用于调节电化电池充电的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可再充电电化学电池，该电池设置具有一个用于确定充电终止点的压力响应装置。具体地说，可以在可再充电金属氢化物电池的敞开端的盖中设置在一个可逆的压力响应开关。可逆的压力响应开关还可以包括一个用于释放电池内部压力的排气系统。或者，一个可再充电电池可以包括一个设置在其外表面的应变片，该应变片的电阻随着由于在充过程中内部压力的上升而引起的电池组外表面的膨胀而改变。另外，一个可再充电电池可结合一充电源使用，该充电源可提供恒定电压、恒定电流、交变电流或在最小临界值和最大临界值之间变化的电压。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
用于调节电化电池充电的方法和装置相关申请本专利技术要求以下这些申请的优先权：2000年10月20日提交的题为《压力响应充电调节开关》(“Pressure-Responsive Charge Regulating Switch”)的美国专利申请No.60/242,347、2001年5月11日提交的题为《压力响应充电调节开关》(Pressure-Responsive Charge Regulation Switch)的美国专利申请No.60/290,229、2001年3月30日提交的题为《压力响应充电调节开关》(Pressure-Responsive Charge Regulation Switch)的美国专利申请No.60/280,391、2001年8月1日提交的题为《用于镍基的可再充电电池的以应变片为基础的充电控制》(“Strain Gauge-Based Charging Control for Nickel-Based RechargeableCell”)的美国专利申请No.60/309,277以及2001年7月31日提交的题为《充电调节开关》(“Charge Regulating Switch”)的美国专利申请No.60/308,970；上述所有这些专利申请的内容援引在此以作参考。关于联邦资助研究或开发的声明无
本专利技术总地涉及镍可充电电池，如镍金属氢化物(NiMH)电池，尤其涉及用于自动可逆地终止一电池充电过程的方法和装置。本专利技术还可用在镍镉(NiCd)电池中。
技术介绍
为了能够更加方便且便于携带，许多现代的电器设备和消产费品可以被操作成从标准型号的电池中引出电流以及电性能。从方便和经济的角度出发，人们开发出了各种可再充电电池，如镍金属氢化物电池等。与镍镉以及锂离子技术相比，金属氢化物电池技术能够以合理的成本提供-->极好的高速率性能。此外，金属氢化物电池具有比NiCd电池高约50％的电容量能量密度，基本与锂离子电池相等。金属氢化物可再充电电池的内部化学性质具有对这些电池进行充电的能力的影响。影响对镍可再充电电池进行充电的能力的影响的结果是由这些电池的内部化学性质而造成的。当镍可再充电电池达到满充电状态时，如下所示会在阴极产生氧：氧气穿过透气的分隔件扩散到阳极，在那里，氧气如下所示再化合成氢氧化镉：当对这种电池进行再充电时，重要的是确定电池何时已达到完全充电。例如，如果电池被过充电一段时间，电池中累积的压力会引起电池失效以及电解质泄漏，由此进一步使充电器受到潜在的损害。通常，通过向电池施加恒定的电流而不是恒定的电压来向金属氢化物可再充电电池进行再充电。在这种方案中，电池电压逐渐增加，直到电池达到完全充电，于是电池电压达到峰值。当电池达到过充电状态时，释放的热量会使电池的温度急速上升，而这又将引起电池电压下降。在过充电的过程中，当产生的氧气的量大于电池能够重新结合的量时，在过充电的过程中电池压力也会急剧上升。遗憾的是，已知压力变化率的数值比电压或温度的变化率的数值高几个数量级。因此，传统的恒定电流充电终止方法不能够不带内部压力累积、破裂和电解质泄漏的危险来支持快速充电速率。出于这个原因，金属氢化物电池会有安全隐患。一种常规的减少完全充电状态下压力上升的方式是设置一个电容量比阴极大40-50％的阳极、一透气的分隔件，以及有限的电解质以容纳气体的有效扩散。这样可以避免在阳极产生氢气，但允许氧气与阳极材料再化合。当电池达到完全充电时，在阴极处会连续产生氧气，但阳极不会产生氢气。如果产生氢气，电池将由于过压而破裂。因此，氧气的再化合反应可控制电池的压力，如图1所示。而后，氧气可穿过分隔件并且与阳极材料反应。这种配置的不利方面包括，由于带有氧化作用和热的过充电而阳极老化，因此电池电电容量较小以及相应的电池周期使用寿命较短。重要的在于，当达到完全充电状态时，停止对一个或多个电池进行充电，-->从而避免电池由于内部气体压力升高而可能造成破裂或泄漏。传统的金属氢化物再充电电池本身不能发出信号以提示适当的充电终止点。而是必须依靠与充电器装置相联的昂贵且复杂的检测电路来确定充电何时结束。通常，检测电路是根据以下这些来确定充电终止的：(1)峰值电池电压，(2)峰值电池温度(TCO)，(3)充电时间，(4)-dV，以及(5)dT/dt。每种已知的用于终止恒定电流充电的方法均具有缺点。例如，由于在终止前电池被过充电，故以时间为根据的终止除了很低的充电速率下之外还可能不可靠。由于在终止之前会存在过电压的情况，故以峰值电压为依据的充电终止在充电期结束时会不可靠。以电压下降(-dV)为基础的终止必定会伴随着氧气的再结合并伴随着有害的温度上升。实践中，这意味着电压检测必须精确且快速。除非环境温度稳定，否侧很难精确地测量电压的变化。