CN102204059A - 对电池充电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据充电方案对电池充电的装置和方法。该装置包括：电源和控制单元，用于根据所述方案将充电电流传送给电池；电流监测设备，其用于监测并测量充电电流；电压监测设备，其用于监测并测量电池的电压；充电终止器，其被设计成在满足预定充电标准时终止对电池的充电；以及安全计时器，用于当电池充电达到其恒定电压值时启动预定时间间隔。在预定时间间隔内，当充电电流降到预定极限值以下时或者当充电电流没有减小预定的量ΔI时，满足预定充电标准。

Description

对电池充电的装置和方法

发明的技术领域

本发明涉及对电池充电的装置和方法。通常，本发明可用于对适于用作便携式电子设备中的电源的锂离子或锂聚合物电池充电。

相关技术的描述

谈及便携式电子设备中对二次电池的使用，锂基电池现今几乎成为了标准。这类电池显示了比例如镍金属-氢电池更好的性能，即，具有更高的能量密度，并由此增加了电池的可用时间或可工作时间。可以采用锂基电池的电子设备的示例是移动电话、膝上型电脑和个人数字助理PDA。这类锂基电池的一个示例是锂离子电池。具有甚至更高的能量密度的另一中锂基电池类型是锂聚合物电池。

然而，在采用锂基电池时也存在一些缺陷。一个问题是当过度充电时它们会非常敏感。如果对铅酸电池过度充电，它会通过置换一些水而简单地电解，而密封的镍-镉或金属-氢电池在完全充电时会阻止电压上升。然而，锂离子和锂聚合物电池在过度充电时其电压会继续上升。锂离子电池的电压在充电循环的末尾上升地非常明显。因此过度充电会严重损伤锂基电池并且由此必须避免过度充电。过度充电可视为正极处的锂离子的损耗。当出现过度充电时，会发生性能衰退。

为了避免锂基电池的过度充电，通常采用两步充电过程。该过程被称为恒流恒压法(CCCV)。通常，锂电池的恒定电压CV是4.2V。采用CCCV方法，采用恒定电流对电池进行第一次充电直到电池中的电压达到4.2V。一旦达到该水平，充电控制系统会保持电压恒定在4.2V，在该水平继续对电池进行充电。持续进行这样的充电，直到充电电流降到预定电流值(即切断值)以下。一旦监测到该预定电流水平，则假设电池被完全充电。

然而，锂基电池不仅对过度充电敏感，它们也对过长时间暴露在高压下敏感。也就是说，电池暴露在高压下时间越长，对耐久性的恶化和消极影响越严重。克服该问题的一个尝试曾是简单地将CV降低到例如4.1V。另一方面，采用这样的解决方法，电池的容量会因为该较低的充电电压而不可避免地降低。

根据CCCV方法充电的一个问题是，电流在CV阶段期间呈指数减小，其中，当电流越接近预定的切断值时，电流以越慢的速度减小。这样，电池会在延长的时间期间保持在高压，期间可导致电池损坏。

如果在电池中出现了内部短路，时间会进一步延长。内部短路可以由于材料或制造工艺中的缺陷而出现。而且，内部短路可以由于老化或者外部滥用例如使电池摔落而出现。当在后一种情形下加载或滥用时，内部短路是一个潜在的安全隐患并且可以在最坏的情况下立即或延时地导致热失控(thermal runaway)。这当然是一个要不惜一切代价来避免的情况。

当内部短路发生时，充电电流不会以与通常引起充电电流减小时的同样的速度减小。由此，电池可能在相当长的时间内承受高压。

还已知的是采用计时器，该计时器在超时时将终止对电池的充电。这已经称为在CCCV方法之前最简单且最广泛推广的充电过程，并且在今天的许多应用中仍在使用。然而，由于计时器中设定的时间必须被设定地足够长以确保电池被充电，采用这种方法存在一个问题，具有可能使电池暴露在过度高压下的缺陷。然而，定时器也可以设定更短的时间以防止过度充电。然而，这常常将导致电池没有被完全充电，这在长期运行中也会使电池劣化。

在EP1455194中，描述了一种对电池充电的装置和方法，其中通过将测量的充电电流对充电时间进行积分(integrating)来计算由电池接收到的充电量。对充电水平的监测有两个目的：首先，用于在达到预定充电值时终止充电，以及其次，用于在使用期间显示电池的充电水平，使得用户可以观察到充电水平。由于该方案不仅仅针对充电，因此该方案有些复杂。

