CN1568556A - 用于调节电化电池充电的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可再充电电化学电池，该电池设置具有一个用于确定充电终止点的压力响应装置。具体地说，可以在可再充电金属氢化物电池的敞开端的盖中设置在一个可逆的压力响应开关。可逆的压力响应开关还可以包括一个用于释放电池内部压力的排气系统。或者，一个可再充电电池可以包括一个设置在其外表面的应变片，该应变片的电阻随着由于在充过程中内部压力的上升而引起的电池组外表面的膨胀而改变。另外，一个可再充电电池可结合一充电源使用，该充电源可提供恒定电压、恒定电流、交变电流或在最小临界值和最大临界值之间变化的电压。

Description

用于调节电化电池充电的方法和装置
相关申请
本发明要求以下这些申请的优先权：2000年10月20日提交的题为《压力响应充电调节开关》(“Pressure-Responsive Charge Regulating Switch”)的美国专利申请No.60/242,347、2001年5月11日提交的题为《压力响应充电调节开关》(Pressure-Responsive Charge Regulation Switch)的美国专利申请No.60/290,229、2001年3月30日提交的题为《压力响应充电调节开关》(Pressure-Responsive Charge Regulation Switch)的美国专利申请No.60/280,391、2001年8月1日提交的题为《用于镍基的可再充电电池的以应变片为基础的充电控制》(“Strain Gauge-Based Charging Control for Nickel-Based RechargeableCell”)的美国专利申请No.60/309,277以及2001年7月31日提交的题为《充电调节开关》(“Charge Regulating Switch”)的美国专利申请No.60/308,970；上述所有这些专利申请的内容援引在此以作参考。
关于联邦资助研究或开发的声明
无
技术领域
本发明总地涉及镍可充电电池，如镍金属氢化物(NiMH)电池，尤其涉及用于自动可逆地终止一电池充电过程的方法和装置。本发明还可用在镍镉(NiCd)电池中。
背景技术
为了能够更加方便且便于携带，许多现代的电器设备和消产费品可以被操作成从标准型号的电池中引出电流以及电性能。从方便和经济的角度出发，人们开发出了各种可再充电电池，如镍金属氢化物电池等。
与镍镉以及锂离子技术相比，金属氢化物电池技术能够以合理的成本提供极好的高速率性能。此外，金属氢化物电池具有比NiCd电池高约50％的电容量能量密度，基本与锂离子电池相等。金属氢化物可再充电电池的内部化学性质具有对这些电池进行充电的能力的影响。影响对镍可再充电电池进行充电的能力的影响的结果是由这些电池的内部化学性质而造成的。当镍可再充电电池达到满充电状态时，如下所示会在阴极产生氧：
氧气穿过透气的分隔件扩散到阳极，在那里，氧气如下所示再化合成氢氧化镉：
当对这种电池进行再充电时，重要的是确定电池何时已达到完全充电。例如，如果电池被过充电一段时间，电池中累积的压力会引起电池失效以及电解质泄漏，由此进一步使充电器受到潜在的损害。
通常，通过向电池施加恒定的电流而不是恒定的电压来向金属氢化物可再充电电池进行再充电。在这种方案中，电池电压逐渐增加，直到电池达到完全充电，于是电池电压达到峰值。当电池达到过充电状态时，释放的热量会使电池的温度急速上升，而这又将引起电池电压下降。在过充电的过程中，当产生的氧气的量大于电池能够重新结合的量时，在过充电的过程中电池压力也会急剧上升。遗憾的是，已知压力变化率的数值比电压或温度的变化率的数值高几个数量级。因此，传统的恒定电流充电终止方法不能够不带内部压力累积、破裂和电解质泄漏的危险来支持快速充电速率。出于这个原因，金属氢化物电池会有安全隐患。
一种常规的减少完全充电状态下压力上升的方式是设置一个电容量比阴极大40-50％的阳极、一透气的分隔件，以及有限的电解质以容纳气体的有效扩散。这样可以避免在阳极产生氢气，但允许氧气与阳极材料再化合。当电池达到完全充电时，在阴极处会连续产生氧气，但阳极不会产生氢气。如果产生氢气，电池将由于过压而破裂。因此，氧气的再化合反应可控制电池的压力，如图1所示。而后，氧气可穿过分隔件并且与阳极材料反应。这种配置的不利方面包括，由于带有氧化作用和热的过充电而阳极老化，因此电池电电容量较小以及相应的电池周期使用寿命较短。
重要的在于，当达到完全充电状态时，停止对一个或多个电池进行充电，从而避免电池由于内部气体压力升高而可能造成破裂或泄漏。传统的金属氢化物再充电电池本身不能发出信号以提示适当的充电终止点。而是必须依靠与充电器装置相联的昂贵且复杂的检测电路来确定充电何时结束。通常，检测电路是根据以下这些来确定充电终止的：(1)峰值电池电压，(2)峰值电池温度(TCO)，(3)充电时间，(4)-dV，以及(5)dT/dt。每种已知的用于终止恒定电流充电的方法均具有缺点。例如，由于在终止前电池被过充电，故以时间为根据的终止除了很低的充电速率下之外还可能不可靠。
由于在终止之前会存在过电压的情况，故以峰值电压为依据的充电终止在充电期结束时会不可靠。以电压下降(-dV)为基础的终止必定会伴随着氧气的再结合并伴随着有害的温度上升。实践中，这意味着电压检测必须精确且快速。除非环境温度稳定，否侧很难精确地测量电压的变化。此外，当充电率低于0.3C时，电压下降的测量值太小以至于无法被精确测量。1C的充电速率引出的电流与电化学电池或电池组的额定电电容量相等。仅根据峰值温度的终止也会轻易受到环境温度的改变的影响。
根据温度随时间变化的速率(dT/dt)的终止从某种程度上而言比检测绝对温度变化要可靠，其原因在于它受到环境温度变化引起的影响较小，并且对周期使用寿命的负面效应较小，但是它仍将基于对电池的性能和周期使用寿命有害的热量。其原因在于温度上升快，并且实际上，它会在电压下降之前发生。因此，与上述其它方法相比，破裂及泄漏的隐患较小。这使得这种方法成为当今最常用的充电终止方法。
本领域中的其它手段寻求以压力为基础的机构，用于当压力超过预定大小时断开电极和电池终端之间的连接。例如，美国专利No.5,026,615揭示了一种位于一个端盖组件中的压力感测开关，它包括一个传导弹簧构件、一个不传导的支点构件以及一个可移动的传导构件。传导弹簧构件的一端与一终端电连接，另一端与可移动的传导构件电连接。而可移动的传导构件又与一电极电连接。当电池内部压力增加时，可移动的传导构件在弹簧构件上施力，该弹簧构件在不传导的支点构件上枢转并与终端脱开。因此，该专利需要一第一和第二接触件，其中一个能相对另一个移动并可围绕一支点转动以相对另一接触件枢转。这种配置需要更多基本零件，并且更要求组件以很小的公差构成，由此会增加复杂性以及生产的成本。
这些技术的其它实例包括美国专利No.5,747,187、5,405,715、5,741,606、5,609,972、6,018,286、6,078,244以及6,069,551，所有这些专利全部内容援引在此以作参考。某些这样的机构可防止电池压力引起破裂，但这样做会使电池永久的失效。在其它实例中，可逆的开关装置可防止电池破裂，但不能检测一较早的有充电终止状态来避免热量的积累并确保优良的电池性能和周期使用寿命。
另一方面，对于恒定电压充电，当电池能够接收较高电流时，充电电流在充电开始时较高，随着电池达到满充电时电流下降到一较低的程充。当恒定电压充电时，用于恒定电流充电过程的终点的上述信号不再有用，其原因在于，电池达到满充电状态，电池电压恒定及电池温度均匀化。如同恒定电流充电方法，当充电速率高于0.3C时，由于会对破坏装置的压力失去控制，故充电时间不能用于恒定电压充电。由于这些缺点，很难确定一种有效的终止信号装置，并且，用于金属氢化物电池的恒定电压充电通常被认为是不可行的。
以交变电流充电，充电电流可以在确定的频率或若干频率的组合的情况下调制，从而产生一能对电池充电的纯正电流。与恒定电流或恒定电压充电相比，交变电流充电可以以较小的压力上升和较低的温度上升来提供更快的充电。然而，当使用交变电流充电时，上述用于恒定电流充电的结束的信号不再有用，其原因在于当电池达到满充电状态时，电池电压的变化很难检测上述响应施加的交变电流的电压。这样很难确定有效的终止信号发生装置，而用于金属氢化物电池的交变电流充电因此通常被认为是不可行的。需理解的是，本发明揭示的内容使用了交变电流充电，从而意味着一种可产生纯正电流的变化的电流，如调制的交变电流。例如，交变电流可以经过半波整流或全波整流从而产生一系列电脉冲，或者交变电流可以由所需的DC电流补偿。
