專利名稱：提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可充電電池的充電方法，尤其是一種采用復(fù)合正負(fù)脈沖電流充電、對(duì)頻繁深度放電使用目的的可充電電池、延長(zhǎng)可充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法。
可充電電池作為一種可移動(dòng)能源近年來(lái)在移動(dòng)通訊方面發(fā)展迅速。而電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)助力車(chē)的發(fā)展將提供一個(gè)更為廣闊電池市場(chǎng)，同時(shí)也對(duì)可充電電池提出了更高的要求。目前用于電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)助力車(chē)電池所需解決的主要問(wèn)題是提高電池的能量密度和循環(huán)使用壽命。目前可實(shí)際使用于電動(dòng)車(chē)和助動(dòng)車(chē)的電池主要是鉛酸電池和鎳氫電池。其他電池如鋰電池、鎳-鋅電池、鋅-空氣電池以及流動(dòng)式氧化-還原類電池尚處于試用階段。從電池性能，價(jià)格等因素考慮，閥控式密閉鉛酸電池仍是目前電動(dòng)車(chē)，助動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的主要產(chǎn)品。由于理論容量的限制，鉛酸電池體系的實(shí)際重量能量密度能接近達(dá)到50瓦時(shí)/公斤，體積能量密度能達(dá)到100瓦時(shí)/升即可以進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。雖然目前可用于這一目的已商品化的閥控式密閉鉛酸電池的能量密度大致上能滿足這一要求，然而這類電池的循環(huán)使用壽命，由在100％放電深度條件下僅為250次左右。雖然鎳-氫電池具有較高的能量密度，但是目前已商品化的鎳-氫電池在100％放電深度條件下，其循環(huán)壽命也僅為350次左右。因此提高可充電電池循環(huán)使用壽命已是開(kāi)發(fā)新的電池市場(chǎng)，特別是電動(dòng)車(chē)和助動(dòng)車(chē)電池市場(chǎng)所需要解決的主要問(wèn)題之一。過(guò)去的有關(guān)研究主要集中在電池材料，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等電池內(nèi)在性能的改進(jìn)與提高上，并沒(méi)有涉及到以從電-化學(xué)角度改進(jìn)充電技術(shù)去提高可充電電池的循環(huán)使用壽命。
而目前已有的充電方法包括定時(shí)-恒電流法(CC)，定壓法(CV)，并包括將上述方法進(jìn)行組合和優(yōu)化如CV/CC法(先恒壓然后恒流)或者是CC/CV/CC(恒流-恒壓-恒流)，或者是其他的分步充電法，以及脈沖充電法。這些方法存在如下的一些不足之處。
就閥控式鉛酸電池來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用于固定式備用電源情況下，正極板柵腐蝕、板柵增長(zhǎng)和失水(電解液干沽)是導(dǎo)致電池失效的主要原因。而在循環(huán)使用的情況下，電池初期容量是由正極所決定，但是到循環(huán)后期，電池失效的原因則是因?yàn)樨?fù)極容量的喪失和隔膜中形成的微短路(穿透隔膜)。使用已有的充電方法，經(jīng)歷大致50幾個(gè)循環(huán)，正極板上就有較大的硫酸鉛晶體形成。隨著充放電循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行，電極出現(xiàn)一些較大的孔洞和裂紋由此產(chǎn)生正極板活性物質(zhì)與板柵的脫離。負(fù)極板容量喪失則是因?yàn)樵跇O板上逐漸形成較大的凝集粒子團(tuán)，使電極的有效表面積喪失。而隔膜中造成微短路的微粒(枝)則是來(lái)自溶液中鉛離子的沉積(因?yàn)樵谏疃确烹娺^(guò)程中，因溶液中硫酸根離子大多轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U晶體，電解液密度降至最低。此時(shí)鉛離子最容易在隔膜的微孔中沉積)以及在負(fù)極板表面上形成的晶枝所致。在鉛酸電池內(nèi)，電極的實(shí)際表面積是由許多″巨孔″和″微孔″構(gòu)成。對(duì)″巨孔″來(lái)說(shuō)，溶液中所有的離子都可以自由移進(jìn)。而對(duì)于″微孔″只有離子半徑較小的離子可以自由移進(jìn)。負(fù)極金屬鉛電化學(xué)氧化為硫酸鉛，正極硫酸鉛電化學(xué)氧化為二氧化鉛的過(guò)程皆為″溶解→沉積″過(guò)程。而這一過(guò)程是由離子傳質(zhì)過(guò)程所決定。
