CN101453043B - 二次电池充电方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二次电池充电方法和装置，能够提高稳定性并延长电池寿命。当所述二次电池包括多个单电池时，当单电池间出现100mV到300mV的电压不平衡时，所述充电方法被改变。在上述范围中，充电方法由恒流-恒压充电方法被改变到脉冲充电方法。当所述电压不平衡为300mV或者大于300mV时，电通路被阻断并关闭电池。当所述电压不平衡为100mV或者小于100mV时，恒流-恒压充电方法被维持。所述方法和装置在电池达到完全充电时也停止充电。

Description

二次电池充电方法和装置
技术领域
本发明方面涉及一种二次电池，更具体地，涉及一种能够提高稳定性并延长电池寿命的二次电池充电方法和装置。
背景技术
随着诸如移动电话、笔记本电脑、可携式摄像机和个人数字助理(PDA)之类的便携式电器的使用的增长，用作这些电器的电源的二次电池正积极地被开发。
这种二次电池包括镍-镉二次电池、铅蓄电池、镍-金属氢化物电池、锂离子电池和锂聚合物电池。一般需要二次电池具有高稳定性、易于携带且体积小。此外，进一步需要二次电池能够在短时间内被完全充电、具有较高的容量并维持更多的放电/再充电周期。
二次电池被制作为单电池型，然后单电池被连接到保护电路以形成电池组。二次电池由外部电源充电，或者通过包括在电池组中的外部端子向负载放电。
电池组包括至少一个单电池，具有一个单电池的低容量电池被用于诸如移动电话、笔记本电脑、照相机等紧凑并可携带的电器中。在另一极端，具有数个单电池的高容量电池被广泛地用在混合动力汽车中，作为汽车引擎的驱动电源。
当外部电源被连接到外部端子和保护电路时，单电池被充电。但是，当负载被连接到外部端子时，电能从已充电的单电池通过保护电路和外部端子被提供给负载，从而单电池被放电。
恒流-恒压(CC-CV)充电方法通常用作对二次电池充电的方法。CC-CV充电方法首先通过以恒流对二次电池充电实现，然后当电池差不多达到其完全充电电势时，通过以恒压对电池充电实现。
为了减少仅使用CC-CV充电方法对电池充分充电所必需的时间，在恒流充电阶段中，充电电流只能被设高。然而，由于高充电电流可能降低电池的性能，所以是不可取的。因此，为了增强CC-CV充电方法，脉冲充电方法已被开发出来，该方法通过在充电和暂停之间重复跳转，可以缩短充电时间。
由于重复的充电和放电，单电池退化出现，并且退化的程度取决于各个独立的单电池的特性。因此，独立的单电池的退化程度随时间变得不同。因此，在具有多于一个单电池的二次电池中，由于在充电和放电期间独立的单电池间的退化差异，单电池间的充电/放电时间和充电/放电量都不同，而且，退化越严重的单电池被充电或放电得越快。但是，在具有多于一个单电池的二次电池中，每个单电池同时被充电和放电，并且时间是根据首先被完全充电或放电的单电池的状态被控制的。也就是，由于退化最严重的单电池首先被完全充电或放电，所以其他退化较轻的单电池没有被完全充电或者放电。
此外，在退化较严重的单电池中出现的退化越严重，整个电池充电/放电时间越短。因此，退化较严重的单电池较之其它单电池甚至会被进一步退化，这就可能导致内部气体的产生、点燃和爆炸。因此，保护电路需要具有用于中断电流的电路，以防止在被完全充电或者完全放电的电池中的单电池间的电压差为300mV或高于300mV时的充电/放电。
在现有技术中，具有300mV或高于300mV的电压差的单电池间的不均匀退化导致的问题可能会被解决，但是当单电池间的电压差低于300mV时出现的问题就可能未被解决。然而，尽管当单电池间的电压差为300mV或高于300mV时可能会出现严重的安全问题，但由于在单电池间的电压差低于参考设置点，例如300mV，时单电池间的不均匀退化，仍然可能有安全风险。可是，如果单电池间的电压差设置点被设置的太低，仍然可以使用的单电池不得不被丢弃，这就导致了经济上的损失。
发明内容
本发明的一方面旨在提供一种可提高稳定性并延长电池寿命的二次电池充电方法和装置。
根据本发明的该方面，在对包括数个单电池的二次电池充电的方法中，当单电池间出现电压不平衡时充电方法从一种方法被改变到另一种方法。电压不平衡可以被定义为当单电池间的电压差为第一参考设置点至第二参考设置点。充电方法可以从CC-CV充电被改变到脉冲充电。CC-CV充电过程中的完全充电条件可以包括条件：设置电压或大于设置电压及C/20或者小于C/20的放电率。当所述电压差小于所述第一参考设置点时，CC-CV充电可以被执行。当所述电压差为第二参考设置点或者大于第二参考设置点时，电通路可以被阻断。在脉冲充电方法中的完全充电条件可以为C/20或者小于C/20的放电率。
