CN102640345A - 充电方法和用于确定镍基电池充电结束标准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对具有预定额定容量的电化学镍基电池（1）充电的方法，包括电池电压的至少一个测量和电池（1）的温度表现的一个测量。所述电池通过间歇的和可变电流的电源（2）再充电。根据测量的温度和电池（1）中充电的容量表现，该容量表现相应于等于或高于90%的充电效率，当在电池（1）两端测量的电压达到预定的电压阈值时停止电池（1）的充电。

Description

充电方法和用于确定镍基电池充电结束标准的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对具有预定额定容量的电化学镍基电池充电的方法，包括电池电压的至少一个测量和电池的温度表现的一个测量，所述电池通过间歇的和可变电流的电源再充电。

背景技术

近年来，新技术使得能够开发移动电子设备的使用，诸如膝上电脑、移动电话或自治系统的使用。这些技术使得有必要提高能量存储以获得对于在能量方面要求越来越高的设备的满意的能量存储密度。当今通用的存储系统是电化学镍基电池。镍基电池技术使得能够存储能量的优化的量，因为其体积能量，大约350Wh/dm³，是目前已知最高的。

镍基电池的制造推荐以恒定电流充电，通常在充电到额定容量的160%时获得电池的最大容量。一个问题是要知道何时必须停止充电，即，使用哪个可量化的和可测量的标准来确定何时达到了最大容量。

最通常使用的方法称为负delta V方法。事实上，在NiCd电池的快速充电期间，电池两端的电压当充电达到接近电池的额定容量的100%至120%的值时达到最大值Vmax。然后，电池两端的电压又下降并且当该电压的变化高于一定的阈值时，电池被认为是充电了。

优选与NiMh类型电池相关的另一种方法在于探测电池两端的电压中的变化的不存在。实际上，对于这种类型的电池，delta V的变化是相对小的并且不容易探测。因此，在测量到电压的一个峰值之后，我们等待直到电压稳定。

在NiMh电池的情况下，也可以报告电池温度的时间变化。当该报告超过一定的阈值时，电池被认为是充电了。

所有这些方法使得通过过充电能够具有电池的最大燃料。该过充电传统上被包括在额定容量的20和60%之间，其相当于过度。通过发生涉及消耗能量并且需要被补偿的水解的寄生电化学现象而进行过充电，使得用户在使用由所述电池供电的电子设备时获得最大容量。

文献EP1990890公开了一种用于对自治系统的电池充电的方法。该方法包括温度测量并且允许当达到电压阈值时从第一充电模式到第二充电模式。充电的结束传统上通过在电池温度的快速上升而执行。

发明内容

本发明的目的是，实现一种对镍基电池充电的方法，当电池连接到间隙的和可变的电源时其提供好的自治、高的寿命和高效率。

该目的通过所附权利要求并且特别是通过如下来实现：根据测量的温度和电池中充电的容量表现，该容量表现相应于等于或高于90%的充电效率，当在电池两端测量的电压达到电压阈值时停止电池充电。

本发明还涉及这样用于确定电化学镍基电池的充电结束标准的方法。该方法包括：

-按照充电的容量绘出代表了充电效率的效率曲线，

-选择相应于在效率曲线的斜率中的中断的最大充电容量值，

-对于电池温度的给定的温度表现，按照充电的容量绘出代表了电池电压的至少一个电压曲线，

-相应于所述最大充电容量值，对于每个温度，从相应的电压曲线确定代表了充电结束标准的电压阈值。

附图说明

其他优点和特征从本发明的仅对于非限制性示例目的并且在附图中表示的特殊实施方式的以下描述中将变得清楚，附图中：

图1示出了使用按照本发明的充电方法的设备。

图2示出了代表了两个相同的自治系统的可能的驱动数量的时间曲线，该自治系统的电池按照不同方式充电。

图3是代表了取决于电池的电压和温度，其中允许充电的窗的图。

图4按照充电的容量，代表了总充电效率的曲线。

图5是按照在电池中充电的容量的多个范围，以直方图形式代表了充电效率的曲线。

图6对于多个温度，按照充电的容量，示出了在电池两端的电压的演变。

具体实施方式

镍基电池可以被集成到被称为自治系统的系统中。在图1所示的自治系统中，电池1连接到间歇的和可变电流的电源2，使得能够对电池再充电。该电源通常使用能再生的能量，诸如太阳能、风能、水力或地热能。作为例子，电池1可以通过太阳能电池板再充电。因此，一片云的通过就会降低充电电流的强度或停止对电池充电，如果阳光条件特别不好的话。

