TW522585B - Method and apparatus for regulating charging of electrochemical cells - Google Patents

Description

522585 A7 __ _B7_ 五、發明說明（丨） 相關申請案之交互對照 本申請案主張2000年10月20日申請之標題爲”對壓 力回應之充電調整開關’’之美國專利申請案第60/242,347號 、2001年5月11日申請之標題爲”對壓力回應之充電調整 開關’’之美國專利申請案第60/290,229、2001年3月30曰 申請之標題爲”對壓力回應之充電調整開關”之美國專利申 請案第60/280,391號、2001年8月1日申請之標題爲”用 於以鎳爲基礎之可充電電池之基於應變計之充電控制”之美 國專利申請案第60/309,377號、與2001年7月31日申請 之標題爲”充電調整開關”之美國專利申請案第60/308,970 號之優先權；其之每一個之揭示係收錄於此以將其全文作 爲參考之用。 發明之背景 本發明大致乃關於鎳可充電之電池、例如爲鎳金屬氫 化物(NiMH)電池，且更明確地是用於可自動可逆地終止電 池充電方法之方法與裝置。本發明亦可以採用於鎳鎘 (NiCd)電池。 爲了較佳之方便與可攜性，許多現代之電子用品與消 費產物係可以操作’以從標準尺寸與電子性能之電池中引 出電流。爲了方便與經濟性’各種不同之可充電電池曾被 發展，例如爲鎳金屬氫化物電池等。 當與鎳鎘與鋰離子技術相比時’金屬氫化物電池技術 可以在合理之成本下提供優良之局速率性能。再者’金屬 氫化物電池與NiCd電池相比具有約高於50%之體積能量 ____ 3___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------费--------^---------線, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7___ 五、發明說明（/ ) 密度以及約等於鋰離子電池者。金屬氫化物可充電電池之 內部化學反應對此電池之充電能力係具有影響。影響鎳可 充電電池之充電能力之問題係由於此電池內部化學變化之 結果。當鎳可充電電池接近充份之充電狀態時，氧氣係在 陽極產生如下 40H_ — 02(氣體)+2H20+4e· 氧氣係會擴散通過一氣體可透過之隔離器以至陰極， 其會在此與氫氧化鎘或水以下列之方式再合倂： 1/202(氣體)+H20+Cd~>Cd(0H)2+熱在鎘陰極 1/2〇2(氣體)+Η2->Η20+熱在氫化物陰極 當此電池再充電時，確定何時電池充份充電是重要的 。例如，若電池過度充電一段時間，則在電池中所累積之 壓力將造成電池失誤以及電解質之漏失，藉此將進一步使 充電器遭受到可能之危害。 金屬氫化物可充電電池典型上係藉施加固定電流而非 固定電壓至電池以再充電。在此方案中，電池電壓係逐漸 地增加直到電池接近充份充電，此時電池電壓係在尖峰。 當電池到達過度充電之狀態時，所釋放之熱量將造成電池 溫度之急劇升高，其依次將造成電池電壓之減少。電池壓 力在過度充電過程中亦會因氧氣以大於電池可再結合之量 產生而急劇地升高。不幸地，已知壓力變化速率係較電壓 或溫度變化速率快數個數量級。因此，傳統之固定電流充 電岔斷方法無法支撐非常快速之充電速率、而不會冒內部 之壓力累積、破裂與電解質漏失之危險。由於此原因，金 ------------------------ -----4_____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（21〇 X 297公爱)" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} --- 訂---------線羞 522585 A7 __B7 __ 五、發明說明（> ) 屬氫化物電池係可以提供安全排放口。 降低在充份充電狀態下之壓力累積之常用方法係提供 具有較陽極容量超過40-5〇%之陰極、氣體可透過之隔離器 、與有限制之電解質以容納氣體之有效擴散。此可避免氫 氣在陰極產生、且仍允許氧氣與陰極材料再結合。當電池 達到完全充電時，氧氣仍繼續在陽極產生，但氫氣則不會 從陰極產生。若氫氣被產生，則電池會因超壓而破裂。如 圖1中所說明，因此，氧氣再結合反應係控制電池之壓力 。然後氧氣係越過隔離器以與陰極材料反應。此安排之缺 點係包括降低之電池容量與因氧化作用與熱所造成之過度 ' 充電之陰極降解所對應之較短電池循環壽命。 當充份充電狀態達成時，停止電池或多個電池之充電 以避免由於內部氣體壓力增高所造成之可能電池破裂或漏 失是重要的。傳統之金屬氫化物可充電電池本身無法發出 適當之充電終點訊號。吾人必須改爲仰賴有關之充電器裝 置中之昂貴與精巧之檢測電路以決定何時充電應結束。充 電終止典型上係藉基於（1)尖峰電池電壓、（2)尖峰電池溫度 (TCO)、（3)充電之持續時間、（4)-dV、與(5)dT/dt之檢測電 路以決定。每一個用於終止固定電流充電之已知方法皆具 有缺點。例如，除非是在非常低之充電速率下，否則以時 間爲基礎之終止可能是不可罪的’此係因爲電池可Η旨在終 止之前過度充電。 基於充電終止之尖峰電壓在充電期間之末端可以是不 可靠的，此係因爲超電壓之條件可以在終止之前存在。基 _____5 _____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --II---_______· 522585 A7 _____B7___ 五、發明說明（+ ) 於電壓下降(-dV)之終止必須與氧氣再結合以及所伴隨之有 害溫升結合。實際上，此意謂電壓檢測必須正確與快速。 除非環境溫度是固定的，否則其可能難以正確地測量電壓 之改變。再者，當充電速率是低於0.3C時，電壓下降之測 量會因太小而無法正確地偵測。1C之充電速率會引出等於 電化電池或電池之額定容量之電流。僅基於尖峰溫度之終 止亦會因環境溫度之變化而容易受影響。 基於溫度隨時間之變化速率（dT/dt)之終止多少係較偵 測絕對溫度之變化來得可靠，此係因爲其較少受到環境溫 度變化所造成之效應且因此對循環壽命較不會有負面之效 應，但其仍然是基於對電池性能與循環壽命有害之熱量。 此係因爲溫度升高較快，且實際上係在電壓下降之前。因 此，與前述所提之其他方法相比，其破裂與洩漏之危險係 較小的。此使其成爲現今所使用中之最常用之充電終止方 法。 其他之技藝曾尋找當壓力超過預定之程度時，用於切 斷電極與電池終端間之聯結之基於壓力之機制。例如美國 專利第5,〇26,615號係揭不一位於末端金屬蓋裝置中之對 壓力敏感之開關，其係含有傳導性彈簧元件、非傳導性槓 桿支點元件與可移動之傳導性元件。傳導性彈簧元件係在 一端上與終ί而導電連結且在另一端上與可移動之傳導性元 件導電連結。可移動之傳導性元件是依次與電極導電連結 。當內部之電池壓力增高時，可移動之傳導性元件會施加 作用力至彈簧元件上，其將旋轉非傳導性槓桿支點元件上 ________6____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） " ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------- —訂---------· 522585 A7 _____B7 _ 五、發明說明（< ) 且與終端分離，此專利因此需要第一與第二接觸，其一對 於另一者是可移動的且可沿著槓桿支點旋轉以對於其他之 接觸旋轉。此安排需要較必要者更多之必要零件，且進一 步需要裝置以嚴格之公差構件，此將增加製造之複雜性與 成本。 這些技術之其他例子係包括美國專利第5,747，187、 5,405,715、5,741，606、5,609,972、6,018,286、6,078,244 與6,069,551號，其之全部係全文收錄於此以作爲參考之 用。某些此類機制可避免電池之壓力誘導破裂、但此會永 久使電池失去能力。在其他之例子中，可逆開關裝置可避 免電池之破裂，但無法偵測早期之充電終止狀態以避免熱 累積且確保較佳之電池性能與循環壽命。 另一方面，藉著固定電壓充電，充電電流在充電開始 時由於電池可以接受較高之電流而較高，且然後隨著電池 接近充份充電而降低至較低之程度。當固定電壓充電時， 前述所提用於固定電流充電方法終點之訊號將無法使用， 此係因爲當電池接近完全充電之狀態時，電池之電壓是固 定且電池溫度正在持平。如同固定電流充電方法，當充電 速率高於0.3C時，由於會損害裝置之壓力會失控，故充電 時間無法用於固定電壓充電。由於這些缺點之結果，鑑定 有效之終止信號裝置係困難的且用於金屬氫氧化物電池之 固定電壓充電因此通常被認爲是不實用的。 藉著交流電充電，充電電流可以以定義之頻率或頻率 之組合調整以產生淨正電流以使電池可以充電。交流電充 ____7 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公ίΓ

522585 A7 __B7__ 五、發明說明（k ) 電可以提供較固定電流或固定電壓充電更快速之充電與較 少之壓力累積與較低之溫度增加。不過，當使用交流電充 電時，前述所提之用於固定電流充電方法之終止之訊號將 無法使用，此係因爲當電池接近充份充電狀態時，高於施 . 加之交流電之響應電壓之電池電壓之改變之偵測將很困難 。結果，鑑定有效之終止信號裝置係困難的且用於金屬氫 氧化物電池之交流電充電因此通常被認爲是不實用的。應 該瞭解的是，在本揭示各處中所使用之交流電充電係指可 以產生淨正電荷之改變電流，例如爲一調整交流電。例如 ，交流電可以是半波整流或全波整流以產生一系列之電流 脈衝，或交流電可以藉所欲之直流電流以補償。 公告之澳洲專利申請案數199926971 A1係揭示一用於 植入中之鎳金屬氫化物電池之快速充電之方法，其係藉來 自外部之電力傳送部份將電力穿過表層之傳送至植入中之 電力接收部份。該專利申請案所考慮之長處爲在內部電池 阻抗低時是起始之快速高電流充電階段，隨後爲第二較低 之電流、固定電池電壓充電以確保電池只充電電氣化學狀 態所允許之最多能量，不會有電池之過量氣體產生或加熱 。對電池之有害效應可預先排除且同時仍維持較高之充電 速率。在其所揭示之方法中，二個充電階段之第一階段係 包括允許相當高之固定充電電流流至電力接收部份且同時 電池電壓上升直到其達到預定之極限充電電壓之步驟。在 第二充電階段中，充電電流是低於第一階段末期之電流程 度且電池電壓係至少約保持在預定之固定電壓數値。在澳 ___8____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------f--------tr---------p (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 __B7 五、發明說明（1 ) 洲之專利申請案中，當相關之微電子控制器決定充電電流 隨時間之變率無法達到預定之斜率時第二充電階段將終止 。此繁瑣之二步驟固定電流/固定電壓方法是習知技藝之典 型方法。 