專利名稱：用氣體傳感器控制蓄電池充電的方法
技術領域：
本發(fā)明用氣體傳感器控制蓄電池充電的方法，涉及電池技術領域，是蓄電池充電的控制方法和裝置。
背景技術：
電動車(EV)及混合電動車(HEV)用蓄電池的發(fā)展使得人們對高能量及高功率電池體系更加關注，對于蓄電池充電過程控制的要求也越來越高，充電技術成了電池技術的一部分，特別是電池在安全性、可靠性以及長壽命循環(huán)性能方面，不可或缺的一部分。對于電動車(EV)及混合電動車(HEV)用電池，高效和快速的充電能力以及荷電態(tài)(SOC)的判斷是亟待解決的一個重要問題。
傳統(tǒng)的蓄電池充電控制技術一般基于峰值電壓、負電壓或溫度變化。但這幾種技術都有一個嚴重的缺點，就是會不可避免地造成電池(組)的過充電。比如用溫度變化率控制充電終止，當溫度發(fā)生明顯變化時，電池內部早已充滿了大量氣體，這不僅浪費了能量，而且會縮短電池(組)的壽命。另外，環(huán)境溫度變化也會干擾利用溫度變化監(jiān)控充電的過程。
以鎳氫(MH-Ni)電池為例，在充放電過程中，正、負極正常發(fā)生的電化學反應分別為正極
負極
式中M反MH分別為貯氫合金和相應的金屬氫化物。電池總反應式可表示為
當鎳氫(MH-Ni)電池充電后期和過充電時，正負極上有下列的反應發(fā)生正極(1-4)負極(1-5)由此可見，這時有氧氣的析出和消耗，隨之電池內有氧含量和氣體壓力的變化。這是本發(fā)明中充電控制方法的基礎。
在目前所有的充電控制技術中，以鎳鎘(Cd-Ni)和鎳氫(MH-Ni)蓄電池為例，最廣泛使用的是基于溫度變化率和峰值電壓的充電。其他水系電池如鉛酸電池和鎳鎘(Cd-Ni)電池在充電及過充電過程中也存在氧氣的析出和消耗，因此也可采用本方法進行充電控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是一種基于電池內部氣體狀態(tài)來控制充電的新方法。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是提供一種用氣體傳感器控制蓄電池充電的方法，先將電池和充電設備之間以常規(guī)方法連接起來，再將氣體傳感器的顯示器、單片機和充電設備之間以常規(guī)方法連接起來，電池與單片機之間還包括監(jiān)測溫度等參數設備的常規(guī)連接；其電池有一空腔，以密封方式與氣體傳感器檢測腔相通，或直接在電池外側固接外置壓力傳感器，電池利用氣體傳感器檢測電池內部氣體的狀態(tài)，或結合電池充電過程中所檢測到和確定的其他參數，以單片機推算出電池或電池組的荷電狀態(tài)，再通過充電設備控制器來控制電池充電。
所述的方法，其所述電池內部氣體的狀態(tài)，包含用電池的內部氧氣含量以及內部氣體壓力的變化或兩者的變化率來控制其充電過程，推算出電池或電池組的荷電狀態(tài)；還包含充放電時間、操作溫度，充放電電壓或者電壓的變化、電流的變化，推算出電池或電池組的荷電狀態(tài)。
所述的方法，其可應用于電池反應中涉及氧氣產生副反應的所有水系電解質的電池中。
所述的方法，其所述電池有一空腔，是在處于放電態(tài)的圓柱形電池底部鉆開一直徑為≤1mm、深度為≤0.5mm的圓孔后，所形成的空腔，或是方型電池內部安全閥下方已有的空腔。
所述的方法，其所述電池有一空腔，以密封方式與氣體傳感器檢測腔相通，其密封方式為在處于放電態(tài)的電池底部鉆開一直徑為≤1mm、深度為≤0.5mm的圓孔后，將夾具的兩塊板水平置于電池的兩端，夾具的兩塊板上各有一孔，上板的孔徑與氣體傳感器接口的外徑相適配，該孔覆蓋于圓孔上，在上板與電池底端之間設有O形密封圈；下板的孔徑可容置正極引線，在下板與電池頂端之間設有彈性墊片，彈性墊片中心固接有正極引線，正極引線由下板的孔中伸出；以復數根螺栓將夾具的兩塊板與電池固緊，再將氣體傳感器接口通過固緊裝置與夾具密封，這樣，就用夾具通過彈性墊片及O形密封圈將電池的氣腔與氣體傳感器密封連接，使氣腔與氣體傳感器檢測腔相通。
