專(zhuān)利名稱(chēng)：用于給閥控式鉛酸電池充電的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于能同時(shí)逐步降低充電電流的給閥控式鉛酸電池充電的方法和裝置。
對(duì)于給用于電動(dòng)汽車(chē)、客車(chē)、高爾夫車(chē)等的循環(huán)使用目的的鉛酸電池充電，可進(jìn)行短時(shí)間的兩級(jí)恒電流充電。
兩級(jí)恒電流充電方法是鉛酸電池的電壓達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓之前，用大電流進(jìn)行充電，并且電壓一達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓時(shí)，充電就轉(zhuǎn)換到小電流充電，小電流充電持續(xù)預(yù)定時(shí)間直至充電速率達(dá)到預(yù)定值如120％的放電速率。
在這種充電方法中，為縮短充電時(shí)間，必須盡可能進(jìn)行大電流的初步充電周期。因此，轉(zhuǎn)換電壓需設(shè)定成較高。然而，如果設(shè)定轉(zhuǎn)換電壓較高，當(dāng)盡管繼續(xù)初步充電，卻存在鉛酸電池的電壓從未達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓的情況時(shí)，充電方法難于控制而引起過(guò)充電。因此，轉(zhuǎn)換電壓不能設(shè)定太低，而應(yīng)留有余量，從而縮短了不希望有的初步充電時(shí)間。因此，降低了初步充電的電量。在現(xiàn)有技術(shù)的充電方法中，問(wèn)題在于由于第二充電中補(bǔ)充電量降低，不能充分實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間的降低。
另一方面，近年來(lái)已推廣了無(wú)需供水的閥控式鉛酸電池。在閥控式鉛酸電池中，電池封閉通過(guò)所謂的負(fù)極吸收式的方法來(lái)完成，其中充電期間正極產(chǎn)生的氧氣通過(guò)與負(fù)極的充電活性材料(Pb)反應(yīng)來(lái)吸收，從而抑制負(fù)極產(chǎn)生的氫氣。Pb-Ca合金柵板一般充當(dāng)這種閥控式鉛酸電池的正極柵板。然而，在這種閥控式鉛酸電池中，缺點(diǎn)在于如果鉛酸電池用于極端條件下如高溫、深度放電等，會(huì)縮短鉛酸電池的壽命。這是因?yàn)樵跂虐搴突钚圆牧现g的界面上形成PbSO4鈍化層，從而導(dǎo)致容量過(guò)早降低的早期容量損失(以下稱(chēng)為PCL)的現(xiàn)象。由于這種PCL現(xiàn)象僅為正極使用Pb-Ca合金的電池所特有，可設(shè)想到一般用于溢流型電池的Pb-Sb合金柵板也可應(yīng)用于閥控式鉛酸電池。
然而，使用這種Pb-Sb合金柵板的電池特征在于，當(dāng)重復(fù)充電和放電，隨著充電進(jìn)行電池電壓變得慢慢地升高。因此，在通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)換電壓來(lái)進(jìn)行控制的上述充電方法中，盡管進(jìn)行充電，電池電壓不能達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓，從而電池進(jìn)入不受控制的狀態(tài)。這種不受控制的狀態(tài)導(dǎo)致過(guò)是充電，使電解質(zhì)中的H2O電解。然而，在閥控式鉛酸電池中，如果水被消耗，電解質(zhì)過(guò)早變干，由于電池只含極少量的電解液，電池不能使用。因此，當(dāng)由于充電裝置是阻擋層時(shí)，存在的情況是使用不出現(xiàn)PCL現(xiàn)象的Pb-Sb合金柵板作為正極柵板的閥控式鉛酸電池從來(lái)沒(méi)有投入實(shí)際使用。
因此，本發(fā)明的第一目的是提供充電方法和充電裝置，其中，當(dāng)進(jìn)行恒電流充電而同時(shí)逐步降低充電電流時(shí)，盡管設(shè)定轉(zhuǎn)換電壓成低值，也可縮短充電時(shí)間。
本發(fā)明的第二目的是提供充電方法和充電裝置，其中，盡管在鉛酸電池是使用Pb-Sb合金柵板的類(lèi)型，如果重復(fù)充電和放電時(shí)，充電中電壓變得緩慢升高的情況下，也能可靠檢測(cè)轉(zhuǎn)換電壓，以便能進(jìn)行恒電流充電而同時(shí)逐步降低充電電流。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供給鉛酸電池充電的方法，步驟如下使用預(yù)定電流值進(jìn)行初步恒電流充電；在電池電壓達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)換電壓之后，持續(xù)初步恒電流充電一預(yù)定延長(zhǎng)時(shí)間；在延長(zhǎng)時(shí)間之后，使用比初步恒電流充電要小的電流值轉(zhuǎn)換充電到第二恒電流充電。
