镍氢智能充电器的设计

1、目录设计总说明:IInstruction:III绪论11 概述21.1 镍氢电池的发展状况及其应用领域21.2镍氢电池的简述32 镍氢电池的充电原理42.1 充电相关术语42.2镍氢电池的工作原理和电化学原理62.2.1镍氢电池的工作原理62.2.2镍氢电池充放电时的电化学原理62.3镍氢电池的特性82.3.1镍氢电池的充放电特性曲线82.3.2 镍氢电池的使用寿命102.3.3 镍氢电池充电、放电过程中的注意事项102.4 充电方法、过程及充电终止控制方法112.4.1 充电方法112.4.2充电过程132.4.3充电终止控制方法133 硬件电路的设计153.1电路整体框架153.2控制芯片

2、AT89C2051简介153.3充放电路的设计173.4 电压变换和模拟开关选通电路设计183.4.1 LF353简介193.4.2 TL431简介203.4.3 CD4051简介223.4.4电路功能及参数的确定233.5 A/D转换电路设计253.6 电路其他组成部分263.7 电路工作过程分析263.8误差分析及解决办法273.8.1 A/D转换误差分析273.8.2 误差解决办法283.9影响A/D转换速度的因素及提高办法284 程序设计294.1 设计整体思路294.2 主程序代码设计304.3 子程序设计345 结论37参考文献39附录A 系统电路图40附录B 主要源代码41致谢5

3、0镍氢电池智能充电器的设计设计总说明:最近几年以来，数码技术的发展使人们对能源的要求越来越高，作为能源市场上的佼佼者，性价比高的镍镉镍氢电池可满足很多方面的需求，得到了众人的青睐，各种镍镉镍氢电池的充电器也得到了很大发展。这两种电池具有相似的特性，可以设计出两种电池都适用的充电器。本设计在讨论了了镍氢电池特性基础上，以AT89C2051单片机为核心设计了一个可对镍氢镍镉电池充电，具有电压负增量（-V）控制功能的快速充电器。这个快速充电器硬件电路比较简单，成本较低，不过在软件部分采用了较为先进的控制方法，其性能并未因此受到影响。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

4、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5%-10%。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

5、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。镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪六十年代末，人们就发现了一种新型功能材料储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢，因此被人们形象地称为“吸氢海绵”。 其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中，反复冲放电并长期稳定存在，从而为我们提供了一种新型负极材料，并在此基础上发明了镍氢电池。储氢合金的主要来源是稀土，而中国的稀土资源占世界总储量的70%以上，发展镍氢电池具有得天独厚的优势。因此中国镍氢电池的研制与开发，受到了国家八六三计划的大力支持，

6、被列为“重中之重”项目。本设计讨论了镍氢电池的充电问题，以此为基础设计了一个快速充电器。镍氢电池具有独特的充电特性，因此设计充电器时要考虑到这一特性，这样才能把优势充分发挥出来。在理解了镍氢电池的特点，分析了它们的充电曲线和特性以后，本设计对几种不同的充电方法和充电终止控制方法作了详细比较，分析了各自的利弊，最终采用了脉冲法加去极化反应结合的快速充电方法以及电压负增量（-V）的充电终止控制方法。本设计主要利用模数转换，将电池电压这一模拟量转换为单片机定时器中的数字量，经过数字量的运算、比较，对电池的工作状态进行判断，并相应地采取不同的充电方法。其中快速充电过程采用了大电流脉冲充放电的方法，消除

7、了电池极化反应这一现象，充电过程中检测电路检测到电池出现负压后，快速充电终止。本设计首先研究了镍氢电池的特点以及它的充电特性，研究了几种常用的充电方法和充电终止控制方法，分析了这几种方法各自的优缺点，其次对本设计的硬件电路做了详细分析，其中包括电路工作原理和每一部分参数的设置，最后是电路软件程序的设计。本设计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。本设计的硬件电路中，充电和电压变换部分属于模拟电路，而控制部分属于数字电路，连接这两部分电路的一个重要组成部分是A/D转换电路。为了充分利用已有资源，降低成本，这个A/D转换电路利用的是恒流源对电容充电，电容两端电压与时间

8、呈线性关系这一原理，将电池电压这个模拟量转换成单片机定时器中的数字量。本设计的软件部分根据A/D转换电路得到的电池电压的数字量进行电压的比较和判断，按照充电曲线进行快速充电，当快充结束后，自动转入涓流充电。关键词：电压负增量；快速充电；模数转换The design of NiMH intelligent battery chargerInstruction:In recent years, the development of digital technology makes people increasingly high demand for energy, as a leader in

