摘要 - 现在电动车越来越流行，大家都在用锂电池，但还有很多混合动力车（HEVs）还在用镍氢电池（NiMH）。这些车开了这么多年，很多电池要么不能用了，要么性能下降，或者快到寿命尽头了。这就带来两个问题：一是这些电池处理起来很麻烦，对环境不好；二是车主得花更多的钱换新电池。2015年公布的专利WO2015092107A1提出了一种不用拆电池就能恢复性能的方法，但好像没什么实验数据支持这个说法。
有个研究团队就做了个实验，他们搞了个原型机，想看看这个专利里的方法到底管不管用。这个原型机不仅能测试这个专利，还能测试其他控制充电放电的方法。他们用丰田普锐斯的电池做了实验，结果发现这个方法可能没那么有效。现在，大家都在想办法怎么更好地处理这些电池，比如把它们用在别的地方，或者回收里面的材料。未来的研究可能会找到更好的方法来解决这些问题，让这些电池能再次利用，或者至少让它们对环境的影响小一些。![]()
1.简介
电动汽车发展及电池问题：多位作者分析了电动汽车的发展与未来，国际能源署（IEA）报告显示电动汽车销量呈指数增长，但电池材料价格高昂是主要阻碍。2030年预计将有大量电动汽车上路，虽可通过电池再利用、回收、循环经济和技术改进等方式减少电池需求，但材料价格上涨问题依然存在。这导致大量电池在使用寿命结束后被丢弃，电池回收和再利用困难，且制造电池的材料短缺。
电池二次利用及相关研究：一些举措可延长电池使用寿命，如用于存储可再生能源或在电力分配系统高峰时段供电等，能减少处理负荷和环境影响。许多研究探讨了电池二次利用的可行性，认为可延迟回收需求，但电池最终仍会耗尽成为废弃物。电池回收技术方面，铅酸电池回收技术成熟，但混合动力和电动汽车电池技术研究不足，虽有多种镍氢电池回收方法（主要为湿法冶金法），但这些方法会使电池无法再用于原始用途，因此电池再生成为一种可行替代方案。 电池再生研究现状与本研究目的：电池再生在铅酸电池技术中应用已久，但在其他技术中的研究较少。有研究提出四种镍氢电池再生方法，包括本文评估的专利方法，其他方法存在需拆解电池结构、数据不足或效果不佳等问题，且该专利方法缺乏科学文献证实其有效性。本研究旨在基于无监督和非侵入式原型，评估专利中镍氢电池再生方法的可行性，该原型可用于实施和评估该专利及其他基于受控充放电周期的方法，后续将详细描述技术特征、实验过程及结果讨论等内容。![]()
表1.NiMH再生方法。
2.基于专利的镍氢电池再生原型设计与实现
原型设计依据与总体描述：专利WO2015092107A1指出，再生电池需进行一系列恒流控制的充放电操作，通常使用标准电池充电器或再生器，丰田普锐斯电池（含28节镍氢电池，标称电压7.2V，容量6.5Ah）较适合。作者据此设计并实现了原型，可同时对28节电池进行恒流充放电控制，其操作方案见图1，主要特性和范围见表2。在系统开发阶段，制作原型有助于评估功能、发现潜在问题、测试想法可行性、优化设计，最终得到更完善的产品或流程。基于操作方案和原型特性，开发了充放电过程的总体操作（图2），有助于设备选型和电气系统集成。 ![]()
图1.操作方案,总体概述。
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图2.原型的一般操作。
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表2.原型特征。
原型具体设计与实现细节
电气原理图：图3展示了原型的总体电气图，图4和图5分别为充电和放电过程的电气图。 ![]()
图3.样机电气总图。
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图4.充电模式下原型的电气图。
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图5.放电模式下原型的电气图。
组件选择与连接
采用28个可调节电流/电压电源（图6）为电池充电，每个电源单独连接一节电池，可选择恒流充电电流。 ![]()
用28个电位器（图7）作为放电电阻，手动调节以实现恒流放电，其电阻值根据显示屏设定，电位器不影响电池内阻。 ![]()
图7.放电过程电位计（TE Connectivity，23系列）。
监测系统（图8）可跟踪单个电池在充放电过程中的电压、电流和功率流，通过28个显示屏实现对各电池性能的全面评估和对比分析。 ![]()
图8.显示监控系统（Caredy DT3010）。
充电和放电电路通过继电器（图9）实现，由“A开关”控制切换，使电池能在充放电模式间同步转换，同时每个电池还有单独的“B开关”（图10），用于隔离单个电池，因不同电池充放电时间可能不同，完成循环的电池需离线等待其他电池。电路还配备了保险丝，放电电路为1A，充电电路为1.5A，所选组件总结见表3。 ![]()
图9.所选继电器示例（Elego ASDIOFJ1）。
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图10.A或B开关示例（RS PRO 1858229）。
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表3.原型的选定组件。
其他设计特点
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图11.前面板.
