镍氢电池充放电特性研究
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图’ 镍氢电池充电温度特性试验曲线
地下降； 与铅酸电池相比， 镍氢电池放电端电压对时 间的下降梯度更小， 因而在同样的条件下， 镍氢电池 就能放出更多的能量。由试验测试结果也可得到相 同的结论：铅酸电池的比能量测试值为  $&$ # :5 . 897 镍氢电池的比能量测试值为 ’;2 &"% & :5 . 89 , 一般镍氢电池的比能量应达到 $" :5 . 89 3 ;" 高出铅酸电池 1!2 % ! ， 如果电动汽车使用 :5 . 89 - ，
— %—
另外，由图 & 和图 ’ 得到的镍氢电池充电特性 曲线的变化趋势，可为镍氢电池充电过程终止条件 的判断提供一定的依据： 检测电池充电过程中的端电压变化， 若端 () 电压由缓慢上升转向下降趋势，可以认为电池已充 满电；
!""# 年 第$期
・设计・计算・研究 ・ 镍氢电池， 电池组占整车质量的百分比将大大减小， 将显著增加车辆的续驶里程。 果表明： 有 1# 块电池在远未达到额定放电容量时就 出现电压低于 ,- ( ) 的情况，并且单体电压值的分 布也极不均匀，说明镍氢电池单体间的合理匹配及 虽 挑选搭配十分关键。 另外， 对其它 1+ 块电池来说， 然可放出额定容量的电量，但放电过程中电池单体 电压间的变化也有较大差别， 典型的示例见图 +。
镍氢电池性能优越， 与其它类型的电池相 73 比， 具有较大的优势， 但由于技术上的不成熟， 还存 在一致性差、 比能量较小、 成本高等缺陷， 在混合动 力汽车和电动汽车上的使用还存在一定的问题。
参 . H*9 A2A7; +1.(00 徐国宪等 3 新型化学电源 3 北京I 国防工业出版社， .+!03 % 责任编辑 修改稿收到日期为 1,,. 年 1 月 .. 日。 汽 车 技 术 郝旭辉 & 考 文 献 8 96:2;6 7< 2=3 * >?@A7<B<B?C ?D EF4;B6 9=75<;B5 )7GB5=73
图& 镍氢电池充电电压特性试验曲线
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试验结果
镍氢电池充电特性 镍氢电池恒流充电电压特性试验曲线如图 & 所
在充电起始阶段， 电池端电压迅 示。由图 & 可看出， 速上升， 而在电池接近充满电时又稍微有些下降。
镍氢电池在室温条件下进行充电，对其在充电 过程中的温度变化也进行了检测记录，所得到的试 验曲线如图 ’ 所示。 由图 ’ 可以看出， 在充电过程基 本接近尾声时， 电池温度急剧上升。因此， 在镍氢电 池充电过程中，为了避免电池内部温度过高对电池 循环使用寿命形成的损害，对电池温度的实时检测 很有必要。
图"
镍氢电池放电特性试验曲线
图!