因?yàn)橐延械某潆姺椒ㄔ陔姌O進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中易于形成較大的晶體粒子，而這類較大晶體隨著循環(huán)充-放電的進(jìn)行，使極板表面產(chǎn)生孔洞和裂紋，阻礙了極板上電流的分布和流通，降低了電極活性物質(zhì)利用率。而離子傳質(zhì)過(guò)程又限制了電極電化學(xué)反應(yīng)速度，降低了電池充電效率。
另外，已有的充電方法很難確定電池的充電狀態(tài)，尤其是對(duì)于頻繁循環(huán)使用的電池，很難確定電池的剩余容量，因此難以避免對(duì)電池的過(guò)充或欠充。而電池過(guò)充或欠充電不僅帶來(lái)使用不便，而且也對(duì)電池造成損害。循環(huán)使用的充電電池(鉛酸，鎳-隔，鎳-氫等)充電不足對(duì)電池造成的損害要比過(guò)充電對(duì)電池造成的損害嚴(yán)重的多。通常需要對(duì)電池充入額外多于5％~15％的前一次所放電容量，才能保證電池的完全充電。
對(duì)于深度放電循環(huán)使用的電池，早期最普遍使用的充電方法是定壓浮充法，它存在著充電效率低，充電時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法消除電池的″記憶效應(yīng)″等缺點(diǎn)。
近年來(lái)所公開(kāi)的改進(jìn)的充電方法有的采用了脈沖充電技術(shù)，其主要目的是提高充電效率、縮短充電時(shí)間以及消除電池的″記憶效應(yīng)″。這些改進(jìn)的充電方法雖然在充電效率及避免過(guò)充和欠充方面有所提高，但并沒(méi)有從電池的結(jié)構(gòu)、電極的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，尤其是從電池在循環(huán)使用下的失效機(jī)理考慮出發(fā)，利用充電技術(shù)來(lái)改進(jìn)電池的性能，更具體的，改進(jìn)電池的循環(huán)使用壽命。
本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，它能夠延長(zhǎng)可充電電池的循環(huán)使用壽命。
本發(fā)明的又一目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，它能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)定電池的充電狀態(tài)，選擇充電過(guò)程。
本發(fā)明的另一目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，采用這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品具有相對(duì)的通用性，通過(guò)改變存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，適應(yīng)于不同類型的電池充電。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，它充電電路包括電源電路接可控恒流源電路，可控恒流源電路接控制電路以及微處理器、D/A轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器和電壓電流檢測(cè)、溫度檢驗(yàn)等電路，充電過(guò)程包括充電、溫度測(cè)定、狀態(tài)檢測(cè)、補(bǔ)入額外電量以及停止充電等步驟，其中所述的充電過(guò)程采用復(fù)合正負(fù)脈沖電流對(duì)被充電電池充電，該復(fù)合正負(fù)脈沖為正向脈沖電流、負(fù)向脈沖電流以及時(shí)間長(zhǎng)度大于等于零的零電流時(shí)間間隔組成的電流脈沖串。
所述的電流脈沖串由一個(gè)正向脈沖或連續(xù)的多個(gè)正向脈沖電流組、一個(gè)負(fù)向脈沖或連續(xù)的多個(gè)負(fù)向脈沖電流組以及正向脈沖和負(fù)向脈沖電流之間或正向脈沖電流組與負(fù)向脈沖電流組之間間隔的零電流時(shí)間間隔組成。
所述的電流脈沖串由一個(gè)正向脈沖電流或多個(gè)正向脈沖電流組、一個(gè)負(fù)向脈沖電流或多個(gè)負(fù)向脈沖電流組以及隨后的零電流時(shí)間間隔組成。
所述的復(fù)合脈沖充電電流的正向電流值為被充電電池的一倍率的1至10倍，其脈沖寬度為0.1秒至3分鐘；復(fù)合脈沖電流的負(fù)向電流值為被充電電池的一倍率的0.1至10倍，其脈沖寬度為0.1毫秒至1分鐘；復(fù)合脈沖電流的零電流時(shí)間間隔為0至5分鐘。
所述的狀態(tài)檢測(cè)可為在零電流時(shí)間間隔測(cè)量充電電池開(kāi)路電壓的狀態(tài)。
