镍氢电池充电方法及充电器

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[日期：2006-02-04]来源：辽宁九夷三普电池有限公司 作者：刘巍 阎永恒 张建海[字体：大 中 小]
摘要：本文就电动自行车生产厂及用户关心的有关镍氢电池充电机理、充电方法、充电器的选择等若干问题进行了讨论，为生产厂及用户正确使用提出了详细的建议。
关键词：镍氢电池 充电器 容量 充放电器
一、镍氢电池充电方法
1、容量的定义

产品设计者感兴趣的主要电池参数通常是应用曲线上的有效使用时间。虽然在最终采用某种设计之前确定电池在产品中的实际使用时间很关键，但是，电池的容量通常用额定容量来表示。设计者应十分了解额定值确定的条件，以及额定值条件的不同对设计性能所带来的影响。


标准的电池额定容量通常缩写为C5，是指刚生产的电池在完全充电之后，在室温下恒流放电的条件下，可释放的容量。由于，电池容量变化与放电倍率成反比，额定容量值取决于采用的放电倍率。镍氢电池的额定容量通常取决于在5小时内将电池容量全部放空的放电率。即：镍氢电池的额定容量均应在20℃条件下，以5小时率的放电容量为准，以“C5”表示，单位以Ah或mAh计。

通常的C5值代表电池的平均额定值或最小额定值。一般来讲，镍镉电池取最小的额定值。一般来讲，镍氢电池取最小的额定值，而氢镍电池取平均的额定值。多数充电和放电参数由C5倍率规范，因为不同规格和容量的电池性能以C5为基础比较时，电池性能是一样的。
2、等效电路

为了对电池进行分析，通常采用戴维南等效放电电路，模拟成一个电容（Cp=有效并联电容）与电阻（Rd=有效延迟电阻）并联再与电压源（Eo），电阻（Rh=有效瞬时电阻）串联所组成的电路。
Re=（Rh+Rd）=总的有效内阻 Rh=有效瞬时电阻
Rd=有效延迟电阻 Cp=有效并联电容
Eo=无负载有效电压 E=电池接线端电压
为达到稳定状态，在已知电流下的电池电压为Eo—I Re。Re即有效内阻是Rh和Rd之和。瞬变电压曲线描绘出初始电压迅速降至Eo—I
Rh，然后按指数率（时间常数=CpRd）转变到稳压状态。

很显然，当负载降低或消失时，曲线状态正好相反。通常以稳定描述电池性能是很恰当的，因为大多数电池的时间常数很小，通常小于放电时间的3%。与镍镉

电池相比，镍氢电池的稳定电压还会降低，因为虽然瞬变电阻相差不多，延迟电阻会高出10%。
3、放电曲线状态

电池以5小时率（0.2C5率）放电的一组典型的放电曲线。接近1.4V的开路电压最初迅速转变为1.2V的平台电压。然后，同镍镉电池相同，镍氢电池在放电结束时曲线出现明显的膝形，电压在此迅速降低。由平台电压的平稳和曲线的对称可看出，中点电压（MPV—容量释放50%）对于估计整个放电过程中的平均电压很有用处。
4、放电终止

为防止放电中电池反极对电池造成不可逆的损害，特别建议放电前后将负载从电池上卸下。电池完全放电的典型电压曲线包括一个双电压平台图形，如图4所示。电压平台形成首先是正极放电，然后是负极剩余容量放电。当两极都反极时，产生大量氢气可导致电池将气体排出，并对电极造成不可逆的结构性损害，应注意镍氢电池由于采用吸氢负极，与密封镍镉电池相比，对由于反极造成的长期损害某种程度上敏感程度有所下降。

避免电池造成损害的关键是，当实际放出全部容量，还未达到会对电池造成损害的第二个平台之前，终止放电。有两个问题使选择合适的放电终止电压变得更加复杂，高倍率放电和电池组中多个电池的电压不平衡状态。

此类情况就要求：电动自行车的控制器要求有欠压锁死功能。即当电动自行车电池组出现欠压就立即自动停止工作，除非电池组再次充电完成，否则电池组处于不工作状态。如无此功能，电池组将工作在频繁过放电的情况下，影响电池组的循环使用寿命，禁止电池组带负载存储，如长时间带负载存储，可造成电池组容量不可恢复的衰减。
5、镍氢电池基本充电原理
镍氢电池常用的充电方法为恒流充电。当采用快速充电，镍氢电池内部将发生如下反应：
正极Ni（OH）2+OH— NiOOH+H2O+e— （1）
负极M+ H2O+ e— MH+OH— （2）
当蓄电池充电后期和过充电时在正负极上还伴有如下反应发生：
正极 40H— 2H2O+O2+4e— （3）
负极 2H2O+2e— 20H—+H2 （4）

而镍氢电池的负极容量一般是正极容量的1.5—1.6倍，因此反应（3）早于反应（4）发生。电池充电时，充入容量约为电池容量的75%时反应（3）开始发生；充入容量为电池容量130%时反应（4）开始发生，由反应（3）生成的氧气扩散到负极，则在负极上有反应（5）发生。
2MH+2O2 2M+H2O （5）

