智能鎳氫電池充電電路設(shè)計

李素英， 竇真蘭

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,徐州 江蘇 221008；2.國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學(xué)研究院，上海 200437)

0 引 言

鎳氫電池是20世紀(jì)90年代在化學(xué)電源發(fā)展史上取得的奇跡之一[1-2]。高性能鎳氫電池的發(fā)展與新型貯氫合金的開發(fā)緊密相關(guān)。這些貯氫合金用于鎳氫電池，其容量等電化學(xué)性能會有很大提高，增強(qiáng)鎳氫電池的市場競爭，鎳氫電池的廣泛應(yīng)用已經(jīng)不可避免，因此也必帶動鎳氫充電技術(shù)的發(fā)展[3-6]。

本文主要對鎳氫電池的充電控制進(jìn)行研究[7-10]。一塊可充電鎳氫電池的溫度和端電壓隨著電池的充電而穩(wěn)步上升，在電池完全充滿后開始下降。而鎳氫充電器所面臨的主要問題就是在充電過程中對于電池溫度和端電壓的檢測，如達(dá)不到這點(diǎn)要求，會對鎳氫電池的壽命產(chǎn)生很大影響，而基于GM6802芯片的鎳氫充電電路能夠有效解決這一問題，它能檢測到充電過程中的突變點(diǎn)并中斷充電，或者從快速充電模式轉(zhuǎn)換到涓流充電模式。另外，在充電過程中對溫度和電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控以增加系統(tǒng)的安全性[11-15]。

本文主要研究鎳氫充電的智能管理方法，并且進(jìn)行電路設(shè)計，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以驗(yàn)證。

1 鎳氫電池充放電特性和充電方法

1.1 電化學(xué)原理

Ni-MH電池的正極是粘在基板上的NiOOH/Ni(OH)2，NiOOH是放電時的活性物質(zhì)；Ni(OH)2是充電時的活性物質(zhì)，兩者在充放電循環(huán)中相互轉(zhuǎn)化。Ni-MH電池的負(fù)極是儲氫合金MH，既是貯氫材料又是負(fù)極材料，負(fù)極活性物質(zhì)是氫氣。在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單格電池。電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，并添加少量氫氧化鋰溶液，在金屬的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。Ni-MH電池充放電原理如圖1所示。

圖1 Ni-MH電池充放電原理圖

1.1.1充電過程的化學(xué)反應(yīng)

電池充電時的電化學(xué)反應(yīng)如下：

正極：Ni(OH)2+OH--e→NiOOH+H2O

負(fù)極：H2O+e→(1/2)H2+OH-

總反應(yīng)：Ni(OH)2→NiOOH+(1/2)H2

從反應(yīng)式可見：充電時，負(fù)極析出氫氣，貯存在容器中的合金中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳和水。

1.1.2過充電時的化學(xué)反應(yīng)

在充電后期可能發(fā)生過充電，造成正極上有氧氣析出，氧氣到達(dá)負(fù)極區(qū)與負(fù)極進(jìn)行化學(xué)或化學(xué)復(fù)合反應(yīng)生成水。過充電時的電化學(xué)反應(yīng)：

正極：2OH--2e→(1/2)O2+H2O

負(fù)極：2H2O+2e→H2+2OH-

總反應(yīng)：H2O→H2+(1/2)O2

再化合：H2+(1/2)O2→H2O

1.2 鎳氫電池的充放電特性

1.2.1充電特性

鎳氫電池的充電特性受到充電電流、溫度和充電時間的影響。電池端電壓會隨著充電電流的升高、溫度的降低而增加；充電效率會隨著充電電流、充電時間和溫度的改變而變得不同。

圖2是型號為HHR160A的鎳氫電池在不同充電率下的充電特性。

從圖中可以看出，在相同的環(huán)境溫度下，對每一節(jié)電池充入相同的電量，不同的充電率，所引起的電池端電壓的變化是不一樣的，1C的充電速率所引起的變化最大。此處C代表電池充放電時電流大小的數(shù)值。若充電電池的額定容量為1 000 mAh,即可寫為1C，也就是以1 000 mA放電可持續(xù)1 h。因此可以得出，電池充電率越大，電池的端電壓上升得越高。

圖2 不同充電率下的充電特性

鎳氫電池的工作溫度一般在0～40 ℃，充電效率比較高時的溫度在10～30 ℃。圖3為HHR160A型鎳氫電池在不同溫度下以1C充電時的充電特性。從圖中可以看出，在充電溫度較低時，電池端電壓上升快。

圖3 同一鎳氫電池以1C充電時在不同溫度下充電特性

1.2.2放電特性

鎳氫電池在不同放電速率下的放電曲線見圖4。由圖4可以看出，不同速率放電至同一終止電壓時，高速率放電初始過程電壓變化率最大，電壓曲線陡；中小速率放電過程中端電壓變化速率小，電壓曲線相對平坦。放出相同電量的情況下，高速率放電結(jié)束時的電池電壓低，中低速率放電結(jié)束時的電池電壓高。