因此，在对高压敏感的电池(尤其是锂离子和锂聚合物电池)进行充电时仍然需进行要改进。

发明内容

因此，本发明的目的是克服与现有技术相关的前述缺陷。

根据本发明的第一方面，这个目的通过根据充电方案对电池充电的装置来实施，该装置包括电源和控制单元，用于根据所述方案将充电电流传送给电池；电流监测设备，其用于监测并测量充电电流；电压监测设备，其用于监测并测量电池的电压；充电终止器，其被设计成在满足预定充电标准时终止对电池的充电；以及安全计时器，其用于从安全计时器起始点开始对电池的充电进行计时；其中，该控制单元以以下方式进行设置并构造：使得当充电电流降到预定极限值以下时或者从安全计时器起始点起经过了预定时间时，满足所述预定充电标准。

根据本发明的一个实施方式，该控制单元被构造成执行改进的CCCV充电方案，并且所述安全计时器起始点与恒定电压阶段的起始点相对应。优选地，使安全计时器超时的该预定时间设为一小时。

在另一个优选实施方式中，控制单元还被构造成执行改进的CCCV充电方案，但是安全计时器起始点与电池充电过程的起始点相对应。优选地，使安全计时器超时的预定时间设为两小时。

根据本发明的另一方面，对电池充电的该装置包括：安全计时器，其用于当对电池的充电达到其恒定电压值时启动预定时间间隔；以及控制单元，其以以下方式进行设置并构造：使得在预定时间间隔内，当充电电流降到预定极限值以下时或者当充电电流没有减小预定的量ΔI时，满足预定充电标准。

优选地，该预定时间间隔设为15分钟并且ΔI为0.05A。在另一个实施方式中，优选将时间间隔设为30分钟并且ΔI为0.1A。

优选地，根据本发明的该装置适于对锂离子电池或者锂聚合物电池充电。

根据第二方面，所声明的目的通过根据充电方案对电池充电的方法来实施，该方法包括以下步骤：

-为所述电池提供恒定的充电电流，

-测量电池的电压，

-当所测量的电压达到预定电压值时终止恒定电流充电，

-在所述电池两端保持恒定电压，

-当充电电流降到预定极限值以下时或者当从安全计时器起始点起经过了预定时间时，终止充电过程。

在优选方法中，该安全计时器起始点与恒定电压阶段的起始点相对应。

在本发明的另一优选实施方式中，该安全计时器起始点与电池充电过程的起始点相对应。

优选地，使安全计时器超时的预定时间设为一小时。

而且，本发明涉及一种方法，其中，在预定时间间隔内，当充电电流降到预定极限值以下时或者当充电电流没有减小预定的量ΔI时，终止充电过程。

优选地，该预定时间间隔被设为15分钟并且ΔI为0.05A。在本发明的另一个实施方式中，该预定时间间隔被设为30分钟并且ΔI为0.1A。

而且，该方法针对包括锂离子电池或锂聚合物电池在内的电池。

附图说明

现在将结合附图更详细地描述本发明，附图中：

图1示意性的示出了根据本发明的装置的示例性实施方式，

图2例示了根据CCCV方法的充电过程的图。

具体实施方式

本发明的说明书中将涉及用于电子设备(例如通信或数据处理终端)的电池。适用于本发明的一种类型的通信终端是便携式无线通信终端，如移动电话。但是，本发明可适用于多种类型的电子设备，尤其是便携式电子设备，例如寻呼器、发报机、电子记事本、智能电话、PDA(个人数字助理)和膝上型电脑等。而且，需要强调的是，术语包含或包括当在该说明书和在所附的权利要求书中使用时，用于指示所包括的特征、元件或步骤，并且不被解释为排除在这些明确提及的之外的其他特征、元件或步骤的存在。

图1示出了根据本发明的装置的实施方式。需要强调的是，附图中的元件被作为具有通信互联的功能项目而示出，这表示它们未必代表物理实体。设备或用于计算和控制过程的单元可以用硬件实现，但是在许多情况下也可以由具有相关软件的微处理器系统来实现。因此本发明可包括硬件和软件。

用于控制电池充电的装置可以在一个电子设备(如移动电话)中实现。另选的，该装置包含在容纳有电池的外壳中。另一另选的是在连接到电源(如电源插座(mains outlet))的充电器中实现该装置。