根据本发明的另一方面，用于二次电池的充电装置包括：电压测量部分，用以测量单电池的电压；电压比较器，用以比较由所述电压测量部分测量的单电池的电压；不平衡探测器，用以从所述电压比较器接收信号，并检查单电池间是否出现电压不平衡；充电控制器，用以从所述不平衡探测器接收信号，并输出第一至第三信号以控制充电；以及充电设置部分，用以从所述充电控制器接收所述第一至第三信号以工作；其中所述充电设置部分包括用于响应于所述第三信号而执行脉冲充电的脉冲充电部分。
本发明的其它的方面和/或优点将在以下的说明中部分地给出，并将从说明书中部分地变得明显，或者可以从发明的实施中获知。
附图说明
本发明的这些和/或其它方面和优点通过以下结合附图对实施例的说明，将变得明显和更容易被理解。其中：
图1是示出了根据本发明第一方面的示例性实施例的对二次电池充电的方法中，正常工作中的充电电流和充电电压之间关系的波形图；
图2A是示出了根据本发明第一方面的示例性实施例的对二次电池充电的方法中，异常工作中的充电电压和充电电流之间关系的波形图；
图2B是作为时间的函数的平均充电电流的变化的波形图；
图3是示出了根据本发明第二方面的对二次电池充电的方法的流程图；
图4是根据本发明第二方面的充电装置的构造的方块图。
具体实施方式
现在将具体参见本发明的当前实施例，其举例在附图中示出，其中，同样的参考标记始终指的是同样的部件。以下通过参考附图对实施例进行描述以阐释本发明。
图1是示出了根据本发明第一方面的示例性实施例的对二次电池充电的方法中，在正常工作中充电电流和充电电压之间关系的波形图。为了阐释本发明的第一方面，在该示例性实施例中，假设两个单电池正常工作，并且除了与单电池退化程度相关的特性以外，不受到其他条件的影响。
在图1中，在部分A中，单电池以恒流被充电，直到其达到特定电压(Vcc/cv)，接着在达到该特定电压(Vcc/cv)后，在部分B中，单电池以恒压被充电。以下，其中恒流充电被执行的部分A被称为恒流部分，而其中恒压充电被执行的部分B被称为恒压部分。也就是，当二次电池被连接到充电器，首先二次电池以特定水平的恒流(Icc)被充电。这里，通常使用0.5C到C的恒流(这里的C是单电池的容量)。当充电电流是C或者更大时，电池的寿命被缩短，并且在最坏的情况下会被损坏，因此是不可取的。在时间t0，当以恒流充电的电压已经升至预定电压时，充电方法被改变为恒压充电。
在图1中，两个单电池C1和C2，示出了相同的电压曲线，但是即使单电池的电压曲线彼此不同，当单电池间的电压差在参考设置点之内时，单电池也以恒流-恒压(CC-CV)充电方法被充电。另外，本发明的第一方面不限于具有两个单电池的电池，而是也可以被应用到具有至少三个单电池的电池。
在该图和该实施例中，电池被完全充电，因此，当在恒流充电被改变到恒压充电之时，大于电压(Vcc/cv)的电压被测量到，并且C/20或者小于C/20的充电电流也被测量到时，电池的充电结束。并且，C表示单电池以具有与单电池的额定容量相同水平的电流被充电，因而，C/20表示单电池的额定容量的1/20的电流正被施加。例如，当单电池容量是1000mAh，C表示单电池以1000mA的电流被充电，因而，C/20表示50mA的电流被施加，50mA的电流对应单电池额定容量的1/20。
图2A是示出了根据本发明第一方面的示例性实施例的对二次电池充电的方法中，异常工作中充电电压和充电电流之间关系的波形图；而图2B是作为时间的函数的平均充电电流的变化的波形图。
在图2A和2B中，在时间t’0，在使用CC-CV充电方法充电期间，第一单电池C1和第二单电池C2之间的电压差为参考设置点，充电方法被改变为脉冲充电方法。也就是，在部分t1，在参考设置点的电压差被产生之前，执行CC-CV充电，在部分t2，在参考设置点的电压差被产生之后，执行脉冲充电。当第一单电池和第二单电池，即C1和C2之间的电压差的参考设置点太低时，那些仍然可以使用的单电池必须被丢弃，从而导致经济上的损失，而当电压差的参考设置点太高时，由于单电池间的不均匀退化可能出现安全问题。