圖4 不同放電率的放電特性

1.3 鎳氫電池充電方法

馬斯(J. A. MAS)提出了以最低氣率為前提的電池可接受的最佳充電曲線，即任一時刻電池能夠接受的充電電流為[9]：

I=I0eAt

式中：I0為初始充電電流；A為充電接受比；t為充電時間。I0和A的值由電池決定，與電池的類別、極板的結(jié)構(gòu)、散熱性能及電池的新舊有關(guān)。

圖5展示出了電池的最佳充電曲線，可以看出，充電電流隨時間按指數(shù)規(guī)律下降。

圖5 電池最佳充電曲線

實(shí)用的充電方法主要有分級恒流充電法和脈動式充電法，圖6是分級恒流充電法中三級充電法的充電曲線圖，圖7是脈動式充電曲線圖。

圖6 電池的三級充電法圖7 電池的脈動式充電法

2 鎳氫充電電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

GM6802是用于鎳氫電池或鎳氫電池組的快速充電專用集成電路，具備鎳氫電池充電需要的所有功能，使充電過程完全自動化，充電時間短，充電效率高，安全可靠，應(yīng)用設(shè)計簡單等特點(diǎn)，基于此芯片所設(shè)計的鎳氫充電主電路控制圖如圖8所示。

圖8 主電路控制圖

當(dāng)芯片GM6802上電后，芯片即進(jìn)入自測試階段，自測試完畢后，進(jìn)行電池的檢測，一切準(zhǔn)備就緒，進(jìn)行充電過程。由第5腳CHGCTRL輸出控制信號，控制電池的充電，由第1腳CELTMP進(jìn)行電池溫度檢測，第8腳進(jìn)行單節(jié)電池電壓的采集，這樣實(shí)時監(jiān)測電池的溫度和電壓，從而保證電池充電的安全進(jìn)行。

因?yàn)樾酒腃HGCTRL口有2個模式，1時，為充電模式；0時，為測試模式，因此充電回路如圖9所示。

圖9 充電回路

在這部分電路中，電流回路采用的是P溝道的MOS管，即IRFR9020，此管驅(qū)動電壓較低，而且電流較小，適合作為一個充電的開關(guān)管。

當(dāng)CHGCTRL口輸出電平為1時，NPN回路導(dǎo)通，P溝道的G極電勢小于UO，即+5 V，因此P溝道MOS管的UGS<0,從而2個P溝道MOS管導(dǎo)通，經(jīng)過2個二極管，給電池充電。

當(dāng)CHGCTRL口輸出0時，NPN管的基極與發(fā)射極電勢差為0，因而NPN管不會導(dǎo)通，從而P溝道MOS管的UGS=0，因此，經(jīng)過二極管的電流為0，電池不會進(jìn)行充電。

電池電壓檢測是通過電壓采集入口CELVOLT在電池停充階段，采集單節(jié)電池當(dāng)前電壓值。這種采集電壓的方式是基于所充的電池都是相同型號的電池，所得到的電壓是一個均值電壓。單節(jié)電池電壓是通過采集串聯(lián)的分壓電阻而得。原理圖如圖10所示。

圖10 電池電壓檢測原理圖

CELVOLT為當(dāng)前電壓采集口，是一個高阻態(tài)口，在電池停充的瞬間，電池和DIVA，DIVB組成了一個回路，以2節(jié)電池為例，當(dāng)DIVA與DIVB的比值為1時，電阻DIVB上的電壓值即為當(dāng)前單節(jié)電池的電壓。溫度檢測原理圖如圖11所示。