整體而言，當金屬氫化物可充電電池達到其完全充電 之狀態時，氧氣會從陽極產生而因此增加內部電池壓力且 進行放熱之氧氣再結合反應。在非常高之固定電流充電速 率下，通常在低於一小時時，在充電終止時充電電流仍然 非常局。此將造成電池劇烈之加熱且縮短循環壽命。當電 池溫度高時，終止固定電流充電之可行方法並非非常可靠 的。此外，電池加熱是有害的，且係期望在有害之壓力開 始在電池中升高且顯著地加熱電池之前結束充電。 因此所需要者是在固定電壓、固定電流、與交流電/電 壓充電下用於更正確地決定充份可充電之電池之充電終點 之方法與裝置。 期望的是對決定充電終點之刺激係敏感之可逆調整開 關，其與目前可得者相比係較不複雜且較不具毀滅性。 期望的是較目前可得者成本上更有效率且可靠之充電 終止檢測裝置，且係與傳統之可充電電池相容。 發明槪要 在本發明之一方面中，其係提供一適合用於當內部之 壓力達到最大之預定界限時用於終止充電之可充電之電化 學电池。在一較佳之形式中，該電池係包括具有開口端且 定義出內部空腔之外罐、配置在內部空腔中之芷與負極、 ---- 9 本紙張尺度剌巾關家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚)" ' --- --------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 __B7 ___ 五、發明說明（幺） 與圍住開口端之末端帽狀物。 該電池更進一步地包括具有從罐子徑向向內延伸之金 屬孔眼之末端帽狀物裝置’其係從第一位置向第二位置彎 曲以回應內部之電池壓力。第一傳導性元件是與末端帽狀 物導電連結，且第二傳導性元件是與正極導電連結，且與 第一傳導性元件可移動地導電連結。第二傳導性元件係亦 與金屬孔眼機械連結。當電池內部中之壓力累積至超過預 定之界限時，金屬孔眼將彎曲使第一與第二傳導性元件不 在導電連結，藉此使充電終止。一旦內部之壓力降低至低 於預定之界限’則金屬孔眼將回至其第一位置。 根據一具體實施例，第二傳導性元件係含有(a)具有從 正極延伸之末端、以及與第一末端相對之第二末端之第一 接觸；（b)延伸穿過金屬孔眼且具有與第一接觸之第二末端 接觸之第一末端、以及與第一末端相對之第二末端之第二 接觸；與(c)具有與第二接觸之第二末端接觸之第一末端、 以及與第一末端相對之第二末端且與第一傳導性元件可移 動的接觸之第三接觸。 在另外一種較佳之形式中，當金屬孔眼係在第二位置 時，第二傳導性元件係連接至金屬孔眼且係至少部份地與 第一傳導性元件軸向排列，且係軸向地向外移除。非傳導 性彈簧元件可以配置在終端帽狀物與金屬孔眼間以限制金 屬孔眼之位移量。一阻斷器可以軸向地配置在第一傳導性 元件下游處，以便當金屬孔眼彎曲至其第二位置時用於限 制其之移動。 ________10__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線邊 522585 A7 ____B7___ 五、發明說明（1 ) 若有需要，電池可以進一步包括配置在正與負極間之 氣體不能透過之隔離器。 在另外之一方面中，本發明係提供一延伸穿過末端帽 狀物之排氣口以允許氣體從電池逸散以消除壓力。特別地 ，金屬孔眼係用以將罐子之內部空腔與配置在末端帽狀物 中之第二內部空腔分離。一開口係延伸穿過金屬孔眼以提 供二個空腔間之導管，以使氣體可以從罐子之內部空腔經 排氣口逸散。若有需要，一阻塞物可以配置在開口中，當 內部之壓力達到預定之界限時，其是可移除的。 本發明進一步係提供一可充電之電化學電池充電系統 ’其具有（1)一電化學電池，其含有(a)具有開口端且定義出 內部空腔之外罐、配置在內部空腔中之正與負極、與圍住 開口端之末端帽狀物；（b)建立末端帽狀物與第一電極間之 導電連結之連繫；與(c)對高壓應答之開關以打段連繫，·與 (2)接受電化學電池且供給固定電壓以對其充電之電池充電 器，其中充電過程中所產生之內部壓力會啓動開關以便當 內部壓力超過預定之壓力界限時用以結束充電。在另外一 方面中，充電器係供給交流電以充電。在另外一方面中， 充電器可供給在預定之最大界限與預定之最小界限間變化 之電壓以充電。 在另外一方面中，本發明係提供含有數個串聯連接之 電池之電池組，其中至少其中一電池是含有根據本發明之 對壓力回應之開關之電池。將可以瞭解的是，此數個電池 可以根據本發明以充電與再充電，但當任何一個裝備著本 __π____ $紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規^格（210 X 297公釐） " 一~ ------------ i 丨-— I I -訂------！ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 _____ B7 _ 五、發明說明（ID ) 發明之開關之電池中之壓力上升至無法接受之高水平時， 通過整個電路之電流流動將被中斷且充電將被結束。 在另外之較佳形式中，電池係可以在固定電壓充電、 交流電充電、固定電流充電、與在最小界限與最大界限間 變化之電壓充電下充電。結果，電池可以達成在低於一小 時之速率下快速充電。 在另外一方面中，可充電之電化學電池充電系統係包 括一可充電電池，在其外部表面上具有計量器以操作傳送 一訊號以指示外部表面以超過預定之界限之速率膨脹。電 池組充電器亦提供有（1)供應充電至可充電電池，其中電池 組之外部表面會隨充電供應而膨脹，（2)接收來自計量器之 訊號’且（3)基於外部表面膨脹之預定變率以結束充電。 在一種較佳之形式中，計量器是具有連接至二個個別 之傳導性接觸帶之二個末端之應變計，且其中充電器進一 步含有連接至接觸帶以測量其間之電阻之傳導性引線。 在另外一種較佳之形式中，來自計量器之訊號是關於 外部表面之膨脹以可預期之方式改變之阻抗，且充電器進 一步包括一處理器，以操作以測量應變計間之阻抗。 在另外一種較佳之形式中，充電裝置進一步包括一溫 度感應器以測知電池內部之溫度，以使電池充電器可以進 一步地基於溫度與外部表面膨脹之預定條件以結束充電。 在另外一方面中，亦提供用於使用這些類型之電化學 電池與充電裝置之方法。 本發明因此係提供可充電電池、充電系統與方法，用 ____12___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I ---I----^------I-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ____B7___ 五、發明說明（U ) 以達成基於內部之壓力，以避免會造成電池失誤之電池超 壓之金屬氫化物電池之可靠充電終止法。 本發明之前述與其他之方面將在下述之描述中出現。 在描述中，形成其之一部份之所附圖示係用以參考，且其 係以舉例之方式顯示、而非用於限制本發明之較佳實施例 。不過，此實施例不必然地代表本發明之完整範疇，且因 此必須參考此處之申請專利範圍以用於解釋本發明之範疇 Ο 圖示簡單說明 圖1是控制電池壓力之氧氣再結合反應之圖示說明； 圖2A是含有根據本發明之較佳實施例所構建之對壓 力回應之開關與壓力釋放排氣口之末端帽狀物裝置之截面 圖，所說明者係在低壓力之位置； 圖2B是圖2A中所說明之末端帽狀物裝置在高壓位置 之截面圖； 圖3是含有根據本發明之另一實施例所構建之對壓力 回應之開關與壓力釋放排氣口之末端帽狀物裝置之截面圖 ，所說明者係在低壓力之位置； 圖4是圖3之末端帽狀物裝置之截面圖； 圖5係描述圖3之末端帽狀物裝置之組件之分解圖； 圖6是合倂有根據本發明之另一實施例所構建之開關 之電池之正終端之截面圖； 圖7是合倂有根據本發明之另一實施例所構建之開關 之電池之正終端之截面圖； _____ 13 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I---------------•"訂- -------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 _B7___ 五、發明說明（/V) 圖8是鎳金屬氫化物電池在交流電與固定電流充電過 程中容量(Ah)對ΔΡ(每平方英吋磅表壓力）之關係圖； 圖9是鎳金屬氫化物電池在交流電與固定電壓充電過 程中容量(Ah)對ΔΡ(每平方英吋磅表壓力）之關係圖； 圖10是根據較佳實施例所構建之包括具有應變計裝置 之電池之電池組充電裝置之截面圖； 圖11是在AA型號鎳金屬氫化物電池充電過程中所得 到之壓力與溫度對時間之關係圖； 圖12是在鎳金屬氫化物電池之充電過程中之dP/dt與 dT/dt對時間之關係圖； 圖13是在鎳金屬氫化物電池之充電過程中之dR/dt與 其成分對時間之關係圖； 圖I4是用於圖10中所說明之電池之標籤之立體圖； 圖15是圖10中所說明之標籤之分解裝置圖；且 圖16是圖10中所說明之標籤之金屬薄膜層之立體圖 〇 圖17是數個電池之內部電池壓力（每平方英吋磅表壓 力）對時間（分鐘)之關係圖； 圖18是一電池在使用固定電流充電之充電與隨後之放 電過程中之壓力、溫度、與電壓對時間(分鐘)之關係圖； 圖19是在使用固定電流充電之充電與隨後之放電過程 之各種不同循環下之內部壓力（每平方英吋磅表壓力）對時 間(分鐘）之關係圖； 圖2〇是圖19中所說明之電池在充電過程中之壓力上 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------I-----------訂------I--線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ____ B7_ __ 五、發明說明（0) 升圖； 圖21是圖19中所說明之電池在放電過程中之壓力下 降圖； 圖22是電池於固定電流充電下之不同循環下之壓力與 溫度對時間之關係圖； 圖23是數個電池於固定電流充電下之不同循環下之壓 力對時間之關係圖； 圖24是數個電池於固定電壓充電下之壓力、溫度與電 流封時間之關係圖。 圖25是固定電流充電與固定電壓充電過程中之內部壓. 力對容量之關係與比較圖； p 圖26是二個電池在固定電壓與固定電流充電過程中之 ^雲^分佈比較圖。 二個電池分別在固定電流與固定電壓充電下之電池 鲁容量之關係與比較圖； 圖28是圖27中所說明之二個電池之電壓分佈對時間 之關係與比較圖；且 圖29是改變固定電壓之充電過程中之溫度與容量對時 間之關係與比較圖。 