如果第一单电池C1退化较快，第一单电池C1比第二单电池C2较快地被充电，因此C1先于C2达到充电截止电压Voff，当第一单电池C1被充电到充电截止电压Voff时，充电停止，之后，第一单电池C1的电压下降到充电开始电压Von。如果第一单电池C1的电压达到充电开始电压Von，充电再次被执行；因此，单电池C1通过这样反复充电和暂停而被充电。
第二单电池C2被充电直到第一单电池C1达到充电截止电压Voff那一刻，当第一单电池C1的充电停止时，第二单电池C2的充电也停止。当第一单电池C1的电压下降到充电开始电压Von时，第二单电池C2的充电再次被执行。
根据充电开始电压Von和充电截止电压Voff的设置值执行单电池的充电，且充电开始电压Von和充电截止电压Voff的平均值成为第一单电池C1的充电电压。因此，如果充电开始电压Von和充电截止电压Voff被设置得太高，因为第一单电池C1可能被充电到过电压，这些电压不得不依据单电池的容量适当地被选择。另外，在通过重复充电(Ton)和暂停(Toff)对单电池进行充电期间，当测量的充电电流为C/20或小于C/20时，确定电池被完全充电，从而单电池的充电结束。
图3是示出了根据本发明第二方面的对二次电池充电的方法的流程图，而图4是示出了根据本发明第二方面的充电装置的构造的方块图。具体参见图4，充电装置包括用于测量单电池的电压的电压测量部分10，用于比较单电池的测量的电压的电压比较器20，用于探测单电池间的电压不平衡的不平衡探测器30，以及用于响应于从不平衡探测器30输出的信号来控制充电的充电控制器40。该充电装置也包括响应于来自充电控制器40的信号工作的充电设置部分50，其具有电流阻断部分51、CC-CV充电部分53和脉冲充电部分55，该充电装置还包括具有第一完全充电探测器61和第二完全充电探测器63的完全充电探测器60，响应于来自完全充电探测器60的控制信号工作的场效应晶体管(FET)驱动器70，以及响应于来自FET驱动器70的信号而开启和关闭的FET装置80。
现在再参考图3，电压测量部分10测量单电池的电压(S01)，并输出信号到电压比较器20。电压比较器20比较由电压测量部分10测量的单电池的电压(S02)，并输出结果到不平衡探测器30。不平衡探测器30响应于来自电压比较器20的结果检查单电池间的电压不平衡的出现(S03)。
首先，不平衡探测器30检查单电池间的电压差是否为第二参考设置点或者大于第二参考设置点(S13)，如果为第二参考设置点或者大于第二参考设置点，不平衡探测器30产生电压差为第二参考设置点或者大于第二参考设置点的信号到充电控制器40。如果单电池间的电压差小于第二参考设置点，不平衡探测器30检查单电池间的电压差是第一参考设置点或大于第一参考设置点还是小于第一参考设置点(S23)，并输出结果到充电控制器40。
充电控制器40根据已从不平衡探测器30接收的单电池间的电压差来控制充电设置部分50。如果单电池间的电压差为第二参考设置点或者大于第二参考设置点的信号已从不平衡探测器30被接收到，充电控制器40控制充电设置部分50中的电流阻断部分51。如果单电池间的电压差小于第一参考设置点的信号从不平衡探测器30被接收到，充电控制器40控制充电设置部分50中的CC-CV充电部分53。如果单电池间的电压差为第一参考设置点至小于第二参考设置点的信号从不平衡探测器30被接收到，充电控制器40控制充电设置部分50中的脉冲充电部分55。
充电设置部分50响应于从充电控制器40接收的控制信号工作，并包括电流阻断部分51、CC-CV充电部分53和脉冲充电部分55。电流阻断部分51响应于从充电控制器40接收的控制信号中断高电流通路，以防止单电池的高电流充电。CC-CV充电部分53响应于从充电控制器40接收的控制信号使用CC-CV充电方法对单电池充电(S05)，并输出控制信号到完全充电探测器60的第一完全充电探测器61。脉冲充电部分55响应于从充电控制器40接收的控制信号使用脉冲充电方法对单电池充电(S06)，并输出控制信号到完全充电探测器60的第二完全充电探测器63。
完全充电探测器60响应于从充电设置部分50接收的控制信号工作，并包括第一完全充电探测器61和第二完全充电探测器63。第一完全充电探测器61响应于从充电设置部分50的CC-CV充电部分53接收的控制信号工作，并根据CC-CV充电方法中的完全充电条件检查单电池是否被完全充电(S07)。第二完全充电探测器63响应于从充电设置部分50的脉冲充电部分55接收的控制信号工作，并根据脉冲充电方法中的完全充电条件检查单电池是否被完全充电(S08)。
