镍氢电池智能充电器的停充判定方法和原理分析

cooldiy_cn

镍氢电池和锂离子电池在充电过程上有一些比较大的区别。
      锂离子电池的冲入容量与电压是正相关的 而且锂电池电池在充电完成的时候 实际上从电化学意义上来说并没有“充满”。所以电压可以继续升高，电池正极过度释放锂离子，容量和循环寿命大减。
      而镍氢电池则不同。镍氢电池在完成充电时，正负极基本是同时完成电化学反应。完成反应后 电池开始产生气体。正极产生氧气，负极产生氢气。为了防止过充电产生严重的过压力 通常将使负极材料的容量略高于正极材料 这样先生成的氧气可以扩散到负极 在负极材料的催化下与其中的氢反应生成水和热（因为负极的储氢材料同时也是氢氧化合的良好催化剂）。所以寻常时间的过充电（比如几个小时）并不会损坏镍氢电池，镍氢电池的过充电损坏绝不是直接由于过充电本身造成的（这与锂离子不同），而是由于过充电的高温造成的。如果用小电流过充电的话，由于温升有限，不会降低寿命。这就是涓流充电的原理所在。
      在较小充电电流（比如傻充200ma左右）的情况下，这个反应可以使电池内部维持较低的压力，只是电池温度会上升一些。由于电流不大 所以温升不是很严重。所以对于傻充来说，在温度不是很高，通风良好的情况下，电池过充电并不会造成严重的后果，也不会造成明显的寿命缩短。只有在温度过高的时候会导致电解液蒸发，电极材料老化等问题造成容量损失。
      但是对于快速充电器来说，充电电流一般大于500ma，在过充电时能够产生很高的温升，甚至可以使充电器电极融化比如c9000就有听说过这种事故，而电池内的电解液可能大量蒸发沸腾，或者由于产生的气体压力过高使安全阀打开，使氢气氧气水蒸气逸出，于是电解液变稠，内阻增大。因此快速充电需要及时的终止才能保证电池的寿命和安全。
      对于终止的判定有几种不同的方法 各有优劣。
      最早采用的方法是电压判定法。也叫做vmax判定，通过一个运算放大器搭成电压比较器的形式，将电池当前电压与基准电压源进行比较。然后通过一个三极管或者场效应管进行控制。当电池电压超过设定电压时立即切断大电流主回路。通过一个旁路电阻进行涓流充电。从原理可以看出，与锂电池的4.2v切断相同。那么这种充电方法靠谱吗？可以肯定的说，靠谱。
      我们来分析下这个问题。电池在充电的时候，电池的端电压是三个值的加和。一个是电池的电极电势，也就是内部化学物质“平衡”时的电压，也就是这时候如果立即撤出充电并且静止一小会儿，电池所应该有的电压。一个是极化超电势，由于充电时电池内部化学物质产生浓度差，以及气体，电池会超出平衡电压一些。还有一个是电池内阻造成的额外电压。而电池的化学成分不同和内阻不同 造成后两个电势会有所不同。那么关断电势怎么定呢？是遵循不过充电的原则确定的。因为过充电时温升会导致电池电压下降（原因后面解释）。如果发生了过充电电压反而下降 那么就不能关断充电 造成严重的后果。所以一般用电压判定法的充电器 关断点设置在将要充满又尚未充满的1.4v左右。此时电池充电已经完成了绝大部分。不同的电池由于内阻和电极成分不同，此时充满度也不同。内阻大的电池由于电阻超电势比较高，这是可能充入的比较少一些。而内阻低的充的比较满。所以灭灯后继续用涓流充电就可以充满。由于灭灯后充电电流很小，比傻充还略小一些，比如一般在40-100ma左右。所以即使充满后继续放着也不会损伤电池。发热也极其微弱。这种充电器的优点是电路简单成本低，适应性强，对于电池寿命有一定延长作用。对付各种老电池都无压力不容易发生兼容性问题，特别指出，也适合镍锌电池（终止电压设定为1.65-1.7v即可）。缺点是灭灯后要继续涓流充电一段时间才能充满，而这段时间也不确定是长是短。只能凭感觉或者尽量长些。充电时间比较长。而灭灯也不能代表充电完成。往往导致充电不足
      采用这种方法判定的充电器主要是早期的镍氢智能充电器，以及环高的万用自停充电器。这也解释了为什么环高用一个充电器可以冲镍氢和锂离子。因为只要改变基准电压就可以了。