镍氢电池放电内阻特性试验曲线
图#
铅酸电池放电特性试验曲线
根据测试结果得到的镍氢电池放电过程中的端 电压和与其对应的开路端电压，按照下述公式可以 计算出镍氢电池的放电内阻： %(& !"# $ % $"%&’ ( $"# & ’ )# 式中，!"# 为电池放电内阻，!；$"# 为电池放电端电 压， )；$"%&’ 为放电电路开路时电池端电压， )；)# 为 恒流放电电流， *。 图 ! 为镍氢电池在 + * 恒流放电条件下，电池 在放电过程中， 的内阻特性曲线。由图 ! 可以看出： 镍氢电池内阻几乎维持在一定值附近， 变化很小， 只 是在放电接近完了时， 电池内阻才急剧增大。另外， 镍氢电池放电内阻较小，不足 ,- ,( !，而普通的铅 酸电池放电内阻通常在 ,- .( ! 附近， 说明镍氢电池 具有较高的放电效率， 在接近放电终了时， 由于镍氢 电池放电内阻的急剧增大， 结果放电效率急剧下降， 从而为镍氢电池放电终止判断提供了一种依据。 放电过程中， 对镍氢电池温度也进行了检测， 结 果其变化幅度不超过 ( / 。 由于电动车辆要使用多节电池以串联或并联形 式组合做动力源， 相应地， 电池的一致性， 即电池组 同时充满电或同时放完电的特性十分关键。为此， 在相同的条件下选用 (" 块镍氢电池以 0 个为一组 串联， 进行放电特性测试， 不仅检测单块电池的端电 压，还对电池单体的电压进行了测试记录。测试结
()*+’ ,)%-#. /0112 310’$%+’ ’4&%502 360%57 088+’+06’72 /4&%&’$0%+#$+’ 主题词： 电池 充电 能量效率 特性 中图分类号： LM!N> !N $ N 文献标识码： O 文章编号： PQQQ & NRQN + ’QQP , Q! & QQQ! & QN
表9 项目 数值 长 S @@ ’’U 镍氢动力电池特性参数 宽 S @@ UQ 额定容量 S O9 ’R 高 S @@ NR 质量 S T: R PQ
过程中， 测试并记录电池组端电压、 充电电流和电池 组温度；另外，对电池开路端电压也要进行测试记 录。
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图P 电池充电特性测试试验电路原理图
— !— 1 图+ 镍氢电池放电过程中电池单体电压特性曲面
!
结论
镍氢电池充、放电内阻较小，具有较高的 23 充放电效率； 43 镍氢电池具有较高的比能量； 在镍氢电池充电过程中， 为了避免电池内 53 部温度过高损害电池循环使用寿命，对电池温度的 检测和控制很有必要； 63 依据； 提出了镍氢电池充、 放电终止判断的参考
图1 镍氢电池充电内阻特性试验曲线
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镍氢电池放电特性
图 $ 所示为在 4 0 恒流放电条件下，镍氢电池 的端电压特性试验曲线。作为对比，对铅酸电池的 放电特性也进行了试验测试， 结果如图 % 所示， 铅酸 电池的额定容量为 #"" 05 . & 657 质量 &$2 !1 89。 由 和铅酸电池放电特性相似， 充满电的 图 $ 可以看出， 镍氢电池， 其端电压在放电起始阶段下降缓慢， 只是 在电池电量接近放尽时，电池端电压才开始大幅度
・设计・计算・研究 ・
镍氢电池充ຫໍສະໝຸດ Baidu电特性研究
北京理工大学
孙逢春
何洪文
陈
勇
张承宁
【 !"#$%&’$】-./(0 12 3(/3 4(/563/7 (6(834*8 89.4:( .20 0*/89.4:( 89.4.83(4 1; )* & # 8(66 */ /350*(0 .20 .2.6<=(0 *2 0(3.*6> ?163.:(7 *23(42.6 4(/*/3.28( .20 3(@A(4.354( 89.4.83(4*/3*8 854B(/ 1; )* & # 8(66 */ A41B*0(0> C3 */ /91D2 E< .2.6</*/7 *2 140(4 31 A4(B(23 9*:9(4 *23(42.6 3(@A(4.354( *2 8(66 ;41@ 0.@.:*2: 1; 8<86( 5/.:( 6*;( 1; 8(667 *3 */ . F5*3( 2(8(//*3< 31 *2G /A(83 39( 8(66 *2 4(.6 3*@(> H1@A.4(0 D*39 IE & .8*0 8(667 39( 0(/8(20*2: :4.0*(23 1; B163.:( 31 3*@( .3 (6(834*8 0*/89.4:( (20 1; )* & # 8(66 */ /@.66(47 /1 @14( (2(4:< 8.2 E( 4(6(./(0 .20 9./ . 