现在回到图1，其示出了具有两个电极的电池2。该电池2可以是锂离子或锂聚合物类型。然而，本发明也可用于其他类似的电池，例如锂锰或对过度充电敏感的任何其他类型的电池。如虚线所示，电池2可连接到用于对电池2充电的装置。图1还图示出了电源4，其可以是电池充电器，该电池充电器可连接到带有该装置和电池2的电子设备。电源4向对电池2充电的该装置供电。

而且，设置有充电终止器6，用于在满足预定充电标准时切断充电过程。在本发明的优选实施方式中，充电终止器6具有简单开关的形式。当开关处于打开状态时，断开电池2和电源4之间的连接，并由此切断充电过程。

该装置还包括：电压监测设备8，其用于感测电池2的两个电极间的电压。电流监测设备10还连接到至少一个电池电极，用于测量提供给电池2的充电电流。该装置还包括控制单元12，其用于控制充电过程并从电压监测设备8和电流监测设备10收集数据。该控制单元12也可以以微型计算机和适当的软件或任何其他适当的方式来实现。对于本领域技术人员来说如何设计本说明书给出的控制单元12是明显的，并由此不进行详细说明。该控制单元12还连接到安全计时器14，安全计时器14用于确定是否已经满足预定标准之一，这将在下面进行详细说明。

由此，已经描述了对为电池2充电的装置的不同部分。如上所述，每个独立的部分未必是一个分离的物理单元，但是为了更好地解释本发明而描述成这样。

当对电池2充电时，采用改进的CCCV过程。图2例示了根据该CCCV方法的充电过程的图，示出了电流I、电压U和充电容量Cap的曲线。这些曲线表示的是理想的情况，即，完美条件下且没有遭受过例如内部短路的电池。在这种情况下，CCCV方法在不使其劣化的情况下对电池充电。然而，这种情况是很少有的。通常，在这种情况下CCCV方法从供应0.5安培的恒定电流开始，直到电池电压达到4.2V。随后将电压在4.2V保持恒定直到电流降到0.05安培的预定极限值以下。在这个点，将中断充电过程。

当要对电池4充电时，根据本发明的方法以与CCCV同样的方式开始。为了开始该过程，电池2连接到用于对电池充电的装置，该装置反过来连接到电源4。以恒定电流执行第一充电阶段，这通过所述控制单元12来控制。在提供所述恒定电流时，电压监测设备8感测电池2的电压，该电压将随着充电的进行而上升。

如上所述，当电压达到预定充电电压水平值(对于锂聚合物或锂离子电池的示例可以为4.2V)时，该电压由电压监测设备8感测到并报告给控制单元12，如图1中连接两个元件的箭头所示。一旦达到充电电压水平值，根据恒定电压过程继续进行充电。当以充电电压水平值对电池2充电时，电池2的充电电流会连续地减小。在这个充电阶段，会使用预定的充电标准来确定何时应当终止充电，因为不希望对电池施加比必要的时间更长的高电压，由于这会导致劣化。

根据本发明，充电的电流受控的恒定电压部分目的是设定终止充电过程所要满足的充电标准。根据本发明的一个优选实施方式，该充电标准是当充电电流降到预定极限值(对于4.2V锂离子电池例如为0.05安培)以下时，或者从安全计时器起始点起已经经过了预定时间时。只要电池2如推测的那样运行(即电流将在合理时间内降到预定极限值以下)，第一标准是可用的。另一方面，如果不是这种情况，则真正开始使用本发明的显著优点。

这第二标准采用安全计时器14，安全计时器14可以在充电过程期间的某一点开始。优选地，安全计时器14在充电过程进入恒定电压阶段时启动。然而，也可以在第一个恒定电流充电阶段开始时启动该安全计时器14。重要的是从安全计时器14起始点直到理想的充电的终止点的时间计时是已知的。这些已知的事实被程序化到控制单元12并用于控制充电过程并在安全计时器14达到预定时间时终止充电过程。该预定时间通常比理想充电过程的时间稍长。

在本发明的另一优选实施方式中，第二充电标准不仅是预定时间而且还是对ΔI的测量，即预定时段期间充电电流的变化。该测量发生在充电过程的第二恒定电压阶段期间。该预定时段由安全计时器14设定。该时段依赖于充电电池的类型而变化，而且还依赖于充电过程已经进行了多长时间而变化。这样的原因在于更好地使时间适应于指数电流充电曲线。例如，在恒定电压阶段的开始，电流快速减小并且较短的时段用于感测0.05安培的电流变化ΔI。然而，在充电过程的结尾，可能要花更长的时间来感测同样的电流变化。所有这些时段和电流变化都可以程序化到控制单元12中。这如何去做被认为是在本领域技术人员的能力范围之内的并由此不再进行进一步说明。

