电池充电器的专业课程设计.doc

3V充电器课程设计前言社会信息化进程加快对电力、信息系统安全稳定运营提出了更高规定。在人们生产、生活中，各种电气、电子设备应用也越来越广泛，与人们工作、生活关系日益密切，越来越多工业生产、控制、信息等重要数据都要由电子信息系统来解决和存储。而各种用电设备都离不开可靠电源，如果在工作中间电源中断，人们生产和生活都将受到不可预计经济损失。对于由交流供电用电设备，为了避免浮现上述不利状况，必要设计一种电源系统，它能不间断地为人们生产和生活提供以安全和操作为目可靠备用电源。为此，以安全和操作为目备用电源设备上都使用充电电池。这样，虽然电力网停电，也可运用由充电电池构成安全和操作备用电源，从容地采用其她应急手段，避免重大损失发生。而对于采用充电电池供电用电设备，从生产、信息、供电安全角度来说，充电电池在系统中处在及其重要地位。特别是镍氢电池具备良好充放电性能，可随充随放、快充深放，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，因此镍氢电池得到了迅速发展和广泛应用。镍氢电池充电器是为镍氢充电电池补充能源静止变流装置，其性能优劣直接关系到整个用电系统安全性和可靠性指标。本论文从镍氢电池技术特性、充电技术、充电器电路构造、充电器典型电路和电池保护等方面，多角度地阐述了充电技术发展和应用。由于时间仓促以及本人水平有限，论文中难免存在疏漏之处，敬请教师批评指正。第1章 绪论1.1 课题研究背景电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能器件。二次电池是可多次重复使用电池，它又称为可充电池或蓄电池。当对二次电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，随着吸热过程。对于二次电池，其性能参数诸多，重要有如下4个指标：工作电压：电池放电曲线上平台电压。电池容量：惯用单位为安时(Ah)和毫安时(mAh)。工作温区：电池正常放电温度范畴。电池正常工作充、放电次数。二次电池性能可由电池特性曲线表达，这些特性曲线涉及充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池安全性可用特性安全检测方式进行评估。二次电池可以重复使用，符合经济使用原则。对于市场上二次电池种类，大体分为：铅酸(LA)电池、镍镉(NiCd)电池、镍氢(NiMH)电池和锂离子(Liion)电池。 1.二次电池性能比较铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池性能比较见表1-1。表1-1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池性能比较电池类型工作电压(V)重量比能量(Wh/kg)体积比能量(Wh/L)循环次数记忆效应自放电率(%/月)铅酸电池2.0400600无3镍镉电池1.250150400500有1530镍氢电池1.26080240300500无2535锂离子电池3.61201403001000无252.镍氢电池、镍镉电池与锂离子电池之间差别(1)重量方面以每一种单元电池电压来看，镍氢电池与镍镉电池都是1.2V，而锂离子电池为3.6V，锂离子电池电压是镍氢、镍镉电池3倍。并且，同型电池重量锂离子电池与镉镍电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。但锂离子电池因端电压为3.6V，在输出同电池状况下，单个电池组合时数目可减少2/3从而使成型后电池组重量和体积都减小。(2)记忆效应镍氢电池与镍镉电池不同，它没有记忆效应。对于镍镉电池来说，定期放电管理是必须。这种定期放电管理属于模糊状态下被动管理，甚至是在镍镉电池荷电量不确切状况下进行放电(每次放电或者使用几次后进行放电都因生产厂不同有所差别)，这种啰嗦放电管理在使用镍镉电池时是无法避免。相对而言，锂离子电池没有记忆效应，在使用时非常以便，完全不用考虑二次电池残存电压多少，可直接进行充电，充电时间自然可以缩短。记忆效应普通以为是长期不对的充电导致，它可以使电池早衰，使电池无法进行有效充电，浮现一充就满、一放就完现象。