電池充電器的課程設(shè)計.doc

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1、[鍵入文字] 3V充電器的課程設(shè)計 序言 社會信息化進(jìn)程的加快對電力、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)用也越來越廣泛，與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，越來越多的工業(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)來處理和存儲。而各種用電設(shè)備都離不開可靠的電源，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、供電安全角度來說，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，無記憶效應(yīng)，不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對環(huán)境無污染，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。 由于時間倉促以及本人水平有限，論文中難免存在疏漏之處，敬請老師批評指正。  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)對二次電池充電時，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，實現(xiàn)向負(fù)荷供電，伴隨吸熱過程。對于二次電池，其性能參數(shù)很多，主要有以下4個指標(biāo)： ①工作電壓：電池放電曲線上的平臺電壓。 ②電池容量：常用單位為安時(Ah)和毫安時(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方式進(jìn)行評估。二次電池能夠反復(fù)使用，符合經(jīng)濟(jì)使用原則。對于市場上二次電池的種類，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 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 25～35 鋰離子電池 3.6 120～140 300 ＞1000 無 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 以每一個單元電池的電壓來看，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，單個電池組合時數(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，它沒有記憶效應(yīng)。對于鎳鎘電池來說，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是無法避免的。相對而言，鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，在使用時非常方便，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，充電時間自然可以縮短。 記憶效應(yīng)一般認(rèn)為是長期不正確的充電導(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)，所以充電時要特別注意；鎳氫電池理論上沒有記憶效應(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。對于由于記憶效應(yīng)而引起容量下降的電池，可以通過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，所以按照此方法制作的充電器結(jié)構(gòu)非常簡單，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然比較簡單，但是充一次電要等待10多個小時，為此，電池生產(chǎn)廠商也允許用戶在急需時用30%C的電流給電池充電4～5h，稱之為“快充”。鎳氫電池都無耐過充電特性。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)到要求值時應(yīng)停止充電。 1.2 鎳氫電池的簡述 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紡布或尼龍無紡布等。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可完全替代鎳鎘電池，而不需要對設(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，通過幾次充放電循環(huán)就能恢復(fù)到最大容量。鎳氫電池的開路電壓為1.2V，與鎳鎘電池相同。鎳氫電池的充電過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“儲能密度”，以5號(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“記憶效應(yīng)” “記憶效應(yīng)”是指電池在使用

11、過程中，由于沒有完全放電就進(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，它對電池電壓有抑制作用，表現(xiàn)為電池充電很足，但放電時，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)耐過充電、過放電能力強(qiáng) 鎳氫電池充電、放電比較隨便，即使過充電也不會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)無污染 由于鎳氫電池含鎘

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

13、熱過程。在形成的高溫環(huán)境下，將加速負(fù)極儲氫合金氧化，失去部分儲氫能力，并使電池內(nèi)壓增加。容量越大、充電電流越大，問題越突出。 (2)鎳氫電池充入容量會隨著充放電循環(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的時間提前。 (3) 對于長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)，國外有小于15%的報道。 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，其中充電過程中的充電電流選定、內(nèi)壓力、溫度三個方面問題對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)解決充電時間長、充電效率低的問題。 (3)改善充電控制不合理，而造成過充、欠充等問題，提高電池的使用性能和使用壽命。 (4)增加自動化管理設(shè)置，減輕充電過程的勞動強(qiáng)度和勞動時間，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)計和電路設(shè)計，并通過實驗結(jié)果對充電控制方法測試驗證。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)用中存在的主要問題及課題研究的意義和主要工作，這是該論文的設(shè)計基礎(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程中的注意事項。這些簡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，確保在充電控制過程中不過充、不損壞電池。 第四章 鎳氫電池充電器電路設(shè)計。對MAX846A 和MAX712兩種控制芯片進(jìn)行介紹和比較。在此基礎(chǔ)之上，對該電路的充電控制芯片進(jìn)行選擇、介紹與分析，設(shè)計出鎳氫電池快速充電器電路，來實現(xiàn)對鎳氫電池的充電。 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。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型儲氫合金主要由鑭系元素和鎳組成，同時少量添加Al、Mn、Co等。目前在鎳氫電池中實際應(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)和Ni(OH)2(充電時)負(fù)極板的活性物質(zhì)H2(放電時)和H2O(充電時)，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是放電時的活性物質(zhì)，Ni(OH)2是充電時的活性物質(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：充電時鎳氫電池的負(fù)極析出氫氣并儲存在容器中，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。 鎳氫電池過量充電時的電化學(xué)反應(yīng)如下： 正極 負(fù)極 總反應(yīng) 再化合 從鎳氫電池過量充電時的電化學(xué)方程式可以看出，鎳氫電池過量充電時，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。 鎳氫電池過量放電時的電化學(xué)應(yīng)如下： 正極 負(fù)極 過放電時，正極上會發(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紡布或尼龍無紡布等。 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的特性曲線 鎳氫電池在不同儲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)過熱問題，采用的充電器應(yīng)具有安全保護(hù)電路。 ②長期使用的壽命。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)，而且與長期儲存過程有關(guān)。通常，一只鎳氫電池的在沒有過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)鎳氫電池的儲存 鎳氫電池在儲存時注意以下事項： ①短期儲存。鎳氫電池應(yīng)該儲存

