（材料加工工程专业论文）超快速镍镉镍氢蓄电池充电电源研发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 随着消费者对产品可移动性要求的提高，性能优良价格便宜的n i c d n i m l 4 蓄电池 获得了广泛的应用，市场对快速、安全的n i c d n i m h 充电电源的需求也大大增加。y 本课题设计出一种新型的通用超快速n i c d n i m h 蓄电池充电电源，它能够在3 0 分 钟左右的时间对n i c d n i m h 蓄电池安全的充足电。本文依据描述蓄电池快速充电过程 的马氏定律，针对n i c d n i m h 蓄电池的特点，并考虑到大规模产品的成本要求设计了 特定的初始化一一预充电一一快速充电一一维持的充电过程；同时为了保护蓄电池在快 速充电过程中不至于因为电流过大损坏或缩短寿命，本文在快速充电阶段中引入了间歇 式充电。此充电器的主电路是基于t o p s w i t c h g x 系列t o f 2 4 9 芯片的单片开关电源， 这样设计可以以简单的外围电路得到良好的性能：通过输出端的电流反馈，能够在快速 充电阶段提供一个恒定的大电流，使蓄电池在短时间内充满电。为了充分控制充电过程， 此电源设计了以m c 6 8 h c 0 8 j l 3 廉价微控制器为核心的控制系统，利用此微控制器内部 集成的模数转换器和l e d 驱动器，设计了温度、电压采样系统和l e d 充电状态指示装 置；为了准确判断充电终点保证使用安全，本文采用了负电压增量、最高温度监控等多 种控制方法以确保电池不至于发生过充电和其他故障。电磁兼容性是一件电子产品重要 的安规特征，本文从设计一开始就注重电磁兼容设计，从元件选择和电路设计等各方面 采取措施，从而保证了整件产品的电磁兼容性符合严格的认证要求。 关键词：充电4 撩、单片卉美电源、镍镉j 磉氢蓄电池、微拄翻器、电藏兼容 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t o ft h e r e m o v a b i l i t y o f p r o d u c t s ，t h en i c d n i m h b a t t e r i e sa r ew i d e l yu s e di nc o n s u m a b l ea n di n d u s t r i a la r e a s t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n to fa f a s ta n ds a f ec h a r g e rf o rn i c d n i m h b a t t e r yb e c o m e s m o r ea n dm o r e i m p o r t a n t a nu l t r a f a s tc h a r g e rf o rn i c d n i m h b a t t e r yi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s i tc a r lc h a r g et h e b a t t e r i e ss a f e l yw i t h i na b o u t3 0m i n u t e s i na l l u s i o nt ot h en i c d n i m hb a t t e r y , as p e c i a l c h a r g i n gp r o c e s sw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h em a s s et h e o r yw h i c hd e s c r i b e dt h ef a s t c h a r g i n gp r o c e s sa n dt h ec o s to ft h el a r g e s c a l ep r o d u c t a ni n t e r i mc h a r g i n gp r o c e s sw a s d e s i g n e df o rp r o t e c t i n gt h eb a t t e r yi nt h el a r g ec u r r e n tc h a r g i n gp h a s e s t h em a i nc i r c u i to f t h ec h a r g e ri sb u s e do nt o p 2 4 9w h i c hc a l lb e h a v ew e l lw i t hf e wp e r i p h e r yc o m p o n e n t s a c o n s t a n tc u r r e n to u t p u ti so b t a i n e dw i t ht h ec u r r e n tf e e d b a c ks y s t e m t oc o n t r o lt h ec h a r g i n g p r o c e s s ，ac o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em c 6 8 h c 0 8 j l 3m i c r o c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d