基于內(nèi)壓控制氫鎳電池充滿的研究

韓冬冬，姜殿波，蘇荻，鄒雪，劉恒杰

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255000；2.山東電力集團(tuán)公司萊蕪供電公司，山東萊蕪271100)

基于內(nèi)壓控制氫鎳電池充滿的研究

韓冬冬1，姜殿波1，蘇荻1，鄒雪1，劉恒杰2

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255000；2.山東電力集團(tuán)公司萊蕪供電公司，山東萊蕪271100)

當(dāng)MH/Ni電池充滿電后，必須能夠及時地停止充電。通過分析電池的工作原理，發(fā)現(xiàn)在充電末期，正是電池內(nèi)部的氣體壓力促使了溫度的升高和充電電壓的降低，所以提出用內(nèi)壓控制氫鎳電池充滿的思想。通過記錄氫鎳電池在充電過程中的內(nèi)壓，電壓及溫度的變化情況，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓變化提前于電壓及溫度的變化，認(rèn)為用內(nèi)壓來作為終止充電的信號，可比用負(fù)電壓及溫度來控制更及時、準(zhǔn)確。

氫鎳電池；充電管理；內(nèi)壓

氫鎳電池具有高比功率、高比能量、長壽命、無污染等特點，目前被越來越多的行業(yè)所關(guān)注。但如果在使用過程中，長期充電不當(dāng)(過充或充電不足)就會使電池的使用壽命降低，充放電效率下降等問題，所以適時地終止電池的充電有很重大的意義。尤其是過充時，不僅浪費能源，還可能導(dǎo)致負(fù)極儲氫合金氧化和正極膨脹、脫粉及微應(yīng)力機(jī)械損失等，嚴(yán)重時還可能會爬堿、漏液，甚至發(fā)生電池爆炸等事故[1]。

目前常用的停充控制方法主要有溫度控制法、溫度變化率控制法、容量控制法和端電壓負(fù)增量控制等[2]。對于溫度控制，常見的測溫方法為用兩只熱敏電阻分別來檢測電池和環(huán)境的溫度，當(dāng)兩者之間的溫差達(dá)到一定值時，停止充電。但熱敏電阻的動態(tài)響應(yīng)速度較慢，所以檢測的溫度與實際值存在一定的誤差，則對于電池充滿就會有一定的影響；容量控制法可以保證充入電量的多少，但受電池本身所剩余電量的影響等因素，難以得到比較精確的設(shè)定值；而端電壓負(fù)增量控制雖然相比于溫度控制響應(yīng)較快，但檢測器靈敏度和可靠性不高，且如果外界環(huán)境溫度較高，電池充滿電后電壓的降低程度并不明顯，所以不容易控制。本文通過實驗，對電池充電過程中的內(nèi)壓、溫度和電壓進(jìn)行監(jiān)測及分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓剛開始降落時，電池內(nèi)壓已經(jīng)很大，即內(nèi)壓變化提前于溫度及電壓的變化，所以在充電后期試圖用內(nèi)壓來控制充電終止。該控制方法較其他方法更精確，更安全，且該方法在國內(nèi)外的研究都相對較少。

1 內(nèi)壓控制電池充電的提出

氫鎳動力電池的正極是氫氧化鎳Ni(OH)2，負(fù)極是儲氫合金，用氫氧化鉀KOH作為電解液，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成氫鎳動力單體電池。在催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。其電化學(xué)反應(yīng)方程式為：

氫鎳動力電池在正常充放電時，內(nèi)部氣體壓力基本保持在一恒定范圍[3]。當(dāng)過充電時，陽極產(chǎn)生的氧氣高于復(fù)合所需氧氣時，電池內(nèi)壓力升高，且過充電時電池端電壓會下降，出現(xiàn)－D V，同時因復(fù)合會放出一定的熱量，電池溫度升高，充電效率降低，此時如果對電池繼續(xù)充電，不僅會造成電能的浪費；同時，對于電池本身來說，負(fù)極貯氫合金也易氧化，使充電效率下降，電池壽命降低[4]。

復(fù)合反應(yīng)方程式：

過充電時，電池內(nèi)產(chǎn)生的大量氣體，如果不能很快復(fù)合，電池內(nèi)部的壓力就會顯著增加，這樣將損傷電池。此外，壓力過大時，密封電池將通過排氣閥析氣，從而使電解液逸散。若電解液反復(fù)通過放氣孔逸散，電解液的粘稠性增大，極板間離子的傳輸變得困難，因此電池的內(nèi)阻增加，容量下降。