23、在干燥、低溫度、沒有腐蝕性氣體和溫度在－20℃～45℃之間的地方。當(dāng)鎳氫電池儲存在高濕度、溫度低于－20℃或高于45℃的地方時，其金屬部件會被侵蝕，還會因內(nèi)部有部件的膨脹和收縮導(dǎo)致堿液泄漏。 ②長期儲存。長期儲存會加速鎳氫電池的自放電和降低反應(yīng)活性，10℃～30℃的溫度比較適合長期儲存。當(dāng)在長期儲存后對鎳氫電池進(jìn)行第一次充電時，由于鎳氫電池內(nèi)部反應(yīng)活性的降低，會導(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)鎳氫電池需要儲存一年以上時，要保證至少每一年對鎳氫電池進(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 ①不要拆解鎳氫鎳氫電池，其內(nèi)部的強(qiáng)堿性電解液會對皮膚和衣物產(chǎn)生腐蝕作用。 ②不要鎳氫電池短路，短路會損壞鎳氫電池和產(chǎn)生過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，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，因為焊接時可能會鎳氫電池帽上的安全閥，從而時鎳氫電池失去原有的安全性能。 ⑤嚴(yán)禁對鎳氫電池反極使用，否則會導(dǎo)致鎳氫電池膨脹或爆裂。 ⑥不要對鎳氫電池反向充電或大電流過充電，這樣會引起鎳氫電池內(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釋放出氣體(氧氣或氫氣)，這時鎳氫電池就有可能會因有火花而引起爆炸的危險。 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，因為不同的使用條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)計過程中要設(shè)有防反極安裝措施，同時要注意產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和與鎳氫電池接觸的端面不會使鎳氫電池短路。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，因為不同規(guī)格的鎳氫電池具有不同的

26、特性，混用會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對電極的容量并無影響。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電位，從

27、而降低充電電壓，提高充電效率。但是添加過量的Co不但會導(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Ni(OH)2電極質(zhì)量比容量的影響見表2-1。鈷含量對Ni(OH)2電極體積比容量的影響見表2-2。 表2-1 鈷含量對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20%時活性急劇下降。這是由于表面高價態(tài)的Co3O4太多而影響到CoO在化成時的轉(zhuǎn)變。 (1)添加量對正極利用率的影響 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)鈷加入量對鎳氫電池大電流放電性能的影響 鈷的加入對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，但加入量過多，成本也就升高的越多，而且鎳氫電池的容量會下降，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，同時鈷絡(luò)化合物還透過隔膜到達(dá)負(fù)極板，當(dāng)負(fù)極充電時還原成鈷并沉積下來。沉積在隔膜上的鈷積累到一定數(shù)量后就

31、可以透過隔膜形成很細(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)，對于一只封口的成品鎳氫電池來說，其中的空間是一定的。若電解液太多，會造成封口氣室空間變小，從而使鎳氫電池在充放電過程中的內(nèi)壓上升。另一方面，電解液太多會堵塞隔膜孔，阻止氧氣的傳導(dǎo)，不利于氧氣迅速復(fù)合，也會使鎳氫電池的內(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對鎳氫電池的性能也有一定的影響。在長期充放電過程中，Ni(OH)2的顆粒會逐漸變粗，使充電困難，原因是溫度過高，電解液濃度大以及有金屬雜質(zhì)存在。當(dāng)加入LiOH時，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不宜過多，否則會影響電活化進(jìn)程。一般認(rèn)為鐵會降低析氧過電壓，使鎳氫電池的充電效率下降；碳酸鹽會在電極表面生成薄膜，是鎳氫電池內(nèi)阻增大；硫化物會形成樹枝狀生成物

