Ni-MH電池4C充電的研討

前言

現代社會對環境污染的關注程度越來越高，這就給二次能源開辟廣闊的市場，既環保又安全的Ni-MH電池已成為未來最具發展前景的動力電池之一。

二次電池充電時間長、使用不方便一直是用戶抱怨的主要問題之一。實現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現該目標的重要因素。快速充電技術已成為近年來電池和電子業界研究的熱點。

經過多年Ni-MH電池的快速充電的研究，目前我們已解決4C充電器的技術方案，只需15分鐘充電可以使電池的充電容量達到90%左右，同時還延長了Ni-MH電池的循環壽命。

一、設計原理與思路

1鉛蓄電池充電設計簡單,如圖一為一般鉛蓄電池的充電情況。

2Ni-MH電池充電設計

電池類別和狀態識別是為了確定電池狀態是否可以正常充電，在設計充電器時可以對電池進行電壓測試后處理：

A、給電池兩端加上一個比電池電壓高的電壓，當測試到這個電壓沒被電池拉低時，則可以判定為電池開路，充電器不予充電；

B、如果單節電池初始電壓或充電過程中的停充電壓大于１.６Ｖ時，則可判定為一次電池或不良電池，不予充電；

C、充電器先對電池進行小電流充電２－３秒鐘，如果檢測到單節電池電壓小于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電池電壓大于０.２Ｖ小于１.０Ｖ時，則須用小電流進行維護性充電，至１.０Ｖ之后，再采用４Ｃ大電流充電．

二、4C充電的研究

在進行4C充電設計時,要注意以下幾個關鍵點：

1、識別、判定及預充出適應于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4C的電池，否則會對電池造成傷害。適用于高倍率充電的Ni-MH電池必須在正負極材料，結構等方面進行改進，如增大接觸面積，降低接觸電阻和電化學極化等。研制快速充電器時，就需要設計控制電路和芯片軟件來識別電池的類型，是否適應大電流充電。同時，配套電池的內部也需要設計對應的識別裝置，對于不能適應大電流充電的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大電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，用小電流瞬間放電，再停一段時間，再用４Ｃ大電流充電，進入下一個循環。如圖二：實現快速充電的原理：

A、充電時，負極析出氫氣，貯存在負極貯氫合金中，正極由Ni(OH)2變成NiOOH和H2O；

B、停充時，氫氣擴散到氫電極表面和氧氣化合生成水；

C、放電時，還未化合的氫氣在負極上被消耗掉，正極由羥基氧化鎳變成氧化亞鎳。

通過上述的循環過程，使濃差極化和電化學極化得到消除，減輕了電池的內壓，使下一個循環的恒流充電能夠順利地進行，電能與化學能的轉換更充分。間歇脈沖使電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了電池的充電轉化率。

3、快速充電的終止

根據Ni—MH電工作原理，過充電將會嚴重影響電池的循環壽命，所以必須采用精確的充電終止條件，判斷方法主要包括：

絕對電壓法——單節電池終止電壓不得大于1.65V；

電壓拐點法——電壓上升速率由緩趨陡的轉折點；

電壓零斜率法——電壓停止上升；

電壓負增長法（－△V）——電池電壓出現下降；

溫度法——電池溫度的極限值及上升斜率。

圖三為Ni-MH電1C充電終止時體現出的終止條件：

而Ni－MH電池4C快速充電的終止檢測的方法又有不同：

A、絕對電壓法，主要用于判斷一次電池或不良電池；

B、電壓曲線零斜率法，當電池電壓在1.5分鐘內不出現增長時即作為充滿條件的判定依據之一；

C、電壓負增長法（-△V），當電池電壓過了設定終止電壓后發生下降時，即作為充滿條件的判定依據之一；

D、溫度法，當電池溫度達到設定極值時，作為充滿條件的判定依據之一；

當電池電壓變化滿足終止條件時，要監測溫度的變化，再做出綜合判定。但如果溫度達到極限值時，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，會導致充電提前終止或過充電。提前終止會讓電池充電飽和度低，使用效果差；過充時，電池溫度過高（64℃），溫度斜率偏大（4.8℃/分），造成電池嚴重損壞。圖四是充電時，在1.8V時沒關斷，當電池電壓下降到1.79V才關斷，多充電2分多鐘，電池溫度上升了11℃，對電池傷害極大。圖五是合理的15分鐘充電曲線，充電時間約14分鐘：

4、維護性充電；

由于電池在大電流充電時，發熱量大，需要采用風扇降溫，當電池快速充電到終止的時候，指示燈發生變化，給予提示，這時電池電量的飽和度實際只達到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的充電電流進行維護性充電到安全關斷時間，才可使電池電量飽和度達到90%以上。維護性充電時間約5.0分鐘。如果圖五所示。

5、充電完成的確認

A、充電計時達到安全時間時，完全關斷所有充電，完成充電。

B、在充電過程中，如發現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，充電器都會啟動充電完成算法，終止充電。

C、充電完成，表示整個充電過程已結束，電池已充滿電，可以對下一個對象工作。

D、一般充電完成時間定為20分鐘。

三4C充電研究結果

我們設計的4C快速充電器經過上萬次測試，國內適應大電流充電的電池循環壽命為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性安全裝置（如過壓、超溫裝置），效果更好。從此數據來看，要推廣此類產品，配套電池尤為關鍵。這樣，如果將產品工業化，公路邊的充電站就會像現在的加油站一樣多；電動車在路邊充電，只需等候與汽車加油一樣的時間（15分鐘），緊張的動力能源得以緩解。

（注：此文由本人在2006年度全國動力電池論壇上的演講稿整理而成，如文中專業知識有錯誤之處，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！