CN1193214A - 二次电池的充电方法及充电装置 - Google Patents

Abstract

一种不导致给二次电池带来损害的温度上升,总能够进行适当的充电,且能够反复进行充放电而不发生记忆效应的二次蓄电池充电方法及充电装置,其是将对应的充电电流供给被充电电池正负端子之间,以使之具有大于被充电电池端子电压的最大值,可以随外部的控制信号而降低的可变直流电压成为顺极性,通过检测被充电电池的电池电压·时间曲线上的拐点,并根据该拐点的检测依次控制上述施加直流电压来减小充电电流。

Description

二次电池的充电方法及充电装置

本发明涉及蓄电池的新充电方法及用来实施这样的充电方法的二次电池充电装置。

近几年，在众多的领域广泛地普及了便携式或移动式的各种电气、电子器械类，例如携带电话，笔记本个人计算机等信息处理装置，手提终端，电视摄象机，充电式电动工具，小型清扫器，各种搬运器械等。而作为驱动源的电池是必不可少的。

众所周知，在这样的电池中有仅能放电一次的一次电池，和可多次充电及放电的二次电池。

以锰电池和碱性锰电池为代表的广泛使用的一次电池，在国际上已实现了标准化，并具有能轻易得到的优点。但由于完全是消耗品，故不经济。

铅蓄电池是可多次充放电的二次电池，很早就在汽车发动机等方面开始被使用了，在长久的历史中经过种种改良，它的尺寸及容量等都得到显著的进步。但是，由于铅蓄电池重量大、使用稀硫酸作电解液等原因，不适宜用作小型移动用例如携带用器械的电源。

虽然也采用了一部分这种历史上已熟知的把铅蓄电池做成小型的小型密封铅电池，但是其每单位重量的电池容量小。现在，作为小型蓄电池，广泛采用的是镍-镉(Ni-Cd)电池，镍-氢(NiMH)电池，锂离子(Li)电池等。

其中，Ni-Cd电池在二十世纪六十年代就已经商品化了，在市场中占有压倒多数的份额。可以列举出Ni-Cd电池的以下特征。(1)它是密闭型不需要补充液，(2)重量轻，(3)可以小型化，采用与1号，2号，5号等标准规格的锰干电池相同的形状，可以直接置换，(4)电压变动少，可以输出大电流，(5)与一次性电池的锰干电池相比，由于可反复使用，所以使用的成本显著降低，等等。

虽然是具有众多特征的小型蓄电池，但是依照电池厂商所推荐的标准充电条件，被指定用0.1A量级的电流充电大约10～15小时。很明显，这样长的充电时间在实用上是不方便的，从而削弱了上述众多的特征。

因此，有时通过把充电电流提高到0.3A的量级来缩短充电时间，或者对可以作为进行特别快速充电的电池用30分～1小时的时间来充电，但是这仅限于特殊设计的电池。再者，如果缩短充电时间，在充电末期电池温度将升得很高，存在着减少电池寿命的危险性。

此外，这种二次电池，除了残余容量外，在反复进行不完全充电的期间有时会发生有效容量逐渐下降的所谓的记忆效应，最后变得不能使用。将这样的电池轻易地扔掉会导致资源的浪费，进而会加速土壤中的重金属污染等，这是人们所不希望的。

在小型蓄电池内的电量没有用完的时候进行下一次充电，即进行所谓补充充电，会使上述记忆效应变得显著。在携带用器械的内装二次电池等中，重新开始使用之前，为慎重起见进行追加充电或添补充电。在这种情况下会发生记忆效应。

通常，便携式的信息处理装置或通信装置类，例如手提终端，携带电话等的电源，如果每次在使用前对二次电池充电时都要遵守先进行完全放电的程序，则很花费时间，也很费事，所以，实际上几乎做不到。

例如，在外出之前对携带电话的内装二次电池充电时，或者是当天使用完毕后开始进行补充充电时，要做到每次都确认二次电池的剩余电量，或先进行完全放电是极其困难的。因此，总是在必定发生记忆效应的条件下进行补充充电。

