CN1531770A - 对具有非液体电解质的可充电电池进行充电的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种用于对具有非液体电解质的可再充电电池进行充电的方法，该电池具有内部谐振频率。充电过程含有至少一个利用电流脉冲实现的充电间隔，所述电流脉冲的频率与要充电的可再充电电池的内部谐振频率基本相同。在由周期性电流脉冲构成的充电间隔之后，选择插入第二张弛间隔，在该张弛间隔期间，不对可再充电电池施加充电电流，在此期间可以选择施加第二放电间隔。在第二张弛间隔之后，在由连续充电电流构成的间隔内进行充电，此后，选择插入第一张弛间隔，在该间隔期间，选择施加第二放电间隔。可以改变上述各步骤的顺序，而且重复应用上述各步骤，直到该电池被完全充电。

Description

对具有非液体电解质的可充电电池进行充电的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于对具有非液体，例如胶质电解质的可充电电池进行充电的方法，所述电池具有内部谐振频率。在充电过程中将充电电流施加到电池上。本发明还涉及一种用于实现对非液体电解质电池进行充电的充电方法的电路配置，其中电源通过电流计装置连接到电池端。
背景技术
已知有几种方法可以对电池进行快速充电，周期性地中断充电电流，在暂停充电期间，对要充电的电池进行短暂放电或施加负荷。这些方法的目的是通过适当维护并形成存储单元，尽可能减少充电持续时间，而延长电池的寿命。
电池的电荷存储容量是利用Ah安培小时描述的。根据该值，其能通过将它除以时间＝安培小时/小时来导出C5值，因此C5具有电流量纲。以C5成正比确定电池的充电电流。例如，对于具有55Ah容量的电池，C5＝55A。以C5成正比给出适当充电电流，例如0.1·C5，在这种情况下为5.5A。在以下的说明中，我们使用根据该定义的术语C5。
在美国第5,600,226专利说明书中，描述了一种用于控制并终止对电池进行充电的方法。在执行该方法的过程中，在电池两端周期性地测量电压，并与先前的这种测量值进行比较，然后，根据这两个测量值之间的差值，确定电池的充电状态等级。利用这种已知的解决方案，周期性地中断充电，而且在暂停充电期间，在一个短放电脉冲之后进行测量。开始时的充电速度比最后时的充电速度慢，约为最后速率的20％，然后，通过提高充电脉冲的宽度，使充电速度提高到确定的充电速度。在电池获得全部电荷时，以前开发的所有这种方法均中断充电方法。也实现了电池的快速充电。
第WO 00/76050 A1号国际专利申请公开了一种类似的快速充电方法，然而，在该解决方案中，在各充电间隔施加两个连续放电脉冲。每次在两个连续放电脉冲之后进行测量，以更准确采集关于可再充电电池的状态的数据。
本发明的目的是提供一种与已知方法相比，利用其可以对可再充电电池进行快速充电的方法和设备。
发明内容
众所周知，在电池内部产生充电电流的化学转变缓慢，因此缩短充电时间受到限制。如果在可再充电电池的各电池单元内，可以提高化学转变的速度，则可以缩短充电时间。因此，本发明的目的是提供这样一种充电方法，利用该充电方法，可以使可再充电电池的各单元内的分子运动加速，通过这样做，可以缩短化学变化所需时间以及完全充电可再充电电池的所需时间。
已经认识到，对可再充电电池施加的以及被可再充电电池摄取的脉冲充电电流的强度是充电脉冲的频率的函数，即，可再充电电池的阻抗随频率变化。改变充电脉冲的频率，可以发现电池的峰值充电电流与频率的关系。峰值电流频率随各电池不同而不同，而且它取决于其充电状态。根据本发明的方法和实现该方法的设备均具有该认识。
以这样的方式，利用根据本发明的方法可以实现以上设定的本发明的目标，即，充电过程至少含有一个利用电流脉冲实现的充电间隔，所述电流脉冲的频率与要充电的可再充电电池的内部谐振频率基本相同。周期性电流脉冲的占空因数在1∶10与10∶1之间，所述电流脉冲的峰值电流在1·C5至7·C5范围内。周期性电流脉冲的间隔的持续时间在200ms与1500ms之间的范围内，其中周期性电流脉冲的频率在100Hz至10,000Hz的范围内。
该方法的优点在于，在利用其频率为可再充电电池谐振频率的脉冲进行充电时，通常可以施加多个充电电流，而不产生显著热耗散，而且不破坏电池，同时，在电池单元内可以达到增强内部分子的运动，这样可以导致显著加速化学转变和电池的充电过程。
