可充镍氢电池及应用简介
可充镉镍、氢镍电池及应用简介
1 可充镉镍(Cd-Ni)、镍氢电池(Ni-MH rechargeable battery)简述
1.1 可充电池(rechargeable battery)与一次电池(primary cell)
(1) 可充电池是指可以反复充电、放电的电池,也称二次电池,或蓄电池。
可充电池一般常用的有:镉镍电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池、锌镍电池、铁镍电池等系列电池。
(2) 一次电池即干电池,也称原电池,一般常用的有:锌锰电池、锌银电池、碱性锌锰电池,一次锌镍电池等系列电池。
1.2 可充镉镍、镍氢电池:(金属氢化物-镍电池Ni-MH电池)
电池的组成:电池由电极(Electrode)、电解液(Electrolyte)、隔膜(Saparator)、外壳(Outer shell)组成。
即:正极(Cathode)用氢氧化镍、钴,负极(Anode)用贮氢合金粉,电解液用氢氧化钾,隔膜用尼龙布,外壳用镀镍钢壳制造而成的碱性蓄电池。镉镍电池负极为氧化镉、电解海绵镉,其余部分同氢镍电池。
1.3 可充镉镍、镍氢电池的分类
(1)可充镍氢电池按极板分类:烧结式镉镍、镍氢电池、发泡式镉镍、镍氢电池。
烧结式镉镍、镍氢电池:极板通过烧结的办法制造而成,生产工艺复杂,高倍率、超高倍率放电性能好,高低温性能好,但成本较高。广泛应用于航空航天、军用等。
发泡式镉镍、镍氢电池:采用高孔率发泡镍为基体填充活性物质的办法制造而成。生产工艺简单,电池容量高,成本低,广泛使用于电动工具,消防应急照明,家用电器等众多、民用领域。
(2)电池的外形分类:圆柱形,方形,扣式等;
(3)按电池的放电倍率分类:中倍率型、高倍率型、超高倍率型等。
1.4 镉镍、镍氢电池主要技术性能
1.4.1 镉镍、镍氢电池容量(Capacity)
额定容量(rated capacity)是指制造商标明的、在一定条件下电池应释放出的最低容量。
按照定义: 容量=时间×电流………………………………………①
即:充电容量(charge capacity)=充电时间×充电电流………②
放电容量(discharge capacity)=放电时间×放电电流……③
上面①、②、③式中容量用C来表示,单位为安时(Ah)或毫安时(mAh);充放电时间用h表示,单位为小时;充放电电流用安培(A)或毫安培(mA)表示。
镉镍、镍氢电池的额定容量是指以5小时率放电的容量,以C5表示。
例如:镉镍、镍氢电池的额定容量考核:以0.1 C5A恒流充电14~16小时(充电容量一般按照额定容量的120%来计算),搁置15~30分钟,然后再以0.2C5A恒流放电到终止电压1.0V/只的容量。
例:AA1500mAh镍氢电池,用0.5C5A充电,
充电电流=0.5×1500=750mA
充电电量=1500mAh×120%(即1.2倍)=1800mAh
充电容量(mAh) 1800mAh
充电时间(h)= = = 2.4h即144min
放电容量(mAh) 750mA
倍率:指充电、放电电流的大小,以额定容量的倍数来表示。
例如:0.1C5A、0.2C5A、0.5C5A、1C5A……
现行新的IEC、GB/T 15100标准,改为ItA表示,ItA等同于C5A。
一只AA1500mAh镍氢电池,以0.5C5A恒流充电,充电电流为750mAh。0.5C5A俗称为0.5倍率。
1.4.2 镉镍、镍氢电池的电压
镉镍、镍氢电池的标称电压(normal voltage)每只为1.2V。
组合电池组电压=1.2V×组合电池只数
镉镍、镍氢电池组合一般以串联组合,不提倡并联组合,因为单体电池存在着一定的差异,如容量不一、容量的差异导致电池温度的差异,电池温度的差异,导致电压的差异,电压差异导致放电电压高的电池的电流向放电电压低的电池倒灌,造成并联电池不一致,从而导致电池组使用不安全性。
电池的电压包括充电电压、开路电压、闭路电压、放电电压、工作电压、平台电压、标准电压、终止电压。
标称电压:镍氢电池1.2V/只 镉镍电池1.2V/只 锌锰电池1.5 V/只
铅酸电池2.0 V/只 锂离子电池3.6 V/只
充电电压(Charge voltage):电池充电过程中,电池充电电压的最大值。电池电压随充电电流而变化,充电电流越大,充电电压越高,反之亦然。
终止电压(cut off voltage):电池放电到放电截止时间的电压,随放电电流大小而变化。
如:
放电倍率 | 放电终止电压 |