所述的狀態(tài)檢測(cè)步驟后，根據(jù)充電量的大小調(diào)整給出不同參數(shù)的脈沖電流串，對(duì)充電電池充電。所述的充電過(guò)程之前包括存儲(chǔ)某類充電對(duì)象的電量與標(biāo)準(zhǔn)電壓關(guān)系參數(shù)步驟。
所述的充電過(guò)程電量計(jì)算可設(shè)定Tp為正向脈沖強(qiáng)度，即在單一脈沖波下的充電時(shí)間長(zhǎng)度，ΔQ為T(mén)p時(shí)間內(nèi)充入的電量(單位安培小時(shí))，則ΔQ＝μ×Ip×Tp(單位安培小時(shí))，總的充電量Q為Q＝∑ΔQ＝μ×∑Ip(i)×Tp(i)，其中i＝1，2...N對(duì)應(yīng)每一充電過(guò)程中的脈沖波序列；μ為充電效率。所述的充電過(guò)程后期包括電壓極值判定步驟，它采用在第i個(gè)零電流時(shí)間間隔To(i)時(shí)測(cè)試電池的端電壓Vbo(i)，當(dāng)連續(xù)的測(cè)量值滿足Vbo(i)＞Vbo(i-1)，且Vbo(i)≥Vbo(i+1)≥Vbo(i+2)...(差值為毫伏級(jí))時(shí)，Vbo(i)被判定為極值，令此時(shí)的Vbo(i)＝Vbmax。
其中，i為進(jìn)入充電過(guò)程的第i個(gè)脈沖波(i＝1，2，3...)測(cè)定達(dá)到極值后，再進(jìn)行而外補(bǔ)入電量。
所述的額外補(bǔ)入電量可為電池容量的1％-3％。
本發(fā)明適用于可充電電池(包括閥控式密閉鉛酸電池，敞口流動(dòng)液式鉛酸電池，鎳-氫電池，鋰電池，鎳-鋅電池，鋅-空氣以及流動(dòng)式氧化-還原類電池)，能夠大幅度地提高可充電電池在深度放電循環(huán)使用條件下的使用壽命，同時(shí)提高充電效率、消除”記憶效應(yīng)”、縮短充電時(shí)間。其充電技術(shù)采用復(fù)合脈沖電流對(duì)被充電電池進(jìn)行充電。復(fù)合脈沖電流由正向脈沖電流、負(fù)向脈沖電流和零電流時(shí)間間隔組成。所以在充電初期利用強(qiáng)脈沖電流在電極上產(chǎn)生盡可能多的晶核，以利于微小晶粒均勻生長(zhǎng)，避免大的、尺寸不規(guī)則晶粒的產(chǎn)生。由此避免了電極在深度循環(huán)過(guò)程中表面孔洞和裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)也避免了電極表面粒子的凝集，以保證有效的電極表面積。當(dāng)正向脈沖波結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)為負(fù)向脈沖，以消除電極表面極化及溶液中濃差極化。在零電流時(shí)間間隔期間對(duì)電池充電狀態(tài)進(jìn)行采樣，將采樣數(shù)據(jù)與儲(chǔ)存于微處理器和存儲(chǔ)器中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，確定下一步充電模式。當(dāng)被充電電池處于半充滿和接近充滿狀態(tài)時(shí)，改變復(fù)合脈沖電流的參數(shù)，保證充電完全并避免電池溢氣和負(fù)極表面上晶枝的形成。
下面結(jié)合附圖和具體事實(shí)方案對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為本發(fā)明的一種典型復(fù)合脈沖波形圖。
圖2為本發(fā)明的另一種典型復(fù)合脈沖波形圖。
圖3為本發(fā)明的再一種典型復(fù)合脈沖波形圖。
圖4為本發(fā)明的電池電容量與電池端電壓的關(guān)系圖。
圖5A為采用傳統(tǒng)的恒流法定時(shí)法對(duì)閥控式密閉鉛酸電池正極板柵表面電子掃描電鏡5B為采用本發(fā)明的方法對(duì)閥控式密閉鉛酸電池正極板柵表面電子掃描電鏡圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)例三中傳統(tǒng)充電方法與復(fù)合脈沖法在鎳-氫電池循環(huán)壽命測(cè)試對(duì)比結(jié)果圖。
圖7A為采用傳統(tǒng)恒流充電法測(cè)試結(jié)束后，鎳-氫電池(340次循環(huán))正電極表面電子掃描電鏡圖。
圖7B為采用本發(fā)明方法測(cè)試結(jié)束后，鎳-氫電池(700次循環(huán))正電極表面電子掃描電鏡圖。
圖8為本發(fā)明的電路構(gòu)成方框圖。
圖9為本發(fā)明轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)部分電路原理圖。
根據(jù)本發(fā)明，可充電電池循環(huán)壽命的改進(jìn)在于新的充電技術(shù)能夠抑制導(dǎo)致電池在深度放電循環(huán)使用條件下的失效因素，從而能夠大幅度地提高電池的循環(huán)使用壽命，同時(shí)保護(hù)電池不受過(guò)充電、欠充電造成的損壞。該新技術(shù)同時(shí)具有提高充電效率，縮短充電時(shí)間，并消除電池的″記憶效應(yīng)″的功能。