w i t h t h en e g a t i v ev o l t a g ev a r i e t ym e t h o da n dm a x i m a lt e m p e r a t u r em e t h o de t c ，t h ee x c e s s i v e l y c h a r g i n gs t a t eo f t h eb a t t e r yw i l ln e v e rc o m ef o r t h t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) i sa l li m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co f 粕e l e c t r o n i cp r o d u c t f r o mt h eb e g i n n i n go ft h ed e s i g n , i t w a st r e a d e dl i g h i l yt h a tt h ec o m p o n e n ts e l e c t i o na n dt h ec i r c u i td e s i g n t h ec h a r g e rp a s s e d t h ee m ca u t h e n t i e a t i o n k e yw o r d s ：c h a r g e r ，s i n g l ec h i ps m p s ，n i c d n i m hb a t t e r y ，m c u ，e m c 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 充电电源是一个含有控制器的电源供应组件，其功能是将市电( i l o v 6 0 h z 或 2 2 0 v 5 0 h z 交流电) 转化为铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等二次电池( 可 充电电池或蓄电池) 可以承受的一定电压的直流电，使电能转化为电池内的化学能贮存 起来【l 】o 随着各种采用电池供电的便携式和可移动式设备的广泛应用，充电器的需求量也越 来越大。人们对充电器的要求是：在电池充足电、但不过量充电而把电池充坏的前提下， 尽量方便使用。同时电化学的发展使得新型电池层出不穷，市场要求在充电器的设计上 能够充分适应这些变化，并利用最先进的电子技术降低成本改善性能。 1 1 充电电源的市场现状 市场上销售的充电电源一般可分为普通充电电源和快速充电电源两种，但最近出现 了一种智能充电电源，可根据被充电池种类的不同而调整充电方式。下面以美国市场为 例来分析充电电源的市场状况( 数据为1 9 9 8 年的统计) ，其它市场有类似的情况1 2 】。 美国充电电源的市场主要集中在五个领域： 1 汽车市场 美国的汽车电池充电器市场已比较成熟，制造商之间的竞争与合并也十分激烈。据 统计，1 9 9 8 年美国的汽车电池充电器市场销量为4 6 0 万个，销售额为l t1 5 亿美元，销 量的年均增长率约为1 5 ，销售额的增长率为2 9 。 2 工业用市场 传统的工业用电池充电器市场已经十分成熟，但随着光电产品和电动汽车的出现及 发展，该市场的前景仍很乐观。1 9 9 8 年工业用电池充电器市场的销售额为4 4 亿美元， 销量为1 2 1 l 万个。预计到2 0 0 5 年前，该市场的销售额将增至5 9 l 亿美元，销量将达 到1 8 2 4 万个。 3 i t 业市场 i t 产业所需的电池充电器市场前景十分乐观，这些i t 产品包括：笔记本电脑、p d a 、 掌上电脑( h p c ) 等。1 9 9 8 年，美国各类便携式电脑的销量达2 8 0 0 万台，结果带动了 华中科技大学硕士学位论文 3 4 0 万个电池充电器的销售，总额达3 7 7 0 万美元。 4 消费类电子产品市场 1 9 9 8 年美国用于消费类电子产品市场的电池充电器的销售额为2 0 6 0 万美元，销量 为2 4 0 万个。在这类充电器中，1 0 1 用于照相摄影器材，其余大部分来自影音产品的 销售，如c d 随身听。 该市场目前的增长情况尚属平稳，发展的动力主要来自家用充电式电池维修市场的 发展、可移动式产品的推广和新的电池技术。 5 通讯业市场 1 9 9 8 年，通讯业是电池充电器市场的最大终端用户产业，占整个市场的5 8 ，销 量为7 7 1 0 万个，销售额为6 3 9 亿美元，年均增长率达5 3 。 随着电子元件的小型化和功能的增加，充电器厂商也逐渐注重于开发更小巧、功能 更强的产品。另外，虽然目前市场上以普通充电器为主，但智能充电器的发展很快，前 景比较乐观。新加坡的r a v e l lc o m t e k 公司最近就推出了一种新式的r a v f l e x 充电器，这 种精巧的新产品将为移动电话用户带来不少便利。现在的移动电话电池消耗快又易损 坏，充电过程繁琐，但随着r a v f l e x 充电器的面市，上述问题可迎刃而解。r a v f l e x 是目 前市面上效率最高的充电器，可在1 5 分钟内完成充电过程。这种充电器还可以减少“记 忆效应”，即避免电池因充电而引起晶化现象而影响寿命和性能。r a v f l e x 在充电过程中 不但不会使电池内部形成晶体，而且还可以分解已形成的晶体，使电池保持最佳状态， 寿命延长三倍。