0.2 C5A放电 | 1.0 V/只 |
1 C5A放电 | 0.9 V/只 |
5 C5A放电 | 0.8 V/只 |
10 C5A放电 | 为0.7 V/只 |
1.4.3 自放电(荷电保持能力)(self discharge)
镉镍、镍氢电池在没有外部电流放电的条件下,可充电电池自身容量的释放。
自放电考核测试:电池以0.1C5A恒流充电14~16小时,开路搁置28昼夜后,以0.2C5A恒流放电至1.0V终止电压,放电时间要求≥3小时为合格。
1.4.4 循环寿命(cycle life)
按照GB/T 15100-94国家标准所给出的循环寿命测试方法,镍氢电池的循环寿命应≥500次;循环是指(充放电)一次,即充电一次,放电一次。当放电容量低于额定容量的60%时寿命即终止。
按照IEC标准和国标来考核电池的循环寿命,时间较长,为此,生产镉镍、镍氢电池的厂家和使用镉镍、镍氢电池的厂家,目前采用的方法为加速循环寿命测试方法;按照中国电池工业协会2000年的镉镍、镍氢电池的测试方法:1C5A恒流充电72分,搁置15~30分,1C5A恒流放电1.0V/只,为一次循环,循环寿命要求300次;要求当放电容量低于额定容量的60%时,寿命即终止。
1.4.5 电池的内阻(mΩ)(internal resistance)
镉镍、镍氢电池的内阻主要是由电池的电化学极化、浓差极化、欧姆极化所引起,该指标主要取决于电解液的多少,与电解液,隔膜,正负极板,配件等有关,同型号、同容量的电池,内阻值大,表明电池电性能差;反之,内阻值小,表明电池电性能好。
内阻测试:电池以0.1C5A恒流充电14~16小时后,搁置60分钟测试。
AA1200mAh—AA1800mAh 电池≤30mΩ
AAA500mAh—AAA800mAh 电池≤40mΩ
电池的性能还包括:高温性能、低温性能、过充电性能、恒压充电能力、充电接收能力、冲击振动性能等。上述性能测试除外有规定外,电池电性能测试均在环境20±5℃,相对湿度65±20%的条件下进行。
注:除别有规定外,所有的电池电性能测试都以工厂交会付给客户一个月内测试为准。
2 镉镍、氢镍电池的国家标准
2.1 GB/T15100—94
该标准包含了圆柱形镍氢电池的测试标准;分为高倍率、中倍率、低倍率、超高倍率放电性能。
2.2 GB/T11013—1996
该标准包含了圆柱形镉镍电池的技术标准和测试方法。
2.3 GB/T15100—2004
该标准包含了圆柱形镍氢电池的测试标准;分为高倍率、中倍率、低倍率、超高倍率放电性能。将传统的充、放电倍率表示方法由额定容量的倍数改为电流的倍数。
2.4 GB/T15100—2005
该标准包含了圆柱形镍氢电池、小型方形电池、扣式电池的测试标准,并增加了1.0C5A恒流快充的测试。
2.5 IEC 镉镍、氢镍电池标准
IEC61951—2:2003该标准包含了圆柱形镍氢电池各种可靠性、安全性的测试标准和电池的各种技术标准。
IEC61951—1:2003 该标准包含了圆柱形、小方形、扣式镉镍电池各种可靠性安全性的测试标准和各种电池的技术标准。
3 镉镍、镍氢电池的应用领域及相关配套行业的要求
3.1 镉镍、镍氢电池可以广泛应用于电动工具、消防应急照明灯具(包括草坪灯,太阳能灯)、电动玩具(航模)、剃须刀、无绳电话、电动自行车、数码相机、对讲机、仪器仪表、通讯、家用电器、除尘器、MP3、收音机等。
3.2 电动工具(SC型)
电动工具行业对镉镍、镍氢SC型电池的主要要求:
1C5A恒流充电72分钟,搁置15—30分钟
10C5A—15C5A恒流放电到终止电压0.7V/只
放电时间≥4分钟或3.5分钟
连续循环10次,不得低于所要求的放电时间
放电时间2分钟内,电池电压不低于1.0V/只
电动工具用电池,单体电池一律要求用牛皮纸套包装。
3.3 应急照明灯具行业(SC、C、D、AA、AAA、2/3AA、2/3AAA等)应急照明灯具按照行业要求和国家标准规定,该行业一般使用电池组时,采用恒压取限流对镉镍、镍氢电池组进行充电,设定充电电压为1.43—1.45V/只,充电时间24小时。
恒压限流充电曲线
应急照明灯具对镉镍、镍氢电池组的主要要求如下:
3.3.1应急照明时间≥90分钟
3.3.2电池组循环10次,不得低于90分钟
第一次循环与第10次循环的放电时间(放电容量)之差不得大于15%
3.4 镉镍、镍氢电池容量考核
按照GB/T国家标准,电池的常容量考核
针对业务的实际运作中的情况,对此类问题简述如下:
