Ni-MH電池4C充電的研討
前???? 言
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??? 現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)境污染的關(guān)注程度越來越高,這就給二次能源開辟?gòu)V闊的市場(chǎng),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(dòng)力電池之一。
??? 二次電池充電時(shí)間長(zhǎng)、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(zhǎng)了Ni-MH 電池的循環(huán)壽命。
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一、 設(shè)計(jì)原理與思路
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??? 1? 鉛蓄電池充電設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,如圖一為一般鉛蓄電池的充電情況。
??? 2? Ni-MH電池充電設(shè)計(jì)
??? 電池類別和狀態(tài)識(shí)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(duì)電池進(jìn)行電壓測(cè)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(cè)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(duì)電池進(jìn)行小電流充電2-3秒鐘,如果檢測(cè)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
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??? 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(shí)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(huì)對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)的識(shí)別裝置,對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)的方法又有不同:
??? A、絕對(duì)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(zhǎng)時(shí)即作為充滿條件的判定依據(jù)之一;
??? C、電壓負(fù)增長(zhǎng)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(cè)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致充電提前終止或過充電。提前終止會(huì)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(duì)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。
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??? 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(huì)啟動(dòng)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(duì)下一個(gè)對(duì)象工作。
??? D、一般充電完成時(shí)間定為20分鐘。
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?三 4C充電研究結(jié)果
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??? 我們?cè)O(shè)計(jì)的4C快速充電器經(jīng)過上萬次測(cè)試,國(guó)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(huì)像現(xiàn)在的加油站一樣多;電動(dòng)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(dòng)力能源得以緩解。
(注:此文由本人在2006年度全國(guó)動(dòng)力電池論壇上的演講稿整理而成,如文中專業(yè)知識(shí)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!