根据本发明方法的优选实施例，在由周期性电流脉冲构成的充电间隔之后，在由连续充电电流构成的间隔内进行充电，其持续时间在200ms与1500ms之间的范围内，然后，再施加具有周期性电流脉冲的充电间隔。在1·C5至7·C5的电流强度范围内，执行由所述连续充电电流构成的间隔。
该实施例的优点在于，在利用电流脉冲进行充电期间，该电池主要地用于接受强充电，然后，利用连续充电电流进行强充电。
在根据本发明方法的另一个优选实施例中，在具有连续电流的充电间隔与具有周期性电流脉冲的后续充电间隔之间，插入第一张弛(relaxation)间隔，在第一张弛间隔期间，不对可再充电电池施加充电电流。第一张弛间隔的持续时间不大于1500ms。
该可选的实施例的优点在于，在第一张弛间隔期间，可以进一步增强化学转变，然后，利用周期性电流脉冲进行的后续充电还有效增强电池单元内的分子运动。
在第一张弛间隔期间，施加第一放电间隔，第一放电间隔的持续时间不大于50ms。该放电间隔有利于提高可再充电电池摄取电荷的能力。
根据又一个优选实施例，在由周期性电流脉冲构成的充电间隔与后续施加的、由连续电流构成的充电间隔之间，插入第二张弛间隔，在第二张弛间隔期间，不对可再充电电池施加充电电流，第二张弛间隔的持续时间不大于1500ms。在第二张弛间隔期间，施加第二放电间隔，第二放电间隔的持续时间不大于50ms。
在用于实现根据本发明方法的设备中，要充电的电池具有内部谐振频率，而且通过电流计装置，电源连接到可再充电电池的两端。根据本发明，在电池的一端与电源之间，除了电流计装置之外，还插入了受控电流发生器，以控制控制信号的输入，该控制信号是通过控制电路所施加的，利用所述控制信号，可控制通过电流发生器施加到可再充电电池的充电电流的强度。
根据本发明的设备的优选实施例，该控制电路提供其频率相当于可再充电电池的内部谐振频率的矩形脉冲，对受控电流发生器的控制输入端施加所述矩形脉冲，在矩形脉冲间隔期间，所述电流发生器中断充电电流，而在该各脉冲控制期间，将流入电流发生器的充电电流控制到1·C5与7·C5之间的值。其频率相当于要充电的电池的内部谐振频率的矩形脉冲的占空因数在1∶10至10∶1的范围内。
根据本发明的其他优选实施例，电流计装置的输出端连接到控制单元，根据电流计装置提供的反馈信号，控制单元控制利用电流发生器产生的充电电流的强度。
利用霍尔发生器或简单利用电阻器实现电流计装置，其输出信号出现在电阻器的两端。
为了实现根据本发明的放电间隔，至少将一个放电电路并联连接到要充电的可再充电电池的两端，该放电电路由电阻器和受控开关的串联配置构成。因此，传送对应于放电间隔的脉冲的、控制单元的输出端连接到所述受控开关的控制输入端。
优先利用已知的快速操作半导体器件，例如利用FET实现受控开关。
采用根据本发明方法可以连续对可再充电电池进行充电，直到达到完全充电状态。充电状态的描述语句、检测、显示不是本发明的目标，对此，有几种众所周知的解决方案。
以下将参考附图所示的典型实施例，详细说明根据本发明的方法以及实现该方法的设备。
附图说明
图1是示出根据本发明的最简单方法，作为时间的函数的充电电流的曲线图；
图2是示出根据本发明的第二优选方法，作为时间的函数的充电电流的曲线图；
图3是示出根据本发明的第三优选方法，作为时间的函数的充电电流的曲线图；
图4是用于实现根据本发明方法的设备的电路原理图。
具体实施方式
图1示出可以采纳的根据本发明的第一而且是最简单的可能优选方法。在该曲线图的水平轴上的时间t，对可再充电电池施加的垂直轴上的电流I被拉起。通过充电电路提供的电源将充电电流送到要充电的电池的两端，该电源可以是与AC电源线电压相连的整流器，但是也可以采用具有更高电压或类似电压的任意电池。利用该实施例，充电电流中插入不同充电间隔，即作为脉冲充电间隔的间隔a，后面是作为具有连续充电电流的充电间隔的间隔e。
间隔a是由充电电流脉冲构成的充电间隔。脉冲序列的频率与可再充电电池的内部谐振频率基本相同。实际上，该谐振频率在100至10,000Hz的范围内，但是还知道具有更高谐振频率的可再充电电池。可以在1∶10至10∶1的范围内选择脉冲的占空因数，即信号/暂停比。间隔a的持续时间优先在200ms至1500ms的范围内。在此范围内，必须根据可再充电电池的类型，实验确定更准确持续时间。
在间隔a内，Ip电流脉冲的强度在1·C5至7·C5范围内有利，还可以根据各可再充电电池的类型，实验地确定其值。
