鎘鎳蓄電池維護系統的研究與設計

王 巖，魏金虎

(1.南京軍區73685部隊，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，其中應用最多的為鎘鎳蓄電池，是屬于二次電池，即可以經過充電后重復使用的電源裝置。廣泛運用于各個領域建設和發展，尤其是對國防現代化建設不可或缺。

在現役的高科技軍用裝備中，號稱為裝備“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”，影響裝備的戰斗力。在現有光電裝備中，鎘鎳蓄電池選用約占70%左右。光電裝備，無論是在工廠基地維修還是在部隊維護和保養，對蓄電池現狀而言，主要存在問題是，一功能單一品種繁多，不利日常維護和保養;二智能和數字化水平低;三是保護措施欠缺;因而無法適應部隊對蓄電池維護和保養的實際需求，是急需要解決問題。

本設計基于目前光電裝備使用的鎘鎳蓄電池在技術保障中存在的主要問題而研制的。針對這些問題，需要一種方便、較通用的解決方案，來提高裝備電池的戰斗力和完好率。為此，選擇了蓄電池故障率很高的手持類激光測距機所使用的圓形封裝的鎘鎳蓄電池組作為研究對象，對電池的充電、維護提供一個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，大量應用于小型通訊機、激光測距機、紅外熱成像儀、微光夜視儀、電話載波機、報警器、計算機、儀表測試及檢驗等，包括光電儀器在內，在多種軍事裝備中應用廣泛。

鎘鎳蓄電池工作時，其基本電化學反應為:

正極:2Ni(OH)2+2OH－充電→2BNiOOH+2H2O+2e

2BNiOOH+2H2O+2e放電→2Ni(OH)2+2OH－

負極:Cd(OH)2+2e充電→Cd+2OH

Cd+2OH－放電→Cd(OH)2+2e

總的電化學反應方程為:

2Ni(OH)2+Cd(OH)2充電→2BNiOOH+Cd+2H2O

2BNiOOH+Cd+2H2O放電→2Ni(OH)2+Cd(OH)2

充電時電能轉化為化學能儲藏起來，使用時化學能轉變成電能。鎘鎳扣式密封蓄電池組在充電過程中，尤其過充電的情況下，伴隨著下列反應的發生:

正極在充電過程中，產生氧氣，由于負極的電化學和化學作用而被吸收，加上其他工藝措施，防止電池內部氣體聚集，可以保證蓄電池組在密封條件下正常工作。但是長時間的過充電，釋放的氧氣大大增加，由于化學反應物質的不平衡性，使得氧氣一定程度的在電池內部聚集，時間久了會導致電池鼓脹、破裂等現象，所以恰當的時機減小充電電流、停充對于保持電池性能有著十分重要的意義。

充電過程中充電電流的控制對于電池容量的保持、使用壽命的延長等都是至關重要的。正確的放電過程對于電池的激活、容量的恢復等有著重要意義，放電電流、終止電壓都直接影響放電效果，大電流放電、過低的終止電壓會極大的損壞電池。所以充電機的充電電流、放電電流、充電終止電壓、放電終止電壓是幾個最重要的技術指標。

通過上述分析，提出鎘鎳蓄電池組維護系統的基本設計思路和參數:

(1)輸入電源

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

(2)蓄電池型號和規格

標稱蓄電池: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 節電池串聯)，

10GNYZ1(12V/1Ah)(10節電池串聯)，

10GNYG0.6(12V/0.6Ah)(10 節電池串聯)。

(3)充電電流(含激活充電)

預充電電流: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，涓流充電時間為6h。

再次，可以考慮目標企業所處行業和地區。比如，國家對于創投企業、高新技術企業等行業，以及少數民族、西部地區、經濟特區等區域的企業有優惠政策，企業在并購時可以利用這一優惠政策。

(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)充電時間

標稱蓄電池:

表1 標稱蓄電池類型

擴展蓄電池:

