電池充電器的課程設(shè)計(jì)報(bào)告

-.z.3V充電器的課程設(shè)計(jì)序言社會(huì)信息化進(jìn)程的加快對(duì)電力、信息系統(tǒng)的平安穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。在人們的生產(chǎn)、生活中，各種電氣、電子設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)、控制、信息等重要數(shù)據(jù)都要由電子信息系統(tǒng)來(lái)處理和存儲(chǔ)。而各種用電設(shè)備都離不開可靠的電源，如果在工作中間電源中斷，人們的生產(chǎn)和生活都將受到不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于由交流供電的用電設(shè)備，為了防止出現(xiàn)上述不利情況，必須設(shè)計(jì)一種電源系統(tǒng)，它能不連續(xù)地為人們的生產(chǎn)和生活提供以平安和操作為目的可靠的備用電源。為此，以平安和操作為目的的備用電源設(shè)備上都使用充電電池。這樣，即使電力網(wǎng)停電，也可利用由充電電池構(gòu)成的平安和操作備用電源，沉著地采用其他應(yīng)急手段，防止重大損失的發(fā)生。而對(duì)于采用充電電池供電的用電設(shè)備，從生產(chǎn)、信息、供電平安角度來(lái)說(shuō)，充電電池在系統(tǒng)中處于及其重要的地位。特別是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。基于這些特性，所以鎳氫電池得到了迅速的開展和廣泛的應(yīng)用。鎳氫電池充電器是為鎳氫充電電池補(bǔ)充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)用電系統(tǒng)的平安性和可靠性指標(biāo)。本論文從鎳氫電池技術(shù)特性、充電技術(shù)、充電器電路構(gòu)造、充電器典型電路和電池保護(hù)等方面，多角度地闡述了充電技術(shù)開展和應(yīng)用。由于時(shí)間倉(cāng)促以及本人水平有限，論文中難免存在疏漏之處，敬請(qǐng)教師批評(píng)指正。第1章緒論1.1課題研究的背景電池是一種化學(xué)電源，是通過(guò)能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。二次電池是可屢次反復(fù)使用的電池，它又稱為可充電池或蓄電池。當(dāng)對(duì)二次電池充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實(shí)現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過(guò)程。對(duì)于二次電池，其性能參數(shù)很多，主要有以下4個(gè)指標(biāo)：①工作電壓：電池放電曲線上的平臺(tái)電壓。②電池容量：常用單位為安時(shí)(Ah)和毫安時(shí)(mAh)。③工作溫區(qū)：電池正常放電的溫度范圍。④電池正常工作的充、放電次數(shù)。二次電池的性能可由電池特性曲線表示，這些特性曲線包括充電曲線、放電曲線、充放電循環(huán)曲線、溫度曲線等。二次電池的平安性可用特性的平安檢測(cè)方式進(jìn)展評(píng)估。二次電池能夠反復(fù)使用，符合經(jīng)濟(jì)使用原則。對(duì)于市場(chǎng)上二次電池的種類，大致分為：鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li–ion)電池。1.二次電池的性能比較鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較見表1-1。表1-1鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較電池類型工作電壓(V)重量比能量(Wh/kg)體積比能量(Wh/L)循環(huán)次數(shù)記憶效應(yīng)自放電率(%/月)鉛酸電池2.0——400～600無(wú)3鎳鎘電池1.250150400～500有15～30鎳氫電池1.260～80240～300＞500無(wú)25～35鋰離子電池3.6120～140300＞1000無(wú)2～52.鎳氫電池、鎳鎘電池與鋰離子電池之間的差異(1)重量方面以每一個(gè)單元電池的電壓來(lái)看，鎳氫電池與鎳鎘電池都是1.2V，而鋰離子電池為3.6V，鋰離子電池的電壓是鎳氫、鎳鎘電池的3倍。并且，同型電池的重量鋰離子電池與鎘鎳電池幾乎相等，而鎳氫電池卻比較重。但鋰離子電池因端電壓為3.6V，在輸出同電池的情況下，單個(gè)電池組合時(shí)數(shù)目可減少2/3從而使成型后的電池組重量和體積都減小。(2)記憶效應(yīng)鎳氫電池與鎳鎘電池不同，它沒有記憶效應(yīng)。對(duì)于鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，定期的放電管理是必需的。這種定期放電管理屬于模糊狀態(tài)下的被動(dòng)管理，甚至是在鎳鎘電池荷電量不確切的情況下進(jìn)展放電(每次放電或者使用幾次后進(jìn)展放電都因生產(chǎn)廠的不同有所差異)，這種煩瑣的放電管理在使用鎳鎘電池時(shí)是無(wú)法防止的。相對(duì)而言，鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，在使用時(shí)非常方便，完全不用考慮二次電池剩余電壓的多少，可直接進(jìn)展充電，充電時(shí)間自然可以縮短。記憶效應(yīng)一般認(rèn)為是長(zhǎng)期不正確的充電導(dǎo)致的，它可以使電池早衰，使電池?zé)o法進(jìn)展有效的充電，出現(xiàn)一充就滿、一放就完的現(xiàn)象。防止電池出現(xiàn)記憶效應(yīng)的方法是，嚴(yán)格遵循"充足放光〞的原則，即在充電前最好將電池內(nèi)剩余的電量放光，充電時(shí)要一次充足。通常鎳鎘電池容易出現(xiàn)記憶效應(yīng)，所以充電時(shí)要特別注意；鎳氫電池理論上沒有記憶效應(yīng)，但使用中最好也遵循"充足放光〞的原則，這也就是很多充電器提供放電附加功能的原因。對(duì)于由于記憶效應(yīng)而引起容量下降的電池，可以通過(guò)一次充足再一次性放光的方法反復(fù)數(shù)次，大局部電池都可以得到修復(fù)。(3)自放電率鎳鎘電池為15%～30%月，鎳氫電池為25%～35%月，鋰離子電池為2%～5%。鎳氫電池的自放電率最大，而鋰離子電池的自放電率最小。(4)充電方式鎳氫電池和鎳鎘電池最常用的簡(jiǎn)單充電方法是10%C恒流充電，又被稱為"慢充〞，即按照電池容量的10%確定充電電流。雖然建議使用恒流充電，但要求并不嚴(yán)格，電流允許有較大的波動(dòng)，所以按照此方法制作的充電器構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，一般只需要采用變壓器為220V市電轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碗妷?，采用整流二極管整流，電容器采用限流電阻限流并配以發(fā)光二極管等指示裝置，本錢較低。"慢充〞雖然比較簡(jiǎn)單，但是充一次電要等待10多個(gè)小時(shí)，為此，電池生產(chǎn)廠商也允許用戶在急需時(shí)用30%C的電流給電池充電4～5h，稱之為"快充〞。鎳氫電池都無(wú)耐過(guò)充電特性。因此，鎳氫電池應(yīng)采用定電流充電方式，在鎳氫電池端電壓到達(dá)要求值時(shí)應(yīng)停頓充電。1.2鎳氫電池的簡(jiǎn)述鎳氫電池的正極板材料為氫氧化鎳(NiOOH)，負(fù)極板材料為高能儲(chǔ)氫合金，電解液通常用30%的KOH的水溶液并參加少量的NiOH，隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。鎳氫電池的外形有圓柱形和方形兩種。鎳氫電池的正極與鎳鎘電池根本一樣，由于負(fù)極采用了高能儲(chǔ)氫合金材料，鎳氫電池具有更大的能量。因鎳氫電池在電化學(xué)特性方面與鎳鎘電池也根本一樣，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)展任何改造。鎳氫電池具有較好的低溫放電特性，即使在－20℃環(huán)境溫度下采用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能到達(dá)標(biāo)稱容量的85%以上。但是，鎳氫電池在高溫(+401.鎳氫電池的特點(diǎn)單體鎳氫電池的構(gòu)造是密封圓柱形，標(biāo)稱電壓為1.2V，它主要有以下特點(diǎn)：(1)容量大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，好的能到達(dá)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。(2)無(wú)"記憶效應(yīng)〞"記憶效應(yīng)〞是指電池在使用過(guò)程中，由于沒有完全放電就進(jìn)展充電，造成電池負(fù)極板上產(chǎn)生不正常的氧化物導(dǎo)致，它對(duì)電池電壓有抑制作用，表現(xiàn)為電池充電很足，但放電時(shí)，電壓驟減，致使電池使用壽命縮短。鎳氫電池?zé)o"記憶效應(yīng)〞，但在使用過(guò)程中，有自放電現(xiàn)象。正常使用情況下，其電量的流失量為每天1％～3％，充滿電的鎳氫電池，放置幾星期后再使用，就必須重新充電。由于鎳氫電池?zé)o"記憶效應(yīng)〞，所以在開場(chǎng)為它充電前不需做放電處理，可以隨用隨充，在任一點(diǎn)充電。(3)耐過(guò)充電、過(guò)放電能力強(qiáng)鎳氫電池充電、放電比較隨便，即使過(guò)充電也不會(huì)造成電池永久性損傷，電池放電到0V以后再充電，仍然能夠恢復(fù)鎳氫電池的容量。