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充电器设计及镍氢电池充电方法1

2008年3月16日作者：发布人：专业嵌入式网站本文已被浏览 1930 次

摘要:  接第一编，充电器设计及镍氢电池充电方法1，镍氢电池充电方法（系统）简述，充电对电池寿命的影响，充电倍率对充电接收效率随充电倍率增加而提高，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。

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

【正文】
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靠。
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靠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靠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靠的方法。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。

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