摘  要： 基于目前鎳氫電池的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平，整個(gè)電池組中單體電池之間的性能差異在其整個(gè)生命周期內(nèi)是客觀存在的,，通過對(duì)電池溫度及電池組中單體電池的充電電壓控制精度的分析得出,，溫度與電壓控制精度是影響電池容量與壽命的兩個(gè)重要因素。試驗(yàn)表明,，在不同溫度條件下改變不同的電壓值,，將會(huì)很大程度地影響電池的容量和壽命。
關(guān)鍵詞： 鎳氫電池,；單節(jié),；馬尾曲線；一致性

    近年來,，煤礦用后備電源技術(shù)發(fā)展迅速,，各種類型的電池得到廣泛應(yīng)用，其中鎳氫電池由于容量高,、無記憶效應(yīng)和循環(huán)壽命長(zhǎng),、無污染等優(yōu)點(diǎn)在煤礦產(chǎn)品中已得到廣泛使用。
    煤礦用電子產(chǎn)品在使用鎳氫電池上大多集中于提高放電效率,、降低使用成本等方面，而忽略了充電電壓精度和應(yīng)用環(huán)境溫度對(duì)鎳氫電池在使用效率上的影響,。鎳氫電池組從安全角度出發(fā),，必須是一個(gè)由多節(jié)單體電池串聯(lián)和相關(guān)控制電路組成的系統(tǒng)[1]，其中任何一只單節(jié)電池的損壞必將影響整個(gè)電池組,。因此研究分析鎳氫電池組的充電電壓精度和應(yīng)用環(huán)境溫度成為一個(gè)不可避免的問題,。本文正是基于這一原因，分析充電電壓精度,、環(huán)境溫度對(duì)鎳氫電池的影響,，具有很強(qiáng)的適用意義。
1 電池工作原理
    鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH(放電時(shí))和Ni(OH)2(充電時(shí)),，負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2（放電時(shí)）和H2O（充電時(shí)）,，電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)如下：

    從方程式看出,，電池過量充電時(shí),，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣,。上述過程考慮電池組總電壓或平均電壓控制,，其實(shí)總有單體電壓較高者,，相對(duì)組內(nèi)其他電池已經(jīng)進(jìn)入過充電階段。過充電時(shí),，電壓,、溫度、內(nèi)壓持續(xù)升高,，氣閥打開,，不可逆反應(yīng)加劇，電池容量減少,，發(fā)展到一定程度,，可在充電中也可在充電結(jié)束后的短時(shí)間里使電池內(nèi)部物質(zhì)燃燒,，導(dǎo)致電池報(bào)廢,。過充電加速電池容量衰減，導(dǎo)致電池失效,。
    考慮組內(nèi)單體電池必有相對(duì)的過放電情況,。在放電后期,，電壓接近馬尾曲線，組中單體容量正態(tài)分布,，電壓分布很復(fù)雜,，容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快,，若這時(shí)其他電池電壓降低得不是很明顯,，小容量單體電壓跌落情況被掩蓋，已經(jīng)被過度放電,。進(jìn)入馬尾曲線以后,，若電流持續(xù)較大，電壓迅速降低,，并很快反向,，這時(shí)電池被反方向充電(或稱被動(dòng)放電)，活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞,，一段時(shí)間后,，電池活性材料接近全部喪失，等效為一個(gè)無源電阻,，電壓為負(fù)值,，數(shù)值上等于反充電流在等效電阻上產(chǎn)生的壓降，停止放電后,，原電池電動(dòng)勢(shì)消失,，電壓不能恢復(fù)，因此,，一次反充電足以使電池報(bào)廢,。
2 電壓精度的影響
    以單體電池為動(dòng)力源的電源管理技術(shù)已經(jīng)十分完善,，但在電池組中，單體之間的差異總是存在的,，以容量為例,，其差異性永不會(huì)趨于消失，而是逐步惡化的,。電池組中流過0.1 C(C為單節(jié)電池標(biāo)準(zhǔn)容量)的恒流電流,，相對(duì)而言，容量大者總是處于小電流淺充淺放,，趨于容量衰減緩慢,，壽命延長(zhǎng)；而容量小者總是處于大電流過充過放,，趨于容量衰減加快,，壽命縮短。兩者之間性能參數(shù)的差異越來越大,，形成正反饋特性,，小容量提前失效，電池組壽命縮短,。
2.1 電壓精度實(shí)驗(yàn)
    實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)篩選一致性較好的10只HRL33/62標(biāo)準(zhǔn)鎳氫電池在(25±2) ℃,、95%RH的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，先以0.1 C的放電倍率放電到1.0 V,，如圖1所示,；再以0.1 C的充電電流進(jìn)行充電，設(shè)置BTS-F鎳氫電池測(cè)試儀的數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為5 s,，記錄電池電壓分別為1.45 V和1.47 V時(shí)所用的充電時(shí)間和電池的容量,，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    在工程應(yīng)用中,，以1.46 V為單體電池充電截止電壓時(shí)，若鎳氫電池管理電路的控制誤差為±0.01 V,，則電壓控制點(diǎn)為1.45 V或1.47 V,。由表1可以看出，這兩個(gè)電壓點(diǎn)之間的充電時(shí)間差高達(dá)30 min,，單節(jié)電池容量相差高達(dá)800 mAh,，因此充電截止電壓的控制精度對(duì)電池的充電完成時(shí)間和容量均會(huì)有很大的影響，故應(yīng)在設(shè)計(jì)中提高電池管理電路的控制精度,，例如采用±0.005 V的誤差要求,，充電時(shí)間差和容量差將大比例縮減，能很好地控制電池的一致性,。