通過(guò)初步恒電流充電，電池電壓升高，并在電池電壓達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓之后，初步恒電流充電持續(xù)一預(yù)定延長(zhǎng)時(shí)間。盡管轉(zhuǎn)換電壓設(shè)定為低于常規(guī)設(shè)定電壓的值，但在達(dá)到所設(shè)定的轉(zhuǎn)換電壓之后，更大充電電流的初步恒電流充電并不馬上轉(zhuǎn)換為較小充電電流的第二恒電流充電，而初步恒電流充電仍持續(xù)一延長(zhǎng)時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為第二恒電流充電。因此，可給電池更大電量充電并可縮短充電時(shí)間。
而且，在這種情況下，如果當(dāng)電池溫度變高時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)間即電池電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓之后初步恒電流充電持續(xù)的時(shí)間就設(shè)定為較短，可得到最佳充電速率，從而防止過(guò)量充電。
上述充電方法和使用該方法的裝置適合于利用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池。該充電方法的研制可使這種鉛酸電池投入實(shí)際應(yīng)用。利用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池特征在于，當(dāng)重復(fù)充電和放電時(shí)，隨著充電進(jìn)行電池電壓變得緩慢升高。然而，按照本發(fā)明，因?yàn)檗D(zhuǎn)換電壓設(shè)定為低值，能可靠檢測(cè)電池電壓的升高。這意味著能可靠中斷使用大電流的初步恒電流充電，從而轉(zhuǎn)換為小電流的第二恒電流充電?？煽糠乐沽诉^(guò)量充電的發(fā)生。而且，事實(shí)是盡管該方法用于給含有極少量電解液的閥控式鉛酸電池充電，不用擔(dān)心發(fā)生過(guò)量充電，也不會(huì)發(fā)生溶液變干。結(jié)果，利用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池可實(shí)際應(yīng)用，并且可延長(zhǎng)其壽命。在用于電動(dòng)汽車(chē)等的繁重使用中，實(shí)際有效率高。
在附圖中

圖1是表示按照本發(fā)明的充電裝置的方框圖；圖2是表示充電期間電流和電壓變化圖；和圖3是表示充電速率變化圖。
參考附圖，如下詳述本發(fā)明。
首先，按照現(xiàn)有技術(shù)制備30Ah的3HR放電容量的閥控式鉛酸電池，使用由1.2wt％的銻、0.05wt％的硒、0.1wt％的錫、0.2wt％砷和余量為鉛構(gòu)成的合金制成的正極柵板。
另一方面，充電裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。恒電流充電電路2與以上述方法制備的鉛酸電池1相連，從而恒電流充電電路2以恒電流值給鉛酸電池1充電，恒電流值根據(jù)CPU 3輸出的信號(hào)設(shè)定。電壓檢測(cè)電路4也與鉛酸電池1相連，從而與電壓檢測(cè)電路4所檢測(cè)到的電池電壓對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入CPU 3。與鉛酸電池1相連接的溫度傳感器5也與CPU 3連接，從而與鉛酸電池1的溫度對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入CPU 3。延長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)器電路6和第二充電定時(shí)器電路7也與CPU 3連接，從而每個(gè)定時(shí)器電路6和7響應(yīng)CPU 3輸出的起動(dòng)信號(hào)Ss，起動(dòng)時(shí)間測(cè)量操作。當(dāng)預(yù)定“延長(zhǎng)時(shí)間ta”期滿時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)器電路6將到時(shí)信號(hào)Su送到CPU 3。當(dāng)起動(dòng)第二充電定時(shí)器電路7之后經(jīng)過(guò)設(shè)定的“第二充電時(shí)間t2”時(shí)，第二充電定時(shí)器電路7輸出到時(shí)信號(hào)。CPU 3等同充電控制裝置。利用軟件，CPU 3的作用是將電流設(shè)定值按照電池電壓及時(shí)輸入恒電流充電電路2，以便使恒電流充電電路2連續(xù)執(zhí)行初步恒電流充電和第二恒電流充電。CPU 3也起著用于設(shè)定“延長(zhǎng)時(shí)間ta”的延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定裝置的作用，以及還起著用于設(shè)定“第二充電時(shí)間t2”的第二充電時(shí)間設(shè)定裝置的作用。
