电池充电器的课程设计

3V充电器的课程设计

序言

社会信息化进程的加快对电力、信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产、生活中，各种电气、电子设备的应用也越来越广泛，与人们的工作、生活的关系日益密切，越来越多的工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来处理和存储。而各种用电设备都离不开可靠的电源，如果在工作中间电源中断，人们的生产和生活都将受到不可估量的经济损失。

对于由交流供电的用电设备，为了避免出现上述不利情况，必须设计一种电源系统，它能不间断地为人们的生产和生活提供以安全和操作为目的可靠的备用电源。为此，以安全和操作为目的的备用电源设备上都使用充电电池。这样，即使电力网停电，也可利用由充电电池构成的安全和操作备用电源，从容地采用其他应急手段，避免重大损失的发生。而对于采用充电电池供电的用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处于及其重要的地位。特别是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。基于这些特性，所以镍氢电池得到了迅速的发展和广泛的应用。镍氢电池充电器是为镍氢充电电池补充能源的静止变流装置，其性能的优劣直接关系到整个用电系统的安全性和可靠性指标。

本论文从镍氢电池技术特性、充电技术、充电器电路结构、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。

由于时间仓促以及本人水平有限，论文中难免存在疏漏之处，敬请老师批评指正。

第1章绪论

1.1 课题研究的背景

电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。二次电池是可多次反复使用的电池，它又称为可充电池或蓄电池。当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。对于二次电池，其性能参数很多，主要有以下4个指标：

①工作电压：电池放电曲线上的平台电压。

②电池容量：常用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh)。

③工作温区：电池正常放电的温度范围。

④电池正常工作的充、放电次数。

二次电池的性能可由电池特性曲线表示，这些特性曲线包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可用特性的安全检测方式进行评估。二次电池能够反复使用，符合经济使用原则。对于市场上二次电池的种类，大致分为：铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Li–ion)电池。

1.二次电池的性能比较

铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较见表1-1。

表1-1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较

2.镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间的差异

(1)重量方面

以每一个单元电池的电压来看，镍氢电池与镍镉电池都是1.2V，而锂离子电池为3.6V，锂离子电池的电压是镍氢、镍镉电池的3倍。并且，同型电池的重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。但锂离子电池因端电压为3.6V，在输出同电池的情况下，单个电池组合时数目可减少2/3从而使成型后的电池组重量和体积都减小。

(2)记忆效应

镍氢电池与镍镉电池不同，它没有记忆效应。对于镍镉电池来说，定期的放电管理是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下的被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切的情况下进行放电(每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂的不同有所差异)，这种烦琐的放电管理在使用镍镉电池时是无法避免的。相对而言，锂离子电池没有记忆效应，在使用时非常方便，完全不用考虑二次电池残余电压的多少，可直接进行充电，充电时间自然可以缩短。

记忆效应一般认为是长期不正确的充电导致的，它可以使电池早衰，使电池无法进行有效的充电，出现一充就满、一放就完的现象。防止电池出现记忆效应的方法是，严格遵循“充足放光”的原则，即在充电前最好将电池内残余的电量放光，充电时要一次充足。通常镍镉电池容易出现记忆效应，所以充电时要特别注意；镍氢电池理论上没有记忆效应，但使用中最好也遵循“充足放光”的原则，这也就是很多充电器提供放电附加功能的原因。对于由于记忆效应而引起容量下降的电池，可以通过一次充足再一次性放光的方法反复数次，大部分电池都可以得到修复。

(3)自放电率

镍镉电池为15%～30%月，镍氢电池为25%～35%月，锂离子电池为2%～5%。镍氢电池的自放电率最大，而锂离子电池的自放电率最小。

(4)充电方式

镍氢电池和镍镉电池最常用的简单充电方法是10%C恒流充电，又被称为“慢充”，即按照电池容量的10%确定充电电流。虽然建议使用恒流充电，但要求并不严格，电流允许有较大的波动，所以按照此方法制作的充电器结构非常简单，一般只需要采用变压器为220V市电转换成适当低电压，采用整流二极管整流，电容器采用限流电阻限流并配以发光二极管等指示装置，成本较低。“慢充”虽然比较简单，但是充一次电要等待10多个小时，为此，电池生产厂商也允许用户在急需时用30%C的电流给电池充电4～5h，称之为“快充”。镍氢电池都无耐过充电特性。因此，镍氢电池应采用定电流充电方式，在镍氢电池端电压达到要求值时应停止充电。

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。镍氢电池的外形有圆柱形和方形两种。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。

镍氢电池具有较好的低温放电特性，即使在－20℃环境温度下采用大电流(以1C放电速率)放电，放出的电量也能达到标称容量的85%以上。但是，镍氢电池在高温(+40℃以上)时的蓄电容量将下降5%～10%。这种由于自放电(温度越高，自放电速率越大)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。镍氢电池的开路电压为1.2V，与镍镉电池相同。镍氢电池的充电过程与镍镉电池非常相似，都要求恒流充电，两者的差别主要体现在快速充电的终止方法上。

1.镍氢电池的特点

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2～3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，由于没有完全放电就进行充电，造成电池负极板上产生不正常的氧化物导致，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1％～3％，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成电池永久性损伤，电池放电到0V以后再充电，仍然能够恢复镍氢电池的容量。

