浅谈高能量NiMH电池
摘要：为了解NiMH电池的作业特性，点评其在电动车辆上的运用功能,对NiMH电池进行了充放电试验测验。根据试验成果，给出了NiMH电池的作业电压、作业电压下降率和温升等特性曲线，并对这些特性进行了具体的研讨和剖析，一起也对NiMH电池单体在充放电进程中的共同性进行了剖析点评。剖析标明：NiMH电池端电压改变率及温度改变率可作为电池充放电中止判别的参阅根据；必定范围内，经过电池端电压特功能够较精确猜测电池荷电状况。
要害词：NiMH电池；充电特性；放电特性；荷电状况；放电深度
中图分类号： 文献标识码：
Brief IntroducTIon of High Energy NiMH Battery
DENG Wen-lian,XU Ming-qian,Shen Yong
(College of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)
Abstract: To understand the working characterisTIcs of NiMH battery and evaluate its performance of applicaTIon on electric vehicles, charging and discharging experiments of NiMH battery are carried out. Based on the experimental results, the characterisTIc curves of NiMH battery’s working voltage, voltage dropping rate and raise of temperature during the charging and discharging processes are given and analyzed in detail．Furthermore, the influence of NiMH battery cell’s consistency on the whole battery pack’s performance and cycle life are evaluated and analyzed. Analyses show that, NiMH battery’s changing rate of voltage and temperature in real time can be used as a reference criterion to judge the end of charging and discharging, SOC can also be estimated according to working voltage to some degree in some range.
Key words：NiMH battery；charging characteristics；discharging characteristics；SOC(State of Charge)；DOD(Depth of Discharge)
可作为电动车动力源的蓄电池虽有很多种，但铅酸电池的能量密度太低，NiCd电池不能从根本上处理污染问题，锂离子电池的安全性不行且价格昂贵，Na-S电池的作业温度太高，燃料电池或许是电动车终究的挑选，现在仍存在价格昂贵的问题，所以从归纳的视点考虑，NiMH电池是作为动力车动力源在近期内抱负的挑选。NiMH电池是一种绿色电池，无污染、免保护、运用安全、比能量与比功率高、高倍率充放电功能好、循环寿命长，因而能满意动力电池的功能要求。所以NiMH电池已被国际公以为近年来具有实际运用性的电动车动力电源的最佳挑选。估计在动力电源范畴，市场份额将会不断上升，有着宽广的运用远景。
为了进一步了解NiMH动力电池的充放电特性，点评其在电动车辆上的运用功能，对国内生产的一种NiMH动力电池进行了一系列试验,所选用的试验电池特性参数如表1所示。
1 试验规划