首先，鉛酸電池1放電50％(15Ah)。然后，連續(xù)進(jìn)行6A充電電流的初步恒電流充電以及1.5A充電電流的第二恒電流充電，如圖2所示。電池電壓已達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓Vc＝2.35V/電池之后，當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間ta期滿，初步恒電流充電轉(zhuǎn)換為第二恒電流充電。
具體在該例子中，按照以下等式(1)，在CPU 3中計(jì)算延長(zhǎng)時(shí)間ta，從而當(dāng)溫度T變高時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)間ta設(shè)定較短。
ta＝a-b·ln(T+c) (等式1)
在該等式(1)中，a、b和c是分別取正值的系數(shù)，并考慮電池的額定容量、電池結(jié)構(gòu)、使用條件、初步恒電流充電的電流值、預(yù)定電壓轉(zhuǎn)換值等而設(shè)定。在該例子中，設(shè)定a＝137，b＝31和c＝8。另外，在等式(1)中，溫度T以攝氏溫度表示，而ta用分鐘表示。
同樣，“第二充電時(shí)間t2”是執(zhí)行第二恒電流充電的時(shí)間，按照以下等式(2)在CPU 3中計(jì)算，從而當(dāng)溫度T變高時(shí)，設(shè)定第二充電時(shí)間t2也較短。
t2＝d-e·ln(T+f) (等式2)在該等式(2)中，d、e和f是分別取正值的系數(shù)，并考慮電池的額定容量、電池結(jié)構(gòu)、使用條件、初步恒電流充電的電流值、預(yù)定電壓轉(zhuǎn)換值、第二恒電流充電的電流值等而設(shè)定。在該例子中，設(shè)定d＝571，e＝91和f＝8。另外，在等式(2)中，溫度T以攝氏溫度表示，而t2用分鐘表示。比較例另一方面，在未完成本發(fā)明的比較例中，CPU 3中的延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定裝置和第二充電時(shí)間設(shè)定裝置均無(wú)效的情況下進(jìn)行充電，從而為與實(shí)施例比較起見(jiàn)，固定ta＝24分鐘和t2＝4小時(shí)。結(jié)果分析分別在溫度5℃、30℃和50℃下進(jìn)行實(shí)施例和比較例的充電。得到充電速率和由循環(huán)數(shù)表示的壽命的結(jié)果，如表1所示。
表1
在按照本發(fā)明的實(shí)施例中，充電速率(額定容量的百分比)的變化如圖3的實(shí)線所示。曲線A的點(diǎn)A-1、A-2和A-3表示在電池電壓的點(diǎn)達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓Vc處分別在規(guī)定溫度5℃、30℃和50℃下所得到充電速率。曲線B的點(diǎn)B-1、B-2和B-3表示在中斷初步恒電流充電處分別在規(guī)定溫度下所得到充電速率。曲線C的點(diǎn)C-1、C-2和C-3表示在中斷第二恒電流充電處分別在規(guī)定溫度下所得到充電速率。在這種情況下，圖3的曲線A的向左下降基于閥控式鉛酸電池的特性，充電電壓值取決于溫度。因此，在延長(zhǎng)時(shí)間ta和第二充電時(shí)間t2均被固定的比較例中，在中斷初步恒電流充電處的充電速率變化如長(zhǎng)短交替的虛線繪制的曲線D所示，而在中斷第二恒電流充電處的充電速率變化如一長(zhǎng)二短交替的虛線繪制的曲線E所示。即比較例表示當(dāng)溫度變低時(shí)充電速率下降的趨勢(shì)。另一方面，在該實(shí)施例中，充電完成處的充電速率變化如曲線C所示，即充電速率保持恒定而與溫度無(wú)關(guān)。
這對(duì)循環(huán)壽命即用充電/放電循環(huán)數(shù)表示的壽命有影響。當(dāng)5℃下利用固定ta和t2值的比較例中的充電方法給電池充電時(shí)，由于充電縮短，作為負(fù)極活性材料的硫酸鉛聚集使得電池失效。當(dāng)50℃下利用固定ta和t2值的比較例中的充電方法給電池充電時(shí)，電解質(zhì)變干，從而由于過(guò)度充電速率，無(wú)水使得電池失效。另一方面，在實(shí)施例中，未發(fā)生上述現(xiàn)象，從而循環(huán)壽命長(zhǎng)。然而，盡管比較例的充電方法可用于給利用如上所述Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池循環(huán)充電，從而如果不在寒冷地區(qū)或高溫條件下使用，充電方法可使電池充分顯示出其性能。