      第一种方法还有一个变种，vmax+timer。我在某款标有90分钟充电器上看见过。原理还是挺有趣的。首先以大电流1a充电到门限电压1.4v 然后以中等电流250ma 定时充电约20分钟。最后用30ma涓流补电。这个原理其实也很简单。充电到1.4v时大多数电池的充满度在一个范围内。还未冲入的容量一般在一个范围内。用中等电流再充电那段时间，保证基本上大多数电池都是过充电了。而由于电流不大，时间不长，温升也不会过高。此时转入涓流充电，就能保证充满又不会降寿命。优点也是很突出的。电路很简单，运放加时基电路就行了。不需要专用ic。只要不是曲线内阻啥的太离经叛道的电池，充电饱满度都不错。比第一种在灭灯的时候充满度高，速度快，使用方便。而且可以多节串联充电。只要两个电池特性相差不大即可。由于涓流电流可以比较小，因此充电完成后对电池比第一种更好一些。
      第二种方法是-dv法。原理也挺有趣的。镍氢电池在充电完成时的电压是最高的。而后在过充电过程中反而出现下降。利用电压下降来完成充满判定。那么为什么出现电压下降呢？因为电池的电动势随温度上升而下降。而这些热是哪来的？一方面电池有内阻，热量Q=(I^2)*R*t。这个热比较少，充电过程中也有。另一方面，镍氢电池在设计的时候，故意使负极储氢材料的容量大于正极，这样正极物质会先充电完成，开始分解水产生氧气，通过电解液扩散到负极与储氢材料表面的氢反应（储氢材料本身也是氢氧化合的良好催化剂），放出大量的热，产生水又回到电解液中。这样保证了电池不容易过压力。这两部分的热实际上都是由充电电流转化而来。此时温升很高。电池电动势可以出现十几毫伏到数十毫伏的降低。于是ic检测到了这个下降而停充。这种方法的优点是充电很快，完成后充满度很高。缺点也很明显，就是充电完成时电池经历了大电流的过充电，电池温度很高，非常不利于电池的寿命。慧眼就是采用了这种方法。有些人使用时都发现发热比较大。此外，这种方法不适用小电流充电。因为温升不够高，不足以检测出电动势下降。因此这种方式一般是用于快速充电器里。另外还有一种更囧更危险的情况。某些比较坑爹的电池，由于负极材料的容量偏少，快速充电到了过充电的时候，负极也发生过充电，产生氢气覆盖在负极材料表面。同时正极产生的氧气。由于此时负极表面覆盖氢气使负极与氧气反应的速度减慢，开始跟不上气体产生的速度。于是压强开始增大。由于电池内气压的增加会提高电动势，抵消了温升降低的电动势，电动势不能降低有时反而上升。于是充电器不能停止充电，继续大电流充电。压强继续增加，直到泄压阀打开，咻的一下，电池内的气体连同部分电解液喷射而出。。。电池往往就此挂了。就像南孚充电漏液一样。我就有幸遇到过这样的惨状，电池容量无限接近0，估计需要添加一些氢氧化钾溶液才能恢复，电池是超霸gp1300，充电器是松下bq-830。
      第二种方法也有一个变种，叫做0dv法。通过更加精确的检测，在电池电压一段时间不变后就立即停止充电。电压不变的阶段是由于这段时间电池内压力上升与电池温升导致的电动势变化刚好抵消。此时刚好是过充电发生不久，电池温度略有上升之际。所以0dv比-dv对于电池的伤害更小。判定更准确。可以发现这种充电器充电温升不高。那么这个方法是不是没有缺点呢？答案是否定的。这个方法有明显的缺陷！就是兼容性问题非常明显。许多高容量镍氢电池，在充电过程之中的某一段时间可以发生电压停顿的现象。如果采用0dv判定，则往往在这个时候停止充电，冲入的容量往往还不到标称值的一半。就是充不满的现象。还有一些高内阻的电池，充电过程中温升大，也会导致这个问题。另外 如果充电电流不够大，也容易停不下来。明智936d采用0dv判停方法，结果是兼容性差，许多电池都是半途停止，特别是高容量的非低自放电池尤为明显。
      第二种方法还有一个变种，温度法。即测量电池与环境的温度差来停止充电。这种方法的缺点与-dv差不多，就是要过冲到明显发热才能停。而且需要多个热敏元件。
      第三种方法是离线测试法。就是当电压到达门限后，每隔一段时间断开充电，然后测试电压的变化，来判定是否充满。由于停止充电后内部气压立即开始下降，电动势会显著降低。因此可以通过测试这个电压的下降速度判断是否充满。这种方法优点是充满度高。温升低。缺点是电路复杂成本高，一般有专用ic。
      怎么判断是哪种方法呢？灯灭时还充不满的是vmax。vmax+timer在充满后再插入电池又可以充电20min以上或者有时会出现错误提示灯。充电后期温度很高的往往是-dv或者是温度法。离线测试法一般是价格很高的充电器。往往配合脉冲充电而且使用专用ic而不是单片机控制。充电速度很快而温升也不高。0dv法往往容易中途停止充电。

