专利名称：用于使电池充电、解冻及化成的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池的充电技术，特别是揭示一种方法和一种装置，用于使电池快速充电，使冷冻的电池快速充电，使电池快速化成，确定电池的化成状态，以及确定电池的充电状态。
电池充电的一般技术是广泛公知的即使电流流入电池。然而，尽管这种技术很简单，却能引起电池的过热，过量的气体，并且需要很长时间才能使电池充满。如果在充电脉冲之间施加一个去极化(放电)脉冲，就可以缩短电池充电的所需时间，如授予布克特(Burktt)等人的美国专利US3，597，673号中所述。电池充电时间及发热的进一步减少可以这样实现，即在放电脉冲结束之后且在施加下一个充电脉冲之前等待一个特定的周期。在授予布诺汉斯凯(Podrajhansky)等人的美国专利US4，829，225号中公开了这种技术。然而，电池的发热和充电时间还需要进一步地减少。
可充电电池在放电以后需要重新充电，以便使电池恢复能量。由于一般的电池充电器在不使电池过热的条件下不能提供很大的充电电流，为电池充电通常需要数小时或更长。众所周知，电池过热会明显地缩短其使用寿命。因此就需要一种以某种方式提供大电流，又不使电池过热的电池充电器，以便对电池快速充电。
在电池充电时，由于扩散层的形成而在电池内部产生内电阻，扩散层是由正离子向负极板的迁移和负离子向正极板的迁移而造成的。这种有时称为达夫耐(Duffeny)层的扩散层是不易击穿的，并且对离子流产生较高的内电阻。如果电池是冷冻的，这种内电阻会由于离子速度的降低而进一步增大。这种高内电阻造成实际上不可能对冷冻的电池充电。因此，采用直流电流对冷冻的电池充电是极为困难的，并且会延长其时间周期。因此，希望能缩短冷冻电池的充电时间。
对于特别类型的电池，例如铅酸蓄电池，可以仅通过测量电池电压来确定充电状态。特别是电池电压在电池充满之前将会一直上升，此后电池电压就会下降。铅酸蓄电池中的电压下降很容易检测。因此，充电系统可以根据这一电压变化确定何时停止充电，并且避免不必要的能量损耗以及对电池的损害。然而，在某些类型的蓄电池中，这种电压下降很小，以至于很容易由噪声或电池电压的正常变化而掩盖。对某些类型的电池，例如NiCad和NiFe电池，没有已知的指示且能用来确定充电状态。因此，普通的电池充电系统无法确定停止充电的最佳点。因此需要象其它类型电池一样确定NiCad和NiFe电池的充电状态，以避免不必要的能量损耗以及对电池的损害。
新造的电池需要化成(充电)，根据电池的类型和尺寸，充电需要12小时到数天不等。电解液装在电池里并且有部分电解液被电极板所吸收。最初的化学反应产生大量的热量并且电池温度会很容易地达到170°F。当电解液被电极板吸收后，温度将开始下降，从而显示吸收(酸浸)时间已过，和电池已作好化成的准备。电池化成所需的电解液温度为135°F至145°F。为了缩短化成时间，希望有较大的充电电流。然而，充电电流不应大于维持所需电池温度的电流，否则会出现过热并导致电池损坏。因此需要一种充电器，它能提供使化成时间最短的充电电流，且不会使电池过热。
没有已知的方法能确定电池化成的状态。由于不能确定电池化成的状态，就很难确定停止电池化成的最佳点。因此，为了保证能完成电池化成，通常以固定的时间为电池充电。然而，这样做时常导致电池过热，浪费能量，由于水的电解产生气体，以及延长化成时间。如果充电时间短以致于不产生气体，电池则不能完全化成或充电。因此就需要确定电池的化成状态，以便确保电池完全化成，避免不必要的能量损耗，以及缩短化成过程的时间。
本发明提供了一种方法和装置，用于为电池快速充电，为冷冻的电池快速充电，使电池快速化成，确定电池的化成状态，以及确定电池的充电状态。为了向电池充电，本发明设想对电池施加一个或一系列充电脉冲，对电池施加一系列去极化(放电)脉冲，脉冲之间由等待周期隔开，并且重复充电和放电程序直到电池完成充电。放电脉冲是通过为电池施加一个负载来实现的。放电脉冲宽度通常明显地比充电脉冲宽度窄。插入的等待周期可以具有相同的宽度或不同的宽度，并且可以具有与放电脉冲宽度不同的数值。使用一个或一系列充电脉冲，随后使用多个放电脉冲，在脉冲之间由等待周期隔开，就可以实现很迅速的充电，并且减少电池的发热。
采用由等待周期隔开的多个放电脉冲，可以比采用单个放电脉冲产生更多的有效离子。充电脉冲则通常能利用全部有效离子，并且由于有更多的离子而允许施加较大的充电电流。由于有效离子的增加，电池的内阻减小，从而还能使电池发热减至最小。
因此，本发明的一个目的是提供一种使电池快速再充电，同时使电池发热减至最小的方法和装置。
本发明进一步提供了一种冷冻电池的快速充电方法和装置。本发明的设想是施加一或多个充电脉冲，随后施加一或多个放电脉冲，在脉冲之间用等待周期隔开，并且重复充电和放电过程直至电池解冻和充电完成。由于对电池施加了充电和放电脉冲，电池将会因水的产生和电池内部由发热产生的化学反应而解冻。