在间隔a内，可再充电电池获得较少的电荷，该间隔的脉冲序列基本使可再充电电池的单元准备好获取电荷。间隔a之后是间隔e，其持续时间优选地在200ms至1500ms之间，必须根据可再充电电池的类型，实验确定该间隔的最佳持续时间。在间隔e内，充电电流脉冲Ic的值恒定不变，而且其值在1·C5至7·C5范围内有利。
间隔a内的最佳电流脉冲Ip、间隔e内的充电电流Ic以及间隔a的持续时间和间隔e的持续时间均可以被看作恒定不变。对于给定类型的可再充电电池，这些值不变。
从图1可以看出，包括上述间隔a和间隔e的时段重复，即，间隔e后面跟着间隔a，然后又跟着间隔e。可以周期性地重复此过程直到完成对可再充电电池进行充电。
在图2中，图2示出可再充电电池的充电方法的一种变换方法，其中包括间隔a和间隔e的周期之后是张弛间隔p1，在张弛间隔p1期间，不施加充电电流。在此张弛间隔p1期间，可再充电电池的内部化学转变有助于更有效摄取电荷。实际上，张弛间隔p1的持续时间可以非常短，优选地最长为1500ms，必须根据可再充电电池的类型，实验确定该间隔的最佳持续时间。张弛间隔p1之后又跟着由周期性电流脉冲序列构成的间隔a。周期性地重复间隔a、e以及p1的序列。可以重复该过程直到可再充电电池完成充电。
当在张弛间隔p1期间插入短放电间隔g时，可以提高可再充电电池的电荷摄取能力，该短放电间隔g的持续时间最长为50ms。在间隔e之后，以至多700ms的延迟，施加该放电间隔g。以受限的-Id1电流进行放电，该电流强度最大7·C5。
在图3中，示出根据本发明的另一个优选实施例，它与图2所示方法的不同之处在于，在由电流脉冲序列构成的间隔a与连续充电电流间隔e之间插入第二张弛间隔p2。可以选择该张弛间隔p2的持续时间较短，与所述张弛间隔p1类似，但是它们的持续时间不必相同。张弛间隔p2的最长持续时间也是1500ms。在第二张弛间隔p2内，插入第二放电间隔c，第二放电间隔c的持续时间最长为50ms。在由电流脉冲序列构成的间隔a之后，以最长700ms的延迟，施加该放电间隔c。以受限的-Id2电流进行放电，其强度最大为7·C5。
结合上述例子描述的方法不必应用于可再充电电池的全部充电时间。即使可再充电电池的充电电流被由电流脉冲序列构成的间隔a或分别被图1至图3所示的持续时间间隔a至h或p1、p2中断，仍可以有效缩短充电时间。
在这种情况下，如果可再充电电池被完全或深度放电，在开始充电时，最好连续充电。对于这些电池，大多数情况不存在谐振现象。在这种情况下，至少通过连续充电达到这样的充电程度，即其中可以检测到可再充电电池的内部谐振，而且从该充电程度开始，可以有效应用图1至3所示的方法，对可再充电电池进行充电。然而，连续使用的可再充电电池通常均未放电到这样的深度。
图4示出实现根据本发明方法的、根据本发明电池充电器设备的电路图。对可再充电电池1施加的充电电流是由电源2或具有更高电压的其他可再充电电池或类似通过受控电流发生器3提供的。在电流发生器3与可再充电电池1之间，插入电流计装置4。受控加载单元并联在可再充电电池1的两端，受控加载单元由电阻器7和受控开关6的串联结构构成，受控开关6优选的是半导体开关器件，例如FET或晶体管，或者任何一种快速操作受控开关元件。受控开关6的控制输入连接到控制电路5的输出端Icd1。
利用控制电路5，例如利用可编程函数发生器，可以实现图1至3所示的方法。因此，控制单元5的控制输出端Iv连接到电流发生器3的控制输入端。在由周期性电流脉冲序列构成的充电间隔a期间，所述控制输出端Iv提供其频率与要充电的可再充电电池的内部谐振频率相同、其振幅与脉冲Ip的强度成正比的矩形脉冲。在矩形脉冲期间，该矩形脉冲开启电流发生器3，并对可再充电电池1施加电流脉冲Ip，该矩形脉冲的振幅与通过电流测量单元4施加的充电电流脉冲Ip成正比。
根据图4所示的本发明优选实施例，将可再充电电池1的正端连接到控制单元5的电压计输入端Um。电流计装置4的输出端连接到控制电路5的电流计输入端Im。
电流计装置4可以是任何一种已知电流计，例如已知的霍尔发生器，但是也可以采用图4的原理图所示的简单电阻器，其两端的电压与流入可再充电电池1的充电电流成正比，但是可以采用任何已知的电流测量单元用于此用途。将在图4所示的例子中示出的电流计电阻器上的电压施加到控制单元5的电压测量输入端Um和电流测量输入端Im。利用该电压，控制单元5控制出现在控制输出端Iv的矩形脉冲的振幅。
