蓄電池作為能量的轉(zhuǎn)存裝置或備用電源被廣泛地應(yīng)用于各種自動化設(shè)備中。使用普通的充電器對蓄電池充電容易發(fā)生過充電或充電不足的現(xiàn)象。過充電，可使蓄電池發(fā)熱，電解液失水；充電不足，可使蓄電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)不充分，并且長期充電不足會導(dǎo)致蓄電池容量下降。以上兩種情況都會降低蓄電池的使用壽命。由此可見，充電器性能的好壞直接影響到蓄電池的使用效果和使用壽命。本文采用恒流限壓、實時監(jiān)測的智能控制充電方法設(shè)計了一種對講機所使用的8.4V3Ah的鎳鎘智能充電器。同一原理完全可設(shè)計出用于其他不同類型、不同容量的蓄電池的充電器。
1 鎳鎘電池的發(fā)展及特點
　　1899年，Waldmar Jungner首先在開口型鎳鎘蓄電池中使用了鎳極板，同時，Thomas Edison發(fā)明了用于電動車的鎳鐵電池。但是，由于當(dāng)時這些堿性蓄電池的極板材料比其他蓄電池的材料貴得多，其實際應(yīng)用受到了極大的限制。直到1932年，鎳鎘電池經(jīng)歷了最重要的改進(jìn)：科學(xué)家在鎳電池中開始使用活性物質(zhì)。1947年，密封型鎳鎘電池研制成功。
　　鎳鎘電池的特點是效率高、循環(huán)壽命長、能量密度大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、不需要維護(hù)，因此在工業(yè)和消費產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。
2 鎳鎘電池的充電方式及充電特性曲線
　　充電器能否達(dá)到最佳充電效果由所選擇的充電方式和充電特性曲線共同決定。近年來，蓄電池充電器大致可以分為連續(xù)電流充電和脈沖電流充電兩大類。
　　連續(xù)電流充電因放電容量受到電池接受能力的限制和受到在充電過程" title="充電過程">充電過程中電池極化所產(chǎn)生氣體的阻力，使得在大電流充電的情況下，電池放電容量下降和電池發(fā)熱；若用小電流充電，雖可克服這個缺點，但充電時間過長。
　　脈沖電流充電在充電過程中是斷斷續(xù)續(xù)的。采用這種充電方式可以提高電池的接受能力、消除電極化作用、縮短充電時間、增大放電容量、減少電池發(fā)熱和提高充電效率。但是目前的脈沖充電器的充電脈沖寬度和間歇時間都是固定的，不能根據(jù)充電狀態(tài)改變充、放電的時間參數(shù)以及適應(yīng)快速充電的要求，因此充電效果受到了限制。
　　結(jié)合以上兩點，本設(shè)計采用了一種更好、更優(yōu)化的充電方式，即恒流限壓與實時監(jiān)測的智能控制充電方式。該充電方式對主回路開關(guān)電源進(jìn)行數(shù)字控制輸出電壓和電流。
　　鎳鎘電池充電特性曲線如圖1所示。當(dāng)恒定電流充入剛放完電的電池時，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，電池電壓" title="電池電壓">電池電壓很快上升至A點。此后，電池開始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續(xù)上升。在AB之間，電化學(xué)反應(yīng)以一定的速率產(chǎn)生氧氣，同時氧氣也以同樣的速率與氫氣化合，使電池內(nèi)部的溫度和氣體壓力都很低。經(jīng)過一定時間至C點，電解液中開始產(chǎn)生氣泡，這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，電池的內(nèi)阻抗增加，電池電壓開始較快上升。這是接近充足電的信號。

　　充足電后，充入電池的電流不是轉(zhuǎn)換為電池的儲能，而是在正極板上產(chǎn)生氧氣超電位。氧氣是由氫氧化鉀和水組成的電解液電解而產(chǎn)生的，不是由氫氧化鎘還原為鎘而產(chǎn)生的。由于從大量的氫氧離子中比從很少的氫氧化鎘中更容易分解出氧氣，所以電池內(nèi)的溫度急劇上升，使得電池電壓下降。因此電池電壓曲線出現(xiàn)峰值D點。電解液中，氧氣的產(chǎn)生和復(fù)合是放熱反應(yīng)，電池過充電即E點，不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高。
3 硬件電路
　　該智能充電器采用單片機AT89C2051進(jìn)行控制，使用了開關(guān)電源及A/D 、D/A等技術(shù)，實現(xiàn)了鎳鎘電池的智能充電。其硬件電路如圖2所示，整個電路分為開關(guān)電源部分和以單片機為主的控制電路部分。

　　此開關(guān)電源屬于復(fù)合式開關(guān)電源，采用TL431的精密基準(zhǔn)和PC817組成反饋電路。整個工作過程：交流輸入經(jīng)濾波、整流后成為直流高壓，再由功率開關(guān)管斬波、高頻變壓器降壓后得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波器，獲得所需要的直流輸出電壓。此開關(guān)電源達(dá)到了：交流輸入電壓范圍為90～270V，能同時輸出＋5V(作為控制部分電源)及4.4～11.3V(主回路)的電壓，輸出電流為1A。其電路如圖3所示。

　　控制電路部分主要由AT89C2051、ADC TLC0832、運放LM358及數(shù)字電位器X9C102、分壓電阻、電流采樣電阻組成。單片機對正在充電的電池進(jìn)行實時電壓、電流取樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機。單片機根據(jù)電池不同的充電狀態(tài)采取不同的充電算法，通過數(shù)字電位器對開關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行控制，通過改變電池組端電壓來達(dá)到控制充電過程的目的。
　　電路接上蓄電池后，充電過程開始，當(dāng)檢測到電池電壓在正常范圍內(nèi)時，充電器軟啟動，充電電壓、電流逐漸增加到額定恒定充電電流值，進(jìn)行恒流充電，“正充電” LED燈閃爍，同時開始計時。此后不斷檢測電池電壓，當(dāng)電池電壓大于或達(dá)到規(guī)定的最大值(該電池規(guī)定的最大值為10.5V)或充電時間等于5小時后，單片機發(fā)出指令，減小數(shù)控輸出值大小，使充電電流減小，轉(zhuǎn)為涓流充電(0.1A)，“已充滿”LED指示燈亮。這樣就避免了因電池溫升過快或嚴(yán)重極化，影響充電質(zhì)量、降低蓄電池的使用壽命甚至產(chǎn)生事故，從而快速、安全、高質(zhì)量地完成充電過程。
4 軟件智能控制
　　在程序的初始階段首先應(yīng)對單片機進(jìn)行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據(jù)電池電壓判斷應(yīng)該進(jìn)入哪一個充電階段，即恒流或者涓流充電方式。恒流方式：不斷檢測流過電池的電流是否達(dá)到恒定電流(1A)，如果小于1A則抬高電池兩端的電壓使之達(dá)到1A(在電池兩端電壓小于電池的最大充電電壓10.5V的前提下)。涓流方式：在電池兩端電壓達(dá)到最大值后進(jìn)入涓流充電模式。程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。