9*:9(4 /A(8*;*8 (2(4:<> J9(/( 89.4.83(4*/3*8/ .4( F5*3( /5*3.E6( 31 K? .20 #K? @1314 B(9*86(/> 【 摘要 】 基于试验结果， 对镍氢电池的充放电特性进行了研究和详细分析， 并给出了镍氢电池的电压、 内阻和温 度特性曲线。 分析得出： 充电过程中， 为了避免电池内部温度过高对电池循环使用寿命形成的损害， 对电池的实时检 测很有必要； 与铅酸电池相比， 镍氢电池放电端电压对时间的下降梯度更小， 因而能放出更多的能量， 具有比较高的 比能量。这些物性十分适用于电动车辆和混合动力车辆。
9
镍氢电池概述
镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电
:
:; 9
试验设计
电池充电试验 镍氢电池充电试验电路原理如图 P 所示。充电
极以及碱性电解液 + 比如 NQ ! 的氢氧化钾溶液 , 组 成， 充、 放电时的电化学反应分别表示如下： 电池正极： 充电 )* + %# , ’ $ %# & )*%%# $ #’ % $ ( 放电 电池负极： " $ #’ % $ ( 充电 "# $ %# & 放电 电池总反应： 充电 " $ )* + %# , ’ 放电 式中， " 为储氢合金； "# 为吸附了氢原子的储氢合 金。 在我国，镍氢电池的相关研究已引起各界关 注。为了进一步了解镍氢电池的充、 放电特性， 为其 在电动汽车上的使用提供依据，北京理工大学电动 车辆技术开发中心使用自行研制开发的蓄电池充放 电测试仪对国内生产的一种镍氢动力电池做了一系 列试验， 所选用的试验电池特性参数如表 P 所示。
汽 车 技 术
额定电压 S ? P’ — !—
电池单体数目
・设计・计算・研究 ・ 压波动很小时进行读数，并定义其为电池开路端电 压测试值。但由于这样做破坏了电池恒流充放电的 连续性， 因此每测试一个点后， 都要对电池重新进行 充满电或放完电，按照相同的初始条件进行下一个 恒流放电或恒流充电点的试验测试。 检测电池充电过程中的温度变化， 若温度 *) 对时间的变化梯度超过一定的数值，则可认为电池 已充满电。 根据测试结果得到的镍氢电池充电过程中的端 电压和与其对应的开路端电压，按照下述公式可以 计算出镍氢电池在充电过程的内阻： ,’!"# + , $"# % $"&’( - . )# 式中， !"# 为电池充电内阻，!；$"# 为电池充电端电 压， /；$"&’( 为充电电路开路时电池端电压， /；)# 为 恒流充电电流， 0。 图 1 所示即为镍氢电池在 1 0 恒流充电条件下 镍氢电池在充电 的内阻特性曲线。 由图 1 可以看出， 过程的大部分时间内，内阻值在 "2 "! ! 3 ") "& ! 间变化， 说明镍氢电池充电内阻较小， 相应地， 就具 有较高的充电效率，对于电动汽车和混合动力汽车 采用再生制动，充分回收和储存制动能耗具有重要 意义。另外， 电池内阻的测试结果波动范围较大， 这 主要是由于试验是在室温下进行的，电池内部的温 升对电池内阻形成了一定的影响。
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电池放电试验 镍氢电池放电试验电路原理如图 ’ 所示。放电
过程中， 测试并记录电池端电压、 放电电流和电池温 度； 另外， 对电池放电开路电压也进行了测试记录， 为了维持电池恒电流放电，放电电阻的大小在放电 过程中应做适当调整。
图’
电池放电特性测试试验电路原理图
为了比较准确地测试出电池的开路端电压，我 们选用的方法为：首先切断试验电路并检测电池端 电压，待电池内部反应达到平衡 + 电解液浓度的平 衡、 电荷在电极周围分布的平衡等 , 时， 即电池端电
地下降； 与铅酸电池相比， 镍氢电池放电端电压对时 间的下降梯度更小， 因而在同样的条件下， 镍氢电池 就能放出更多的能量。由试验测试结果也可得到相 同的结论：铅酸电池的比能量测试值为  $&$ # :5 . 897 镍氢电池的比能量测试值为 ’;2 &"% & :5 . 89 , 一般镍氢电池的比能量应达到 $" :5 . 89 3 ;" 高出铅酸电池 1!2 % ! ， 如果电动汽车使用 :5 . 89 - ，
— %—