(4)無(wú)污染由于鎳氫電池含鎘成分極微，甚至不含鎘成分，不會(huì)污染環(huán)境，所以鎳氫電池也叫環(huán)保電池或"綠色電池〞?，F(xiàn)有很多國(guó)家都投巨資興建鎳氫電池生產(chǎn)線。(5)資源豐富鎳氫電池所用的儲(chǔ)氫合金是從稀土中提煉出來(lái)的，而我國(guó)是稀土資源大國(guó)，約占全球總儲(chǔ)存量的80％，所以我國(guó)開展鎳氫電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。(6)壽命長(zhǎng)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0.鎳氫電池在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題:(1)鎳氫電池在充電后期會(huì)產(chǎn)生大量的氧氣，負(fù)極MH電極的吸氧過(guò)程是放熱過(guò)程。在形成的高溫環(huán)境下，將加速負(fù)極儲(chǔ)氫合金氧化，失去局部?jī)?chǔ)氫能力，并使電池內(nèi)壓增加。容量越大、充電電流越大，問(wèn)題越突出。(2)鎳氫電池充入容量會(huì)隨著充放電循環(huán)周期增加而減少，電池內(nèi)阻也隨著增加，并且充電后期出現(xiàn)－△V的時(shí)間提前。(3)對(duì)于長(zhǎng)期備用的鎳氫電池有必要提高電荷保持能力，減少自放電。目前鎳氫電池的自放電損失在25%左右(28天)，國(guó)外有小于15%的報(bào)道。充電技術(shù)是影響密封鎳氫電池壽命和使用性能的最大原因，其中充電過(guò)程中的充電電流選定、內(nèi)壓力、溫度三個(gè)方面問(wèn)題對(duì)電池使用性能和使用壽命的影響最大。充分研究鎳氫電池的充放電特性，尋找有效的充電及電池智能化的管理途徑，有助于延長(zhǎng)鎳氫電池的使用性能和使用壽命，提高相關(guān)設(shè)備的工作可靠性。1.3課題研究的內(nèi)容1.3本課題研究的對(duì)象主要是鎳氫電池的充電原理和充電控制。鎳氫電池的充電設(shè)備需要解決的問(wèn)題有:(1)能進(jìn)展充電前處理，包括電池充電狀態(tài)鑒定、預(yù)處理。(2)解決充電時(shí)間長(zhǎng)、充電效率低的問(wèn)題。(3)改善充電控制不合理，而造成過(guò)充、欠充等問(wèn)題，提高電池的使用性能和使用壽命。(4)增加自動(dòng)化管理設(shè)置，減輕充電過(guò)程的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)時(shí)間，從而使充電器具有更高的可靠性、更大的靈活性，且本錢低。本課題研究的意義在于：(1)充分研究鎳氫電池的充放電特性，尋找有效的充電及電池管理途徑。(2)使充電設(shè)備具有完善的自診斷功能和適時(shí)處理功能。1.3.2課題研究的主要工作本文主要研究鎳氫電池的充電方法，在此根底上進(jìn)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)充電控制方法測(cè)試驗(yàn)證。具體構(gòu)造如下:第一章緒論。首先介紹了課題研究的背景，再介紹了鎳氫電池的特點(diǎn)和在應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題及課題研究的意義和主要工作，這是該論文的設(shè)計(jì)根底。第二章鎳氫電池的原理及充放電特性。主要分析了鎳氫電池的工作原理、電化學(xué)原理和充放電特性，講述了影響鎳氫電池性能的因素和鎳氫電池充放電過(guò)程中的本卷須知。這些簡(jiǎn)單的介紹能更好的理解和掌握鎳氫電池的根本概念。第三章電池的充電方法與充電控制技術(shù)。主要介紹了電池的充電方法和鎳氫電池的快速充電終止控制方法，確保在充電控制過(guò)程中不過(guò)充、不損壞電池。第四章鎳氫電池充電器電路設(shè)計(jì)。對(duì)MA*846A和MA*712兩種控制芯片進(jìn)展介紹和比較。在此根底之上，對(duì)該電路的充電控制芯片進(jìn)展選擇、介紹與分析，設(shè)計(jì)出鎳氫電池快速充電器電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳氫電池的充電。第2章鎳氫電池的工作原理及充放電特性2.1鎳氫電池的工作原理和電化學(xué)原理2.1.1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)。A金屬控制著氫的吸藏量，而B金屬控制著吸放氫氣的可逆性。按照合金的晶體構(gòu)造，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。AB5型儲(chǔ)氫合金主要由鑭系元素和鎳組成，同時(shí)少量添加Al、Mn、Co等。目前在鎳氫電池中實(shí)際應(yīng)用的主要是稀土系A(chǔ)B5型合金。鎳氫電池電極材料的主要技術(shù)要求有：1)耐氧化性大，在濃堿電解液中化學(xué)穩(wěn)定性好。2)在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較大的電化學(xué)容量。3)催化活性高，電極反響的可逆性好。4)隨著吸放氫循環(huán)產(chǎn)生的劣化少。5)初期活化的次數(shù)少。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。2.1.2鎳氫電池充放電時(shí)的電化學(xué)原理鎳氫電池正極是粘在基板上的NiOOH/Ni(OH)2，NiOOH是放電時(shí)的活性物質(zhì)，Ni(OH)2是充電時(shí)的活性物質(zhì)，兩者在充放電循環(huán)中相互轉(zhuǎn)化。鎳氫電池的負(fù)極是高能儲(chǔ)氫合金，既是貯氫材料又是負(fù)極材料，負(fù)極活性物質(zhì)是氫氣。在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單格電池。電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，并添加少量氫氧化鎳溶液。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反響。鎳氫電池充電時(shí)的電化學(xué)反響為:正極負(fù)極總反響鎳氫電池放電時(shí)的電化學(xué)反響為:正極負(fù)極總反響從化學(xué)反響方程式可以看出：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。鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)的電化學(xué)反響如下：正極負(fù)極總反響再化合從鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)的電化學(xué)方程式可以看出，鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氧氣能夠隨時(shí)擴(kuò)散到氫電極外表，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。鎳氫電池過(guò)量放電時(shí)的電化學(xué)應(yīng)如下：正極負(fù)極過(guò)放電時(shí)，正極上會(huì)發(fā)生電解反響也釋放出氫氣。鎳氫電池的反響與鎳鎘電池相似，只是負(fù)極充放電過(guò)程中生成物不同。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并參加少量的NiOH，隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。2.2鎳氫電池的充放電特性2.2.1鎳氫電池的特性(1)特性曲線鎳氫電池在不同充電速率下的充電特性曲線如圖2-1所示。圖2-1鎳氫電池在不同充電速率下的充電特性曲線鎳氫電池在不同溫度下的1C放電特性曲線如圖2-2所示。圖2-2鎳氫電池在不同溫度下的1C放電特性曲線圖2-3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2-4所示。圖2-4鎳氫電池在不同儲(chǔ)存溫度下的保存電量特性曲線鎳氫電池的循環(huán)壽命曲線如圖2-5所示。圖2-5鎳氫電池的循環(huán)壽命曲線(2)鎳氫電池的使用壽命①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。假設(shè)鎳氫電池在正確充電后的工作期間端電壓明顯下降，說(shuō)明該鎳氫電池已經(jīng)超出使用壽命。在鎳氫電池壽命末期可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻升高或內(nèi)部短路現(xiàn)象。鎳氫電池在壽命末期充電將出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，采用的充電器應(yīng)具有平安保護(hù)電路。②長(zhǎng)期使用的壽命。由于鎳氫電池是利用內(nèi)部化學(xué)反響的化學(xué)電源，所以鎳氫電池性能的衰減不但與使用情況有關(guān)，而且與長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程有關(guān)。通常，一只鎳氫電池的在沒有過(guò)充電或放電的正常使用情況下壽命應(yīng)能持續(xù)兩年(或可循環(huán)充放電500次)。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)鎳氫電池的儲(chǔ)存鎳氫電池在儲(chǔ)存時(shí)注意以下事項(xiàng)：①短期儲(chǔ)存。鎳氫電池應(yīng)該儲(chǔ)存在枯燥、低溫度、沒有腐蝕性氣體和溫度在－20℃～45℃之間的地方。當(dāng)鎳氫電池儲(chǔ)存在高濕度、溫度低于－20℃或高于②長(zhǎng)期儲(chǔ)存。