因为不可能控制充电电流，所以现有技术的用于镍基电池的充电方法是不可用的。事实上，在此不可能实现以恒定电流的快速充电。

按照通常的方式，需要向用户提供尽可能的自治，这就是为什么当前的镍基电池被过充电以使得其容量能够相应于额定容量的100%。然而，该自治竞赛没有考虑一个重要的标准。该标准是电池的寿命，即，其长期的自治（autonomy）。事实上，需要镍基电池1的过充电来补偿在电池充电结束时的寄生反应以向用户提供尽可能好的自治。在长期来看，这些寄生反应对电池1的自治具有直接后果。该现象可以在图2中看出，图2按照从两个相似的自治系统（它们中的每个包括一个发动机3和一个电池1）模拟的年数，示出了连接到电池1的发动机3的可能驱动数量。驱动在该测试中相应于对于以恒定电流的发动机的给定的操作时间。第一系统的电池1总是通过使用充电结束标准、即代表了电池1的额定容量的160%的充电的容量的标准来再充电。第二系统的电池总是通过使用充电结束标准、即代表了电池的额定容量的85%的充电的容量的标准来再充电。图2中，第一和第二自治系统分别与不同的曲线相关。与电池的额定容量的160%的充电的容量相关的曲线事实上相应于现有技术中所推荐的过充电。图2中的两个曲线都使得能够观察到电池自治中和与160%充电结束标准相关的曲线相比，在对于与85%的充电结束标准相关的曲线的发动机的驱动数量方面的不重要的降低。实际上，在近似八个模拟年之后，与85%的充电的容量的曲线相关的系统具有比过充电的系统更好的自治。

“充电的容量”指的是在充电期间在电池中存储的电流的量以获得在放电期间电池的按照Ah的容量。电池的容量通常比充电的容量低，即，对于存储在电池中的N个Ah，电池能够恢复N-x个Ah。然后通过生成充电的容量与在放电期间恢复的容量之比可以建立用于给定的充电的效率。效率根据用于充电和/或放电的电流而可以是不同的。

按照本发明的充电方法在于按照预设的充电结束标准，对具有预定的额定容量的电化学镍基电池充电，使得能够限制在电池中的充电的容量以在电化学窗中工作，在该电化学窗中不发生寄生反应，或可忽略。充电结束标准可以相应于电压阈值，优选通过校准而预定的。

因此，用于具有预定的额定容量并且连接到间歇的具有可变电流的电源2（即从它充电）的电化学镍基电池1的充电方法包括电池电压的至少一个测量和电池1的温度表现的一个测量。根据测量的温度和电池的充电的容量的表现，该表现相应于等于或高于用于该充电的最好效率的90%的充电效率，当在电池两端测量的电压达到电压阈值时，停止电池充电，该电压阈值优选是预定的并且形成充电结束标准。最好的效率取决于使用的电流的值。

该电压阈值（其充电效率等于或高于90%）可以相应于对于在电池的额定容量的75和85%之间的电池的充电的容量。这样的充电结束标准使得通过防止超过该阈值充电能够防止电池退化。因此，“充电结束标准”指的是与中断充电相关的标准，在该标准之外不允许电池充电。换言之，只要电池电压保持高于充电结束标准，其充电就被禁止。

而且，为了限制电池退化，只有在温度范围内才允许充电，该温度范围中在充电期间效率保持正确。换句话说，该方法集成了两组温度值Tmin和Tmax，在这两组值之间充电是允许的。实际上，温度影响化学反应的动力学、充电载体的移动性和寄生反应的重要性。在低温下，充电载体的移动性的降低导致电池的内部电阻上升。充电载体的移动性的该降低由此限制了由电池提供的电流，并且提高了恒定电流充电电压，其直接产生内部退化。在高温下，退化的寄生反应受青睐，其隐含了在充电效率方面的主要降低和自放电的加速。该温度可以按照由制造者推荐的操作温度范围来选择。

