電池充電器的課程設(shè)計(jì).doc

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1、[鍵入文字] 3V充電器的課程設(shè)計(jì) 序言 社會(huì)信息化進(jìn)程的加快對(duì)電力、信息系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。在人們的生產(chǎn)、生活中，各種電氣、電子設(shè)備的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)、控制、信息等重要數(shù)據(jù)都要由電子信息系統(tǒng)來(lái)處理和存儲(chǔ)。而各種用電設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，如果在工作中間電源中斷，人們的生產(chǎn)和生活都將受到不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。 對(duì)于由交流供電的用電設(shè)備，為了避免出現(xiàn)上述不利情況，必須設(shè)計(jì)一種電源系統(tǒng)，它能不間斷地為人們的生產(chǎn)和生活提供以安全和操作為目的可靠的備用電源。為此，以安全和操作為目的的備用電源設(shè)備上都使用充電電池

2、。這樣，即使電力網(wǎng)停電，也可利用由充電電池構(gòu)成的安全和操作備用電源，從容地采用其他應(yīng)急手段，避免重大損失的發(fā)生。而對(duì)于采用充電電池供電的用電設(shè)備，從生產(chǎn)、信息、供電安全角度來(lái)說(shuō)，充電電池在系統(tǒng)中處于及其重要的地位。特別是鎳氫電池具有良好的充放電性能，可隨充隨放、快充深放，無(wú)記憶效應(yīng)，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，被稱為綠色電池。基于這些特性，所以鎳氫電池得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。鎳氫電池充電器是為鎳氫充電電池補(bǔ)充能源的靜止變流裝置，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)用電系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。 本論文從鎳氫電池技術(shù)特性、充電技術(shù)、充電器電路結(jié)構(gòu)、充電器典型電路和電池保護(hù)等方面，多角度

3、地闡述了充電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。 由于時(shí)間倉(cāng)促以及本人水平有限，論文中難免存在疏漏之處，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。  第1章 緒論 1.1 課題研究的背景 電池是一種化學(xué)電源，是通過(guò)能量轉(zhuǎn)換而獲得電能的器件。二次電池是可多次反復(fù)使用的電池，它又稱為可充電池或蓄電池。當(dāng)對(duì)二次電池充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實(shí)現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過(guò)程。對(duì)于二次電池，其性能參數(shù)很多，主要有以下4個(gè)指標(biāo)： ①工作電壓：電池放電曲線上的平臺(tái)電壓。 ②電池容量：常用單位為安時(shí)(Ah)和毫安時(shí)(mAh)。 ③工作溫區(qū)：電池正常放電的溫度范圍。 ④電池正常工作的充、放電次數(shù)。 二次電池的性能可由電池特性曲

4、線表示，這些特性曲線包括充電曲線、放電曲線、充放電循環(huán)曲線、溫度曲線等。二次電池的安全性可用特性的安全檢測(cè)方式進(jìn)行評(píng)估。二次電池能夠反復(fù)使用，符合經(jīng)濟(jì)使用原則。對(duì)于市場(chǎng)上二次電池的種類，大致分為：鉛酸(LA)電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li–ion)電池。 1.二次電池的性能比較 鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較見(jiàn)表1-1。 表1-1 鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池的性能比較 電池類型 工作電壓(V) 重量比能量(Wh/kg) 體積比能量(Wh/L) 循環(huán)次數(shù) 記憶效應(yīng) 自放電率(%/月) 鉛酸電池 2.0 — — 400～60

5、0 無(wú) 3 鎳鎘電池 1.2 50 150 400～500 有 15～30 鎳氫電池 1.2 60～80 240～300 ＞500 無(wú) 25～35 鋰離子電池 3.6 120～140 300 ＞1000 無(wú) 2～5 2.鎳氫電池、鎳鎘電池與鋰離子電池之間的差異 (1)重量方面 以每一個(gè)單元電池的電壓來(lái)看，鎳氫電池與鎳鎘電池都是1.2V，而鋰離子電池為3.6V，鋰離子電池的電壓是鎳氫、鎳鎘電池的3倍。并且，同型電池的重量鋰離子電池與鎘鎳電池幾乎相等，而鎳氫電池卻比較重。但鋰離子電池因端電壓為3.6V，在輸出同電池的情況下，單個(gè)電池組合時(shí)數(shù)目可減

6、少2/3從而使成型后的電池組重量和體積都減小。 (2)記憶效應(yīng) 鎳氫電池與鎳鎘電池不同，它沒(méi)有記憶效應(yīng)。對(duì)于鎳鎘電池來(lái)說(shuō)，定期的放電管理是必需的。這種定期放電管理屬于模糊狀態(tài)下的被動(dòng)管理，甚至是在鎳鎘電池荷電量不確切的情況下進(jìn)行放電(每次放電或者使用幾次后進(jìn)行放電都因生產(chǎn)廠的不同有所差異)，這種煩瑣的放電管理在使用鎳鎘電池時(shí)是無(wú)法避免的。相對(duì)而言，鋰離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，在使用時(shí)非常方便，完全不用考慮二次電池殘余電壓的多少，可直接進(jìn)行充電，充電時(shí)間自然可以縮短。 記憶效應(yīng)一般認(rèn)為是長(zhǎng)期不正確的充電導(dǎo)致的，它可以使電池早衰，使電池?zé)o法進(jìn)行有效的充電，出現(xiàn)一充就滿、一放就完的現(xiàn)象。防止電池出

7、現(xiàn)記憶效應(yīng)的方法是，嚴(yán)格遵循“充足放光”的原則，即在充電前最好將電池內(nèi)殘余的電量放光，充電時(shí)要一次充足。通常鎳鎘電池容易出現(xiàn)記憶效應(yīng)，所以充電時(shí)要特別注意；鎳氫電池理論上沒(méi)有記憶效應(yīng)，但使用中最好也遵循“充足放光”的原則，這也就是很多充電器提供放電附加功能的原因。對(duì)于由于記憶效應(yīng)而引起容量下降的電池，可以通過(guò)一次充足再一次性放光的方法反復(fù)數(shù)次，大部分電池都可以得到修復(fù)。 (3)自放電率 鎳鎘電池為15%～30%月，鎳氫電池為25%～35%月，鋰離子電池為2%～5%。鎳氫電池的自放電率最大，而鋰離子電池的自放電率最小。 (4)充電方式 鎳氫電池和鎳鎘電池最常用的簡(jiǎn)單充電方法是10%C恒流

8、充電，又被稱為“慢充”，即按照電池容量的10%確定充電電流。雖然建議使用恒流充電，但要求并不嚴(yán)格，電流允許有較大的波動(dòng)，所以按照此方法制作的充電器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，一般只需要采用變壓器為220V市電轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碗妷?，采用整流二極管整流，電容器采用限流電阻限流并配以發(fā)光二極管等指示裝置，成本較低?！奥洹彪m然比較簡(jiǎn)單，但是充一次電要等待10多個(gè)小時(shí)，為此，電池生產(chǎn)廠商也允許用戶在急需時(shí)用30%C的電流給電池充電4～5h，稱之為“快充”。鎳氫電池都無(wú)耐過(guò)充電特性。因此，鎳氫電池應(yīng)采用定電流充電方式，在鎳氫電池端電壓達(dá)到要求值時(shí)應(yīng)停止充電。 1.2 鎳氫電池的簡(jiǎn)述 鎳氫電池的正極板材料為氫氧

9、化鎳(NiOOH)，負(fù)極板材料為高能儲(chǔ)氫合金，電解液通常用30%的KOH的水溶液并加入少量的NiOH，隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。鎳氫電池的外形有圓柱形和方形兩種。鎳氫電池的正極與鎳鎘電池基本相同，由于負(fù)極采用了高能儲(chǔ)氫合金材料，鎳氫電池具有更大的能量。因鎳氫電池在電化學(xué)特性方面與鎳鎘電池也基本相同，所以鎳氫電池在使用時(shí)可完全替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。 鎳氫電池具有較好的低溫放電特性，即使在－20℃環(huán)境溫度下采用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能達(dá)到標(biāo)稱容量的85%以上。但是，鎳氫電池在高溫(+40℃以上)時(shí)的蓄電容量將下降5%～10%。這種由于自放電(

