镍氢电池充电器设计序言：社会信息化进程的加速，对电力和信息系统的安全稳定运行提出了更高的要求。在人们的生产和生活中，各种电气电子设备的应用越来越广泛，与人们的工作、生活的关系越来越密切，工业生产、控制、信息等越来越多的重要数据被电子信息系统处理和存储。而各种电气设备都离不开可靠的电源，如果在工作过程中中断电源，人们的生产和生活将遭受不可估量的经济损失。对于交流供电的电气设备，为避免上述不利情况，必须设计一个供电系统，该系统能够为人们的生产和生活持续提供可靠的备用电源，以保证安全和运行。为此，所有备用电源设备都使用可充电电池，以确保安全和操作目的。这样，即使电网停电，也可以通过使用由可充电电池组成的安全且可操作的备用电源，冷静地使用其他紧急措施来避免重大损失。对于由可充电电池供电的电气设备，从生产、信息和供电安全的角度来看，可充电电池在系统中处于非常重要的位置。特别是镍氢电池具有良好的充放电性能，可随时充放电，快速充深放电，无记忆效应，不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。基于这些特性，镍氢电池得到了迅速的发展和广泛应用。镍氢电池充电器是为镍氢充电电池补充能量的静态转换器器件，其性能直接关系到整个电力系统的安全性和可靠性指标。
本文从镍氢电池技术特点、充电技术、充电电路结构、典型充电电路和电池保护等方面，从多个角度阐述了充电技术的发展与应用。由于时间匆忙，自身水平有限，论文中难免会有遗漏，请老师批评并纠正。第 1 章 引言 1.1 研究背景 主题 A 电池是一种化学电源，是一种通过能量转换获得电能的装置。二次电池是一种可以多次使用的电池，也称为可充电电池或蓄电池。当二次电池充电时，电能转化为化学能，为负载提供动力并伴随着吸热过程。对于二次电池来说，性能参数很多，主要有以下四个指标：（1）工作电压：电池放电曲线上的平台电压。（2） 电池容量：常用的单位是安培小时 （Ah） 和毫安时 （mAh）。（3） 工作温度区：电池正常放电的温度范围。（4） 电池正常充放电的次数。二次电池的性能可以用电池特性曲线来表示，包括充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线等。二次电池的安全性可以用特性的安全测试方法来评价。二次电池可以重复使用，符合经济使用的原则。对于市场上的二次电池类型，大致分为：铅酸 （LA） 电池、镍镉 （NiCd） 电池、镍氢 （NiMH） 电池和锂离子 （Li-ion） 电池。1. 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较，见表 1-1 中。表1-1 铅酸、镍镉、镍氢和锂离子电池的性能比较电池类型工作电压（V）重量比能量（Wh/kg）体积比能量（Wh/L）循环次数记忆效应自放电率（%/月）铅酸电池2.0——400~600No 3 镍镉电池1.~50015~30 镍氢电池1.260~80240~300>500 No 25~35 锂离子电池3.6120~> 2~52.镍氢电池， 镍镉电池和锂离子电池的区别 （1） 在重量方面，就每节电池的电压而言，镍氢电池和镍镉电池都是 1.2V，而锂离子电池是 3.6V，锂离子电池的电压是镍氢和镍镉电池的 3 倍。
而且，同类型电池的重量几乎与镍镉电池相当，而镍氢电池更重。但是，由于锂离子电池的端电压为 3.6V，因此当与相同输出的电池组合时，单节电池的数量可以减少三分之二，从而减轻形成的电池组的重量和体积。（2） 记忆效应：镍氢电池与镍镉电池不同，它们没有记忆效应。对于镍镉电池，需要定期进行放电管理。这种定期放电管理是模糊状态下的被动管理，甚至在镍镉电池充电不准确的情况下放电（每次放电后放电或多次使用后放电因制造商而异），这种繁琐的放电管理在使用镍镉电池时是不可避免的。相对来说，锂离子电池没有记忆效应，使用时非常方便，而且不需要考虑二次电池的残余电压，可以直接充电，充电时间自然可以缩短。记忆效应一般认为是由于长期不正确充电引起的，这会导致电池过早老化，使电池不能得到有效的充电，完全充放电的现象。防止电池记忆效应的方法是严格遵循“光线充足”的原则，即最好在充电前将电池中的剩余电量放电，充电时应一次性充足。通常镍镉电池容易产生记忆效应，因此充电时应特别注意;镍氢电池理论上没有记忆效应，但最好在使用中遵循“充足的光线”原则，这也是为什么很多充电器提供额外的放电功能的原因。