此外，当充电率低于0.3C时，电压下降的测量值太小以至于无法被精确测量。1C的充电速率引出的电流与电化学电池或电池组的额定电电容量相等。仅根据峰值温度的终止也会轻易受到环境温度的改变的影响。根据温度随时间变化的速率(dT/dt)的终止从某种程度上而言比检测绝对温度变化要可靠，其原因在于它受到环境温度变化引起的影响较小，并且对周期使用寿命的负面效应较小，但是它仍将基于对电池的性能和周期使用寿命有害的热量。其原因在于温度上升快，并且实际上，它会在电压下降之前发生。因此，与上述其它方法相比，破裂及泄漏的隐患较小。这使得这种方法成为当今最常用的充电终止方法。本领域中的其它手段寻求以压力为基础的机构，用于当压力超过预定大小时断开电极和电池终端之间的连接。例如，美国专利No.5,026,615揭示了一种位于一个端盖组件中的压力感测开关，它包括一个传导弹簧构件、一个不传导的支点构件以及一个可移动的传导构件。传导弹簧构件的一端与一终端电连接，另一端与可移动的传导构件电连接。而可移动的传导构件又与一电极电连接。当电池内部压力增加时，可移动的传导构件在弹簧构件上施力，该弹簧构件在不传导的支点构件上枢转并与终端脱开。因此，该专利需要一第一和第二接触件，其中一个能相对另一个移动并可围绕一支点转动以相对另一接触件枢转。这种配置需要更多基本零件，并且更要求组件以很小的公差构成，由此会增加复杂性以及生产的成本。这些技术的其它实例包括美国专利No.5,747,187、5,405,715、5,741,606、-->5,609,972、6,018,286、6,078,244以及6,069,551，所有这些专利全部内容援引在此以作参考。某些这样的机构可防止电池压力引起破裂，但这样做会使电池永久的失效。在其它实例中，可逆的开关装置可防止电池破裂，但不能检测一较早的有充电终止状态来避免热量的积累并确保优良的电池性能和周期使用寿命。另一方面，对于恒定电压充电，当电池能够接收较高电流时，充电电流在充电开始时较高，随着电池达到满充电时电流下降到一较低的程充。当恒定电压充电时，用于恒定电流充电过程的终点的上述信号不再有用，其原因在于，电池达到满充电状态，电池电压恒定及电池温度均匀化。如同恒定电流充电方法，当充电速率高于0.3C时，由于会对破坏装置的压力失去控制，故充电时间不能用于恒定电压充电。由于这些缺点，很难确定一种有效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴向延伸的可再充电电化学电池，该电池包括：（ａ）一外部外壳，该外部外壳形成有一个带有一敞开端的内部空腔，设置在内部空腔中的一正电极和一负电极，以及一封闭该敞开端的终端盖；以及（ｂ）一端盖组件，该端盖组件包括：ｉ． 一从外壳向内径向延伸出的孔圈，其中孔圈响应内部电池压力从第一位置朝第二位置弯曲；ｉｉ．一第一传导元件，该第一传导元件与终端盖电连通；ｉｉｉ．一第二传导元件，该第二传导元件与正极电连通，并且与第一传导元件成可脱开地电连通，其中 ，第二传导元件与孔圈机械相连；以及其中，当在充电过程中孔圈响应超过预定临界值的一内部压力朝第二位置弯曲时，第一和第二传导元件脱开电连通。

【技术特征摘要】
US 2000-10-20 60/242,347;US 2001-3-30 60/280,391;U1.一种轴向延伸的可再充电电化学电池，该电池包括：(a)一外部外壳，该外部外壳形成有一个带有一敞开端的内部空腔，设置在内部空腔中的一正电极和一负电极，以及一封闭该敞开端的终端盖；以及(b)一端盖组件，该端盖组件包括：i.一从外壳向内径向延伸出的孔圈，其中孔圈响应内部电池压力从第一位置朝第二位置弯曲；ii.一第一传导元件，该第一传导元件与终端盖电连通；iii.一第二传导元件，该第二传导元件与正极电连通，并且与第一传导元件成可脱开地电连通，其中，第二传导元件与孔圈机械相连；以及其中，当在充电过程中孔圈响应超过预定临界值的一内部压力朝第二位置弯曲时，第一和第二传导元件脱开电连通。2.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，当内部压力下降低于预定临界值时，孔圈从第二位置返回到第一位置。3.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，第二传导元件连接到孔圈上，并且至少与第一传导元件部分轴向对齐，并且其中，当孔圈处于第二位置之中时，轴向向外移动第二传导元件。4.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，该电化学电池还包括一个不传导的弹簧构件，该弹簧构件设置在终端盖和孔圈之间以限制孔圈的移动量，并且施加预置的弹簧力以保持第一和第二传导元件之间的接触。5.如权利要求1所述的电池，其特征在于，孔圈在其周边形成了一个径向向内延伸的空腔，该空腔包括端盖和第一传导构件的末端。6.如权利要求5所述的电池，其特征在于，外壳卷边在孔圈上以密封电池的敞开端。7.如权利要求1所述的电池，其特征在于，终端盖是一个正极终端盖。8.如权利要求1所述的电池，其特征在于，该电池还包括一个停止垫圈，该停止垫圈设置在第一传导元件的轴向下游，当孔圈处于第二位置中时，用于限制第一传导元件的轴向运动。9.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个通-->过终端盖延伸的孔，它被构造成当内部压力超过预定临界值时允许气体从电池中漏出。10.