10、溫度越高，自放電速率越大)而引起的容量損失是可逆的，通過(guò)幾次充放電循環(huán)就能恢復(fù)到最大容量。鎳氫電池的開(kāi)路電壓為1.2V，與鎳鎘電池相同。鎳氫電池的充電過(guò)程與鎳鎘電池非常相似，都要求恒流充電，兩者的差別主要體現(xiàn)在快速充電的終止方法上。 1.鎳氫電池的特點(diǎn) 單體鎳氫電池的結(jié)構(gòu)是密封圓柱形，標(biāo)稱電壓為1.2V，它主要有以下特點(diǎn)： (1)容量大 NiMH電池的“儲(chǔ)能密度”，以5號(hào)(AA型)可充電電池為例，至少在1000mAh以上，好的能達(dá)到1400mAh，在同等體積和重量的條件下，其容量是鎳鎘電池的2～3倍，而比傳統(tǒng)型鎳鎘電池要多出1倍多。 (2)無(wú)“記憶效應(yīng)” “記憶效應(yīng)”是指電池在使用

11、過(guò)程中，由于沒(méi)有完全放電就進(jìn)行充電，造成電池負(fù)極板上產(chǎn)生不正常的氧化物導(dǎo)致，它對(duì)電池電壓有抑制作用，表現(xiàn)為電池充電很足，但放電時(shí)，電壓驟減，致使電池使用壽命縮短。鎳氫電池?zé)o“記憶效應(yīng)”，但在使用過(guò)程中，有自放電現(xiàn)象。正常使用情況下，其電量的流失量為每天1％～3％，充滿電的鎳氫電池，放置幾星期后再使用，就必須重新充電。由于鎳氫電池?zé)o“記憶效應(yīng)”，所以在開(kāi)始為它充電前不需做放電處理，可以隨用隨充，在任一點(diǎn)充電。 (3)耐過(guò)充電、過(guò)放電能力強(qiáng) 鎳氫電池充電、放電比較隨便，即使過(guò)充電也不會(huì)造成電池永久性損傷，電池放電到0V以后再充電，仍然能夠恢復(fù)鎳氫電池的容量。 (4)無(wú)污染 由于鎳氫電池含鎘

12、成分極微，甚至不含鎘成分，不會(huì)污染環(huán)境，所以鎳氫電池也叫環(huán)保電池或“綠色電池”。現(xiàn)有很多國(guó)家都投巨資興建鎳氫電池生產(chǎn)線。 (5)資源豐富 鎳氫電池所用的儲(chǔ)氫合金是從稀土中提煉出來(lái)的，而我國(guó)是稀土資源大國(guó)，約占全球總儲(chǔ)存量的80％，所以我國(guó)發(fā)展鎳氫電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 (6)壽命長(zhǎng) 鎳氫電池以1C電流充電、放電循環(huán)使用壽命超過(guò)500次，以0.2C電流充、放電循環(huán)使用壽命超過(guò)1000次，從實(shí)際使用壽命看，以5號(hào)鎳氫電池為例，采用1000mA電流充電，可累計(jì)重復(fù)使用1000h。 鎳氫電池在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題: (1)鎳氫電池在充電后期會(huì)產(chǎn)生大量的氧氣，負(fù)極MH電極的吸氧過(guò)程是放

13、熱過(guò)程。在形成的高溫環(huán)境下，將加速負(fù)極儲(chǔ)氫合金氧化，失去部分儲(chǔ)氫能力，并使電池內(nèi)壓增加。容量越大、充電電流越大，問(wèn)題越突出。 (2)鎳氫電池充入容量會(huì)隨著充放電循環(huán)周期增加而減少，電池內(nèi)阻也隨著增加，并且充電后期出現(xiàn)－△V的時(shí)間提前。 (3) 對(duì)于長(zhǎng)期備用的鎳氫電池有必要提高電荷保持能力，減少自放電。目前鎳氫電池的自放電損失在25%左右(28天)，國(guó)外有小于15%的報(bào)道。 充電技術(shù)是影響密封鎳氫電池壽命和使用性能的最大原因，其中充電過(guò)程中的充電電流選定、內(nèi)壓力、溫度三個(gè)方面問(wèn)題對(duì)電池使用性能和使用壽命的影響最大。充分研究鎳氫電池的充放電特性，尋找有效的充電及電池智能化的管理途徑，有助于延

14、長(zhǎng)鎳氫電池的使用性能和使用壽命，提高相關(guān)設(shè)備的工作可靠性。 1.3 課題研究的內(nèi)容 1.3.1 課題研究的意義 本課題研究的對(duì)象主要是鎳氫電池的充電原理和充電控制。鎳氫電池的充電設(shè)備需要解決的問(wèn)題有: (1)能進(jìn)行充電前處理，包括電池充電狀態(tài)鑒定、預(yù)處理。 (2)解決充電時(shí)間長(zhǎng)、充電效率低的問(wèn)題。 (3)改善充電控制不合理，而造成過(guò)充、欠充等問(wèn)題，提高電池的使用性能和使用壽命。 (4)增加自動(dòng)化管理設(shè)置，減輕充電過(guò)程的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)時(shí)間，從而使充電器具有更高的可靠性、更大的靈活性，且成本低。 本課題研究的意義在于： (1)充分研究鎳氫電池的充放電特性，尋找有效的充電

15、及電池管理途徑。 (2)使充電設(shè)備具有完善的自診斷功能和適時(shí)處理功能。 1.3.2 課題研究的主要工作 本文主要研究鎳氫電池的充電方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)充電控制方法測(cè)試驗(yàn)證。具體結(jié)構(gòu)如下: 第一章 緒論。首先介紹了課題研究的背景，再介紹了鎳氫電池的特點(diǎn)和在應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題及課題研究的意義和主要工作，這是該論文的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 第二章 鎳氫電池的原理及充放電特性。主要分析了鎳氫電池的工作原理、電化學(xué)原理和充放電特性，講述了影響鎳氫電池性能的因素和鎳氫電池充放電過(guò)程中的注意事項(xiàng)。這些簡(jiǎn)單的介紹能更好的理解和掌握鎳氫電池的基本概念。 第三章 電池的充電方

16、法與充電控制技術(shù)。主要介紹了電池的充電方法和鎳氫電池的快速充電終止控制方法，確保在充電控制過(guò)程中不過(guò)充、不損壞電池。 第四章 鎳氫電池充電器電路設(shè)計(jì)。對(duì)MAX846A 和MAX712兩種控制芯片進(jìn)行介紹和比較。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)該電路的充電控制芯片進(jìn)行選擇、介紹與分析，設(shè)計(jì)出鎳氫電池快速充電器電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳氫電池的充電。 第2章 鎳氫電池的工作原理及充放電特性 2.1 鎳氫電池的工作原理和電化學(xué)原理 2.1.1 鎳氫電池的工作原理 作為負(fù)極材料的儲(chǔ)氫合金是由A和B兩種金屬形成的合金，其中A金屬(La、Ti、Zr等)可以吸進(jìn)大量氫氣，形成穩(wěn)定的氫化物；而B金屬(Ni、C

17、o、Fe、Mn等)不能形成穩(wěn)定的氫化物，但氫很容易在其中移動(dòng)。A金屬控制著氫的吸藏量，而B金屬控制著吸放氫氣的可逆性。按照合金的晶體結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)氫合金可分為AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶體型等，其中主要使用稀土金屬的是AB5型合金。AB5型儲(chǔ)氫合金主要由鑭系元素和鎳組成，同時(shí)少量添加Al、Mn、Co等。目前在鎳氫電池中實(shí)際應(yīng)用的主要是稀土系A(chǔ)B5型合金。 鎳氫電池電極材料的主要技術(shù)要求有： 1)耐氧化性大，在濃堿電解液中化學(xué)穩(wěn)定性好。 2)在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較大的電化學(xué)容量。 3)催化活性高，電極反應(yīng)的可逆性好。 4)隨著吸放氫循環(huán)產(chǎn)生的劣化少。 5)初期活化的次數(shù)少

