镍氢电池智能充电器的研究

毕业设计（论文）题目镍氢电池智能充电器的研究班级电气081503班所属院（系）电子信息工程学院2012年6月14日目录目录I摘要IIIABSTRACTIV第一章绪论111镍氢电池的发展状况及应用领域112镍氢电池的简述313课题研究的内容4第二章镍氢电池的工作原理及充放电特性621镍氢电池的工作原理和电化学原理6211镍氢电池的工作原理6212镍氢电池充放电时的电化学原理622镍氢电池的充放电特性7221镍氢电池的特性7222影响镍氢电池性能的因素10223镍氢电池充电、放电过程中的注意事项16第三章电池的充电方法与充电控制技术1831电池的充电方法和充电器18311电池的充电方法18312充电器的要求和结构2232充电控制技术24321快速充电器介绍24322快速充电终止控制方法25第四章镍氢电池智能充电器电路硬件设计与实现2941镍氢电池智能充电器设计方案2942系统的硬件模块介绍30421主处理模块30422充电模块32423放电模块32424电压电流采集接口电路33425电池组状态检测模块3443模数转换模块设计35431ADC0809介绍35432ADC0809与单片机的接口电路3744报警电路模块设计37441报警电路简介37442光电报警电路的设计3845电池组结构电路3846按键电路设计3847显示电路设计3848系统总体电路设计39总结40参考文献42致谢43镍氢电池智能充电器的研究摘要NIMH电池是一种新型充电电池，具有能量比大、重量轻、温度特性好等特点，并且相比铅酸蓄电池、镍镉电池等传统电池对环境污染小，被称为绿色电池，得到广泛的应用。本文介绍了一种基于单片机的镍氢蓄电池组充电器的设计。充电器的硬件部分主要包括单片机控制模块、充放电模块、电压电流采集接口模块、电池组状态检测模块、键盘输入模块、LED显示模块等。单片机控制模块用于对整个系统的各个模块进行控制。充放电模块用于完成对镍氢蓄电池组的恒流充电和恒流放电。电压电流采集接口模块用于检测电池的电压，电流等数据。电池组状态检测模块用于检测电池组中电池的数量和安放的位置，并在单片机的控制下切断充满电或放完电的电池。LED显示模块用于显示整个系统的相关数据和提示信息。本设计操作简单、实用性强等优点，具有较强的实用价值。关键字镍氢电池，充放电，89C51单片机，ADC0809模数转换器ABSTRACTNIMHBATTERYISANEWTYPEOFRECHARGEABLEBATTERIES,WITHLARGERENERGY,LIGHTERWEIGHT,BETTERTEMPERATURECHARACTERISTICSITHASLESSENVIRONMENTALPOLLUTIONCOMPAREDTOLEADACIDBATTERIES,NICKELCADMIUMCONVENTIONALBATTERIES,SOITSCALLEDTHEGREENBATTERIESNIMHBATTERYHASBEENWIDELYUSEDALLOVERTHEWORLDTHISPAPERDESIGNSAMICROCONTROLLERNICKELMETALHYDRIDEBATTERYPACKCHARGERWHICHISBASEDONMCU89C51THEHARDWAREPARTOFTHECHARGERINCLUDEMCUCONTROLMODULE,THEMODULEOFTHECHARGEANDDISCHARGE,VOLTAGEANDCURRENTACQUISITIONINTERFACEMODULE,BATTERYSTATUSDETECTIONMODULE,THEKEYBOARDINPUTMODULE,THELEDDISPLAYMODULEMCUCONTROLMODULEISUSEDTOCONTROLTHEVARIOUSMODULESOFTHEENTIRESYSTEMTHECHARGEANDDISCHARGEMODULECOMPLETESTHECONSTANTCURRENTCHARGINGANDCONSTANTCURRENTDISCHARGINGOFTHENIMHBATTERYPACKTHEVOLTAGEANDCURRENTACQUISITIONINTERFACEMODULEISUSEDTODETECTTHEBATTERYVOLTAGE,CURRENTANDOTHERDATATHEBATTERYSTATUSDETECTIONMODULEISUSEDTODETECTTHEBATTERYPACKINTHEBATTERYNUMBERANDSITED,ANDCUTOFFFULLYCHARGEDORDISCHARGEDBATTERYUNDERTHECONTROLOFTHEMICROCONTROLLERLEDDISPLAYMODULEISUSEDTODISPLAYTHERELEVANTDATAANDMESSAGEOFTHEWHOLESYSTEMTHISDESIGNISSIMPLEANDHASPRACTICALADVANTAGES,WITHASTRONGPRACTICALVALUEKEYWORDSNIMHBATTERY,CHARGINGDISCHARGING,MCU89C51,ADC0809第一章绪论11镍氢电池的发展状况及应用领域镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高容量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍氢电池是才生产了几年的新电池，又称为储氢电池。