公开的澳大利亚专利申请No.199926971 A1揭示了这样一种方法，该方法用于通过从外部功率输送部分向插入物内的功率接收部传递电功率来向植入的镍金属氢化物电池快速充电。该专利申请认为当电池内部电阻低时希望有一个初始的快速大电流充电阶段，随后为一个第二低电流恒定电池电压充电阶段，以确保电池仅以电化学状态允许的能量来充电，电池不会过度产生气体或发热。对电池有害的效应被排除，但同时充电速率仍保持较高。在此种方法中，两个充电阶段中的第一个包括这样一个步骤，即允许相对较高的恒定充电电流流到功率接收部分，同时电池电压上升，直到它达到预定的限制充电电压。在第二充电阶段中，充电电流比第一阶段结束时的电流大小低，同时电池电压至少大致保持为预定的恒定电压值。在该澳大利亚专利应用中，当相关的微电子控制器测量到充电电流随时间变化的变化率未达到预定梯度时，第二充电阶段结束。这种繁琐的两阶段恒定电流/恒定电压法是本领域中通常的现有手段。
总之，当金属氢化物可再充电电池达到其满充电状态时，氧气从阴极析出，由此增加电池的内部压力，并且驱使发热的氧气的再化合反应。以极高的恒定电流充电速率，通常小于1个小时，充电电流在充电结束时仍非常高。这将导致电池严重发热，并且缩短周期使用寿命。当电池温度很高时，终止恒定电流充电的可行的方法不是非常可靠。另外，电池发热是有害的，并希望在损害压力开始在电池内上升的阶段电池明显发热之前终止充电。
因此，需要一种在恒定电压、恒定电流以及交变电流/电压充电下用于更精确确定可完全再充电的电池的充电终止点的方法和装置。
希望有一种比目前可行的更为简单、破坏性更小的用于确定一充电终止点的响应一种激励的可逆的调节开关。
另外，还希望有一种可兼容传统再充电电池的、比目前的装置具有好的成本、效率的可靠的充电终止检测装置。
发明内容
在本发明的一个方面，本发明提供了一种可再充电电化学电池，该电池适用于当内部压力达到一最大预定临界值时终止充电，在一种较佳形式中，电池包括一形成一带有敞开端的一内部空腔的外部外壳、设置在内部空腔中的一正电极和一负电极以及一个封闭敞开端的终端盖。
该电池还包括一个端盖组件，该端盖组件具有一个孔圈，该孔圈从外壳径向向内延伸，它可响应电池内部压力从一第一位置向一第二位置弯曲。一第一传导元件与终端盖电连通，而一第二传导元件与正电极电连通，并且与第一传导构件可脱开地电相连。第二传导元件还与孔圈机械连通。当电池内部压力累积超过预定临界值时，孔圈弯曲以脱开第一和第二传导元件的电连通，由此终止充电。一旦内部压力下降到预定临界值之下，孔圈可回到其第一位置。
根据一实施例，第二传导元件包括(a)一第一接触件，该第一接触件具有从正极延伸出的一端以及一个与第一端相对的第二端；(b)一通过孔圈延伸的第二接触件，其具有一个与第一接触件的第二端接触的第一端以及一个与第一端相对的第二端；以及(c)一第三接触件，该第三接触件具有一个与第二接触件的第二端接触的第一端以及一个与第一端相对的、与第一传导元件成可脱开接触的第二端。
在另一种较佳形式中，第二传导元件与孔圈相连，并且至少局部地与第一传导元件轴向对齐，并且当孔圈位于第二位置中时，它轴向向外移动。可以将一个不传导的弹簧构件设置在终端盖和孔圈之间以限制孔圈的偏移量。可以在第一传导元件的轴向下游设置一个停止件，从而当孔圈弯曲到其第二位置中时限制其运动。
如果需要，电池还可包括一个设置在正电极和负电极之间的不透气的分隔件。
在另一方面，本发明提供了一个通过终端盖延伸的排气装置，它允许气体从电池中漏出以分散压力。具体地说，孔圈使外壳的内部空腔与设置在端盖中的第二内部空腔隔开。一通过孔圈延伸的开孔在两个空腔中提供了一个通道，这样气体可以从外壳的内部空腔逃出排气装置。如果需要，可以在开孔内设置一个塞子，当内部压力达到预定临界值时，该塞子是可移动的。
本发明还提供了一种可再充电的电化学电池充电系统，该系统具有(1)一电化学电池，该电池包括(a)一外部外壳，该外部外壳形成一个带有敞开端的内部空腔、一阳极和一阴极设置在该内部空腔中，并且一终端盖封闭端盖；(b)一连接装置，该连接装置在终端盖和第一电极之间建立了一种电连接；以及(c)一响应高压使连接装置断裂的开关；以及(2)一电池充电器，该充电器可接纳电化学电池并向其提供恒定电压充电，其中，在充电过程中内部产生压力，当内部压力超过预定压力临界值时致动开关以终止充电。另一方面，充电器提供交变电流充电。在另一方面，充电器提供在预定最大临界值和预定最小临界值之间变化的电压充电。
另一方面，本发明提供了这样一种电池组，该电池组包括多个串联的电池，其中至少一个电池为包含根据本发明的压力响应开关的电池。需理解的是，多个电池可以根据本发明充电和再充电，但是，当装有本发明开关的任何一个电池内的压力上升到不能接受的较高水平时，通过整个线路的电流将被中止，充电将结束。
在另一种较佳形式中，电池可在恒定电压充电、交变电流充电、恒定电流充电以及在最小临界值和最大临界值之间变化的一电压充电的情况下充电。这样，电池可以达到小于1小时速率的高速充电。
另一方面，一种可再充电电化学电池充电系统包括一个可再充电电池，该电池的外表面上具有一个传感器，该传感器可操作成发送一个指示外表面的膨胀比值已超过预定临界值的信号。一个电池组充电器还可提供：(1)向可再充电电池充电，其中当提供充电时电池组的外表面膨胀；(2)接收来自传感器的信号；以及(3)根据外表面膨胀的预定的变化比值终止充电。
在一种较佳形式中，传感器为一应变片，该应变片的两个末端与两个相应的传导接触带相连，其中，充电器还包括与接触带相连的传导引线，以测量通过其的电阻。
在另一种较佳形式中，来自应变片的信号为以与外表面膨胀相关的预定方式改变的电阻，并且充电器还包括一个处理器，该处理器可操作测量穿过应变片的电阻。
在另一种较佳形式中，充电组件还包括一个用于感测电池内部温度的温度传感器，这样，电池组充电器还将根据温度和外表面膨胀的预定情况终止充电。
在另一种较佳形式中，还提供了一种使用这些类型的电化学电池和充电组件的方法。
因此，本发明提供了这样的可再充电电池、充电系统以及方法，它们根据内部压力来实现金属氢化物电池的可靠的充电终止，从而防止可能导致电池失效的电池过压。
从而以下描述中将显而易见本发明的上述和其它方面。在描述中，可参照作为说明书一部分的附图，并且这些说明仅是本发明较佳实施例的一个说明，而不起限制作用。这些实施例不必定代表本发明的全部范围，然而必须参照此处解释本发明范围的权利要求书。
附图说明
图1为控制电池压力的氧再化合反应示意图；
图2A为包含根据本发明的较佳实施例构成的压力响应开关和压力释放排气装置的一端盖组件的截面图，本图示出了处于一低压位置；
图2B为处于高压位置中的图2A所示端盖组件的截面图；
图3为包含根据本发明的又一实施例构成的压力响应开关以及一压力释放排气装置的一端盖组件的截面图，本图示出了其处于一低压位置中；
图4为图3的端盖组件的截面图；
图5示出了图3的端盖组件的零件的分解示图；
图6为根据本发明又一实施例构成的结合了一开关的电池的正极终端的侧截面图；
图7为根据本发明又一实施例构成的结合了一开关的电池的正极终端的侧截面图；
图8为标示出在交变电流和恒定电流充电过程中镍金属氢化物电池的电电容量(Ah)相对ΔP(psig)的图表；
图9为标示出在交变电流和恒定电压充电过程中镍金属氢化物电池的电电容量(Ah)相对ΔP(psig)的图表；
图10为根据包括一个具有应变片组件的电池的较佳实施例构成的电池组充电组件的侧截面图；
图11为标示出AA型号的镍金属氢化物电池的充电过程中获得的压力和温度相对时间的图表；
图12为标示出在镍金属氢化物电池的充电过程中dP/dt和dT/dt相对时间的图表；
图13为标示出在镍金属氢化物电池的充电过程中dR/dt和其分量相对时间的图表；
图14为用于图10示出的电池组的标签的立体图；
图15为图10示出的标签的分解组装示图；以及
图16为图10示出的标签的金属薄膜层的立体图。
图17为标示出多个电池的电池内部压力(psig)相对时间(min)的图表；
图18为标示出在使用恒定电流充电以及随后放电的过程中电池的压力、温度和电压相对时间(min)的图表；
图19为标示出在使用恒定电流充电和随手放电过程中不同周期的内部压力(psig)相对时间(min)的图表；
图20为标示出充电过程中图19示出的电池的压力上升的图表；
图21为标示出放电过程中图19中示出的电池的压力下降的图表；
图22为标示出在恒定电流充电的情况下不同周期时电池的压力和温度相对时间的图表；
图23为标示出在恒定电流充电的情况下不同周期时多个电池的压力相对时间的图表；
图24为标示出在恒定压力充电的情况下多个电池的压力、温度和电流相对时间的图表；
图25为标示出了比较在恒定电流充电与恒定电压充电的过程中内部压力相对电电容量的图表；
图26为示出了比较恒定电压充电和恒定电流充电过程中两节电池的电流图形的图表；
图27为标示出了比较分别在恒定电压和恒定电流情况下充电的两节电池的温度相对电电容量的图表；
图28为标示出了比较图27中示出的两节电池的电压图形相对时间的图表；
图29为标图出了比较在不同的恒定电压的情况下充电的温度和电电容量相对时间的图表。
具体实施方式
现参照图2A，一个轴向延伸的电池包括一个外壳12，该外壳具有一个闭合端(未图示)以及一个相对闭合端设置并位于其轴向下游的敞开端13。一个盖组件10包括一个正极终端盖18，该终端盖18固定在负极外壳12的敞开端中，以封闭电池。具体地说，端盖组件10和外壳12的敞开端的大小和形状适于，在圆筒形的可充电金属氢化物电池的装配过程中，端盖组件10可通过对负极外壳12半边密封地容纳在敞开端中。外壳的闭合端是传统的，因此，图中未示出。