18、。 鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH(放電時(shí))和Ni(OH)2(充電時(shí))負(fù)極板的活性物質(zhì)H2(放電時(shí))和H2O(充電時(shí))，電解液采用30%的氫氧化鉀水溶液。 2.1.2 鎳氫電池充放電時(shí)的電化學(xué)原理 鎳氫電池正極是粘在基板上的NiOOH/Ni(OH)2，NiOOH是放電時(shí)的活性物質(zhì)，Ni(OH)2是充電時(shí)的活性物質(zhì)，兩者在充放電循環(huán)中相互轉(zhuǎn)化。鎳氫電池的負(fù)極是高能儲(chǔ)氫合金，既是貯氫材料又是負(fù)極材料，負(fù)極活性物質(zhì)是氫氣。在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單格電池。電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，并添加少量氫氧化鎳溶液。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。 鎳氫電池充電時(shí)的電化

19、學(xué)反應(yīng)為: 正極 負(fù)極 總反應(yīng) 鎳氫電池放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)為: 正極 負(fù)極 總反應(yīng) 從化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出：充電時(shí)鎳氫電池的負(fù)極析出氫氣并儲(chǔ)存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳(NiOOH)和H2O；放電時(shí)氫氣在負(fù)極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。 鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)如下： 正極 負(fù)極 總反應(yīng) 再化合 從鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)的電化學(xué)方程式可以看出，鎳氫電池過(guò)量充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氧氣能夠隨時(shí)擴(kuò)散到氫電極表

20、面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快。 鎳氫電池過(guò)量放電時(shí)的電化學(xué)應(yīng)如下： 正極 負(fù)極 過(guò)放電時(shí)，正極上會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)也釋放出氫氣。鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，只是負(fù)極充放電過(guò)程中生成物不同。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并加入少量的NiOH，隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。 2.2 鎳氫電池的充放電特性 2.2.1 鎳氫電池的特性 (1)特性曲線 鎳氫電池在不同充電速率下的充電特性曲線如圖2-1所示。 圖2-1 鎳氫電池在不同充電速率下的充電特性曲

21、線 鎳氫電池在不同溫度下的1C放電特性曲線如圖2-2所示。 圖2-2 鎳氫電池在不同溫度下的1C放電特性曲線鎳氫電池在室溫下以不同速率放電時(shí)的特性曲線如圖2-3所示。 圖2-3 鎳氫電池在室溫下以不同速率放電時(shí)的特性曲線 鎳氫電池在不同儲(chǔ)存溫度下的保存電量特性曲線如圖2-4所示。 圖2-4 鎳氫電池在不同儲(chǔ)存溫度下的保存電量特性曲線 鎳氫電池的循環(huán)壽命曲線如圖2-5所示。 圖2-5 鎳氫電池的循環(huán)壽命曲線 (2)鎳氫電池的使用壽命 ①循環(huán)壽命。鎳氫電池在正確的充電和放電情況下可以使用500次以上。若鎳氫電池在正確充電后的工作期間

22、端電壓明顯下降，表明該鎳氫電池已經(jīng)超出使用壽命。在鎳氫電池壽命末期可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻升高或內(nèi)部短路現(xiàn)象。鎳氫電池在壽命末期充電將出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，采用的充電器應(yīng)具有安全保護(hù)電路。 ②長(zhǎng)期使用的壽命。由于鎳氫電池是利用內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)電源，所以鎳氫電池性能的衰減不但與使用情況有關(guān)，而且與長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程有關(guān)。通常，一只鎳氫電池的在沒(méi)有過(guò)充電或放電的正常使用情況下壽命應(yīng)能持續(xù)兩年(或可循環(huán)充放電500次)。但是，考慮到在使用過(guò)程中充電、放電、溫度和其它因素可能出現(xiàn)異常情況，因此會(huì)出現(xiàn)鎳氫電池壽命縮短和性能衰減的現(xiàn)象。 (3)鎳氫電池的儲(chǔ)存 鎳氫電池在儲(chǔ)存時(shí)注意以下事項(xiàng)： ①短期儲(chǔ)存。鎳氫電池應(yīng)該儲(chǔ)存

23、在干燥、低溫度、沒(méi)有腐蝕性氣體和溫度在－20℃～45℃之間的地方。當(dāng)鎳氫電池儲(chǔ)存在高濕度、溫度低于－20℃或高于45℃的地方時(shí)，其金屬部件會(huì)被侵蝕，還會(huì)因內(nèi)部有部件的膨脹和收縮導(dǎo)致堿液泄漏。 ②長(zhǎng)期儲(chǔ)存。長(zhǎng)期儲(chǔ)存會(huì)加速鎳氫電池的自放電和降低反應(yīng)活性，10℃～30℃的溫度比較適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存。當(dāng)在長(zhǎng)期儲(chǔ)存后對(duì)鎳氫電池進(jìn)行第一次充電時(shí)，由于鎳氫電池內(nèi)部反應(yīng)活性的降低，會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池端電壓偏高和容量減小。為了使鎳氫電池恢復(fù)原始容量，應(yīng)對(duì)鎳氫電池進(jìn)行反復(fù)多次的小電流充電和放電。當(dāng)鎳氫電池需要儲(chǔ)存一年以上時(shí)，要保證至少每一年對(duì)鎳氫電池進(jìn)行一次充放電，這樣可防止鎳氫電池漏堿和因自放電而導(dǎo)致性能下降。 (4

24、)鎳氫電池使用中的禁止事項(xiàng) ①不要拆解鎳氫鎳氫電池，其內(nèi)部的強(qiáng)堿性電解液會(huì)對(duì)皮膚和衣物產(chǎn)生腐蝕作用。 ②不要鎳氫電池短路，短路會(huì)損壞鎳氫電池和產(chǎn)生過(guò)多熱量而引起鎳氫電池燃燒。 ③鎳氫電池不能接近火源，溫度過(guò)高將引起鎳氫電池爆裂。使用鎳氫電池供電的設(shè)備在水中使用時(shí)，需采取特殊的防水措施，否則鎳氫電池將失效。 ④不要在鎳氫電池上直接焊接任何物品，因?yàn)楹附訒r(shí)可能會(huì)鎳氫電池帽上的安全閥，從而時(shí)鎳氫電池失去原有的安全性能。 ⑤嚴(yán)禁對(duì)鎳氫電池反極使用，否則會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池膨脹或爆裂。 ⑥不要對(duì)鎳氫電池反向充電或大電流過(guò)充電，這樣會(huì)引起鎳氫電池內(nèi)部氣體快速產(chǎn)生和氣壓升高，最終導(dǎo)致鎳氫電池膨脹或爆裂

25、。 ⑦給鎳氫電池充電的充電器應(yīng)采用專用充電器，使用其他或改裝的充電器給鎳氫電池充電，將引起鎳氫電池膨脹或爆裂。 ⑧要避免鎳氫電池安裝在密封部件中。在有些情況下，鎳氫電池很有可能會(huì)釋放出氣體(氧氣或氫氣)，這時(shí)鎳氫電池就有可能會(huì)因有火花而引起爆炸的危險(xiǎn)。 ⑨不要把鎳氫電池應(yīng)用在不適合鎳氫電池供電的設(shè)備上，因?yàn)椴煌氖褂脳l件將損壞鎳氫電池或用電設(shè)備。 ⑩要防止鎳氫電池在使用中短路。在鎳氫電池組設(shè)計(jì)過(guò)程中要設(shè)有防反極安裝措施，同時(shí)要注意產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和與鎳氫電池接觸的端面不會(huì)使鎳氫電池短路。并且，避免新、舊電池混用，還應(yīng)避免與不同類型的電池或其他品牌的鎳氫電池混用，因?yàn)椴煌?guī)格的鎳氫電池具有不同的

