CN103794828A - 一种锂离子电池快速充电方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池快速充电方法与装置。该锂离子电池快速充电装置包括：直流电流恒流源，与待充电的锂离子电池相连接；可控开关，与所述锂离子电池以及所述直流电流恒流源串联形成串联电路，可控开关接通或者切断所述串联电路；其特征在于，所述锂离子电池快速充电的装置还包括：控制模块，所述控制模块连接锂离子电池和所述可控开关，所述控制模块检测锂离子电池的端电压和端电压变化率，测得的端电压低于充电阈值，所述控制模块控制所述可控开关接通所述串联电路对锂离子电池充电；测得的端电压高于充电阈值且测得端电压变化率曲线出现明显下降，控制模块控制可控开关切断所述串联电路停止对锂离子电池充电。

Description

一种锂离子电池快速充电方法与装置
技术领域
本发明涉及一种可充电的二次锂离子电池的充电装置及其充电方法，尤其涉及能快速充电、抑制电池老化的锂离子电池充电装置及其充电方法。
背景技术
作为锂离子电池或Ni-MH电池等非水系二次电池的充电方法，一般使用连续充电和脉冲充电。在连续充电中，可进一步细分为恒定电流充电、恒定电压充电以及恒流-恒压充电三种方式。在非水系二次电池的充电中，若充电电压过高，则电池性能明显劣化，甚至引发燃烧爆炸等事故。因此需要十分注意，使得充电电压不超过给定电压。
为了在充电速度和充电安全性之间达到一个折中平衡，连续充电一般使用恒流-恒压充电。在充电初期，进行恒定电流充电，二次电池的电压达到给定电压值后，以恒定电压继续充电，充电电流降低到给定值时即认为达到满量充电，结束充电。这种充电方法的优点在于，进行恒定电流充电时，通过增大充电电流能快速充电，缩短充电时间；而二次电池的电压达到给定电压值时，就切换到恒压充电，确保导致使得二次电池劣化的高压不施加到二次电池上。
电池的内部电动势或者开路电压是判断电池充电是否满充的理想参数，然而在实际充电过程中，上述两个参数不可测，只能使用电池端电压进行近似分析。一般情况下，由于电池内阻的存在，电池端电压小于电池开路电压。电池充电电流越大，电池端电压和开路电压差异越大。在恒流-恒压充电方法中，恒流阶段当电池端电压达到给定值(例如锂离子电池设定为4.2伏)时，电池开路电压实际并未达到给定值。但是为了安全保守起见，不得不采取限流措施，改为充电电流较小的恒压充电模式。
由以上分析可知，恒压充电模式的引入，确保了电池充电的安全性，但是同时也影响了电池的充电速度。如图1，实验中对锂离子电池使用1.5A的恒定电流进行充电，大约50分钟后即可充电85％。然后端电压达到给定值改用恒压充电。经过约1.5小时后，电池才渐至充满。充电15％，结果占用了65％的充电时间。由此可见，恒压充电阶段严重降低了电池的充电速度。事实上，对于使用一段时间后的老化电池，由于电池内阻的变大，恒流充电阶段时间变短，恒压充电对电池充电速度的影响更加显著。
上述充电方法利用电池的端电压作为电池充电模式切换与充电终止的控制参数，不利于电池的充电速度提升，例如专利98122261.7与01121097.4。为了克服上述问题，本发明提出一种完全利用恒流充电的电池快速充电方法与装置。充电过程中，实时测量电池的端电压。当端电压达到给定值后，计算电压变化率，搜寻电压变化率曲线的拐点。电池接近充满时，电压变化率开始逐渐变大，到达充满时刻电压变化率急剧减小。当电压变化率的拐点出现时，即说明电池充电已经充满，充电结束。通过电压变化率拐点这一充电截止判断方法，无需引入恒压充电阶段，在保证电池安全、可靠与高效充电的同时，极大加快了电池充电速度。
发明内容
针对锂离子电池恒流-恒压充电方法充电速度偏慢的缺陷，本发明提出一种完全恒流充电的锂离子电池充电方法及其装置。其利用电池端电压变化率满充时出现拐点这个特征作为充电截止的判定方法，即确保了电池充电的安全可靠，又达到了快速充电的目的。
