专利名称：用气体传感器控制蓄电池充电的方法
技术领域：
本发明用气体传感器控制蓄电池充电的方法，涉及电池技术领域，是蓄电池充电的控制方法和装置。
背景技术：
电动车(EV)及混合电动车(HEV)用蓄电池的发展使得人们对高能量及高功率电池体系更加关注，对于蓄电池充电过程控制的要求也越来越高，充电技术成了电池技术的一部分，特别是电池在安全性、可靠性以及长寿命循环性能方面，不可或缺的一部分。对于电动车(EV)及混合电动车(HEV)用电池，高效和快速的充电能力以及荷电态(SOC)的判断是亟待解决的一个重要问题。
传统的蓄电池充电控制技术一般基于峰值电压、负电压或温度变化。但这几种技术都有一个严重的缺点，就是会不可避免地造成电池(组)的过充电。比如用温度变化率控制充电终止，当温度发生明显变化时，电池内部早已充满了大量气体，这不仅浪费了能量，而且会缩短电池(组)的寿命。另外，环境温度变化也会干扰利用温度变化监控充电的过程。
以镍氢(MH-Ni)电池为例，在充放电过程中，正、负极正常发生的电化学反应分别为正极
负极
式中M反MH分别为贮氢合金和相应的金属氢化物。电池总反应式可表示为
当镍氢(MH-Ni)电池充电后期和过充电时，正负极上有下列的反应发生正极(1-4)负极(1-5)由此可见，这时有氧气的析出和消耗，随之电池内有氧含量和气体压力的变化。这是本发明中充电控制方法的基础。
在目前所有的充电控制技术中，以镍镉(Cd-Ni)和镍氢(MH-Ni)蓄电池为例，最广泛使用的是基于温度变化率和峰值电压的充电。其他水系电池如铅酸电池和镍镉(Cd-Ni)电池在充电及过充电过程中也存在氧气的析出和消耗，因此也可采用本方法进行充电控制。
发明内容
本发明的目的是一种基于电池内部气体状态来控制充电的新方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种用气体传感器控制蓄电池充电的方法，先将电池和充电设备之间以常规方法连接起来，再将气体传感器的显示器、单片机和充电设备之间以常规方法连接起来，电池与单片机之间还包括监测温度等参数设备的常规连接；其电池有一空腔，以密封方式与气体传感器检测腔相通，或直接在电池外侧固接外置压力传感器，电池利用气体传感器检测电池内部气体的状态，或结合电池充电过程中所检测到和确定的其他参数，以单片机推算出电池或电池组的荷电状态，再通过充电设备控制器来控制电池充电。
所述的方法，其所述电池内部气体的状态，包含用电池的内部氧气含量以及内部气体压力的变化或两者的变化率来控制其充电过程，推算出电池或电池组的荷电状态；还包含充放电时间、操作温度，充放电电压或者电压的变化、电流的变化，推算出电池或电池组的荷电状态。
所述的方法，其可应用于电池反应中涉及氧气产生副反应的所有水系电解质的电池中。
所述的方法，其所述电池有一空腔，是在处于放电态的圆柱形电池底部钻开一直径为≤1mm、深度为≤0.5mm的圆孔后，所形成的空腔，或是方型电池内部安全阀下方已有的空腔。
所述的方法，其所述电池有一空腔，以密封方式与气体传感器检测腔相通，其密封方式为在处于放电态的电池底部钻开一直径为≤1mm、深度为≤0.5mm的圆孔后，将夹具的两块板水平置于电池的两端，夹具的两块板上各有一孔，上板的孔径与气体传感器接口的外径相适配，该孔覆盖于圆孔上，在上板与电池底端之间设有O形密封圈；下板的孔径可容置正极引线，在下板与电池顶端之间设有弹性垫片，弹性垫片中心固接有正极引线，正极引线由下板的孔中伸出；以复数根螺栓将夹具的两块板与电池固紧，再将气体传感器接口通过固紧装置与夹具密封，这样，就用夹具通过弹性垫片及O形密封圈将电池的气腔与气体传感器密封连接，使气腔与气体传感器检测腔相通。
所述的方法，其所述电池有一空腔，以密封方式与气体传感器检测腔相通，其密封方式为气体传感器在方型电池安全阀的位置上通过密封圈和固紧装置与电池密封，或在安全阀以外的位置上打圆形口，使气体传感器在圆形口处通过密封圈和固紧装置与电池密封。
所述的方法，其所述电池没有空腔，直接在电池外侧固接外置压力传感器，采用外置式压力传感器时，只需将电池形变量较大的部位与外置式压力传感器相接即可，其连接方式为将外置式压力传感器压力应变片与圆柱电池的底部或是方形电池的侧面用专用胶粘的方式固接。
所述的方法，其所述气体传感器，为气体压力或氧含量传感器。
所述的方法，其所述固紧装置，为相配的阴阳螺纹。
所述的方法，其所述电池或电池组的荷电状态，对混合电动车用电池或电池组的荷电状态，在20％荷电状态时充电，在80％荷电状态时放电；以QNY6.5电池为例，在7C电流充电时，当电池内部压力达到1.2MPa或内部压力变化率达到1.0MPa/s，该电池的荷电状态达到了80％时，立即停止充电。