26、特性，混用會(huì)破壞鎳氫電池本身的性能或用電設(shè)備。 2.2.2 影響鎳氫電池性能的因素 影響鎳氫電池性能的因素有很多，包括正極板和負(fù)極板的基材、儲(chǔ)氫合金的種類、活性物質(zhì)的顆粒度、添加劑的類別和數(shù)量以及制作工藝、電解液、隔膜、化成工藝等。 1.正極添加CoO對(duì)電極性能的影響 將鈷(Co)添加到Ni(OH)2電極中，主要目的是形成高導(dǎo)電性的CoOOH(在活化階段的充電過(guò)程中被氧化成CoOOH)，從而提高板極的導(dǎo)電性。由于次反應(yīng)不可逆，因此，添加Co對(duì)電極的容量并無(wú)影響。在Ni(OH)2電極中添加Co能增加其質(zhì)子導(dǎo)電性和電子導(dǎo)電性，從而提高正極活性物質(zhì)的利用率，改善充放電性能和增大析氧過(guò)電位，從

27、而降低充電電壓，提高充電效率。但是添加過(guò)量的Co不但會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池成本增加，還將降低放電電位。 在氫氧化鎳電極中添加10%的Co(OH)2，可降低活性物質(zhì)的擴(kuò)散電阻和增加電極放電深度。鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極質(zhì)量比容量的影響見(jiàn)表2-1。鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極體積比容量的影響見(jiàn)表2-2。 表2-1 鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極質(zhì)量比容量的影響 Co含量(%) 質(zhì)量比容量(mAh/g) 0 247 1.5 261 3.5 283 5 289 7 295 表2-2 鈷含量對(duì)Ni(OH)2電極體積比容量的影響 Co含量(%) 體積比容量(mAh/mL) 0 4

28、80 1.5 493 5 526 7 523 不同添加劑對(duì)容電量的影響如下： 表面部分氧化的CoO顯示出最好的活性，表面未經(jīng)預(yù)氧化的CoO(即S-CoO)亦有相當(dāng)活性，但由于其在空氣中不穩(wěn)定，與氧氣接觸時(shí)將發(fā)生深度氧化而使活性降低。 不同氧化度的影響如下： 隨著表面氧化度的加深，CoO的活性逐漸降低，但在20%以前活性下降并不明顯，氧化度超過(guò)20%時(shí)活性急劇下降。這是由于表面高價(jià)態(tài)的Co3O4太多而影響到CoO在化成時(shí)的轉(zhuǎn)變。 (1)添加量對(duì)正極利用率的影響 添加少量的表面未經(jīng)預(yù)氧化的CoO即可獲得較高的正極活性物質(zhì)利用率，在5Wt%～10Wt%范圍

29、內(nèi)可獲得最佳的效果。在加入量高于10Wt%后，鎳氫電池的容量反而有所下降，這是由于添加量太高，減少了活性物質(zhì)的填充量，所以鎳氫電池的容量不可能提高，而且也將加大正極制作成本。 (2)鈷加入量對(duì)鎳氫電池大電流放電性能的影響 鈷的加入對(duì)改善鎳氫電池的大電流放電性能具有很好的效果，加入量越多，大電流放電性能越好，但加入量過(guò)多，成本也就升高的越多，而且鎳氫電池的容量會(huì)下降，合適的比例為5Wt%～10Wt%。 鈷在電活化期間，由于Co(OH)2的氧化電位比Ni(OH)2的氧化電位低，這將導(dǎo)致在Ni(OH)2轉(zhuǎn)化為NiOOH之前便形成穩(wěn)定的CoOOH，既大大降低了顆粒之間的接觸電阻，也大大提高了顆粒

30、與基體的導(dǎo)電性。如果放電結(jié)束后電壓不明顯低于1.0V，則CoOOH不再參與鎳氫電池后續(xù)反應(yīng)，這樣負(fù)極就獲得了對(duì)應(yīng)于提供的這一總電荷的預(yù)先充電。如果隨后放電使正極的可用容量已耗盡，但由于預(yù)先充電的緣故，負(fù)極仍然有放電儲(chǔ)備，在一定程度上可以避免鎳氫電池充電末期負(fù)極大量析氫，并保證氫氣的復(fù)合效率。 鈷添加劑雖然具有以上一些優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)鎳氫電池也有不利之處，如造成微短路而使自放電速率升高，其原因是：正極中鈷化合物溶解在濃堿中形成鈷絡(luò)化合物，它遷移到隔膜中后將隔膜分子氧化，本身還原成鈷并沉積在隔膜上，同時(shí)鈷絡(luò)化合物還透過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極板，當(dāng)負(fù)極充電時(shí)還原成鈷并沉積下來(lái)。沉積在隔膜上的鈷積累到一定數(shù)量后就

31、可以透過(guò)隔膜形成很細(xì)的“鈷橋”，發(fā)生電子導(dǎo)電，最初造成微短路，以后發(fā)展成完全短路，從而是鎳氫電池失效。沉積在負(fù)極上的鈷即使未生成“鈷橋”，也可能由于負(fù)極表面沉積的鈷呈尖端形，在充放電時(shí)發(fā)生尖端放電而導(dǎo)致微短路。鎳氫電池負(fù)極中錳的溶出也可導(dǎo)致微短路，而且錳的溶出會(huì)加速鈷溶出和合金氧化。這種微短路也正是鎳氫電池自放電速率上升的一個(gè)重要的原因。鎳氫電池注液后快速封口及封口后立即充電，可減少微短路發(fā)生的可能性，即先行將鈷轉(zhuǎn)化為CoOOH。 2.電解液對(duì)鎳氫電池性能的影響 電解液作為鎳氫電池的重要組成部分，它的組成、濃度、數(shù)量的多少以及雜質(zhì)的種類和數(shù)量都將對(duì)鎳氫電池的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它直接影

32、響鎳氫電池的容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、內(nèi)壓等性能。鎳氫電池電解液一般采用約6mol/L的KOH水溶液，當(dāng)然電解液中也有加入少量其他成分的，但對(duì)一些雜質(zhì)的要求較高。 鎳氫電池的正、負(fù)極只有在電解液中才能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于一只封口的成品鎳氫電池來(lái)說(shuō)，其中的空間是一定的。若電解液太多，會(huì)造成封口氣室空間變小，從而使鎳氫電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)壓上升。另一方面，電解液太多會(huì)堵塞隔膜孔，阻止氧氣的傳導(dǎo)，不利于氧氣迅速?gòu)?fù)合，也會(huì)使鎳氫電池的內(nèi)壓上升并可能氧化極板，致使極板鈍化容量下降。極板不能完全浸漬到電解液中，從而使電化學(xué)反應(yīng)不完全或者說(shuō)極板的某些部分不能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得鎳氫電池容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，內(nèi)

33、阻變大，循環(huán)壽命變短。通常電解液主要使用KOH水溶液而不是NaOH溶液，其主要原因是KOH的比電導(dǎo)較NaOH高，可在KOH水溶液中加入少量LiOH以提高鎳氫電池的放電容量。 電解液中的雜質(zhì)及LiOH對(duì)鎳氫電池的性能也有一定的影響。在長(zhǎng)期充放電過(guò)程中，Ni(OH)2的顆粒會(huì)逐漸變粗，使充電困難，原因是溫度過(guò)高，電解液濃度大以及有金屬雜質(zhì)存在。當(dāng)加入LiOH時(shí)，它能吸附在活性物質(zhì)顆粒周圍，防止顆粒增大，使其保持高度分散狀態(tài)。但加入的LiOH不宜過(guò)多，否則會(huì)影響電活化進(jìn)程。一般認(rèn)為鐵會(huì)降低析氧過(guò)電壓，使鎳氫電池的充電效率下降；碳酸鹽會(huì)在電極表面生成薄膜，是鎳氫電池內(nèi)阻增大；硫化物會(huì)形成樹枝狀生成物

34、，造成鎳氫電池短路；而有機(jī)化合物卻會(huì)增加自放電效應(yīng)及發(fā)生副反應(yīng)等。因此，必須控制電解液中的雜質(zhì)含量，還必須注意電解液的濃度以減少濃差電阻。 鎳氫電池在儲(chǔ)存和使用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻升高、放電容量降低以及充電效率降低等現(xiàn)象，其原因有以下幾個(gè)方面： 1)添加劑Co在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中會(huì)往極板的深層擴(kuò)散或者說(shuō)遷移，導(dǎo)致極板表面的Co含量降低，從而使得極板表面的接觸電阻增大，降低充電效率和析氧過(guò)電位，最終導(dǎo)致放電容量下降。 2)在循環(huán)過(guò)程中極板被電解液腐蝕，導(dǎo)致極板粉末松散、脫落或者說(shuō)接觸不好，導(dǎo)致內(nèi)阻升高以及過(guò)度充放電，致使極板受到損傷。 3)鎳氫電池因?yàn)檫^(guò)充電而使極板膨脹，會(huì)把隔膜中的電解液擠