防止电池浮现记忆效应办法是，严格遵循“充分放光”原则，即在充电前最佳将电池内残存电量放光，充电时要一次充分。普通镍镉电池容易浮现记忆效应，因此充电时要特别注意；镍氢电池理论上没有记忆效应，但使用中最佳也遵循“充分放光”原则，这也就是诸多充电器提供放电附加功能因素。对于由于记忆效应而引起容量下降电池，可以通过一次充分再一次性放光办法重复多次，大某些电池都可以得到修复。(3)自放电率镍镉电池为15%30%月，镍氢电池为25%35%月，锂离子电池为2%5%。镍氢电池自放电率最大，而锂离子电池自放电率最小。(4)充电方式镍氢电池和镍镉电池最惯用简朴充电办法是10%C恒流充电，又被称为“慢充”，即按照电池容量10%拟定充电电流。虽然建议使用恒流充电，但规定并不严格，电流容许有较大波动，因此按照此办法制作充电器构造非常简朴，普通只需要采用变压器为220V市电转换成恰当低电压，采用整流二极管整流，电容器采用限流电阻限流并配以发光二极管等批示装置，成本较低。“慢充”虽然比较简朴，但是充一次电要等待10各种小时，为此，电池生产厂商也容许顾客在急需时用30%C电流给电池充电45h，称之为“快充”。镍氢电池都无耐过充电特性。因而，镍氢电池应采用定电流充电方式，在镍氢电池端电压达到规定值时应停止充电。1.2 镍氢电池简述镍氢电池正极板材料为氢氧化镍(NiOOH)，负极板材料为高能储氢合金，电解液通惯用30%KOH水溶液并加入少量NiOH，隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。镍氢电池外形有圆柱形和方形两种。镍氢电池正极与镍镉电池基本相似，由于负极采用了高能储氢合金材料，镍氢电池具备更大能量。因镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池也基本相似，因此镍氢电池在使用时可完全代替镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池具备较好低温放电特性，虽然在20环境温度下采用大电流(以1C放电速率)放电，放出电量也能达到标称容量85%以上。但是，镍氢电池在高温(+40以上)时蓄电容量将下降5%10%。这种由于自放电(温度越高，自放电速率越大)而引起容量损失是可逆，通过几次充放电循环就能恢复到最大容量。镍氢电池开路电压为1.2V，与镍镉电池相似。镍氢电池充电过程与镍镉电池非常相似，都规定恒流充电，两者差别重要体当前迅速充电终结办法上。1.镍氢电池特点单体镍氢电池构造是密封圆柱形，标称电压为1.2V，它重要有如下特点：(1)容量大 NiMH电池“储能密度”，以5号(AA型)可充电电池为例，至少在1000mAh以上，好能达到1400mAh，在同等体积和重量条件下，其容量是镍镉电池23倍，而比老式型镍镉电池要多余1倍多。(2)无“记忆效应” “记忆效应”是指电池在使用过程中，由于没有完全放电就进行充电，导致电池负极板上产生不正常氧化物导致，它对电池电压有抑制作用，体现为电池充电很足，但放电时，电压骤减，致使电池使用寿命缩短。镍氢电池无“记忆效应”，但在使用过程中，有自放电现象。正常使用状况下，其电量流失量为每天13，布满电镍氢电池，放置几星期后再使用，就必要重新充电。由于镍氢电池无“记忆效应”，因此在开始为它充电前不需做放电解决，可以随用随充，在任一点充电。(3)耐过充电、过放电能力强 镍氢电池充电、放电比较随便，虽然过充电也不会导致电池永久性损伤，电池放电到0V后来再充电，依然可以恢复镍氢电池容量。(4)无污染 由于镍氢电池含镉成分极微，甚至不含镉成分，不会污染环境，因此镍氢电池也叫环保电池或“绿色电池”。既有诸多国家都投巨资兴建镍氢电池生产线。(5)资源丰富 镍氢电池所用储氢合金是从稀土中提炼出来，而国内是稀土资源大国，约占全球总储存量80，因此国内发展镍氢电池具备得天独厚优势。(6)寿命长 镍氢电池以1C电流充电、放电循环使用寿命超过500次，以0.2C电流充、放电循环使用寿命超过1000次，从实际使用寿命看，以5号镍氢电池为例，采用1000mA电流充电，可合计重复使用1000h。镍氢电池在使用过程中会浮现如下问题:(1)镍氢电池在充电后期会产生大量氧气，负极MH电极吸氧过程是放热过程。在形成高温环境下，将加速负极储氢合金氧化，失去某些储氢能力，并使电池内压增长。