基于内压控制氢镍电池充满的研究

韩冬冬，姜殿波，苏荻，邹雪，刘恒杰

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255000；2.山东电力集团公司莱芜供电公司，山东莱芜271100)

基于内压控制氢镍电池充满的研究

韩冬冬1，姜殿波1，苏荻1，邹雪1，刘恒杰2

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255000；2.山东电力集团公司莱芜供电公司，山东莱芜271100)

当MH/Ni电池充满电后，必须能够及时地停止充电。通过分析电池的工作原理，发现在充电末期，正是电池内部的气体压力促使了温度的升高和充电电压的降低，所以提出用内压控制氢镍电池充满的思想。通过记录氢镍电池在充电过程中的内压，电压及温度的变化情况，并对数据进行了分析与研究，发现内压变化提前于电压及温度的变化，认为用内压来作为终止充电的信号，可比用负电压及温度来控制更及时、准确。

氢镍电池；充电管理；内压

氢镍电池具有高比功率、高比能量、长寿命、无污染等特点，目前被越来越多的行业所关注。但如果在使用过程中，长期充电不当(过充或充电不足)就会使电池的使用寿命降低，充放电效率下降等问题，所以适时地终止电池的充电有很重大的意义。尤其是过充时，不仅浪费能源，还可能导致负极储氢合金氧化和正极膨胀、脱粉及微应力机械损失等，严重时还可能会爬碱、漏液，甚至发生电池爆炸等事故[1]。

目前常用的停充控制方法主要有温度控制法、温度变化率控制法、容量控制法和端电压负增量控制等[2]。对于温度控制，常见的测温方法为用两只热敏电阻分别来检测电池和环境的温度，当两者之间的温差达到一定值时，停止充电。但热敏电阻的动态响应速度较慢，所以检测的温度与实际值存在一定的误差，则对于电池充满就会有一定的影响；容量控制法可以保证充入电量的多少，但受电池本身所剩余电量的影响等因素，难以得到比较精确的设定值；而端电压负增量控制虽然相比于温度控制响应较快，但检测器灵敏度和可靠性不高，且如果外界环境温度较高，电池充满电后电压的降低程度并不明显，所以不容易控制。本文通过实验，对电池充电过程中的内压、温度和电压进行监测及分析，发现当电压刚开始降落时，电池内压已经很大，即内压变化提前于温度及电压的变化，所以在充电后期试图用内压来控制充电终止。该控制方法较其他方法更精确，更安全，且该方法在国内外的研究都相对较少。

1 内压控制电池充电的提出

氢镍动力电池的正极是氢氧化镍Ni(OH)2，负极是储氢合金，用氢氧化钾KOH作为电解液，在正负极之间有隔膜，共同组成氢镍动力单体电池。在催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。其电化学反应方程式为：

氢镍动力电池在正常充放电时，内部气体压力基本保持在一恒定范围[3]。当过充电时，阳极产生的氧气高于复合所需氧气时，电池内压力升高，且过充电时电池端电压会下降，出现－D V，同时因复合会放出一定的热量，电池温度升高，充电效率降低，此时如果对电池继续充电，不仅会造成电能的浪费；同时，对于电池本身来说，负极贮氢合金也易氧化，使充电效率下降，电池寿命降低[4]。

复合反应方程式：

过充电时，电池内产生的大量气体，如果不能很快复合，电池内部的压力就会显著增加，这样将损伤电池。此外，压力过大时，密封电池将通过排气阀析气，从而使电解液逸散。若电解液反复通过放气孔逸散，电解液的粘稠性增大，极板间离子的传输变得困难，因此电池的内阻增加，容量下降。

一般充电结束控制参数是以最高电压、最高温度作为结束标准。但最高电压控制法受诸多因素影响，不能很准确地判断出电池是否已充满电；温度控制法一般是将热敏电阻或温度传感器贴置于电池表面作为检测元件，其参数测量存在一定的误差；同时，电池的最高工作温度受环境温度的影响较大，因此这种方法的精度较低。因充电末期，正极在发生Ni(OH)2氧化为NiOOH的同时，也会析出氧气，这两类电化学反应，正是正极析出的氧气在负极的复合，促使电池的温度升高，导致充电电压降低。所以考虑用内压来控制电池的充满可能会更及时、精确。

内压控制法是利用压力传感器直接测量电池内部气压，从而作为充电结束参数控制充电系统的停止。正常的MH-Ni电池充电时，随着正负极气体的产生，内压不断增大，正极析出的O2会透过隔膜在负极表面发生消耗反应；负极产生的H2也会扩散到正极表面，然后发生如下消气反应：

所以在充电后期，消气速率和析气速率大致相等，从而使内压趋于平衡。即在电池有效的寿命期间内，每次充电后电池内压都会在一定的时间内保持稳定。本文内压控制法是一种实验总结，气压参数通过1 C(及以下)的充电实验获得。

2 充电实验

2.1 实验电池的准备

电池采用正极为Ni(OH)2、负极为储氢合金，标称容量为1 100m Ah的MH-Ni电池。

2.2 电池性能测试

本文对电池分别以0.2 C，0.5 C和1.0 C的电流进行恒电流充电。电池通过充电接线柱与充电系统相连接，经检测控制电路板对充电过程作实时检测，用DT-890C多功能数字万用表测量电压，通过压控开关测量电池内压，进而实现对电池充电的控制。