根据本发明的一个方面，提供一种锂离子电池快速充电的装置，包括：直流电流恒流源，与待充电的锂离子电池相连接，直流电流恒流源提供恒定充电电流；可控开关，与所述锂离子电池以及所述直流电流恒流源串联形成串联电路，可控开关接通或者切断所述串联电路；其特征在于，所述锂离子电池快速充电的装置还包括：控制模块，所述控制模块连接锂离子电池和所述可控开关，所述控制模块检测锂离子电池的端电压和端电压变化率，测得的端电压低于充电阈值，所述控制模块控制所述可控开关接通所述串联电路对锂离子电池充电；测得的端电压高于充电阈值且测得端电压变化率曲线出现明显下降，控制模块控制可控开关切断所述串联电路停止对锂离子电池充电。
优选地，所述控制模块包括一单片机，所述单片机与锂离子电池并接，其中，所述单片机的第一端连接锂离子电池正极的一端，其第二端连接锂离子电池负极的一端，所述单片机检测并记录锂离子电池的端电压和端电压变化率，根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线，并对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺，判断端电压值与充电阈值的大小，端电压值小于充电阈值则生成接通所述串联电路的指令，根据端电压变化率的曲线搜寻端电压变化率曲线的拐点，端电压变化率曲线出线拐点则生成切断所述串联电路的指令。
优选地，所述控制模块还包括一指令发送元件，所述指令发送元件的一端与所述单片机的第三端相连接，所述指令发送元件的另一端与所述可控开关的控制端相连接，根据所述单片机生成的指令向所述可控开关发送接通或切断所述串联电路的指令。
优选地，所述锂离子电池为锂离子单体电池以及锂离子聚合物电池中的任一种。
优选地，所述可控开关为金属氧化物场效应管、继电器、以及三极管等装置中的任一种。
根据本发明的另一个方面，提供一种锂离子电池快速充电的方法，包括：步骤A.将锂离子电池与直流电流恒流源以及可控开关串联，形成一串联电路，将控制模块与锂离子电池和所述可控开关相连接；步骤B.控制模块包括单片机以及指令发送元件，所述单片机检测所述锂离子电池两端的端电压，判断锂离子电池的端电压是否低于充电阈值；步骤C.若端电压低于充电阈值，则通过指令发送元件向可控开关发出接通所述串联电路的指令，触发可控开关闭合；步骤D.单片机对锂离子电池的端电压进行检测，并运行充电截止时刻搜寻算法；步骤E.判断单片机是否已生成切断所述串联电路的指令；步骤F.当单片机生成切断所述串联电路的指令时，指令发送元件向可控开关发出该指令，触发所述可控开关断开。
优选地，所述充电截止时刻搜寻算法包括：步骤a.单片机实时监测锂离子电池的端电压，并记录端电压值；步骤b.判断锂离子电池的端电压是否高于运算阈值；步骤c.当锂离子电池达到一运算阈值时，开始计算每一时刻的端电压变化率，并记录一定时间内的端电压变化率；步骤d.根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线，并对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺；步骤e.搜寻电压变化率曲线，判断该电压变化率曲线是否出现拐点；步骤f.当电压变化率曲线出现拐点时，生成切断所述串联电路的指令。
优选地，记录所述锂离子电池端电压的频率为每秒采集一次所述锂离子电池的端电压样本值。
优选地，所述端电压变化率为所述锂离子电池的当前时刻记录的端电压值减去前一时刻的端电压值。
优选地，记录所述锂离子电池端电压变化率的频率为每分钟内60个瞬间的端电压变化率值。
本发明为解决其技术问题所采用的方案是：
