获得最佳电动力学特性的带电粒子电子控制方法 本发明涉及物理学、生物学和电化学的过程，它们取决于带电粒子的电动力学特性，更具体地涉及在这些过程中用于控制该电动力学特性的改进方法。
图1是表示本发明的一个优选实施例的，描述施加的电动势emf和所形成的带电粒子位移随时间的关系图。
图2A和2B表示关于施加的电动势和所形成的带电粒子位移(具有和不具有DC偏移)的波形。
图3A和3B表示当振荡频率改变时电动势和所形成的位移的波形。
图4是用于说明关于在系统谐振时发生的电抗放大作用、关于电路暂态响应的衰减作用，以及关于控制注入信号的峰值幅值的能力的三种不同概念的波形曲线。
图5表示两个交变电动势波形实例和表示具有正、负DC偏移的两种情况。
图6是表示本发明的基本元件的系统方块示意图。
图7是本发明的一个优选实施例的简化的系统示意图。
图8是表示另一个优选实施例的简化的系统示意图。
图9是本发明的第三个优选的替换实施例的简化的系统示意图。
图10是本发明的一替换实施例的简化系统示意图。
图11是表示在固体-溶液的接界处的双积电层的动态特性和形成的电位梯度的透视图。
图12是施加和未施加DC电场时带电粒子的布郎运动的透视图。
图13是活化过电位与距表面的距离的关系曲线，表示暂态浓度对反应速度的影响。
图14是表面电荷密度与活化过电位的关系曲线，表示暂态浓度对于表面电荷密度的影响。
图15是电流与离子位移的关系曲线，反映在很多在前技术的方法中的典型的DC脉冲法。
图16是比较用的优选波形和所形成的位移和由等效的DC电动势产生的位移之间的关系曲线。
图17是比较用的优选波形与在在先技术中介绍的DC脉冲(阶跃函数)波形之间的关系曲线，表示由于DC所形成的能量损耗。
图18表示对于大电流应用场合的一替换实施例电动势波形曲线。
图19A和19B表示在荧光和磷光材料中的电子的电动力学特性。
图20A和20B表示平板电容的结构、电介质极化，以及由于施加交流电场所引起的介电损耗。
图21是对于几种类型的电池系统的阻抗和频率的关系曲线。
图22A和22B是表示在平板电极系统中的质量迁移流的透视图，用于将在先技术与本发明的优点相比较。
图23是表示多孔电极的示意图，以说明利用DC电动势的缺点和本发明的优点。
图24A是对于电化学电池的等值电路，说明对于施加DC电场的稳态元件的传统观点。
图24B是对于电化学方面的动态状态的等值电路，说明当按照本发明所介绍的方法运行时该元件的动态电动力学特性。
图25表示双积电层电容器的优选实施例的波形的作用。
关于电解的法拉弟定律解释了通过电流产生的化学变化的数量怎样与电荷总量成比例。再有法拉弟方程仅提供对于质量变化的理论数值。这种不一致主要是因为某些电荷消耗在一些寄生的过程中。
对于电化学反应速度的关键是控制附加的电位，这就导致对反应过程进行更大的控制。在电极表面上的一伏特变化可以导致反应速度按幅值的八个数量级(order)的增加。Butter-Volmer方程表达了电极的反应动力学特性，是通过使电流一过电位关系与交换电流密度以及阳极和阴极转移系数相关实现的。对于大的过电位值，简化Butter-Volmer方程形成Tafel方程：i=i0exp(αaFRTηs)]]>
可以对Tafel方程直接求解，以便求出电流密度i和活化或表面过电位ηs。项i0是交换电流，αa是阳极转移系数，F是法拉弟常数，R是通用气体常数，T是K氏温度。沿该元件分布形成的电位等于：
V＝ηs(阳极)+ηc(阳极)+IR-ηc(阴极)-ηs(阴极)项ηc是浓差过电位(concentration overpotetial)，项IR代表欧姆损耗。阴极过电位按照习惯是负的，使得要增加5个组成部分以便限定沿每个组元形成的电位。这5个组成部分为非能源，表示损耗。
反应速度受由于产生双积电层结构形成的活化过电位ηs支配，而该结构出现在固体一液体(表面-溶液)界面处。这样双积电层或双层起与反应过程并存的电容器的作用。活化或表面过电位起阻止该促进反应速度的电场的作用。活化过电位产生寄生附加能量损耗并且导致发热。电化学(装置)系统是用DC电压和电流供电。在利用DC(供电)反应时，无论是连续还是脉冲式的，还意味着由于向双层充电。要消耗明显部分的能量。
Stern介绍了双积电层结构为二双层，一个接近表面不动，另一个为扩散区延伸到溶液中。Frumkin对Stern模型加以校正，考虑了由于在反应物和反应产物的浓度的局部变化所引起的双层结构的变化。
Stern介绍了二双层的电容作为两个串联的电容器。该内或Helmholtz层电容用Ch来标注，扩散或Gouy-Chapman层用Cgc来标注。这种配置的结果在于较小的电容支配了双层结构的有效电容Cs(Stern电容)，按照方程1Cs=1Ch+1Cgc]]>图24B表示了电路结构。当Helmhotlz区域为高浓度时，比较起来Cgc大于Ch，使得有效电容Cs接近等于Ch。按照稀释的浓度，Cs将接近等于Cgc。
图11表示在激活的固体一溶液界处的双层的理论上的物理分布。在图11中画有两条直线，通常对于内Helmholtz平面标示为IHP，对于外Helmholtz平面标示为OHP。由表面到IHP的距离约为1纳米(nm)，由表面到OHP的距离约为3纳米。在这一区域的范围内形成的典型电容可以在10到50微法/平方厘米之间。如果沿IHP(1nm)形成的电位为100毫伏，则加在该区域上的电场强度十分大为l×108伏/米。该电位可以看作为一动态电阻。在该电场中的一个离子的电位能量按该公式Zeψ表示的，Z等于离子的价，e等于电子的电荷。在d处的平面与扩散层的有效厚度相一致，并且在低浓度下和小于25毫伏的ψ0时可以小至3纳米。电位ψ0可以为几百毫伏。
另一个重要因素是在Helmholtz层外侧，该反应物种类(Speciesf)距反应表面太远。重要的是对于反应的推动力是沿Helmholtz层而不是整个双层结构形成的电位。图13和14是由Gouy-Chapman方程产生的，并且在各最大电位有重要性但是常用于描述两个重要的特性。如在图13中所示，如果浓度增加沿距离发生更快的电位ψ的降低。图14表示对于指定的电位ψ0表面电荷密度σ随浓度的增加而增加。
另外一些因素控制整个反应速度。利用已讨论的反应的动态过程控制电极反应的速度。此外，还取决于反应物的质量迁移速度和朝向及背向反应位置的反应产物。三种类型的移动是对流，扩散和迁移。扩散是这样一种过程，其中粒子由高浓度区向低浓度区散布。迁移是这样一种过程，其中粒子在力例如由于施加电场形成的电迁移的影响由一个区域向另一个区域的移动。
如果存在高的概率即若两种种类(Species)产生接触将发生反应，则反应是受控的扩散。如果反应高度依赖于反应本身的活化能量，则反应是受控的活化。在过去，具有质量迁移限制的系统可以通过搅动电解液来改进。按相似方式，通过添加催化剂或者提高工作温度可克服高活化能量位垒。
当向电极施加电压时，电荷积聚在表面上以及吸引相反电荷的离子加上具有偶极矩的分子。图11表示了这种作用。为了清晰，图11未表示其它分子和占有溶液中空间的离子出现的充满程度。根据速度方程，可以降低反应，这是因为试图达到反应位置的反应物必须与其它分子竞争，还加上在该位置积聚的反应产物。由移动限制形成不可逆的损耗，并且这些因素导致欧姆损耗和加热。对溶液有力的机械搅动可以增加在这些系统中的质量迁移速度。
Nernst确定了延伸到溶液中的扩散层δ(不要与双层有效厚度相混淆)。这一层厚度是便于测量该系统对于反应物的质量迁移的阻力的。扩散层的厚度范围可约为0.01到0.5毫米。该厚度取决于系统的液体动态特性，例如该层越薄，液体搅动越强，使质量迁移过程更好。如果过程搅动良好，材料的沉积和溶解都不影响液体动态特性和δ。
如果电流增加到某一值，使在表面的浓度接近零，进一步增加电流势必引起不同的反应发生(通常不希望的)。这一限制就限定系统的极限电流密度。该极限电流密度与δ成反比。由于δ的数值分布范围可为50∶1，极限电流可根据在元件中的变化条件在相同的幅值范围内变化。工作在极限电流密度下的电化学系统是在质量迁移控制的状态下工作的。