3 结果与讨论

对电池以不同的倍率进行充电，则端电压、内压及温度的变化情况分别如图1、图2和图3所示。

3.1 充电过程中电压的变化

由图1可知，在充电初始阶段，电池的电压上升较快，但随着充入电量的增加，上升较为缓慢，接近充满电时，又稍微有所下降，特别是充电电流较大的情况下，现象更明显。且充电电流越大，电压的最大值出现的时间越早。

图1 不同充电电流下电压与充入电量的关系

图2 不同充电电流下内压与充入电量的关系

图3 不同充电电流下温度与充入电量的关系

3.2 充电过程中内压的变化

由图2曲线可见，在充电初始阶段，正负极发生如下反应：

其中M代表负极的储氢合金。由反应式可见，在正极，Ni2+被氧化成Ni3+；在负极，水被还原成氢原子后就被负极的储氢合金所吸收。即这个过程没有气体生成，所以充电初始阶段，电池的内压非常小，并且随时间的变化也不明显。

随着充电的进行，在负极上除了发生上述反应式，又伴随着式(2)的发生，即会有氢气生成，这是因为MH电极内部氢原子浓度的增大，扩散速度越来越慢，来不及与合金反应形成金属氧化物；而正极又发生式(1)的反应，生成氧气。且正极上产生的氧气与氢气的结合速度较慢，但气体的生成速度较快，就会造成充电电流越大，内压上升越快。

3.3 充电过程中温度的变化

由图3可知，在电池的充电过程中，温度会不断上升。起始阶段曲线较平缓，这是因为，此时的温升主要是由于电池本身内阻造成[5]，即Q=I2Rt。但随着充电的进行，特别是在电池充满之后，如果继续充电，会使电池温度显著升高。且充电电流越大，升高越显著。主要由以下三方面原因造成：(1)充电电荷并没有转化为化学能，而是以热能的形式耗散[6]；(2)电极极化热效应越来越明显；(3)电池中大量的H2和O2混合气体由于负极上活性镍的催化作用而反应生成水，同样也会释放出大量的热量。

3.4 综合分析比较

由图1、图2和图3可知，在充电到90%电量时，0.2 C、0.5 C和1.0 C情况下，充电末期电压变化率分别为0.132 8、0.063 9和－0.194 8 V/mAh；内压变化率分别为0.057、0.082和0.158 MPa/mAh；温度变化率分别为0.008、0.036和0.064℃/mAh。为使电压与内压对比更为明显，给出在1.0C充电电流下两者与充入电量的关系，如图4所示。从图4中可见，当电压开始下降的瞬间，电池内压已经很大，此时可达到0.33MPa，即内压要提前于温度和电压的变化，且变化率比温度和电压的变化率要大。此外，如前面所提，在充电末期，正极在发生Ni(OH)2氧化成NiOOH的同时，也会析出氧气，这两类电化学反应，正是正极析出的氧气在负极的复合，促使电池的温度升高，进而降低了欧姆极化、浓差极化和电化学极化[7]，导致充电电压降低。且若充电电流越大，正极就越早析出氧气，则内压控制电池充满就更有优势。

图4 1.0 C充电电流下电压与内压的变化

所以，用内压控制电池的充满会比用电压或温度来控制更为及时、精确。另外，从热量方面考虑，随着充电后期电压的升高和析氧量的增加，电池产生的热量就增多，所以温度上升得较快，这样，在充电时，通过内压来控制电池的充满，可以提高MH/Ni电池的充电库仑效率。

4 结论

通过研究不同充电电流下电池充电过程中电压、内压及温度的变化规律，得出用内压来控制氢镍电池的充满，可以起到使充电更安全、可靠，防止过充，延长电池的寿命等作用。

尽管从理论和实验上来看，内压控制起到了良好的作用，但在实际应用中还有一定的不足。例如：气压的测量仪器的精度可能不高，使停止的临界值存在一定的误差；在不同温度下、非恒流充放电时内压的变化规律还尚不清楚等。

[1]夏保佳，林则青，马丽萍，等.正极添加剂对MH/Ni电池高温充电行为的影响[J].电池，2003，33(2)：68-70.

[2]SUN FC，CHEN Y，HEHW，etal.Experiment study on the ending cri-teria of charging and discharging of Ni/MH battery[J].JBeijing Instituteof Technology，2002，11(1)：56-60.

[3]田亮.氢镍动力电池均衡充电系统的设计与试验研究[D].重庆：西南大学，2007.

[4]卞洪元.基于PLC控制的工业机器人系统的研究与实现[D].南京：东南大学，2005.

[5]杨化滨，魏进平，陈东英，等.AA型密封MH-Ni电池的充电过程研究[J].电源技术，1995，19：19.

[6]郭鑫，袁海文，黄进安.电池充电控制技术的研究[J].电力电子，2006(4)：24-27.

[7]毛王君，娄豫皖，张华辉，等.内压用于氢镍电池充电控制及SOC估算[J].电池，2011，41(5)：254-257.

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

国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2012AA110300)

韩冬冬(1991—)，女，山东省人，硕士生，主要研究方向为电力电子及电力传动。