長(zhǎng)期儲(chǔ)存會(huì)加速鎳氫電池的自放電和降低反響活性，10℃～30℃(4)鎳氫電池使用中的制止事項(xiàng)①不要拆解鎳氫鎳氫電池，其內(nèi)部的強(qiáng)堿性電解液會(huì)對(duì)皮膚和衣物產(chǎn)生腐蝕作用。②不要鎳氫電池短路，短路會(huì)損壞鎳氫電池和產(chǎn)生過(guò)多熱量而引起鎳氫電池燃燒。③鎳氫電池不能接近火源，溫度過(guò)高將引起鎳氫電池爆裂。使用鎳氫電池供電的設(shè)備在水中使用時(shí)，需采取特殊的防水措施，否則鎳氫電池將失效。④不要在鎳氫電池上直接焊接任何物品，因?yàn)楹附訒r(shí)可能會(huì)鎳氫電池帽上的平安閥，從而時(shí)鎳氫電池失去原有的平安性能。⑤嚴(yán)禁對(duì)鎳氫電池反極使用，否則會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池膨脹或爆裂。⑥不要對(duì)鎳氫電池反向充電或大電流過(guò)充電，這樣會(huì)引起鎳氫電池內(nèi)部氣體快速產(chǎn)生和氣壓升高，最終導(dǎo)致鎳氫電池膨脹或爆裂。⑦給鎳氫電池充電的充電器應(yīng)采用專用充電器，使用其他或改裝的充電器給鎳氫電池充電，將引起鎳氫電池膨脹或爆裂。⑧要防止鎳氫電池安裝在密封部件中。在有些情況下，鎳氫電池很有可能會(huì)釋放出氣體(氧氣或氫氣)，這時(shí)鎳氫電池就有可能會(huì)因有火花而引起爆炸的危險(xiǎn)。⑨不要把鎳氫電池應(yīng)用在不適合鎳氫電池供電的設(shè)備上，因?yàn)椴煌氖褂脳l件將損壞鎳氫電池或用電設(shè)備。⑩要防止鎳氫電池在使用中短路。在鎳氫電池組設(shè)計(jì)過(guò)程中要設(shè)有防反極安裝措施，同時(shí)要注意產(chǎn)品構(gòu)造和與鎳氫電池接觸的端面不會(huì)使鎳氫電池短路。并且，防止新、舊電池混用，還應(yīng)防止與不同類型的電池或其他品牌的鎳氫電池混用，因?yàn)椴煌?guī)格的鎳氫電池具有不同的特性，混用會(huì)破壞鎳氫電池本身的性能或用電設(shè)備。2.2.2影響鎳氫電池性能的因素影響鎳氫電池性能的因素有很多，包括正極板和負(fù)極板的基材、儲(chǔ)氫合金的種類、活性物質(zhì)的顆粒度、添加劑的類別和數(shù)量以及制作工藝、電解液、隔膜、化成工藝等。1.正極添加CoO對(duì)電極性能的影響將鈷(Co)添加到Ni(OH)2電極中，主要目的是形成高導(dǎo)電性的CoOOH(在活化階段的充電過(guò)程中被氧化成CoOOH)，從而提高板極的導(dǎo)電性。由于次反響不可逆，因此，添加Co對(duì)電極的容量并無(wú)影響。在Ni(OH)2電極中添加Co能增加其質(zhì)子導(dǎo)電性和電子導(dǎo)電性，從而提高正極活性物質(zhì)的利用率，改善充放電性能和增大析氧過(guò)電位，從而降低充電電壓，提高充電效率。但是添加過(guò)量的Co不但會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池本錢增加，還將降低放電電位。在氫氧化鎳電極中添加10%的Co(OH)2，可降低活性物質(zhì)的擴(kuò)散電阻和增加電極放電深度。鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極質(zhì)量比容量的影響見表2-1。鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極體積比容量的影響見表2-2。表2-1鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極質(zhì)量比容量的影響Co含量(%)質(zhì)量比容量(mAh/g)02471.52613.528352897295表2-2鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極體積比容量的影響Co含量(%)體積比容量(mAh/mL)04801.549355267523不同添加劑對(duì)容電量的影響如下：外表局部氧化的CoO顯示出最好的活性，外表未經(jīng)預(yù)氧化的CoO(即S-CoO)亦有相當(dāng)活性，但由于其在空氣中不穩(wěn)定，與氧氣接觸時(shí)將發(fā)生深度氧化而使活性降低。不同氧化度的影響如下：隨著外表氧化度的加深，CoO的活性逐漸降低，但在20%以前活性下降并不明顯，氧化度超過(guò)20%時(shí)活性急劇下降。這是由于外表高價(jià)態(tài)的Co3O4太多而影響到CoO在化成時(shí)的轉(zhuǎn)變。(1)添加量對(duì)正極利用率的影響添加少量的外表未經(jīng)預(yù)氧化的CoO即可獲得較高的正極活性物質(zhì)利用率，在5Wt%～10Wt%范圍內(nèi)可獲得最正確的效果。在參加量高于10Wt%后，鎳氫電池的容量反而有所下降，這是由于添加量太高，減少了活性物質(zhì)的填充量，所以鎳氫電池的容量不可能提高，而且也將加大正極制作本錢。(2)鈷參加量對(duì)鎳氫電池大電流放電性能的影響鈷的參加對(duì)改善鎳氫電池的大電流放電性能具有很好的效果，參加量越多，大電流放電性能越好，但參加量過(guò)多，本錢也就升高的越多，而且鎳氫電池的容量會(huì)下降，適宜的比例為5Wt%～10Wt%。鈷在電活化期間，由于Co(OH)2的氧化電位比Ni(OH)2的氧化電位低，這將導(dǎo)致在Ni(OH)2轉(zhuǎn)化為NiOOH之前便形成穩(wěn)定的CoOOH，既大大降低了顆粒之間的接觸電阻，也大大提高了顆粒與基體的導(dǎo)電性。如果放電完畢后電壓不明顯低于1.0V，則CoOOH不再參與鎳氫電池后續(xù)反響，這樣負(fù)極就獲得了對(duì)應(yīng)于提供的這一總電荷的預(yù)先充電。如果隨后放電使正極的可用容量已耗盡，但由于預(yù)先充電的緣故，負(fù)極仍然有放電儲(chǔ)藏，在一定程度上可以防止鎳氫電池充電末期負(fù)極大量析氫，并保證氫氣的復(fù)合效率。鈷添加劑雖然具有以上一些優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)鎳氫電池也有不利之處，如造成微短路而使自放電速率升高，其原因是：正極中鈷化合物溶解在濃堿中形成鈷絡(luò)化合物，它遷移到隔膜中后將隔膜分子氧化，本身復(fù)原成鈷并沉積在隔膜上，同時(shí)鈷絡(luò)化合物還透過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極板，當(dāng)負(fù)極充電時(shí)復(fù)原成鈷并沉積下來(lái)。沉積在隔膜上的鈷積累到一定數(shù)量后就可以透過(guò)隔膜形成很細(xì)的"鈷橋〞，發(fā)生電子導(dǎo)電，最初造成微短路，以后開展成完全短路，從而是鎳氫電池失效。沉積在負(fù)極上的鈷即使未生成"鈷橋〞，也可能由于負(fù)極外表沉積的鈷呈尖端形，在充放電時(shí)發(fā)生尖端放電而導(dǎo)致微短路。鎳氫電池負(fù)極中錳的溶出也可導(dǎo)致微短路，而且錳的溶出會(huì)加速鈷溶出和合金氧化。這種微短路也正是鎳氫電池自放電速率上升的一個(gè)重要的原因。鎳氫電池注液后快速封口及封口后立即充電，可減少微短路發(fā)生的可能性，即先行將鈷轉(zhuǎn)化為CoOOH。2.電解液對(duì)鎳氫電池性能的影響電解液作為鎳氫電池的重要組成局部，它的組成、濃度、數(shù)量的多少以及雜質(zhì)的種類和數(shù)量都將對(duì)鎳氫電池的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它直接影響鎳氫電池的容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、內(nèi)壓等性能。鎳氫電池電解液一般采用約6mol/L的KOH水溶液，當(dāng)然電解液中也有參加少量其他成分的，但對(duì)一些雜質(zhì)的要求較高。鎳氫電池的正、負(fù)極只有在電解液中才能發(fā)生電化學(xué)反響，對(duì)于一只封口的成品鎳氫電池來(lái)說(shuō)，其中的空間是一定的。假設(shè)電解液太多，會(huì)造成封口氣室空間變小，從而使鎳氫電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)壓上升。另一方面，電解液太多會(huì)堵塞隔膜孔，阻止氧氣的傳導(dǎo)，不利于氧氣迅速?gòu)?fù)合，也會(huì)使鎳氫電池的內(nèi)壓上升并可能氧化極板，致使極板鈍化容量下降。極板不能完全浸漬到電解液中，從而使電化學(xué)反響不完全或者說(shuō)極板的*些局部不能發(fā)生電化學(xué)反響，使得鎳氫電池容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，內(nèi)阻變大，循環(huán)壽命變短。通常電解液主要使用KOH水溶液而不是NaOH溶液，其主要原因是KOH的比電導(dǎo)較NaOH高，可在KOH水溶液中參加少量LiOH以提高鎳氫電池的放電容量。電解液中的雜質(zhì)及LiOH對(duì)鎳氫電池的性能也有一定的影響。在長(zhǎng)期充放電過(guò)程中，Ni(OH)2的顆粒會(huì)逐漸變粗，使充電困難，原因是溫度過(guò)高，電解液濃度大以及有金屬雜質(zhì)存在。當(dāng)參加LiOH時(shí)，它能吸附在活性物質(zhì)顆粒周圍，防止顆粒增大，使其保持高度分散狀態(tài)。但參加的LiOH不宜過(guò)多，否則會(huì)影響電活化進(jìn)程。一般認(rèn)為鐵會(huì)降低析氧過(guò)電壓，使鎳氫電池的充電效率下降；碳酸鹽會(huì)在電極外表生成薄膜，是鎳氫電池內(nèi)阻增大；硫化物會(huì)形成樹枝狀生成物，造成鎳氫電池短路；而有機(jī)化合物卻會(huì)增加自放電效應(yīng)及發(fā)生副反響等。因此，必須控制電解液中的雜質(zhì)含量，還必須注意電解液的濃度以減少濃差電阻。