CN101213717A

CN101213717A - 基于物理模型对可充电电池进行急充电的方法和充电器

Info

Publication number: CN101213717A
Application number: CNA2006800237932A
Authority: CN
Inventors: P·诺滕; H·J·贝格维尔德
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-07-02
Also published as: JP2009500787A; US20100148731A1; EP1905143A1; WO2007004098A1

Abstract

本发明涉及一种对诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元进行充电的方法，其中在满足可充电单元中的至少一个条件的情况下，充电电流大于标称充电电流(C)，并且其中通过基于物理的模型由可充电单元的可测量的变量连续地计算所述至少一个条件。本发明也涉及一种相应的方法。本发明的特征允许连续监测电池中的变量，以便在利用高电流进行充电是可允许的而不减少电池的寿命的情况下，可得到用于决定的恰当的标准。

Description

基于物理模型对可充电电池进行急充电的方法和充电器

技术领域

本发明涉及对诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元进行充电。

背景技术

大多数电池供电的便携式设备利用锂离子电池作为能源，因为这种类型的电池能够以适中的体积和重量存储大量的能量。本发明涉及这样的电池到如下程度：利用这种类型的电池本发明的优点非常清晰地呈现出来。然而，本发明也适用于其他类型的可充电电池，如但不限于镍基电池。

通常，根据CCCV模式对锂离子电池进行充电。在该模式中，利用恒定电流来对电池进行初充电(CC-模式，恒定电流)。在这里，电池电压缓慢增大。一旦电池电压达到预定值，例如4.1V或4.2V，就将模式变更到利用恒定电压(CV-模式，恒定电压)和不断减小的电流来充电。对于电池的容量和循环寿命，该CCCV-充电模式已被最优化。然而，充电时间相对长，例如约2小时。

尤其是从商业观点来看，对允许较短的充电时间的充电器存在需求。EP-A-1516405公开了一种充电器，其中在CCCV充电模式的初始阶段期间，充电电流增大到比标称充电电流的两倍更大的值。该增大的充电电流允许较短的充电时间。实际上，在初始阶段期间，充电电流的这些较高的值对锂离子电池的寿命周期似乎没有有害作用。然而，在损坏电池之前，必须小心谨慎地停止该急充电过程，并且及时地重新开始“正常”的CCCV-充电模式。因此，为了安全可靠并避免缩短寿命周期起见，适用于该模式的充电器适合于在达到损坏电池的任何可能性之前很久就停止急充电。

发明内容

然而，对进一步减少充电时间存在需求。本发明的目的是提供一种允许较短充电时间的方法和充电器。

该目的利用对诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元进行充电的方法来实现，其中，如果满足可充电单元中的至少一个条件，则充电电流大于标称充电电流(C)，其中通过基于物理的模型由可充电单元的可测量的变量连续地计算所述至少一个条件。

该目的也可通过对诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元进行充电的充电器来实现，其中，该充电器包括适合于向可充电单元供应充电电流的供应单元和用于控制充电电流的控制器，其中在满足可充电单元中的至少一个条件的情况下，该控制器适合于使得供应单元供应比标称充电电流(C)大的充电电流，该充电器包括用于测量电池的可测量的变量的测量装置和适合于由所测量的变量连续地计算所述至少一个条件的建模工具。

当利用电池中的特定变量处于特定区域内时的高电流对电池进行充电时，出现电池寿命周期的缩短。当在利用高电流进行充电期间避免这些区域时，能够使用高电流而不会缩短寿命周期，允许充电时间的充分减少。

本发明的特征允许连续监测电池中的变量，使得在利用高充电电流进行充电是可允许的而不会减少电池的寿命的情况下，可获得用于决定的恰当的标准。在此注意到，在根据EP-A-1516405的现有技术的方法和充电器中，使用相同的标准，但是在充电器的制造期间该标准已经被固定。在该现有技术中，不会发生变量的持续更新。

相反，本发明提供对判定过程中所使用的值或者变量的持续更新，以便获得电池中的情况的更恰当的评估，允许使得将急充电切换到正常充电时的值之间的安全裕度更接近寿命开始减少时的电池中的变量的值。这允许较长的急充电，因此允许较短的总充电时间。