20世纪70年代，荷兰飞利浦实验室在研究第一代稀土永磁合金时，试验了LANI5的磁性能，竟意外地发现了其有很好的储氢性能，但深入研究发现储氢性能不适用于电池，因为其平衡压太高，循环寿命太短，进一步研究和改进发现，这些缺点都可克服，从而为发展储氢电池奠定了技术基础。20世纪80年代末，已经找到了适用于电池的储氢合金，典型材料为MNNI355CO075MN04AL03,这里的MN为混合稀土，应用混合稀土代替镧，有利于降低成本。用储氢合金代替镉镍电池中的镍电极，由此形成镍氢电池。镍氢电池和镉镍电池具有相同的工作电压（12V），因此这两种电池在应用中有着良好的互换性。镍氢电池的能量高，为镉镍电池的182倍，为铅酸电池的3倍。镍氢电池具有良好的充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。用于镍氢电池的储氢材料有两大类一类为AB5系列，日本的松下公司、三洋公司以及荷兰的飞利浦公司和我国都采用这种材料；另一类为AB2系列，美国的OVONIC公司、GATES公司以及德国的VARTA公司等都使用这种材料。通过对储氢合金的组成、制备工艺、电极改性、电极成型工艺等的研究，镍氢电池的性能不能得以提高。镍氢电池与镉镍电池类似，多种多样，有方形蓄电池组，有圆柱形和扁平型的小型电池，也有纽扣式电池。镍氢电池的正极板材料为NIOOH,负极板材料为吸氢合金，电解液通常用30的KOH水溶液，并加入少量的NIOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。镍氢电池具有较好的低放电特性，即使在20摄氏度环境温度下，采用大电流放电，放出的电量也能达到标称容量的85以上。但是，在高温时，这种电池的蓄电池容量将下降510。这种由于自放电而引起的容量损失是可逆的，通过几次充放电循环就能恢复到最大容量。镍氢电池在日美德等国率先进入产业化，早期镍氢电池的用途主要是在笔记本电脑和移动电话领域取代镍镉电池，另外在电动工具、数码相机、电动车、移动电话中继基地用不间断移动电源、便携式打印机、移动工具、数码产品、医疗设备远程通信设备、液晶电视机、通讯仪器、激光器仪器、仪器仪表以及电动玩具等领域应用广泛。镍氢动力电池刚刚进入成熟期，是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被实际验证并被商业化、规模化的电池体系，全球已经批量生产的混合动力汽车全部采用镍氢动力电池体系。立足于氢能基础上的燃料电池电动汽车正在引发世界汽车工业的一场革命，展现了汽车工业的光明未来。近十年来美国、欧洲、日本等国政府和跨国公司已经投入了超过100亿美元的资金，并且以每年不少于10亿美元的力度继续开发。从美国政府对新一代汽车伙伴计划（PNGV）的建立和执行情况来看，新一代汽车已经成为跨国汽车公司和工业国家战略发展的重要内容。据中投顾问发布的20092012年中国电池行业投资分析及前景预测报告显示，现有混合动力电池99的市场份额为镍氢动力电池，商业化的代表是丰田的普锐斯。目前全球主要的汽车动力电池厂商主要有日本的PEVE和SANYO，PEVE占据全球HYBRID动力车用镍氢电池85的市场份额，目前主要的商业化的混合动力汽车如丰田的PRIUS、ALPHARD和ESTIMA，以及本田的CIVIC，INSIGHT等均采用PEVE的镍氢动力电池组。目前，长安杰勋、奇瑞A5、一汽奔腾、通用君悦等品牌轿车已经在示范运行，他们采用的也都是镍氢电池，不过电池主要向国外采购，国内镍氢电池在汽车上的运用仍处于研发匹配阶段。科力远目前正与国内奇瑞汽车、长安汽车等合作，首条生产线的产品主要供应奇瑞汽车。在镍氢电池领域，我们在技术和资源上均具有优势，我国的氢氧化镍性能世界领先，稀土资源丰富，具有得天独厚的资源优势，因此，发展镍氢动力电池是我国目前最现实的选择。在发展新能源汽车上，镍氢电池技术最成熟，未来3年内仍将是新能源车的主流，之后镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下，5年后将逐渐被锂电池及燃料电池所取代。电池巨头松下和三洋也均认为，锂离子动力电池不可能在23年内取代镍氢动力电池，主要原因是镍氢动力电池便宜安全，已经达到规模化生产。锂电池还有课题需要继续攻关，如安全性，因此商业化尚需时日。作为电动汽车核心部分的电池及其充电器，其性能的优劣直接影响电动汽车的质量状况。因此，研制性能良好的智能充电器，会带来显著的经济效益和良好的社会效益。针对电动汽车充电技术的要求，为了使电动汽车充电器获得良好的性能指标，必须寻找最佳的充电模式，可达到最佳的效果。充电器的发展经历了三个阶段限流限压式充电器、恒流限压式充电器、自适应智能充电器。智能充电器的充电系统由具有特殊功能的单片机控制，基于单片机控制的智能充电器，电路简单可靠，参数调整方便，具有充电时间短、能耗低、使用故障低等优点，对环保节能的电动汽车以及充电器的设计开发具有重要的意义。12镍氢电池的简述镍氢电池的正极板材料为氢氧化镍NIOOH，负极板材料为高能储氢合金，电解液通常用30的KOH的水溶液并加入少量的NIOH，隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。镍氢电池的正极与镍镉电池基本相同，由于负极采用了高能储氢合金材料，镍氢电池具有更大的能量。因镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池也基本相同，所以镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池具有较好的低温放电特性，即使在20环境温度下采用大电流以1C放电速率放电，放出的电量也能达到标称容量的85以上。