李素英， 窦真兰

(1.中国矿业大学 信息与电气工程学院,徐州 江苏 221008；2.国网上海市电力公司 电力科学研究院，上海 200437)

0 引 言

镍氢电池是20世纪90年代在化学电源发展史上取得的奇迹之一[1-2]。高性能镍氢电池的发展与新型贮氢合金的开发紧密相关。这些贮氢合金用于镍氢电池，其容量等电化学性能会有很大提高，增强镍氢电池的市场竞争，镍氢电池的广泛应用已经不可避免，因此也必带动镍氢充电技术的发展[3-6]。

本文主要对镍氢电池的充电控制进行研究[7-10]。一块可充电镍氢电池的温度和端电压随着电池的充电而稳步上升，在电池完全充满后开始下降。而镍氢充电器所面临的主要问题就是在充电过程中对于电池温度和端电压的检测，如达不到这点要求，会对镍氢电池的寿命产生很大影响，而基于GM6802芯片的镍氢充电电路能够有效解决这一问题，它能检测到充电过程中的突变点并中断充电，或者从快速充电模式转换到涓流充电模式。另外，在充电过程中对温度和电压进行连续监控以增加系统的安全性[11-15]。

本文主要研究镍氢充电的智能管理方法，并且进行电路设计，通过实验结果予以验证。

1 镍氢电池充放电特性和充电方法

1.1 电化学原理

Ni-MH电池的正极是粘在基板上的NiOOH/Ni(OH)2，NiOOH是放电时的活性物质；Ni(OH)2是充电时的活性物质，两者在充放电循环中相互转化。Ni-MH电池的负极是储氢合金MH，既是贮氢材料又是负极材料，负极活性物质是氢气。在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单格电池。电解液采用30%的氢氧化钾溶液，并添加少量氢氧化锂溶液，在金属的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。Ni-MH电池充放电原理如图1所示。

图1 Ni-MH电池充放电原理图

1.1.1充电过程的化学反应

电池充电时的电化学反应如下：

正极：Ni(OH)2+OH--e→NiOOH+H2O

负极：H2O+e→(1/2)H2+OH-

总反应：Ni(OH)2→NiOOH+(1/2)H2

从反应式可见：充电时，负极析出氢气，贮存在容器中的合金中，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍和水。

1.1.2过充电时的化学反应

在充电后期可能发生过充电，造成正极上有氧气析出，氧气到达负极区与负极进行化学或化学复合反应生成水。过充电时的电化学反应：

正极：2OH--2e→(1/2)O2+H2O

负极：2H2O+2e→H2+2OH-

总反应：H2O→H2+(1/2)O2

再化合：H2+(1/2)O2→H2O

1.2 镍氢电池的充放电特性

1.2.1充电特性

镍氢电池的充电特性受到充电电流、温度和充电时间的影响。电池端电压会随着充电电流的升高、温度的降低而增加；充电效率会随着充电电流、充电时间和温度的改变而变得不同。

图2是型号为HHR160A的镍氢电池在不同充电率下的充电特性。

从图中可以看出，在相同的环境温度下，对每一节电池充入相同的电量，不同的充电率，所引起的电池端电压的变化是不一样的，1C的充电速率所引起的变化最大。此处C代表电池充放电时电流大小的数值。若充电电池的额定容量为1 000 mAh,即可写为1C，也就是以1 000 mA放电可持续1 h。因此可以得出，电池充电率越大，电池的端电压上升得越高。

图2 不同充电率下的充电特性

镍氢电池的工作温度一般在0～40 ℃，充电效率比较高时的温度在10～30 ℃。图3为HHR160A型镍氢电池在不同温度下以1C充电时的充电特性。从图中可以看出，在充电温度较低时，电池端电压上升快。