还注意到本发明的主要应用在于锂离子电池。然而，本发明也适用于其他类型的电池。

众所周知，容量损失的重要原因是由于在电极表面处的锂离子浓度下降到特定水平以下而造成的正电极的老化。低于该浓度级，电极材料分解，这是导致最大电池容量永久性降低的不可逆的过程。例如，对于正LiCoO₂电极，该浓度级是0.5，这意味着锂离子占据用于嵌锂的可能位置的一半。对于较低的占据水平，出现电极材料的分解。

这意味着电极表面处的锂离子浓度是用于决定何时将急充电程序切换到“正常”CCCV-模式的重要标准。

根据优选的实施例，提供一种方法，其中所述条件中的一个是在正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})，并且在正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})大于0.5的情况下，将充电电流控制为大于标称充电电流(C)。

然而，注意到涉及应用到具有LiCoO₂-电极的电池的本发明的特征也可以适用于具有锂离子类型的其他电极的电池，诸如LiMiO₂、LiMnO₂或例如LiMi.₃Co.3Mn.3O2的混合物，以及LiMn₂O₂和LiFePO₄。本发明中使用的特定值的可能必须有效适应为这些其他材料的结果。

然而，也注意到可以使用非阳极材料的其他材料；本发明也适用于类似硅的其他阳极材料。阳极材料形成SEI是很重要的。

本实施例的特征也应用于以上所提到的类型的充电器，其中建模工具适合于对在正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})进行建模，并且控制器适合于使供应单元在正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})大于0.5的情况下供应比标称充电电流(C)大的充电电流。

当在充电期间连续地计算正电极中的锂离子的表面浓度时，能够使在急充电模式中使用的电压和该模式的持续时间最优化，使得该浓度永远不下降到预定水平(例如，对于锂离子电极为0.5)之下。主要优点是急充电总是在最优的条件下发生，并且已经被证明与正常CCCV充电的有害作用相同的有害作用，甚至比正常充电更少发生。这意味着除了使得电池容量能够非常快速地充电以外，还使经充电的容量的量最大化，同时防止了有害的效果。

锂离子电池的不可逆容量损失的另一个来源就是负电极上的SEI(固体电解质界面)层的形成。该层占用锂离子，这些离子随后不能再参与充电/放电循环，导致较低的电池容量。可得到一种基于物理的锂离子电池模型，其能够基于使用电池时的条件计算SEI层的形成。

因此，本发明的另一优选的实施例提供以下的方法，其中所述条件中的一个是在负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)，并且在负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)小于预定值的情况下，充电电流大于标称充电电流。

本实施例还提供以上提到的类型的充电器，其中建模工具适合于对在负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)进行建模，而控制器适合于使供应单元在负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)小于预定值的情况下供应比标称充电电流大的充电电流。

对于用于如EP-A-1516405中所描述的现有技术的系统的算法，在实现并入急充电的产品之前，必须用一系列的测量来判定开始和停止SoC(充电的状态)。再次注意到根据这些测量结果，确定在停止急充电过程和开始正常充电时的SoC的固定值。

通过使用电池模型，SoC的最新值是立刻可得的，从而可以实现对急充电的优点的最优利用。

因此，本发明的优选的实施例提供一种方法，其中所述条件中的一个是充电的状态(SoC)，并且在充电的状态(SoC)小于预定值的情况下，充电电流大于标称充电电流。

该实施例也提供一种充电器，其中建模工具适合于对充电的状态(SoC)进行建模，而控制器适合于使供应单元在充电的状态(SoC)小于预定值的情况下供应比标称充电电流大的充电电流。

由于通过避免在其中这些负面作用可能发展的情况来避免急充电的有害作用，所以可以使急充电最优化以获得其最大的效果。这可以通过允许充电电流的最大值来实现。

优选的实施例提供以下的特征：如果满足条件中的至少一个，则利用可充电单元的最大可允许的充电电压来确定充电电流。

这些效果也可通过下述充电器来获得，在满足所述条件的至少一个的情况下，所述充电器适合于应用可充电单元的最大可允许的充电电压。

形成本发明的基础的建模可以在对由模型所计算的值的确定中产生误差。由于电池本身是存在的，所以可能在电池上执行测量，诸如电压、电流和温度，并且将这些测量结果与由模型计算的相应的值相比较。这允许比较，因此允许评估模型的精确度。该精确度的评估或者说是所比较的变量的误差大小可以用于模型的适应性校正中。然而，也可能在急充电算法中使用这些误差。