35、干和吸出由于電化學(xué)反應(yīng)總是從表面開(kāi)始進(jìn)行而后向深層發(fā)展，因此將導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不完全，致使放電容量下降。另外，由于電解液的匱乏，會(huì)使內(nèi)阻升高，充電電位升高，放電電位下降。 4)鎳氫電池電解液中的分在循環(huán)或儲(chǔ)存一段時(shí)間之后將以某種形式存在，如結(jié)晶水、被范德華力束縛、被氫鍵力等所束縛，而不能參與電化學(xué)反應(yīng)，致使電化學(xué)過(guò)程中離子傳導(dǎo)困難，內(nèi)阻升高，充電電位升高，放電電位下降，最終導(dǎo)致放電容量下降。 5)鎳氫電池在循環(huán)或儲(chǔ)存中，電解液被重新分配、擴(kuò)散和滲透到極板的深層中去，致使電極表面的電解液量下降，而電化學(xué)反應(yīng)總是從表面開(kāi)始進(jìn)行而后再向深層發(fā)展，因此，將導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不完全，從而導(dǎo)致放電容量下降。

36、 6)鎳氫電池在使用過(guò)程中過(guò)度充放電，將使氫氣、氧氣在析出的同時(shí)帶出電解液，從而使得電解液干涸。 通過(guò)對(duì)儲(chǔ)存和使用過(guò)的鎳氫電池進(jìn)行解體研究發(fā)現(xiàn)，鎳氫帶年齒內(nèi)部的極板和隔膜紙不濕潤(rùn)，電解液有明顯干涸，這是上述一個(gè)或幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果。 3.隔膜對(duì)鎳氫電池性能的影響 隔膜作為鎳氫電池的正、負(fù)極之間的隔離板，首先必須具備良好的電絕緣性能，其次由于它在電解液中處于浸濕狀態(tài)，必須具備良好的耐堿性，并且要有良好的透氣性等。因此，應(yīng)當(dāng)選用在較寬溫度范圍(－55℃～85℃)內(nèi)能保持電子穩(wěn)定性、體積穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的絕緣材料，并要求隔離板對(duì)電子呈高阻、對(duì)離子呈低阻、便于氣體擴(kuò)散(盡量薄)。 隔膜

37、性能的好壞在很大程度上將影響鎳氫電池徹底循環(huán)壽命和自放電速率。隔膜在循環(huán)過(guò)程中逐漸干涸是鎳氫電池早期性能衰退的主要原因。隔膜的吸堿量、保液能力和透氣性是影響鎳氫電池的循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素。隔膜的親水性可保證良好的吸堿量和保液能力，而憎水性可提高隔膜的透氣性。鎳氫電池隔膜干涸與下列因素有關(guān)： 1)隔膜本身性能發(fā)生變化，如吸液速度和保液能力變差。 2)極板在充放電過(guò)程中發(fā)生膨脹，將隔膜中的電解液擠出和吸出。 3)電極表面活性和氣體復(fù)合能力變差，使得鎳氫電池過(guò)充電時(shí)在正極產(chǎn)生的氧氣未能快速?gòu)?fù)合掉，造成鎳氫電池內(nèi)壓升高，達(dá)到一定壓力后氧氣將從安全閥析出造成電解液損失。而鎳氫電池的自放電速率也與隔膜

38、性能有關(guān)，鎳氫電池中鎳電極的活性物質(zhì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)是鎳氫電池自放電的主要原因。因化學(xué)反應(yīng)式2NiOOH + H2 → 2Ni(OH)2中的氫氣是由于過(guò)充電靜置后儲(chǔ)氫合金釋放出其中的部分氫原子復(fù)合而成的，因此需要隔膜板有較好的透氣性，此處的透氣性并不是指對(duì)氣體的透氣性，而是指能對(duì)帶氫或氧原子的離子透氣性。鎳氫電池不過(guò)充電可降低漏電率，目前鎳氫電池充報(bào)后靜置30天時(shí)電池容量荷電率可超過(guò)70%。 隔膜紙除了以上所述的條件外，還應(yīng)當(dāng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，以保證鎳氫電池在卷繞和極板膨脹時(shí)不至于斷裂。目前，鎳氫電池生產(chǎn)企業(yè)采用PP材質(zhì)的隔膜紙?zhí)娲猃埐馁|(zhì)的隔膜紙。 4.熱量和電活化對(duì)鎳氫電池性能的

39、影響 采用封口化成工藝的鎳氫電池在活化初期及大倍率充電時(shí)內(nèi)壓過(guò)高，造成漏液爬堿，容量下降，壽命縮短，安全性能變差，而且化成時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)封口的鎳氫電池進(jìn)行熱處理(即熱活化)，可以對(duì)其性能進(jìn)行改善，尤其是對(duì)內(nèi)壓的改善。其本質(zhì)原因是： 1)熱處理過(guò)程中，負(fù)極中的儲(chǔ)氫合金表面在強(qiáng)堿性電解液的作用下，較快地偏析出大量的鎳原子族而形成復(fù)鎳層，鎳原子族均勻地分散在其他疏松的金屬氧化物、氫氧化物或其水合物中，在鎳原子族的催化作用下，過(guò)充電時(shí)正極所產(chǎn)生的氧擴(kuò)散到負(fù)極表面，并與儲(chǔ)氫合金中的氫反應(yīng)，重新化合成水，從而改善儲(chǔ)氫合金的消氧機(jī)能，降低鎳氫電池內(nèi)壓。另外，熱處理時(shí)可降低電解液的表面張力，促成電解液的均勻

40、分布，有利于電化學(xué)反應(yīng)的均勻進(jìn)行。 2)熱活化的時(shí)間、溫度不同，對(duì)鎳氫電池性能的影響也不同。時(shí)間太短，則達(dá)不到預(yù)期效果；時(shí)間太長(zhǎng)，則浪費(fèi)時(shí)間，效率太低。溫度太低，則反應(yīng)速度過(guò)慢；溫度太高，可能會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池短路、極板膨脹厲害，影響鎳氫電池性能。一般溫度以50℃～80℃為宜，熱活性的時(shí)間以2～8h比較合適。 3)在電活化過(guò)程初期，首先發(fā)生的反應(yīng)是，此反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，由此使得正極板的導(dǎo)電性大大增強(qiáng)，從而降低鎳氫電池的內(nèi)阻和充電電壓，提高充電效率和放電容量。因此，可以讓負(fù)極預(yù)先充電，具有充電儲(chǔ)備。而后期的電活化只是對(duì)電極進(jìn)行充放電，即在Ni(OH)2與NiOOH之間來(lái)回轉(zhuǎn)化。通過(guò)這種來(lái)回轉(zhuǎn)化(

41、晶體轉(zhuǎn)換)，在極板表面不斷產(chǎn)生新鮮表面，使得電化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行下去。在后期的電活化中，只要鎳氫電池不低于0.8V，鈷就不參與反應(yīng)。為提高化成效率，一般以3個(gè)充放電循環(huán)為好，充放電電流應(yīng)由小逐漸變大。 2.2.3 鎳氫電池充電、放電過(guò)程中的注意事項(xiàng) 1.在鎳氫電池充電過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 1)充電溫度。鎳氫電池應(yīng)在0℃～40℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行充電，環(huán)境溫度的變化會(huì)影響鎳氫電池的充電效率，在10℃～30℃下鎳氫電池的充電效率最高。在低于0℃的條件下給鎳氫電池充電時(shí)，鎳氫電池內(nèi)的氣體吸收反應(yīng)將不正常，結(jié)果將導(dǎo)致鎳氫電池內(nèi)壓升高，這會(huì)促使鎳氫電池排氣閥啟動(dòng)，釋放出堿性氣體，最終致使鎳氫電池性能

