镉镍蓄电池维护系统的研究与设计

2013-05-31魏金虎

长沙航空职业技术学院学报 2013年2期

王岩，魏金虎

(1.南京军区73685部队，江苏南京 210016;2.解放军第3304军工厂，江苏南京 210008)

蓄电池是一种提供电能装置。若蓄电池按所用电极材料可分成多种类型，其中应用最多的为镉镍蓄电池，是属于二次电池，即可以经过充电后重复使用的电源装置。广泛运用于各个领域建设和发展，尤其是对国防现代化建设不可或缺。

在现役的高科技军用装备中，号称为装备“眼睛”的光电装备而言，几乎都配备了蓄电池。若一旦装备失去电源即蓄电池提供电能，装备就成为“瞎子”，影响装备的战斗力。在现有光电装备中，镉镍蓄电池选用约占70%左右。光电装备，无论是在工厂基地维修还是在部队维护和保养，对蓄电池现状而言，主要存在问题是，一功能单一品种繁多，不利日常维护和保养;二智能和数字化水平低;三是保护措施欠缺;因而无法适应部队对蓄电池维护和保养的实际需求，是急需要解决问题。

本设计基于目前光电装备使用的镉镍蓄电池在技术保障中存在的主要问题而研制的。针对这些问题，需要一种方便、较通用的解决方案，来提高装备电池的战斗力和完好率。为此，选择了蓄电池故障率很高的手持类激光测距机所使用的圆形封装的镉镍蓄电池组作为研究对象，对电池的充电、维护提供一个尽量完善的解决方案。

1 镍镉电池的特性

镉镍密封碱性蓄电池组，使用可靠，携带方便，不漏电解液，大量应用于小型通讯机、激光测距机、红外热成像仪、微光夜视仪、电话载波机、报警器、计算机、仪表测试及检验等，包括光电仪器在内，在多种军事装备中应用广泛。

镉镍蓄电池工作时，其基本电化学反应为:

正极:2Ni(OH)2+2OH－充电→2BNiOOH+2H2O+2e

2BNiOOH+2H2O+2e放电→2Ni(OH)2+2OH－

负极:Cd(OH)2+2e充电→Cd+2OH

Cd+2OH－放电→Cd(OH)2+2e

总的电化学反应方程为:

2Ni(OH)2+Cd(OH)2充电→2BNiOOH+Cd+2H2O

2BNiOOH+Cd+2H2O放电→2Ni(OH)2+Cd(OH)2

充电时电能转化为化学能储藏起来，使用时化学能转变成电能。镉镍扣式密封蓄电池组在充电过程中，尤其过充电的情况下，伴随着下列反应的发生:

正极在充电过程中，产生氧气，由于负极的电化学和化学作用而被吸收，加上其他工艺措施，防止电池内部气体聚集，可以保证蓄电池组在密封条件下正常工作。但是长时间的过充电，释放的氧气大大增加，由于化学反应物质的不平衡性，使得氧气一定程度的在电池内部聚集，时间久了会导致电池鼓胀、破裂等现象，所以恰当的时机减小充电电流、停充对于保持电池性能有着十分重要的意义。

充电过程中充电电流的控制对于电池容量的保持、使用寿命的延长等都是至关重要的。正确的放电过程对于电池的激活、容量的恢复等有着重要意义，放电电流、终止电压都直接影响放电效果，大电流放电、过低的终止电压会极大的损坏电池。所以充电机的充电电流、放电电流、充电终止电压、放电终止电压是几个最重要的技术指标。

通过上述分析，提出镉镍蓄电池组维护系统的基本设计思路和参数:

(1)输入电源

交流输入:AC 220V±10%，50Hz;直流输入:DC 24V±10%。

(2)蓄电池型号和规格

标称蓄电池:镉镍扣式密封蓄电池组

10GNB0.3(12V/0.3Ah)，10GNB0.6(12V/0.6Ah)，10GNB0.22(12V/0.22Ah);

10GNYG2.2(12V/2.2Ah)(10 节电池串联)，

10GNYZ1(12V/1Ah)(10节电池串联)，

10GNYG0.6(12V/0.6Ah)(10 节电池串联)。

(3)充电电流(含激活充电)

预充电电流:按 0.1C，0.2C，0.3C，0.4C，0.5C充电速率充电，逐渐增加，时间为4min;