因此，本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，以便使冷冻的电池快速解冻和充电。
由于在快速充电过程中采用的电流很大，电池的过充电可能会很快导致电池的损坏，因此本发明又提供了用于确定电池充电状态的方法和装置。在放电脉冲之后测量开路输出电压曲线以下的区域面积，当电池充电完成时该面积将达到一个稳定状态的数值。因此用该面积来确定何时停止快速充电过程。
从而，本发明的再一个目的就是确定电池的充电状态。
本发明还提供了一种使新电池快速化成的方法和装置。为了使电池化成，本发明的设想是施加一或一系列的充电脉冲，随后施加一系列放电脉冲，用等待周期把多个放电脉冲和充电脉冲隔开，并且重复这种程序直到电池完成充电。对充电脉冲的宽度，数量和幅值进行控制，以便把电解液的温度维持在由电池化成的最佳温度所确定的温度范围之内。由于在电池化成过程中会出现多方面的热致化学反应，以及由于充电过程中电池内阻的变化，这种温度控制是必需的。
因此，本发明的下一个目的就是提供一种使新电池快速化成的方法和装置。
本发明还提供了用于确定电池化成状态的方法和装置。在化成过程中，充电脉冲的起始点和放电脉冲的起始点上的电压波形会出现电压尖峰。电压尖峰的幅值表示正负极板上物质转换(化成)状态的指标。当负极板上的物质被完全转换时，在充电脉冲起始点上的电压尖峰将达到最大的、稳态的数值，并且当正极板上的物质被完全转换时，放电脉冲起始点上的电压尖峰也会达到最大数值。
因此，本发明的另外一个目的就是确定电池的化成状态。
图1是本发明最佳实施例的一个方框图;
图2是表示充电脉冲/等待周期/放电脉冲/等待周期过程的示意图;
图3是一个波形图，用于说明如何确定电池的充电状态;
图4是一个波形图，用于说明如何确定电池的化成状态;
图5是由控制器执行的电池充电过程的流程图。
以下参见附图，图1是本发明最佳实施例的方框图。电池的充电，放电和解冻电路10包括一个键盘12，一个控制器13，一个显示器14，一个充电电路15，一个去极化(放电)电路16以及一个电池监视电路20。键盘12被连接到控制器13的“K”输入端并且允许使用者输入特定的参数，例如电池类型(铅酸，NiCad，NiFe等等)以及其他有关信息，例如正常电池电压或串联电池的数量。键盘12可以是键盘，刻度盘，开关阵列或者其他信息输入设备。为了简化用户的操作，控制器13是可以由多种电池类型的参数编程的。此时用户仅需输入电池的类型，例如型号，而控制器13将自动地采用与该电池类型相近的参数。显示器14连接到控制器13的输入出端“S”并且为操作者显示信息，选择方案及参数等等。
控制器13的输出端“C”连接到充电电路15。充电电路15向电池11提供充电电流。根据需要，可以由控制器13决定使充电电路15成为恒压源或恒流源。控制器13的输出端“D”连接到去极化电路16，它可以由控制器13来决定向电池提供恒定的去极化电流或施加一个选定的负载。由电路15和16提供的脉冲的脉冲宽度由控制器13控制。充电电路15的输出和去极化电路16的输出通过导线21连接到电池11的正端。电池11的负端经电阻20连接到电路地端，电阻20的标称值为0.01欧姆。流入或流出电池11的电流必须流经电阻20。因此，从导线22上测量电阻20上的电压就可以确定流经电池11的电流。电阻20因此成为一个电流监视器，并且还起到限流器的作用。当然，其他装置例如霍尔效应装置也可以用来确定电池电流。
电池电压是通过测量导线21与电路地之间的电压来监视的。如果测量导线21与22之间的电压，就可以消除电阻20的影响，或者可以从导线21上的电压中减去导线22上的电压。导线21和22分别连接到控制器13的V和I输入端。显然，如果控制器13是一个逻辑器件例如微处理器，这些信号必须转换成可供控制器13使用的形式，例如使用一个模-数转换器。
电池的存在可以这样确定，即触发充电电路15并且监测电流监视器20的输出电流，从而确定是否有充电电流，或是触发去极化电路16并监测电流监视器20的输出电流，以确定是否有放电电流，或是使充电电路15和去极化电路16停止触发并监测电压来确定是否有电池存在。
温度传感器23监视电池11的温度，从而使控制器13能调整充电电流脉冲和去极化(放电)电流脉冲的幅值，数量和宽度以及停止周期的宽度，从而维持所需的电池温度。传感器23可以是瞬时作用器件，例如一个热动开关，或者是一个模拟器件例如热敏电阻或热电耦。最好把传感器23浸入蓄电池11中的一个电解槽的电解液中，以便能准确地显示出电池的内部温度。温度传感器23连接到控制器13的“T”输入端。电池内层的电解槽通常比外层的电解槽较热，因为外层电解槽能与外部环境或构件形成较好的热传导。因此，尽管图中仅示出了一个器件23，最好是为电池11的每个电解槽分别设置温度传感器。
在上述最佳实施例中，控制器13包括一个微处理器，一个存贮器，至少在存贮器的一部分中包含控制器13的操作指令，以及定时器和计数器。定时器可以是分立元件或是微处理器的一部分，它用来控制充电脉冲宽度，放电脉冲宽度或等待周期宽度，以及测量电压尖峰或电流尖峰的宽度等等。计数器通常包含在微处理器内部或者由微处理器实现，它用来对充电电流积分以便显示出向电池提供的总充电量，并且对放电电流积分，以便显示电池的放电量。
