摘要：為了解NiMH電池的工作特性，評價其在電動車輛上的使用性能,對NiMH電池進(jìn)行了充放電試驗測試。基于實驗結(jié)果，給出了NiMH電池的工作電壓、工作電壓下降率和溫升等特性曲線，并對這些特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，同時也對NiMH電池單體在充放電過程中的一致性進(jìn)行了分析評價。分析表明：NiMH電池端電壓變化率及溫度變化率可作為電池充放電終止判斷的參考依據(jù)；一定范圍內(nèi)，通過電池端電壓特性可以較準(zhǔn)確預(yù)測電池荷電狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：NiMH電池；充電特性；放電特性；荷電狀態(tài)；放電深度
中圖分類號：??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：
Brief?Introduction?of?High?Energy?NiMH?Battery
DENG?Wen-lian,XU?Ming-qian,Shen?Yong
(College?of?Mechanical?Engineering,Tongji?University,Shanghai?200092,China)
Abstract:?To?understand?the?working?characteristics?of?NiMH?battery?and?evaluate?its?performance?of?application?on?electric?vehicles,?charging?and?discharging?experiments?of?NiMH?battery?are?carried?out.?Based?on?the?experimental?results,?the?characteristic?curves?of?NiMH?battery’s?working?voltage,?voltage?dropping?rate?and?raise?of?temperature?during?the?charging?and?discharging?processes?are?given?and?analyzed?in?detail．Furthermore,?the?influence?of?NiMH?battery?cell’s?consistency?on?the?whole?battery?pack’s?performance?and?cycle?life?are?evaluated?and?analyzed.?Analyses?show?that,?NiMH?battery’s?changing?rate?of?voltage?and?temperature?in?real?time?can?be?used?as?a?reference?criterion?to?judge?the?end?of?charging?and?discharging,?SOC?can?also?be?estimated?according?to?working?voltage?to?some?degree?in?some?range.
Key?words：NiMH?battery；charging?characteristics；discharging?characteristics；SOC(State?of?Charge)；DOD(Depth?of?Discharge)
可作為電動車動力源的蓄電池雖有很多種，但鉛酸電池的能量密度太低，NiCd電池不能從根本上解決污染問題，鋰離子電池的安全性不夠且價格昂貴，Na-S電池的工作溫度太高，燃料電池可能是電動車最終的選擇，目前仍存在價格昂貴的問題，所以從綜合的角度考慮，NiMH電池是作為動力車動力源在近期內(nèi)理想的選擇。NiMH電池是一種綠色電池，無污染、免維護(hù)、使用安全、比能量與比功率高、高倍率充放電性能好、循環(huán)壽命長，因此能滿足動力電池的性能要求。所以NiMH電池已被世界公認(rèn)為近年來具有現(xiàn)實應(yīng)用性的電動車動力電源的最佳選擇。預(yù)計在動力電源領(lǐng)域，市場份額將會不斷上升，有著廣闊的應(yīng)用前景。
為了進(jìn)一步了解NiMH動力電池的充放電特性，評價其在電動車輛上的使用性能，對國內(nèi)生產(chǎn)的一種NiMH動力電池進(jìn)行了一系列試驗,所選用的試驗電池特性參數(shù)如表1所示。
1?試驗設(shè)計?
