專利名稱：獲得最佳電動力學(xué)特性的帶電粒子電子控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理學(xué)、生物學(xué)和電化學(xué)的過程，它們?nèi)Q于帶電粒子的電動力學(xué)特性，更具體地涉及在這些過程中用于控制該電動力學(xué)特性的改進(jìn)方法。


圖1是表示本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的，描述施加的電動勢emf和所形成的帶電粒子位移隨時間的關(guān)系圖。
圖2A和2B表示關(guān)于施加的電動勢和所形成的帶電粒子位移(具有和不具有DC偏移)的波形。
圖3A和3B表示當(dāng)振蕩頻率改變時電動勢和所形成的位移的波形。
圖4是用于說明關(guān)于在系統(tǒng)諧振時發(fā)生的電抗放大作用、關(guān)于電路暫態(tài)響應(yīng)的衰減作用，以及關(guān)于控制注入信號的峰值幅值的能力的三種不同概念的波形曲線。
圖5表示兩個交變電動勢波形實例和表示具有正、負(fù)DC偏移的兩種情況。
圖6是表示本發(fā)明的基本元件的系統(tǒng)方塊示意圖。
圖7是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的簡化的系統(tǒng)示意圖。
圖8是表示另一個優(yōu)選實施例的簡化的系統(tǒng)示意圖。
圖9是本發(fā)明的第三個優(yōu)選的替換實施例的簡化的系統(tǒng)示意圖。
圖10是本發(fā)明的一替換實施例的簡化系統(tǒng)示意圖。
圖11是表示在固體-溶液的接界處的雙積電層的動態(tài)特性和形成的電位梯度的透視圖。
圖12是施加和未施加DC電場時帶電粒子的布郎運動的透視圖。
圖13是活化過電位與距表面的距離的關(guān)系曲線，表示暫態(tài)濃度對反應(yīng)速度的影響。
圖14是表面電荷密度與活化過電位的關(guān)系曲線，表示暫態(tài)濃度對于表面電荷密度的影響。
圖15是電流與離子位移的關(guān)系曲線，反映在很多在前技術(shù)的方法中的典型的DC脈沖法。
圖16是比較用的優(yōu)選波形和所形成的位移和由等效的DC電動勢產(chǎn)生的位移之間的關(guān)系曲線。
圖17是比較用的優(yōu)選波形與在在先技術(shù)中介紹的DC脈沖(階躍函數(shù))波形之間的關(guān)系曲線，表示由于DC所形成的能量損耗。
圖18表示對于大電流應(yīng)用場合的一替換實施例電動勢波形曲線。
圖19A和19B表示在熒光和磷光材料中的電子的電動力學(xué)特性。
圖20A和20B表示平板電容的結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)極化，以及由于施加交流電場所引起的介電損耗。
圖21是對于幾種類型的電池系統(tǒng)的阻抗和頻率的關(guān)系曲線。
圖22A和22B是表示在平板電極系統(tǒng)中的質(zhì)量遷移流的透視圖，用于將在先技術(shù)與本發(fā)明的優(yōu)點相比較。
圖23是表示多孔電極的示意圖，以說明利用DC電動勢的缺點和本發(fā)明的優(yōu)點。
圖24A是對于電化學(xué)電池的等值電路，說明對于施加DC電場的穩(wěn)態(tài)元件的傳統(tǒng)觀點。
圖24B是對于電化學(xué)方面的動態(tài)狀態(tài)的等值電路，說明當(dāng)按照本發(fā)明所介紹的方法運行時該元件的動態(tài)電動力學(xué)特性。
圖25表示雙積電層電容器的優(yōu)選實施例的波形的作用。
關(guān)于電解的法拉弟定律解釋了通過電流產(chǎn)生的化學(xué)變化的數(shù)量怎樣與電荷總量成比例。再有法拉弟方程僅提供對于質(zhì)量變化的理論數(shù)值。這種不一致主要是因為某些電荷消耗在一些寄生的過程中。
對于電化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵是控制附加的電位，這就導(dǎo)致對反應(yīng)過程進(jìn)行更大的控制。在電極表面上的一伏特變化可以導(dǎo)致反應(yīng)速度按幅值的八個數(shù)量級(order)的增加。Butter-Volmer方程表達(dá)了電極的反應(yīng)動力學(xué)特性，是通過使電流一過電位關(guān)系與交換電流密度以及陽極和陰極轉(zhuǎn)移系數(shù)相關(guān)實現(xiàn)的。對于大的過電位值，簡化Butter-Volmer方程形成Tafel方程i=i0exp(αaFRTηs)]]>可以對Tafel方程直接求解，以便求出電流密度i和活化或表面過電位ηs。項i0是交換電流，αa是陽極轉(zhuǎn)移系數(shù)，F(xiàn)是法拉弟常數(shù)，R是通用氣體常數(shù)，T是K氏溫度。沿該元件分布形成的電位等于V＝ηs(陽極)+ηc(陽極)+IR-ηc(陰極)-ηs(陰極)項ηc是濃差過電位(concentration overpotetial)，項IR代表歐姆損耗。陰極過電位按照習(xí)慣是負(fù)的，使得要增加5個組成部分以便限定沿每個組元形成的電位。這5個組成部分為非能源，表示損耗。
反應(yīng)速度受由于產(chǎn)生雙積電層結(jié)構(gòu)形成的活化過電位ηs支配，而該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在固體一液體(表面-溶液)界面處。這樣雙積電層或雙層起與反應(yīng)過程并存的電容器的作用。活化或表面過電位起阻止該促進(jìn)反應(yīng)速度的電場的作用。活化過電位產(chǎn)生寄生附加能量損耗并且導(dǎo)致發(fā)熱。電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)是用DC電壓和電流供電。在利用DC(供電)反應(yīng)時，無論是連續(xù)還是脈沖式的，還意味著由于向雙層充電。要消耗明顯部分的能量。
Stern介紹了雙積電層結(jié)構(gòu)為二雙層，一個接近表面不動，另一個為擴散區(qū)延伸到溶液中。Frumkin對Stern模型加以校正，考慮了由于在反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的濃度的局部變化所引起的雙層結(jié)構(gòu)的變化。
Stern介紹了二雙層的電容作為兩個串聯(lián)的電容器。該內(nèi)或Helmholtz層電容用Ch來標(biāo)注，擴散或Gouy-Chapman層用Cgc來標(biāo)注。這種配置的結(jié)果在于較小的電容支配了雙層結(jié)構(gòu)的有效電容Cs(Stern電容)，按照方程1Cs=1Ch+1Cgc]]>圖24B表示了電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)Helmhotlz區(qū)域為高濃度時，比較起來Cgc大于Ch，使得有效電容Cs接近等于Ch。按照稀釋的濃度，Cs將接近等于Cgc。
圖11表示在激活的固體一溶液界處的雙層的理論上的物理分布。在圖11中畫有兩條直線，通常對于內(nèi)Helmholtz平面標(biāo)示為IHP，對于外Helmholtz平面標(biāo)示為OHP。由表面到IHP的距離約為1納米(nm)，由表面到OHP的距離約為3納米。在這一區(qū)域的范圍內(nèi)形成的典型電容可以在10到50微法/平方厘米之間。如果沿IHP(1nm)形成的電位為100毫伏，則加在該區(qū)域上的電場強度十分大為l×108伏/米。該電位可以看作為一動態(tài)電阻。在該電場中的一個離子的電位能量按該公式Zeψ表示的，Z等于離子的價，e等于電子的電荷。在d處的平面與擴散層的有效厚度相一致，并且在低濃度下和小于25毫伏的ψ0時可以小至3納米。電位ψ0可以為幾百毫伏。
另一個重要因素是在Helmholtz層外側(cè)，該反應(yīng)物種類(Speciesf)距反應(yīng)表面太遠(yuǎn)。重要的是對于反應(yīng)的推動力是沿Helmholtz層而不是整個雙層結(jié)構(gòu)形成的電位。圖13和14是由Gouy-Chapman方程產(chǎn)生的，并且在各最大電位有重要性但是常用于描述兩個重要的特性。如在圖13中所示，如果濃度增加沿距離發(fā)生更快的電位ψ的降低。圖14表示對于指定的電位ψ0表面電荷密度σ隨濃度的增加而增加。
另外一些因素控制整個反應(yīng)速度。利用已討論的反應(yīng)的動態(tài)過程控制電極反應(yīng)的速度。此外，還取決于反應(yīng)物的質(zhì)量遷移速度和朝向及背向反應(yīng)位置的反應(yīng)產(chǎn)物。三種類型的移動是對流，擴散和遷移。擴散是這樣一種過程，其中粒子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)散布。遷移是這樣一種過程，其中粒子在力例如由于施加電場形成的電遷移的影響由一個區(qū)域向另一個區(qū)域的移動。
如果存在高的概率即若兩種種類(Species)產(chǎn)生接觸將發(fā)生反應(yīng)，則反應(yīng)是受控的擴散。如果反應(yīng)高度依賴于反應(yīng)本身的活化能量，則反應(yīng)是受控的活化。在過去，具有質(zhì)量遷移限制的系統(tǒng)可以通過攪動電解液來改進(jìn)。按相似方式，通過添加催化劑或者提高工作溫度可克服高活化能量位壘。
當(dāng)向電極施加電壓時，電荷積聚在表面上以及吸引相反電荷的離子加上具有偶極矩的分子。圖11表示了這種作用。為了清晰，圖11未表示其它分子和占有溶液中空間的離子出現(xiàn)的充滿程度。根據(jù)速度方程，可以降低反應(yīng)，這是因為試圖達(dá)到反應(yīng)位置的反應(yīng)物必須與其它分子競爭，還加上在該位置積聚的反應(yīng)產(chǎn)物。由移動限制形成不可逆的損耗，并且這些因素導(dǎo)致歐姆損耗和加熱。對溶液有力的機械攪動可以增加在這些系統(tǒng)中的質(zhì)量遷移速度。
Nernst確定了延伸到溶液中的擴散層δ(不要與雙層有效厚度相混淆)。這一層厚度是便于測量該系統(tǒng)對于反應(yīng)物的質(zhì)量遷移的阻力的。擴散層的厚度范圍可約為0.01到0.5毫米。該厚度取決于系統(tǒng)的液體動態(tài)特性，例如該層越薄，液體攪動越強，使質(zhì)量遷移過程更好。如果過程攪動良好，材料的沉積和溶解都不影響液體動態(tài)特性和δ。
如果電流增加到某一值，使在表面的濃度接近零，進(jìn)一步增加電流勢必引起不同的反應(yīng)發(fā)生(通常不希望的)。這一限制就限定系統(tǒng)的極限電流密度。該極限電流密度與δ成反比。由于δ的數(shù)值分布范圍可為50∶1，極限電流可根據(jù)在元件中的變化條件在相同的幅值范圍內(nèi)變化。工作在極限電流密度下的電化學(xué)系統(tǒng)是在質(zhì)量遷移控制的狀態(tài)下工作的。
在按低于極限電流密度工作的系統(tǒng)中，電極反應(yīng)的速度就是作為電流密度函數(shù)的核素的沉積或溶解速度。電流密度取決于驅(qū)動力以及受活化或表面過電位以及在反應(yīng)位置的溶液濃度很大的影響。還有，反應(yīng)速度取決于在界面處主要的條件。按照較高的攪動速度和形成湍流，極限電流密度將提高，這是因為湍流或質(zhì)量遷移擾動影響該極限值。然而，對大多數(shù)電化學(xué)系統(tǒng)，機械擾動是不實用的，因為受到經(jīng)濟和體型的限制。
