CN101449446A

CN101449446A - 用超波动充电的电池

Info

Publication number: CN101449446A
Application number: CNA2007800034580A
Authority: CN
Inventors: I·I·达尔迪克; V·克拉克维; S·L·列辛; A·夏皮罗; T·泽尔罗夫; A·艾-伯赫; H·布兰诺维尔; I·泽尔博曼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2009-06-03
Also published as: WO2007087380A8; US20070170895A1; EP1977494A1; CA2640362A1; JP2009525022A; WO2007087380A1

Abstract

提供一种使用幅度和频率调制电流为可充电电池充电的装置和方法。

Description

用超波动充电的电池

[0001]本申请要求申请日为2006年1月25日，申请号为60/762,350的美国临时专利申请的优先权，并通过引用而将其整体包含于此。

背景技术

[0002]可再充电电池通常需要一特定时间段充电至满容量或是接近满容量。可充电电池也通常具有一定的循环次数，在此之后不能再对其充电。

[0003]如果输入电流增大，充电时间则通常缩短。但是，如果输入电流增大过多，或至少超过一特定阀值，电池寿命的循环次数也通常可能缩短。

[0004]因此，本发明的一个目的是缩短电池的充电时间，同时维持或甚至增加电池的通常寿命循环次数。

发明内容

[0005]根据本发明，提供一种为可充电电池充电的方法。该方法可包括将“超波动”，幅度和频率调制的电源，施加到电池，在充电期间至少监控该充电过程的第一特性参数，至少将该第一特性参数与相应存储的表示充满电的电池状态的基准参数组相比较，基于比较，选择所存储的基准参数组中的一个，以及当至少第一特性参数已接近或超过所存储的基准参数组中的一个时，结束充电过程。

附图说明

[0006]结合附图考虑到下述具体描述，本发明的以上和其它优点将会更加明显，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：

[0007]图1图示根据本发明的超波动波动现象；

[0008]图2-5图示根据本发明的多级调制振荡的算法；

[0009]图6是根据本发明的典型“超波动”充电模式的图表；

[0010]图7是根据本发明的在直流和“超波动”调制电流上电池充电-放电测试的实验设置的布图；以及

[0011]图8示出根据本发明的被“超波动”调制电流充电的被测电池以及被直流充电的被测电池的容量衰减速率。

具体实施方式

超波动(superwaving)：

[0012]本发明可提供缩短的电池充电时间，同时至少基本上维持电池的常规寿命循环次数。在本发明的一个优选实施例中，电池可通过电流(电)脉冲充电。但是，这些脉冲不是恒定的幅度及持续时间，而是处于一个模式之中，其中脉冲的幅度和持续时间以及其间的间隔可以像在超波动中那样为电池提供更有效的充电。

[0013]这一脉冲模式是根据Irving I.Dardik发表在于1994年3月/4月出版的“Cycles”杂志上的文章“宇宙的伟大定律(The Great Law of the Universe)”中提出的理论中阐述的超波动波动行为。此处结合该篇文章作为参考。

[0014]实际上，波的频率和幅度成分的变化并不独立且彼此不同，而可能是并发的一个并且相同，同时表示两个不同的等级水平。任何波频率的增加都可同时建立一个新的波模式，因为所有的波中都包含有更小的波和变化的频率，且二者彼此依存。

[0015]每个波必然包含较小的波，也可被较大的波所包含。这样每一个高幅低频的主波可通过很多更高频低幅的次级波来调制。超波动动可以是其中彼此波动的波的行进过程。

[0016]图1(改变自Dardik文章中的图示)简要图示超波动动的波动现象。图1例如描述了低频主波110由例如次级波120和130调制。次级波120和130具有逐渐增高的频率(相对于主波110)。其他甚至更高频率的次级波可调制主波110，但由于简洁并未示出。

