鎳—鎘電池的充電方法及實現這種方法的電路結構的製作方法
2023-04-29 07:59:56
專利名稱:鎳—鎘電池的充電方法及實現這種方法的電路結構的製作方法
本發明是關於一種鎳-鎘(Ni-Cd)電池充電的方法，其中蓄電池是在充電周期和放電周期重複交替的過程中進行充電的，每一個充電周期具有一個預定的時間，而每一個放電周期具有一個較短的時間。本發明還關係到實現這種方法所採用的電路結構。
在匈牙利專利No，189，832中詳細地闡述了有關鎳-鎘電池充電的問題。在這一專利中已經指出，電池的無負荷電壓在相當大的程度上與電池中的蓄電量沒有什麼關係，在相應的數值之間存在著很大變化，因此，在放電周期延遲一定時間後從測試點測得的電壓值達到預定值時，充電過程即可完成。電池中蓄電量的測量實在可以依賴這種測試，因為在一定量的放電(用蓄電程度來確定)以後測得的電壓波動要比無負荷電池電壓小得多。
在這個大家知道的專利中，充電過程和放電過程都是在恆定電流下進行的，並且充電電流的強度約等於電池蓄電能力(以安培/小時計)的十分之一，而放電電流還要小些。
上述專利中的圖2表示在充電過程中測試點的電壓值只以很小的陡度增加，因此，用這個電壓與基準值相比較來確定充電過程的結束時間將帶來很大程度的誤差。
與上面講的充電問題無關，在使用鎳-鎘電池時還有一個缺點，這就是既使在正常操作使用的條件下這種蓄電池也容易出現短路現象。短路的電池是無法再修復的，由於這種電池價格高，所以這將帶來大的損失。
在使用中，鎳-鎘電池的蓄電量開始減小。在開始階段，這種減小過程較為緩慢，但隨著時間的推移，這一過程將迅速加快，如果電池長時間不用，那麼這種減小過程會更快些。在有些用途中，蓄電量減小了的電池就不能再用了，以致這些電池只能被處理掉。
本發明的主要目的就是要提供一種方法用於鎳-鎘電池，這種方法既可減小短路的危險，同時又可以使電池蓄電量的減小速度低於一般數值，這種方法能夠使短路的電池再生，或者使蓄電量減小了的電池得到一定程度的恢復，在這種方法中，充電過程更為有效，並且與電池各參數的某些變化的關係不那麼密切。
本發明是基於對電池使用中各種現象之間的功能關係的認識和利用，以及充電對這些現象所產生的作用。在充電過程中，電極表面上及其附近形成離子區的不均勻分布，其中金屬原子被吸收，密度很大，金屬粗大晶粒沉積在電極上，而這種沉積金屬是與金屬離子不同的。在電池使用過程中，在這種沉積附近的電流密度要發生變化，這樣首先會減小電池的蓄電量，並且隨著沉積的不斷增加，就會在電極之間引起短路現象。
已經認識到，在用直流充電周期和放電周期重複交替進行鎳-鎘電池充電的時候，如果在相應的直流電上疊加上急變的電流脈衝，脈衝的方向與直流電一致而其強度超過相應的預定值。那麼，由於這種重複交替的電流脈衝的作用，經過一定時間以後電極的表面分布將會發生變化，上述沉積的面積將會開始減小，電極表面將逐漸變得均勻些。
這種作用可能是由於以下的事實緊挨著金屬沉積(在某種情況下還在短路的地方)處，電流密度將接近電流密度的彌散極限(diffusion limit)，從而形成一個高的彌散勢。急變的交替脈衝將會在晶粒的附近，使電解液強烈攪動，以致使晶粒在電解液中的溶解度增大。沉積物的部分溶解可以使已經出現的短路斷開，從而使蓄電池能以再次恢復功能。
