镍氢电池无记忆效应的快速充电技术及设计

中心议题：
    * 镍氢电池无记忆效应的快速充电技术及设计

引言

镍氢电池是20世纪70年代初由美国的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制成功的1。从它诞生之日开始，镍氢电池的发展十分迅速，并逐渐成为使用最为广泛的电池品种之一。虽然目前锂电池的发展和普及速度很快，并有取代镍氢电池的趋势，但是，由于镍氢电池成本低、通用性强、对环境影响小（与锂电池相比），而且注重环保的国家都提倡使用镍氢电池，因此，镍氢电池在很长一段时间内将会继续扮演重要角色。当然，镍氢电池本身也存在一些不足之处，其中充电时间长和有记忆效应这两大因素阻碍了镍氢电池的发展速度。大量的研究结果表明，使用大电流正负脉冲的充电方式可以很好地解决这两个问题。大电流充电使镍氢电池的充电时间大大缩短；而且，正负脉冲充电可以消除大电流充电以及使用不当造成的记忆效应，能最大限度地修复镍氢电池的性能。

1 镍氢（Ni-MH）电池脉冲充电原理

1.1 镍氢电池的工作方式及记忆效应产生的原因

Ni-MH电池以金属氢化物为负极，氧化镍为正极，氢氧化钾溶液为电解液。镍氢电池化学反应式如下：

充电时，正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH，水分子在贮氢合金负极M上放电，分解出氢原子吸附在电极表面上形成吸附态MHad,再扩散到贮氢合金内部而被吸收形成氢化物MHab。在此，扩散是镍氢电池充电过程的重要控制环节，可表示如下：

充电初期，电极表面的水分子在金属镍的催化作用下被还原成氢原子，氢原子吸附在合金表面上，形成吸附态MHad,如式(1)所示。吸附在合金表面的氢原子扩散进入合金相中，形成固溶液α-MHab，用式(2)表示。

当溶解于合金相中的氢原子越来越多时，氢原子将与合金发生式(3)表示的反应，形成金属氢化物βMH。当氢原子浓度进一步提高时，将发生氢原子的复合脱附式(4)或电化学脱附式(5)。

过充电或大电流充电时，由于阳极上可以氧化的Ni(OH)2都变成了NiOOH，此时将发生析氧反应：

这时，OH-失去电子形成O2，虽然一部分O2能扩散到负极，在贮氢合金的催化作用下得到电子形成OH-，或者与负极产生的H2复合成水，放出热量，但是，并不是所有的氧气都能被消耗。由于氧气的存在将使电池的充电性能下降，久而久之，积蓄的氧气越来越多，电池的内压升高，导致电池电量明显低于标称值，这就形成了镍氢电池的记忆效应[1]。

1.2 正负脉冲充电方式可以消除记忆效应的理论依据

1972年，美国科学家马斯在第二届世界电动汽车年会上提出了著名的马斯三定律。如图1所示，在充电过程中，当充电电流接近蓄电池固有的微量析气充电曲线时，适时地对电池进行反向大电流瞬间放电，能够除去正极板上的气体，并使氧气在负极板上被吸收，从而解决了电池在快速充电过程中的极化问题和记忆效应问题。这个过程还可以降低电池内部压力、温度、阻抗，减少能量的损耗，使电能更有效地转化为化学能并存储起来，提高了充电效率和蓄电池的充电接受能力，从而大大提高充电速度，缩短充电时间。
 

图1 正负脉冲电流

根据马斯三定律，在充电过程中，适时地对镍氢电池进行反向大电流瞬间放电，这时在正极将发生如下反应：

如式(7)所示，一部分NiOOH还原成 Ni(OH)2，从而在接下来的充电脉冲中可以减少式(6)所示的反应，即减少氧气的析出量；另外，瞬间大电流会在阳极发生式(8)所示的反应，产生部分H2，与之前充电时产生的O2在阴极发生复合反应生成水。因此，正负脉冲能除去正极板上的气体，从而很好地解决了电池充电过程中的极化问题和记忆效应。

