Ni-MH电池4C充电的研讨

Ni-MH电池4C充电的研讨

前言

现代社会对环境污染的关注程度越来越高，这就给二次能源开辟广阔的市场，既环保又安全的Ni-MH电池已成为未来最具发展前景的动力电池之一。

二次电池充电时间长、使用不方便一直是用户抱怨的主要问题之一。实现二次电池的快速充电除了电池本身需要提高充电效率等性能以外，适合于快速充电的充电器也是实现该目标的重要因素。快速充电技术已成为近年来电池和电子业界研究的热点。

经过多年Ni-MH电池的快速充电的研究，目前我们已解决4C充电器的技术方案，只需15分钟充电可以使电池的充电容量达到90%左右，同时还延长了Ni-MH电池的循环寿命。

一、设计原理与思路

1铅蓄电池充电设计简单,如图一为一般铅蓄电池的充电情况。

2Ni-MH电池充电设计

电池类别和状态识别是为了确定电池状态是否可以正常充电，在设计充电器时可以对电池进行电压测试后处理：

A、给电池两端加上一个比电池电压高的电压，当测试到这个电压没被电池拉低时，则可以判定为电池开路，充电器不予充电；

B、如果单节电池初始电压或充电过程中的停充电压大于１.６Ｖ时，则可判定为一次电池或不良电池，不予充电；

C、充电器先对电池进行小电流充电２－３秒钟，如果检测到单节电池电压小于０.２Ｖ，则可判定为短路电池（坏电池），不予充电；

D、如果装入充电器的电池单节电池电压大于０.２Ｖ小于１.０Ｖ时，则须用小电流进行维护性充电，至１.０Ｖ之后，再采用４Ｃ大电流充电．

二、4C充电的研究

在进行4C充电设计时,要注意以下几个关键点：

1、识别、判定及预充出适应于４Ｃ大电流充电的电池

普通Ni-MH电池可以承受10C的放电倍率，但不能承受高倍率充电．采用4C大电流充电，只能适用于充电速率高达4C的电池，否则会对电池造成伤害。适用于高倍率充电的Ni-MH电池必须在正负极材料，结构等方面进行改进，如增大接触面积，降低接触电阻和电化学极化等。研制快速充电器时，就需要设计控制电路和芯片软件来识别电池的类型，是否适应大电流充电。同时，配套电池的内部也需要设计对应的识别装置，对于不能适应大电流充电的Ni-MH电池，采用小电流充电（一般为1Ｃ），避免损坏电池。

2、快速充电

首先用脉冲４Ｃ大电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，用小电流瞬间放电，再停一段时间，再用４Ｃ大电流充电，进入下一个循环。如图二：实现快速充电的原理：

A、充电时，负极析出氢气，贮存在负极贮氢合金中，正极由Ni(OH)2变成NiOOH和H2O；

B、停充时，氢气扩散到氢电极表面和氧气化合生成水；

C、放电时，还未化合的氢气在负极上被消耗掉，正极由羟基氧化镍变成氧化亚镍。

通过上述的循环过程，使浓差极化和电化学极化得到消除，减轻了电池的内压，使下一个循环的恒流充电能够顺利地进行，电能与化学能的转换更充分。间歇脉冲使电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了电池的充电转化率。

3、快速充电的终止

根据Ni—MH电工作原理，过充电将会严重影响电池的循环寿命，所以必须采用精确的充电终止条件，判断方法主要包括：

绝对电压法——单节电池终止电压不得大于1.65V；

电压拐点法——电压上升速率由缓趋陡的转折点；

电压零斜率法——电压停止上升；

电压负增长法（－△V）——电池电压出现下降；

温度法——电池温度的极限值及上升斜率。

图三为Ni-MH电1C充电终止时体现出的终止条件：

而Ni－MH电池4C快速充电的终止检测的方法又有不同：

A、绝对电压法，主要用于判断一次电池或不良电池；

B、电压曲线零斜率法，当电池电压在1.5分钟内不出现增长时即作为充满条件的判定依据之一；

C、电压负增长法（-△V），当电池电压过了设定终止电压后发生下降时，即作为充满条件的判定依据之一；

D、温度法，当电池温度达到设定极值时，作为充满条件的判定依据之一；

当电池电压变化满足终止条件时，要监测温度的变化，再做出综合判定。但如果温度达到极限值时，电池电压变化仍不满足终止条件，充电只需暂停，待温度下降后再启动充电，满足终止电压条件后，才能判断为电已充满。

如果综合判定失误，会导致充电提前终止或过充电。提前终止会让电池充电饱和度低，使用效果差；过充时，电池温度过高（64℃），温度斜率偏大（4.8℃/分），造成电池严重损坏。图四是充电时，在1.8V时没关断，当电池电压下降到1.79V才关断，多充电2分多钟，电池温度上升了11℃，对电池伤害极大。图五是合理的15分钟充电曲线，充电时间约14分钟：

4、维护性充电；

由于电池在大电流充电时，发热量大，需要采用风扇降温，当电池快速充电到终止的时候，指示灯发生变化，给予提示，这时电池电量的饱和度实际只达到80%左右，尚有近20%的可充性；因此，在指示灯变化后，再采用0.5C的充电电流进行维护性充电到安全关断时间，才可使电池电量饱和度达到90%以上。维护性充电时间约5.0分钟。如果图五所示。

5、充电完成的确认

A、充电计时达到安全时间时，完全关断所有充电，完成充电。

B、在充电过程中，如发现电池不良或非充电电池、温度异常、充电器本省工作异常等情况时，充电器都会启动充电完成算法，终止充电。

C、充电完成，表示整个充电过程已结束，电池已充满电，可以对下一个对象工作。

D、一般充电完成时间定为20分钟。

三4C充电研究结果

我们设计的4C快速充电器经过上万次测试，国内适应大电流充电的电池循环寿命为200次左右，充电饱和度前100次一般在75%以上。如果在电芯上增加一些可恢复性安全装置（如过压、超温装置），效果更好。从此数据来看，要推广此类产品，配套电池尤为关键。这样，如果将产品工业化，公路边的充电站就会像现在的加油站一样多；电动车在路边充电，只需等候与汽车加油一样的时间（15分钟），紧张的动力能源得以缓解。

（注：此文由本人在2006年度全国动力电池论坛上的演讲稿整理而成，如文中专业知识有错误之处，望各位专家斧正）

文章的甜甜蜜蜜。在这美好的日子里，但愿这篇文章能给所有的德赛人带来吉详和安康！