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，孔圈使外壳的内部空腔与设置在端盖中的第二内部空腔隔开，并且电池还包括一个通过孔圈延伸的开口，从而在外壳的内部空腔和第二内部空腔之间提供了一管道。11.如权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个设置在开口内的塞子，当内部压力达到第二预定临界值时，该塞子是可移动的。12.如权利要求11所述的电化学电池，其特征在于，塞子是可弹性变形的。13.如权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个设置在开孔内的弹簧构件，它可操作成防止流体从外壳的内部空腔从第二内部空腔流出，其中，当内部压力达到第二预定临界值时，该弹簧构件是可移动的。14.如权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，电池可以在恒定电流充电的情况下充电。15.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以比一小时快的速率充电。16.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以在恒定电压充电的情况下充电。17.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以在变化电流充电的情况下充电。18.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，交变电流充电为半波整流的交变电流充电。19.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，变化电流充电为全波整流的交变电流充电。20.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，变化电流充电为由直流补偿的交变电流。21.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，电池可以用在最小临界值和最大临界值之间变化的电压充电。22.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，该电池还包括一个分隔件，该分隔件设置在正电极和负电极之间，其中分隔件为不透气的。23.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，第二传导元件还包括：-->一第一接触件，该第一接触件具有从正极延伸出的一端以及与第一端相对的一第二端；一第二接触件，该第二接触件通过孔圈延伸，它具有一个与第一接触件的第二端接触的第一端以及一个与第一端相对的第二端；以及一第三接触件，该第三接触件具有一个与第二接触件的第二端接触的第一端以及一个与第一端相对并可脱开地与第一传导元件接触的第二端。24.一种可再充电电化学电池充电系统，该充电系统包括：(a)一电化学电池，该电化学电池包括：i.一外部外壳，该外部外壳形成有一个带有一敞开端的内部空腔、设置在内部空腔中的一正电极和一负电极以及封闭该敞开端的一终端盖；ii.一连接装置，该连接装置在终端盖和第一电极之间建立了一电连接；以及iii.一个响应高内部压力以使连接装置断裂的开关；以及(b)一电池充电器，该电池充电器中可接纳电化学电池，并且被构造成可向电池供给恒定电压充电，其中，内部压力在充电过程中产生，当内部压力超过预定临界值时将致动开关终止充电。25.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，电池还包括一个设置在阳极和阴极之间的不透气的分隔件。26.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，该电池还包括其阳极的安培小时的电容量对阴极的安培小时的电容量的重量比在0.9∶1到1.5∶1的范围内。27.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，充电器还被构造成以变化的电流对电池进行充电。28.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，充电器向电池供给一电流，在充电过程中，该电流随着电池内电压的增加而减小。29.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，电连接还包括一与终端盖电连通的第一接触件以及与阴极电连通并可脱开地与第一接触件电连通的第二接触件，其中，当内部压力超过预定临界值时，开关使第一和第二接触件之间的电连通断开。30.如权利要求29所述的充电系统，其特征在于，开关还包括一个孔圈，该孔圈与第一接触件相连，并且被构造成可偏压第一接触件离开第二接触件。-->31.如权利要求24所述的充电系统，其特征在于，开关是可逆的。32.一种可再充电的电化学电池充电系统，该充电系统包括：(a)一电化学电池，该电化学电池包括：i.一外部外壳，该外部外壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：WC布尚，P奇斯曼，T考夫曼，M鲁特，A罗西奇，ML赛弗森，VH武，
申请(专利权)人：瑞约伐克股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]