鎳氫電池在儲(chǔ)存和使用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻升高、放電容量降低以及充電效率降低等現(xiàn)象，其原因有以下幾個(gè)方面：1)添加劑Co在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中會(huì)往極板的深層擴(kuò)散或者說(shuō)遷移，導(dǎo)致極板外表的Co含量降低，從而使得極板外表的接觸電阻增大，降低充電效率和析氧過(guò)電位，最終導(dǎo)致放電容量下降。2)在循環(huán)過(guò)程中極板被電解液腐蝕，導(dǎo)致極板粉末松散、脫落或者說(shuō)接觸不好，導(dǎo)致內(nèi)阻升高以及過(guò)度充放電，致使極板受到損傷。3)鎳氫電池因?yàn)檫^(guò)充電而使極板膨脹，會(huì)把隔膜中的電解液擠干和吸出由于電化學(xué)反響總是從外表開場(chǎng)進(jìn)展而后向深層開展，因此將導(dǎo)致電化學(xué)反響不完全，致使放電容量下降。另外，由于電解液的匱乏，會(huì)使內(nèi)阻升高，充電電位升高，放電電位下降。4)鎳氫電池電解液中的分在循環(huán)或儲(chǔ)存一段時(shí)間之后將以*種形式存在，如結(jié)晶水、被范德華力束縛、被氫鍵力等所束縛，而不能參與電化學(xué)反響，致使電化學(xué)過(guò)程中離子傳導(dǎo)困難，內(nèi)阻升高，充電電位升高，放電電位下降，最終導(dǎo)致放電容量下降。5)鎳氫電池在循環(huán)或儲(chǔ)存中，電解液被重新分配、擴(kuò)散和滲透到極板的深層中去，致使電極外表的電解液量下降，而電化學(xué)反響總是從外表開場(chǎng)進(jìn)展而后再向深層開展，因此，將導(dǎo)致電化學(xué)反響不完全，從而導(dǎo)致放電容量下降。6)鎳氫電池在使用過(guò)程中過(guò)度充放電，將使氫氣、氧氣在析出的同時(shí)帶出電解液，從而使得電解液干涸。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)存和使用過(guò)的鎳氫電池進(jìn)展解體研究發(fā)現(xiàn)，鎳氫帶年齒內(nèi)部的極板和隔膜紙不濕潤(rùn)，電解液有明顯干涸，這是上述一個(gè)或幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果。3.隔膜對(duì)鎳氫電池性能的影響隔膜作為鎳氫電池的正、負(fù)極之間的隔離板，首先必須具備良好的電絕緣性能，其次由于它在電解液中處于浸濕狀態(tài)，必須具備良好的耐堿性，并且要有良好的透氣性等。因此，應(yīng)中選用在較寬溫度范圍(－55℃～85℃隔膜性能的好壞在很大程度上將影響鎳氫電池徹底循環(huán)壽命和自放電速率。隔膜在循環(huán)過(guò)程中逐漸干涸是鎳氫電池早期性能衰退的主要原因。隔膜的吸堿量、保液能力和透氣性是影響鎳氫電池的循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素。隔膜的親水性可保證良好的吸堿量和保液能力，而憎水性可提高隔膜的透氣性。鎳氫電池隔膜干涸與以下因素有關(guān)：1)隔膜本身性能發(fā)生變化，如吸液速度和保液能力變差。2)極板在充放電過(guò)程中發(fā)生膨脹，將隔膜中的電解液擠出和吸出。3)電極外表活性和氣體復(fù)合能力變差，使得鎳氫電池過(guò)充電時(shí)在正極產(chǎn)生的氧氣未能快速?gòu)?fù)合掉，造成鎳氫電池內(nèi)壓升高，到達(dá)一定壓力后氧氣將從平安閥析出造成電解液損失。而鎳氫電池的自放電速率也與隔膜性能有關(guān)，鎳氫電池中鎳電極的活性物質(zhì)與氧氣發(fā)生反響是鎳氫電池自放電的主要原因。因化學(xué)反響式2NiOOH+H2→2Ni(OH)2中的氫氣是由于過(guò)充電靜置后儲(chǔ)氫合金釋放出其中的局部氫原子復(fù)合而成的，因此需要隔膜板有較好的透氣性，此處的透氣性并不是指對(duì)氣體的透氣性，而是指能對(duì)帶氫或氧原子的離子透氣性。鎳氫電池不過(guò)充電可降低漏電率，目前鎳氫電池充報(bào)后靜置30天時(shí)電池容量荷電率可超過(guò)70%。隔膜紙除了以上所述的條件外，還應(yīng)當(dāng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，以保證鎳氫電池在卷繞和極板膨脹時(shí)不至于斷裂。目前，鎳氫電池生產(chǎn)企業(yè)采用PP材質(zhì)的隔膜紙?zhí)娲猃埐馁|(zhì)的隔膜紙。4.熱量和電活化對(duì)鎳氫電池性能的影響采用封口化成工藝的鎳氫電池在活化初期及大倍率充電時(shí)內(nèi)壓過(guò)高，造成漏液爬堿，容量下降，壽命縮短，平安性能變差，而且化成時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)封口的鎳氫電池進(jìn)展熱處理(即熱活化)，可以對(duì)其性能進(jìn)展改善，尤其是對(duì)內(nèi)壓的改善。其本質(zhì)原因是：1)熱處理過(guò)程中，負(fù)極中的儲(chǔ)氫合金外表在強(qiáng)堿性電解液的作用下，較快地偏析出大量的鎳原子族而形成復(fù)鎳層，鎳原子族均勻地分散在其他疏松的金屬氧化物、氫氧化物或其水合物中，在鎳原子族的催化作用下，過(guò)充電時(shí)正極所產(chǎn)生的氧擴(kuò)散到負(fù)極外表，并與儲(chǔ)氫合金中的氫反響，重新化合成水，從而改善儲(chǔ)氫合金的消氧機(jī)能，降低鎳氫電池內(nèi)壓。另外，熱處理時(shí)可降低電解液的外表張力，促成電解液的均勻分布，有利于電化學(xué)反響的均勻進(jìn)展。2)熱活化的時(shí)間、溫度不同，對(duì)鎳氫電池性能的影響也不同。時(shí)間太短，則達(dá)不到預(yù)期效果；時(shí)間太長(zhǎng)，則浪費(fèi)時(shí)間，效率太低。溫度太低，則反響速度過(guò)慢；溫度太高，可能會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池短路、極板膨脹厲害，影響鎳氫電池性能。一般溫度以50℃～803)在電活化過(guò)程初期，首先發(fā)生的反響是，此反響為不可逆反響，由此使得正極板的導(dǎo)電性大大增強(qiáng)，從而降低鎳氫電池的內(nèi)阻和充電電壓，提高充電效率和放電容量。因此，可以讓負(fù)極預(yù)先充電，具有充電儲(chǔ)藏。而后期的電活化只是對(duì)電極進(jìn)展充放電，即在Ni(OH)2與NiOOH之間來(lái)回轉(zhuǎn)化。通過(guò)這種來(lái)回轉(zhuǎn)化(晶體轉(zhuǎn)換)，在極板外表不斷產(chǎn)生新鮮外表，使得電化學(xué)反響不斷進(jìn)展下去。在后期的電活化中，只要鎳氫電池不低于0.8V，鈷就不參與反響。為提高化成效率，一般以3個(gè)充放電循環(huán)為好，充放電電流應(yīng)由小逐漸變大。2.2.3鎳氫電池充電、放電過(guò)程中的本卷須知1.在鎳氫電池充電過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1)充電溫度。鎳氫電池應(yīng)在0℃～40℃的環(huán)境溫度下進(jìn)展充電，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。在低于2)反向充電。對(duì)鎳氫電池進(jìn)展反向充電會(huì)引起鎳氫電池內(nèi)部氣體急劇上升，這會(huì)促使鎳氫電池排氣閥啟動(dòng)釋放堿性電解液，從而導(dǎo)致鎳氫電池性能快速下降，還會(huì)出現(xiàn)鎳氫電池膨脹和破裂的現(xiàn)象。3)過(guò)充電。應(yīng)防止鎳氫電池過(guò)充電，反復(fù)的過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池性能下降(過(guò)充電是指對(duì)已經(jīng)充滿電的鎳氫電池再繼續(xù)充電)。4)快速充電。當(dāng)對(duì)鎳氫電池進(jìn)展快速充電時(shí)，必須使用特定的充電器，并且按照正確的程序進(jìn)展。5)涓流充電(連續(xù)充電)。在對(duì)鎳氫電池快速充電后可以用0.033CmA～0.05CmA的涓流進(jìn)展補(bǔ)充充電，同時(shí)要防止用涓流方式過(guò)充，這樣會(huì)損壞鎳氫電池的特性，應(yīng)使用定時(shí)器來(lái)控制充電時(shí)間。涓流充電的單位"CmA〞是一個(gè)指明電流大小和表示鎳氫電池額定容量的值，"C〞是鎳氫電池的額定容量。2.在鎳氫電池放電過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1)放電溫度。鎳氫電池的放電應(yīng)在－10℃～45℃的環(huán)境溫度下進(jìn)展，放電電流的大小將影響鎳氫電池的放電效率。在0.1CmA～2CmA范圍內(nèi)，鎳氫電池的放電效率比較理想。在溫度低于－10℃2)過(guò)放電(深度放電)。由于過(guò)放電會(huì)損壞鎳氫電池的特性，所以在使用中應(yīng)防止鎳氫電池過(guò)放電，同時(shí)要防止鎳氫電池長(zhǎng)期與用電設(shè)備連接，在運(yùn)輸過(guò)程中不要將鎳氫電池放入用電設(shè)備中一起運(yùn)輸。3)高倍率放電。高倍率放電會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池產(chǎn)生過(guò)量的熱量和降低放電效率。第3章電池的充電方法與充電控制技術(shù)3.1電池的充電方法和充電器3.1.恒流充電(1)恒流充電充電器的交流電源電壓通常會(huì)波動(dòng)，充電時(shí)需采用一個(gè)直流恒流電源(充電器)。當(dāng)采用恒流充電時(shí)，可使電池具有較高的充電效率，可方便地根據(jù)充電時(shí)間來(lái)決定充電是否終止，也可改變電池的數(shù)目。恒流電源充電電路如圖3-1所示。圖3-1恒流電源充電電路(2)準(zhǔn)恒流充電準(zhǔn)恒流充電電路如圖3-2所示。在此種電路中，通過(guò)直流電源和電池之間串聯(lián)上一個(gè)電位器，以增加電路內(nèi)阻來(lái)產(chǎn)生恒定電流。