专利名称：双极性过电压电池脉冲装置及方法
技术领域：
本发明涉及用来增加电池的循环寿命及容量的双极性过电压电池脉冲装置及方法。
背景技术：
可充电电池是一种存储能量的电化学电池，基于电气设备的需求通过放电传递能量。可通过使得电流沿与放电方向相反的方向通过电池来给可充电电池充电。可充电电池常遇到的问题是电池的能量容量在后续充电周期内会损失，导致电池在下一充电周期之前的使用的时间量缩短。例如，当电池没有完全放电时，在使用一段时间之后的充电周期之后，可能导致电池的保持全部能量容量的能力的丧失。当存在重复的浅充电周期之后跟随充电周期时，保持全部能量容量的能力丧失可能会加剧。为了降低保持电池的大致全部能量容量的能力的丧失程度，进一步防止可用能量容量在充电周期之后快速劣化，制造商建议在给充电电池充电之前使可电池深度放电。尽管存在可能导致电池保持全部充电容量的能力丧失的许多现象，但众所周知的是，在阳极和阴极任何一者或两者上再生的活性成分(activeconstituent)的能力退化可能是一个影响因素。例如，据报道，铅酸蓄电池的容量下降与阴极和阳极的活性物质的性质的逐渐变化有关，同样导致了电池的寿命缩短以及电池保持容量的能力丧失。阴极和阳极的表面结构的初始状态是多孔的，允许更多活性物质暴露在电池内部的电解质中。由于电池经受多次放电和充电，因此阴极和阳极的表面结构逐步变得不断由总体的晶体结构限定，晶体结构减少了活性物质的表面与电池的电解质溶液的整体表面接触。现有技术中尝试降低电池的这些影响以改善电池的充电周期，所述尝试包括在将电池充电至推荐的工作电平之前要确保电池深度放电。现有技术中的其他电池充电器控制充电模式，在一些情况下，可包括电池充电期间的轻微放电序列。例如，Sage在美国专利第5，633, 574号中公开了一种电池的充电序列(包括重复地应用包括1000晕秒充电、2晕秒不充电、5毫秒放电及10毫秒不充电的序列)，可以降低电池保持全部充电容量的能力的丧失程度。Pittman等人在美国专利第5，998，968中公开了以预定充电序列向电池应用放电、充电及休息期直至电池充满电。Imanaga在美国专利第5，777，453号中提出另一种充电测序策略，其中，在充电序列期间没有施加电压时，周期性地向电池施加电压脉冲，在脉冲之后是休眠期。电池保持全部充电容量的能力在多个充电周期内不断的丧失也可以导致电池的整个寿命缩短。即，众所周知，电池保持容量的能力丧失不是完全不可逆转的且在电池的寿命期间是可以累积的，从而导致电池的整个寿命缩短。在充电周期内，电极或板吸引离子一正极板吸引负离子，负极板吸引正离子一阻碍了离子进一步转移给板。由于给电池充了电，因此形成了增加的阻抗，从而导致要充了电的电池的电阻增加。最后，一旦完成充电并除去任何过电压，阳极和阴极上就会达到平衡，使得离子转移至电极的速率等于相同类型的离子远离电极的速率。
方程I表示的波尔兹曼方程及方程2表示的能斯特方程以离子在本体电化学溶液中的浓度Dse与存在于电极表面层的相同类型的离子的浓度Dnre的比相对于存在于电化学溶液和电极之间的电位差(Vse-Vme)以及其对所述KDs^Dnre的相互依赖性描述了在电化学体系中形成的热力学平衡(稳态)。例如，参见Christian Gerthsen和Helmut Vogel:GerthsenPhysics,19ed. , Springer Verlagj Berlin and New York。
权利要求
1.一种双极性过电压电池脉冲装置，包括 脉冲发生器，被配置为产生正脉冲电压和负脉冲电压； 正脉冲电压驱动器，被配置为将所述正脉冲电压转换为正脉冲电压波形； 负脉冲电压驱动器，被配置为将所述负脉冲电压转换为负脉冲电压波形；以及 脉冲电压分配器，被配置为将所述正脉冲电压波形和所述负脉冲电压波形合并成脉冲电压波形并在电池的端子上施加所述脉冲电压波形。
2.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，还包括微控制器，其中，所述脉冲发生器配置在所述微控制器中。
3.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述脉冲发生器包括被配置为生成所述正脉冲电压的正脉冲发生器和被配置为生成所述负脉冲电压的负脉冲发生器。
4.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述脉冲发生器包括交变反向开关，其中，所述交变反向开关交替地将脉冲电压处理成直通脉冲电压和反向脉冲电压，其中，所述直通脉冲电压是所述正脉冲电压和所述负脉冲电压中的任何一个，所述反向脉冲电压是所述正脉冲电压和所述负脉冲电压中的另一个。
5.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述正脉冲电压驱动器和所述负脉冲电压驱动器均包括 脉冲整形器；以及 定时发生器， 其中，所述脉冲整形器和所述定时发生器被配置为将脉冲电压转换为脉冲电压波形。
6.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，进一步包括 正电压放大器，被配置为将所述正脉冲电压波形放大；以及 负电压放大器，被配置为将所述负脉冲电压波形放大。
7.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述脉冲电压波形包括具有前沿和正脉冲振幅的至少一个正电压脉冲，在所述正电压脉冲之后跟随具有下降沿和负脉冲振幅的至少一个负电压脉冲，其中，所述前沿的上升时间和所述下降沿的上升时间都比所述电池的电解质溶液的弛豫时间短。
8.根据权利要求7所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述前沿的上升时间和所述下降沿的上升时间大约为所述弛豫时间的三分之一。
9.根据权利要求7所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述正脉冲振幅和所述负脉冲振幅都大于所述电池的电压。