另外，為檢測(cè)上述實(shí)施例所示的電池溫度，優(yōu)選附帶溫度傳感器5。然而，當(dāng)提供充電裝置作為與鉛酸電池分開(kāi)的外部充電裝置時(shí)，可檢測(cè)環(huán)境溫度，從而可由環(huán)境溫度推斷并計(jì)算出電池溫度。在大多數(shù)情況下，由于至少充電開(kāi)始時(shí)的電池溫度約等同環(huán)境溫度，可估計(jì)環(huán)境溫度基本上等于充電開(kāi)始時(shí)的電池溫度。此外，盡管電池溫度隨著充電進(jìn)行而升高，但如果發(fā)現(xiàn)充電開(kāi)始時(shí)的電池溫度，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出按照充電速率的溫度升高曲線。因此，由充電開(kāi)始時(shí)的環(huán)境溫度可以一定精度計(jì)算并確定在電池電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓處的電池溫度。
盡管上述實(shí)施例已表示給使用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池充電的充電裝置實(shí)例，充電裝置也可應(yīng)用于除閥控式鉛酸電池以外的溢流型鉛酸電池，還可應(yīng)用于使用Pb-Ca合金柵板作為正極柵板的閥控式鉛酸電池。在使用Pb-Ca合金柵板作為正極柵板的鉛酸電池的情況下，根據(jù)檢測(cè)電池電壓達(dá)到預(yù)定電壓，可中斷第二恒電流充電。
盡管上述實(shí)施例已表示利用充電所用的兩種電流值進(jìn)行兩級(jí)恒電流充電的情況，但本發(fā)明并不限定于此，它可應(yīng)用于利用充電所用的三種逐步降低的電流值進(jìn)行三級(jí)恒電流充電的情況。在這種情況下，在中斷上述例子的第二恒電流充電之后，可利用較小電流值進(jìn)行第三恒電流充電。
盡管上述實(shí)施例已表示利用延長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)器電路6和第二充電定時(shí)器電路7形成所謂硬件定時(shí)器的情況，但本發(fā)明并不限定于此，也可應(yīng)用于由CPU 3的軟件形成軟件定時(shí)器的情況。
權(quán)利要求
1.給鉛酸電池充電的方法，包括如下步驟以預(yù)定電流值進(jìn)行初步恒電流充電；在電池電壓達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓之后，所述初步恒電流充電持續(xù)一預(yù)定延長(zhǎng)時(shí)間；和在經(jīng)過(guò)所述延長(zhǎng)時(shí)間之后，利用比所述初步恒電流充電要小的電流值，將充電轉(zhuǎn)換為第二恒電流充電。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)電池溫度變高時(shí)，將達(dá)到所述轉(zhuǎn)換電壓之后的所述初步恒電流充電持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)定成較短。
3.給鉛酸電池充電的裝置，包括恒電流充電電路，用于以恒電流設(shè)定值給所述鉛酸電池充電；電壓檢測(cè)電路，用于檢測(cè)正在充電的所述鉛酸電池的電池電壓；定時(shí)器裝置，用于通過(guò)測(cè)量由所述電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到的電池電壓達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓之后的時(shí)間，檢測(cè)預(yù)定延長(zhǎng)時(shí)間的期滿；和充電控制裝置，用于響應(yīng)充電起動(dòng)操作以控制所述恒電流充電電路，從而所述恒電流充電電路利用預(yù)定電流值起動(dòng)初步恒電流充電，持續(xù)所述初步恒電流充電直至在由所述電壓檢測(cè)裝置所檢測(cè)的電池電壓達(dá)到所述預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓的條件下，由所述定時(shí)器裝置測(cè)量的時(shí)間達(dá)到所述延長(zhǎng)時(shí)間，在經(jīng)過(guò)所述延長(zhǎng)時(shí)間之后，利用比所述初步恒電流充電要小的電流值進(jìn)行第二恒電流充電。