容量越大、充电电流越大，问题越突出。(2)镍氢电池充入容量会随着充放电循环周期增长而减少，电池内阻也随着增长，并且充电后期浮现V时间提前。(3) 对于长期备用镍氢电池有必要提高电荷保持能力，减少自放电。当前镍氢电池自放电损失在25%左右(28天)，国外有不大于15%报道。充电技术是影响密封镍氢电池寿命和使用性能最大因素，其中充电过程中充电电流选定、内压力、温度三个方面问题对电池使用性能和使用寿命影响最大。充分研究镍氢电池充放电特性，寻找有效充电及电池智能化管理途径，有助于延长镍氢电池使用性能和使用寿命，提高有关设备工作可靠性。1.3 课题研究内容1.3.1 课题研究意义 本课题研究对象重要是镍氢电池充电原理和充电控制。镍氢电池充电设备需要解决问题有:(1)能进行充电前解决，涉及电池充电状态鉴定、预解决。(2)解决充电时间长、充电效率低问题。(3)改进充电控制不合理，而导致过充、欠充等问题，提高电池使用性能和使用寿命。(4)增长自动化管理设立，减轻充电过程劳动强度和劳动时间，从而使充电器具备更高可靠性、更大灵活性，且成本低。本课题研究意义在于：(1)充分研究镍氢电池充放电特性，寻找有效充电及电池管理途径。(2)使充电设备具备完善自诊断功能和适时解决功能。1.3.2 课题研究重要工作本文重要研究镍氢电池充电办法，在此基本上进行系统设计和电路设计，并通过实验成果对充电控制办法测实验证。详细构造如下:第一章 绪论。一方面简介了课题研究背景，再简介了镍氢电池特点和在应用中存在重要问题及课题研究意义和重要工作，这是该论文设计基本。第二章 镍氢电池原理及充放电特性。重要分析了镍氢电池工作原理、电化学原理和充放电特性，讲述了影响镍氢电池性能因素和镍氢电池充放电过程中注意事项。这些简朴简介能更好理解和掌握镍氢电池基本概念。第三章 电池充电办法与充电控制技术。重要简介了电池充电办法和镍氢电池迅速充电终结控制办法，保证在充电控制过程中但是充、不损坏电池。第四章 镍氢电池充电器电路设计。对MAX846A 和MAX712两种控制芯片进行简介和比较。在此基本之上，对该电路充电控制芯片进行选取、简介与分析，设计出镍氢电池迅速充电器电路，来实现对镍氢电池充电。第2章 镍氢电池工作原理及充放电特性2.1 镍氢电池工作原理和电化学原理2.1.1 镍氢电池工作原理作为负极材料储氢合金是由A和B两种金属形成合金，其中A金属(La、Ti、Zr等)可以吸进大量氢气，形成稳定氢化物；而B金属(Ni、Co、Fe、Mn等)不能形成稳定氢化物，但氢很容易在其中移动。A金属控制着氢吸藏量，而B金属控制着吸放氢气可逆性。按照合金晶体构造，储氢合金可分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶体型等，其中重要使用稀土金属是AB5型合金。AB5型储氢合金重要由镧系元素和镍构成，同步少量添加Al、Mn、Co等。当前在镍氢电池中实际应用重要是稀土系AB5型合金。镍氢电池电极材料重要技术规定有：1)耐氧化性大，在浓碱电解液中化学稳定性好。2)在较宽温度范畴内具备较大电化学容量。3)催化活性高，电极反映可逆性好。4)随着吸放氢循环产生劣化少。5)初期活化次数少。镍氢电池正极活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)负极板活性物质H2(放电时)和H2O(充电时)，电解液采用30%氢氧化钾水溶液。2.1.2 镍氢电池充放电时电化学原理镍氢电池正极是粘在基板上NiOOH/Ni(OH)2，NiOOH是放电时活性物质，Ni(OH)2是充电时活性物质，两者在充放电循环中互相转化。镍氢电池负极是高能储氢合金，既是贮氢材料又是负极材料，负极活性物质是氢气。在正负极之间有隔膜，共同构成镍氢单格电池。电解液采用30%氢氧化钾溶液，并添加少量氢氧化镍溶液。在金属铂催化作用下，完毕充电和放电可逆反映。镍氢电池充电时电化学反映为:正极 负极 总反映 镍氢电池放电时电化学反映为:正极 负极 总反映 从化学反映方程式可以看出：充电时镍氢电池负极析出氢气并储存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍(NiOOH)和H2O；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。