在溶液中向帶電粒子施加電動力將加速粒子。離子的遷移速度和離子的電荷或價以及施加的電場強度成比例。隨速度增加摩擦將增加。離子還隨機運動，或布郎運動，如在圖12中所示。該圖表示了受電遷移作用的影響。通過施加外部電場，離子將沿電場的方向移動。在圖12中，在未施加電場時，離子在點A起始，在終止在點B之前經(jīng)歷三次碰撞。隨著施加電場，相同離子可從點A起始在終止在點C之前經(jīng)歷兩次碰撞。電動力作用的結(jié)果是形成沿施加力的方向產(chǎn)生位移。離子的移動速度就是沿施加電場的方向的平均速度。圖12中所示的矢量粗略地表示如果離子未受到電場的影響時碰撞的結(jié)果。圖12僅是在X、Y平面內(nèi)表示的二維示意圖，離子在Z平面也是自由移動的。
在擴散層中的實際粘度受施加的電場和在電場中形成的離子的移動或電遷移的影響。這種粘度的變化導(dǎo)致電泳效應(yīng)或受到阻止。阻止引起離子層沿與中心離子移動相反的方向移動，因此，降低了離子的自然速度。此外，Helmholtz層是明顯不動的，這是因為作用力是那樣強，使得在這一層中離子或極化分子的壽命也長。進(jìn)入雙層區(qū)的任何反應(yīng)物種類為進(jìn)出該表面必須競爭。但是電場抑制了反應(yīng)物離子的自然三維布朗運動。未施加電場，直到離子能夠達(dá)到適宜的反應(yīng)位置之前，離子沿橫向或反向是自由移動的。對布朗運動的抑制可能嚴(yán)重限制移動到可達(dá)到位置的能力。這些因素的綜合造成對于電動力的暫態(tài)變化的離子響應(yīng)的時間滯后。其結(jié)果是增加由于對雙層結(jié)構(gòu)影響所引起的活化過電位以及增加由離子的局部耗盡引起的濃差過電位增加。對包含其它負(fù)作用的電化學(xué)過程的相依性可能導(dǎo)致寄生氣體逸出、電極的鈍化、枝晶生長，和/或不良電鍍或電結(jié)晶。
離子的電移動能力υ(m2/Vs即米2/伏秒)是在電場V/m即伏/米)中的移動速度(m/s)。在DC電場作用下離子的位移可以由如下方程估出dx＝υEdt＝υJkdtυ的數(shù)值可以按各種化學(xué)參考書求出。電流密度用J表示，電導(dǎo)率用K表示。
所有實際的物系具有至少一個諧振點。由于在ωf接近ωn時有強制響應(yīng)X(s)，電路Q增加。當(dāng)ωf＝ωn時，Q為最大值，電路對于激勵的響應(yīng)最大。圖4表示這一概念。這一自然過程放大作用的重要來源在物理和電化學(xué)系統(tǒng)的電子控制中已經(jīng)被忽視了。
很多電化學(xué)物系取決于使用的多孔電極。多孔電極其特征可以在于在一大的結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)平均的反應(yīng)速度的分布或變化率。這種類型的電極可以將用于反應(yīng)的露出的有效表面面積增加103到105倍。圖23表示一說明性的多孔電極。
先前討論的控制反應(yīng)速度的原理適用于多孔電極，不過由于電極的體形結(jié)構(gòu)而復(fù)雜化。電極和電解液電導(dǎo)率的比可能在該結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)變化，使得電流密度很難均勻，通常在界面處最高。電解液透過多孔結(jié)構(gòu)，不過局部濃差極化的問題可能被高度地擴大了。不均勻的電流密度可能導(dǎo)致反應(yīng)物的局部耗盡和積聚反應(yīng)產(chǎn)物；寄生副反應(yīng)；不良材料使用；不規(guī)則形狀的沉積；以及在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的形態(tài)變化。電位和濃度的變化促規(guī)則形狀的沉積；以及在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的形態(tài)變化。電位和濃度的變化促進(jìn)形成不均勻的電流密度。由于擴散過程慢，多孔電極通常質(zhì)量遷移是受到限制的。
圖23可以有助于觀察長持續(xù)時間的DC電動勢對于多孔電極的影響。強制離子長時間地朝金屬電流匯流器遷移。正如所看到的，這就使得難于將水合的離子沉積在與電流匯流器平行且面向其的表面上。由于固化需要良好的核和生長，但是該結(jié)構(gòu)和施加的DC電場增加了不良核形成的機會，故沉積或者電結(jié)晶可能不良。不良的核可能導(dǎo)致在界面處形成枝晶。
局部極化的問題已確認(rèn)很長時間了，已經(jīng)開發(fā)很多技術(shù)來限制不希望產(chǎn)生的極化。公知的方式是利用DC脈沖來提高電鍍效應(yīng)。其原理是施加的脈沖的持續(xù)時間短于形成任何明顯的濃差極化所花費的時間。
至少自從在1960年之后，已公知利用DC脈沖來提高電池的充電效率。廣為使用和高度稱贊的GE“Nickel-Cadmium Battery ApplicationEngineering Handbook”(鎳匐電池應(yīng)用工程手冊)概括了這些技術(shù)。由那時起，已經(jīng)頒發(fā)很多US專利，針對利用DC脈沖技術(shù)來提高充電效率的各種技術(shù)。
其中有價值的較早的US專利包含頒發(fā)給Burkett等人的3597673號和3614583號以及頒發(fā)給Du Puy等人的3617851號US專利。在這些專利中發(fā)明人應(yīng)用連續(xù)或相對長的持續(xù)時間的DC電流充電接著利用短持續(xù)時間的放電脈沖(負(fù)載)。應(yīng)用放電脈沖對電池去極化。各發(fā)明之間的主要差別是施加脈沖的頻率和持續(xù)時間。頒發(fā)給Aspinwall等人的4385269號US專利介紹一種DC脈沖充電接著為去極化脈沖，以及第二種技術(shù)即應(yīng)用二列DC脈沖充電接著為去極化脈沖。充電脈沖的持續(xù)時間約10秒，去極化脈沖持續(xù)約2秒。在頒發(fā)給Martin的4746852號US專利中，1秒的DC充電脈沖接著為5毫秒的去極化脈沖。在充電和去極化脈沖之后是15毫秒的測量階段。頒發(fā)給Podrarization等人的4829225號US專利介紹一種持續(xù)0.1到2秒的DC充電脈沖接著為去極化脈沖，其持續(xù)時間為充電脈沖的0.2-5％。在充電和去極化脈沖之后接著一超過去極化脈沖持續(xù)時間的靜止階段。靜止階段還按照約7至20毫秒的離子穩(wěn)定階段來確定。據(jù)指出，靜止階段帶來的有益效果是由于使離子能找到在電池極板之間的位置。在頒發(fā)給Podrazbansky等人的5307000號US專利中，單或雙DC脈沖加靜止階段之后接若干去極化脈沖加靜止階段。據(jù)指出，放電脈沖用于產(chǎn)生離子并將其散布到全部電解液中。利用多個去極化脈沖使得在電池內(nèi)部的自然形成的化學(xué)和電變化率也能用于更均勻地散布離子。充電脈沖至少持續(xù)150毫秒，去極化脈沖持續(xù)時間約為充電脈沖的4％，等待階段在充電脈沖的0.4-2.4％的范圍內(nèi)變化。另一個權(quán)利要求描述了多高的放電電流將引起擴散層的擊穿，等待階段使離子有時間由極板遷移離開。這一作用使極板能更大地接受大電流充電電流脈沖。
在先技術(shù)的一個共同的特性和問題是對DC的依賴性，不論是連續(xù)的還是脈沖的。在所有頒發(fā)的專利中，據(jù)指出主要的優(yōu)點是改進(jìn)施加去極化脈沖的方法或效果。圖15表示各在先技術(shù)的發(fā)明的典型波形。利用DC使得去極化產(chǎn)生過電位，其降低了電荷容納程度和這種極化必須處理以便達(dá)到合理的電荷容納程度。形成的過電位是由于活化和濃度過電位的結(jié)合。過電位是在電極電位中需要引起指定反應(yīng)的偏移。形成的損耗是不可逆的，并導(dǎo)致發(fā)熱。所有在先技術(shù)的方法都引起極化形成。
所述DC脈沖都可以作為一DC階躍函數(shù)來分析。理想的階躍函數(shù)地付立葉分析將產(chǎn)生次數(shù)至無窮大的諧波。在實際的電路中，階躍函數(shù)與理想的差異是很大的，但是上升時間很快，產(chǎn)生的諧波延伸到很高的頻率。時域-頻域轉(zhuǎn)換揭示連續(xù)的頻譜包絡(luò)線延伸到角頻率f1＝1/πτ，脈沖寬度為τ。對于100納秒的上升時間tf，2次角頻率f2將約為3兆赫。包絡(luò)線幅值在f1后按照-20dB/10(次)的速率下降以及在f2之后按-40dB/10(decade)的速率下降。實驗表明，離子的暫態(tài)響應(yīng)時間數(shù)量級為1到10微秒。用各種測量方法可以確定這一數(shù)值，圖21表示一種方法。圖21是對于幾種類型的電池按照log-log比例繪制的阻抗與頻率的關(guān)系曲線。脈沖上升可以比離子(可)輸送電荷要快。如果脈沖的上升速度超過離子的暫態(tài)響應(yīng)時間，系統(tǒng)必定(通過限定)是質(zhì)量遷移受限制的。在這種狀態(tài)下，瞬間極限電流密度過高，脈沖中的能量必然由未預(yù)期的方式轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷?br> 正如先前所表述的，每次施加DC脈沖，在前沿對雙層電容器充電，而在其下降沿則放電。圖20A和20B表示平板電容器的形體結(jié)構(gòu)。由平極電容器形成的電容為C=∈Ad]]>絕緣的介電常數(shù)用∈表示，平板面積為A，平極之間的距離為d。根據(jù)該方程，電容明顯與絕緣的介電常數(shù)直接相關(guān)。在雙層電容器中，極化的水偶極子形成絕緣材料。圖11表示該形成雙層電容器的電極-電解液接界處的結(jié)構(gòu)，以及水偶極子與電極的物理相互關(guān)系。在液體中，偶極子是易于極化的。在IHP中，表面電荷使偶極子高度極化。然而，在OHP中受離子的影響比受表面電荷的影響更大。如果離子濃度增加，介電常數(shù)降低，因而電容降低。與之相似，如果離子濃度降低，則電容降低。利用DC向電容充電所需的電流遵循方程i=Cdvdt]]>將雙層電容器充電和放電所需的能量被浪費了，這是由于其無助于電化學(xué)反應(yīng)。由于形成過電位，施加DC脈沖可能降低有效的反應(yīng)速度。
圖24A表示典型的元件電池的等值電路，其與在“GE鎳鎘電池手冊”和其它電池專業(yè)書中所介紹的等效電路是一致的。在電化學(xué)物系中的固體-溶液界面處在電動勢的作用下將形成雙層結(jié)構(gòu)。按照時間常數(shù)Cp充電到其最終充電到63.2％，或放電到36.8％。按照一個時間常數(shù)的脈沖持續(xù)時間充電和按照短的持續(xù)時間放電脈沖將使電容在稍大于5倍時間常數(shù)的時間充電。去極化脈沖使電容輕微放電。等待階段使在Helmholtz區(qū)域外側(cè)的離子自由地擴散但是沿該區(qū)域形成的電位使該雙層基本上保持未受擾動。短持續(xù)時間的去極化脈沖與等待階段的組合(小于5倍時間常數(shù))對雙層電容器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和所形成的活化過電位有較小的影響。
取決于該單元電池(cell)作為電解電池還是原電池電池(galvaniccell)運行，在一個電極處的雙層結(jié)構(gòu)將支配整個反應(yīng)。如果一特定的電極支配反應(yīng)使電流沿一指定的方向流動，則當(dāng)電流方向反向時，另一個電流起支配作用。由于Gibbs自由能量限制，陽離子不會進(jìn)入到內(nèi)Helmholtz平面。這一事實意味著介電系數(shù)很高以及因此電容十分大。該單元的有效電容因此是由具有較小電容的相反電極所支配的?？梢哉f，去極化脈沖和等待階段中斷或消除該雙層而不管該結(jié)構(gòu)時物理特性。