图2表示充电脉冲/等待周期/放电脉冲/等待周期过程的示意图。在此将采用图1所示的装置。为了便于说明，图中的充电脉冲和放电脉冲用矩形波表示，然而在实际情况下显然常常不是这种情况，因此，从说明书中可以理解本发明，但不一定要采用这种矩形波形。此外，为了方便和不作为任何限制的标示，图中的充电脉冲C1和C2具有相同的脉冲宽度和电流幅值IA。如果需要，可以采用不同的电流幅值，并且可以改变充电脉冲的宽度。此外，根据电池温度监测的变化，电池电压以及电池充电或成形的状态，可以在电池充电循环期间改变充电脉冲C1和C2的幅值。相类似的是，图中的放电脉冲D1至D3也具有相同的脉冲宽度和相同的恒定放电电流幅值IB，这也是为了方便并不作为限制。如果需要，脉冲的电流幅值可以不同，并且在一个放电脉冲期间可以改变电流的幅值。此外，根据电池温度监测的变化，电池电压以及电池充电或成形的状态，可以在电池充电循环期间改变放电脉冲D1至D3的电流幅值。图中放电脉冲的数量完全是为了方便而定的，并非任何限制。同样是为了简化而不做为限制，图中的等待周期CW1，CW2以及DW1-DW3都具有相同的宽度。一个等待周期的宽度可以仅仅是电路15或16为了改变充电或放电电流幅值所要求的时间。此外，在充电循环期间根据电池状态监测的变化可以改变各个等待周期的宽度。
在本发明的最佳工作方式下，控制器13可以向电池施加一个充电脉冲，例如充电脉冲C1，随后有一个等待周期CW1。在第一个等待周期CW1之后向电池施加一系列由等待周期DW1和DW2隔开的放电脉冲D1，D2，D3，并且随后有一个等待周期DW3。在最后的等待周期DW3结束时重复该过程，也就是向电池施加另一个充电脉冲C1，随后还是第一等待周期CW1，等等。充电脉冲，放电脉冲及等待周期(或称为停止周期)的宽度取决于再充电的电池类型。对铅酸蓄电池来说，充电脉冲的宽度可以为1/10秒至数秒。然而，各个放电脉冲D1，D2，D3的宽度则明显地比充电脉冲宽度要小。在最佳操作方式下，放电脉冲的总宽度(D1+D2+D3)应处于充电脉冲C1宽度的0.05%至2%范围之内。对某些类型的电池来说，放电脉冲的总宽度可以大一些。如果放电脉冲的总宽度过大，放电脉冲就会从电池中带走一些能量，从而使整个充电时间增加。最好使放电脉冲的幅值IB至少与充电脉冲幅值IA相等。
就铅酸蓄电池而言，在充电脉冲期间会在极板上生成铅(Pb)的晶体和铅的过氧化物(PbO2)。为了形成较大的电池极板表面，晶体的尺寸最好较小，以便降低电池的阻抗并且减少记忆效应。最好采用短时的充电脉冲，这样就能形成较小的没有尖锐边沿的晶体。放电脉冲有助于消除晶体上的尖锐边沿而不影响剩余的晶体。从而即使充电脉冲宽度较大，只要把放电脉冲的幅值IB设定成大于或等于充电脉冲的幅值IA，就有可能获得最佳的较小晶体。如果电流幅值IB小于电流幅值IA，就应该缩短充电脉冲宽度，以便使晶体上的晶体尺寸和尖锐边沿减至最小，从而使需要由较小的放电电流除去的尖锐边沿减少。
在其他类型的电池例如NiCad和NiFe电池中，在晶体成形时也有类似的现象;NiCad电池的晶体是NiOOH和Ni，NiFe电池的晶体是Fe和FeOOH。
图2还表示出可以采用多个充电脉冲C1和C2，此时在两个充电脉冲C1和C2之间插入第一等待周期CW1，而在充电脉冲C2与放电脉冲D1之间最好是插入一个第二等待周期CW2。然而，如果采用多个充电脉冲C1，C2等等，则应对每个充电脉冲的宽度及充电脉冲的总宽度结合放电脉冲的宽度和数量进行选择，以便获得理想的晶体尺寸并且使晶体上形成的尖锐边沿减至最小。
在一系列放电脉冲中的放电脉冲数量是电池特定参数的函数。需要对放电脉冲的宽度和数量进行选择，以便得到最大数量的有效离子，获得理想的晶体尺寸，并使晶体上形成的尖锐边沿最小。等待周期时间处于放电脉冲之前，插入放电脉冲之间，并且应选择放电脉冲使有效离子的数量最大。单个等待周期的时间可以尽量减小到电路15或16为改变充电或放电电流幅值所要求的时间。
当电池进行充电时，电解液中的水在化学反应中被使用，因此使电解液中酸的浓度增大，并且使有用的离子减小。放电脉冲能产生附加的离子，使电池的内阻下降。在放电脉冲期间，电池负极板上的放电比正极板上的放电要快，此时发生在负极板上的化学反应比正极板上的化学反应快。因此，在放电脉冲期间的放电化学反应主要发生在负极板上，并且产生与电解液混合的水，由此产生可用于充电反应的离子。为了提供时间使水与电解液混合并且发生反应而产生有用的离子，就需要用等待时间把放电脉冲隔开。等待周期时间的选择应提供足够的时间使水和电解液混合，同时不能使电池的充电过程出现不必要的延迟。