NiMH模块电池由10只单体电池串联，并别离编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J，在试验进程中丈量各个单体电池的端电压以及模块电池温度。
NiMH电池充电依照技能要求，选用智能充电方式，并操控单体电池最高端电压为16 V，最大充电电流限制为＜1 C；当电池电压改变率到达-8 mV/min、充电温度到达45 oC，中止充电。
放电试验在规划的恒放逐电渠道上进行，当电池的端电压到达10 V时(电池的技能要求)，或电池的温度到达55 oC时中止放电。
2 试验成果
2.1 NiMH电池的充电特性
NiMH电池恒流（I=10 A）充电电压特性试验曲线如图1所示。由图1充电曲线可看出在充电开端阶段，电池端电压敏捷上升，之后端电压随时刻缓慢改变，这一段占充电进程的大部分，而在电池挨近充满电时，端电压先是随时刻改变的起伏稍有升高，然后到达最大值，之后又稍有下降。
当恒定电流刚充入放完电的电池时，因为电池内阻发生压降，所以电池电压很快上升。尔后，电池开端承受电荷，电池电压以较低的速率持续上升。在这个范围内，电化学反应以必定的速率发生氧气，一起氧气也以相同的速率与氢气化合，因而，电池内部的温度和气体压力都很低。经过必定时刻后，电解液中开端发生气泡，这些气泡集合在极板外表，使极板的有用面积减小，所以电池的内阻抗添加，电池电压开端较快上升。这是挨近足够电的信号。足够电后，充入电池的电流不是转换为电池的贮能，而是在正极板上发生氧气超电位。氧气是因为电解液电解而发生的，尽管电解液发生的氧气能很快在负极板外表的电解液中复合，可是电池的温度仍显着升高。此外，因为充电电流用来发生氧气，所以电池内的压力也升高。跟着氧气的增多，电池内的温度急剧上升，这样就使电池电压下降。电解液中，氧气的发生和复合是放热反应。电池过充电时，不停地发生氧气，然后使电池内的温度和压力升高。假如强制排出气体，将引起电解液削减、电池容量下降并危害电池。若气体不能很快排出，电池将会爆破。
为了精确的了解该类型NiMH电池的功能，对其进行了许屡次的充放电试验。由屡次充放电数据能够得出，在充电进程中该电池模块的充电功能是很安稳的。
2.2 NiMH电池充电温度特性曲线
NiMH电池在室温条件下进行充电，对其在充电进程中的温度改变也进行了检测记载，所得到的试验曲线如图2所示。图2中三条温度曲线别离是在室温21 oC、26 oC和32 oC下的充电温度特性试验曲线，由图可知，在充电进程根本挨近结尾时，电池温度急剧上升。比较三条曲线可知，NiMH电池在充电进程中受外界温度的影响是比较大的，跟着环境温度的升高，在充电后期，电池上升的起伏越来越大。因而，在NiMH电池充电进程中，为了防止电池内部温度过高对电池循环运用寿命构成的危害，对电池温度的实时检测是十分必要的。
别的，由图1和图2得到的NiMH电池充电特性曲线的改变趋势，可为NiMH电池充电进程中止条件的判别供给必定的根据：
(1) 检测电池充电进程中的端电压改变，若端电压由缓慢上升转为改变起伏稍有升高，然后短时刻内端电压又没有发生改变，则能够以为电池已充满电；
(2) 检测电池充电进程中的温度改变，若温度对时刻的改变梯度超越必定的数值，则能够为电池已充满电。
2.3 NiMH电池的放电特性
NiMH电池恒流（I=9 A）放电电压特性试验曲线如图3所示。由图3放电曲线可看出，充满电的NiMH电池，放电开端短时刻内其端电压快速下降，然后在适当长的一段时刻内，端电压在13～12 V间缓慢下降；当电压下降到12 V时，端电压曲线的斜率有较大改变，端电压开端小起伏下降；当端电压到达11 V后，电池端电压在极极短时刻内敏捷下降，在很短的时刻内到达放电截止电压10 V。
