CN1659759A - 用于可再充电电池的充电器 - Google Patents

Abstract

公开了用于对可再充电电池和/或电池组(5)进行充电的电池充电器(1)。优选该充电器可以提供两种电池充电的模式。在普通充电模式中，电池以低速率充电到完全容量。在加速充电模式中，电池非常迅速地充电并优选仅仅达到一定的程度，例如其最大容量的75％。当可能充电的时间有限时，该加速充电模式使得向电池提供一定电荷成为可能。该加速充电方法基于非常高的初始充电电流(I_初)。

Description

用于可再充电电池的充电器

本发明涉及对可再充电单元进行充电的方法，例如对可再充电电池或可再充电电池组进行充电的方法。

本发明还涉及用于对可再充电单元，例如可再充电电池或可再充电电池组进行充电的充电器，所述充电器包括用于向可再充电单元提供充电电流的电源单元、用于连接电源单元和可再充电单元的端子，以及用于控制由电源单元提供的电流的控制单元。

可再充电电池和可再充电电池组在现代生活中具有广泛的应用。许多装置，例如移动式电话、电池操作的电动剃刀、电池动力的电动机车、电动工具等等，都装配这样的电池。

可再充电电池和电池组必须时不时地再充电。有多种充电器可以用于对可再充电电池进行再充电。普通充电器在电池的整个充电过程中采用恒流电平(CC)。这种快速充电器采用高的、恒定电流直到电池完全充满电。充电器中的一个电子单元用于检测充电结束并切断充电电流。

上面提到的CC充电器用于对例如NiCd(Nickel-Cadmium)和NiMH(Nickel-Metal-Hydride)的电池进行充电。用这些电池，充电结束状态可以被检测为电池温度的突然增加和电池端子电压的下降。

由于锂电池不提供上述充电结束的指示，且由于必须控制最大电压以避免锂电池的损坏，所以锂电池(包括锂离子、锂聚合物和锂固态电池)不能用上述类型的快速充电器充电。

转让给Ostergaard等人的美国专利号5994878公开了一种充电器，该充电器可以处理不同类型的电池，包括锂电池。该充电器可以先以恒流模式然后以恒压模式(恒流然后恒压充电＝CCCV)对电池充电。在充电过程的第一阶段期间，该充电器处于恒定充电电流控制模式。该充电电流控制在一个预定电平上，并监控充电电压。当充电电压达到一定的预定电平时，充电过程就进入恒定充电电压控制模式。在这个模式中，充电电压基本保持恒定，而充电电流减少。然而，在如US5994878中所述的充电过程缓慢，且不允许电池的快速充电。

本发明的一个目的是提供一种充电方法，该方法能快速对电池进行充电，所述电池包括锂电池在内。

本发明的又一个目的是提供一种充电器，该充电器能快速对电池进行充电，所述电池包括锂电池在内。

根据前序的充电方法的特征在于

可再充电单元与电源单元相连；

电源单元向可再充电单元提供电流；

充电电压在充电期间受到监控；

在充电过程开始时施加到可再充电单元上的初始电压使得充电电压几乎立即就达到一个预定最大的充电电压；及

随后，以充电电压在充电过程中基本保持恒定在最大充电电压上的方式减少电流。

上述的充电方法使得对包括锂电池的不同类型的电池和电池组快速充电成为可能。由于与普通充电相比，初始充电电流高，所以充电电压将几乎立即增加到它的预定最大电平。因此，仅仅由导致非常短的充电时间的电池的内阻抗来确定充电电流和充电速率。因此，在整个充电过程中，该电池将相对于对最大充电电压的限制而以最高的电流充电。这考虑到了导致非常快速充电的充电前期时的高电流，尤其是对空电池充电的前期时的高电流。具有非常好的材料优势的典型的情况是当正要离开家的用户发现例如移动式电话或剃刀的电池空了的时候。通过根据上述方法仅仅充电几分钟，他就可以获得对于他的需要，例如一天的充足的电池电量。另一个例子是混合电动机车，H(EV)，尤其是电动机车。发现车子的电池空了的用户可以在非常短的时间内对电池充电到足够开回家。

