CN1647295A - 用于可充电电池充电的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种给可充电电池充电的一种方法和一种装置。当施加的充电电压过高时，可以形成增高的内部压力。这样，就会增加易燃气体泄漏的危险，或者，在极端的情况下，会发生爆炸。为了防止这些情况发生，当电池壳体膨胀时，应该降低所施加的电压。

Description

用于可充电电池充电的方法和装置

本发明涉及用于可充电电池、特别是便携式仪器上所用的可充电电池充电的一种方法和一种装置。

现在，各式各样的电器对可充电电池的需求正在急剧增长。在这方面，较高的能量密度以及在较轻的重量下能够达到较高的功率、或者较高的电池电压等这样的题目就起着重要的作用。首先，这就使得在可充电的锂电池或锂离子电池领域内的科研积极性大大提高。

可充电电池；即所谓“蓄电池”或者“Akkus”；它们必须在一定的最高电压下才能充上电，例如，对于锂离子电池来说，这个最高的电压大约为4.2V。如果较长时间超过这个最高的容许充电电压那么电池内的电解质和电极材料的分解就会增加。对于锂离子蓄电池来说，它还甚至可以形成金属锂，这种金属锂极其活泼的。

在电解质分解逐渐增加的过程中会析出气体，并且由此会造成蓄电池壳体或电池的胀大。此时，就可导致打开一个安全阀，此时可从电池里面漏出可能是易燃的气体，并可能发生火灾。

在极端过度充电和安全阀失效的情况下，电池也可能发生爆炸。因此，当蓄电池膨胀的时候，例如由于加载过高的电压，出于安全因素的考虑，必须使电池内的电流大大地降低，或者尽可能使电池内的电流完全中断。

在充电时，出现电池上的电压过高的情况，可能例如是如下情况造成的：在蓄电池充电时，一种可能性在于容许恒定的充电电流通过。为了达到此目的，就必须改变加在电池上的电压，那时，一旦在电池内已形成一个反向电压，就必须克服这个反向电压，以便真正形成电流。

一个常用的防止着火甚至电池爆炸的办法是：将需要保护的电池，例如锂电池，或锂离子电池，只有与一个电子保护电路相组合装入一个电池包(Batteriepack)，就是说装入由至少一个电化学电池组成的一套电池中。

这种保护电路还完成这样的任务，当施加的电压超过了最大电压时，仪器或充电装置与电化学电池之间的触点就会断开，或者充电装置与电池之间的触点就会断开。当然根据不同制造厂商和所采用的电池类型的不同，例如有关的响应时间或电压极限，保护电路的实施细节也是不同的。

另一种常用的方法是，在电池组以外，设置相应的电子硬件保护电路或相应的单一的结构元件，在这种情况下，只有当电池装入相应的仪器内时，电池才当然地受到保护。

这种类型的保护电路的主要的缺点例如在于：

1)用于IC(集成电路)和其他的结构部件的额外费用；

2)IC与其他必要的结构元件相组合，包括在电池包内的或在仪器内的有关的电路板都是需要占用空间的；

3)在一些情况下，相应的结构元件的可提供性是有限的

4)保护电路的耗电，典型的电流在数个μA的范围

5)保护电路在进行ESD和EMV测试时会引起一些问题，就是说在静电的充电放电时，受到仪器发射的电磁波的影响(EMV＝电磁相容性，ESD＝静电放电)。

在许多仪器中，充电方法和在为了充电而在电池上施加的最高电压，都是与电池类型有关地经由确定的程序来控制的。这种用软件解决问题的缺点就在于：如果软件偶然失效，就可能发生安全性问题。

当使用较复杂的仪器时，这类的软件问题不算是少有的。此外、如果电池被错误地识别，也可能有一种错误的电池型号被采用，那么自然就会以错误的参数并因此就会在一种错误的规则系统情况下进行充电的过程。

综合上述，这就是到目前为止所应用的过度充电保护的主要缺点是这种纯软件的解决方案在“危急情况”下缺乏可靠性，还有，在藉助附加电路的解决方案中需要额外的资金支出和需要占用空间。电池壳体里面有电解质存在，当在两电极之间较长时间施加过高的电压时电池壳体膨胀，因此这时电解质就会分解，这就是例如产生气体。