镍氢电池过量充电时电化学反映如下：正极 负极 总反映 再化合 从镍氢电池过量充电时电化学方程式可以看出，镍氢电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催化剂氢电极面积大，并且氧气可以随时扩散到氢电极表面，因而，氢气和氧气可以很容易在电池内部再化合生成水，使容器内气体压力保持不变，这种再化合速率不久。镍氢电池过量放电时电化学应如下：正极 负极 过放电时，正极上会发生电解反映也释放出氢气。镍氢电池反映与镍镉电池相似，只是负极充放电过程中生成物不同。镍氢电池电解液多采用KOH水溶液，并加入少量NiOH，隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。2.2 镍氢电池充放电特性2.2.1 镍氢电池特性(1)特性曲线镍氢电池在不同充电速率下充电特性曲线如图2-1所示。 图2-1 镍氢电池在不同充电速率下充电特性曲线镍氢电池在不同温度下1C放电特性曲线如图2-2所示。图2-2 镍氢电池在不同温度下1C放电特性曲线镍氢电池在室温下以不同速率放电时特性曲线如图2-3所示。 图2-3 镍氢电池在室温下以不同速率放电时特性曲线镍氢电池在不同储存温度下保存电量特性曲线如图2-4所示。图2-4 镍氢电池在不同储存温度下保存电量特性曲线镍氢电池循环寿命曲线如图2-5所示。 图2-5 镍氢电池循环寿命曲线 (2)镍氢电池使用寿命循环寿命。镍氢电池在对的充电和放电状况下可以使用500次以上。若镍氢电池在对的充电后工作期间端电压明显下降，表白该镍氢电池已经超过使用寿命。在镍氢电池寿命末期也许会浮现内阻升高或内部短路现象。镍氢电池在寿命末期充电将浮现过热问题，采用充电器应具备安全保护电路。长期使用寿命。由于镍氢电池是运用内部化学反映化学电源，因此镍氢电池性能衰减不但与使用状况关于，并且与长期储存过程关于。普通，一只镍氢电池在没有过充电或放电正常使用状况下寿命应能持续两年(或可循环充放电500次)。但是，考虑到在使用过程中充电、放电、温度和其他因素也许浮现异常状况，因而会浮现镍氢电池寿命缩短和性能衰减现象。(3)镍氢电池储存镍氢电池在储存时注意如下事项：短期储存。镍氢电池应当储存在干燥、低温度、没有腐蚀性气体和温度在2045之间地方。当镍氢电池储存在高湿度、温度低于20或高于45地方时，其金属部件会被侵蚀，还会因内部有部件膨胀和收缩导致碱液泄漏。长期储存。长期储存会加速镍氢电池自放电和减少反映活性，1030温度比较适合长期储存。当在长期储存后对镍氢电池进行第一次充电时，由于镍氢电池内部反映活性减少，会导致镍氢电池端电压偏高和容量减小。为了使镍氢电池恢复原始容量，应对镍氢电池进行重复多次小电流充电和放电。当镍氢电池需要储存一年以上时，要保证至少每一年对镍氢电池进行一次充放电，这样可防止镍氢电池漏碱和因自放电而导致性能下降。(4)镍氢电池使用中禁止事项不要拆解镍氢镍氢电池，其内部强碱性电解液会对皮肤和衣物产生腐蚀作用。不要镍氢电池短路，短路会损坏镍氢电池和产生过多热量而引起镍氢电池燃烧。镍氢电池不能接近火源，温度过高将引起镍氢电池爆裂。使用镍氢电池供电设备在水中使用时，需采用特殊防水办法，否则镍氢电池将失效。不要在镍氢电池上直接焊接任何物品，由于焊接时也许会镍氢电池帽上安全阀，从而时镍氢电池失去原有安全性能。禁止对镍氢电池反极使用，否则会导致镍氢电池膨胀或爆裂。不要对镍氢电池反向充电或大电流过充电，这样会引起镍氢电池内部气体迅速产生和气压升高，最后导致镍氢电池膨胀或爆裂。给镍氢电池充电充电器应采用专用充电器，使用其她或改装充电器给镍氢电池充电，将引起镍氢电池膨胀或爆裂。要避免镍氢电池安装在密封部件中。在有些状况下，镍氢电池很有也许会释放出气体(氧气或氢气)，这时镍氢电池就有也许会因有火花而引起爆炸危险。不要把镍氢电池应用在不适合镍氢电池供电设备上，由于不同使用条件将损坏镍氢电池或用电设备。要防止镍氢电池在使用中短路。在镍氢电池组设计过程中要设有防反极安装办法，同步要注意产品构造和与镍氢电池接触端面不会使镍氢电池短路。并且，避免新、旧电池混用，还应避免与不同类型电池或其她品牌镍氢电池混用，由于不同规格镍氢电池具备不同特性，混用会破坏镍氢电池自身性能或用电设备。