在按低于极限电流密度工作的系统中，电极反应的速度就是作为电流密度函数的核素的沉积或溶解速度。电流密度取决于驱动力以及受活化或表面过电位以及在反应位置的溶液浓度很大的影响。还有，反应速度取决于在界面处主要的条件。按照较高的搅动速度和形成湍流，极限电流密度将提高，这是因为湍流或质量迁移扰动影响该极限值。然而，对大多数电化学系统，机械扰动是不实用的，因为受到经济和体型的限制。
在溶液中向带电粒子施加电动力将加速粒子。离子的迁移速度和离子的电荷或价以及施加的电场强度成比例。随速度增加摩擦将增加。离子还随机运动，或布郎运动，如在图12中所示。该图表示了受电迁移作用的影响。通过施加外部电场，离子将沿电场的方向移动。在图12中，在未施加电场时，离子在点A起始，在终止在点B之前经历三次碰撞。随着施加电场，相同离子可从点A起始在终止在点C之前经历两次碰撞。电动力作用的结果是形成沿施加力的方向产生位移。离子的移动速度就是沿施加电场的方向的平均速度。图12中所示的矢量粗略地表示如果离子未受到电场的影响时碰撞的结果。图12仅是在X、Y平面内表示的二维示意图，离子在Z平面也是自由移动的。
在扩散层中的实际粘度受施加的电场和在电场中形成的离子的移动或电迁移的影响。这种粘度的变化导致电泳效应或受到阻止。阻止引起离子层沿与中心离子移动相反的方向移动，因此，降低了离子的自然速度。此外，Helmholtz层是明显不动的，这是因为作用力是那样强，使得在这一层中离子或极化分子的寿命也长。进入双层区的任何反应物种类为进出该表面必须竞争。但是电场抑制了反应物离子的自然三维布朗运动。未施加电场，直到离子能够达到适宜的反应位置之前，离子沿横向或反向是自由移动的。对布朗运动的抑制可能严重限制移动到可达到位置的能力。这些因素的综合造成对于电动力的暂态变化的离子响应的时间滞后。其结果是增加由于对双层结构影响所引起的活化过电位以及增加由离子的局部耗尽引起的浓差过电位增加。对包含其它负作用的电化学过程的相依性可能导致寄生气体逸出、电极的钝化、枝晶生长，和/或不良电镀或电结晶。
离子的电移动能力υ(m2/Vs即米2/伏秒)是在电场V/m即伏/米)中的移动速度(m/s)。在DC电场作用下离子的位移可以由如下方程估出：
dx＝υEdt＝υJkdtυ的数值可以按各种化学参考书求出。电流密度用J表示，电导率用K表示。
所有实际的物系具有至少一个谐振点。由于在ωf接近ωn时有强制响应X(s)，电路Q增加。当ωf＝ωn时，Q为最大值，电路对于激励的响应最大。图4表示这一概念。这一自然过程放大作用的重要来源在物理和电化学系统的电子控制中已经被忽视了。
很多电化学物系取决于使用的多孔电极。多孔电极其特征可以在于在一大的结构范围内平均的反应速度的分布或变化率。这种类型的电极可以将用于反应的露出的有效表面面积增加103到105倍。图23表示一说明性的多孔电极。
先前讨论的控制反应速度的原理适用于多孔电极，不过由于电极的体形结构而复杂化。电极和电解液电导率的比可能在该结构范围内变化，使得电流密度很难均匀，通常在界面处最高。电解液透过多孔结构，不过局部浓差极化的问题可能被高度地扩大了。不均匀的电流密度可能导致反应物的局部耗尽和积聚反应产物；寄生副反应；不良材料使用；不规则形状的沉积；以及在结晶结构中的形态变化。电位和浓度的变化促规则形状的沉积；以及在结晶结构中的形态变化。电位和浓度的变化促进形成不均匀的电流密度。由于扩散过程慢，多孔电极通常质量迁移是受到限制的。
图23可以有助于观察长持续时间的DC电动势对于多孔电极的影响。强制离子长时间地朝金属电流汇流器迁移。正如所看到的，这就使得难于将水合的离子沉积在与电流汇流器平行且面向其的表面上。由于固化需要良好的核和生长，但是该结构和施加的DC电场增加了不良核形成的机会，故沉积或者电结晶可能不良。不良的核可能导致在界面处形成枝晶。
局部极化的问题已确认很长时间了，已经开发很多技术来限制不希望产生的极化。公知的方式是利用DC脉冲来提高电镀效应。其原理是施加的脉冲的持续时间短于形成任何明显的浓差极化所花费的时间。
至少自从在1960年之后，已公知利用DC脉冲来提高电池的充电效率。广为使用和高度称赞的GE“Nickel-Cadmium Battery ApplicationEngineering Handbook”(镍匐电池应用工程手册)概括了这些技术。由那时起，已经颁发很多US专利，针对利用DC脉冲技术来提高充电效率的各种技术。
其中有价值的较早的US专利包含：颁发给Burkett等人的3597673号和3614583号以及颁发给Du Puy等人的3617851号US专利。在这些专利中发明人应用连续或相对长的持续时间的DC电流充电接着利用短持续时间的放电脉冲(负载)。应用放电脉冲对电池去极化。各发明之间的主要差别是施加脉冲的频率和持续时间。颁发给Aspinwall等人的4385269号US专利介绍一种DC脉冲充电接着为去极化脉冲，以及第二种技术即应用二列DC脉冲充电接着为去极化脉冲。充电脉冲的持续时间约10秒，去极化脉冲持续约2秒。在颁发给Martin的4746852号US专利中，1秒的DC充电脉冲接着为5毫秒的去极化脉冲。在充电和去极化脉冲之后是15毫秒的测量阶段。颁发给Podrarization等人的4829225号US专利介绍一种持续0.1到2秒的DC充电脉冲接着为去极化脉冲，其持续时间为充电脉冲的0.2-5％。在充电和去极化脉冲之后接着一超过去极化脉冲持续时间的静止阶段。静止阶段还按照约7至20毫秒的离子稳定阶段来确定。据指出，静止阶段带来的有益效果是由于使离子能找到在电池极板之间的位置。在颁发给Podrazbansky等人的5307000号US专利中，单或双DC脉冲加静止阶段之后接若干去极化脉冲加静止阶段。据指出，放电脉冲用于产生离子并将其散布到全部电解液中。利用多个去极化脉冲使得在电池内部的自然形成的化学和电变化率也能用于更均匀地散布离子。充电脉冲至少持续150毫秒，去极化脉冲持续时间约为充电脉冲的4％，等待阶段在充电脉冲的0.4-2.4％的范围内变化。另一个权利要求描述了多高的放电电流将引起扩散层的击穿，等待阶段使离子有时间由极板迁移离开。这一作用使极板能更大地接受大电流充电电流脉冲。
在先技术的一个共同的特性和问题是对DC的依赖性，不论是连续的还是脉冲的。在所有颁发的专利中，据指出主要的优点是改进施加去极化脉冲的方法或效果。图15表示各在先技术的发明的典型波形。利用DC使得去极化产生过电位，其降低了电荷容纳程度和这种极化必须处理以便达到合理的电荷容纳程度。形成的过电位是由于活化和浓度过电位的结合。过电位是在电极电位中需要引起指定反应的偏移。形成的损耗是不可逆的，并导致发热。所有在先技术的方法都引起极化形成。
所述DC脉冲都可以作为一DC阶跃函数来分析。理想的阶跃函数地付立叶分析将产生次数至无穷大的谐波。在实际的电路中，阶跃函数与理想的差异是很大的，但是上升时间很快，产生的谐波延伸到很高的频率。时域-频域转换揭示连续的频谱包络线延伸到角频率f1＝1/πτ，脉冲宽度为τ。对于100纳秒的上升时间tf，2次角频率f2将约为3兆赫。包络线幅值在f1后按照-20dB/10(次)的速率下降以及在f2之后按-40dB/10(decade)的速率下降。实验表明，离子的暂态响应时间数量级为1到10微秒。用各种测量方法可以确定这一数值，图21表示一种方法。图21是对于几种类型的电池按照log-log比例绘制的阻抗与频率的关系曲线。脉冲上升可以比离子(可)输送电荷要快。如果脉冲的上升速度超过离子的暂态响应时间，系统必定(通过限定)是质量迁移受限制的。在这种状态下，瞬间极限电流密度过高，脉冲中的能量必然由未预期的方式转变为热。
