CN1268785A

CN1268785A - 用于给阀控式铅酸电池充电的方法和装置

Info

Publication number: CN1268785A
Application number: CN00103105A
Authority: CN
Inventors: 根本圣治
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2000-10-04
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: US6211651B1; TW472405B; CN1179442C

Abstract

可具体应用于给使用Pb－Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池充电的充电方法和充电装置。以预定电流值进行初步恒电流充电。在电池电压达到转换电压Vc之后,初步恒电流充电仍持续一延长时间t_a。经过延长时间之后,利用比初步恒电流充电要小的电流值,将充电转换为第二恒电流充电。当电池温度较高时,优选将初步恒电流充电持续的延长时间设定较短。当电池温度较高时,同样优选将进行第二恒电流充电的第二充电时间设定较短。

Description

用于给阀控式铅酸电池充电的方法和装置

本发明涉及用于能同时逐步降低充电电流的给阀控式铅酸电池充电的方法和装置。

对于给用于电动汽车、客车、高尔夫车等的循环使用目的的铅酸电池充电，可进行短时间的两级恒电流充电。

两级恒电流充电方法是铅酸电池的电压达到预定转换电压之前，用大电流进行充电，并且电压一达到转换电压时，充电就转换到小电流充电，小电流充电持续预定时间直至充电速率达到预定值如120％的放电速率。

在这种充电方法中，为缩短充电时间，必须尽可能进行大电流的初步充电周期。因此，转换电压需设定成较高。然而，如果设定转换电压较高，当尽管继续初步充电，却存在铅酸电池的电压从未达到转换电压的情况时，充电方法难于控制而引起过充电。因此，转换电压不能设定太低，而应留有余量，从而缩短了不希望有的初步充电时间。因此，降低了初步充电的电量。在现有技术的充电方法中，问题在于由于第二充电中补充电量降低，不能充分实现充电时间的降低。

另一方面，近年来已推广了无需供水的阀控式铅酸电池。在阀控式铅酸电池中，电池封闭通过所谓的负极吸收式的方法来完成，其中充电期间正极产生的氧气通过与负极的充电活性材料(Pb)反应来吸收，从而抑制负极产生的氢气。Pb-Ca合金栅板一般充当这种阀控式铅酸电池的正极栅板。然而，在这种阀控式铅酸电池中，缺点在于如果铅酸电池用于极端条件下如高温、深度放电等，会缩短铅酸电池的寿命。这是因为在栅板和活性材料之间的界面上形成PbSO₄钝化层，从而导致容量过早降低的早期容量损失(以下称为PCL)的现象。由于这种PCL现象仅为正极使用Pb-Ca合金的电池所特有，可设想到一般用于溢流型电池的Pb-Sb合金栅板也可应用于阀控式铅酸电池。

然而，使用这种Pb-Sb合金栅板的电池特征在于，当重复充电和放电，随着充电进行电池电压变得慢慢地升高。因此，在通过检测转换电压来进行控制的上述充电方法中，尽管进行充电，电池电压不能达到预定转换电压，从而电池进入不受控制的状态。这种不受控制的状态导致过是充电，使电解质中的H₂O电解。然而，在阀控式铅酸电池中，如果水被消耗，电解质过早变干，由于电池只含极少量的电解液，电池不能使用。因此，当由于充电装置是阻挡层时，存在的情况是使用不出现PCL现象的Pb-Sb合金栅板作为正极栅板的阀控式铅酸电池从来没有投入实际使用。

因此，本发明的第一目的是提供充电方法和充电装置，其中，当进行恒电流充电而同时逐步降低充电电流时，尽管设定转换电压成低值，也可缩短充电时间。

本发明的第二目的是提供充电方法和充电装置，其中，尽管在铅酸电池是使用Pb-Sb合金栅板的类型，如果重复充电和放电时，充电中电压变得缓慢升高的情况下，也能可靠检测转换电压，以便能进行恒电流充电而同时逐步降低充电电流。

