CN100392943C - 快速充电方法及充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明快速充电方法及装置属于电池装置领域，特别是涉及一种锂离子、聚合物锂离子电池快速充电的方法和充电装置，采用欧姆压降补偿及对不同设计的电池，适当增大电池两极之间的限制电压的方法实现大电流充电时间长，设定电池充电电池限制电压V_x要大于电池两极之间的限制电压V，在电池两极之间的限制电压V上再增加ΔV＝I·R_Ω，以使电池充电限制电压V_x’＝V+I·R_Ω+I·R_Ω。本发明简单、有效、实用，易于推广，充电快又能充进尽可能多的电量。

Description

快速充电方法及充电装置

技术领域

本发明快速充电方法及充电装置属于电池装置领域，特别是涉及一种锂离子、聚合物锂离子电池快速充电的方法和充电装置。

背景技术

在许多场合需对二次锂电池进行快速充电或应急充电，以能在最短的时间里完成，电池继续使用，不需要备用电池。采用恒流恒压充电时，当恒流充电电池两端电压等于限制电压V_x时，充电自动转为恒压充电，这时充电电流逐渐减小，充电时间长。多年来研究人员提出许多快速充电的方法，有些方法得以在特殊场合应用，有些方法制成的充电器或繁琐、或价格贵，或不适用，而不能推广应用。充电限制电压V_x是对整个电池控制，快速充电希望大电流充电时间长(达到限制电压时间长)，或达到限制电压时充电终止；或恒压时间短，电流还足够大，希望充进尽可能多的电量。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种简单方便的方法及装置，采用欧姆压降补偿及适当增大电池两极之间的限制电压的方法实现大电流充电时间长，充入电量多，方法简单、有效、实用，易于推广。

本发明的目的是通过以下措施来达到快速充电。电池充电时流过电流，电池两端电压由两部分组成，一部分是电池正负极之间的电位差，另一部分是电池欧姆电阻上的压降ΔV，ΔV＝I·R_Ω，I是充电电流，R_Ω是电池的欧姆内阻，是电池内部由于离子、电子的导电阻力引起的。充电时，电池限制电压V_x是对整个电池控制，即V_x＝V+I·R_Ω。V是电池两极之间的限制电压。采用欧姆压降补偿的方法补偿掉I·R_Ω，即是在电池两极之间的限制电压V上再增加ΔV＝I·R_Ω，以使电池充电限制电压V_x＝V+I·R_Ω，即补偿了欧姆压降。V是人为设定的，I是充电直流电流，可以是恒定的，也可以是变化的，R_Ω是已知的，生产厂家在电池出厂时都会提供R_Ω的指标。

本发明的充电方法就是先确定电池两极之间的限制电压V，设置的电池限制电压V_x要大于电池两极之间的限制电压V，V_x＝V+I·R_Ω。

在锂离子二次电池中，电极过程一般是由Li⁺固相扩散控制，Li⁺固相扩散速度很慢，因此产生可观的浓差极化。极片上活性物质层厚，浓差极化大，且不均匀，所以，为了保证电池的寿命，以LiCoO₂为正极活性物质的锂离子二次电池一般设计电池两极之间的限制电压V为4.2±0.03V，大功率设计的电池极片上活性物质层要薄很多，浓差极化小且均匀性好，因此两极之间充电时的电池限制电压V_x可适当提高，可在通常的限制电压上提高0～0.3V。功率型电池两极之间的限制电压要比容量型电池大，功率型电池两极之间的限制电压人为设定设置为V+I·R_Ω，设定电池充电电池限制电压V_x要大于电池两极之间的限制电压V，在电池两极之间的限制电压V上再增加ΔV＝I·R_Ω，以使电池充电限制电压V_x’＝V+I·R_Ω+I·R_Ω。

在电池直流充电时，在电池两极之间的限制电压V上再增加一个电压值ΔV。ΔV＝IR_Ω，其中I为充电电流，R_Ω是电池的欧姆内阻。充电电流是大于1C(mA)的直流电流，可以是恒定的，也可以不是恒定的。欧姆内阻可以是预先已知的，也可以是充电装置内即时测量的，但都应是用1000Hz交流电测得的电池内阻。大电流充电的电压达到限制电压后持续时间t≥0min。持续时间t＝0min，充电电池达到电池限制电压就终止充电。t＞0min，一般是限时充电，时间很短，充电电流也会足够大。一般电池制造商给出的内阻偏大，实际使用时，R_Ω取制造商给出的内阻乘以80~90％的值。

本发明的充电方法就是设置的电池充电限制电压V_x’要大于电池两极之间的限制电压V，在充电至电池充电限制电压V_x’后，立即停止充电。也可以是在电池充电限制电压V_x’对电池限时充电。也可以采用当充电达到电池充电限制电压V_x’时，转为恒压充电，恒定电压为V。