所述的方法，其所述電池有一空腔，以密封方式與氣體傳感器檢測腔相通，其密封方式為氣體傳感器在方型電池安全閥的位置上通過密封圈和固緊裝置與電池密封，或在安全閥以外的位置上打圓形口，使氣體傳感器在圓形口處通過密封圈和固緊裝置與電池密封。
所述的方法，其所述電池沒有空腔，直接在電池外側固接外置壓力傳感器，采用外置式壓力傳感器時，只需將電池形變量較大的部位與外置式壓力傳感器相接即可，其連接方式為將外置式壓力傳感器壓力應變片與圓柱電池的底部或是方形電池的側面用專用膠粘的方式固接。
所述的方法，其所述氣體傳感器，為氣體壓力或氧含量傳感器。
所述的方法，其所述固緊裝置，為相配的陰陽螺紋。
所述的方法，其所述電池或電池組的荷電狀態(tài)，對混合電動車用電池或電池組的荷電狀態(tài)，在20％荷電狀態(tài)時充電，在80％荷電狀態(tài)時放電；以QNY6.5電池為例，在7C電流充電時，當電池內部壓力達到1.2MPa或內部壓力變化率達到1.0MPa/s，該電池的荷電狀態(tài)達到了80％時，立即停止充電。
所述的方法，其所述電池內部氣體的狀態(tài)，圓柱型QNY3電池內部壓力達到0.3MPa或是內部壓力變化率≥0.04MPa/s時，終止充電；方型鎳氫電池QNF14在5A充電過程中，當氧含量達到4mg/l或是氧含量變化率達到0.25mg/l.s時，立即終止充電。
本發(fā)明方法能夠直接監(jiān)控氣體的析出，在電池這一密閉體系內，隨著氣體的析出，氣體含量增加，并引起電池內氣體壓力的升高。根據電化學知識，當有氧氣析出這一副反應發(fā)生時，正極的充電效率開始降低，到氧氣大量析出時，正極的充電效率顯著下降。電池內的氣體壓力變化與氧含量變化同步。如果能在氧氣大量析出前及時終止充電，不僅可提高能量利用率，還避免了電池(組)的過度充電，有助于降低體系的溫度、延長電池(組)壽命。一般情況下，電池(組)只有在荷電態(tài)(SOC)接近100％時才會析出大量的氣體，因而氧氣的析出速率可以反映出電池的荷電狀態(tài)(SOC)。根據電池內的氧含量或氣體壓力變化能夠及時地獲知電池的荷電狀態(tài)(SOC)，進而采取相應的充電策略。
本發(fā)明最大的一個優(yōu)點是使電池充電控制比傳統(tǒng)的電壓或溫度控制更靈敏更可靠。本發(fā)明包括了利用氣體傳感器檢測電池內部氣體狀態(tài)的方法，以及對電池內部氣體壓力曲線及其變化的解釋，把它們與電池充電過程中所檢測到和確定的其他參數結合起來，作為基本的控制依據。
本發(fā)明也包含用電池內部的氣體壓力以及內部壓力的變化來控制充電過程。電池內部氣體的變化跟時間、溫度以及電壓變化、電流變化、荷電狀態(tài)等多種因素有關。而這些參數也可以在充電過程中被監(jiān)控和確定。
本發(fā)明還包含控制電池充電的方法，這個方法可以通過內部氣體控制減少熱量的產生，或溫度的變化，從而提高充電效率，保證了操作過程的安全性和功率轉換的可靠性。
本發(fā)明還包含控制電池充電的方法，這個方法有利于電池設計，使之能夠承受更高的內部氣體，展現(xiàn)更好的機械極限，在不影響或降低電池(組)性能影響的情況下承受內部氣體的變化。充電量是由電池殼的機械完整性決定的，內部氣體極限越高，充電的恢復性越好，可獲得的容量越高。
本發(fā)明涵蓋了應用于水系電解質的電池中的充電控制方法。其中涉及了電池反應或氧氣產生等副反應。如果在電池(組)中沒有內部氣體變化的正確控制，電池不可能有效的工作。內部氣體控制提供了直接涉及電化學反應的監(jiān)控方法，因而，可以盡可能降低產生氣體和引起電池性能惡化的副反應，使電能更高效地轉化為化學能。