電阻值根據(jù)充電末期的電流進(jìn)展調(diào)整，使電流不會(huì)超過(guò)電池的允許值。由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、本錢低廉，此種充電電路被廣泛應(yīng)用充電器中。圖3-2準(zhǔn)恒流充電電路2.恒壓充電恒壓充電電路如圖3-3所示。恒壓充電是指每只單體電池均以*一恒定電壓進(jìn)展充電。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)展這一充電時(shí)，電池兩端的電壓決定了充電電流。這種充電方式的充電初期電流較大，末期電流較小。充電電流會(huì)隨著電壓的波動(dòng)而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時(shí)，以免時(shí)電池過(guò)充電。另外，這種充電方式的充電末期電壓在到達(dá)峰值后會(huì)下降。電池的充電電流將變大，會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高。隨著電池溫度升高，電壓下降，將造成電池的熱失控，損害電池的性能。圖3-3恒壓充電電路3.浮充方式在浮充方式中，電池以很小的電流(C/30～C/20)進(jìn)展充電，以使電池保持在滿充狀態(tài)。浮充方式廣泛應(yīng)用于電池作為備用電源或應(yīng)急電源的電氣設(shè)備中。常規(guī)浮充方式充電電路如圖3-4所示。圖3-4浮充方式充電電路4.涓充方式電池與負(fù)載并聯(lián)，同時(shí)電池與電源(充電器)相連。正常情況下，直流電源作為負(fù)載的工作電源，并以涓充方式為電池充電，只有當(dāng)負(fù)載變得很大、直流電源端電壓低于電池端電壓或直流電源停頓供電后，電池才對(duì)負(fù)載放電。在這種方式下，充電電流由使用模式?jīng)Q定。它通常使用在緊急電源、備用電源或電子表等不允許斷電的場(chǎng)合。以下列圖3-5為涓充方式的簡(jiǎn)單示意圖。圖3-5涓流方式的簡(jiǎn)單示意圖5.分階段充電方式在分階段充電方式中，在電池充電的初始階段充電電流較大。當(dāng)電池電壓到達(dá)控制點(diǎn)時(shí)，電池轉(zhuǎn)為以涓流方式充電。分階段充電方式是電池最理想的充電方式，但缺點(diǎn)是充電電路復(fù)雜和本錢較高。另外，需增設(shè)控制點(diǎn)的電池電壓的監(jiān)測(cè)電路。分階段充電方式的簡(jiǎn)單示意圖如圖3-6所示。圖3-6分階段充電的簡(jiǎn)單示意圖6.通過(guò)太陽(yáng)能給電池充電通過(guò)太陽(yáng)能給電池充電的電路如圖3-7。它采用太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)單向二極管給電池充電，獲得較高的充電效率。假設(shè)戶外溫度變化很大，將對(duì)太陽(yáng)能充電電路的工作特性有影響，太陽(yáng)能應(yīng)設(shè)有溫度變化范圍控制電路。圖3-7通過(guò)太陽(yáng)能給電池充電的電路7.快速充電在用大電流短時(shí)間對(duì)電流充電時(shí)，需用電池電壓檢測(cè)和控制電路。該電路在電池充電末期實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓和電池溫度，并且根據(jù)檢測(cè)參數(shù)控制充電過(guò)程。(1)電池電壓檢測(cè)在大電流充電末期，檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，將大電流充電轉(zhuǎn)成小電流充電。采用小電流充電方式是為了保證電池充電容量?？刂齐娐吩O(shè)置的充電截止電壓必須比充電峰值電壓低。(2)－△V檢測(cè)電池充電過(guò)程的充電電流是通過(guò)檢測(cè)電池充電末期的電壓降來(lái)進(jìn)展控制的，－△V控制系統(tǒng)框圖如圖3-8所示。采用－△V控制系統(tǒng)的充電控制電路，當(dāng)充電峰值電壓確定后，假設(shè)－△V檢測(cè)電路檢測(cè)的電壓降到達(dá)設(shè)定值，控制電路將使大電流充電電路分?jǐn)?。電池的充電電流、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系如圖3-9所示。圖3-8－△V控制系統(tǒng)框圖圖3-9充電電池、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系(3)電池溫度檢測(cè)電池在充電末期，負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反響產(chǎn)生熱量，使電池溫度升高。由于電池溫度升高將導(dǎo)致充電電流增大，為控制充電電流，可在電池外殼上設(shè)置溫度傳感器或電阻等溫度檢測(cè)元件。當(dāng)電池溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，電池充電電路被切斷。下面即給出了電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖和電池溫度與充電時(shí)間的關(guān)系圖。圖3-10電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖圖3-11電池溫度和充電時(shí)間的關(guān)系3.1.2充電器的要求和構(gòu)造1.充電器的要求對(duì)充電器的要求是：平安，快速，省電，功能全，使用方便，價(jià)格廉價(jià)?？焖俪潆娖?1C～4C的充電器)的平安更為重要，終止快速充電的檢測(cè)方法要可靠、準(zhǔn)確，以防止過(guò)充電。另外，一些充電器集成電路還設(shè)有充電時(shí)間定時(shí)器來(lái)作為一種附加的平安措施。功能全的充電器一般具有電池電壓檢測(cè)功能。假設(shè)充電電池的電壓大于終止放電電壓，為防止"記憶效應(yīng)〞產(chǎn)生，應(yīng)先放電至終止放電電壓，然后自動(dòng)充電。先進(jìn)展快速充電，到終止快速充電時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為涓流充電，各個(gè)充、放電過(guò)程都有LED指示。功能較齊全的充電器還應(yīng)具有充電率的設(shè)定(選擇)、充電電池?cái)?shù)的設(shè)定、涓流電流大小設(shè)定、定時(shí)器時(shí)間設(shè)定、充電前電池狀態(tài)測(cè)定(判斷電池好壞及安裝是否良好)等功能，并可根據(jù)電池的溫度來(lái)選擇充電參數(shù)(電池溫度過(guò)低時(shí)不宜快充)。當(dāng)充電電流較小時(shí)可采用線性電源，充電電流較大時(shí)常采用開關(guān)電源，它既省電又解決發(fā)熱問(wèn)題，并有可能由市電直接整流經(jīng)AC／DC變換獲得低壓直流電，可省去笨重的工頻變壓器。2.充電器的構(gòu)造框圖早期的充電器是沒有處理器的,它主要由充電器集成電路及電源局部組成，其內(nèi)部構(gòu)造較復(fù)雜，引腳也較多。一般的功能較完善的充電器構(gòu)造框圖如圖3-12AA線右邊所示。圖3-12充電器構(gòu)造框圖3.2充電控制技術(shù)3.2.1快速充電器介紹快速充電器的特點(diǎn)是對(duì)充電電池采用大電流充電。常用的充電電流值為0.3～2小時(shí)率電流。小時(shí)率電流值是由公式C(Ah)/t(h)規(guī)定的，其中C代表電池額定容量，t代表時(shí)間。例如用1小時(shí)率電流對(duì)5號(hào)鎳鎘電池快速充電，根據(jù)0.5(Ah)／1(h)＝500(mA)，即采用500mA的充電電流(一般慢速充電，選用10小時(shí)率電流)。性能完善的快速充電器，其原理圖如圖3-13所示：圖3-13快速充電器原理框圖其中的主控電路有多種類型：(1)定時(shí)型對(duì)電池進(jìn)展定時(shí)充電，主控電路采用定時(shí)電路，定時(shí)時(shí)間可由充電電流決定。定時(shí)主控電路常設(shè)置不同的時(shí)間以控制不同的小時(shí)率電流對(duì)電池按時(shí)間分擋充電，使用很方便。由于定時(shí)器制作容易，所以常用它自制定時(shí)快速充電器。自制時(shí)，為了充電平安，最好選大于5小時(shí)率的電流充電。(2)電壓峰值增量△V型可充電電池(如鎳鎘電池)在充電時(shí)端電壓隨充電時(shí)間的增長(zhǎng)而上升，但充足電后端電壓開場(chǎng)下降。設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，利用該特性監(jiān)測(cè)電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降，以控制充電完畢，到達(dá)自動(dòng)充電的目的。這也稱為－△V法。由于這種控制電路比較復(fù)雜，故不適于自制。(3)其他主控電路主控電路除上述兩種以外，還有溫度監(jiān)測(cè)和脈寬調(diào)制(PWM)控制電路。溫度監(jiān)測(cè)常用熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)電池溫度高于設(shè)定值時(shí)，立即停頓快速充電，即使電池溫度下降后，充電器也不會(huì)啟開工作。只有它復(fù)位(人工或自動(dòng))后，才能啟動(dòng)再次轉(zhuǎn)人快速充電。3.2.2快速充電終止控制方法充電控制技術(shù)是充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的核心局部。根據(jù)充電電池的原理，將鎳氫電池的電壓曲線分為三段，具體見圖3-14。圖3-14鎳氫電池的充電特性由于鎳氫電池的最正確充電過(guò)程無(wú)法用單一量實(shí)現(xiàn)，在這三段應(yīng)分別采用不同的控制方式。