本發(fā)明采用可控恒流源及相關(guān)的電路(該電路為一般現(xiàn)有技術(shù)人員依據(jù)本發(fā)明所揭示的方法理論和思路，均可實(shí)施，詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)下面)以產(chǎn)生復(fù)合脈沖電流對(duì)可充電電池進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中采用電池端電壓測(cè)量法對(duì)被充電電池進(jìn)行電池狀態(tài)檢測(cè)。根據(jù)所檢測(cè)的狀態(tài)，將充電過(guò)程分為三個(gè)過(guò)程充電初期--過(guò)程I、充電中期--過(guò)程II和充電后期--過(guò)程III，在充電過(guò)程中檢測(cè)電池狀態(tài)，對(duì)應(yīng)檢測(cè)狀態(tài)本實(shí)施例將脈沖分為三種不同參數(shù)的脈沖串，提供存儲(chǔ)不同類電池的控制參數(shù)，同時(shí)用充電量計(jì)算法和極值法控制被充電電池的充電量及判定充電的結(jié)束，并且利用溫度傳感元件為防護(hù)被充電電池在充電過(guò)程中溫升過(guò)高而損壞，采用電池過(guò)溫保護(hù)方法。
參見(jiàn)圖1，為本發(fā)明的一種復(fù)合電流脈沖電流波形圖。(圖2、3為本發(fā)明的另外兩種脈沖序列，其充電原理與效果與圖1所示的一致)。本發(fā)明對(duì)電池的充電是通過(guò)一系列復(fù)合正負(fù)脈沖電流來(lái)進(jìn)行，在不同的充電狀態(tài)下采用不同參數(shù)的復(fù)合脈沖波形。復(fù)合脈沖電流由可控恒流源提供電流電源，在充電電路(包括轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān))的控制下形成。每一復(fù)合脈沖波的構(gòu)成是由正向脈沖(正脈沖電流為Ip，脈沖寬度為T(mén)p)+負(fù)向脈沖(負(fù)脈沖電流為Id，脈沖寬度為T(mén)d)+零電流時(shí)間間隔(電流強(qiáng)度為0，時(shí)間長(zhǎng)度為T(mén)o)。其中負(fù)向脈沖的功能之一是起去極化作用。
在充電初期(以下稱過(guò)程I)，利用高強(qiáng)度的正向脈沖電流產(chǎn)生盡可能多的小晶核以避免大晶體產(chǎn)生，所設(shè)計(jì)的零電流時(shí)間間隔和附加的負(fù)向脈沖有利于電極電化學(xué)反應(yīng)中本體溶液中及微孔中的離子遷移并起到電極去極化作用。由于抑制了電極本身的極化和溶液的濃差極化，電池可以接受較大的充電電流而不至過(guò)熱。在充電的中期(以下稱過(guò)程II)和后期(以下稱過(guò)程III)，隨著電池充電量的上升，按電池的狀態(tài)改變充電電流的脈沖的參數(shù)，可以保證充電完全并避免電池溢氣和負(fù)極表面上晶枝的形成。
圖中Ip為正向脈沖電流值。其取值的范圍為Ip＝N×IC，IC為被充電池的一倍率電流值(單位安培)，N＝1~10其中過(guò)程I中N＝2~10過(guò)程II中N＝1~10過(guò)程III中N＝1~5Id為負(fù)向脈沖電流值。其取值的范圍為Id＝M×IC。IC為予充電池的一倍率電流值(單位安培)，M＝0.1~10其中過(guò)程I中M＝0.5~10過(guò)程II中M＝0.2~10過(guò)程III中M＝0.1~5
Tp為正向脈沖寬度。其取值的范圍為T(mén)p＝0.1秒~3分鐘，其中過(guò)程I中Tp＝0.1秒~3分鐘過(guò)程II中Tp＝0.1秒~1分鐘過(guò)程III中Tp＝0.1秒~30秒Td為負(fù)向脈沖寬度。其取值的范圍為T(mén)d＝0.1毫秒~1分鐘。
其中過(guò)程I中Td＝1毫秒~1分鐘過(guò)程II中Td＝0.5毫秒~20秒過(guò)程III中Td＝0.1毫秒~10秒To為零電流時(shí)間間隔，即零電流時(shí)間長(zhǎng)度。其取值的范圍為T(mén)o＝0~5分鐘。
對(duì)不同類型的電池，可在上述范圍內(nèi)選擇最優(yōu)值。
在充電過(guò)程中，為不斷地精確得到電池的充電電量，其計(jì)算充電量可采用如下計(jì)算法設(shè)Tp為正向脈沖強(qiáng)度，即在單一脈沖波下的充電時(shí)間長(zhǎng)度，ΔQ為T(mén)p時(shí)間內(nèi)充入的電量(單位安培小時(shí))，則ΔQ＝μ×Ip×Tp(單位安培小時(shí))。
總的充電量Q為Q＝∑ΔQ＝μ×∑Ip(i)×Tp(i)，其中i＝1，2，3...，對(duì)應(yīng)每一充電過(guò)程中的脈沖波序列；μ為充電效率，本發(fā)明方法的充電效率達(dá)95％以上，μ可取0.95~1。一般，在充電過(guò)程I中，μ可取0.99~1，在充電過(guò)程II中，μ可取0.97~1，在充電過(guò)程III中，μ可取0.95~1。