一个正(例如氢氧化镍)电极14与正极终端盖18处可移除的电连接，从以下描述中将更能显见这一点。电池还包括一个与外壳12电连接的负电极21(例如氢化物电极)以及一个单独的或与其它氢氧化碱金属化合的碱性电解质(例如氢氧化钾)。这些电极设置在一个内部的空腔15中，并且通过一分隔件16分隔开。本发明的一个包括外壳12和端盖组件10的电池还包括包围在其内部的电极的传统的正极14和负极21，但这些电极的相对尺寸可被调节成满足电池的实际的和电的规格。
正极终端盖18具有一个接头20，该接头的尺寸和形状被设定成为根据本发明构成的具有一压力响应开关11的电池提供一正极终端。压力响应开关11包括一个柔性的不传导的单稳态孔圈22，其大小和形状适于牢靠地配合在敞开端13中。孔圈包括一个径向外密封部分25、一个内套筒27以及一个基本径向延伸并将密封件连接到套筒的臂29。孔圈22还具有一个设置在中央的开孔15，开孔15通过套筒27轴向延伸，而套筒27中座落了一个导电的线轴形状的连接件24，该连接件24具有一对相对设置的径向延伸的外凸缘23。孔圈22的外表面和终端盖18的内表面之间的空间在端盖组件10中形成了一个空腔17。
连接件24牢靠地固定在孔圈22的开孔内，这样，传导连接件可与孔圈一致地移动。根据示出的实施例第一环形传导接触件26为一金属垫圈，该第一环形传导接触件26围绕着连接件24的套筒，并且具有一个与上凸缘23电接触的上表面。一第二环形传导接触件28(也可为一金属垫圈)围绕着孔圈，并且定位在第一接触件26的轴向上游附近。在图2A中，第一和第二接触件26、28为圆盘板，但例如图3-5所示，它们也可设置为其他形状。接触件28具有一个与终端盖电连接且与第一接触件26的底面可去除的机械(由此也是电气地)连接的上表面29，从以下描述中将能更好地显而易见这一些。
孔圈22可以由任何足够柔软的、不会对电池的化学性能产生负面影响的不传导的惰性材料形成。适合的材料包括(但不局限于)聚丙烯、聚烯烃和尼龙以及它们的同等材料。
孔圈22的外密封部分25包括一个向上且径向向内延伸的周边唇部38，该唇部38的形状和大小被设定为可与外壳的敞开端形成一种紧密的密封，从而在电池的内部和外部之间提供一屏障。唇部38还在外密封部分25中局部形成一个空腔，终端盖18的外端和第二接触件28设置在此空腔中。唇部38存在一个径向向外的凸面，从而在电池的装配过程中允许外壳12卷边在孔圈22上。当在装配过程中外壳12的轴向下游端卷边在孔圈22上时，在孔圈22、第二接触件28以及终端盖18之间实现了一种紧密的密封，从而使电池的内部与周围环境隔绝。也可将诸如枥青或柏油之类的可选择的密封剂用于端盖组件10和外壳12之间，从而以加强密封性。
一种柔软的传导凸片30将传导连接件24电连接到电池内部的正电极14上。传导连接件24可为一个通过端部卷边固定在中央开孔中的金属圈或铆钉，从而提供固定孔圈22的套筒27和第一接触件26的凸缘23。传导连接件24与第一接触件26电的和物理的接触，由此协助将传导连接件24固定在位。
图2A示出了处于低压状态中的端盖组件，这样，孔圈22处于其稳定的位置中。在这种低压状态中，正极14通过传导凸片30、连接件24、第一接触件26和第二接触件28与正终端盖18电气连接。因此，可以通过向电池引入一再充电电流或电压来对电池进行充电。其有利点在于，当电池的内部压力超过预定的临界值时，孔圈22沿着箭头A的方向轴向向下游(可逆地)弯曲，以使压力响应从图2A示出的第一位置偏压到图2B示出的第二位置。需理解的是，预定的临界值可以依靠所需使用的充电类型(如恒定电流、恒定电压等)，并且可以通过对于孔圈选定的材料以及臂29的厚度和柔软性来确定。
现参照图2B，当电池的内部压力超过足以使孔圈22弯曲的预定临界值时，套筒27轴向向下游平移，由此也使第一接触件相对于第二接触件28轴向向下游平移，并且去除它们之间的电连接。这样，接头20处的电连接将不会传送到电池内的电极14，进一步的充电被阻止，直到过压情况减退。
可选择地，可以将一个绝缘过压停止件32设置在由接头20形成的内部空腔中。过压停止件32可以用来根据需要预加载接触压力，并且当电池内部压力过高时，可以限制传导连接件24沿接头20方向的运动。还可有选择地将一个停止件垫圈34设置在第二接触件28和终端盖18之间，从而当孔圈22弯曲时，限制第二接触件的运动，由此进一步确保在高压状态下切断两接触件之间的电连接。
需理解的是，可以将多个电池安装在一个电池组中，并且串联在一个构造成可向电池供给恒定电压或恒定电流的充电器中。只要至少一个电池包括根据本发明的压力响应开关(假定在每个电池中压力累积类似)，一旦该电池中的压力致动该开关以去除端盖18和电极14之间的电连通，则充电将终止。或者，每个电池均可包括这样的开关，这样，一旦这些电池中的一个达到最大的允许内压时，所有电池的充电将终止。或者，电池可平行连接到一个充电源上，在这种情况下，每个电池将包括一个根据本发明的压力响应开关。
图2A-B还示出了一种在过压情况下从电池中排放过剩压力(气体)的可选择的安全系统。具体地说，传导连接件24可以形成一个通过其轴向延伸的设置在中央的压力释放通道36。因此，在电极处产生的气体能够从电池内部15通过通道36轴向向下游流向端盖内部17。端盖18还形成有一个或多个通过其延伸的出口35，从而使气流从端盖组件10流向外部环境。出口可以用一密封件(未图示)来固定以防不需要的泄漏，该密封件的张力强度适于在一预定压力大小时屈服以从电池中释放气体。该密封件可以为可逆的或不可逆的。
或者，一个或多个出口35可以总是通向周围环境，在这种情况中，通过阻挡压力释放通道36可以保持一个对电池内部的可逆的空气密封。具体地说，如果过压停止件32是用诸如橡胶之类的合适的可变形的塑性材料形成用于密封压力释放通道36以及出口35时(如果不通向外部环境)，过压停止件32也可用作一个过压释放控制件。除示出的可变形的材料之外，其他用于可释放地阻挡压力释放通道的结构包括(但不局限于)一塞子或一弹簧。当电池内部压力上升到一个足够高的程度时，阻挡可被推离通道36以及一个或多个出口35，从而形成一条从电池内部到外部环境的压力释放路径。排气系统释放电池内部压力所处的压力取决于电池可承受多少内部压力；过压停止件32的塑性材料选择为可响应排气所处的压力，但在低压时可牢靠地保持在位。一般而言，对于金属氢化物再充电电池，安全通风系统对约600psig或更高的电池内部压力的响应，更通常，对在约1000到1200psig范围内的电池内部压力响应。
通过通道36和出口35的压力释放路径的打开和关闭可以是可逆的，但通过采用当第一压力上升之后不会恢复到能有效阻挡压力释放路径的形状、大小或位置的材料制成的阻挡件，压力释放路径的打开和关闭也可是不可逆的。需理解的是，在可逆的和不可逆的排气系统中也可使用除此处所揭示的那些以外的阻挡件，这将在下文中更详细地描述。
现参照图3，其中示出了一个具有一不可逆的排气装置的端盖组件的实例，其中与图2A和2B所示类似的部分以相同的标号表示。图5示出了在被装配到外壳12内之前的这些元件。
根据本实施例，第一接触件26不是平坦的，而是包括一个平坦的中间部分和四个臂，每个臂具有一末端部分以及一个将末端部分与中间部分相连的过渡部分，末端部分和诸中间部分不是共平面的。中间部分与传导连接件24和第二接触件28电连接。第二接触件28与端盖18电连接。接触件26的每个末端部分通过一设置在其间的并与接触件26的末端部分对齐的电隔离件40与端盖18电隔离。
当电池内内部压力升高时，孔圈22弯曲，由此使接触件26脱开与垫圈28的电连通。由此也可脱开终端盖18与电极这间的电连接。绝缘件40限制接触件26的允许的轴向运动，并且还可防止接触件26的末端与端盖18之间的电连通。这样，第一接触件26可与孔圈22一致地良好地响应内部电池压力中的改变，并且当内部压力衰减时，第一接触件26适当地将开关反向推到低压位置。
图3-5的排气系统还构造得稍微与图2的不同，其中，压力释放通道被一个带粘性的或摩擦配合的截头圆锥形塞42阻塞，该塞子42适于在较高内部电池压力(例如在500-900psig之间)时从通道中排出。参照图4，绝缘件40可以从终端盖18向塞子42径向延伸。
在操作过程中，当电接触件26和28之间的电连接断开时，流量减为零。通过传统的充电器线路(未图示)可以检测到这零电流，并且可以被译作一个电池被充满的信号。而后，充电器线路可以发出充电情况结束的信号。这些回路被认为是传统的。更重要的是，仅需要检测完整的电流下降，而不是如传统的金属氢化物再充电系统中那样，需要检测压力、电压、温度或电流率中任何较微弱的改变。