42、不斷下降而影響鎳氫電池的使用壽命。在高于40℃的條件下給鎳氫電池充電效率將下降。鎳氫電池若充電不完全，在使用時(shí)其工作時(shí)間將縮短，而且會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池漏堿。 2)反向充電。對(duì)鎳氫電池進(jìn)行反向充電會(huì)引起鎳氫電池內(nèi)部氣體急劇上升，這會(huì)促使鎳氫電池排氣閥啟動(dòng)釋放堿性電解液，從而導(dǎo)致鎳氫電池性能快速下降，還會(huì)出現(xiàn)鎳氫電池膨脹和破裂的現(xiàn)象。 3)過(guò)充電。應(yīng)避免鎳氫電池過(guò)充電，反復(fù)的過(guò)充電會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池性能下降(過(guò)充電是指對(duì)已經(jīng)充滿電的鎳氫電池再繼續(xù)充電)。 4)快速充電。當(dāng)對(duì)鎳氫電池進(jìn)行快速充電時(shí)，必須使用特定的充電器，并且按照正確的程序進(jìn)行。 5)涓流充電(連續(xù)充電)。在對(duì)鎳氫電池快速充電后可以用

43、0.033CmA～0.05CmA的涓流進(jìn)行補(bǔ)充充電，同時(shí)要避免用涓流方式過(guò)充，這樣會(huì)損壞鎳氫電池的特性，應(yīng)使用定時(shí)器來(lái)控制充電時(shí)間。 涓流充電的單位“CmA”是一個(gè)指明電流大小和表示鎳氫電池額定容量的值，“C”是鎳氫電池的額定容量。 2.在鎳氫電池放電過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 1)放電溫度。鎳氫電池的放電應(yīng)在－10℃～45℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行，放電電流的大小將影響鎳氫電池的放電效率。在0.1CmA～2CmA范圍內(nèi)，鎳氫電池的放電效率比較理想。在溫度低于－10℃和高于45℃時(shí)，鎳氫電池的放電容量將會(huì)下降，容量的下降會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池性能降低。 2)過(guò)放電(深度放電)。由于過(guò)放電會(huì)損壞鎳氫電池的

44、特性，所以在使用中應(yīng)避免鎳氫電池過(guò)放電，同時(shí)要避免鎳氫電池長(zhǎng)期與用電設(shè)備連接，在運(yùn)輸過(guò)程中不要將鎳氫電池放入用電設(shè)備中一起運(yùn)輸。 3)高倍率放電。高倍率放電會(huì)導(dǎo)致鎳氫電池產(chǎn)生過(guò)量的熱量和降低放電效率。  第3章 電池的充電方法與充電控制技術(shù) 3.1 電池的充電方法和充電器 3.1.1 電池的充電方法 1.恒流充電 (1)恒流充電 充電器的交流電源電壓通常會(huì)波動(dòng)，充電時(shí)需采用一個(gè)直流恒流電源(充電器)。當(dāng)采用恒流充電時(shí)，可使電池具有較高的充電效率，可方便地根據(jù)充電時(shí)間來(lái)決定充電是否終止，也可改變電池的數(shù)目。恒流電源充電電路如圖3-1所示。 圖3-1 恒流電源充

45、電電路 (2)準(zhǔn)恒流充電 準(zhǔn)恒流充電電路如圖3-2所示。在此種電路中，通過(guò)直流電源和電池之間串聯(lián)上一個(gè)電位器，以增加電路內(nèi)阻來(lái)產(chǎn)生恒定電流。電阻值根據(jù)充電末期的電流進(jìn)行調(diào)整，使電流不會(huì)超過(guò)電池的允許值。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，此種充電電路被廣泛應(yīng)用充電器中。 圖3-2 準(zhǔn)恒流充電電路 2.恒壓充電 恒壓充電電路如圖3-3所示。恒壓充電是指每只單體電池均以某一恒定電壓進(jìn)行充電。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行這一充電時(shí)，電池兩端的電壓決定了充電電流。這種充電方式的充電初期電流較大，末期電流較小。充電電流會(huì)隨著電壓的波動(dòng)而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時(shí)，以免時(shí)電池過(guò)充電。 另外

46、，這種充電方式的充電末期電壓在達(dá)到峰值后會(huì)下降。電池的充電電流將變大，會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高。隨著電池溫度升高，電壓下降，將造成電池的熱失控，損害電池的性能。 圖3-3 恒壓充電電路 3.浮充方式 在浮充方式中，電池以很小的電流(C/30～C/20)進(jìn)行充電，以使電池保持在滿充狀態(tài)。浮充方式廣泛應(yīng)用于電池作為備用電源或應(yīng)急電源的電氣設(shè)備中。常規(guī)浮充方式充電電路如圖3-4所示。 圖3-4 浮充方式充電電路 4.涓充方式 電池與負(fù)載并聯(lián)，同時(shí)電池與電源(充電器)相連。正常情況下，直流電源作為負(fù)載的工作電源，并以涓充方式為電池充電，只有當(dāng)負(fù)載變得很大、直流電源端電壓低于電池端

47、電壓或直流電源停止供電后，電池才對(duì)負(fù)載放電。在這種方式下，充電電流由使用模式?jīng)Q定。它通常使用在緊急電源、備用電源或電子表等不允許斷電的場(chǎng)合。下圖3-5為涓充方式的簡(jiǎn)單示意圖。 圖3-5 涓流方式的簡(jiǎn)單示意圖 5.分階段充電方式 在分階段充電方式中，在電池充電的初始階段充電電流較大。當(dāng)電池電壓達(dá)到控制點(diǎn)時(shí)，電池轉(zhuǎn)為以涓流方式充電。分階段充電方式是電池最理想的充電方式，但缺點(diǎn)是充電電路復(fù)雜和成本較高。另外，需增設(shè)控制點(diǎn)的電池電壓的監(jiān)測(cè)電路。分階段充電方式的簡(jiǎn)單示意圖如圖3-6所示。 圖3-6 分階段充電的簡(jiǎn)單示意圖 6.通過(guò)太陽(yáng)能給電池充電 通過(guò)太陽(yáng)能給電池充

48、電的電路如圖3-7。它采用太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)單向二極管給電池充電，獲得較高的充電效率。若戶外溫度變化很大，將對(duì)太陽(yáng)能充電電路的工作特性有影響，太陽(yáng)能應(yīng)設(shè)有溫度變化范圍控制電路。 圖3-7 通過(guò)太陽(yáng)能給電池充電的電路 7.快速充電 在用大電流短時(shí)間對(duì)電流充電時(shí)，需用電池電壓檢測(cè)和控制電路。該電路在電池充電末期實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓和電池溫度，并且根據(jù)檢測(cè)參數(shù)控制充電過(guò)程。 (1)電池電壓檢測(cè) 在大電流充電末期，檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將大電流充電轉(zhuǎn)成小電流充電。采用小電流充電方式是為了保證電池充電容量。控制電路設(shè)置的充電截止電壓必須比充電峰

49、值電壓低。 (2)－△V檢測(cè) 電池充電過(guò)程的充電電流是通過(guò)檢測(cè)電池充電末期的電壓降來(lái)進(jìn)行控制的，－△V控制系統(tǒng)框圖如圖3-8所示。采用－△V控制系統(tǒng)的充電控制電路，當(dāng)充電峰值電壓確定后，若－△V檢測(cè)電路檢測(cè)的電壓降達(dá)到設(shè)定值，控制電路將使大電流充電電路分?jǐn)唷ｋ姵氐某潆婋娏?、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系如圖3-9所示。 圖3-8 －△V控制系統(tǒng)框圖 圖3-9 充電電池、電池電壓和充電時(shí)間的關(guān)系 (3)電池溫度檢測(cè) 電池在充電末期，負(fù)極發(fā)生氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使電池溫度升高。由于電池溫度升高將導(dǎo)致充電電流增大，為控制充電電流，可在電池外殼上設(shè)置溫度傳感器或電阻等溫度檢測(cè)元

