Ni-MH電池4C充電的研討

前言

現(xiàn)代社會對環(huán)境污染的關(guān)注程度越來越高，這就給二次能源開辟廣闊的市場，既環(huán)保又安全的Ni-MH電池已成為未來最具發(fā)展前景的動力電池之一。

二次電池充電時(shí)間長、使用不方便一直是用戶抱怨的主要問題之一。實(shí)現(xiàn)二次電池的快速充電除了電池本身需要提高充電效率等性能以外，適合于快速充電的充電器也是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要因素。快速充電技術(shù)已成為近年來電池和電子業(yè)界研究的熱點(diǎn)。

經(jīng)過多年Ni-MH電池的快速充電的研究，目前我們已解決4C充電器的技術(shù)方案，只需15分鐘充電可以使電池的充電容量達(dá)到90%左右，同時(shí)還延長了Ni-MH電池的循環(huán)壽命。

一、設(shè)計(jì)原理與思路

1鉛蓄電池充電設(shè)計(jì)簡單,如圖一為一般鉛蓄電池的充電情況。

2Ni-MH電池充電設(shè)計(jì)

電池類別和狀態(tài)識別是為了確定電池狀態(tài)是否可以正常充電，在設(shè)計(jì)充電器時(shí)可以對電池進(jìn)行電壓測試后處理：

A、給電池兩端加上一個(gè)比電池電壓高的電壓，當(dāng)測試到這個(gè)電壓沒被電池拉低時(shí)，則可以判定為電池開路，充電器不予充電；

B、如果單節(jié)電池初始電壓或充電過程中的停充電壓大于１.６Ｖ時(shí)，則可判定為一次電池或不良電池，不予充電；

C、充電器先對電池進(jìn)行小電流充電２－３秒鐘，如果檢測到單節(jié)電池電壓小于０.２Ｖ，則可判定為短路電池（壞電池），不予充電；

D、如果裝入充電器的電池單節(jié)電池電壓大于０.２Ｖ小于１.０Ｖ時(shí)，則須用小電流進(jìn)行維護(hù)性充電，至１.０Ｖ之后，再采用４Ｃ大電流充電．

二、4C充電的研究

在進(jìn)行4C充電設(shè)計(jì)時(shí),要注意以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1、識別、判定及預(yù)充出適應(yīng)于４Ｃ大電流充電的電池

普通Ni-MH電池可以承受10C的放電倍率，但不能承受高倍率充電．采用4C大電流充電，只能適用于充電速率高達(dá)4C的電池，否則會對電池造成傷害。適用于高倍率充電的Ni-MH電池必須在正負(fù)極材料，結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)，如增大接觸面積，降低接觸電阻和電化學(xué)極化等。研制快速充電器時(shí)，就需要設(shè)計(jì)控制電路和芯片軟件來識別電池的類型，是否適應(yīng)大電流充電。同時(shí)，配套電池的內(nèi)部也需要設(shè)計(jì)對應(yīng)的識別裝置，對于不能適應(yīng)大電流充電的Ni-MH電池，采用小電流充電（一般為1Ｃ），避免損壞電池。

2、快速充電

首先用脈沖４Ｃ大電流對電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，用小電流瞬間放電，再停一段時(shí)間，再用４Ｃ大電流充電，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。如圖二：實(shí)現(xiàn)快速充電的原理：

A、充電時(shí)，負(fù)極析出氫氣，貯存在負(fù)極貯氫合金中，正極由Ni(OH)2變成NiOOH和H2O；

B、停充時(shí)，氫氣擴(kuò)散到氫電極表面和氧氣化合生成水；

C、放電時(shí)，還未化合的氫氣在負(fù)極上被消耗掉，正極由羥基氧化鎳變成氧化亞鎳。

通過上述的循環(huán)過程，使?jié)獠顦O化和電化學(xué)極化得到消除，減輕了電池的內(nèi)壓，使下一個(gè)循環(huán)的恒流充電能夠順利地進(jìn)行，電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換更充分。間歇脈沖使電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了電池的充電轉(zhuǎn)化率。

3、快速充電的終止

根據(jù)Ni—MH電工作原理，過充電將會嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命，所以必須采用精確的充電終止條件，判斷方法主要包括：

