CN1659758A - 用于可充电电池的充电器 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于充电可充电电池(5)和/或电池组的电池充电器(1)、充电器(1)可使用两种模式给电池充电。在正常充电模式下以相对低的速率将电池充至全容量。在补充充电模式下，电池的充电非常迅速，但最大仅能充至其全容量的80％。当用于充电的时间有限时，补充充电模式能够给电池(5)提供一些电荷。由于部分充电的原因，在补充充电期间，可使用比正常充电模式允许的电流高得多的充电电流。

Description

用于可充电电池的充电器
本发明涉及一种可充电单元(诸如可充电电池或可充电电池组)充电的方法。
本发明也涉及用于可充电单元(诸如可充电电池或可充电电池组)充电的充电器，所述充电器包括向可充电单元供给充电电流的供电单元。
在现代生活中可充电电池和可充电电池组已经得到了大范围的应用。许多装置(例如移动电话、电池操作电动剃须刀、电动车、电动工具)都配备了这样的电池。
可充电电池和可充电电池组需要经常充电。有几种可用于为可充电电池充电的充电器。普通的充电器在整个电池的充电过程期间采用恒流电平(CC)。这种快速充电器采用高恒流直到电池完全充满。充电器中的电子单元用于探测充电终止并切断充电电流。
上述CC充电器用于为诸如NiCd(镍-镉)和NiMH(镍-金属氢化物)电池充电。对于这些电池，当电池的温度突然上升并且电池的端电压降低时，可探测充电终止状态。
由于锂电池不提供上述的充电终止指示，并由于必须控制最大电压以避免损坏锂电池，因此不能通过上述的快速充电器为锂电池(包括锂离子、锂聚合物和锂固态电池)充电。
转让给奥斯特加德(Ostergaard)等人的美国专利5994878描述了一种处理不同种类电池(包括锂电池)的充电器。该充电器首先以恒流模式、然后以恒压方式为电池充电(先恒流充电后恒压充电＝CCCV)。充电器在充电过程的第一个阶段处于恒定充电电流控制模式。将充电电流控制在预置电平并监控充电电压。当充电电压达到某个预置电平时，充电过程进入恒定充电电压控制模式。在该模式中保持充电电压基本恒定而降低充电电流。然而，美国专利5994878中所述的充电过程缓慢而且不会允许电池的快速充电。
本发明的目的在于提供一种能够快速地给可充电单元增加容量的充电方法。
本发明的进一步的目的在于提供一种能够快速地给可充电单元增加容量的充电器。
按照前言的充电方法其特征在于以与大于2C率相对应的充电电流向可充电单元供电，并且由于在可充电单元已经最大地充电到其全容量的80％之前充电电流的供电断开。
和现有技术充电器相比，已经发现在可充电单元部分充电时的充电过程的断开能够实际增加充电电流，而不存在任何损坏可充电单元的风险。因此本发明提供了可充电单元非常快速地部分充电，本发明具有重要的优点的一个典型情况是在正准备离开家的用户发现诸如移动电话或剃须刀的电池已用完时。根据上述的方法，仅通过充电几分钟，该用户可获得他在诸如一天内所需要的充足的电池容量。另一个示例是油电混合动力车H(EV)以及特殊电动车中。发现车辆的电池用完的用户可以在非常短的时间内为电池充足驾回家所需的电荷。
权利要求2所述方法的优点是可非常迅速地将可充电单元充满。第一充电程序(即，以高于2C率的电流最大充至全容量的80％)是非常迅速的。在断开此程序后，以正常充电过程的形式的第二程序启动。正常充电过程比较缓慢，但是由于以非常高的速率将可充电单元部分充电，使可充电单元完全充满所需要的全部时间比现有技术充电方法短的多。
权利要求3所述方法的优点是非常快速的部分充电是可行的。当充电时间非常有限时，该充电方式是优选的。。
权利要求4所述方法的优点是根据本发明不为完全或接近完全充满电的电池或电池组充电。从而充分消除了损坏电池的风险。
根据前言的充电器，其特征在于还包括：
-以大于2C率的充电电流向可充电单元供电的装置；以及
-在可充电单元最大充至其全容量的80％之前断开充电的装置。
上述充电器提供可充电单元非常快速的部分充电，而不存在损坏所述单元的风险。