压力响应开关从低压位置向高压位置偏移的电池内部压力(“偏移压力”)可根据电池组的大小和形状、充电速率以及其它诸如环境温度之类其它的充电条件而变化。例如，当电池组的阳极比电池的阴极具有大很多的电电容量时，低的过充电率的电池内部压力可以稳定在相对低的程度，如30-50psig。类似的，当电池组达到满充电状态或达到过充电状态时，充电速率越快，电池的内部压力越高。因此，当为正极处具有较大电电容量的电池组设立一开关和/或当以极低的速率对电池进行充电时，压力响应开关的偏移压力应低到足以确保当电池达到满充电或过充电状态时可以停止充电。相反，当开关用在具有类似的阳极和阴极电电容量的电池组中时，或当电池组将以较高速率充电时，由于不存在电池内部压力达到偏移压力的问题，故偏移压力可设置为任何满足电池安全性的大小。
然而，较佳地，压力响应开关应具有一个接近当电池达到满充电状态时的内部压力的开关压力，以防止诸如过热之类的问题。本领域的一名普通技术人员知道如何确定满充电或过充电时的电池内部压力。一般而言，对于快速镍金属氢化物的再充电电池，压力响应开关可以具有约在50psig到500psig之间的偏移压力。较佳地，开关压力在100到400psig之间。最佳的，开关压力在200到300psig之间。
现参照图6，根据本发明的另一实施例构造成的一个可逆的压力响应开关100设置在镍再充电电池104的敞开端处的正极终端盖102内。除了盖子以及与电池电极的电连接之外，电池104可以是传统的。根据本发明制成的电池内部可以包括卷绕的正电极106和负电极108，其中，其中负电极(如氢化物电极)与具有一敞开端和一闭合端的外壳110电连接，并且其中正电极(如氢氧化镍)与固定在负外壳110的敞开端中的正极终端盖102电连接。电池包含一电解质，通常为氢氧化钾。
电池104的敞开端包括一个根据较佳实施例构成的盖组件112，并且被设置在外壳110的敞开端中。负外壳110的敞开端的形状被设定成可在制造过程中将盖组件112密封地容纳在敞开端中。电池外壳的闭合端未图示，它是传统的。盖组件112包括根据本发明构成的正极终端盖102和一个压力响应开关100。
压力响应开关100包括一个孔圈114，该孔圈114提供了一柔性的密封和主弹簧，并且压力响应开关100具有一个设置在中间的传导连接件116或通过其轴向延伸的“铆钉”或“销钉”。孔圈114可以由任何这样的材料形成，即，这些材料不与电池的化学性质起负面反应但足够软柔可如上所述地响应使本发明的开关偏移的压力增加而移动。孔圈114还包括一个向外和向上延伸的唇部115，该唇部115的形状和大小被设定成可与外壳110的敞开端形成一紧密地密封，从而使电池的内部与外部隔离。该唇部形成了一个径向向内面对的空隙117，该空隙117被端盖组件零件占据，以下将更详细地进行描述。在示出的实施例中，唇部115具有一个可容纳外壳的凹进的内表面的凸起的外表面，从而允许在电池装配过程中将外壳卷边到位。也可以在盖组件112和外壳110之间采用诸如沥青或柏油之类的可选择的密封剂，以进一步地密封敞开的端部。
朝着电池的内部，传导凸片118使中间传导销116电连接到正极106上。朝着电池外部，中间销116还与一接触环120电接触，该接触环120也用于将中间销固定到其位置中。接触环120是一个围绕中间销116的垫圈，并且沿着接触板122，接触环120设置在由正极终端盖102和柔性孔圈114形成的内部空腔126中。因此，接触环120与中间销116持续地电连通。固定在空隙117中的是一个圆形的传导接触板122和具有一接头124的正极终端盖102，接头124的大小和形状被设定成可为电池104提供一个标准的正极终端。由此，当电池104处于图6所示的低压状态中时，接触板122与上述正端盖102和接触环120电连接。因此，接头124通过端盖102、接触板122、接触环120、中间导体116以及凸片118与电极106电连通。
在操作中，孔圈114响应较高的电池内部压力向外弯曲。当电池内部压力足够大使孔圈114弯曲时，中间销116被推向过压停止件128，由此使接触板120轴向偏移离开接触板122(未图示)。接触环120和接触板122之间的电连接终止，由此使接头124和电极106之间的电连通终止。另外由此阻止了充电。有利的是，开关100是可逆的，这样，一旦过压情况衰减，接触环120和接触板之间的连接将被重新建立。另外，在盖组件112内的正极终端盖接头124的内表面上设置了一个不传导的过压停止件128，该过压停止件128还可用来预加载所需的接触压力。
如上所述，一旦电池104内存在过压的情况，接触件120和122之间的电接触断开，电池104内的电流减为零。这种零电流可由传统的充电器线路检测到，并且可以被译作一个电池被充满的信号。然后，充电器线路发出充电终止的信号。这些回路被认为是传统的。如上所述，随着电池内产生气体的压力上升在缩短电池周期使用寿命的破坏温升之前出现。
现参照图7，其中示出了根据本发明另一实施例的一个可逆的压力响应开关150。具体地说，电池154包括一个负外壳152，该负外壳152具有一个敞开端，该敞开端的形状被设定为可在制造过程中可在敞开端中容纳并密封盖组件172。电池外壳的其余部分是传统的。盖组件172包括具有一接头157的正极终端盖156，其中接头157的大小和形状被设定为可为电池提供一个正极终端。
图7中示出的调节开关150包括一个柔性的孔圈158，其大小和形状被设定成可牢靠地配合在敞开端中，并且具有一个通过其中的中间开孔。一传导连接件160牢靠地固定在中间开孔中，这样，传导连接件可与柔性孔圈152一致地移动。一第一传导接触件162包围连接件160并且与其持续地电连通。一第二传导接触件164从孔圈158的径向外壁径向向内延伸，这样，其至少一部分上表面与接触件162的下表面轴向对齐并且与其可分离的接触。一个停止件166设置在接触件162的轴向下游，并且限制孔圈158的轴向偏移。一绝缘层168设置在接触件162和停止件166之间。因此，停止件166不形成为电回路的一部分。
孔圈158可以由任何足够柔软的、不会对电池的化学性能产生负面影响的不传导的惰性材料形成。适合的材料包括(但不局限于)聚丙烯、聚烯烃和尼龙以及它们的同等材料。根据开关元件的结构，开关150可以响应压力、温度或同时响应以上两者，从以下的描述中更可显而易见这一点。
终端盖156和柔性的孔圈158在盖组件172中形成了一个空腔170，第一和第二接触件162和164以及停止件166设置在该空腔170中。尽管如图7所示，第一和第二接触件162和164为圆形垫圈板，但如上所述它们也可设置为其它形状和大小。第二接触件164接近其径向内边缘包括三个凸部174，这些凸部朝着第一接触件162轴向延伸，并且相互隔开120度。当内部压力小于预定临界值时，主要取决于孔圈158的柔软性，凸部174与第一接触件162的下表面接触，由此，实现电回路并允许电池被充电。
朝着电池的内部，一传导凸片(未图示)使中间传导销160以如上所述方式与正极电连接。孔圈158的套筒还用于将中间销160固定在其适当的位置中。在孔圈158的周边唇部中固定着圆形的传导接触板164和正极终端盖156。接触板164与上述正极端盖和接触环162两者均电连接，但当存在较高温度或压力的情况时，与接触环162的连接断开。
如上所述，端盖组件172还可包括一个用于从电池中排出压力的系统。当组件包括一排气系统时，传导连接件160可以形成一个通过其的压力释放通道，类似于图3和图4所描绘的，用于使气体从柔性孔圈158的第一侧上的电池内部流入第二侧上的端盖组件172中。电池组端盖156还形成一个或多个通过其延伸的出口176，这些出口用于使气体从端盖组件172流到外部环境中。排气机构(除了密封件4)可以是可逆的或不可逆的。如果不采用上述排气系统，也可设置其它的排气装置。
在操作中，孔圈158响应较高的电池内部压力朝着正极端盖156轴向向下游(可逆地)弯曲并克服停止件166的弹簧力。从而调节开关150从闭合位置(如图7所示)被偏移到一敞开位置(未图示)，其中，中间销160可与孔圈158一致地轴向向下游移动。因此，第一电接触件162从第二接触件164偏移出并且离开凸部174。从而，接触环162和接触板164之间的电接触断开，进一步的充电被阻止，直到过压情况被减退，孔圈恢复到图7所示的位置中，接触件162和164之间的电连接被重新建立。
图7中示出的停止件166还可以由温度响应材料制成，当达到预定温度时，这种温度响应材料可改变形状。这样，可以成型这样的一种停止件，它在特定的电池内部温度时是可逆偏转或变形的，由此可减小或去除中间销上的预负载力并减小断开接触环和接触板之间的电连接所需的压力。这样，即使电池中不存在过压的情况，也可防止潜在的有害的温升。在操作过程中，当电池达到预定温度时，停止件166可以可逆地偏转或变形，并且将传导连接件162拉离接触板164，由此断开接触环和接触板之间的电接触。或者，停止件可以与传导连接件或中间销160以及顶盖156相连。
尽管可以使用任何温度响应材料，但停止件最好由两层金属或合金或带有不同热膨胀系数的其它材料构成的双金属片形成。一层具有较高的热膨胀性，而另一层具有较低的热膨胀性。这会使双金属片以由每一层中使用的金属或合金的选择所确定的方式响应温度偏斜或变形。或者，可以使用形状记忆材料来形成温度响应停止件166，如镍-钛合金。