具體為:進(jìn)入B—C段之前，電池電量己根本用完，此時(shí)采用恒定的小電流充電。當(dāng)進(jìn)入B—C段時(shí)，假設(shè)采用恒流充電，電流過(guò)大會(huì)損壞電池，電流過(guò)小使充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)電壓變化情況控制充電電流，使電池充電已滿，假設(shè)此時(shí)停頓充電，電池會(huì)自放電。為防止自放電現(xiàn)象發(fā)生，采用浮充維護(hù)充電方式，用小電流進(jìn)展涓流充電。在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)電池電壓到達(dá)飽和電壓時(shí)，恒流充電狀態(tài)終止，自動(dòng)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；恒壓充電時(shí)，保持充電電壓不變。由于電池內(nèi)阻不斷變大，導(dǎo)致充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時(shí)，終止恒壓充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電階段。電池在充滿電后，如果不及時(shí)停頓充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加速板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而縮短電池壽命、容量下降。為了保證電池充足電又不過(guò)充電，可以采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制等多種終止充電的方法。(1)定時(shí)控制該方法適用于恒流充電。采用恒流充電法時(shí)，根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易確實(shí)定所需的充電時(shí)間。充電的過(guò)程中，到達(dá)預(yù)定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，使充電器迅速停頓充電或者將充電電流迅速將至浮充維護(hù)充電電流，這樣可以防止電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過(guò)充電。這種控制方法較簡(jiǎn)單，但有其缺點(diǎn)：充電前，電池的容量無(wú)法準(zhǔn)確知道，而且電池和一些元器件的發(fā)熱使充電電能有一定的損失，實(shí)際的充電時(shí)間很難確定。而該方法充電時(shí)間是固定的，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)整，結(jié)果使有的電池可能充缺乏電，有的電池可能過(guò)充電，因此，只有充電速率小于0.3C時(shí)，才采用這種方法。(2)電池電壓控制在電壓控制法中，最容易檢測(cè)的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：最高電壓(VMA*)：從充電特性曲線可以看出，電池電壓到達(dá)最大值時(shí)，電池即充足電。充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓到達(dá)規(guī)定值后，應(yīng)立即停頓快速充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電電壓也有差異，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池己足充電。電壓負(fù)增量(－△V)：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)確地判斷電池己充足電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：①?gòu)膶掖慰焖俪潆妼?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時(shí)，由于檢測(cè)到了負(fù)增量而停頓快充；②鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間，才出現(xiàn)負(fù)增量，此時(shí)過(guò)充電較嚴(yán)重，此時(shí)電池的溫度較高，對(duì)電池有所損害。因此，這種控制方法主要適用于鎳鎘電池。電壓零增量(△V)：鎳氫電池充電器中，為了防止等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過(guò)久而損壞電池，通常采用0△V控制法。這種方法的缺點(diǎn)是：未充足電以前，電池電壓在*一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小，假設(shè)此時(shí)誤認(rèn)為0△V出現(xiàn)而停頓充電，會(huì)造成誤操作。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏0△V檢測(cè)，當(dāng)電池電壓略有降低時(shí)，立即停頓快速充電。(3)電池溫度控制為了防止損壞電池，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停頓快速充電。常用的溫度控制方法有：最高溫度(TMA*)：充電過(guò)程中，通常當(dāng)電池溫度到達(dá)40℃溫度變化率(△T/△t)：鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率△T/△t根本一樣，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1℃采用溫度控制法時(shí)，由于熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，再加上環(huán)境溫度的影響，因此，不能準(zhǔn)確的檢測(cè)電池的充足電狀態(tài)。(4)綜合控制法以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：由于存在電池個(gè)體的差異和個(gè)別的特殊電池，假設(shè)只采用一種方法，則會(huì)很難保證電池較好的充電。為了保證在任何情況下均能可靠的檢測(cè)電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時(shí)控制、溫度控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。鑒于定時(shí)控制、溫度控制、最高電壓控制等單獨(dú)作為終止條件使用的局限性，有的系統(tǒng)中鎳氫電池的充電終止也采用綜合控制法。鎳氫電池是以零增量檢測(cè)為主，時(shí)間、溫度和電壓檢測(cè)為輔的方式。系統(tǒng)在充電過(guò)程檢測(cè)有無(wú)零增量(△V)出現(xiàn)，作為判斷電池已充滿的正常標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)判斷充電時(shí)間、電池溫度及端電壓，是否已超過(guò)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值作為輔助檢測(cè)手段。當(dāng)電池電壓超過(guò)檢測(cè)門限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)有無(wú)零增量出現(xiàn)，假設(shè)出現(xiàn)△V，則認(rèn)為電池正常充滿，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)；在充電過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)一直判斷充電時(shí)間、電池溫度及端電壓是否己到達(dá)或超過(guò)了充電保護(hù)條件。假設(shè)其中有一個(gè)條件滿足，系統(tǒng)會(huì)終止現(xiàn)有充電方式，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。第4章鎳氫電池充電器電路設(shè)計(jì)4.1鎳氫電池充電控制芯片的選擇4.1.1MA*846A芯片的簡(jiǎn)單介紹1.MA*846A的引腳功能Ma*im公司生產(chǎn)的MA*846A是一種低本錢、多功能的電池充電控制器，采用16引腳的QSOP封裝形式，可對(duì)鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池進(jìn)展充電。MA*846A的引腳排列如圖4-1所示，主要引腳功能如下：DCIN：外部直流電源輸出端，3.7～20V。②VL：3.3V、20mA、1％線形調(diào)節(jié)器輸出端。圖4-1MA*846A的引腳排列圖③CC1：電流調(diào)節(jié)環(huán)補(bǔ)償端。④CCV：電壓調(diào)節(jié)環(huán)補(bǔ)償端。⑤VSET：懸浮電壓參考調(diào)整輸入端。⑥ISET：電流設(shè)置輸入及監(jiān)控端。⑦OFFV：電壓調(diào)節(jié)環(huán)制止端。⑧CELL2：編程充電電源數(shù)目端。⑨BATT：電池輸入端。⑩CS＋：電流源放大器高壓輸入端。eq\o\ac(○,11)CS－：電流源放大器低壓輸入端。eq\o\ac(○,12)DRV：外接三極管基準(zhǔn)門控輸入端。2.MA*846A的內(nèi)部構(gòu)造MA*846A多功能電池充電控制器由3.3V高精度、低壓差線性穩(wěn)壓電源以及高精度電壓基準(zhǔn)源、電壓電流調(diào)節(jié)器三局部構(gòu)成。線性穩(wěn)壓電源輸出電壓VL為基準(zhǔn)電壓的兩倍，可為外部負(fù)載提供20mA的電流。