这种新式充电器适用于大部分电池，还可以通过适配器用于摄像机、笔 记本电脑及便携式打印机【3 】。 当然，由于成本的限制，这样的充电器目前不能应用在对成本敏感的普通家用电子 消费品上，也不适宜用在大功率的工业用充电器上，而只是在高端消费品和1 1 r 类产品 上有一定市场。 1 2 充电电源的研究进展 从技术的观点，充电电源按功率可以分成大功率的工业用蓄电池充电电源、中等功 率的家用或车载式电池充电电源、小功率的移动式i t 及通讯产品的充电器；按充电对 象( 电池) 可以分为铅酸蓄电池充电电源、n i c d n i m h 电池充电电源、锂离子电池充 电电源等等【4 】口 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 铅酸蓄电池充电电源的研究进展 现今，大部分后备电源( 直流系统、u p s ) 和移动式动力( 电动汽车、自行车等) 中能量的储存都是采用蓄电池组来实现的，而由于铅酸蓄电池性能优良、价格低廉、运 行稳定和货源广泛，再加上这些年铅酸蓄电池技术上的进步，所以这些电池组大多是由 铅酸蓄电池构成的，阀控型免维护铅酸蓄电池是当前应用最广泛的铅酸蓄电池 s l 。 伴随着铅酸蓄电池的发展和广泛应用，铅酸电池的充电技术也获得了巨大的发展。 1 9 世纪9 0 年代，以铅酸蓄电池为动力能源的电动车首次投入运营，当时配备的车载充 电器是采用恒流输出的方式，同时监测电解液密度来决定电池的充电状态1 6 】。这种恒流 充电方式成为传统充电方式之一，即充电时全程采用恒定不变的电流充电，该方式一般 适用于小电流长时间的充电。另外一种传统的充电方式是恒压充电，即采用较低电压的 恒定电压充电。还有这两种充电方式的变形，如两段恒流、恒压限流方式。因为这些方 式没有准确的控制，模式单一，所以采用这样的方式进行充电，结果会使充电时间延长、 充电效率降低、能耗升高。但是由于其实现简单、控制量小，在不少场合仍然被采用。 国内外很多学者和技术人员都针对缩短充电时间、提高充电效率和改进充电效果进 行了大量工作。日本的t o m o h i k oi k e y a 等研究了多阶段恒流充电对电动车用动力型阀控 式铅酸蓄电池充电时间和充电效果的影响。认为采用多阶段恒流充电( g 括4 _ _ 6 个阶段1 过程中第1 阶段电流选择0 5 c ，能够有效地缩短充电时间、延长电池工作寿命朗。国内 陈体衔等也提出了变电流间歇快速充电方法，即用多阶段恒流并在每恒流阶段之间进行 间歇，并将该方式与一段恒流充电的方式进行了比较。结果认为，用多阶段变电流间歇 快速充电方法可有效缩短充电时间，提高充电电量嘲。另外，也有研究发现，部分的大 电流充电不仅不会减少电池使用寿命，反而还会延长，而且还可以提高电池充放电循环 过程中的工作性划m 。 在蓄电池的充电过程中，不可避免的会发生由欧姆极化、浓差极化和电化学极化构 成的极化现象导致充电电压升高，充电效率降低。为了减小充电过程产生的极化量，有 效增大充电电量、提高充电效率，研究者对充电波形的变化进行了相应的工作。目前， 去极化的方式主要有自然去极化和强制去极化两种方式，两种方式都能够实现减小极化 量的目的。l tl a m 等研究了在充电过程中脉冲电流对电池电化学性能和工作寿命的影 响，并与匣流充电进行了比较。他们认为，号匾流充电比较，脉冲充电不仅可以有效减 少充电时间而且可以延长电池的工作寿命【1 0 1 。s u n gc h u lk i m 等研究了间歇和放电去极 华中科技大学硕士学位论文 化对充电过程的影响，并且还建立数学模型对充电过程中正负极板、电解质本体和隔膜 的电阻变化、物料平衡、孔率变化等量进行模拟。结果认为，间歇和放电脉冲的方式都 能够起到削减极化、减缓充电电压升高的目的，而且利用放电脉冲能够在更短的时间内 减小内阻、提高电池充电接受能力【1 1 l 。另外，国内外很多的研究者也认为，利用脉冲电 流和去极化脉冲的方式可以改善电池的充电效果【1 2 1 1 ”1 。但是，对于放电负脉冲对充电效 果的影响，陈体衔等提出了不同的见解，他们认为放电不会提高电池的充电效率，而且 还会对电池有害嗍。 同时很多半导体公司推出了一些充电控制芯片，实现了充电控制的集成化。u c 3 9 0 6 就是u n i t r o d e 公司专门为铅酸蓄电池设计的充电专用集成电路，u c 3 9 0 6 的基准电压可 随温度变化，系数为一3 9 mv ，在0 7 0 c 温度范围里可保证电池充足电，而且不 会出现过充电现象，以u c 3 9 0 6 集成电路为核心，可以设计出一种双电平智能浮充充电 器来保证电池能够在很宽的温度范围内充电，并保证其全寿命工作【1 4 】。 1 3 2n i c d n i m h 蓄电池充电电源研究进晨 镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑，并且不 需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用f 1 5 1 1 6 1 。镍氢电池的原理与镍镉类似， 工作电压与镍镝电池完全相同，工作寿命也大体相当；而且镍氢电池具有较高的容量， 良好的过充电和过放电性能，因而有取代镍镉电池的趋势。 在镍镉，镍氢( n i c d n i m h ) 充电器的研究中，也取得了相当的进步，有一系列好 的产品可供选用。t d q c 型快速充电机就是一款国产的优秀的n i c d n i m h 电池充电电 源【1 7 1 。