快速充电电流:按0.5C充电速率充电，终止电压为15.8V;

补足充电电流:按0.2C充电速率充电，终止电压为14.5V;

涓流充电电流:按0.05C充电速率充电，涓流充电时间为6h。

再次，可以考虑目标企业所处行业和地区。比如，国家对于创投企业、高新技术企业等行业，以及少数民族、西部地区、经济特区等区域的企业有优惠政策，企业在并购时可以利用这一优惠政策。

(4)放电电流

放电电流:按≤0.2C放电速率放电，放电截止电压为10.0V。

(5)充电时间

标称蓄电池:

表1 标称蓄电池类型

扩展蓄电池:

表2 扩展蓄电池类型

2 硬件部分设计

2.1 主要电路组成

智能便携式镉镍蓄电池维护系统的电路主要由3块电路板组成，分别为控制电路、充电电路、充放电回路。由于采用了合理的电路优化措施，使得电路结构紧凑，结构合理，既节约空间，也不影响散热，实际使用效果较好。图1给出了控制电路的原理图，图2给出了充电电路的原理图，图3给出了充放电电路的原理图。

图1 硬件电路图

图2 充电电路原理

文章主要就控制电路部分进行详细介绍。控制电路部分包括 msp430f449，lcd12864，ds1302，ds18b20，4x4矩阵键盘，采样部分的仪器放大器。下面就几个主要的器件进行介绍。

2.1.1 msp430f449 单片机

MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段［1］。

2.1.2 lcd12864 点阵液晶

现在市面上可以显示的液晶种类比较多。有段式液晶，点阵液晶，支持中文，支持英文等。由于需要显示的内容比较多。用英文的容易引起歧义。且不容易阅读。选择这款带中文字库的液晶显示的内容比较丰富。

图3 充放电电路原理

2.1.3 ds1302 芯片

充电器在给电池充电时需要计时。而这款芯片有日历功能可以作为充电时的基准时间。同时也可以给充电器增加了日历功能［2］。

2.2 电流采样电路使用方法

2.2.1 电流采样电路采用仪器放大器的方法

电路如图4所示在充电电路中串入0.1欧姆的康铜丝，信号经过两级放大后输出至单片机的adc模块。电路采用两级放大，前级放大20倍，后极放大10倍。总共放大200倍。放大倍数可以根据需要调节 R1，R2，R3，R4，R5的电阻比例即可。采用两级放大的好处是在采样的时候使信号少失真。运放采用lm324 4运算放大器。

图4 电流采样电路

2.2.2 电压采样电路采用分压的方式

如图5所示，分压比为1:10。过运放后直接送入单片机采样。运放的好处是对单片机起保护作用。如果电压过高超过运放的承受电压之后不会损坏后级单片机。输入是高阻抗，测量时不会影响被测电路。

图5 电压采样电路

3 软件部分设计

3.1 语言选择、软件环境的搭建

单片机开发常用的编程语言是汇编语言和C语言，本设计采用的是语言进行编写。C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，能产生高效紧凑的代码［3］。C语言已不仅为计算机专业工作者使用，而且开始为越来越多的计算机应用人员喜爱和使用［4］。

3.2 外接电源的选择

镉镍蓄电池维护系统的主要电路，由市电220V经变压器提供的电源(或者汽车电瓶提供的DC24V电源)选择性的给控制电路进行供电，控制电路对每节电池进行检测，根据电池的状态决定电源电路对每节电池的工作状态和工作参数，并在整个充电过程中不断的进行这样的检测，调整对应电池的相应参数，给每个电池都提供一个理想的充电曲线。

3.3 软件主要工作流程

镉镍蓄电池维护系统电路的主要工作流程如图6所示，接通电源后，控制电路首先检测电池的电压状态，如果电压高于放电截止电压(10.0伏)，则向电源电路发出放电指令，按照规定的电流率进行放电，当电池电压放至10.0伏时，发出充电信号，电源电路按照程序要求的电流率对电池进行充电，充至满充电压1.0伏时，开始转如涓流充电状态，以微小的电流对电池进行补充电，补充2小时左右电池充满，维护系统停止充电，充满指示。如要对电池进行激充电过程，几个循环后电池容量可以得到恢复［5］。