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1、 0 镍氢充电电池使用指南 重要说明此说明书上有关镍氢电池的数据源自说明书准备之时的辽宁九夷三 普电池公司生产的电池由于产品的性能和特点时常需要调整使用三普镍氢 电池的个人或商业机构要获得最新的信息请与附近的三普电池销售处联络 此说明书的内容不代表辽宁九夷三普电池有限公司对产品的担保 我们建议制 造商利用三普电池提供的咨询服务进行充分沟通以制定电池应用设计的最 佳方案 1 镍氢电池综述 世界正变得越来越小便携电子产品已经遍布我们生活的每一 个角落数码相机手机无绳电话笔记本电脑摄像机 对讲机M P 3 电动工具等等正成为我们生活的一部分电子 产品的小型化紧凑化更成为一种趋势对电池也提出了更小 更
2、轻而能量密度更高的要求 镍镉电池已经有很长的使用历史 而金属氢化物镍电池即镍氢 电池自 2 0 世纪 9 0 年代开始商业化 由于镍氢电池的单只额定 电压也是 1 . 2 V 同镍镉电池尺寸相同很多特性相近所以相对来说很容易将取代镍镉电池 镍镉与镍氢电池的比较 镍氢电池基本上是多年来可靠的密封型镍镉电池技术的延伸 镍氢电池通过吸氢负极取代了以镉金属为基础的负极 这种取 代增加了单位重量和体积电池的容量( 以安培小时计算) 同时由于不采用镉消除了对镉金属毒性的担忧镍氢电池其 它方面与镍镉电池十分相似在这两种电池之间许多应用参 数几乎没有变化 在电池组中以镍氢电池代替镍镉电池通常不 会产生明显的设
3、计问题 表 1 对两种电池化学性能的主要设计特点做了对比 表 1 镍氢电池与镍镉电池使用性能比较 应用特点 镍氢电池与镍镉电池的比较 额定电压 相同( 1 . 2 5 V ) 放电容量 镍氢是镍镉的 2 - 3 倍 放电曲线 相当 放电中止电压 相当 高倍率放电能力 同样有效随着镍氢电池技术的发展镍氢 电池也可 1 0 C甚至更大电流放电相当于比 镍镉电池电流增加一倍以上 高温( 3 5 ) 放电 能力 镍氢电池略优于镍镉电池 充电过程 大致相同镍氢电池快速充电需采用多步恒 流过充控制 充电终止技术 大致相同但镍氢电池的变化更细微镍氢 电池一般采用-V 电压降, T C O 电池表 面温度 及
4、 d T / d t 温升三种方法中的至2 少两种做为强制手段以时间做为备用 工作温度限度 相同 自放电率 镍氢比镍镉电池略高 高温充电效率 相同高温镍氢电池是最新的发展成果 循环寿命 大致相同镍氢电池循环寿命受应用情况及 充电情况较大 机械配合 相同 机械特性 相同 型号形状容量 的选择 相同 操作注意问题 相似 环境问题 镍氢电池可消除镉的毒害 满足广泛的应用 没有万能的镍氢电池技术不可能以一种电池设计来满足所有 的电池应用相反对于特定应用要用不同的电池设计来满 足使用条件所以除了一般用途的电池外还有高温高容量 高功率低温应用的电池为匹配各种设备镍氢电池的外形 也很繁多包括圆柱方形及扣式等
5、 电化学原理: 镍氢电池的电化学反应通常由下列充放电过程来表示 充电 在负极由于施加了电位电解液中的水分解成氢原子和氢氧 根氢原子被合金吸收反应如下 A l l o y + H 2 0 + e ?A l l o y H + O H 在正极与镍镉电池一样充电反应以氢氧化亚镍的氧化反应 为基础 N i ( O H ) 2 + O H ?N i O O H + H 2 0 + e 放电 在负极, 氢气被释放并与氢氧根合成水同时也释放出一个电 子 A l l o y H + O H ?A l l o y + H 2 0 + e 在正极, 羟基氧化镍被还原成低价位氢氧化亚镍 N i O O H + H