如在GE鎳鉻電池手冊中所介紹的作為60年代的典型的利用120赫整流的DC脈沖的電池充電器是對于雙層電容器的有效的DC脈沖電源。該靜止或空閑階段長于較近期技術(shù)的持續(xù)時間，不過仍足夠短，使電容在短的時間內(nèi)達(dá)到全充電。然而，靜止階段具有足夠的持續(xù)時間，它們在使雙層充電和放電時浪費明顯的能量。由于靜止階段為相對短的持續(xù)時間，在空閑階段對“直通”電壓的測量并不是該單元的真實開路電壓(正像經(jīng)常說的)。上面討論較近期的技術(shù)由于靜止階段太短(與電容的時間常數(shù)相比較)會使過電位放電。測量擺脫3-5濃度過電位相關(guān)的瞬時“IR”損失，但仍然具有過電位誤差。
與長持續(xù)時間的DC相關(guān)的另一個問題是由于寄生副反應(yīng)在電極處水的電離。圖11表示水偶極子與正電極的相互關(guān)系。DC電位將水偶極子緊密地保持在表面的時間越長，水離解為H+，O-2和OH-1的機會越大。由于強烈地吸引，可在正電極處吸收氧和在負(fù)電極處吸收氫。其余的元素(副產(chǎn)物)可能抑制整個反應(yīng)或者引起其它問題，例如氣體壓力上升。
正如所討論的，當(dāng)DC脈沖持續(xù)時間與離子的暫態(tài)響應(yīng)時間相比要長時，該過程可以按照連續(xù)的DC分析。公知并有記載，可以將暫態(tài)響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于電化學(xué)系統(tǒng)，以便為了單獨分析和測量，分出各種過電位。非DC脈沖的一些技術(shù)利用了離子自然暫態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點但未應(yīng)用于電化學(xué)過程使總的反應(yīng)速度實現(xiàn)最佳。
電池是電化學(xué)裝置的一個實例，其即可用在電解過程(耗能)也可用在原電池過程中(生成能量)。蓄電池經(jīng)常利用DC脈沖和去極化脈沖充電。施加去極化脈沖瞬間將電池轉(zhuǎn)變?yōu)橐辉姵?，不過預(yù)期的工況是電解過程。除了所指出的以外，暫態(tài)響應(yīng)技術(shù)用于改進(jìn)電解過程的反應(yīng)速度而不是用于原電池過程。
蓄電池組件(多個單元)經(jīng)常將控制電路例如微處理器綜合到該組件中，以便監(jiān)測蓄電池的充電和放電循環(huán)周期。頒發(fā)給Lemelson的US4289836號US專利將微處理器綜合到組件中，用于檢測和控制蓄電池的充電?？刂齐娐方?jīng)常監(jiān)測流入或流出蓄電池的電流。該控制可以將充電和放電電流與自放電的估值(包含溫度補償系數(shù))相綜合，以便預(yù)測該組件的可達(dá)到的充電容量。此外，通過向外部電源發(fā)送控制信號來終止充電，可以利用控制電路終止充電。在更復(fù)雜的應(yīng)用裝置中，內(nèi)部控制電路經(jīng)過串行總線與外部可編程電源相聯(lián)系。5572110號US專利(頒發(fā)給Dunstan)介紹了這種類型的裝置。該控制可以規(guī)定電源電流和電壓數(shù)值，以便與蓄電池的化學(xué)性能相一致。這種最新的技術(shù)使得能將可編程電源安全地結(jié)合各種蓄電池化學(xué)性能使用。在頒發(fā)給Patino等人的5471128號美國專利中，介紹了一種蓄電池欠電壓保護(hù)電路。頒發(fā)給Garreft等人的5569550號US專利中，對蓄電池增加過電壓保護(hù)。在頒發(fā)給Burns等人的5218284號US專利中，包含開關(guān)電源以便對充電和放電電流值進(jìn)行控制。除了所指出的以外，控制電路并未有效地在原電池模式運行期間增強蓄電池的放電性能。
所有蓄電池裝置都遇到電壓下降(記憶)和自放電問題。問題的嚴(yán)重性對不同的裝置是不同的，并且隨運行條件明顯變化。一個主要原因是在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的引起的形態(tài)變化。這些變化主要在材料已經(jīng)鈍化(inactve)的結(jié)晶區(qū)域內(nèi)。當(dāng)材料在延長的時間階段內(nèi)鈍化時，結(jié)晶結(jié)構(gòu)可以改變尺寸。當(dāng)發(fā)生這種變化時，材料變得較少活性并且不能夠有助于反應(yīng)。長時間存放和淺度放電接著遞減充電導(dǎo)至在其中長時間材料鈍化的區(qū)域內(nèi)。這種鈍化的材料通過利用幾個深度放電/充電周期可以調(diào)節(jié)和恢復(fù)。深度放電周期的問題對全有蓄電池裝置的工作壽命是不利的。調(diào)節(jié)通常是耗時的并且總的說是不實用的。自放電帶來的問題是不經(jīng)過重新充電或特定的維護(hù)操作程序以便周期性地測試蓄電池就不能按要求使用，可能要進(jìn)行調(diào)節(jié)和向蓄電池重新充電才行。
電荷遷移有幾種方式。在金屬或半導(dǎo)體中電子遷移電荷，而在金屬及其離子溶液之間離子遷移電荷。三種轉(zhuǎn)移的形式是電子流、離子流以及在電極-電解液界面處的電荷遷移反應(yīng)。與離子和電子的電荷遷移階段相關(guān)的方程是非常類似的。
在圖19A和19B中表示根據(jù)電子電荷遷移的兩種系統(tǒng)。這些系統(tǒng)過去是依靠交流電流電動勢來提供活化難。在圖19A中表示一種熒光(裝置)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，價帶和導(dǎo)帶由示為Eg的能隙隔開。當(dāng)進(jìn)行激勵時，電子獲得足夠的能量躍過導(dǎo)帶。服從自然的趨勢返回到可達(dá)到的最低的能級，電子放棄多余的能量下降到價帶。在該過程中發(fā)出光子。發(fā)射的光的波長決定于能隙的寬度。在這種情況下，發(fā)光的波長在可見光光帶內(nèi)，這樣形成可利用的光。當(dāng)對電子的激勵消除時，發(fā)光終止。提高所施加的ac波形的頻率就提高了發(fā)射光的頻率，有效地增加光輸出。在先技術(shù)存在的問題在于，提供最有效光輸出的控制電路與較低效但是較便宜的60赫控制電路相比價格太高。成本高的主要原因在于，為了產(chǎn)生較高頻率(40千赫)的ac波形需要復(fù)雜的電路。暗光(dimming)可以節(jié)省附加的能量(當(dāng)可利用時)但是附加的電路成本或許較高。
在圖19B中表示一種磷光(裝置)系統(tǒng)。同樣，能隙將價帶和導(dǎo)帶隔開。由于向材料中摻入施主(n型)雜質(zhì)形成如E+所示的附加的能級。當(dāng)進(jìn)行電激勵時，電子獲得所需能量躍到導(dǎo)帶。當(dāng)電子下降返回時，發(fā)出光子不過然后變得深陷在施主雜質(zhì)桴獲能級。電子在下降返回到價帶之前，暫時維持在施主雜質(zhì)桴獲能級。當(dāng)電子離開施主雜質(zhì)桴獲能級時發(fā)出光子。由于電子暫時在施主雜質(zhì)能級俘獲，在電激勵消除之后，磷光材料將繼續(xù)發(fā)光持續(xù)一短的時間。過去這種類型的裝置利用復(fù)雜的ac電源供電。
一種受到關(guān)注的磷光(裝置)系統(tǒng)是電致發(fā)光照明帶。該帶的光輸出效率低并且可能工作壽命短。增加ac電壓幅值(高達(dá)380伏(有效值))和頻率(高達(dá)8千赫)可以提高光輸出。矛盾在于，工作壽命與ac電壓的幅值和頻率成反比。該材料的物理結(jié)構(gòu)與平板電容器相類似，這樣該系統(tǒng)的阻抗是大電容。為了向各小帶供電可使用一些低成本的逆變器，可高達(dá)20伏安。目前可利用制成很大或很長的帶的技術(shù)。然而，150到500伏安ac電源的成本可能高這就妨礙該裝置被接受。圖20表示與電致發(fā)光帶相似的一介電系統(tǒng)。關(guān)于該主題的目前論文解釋，該電致發(fā)光帶不能利用DC來驅(qū)動，ac的工作上限為8千赫。如圖20中所示，施加電動勢使介電材料中的分子偶極子極化。如果當(dāng)利用ac電流發(fā)生電位相反，分子偶極子必須反轉(zhuǎn)180°。這種旋轉(zhuǎn)引起偶極子摩擦和位移電流。其結(jié)果是介電損耗隨頻率增加。約在10千赫下分子偶極子形成最高的介電損耗。在目前的ac電壓等級下，一個問題是電暈放電。雖非常希望能夠控制光輸出，但用于較大帶的暗光電路的成本可能也是很高的。
因此，本發(fā)明的目的是提供電動勢(emf)，其有效地利用系統(tǒng)的自然諧振或者其它物理特性，以便使帶電粒子的電動力學(xué)方面的狀態(tài)最優(yōu)化，以及利用在諧振時的電抗能存儲量或放大作用，以及提高過程的效率，而不要增加施加輸入的平均或DC功率。
此外，本發(fā)明的一個目的是使輸入激勵波形(emf)的形狀相協(xié)調(diào)將帶電粒子的自然移動或狀態(tài)最優(yōu)化，特別是使輸入的激勵(波形)幅值和頻率規(guī)范化，以便帶電粒子和過程中的物理結(jié)構(gòu)之間的相互作用相協(xié)調(diào)。例如，emf應(yīng)當(dāng)使離子的自然布朗運動最強以及防止在溶液中的擴散過程。離子隨時間的位移應(yīng)對于雙積電層的實體距離規(guī)范化。
本發(fā)明的一個目的是在電化學(xué)過程當(dāng)中產(chǎn)生電催化作用，通過有效地降低活化過電位、濃差過電位以及在雙積電層中的能量損耗，因此，降低發(fā)生反應(yīng)所需的活化能量。此外，電催化作用的一個目的是提高在裝置工作過程中的交換電流，以此提高極限電流密度，從而提高效率和過程的物料通過能力。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電子控制方法，用于形成質(zhì)量遷移擾動，特別是包含雙積電層，以及還涉及形成一種與電極垂直的電動作用式擾動，使布郎運動、擴散和對流的自然過程優(yōu)化。此外，擾動的目的是使在反應(yīng)位置的反應(yīng)物的濃度最佳，并降低在表面上濃度變化率的形成發(fā)展同時如果適用將在多孔電極內(nèi)部的透過率最大，以此增加電極的有效表面面積。再者，擾動的目的是提高電容解、電沉積、或者在表面處的電結(jié)晶。
本發(fā)明的一個目的是提供一種方法，其利用激勵的電化學(xué)裝置的阻抗以便控制所施加的emf的幅值，特別是使裝置阻抗能自然衰減施加的電動勢的幅值，以此能對emf幅值進(jìn)行自動控制。再者，一個目的是調(diào)節(jié)控制過程的DC偏移峰值電流、占空因數(shù)和頻率，以便與裝置的變化相適應(yīng)協(xié)調(diào)。
本發(fā)明的一個目的是避免DC極化，因此不需要去極化脈沖，因此降低了DC和去極化脈沖的附加派生效應(yīng)。
本發(fā)明的一個目的是在激勵的電化學(xué)過程當(dāng)中得到真實的開路電壓和準(zhǔn)確的閉路電壓測量值。此外，提高了電壓精度將提高在該裝置中發(fā)生的充電，放電或自放電的電量計測量值。