但是，镍氢电池在高温40以上时的蓄电容量将下降510。这种由于自放电温度越高，自放电速率越大而引起的容量损失是可逆的，通过几次充放电循环就能恢复到最大容量。镍氢电池的开路电压为12V，与镍镉电池相同。镍氢电池的充电过程与镍镉电池非常相似，都要求恒流充电，两者的差别主要体现在快速充电的终止方法上。单体镍氢电池的结构是密封圆柱形，标称电压为12V，它主要有以下特点第一，容量大NIMH电池的“储能密度”，以5号AA型可充电电池为例，至少在1000MAH以上，好的能达到1400MAH，在同等体积和重量的条件下，其容量是镍镉电池的23倍，而比传统型镍镉电池要多出1倍多。第二，无“记忆效应”“记忆效应”是指电池在使用过程中，由于没有完全放电结束就进行充电，造成电池负极板上产生不正常的氧化物，它对电池电压有抑制作用，表现为电池充电很足，但放电时，电压骤减，致使电池使用寿命缩短。镍氢电池无“记忆效应”，但在使用过程中，有自放电现象。正常使用情况下，其电量的流失量为每天13，充满电的镍氢电池，放置几星期后再使用，就必须重新充电。由于镍氢电池无“记忆效应”，所以在开始为它充电前不需做放电处理，可以随用随充，在任一点充电。第三，耐过充电、过放电能力强镍氢电池充电、放电比较随便，即使过充电也不会造成电池永久性损伤，电池放电到0V以后再充电，仍然能够恢复镍氢电池的容量。第四，无污染由于镍氢电池含镉成分极微，甚至不含镉成分，不会污染环境，所以镍氢电池也叫环保电池或“绿色电池”。现有很多国家都投巨资兴建镍氢电池生产线。第五，资源丰富镍氢电池所用的储氢合金是从稀土中提炼出来的，而我国是稀土资源大国，约占全球总储存量的80，所以我国发展镍氢电池具有得天独厚的优势。第六，寿命长镍氢电池以1C电流充电、放电循环使用寿命超过500次，以02C电流充、放电循环使用寿命超过1000次，从实际使用寿命看，以5号镍氢电池为例，采用1000MA电流充电，可累计重复使用1000H。13课题研究的内容本课题研究的对象主要是镍氢电池的充电原理和充电控制。镍氢电池的充电设备需要解决的问题有第一，能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。第二，解决充电时间长、充电效率低的问题。第三，改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。第四，增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。本课题研究的意义在于第一，充分研究镍氢电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。第二，使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。第二章镍氢电池的工作原理及充放电特性21镍氢电池的工作原理和电化学原理211镍氢电池的工作原理作为负极材料的储氢合金是由A和B两种金属形成的合金，其中A金属LA、TI、ZR等可以吸进大量氢气，形成稳定的氢化物；而B金属NI、CO、FE、MN等不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。A金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸放氢气的可逆性。按照合金的晶体结构，储氢合金可分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是AB5型合金。AB5型储氢合金主要由镧系元素和镍组成，同时少量添加AL、MN、CO等。目前在镍氢电池中实际应用的主要是稀土系AB5型合金。镍氢电池电极材料的主要技术要求有1耐氧化性大，在浓碱电解液中化学稳定性好。2在较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。3催化活性高，电极反应的可逆性好。4随着吸放氢循环产生的劣化少。5初期活化的次数少。镍氢电池正极的活性物质为NIOOH放电时和NIOH2充电时，负极板的活性物质H2放电时和H2O充电时，电解液采用30的氢氧化钾水溶液。212镍氢电池充放电时的电化学原理镍氢电池正极是粘在基板上的NIOOH/NIOH2，NIOOH是放电时的活性物质，NIOH2是充电时的活性物质，两者在充放电循环中相互转化。镍氢电池的负极是高能储氢合金，既是贮氢材料又是负极材料，负极活性物质是氢气。在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单格电池。电解液采用30的氢氧化钾溶液，并添加少量氢氧化镍溶液。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍氢电池充电时的电化学反应为正极OHNIEOHNI22负极E2/1总反应22/1II镍氢电池放电时的电化学反应为正极EOHNIHNIO22负极E/1总反应22/II从化学反应方程式可以看出充电时镍氢电池的负极析出氢气并储存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍NIOOH和H2O；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。