電池的發(fā)展?fàn)顩r及其應(yīng)用領(lǐng)域 鎳氫電池是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型綠色電池， 具有高容量、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染等特點(diǎn)，因而成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。 本設(shè)計(jì)的軟件部分根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換電路得到的電池電壓的數(shù)字量進(jìn)行電壓的比較和判斷，按照充電曲線進(jìn)行快速充電，當(dāng)快充結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電。鎳氫電鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) II 池具有獨(dú)特的充電特性，因此設(shè)計(jì)充電器時(shí)要考慮到這一特性，這樣才能把優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。這種由于自放電而引起的容量損 失是可逆的，通過(guò)幾次充放電循環(huán)就能恢復(fù)到最大容量。這兩種電池具有相似的特性，可以設(shè)計(jì)出兩種電池都適用的充電器。隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。儲(chǔ)氫合金的主要來(lái)源是稀土，而中國(guó)的稀土資源占世界總儲(chǔ)量的 70%以上，發(fā)展鎳氫電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 本設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括單片機(jī)控制模塊、充放電模塊、電壓電流采集接口模塊。第三章分三個(gè)部分對(duì)本設(shè)計(jì)的硬件電路做了詳細(xì)分析，其中包括電路工作原理和每一部分參數(shù)的設(shè)置。鎳氫電池和鎘鎳電池具有相同的工作電壓（ ），因此這兩種電池在應(yīng)用中有著良好的互換性。從美國(guó)政府對(duì)新一代汽車伙伴計(jì)劃（ PNGV）的建立和執(zhí)行情況來(lái)看，新一代汽車已經(jīng)成為跨國(guó)汽車公司和工業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的重要內(nèi)容。鋰電池還有課題需要繼續(xù)攻關(guān)，如安全性，因此商業(yè)化尚需時(shí)日。因鎳氫電池在電化學(xué)特性方面與鎳鎘電池也基本相同，所以鎳氫電池在使用時(shí)可完全替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。 （ 3）耐過(guò)充電。鎳氫電池以 1C 電流充電、放電循環(huán)使用壽命超過(guò) 500 次，以 電流充、放電循環(huán)使用壽命超過(guò) 1000 次，從實(shí)際使用壽命看，以 5 號(hào)鎳氫電池為例，采用 1000mA 電流充電，可累計(jì)重復(fù)使用 1000h。 （ 5）過(guò)充電（ Over charge） 電池在充電時(shí)，達(dá)到充滿狀態(tài)后，若仍繼續(xù)充電，可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生，電池的性能也會(huì)顯著降低，甚至使電池?fù)p壞，這現(xiàn)象稱為過(guò)充電。 鎳氫電池的工作原理和電化學(xué)原理 鎳氫電池的工作原理 作為負(fù)極材料的儲(chǔ)氫合金是由 A 和 B 兩種金屬形成的合金，其中 A 金屬 (La、 Ti、Zr 等 )可以吸進(jìn)大量氫氣，形成穩(wěn)定的氫化物；而 B 金屬 (Ni、 Co、 Fe、 Mn 等 )不能形成穩(wěn)定的氫化物，但氫很容易在其 中移動(dòng)。 (4) 隨著吸放氫循環(huán)產(chǎn) 生的劣化少。 鎳氫電池充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)為 : 第 7頁(yè) 共 50頁(yè) 正極 : OHN i OO HeOHOHNi 22)( ???? ? (21) 負(fù)極： ???? OHHeH 22 2/1 (22) 總反應(yīng) : 22 2/1)( HN iO OHOHNi ?? (23) 鎳氫電池放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)為 : 正極 : eOHOHNiOHN i OO H ???? ?22 )( (24) 負(fù)極 : eOHOHH ??? ? 222/1 (25) 總反應(yīng) : 22 )(2/1 OHNiHN iO OH ?? (26) 從化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出：充電時(shí)鎳氫電池的負(fù)極析出氫氣并儲(chǔ)存在 容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳 (NiOOH)和 H2O；放電時(shí)氫氣在負(fù)極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。 圖 23 鎳氫電池在室溫下以不同速率放電時(shí)的特性曲線 鎳氫電池在不同儲(chǔ)存溫度下的保存電量特性曲線如圖 24 所示。但是，考慮到在使用過(guò)程中充電、放電、溫度和其它因素可能出現(xiàn)異常情況，因此會(huì)出現(xiàn)鎳氫電池壽命縮短和性能衰減的現(xiàn)象。 (3) 過(guò)充電。鎳氫電池的放電應(yīng)在－ 10℃～ 45℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行，放電電流的大小將影響鎳氫電池的放電效率。 從充電方式來(lái)分，有恒流充電和脈沖充電之分。所以大電流并不可怕，關(guān)鍵是怎樣來(lái)解決發(fā)熱的問(wèn)題。