CZ133595A3 - System for battery charging and discharging - Google Patents

Description

Systém pro nabíjení a vybíjení baterie

Oblast techniky

í }

r t

elektrických systémů se nabíjení a/nebo zejména pak systémů baterie k intenzivnímu cyklů.

Tento vynález se týká všeobecně a odpovídajících způsobů, týkajících vybíjení jedné nebo více baterií, a způsobů pro zlepšení způsobilosti nabíjení během nabíjecích a vybíjecích

Dosavadní stav techniky

Hermetické baterie se · schopností znovunabíjení vyžadují zařízení a metody pro rychlé znovunabití. Za rychlé nabíjení se všeobecně považuje jakýkoliv proud stejný nebo převyšující jmenovitou hodinovou proudovou zatížitelnost baterie nebo článku. Tato jmenovitá hodinová zatížitelnost se všeobecně uvádí jako kapacita (C). Kapacita je přesněji definována jako jmenovitá intenzita hodinového vybíjecího proudu na zvolené napětí, jako např. jeden volt na článek. Například článek, který má normálně stanoveno 1,5 ampérhodiny, má C zatížitelnost 1,5 ampéru. Jakýkoli nabíjecí proud článku, než 1,5 ampéru je tedy považován za rychlý Naopak, za pomalé nabíjení nebo trvalé dobíjení je obvykle považován jakýkoli proud menší než C, typicky v rozmezí od 0,1 C do 0,5 C.

který je větší nabíjecí proud.

Baterie se schopností znovunabíjení mohou být nabíjeny mnoha různými intenzitami od intenzit trvalého dobíjení jako je 0,1 C až po extrémně rychlé nabíjecí intenzity jako je 10 C. Uživatelé baterií se schopností znovunabíjení by dali přednost tomu, aby baterie zajišťovala maximální kapacitu a minimální znovunabíječí čas. Do této míry jsou žádoucí vysoké intenzity nabíjení baterií.

Naneštěstí se kapacita, kterou je bateriový článek schopen dodávat, snižuje, když se zvyšuje intenzita nabíjení. Obr.1 ukazuje vztah mezi dodavatelnou kapacitou a nabíjecí intenzitou.

Výsledkem je obvykle kompromis mezi dodavatelnou kapacitou baterie a znovunabíječí intenzitou. Obvykle tento kompromis znamená nabíjecí intenzity od 0,2C do 1,OC, aby byla zajištěna co možná nejvyšší použitelná kapacita a zároveň dodržen rozumný znovunabíjecí čas. Způsob zabezpečení vysoké dodavatelné kapacity a velmi krátkých znovunabíjecích časů, to je znovunabíjecích intenzit větších než C, by byl vysoce žádoucí a znamenal by významný přínos ke stavu techniky. Uživatelé znovunabíjecích baterií by považovali takový způsob za významné zlepšení dosavadního stavu techniky.

Podstata vynálezu

Stručně, v souladu s vynálezem, je předložen systém pro nabíjení baterie. Systém obsahuje napájecí zdroj a vibrační mechanismus. Napájecí zdroj dodává proud pro baterii za účelem jejího nabíjení zatímco vibrační systém současně kmitá baterií, aby zvýšildodavatelnou kapacitu baterie.

V jiném uspořádání vynálezu zahrnuje systém pro vybíjení baterie elektrickou zátěž a vibrační mechanismus. Zátěž je elektricky připojena k baterii a vibrační mechanismus současně kmitá baterií, zatímco je tato baterie vybíjena.

Dodatečná uspořádání vynálezu zahrnuj i způsoby pro nabíjení a vybíjení baterie zatímco baterie kmitá, za účelem zvýšení dodavatelné kapacity.

Popis obrázků na výkresech

Na obr.l je graf ukazující vztah mezi dodavatelnou kapacitou baterie jako funkcí intenzity nabíjení v souladu s dosavadním stavem techniky.

Obr.2 je schematický příklad provedení bateriového článku.

Na obr.3 je přiklad provedení nabíjecího systému baterie podle uvedeného vynálezu.

Obr.4 je schematickým diagramem rádiového zařízení podle vynálezu.

Obr.5 ukazuje příklady dodavatelné kapacity baterií nabíjených v souladu s předloženým vynálezem.