另外也已認識到，周期性重複的電流脈衝，在電池的整個充電過程中都可以加以利用，這對於新蓄電池的充電也有好的作用。這個可以這樣來解釋由這種脈衝在電解液中所產生的離子陣面有一種推力，它可以使這種離子移動並且變成導體，否則它將保持不活動性，因為在一般直流充電的情況下會存在部分的勢能平衡。上述這種離子移動就會在亥姆霍茲(Heimholz)區，使電極表面得到較高的離子活動性，這就改善了充電的效率，減少充電所需要的時間，而後面這一點又意味著能源的顯著節約。
電解液內強烈移動將會阻止局部離子中心的形成，(過去認為這種現象是不可避免的)從而可以防止電池蓄電能力的減小和出現短路的危險。這些特點將大大地延長電池的使用壽命，並增加其可靠性。
在使用本發明的方法正常充電的電池的電極表面上，將會形成大量的細小晶粒，具有很細的組織，電化學性能均勻並且活動性好，從而可以使活性的表面有所增加。這種增加可使電池的蓄電能力提高8～13%。
按照本發明的方法在直流電上疊加的脈衝最好是與相應的充電周期和放電周期的開始點相同步，以便在這種開始時刻得到一個電流跳躍，這一跳躍至少要比一般十分之一蓄電量值高大約7～7.5倍。此外，除了這種開始的脈衝以外，也可以使用其他補充的脈衝。
為了使兩個電極上都出現同樣的現象，所選用的脈衝強度應該能在開始時刻(電流跳躍時)所引起的電流變化，在電流的兩個方向都是一樣的。在相應的周期內所產生的脈衝的能量可以在大約3～5mWs(毫瓦)範圍內調節，並且按照這個能量，脈衝的時間可以根據每一實際的電流值來確定。在充電周期內的直流電分量大小最好是小於上述蓄電量十分之一的3倍，不過，在這個上限範圍以內，這個分量最好是取較大的數值。對於某些型號的蓄電池來說，長時間地使用高於這一極限數值的充電直流電分量，對於電池是有害的。在放電周期內，放電的直流電分量應該選在充電電流分量的大約1/3～1/2之間。
充電過程的結束時間最好是按測量電壓的辦法來確定，最好是在放電周期開始後延遲大約5秒鐘的位置上進行電壓的測量。比如，當測得電壓達到1.41V(對於相應的電池來說)，充電過程就可結束了。
本發明的充電方法中伴隨有一個很有趣的現象，這就是在充電過程中測得的電壓值是慢慢地增加著，而在完全充電狀態達到以前，電壓突然開始迅速增加。這種電壓的突然增加可以顯著地提高電壓比較的精確性，從而可使電池得以穩定地充電，而不會出現過充電的危險。
實現本發明的充電方法所用的電路包括-一個充電電路及一個相似設計的放電電路，充電電路包括一個電流發生器與蓄電池相連接，還有一個受控的電流發生器用來產生急變的電流脈衝，這個受控電流發生器與電流發生器是並聯的，上述電路上配有相應的開始輸入端和停止輸入端，在這裡，由一個單獨受控電流發生器就可以實現這兩個並聯的電流發生器。
-一個計時器，最好是用一個脈衝發生器，用來確定充電周期和放電周期。
-控制開關與計時器的輸出端相連接，並與充電電路和放電電路的開始輸入端和停止輸入端相連接。
-一個電壓檢測器，用來檢測蓄電池放電周期預定延遲後的電壓和以後開始各周期的電壓;並用來比較檢測電壓與預定電壓值，及有關的蓄電池充電狀態。
-一個由比較結果控制的斷路器，如檢測電壓超過其值，關閉充電和放電過程。
按照本發明設計的方法和電路，將由以下的實施例說明，其中的附圖如下圖1電流與時間圖，表示根據本發明的兩個完整周期。
圖2為600倍放大圖，表示由直流常規充電第22周期後，蓄電池電極的細微表面。
圖3與圖2相似，表示按本發明的方法，對類似的蓄電池充電，也是第22周期後的電極表面。
圖4為電壓與時間的曲線圖，說明兩個以前短路蓄電池的「恢復」。