6、2 0 + e ?N i ( O H ) 2 + O H 以上议程中M 代表储氢合金当合金 M 从碱溶液中吸收一 个氢原子后形成 MH放电时放出一个氢原子到水中 3 电池构成 负极 有关镍金属氢化物应用于电池负极的最初设想源自二十世纪 七十年代人们把贮存氢气作为一种替代能源的研究 人们观察 到某些金属合金可形成氢化物 能够捕捉( 或释放) 相当自身体 积近千倍的氢气 经过对合金的组成和成分及其比例的精心选 择吸收和释放过程在常温常压下可以达到热力平衡 已经发现有两大类金属合金拥有电池所需要的特性一种是 L a N i 5 基稀土合金( 所谓 A B 5合金) 另一种是主要成分为钛和 锆的 A
7、B 2合金在两种情况中通常基础金属部分为其它金属 所取代, A B 5 合金是比较普遍采用的商业化的合金 三普电池的负极采用 AB5 合金技术通常由镍钴锰铝 及稀土元素镧铈镨钕等组成不同应用的镍氢电池其 合金组成及工艺也不同 正极 N i M H 正极的设计与 N i C d 电池非常类似包括粘接型和烧结 型通过调节正负极之间的比例使电池正极容量有所限制这 意味着负极容量要比正极高当充电时正极首先充满然后 会产生氧气 氧气扩散到负极并在负极重新组合这种氧循环 是控制适度过充的一种很有效的方法 电池结构 N i - M H 采用如图 1 所示的卷绕结构由被隔膜隔开的正负极片 构成隔离的正负极片卷
8、绕在一起被插入金属壳中, 注入少量 电解液后将壳封口 图 1 4 N i - M H 电池也可做成方型如图 2 所示这种方形电池更适 合空间有限但对容量有高要求的场合, 代价是装配的复杂化产 品成本也相应地提高 图 2 一般方形电池的内部结构与圆柱型电池基本相似只是 由多个极片代替了圆柱电池的单个的正极和负极 圆柱型和方型 N i M H电池均为典型的两部分密封设计电池金 属壳和电池帽相互绝缘电池壳作为负极而电池帽为正极成 品电池一般采用塑料或纸绝缘套包装 以使电池在应用器具中 保持绝缘 镍氢电池顶部装置了可恢复式安全阀在正常使用条件 下前面所述的过充过程中生成的氧气可以通过复和过程复 和从而
9、保证电池内部压力的平衡 但是一旦充电器失效或者 电池充电器或电池的设计不适合应用条件 很可能使氧气甚至 氢气的生成速度超过其复合速度在这种情况下安全阀会打 开以降低压力 避免电池破裂 压力放出后 安全阀重新恢复 5 电池特性 放电特性 镍氢电池的放电性能可以满足当今电子大部分产品的需要 特 别适于要求在很长的放电时间里保持稳定电压的产品 容量的定义: 产品设计者所关心的电池主要参数一般就是用电器具在特定 使用条件下的使用时间 当然在最终采用某种设计之前还是要 确定电池的实际使用时间在此之前一般都是基于电池的额 定容量参数对电池进行初步选择及设计 设计者应透彻理解额定值确定的条件以及条件的不同对
10、性能 所带来的影响 电池的标准额定容量一般缩略为 C 是指新电池在完全充电之 后在室温下恒流放电条件下可释放的容量由于电池容量变 化与放电倍率成反比额定容量值取决于采用的放电倍率镍 氢电池的额定容量通常定义为基于五个小时内将电池容量全 部放空的放电率 通常 C 值代表交货电池的平均或最小值 镍镉电池是指最低的 额定容量而镍氢电池指平均的额定容量实际交货的电池与 额定容量可能有一定差异这是制造过程中的正常波动 放电曲线 图 3 所示的是典型的 0.2C1C 和 3C 的曲线在 0.2C 的典 型曲线中电池电压由初始的 1.4V 左右迅 速降到 1.2V 的平台然后同镍镉电池一样在放电的末期 会呈
11、现出一个尖的膝形电压迅速下降从平台的水平程度及曲线的对称程序可以看出电池的中点电压MPV即当容 量放到 50%的电压可以很好的反映整个放电过程中的平均 电压 对于三普标准系列的电池一般 0.2C 放电平台 80%在 1.2V 以上1C 放电平台60%在 1.2V 以上 6 图 3 容量及功率的澄清 虽然电池是按容量进行评定及测试的但设计者应了解在大 功率放电应用上器具的消耗除了能量参数外还包括特定水 平之上的功率功率是电压与电流的乘积高放电电压的低容量电池可能会比低放电电压的高容量电池实际使用时间长 图 4 显示了对比的结果 在一些需要大功率的应用中如数码相机 存在着错误追求容 量电池问题的问
