鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王 巖，魏金虎

(1.南京軍區(qū)73685部隊(duì)，江蘇 南京 210016;2.解放軍第3304軍工廠，江蘇 南京 210008)

蓄電池是一種提供電能裝置。若蓄電池按所用電極材料可分成多種類型，其中應(yīng)用最多的為鎘鎳蓄電池，是屬于二次電池，即可以經(jīng)過(guò)充電后重復(fù)使用的電源裝置。廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域建設(shè)和發(fā)展，尤其是對(duì)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)不可或缺。

在現(xiàn)役的高科技軍用裝備中，號(hào)稱為裝備“眼睛”的光電裝備而言，幾乎都配備了蓄電池。若一旦裝備失去電源即蓄電池提供電能，裝備就成為“瞎子”，影響裝備的戰(zhàn)斗力。在現(xiàn)有光電裝備中，鎘鎳蓄電池選用約占70%左右。光電裝備，無(wú)論是在工廠基地維修還是在部隊(duì)維護(hù)和保養(yǎng)，對(duì)蓄電池現(xiàn)狀而言，主要存在問(wèn)題是，一功能單一品種繁多，不利日常維護(hù)和保養(yǎng);二智能和數(shù)字化水平低;三是保護(hù)措施欠缺;因而無(wú)法適應(yīng)部隊(duì)對(duì)蓄電池維護(hù)和保養(yǎng)的實(shí)際需求，是急需要解決問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)基于目前光電裝備使用的鎘鎳蓄電池在技術(shù)保障中存在的主要問(wèn)題而研制的。針對(duì)這些問(wèn)題，需要一種方便、較通用的解決方案，來(lái)提高裝備電池的戰(zhàn)斗力和完好率。為此，選擇了蓄電池故障率很高的手持類激光測(cè)距機(jī)所使用的圓形封裝的鎘鎳蓄電池組作為研究對(duì)象，對(duì)電池的充電、維護(hù)提供一個(gè)盡量完善的解決方案。

1 鎳鎘電池的特性

鎘鎳密封堿性蓄電池組，使用可靠，攜帶方便，不漏電解液，大量應(yīng)用于小型通訊機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、紅外熱成像儀、微光夜視儀、電話載波機(jī)、報(bào)警器、計(jì)算機(jī)、儀表測(cè)試及檢驗(yàn)等，包括光電儀器在內(nèi)，在多種軍事裝備中應(yīng)用廣泛。

鎘鎳蓄電池工作時(shí)，其基本電化學(xué)反應(yīng)為:

正極:2Ni(OH)2+2OH－充電→2BNiOOH+2H2O+2e

2BNiOOH+2H2O+2e放電→2Ni(OH)2+2OH－

負(fù)極:Cd(OH)2+2e充電→Cd+2OH

Cd+2OH－放電→Cd(OH)2+2e

總的電化學(xué)反應(yīng)方程為:

2Ni(OH)2+Cd(OH)2充電→2BNiOOH+Cd+2H2O

2BNiOOH+Cd+2H2O放電→2Ni(OH)2+Cd(OH)2

充電時(shí)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)藏起來(lái)，使用時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。鎘鎳扣式密封蓄電池組在充電過(guò)程中，尤其過(guò)充電的情況下，伴隨著下列反應(yīng)的發(fā)生:

正極在充電過(guò)程中，產(chǎn)生氧氣，由于負(fù)極的電化學(xué)和化學(xué)作用而被吸收，加上其他工藝措施，防止電池內(nèi)部氣體聚集，可以保證蓄電池組在密封條件下正常工作。但是長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)充電，釋放的氧氣大大增加，由于化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的不平衡性，使得氧氣一定程度的在電池內(nèi)部聚集，時(shí)間久了會(huì)導(dǎo)致電池鼓脹、破裂等現(xiàn)象，所以恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)減小充電電流、停充對(duì)于保持電池性能有著十分重要的意義。