4.按權(quán)利要求3的給鉛酸電池充電的裝置，還包括溫度傳感器，用于基本上檢測(cè)電池溫度；和延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定裝置，用于當(dāng)由所述溫度傳感器檢測(cè)到的溫度較高時(shí)，將所述延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定較短。
5.按權(quán)利要求3的給鉛酸電池充電的裝置，還包括停止時(shí)間定時(shí)器裝置，用于測(cè)量所述充電控制裝置起動(dòng)所述第二恒電流充電之后的時(shí)間，其中當(dāng)停止時(shí)間定時(shí)器裝置已測(cè)量到預(yù)定第二充電時(shí)間時(shí)，所述充電控制裝置停止所述第二恒電流充電。
6.按權(quán)利要求5的給鉛酸電池充電的裝置，還包括溫度傳感器，用于基本上檢測(cè)電池溫度；和第二充電時(shí)間設(shè)定裝置，用于當(dāng)由所述溫度傳感器檢測(cè)到的溫度較高時(shí)，將所述設(shè)定時(shí)間設(shè)定較短。
7.充電裝置，用于給使用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池充電，包括恒電流充電電路，用于以恒電流設(shè)定值給所述鉛酸電池充電；電壓檢測(cè)電路，用于檢測(cè)正在充電的所述鉛酸電池的電池電壓；定時(shí)器裝置，用于通過(guò)測(cè)量由所述電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到的電池電壓達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓之后的時(shí)間，從而檢測(cè)預(yù)定延長(zhǎng)時(shí)間的期滿；和充電控制裝置，用于響應(yīng)充電起動(dòng)操作以控制所述恒電流充電電路，從而所述恒電流充電電路利用預(yù)定電流值起動(dòng)初步恒電流充電，持續(xù)所述初步恒電流充電直至在由所述電壓檢測(cè)裝置所檢測(cè)的電池電壓達(dá)到所述預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓的條件下，由所述定時(shí)器裝置測(cè)量的時(shí)間達(dá)到所述延長(zhǎng)時(shí)間，在經(jīng)過(guò)所述延長(zhǎng)時(shí)間之后，利用比所述初步恒電流充電要小的電流值進(jìn)行第二恒電流充電。
8.按權(quán)利要求7的充電裝置，用于給使用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池充電，還包括溫度傳感器，用于基本上檢測(cè)電池溫度；和延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定裝置，用于當(dāng)由所述溫度傳感器檢測(cè)到的溫度較高時(shí)，將所述延長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定較短。
9.按權(quán)利要求7的充電裝置，用于給使用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池充電，還包括停止時(shí)間定時(shí)器裝置，用于測(cè)量所述充電控制裝置起動(dòng)所述第二恒電流充電之后的時(shí)間，其中當(dāng)停止時(shí)間定時(shí)器裝置已測(cè)量到預(yù)定第二充電時(shí)間時(shí)，所述充電控制裝置停止所述第二恒電流充電。
10.按權(quán)利要求9的充電裝置，用于給使用Pb-Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池充電，還包括溫度傳感器，用于基本上檢測(cè)電池溫度；和第二充電時(shí)間時(shí)間設(shè)定裝置，用于當(dāng)由所述溫度傳感器檢測(cè)到的溫度較高時(shí)，將所述第二充電時(shí)間設(shè)定較短。
全文摘要
可具體應(yīng)用于給使用Pb－Sb合金柵板充當(dāng)正極柵板的閥控式鉛酸電池充電的充電方法和充電裝置。以預(yù)定電流值進(jìn)行初步恒電流充電。在電池電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓Vc之后,初步恒電流充電仍持續(xù)一延長(zhǎng)時(shí)間t
文檔編號(hào)H02J7/00GK1268785SQ0010310
公開(kāi)日2000年10月4日 申請(qǐng)日期2000年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月15日
發(fā)明者根本圣治 申請(qǐng)人:日本電池株式會(huì)社