为实现上述目的，按照本发明，提供给铅酸电池充电的方法，步骤如下：使用预定电流值进行初步恒电流充电；在电池电压达到预定的转换电压之后，持续初步恒电流充电一预定延长时间；在延长时间之后，使用比初步恒电流充电要小的电流值转换充电到第二恒电流充电。

通过初步恒电流充电，电池电压升高，并在电池电压达到预定转换电压之后，初步恒电流充电持续一预定延长时间。尽管转换电压设定为低于常规设定电压的值，但在达到所设定的转换电压之后，更大充电电流的初步恒电流充电并不马上转换为较小充电电流的第二恒电流充电，而初步恒电流充电仍持续一延长时间，然后转换为第二恒电流充电。因此，可给电池更大电量充电并可缩短充电时间。

而且，在这种情况下，如果当电池温度变高时，延长时间即电池电压达到转换电压之后初步恒电流充电持续的时间就设定为较短，可得到最佳充电速率，从而防止过量充电。

上述充电方法和使用该方法的装置适合于利用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池。该充电方法的研制可使这种铅酸电池投入实际应用。利用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池特征在于，当重复充电和放电时，随着充电进行电池电压变得缓慢升高。然而，按照本发明，因为转换电压设定为低值，能可靠检测电池电压的升高。这意味着能可靠中断使用大电流的初步恒电流充电，从而转换为小电流的第二恒电流充电。可靠防止了过量充电的发生。而且，事实是尽管该方法用于给含有极少量电解液的阀控式铅酸电池充电，不用担心发生过量充电，也不会发生溶液变干。结果，利用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池可实际应用，并且可延长其寿命。在用于电动汽车等的繁重使用中，实际有效率高。

在附图中：

图1是表示按照本发明的充电装置的方框图；

图2是表示充电期间电流和电压变化图；和

图3是表示充电速率变化图。

参考附图，如下详述本发明。

首先，按照现有技术制备30Ah的3HR放电容量的阀控式铅酸电池，使用由1.2wt％的锑、0.05wt％的硒、0.1wt％的锡、0.2wt％砷和余量为铅构成的合金制成的正极栅板。

另一方面，充电装置的结构如图1所示。恒电流充电电路2与以上述方法制备的铅酸电池1相连，从而恒电流充电电路2以恒电流值给铅酸电池1充电，恒电流值根据CPU 3输出的信号设定。电压检测电路4也与铅酸电池1相连，从而与电压检测电路4所检测到的电池电压对应的信号输入CPU 3。与铅酸电池1相连接的温度传感器5也与CPU 3连接，从而与铅酸电池1的温度对应的信号输入CPU 3。延长时间定时器电路6和第二充电定时器电路7也与CPU 3连接，从而每个定时器电路6和7响应CPU 3输出的起动信号Ss，起动时间测量操作。当预定“延长时间t_a”期满时，延长时间定时器电路6将到时信号Su送到CPU 3。当起动第二充电定时器电路7之后经过设定的“第二充电时间t₂”时，第二充电定时器电路7输出到时信号。CPU 3等同充电控制装置。利用软件，CPU 3的作用是将电流设定值按照电池电压及时输入恒电流充电电路2，以便使恒电流充电电路2连续执行初步恒电流充电和第二恒电流充电。CPU 3也起着用于设定“延长时间t_a”的延长时间设定装置的作用，以及还起着用于设定“第二充电时间t₂”的第二充电时间设定装置的作用。

首先，铅酸电池1放电50％(15Ah)。然后，连续进行6A充电电流的初步恒电流充电以及1.5A充电电流的第二恒电流充电，如图2所示。电池电压已达到转换电压Vc＝2.35V/电池之后，当延长时间t_a期满，初步恒电流充电转换为第二恒电流充电。

具体在该例子中，按照以下等式(1)，在CPU 3中计算延长时间t_a，从而当温度T变高时，延长时间t_a设定较短。

t_a＝a-b·ln(T+c) (等式1)

在该等式(1)中，a、b和c是分别取正值的系数，并考虑电池的额定容量、电池结构、使用条件、初步恒电流充电的电流值、预定电压转换值等而设定。在该例子中，设定a＝137，b＝31和c＝8。另外，在等式(1)中，温度T以摄氏温度表示，而t_a用分钟表示。