低壓差穩(wěn)壓電源有短路保護(hù)功能，PWROK(Power-OK)為微控制器提供復(fù)位信號(hào)并可控制鎳氫電池的充電電流。高精度電壓基準(zhǔn)源為鎳氫電池提供準(zhǔn)確的浮充電壓，它與一個(gè)精度為2%的20k電阻相連接，使浮充電壓可以通過(guò)一外部電阻進(jìn)展設(shè)置。外部電阻應(yīng)具有1%的精度，因?yàn)橥獠侩娮柚苯佑绊懜〕潆妷旱木?，而浮充電壓的精度直接?duì)鎳氫電池的壽命及容量產(chǎn)生影響。電壓電流調(diào)節(jié)器由高精度衰減器、電壓環(huán)路、電流環(huán)路和電流檢測(cè)放大器組成。通過(guò)對(duì)衰減器的設(shè)置使輸出電壓穩(wěn)定在一節(jié)鎳氫電池電壓或兩節(jié)鎳氫電池電壓的水平。電流檢測(cè)放大器用于檢測(cè)鎳氫電池的高端電流，它實(shí)際上是一個(gè)跨導(dǎo)放大器，可將外部限流電阻RCS兩端的電壓轉(zhuǎn)換成電流，并將此電流作用于外部負(fù)載電阻RISET的低端電壓增大或減小ISET端的電流調(diào)節(jié)充電電流。電壓和電流環(huán)路分別由連接在CCV和CCI端的外部電容進(jìn)展補(bǔ)償校正，兩個(gè)環(huán)路的輸出通過(guò)邏輯"或〞后，驅(qū)動(dòng)一只漏極開路的溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的有源負(fù)載。采用MA*846A芯片設(shè)計(jì)的充電器的外部電路，由P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管或PNP晶體管調(diào)整器件與零件構(gòu)成。4.1.2MA*712芯片的構(gòu)造特點(diǎn)與編程方法MA*712系列是Ma*im公司生產(chǎn)的快速充電管理芯片，MA*712在檢測(cè)到du/dt變?yōu)榱銜r(shí)終止快速充電模式，而MA*713是在檢測(cè)到du/dt變?yōu)樨?fù)值時(shí)終止快速充電模式。MA*712和MA*713都通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置給1～16節(jié)鎳氫電池充電，具有線性或開關(guān)模式功率控制功能。對(duì)于線性模式，在鎳氫電池充電時(shí)能同時(shí)給鎳氫電池的負(fù)載供電。MA*712能根據(jù)電壓剃度、溫度或時(shí)間截止快速充電，自動(dòng)從快速充電方式轉(zhuǎn)到涓流充電方式。不充電時(shí)，鎳氫電池上的最大漏電流僅為5mA。1.器件封裝及型號(hào)選擇圖4-2MA*712/MA*713的引腳排列方式表4-1MA*712/MA*713的引腳符號(hào)和功能引腳符號(hào)引腳功能VLIMIT設(shè)置鎳氫電池的最大電壓VLIMIF，鎳氫電池組的最大電壓Em不能超過(guò)VLIMIF×n(鎳氫電池?cái)?shù)量)，單位為V，且VLIMIF接V+時(shí)，Em=1.65nV。通常將VLIMIF端與REF端接在一起B(yǎng)ATT+鎳氫電池組正極PGM0可編程引腳PGM1可編程引腳。通過(guò)對(duì)PGM0和PGM1端電壓的設(shè)定可設(shè)置充電鎳氫電池的數(shù)量(1～16)THI溫度比較器的上限電壓控制端。當(dāng)TEMP端的電壓上升到該端電壓時(shí)，快速充電過(guò)程完畢TLO溫度比較的下限電壓控制端。充電初始，當(dāng)TEMP端的電壓低于TLO端的過(guò)程電壓時(shí)，快速充電被制止，直到TEMP端的電壓高于TLO端的電壓為止TEMP溫度傳感器輸入漏極開路的快速充電邏輯電平輸出端(負(fù)邏輯)，外接上拉電阻。在快速充電時(shí)此端為低電平，在快速充電完畢或轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)時(shí)此端變成高電平PGM2可編程引腳。通過(guò)對(duì)PGM2和PGM3端電壓的設(shè)定可設(shè)置快速充電的最大允許時(shí)間(33～264min)PGM3可編程引腳。除設(shè)定快速充電的最大允許時(shí)間外，還可設(shè)定快速充電和涓流充電的速率CC電流環(huán)路的補(bǔ)償端BATT-鎳氫電池組負(fù)極GND系統(tǒng)地DRV驅(qū)動(dòng)外部PNP管的引出端V﹢內(nèi)部+5V并聯(lián)穩(wěn)壓的引出端，該端電壓對(duì)于BATT-端為+5V，為芯片提供分路電流(5～20mA)，電源電流最小值為5mAREF內(nèi)部2.0V基準(zhǔn)電壓源的輸出端,可提供1mA的輸出電流2.MA*712的構(gòu)造圖4-3MA*712的內(nèi)部構(gòu)造框圖由圖4-3可知，MA*712的內(nèi)部電路主要包括：定時(shí)器、電壓斜率檢測(cè)器(內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換器)、+5V并聯(lián)穩(wěn)壓器、上電復(fù)位電路(R1、C0和反相器F)、控制邏輯、電流和電壓調(diào)節(jié)器(內(nèi)含電流比較器和電壓比較器)、鎳氫電池比較器、溫度比較器(過(guò)溫度比較器、欠溫度比較器)、2.0V基準(zhǔn)電壓源以及N勾道MOS場(chǎng)效應(yīng)管等。3.MA*712的主要特點(diǎn)1)采用零電壓斜率檢測(cè)技術(shù)。對(duì)1～16節(jié)串聯(lián)的鎳氫電池，能以C/3～C的速率進(jìn)展電流快速充電，也能以C/16的速率進(jìn)展涓流充電(鎳氫電池的額定電壓的額定容量Ah表示，如果*鎳氫電池的額定容量為1Ah，以1A電流充電時(shí)的充電時(shí)間為1h，則稱1C速率)。2)可編程?？梢跃幊淘O(shè)定待定充電鎳氫電池的數(shù)量(1～16節(jié))、充電時(shí)間(22～264min)以及涓流充電電流的大小。只需要改變相應(yīng)引腳的接法，即可實(shí)現(xiàn)編程。3)利用外部電阻可設(shè)定快速充電電流IFAST。4)內(nèi)部電壓斜率檢測(cè)器、溫度比較器和定時(shí)器。根據(jù)電壓斜率、鎳氫電池溫度或充電時(shí)間檢測(cè)結(jié)果，可判斷鎳氫電池是否已充好電。一旦充好，就立即從快速充電狀態(tài)自動(dòng)切換到涓流充電狀態(tài)，確保鎳氫電池不受損害。5)靜態(tài)功耗低，充電效率高，不充電時(shí)最大靜態(tài)電流僅為5uA。4.MA*712的編程方法鎳氫電池?cái)?shù)的編程方法為：將PGM0、PGM1分別接V+、REF、BATT-端或開路時(shí)，即可對(duì)充電鎳氫電池?cái)?shù)(1～16節(jié))進(jìn)展編程?？焖俪潆姇r(shí)間及涓流充電電流的編程方法為：將PGM3、PGM4分別接V+、REF、BATT-端或開路的時(shí)候，可以在22～264min之間內(nèi)設(shè)定一個(gè)充電時(shí)間TFAST，見表4-2。PGM3端還設(shè)定了從快速充電切換到涓流充電時(shí)涓流充電電流ITR的大小，(1)鎳氫電池?cái)?shù)量的設(shè)定在應(yīng)用中MA*712提供可編程引腳PGM0和PGM1，通過(guò)對(duì)PGM0和PGM1引腳采取不同的電壓連接方式即可設(shè)置待充電鎳氫電池的數(shù)量。1～16節(jié)鎳氫電池充電的設(shè)置參數(shù)如表4-2。表4-2待充電鎳氫電池?cái)?shù)量的設(shè)置電池?cái)?shù)12345678PGM0V+V+V+V+開路開路開路開路PGM1V+開路VREFBATT–V+開路VREFBATT–電池?cái)?shù)910111213141516PGM0VREFVREFVREFVREFBATT–BATT–BATT–BATT–PGM1V+開路VREFBATT–V+開路VREFBATT–實(shí)際充電鎳氫電池的數(shù)量也必須與由PGM0和PGM1引腳編程確定的數(shù)量一致，否則利用電壓剃度檢測(cè)充電功能將可能失去意義。(2)充電速率及充電時(shí)間的設(shè)定通過(guò)對(duì)PGM2和PGM3引腳的編程電壓設(shè)置，可以設(shè)定鎳氫電池的充電速率和充電時(shí)間。采取不同的電壓連接方式時(shí)最大充電時(shí)間的設(shè)定見下表4-3。表4-3最大充電時(shí)間的設(shè)定最大充電時(shí)間(min)A/D采樣時(shí)間Ta(s)電壓剃度檢測(cè)充電PGM3連接方式PGM2連接方式2221不能V+開路2221能V+REF3321不能V+V+3321能V+BATT–4542不能開路開路4542能開路REF6642不能開路V+6642能開路BATT–9084不能REF開路9084能REFREF13284不能REFV+13284能REFBATT–180168不能BATT–開路180168能BATT–REF264168不能BATT–V+264168能BATT–BATT–從上表中可以看出，對(duì)于MA*712芯片來(lái)說(shuō)，最大允許快速充電時(shí)間為264min，因此其最小充電速率將不能低于C/4?？焖俪潆婋娏鱅FAST可按以下公式計(jì)算：(4-1)式中：IFAST——快速充電電流對(duì)于MA*712芯片來(lái)說(shuō)，涓流充電速率一般為C/16，IRT與IFAST的關(guān)系見下表4-4。表4-4涓流充電電流IRT與快速充電電流IFAST的關(guān)系PGM3連接方式快速充電速率涓流充電電流(IRT)V+4CIFAST/64開路2CIFAST/32REFCIFAST/16BATT–C/2IFAST/8此外，鑒于鎳氫電池的固有特性，充電速率通常在80%左右，即當(dāng)以C/2速率充電時(shí)，理論上充電時(shí)間為2h，而實(shí)際充電時(shí)間通常為2.5h左右。