镍氢智能充电器的设计(编辑修改稿)

镍氢智能充电器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

池 99%的市场份额为镍氢动力电池，商业化的代表是丰田的普锐斯。 第 3页 共 50页 目前全球主要的汽车动力电池厂商主要有日本的 PEVE 和 Sanyo， PEVE 占据全球Hybrid 动力车用镍氢电池 85%的市场份额，目前主要的商业化的混合动力汽车如丰田的 Prius、 Alphard 和 Estima，以及本田的 Civic， Insight 等均采用 PEVE 的镍氢动力电池组。 目前，长安杰勋、奇瑞 A一汽奔腾、通用君悦等品牌轿车已经在示范运行，他们采用的也都是镍氢电池，不过电池主要向国外采购，国内镍氢电池在汽车上的运用仍处于研发匹配阶段。 科力远目前正与国内奇瑞汽车、长安汽车等合作，首条生产线的产品主要供应奇瑞汽车。 在镍氢电池领域，我们在技术和资源上均具有优势，我国的氢氧化镍性能世界领先，稀土资源丰富，具有得天独厚的资源优势，因此，发展镍氢动力电池是我国目前最现实的选择。 在发展新能源汽车上，镍氢电 池技术最成熟，未来 3 年内仍将是新能源车的主流，之后镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下， 5 年后将逐渐被锂电池及燃料电池所取代。 电池巨头松下和三洋也均认为，锂离子动力电池不可能在 2～ 3 年内取代镍氢动力电池，主要原因是镍氢动力电池便宜安全，已经达到规模化生产。 锂电池还有课题需要继续攻关，如安全性，因此商业化尚需时日。 作为电动汽车核心部分的电池及其充电器，其性能的优劣直接影响电动汽车的质量状况。 因此，研制性能良好的智能充电器，会带来显著的经济效益和良好的社会效益。 针对电动汽车充电技术的要求，为了使电动汽 车充电器获得良好的性能指标，必须寻找最佳的充电模式，可达到最佳的效果。 充电器的发展经历了三个阶段：限流限压式充电器、恒流限压式充电器、自适应智能充电器。 智能充电器的充电系统由具有特殊功能的单片机控制，基于单片机控制的智能充电器，电路简单可靠，参数调整方便，具有充电时间短、能耗低、使用故障低等优点，对环保节能的电动汽车以及充电器的设计开发具有重要的意义。 镍氢电池的简述 镍氢电池的正极板材料为氢氧化镍 (NiOOH)，负极板材料为高能储氢合金，电解液通常用 30%的 KOH 的水溶液并加入少量的 NiOH，隔膜采 用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。 镍氢电池的正极与镍镉电池基本相同，由于负极采用了高能储氢合金材料，镍氢电池智能充电器的设计 第 4页 共 50页 镍氢电池具有更大的能量。 因镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池也基本相同，所以镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。 单体镍氢电池的结构是密封圆柱形，标称电压为 ，它主要有以下特点： （ 1）容量大。 NiMH 电池的“储能密度”，以 5 号 (AA 型 )可充电电池为例，至少在 1000mAh 以上，好的能达到 1400mAh，在同等体积和重量的条件下，其容量是镍镉电池的 2～ 3 倍，而比传统型镍 镉电池要多出 1 倍多。 （ 2）无“记忆效应”。 “记忆效应”是指电池在使用过程中，由于没有完全放电结束就进行充电，造成电池负极板上产生不正常的氧化物，它对电池电压有抑制作用，表现为电池充电很足，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。 正常使用情况下，其电量的流失量为每天1％～ 3％，充满电的镍氢电池，放置几星期后再使用，就必须重新充电。 由于镍氢电池无“记忆效应”，所以在开始为它充电前不需做放电处理，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，即使过充电也不会造成电池永久性损伤，电池放电到 0V 以后再充电，仍然能够恢复镍氢电池的容量。 （ 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，所以镍氢电池也叫环保电池或“绿色电池”。 现有很多国家都投巨资兴建镍氢电池生产线。 （ 5）资源丰富。 镍氢电池所用的储氢合金是从稀土中提炼出来的，而我国是稀土资源大国，约占全球总储存量的 80％，所以我国发展镍氢电池具有得天独厚的优势。 （ 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 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，可累计重复使用 1000h。 2 镍氢电池的充电原理 充电相关术语 为了更好地理解镍镉镍氢充电电池的特性，下面先简单介绍一下几个和充电电池相关的术语： （ 1）充电速率（ Crate） C 是 Capacity 的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值，以 mAh 第 5页 共 50页 或 Ah 表示。 可以用它来估算工作时间，例如， C=1600mAh 的电池，如果工作电流为400mA，则可估算工作时间约为 4 小时。 （ 2）终止电压（ Cutoff discharge voltage） 电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值称为终止电压。 根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。 （ 3）开路电压（ Open circuit voltage） 电池不放电时，电池两极之间的电位差称为开路电压。 电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，开路 电压都是一样的。 （ 4）过放电（ Over discharge） 电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，仍继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量明显减少，这一现象称为过放电。 （ 5）过充电（ Over charge） 电池在充电时，达到充满状态后，若仍继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏液等情况发生，电池的性能也会显著降低，甚至使电池损坏，这现象称为过充电。 （ 6）能量密度（ Energy density） 电池的平均单位体积或质量所 释放出的电能称为能量密度。 一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的 倍，是镍氢电池的 倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。 （ 7）自我放电（ Self discharge） 电池无论处于使用状态还是未使用状态，由于各种原因，都会引起其电量损失，这一现象称为自我放电。 若是以一个月为单位来计算的话，镍镉电池自我放电约是 15%～ 30%、镍氢电池自我放电约 25%～ 35%。 镍氢电池智能充电器的设计 第 6页 共 50页 （ 8）记忆效应（ Memory effect） 镍镉充电电池使用过 程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量，这一现象称为记忆效应。 比如，镍镉电池只放出 80%的电量后就开始充电，充满电后，该电池也只能放出 80%的电量，这种现象称为记忆效应。 镍氢电池也有记忆效应，只是没有镍镉电池那样明显。 镍氢电池的工作原理和电化学原理 镍氢电池的工作原理 作为负极材料的储氢合金是由 A 和 B 两种金属形成的合金，其中 A 金属 (La、 Ti、Zr 等 )可以吸进大量氢气，形成稳定的氢化物；而 B 金属 (Ni、 Co、 Fe、 Mn 等 )不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其 中移动。 A 金属控制着氢的吸藏量，而 B 金属控制着吸放氢气的可逆性。 按照合金的晶体结构，储氢合金可分为 AB5 型、 AB2 型、 AB型、 A2B 型以及固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是 AB5 型合金。 AB5 型储氢合金主要由镧系元素和镍组成，同时少量添加 Al、 Mn、 Co 等。 目前在镍氢电池中实际应用的主要是稀土系 AB5 型合金。 镍氢电池电极材料的主要技术要求有： (1) 耐氧化性大，在浓碱电解液中化学稳定性好。 (2) 较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。 (3) 催化活性高，电极反应的可逆性好。 (4) 随着吸放氢循环产 生的劣化少。 (5) 初期活化的次数少。 镍氢电池正极的活性物质为 NiOOH(放电时 )和 Ni(OH)2(充电时 )，负极板的活性物质 H2(放电时 )和 H2O(充电时 )，电解液采用 30%的氢氧化钾水溶液。 镍氢电池充放电时的电化学原理 镍氢电池正极是粘在基板上的 NiOOH/Ni(OH)2， NiOOH 是放电时的活性物质，Ni(OH)2 是充电时的活性物质，两者在充放电循环中相互转化。 镍氢电池的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，共同组成镍氢单格电池。 电解液采 用 30%的氢氧化钾溶液，并添加少量氢氧化镍溶液。 在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。 镍氢电池充电时的电化学反应为 : 第 7页 共 50页 正极 : OHN i OO HeOHOHNi 22)(   (21) 负极：  OHHeH 22 2/1 (22) 总反应 : 22 2/1)( HN iO OHOHNi  (23) 镍氢电池放电时的电化学反应为 : 正极 : eOHOHNiOHN i OO H  22 )( (24) 负极 : eOHOHH   222/1 (25) 总反应 : 22 )(2/1 OHNiHN iO OH  (26) 从化学反应方程式可以看出：充电时镍氢电池的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的电化学反应如下： 正极 : OHOeOH 22 244  (27) 负极 :  OHHeOH 222 22 (28) 总反应 : 222 22 OHOH  (29) 再化合： OHOH 222 22  (210) 从镍氢电池过量充电时的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。 由于有催化剂的氢电极面积大，而且氧气能够随时扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气能够很容易在电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很快。 镍氢电池过量放电时的电化学应如下： 正极 :  OHHeOH 222 22 (211) 负极 : OHeOHH 22 222   (212) 过放电时，正极上会发生电解反应也释放出氢气。 镍氢电池的反应与镍镉电池相似，只是负极充放电过程中生成物不同。 镍氢电池的电解液多采用 KOH 水溶液，并加入少量的 NiOH，隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。 镍氢电池智能充电器的设计 第 8页 共 50页 镍氢电池的特性 镍氢电池的充放电特性曲线 图 21 镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线 镍氢电池在不同温度下的 1C 放电特性曲线如图 22 所示。 图 22镍氢电池在不同温度下的 1C放电特性曲线 第 9页 共 50页 镍氢电池在室温下以不同速率放电时的特性曲线如图 23 所示。 图 23 镍氢电池在室温下以不同速率放电时的特性曲线 镍氢电池在不同储存温度下的保存电量特性曲线如图 24 所示。 图 24 镍氢电池在不同 储存温度下的保存电量特性曲线 镍氢电池智能充电器的设计 第 10页 共 50页 镍氢电池的循环寿命曲线如图 25 所示。 图 25 镍氢电池的循环寿命曲线 镍氢电池的使用寿命 循环寿命：镍氢电池在正确的充电和放电情况下可以使用 500次以上。 若镍氢电池在正确充电后的工作期间端电压明显下降，表明该镍氢电池已经超出使用寿命。 在镍氢电池寿命末期可能会出现内阻升高或内部短路现象。 镍氢电池在寿命末期充电将出现过热问题，采用的充电器应具有安全保护电路。 长期使用的寿命：。