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。 鎳氫電池在儲存和使用的過程中會出現(xiàn)內(nèi)阻升高、放電容量降低以及充電效率降低等現(xiàn)象，其原因有以下幾個方面： 1)添加劑Co在儲存和使用過程中會往極板的深層擴(kuò)散或者說遷移，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電位，最終導(dǎo)致放電容量下降。 2)在循環(huán)過程中極板被電解液腐蝕，導(dǎo)致極板粉末松散、脫落或者說接觸不好，導(dǎo)致內(nèi)阻升高以及過度充放電，致使極板受到損傷。 3)鎳氫電池因為過充電而使極板膨脹，會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)或儲存一段時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)鎳氫電池在使用過程中過度充放電，將使氫氣、氧氣在析出的同時帶出電解液，從而使得電解液干涸。 通過對儲存和使用過的鎳氫電池進(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，電解液有明顯干涸，這是上述一個或幾個因素共同作用的結(jié)果。 3.隔膜對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，并要求隔離板對電子呈高阻、對離子呈低阻、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，使得鎳氫電池過充電時在正極產(chǎn)生的氧氣未能快速復(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中的氫氣是由于過充電靜置后儲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氣體的透氣性，而是指能對帶氫或氧原子的離子透氣性。鎳氫電池不過充電可降低漏電率，目前鎳氫電池充報后靜置30天時電池容量荷電率可超過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內(nèi)壓過高，造成漏液爬堿，容量下降，壽命縮短，安全性能變差，而且化成時間較長。對封口的鎳氫電池進(jìn)行熱處理(即熱活化)，可以對其性能進(jìn)行改善，尤其是對內(nèi)壓的改善。其本質(zhì)原因是： 1)熱處理過程中，負(fù)極中的儲氫合金表面在強(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，過充電時正極所產(chǎn)生的氧擴(kuò)散到負(fù)極表面，并與儲氫合金中的氫反應(yīng)，重新化合成水，從而改善儲氫合金的消氧機(jī)能，降低鎳氫電池內(nèi)壓。另外，熱處理時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)熱活化的時間、溫度不同，對鎳氫電池性能的影響也不同。時間太短，則達(dá)不到預(yù)期效果；時間太長，則浪費(fèi)時間，效率太低。溫度太低，則反應(yīng)速度過慢；溫度太高，可能會導(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，熱活性的時間以2～8h比較合適。 3)在電活化過程初期，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，具有充電儲備。而后期的電活化只是對電極進(jìn)行充放電，即在Ni(OH)2與NiOOH之間來回轉(zhuǎn)化。通過這種來回轉(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、放電過程中的注意事項 1.在鎳氫電池充電過程中應(yīng)注意以下事項： 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，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，這會促使鎳氫電池排氣閥啟動，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，在使用時其工作時間將縮短，而且會導(dǎo)致鎳氫電池漏堿。 2)反向充電。對鎳氫電池進(jìn)行反向充電會引起鎳氫電池內(nèi)部氣體急劇上升，這會促使鎳氫電池排氣閥啟動釋放堿性電解液，從而導(dǎo)致鎳氫電池性能快速下降，還會出現(xiàn)鎳氫電池膨脹和破裂的現(xiàn)象。 3)過充電。應(yīng)避免鎳氫電池過充電，反復(fù)的過充電會導(dǎo)致鎳氫電池性能下降(過充電是指對已經(jīng)充滿電的鎳氫電池再繼續(xù)充電)。 4)快速充電。當(dāng)對鎳氫電池進(jìn)行快速充電時，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，同時要避免用涓流方式過充，這樣會損壞鎳氫電池的特性，應(yīng)使用定時器來控制充電時間。 涓流充電的單位“CmA”是一個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.在鎳氫電池放電過程中應(yīng)注意以下事項： 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，鎳氫電池的放電容量將會下降，容量的下降會導(dǎo)致鎳氫電池性能降低。 2)過放電(深度放電)。由于過放電會損壞鎳氫電池的

44、特性，所以在使用中應(yīng)避免鎳氫電池過放電，同時要避免鎳氫電池長期與用電設(shè)備連接，在運(yùn)輸過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。高倍率放電會導(dǎo)致鎳氫電池產(chǎn)生過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波動，充電時需采用一個直流恒流電源(充電器)。當(dāng)采用恒流充電時，可使電池具有較高的充電效率，可方便地根據(jù)充電時間來決定充電是否終止，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，通過直流電源和電池之間串聯(lián)上一個電位器，以增加電路內(nèi)阻來產(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，使電流不會超過電池的允許值。由于結(jié)構(gòu)簡單、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)對電池進(jìn)行這一充電時，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。充電電流會隨著電壓的波動而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時，以免時電池過充電。 另外