如权利要求2的方案具有几乎整个充电过程都发生在预定最大电压情况下的优点。

如权利要求3的方案具有这样的优点，即，提供的电流很高以使得电压几乎立即增加到最大充电电压，并且因此几乎整个充电过程都发生在导致非常高充电电流的预定最大电压的情况下，尤其是在对空电池(empty battery)或空电池组充电的前期。

优选可再充电单元最大充电到它最大容量的75％，然后断开该充电过程。已有技术的快速充电器具有大大缩短电池循环寿命(cyclelift)，即，电池可再充电的次数的缺点。结合部分充电的上述发明的方法对循环寿命的影响将小于已有技术的快速充电。部分充电的另一个优点是与普通充电相比，可以增加最大充电电压。已经发现电池对充电前期，即，当充电的深度相当低且电流高时的高压不太敏感。通过采用部分充电，可以省略对高压的敏感度较大的充电的后期阶段。增加的电压进一步缩短了充电时间。

优选在充电开始之前或充电过程开始时测量对要充电的可再充电单元进行充电的初始深度，如果发现该可再充电单元具有大于充电预定最大初始深度的充电初始深度的话，停止充电。这具有下述优点，即，避免了根据上述发明方法，对全面或几乎全面充电的电池或电池组进行的充电。这样的充电会缩短电池或电池组的循环寿命。因此，用户可以在任何时间、不知道充电初始深度、不具有任何损坏电池的危险性，或不会由于如果电池已经被完全或几乎完全地充电的话则停止充电而实质上缩短电池循环寿命的情况下启动快速充电过程。

上述方法具有特定的优点，即，用于对包括锂电池的可再充电单元进行充电。现在，不存在对锂电池进行良好性能快速充电的方法。然而，对于快速充电锂电池，根据本发明的方法使其成为可能。

根据前序的充电器特征在于该充电器进一步包括：

用于监控充电电压的装置；

用于在可再充电单元的充电过程的起始时提供初始充电电流的装置，该初始充电电流使得施加到可再充电单元上的充电电压几乎立即达到预定最大充电电压；及

用于以充电电压在充电过程中基本保持恒定在最大充电电压上的方式减少电流的装置。

这种充电器能快速充电所有类型的电池和电池组，所述电池和电池组包括锂电池。由于充电电流高，充电电压几乎立即增加到它的预定最大值的事实导致快速充电，尤其在充电的前期。

根据权利要求8的方案具有这样的优点，即，充电器的用户可以选择适合当前情况的充电模式。如果该用户很忙，他可以选择加速充电，例如通过按动相应的按钮。如果有充足的时间充电，则他可以按动另一个按钮以选择普通充电。

优选控制单元包括用于在充电期间测量可再充电单元的充电深度的装置和用于在预定充电深度断开充电过程的装置。这样的优点是一定的充电深度，即，充电容量，可以与加速充电模式有关。这使得仅仅部分地对电池或电池组进行充电并因此避免加速充电对电池循环寿命的有害影响成为可能。还可以生产具有加速充电模式的充电器，该充电模式被预定充电到考虑到对最终用户便利的充电深度。

根据权利要求10的方案提供断开充电过程的简单方式。一个计时器功能部件便宜并且简单，包括在控制充电的控制单元中，该计时器功能部件提供断开充电过程的安全方式。该计时器功能部件是教学性的，它使充电方法对于最终用户易于应用且易于理解。

本发明的这些和其它方面将是明显的，并且参考下文所述实施例对其进行阐述。

下文将更详细地参考附图描述本发明。

图1是根据本发明的充电器的示意图。

图2是示出加速充电和普通充电的充电原理的图表。

图3是示出在加速充电期间和普通充电期间电池容量增长的图表。

图4是示出以不同的初始充电电流和在不同的最终充电深度上对空电池的充电时间的图表。

当讨论电池的充电时，经常使用C-率(C-rate)的表述。1C-率是向空电池充电在一小时内达到它最大容量需要的充电电流。对于每个电池容量，一定的C-率意味着一定的电流。