同样，“第二充电时间t₂”是执行第二恒电流充电的时间，按照以下等式(2)在CPU 3中计算，从而当温度T变高时，设定第二充电时间t₂也较短。

t₂＝d-e·ln(T+f) (等式2)

在该等式(2)中，d、e和f是分别取正值的系数，并考虑电池的额定容量、电池结构、使用条件、初步恒电流充电的电流值、预定电压转换值、第二恒电流充电的电流值等而设定。在该例子中，设定d＝571，e＝91和f＝8。另外，在等式(2)中，温度T以摄氏温度表示，而t₂用分钟表示。比较例

另一方面，在未完成本发明的比较例中，CPU 3中的延长时间设定装置和第二充电时间设定装置均无效的情况下进行充电，从而为与实施例比较起见，固定t_a＝24分钟和t₂＝4小时。结果分析

分别在温度5℃、30℃和50℃下进行实施例和比较例的充电。得到充电速率和由循环数表示的寿命的结果，如表1所示。

表1

		实施例			比较例
		实施例			比较例			充电条件	温度	5℃、	30℃	50℃	5℃	30℃	50℃
初步恒电流充电延长时间t_a(分钟)	54	24	9	24	24	24			温度	5℃、	30℃	50℃	5℃	30℃	50℃
初步恒电流充电延长时间t_a(分钟)	54	24	9	24	24	24	第二恒电流充电时间t₂(小时-分钟)		6-00	4-00	3-36	4-00	4-00	4-00
充电速率(％/额定容量)	120	120	120	100	120	127	第二恒电流充电时间t₂(小时-分钟)		6-00	4-00	3-36	4-00	4-00	4-00
充电速率(％/额定容量)	120	120	120	100	120	127	寿命实验结果		寿命(循环数)	545	535	520	380	535	430
失效原因	正/负极板的退化	正/负极板的退化	正/负极板的退化	负极板上聚集硫酸铅	正/负极板的退化	电解质变干			寿命(循环数)	545	535	520	380	535	430

在按照本发明的实施例中，充电速率(额定容量的百分比)的变化如图3的实线所示。曲线A的点A-1、A-2和A-3表示在电池电压的点达到转换电压Vc处分别在规定温度5℃、30℃和50℃下所得到充电速率。曲线B的点B-1、B-2和B-3表示在中断初步恒电流充电处分别在规定温度下所得到充电速率。曲线C的点C-1、C-2和C-3表示在中断第二恒电流充电处分别在规定温度下所得到充电速率。在这种情况下，图3的曲线A的向左下降基于阀控式铅酸电池的特性，充电电压值取决于温度。因此，在延长时间t_a和第二充电时间t₂均被固定的比较例中，在中断初步恒电流充电处的充电速率变化如长短交替的虚线绘制的曲线D所示，而在中断第二恒电流充电处的充电速率变化如一长二短交替的虚线绘制的曲线E所示。即比较例表示当温度变低时充电速率下降的趋势。另一方面，在该实施例中，充电完成处的充电速率变化如曲线C所示，即充电速率保持恒定而与温度无关。

这对循环寿命即用充电/放电循环数表示的寿命有影响。当5℃下利用固定t_a和t₂值的比较例中的充电方法给电池充电时，由于充电缩短，作为负极活性材料的硫酸铅聚集使得电池失效。当50℃下利用固定t_a和t₂值的比较例中的充电方法给电池充电时，电解质变干，从而由于过度充电速率，无水使得电池失效。另一方面，在实施例中，未发生上述现象，从而循环寿命长。然而，尽管比较例的充电方法可用于给利用如上所述Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池循环充电，从而如果不在寒冷地区或高温条件下使用，充电方法可使电池充分显示出其性能。