50、件。當(dāng)電池溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電池充電電路被切斷。下面即給出了電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖和電池溫度與充電時(shí)間的關(guān)系圖。 圖3-10 電池溫度檢測(cè)簡(jiǎn)圖 圖3-11 電池溫度和充電時(shí)間的關(guān)系 3.1.2充電器的要求和結(jié)構(gòu) 1.充電器的要求 對(duì)充電器的要求是：安全，快速，省電，功能全，使用方便，價(jià)格便宜。 快速充電器(1C～4C的充電器)的安全更為重要，終止快速充電的檢測(cè)方法要可靠、精確，以防止過(guò)充電。另外，一些充電器集成電路還設(shè)有充電時(shí)間定時(shí)器來(lái)作為一種附加的安全措施。 功能全的充電器一般具有電池電壓檢測(cè)功能。若充電電池的電壓大于終止放電電壓，為防止“記憶效應(yīng)”產(chǎn)生，應(yīng)先放電至終

51、止放電電壓，然后自動(dòng)充電。先進(jìn)行快速充電，到終止快速充電時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為涓流充電，各個(gè)充、放電過(guò)程都有LED指示。功能較齊全的充電器還應(yīng)具有充電率的設(shè)定(選擇)、充電電池?cái)?shù)的設(shè)定、涓流電流大小設(shè)定、定時(shí)器時(shí)間設(shè)定、充電前電池狀態(tài)測(cè)定(判斷電池好壞及安裝是否良好)等功能，并可根據(jù)電池的溫度來(lái)選擇充電參數(shù)(電池溫度過(guò)低時(shí)不宜快充)。 當(dāng)充電電流較小時(shí)可采用線性電源，充電電流較大時(shí)常采用開(kāi)關(guān)電源，它既省電又解決發(fā)熱問(wèn)題，并有可能由市電直接整流經(jīng)AC／DC變換獲得低壓直流電，可省去笨重的工頻變壓器。 2.充電器的結(jié)構(gòu)框圖 早期的充電器是沒(méi)有處理器的,它主要由充電器集成電路及電源部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)

52、雜，引腳也較多。一般的功能較完善的充電器結(jié)構(gòu)框圖如圖3-12 AA線右邊所示。 圖3-12 充 電 器 結(jié) 構(gòu) 框 圖 3.2 充電控制技術(shù) 3.2.1 快速充電器介紹 快速充電器的特點(diǎn)是對(duì)充電電池采用大電流充電。常用的充電電流值為0.3～2小時(shí)率電流。小時(shí)率電流值是由公式C(Ah)/t(h)規(guī)定的，其中C代表電池額定容量，t代表時(shí)間。例如用1小時(shí)率電流對(duì)5號(hào)鎳鎘電池快速充電，根據(jù)0.5(Ah)／1(h)＝500(mA)，即采用500mA的充電電流(一般慢速充電，選用10小時(shí)率電流)。 性能完善的快速充電器，其原理圖如圖3-13所示： 圖3-13 快速充電

53、器原理框圖 其中的主控電路有多種類型： (1)定時(shí)型 對(duì)電池進(jìn)行定時(shí)充電，主控電路采用定時(shí)電路，定時(shí)時(shí)間可由充電電流決定。定時(shí)主控電路常設(shè)置不同的時(shí)間以控制不同的小時(shí)率電流對(duì)電池按時(shí)間分擋充電，使用很方便。由于定時(shí)器制作容易，所以常用它自制定時(shí)快速充電器。自制時(shí)，為了充電安全，最好選大于5小時(shí)率的電流充電。 (2)電壓峰值增量△V型 可充電電池(如鎳鎘電池)在充電時(shí)端電壓隨充電時(shí)間的增長(zhǎng)而上升，但充足電后端電壓開(kāi)始下降。設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，利用該特性監(jiān)測(cè)電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降，以控制充電結(jié)束，達(dá)到自動(dòng)充電的目的。這也稱為－△V法。由于這種控制電路比較復(fù)雜，故不適于自制。 (3)

54、其他主控電路 主控電路除上述兩種以外，還有溫度監(jiān)測(cè)和脈寬調(diào)制(PWM)控制電路。溫度監(jiān)測(cè)常用熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)電池溫度高于設(shè)定值時(shí)，立即停止快速充電，即使電池溫度下降后，充電器也不會(huì)啟動(dòng)工作。只有它復(fù)位(人工或自動(dòng))后，才能啟動(dòng)再次轉(zhuǎn)人快速充電。 3.2.2 快速充電終止控制方法 充電控制技術(shù)是充電器系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的核心部分。根據(jù)充電電池的原理，將鎳氫電池的電壓曲線分為三段，具體見(jiàn)圖3-14。 圖3-14 鎳氫電池的充電特性 由于鎳氫電池的最佳充電過(guò)程無(wú)法用單一量實(shí)現(xiàn)，在這三段應(yīng)分別采用不同的控制方式。具體為:進(jìn)入B—C段之前，電池電量己基本用完，此時(shí)采用恒定的小電流充

55、電。當(dāng)進(jìn)入B—C段時(shí)，若采用恒流充電，電流過(guò)大會(huì)損壞電池，電流過(guò)小使充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)電壓變化情況控制充電電流，使電池充電已滿，若此時(shí)停止充電，電池會(huì)自放電。為防止自放電現(xiàn)象發(fā)生，采用浮充維護(hù)充電方式，用小電流進(jìn)行涓流充電。 在恒流充電狀態(tài)下，不斷檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，恒流充電狀態(tài)終止，自動(dòng)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；恒壓充電時(shí)，保持充電電壓不變。由于電池內(nèi)阻不斷變大，導(dǎo)致充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/10時(shí)，終止恒壓充電，進(jìn)入浮充維護(hù)充電階段。 電池在充滿電后，如果不及時(shí)停止充電，電池的溫度將迅速上升。溫度的升高將加速板柵腐蝕速度及電解液的分解，從而

56、縮短電池壽命、容量下降。為了保證電池充足電又不過(guò)充電，可以采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制等多種終止充電的方法。 (1)定時(shí)控制 該方法適用于恒流充電。采用恒流充電法時(shí)，根據(jù)電池的容量和充電電流，可以很容易的確定所需的充電時(shí)間。充電的過(guò)程中，達(dá)到預(yù)定的充電時(shí)間后，定時(shí)器發(fā)出信號(hào)，使充電器迅速停止充電或者將充電電流迅速將至浮充維護(hù)充電電流，這樣可以避免電池長(zhǎng)時(shí)間大電流過(guò)充電。 這種控制方法較簡(jiǎn)單，但有其缺點(diǎn)：充電前，電池的容量無(wú)法準(zhǔn)確知道，而且電池和一些元器件的發(fā)熱使充電電能有一定的損失，實(shí)際的充電時(shí)間很難確定。而該方法充電時(shí)間是固定的，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)整，結(jié)果使有的電池可

57、能充不足電，有的電池可能過(guò)充電，因此，只有充電速率小于0.3C時(shí)，才采用這種方法。 (2)電池電壓控制 在電壓控制法中，最容易檢測(cè)的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有： 最高電壓(VMAX)：從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足電。充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池己足充電。 電壓負(fù)增量(－△V)：由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓無(wú)關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較

58、準(zhǔn)確地判斷電池己充足電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：①?gòu)亩啻慰焖俪潆妼?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電池充足電之前，也有可能出現(xiàn)局部電壓下降的情況，使電池在未充足電時(shí)，由于檢測(cè)到了負(fù)增量而停止快充；②鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間，才出現(xiàn)負(fù)增量，此時(shí)過(guò)充電較嚴(yán)重，此時(shí)電池的溫度較高，對(duì)電池有所損害。因此，這種控制方法主要適用于鎳鎘電池。 電壓零增量(△V)：鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過(guò)久而損壞電池，通常采用0△V控制法。這種方法的缺點(diǎn)是：未充足電以前，電池電壓在某一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小，若此時(shí)誤認(rèn)為0△V出現(xiàn)而停止充電，會(huì)造成誤操作。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏0△