温度响应停止件166可以另外作为一压力响应停止件来操作。形状记忆材料包括镍-钛合金、铜-锌-铝合金或铜-铝-镍合金。如图所示，这些材料可预形成为凹进的圆盘形166，以作用弹簧，并施加可将传导接触件162与接触件164保持在一起以实现电流连续的预定量的力。当这些材料被加热到预定温度时它们有变形以及变平坦的能力，或者当内部压力达到预定值时它们也会变平坦。已发现的是，这些材料用于镍金属氢化物或镍镉电池工作的最可取的温度范围在摄氏70度到100度之间。
另外，需理解的是，根据上述任何实施例中示出的停止件也可被构造成响应温度和/或压力。
如上所述，当充电根据电池中的零电池而终止或者当充电时间达到预定值时，充电器终止工作。这样，充电器即可停止充电也可连续地充电，在连续充电的情况中，压力响应开关将连续打开和闭合。这样，充电将会持续到计时器达到一预定值处的终止点。当充电的速率快于30分钟时，这种充电模式是特别有利的，其中，当电池达到满充电状态时压力显著增加，而由压力转换机构提供的电流的开关将持续到使电荷充到最大充电状态。如果以极快的充电速率(在30分钟或更短的时间内充电终止)在恒定电压、恒定电流或交变电流的情况下对电池进行充电，由于已知在充电过程中在满电池充电之前电池内部压力增加，因此电池仅可以被充到约70-90％。本发明的发明人确定，当达到极快充电速率(在30分钟或更短的时间内充电终止)时，恒定电压充电比恒定电流或交变电流充电更加有利，其原因在于，在恒定电压的情况下，充电电流持续减小于充电结束，这样，与以恒定电流进行充电相比，压力和温度不会上升得很快。例如，在开关打开之前，以恒定电压可达到85-90％的电量，而与之相比，以交变电流只能达到80-85％，而以恒定电流达到65-70％。在某些情况下，使用根据本发明的开关完成快速充电可以抵消与电池部分充电相关的缺点。
在另外一些实例中，可能希望以牺牲时间来确保电池被充电充满。在这种情况下，一旦充电器检测到零电流，它将等待直到电池内部压力衰减，而后测量电池的OCV(在这些电池中压力释放出口将有特别有利的，以使电池降压时间最小化)。根据OCV，充电器可以确定电池是否已被充满。
例如，已知完全充满的金属氢化物电池具有的OCV为1.42V。因此，如果，被充电的电池的OCV超过预定的临界值1.42-1.48V，则充电器将确定电池被充满。否则，充电器将得出结论，电池未被充满。因此，一旦电池内的压力消散，接触件之间的电连接建立，充电器将再使电池受到交变或恒定电流充电的作用，直到电池内部的压力使电连接断开。这种反复的过程可以一直持续，直到电池达到预定的OCV或者预定反复次数，此时，充电器将向使用者提供一个适当的信息，例如通过点亮一指示器。或者，使用者可以选择一个充电终点(例如80％电容量)，这样，当电池达到使用者选定的充电终止临界值时，充电器将计算相应的OCV并终止充电。
当使用恒定电流或交变电流充电时，这个过程将尤为可取，其原因在于，已知压力会在电池被充满之前显著地上升。如果向电池施加恒定的电压充电，可以预计，在第一次反复之后，电池将基本被充满，由此使充电器检测到零电流，并且指示电池已被充满。尽管上述零电流的方法可以结合用于恒定电流和交变电流充电，但当第一次反复终止时，电池可能未被充满。
根据本发明示出并描述的可逆开关的一个优点在于，充电终止的测定不取决于氧的再化合。因此，不再需要提供超过阳极的电容量。阴极处的氧和阳极处的氢可以被析出。两种气体提供压力。在这种情况中，阳极的电容量可以做得与阴极电容量相等，从而实现电池电容量的净增加。当充电电流停止时，氧与氢的再化合形成水： 。
另一个优点在于，可以使用不透过气体的分隔件。这消除了分隔件内具有用于使气体与阳极再结合的打开的流动通道的需要，而这种流动通道会使分隔件变得干燥并且限制电池的周期使用寿命。以本发明的压力响应开关，可以在通道内填充附加的电解质。这样，周期使用寿命以及放电效率将增加。
另一个优点在于，无须用复杂的分析线路来检测充电结束的情况，由此可降低相关充电器装置的成本。
另一个优点在于，能够以比现有的电池更快的速率来进行充电。例如，根据本发明的可再充电的金属氢化物电池组可以在45分钟或更短的时间内充电，较佳地是在30分钟或更短的时间内，最佳的在20分钟或更短的时间内，甚至对于NiMH1.3AhAA电池充电时间为10至15分钟，而传统的电池需要1小时或更长的时间来充电(1.2C)。由于本发明消除了在充电结束时过压和高温情况的顾虑，因此，充电速率可以提高。这样，快速充电可以达到小于1小时的速率。
另一个优点在于，与传统的可充电金属氢化物电池组相比，本发明的电池可以更高的电容量。其原因在于，根据本发明构成的电池的阳极材料与阴极材料可以具有更大的平衡。在现有技术的电池中，阳极具有比阴极多40-50％的多余电容量，与此不同的是，根据较佳实施例，本发明的电池具有的阳极材料与阴极材料的重量比总在0.9∶1-1.5∶1之间。
另一个优点在于，可以实现气体不渗透的分隔件，与现有技术相比，这种分隔件可以制造得更薄更密，从而为电池内的电介质留下更多的空间。由此周期使用寿命得到增加，放电效率得到提高。
具体地说，在充电过程中，阴极处的氧和阳极处的氢可以被析出。两种气体产生压力。在这种情况下，阳极的电容量可以做得与阴极电容量相等，从而实现电池电容量的净增加。随着充电电流停止，氧与氢的再化合形成水：
。在此实施例中，由于分隔件可以是不渗透气体的，因此，可以消除在现有技术的电池中为防止分隔件被完全浸透而对电解质填充的限制。
此外，尽管现有技术的可再充电金属氢化物电池的阴极通常包括型号为AB5的合金，但也可以采用高电容量的AB2合金，而由于提心过压的问题，这种合金传统上是不适用于这种电池的。
本发明还包括一种对一个或多个包含本发明的压力响应开关的电池进行充电的方法。该发法包括以下步骤：将一个或多个电池连接到电源上，如一个专用的充电器，向这些电池充电直到电池内部压力达到预定大小，于是，开关偏移向高压位置，而充电回路被中断。当充电回路中断时，充电电流下降至零会被人工地或自动地注意到。用于向电池组充电的充电器可以包括用于检测零充电电流的回路或者一个设定为预定值或中止的计时器，以及一个用于显示充电终止的指示器。或者，如上所述，充电器可以经过多个充电反复，以充分地对电池充电。
尽管任何一种方法都可以用于对结合了根据本发明的可逆开关的电池进行充电，但恒定电压充电法是较佳的，其原因在于，随着充电过程的进行电流被允许寻求其本身的降低程度，而无须考虑电池将受到过充电或过压和影响。以恒定施加电压的充电法，当在充电过程中电池电压增加时，电流在趋向于充电结束时会自动减小。因此，在电池充电接受能力高时的充电开始时充电电流较高，并且在趋向于电池充电接受能力减小的充电结束时逐渐减小为一较低的充电电流。无须高成本、复杂的充电控制。流入电池的电流可受到电池内阻以及电池本身充电状态的调节。当电池达到满充电时，增加的内部压力将致动压力开关来中断充电。因此，当充电器指示充电已终止时，电池将处于或接近完全充电。
有利的是，平行的多行电池能以相同的电压源来充电。通过接受与电池的断路电压加上由电池内阻以及回路的预置电阻引起的过压相等的充电电压，串联的多个电池也可根据本发明一起充电。有利的是，对于恒定电压充电，由于能够增加电池能够接受高电流的充电初始时充电电流，因此，可以达到比恒定电流充电更快的充电速率。
然而，需理解的是，本发明也同样可应用于恒定电流和交变电流充电。如上所述，已知的是，当电池充电基本完成时金属氢化物电池内部压力快速上升。如上所述，随着电池内产生气体，压力的上升在会缩短电池周期使用寿命的破坏温度上升之前发生。因此，希望当压力开始上升时以及破坏性的过压情况开始发生之前终止充电。
                             实例
对于在15分钟或更短时间内对一镍金属氢化物电池进行充电，通过以6秒的时间间隔10安培的电流在电池OCV电池电压间的压差测定，对于一节内阻为30-40mOhm的AA电池较佳的恒定充电电压约为1.6V到1.65V。对于内阻较低的电池(例如，具有10-20mOhms内阻的C型-电池)，可以施加低于1.6V但高于1.5V的充电电压。发明人实验证明，当周围环境温度在冰点以上，恒定电压充电是较佳的，而当周围环境温度低于冰点，恒定电流充电是较佳的。
端盖组件中含有一压力响应开关的商业的AA和AAA镍金属氢化物电池在15到30分钟内被完全地充电，当压力响应开关偏移进入高压状态中时，充电终止。压力信号是一致的，并且随着循环的延续会重新出现。当周围环境温度在冰点之上时，恒定电压充电法是可取的。当周围环境温度低于冰点之下时，恒定电流法更为有效。在循环的过程中，AA NiMH消耗电池的压力上升和下降的梯度相对恒定。使用恒定电压时的电流逐渐变小的效应会由于电池渐渐被充满而随着时间变化导致低压上升。对于同一个充电期间，电流的下降也会引起较低温度的上升。证明充电在较高电压时较快，但在这些情况下也会发现较高的电池温度。
如上所述，已知当电池充电基本完成时，金属氢化物电池内的压力会快速上升。具体地说，随着电池内产生气体而发生的压力的上升会在使电池周期使用寿命缩短的破坏温度上升之前发生。因此，希望能以这样一种方式对电池进行充电，即，减少具有破坏力的过压或过热情况的可能性。