46、，這種充電方式的充電末期電壓在達(dá)到峰值后會下降。電池的充電電流將變大，會導(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合。下圖3-5為涓充方式的簡單示意圖。 圖3-5 涓流方式的簡單示意圖 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，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)測電路。分階段充電方式的簡單示意圖如圖3-6所示。 圖3-6 分階段充電的簡單示意圖 6.通過太陽能給電池充電 通過太陽能給電池充

48、電的電路如圖3-7。它采用太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，再通過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，將對太陽能充電電路的工作特性有影響，太陽能應(yīng)設(shè)有溫度變化范圍控制電路。 圖3-7 通過太陽能給電池充電的電路 7.快速充電 在用大電流短時間對電流充電時，需用電池電壓檢測和控制電路。該電路在電池充電末期實時檢測電池電壓和電池溫度，并且根據(jù)檢測參數(shù)控制充電過程。 (1)電池電壓檢測 在大電流充電末期，檢測電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值時，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?？刂齐娐吩O(shè)置的充電截止電壓必須比充電峰

49、值電壓低。 (2)－△V檢測 電池充電過程的充電電流是通過檢測電池充電末期的電壓降來進(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檢測電路檢測的電壓降達(dá)到設(shè)定值，控制電路將使大電流充電電路分?jǐn)?。電池的充電電流、電池電壓和充電時間的關(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、電池電壓和充電時間的關(guān)系 (3)電池溫度檢測 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元

50、件。當(dāng)電池溫度達(dá)到設(shè)定值時，電池充電電路被切斷。下面即給出了電池溫度檢測簡圖和電池溫度與充電時間的關(guān)系圖。 圖3-10 電池溫度檢測簡圖 圖3-11 電池溫度和充電時間的關(guān)系 3.1.2充電器的要求和結(jié)構(gòu) 1.充電器的要求 對充電器的要求是：安全，快速，省電，功能全，使用方便，價格便宜。 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方法要可靠、精確，以防止過充電。另外，一些充電器集成電路還設(shè)有充電時間定時器來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，然后自動充電。先進(jìn)行快速充電，到終止快速充電時自動轉(zhuǎn)為涓流充電，各個充、放電過程都有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)、充電電池數(shù)的設(shè)定、涓流電流大小設(shè)定、定時器時間設(shè)定、充電前電池狀態(tài)測定(判斷電池好壞及安裝是否良好)等功能，并可根據(jù)電池的溫度來選擇充電參數(shù)(電池溫度過低時不宜快充)。 當(dāng)充電電流較小時可采用線性電源，充電電流較大時常采用開關(guān)電源，它既省電又解決發(fā)熱問題，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小時率電流。小時率電流值是由公式C(Ah)/t(h)規(guī)定的，其中C代表電池額定容量，t代表時間。例如用1小時率電流對5號鎳鎘電池快速充電，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)定時型 對電池進(jìn)行定時充電，主控電路采用定時電路，定時時間可由充電電流決定。定時主控電路常設(shè)置不同的時間以控制不同的小時率電流對電池按時間分擋充電，使用很方便。由于定時器制作容易，所以常用它自制定時快速充電器。自制時，為了充電安全，最好選大于5小時率的電流充電。 (2)電壓峰值增量△V型 可充電電池(如鎳鎘電池)在充電時端電壓隨充電時間的增長而上升，但充足電后端電壓開始下降。設(shè)計主控電路時，利用該特性監(jiān)測電池電壓出現(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)測和脈寬調(diào)制(PWM)控制電路。溫度監(jiān)測常用熱敏電阻監(jiān)測電池溫度。當(dāng)電池溫度高于設(shè)定值時，立即停止快速充電，即使電池溫度下降后，充電器也不會啟動工作。只有它復(fù)位(人工或自動)后，才能啟動再次轉(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程無法用單一量實現(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，此時采用恒定的小電流充