镍氢电池过量充电时的电化学反应如下正极OEH24负极H2总反应2再化合OH2从镍氢电池过量充电时的电化学方程式可以看出，镍氢电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催化剂的氢电极面积大，而且氧气能够随时扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气能够很容易在电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很快。镍氢电池过量放电时的电化学应如下正极OHEH22负极过放电时，正极上会发生电解反应也释放出氢气。镍氢电池的反应与镍镉电池相似，只是负极充放电过程中生成物不同。镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液，并加入少量的NIOH，隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。22镍氢电池的充放电特性221镍氢电池的特性1特性曲线镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线如图21所示。图21镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线镍氢电池在不同温度下的1C放电特性曲线如图22所示。图22镍氢电池在不同温度下的1C放电特性曲线镍氢电池在室温下以不同速率放电时的特性曲线如图23所示。图23镍氢电池在室温下以不同速率放电时的特性曲线镍氢电池在不同储存温度下的保存电量特性曲线如图24所示。图24镍氢电池在不同储存温度下的保存电量特性曲线镍氢电池的循环寿命曲线如图25所示。图25镍氢电池的循环寿命曲线2镍氢电池的使用寿命循环寿命镍氢电池在正确的充电和放电情况下可以使用500次以上。若镍氢电池在正确充电后的工作期间端电压明显下降，表明该镍氢电池已经超出使用寿命。在镍氢电池寿命末期可能会出现内阻升高或内部短路现象。镍氢电池在寿命末期充电将出现过热问题，采用的充电器应具有安全保护电路。长期使用的寿命由于镍氢电池是利用内部化学反应的化学电源，所以镍氢电池性能的衰减不但与使用情况有关，而且与长期储存过程有关。通常，一只镍氢电池的在没有过充电或放电的正常使用情况下寿命应能持续两年或可循环充放电500次。但是，考虑到在使用过程中充电、放电、温度和其它因素可能出现异常情况，因此会出现镍氢电池寿命缩短和性能衰减的现象。222影响镍氢电池性能的因素影响镍氢电池性能的因素有很多，包括正极板和负极板的基材、储氢合金的种类、活性物质的颗粒度、添加剂的类别和数量以及制作工艺、电解液、隔膜、化成工艺等。第一，正极添加COO对电极性能的影响将钴CO添加到NIOH2电极中，主要目的是形成高导电性的COOOH在活化阶段的充电过程中被氧化成COOOH，从而提高板极的导电性。由于次反应不可逆，因此，添加CO对电极的容量并无影响。在NIOH2电极中添加CO能增加其质子导电性和电子导电性，从而提高正极活性物质的利用率，改善充放电性能和增大析氧过电位，从而降低充电电压，提高充电效率。但是添加过量的CO不但会导致镍氢电池成本增加，还将降低放电电位。在氢氧化镍电极中添加10的COOH2，可降低活性物质的扩散电阻和增加电极放电深度。钴含量对NIOH2电极质量比容量的影响见表21。钴含量对NIOH2电极体积比容量的影响见表22。表21钴含量对NIOH2电极质量比容量的影响CO含量质量比容量MAH/G0247152613528352897295表22钴含量对NIOH2电极体积比容量的影响CO含量体积比容量MAH/ML04801549355267523不同添加剂对容电量的影响如下234,OOOSCHC活性降低表面部分氧化的COO显示出最好的活性，表面未经预氧化的COO即SCOO亦有相当活性，但由于其在空气中不稳定，与氧气接触时将发生深度氧化而使活性降低。不同氧化度的影响如下活性增大活性下降201403随着表面氧化度的加深，COO的活性逐渐降低，但在20以前活性下降并不明显，氧化度超过20时活性急剧下降。这是由于表面高价态的CO3O4太多而影响到COO在化成时的转变。1添加量对正极利用率的影响添加少量的表面未经预氧化的COO即可获得较高的正极活性物质利用率，在5WT10WT范围内可获得最佳的效果。在加入量高于10WT后，镍氢电池的容量反而有所下降，这是由于添加量太高，减少了活性物质的填充量，所以镍氢电池的容量不可能提高，而且也将加大正极制作成本。2钴加入量对镍氢电池大电流放电性能的影响钴的加入对改善镍氢电池的大电流放电性能具有很好的效果，加入量越多，大电流放电性能越好，但加入量过多，成本也就升高的越多，而且镍氢电池的容量会下降，合适的比例为5WT10WT。钴在电活化期间，由于COOH2的氧化电位比NIOH2的氧化电位低，这将导致在NIOH2转化为NIOOH之前便形成稳定的COOOH，既大大降低了颗粒之间的接触电阻，也大大提高了颗粒与基体的导电性。如果放电结束后电压不明显低于10V，则COOOH不再参与镍氢电池后续反应，这样负极就获得了对应于提供的这一总电荷的预先充电。如果随后放电使正极的可用容量已耗尽，但由于预先充电的缘故，负极仍然有放电储备，在一定程度上可以避免镍氢电池充电末期负极大量析氢，并保证氢气的复合效率。钴添加剂虽然具有以上一些优点，但是对镍氢电池也有不利之处，如造成微短路而使自放电速率升高，其原因是正极中钴化合物溶解在浓碱中形成钴络化合物，它迁移到隔膜中后将隔膜分子氧化，本身还原成钴并沉积在隔膜上，同时钴络化合物还透过隔膜到达负极板，当负极充电时还原成钴并沉积下来。沉积在隔膜上的钴积累到一定数量后就可以透过隔膜形成很细的“钴桥”，发生电子导电，最初造成微短路，以后发展成完全短路，从而是镍氢电池失效。