权利要求6所述方法的优点是充电器用户可选择适合当前情况的充电模式，如果用户非常着急，他可通过诸如按下相应的按钮来选择补充充电。如果有充足的充电时间，该用户按下另外一个按钮以选中正常充电。
权利要求7所述方法的优点是充电器也可用于电池的快速充满。在此情况下，由于将电池从部分容量充至全容量的正常充电以低C率进行，在充电过程的任何部分电池都不会损坏。
权利要求8所述方法的优点是充电器可用于部分充电和完全充电。在中断高速率部分充电后，充电器自动变为低速率正常充电以完成电池充电。因此，当用户希望快速给电池增加容量以及当用户希望对电池完全充电时，可使用该充电器。不需要控制按钮，这是因为用户只用通过切断充电电流的供电(例如，通过将剃须刀同主插座断开)就可在任何时间及时地结束充电过程。
权利要求9所述方法的优点是用户知道快速充电结束，以及该电池处于部分充电并可使用。然后用户可选择断开充电过程或者让其继续正常充电模式。
权利要求10所述方法提供了一种简单的断开充电过程的方法。定时器功能便宜并且易于包括在控制充电的控制单元中，并提供在高充电电流给可充电单元造成损害之前断开充电过程的安全方式。由于对于最终用户而言，定时器功能使充电方法易于使用和理解，是教学式的。
下面将结合具体实施例详细阐述本发明的这些和其它方面。
下面将结合说明书附图更详细地描述本发明。
图1是本发明的一个充电器的示意图。
图2示出补充充电和正常充电的充电原理。
图3示出在补充充电期间和在正常充电期间电池容量的增加。
图4示出在不同的初始充电电流和不同的最终充电深度下空电池的充电时间。
在讨论电池充电时常常使用词语C率。1C率是在一小时内将空电池充至其最大容量所需要的充电电流。对于每个电池容量而言，一定的C率就是一定的电流。
本申请中所使用的词语“补充充电”指一种通过将电池充电来迅速增加其容量的充电方法。
本申请中所使用的词语“正常充电”指一种以相当慢速率将电池充电至其容最大量的充电方法。
本申请中所使用的词语“循环寿命”指在将电池处理以前它能够充电的次数。长循环寿命意味着该电池可充电许多次。
在本申请中，“充电深度”(DoC)指电池或电池组的充电容量。DoC为100％意味着该电池已经充至其最大容量。
图1示出以电池充电器1的形式的本发明的较佳实施例。电池充电器1具有充电电流供电单元2，其适用于提供需要的电压和电流。以电缆3、4的形式的终端将充电器1与将要充电的电池5相连。优选地，电缆3和4每个都分为电流导线和检测导线以检测电压。电池充电器1具有控制由供电单元2供给电池5的电流和电压的控制单元6。控制单元6设有包含第一控制按钮(图1中标记为7)的选择器，以激活电池5的正常充电。选择器进一步包括用于激活电池5的补充充电的第二控制按钮(图1中标记为8)。
当充电器1的用户按下正常充电按钮7时正常充电激活。优选地，根据恒流/恒压方法(CCCV方法)或以依赖于将要充电的电池类型的恒流电平(CC方法)进行电池5的正常充电。使用CC方法能以基本相同电流的脉冲供应电流。
使用锂电池充电所经常采用的CCCV方法，控制单元6控制供电单元2，使得在监控电压(即电缆3和4之间测量的电压)的同时电池5首先根据恒流模式(CC模式)充电。在CC模式期间一般将恒流I恒定设置为低，使得在CC模式期间，空电池将获得其额定最大容量的50-90％。锂电池的恒流I恒定一般为0.7C率，该电流是这样一种电流：如果在一小时内保持该电流恒定，将把电池充至其最大容量的70％。在一段时间过后，当电压达到规定的最大电压V最大时，控制单元6变为恒压模式(CV模式)。在CV模式期间，控制供电单元2所供给的电流，从而当允许电流降低时，将电压恒定保持在V最大。当电流已经降低到一个小的值或者在足够充满电池的预定时间间隔以后，控制单元6停止充电过程。从而以缓慢和谨慎的方式变为最大容量的电池可用。正常充电过程提供电池的长循环寿命和充满的电池。