Příklady provedení vynálezu

Nyní je uveden popis vynálezu, který je nejlépe pochopitelný při uvažování následujícího textu v souvislosti s výkresy, ve kterých jsou uvedena vztahová čísla. Termíny baterie a článek jsou zde užívány jako zaměnitelné a termín blok baterií je užit pro popis dvou a více navzáj em spoj ených článků.

Na obr.2 je uveden schematický pohled na baterii se schopností znovunabíjení během nabíjecího cyklu. Baterie neboli elektrochemický článek 100 má zápornou elektrodu neboli anodu 110 a kladnou elektrodu neboli katodu 120. Elektrolyt 150 zabezpečuje elektrické spojení mezi anodou 110 a katodou 120. Baterie 100 je dále připojena tak, aby mohla přijímat nabíjecí proud z napájecího zdroje 130. Napájecí zdroj 130 může být tvořen libovolným počtem různých typů zdrojů, j inými typy je z katody 150. aby se například jednou nebo více nabitými bateriemi, zdrojem střídavého proudu, zdrojem stejnosměrného proudu (takovým, aby mohl být zajištěn z transformátoru) nebo napájecích zdrojů. Během nabíjecího procesu, uvolněn kladný ion 160 a migruje elektrolytem uložil na anodě 120. Opačný proces probíhá během vybíjecího cyklu. Nabíjecí systém a způsob podle předkládaného vynálezu je použitelný pro všechny typy znovunabíjecích baterií, například olověné, NiCd, lithiové, nikl metal hydridové a podobně, avšak nejlépe přizpůsobivý je pro použití s bateriemi, kde elektrolyt 150 je v tuhém stavu nebo polymerický materiál. V těchto bateriích je obvykle positivním iontem 160 ion lithia. Proto, aby byla baterie 100 nabita, lithiové ionty 160 musí migrovat pevným polymerovým elektrolytem 150 z katody 120 k anodě 110. Ačkoli anoda a katoda jsou v těsné blízkosti, skutečnost, že elektrolyt 150 je tuhý (pevný) materiál, zabraňuje volné a rychlé migraci lithiových iontů 160 ke katodě nebo anodě během nabíjecích/vybíjecích cyklů. V systémech, kde elektrolytem 150 je kapalina, jako v olověných bateriích, je pohyb kladných iontů 160 mnohem rychlejší a rovnoměrnější.

Rychlost migrace kladných iontů 160 elektrolytem 150 je přímo úměrná iontové vodivosti elektrolytu, která naopak určuje intenzitu nabíjení baterie C. Rychlost difuse iontu mezi elektrodami tedy limituje nabíjecí/vybijecí intenzitu baterií. Protože rychlost transportu hmoty pozitivního iontu 160 je limitována základní hmotou elektrolytu 150. je efektivní horní hodnota C omezena a typicky je mnohem menší u baterií s tuhým elektrolytem než jiných typů baterií. Difuse iontů je jediný dostupný prostředek transportu hmoty u těchto typů baterií. Rychlost transportu hmoty může být měněna změnou intenzity difuse, například zvýšením teploty nebo zabezpečením transportu hmoty nuceným prouděním. Zvýšení teploty dodá do systému více energie, čímž se zvýší intenzita transportu hmoty. Na elektrodách byly nicméně shledány jiné nedostatky v účinnosti, čímž se negují kladné vlivy, zjištěné při zvýšeném přenosu hmoty. Přenos hmoty může být tedy zvýšen aplikováním způsobů nuceného proudění na elektrolyt, jako je míchání nebo třesení.

Nucené proudění třesením je používáno v průmyslu galvanického pokovování k zabezpečení větší účinnosti, hladkosti pokovování a vyšší intenzity pokovování třesením anodou, katodou, elektrolytem nebo kombinací všech tří. Protože baterie se schopností znovunabíjení jsou obvykle hermetické, je použití nuceného proudění, ať již mícháním či třesením elektrolytu obtížné, pokud není přímo nerealizovatelné. Kromě toho, pevný elektrolyt, který se nachází v některých typech baterií, rovněž neumožňuje míchání nebo třesení. To vede k výhradní závislosti iontového neboli hmotnostního transportu na difúzi v elektrolytu a/nebo elektrodách během nabíjecích a vybíjecích procesů.