4.1.3芯片的選擇與比較從上述兩種芯片的介紹可以看出，MA*712可通過(guò)簡(jiǎn)單的引腳電壓配置進(jìn)展編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電鎳氫電池?cái)?shù)量和最大充電時(shí)間的控制。MA*712內(nèi)部集成的電壓剃度檢測(cè)器、溫度比較器、定時(shí)器等控制電路，根據(jù)電壓剃度、鎳氫電池溫度或充電時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)控制充電狀態(tài)，從涓流充電轉(zhuǎn)到快速充電(低溫時(shí))，以確保鎳氫電池不受損害。充電狀態(tài)識(shí)別可由輸出的LED指示燈或接口實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)從快速充電方式轉(zhuǎn)化為涓流充電方式，低功能睡眠等特性。快速充電速率從C/4到4C可設(shè)定，涓流充電速率為C/16。通過(guò)這兩種芯片比較可知，MA*846A最典型的應(yīng)用就是作為一個(gè)獨(dú)立的限壓電流源為電池充電，而它大都運(yùn)用在鋰電池中，且多數(shù)在浮充充電中用，要實(shí)現(xiàn)快速充電相對(duì)來(lái)說(shuō)較麻煩。而利用MA*712芯片所設(shè)計(jì)電路要求采用最簡(jiǎn)單的控制方式，使得該鎳氫電池充電器能進(jìn)展定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制；具有過(guò)壓、過(guò)流、充電電池保護(hù)功能和充電時(shí)間短的特點(diǎn)。MA*712系列專用集成電路具有多種可編程功能，可實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程自動(dòng)化，充電時(shí)間短，效率高，使用靈活方便。本論文中設(shè)計(jì)的鎳氫電池快速充電器中所用的芯片選用的是MA*712快速充電管理芯片。利用MA*712芯片設(shè)計(jì)的充電器外圍電路極其簡(jiǎn)單，非常適合便攜式電子產(chǎn)品緊湊設(shè)計(jì)的需要。4.2鎳氫充電器的設(shè)計(jì)4.2.1鎳氫充電器的原理與原理圖圖4-4由MA*712構(gòu)成的鎳氫電池快速充電電路的原理圖(注：圖中引腳指引腳)1.充電器的原理充電器依據(jù)的原理就是MA*712充電管理芯片的特性，PGM0和PGM1根據(jù)電池的不同數(shù)目有不同的接法，如果電池?cái)?shù)目和PGM0、PGM1的編程數(shù)目不符，將使決定快速充電的電壓坡度電路失效。根據(jù)BATT+、BATT-間的電壓和PGM0、PGM1編程的電池?cái)?shù)目，可以算出每節(jié)電池的電壓。如果每節(jié)電池的電壓低于0.4V，只能涓流充電，直到每節(jié)電池的端電壓大于0.4V，才開場(chǎng)快速充電。溫度比較器根據(jù)設(shè)定的溫度上限(THI)、下限(TLO)及當(dāng)前溫度(TEMP)，發(fā)出冷或熱的信號(hào)給控制邏輯，控制邏輯決定快速充電還是涓流充電。PGM2和PGM3根據(jù)電池的充電時(shí)間不同有不同的接法，從而決定了ΔV，并送給控制邏輯ΔV和充電時(shí)間。從V+端連接的POWER-ON-RESET電路可以檢測(cè)到外電源供電的開場(chǎng)，并將該信號(hào)送到控制邏輯?？刂七壿嫺鶕?jù)接收的所有信息，決定是否快速充電，如果快速充電，它還會(huì)送出相應(yīng)信號(hào)到第8腳。外圍電路：由于芯片本身就已經(jīng)具有根據(jù)電壓坡度、溫度或時(shí)間三種方式檢測(cè)并截止快速充電，并自動(dòng)從快速充電轉(zhuǎn)到涓流充電的功能，所以外圍電路只需要給芯片提供溫度檢測(cè)回路、直流電源供電回路、快速充電的指示回路和快速充電電流的控制回路，以及一些其它的簡(jiǎn)單電路。由MA*712構(gòu)成的鎳氫電池快速充電電路的原理圖如圖4-4所示。2.電路分析根據(jù)上述鎳氫電池快速充電電路的原理圖4-4所示，要利用該電路對(duì)3節(jié)AA型1Ah鎳氫電池充電，選擇快速充電時(shí)間TFAST=90min。電源輸入有3V、4.5V、6V、9V、12V、15V和18V等規(guī)格，輸入電流分別為150mA、200mA、300mA、450mA、500mA、750mA、800mA、和1000mA等規(guī)格。在本電路中，圖4-4左邊加虛線的電路局部是整流電路，使之輸出鎳氫充電器所需的直流電壓。在該電路中，要求電源電壓UDC=9V，輸入電流為800mA。則輸入的交流電壓為：本電路中的C1為輸入端濾波電容，R1是限流電阻。設(shè)UDC的最小值為UDCmin，內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器的電壓為5V，用R1將V＋端的最小電源電流限定為5mA，則R1的計(jì)算公式為：AA型鎳氫電池的容量是1100mAh，由公式4-1得:,,取IFAST=1000mA。當(dāng)IFAST=1A時(shí),UDCmin=6V，則R1=200，UDC經(jīng)R1對(duì)C2充電。當(dāng)C2兩端的電壓UC2=V＋=＋5V時(shí)，開場(chǎng)快速充電。要求C2≥5uF，現(xiàn)取10uF。C3是補(bǔ)償電容，規(guī)定C3≥5000pF，現(xiàn)取0.01uF。VT為2N6109型PNP功率管，其主要參數(shù)為UCBO=80V，ICM=7A，PCM=40W，R2是基極偏置電阻。VD是阻塞二極管，可防止DRV端的導(dǎo)通電流影響VT的正常偏置，它選用1A/50V的1N4001型塑封硅整流二極管。Rs是檢測(cè)電阻，用來(lái)設(shè)定快速充電電流IFAST的值。因?yàn)锽ATT–端與CND端之間的電壓差為0.25V/IFAST。當(dāng)IFAST=1A時(shí)，Rs=0.25。負(fù)溫度熱敏電阻RT1、RT2采用13A1002型熱敏電阻。該電路在快速充電、涓流充電時(shí)的充電電流分別為1A和1/16A(62.5mA)，充電速率分別為C和C/16。圖中LED1、LED2為充電狀態(tài)指示燈，LED1指示充電器已接入電源，即當(dāng)此燈亮?xí)r表示充電器已通電，可以開場(chǎng)工作。而當(dāng)LED2燈亮?xí)r表示此充電器正在進(jìn)展快速充電，熄滅時(shí)表示快速充電完畢，處于涓流充電中。4.2.2鎳氫充電器的充電曲線和充電控制分析1.鎳氫充電器的充電曲線分析圖4-5充電電壓與充電電流變化曲線圖4-5是實(shí)測(cè)的由MA*712構(gòu)成的鎳氫電池快速充電器的充電曲線，充電過(guò)程分5個(gè)階段進(jìn)展(如下列圖)。通電前，MA*712只從電池上吸取極少的電能，這對(duì)應(yīng)于階段1，充電電流為uA級(jí)。在MA*712接通VDC而它的上電復(fù)位信號(hào)到來(lái)之前，電池處于涓流充電狀態(tài)(階段2)，充電電流為mA級(jí)。當(dāng)復(fù)位信號(hào)到來(lái)時(shí)，只要EM/N＞0.4V(0.4V為欠壓鎖定電壓),就轉(zhuǎn)入了快速恒流充電,此時(shí)充電電壓迅速升高,而充電電流很快就保持恒定(階段3),充電電流為A級(jí)。2.鎳氫充電器的充電控制分析(1)采用電壓斜率控制充電圖4-6利用電壓斜率控制充電圖4-6反映了利用電壓斜率控制快速充電的全過(guò)程。在時(shí)間1內(nèi)，MA*712從鎳氫電池中吸取很小的電流(5mA左右)，當(dāng)接通充電電源后，開場(chǎng)對(duì)鎳氫電池以C/16的速率進(jìn)展涓流充電(因?yàn)殒嚉潆姵仉妷旱陀?.4V)，鎳氫電池電壓開場(chǎng)上升(時(shí)間2)。當(dāng)單節(jié)鎳氫電池電壓上升到0.4V以后，快速充電正式開場(chǎng)(時(shí)間3)，鎳氫電池的電壓和溫度持續(xù)上升，充電電流保持在設(shè)定值不變。當(dāng)鎳氫電池充入電量到達(dá)額定值后，鎳氫電池組的電壓開場(chǎng)下降，即du/dt為零時(shí)系統(tǒng)由快速充電轉(zhuǎn)到涓流充電(時(shí)間4)。此時(shí)鎳氫電池的電壓繼續(xù)下降，下降到一定值后保持不變，鎳氫電池的溫度也隨之降低。當(dāng)充電電源從電路中移開后，負(fù)載和MA*712從鎳氫電池中吸收電流(時(shí)間5)。為保證電路能準(zhǔn)確、可靠地工作，在選擇直流充電電源時(shí)，電源電壓必須大于6V，且在線性模式下要求直流充電電源必須比鎳氫電池組的最大電壓高出至少1.5V(開關(guān)模式下2V)。(2)采用鎳氫電池溫度控制充電圖4-7利用電池溫度控制充電圖4-7顯示了典型的利用鎳氫電池溫度變化控制充電的過(guò)程。在鎳氫電池溫度比較低(如剛從寒冷的室外拿入室內(nèi))時(shí)，在時(shí)間1內(nèi)MA*712從鎳氫電池中很小的電流(5mA左右)。當(dāng)接通充電電源后，開場(chǎng)對(duì)鎳氫電池以C/16的速率進(jìn)展涓流充電，鎳氫電池的溫度對(duì)應(yīng)的電壓由TEMP點(diǎn)升高到TLO點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入快速充電，此時(shí)充電電流保持恒定，鎳氫電池的溫度繼續(xù)升高(時(shí)間3)。當(dāng)鎳氫電池的溫度對(duì)應(yīng)的電壓由TEMP點(diǎn)升到THI點(diǎn)時(shí)，停頓快速充電，又轉(zhuǎn)為涓流充電，鎳氫電池的溫度也隨之降低(時(shí)間4)。利用溫度控制的原理是：通過(guò)MA*712內(nèi)部溫度比較器對(duì)TEMP端的輸入電壓和TLO、THI端設(shè)定的電壓進(jìn)展比較，即可控制其充電過(guò)程。當(dāng)TEMP電壓低于TLO電壓或高于THI電壓時(shí)只能進(jìn)展涓流充電，反之可進(jìn)展快速充電。在應(yīng)用中常用熱敏電阻作為溫度傳感器，并通過(guò)分壓電阻實(shí)現(xiàn)，如圖4-8所示。分壓電阻