镍氢电池充电控制技术的探讨

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图1
（% ）
充电电压曲线
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（A）
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充电控制系统的基本要求
系统的控制参数可以有时间、 容量、 %’<= 以及
图!
不同温度下充电曲线
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镍氢电池的充电曲线特征
首先应对镍氢电池的性能有一个较为深入的
部 12 小时除外，后面约 & 2 内电池组电压仅上升 （!5-"%!!6-"%） 。在此段时间内， 平均每分钟电 1% 信号的信息变化是一个极缓 池电压上升不到 " ’% ， 慢的过程。 图 ! 曲线表明： “$!% ” 是温度的 “敏感” 函数。 环 境温度越高， “$!% ” 点就越低， 反之越高 。 就 !"% ,
的平均温升速率为 +-+&6 4 , ’()，关机后至最高温 度点前的平均速率为 +-+"5 4 , ’() 。说明当 “$!% ” 出现后，电池组的平均温升速率将提高近一倍， 电 池组将因迅速发热而使温度提高。为了避免此种现
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收稿日期： !""#=">=?% 作者简介： 阎勇 （?@$" —） ， 男， 山西平遥人， 大专学历， 实验师， 主要 从事实验设施的维护以及电源技术的开发等工作。
?)> =!& 控制法
镍氢电池在充电过程中有一个很明显的充满标 — “=!&” ， 它不随电池自放电性能、 电池容量等 志—— 级、 环境温度、 电池的保有容量、 充电电流的大小以 及充电过程中等因素的变化而变化， 是目前最可靠、 最稳定的检测信息。 在镍氢电池充电过程中尽管 “=!& ” 现象不会改 变，但是具体出现在充电过程的哪个特定位置， 是 受上述条件因素的变化而变化的， 这就需要有效规 避这些条件因素变化的影响， 确立控制模型， 这是 “=!& ” 控制方法的关键之一。 “=!&” 控制方法的实
+ 2 3 变换技术，能够寻找到这两个要素协调统一的
可靠途径。
图%
&’(() 应用电路原理图
控制法应用难点的实用方案之一。 为解决 “*!+”
了解， 其典型的充电曲线如图 1 所示， 该曲线是对 用 +-!3 倍率的电流， 在环境温度 !"% , 1+/2 的电池， 为 *&4 的情况下， 容量从零开始实测充电全过程的 记录曲线。图 ! 为镍氢电池在不同的环境温度下， 用 +-!3 倍率充电的电压曲线。图 * 为 !"% , 1+/2 电 环境温度在 *54 情况下的充电 池组在容量是 &+. 、 电压曲线及温升曲线。
（% ） !5-&
1+/2 组合电池在不同温度下的 +-!3 倍率充电电压 曲线而言， 当环境温度变化 14 时， “$!%” 平均变化 达 &+ ’%。 图 * 曲线表明了电池组在充电过程中， 电池组 的温升变化过程。 通过计算得到： “$!% ” 点前的电池 组平均温升速率为 +-+*1 4 , ’() ， $!% 点 到 关 机 前
%,) + 2 3 变换技术及在*!+ 控制中的应用 首先 + 2 3 变换有高分辨率的特点， 最高工作频
率 可 达 % ’45， 即 采 样 入 口 电 压 可 以 分 辨 到 ) 2 % 按一般频率 #" 645 运作， 满采样入口电压 )"" ’+。 分辨率就能达到 ",""!- 的水平， 即可测到 + 规范， ! 0+ 的 精 度 ， + 2 3 变换器还普遍具有外围电路简 单， 输入电压范围宽， 配合使用方便的优点， 一般仅 需 ) 个计数端口或 7 2 8 端口便能正常工作， 同时 + 2
（% ）
&+ % , ! ’% 的精度，就要求系统检测的分辨率达到 +-++&.以上。用 / , 0 变换按字长 1& 位以上或双斜
积分式十进制 / , 0 变换按四位半以上来安排实现， 都将增大控制器成本， 这对于普通商品中使用的简 便充电器产品而言， 不能不说是一种遗憾。 控制方法可靠、 稳定， 具有其它控制方法 “$!%” 无可比拟的优势， 较为适宜于精密控制、 质量监控 及实验测试等场合应用。 综合上述 * 类充电控制技术的介绍，各有所 长， 同时也具有各自的局限性， 在实际实施过程中， 应权衡各方面的因素加以选择应用。就镍氢电池的 运行效能、 维护保养、 使用寿命而言， 我们认为采用 “$!%” 充电控制法更为可靠些。
镍氢电池由于充放电效率高、 循环寿命长、 重量 轻、 安全可靠和绿色环保等显著特点， 因而具有广阔 的应用领域和市场前景，目前正受到越来越多行业 的关注。如何处理好镍氢电池特性与充电控制技术 的匹配问题，将直接影响到镍氢电池的使用寿命及 充放电效率的发挥。
控前都必须确保电池剩余容量为零才能准确计算容 量。对于民用领域， 因条件限制、 操作麻烦将受到极 大的限制。
第 !" 卷第 # 期
阎勇， 等： 镍氢电池充电控制技术的探讨
