电池剩余容量等级分级策略的介绍

1，Ni-Cd电池特性及充电脉冲特性曲线可分成3段，第一段充电开始瞬间，电压急剧上升；第二段，电压以较小的比率上升，近乎保持不变；第三段，电池接近满充，电压再次以较大的比率上升，当电池电压达到峰值后，电池电压会回落。随着充电的进行，电池的温度变化很小，当电池充电接近第二阶段的末段时，温度随着电压的上升急剧增加，有可能在1min之内上升到60℃，此时必须立即停止大电流充电，否则电池将物理损坏。此后应采用涓流恒压充电维持电池容量，当恒压充电电流降到50mA以下时认为充电过程结束。
　　1.2快速/超快速充电脉冲Ni-Cd电池在大电流充电过程中会释放出气体从而产生压力，如果长时间大电流充电会使充电储能过程无法充分进行，而且会导致温度急剧升高损坏电池，针对军用无人机机载电子系统24V-1.2V/Cell-1200mAh，Ni-Cd电池组。为适应快速超快速充电需要，又避免由于连续大电流充电造成的电池温升，确定采用充-停-放-停-充的循环脉冲充电方法，充电频率为1Hz.
　　2，电池剩余容量分级与满充判据
　　2.1Ni-Cd电池剩余容量分级策略精确预判电池剩余容量是很困难的，但是对快速充电应用而言并不需要知道电池的精确剩余容量。根据Ni-Cd曲线特性分析，只要能够将电池根据剩余容量划分等级状态就可实施快速超快速充电。传统的方法是通过电池的开路电压进行判断，但在电池使用过程中发现，很多情况下电池的开路电压很高，但在放电时该电压会急剧下降，因此如果根据开路电压做出电池容量状态等级的判断，就会导致误判。为此采用大电流放电时端电压来判断电池剩余容量状态等级。
　　1）测试被充电池开路电压UO，若UO<1.0V/cell，则以0.1C小电流充电5min，若电压UCO<1.25V，则可判断电池物理损坏或者过充，若电压UCO>1.25V则电池是由于自放电，误使用等导致的电压过低，可通过涓流充电修复后再快充。
　　2）若UO>1.0V/cell，则以1C电流放电1min，测量放电电压UDO，若UDO≥U1（U1为上门限电压，可通过实验确定）则可判断电池剩余容量≥80，处于满充状态，如果采用大电流快速充电，则电池会因过充导致温度急剧增加而损伤电池，此时只需使用C/20或C/40的涓流充电以维持电池容量。
　　3）若UDO≤U2（U2为下门限电压，可通过实验确定），则可判断电池剩余容量≤10，处于过放电状态，如果直接采用大电流快速充电会导致电池永久性损坏，此时必须先采用0.1C小电流将电池充电至UDO>1.25V/Cell，再开始大电流快速充电。
　　4）若U2≤UDO≤U1，则可判断电池剩余容量在10~80之间，处于半满状态，如果直接采用大电流快速充电会导致效率容量降低，为提高电池循环使用寿命，此时必须先采用1C电流将电池放电至<1.0V/cell，再开始大电流快速充电。
　　2.2Ni-Cd电池快速超快速充电满充判据有两种判断电池是否满充的条件
　　1）基于电池温度特性的判断方法，通过测量电池充电过程中的最大温度Tmax（对Ni-Cd电池Tmax<40℃），最大温差（ΔTmax）和温度时间比率（dT/dt）均能给出电池满充的判断；
　　2）基于电池充电电压特性的判断方法，充电电压特性曲线最大拐点电压比率（dU/dt）max和电压回落（ΔU）。基于温度特性的判断方法易受环境温度的影响，基于电压特性的电压比率法可能引起过充而损坏电池，电压回落法计算过程复杂。
　　通过对电池充电特性曲线分析可以发现，如果从特性曲线的第二段（UCO>1.4V/cell）开始，对同样的电压增长ΔU，耗时有个增加-减小-增加的过程，这样在快充过程中能够通过检测该时间变化趋势来判断电池是否满充。
　　3，镍镉电池智能检测与充电装置
　　3.1系统硬件设计便携式军用智能检测与充电装置主要完成Ni-Cd电池快速充电，正常充电，容量检测，修复，数据传输等功能。根据功能求系统由：微控制器，恒流源，充放电电路，参数采集模块，信号预处理模块，通信模块，人机接口电路等几部分组成。
　　装置首先通过电流传感器，电压传感器，温度传感器完成Ni-Cd电池充放电过程中电压，电流，温度信息采样，通过变换（C8051F内置A/D），调整，放大等预处理后用来作为电池剩余容量等级，满充，修复等的输入信号。
　　微控制器根据采集到的信息调用电池剩余容量分级策略子程序对被充（测）电池进行等级划分，并确定充放电电流大小，生成合适的充放电脉冲。充放电电流大小由C8051F内置的D/A转换器控制可调恒流源（0~40V，0~7A）输出，充放电切换电路由大功率MOS管BTS660实现。在C8051F内置D/A输出与恒流源之间采用4N25光电隔离集成电路防止可控恒流源大电流干扰进入信号回路，为解决模拟信号通道干扰问题采用了模拟信号隔离集成芯片HCRN201.充放电电流采集选用UCC3926集成电流传感器，电压量通过BTS660第5管脚的漏电流端接精密康铜电阻丝转换而来，因C8051F内置A/D对输入信号量值非常敏感，电压，电流量接入A/D前需经电平转换并将信号范围控制0~3.3V之间。电池温度通过DS18B20集成数字温度传感器获取，DS18B20输出数字量可与C8051F直接连接。
　　3.2系统软件设计便携式军用Ni-Cd电池智能检测与充电装置软件主要完成温度，电压，电流信号采集，转换与处理，充电脉冲的生成，恒流源控制，剩余容量检测与电池分级，电池满充判断以及与上位机通信等功能。
　　4，实验
　　为方便系统调试和建立装备蓄电池性能维护数据库，编写了上位机软件，将蓄电池实时充放电数据和电池特性数据可视化并建库管理。
　　对某型无人机和单兵背负式电台红太阳Ni-Cd电池组，进行了不同批次实验。另外，利用本装置与原厂家配套的充电器对库存储备和在役使用电池做了充，放电，性能测试与筛选，修复等比对测试实验。
　　比对测试实验表明，厂家配套的充电器只能按照一种模式以0.1C（120mA）电流采取恒流方式充电，充电时间约8h，满充判据不完善，会出现浮充，过热，充爆等现象，不具备与上位机通信功能，无法绘制电池充放电特性曲线。
　　本设计能够根据传感器采集数据快速判别电池满充，半充，充分放电，物理损坏，过充，误使用，老化等不同状态，并确定电池剩余容量等级，依据用户需求和剩余容量等级生成充电脉冲并调整充电电流大小完成电池修复，放电正常充电，涓流充电，快速/超快速充电功能。正常充电电流0.1C（120mA），充电时间约8h；快速充电脉冲电流2C（2400mA），充电时间约2.5h；超快速充电脉冲电流4C（4800mA），充电时间约1h.当充电过程结束后装置能自动跳转到涓流充电模式以维持电池容量，不会出现浮充，过热，充爆等现象。
　　5，结论
　　本文分析了Ni-Cd电池电压特性和温度特性，为克服传统充放电算法判据的缺点，提出了基于剩余容量分级的快速超快速充电算法。详细讨论了以C8051F020单片机为核心的便携式快速充电装置软，硬件设计。最后将本装置与厂家配套的充电装置以及现有的蓄电池监测，充电设备做了比较试验。测试实验表明，本装置能够对Ni-Cd电池状态快速作出并采取相应的安全高效充电模式，与现有产品比较，功能集中，操作使用简便，满足工程实际需要。