换句话说，充电继续进行直到确定了已经符合了预定充电标准。整个充电过程由控制单元12来控制，该控制单元12从电压监测设备8和电流监测设备10收集输入电压和电流值。

应该理解的是，前述内容说明了本发明的原则、优选实施方式和操作模式。然而，本发明不应限制为前述的具体实施方式，前述的具体实施方式应该认为是示例性的而不是限制性的。因此，即使已经描述了例如具有4.2伏特的电池，明显的是，对电池充电的装置和方法也可用于具有各种电压的电池。对电池充电的装置和方法同样适用于不同电流水平，电流水平能被容易地适用于所使用的电池类型。这样，本发明由所附的权利要求最佳地限定。

Claims (19)

1.一种根据充电方案对电池充电的装置，该装置包括：电源和控制单元，用于根据所述方案将充电电流传送给所述电池；电流监测设备，其用于监测并测量所述充电电流；电压监测设备，其用于监测并测量所述电池的电压；充电终止器，其被设计成在预定充电标准被满足时终止对所述电池的充电；以及安全计时器，其用于从安全计时器起始点开始对所述电池的充电进行计时；其中，所述控制单元以以下方式进行设置并构造：使得当所述充电电流降到预定极限值以下时或者当从所述安全计时器起始点起经过了预定时间时，满足所述预定充电标准。

2.根据权利要求1所述的对电池充电的装置，其中，所述控制单元被构造成执行改进的CCCV充电方案，并且所述安全计时器起始点与恒定电压阶段的起始点相对应。

3.根据权利要求1所述的对电池充电的装置，其中，所述控制单元被构造成执行改进的CCCV充电方案，并且所述安全计时器起始点与所述电池充电过程的起始点相对应。

4.根据权利要求2所述的对电池充电的装置，其中，使所述安全计时器超时的所述预定时间设为一小时。

5.根据权利要求3所述的对电池充电的装置，其中，使所述安全计时器超时的所述预定时间设为两小时。

6.一种根据充电方案对电池充电的装置，该装置包括：电源和控制单元，用于根据所述方案将充电电流传送给所述电池；电流监测设备，其用于监测并测量所述充电电流；电压监测设备，其用于监测并测量所述电池的电压；充电终止器，其被设计成在预定充电标准被满足时终止对所述电池的充电；以及安全计时器，其用于当对所述电池的充电达到其恒定电压时启动预定时间间隔；其中，所述控制单元以以下方式进行设置并构造：使得在所述预定时间间隔内，当所述充电电流降到预定极限值以下时或者当所述充电电流没有减小预定的量ΔI时，满足所述预定充电标准。

7.根据权利要求6所述的对电池充电的装置，其中，所述预定时间间隔设为15分钟并且ΔI为0.05A。

8.根据权利要求6所述的对电池充电的装置，其中，所述预定时间间隔设为30分钟并且ΔI为0.1A。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电池为锂离子电池或者锂聚合物电池。

10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电池为锂离子电池或者锂聚合物电池。

11.一种根据充电方案对电池充电的方法，该方法包括以下步骤：

-向所述电池提供恒定的充电电流，

-测量所述电池的电压，

-当所测量的电压达到预定电压值时终止恒定电流充电，

-在所述电池两端保持恒定电压，

-当充电电流降到预定极限值以下时或者从安全计时器起始点起经过了预定时间时，终止充电过程。

12.根据权利要求10的方法，其中，所述安全计时器起始点与恒定电压阶段的起始点相对应。

13.根据权利要求10的方法，其中，所述安全计时器起始点与电池充电过程的起始点相对应。

14.根据权利要求11的方法，其中，使所述安全计时器超时的所述预定时间设为一小时。

15.一种根据充电方案对电池充电的方法，该方法包括以下步骤：

-向所述电池提供恒定的充电电流，

-测量所述电池的电压，

-当所测量的电压达到预定电压值时终止恒定电流充电，

-在所述电池两端保持恒定电压，

-在预定时间间隔内，当所述充电电流降到预定极限值以下时或者当所述充电电流没有减小预定的量ΔI时，终止充电过程。

16.根据权利要求15的方法，其中，所述预定时间间隔设为15分钟并且ΔI为0.05A。

17.根据权利要求15的方法，其中，所述预定时间间隔设为30分钟并且ΔI为0.1A。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电池包括锂离子电池或者锂聚合物电池。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述电池包括锂离子电池或者锂聚合物电池。

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