对于锂离子电池和聚合物锂离子电池，电池两极之间的限制电压取V＝3.5～4.6V。

利用本发明的快速充电方法制成的充电装置，设定电池充电限制电压V_x’要大于电池两极之间的限制电压V。在充电至电池充电限制电压V_x’后，立即停止充电。在充电至电池充电限制电压V_x’后，电池限时充电。当充电达到电池充电限制电压V_x’时，转为恒压充电，恒定电压为V。

利用本发明的快速充电方法可以制成充电器，充电器的主回路由稳压电源，限流电阻，被充电池，取样电阻构成，运算放大器及晶体管电路构成电流调节器，运算放大器根据取样电阻的电流取样电压和由调节电位器给出的电流设定基准电压，比较放大后，提供晶体管的控制基极电流。电阻和电位器为电池充电电压的取样电路，供给比较器反向输入端电压，由电位器提供保护基准电压，供给比较器同向输入端电压，比较器将此二电压比较，电路的设定使得比较器恰好在电池的两极电压达到电池充电限制电压V_x’时翻转，常开点将分流电阻接通，电阻分压的开路电压值恰好等于电池两极之间的限制电压。对于达到电池充电限制电压V_x’后终止充电，此时充电结束；如果限时充电，比较器翻转后继电器通电，常开触点实现自锁，常开点将分流电阻接通，从而使电池的充电电压降低到安全值内。

利用本发明的快速充电方法可以制成电子元件，与电池芯组装在一起。

本发明简单、有效、实用，易于推广，充电快又能充进尽可能多的电量。

附图说明

附图1是本发明的充电器一个实施例充电原理图。

附图2是本发明的充电器一个实施例充电原理图。

附图3是本发明的充电器一个实施例充电原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：聚合物锂离子电池431433(容量型电池)

额定容量150mAh，内阻200mΩ

方式2是本发明的方法，方式2与方式1比，时间减少了80％，充进的容量达到93％。这里设定V_x＝4.2V。

实施例2：聚合物锂离子电池501417H(功率型电池)

额定容量50mAh，内阻120mΩ

方式2，方式3是本发明的快速方法，与方式1比，方式2，方式3充电时间分别缩短68.6％，76.4％，用此制度充放循环，300次仍保持原有容量的90％。这里设定V_x’＝4.33V

如附图1所示，本发明的充电器采用大电流充电，电池电压达到电池充电限制电压V_x’，充电终止。充电器的主回路由稳压电源U，限流电阻R₂，被充电池E，取样电阻R₇构成.运算放大器U₂及晶体管T₁相关电路构成电流调节器.运算放大器U₂根据取样电阻R₇的电流取样电压和由调节电位器R_V2给出的电流设定基准电压，比较放大后，提供晶体管T₁的控制基极电流以保证在充电的第一个价段为恒流大电流充电.以加快充电的速度，若充电电流减小偏离了设定值，R₇电阻的取样电压减小，运算放大器U₂输出电压降低，晶体管T₁电流减小，限流电阻R₂压降变低，电池充电电压上升.从而使充电电流回升到设定值附近，反之，若充电流增加偏离了设定值，取样电阻R₇电压上升.引起运算放大器U₂输出电压升高，晶体管T₁电流加大，限流电阻R₂压降变大，电池充电电压减小，从而又使充电电流回升到设定值附近，电阻R₄和电位器R_V3为电池充电电压的取样电路，取样电压与电池两端电压及电流取样电阻两端电压之和成比例.由电位器R_V1提供保护基准电压.比较器U₁将此二电压比较，电路的设定使得比较器恰好在电池的两电极之间的电压达到电池充电限制电压V_x’时翻转，因此保护电压设定时，是考虑电池两电极之间的限制电压，取样电阻R₇压降以及电池内部欧姆压降三部分之和，充电达到电池限制电压时，继电器J动作，常开触点J1闭合，实现继电器自锁，常闭触点J2断开，停止充电，发光二极管D2点亮，表示充电结束。

如附图2所示，本发明的充电器采用恒流限压定时充电。充电器的主回路由稳压电源U，限流电阻R₂，被充电池E，取样电阻R₇构成.运算放大器U₂及晶体管T₁相关电路构成电流调节器.运算放大器U₂根据取样电阻R₇的电流取样电压和由调节电位器R_V2给出的电流设定基准电压，比较放大后，提供晶体管T₁的控制基极电流以保证在充电的第一个价段为恒流大电流充电.以加快充电的速度，若充电电流减小偏离了设定值，R₇电阻的取样电压减小，运算放大器U₂输出电压降低，晶体管T₁电流减小，限流电阻R₂压降变低，电池充电电压上升.从而使充电电流回升到设定值附近，反之，若充电流增加偏离了设定值，取样电阻R₇电压上升.引起运算放大器U₂输出电压升高，晶体管T₁电流加大，限流电阻R₂压降变大，电池充电电压减小，从而又使充电电流回升到设定值附近。电阻R₄和电位器R_V3为电池充电电压的取样电路，取样电压与电池两端电压及电流取样电阻两端电压之和成比例.由电位器R_V1提供保护基准电压.比较器U₁将此二电压比较，电路的设定使得比较器恰好在电池的两电极之间的电压达到电池充电限制电压V_x’时翻转，因此保护电压设定时，是考虑电池两电极之间的限制电压，取样电阻R₇压降以及电池内部欧姆压降三部分之和。比较器翻转后继电器J通电，常开触点J₂实现自锁，常开点J₁将分流电阻R₃接通，从而使电池的充电电压降低到安全值内.电阻R₂、R₃分压的开路电压值恰好等于电池两电极的限制电压，因此在后续电池充电过程中，由于电池两极之间的电压上升，会引起充电电流减小，而电压却始终低于两电极之间的限制电压，只有全充满的状态下，充电电流为零时，电池两端的电压才刚好等于极板限制电压，从而保证了电池充电的可靠性。充电装置中恒流的方法可以是多种的。该装置的关键在于有欧姆压降补偿，有充电限制电压设定，有充电电流变化时ΔV跟随变化的功能。电路中的s“为定时器，设定时间，以控制充电时间。