电压阈值在温度范围内可以是恒定的并且在不同的温度范围中是不同的。在一种考虑两组温度值的变形中，其中允许充电的范围然后被划分为多个子范围，每个范围与一个最大操作电压相关。这使得可以考虑电池按照温度的特性。事实上，温度越高，电压阈值越低。

图3示出了按照测量的温度和测量的电压，对电池的充电进行控制的特殊例子，该电池由NiMH类型的十个单元组成且具有2.1Ah的额定容量和12V的额定电压。该组温度值Tmin和Tmax分别等于-10°C和40°C。与14.5V的电压相关的第一范围定义在-10°C和-5°C之间，与14.2V的电压相关的第二范围定义在-5°C和0°C之间，并且与14V的电压相关的第三范围定义在0°C和40°C之间。

为了定义其中允许充电的该窗，换句话说，充电结束标准，电压阈值和其相关的温度范围在电池的校准阶段期间被确定。校准阶段优选在恒定电流充电和放电循环期间对标准电池执行，其中电池特征被控制（充电结束的探测、充电的容量的集成等）。

校准阶段首先包括按照电池中充电的容量绘制代表了充电效率的效率曲线。该效率曲线可以通过对标准电池的连续充电和放电循环来建立。在电池中充电的容量和在充电之后的放电阶段期间通过电池提供的容量之间的变化使得能够绘制该效率。这样的曲线在图4中示出。按照电池，读取该曲线能够注意到在斜率中的断点，在该断点处总效率下降。斜率中的该断点可以是最大充电容量的值的选择，并且可以例如相应于效率曲线划分为两个斜率。在图4中，该点大约在2Ah的充电的容量处。按照循环的特征，效率的最大水平变化但是曲线的一般形状是固定的。

按照具体的例子，效率曲线相应于图5中示出的直方图，按照充电的容量的范围示出了效率，该点然后相应于与效率下降相关的最大充电容量。对于一个范围的效率然后通过使用以下公式、由两个充电循环确定，每个之后跟随一个放电阶段：

$R_{\mathrm{gammeX};Y}=\frac{C_{\mathrm{dechY}}-C_{\mathrm{dechX}}}{C_{\mathrm{chY}}-C_{\mathrm{chX}}}\×100$ 公式（1）

R_gammeX;Y是在第一和第二充电循环的时间分别达到的、由值Y和X定义的、在考虑的范围中的效率的百分比值，Y高于X，

C_chX是在第一充电循环期间向电池提供的以Ah为单位的容量，

C_dechX是在第一充电循环之后的放电阶段期间恢复的以Ah为单位的电池容量，

C_chY是在第二充电循环期间向电池提供的以Ah为单位的容量，

C_dechY是在第二充电循环之后的放电阶段期间恢复的以Ah为单位的电池容量。

例如，执行了第一充电循环，在该第一充电循环期间向电池提供的以Ah为单位的容量等于2.81Ah，在放电期间可以恢复2.14Ah。然后，执行了第二充电循环，在该第二充电循环期间向电池提供的以Ah为单位的容量等于3.21Ah，在放电期间可以恢复2.15Ah。将这些数据代入到公式（1）中可以获得：

$R_{\mathrm{gamme}2.8;3.2}=\frac{C_{\mathrm{dech}3.2}-C_{\mathrm{dech}2.8}}{C_{\mathrm{ch}3.2}-C_{\mathrm{ch}2.8}}\×100=\frac{2.15-2.14}{3.2-2.8}\×100=2.5\%$

由于该2.5%的效率非常低，所以其相应于如下事实：能量几乎完全由物理地退化电池的寄生反应消耗。

用于允许电池的最好寿命的最大充电容量的点的选择不是不重要的。明智的是，与电池的额定容量相比，按照充电的容量，通过分析充电的效率来确定该点。在图5中，该点优选由在效率的急剧下降之前的范围被确定。对于图中的具体例子，这是具有高于90%的充电效率的最后范围。在该最后范围中，优选选择下限，其相应于图5的例子中的1.8Ah。该1.8Ah的值相应于图2中的充电的容量的85%的曲线。