元件符號說明 -----------------磬--------^---------線, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10 帽狀物裝置 11 對壓力回應之開關 12 罐子 13 開口端 本紙張尺度適用中國國家標準(cns)A4規格（210 X 297公釐） 522585 A7 B7 五、發明說明（\A：) 14 15 16 17 18 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 34 35 36 38 40 42 100 正極 內部空腔 隔離器 空腔 正末端帽狀物 接頭 負極 金屬孔眼 凸緣 連接器 外部密封 第一環狀傳導性接觸 中心軸 第二環狀傳導性接觸 臂狀物 傳導性垂片 超壓阻塞物 阻塞物墊圈 出口 壓力釋放導管 邊緣 導電絕緣器 塞子 對壓力回應之開關 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522585 A7 B7 五、發明說明（ 102 104 106 108 110 112 114 115 116 117 118 120 122 124 126 128 150 152 154 156 157 158 160 162 正末端帽狀物 鎳可充電電池 正極 負極 罐子 帽狀物裝置 金屬孔眼 邊緣 傳導性連接器 內部之空間 傳導性垂片 接觸環 接觸板 接頭 內部空腔 過壓阻塞物 對壓力厘」應之開關 負罐子 電池 正末端帽狀物 接頭 彈性金屬孔眼 傳導性連接器 第一傳導性接觸 17 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522585 A7 B7 五、發明說明（ί“ 164 第二傳導性接觸 166 阻塞物 168 絕緣層 170 空腔 172 帽狀物裝置 174 突出物 176 出口 210 電池 211 正末端 212 標籤 213 負末端 214 金屬薄膜應變計 216 接觸帶 218 充電器 220 第一器壁 222 底部 224 正接觸 226 第二器壁 228 電池之封閉 230 可滑動之器壁 232 負彈簧接觸 234 接觸 236 接觸 238 外部絕緣層 18 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522585 A7 B7 五、發明說明（\') 240 金屬層 242 絕緣層 244 膠黏劑層 較佳實施例之詳細描述 現參考圖2A，軸向延伸之電池係包括具有封閉端（未 顯示)與配置在開口端反向且在其軸向下游之開口端13之 罐子12。帽狀物裝置10係包括正末端帽狀物18，其係固 定在負罐子12之開口端中以提供電池之封閉。特別是，末 端帽狀物裝置10與罐子12之開口端在大小與形狀方面係 改造以使末端帽狀物裝置10可藉由在圓筒狀可充電金屬氫 化物電池之裝置過程中將負罐子12捲縮以密封地容在開口 端中。罐子之封閉端是傳統者故不再加以顯示。 正(例如爲鎳氫氧化物)極14係可移動地與正末端帽狀 物1S導電連結，在下述之描述中將更明顯。電池進一步含 有與罐子I2導電連結之負極21(例如氫化物電極）、與單獨 或與其他鹼金屬氫氧化物合倂之鹼性電解質(例如爲氫氧化 鉀）。電極係配置在內部空腔15中，且係被隔離器16所分 離。含有罐子12與本發明之末端帽狀物裝置10之電池可 以進一步地在其內部含有傳統之正14與負21纏繞電極， 雖然這些電極之相對大小可以調整以符合電池之物理與電 力規格。 正末端帽狀物18係具有接頭20，其係調整大小與形 狀以對具有根據本發明所構建之對壓力回應之開關11之電 池提供正末端。對壓力回應之開關11係含有彈性之非傳導 -----19_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1!------#--------^---------線# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 B7 五、發明說明（0 ) 性單穩定性金屬孔眼22，其係在大小與形狀方面改造以牢 牢地安裝在開口端13中。金屬孔眼包括徑向之外部密封 25、內部之中心軸27、與本質上徑向延伸且將密封連結至 中心軸之臂狀物29。金屬孔眼22進一步包括配置在中心 處之軸向地延伸通過中心軸27之開口 15，其中係安置著 傳導性捲軸形之連接器24，其係具有一對反向徑向配置向 外延伸之凸緣23。在金屬孔眼22之外部表面與末端帽狀 物18之內部表面間之空間係定義一末端帽狀物裝置10中 之空腔17。 連接器24係牢牢地固定在金屬孔眼22之開口中以使 傳導性連接器與金屬孔眼一起移動。根據所說明之實施例 爲金屬墊圈之第一環狀傳導性接觸26係圍繞連接器24之 中心軸且具有與上方凸緣23導電接觸之上方表面。第二環 狀傳導性接觸28(其亦可以是金屬墊圈)係圍繞金屬孔眼且 係放置在第一接觸26之軸向上游與鄰近處。第一與第二接 觸26、28是圖2Α中之圓盤，但其亦可以以其他之形狀提 供’例如圖3-5中所說明者。接觸28具有與末端帽狀物導 電連結之上方表面29,且係與第一接觸26之底部表面呈 可移動之機械（且因此導電）連結，在下述之描述中將更明 顯。 金屬孔眼22可以由不會不利地影響電池化學之任何具 足夠彈性、非傳導性惰性材料所形成。適合之材料包括、 但未限制於聚丙烯、聚烯烴與尼龍與其之同等物。 金屬孔眼22之外部密封25係包括向上且徑向向內延 一丨 - — 2〇 本”氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） V - I I---— — — — — —--------I---訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 __B7______ 五、發明說明（ip 伸之週邊邊緣3 8，其係調整形狀與大小以與罐子之開口立而 形成緊密之封閉以提供電祂內部與外部間之阻隔。邊緣38 亦部份地定義外部密封25中之空腔，其中係配置著末端帽 狀物18之外部末端與第二接觸28。邊緣38係提供一徑向 外部凸起表面以使罐子12在電池之裝置過程中捲縮過金屬 孔眼22。當罐子I2之軸向下游之末端在裝置過程中係捲 縮過金屬孔眼22時，緊密之密封係在金屬孔眼22、第二 接觸28、與末端帽狀物18間提供以將電池內部與周圍環 境隔離。例如爲瀝青或焦油之選用密封劑亦可以採用於末 端帽狀物裝置1〇與罐子12之間以加強密封’ 彈性傳導性垂片30係導電地將傳導性連接器24連結 至電池內部之正極14。傳導性連接器24可以是金屬環或 鉚釘，其係藉將其末端捲縮以固定在中央開口中以提供凸 緣23，其係固定金屬孔眼22之中心軸27與第一接觸26。 傳導性連接器24係導電與物理性地與第一接觸26接觸， 藉此以幫助將傳導性連接器24固定在正確之位置中。 圖2A係說明在低壓力狀態下之末端帽狀物裝置，以 致於金屬孔眼22係在其穩定之位置中。在此低壓力狀態中 ，正極14係經由傳導性垂片30、連接器24、第一接觸26 、與第二接觸28以與正末端帽狀物18導電連結。因此， 電池可以藉由導入再充電電流或電壓至電池中以充電。有 利地是，當電池內部之壓力累積至超過預定之界限時，金 屬孔眼22將沿著箭號A之方向軸向地向下游彎曲（可逆地） 以使壓力回應從圖2A中所說明之第一位置傾向至圖2B中 __ 21___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --- 訂---------線< 522585 B7 五、發明說明（产） 所說明之第二位置。應該可以瞭解的是預定之界限可以與 所欲使用之充電類型（例如爲固定電流、固定電壓等）有關 ，且可以藉金屬孔眼所選擇之材料、與臂狀物29之厚度與 彈性以決定。 現參考圖2B，當電池內部之壓力超過預定之界限足以 彎曲金屬孔眼22時，中心軸27係軸向地向下游移動’藉 此亦相對於第二接觸28將第一接觸軸向地向下游移動’且 移除其間之電導連結。結果，在接頭20處之導電連結將不 會輸送至電池中之電極14,且進一步之充電將被避免直到 超壓狀況解除。 選用地，一絕緣超壓阻塞物32亦可以提供在接頭20 所定義之內部空腔中。超壓阻塞物32若有需要亦可以用於 預負載接觸壓力且當內部之電池壓力高時、可以限制傳導 性連接器24在接頭24方向之移動。阻塞物墊圈34亦可以 選用地配置在第二接觸28與末端帽狀物18之間以便當金 屬孔眼22彎曲時用以抑制第二接觸之移動，藉此進一步確 定在高壓狀況下、二個接觸間之導電連結將被切斷。 應該可以瞭解的是數個電池可以安裝在電池組中且在 構建以供應固定電壓或固定電流充電至電池之充電器中串 聯連接。只要至少其中一個電池有包括著根據本發明之對 壓力回應之開關（假設在每個電池中之壓力累積是相同的) ，當電池中之壓力激化開關以移除末端帽狀物18與電極 14間之導電連結，則充電將會結束。此外，每個電池可以 包括開關以使所有電池之充電、當其中一個電池達到最大 _______22____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I---------— I---丨-訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ____B7 _ 五、發明說明（必） 之可允許內部壓力時會結束。此外，電池可以並聯連接至 充電來源，在此例子中每個電池可以包括根據本發明之對 壓力回應之開關。 圖2Α-Β亦說明當在超壓條件時用於排放來自電池之 超壓（氣體）之選用之安全系統。特別地，傳導性連接器24 可以定義一配置在中心且軸向延伸穿越其間之壓力釋放導 管36。因此，在電極處所產生之氣體可以從電池內部15 軸向地向下游流過導管36至末端帽狀物內部17。末端帽 狀物18亦定義出一或多個延伸通過其間之出口 35,使氣 體可以從末端帽狀物裝置10流至外面之環境。出口可以藉 在拉張強度下之密封（未顯示）鎖緊以對抗不欲之洩漏、以 在預先選擇之壓力程度下使氣體從電池釋放。密封可以是 可逆或不可逆的。 或者，出口 35可以總是對環境開啓著，在此例子中對 電池內部之可逆氣密密封係藉阻斷壓力釋放導管36以維持 。特別地，超壓阻塞物32若係由例如爲橡膠之適合之可變 形塑膠材料所形成，則亦可以作爲超壓釋放控制以封閉壓 力釋放導管36與出口 35(若未對環境開啓）。除了所示之可 變形材料外，用於可釋放地阻斷壓力釋放導管之其他結構 係包括、但未限制於塞子或彈簧。當內部之電池壓力上升 至足夠高水平時，阻塞物將被從導管36與出口 35推開以 定出從電池內部至外界環境之壓力釋放路徑。排氣系統從 電池內部壓力所釋放之壓力是與電池組所能承受之內部壓 力有關；超壓阻塞物32之塑膠材料係選擇以回應排氣所欲 ____23____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------------.#--------1T---------$ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 __B7 _ 五、發明說明（ 之壓力’但在低壓日寸仍牛牛地維持在正確之位置。一^般而 言，對金屬氫化物可充電電池，安全排氣系統係回應每平 方英吋約600磅表壓力與更高之電池內部壓力，更典型者 是在每平方英吋約1〇〇〇至12〇〇磅表壓力之範圍中。 經由導管36與出口 35之壓力釋放路徑之開啓與關閉 可以是可逆的，但亦可以是藉由採用由無法恢復形狀或大 小或位置之材料所製成且在第一次壓力上升之後可以有效 地阻塞壓力釋放路徑之阻塞物以成爲不可逆的。可以瞭解 的是非那些此處所揭示之阻塞物亦可以採用在可逆與不可 逆之排氣系統中，將會在下文中更詳細地描述。 現參考圖3，其係說明具有不可逆之排氣口之末端帽 狀物裝置之一個實例，其中與圖2A與2B中所說明者相似 之元件係以相同之參考數字標識。