JP6664002B2 - 電圧を修正・補償するリチウムイオン電池の非定電圧充電方法 - Google Patents
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Description
理想的充電は、定電流・定電圧充電方式でリチウムイオン電池を充電する場合は、充電回路を切断した後に、リチウムイオン電池の開回路の安定電圧が定電圧充電の電圧に達するようになるものである。理論的には、定電流・定電圧充電方式でリチウムイオン電池を充電する場合は、定電圧で無限小電流になるまで充電された時に、充電回路を切断した後において、リチウムイオン電池の開回路の安定電圧は定電圧充電の電圧に達することができる。実際的に、定電流・定電圧充電方式でリチウムイオン電池を充電する場合は、定電圧でリチウムイオン電池が自己消費電流になるまで充電された時に、リチウムイオン電池の充電電流と自己消費電流は動的平衡状態にあるので、充電回路を切断した後において、リチウムイオン電池の開回路の安定電圧は定電圧充電の電圧に極めて近くなる。標準安定電圧は、標準によって規定した、或いはサプライヤと合意した電流を定電流として、Uoまで充電した後、標準によって規定した、或いはサプライヤと合意した終止電流まで、定電圧で充電してから停止し、電池の定電流・定電圧充電が停止され、放置が始まった時点から計時し、ある時間帯が開始して、電池の開路電圧の降下が、ある時間帯においてある数値よりも小さくなり、電池の電圧が安定になる場合に、この時間帯の第一時点と対応する電圧が電池の標準安定電圧Usoとして選択される。
CN101388477Bにおける充電方法では、U=2Uo−Us=Uo+(Uo−Us)に充電すると停止することで、定電流IでUoまで充電した後に、開回路として放置して生じる電池内部の電圧降下(UoーUs)を補償した。しかし、電流Iと対応するオーム電圧降下、濃度分極電圧降下、電気化学分極電圧降下とその他のインピーダンス電圧降下のみが補償可能であり、定電流IでUoまで充電しても飽和状態にならないことと、リチウムイオンにおける自由度が極めて低い一部の脱離を考慮しておらず、補償した電圧降下は電池を100%の飽和状態まで充電するには不十分で、理想的充電状態に達することはできない他、CN101388477Bの充電方法では設備の誤差と測定の誤差による影響も考えていなかった。100%の飽和状態は、標準によって規定した、或いはサプライヤと合意した電流を定電流として、Uoまで充電した後、標準によって規定した、或いはサプライヤと合意した終止電流まで定電圧で充電して停止し、標準によって規定した、或いはサプライヤと合意した電流を採用して、標準によって規定した、或いはサプライヤと合意した放電終止電圧まで定電流で放電すると、放出した容量は100%に達し、放電前の充電状態は100%の飽和状態である。U=2Uo−Us=Uo+(Uo−Us)に基づいて、(Uo−Uso)分を追加し、電流IでU=Uo+(Uo−Us)+(Uo−Uso)=3Uo−Us−Usoまで充電することは、リチウムイオンの自由度が低い一部の脱離を考え、それにより電池を100%の飽和状態により近いように充電可能であり、設備の誤差と測定の誤差による影響を削減し、理想的な充電状態に近くなる。
標準的定電流・定電圧充電方式を使用して、電池を飽和状態まで充電し、開回路とする場合において、リン酸鉄リチウムイオン電池の標準安定電圧と、標準的充電終止電圧とは大きく違っており、コバルト酸リチウム電池の標準安定電圧と、標準的充電終止電圧とは小さく違っていることが示され、これはリン酸鉄リチウムイオン電池の飽和程度が低いが、コバルト酸リチウム電池の飽和程度が高いということに直接的に関連する。
U=Uo+(Uo−Us)+(Uo−Uso)=3Uo−Us−Uso
となる。これによると、リン酸鉄リチウムイオン電池とコバルト酸リチウム電池を充電する場合に、修正・補償した電圧によって、電池を100%の飽和状態により近いように充電可能になった。
まで充電して停止すれば、定電流・定電圧で4.2Vまで充電する方法と、ほぼ同じ効果を取得することができ、すなわち、コバルト酸リチウム電池のUo=4.2Vである場合は、(Uo−Uso)修正値を無視してもよい。しかしながら、他の標準的充電終止電圧Uoであれば、図3に示すように、Uo=4.35Vで、UoとUsoとの誤差は比較的に大きく、修正値の(Uo−Uso)を考慮することで、電池を100%に充電可能である。
1.リチウムイオン電池は急速な充電、及び飽和状態に接近する電気量の充電を実現できることと、
2.本発明の充電方法は様々なリチウムイオン電池に対する充電に適用可能で、電池を100%の飽和状態により近く充電することができ、電池の機能を十分に発揮できることと、
