浅谈高能量NiMH电池

浅谈高能量NiMH电池
摘要：为了解NiMH电池的工作特性，评价其在电动车辆上的使用性能,对NiMH电池进行了充放电试验测试。基于实验结果，给出了NiMH电池的工作电压、工作电压下降率和温升等特性曲线，并对这些特性进行了详细的研究和分析，同时也对NiMH电池单体在充放电过程中的一致性进行了分析评价。分析表明：NiMH电池端电压变化率及温度变化率可作为电池充放电终止判断的参考依据；一定范围内，通过电池端电压特性可以较准确预测电池荷电状态。
关键词：NiMH电池；充电特性；放电特性；荷电状态；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电池不能从根本上解决污染问题，锂离子电池的安全性不够且价格昂贵，Na-S电池的工作温度太高，燃料电池可能是电动车最终的选择，目前仍存在价格昂贵的问题，所以从综合的角度考虑，NiMH电池是作为动力车动力源在近期内理想的选择。NiMH电池是一种绿色电池，无污染、免维护、使用安全、比能量与比功率高、高倍率充放电性能好、循环寿命长，因此能满足动力电池的性能要求。所以NiMH电池已被世界公认为近年来具有现实应用性的电动车动力电源的最佳选择。预计在动力电源领域，市场份额将会不断上升，有着广阔的应用前景。

为了进一步了解NiMH动力电池的充放电特性，评价其在电动车辆上的使用性能，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 试验设计 
NiMH模块电池由10只单体电池串联，并分别编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J，在试验进程中测量各个单体电池的端电压以及模块电池温度。
NiMH电池充电按照技术要求，采用智能充电模式，并控制单体电池最高端电压为16 V，最大充电电流限制为＜1 C；当电池电压变化率达到-8 mV/min、充电温度达到45 oC，停止充电。
放电试验在设计的恒流放电平台上进行，当电池的端电压达到10 V时(电池的技术要求)，或电池的温度达到55 oC时停止放电。
2 试验结果
　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起始阶段，电池端电压迅速上升，之后端电压随时间缓慢变化，这一段占充电过程的大部分，而在电池接近充满电时，端电压先是随时间变化的幅度稍有升高，而后达到最大值，之后又稍有下降。

当恒定电流刚充入放完电的电池时，由于电池内阻产生压降，所以电池电压很快上升。此后，电池开始接受电荷，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。经过一定时间后，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。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，虽然电解液产生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合，但是电池的温度仍显著升高。此外，由于充电电流用来产生氧气，所以电池内的压力也升高。随着氧气的增多，电池内的温度急剧上升，这样就使电池电压下降。电解液中，氧气的产生和复合是放热反应。电池过充电时，不停地产生氧气，从而使电池内的温度和压力升高。如果强制排出气体，将引起电解液减少、电池容量下降并损伤电池。若气体不能很快排出，电池将会爆炸。
为了准确的了解该型号NiMH电池的性能，对其进行了许多次的充放电实验。由多次充放电数据可以得出，在充电过程中该电池模块的充电性能是很稳定的。
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，对其在充电过程中的温度变化也进行了检测记录，所得到的试验曲线如图2所示。图2中三条温度曲线分别是在室温21 oC、26 oC和32 oC下的充电温度特性试验曲线，由图可知，在充电过程基本接近尾声时，电池温度急剧上升。比较三条曲线可知，NiMH电池在充电过程中受外界温度的影响是比较大的，随着环境温度的升高，在充电后期，电池上升的幅度越来越大。因此，在NiMH电池充电过程中，为了避免电池内部温度过高对电池循环使用寿命形成的损害，对电池温度的实时检测是非常必要的。
另外，由图1和图2得到的NiMH电池充电特性曲线的变化趋势，可为NiMH电池充电过程终止条件的判断提供一定的依据：
(1) 检测电池充电过程中的端电压变化，若端电压由缓慢上升转为变化幅度稍有升高，而后短时间内端电压又没有发生变化，则可以认为电池已充满电；
(2) 检测电池充电过程中的温度变化，若温度对时间的变化梯度超过一定的数值，则可认为电池已充满电。    