如用于当前应用中的表述“加速充电”意味着用于通过对电池充电快速增加其容量的充电方法。

如用于当前应用中的表述“普通充电”意味着用于以一个相当慢的速率对电池充电达到其最大容量的充电方法。

如用于当前应用中的术语“循环寿命”指的是在电池被处理掉之前可以再充电的次数。长的循环寿命意味着电池可以再充电很多次。

在当前应用中，“充电深度”(DoC)指的是电池的充电容量。100％的DoC意味着电池已经被充电到它的最大容量。

在图1中，示出了电池充电器形式的本发明的优选实施例。该电池充电器1具有充电电流电源单元2，它适于提供期望的电压和电流。电缆3、4形式的端子将充电器1和要充电的电池5连接起来。优选各个电缆3、4被分成电线和用于感应电压的传感线。该电池充电器1具有控制单元6，它控制由电源单元2提供给电池5的电流和电压。该控制单元6配备有选择器，该选择器包括第一控制按钮，如图1中7示意性表示的那样，该第一控制按钮用于启动电池5的普通充电。选择器进一步包括第二控制按钮，如图1中8示意性表示的那样，该第二控制按钮用于启动电池5的加速充电。

当充电器1的用户按动普通充电按钮7时，启动普通充电。优选根据恒流/恒压法(CCCV法)执行电池5的普通充电。因此，控制单元6控制电源单元2，使得电池5首先根据恒流模式(CC模式)进行充电，同时监控电压(即，电缆3和4之间测量的电压)。CC模式期间的恒流I_恒定典型设定成较低，这样使得空电池将在CC模式期间获得大约其额定最大容量的50-90％。典型用于锂电池的恒流I_恒定可以是0,7的C-率，也就是如果电流在1个小时内保持恒定，会向电池充电到其最大容量的70％的电流。当电压经过一段时间后达到规定最大电压V_最大时，控制单元6变成恒压模式(CV模式)。在CV模式期间，控制由电源单元2提供的电流，使得电压保持恒定在V_最大上，同时允许降低电流。当电流已经降低到很小的值时，或者在对于电池足以完全充电的预定时间间隔之后，控制单元6停止充电过程。因此以缓慢且谨慎的方式充电到其最大容量的电池已经准备好使用了。普通充电过程提供电池长的循环寿命以及完全充电的电池。

当充电器1的用户按动加速充电按钮8时，启动电池5的加速充电。根据本发明的方法执行电池5的加速充电。因此控制单元6控制电源单元2，使得非常高的初始电流I_初立即施加到电池5上。该控制单元6监控施加的电压(即，电缆3和4之间测量的电压)，并控制电流使得该电压保持在规定的最大电压V_最大上。选择该初始电流I_初以使几乎立即达到最大电压V_最大，因此控制单元6将控制施加到电池5上的电流以使该电流立即，或在非常短的时间周期之后从I_初降低到一个低的值。如果I_初非常高，将根本不会存在恒流阶段。以在普通充电过程的CC模式期间，以稍微低的I_初，对于施加的电流I_恒定仍然非常高，在电流降低之前会经过短的时间周期。在任何一种情况下，对于普通充电都没有所述类型的恒流阶段。

已经发现在对锂电池的加速充电的情况下施加的初始充电电流I_初，即，如果保持恒定，可以在少于30分钟内将空电池充电到其最大容量的50％的电流高于1C-率以提供快速充电。已经发现高于2C-率的初始电流I_初还更优选地高于3，5C-率，实质上进一步缩短充电时间。已经发现由于在第一分种期间，充电应该在尽可能高以缩短充电时间的电压的情况下实施，应该选择初始充电电流I_初以使得在充电启始时，在不大于2分钟内达到预定的最大充电电压。还已经发现在第一分钟期间，充电如果以高电流和最大电压实施的话则充电更充分，也不存在实质上对循环寿命的有害影响，应该更优选地选择初始充电电流I_初以使得在不大于30秒内达到最大充电电压，更优选的是在不大于5秒内，从而进一步实质上缩短充电时间。