另外，由图 & 和图 ’ 得到的镍氢电池充电特性 曲线的变化趋势，可为镍氢电池充电过程终止条件 的判断提供一定的依据： 检测电池充电过程中的端电压变化， 若端 () 电压由缓慢上升转向下降趋势，可以认为电池已充 满电；
!""# 年 第$期
・设计・计算・研究 ・ 镍氢电池， 电池组占整车质量的百分比将大大减小， 将显著增加车辆的续驶里程。 果表明： 有 1# 块电池在远未达到额定放电容量时就 出现电压低于 ,- ( ) 的情况，并且单体电压值的分 布也极不均匀，说明镍氢电池单体间的合理匹配及 虽 挑选搭配十分关键。 另外， 对其它 1+ 块电池来说， 然可放出额定容量的电量，但放电过程中电池单体 电压间的变化也有较大差别， 典型的示例见图 +。
镍氢电池性能优越， 与其它类型的电池相 73 比， 具有较大的优势， 但由于技术上的不成熟， 还存 在一致性差、 比能量较小、 成本高等缺陷， 在混合动 力汽车和电动汽车上的使用还存在一定的问题。
参 . H*9 A2A7; +1.(00 徐国宪等 3 新型化学电源 3 北京I 国防工业出版社， .+!03 % 责任编辑 修改稿收到日期为 1,,. 年 1 月 .. 日。 汽 车 技 术 郝旭辉 & 考 文 献 8 96:2;6 7< 2=3 * >?@A7<B<B?C ?D EF4;B6 9=75<;B5 )7GB5=73
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试验结果
镍氢电池充电特性 镍氢电池恒流充电电压特性试验曲线如图 & 所
在充电起始阶段， 电池端电压迅 示。由图 & 可看出， 速上升， 而在电池接近充满电时又稍微有些下降。
镍氢电池在室温条件下进行充电，对其在充电 过程中的温度变化也进行了检测记录，所得到的试 验曲线如图 ’ 所示。 由图 ’ 可以看出， 在充电过程基 本接近尾声时， 电池温度急剧上升。因此， 在镍氢电 池充电过程中，为了避免电池内部温度过高对电池 循环使用寿命形成的损害，对电池温度的实时检测 很有必要。
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镍氢电池放电特性试验曲线
图!
镍氢电池放电内阻特性试验曲线
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铅酸电池放电特性试验曲线
根据测试结果得到的镍氢电池放电过程中的端 电压和与其对应的开路端电压，按照下述公式可以 计算出镍氢电池的放电内阻： %(& !"# $ % $"%&’ ( $"# & ’ )# 式中，!"# 为电池放电内阻，!；$"# 为电池放电端电 压， )；$"%&’ 为放电电路开路时电池端电压， )；)# 为 恒流放电电流， *。 图 ! 为镍氢电池在 + * 恒流放电条件下，电池 在放电过程中， 的内阻特性曲线。由图 ! 可以看出： 镍氢电池内阻几乎维持在一定值附近， 变化很小， 只 是在放电接近完了时， 电池内阻才急剧增大。另外， 镍氢电池放电内阻较小，不足 ,- ,( !，而普通的铅 酸电池放电内阻通常在 ,- .( ! 附近， 说明镍氢电池 具有较高的放电效率， 在接近放电终了时， 由于镍氢 电池放电内阻的急剧增大， 结果放电效率急剧下降， 从而为镍氢电池放电终止判断提供了一种依据。 放电过程中， 对镍氢电池温度也进行了检测， 结 果其变化幅度不超过 ( / 。 由于电动车辆要使用多节电池以串联或并联形 式组合做动力源， 相应地， 电池的一致性， 即电池组 同时充满电或同时放完电的特性十分关键。为此， 在相同的条件下选用 (" 块镍氢电池以 0 个为一组 串联， 进行放电特性测试， 不仅检测单块电池的端电 压，还对电池单体的电压进行了测试记录。测试结
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表9 项目 数值 长 S @@ ’’U 镍氢动力电池特性参数 宽 S @@ UQ 额定容量 S O9 ’R 高 S @@ NR 质量 S T: R PQ
过程中， 测试并记录电池组端电压、 充电电流和电池 组温度；另外，对电池开路端电压也要进行测试记 录。
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图P 电池充电特性测试试验电路原理图
— !— 1 图+ 镍氢电池放电过程中电池单体电压特性曲面
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结论
