專利名稱：電池充放電系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛地說(shuō)涉及電氣系統(tǒng)及其關(guān)于單個(gè)或多個(gè)電池充放電的相應(yīng)方法，具體涉及在充放電過(guò)程中提高電池額定容量的系統(tǒng)和方法。
可再充電的密封電池需要快速充電的裝置和方法。一般來(lái)說(shuō)，快速充電指等于或大于電池標(biāo)稱一小時(shí)電流額定值的任何電流。標(biāo)稱一小時(shí)額定值一般稱為容量C。容量C更明確的定義為在選定電壓，如每節(jié)電池1伏下，一小時(shí)的標(biāo)稱額定放電電流。例如，一個(gè)標(biāo)稱額定值為1.5安培小時(shí)的電池的額定C值為1.5安培，那么，任何加在該電池上的超過(guò)1.5安培的充電電流就認(rèn)為是快速充電電流。相反，慢速充電或點(diǎn)滴式充電則一般認(rèn)為是任何小于C的電流，通常在0.1C到0.5C附近。
可再充電電池可以以多種速度充電，從點(diǎn)滴式充電速度如0.1C到高達(dá)10C的相當(dāng)高的充電速度?？稍俪潆婋姵氐挠脩粝Ｍ姵靥峁┳畲蟮娜萘亢妥钚〉某潆姇r(shí)間。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，高充電率的電池是迫切需要的。遺憾的是，電池的供電容量隨著充電速度的提高而下降。

圖1表示了供電容量和充電速度之間的關(guān)系。
由于以上原因，電池的供電容量和再充電速度之間要加以折衷。一般地，這種折衷要求充電率在0.2C到1.0C之間以提供可能的最高有效容量，同時(shí)仍保持合理的充電時(shí)間。能提供高供電容量和很短的再充電時(shí)間即再充電率大于C的方法將是迫切需要的，而且是對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)很大的貢獻(xiàn)。可再充電電池的用戶們將發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法比以往方法有很大的改進(jìn)。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明所述，提供一個(gè)電池充電系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)電源和一個(gè)振動(dòng)機(jī)構(gòu)。電池給電池提供電流用來(lái)給電池充電，同時(shí)振動(dòng)機(jī)構(gòu)使電池產(chǎn)生振動(dòng)以提高電池的供電容量。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，有一個(gè)使電池放電的系統(tǒng)，它包括一個(gè)電負(fù)載和一個(gè)振動(dòng)機(jī)構(gòu)。負(fù)載和電池連接，在電池放電的同時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)電池。
本發(fā)明的其余實(shí)施例包括電池在充放電的同時(shí)振動(dòng)電池以提高供電容量的方法。
圖1顯示了在以前技術(shù)下，電池供電容量作為充電率函數(shù)的關(guān)系曲線。
圖2是一個(gè)電池單元的示意模型。
圖3是根據(jù)本發(fā)明所述的一個(gè)電池充電系統(tǒng)的表示圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明所述的一個(gè)無(wú)線電設(shè)備的示意圖。
圖5給出根據(jù)本發(fā)明所述充了電的電池的供電容量的例子。
現(xiàn)在給出本發(fā)明描述。通過(guò)結(jié)合標(biāo)有相同參考數(shù)字的附圖研究下面的說(shuō)明，會(huì)對(duì)本發(fā)明有一個(gè)很好的理解。在本文中“電池”和“蓄電池”是可以互換的述語(yǔ)，“電池組”表示連接在一起的兩個(gè)或幾個(gè)電池。
圖2所示是一個(gè)可再充電電池在充電周期期間的示意圖。電池或電化學(xué)電池100有一個(gè)負(fù)極或陽(yáng)極110和一個(gè)正極或陰極120。電解質(zhì)150在陽(yáng)極110和陰極120是提供電連接。電池100還被連接到電池130，以便從電源130接收充電電流。電源130可以是任何數(shù)量、不同類型的電源，如一個(gè)或幾個(gè)充了電的電池、交流源、直流源(如可由變壓器提供)，或者其他類型的電源。在充電過(guò)程中，正離子160從陰極釋放，穿過(guò)電解質(zhì)150沉積在陽(yáng)極110，在放電周期中則相反。本發(fā)明的充電系統(tǒng)和方法適用于任何類型的可再充電電池，如耐酸鉛電池，鎳鎘電池，鋰電池、鎳金屬氫化物電池等。但最適合于電解質(zhì)是固態(tài)或聚合物質(zhì)的電池。一般說(shuō)來(lái)在這種電池里，陽(yáng)離子160是鋰離子，為給電池100充電，鋰離子160必須穿過(guò)固態(tài)聚合物電解質(zhì)150從陰極120到陽(yáng)極110。雖然陰陽(yáng)極距離很近，但電解質(zhì)150是固態(tài)物質(zhì)，這一事實(shí)阻礙了鋰離子160在充放電周期中自由迅速地適移到達(dá)陰極或陽(yáng)極。在電解質(zhì)150是液態(tài)的系統(tǒng)中，如耐酸鉛電池，陽(yáng)離子160的遷移就快得多也均勻得多。