10.根据权利要求9所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述正脉冲振幅和所述负脉冲振幅都为所述电池的电压的至少两倍。
11.根据权利要求10所述的双极性过电压电池脉冲装置，所述脉冲电压波形具有使得至少一个正电压脉冲的脉冲宽度及至少一个负电压脉冲的脉冲宽度不会重叠的脉冲周期频率。
12.根据权利要求7所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述至少一个正电压脉冲的脉冲宽度和所述至少一个负电压脉冲的脉冲宽度都超过所述弛豫时间。
13.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，还包括控制器；以及 测量设备，被配置为测量所述电池的电压， 其中 所述控制器被配置为利用所述电池的电压识别所述电池的状态；并且 所述控制器被配置为基于所述电池的状态激活所述双极性过电压电池脉冲装置。
14.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中，所述电池是铅酸蓄电池和非铅酸蓄电池中的任何一种。
15.根据权利要求1所述的双极性过电压电池脉冲装置，进一步包括被配置为将所述脉冲电压波形放大的电压放大器。
16.根据权利要求15所述的双极性过电压电池脉冲装置，其中所述双极性过电压电池脉冲装置与所述电池集成。
17.一种处理电池组的多个电池的方法，每个电池具有双极性过电压电池脉冲装置,所述方法包括对所述双极性过电压电池脉冲装置进行控制，使得所述双极性过电压电池脉冲装置中的至多一个在任何时候施加过电压，其中，所述双极性过电压电池脉冲装置包括 脉冲发生器，被配置为产生正脉冲电压和负脉冲电压； 正脉冲电压驱动器，被配置为将所述正脉冲电压转换为正脉冲电压波形； 负脉冲电压驱动器，被配置为将所述负脉冲电压转换为负脉冲电压波形； 脉冲电压分配器，被配置为将所述正脉冲电压波形和所述负脉冲电压波形合并成脉冲电压波形并在电池的端子上施加所述脉冲电压波形； 正电压放大器，被配置为将所述正脉冲电压波形放大；以及 负电压放大器，被配置为将所述负脉冲电压波形放大。
18.—种方法,包括 提供具有单个正脉冲的正脉冲电压波形和具有单个负脉冲的负脉冲电压波形；以及 在电池的端子上交替地施加所述正脉冲电压波形和所述负脉冲电压波形。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括，在所述电池的端子上施加之前，将所述正脉冲电压波形和所述负脉冲电压波形合并成脉冲电压波形。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，在铅酸蓄电池和非铅酸蓄电池中的任何一种的端子上交替地施加所述正脉冲电压波形和所述负脉冲电压波形。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述正脉冲电压波形包括前沿，所述负脉冲电压波形具有下降沿和负脉冲振幅，其中，所述前沿的上升时间和所述下降沿的上升时间都比所述电池的电解质溶液的弛豫时间短。
22.—种方法,包括 产生正脉冲电压和负脉冲电压； 将所述正脉冲电压转换为正脉冲电压波形并将所述负脉冲电压转换为负脉冲电压波形； 将所述正脉冲电压波形和所述负脉冲电压波形合并成脉冲电压波形；以及 在电池的端子上施加所述脉冲电压波形。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括将所述正脉冲电压波形、所述负脉冲电压波形及所述脉冲电压波形中的至少一个放大。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，产生正脉冲电压和负脉冲电压包括 生成脉冲电压；以及 交替地将所述脉冲电压处理成直通脉冲电压和反向脉冲电压，其中，所述直通脉冲电压是所述正脉冲电压和所述负脉冲电压中的任何一个，而所述反向脉冲电压是所述正脉冲电压和所述负脉冲电压中的另一个。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述正脉冲电压转换为正脉冲电压波形并将所述负脉冲电压转换为负脉冲电压波形包括 将所述正脉冲电压和所述负脉冲电压分别整形为正脉冲电压形状和负脉冲电压形状；以及 将所述正脉冲电压形状的分布和所述负脉冲电压形状的分布分别定时至正脉冲电压波形和负脉冲电压波形中。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，在铅酸蓄电池和非铅酸蓄电池中的任何一种的端子上施加所述脉冲电压波形。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述脉冲电压波形包括具有前沿和正脉冲振幅的至少一个正电压脉冲，在所述正电压脉冲之后跟随具有下降沿和负脉冲振幅的至少一个负电压脉冲，其中，所述前沿的上升时间和所述下降沿的上升时间都比所述电池的电解质溶液的弛豫时间短。
全文摘要
提供了一种双极性过电压电池脉冲装置及方法，其在电池的端子上交替地施加正脉冲电压和负脉冲电压。所述双极性过电压电池脉冲装置及方法的目的在于增加蓄电池比如铅酸蓄电池的循环寿命及容量。正脉冲前沿及负脉冲下降沿的上升时间与电化学溶液的离子弛豫时间相比要短。正脉冲与负脉冲之间交替为每个新脉冲提供了相同的起动条件，而无需实现最后施加的脉冲具有相同极性时可能产生的任何记忆效应，使可以使向所述电池施加的过电压的程度降低并使可以使得最高可用脉冲循环频率降低，而无需经历脉冲重叠。可以对脉冲的形状、类型及定时进行调整以产生持续时间长、振幅高的过电压脉冲。
文档编号H02J7/00GK103026576SQ201180033130
公开日2013年4月3日 申请日期2011年5月5日 优先权日2010年5月5日
发明者奥弗·T·阿嫩森, 达格·阿利尔德·瓦兰德 申请人:奥弗·T·阿嫩森, 达格·阿利尔德·瓦兰德