圖11 電池溫度檢測原理圖

通過溫度采集口CELTMP，采集熱敏電阻RT2的電壓值，從而得到溫度值，保證電池在正常溫度條件下進(jìn)行充電。

3 實(shí)驗(yàn)以及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

為驗(yàn)證所設(shè)計的電路的有效性實(shí)驗(yàn)板，它包括DC電源，溫度檢測，電壓檢測，充電回路等部分，所采用的電池為2節(jié)800 mAh的鎳氫充電電池。芯片上電后，首先會對電池進(jìn)行有效性檢查，若為有效電池，即先對電池進(jìn)行小電流預(yù)充電，使電池的電能恢復(fù)至適合快速充電的范圍，預(yù)充電時占空比為1/7。充電同時進(jìn)行電壓檢測：若電池電壓低于0.9 V，則繼續(xù)預(yù)充到0.9 V后停止預(yù)充，轉(zhuǎn)為快速充電；若高于0.9 V，則轉(zhuǎn)為快速充電。若預(yù)充電2 min后仍然沒能到達(dá)0.9 V，則判斷電池出錯。在轉(zhuǎn)為快速充電后，當(dāng)電池電壓下降，電池電壓零增量，或者充電到了最大時間或充電過程中電池的溫度達(dá)到最大值后，將停止快速充電，轉(zhuǎn)為涓流充電，并判斷電池已經(jīng)充滿。這樣對于電池起到了良好的保護(hù)作用。涓流充電也稱為維護(hù)充電，補(bǔ)償電池因自放電而損失的電量。涓流充電無時間限制，只要充滿的電池還在充電通路內(nèi)，就保持涓流充電過程。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)通過變壓整流把220 V工頻交流電變換為12 V的直流電，再通過三端穩(wěn)壓將12 V的直流電轉(zhuǎn)換為5 V的直流電，進(jìn)而給芯片以及充電電池提供電壓，實(shí)驗(yàn)分為快速充電實(shí)驗(yàn)、過充實(shí)驗(yàn)、浮充實(shí)驗(yàn)、均衡充電實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

3.2.1快速充電實(shí)驗(yàn)

在可變脈沖快速充電過程中，分為恒流和恒壓兩個過程。在恒流過程中的脈沖控制信號波形如圖12所示。

圖12中充電控制電壓信號由GM6802芯片的第五腳輸出，高電平時為5 V，低電平時為0 V,1橫格時間為10 μs，脈沖驅(qū)動頻率為50 kHz。從圖12中可以看出，脈沖信號的占空比發(fā)生著不規(guī)則的變化，通過實(shí)時監(jiān)測電池組的端電壓和充電電流來反饋控制脈沖信號的不規(guī)則變化進(jìn)而控制大小電流的交替恒流充電，保證鉛酸電池快速充電而不發(fā)生劇烈的極化現(xiàn)象，造成電池的損壞。

圖12 恒流過程中的脈沖控制信號波形

在1 A大電流階段的充電波形如圖13所示。圖13中以中間點(diǎn)較粗的地方為零點(diǎn)，1豎格電流為0.3 A，電流波形大致位于3格多一點(diǎn)。

在0.1 A小電流階段的充電波形如圖14所示。

圖13 1 A電流的恒流充電波形

圖14 0.1 A電流的恒流充電波形

圖14中以中間點(diǎn)較粗的地方為零點(diǎn)，1豎格電流為0.1 A，電流波形大致位于1格上下。從圖14和圖15中可以看出拾取的交流電經(jīng)過整流后的效果很不錯，在恒流充電階段能夠輸出波形較好的直流電。

恒壓過程中的脈沖控制信號波形如圖15所示。

圖15 恒壓過程中的脈沖控制信號波形

圖15中電壓為5 V， 1橫格時間為10 μs，脈沖驅(qū)動頻率為50 kHz。從圖16中可以看出，脈沖信號的占空比也發(fā)生著不規(guī)則的變化，其原理和圖13一樣。

3.2.2過充實(shí)驗(yàn)

為了保證電池充滿，在快速充電之后必須對電池進(jìn)行一定量的過充。過充階段的驅(qū)動電壓波形、開關(guān)管輸出電壓波形和電池組兩端的電壓波形如圖16所示。圖中Ud代表驅(qū)動電壓波形、Us代表開關(guān)管輸出電壓波形、Uout代表電池組兩端的電壓波形。圖中以底部為零點(diǎn)，驅(qū)動電壓波形Ud和開關(guān)管輸出電壓波形Us均為3 V/格，電池組兩端的電壓波形Uout為2 V/格。

圖16 過充充電時驅(qū)動、開關(guān)及輸出波形

3.2.3均衡充電實(shí)驗(yàn)

對整個電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析之后，接著又對電池組的均衡性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。把實(shí)驗(yàn)用的2節(jié)1.2 V 800 mAh的鉛酸電池分別放電到了0.9 V、0.95 V用無損均衡充電法進(jìn)行充電，在45 min的時間內(nèi)記錄的各個時刻的單體電池電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電池組充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在0～45 min這段時間內(nèi)每隔3 min記錄一次單體電壓數(shù)據(jù)，從表1中可以看到，在規(guī)定時間內(nèi)2節(jié)初始電壓不同的電池最終電壓值趨于一致。當(dāng)然表1只能給出一些具體的值，電池組的均衡過程無法從中明顯地看出，所以在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)表1中的值可以看出，實(shí)驗(yàn)之前電壓不均衡的每個單體電池在實(shí)驗(yàn)中逐漸達(dá)到均充，并以這個值一起達(dá)到滿充，由此證明無損均衡充電法能使多節(jié)鎳氫電池串聯(lián)的電池組在充電過程中達(dá)到同一充電深度，有效地防止了單體電池的欠充和過充，從而延長了電池的使用壽命。

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