沉积在负极上的钴即使未生成“钴桥”，也可能由于负极表面沉积的钴呈尖端形，在充放电时发生尖端放电而导致微短路。镍氢电池负极中锰的溶出也可导致微短路，而且锰的溶出会加速钴溶出和合金氧化。这种微短路也正是镍氢电池自放电速率上升的一个重要的原因。镍氢电池注液后快速封口及封口后立即充电，可减少微短路发生的可能性，即先行将钴转化为COOOH。第二，电解液对镍氢电池性能的影响电解液作为镍氢电池的重要组成部分，它的组成、浓度、数量的多少以及杂质的种类和数量都将对镍氢电池的性能产生至关重要的影响。它直接影响镍氢电池的容量、内阻、循环寿命、内压等性能。镍氢电池电解液一般采用约6MOL/L的KOH水溶液，当然电解液中也有加入少量其他成分的，但对一些杂质的要求较高。镍氢电池的正、负极只有在电解液中才能发生电化学反应，对于一只封口的成品镍氢电池来说，其中的空间是一定的。若电解液太多，会造成封口气室空间变小，从而使镍氢电池在充放电过程中的内压上升。另一方面，电解液太多会堵塞隔膜孔，阻止氧气的传导，不利于氧气迅速复合，也会使镍氢电池的内压上升并可能氧化极板，致使极板钝化容量下降。极板不能完全浸渍到电解液中，从而使电化学反应不完全或者说极板的某些部分不能发生电化学反应，使得镍氢电池容量达不到设计要求，内阻变大，循环寿命变短。通常电解液主要使用KOH水溶液而不是NAOH溶液，其主要原因是KOH的比电导较NAOH高，可在KOH水溶液中加入少量LIOH以提高镍氢电池的放电容量。电解液中的杂质及LIOH对镍氢电池的性能也有一定的影响。在长期充放电过程中，NIOH2的颗粒会逐渐变粗，使充电困难，原因是温度过高，电解液浓度大以及有金属杂质存在。当加入LIOH时，它能吸附在活性物质颗粒周围，防止颗粒增大，使其保持高度分散状态。但加入的LIOH不宜过多，否则会影响电活化进程。一般认为铁会降低析氧过电压，使镍氢电池的充电效率下降；碳酸盐会在电极表面生成薄膜，是镍氢电池内阻增大；硫化物会形成树枝状生成物，造成镍氢电池短路；而有机化合物却会增加自放电效应及发生副反应等。因此，必须控制电解液中的杂质含量，还必须注意电解液的浓度以减少浓差电阻。镍氢电池在储存和使用的过程中会出现内阻升高、放电容量降低以及充电效率降低等现象，其原因有以下几个方面1添加剂CO在储存和使用过程中会往极板的深层扩散或者说迁移，导致极板表面的CO含量降低，从而使得极板表面的接触电阻增大，降低充电效率和析氧过电位，最终导致放电容量下降。2在循环过程中极板被电解液腐蚀，导致极板粉末松散、脱落或者说接触不好，导致内阻升高以及过度充放电，致使极板受到损伤。3镍氢电池因为过充电而使极板膨胀，会把隔膜中的电解液挤干和吸出由于电化学反应总是从表面开始进行而后向深层发展，因此将导致电化学反应不完全，致使放电容量下降。另外，由于电解液的匮乏，会使内阻升高，充电电位升高，放电电位下降。4镍氢电池电解液中的分在循环或储存一段时间之后将以某种形式存在，如结晶水、被范德华力束缚、被氢键力等所束缚，而不能参与电化学反应，致使电化学过程中离子传导困难，内阻升高，充电电位升高，放电电位下降，最终导致放电容量下降。5镍氢电池在循环或储存中，电解液被重新分配、扩散和渗透到极板的深层中去，致使电极表面的电解液量下降，而电化学反应总是从表面开始进行而后再向深层发展，因此，将导致电化学反应不完全，从而导致放电容量下降。6镍氢电池在使用过程中过度充放电，将使氢气、氧气在析出的同时带出电解液，从而使得电解液干涸。通过对储存和使用过的镍氢电池进行解体研究发现，镍氢带年齿内部的极板和隔膜纸不湿润，电解液有明显干涸，这是上述一个或几个因素共同作用的结果。第三，隔膜对镍氢电池性能的影响隔膜作为镍氢电池的正、负极之间的隔离板，首先必须具备良好的电绝缘性能，其次由于它在电解液中处于浸湿状态，必须具备良好的耐碱性，并且要有良好的透气性等。因此，应当选用在较宽温度范围5585内能保持电子稳定性、体积稳定性和化学稳定性的绝缘材料，并要求隔离板对电子呈高阻、对离子呈低阻、便于气体扩散尽量薄。隔膜性能的好坏在很大程度上将影响镍氢电池彻底循环寿命和自放电速率。隔膜在循环过程中逐渐干涸是镍氢电池早期性能衰退的主要原因。隔膜的吸碱量、保液能力和透气性是影响镍氢电池的循环寿命的关键因素。隔膜的亲水性可保证良好的吸碱量和保液能力，而憎水性可提高隔膜的透气性。镍氢电池隔膜干涸与下列因素有关1隔膜本身性能发生变化，如吸液速度和保液能力变差。2极板在充放电过程中发生膨胀，将隔膜中的电解液挤出和吸出。3电极表面活性和气体复合能力变差，使得镍氢电池过充电时在正极产生的氧气未能快速复合掉，造成镍氢电池内压升高，达到一定压力后氧气将从安全阀析出造成电解液损失。而镍氢电池的自放电速率也与隔膜性能有关，镍氢电池中镍电极的活性物质与氧气发生反应是镍氢电池自放电的主要原因。因化学反应式2NIOOHH22NIOH2中的氢气是由于过充电静置后储氢合金释放出其中的部分氢原子复合而成的，因此需要隔膜板有较好的透气性，此处的透气性并不是指对气体的透气性，而是指能对带氢或氧原子的离子透气性。镍氢电池不过充电可降低漏电率，目前镍氢电池充报后静置30天时电池容量荷电率可超过70。隔膜纸除了以上所述的条件外，还应当具有足够的机械强度和韧性，以保证镍氢电池在卷绕和极板膨胀时不至于断裂。目前，镍氢电池生产企业采用PP材质的隔膜纸替代尼龙材质的隔膜纸。第四，热量和电活化对镍氢电池性能的影响采用封口化成工艺的镍氢电池在活化初期及大倍率充电时内压过高，造成漏液爬碱，容量下降，寿命缩短，安全性能变差，而且化成时间较长。对封口的镍氢电池进行热处理即热活化，可以对其性能进行改善，尤其是对内压的改善。