2.2.2 影响镍氢电池性能因素影响镍氢电池性能因素有诸多，涉及正极板和负极板基材、储氢合金种类、活性物质颗粒度、添加剂类别和数量以及制作工艺、电解液、隔膜、化成工艺等。1.正极添加CoO对电极性能影响将钴(Co)添加到Ni(OH)2电极中，重要目是形成高导电性CoOOH(在活化阶段充电过程中被氧化成CoOOH)，从而提高板极导电性。由于次反映不可逆，因而，添加Co对电极容量并无影响。在Ni(OH)2电极中添加Co能增长其质子导电性和电子导电性，从而提高正极活性物质运用率，改进充放电性能和增大析氧过电位，从而减少充电电压，提高充电效率。但是添加过量Co不但会导致镍氢电池成本增长，还将减少放电电位。在氢氧化镍电极中添加10%Co(OH)2，可减少活性物质扩散电阻和增长电极放电深度。钴含量对Ni(OH)2电极质量比容量影响见表2-1。钴含量对Ni(OH)2电极体积比容量影响见表2-2。表2-1 钴含量对Ni(OH)2电极质量比容量影响Co含量(%)质量比容量(mAh/g)02471.52613.528352897295表2-2 钴含量对Ni(OH)2电极体积比容量影响Co含量(%)体积比容量(mAh/mL)04801.549355267523不同添加剂对容电量影响如下：表面某些氧化CoO显示出最佳活性，表面未经预氧化CoO(即S-CoO)亦有相称活性，但由于其在空气中不稳定，与氧气接触时将发生深度氧化而使活性减少。不同氧化度影响如下： 随着表面氧化度加深，CoO活性逐渐减少，但在20%此前活性下降并不明显，氧化度超过20%时活性急剧下降。这是由于表面高价态Co3O4太多而影响到CoO在化成时转变。(1)添加量对正极运用率影响添加少量表面未经预氧化CoO即可获得较高正极活性物质运用率，在5Wt%10Wt%范畴内可获得最佳效果。在加入量高于10Wt%后，镍氢电池容量反而有所下降，这是由于添加量太高，减少了活性物质填充量，因此镍氢电池容量不也许提高，并且也将加大正极制作成本。(2)钴加入量对镍氢电池大电流放电性能影响钴加入对改进镍氢电池大电流放电性能具备较好效果，加入量越多，大电流放电性能越好，但加入量过多，成本也就升高越多，并且镍氢电池容量会下降，适当比例为5Wt%10Wt%。钴在电活化期间，由于Co(OH)2氧化电位比Ni(OH)2氧化电位低，这将导致在Ni(OH)2转化为NiOOH之前便形成稳定CoOOH，既大大减少了颗粒之间接触电阻，也大大提高了颗粒与基体导电性。如果放电结束后电压不明显低于1.0V，则CoOOH不再参加镍氢电池后续反映，这样负极就获得了相应于提供这一总电荷预先充电。如果随后放电使正极可用容量已耗尽，但由于预先充电缘故，负极依然有放电储备，在一定限度上可以避免镍氢电池充电末期负极大量析氢，并保证氢气复合效率。钴添加剂虽然具备以上某些长处，但是对镍氢电池也有不利之处，如导致微短路而使自放电速率升高，其因素是：正极中钴化合物溶解在浓碱中形成钴络化合物，它迁移到隔膜中后将隔膜分子氧化，自身还原成钴并沉积在隔膜上，同步钴络化合物还透过隔膜到达负极板，当负极充电时还原成钴并沉积下来。沉积在隔膜上钴积累到一定数量后就可以透过隔膜形成很细“钴桥”，发生电子导电，最初导致微短路，后来发展成完全短路，从而是镍氢电池失效。沉积在负极上钴虽然未生成“钴桥”，也也许由于负极表面沉积钴呈尖端形，在充放电时发生尖端放电而导致微短路。镍氢电池负极中锰溶出也可导致微短路，并且锰溶出会加速钴溶出和合金氧化。这种微短路也正是镍氢电池自放电速率上升一种重要因素。镍氢电池注液后迅速封口及封口后及时充电，可减少微短路发生也许性，即先行将钴转化为CoOOH。2.电解液对镍氢电池性能影响电解液作为镍氢电池重要构成某些，它构成、浓度、数量多少以及杂质种类和数量都将对镍氢电池性能产生至关重要影响。它直接影响镍氢电池容量、内阻、循环寿命、内压等性能。镍氢电池电解液普通采用约6mol/LKOH水溶液，固然电解液中也有加入少量其她成分，但对某些杂质规定较高。镍氢电池正、负极只有在电解液中才干发生电化学反映，对于一只封口成品镍氢电池来说，其中空间是一定。若电解液太多，会导致封口气室空间变小，从而使镍氢电池在充放电过程中内压上升。另一方面，电解液太多会堵塞隔膜孔，制止氧气传导，不利于氧气迅速复合，也会使镍氢电池内压上升并也许氧化极板，致使极板钝化容量下降。