当充电电流为0或接近0时，可以停止加速充电。然而优选的是，当在电池5仅仅部分充电的短时间之后，控制单元6断开加速充电。已经发现当电池5已经充电到其最大容量的最大75％(即，75％DoC)时，应该断开加速充电以提供对循环寿命没有实质负面影响的快速充电，也可能以较高的最大充电电压实施。还进一步发现在10-60％的电池DoC处切断充电过程提供充电时间和充电容量之间的关系，该充电容量对加速充电功能的大部分用户是有吸引力的。因此加速充电优选用于电池的快速、部分充电。为了在部分充电的适当时间停止加速充电，优选测量DoC的功能部件包括在控制单元6中，DoC，即，一定时间上的电池的DoC。可以通过根据技术人员公知的多种方法中的一种测量电池参数来测量该DoC。用于与电池DoC相关的这种测量电池参数的方法的例子包括开路电压(OCV)测量和自由阻抗电压(resistance free voltage)(RFV)测量。

优选限制加速充电的应用以使得已经具有全部容量或几乎全部容量的电池不受到加速充电。因此控制单元6优选包括用于测量推测为空电池5的DoC的功能部件，即，在启动任何充电及尤其是任何加速充电之前的初始DoC的功能。为了在启动充电过程之前测量电池的DoC，可以应用技术人员公知的多种方法中的一种。这种用于与电池DoC相关的测量电池参数的方法的例子包括开路电压(OCV)测量、自由阻抗电压(RFV)测量和释放之后的电池电压(V_释放)。假如选择初始电流I_初以使得在电流必须降低以避免超过最大充电电压之前经过较短的时间周期，那么也可以在充电过程刚刚开始时，通过测量充电电流开始降低之前经过的时间来测量DoC。充电电流降低之前的时间越短，初始DoC越高。也可以当启动加速充电时测量电压增加随时间的斜率，即，测量dV/dt。然后大dV/dt表明电池的高初始DoC。如果对充电电流降低之前经过的时间或对dV/dt的测量揭示电池已经具有高的或完全的容量，那么就立即切断加速充电。除了对循环寿命的有害影响之外，通过高初始DoC的加速充电获得的时间很少以使得它优选地消除了。如果发现电池具有大于70％的初始DoC，则不应该启动加速充电，或者如果在前期阶段就立即停止加速充电以避免对循环寿命的有害影响。充电器1可以具有用于表明由于高初始DoC而切断加速充电的功能，从而显示给用户该电池已经具有一定的电量。进一步发现充电时间和充电容量之间的关系不利地影响启动大于50％的初始DoC时加速充电过程的优点。

在控制充电过程的又一个例子中，在控制单元6中提供计时器功能部件。该计时器设定成在一定时间期间，例如5或10分钟，允许加速充电然后切断充电。该计时器可以与上述用于避免在高初始DoC时充电的功能和/或用于在一定的、预定DoC时切断充电的功能相结合。该计时器功能部件使加速充电功能易于最终用户的应用和理解。

控制单元也可以适于允许加速充电一段时间，然后切换到普通充电。在这种情况下，电池首先以高速率充电一定时间或达到一定的DoC。然后充电器切换成普通充电并允许电池以低速率继续充电直到电池被完全充电。优选利用指示，例如LED的接通，来表明加速充电结束。然后用户可以选择切断充电过程或为了对电池完全充电允许其以低速率的普通充电模式继续充电。

加速充电适合所有类型的可再充电电池。这种电池的例子包括镍金属氢化物电池(NiMH)、镍镉电池(NiCd)、铅酸蓄电池(Pb-acid)、可再充电碱性锰电池(RAM)和锂电池。已经发现由于锂电池不必以高压充电，所以加速充电尤其有利于锂电池，该锂电池包括锂离子电池(Li-ion)、锂聚合物电池(Li-polymer)、锂聚合物凝胶电池(Li-polymer gel)和锂金属电池(Li-metal)。由于这个事实，至今不存在任何用于快速充电锂电池的充电器。