在控制单元的函数发生器上能设置控制输出端Iv输出的矩形脉冲的频率，或者，如果对给定类型的可再充电电池采用电池充电器，则将该频率设置为确定频率。根据经验，矩形脉冲的占空因数可以在1∶10至10∶1的范围内变化，可以根据可再充电电池的类型，利用实验，更准确确定占空因数。
控制单元5的函数发生器以类似方式提供间隔e以及张弛间隔p1或张弛间隔p2，如图3所示。在间隔e期间，输出端Iv输出连续信号，而在张弛间隔p1和p2期间，电流发生器3处于关闭状态，不产生充电电流。
在执行根据本发明方法的过程中，在张弛间隔p1和p2期间，利用一系列放电或由电阻器7和受控开关6构成的加载电路，可以实现分别选择施加放电间隔c和g。为此目的，控制单元5通过其输出端Icd1优选地将由上述函数发生器产生的脉冲送到受控开关6的控制输入端，所述脉冲的持续时间分别对应于间隔c和g的持续时间。在所述脉冲的作用下，开关6闭合，而且将由电阻器7和电池1的电压确定的放电电流加载到可再充电电池1上持续该脉冲持续时间。
在张弛间隔p1与p2的情况下，放电电流-Id1与-Id2在间隔c和g是不同的，可以将由受控开关6’和电阻器7’构成的另一个加载电路并联到可再充电电池1的两端。受控开关6’的输入端连接到控制单元5的输出端Icd2。由两个不同电阻器7和7’构成的加载电路以不同的放电电流-Id1与-Id2对可再充电电池1进行加载。
可以以这样的方式实现控制单元5，即，在进行充电之前，对可再充电电池1进行测试。可以存储测试结果，并根据存储的数据进行充电。例如，在进行初步测试期间，控制单元5的函数发生器提供的矩形脉冲具有在100Hz至10,000Hz之间连续变化的摆动频率，其振幅明显低于充电期间的矩形脉冲的振幅，例如其值为0.1·C5。因为此原因，在电源2与电流计装置4之间，串联设置所包括的受控开关8与电阻器9，如图4所示。受控开关8的控制输入端连接到控制单元5的输出端。
为了测试的目的，不得不施加低测量电流脉冲，利用该测量电流脉冲可以确保，在改变频率时，即使在谐振频率下，对可再充电电池施加的测量充电电流仍不达到饱和电流。该电流可以利用电阻器9来设置。
在矩形脉冲的瞬时频率，与具有电流计装置4测量的摆动频率的测试充电电流成正比、出现在电压测量输入端Um与电流测量输入端Im之间的电压与被测试可再充电电池的内部电阻成正比。该测量充电电流脉冲系列具有的峰值是脉冲频率的函数，该脉冲频率是被测试可再充电电池的谐振频率。
当然，还可以将电流发生器3，开关8以及电阻器9集成到一个单一的电路中，这样，既可以对可再充电电池进行测试，又可以对它进行充电。
根据本发明的方法意在用于对采用非液体电解质，例如锂离子、NiCd、NiMH的可再充电电池以及具有胶质电解质的铅电池(SLA)进行充电。

Claims (22)

1.一种用于对具有非液体电解质的可再充电电池进行充电的方法，该电池具有内部谐振频率，而且在充电过程中，将由电源提供的充电电流施加到可再充电电池两端，其特征在于，充电过程至少含有一个由电流脉冲(Ip)实现的充电间隔(a)，所述电流脉冲的频率与要充电的可再充电电池(1)的内部谐振频率基本相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，周期性电流脉冲(Ip)的占空因数在1∶10与10∶1之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流脉冲(Ip)的峰值电流在1.C5至7.C5范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，周期性电流脉冲(Ip)的间隔(a)的持续时间在200ms与1500ms之间的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，周期性电流脉冲(Ip)的频率在100Hz至10,000Hz之间的范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由周期性电流脉冲(Ip)构成的充电间隔(a)之后，在由连续充电电流(Ic)构成的间隔(e)进行充电，该间隔的持续时间在200ms与1500ms之间的范围内，然后，再施加具有周期性电流脉冲(Ip)的充电间隔(a)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在1.C5至7.C5的电流强度范围内，执行由所述连续充电电流(Ic)构成的间隔(e)。