正如先前所表述的，每次施加DC脉冲，在前沿对双层电容器充电，而在其下降沿则放电。图20A和20B表示平板电容器的形体结构。由平极电容器形成的电容为：C=∈Ad]]>绝缘的介电常数用∈表示，平板面积为A，平极之间的距离为d。根据该方程，电容明显与绝缘的介电常数直接相关。在双层电容器中，极化的水偶极子形成绝缘材料。图11表示该形成双层电容器的电极-电解液接界处的结构，以及水偶极子与电极的物理相互关系。在液体中，偶极子是易于极化的。在IHP中，表面电荷使偶极子高度极化。然而，在OHP中受离子的影响比受表面电荷的影响更大。如果离子浓度增加，介电常数降低，因而电容降低。与之相似，如果离子浓度降低，则电容降低。利用DC向电容充电所需的电流遵循方程：i=Cdvdt]]>
将双层电容器充电和放电所需的能量被浪费了，这是由于其无助于电化学反应。由于形成过电位，施加DC脉冲可能降低有效的反应速度。
图24A表示典型的元件电池的等值电路，其与在“GE镍镉电池手册”和其它电池专业书中所介绍的等效电路是一致的。在电化学物系中的固体-溶液界面处在电动势的作用下将形成双层结构。按照时间常数Cp充电到其最终充电到63.2％，或放电到36.8％。按照一个时间常数的脉冲持续时间充电和按照短的持续时间放电脉冲将使电容在稍大于5倍时间常数的时间充电。去极化脉冲使电容轻微放电。等待阶段使在Helmholtz区域外侧的离子自由地扩散但是沿该区域形成的电位使该双层基本上保持未受扰动。短持续时间的去极化脉冲与等待阶段的组合(小于5倍时间常数)对双层电容器的结构构成和所形成的活化过电位有较小的影响。
取决于该单元电池(cell)作为电解电池还是原电池电池(galvaniccell)运行，在一个电极处的双层结构将支配整个反应。如果一特定的电极支配反应使电流沿一指定的方向流动，则当电流方向反向时，另一个电流起支配作用。由于Gibbs自由能量限制，阳离子不会进入到内Helmholtz平面。这一事实意味着介电系数很高以及因此电容十分大。该单元的有效电容因此是由具有较小电容的相反电极所支配的。可以说，去极化脉冲和等待阶段中断或消除该双层而不管该结构时物理特性。
如在GE镍铬电池手册中所介绍的作为60年代的典型的利用120赫整流的DC脉冲的电池充电器是对于双层电容器的有效的DC脉冲电源。该静止或空闲阶段长于较近期技术的持续时间，不过仍足够短，使电容在短的时间内达到全充电。然而，静止阶段具有足够的持续时间，它们在使双层充电和放电时浪费明显的能量。由于静止阶段为相对短的持续时间，在空闲阶段对“直通”电压的测量并不是该单元的真实开路电压(正像经常说的)。上面讨论较近期的技术由于静止阶段太短(与电容的时间常数相比较)会使过电位放电。测量摆脱3-5浓度过电位相关的瞬时“IR”损失，但仍然具有过电位误差。
与长持续时间的DC相关的另一个问题是由于寄生副反应在电极处水的电离。图11表示水偶极子与正电极的相互关系。DC电位将水偶极子紧密地保持在表面的时间越长，水离解为H+，O-2和OH-1的机会越大。由于强烈地吸引，可在正电极处吸收氧和在负电极处吸收氢。其余的元素(副产物)可能抑制整个反应或者引起其它问题，例如气体压力上升。
正如所讨论的，当DC脉冲持续时间与离子的暂态响应时间相比要长时，该过程可以按照连续的DC分析。公知并有记载，可以将暂态响应技术应用于电化学系统，以便为了单独分析和测量，分出各种过电位。非DC脉冲的一些技术利用了离子自然暂态响应的优点但未应用于电化学过程使总的反应速度实现最佳。
电池是电化学装置的一个实例，其即可用在电解过程(耗能)也可用在原电池过程中(生成能量)。蓄电池经常利用DC脉冲和去极化脉冲充电。施加去极化脉冲瞬间将电池转变为一原电池，不过预期的工况是电解过程。除了所指出的以外，暂态响应技术用于改进电解过程的反应速度而不是用于原电池过程。
蓄电池组件(多个单元)经常将控制电路例如微处理器综合到该组件中，以便监测蓄电池的充电和放电循环周期。颁发给Lemelson的US4289836号US专利将微处理器综合到组件中，用于检测和控制蓄电池的充电。控制电路经常监测流入或流出蓄电池的电流。该控制可以将充电和放电电流与自放电的估值(包含温度补偿系数)相综合，以便预测该组件的可达到的充电容量。此外，通过向外部电源发送控制信号来终止充电，可以利用控制电路终止充电。在更复杂的应用装置中，内部控制电路经过串行总线与外部可编程电源相联系。5572110号US专利(颁发给Dunstan)介绍了这种类型的装置。该控制可以规定电源电流和电压数值，以便与蓄电池的化学性能相一致。这种最新的技术使得能将可编程电源安全地结合各种蓄电池化学性能使用。在颁发给Patino等人的5471128号美国专利中，介绍了一种蓄电池欠电压保护电路。颁发给Garreft等人的5569550号US专利中，对蓄电池增加过电压保护。在颁发给Burns等人的5218284号US专利中，包含开关电源以便对充电和放电电流值进行控制。除了所指出的以外，控制电路并未有效地在原电池模式运行期间增强蓄电池的放电性能。
所有蓄电池装置都遇到电压下降(记忆)和自放电问题。问题的严重性对不同的装置是不同的，并且随运行条件明显变化。一个主要原因是在结晶结构中的引起的形态变化。这些变化主要在材料已经钝化(inactve)的结晶区域内。当材料在延长的时间阶段内钝化时，结晶结构可以改变尺寸。当发生这种变化时，材料变得较少活性并且不能够有助于反应。长时间存放和浅度放电接着递减充电导至在其中长时间材料钝化的区域内。这种钝化的材料通过利用几个深度放电/充电周期可以调节和恢复。深度放电周期的问题对全有蓄电池装置的工作寿命是不利的。调节通常是耗时的并且总的说是不实用的。自放电带来的问题是不经过重新充电或特定的维护操作程序以便周期性地测试蓄电池就不能按要求使用，可能要进行调节和向蓄电池重新充电才行。
电荷迁移有几种方式。在金属或半导体中电子迁移电荷，而在金属及其离子溶液之间离子迁移电荷。三种转移的形式是电子流、离子流以及在电极-电解液界面处的电荷迁移反应。与离子和电子的电荷迁移阶段相关的方程是非常类似的。
在图19A和19B中表示根据电子电荷迁移的两种系统。这些系统过去是依靠交流电流电动势来提供活化难。在图19A中表示一种荧光(装置)系统。在这种系统中，价带和导带由示为Eg的能隙隔开。当进行激励时，电子获得足够的能量跃过导带。服从自然的趋势返回到可达到的最低的能级，电子放弃多余的能量下降到价带。在该过程中发出光子。发射的光的波长决定于能隙的宽度。在这种情况下，发光的波长在可见光光带内，这样形成可利用的光。当对电子的激励消除时，发光终止。提高所施加的ac波形的频率就提高了发射光的频率，有效地增加光输出。在先技术存在的问题在于，提供最有效光输出的控制电路与较低效但是较便宜的60赫控制电路相比价格太高。成本高的主要原因在于，为了产生较高频率(40千赫)的ac波形需要复杂的电路。暗光(dimming)可以节省附加的能量(当可利用时)但是附加的电路成本或许较高。
在图19B中表示一种磷光(装置)系统。同样，能隙将价带和导带隔开。由于向材料中掺入施主(n型)杂质形成如E+所示的附加的能级。当进行电激励时，电子获得所需能量跃到导带。当电子下降返回时，发出光子不过然后变得深陷在施主杂质桴获能级。电子在下降返回到价带之前，暂时维持在施主杂质桴获能级。当电子离开施主杂质桴获能级时发出光子。由于电子暂时在施主杂质能级俘获，在电激励消除之后，磷光材料将继续发光持续一短的时间。过去这种类型的装置利用复杂的ac电源供电。
一种受到关注的磷光(装置)系统是电致发光照明带。该带的光输出效率低并且可能工作寿命短。增加ac电压幅值(高达380伏(有效值))和频率(高达8千赫)可以提高光输出。矛盾在于，工作寿命与ac电压的幅值和频率成反比。该材料的物理结构与平板电容器相类似，这样该系统的阻抗是大电容。为了向各小带供电可使用一些低成本的逆变器，可高达20伏安。目前可利用制成很大或很长的带的技术。然而，150到500伏安ac电源的成本可能高这就妨碍该装置被接受。图20表示与电致发光带相似的一介电系统。关于该主题的目前论文解释，该电致发光带不能利用DC来驱动，ac的工作上限为8千赫。如图20中所示，施加电动势使介电材料中的分子偶极子极化。如果当利用ac电流发生电位相反，分子偶极子必须反转180°。这种旋转引起偶极子摩擦和位移电流。其结果是介电损耗随频率增加。约在10千赫下分子偶极子形成最高的介电损耗。在目前的ac电压等级下，一个问题是电晕放电。虽非常希望能够控制光输出，但用于较大带的暗光电路的成本可能也是很高的。