使用常常被用于NiMH和NiCd电池充电的CC方法，在整个充电过程将恒流电平(可指脉冲电流)供给电池。当探测方法指示该电池已充满时，断开充电。一种这样的探测方法是温度测量法。测量电池的温度并且当它超过某温度的时候电池充满。另一种探测方法是测量电压对时间的变化(dV/dt)。当探测到电压降低时，电池充满并断开充电。由于更高的充电电流会导致电池中氧的形成并接下来会导致气体压力增加，所以NiMH电池的这种充电期间的恒定充电电流最多为大约1C率。由于相同的原因，NiCd电池以最大2C率充电。RAM电池以低于1C率的充电电流充电。
当充电器1的用户按下补充充电按钮8时，电池5的补充充电激活。根据本发明的方法进行电池5的补充充电。
在锂电池的补充充电情况下，控制单元6控制供电单元2，使得立刻将非常高的初始电流I初始供给电池5。控制单元6监控供电的电压(即，电缆3和4之间测量的电压)并控制电流，使得电压保持在规定的最大电压V最大。选中初始电流I初始，使得几乎立刻达到最大电压V最大。这样，控制单元6控制供给电池5的电流，使得电流立即或在非常短的时间以后从I初始降到更低的值。如果I初始非常高，那么根本就没有恒流阶段。在稍低的、但与在正常充电过程的CC模式期间供电的电流I恒定相比仍然非常高的I初始下，在电流降低之前已经过去了一小段时间。在任何一种情况下，都没有关于正常充电所描述类型的恒流阶段。
已经发现在锂电池的补充充电中供电的初始充电电流应该高于1C率，即，如果保持恒定，该电流将在少于30分钟内将空电池充至其最大容量的50％，以提供快速充电。已经发现高于2C率的初始电流I初始(最好高于3.5C率)能使充电时间相当进一步降低。已经发现：由于开始几分钟内的充电应该在尽可能高的电压下进行以降低充电时间，因此应该选择初始充电电流I初始，使得在充电的开始，在不到2分钟内达到预定的最大充电电压。同样发现：最好应当选择初始充电电流I初始，使得在不到30秒内(最好在不到5秒内)达到最大充电电压以进一步相当降低充电时间，如果在高电流和最大电压下进行，在开始分钟内的充电是最有效的，而对循环寿命没有实质性的损害作用。
使用其他种类的电池(诸如NiMH和NiCd)，最好在恒流电平(可以是脉冲电流和真正的恒流)上进行补充充电，由于补充充电是部分充电，所以充电电流比正常充电所允许的电流高。NiCd和NiMH电池补充充电中的电流大于2C率并且最好大于4C率。
已经发现当电池5已充至其最大容量的80％时(即80％DoC)，必须断开补充充电以提供快速充电，而不对循环寿命产生实质性的负作用。处于非常高的充电电流时(例如与8C率或更高的相对应的充电电流)，在DoC最大60％时最好中断充电，以避免对电池的损坏(例如过度的热量产生以及电池内的气体)。该充电将非常迅速地将容量充入电池并可在用户只有几分钟充电时间时使用。进一步发现：在电池DoC为10-60％时充电过程的中断提供充电时间和充电容量之间的联系，该联系吸引着大多数补充充电功能用户。因此补充充电最好用于电池的快速、部分充电。为了停止补充充电而在合适的时刻部分充电，优选地，在控制单元6中包括测量DoC(即在某时刻电池的DoC)的功能。通过根据本领域的技术人员所熟知的几种方法中的一种测量电池参数能够测量DoC。这种为将电池参数与电池的DoC相联系而测量电池参数的方法包括开路电压(OCV)测量以及无电阻电压(RFV)测量。
最好限制补充充电的应用，使得具有全容量和接近全容量的电池不会受到补充启动的影响。这样，控制单元6在任何充电前最好包括测量假设空的电池5的DoC(即初始DoC)的功能，并且特别地，任何补充充电可能会启动。为了在充电过程启动前测量电池的DoC，可使用本领域的技术人员所熟知的几种方法中的一种。测量电池参数以将其与电池的DoC相联系的这种方法的示例包括开路电压(OCV)测量、无电阻电压(RFV)测量以及张弛后电池电压(batteryvoltage after relaxation)(Vrelax)。当锂电池充电时，可通过测量充电电流开始降低之前流逝的时间来测量充电过程开始时的DoC，只要选择初始电流I初始使得在需要降低电流以避免超过最大充电电压之前过去一小段时间。在充电电流降低前的时间越短，初始DoC越高。当锂电池充电时，另外一种可用的选择是在开始补充充电时测量电压对时间增加的斜率(即测量dV/dt)。大的dV/dt指示电池的高初始DoC。如果在充电电流降低前流逝的时间的测量(或dV/dt的)指示该电池已经是高容量或全容量，则立即中断补充充电。
