镍氢智能充电器的设计文档格式.docx

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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，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ThedesignofNiMHintelligentbatterychargerInstruction:

Inrecentyears,thedevelopmentofdigitaltechnologymakespeopleincreasinglyhighdemandforenergy,asaleaderinenergymarkets,NiCdandNiMHbatterycost-effectiveandcanmeetthedemandinmanyaspects,bypeopleofallages,allkindsofNiCdandNiMHbatterychargeralsogotverybigdevelopment.Thesetwokindsofcellswithsimilarcharacteristics,candesigntwokindofbatteriesareapplicablecharger.ThedesignofthediscussedNi-MHbatterycharacteristics,usingAT89C2051microcontrollerasthecoredesignofarechargeableNi-MHNi-Cdbattery,withvoltagenegativeincrement（-V）fastchargercontrolfunction.Thefastchargerhardwarecircuitissimple,lowcost,butthecontrolmethodismoreadvancedinthesoftwarepart,itsperformanceisnotaffected.Nickel-hydrogenbatteriesandnickel-cadmiumbatteries,variety,asquarebattery,smallbatteryhasacylindricalandflat,alsohasabuttonbattery.NiMHbatterypositiveplatematerialisNiOOH,negativeelectrodematerialsforhydrogenstoragealloy,usually30%KOHaqueoussolutionofelectrolyte,andtheadditionofasmallamountofNiOH.DiaphragmusingporousVignyLunnon-wovenfabricornylonetc.Ni-MHbatteryhaslowdischargecharacteristicbetter,eveninthe-20degreesCelsiustemperature,thelargecurrentdischarge,thereleaseofelectricitycanreachmorethan85%ofnominalcapacity.However,athightemperature,thebatterycapacityofthisbatterywillfall5%-10%.Thecapacitylossduetoselfdischargeandcauseisreversible,returntomaximumcapacitythroughseveralcharge-dischargecyclecan.Ni-MHbatteryfirstenteredtheindustrializationinChina,virtue,useearlyNi-MHbatteryisreplacednickel-cadmiumbatteriesinnotebookcomputerandmobilephones,inadditiontotheelectrictools,digitalcameras,electricvehicle,mobilephonerelaybaseuninterruptedmobilepowersupply,portableprinters,mobiledevices,digitalproducts,medicalequipmentremotecommunicationequipment,LCDTV,communicationequipment,laserequipment,instrumentandmeter,electrictoysandotherfieldsarewidelyused.ThebirthofNi-MHbatteryshouldbeattributedtohydrogenstoragealloysfind.AsearlyasintwentiethCenturysixtyattheendof1990s,peoplefoundanewfunctionalmaterialofhydrogenstoragealloy,hydrogenstoragealloycansuckputlargeamountsofhydrogenatacertaintemperatureandpressureconditions,soitiscalledhydrogensponge.Somehydrogenstoragealloycanbeinstrongalkalineelectrolytesolution,repeatedchargeanddischargeandlong-termstability,thusprovidinganewanodematerialforus,andbasedonthisinventedNiMHbatteries.Themainsourceofhydrogenstoragealloyisrareearth,rareearthresourcesinChinaaccountedformorethan70%oftheworldstotalreserves,developmenthastheadvantageberichlyendowedbynatureofNi-MHbattery.ResearchanddevelopmentoftheChineseNi-MHbattery,andsupportedbythenationaleightsixthreeproject,wasclassifiedaspriorityamongprioritiesproject.ThisdesigndiscussedthechargingproblemofNi-MHbattery,asabasisforthedesignofafastcharger.Ni-MHbatteryischargingauniquecharacteristic,thereforethedesignofthechargershouldtakethisintoaccount,soastobringadvantagesintofullplay.IntheunderstandingofthecharacteristicsofNi-MHbattery,thechargingcurvesandtheircharacteristics,thedesignofseveraldifferentchargingmethodandchargingcontrolmethodindetail,analyzestheiradvantagesanddisadvantages,thefastchargingmethodofpulseanddepolarizationandthenegativevoltageincrement（-V）thechargingcontrolmethod.Thedesignofthemainuseofanalog-to-digitalconversion,convertsthebatteryvoltageoftheanalogtodigitalsingle-chiptimer,afteracomparisonofdigitalcomputing,oftheworkingstatusofthebatteryisjudged,andaccordinglytakechargeofdifferentmethods.Thefastchargingprocessadoptsthemethodoflargecurrentpulsedischarge,eliminatethephenomenonofpolarizationintheprocessofchargingbattery,adetectioncircuitdetectsthebatterynegativepressure,fastchargetermination.Thedesigncharacteristicsofthefirstnickel-hydrogenbatteryanditschargingcharacteristics,studythechargingmethodsandthechargingcontrolmethod,analyzestheadvantagesanddisadvantagesofthesemethodsrespectively,andthenmakesadetailedanalysisofthedesignofthehardwarecircuit,includingworkingprincipleofeachpartcircuitandparametersetting,thecircuitdesignsoftware.ThedesignofthehardwareincludingMCUcontrolmodule,interfacemodule,collectionchargedischargevoltageandcurrentmodule.Thedesignofthehardwarecircuit,achargingandvoltageconversionpartandcontrolpartofanalogcircuit,digitalcircuit,animportantpartofconnectingthetwopartsofthecircuitistheA/Dconversioncircuit.Inordertomakefulluseofexistingresources,reducethecost,theA/Dconversioncircuitisusedtochargethecapacitorconstantcurrentsource,voltageacrossthecapacitorandthetimeistheprincipleofthelinearrelationship,convertstheanalogvoltageintodigitalquantityofSCMtimer.ThedesignofthesoftwareandcomparevoltageaccordingtothedigitalquantitybatteryvoltageA/Dconversioncircuitisobtained,fastchargeinaccordancewiththechargingcurve,whenthefastchargeaftertheend,automaticallyintotricklecharge.Keywords：

Negativevoltageincrement；

Quickcharge；

A/Dconversion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。

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，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