基于单片机的镍镉充电电池智能管理系统设计

　　摘要： 镍镉充电电池作为一种碱性电池，对使用、管理和维护有特殊要求，如果管理不善、使用不当、维护不及时，很容易导致电池老化、失效甚至报废。针对部队、厂矿大量使用并集中存放的不同种类镍镉充电电池，运用单片微型计算机控制技术，设计了电池智能管理系统，对镍镉充电电池进行状态自动检测、充放电管理、性能维护等智能化管理。

　　通过对镍镉充电电池的自动管理，有效消除镍镉充电电池使用管理上的盲目性和随意性，提高镍镉充电电池的使用效能，延长镍镉充电电池的使用寿命。

　　镍镉充电电池对使用、管理和维护的特殊要求主要表现在：1)要求在适宜的温度条件和非酸性环境下存放;2)电池长期存放时应定期进行维护，新电池启用前要进行初始容量恢复;3)性能差异较大的单体电池不能同组使用或同组充电，报废电池(或故障电池)不能与堪用电池混用;4)电池充电前应该先对其放电至终止电压，以消除镍镉充电电池可能产生的“记忆效应”，并且要避免对电池过充、过放;5)尽量采用脉冲充电方式，以提高电池的充电效率，延长电池的使用寿命。

　　设计制作的镍镉充电电池智能管理系统，通过对电池的集中存放和自动充放电管理， 可以满足镍镉充电电池对使用、管理和维护的特殊要求。

　　1 系统作用及功能

　　镍镉充电电池智能管理系统，用于对大量使用并集中存放的镍镉充电电池进行智能化管理。主要完成电池存放、电池自动检测和自动充放电管理、电池维护和初始容量恢复、电池故障检测及指示报警、电池极性反接指示报警、电池空载指示和温度控制等功能。系统功能框图如图1 所示。

　　
图1 系统功能框图

　　2 系统组成及原理

　　系统由控制模块、电池检测模块、充放电模块、电池切换模块、温度控制模块、电池存放模块和电源模块组成。其中，控制模块由单片机及外围电路组成，用于实现充放电控制、电池切换控制、温度控制、电池检测和指示控制;充放电模块由充放电电路组成， 用于实现充电电池的充电和放电;切换模块由继电器及其控制驱动电路组成，用于实现电池单体间的自动切换或手动切换。温度控制模块由温度传感器、轴流风扇及控制电路组成，用于对电池存放环境温度进行监测控制。系统开始工作并通过自检后，先对电池状态进行检测，剔除故障电池并纠正反接电池，然后进入电池管理阶段，按顺序对电池单体进行充电和放电。一个管理周期结束后，系统经过一定时间的延时后，开始下一个管理周期。系统原理框图如图2 所示。

　　
图2 系统原理框图

　　3 硬件设计

　　3.1 控制模块设计

　　选择AT89S52单片机作为控制单元。单片机的P0 口用于数码显示与键盘扫描。其中P0.0～P0.3 用于输出与电池编码对应的4 位二进制数， 并经74LS248 转换后形成7 段码后，送到数码管显示。P0.3、P0.4 受计时器T0 控制，循环输出00、01、10、11 4 个2 位二进制数， 并经译码器74LS139 译码后，作为扫描信号，对数码管和矩阵键盘同时进行扫描。P0.5、P0.6 用于对2×4 矩阵键盘各按键状态进行监测。P1 口用于连续输出8 位二进制数，并经两级译码器74LS154 进行级联译码后，最多可输出256 路控制信号，实现依次对256 个电池单体进行自动切换控制。P2 口用于对充电电池状态(空载、故障、充电满、放电完)进行检测，并对电池充电和放电进行控制。P3 口主要用于电池状态(空载、充满、故障、反接)监测、指示和报警。

　　3.2 电池切换模块设计

　　电池切换模块由驱动电路和继电器组成的切换电路阵列组成。其中，每个切换电路单元对应一个电池单体。驱动电路主要由反向器74LS04 和三极管S9013 组成， 受P1 口输出的控制信号控制，对继电器的开、闭状态进行控制。采用可同时转换两路信号的双触电继电器4137， 实现对充放电回路和电池状态检测回路同时进行切换。利用外部中断INT1 的中断控制功能，并通过单片机的P3.6 对两个切换按键状态进行检测判断，同时利用“上移”和“下移”按键，实现电池单体间的手工切换。电池单体间的切换单元电路如图3所示。