9、energy markets, NiCd and NiMH battery cost-effective and can meet the demand in many aspects, by people of all ages, all kinds of NiCd and NiMH battery charger also got very big development. These two kinds of cells with similar characteristics, can design two kind of batteries are applicable charge

10、r. The design of the discussed Ni-MH battery characteristics, using AT89C2051 microcontroller as the core design of a rechargeable Ni-MH Ni-Cd battery, with voltage negative increment (- V) fast charger control function. The fast charger hardware circuit is simple, low cost, but the control method i

11、s more advanced in the software part, its performance is not affected.Nickel-hydrogen batteries and nickel-cadmium batteries, variety, a square battery, small battery has a cylindrical and flat, also has a button battery. NiMH battery positive plate material is NiOOH, negative electrode materials fo

12、r hydrogen storage alloy, usually 30% KOH aqueous solution of electrolyte, and the addition of a small amount of NiOH. Diaphragm using porous Vigny Lun non-woven fabric or nylon etc. Ni-MH battery has low discharge characteristic better, even in the -20 degrees Celsius temperature, the large current

13、 discharge, the release of electricity can reach more than 85% of nominal capacity. However, at high temperature, the battery capacity of this battery will fall 5%-10%. The capacity loss due to self discharge and cause is reversible, return to maximum capacity through several charge-discharge cycle

14、can. Ni-MH battery first entered the industrialization in China, virtue, use early Ni-MH battery is replaced nickel-cadmium batteries in notebook computer and mobile phones, in addition to the electric tools, digital cameras, electric vehicle, mobile phone relay base uninterrupted mobile power suppl

15、y, portable printers, mobile devices, digital products, medical equipment remote communication equipment, LCD TV, communication equipment, laser equipment, instrument and meter, electric toys and other fields are widely used. The birth of Ni-MH battery should be attributed to hydrogen storage alloys

16、 find. As early as in twentieth Century sixty at the end of 1990s, people found a new functional material of hydrogen storage alloy, hydrogen storage alloy can suck put large amounts of hydrogen at a certain temperature and pressure conditions, so it is called hydrogen sponge. Some hydrogen storage

17、alloy can be in strong alkaline electrolyte solution, repeated charge and discharge and long-term stability, thus providing a new anode material for us, and based on this invented NiMH batteries. The main source of hydrogen storage alloy is rare earth, rare earth resources in China accounted for mor

18、e than 70% of the worlds total reserves, development has the advantage be richly endowed by nature of Ni-MH battery. Research and development of the Chinese Ni-MH battery, and supported by the national eight six three project, was classified as priority among priorities project.This design discussed

19、 the charging problem of Ni-MH battery, as a basis for the design of a fast charger. Ni-MH battery is charging a unique characteristic, therefore the design of the charger should take this into account, so as to bring advantages into full play. In the understanding of the characteristics of Ni-MH ba

20、ttery, the charging curves and their characteristics, the design of several different charging method and charging control method in detail, analyzes their advantages and disadvantages, the fast charging method of pulse and depolarization and the negative voltage increment (- V) the charging control

21、 method. The design of the main use of analog-to-digital conversion, converts the battery voltage of the analog to digital single-chip timer, after a comparison of digital computing, of the working status of the battery is judged, and accordingly take charge of different methods. The fast charging p

22、rocess adopts the method of large current pulse discharge, eliminate the phenomenon of polarization in the process of charging battery, a detection circuit detects the battery negative pressure, fast charge termination.The design characteristics of the first nickel-hydrogen battery and its charging

23、characteristics, study the charging methods and the charging control method, analyzes the advantages and disadvantages of these methods respectively, and then makes a detailed analysis of the design of the hardware circuit, including working principle of each part circuit and parameter setting, the

24、circuit design software.The design of the hardware including MCU control module, interface module, collection charge discharge voltage and current module. The design of the hardware circuit, a charging and voltage conversion part and control part of analog circuit, digital circuit, an important part

25、 of connecting the two parts of the circuit is the A/D conversion circuit. In order to make full use of existing resources, reduce the cost, the A/D conversion circuit is used to charge the capacitor constant current source, voltage across the capacitor and the time is the principle of the linear re

26、lationship, converts the analog voltage into digital quantity of SCM timer.The design of the software and compare voltage according to the digital quantity battery voltage A/D conversion circuit is obtained, fast charge in accordance with the charging curve, when the fast charge after the end, autom

27、atically into trickle charge.Key words：Negative voltage increment；Quick charge；A/D conversionV绪论镍氢电池作为近年来迅速发展起来的一种高能绿色充电电池，凭借能量密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无污染等优点在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车等领域得到了广泛应用。本论文主要分四个部分，首先第一章对本设计作了一下概述。第二章介绍了镍镉镍氢电池的特点、充电曲线、充电方法、充电过程和充电终止控制方法，它们是本设计的基础，其中两种电池的充电曲线是重点内容，正是在研究了两种电池充电曲线的基础上，本