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一点也不亮

楼主辛苦，受教了

whli

好文，顶上去。

Fireflying

貌似现在采取△V法充电的占绝大多数。
哪个充电器是用离线检测法的呢？

cooldiy_cn

离线检测我只在一篇论文上看到过，实际的机器我还没有见过。貌似现在许多50块钱以下的智能充电器可以称作公版了。。。电路板啥的完全相同 连外壳都一样。。。单片机的芯片清一色的几种。。。除了印刷的牌子不同。。。。外围元件略有差异之外完全相同。。。极度怀疑是同一个代工厂的产品。。。另外必须说明的是即使是-dv也有好坏之分。。。兼容性啥的相差很大。。。有的检测灵敏则电池温升比较小。。。有的迟钝就温升严重。。。0dv一般是和-dv一起用的 作为另一种判据以提高适应性

zhouweif

CS2A属于哪一种？

wyg0216

学习了，谢谢

pk_2010

很好的科普文章！

cooldiy_cn

zhouweif 发表于 2012-3-4 22:18

                               
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CS2A属于哪一种？

cs-2a 属于-dv

zhouweif

cooldiy_cn 发表于 2012-3-4 22:56

                               
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cs-2a 属于-dv

cs2a电流不大，只有400或130ma，而且有涓流功能。

噬魂

同样关心cs2a是那种判停方法，还有m55,mr57？去年冬天发现贴纸版的2a充2011年3月的爱老公和09年的品胜，半个小时左右就转入涓流状态，5号7号位一次样，重新插一次电池后可以正常充电了，这个可以说明2a是0▲v吗？

cooldiy_cn

噬魂 发表于 2012-3-4 23:17

                               
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同样关心cs2a是那种判停方法，还有m55,mr57？去年冬天发现贴纸版的2a充2011年3月的爱老公和09年的品胜，半 ...

可以肯定的说cs-2a m55/m57是0dv、-dv的判停 多数采用了单片机控制的充电器都是-dv、0dv的方式 看了下m55的电路应该是-dv 其实-dv和0dv本质是属于基本同一种的判停方法 有的厂商说是0dv的机器同样的电路却有说是-dv的  只是0dv判停是更加精准一点的-dv罢了 刚刚出现-dv的苗头的时候就咔！所以可能更加保护电池却会出现一些意外停充的问题。。。许多充电器标称的判停方法就是-dv/0dv 对于比较垃圾的电池建议vmax充电 不容易误判不停等 转灯后多冲一会就好 比较好电池的用-dv、0dv充电比较满

噬魂

楼主的科普文章写的好，深入浅出，受益匪浅！

bbk

用0dv的y5+没有感觉比-dv的CS2A拒冲明显。不好的电池CS2A，y5+都拒冲。好的电池同样能冲满

bbk

0dv的y4在pchome.net评价很高，除了做工外，性能上没有什么明显的缺点。对比同期的m55,m54之类的，没有充不满现像

bbk

M55以下都是-dv充电，以上的不清楚。市面上绝大部分智能冲是-dv

老兵新传

收藏，慢慢学习。楼主辛苦了。

zhjy4

楼主辛苦，受教了