当反应（3）和（4）发生时，电池端电压升高，而当（5）反应发生时，电池端电压下降，出现一ΔV，同时放出大量热，电池温度迅速升

高，充电效率下降，此时如果再对电池快速充电，不仅浪费能源，而且由于电池温度升高使隔膜收缩，造成电池短路。另外，此时负极贮氢合金也易氧化。使充电接受率下降，电池寿命降低。
6、镍氢电池基本充电过程简述

镍氢电池的适当充电是其良好运行的关键。设计成功的充电线路会在快速、完全充电的要求与减少过充的要求间达成一种平衡。这是延长电池寿命的一个关键因素。另外，充电线路也应经济可*。
氢镍电池充电的关键在于：
（1）采用三步充电战略，加快恢复容量，同时减少过充；
（2）设计更敏感的进入过充显示；
（3）采用辅助快充终止技术；
（4）提供失效保险充电终止后备装置（热熔丝等）。
遵循这些充电方针，镍氢电池可以迅速可*地充电并使电池寿命达到设计标准。
1快速充电电流 Max 1C5mA
2达到快速充电电压的电流 0.2—0.3C5mA
3快速充电的起始电压 0.8V以上
4充电电压上限（对涓流充电） 1.8V/支
5一ΔV控制值（—dV） 0—5mV/支
6温度增长率（Dt/dt） 0.6—0.8℃/ min
7充电温度上限（TcO） 50℃
8充电初期不测量一Δv的时间 10—20min
9涓流充电电流 1/30—1/50C5mA
10转换到快速充电的时间 60min
11快速充电总时间 90min
12总的充电时间 10—20 hours
13快速充电的环境温度 0—40℃
14 0.1C5C定时“注满”充电的时间 1—2hours

电压在初充电时形成峰值9，然后在充电过程中逐渐上升直到充满。随着电池达到过充电压达到峰值然后逐渐下降5。因充电过程放热，热量在充电过程中释放出来，温度曲线呈正向的坡线，当电池达到过充时，输入的大量电能部分地转化成热能，电池温度急剧上升。

确定何时发生过充是充电程序的关键，以尽量减少高倍率过充时间。充电控制形式一般一般依*传感器所示的电池温升5或电压峰值5。基于温度传感的充电控制是决定镍氢电池合适充电量的最可*的方法。因此，主要充电控制装置首先推荐采用以温度变化为基础的技术，然后才是电压传感控制技术。故从电池的使用寿命上也建议首先推荐采用以温度变化为基础的充电控制技术。

7、充电倍率对充电接收效率随充电倍率增加而提高。图7显示了快充倍率加大了曲线坡度变化，这种急剧的坡度变化可以用来触发与温度及电压相关的充电终止。电动自行车用

电池建议以0.2~0.4C5充电。然后，以适宜的维护（或涓流）充电倍率0.025C5以抵消自放电来维持电池容量。
8、当前，基于芯片级的集成充电系统可以按照充电曲线快速恢复容量，同时减少过充压力。所以，使用镍氢电池的产品经常采用。其中包括两种基本的充电方案：
两阶段：此种方法采用记时器以从初始充电倍率换至维护充电倍率。因电池没有过充传感，充电倍率必须保持在0.1C5以下，以减少过充对电池性能及寿命的影响。充电时间通常设定在16~24小时，以保证电池在完全放电情况下充满。此方案虽然经济，但对于不同的放电程度和环境条件是没有补偿的。所以，很少推荐用于镍氢电池。
三阶段：先快充恢复约90%的容量，中间阶段采用定时充电恢复全部容量完成充电。然后，再以维护充电提供连续的涓流电流以补偿电池自放电。通常采用温度传感技术在过充的瞬间将快充（电流在1C5范围）转换成中间充电。中间充电一般是定时0.1C5充电，时间视电池组结构而定。中间充电取代了快速深充电，保证了电池完全充满。三阶段充电的充电器设计比两阶段充电器更复杂（使第二转换点与第三个充电倍率配合好），但可降低过充，延长电池使用寿命。
9、充电控制系统辅助技术
由于电池寿命对过充的敏感性，对某些过充过度更敏感，充电器设计中推荐采用充电中止辅助技术，可以是内置的辅助充电控制技术，也可以是一种失效保护充电中止技术，如热熔丝。
10、镍氢电池充电方法（系统）简述
电动自行车用电池组建议采用0.2~0.4C5快速充电方法。
快速充电：此时仅仅使用计时的方法控制快速充电是不够的，需要结合使用温度速率控制或负电压降控制。温度的升高以及电压的降低均可用于充电控制终止。快速充电适于外界温度在10~35℃的范围。
为达到最佳的循环寿命，推荐使用具有TCO辅助控制，dT/dt温升控制充电,或负电压降控制充电。对于TCO推荐的控制温度为45℃，对于dT/dt控制，温升达0.6~0.8℃/分钟，可用于控制参数；对于-ΔV控制推荐的控制电压为0~5mV/每块电池（24V或36V电池组建议-Δ≤50mV）。
以温度为基础的充电控制系统：随着电池转为过充，电池温度会相应上升，以此为基础的充电传感控制比电压峰值传感更可*、经济。所以，一般推荐采用以温度为基础的充电控制。镍氢电池充电过程放热的特性（如图7所示），表明整个充电过程中温度不断上升，这就需要仔细选择设定点以避免提前达到充电终止。
dT/dt：基于温度曲线坡度改变的充电转换，消除了外部环境的大部分影响，是三阶段