图3 同一镍氢电池以1C充电时在不同温度下充电特性

1.2.2放电特性

镍氢电池在不同放电速率下的放电曲线见图4。由图4可以看出，不同速率放电至同一终止电压时，高速率放电初始过程电压变化率最大，电压曲线陡；中小速率放电过程中端电压变化速率小，电压曲线相对平坦。放出相同电量的情况下，高速率放电结束时的电池电压低，中低速率放电结束时的电池电压高。

图4 不同放电率的放电特性

1.3 镍氢电池充电方法

马斯(J. A. MAS)提出了以最低气率为前提的电池可接受的最佳充电曲线，即任一时刻电池能够接受的充电电流为[9]：

I=I0eAt

式中：I0为初始充电电流；A为充电接受比；t为充电时间。I0和A的值由电池决定，与电池的类别、极板的结构、散热性能及电池的新旧有关。

图5展示出了电池的最佳充电曲线，可以看出，充电电流随时间按指数规律下降。

图5 电池最佳充电曲线

实用的充电方法主要有分级恒流充电法和脉动式充电法，图6是分级恒流充电法中三级充电法的充电曲线图，图7是脉动式充电曲线图。

图6 电池的三级充电法图7 电池的脉动式充电法

2 镍氢充电电路的设计与实现

GM6802是用于镍氢电池或镍氢电池组的快速充电专用集成电路，具备镍氢电池充电需要的所有功能，使充电过程完全自动化，充电时间短，充电效率高，安全可靠，应用设计简单等特点，基于此芯片所设计的镍氢充电主电路控制图如图8所示。

图8 主电路控制图

当芯片GM6802上电后，芯片即进入自测试阶段，自测试完毕后，进行电池的检测，一切准备就绪，进行充电过程。由第5脚CHGCTRL输出控制信号，控制电池的充电，由第1脚CELTMP进行电池温度检测，第8脚进行单节电池电压的采集，这样实时监测电池的温度和电压，从而保证电池充电的安全进行。

因为芯片的CHGCTRL口有2个模式，1时，为充电模式；0时，为测试模式，因此充电回路如图9所示。

图9 充电回路

在这部分电路中，电流回路采用的是P沟道的MOS管，即IRFR9020，此管驱动电压较低，而且电流较小，适合作为一个充电的开关管。

当CHGCTRL口输出电平为1时，NPN回路导通，P沟道的G极电势小于UO，即+5 V，因此P沟道MOS管的UGS<0,从而2个P沟道MOS管导通，经过2个二极管，给电池充电。

当CHGCTRL口输出0时，NPN管的基极与发射极电势差为0，因而NPN管不会导通，从而P沟道MOS管的UGS=0，因此，经过二极管的电流为0，电池不会进行充电。

电池电压检测是通过电压采集入口CELVOLT在电池停充阶段，采集单节电池当前电压值。这种采集电压的方式是基于所充的电池都是相同型号的电池，所得到的电压是一个均值电压。单节电池电压是通过采集串联的分压电阻而得。原理图如图10所示。

图10 电池电压检测原理图

CELVOLT为当前电压采集口，是一个高阻态口，在电池停充的瞬间，电池和DIVA，DIVB组成了一个回路，以2节电池为例，当DIVA与DIVB的比值为1时，电阻DIVB上的电压值即为当前单节电池的电压。温度检测原理图如图11所示。

图11 电池温度检测原理图

通过温度采集口CELTMP，采集热敏电阻RT2的电压值，从而得到温度值，保证电池在正常温度条件下进行充电。

3 实验以及分析

3.1 实验装置介绍

为验证所设计的电路的有效性实验板，它包括DC电源，温度检测，电压检测，充电回路等部分，所采用的电池为2节800 mAh的镍氢充电电池。芯片上电后，首先会对电池进行有效性检查，若为有效电池，即先对电池进行小电流预充电，使电池的电能恢复至适合快速充电的范围，预充电时占空比为1/7。充电同时进行电压检测：若电池电压低于0.9 V，则继续预充到0.9 V后停止预充，转为快速充电；若高于0.9 V，则转为快速充电。若预充电2 min后仍然没能到达0.9 V，则判断电池出错。在转为快速充电后，当电池电压下降，电池电压零增量，或者充电到了最大时间或充电过程中电池的温度达到最大值后，将停止快速充电，转为涓流充电，并判断电池已经充满。这样对于电池起到了良好的保护作用。涓流充电也称为维护充电，补偿电池因自放电而损失的电量。涓流充电无时间限制，只要充满的电池还在充电通路内，就保持涓流充电过程。