這種充電方法的波形如圖 26所示，其中放電脈沖寬度一般要求是充電脈沖寬度的 2～ ，而充電時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于放電時(shí)間長(zhǎng)度。 （ 1）預(yù)充電：剛開(kāi)始充電時(shí)以小電流充電，使電池滿足一定的充電條件，然后轉(zhuǎn)入快速充電。 （ 1）定時(shí)控制：采用 ，電池 1小時(shí)可以充滿，采用 時(shí) ， 30min可以充滿，因此，根據(jù)電池容量和充電電流，很容易確定所需的充電時(shí)間。當(dāng)充電器檢測(cè)到預(yù)設(shè)的精度大小的負(fù)電壓差后，判斷電路會(huì)認(rèn)為充滿而發(fā)出信號(hào)觸發(fā)充電器的控制電路，停止充電或轉(zhuǎn)入涓流充電。 ② 溫度變化率（Δ T/Δ t）控制：鎳氫鎳鎘電池在充滿電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率Δ T/Δ t基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升 1℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止快速充電。 充放電電路 電池 恒壓源 電壓變換 模擬開(kāi)關(guān) 恒流源 電容 單 片 機(jī) 比較器 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 第 16頁(yè) 共 50頁(yè) 圖 32 AT89C2051 引腳圖 AT89C2051 單片機(jī)的基本特點(diǎn)如下： AT89C2051 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，內(nèi) 含2k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） ，其 擦寫周期約 1000 次。 P1 口： P1 口是一組 8 位雙向 I/0 口， ～ 提供內(nèi)部上拉電阻，由于 和 是內(nèi)部精密比較器的同相輸入端（ AIN0）和反相輸入端（ AIN1），所以內(nèi)部無(wú)上拉電阻，如果需要作為通用 I/O 口，應(yīng)在外部接上拉電阻。 表 31 P3口引腳功能 充放電路的設(shè)計(jì) 充放電電路由三部分構(gòu)成：大電流充電（快速充電）電路、放電電路、涓流充電電路，如圖 33 所示 。和計(jì)算 R12 方法一樣，得到 R14 為 。它可用于包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 （ 5）低功耗電流，適合于電池供 電。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源、 開(kāi)關(guān)電源等。 ③ 低動(dòng)態(tài)輸入阻抗，典型值為 。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證 TL431 工作的必要條件，就是通過(guò)陰極的電流要大于 1mA。多路模擬開(kāi)關(guān)由地址譯碼器和多路雙向開(kāi)關(guān)組成，根據(jù)外部地址輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部地址譯碼器譯碼，選通與地址碼相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)單元，從 N 路模擬輸入信號(hào)中選取特定某一路傳送到輸出端，或與之相反，把一路模擬輸入信號(hào)送到 N 個(gè)輸出端中的某一端輸出。 （ 2）低工作阻抗，當(dāng) VDDVEE＝ 18V 時(shí)，對(duì)于超過(guò) 15VP－ P 的輸入信號(hào)，典型工作阻抗為 125Ω。另外需要注意的是，由于本設(shè)計(jì)的電源只能提供 0V～ 5V 的工作電壓，因此設(shè)計(jì)中，將 VDD 直接連到 5V，而 VEE、 VSS直接接地。 100pA。 圖 310 中 ， A、 B、 C 是 3 位二進(jìn)制地址輸入端，其輸入電平與 TTL 兼容。 R1R2V+ Vout 圖 37 TL431構(gòu)成的恒壓電路 （ 3） 恒流電路應(yīng)用 RV+ I 鎳氫電池智能充電器的設(shè)計(jì) 第 22頁(yè) 共 50頁(yè) 圖 38 TL431構(gòu)成的恒流電路 從前面的例子我們可以看到，器件作為分流反饋后， REF 端的電壓始終穩(wěn)定在，那么接在 REF 端和地間的電阻中流過(guò)的電流就應(yīng)是恒定的。 ⑤ 典型值為 50ppm/℃ 的等效全范圍溫度系數(shù)。 3 個(gè)引腳分別為：陰極（ CATHODE）、陽(yáng)極（ ANODE）和參考端（ REF）。 （ 7）低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 它具有如下的性能特點(diǎn)： （ 1）內(nèi)部頻率補(bǔ)償。 V C C12J2B A T TR 1 13 .9R 1 24 .3 kR 1 3 3R 1 42 .2 kR 1 5 39R 1 69 1 0V48 0 5 0V38 5 5 0V58 5 5 0V78 5 5 0V68 0 5 0單片機(jī)控制電壓變換V C CV i nD I S C S M A L C H A R 圖 33 充放電電路 電壓變換和模擬開(kāi)關(guān)選通電路設(shè)計(jì) 一節(jié)鎳鎘鎳氫充電電池的電壓通常不會(huì)超出 1V～ 的范圍，兩節(jié)電池則在2V～ 的范圍，為了充分利用定時(shí)器，提高 A/D 轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)線性電壓變換電路，主要由一個(gè)差動(dòng)比例運(yùn)算放大器及電阻構(gòu)成。為了提高三極管放大倍數(shù)，以提供大電流，充電與放電電路均采用了 PNP、 NPN 兩個(gè)三極管構(gòu)成復(fù)合管，放大倍數(shù)為兩管放大倍數(shù)之積。