本發(fā)明的一個目的是提供用于蓄電池充電的emf，可降低熱量生成和過電位，因此，通過簡單的電壓和強度測量就能可靠精確地檢測全充電。另外，快速和可靠的檢測將避免由于過充而損耗，特別是利用高C速度的充電。此外，在達(dá)到全充電之時，一直可維持對高C速度充電時簡單、快速和(對全充電的)可靠檢測，而無保護(hù)使電流遞減。再者，一個優(yōu)點是提高電壓測量的精度，和對全充電的可靠檢測，使得可以進(jìn)行較高速度的安全充電。
本發(fā)明的一個目的是提供一種利用暫態(tài)響應(yīng)和積分變換技術(shù)的過程控制，可以用于改進(jìn)電解(裝置)系統(tǒng)和原電池(裝置)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，特別是提供一種在按照電解或原電池兩種模式運行的過程中，可用于控制蓄電池性能的方法。
本發(fā)明的一個目的是提供用于提供控制電路(模塊)的方法，其可以綜合到蓄電池組件(多個單元)中，以便控制電解和原電池兩種模式時的運行。此外，本發(fā)明的一個目的是使模塊的幾何形狀和尺寸粗略接近由一個單元在多單元組件中占有的空間。再者包含激勵電路的控制模塊的目的是用于控制(a)輸入和輸出電流；(b)調(diào)節(jié)輸出電壓；和(c)使蓄電池充電和放電；其中包含進(jìn)行溫度補償。本發(fā)明的一個優(yōu)點是由于利用有效的短路以及過充電流保護(hù)，使該組件使用人的人身安全性提高，并進(jìn)一步由于改進(jìn)充電和放電性能使蓄電池組件的工作壽命最大限度提高。一個附加的優(yōu)點是使裝置成本總體降低，這是由于不再需要蓄電池充電器，可以利用低成本非調(diào)節(jié)型電源。
本發(fā)明的一個目的是提供一種emf波形，其能發(fā)揮較厚電極的益處，而不降低峰值電流的輸出能力。
本發(fā)明的一個目的是提供一種在蓄電池存放或鈍化階段期間處置蓄電池的方法，用以降低鈍化材料的影響和自放電。
本發(fā)明的一個目的是提供一種改進(jìn)的(替換方法)emf波形，其能發(fā)揮很多優(yōu)選的波形的益處，更好地適合于很高電流的應(yīng)用場合。
本發(fā)明的再一個目的是提供用于向發(fā)光系統(tǒng)(裝置)供電的低成本的方法，其提供用于暗光的低成本的電路；特別是在電致發(fā)光照明(裝置)系統(tǒng)中，提供DC emf波形，即(a)有效地降低介電損耗；(b)降低電暈放電；(c)擴展工作頻率極限超過8千赫；(d)增加輸出亮度；以及(e)延長工作壽命。
本發(fā)明的再一個目的是提供安全、環(huán)保和經(jīng)濟各種益處的系統(tǒng)。其優(yōu)點包含(a)提高人身和裝置安全性；(b)減少能量消耗；(c)更好地利用材料；(d)通過消除高頻諧波降低電磁干擾；(e)更嚴(yán)密的過程控制；(f)更簡單的電路；(g)更低的成本；(h)更長的工作壽命；以及(i)更高的輸出。
通過分析附圖和如下的介紹將會使本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點變得更明顯。
提供一種電子控制方法，以此利用施加的電動勢使帶電粒子的電動力學(xué)方面的狀態(tài)優(yōu)化，將自然的電響應(yīng)特性和裝置的物理結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)一致。電動力學(xué)方面的狀態(tài)是由于改變施加的電場引起的最終形成的帶電粒子的運動。這種方法可以適用于非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包含物理、生物和電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)，例如電解、蓄電池、熒光和電致發(fā)光照明(光化學(xué))裝置。這種方法可應(yīng)用于蓄電池以改進(jìn)電解和原電池兩種模式的運行。本方法的一預(yù)料之外的益處是為實現(xiàn)最佳電動力學(xué)方面的狀態(tài)所需的電路裝置要比已有的電路裝置成本低。
圖1表示該方法中的電動(emf)，其能產(chǎn)生預(yù)期的帶電粒子位移，使電動力學(xué)方面的狀態(tài)優(yōu)化。該emf采取了理想衰減的正弦波形疊加到DC電位上形成的波形形狀。這種方法的實際實施與所示的理想波形形狀是有偏差的。該波形所采取的形狀如emf＝f(x)+h(x)函數(shù)f(x)是按照指數(shù)衰減的正弦波，所采取的形狀為f(x)=A×exp-(xB)×sin(C×x)]]>數(shù)值A(chǔ)表示幅值，B表示衰減速度，C為振蕩頻率。函數(shù)h(x)限定偏差，所取的形狀為h(x)=D×atan(R×x)π]]>數(shù)值D為偏差放大倍數(shù)及R表示接近偏差的速度。
在圖1中，第一正峰值引起帶電粒子的起始正位移。當(dāng)波形接近零點時，位移的斜率接近于零。隨著波菜延續(xù)，電位變負(fù)，帶電粒子位移也變負(fù)。該負(fù)位移約為起始正位移的1/3。隨著emf波形再次接近0電位。帶電粒子位移的斜率再次接近于零。在第二峰值，emf持續(xù)正向增加，位移再次變正。第二正峰值的正位移約為起始第一正位移的2/3。隨著emf接近零電位，帶電粒子位移的斜率第三次趨近于零。第二負(fù)emf峰值使帶電的粒子負(fù)位移。約為由第二正emf峰值所引起的正位移的1/3。這一過程持續(xù)一個以上的振蕩周期。隨著emf波形降低或衰減，所形成的帶電粒子位移也降低。圖1表示具有三個振蕩周期的一個過程周期。在第三振蕩周期終止處，即在時間＝60點，過程周期將重新開始。
圖2A和2B表示DC偏移對衰減的正弦emf的影響。該emf波形仿效對圖1所介紹的格式。圖2A表示不具有DC偏移的衰減的正弦emf。由于emf居前正峰值的幅值大于后來的負(fù)峰值，形成凈余的正位移。圖2B表示具有按與圖1相似的方式施加的DC偏移的衰減正弦波形，不過具有不同的峰值幅值，圖2A表示的單位時間帶電粒子的負(fù)位移大于圖2B。圖2B表示比圖2A粗略按5對1的每時間單位的凈正位移增加(情況)。
圖3A和3B表示具有相同峰值和DC偏移但運行在不同振蕩頻率的兩個衰減正弦波，以表示對帶電粒子位移的影響。圖3A表示按基準(zhǔn)(1x)頻率的emf以及同時形成的帶電粒子位移。圖3B表示按照2倍基準(zhǔn)頻率的emf以及同時所形成的帶電粒子位移。僅為了比較，圖3B粗略表示6個振蕩周期，但是在實際應(yīng)用中，第二過程周期將在時間二50之點開始。該比較說明，振蕩頻率的增加同時導(dǎo)致位移降低。
圖4表示具有不同峰值幅值的衰減的正弦波形。
圖6表示實施這種方法所需的基本元件組成的方塊圖。裝置系統(tǒng)50由注入裝置1、波形發(fā)生器2、控制電路3、過程4、電源5和控制信號6、7和8組成。過程4是要優(yōu)化的物理過程。注入裝置1連接到波形發(fā)生器2和電源5的輸出端，并將所形成的emf提供到過程4。波形發(fā)生器2是常規(guī)的波形發(fā)生器，用于形成提供到注入裝置1的emf信號。控制電路3產(chǎn)生控制信號6，以便控制波形發(fā)生器2的輸出。控制電路3是按常規(guī)方式實施的，并且可以像運算放大器一樣簡單，或者像微控制器那樣復(fù)雜，或者完全為計算機系統(tǒng)。電源5是常規(guī)的并且可以范圍從ac電源到可編程電源。
控制信號6可以是一個信號或多個信號，包含電壓、電流、頻率、占空因數(shù)和/或衰減率，用于控制波形發(fā)生器2的輸出?？刂菩盘?可以是一個信號或多個信號，可以是不定向的或雙向的，控制信號7可以由控制電路3利用，以便直接監(jiān)測和/或控制過程4。控制電路3經(jīng)過波形發(fā)生器2，注入裝置1以及(可能)電源5間接控制過程4，例如溫度，直接經(jīng)過控制信號7控制過程4。控制信號7可以用作過程4反饋，將電壓、電流、阻抗、溫度、PH(氫離子活度)、壓力和或其它表靜態(tài)過程控制(SPC)參數(shù)。如果裝置50是開路運行的(沒有由過程4反饋)，控制信號7是可選擇的。控制信號8可由控制電路3選擇利用，以便監(jiān)測和/或控制電源5?？刂菩盘?可以是一個信號或多個信號，可以是不定向的或雙向的?？刂菩盘?可以控制由電源5的電壓、電流和頻率等輸出參數(shù)。
圖7是由圖6中的方塊圖派生的裝置51的簡化示意圖。裝置51由在裝置50中所介紹的相同基本元件組件?？刂齐娐?、過程4、電源5以及控制信號6、7和8與裝置系統(tǒng)50中的具有相同的功能。注入裝置1在圖7中進(jìn)一步被澄清。不巧的是用于耦合式電感器9的電路符號與用于識別變壓器的符號相同。耦合式電感器9的結(jié)構(gòu)和工作與常規(guī)的變壓器址分類似。為便于討論，耦合式電感器9的初級繞組(注入燒組)連接在過程4和電源5之間，而次級繞組連接到波形發(fā)生器2。耦合式電感器9和變壓器之間的主要區(qū)別在繞組中的電感的重要性。耦合式電感器9的初組繞組必須用作電流源(電感器)，以便使電源5和過程4的阻抗相匹配。雖然，未表示，用于使耦合式電感器9正確運行的基本特征是在電源5輸出端所包含的電容器。這一電容器為耦合式電感器9的初組繞組形成電流通道4和過程，通過裝置51接地。
在圖7中所示的波形發(fā)生器2由開關(guān)12、電感器11、電容器10和二極管13組成。在裝置51中的波形發(fā)生器2是常規(guī)的LC調(diào)諧振蕩器?？刂菩盘?動作開關(guān)12，開始振蕩周期。電感器11、耦合式電感器9的次級繞組、電容器10和二極管13形成常規(guī)的LC儲能電路，用于產(chǎn)生預(yù)期的emf波形。在電容器10上形成的波形直接施加到耦合式電感器9的次級繞組。耦合式電感器9將來自次級繞組的emf波形疊加(耦合)到由電源5提供的DC電流上。開關(guān)12是按pnp晶體管表示的，不過可以是任何一種適用于該應(yīng)用場合的開關(guān)。
替換實施例的介紹關(guān)于EMF波形的附加實施例介紹圖5A、5B、5C和5D表示4個不同的但是相似的emf波形。圖5A和5B的波形按如下的形式f(x)＝(-|[sin(x-c)]|+DC編移)峰值emf圖5A表示具有正DC偏移的波形，圖5B表示具有負(fù)DC偏移的波形。圖5C和5D的波形按如下的形式f(x)＝(|(sin(x-c))|+DC偏移)峰值emf圖5C表示具有正DC偏移的波形，圖5D表示具有負(fù)DC偏移的波形，這種方法的實際實施將與理想的所示形狀有偏差。
對于大電流EMF波形的附加實施例介紹圖18表示按照限制的上升速度由電流源形成的emf波形。實際實施這種方法將與所示理想的波形有偏差。這種斜向的波形是一種改進(jìn)的DC脈沖emf。電流由零值到正峰值按照與所需運行性能相協(xié)調(diào)的上升速度斜向變化。對于特定的時間按照正DC速度維持正幅值。然后電流按照受控的速度斜向地下降，直到達(dá)到負(fù)的峰值，然后電流反向斜向地反回到正的峰值。按照基準(zhǔn)顯示時間的百分值，以及可以調(diào)節(jié)以便與應(yīng)用場合相協(xié)調(diào)。同樣，按照零表示在過零點處的駐留時間，不過將其可以設(shè)定得大于或者等于5倍時間常數(shù)的時間段。該所示實例是基于60赫電源的50個周期，由一個峰值到另一個峰值的斜向變化時間等于8.333毫秒。