圖5係在裝置至罐子12 中之前說明這些元件。 根據此具體實施例。第一接觸26係非平坦的，其係包 括一平坦之中央部分與四個臂狀物，每個臂狀物具有末梢 部分與連結末梢與中央部分之過渡部分，其係非彼此共平 面。中央部分係與傳導性連接器24以及第二接觸28導電 接觸。第二接觸28係與末端帽狀物18導電連接。接觸26 之每一個末梢部分係藉介於其間且與接觸26之末梢部分並 列之導電絕緣器40以與末端帽狀物18導電隔離。 當電池之內部壓力累積時，金屬孔眼22將彎曲，藉此 移除接觸26與墊圈28之導電連結。末端帽狀物18與電極 間之導電連結亦藉此移除。絕緣體40係用以限制接觸26 __________ 24 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I--------i — — — — — — — — — — — —--線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 _______B7___ 一 五、發明說明（>$) 可允許之軸向移動，且進一步避免接觸26之末梢末端與末 端帽狀物18間之導電連結。第一接觸26因此協同金屬孔 眼22可以良好地回應內部電池壓力之改變，且當內部之壓 力下降時，係適合驅使開關反轉至低壓力之位置。 圖3-5之排氣系統之構建係多少與圖2者不同，其係 在壓力釋放導管係以膠黏或磨擦地咬合之平頭圓錐體塞子 42塞住，其在高內部電池壓力、例如爲每平方英吋500-900磅表壓力間時可從導管排出。參考圖4，絕緣體40可 以從末端帽狀物18徑向延伸至塞子42。 在操作過程中，當電接觸26與28間之導電連結被打 破時，電流之流動將降至零。此零電流流動可以藉傳統之 充電器電路（未顯示）偵測且可以被視爲電池已充份充電之 訊號。充電器電路然後可以送出終止充電條件之信號。這 些電路係被認爲爲傳統者。更重要地，只有完全之電流流 動降低需要被偵測，而非傳統之金屬氫化物再充電系統中 典型之任何在壓力、電壓、溫度或電流流速方面之細微變 化。 在對壓力回應之開關從低壓力位置偏向至高壓（’’偏向 壓力’’)位置處之內部電池壓力可以根據電池之大小與形狀 、充電速率與例如爲常溫之其他充電條件以改變。例如， 當電池組之陰極具有較電池之陽極更高之容量時，在低過 度充電速率下之電池內部壓力可以在例如爲每平方英吋 30-50磅表壓力之相當低程度下穩定。同樣地，充電速率 愈高’則當電池組接近充份充電狀態或達到過度充電狀態 _____ ___25____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------訂---------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7_ 五、發明說明（外） 時，電池內部壓力會變得更高。因此，當所建造之開關係 用於在陰極具有較高容量之電池組及/或當電池係在非常低 之速率下充電時，對壓力回應之開關之偏向壓力應該足夠 低以確保當電池達到充份充電或過度充電狀態時充電可以 被停止。相反地，當開關係使用在具有相似之陰極與陽極 容量之電池組中，或當電池將以高速率充電時，偏向壓力 可以是設定在任何可滿足電池安全顧慮之程度，因爲毫無 疑問地電池內部壓力可以達到偏向壓力。 不過，較佳地是對壓力回應之開關應該具有接近當電 池達到充份充電狀態時之內部壓力之切換壓力，以避免例 如爲過熱之問題。一般熟習該項技藝之人士將知道如何去 在決定在充份充電或過度充電下電池內部壓力。一般而言 ，對快速之鎳金屬氫化物可充電電池，對壓力回應之開關 可以具有每平方英吋約50磅表壓力與每平方英吋500磅表 壓力間之偏向壓力。較佳是切換壓力係在每平方英吋100 與400磅表壓力之間。最佳是切換壓力係在每平方英吋 200與300磅表壓力之間。 現參照圖6,根據本發明之另一實施例所構建之可逆 之對壓力回應之開關100係配置在位於鎳可充電電池104 之開口端處之正末端帽狀物102中。電池104可以是傳統 之偏離帽狀物且係導電連結至電池電極。根據本發明所製 造之電池在其內部可以含有纏繞正106與負108電極，其 中負極（例如爲氫化物電極)係與具有開口端與封閉端之罐 子110導電連結，且其中正(例如爲鎳氫氧化物)極係與固 _- _ 26____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨丨丨丨丨丨！丨丨丨丨·丨丨訂--------1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7__ 五、發明說明（Z) 定在負罐子110之開口端中之正末端帽狀物102導電連結 。電池係含有電解質’典型上爲氫氧化鉀。 電池104之開口端係包括根據較佳實施例所構建之帽 狀物裝置112，且配置在罐子11〇之開口端中。負罐子I10 之開口端係塑形以在製造過程中於開口端中密封地容納帽 狀物裝置112。電池之封閉端並未描述但爲傳統者°帽狀 物裝置112係包括正末端帽狀物102與根據本發明所構建 之對壓力回應之開關100 ° 對壓力回應之開關100係含有金屬孔眼114 ’其可同 時提供彈性密封與主彈簧，且具有配置在中心且軸向地延 伸通過其間之傳導性連接器116、或’’鉚釘’’或’’大頭針’’。金 屬孔眼1H可以由任何不會負面地影響電池化學之材料所 形成，但如上所述其應具有足夠之彈性以回應壓力之增加 以移動傾向本發明之開關。金屬孔眼114進一步包括向外 且向上延伸之邊緣115，其係塑形且決定大小以與罐子110 之開口端形成緊密之密封以區隔電池之內部與外部。邊緣 可產生徑向面對內部之空間117,其係藉末端帽狀物裝置 以佔據，此將在下文中更詳細地描述。在說明之具體實施 例中，邊緣Π5係具有凸出之外表面以容納罐子Π0之凹 陷內表面，以使罐子可以在電池裝置過程中捲縮在正確之 位置中。例如爲瀝青或焦油之選用密封劑亦可以採用於帽 狀物裝置112與罐子110之間以進一步密封開口端。 朝向電池之內部，傳導性垂片118係將中央傳導性大 頭針116導電連結至正極106。朝向電池之外部，中央大 ____ 27 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------41^---I----訂---------線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 __B7______ 五、發明說明（义） 頭針116亦係與接觸環120導電接觸，其係用於將中央大 頭針固定在其正確之位置上。接觸環120是圍繞中央大頭 針116之墊圏且連同接觸板122係配置在正末端帽狀物 102與彈性金屬孔眼114所定義之內部空腔126中。接觸 環120係因此固定地與中央大頭針116導電連結。固定在 空間117中者是圓形之傳導性接觸板122與具有決定大小 與塑形以提供用於電池104之標準正端之接頭124之正末 端帽狀物102。當電池104係在圖6中所說明之低壓狀態 時’接觸板122因此係同時與前述所提之正末端帽狀物 102與接觸環120導電連結。因此，接頭124係經由末端 帽狀物1〇2、接觸板I22、接觸環12〇、中央導體116、與 垂片118與電極106導電連結。 在運轉時，金屬孔眼114會向外彎曲以回應高內部電 池壓力。當內部之電池壓力足夠大至使金屬孔眼114彎曲 時，中央大頭針Π6將推向過壓阻塞物128，藉此使接觸 環120軸向地偏離接觸板122(未顯示）。接觸環120與接觸 板122間之導電連結將結束，藉此以終止接頭124與電極 106間之導電連結。進一步之充電將因此被避免。有利地 是開關1〇〇是可逆的，亦即接觸環120與接觸板間之連結 在超壓情況改善後將會重建。亦在帽狀物裝置112之正末 端帽狀物接頭124之內部表面上所提供者是非傳導性之過 壓阻塞物128,若有需要其亦可以使用以預負載接觸壓力 〇 如上所述，一旦電池104中存在超壓情況，接觸環 ____28 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ---^訂---------線一 522585 A7 ____B7___ 五、發明說明（；^) 120和122間之電導接觸將被打破，電池104中之電流流 動將降至零。此零電流流動可以藉傳統之充電器電路以偵 測且可以視爲電池已充份充電之訊號。充電器電路然後將 發出終止充電之信號。這些電路被認爲是傳統型。如前述 所提，由於電池中氣體產生之壓力增高’會產生將縮短電 池循環壽命之有壞溫升。 現參考圖7，可逆之對壓力回應之開關150係根據本 發明之替代實施例以說明。特別地’電池154係含有負罐 子152,其係具有塑形之開口端以在製造過程中容納且封 閉開口端中之帽狀物裝置172。電池罐之剩餘者是傳統者 。帽狀物裝置172係包括正末端帽狀物156 ’其具有決定 大小且塑形以提供電池正端之接頭157。 圖7中所說明之調整開關150係包括彈性金屬孔眼 158，其係在大小與形狀方面改造以牢牢地固定在開口端中 且具有穿越其間之中央開口。傳導性連接器160係牢牢地 固定在中央開口中以使傳導性連接器協同彈性金屬孔眼 152 —起移動。第一傳導性接觸162係圍繞連接器160且 係固定地與其導電連結。第二傳導性接觸164係從金屬孔 眼158之徑向外壁徑向向內延伸以使其上方表面之至少一 部分與接觸162之較低表面軸向並列且可切斷地接觸。阻 塞物166係配置在接觸162之軸向下游處，且限制金屬孔 眼158之軸向位移。絕緣層168係配置在接觸162與阻塞 物166之間。因此，阻塞物166未形成電路之一部份。 金屬孔眼158可以由任何具有足夠彈性、非傳導性惰 _____29 ______