图5通过执行在0和电池的额定容量之间的至少十个范围来获得。十个范围的最小值使得能够更好注意到要被选择的最大充电容量的点。

利用图5中的曲线获得的值低于利用图4中的曲线获得的值。由此，利用1.8Ah的最大充电容量的自治将低于利用2Ah的最大充电容量的。然而，寿命将被提高。

一旦选择了最大充电的容量（在该例子中是1.8Ah），能够通过执行寿命测试来验证该曲线，如图2中所示利用最大充电容量的值和更高的值。

用于确定充电结束标准的方法然后包括对于代表了电池温度的给定的温度，按照充电的容量，绘制代表了电池电压的至少一个电压曲线。图6示出了八条曲线，每条曲线按照以Ah为单位的电池的充电的容量，代表了以伏特为单位的电压的演变，并且与温度（-10°C，周围，+40°C和+60°C）和与充电电流（C/10和C/40）相关。对于给定的温度，因此存在一对曲线，这一对的第一曲线对于10小时充电并且这一对的第二曲线对于40小时充电。因此，注意到当电流低时充电电流的影响是轻微的。

而且，在图6中的具体例子中，温度范围被限制到-10°C至40°C。事实上，与60°C温度相关的曲线的斜率如此小地接近1.8Ah的值以至于不可能确定充电结束。

然后，对于每个温度，确定相应于充电的最大值的电压阈值。阈值可以从相应的电压曲线确定，电压阈值然后代表了充电结束标准。这些阈值然后使得能够绘制图3中的类型的图以形成其中允许充电的窗。取决于温度，电压阈值确定了充电结束标准。图3的数据表现能够被记录在包括了数个温度范围的相关表中，每个温度范围与一个不同的电压阈值相关。更具体地，该表可以包括多个对象，每个对象包括两个输入，第一输入代表了温度范围，并且第二输入代表了与所述范围相关的电压。

电池的温度表现可以通过置于电池端附近或电池中的传感器4（图1）来确定。

作为具体的实施例，当将电化学镍基电池连接到具有电池充电管理器的充电器时，充电器可以通过使用充电结束标准根据电池电压和温度来对电池进行再充电。因此，在充电阶段期间，温度和电压的测量回路在电池端执行，按照这些实施例，充电器决定是否其能够继续执行电池的充电。

使用这样的充电方法能够减少对自治系统的维护，所述维护导致定期地更换电池。

Claims (9)

1.一种用于对具有预定额定容量的电化学镍基电池（1）充电的方法，包括电池电压的至少一个测量和电池（1）的温度表现的一个测量，所述电池通过间歇的和可变电流的电源（2）再充电，

所述方法的特征在于，根据测量的温度和电池中充电的容量表现，该容量表现相应于等于或高于90%的充电效率，当在电池（1）两端测量的电压达到电压阈值时停止电池（1）的充电。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据测量的温度，所述电压阈值是在电池中充电的容量表现，其包括在电池的额定容量的75和85%之间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其包括两组温度值（Tmin，Tmax），在所述两组温度值之间允许充电。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，预定的电压阈值在一个温度范围之内是恒定的并且在不同的温度范围内是不同的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，电压阈值是前面通过以下获得的充电结束标准的表现：

-按照电池中充电的容量绘出代表了充电效率的效率曲线，

-选择相应于在效率曲线的斜率中的中断的最大充电容量值，

-对于电池温度的给定的温度表现，按照充电的容量绘出代表了电池电压的至少一个电压曲线，

-相应于所述最大充电容量值，对于每个温度，从相应的电压曲线确定代表了充电结束标准的电压阈值。

6.一种用于确定电化学镍基电池的充电结束标准的方法，其特征在于，该方法包括：

-按照在电池中充电的容量绘出代表了充电效率的效率曲线，

-选择相应于在效率曲线的斜率中的中断的最大充电容量值，

-对于电池温度的给定的温度表现，按照充电的容量绘出代表了电池电压的至少一个电压曲线，

-相应于所述最大充电容量值，对于每个温度，从相应的电压曲线确定代表了充电结束标准的电压阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其包括产生包括了数个温度范围的相关表，每个温度范围与一个不同的电压阈值相关。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，效率曲线是按照充电的容量的范围代表了效率的直方图，最大充电容量值包括在具有高于90%的充电效率的最后范围中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，最大充电容量值相应于最后范围的下限。

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