對(duì)于電池端電壓測(cè)量法、電池充電狀態(tài)、充電過(guò)程的判定在本發(fā)明中采用充電過(guò)程中的電池端電壓測(cè)量法來(lái)判定被充電電池的充電狀態(tài)，以被充電電池的當(dāng)前充電狀態(tài)來(lái)確定下一步的充電過(guò)程，即進(jìn)行充電過(guò)程(I)，還是充電過(guò)程(II)或是充電過(guò)程(III)。本發(fā)明采用的電池端電壓測(cè)量具體方法為在充電過(guò)程的零電流時(shí)間間隔期間，電池經(jīng)過(guò)瞬間去極化后處于開(kāi)路狀態(tài)。在此狀態(tài)下測(cè)定被充電池的(開(kāi)路)端電壓，可以準(zhǔn)確地判定電池的充電狀態(tài)。
為描述方便，以下設(shè)Vbo為被充電池兩端在零電流時(shí)間間隔的實(shí)際測(cè)試電壓(即電池的開(kāi)路電壓)。
V1為被充電池具有20％充電量的判定電壓。
V2為被充電池具有90％充電量的判定電壓。
本發(fā)明具有相對(duì)通用性體現(xiàn)在對(duì)任意給定的某一類電池，V1、V2是所存儲(chǔ)的該類電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其充電曲線見(jiàn)圖2。在存儲(chǔ)前要取得V1、V2的數(shù)據(jù)，首先利用傳統(tǒng)的恒流定時(shí)法對(duì)電池進(jìn)行一次完全充-放電實(shí)驗(yàn)(參考SAEI537標(biāo)準(zhǔn)，IEC標(biāo)準(zhǔn))，確保電池達(dá)到100％放電。
本發(fā)明的電池容量與端電壓關(guān)系曲線的測(cè)定可利用本發(fā)明充電方法或其它可控制充電電量的充電方法對(duì)電池進(jìn)行充電，在充電的同時(shí)計(jì)算充電量，當(dāng)充電量達(dá)到被充電電池額定容量的20％時(shí)，實(shí)測(cè)的Vbo為V1，當(dāng)充電量達(dá)到被充電電池額定容量的90％時(shí)，實(shí)測(cè)的Vbo為V2。實(shí)際測(cè)量得到的V1、V2做為該類電池的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)電壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于微處理器(或存儲(chǔ)器)中。
具體對(duì)24安時(shí)/12伏密閉閥控式鉛酸電池確定其V1、V2值的示例。先按上述放電過(guò)程對(duì)該電池進(jìn)行一次完全充電和完全放電。然后用復(fù)合脈沖電流對(duì)其充電。其中復(fù)合脈沖參數(shù)定為Ip＝120(安培)，Id＝120(安培)，Tp＝3秒，Td＝3毫秒，To＝1毫秒。
在充電過(guò)程中測(cè)量和記錄充入的電量和相應(yīng)電池電壓Vbo。根據(jù)上述充電量的計(jì)算方法，電池充入的容量與電池端電壓的關(guān)系圖為圖2當(dāng)∑Q＝4.8(安培小時(shí))，即充入20％的容量時(shí)，記錄的端電壓值為V1值(實(shí)測(cè)V1＝11.80伏)，當(dāng)∑Q＝21.6(安培小時(shí))，即充入90％的標(biāo)稱容量時(shí)，記錄的端電壓值為V2值(實(shí)測(cè)V2＝12.70伏)。
圖2中所得V1、V2即為對(duì)該類(24安時(shí)/12伏)電池的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。對(duì)不同類型的可充電電池，需要預(yù)先通過(guò)類似上述步驟給出如圖2所示的充電曲線或數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的充電過(guò)程I，充電過(guò)程II和充電過(guò)程III的選擇是在被充電電池充電期間，用上述電池端電壓測(cè)量法測(cè)量電池端電壓Vbo。
1)、當(dāng)Vbo＜V1時(shí)，判定電池剩余容量＜20％(相對(duì)電池容量)。充電控制進(jìn)入充電過(guò)程I；2)、當(dāng)V1≤Vbo＜V2時(shí)，判定電池處于半充滿狀態(tài)，剩余容量在20％~90％之間，充電控制進(jìn)入充電過(guò)程II；3)、Vbo≥V2時(shí)，判定電池處于接近或達(dá)到充滿狀態(tài)，充電控制進(jìn)入充電過(guò)程III。