本发明也是基于这样一种想法：就是防止或限制由于施加了过高的电压导致电池内部压力严重地增加，办法是切断与电压源的接触。

因此，一种进一步的解决方案就是，可以用一根馈电线把电压施加到电池上面，基于电池壳体的膨胀来切断馈电线。

此法的不利之处在于，在过度充电的情况下，这根馈电线会受到损害，这使消费者要花费过高费用。

因此，本发明的任务就是：采用简单的方法、既保证电池安全地进行充电，而且，又可以使消费者保持较低的费用支出。

这个任务是通过独立权利要求予以解决的。其他的改进结构由从属权利要求得出。

根据本发明，这根馈电线至少部分地是由弹性的材料制成的，在延伸时，这种材料的电阻变化很大。在电池壳体中也有电解质存在，当较长时间在电极之间施加过高电压时电池壳体就膨胀，因为电解质倾向于分解，这就是例如生成气体导致的结果。这根至少部分地加在电池壳体上的馈电线在膨胀时具有较高的电阻。因为较高的电阻，所以，在这个范围内电压已经下降，因此，使得在电池本身施加较低的电压。

本发明也基于这样的想法，限制由于施加过高电压导致的内部压力危险性的增长。

这个方法所具有的优点是：避免由于施加过高的电压所造成的损害，诸如可燃气体漏出或爆炸，而且同时，在一次过度充电时，馈电线也不会损坏。

这个方法突出的特点，就是它的转化是特别容易的。

给一个里面有电极和电解质的带壳体的电池进行充电的一种相应的装置，具有至少一根用于施加电压的馈电线，这根馈电线与电池壳体是如此共同作用的，使得当电池壳体的形状发生变化时，这根馈电线的几何形状也将会改变。

一个有相应的充电保护的电池，有一根这样与它的壳体相耦合的馈电线，电池壳体的形状变化导致在电极上施加电压的馈电线形状的变化，例如，导致这根馈电线的延伸。

具有这种装置的电池，由于其安全性和“保护电路”低的附加生产成本，特别适合于在便携式设备中使用的电池。

现在，借助几个实施例，其中一部分在附图中示出，对本发明进一步地予以说明。

在下面示出了这些附图：

图1a，b分别为一个处于未延伸状态的电池的侧视图(图1a)和仰视图(图1b)；

图2a，b分别为一个处于延伸状态的电池的侧视图和仰视图；

图3a，3b，3c，3d以侧视图和仰视图示出，当一个电池的壳体膨胀时两个接触面相互产生位移从而导致电阻的增高。

图1a示出了一个电池的侧视图。在电池壳体1上面有一个正极3，还有一个馈电线5，这根馈电线连接到负极。

现在，图1b示出了由方向A去看这个电池的仰视图。此时，馈电线5是以阴影面的形式给出的，它是被安置在电池壳体上面的。

现在，图2a和图2b是表示在膨胀状态下的这个电池的侧视图和仰视图。在图2a上，电池壳体1膨胀到了超过其原始尺寸7以外。这就导致馈电线5的伸长。在图2b上面看得很清楚，此处示出的是电池的仰视图。由此避免了由于施加的过高的电压引起的进一步的膨胀。

为了保证可靠的形状变化，例如，为了保证馈电线5的延伸，电池壳体1的延伸首先是在有馈电线5的地方或地区进行。为此，电池壳体1也可以由不同的容易延伸的材料来制造。例如，钢、铝或者嵌入了金属颗粒的层状塑料可以用来制造电池壳体。

当然，也可以通过选择电池的几何尺寸的方法，来达到不均匀膨胀的目的：这样，电池可能在具有较大延伸的侧面，容易延伸。

当电池壳体的几何形状发生改变时，为了使馈电线，或者这根馈电线的一部分能够可靠地延伸，这根馈电线，或至少是这根馈电线的一部分，合理地采用脆性材料来制造，这种脆性材料是不会延伸的或几乎不会延伸的。例如，可以用镍或一种涂覆了导电物质的脆性材料来制造馈电线；同样，在电池壳体上面镀上导电的各种金属也是很适合的。