NiMH模塊電池由10只單體電池串聯(lián)，并分別編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I和J，在試驗進(jìn)程中測量各個單體電池的端電壓以及模塊電池溫度。
NiMH電池充電按照技術(shù)要求，采用智能充電模式，并控制單體電池最高端電壓為16?V，最大充電電流限制為＜1?C；當(dāng)電池電壓變化率達(dá)到-8?mV/min、充電溫度達(dá)到45?oC，停止充電。
放電試驗在設(shè)計的恒流放電平臺上進(jìn)行，當(dāng)電池的端電壓達(dá)到10?V時(電池的技術(shù)要求)，或電池的溫度達(dá)到55?oC時停止放電。
2?試驗結(jié)果
2.1?NiMH電池的充電特性
NiMH電池恒流（I=10?A）充電電壓特性試驗曲線如圖1所示。由圖1充電曲線可看出在充電起始階段，電池端電壓迅速上升，之后端電壓隨時間緩慢變化，這一段占充電過程的大部分，而在電池接近充滿電時，端電壓先是隨時間變化的幅度稍有升高，而后達(dá)到最大值，之后又稍有下降。
當(dāng)恒定電流剛充入放完電的電池時，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，所以電池電壓很快上升。此后，電池開始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續(xù)上升。在這個范圍內(nèi)，電化學(xué)反應(yīng)以一定的速率產(chǎn)生氧氣，同時氧氣也以同樣的速率與氫氣化合，因此，電池內(nèi)部的溫度和氣體壓力都很低。經(jīng)過一定時間后，電解液中開始產(chǎn)生氣泡，這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，所以電池的內(nèi)阻抗增加，電池電壓開始較快上升。這是接近充足電的信號。充足電后，充入電池的電流不是轉(zhuǎn)換為電池的貯能，而是在正極板上產(chǎn)生氧氣超電位。氧氣是由于電解液電解而產(chǎn)生的，雖然電解液產(chǎn)生的氧氣能很快在負(fù)極板表面的電解液中復(fù)合，但是電池的溫度仍顯著升高。此外，由于充電電流用來產(chǎn)生氧氣，所以電池內(nèi)的壓力也升高。隨著氧氣的增多，電池內(nèi)的溫度急劇上升，這樣就使電池電壓下降。電解液中，氧氣的產(chǎn)生和復(fù)合是放熱反應(yīng)。電池過充電時，不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高。如果強(qiáng)制排出氣體，將引起電解液減少、電池容量下降并損傷電池。若氣體不能很快排出，電池將會爆炸。
為了準(zhǔn)確的了解該型號NiMH電池的性能，對其進(jìn)行了許多次的充放電實驗。由多次充放電數(shù)據(jù)可以得出，在充電過程中該電池模塊的充電性能是很穩(wěn)定的。
2.2?NiMH電池充電溫度特性曲線
NiMH電池在室溫條件下進(jìn)行充電，對其在充電過程中的溫度變化也進(jìn)行了檢測記錄，所得到的試驗曲線如圖2所示。圖2中三條溫度曲線分別是在室溫21?oC、26?oC和32?oC下的充電溫度特性試驗曲線，由圖可知，在充電過程基本接近尾聲時，電池溫度急劇上升。比較三條曲線可知，NiMH電池在充電過程中受外界溫度的影響是比較大的，隨著環(huán)境溫度的升高，在充電后期，電池上升的幅度越來越大。因此，在NiMH電池充電過程中，為了避免電池內(nèi)部溫度過高對電池循環(huán)使用壽命形成的損害，對電池溫度的實時檢測是非常必要的。
另外，由圖1和圖2得到的NiMH電池充電特性曲線的變化趨勢，可為NiMH電池充電過程終止條件的判斷提供一定的依據(jù)：
(1)?檢測電池充電過程中的端電壓變化，若端電壓由緩慢上升轉(zhuǎn)為變化幅度稍有升高，而后短時間內(nèi)端電壓又沒有發(fā)生變化，則可以認(rèn)為電池已充滿電；
(2)?檢測電池充電過程中的溫度變化，若溫度對時間的變化梯度超過一定的數(shù)值，則可認(rèn)為電池已充滿電。????
2.3?NiMH電池的放電特性
NiMH電池恒流（I=9?A）放電電壓特性試驗曲線如圖3所示。由圖3放電曲線可看出，充滿電的NiMH電池，放電開始短時間內(nèi)其端電壓快速下降，然后在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，端電壓在13～12?V間緩慢下降；當(dāng)電壓下降到12?V時，端電壓曲線的斜率有較大變化，端電壓開始小幅度下降；當(dāng)端電壓達(dá)到11?V后，電池端電壓在極極短時間內(nèi)迅速降低，在很短的時間內(nèi)達(dá)到放電截止電壓10?V。