为了预防这种记忆效应，可以使用再生充电法。所谓再生充电法就是定期反复进行电池完全放电后的标准充电，这是一种有效的方法。图7表示NiCd电池及NiMH电池的电压-容量特性。图中实线表示发生了记忆效应的情况，虚线表示进行了再生充电后的情况。

但是，在进行这样的再生充电时必须注意避免过度放电。因此同样是费事且费时的。

特别是把单个电池串联或并联起来的组合电池，一旦到达过度放电状态，每个电池的放电状态就各不相同。先放完电的电池被充进相反极性的电荷，变得不能恢复原状态。对此必须给予特别的考虑。

而为了避免上述问题，在再生充电时就采用较浅的放电。这样由于构成电池组的各个电池的特性差异，当一部分或大部分电池还没有被再生时就结束了放电。这样就得不到预期的效果。

采用上述现有技术的充电方式，很难做到在既不过度也没有不足的充电状态结束充电过程。现有技术不能从外部确认小型二次电池的充电状态。因此，很难确定必要的且充分的充电结束的时刻。

已知的决定二次电池充电结束时间的方法有下面几种：1.充电时间设定方式，2.端子电压检测方式，3.电池温度检测方式，4.电池电压变化率测定方式(基本方式之外还有几种改良方式)。下面对这些方式分别进行说明。

1.充电时间设定方式是用计时器来控制充电电路的接通状态，是最简易的方式。但是由于开始充电时电池的剩余电量不尽相同，所以在一定的充电时间后停止充电并不能保证达到适当的充电，多发生充电不足或过度充电的情况。

2.端子电压检测方式是，用一定的充电电流进行充电，当蓄电池的端子电压达到了预先决定的某个既定电压，即接近充电末期的最大电压的电压值时就停止充电的方式。

但是，充电末期电压因电池的温度及充电电流而变动。为了避免过度充电，不得不把用来检测充电末期的设定电压设置得较低。因此，检测出来的端子电压并不能反映真正的充电状态，一般多发生充电不足的情况。

3.电池温度检测方式是这样工作的，用预先装入电池内的温度检测元件来监视电池温度，当达到某些既定温度时依次减小充电电流，最终停止充电。这种方式检测的是充电末期发生的气体被阴极吸收时产生的反应热。但是它易受周围温度的影响，低温时易出现过度充电，高温时易出现充电不足。此方式在本质上是检测因过度充电而致的温度上升，而过度充电对电池本身来说是不希望出现的。因此不能否认，充电次数的增加会导致电池的劣化。

4-1.端子电压变化率(ΔV/dt)测定方式是这样工作的。如图4所示，在充电末期电池电压的上升结束，而转变为下降(ΔV/dt≤0)的时候，通过检测斜率的变化率，即检测出变成-ΔV时结束充电。此方式在本质上是通过检测由电池温度的上升引起的电压下降来停止充电的，故必然发生电池的温度上升。另外，此方法中有到达了既定电压就完全停止充电的情形，和为保持状态继续进行微弱充电(涓流充电)的情形。图4(B)的充电电流曲线表示进行涓流充电的状态。

4-2.上述端子电压变化率(ΔV/dt)测定方式是这样工作的。如图5(A)所示，在充电末期当到达了温度开始上升的电池电压时检测出电压的变化率，并如图5(B)所示阶梯状地减小充电电流。在此情形下，需要根据电池的种类、大小等来变更设定电压V₁，V₂，V₃…等。

4-3.经过改良的第二种端子电压变化率测定方式是这样工作的。如图6(A)的电池电压曲线所示，当检测出电池电压上升的斜率的变化率，即如图(C)所示的ΔV/dt到达了某个既定值时，如图6(B)所示的那样对电流进行控制。但是这种情形中的所谓既定值，在本质上是通过检测出电池电压的变化来继续进行充电的电压，所以有必要依据电池的种类及容量来变更设定值。