3.本発明の方法でリチウムイオン電池を充電する場合、標準的又はユーザによる方法での放電は、同等な倍率の電流による定電流・定電圧充電方式と比べて、より長いサイクル寿命、又は同じサイクル回数を有し、本発明の方法による充電は、放出する電気容量がより大きいことと、
4.本発明の方法は、充電回路の設計、及び充電器を製造するために使用されることができることと、
5.本発明の方法は、共に使用されるための電池で組み立てられる電子コンポーネントを製造するために使用されることができるという有益な効果を有する。
402045Fe15Cは3.2V190mAhの高倍率型リン酸鉄リチウム電池であり、電池システムはLiFePO4/C系単電池(Uo=3.6C)、定格容量Cr=190mAh、GB/T18287−2013の標準的充電方法を参照する。
1.38mA(0.2C)の定電流で3.6Vまで充電し、3.6Vの定電圧に変更して、電流が3.8mA(0.02C)に下がるまで充電した後に、充電を停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
2.38mA(0.2C)の定電流で2.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する。(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)
3.サイクル:
3.1 1140mAの定電流で3.6Vまで充電し、3.6Vの定電圧に変更して、電流が3.8mAに下がるまで充電する
3.2 5min休止する
3.3 1140mAの定電流で2.0Vまで放電する
3.4 5min休止する
3.5 ステップ3.1から3.4を1000サイクル繰り返す
3.6 終了
比較例1.1の電池と同様の電池を、t=10minの時間内で完全に充電することを期待すると、CN101388477Bに開示した急速充電方法によれば、必要とする定電流充電の電流は、I=Cr/t*60=190/10*60=1140mA(6C倍率)となる。
2.38mA(0.2C)の定電流で2.0Vまで放電する(このステップは、電池を充電待状態にさせるように、前のステップで充電した容量を放出するもので、充電方法には必要ないものである)。
3.1140mAの定電流で2Uo−Usまで充電してから停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
4.38mA(0.2C)の定電流で2.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである)。
5.サイクル:
5.1 1140mAの定電流で2Uo−Usまで充電する
5.2 5min休止する
5.3 1140mAの定電流で2.0Vまで放電する
5.4 5min休止する
5.5 ステップ5.1から5.4を1000サイクル繰り返す
5.6 終了
比較例1.1の電池と同様の電池に、比較例1.2で測定した安定電圧Usを使用する。
1.標準安定電圧の測定:38mA(0.2C)の定電流で3.6Vまで充電し、3.6Vの定電圧に変更して、電流が3.8mA(0.02C)に下がるまで充電した後に、充電を停止し、標準安定電圧Usoを測定する。標準安定電圧Uso曲線は図1を参照する。電池が定電流・定電圧充電を停止され、放置が始まった時点から計時し、各10分を一つの時間帯として、ある10分の時間帯が開始して、10分の時間帯内で電池の開路電圧降下が1mVよりも小さくなった後、電池の電圧が安定になったものと認め、この時間帯の第一時点と対応する電圧が電池の標準安定電圧Usoとして選択される。
2.38mA(0.2C)の定電流で2.0Vまで放電する(このステップは、電池を充電待状態にさせるように、前のステップで充電した容量を放出するもので、充電方法には必要ないものである)。
3.10minで電池を完全に充電することを期待すると、本発明の電圧を修正・補償するリチウムイオン電池の非定電圧充電方法によれば、必要とする定電流充電の電流は1140mA(6C倍率)であり、U=3Uo−Us−Usoまで充電した後、充電を停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
4.38mA(0.2C)の定電流で2.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである)。
5.サイクル:
5.1 1140mAの定電流でU=3Uo−Us−Usoまで充電する。
5.2 5min休止する
5.3 1140mAの定電流で2.0Vまで放電する
5.4 5min休止する
5.5 ステップ5.1から5.4を1000サイクル繰り返す
5.6 終了
比較例1.1、比較例1.2、実施例1の実験結果を表1で表す。
充電の飽和度は、標準的充電方法で充電し、標準的放電方法で放電する場合に放出する容量が100%であり、非標準的充電方法で充電し、標準的放電方法で放電する場合に放出する容量と標準的放電容量との百分比が充電の飽和度になる。
