Spannung, Temperatur und Delta-V: Indikatoren für volle Ladung in NiMH-Zellen
- Überblick über die NiMH-Batterie
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH) ist eine wiederaufladbare Batterie, die Nickeloxidhydroxid (NiOOH) als positive Elektrode (Kathode) und eine wasserstoffabsorbierende Legierung als negative Elektrode (Anode).
Im Vergleich zu Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) bieten NiMH-Batterien mehrere deutliche Vorteile:
- Höhere KapazitätDies trägt dazu bei, die Nutzungsdauer des Geräts zu verlängern.
- Geringere Umweltbelastungda sie kein Kadmium - ein giftiges Schwermetall - enthalten.
- Mehr Umweltfreundlichkeit sowohl bei der Nutzung als auch bei der Entsorgung.
Dank dieser Eigenschaften werden NiMH-Batterien in vielen modernen elektronischen Geräten und Fahrzeugen eingesetzt:
- Digitale Kameras
- Schnurlose Telefone
- Elektronisches Spielzeug
- Hybridfahrzeuge
NiMH-Akku
- Prinzip der Vollladeprüfung für NiMH-Batterien
Einige Indikatoren für eine volle Ladung prüfen auf Nickel-Metallhydrid (NiMH) Batterien basiert auf den physikalischen und elektrochemischen Veränderungen, die in der Batterie auftreten, wenn sie sich der Vollladung nähert. Während des Ladevorgangs werden mehrere charakteristische Indikatoren überwacht, um festzustellen, wann die Batterie ihre maximale Kapazität erreicht hat:
- Negatives Delta-V-Phänomen (-ΔV):
Wenn sich die Batterie der vollen Ladung nähert, steigt die Spannung jeder Zelle bis zu einem Spitzenwert und dann leichte Rückgänge aufgrund der internen Ionenumverteilung und des Einsetzens von Überladungsbedingungen. Dieser Spannungsabfall - typischerweise im Bereich von 5-15 mV pro Zelle-wird von vielen intelligenten Ladegeräten verwendet, um den Vollladepunkt zu erkennen. - Temperaturanstieg:
Wenn die Batterie fast voll ist, nimmt ihre Fähigkeit, elektrische Energie effizient in chemische Energie umzuwandeln, ab. Die überschüssige Energie wird stattdessen in Wärme umgewandelt, was zu einer schneller Anstieg der Zelltemperatur. Dieser Anstieg kann mit Temperatursensoren festgestellt werden und gilt als zuverlässiger Indikator für eine volle Ladung. - Erkennung des Spannungsschwellenwerts:
Gegen Ende des Ladevorgangs erreicht die Zellspannung in der Regel einen Wert zwischen 1,4 V und 1,5 V. Die Spannung allein ist zwar kein definitiver Indikator für eine volle Ladung, aber sie liefert wertvolle Daten, wenn sie mit anderen Messgrößen kombiniert wird. - Theoretische Berechnung der Ladezeit:
Basierend auf der Batterie Nennkapazität (in mAh) und die Ladestrom (in mA)kann die voraussichtliche Vollladezeit geschätzt werden. Diese Methode wird häufig als Sicherheitsabschaltung oder sekundäre Referenz in der Ladegerätekonstruktion.
NiMH Spannungsdiagramm bei konstantem Ladestrom
Hier ist die aufgezeichnete Ladekurve für eine NiMH-Batterie, die beides zeigt:
🔵Spannung pro Zelle: Steigend und dann leicht abfallend (-ΔV) nach voller Ladung
🔴Temperatur: Langsam ansteigend, dann steil ansteigend als Laden auch nach der vollen Ladung (-90min).
- Anwendung von Arbin Instruments für die Erkennung der vollen Ladung von NiMH-Batterien
Gegenstand der Prüfung:
- Ein NiMH-Akkupack (7S1P, 8,4V, 4,5Ah)
Gehen Sie davon aus, dass die Indikatoren für volle Ladung, die zur Überprüfung verwendet werden:
- Negative Delta V Terminierung: V - VSpitze = -60mV
- 10-minütiger kontinuierlicher Spannungsabfall
- Failsafe Maximale Ladezeit: 3 Stunden
- Sicherheitsspannungsgrenze: 10.5V
Um dieses Problem zu lösen, hat der Arbin-Ingenieur einen Zeitplan erstellt, der 2 Stufen mit einer Steuerungsart (CC-Konstantstrom bei 1,8 A) und einige Stufengrenzen enthält (siehe Abbildung unten):
Zeitplan für den Test
Der wichtigste Punkt des Schleifenschritts ist die Bedingung des "10-minütigen kontinuierlichen Spannungsabfalls". In Schritt CC, wenn die Spannung zu fallen beginnt (dV/dt<0), springen wir zu diesem Schritt in den Schritt Loop.
Die Höchstdauer dieses Schritts beträgt 10 Minuten. Wenn während dieser 10 Minuten dV/dt >=0 ist, bedeutet dies, dass die Bedingung des kontinuierlichen Spannungsabfalls von 10 Minuten nicht erfüllt ist. Wir müssen die Zeitmessung starten, um ein weiteres Zeitfenster von 10 Minuten zu überwachen, und müssen zu Schritt CC zurückkehren.
Wenn nach 10 Minuten die Bedingung dV/dt >=0 nicht erfüllt ist, dann ist die Spannung 10 Minuten lang ununterbrochen gefallen.
In diesem Schritt werden immer dann, wenn die anderen 3 Bedingungen erfüllt sind (Negative Delta V Terminierung: V - Vpeak = -60mV, Failsafe Maximale Ladezeit: 3 Stunden, Sicherheitsspannungsgrenze: 10,5 V) gilt der Akku ebenfalls als voll geladen.
Testablaufplan für diesen Zeitplan
In diesem Zeitplan haben wir den CC-Kontrolltyp (1.8A):
- Sicherheitsspannungsgrenze: 10.5V => Der Test springt zum Schritt Ladevorgang beenden, wenn die aktuelle Kanalspannung (PV_CHAN_VOLTAGE) 10,5 V erreicht.
- Failsafe Maximale Ladezeit: 3 Stunden => Der Test springt zum Schritt Ende des Ladevorgangs, wenn die gesamte Testzeit (PV_CHAN_Test_Time) 3 Stunden erreicht.
- Negative Delta V Terminierung: -dV/dT, -60mV => Wir haben Stufengrenzen erstellt, die die Formel F_A enthalten, wie unten abgebildet
NiMH-Delta-Formel
NiMH Delta Formel 2
In dieser Formelfunktion haben wir die Formel F_A erstellt, die die Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Spannung und dem höchsten Wert der Spannung in diesem Zyklus berechnet. Wenn das Ergebnis dieser Formel kleiner oder gleich -0,06 ist, springt der Test in den Schritt "Ende der Ladung".
- -dV Zeitschaltuhr: 10-minütiger kontinuierlicher Spannungsabfall => Wir haben Stufengrenzwerte festgelegt, wenn
- Ist der aktuelle Wert von Kanal dV/dt kleiner als 0 (PV_CHAN_dV/dt<0), springt der Test in den LOOP-Schritt.
- Wenn der aktuelle Wert des Kanals dV/dt nicht kleiner als 0 ist, wird der Test von der anderen Bedingung (PV_CHAN_VOLTAGE oder PV_CHAN_Test_Time oder F_A) abhängig gemacht, um zu entscheiden, ob der Endladungsschritt eingeleitet wird.