28、设计采用了脉冲法加去极化反应结合的充电方法和电压负增量的充电终止控制方法。第三章分三个部分对本设计的硬件电路做了详细分析，其中包括电路工作原理和每一部分参数的设置。本设计中用到了A/D转换，第三章最后对影响该A/D转换电路的因素做了详细分析并给出了误差解决方案。第四章是程序设计，讲述了本设计程序代码，并结合程序分析了电路工作过程。1 概述1.1 镍氢电池的发展状况及其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

29、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MnNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3,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（1.2V），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1.8-2倍，为铅酸电池的3倍。镍氢电

30、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

31、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2009-2012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

32、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

33、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

34、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。1.2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，

35、而不需要对设备进行任何改造。单体镍氢电池的结构是密封圆柱形，标称电压为1.2V，它主要有以下特点： （1）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。 （2）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

36、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。 （3）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。 （4）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。 （5）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

37、天独厚的优势。 （6）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0.2C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。2 镍氢电池的充电原理2.1 充电相关术语为了更好地理解镍镉镍氢充电电池的特性，下面先简单介绍一下几个和充电电池相关的术语： （1）充电速率（C-rate）C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值，以mAh或Ah表示。可以用它来估算工作时间，例如，C=1600mAh的电池，如果工作电流为400mA，则可估算工作时间约为4小时。 （2）终止电压（C

38、ut-off discharge voltage）电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值称为终止电压。根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。 （3）开路电压（Open circuit voltage）电池不放电时，电池两极之间的电位差称为开路电压。电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，开路电压都是一样的。 （4）过放电（Over discharge）电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，仍继续放电时就可能会造成

39、电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量明显减少，这一现象称为过放电。 （5）过充电（Over charge）电池在充电时，达到充满状态后，若仍继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏液等情况发生，电池的性能也会显著降低，甚至使电池损坏，这现象称为过充电。 （6）能量密度（Energy density）电池的平均单位体积或质量所释放出的电能称为能量密度。一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。 （7）自我放电（Self discharge）电池无论处

40、于使用状态还是未使用状态，由于各种原因，都会引起其电量损失，这一现象称为自我放电。若是以一个月为单位来计算的话，镍镉电池自我放电约是15%30%、镍氢电池自我放电约25%35%。 （8）记忆效应（Memory effect）镍镉充电电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量，这一现象称为记忆效应。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充满电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。镍氢电池也有记忆效应，只是没有镍镉电池那样明显。2.2镍氢电池的工作原理和电化学原理2.2.1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

41、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) 较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。(3) 催化

42、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Ni(OH)2(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。2.2.2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/Ni(OH)2，NiOOH是放电时的活性物质，Ni(OH)2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

43、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: (2-1) 负极： (2-2) 总反应: (2-3)镍氢电池放电时的电化学反应为: 正极: (2-4) 负极: (2-5) 总反应 : (2-6)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: (2-7) 负极: (2-8) 总反应: (2-9) 再化合： (2-10)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

44、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: (2-11) 负极: (2-12)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。2.3镍氢电池的特性2.3.1镍氢电池的充放电特性曲线 图2-1 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

45、度下的1C放电特性曲线如图2-2所示。 图2-2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2-3所示。 图2-3 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2-4所示。 图2-4 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2-5所示。 图2-5 镍氢电池的循环寿命曲线2.3.2 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

46、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。2.3.3 镍氢电池充电、放电过程中的注意事项 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1

47、030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

48、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0.033CmA0.05CmA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。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0.1CmA2CmA范围内，镍氢电池的放

49、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。2.4 充电方法、过程及充电终止控制方法2.4.1 充电方法充电从充电电流来分，有快速充电和慢速充电之分。从充电方式来分，有恒流充电和脉冲充电之分。快充和慢充的概念如下：首先一个充电电池的容量一定，其单位是mAh，如果充电电流大，那么相应的

50、充电时间就应该短，这就是快充，反之亦然。如果设一节电池的标称容量为1C，在0.10.2C之间的充电电流为慢充，0.2C的为快充，0.8C的为超快速充电，0.05C的则是涓流充电。以一节1400mAh的镍氢电池为例，充电电流在140mA280mA之间的为慢速充电，而同样280mA的充电电流，对一节700mAh的电池则就是快充。由此可见，快充还是慢充是个相对的概念，和电池本身的容量有极大的关系。这样一来出现一个矛盾，慢充不损害电池但是充电时间很长；快充可以节省时间，但对电池有伤害，即使是目前非常高级的一种充电器松下BQ390也只能很好的降低伤害程度，但不可完全避免。不过快充伤害电池的原因并不是很多