對于注入裝置的附加實施例的介紹圖10表示對于注入裝置1和波形發(fā)生器2按照另外的電路實施的裝置系統(tǒng)54?？刂齐娐?、過程4、電源5以及控制信號6、7、8與對裝置系統(tǒng)50的介紹和工況相同。除了注入裝置1按照常規(guī)的線性放大器電路相同方式實施以及波形發(fā)生器2按振蕩器32實施外，該裝置(系統(tǒng))54的功能運行與對于裝置(系統(tǒng))50提供的介紹相同。振蕩器32是常規(guī)的電路，用于產(chǎn)生正弦波、三角波或方波信號。振蕩器32的輸出提供到開關(guān)31。所示開關(guān)31是一npn晶體管，但可以是任何一種適用于該應(yīng)用場合的開關(guān)器件。雖然未表示，振蕩器32的輸出通常利用電容耦合到開頭31的基板。電阻27和28用于確定開關(guān)31的Q點。電阻29是發(fā)射極電阻，用于產(chǎn)生反饋、控制開關(guān)31的穩(wěn)定性。電阻30是集電極電阻，用于控制開關(guān)31的電流。
對集成的蓄電池模塊的附加實施例的介紹圖8表示模塊52和外部電路23，它們包含在(裝置)系統(tǒng)50中所介紹的各基本元件。模塊52由注入裝置1、波形發(fā)生器2、控制電路3、過程4、開關(guān)14和15、電容器16、連接部分20、21和22以及控制信號6、7、8、17和18組成。為了澄清，詳細(xì)表示了注入裝置1和波形發(fā)生器2，它們的功能以及對它們的介紹與在(裝置)系統(tǒng)50中提供的相同。過程4是另外按照蓄電池19限定的。電容器16是用于使帶有附加開關(guān)14和15的耦合式電感器的正確運行的基本元件。電容16為耦合式電感器9的初組繞組和蓄電池19通過模塊52接地形成電流通道?？刂齐娐?與在(裝置)系統(tǒng)50中指定的功能相同。不過在模塊52中該功能比在(裝置)系統(tǒng)50中提供的總體介紹限定的更明確?？刂齐娐?通常是按照微控制器集成電路實施的?？刂菩盘?7和18控制經(jīng)過開關(guān)14或15到外部電路23、耦合式電感器9以及蓄電池19的電流流動的方向?？刂菩盘?8用于經(jīng)過開關(guān)15向蓄電池19充電，控制信號17用于經(jīng)過開關(guān)14向外部電路23提供電源。開關(guān)14和15是按照pnp晶體管表示的，但可以采用任何適用于該應(yīng)用場合的開關(guān)。如果不希望或不需要控制充電，開關(guān)15也可以是二極管。所示開關(guān)14的集電極和開關(guān)15的發(fā)射極是連接到該連接部分20上的，不過開關(guān)14和15以可選擇的方式可以分別連接到外部電路23。雖然未表示，由連接部分20和電容器16提供電壓負(fù)反饋，以便使控制電路3能檢測外部電路23的存在以及在電容器上的電壓值?？刂齐娐?通過控制信號7監(jiān)測蓄電池19的狀態(tài)。在模塊52中，控制信號7可以是一個信號或多個信號，它們包含來自蓄電池19的電壓、電流、阻抗、溫度和壓力的測量值?？刂菩盘?在功能上和對其的介紹與在(裝置)系統(tǒng)50中相同。外部電路23可以或者是與電源5相似的外部電源或者是由蓄電池19提供的電能使之工作的外部裝置?？刂菩盘?是選擇的?？刂菩盘?可以是一個信號或者多個信號，可以是不定向的或雙向的。控制信號8在當(dāng)外部電路23是一可編程電源時或者如果適合與外部電路23連通時，用于控制外部電路23的輸出。連接部分20、21和22是一些連接點，將其表示是為了強調(diào)在模塊52和(裝置)系統(tǒng)51的差別。
對集成的蓄電池模塊的附加實施例的介紹圖9表示基本上與模塊52相同的模塊53。除了其附加指示器24、電容器25和二極管26之外，開關(guān)14、指示器24，電容器25和二極管26構(gòu)成為一開關(guān)電源。控制信號17現(xiàn)在為用于控制開關(guān)14的占空因數(shù)的脈寬調(diào)制器(PWM)控制信號。控制信號8必須包含反饋功能，以便適當(dāng)調(diào)節(jié)在連接部分20的輸出電壓。雖然未表示，反饋是由連接部分20提供到控制電路3的，具有或者沒有連接在連接部分20、21和22的外部電路23。這種構(gòu)成使得控制電路3能向連接部分20提供固定的或可編程的輸出電壓。外部電路23可以經(jīng)過串行總線通信在連接部分21提供編程信號或者一般電壓或電阻設(shè)定值。所示結(jié)構(gòu)(降壓(buck))僅能提供小于蓄電池19電壓的電壓。另外，開關(guān)14、電感器24、電容器25和二極管26可以重新配置(降壓/升壓)，以便提供大于或等于蓄電池19電壓的電壓。再次表示的開關(guān)15的發(fā)射極連接在連接部分20，不過可分別接線。由于各種要求有矛盾，雖然實施非常困難，耦合式電感器9也可用于構(gòu)成開關(guān)電源。開關(guān)14的發(fā)射極與耦合式電感器9相連，集電極連接到蓄電池19的正極。二極管26連接到開關(guān)14的發(fā)射極并將模塊53接地。取消電感器24和電容器25。按這種結(jié)構(gòu)，開關(guān)14、耦合式電感器24和電容器16和二極管26形成開關(guān)電源。開關(guān)15可以是與開關(guān)14并聯(lián)的二極管14，以便能使充電電流旁路開關(guān)14流過。
運行理論物理和電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)具有自然發(fā)生的電特性，決定了包含的特定過程的效率和效果。對于這種方法所關(guān)注的特性是帶電粒子的電動力學(xué)方面的狀態(tài)。雖然不在本發(fā)明的范圍內(nèi)。需要將帶電粒子的電動力學(xué)方面狀態(tài)優(yōu)化的第一過程是透澈理解所要控制的過程。這種理解需要詳細(xì)分析暫態(tài)響應(yīng)狀態(tài)，包括計算對于時域的傳遞函數(shù)以及付立葉和拉普拉斯的積分變換。在其中電子作為主要電荷的遷移過程的物理(裝置)系統(tǒng)中，通常是直接地分析和測量電特性的。在電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)中，兩種電荷遷移的方法涉及在溶液中的離子和在電極-電解液中電荷遷移的電子。電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)由于在化學(xué)反應(yīng)速度和可能同時發(fā)生一種以上反應(yīng)方面更復(fù)雜。盡管主要過程，關(guān)于化學(xué)反應(yīng)速度的動力學(xué)和熱動態(tài)特性很多是不了解的，因此，大多數(shù)所需信息必須通過實驗來確定。
如果在系統(tǒng)諧振時發(fā)生強制響應(yīng)(由emf引起)，該對于激勵的響應(yīng)會最大。如果激勵(按ωf)接近自然響應(yīng)(按ωn)，產(chǎn)生這種最大響應(yīng)。系統(tǒng)可以具有一個以上的諧振點。利用電抗放大作用可以控制帶電粒子，該電抗能量能比施加的DC或者平均(實際)功率更有效地推動該過程。在圖4中表示了諧振時的電抗放大作用。ωn頻率的確定是在該過程中優(yōu)化帶電粒子的電動力學(xué)方面的狀態(tài)的重要的第一步。在物理系統(tǒng)中諧振點的確定通常是直接地，不過對于電化學(xué)系統(tǒng)則更復(fù)雜。其它因素可能支配該系統(tǒng)離開諧振工作，不過必須理解諧振能使系統(tǒng)性能優(yōu)化。
如果能將極化損耗與ac暫態(tài)響應(yīng)相區(qū)分，則通過利用ac暫態(tài)響應(yīng)特性控制該過程可以降低后面的極化。由于表面速度反應(yīng)對于電位的很小變化十分敏感以及過電位(極化)是對該反應(yīng)的動態(tài)阻力，關(guān)鍵是避免過電位的發(fā)生。Stem證明，離子進(jìn)入密實的雙層區(qū)的速度確定了形成的過電位ψ0數(shù)值。使反應(yīng)速度優(yōu)化的關(guān)鍵則是將在雙層區(qū)域中的離子流動優(yōu)化。
作為非反應(yīng)物的在水溶液中的離子形成成對的碰撞體(encounter)，具有的壽命為10-12到10-8秒。在這一時間期間，在彼此分開之前它們經(jīng)歷10到100000次碰撞。理論是將一個離子作為一個沉降粒子(Sink)以及其它離子可以看作靜止離子在電場中移動的。這種理論可以適用于在碰撞表面的情況以及非反應(yīng)離子。碰撞體的壽命(在雙層區(qū)域內(nèi))由雙層作用在離子上的強作用力所決定的。水合的離子的直徑在1納米級，雙層區(qū)域的有效厚度約3到10納米，Helmholtz平面為3納米級。如果例如離子暫態(tài)響應(yīng)確定限制在10微秒，在其之前要花10微秒使離子克服電泳的阻止作用以及與雙層相關(guān)聯(lián)的時間滯后。因此應(yīng)將驅(qū)動力規(guī)范化，以便在這樣一個時間間隔內(nèi)產(chǎn)生數(shù)納米級的離子偏移，在該間隔內(nèi)使自然離子碰撞體壽命最大，但是并不塊于離子響應(yīng)時間。實際上，這對各種物理參數(shù)優(yōu)化了離子運動。
作為一個實例，在理想的狀態(tài)下，第一個脈沖將很強地推動離子朝電極移6納米，然后暫停以使離子能自由擴散。下一個脈沖將離子由電極拉開2納米，然后暫停以使離子能擴散。第二個強度較低的脈沖將離子朝電極推動4納米，然后暫停。接著這是將離子由電極拉遠(yuǎn)1納米，接著暫停。第3個脈沖推近2納米以及接著暫停。接著這一推動的將是強度十分低的推動(輕微推動)，基本上使離子能自由擴散。
在圖1中表示了可引起這種位移的emf。該波形為帶有DC偏移的衰減正弦波形。在這一實例中的振蕩頻率小于100千赫，以便使諧振和暫態(tài)響應(yīng)時間相協(xié)調(diào)。該衰減的正弦波形是始終自然發(fā)生的波形。其還是欠衰減系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。在圖1中，可以看出，每次emf波形過零線時，在一小的時間段的位移的斜率基本上為零，這對應(yīng)于離子自由擴散的時間。正弦波形實質(zhì)不向雙層電容器充電。在過零點，位于在雙層結(jié)構(gòu)上的電位，然后該電位反向。一個十分明顯的效果是，在電極處的雙層結(jié)構(gòu)反向，重新形成Helmhotlz區(qū)以及擴散區(qū)的主要擾動。
圖25表示emf對雙層結(jié)構(gòu)的作用。在圖25中，表示5個時間間隔。在時間間隔A，在兩個電極處的內(nèi)Helmholtz平面(IHP)良好地排列，該單元處于原電池模式。時間間隔B表示加在各電極上的電位是零，IHP被破壞。離子脫離IHP的力作用并自由擴散。水偶極子由于離子而重新取向。在時間間隔C，單元處于電解模式，在每一電極的IHP再次良好地排列，不過是沿反向。時間間隔D再次表示電位為零，IHP被破壞。在時間間隔E，元件返回到原電池模式，在每個電極的IHP良好的排列不過第二次反向。
反應(yīng)動力學(xué)第一定律說明過電位ns怎樣隨電流密度按指數(shù)變化。因此，波形ns通常按指數(shù)上升或衰減。衰減的正弦波形也跟隨指數(shù)上升或衰減，使得emf指數(shù)變化波形跟隨系統(tǒng)的自然響應(yīng)。離子被輸送和使之能自然擴散，這樣有效濃度就最大化nc最小化。電流密度與按照Tafel方程表示的交換電流成正比。交換電流是按照動力學(xué)極限的自由度的測量量。交換電流大的數(shù)值意味著將按照低的過電位和高的電流密度進(jìn)行反應(yīng)。因此將在界面處的動力學(xué)特性優(yōu)化會降低ns。如果振蕩頻率接近離子移和雙層結(jié)構(gòu)的自然諧振(頻率)，反應(yīng)速度將達(dá)最大，寄生成分降至最小。