对于由于记忆效应而容量下降的电池，大多数电池可以通过重复多次并充分一次性放电来修复。（3）镍镉电池自放电率为15%~30%月，镍氢电池为25%~35%月，锂离子电池为2%~5%月。镍氢电池的自放电率最高，而锂离子电池的自放电率最小。（4）充电方式：镍氢电池和镍镉电池最常用的简单充电方式是10%C恒流充电，又称“慢充”，即根据电池容量的10%确定充电电流。虽然推荐使用恒流充电，但要求并不严格，而且电流允许波动很大，所以按照这种方法制作的充电器的结构非常简单，一般只需要用变压器把220V的市电转换成合适的低电压，用整流二极管整流即可， 电容器采用限流电阻，并配有发光二极管等指示装置，成本低。虽然“慢充”比较简单，一次充电需要10多个小时，为此，电池厂商也允许用户在急需时用30%C的电流给电池充电4~5h，这被称为“快充”。镍氢电池都不耐过度充电。因此，镍氢电池应采用恒流充电方式，当镍氢电池的端电压达到要求值时应停止充电。1.2 镍氢电池简述镍氢电池的正极板材料为氢氧化镍（NiOOH），负极板材料为高能储氢合金，电解液通常为30%KOH水溶液并加入少量NiOH，隔板采用多孔维纶无纺布或尼龙无纺布制成。
镍氢电池有两种类型：圆柱形和方形。镍氢电池的正极与镍镉电池的正极基本相同，镍氢电池由于负极使用了高能储氢合金材料，因此能量更大。由于镍氢电池在电化学特性上也与镍镉电池基本相同，因此镍氢电池在使用时可以完全替代镍镉电池，而无需对设备进行任何改造。镍氢电池具有良好的低温放电特性，即使在 -20°C 的环境温度下以大电流（放电倍率为 1C）放电，发出的电量也可以达到标称容量的 85% 以上。但镍氢电池在高温（+40°C 以上）下的存储容量将下降 5%~10%。这种由自放电引起的容量损失（温度越高，自放电速率越大）是可逆的，并且可以在几次充放电循环后恢复到最大容量。镍氢电池的开路电压为 1.2V，与镍镉电池相同。镍氢电池的充电过程与镍镉电池非常相似，都需要恒流充电，两者的区别主要体现在快速充电的终止方式上。1、镍氢电池的特点 单体镍氢电池的结构为密封圆柱形，标称电压为1.2V，主要具有以下特点：（1）大容量镍氢电池的“储能密度”，以5号（AA型）可充电电池为例，至少在上面， 可以达到良好的效果，在相同的体积和重量条件下，其容量是镍镉电池的2~3倍，是传统镍镉电池的1倍以上。（2）无“记忆效应”“记忆效应”是指电池在使用过程中，由于充电未完全放电，导致电池负极板上出现异常氧化物，对电池电压有抑制作用，表现为电池充满电，但放电时电压急剧下降， 导致电池寿命缩短。
镍氢电池没有“记忆效应”，但在使用过程中，会出现自放电的现象。正常使用情况下，每天损失 1%~3% 的电量，充满电的镍氢电池必须在几周后再充电才能使用。由于镍氢电池没有“记忆效应”，因此在开始充电之前不需要放电，并且可以随时充电。（3）抗过充和过放能力强 镍氢电池充电和放电相对随意，即使过充也不会对电池造成永久性的损坏，电池在放电至0V后再充电后仍能恢复镍氢电池的容量。（4）无污染 由于镍氢电池的镉含量非常少，甚至不含镉，因此不会污染环境，因此镍氢电池也被称为环保电池或“绿色电池”。目前，许多国家都投入巨资建设镍氢电池生产线。（5）资源丰富 镍氢电池使用的储氢合金是从稀土中提取的，我国是稀土资源大国，约占世界总储量的80%，因此我国在发展镍氢电池方面具有得天独厚的优势。（6）长寿命镍氢电池采用1C电流充电，放电循环使用寿命达500次以上，0.2C电流充电，放电循环使用寿命达1000次以上，从实际使用寿命来看，以5号镍氢电池为例，采用电流充电，共可重复使用1000h。镍氢电池在使用过程中会出现以下问题：（1）镍氢电池在充电后期会产生大量的氧气，负极MH电极的吸氧过程是一个放热过程。