圖5為電壓與時間的曲線圖，說明已使用9年以上蓄電池蓄電能力的「恢復」。
圖6為兩個已放電的蓄電池的充電圖，其中一個按本發明方式充電，而另一個用常規方式充電。
圖7為三個不同充電蓄電池的充電圖。
圖8為按本發明電路結構的方框圖。
在使用本發明的方法時，鎳-鎘電池是在充電周期和放電周期交替變化的情況下進行充電的。在圖1所示的例子中，每一個充電周期10要延續1分鐘，接著是10秒鐘的放電周期。而在採用匈牙利專利No.189，832所推薦的充電方法時，所使用的充電電流和放電電流各自恆定而有所不同，從圖1上可以看出，在每一個充電周期10開始時有一個強大而短促的啟始脈衝12，而當每一個放電周期11開始時又有一個方向相反的類似的放電脈衝13，在這以後的相應周期中，電流基本上保持恆定。
圖1中的相對的電流值是以電池蓄電能力(以安培/小時計)的比例來表示的。在充電周期10內的恆定的充電電流It＝2.5·I10，而在放電周期11內，恆定的放電電流IK＝I10，這裡I10表示與電池蓄電能力(以安培/小時計)十分之一相當的電流值。充電脈衝12是在零軸線以上，高出7.5·I10，也就是要比恆定充電電流It＝2.5·I10高出一個5·I10值。在放電周期11內，放電脈衝13等於-6·I10，要比恆定放電電流IK跳回一個5·I10值。
從圖上還可以看到，每一個充電脈衝12和放電脈衝13的端邊的絕對值，即整個跳值達到了8.5·I10。疊加在恆定電流上的脈衝的功率約為3～5毫瓦。從這裡就可以得出，當電池的蓄電能力為500毫安/小時(mAh)時，充電脈衝12和放電脈衝13的時間約為1.5毫秒(ms)，這個時間要比相應的整個周期時間短得多。在放電周期11的中間部分確定一個測試點ts，整個充電過程就是按照在各個測試點ts上測得的電池電壓Um來進行控制的。
實施例1本發明充電方式的效果，可以觀察四片VARTA型10/600RSE新蓄電池的電極表面分布。按操作人員推薦的直流對兩個蓄電池充電，而另兩個蓄電池用圖1所示的電流充電。當蓄電池電壓達到Um＝1.41V時停止充電。當每個蓄電池充電周期完成後，在外面放置二小時，然後開始用I10電流放電，直到電池電壓降至9V。在第二十二次全過程完成，拆卸蓄電池。圖2為放大了600倍用常規直流充電電池電極上1平方毫米部分。圖3為類似的電池按本發明充電的另一個電極。這兩個電極表面的特點絕然不同。圖2中電極表面隆起了若干個小島，小島附近參差不平，並很粗糙。圖3電極表面均勻分布著細小顆粒，有一種柔軟可見的印象。
實施例2由於蓄電池反覆短路的緣故，就是已充電的鎳-鎘蓄電池放置不用也會短路，應儘快使用本發明的方法。四片STORNO型BU806蓄電池有225毫安/小時(mAh);二片STORNO型BU807蓄電池有450毫安/小時(mAh);二片VARTA型8/500RS蓄電池有500毫安/小時;一片VARTA型10/600RSE有600毫安/小時。上述這些蓄電池，以前常被用於可攜式無線電話供電，並用常規直流充電。
按本發明充電，無任何例外，每個短路電池的電壓Um，可在充電開始後三到四小時內，經一系列短小跳躍的周期而恢復，其電壓值可達到約1.22～1.25V。
繼續充電直到一個電池的電壓Um達到1.41V。而後將電池放置兩小時，再加上I10的電流負載，確定其蓄電量。該量在標稱值的7%至33%之間變化。這時進一步充電，其蓄電量逐步增大，在第五個周期後，達到正常蓄電量的64%～72%，此後蓄電池可再次使用。