3.2 实验结果分析

本实验通过变压整流把220 V工频交流电变换为12 V的直流电，再通过三端稳压将12 V的直流电转换为5 V的直流电，进而给芯片以及充电电池提供电压，实验分为快速充电实验、过充实验、浮充实验、均衡充电实验和实验结果分析。

3.2.1快速充电实验

在可变脉冲快速充电过程中，分为恒流和恒压两个过程。在恒流过程中的脉冲控制信号波形如图12所示。

图12中充电控制电压信号由GM6802芯片的第五脚输出，高电平时为5 V，低电平时为0 V,1横格时间为10 μs，脉冲驱动频率为50 kHz。从图12中可以看出，脉冲信号的占空比发生着不规则的变化，通过实时监测电池组的端电压和充电电流来反馈控制脉冲信号的不规则变化进而控制大小电流的交替恒流充电，保证铅酸电池快速充电而不发生剧烈的极化现象，造成电池的损坏。

图12 恒流过程中的脉冲控制信号波形

在1 A大电流阶段的充电波形如图13所示。图13中以中间点较粗的地方为零点，1竖格电流为0.3 A，电流波形大致位于3格多一点。

在0.1 A小电流阶段的充电波形如图14所示。

图13 1 A电流的恒流充电波形

图14 0.1 A电流的恒流充电波形

图14中以中间点较粗的地方为零点，1竖格电流为0.1 A，电流波形大致位于1格上下。从图14和图15中可以看出拾取的交流电经过整流后的效果很不错，在恒流充电阶段能够输出波形较好的直流电。

恒压过程中的脉冲控制信号波形如图15所示。

图15 恒压过程中的脉冲控制信号波形

图15中电压为5 V， 1横格时间为10 μs，脉冲驱动频率为50 kHz。从图16中可以看出，脉冲信号的占空比也发生着不规则的变化，其原理和图13一样。

3.2.2过充实验

为了保证电池充满，在快速充电之后必须对电池进行一定量的过充。过充阶段的驱动电压波形、开关管输出电压波形和电池组两端的电压波形如图16所示。图中Ud代表驱动电压波形、Us代表开关管输出电压波形、Uout代表电池组两端的电压波形。图中以底部为零点，驱动电压波形Ud和开关管输出电压波形Us均为3 V/格，电池组两端的电压波形Uout为2 V/格。

图16 过充充电时驱动、开关及输出波形

3.2.3均衡充电实验

对整个电池组进行实验和分析之后，接着又对电池组的均衡性进行了实验。把实验用的2节1.2 V 800 mAh的铅酸电池分别放电到了0.9 V、0.95 V用无损均衡充电法进行充电，在45 min的时间内记录的各个时刻的单体电池电压数据如表1所示。

表1 电池组充电实验数据

在0～45 min这段时间内每隔3 min记录一次单体电压数据，从表1中可以看到，在规定时间内2节初始电压不同的电池最终电压值趋于一致。当然表1只能给出一些具体的值，电池组的均衡过程无法从中明显地看出，所以在实验中，根据表1中的值可以看出，实验之前电压不均衡的每个单体电池在实验中逐渐达到均充，并以这个值一起达到满充，由此证明无损均衡充电法能使多节镍氢电池串联的电池组在充电过程中达到同一充电深度，有效地防止了单体电池的欠充和过充，从而延长了电池的使用寿命。

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