充電過(guò)程中充電電流的控制對(duì)于電池容量的保持、使用壽命的延長(zhǎng)等都是至關(guān)重要的。正確的放電過(guò)程對(duì)于電池的激活、容量的恢復(fù)等有著重要意義，放電電流、終止電壓都直接影響放電效果，大電流放電、過(guò)低的終止電壓會(huì)極大的損壞電池。所以充電機(jī)的充電電流、放電電流、充電終止電壓、放電終止電壓是幾個(gè)最重要的技術(shù)指標(biāo)。

通過(guò)上述分析，提出鎘鎳蓄電池組維護(hù)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路和參數(shù):

(1)輸入電源

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

(2)蓄電池型號(hào)和規(guī)格

標(biāo)稱蓄電池:鎘鎳扣式密封蓄電池組

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

10GNYG2.2(12V/2.2Ah)(10 節(jié)電池串聯(lián))，

10GNYZ1(12V/1Ah)(10節(jié)電池串聯(lián))，

10GNYG0.6(12V/0.6Ah)(10 節(jié)電池串聯(lián))。

(3)充電電流(含激活充電)

預(yù)充電電流:按 0.1C，0.2C，0.3C，0.4C，0.5C充電速率充電，逐漸增加，時(shí)間為4min;

快速充電電流:按0.5C充電速率充電，終止電壓為15.8V;

補(bǔ)足充電電流:按0.2C充電速率充電，終止電壓為14.5V;

涓流充電電流:按0.05C充電速率充電，涓流充電時(shí)間為6h。

再次，可以考慮目標(biāo)企業(yè)所處行業(yè)和地區(qū)。比如，國(guó)家對(duì)于創(chuàng)投企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)等行業(yè)，以及少數(shù)民族、西部地區(qū)、經(jīng)濟(jì)特區(qū)等區(qū)域的企業(yè)有優(yōu)惠政策，企業(yè)在并購(gòu)時(shí)可以利用這一優(yōu)惠政策。

(4)放電電流

放電電流:按≤0.2C放電速率放電，放電截止電壓為10.0V。

(5)充電時(shí)間

標(biāo)稱蓄電池:

表1 標(biāo)稱蓄電池類型

擴(kuò)展蓄電池:

表2 擴(kuò)展蓄電池類型

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 主要電路組成

智能便攜式鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)的電路主要由3塊電路板組成，分別為控制電路、充電電路、充放電回路。由于采用了合理的電路優(yōu)化措施，使得電路結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)構(gòu)合理，既節(jié)約空間，也不影響散熱，實(shí)際使用效果較好。圖1給出了控制電路的原理圖，圖2給出了充電電路的原理圖，圖3給出了充放電電路的原理圖。

圖1 硬件電路圖

圖2 充電電路原理

文章主要就控制電路部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。控制電路部分包括 msp430f449，lcd12864，ds1302，ds18b20，4x4矩陣鍵盤(pán)，采樣部分的儀器放大器。下面就幾個(gè)主要的器件進(jìn)行介紹。

2.1.1 msp430f449 單片機(jī)

MSP430系列是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，在1996年問(wèn)世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段［1］。

2.1.2 lcd12864 點(diǎn)陣液晶

現(xiàn)在市面上可以顯示的液晶種類比較多。有段式液晶，點(diǎn)陣液晶，支持中文，支持英文等。由于需要顯示的內(nèi)容比較多。用英文的容易引起歧義。且不容易閱讀。選擇這款帶中文字庫(kù)的液晶顯示的內(nèi)容比較豐富。

圖3 充放電電路原理

2.1.3 ds1302 芯片

充電器在給電池充電時(shí)需要計(jì)時(shí)。而這款芯片有日歷功能可以作為充電時(shí)的基準(zhǔn)時(shí)間。同時(shí)也可以給充電器增加了日歷功能［2］。