充电中非常有效的及早发现过充的技术。dT/dt控制充电后期电池表面温度上升速率，推荐的控制温升为0.6~0.8℃/分钟。
ΔTCO：是以温度转换为基础的最简单的切换方式。是采用从充电开始起的温度增加的绝对值，如从充电起始点电池温度增加20℃，选择ΔT必须对充电时正常的温度增加和过充时的波峰都加以考虑。合适温升的选择应在工作环境中进行测试。ΔTCO控制充电后期电池表面温度，推荐的控制温度为45℃，上限为50℃。建议仅作为一种失效保险方案，以避免在基本的转换方案失效时造成损坏。
以电压为基础的充电控制系统：因可采用现有的电池引线，避免了额外电池温度传感引线的费用和复杂性。所以，以电压为基础的充电控制对充电器制造商很有吸引力。但是，由于一般在过充后期发生电压波峰，过充中电压的上升不如温升那么明显，另外电压特性也会随循环而改变。基于这些原因，多数产品设计者仅选用电压传感技术作为温度控制的后备。此外，还有必要注意以下几种情况。
DV/dt：除了以上所说的事项外，当以1C5快速充电时，在充电初期可能会出现-ΔV现象，时间约为5-10min。这段时间应取消-ΔV测试，避免快速充电终止。
+ΔV：传感绝对电压上升也可以是一种游泳式的充电控制策略。如果电池在充电之前通常完全放电，这种方法使用起来非常方便。
-ΔV：电压在过充时出现峰值，通过电压降低切换也是可行的。这样，就消除了以上所说的探测电压和温度增加方法中不能充满和过充的担心。-ΔV控制充电后期电池电压下降幅度，推荐的控制电压为0~5mV/块电池。
涓流充电：在大多数的情况下，需要电池或电池组处于饱和充电状态，a为补偿。由于电池自放电而损失的容量，电池应保持0.02C5A~0.05C5A的涓流充电电流，涓流充电的合适温度为+10℃~35℃。涓流充电可以与前面讨论的任何一种充电方法配合使用。
11、推荐温度范围
以上的讨论特别适用于室温范围的设备。对于产品工作温度范围通常在上下极限区域内的产品设计，应充分调查了解不同品牌电池的技术特征及工作环境状况。
高温：虽然镍氢电池高温性能（40~55℃）范围与标准镍镉电池相当或稍好一些，但高温环境下也应予以注意。原因有二：
（1） 如果电池在充电前处于温升状态，温度和电压传感系统设定值的选择会受到影响。
（2） 由于充电效率的降低，充电时间不得不延长。
低温：虽然镍氢电池低温充电接收能力比镍镉电池更好，设计者必须确认低温不会对其充电控制方案造成负面影响。充电时间在低温时需延长

，所以必须仔细考虑充电时间长短的准确确定。同时，要特别提示设计者考虑，适合低温充电的时间长短，可否会造成正常温度时的过充。低温时充电倍率必须降低，10℃以下推荐采用0.1C5作为上限，建议不要在0℃以下充电。
12、影响电池充电效率的因素
充电效率依赖于电池类型、充电倍率、电池温度、放电倍率和环境温度等诸多因素。实际上，在室温下的正常充/放电制度下，镍氢电池的充电效率接近90%。这就意味着至少要输入110%的标称容量，建议在正常充电电流下的容量输入为100~110%。
13、充电对电池寿命的影响
事实上，有效地控制过充、时间和充电率是提高电池寿命的最佳方法。
充电方法：通常来讲，应根据实际使用的充电器的具体情况调整充电方法。这一点对镍氢电池比镍镉电池更为重要。因为，充满电时镍氢电池的电压和温度变化更细微，而且过充经历对镍氢电池寿命有更大的影响。
过充深度：为具体的一辆电动自行车用镍氢电池组设定适当的过充深度取决于使用情况，一定的过充对确保所有电池已经充满并处于平衡的状态至关重要。但是，电池充满后，如果维持充电过长时间，则会降低电池寿命。采用三阶段充电程序在一定程度上可降低过充的损害。具体的充电过程及应用条件应了解电池的使用说明书上载明的技术参数，以确保电池在具体应用中最大限度地延长使用寿命。
适应高温能力：一般来说，高温可加速化学反应，同时也加快电池内部老化的过程。因为，高温时充电能力下降。高温也是充电过程中值得特别注意的问题。在高温下更难辨别充电向过充的变化。虽然，镍氢电池比镍镉电池更能承受高温充电，但仍然提示整车制造商和使用者加深对电池性能的了解，以便选择一种即可满足使用要求又可最大限度延长电池寿命的充电方法。
电池反极：在镍氢电池放电过程中部分或全部电池的反极可缩短电池的寿命。特别是反复多次过放。

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