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镍氢电池的充电放电道理
深圳安乐和科技有限公司  2013-03-16 11:44:24

    镍氢电池和同体积的镍镉电池比拟,容量增加一倍,充放电轮回寿命也较长,而且无影象效应。镍氢电池正极的活性物资为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时),背极板的活性物资为H2(放电时)和H2O(充电时),电解液接纳30%的氢氧化钾溶液,充放电时的电化学反应以下:
 



    从方程式看出:充电时,负极析出氢气,储存正在容器中,正极由氢氧化亚镍酿成氢氧化镍(NiOOH)和H2O;放电时氢气正在负极上被斲丧失落,正极由氢氧化镍酿成氢氧化亚镍。


过量充电时的电化学反应:
 



    从方程式看出,蓄电池过量充电时,正极板析出氧气,背极板析出氢气。因为有催化剂的氢电极面积大,并且氢气可以或许随时散布到氢电极外面,因而,氢气和氧气可以或许很容易正在蓄电池内部再化合天生火,使容器内的气体压力连结稳定,这类再化合的速度很快,能够使蓄电池内部氧气的浓度,不超过千分之几。


    从以上各反应式能够看出,镍氢电池的回响反映取镍镉电池类似,只是负极充放电历程中生成物差别,从后两个反应式能够看出,镍氢电池也能够做成密封型构造。镍氢电池的电解液多接纳KOH水溶液,并到场少许的LiOH。隔阂接纳多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。为了防备充电历程前期电池内压过高,电池中装有防爆装配。


电池充电特性


    镍镉电池充电特性曲线如图1所示。当恒定电流刚充入放完电的电池时,因为电池内阻发生压降,以是电池电压很快上升(A点)。今后,电池最先接管电荷,电池电压以较低的速度连续上升。正在这个范围内(AB之间),电化学反应以肯定的速度发生氧气,同时氧气也以一样的速度取氢气化合,因而,电池内部的温度和气体压力都很低。
 

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图 1 镍镉电池的充电曲线


 


    电池充电历程中,发生的氧气高于复合的氧气时,电池内压力降低。电池内的一般压力*约莫为1磅力/英寸2。过充电时,凭据充电速度,电池内部压力将很快上升到100磅力/英寸2大概更高。


    研讨蓄电池的种种充电要领时,镍镉电池内发生的气体是一个主要题目。气泡聚集正在极板外面,将减小极板外面到场化学反应的面积而且增添电池的内阻。过充电时,电池内发生的大量气体,若是不克不及很快复合,电池内部的压力便会明显增添,如许将毁伤电池。另外,压力过大时,密封电池将打开放气孔,从而使电解液劳散。若电解液重复经由过程放气孔劳散,电解液的粘稠性增大,极板间离子的传输变得难题,因而电池的内阻增添,容量下落。


    经由肯定工夫后(C点),电解液中最先发生气泡,这些气泡聚集正在极板外面,使极板的有效面积减小,以是电池的内阻抗增添,电池电压最先较快上升。那是靠近足够电的旌旗灯号。


    足够电后,充入电池的电流不是转换为电池的贮能,而是正在正极板上发生氧气超电位。氧气是因为电解液电解而发生的,不是因为氢氧化镉复原为镉而发生的。正在氢氧化钾和火构成的电解液中,氢氧离子酿成氧、火和自由电子,反应式为
4OH―→O2↑+2H2O+4e―



    固然电解液发生的氧气能很快正在背极板外面的电解液中复合,然则电池的温度仍明显降低。另外因为充电电流用来发生氧气,以是电池内的压力也降低。


    因为从大量的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更轻易剖析出氧气,以是电池内的温度急剧上升,如许便使电池电压下落。因而电池电压曲线泛起峰值(D点)。


    电解液中,氧气的发生和复合是放热反应,电池过充电时(E点),不停地发生氧气,从而使电池内的温度和压力降低。若是强迫排挤气体,将引发电解液削减、电池容量下落并毁伤电池。若气体不克不及很快排挤,电池将会爆炸。