在形成的高温环境中，负极储氢合金的氧化会加速，部分储氢能力会损失，电池内部压力会增加。容量越大，充电电流越高，问题就越突出。（2）镍氢电池的充电容量会随着充放电循环次数的增加而降低，电池的内阻也会增加，充电后期-△V的时间会提前。（3）对于长期待机的镍氢电池，需要提高电荷保持能力，减少自放电。目前，镍氢电池的自放电损耗约为 25%（28 天），国外有报道不到 15%。充电技术是影响密封镍氢电池寿命和性能的最大原因，其中充电过程中充电电流、内压和温度的选择对电池的性能和使用寿命影响最大。充分研究镍氢电池的充放电特性，寻找有效的充电和智能电池管理方法，将有助于延长镍氢电池的性能和使用寿命，提高相关设备的工作可靠性。1.3 研究内容 1.3.1 研究意义 本项目的主要研究对象是镍氢电池的充电原理和充电控制。镍氢电池充电设备中需要解决的问题是：（1）预充电处理，包括电池荷电状态的识别和预处理。（2）解决充电时间长、充电效率低的问题。（3）改进对造成过充、欠充等问题的不合理充电控制，提高电池的性能和使用寿命。（4）增加自动管理设置，减少充电过程的劳动强度和劳动时间，使充电器具有更高的可靠性、更大的灵活性和低成本。
本研究的意义如下：（1） 充分研究镍氢电池的充放电特性，并找到有效的充电和电池管理方法。（2）使充电设备具有完善的自诊断功能和及时处理功能。1.3.2 研究项目的主要工作 本文主要研究镍氢电池的充电方法，并在此基础上进行系统设计和电路设计，并通过实验结果对充电控制方法进行测试和验证。具体结构如下：第 1 章 引言。首先介绍了研究背景，然后介绍了镍氢电池的特点、应用中存在的主要问题，以及研究的意义和主要工作，是本文的设计依据。第 2 章 镍氢电池的原理和充放电特性。本文主要分析了镍氢电池的工作原理、电化学原理和充放电特性，描述了影响镍氢电池性能的因素以及镍氢电池充放电过程中的注意事项。这些简单的介绍有助于更好地理解和掌握镍氢电池的基本概念。第 3 章 电池充电方法和充电控制技术。主要介绍了电池的充电方法和镍氢电池的快速充电终止控制方法，以确保电池在充电控制过程中不会过充和损坏。第 4 章 镍氢电池充电器电路设计。本文对这两种控制芯片进行了介绍和比较。在此基础上，对电路的充电控制芯片进行选择、介绍和分析，设计了镍氢电池快速充电电路，实现了镍氢电池的充电。第二章 镍氢电池的工作原理和充放电特性2.1 镍氢电池的工作原理和电化学原理2.1.1 镍氢电池的工作原理作为负极材料的储氢合金是由A和B两种金属形成的合金，其中A金属（La、Ti、Zr等）可以吸收大量的氢气，形成稳定的氢化物;虽然 B 金属（Ni、Co、Fe、Mn 等）不会形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。
金属 A 控制吸收的氢量，而金属 B 控制氢吸收和释放的可逆性。根据合金的晶体结构，储氢合金可分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型和固溶体型，其中主要的稀土金属是AB5合金。AB5储氢合金主要由镧系元素和镍组成，并含有少量的Al、Mn、Co等。目前，镍氢电池中的主要实际应用是稀土 AB5 型合金。镍氢电池电极材料的主要技术要求是：1）在浓碱电解液中抗氧化性高，化学稳定性好。2） 在较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。3）催化活性高，电极反应的可逆性好。4） 氢气吸收和释放循环的劣化较少。5） 初始激活次数很少。镍氢电池正极的活性物质是NiOOH（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极板的活性物质H2（放电时）和H2O（充电时），电解液为30%氢氧化钾水溶液。2.1.2 镍氢电池在充放电过程中的电化学原理镍氢电池的阴极是NiOOH/Ni（OH）2粘接在衬底上，NiOOH是放电时的活性物质，Ni（OH）2是充电时的活性物质，两者在充放电循环过程中相互转化。镍氢电池的负极是一种高能储氢合金，它既是储氢材料又是负极材料，负极的活性材料是氢。正负极之间有一个隔板，它们共同形成镍氢单节电池。电解液由 30% 氢氧化钾溶液和少量氢氧化镍溶液制成。在金属铂的催化作用下，完成充放电的可逆反应。