絕對電壓法——單節(jié)電池終止電壓不得大于1.65V；

電壓拐點(diǎn)法——電壓上升速率由緩趨陡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；

電壓零斜率法——電壓停止上升；

電壓負(fù)增長法（－△V）——電池電壓出現(xiàn)下降；

溫度法——電池溫度的極限值及上升斜率。

圖三為Ni-MH電1C充電終止時(shí)體現(xiàn)出的終止條件：

而Ni－MH電池4C快速充電的終止檢測的方法又有不同：

A、絕對電壓法，主要用于判斷一次電池或不良電池；

B、電壓曲線零斜率法，當(dāng)電池電壓在1.5分鐘內(nèi)不出現(xiàn)增長時(shí)即作為充滿條件的判定依據(jù)之一；

C、電壓負(fù)增長法（-△V），當(dāng)電池電壓過了設(shè)定終止電壓后發(fā)生下降時(shí)，即作為充滿條件的判定依據(jù)之一；

D、溫度法，當(dāng)電池溫度達(dá)到設(shè)定極值時(shí)，作為充滿條件的判定依據(jù)之一；

當(dāng)電池電壓變化滿足終止條件時(shí)，要監(jiān)測溫度的變化，再做出綜合判定。但如果溫度達(dá)到極限值時(shí)，電池電壓變化仍不滿足終止條件，充電只需暫停，待溫度下降后再啟動充電，滿足終止電壓條件后，才能判斷為電已充滿。

如果綜合判定失誤，會導(dǎo)致充電提前終止或過充電。提前終止會讓電池充電飽和度低，使用效果差；過充時(shí)，電池溫度過高（64℃），溫度斜率偏大（4.8℃/分），造成電池嚴(yán)重?fù)p壞。圖四是充電時(shí)，在1.8V時(shí)沒關(guān)斷，當(dāng)電池電壓下降到1.79V才關(guān)斷，多充電2分多鐘，電池溫度上升了11℃，對電池傷害極大。圖五是合理的15分鐘充電曲線，充電時(shí)間約14分鐘：

4、維護(hù)性充電；

由于電池在大電流充電時(shí)，發(fā)熱量大，需要采用風(fēng)扇降溫，當(dāng)電池快速充電到終止的時(shí)候，指示燈發(fā)生變化，給予提示，這時(shí)電池電量的飽和度實(shí)際只達(dá)到80%左右，尚有近20%的可充性；因此，在指示燈變化后，再采用0.5C的充電電流進(jìn)行維護(hù)性充電到安全關(guān)斷時(shí)間，才可使電池電量飽和度達(dá)到90%以上。維護(hù)性充電時(shí)間約5.0分鐘。如果圖五所示。

5、充電完成的確認(rèn)

A、充電計(jì)時(shí)達(dá)到安全時(shí)間時(shí)，完全關(guān)斷所有充電，完成充電。

B、在充電過程中，如發(fā)現(xiàn)電池不良或非充電電池、溫度異常、充電器本省工作異常等情況時(shí)，充電器都會啟動充電完成算法，終止充電。

C、充電完成，表示整個(gè)充電過程已結(jié)束，電池已充滿電，可以對下一個(gè)對象工作。

D、一般充電完成時(shí)間定為20分鐘。

三4C充電研究結(jié)果

我們設(shè)計(jì)的4C快速充電器經(jīng)過上萬次測試，國內(nèi)適應(yīng)大電流充電的電池循環(huán)壽命為200次左右，充電飽和度前100次一般在75%以上。如果在電芯上增加一些可恢復(fù)性安全裝置（如過壓、超溫裝置），效果更好。從此數(shù)據(jù)來看，要推廣此類產(chǎn)品，配套電池尤為關(guān)鍵。這樣，如果將產(chǎn)品工業(yè)化，公路邊的充電站就會像現(xiàn)在的加油站一樣多；電動車在路邊充電，只需等候與汽車加油一樣的時(shí)間（15分鐘），緊張的動力能源得以緩解。

（注：此文由本人在2006年度全國動力電池論壇上的演講稿整理而成，如文中專業(yè)知識有錯(cuò)誤之處，望各位專家斧正）

文章的甜甜蜜蜜。在這美好的日子里，但愿這篇文章能給所有的德賽人帶來吉詳和安康！