因此，本发明的目的是提供电动势(emf)，其有效地利用系统的自然谐振或者其它物理特性，以便使带电粒子的电动力学方面的状态最优化，以及利用在谐振时的电抗能存储量或放大作用，以及提高过程的效率，而不要增加施加输入的平均或DC功率。
此外，本发明的一个目的是使输入激励波形(emf)的形状相协调将带电粒子的自然移动或状态最优化，特别是使输入的激励(波形)幅值和频率规范化，以便带电粒子和过程中的物理结构之间的相互作用相协调。例如，emf应当使离子的自然布朗运动最强以及防止在溶液中的扩散过程。离子随时间的位移应对于双积电层的实体距离规范化。
本发明的一个目的是在电化学过程当中产生电催化作用，通过有效地降低活化过电位、浓差过电位以及在双积电层中的能量损耗，因此，降低发生反应所需的活化能量。此外，电催化作用的一个目的是提高在装置工作过程中的交换电流，以此提高极限电流密度，从而提高效率和过程的物料通过能力。
本发明的一个目的是提供一种电子控制方法，用于形成质量迁移扰动，特别是包含双积电层，以及还涉及形成一种与电极垂直的电动作用式扰动，使布郎运动、扩散和对流的自然过程优化。此外，扰动的目的是使在反应位置的反应物的浓度最佳，并降低在表面上浓度变化率的形成发展同时如果适用将在多孔电极内部的透过率最大，以此增加电极的有效表面面积。再者，扰动的目的是提高电容解、电沉积、或者在表面处的电结晶。
本发明的一个目的是提供一种方法，其利用激励的电化学装置的阻抗以便控制所施加的emf的幅值，特别是使装置阻抗能自然衰减施加的电动势的幅值，以此能对emf幅值进行自动控制。再者，一个目的是调节控制过程的DC偏移峰值电流、占空因数和频率，以便与装置的变化相适应协调。
本发明的一个目的是避免DC极化，因此不需要去极化脉冲，因此降低了DC和去极化脉冲的附加派生效应。
本发明的一个目的是在激励的电化学过程当中得到真实的开路电压和准确的闭路电压测量值。此外，提高了电压精度将提高在该装置中发生的充电，放电或自放电的电量计测量值。
本发明的一个目的是提供用于蓄电池充电的emf，可降低热量生成和过电位，因此，通过简单的电压和强度测量就能可靠精确地检测全充电。另外，快速和可靠的检测将避免由于过充而损耗，特别是利用高C速度的充电。此外，在达到全充电之时，一直可维持对高C速度充电时简单、快速和(对全充电的)可靠检测，而无保护使电流递减。再者，一个优点是提高电压测量的精度，和对全充电的可靠检测，使得可以进行较高速度的安全充电。
本发明的一个目的是提供一种利用暂态响应和积分变换技术的过程控制，可以用于改进电解(装置)系统和原电池(装置)系统的反应速度，特别是提供一种在按照电解或原电池两种模式运行的过程中，可用于控制蓄电池性能的方法。
本发明的一个目的是提供用于提供控制电路(模块)的方法，其可以综合到蓄电池组件(多个单元)中，以便控制电解和原电池两种模式时的运行。此外，本发明的一个目的是使模块的几何形状和尺寸粗略接近由一个单元在多单元组件中占有的空间。再者包含激励电路的控制模块的目的是用于控制：(a)输入和输出电流；(b)调节输出电压；和(c)使蓄电池充电和放电；其中包含进行温度补偿。本发明的一个优点是由于利用有效的短路以及过充电流保护，使该组件使用人的人身安全性提高，并进一步由于改进充电和放电性能使蓄电池组件的工作寿命最大限度提高。一个附加的优点是使装置成本总体降低，这是由于不再需要蓄电池充电器，可以利用低成本非调节型电源。
本发明的一个目的是提供一种emf波形，其能发挥较厚电极的益处，而不降低峰值电流的输出能力。
本发明的一个目的是提供一种在蓄电池存放或钝化阶段期间处置蓄电池的方法，用以降低钝化材料的影响和自放电。
本发明的一个目的是提供一种改进的(替换方法)emf波形，其能发挥很多优选的波形的益处，更好地适合于很高电流的应用场合。
本发明的再一个目的是提供用于向发光系统(装置)供电的低成本的方法，其提供用于暗光的低成本的电路；特别是在电致发光照明(装置)系统中，提供DC emf波形，即：(a)有效地降低介电损耗；(b)降低电晕放电；(c)扩展工作频率极限超过8千赫；(d)增加输出亮度；以及(e)延长工作寿命。
本发明的再一个目的是提供安全、环保和经济各种益处的系统。其优点包含：(a)提高人身和装置安全性；(b)减少能量消耗；(c)更好地利用材料；(d)通过消除高频谐波降低电磁干扰；(e)更严密的过程控制；(f)更简单的电路；(g)更低的成本；(h)更长的工作寿命；以及(i)更高的输出。
通过分析附图和如下的介绍将会使本发明的其它目的和优点变得更明显。
提供一种电子控制方法，以此利用施加的电动势使带电粒子的电动力学方面的状态优化，将自然的电响应特性和装置的物理结构相协调一致。电动力学方面的状态是由于改变施加的电场引起的最终形成的带电粒子的运动。这种方法可以适用于非常广泛的应用领域，包含物理、生物和电化学(装置)系统，例如电解、蓄电池、荧光和电致发光照明(光化学)装置。这种方法可应用于蓄电池以改进电解和原电池两种模式的运行。本方法的一预料之外的益处是为实现最佳电动力学方面的状态所需的电路装置要比已有的电路装置成本低。
图1表示该方法中的电动(emf)，其能产生预期的带电粒子位移，使电动力学方面的状态优化。该emf采取了理想衰减的正弦波形叠加到DC电位上形成的波形形状。这种方法的实际实施与所示的理想波形形状是有偏差的。该波形所采取的形状如：
emf＝f(x)+h(x)函数f(x)是按照指数衰减的正弦波，所采取的形状为：f(x)=A×exp-(xB)×sin(C×x)]]>数值A表示幅值，B表示衰减速度，C为振荡频率。函数h(x)限定偏差，所取的形状为：h(x)=D×atan(R×x)π]]>
数值D为偏差放大倍数及R表示接近偏差的速度。
在图1中，第一正峰值引起带电粒子的起始正位移。当波形接近零点时，位移的斜率接近于零。随着波菜延续，电位变负，带电粒子位移也变负。该负位移约为起始正位移的1/3。随着emf波形再次接近0电位。带电粒子位移的斜率再次接近于零。在第二峰值，emf持续正向增加，位移再次变正。第二正峰值的正位移约为起始第一正位移的2/3。随着emf接近零电位，带电粒子位移的斜率第三次趋近于零。第二负emf峰值使带电的粒子负位移。约为由第二正emf峰值所引起的正位移的1/3。这一过程持续一个以上的振荡周期。随着emf波形降低或衰减，所形成的带电粒子位移也降低。图1表示具有三个振荡周期的一个过程周期。在第三振荡周期终止处，即在时间＝60点，过程周期将重新开始。
图2A和2B表示DC偏移对衰减的正弦emf的影响。该emf波形仿效对图1所介绍的格式。图2A表示不具有DC偏移的衰减的正弦emf。由于emf居前正峰值的幅值大于后来的负峰值，形成净余的正位移。图2B表示具有按与图1相似的方式施加的DC偏移的衰减正弦波形，不过具有不同的峰值幅值，图2A表示的单位时间带电粒子的负位移大于图2B。图2B表示比图2A粗略按5对1的每时间单位的净正位移增加(情况)。
图3A和3B表示具有相同峰值和DC偏移但运行在不同振荡频率的两个衰减正弦波，以表示对带电粒子位移的影响。图3A表示按基准(1x)频率的emf以及同时形成的带电粒子位移。图3B表示按照2倍基准频率的emf以及同时所形成的带电粒子位移。仅为了比较，图3B粗略表示6个振荡周期，但是在实际应用中，第二过程周期将在时间二50之点开始。该比较说明，振荡频率的增加同时导致位移降低。
图4表示具有不同峰值幅值的衰减的正弦波形。
图6表示实施这种方法所需的基本元件组成的方块图。装置系统50由注入装置1、波形发生器2、控制电路3、过程4、电源5和控制信号6、7和8组成。过程4是要优化的物理过程。注入装置1连接到波形发生器2和电源5的输出端，并将所形成的emf提供到过程4。波形发生器2是常规的波形发生器，用于形成提供到注入装置1的emf信号。控制电路3产生控制信号6，以便控制波形发生器2的输出。控制电路3是按常规方式实施的，并且可以像运算放大器一样简单，或者像微控制器那样复杂，或者完全为计算机系统。电源5是常规的并且可以范围从ac电源到可编程电源。