[0017]“波动波”或“超波动”类型信号的产生算法是相对简单的。可选出一个载波振荡，并且表示为：

(1)。

例如，图2示出这样的载波振荡的示例，其中A₀＝1，ω₀＝1，

。通过迭加幅度调制，最终的振荡可变为如下形式：

F₁(t)＝A₀sin²(ω₀t)(1+A₁sin²(ω₁t)) (2)。

[0018]例如，图3可示出基信号F₀(t)的幅度调制，其中n₁(＝ω₁/ω₀)＝5，A₁＝1。第二和第三调制水平可包括相似的过程，并可被描述为：

F₂(t)＝A₀sin²(ω₀t)(1+A₁sin²(ω₁t)(1+A₂sin²(ω₂t))) (3)和

F₃(t)＝A₀sin²(ω₀t)(1+A₁sin²(ω₁t)(1+A₂sin²(ω₂t)(1+A₃sin²(ω₃t)))) (4)。

例如，这些调制信号分别在图4和5示出。

[0019]此外，这样的幅度调制信号可被频率调制修正。在这样的情况中，可选择频率调制的参数从而使调制信号的最大频率与最大幅度的范围一致，以及使调制信号的最小频率与最小幅度的范围一致。频率调制过程，类似于幅度调制，可被重复很多次从而建立高水平的调制。

[0020]本发明的某些实施例中，可采用多级算法产生“超波动”。例如本发明的某些实施例中采用的“超波动”调制信号的典型形状如图6所示。

[0021]“超波动”行为可能以前在各种应用中使用过。这些应用的示例已在申请号为10/161,158,10/738,910,10/916,846和11/061,917的美国专利申请中阐述，其都均通过引用而被整个包含于此。

[0022]然而，“超波动”行为迄今并未被应用到电池充电技术中。本发明将超波动动现象应用到电池充电中。另外，本发明提供反馈机制，通过其可确定诸如电压和温度对时间的充电梯度(即，dV/dt或dT/dt)。基于该充电梯度，可按照需求修正一个或多个实施超波动的参数。

[0023]应当注意到在充电中采用超波动可实质上提高充电效率。通过采用信息反馈循环以进一步提高充电效率，实质上缩短了充电时间，却并没有减少、反而甚至增加了电池的寿命循环次数。

电池：

[0024]使用“超波动”模式为电池充电将在此处以镍氢电池(NiMH)为例进行描述，本发明不限于该特定的电池类型。由于它们的高能量密度，以及它们可能不包含有毒金属的事实，NiMH电池可有各种应用，包括但是不限于，移动电话、膝上型电脑和数码相机。另一方面，如果反复深度循环，通常这种电池类型以有限的使用寿命为特征，特别是在高负载电流下，在200到300个循环之后性能开始恶化。

[0025]参照本发明，已经采用AA型额定容量为2500mAh的可再充电的NiMH“GP”2500电池进行了各种检测。在开始充电-放电循环之前，通过采用标准电池小型La Crosse BC-900充电器为被测电池和参考电池充电。

[0026]为了对比“超波动”充电的效果，可以组装4通道充放电工作站，其能够同时检测两对电池。一对电池通过“超波动”调制电流充电，而第二对通过直流电流充电。所有通道的设备运行和数据采集可通过采用Labview软件的计算机PC提供。例如，图7示出了根据本发明的用于充放电电池检测的实验系统装置10。例如，系统10包括可充电电池1、开关2、电源3、热电偶4、具有数据采集卡的个人电脑5和一个电子负载6。

[0027]在一个实施例中，两个被测电池通过“超波动”调制电流充电，其由计算机5产生并由两个处于恒电流模式的电源3放大，而两个参考电池1通过2通道直流电源3充电。调制电流的平均值设置为与该直流电流相等。

[0028]通常认为电池每小时以它们额定容量“C”的0.1可被安全充电。例如，2500mAh的电池可在250mA充电，而不会引起导致内部损坏的内部热量增加。

[0029]因此，为了示出“超波动”调制充电电流的优势，采用用于参考电池以及用于被测电池的增大的0.2C平均电流，以提供加速充电。本发明的一个目的在于提供高电池充电速率而不缩短电池寿命。所有电池的放电可在直流下通过4个独立的电子负载6进行。根据被测电池和参考电池在放电时测量的容量衰减率，将它们进行对比。工作站10可采用反馈机制自动运行，通过反馈机制充电在超过预定温度时终止，例如，当电池接近充满电时。放电在达到预定低电压限值时终止。在该特定实施例中，选择最大的持续时间作为用于充电和放电阶段的第二预定限值。