圖4表示了兩個上述蓄電池的充電電壓與時間曲線。其中在時間軸上自右到左的比例為90毫米/小時。為區別圖上的Ⅰ和Ⅱ，右側軸為電壓U2，垂直移動為1V。垂直比例為25mm/V。
這種充電和放電脈衝的時間軸比例不可分開看待，所示的脈衝是不均勻的。蓄電池由十節電池串聯，其中一節電池是短路狀態。從圖中Ⅰ可以看到約在充電的第一小時內，電壓增加緩慢，為九節電池串聯值，第十節電池仍處於短路狀態。在箭頭14所指的時刻，短路電池被「恢復」，在更高的電壓值上繼續充電;引起第十節電池恢復的電壓跳躍約為1.2V。箭頭15指出了，在充電開始四分之一小時的時刻，另一個蓄電池也有這種現象。
實施例3按本發明方法試用的十節VARTA型鎳-鎘蓄電池蓄電量4安培/小時(Ah)，其使用超過九年。這些電池先用常規的直流充電，五個蓄電池電壓不能達到正常值。另外五個蓄電池達到了正常值;然而在第五次常規充電周期後，其蓄電量僅在標稱值的2%至5%之間變化。
據經驗按本發明充電，在四十五分鐘內所有電池電壓已到標稱值，而且在第一次充電後，其蓄電量就為標稱值的6%至14%。在第五次充電後，其蓄電量為標稱值的35%至41%，第十次充電後，其蓄電量為46%至53%。而這種蓄電量的電池可反覆使用。
圖5為這種蓄電池的充電曲線，圖中Ua1為常規直流充電的低效曲線。Ua2為本發明充電的「恢復」部分。時間比例比圖4擴大了一百倍，為9000毫米/小時。Ua2由a、b、c分開的三部組成。開始部分電壓仍較低，兩節電池未達到正常值。在a部分的末端，電池中的一節恢復，可看到相對的電壓跳躍。在b部分，充電繼續，在該部分末，保持的另一些電池恢復。在c部分中，充電繼續，電壓跳躍到相應的標稱值。
實施例4按本發明的作用分析原始的新蓄電池VARTA型10/600RSE。用常規直流對類似新的受控電池組充電。其充電和放電過程在實施例1中已作了詳細地描述。按經驗在第十個充電周期末，按本發明充電蓄電池的蓄電量約為8%至13%，高於上述受控電池組。
圖6為對應的充電曲線，縱座標上移動一格為1V。Ua1為常規直流充電曲線，電壓增大緩慢，在開始後14小時充電過程完成時，電壓才達到14.1V。Ua2用窄輪廓線表示蓄電池電壓Um。開始電壓增加緩慢，在ta時刻曲線變得突然陡峭，在短時間內就達到14V，充電過程便完成了。可以看出，上述曲線在其比較陡峭部分值與曲線Ua1比較，由於Ua1充電完成時刻僅有小的起伏必定產生比較誤差，所以Ua2充電時可完全避免過充電的危險。
圖6表示經放電每節電池達到9V後，按本發明方式充電，這種方式比常規方式大大地縮短充電時間和顯著降低能耗。
經驗表明，圖6中ta開始時刻存在一個跳躍部分，領先於電池充滿，是本發明充電方式的一般特點;這與充電開始前，蓄電池內充電後自身的蓄電量無關。這種現象被圖7中Ua1、Ua2和Ua3證實。這三種圖線在縱軸上以1V的幅度移動，相應的橫座標軸比例為18毫米/小時。圖線Ua1為對放電到9V(即全放電)的蓄電池充電;Ua2為對事先不知道其蓄電量的電池充電;Ua2為已充電的電池放置二小時後，再次接通充電電路。這三種電池為實施例4所涉及的形式。當然，由於蓄電池初始充電狀態不同，所需的充電時間就不同。圖表充分說明，在充電過程完成前，電壓與時間曲線在ta1、ta2和ta3為跳躍的，並以相同的跳躍高度達到對應值。