除了对循环寿命产生有害作用外，补充充电以高初始DoC所获得的时间是如此短以致最好避免这样。如果发现电池具有高于70％的初始DoC以避免对使用寿命产生有害作用，则补充充电不应启动，或立即停止(如果在早期)。充电器1可配置一种功能(例如闪光灯或声音)，用于指示由于高初始DoC引起的补充充电中断，从而提示用户电池已经有一定的电荷。已进一步发现充电时间和充电容量之间的关系会对以高于50％的初始DoC启动补充充电的优点产生负作用。
在控制充电过程的进一步示例中，在控制单元6中提供了一种定时器功能。设置定时器以在某时间(例如5或10分钟)期间提供补充充电，然后中断充电。定时器可与上述的功能相结合用于避免以高初始DoC充电，和/或与该功能结合用于中断以某个预定DoC的充电。对于最终用户而言，定时器功能使补充充电功能易于使用和理解。
控制单元也适用于提供一段时间的补充充电，然后切换到正常充电。在此情况下首先将电池以高速充电一定时间或充至某个DoC。然后充电器切换到普通充电并以低速继续电池充电，直到充满为止。优选地，一种诸如灯(例如LED)的接通或者扬声器发声的指示信号指示补充充电结束。然后用户可以选择中断充电，或允述进行正常充电，以低速将电池充满。
补充充电可用在所有种类的可充电电池中。这些电池的示例包括镍-金属氢化物电池(NiMH)、镍-镉电池(NiCd)，铅酸性电池(铅-酸性)、可充电碱性锰电池(RAM)和锂电池。由于锂电池一定不能以高电压充电，已发现补充充电对于锂电池(包括锂离子电池(锂-离子)、锂聚合物电池(锂-聚合物)、锂聚合物胶体电池(锂-聚合物胶体)和锂-金属电池(锂-金属))具有特殊的优点。有鉴于此，迄今还没有用于锂电池快速充电的充电器。
本发明的充电器可以是独立充电器或集成充电器。这样充电器可以是任何电子或电池驱动装置的一个集成部分。该电子装置的示例包括剃须刀、移动电话、电池组、电动车、油电混合动力车H(EV)和个人电脑。就集成充电器而言，最好将选择器置于装置的外壳(例如剃须刀)以使用户能够选择充电模式。
根据本发明执行多个测试以验证充电器的效能。在该测试中，使用额定容量为1100mAh的标准索尼US18500锂-离子电池。所有的测试在25℃进行。
图2示出补充充电和正常充电过程。图2左侧的纵轴是充电电流Icharge(以安培为单位)，右侧的纵轴是充电电压(以伏特为单位)，横轴是可充电电池容量(以mAh为单位)。正常充电(图2虚线所示)发生在恒流I恒定为大约1安时，直到电池获得最大容量的80％。控制单元6包括充电电流限制功能，其将充电电流由0增加到预定恒定充电电流I恒定，然后防止充电电流进一步增加。在恒流(CC)充电阶段，充电电压缓慢地从3.6伏增加到4.2伏，这是该电池的最大充电电压。当充电电压达到4.2伏时，充电器切换到恒压模式。这样，电池最后的20％容量以4.2伏的恒压和降低的电流充电。
图2中通过实线的方式示出补充充电。在补充充电过程启动时，将8安的初始电流I初始供给电池。充电电压立即(例如在不到1秒内)增加到4.2伏的最大充电电压。控制单元降低充电电流，使得充电电压保持在4.2伏。充电电流首先在1分钟内快速降低到大约4安。然后充电电流以更慢的速率进一步降低。
如图2所示，充电过程结尾时的充电(即最后20％充电容量的充电)与正常充电和补充充电相类似。因此，可以断定高初始充电电流对于电荷积累的影响很小。
图3示出作为时间函数的容量的积累。纵轴是充电容量(即充电期间加到电池上的容量，以mAh为单位)，横轴是时间(以分钟为单位)。最大充电电压是4.2伏。虚线描述了使用正常充电在空电池中电荷的积累。在正常充电10分钟后，电池的DoC增加至其最大容量的大约16％。这10分钟普通充电期间的恒流大约是1安(对应0.9C率(1A/1100mAh))。使用8安的初始电流I初始(对应的初始C率为8A/1100mAh＝7.3C率)通过补充充电执行三项测试。图3通过实线示出空电池(初始DoC为0％)以及初始DoC为10％和25％的电池的补充充电的结果。仅仅在10分钟的补充充电后，空电池获得几乎为其最大容量50％的容量。与空电池的充电相比，初始DoC为10％和25％的电池分别显示出有些更慢的容量积累。然而，如图3所示，在所有情况下补充充电时的容量积累都比正常充电时的容量积累快得多。