镍氢电池充、放电内阻较小，具有较高的 23 充放电效率； 43 镍氢电池具有较高的比能量； 在镍氢电池充电过程中， 为了避免电池内 53 部温度过高损害电池循环使用寿命，对电池温度的 检测和控制很有必要； 63 依据； 提出了镍氢电池充、 放电终止判断的参考
图1 镍氢电池充电内阻特性试验曲线
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镍氢电池放电特性
图 $ 所示为在 4 0 恒流放电条件下，镍氢电池 的端电压特性试验曲线。作为对比，对铅酸电池的 放电特性也进行了试验测试， 结果如图 % 所示， 铅酸 电池的额定容量为 #"" 05 . & 657 质量 &$2 !1 89。 由 和铅酸电池放电特性相似， 充满电的 图 $ 可以看出， 镍氢电池， 其端电压在放电起始阶段下降缓慢， 只是 在电池电量接近放尽时，电池端电压才开始大幅度
・设计・计算・研究 ・
镍氢电池充ຫໍສະໝຸດ Baidu电特性研究
北京理工大学
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镍氢电池概述
镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电
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试验设计
电池充电试验 镍氢电池充电试验电路原理如图 P 所示。充电
极以及碱性电解液 + 比如 NQ ! 的氢氧化钾溶液 , 组 成， 充、 放电时的电化学反应分别表示如下： 电池正极： 充电 )* + %# , ’ $ %# & )*%%# $ #’ % $ ( 放电 电池负极： " $ #’ % $ ( 充电 "# $ %# & 放电 电池总反应： 充电 " $ )* + %# , ’ 放电 式中， " 为储氢合金； "# 为吸附了氢原子的储氢合 金。 在我国，镍氢电池的相关研究已引起各界关 注。为了进一步了解镍氢电池的充、 放电特性， 为其 在电动汽车上的使用提供依据，北京理工大学电动 车辆技术开发中心使用自行研制开发的蓄电池充放 电测试仪对国内生产的一种镍氢动力电池做了一系 列试验， 所选用的试验电池特性参数如表 P 所示。
汽 车 技 术
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电池单体数目
・设计・计算・研究 ・ 压波动很小时进行读数，并定义其为电池开路端电 压测试值。但由于这样做破坏了电池恒流充放电的 连续性， 因此每测试一个点后， 都要对电池重新进行 充满电或放完电，按照相同的初始条件进行下一个 恒流放电或恒流充电点的试验测试。 检测电池充电过程中的温度变化， 若温度 *) 对时间的变化梯度超过一定的数值，则可认为电池 已充满电。 根据测试结果得到的镍氢电池充电过程中的端 电压和与其对应的开路端电压，按照下述公式可以 计算出镍氢电池在充电过程的内阻： ,’!"# + , $"# % $"&’( - . )# 式中， !"# 为电池充电内阻，!；$"# 为电池充电端电 压， /；$"&’( 为充电电路开路时电池端电压， /；)# 为 恒流充电电流， 0。 图 1 所示即为镍氢电池在 1 0 恒流充电条件下 镍氢电池在充电 的内阻特性曲线。 由图 1 可以看出， 过程的大部分时间内，内阻值在 "2 "! ! 3 ") "& ! 间变化， 说明镍氢电池充电内阻较小， 相应地， 就具 有较高的充电效率，对于电动汽车和混合动力汽车 采用再生制动，充分回收和储存制动能耗具有重要 意义。另外， 电池内阻的测试结果波动范围较大， 这 主要是由于试验是在室温下进行的，电池内部的温 升对电池内阻形成了一定的影响。
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电池放电试验 镍氢电池放电试验电路原理如图 ’ 所示。放电
过程中， 测试并记录电池端电压、 放电电流和电池温 度； 另外， 对电池放电开路电压也进行了测试记录， 为了维持电池恒电流放电，放电电阻的大小在放电 过程中应做适当调整。
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电池放电特性测试试验电路原理图
为了比较准确地测试出电池的开路端电压，我 们选用的方法为：首先切断试验电路并检测电池端 电压，待电池内部反应达到平衡 + 电解液浓度的平 衡、 电荷在电极周围分布的平衡等 , 时， 即电池端电