12、题 对比测试表明高功率低容量电池比高容量 电池照的照片数量要多 H i g h c a p a c i t y / P o w e r t y p e N i / M H D i s c h a r g e C u r v e ( S t a n d a r d c h a r g e , D i s c h a r g e a t 4 0 0 m A )11 . 0 51 . 11 . 1 51 . 21 . 2 51 . 31 . 3 51 . 41 . 4 500 . 511 . 522 . 5V o l t a g e ( V )P o w e r T y p e H i g h C
13、a p a c i t yH E A A - 2 0 0 0HSAA-15007 Hi g h c a p a c i t y / P o w e r t y p e N i / M H D i s c h a r g e C u r v e( S t a n d a r d c h a r g e , D i s c h a r g e a t 2 0 0 0 mA)11 . 0 51 . 11 . 1 51 . 21 . 2 51 . 31 . 3 51 . 41 . 4 500 . 511 . 52V o l t a g e ( V )P o w e r T y p eC a p a c
14、 i t yHSAA-1500HEAA-2 0 0 0图 4 放电容量特性 放电容量受着放电电池的温度及放电倍率显著的影响 电池的 工作经历即电池最近的充电放电存贮状况也严重影响电池 的容量 一个电池只能放出前一个充电循环恢复的容量减去自 放电后的容量 温度影响 假定充电是适当的 电池温度对放电容量的主要影响是在低温 区如图 5所示在寒冷的环境中使用标准的镍氢电池同常 温相比 容量会显著降低 三普拥有特殊的低温镍氢电池技术 可以使电池在-20 C放电如有需要请同三普联络索取详细 技术数据 8 放电倍率的影响 从图 3也可看出放电倍率对容量的影响 当放电倍率在 1C-3C间时电压会快速降低电压的
15、降低也会导致容量的降低具 体值取决于放电终止电压的设定 充电状态检测 便携电子产品用户所关心的一个主要的问题就是在工作多长 时间之后需要重新充电特别是便携电脑的用户希望有个某 种形式的油料表以帮助他们决定什么时候应将所做的工 作保存推荐的充电状态测量方式有各种形式总的来说有 关镍氢电池的经验表明由于正常放电倍率下电压很平电压 信号传感并不能准确测量充电状态 目前发现的唯一传感充电状态结果比较理想的方法是库仑比 较法一通过比较充放电中的电流量来显示剩余容量 许多设备 中用电子元件进行复杂的电荷流量跟踪记录 包括自放电损失 的测定一些现成的充电线路芯片都包括这种电荷跟踪装置 通过仔细的初始校正及对
16、环境的适当补偿 预测精度偏差可小 于 5 - 1 0 放电终止 为防止放电中电池反极对电池造成不可逆的损害 特别建议在 完全放电前将负载从电池上卸下 电池完全放电的典型电压曲 线包括一个双电压平台图形如图 6 所示电压平台形成首先图 5 9 是正极放电然后是负极剩余容量放电当两极都反极时产 生大量氢气可导致电池将气体排出 并对电极造成不可逆的结 构损害与密封镍镉电池相比, 镍氢电池由于采用吸氢负极 耐过放能力有所提高 避免造成损害的关键是在当实际上放出全部容量但还未达到 会对电池造成损害的第二个平台之前终止放电 由于有高倍 率放电的情况及电池组中可能有多个电池 决定合适的放电终 止电压就变得复杂化 高倍率终止电压切断 一般以每只电池 1 . 0 V 做为放电终止电压 对于小于 1 C 放电的 大多数中长期使用条件1 . 0 V是个理想的终止电压值对于 1 C - 4 C的