第一完全充电探测器61和第二完全充电探测器63根据单电池是否被完全充电控制FET驱动器70，并且FET驱动器70驱动FET装置80以执行或者停止充电(S09或S10)。FET装置80位于高电流通路上，并形成高电流通路以允许电流响应于从FET驱动器70接收的开启信号而流动，或者响应于关闭信号而阻断高电流通路以防止电流流动。
第一参考设置点和第二参考设置点由本领域技术人员基于单电池的电容量或者单电池的特性或者单电池的位置等决定，因此，其不限于本发明中的数值。例如，第一参考设置点可以是100mV或大于100mV至小于300mV，并且第二参考设置点可以是300mV或大于300mV至小于500mV。
根据本发明的各方面，当单电池间的电压差小于第一参考设置点时，单电池通过CC-CV充电方法被完全充电，并且当电压差为第一参考设置点至第二参考设置点时，单电池通过脉冲充电方法被完全充电，从而提高稳定性，并阻止单电池间的退化差别变得更大。这延长了电池的寿命。
根据本发明的各方面，通过防止单电池间的电压差变得大于预定水平，稳定性能够被提高，并且通过防止单电池间退化的大的差别，电池的寿命能够被延长。
尽管已示出和描述了本发明的几个实施例，本领域技术人员应当理解，可以在现有实施例中作改变，而不背离本发明原理和精神，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (18)

1.一种对包括多个单电池的二次电池充电的方法，
该方法包括：当单电池之间的电压差为第一参考设置点至小于第二参考设置点时，将充电方法从恒流-恒压充电方法改变到脉冲充电方法，并且
当所述单电池之间的电压差为所述第二参考设置点或者大于所述第二参考设置点时，所述二次电池的电通路被阻断，
其中所述第一参考设置点为100mV至小于300mV，并且
其中所述第二参考设置点为300mV至小于500mV。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述恒流-恒压充电方法的完全充电条件包括条件：测量的所述单电池的电压为设置电压或大于设置电压，及充电电流为C/20或者小于C/20，
C表示所述单电池的额定容量，且
C/20表示所述单电池的额定容量的1/20。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述单电池之间的电压差小于所述第一参考设置点时，所述二次电池以恒流-恒压充电方法被充电。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
所述脉冲充电方法的完全充电条件包括条件：充电电流为C/20或者小于C/20，
C表示所述单电池的额定容量，且
C/20表示所述单电池的额定容量的1/20。
5.一种对二次电池充电的方法，包括：
使用恒流-恒压充电方法对多个单电池充电；
测量所述单电池的电压；
比较所述单电池的电压；
当所述单电池间的电压差为第一参考设置点至小于第二参考设置点时，将所述恒流-恒压充电方法改变为脉冲充电方法，并且
当所述单电池之间的电压差为所述第二参考设置点或者大于所述第二参考设置点时，所述二次电池的电通路被阻断，
其中所述第一参考设置点为100mV至小于300mV，并且
其中所述第二参考设置点为300mV至小于500mV。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
当所述电压差小于所述第一参考设置点时，使用恒流-恒压充电方法对所述二次电池连续充电。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
使用所测量的电压检查所述二次电池是否被完全充电；并且
当所述测量的电压满足完全充电条件时，结束充电。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
在所述恒流-恒压充电方法中，完全充电条件包括条件：所测量的电压为设置电压或大于设置电压，及充电电流为C/20或者小于C/20，
在所述脉冲充电方法中，完全充电条件包括条件：充电电流为C/20或者小于C/20；
C表示所述单电池的额定容量，且
C/20表示所述单电池的额定容量的1/20。