表2 擴展蓄電池類型

2 硬件部分設計

2.1 主要電路組成

智能便攜式鎘鎳蓄電池維護系統的電路主要由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化措施，使得電路結構緊湊，結構合理，既節約空間，也不影響散熱，實際使用效果較好。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行詳細介紹。控制電路部分包括 msp430f449，lcd12864，ds1302，ds18b20，4x4矩陣鍵盤，采樣部分的儀器放大器。下面就幾個主要的器件進行介紹。

2.1.1 msp430f449 單片機

MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在1996年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段［1］。

2.1.2 lcd12864 點陣液晶

現在市面上可以顯示的液晶種類比較多。有段式液晶，點陣液晶，支持中文，支持英文等。由于需要顯示的內容比較多。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的液晶顯示的內容比較豐富。

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需要計時。而這款芯片有日歷功能可以作為充電時的基準時間。同時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，信號經過兩級放大后輸出至單片機的adc模塊。電路采用兩級放大，前級放大20倍，后極放大10倍。總共放大200倍。放大倍數可以根據需要調節 R1，R2，R3，R4，R5的電阻比例即可。采用兩級放大的好處是在采樣的時候使信號少失真。運放采用lm324 4運算放大器。

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。過運放后直接送入單片機采樣。運放的好處是對單片機起保護作用。如果電壓過高超過運放的承受電壓之后不會損壞后級單片機。輸入是高阻抗，測量時不會影響被測電路。

圖5 電壓采樣電路

3 軟件部分設計

3.1 語言選擇、軟件環境的搭建

單片機開發常用的編程語言是匯編語言和C語言，本設計采用的是語言進行編寫。C語言是一種源于編寫UNIX操作系統的語言，它是一種結構化語言，能產生高效緊湊的代碼［3］。C語言已不僅為計算機專業工作者使用，而且開始為越來越多的計算機應用人員喜愛和使用［4］。

3.2 外接電源的選擇

鎘鎳蓄電池維護系統的主要電路，由市電220V經變壓器提供的電源(或者汽車電瓶提供的DC24V電源)選擇性的給控制電路進行供電，控制電路對每節電池進行檢測，根據電池的狀態決定電源電路對每節電池的工作狀態和工作參數，并在整個充電過程中不斷的進行這樣的檢測，調整對應電池的相應參數，給每個電池都提供一個理想的充電曲線。

3.3 軟件主要工作流程

鎘鎳蓄電池維護系統電路的主要工作流程如圖6所示，接通電源后，控制電路首先檢測電池的電壓狀態，如果電壓高于放電截止電壓(10.0伏)，則向電源電路發出放電指令，按照規定的電流率進行放電，當電池電壓放至10.0伏時，發出充電信號，電源電路按照程序要求的電流率對電池進行充電，充至滿充電壓1.0伏時，開始轉如涓流充電狀態，以微小的電流對電池進行補充電，補充2小時左右電池充滿，維護系統停止充電，充滿指示。如要對電池進行激充電過程，幾個循環后電池容量可以得到恢復［5］。

圖6 充電流程圖

4 結論

通過對鎘鎳蓄電池維護系統進行的工作試驗以及裝配過程中發現的問題，及時對圖紙問題進行更正，確立鎘鎳蓄電池維護系統的各項技術指標;也可提高其工作穩定性。

鎘鎳蓄電池維護系統設計、生產后，在設計時做了大量的試驗，驗證了其各方面的性能指標都完全滿足要求，目前該智能便攜式鎘鎳蓄電池維護系統可以對以下光電裝備所使用的鎘鎳蓄電池進行維護和保養，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］美國德州儀器公司.msp430f449中文數據手冊［Z］.2010.

［2］美國DALLAS公司.ds1302中文數據手冊［Z］.2008.

［3］譚浩強.C程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［4］艾德才，衡紅軍，曹衛東，等.計算機軟件技術基礎［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［5］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2010.