一种锂离子电池快速充电装置，包括直流电流恒流源、锂离子电池、可控开关与控制单片机。所述直流电流恒流源提供恒定充电电流，输出电流大小由待充蓄电池容量与所需充电速度决定。假设蓄电池容量为2000mAh，若电池由完全放电状态到完全充满限定时间为1.5小时，此时恒流源输出电流应为2000/1.5＝1333mA。所述待充电池可为锂离子单体电池与锂离子聚合物电池，化学组分不受限制，包括典型钴酸锂与磷酸铁锂等体系。所述可控开关起到控制充电通断的作用，可以使用金属氧化物场效应管(MOSFET)、继电器或者三极管等其它可控开关。所述单片机用来检测电池端电压、电流，并运行充电截止判断算法。当蓄电池连接至充电电路需要充电时，单片机输出某电平触发可控开关闭合；反之，当检测到电池充电已充满时，单片机输出另一电平打开可控开关。
所述充电截止时刻搜寻算法包括以下步骤。首先，电池充电过程中，实时检测电池端电压(例如每秒采集1次电压样本值)，并记录该时刻的端电压值。当电池端电压达到给定值时，开始计算每一时刻的端电压变化情况，即令当前时刻端电压减去前一时刻端电压，并记录一定时间内的电压变化率(如5分钟以内的300个瞬间电压变化率值)。然后对电压变化率序列进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺，并搜寻电压变化率拐点。当电压变化率出现明显下降时，即说明电池充电已经充满。
本发明通过提供一种锂离子电池快速充电方法与装置，其有益效果是，采用完全恒流充电方式提高电池的充电速度；利用电压变化率曲线的拐点作为电池充满的判定条件，确保电池不会发生过充。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据现有技术中的恒流-恒压充电的电压、电流变化特性；
图2示出根据本发明的第一实施例的，锂离子电池快速充电的装置的结构示意图；
图3示出所述锂离子电池快速充电的装置在完全恒流充电时电压变化过程；
图4示出所述锂离子电池快速充电的装置在完全恒流充电时电压变化率曲线；
图5示出所述锂离子电池快速充电的装置在完全恒流充电时过滤后电压变化率曲线；
图6示出根据本发明的第一实施例的，锂离子电池快速充电的过程的流程图；以及
图7示出充电截止时刻搜寻算法的计算步骤的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明：
图2示出了根据本发明的第一实施例的，锂离子电池快速充电的装置的结构示意图。如图2所示，所述锂离子电池快速充电装置包括直流电流恒流源2，可控开关3。其中，直流电流恒流源2正极的一端与待充电的锂离子电池1正极的一端相连接，并向其提供恒定充电电流。锂离子电池1的负极的一端经由可控开关3与直流电流恒流源2的负极的一端串联形成串联电路，可控开关3接通或者切断该串联电路。
更具体地，锂离子电池1可为锂离子单体电池或锂离子聚合物电池中的任一种，化学组分不受限制，包括典型钴酸锂与磷酸铁锂等。
可控开关3可使用金属氧化物场效应管、继电器或三极管等其他可控开关。
所述锂离子电池快速充电装置还包括控制模块4，所述控制模块4包括一单片机41，所述单片机41与锂离子电池1并联，单片机41包括第一端、第二端以及第三端。其中，单片机41的第一端与锂离子电池1的正极的一端相连接，其第二端与锂离子电池1的负极的一端相连接。进一步地，控制模块4还包括指令发送元件42，所述指令发送元件42的第一端与单片机41的第三端相连接，其第二端与可控开关3的控制端相连接。
更具体地，控制模块4检测锂离子电池1的端电压和端电压变化率。当测得的端电压低于充电阈值且测得正的端电压变化率时，控制模块4控制可控开关3接通所述串联电路以对锂离子电池1充电；当测得的端电压高于充电阈值且测得负的端电压变化率时，控制模块4则控制可控开关3切断所述串联电路以停止对锂离子电池1充电。