其本质原因是1热处理过程中，负极中的储氢合金表面在强碱性电解液的作用下，较快地偏析出大量的镍原子族而形成复镍层，镍原子族均匀地分散在其他疏松的金属氧化物、氢氧化物或其水合物中，在镍原子族的催化作用下，过充电时正极所产生的氧扩散到负极表面，并与储氢合金中的氢反应，重新化合成水，从而改善储氢合金的消氧机能，降低镍氢电池内压。另外，热处理时可降低电解液的表面张力，促成电解液的均匀分布，有利于电化学反应的均匀进行。2热活化的时间、温度不同，对镍氢电池性能的影响也不同。时间太短，则达不到预期效果；时间太长，则浪费时间，效率太低。温度太低，则反应速度过慢；温度太高，可能会导致镍氢电池短路、极板膨胀厉害，影响镍氢电池性能。一般温度以5080为宜，热活性的时间以28H比较合适。3在电活化过程初期，首先发生的反应是，此反OHCEOC应为不可逆反应，由此使得正极板的导电性大大增强，从而降低镍氢电池的内阻和充电电压，提高充电效率和放电容量。因此，可以让负极预先充电，具有充电储备。而后期的电活化只是对电极进行充放电，即在NIOH2与NIOOH之间来回转化。通过这种来回转化晶体转换，在极板表面不断产生新鲜表面，使得电化学反应不断进行下去。在后期的电活化中，只要镍氢电池不低于08V，钴就不参与反应。为提高化成效率，一般以3个充放电循环为好，充放电电流应由小逐渐变大。223镍氢电池充电、放电过程中的注意事项第一，在镍氢电池充电过程中应注意以下事项1充电温度。镍氢电池应在040的环境温度下进行充电，环境温度的变化会影响镍氢电池的充电效率，在1030下镍氢电池的充电效率最高。在低于0的条件下给镍氢电池充电时，镍氢电池内的气体吸收反应将不正常，结果将导致镍氢电池内压升高，这会促使镍氢电池排气阀启动，释放出碱性气体，最终致使镍氢电池性能不断下降而影响镍氢电池的使用寿命。在高于40的条件下给镍氢电池充电效率将下降。镍氢电池若充电不完全，在使用时其工作时间将缩短，而且会导致镍氢电池漏碱。2反向充电。对镍氢电池进行反向充电会引起镍氢电池内部气体急剧上升，这会促使镍氢电池排气阀启动释放碱性电解液，从而导致镍氢电池性能快速下降，还会出现镍氢电池膨胀和破裂的现象。3过充电。应避免镍氢电池过充电，反复的过充电会导致镍氢电池性能下降过充电是指对已经充满电的镍氢电池再继续充电。4快速充电。当对镍氢电池进行快速充电时，必须使用特定的充电器，并且按照正确的程序进行。5涓流充电连续充电。在对镍氢电池快速充电后可以用0033CMA005CMA的涓流进行补充充电，同时要避免用涓流方式过充，这样会损坏镍氢电池的特性，应使用定时器来控制充电时间。涓流充电的单位“CMA”是一个指明电流大小和表示镍氢电池额定容量的值，“C”是镍氢电池的额定容量。第二，在镍氢电池放电过程中应注意以下事项1放电温度。镍氢电池的放电应在1045的环境温度下进行，放电电流的大小将影响镍氢电池的放电效率。在01CMA2CMA范围内，镍氢电池的放电效率比较理想。在温度低于10和高于45时，镍氢电池的放电容量将会下降，容量的下降会导致镍氢电池性能降低。2过放电深度放电。由于过放电会损坏镍氢电池的特性，所以在使用中应避免镍氢电池过放电，同时要避免镍氢电池长期与用电设备连接，在运输过程中不要将镍氢电池放入用电设备中一起运输。3高倍率放电。高倍率放电会导致镍氢电池产生过量的热量和降低放电效率。第三章电池的充电方法与充电控制技术31电池的充电方法和充电器311电池的充电方法第一种，恒流充电恒流充电充电器的交流电源电压通常会波动，充电时需采用一个直流恒流电源充电器。当采用恒流充电时，可使电池具有较高的充电效率，可方便地根据充电时间来决定充电是否终止，也可改变电池的数目。恒流电源充电电路如图31所示。图31恒流电源充电电路准恒流充电准恒流充电电路如图32所示。在此种电路中，通过直流电源和电池之间串联上一个电位器，以增加电路内阻来产生恒定电流。电阻值根据充电末期的电流进行调整，使电流不会超过电池的允许值。由于结构简单、成本低廉，此种充电电路被广泛应用充电器中。图32准恒流充电电路第二种，恒压充电恒压充电电路如图33所示。恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。当对电池进行这一充电时，电池两端的电压决定了充电电流。这种充电方式的充电初期电流较大，末期电流较小。充电电流会随着电压的波动而变化，因此充电电流的最大值应设置在充电电压最高时，以免时电池过充电。另外，这种充电方式的充电末期电压在达到峰值后会下降。电池的充电电流将变大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，电压下降，将造成电池的热失控，损害电池的性能。图33恒压充电电路第三种，浮充方式在浮充方式中，电池以很小的电流C/30C/20进行充电，以使电池保持在满充状态。浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源的电气设备中。常规浮充方式充电电路如图34所示。图34浮充方式充电电路第四种，涓充方式电池与负载并联，同时电池与电源充电器相连。正常情况下，直流电源作为负载的工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它通常使用在紧急电源、备用电源或电子表等不允许断电的场合。下图35为涓充方式的简单示意图。图35涓流方式的简单示意图第五种，分阶段充电方式在分阶段充电方式中，在电池充电的初始阶段充电电流较大。当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电方式是电池最理想的充电方式，但缺点是充电电路复杂和成本较高。