    接纳低速度恒流涓流充电时,电池内将发生枝晶。这些枝晶可以或许经由过程隔板正在极板之间散布。正在散布较严峻的状况下,这些枝晶会形成电池局部或悉数短路。


    镍氢电池的充电特性取镍镉电池相似,充电历程中两者的电压、温度曲线如图1-2和图1-3所示。能够看出,充电停止时,镍镉电池电压下落比镍氢电池要大很多。当电池容量到达额定容量的80%之前,镍镉电池的温度迟缓上升,当电池容量到达90%今后,镍镉电池的温度才很快上升。当电池根基足够电时,镍镉/镍氢电池的温度上升率根基雷同。



充电历程取充电要领


 


    电池的充电历程一般可分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。


    对临时不消的或新电池充电时,一开始便接纳快速充电,会影响电池的寿命。因而,这类电池应先用小电流充电,使其知足肯定的充电前提,这个阶段称为预充电。


    快速充电就是用大电流充电,敏捷规复电池电能。快速充电速度一样平常正在1C以上,快速充工夫由电池容量和充电速度决意。


    为了制止过充电,一些充电器接纳小电流充电。镍镉电池一般充电时,能够接管C/10或更低的充电速度,如许充电工夫要10h以上。接纳小电流充电,电池内不会发生过多的气体,电池温度也不会过高。只要电池接到充电器上,低速度恒流充电器便能对电池供应很小的涓流充电电流。电池接纳小电流充电时,电池内发生的热量能够天然散去。


    涓流充电器的重要问题是充电速度太缓,比方,容量为1Ah的电池,接纳C/10充电速度时,充电工夫要10h以上。另外,电池接纳低充电速度重复充电时,借会发生枝晶。大部分涓流充电器中,皆没有任何电压或温度反应掌握,因此不克不及包管电池足够电后,立刻闭断充电器


    快速充电分恒流充电和脉冲充电两种,恒流充电便是以恒定电流对电流充电,脉冲充电则是起首用脉冲电流对电池充电。然后让电池放电,云云轮回。电池脉冲的幅值很大、宽度很窄。一般放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍阁下。固然放电脉冲的幅值取电池容量有关,然则,取充电电流幅值的比值连结稳定,脉冲充电时,充电电流波形如图1-4所示。



    充电历程中,镍镉电池中的氢氧化镍复原为氢氧化亚镍,氢氧化镉复原为镉。正在这个历程中发生的气泡,聚集正在极板双方,如许便会减小极板的有效面积,使极板的内阻增大。因为极板的有效面积变小,充入悉数电量所需的工夫增添。


    到场放电脉冲后,气泡脱离极板并取背极板上的氧复合。这个去极化历程减小了电池的内部压力、温度和内阻。同时,充入电池的大部分电荷皆转换为化学能,而不会转变为气体和热量。


    充放电脉冲宽度的挑选应能包管极板规复本来的晶体结构,从而消弭影象效应。接纳放电去极化步伐后,能够进步充电效力而且许可大电流快速充电。


    接纳某些快速充电止法时,快速充电停止后,电池并未足够电。为了包管充入100%的电量,借应到场补足充电历程。补足充电速度一样平常不超过0.3C。正在补足充电历程中,温度会继承上升,当温度凌驾划定的极限时,充电器转入涓流充电状况。


    寄存时,镍镉电池的电量将按C/30到C/50的放电速度减小,为了赔偿电池果自放电而丧失的电量,补足充电完毕后,充电器应主动转入涓流电历程。涓流充电也称为保护充电。凭据电池的自放电特性,涓流充电速度一样平常都很低。只要电池接正在充电器上而且充电器接通电源,正在保护充电状况下,充电器将以某一充电速度给电池增补电荷,如许可使电池总处于足够电状况。