使用这种方式必然伴随着温度上升，且需要一边考虑充电对象电池的种类及容量一边进行设定。所以这种方式是麻烦的，且因误操作等容易发生问题。

在上述现有的各种充电方式中，如发生充电不足则不能充分发挥电池的性能，从而影响装有该电池的器械的性能。

相反，一旦具有密闭构造的二次电池发生过度充电，它将导致温度上升，甚至导致电解质泄漏及它所引起的电解质不足的现象，即干化现象。这对于二次电池来说是蒙受了致命的损害。

本发明的目的是提供这样的充电方法，它不导致给二次电池带来损害的温度上升，总能够进行适当的充电，且能够反复进行充放电而不发生记忆效应；并提供适合于实施这样的充电方法的充电装置。

本发明采用下述充电方法来实现上述目的。该二次电池充电方法是这样工作的：把具有高于被充电电池端子电压的最大值，且按照来自外部的控制信号可以减低电压的可变直流电压施加到被充电电池的正负端子之间并使它的极性与电池的极性相同；一边提供与上述施加电压相对应的充电电流，一边检测被充电电池的电池电压·时间曲线上的拐点，并根据该拐点的检测结果通过依次控制上述施加直流电压来减小充电电流。

图1是表示本发明的二次电池充电装置的基本构成的概要框图。

图2是表示本发明的二次电池充电方法的电池电压及电流波形时间变化的说明图。图(C)为局部扩大图。

图3是表示本发明的二次电池充电装置的实施例之构成的框图。

图4是表示现有技术的第1种二次电池充电方法的电池电压及电流波形时间变化的说明图。

图5是表示现有技术的第2种二次电池充电方法的电池电压及电流波形时间变化的说明图。

图6是表示现有技术的第3种二次电池充电方法的电池电压及电流波形时间变化的说明图。图(C)为局部扩大图。

图7表示采用现有技术时，NiCd电池及NiMH电池发生了记忆效应时和再生充电后的电压与容量对应关系。

本发明用二次电池充电装置10来实现上述目的。如图1所示，二次电池充电装置10具备产生直流电压的电源部分12用来给被充电电池20充电时施加电压，和接受来自该电源部分12的电压并按照来自外部的控制信号来检测输出电压及持续时间的电力控制部分14，和监视上述被充电电池20的电池电压及充电电流的时间变化，检测出该电池电压·时间曲线的拐点并产生输出信号的监视部分16，和接受该监视部分16的输出信号并驱动上述电力控制部分14的演算·驱动部分18。

在本发明的二次电池充电方法中，施加在二次电池的正负极之间的直流电压能够被设置成连续电压或者是脉冲电压。在进行充电的期间一直监视着被充电蓄电池的端子电压。在实行这样的监视时参照预先存储在监视部分16中的与要求特性数据相符合的特性数据，例如电池的种类，端子电压及要领等等。

采用这样的充电电流监视就能测定出被充电电池的状态，特别是残余容量。根据这个监视结果进行演算处理，然后依据其结果来决定继续充电用的电压大小和充电时间。而充电用电压的施加形态，既可以是断续的(脉冲状)也可以是连续的可变电压。

如图2(A)的电池电压-时间曲线及它的局部扩大图(C)所示，检测出电池电压到达了二阶微分实际上的零点(d²V/dt²＝0)，即拐点或到达了实际上的拐点。又如图(B)的充电电流曲线所示，象I₁，I₂，I₃，I₄那样，随着到达被充电电池的各个拐点而减小充电电流。

这样，根据既定的最佳值数据，一边改变施加的电压一边继续进行充电，就能够防止发生过充电、过热及记忆效应并实现所希望的充电。

被充电电池是否出现温度急剧上升的征兆，可以利用上述充电电压-时间曲线的电压变化率是否从正变为负，即是否通过拐点来发现。如用数学的表述方法，这样的拐点即是在电压曲线上电压对时间的二阶微分值为零的点。