2.2 電流采樣電路使用方法

2.2.1 電流采樣電路采用儀器放大器的方法

電路如圖4所示在充電電路中串入0.1歐姆的康銅絲，信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后輸出至單片機(jī)的adc模塊。電路采用兩級(jí)放大，前級(jí)放大20倍，后極放大10倍。總共放大200倍。放大倍數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié) R1，R2，R3，R4，R5的電阻比例即可。采用兩級(jí)放大的好處是在采樣的時(shí)候使信號(hào)少失真。運(yùn)放采用lm324 4運(yùn)算放大器。

圖4 電流采樣電路

2.2.2 電壓采樣電路采用分壓的方式

如圖5所示，分壓比為1:10。過(guò)運(yùn)放后直接送入單片機(jī)采樣。運(yùn)放的好處是對(duì)單片機(jī)起保護(hù)作用。如果電壓過(guò)高超過(guò)運(yùn)放的承受電壓之后不會(huì)損壞后級(jí)單片機(jī)。輸入是高阻抗，測(cè)量時(shí)不會(huì)影響被測(cè)電路。

圖5 電壓采樣電路

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 語(yǔ)言選擇、軟件環(huán)境的搭建

單片機(jī)開(kāi)發(fā)常用的編程語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，本設(shè)計(jì)采用的是語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。C語(yǔ)言是一種源于編寫(xiě)UNIX操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，能產(chǎn)生高效緊湊的代碼［3］。C語(yǔ)言已不僅為計(jì)算機(jī)專業(yè)工作者使用，而且開(kāi)始為越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)應(yīng)用人員喜愛(ài)和使用［4］。

3.2 外接電源的選擇

鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)的主要電路，由市電220V經(jīng)變壓器提供的電源(或者汽車電瓶提供的DC24V電源)選擇性的給控制電路進(jìn)行供電，控制電路對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)電池的狀態(tài)決定電源電路對(duì)每節(jié)電池的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，并在整個(gè)充電過(guò)程中不斷的進(jìn)行這樣的檢測(cè)，調(diào)整對(duì)應(yīng)電池的相應(yīng)參數(shù)，給每個(gè)電池都提供一個(gè)理想的充電曲線。

3.3 軟件主要工作流程

鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)電路的主要工作流程如圖6所示，接通電源后，控制電路首先檢測(cè)電池的電壓狀態(tài)，如果電壓高于放電截止電壓(10.0伏)，則向電源電路發(fā)出放電指令，按照規(guī)定的電流率進(jìn)行放電，當(dāng)電池電壓放至10.0伏時(shí)，發(fā)出充電信號(hào)，電源電路按照程序要求的電流率對(duì)電池進(jìn)行充電，充至滿充電壓1.0伏時(shí)，開(kāi)始轉(zhuǎn)如涓流充電狀態(tài)，以微小的電流對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充電，補(bǔ)充2小時(shí)左右電池充滿，維護(hù)系統(tǒng)停止充電，充滿指示。如要對(duì)電池進(jìn)行激充電過(guò)程，幾個(gè)循環(huán)后電池容量可以得到恢復(fù)［5］。

圖6 充電流程圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行的工作試驗(yàn)以及裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)對(duì)圖紙問(wèn)題進(jìn)行更正，確立鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo);也可提高其工作穩(wěn)定性。

鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)后，在設(shè)計(jì)時(shí)做了大量的試驗(yàn)，驗(yàn)證了其各方面的性能指標(biāo)都完全滿足要求，目前該智能便攜式鎘鎳蓄電池維護(hù)系統(tǒng)可以對(duì)以下光電裝備所使用的鎘鎳蓄電池進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，部分光電裝備鎘鎳蓄電池匯總表如表3所示。

表3 部分光電裝備鎘鎳蓄電池匯總表

［1］美國(guó)德州儀器公司.msp430f449中文數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.2010.

［2］美國(guó)DALLAS公司.ds1302中文數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.2008.

［3］譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［4］艾德才，衡紅軍，曹衛(wèi)東，等.計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

［5］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.