CN1332846A - 检测镍镉电池中记忆效应的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种判断镍镉(NiCd)电池(24)是受到记忆效应的损害的节省时间的方法。接受测试的完全充电的NiCd电池(测试电池)被施以正斜坡形电流充电斜坡(42)和负斜坡形电流充电斜坡(46),同时连续地监视该电池端电压(44)。将测试电池(24)的最大测量端电压与相同标称电压和容量的、已知没有记忆效应(正常电池)的镍镉电池的所测得的端电压(44)比较。如果测试电池的最大电压超过了正常电池的最大电压,则判断镍镉电池(24)具有记忆效应。

Description

检测镍镉电池中记忆效应的装置和方法
政府声明
本发明的整个内容或部分内容是按照政府合同号N00164-96-C-0045为美国海军开发的。根据该合同的条款，美国政府享有本发明的某些权利。
发明背景
本发明涉及可再充电电池，具体来说，涉及分析镍镉电池的记忆效应。镍镉电池遇到常被称为记忆效应的现象。记忆效应指电池在持续的使用期限内将其电特性调整为曾经历过的某个工作循环的倾向。参见T，R.Crompton的《电池参考手册，第二版》第19章，第11页，Reed Educational and Professional出版有限公司。当超过该工作循环使用该电池时，所提供的电力就处于较低电压。其后，这种低电力的使用方式限制了电池可提供的有用能量。在实际使用情况中，只有当多次不充分放电的循环后需要满容量状态下使用电池、但因负载条件下的较低电压的原因限制了电池以可接受的电压工作的时间时，记忆效应才会被注意到。
目前，没有方法在不进行完全放电的情况下判断镍镉电池是否存在记忆效应。
因此，存在一种需要，在不进行完全放电的情况下检测完全充电的镍镉电池中的记忆效应。
附图简介
图1是电池充电和分析电路的示意图；
图2表示的是电池充电过程中，电压和电流的曲线图；
图3a表示本发明的评估周期内，电压和电流的曲线图；
图3b是交流充电曲线；
图4是图示20安培-小时(Ah)镍镉电池在大量评估周期后的结果的曲线图；
图5是20Ah记忆效应电池和正常电池的最大充电电流的曲线图；
图6是图示10Ah镍镉电池在大量评估周期后的结果的曲线图；以及
图7是10Ah记忆效应电池和正常电池的最大充电电流的曲线图。
发明介绍
本发明提供一种判断镍镉电池是否受到记忆效应的损害的节省时间的方法。接受测试的完全充电的镍镉电池(测试电池)被施以正斜坡形电流充电斜坡和负斜坡形电流充电斜坡，同时连续地监视该电池端电压。把测试电池的最大测量端电压与相同标定电压和容量的、已知没有记忆效应(正常电池)且使用相同电流充电斜坡和电压测量值的镍镉电池的所测得的端电压比较。如果测试电池的最大电压超过了正常电池的最大电压，则判断该镍镉电池存在记忆效应。下面对本发明的最佳实施例予以说明。
图1中显示的是示范性的充电系统。镍镉电池充电系统10包括与数据采集系统14、如National Instruments SCXI数据采集系统结合的微处理器12。数据采集系统14的组件包括Labview 4.0软件、信号加工单元(如National Instruments信号波形加工系统，它具有数模转换器和模数转换器)以及温差电偶模块。系统10还包括：可编程电源16；继电器18；测量电流的50A、50mV的支路20；测量温度的温差电偶21，测试中的装置22(本例中为24V镍镉电池)；以及保护电源的二极管24。工作时，使用Labview4.0对微处理器进行编程，以便控制电源16的电流输出以及接通/断开继电器18完成电池22的电连接/断开。微处理器12存储数据采集硬件所获得的电压，电流和温度数据。