极板不能完全浸渍到电解液中，从而使电化学反映不完全或者说极板某些某些不能发生电化学反映，使得镍氢电池容量达不到设计规定，内阻变大，循环寿命变短。普通电解液重要使用KOH水溶液而不是NaOH溶液，其重要因素是KOH比电导较NaOH高，可在KOH水溶液中加入少量LiOH以提高镍氢电池放电容量。电解液中杂质及LiOH对镍氢电池性能也有一定影响。在长期充放电过程中，Ni(OH)2颗粒会逐渐变粗，使充电困难，因素是温度过高，电解液浓度大以及有金属杂质存在。当加入LiOH时，它能吸附在活性物质颗粒周边，防止颗粒增大，使其保持高度分散状态。但加入LiOH不适当过多，否则会影响电活化进程。普通以为铁会减少析氧过电压，使镍氢电池充电效率下降；碳酸盐会在电极表面生成薄膜，是镍氢电池内阻增大；硫化物会形成树枝状生成物，导致镍氢电池短路；而有机化合物却会增长自放电效应及发生副反映等。因而，必要控制电解液中杂质含量，还必要注意电解液浓度以减少浓差电阻。镍氢电池在储存和使用过程中会浮现内阻升高、放电容量减少以及充电效率减少等现象，其因素有如下几种方面：1)添加剂Co在储存和使用过程中会往极板深层扩散或者说迁移，导致极板表面Co含量减少，从而使得极板表面接触电阻增大，减少充电效率和析氧过电位，最后导致放电容量下降。2)在循环过程中极板被电解液腐蚀，导致极板粉末松散、脱落或者说接触不好，导致内阻升高以及过度充放电，致使极板受到损伤。3)镍氢电池由于过充电而使极板膨胀，会把隔膜中电解液挤干和吸出由于电化学反映总是从表面开始进行而后向深层发展，因而将导致电化学反映不完全，致使放电容量下降。此外，由于电解液匮乏，会使内阻升高，充电电位升高，放电电位下降。4)镍氢电池电解液中分在循环或储存一段时间之后将以某种形式存在，如结晶水、被范德华力束缚、被氢键力等所束缚，而不能参加电化学反映，致使电化学过程中离子传导困难，内阻升高，充电电位升高，放电电位下降，最后导致放电容量下降。5)镍氢电池在循环或储存中，电解液被重新分派、扩散和渗入到极板深层中去，致使电极表面电解液量下降，而电化学反映总是从表面开始进行而后再向深层发展，因而，将导致电化学反映不完全，从而导致放电容量下降。6)镍氢电池在使用过程中过度充放电，将使氢气、氧气在析出同步带出电解液，从而使得电解液干涸。通过对储存和使用过镍氢电池进行解体研究发现，镍氢带年齿内部极板和隔膜纸不湿润，电解液有明显干涸，这是上述一种或几种因素共同作用成果。3.隔膜对镍氢电池性能影响隔膜作为镍氢电池正、负极之间隔离板，一方面必要具备良好电绝缘性能，另一方面由于它在电解液中处在浸湿状态，必要具备良好耐碱性，并且要有良好透气性等。因而，应当选用在较宽温度范畴(5585)内能保持电子稳定性、体积稳定性和化学稳定性绝缘材料，并规定隔离板对电子呈高阻、对离子呈低阻、便于气体扩散(尽量薄)。隔膜性能好坏在很大限度上将影响镍氢电池彻底循环寿命和自放电速率。隔膜在循环过程中逐渐干涸是镍氢电池初期性能衰退重要因素。隔膜吸碱量、保液能力和透气性是影响镍氢电池循环寿命核心因素。隔膜亲水性可保证良好吸碱量和保液能力，而憎水性可提高隔膜透气性。镍氢电池隔膜干涸与下列因素关于：1)隔膜自身性能发生变化，如吸液速度和保液能力变差。2)极板在充放电过程中发生膨胀，将隔膜中电解液挤出和吸出。3)电极表面活性和气体复合能力变差，使得镍氢电池过充电时在正极产生氧气未能迅速复合掉，导致镍氢电池内压升高，达到一定压力后氧气将从安全阀析出导致电解液损失。而镍氢电池自放电速率也与隔膜性能关于，镍氢电池中镍电极活性物质与氧气发生反映是镍氢电池自放电重要因素。因化学反映式2NiOOH + H2 2Ni(OH)2中氢气是由于过充电静置后储氢合金释放出其中某些氢原子复合而成，因而需要隔膜板有较好透气性，此处透气性并不是指对气体透气性，而是指能对带氢或氧原子离子透气性。镍氢电池但是充电可减少漏电率，当前镍氢电池充报后静置30天时电池容量荷电率可超过70%。隔膜纸除了以上所述条件外，还应当具备足够机械强度和韧性，以保证镍氢电池在卷绕和极板膨胀时不至于断裂。当前，镍氢电池生产公司采用PP材质隔膜纸代替尼龙材质隔膜纸。4.热量和电活化对镍氢电池性能影响采用封口化成工艺镍氢电池在活化初期及大倍率充电时内压过高，导致漏液爬碱，容量下降，寿命缩短，安全性能变差，并且化成时间较长。