在圖1中所示的DC偏移是正常的DC emf，其用于在本發(fā)明之前的技術(shù)中驅(qū)動該系統(tǒng)。電抗性功能將使得作用力更有效，而不會增加提供到系統(tǒng)中的平均或DC能量。圖16表示按照新的方法的位移與等效的DC電流的關(guān)系曲線。所示衰減的正弦波形完成了每周期3次振蕩，具有5次方向變化和5個擴散階段。在該實例中的第一個峰值接近于5倍的DC幅值以及導(dǎo)致大的起始位移，其等于每個周期總位移的二分之一。由DC形成的位移在完成周期約60％之前未達(dá)到相同的數(shù)值。最后的擴散階段持續(xù)約該周期的20％。由于等效的DC形成的凈直線位移僅為由衰減的正弦波在相同的時間段內(nèi)形成的位移的80％。
按照如對在先技術(shù)中所介紹施加的一個第二DC脈沖，將離子穩(wěn)定地朝電極驅(qū)動，而無如在圖1中所示的持續(xù)該衰減的正弦emf的33333個周期的去極化脈沖。在這些33333個周期中，將有166665次離子方向變化和擴展階段。每次離子方向改變還導(dǎo)致在每一電極的雙層結(jié)構(gòu)的反向和重新構(gòu)成。很長持續(xù)時間的DC emf會引起過電位和離子的不良分布，實際可降低反應(yīng)速度。長持續(xù)時間的DC emf主要對機械攪動起相反的效果。5毫秒寬的去極化脈沖在這一實例中仍約167倍于時間周期。
圖24B表示電化學(xué)單元的動態(tài)特性，以便與在圖24A中所示的靜態(tài)觀點相對比。該電化學(xué)單元處于經(jīng)常的變化狀態(tài)。很多因素影響該單元，其中包含電流、電壓、溫度、充電狀態(tài)和先前的工作狀態(tài)。即使按照DC工作，該單元也經(jīng)常地變化，應(yīng)看作是一動態(tài)系統(tǒng)。
在圖17中表示衰減的正弦波形和DC階躍函數(shù)的比較。該比較意在量化相對于正弦波形與DC相關(guān)聯(lián)的其它寄生損耗。為進(jìn)行比較，令起始脈沖的峰值幅值等于DC單位值。由于電化學(xué)系統(tǒng)不能響應(yīng)DC階躍的上升速度，其結(jié)果是產(chǎn)生能耗和系統(tǒng)發(fā)熱。很明顯，在實際系統(tǒng)中的DC上升速度是有限的。如果將正弦脈沖的前沿優(yōu)化為自然的系統(tǒng)響應(yīng)(按照所希望的)，則在在兩條曲線之間的區(qū)域由t＝0到第一個正弦峰值將代表DC損耗。這一區(qū)域是為產(chǎn)生DC波形所需要的高次諧波產(chǎn)生的。該區(qū)域為在該階段范圍內(nèi)施加的總的DC能量的32.9％。這一實例還解釋了怎樣使DC脈沖的上升速度與過程相協(xié)調(diào)才能降低DC損耗。
Nernst解釋了限制的電流密度在有力地攪動將比沒有攪動時要大得多。由于機械攪動是不實用的，很多電化學(xué)系統(tǒng)是在質(zhì)量遷移控制狀態(tài)下工作的。很多工業(yè)過程即使利用機械攪動也在質(zhì)量遷移控制狀態(tài)下工作。圖1中表示的波形不管有還是沒有攪動都會導(dǎo)致離子的擾動。這種質(zhì)量遷移擾動垂直于電極，這是由于離子由于emf在電極之間被推拉。圖22A表示在先技術(shù)的一種方法，利用一流動通道形成質(zhì)量遷移擾動。其它已有的方法是利用各種綜合的流動圖形實現(xiàn)機械攪動。一個普遍的因素是經(jīng)攪動的溶液形成在電極范圍內(nèi)的層流，即與電極的平面平行。在圖22A中表示所形成的流速分布。在表面處流速接近于零。在電極的前沿處反應(yīng)物的濃度最大，沿著電極表面降低。圖22B表示利用這種方法產(chǎn)生的垂直的電動質(zhì)量遷移擾動的相對平均值。電動擾動和機械攪動相結(jié)合將沿電極表面的濃度分布改進(jìn)。很多工業(yè)過程為了得到最大物料通過量按照或者接近限制電流密度工作，這是由于極限電流密度將因垂直擾動而增加，物料通過量將提高。
利用較高的C充電速度將改進(jìn)蓄電池的電荷容納程度，這是因為離子更深地透入電極。改進(jìn)透入程度的一個原因是更高的電流將迫使電流在更大的表面散布。這種散布是由于表面電導(dǎo)率的變化率所引起的。當(dāng)高的電流密度通過低的電導(dǎo)率區(qū)域時，電阻增加，于是使得某些電流流向其它區(qū)域。在低電流密度下，電流的流型可能更集中在小的區(qū)域內(nèi)。在較高的電流密度下，離子不能全作用于表面或其附近，這樣更多的離子被推向內(nèi)部。
離子更深地透入電極還降低了純化材料的問題，和在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的形態(tài)變化的問題。在蓄電池中自放電的主要原因是在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。如果蓄電池承受如圖1中所示的波形，不過具有DC偏移，則在純化階段期間，先驗的自放電過程將減少。
如果蓄電池按照圖1中所示的波形(峰值5倍DC偏移)充電以及將DC電流偏移按1C速度設(shè)定，則先驗的電荷容納程度將增加到約5C速度，而沒有5C速度DC充電的其它副反應(yīng)。
如果蓄電池按照圖1中所示的疊加在DC電流上的波形(峰值5倍DC偏移)放電，放電電流將增加，動態(tài)電阻將降低，可以提高先驗的放電性能。
在蓄電池中的能量密度是活化材料的總質(zhì)量以及電極有效表面面積的函數(shù)。峰值電流密度是在電極界面處的表面面積的函數(shù)。蓄電池的物理結(jié)構(gòu)是電極厚度(大質(zhì)量)和界面表面面積之間的折衷結(jié)果。如果在蓄電池中對電解和原電池兩種運行方式都利用圖1中所示的疊加DC分量上的波形(峰值5倍于DC偏移)，先驗較厚的電極可用于提高能量密度還維持峰值電流容量。
一個離子可以達(dá)到的遷移速度取決于離子的離子遷移率和施加的作用力。氫離子H+的離子遷移率約快4.5到8倍比典型的金屬離子，氫氧離子OH-快約3到5倍快。氫氣的放出經(jīng)常是由于無效充電和放電所引起的寄生副反應(yīng)，在一個電極上產(chǎn)生的氫經(jīng)常遷移到另一個電極，對活性材料產(chǎn)生永久性的損害。此外氫氣的產(chǎn)生還增加在單元中的壓力并可能導(dǎo)致永久性地?fù)p害。這些因素都強調(diào)了避免寄生副反應(yīng)的重要性和理解系統(tǒng)工作參數(shù)的重要性。
在一RLC電路中，用log-log為單位表示的阻抗對頻率的曲線將形成為在接近最小阻抗點(在諧振頻率ωn處)按-45°的斜率(-20dB/+)，在ωn時的彎曲點(Cusp)，以及在諧振點之后按+45°斜率(+20dB/+)的曲線。直到點0.1ωn之前相位為-90°，然后相位在穩(wěn)定(leveling off)在10ωn處的+90之前，將按每+(二階系統(tǒng))90°的斜向上升。對于電化學(xué)(蓄電池)(裝置)系統(tǒng)，起始斜率是完全漸變的，接著則很寬，接近零斜率平直延伸，在增加之前延伸持續(xù)3到5個十(單位)。圖21表示對于三種不同AA尺寸的蓄電池的阻抗曲線。一可測量的ωn點出現(xiàn)在阻抗最小點，不過預(yù)期的在0.1ωn處的相位偏移并沒有出現(xiàn)。在阻抗開始迅速增加之前的一個十(單位)相位偏移發(fā)生。在圖21中，可以看出，約在100千赫處阻抗開始迅速增加。雖然未表示，約在10千赫處產(chǎn)生相位偏移，每十(單位)僅約按45°上升。相位和阻抗的關(guān)系曲線表示具有多個諧振點的復(fù)雜的多階系統(tǒng)。
該電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)可以在十分寬的頻率跨距內(nèi)維持相對平的響應(yīng)特性。僅維持平的響應(yīng)特性的裝置用于各電抗性元件，隨頻率增加使數(shù)值增加。實驗證實，隨在低于ωn時頻率的增加，電容降低。這意味著，直到離子遷移或者反應(yīng)不再能夠響應(yīng)外部要求之時，單元電池是有效的。該電化學(xué)(裝置)系統(tǒng)根據(jù)時域暫態(tài)響應(yīng)測量值具有對于激勵的重大衰減的響應(yīng)。電壓按照指數(shù)響應(yīng)特性上升和下降加到外部負(fù)載上。
隨著溫度和/或過電位增加，電荷容納程度下降。因此，熱量的產(chǎn)生和過電位提供了對于電荷容納程度的過程控制的外部參數(shù)。如果在電化學(xué)過程中采用帶反饋的有效控制，可以使峰值電流、DC偏移以及充電的頻率與單元電池中的變化狀態(tài)相協(xié)調(diào)，以便使電荷容納程度達(dá)到最大。
實驗揭示了ωn和電極厚度之間的關(guān)系。厚的多孔電極會導(dǎo)致形成更高的頻率ωn值。先驗的有效表面面積越大，工作頻率就越高。ωn明顯地隨系統(tǒng)的物理和幾何特性變化。例如，NiCdC元件將具有與相同化學(xué)特性的AA元件具有不同的ωn值。
在RLC電路中，電阻值確定衰減速率。十分低的R值將產(chǎn)生R阻尼系統(tǒng)，而很大的數(shù)值將導(dǎo)致過衰減系統(tǒng)。對于電化學(xué)系統(tǒng)維持相同的關(guān)系。當(dāng)將一種強制作用例如在圖1中所表示的波形施加到電化學(xué)系統(tǒng)上時，對于激勵的響應(yīng)特性取決于R的數(shù)值。如果元件阻抗低，則響應(yīng)特性成為為欠阻尼的。按照這種方式，在這一系統(tǒng)中的過程由于電化學(xué)系統(tǒng)的有效電阻是自然衰減的。例如，如果深度放電的蓄電池的阻抗起始高，則峰值電流值將自然衰減(降低)。隨著充電程度增加和有效電阻降低，峰值電流將增加。這種自然衰減作用由圖4可以看出。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例的工作情況為了清晰，除了所指出的以外，下的介紹將限于電化學(xué)過程的應(yīng)用。圖1表示能夠引起在電化學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生優(yōu)選的帶電粒子的電動力學(xué)方面的運動或位移的電動勢(emf)。emf的起始峰值使離子及時朝一個電極位移。當(dāng)正峰值接近過零點時，離子位移的斜率基本上為零。當(dāng)位移的斜率基本上為零時，離子自由擴散，不受emf影響。隨著emf波形持續(xù)變負(fù)，將離子由電極拉遠(yuǎn)。當(dāng)波形再次接近零時，再次使離子能自由擴散。由于emf的衰減特性，每個振蕩周期按時間產(chǎn)生降低的位移，正的和負(fù)的。對emf的振蕩頻率進(jìn)行選擇，以便與系統(tǒng)的自然諧振頻率緊密匹配。離子限時間的位移可以通過改變峰值電動勢幅值和DC偏移來進(jìn)一步控制。隨時間的位移優(yōu)化，以便與系統(tǒng)的自然物理結(jié)構(gòu)的相協(xié)調(diào)，在這里該結(jié)構(gòu)是在固體溶液界面形成的雙積電層。目標(biāo)是使離子的電動力學(xué)特性(運動)對于該過程實現(xiàn)優(yōu)化或規(guī)范化，在這種情況下為引起單位時間內(nèi)的納米級的位移。在或接近系統(tǒng)諧振狀態(tài)下運行使得能夠利用電抗能量或放大作用，以便改進(jìn)系統(tǒng)響應(yīng)特性，而不會增加施加的平均或DC能量。
圖2A和2B表示DC偏移到emf和所產(chǎn)生的位移的影響。DC偏移產(chǎn)生的影響比隨時間的凈位移產(chǎn)生的影響更大。如果沒有施加DC位移，離子將受到隨時間更大的正負(fù)擾動(位移)，但是具有較小的正位移，如在圖2A中所示。如果將DC偏移設(shè)定得大于在圖2B中所示的數(shù)值，凈位移將變大，但離子的正和負(fù)擾動將進(jìn)一步降低，以及擴散階段的時間和頻率將降低。將DC增加得太大，對離子的擾動具有有害的影響(假設(shè)峰值幅度維持不變)。