快速充电停止掌握要领


    接纳快速充电法时,充电电流为通例充电电流的几十倍。足够电后,若是不实时住手快速充电,电池的温度和内部压力将敏捷上升。内部压力过大时,密封电池将打开放气孔,从而使电解液劳散,形成电解液的粘稠性增大,电池的内阻增大,容量下落。


    从镍镉电池快速充电特性能够看出,足够电后,电池电压最先下落,电池的温度和内部压力敏捷上升,为了包管电池足够电又不外充电,能够接纳准时掌握、电压掌握和温度掌握待多种要领。


(1)准时掌握


    接纳1.25C充电速度时,电池1h可足够;接纳2.5C充电速度时,30min可足够。因而,凭据电池的容量和充电电流,很容易肯定所需的充电工夫。这类掌握要领最简朴,然则因为电池的肇端充电状况不完全雷同,有的电池充缺乏,有的电池过充电,因而,只要充电速度小于0.3C时,才许可接纳这种方法。


(2)电压掌握


    正在电压掌握法中,最轻易检测的是电池的最高电压。常用的电压掌握法有:


    最高电压(Vmax) 从充电特性曲线能够看出,电池电压到达最大值时,电池即足够电。充电历程中,当电池电压到达划定值后,应立刻住手快速充电。这类掌握要领的瑕玷是:电池足够电的最高电压随环境温度、充电速度而变,并且电池组中各单体电池的最高充电压也有差异,因而接纳这种方法不可能异常正确天判定电池已足充电。


    电压背增量(-ΔV) 因为电池电压的背增量取电池组的绝对电压无关,并且不受环境温度和充电速度等身分影响,因而能够对照正确天判定电池已足够电。这类掌握要领的瑕玷是:电池电压泛起背增量后,电池曾经过充电,因而电池的温度较下。另外镍氢电池足够电后,电池电压要经由较长时间,才泛起背增量,过充电较严峻。因而,这类掌握要领重要适用于镍镉电池。


    电压整增量(0ΔV) 镍氢电池充电器中,为了制止守候泛起电压背增量的工夫过暂而破坏电池,一般接纳0ΔV掌握法。这种方法的瑕玷是:足够电之前,电池电压正在某一段时间内能够转变很小,从而形成过早天住手快速充电。为此,现在大多数镍氢电池快速充电器皆接纳下敏捷-0ΔV检测,当电池电压略有低落时,立刻住手快速充电。


(3)温度掌握


    为了制止破坏电池,电池温度过低时不克不及最先快速充电,电池温度上升到划定数值后,必需立刻住手快速充电。常用的温度掌握要领有:


    最高温度(Tmax) 充电历程中,一般当电池温度到达45℃时,应立刻住手快速充电。电池的温度可经由过程取电池装在一起的热敏电阻去检测。这种方法的瑕玷是热敏电阻的相应工夫较少,温度检测有肯定滞后,同时,电池的最高工作温度取环境温度有关。当环境温度过低时,足够电后,电池的温度也达不到45℃。


    温升(ΔT) 为了消弭情况影响,可采用温降掌握法。当电池的温降到达划定值后,立刻住手快速充电。为了实现温降掌握,必需用两只热敏电阻,离别检测电池温度和环境温度。


    温度转变率(ΔT/Δt) 镍氢和镍镉电池足够电后,电池温度敏捷上升,并且上升速度ΔT/Δt根基雷同,当电池温度每分钟上升1℃时,该当立刻停止快速充电,这类充电掌握要领,近年来被广泛接纳。该当阐明,因为热敏电阻的阻值取温度干系黑白线性的,因而,为了进步检测精度应想法减小热敏电阻非线性的影响。


    最低温度(Tmin) 当电池温度低于10℃时,接纳大电流快速充电,会影响电池的寿命。在这种情况下,充电器应主动转入涓流充电,待电池的温度上升到10℃后,再转入快速充电。


(4)综合掌握


    上述种种掌握要领各有优缺点。为了包管在任何状况下,均能正确牢靠天掌握电池的充电状况,现在快速充电器中一般接纳包孕准时掌握、电压掌握和温度掌握的综合掌握法。


 

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