當(dāng) P1 口引腳寫入“ 1”時(shí)可作輸入端，當(dāng)引腳 ～ 用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們因內(nèi)部 上拉電阻的作用而輸出電流（ IIL）。 AT89C2051 單片機(jī)的工作電壓范圍較寬，可在 ～ 6V 電壓范圍內(nèi)工作。 本設(shè)計(jì)的充電方式采用了脈沖法加去極化反應(yīng)結(jié)合的方式，充電終止控制方法用的是電壓負(fù)增量控制方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)，這兩種都是比較先進(jìn)的，充分考慮了電池特性，充電效果是很好的。 ③ 電壓零增量（ 0Δ V）控制：鎳氫電池充電中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過(guò)久而損壞電池，通常采用 0Δ V控制方法。通過(guò)設(shè)置一定的充電時(shí)間來(lái)控制充電終點(diǎn)，一般按照充入 120%～ 150%電池標(biāo)稱容量所需的對(duì)應(yīng)時(shí)間來(lái)控制。 （ 3）補(bǔ)足充電：一般采用快速充電終止法時(shí)，快速充電終止后，電池并未充滿電，為了保證電池充入 100%的電量，還應(yīng)加入補(bǔ)足充電，補(bǔ)足充電速率一般不超過(guò) 。這種方法一般只有比較專業(yè)的充電器 才使用，這類充電器往往可以做到用 2C～ 3C的電流對(duì)電池進(jìn)行充電。在慢充時(shí)，基本上所有的充電器都采用了恒流的充電方法，這樣電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。如果設(shè)一節(jié)電池的標(biāo)稱容量為 1C，在 ～ 之間的充電電流為慢充， ， ，≤ 則是涓流充電。在溫度低于－ 10℃和高于 45℃時(shí)，鎳氫電池的放電容量將會(huì)下降，容量的下降會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池性能降低。 (4) 快速充電。鎳氫電池應(yīng)在 0℃～ 40℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行充電，環(huán)境溫度的變化會(huì)影響鎳氫電池的充電效率，在 10℃～ 30℃下鎳氫 電池的充電效率最高。 圖 25 鎳氫電池的循環(huán)壽命曲線 鎳氫電池的使用壽命 循環(huán)壽命：鎳氫電池在正確的充電和放電情況下可以使用 500次以上。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氧氣能夠隨時(shí)擴(kuò)散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快。 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)極板的活性物質(zhì) H2(放電時(shí) )和 H2O(充電時(shí) )，電解液采用 30%的氫氧化鉀水溶液。按照合金的晶體結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)氫合金可分為 AB5 型、 AB2 型、 AB型、 A2B 型以及固溶體型等，其中主要使用稀土金屬的是 AB5 型合金。 一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的 倍，是鎳氫電池的 倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會(huì)比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕?？梢杂盟鼇?lái)估算工作時(shí)間，例如， C=1600mAh 的電池，如果工作電流為400mA，則可估算工作時(shí)間約為 4 小時(shí)。 （ 4）無(wú)污染。 NiMH 電池的“儲(chǔ)能密度”，以 5 號(hào) (AA 型 )可充電電池為例，至少在 1000mAh 以上，好的能達(dá)到 1400mAh，在同等體積和重量的條件下，其容量是鎳鎘電池的 2～ 3 倍，而比傳統(tǒng)型鎳 鎘電池要多出 1 倍多。因此，研制性能良好的智能充電器，會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。 第 3頁(yè) 共 50頁(yè) 目前全球主要的汽車動(dòng)力電池廠商主要有日本的 PEVE 和 Sanyo， PEVE 占據(jù)全球Hybrid 動(dòng)力車用鎳氫電池 85%的市場(chǎng)份額，目前主要的商業(yè)化的混合動(dòng)力汽車如豐田的 Prius、 Alphard 和 Estima，以及本田的 Civic， Insight 等均采用 PEVE 的鎳氫動(dòng)力電池組。鎳氫電池具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無(wú)記憶效應(yīng)，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，被稱為綠色電池。第四章是程序設(shè)計(jì)，講述了本設(shè)計(jì)程序代碼，并結(jié)合程序分析了電路工作過(guò)程。為了充分利用已有資源，降低成本，這個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換電路利用的是恒流源對(duì)電容充電，電容兩端電壓與時(shí)間呈線性關(guān)系這一原理 ，將電池電壓這個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)定時(shí)器中的數(shù)字量。 本設(shè)計(jì)討論了鎳氫電池的充電問(wèn)題，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)快速充電器。但是，在高溫時(shí)，這種電池的蓄電池容量將下降 5%10%。 目錄 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 : ......................................