t d q c 脉冲快速充电机中，采用“恒流宽脉冲充电一短间歇停顿一窄脉冲放电一 短间歇停顿”的循环充电方式。充满电控制采用“负电压斜率法”馆零电压斜率法) ， 微电脑控制系统实时采样电池端电压，当检测到电池端电压在充电过程中逐渐减小或不 再增加，说明“负电压斜率”或“零电压斜率”出现，被充电池已达到充满电状态。此 时充电过程将自动转为定时小电流补充充电。当“负电压斜率”未检测到时，该机提供 了第二重过充电防止功能，即定时关断控制。采用“负电压斜率”关断和定时关断双重过 充电防止方法，使充电变得更安全可靠。t d q c 脉冲快充机提供了两种充电模式：“直充” 和“先放后充”模式。k c q l 型镍镝电池快速充电器则是一种专用于镍镉蓄电池组 ( 1 2 v d c ，1 8 - - 2 a h ) 的充电器，其快充部分( f a s t ) 采用了国际上先进的快充型专用 i c 集成电路，选用3 小时率的充电电流对蓄电池组进行快充，以负电压增量法( 一v ) d 华中科技大学硕士学位论文 自动检测电池电压充饱顶点中止快充及4 4 小时定时充电中止法双重方式自动结束快速 充电、并自动转入涓流( t r i c k l e ) 充电，快速充电安全可靠：其慢充部分( s t a n d a r d ) 为1 0 小时率标准充电制的恒流充电。快充、慢充可自由选择，使用方便【堋。 专用于n i c d n i m h 充电控制集成电路也有相当多的产品可供选择，d s 2 7 7 、 m a x 7 1 2 、m a x 3 0 0 2 a 、m 6 2 2 5 6 f p 、u c c 3 9 0 5 等比比皆是 1 9 1 - | 2 2 ，基于这些专用集成 电路的充电电源的研究也取得了丰富的成果。m 6 2 2 5 6 f p 是为便携式产品的电池充电而 专门设计的控制i c ，它内置电池温度检测电路，可以在电池温度达到6 3 c 时停止充电， 一旦电池温度降低到4 0 c 以下，又可重新开始充电；充电时间由安全定时器控制，快速充 电时间历经3 小时终止，涓流充电在2 4 小时之后结束；m 6 2 2 5 6 f p 内鼍充电电流和输出 电压控制电路，因而可执行反馈调节功能。利用m 6 2 2 5 6 f p 能够控制电池充电时序，并 可在充电模式和适配器模式时，分别提供过压和过流检测与保护吲。u c c 3 9 0 5 是一种 镍镉，镍氢电池智能充电控制器，采用这种控制器，在任何环境温度下，不同结构和不同容 量的电池。都可以安全快速地充足电。伺服充电系统可以连续供给电池安全充电所需的最 大充电电浇从而在最短的时间使电池的容量恢复到额定值。采用伺服充电系统时，电池 组内应装一只热敏电阻，在温度反馈信号控制下，开始充电后，u c c 3 9 0 5 能够为电池提供 高速率充电电流，然后，适当地减小充电电流，在最短的时间内完成整个充电过程。在该充 电器中通过连续监控电池温度、电池电压、电池电压变化率和根据总电荷积累决定的充 电时间等参数。自动转换5 种充电状态洲。所有参数的检测都是在充电电流中断的1 秒 钟间断周期内完成的。在充电电流中断期间，检测的电池电压不受电源电压、电池接点和 电池内阻的影响。该充电系统可以由开关型和线性电源供电，快速充电速率可以从1 c 到 6 c 可对由2 1 2 只电池组成的电池组充电。 1 2 3l i 离子电池充电电源研究进展 锂离子电池具有大容量、高密度、小巧轻便的特点，它在新兴的笔记本电脑和移动 通讯终端产品、军事及航空航天中获得了广泛的应用，但锂离子电池却不耐过充电、过 放电和过电流，所以充电电源的设计尤为重要，在锂离子电池充电电源的设计上显示了 充电电源设计的最高水平。 由于锂离子电池大多应用于高端产品中，特别是移动通讯终端等，所以其充电电源 的功率都不会很大，单芯片的解决方案获得了广泛的使用【2 5 1 2 6 。l i n e a r t e c h n o l o g y 公司 生产的锂离子( l i 离子) 电池恒流，匾压线性充电控制器l t c l 7 3 2 就是此类产品的典型 华中科技大学硕士学位论文 例子。它也可以对镍镉( n i c d ) 和镍氢( n i m h ) 电池恒流充电。其充电电流可通过外 部传感电阻器编程到7 ( 最大值) 的精度。最终的浮动电压精度为1 。利用l t c l 7 3 2 的 s e l 端可为4 1 v 或4 2 v 电池充电。当输入电源撤消后，l t c l 7 3 2 可自动进入低电流 睡眠状态，以使消耗电流下降到7 l la 。l t c l 7 3 2 的内部比较器用于检测充电结束条件 ( c 1 0 ) ，而总的充电时间则是通过可编程计时器的外部电容来设置的。在电池完全放 电后，控制器将自动以规定电流的1 0 对被充电电池进行慢速充电直到电池电压超过 2 4 5 7 v 。当放电后的电池插入充电器或当输入电源接通时，l t c l 7 3 2 将开始重新充电。 另外，如果电池一直插入在充电电源中且电池电压降到3 8 v ( l t c l 7 3 2 - 4 ) 或 4 0 5 v ( l t c l 7 3 2 - 4 2 ) 以下时，充电器也将开始重新充电【2 7 l 。m i c r o c h i p 也推出了 m c p 7 3 8 2 x 系列充电器集成电路，m c p 7 3 8 2 x 系列由3 个锂电池充电器组成，每个充电 器都具备独特的功能，适用于便携式和自充电电池组等多种高性能、单电池应用。 m c p 7 3 8 2 x 器件的充电电压精度达1 的高水平，可满足设计人员对尽量提高电池容量 使用效率的要求，同时向客户提供低成本的简便充电解决方案。