59、V檢測(cè)，當(dāng)電池電壓略有降低時(shí)，立即停止快速充電。 (3)電池溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止快速充電。常用的溫度控制方法有： 最高溫度(TMAX)：充電過(guò)程中，通常當(dāng)電池溫度達(dá)到40℃時(shí)，應(yīng)立即停止快速充電，否則會(huì)損害電池。電池的溫度可通過(guò)與電池裝在一起的熱敏電阻來(lái)檢測(cè)。這種方法的缺點(diǎn)是熱敏電阻的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度檢測(cè)有一定滯后。 溫度變化率(△T/△t)：鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率△T/△t基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即終止快速充電。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線性的，因此，為了提高檢測(cè)精度應(yīng)

60、設(shè)法減小熱敏電阻非線性的影響。 采用溫度控制法時(shí)，由于熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，再加上環(huán)境溫度的影響，因此，不能準(zhǔn)確的檢測(cè)電池的充足電狀態(tài)。 (4)綜合控制法 以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：由于存在電池個(gè)體的差異和個(gè)別的特殊電池，若只采用一種方法，則會(huì)很難保證電池較好的充電。為了保證在任何情況下均能可靠的檢測(cè)電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時(shí)控制、溫度控制和電池電壓控制功能的綜合控制法。 鑒于定時(shí)控制、溫度控制、最高電壓控制等單獨(dú)作為終止條件使用的局限性，有的系統(tǒng)中鎳氫電池的充電終止也采用綜合控制法。鎳氫電池是以零增量檢測(cè)為主，時(shí)間、溫度和電壓檢測(cè)為輔的方式。系統(tǒng)在充電過(guò)程檢測(cè)有無(wú)零增量(△

61、V)出現(xiàn)，作為判斷電池已充滿的正常標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)判斷充電時(shí)間、電池溫度及端電壓，是否已超過(guò)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值作為輔助檢測(cè)手段。當(dāng)電池電壓超過(guò)檢測(cè)門限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)有無(wú)零增量出現(xiàn)，若出現(xiàn)△V，則認(rèn)為電池正常充滿，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)；在充電過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)一直判斷充電時(shí)間、電池溫度及端電壓是否己到達(dá)或超過(guò)了充電保護(hù)條件。若其中有一個(gè)條件滿足，系統(tǒng)會(huì)終止現(xiàn)有充電方式，進(jìn)入浮充維護(hù)狀態(tài)。  第4章 鎳氫電池充電器電路設(shè)計(jì) 4.1 鎳氫電池充電控制芯片的選擇 4.1.1 MAX846A芯片的簡(jiǎn)單介紹 1.MAX846A的引腳功能 Maxim公司生產(chǎn)的MAX846A是一種低成本、多功能的電池充

62、電控制器，采用16引腳的QSOP封裝形式，可對(duì)鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池進(jìn)行充電。MAX846A的引腳排列如圖4-1所示，主要引腳功能如下： ① DCIN：外部直流電源輸出端，3.7～20V。 ② VL：3.3V、20mA 、1％線形調(diào)節(jié)器輸出端。 圖4-1 MAX846A的引腳排列圖 ③ CC1：電流調(diào)節(jié)環(huán)補(bǔ)償端。 ④ CCV：電壓調(diào)節(jié)環(huán)補(bǔ)償端。 ⑤ VSET：懸浮電壓參考調(diào)整輸入端。 ⑥ ISET：電流設(shè)置輸入及監(jiān)控端。 ⑦ OFFV：電壓調(diào)節(jié)環(huán)禁止端。 ⑧ CELL2：編程充電電源數(shù)目端。 ⑨ BATT：電池輸入端。 ⑩ CS＋：電流源放大器高壓輸入端。

63、 CS－：電流源放大器低壓輸入端。 DRV：外接三極管基準(zhǔn)門控輸入端。 2.MAX846A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) MAX846A多功能電池充電控制器由3.3V高精度、低壓差線性穩(wěn)壓電源以及高精度電壓基準(zhǔn)源、電壓電流調(diào)節(jié)器三部分構(gòu)成。線性穩(wěn)壓電源輸出電壓VL為基準(zhǔn)電壓的兩倍，可為外部負(fù)載提供20mA的電流。低壓差穩(wěn)壓電源有短路保護(hù)功能，PWROK(Power-OK)為微控制器提供復(fù)位信號(hào)并可控制鎳氫電池的充電電流。 高精度電壓基準(zhǔn)源為鎳氫電池提供精確的浮充電壓，它與一個(gè)精度為2%的20k電阻相連接，使浮充電壓可以通過(guò)一外部電阻進(jìn)行設(shè)置。外部電阻應(yīng)具有1%的精度，因?yàn)橥獠侩娮柚苯佑绊懜〕潆妷旱木?/p>

64、度，而浮充電壓的精度直接對(duì)鎳氫電池的壽命及容量產(chǎn)生影響。 電壓電流調(diào)節(jié)器由高精度衰減器、電壓環(huán)路、電流環(huán)路和電流檢測(cè)放大器組成。通過(guò)對(duì)衰減器的設(shè)置使輸出電壓穩(wěn)定在一節(jié)鎳氫電池電壓或兩節(jié)鎳氫電池電壓的水平。電流檢測(cè)放大器用于檢測(cè)鎳氫電池的高端電流，它實(shí)際上是一個(gè)跨導(dǎo)放大器，可將外部限流電阻RCS兩端的電壓轉(zhuǎn)換成電流，并將此電流作用于外部負(fù)載電阻RISET的低端電壓增大或減小ISET端的電流調(diào)節(jié)充電電流。電壓和電流環(huán)路分別由連接在CCV和CCI端的外部電容進(jìn)行補(bǔ)償校正，兩個(gè)環(huán)路的輸出通過(guò)邏輯“或”后，驅(qū)動(dòng)一只漏極開(kāi)路的溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的有源負(fù)載。采用MAX846A芯片設(shè)計(jì)的充電器的外部電路

65、，由P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管或PNP晶體管調(diào)整器件與零件構(gòu)成。 4.1.2 MAX712芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與編程方法 MAX712系列是Maxim公司生產(chǎn)的快速充電管理芯片，MAX712在檢測(cè)到du/dt變?yōu)榱銜r(shí)終止快速充電模式，而MAX713是在檢測(cè)到du/dt變?yōu)樨?fù)值時(shí)終止快速充電模式。MAX712和MAX713都通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置給1～16節(jié)鎳氫電池充電，具有線性或開(kāi)關(guān)模式功率控制功能。對(duì)于線性模式，在鎳氫電池充電時(shí)能同時(shí)給鎳氫電池的負(fù)載供電。MAX712能根據(jù)電壓剃度、溫度或時(shí)間截止快速充電，自動(dòng)從快速充電方式轉(zhuǎn)到涓流充電方式。不充電時(shí)，鎳氫電池上的最大漏電流僅為5mA。 1.器件封裝及型號(hào)

66、選擇 圖4-2 MAX712/MAX713的引腳排列方式 表4-1 MAX712/MAX713的引腳符號(hào)和功能 引腳符號(hào) 引腳功能 VLIMIT 設(shè)置鎳氫電池的最大電壓VLIMIF，鎳氫電池組的最大電壓Em不能超過(guò)VLIMIFn(鎳氫電池?cái)?shù)量)，單位為V，且VLIMIF接V+時(shí)，Em=1.65nV。通常將VLIMIF端與REF端接在一起 BATT+ 鎳氫電池組正極 PGM0 可編程引腳 PGM1 可編程引腳。通過(guò)對(duì)PGM0和PGM1端電壓的設(shè)定可設(shè)置充電鎳氫電池的數(shù)量(1～16) THI 溫度比較器的上限電壓控制端。當(dāng)TEMP端的電壓上升到該端電壓時(shí)，快速充電過(guò)程結(jié)束 TLO 溫度比較的下限電壓控制端。充電初始，當(dāng)TEMP端的電壓低于TLO端的過(guò)程電壓時(shí)，快速充電被禁止，直到TEMP端的電壓高于TLO端的電壓為止 TEMP 溫度傳感器輸入 漏極開(kāi)路的快速充電邏輯電平輸出端(負(fù)邏輯)，外接上拉電阻。在快速充電時(shí)此端為低電平，在快速充電結(jié)束或轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)時(shí)此端變成高電平 PGM2 可編程引腳。通過(guò)對(duì)PGM2和PGM3端電壓的設(shè)定可