本紙張尺度適用中國國家^準（CNS)A4_規格（210 X 297公E (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -·丨丨—丨丨丨丨訂---------線一 522585 A7 ____B7 ___ 五、發明說明（>3) 性且不會不利地影響電池化學之材料所形成。適合之材料 係包括、但未限制於聚丙烯、聚烯烴與尼龍與其之同等物 。根據開關元件之組態’開關150可以對壓力、溫度、或 兩者是應答的，藉著下文中之描述將更明顯。 末端帽狀物156與彈性金屬孔眼158定義出帽狀物裝 置172中之空腔170，其中係提供第一與第二接觸162與 164與阻塞物166。如圖7中所說明雖然第一與第二接觸 162與164是圓形之墊板，其可以如上所述以其他之形狀 與大小提供。第二接觸164在接近其徑向內部邊緣處係包 括三個突出物174,其係朝向第一接觸162軸向延伸且彼 此隔開120。。當內部壓力是低於預定之界限時，大部份藉 金屬孔眼158之柔軔性以決定，突出物17是與第一接觸 162之較低表面相連，藉此完成電路且允許電池充電。 朝向電池之內部，傳導性垂片（未顯示）導電地將中央 傳導性大頭針160以上面所描述之方式連結至正極。金屬 孔眼158之中心軸進一步用於固定中央大頭針160在其適 當之位置。固定在金屬孔眼158之週邊邊緣者是圓形之傳 導性接觸板164與正末端帽狀物156。接觸板164係同時 與前述所提之正末端帽狀物與接觸環162導電連結’雖然 當高溫或壓力條件存在時，後者之連結會分離。 如上所述，末端帽狀物裝置Π2亦可以含有用於從電 池中排放壓力之系統。當裝置含有排氣系統時，傳導性連 接器160可以經由其定義出壓力釋放導管以使氣體從彈性 金屬孔眼158之第一側面上之電池內部流入同樣在圖3與 ____30---- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I - I I I I----·丨丨丨丨丨丨丨訂·-------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 522585 A7 ______B7______ 五、發明說明（y) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖4中描述之第二側面上之末端帽狀物裝置172中。電池 末端帽狀物156亦定義出一或多個延伸通過其間之出口 以使氣體從末端帽狀物裝置172流至外界環境。排氣 機制(刪除封閉4)可能是可逆或不可逆的。若所描述之排氣 系統並未採用，則可以提供其他之排氣裝置。 於操作時，金屬孔眼158係軸向地向下游朝正末端帽 狀物156彎曲（可逆地)與抗拒阻塞物166之彈簧作用力以 回應高內部電池壓力。調整開關150因此係從閉合位置（圖 7中所說明在）偏向開啓位置（未顯示），其中中央大頭針 160協同金屬孔眼158軸向地向下游移動。因此，第一電 接觸162與第二接觸164分離且從突出物174移開。接觸 環162與接觸板164間之導電接觸因此被打斷，且進一步 阻止充電直到超壓情況改善且金屬孔眼回至圖7中所說明 之位置，且接觸162與164間之導電連結重建。 圖7中所說明之阻塞物166可以進一步從對溫度應答 之材料所製造，當預先定義之溫度達到時其形狀將產生變 化。以此方式，阻塞物可以做成可在某內部電池溫度下可 逆地偏斜或變形，藉此以降低或移除中央大頭針上預載之 作用力，且降低打斷接觸環與接觸板間之導電接觸所需之 壓力。以此方式，可能有害之溫度上升可以避免，即使沒 有超壓條件存在於電池中。於運轉時，當電池達到預先定 義之溫度時，阻塞物166可以可逆地偏斜或變形且將傳導 性連接器162從接觸板164拉出，因此打斷接觸環與接觸 板間之導電接觸。或者，阻塞物166可以連接至傳導性連 __ _ ___31 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 522585 A7 ____ B7___ 五、發明說明Uc) 接器或中央大頭針160與頂部帽狀物i56。 雖然可以使用任何對溫度應答之材料，但阻塞物較佳 是從雙金屬形成之二層金屬或合金或具有不同之熱膨脹係 數之其他材料所組成。一層具有較高之熱膨脹且另一層具 有較低之熱膨脹。此造成雙金屬可以以每層中所使用之金 屬或合金之選擇所定義之方式偏斜或變形以回應溫度。或 者，可以使用形狀記憶材料以形成對溫度應答之阻塞物 16 6 ’例如爲錬-欽合金。 對溫度應答之阻塞物166可以額外地操作以作爲對壓 力回應之阻塞物。形狀記憶材料包括鎳-鈦、銅_鋅-鋁、或 銅-鋁-鎳之合金。這些材料係預先形成如所示之凹陷圓盤 166以作爲彈簧且施加預先決定量之作用力，此將使傳導 性接觸162與接觸板164固定在一起以維持導電連續性。 當加熱至預先決定之溫度時，這些材料係具有能力以變形 或變平或當內部之壓力達到預決定之數値時可變平。已發 現用於這些材料在鎳金屬氫化物或鎳鎘電池工作所欲之溫 度係在70度C與100度C之間。 應該進一步瞭解的是根據前述任何一個實施例所說明 之阻塞物亦可以構建以應答溫度及/或壓力。 如上所述’充電器可以結論爲充電係基於電池中之零 電流流動、或當充電時間達到預先決定之數値時以結束。 充電器然後可以停止充電、或其可以繼續充電，在此例子 中對壓力回應之開關將連續開啓且關閉。充電將因此繼續 直到計時器達到預先設定値之終點。當充電係在快於30分 _____________________32 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格(21G X 297 ¥爱) ------------- I------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 B7 五、發明說明（>jl ) 鐘之速率時，此充電模式可以是特別有利的，當電池接近 充份充電狀態時，壓力將顯著地增加，且由壓力開關機制 所提供電流之開-關將會持續至充電至最大之充電狀態。若 電池係在固定電壓、固定電流或交流電下以非常快速之充 電速率(充電在30分鐘或更快內終止)充電，則電池可能只 充電約、70-90%，因爲已知在充電過程中內部電池壓力會在 充份之電池充電之前增加。當達成非常快速之充電速率(充 電在30分鐘或更快內終止)時，本發明者已決定固定電壓 充電係較固定電流或交流電更有利，此係因爲在固定電壓 下充電電流將朝向充電之終點而持續降低，結果與固定電 流充電相比，壓力與溫度並未快速地升高。例如，於固定 電壓下在開關開啓之前可以達成高至85-90%之充電、而交 流電爲80-85%、固定電流爲65-70%。在某些例子中，使 用根據本發明所提出之開關之快速充電之完成可彌補與電 池之部分充電有關之缺點。 在其他之例子中，犧牲時間以確定電池已充份充電可 以是所欲的。在此例子中，一旦充電器偵測到零電流，其 將等候直到電池之內部壓力降低且然後測量電池之〇CV( 在此電池中，壓力釋放排氣口將是特別有利的以將電池減 壓時間減至最低）。基於OCV，充電器可以決定電池是否 已充份充電。 例如’其已知充份充電之金屬氫化物電池將具有 1·42ν之OCV。因此，若正被充電之電池之ocv已超過 1.42_1.48V之預定界限，則充電器將決定該電池已充份充 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 29f公髮） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線* 522585 A7 ____ B7 ___ 五、發明說明u，） 電。否則’充電益將推論該電池尙未充份充電。因此，一 旦電池中之壓力降低以致於接觸間之導電連結重新建立， 充電器將再次地使電池承受交流或固定電流充電直到電池 內部之壓力打斷導電連結。此重複過程可以持續直到電池 達到預定之OCV或預定之重複次數，在此點充電器將提供 適當之訊息給使用者，例如藉由照亮指示器。或者，使用 者可以選擇充電終止（例如爲80%容量），在此點充電器將 計算對應之OCV且當電池已達到使用者選擇之充電終止界 限時結束充電。 當使用固定電流或交流電充電時，此方法將是更理想 的，因爲已知壓力在電池充份充電之前會顯著地累積。若 施加固定電壓充電至電池上，則可以預期的是在第一次重 複之後電池本質上係充份充電，藉此可以使充電器偵測到 零電流且指示電池已充份充電。雖然上面所描述之零電流 流動方法亦可以與固定電流與交流電充電合倂使用，但當 第一次重複結束時，電池可能未充份充電。 根據本發明所說明與描述之可逆開關之一個優點是充 電終止之檢測並非依據氧氣再結合。因此，其不再需要提 供任何過量之陰極容量。在陽極之氧氣與在陰極之氫放出 。此兩個氣體對壓力有貢獻。在此例子中，陰極容量可以 等於陽極容量，爲了電池容量之淨增加。當充電電流停止 時，氧氣將與氫氣再結合以形成水：i/2〇2+h2->h2o。 另外一個優點是可以使用非氣體可透過之隔離器。此 消除隔離器中具有用於氣體與陰極再結合之開啓之流動導 -----34^__— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I--I-------------訂---------^^^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ______B7____ 五、發明說明（；)々） 管之需求，其會對隔離器之乾燥與有限之電池循環壽命有 影響。藉由本發明之對壓力回應之開關，額外之電解質可 以塡入導管中。因此，循環壽命與放電效率可以增加。 另外一個優點是可以不用採用精巧的分析電路以用於 偵測充電條件之結束，藉此可降低相關之充電器裝置之成 本。 另外一個優點是充電可以以較以前之電池更快之速率 進行。例如，根據本發明之可充電金屬氫化物電池可以在 45分鐘或更短內充電，較佳係在30分鐘或更短，且最佳 係在20分鐘或更短，甚至對NiMH1.3Ah AA電池是1〇到 15分鐘，然而傳統電池將需要約1小時或更長以充電 (L2C)。充電速率可以加速是因爲本發明消除在充電之末 端時關於超壓與高溫條件之顧慮。以此方式，快速充電可 以在低於1小時之速率達成。 另外一個優點是本發明之電池可以具有較傳統可充電 之金屬氫化物電池更高之容量。此係因爲根據本發明所構 建之電池係具有陰極材料對陽極材料之較大平衡。不像習 知技藝之電池，其中陰極係具有超過陽極者40-50%之過量 容量，根據較佳具體實施例，本發明之電池可以具有陰極 材料對陽極材料之重量爲9 : Μ·5 : 1間之任何比値。 另外一個優點是氣體不能透過之隔離器可以實施，其 可以較習知技藝者製造更薄且更緻密，以留下更多之空間 給電池中之電解質。循環壽命如同放電效率可以藉此增加 〇 ____35____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------1-----------丨訂—I------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 _—___B7_ 五、發明說明（>?々） 特別地，在陽極之氧氣與在陰極之氫可以在充電過程 中放出。此兩個氣體對壓力有貢獻。在此例子中，爲了電 池容量之淨增加，陰極容量可以等於陽極容量。當充電電 流停止時，氧氣將與氫氣再結合以形成水： 1/202+Η2->Η20。因爲，在此實施例中，隔離器可以是氣 體不能透過的，所以習知技藝電池中之電解質充塡以避免 隔離器充份溼透之限制可以除去。 此外，雖然習知技藝之可充電金屬氫化物電池之陽極 典型上係含有型式爲AB5之合金，但其亦可能採用傳統因 爲超壓顧慮而無法使用於此電池中之高容量之AB2合金。 本發明進一步係包括含有本發明之對壓力回應之開關 之電池或數個電池之充電之方法。方法含有之步驟爲將電 池連接至電源、例如爲專用之充電器，將電池充電直到電 池內部壓力達到預定之程度、於此開關偏向高壓位置且充 電電路被中斷。當充電電路被中斷時，充電電流之降低至 零可以人工或自動地記錄。使用以充電電池組之充電器可 以包括用於偵測零充電電流之電路或設定至預決定數値或 終止之計時器，以及一用於顯示充電已結束之指示器。或 者，如上所述，充電器可以進行數個充電重複以提供電池 充份之充電。 雖然可以使用任何類型之方法以充電含有根據本發明 之可逆開關之電池，但固定電壓充電方法是較佳的，因爲 電流會隨著充電進行而尋求其本身之降低程度，無電池會 受制於過度充電或超壓之顧慮。