控制信号6可以是一个信号或多个信号，包含电压、电流、频率、占空因数和/或衰减率，用于控制波形发生器2的输出。控制信号7可以是一个信号或多个信号，可以是不定向的或双向的，控制信号7可以由控制电路3利用，以便直接监测和/或控制过程4。控制电路3经过波形发生器2，注入装置1以及(可能)电源5间接控制过程4，例如温度，直接经过控制信号7控制过程4。控制信号7可以用作过程4反馈，将电压、电流、阻抗、温度、PH(氢离子活度)、压力和或其它表静态过程控制(SPC)参数。如果装置50是开路运行的(没有由过程4反馈)，控制信号7是可选择的。控制信号8可由控制电路3选择利用，以便监测和/或控制电源5。控制信号8可以是一个信号或多个信号，可以是不定向的或双向的。控制信号8可以控制由电源5的电压、电流和频率等输出参数。
图7是由图6中的方块图派生的装置51的简化示意图。装置51由在装置50中所介绍的相同基本元件组件。控制电路3、过程4、电源5以及控制信号6、7和8与装置系统50中的具有相同的功能。注入装置1在图7中进一步被澄清。不巧的是用于耦合式电感器9的电路符号与用于识别变压器的符号相同。耦合式电感器9的结构和工作与常规的变压器址分类似。为便于讨论，耦合式电感器9的初级绕组(注入烧组)连接在过程4和电源5之间，而次级绕组连接到波形发生器2。耦合式电感器9和变压器之间的主要区别在绕组中的电感的重要性。耦合式电感器9的初组绕组必须用作电流源(电感器)，以便使电源5和过程4的阻抗相匹配。虽然，未表示，用于使耦合式电感器9正确运行的基本特征是在电源5输出端所包含的电容器。这一电容器为耦合式电感器9的初组绕组形成电流通道4和过程，通过装置51接地。
在图7中所示的波形发生器2由开关12、电感器11、电容器10和二极管13组成。在装置51中的波形发生器2是常规的LC调谐振荡器。控制信号6动作开关12，开始振荡周期。电感器11、耦合式电感器9的次级绕组、电容器10和二极管13形成常规的LC储能电路，用于产生预期的emf波形。在电容器10上形成的波形直接施加到耦合式电感器9的次级绕组。耦合式电感器9将来自次级绕组的emf波形叠加(耦合)到由电源5提供的DC电流上。开关12是按pnp晶体管表示的，不过可以是任何一种适用于该应用场合的开关。
替换实施例的介绍
关于EMF波形的附加实施例介绍
图5A、5B、5C和5D表示4个不同的但是相似的emf波形。图5A和5B的波形按如下的形式：
f(x)＝(-|[sin(x-c)]|+DC编移)峰值emf图5A表示具有正DC偏移的波形，图5B表示具有负DC偏移的波形。图5C和5D的波形按如下的形式：
f(x)＝(|(sin(x-c))|+DC偏移)峰值emf图5C表示具有正DC偏移的波形，图5D表示具有负DC偏移的波形，这种方法的实际实施将与理想的所示形状有偏差。
对于大电流EMF波形的附加实施例介绍
图18表示按照限制的上升速度由电流源形成的emf波形。实际实施这种方法将与所示理想的波形有偏差。这种斜向的波形是一种改进的DC脉冲emf。电流由零值到正峰值按照与所需运行性能相协调的上升速度斜向变化。对于特定的时间按照正DC速度维持正幅值。然后电流按照受控的速度斜向地下降，直到达到负的峰值，然后电流反向斜向地反回到正的峰值。按照基准显示时间的百分值，以及可以调节以便与应用场合相协调。同样，按照零表示在过零点处的驻留时间，不过将其可以设定得大于或者等于5倍时间常数的时间段。该所示实例是基于60赫电源的50个周期，由一个峰值到另一个峰值的斜向变化时间等于8.333毫秒。
对于注入装置的附加实施例的介绍
图10表示对于注入装置1和波形发生器2按照另外的电路实施的装置系统54。控制电路3、过程4、电源5以及控制信号6、7、8与对装置系统50的介绍和工况相同。除了注入装置1按照常规的线性放大器电路相同方式实施以及波形发生器2按振荡器32实施外，该装置(系统)54的功能运行与对于装置(系统)50提供的介绍相同。振荡器32是常规的电路，用于产生正弦波、三角波或方波信号。振荡器32的输出提供到开关31。所示开关31是一npn晶体管，但可以是任何一种适用于该应用场合的开关器件。虽然未表示，振荡器32的输出通常利用电容耦合到开头31的基板。电阻27和28用于确定开关31的Q点。电阻29是发射极电阻，用于产生反馈、控制开关31的稳定性。电阻30是集电极电阻，用于控制开关31的电流。
对集成的蓄电池模块的附加实施例的介绍
图8表示模块52和外部电路23，它们包含在(装置)系统50中所介绍的各基本元件。模块52由注入装置1、波形发生器2、控制电路3、过程4、开关14和15、电容器16、连接部分20、21和22以及控制信号6、7、8、17和18组成。为了澄清，详细表示了注入装置1和波形发生器2，它们的功能以及对它们的介绍与在(装置)系统50中提供的相同。过程4是另外按照蓄电池19限定的。电容器16是用于使带有附加开关14和15的耦合式电感器的正确运行的基本元件。电容16为耦合式电感器9的初组绕组和蓄电池19通过模块52接地形成电流通道。控制电路3与在(装置)系统50中指定的功能相同。不过在模块52中该功能比在(装置)系统50中提供的总体介绍限定的更明确。控制电路3通常是按照微控制器集成电路实施的。控制信号17和18控制经过开关14或15到外部电路23、耦合式电感器9以及蓄电池19的电流流动的方向。控制信号18用于经过开关15向蓄电池19充电，控制信号17用于经过开关14向外部电路23提供电源。开关14和15是按照pnp晶体管表示的，但可以采用任何适用于该应用场合的开关。如果不希望或不需要控制充电，开关15也可以是二极管。所示开关14的集电极和开关15的发射极是连接到该连接部分20上的，不过开关14和15以可选择的方式可以分别连接到外部电路23。虽然未表示，由连接部分20和电容器16提供电压负反馈，以便使控制电路3能检测外部电路23的存在以及在电容器上的电压值。控制电路3通过控制信号7监测蓄电池19的状态。在模块52中，控制信号7可以是一个信号或多个信号，它们包含来自蓄电池19的电压、电流、阻抗、温度和压力的测量值。控制信号6在功能上和对其的介绍与在(装置)系统50中相同。外部电路23可以或者是与电源5相似的外部电源或者是由蓄电池19提供的电能使之工作的外部装置。控制信号8是选择的。控制信号8可以是一个信号或者多个信号，可以是不定向的或双向的。控制信号8在当外部电路23是一可编程电源时或者如果适合与外部电路23连通时，用于控制外部电路23的输出。连接部分20、21和22是一些连接点，将其表示是为了强调在模块52和(装置)系统51的差别。
对集成的蓄电池模块的附加实施例的介绍
图9表示基本上与模块52相同的模块53。除了其附加指示器24、电容器25和二极管26之外，开关14、指示器24，电容器25和二极管26构成为一开关电源。控制信号17现在为用于控制开关14的占空因数的脉宽调制器(PWM)控制信号。控制信号8必须包含反馈功能，以便适当调节在连接部分20的输出电压。虽然未表示，反馈是由连接部分20提供到控制电路3的，具有或者没有连接在连接部分20、21和22的外部电路23。这种构成使得控制电路3能向连接部分20提供固定的或可编程的输出电压。外部电路23可以经过串行总线通信在连接部分21提供编程信号或者一般电压或电阻设定值。所示结构(降压(buck))仅能提供小于蓄电池19电压的电压。另外，开关14、电感器24、电容器25和二极管26可以重新配置(降压/升压)，以便提供大于或等于蓄电池19电压的电压。再次表示的开关15的发射极连接在连接部分20，不过可分别接线。由于各种要求有矛盾，虽然实施非常困难，耦合式电感器9也可用于构成开关电源。开关14的发射极与耦合式电感器9相连，集电极连接到蓄电池19的正极。二极管26连接到开关14的发射极并将模块53接地。取消电感器24和电容器25。按这种结构，开关14、耦合式电感器24和电容器16和二极管26形成开关电源。开关15可以是与开关14并联的二极管14，以便能使充电电流旁路开关14流过。