正離子160穿過(guò)電解質(zhì)150的遷移速率與電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率直接有關(guān)。從而決定了電池的充電速率C。離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散速率也限制了電池的充/放電率。由于正離子160的質(zhì)量傳遞率受電解質(zhì)150的基體限制，因此C的有效上限值受到限制，一般固態(tài)的電池的C的有效上限值遠(yuǎn)比其他類型電池的小。在這類電池中，離子擴(kuò)散是唯一一種可得到的質(zhì)量傳遞方式。質(zhì)量傳遞率可以通過(guò)改變擴(kuò)散速率得到改進(jìn)。例如提高溫度或提供強(qiáng)迫對(duì)流質(zhì)量傳遞。提高溫度給系統(tǒng)增加了更多的能量，從而提高了質(zhì)量傳遞速率。然而在溫度升高的同時(shí)電極上產(chǎn)生了消極效應(yīng)，從而降低了提高質(zhì)量傳遞帶來(lái)的積極效應(yīng)。應(yīng)用使電解質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流的方法(如搖動(dòng)或攪動(dòng))也可提高質(zhì)量傳遞速度。
利用攪動(dòng)強(qiáng)迫對(duì)流已應(yīng)用于電鍍工業(yè)中，通過(guò)攪動(dòng)陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)或三者的組合體來(lái)獲得更高的效率，更光滑的鍍層和更高的電鍍速度。由于可再充電電池一般是密封的，利用使電解質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流(如搖動(dòng)或攪動(dòng))即使可以實(shí)現(xiàn)也是很困難的。另外，一些類型的電池的固體電解質(zhì)也防礙了搖動(dòng)或攪動(dòng)。這樣使得在充放電過(guò)程中離子亦即質(zhì)量在電解質(zhì)或電極中的傳遞只能依靠擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)。
參照?qǐng)D1，可以看出電池的供電容量隨充電率的增加而下降，為了獲得黽池的額定供電容量，充電率應(yīng)該小于1C，在固態(tài)電池中通常為0.1至0.5C。可以看出對(duì)于超過(guò)C的充電率，電池的供電容量只能達(dá)到額定容量的10%到50%。例如，在5C下充電，只能得到電池容量的幾分之一。通過(guò)利用強(qiáng)迫對(duì)流，圖1中曲線的形狀和位置是可以變化的，從而高速充電可以提供大供電容量。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，使電池受到振動(dòng)，振動(dòng)頻率最好是超聲波頻率，以提供所需要的對(duì)流質(zhì)量傳遞。超聲頻率振動(dòng)(即頻率超過(guò)20，000Hz)由超聲波換能器裝置實(shí)現(xiàn)。在充電周期中，電池的超聲振動(dòng)提高了主要離子(如鋰電池中是鋰離子)穿越電解質(zhì)從一個(gè)電極到達(dá)另一極和在每個(gè)電極內(nèi)的質(zhì)量傳遞速度。結(jié)果，更平滑的鍍層和陽(yáng)離子在陽(yáng)極上高效的沉積產(chǎn)生了更有效的電極。較高的質(zhì)量傳遞率可以看作電池的額定容量有顯著提高，從而大大縮短了該電池的充電時(shí)間。
參照?qǐng)D3，電池或電池組與電源210電連接，電源200通過(guò)電接頭228與214給電池提供充電電流，在給電池400通以充電電流的同時(shí)，電池由一個(gè)振動(dòng)裝置210(如超聲波換能器)加以振動(dòng)，振動(dòng)裝置210置于電源200內(nèi)。例如，如果電源200是一個(gè)電池充電器，則在充電器機(jī)殼內(nèi)應(yīng)裝有一個(gè)超聲波換能器，也可以利用由各種機(jī)械手段提供的低頻或高頻振動(dòng)，如簧型振動(dòng)器，水平式馬達(dá)，中間有電磁棒的線圈(與螺線管一樣)，或偏心凸輪。例如振動(dòng)器可以裝在充電器殼內(nèi)，在充電周期中給電池一個(gè)低頻振動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源或振動(dòng)裝置220可以裝在電池組400里。例如，電池組400在外殼250內(nèi)裝有一個(gè)或多個(gè)電池，包括一個(gè)小換能器或其它振動(dòng)源220，當(dāng)振動(dòng)源與電源或電池充電器200相連時(shí)，可以提供使電池組400產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)力。