(4)无污染由于镍氢电池含镉成分极微，甚至不含镉成分，不会污染环境，所以镍

氢电池也叫环保电池或“绿色电池”。现有很多国家都投巨资兴建镍氢电池生产线。

(5)资源丰富镍氢电池所用的储氢合金是从稀土中提炼出来的，而我国是稀土资源大国，约占全球总储存量的80％，所以我国发展镍氢电池具有得天独厚的优势。

(6)寿命长镍氢电池以1C电流充电、放电循环使用寿命超过500次，以0.2C电流充、放电循环使用寿命超过1000次，从实际使用寿命看，以5号镍氢电池为例，采用1000mA 电流充电，可累计重复使用1000h。

镍氢电池在使用过程中会出现如下问题:

(1)镍氢电池在充电后期会产生大量的氧气，负极MH电极的吸氧过程是放热过程。在形成的高温环境下，将加速负极储氢合金氧化，失去部分储氢能力，并使电池内压增加。容量越大、充电电流越大，问题越突出。

(2)镍氢电池充入容量会随着充放电循环周期增加而减少，电池内阻也随着增加，并且充电后期出现－△V的时间提前。

(3) 对于长期备用的镍氢电池有必要提高电荷保持能力，减少自放电。目前镍氢电池的自放电损失在25%左右(28天)，国外有小于15%的报道。

充电技术是影响密封镍氢电池寿命和使用性能的最大原因，其中充电过程中的充电电流选定、内压力、温度三个方面问题对电池使用性能和使用寿命的影响最大。充分研究镍氢电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池智能化的管理途径，有助于延长镍氢电池的使用性能和使用寿命，提高相关设备的工作可靠性。

1.3 课题研究的内容

1.3.1 课题研究的意义

本课题研究的对象主要是镍氢电池的充电原理和充电控制。镍氢电池的充电设备需要解决的问题有:

(1)能进行充电前处理，包括电池充电状态鉴定、预处理。

(2)解决充电时间长、充电效率低的问题。

(3)改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高电池的使用性能和使用寿命。

(4)增加自动化管理设置，减轻充电过程的劳动强度和劳动时间，从而使充电器具有

更高的可靠性、更大的灵活性，且成本低。

本课题研究的意义在于：

(1)充分研究镍氢电池的充放电特性，寻找有效的充电及电池管理途径。

(2)使充电设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。

1.3.2 课题研究的主要工作

本文主要研究镍氢电池的充电方法，在此基础上进行系统设计和电路设计，并通过实验结果对充电控制方法测试验证。具体结构如下:

第一章绪论。首先介绍了课题研究的背景，再介绍了镍氢电池的特点和在应用中存在的主要问题及课题研究的意义和主要工作，这是该论文的设计基础。

第二章镍氢电池的原理及充放电特性。主要分析了镍氢电池的工作原理、电化学原理和充放电特性，讲述了影响镍氢电池性能的因素和镍氢电池充放电过程中的注意事项。这些简单的介绍能更好的理解和掌握镍氢电池的基本概念。

第三章电池的充电方法与充电控制技术。主要介绍了电池的充电方法和镍氢电池的快速充电终止控制方法，确保在充电控制过程中不过充、不损坏电池。

第四章镍氢电池充电器电路设计。对MAX846A 和MAX712两种控制芯片进行介绍和比较。在此基础之上，对该电路的充电控制芯片进行选择、介绍与分析，设计出镍氢电池快速充电器电路，来实现对镍氢电池的充电。

第2章镍氢电池的工作原理及充放电特性

2.1 镍氢电池的工作原理和电化学原理

2.1.1 镍氢电池的工作原理

作为负极材料的储氢合金是由A和B两种金属形成的合金，其中A金属(La、Ti、Zr 等)可以吸进大量氢气，形成稳定的氢化物；而B金属(Ni、Co、Fe、Mn等)不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。A金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸放氢气的可逆性。按照合金的晶体结构，储氢合金可分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是AB5型合金。AB5型储氢合金主要由镧系元素和镍组成，

同时少量添加Al 、Mn 、Co 等。目前在镍氢电池中实际应用的主要是稀土系AB 5型合金。

镍氢电池电极材料的主要技术要求有：

1)耐氧化性大，在浓碱电解液中化学稳定性好。

2)在较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。

3)催化活性高，电极反应的可逆性好。

4)随着吸放氢循环产生的劣化少。

5)初期活化的次数少。

镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)负极板的活性物质H 2(放电时)和H 2O(充电时)，电解液采用30%的氢氧化钾水溶液。

2.1.2 镍氢电池充放电时的电化学原理

镍氢电池正极是粘在基板上的NiOOH/Ni(OH)2，NiOOH 是放电时的活性物质，Ni(OH)2是充电时的活性物质，两者在充放电循环中相互转化。镍氢电池的负极是高能储氢合金，既是贮氢材料又是负极材料，负极活性物质是氢气。在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单格电池。电解液采用30%的氢氧化钾溶液，并添加少量氢氧化镍溶液。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。

镍氢电池充电时的电化学反应为:

正极 O H NiOOH e OH OH Ni 22)(+→-+-

负极 -+→+OH H e H 222/1

总反应 222/1)(H NiOOH OH Ni +→

镍氢电池放电时的电化学反应为:

正极 e OH OH Ni O H NiOOH -+→+-22)(

负极 e O H OH H +→+-222/1

总反应 22)(2/1OH Ni H NiOOH →+

从化学反应方程式可以看出：充电时镍氢电池的负极析出氢气并储存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍(NiOOH)和H 2O ；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。

镍氢电池过量充电时的电化学反应如下：