當(dāng)充電快結(jié)束時(shí)，采用本發(fā)明的極值判定法確定最終充電量。在用恒流源充電或脈沖恒流源充電時(shí)，被充電電池的電壓隨充電初期和中期是隨充電時(shí)間而升高，當(dāng)進(jìn)入充電后期，電池端電壓升至一定值(最高值)后，電壓反而下降。該極值的大小與電池的溫度和充電電流的大小有關(guān)。該極值點(diǎn)表明電池已達(dá)到100％充電狀態(tài)。對(duì)于充電過(guò)程中端電壓極值的判定
當(dāng)Vbo≥V2時(shí)，電池處于接近充滿或充滿狀態(tài)，充電控制進(jìn)入充電過(guò)程III。此時(shí)開(kāi)始極值點(diǎn)的判定，設(shè)極值點(diǎn)電壓為Vbmax。
在第i個(gè)零電流時(shí)間間隔To(i)時(shí)測(cè)試Vbo(i)，當(dāng)連續(xù)的測(cè)量值滿足Vbo(i)＞Vbo(i-1)，且Vbo(i)≥Vbo(i+1)≥Vbo(i+2)...(差值為毫伏級(jí))時(shí)，Vbo(i)被判定為極值，令此時(shí)的Vbo(i)＝Vbmax。
其中，i為進(jìn)入充電過(guò)程III后的第i個(gè)脈沖波(i＝1，2，3...)。一般，連續(xù)測(cè)試4-10次，差值為0-30毫伏時(shí)判定Vbo(i)＝Vbmax。
這時(shí)充電將中止，而中止前需要額外補(bǔ)充一定電量。以往的充電技術(shù)要求充入額外5％~15％被充電電池額定容量的電量以確保電池的完全充滿。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)充入額外1％~3％的容量時(shí)可以保證電池壽命最佳。本發(fā)明的充電中止的確定方法為在充電過(guò)程中，當(dāng)電池端電壓的極值點(diǎn)Vbmax出現(xiàn)后，按充電過(guò)程III的充電參數(shù)控制繼續(xù)充入電池額定容量的1％~3％后充電中止，其充電量按上述的電量計(jì)算法控制。
因?yàn)殡姵爻潆姷碾娀瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程是吸熱過(guò)程(鎳-鎘，鎳-氫，鉛-酸)，所以在充電初期即使用大的充電電流在較短的時(shí)間內(nèi)不會(huì)使電池的溫度升高。但是當(dāng)電池進(jìn)入充電末期會(huì)有氣體產(chǎn)生并有氣體復(fù)合反應(yīng)發(fā)生時(shí)(對(duì)密閉式電池來(lái)說(shuō))電池內(nèi)部的溫度將會(huì)迅速升高。通過(guò)放置于電池外殼上、與電池外殼接觸的熱敏器件進(jìn)行溫度檢測(cè)，當(dāng)充電電池的溫度超過(guò)設(shè)定極限溫度時(shí)，充電裝置暫停充電直至電池溫度低于設(shè)定值，從而避免因電池過(guò)熱對(duì)電池壽命造成損害。電池溫升的極限值參照電池生產(chǎn)廠給出的技術(shù)參數(shù)確定，一般為55℃(室溫25℃)。這些技術(shù)可與現(xiàn)有的一致。
采用本發(fā)明的效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)如下實(shí)例一、傳統(tǒng)恒流(CC)法與本發(fā)明的復(fù)合脈沖法在閥控式密閉鉛酸電池正極板柵對(duì)比結(jié)果其中電極為鉛-鈣-錫-鋁板柵合金，電極表面覆蓋PbO2，對(duì)電極為金屬鉛，電解液為比重1.28硫酸溶液。
傳統(tǒng)恒流(CC)法電池充滿的充電時(shí)間為8小時(shí)。
本發(fā)明的復(fù)合脈沖法電池充滿的充電時(shí)間為1.5小時(shí)。
電極表面檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)電子掃描電鏡圖5A和5B。傳統(tǒng)恒流法在電極表面產(chǎn)生較大的，尺寸不規(guī)則的晶體，而復(fù)合脈沖法在電極表面產(chǎn)生尺寸較小而且均勻的晶體。集汽結(jié)果表明，本發(fā)明的復(fù)合脈沖法收集汽體的體積不到傳統(tǒng)恒流法的1/60.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，充電復(fù)合脈沖法相對(duì)于傳統(tǒng)恒流法可以在電極表明產(chǎn)生尺寸小而且均勻的晶體。因此，抑制了大的晶體生成，進(jìn)而避免或抑制了導(dǎo)致電池在循環(huán)使用過(guò)程中失效的不利因素發(fā)生，同時(shí)顯著地抑制了氣體的產(chǎn)生。
實(shí)例二、傳統(tǒng)充電方法與本復(fù)合脈沖法在閥控式密閉鉛酸電池循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果對(duì)比測(cè)試電池為24安時(shí)/12伏密閉閥控式鉛酸電池。
1、傳統(tǒng)充電方法恒流定時(shí)法，充電電流＝2.4(安培)，充電時(shí)間＝11.2(小時(shí))，放電電流＝2.4(安培)，放電截止電壓＝9.60(伏)2、采用本復(fù)合脈沖法對(duì)電池充電。放電方法同上。