运行理论
物理和电化学(装置)系统具有自然发生的电特性，决定了包含的特定过程的效率和效果。对于这种方法所关注的特性是带电粒子的电动力学方面的状态。虽然不在本发明的范围内。需要将带电粒子的电动力学方面状态优化的第一过程是透澈理解所要控制的过程。这种理解需要详细分析暂态响应状态，包括计算对于时域的传递函数以及付立叶和拉普拉斯的积分变换。在其中电子作为主要电荷的迁移过程的物理(装置)系统中，通常是直接地分析和测量电特性的。在电化学(装置)系统中，两种电荷迁移的方法涉及在溶液中的离子和在电极-电解液中电荷迁移的电子。电化学(装置)系统由于在化学反应速度和可能同时发生一种以上反应方面更复杂。尽管主要过程，关于化学反应速度的动力学和热动态特性很多是不了解的，因此，大多数所需信息必须通过实验来确定。
如果在系统谐振时发生强制响应(由emf引起)，该对于激励的响应会最大。如果激励(按ωf)接近自然响应(按ωn)，产生这种最大响应。系统可以具有一个以上的谐振点。利用电抗放大作用可以控制带电粒子，该电抗能量能比施加的DC或者平均(实际)功率更有效地推动该过程。在图4中表示了谐振时的电抗放大作用。ωn频率的确定是在该过程中优化带电粒子的电动力学方面的状态的重要的第一步。在物理系统中谐振点的确定通常是直接地，不过对于电化学系统则更复杂。其它因素可能支配该系统离开谐振工作，不过必须理解谐振能使系统性能优化。
如果能将极化损耗与ac暂态响应相区分，则通过利用ac暂态响应特性控制该过程可以降低后面的极化。由于表面速度反应对于电位的很小变化十分敏感以及过电位(极化)是对该反应的动态阻力，关键是避免过电位的发生。Stem证明，离子进入密实的双层区的速度确定了形成的过电位ψ0数值。使反应速度优化的关键则是将在双层区域中的离子流动优化。
作为非反应物的在水溶液中的离子形成成对的碰撞体(encounter)，具有的寿命为10-12到10-8秒。在这一时间期间，在彼此分开之前它们经历10到100000次碰撞。理论是将一个离子作为一个沉降粒子(Sink)以及其它离子可以看作静止离子在电场中移动的。这种理论可以适用于在碰撞表面的情况以及非反应离子。碰撞体的寿命(在双层区域内)由双层作用在离子上的强作用力所决定的。水合的离子的直径在1纳米级，双层区域的有效厚度约3到10纳米，Helmholtz平面为3纳米级。如果例如离子暂态响应确定限制在10微秒，在其之前要花10微秒使离子克服电泳的阻止作用以及与双层相关联的时间滞后。因此应将驱动力规范化，以便在这样一个时间间隔内产生数纳米级的离子偏移，在该间隔内使自然离子碰撞体寿命最大，但是并不块于离子响应时间。实际上，这对各种物理参数优化了离子运动。
作为一个实例，在理想的状态下，第一个脉冲将很强地推动离子朝电极移6纳米，然后暂停以使离子能自由扩散。下一个脉冲将离子由电极拉开2纳米，然后暂停以使离子能扩散。第二个强度较低的脉冲将离子朝电极推动4纳米，然后暂停。接着这是将离子由电极拉远1纳米，接着暂停。第3个脉冲推近2纳米以及接着暂停。接着这一推动的将是强度十分低的推动(轻微推动)，基本上使离子能自由扩散。
在图1中表示了可引起这种位移的emf。该波形为带有DC偏移的衰减正弦波形。在这一实例中的振荡频率小于100千赫，以便使谐振和暂态响应时间相协调。该衰减的正弦波形是始终自然发生的波形。其还是欠衰减系统的输出响应。在图1中，可以看出，每次emf波形过零线时，在一小的时间段的位移的斜率基本上为零，这对应于离子自由扩散的时间。正弦波形实质不向双层电容器充电。在过零点，位于在双层结构上的电位，然后该电位反向。一个十分明显的效果是，在电极处的双层结构反向，重新形成Helmhotlz区以及扩散区的主要扰动。
图25表示emf对双层结构的作用。在图25中，表示5个时间间隔。在时间间隔A，在两个电极处的内Helmholtz平面(IHP)良好地排列，该单元处于原电池模式。时间间隔B表示加在各电极上的电位是零，IHP被破坏。离子脱离IHP的力作用并自由扩散。水偶极子由于离子而重新取向。在时间间隔C，单元处于电解模式，在每一电极的IHP再次良好地排列，不过是沿反向。时间间隔D再次表示电位为零，IHP被破坏。在时间间隔E，元件返回到原电池模式，在每个电极的IHP良好的排列不过第二次反向。
反应动力学第一定律说明过电位ns怎样随电流密度按指数变化。因此，波形ns通常按指数上升或衰减。衰减的正弦波形也跟随指数上升或衰减，使得emf指数变化波形跟随系统的自然响应。离子被输送和使之能自然扩散，这样有效浓度就最大化nc最小化。电流密度与按照Tafel方程表示的交换电流成正比。交换电流是按照动力学极限的自由度的测量量。交换电流大的数值意味着将按照低的过电位和高的电流密度进行反应。因此将在界面处的动力学特性优化会降低ns。如果振荡频率接近离子移和双层结构的自然谐振(频率)，反应速度将达最大，寄生成分降至最小。
在图1中所示的DC偏移是正常的DC emf，其用于在本发明之前的技术中驱动该系统。电抗性功能将使得作用力更有效，而不会增加提供到系统中的平均或DC能量。图16表示按照新的方法的位移与等效的DC电流的关系曲线。所示衰减的正弦波形完成了每周期3次振荡，具有5次方向变化和5个扩散阶段。在该实例中的第一个峰值接近于5倍的DC幅值以及导致大的起始位移，其等于每个周期总位移的二分之一。由DC形成的位移在完成周期约60％之前未达到相同的数值。最后的扩散阶段持续约该周期的20％。由于等效的DC形成的净直线位移仅为由衰减的正弦波在相同的时间段内形成的位移的80％。
按照如对在先技术中所介绍施加的一个第二DC脉冲，将离子稳定地朝电极驱动，而无如在图1中所示的持续该衰减的正弦emf的33333个周期的去极化脉冲。在这些33333个周期中，将有166665次离子方向变化和扩展阶段。每次离子方向改变还导致在每一电极的双层结构的反向和重新构成。很长持续时间的DC emf会引起过电位和离子的不良分布，实际可降低反应速度。长持续时间的DC emf主要对机械搅动起相反的效果。5毫秒宽的去极化脉冲在这一实例中仍约167倍于时间周期。
图24B表示电化学单元的动态特性，以便与在图24A中所示的静态观点相对比。该电化学单元处于经常的变化状态。很多因素影响该单元，其中包含电流、电压、温度、充电状态和先前的工作状态。即使按照DC工作，该单元也经常地变化，应看作是一动态系统。
在图17中表示衰减的正弦波形和DC阶跃函数的比较。该比较意在量化相对于正弦波形与DC相关联的其它寄生损耗。为进行比较，令起始脉冲的峰值幅值等于DC单位值。由于电化学系统不能响应DC阶跃的上升速度，其结果是产生能耗和系统发热。很明显，在实际系统中的DC上升速度是有限的。如果将正弦脉冲的前沿优化为自然的系统响应(按照所希望的)，则在在两条曲线之间的区域由t＝0到第一个正弦峰值将代表DC损耗。这一区域是为产生DC波形所需要的高次谐波产生的。该区域为在该阶段范围内施加的总的DC能量的32.9％。这一实例还解释了怎样使DC脉冲的上升速度与过程相协调才能降低DC损耗。
Nernst解释了限制的电流密度在有力地搅动将比没有搅动时要大得多。由于机械搅动是不实用的，很多电化学系统是在质量迁移控制状态下工作的。很多工业过程即使利用机械搅动也在质量迁移控制状态下工作。图1中表示的波形不管有还是没有搅动都会导致离子的扰动。这种质量迁移扰动垂直于电极，这是由于离子由于emf在电极之间被推拉。图22A表示在先技术的一种方法，利用一流动通道形成质量迁移扰动。其它已有的方法是利用各种综合的流动图形实现机械搅动。一个普遍的因素是经搅动的溶液形成在电极范围内的层流，即与电极的平面平行。在图22A中表示所形成的流速分布。在表面处流速接近于零。在电极的前沿处反应物的浓度最大，沿着电极表面降低。图22B表示利用这种方法产生的垂直的电动质量迁移扰动的相对平均值。电动扰动和机械搅动相结合将沿电极表面的浓度分布改进。很多工业过程为了得到最大物料通过量按照或者接近限制电流密度工作，这是由于极限电流密度将因垂直扰动而增加，物料通过量将提高。