对封口镍氢电池进行热解决(即热活化)，可以对其性能进行改进，特别是对内压改进。其本质因素是：1)热解决过程中，负极中储氢合金表面在强碱性电解液作用下，较快地偏析出大量镍原子族而形成复镍层，镍原子族均匀地分散在其她疏松金属氧化物、氢氧化物或其水合物中，在镍原子族催化作用下，过充电时正极所产生氧扩散到负极表面，并与储氢合金中氢反映，重新化合成水，从而改进储氢合金消氧机能，减少镍氢电池内压。此外，热解决时可减少电解液表面张力，促成电解液均匀分布，有助于电化学反映均匀进行。2)热活化时间、温度不同，对镍氢电池性能影响也不同。时间太短，则达不到预期效果；时间太长，则挥霍时间，效率太低。温度太低，则反映速度过慢；温度太高，也许会导致镍氢电池短路、极板膨胀厉害，影响镍氢电池性能。普通温度以5080为宜，热活性时间以28h比较适当。3)在电活化过程初期，一方面发生反映是，此反映为不可逆反映，由此使得正极板导电性大大增强，从而减少镍氢电池内阻和充电电压，提高充电效率和放电容量。因而，可以让负极预先充电，具备充电储备。而后期电活化只是对电极进行充放电，即在Ni(OH)2与NiOOH之间来回转化。通过这种来回转化(晶体转换)，在极板表面不断产生新鲜表面，使得电化学反映不断进行下去。在后期电活化中，只要镍氢电池不低于0.8V，钴就不参加反映。为提高化成效率，普通以3个充放电循环为好，充放电电流应由小逐渐变大。2.2.3 镍氢电池充电、放电过程中注意事项1.在镍氢电池充电过程中应注意如下事项：1)充电温度。镍氢电池应在040环境温度下进行充电，环境温度变化会影响镍氢电池充电效率，在1030下镍氢电池充电效率最高。在低于0条件下给镍氢电池充电时，镍氢电池内气体吸取反映将不正常，成果将导致镍氢电池内压升高，这会促使镍氢电池排气阀启动，释放出碱性气体，最后致使镍氢电池性能不断下降而影响镍氢电池使用寿命。在高于40条件下给镍氢电池充电效率将下降。镍氢电池若充电不完全，在使用时其工作时间将缩短，并且会导致镍氢电池漏碱。2)反向充电。对镍氢电池进行反向充电会引起镍氢电池内部气体急剧上升，这会促使镍氢电池排气阀启动释放碱性电解液，从而导致镍氢电池性能迅速下降，还会浮现镍氢电池膨胀和破裂现象。3)过充电。应避免镍氢电池过充电，重复过充电会导致镍氢电池性能下降(过充电是指对已经布满电镍氢电池再继续充电)。4)迅速充电。当对镍氢电池进行迅速充电时，必要使用特定充电器，并且按照对的程序进行。5)涓流充电(持续充电)。在对镍氢电池迅速充电后可以用0.033CmA0.05CmA涓流进行补充充电，同步要避免用涓流方式过充，这样会损坏镍氢电池特性，应使用定期器来控制充电时间。 涓流充电单位“CmA”是一种指明电流大小和表达镍氢电池额定容量值，“C”是镍氢电池额定容量。2.在镍氢电池放电过程中应注意如下事项：1)放电温度。镍氢电池放电应在1045环境温度下进行，放电电流大小将影响镍氢电池放电效率。在0.1CmA2CmA范畴内，镍氢电池放电效率比较抱负。在温度低于10和高于45时，镍氢电池放电容量将会下降，容量下降会导致镍氢电池性能减少。2)过放电(深度放电)。由于过放电会损坏镍氢电池特性，因此在使用中应避免镍氢电池过放电，同步要避免镍氢电池长期与用电设备连接，在运送过程中不要将镍氢电池放入用电设备中一起运送。3)高倍率放电。高倍率放电会导致镍氢电池产生过量热量和减少放电效率。第3章 电池充电办法与充电控制技术3.1 电池充电办法和充电器3.1.1 电池充电办法1.恒流充电(1)恒流充电充电器交流电源电压普通会波动，充电时需采用一种直流恒流电源(充电器)。当采用恒流充电时，可使电池具备较高充电效率，可以便地依照充电时间来决定充电与否终结，也可变化电池数目。恒流电源充电电路如图3-1所示。图3-1 恒流电源充电电路 (2)准恒流充电准恒流充电电路如图3-2所示。在此种电路中，通过直流电源和电池之间串联上一种电位器，以增长电路内阻来产生恒定电流。电阻值依照充电末期电流进行调节，使电流不会超过电池容许值。由于构造简朴、成本低廉，此种充电电路被广泛应用充电器中。图3-2 准恒流充电电路2.恒压充电恒压充电电路如图3-3所示。恒压充电是指每只单体电池均以某一恒定电压进行充电。当对电池进行这一充电时，电池两端电压决定了充电电流。这种充电方式充电初期电流较大，末期电流较小。