放电开端前，活性物质微孔中的碱液浓度与主体溶液浓度相同，电池的开路电压与此浓度相对应。放电一开端，外表(包含孔内外表)的碱液不断耗费，碱浓度当即下降，而碱液由主体溶液向电极外表分散是缓慢进程，不能当即补偿所耗费的碱．故碱浓度持续下降，而决议电极电压数值的正是活性物质外表处的碱浓度，成果导致电池端电压显着下降。这一阶段表现为放电开端时的电压急剧下降。跟着活性物质外表处碱浓度的持续下降，与主体溶液之间的浓度差加大，促进了碱的分散进程。在必定的电放逐电时，某一段时刻内，单位时刻内耗费的碱液能够得到弥补，这一阶段呈现在放电曲线中是一个放电渠道。跟着放电的不断进行，活性物质也在逐步削减，电极反应向活性物质深处扩展，这使活性物质的孔隙率减低，加重了碱液向深处活性物质的分散难度，使得电池的端电压敏捷下降，到达规则的中止电压。
由图3屡次放电曲线的比较可知，在放电的大部分进程中镍氢电池模块的功能是很安稳的，仅仅在挨近放电中止时，电池端电压的下降起伏发生了必定的差异。由图中接连放电曲线与间歇放电曲线比较可知，在分段放电试验中，在开端放电大约10∽15 min后，电池端电压康复到和上一段放电曲线端电压改变率共同的方位上。由以上改变规则可知，在放电安稳的情况下，在必定程度上能够运用电池的端电压来猜测电池的SOC。
由上面的剖析可知，放电曲线根本由3部分组成：放电开端短时刻内端电压快速下降；然后电压缓慢下降；最终端电压在极短时刻内敏捷下降。第二部分是电池安稳作业的阶段，所以电池实际作业时的放电曲线仅仅第二渠道段,这一特性正好契合混合电动车动力电池的要求。
与铅酸电池的放电特性试验曲线比较，NiMH电池放电端电压对时刻的下降梯度更小，因而在相同的条件下，NiMH电池就能放出更多的能量。假如电动汽车运用NiMH电池，电池组占整车质量的百分比将大大减小，将显着添加车辆的续驶路程。阐明NiMH电池具有较高的放电功率，在挨近放电中止时,因为NiMH电池放电内阻的急剧增大，成果放电功率急剧下降，然后为NiMH电池放电中止判别供给了一种根据。
电池放电电压降与放电电深度联系曲线如图4所示。由图可知，NiMH电池的端电压改变与放电深度存在着密切联系，在放电深度10 ％≤DOD≤80 ％内存在近似的线性联系，而在80 %≤DOD≤85 %的范围内，改变率虽稍有变大，也存在近似的线性联系，所以在10 ％≤DOD≤85 ％范围内，经过检测电池端电压特功能够比较精确地猜测电池电量状况。由10 A放电曲线1与2的联系可知，在同一放电倍率下，电池的功能是十分安稳的；比较10 A与12 A放电曲线可知，电压下降速率随放电倍率的不同而改变；在放电挨近中止时，电池作业电压又开端急剧下降，下降速率敏捷上升，假如没有很好的防护办法，有或许损坏电池。
放电进程中，对NiMH电池温度也进行了检测,成果其改变起伏不大。所以在放电进程中温度对电池的影响不太大。
2.4NiMH电池的共同性点评
因为电动车辆要运用多块电池以串联或并联方式组合做动力源，而在动力电池的运用进程中，任一只电池质量失效都会影响整个电池组功能，使整个电池组损坏，因而电池的共同性对动力电池在电动车上的运用十分要害。
经过很多的试验数据，发现跟着充放电循环次数的添加，单体电池的差异性越来越大,且在放电进程中，当电池到达较低的荷电状况时，电池共同功能就会敏捷变大，阐明NiMH电池单体间在深放电的情况下共同性较差，这一点在运用进程中应该加以留意。
经过的循环次数越多，各单体的差异性会变得越来越大，然后影响整个模块的运用寿命，所以在模块办理中，不管是充电进程仍是放电进程，进行各单体电池的办理是十分必要的。
3 定论
由以上NiMH电池充放电特功能够得出如下定论：
(1) NiMH电池端电压改变率及温度改变率可作为电池充放电中止判别的参阅根据；
(2) 在10 ％≤DOD≤85 ％范围内，经过电池端电压特功能够较精确猜测电池电量状况；
(3) 在NiMH电池充电进程中，进行电池温度的检测和操控是很有必要的；
(4) 在NiMH电池的办理中，进行各单体电池的办理是十分必要的；
(5) NiMH电池功能优越，关于在电动汽车及混合动力汽车上的运用，与其它类型的电池比较，NiMH电池比传统的铅酸电池具有较大的优势。
参阅文献：
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邓文莲(1972-)，女，山东人，讲师，同济大学机械工程学院硕士生。首要研讨方向为电动汽车电池办理体系。