3、結(jié)果見(jiàn)表1。
表1
實(shí)例三、傳統(tǒng)充電方法與本復(fù)合脈沖法在鎳-氫電池循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果對(duì)比表2
圖6為實(shí)例3測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)圖。圖7A為傳統(tǒng)充電法測(cè)試(340次循環(huán))結(jié)束后電池正電極表面電子掃描電鏡圖，圖7B為本發(fā)明方法測(cè)試(700次循環(huán))結(jié)束后電池正電極表面電子掃描電鏡圖。因此可明顯比較出本發(fā)明的方法對(duì)電池的電極表面的損壞遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的充電方法，所以大大延長(zhǎng)了電池的循環(huán)使用壽命。
參見(jiàn)圖7、8，對(duì)于本發(fā)明的電路構(gòu)成，其中電源電路，提供充電裝置及充電所要求的電源；可控恒流源，通過(guò)接受微處理器和控制電路(包含D/A轉(zhuǎn)換)的控制信號(hào)給出向被充電電池充電的電流，其輸出電流可控；微處理器及存儲(chǔ)器，用以存儲(chǔ)電池的參數(shù)(包括電池種類、標(biāo)稱容量、上述的標(biāo)準(zhǔn)電壓值V1、V2及極限溫度)和充電過(guò)程的控制參數(shù)，并給出控制整個(gè)充電過(guò)程的指令和脈沖波形；控制電路將微處理器輸入/輸出電平與恒流源、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電路進(jìn)行電壓、電流匹配。為產(chǎn)生復(fù)合正負(fù)脈沖，增加的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路受微處理器和控制電路控制(包含D/A轉(zhuǎn)換)，依據(jù)設(shè)定的脈沖波形參數(shù)，接通和斷開(kāi)恒流源與被充電電池之間的聯(lián)接，轉(zhuǎn)換恒流源與被充電電池之間的聯(lián)接極性。即，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)執(zhí)行充電電流的正向、負(fù)向切換(實(shí)現(xiàn)正向脈沖充電和負(fù)向脈沖充電)和斷開(kāi)充電電流(實(shí)現(xiàn)零電流時(shí)間間隔)；電池溫度檢測(cè)電路，用以檢測(cè)電池在充電過(guò)程中的溫升；電壓和充電電流的檢測(cè)電路，用來(lái)檢測(cè)充電電流和檢測(cè)充電過(guò)程中電池的狀態(tài)(電壓)。對(duì)應(yīng)某一類型的可充電電池，預(yù)先采用本發(fā)明中的端電壓測(cè)量法測(cè)出V1和V2；將V1、V2、被充電電池的額定容量、極限溫度和本發(fā)明的復(fù)合正負(fù)脈沖參數(shù)輸入至存儲(chǔ)器中；用充電過(guò)程I的參數(shù)產(chǎn)生復(fù)合脈沖電流對(duì)電池進(jìn)行充電；同時(shí)在零電流時(shí)間間隔檢測(cè)被充電電池的端開(kāi)路電壓Vbo當(dāng)Vbo＜V1時(shí)，維持充電過(guò)程I；當(dāng)V1≤Vbo≤V2時(shí)，進(jìn)入充電過(guò)程II；當(dāng)Vbo＞V2時(shí)，進(jìn)入充電過(guò)程III；在充電過(guò)程III中，不斷測(cè)試Vbo以判定極值點(diǎn)Vbmax；當(dāng)判定極值點(diǎn)Vbmax出現(xiàn)后，再按在充電過(guò)程III的復(fù)合正負(fù)脈沖電流充入被充電電池額定容量的1％~3％；然后結(jié)束充電；在充電過(guò)程中，不斷檢測(cè)被充電電池的溫升，當(dāng)溫升超過(guò)預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，暫時(shí)停止充電，至溫度下降后再繼續(xù)充電。
權(quán)利要求