本發(fā)明也包含1、用來檢測電池內氣體壓力或含量變化的內部或外部氣體傳感器裝置的使用；2、提供了一個電池密閉系統(tǒng)的安全密封方法及用于內部氣體測量和監(jiān)控的端部空間接口；3、內部氣體信號反饋到充電控制機構，借助于合適的計算方法實現(xiàn)充電過程的控制；本發(fā)明還包含了用來解釋內部氣體曲線以及作為一個重要因素進行充電過程的控制方法。
本發(fā)明還包含電池內部氣體傳感器裝置的設計、布置、裝配和實施。
采用內部氣體傳感器控制充電過程的方法適用于鎳基水系電池，比如鎳氫(MH-Ni)電池(組)、Cd-Ni電池，也可用于鉛酸電池(組)。電化學體系內部氣體壓力越高，控制的靈敏度就越高。尤其當充電倍率高或充電功率高時，要比依據溫度或電壓的傳統(tǒng)方法更加有效。


圖1采用氣體傳感器控制電池(組)充電的原理圖；圖2圓柱型電池內置式氣體傳感器(壓力或氧含量)裝置示意圖；圖3圓柱型電池外置式氣體壓力傳感器裝置示意圖；圖4方型電池內部氣體傳感器(壓力或氧含量)裝置示意圖；圖5 SC型QNY3電池3C充電過程中的內部氣體壓力變化曲線；圖6 QNF14電池充電過程的氧含量變化曲線；圖7 QNF14電池20℃充電時的氧含量與荷電狀態(tài)(SOC)的關系曲線；圖8 QNY6.5電池20℃時7C充電/1C放電過程中的壓力與壓力變化率曲線。
附圖標記
1、內置式氣體(壓力或含氧量)傳感器；2、受測電池；3、正極引線；3a、電池正極極柱；5a、電池負極極柱；4、彈性墊片；5、負極引線6、螺栓；7、夾具；8、在電池上鉆的孔；9、O形密封圈；10、密封內羅紋；11、外置式氣體壓力傳感器；具體實施方式
圖1是采用氣體傳感器控制電池(組)充電的原理圖。其中，電池與氣體傳感器的連接方式，將在圖2-圖4中做介紹。電池與單片機和充電設備之間的連接，氣體傳感器的顯示器、單片機和充電設備之間的連接為公知技術，在此不做贅述。氣體傳感器可采用圖2-圖4中本發(fā)明的任一種方式與電池密封連接，氣體傳感器的顯示器可以實時顯示電池內部的壓力或氧含量，根據需要還可利用各種設備對電池內部的溫度等進行監(jiān)測，并將這些數據上傳給充電控制器和單片機，單片機對這些數據以及由充電電源傳來的電流、電壓、時間等數據進行相應的計算后，從而判定電池(組)目前的荷電狀態(tài)(SOC)，進而將信號回發(fā)給充電電源，使其給電池繼續(xù)充電或是終止充電。
圖2為圓柱型電池內置式氣體傳感器(壓力或氧含量)裝置示意圖。
在處于放電態(tài)的受測電池2底部鉆開一直徑為1mm、深度為0.5mm的圓孔8后，將夾具7的兩塊板7a、7b水平置于受測電池2的兩端，夾具7的兩塊板7a、7b上各有一孔，上板7a的孔徑與氣體壓力傳感器1接口的外徑相適配，該孔覆蓋于圓孔8上，在上板7a與受測電池2底端之間設有O形密封圈9；下板7b的孔徑可容置正極引線3，在下板7b與受測電池2頂端之間設有彈性墊片4，彈性墊片4中心固接有正極引線3，正極引線3由下板7b的孔中伸出。以復數根螺栓6將夾具7的兩塊板7a、7b與受測電池2固緊，再將氣體壓力傳感器1接口為M10的外螺紋，通過與之配套的夾具7上的內羅紋10旋緊密封，這樣，就用夾具7通過彈性墊片4及O形密封圈9將受測電池2的氣腔與氣體壓力傳感器密封連接，即直徑為1mm、深度為0.5mm的圓孔8構成的氣腔與氣體傳感器1檢測腔相通。
參照圖1，將氣體壓力傳感器1、受測電池2與單片機和充電設備進行連接，其中，受測電池2的正極引線3和負極引線5分別與充電設備兩輸出端相連。
實例1用氣體壓力傳感器檢測圓柱型SC-QNY3鎳氫(MH-Ni)電池3C充電過程的內部壓力變化。
圖3為圓柱型電池外置式氣體壓力傳感器裝置示意圖。與內置式壓力傳感器1比較，受測電池2在充放電過程中，外置式壓力傳感器11是通過檢測受測電池2底部的微小形變來反映受測電池2的內部壓力。采用外置式壓力傳感器11時，只需將受測電池2形變量較大的部位與外置式壓力傳感器11相接即可，其連接方式為將外置式壓力傳感器11壓力應變片與圓柱受測電池2的底部外側或是方形電池的側面用專用膠粘的方式固接。受測電池2的正極引線3和負極引線5分別與充電設備兩輸出端相連。