所述的方法，其所述电池内部气体的状态，圆柱型QNY3电池内部压力达到0.3MPa或是内部压力变化率≥0.04MPa/s时，终止充电；方型镍氢电池QNF14在5A充电过程中，当氧含量达到4mg/l或是氧含量变化率达到0.25mg/l.s时，立即终止充电。
本发明方法能够直接监控气体的析出，在电池这一密闭体系内，随着气体的析出，气体含量增加，并引起电池内气体压力的升高。根据电化学知识，当有氧气析出这一副反应发生时，正极的充电效率开始降低，到氧气大量析出时，正极的充电效率显著下降。电池内的气体压力变化与氧含量变化同步。如果能在氧气大量析出前及时终止充电，不仅可提高能量利用率，还避免了电池(组)的过度充电，有助于降低体系的温度、延长电池(组)寿命。一般情况下，电池(组)只有在荷电态(SOC)接近100％时才会析出大量的气体，因而氧气的析出速率可以反映出电池的荷电状态(SOC)。根据电池内的氧含量或气体压力变化能够及时地获知电池的荷电状态(SOC)，进而采取相应的充电策略。
本发明最大的一个优点是使电池充电控制比传统的电压或温度控制更灵敏更可靠。本发明包括了利用气体传感器检测电池内部气体状态的方法，以及对电池内部气体压力曲线及其变化的解释，把它们与电池充电过程中所检测到和确定的其他参数结合起来，作为基本的控制依据。
本发明也包含用电池内部的气体压力以及内部压力的变化来控制充电过程。电池内部气体的变化跟时间、温度以及电压变化、电流变化、荷电状态等多种因素有关。而这些参数也可以在充电过程中被监控和确定。
本发明还包含控制电池充电的方法，这个方法可以通过内部气体控制减少热量的产生，或温度的变化，从而提高充电效率，保证了操作过程的安全性和功率转换的可靠性。
本发明还包含控制电池充电的方法，这个方法有利于电池设计，使之能够承受更高的内部气体，展现更好的机械极限，在不影响或降低电池(组)性能影响的情况下承受内部气体的变化。充电量是由电池壳的机械完整性决定的，内部气体极限越高，充电的恢复性越好，可获得的容量越高。
本发明涵盖了应用于水系电解质的电池中的充电控制方法。其中涉及了电池反应或氧气产生等副反应。如果在电池(组)中没有内部气体变化的正确控制，电池不可能有效的工作。内部气体控制提供了直接涉及电化学反应的监控方法，因而，可以尽可能降低产生气体和引起电池性能恶化的副反应，使电能更高效地转化为化学能。
本发明也包含1、用来检测电池内气体压力或含量变化的内部或外部气体传感器装置的使用；2、提供了一个电池密闭系统的安全密封方法及用于内部气体测量和监控的端部空间接口；3、内部气体信号反馈到充电控制机构，借助于合适的计算方法实现充电过程的控制；本发明还包含了用来解释内部气体曲线以及作为一个重要因素进行充电过程的控制方法。
本发明还包含电池内部气体传感器装置的设计、布置、装配和实施。
采用内部气体传感器控制充电过程的方法适用于镍基水系电池，比如镍氢(MH-Ni)电池(组)、Cd-Ni电池，也可用于铅酸电池(组)。电化学体系内部气体压力越高，控制的灵敏度就越高。尤其当充电倍率高或充电功率高时，要比依据温度或电压的传统方法更加有效。
图1采用气体传感器控制电池(组)充电的原理图；图2圆柱型电池内置式气体传感器(压力或氧含量)装置示意图；图3圆柱型电池外置式气体压力传感器装置示意图；图4方型电池内部气体传感器(压力或氧含量)装置示意图；图5 SC型QNY3电池3C充电过程中的内部气体压力变化曲线；图6 QNF14电池充电过程的氧含量变化曲线；图7 QNF14电池20℃充电时的氧含量与荷电状态(SOC)的关系曲线；图8 QNY6.5电池20℃时7C充电/1C放电过程中的压力与压力变化率曲线。
附图标记
1、内置式气体(压力或含氧量)传感器；2、受测电池；3、正极引线；3a、电池正极极柱；5a、电池负极极柱；4、弹性垫片；5、负极引线6、螺栓；7、夹具；8、在电池上钻的孔；9、O形密封圈；10、密封内罗纹；11、外置式气体压力传感器；具体实施方式
图1是采用气体传感器控制电池(组)充电的原理图。其中，电池与气体传感器的连接方式，将在图2-图4中做介绍。电池与单片机和充电设备之间的连接，气体传感器的显示器、单片机和充电设备之间的连接为公知技术，在此不做赘述。气体传感器可采用图2-图4中本发明的任一种方式与电池密封连接，气体传感器的显示器可以实时显示电池内部的压力或氧含量，根据需要还可利用各种设备对电池内部的温度等进行监测，并将这些数据上传给充电控制器和单片机，单片机对这些数据以及由充电电源传来的电流、电压、时间等数据进行相应的计算后，从而判定电池(组)目前的荷电状态(SOC)，进而将信号回发给充电电源，使其给电池继续充电或是终止充电。