1.一種提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，它充電電路包括電源電路接可控恒流源電路，可控恒流源電路接控制電路以及微處理器、D/A轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器和電壓電流檢測(cè)、溫度檢驗(yàn)等電路，充電過(guò)程包括充電、溫度測(cè)定、狀態(tài)檢測(cè)、補(bǔ)入額外電量以及停止充電等步驟，其特征在于所述的充電過(guò)程采用復(fù)合正負(fù)脈沖電流對(duì)被充電電池充電，該復(fù)合正負(fù)脈沖為正向脈沖電流、負(fù)向脈沖電流以及時(shí)間長(zhǎng)度大于等于零的零電流時(shí)間間隔組成的電流脈沖串。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的電流脈沖串由一個(gè)正向脈沖或連續(xù)的多個(gè)正向脈沖電流組、一個(gè)負(fù)向脈沖或連續(xù)的多個(gè)負(fù)向脈沖電流組以及正向脈沖和負(fù)向脈沖電流之間或正向脈沖電流組與負(fù)向脈沖電流組之間間隔的零電流時(shí)間間隔組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的電流脈沖串由一個(gè)正向脈沖電流或連續(xù)的多個(gè)正向脈沖電流組、一個(gè)負(fù)向脈沖電流或連續(xù)多個(gè)負(fù)向脈沖電流組以及隨后的零電流時(shí)間間隔組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的復(fù)合脈沖充電電流的正向電流值為被充電電池的一倍率的1至10倍，其脈沖寬度為0.1秒至3分鐘；復(fù)合脈沖電流的負(fù)向電流值為被充電電池的一倍率的0.1至10倍，其脈沖寬度為0.1毫秒至1分鐘；復(fù)合脈沖電流的零電流時(shí)間間隔為0至5分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的狀態(tài)檢測(cè)為在零電流時(shí)間間隔測(cè)量充電電池開(kāi)路電壓的狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的狀態(tài)檢測(cè)步驟后，根據(jù)充電量的大小調(diào)整給出不同參數(shù)的脈沖電流串，對(duì)充電電池充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的充電過(guò)程之前包括存儲(chǔ)某類充電對(duì)象的電量與標(biāo)準(zhǔn)電壓關(guān)系參數(shù)步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的充電過(guò)程電量計(jì)算可設(shè)定Tp為正向脈沖強(qiáng)度，即在單一脈沖波下的充電時(shí)間長(zhǎng)度，ΔQ為T(mén)p時(shí)間內(nèi)充入的電量(單位安培小時(shí))，則ΔQ＝μ×Ip×Tp(單位安培小時(shí))，總的充電量Q為Q＝∑ΔQ＝μ×∑Ip(i)×Tp(i)，其中i＝1，2...N對(duì)應(yīng)每一充電過(guò)程中的脈沖波序列；μ為充電效率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的充電過(guò)程后期包括電壓極值判定步驟，它采用在第i個(gè)零電流時(shí)間間隔To(i)時(shí)測(cè)試電池的端電壓Vbo(i)，當(dāng)連續(xù)的測(cè)量值滿足Vbo(i)＞Vbo(i-1)，且Vbo(i)≥Vbo(i+1)≥Vbo(i+2)...(差值為毫伏級(jí))時(shí)，Vbo(i)被判定為極值，令此時(shí)的Vbo(i)＝Vbmax。其中，i為進(jìn)入充電過(guò)程的第i個(gè)脈沖波(i＝1，2，3...)測(cè)定達(dá)到極值后，再進(jìn)行而外補(bǔ)入電量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法，其特征在于所述的額外補(bǔ)入電量可為電池容量的1％-3％。
全文摘要
一種提高充電電池循環(huán)使用壽命的充電方法,它充電電路包括電源電路接可控恒流源電路、微處理器、存儲(chǔ)器和電壓電流檢測(cè)、溫度檢驗(yàn)等電路,充電過(guò)程包括充電、溫度測(cè)定、狀態(tài)檢測(cè)、補(bǔ)入額外電量以及停止充電等步驟,其中所述的充電過(guò)程采用復(fù)合正負(fù)脈沖電流對(duì)被充電電池充電,該復(fù)合正負(fù)脈沖為正向脈沖電流、負(fù)向脈沖電流以及時(shí)間長(zhǎng)度大于等于零的零電流時(shí)間間隔組成的電流脈沖串。本發(fā)明它能夠延長(zhǎng)可充電電池的循環(huán)使用壽命,并且它能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)定電池的充電狀態(tài),選擇充電過(guò)程。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1251953SQ9812066
公開(kāi)日2000年5月3日 申請(qǐng)日期1998年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者鐘陽(yáng) 申請(qǐng)人:鐘陽(yáng)