【正文】 的充電原理 充電 相關(guān)術(shù)語(yǔ) 為了更好 地 理解 鎳鎘 鎳氫 充電 電池 的特性，下面先 簡(jiǎn)單介紹 一下幾個(gè)和充電電池相 關(guān)的 術(shù)語(yǔ) ： 1． 充電 速 率 （ Crate） C 是 Capacity 的第一個(gè) 字母，用來(lái)表示電池充放電時(shí)電流的大小數(shù)值， 以 mAh或 Ah 表示。 2．終止電壓 （ Cutoff discharge voltage） 電池放電時(shí)，電壓下降到電池不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值 稱為終止電壓 。 3．開(kāi)路電壓（ Open circuit voltage） 電池不放電時(shí)，電池兩極之間的電位差稱為開(kāi)路電壓。 4．過(guò)放電（ Over discharge） 電池若是在放電過(guò)程中，超過(guò)電池放電的終止電壓值， 仍 繼續(xù)放電時(shí)就可能會(huì)造成電池內(nèi)壓升高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，使電池的容量明顯減少 ，這一現(xiàn)象稱為過(guò)放電 。 6．能量密度（ Energy density） 電池的平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能 稱為能量密度 。 7．自我放電（ Self discharge） 電池 無(wú)論處于 使用狀態(tài) 還是未使用狀態(tài) ，由于各種原因，都會(huì)引起其電量損失 ，這一 現(xiàn)象 稱為自我放電 。 8． 記憶效應(yīng)（ Memory effect） 鎳鎘 充電 電池使用過(guò)程中，如果電量沒(méi)有全部放完就開(kāi)始充電，下次再放電時(shí)，就不能放出全部電量 ，這一現(xiàn)象稱為 記憶效應(yīng) 。 鎳氫電池 也 有記憶效應(yīng) ，只是沒(méi)有 鎳鎘電池 那樣明顯。 鎳鎘電池放電 時(shí)， 開(kāi)路 電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異，大體上是 每個(gè)～ 左右 ，其 放電終止電壓 在 5 小時(shí)放電率情況下 為 ， 使用溫度范圍在 20℃ ～ 60℃，在此范圍內(nèi)可進(jìn)行 正常充 放電。其它特點(diǎn)如下： 1． 與同體積鎳鎘電池相比，容量可提高將近一倍，因此一次充電使用時(shí)間更大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 長(zhǎng) ，但價(jià)格稍高 ； 2． 兩者 電壓相同，工作壽命也大體相當(dāng)； 3． 記憶效應(yīng) 沒(méi)有 鎳鎘電池明顯 ； 4． 耐過(guò)放電 性能 與 鎳鎘電池 相 比 較差 ，這在使用時(shí)需加以注意 ； 5． 自 我 放電率 比 鎳鎘電池 大，為 25%～ 35%（月） ； 6． 內(nèi)阻為 18mΩ～ 35mΩ，比 鎳鎘電池 內(nèi)阻 （ 7mΩ～ 19mΩ） 大 ； 7．使用溫度為 0℃ ～ 50℃ [3]。 充 電曲線 鎳鎘鎳氫電池的電壓充電曲線如下 圖所示。 充 滿 電后，電池電壓開(kāi)始下降， 這一特性可以作為一種有效的檢測(cè)電池是否充滿的方法， 而且對(duì)于鎳鎘和鎳氫電池都適用 [4]。 電池充滿后，電池電壓下降的同時(shí)，多余的能量將 轉(zhuǎn)化成熱量，且電池內(nèi)部壓力增加，這時(shí)就應(yīng)停止充電或采取其它措施，比如本設(shè)計(jì) 中，電池 充滿后 采用了涓流 充電。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 充電方法 、過(guò)程 及 充電終止控制方法 根據(jù)充電曲線，下面討論一下電池的充電方法和 充電終止控制方法 。 從充電方式來(lái) 分 ，有恒流充電和脈沖充電 之分 。 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， 的為快充， 的為超快速充電，≤ 的則是涓流充電。由此可見(jiàn)，快充還是慢充是個(gè)相對(duì)的概念，和電池本身的容量有極大的 關(guān)系 。 不過(guò) 快充傷害電池 的原因并不 是很多人所想的“大電流充電傷害電池”。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。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)。到了用較大電流快速 充電的問(wèn)題上，再使用恒流方式， 便 無(wú)法避免電池過(guò)熱的問(wèn)題，因此恒流的方法就被摒棄 ， 取而代之的是脈沖方式 。波峰時(shí)，電流最大，然后馬上進(jìn)入波谷，幾乎沒(méi)有電流?，F(xiàn)在市場(chǎng)上 很多 快速充電器，基本都采用這個(gè)方法。 采用脈沖方式來(lái)制作快速充電器是不錯(cuò)的解決方法，但對(duì)于 某 些 特殊 的要求，比如 1 小時(shí)快速充電器，這時(shí)要采用大于 1C 的超高速充電電流來(lái)進(jìn)行充電，脈沖大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 法就力不從心了。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在脈沖法的基礎(chǔ)上，當(dāng)一個(gè) 方 波的上半部完成后，插入一個(gè)短暫的 負(fù)電流 方 波，來(lái)抵消過(guò)大的電流產(chǎn)生巨大熱量，從而將電池?zé)崃靠刂?