即，向下凸出的电压-时间曲线转变为向上凸出的曲线时的状态，或者是发生与此相反的变化的状态。即着眼于越过这样的拐点时电流发生急剧变化，与此相伴发生温度急剧上升的情况。

另外，在这种充电电压-时间曲线上出现拐点的现象，几乎不随二次电池的种类及容量发生差异。因此，采用本发明的充电方法及用来实施该方法的充电装置，总能够安全地并且高效率地实施充电。

通过严密监视电压变化的二阶微分值d²V/dt²的状态，能够容易地检测出被充电电池的端子电压-时间曲线中的拐点。实际上当二阶微分值小于根据电池等因素而定的系数k(此处，-1＜k＜1，而严格地讲k＝0时为拐点)时就把此时的状态视为拐点从而能够进行控制。

通过加上这样的考虑，就能够实现高效率的充电，在充电过程中也不发生过度的温度上升或记忆效应。因此，能够大大延长电池寿命，并能够实现资源的有效利用和抑制环境污染。

作为本发明充电对象的二次电池：有镍-镉电池，镍-氢电池，铅蓄电池，镍-锌电池，氧化银-锌电池，氧化银-镉电池，和其他各种锂二次电池等。如上所述，本发明的充电方法及充电装置广泛地适用于上述各种二次电池。

下面，参照附图说明本发明的实施例。图3是表示适宜于实施本发明的充电方法的二次电池的充电装置10的构成例的框图。对于与图1相同的构成部分，标以相同的参照符号。

在图1的基本要素中，把监视部分16及演算·驱动部分18的具体构成示于图3。监视部分16具有电压检测部分16V用来检测被充电电池20的端子电压，和用来检测充电电流的电流检测部分16A。根据这两个检测的结果来综合地监视被充电电池20当时的充电容量等状态。

再有，监视部分16具有主记忆部分16M用来记忆为实施一连串充电操作所必需的数据。主记忆部分16M所记忆的数据，以被充电电池20当时的充电容量为基础，并包含充电电流随时间的变化及温度特性等。

在监视部16里设置了拐点检测部分。可以用下列部分来构成拐点检测部分：检测电压变化率的电路16d，暂时记忆部分16T，比较部分16C。由电压检测部分每隔一定时间检测出来的电压信号，在电压变化率检测电路16d中就被变成二阶微分值而检测出来。

这样检测出来的二阶微分值暂时存储在暂时记忆部分16T内。这样被存储的数值与下一个二阶微分值被依次送进比较电路C进行比较，而一个二阶微分值是这样测出来的：在一定的时间间隔，例如每15秒钟对电压值进行取样，对多个电压值在1～2分钟长的时间里连续求平均从而得到二阶微分值。当端子电压-时间曲线的电压变化二阶微分值小于既定的系数k时(d²V/dt²≤k)就发生与此相对应的输出信号。这种情况中的系数k因二次电池的种类、容量等而异，但是如上所述，此处为-1＜k＜1，而k＝0的状态是严格的拐点。

在监视部分16当作拐点检测出来的信号输入到由微电脑等构成的演算·驱动部分18。经过所希望的演算处理后，作为驱动信号被送入电力控制部分14。结果，电力控制部分14就将对被充电电池20最适宜的电压供给它。而演算·驱动部分18具有驱动部分18D和演算部分18T。

电源部分12具有高于上述被充电电池20的端子电压的最大电压，是用来发生适合被充电电池的直流电压的。可以根据被充电电池的种类，电池结构，容量等把这个电压做成可变的。

由演算·驱动部分18所控制的电力控制部分把电源部分12的直流输出电压，变换成具有高于被充电电池电压的峰值的断续电压或连续电压。当把直流电压变换成断续电压时，最好使这个直流电压的峰值至少为被充电电池端子电压的1.3倍以上。由于对二次电池实行快速充电的缘故，这件事对于解除或防止记忆效应是重要的。