圖8表示了實現這種方法的電路結構。被充電的蓄電池15的一對端子16和17，與第一同步啟動電流發生器18和第一同步啟動脈衝發生器19相聯。第一電流發生器18的開始輸入端20與第一脈衝發生器19的開始輸入端(同步啟動)相聯，並連到控制開關21的輸出端22上;用來控制充電停止和放電開始。輸出端22經延遲電路23與伏特計24相接，伏特計與蓄電池15並聯。
提供充電能源的兩端為26、27。27端與17端相聯，26端連到第二受控電流發生器28和第二同步啟動脈衝發生器29上。第二電流發生器28和第二脈衝發生器29的輸出端相聯，並一同接到蓄電池15的16端。第二電流發生器28的同步開始輸入端30與第二脈衝發生器29的同步開始輸入端相聯，並連接到控制開關21的輸出端31，該端輸出開始充電和停止放電程序。控制開關21的控制輸入與計時器32相聯，計時器可調節充電和放電周期的寬度。計時器32有停止輸入33和開始輸入34，並與相對的具有補償邏輯值的比較器35的輸出相聯。
第一和第二電流發生器18和28上的停止輸入36和37分別與控制開關21的相應輸出31和22相聯。比較器35具有滯後啟動和關閉特性，其信號輸入連到伏特計24的輸出。比較器35的基準輸入連到基準電壓源38上。
按本發明實現的電路操作可用圖1說明。
如蓄電池15電壓低於相應值(即基準電壓源38的電壓)，計時器32的計時信號使控制開關21動作，計時信號為相應的充電和放電周期10、11的持續時間(見圖1)。在充電周期10，控制開關21的輸出端31動作，在放電周期11，開關21的輸出端22動作。
在充電過程開始時，輸出端31的脈衝前沿啟動第二電流發生器28和第二脈衝發生器29，如圖1，在周期10內一起為蓄電池提供電流。在周期10內，停止輸入端36處於防止放電電路動作的狀態。
在放電周期11開始時，控制開關21的狀態改變，為響應這種變化，充電電路停止操作，開始輸入端20的動作使第一電流發生器18和第一脈衝發生器19開始動作，隨後放電電流通過，形成圖1所示的放電周期11。在放電周期11開始時，延時電路23啟動，在延遲測試點ts處，伏特計24動作，測出測試點上蓄電池的實際電壓Um，並在其輸出端保持該值。
該過程繼續，直到在測試點上的電壓Um達到基準電壓源38的電壓。此刻比較器35啟動，計時器32被截止，充電和放電均停止。圖中未表示改變比較器35基準電壓的進一步電路;以便當蓄電池電壓下降，低於預定的無負載電壓時，充電過程可再次開始。在這種狀態下，比較器36的信號輸入可直接與電池16端相聯。如比較器36再次被轉回，便會重新開始充電過程。
當然，兩個電流發生器和並行的同步啟動脈衝發生器;可由其它相等的電路代替，例如具有受控電流源的電流發生器。在這樣的實施例中，該電流發生器的受控輸入，將由具有圖1形式的信號進行控制。
權利要求
1.一種鎳-鎘電池充電方法包括以下幾個步驟在第一個預定時期的充電周期(10)內以預定的充電電流加到上述電池上，在較短的第二個預定時期的放電周期(11)內給上述電池加一個預定的負荷電流，並且使上述的充電和放電周期(10、11)交替重複，這種方法的特徵是，至少在上述充電周期(10)開始時，在上述的充電電流上疊加上一個方向相同的充電電流脈衝(12)，至少在上述放電周期(11)開始時，在上述的負荷電流上疊加上一個放電脈衝(13)，並且在每一個上述的周期(10、11)開始時出現一個電流變化，這個變化至少是十分之一電流(I10)的7倍，而這個電流I10相當於上述電池蓄電能力，用安培/小時單位來表示。