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（4 ） ? &+
施， 另一个关键的问题就是测试精度要求较高。由 于镍氢电池忌讳过充， 必须要求 “$!%” 后 & ’()， 甚 至更短的时间内停止充电， 实验测试表明该过程电 池组的电压下降仅在 *+ ’% 以内， 要做到分辨率为
充电控制法的实施研究 % “ *! +”
从上可知， “*!+”的充电控制需要解决两大关 键问题：高分辨率和低成本这两个要素的合理统 一， 软件的控制模型必须精确到位。关于前者， 采用
3 变换 器 的 线 性 度 优 良 ， 至 少 能 达 到 ",)- 以 上 水
平。其次， 镍氢电池的充电控制信息是一个极慢变 化的微弱信号， 特别适合 + 2 3 变换的慢速要求。 经电路实验表明，采用 &’(() 实施的 + 2 3 变 换器， 其电气性能指标基本满足 “*!+” 型充电控制 器的要求（电压测量范围： "9)"" +:;；电压测量精 度： ， 其典型电路如图 % 所示。该电路可作 ",""!- ）
摘 要： 镍氢电池充电控制技术是镍氢电池使用维护的重要组成部分。 为了充分发挥镍氢电池的效能， 文章对国 内外各种镍氢电池充电控制技术的性能进行了客观的分析比较， 重点就 “=!& ” 充电控制技术及实施方法进行了 控制方式的可靠性。 探讨和介绍， 并进一步证实了 “=!& ” 关键词： 镍氢电池； 电池充电器； =!& 控制法； & A 7 变换 文献标识码： 文章编号： （!""# ） 中图分类号： +6@?? 3 ?""$=B@>C "$=""!$="%
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镍氢电池组的充电控制技术概况
当前国内外关于镍氢电池的充电控制器产品很
多， 性能指标、 价格千差万别。 就控制技术而言， 基本 分为 > 类： 容量控制法、 &DEF 控制法以及 =!& 控制 法。
?)? 容量控制法
该方法即直接对充进电池的电量进行精确的计 量控制。当充电器的恒流源以恒定电流 2 对电池充 电， 对充电时间 + 做计时控制， 就能准确知道充电 电量 G， 得到电池的容量 -HIGHI2+。式中， I 为充 电效率系数， 是一个小于 ? 的常数。 容量控制法具有简单易行、 测控准确、 运行稳定 可靠的特点。 但也有适应性窄的局限性， 因为每次测
第 !% 卷第 $ 期
企 业 技 术 开 发
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镍氢电池充电控制技术的探讨
阎 勇， 刘国兴
（湖南省动力化学电源工程技术研究中心， 湖南 长沙 %?"""% ）
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企 业 技 术 开 发
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“*!+” 等等， 可以根据特定的使用要求， 选择不同参 数方式加以实施； 镍氢电池的充电控制系统， 都必须具有防过充 的强控制能力， 并在措施中得到确切的保障； 信息具有极慢的变化特征， 系统应在处理速度 上作适配性的调整； 系统检测分辨的精度至少要达到 ",""#- 以 上 。 的水平 （#" +.",""""#/!,# 01 ）
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1 温度曲线 ! 电压曲线
1
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1! +++
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图*
充电电压曲线及温升曲线
通过对这 * 组曲线的分析可知： 图 1 表明电池组曲线有一个明显的充满标志。 电池在该曲线最高电压点后， 电池电压随着充电时 间的增加， 非但不升高反而缓慢下降， 即 “$!% ” 现 象。这一特性不随环境温度、 初始荷电状态、 充电方 式以及电池组充电过程的处置方法等条件的影响 而变化， 只要电池达到充满状态， 就一定出现 “$!% ” 现象； 在历时约 & & 2 左右的充电过程中， 曲线前
?)! &DEF 控制法
该方法是在使用环境温度相对变化不大时， 对 可能出现的 “=!& ” 点之前， 设定某一门阀电平， 当电 池充电至这一门阀电平时，控制充电器转入限时脉 冲补充电的过程。目前国外大多数厂商推出的价廉 充电控制器集成芯片， 品种繁多， 就是采用这种控制 方法。 这种方法充电的效果并不理想， 主要表现为电 池总处于欠充的状态， 特别是环境温度较低时， 这种 现象较严重， 电池运行的效能得不到充分的发挥。
（2 ）
象的发生， 即要求充电控制能够准确地在 “$!% ” 出 现时能得到实施。 通过多次对实测充电电压曲线数据的数理分 析结果表明， 只要电池荷电状态 （783 ） 在 &+. 以下， 其充电电压曲线都具有图 1 所示的典型曲线特点。 其电池组电压增量 （9: , 9; ） 的变化趋势都具有明显 的递增 ! 递减 ! 递增 ! 递减的过程， 数理分析上表 述为电池组电压的二阶导数模式 （9!: , 9;!） 。