在圖3A和3B中所示的振蕩頻率產(chǎn)生的影響。圖3A和3B是根據(jù)相同的時基繪制的，允許圖3B在總的時間范圍內(nèi)的持續(xù)振蕩。按照相同的峰值電流和DC偏移，振蕩頻率的增加降低了在相同的時間內(nèi)的離子位移。圖3B表示在3個周期之后在時間＝50時，離子位移在單位時間內(nèi)基本上是不變的。這一結(jié)果進(jìn)一步說明如上所述的增加DC偏移的影響。
圖4表示關(guān)于emf的三個不同的ac峰值幅值。調(diào)節(jié)峰值幅值將導(dǎo)致形成更有用的振蕩周期，如在圖4中所示。形容詞“有用的”的使用是使每周期的負(fù)位移次數(shù)與所需的離子擾動相關(guān)。在圖3B中，峰值幅值和DC偏移形成三個有用的振蕩周期。如圖3B中所示增加峰值幅值將形成更有用的振蕩和更大的離子擾動。
圖4還表示在諧振時的電抗能量或放大作用的概念。emf的頻率越接近系統(tǒng)的自然諧振(頻率)，系統(tǒng)的諧振就越強。圖4還表示多大的系統(tǒng)阻抗才能控制emf。如果系統(tǒng)阻抗在過程的起點高，這一阻抗將使響應(yīng)特性衰減到emf，以及峰值電流將降低。隨著過程進(jìn)行和阻抗降低，響應(yīng)將增加。
圖6是實施這一方法所需的基本元件的系統(tǒng)方塊圖。當(dāng)應(yīng)用于電化學(xué)系統(tǒng)時，系統(tǒng)50控制過程4的反應(yīng)速度。注入裝置1將由波形發(fā)生器2產(chǎn)生的emf波形疊加(注入)到由電源5產(chǎn)生的DC偏移電流上?？刂齐娐?監(jiān)測過程4和調(diào)節(jié)emf波形和DC偏移電流，以使優(yōu)化電化學(xué)過程。控制電路3可以監(jiān)測過程4的過程參數(shù)，包含電壓、電流、阻抗、溫度、壓力、PH值(氫離子活度)和/或其它靜態(tài)過程控制(SPC)參數(shù)。過程4中阻抗的變化自動調(diào)節(jié)峰值幅值?？刂齐娐?可以分別補償(override)來自過程4的衰減系數(shù)，因此增加或降低emf的峰值幅值?？刂齐娐?可以有效地通過控制emf特征(包含電壓、電流、頻率、占空因數(shù)和衰減率)來控制過程的反應(yīng)速度?？刂齐娐?還可以振蕩衰減多少才是每周期允許的。衰減振蕩的次數(shù)范圍可以是由一個周期到實際的或許為10的極限?？刂齐娐?可以選擇地控制電源5的輸出參數(shù)，包括電壓、電流和頻率?；仡欁⑷胙b置，其將強制作用ωr結(jié)合到DC偏移上，該wr可以獨立于自然諧振頻率ωn。
圖7表示用于將在這一方法中的emf波形施加的一個優(yōu)選實施例即(裝置)系統(tǒng)51。系統(tǒng)51通過實驗注入裝置1與系統(tǒng)50的整體工作有偏差。注入裝置1是按照耦合式電感器9實現(xiàn)的。耦合式電感器9將來自波形發(fā)生器2的emf信號疊加在來自電源5的DC電流上。耦合式電感器9的一個重要的設(shè)計特征是初級和次級繞組的匝數(shù)比。匝數(shù)比決定了由次級繞組耦合到初組繞組的emf的相對幅值。一個十分重要的且不太明顯的參數(shù)是耦合系數(shù)。緊密耦合的繞組形成高的耦合系數(shù)，而松馳耦合的繞組形成低的耦合系數(shù)。如果耦合式電感器9的耦合系數(shù)高，則emf以與初級電流同相的方式加入。按照低的耦合系數(shù)，能量存儲在鐵芯中，在能量傳輸?shù)匠跫壚@組之前將產(chǎn)生時間延遲(相位滯后)。這兩種狀態(tài)的重要性在于，耦合方式確定了emf對過程4的沖擊。按照在耦合式電感器9中緊密的耦合，將迫使過程4以與在波形發(fā)生器2中產(chǎn)生的emf同相的方式振蕩。按松馳的耦合，在鐵芯中存儲的能量使所產(chǎn)生的emf能夠與(負(fù)載)過程4一起振蕩。這種耦合技術(shù)使得本方法能應(yīng)用于很多不同的系統(tǒng)。如果過程4發(fā)生在電致照明系統(tǒng)，高電容性系統(tǒng)應(yīng)與具有低耦合系數(shù)的耦合式電感器相匹配。如果過程4作為蓄電池工況，低阻抗的蓄電池應(yīng)與具有高耦合系數(shù)的耦合式電感9相匹配。耦合系數(shù)使得emf能與低和高阻抗負(fù)載相匹配。圖5A、5B、5C和5D表示電壓電動勢的典型，它是利用高阻抗或電抗負(fù)載和低耦合系數(shù)形成的。圖1、2A、2、B、3A、3B和4是電流電動勢的典型，是利用低阻抗負(fù)載和高耦合系數(shù)形成的。
利用簡單的LC儲能電路應(yīng)小心觀察，如在圖7上的波形發(fā)生器2所表示的(當(dāng)設(shè)定每個周期的衰減振蕩次數(shù)時)。開關(guān)12將一定量的能量提供到電路上，以便開始振蕩。在能量耗散之前試圖開始新的周期可能導(dǎo)致電感器11的飽合和其它問題。利用所示的簡單電路，實際的極限不小于2個衰減的振蕩周期。
另外的實施例的工作情況具有高電流emf波形的另外實施例的工作情況圖18表示適用于很高電流應(yīng)用場合的emf波形，該應(yīng)用場合超過按照耦合式電感器9實現(xiàn)的注入裝置1的電流容量。很多電化學(xué)過程工作在很高的電流下，其由于更高的效率和離子擾動可以受益，如在圖22A和22B中所示。圖18表示按照有限的上升速度的脈沖DC emf，這一波形是由按照有限的上升速度的電流源形成的。圖18可與圖6所示的系統(tǒng)50相比較。波形發(fā)生器2和控制信號6應(yīng)取消。在系統(tǒng)50中控制電路3起動電源5，以便開始在零電流下的周期。注入裝置1(電感器或電流源)控制施加在過程4中的emf電流的上升速度。注入裝置1將上升速度限制到一實用值，以便將DC電能損耗降低到最小。利用DC emf驅(qū)動過程4持續(xù)與應(yīng)用場合相協(xié)調(diào)的一段時間，然后通過關(guān)斷電源5的正電流輸出開始負(fù)電流周期。在過零點處，控制電路3可以起始一大于5倍時間常數(shù)的等待階段，或者開始電源5的負(fù)電流輸出。當(dāng)開始時，電流則持續(xù)斜向變化到負(fù)峰值。在負(fù)峰值，控制電路3關(guān)斷電源5的負(fù)電流輸出，然后電流開始斜向變化到零。在過零點，控制電路3將開始下一個正的DC周期。
這一高電流emf實施例也可以按照低成本低電流的線路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。當(dāng)目標(biāo)成本比工作益處更重要時，以及如按照圖1所示的emf波形實現(xiàn)的系統(tǒng)50的優(yōu)選實施例達(dá)到節(jié)能時，可以采用這種低成本的實施方案。
利用集成的蓄電池模塊的另外實施例的工作情況圖8表示按模塊52的結(jié)構(gòu)形式的系統(tǒng)51的實際應(yīng)用。模塊52的工作情況基本上與具有外部電路23的系統(tǒng)51相同。按這種實施方案，模塊52作為將蓄電池19、控制電路3、波形發(fā)生器2、耦合式電感器9和開關(guān)14與15集中到單一包裝的整體。模塊52的優(yōu)選實施例是將控制電路3、波形發(fā)生器2、耦合式電感器9以及開關(guān)14和15組裝到一組件中，該組件尺寸約與蓄電池19中的單個單元電池相同。所形成的組件和蓄電池19然后封裝在一起，作為一個整體的蓄電池組件即模塊52。控制電路3通常是一個微控制器電路，其調(diào)節(jié)蓄電池19的充電和放電的所有方面。開關(guān)14和15可以用于保護(hù)蓄電池19免受外部短路和過充電流而損耗。開關(guān)15通過利用在外部電路23處的電源控制提供到蓄電池19的充電電流。開關(guān)15可以按照線性模式或按照恒流源方式實施使用，以便調(diào)節(jié)提供到蓄電池19上的DC電流。如果開關(guān)15按照這種模式工作，則在外部電路23中的電源可以是很低成本的非調(diào)節(jié)電源。模塊52不需要外部蓄電池充電器，并降低了整個系統(tǒng)的成本。開關(guān)14用于控制由蓄電池19引出的放電電流。開關(guān)14可以終止蓄電池19的放電，以保證按照由控制電路3確定的經(jīng)溫度補償?shù)陌踩烹娚疃?。耦合式電感?當(dāng)開關(guān)14和15兩者都關(guān)斷時持續(xù)利用emf波形注入蓄電池19，無DC偏移。電流通道通過電容器16、耦合式電感器9、蓄電池19和模塊52接地。將無DC偏移的emf脈沖施加到蓄電池19上，以便將鈍化材料的數(shù)量降至最少，以及降低存儲和自放電作用。利用控制電路3根據(jù)蓄電池19的使用情況(歷史)和環(huán)境溫度確定脈沖的重復(fù)速度。開關(guān)14和15連接在連接部分，不過可以簡便地連接到各單個的連接點，以便分別連接到外部電路23。來自蓄電池19由控制信號7提供的典型的反饋信號為蓄電池電壓，蓄電池中心抽頭電壓和蓄電池溫度。蓄電池中心抽頭電壓可以用于監(jiān)測各個元件的不平衡?？刂齐娐?以可選擇的方式經(jīng)過控制信號8與外部電路23通信。這種通信可以像邏輯電平狀態(tài)信號那樣簡單，例如為起動和狀態(tài)信號。通信可以經(jīng)過串行總線將蓄電池19的充電狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街飨到y(tǒng)，該主系統(tǒng)根據(jù)由模塊52提供的電源運行。此外，使用人可以向控制電路3發(fā)信號，經(jīng)過控制信號8補償安全放電深度保護(hù)?？刂齐娐?還記錄蓄電池19的使用情況，這一數(shù)據(jù)可以用于確定保證期。如果由(主機)外部電路23提供適當(dāng)?shù)木幋a，這一信息可以經(jīng)過控制信號8來彌補。
集成的蓄電池模塊的另外實施例的工作情況圖9表示作為低成本的較小模塊52的進(jìn)一步擴展的模塊53。模塊52和模塊53之間的主要區(qū)別是在模塊53的輸出端包含可調(diào)電源。電源以可選擇的方式可為可編程的。開關(guān)14、電感器24、電容器25和二極管26構(gòu)成可調(diào)電源，如在降壓(buck)結(jié)構(gòu)中所示。如果需要電壓高于蓄電池19的電壓，各組成元件也可以按降壓-升壓裝置中的配置。開關(guān)14也可以按照低成本線性調(diào)節(jié)器式電源實現(xiàn)，電感器24和二極管26可取消。模塊53可以不需要位于在外部電路3中的主系統(tǒng)的通常內(nèi)部電源。
因此，讀者將會了解到本發(fā)明人提供的一種電子(控制)方法，通過施加電動勢優(yōu)化帶電粒子的電動力學(xué)方面的狀態(tài)，以便緊密地與自然電響應(yīng)特性和系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)一致。在電化學(xué)系統(tǒng)中，這種方法使反應(yīng)速度更快，更高效，降低寄生的副反應(yīng)，改進(jìn)質(zhì)量遷移擾動，更緊密的過程控制、改進(jìn)電鍍或沉積的均勻性，降低能耗和系統(tǒng)成本，更好地利用材料和提高過程物料通過量。這樣方法還能使系統(tǒng)或過程進(jìn)一步改進(jìn)，可以更好地利用優(yōu)選的emf的益處例如較厚的電極。這種方法具有的益處在于，除了在系統(tǒng)的電動力學(xué)狀態(tài)的范圍之外，擴展到安全、環(huán)境和經(jīng)濟各方面。