Na obr.l je možno vidět, že dodavatelná kapacita baterie klesá se zvyšováním intenzity nabíjení. Aby se dosáhlo jmenovité dodavatelné kapacity baterie měla by nabíjecí intenzita být u baterií s tuhým elektrolytem menší než 1 C, typicky 0,1 až 0,5 C. Pro nabíjecí intenzity větší než C je možno vidět, že dodavatelná kapacita baterie je mezi deseti a padesáti procenty jmenovité kapacity. Bude-li například baterie nabíjena intenzitou 5 C, bude možné získat pouze zlomek kapacity baterie. Při použití nuceného proudění se tvar a poloha křivky na obr.l změní, takže vysoké nabíjecí intenzity nyní zabezpečují velkou dodavatelnou kapacitu.

Ve výhodném provedení vynálezu baterie vibruje, s výhodou na ultrazvukových kmitočtech, aby byly zabezpečeny potřebné prostředky pro transport hmoty prouděním. Vibrace na ultrazvukových kmitočtech, to je kmitočtech větších než

20,000 Hz, j sou uskutečňovány ultrazvukovým měničem. Během nabíjecích procesů zvyšují ultrazvukové vibrace baterie rychlost hmotnostního transportu primárních iontů (například lithiových iontů v lithiové baterii) elektrolytem z jedné elektrody k druhé a také uvnitř každé elektrody. Výsledné hladší pokovování a účinnější usazování kladných iontů na anodě vytváří účinnější elektrodu. Vyšší rychlost hmotnostního transportu se tedy přemění ve zvýšení způsobilosti baterie k intenzivnímu nabíjení , čímž se významně sníží nabíjecí čas této baterie.

Podle obr.3 je baterie nebo blok baterií 400 elektricky spojen s napájecím zdrojem 200. který zajišťuje nabíjecí proud baterie přes elektrické kontakty 228 a 214. Zatímco je do baterie 400 přiváděn nabíjecí proud, baterie kmitá působením vibračního prostředku 210. například ultrazvukového měniče. Vibrační prostředek 210 je umístěn v napájecím zdroji 200. Je-li například napájecím zdrojem 200 bateriový nabíječ, může tento nabíječ obsahovat ultrazvukový měnič ve svém pouzdře 230 . Mohou být použity také jiné zdroje vibrací na nižších nebo vyšších kmitočtech, zajišťovaných různými mechanickými způsoby , jako jsou jazýčkové typy vibrátorů, kotoučové motory, cívky s elektromagnetickými čepy ve svém středu (podobné solenoidu) nebo excentrické vačky. Vibrátor může být například umístěn v pouzdře nabíječe, aby zabezpečil nízkofrekvenční vibrace baterie během nabíjecího cyklu.

V jiném uspořádání může být zdroj vibrací nebo vibrační prostředek 220 umístěn v bateriovém bloku 400. Například, bateriový blok 400 sestávající z jednoho nebo více bateriových článků v pouzdře 250 obsahuje malý měnič nebo jiný zdroj vibrací 220. který po připojení k napájecímu zdroji nebo bateriovému nabíječi 200 zabezpečuje energii pro kmitání bateriového bloku 400.

Bylo rovněž zjištěno, že použitelná kapacita baterie se také zvyšuje, jestliže baterie vibruje během vybíjecího cyklu.

V tomto případě je mechanismus obdobný, avšak opačný vzhledem k tomu, co bylo zjištěno v nabíjecím cyklu, to je, že lithiový ion migruje z anody ke katodě mnohem uspořádanějším a rychlejším způsobem oproti obvyklým systémům, kde jediným mechanismem je difuse. Nucené proudění iontu během vybíjení má za následek účinnější využití elektrické energie uložené v článcích. Tak jako v nabíjecím uspořádání, může být zdroj vibrací umístěn buď v samotném bateriovém bloku nebo v zátěži nebo elektrickém zařízení 300. které je napájeno baterií. Zátěží může být například radiový vysílač, elektrické vozidlo nebo jiný typ elektrické zátěže, která spotřebovává elektrickou energii s různou intenzitou. Jiné zátěže připojené k baterii mohou být další typy elektrických zařízení, jako jsou odporové nebo aktivní zátěže. Příklady zátěží vhodných k použití s vynálezem by mohly být spotřební elektronika, přenosné počítače, přenosná rádia, přenosná světla a tak dále.