一般充電結(jié)束控制參數(shù)是以最高電壓、最高溫度作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。但最高電壓控制法受諸多因素影響，不能很準(zhǔn)確地判斷出電池是否已充滿電；溫度控制法一般是將熱敏電阻或溫度傳感器貼置于電池表面作為檢測元件，其參數(shù)測量存在一定的誤差；同時，電池的最高工作溫度受環(huán)境溫度的影響較大，因此這種方法的精度較低。因充電末期，正極在發(fā)生Ni(OH)2氧化為NiOOH的同時，也會析出氧氣，這兩類電化學(xué)反應(yīng)，正是正極析出的氧氣在負(fù)極的復(fù)合，促使電池的溫度升高，導(dǎo)致充電電壓降低。所以考慮用內(nèi)壓來控制電池的充滿可能會更及時、精確。

內(nèi)壓控制法是利用壓力傳感器直接測量電池內(nèi)部氣壓，從而作為充電結(jié)束參數(shù)控制充電系統(tǒng)的停止。正常的MH-Ni電池充電時，隨著正負(fù)極氣體的產(chǎn)生，內(nèi)壓不斷增大，正極析出的O2會透過隔膜在負(fù)極表面發(fā)生消耗反應(yīng)；負(fù)極產(chǎn)生的H2也會擴(kuò)散到正極表面，然后發(fā)生如下消氣反應(yīng)：

所以在充電后期，消氣速率和析氣速率大致相等，從而使內(nèi)壓趨于平衡。即在電池有效的壽命期間內(nèi)，每次充電后電池內(nèi)壓都會在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。本文內(nèi)壓控制法是一種實驗總結(jié)，氣壓參數(shù)通過1 C(及以下)的充電實驗獲得。

2 充電實驗

2.1 實驗電池的準(zhǔn)備

電池采用正極為Ni(OH)2、負(fù)極為儲氫合金，標(biāo)稱容量為1 100m Ah的MH-Ni電池。

2.2 電池性能測試

本文對電池分別以0.2 C，0.5 C和1.0 C的電流進(jìn)行恒電流充電。電池通過充電接線柱與充電系統(tǒng)相連接，經(jīng)檢測控制電路板對充電過程作實時檢測，用DT-890C多功能數(shù)字萬用表測量電壓，通過壓控開關(guān)測量電池內(nèi)壓，進(jìn)而實現(xiàn)對電池充電的控制。

3 結(jié)果與討論

對電池以不同的倍率進(jìn)行充電，則端電壓、內(nèi)壓及溫度的變化情況分別如圖1、圖2和圖3所示。

3.1 充電過程中電壓的變化

由圖1可知，在充電初始階段，電池的電壓上升較快，但隨著充入電量的增加，上升較為緩慢，接近充滿電時，又稍微有所下降，特別是充電電流較大的情況下，現(xiàn)象更明顯。且充電電流越大，電壓的最大值出現(xiàn)的時間越早。

圖1 不同充電電流下電壓與充入電量的關(guān)系

圖2 不同充電電流下內(nèi)壓與充入電量的關(guān)系

圖3 不同充電電流下溫度與充入電量的關(guān)系

3.2 充電過程中內(nèi)壓的變化

由圖2曲線可見，在充電初始階段，正負(fù)極發(fā)生如下反應(yīng)：

其中M代表負(fù)極的儲氫合金。由反應(yīng)式可見，在正極，Ni2+被氧化成Ni3+；在負(fù)極，水被還原成氫原子后就被負(fù)極的儲氫合金所吸收。即這個過程沒有氣體生成，所以充電初始階段，電池的內(nèi)壓非常小，并且隨時間的變化也不明顯。

隨著充電的進(jìn)行，在負(fù)極上除了發(fā)生上述反應(yīng)式，又伴隨著式(2)的發(fā)生，即會有氫氣生成，這是因為MH電極內(nèi)部氫原子濃度的增大，擴(kuò)散速度越來越慢，來不及與合金反應(yīng)形成金屬氧化物；而正極又發(fā)生式(1)的反應(yīng)，生成氧氣。且正極上產(chǎn)生的氧氣與氫氣的結(jié)合速度較慢，但氣體的生成速度較快，就會造成充電電流越大，內(nèi)壓上升越快。

3.3 充電過程中溫度的變化

由圖3可知，在電池的充電過程中，溫度會不斷上升。起始階段曲線較平緩，這是因為，此時的溫升主要是由于電池本身內(nèi)阻造成[5]，即Q=I2Rt。但隨著充電的進(jìn)行，特別是在電池充滿之后，如果繼續(xù)充電，會使電池溫度顯著升高。且充電電流越大，升高越顯著。主要由以下三方面原因造成：(1)充電電荷并沒有轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而是以熱能的形式耗散[6]；(2)電極極化熱效應(yīng)越來越明顯；(3)電池中大量的H2和O2混合氣體由于負(fù)極上活性鎳的催化作用而反應(yīng)生成水，同樣也會釋放出大量的熱量。