图2为圆柱型电池内置式气体传感器(压力或氧含量)装置示意图。
在处于放电态的受测电池2底部钻开一直径为1mm、深度为0.5mm的圆孔8后，将夹具7的两块板7a、7b水平置于受测电池2的两端，夹具7的两块板7a、7b上各有一孔，上板7a的孔径与气体压力传感器1接口的外径相适配，该孔覆盖于圆孔8上，在上板7a与受测电池2底端之间设有O形密封圈9；下板7b的孔径可容置正极引线3，在下板7b与受测电池2顶端之间设有弹性垫片4，弹性垫片4中心固接有正极引线3，正极引线3由下板7b的孔中伸出。以复数根螺栓6将夹具7的两块板7a、7b与受测电池2固紧，再将气体压力传感器1接口为M10的外螺纹，通过与之配套的夹具7上的内罗纹10旋紧密封，这样，就用夹具7通过弹性垫片4及O形密封圈9将受测电池2的气腔与气体压力传感器密封连接，即直径为1mm、深度为0.5mm的圆孔8构成的气腔与气体传感器1检测腔相通。
参照图1，将气体压力传感器1、受测电池2与单片机和充电设备进行连接，其中，受测电池2的正极引线3和负极引线5分别与充电设备两输出端相连。
实例1用气体压力传感器检测圆柱型SC-QNY3镍氢(MH-Ni)电池3C充电过程的内部压力变化。
图3为圆柱型电池外置式气体压力传感器装置示意图。与内置式压力传感器1比较，受测电池2在充放电过程中，外置式压力传感器11是通过检测受测电池2底部的微小形变来反映受测电池2的内部压力。采用外置式压力传感器11时，只需将受测电池2形变量较大的部位与外置式压力传感器11相接即可，其连接方式为将外置式压力传感器11压力应变片与圆柱受测电池2的底部外侧或是方形电池的侧面用专用胶粘的方式固接。受测电池2的正极引线3和负极引线5分别与充电设备两输出端相连。
与内置式压力传感器1比较，外置式压力传感器11只需将气体压力传感器触片紧贴于电池底部即可。不过，外置式压力传感器11的精度及灵敏度比内置式要差得多。
通过受测电池2正极引线3和负极引线5对电池进行充放电时检测到的电池内压变化曲线如图5所示。当电池内部压力达到0.3MPa(或是内部压力变化率达到0.04MPa/s)或更高一些时，终止充电。
实例2方型镍氢(MH-Ni)电池QNF14在5A充电过程中电池的内部氧气含量变化。
图4为方型电池内部气体传感器(压力或氧含量)装置示意图。其中，气体传感器1可在方型受测电池2安全阀的位置上通过密封圈和罗纹旋紧压缩密封，也可在安全阀以外的位置上打圆形口，圆形口也需加工出内罗纹以便安装气体传感器1时通过密封圈和罗纹旋紧压缩密封。受测电池2的正极极柱3a和负极极柱5a分别与充电设备两输出端相连。
图6表示的是方型镍氢(MH-Ni)QNF14电池在充电过程的内部气体变化。在充电170min左右时，正极的析氧量显著增加，电池内部的氧含量达到4mg/l，氧含量变化率达到0.25mg/l.s。将170min作为充电终点时的能量利用率最高，如果继续充电，由于氧气析出会显著降低充电效率。因此在氧含量达到4mg/l或是氧含量变化率达到0.25mg/l.s时应立即终止充电。
实例3在方型镍氢(MH-Ni)电池QNF14在5A充电过程中，通过内部气体中氧含量推算电池的荷电状态(SOC)。
从图7可看出20℃下，方型镍氢(MH-Ni)QNF14电池充电过程中氧含量与充电电量具有很好的对应关系，因而可以根据电池内的氧气含量判断电池的荷电状态(SOC)。
实例4在圆柱型镍氢(MH-Ni)电池QNY6.5的7C充电/1C放电过程中，电池内部的压力及压力变化率曲线。
混合电动车(HEV)用电池(组)的荷电状态(SOC)通常在20％～80％之间，电池在20％荷电状态(SOC)时充电，在80％荷电状态(SOC)时放电，在此之间时，电池可以充电或者放电。传统的安时积分法(充放电时间与电流的积分)可以估算电池的荷电状态(SOC)，但常常有一定偏差，同时采用电池内部的氧气含量或压力的变化(率)则可以更为准确地判定电池终止充电，如图8所示，在7C电流充电时，当电池内部压力达到1.2MPa(或是内部压力变化率达到1.0MPa/s)，该电池的荷电状态(SOC)达到了80％，应该立即停止充电。
权利要求