图4示出初始充电电流I初始对于空电池(初始DoC为0％)充电至某一DoC的影响。纵轴是初始充电电流I初始(以安培为单位)，纵轴是充电时间(以分钟为单位)。曲线表示使充电中断的不同DoC10-50％。因此30％的曲线示出以不同初始电流I初始将空电池充至其最大容量的30％的DoC所需要的时间。通过示例的方式，点P示出以3安的初始电流I初始，在6.9分钟后达到30％的DoC。
从图4可以看出，很显然高于4安的初始充电电流I初始(对应的初始C率为3.6C率)并不进一步降低获得某DoC所需的时间。在另一方面，低于2A的初始充电电流I初始(对应的初始C率为1.8C率)导致需要获得某DoC所需的时间大量增加。
以高于允许的4.2伏的最大充电电压执行测试。这样将最大充电电压设为4.3伏。发现在8分钟内以8安的初始充电电流将空电池(初始DoC为0％)充至几乎50％的DoC，该时间比以4.2伏充电所需要的10分钟短了2分钟(如图3所示)。
最后，总而言之，揭示了为可充电电池5和/或电池组充电的电池充电器1。优选地，充电器1可使用两种电池充电模式。在正常充电模式中，相对低速将电池充至满容量。在补充充电模式中，电池充电非常迅速并且最大仅充至其满容量的80％。当用于充电的时间有限时，补充充电模式能够向电池5提供一些电荷。部分充电的结果是在补充充电期间可使用比正常充电所允许的充电电流高的多的充电电流。

Claims (10)

1.一种为诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元充电的方法，其特征在于：
将与大于2C率相对应的充电电流供给所述可充电单元；以及
在所述可充电单元最多充至其全容量的80％之前断开充电电流的供电。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其中在所述充电后，以与最大1C率相对应的电流进行正常充电，直到所述可充电单元基本充满为止。
3.如权利要求1和2中任何一个所述的方法，其特征在于：其中高于4C率的充电电流用于为包括NiCd或NiMH电池的可充电单元充电。
4.如以上任何一个权利要求所述的方法，其特征在于：在充电启动之前或者在充电过程开始时测量所述可充电单元的初始容量，如果发现所述初始容量比预定的初始容量高，则停止充电电流的供电。
5.一种用于为诸如可充电电池或可充电电池组充电的充电器，包括用于将充电电流供给可充电单元的供电单元，其特征在于所述充电器进一步包括：
-用于将大于2C率的充电电流供给所述可充电单元的装置；以及
-用于在所述可充电单元最多充至其全容量的80％之前断开充电的装置。
6.如权利要求5所述的充电器，其特征在于：所述充电器进一步包括手动选择器以在下面的模式之间选择：
-补充充电模式，其中以与大于2C率相对应的电流将所述可充电单元最大充至其最大容量的80％；以及
-正常充电模式，其中以与最大1C率相对应的电流将所述可充电单元充满。
7.如权利要求6所述的充电器，其特征在于：所述充电器包括在所述可充电单元最大充至其全容量的80％时从所述补充充电模式切换到所述正常充电模式的装置。
8.如权利要求5所述的充电器，其特征在于：所述充电器包括在所述充电过程的所述断开后自动切换到以与最大1C率相对应的电流将所述可充电单元充至全容量的正常充电模式的装置。
9.如权利要求5-8中任何一个所述的充电器，其特征在于：所述充电器包括诸如LED或扬声器的装置，用于向所述充电器的用户提供已发生所述充电过程的所述断开的指示。
10.如权利要求5所述的充电器，其特征在于所述充电器包括定时单元，所述定时单元被设计为在预定时间间隔后断开所述充电过程。
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