9.一种使用恒流-恒压充电方法对包括多个单电池的二次电池充电的装置，该装置包括：
电压测量部分，用于测量每个单电池的电压；
电压比较器，用于比较由所述电压测量部分测量的每个单电池的电压；
不平衡探测器，用于从所述电压比较器接收信号，并检查所述单电池间是否出现电压不平衡；
充电控制器，用于从所述不平衡探测器接收第一信号、第二信号和第三信号，并输出所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号以控制充电；以及
充电设置部分，用于从所述充电控制器接收所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号以工作；
其中所述第一信号是表示所述单电池之间的电压差为第二参考设置点或大于所述第二参考设置点的信号，所述第二信号是表示所述单电池之间的电压差小于第一参考设置点的信号，并且所述第三信号是表示所述单电池之间的电压差为所述第一参考设置点至小于所述第二参考设置点的信号，
其中所述第一参考设置点为100mV至小于300mV，
其中所述第二参考设置点为300mV至小于500mV，并且
其中所述充电设置部分包括：
响应于所述第一信号工作以中断电流的流动的电流阻断部分；
响应于所述第二信号工作以执行恒流-恒压充电的恒流-恒压充电部分；和
用于响应于所述第三信号而执行脉冲充电的脉冲充电部分。
10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：
完全充电探测器，包括第一完全充电探测器和第二完全充电探测器，以响应于来自所述充电设置部分的信号而工作；
场效应晶体管驱动器，响应于来自所述第一完全充电探测器和所述第二完全充电探测器的信号而工作；
场效应晶体管装置，响应于来自所述场效应晶体管驱动器的信号开启或关闭。
11.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一完全充电探测器响应于从所述恒流-恒压充电部分接收的信号工作，并输出指示二次电池是否被完全充电的信号。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二完全充电探测器响应于从所述脉冲充电部分接收的信号工作，并输出指示二次电池是否被完全充电的信号。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，
完全充电条件包括条件：测量的所述单电池的电压为设置电压或大于设置电压，及充电电流为C/20或者小于C/20，
C表示所述单电池的额定容量，且
C/20表示所述单电池的额定容量的1/20。
14.根据权利要求12所述的装置，其中：
完全充电条件包括条件：充电电流为C/20或者小于C/20，
C表示所述单电池的额定容量，且
C/20表示所述单电池的额定容量的1/20。
15.根据权利要求10所述的装置，其中响应于从所述第一完全充电探测器或所述第二完全充电探测器接收的完全充电信号，所述场效应晶体管驱动器关闭所述场效应晶体管装置，且响应于非完全充电信号，所述场效应晶体管驱动器开启所述场效应晶体管装置。
16.一种对包括多个单电池的二次电池充电的装置，该装置包括：
电压测量部分，用以测量每个单电池的电压；
电压比较器，用以比较由所述电压测量部分测量的每个单电池的电压；
不平衡探测器，用以从所述电压比较器接收信号，并检查所述单电池之间是否出现电压不平衡；
充电控制器，用以从所述不平衡探测器接收信号，并输出所述接收的信号以控制充电；和
充电设置部分，用以从所述充电控制器接收所述信号以工作，
其中当所述单电池之间的电压差为第一参考设置点至小于第二参考设置点时，充电方法由恒流-恒压充电方法被改变到脉冲充电方法，
其中当所述电压差为所述第二参考设置点或者大于所述第二参考设置点时，所述二次电池的电通路被阻断，
其中所述第一参考设置点为100mV至小于300mV，并且
其中所述第二参考设置点为300mV至小于500mV。
17.根据权利要求16所述的装置，其中当所述单电池之间的电压差小于所述第一参考设置点时，所述二次电池通过恒流-恒压充电方法被充电。
18.根据权利要求16所述的装置，其中当所述二次电池被完全充电时，所述二次电池的充电停止。
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