但是，长时间连续施加这样的高电压将变成给二次电池供给过于苛刻的电流。由于这样会导致电池的过热或发生电极的物理破坏等，在使用上必须注意。

本发明的二次电池充电装置，可以通过适当地把硬件和对其进行控制的软件组合起来的方法容易地构造出来。而上述硬件是由在该技术领域已知的微电脑，存储器，寄存器、传感器等的组合来构成的。

可以用本发明的充电方法进行充电的被充电电池的种类，如上所述，有镍-镉电池，镍-氢电池，铅蓄电池，镍-锌电池，氧化银-锌电池，氧化银-镉电池，和其他各种锂二次电池等。

本发明的二次电池充电方法着眼于对上述电池的多数进行充电的作用为吸热反应这一事实；其特征是在开始充电的初期让大电流流过，对电池电压-时间曲线的拐点进行检测，通过了这个拐点之后就控制充电装置以减小充电电流，实现在二次电池没有温度上升的条件下的充电。

因此，采用本发明就使短时间充电成为可能，而且由于电池状态连续地得到监视，所以不会发生过度的温度上升或过充电等情况，结果就能够延长电池的寿命。

采用本发明的二次电池充电方法，与上述现有技术相比用大约1/3的充电时间就能够进行充电。因此，对携带用器械类的充电也变得有利了。

再有，由于进行所谓补充充电也不发生记忆效应，在紧急的时候可以用上述15～20分的充电时间的数分之一，例如5分钟进行充电，告一段落之后也可以进行追加充电。

本发明的充电方法的适用范围，并不仅限于小型·携带用的二次电池。上述各种二次电池，也可以是充分适用于电池叉式升降车，电动手推车等运输装置，电动汽车用电源等的大型蓄电池。对于在夜间等不使用的时候目前要花上数小时进行充电的用途，可以用数分之一的时间来充电。这样在节省能源方面也是有利的。

再有，目前仍处于试制阶段的电动汽车的最大问题在于没有小型轻量的电池，和因电池容量有限不能长距离行驶，和不能缩短充电时间，等等。在电动汽车等大容量电池的领域，人们期待着使用在容量重量比及容量体积比方面优于铅电池的碱性蓄电池。而本发明的充电方法在这些电池种类的充电技术方面也向人们提供了有用的技术。因此，在汽车电池充电站等需要快速充电的领域也具有潜在的可能性。

采用本发明的方法可以大幅度延长电池的寿命，促进了资源的有效利用。在减少废电池垃圾量和防止环境破坏方面也能够做出贡献。

Claims (4)

1.一种二次电池充电方法，其特征在于：将对应的充电电流供给到被充电电池正负端子之间，以使具有大于被充电电池端子电压的最大值并且可以随外部的控制信号而降低的可变直流电压成为顺极性，通过检测被充电电池的电池电压·时间曲线上的拐点，并根据该拐点的检测依次控制上述施加直流电压来减小充电电流而进行充电。

2.权利要求1所述的二次电池充电方法，其特征在于上述拐点的检测是根据监视被充电电池的电池电压·时间曲线上的电压变化二阶微分值且当该二阶微分值从正变为负时发生的信号而进行的。

3.一种二次电池的充电装置，其特征在于：具备发生直流电压的电源部分，用来在给被充电电池充电时施加电压，接受来自该电源部分的电压并按照来自外部的控制信号来控制输出电压及持续时间的电力控制部分、监视上述被充电电池的电池电压及充电电流的时间变化和检测该电池电压·时间曲线的拐点并发生输出信号的监视部分、和接受该监视部分的输出信号并驱动上述电力控制部分的演算·驱动部分。

4.权利要求3所述的二次电池的充电装置，其特征在于设置在上述监视部分的拐点检测部分具备每隔一定时间就求出上述被充电电池的电池电压变化率的电路、暂时存储刚才得到的电压变化率的暂时存储电路和把该存储电路存储的存储值与经过一定时间后产生的下一个电压变化率依次进行比较的比较电路；把这些先后电压变化率的差值从正变为负时的点判断为拐点，根据该判断结果对上述演算·驱动部分进行控制。

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