　　
图3 电池切换单元电路

　　3.3 充放电模块设计

　　充放电模块由充电电路、放电电路和充放电控制电路组成。由单片机输出的充电或放电控制信号分别控制充电或放电电路对电池进行充电或放电。电池充放电电路如图4 所示。

　　
图4 电池充放电电路

　　3.4 电压检测模块设计

　　电压检测模块由三端稳压电路、分压电路和比较电路组成。三端稳压电路由LM317 及其外围电路组成，其输出的电压经分压电路分压后，作为基准电压，分别送到由LM339组成的比较器的一端，从电池正极采集的电压送到比较器电路的另一端，从各比较器的输出的电平状态，可对当前电池的电量情况及放置状态进行判断。这些状态信号作为检测信号，再送回单片机，由单片机控制充放电电路工作，并对电池状态进行指示。电池电压检测电路如图5 所示。

　　
图5 电池电压检测电路

　　4 软件设计

　　系统的软件由监控程序、自动管理程序、系统自检子程序、电池检测子程序、手工切换中断子程序、按键及数码管扫描子程序等组成。系统开始工作后，首先调用系统自检子程序，若系统或某个模块工作不正常，系统在发出报警声的同时，数码管闪烁显示故障模块代码。若系统及各模块均工作正常，则系统调用电池检测子程序，对系统各电池单体的故障、反接以及空载情况进行检查判断，并同步显示所检测电池单体的位置代码，对检测到的故障电池和反接电池进行指示报警。等所有电池检测完毕，系统自动进入电池自动管理程序，对电池进行自动循环充放电管理。在自动管理程序中，系统先对电池进行放电，放电到终止电压后再进行充电。同时在充电的过程中，利用软件延时，使镍镉充电电池在充电间隙进行短暂放电，从而以脉冲充电方式，有效地提高电池充电效率，最大限度地消除镍镉充电电池可能出现的极化现象。系统工作流程图如图6 所示。

　　
图6 系统工作流程图

　　5 其他功能

　　5.1 温度控制

　　镍镉充电电池对存放环境温度有一定要求，所以系统中设计了温度控制模块，对电池所处环境温度进行监测和控制。温度控制模块由温度传感器[7]、信号处理电路、A/D转换电路、继电器及控制电路和轴流风扇等组成， 当环境温度达到设置的上限温度时， 由单片机控制继电器闭合，进而控制轴流风扇转动，为电池存放环境通风降温。环境温度到达合适温度后， 单片机控制继电器断开， 轴流风扇停止转动。这样，保证电池存放环境温度始终保持在合适的范围内。

　　5.2 电池维护

　　对新启用的镍镉充电电池或产生极化现象的镍镉充电电池， 一般要进行充放电维护， 主要对电池进行初始容量恢复和效能激活。维护方法是，对电池连续进行3 次深度放电和充电。由于系统一旦启动， 并经过电池检测后，会一直处于电池自动管理状态，如果需要对某个电池进行维护，可通过操作“上移”和“下移”按键，控制系统切换到需要维护的电池， 然后按下“ 维护” 按钮， 系统会中断自动管理， 进入电池维护程序。维护结束后， 系统继续进行自动管理。

　　6 结论

　　首先，系统为集中放置并统一管理的镍镉充电电池提供了一个空间独立、温度恒定的存放环境，消除了酸性、高温等不利因素对镍镉充电电池可能产生的不良影响。其次，电池充放电管理和维护过程中采用脉冲充放电方式，不仅提高了电池的充放电效率，而且可以保持或恢复镍镉充电电池的性能。第三，系统采用先放电、后充电的方式进行充放电管理，可以消除镍镉充电电池可能产生的“记忆效应”，提高充电电池的使用效能。第四，对电池充电终止和放电终止电压进行实时监测控制，避免了电池过充、过放，可延长镍镉充电电池的使用寿命。第五，采用先检测、后管理和单体充放电的运行模式，杜绝了性能差异较大的单体镍镉充电电池同组使用或同组充电问题的发生。