CN1093202A - 电池充放电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

电池充电系统(100)包括电源(200)和振动装置 (210)，电源给电池提供电流用以充电，同时通过振动 装置振动电池提高电池的供电容量。电池放电系统 包括电负载(300)和振动装置(210)，负载与电池电 连接，当电池在放电时振动装置振动电池。

Description

本发明广泛地说涉及电气系统及其关于单个或多个电池充放电的相应方法，具体涉及在充放电过程中提高电池额定容量的系统和方法。

可再充电的密封电池需要快速充电的装置和方法。一般来说，快速充电指等于或大于电池标称一小时电流额定值的任何电流。标称一小时额定值一般称为容量C。容量C更明确的定义为在选定电压，如每节电池1伏下，一小时的标称额定放电电流。例如，一个标称额定值为1.5安培小时的电池的额定C值为1.5安培，那么，任何加在该电池上的超过1.5安培的充电电流就认为是快速充电电流。相反，慢速充电或点滴式充电则一般认为是任何小于C的电流，通常在0.1C到0.5C附近。

可再充电电池可以以多种速度充电，从点滴式充电速度如0.1C到高达10C的相当高的充电速度。可再充电电池的用户希望电池提供最大的容量和最小的充电时间。从这个意义上来说，高充电率的电池是迫切需要的。遗憾的是，电池的供电容量随着充电速度的提高而下降。图1表示了供电容量和充电速度之间的关系。

由于以上原因，电池的供电容量和再充电速度之间要加以折衷。一般地，这种折衷要求充电率在0.2C到1.0C之间以提供可能的最高有效容量，同时仍保持合理的充电时间。能提供高供电容量和很短的再充电时间即再充电率大于C的方法将是迫切需要的，而且是对这个领域的一个很大的贡献。可再充电电池的用户们将发现这个方法比以往方法有很大的改进。

简单地说，根据本发明所述，提供一个电池充电系统。这个系统包括一个电源和一个振动机构。电池给电池提供电流用来给电池充电，同时振动机构使电池产生振动以提高电池的供电容量。

在本发明的另一实施例中，有一个使电池放电的系统，它包括一个电负载和一个振动机构。负载和电池连接，在电池放电的同时，振动机构振动电池。

本发明的其余实施例包括电池在充放电的同时振动电池以提高供电容量的方法。

图1显示了在以前技术下，电池供电容量作为充电率函数的关系曲线。

图2是一个电池单元的示意模型。

图3是根据本发明所述的一个电池充电系统的表示图。

图4是根据本发明所述的一个无线电设备的示意图。

图5给出根据本发明所述充了电的电池的供电容量的例子。

现在给出本发明描述。通过结合标有相同参考数字的附图研究下面的说明，会对本发明有一个很好的理解。在本文中“电池”和“蓄电池”是可以互换的述语，“电池组”表示连接在一起的两个或几个电池。

图2所示是一个可再充电电池在充电周期期间的示意图。电池或电化学电池100有一个负极或阳极110和一个正极或阴极120。电解质150在阳极110和阴极120是提供电连接。电池100还被连接到电池130，以便从电源130接收充电电流。电源130可以是任何数量、不同类型的电源，如一个或几个充了电的电池、交流源、直流源（如可由变压器提供），或者其他类型的电源。在充电过程中，正离子160从阴极释放，穿过电解质150沉积在阳极110，在放电周期中则相反。本发明的充电系统和方法适用于任何类型的可再充电电池，如耐酸铅电池，镍镉电池，锂电池、镍金属氢化物电池等。但最适合于电解质是固态或聚合物质的电池。一般说来在这种电池里，阳离子160是锂离子，为给电池100充电，锂离子160必须穿过固态聚合物电解质150从阴极120到阳极110。虽然阴阳极距离很近，但电解质150是固态物质，这一事实阻碍了锂离子160在充放电周期中自由迅速地适移到达阴极或阳极。在电解质150是液态的系统中，如耐酸铅电池，阳离子160的迁移就快得多也均匀得多。