在一定范圍之內(nèi) ， 同時(shí)避免電解液中出現(xiàn)結(jié)晶 。另外，在充電脈沖和放電脈沖之間 均 要求插入一段停 止 充 電的 階段，以保證電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行。 相比較而言 ，從電池使用壽命 的 角度來(lái)看，慢速恒流充電無(wú)疑是 保證電池壽命最好的方法。這也是 快速充電器十分流行的原因。 充電過(guò)程 充電 過(guò)程 一般分為四個(gè)階段： 預(yù)充電 ， 快速充電 ， 補(bǔ)足充電 ， 涓流充電 。 2． 快速充電 ： 如前面所述， 這 是主要的充電階段 。 4． 涓流充電 ： 當(dāng) 充電電流小于 時(shí)，我們稱 之 為涓流充電 ， 也稱為維護(hù)充電 ， 在 此 狀態(tài)下 ， 充電器將以某一充電速率給電池 充電 ， 使電池總處于 充滿 電放電脈沖 倍放電脈沖寬度 15－ 20 倍放電時(shí)間 充電脈沖 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 狀態(tài) 。 正常充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)換成電池化學(xué)能，電池電壓上升。 為了保證電池 充滿 電又不過(guò)充電，可以采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制 等 多種方法 [5]。 但 由于電 池的起始充電狀態(tài)不完全相同 ， 有的電池 充不滿 ， 有的電池過(guò)充 ， 所以 只有充電速率小于 時(shí) ， 才允許采用這種方法 。 2． 電壓控制 ： 主要分為以下三種： （ 1） 最高電壓 （ Vmax） 控制 ： 此種方法根據(jù)電池 峰值電壓，設(shè)置充電器的最高電壓 ， 當(dāng)電池達(dá)到設(shè)置的電壓時(shí)，判斷電路就會(huì) 認(rèn) 為 已經(jīng) 充滿 ，從 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。 不過(guò) 實(shí)現(xiàn)這種方式電路簡(jiǎn)單、成本低，所以一般的 智能充電器都是使用這種判斷方式。 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì) 電壓無(wú)關(guān) ， 而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響 ， 因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池 是否 充滿 。 此外 ， 從充電曲線看， 鎳氫 電池 充滿 電后 ，電池電壓要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間 ， 才出現(xiàn)負(fù)增量 ， 用這種方法 過(guò)充電較嚴(yán)重 。 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。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 3） 電壓零增量 （ 0ΔV） 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 0ΔV 控制方法 。 為此目前大多數(shù) 鎳氫 電池快速充電器都采用高靈敏 ΔV 檢測(cè) ， 當(dāng)電池電壓略有降低時(shí) ， 立即停止快速充電 。 3． 溫度 控制 ： 為了避免損壞電池 ， 電池溫度過(guò)低時(shí)不能開(kāi)始快速充電 ， 電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后 ， 必須立即停止快速充電 。 （ 2） 溫度變化率 （ ΔT/Δt） 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 ΔT/Δt 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 。 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。 其 主要 組成 部分 如下圖 所 示。電壓數(shù)字量的運(yùn)算比較、電路工作狀態(tài)的判斷與指示、快速充電放電與涓流充電的選擇以及負(fù)壓的檢測(cè)等等都是在 單片機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)的。 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用 8 位 中 央處理器和 Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。它的工作頻率為 0Hz～ 24MHz，支持 降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作 ，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 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 并支持兩種可選的節(jié)電工作模式 （低功耗空閑和掉電模式）， 空閑 方 式 下 停止 CPU的工作，但允許 RAM、 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 、 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89C2051 還具有兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，使用者可以根據(jù)需要對(duì)程序進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的目的。 