703048H10Cは3.7V800mAhの高倍率型ポリマーリチウムイオン電池であり、電池システムはLiCoO2/C系単電池(Uo=4.2V)、定格容量Cr=800mAh、GB/T18287−2013の標準的充電方法を参照する。
1、160mA(0.2C)の定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧に変更して、電流が16mA(0.02C)に下がるまで充電し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
2.160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)。
3.サイクル:
3.1 4800mAの定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧に変更して電流が16mAに下がるまで充電する
3.2 5min休止する
3.3 48000mAの定電流で3.0Vまで放電する
3.4 5min休止する
3.5 ステップ3.1から3.4を500サイクル繰り返す
3.6 終了
比較例2.1の電池と同様の電池に、10minの時間内で電池を完全に充電することを期待すると、CN101388477Bに開示した急速充電方法によれば、必要とする定電流充電の電流は、I=Cr/t*60=800/10*60=4800mA(6C倍率)となる。
1.安定電圧の測定:4800mAの定電流で4.2Vまで充電してから停止し、開路電圧を検出し、安定電圧Usを測定し、安定電圧Us曲線は図2を参照する。電池が定電流充電を停止され、放置が始まった時点から計時し、各10分を一つの時間帯として、ある10分の時間帯が開始して、10分の時間帯内で電池の開路電圧降下が1mVよりも小さくなった後に、電池の電圧が安定になったものと認め、この時間帯の第一時点と対応する電圧は電池の安定電圧Usとして選択される。
2.160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電する(このステップは、電池を充電待状態にさせるように、前のステップで充電した容量を放出するもので、充電方法には必要ないものである)。
3.4800mAの定電流で2Uo−Usまで充電してから停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
4.160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する。(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)
5.サイクル:
5.1 4800mAの定電流で2Uo−Usまで充電する
5.2 5min休止する
5.3 4800mAの定電流で3.0Vまで放電する
5.4 5min休止する
5.5 ステップ5.1から5.4を500サイクル繰り返す
5.6 終了
比較例2.1の電池と同様の電池に、比較例2.2で測定した安定電圧Usを使用する。
1.標準安定電圧の測定:160mA(0.2C)の定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧に変更して、電流が16mA(0.02C)に下がるまで充電してから停止し、開路電圧を検出し、標準安定電圧Usoを測定する。標準安定電圧Uso曲線は図2を参照する。電池が定電流・定電圧充電を停止され、放置が始まった時点から計時し、各10分を一つの時間帯として、ある10分の時間帯が開始して、10分の時間帯内で電池の開路電圧降下が1mVよりも小さくなった後に、電池の電圧が安定になったものと認め、この時間帯の第一時点と対応する電圧は電池の標準安定電圧Usoとして選択される。
2.160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電する(このステップは、電池を充電待状態にさせるように、前のステップで充電した容量を放出するもので、充電方法には必要ないものである)。
3.10minの時間内で電池を完全に充電することを期待すると、本発明の電圧を修正・補償するリチウムイオン電池の非定電圧充電方法によれば、必要とする定電流充電の電流は4800mA(6C倍率)となり、U=3Uo−Us−Usoまで充電した後に充電を停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
4、160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する。(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)
5.サイクル:
5.1 4800mAの定電流でU=3Uo−Us−Usoまで充電する。
5.2 5min休止する
5.3 4800mAの定電流で3.0Vまで放電する
5.4 5min休止する
5.5 ステップ5.1から5.4を500サイクル繰り返す
5.6 終了
601250HV10Cは4.35V235mAhの高倍率型リン酸鉄リチウムイオン電池であり、電池システムは4.35Vの高電圧型LiCoO2/C系単電池(Uo=4.35V)、定格容量Cr=235mAhであり、GB/T18287−2013の標準的充電方法を参照する。
2.47mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する。(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)
3.サイクル:
3.1 470mAの定電流で4.35Vまで充電し、4.35Vの定電圧に変更して、電流が4.7mAに下がるまで充電する
3.2 5min休止する
3.3 470mAの定電流で3.0Vまで放電する
3.4 5min休止する
3.5 ステップ3.1から3.4を500サイクル繰り返す
3.6 終了
比較例3.1の電池と同様の電池に、t=30minの時間内で電池を完全に充電することを期待すると、CN101388477Bに開示した急速充電方法によれば、必要とする定電流充電の電流は、I=Cr/t*60=235/30*60=470mA(2C倍率)となる。
2.47mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電する(このステップは、電池を充電待状態にさせるように、前のステップで充電した容量を放出するもので、充電方法には必要ないものである)。
3.470mAの定電流で2Uo−Usまで充電してから停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
4.47mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する。(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)
5.サイクル:
5.1 470mAの定電流で2Uo−Usまで充電する
5.2 5min休止する
5.3 470mAの定電流で3.0Vまで放電する
5.4 5min休止する
5.5 ステップ5.1から5.4を500サイクル繰り返す
5.6 終了
比較例3.1の電池と同様の電池に、比較例3.2で測定した安定電圧Usを使用する。
2.47mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電する(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)。
3.30minの時間内で電池を完全に充電することを期待すると、本発明の電圧を修正・補償するリチウムイオン電池の非定電圧充電方法によれば、必要とする定電流充電の電流は470mA(2C倍率)となり、U=3Uo−Us−Usoまで充電した後に充電を停止し、充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
5.サイクル:
5.1 470mAの定電流でU=3Uo−Us−Usoまで充電する。
5.2 5min休止する
5.3 470mAの定電流で3.0Vまで放電する
5.4 5min休止する
5.5 ステップ5.1から5.4を500サイクル繰り返す
5.6 終了
比較例3.1、比較例3.2、実施例3の実験結果は表3に表す。
実施例4:コバルト酸リチウム電池、本発明の方法、多段階定電流充電方式、前半の充電電流は10Cであり、後半の充電電流は6Cである。
1.標準安定電圧の測定:160mA(0.2C)の定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧に変更して、電流が16mA(0.02C)に下がるまで充電した後に、充電を停止し、開路電圧を検出し、標準安定電圧Usoを測定する。標準安定電圧Uso曲線は図2を参照する。電池が定電流・定電圧充電を停止され、放置が始まった時点から計時し、各10分を一つの時間帯として、ある10分の時間帯が開始して、10分の時間帯内で電池の開路電圧降下が1mVよりも小さくなった後に、電池の電圧が安定になったものと認め、この時間帯の第一時点と対応する電圧は電池の標準安定電圧Usoとして選択される。
2.160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電する(このステップは、電池を充電待状態にさせるように、前のステップで充電した容量を放出するもので、充電方法には必要ないものである)。