51、人所想的“大电流充电伤害电池”。大电流只是帮凶，真正的原因是由于大电流而引起的发热，过高的温度对电池寿命有很大的影响。所以大电流并不可怕，关键是怎样来解决发热的问题。下面引入恒流充电和脉冲充电的概念。在慢充时，基本上所有的充电器都采用了恒流的充电方法，这样电路设计比较简单，容易实现。而由于充电电流在慢速充电范围，并不会引起电池过热的问题。到了用较大电流快速充电的问题上，再使用恒流方式，便无法避免电池过热的问题，因此恒流的方法就被摒弃，取而代之的是脉冲方式。采用脉冲方式来制作快速充电器是不错的解决方法，但对于某些特殊的要求，比如1小时快速充电器，这时要采用大于1C的超高速充电电流来进行充电，脉冲

52、法就力不从心了。现在国际上采用的基本都是脉冲法加去极化反应结合的方式。简单的说，就是在脉冲法的基础上，当一个方波的上半部完成后，插入一个短暂的负电流方波，来抵消过大的电流产生巨大热量，从而将电池热量控制在一定范围之内，同时避免电解液中出现结晶。这种充电方法的波形如图2-6所示，其中放电脉冲宽度一般要求是充电脉冲宽度的22.5倍，而充电时间长度应远大于放电时间长度。另外，在充电脉冲和放电脉冲之间均要求插入一段停止充电的阶段，以保证电池内部化学反应正常进行。这种方法一般只有比较专业的充电器才使用，这类充电器往往可以做到用2C3C的电流对电池进行充电。相比较而言，从电池使用寿命的角度来看，慢速恒流充

53、电无疑是保证电池寿命最好的方法。但从时间就是金钱的角度来看，快速充电器节省下来的时间所带来的效益，远比损伤电池寿命10%左右的损失大得多。这也是快速充电器十分流行的原因。放电脉冲2.5倍放电脉冲宽度1520倍放电时间充电脉冲图2-6 脉冲去极化法充电电流波形本设计所做的快速充电器，正是基于上面的考虑，快速充电时采用的也是这种脉冲法加去极化反应结合的方式，即在大电流充电之中穿插短时间大电流放电这种快速充电方式。2.4.2充电过程充电过程一般分为四个阶段：预充电，快速充电，补足充电，涓流充电。 （1）预充电：刚开始充电时以小电流充电，使电池满足一定的充电条件，然后转入快速充电。 （2）快速充电：如

54、前面所述，这是主要的充电阶段。 （3）补足充电：一般采用快速充电终止法时，快速充电终止后，电池并未充满电，为了保证电池充入100%的电量，还应加入补足充电，补足充电速率一般不超过0.3C。 （4）涓流充电：当充电电流小于0.1C时，我们称之为涓流充电，也称为维护充电，在此状态下，充电器将以某一充电速率给电池充电，使电池总处于充满电状态。2.4.3充电终止控制方法采用快速充电法时，充电电流为常规充电电流的几十倍。正常充电时，电能转换成电池化学能，电池电压上升。从镍镉镍氢电池快速充电特性曲线可以看出，充满电后，电池电压开始下降，这时电能将大部分转化成热能，使电池的温度和内部压力迅速上升，对电池造成

55、损害甚至产生危险。为了保证电池充满电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法。（1）定时控制：采用1.25C充电速率时，电池1小时可以充满，采用2.5C充电速率时，30min可以充满，因此，根据电池容量和充电电流，很容易确定所需的充电时间。但由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不满，有的电池过充，所以只有充电速率小于0.3C时，才允许采用这种方法。通过设置一定的充电时间来控制充电终点，一般按照充入120%150%电池标称容量所需的对应时间来控制。（2）电压控制：主要分为以下三种： 最高电压（Vmax）控制：此种方法根据电池峰值电压，设置充电器的最高电压，当电池达到设置

56、的电压时，判断电路就会认为已经充满，从而发出信号触发充电器的控制电路，停止充电或转入涓流充电。本来从电池的充电过程来看，这可能被认为是最准确的充电方式，但实际上，因为每个电池的特性不尽相同，可能这个电压高些，那个低些，而通常充电器设置的是一个固定的电压，这个电压值只是一般认为应该充满或接近充满的数值，所以使用这种限压判断方式的充电器，有些电池可能还没有充满就停了，而有些可能充满时也达不到这个电压，这时充电器就不会做出判断而任由其继续充电了。不过实现这种方式电路简单、成本低，所以一般的智能充电器都是使用这种判断方式。 电压负增量（-V）控制：从镍镉镍氢电池的电压充电曲线中可以看出，这两种电池充满电后，电压均