與內置式壓力傳感器1比較，外置式壓力傳感器11只需將氣體壓力傳感器觸片緊貼于電池底部即可。不過，外置式壓力傳感器11的精度及靈敏度比內置式要差得多。
通過受測電池2正極引線3和負極引線5對電池進行充放電時檢測到的電池內壓變化曲線如圖5所示。當電池內部壓力達到0.3MPa(或是內部壓力變化率達到0.04MPa/s)或更高一些時，終止充電。
實例2方型鎳氫(MH-Ni)電池QNF14在5A充電過程中電池的內部氧氣含量變化。
圖4為方型電池內部氣體傳感器(壓力或氧含量)裝置示意圖。其中，氣體傳感器1可在方型受測電池2安全閥的位置上通過密封圈和羅紋旋緊壓縮密封，也可在安全閥以外的位置上打圓形口，圓形口也需加工出內羅紋以便安裝氣體傳感器1時通過密封圈和羅紋旋緊壓縮密封。受測電池2的正極極柱3a和負極極柱5a分別與充電設備兩輸出端相連。
圖6表示的是方型鎳氫(MH-Ni)QNF14電池在充電過程的內部氣體變化。在充電170min左右時，正極的析氧量顯著增加，電池內部的氧含量達到4mg/l，氧含量變化率達到0.25mg/l.s。將170min作為充電終點時的能量利用率最高，如果繼續(xù)充電，由于氧氣析出會顯著降低充電效率。因此在氧含量達到4mg/l或是氧含量變化率達到0.25mg/l.s時應立即終止充電。
實例3在方型鎳氫(MH-Ni)電池QNF14在5A充電過程中，通過內部氣體中氧含量推算電池的荷電狀態(tài)(SOC)。
從圖7可看出20℃下，方型鎳氫(MH-Ni)QNF14電池充電過程中氧含量與充電電量具有很好的對應關系，因而可以根據電池內的氧氣含量判斷電池的荷電狀態(tài)(SOC)。
實例4在圓柱型鎳氫(MH-Ni)電池QNY6.5的7C充電/1C放電過程中，電池內部的壓力及壓力變化率曲線。
混合電動車(HEV)用電池(組)的荷電狀態(tài)(SOC)通常在20％～80％之間，電池在20％荷電狀態(tài)(SOC)時充電，在80％荷電狀態(tài)(SOC)時放電，在此之間時，電池可以充電或者放電。傳統(tǒng)的安時積分法(充放電時間與電流的積分)可以估算電池的荷電狀態(tài)(SOC)，但常常有一定偏差，同時采用電池內部的氧氣含量或壓力的變化(率)則可以更為準確地判定電池終止充電，如圖8所示，在7C電流充電時，當電池內部壓力達到1.2MPa(或是內部壓力變化率達到1.0MPa/s)，該電池的荷電狀態(tài)(SOC)達到了80％，應該立即停止充電。
權利要求
1.一種用氣體傳感器控制蓄電池充電的方法，先將電池和充電設備之間以常規(guī)方法連接起來，再將氣體傳感器的顯示器、單片機和充電設備之間以常規(guī)方法連接起來，電池與單片機之間還包括監(jiān)測溫度等參數設備的常規(guī)連接；其特征在于，電池有一空腔，以密封方式與氣體傳感器檢測腔相通，或直接在電池外側固接外置壓力傳感器，利用氣體傳感器檢測電池內部氣體的狀態(tài)，或結合電池充電過程中所檢測到和確定的其他參數，以單片機推算出電池或電池組的荷電狀態(tài)，再通過充電設備控制器來控制電池充電。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電池內部氣體的狀態(tài)，包含用電池的內部氧氣含量以及內部氣體壓力的變化或兩者的變化率來控制其充電過程，推算出電池或電池組的荷電狀態(tài)；還包含充放電時間、操作溫度，充放電電壓或者電壓的變化、電流的變化，推算出電池或電池組的荷電狀態(tài)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，可應用于電池反應中涉及氧氣產生副反應的所有水系電解質的電池中。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電池有一空腔，是在處于放電態(tài)的圓柱形電池底部鉆開一直徑為≤1mm、深度為≤0.5mm的圓孔后，所形成的空腔，或是方型電池內部安全閥下方已有的空腔。