[0030]没有电流时，每个半循环(例如，充电和放电阶段)后进行0.5小时的休息。所有的数据，包括例如充电和放电电流、电压、充电电池状态(SOC)、电池内部阻抗和温度，被DAQ系统5监测并存储。

[0031]发现保持相同充电时间使用超波动充电实质上提高了电池性能。例如，如图8所示，通过“超波动”调制电流充电的被测电池的容量衰减率(曲线1)比通过直流充电的参考电池的容量衰减率(曲线2)低4倍。例如，在该实验中，平均充电电流大约为500mA，而放电电流大约为400mA。

[0032]因此，相对于采用传统充电方法可达到的寿命时间，由“超波动”幅度和频率调制的电流充电的电池的寿命时间可得到显著的延长。

[0033]本发明的另一方面涉及到响应于反馈信号而进行调节的参数，例如充电速率。用于快速充电的充电电池状态(SOC)探测器可为各种类型和等级的电池的格式化、充电和再充电提供有效的手段，例如在Reipur等人的美国专利5,686,815，Ding等人的美国专利6,094,033和Koenck的美国专利6,075,342中阐述的，其每一个都通过引用而被整体包含于此。

[0034]该探测器可决定待充电电池的SOC，然后可基于对SOC的判断选择最优的充电信号曲线。在充电过程中，为了给充电信号选择合适的波形，探测器可持续监测电池SOC。该充电信号可为超波动，具有基于所探测的电池SOC而选择的每个充电脉冲的幅度、脉冲宽度和/或频率。预设的电池参数，包括但是不限于，电池两端的充电电势、提供给电池的充电电流、等效的电路电容和电阻、电化学过度充电、最大/最小电池温度和最大/最小电池内部压力及其它，也可与电池充电过程中的监测值相比较，以控制充电信号从而避免电池损坏。充电过程可持续到直至所探测的电池SOC达到100％或直到充电逻辑指示充电过程应该停止时为止。

[0035]在另一示例中，系统可自动辨识电池类型并逐渐增加充电电流，同时监测电池终端电压的增加以确定负载电流的水平。电池的温度可以引入与环境温度的关系，以通过应用合适的过充电电流值并观测所导致的温度增加，确定剩余电池充电的水平。例如，如果发现电池放电较彻底，则可以安全地采用相对高的快速充电率，同时监测电池温度。

[0036]如图6所示的波模式(尽管可以理解还有很多其他可能且在本发明的范围内考虑)，可响应于来自于电路(未示出)的反馈被交换，以确定在诸如连续的、半连续的、或周期的方式中的充电梯度。

Claims

1、一种为可再充电的电池充电的方法，该方法包括：

将幅度和频率“超波动”调制的电源应用于电池；

充电期间至少监测充电过程的第一特性参数；

比较至少第一特性参数和相应存储的表示电池充满电状态的基准参数组；

基于所述比较选择所存储的基准参数组中的一个；和

在至少第一特性参数已经达到所存储的基准参数组中的所述一个时，结束充电过程。

2、权利要求1的方法，其中所述至少第一特性参数是电池温度，以及第二特性是平均电压导数。

3、权利要求1的方法，其中如果所测量的至少第一特性参数超过相应参数的预定值时，结束充电过程。

4、权利要求1的方法，其中通过供给涓流“超波动”调制电流到电池以维持电池充电，在充电过程结束之后维持电池的充电状态。

5、一种为可充电电池充电的设备，该设备包括：

可编程或可预编程的电源，可产生幅度和频率“超波动”调制电流；

用于在充电期间监测充电过程的至少一个特性参数的装置；

用于在超过表示电池接近充满电的预定参数时，结束充电的装置；和

用于在电池充满电之后，提供涓流“超波动”充电的装置。