另外，为检测上述实施例所示的电池温度，优选附带温度传感器5。然而，当提供充电装置作为与铅酸电池分开的外部充电装置时，可检测环境温度，从而可由环境温度推断并计算出电池温度。在大多数情况下，由于至少充电开始时的电池温度约等同环境温度，可估计环境温度基本上等于充电开始时的电池温度。此外，尽管电池温度随着充电进行而升高，但如果发现充电开始时的电池温度，可根据经验估计出按照充电速率的温度升高曲线。因此，由充电开始时的环境温度可以一定精度计算并确定在电池电压达到转换电压处的电池温度。

尽管上述实施例已表示给使用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池充电的充电装置实例，充电装置也可应用于除阀控式铅酸电池以外的溢流型铅酸电池，还可应用于使用Pb-Ca合金栅板作为正极栅板的阀控式铅酸电池。在使用Pb-Ca合金栅板作为正极栅板的铅酸电池的情况下，根据检测电池电压达到预定电压，可中断第二恒电流充电。

尽管上述实施例已表示利用充电所用的两种电流值进行两级恒电流充电的情况，但本发明并不限定于此，它可应用于利用充电所用的三种逐步降低的电流值进行三级恒电流充电的情况。在这种情况下，在中断上述例子的第二恒电流充电之后，可利用较小电流值进行第三恒电流充电。

尽管上述实施例已表示利用延长时间定时器电路6和第二充电定时器电路7形成所谓硬件定时器的情况，但本发明并不限定于此，也可应用于由CPU 3的软件形成软件定时器的情况。

Claims

1.给铅酸电池充电的方法，包括如下步骤：

以预定电流值进行初步恒电流充电；

在电池电压达到预定转换电压之后，所述初步恒电流充电持续一预定延长时间；和

在经过所述延长时间之后，利用比所述初步恒电流充电要小的电流值，将充电转换为第二恒电流充电。

2.按权利要求1的方法，其中当电池温度变高时，将达到所述转换电压之后的所述初步恒电流充电持续的时间长度设定成较短。

3.给铅酸电池充电的装置，包括：

恒电流充电电路，用于以恒电流设定值给所述铅酸电池充电；

电压检测电路，用于检测正在充电的所述铅酸电池的电池电压；

定时器装置，用于通过测量由所述电压检测电路检测到的电池电压达到预定转换电压之后的时间，检测预定延长时间的期满；和

充电控制装置，用于响应充电起动操作以控制所述恒电流充电电路，从而所述恒电流充电电路利用预定电流值起动初步恒电流充电，持续所述初步恒电流充电直至在由所述电压检测装置所检测的电池电压达到所述预定转换电压的条件下，由所述定时器装置测量的时间达到所述延长时间，在经过所述延长时间之后，利用比所述初步恒电流充电要小的电流值进行第二恒电流充电。

4.按权利要求3的给铅酸电池充电的装置，还包括：

温度传感器，用于基本上检测电池温度；和

延长时间设定装置，用于当由所述温度传感器检测到的温度较高时，将所述延长时间设定较短。

5.按权利要求3的给铅酸电池充电的装置，还包括：

停止时间定时器装置，用于测量所述充电控制装置起动所述第二恒电流充电之后的时间，其中

当停止时间定时器装置已测量到预定第二充电时间时，所述充电控制装置停止所述第二恒电流充电。

6.按权利要求5的给铅酸电池充电的装置，还包括：

温度传感器，用于基本上检测电池温度；和

第二充电时间设定装置，用于当由所述温度传感器检测到的温度较高时，将所述设定时间设定较短。

7.充电装置，用于给使用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池充电，包括：

定时器装置，用于通过测量由所述电压检测电路检测到的电池电压达到预定转换电压之后的时间，从而检测预定延长时间的期满；和

8.按权利要求7的充电装置，用于给使用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池充电，还包括：

温度传感器，用于基本上检测电池温度；和

9.按权利要求7的充电装置，用于给使用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池充电，还包括：

10.按权利要求9的充电装置，用于给使用Pb-Sb合金栅板充当正极栅板的阀控式铅酸电池充电，还包括：

温度传感器，用于基本上检测电池温度；和

第二充电时间时间设定装置，用于当由所述温度传感器检测到的温度较高时，将所述第二充电时间设定较短。