为了保证可靠的延伸，还必须考虑到其他的因素，即在受热时，这根金属馈电线会延伸。但是，当电池过度充电时，这个电池正好将严重地发热。因此，在相应的温度范围内，这根馈电线5的材料必须具有较小的膨胀系数。

由于两个接触面之间相互位移，所以，这根馈电线的电阻就可能发生变化。所以，也存在着这种可能性，那就是在触点处的电阻可能显著地增大。

从图3a和3b上面可以看出，由于电池壳体的膨胀，一个触点是如何“变化”的，即在这种情况下，这个触点的电阻就会提高。在这种情况下，该触点具有由两个部分组成的馈电线，其第一部分是13，第二部分是15。在某个搭接区17内，这根馈电线的第一部分13和第二部分15相互搭接。当延伸时，这个搭接区17会缩减，就像在图3b上面看到的一样。在图3c和图3d中，可以从侧视图里看出这种情况。在图3c中，电池壳体是未延伸的，在搭接区17内，馈电线的第一部分13和馈电线的第二部分15是搭接的。在这两根馈电线之间，有一种导电物质19，举例来说，可以用一种PTC材料来做这种导电物质(PTC：正温度系数)。

PTC材料包括一种弹性聚合物，在它的里面有导电的颗粒，例如，它们可以是金属颗粒或碳颗粒。当这种弹性物质延伸时，金属颗粒之间的距离就会增大，因此，这种导电物质19的电阻就会增加。当电池壳体1膨胀时，这个搭接区17就会缩小，这在图3d的侧视图上示出。因此，如果这根馈电线的第一部分13和第二部分15是向着彼此分离的方向移动时，则导电物质19就被延伸。因此，这个触点的电阻就会增大，于是因此在这个电阻上有较高的电压降，从而最后，在电池上施加的电压减小。陶瓷的延伸测量条带也可以代替PTC材料。

除了上述的例子以外，在本发明的范围之内，还有多种其他的结构方案，在这里就不再继续叙述了。根据已然解释过的实施例，在实践中，专业人员是可以很容易地把它移植过来的。应该特别指出的是：本发明不仅可以用于含锂的电池，而且还可以应用于内部压力可能增加的所有电池。

参考符号一览表

1电池壳体

3正极

5馈电线

6原始尺寸

9开关

11引出罩

13馈电线的第一部分

15馈电线的第二部分

17搭接区

18导电物质

Claims (4)

1.用于给可充电电池充电的方法，在电池壳体的外侧设置一根连接到电极的馈电线，以便在电极上施加充电电压，

其中，在充电过程中，电池壳体是立体延伸的，而且，

其中，当超过设定的最高充电电压时，由于电池壳体产生立体膨胀，这根馈电线可以产生随之而来的延伸，导致这根至少部分地是由弹性材料制成的馈电线的电阻将会增大，使充电过程结束。

2.用于给至少是一个电池充电的装置，在这个需要充电的电池壳体外表面上，有一根连接到电极的馈电线，用于向电极上施加充电电压，

-其中至少有部分电池壳体是采用一种可延伸的材料制造的，

-其中至少有部分的馈电线是采用弹性材料制造的，该材料在延伸时，它的电阻会改变而且，

-其中这根馈电线至少部分地与电池壳体是搭接着的，这样，在电池壳体延伸时，这根馈电线也是可延伸的。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，馈电线是由多个部分组成的，而且，在馈电线至少两个部分的接口处具有在延伸时其电阻会改变的弹性材料，而且，馈电线的这些部分是连接在一起的。

4.具有随温度变化延伸的材料制成的电池壳体的电池，在其外表面上设置引方电极的、最少部分地是采用可延伸材料制成的馈电线，并且，与延伸有关馈电线的电阻增大，馈电线与电池壳体用机械方式如此搭接，使得在电池壳体延伸时，馈电线也相应地延伸。

Images