根据本发明可以采用恒定电流充电法或恒定电压充电法或者一种组合的方法，例如，恒定电流之后使用恒定电压。一种交变电流充电法会是较佳的，其原因在于电流可以被调制，从而减少过充电、过压或过热的可能。无须昂贵的、复杂的充电控制电子线路。
交变电流或电压波形的特性通常(但不一定)为正弦曲线。可对于交变电流或电压波形应用全波或半波整流。
图8示出了对于使用交变电流对1600mAh的镍金属氢化物电池充电的电池压力和温度，其中交变电流是从公共的60Hz线路功率获得的，该种线路功率被全波整流产生120Hz交变电流频率。与恒定电流或直流充电相比，充电结束时电池压力和温度中的变化较小。
图9示出了使用如图8所示的交变电流对1600mAh镍金属氢化物电池充电的电池压力和温度。与恒定电压或直流电流充电相比，充电结束时电池压力和温度中的变化较小。
此处示出的实例利用了从公共的60Hz线路功率中获得和全波整流电流。本发明所涵盖的其它实施例包括全波整流交变电压或半波整流正弦交变电流或电压。另一实施例是一种任意频率的交变电流或电压充电。另一实施例为由任意波形构成的交变电流或电压，任意波形包括方波、三角波(或锯齿波)，或任何任意波形或若干种波形的组合。另一实施例是由任意频率或若干频率的组合、或任何波形或若干波形的组合构成的整流和未整流的交变电流或电压的组合。有利的是，这些充电方法的任意一种都可以被如上所述的具有压力响应开关的电池利用。
现参照图10，其中示出了一种根据本发明另一实施例的确定充电终止点的装置。具体地说，一种传统的可再充电AA电池组210具有一正极终端211以及一负极终端213。尽管电池组210具有根据较佳实施例的一镍金属氢化物电池，但本领域的普通技术人员可显而易见的是，根据本发明可以使用，任何适当型号的以镍为基础的可再充电电池。电池组被修改为包括一个围绕其外表面包裹的标签212，该电池具有一个整体式的金属薄膜应变片214，根据较佳实施例，该应变片214包含康铜。应变片214的端部在带有一对相应的接触带216的两个端部处终止，接触带216也围绕着电池并且是导电的，它分别与应变片的两端电连通，从而允许测量应变片的内阻，这些将在下文中详细描述。
现又参照图14-16，标签212是一个叠片，从其径向内表面处开始它包括：一粘合层244；接着是一绝缘层242；具有设置成一种“螺旋形”结构的金属薄膜214以及一对定位在薄膜214的任一侧上的接触带216的金属层240；最后为外绝缘层238，该绝缘层的外表面带有图案。外部绝缘层包含一对通过其延伸的孔隙239，该对孔隙239与至少一部分那对接触带216对齐，这样保持接触带216露出并可通向充电器218内的接触件234和236，这将在下文中进一步描述。然后，将标签212裹绕在电池210周围，这样，薄膜214提供了一个指示电池外表面膨胀的应变片，这将在下文中更详细的描述。或者，金属薄膜214可以构造成螺旋状配置，尽管这将要求薄膜层240多次包围电池210，从而增加制造过程的成本和复杂性。
这样，电池210可操作地设置到一种被构造成可接纳具有各种尺寸的多个电池的传统的电池充电器218中。具体地说，第一壁220从充电器218的基部222垂直延伸，并且它具有一正极接触件224。一第二壁226从基部222的相对侧垂直延伸出，它形成了一个电池外壳228。一个可滑动壁230具有一个负极弹簧接触件232，从而能够使一再充电电流流过电池210。根据较佳实施例，充电器218可向电池210施加一恒定电流，但需理解的是，本发明也可应用和兼容恒定电压充电。
为了容纳具有各种尺寸的电池，壁230是可按箭头A和B方向沿着一导轨(未图示)滑动，从而分别容纳长度较短和较长的电池。一对接触件234和236从基部222向上延伸，并且被弹簧安装，从而无论电池在充电器218内的径向定向，均可与电池210的接触带216结合。接触件234和236还可与充电器218内的一控制线路或一微处理器之类元件(未图示)电连接，它们被编程以确定充电的终止点，这将在下文中更详细的描述。
接触件234和236从正极终端224附加地偏移一预定路径D1，而接触件236从接触件234偏移一预定距离D2。因此，带216也可被制造成，无论电池的尺寸如何，带216分别相对正极终端224偏移D1和D2。这样，无论电池的尺寸如何，接触件234和236将与电池的带216轴向对齐。此外，由于接触件234和236可以在弹簧力的作用下沿径向方向偏移，因此它们可以与任意尺寸的圆筒形电池结合，其中包括(但不局限于)型号为AAA、C和D的电池。本发明设想，正极接触件224或者也可是能滑动的，而带216和接触件234和236被定位在离负极接触件232的一预定距离处。如本领域的普通技术人员应理解的是，充电器还可被构造成可接纳一9V电池的终端。
尽管电压和温度的变化率已根据传统充电终止系统使用，并且理论上能够提供一充电终止点，但这些值的缓慢改变延后于电池实现充电。因此，这些现有技术的系统会有对电池过充电的隐患，除非电池以慢速率充电，但这又是最终用户不希望的。
由于再充电电池在充电过程中会使压力上升，因此，电池的外表面会由此膨胀，从而也使应变片214膨胀并使其电阻变化。电池210的温度也会在充电过程中增加，这会使电池的外表面进一步膨胀，由此进一步影响应变片214的电阻。此外，当由池接近其充电终止点时，电池210内温度和压力的变化率，以及应变片214的阻力会以一种预知的方式作为时间的一个函数变化。根据较佳实施例，应变片214的电阻的变化率(dR/dt)由处理器测得，从而提供一个充电终止点的指示。这样，电池210的外壁的膨胀率可用于确定充电中止点。以下公式用于将电阻的变化ΔR与电压的变化ΔP和温度ΔT的变化相联系：
ΔD/D＝DΔP/2tE              (1)
ΔR/R＝Kg(KtΔT+DΔP/2tE)    (2)
式中：Kg为应变系数、T为温度、Kt为外壳材料的热膨胀系统、D为改变之前的电池直径、E为外壳材料的杨氏模量、P为电池210的内部压力、以及t为改变之前的外壳的外壁的厚度。将公式2对时间求导数可获得：
dR / dt = Rk g k t dT / dt + Rk g D 2 tE dP / dt
由于当电池最初放置到充电器218中时，某一电池的充电状态是未知的，并且由于某一电池上的特定应变片214的标称电阻是未知的，因此，以这种方法不可能检测压力或温度的绝对值。然而，压力、温度和电阻的变化率是可测量的，并且其表现为一种预定的方式，并且由此可以作为一种用于测定充电终止点的标准。尽管应变片214对于压力和温度都是敏感的，但在趋向于充电期结束时，压力变化率的影响明显比温度的影响大，从而将占主导作用。这样，温度变化率的较慢的反应不会对充电终止点的确定造成负面影响。如果希望确定由导线串联起来的多个电池的充电终止点，接触带216以及应变片214也会被导线串联起来，并且可以确定全部所需参数(无论压力还是电阻)的变化率。
应变片214的电阻R可以通过向接触带216供给电流以及测定越过应变片214的电压的下降来确定。或者，如本领域的普通技术人员所能理解的，可以使用一种桥电路来放大来自应变片214的信号变化。在充电过程中，该电阻不断地被取样，直到其变化率满足预定的临界值标准，由此指示出充电终止点。此时，充电器218上的一指示器(未图示)会被致动以警示使用者，充电器将断开来自电池210的充电电流。因此，设置一个可靠的指示器来指示快速充电组件的充电终止点，快速充电组件可以在230分钟之内满充电一节耗尽的电池。
本发明具有在充电过程中传统电池的内在响应的优点。这样，标签212可以按上述方式有利地用于任何现有的传统以镍为基础(或同等的)可再充电电池，从而使其符合本发明。
另外需理解的是，本发明可以用于再充电电池组中，如便携式电话等。这些电池组包括多个连成一串联的电池，这些电池具有多个与各个电池对应的应变片，并且它们还被串联到电池组上的一附加的接触件上，用于与充电器中的控制电路电连通，从而如上所述确定压力、温度和电阻的变化率。或者，如上关于压力开关所述的，这些电池可以被放置在一充电器中，并且在充电过程中平行连接。
为了根据电阻和/或压力的变化率实验确定型号AA电池的充电终止点，测试了一镍金属氢化物AA电池。以下将描述的实现结果能被用于编制充电器218中的控制电路的程序，以确定某一电池的充电终止点。需理解的是，以下仅是一特定电池的实例，各个电池之间的结果会有所不同。因此，本发明不局限于以下示出的结果。此外，描述了以下结果以证明与某一电池的充电终止点相对应的电阻和/或压力的变化率，这些结果可用于编制根据较佳实施例的充电器218的控制电路的程序。
测量电池被放置在实验电池充电器中，并且受到一恒定再充电电流的作用。使用相应的压力和温度仪表，充电时间、电流和电压随着电池内的压力和温度被测量。使用公式1-3，计算了各个值，如dP/dt、dT/dt、R*Kg*(D/2Et)*dP/dt、R*kg*kt*dT/dt以及dR/dt。
根据电池的压力可知电池的充电终止点，在此点处，公式3的值被确定为可相应地提供对类似的AA电池充电时的临界速率值。可理解的是，在充电开始时具有不同的剩余充电的不同的电也将具有不同的充电时间。然而，在多个电池中，预期将保持随着时间变化的、与压力、电阻和温度的变化率相关的性能。这些结果在图11-13中予以示出。