m c p 7 3 8 2 7 可监控充电电 流，并通过l e d 指示器显示恒流向恒压的转化情况。m c p 7 3 8 2 8 还能对温度进行监测， 因而当实际温度超出工作温度范围的情况下停止充电。此外，充电结束后该充电器件还 可显示充电完毕状态。新器件有4 1 伏和4 2 伏两种电压选择，适用于焦炭和石墨电极 的锂电池。电池充电器的最低断电电流为1 微安，工作电流为2 5 0 微安，可延长电池寿命， 提升系统效率。m c p 7 3 8 2 x 的工作电压范围从4 5 伏到5 5 伏，工作温度从零下2 0 摄氏 度到8 5 摄氏度口l 。 。为了采用多种控制方法，获得更好的控制效果和满足某些特殊的需要，很多研究人 员都基于微控制器开发了分别适应各种蓄电池的智能型充电器，m c s 5 1 ，p i c ，s t ， m o t o r o l a 等各系列产品都有使用，尤其是p i c 系列得到了最为广泛的运用f 2 9 卜嘲。 1 3 充电电源发展趋势 虽然充电电源技术取得了极大的发展，但在各个环节上还存在有诸多不足，需要在 今后的研究中进一步发展，主要表现在： 1 充电电源的充电速度还不能完全满足人们的要求。当前普通充电器的充电时间 大多维持在1 0 小时以上，而快速充电器的充电时间也大多在1 5 3 小时之间。这样的 充电速度对于很多便携式产品和电动汽车来说还是太慢，有时甚至是不能忍受的。比如 华中科技大学硕士学位论文 对于电动汽车，在运行途中人们需要在1 5 分钟甚至更短时间内充足5 0 的电量，以便 继续运行。 2 充电模式还有进一步改进的余地。当前不管是普通充电器还是快速充电器，采 用的都是恒压充电，有一些充电器对恒压方式作了一些改进，比如分阶段充电( 如图 1 1 ) ，这在一定层度上保护了电池，延长了电池寿命，提高了充电速度p 6 】。但这与马氏 定律对充电模式的要求还有一定差距。未来需要能够在充电过程中适应电池电压的变化 实时改变充电电压，同时在充电过程中采用脉冲放电和间歇充电。 3 充电电源的智能化水平还有待进一步提高。在当前的充电电源的开发中，普遍 采用了微电脑进行控制，但其应用水平普遍偏低，尤其是在软件上。未来可能借鉴电子 技术的最新发展成果，使得充电电源更加智能化。 图1 - 1智能型充电署的充电电漉、电压曲线 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 1 充电电池概述 2 充电电池及其充电特性 2 1 1 电池的基本原理 电池( b a t t e r i e s ) 是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转 化为电能。根据电池转换能量的不同，可以将电池分为化学电池和物理电池，顾名思义， 化学电池或者化学电源就是将化学转化为电能的装置，物理电池就是将物理能转化为电 能的装置。根据能否反复充电使用，可以分为一次性电池( 不能充电) 和二次电池( 蓄 电池、充电电池) ( 如图2 - 2 ) 。常见的电池多为化学电池，它由正极、负极、电解质、 隔膜和容器五个主要部分组成，如图2 1 所示m 。 圈2 - 1化学电池工作原理示意图 电池的正极活性物质通常是用各种金属氧化物、卤素及卤化物、氧或含氧酸盐等， 负极活性物质则用各种电位较负的金属或氢。电解质溶液采用酸、碱和盐的水溶液，有 时也采用熔融盐或固体电解质。电池工作时，负极活性物质发生电化学氧化反应，释放 出电子，在两极间电位差的作用下，电子由负极流经外线路传递到正极，正极活性物质 则接受电子发生电化学还原反应；同时电解质中的离子通过扩散和电迁移在电池内部传 输电流，从而形成一个导电回路，参见图2 - 1 。隔膜的作用是把正、负极分隔开，防止 发生短路现象。网膜一股采用微孔橡胶、塑料、纤维素薄膜等。电池的容器根据使用要 华中科技大学硕士学位论文 求可以做成各种形状常用的有圆筒型、长方形、纽扣形，采用橡胶、塑料、玻璃、镀 镍钢或不锈钢等耐腐蚀材料制成p 剐。 电池 ( b a t t e r i e s ) 物理电池 ( p h y s i c a le n e r g y b a t t e r i e s ) f _ t - 电池( c a r b o n - z i n c d r y b a t t e r i e s ) j 碱锰电池( a l i r a d i n e s - m a n g a n e s e _ 1b m d 哪 l锂电池( u h i mb s t t e r i e s ) r铅酸电池 l e a db a t t e r i e s ) j镍镉电池( n i c 回 l 镶氢电池删m 叼 l - 锂离子e g 池( u - i c a ) 燃料电池f f i l e lc e l l ) 太阳电池( s o l ”c e l l ) 圉2 2电池分类 2 1 2 充电电池概述 放电结束后，能够利用外部电源来补充能量，可重复使用的电池叫做可充电电池 ( r e c h a r g e a b l e b a t t e r y ) ，或二次电池( s e c o n d a r yc e l l 或b a t t e r y ) 、蓄电池( s t o r a g e b a t t e r y ) 。 在充电电池中，现在用的最多的是铅酸电池。铅蓄电池得质量稳定，电压高达两伏， 能快速放电，放电特性平坦，循环寿命也够用，价格上也有优势。