根据本发明的充电器可以是独立充电器或集成充电器。因此该充电器可以是任何电子或电池驱动装置集成的一部分。结合了充电器的这种电子装置的例子是剃刀、移动式电话、电池组和个人计算机。在集成充电器的情况下，优选将选择器设置在这种装置的外壳上，例如剃刀的外壳上，以允许用户选择充电模式。

实施了许多实验以论证根据本发明的充电器的效用。在这些实验中，应用具有1100mAh额定容量的标准索尼US18500电池形式的锂离子电池。所有实验都是在25℃下进行的。

图2示出加速充电和普通充电的过程。图2的左垂直轴是以安培为单位的充电电流I_充电，右垂直轴是以伏特为单位的充电电压V_充电，横轴是以mAh为单位的充电电池容量。普通充电(图2中的虚线)发生在恒流I_恒定大约为1A的情况下，直到电池获得其最大容量的大约80％。控制单元6包括充电电流限制功能部件，该功能部件增加充电电流从0到预定恒定充电电流I_恒定，接着预防充电电流更进一步的增加。在这个恒流(CC)阶段，充电电压从3.6到4.2V缓慢增加，该电压是这种电池的最大充电电压。当充电电压达到4.2V时，充电器切换成恒压模式。因此该电池以4.2V的恒压和降低的电流进行其容量的最后20％的充电。

加速充电通过图2的实线说明。在加速充电过程开始时，8A的初始电流I_初被施加到电池上。充电电压立即升高，即，在不到1秒内，达到4.2V的最大充电电压。控制单元降低充电电流以使得充电电压保持在4.2V。充电电流首先迅速降低，在1分钟之内，达到大约4A。然后充电电流进一步以较低的速率降低。

如图2中所示，在充电过程结束时的充电，即，充电容量的最后20％的充电，对于普通充电和加速充电来说是相似的。因此可以推断出高初始充电电流对充电形成(build up)的影响很小。

在图3中，示出了作为时间函数的容量形成。垂直轴是充电容量，即，在充电期间电池增加的容量，以mAh为单位，横轴是以分钟为单位的时间。最大的充电电压是4.2V。虚线描述了利用普通充电对空电池充电的形成。在普通充电10分钟之后，电池的DoC增加到其最大容量的大约16％。在普通充电的10分钟期间，恒流大约是1A，对应于1A/1100mAh＝0,9C-率。利用8A的初始电流I_init实施三个加速充电的实验，该8A对应于8A/1100mAh＝7,3C-率的初始C-率。图3中实线示出对空电池(0％初始DoC)与具有10和25％初始DoC的电池进行加速充电的结果。在加速充电仅仅10分钟之后，空电池就获得了其最大容量的几乎50％。与空电池充电相比，分别具有10％和25％初始DoC的电池显示出稍微慢的容量形成。然而，如图3所示，总的来说，加速充电的容量形成比普通充电的容量形成快的相当多。

在图4中，示出了初始充电电流I_初对空电池(0％初始DoC)充电到一定DoC的影响。垂直轴是以安培为单位的初始充电电流I_初，横轴是以分钟为单位的充电时间。曲线表示10-50％的不同DoC，在这些曲线上切断充电。因此30％的曲线表示以不同的初始电流I_初将空电池充电到其最大容量的30％DoC所用的时间。例如，点P表示，在6.9分钟之后达到3A、30％DoC的初始电流I_初。

从图4中明显看出，对应于大约3.6C-率的初始C-率、大于4A的初始充电电流I_初不再缩短获得一定的DoC所需的时间。换句话说，对应于大约1,8C-率的初始C-率、低于2A的初始充电电流I_初导致实质上增加获得一定的DoC所需的时间。