在本实例中，R和Kg的值被选定为与一典型的可购得的应变片相关联。这样，可以确定dR/dt＝0.055ohms/min的临界值与充电终止点相应。另外，dP/dt＝55PSI/min的临界值也与充电终止点相应。
因此，这些值可以得编程到充电器218的控制电路中，这样，控制电路便能够通过以下手段确认电池210的充电终止点：(1)直接测量dR/dt，并将其与临界值作比较，或者(2)除dT/dt之外测量dR/dt(使用与被充电的电池热连通的充电器218内的温度传感器)以相应的计算dP/dt，并且将该值与预定的临界值相比。充电器的热电偶靠近电池。需理解的是，热电偶可以单独地与各个被充电的电池相联，或者，可用单个热电偶来提供各个电池的适当的近似值。
现参照图17，其中示出了以1.65V恒定电压充电的一组四个1600mAh镍金属氢化物电池的电池内部压力与时间的关系。当电池在12分钟内达到满充电时，内部压力上升到300psig。随着电池的放电，压力返回到初始状态。这证明了，镍金属氢化物电池的内部压力以预定方式上升和下降，在充电速率极高的情况下，内部压力可以作为终止充电的一个可靠的信号。这样，以压力作为充电终止信号可以可靠地对电池组进行充电和放电。
现参照图18，测量了在由3A的恒定电流充电，随着由1A的电流放电至1V的情况下1300mAh NiMH电池的典型充放电特性。压力、温度和电压是相对于时间测量和示出的。这示出了相比温度和电压，压力是一个充电终止的更强有力的信号。压力上升得比温度和电压更快，因此，压力比温度的电压更适合作为充电终止的信号。
现参照图19-21，与图22中示出的电压相比，在循环过程中，压力上升和下降的梯度保持比较稳定。这进一步表明了压力为作电池的充电终止点的标记的可靠性。
参照图23，其中三节1600mAh镍金属氢化物受到150分钟的3.7A恒定电流的充电和放电。图中示出并标记出了在周期1和周期150时电池的内部压力相对时间的变化关系。这进一步说明了随着周期使用寿命以及不同的电池型号和电容量，压力信号是可重新产生的。
参照图24，两个更小的550mAh镍金属氢化物电池串联，并且以每节电池1.65V的恒定电压源进行充电。测量并标示出了内部压力、温度和安培对时间的变化关系。
图25示出了对于第一电池在6A的恒定电流情况下充电而第二电池在1.65V的恒定电压情况下充电的作用电容量的函数的电池内部压力。图26示出了作为第一和第二电池的的电容量的函数的电池电流。图27示出了作为第一和第二电池的电容量的函数的电池内部温度。图28示出了作为第一和第二电池的电容量的函数的电池电压。如图所示，恒定电压相比恒定电流的一个显著的优点在于，当电池电压上升接近施加的电压时，恒定电压具有在趋向于充电结束时充电充流逐渐变小的能力。逐渐变小的效应使得在充电结束时压力上升小而温度上升低，由此允许电池更完全地充电。对于同一个充电期间，电流下降也会产生较低的净温度上升。
现参照图29，将电池温度和充电输入电容量显示为作在两种不同电压条件下充电的两个电池的时间函数。可以观察到，对于具有相同内电阻的一电池，较高的充电电压会产生较大的充电电流。因此，电压较高时充电较快，但电池在较高的充电电压时也会较热。该附图还示出了在较高的充电电压时，电池可更快地达到较高的充电状态。它还示出，当压力致动开关在较高的充电电压电池中打开时，电池温度会由于开关的打开/关闭而下降。在由压力开关提供的间断的电流情况下，电池以这种状态连续接受充电但温度较低。这对于将压力开关作为调节充电结束情况的一装置是一优点。
以上描述了本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下还可作出各种改变。为了通告公众可能落入本发明范围内的各种实施例，给出了以下权利要求书。

Claims (54)

1.一种轴向延伸的可再充电电化学电池，该电池包括：
(a)一外部外壳，该外部外壳形成有一个带有一敞开端的内部空腔，设置在内部空腔中的一正电极和一负电极，以及一封闭该敞开端的终端盖；以及
(b)一端盖组件，该端盖组件包括：
i.一从外壳向内径向延伸出的孔圈，其中孔圈响应内部电池压力从第一位置朝第二位置弯曲；
ii.一第一传导元件，该第一传导元件与终端盖电连通；
iii.一第二传导元件，该第二传导元件与正极电连通，并且与第一传导元件成可脱开地电连通，其中，第二传导元件与孔圈机械相连；以及
其中，当在充电过程中孔圈响应超过预定临界值的一内部压力朝第二位置弯曲时，第一和第二传导元件脱开电连通。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，当内部压力下降低于预定临界值时，孔圈从第二位置返回到第一位置。
3.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，第二传导元件连接到孔圈上，并且至少与第一传导元件部分轴向对齐，并且其中，当孔圈处于第二位置之中时，轴向向外移动第二传导元件。
4.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，该电化学电池还包括一个不传导的弹簧构件，该弹簧构件设置在终端盖和孔圈之间以限制孔圈的移动量，并且施加预置的弹簧力以保持第一和第二传导元件之间的接触。
5.如权利要求1所述的电池，其特征在于，孔圈在其周边形成了一个径向向内延伸的空腔，该空腔包括端盖和第一传导构件的末端。
6.如权利要求5所述的电池，其特征在于，外壳卷边在孔圈上以密封电池的敞开端。
7.如权利要求1所述的电池，其特征在于，终端盖是一个正极终端盖。
8.如权利要求1所述的电池，其特征在于，该电池还包括一个停止垫圈，该停止垫圈设置在第一传导元件的轴向下游，当孔圈处于第二位置中时，用于限制第一传导元件的轴向运动。
9.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个通过终端盖延伸的孔，它被构造成当内部压力超过预定临界值时允许气体从电池中漏出。
10.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，孔圈使外壳的内部空腔与设置在端盖中的第二内部空腔隔开，并且电池还包括一个通过孔圈延伸的开口，从而在外壳的内部空腔和第二内部空腔之间提供了一管道。
11.如权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个设置在开口内的塞子，当内部压力达到第二预定临界值时，该塞子是可移动的。
12.如权利要求11所述的电化学电池，其特征在于，塞子是可弹性变形的。
13.如权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个设置在开孔内的弹簧构件，它可操作成防止流体从外壳的内部空腔从第二内部空腔流出，其中，当内部压力达到第二预定临界值时，该弹簧构件是可移动的。
14.如权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，电池可以在恒定电流充电的情况下充电。
15.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以比一小时快的速率充电。
16.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以在恒定电压充电的情况下充电。
17.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以在变化电流充电的情况下充电。
18.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，交变电流充电为半波整流的交变电流充电。
19.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，变化电流充电为全波整流的交变电流充电。
20.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，变化电流充电为由直流补偿的交变电流。
21.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以用在最小临界值和最大临界值之间变化的电压充电。
22.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个分隔件，该分隔件设置在正电极和负电极之间，其中分隔件为不透气的。
23.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，第二传导元件还包括：
一第一接触件，该第一接触件具有从正极延伸出的一端以及与第一端相对的一第二端；
一第二接触件，该第二接触件通过孔圈延伸，它具有一个与第一接触件的第二端接触的第一端以及一个与第一端相对的第二端；以及