    鎳氫電池放電后,，即使已經(jīng)放電至1.0 V/只,，放置一段時(shí)間后，也會(huì)恢復(fù)至1.2 V/只左右,，如圖1所示,，這是電池的化學(xué)特性所致，開路電壓為1.2 V的電池不等于電池還有容量可以使用,。在設(shè)計(jì)放電回路時(shí),，需要考慮到這個(gè)因索。如果設(shè)計(jì)的電壓控制電路認(rèn)為恢復(fù)到1.2 V還有容量,，則會(huì)持續(xù)對(duì)已經(jīng)放空了的電池放電,，造成電池的過放電。
    此外,，應(yīng)慎重采用電壓負(fù)增量（-ΔV）控制方法,。由于鎳氫電池是化學(xué)電池，在鎳氫電池充足電后,，電池電壓要經(jīng)過一定的時(shí)間才出現(xiàn)負(fù)增量,，電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)嚴(yán)重過充電,，電池的溫度較高,，這樣反而使電池加速失效，壽命縮短,。
3 溫度的影響
    電池在低溫充電時(shí),，電極表面產(chǎn)生一種影響電池電化學(xué)性能且隨溫度升高而消失的“冰花類”物質(zhì)[2]。電池在高溫條件下,，負(fù)極活性物質(zhì)的稀土元素在強(qiáng)堿液中不穩(wěn)定,，發(fā)生腐蝕生成M(OH)2，如合金粉表面生成La(OH)3和Ni(OH)3等氧化膜[3],，這些加速了電池在高溫條件下的自放電和容量損失,。
3.1 溫度影響實(shí)驗(yàn)
    根據(jù)煤礦產(chǎn)品在工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作環(huán)境情況，在實(shí)驗(yàn)室采用HLT710P高低溫試驗(yàn)箱分別在不同的溫度環(huán)境下,，對(duì)電池進(jìn)行充放電測(cè)試,，數(shù)據(jù)曲線如圖2、圖3所示,。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    在較多的影響環(huán)境因素中,，溫度對(duì)電池的充放電性能影響是最大的，在電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān),。如果溫度下降,，電極的反應(yīng)率也下降，假設(shè)電池電壓保持恒定,，放電電流降低,，電池的功率輸出也會(huì)下降,；如果溫度上升則相反，即電池輸出功率會(huì)上升,。溫度同時(shí)影響著電解液的傳送速度,，溫度上升則電解液的傳送速度加快；溫度下降則傳送速度減慢,，電池充放電性能也會(huì)受到影響,。但溫度太高，會(huì)破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡,，導(dǎo)致副反應(yīng),。
    鎳氫電池的放電效率在低溫時(shí)會(huì)有顯著的降低，而在-20 ℃時(shí),，堿液達(dá)到起凝固點(diǎn),，電池充電速度也將大大降低。在低溫充電低于0℃時(shí),，會(huì)增大電池內(nèi)壓并可能使安全閥開啟,。為了有效充電，環(huán)境溫度范圍應(yīng)在20 ℃～30 ℃之間,。一般充電效率會(huì)隨溫度的升高而升高,，但當(dāng)溫度升到40 ℃以上，高溫下充電電池材料的性能會(huì)退化,，電池的循環(huán)壽命也將大大縮短,。
    在一般認(rèn)識(shí)中，常認(rèn)為鎳氫電池的最高電壓為1.5 V,，其實(shí)在相同倍率的電流下,，不同溫度的截止電壓是會(huì)發(fā)生變化的。圖2中,，0 ℃時(shí)充電截止電壓為1.6 V,，40℃時(shí)充電截止電壓為1.46 V，在工程應(yīng)用中若不考慮溫度影響,，則電池會(huì)嚴(yán)重過充或過放,，加速電池失效。
    本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,，對(duì)10只HRL33/62標(biāo)準(zhǔn)鎳氫電池分別進(jìn)行了不同充電截止電壓和溫度的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出,，溫度與電壓控制精度是影響電池容量與壽命的兩個(gè)重要因素,，在不同溫度條件下改變不同的電壓值，會(huì)很大程度上影響電池的容量和壽命,。并為鎳氫電池保護(hù)控制電路的設(shè)計(jì)提供了工程經(jīng)驗(yàn),。
參考文獻(xiàn)
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