如附图3所示，本发明的充电器的主回路由稳压电源U，限流电阻R₂，被充电池E，取样电阻R₇构成.运算放大器U₂及晶体管T₁相关电路构成电流调节器.运算放大器U₂根据取样电阻R₇的电流取样电压和由调节电位器R_V2给出的电流设定基准电压，比较放大后，提供晶体管T₁的控制基极电流以保证在充电的第一个价段为恒流大电流充电.以加快充电的速度，若充电电流减小偏离了设定值，R₇电阻的取样电压减小，运算放大器U₂输出电压降低，晶体管T₁电流减小，限流电阻R₂压降变低，电池充电电压上升.从而使充电电流回升到设定值附近，反之，若充电流增加偏离了设定值，取样电阻R₇电压上升，引起运算放大器U₂输出电压升高，晶体管T₁电流加大，限流电阻R₂压降变大，电池充电电压减小，从而又使充电电流回升到设定值附近。电阻R_G和电位器R_V3为电池充电电压的取样电路，取样电压与电池两端电压及电流取样电阻两端电压之和成比例.由电位器R_V1提供保护基准电压.比较器U₁将此二电压比较，电路的设定使得比较器恰好在电池的两电极之间的电压达到电池充电限制电压V_x’时翻转，因此保护电压设定时，是考虑电池两电极之间的限制电压，取样电阻R₇压降以及电池内部欧姆压降三部分之和。充电电池电极之间电压达到电池限制电压时，继电器J1动作，常开触点J1-1闭合实现继电器自锁，常开触点J1-2闭合接通分流电阻R3，使电池充电电压降到安全范围之内，R3参数选定与R2配合使充电电池电流为零时，R3两端电压恰为等于电池两电极之间的限制电压。R3的接入，使电池充电电压降低，充电电流下降，因此充电速度逐渐下降，当充电电流减少时某一数值时，由U3放大后的电流取样电压使继电器J2动作，常开触点J2-1闭合实现自锁，常闭触点J2-2断开，结束充电，并由指示灯D4给出充电终止显示。

Claims (6)

1.一种快速充电方法，电池两端电压由两部分组成，一部分是电池正负极之间的电位差，另一部分是电池欧姆电阻上的压降ΔV，ΔV＝I·R_Ω，电池充电限制电压V_x＝V+ΔV，其中I为充电电流，R_Ω是电池的欧姆内阻，V是电池两极之间的限制电压，

其特征是在电池两极之间的限制电压V上再增加ΔV＝I·R_Ω，以使电池充电限制电压V_x’＝V+I·R_Ω+I·R_Ω。

2.根据权利要求1所述的快速充电方法，其特征是在充电至电池充电限制电压V_x’后，立即停止充电。

3.根据权利要求1所述的快速充电方法，其特征是在充电至电池充电限制电压V_x’后，再限制电压V_x’对电池限时充电。

4.根据权利要求1所述的快速充电方法，其特征是当充电达到电池充电限制电压V_x’时，转为恒压充电，恒定电压为V。

5.根据权利要求1所述的快速充电方法制成的充电装置，其特征是比较放大器的两端分别输入电池两端电压和电池充电限制电压，电池两端电压等于电池充电限制电压V_x’时比较器翻转。

6.根据权利要求5所述的充电装置，其特征是由充电器稳压电源U、限流电阻R₂、被充电池E、取样电阻R₇构成，运算放大器U₂及晶体管T₁电路构成电流调节器，运算放大器U₂根据取样电阻R₇的电流取样电压和由调节电位器R_V2给出的电流设定基准电压，比较放大后，提供晶体管T₁的控制基极电流，电阻R₄和电位器R_V3为电池充电电压的取样电路，供给比较器U₁反向输入端电压，由电位器R_V1提供电池充电限制基准电压，供给比较器U₁同向输入端电压，比较器U₁将此二电压比较，比较器在电池的两极电压达到两极之间的限制电压时翻转，常开点J₁将分流电阻R₃接通，电阻R₂、R₃分压的开路电压值恰好等于电池两极间的限制电压。

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