5.如權利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述電池有一空腔，以密封方式與氣體傳感器檢測腔相通，其密封方式為在處于放電態(tài)的電池底部鉆開一直徑為≤1mm、深度為≤0.5mm的圓孔后，將夾具的兩塊板水平置于電池的兩端，夾具的兩塊板上各有一孔，上板的孔徑與氣體傳感器接口的外徑相適配，該孔覆蓋于圓孔上，在上板與電池底端之間設有O形密封圈；下板的孔徑可容置正極引線，在下板與電池頂端之間設有彈性墊片，彈性墊片中心固接有正極引線，正極引線由下板的孔中伸出；以復數根螺栓將夾具的兩塊板與電池固緊，再將氣體傳感器接口通過固緊裝置與夾具密封，這樣，就用夾具通過彈性墊片及O形密封圈將電池的氣腔與氣體傳感器密封連接，使氣腔與氣體傳感器檢測腔相通。
6.如權利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述電池有一空腔，以密封方式與氣體傳感器檢測腔相通，其密封方式為氣體傳感器在方型電池安全閥的位置上通過密封圈和固緊裝置與電池密封，或在安全閥以外的位置上打圓形口，使氣體傳感器在圓形口處通過密封圈和固緊裝置與電池密封。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接在電池外側固接外置壓力傳感器，其連接方式為將外置式壓力傳感器壓力應變片與圓柱電池的底部或是方形電池的側面用膠粘的方式固接。
8.如權利要求1、5或6所述的方法，其特征在于，所述氣體傳感器，為氣體壓力或氧含量傳感器。
9.如權利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述固緊裝置，為相配的陰陽螺紋。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電池或電池組的荷電狀態(tài)，對混合電動車用電池或電池組的荷電狀態(tài)，在20％荷電狀態(tài)時充電，在80％荷電狀態(tài)時放電；對QNY6.5電池，在7C電流充電時，當電池內部壓力達到1.2MPa或內部壓力變化率達到1.0MPa/s，該電池的荷電狀態(tài)達到了80％時，立即停止充電。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電池內部氣體的狀態(tài)，圓柱型QNY3電池內部壓力達到0.3MPa或是內部壓力變化率≥0.04MPa/s時，終止充電；方型鎳氫電池QNF14在5A充電過程中，當氧含量達到4mg/l或是氧含量變化率達到0.25mg/l.s時，立即終止充電。
全文摘要
本發(fā)明用氣體傳感器控制蓄電池充電的方法，提供了一種適用于蓄電池的新的充電控制方法通過氣體傳感器或外置壓力傳感器檢測電池內部氣體中的氧含量或(和)氣體壓力，再用微分方法計算氧含量或(和)氣體壓力的變化率，必要時可結合電流、電壓、時間等其他參數，判定電池的荷電狀態(tài)，進而確定電池(組)的充電策略。本發(fā)明控制充電的方法適用于鎳基水系電池，控制充電的靈敏度高，尤其當充電倍率高或充電功率高時，比依據溫度或電壓的傳統(tǒng)控制方法更加有效。
文檔編號H01M10/48GK1832246SQ200510051569
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權日2005年3月7日
發(fā)明者夏保佳, 婁豫晥, 徐乃欣 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所