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在具有连续电流(Ic)的充电间隔(e)与具有周期性电流脉冲(Ip)的后续充电间隔(a)之间，插入第一张弛间隔(p1)，在第一张弛间隔(p1)期间，不对可再充电电池施加充电电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第一张弛间隔(p1)的持续时间不大于1500ms。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在第一张弛间隔(p1)期间，施加第一放电间隔(g)，第一放电间隔(g)的持续时间不大于50ms。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在由周期性电流脉冲(Ip)构成的充电间隔(a)与后续施加的、由连续电流(Ic)构成的充电间隔(e)之间，插入第二张弛间隔(p2)，在第二张弛间隔(p2)期间，不对可再充电电池施加充电电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，第二张弛间隔(p2)的持续时间不大于1500ms。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在第二张弛间隔(p2)期间，施加第二放电间隔(c)，第二放电间隔(c)的持续时间不大于50ms。
14.一种用于对具有非液体电解质的可再充电电池(1)进行充电的设备，该要充电的电池具有内部谐振频率，而且通过电流计装置4，电源(2)连接到可再充电电池(1)的两端，其特征在于，在电池(1)的一端与电源(2)之间，除了电流计装置(4)之外，还插入了受控电流发生器(3)，利用控制单元(5)对受控电流发生器(3)的控制输入端施加控制信号，利用所述控制信号，控制通过电流发生器(3)施加到可再充电电池(1)终端的充电电流的强度。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，控制电路(5)提供其频率对应于可再充电电池(1)的内部谐振频率的矩形脉冲，对受控电流发生器(3)的控制输入端施加所述矩形脉冲，在矩形脉冲间隔期间，所述电流发生器(3)中断充电电流，而在该各脉冲期间，将流入电流发生器(3)的充电电流控制到1.C5与7·C5之间的值。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，其频率对应于要充电的电池(1)的内部谐振频率的矩形脉冲的占空因数在1∶10至10∶1的范围内。
17.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，电流计装置(4)的输出端连接到控制单元(5)，根据电流计装置(4)提供的反馈信号，控制单元(5)控制利用电流发生器(3)产生的充电电流的强度。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，利用霍尔发生器实现电流计装置(4)。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，利用电阻器实现电流计装置(4)，其输出信号出现在电阻器的两端。
20.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，至少将一个放电电路并联连接到要充电的可再充电电池(1)的两端，该放电电路由电阻器(7，7’)和受控开关(6，6’)的串联配置构成。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，传送对应于放电间隔(c，g)的脉冲(-Id1，-Id2)的、控制单元(5)的输出端(Icd1，Icd2)连接到所述受控开关(6)的控制输入端。
22.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，利用FET实现该受控开关(6)。
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