1.一种用气体传感器控制蓄电池充电的方法，先将电池和充电设备之间以常规方法连接起来，再将气体传感器的显示器、单片机和充电设备之间以常规方法连接起来，电池与单片机之间还包括监测温度等参数设备的常规连接；其特征在于，电池有一空腔，以密封方式与气体传感器检测腔相通，或直接在电池外侧固接外置压力传感器，利用气体传感器检测电池内部气体的状态，或结合电池充电过程中所检测到和确定的其他参数，以单片机推算出电池或电池组的荷电状态，再通过充电设备控制器来控制电池充电。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池内部气体的状态，包含用电池的内部氧气含量以及内部气体压力的变化或两者的变化率来控制其充电过程，推算出电池或电池组的荷电状态；还包含充放电时间、操作温度，充放电电压或者电压的变化、电流的变化，推算出电池或电池组的荷电状态。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可应用于电池反应中涉及氧气产生副反应的所有水系电解质的电池中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池有一空腔，是在处于放电态的圆柱形电池底部钻开一直径为≤1mm、深度为≤0.5mm的圆孔后，所形成的空腔，或是方型电池内部安全阀下方已有的空腔。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述电池有一空腔，以密封方式与气体传感器检测腔相通，其密封方式为在处于放电态的电池底部钻开一直径为≤1mm、深度为≤0.5mm的圆孔后，将夹具的两块板水平置于电池的两端，夹具的两块板上各有一孔，上板的孔径与气体传感器接口的外径相适配，该孔覆盖于圆孔上，在上板与电池底端之间设有O形密封圈；下板的孔径可容置正极引线，在下板与电池顶端之间设有弹性垫片，弹性垫片中心固接有正极引线，正极引线由下板的孔中伸出；以复数根螺栓将夹具的两块板与电池固紧，再将气体传感器接口通过固紧装置与夹具密封，这样，就用夹具通过弹性垫片及O形密封圈将电池的气腔与气体传感器密封连接，使气腔与气体传感器检测腔相通。
6.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述电池有一空腔，以密封方式与气体传感器检测腔相通，其密封方式为气体传感器在方型电池安全阀的位置上通过密封圈和固紧装置与电池密封，或在安全阀以外的位置上打圆形口，使气体传感器在圆形口处通过密封圈和固紧装置与电池密封。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接在电池外侧固接外置压力传感器，其连接方式为将外置式压力传感器压力应变片与圆柱电池的底部或是方形电池的侧面用胶粘的方式固接。
8.如权利要求1、5或6所述的方法，其特征在于，所述气体传感器，为气体压力或氧含量传感器。
9.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述固紧装置，为相配的阴阳螺纹。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池或电池组的荷电状态，对混合电动车用电池或电池组的荷电状态，在20％荷电状态时充电，在80％荷电状态时放电；对QNY6.5电池，在7C电流充电时，当电池内部压力达到1.2MPa或内部压力变化率达到1.0MPa/s，该电池的荷电状态达到了80％时，立即停止充电。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池内部气体的状态，圆柱型QNY3电池内部压力达到0.3MPa或是内部压力变化率≥0.04MPa/s时，终止充电；方型镍氢电池QNF14在5A充电过程中，当氧含量达到4mg/l或是氧含量变化率达到0.25mg/l.s时，立即终止充电。
全文摘要
本发明用气体传感器控制蓄电池充电的方法，提供了一种适用于蓄电池的新的充电控制方法通过气体传感器或外置压力传感器检测电池内部气体中的氧含量或(和)气体压力，再用微分方法计算氧含量或(和)气体压力的变化率，必要时可结合电流、电压、时间等其他参数，判定电池的荷电状态，进而确定电池(组)的充电策略。本发明控制充电的方法适用于镍基水系电池，控制充电的灵敏度高，尤其当充电倍率高或充电功率高时，比依据温度或电压的传统控制方法更加有效。
文档编号H01M10/48GK1832246SQ200510051569
公开日2006年9月13日 申请日期2005年3月7日 优先权日2005年3月7日
发明者夏保佳, 娄豫晥, 徐乃欣 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所