当充电电流加在电池11上时，硫酸铅的极板分解成铅离子和硫酸盐离子，并且，电流把水分解成氢离子和氢氧(OH)离子。带正电荷的离子移向负极板，而带负电荷的离子移向正极板。除非能把先产生的离子从极板上移走，围绕着极板聚集的离子会趋向于使极板屏蔽并且抑制离子的进一步运动。放电(去极化)脉冲用于迫使离子从极板的邻近区域移走，从而使新产生的离子能较容易地移向极板。放电脉冲之后的等待周期使离子漂移并移向它们在两个极板之间的常态位置，完全服从于电解液溶液中由不同的化学和电荷浓度形成的梯度。多个放电脉冲可用于进一步消除极极邻近区域中离子的屏蔽效应，从而使下一个充电脉冲能产生大量的离子，把前一个充电脉冲所产生的离子造成的屏蔽效应减至最小。
对铅酸蓄电池来说，采用单个充电脉冲和多个放电脉冲的典型参数如下充电脉冲C1的电流值IA为50安培，并且脉冲宽度为250毫秒;等待周期CW1的宽度为1毫秒;放电脉冲D1，D2和D3各自的电流值IB为50安培，脉冲宽度为1毫秒;等待周期DW1和DW2各自的宽度为2毫秒;以及等待周期DW3的宽度为6毫秒。
当一个蓄电池例如铅酸蓄电池由于暴露在气候条件下被冷冻时，由于离子速度的降低会使电池的内阻增大，从而使采用直流电流充电的可能性变得很小。此外，如果正离子已经迁移到了负极板并且负离子已经迁移到了正极板，就会产生一个很难击穿的扩散层并且使得很难为电池充电。然而，大的放电电流能消除扩散层，并且等待周期为离子从极板上迁走提供了时间，从而使极板更容易接受大的充电电流脉冲。用于为冷冻的电流充电的波形如图2所示。也就是一或多个由随后的等待周期CW1和CW2隔开的充电脉冲C1，C2，随后是同样由随其后的等待周期DW1，DW2，DW3隔开的放电脉冲D1，D2，D3。
放电脉冲的应用通过化学反应产生水，水与酸混合会产生热量。充电脉冲也会产生热量。产生的热量用于使电池解冻，由此降低电池的内阻。因此电池可以接受大的充电电流，该电流能快速充电并使电池解冻。
在常规充电器对冷冻的蓄电池充电的能力与采用本发明对冷冻蓄电池充电的能力之间做了一个比较。一个处于0°F的电池从常规的电池充电器可以取得0.3安培的充电电流。对处于0°F的电池使用本发明，并且施加连续重复的单个充电脉冲及单个放电脉冲时，充电电流从6安培开始，并且随着电池开始解冻且更容易接受充电而逐渐上升达到35安培。如果对0°F的冷冻电池采用本发明的充电/重复放电技术，充电电流从40安培开始并且随着电池开始解冻且更容易接受充电电流而逐渐上升到60安培。采用本发明的充电/重复放电技术，冷冻的电池可以在6分钟内解冻并且容易接受充电电流。
对铅酸蓄电池而言，图2波形的典型初始值为充电脉冲C1的电流值IA为35安培，宽度为250毫秒;等待周期宽度CW1为2毫秒;放电脉冲D1的电流值IB为70安培，宽度为2毫秒;以及等待周期DW1的宽度为4毫秒。
一种至少能用于NiCad和NiFe蓄电池的测量电池充电状态的方法是基于图3所示的综合小波型。在这种方法中，在紧随放电脉冲的一个等待周期例如DW1，DW2或DW3期间测量电池的开路电压并且对该电压积分。当积分电压值上升到某一点或是积分电压值达到了一个稳态条件时，也就是说当前的测量值与前次测量的积分电压值相等或近似相等，就认为电池被充满了。所考虑的面积(A)是在一个等待周期期间位于开路电压曲线下方的面积，更确切地说，就是在开路电压曲线下方和最小电压(V7)上方的面积。换句话说，就是该曲线下方电压处在V7和V6范围内的面积。面积A是容易确定的，例如测量等待周期期间开路输出电压下方的整个面积，然后再减去由V7×T表示的面积，其中V7是等待周期期间的最小电压，而T是面积测量的时间宽度，例如等待周期的宽度。把测得的面积与下一个充电脉冲之后的等待周期相对应的面积相比较。例如，把对应充电脉冲C1之后的等待周期DW1的面积与对应充电脉冲C1′之后的等待周期DW1(未示出)的面积进行比较。类似地，把对应充电脉冲C1之后的等待周期DW2的面积与对应下一个充电脉冲C1′之后的等待周期DW2(未示出)的面积进行比较。另外，如果在充电脉冲之间有4个或更多放电脉冲，就会有连续的等待周期(未示出)，也可以将对应等待周期DW3的面积做比较。最初，面积A较小，并且该面积随着电池被充电而增大。当该面积达到一个预定值或一个稳态条件时，就认为电池被充满了。例如，当对应充电脉冲C1之后的等待周期DW1的面积与对应下一个充电脉冲C1′之后的等待周期DW1的面积近似相等时，就认为电池已充满电了。
也可以通过测量输出电压的斜率来确定充电状态即(V6-V7)/T;其中T为测量时间，例如去极化等待时间(DW)。最初，由于V7与V6近似相等，其斜率很小，随着电池充电，V7会变得明显小于V6并且斜率将达到一定的稳态或最大值。当斜率达到一个稳态条件时，也就是说，它已达到了其最大值并且从一个循环到另一个循环之间变化不明显，或者是大于某个预定值，电池就充满电了。该斜率也可以被用来确定一个角度即反正切ARCTANGENT[(V6-V7)/T]。当该角度达到一个稳态条件时，也就是它达到了其最大值并且从一个循环到另一个循环之间变化不明显，或者是大于某个预定值时，电池就充满电了。
如果一个电池，例如铅酸蓄电池是第一次充电，它首先化成(初充电)以使例如硫酸铅转换成铅和铅的过氧化物。把电解液装入电池内，初始的化学反应将产生大量的热量，该热量很容易使电池温度达到170°F。当极板吸收了足够量的电解液后，温度开始下降。当电池内部温度下降到大约140°F时，就应对电池进行初充电。最初，由于有大量的自由离子，电池的电阻很小。电池因此可以接受大充电电流。然而，由于电池温度已经很高，为了避免额外地发热而损坏电池，不希望有大电流通过电池。因此，充电脉冲的宽度、数量和幅值应根据电池的温度而改变。
对铅酸蓄电池而言，使用单个充电脉冲和多个放电脉冲，并且把电池内部温度维持在140°F，图2波形的初始参数可以举例如下充电脉冲C1的电流值IA为25安培，宽度150毫秒;等待周期W1宽度为1毫秒;放电脉冲D1，D2和D3各自的电流值IB为25安培，并且宽度为1毫秒;等待周期DW1-DW3各自的宽度为6毫秒。
温度传感器23监视电池11的内部温度并且把该信息提供给控制器13，从而使控制器13能指示充电电路15适当地调整充电电流的幅值和脉冲宽度。控制器13还可以通过电阻20监视电流并且调整充电电路15的驱动信号，从而提供适当的充电电流。为了把电池温度维持在大约140°F并且保持最佳的充电状态，应适当地设定充电电流脉冲和放电电流脉冲的宽度，数量和幅值。用于电池化成的波形仍如图2所示，也就是一或多个由随其后的等待周期CW1，CW2隔开的充电脉冲C1，C2，随后是放电脉冲D1，D2，D3，放电脉冲也由随后的等待周期DW1，DW2，DW3隔开。多个放电脉冲仍可用于控制晶体的尺寸，并使晶体上形成的尖锐边沿减至最小。
以下参见图4，该图是用来说明如何确定电池化成状态的波形。在化成过程中，在充电脉冲C1的起点处倒出现电压峰值，并且在放电脉冲D1-D3的起点处会出现电压下陷。为方便起见，把峰值和下陷都视为尖峰，例如峰值V1是正向的尖峰，而例如下陷V4则是负向的尖峰。出现在充电脉冲起点处的电压尖峰表现电池负极板的化成状态，出现在放电脉冲起点处的电压尖峰反映电池正极板的化成状态。通常，负极板比正极板较小，因此能先于正极板完成转换。由于负极板上的化学反应速度比正极板上的反应速度快，因此可以把负极板做得比正极板小。当负极板上的材料被完全转换时，电脉冲起点处的电压尖峰将达到一个稳态条件，也就是达到其最大幅值并且保持该最大幅值。类似地，当正极板上的材料被完全转换时，出现在放电脉冲起点处的电压尖峰将达到一个稳态条件，也就是达到其最大幅值并且保持该最大幅值。负极板上的材料比正极板的转换快，因此，充电脉冲起点处的尖峰值将在放电脉冲起点处的尖峰值达到最大幅值之前达到其最大幅值。最理想的情况是使两个极板都完全化成和充电。如果放电脉冲很短，最好是小于2至3毫秒，负极板就会部分地放电，由此产生水，而正极板则不会放电。因此，使用放电脉冲能使正极板完全充电，并且不会使负极板出现过充电。放电脉冲之后的等待周期提供了时间使水与电解液混合并产生离子，离子有助于电池的充电。铅酸蓄电池的最佳等待周期大约为5至6毫秒。图示的波形是在使用恒流源为充电脉冲提供电流IA的条件下获得的。图4上部的波形是电流波形，它表示出了一个充电脉冲C1，随后是一个等待周期CW1，接着是一系列由等待周期DW1和DW2隔开的放电脉冲D1，D2，和D3，再后面是等待周期DW3。该过程然后从下一个充电脉冲C1′开始重复。下部的波形是电池的电压波形。
为了在充电脉冲C1期间使电流IA流动，充电电路15必须在开始时对电流施加一个大电压V1。紧接着，电池将较容易接受充电电流，并因此使充电电路15的输出电压下降到电压V2，并在随后的充电脉冲C1期间基本保持该电压不变。当充电脉冲C1结束时，充电电路15和放电电路16被断开，因此，电压V3代表电池11的开路电压。在等待周期CW1之后，放电电路16向电池11施加一个负载，电池11的输出电压下降到电压V4。紧接着，电池将更容易输出放电电流，使电池的输出电压上升到电压V5并在随后的放电脉冲D1期间基本维持该电压不变。在放电脉冲D1末端，放电电路16被关断，而电池11的开路电压将在等待周期DW1结束后施加放电脉冲D2，电池电压在该放电脉冲起点处会再次下降到接近电压V4，然后上升到电压V5并在随后的放电脉冲期间保持该电压，接着在下一个等待周期DW2期间又上升到开路电压V3。对于放电脉冲D3，等待周期DW3以及其他在下一个充电脉冲到来之前可能出现的任何附加的放电脉冲或等待周期来说，情况是类似的。
在对电池施加了足够重复次数的充电脉冲和放电脉冲之后，电池的一或两个极板上的材料将被完全转换。此时电池将不再接受额外的充电，并且继续施加充电电流通常会导致电池过度电解、气体、以及发热。因此，当电池完全化成时就停止上述充电/放电程序，并且电池就可供使用了，或者是可供执行维护充电程序，例如执行涓流充电程序。如果电池已完全化成了，在施加下一个充电脉冲C1′或接下来的放电脉冲D1至D3时，在充电脉冲起点处的电压和放电脉冲起点处的电压将不再改变。电压尖峰V1和V4的宽度一般为1至2毫秒。控制器13重复上述程序并且把新的平均值不再变化时，也就是说峰值不再增大并且下陷不再减小时，就达到了稳态条件，而控制器13就确定电池已完全化成或充电状态的方法至少对铅酸，NiCad及NiFe电池都是适用的。
在充电脉冲起点处和放电脉冲起点处的电压尖峰幅值的变化是直接由电池在充电脉冲或放电脉冲起点处的较高的电池阻抗引起的。随着正负极板材料在化成过程中逐渐转换，各极板的电势将会增大。其结果会增大对带相反电荷的离子的吸引力，从而产生所谓达夫耐(Duffney)层。随着电势的增大，达夫耐(Duffney)层变得更难击穿，因此在充电脉冲起点处为了击穿负极板上的达夫耐(Duffney)层会产生较大的电池阻抗，并且在放电脉冲起点处为了击穿正极板上的达夫耐(Duffney)层也会产生较大的电池阻抗。因此，当正负极板上的材料都被充分转换并且成形过程完成时，上述电势和阻抗将达到最大值。这一最高电压应能击穿达夫耐(Duffney)层。
对铅酸蓄电池来说，结合图2已经描述了充电脉冲，放电脉冲及等待周期的典型数值，并且电压的典型值为V1-V2为5伏特;V5-V4为0.1伏特;V1′-V2为5.1伏特;以及V5-V4′为0.11伏特。
图5是由控制器13执行的电池充电过程的流程图。在步骤41中，控制器13根据用户输入的诸如电池类型(铅酸，NiCad，NiFe等等)，电池电压(额定电压，电解槽数量，每个电解槽的标称电压)，电池容量(安培一小时，最大安培值)，电池型号等等信息设定充电程序的初始参数。控制器13响应上述用户输入信息设定充电脉冲的数量，宽度和幅值，充电等待周期的宽度，放电脉冲的数量，宽度和幅值，以及放电等待周期的宽度。在步骤42中，控制器执行以下充电程序施加一或多个放电脉冲和放电等待周期。在步骤43，控制器13测量和处理例如电池电压，电池温度以及电池电流等电池参数。虽然有可能以逐个脉冲为基础测量这些参数，然而，电池的响应时间通常是很慢的。因此，这些数值可以采用具有预定间隔的参数平均值，或者仅以预定间隔对参数抽样，例如间隔为5秒(例如对电池电压抽样)至10秒(例如电池温度抽样)。因此，在执行步骤43之前或执行步骤43期间可以多次循环执行步骤42中的充电程序。
判断程序44和45测试电池电压和电池温度是否合格。如果为“否”，控制器则在步骤46中调整参数。例如，如果电池电压或电池温度过高，控制器13就会减少充电脉冲的数量，宽度，和/或幅值。如果电池电压或电池温度过低，控制器13则可能增加充电脉冲的数量，宽度，和/或幅值。类似地，为了使电池电压和电池温度回到所需的限制范围之内，控制器13也可以调整放电脉冲的数量，宽度，和/或幅值，以及调整充电脉冲等待周期和放电脉冲等待周期的宽度。在步骤46中完成参数调整之后，控制器接着在步骤42中执行后续的充电程序。
判断程序47测试电池是否完成充电(或化成)，使用前述的尖峰电压和/或面积测试方法。如果电池未完成充电，控制器13就转去执行步骤42。如果电池充电已完成，控制器13就切换到维护程序50，该程序包括全充电电路15向电池11施加涓流充电，发出音响或报警，或者在显示器14上指示出程序已结束并且电池充电或化成工序已完成。
尽管图中没有示出其他特殊的步骤，假如充电电流或温度不能达到合格的限制范围之内，或是已超过了充电时间，控制器13完全可以停止充电程序。在这种情况下控制器13将产生音响报警和/或在显示器14上指示出所发生的特殊问题。
尽管在最佳实施例中采用了调整充电和放电脉冲幅值及宽度的方式，显然也可以调整等待周期的宽度来解决特定的问题。
虽然本发明是以使用铅酸，镍-镉，以及镍-铁电池为特例来描述的，本发明并不仅限于上述应用，并且还可以用于其他类型的电池，例如镍-氢化物电池及锌-空气电池等等。
从上文中显然可以理解，本发明描述了一种方法和装置，它可以用于电池的快速充电和化成，用于冷冻电池的快速解冻和充电，用于确定电池的化成状态，以及及于确定电池的充电状态。尽管本发明是通过特例来描述的，熟悉本技术领域的人显然可以实现各种变更。因此，本发明的范围仅由附加的权利要求书所限定。
权利要求
1.一种电池的充电方法，其特征是包括以下步骤向上述电池施加一个充电脉冲；向上述电池施加第一放电脉冲；等待一个第一等待周期；向上述电池施加第二放电脉冲；以及重复上述步骤直至达到一个选定的参数。
2.如权利要求1的方法，其特征是上述施加放电脉冲的步骤包括给上述电池施加一个负载。
3.如权利要求1的方法，其特征是上述第一放电脉冲具有第一宽度，上述第二放电脉冲具有第二宽度，并且上述第一宽度近似地等于上述第二宽度。
4.如权利要求1的方法，其特征是上述充电脉冲具有充电电流幅值，并且每个上述放电脉冲都具有一个放电电流幅值，其中至少有一个上述放电脉冲的上述放电电流幅值不小于上述充电电流幅值。
5.如权利要求1的方法，其特征是进一步包括在施加上述充电脉冲之后及施加上述第一放电脉冲之前等待一个第二等待周期的步骤。
6.如权利要求1的方法，其特征是进一步包括在上述第二放电脉冲之后及重复上述各步骤之前等待一个第二等待周期的步骤。
7.如权利要求6的方法，其特征是上述第一等待周期的宽度近似地等于上述第二等待周期的宽度。
8.如权利要求1的方法，其特征是上述选定的参数是上述电池的充电比例，并且上述方法进一步包括测量上述电池的充电比例的步骤。
9.如权利要求8的方法，其特征是在施加上述充电脉冲时测量上述充电比例。
10.如权利要求9的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤包括测量上述电池的正向尖峰电压。
11.如权利要求10的方法，其特征是在充电脉冲的起点得测量上述正向尖峰电压。
12.如权利要求10的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤进一步包括确定上述正向尖峰电压是否达到了一个稳态条件。
13.如权利要求10的方法，其特征是测量上述充电程度的上述步骤进一步包括在放电脉冲之后的等待周期期间测量上述电池的电压峰值。
14.如权利要求8的方法，其特征是在施加上述放电脉冲时测量上述充电比例。
15.如权利要求14的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤包括测量上述电池的负向尖峰电压。
16.如权利要求15的方法，其特征是在放电脉冲的起点处测量上述负向尖峰电压。
17.如权利要求15的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤进一步包括确定上述负向尖峰电压是否已达到了一个稳态条件。
18.如权利要求8的方法，其特征是在随着一个放电脉冲之后的等待周期期间测量上述充电比例。
19.如权利要求18的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤包括测量上述电池的电压幅值，提供一个幅值的测量值;以及在一个预定时间周期期间对上述幅值的测量值积分，提供一个积分幅值信号。
20.如权利要求19的方法，其特征是上述预定的周期是随着上述放电脉冲之后的上述等待周期。
21.如权利要求19的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤进一步包括确定上述积分幅值信号是否达到了一个稳态条件。
22.如权利要求18的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤包括测量上述电池的电压变化速率。
23.如权利要求22的方法，其特征是测量上述充电比例的上述步骤进一步包括确定上述变化速率是否已达到了一个稳态条件。
24.一种电池的充电装置，其特征是包括向上述电池施加充电脉冲的充电装置;向上述电池施加放电脉冲的放电装置;以及控制装置，用于重复地使上述充电装置施加第一充电脉冲，使上述放电装置施加第一放电脉冲，等待一个等待周期，并且使上述放电装置施加第二放电脉冲。
25.如权利要求24的装置，其特征是上述控制装置在上述第二放电脉冲之后和使上述充电装置施加下一个上述第一充电脉冲之前等待一个第二等待周期。
26.如权利要求24的装置，其特征是上述控制装置在上述第一充电脉冲之后等待一个第二等待周期，并且在使上述放电装置施加上述第一放电脉冲之前再使上述充电装置施加一个第二充电脉冲。
27.如权利要求24的装置，其特征是上述控制装置监视上述电池的一个预定参数。
28.如权利要求27的装置，其特征是上述预定参数是上述电池的温度，并且上述控制装置响应上述温度调整至少一个下述参数上述充电脉冲的宽度;充电脉冲的数量;上述放电脉冲的宽度;放电脉冲的数量;上述等待周期的宽度;上述充电脉冲的幅值;以及上述放电脉冲幅值。
29.如权利要求27的装置，其特征是上述预定参数是电池电压，并且上述控制装置响应上述电池电压调整至少一个下列参数上述充电脉冲的宽度;充电脉冲数量;上述放电脉冲的宽度;放电脉冲数量;上述充电脉冲的幅值;以及上述放电脉冲的幅值。
30.如权利要求27的装置，其特征是上述预定参数是上述充电脉冲期间的正向尖峰电压，并且上述控制装置响应达到一个稳态条件的上述正向尖峰电压，停止对上述电池充电。
31.如权利要求27的装置，其特征是上述预定参数是上述放电脉冲期间的负向尖峰电压，并且上述控制装置响应达到一个稳态条件的上述负向尖峰电压，停止对上述电池充电。
32.如权利要求27的装置，其特征是上述预定参数是跟在一个上述放电脉冲之后的一个上述等待周期期间电池电压的积分值，并且上述控制装置响应达到一个稳态条件的上述积分值，停止对上述电池充电。
33.如权利要求27的装置，其特征是上述预定参数是跟在一个上述放电脉冲之后的一个上述等待周期期间电池电压的斜率，并且上述控制装置响应达到一个稳态条件的上述斜率，停止对上述电池充电。
34.一种确定电池状态的方法，其特征是包括下列步骤向上述电池施加一个充电脉冲;在上述充电脉冲期间测量上述电池的正向尖峰电压;以及计算上述尖峰电压。
35.如权利要求34的方法，其特征是上述监视步骤包括在上述充电脉冲起点处测量上述尖峰电压。
36.如权利要求34的方法，其特征是上述计算步骤包括把上述尖峰电压与前一次充电脉冲期间测得的尖峰电压进行比较。
37.如权利要求34的方法，其特征是上述计算步骤包括判断现有充电脉冲的上述尖峰电压与前一次充电脉冲的上述尖峰电压之间的差别。
38.如权利要求37的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池已化成的步骤。
39.如权利要求37的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池已完成充电的步骤。
40.如权利要求37的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池的一个负极板已化成的步骤。
41.如权利要求37的方法，其特征是进一步包括当上述差别小于一个预定值时宣布上述电池的一个负极板已完成充电的步骤。
42.如权利要求34的方法，其特征是进一步包括当上述尖峰电压达到一个稳态条件时宣布上述电池已化成的步骤。
43.如权利要求34的方法，其特征是进一步包括当上述尖峰电压达到一个稳态条件时宣布上述电池已完成充电的步骤。
44.一种确定电池状态的方法，其特征是包括下列步骤向上述电池施加一个充电脉冲;向上述电池施加一个放电脉冲;在上述放电脉冲期间测量上述电池的负向尖峰电压;以及计算上述尖峰电压。
45.如权利要求44的方法，其特征是上述测量步骤包括在上述放电脉冲起点处测量上述尖峰电压。
46.如权利要求44的方法，其特征是上述计算步骤包括把上述尖峰电压与前一次放电脉冲期间测得的尖峰电压进行比较。
47.如权利要求44的方法，其特征是上述计算步骤包括判断现有放电脉冲的上述尖峰电压与前一次放电脉冲的上述尖峰电压之间的差别。
48.如权利要求47的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池已化成的步骤。
49.如权利要求47的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池已完成充电的步骤。
50.如权利要求47的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池的一个正极板已化成的步骤。
51.如权利要求47的方法，其特征是进一步包括在上述差别小于一个预定值时宣布上述电池的一个正极板已完成充电的步骤。
52.如权利要求44的方法，进一步包括当上述尖峰电压达到一个稳态条件时宣布上述电池已化成的步骤。
53.如权利要求44的方法，其特征是进一步包括当上述尖峰电压达到一个稳态条件时宣布上述电池已完成充电的步骤。
54.一种确定电池状态的方法，其特征是包括下列步骤向上述电池施加一个充电脉冲;向上述电池施加一个放电脉冲;等待一个预定的等待周期;以及在上述等待周期期间测量上述电池的输出电压，以便提供一个电压测量值;并且计算上述电压测量值。
55.如权利要求54的方法，其特征是上述计算步骤包括在一段预定时间内对上述电压测量值积分，提供一个积分电压测量值。
56.如权利要求55的方法，其中上述计算步骤进一步包括当上述积分电压测量值达到一个稳态条件时宣布上述电池已完成充电。
57.如权利要求55的方法，其特征是上述计算步骤进一步包括把上述积分电压测量值与前一个等待周期中的积分电压测量值进行比较。
58.如权利要求57的方法，其特征是上述比较步骤包括判断现有等待周期中的积分电压测量值与上述前一个等待周期中的积分电压测量值之间的差别。
59.如权利要求58的方法，其特征是进一步包括当上述差别小于一个预定值时宣布上述电池已完成充电的步骤。
60.如权利要求54的方法，其特征是上述计算步骤包括判断上述输出电压的斜率。
61.如权利要求60的方法，其特征是上述计算步骤进一步包括当上述斜率达到一个稳态条件时宣布上述电池已完成充电。
62.如权利要求60的方法，其特征是进一步包括把上述斜率与一个参考值比较的步骤。
63.如权利要求62的方法，其特征是上述参考值是前一个等待周期中上述输出电压的斜率。
64.如权利要求62的方法，其特征是进一步包括当上述斜率值大于上述参考值时宣布上述电池已完成充电的步骤。
全文摘要
本发明的方法和装置包括加一或多个由等待周期(CW1)隔开的充电脉冲，若充电脉冲多于1，在最后的脉冲后有第二等待周期(CW2)。之后有由等待周期(DW1，DW2)隔开的放电脉冲，在下一充电脉冲前有最后的等待周期(DW3)。放电脉冲幅值与充电脉冲近似，其宽度明显小于充电脉冲。从而使电池内形成正常化学和电梯度，把离子更均匀地扩散入电解液，并不会使电池出现明显放电，加快电池的充电速度及充电效率，使充龟时间和发热量最小。
文档编号H02J7/04GK1090435SQ9310207
公开日1994年8月3日 申请日期1993年1月22日 优先权日1992年1月22日
发明者尤里·波德拉詹斯基, 飞利普·W·鲍普 申请人:电子动力技术公司