1. 在电动工具行业,客户要求SC1200mAh Cd—Ni电池,1C5A恒流充电72分钟,搁置15—30分钟,然后以10C5A恒流放电到终止电压0.7V/只。≥4分钟为格,实际所需容量计算如下:
4分
=0.067小时
60分
10C5A=10×1200=12A放电电流
放电容量=12A×0.067h=0.804Ah (804mAh)
本公司生产的镉镍、镍氢电池10C5A放电容量按额定容量的85%计
那么:
804mAh
=946mAh
85%
即标称为1200mAh的SC型镉镍电池,要满足10C5A恒流放电到0.7V/只,≥4分钟,用实际容量1000—1100mAh的SC型。镉镍电池即可。
那么,此类电池的最终售价较之0.2C5A恒流放电到终止电压1.0V/只,放电时间≥5小时这样要求的可下浮约5~10%。
2. 应急照明灯具行业,按照电池使用,一直处于浮充状态,而且一般要保用2年以上,放电时间要求0.67C5A恒流放电到1.0V/只,放电时间≥90分钟,计算如下:以(SC1500mAh Cd—Ni电池为例)
0.67C5A=0.67×1500mAh=1005mA放电电流
放电容量=放电时间×放电电流
=1.5小时×1005mA
=1507.5 mAh
按此计算和实际使用,对电池的要求,如客户要求额定容量为SC1500mAh的镉镍电池,实际所需容量要1510mAh以上才能保证客户使用。那么,此类电池的最终售价应在常规要求基础上浮5~10%。
2. 一般在业务运作过程中,需要了解客户对电池的使用要求,如电池容量,电池使用用途,对电池充、放电的要求等等。如果客户以1C5A充电,1C5A放电到终止电压0.9V/只,放电时间分三个档次≥42分、≥48分、≥54分,客户明确提出其中一个档次的放电时间要求,那么,电池的最终售价按放电时间从高到低依次可下浮10~15%。
0.2C5A放电到终止电压1.0V≥5小时 | 中倍率 | 高倍率 | 超高倍率 |
1.0C5A放电到终止电压0.9V≥ | 42min | 48min | 54min |
5C5A放电到终止电压0.8V≥ | — | — | 9min |
10C5A放电到终止电压0.7V≥ | — | — | 4min |
按照上表,不同的放电电流有不同的终止电压,不同的放电时间,电池又有不同的放电倍率;在客客户的使用中,也有不同的要求;依据3.2和3.3条,行业不同,对电池的要求也不同,有的客户还有高温40℃或70℃充放,低温0℃或—10℃的要求,不同的要求有不同的配方,不同的用料,不同的价格;一般高温电池和低温电池在常规电池的基础上加25%—30%的价格;放电倍率越高,要求放电容量越高,价格也越高。
随着镉镍、镍氢电池应用领域的不断扩大,各行业对镉镍、镍氢电池的要求不能一一例举,在实际运作中,待不断深入了解,共同探讨商定。
4 镉镍、镍氢电池的充放电电路示意图
4.1恒流充电示意图
4.2 放电示意图
4.3 恒压限流充电电路示意图
5.2 镉镍、镍氢电池的配套选用
在客户选用电池过程中,一般会提出对电池常规的性能指标要求,但是, 在实际业务运作过程中,电池的销售商除了为客户提供有关的服务外,对客户提出的一些电池选型也要提供一些必要的服务和帮助。
例,以消防应急照明灯具为例,客户现提出有一只40W.12的灯,需要放电时间≥90分钟,试计算电池的配置。用电器具(灯)的功率系数按1.225计。
未考虑功率系数的放电时间:
1.5h(90分) | ≈ | 1.225h | 按 | 电池组功率 | = | 1.2V×电池只数×电池容量 | ||||
1.225 | 用电器具功率 | W | ||||||||
1.225h×40w | = | 4.1Ah | ||||||||
1.2V×10只 |
即40W、12V的灯,放电时间≥90分钟,所需电池10只,电池容量为4.1Ah,按电池定体积可用10只D型或C型电池来配套。
实际客户对电池的实用千变万化,只有在深入了解客户要求的基础上,才能更好地为客户服务。
以上简介作为一种讨论,不妥之外敬请斧正。
5.附页
5.1 镉镍、镍氢电池与普通锌锰电池型号对比
镉镍、镍氢电池型号 | 锌锰电池、碱性锌锰电池型号 |
AA | R6、LR6 |
AAA | R03、LRO3 |
SC | 小二号 |
C | R14、LR14 |
D | R20、LR20 |
注: 镉镍、镍氢电池有容量区分,锌锰电池、碱性锌锰电池恒阻放电,以放电时间之分电池容量。
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