以高于允许的4,2V的最大充电电压实施了一个实验。因此最大充电电压设定为4,3V。发现空电池(0％初始DoC)用8分钟以8A的初始充电电流I_初充电到几乎50％的DoC，这个时间比以4,2V(见图3)充电时所需的10分钟少了两分钟。

本发明提供用于通过提供高初始充电电流以使得充电电压在基本上整个的充电过程期间处于其最大的预定值，而快速充电包括锂电池在内的所有类型电池的快速充电方法和充电器。因此充电的第一分钟以非常高的电流发生，该非常高的电流使电荷非常迅速地填加到电池中。通过仅仅对电池部分地充电，缩短了充电所必须的时间，并因此减少了对电池循环寿命的有害影响。

最后，概述一下，公开了用于对可再充电电池和/或电池组进行充电的电池充电器。优选该充电器可以提供两种电池充电的模式。在普通充电模式中，电池以低速率充电到完全容量。在加速充电模式中，电池非常迅速地充电并优选仅仅达到一定程度，例如其最大容量的75％。当用于充电的可能时间受到限制时，加速充电模式使得向电池提供一定的电荷成为可能。加速充电的方法是基于非常高的初始充电电流I_初。该初始充电电流I_初使得几乎立即就达到了预定的最大充电电压V_最大。然后充电电流以充电电压V_充电基本保持恒定在最大充电电压V_最大上的方式降低。

Claims (10)

1、对可再充电单元充电的方法，该可再充电单元例如为可再充电电池或可再充电电池组，该方法的特征在于：

该可再充电单元与电源单元相连；

该电源单元向可再充电单元提供电流；

该充电电压在充电期间受到监控；

在充电过程开始时施加到可再充电单元上的初始电流使得充电电压几乎立即达到预定的最大充电电压；及

接着该电流以充电电压在充电期间基本保持恒定在最大充电电压上的方式降低。

2、根据权利要求1的方法，其中初始充电电流使得充电电压在至多2分钟内达到预定的最大充电电压。

3、根据权利要求1的方法，其中初始充电电流对应于大于1C-率。

4、根据权利要求1-3任一项权利要求的方法，其中可再充电单元被最大充电到其最大容量的75％，然后切断该充电过程。

5、根据前面任一项权利要求的方法，其中在充电开始之前或在充电过程开始时测量要充电的可再充电单元的充电初始深度，如果发现该可再充电单元具有大于预定最大的充电初始深度则停止充电。

6、根据前面任一项权利要求的方法，其中该可再充电单元包括锂电池。

7、用于对可再充电单元进行充电的充电器，该可再充电单元为例如可再充电电池或可再充电电池组，该充电器包括：

用于向可再充电单元提供充电电流的电源单元；

用于将电源单元和可再充电单元连接起来的端子；及

用于控制由电源单元提供的电流的控制单元，特征在于该充电器进一步包括：

-用于监控充电电压的装置；

-用于可再充电单元充电过程的开始时提供初始充电电流的装置，该初始充电电流使得提供给可再充电单元的充电电压几乎立即达到预定最大的充电电压；及

用于以在充电过程期间使充电电压基本保持恒定在最大充电电压上的方式降低电流的装置。

8、根据权利要求7的充电器，其中控制单元包括用于选择下面两种充电模式的选择器：

加速充电模式，其中控制单元适于使电源单元在可再充电单元充电过程开始时提供初始电流，该初始充电电流使得提供给可再充电单元的充电电压几乎立即达到预定的最大电压；及

普通充电模式，其中控制单元适于使电源单元在可再充电单元充电过程开始时提供恒定的充电电流，该恒定的充电电流使得该可再充电单元在充电电压达到预定的最大电压之前以所述恒定电流充电到具有基本容量。

9、根据权利要求7或8的充电器，其中控制单元包括用于在充电期间测量可再充电单元的充电深度的装置，以及用于在预定的充电深度时切断充电过程的装置。

10、根据权利要求7-9中任一项权利要求的充电器，其中该充电器包括用于在预定时间间隔之后切断充电过程的计时器功能部件。

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