一旦与充电系统10连接，将电池22充电到满容量，即100％的充电状态，如图2中用曲线表示的。这是通过向电池施加恒定电流26来实现的。对电池施加这种恒定电流充电时，电压经历三个阶段：表示充电反应的平缓电压上升，如时间段28所示；表示发生气体反应的急速电压上升，如时间段30所示；以及显示气体反应和充电反应同时进行的平台区，如时间段32所示。在时间段28中，电池电压逐渐上升，直到输送到电池的累积电荷达到电池电荷容量的大约80到90％。在此点处，至少73％的电池容量可供正常放电。当时间段30进一步充电时，电池电压很快上升同时电池开始产生气体且进入充电过程的末期。电池电压达到稳定，直到时间段32的末期电池完全充电为止。在时间段34，由于到了电荷充电过度部分，电池电压开始逐渐降低。在过度充电部分检测到15mV的压降后，在点36终止电流充电，于是使电池处于开路；在时间段38，完成全充电。
在电池22的温度和开路电压达到稳定状态之后，使电池经历图3a中所示的评估周期。在开始该评估周期之前，根据电池制造商所公布的电池特性确定安全电压和电流限制。在评估周期中，递增的充电电流42加到电池上。充电电流最好从零值开始，以线性方式递增到充电系统可以输出的最大电流或者所标定的安全电池电压和电流极限值，选择二者中较低的一个。在实际情况中，由于电源输出的与设计值比较的滞后时间的原因，充电电流呈现图3a所示的情况。递增电流充电不一定要是线性的，只要按照已知的时间函数递增即可。另外，还可以在斜坡测试过程中使用具有递增电流的连续脉冲，如图3b所示。
然后按任何负斜率46递减电流充电斜坡，直到电流变为零为止。递减电流充电的斜坡最好与电流充电42的相同。在电流充电阶段42和46期间，不断的测量和记录电池端电压44。确定所测得的最大测试电池电压，并将它与经过相同电流斜坡测试的正常电池的测得最大电压比较。
存在记忆效应的镍镉电池将会在电流充电斜坡周期中的44处测得高于对正常电池测得的最大电压。
判断记忆效应的另一种方法是检验电流充电斜坡周期中电池电压曲线的斜率。我们已证明，当电池存在记忆效应时，电池电压曲线呈现更陡峭的斜率。
判断记忆效应的再一种方法是测量电流充电斜坡周期中实现最大电压所需的最大电流。我们已证明，对于存在记忆效应的电池，所述最大电流低于正常电池。
示例1：
使用上述的方法对20 Ah，24V镍镉电池完全充电，然后完全放电，以判断电池的容量。在放电过程中，从电池拉出一恒定电流，直到电池电压抵达18.05V(为此使用的是随机值)。电池的容量是按照将从电池拉出的电流和达到18.05V所需的时间相乘。完成三个充电/放电循环，计算出电池的平均容量。然后，根据电池平均容量确定将电池放电到状态充电50％的所需的时间。按照图2所示的上述过程，将电池放电到50％充电状态，接着再充电到满容量，循环五次。
在每次再充电周期之后，对电池实施电流充电斜坡测试(图3)。斜坡周期所用的电流斜率为0.22A/500毫秒。这些测试是在如下条件下进行的：电压极限值为27.55V和电流极限值30A。这样20Ah电池就经过了第六个50％工作周期，此时该电池具有存在记忆效应的电池的特性。然后将完全放电的电池恢复到18.05V。
参照图4，曲线50表示电流充电斜坡测试中受记忆效应影响的电池的表现。当对电池进行五次如上所述的50％工作循环时，电池显现记忆效应。曲线52和54分别说明在导致记忆效应之前和经过对电池进行恢复而消除记忆效应后的电池电压表现。显然，曲线50的斜率比曲线52和54的陡峭。另外，还显示存在记忆效应的电池在缓变测试中最大电压为28.4V，同时电池的初始状态和恢复后的状态中，峰值电压均低于27.9V。还有，特别要注意的是，对电池反复施以50％工作循环，而导致记忆效应的同时，在每个连续电流充电斜坡周期中峰值电压会递增。
图5说明电流斜坡周期中电流充电幅度的变化。在初始状态、记忆效应状态和恢复后状态中，电池经过电压极限值为27.55V的电流斜坡周期。一旦达到最大电压，电流斜坡的斜率将会改变方向(图3)。由于对于记忆效应状态，所测得电池端电压上升较快，所以较快达到电压极限值。相应地，当电池中存在记忆效应时，这就限制了斜坡测试中的最大电流。如图5所示，曲线70与分别用曲线72和74表示的初始状态和恢复后的状态的最大电流充电相比较，用曲线70表示的记忆效应电池具有最小的充电电流最大值。
