镍氢电池充电原理与实践

镍氢电池的应用非常广泛,其正常放电电压在1.2V左右,比一次性碳性电池和碱性电池(约1.5V)要低一些,但在大多数情况下可以直接使用镍氢电池替换碱性电池,并且在大电流应用场景中(比如相机闪光灯),镍氢电池的性能表现要好于碱性电池。单节镍氢电池的容量与同型号的碱性电池容量差不多。常见的AA镍氢电池容量在1600-2700毫安时之间。

Eneloop_6420

相比锂电池,完整的镍氢电池的充电过程非常复杂,因为镍氢电池在充电过程中,电压并不是单调上升的,在充电过程末尾,电压居然还有一个下降的过程。大电流充电(快充)还需要对电池的温度进行监测。

640px-Charge_NiMH.svg

不过也有一个好消息,在较低的充电电流情况下(小于0.1C,也叫涓流充电(trickle charge)),镍氢电池对过冲(over charge)不敏感,不会对电池造成明显的伤害,所以大多数简单的镍氢电池充电器,就是一个恒流电路实现的。

说起横流电路,用经典的LM317可以轻松实现,只需要额外加一个电阻即可。

ccc

我有一个玩具汽车,其电源是一组6串的镍氢电池,我为其设计了一个充电器:使用USB接口提供电源,可以复用常见的手机充电器。使用SX1308作为升压电路,将5V电压升至约13V电压。然后使用LM317实现恒流电路。我的镍氢电池组的容量大概是2400毫安时,所以我设置充电电流为200毫安左右(小于0.1C)。

815617876073348062

单节镍氢电池在充电过程中的最高电压接近1.5V,6节电池串联最高电圧接近9V,LM317恒流电阻压降为1.25V,LM317本身的压降推荐在3V以上,所以LM317的输入端电压要保证在13V以上。

实际上,如果不考虑LM317本身散热的问题,这个充电电路可以对任意1-6串镍氢电池充电,充电电流都是恒定的200毫安。当然,散热是不能忽略的,当只给1节镍氢电池充电时,LM317的压降将高达10V以上,功耗超过2W,烫手是必然的。

745791858275026361

在涓流充电的情况下,镍氢电池的充电效率大约是66%,也就是说,2000毫安时的电池,要充入3000毫安时的电量才能真正充满。我的电池容量是2400毫安时,充电电流是200毫安,所以需要大概18个小时可以充满。

虽说涓流情况下的过冲并不会对电池造成明显伤害,但还是及时停止充电比较好,因此有一些较为高级的充电器,设置了定时电路,当充电时间超过设定值后,自动停止充电。

参考资料:

https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93metal_hydride_battery

http://www.powerstream.com/NiMH.htm

 

Published by

Meng Guang

thinking ahead of what's possible