AT89C2051 內(nèi)部資源主要有： 2k字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，15 個(gè) I/O 口線 （ 其中 P1 是一個(gè)完整的 8 位雙向 I/O 口 ） ，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一 個(gè)全雙工串行通信口 （可編程串行 UART 通道） ，精密 模擬 比較器 ， 片內(nèi)振蕩器 以及 時(shí)鐘電路。 圖 AT89C2051引腳圖 AT89C2051I/O 口功能說(shuō)明： 1． 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。當(dāng) P1 口引腳寫(xiě)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） 。 沒(méi)有引出管腳，它作為一個(gè)通用 I/O 口但不可訪問(wèn)，可作為片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)， P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口由于上拉電阻的存在而輸出電流（ IIL） 。 表 31 P3口引腳功能 引腳 功能特性 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0＿＿＿＿ （外中斷 0） INT1＿＿＿＿ （外中斷 1） T0（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0外部輸入） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1外部輸入） 充放電電路 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 。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。而涓流充電部分由于電流較小，因此只用了一個(gè)三極管 V7。設(shè) V3與 V4構(gòu)成的 復(fù)合管放大倍數(shù)為 5000，可得 V3基極電流為， V3飽和時(shí)，其 BE極間壓降為 ， R12兩端電壓應(yīng)為 =，計(jì)算得 R12為 。和計(jì)算 R12方法一樣，得到 R14為 。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 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 inD IS C S M A L C H A R 圖 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。 為了使 A/D 轉(zhuǎn)換 有一個(gè)基準(zhǔn)電壓， 同時(shí)為 差動(dòng)比例運(yùn)算放大器 反相端提供一個(gè)恒定電壓，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)恒壓源。 為了對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換提供 基準(zhǔn)電壓 ，電路中還要對(duì)兩 路不同輸入信號(hào)進(jìn)行選擇，這就需要一個(gè)多 路開(kāi)關(guān)，本設(shè)計(jì)選用了模擬開(kāi)關(guān) CD4051 構(gòu)成這個(gè)多 路開(kāi)關(guān)。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。 它具有如下的性能特點(diǎn)： 。 （約 1MHz） 。1 .5V～ 177。 ，適合于電池供電 。 流 。 ，等于電源電壓范圍 。 圖 LM358引腳圖 TL431 簡(jiǎn)介 德州儀器公司（ TI）生產(chǎn)的 TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。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 [7]。 3 個(gè)引腳分別為：陰極（ CATHODE）、陽(yáng)極（ ANODE）和參考端（ REF）。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng) REF 端（同相端）的電壓非常接近 VI（ ）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過(guò)三極管的電流 可以在 1mA～ 100mA 的范圍內(nèi) 變化 [8]。 （ 2） 電壓參考端 （ REF） 誤差： 25℃ 時(shí)典型值為 177。 （ 3） 低動(dòng)態(tài)輸入阻抗，典型值為 。 （ 5） 典型值為 50ppm/℃ 的等效全范圍溫度系數(shù) 。 （ 7） 低輸出噪聲電壓 。如圖 所示的電路，當(dāng) R1 和 R2 的阻值確定時(shí)，兩者對(duì) Vout 的分 壓引入反饋，若 Vout 增大，反饋量增大， TL431 的分流也就增加，從而又導(dǎo)致 Vout 下降。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