藉由固定地施加電壓充電 _____36 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I--------·丨丨！丨—丨訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7___ 五、發明說明（β) 方法，當電池電壓在充電過程中增高時，電流會自動地朝 向充電終點降低。因此，在充電開始當電池之充電接受度 高時，充電電流是高的，且當朝向充電末端而電池之充電 接受度降低時、則降低至較低之充電電流。不需要昂貴與 複雜之充電控制。電流之流進電池內係藉電池內部電阻與 電池自身之充電狀態以調整。當電池達到充份充電時，逐 漸增加之內部壓力將會啓動壓力開關以中斷充電。因此， 當充電器指示充電已結束時，電池將是在或接近充份充電 〇 有利地是，數串並聯之電池可以以相同之電壓源充電 。串聯之多個電池亦可以根據本發明藉接受等於電池之斷 路電壓加上電池內電阻與電路阻抗所造成之超電壓之充電 電壓以一起充電。有利地是，藉著固定電壓充電，一較固 定電流充電者更快之充電速率可以達到，此係由於在充電 開始時當電池可以接受較高之電流以增加充電電流能力所 造成。 不過應該可以瞭解的是本發明同樣可以應用在固定電 流與交流電充電。如上所述，已知金屬氫化物電池中之壓 力當電池本質上充份充電時會快速地上升。如上述所提， 跟隨在電池氣體放出後之壓力升高會發生在可使電池循環 壽命縮短之有害之溫升之前。因此當壓力開始上升且在毀 滅性之超壓條件破壞之前結束充電是所欲的。 實例 爲了在1 5分鐘或更快之內充電鎳金屬氫化物電池，對 37 -------------—I----訂—------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） "" 522585 A7 _________B7___ 五、發明說明 AA電池較佳之固定充電電壓是約1.6伏特至1.65伏特， 其具有藉電池OCV電池電壓在6秒間隔10安培電流下之 電壓差異所決定之30_4〇毫歐姆之內電阻。對具有較低內 電阻(例如爲具有1〇-2〇毫歐姆之內電阻之C型號電池）之 電池，可以施加低於1·6伏特但高於1·5伏特之充電電壓 。發明者已根據經驗地決定當環境溫度是高於冰點時固定 電壓充電是較佳的，而當環境溫度是低於冰點時，則固定 電流充電是較佳。 在末端帽狀物裝置中含有對壓力回應之開關商用ΑΑ 與ΑΑΑ鎳金屬氫化物電池係在15至30分鐘內充份充電且 當壓力回應開關切換至高壓條件時充電將被結束。壓力訊 號即使在延長之循環時仍是一致與可再現的。當環境溫度 是高於冰點時固定電壓充電方法已顯示是更佳的。而當環 境溫度是低於冰點時’固定電流方法是更有效的。ΑΑ NiMH消費電池之壓力上升與下降之斜率在循環過程中仍 維持相當地固定。當使用固定電壓隨著時間電池逐漸充份 充電時之電流變小之效應可造成較低之壓力上升。在相同 之充電過程中電流之降低亦可以產生較低之溫度生升。此 說明充電在較高之電壓可以較快速’雖然在此情況下亦需 注意較高之電池溫度。 如上所述，已知金屬氫化物電池中之壓力當電池本質 上充份充電時會快速地上升。特別是，跟隨在電池氣體放 出後之壓力升高會發生在可使電池循環壽命縮短之有害之 溫升之前。因此以降低毀滅性之超壓或過熱條件之可能性 _ _38____ 張尺度適用ΤΪ國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） ---I-----------------訂·--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7___ 五、發明說明（A/p 之方式以充電電池是所欲的。 根據本發明可以採用固定電流充電方法或固定電壓充 電方法或組合方法、例如爲固定電流跟隨著固定電壓。因 爲電流可以調整，故交流電充電方法是較佳的，如此可減 少過度充電、超壓或過熱之機會。不需要昂貴與複雜之充 電控制電子電路。 交流電或電壓波形之性質是典型之正弦，但非排他的 。全型或半波整流可以應用至交流電或電壓波形 圖8係說明1600毫安培小時之鎳金屬氫化物電池充電 ，之電池壓力與溫度，其係使用來自共用之60赫電線電源之 交流電，其係全波整流以產生120赫之交流電頻率。與固 定、或直接之電流充電相比，電池壓力與溫度在充電末端 之變化係較低的。 圖9係顯示使用圖8中之交流電以充電之1600毫安培 小時鎳金屬氫化物電池之電池壓力與溫度。與固定、或直 接之電壓充電相比，電池壓力與溫度在充電末端之變化係 較低的。 此處所說明之實例係利用來自共用之60赫電線電源之 全波整流電流。本揭示所包含之其他具體實施例係包括全 波整流交流電壓或半波整流正弦交流電或電壓。另外一個 具體實施例是任何頻率之交流電或電壓充電。另外一個具 體實施例是由任何波形所構成之交流電或電壓，包括方波 、三角形波（或鋸齒波）、或任何之任意波形或波形之組合 。另外一個實施例是由任何頻率或頻率之組合、或任何波 _______39___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------------訂---------^^^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 _____Β7^___ 五、發明說明（）¾) 形或波形之組合所構成之整流或未整流之交流電或電壓之 組合。有利地是，适些充電方法中之任何一個皆可以藉具 有如上所述之對壓力回應之開關之電池以使用。 現參考圖10,用於決定充電終點之裝置係根據本發明 之替代實施例以說明。特別地是，傳統可充電ΑΑ電池 210係具有正末端211與負末端213。雖然電池組210係具 有根據較佳具體實施例之鎳-金屬氫化物電池，但根據本發 明可以使用任何以鎳爲基礎之可充電之任何適當大小之電 池對熟習該項技藝之人士應該是顯而易見的。電池組曾被 修改以包括包裝在其外部表面上之標籤212，其具有整合 之金屬薄膜應變計214,根據較佳具體實施例其係含有康 銅。計量器214之末端係以對應之一對接觸帶216在二端 處終止，其亦包圍住電池且係傳導性的且分別與應變計之 兩末端導電連結，以測量應變計之阻抗，此將會在下文中 更詳細地描述。 現亦參考圖14-16，標籤212是積層物，其從其徑向 內部表面開始係含有膠黏劑層244、跟隨著爲絕緣層242、 具有以蛇形組態置放之金屬薄膜214之金屬層240 ’與放 置在薄膜214之任一側面上之一對接觸帶216，與最後之 具有圖形施加至其外部表面之外部絕緣層238。外部之絕 緣層係含有一對延伸穿過其間之孔洞239，其係與一對接 觸帶216之至少一部分一起排列，以使接觸帶仍然可對充 電器218中之接觸234與236曝露與可接近，如下文中所 描述。標籤212然後係包裹住電池組210以使薄膜214提 __ 40_____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

· I I I I---訂-----— II 522585 A7 ----- B7___ 五、發明說明) 供一可指示電池外部表面之膨脹之應變計，如下文中將更 詳細地描述。金屬薄膜214另外亦可以以螺旋之配置安置 ’雖然此將需要使薄膜層24〇包裹住電池組21〇數次，因 而增加製造方法之成本與複雜度。 電池組210因此係放置在傳統電池充電器218中操作 ’其係配置成可接受具有各種不同大小之多種電池。特別 地，第一器壁220係從充電器218之底部222垂直延伸且 具有正接觸224。第二器壁226係從底部222之相反側面 垂直地延伸，且定義電池之封閉228。可滑動之器壁230 係具有負彈簧接觸232，以使充電電流流過電池210。根據 較佳具體實施例，充電器218係供應固定電流至電池210 ’雖然已知固定電壓充電亦是可行且與本發明相容。 爲了容納具有各種不同大小之電池，器壁230係可沿 著引導軌道(未顯示)以箭號A與B之方向滑動以分別容納 具有較短與較長長度之電池。一對接觸234與236係從底 部222向上延伸且是以彈簧安裝以咬合電池210之接觸帶 216，無論充電器218中電池之徑向朝向爲何。接觸234與 236係進一步導電連結至充電器218中之控制電路或微處 理機等（未顯示），其係程式化以決定充電終點，將在下文 中更詳細地描述。 接觸234與236可額外地從正末端211移開預定之距 離D1，且接觸236從接觸234移開預定之距離D2。因此 ，接觸帶216亦係製造以無論電池之大小分別從正末端 224移開D1與D2。結果無論其大小，接觸234與236將 -_______41___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------I I ^ ·111111--· 522585 A7 _B7___ 五、發明說明 軸向地與電池組之接觸帶216並列。此外，因爲接觸234 與236是在彈簧作用力下以徑向方向移開，其可以咬合任 何大小之圓筒形電池，其包括、但未限制於型號AAA、C 與D電池。本發明想像正接觸224另外可以是可滑動的， 且接觸帶216與接觸234與236可以以離負接觸232之預 定之距離放置。充電器可以進一步地配置以接受9伏特電 池之末端，如同熟習該項技藝之人士所瞭解。 雖然根據傳統之充電終止系統，電壓與溫度之變率曾 被使用，且理論上可以提供以用於充電終點，這些數値變 化緩慢是落後電池之實際充電。因此，這些習知技藝系統 冒著電池過度充電之危險，如此造成潛在之危機，除非電 池係以緩慢之速率充電，其係末端使用者所不欲的。 因爲可充電電池會在充電過程中累積壓力，電池外部 表面結果將膨脹，藉此亦膨脹應變計214且改變其之阻抗 。電池210之溫度亦會在充電過程中升高，其將進一步造 成電池外部表面之膨賬，藉此更進一步地影響應變計214 之阻抗。此外，電池210中之溫度與壓力之變率，以及因 此計量器214之阻抗，當電池接近其充電終點時會以可預 期之方式隨時間而改變。根據較佳之具體實施例，應變計 214之阻抗之變率(dR/dt)係藉處理器測量以提供充電終點 之指示。電池210外壁之膨脹速率因此係用於決定充電之 終點。下述之方程式係用於關聯阻抗之變化AR對壓力之變 化ΔΡ與對溫度之變化ΔΤ : AD/D=DAP/2tE (1) _42___- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7_ 五、發明說明（Λ\) AR/R=kg(ktAT+DAP/2tE) (2) 其中kg是計量器因數，T是溫度，匕是罐子材料之熱 膨脹係數，D係充電前之電池直徑’ Ε是罐子材料之楊氏 係數，Ρ是電池210之內部壓力，且t係充電前之罐子之 外壁厚度。方程式2對時間之微分可得：

RkD dR/dt = Rkg kt dT I dt + dP / dt (3)