2.根據權利要求
1中所講的方法，其中上述預定的充電電流多半是上述十分之一電流(I16)的3倍。
3.根據權利要求
1中所講的方法，其中上述預定的負荷電流I1，多半等於上述預定充電電流的二分之一，至少是四分之一。
4.根據權利要求
1中所講的方法，其中上述疊加脈衝(12或13)的功率在3～5毫瓦之間。
5.根據權利要求
1中所講的方法，其中上述的在充電和放電周期(10，11)開始時的電流變化基本上是一樣的。
6.根據權利要求
1中所講的方法，在相應的充電和放電周期(10，11)內，要在預定的充電和/或放電電流上疊加一些脈衝，這些脈衝的能量和波幅幾乎要等於在充電或放電周期開始時的那個相應的值。
7.根據權利要求
1中所講的方法，其中電池的負荷電壓(Um)要在相應的放電周期(11)中測量，接著是從這一周期開始計算的預定延時，並且如果測得的電壓超過了一個預定的極限值，充電過程即告結束。
8.根據權利要求
1～7的任何一項中所講的實現這種方法的電路結構包括在電池兩端連接的一個充電電路和一個負荷電路，在上述電路中的第一電流發生器和第二電流發生器(18、28)，這兩個電流發生器都有其相應的開始和停止的輸入端(20，30;36，37)，有一個控制開關(21)，其輸出端與上述的開始和停止輸入端以及一個控制輸入端相連接，還有一個計時器(32)與上述的控制輸入端相連接用來確定電池的充電和放電周期(10、11)，這種方法的特徵是上述的充電和放電電路包括有第一個脈衝發生器和第二個脈衝發生器(19、29)，它們與上述電流發生器(18、28)中相應的一個一起啟動，並且在上述電流發生器的電流上疊加上相應的方向相一致的脈衝。
9.根據權利要求
8中所講的電路結構，其特徵是上述的第一個和第二個電流發生器(18、28)與上述的第一個和第二個脈衝發生器(19、29)形成了一個可以控制的電流發生器，它可以按照一個控制電壓的波形來輸出電流，並且有一個波形發生器與上述的可控電流發生器的控制輸入端相連接，以便提供按波形的輸出信號，與上述充電和放電周期(10、11)內預定的電流形式相對應。
10.根據權利要求
8中所講的電路結構，其特徵是開始放電周期(11)的那個控制開關(21)的輸出(22)，通過一個延時電路(23)與一個伏特計(24)的開始輸入端相連接，這個伏特計與蓄電池(15)相連接，並且伏特計(24)的輸出端與一個比較器(35)的信號輸入端相連，這個比較器有一個基準輸入同一個基準電壓源(38)相連，並且還具有一對相應的輸出同計時器(32)的開始輸入端和停止輸入端(34、33)相連接。
專利摘要
一種用反覆交替的直流充電和放電周期對鎳—鎘電池充電的方法。在相應的直流電上疊加以急變的電流脈衝，其方向與直流電方向一致，其強度超過相應的預定值.由於反覆交替的電流脈衝的作用，電極表面分布在某一時間後，就會發生變化，並且電極表面會逐漸變得均勻。這種周期性反覆急變電流脈衝可在整個充電過程使用，即使是對新電池充電也有好效果。在相應周期開始時的電流變化至少應該達到電池容量十分之一的七倍。
文檔編號H02J7/02GK87108081SQ87108081
公開日1988年9月21日 申請日期1987年12月1日
發明者佐拉迪·加伯爾, 納吉·桑多爾 申請人:Brg電機工廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan