慢脉冲快速充电方法

摘要

慢脉冲快速充电方法是一种适用于铅酸蓄电池,镍氢电池,镉镍电池,锂离子蓄电池等快速充电方法。它能保证快速充电过程中,电池的折气量少,温升低,充电量足,充电效率高,避免过充电,电池的容量和寿命不受损害。采用该方法可大大减少快速充电机设备的复杂性及其费用,缩短充电时间,是普通充电方法的十倍到十几倍,便于制造实用的快速充电机。

说明书

本发明属于铝酸蓄电池，镍氢蓄电池，镍镉蓄电池，锂离子蓄电池等慢脉冲快速充电的一种方法。为了实现蓄电池快速充电，国内外研究人员提出了不少有关蓄电池快速充电的方法，研制了许多种快速充电装置，仅国内有关蓄电池快速充电方面已公开的发明及实用新型专利就达近八十种，如发明专利CN88100250A，然而，尽管各自的充电方法和充电机线路都不相同，但大致可分为两类：

(1)高幅值(2--4c)窄脉冲(0.0001s以下)，放电极化。

(2)低幅值(1--1.5c)宽脉冲(0.01s以下)放电去极化。

在众多的快速充电机的发明中，有的因实用效果不佳，有的因设备费用太高等诸多原因，都未能在市场上得到普遍推广使用。

综观现有技术，并加以分析，制约快速充电机推广使用的主要原因在于所选择的快速充电的方法。

快速充电就是采用1C以上的大电流，在较短的时间内充足电池，在充电的过程中，要求不产生大量气体，极板的温升不能过高，这就要求采用合适的脉冲充电方法和有效的消除极化的方法，才能达到真正的快速充电目的。

根据电化学动力学原理，电池在充放电的过程中存在着三种极化即：

(1)欧姆极化，随电流的降低而减小，电流停止，极化消失。

(2)电化学极化，随电流的降低而在微秒级内显著降低。

(3)浓差极化，由于传递过程的缓慢，靠自然扩散(尤其在多孔极板内)，随电流的降低需在几秒到几十秒内而降低或消除。

所以无论是宽脉冲(0.01s以下)还是窄脉冲(0.0001s以下)放电去极化并不是根本意义上去极化的好办法，对扩散因大电流充电产生的热量，更没有有利之处。

本发明的目的：根据多孔性电极理论模型，运用电化学动力学原理，经过大量试验研究，设计出一种双稳态非线性反馈机制的慢脉冲快速充电方法，以保证电池在快速充电中，折气量少，温升低，充电量足，充电效率高，避免过充电，同时电池的容量和寿命不受损害，便于制造出实用的快速充电机。

参照附图1，图1是本发明总体设计方法示意图。为保证在整个充电过程中消除极化，及时扩散因大电流充电时产生的热量，降低极板上的温度，有利于改善极板上活性物质的结晶结构，增加充电的渗透度，在本发明中特设定了在恒大电流(I₁)或恒电压(V₂)后持续足够的时间(t₂)及(t₄)的恒小电流(I₂)及(I₃)的充电过程，非线性扩散反馈形成恒小电流稳态，消除或减小极化。但为了提高充电速度，时间(t₂)及(t₄)又不宜太长时间，一般在1秒到几十秒之间。因此，选定适宜的时间(t₂)及(t₄)的长度是比较重要的，这也是与现有技术放电去极化方法的根本性区别所在。

参照图2，该图是本发明中A段充电双稳态非线性反馈机制的原理示意图。为保证快速充电，提高充电效率，消除极化，在A段慢脉冲充电中，恒大电流(I₁)需维持足够的时间(t₁)，(1)是为了保证足够的充电量，提高充电速度。(2)是为了形成一个恒电流的稳定态。这样在恒大电流(I₁)与恒小电流(I₂)两个稳态之间，d→a→b，经过非线性扩散反馈到达恒小电流态(I₂)，b→d，减小浓差极化，电极表面浓度(C)接近电解液体浓度(C₀)，同时消除或降低其它两种极化，多次循环充电，在A段将完成70％以上的充电任务。

参照附图3，该图是本发明中B段以充电电压(V)随时间(t)变化的工作曲线示意图，结合附图1中B段电流随时间变化曲线可看出，脉冲的大电流或恒电压(V₂)最终趋向接近恒小电流(I₃)，或维持恒小电流(I₃)的充电压值，接近电池充满电时的开路电压值(V₀)，极化现象进一步消除，充电渗透度进一步扩大，充电量进一步增加，保证了电量充足而不过充的要求。

参照附图4，该图是本发明中B段准双稳态非线性反馈机制的原理示意图。该图进一步展示了在B段慢脉冲充电过程中，进一步消除极化，尤其是浓差极化的工作原理。随着脉冲充电的进行，每进行一次d→a→b→d的循环，其循环圈就进一步缩小，d→a’→b’→d’，d’→a″→b″→d″，d″→a″→b″→d，......直到贴近恒小电流(I₃)的浓度随时间变化形成稳态的曲线，电极表面浓度C，接近电池本体电解液的浓度(C₀)，最终浓差极化降到很低值，其它极化同样降到很低值。

本发明与现有技术相比，是从根本上有效地降低或消除极化，实现大电流慢脉冲充电，提高充电速度，大大缩短充电时间，提高充电效率，有效地保护电池容量和寿命，适合于多种蓄电池实现快速充电的理想方法。