另外，需增设控制点的电池电压的监测电路。分阶段充电方式的简单示意图如图36所示。图36分阶段充电的简单示意图第六种，通过太阳能给电池充电通过太阳能给电池充电的电路如图37。它采用太阳能电池将光能转换为电能，再通过单向二极管给电池充电，获得较高的充电效率。若户外温度变化很大，将对太阳能充电电路的工作特性有影响，太阳能应设有温度变化范围控制电路。图37通过太阳能给电池充电的电路第七种，快速充电在用大电流短时间对电流充电时，需用电池电压检测和控制电路。该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并且根据检测参数控制充电过程。第一，电池电压检测在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设置的充电截止电压必须比充电峰值电压低。第二，V检测电池充电过程的充电电流是通过检测电池充电末期的电压降来进行控制的，V控制系统框图如图38所示。采用V控制系统的充电控制电路，当充电峰值电压确定后，若V检测电路检测的电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池的充电电流、电池电压和充电时间的关系如图39所示。图38V控制系统框图图39充电电池、电池电压和充电时间的关系第三，电池温度检测电池在充电末期，负极发生氧复合反应产生热量，使电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设置温度传感器或电阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。下面即给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间的关系图。图310电池温度检测简图图311电池温度和充电时间的关系312充电器的要求和结构充电器的要求对充电器的要求是安全，快速，省电，功能全，使用方便，价格便宜。快速充电器1C4C的充电器的安全更为重要，终止快速充电的检测方法要可靠、精确，以防止过充电。另外，一些充电器集成电路还设有充电时间定时器来作为一种附加的安全措施。功能全的充电器一般具有电池电压检测功能。若充电电池的电压大于终止放电电压，为防止“记忆效应”产生，应先放电至终止放电电压，然后自动充电。先进行快速充电，到终止快速充电时自动转为涓流充电，各个充、放电过程都有LED指示。功能较齐全的充电器还应具有充电率的设定选择、充电电池数的设定、涓流电流大小设定、定时器时间设定、充电前电池状态测定判断电池好坏及安装是否良好等功能，并可根据电池的温度来选择充电参数电池温度过低时不宜快充。当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时常采用开关电源，它既省电又解决发热问题，并有可能由市电直接整流经ACDC变换获得低压直流电，可省去笨重的工频变压器。充电器的结构框图早期的充电器是没有处理器的,它主要由充电器集成电路及电源部分组成，其内部结构较复杂，引脚也较多。一般的功能较完善的充电器结构框图如图312AA线右边所示。图312充电器结构框图32充电控制技术321快速充电器介绍快速充电器的特点是对充电电池采用大电流充电。常用的充电电流值为032小时率电流。小时率电流值是由公式CAH/TH规定的，其中C代表电池额定容量，T代表时间。例如用1小时率电流对5号镍镉电池快速充电，根据05AH1H500MA，即采用500MA的充电电流一般慢速充电，选用10小时率电流。性能完善的快速充电器，其原理图如图313所示图313快速充电器原理框图其中的主控电路有多种类型第一，定时型对电池进行定时充电，主控电路采用定时电路，定时时间可由充电电流决定。定时主控电路常设置不同的时间以控制不同的小时率电流对电池按时间分挡充电，使用很方便。由于定时器制作容易，所以常用它自制定时快速充电器。自制时，为了充电安全，最好选大于5小时率的电流充电。第二，电压峰值增量V型可充电电池如镍镉电池在充电时端电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的。这也称为V法。由于这种控制电路比较复杂，故不适于自制。第三，其他主控电路主控电路除上述两种以外，还有温度监测和脉宽调制PWM控制电路。温度监测常用热敏电阻监测电池温度。当电池温度高于设定值时，立即停止快速充电，即使电池温度下降后，充电器也不会启动工作。只有它复位人工或自动后，才能启动再次转人快速充电。322快速充电终止控制方法充电控制技术是充电器系统中软件设计的核心部分。根据充电电池的原理，将镍氢电池的电压曲线分为三段，具体见图314。图314镍氢电池的充电特性由于镍氢电池的最佳充电过程无法用单一量实现，在这三段应分别采用不同的控制方式。具体为进入BC段之前，电池电量己基本用完，此时采用恒定的小电流充电。当进入BC段时，若采用恒流充电，电流过大会损坏电池，电流过小使充电时间过长，根据电压变化情况控制充电电流，使电池充电已满，若此时停止充电，电池会自放电。为防止自放电现象发生，采用浮充维护充电方式，用小电流进行涓流充电。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止，自动进入恒压充电状态；恒压充电时，保持充电电压不变。由于电池内阻不断变大，导致充电电流不断下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，终止恒压充电，进入浮充维护充电阶段。