3.多段階定電流充電方式、前半の充電電流は10Cであり、後半の充電電流は6Cであり、10minの時間内で電池を完全に充電することを期待すると、本発明の電圧を修正・補償するリチウムイオン電池の非定電圧充電方法によれば、前半に必要とする定電流方式の充電電流は8000mA(10C倍率)となり、3min充電し、後半に必要とする定電流方式の充電電流は4800mA(16C倍率)となり、U=3Uo−Us−Usoまで充電した後に、充電を停止し、総計の充電時間Tcと充電容量Ccを記録する。
4.160mA(0.2C)の定電流で3.0Vまで放電し、放電容量Cdを記録する。(このステップは、充電を評価するために放出する容量で、充電方法には必要ないものである。)
5.サイクル:
5.1 8000mAの定電流で3min充電する
5.2 4800mAの定電流で3Uo−Us−Usoまで充電する
5.3 5min休止する
5.4 4800mAの定電流で3.0Vまで放電する
5.5 5min休止する
5.6 ステップ5.1から5.5を500サイクル繰り返す
5.7 終了
Claims (7)
- 電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法であって、電池を充電する時に充電の電圧が充電上限電圧Uに達すると充電を停止し、
前記充電上限電圧Uは、U=3Uo−Us−Usoであり、ただし、
Usoは、定電流でUoまで充電しUoの定電圧で充電した後に充電を停止し、電池の電圧が降下した後の電圧であって、電池の充電が停止され放置が始まった時点から計時し、ある時間帯が開始して、開路電圧降下が該時間帯内においてある数値よりも小さくなり、電池の電圧が安定した電圧であり、
Usは、定電流でUoまで充電した後に充電を停止し、電池の電圧が降下した後の電圧であって、電池の充電が停止され放置が始まった時点から計時し、ある時間帯が開始して、開路電圧降下が該時間帯内においてある数値よりも小さくなり、電池の電圧が安定した電圧であり、
Uoは、3.5V−3.7Vである
ことを特徴とする電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。 - 電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法であって、電池を充電する時に充電の電圧が充電上限電圧Uに達すると充電を停止し、
前記充電上限電圧Uは、U=3Uo−Us−Usoであり、ただし、
Usoは、定電流でUoまで充電しUoの定電圧で充電した後に充電を停止し、電池の電圧が降下した後の電圧であって、電池の充電が停止され放置が始まった時点から計時し、ある時間帯が開始して、開路電圧降下が該時間帯内においてある数値よりも小さくなり、電池の電圧が安定した電圧であり、
Usは、定電流でUoまで充電した後に充電を停止し、電池の電圧が降下した後の電圧であって、電池の充電が停止され放置が始まった時点から計時し、ある時間帯が開始して、開路電圧降下が該時間帯内においてある数値よりも小さくなり、電池の電圧が安定した電圧であり、
Uoは、4.2V−4.5Vである
ことを特徴とする電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。 - 電池を定電流充電方式で前記充電上限電圧Uまで充電した後に、充電を停止する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。 - 電池を多段階定電流充電方式で前記充電上限電圧Uまで充電した後に、充電を停止する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。 - 電池を非定電流充電方式で前記充電上限電圧Uまで充電した後に、充電を停止する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。 - 前記Usoは、電池の充電が停止され放置が始まった時点から計時し、電池について各5分間を一つの時間帯として、ある時間帯が開始して開路電圧降下が当該5分時間帯において2mVよりも小さくなった後の電池の電圧が安定したこの時間帯に対応する電圧である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。 - 前記Usoは、電池の充電が停止され放置が始まった時点から計時し、電池について各10分間を一つの時間帯として、ある時間帯が開始して開路電圧降下が当該10分時間帯において1mVよりも小さくなった後の電池の電圧が安定したこの時間帯に対応する電圧である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電圧を修正・補償して充電を行うリチウムイオン電池の非定電圧充電方法。
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