正离子160穿过电解质150的迁移速率与电解质的离子导电率直接有关。从而决定了电池的充电速率C。离子在电解质中的扩散速率也限制了电池的充/放电率。由于正离子160的质量传递率受电解质150的基体限制，因此C的有效上限值受到限制，一般固态的电池的C的有效上限值远比其他类型电池的小。在这类电池中，离子扩散是唯一一种可得到的质量传递方式。质量传递率可以通过改变扩散速率得到改进。例如提高温度或提供强迫对流质量传递。提高温度给系统增加了更多的能量，从而提高了质量传递速率。然而在温度升高的同时电极上产生了消极效应，从而降低了提高质量传递带来的积极效应。应用使电解质强迫对流的方法（如摇动或搅动）也可提高质量传递速度。

利用搅动强迫对流已应用于电镀工业中，通过搅动阳极、阴极、电解质或三者的组合体来获得更高的效率，更光滑的镀层和更高的电镀速度。由于可再充电电池一般是密封的，利用使电解质强迫对流（如摇动或搅动）即使可以实现也是很困难的。另外，一些类型的电池的固体电解质也防碍了摇动或搅动。这样使得在充放电过程中离子亦即质量在电解质或电极中的传递只能依靠扩散来实现。

参照图1，可以看出电池的供电容量随充电率的增加而下降，为了获得黾池的额定供电容量，充电率应该小于1C，在固态电池中通常为0.1至0.5C。可以看出对于超过C的充电率，电池的供电容量只能达到额定容量的10%到50%。例如，在5C下充电，只能得到电池容量的几分之一。通过利用强迫对流，图1中曲线的形状和位置是可以变化的，从而高速充电可以提供大供电容量。

在本发明的最佳实施例中，使电池受到振动，振动频率最好是超声波频率，以提供所需要的对流质量传递。超声频率振动（即频率超过20，000Hz）由超声波换能器装置实现。在充电周期中，电池的超声振动提高了主要离子（如锂电池中是锂离子）穿越电解质从一个电极到达另一极和在每个电极内的质量传递速度。结果，更平滑的镀层和阳离子在阳极上高效的沉积产生了更有效的电极。较高的质量传递率可以看作电池的额定容量有显著提高，从而大大缩短了该电池的充电时间。

参照图3，电池或电池组与电源210电连接，电源200通过电接头228与214给电池提供充电电流，在给电池400通以充电电流的同时，电池由一个振动装置210（如超声波换能器）加以振动，振动装置210置于电源200内。例如，如果电源200是一个电池充电器，则在充电器机壳内应装有一个超声波换能器，也可以利用由各种机械手段提供的低频或高频振动，如簧型振动器，水平式马达，中间有电磁棒的线圈（与螺线管一样），或偏心凸轮。例如振动器可以装在充电器壳内，在充电周期中给电池一个低频振动。

在另一个实施例中，振动源或振动装置220可以装在电池组400里。例如，电池组400在外壳250内装有一个或多个电池，包括一个小换能器或其它振动源220，当振动源与电源或电池充电器200相连时，可以提供使电池组400产生振动的动力。

同样可以发现在放电周期中如果电池被振动其有效容量也可增加。这种情况的原理与充电过程相似但现象相反，即锂离子从阳极以更均匀更快的方式迁移到阴极，与扩散是唯一机制的常规系统不同。在放电过程中的强迫离子对流使贮存在电池中的电能得到更有效的利用。与充电周期图解一样，振动源可以放在电池组本身上，或者装在负载上，还可以装在被电池供电的电装置300上。负载可以是一个无线电发送机，电动小车或其他类型的以变化的速率消耗电能的负载。其他与电池相联的负载可以是其他类型的电气装置，如阻性负载和有源负载。适合于本发明的负载可以具有消费型电器，便携式计算机，便携式收音机和便携灯等。根据应用类型，振动器可以在仪器或负载一开始运转就受到驱动，或只在负载从电池中抽取的电流是等或超过预定值（如额定容量）时再受到驱动。例如，当电动小车在加速过程中需要一个大电流时，电池被振动以提高离子的质量传递率，从而提高电池的有效容量。

在本发明的另一实施例中，可以看到在本文中描述的电池组在便携式通讯应用中有特殊的用途，如图4，根据本发明中所述的电池组给无线电设备30提供电能。这种无线电设备可以是任何众所周知的设备。如摩托罗拉公司生产的双向无线电设备，它可以有接收发送两种模式，无线电设备30包括接收部分31和发送部分32，包括用于无线电通讯，即发送或接收通讯信号。

在接收模式，便携式无线电设备30通过天线33收到一个通讯信号。一个发送/接收转换开关（T/R）34将接收到的通讯信号耦合到接收器31，接收器31接收通讯信号并对之解调，并将其声频部分提供给扬声器36。本技术领域的一般技术人员应该知道在本文中未阐述的其他功能可能由别的合适装置来实现，包括控制无线电设备30的整个工作的控制器（图中未画出）等。

在发送模式下，正如我们所知道的，从麦克风37耦合出声音信息，用其调制一个载波信号。调制后的载波信号通过T/R转换开关34加到发送通讯信号的天线33用于传输。应当知道按照本发明的电池组可接到无线电设备30上以提供一个电源。

下面给出一个给电池充电的系统及方法的例子，该装置实现了供电容量的提高。

一节Asahi化学公司生产的“AA”电池被充电。AA电池是石墨电极锂离子电池，额定值为350毫安-小时。一个计算机控制的，高分辩率电池循环测试仅用于对电池充放电，所加电压在2.5至4.2伏之间。对电池充电状态的数据每十分钟进行一次采样。充电电流的范围在50mA到100mA之间作为控制依据。然后将电池与由计算机控制的充电器相联，放进以31KHz工作的超声波清洗仪中（由Faber-Castell公制造的9999B型）。这种电池在有超声波帮助的不同电流下被充电。所有测试在室温下进行。图5显示了实验结果。

在传统的充放电方式中，随电流亦即充电率的增加，电池容量下降。图5中曲线500表示了随充放电率的增加电流分别为50mA，100mA.和1000mA时容量下降的关系。曲线520表示了当电池被施加超声波振动后充电率为100、200和300mA时的测试结果。可以看出电池的供电容量或有效容量提高了100%以上。可以推知供电容量的提高是由于阳离子穿过电解质和电极的质量传递率的提高而造成的。通过强迫对流增加了沉积在电极上的锂离子数目，提高了沉积过程的效率，从而提高了电池的供电容量。

本技术领域的技术人员很容易明白提高电池的有效容量是有益的，此外还可以进一步知道在高的充电率下能使有效容量提高是更有益的。应用超声波振动显著提高了可再充电电池的供电容量，具有显著的优点，超过了以往的技术。

尽管例释和描述了本发明的最佳实施例，但应该清楚本发明不限于此。对本技术领域有经验的技术人员来说各种修改、改造、变动、替换和等效都是不脱离本发明的思想和范围的，因而除所附的权利要求外，这里不打算对本发明做更多限制。

Claims (10)

1、一种电池充电系统，其特征在于它包括：

一个电源，和

一个振动电池的装置，电源给电池提供充电电流同时振动装置振动电池。

2、根据权利要求1所述的系统，其中振动装置在电池内。

3、根据权利要求1所述的系统，其中振动装置在电源内。

4、一种给电池充电的充电器，其特征在于它包括：

一个外壳;

一个装在外壳内的电源;

一个由外壳装载的振动器，用来在电源提供电流给电池充电时使电池机械振动。

5、一种电池组，其特征在于它包括：

一个外壳;

至少一个位于外壳内的电池;

设置在外壳内的振动器，它与电池机械连接。

6、一个电池放电系统，其特征在于它包括：

一个负载和

一个振动装置，负载与电池电连接，同时振动装置振动电池。

7、一种电池放电系统，其特征在于它包括：

一个电池;

一个与电池相联的电负载;和

一个当负载从电池抽取能量时对电池提供机械振动的振动器。

8、权利要求7所述的系统，其中所述的振动装置只有在负载从电池中抽取大于额定电池容量的能量时才开始工作。

9、一种增加电池容量的电池充电方法，其特征在于它包括在振动电池的同时给电池提供充电电流。

10、一种增加电池容量的放电方法，其特征在于它包括在振动电池的同时将负载加到电池上。

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