放電開始前，活性物質(zhì)微孔中的堿液濃度與主體溶液濃度相同，電池的開路電壓與此濃度相對應(yīng)。放電一開始，表面(包括孔內(nèi)表面)的堿液不斷消耗，堿濃度立即下降，而堿液由主體溶液向電極表面擴(kuò)散是緩慢過程，不能立即補(bǔ)償所消耗的堿．故堿濃度繼續(xù)下降，而決定電極電壓數(shù)值的正是活性物質(zhì)表面處的堿濃度，結(jié)果導(dǎo)致電池端電壓明顯下降。這一階段表現(xiàn)為放電開始時的電壓急劇下降。隨著活性物質(zhì)表面處堿濃度的繼續(xù)下降，與主體溶液之間的濃度差加大，促進(jìn)了堿的擴(kuò)散過程。在一定的電流放電時，某一段時間內(nèi)，單位時間內(nèi)消耗的堿液可以得到補(bǔ)充，這一階段呈現(xiàn)在放電曲線中是一個放電平臺。隨著放電的不斷進(jìn)行，活性物質(zhì)也在逐漸減少，電極反應(yīng)向活性物質(zhì)深處擴(kuò)展，這使活性物質(zhì)的孔隙率減低，加劇了堿液向深處活性物質(zhì)的擴(kuò)散難度，使得電池的端電壓迅速降低，達(dá)到規(guī)定的終止電壓。
由圖3多次放電曲線的比較可知，在放電的大部分過程中鎳氫電池模塊的性能是很穩(wěn)定的，只是在接近放電終止時，電池端電壓的下降幅度產(chǎn)生了一定的差異。由圖中連續(xù)放電曲線與間歇放電曲線比較可知，在分段放電試驗中，在開始放電大約10∽15?min后，電池端電壓恢復(fù)到和上一段放電曲線端電壓變化率一致的位置上。由以上變化規(guī)律可知，在放電穩(wěn)定的情況下，在一定程度上可以利用電池的端電壓來預(yù)測電池的SOC。
由上面的分析可知，放電曲線基本由3部分組成：放電開始短時間內(nèi)端電壓快速下降；然后電壓緩慢下降；最后端電壓在極短時間內(nèi)迅速降低。第二部分是電池穩(wěn)定工作的階段，所以電池實際工作時的放電曲線只是第二平臺段,這一特性正好符合混合電動車動力電池的要求。
與鉛酸電池的放電特性試驗曲線相比，NiMH電池放電端電壓對時間的下降梯度更小，因而在同樣的條件下，NiMH電池就能放出更多的能量。如果電動汽車使用NiMH電池，電池組占整車質(zhì)量的百分比將大大減小，將顯著增加車輛的續(xù)駛里程。說明NiMH電池具有較高的放電效率，在接近放電終止時,由于NiMH電池放電內(nèi)阻的急劇增大，結(jié)果放電效率急劇下降，從而為NiMH電池放電終止判斷提供了一種依據(jù)。
電池放電電壓降與放電電深度關(guān)系曲線如圖4所示。由圖可知，NiMH電池的端電壓變化與放電深度存在著密切關(guān)系，在放電深度10?％≤DOD≤80?％內(nèi)存在近似的線性關(guān)系，而在80?%≤DOD≤85?%的范圍內(nèi)，變化率雖稍有變大，也存在近似的線性關(guān)系，所以在10?％≤DOD≤85?％范圍內(nèi)，通過檢測電池端電壓特性可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測電池電量狀態(tài)。由10?A放電曲線1與2的關(guān)系可知，在同一放電倍率下，電池的性能是非常穩(wěn)定的；比較10?A與12?A放電曲線可知，電壓下降速率隨放電倍率的不同而變化；在放電接近終止時，電池工作電壓又開始急劇下降，下降速率迅速上升，如果沒有很好的防護(hù)措施，有可能損壞電池。
放電過程中，對NiMH電池溫度也進(jìn)行了檢測,結(jié)果其變化幅度不大。所以在放電過程中溫度對電池的影響不太大。
2.4NiMH電池的一致性評價
由于電動車輛要使用多塊電池以串聯(lián)或并聯(lián)形式組合做動力源，而在動力電池的使用過程中，任一只電池質(zhì)量失效都會影響整個電池組性能，使整個電池組損壞，因此電池的一致性對動力電池在電動車上的使用十分關(guān)鍵。
通過大量的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，單體電池的差異性越來越大,且在放電過程中，當(dāng)電池達(dá)到較低的荷電狀態(tài)時，電池一致性能就會迅速變大，說明NiMH電池單體間在深放電的情況下一致性較差，這一點在使用過程中應(yīng)該加以注意。
經(jīng)過的循環(huán)次數(shù)越多，各單體的差異性會變得越來越大，從而影響整個模塊的使用壽命，所以在模塊管理中，不管是充電過程還是放電過程，進(jìn)行各單體電池的管理是非常必要的。
3?結(jié)論
由以上NiMH電池充放電特性可以得出如下結(jié)論：
(1)?NiMH電池端電壓變化率及溫度變化率可作為電池充放電終止判斷的參考依據(jù)；?
(2)?在10?％≤DOD≤85?％范圍內(nèi)，通過電池端電壓特性可以較準(zhǔn)確預(yù)測電池電量狀態(tài)；
(3)?在NiMH電池充電過程中，進(jìn)行電池溫度的檢測和控制是很有必要的；
(4)?在NiMH電池的管理中，進(jìn)行各單體電池的管理是非常必要的；
(5)?NiMH電池性能優(yōu)越，對于在電動汽車及混合動力汽車上的應(yīng)用，與其它類型的電池相比，NiMH電池比傳統(tǒng)的鉛酸電池具有較大的優(yōu)勢。
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鄧文蓮(1972-)，女，山東人，講師，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士生。主要研究方向為電動汽車電池管理系統(tǒng)。