利用较高的C充电速度将改进蓄电池的电荷容纳程度，这是因为离子更深地透入电极。改进透入程度的一个原因是更高的电流将迫使电流在更大的表面散布。这种散布是由于表面电导率的变化率所引起的。当高的电流密度通过低的电导率区域时，电阻增加，于是使得某些电流流向其它区域。在低电流密度下，电流的流型可能更集中在小的区域内。在较高的电流密度下，离子不能全作用于表面或其附近，这样更多的离子被推向内部。
离子更深地透入电极还降低了纯化材料的问题，和在结晶结构中的形态变化的问题。在蓄电池中自放电的主要原因是在结晶结构中的形态结构变化。如果蓄电池承受如图1中所示的波形，不过具有DC偏移，则在纯化阶段期间，先验的自放电过程将减少。
如果蓄电池按照图1中所示的波形(峰值5倍DC偏移)充电以及将DC电流偏移按1C速度设定，则先验的电荷容纳程度将增加到约5C速度，而没有5C速度DC充电的其它副反应。
如果蓄电池按照图1中所示的叠加在DC电流上的波形(峰值5倍DC偏移)放电，放电电流将增加，动态电阻将降低，可以提高先验的放电性能。
在蓄电池中的能量密度是活化材料的总质量以及电极有效表面面积的函数。峰值电流密度是在电极界面处的表面面积的函数。蓄电池的物理结构是电极厚度(大质量)和界面表面面积之间的折衷结果。如果在蓄电池中对电解和原电池两种运行方式都利用图1中所示的叠加DC分量上的波形(峰值5倍于DC偏移)，先验较厚的电极可用于提高能量密度还维持峰值电流容量。
一个离子可以达到的迁移速度取决于离子的离子迁移率和施加的作用力。氢离子H+的离子迁移率约快4.5到8倍比典型的金属离子，氢氧离子OH-快约3到5倍快。氢气的放出经常是由于无效充电和放电所引起的寄生副反应，在一个电极上产生的氢经常迁移到另一个电极，对活性材料产生永久性的损害。此外氢气的产生还增加在单元中的压力并可能导致永久性地损害。这些因素都强调了避免寄生副反应的重要性和理解系统工作参数的重要性。
在一RLC电路中，用log-log为单位表示的阻抗对频率的曲线将形成为在接近最小阻抗点(在谐振频率ωn处)按-45°的斜率(-20dB/+)，在ωn时的弯曲点(Cusp)，以及在谐振点之后按+45°斜率(+20dB/+)的曲线。直到点0.1ωn之前相位为-90°，然后相位在稳定(leveling off)在10ωn处的+90之前，将按每+(二阶系统)90°的斜向上升。对于电化学(蓄电池)(装置)系统，起始斜率是完全渐变的，接着则很宽，接近零斜率平直延伸，在增加之前延伸持续3到5个十(单位)。图21表示对于三种不同AA尺寸的蓄电池的阻抗曲线。一可测量的ωn点出现在阻抗最小点，不过预期的在0.1ωn处的相位偏移并没有出现。在阻抗开始迅速增加之前的一个十(单位)相位偏移发生。在图21中，可以看出，约在100千赫处阻抗开始迅速增加。虽然未表示，约在10千赫处产生相位偏移，每十(单位)仅约按45°上升。相位和阻抗的关系曲线表示具有多个谐振点的复杂的多阶系统。
该电化学(装置)系统可以在十分宽的频率跨距内维持相对平的响应特性。仅维持平的响应特性的装置用于各电抗性元件，随频率增加使数值增加。实验证实，随在低于ωn时频率的增加，电容降低。这意味着，直到离子迁移或者反应不再能够响应外部要求之时，单元电池是有效的。该电化学(装置)系统根据时域暂态响应测量值具有对于激励的重大衰减的响应。电压按照指数响应特性上升和下降加到外部负载上。
随着温度和/或过电位增加，电荷容纳程度下降。因此，热量的产生和过电位提供了对于电荷容纳程度的过程控制的外部参数。如果在电化学过程中采用带反馈的有效控制，可以使峰值电流、DC偏移以及充电的频率与单元电池中的变化状态相协调，以便使电荷容纳程度达到最大。
实验揭示了ωn和电极厚度之间的关系。厚的多孔电极会导致形成更高的频率ωn值。先验的有效表面面积越大，工作频率就越高。ωn明显地随系统的物理和几何特性变化。例如，NiCdC元件将具有与相同化学特性的AA元件具有不同的ωn值。
在RLC电路中，电阻值确定衰减速率。十分低的R值将产生R阻尼系统，而很大的数值将导致过衰减系统。对于电化学系统维持相同的关系。当将一种强制作用例如在图1中所表示的波形施加到电化学系统上时，对于激励的响应特性取决于R的数值。如果元件阻抗低，则响应特性成为为欠阻尼的。按照这种方式，在这一系统中的过程由于电化学系统的有效电阻是自然衰减的。例如，如果深度放电的蓄电池的阻抗起始高，则峰值电流值将自然衰减(降低)。随着充电程度增加和有效电阻降低，峰值电流将增加。这种自然衰减作用由图4可以看出。
本发明的优选实施例的工作情况
为了清晰，除了所指出的以外，下的介绍将限于电化学过程的应用。图1表示能够引起在电化学系统中产生优选的带电粒子的电动力学方面的运动或位移的电动势(emf)。emf的起始峰值使离子及时朝一个电极位移。当正峰值接近过零点时，离子位移的斜率基本上为零。当位移的斜率基本上为零时，离子自由扩散，不受emf影响。随着emf波形持续变负，将离子由电极拉远。当波形再次接近零时，再次使离子能自由扩散。由于emf的衰减特性，每个振荡周期按时间产生降低的位移，正的和负的。对emf的振荡频率进行选择，以便与系统的自然谐振频率紧密匹配。离子限时间的位移可以通过改变峰值电动势幅值和DC偏移来进一步控制。随时间的位移优化，以便与系统的自然物理结构的相协调，在这里该结构是在固体溶液界面形成的双积电层。目标是使离子的电动力学特性(运动)对于该过程实现优化或规范化，在这种情况下为引起单位时间内的纳米级的位移。在或接近系统谐振状态下运行使得能够利用电抗能量或放大作用，以便改进系统响应特性，而不会增加施加的平均或DC能量。
图2A和2B表示DC偏移到emf和所产生的位移的影响。DC偏移产生的影响比随时间的净位移产生的影响更大。如果没有施加DC位移，离子将受到随时间更大的正负扰动(位移)，但是具有较小的正位移，如在图2A中所示。如果将DC偏移设定得大于在图2B中所示的数值，净位移将变大，但离子的正和负扰动将进一步降低，以及扩散阶段的时间和频率将降低。将DC增加得太大，对离子的扰动具有有害的影响(假设峰值幅度维持不变)。
在图3A和3B中所示的振荡频率产生的影响。图3A和3B是根据相同的时基绘制的，允许图3B在总的时间范围内的持续振荡。按照相同的峰值电流和DC偏移，振荡频率的增加降低了在相同的时间内的离子位移。图3B表示在3个周期之后在时间＝50时，离子位移在单位时间内基本上是不变的。这一结果进一步说明如上所述的增加DC偏移的影响。
图4表示关于emf的三个不同的ac峰值幅值。调节峰值幅值将导致形成更有用的振荡周期，如在图4中所示。形容词“有用的”的使用是使每周期的负位移次数与所需的离子扰动相关。在图3B中，峰值幅值和DC偏移形成三个有用的振荡周期。如图3B中所示增加峰值幅值将形成更有用的振荡和更大的离子扰动。
图4还表示在谐振时的电抗能量或放大作用的概念。emf的频率越接近系统的自然谐振(频率)，系统的谐振就越强。图4还表示多大的系统阻抗才能控制emf。如果系统阻抗在过程的起点高，这一阻抗将使响应特性衰减到emf，以及峰值电流将降低。随着过程进行和阻抗降低，响应将增加。
图6是实施这一方法所需的基本元件的系统方块图。当应用于电化学系统时，系统50控制过程4的反应速度。注入装置1将由波形发生器2产生的emf波形叠加(注入)到由电源5产生的DC偏移电流上。控制电路3监测过程4和调节emf波形和DC偏移电流，以使优化电化学过程。控制电路3可以监测过程4的过程参数，包含电压、电流、阻抗、温度、压力、PH值(氢离子活度)和/或其它静态过程控制(SPC)参数。过程4中阻抗的变化自动调节峰值幅值。控制电路3可以分别补偿(override)来自过程4的衰减系数，因此增加或降低emf的峰值幅值。控制电路3可以有效地通过控制emf特征(包含电压、电流、频率、占空因数和衰减率)来控制过程的反应速度。控制电路3还可以振荡衰减多少才是每周期允许的。衰减振荡的次数范围可以是由一个周期到实际的或许为10的极限。控制电路3可以选择地控制电源5的输出参数，包括电压、电流和频率。回顾注入装置，其将强制作用ωr结合到DC偏移上，该wr可以独立于自然谐振频率ωn。