3.4 綜合分析比較

由圖1、圖2和圖3可知，在充電到90%電量時，0.2 C、0.5 C和1.0 C情況下，充電末期電壓變化率分別為0.132 8、0.063 9和－0.194 8 V/mAh；內(nèi)壓變化率分別為0.057、0.082和0.158 MPa/mAh；溫度變化率分別為0.008、0.036和0.064℃/mAh。為使電壓與內(nèi)壓對比更為明顯，給出在1.0C充電電流下兩者與充入電量的關(guān)系，如圖4所示。從圖4中可見，當(dāng)電壓開始下降的瞬間，電池內(nèi)壓已經(jīng)很大，此時可達(dá)到0.33MPa，即內(nèi)壓要提前于溫度和電壓的變化，且變化率比溫度和電壓的變化率要大。此外，如前面所提，在充電末期，正極在發(fā)生Ni(OH)2氧化成NiOOH的同時，也會析出氧氣，這兩類電化學(xué)反應(yīng)，正是正極析出的氧氣在負(fù)極的復(fù)合，促使電池的溫度升高，進(jìn)而降低了歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化[7]，導(dǎo)致充電電壓降低。且若充電電流越大，正極就越早析出氧氣，則內(nèi)壓控制電池充滿就更有優(yōu)勢。

圖4 1.0 C充電電流下電壓與內(nèi)壓的變化

所以，用內(nèi)壓控制電池的充滿會比用電壓或溫度來控制更為及時、精確。另外，從熱量方面考慮，隨著充電后期電壓的升高和析氧量的增加，電池產(chǎn)生的熱量就增多，所以溫度上升得較快，這樣，在充電時，通過內(nèi)壓來控制電池的充滿，可以提高M(jìn)H/Ni電池的充電庫侖效率。

4 結(jié)論

通過研究不同充電電流下電池充電過程中電壓、內(nèi)壓及溫度的變化規(guī)律，得出用內(nèi)壓來控制氫鎳電池的充滿，可以起到使充電更安全、可靠，防止過充，延長電池的壽命等作用。

盡管從理論和實驗上來看，內(nèi)壓控制起到了良好的作用，但在實際應(yīng)用中還有一定的不足。例如：氣壓的測量儀器的精度可能不高，使停止的臨界值存在一定的誤差；在不同溫度下、非恒流充放電時內(nèi)壓的變化規(guī)律還尚不清楚等。

[1]夏保佳，林則青，馬麗萍，等.正極添加劑對MH/Ni電池高溫充電行為的影響[J].電池，2003，33(2)：68-70.

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[3]田亮.氫鎳動力電池均衡充電系統(tǒng)的設(shè)計與試驗研究[D].重慶：西南大學(xué)，2007.

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[5]楊化濱，魏進(jìn)平，陳東英，等.AA型密封MH-Ni電池的充電過程研究[J].電源技術(shù)，1995，19：19.

[6]郭鑫，袁海文，黃進(jìn)安.電池充電控制技術(shù)的研究[J].電力電子，2006(4)：24-27.

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Research of Ni-MH battery charge controlbased on internalpressure

HAN Dong-dong1，JIANG Dian-bo1，SU Di1，ZOU Xue1，LIU Heng-jie2
(1.SchoolofElectricaland Electronic Engineering，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255000，China; 2.Laiwu Pow er Supply Companies，Laiwu Shandong 271100，China)

When the MH/Nibattery is fully charged，itmustbe timely term inated.By analyzing the working p rinciple of the battery，it’s found that the internalp ressure is the cause o f the e levated tem perature and the reduced voltage in the late charge.So the interna lp ressure was proposed to contro l the MH/Nibattery charge.By recording the change of battery’s internalpressure，voltage and temperature during charging and analyzing the data，it’s found that the inte rnalpressure change is ahead o f the vo ltage and tem perature.So the internal pressure as a signal for term ination of charging ismore time ly and accurate than negative voltage or tem perature.

MH/Nibattery;cha rgem anagemen t;inte rnalpressure

TM 912.2

A

1002-087X(2016)07-1375-02

2015-12-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”資助項目(2012AA110300)

韓冬冬(1991—)，女，山東省人，碩士生，主要研究方向為電力電子及電力傳動。