V závislosti na typu aplikace může být vibrátor spuštěn, kdykoli je zařízení nebo zátěž zapnuto nebo pouze tehdy, když velikost proudu odebíraného z baterie dosáhne nebo překročí předem určenou intenzitu, jako je např. jmenovitá kapacita. Když například elektrické vozidlo odebírá velké množství proudu během akcelerace, mohla by baterie kmitat, aby se zvýšila rychlost hmotnostního transportu iontů, čímž se zvětší použitelná kapacita baterie.

V jiném uspořádání vynálezu může výše popsaný bateriový blok nalézt zvláštní upotřebení v přenosných komunikačních aplikacích. Bateriový blok podle obr. 4 tohoto vynálezu napájí rádiové zařízení 30, sestávajícím z rádiového zařízení, jako je přenosné zařízení vyráběné firmou Motorola lne., buď v přijímacím nebo ve vysílacím režimu. Rádiové zařízení 30 obsahuje přijímací sekci 31 a vysílací sekci 32, které jakéhokoli známého obousměrné rádiové které může pracovat obsahují prostředky pro komunikaci, to je vysílání nebo příjem komunikačních signálů rádiového zařízení.

V přijímacím režimu přijímá přenosné rádiové zařízení 30 komunikační signál prostřednictvím antény 33. Přepínač 34 vysiláni/příjem (T/R) připojuje přijímaný komunikační signál do přijímače 31. Přijímač 31 přijímá a demoduluje přijímaný komunikační signál a předává jeho zvukovou složku reproduktoru 36. Odborník v daném oboru ocení, že další funkce, které zde nejsou popsány, mohou být zajištěny libovolnými vhodnými prostředky včetně řídícího prostředku (není zakreslen), který řídi celou činnost tohoto rádiového zařízení 30.

Ve vysílacím režimu jsou zvukové zprávy přiváděny z mikrofonu 37 a dále použity k modulaci nosného signálu, jak je v oboru dobře známo. Modulovaný nosný signál je pak přiveden do antény 33 přes T/R přepínač 34 za účelem vysílání komunikačního signálu. Je možné kladně hodnotit, že k rádiovému zařízení 30 může být připojen jako zdroj energie bateriový blok v souladu s principy předkládaného vynálezu.

Nyní bude uveden příklad systému a způsobu nabíjení baterie za účelem zvýšení dodavatelné kapacity.

Příklad

Byl nabíjen AA článek společnosti Asahi Chemical Company . Tento článek byla baterie s lithiovými ionty a s uhlíkovými elektrodami s jmenovitou kapacitu 350 miliampérhodin. Pro nabíjení a vybíjení baterie byl použit počítačem řízený zkoušeč bateriových cyklů s vysokou přesností. Bylo použito napětí mezi 2,5 a 4,2 V a údaje o stavu nabití baterie byly shromažďovány každých deset minut. Pro zajištění řídících hodnot byl použit nabíjecí proud v rozsahu od 50 mA do 1000 mA. Baterie pak byla připojena k počítačem řízenému nabíječi a umístěna do ultrazvukového čističe, pracujícího na kmitočtu 31 KHz (vyrobeno firmou Faber-Castell Corporation, Model No.9999B). Baterie byla nabíjena za pomoci ultrazvuku různými nabíjecími proudy. Všechny testy byly prováděny při pokojové teplotě. Výsledky těchto testů ukazuje obr.5.

V obvyklých nabíjecích a vybíjecích uspořádáních se kapacita snižuje se zvyšováním proudu neboli zvyšováním intenzity nabíjení. Křivka 500 na obr.5 ukazuje jev snižování kapacity jako funkce zvyšování nabíjecí/vybíjecí intenzity pro články cyklované s intenzitami 50, 100, 500 a 1000 mA. Křivka 520 ukazuje výsledky testu při cyklovacích intenzitách 100, 200 a 300 mA s ultrazvukovým třesením baterií. Je vidět, že použitelná neboli dodavatelná kapacita se zvýšila o více než 100%. Nutně se předpokládá, že toto zvýšení dodavatelné kapacity je způsobeno zvětšením hmotnostního transportu kladných iontů elektrolytem a elektrodami. Použití nuceného proudění zvyšuje počet lithiových iontů, které jsou k dispozici pro usazování se na elektrodě a také zvyšuje účinnost usazovacího procesu. To následně zvyšuje dodavatelnou kapacitu baterie.