图7表示用于将在这一方法中的emf波形施加的一个优选实施例即(装置)系统51。系统51通过实验注入装置1与系统50的整体工作有偏差。注入装置1是按照耦合式电感器9实现的。耦合式电感器9将来自波形发生器2的emf信号叠加在来自电源5的DC电流上。耦合式电感器9的一个重要的设计特征是初级和次级绕组的匝数比。匝数比决定了由次级绕组耦合到初组绕组的emf的相对幅值。一个十分重要的且不太明显的参数是耦合系数。紧密耦合的绕组形成高的耦合系数，而松驰耦合的绕组形成低的耦合系数。如果耦合式电感器9的耦合系数高，则emf以与初级电流同相的方式加入。按照低的耦合系数，能量存储在铁芯中，在能量传输到初级绕组之前将产生时间延迟(相位滞后)。这两种状态的重要性在于，耦合方式确定了emf对过程4的冲击。按照在耦合式电感器9中紧密的耦合，将迫使过程4以与在波形发生器2中产生的emf同相的方式振荡。按松驰的耦合，在铁芯中存储的能量使所产生的emf能够与(负载)过程4一起振荡。这种耦合技术使得本方法能应用于很多不同的系统。如果过程4发生在电致照明系统，高电容性系统应与具有低耦合系数的耦合式电感器相匹配。如果过程4作为蓄电池工况，低阻抗的蓄电池应与具有高耦合系数的耦合式电感9相匹配。耦合系数使得emf能与低和高阻抗负载相匹配。图5A、5B、5C和5D表示电压电动势的典型，它是利用高阻抗或电抗负载和低耦合系数形成的。图1、2A、2、B、3A、3B和4是电流电动势的典型，是利用低阻抗负载和高耦合系数形成的。
利用简单的LC储能电路应小心观察，如在图7上的波形发生器2所表示的(当设定每个周期的衰减振荡次数时)。开关12将一定量的能量提供到电路上，以便开始振荡。在能量耗散之前试图开始新的周期可能导致电感器11的饱合和其它问题。利用所示的简单电路，实际的极限不小于2个衰减的振荡周期。
另外的实施例的工作情况
具有高电流emf波形的另外实施例的工作情况
图18表示适用于很高电流应用场合的emf波形，该应用场合超过按照耦合式电感器9实现的注入装置1的电流容量。很多电化学过程工作在很高的电流下，其由于更高的效率和离子扰动可以受益，如在图22A和22B中所示。图18表示按照有限的上升速度的脉冲DC emf，这一波形是由按照有限的上升速度的电流源形成的。图18可与图6所示的系统50相比较。波形发生器2和控制信号6应取消。在系统50中控制电路3起动电源5，以便开始在零电流下的周期。注入装置1(电感器或电流源)控制施加在过程4中的emf电流的上升速度。注入装置1将上升速度限制到一实用值，以便将DC电能损耗降低到最小。利用DC emf驱动过程4持续与应用场合相协调的一段时间，然后通过关断电源5的正电流输出开始负电流周期。在过零点处，控制电路3可以起始一大于5倍时间常数的等待阶段，或者开始电源5的负电流输出。当开始时，电流则持续斜向变化到负峰值。在负峰值，控制电路3关断电源5的负电流输出，然后电流开始斜向变化到零。在过零点，控制电路3将开始下一个正的DC周期。
这一高电流emf实施例也可以按照低成本低电流的线路结构来实现。当目标成本比工作益处更重要时，以及如按照图1所示的emf波形实现的系统50的优选实施例达到节能时，可以采用这种低成本的实施方案。
利用集成的蓄电池模块的另外实施例的工作情况
图8表示按模块52的结构形式的系统51的实际应用。模块52的工作情况基本上与具有外部电路23的系统51相同。按这种实施方案，模块52作为将蓄电池19、控制电路3、波形发生器2、耦合式电感器9和开关14与15集中到单一包装的整体。模块52的优选实施例是将控制电路3、波形发生器2、耦合式电感器9以及开关14和15组装到一组件中，该组件尺寸约与蓄电池19中的单个单元电池相同。所形成的组件和蓄电池19然后封装在一起，作为一个整体的蓄电池组件即模块52。控制电路3通常是一个微控制器电路，其调节蓄电池19的充电和放电的所有方面。开关14和15可以用于保护蓄电池19免受外部短路和过充电流而损耗。开关15通过利用在外部电路23处的电源控制提供到蓄电池19的充电电流。开关15可以按照线性模式或按照恒流源方式实施使用，以便调节提供到蓄电池19上的DC电流。如果开关15按照这种模式工作，则在外部电路23中的电源可以是很低成本的非调节电源。模块52不需要外部蓄电池充电器，并降低了整个系统的成本。开关14用于控制由蓄电池19引出的放电电流。开关14可以终止蓄电池19的放电，以保证按照由控制电路3确定的经温度补偿的安全放电深度。耦合式电感器9当开关14和15两者都关断时持续利用emf波形注入蓄电池19，无DC偏移。电流通道通过电容器16、耦合式电感器9、蓄电池19和模块52接地。将无DC偏移的emf脉冲施加到蓄电池19上，以便将钝化材料的数量降至最少，以及降低存储和自放电作用。利用控制电路3根据蓄电池19的使用情况(历史)和环境温度确定脉冲的重复速度。开关14和15连接在连接部分，不过可以简便地连接到各单个的连接点，以便分别连接到外部电路23。来自蓄电池19由控制信号7提供的典型的反馈信号为蓄电池电压，蓄电池中心抽头电压和蓄电池温度。蓄电池中心抽头电压可以用于监测各个元件的不平衡。控制电路3以可选择的方式经过控制信号8与外部电路23通信。这种通信可以像逻辑电平状态信号那样简单，例如为起动和状态信号。通信可以经过串行总线将蓄电池19的充电状态数据传输到主系统，该主系统根据由模块52提供的电源运行。此外，使用人可以向控制电路3发信号，经过控制信号8补偿安全放电深度保护。控制电路3还记录蓄电池19的使用情况，这一数据可以用于确定保证期。如果由(主机)外部电路23提供适当的编码，这一信息可以经过控制信号8来弥补。
集成的蓄电池模块的另外实施例的工作情况
图9表示作为低成本的较小模块52的进一步扩展的模块53。模块52和模块53之间的主要区别是在模块53的输出端包含可调电源。电源以可选择的方式可为可编程的。开关14、电感器24、电容器25和二极管26构成可调电源，如在降压(buck)结构中所示。如果需要电压高于蓄电池19的电压，各组成元件也可以按降压-升压装置中的配置。开关14也可以按照低成本线性调节器式电源实现，电感器24和二极管26可取消。模块53可以不需要位于在外部电路3中的主系统的通常内部电源。
因此，读者将会了解到本发明人提供的一种电子(控制)方法，通过施加电动势优化带电粒子的电动力学方面的状态，以便紧密地与自然电响应特性和系统的物理结构相协调一致。在电化学系统中，这种方法使反应速度更快，更高效，降低寄生的副反应，改进质量迁移扰动，更紧密的过程控制、改进电镀或沉积的均匀性，降低能耗和系统成本，更好地利用材料和提高过程物料通过量。这样方法还能使系统或过程进一步改进，可以更好地利用优选的emf的益处例如较厚的电极。这种方法具有的益处在于，除了在系统的电动力学状态的范围之外，扩展到安全、环境和经济各方面。
在本方法中所介绍的注入技术使得这一方法能适用于除了所讨论的实例外的十分广泛的物理和电化学系统领域。例如，这种方法已通过实验应用于其它电解过程，可预言这种方法可用在很多工业过程中。这种方法可以直接适用于一些工艺过程，例如污染土壤的现场按电动力学原理改造、电泳、电倾析、电镀、电溶解、电解、放电器或电解加工、电提纯、电抛光、电成形、电解提纯、静电沉降、电渗析、电毛细现象、静电分离以及新型蓄电池的构成。虽然尚未开发，除了分子、离子和电子以外的各种类型的带电粒子预期的扩展包含生物系统。
虽然对于这种方法上面的介绍提供了很多例证应用或预期应用，这些不应构成对本发明范围的限制，而是它们仅作为其优选实施例的例举。因此，本发明的范围不应是由所介绍的实施例确定的，而是由所提出的权利要求及其法律等效物确定的。