因此，另一优选的实施例提供以下的特征：根据基于物理的模型确定至少一个可测量的值；测量所述值；确定所测量的值和所计算的值之间的差值；以及在得到的差值超过预定值的情况下重新开始另一充电程序。

该实施例也提供以下特征：建模工具适合于确定至少一个可测量的变量；测量装置适合于测量所述变量；控制装置适合于确定所测量的值和所计算的值之间的差值；以及控制装置适合于在得到的误差超过预定值的情况下重新开始另一充电程序。

另一实施例提供以下的特征：所计算的值的至少一个用来修改充电过程的参数；以及将建模工具设置为依赖于误差修改充电过程的参数。

变量的可用性提供使用用于判定充电模式是否应该切换以及应该在何时切换的这些变量的可能性。然而，也可能使用该信息来修改过程中的像供应电压和供应电流的参数。该修改不仅可以发生在正常充电模式期间，而且可以发生在急充电模式期间。该修改使得使用较大的充电电流同时避免使可充电单元的寿命周期缩短的情况成为可能。

附图说明

以下将在附图的帮助下介绍本发明。

图1示出了说明传统CCCV-模式中的充电电压和充电电流的曲线图；

图2示出了其中使用急充电过程的类似的曲线图；

图3示出了根据本发明的充电器的方块图；

图4示出了根据本发明的充电器中的控制器中所使用的流程图；以及

图5示出了根据本发明的方块图的变化。

具体实施方式

在图1中，示出了现有技术的CCCV-充电模式。最初，充电通过恒定电流来进行。选择该电流的大小，以便避免对电池的损坏。在利用恒定电流充电期间，充电电压缓慢地增大。当充电电压已经达到最大值(V_max)时，在锂离子电池的情况下通常是4.1或4.2V，利用该电压值和逐渐减小的电流值继续充电。如前所述，电池的完全充电所需要的时间可能较长，约为两小时。

为了使该充电时间缩短，EP-A-1516405公开了在传统CCCV-充电模式的第一部分期间进行的“急”充电。在图2中示出了该过程的曲线图。在此，最初利用最大的电压来进行充电，产生相当大的充电电流值。这些电流值是可允许的，因为在这些初始的充电阶段期间，这些高电流值不会导致对电池不可逆的损坏。困难在于应该停止急充电并重新开始CCCV模式的点的确定。为了“安全可靠”，必须相当早地停止急充电，即在任何损坏的可能性开始发展之前很久。

在图3中，示出了根据本发明的充电器。该充电器包括诸如电压调节器和电流调节器的普通充电硬件1以及控制单元2。在大多数例子中，该控制单元将在经编程的微处理器中实现以执行相应的程序。然而，也可能在专用的电路中建立处理器要执行的功能。正如上述的两个现有技术的情况中的例子，控制器适合于控制充电器的电流调节器和电压调节器。

然而，处理器也适合于接收表示电池的充电电流(I_bat)、充电电压(U_bat)和温度(T_bat)的信号。控制单元还适合于将基于物理的模型应用到这些所测量的变量上，以确定正电极上的锂离子的表面浓度(X_{Li，pos，surf})、负电极上的SEI层的厚度(d_SEI)和充电的状态(SoC)。处理器还适合于在对停止急充电并开始“正常”CCCV-充电的点的确定中使用这些变量。

在该决定过程中，处理器可以使用图4中所示的流程图。

这意味着在接通充电器后，控制器判定正电极上的锂离子的表面浓度(X_{Li，pos，surf})是否大于0.5。如果不是这种情况，则开始正常CCCV-充电程序。

在另一情况下，控制器随后判定负电极上的SEI层的厚度(d_SEI)是否超过预定值。如果是这种情况，则开始正常CCCV-充电程序。

在另一情况下，控制器随后确定充电的状态是否高于预定值。如果是这种情况，则开始正常CCCV-充电程序。在另一情况下，开始急充电程序。

在该程序中，优选在使得所计算的值中的改变仅为有限的这样的频率下，重复判定在开始时的急充电程序的适用性。在此，假定每次进行该程序，刚计算的正电极上的锂离子的表面浓度、负电极上的SEI层的厚度和充电的状态的值都是可获得的。