55、電。當(dāng)進(jìn)入B—C段時，若采用恒流充電，電流過大會損壞電池，電流過小使充電時間過長，根據(jù)電壓變化情況控制充電電流，使電池充電已滿，若此時停止充電，電池會自放電。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，不斷檢測電池端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到飽和電壓時，恒流充電狀態(tài)終止，自動進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)；恒壓充電時，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，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充電，可以采用定時控制、電壓控制和溫度控制等多種終止充電的方法。 (1)定時控制 該方法適用于恒流充電。采用恒流充電法時，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間。充電的過程中，達(dá)到預(yù)定的充電時間后，定時器發(fā)出信號，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時間大電流過充電。 這種控制方法較簡單，但有其缺點(diǎn)：充電前，電池的容量無法準(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，實際的充電時間很難確定。而該方法充電時間是固定的，不能根據(jù)電池充電前的狀態(tài)而自動調(diào)整，結(jié)果使有的電池可

57、能充不足電，有的電池可能過充電，因此，只有充電速率小于0.3C時，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，電池即充足電。充電過程中，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電壓無關(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從多次快速充電實驗中發(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，由于檢測到了負(fù)增量而停止快充；②鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間，才出現(xiàn)負(fù)增量，此時過充電較嚴(yán)重，此時電池的溫度較高，對電池有所損害。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)增量的時間過久而損壞電池，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間內(nèi)可能變化很小，若此時誤認(rèn)為0△V出現(xiàn)而停止充電，會造成誤操作。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，當(dāng)電池電壓略有降低時，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)：充電過程中，通常當(dāng)電池溫度達(dá)到40℃時，應(yīng)立即停止快速充電，否則會損害電池。電池的溫度可通過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測。這種方法的缺點(diǎn)是熱敏電阻的響應(yīng)時間較長，溫度檢測有一定滯后。 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，應(yīng)當(dāng)立即終止快速充電。應(yīng)當(dāng)說明，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，由于熱敏電阻響應(yīng)時間較長，再加上環(huán)境溫度的影響，因此，不能準(zhǔn)確的檢測電池的充足電狀態(tài)。 (4)綜合控制法 以上各種控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：由于存在電池個體的差異和個別的特殊電池，若只采用一種方法，則會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電池的充足電狀態(tài)，可采用具有定時控制、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為主，時間、溫度和電壓檢測為輔的方式。系統(tǒng)在充電過程檢測有無零增量(△

61、V)出現(xiàn)，作為判斷電池已充滿的正常標(biāo)準(zhǔn)，同時判斷充電時間、電池溫度及端電壓，是否已超過預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值作為輔助檢測手段。當(dāng)電池電壓超過檢測門限時，系統(tǒng)會檢測有無零增量出現(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)；在充電過程中，系統(tǒng)會一直判斷充電時間、電池溫度及端電壓是否己到達(dá)或超過了充電保護(hù)條件。若其中有一個條件滿足，系統(tǒng)會終止現(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 4.1 鎳氫電池充電控制芯片的選擇 4.1.1 MAX846A芯片的簡單介紹 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，它與一個精度為2%的20k電阻相連接，使浮充電壓可以通過一外部電阻進(jìn)行設(shè)置。外部電阻應(yīng)具有1%的精度，因為外部電阻直接影響浮充電壓的精

64、度，而浮充電壓的精度直接對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)路和電流檢測放大器組成。通過對衰減器的設(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。電流檢測放大器用于檢測鎳氫電池的高端電流，它實際上是一個跨導(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，兩個環(huán)路的輸出通過邏輯“或”后，驅(qū)動一只漏極開路的溝道MOS場效應(yīng)管構(gòu)成的有源負(fù)載。采用MAX846A芯片設(shè)計的充電器的外部電路

65、，由P溝道MOS場效應(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在檢測到du/dt變?yōu)榱銜r終止快速充電模式，而MAX713是在檢測到du/dt變?yōu)樨?fù)值時終止快速充電模式。MAX712和MAX713都通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置給1～16節(jié)鎳氫電池充電，具有線性或開關(guān)模式功率控制功能。對于線性模式，在鎳氫電池充電時能同時給鎳氫電池的負(fù)載供電。MAX712能根據(jù)電壓剃度、溫度或時間截止快速充電，自動從快速充電方式轉(zhuǎn)到涓流充電方式。不充電時，鎳氫電池上的最大漏電流僅為5mA。 1.器件封裝及型號

66、選擇 圖4-2 MAX712/MAX713的引腳排列方式 表4-1 MAX712/MAX713的引腳符號和功能 引腳符號 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VLIMIFn(鎳氫電池數(shù)量)，單位為V，且VLIMIF接V+時，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。通過對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，快速充電過程結(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端的過程電壓時，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)時此端變成高電平 PGM2 可編程引腳。通過對PGM2和PGM3端電壓的設(shè)定可