同樣可以發(fā)現(xiàn)在放電周期中如果電池被振動(dòng)其有效容量也可增加。這種情況的原理與充電過(guò)程相似但現(xiàn)象相反，即鋰離子從陽(yáng)極以更均勻更快的方式遷移到陰極，與擴(kuò)散是唯一機(jī)制的常規(guī)系統(tǒng)不同。在放電過(guò)程中的強(qiáng)迫離子對(duì)流使貯存在電池中的電能得到更有效的利用。與充電周期圖解一樣，振動(dòng)源可以放在電池組本身上，或者裝在負(fù)載上，還可以裝在被電池供電的電裝置300上。負(fù)載可以是一個(gè)無(wú)線電發(fā)送機(jī)，電動(dòng)小車或其他類型的以變化的速率消耗電能的負(fù)載。其他與電池相聯(lián)的負(fù)載可以是其他類型的電氣裝置，如阻性負(fù)載和有源負(fù)載。適合于本發(fā)明的負(fù)載可以具有消費(fèi)型電器，便攜式計(jì)算機(jī)，便攜式收音機(jī)和便攜燈等。根據(jù)應(yīng)用類型，振動(dòng)器可以在儀器或負(fù)載一開始運(yùn)轉(zhuǎn)就受到驅(qū)動(dòng)，或只在負(fù)載從電池中抽取的電流是等或超過(guò)預(yù)定值(如額定容量)時(shí)再受到驅(qū)動(dòng)。例如，當(dāng)電動(dòng)小車在加速過(guò)程中需要一個(gè)大電流時(shí)，電池被振動(dòng)以提高離子的質(zhì)量傳遞率，從而提高電池的有效容量。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以看到在本文中描述的電池組在便攜式通訊應(yīng)用中有特殊的用途，如圖4，根據(jù)本發(fā)明中所述的電池組給無(wú)線電設(shè)備30提供電能。這種無(wú)線電設(shè)備可以是任何眾所周知的設(shè)備。如摩托羅拉公司生產(chǎn)的雙向無(wú)線電設(shè)備，它可以有接收發(fā)送兩種模式，無(wú)線電設(shè)備30包括接收部分31和發(fā)送部分32，包括用于無(wú)線電通訊，即發(fā)送或接收通訊信號(hào)。
在接收模式，便攜式無(wú)線電設(shè)備30通過(guò)天線33收到一個(gè)通訊信號(hào)。一個(gè)發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換開關(guān)(T/R)34將接收到的通訊信號(hào)耦合到接收器31，接收器31接收通訊信號(hào)并對(duì)之解調(diào)，并將其聲頻部分提供給揚(yáng)聲器36。本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)該知道在本文中未闡述的其他功能可能由別的合適裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括控制無(wú)線電設(shè)備30的整個(gè)工作的控制器(圖中未畫出)等。
在發(fā)送模式下，正如我們所知道的，從麥克風(fēng)37耦合出聲音信息，用其調(diào)制一個(gè)載波信號(hào)。調(diào)制后的載波信號(hào)通過(guò)T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)34加到發(fā)送通訊信號(hào)的天線33用于傳輸。應(yīng)當(dāng)知道按照本發(fā)明的電池組可接到無(wú)線電設(shè)備30上以提供一個(gè)電源。
下面給出一個(gè)給電池充電的系統(tǒng)及方法的例子，該裝置實(shí)現(xiàn)了供電容量的提高。