基于物理的模型的可用性，允许对用于确定从一个模式改变成另一个模式的决定的值的精确性进行定时检查。

实际上，该模式也允许对同样可以测量的变量进行计算。这在图5中示出，其示出类似于图3的方块图，但是其中基于物理的模型也适合于生成电池电压V_P、电流I_P和温度T_P的值。因为这些值也可被测量，所以进行比较给出了模型中的这些值的误差ε₁、ε₂、ε₃的指示。这些误差可以用来修改模型，从而以本身公知的方式最小化误差，但是也可能在决定过程中使用这些误差的值。如果这些误差超过预定值，则选择正常急充电。

很清楚，能够对本发明进行许多变化。一种可能性在于以另一策略来使用由物理模型确定的值，例如通过赋予充电电流这样的值，即将正电极处的锂离子浓度保持在接近边界值，这在特定情况下允许更快的充电。当然，该原理可以用于其他变量。

Claims

1.一种对诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元进行充电的方法，

其中，在满足所述可充电单元中的至少一个条件的情况下，充电电流大于标称充电电流(C)，

其特征在于，通过基于物理的模型由所述可充电单元的可测量的变量连续地计算所述至少一个条件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可充电单元是锂离子电池。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述条件中的一个是正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})，并且在所述正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})大于0.5的情况下，所述充电电流大于所述标称充电电流(C)。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述条件中的一个是负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)，并且在所述负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)小于预定值的情况下，所述充电电流大于所述标称充电电流(C)。

5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，所述条件中的一个是充电的状态(SoC)，并且在所述充电的状态(SoC)小于预定值的情况下，所述充电电流大于所述标称充电电流(C)。

6.如前述的权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在满足所述条件中的至少一个的情况下，所述充电电流由所述可充电单元的最大可允许的充电电压来确定。

7.如前述的权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，由所述基于物理的模型确定至少一个可测量的值；

测量所述值；

确定所测量的值和所计算的值之间的差值；以及在所得到的差值超过预定值的情况下，重新开始另一充电程序。

8.如前述的权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，所计算的值中的至少一个用于修改所述充电过程的参数。

9.用于对诸如可充电电池或可充电电池组的可充电单元进行充电的充电器，其中该充电器包括：

供应单元，其适合于向所述可充电单元供应充电电流；

控制器，用于控制所述充电电流；

其中在满足所述可充电单元中的至少一个条件的情况下，所述控制器适合于使所述供应单元供应比标称充电电流(C)大的充电电流，

其特征在于，所述充电器包括：

测量装置，其用于对所述电池的可测量的变量进行测量；以及

建模工具，其适合于由所测量的变量连续地计算所述至少一个条件。

10.如权利要求9所述的充电器，其特征在于，所述充电器适合于对锂离子电池进行充电。

11.如权利要求10所述的充电器，其特征在于，所述建模工具适合于对正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})进行建模，而所述控制器适合于使所述供应单元在所述正LiCoO₂-电极表面处的锂离子浓度(X_{Li，pos，surf})大于0.5的情况下供应比所述标称充电电流(C)大的充电电流。

12.如权利要求10或11所述的充电器，其特征在于，所述建模工具适合于对负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)进行建模，而所述控制器适合于使所述供应单元在所述负电极处的SEI层的厚度(d_SEI)小于预定值的情况下供应比所述标称充电电流大的充电电流。

13.如权利要求8-12中的任意一项所述的充电器，其特征在于，所述建模工具适合于对所述充电的状态(SoC)进行建模，而所述控制器适合于使所述供应单元在所述充电的状态(SoC)小于预定值的情况下供应比所述标称充电电流(C)大的充电电流。

14.如权利要求8-13中的任意一项所述的充电器，其特征在于，在满足所述条件中的至少一个的情况下，所述充电器适合于施加所述可充电单元的最大可允许的充电电压。

15.如权利要求10-14中的任意一项所述的充电器，其特征在于，所述建模工具适合于确定至少一个可测量的变量；

所述测量装置适合于测量所述变量；

所述控制装置适合于确定所测量的值和所计算的值之间的差值；以及

在所得到的误差超过预定值的情况下，所述控制装置适合于重新开始另一充电程序。

16.如权利要求15所述的充电器，其特征在于，所述建模工具适合于根据所述误差修改所述充电过程的参数。