充电电流会随着电压波动而变化，因而充电电流最大值应设立在充电电压最高时，以免时电池过充电。此外，这种充电方式充电末期电压在达到峰值后会下降。电池充电电流将变大，会导致电池温度升高。随着电池温度升高，电压下降，将导致电池热失控，损害电池性能。图3-3 恒压充电电路3.浮充方式在浮充方式中，电池以很小电流(C/30C/20)进行充电，以使电池保持在满充状态。浮充方式广泛应用于电池作为备用电源或应急电源电气设备中。常规浮充方式充电电路如图3-4所示。图3-4 浮充方式充电电路4.涓充方式电池与负载并联，同步电池与电源(充电器)相连。正常状况下，直流电源作为负载工作电源，并以涓充方式为电池充电，只有当负载变得很大、直流电源端电压低于电池端电压或直流电源停止供电后，电池才对负载放电。在这种方式下，充电电流由使用模式决定。它普通使用在紧急电源、备用电源或电子表等不容许断电场合。下图3-5为涓充方式简朴示意图。 图3-5 涓流方式简朴示意图5.分阶段充电方式在分阶段充电方式中，在电池充电初始阶段充电电流较大。当电池电压达到控制点时，电池转为以涓流方式充电。分阶段充电方式是电池最抱负充电方式，但缺陷是充电电路复杂和成本较高。此外，需增设控制点电池电压监测电路。分阶段充电方式简朴示意图如图3-6所示。图3-6 分阶段充电简朴示意图6.通过太阳能给电池充电通过太阳能给电池充电电路如图3-7。它采用太阳能电池将光能转换为电能，再通过单向二极管给电池充电，获得较高充电效率。若户外温度变化很大，将对太阳能充电电路工作特性有影响，太阳能应设有温度变化范畴控制电路。 图3-7 通过太阳能给电池充电电路7.迅速充电在用大电流短时间对电流充电时，需用电池电压检测和控制电路。该电路在电池充电末期实时检测电池电压和电池温度，并且依照检测参数控制充电过程。(1)电池电压检测在大电流充电末期，检测电池电压，当电池电压达到设定值时，将大电流充电转成小电流充电。采用小电流充电方式是为了保证电池充电容量。控制电路设立充电截止电压必要比充电峰值电压低。(2)V检测电池充电过程充电电流是通过检测电池充电末期电压降来进行控制，V控制系统框图如图3-8所示。采用V控制系统充电控制电路，当充电峰值电压拟定后，若V检测电路检测电压降达到设定值，控制电路将使大电流充电电路分断。电池充电电流、电池电压和充电时间关系如图3-9所示。图3-8 V控制系统框图图3-9 充电电池、电池电压和充电时间关系 (3)电池温度检测电池在充电末期，负极发生氧复合反映产生热量，使电池温度升高。由于电池温度升高将导致充电电流增大，为控制充电电流，可在电池外壳上设立温度传感器或电阻等温度检测元件。当电池温度达到设定值时，电池充电电路被切断。下面即给出了电池温度检测简图和电池温度与充电时间关系图。图3-10 电池温度检测简图图3-11 电池温度和充电时间关系3.1.2充电器规定和构造1.充电器规定对充电器规定是：安全，迅速，省电，功能全，使用以便，价格便宜。迅速充电器(1C4C充电器)安全更为重要，终结迅速充电检测办法要可靠、精准，以防止过充电。此外，某些充电器集成电路还设有充电时间定期器来作为一种附加安全办法。功能全充电器普通具备电池电压检测功能。若充电电池电压不不大于终结放电电压，为防止“记忆效应”产生，应先放电至终结放电电压，然后自动充电。先进行迅速充电，到终结迅速充电时自动转为涓流充电，各个充、放电过程均有LED批示。功能较齐全充电器还应具备充电率设定(选取)、充电电池数设定、涓流电流大小设定、定期器时间设定、充电前电池状态测定(判断电池好坏及安装与否良好)等功能，并可依照电池温度来选取充电参数(电池温度过低时不适当快充)。当充电电流较小时可采用线性电源，充电电流较大时常采用开关电源，它既省电又解决发热问题，并有也许由市电直接整流经ACDC变换获得低压直流电，可省去笨重工频变压器。2.充电器构造框图初期充电器是没有解决器,它重要由充电器集成电路及电源某些构成，其内部构造较复杂，引脚也较多。普通功能较完善充电器构造框图如图3-12 AA线右边所示。图3-12 充 电 器 结 构 框 图3.2 充电控制技术3.2.1 迅速充电器简介迅速充电器特点是对充电电池采用大电流充电。惯用充电电流值为0.32小时率电流。小时率电流值是由公式C(Ah)/t(h)规定，其中C代表电池额定容量，t代表时间。例如用1小时率电流对5号镍镉电池迅