示例2：
对10Ah镍镉电池实施相同过程和测试。参照图6，曲线60表示10Ah记忆效应的电池显现在时间上较早的电压上升，且呈现比初始电压曲线62陡峭的斜率。再者，在斜坡测试过程中接受测试的记忆效应电池的最大电压为28.2V，而初始状态和恢复后的状态的电池所呈现的峰值电压低于28.0V。
图7显示在斜坡周期中记忆效应电池所达到的最大电流值(曲线80)比初始状态的值(曲线82)低。
斜坡测试循环中加在所述系统上的安全电压和电流极限值对电池有显著的影响。因此，特别要记住的是，对于镍镉电池可以将这些极限值设置为某个范围内的不同值，以便产生不同的校准曲线。只要对需要确定其容量的电池施加以与确定校准曲线时所用的相同条件，则结果应该与所公开的相同。例如，可以把镍镉电池的安全电压极限值设置在每个电池单元1.3到1.65V的范围。
显然，上述特定实施例仅仅是对本发明的原理的解释，本专业的技术人员可以在不背离本发明的仅受以下的权利要求书限制的范围和精神的情况下进行各种修改。

Claims (10)

1.一种用于判断完全充电的镍镉电池是否有记忆效应的电特性的方法，它包括：
a)对所述电池施以递增电流充电，然后施以递减电流充电；
b)在步骤(a)的过程中测量所述电池的端电压，并确定所述最大测量电压；以及
c)将所述最大电压与阈值比较；
这样，如果所述最大电压大于所述阈值，则所述电池具有记忆效应的电特性。
2.权利要求1的方法，其特征在于：所述递增电流充电按照时间函数递增。
3.权利要求1的方法，其特征在于：所述递增电流充电是电流脉冲，其中每个后续电流脉冲的电流幅度高于前一个电流脉冲的电流幅度。
4.权利要求1的方法，其特征在于：所述递减电流充电按照其绝对值与所述递增电流充电的斜率的绝对值相同的负斜率递减。
5.权利要求1的方法，其特征在于所述递减电流充电是电流脉冲，其中每个后续电流脉冲的电流幅度低于前一个电流脉冲的电流幅度。
6.权利要求2的方法，其特征在于：所述电流充电的速率为0.22A/500毫秒。
7.一种用于判断第一完全充电的镍镉电池是否有调节的电特性的方法，它包括：
a)对所述电池施以递增电流充电，然后施以递减电流充电；
b)对所述不存在记忆效应电特性的第二完全充电镍镉电池施以递增电流充电，然后施以递减电流充电；
c)在步骤(a)和(b)中测量所述第一和第二电池的端电压，并确定每个电池的最大测量电压；以及
d)比较所述第一和第二电池的所述最大电压；
从而，如果所述第一电池的所述最大电压大于所述第二电池的所述最大电压，则所述第一电池具有记忆效应的电特性。
8.一种用于检测完全充电的镍镉电池是否有记忆效应的电特性的装置，它包括：
a)用于产生加到所述电池上的递增的电流充电的电流装置；
b)用于产生在所述递增的电流充电之后加到所述电池上的递减电流充电的电流装置；
c)用于在施加所述电流充电过程中检测所述电池端电压的电压检测装置；以及
d)用于将所述最大电池电压与阈值比较的比较装置；
从而，如果所述最大电压大于所述阈值，则所述电池具有记忆效应特性。
9.一种用于判断完全充电的镍镉电池是否有记忆效应的电特性的方法，它包括：
a)对所述电池施以递增电流充电，然后施以递减电流充电；
b)在步骤(a)中测量所述电池的端电压，并确定所述测得的电压随时间的变化率；以及
c)将所述测得的电压变化率与阈值比较；
从而，如果所述测得的电压变化率大于所述阈值，则所述电池具有记忆效应电特性。
10.一种用于判断具有给定标称电压额定值的完全充电的镍镉电池是否有记忆效应的电特性的方法，它包括：
a)对所述电池施以递增电流充电，直到所述电池端电压达到比标称电压额定值高的预定电压值为止，然后施以递减电流充电；
b)在步骤(a)中测量电流幅度；以及
c)将所述电流幅度与阈值比较；
从而，如果所述测得电流幅度小于所述阈值，则所述电池具有记忆效应的电特性。
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