軍用D型MH/Ni電池充電制度的研究

前言

　　在監督某裝備配套的化學電源——D型氫鎳蓄電池組的研制過程中，發現電池充電后期溫度上升很快，特別是在夏季，電池表面溫度有時可達70℃以上。經解剖單體電池檢查，可見到電池的隔膜碳化，且電池組的循環壽命不足200次。嚴重影響了軍事裝備費的使用效益。由于充電結束后電池表面的溫度很高，也給裝備的安全工作造成了一定的隱患。如何減少充電后期發熱，降低電池表面溫度，又不明顯降低電池的放電容量成為我們探討的課題。
　　氫鎳電池是一種體積比容量很高的二次電池，一般比同體積的鎘鎳電池高70%～80%，這就使充電過程中產生的熱量不易散發，特別是體積較大的電池，表現更為明顯；且氫鎳電池充電后期的氫氧復合是一個劇烈的放熱反應，又增加了電池的熱量聚積。工作中的實際情況也證實了這一點。由于受鎘鎳電池的影響，氫鎳電池的軍用標準也都參照鎘鎳電池執行。其充電方法和充電制度也相同，以0.2C5A充電7.0h終止，再以0.2C5A放電考核容量。這樣的充電方法和充電制度使電池的過充量較大，電池在充電后期溫度上升特別快，充電效率大大降低。電池的有效容量減少，隔膜老化，循環壽命減少；更為嚴重的是一些用時間控制的充電器也以鎘鎳電池為參考，致使充電時間過長，造成電池漏液或損壞。
　　由于電池熱量的產生主要集中在充電的后期，可否通過縮短充電時間來解決這些問題成為我們研究的重點。本文在不影響電池容量的情況下，探討最佳的充電時間，盡量避開電池充電的急劇發熱期，以提高充電效率，提高電池的各項性能并延長電池的循環壽命；還可為充電機控制充電時間的長短提供依據，保證氫鎳電池的安全使用。

　　1　實驗與結果

　　1.1　以1.3A對D型氫鎳電池充電
　　將10只電池充電5.5h終止，測量電池表面溫度，再以1.3A放電，計算電池的實際放電容量，充電效率和最后0.5h的充電效率。依照該方法測試充電6.0h、6.5h、7.0h電池的實際放電容量、放電效率和最后0.5h的充電效率。
　　1.2　以1.4A對D型氫鎳電池充電
　　將10只電池充電5.5h終止，測量電池表面溫度，再以1.4A放電，計算電池的實際放電容量、充電效率和最后0.5h的充電效率。依照該方法測試充電6.0h、6.5h、7.0h電池的實際放電容量、放電效率和最后0.5h的充電效率。

　　表1　D型氫鎳電池以1.3A充電不同時間的效率
 
　　充電時間
　　／h 容　量
　　／Ah 充電效率
　　/% 最后0.5h
　　充電效率/% 電池最高
　　溫度/℃
　　5.5 6.80 95.1 —— 21.5
　　6.0 7.11 91.2 47.7 22.8
　　6.5 7.38 89.2 41.5 22.0
　　7.0 7.59 83.4 33.8 21.9

　　注：室溫為18.8℃～20.2℃　I放＝1.3A
　　表2　D型氫鎳電池以1.4A充電不同時間的效率
 
　　充電時間
　　／h 容　量
　　／Ah 充電效率
　　/% 最后0.5h
　　充電效率/% 電池最高
　　溫度/℃
　　5.5 7.27 94.4 —— 22.5
　　6.0 7.49 89.2 31.4 22.6
　　6.5 7.65 84.1 22.9 25.3
　　7.0 7.72 78.8 10.0 37.8

　　注：室溫為18.7℃～19.8℃　I放＝1.4A
　　2　討論

　　2.1　充電電流的確定
　　電池容量是電流和時間的乘積，充電時間和電流是直接相關的。D型氫鎳電池的5h率放電容量相差較大，一般為6.5Ah或7.0Ah，本次實驗樣品先采用1.3A的電流充電，從實驗結果可知：隨著充電時間的增大，其實際放電容量也在不斷上升，充電7.0h的效率還在80%以上，且充電后期電池均無明顯的溫度上升現象，最后半小時的充電效率仍在30%以上；說明還未充足，加大充電電流仍可提高電池的容量。所以將充電電流確定為1.4A。
　　2.2　充電時間對電池容量的影響
　　用1.4A的電流對電池分別充電5.5h、6.0h、6.5h、7.0h，實驗結果表明：隨著充電時間的增大，容量在充電6.5h之前上升較快，在6.5h以后增加很少，充電6.5h與7.0h的容量相差很小，基本不受影響，所以充電6.5h最合適。
　　2.3　充電時間對充電效率的影響
　　隨著充電時間的延長，充電效率下降的較快，在6.5～7.0h之間，充電效率僅為10%，故將D型氫鎳電池的充電時間確定為6.5h也是合理的。
　　2.4　充電時間對電池溫度上升的影響
　　隨著充電時間的延長，電池溫度在充電6.5h以后上升較快。實驗表明：在室溫20℃的情況下，充電5.5h、6.0h、6.5h、7.0h時電池溫度依次為22.5℃、22.6℃、25.3℃和37.8℃，可見電池的溫度上升主要集中在6.5h以后。所以，充電6.5h最有利于電池的安全使用。
　　2.5　充電時間對作戰使用的影響
　　軍隊是執行特殊任務的武裝集團，決定勝負往往就在分秒之間，充電時間定為6.5h可減少近10%的充電時間，意義是重大的。

　　3　結論

　　軍用D型氫鎳電池(QNY7.0)在20℃的環境溫度下，以1.4A(0.25C5A)的電流充電6.5h(或充電量為130%)最為合適。能夠有效地縮短充電時間，提高充電效率，且電池容量基本不受影響；在這種充電制度下，由于電池溫升很小，所以能夠有效地延長電池的使用壽命。
　　目前在我室訂貨產品說明書中推薦6.5h的充電制度；在將來起草軍用標準時也準備建議采用6.5h的充電制度。