电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种终止充电的方法。第一，定时控制该方法适用于恒流充电。采用恒流充电法时，根据电池的容量和充电电流，可以很容易的确定所需的充电时间。充电的过程中，达到预定的充电时间后，定时器发出信号，使充电器迅速停止充电或者将充电电流迅速将至浮充维护充电电流，这样可以避免电池长时间大电流过充电。这种控制方法较简单，但有其缺点充电前，电池的容量无法准确知道，而且电池和一些元器件的发热使充电电能有一定的损失，实际的充电时间很难确定。而该方法充电时间是固定的，不能根据电池充电前的状态而自动调整，结果使有的电池可能充不足电，有的电池可能过充电，因此，只有充电速率小于03C时，才采用这种方法。第二，电池电压控制在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有最高电压VMAX从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己足充电。电压负增量V由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池己充足电。这种控制方法的缺点是从多次快速充电实验中发现，电池充足电之前，也有可能出现局部电压下降的情况，使电池在未充足电时，由于检测到了负增量而停止快充；镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，此时过充电较严重，此时电池的温度较高，对电池有所损害。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。电压零增量V镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用0V控制法。这种方法的缺点是未充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，若此时误认为0V出现而停止充电，会造成误操作。为此，目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏0V检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。第三，电池温度控制为了避免损坏电池，电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有最高温度TMAX充电过程中，通常当电池温度达到40时，应立即停止快速充电，否则会损害电池。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后。温度变化率T/T镍氢和镍镉电池充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率T/T基本相同，当电池温度每分钟上升1时，应当立即终止快速充电。应当说明，由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的，因此，为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。采用温度控制法时，由于热敏电阻响应时间较长，再加上环境温度的影响，因此，不能准确的检测电池的充足电状态。第四，综合控制法以上各种控制方法各有其优缺点由于存在电池个体的差异和个别的特殊电池，若只采用一种方法，则会很难保证电池较好的充电。为了保证在任何情况下均能可靠的检测电池的充足电状态，可采用具有定时控制、温度控制和电池电压控制功能的综合控制法。鉴于定时控制、温度控制、最高电压控制等单独作为终止条件使用的局限性，有的系统中镍氢电池的充电终止也采用综合控制法。镍氢电池是以零增量检测为主，时间、温度和电压检测为辅的方式。系统在充电过程检测有无零增量V出现，作为判断电池已充满的正常标准，同时判断充电时间、电池温度及端电压，是否已超过预先设定的保护值作为辅助检测手段。当电池电压超过检测门限时，系统会检测有无零增量出现，若出现V，则认为电池正常充满，进入浮充维护状态；在充电过程中，系统会一直判断充电时间、电池温度及端电压是否己到达或超过了充电保护条件。若其中有一个条件满足，系统会终止现有充电方式，进入浮充维护状态。综上所述，本设计中采用恒流充放电方式对镍氢蓄电池组进行充放电。镍氢电池因无耐过充电和耐过放电特性，因此常用恒流充电方式。当镍氢电池端电压达到要求值时应停止充电。放电时也采用恒流放电方式，当镍氢电池端电压达到要求值时应停止放电。电池充足电后，如果不及时停止充电，电池的温度和内部压力将迅速上升。内部压力过大时，密封电池将打开放气孔，从而使电解液逸散，造成电解液的粘稠性增大，电池的内阻增大，容量下降。为了保证电池充足电而又不过充，可以采用定时控制、电压控制、温度控制、综合控制等多种充电终止控制方法。本设计中采用电压控制法来对电池组的充放电过程进行控制。充电时，当镍氢电池端电压达到充电的最高电压时停止充电。放电时，当镍氢电池端电压达到放电的最低电压时停止放电。第四章镍氢电池智能充电器电路硬件设计与实现41镍氢电池智能充电器设计方案根据镍氢蓄电池组充电器具有的功能和性能指标，设计出来的镍氢蓄电池组充电器的硬件部分主要分为以下几个模块单片机系统模块是整个系统的控制中心。它完成采集电池组中电池的电压和电流等数据，并送到LCD进行显示；扫描键盘获得用户命令，控制充放电过程；控制继电器断开已充满电或已放完电的电池。充放电模块是本设计的中心，它主要是在单片机的控制下，采用负反馈原理，在电池组电池两端产生稳定的充放电电流，实现对