2 大电流正负脉冲充电系统设计

本设计以凌特公司的LTC4011芯片为核心，配合外围电压比较电路、脉冲发生电路以及一些必要的转换电路和保护电路来实现这种新型的低成本的充电方式。如图2所示，LTC4011是凌特公司专门为镍氢和镍镉电池设计的充电芯片，具有封装小、成本低、充电时间快以及自动控制功能丰富等特点。本设计保留了LTC4011的原有功能，包括：充电条件判定；充电方式（预充电、快速充电和渐止充电）控制；恒流控制；温度控制以及充电终止控制，并在此基础上扩展了其功能。扩展功能包括：脉冲充电；电池电量显示以及电路保护。
 

图2 系统结构图
 

2.1 基本功能（LTC4011原有功能）描述
本设计保留了LTC4011芯片原有的丰富功能，包括：停机状态判定；充电适宜性判定状态；充电监视；预充电状态；快速充电状态；充电终止；“渐止”充电状态；自动再充电状态；故障状态；电池插拔；PWM电流源控制器；低压差充电；内部芯片温度[2]。其中，预充电是针对电池过放而设计的，门限电压为0.9V；快速充电采用1C或2C的恒定电流对电池进行充电(LTC4011本身不具有脉冲充电功能)；“渐止”充电是针对电池已接近充满而采用的小电流充电，保证电池充电容量。

2.2 扩展功能（LTC4011不具有的功能）描述
本设计的扩展功能包括快速脉冲充电和电池电量显示。大量研究结果表明100：1的正负脉冲充电最有效，因此，本人采用555定时器来产生200ms的正脉冲以及2ms的负脉冲，通过LTC4011本身的逻辑判断以及外围电路的逻辑设计，来实现正负脉冲充电。

正负脉冲充电的工作过程如下：
① 当单节电池电压Vcell<0.9V时，LCT4011控制芯片判定充电状态为预充电状态，表示电池过放，必须用小电流进行充电激活，因此，数值比较电路输出低电平控制信号，使底部的MOSFET不导通，此时，电池只充电不放电，也就是说电池进行恒定小电流充电。

② 当单节电池Vcell>0.9V且充电状态未进入“渐止”状态时，数值比较电路输出高电平，且控制信号和均有效，此时底部的MOSFET根据脉宽调制电路的输出间歇导通，在对电池进行200ms的正向充电后，进行2ms的反向放电（放电过程与充电过程流过电池的电流反向，相当于负脉冲），周期循环，此时，电池进行正负脉冲充电，充电电流的大小可以通过图3中的Rsense来调节，一般为1C，放电电流的大小可以通过Res电阻来调节。

 
图3 电路主要结构原理图

③ 当充电状态进入“渐止”状态时，为低电平，底部的MOSFET管截止，电池进行小电流充电，不放电，使电池容量达到标称值。

图3中所示的PWM脉宽调制电路是本设计中脉冲控制信号的主要来源，其原理如图4所示，本设计使用NE555定时器作为脉冲发生器，根据如下公式可以设定方波的脉宽和周期[3,4]：

设定R1为6K，R2为60.79K，C为47μF，可以得到200ms的脉冲，方波周期为202ms，此方波结合特定的逻辑电路，可以控制图3中脉冲控制端MOSFET-N管的开和关，从而可以对电池进行200ms的充电以及2ms的反向放电。
 

图4 脉宽调制电路

本设计的另一功能为电池电量显示，如图5所示，利用3个电压比较器，分别设定比较电压为0.9V、1.3V和1.485V，当单节电池电压达到0.9V时，LED1亮，表示电池此时已经充了一格电；当单节电池电压达到1.3V时，LED1和LED2亮，表示电池此时已经充了两格电；当单节电池电压达到1.48V时，3个LED全亮，表示电池已经充满。

3 结束语

脉冲充电方式是一种比较新型的充电理念，对于有记忆效应的镍电池来说，也是十分有效的充电方式。这种充电方式的诞生，很好地解决了镍电池由于快速充电可能产生的电池极化问题和记忆效应，延长镍电池的使用寿命，提高镍电池的使用效率，能让镍电池发挥更大的作用。