在本方法中所介紹的注入技術(shù)使得這一方法能適用于除了所討論的實例外的十分廣泛的物理和電化學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域。例如，這種方法已通過實驗應(yīng)用于其它電解過程，可預(yù)言這種方法可用在很多工業(yè)過程中。這種方法可以直接適用于一些工藝過程，例如污染土壤的現(xiàn)場按電動力學(xué)原理改造、電泳、電傾析、電鍍、電溶解、電解、放電器或電解加工、電提純、電拋光、電成形、電解提純、靜電沉降、電滲析、電毛細(xì)現(xiàn)象、靜電分離以及新型蓄電池的構(gòu)成。雖然尚未開發(fā)，除了分子、離子和電子以外的各種類型的帶電粒子預(yù)期的擴展包含生物系統(tǒng)。
雖然對于這種方法上面的介紹提供了很多例證應(yīng)用或預(yù)期應(yīng)用，這些不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，而是它們僅作為其優(yōu)選實施例的例舉。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)是由所介紹的實施例確定的，而是由所提出的權(quán)利要求及其法律等效物確定的。
權(quán)利要求
1.在一種物理過程中用于控制帶電粒子的電動力學(xué)特性的改進(jìn)方法，包含如下波形發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生具有預(yù)定幅值、頻率、波形、衰減系數(shù)和占空因數(shù)的波形；電源裝置，用于提供足夠的能量；注入裝置，將所述波形和所述能量相結(jié)合以便產(chǎn)生電動勢；將所述電動勢施加于所述過程；控制裝置，重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到預(yù)選的參數(shù)；以此所述帶電粒子的所述電動力學(xué)特性，基本上與所述過程的自然電響應(yīng)特性和物理特性協(xié)調(diào)一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電動勢基本特征在于，至少一個振蕩的衰減正弦波形疊加到預(yù)定的直流偏移上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包含電抗放大裝置，其中各電抗元件用于明顯放大所述能量對于所述帶電粒子的所述電動力學(xué)特性的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包含自然衰減裝置，其中所述電動勢的峰值幅值基本上由所述物理過程的阻抗衰減。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電動勢用作按照由數(shù)字公式表示的波形f(x)＝(-|(sin(x-c))|+直流電流偏移)峰值電動勢其中所述x變量是時間的線性函數(shù)，所述c參數(shù)是預(yù)定的常數(shù)，其設(shè)定在時間等于零時的起始條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電動勢用作基本上按照由數(shù)字公式表示的波形f(x)＝(|(sin(x-c))|+直流偏移)峰值電動勢其中所述x變量是時間的線性函數(shù)，所述c參數(shù)是預(yù)定的常數(shù)，其設(shè)定在時間等于零時的起始條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電動勢用作基本上按照具有預(yù)定變化速度的梯形的階躍函數(shù)表示的波形，該變化速度基本上根據(jù)所述帶電粒子的諧振和暫態(tài)響應(yīng)時間以及為零到五倍時間常數(shù)以上的靜止階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制裝置還包含調(diào)節(jié)所述波形發(fā)生器，以充分地改變所述波形，根據(jù)所述物理過程的變化狀態(tài)優(yōu)化所述電動勢；以及所述變化狀態(tài)至少包含由電壓、電流、阻抗、溫度、壓力和離子活度構(gòu)成的組合中的一種參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制裝置還包含調(diào)節(jié)所述電源，以充分地改變所述能量，根據(jù)所述物理過程的變化狀態(tài)優(yōu)化所述電動勢；以及所述變化狀態(tài)至少包含由電壓、電流、阻抗、溫度、壓力和離子活度構(gòu)成的組合中的一種參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理過程是一種電化學(xué)過程。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理過程是一種光化學(xué)過程。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理過程是一種生物過程。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述自然電響應(yīng)特性是所述物理過程的自然諧振點。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理過程的所述自然物理特性是雙積電層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物理過程的所述自然物理特性是能隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包含擾動裝置，其中所述電動勢有效地引起所述帶電粒子的質(zhì)量遷移擾動。
17.一種用于改進(jìn)在物理過程中的帶電粒子的電動力學(xué)特性的控制裝置，它包含波形發(fā)生裝置，產(chǎn)生具有預(yù)定幅值、頻率、波形、衰減系數(shù)和占空因數(shù)的波形；電源裝置，用于提供足夠能量；注入裝置，其將所述波形與所述能量相結(jié)合，以便產(chǎn)生電動勢；將所述電動勢施加到所述過程；控制裝置，重復(fù)上述步驟直到達(dá)到預(yù)選參數(shù)；以此，使所述帶電粒子的所述電動力學(xué)特性基本上與所述過程的自然電響應(yīng)特性和物理特性協(xié)調(diào)一致。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述裝置是利用耦合式電感器實現(xiàn)的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述波形發(fā)生器裝置是利用電感電容儲能振蕩器電路實現(xiàn)的。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述控制裝置還包含調(diào)節(jié)所述波形發(fā)生器，以充分地改變所述波形，根據(jù)所述物理過程的變化狀態(tài)優(yōu)化所述電動勢；以及所述改變狀態(tài)至少包含由電壓、電流、阻抗、溫度、壓力和離子活性構(gòu)成的組合中的一種參數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述控制裝置還包含調(diào)節(jié)所述電源，充分地改變所述能量，根據(jù)所述物理過程的變化狀態(tài)優(yōu)化所述電動勢；以及所述變化狀態(tài)至少包含由電壓、電流、阻抗、溫度、壓力和離子活性構(gòu)成的組合中的一種參數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述控制裝置是由微處理器、微管理器和專用集成電路構(gòu)成的組合中選擇的。
23.一種集成蓄電池模塊裝置，包含蓄電池，具有至少一個單元電池；開關(guān)裝置，控制由外部電源流入所述模塊和由所述模塊的所述蓄電池流出并流入外部負(fù)載的電流；波形發(fā)生裝置，產(chǎn)生具有預(yù)定幅值、頻率、波形、衰減因數(shù)和占空因數(shù)的波形；注入裝置，其將所述波形和所述電流相結(jié)合產(chǎn)生電動勢；將所述電動熱施加到所述蓄電池；控制裝置，其監(jiān)測所述蓄電池；調(diào)節(jié)所述波形發(fā)生器，以便充分改變所述波形，以便根據(jù)所述蓄電池的變化狀態(tài)優(yōu)化所述電動勢；以及所述變化狀態(tài)至少包含由電壓、電流、阻抗、溫度、壓力和離子活度構(gòu)成的組合中的一種參數(shù)；選擇所述開關(guān)裝置，以便控制所述蓄電池的原電池、電解和蓄電模式；重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到預(yù)選的參數(shù)；以此，將所述模塊封裝為單獨的功能性整體，其基本上具有所述蓄電池的功能和尺寸；以及還包含在原電池、電解和蓄電模式下優(yōu)化其電動力學(xué)特性。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述模塊還包含調(diào)節(jié)裝置，以調(diào)節(jié)提供到所述外部負(fù)載上的能量。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述模塊還包含可編程調(diào)節(jié)裝置，以根據(jù)來自所述外部負(fù)載的信號調(diào)節(jié)提供到所述外部負(fù)載的能量。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述模塊還包含調(diào)節(jié)裝置，以便調(diào)節(jié)由所述外部電源提供的能量。
全文摘要
描述了一種方法,以此施加電動勢,優(yōu)化帶電粒子的動力學(xué)的特性,以便與系統(tǒng)的自然電響應(yīng)特性和物理結(jié)構(gòu)緊密協(xié)調(diào)一致。該方法對電動勢的幅值和頻率進(jìn)行整形,以便使帶電粒子和物理結(jié)構(gòu)之間的相互作用規(guī)范化。注入裝置(1)使該方法能應(yīng)用于物理、生物和電化學(xué)過程的廣泛的領(lǐng)域,它們都取決于帶電粒子的電動力學(xué)的特性。該方法可以有效地利用在自然系統(tǒng)諧振時產(chǎn)生的電抗能量或放大作用,提高系統(tǒng)的性能而不增加提供的功率。在電化學(xué)過程中,該方法產(chǎn)生優(yōu)化的質(zhì)量遷移擾動,包含垂直于電極的雙積電層。此外,公開一種蓄電池模塊(52),其利用這種方法來控制和改進(jìn)在電解、原電池和蓄電運行模式下的性能。這種方法的優(yōu)點在于,更少的能耗、更好的材料利用率、更密切的過程控制、更簡單的電路結(jié)構(gòu)、更低的成本、更長的工作壽命和更高的過程生產(chǎn)率。
文檔編號H01M10/42GK1248347SQ98802620
公開日2000年3月22日 申請日期1998年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月18日
發(fā)明者弗洛伊德·L·威廉森 申請人:弗洛伊德·L·威廉森