一節(jié)Asahi化學(xué)公司生產(chǎn)的“AA”電池被充電。AA電池是石墨電極鋰離子電池，額定值為350毫安-小時(shí)。一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的，高分辯率電池循環(huán)測(cè)試僅用于對(duì)電池充放電，所加電壓在2.5至4.2伏之間。對(duì)電池充電狀態(tài)的數(shù)據(jù)每十分鐘進(jìn)行一次采樣。充電電流的范圍在50mA到100mA之間作為控制依據(jù)。然后將電池與由計(jì)算機(jī)控制的充電器相聯(lián)，放進(jìn)以31KHz工作的超聲波清洗儀中(由Faber-Castell公制造的9999B型)。這種電池在有超聲波幫助的不同電流下被充電。所有測(cè)試在室溫下進(jìn)行。圖5顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在傳統(tǒng)的充放電方式中，隨電流亦即充電率的增加，電池容量下降。圖5中曲線500表示了隨充放電率的增加電流分別為50mA，100mA.和1000mA時(shí)容量下降的關(guān)系。曲線520表示了當(dāng)電池被施加超聲波振動(dòng)后充電率為100、200和300mA時(shí)的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鲭姵氐墓╇娙萘炕蛴行萘刻岣吡?00%以上?？梢酝浦╇娙萘康奶岣呤怯捎陉?yáng)離子穿過(guò)電解質(zhì)和電極的質(zhì)量傳遞率的提高而造成的。通過(guò)強(qiáng)迫對(duì)流增加了沉積在電極上的鋰離子數(shù)目，提高了沉積過(guò)程的效率，從而提高了電池的供電容量。
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易明白提高電池的有效容量是有益的，此外還可以進(jìn)一步知道在高的充電率下能使有效容量提高是更有益的。應(yīng)用超聲波振動(dòng)顯著提高了可再充電電池的供電容量，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，超過(guò)了以往的技術(shù)。
盡管例釋和描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，但應(yīng)該清楚本發(fā)明不限于此。對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)各種修改、改造、變動(dòng)、替換和等效都是不脫離本發(fā)明的思想和范圍的，因而除所附的權(quán)利要求外，這里不打算對(duì)本發(fā)明做更多限制。
權(quán)利要求
1.一種電池充電系統(tǒng)，其特征在于它包括一個(gè)電源，和一個(gè)振動(dòng)電池的裝置，電源給電池提供充電電流同時(shí)振動(dòng)裝置振動(dòng)電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中振動(dòng)裝置在電池內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中振動(dòng)裝置在電源內(nèi)。
4.一種給電池充電的充電器，其特征在于它包括一個(gè)外殼;一個(gè)裝在外殼內(nèi)的電源;一個(gè)由外殼裝載的振動(dòng)器，用來(lái)在電源提供電流給電池充電時(shí)使電池機(jī)械振動(dòng)。
5.一種電池組，其特征在于它包括一個(gè)外殼;至少一個(gè)位于外殼內(nèi)的電池;設(shè)置在外殼內(nèi)的振動(dòng)器，它與電池機(jī)械連接。
6.一個(gè)電池放電系統(tǒng)，其特征在于它包括一個(gè)負(fù)載和一個(gè)振動(dòng)裝置，負(fù)載與電池電連接，同時(shí)振動(dòng)裝置振動(dòng)電池。
7.一種電池放電系統(tǒng)，其特征在于它包括一個(gè)電池;一個(gè)與電池相聯(lián)的電負(fù)載;和一個(gè)當(dāng)負(fù)載從電池抽取能量時(shí)對(duì)電池提供機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)器。
8.權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述的振動(dòng)裝置只有在負(fù)載從電池中抽取大于額定電池容量的能量時(shí)才開始工作。
9.一種增加電池容量的電池充電方法，其特征在于它包括在振動(dòng)電池的同時(shí)給電池提供充電電流。
10.一種增加電池容量的放電方法，其特征在于它包括在振動(dòng)電池的同時(shí)將負(fù)載加到電池上。
全文摘要
電池充電系統(tǒng)(100)包括電源(200)和振動(dòng)裝置(210)，電源給電池提供電流用以充電，同時(shí)通過(guò)振動(dòng)裝置振動(dòng)電池提高電池的供電容量。電池放電系統(tǒng)包括電負(fù)載(300)和振動(dòng)裝置(210)，負(fù)載與電池電連接，當(dāng)電池在放電時(shí)振動(dòng)裝置振動(dòng)電池。
文檔編號(hào)H01M10/44GK1093202SQ93120669
公開日1994年10月5日 申請(qǐng)日期1993年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月25日
發(fā)明者喬治·托馬斯 申請(qǐng)人:莫托羅拉公司