ZulUt 因爲當電池剛開始放進充電器218中時，給定電池之 充電狀態係未知的，且因爲在給定電池上之特定應變計 214之名義上之阻抗係未知的，故以方法來偵測壓力或溫 度之絕對値係不可能的。不過，壓力、溫度、與阻抗之變 率是可測量的且係以可預期之方式變化，且因此可以使用 以作爲決定充電終點之標準。雖然計量器214對壓力與溫 度是敏感的，但朝向充電階段之末期時，來自壓力變率之 貢獻係較溫度者爲大，且因此將是主要的。結果，溫度變 化之緩慢反應速率將不會不利地影響充電終點之測定。若 決定數個配線串聯之電池之充電終點是所欲的，則接觸帶 216，以及因此應變計214亦可以配線串聯且所欲參數(壓 力或阻抗)之總變率可以決定。 應變計214之阻抗R可以藉供應電流至接觸帶216且 測量越過應變計214之壓降以決定。或者，且如熟習該項 技藝之人士所瞭解，架橋電路可以使用以放大來自應變計 214之訊號變化。在充電過程中阻抗係固定地取樣直到其 變率符合預定之界限標準，如此指示充電終點。在此時， 充電器218上之指示器(未顯示）可以啓動以提醒使用者， ______43_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . -線· 522585 A7 ____B7__ 五、發明說明（令>) 且充電器將會停止來自電池210之充電電流。因此，一可 靠之指示器係提供以指示用於快速充電裝置之充電終點， 其可以在低於234分鐘內充份地充電一耗盡之電池。 本發明擁有傳統電池在充電過程中之固有反應之優點 。結果，標籤212可以有利地以前述所描述之方式應用至 任何預先已存在之傳統以鎳爲基礎之（或同等物）可充電之 電池上使其與本發明相容。 其應進一步瞭解的是本發明可以在再充電電池組上實 施，例如爲行動電話等。這些電池組將包括數個串聯連接 之電池，其具有對應至每個電池之數個應變計且亦串聯連 接至電池組上之額外接觸以用於與充電器中之控制電路導 電連結以如上所述決定壓力、溫度、與阻抗之變率。或者 ，電池可以放置在充電器中，且在充電過程中並聯連接， 如上所述有關於壓力開關。 爲了基於阻抗及/或壓力之變率以根據經驗地決定型號 AA電池之充電終點，一鎳金屬氫化物AA電池係加以測試 。現在所將描述之根據經驗之結果將然後使用以程式化充 電器218中之控制電路以決定給定電池之充電終點。應該 被瞭解的是下述僅是一個特定電池之實例，且結果可以隨 電池不同而改變。因此，本發明無論如何絕非限制於下述 所說明之結果。然而，下面所描述之結果係說明對應至給 定電池之充電終點之阻抗及/或壓力之變率，根據較佳之具 體實施例，其然後可以使用以程式化充電器218之控制電 路。 _____44__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------—---I I I I I ^ · I I---— II (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 522585 A7 ___B7_____ 五、發明說明（4^) 測試電池組係放置在實驗室電池組充電器中且係施以 固定充電電流。充電時間、電流、與電壓是連同電池中之 壓力與溫度一起測量，其係使用對應之壓力與溫度計。使 用方程式1-3以計算各種不同之數値，例如爲：dP/dt ; dT/dt ; R*kg*(D/2Et)*dP/dt ; R*kg*kt*dT/dt ;與 dR/dt。 電池之充電終點已知係基於電池之壓力，在此點方程 式3之數値係決定以對應地提供當相似之AA電池充電時 之界限數値。可以瞭解的是在剛開始充電時改變具有改變 之剩餘充電之電池亦將會改變充電時間。不過，與壓力、 阻抗與溫度隨時間變化之速率有關之行爲在數個電池中仍 維持可預期的。結果係繪圖於圖11-13中。 在此實例中，R與kg之數値係選擇以關聯典型之商業 上可得到之應變計。其然後係決定dR/dt=0.55歐姆/分鐘之 界限値係對應至充電終點。dP/dt=55磅/平方英吋/分鐘之 界限値亦對應至充電終點。 因此，這些數値可以程式化進行充電器218之控制電 路中，其然後可以藉（1)直接測量dR/dt且將其與界限値比 較、或⑺連同dT/dt —起測量dR/dt(使用充電器218中之 溫度感應器，其係與充電中之電池熱連通）以對應地計算 dP/dt，且將該數値與預定之界限比較以識別電池210之充 電終點。充電器中之熱電偶係與電池密切接近。應該可以 瞭解的是熱電偶可以個別地與每一個充電之電池有關，或 者，單一熱電偶可以用於提供每個電池之適當近似値。 現參考圖17，電池內部壓力對時間係以以1.65伏特之 ______45______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) • 1#---丨丨丨丨丨訂·丨丨丨丨丨丨丨-線» 522585 A7 _B7 _ 五、發明說明（4A ) 固定電壓充電之一組四個1600毫安培小時之鎳金屬氫化物 電池來加以說明。當電池在12分鐘內達到充份充電時，內 部之壓力將上升至每平方英吋300磅表壓力。在電池放電 之後壓力將跟隨回至起始狀態。此說明鎳金屬氫化物電池 內部壓力係以可預期之方式上升與下降，其可以使用以作 爲可靠之訊號以在非常高速之充電下結束充電。電池組因 此可以藉著壓力作爲充電終止訊號以可靠地充電與放電。 現參考圖18，1300毫安培小時NiMH電池之典型充電 與放電特性係在3安培之固定電流充電與其後跟隨之1安 培放電至1伏特下以測量。壓力、溫度、與電壓係加以測 量且對時間作圖。此說明壓力在充電終止上是較溫度與電 壓更強之訊號。壓力係以較溫度與電壓更快之速率上升， 因此對充電終止壓力是較溫度與電壓更適合之訊號。 現參考圖19-21，與圖22中所說明之電壓相比，壓力 上升與下降之斜率在循環過程中仍維持相當地固定。此進 一步地顯示壓力作爲電池充電終點之指標之可靠性。 參考圖23，三個1600毫安培小時之鎳金屬氫化物電 池係施以3.7安培之固定電流充電且放電150次。電池之 內部壓力係在循環1與在循環150時顯示，且對時間作圖 。此進一步地說明壓力訊號對循環壽命與不同之電池大小 與容量是可再生的。 參考圖24，二個甚至更小之550毫安培小時之鎳金屬 氫化物電池係串聯連接且以固定電壓充電來源以每電池 1.65伏特充電。內部之壓力、溫度、與安培係測量且對時 _______46__· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂--------- 522585 A7 __B7__ 五、發明說明（K) 間作圖。 圖25係說明內部電池壓力爲容量之函數，對第一電池 係在6安培之固定電流下充電，且第二電池係在1.65伏特 之固定電壓下充電。圖26係說明對第一與第二電池，電池 電流爲容量之函數。圖27係說明對第一與第二電池，內部 電池溫度爲容量之函數。圖28係說明對第一與第二電池， 電池電壓爲容量之函數。如所說明，固定電壓勝過固定電 流之一個重要優點.爲充電電流朝向充電末端逐漸變小之能 力，此時電池電壓上升至接近施加電壓。逐漸變小之效應 會在充電之末端造成較低之壓力上升與較低之溫度上升， 藉此使電池變得更充份充電。對相同之充電階段，電流之 降低亦可產生較低之淨溫度上升。 現參考圖29,對二個電池在二個不同之電壓條件下充 電，電池溫度與充電輸入容量係以時間之函數作圖。可以 觀察到的是對具有相同內電阻之電池，較高之充電電壓可 以產生較高之充電電流。因此，充電在較高之電壓下係較 快的，但電池在較高之充電電壓下亦是較熱的。此圖進一 步說明在較高之充電電壓下，電池較快達到較高之充電狀 態。此亦顯示萬一壓力啓動之開關在較高之充電電壓電池 中開啓時，電池溫度會由於開關開閉條件之結果而降低。 電池將在此狀態下繼續接受充電，但是在由壓力開關所提 供之間斷電流條件下之較低溫度下。對具有壓力開關以作 爲調整充電條件末端之裝置此是一優點。 上述之描述是本發明之較佳具體實施例，且對熟習該 ____47 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _#·丨丨丨丨丨丨丨訂·丨丨丨丨丨丨—線»· 522585 A7 _B7_ 五、發明說明（4士） 項技藝之人士可以在不偏離本發明之精神與範疇下進行許 多修改。爲了告知大眾各種不同之實施例係落在本發明之 範疇中，下述之申請專利範圍將描述。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -I ------ 丨—訂------I-- ___48 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 522585 C8 D8 六、申請專利範圍 ’以維持第一與第二傳導性元件間之接觸。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 5·根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中金屬 孔眼係在其緣周定義出徑向向內延伸之空腔，該空腔包括 末端帽狀物之末端與第一傳導性元件。 6·根據申請專利範圍第5項之電化學電池，其中罐子 係捲縮在金屬孔眼上，以封閉電池之開口端。 7·根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中末端 帽狀物是正末端帽狀物。 8·根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其進一步 含有配置在第一傳導性元件軸向下游之阻塞物墊圈，以當 金屬孔眼在第二位置時，用於限制第一傳導性元件之軸向 移動。 9.根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其進一步 含有延伸穿過末端帽狀物之孔洞結構，以便當內部壓力超 過預定之界限時，使氣體從電池逸散出去。 10·根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中金屬 孔眼係分隔罐子之內部空腔，以形成配置在末端帽狀物中 之第二空腔，電池進一步含有延伸穿過金屬孔眼之開口， 以提供罐子之內部空腔與第二內部空腔間之管道。 11·根據申請專利範圍第10項之電化學電池，其進一 步含有配置在開口中之塞子，以便當內部壓力達到第二預 定之界限時可加以移除。 12.根據申請專利範圍第11項之電化學電池，其中塞 子係可彈性變形的。 ___________2___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） 522585 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 13. 根據申請專利範圍第10項之電化學電池，其進一 步含有配置在開口中之彈簧元件，其可操作於防止流體從 罐子之內部空腔中流至第二內部空腔，其中彈簧元件當內 部壓力達到第二預定之界限時可加以移除。 14. 根據申請專利範圍第10項之電化學電池，其中電 池係在固定電流充電下充電。 15. 根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中電池 係在快過1小時之速率下充電。 16. 根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中電池 係在固定電壓充電下充電。 Π.根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中電池 係在改變之電流充電下充電。 18. 根據申請專利範圍第17項之電化學電池，其中改 變之電流充電係半波整流之交流電流充電。 19. 根據申請專利範圍第17項之電化學電池，其中改 變之電流充電係全波整流之交流電流充電。 20. 根據申請專利範圍第17項之電化學電池，其中改 變之電流充電係藉直流電所抵消之交流電流。 21. 根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中電池 係以在最小界限與最大界限間變化之電壓充電。 22. 根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其進一步 含有配置在正極與負極間之隔離器，其中該隔離器係氣體 不可透過的。 23. 根據申請專利範圍第1項之電化學電池，其中第二 _3_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） 522585 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 傳導性元件係進一步含有： (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 一第一接觸，其具有一端從正極延伸且第二末端面對 第一末端； 一第二接觸，其延伸穿過金屬孔眼且具有第一末端與 第一接觸之第二末端接觸，及一第二末端，其面對第一末 端；與 一第三接觸，其具有與第二接觸之第二末端接觸之一 第一末端，及一第二末端，其係面對第一末端且與第一傳 導性元件可移動的接觸。 24. —種可充電之電化學電池充電系統，其含有： (a) —電化學電池，其包括： i. 一具有開口端且定義出內部空腔之外罐，一正與負 極其配置在內部空腔中，一末端帽狀物，其圍住開口端； ii. 建立末端帽狀物與第一電極間之導電連結之連結器 :及 Hi.—開關，其對高內部壓力回應，以打斷連結器；與 (b) —電池充電器，其在其中接受電化學電池且係配置 成供應固定電壓充電至其中，其中充電過程中所產生之內 部壓力當內部壓力超過預定之界限時，將會啓動開關以結 •束充電。 25. 根據申請專利範圍第24項之充電系統，其中電池 係進一步含有配置在陰極與陽極間之氣體不可透過之隔離 器。 26. 根據申請專利範圍第24項之充電系統，其中電池 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 522585 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 進一步含有以安培小時計之陰極容量對以安培小時計之陽 極容量之重量比値之範圍爲9 : 1至1.5:1。 27. 根據申請專利範圍第24項之充電系統，其中充電 器係進一步構形成供應具有改變電流之充電至電池。 28. 根據申請專利範圍第24項之充電系統，其中充電 器係供應電流至電池，當充電過程中電池中之電壓增加時 其將減少。 29. 根據申請專利範圍第24項之充電系統，其中導電 連結進一步含有與末端帽狀物導電連結之第一接觸，以及 與陽極導電連結且與第一接觸可移動地導電連結之第二接 觸，且其中當內部壓力超過預定之界限時，開關將會中斷 第一與第二接觸間之導電連結。 30. 根據申請專利範圍第29項之充電系統，其中開關 進一步含有連接至第一接觸且配置以使第一接觸偏離第二 接觸之一金屬孔眼。 31. 根據申請專利範圍第24項之充電系統，其中該開 關是可逆的。 32. —種可充電之電化學電池充電系統，其含有： (a)—電化學電池，其包括： i. 具有開口端且定義出內部空腔之外罐、配置在內部 空腔中之正與負極、與圍住開口端之末端帽狀物； ii. 建立末端帽狀物與第一電極間之導電連結之連結器 :與 iii. 對高內部壓力回應之開關，以打斷連結器；與 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 098899 ABCD 522585 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) (b)在其中接受電化學電池且係配置成供應改變電流充 電至其中之電池充電器，其中充電過程中所產生之內部壓 力當內部壓力超過預定之界限時，將會啓動開關以結束充 電。 33. —種可充電之電化學電池充電系統’其含有： (a) —電化學電池，其包括： i. 具有開口端且定義出內部空腔之外罐、配置在內部 空腔中之正與負極、與圍住開口端之末端帽狀物； ii. 建立末端帽狀物與第一電極間之導電連結之連結器 •，與 iii. 對高內部壓力回應之開關，以打斷連結器；與 (b) —電池充電器，其接受電化學電池且係配置成供應 電壓充電至荑中，其中電壓係在最大界限與最小界限間改 變，其中充電過程中所產生之內部壓力當內部壓力超過預 定之壓力界限時，將會啓動開關以結束充電。 34. —種用於充電可充電之電池之方法，該電池之型式 爲具有開口端且定義出內部空腔之一外罐、配置在內部空 腔中之正與負極、與圍住開口端之末端帽狀物，可移動地 連結末端帽狀物與陽極之導電連結器，與一控制連結器之 開關，該方法係含有： (a) 供應固定電壓充電至電池，其中內部壓力會在內部 空腔中累積以回應固定電壓充電；及 (b) 當內部壓力超過預定之界限時，啓動開關以結束連 結器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 522585 A8B8C8D8 六、申請專利範圍 35. 根據申請專利範圍第34項之方法，其進一步含有 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) (c) 一旦內部壓力降低至低於預定之界限時，啓動開關 以復原連結器；與 (d) 測量電池之斷路電流電壓；與 (e) 重複步驟(b)與(c)直到電池具有約1.42伏特之斷路 電壓。 36. 根據申請專利範圍第34項之方法，其進一步含有 在充電過程中將可充電電池與數個額外之可充電電池串聯 連接。 37. 根據申請專利範圍第34項之方法，其進一步含有 在充電過程中將可充電電池與數個額外之可充電電池並聯 連接。 38. 根據申請專利範圍第34項之方法，其中陰極與陽 極係配置在內部空腔中，末端帽狀物係圍住開口端且與陽 極可移動地導電連結，且一開關控制末端帽狀物與陽極間 之導電連結。 39. 根據申請專利範圍第34項之方法，其進一步含有 當內部電池之電壓累積時供應降低之電流至電池。 40. 根據申請專利範圍第34項之方法，其進一步含有 當內部壓力降低至低於預定之界限時反轉開關以重新建立 連結。 41. 一種用於充電可充電之電池之方法，該電池之型式 爲具有開口端且定義出內部空腔之一外罐、配置在內部空 _7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） 522585 a8 §8S 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 腔中之一正與負極、與圍住開口端之一末端帽狀物，在末 端帽狀物與陽極間建立可移動之導電連結之連繫，與控制 連繫之開關，該方法係含有： (a) 供應改變電流充電至電池，其中內部壓力會在內部 空腔中累積以回應充電；與 (b) 當內部壓力超過預定之界限時’啓動開關以結束連 繫。 42. 根據申請專利範圍第41項之方法，其進一步含有 在充電過程中將可充電電池與數個額外之可充電電池串聯 連接。 43. 根據申請專利範圍第41項之方法’其進一步含有 在充電過程中將可充電電池與數個額外之可充電電池並聯 連接。 44. 根據申請專利範圍第41項之方法，其中陰極與陽 極係配置在內部空腔中，末端帽狀物係圍住開口端且與陽 極可移動地導電連結，且一開關係控制末端帽狀物與陽極 間之導電連結。 45. 根據申請專利範圍第41項之方法，其進一步包含 :當內部壓力降低至低於預定之界限時反轉開關以重新建 立連繫。 46. —種用於充電可充電之電池之方法，該電池之型式 爲具有開口端且定義出內部空腔之一外罐、配置在內部空 腔中之一正與負極、及圍住開口端之一末端帽狀物，一導 電連繫係可移動地連結末端帽狀物與陽極，及控制連繫之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 522585 B8 C8 D8 、 '^ --— 六、申請專利範圍 —開關，該方法係含有： (a) 供應電壓充電至電池，其係在預定之最小與預定之 最大値間改變，其中內部壓力係在內部空腔中累積以回應 充電；與 (b) 當內部壓力超過預定之界限時，啓動開關以結束連 繫，其中當內部壓力降低至低於預定之界限時，重新建立 連繫。 47·—種可充電之電化學電池充電系統，其含有： 一可充電電池，其在其外部表面上具有計量器，以操 作傳送一訊號，以指示外部表面以超過預定之界限之速率 膨膜，及 一電池組充電器，其係建構以（1)供應充電至可充電電 池，其中電池組之外部表面會隨充電供應而膨脹，（2)接收 來自計量器之訊號，及(3)基於外部表面膨脹之預定變率以 結束充電。 48.根據申請專利範圍第47項之系統，其中計量器是 具有連接至二個個別之傳導性接觸帶之二個末端之應變計 ’且其中充電器進一步含有連接至接觸帶以測量其間之電 阻之傳導性引線。 49·根據申請專利範圍第48項之系統，其中來自計量 器之訊號是關於外部表面之膨脹以可預期之方式改變之阻 抗，且充電器進一步包括一處理器，以操作以測量應變計 間之阻抗。 5〇·根據申請專利範圍第47項之系統，其中充電是固 -----9____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 、-?口 522585 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 定電壓充電。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 51. 根據申請專利範圍第47項之系統，其中電池進一 步包括一溫度感應器，以測知電池內部之溫度，以使電池 充電器可以進一步地基於溫度與外部表面膨脹之預定條件 以結束充電。 52. 根據申請專利範圍第47項之系統，其中應變計係 埋入配置以包裹住電池之積層物中，積層物係包括：膠黏 劑、絕緣體、應變計、及鄰近應變計配置且與其導電連結 之一對接觸墊。 53. —種用於決定可充電之電化學電池之充電終點之方 法，該電池之型式爲具有開口端且定義出內部空腔之一外 罐、配置在內部空腔中之一正與負極、與圍住開口端之一 末端帽狀物，與配置在電池外部表面上且其阻抗回應電池 之膨脹以改變之應變計，該方法含有： 供應充電至電池； 測量應變計之阻抗；及 基於充電過程中應變計之阻抗之變化以決定充電終止 點。 54. 根據申請專利範圍第53項之方法，其中充電是固 定電壓充電。 _10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐）