鎳鎘充電電池作為一種堿性電池，對使用、管理和維護有特殊要求，如果管理不善、使用不當、維護不及時，很容易導致電池老化、失效甚至報廢。針對部隊、廠礦大量使用并集中存放的不同種類鎳鎘充電電池，運用單片微型計算機控制技術，設計了電池智能管理系統，對鎳鎘充電電池進行狀態自動檢測、充放電管理、性能維護等智能化管理。
通過對鎳鎘充電電池的自動管理，有效消除鎳鎘充電電池使用管理上的盲目性和隨意性，提高鎳鎘充電電池的使用效能，延長鎳鎘充電電池的使用壽命。
鎳鎘充電電池對使用、管理和維護的特殊要求主要表現在：1）要求在適宜的溫度條件和非酸性環境下存放；2）電池長期存放時應定期進行維護，新電池啟用前要進行初始容量恢復；3）性能差異較大的單體電池不能同組使用或同組充電，報廢電池（或故障電池）不能與堪用電池混用；4）電池充電前應該先對其放電至終止電壓，以消除鎳鎘充電電池可能產生的“記憶效應”，并且要避免對電池過充、過放；5）盡量采用脈沖充電方式，以提高電池的充電效率，延長電池的使用壽命。
設計制作的鎳鎘充電電池智能管理系統，通過對電池的集中存放和自動充放電管理， 可以滿足鎳鎘充電電池對使用、管理和維護的特殊要求。
1 系統作用及功能
鎳鎘充電電池智能管理系統，用于對大量使用并集中存放的鎳鎘充電電池進行智能化管理。主要完成電池存放、電池自動檢測和自動充放電管理、電池維護和初始容量恢復、電池故障檢測及指示報警、電池極性反接指示報警、電池空載指示和溫度控制等功能。系統功能框圖如圖1 所示。
圖1 系統功能框圖
2 系統組成及原理
系統由控制模塊、電池檢測模塊、充放電模塊、電池切換模塊、溫度控制模塊、電池存放模塊和電源模塊組成。其中，控制模塊由單片機及外圍電路組成，用于實現充放電控制、電池切換控制、溫度控制、電池檢測和指示控制；充放電模塊由充放電電路組成， 用于實現充電電池的充電和放電；切換模塊由繼電器及其控制驅動電路組成，用于實現電池單體間的自動切換或手動切換。溫度控制模塊由溫度傳感器、軸流風扇及控制電路組成，用于對電池存放環境溫度進行監測控制。系統開始工作并通過自檢后，先對電池狀態進行檢測，剔除故障電池并糾正反接電池，然后進入電池管理階段，按順序對電池單體進行充電和放電。一個管理周期結束后，系統經過一定時間的延時后，開始下一個管理周期。系統原理框圖如圖2 所示。
圖2 系統原理框圖
3 硬件設計
3.1 控制模塊設計
選擇AT89S52單片機作為控制單元。單片機的P0 口用于數碼顯示與鍵盤掃描。其中P0.0～P0.3 用于輸出與電池編碼對應的4 位二進制數， 并經74LS248 轉換后形成7 段碼后，送到數碼管顯示。P0.3、P0.4 受計時器T0 控制，循環輸出00、01、10、11 4 個2 位二進制數， 并經譯碼器74LS139 譯碼后，作為掃描信號，對數碼管和矩陣鍵盤同時進行掃描。P0.5、P0.6 用于對2×4 矩陣鍵盤各按鍵狀態進行監測。P1 口用于連續輸出8 位二進制數，并經兩級譯碼器74LS154 進行級聯譯碼后，最多可輸出256 路控制信號，實現依次對256 個電池單體進行自動切換控制。P2 口用于對充電電池狀態（空載、故障、充電滿、放電完）進行檢測，并對電池充電和放電進行控制。P3 口主要用于電池狀態（空載、充滿、故障、反接）監測、指示和報警。電池切換模塊設計#e#
3.2 電池切換模塊設計
電池切換模塊由驅動電路和繼電器組成的切換電路陣列組成。其中，每個切換電路單元對應一個電池單體。驅動電路主要由反向器74LS04 和三極管S9013 組成， 受P1 口輸出的控制信號控制，對繼電器的開、閉狀態進行控制。采用可同時轉換兩路信號的雙觸電繼電器4137， 實現對充放電回路和電池狀態檢測回路同時進行切換。利用外部中斷INT1 的中斷控制功能，并通過單片機的P3.6 對兩個切換按鍵狀態進行檢測判斷，同時利用“上移”和“下移”按鍵，實現電池單體間的手工切換。電池單體間的切換單元電路如圖3所示。
圖3 電池切換單元電路
3.3 充放電模塊設計
充放電模塊由充電電路、放電電路和充放電控制電路組成。由單片機輸出的充電或放電控制信號分別控制充電或放電電路對電池進行充電或放電。電池充放電電路如圖4 所示。
圖4 電池充放電電路
3.4 電壓檢測模塊設計
電壓檢測模塊由三端穩壓電路、分壓電路和比較電路組成。三端穩壓電路由LM317 及其外圍電路組成，其輸出的電壓經分壓電路分壓后，作為基準電壓，分別送到由LM339組成的比較器的一端，從電池正極采集的電壓送到比較器電路的另一端，從各比較器的輸出的電平狀態，可對當前電池的電量情況及放置狀態進行判斷。這些狀態信號作為檢測信號，再送回單片機，由單片機控制充放電電路工作，并對電池狀態進行指示。電池電壓檢測電路如圖5 所示。
圖5 電池電壓檢測電路軟件設計#e#
4 軟件設計
系統的軟件由監控程序、自動管理程序、系統自檢子程序、電池檢測子程序、手工切換中斷子程序、按鍵及數碼管掃描子程序等組成。系統開始工作后，首先調用系統自檢子程序，若系統或某個模塊工作不正常，系統在發出報警聲的同時，數碼管閃爍顯示故障模塊代碼。若系統及各模塊均工作正常，則系統調用電池檢測子程序，對系統各電池單體的故障、反接以及空載情況進行檢查判斷，并同步顯示所檢測電池單體的位置代碼，對檢測到的故障電池和反接電池進行指示報警。等所有電池檢測完畢，系統自動進入電池自動管理程序，對電池進行自動循環充放電管理。在自動管理程序中，系統先對電池進行放電，放電到終止電壓后再進行充電。同時在充電的過程中，利用軟件延時，使鎳鎘充電電池在充電間隙進行短暫放電，從而以脈沖充電方式，有效地提高電池充電效率，最大限度地消除鎳鎘充電電池可能出現的極化現象。系統工作流程圖如圖6 所示。
圖6 系統工作流程圖
5 其他功能
5.1 溫度控制
鎳鎘充電電池對存放環境溫度有一定要求，所以系統中設計了溫度控制模塊，對電池所處環境溫度進行監測和控制。溫度控制模塊由溫度傳感器[7]、信號處理電路、A/D轉換電路、繼電器及控制電路和軸流風扇等組成， 當環境溫度達到設置的上限溫度時， 由單片機控制繼電器閉合，進而控制軸流風扇轉動，為電池存放環境通風降溫。環境溫度到達合適溫度后， 單片機控制繼電器斷開， 軸流風扇停止轉動。這樣，保證電池存放環境溫度始終保持在合適的范圍內。
5.2 電池維護
對新啟用的鎳鎘充電電池或產生極化現象的鎳鎘充電電池， 一般要進行充放電維護， 主要對電池進行初始容量恢復和效能激活。維護方法是，對電池連續進行3 次深度放電和充電。由于系統一旦啟動， 并經過電池檢測后，會一直處于電池自動管理狀態，如果需要對某個電池進行維護，可通過操作“上移”和“下移”按鍵，控制系統切換到需要維護的電池， 然后按下“ 維護” 按鈕， 系統會中斷自動管理， 進入電池維護程序。維護結束后， 系統繼續進行自動管理。
6 結論
首先，系統為集中放置并統一管理的鎳鎘充電電池提供了一個空間獨立、溫度恒定的存放環境，消除了酸性、高溫等不利因素對鎳鎘充電電池可能產生的不良影響。其次，電池充放電管理和維護過程中采用脈沖充放電方式，不僅提高了電池的充放電效率，而且可以保持或恢復鎳鎘充電電池的性能。第三，系統采用先放電、后充電的方式進行充放電管理，可以消除鎳鎘充電電池可能產生的“記憶效應”，提高充電電池的使用效能。第四，對電池充電終止和放電終止電壓進行實時監測控制，避免了電池過充、過放，可延長鎳鎘充電電池的使用壽命。第五，采用先檢測、后管理和單體充放電的運行模式，杜絕了性能差異較大的單體鎳鎘充電電池同組使用或同組充電問題的發生。