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，放电开始短时间内其端电压快速下降，然后在相当长的一段时间内，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变化，端电压开始小幅度下降；当端电压达到11 V后，电池端电压在极极短时间内迅速降低，在很短的时间内达到放电截止电压10 V。
放电开始前，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。放电一开始，表面(包括孔内表面)的碱液不断消耗，碱浓度立即下降，而碱液由主体溶液向电极表面扩散是缓慢过程，不能立即补偿所消耗的碱．故碱浓度继续下降，而决定电极电压数值的正是活性物质表面处的碱浓度，结果导致电池端电压明显下降。这一阶段表现为放电开始时的电压急剧下降。随着活性物质表面处碱浓度的继续下降，与主体溶液之间的浓度差加大，促进了碱的扩散过程。在一定的电流放电时，某一段时间内，单位时间内消耗的碱液可以得到补充，这一阶段呈现在放电曲线中是一个放电平台。随着放电的不断进行，活性物质也在逐渐减少，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，加剧了碱液向深处活性物质的扩散难度，使得电池的端电压迅速降低，达到规定的终止电压。
由图3多次放电曲线的比较可知，在放电的大部分过程中镍氢电池模块的性能是很稳定的，只是在接近放电终止时，电池端电压的下降幅度产生了一定的差异。由图中连续放电曲线与间歇放电曲线比较可知，在分段放电试验中，在开始放电大约10∽15 min后，电池端电压恢复到和上一段放电曲线端电压变化率一致的位置上。由以上变化规律可知，在放电稳定的情况下，在一定程度上可以利用电池的端电压来预测电池的SOC。
由上面的分析可知，放电曲线基本由3部分组成：放电开始短时间内端电压快速下降；然后电压缓慢下降；最后端电压在极短时间内迅速降低。第二部分是电池稳定工作的阶段，所以电池实际工作时的放电曲线只是第二平台段,这一特性正好符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相比，NiMH电池放电端电压对时间的下降梯度更小，因而在同样的条件下，NiMH电池就能放出更多的能量。如果电动汽车使用NiMH电池，电池组占整车质量的百分比将大大减小，将显著增加车辆的续驶里程。说明NiMH电池具有较高的放电效率，在接近放电终止时,由于NiMH电池放电内阻的急剧增大，结果放电效率急剧下降，从而为NiMH电池放电终止判断提供了一种依据。

电池放电电压降与放电电深度关系曲线如图4所示。由图可知，NiMH电池的端电压变化与放电深度存在着密切关系，在放电深度10 ％≤DOD≤80 ％内存在近似的线性关系，而在80 %≤DOD≤85 %的范围内，变化率虽稍有变大，也存在近似的线性关系，所以在10 ％≤DOD≤85 ％范围内，通过检测电池端电压特性可以比较准确地预测电池电量状态。由10 A放电曲线1与2的关系可知，在同一放电倍率下，电池的性能是非常稳定的；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变化；在放电接近终止时，电池工作电压又开始急剧下降，下降速率迅速上升，如果没有很好的防护措施，有可能损坏电池。
放电过程中，对NiMH电池温度也进行了检测,结果其变化幅度不大。所以在放电过程中温度对电池的影响不太大。
2.4NiMH电池的一致性评价
由于电动车辆要使用多块电池以串联或并联形式组合做动力源，而在动力电池的使用过程中，任一只电池质量失效都会影响整个电池组性能，使整个电池组损坏，因此电池的一致性对动力电池在电动车上的使用十分关键。
通过大量的实验数据，发现随着充放电循环次数的增加，单体电池的差异性越来越大,且在放电过程中，当电池达到较低的荷电状态时，电池一致性能就会迅速变大，说明NiMH电池单体间在深放电的情况下一致性较差，这一点在使用过程中应该加以注意。
经过的循环次数越多，各单体的差异性会变得越来越大，从而影响整个模块的使用寿命，所以在模块管理中，不管是充电过程还是放电过程，进行各单体电池的管理是非常必要的。
3 结论
由以上NiMH电池充放电特性可以得出如下结论：
(1) NiMH电池端电压变化率及温度变化率可作为电池充放电终止判断的参考依据； 
(2) 在10 ％≤DOD≤85 ％范围内，通过电池端电压特性可以较准确预测电池电量状态；
(3) 在NiMH电池充电过程中，进行电池温度的检测和控制是很有必要的；
(4) 在NiMH电池的管理中，进行各单体电池的管理是非常必要的；
(5) NiMH电池性能优越，对于在电动汽车及混合动力汽车上的应用，与其它类型的电池相比，NiMH电池比传统的铅酸电池具有较大的优势。

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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。主要研究方向为电动汽车电池管理系统。