以碱性水溶液作电解 质的蓄电池有镍镉、镍氢、银锌、银镉、镍锌等，此外还有锂离子电池。这些电池中， 镍诵、镍氢的用量比较大，锂离子电池在很多新兴设备上获得了广泛应 3 9 1 。 2 1 2 1 铅酸电池概述 这种蓄电池已有百年以上的历史，是一种质量稳定的电池。已用作汽车、船舶等各 种发动机启动电源，应急电源，电动车辆电源等。在工业上，民用上用量最大。它正在 进一步改进，以便用作即将实现的电动汽车电源和用作储存电力的电池。同时密闭式电 池也己广泛使用，其用途正在进一步扩大。 铅酸蓄电池由正、负极板，电解液和电解槽组成。正极板的活性物质是二氧化铅 ( p b o ：) ，负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅( p b ) ，电解液是浓度为2 7 3 7 的硫 酸水溶液。在该蓄电池容器内，进行的化学反应如下： 一 一一鸵一 誊 僻伸呲 ，、，i 华中科技大学硕士学位论文 负极侧：p b + s o , 2 一尝- - - - p b s o , + 2 e ( e o = - - 0 3 6 5 v ) 正极侧：p b s o + 4 h + + s o ：一+ 2 e 案p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( e 。- - - - 1 6 8 5 v ) 总反应：p b 0 2 + 2 h 2 s o + p b 尝2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( e ：2 0 4 1 + 里l na i t a s o j 2 - ) 2 f a m 2 2 1 2 2 镍镉，镍氢电池概述 镍镉电池依靠0 h 一离子快速移动，反应比铅酸电池平稳，所以可以实现在大电流下 放电时维持端电压稳定( 1 2 v ) ，结晶结构基本上不因充放电而变化，使用寿命较长。 n i m h 蓄电池和n i c d 蓄电池一样，大电流放电时可维持平稳的1 2 v 端电压。值得称道 的是n i m h 蓄电池的废弃物不污染环境，而n i c d 蓄电池废弃物( 若不回收) 必将造成 环境污染【4 0 】。 n i c d 蓄电池价格便宜，电压控制和温度控制的充电设施相对简单，重负载的放电能 力以及多种型号( 高容量型、急速充电型等) 等，堪称是经济实惠的蓄电池。其应用领 域相当广泛，只要不计较其体积和重量，可用于收发倍机、无绳电话、携带式a r c 机器 和电动机器等。n i m h 蓄电池是n i c d 蓄电池的新发展，体积能量密度高，而且对环境 无污染和无记忆效应，受到广大用户的欢迎。它具备较高的容量，可大电流放电，允许 再充电次数高达5 0 0 1 0 0 0 次，价格日趋合理( 预计今后3 5 年内，每年成本可下降 3 ) ，并且可利用现行的n i c d 蓄电池的充电设施，因而n i m h 蓄电池获得广泛应用。 n i m h 蓄电池和n i c d 蓄电池一样，具有圆筒形( a a a 、a a 、a 、c 、d 、f 和m ) 、方 形和纽扣形电池。这些n i m i - i 蓄电池可装配成多种电池组，可以满足电子设备日益增长 的便携性需求。例如，n i m h 蓄电池非常适合于大电流放电需求，如像便携式打印机、 医疗设备，远程通信设备，笔记本电脑和数码a v 机器( 数码相机、数码摄像、数码音 频播放机) 等，都可应用n i m h 蓄电池1 1 1 。 2 1 2 3 锂离子蓄电池概述 以金属锂l i 作为负极的一次性电池，口碑很好，因此，各工业发达国家都试图利用 l j 制造蓄电池。 现在，市场流行的锂离子蓄电池( l i b ) 是以牺牲电池性能获取安全性和使用寿命 的折中方案，其电化学反应如下： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 正极)( 负极)( 正极) ( 负极) l i l - 。c 0 0 2 + x l i c 6 寺l i c 0 0 2 + x c , l i b 是由涂有l i c 0 0 2 活性物质的铝集电体作为正极、碳( 石墨或活性碳) 和溶解有 l i p f + 的有机溶液构成的。当充电时，l i c 0 0 2 中分层结构里u 离子游向负极被分层结构 的碳所吸附；当放电时，碳分层结构里吸附的锂离子又回游到正极，于是正极复原成 l i c 0 0 2 分层结构，负极也复原成碳分层结构。也就是说，该蓄电池在周而复始的充放电 过程中，出现的只是锂离子而不是活泼的锂金属。因此，l i b 具备较好的安全性和适当 的使用寿命。 l i b 的主要特点是具有较高的重量能量密度，平稳的放电电压为3 6 v ，可在一 2 0 6 0 c 的温度范围内工作，无存储效应，自放电率低( 因而不能大电流放电) 。为 了安全地使用l i b ，要求具备严防过充电和过放电的保护设施。 l i b 蓄电池的v d c = 3 6 v ，再充电次数可达3 0 0 4 0 0 次，能量密度高达2 8 7 w h l l i t e r ， 堪称是目前世界上最轻便的蓄电池。尽管它在充放电时，都要求一套精密的控制设施保 证安全性，而且价格不菲，但追求轻便和使用效率的移动通信手机用户，依然是对l i b 蓄电池情有独钟。在移动通信领域，l i b 蓄电池终归要完全取代n i c d 和n i m h 蓄电池。 