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图12.带继电器的后面板。
实验操作流程：首先拆解电池保护组件以连接电池端子，然后用鳄鱼夹和香蕉插头将电池连接到原型，最后按照专利方法执行一系列充放电循环。3.基于专利方法的镍氢电池再生实验过程
实验电池选择与初始评估
为评估专利中的电池再生功能，选用两辆丰田普锐斯的56节电池进行实验，采用特定方法评估电池健康状态（SOH）。通过公式SOC(t)=Cr/Cm×100%（其中Cr为电池剩余容量，Cm为电池最大存储容量，本研究中Cm为46.42Wh）计算电池荷电状态（SOC），通过对电池进行充电至不同电压水平再放电，测量放电能量来确定Cr。 实验中先以0.5A电流对单个电池充电至8V，再以0.5A放电至2V，发现放电能量均未超9Wh，最大SOH为19.39%。进一步控制充电能量至15Wh后放电，部分电池最大SOH达22.92%，平均18.22%，低于20%的寿命终止阈值，表明电池状态不佳。再生实验电池选择与处理
基于SOH评估，选择21节SOH最高或状态相对较好的电池进行再生实验，部分电池虽有硫酸盐化端子，但按专利方法仍可运行。选定电池先以0.5A恒流充电，然后按专利方法分两阶段放电：先以6.5A快速放电至5.4V，再以0.6A连续放电至2.4V，在此过程中精确测量充放电能量，以确定两者关系并计算SOH。再生实验迭代次数确定与操作
根据专利，再生过程预期能提升电池充放电容量和SOH，为确定再生效果，实验迭代九次。迭代次数根据公式计算，考虑95%置信水平（Zα/2 = 1.96）、80%统计功效（Zβ = 0.84）、SOH提升25点的效应量（∆）以及标准差（σ为60点，即各电池最大和最小充电水平之差），计算得出需八次迭代，最终选择九次以确保研究充分。![]()
每次迭代间设置预定冷却期，确保电池处于稳定温度，防止过早降解，保证数据完整性，通过迭代检测电池特性改善趋势，评估再生过程效果。4.镍氢电池再生实验结果分析
充放电能量结果
图13展示了九次再生迭代过程中电池的充电能量，28节电池在充电放电循环后的结果显示，所有电池充电水平维持在14 - 16kWh之间，恒定强度的重复充放电未实现专利所述的再生效果。![]()
图13.每个电池中充电的能量。9个过程迭代的数据分布。
图14呈现了所有电池在迭代过程中的放电能量，每节电池在九次迭代中的放电能量（kWh）以图表形式展示，各电池沿X轴编号，放电水平在7 - 10kWh之间，虽有微弱提升趋势，但整体水平低，不足以证明再生过程有效，且跨电池比较分析表明通过再生实现电池性能大幅提升面临挑战。 ![]()
图14.每个电池释放的能量，9个过程迭代的数据分布。
图15显示了每节电池在每次再生过程中放电能量与充电能量的比值（pu）变化，再生过程预期该比值趋近于1，实际虽有向1靠近的趋势，但整体放电值仍低，表明电池能量平衡虽有改善趋势，但仍未达理想状态。![]()
图15.每个电池的放电和充电能量比（单位：pu）。9个过程迭代的数据分布和统计分析。
SOH结果分析
图16展示了每节电池在连续再生过程中SOH的动态变化，所有电池SOH值未超23%，多数电池无明显趋势，少数电池虽有趋势但不清晰，表明当前再生方法在恢复电池至最佳健康水平方面可能不够有效，需重新评估和改进再生方法或考虑二次利用选项。 ![]()
图16.每个电池中的SOH用于每个过程和统计分析。
图17 - 19详细评估了案例研究中SOH相对较高的不同电池的SOH演变，这些电池在连续再生循环中有显著提升，相对增强在47% - 58%之间，但平均SOH增强幅度较小（15% - 21%），这表明迭代再生过程对初始SOH值较高的电池健康有潜在大幅改善可能，但需进一步分析提升原因及可持续性，凸显持续监测和优化再生过程对电池维护策略的重要性。![]()
图17.每个过程中电池21的SOH。
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图18.每个过程中电池11的SOH。
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图19.每个过程中电池3的SOH。
5.研究的局限性、后续研究方向及电池二次利用相关探讨
研究局限性与后续研究方向：本研究发现专利方法对低SOH值或接近寿命末期的电池再生效果不佳，但因难以获取高SOH值电池，无法确定该方法对高SOH值电池的再生潜力。后续应使用不同SOH水平的电池进行类似测试，涵盖30% - 80%SOH范围，以10%为间隔分类，开发能自动调整充放电电流条件的先进原型，可参考相关研究中的电池表征系统（结合物联网技术和低成本硬件），以全面探究电池再生在不同健康状态下的可行性。同时，该研究方法也可应用于锂电池再生研究，目前此方面研究较少。电池二次利用相关情况：对于SOH低于70%的电池，二次利用是降低电动汽车初始成本、创造额外收益流的有前景方法。有研究表明，从电动汽车退役的镍氢电池在某些固定应用场景中的性能不低于新的铅酸电池，甚至在部分场景中使用寿命更长。电池二次利用涉及运输、测试和翻新成本等问题，相关研究指出退役电池收购成本和测试劳动力成本约占二次利用电池总成本的70%。此外，电池的重复使用或回收能显著减轻环境负担，如减少二氧化碳排放、资源消耗、垃圾填埋空间占用和能源消耗等，凸显了这些策略的环境优势，但电池二次利用用于次级应用也存在技术和物流复杂性。6.总结
本研究旨在评估一种再生镍氢（NiMH）电池的专利方法的有效性。作者通过自行开发的原型，并将该方法实际应用于老化的丰田普锐斯电池进行真实测试实验。首先按照专利建议步骤对电池进行初始诊断以确定其健康状态，然后对选定的21节电池应用完整的再生过程。与专利预期相反，首次应用后电池未显示出再生迹象。于是按照专利规定的时间间隔连续重复该过程九次，但所有电池均未表现出再生效果。研究结论表明，该专利中描述的再生过程对SOH值极低或接近寿命末期的电池无效，未来可能需要进一步研发工作来改进再生过程，以提高其在这类情况下的功效。