Odborník v dané oblasti ihned ocení to, že zvýšení použitelné kapacity baterie je výhodné a dále to, že získání tohoto zvýšení při velké intenzitě nabíjení je ještě významější předností. Použití ultrazvukového třesení poskytuje významnou výhodu oproti současnému stavu techniky zvýšením dodavatelné kapacity bateriových článků se schopností znovunabíjení.

Zatímco bylo popsáno a vyobrazeno výhodné provedení vynálezu je jasné, že tímto není realizace vynálezu omezena. Odborníka v dané oblasti napadnou četné modifikace, změny, varianty, náhrady a ekvivalenty, aniž by se odchýlil od myšlenky a rozsahu uvedeného vynálezu. V souladu s tím chceme, aby uvedený vynález nebyl omezen jinak než přiloženými nároky.

Claims (8)

1. Bateriový blokTV vyznačený tím, že se Stráv á—z pčfůzdrá (250), nejméně jednoho bateriového článku (400) se schopností znovunabíjeni umístěného v pouzdře (250) a majícího elektrolyt v tuhém stavu a vibračního zařízení (220) umístěného v pouzdře (250), za účelem vibrace tímto bateriovým článkem (400) se schopností znovunabíjení.

2. Bateriový blok podle nároku 1, vyznačený tím, že vibrační zařízení (220) je spojeno s tímto jedním bateriovým článkem (400) a s výhodou obsahuje ultrazvukový měnič.

3. Bateriový blok podle nároku 1 nebo 2 vyznačený tím, že baterie (400) se schopností znovunabíjení je lithiová baterie.

4. Nabíjecí systém baterie využívající bateriový blok podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačený napájecím zdrojem (200) baterii (400) se schopností nabíjení této baterie (400), které je elektricky připojeno že napájecí zdroj (200) uvádí v činnost vibrační elektricky připojeným k znovunabíjení, za účelem vibračním zařízením (220), k napájecímu zdroji (200) a tím, současně nabíjí baterii (400) a zařízení (220).

5. Vybíjecí systém baterie využívající bateriový blok podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačený elektrickou zátěží (300), která odebírá energii z baterie (400), elektricky připojenou k této baterii (400) a dále vyznačený tím, že vibrační zařízení (220) místo aby bylo v bateriovém pouzdře (250) je umístěno vně tohoto pouzdra (250) a vibrační zařízení (220) je elektricky připojeno k baterii (400) a je uváděno v činnost, když zátěž (300) odebírá energii z baterie (400).

6. Vybíjecí systém baterie podle nároku 5 vyznačený Tím, že baterie (400) má jmenovitou kapacitu a vibrační zařízení (220) je uváděno v činnost, když zátěž (300) odebírá energii z baterie (400) intenzitou větší než je jmenovitá kapacita baterie (400).

7. Nabíječ (200) pro nabíjení baterie (400) vyznačený tím, že nabíječ (200) zahrnuje pouzdro (230), napájecí zdroj (200) pro nabíjení baterie (400) mající jmenovitou kapacitu a elektrolyt, který není kapalinou, kde uvedená baterie (400) je umístěna v pouzdře (230) a je připojena k napájecímu zdroji (200) a vibrátor (210) nesený pouzdrem (230), kde tento vibrátor (210) je uváděn do činnosti, aby zabezpečil mechanické vibrace baterií·(400) zatímco napájecí zdroj (200) nabíjí tuto baterii (400) intenzitou větší než je jmenovitá kapacita baterie (400).

8. Způsob vybíjeni baterie poskytující zvýšení kapacity baterie, vyznačený zajištěním tuhého elektrolytu pro baterii a připojováním zátěže k baterii, zatímco tato baterie vibruje.