2 1 3 电动工具电池的选择 本文所设计的充电器将用于手持式电动工具电源电池的充电，是动力电机的供电电 源，放电电流为安培级，所以电池容量必须足够；而且该产品是面向终端消费者的消费 类电子产品，产品对成本具有相当的敏感性，电池成本必须尽量低；作为便携式工具的 供电电源，必然要求有相当的能量密度，所以产品选择了n i c d n i m h 蓄电池来满足客户 要求。 2 2n i c d n i m h 充电电池的原理 2 2 1 蓄电池参数 蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终 止电压。电池的容量通常用a h ( 安时) 表示，l a b 就是能在协的电流下放电m 。单元 电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的 材料和体积决定，因此通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是 蓄电池的充电电流( 即蓄电池的充电速率) ，它通常用电池的额定容量c 的倍数来表示。 华中科技大学硕士学位论文 例如，用2 a 电流对1 a h 电池充电，充电速率就是2 c ；同样地，用2 a 电流对5 0 0 m a h 电池充电，充电速率就是4 c 。 电池刚出厂时，正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的 电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电 池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定关系。单元 镍镉电池的标称电压约为1 3 v ( 但一般认为是1 2 5 ，单元镍氢电池的标称电压为 1 2 5 v 。 电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充放电过程中，极板的电阻是不 变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。 蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压 也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1 7 5 1 8 0 v ， 镍氢电池的充电终止电压为1 5 v 。 放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄 电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物 在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关。镍镉 电池的放电终止电压和放电速率的关系如表2 - 1 所列，镍氢电池的放电终止电压一般规 定为1 v 1 1 。 衰2 - 1 镰铺电池不同放电率时的放电终止电压 放电事 放电终止电压( v ) 8 小对事 1 1 0 5 小时事l ，0 0 3 小时事0 8 l 小时事 0 5 2 2 2n i c d 蓄电池的工作原理 镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和 氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。镍镉蓄电池充电后，正极板上的活 性物质变为氢氧化镍( n i o o h ) ，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后， 正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氨氧化镉。 2 2 2 1 放电过程中的电化学反应 f 1 1 负极反应 华中科技大学硕士学位论文 负极上的镉失去两个电子后变成= 价镉离子c d 2 + ，然后立即与溶液中的两个氢氧根 离子o h 一结合生成氢氧化镉c d ( o h ) ：，沉积到负极板上。 c d - - 2 e + 2 0 h 一+ c d ( 0 h ) ， ( 2 ) 正极反应 正极板上的活性物质是氢氧化镍( n i o o h ) 晶体。镍为正三价离子( n i 3 + ) ，晶格中每两 个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子，生成两个二价离子2 n i 2 + 。与此同时， 溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶格上的两个氧负离子结合， 生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起，与两个二价镍离子生 成两个氢氧化亚镍晶体。 2 n i o o h + 2 h 2 0 + 2 e 2 n i ( o h ) 2 + 2 0 h 一 将以上两式相加，即得镍镉蓄电池放电时的总反应式： 2 n i o o h + 2 h 2 0 + c d 簋皇一2 n i ( o h ) 2 + c d ( o h ) 2 2 2 2 2 充电过程中的化学反应 充电时，将蓄电池的正、负极分别与充电电源的正极和负极相连，电池内部发生与 放电时完全相反的电化学反应，即负极发生还原反应，正极发生氧化反应。 ( 1 ) 负极反应 充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成诵离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电路 获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应： c d ( o h ) 2 + 2 e 一c d + 2 0 h 一 ( 2 ) 正极反应 在外电源的作用下，正极板上的氢氧化亚镍晶格中，两个二价镍离子各失去一个电 子生成三价镍离子，同时，晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子，将氧负离子留 在晶格上，释放出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合生成水分子。然后，两个三价镍 离子与两个氧负离子和剩下的两个氢氧根离子结合，生成两个氢氧化镍晶体： 2 n i ( o h ) 2 2 e + 2 0 h 一- 2 n i o o h + 2 h 2 0 将以上两式相加，即得镍镉蓄电池充电时的电化学反应： 2 n i ( o h ) 2 + c d ( o h ) 2 垫。2 n i o o h + c d + 2 h 2 0 华中科技大学硕士学位论文 蓄电池充电终了时，充电电流将使电池内发生分解水的反应，在正、负极板上将分 别有大量氧气和氢气析出，其电化学反应如下： 总反应：h ：o 一h ：t + 去0 2 t 二 从上述电极反应可以看出，氢氧化钠或氢氧化钾并不直接参与反应，只起导电作用。 从电池反应来看，充电过程中生成水分子，放电过程中消耗水分子，因此充、放电过程 中电解液浓度变化很小，不能用密度计检测充放电程度【4 1 1 。 2 2 3n i m h 蓄电池工作原理 镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且 无记忆效应。镍氢电池正极的活性物质为n i 0 0 h ( 放电时) 和n i ( o h ) 2 ( 充电时) ，负极板 的活性物质为h 2 ( 放电时) 和h 2 0 ( 充电时) ，电解液采用3 0 的氢氧化钾溶液，充放电时 的电化学反应如下： 正极：n i ( o h ) 2 + o h - 一。昔n i o o h + h 2 0 负极： 如o + e ；= 竽告心+ o h 一 总反应： n i ( o h o ：；= 妻 n i o o h 十寺h ： 从方程式看出：充电时，负极析出氢气，贮存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成氢 氧化镍( n i o o h ) 和h 2 0 ；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚 镍。 过量充电时的电化学反应： 1 正 极：2 0 h 一一2 c + 妄0 2 + h 2 0 二 负极： 2 h 2 0 + 2 e + h 2 + 2 0 h 一 总反应：h 2 0 一h + 妄。 二 再化合：h 2 + 去o ：一h 2 0 二 从方程式看出，蓄电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催 化剂的氢电极面积大，而且氧气能够随时扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气能够很 容易在蓄电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很 快，可以使蓄电池内部氧气的浓度不超过千分之几。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 从上面的分析可以看出，镍氢电池的反应与镍镉电池相似，只是负极充放电过程中 生成物不同。 2 3n i c d n i m h 充电电池充电特性 镍镉电池充电特性曲线如图2 3 所示。当恒定电流刚充入放完电的电池时，由于电 池内阻产生压降，所以电池电压很快上升( a 点) 。此后，电池就开始接受电荷，电池 电压则以较低的速率持续上升。在这个范围内( a b 之间) ，电化学反应以一定的速率产 生氧气，同时氧气也以同样的速率与氢气化合，因此，电池内部的温度和气体压力都很 低【4 2 】。 电池充电过程中，产生的氧气高于复合的氧气时，电池内压力升高。电池内的正常 压力大约为4 8 p a 。过充电时，根据充电速率，电池内部压力将很快上升到4 8 0 0 p a 或者 更高。 研究蓄电池的各种充电方法时，镍镉电池内产生的气体是一个重要问题。气泡聚集 在极板表面，将减小极板表面参与化学反应的面积并且增加电池的内阻。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，密封电池将打开放气孔，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。 经过一定时间后( c 点) ，电解液中开始产生气泡，这些气泡聚集在极板表面，使极 板的有效面积减小，所以电池的内阻抗增加，电池电压开始较快上升，这是接近充足电 的信号【1 】。 充足电后，充入电池的电流不是转换为电池的贮能，而是在正极板上产生氧气超电 位。氧气是由于电解液电解而产生的，不是由于氢氧化镉还原为镉而产生的。在氢氧化 钾和水组成的电解液中，氢氧离子变成氧、水和自由电子，反应式为： 4 0 h 一一0 2 t