一第三接触件，该第三接触件具有一个与第二接触件的第二端接触的第一端以及一个与第一端相对并可脱开地与第一传导元件接触的第二端。
24.一种可再充电电化学电池充电系统，该充电系统包括：
(a)一电化学电池，该电化学电池包括：
i.一外部外壳，该外部外壳形成有一个带有一敞开端的内部空腔、设置在内部空腔中的一正电极和一负电极以及封闭该敞开端的一终端盖；
ii.一连接装置，该连接装置在终端盖和第一电极之间建立了一电连接；以及
iii.一个响应高内部压力以使连接装置断裂的开关；以及
(b)一电池充电器，该电池充电器中可接纳电化学电池，并且被构造成可向电池供给恒定电压充电，其中，内部压力在充电过程中产生，当内部压力超过预定临界值时将致动开关终止充电。
25.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，电池还包括一个设置在阳极和阴极之间的不透气的分隔件。
26.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，该电池还包括其阳极的安培小时的电容量对阴极的安培小时的电容量的重量比在0.9∶1到1.5∶1的范围内。
27.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，充电器还被构造成以变化的电流对电池进行充电。
28.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，充电器向电池供给一电流，在充电过程中，该电流随着电池内电压的增加而减小。
29.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，电连接还包括一与终端盖电连通的第一接触件以及与阴极电连通并可脱开地与第一接触件电连通的第二接触件，其中，当内部压力超过预定临界值时，开关使第一和第二接触件之间的电连通断开。
30.如权利要求29所述的充电系统，其特征在于，开关还包括一个孔圈，该孔圈与第一接触件相连，并且被构造成可偏压第一接触件离开第二接触件。
31.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，开关是可逆的。
32.一种可再充电的电化学电池充电系统，该充电系统包括：
(a)一电化学电池，该电化学电池包括：
i.一外部外壳，该外部外壳形成了一个带有一敞开端的内部空腔、设置在内部空腔中的一正电极和一负电极以及封闭该敞开端的一终端盖；
ii.一连接装置，该连接装置在终端盖和第一电极之间建立了一电连接；以及
iii.一个响应高内部压力以使连接装置断开的开关；以及
(b)一电池充电器，该电池充电器中可接纳电化学电池，并且被构造成可向电池供给变化的电流充电，其中，内部压力在充电过程中产生，当内部压力超过预定临界值时将致动开关终止充电。
33.一种可再充电的电化学电池充电系统，该充电系统包括：
(a)一电化学电池，该电化学电池包括：
i.一外部外壳，该外部外壳形成了一个带有一敞开端的内部空腔、设置在内部空腔中的一正电极和一负电极以及封闭该敞开端的一终端盖；
ii.一连接装置，该连接装置在终端盖和第一电极之间建立了一电连接；以及
iii.一个响应高内部压力以使连接装置断开的开关；以及
(b)一电池充电器，该电池充电器中可接纳电化学电池，并且被构造成可向电池供给电压充电，其中，电压在最大临界值和最小临界值之间变化，其中内部压力在充电过程中产生，当内部压力超过预定压力临界值时将致动开关终止充电。
34.一种用于对这样一类可再充电电池进行充电的方法，该种可再充电电池具有：一外部外壳，该外部外壳形成了一个带有一敞开端的内部空腔、设置在内部空腔中的一正电极和一负电极以及封闭该敞开端的一终端盖；一电连接装置，该电连接装置在终端盖和第一电极之间建立了一可脱开地连接；以及一个控制该连接装置的开关；该方法包括：
(a)向电池供给一恒定电压充电，其中，内部压力响应恒定电压充电在内部空腔中上升；以及
(b)当内部压力超过预定临界值时致动开关终止该连接。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
(c)一旦内部压力下降到预定临界值之下，致动开关以恢复连接装置；以及
(d)测量电池的开路电压；以及
(e)重复(b)和(c)，直到电池具有约为1.42V的开路电压。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，该方法还包括在充电过程中将多个附加可再充电电池与该可再充电电池串联。
37.如权利要求34所述的方法，其特征在于，该方法还包括在充电过程中将多个附加可再充电电池与该可再充电电池并联。
38.如权利要求34所述的方法，其特征在于，一个阳极和一个阴极设置在内部空腔中，一个终端盖封闭与阴极可脱开地电连通的敞开端，并且一个开关控制终端盖与阴极之间的电连通。
39.如权利要求34所述的方法，其特征在于，该方法还包括当内部电池电压累积时，向电池供给的电流减小。
40.如权利要求34所述的方法，其特征在于，该方法还包括，当内部压力下降到预定临界值以下时，使开关反向以重新建立连接装置。
41.一种用于对这样一类可再充电电池进行充电的方法，该种可再充电电池具有：一外部外壳，该外部外壳形成了一个带有一敞开端的内部空腔、设置在内部空腔中的一阳极和一阴极以及封闭该敞开端的一终端盖；一电连接装置，该电连接装置在端盖和阴极之间建立了一种可脱开地电连接；以及一个控制连接装置的的开关；该方法包括：
(a)向电池提供交变电流充电，其中内部压力响应充电而在内部空腔中上升；以及
(b)当内部压力超过预定临界值时，致动开关以终止该连接。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，该方法还包括在充电过程中，将多个附加可再充电电池与该可再充电电池串联。
43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，该方法还包括在充电过程中，将多个附加可再充电电池与该可再充电电池关联。
44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，一阳极和一阴极设置在内部空腔中，一终端盖封闭与阴极可脱开地电连通的敞开端，并且一开关控制终端盖与阴极之间的电连通。
45.如权利要求41所述的方法，其特征在于，该方法还包括当内部压力下降到预定临界值之下时，使开关反向以重新建立连接装置。
46.一种用于对这样一类可再充电电池进行充电的方法，该种可再充电电池具有：一外部外壳，该外部外壳形成了一个带有一敞开端的内部空腔，设置在内部空腔中的一阳极和一阴极，封闭该敞开端的一终端盖，可脱开地将端盖与阴极相连的一电连接装置以及一控制该连接装置的开关，该方法包括：
(a)向电池提供电压充电，电压在一预定最小值和一预定最大值之间变化，其中内部压力响应充电在内部空腔中上升；以及
(b)当内部压力超过一预定临界值时，致动开关以终止该连接，其中，当内部压力下降到预定临界时之下内，连接装置重新建立。
47.一种可再充电的电化学电池充电系统，该充电系统包括：
一可再充电电池，该电池的外表面上具有一个传感器，该传感器可操作传送这样一个信号，该信号指示外表面以一个超过预定临界值的比值膨胀；以及
一个电池充电器，该电池充电器被构造成(1)向可再充电电池提供充电，其中当进行供电时，电池的外表面膨胀，(2)从传感器接收信号，以及(3)根据预定的外表面膨胀的变化率终止充电。
48.如权利要求47所述的组件，其特征在于，传感器为一应变片，该应变片具有两个与两个相应的传导接触带相连的末端，其中，充电器还包括若干与接触带相连的传导引线，以测量越过其的电阻。
49.如权利要求48所述的组件，其特征在于，来自传感器的信号为电阻，该电阻以与外表面膨胀相关的预定方式变化，并且其中充电器还包括一个可操作测量越过应变片的电阻的处理器。
50.如权利要求47所述的组件，其特征在于，充电为恒定电压充电。
51.如权利要求47所述的组件，其特征在于，电池还包括一个用于感测电池内部温度的温度传感器，其中，电池充电器还根据温度的预定条件和外表面膨胀的变化来终止充电。
52.如权利要求47所述的组件，其特征在于，应变片以构成包围电池的一叠层嵌入，该叠层包括：一粘结剂、一绝缘层、应变片以及一对相邻应变片设置并与之电连通的接触垫。
53.一种用于测定这样一类可再充电电化学电池的充电终点的方法，此类电池具有一个形成具有一敞开端的一个内部空腔的外壳、设置在内部空腔中的一阳极和一阴极、一封闭敞开端的终端盖以及一个设置在电池外表上、其电阻响应电池的膨胀变化的应变片，该方法包括：
向电池充电；
测量应变片的电阻；以及
在充电过程中根据应变片的电阻的变化确定充电终止点。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，充电为恒定电压充电。
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