更具体地，单片机41检测并记录锂离子电池1的端电压和端电压变化率，根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线；对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺；判断端电压值与充电阈值的大小，当端电压值小于充电阈值时，生成接通所述串联电路的指令；根据端电压变化率的曲线搜寻端电压变化率曲线的拐点，端电压变化率曲线出线拐点则生成切断所述串联电路的指令。因此，所述单片机41除了具备电压测量功能和驱动开关能力外，还有较强的计算与数据存储性能，便于充电控制算法的实施。
指令发送元件42根据单片机41生成的指令向可控开关3发送控制指令，控制可控开关3的断开与导通。更具体地，当锂离子电池1需要充电时，指令发送元件42将单片机41生成的接通所述串联电路的指令发送给可控开关3，触发可控开关3闭合。当单片机41检测到锂离子电池1充电已满时，指令发送元件42将单片机41生成的切断所述串联电路的指令发送给可控开关3，触发所述可控开关3打开。
更具体地，图3示出了所述锂离子电池快速充电的装置在完全恒流充电时电压变化过程。由图3可知，所述锂离子电池1充电过程可以分为以下三个阶段。在充电开始阶段，电池电压快速上升到电池平台电压，电压曲线呈现陡峭的上升趋势；电压进入工作平台后，电压变化非常缓慢，相邻时刻电压增量非常小；当电压达到4伏时，电压又开始明显增加。
更进一步地，在锂离子电池1充电的过程中，由于相邻两个端电压时间间隔很短，端电压变化量很小，电压变化率容易受到电压的测量误差影响。
图4示出所述锂离子电池快速充电的装置在完全恒流充电时电压变化率曲线。图中电压变化率曲线很像随机变量，很难观察到其变化规律。因此需要使用数据滤波手段，降低信号噪声分量。
图5示出了所述锂离子电池快速充电的装置在完全恒流充电时过滤后电压变化率曲线。图5中选取一定的序列长度，使用平滑滤波方法过滤测量噪声，得到电压变化率曲线。从图5可以很清晰的看到，随着恒流充电的逐渐深入，当电池端电压达到电池工作平台之后，电压变化率一直出现增长趋势；然后在充满电时，电压变化率急剧下降，形成一个陡峭的下降坡。电压变化率由增长到急剧下降，在电池充满电时电压变化率曲线形成了一个曲线拐点，如图5中圈出的部分。
更进一步地，图6示出了根据本发明的第一实施例的，锂离子电池快速充电的过程的流程图。具体地，本发明所述的锂离子电池快速充电的步骤依次为：步骤610：将锂离子电池1与直流电流恒流源2以及可控开关3串联，形成一串联电路，将控制模块4与锂离子电池1和可控开关3相连接。步骤620：控制模块4的单片机41检测锂离子电池1两端的端电压，判断锂离子电池1的端电压是否低于充电阈值。步骤630：若端电压低于充电阈值，则通过指令发送元件42向可控开关3发出接通所述串联电路的指令，触发可控开关闭合。步骤640：单片机41对锂离子电池1的端电压进行检测，并运行充电截止时刻搜寻算法。步骤650：判断单片机41是否已生成切断所述串联电路的指令。步骤660：当单片机41生成切断所述串联电路的指令时，指令发送元件42向可控开关3发出该指令，触发所述可控开关3断开。
更具体地，根据上述锂离子电池快速充电的过程，图7示出了充电截止时刻搜寻算法的计算步骤的流程图。具体地，所述充电截止时刻搜寻算法的计算步骤依次为：步骤710：单片机41实时监测锂离子电池1的端电压，并记录端电压值。步骤720：判断锂离子电池1的端电压是否高于运算阈值。步骤730：当锂离子电池1达到一运算阈值时，开始计算每一时刻的端电压变化率，并记录一定时间内的端电压变化率。步骤740：根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线，并对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺。步骤750：搜寻电压变化率曲线，判断该电压变化率曲线是否出现拐点。步骤760：当电压变化率曲线出现拐点时，生成切断所述串联电路的指令。
更为具体地，根据上述充电截止时刻搜寻算法，在一个优选例中，记录锂离子电池1端电压的频率为每秒采集一次锂离子电池1的端电压样本值。在任何时刻，单片机41会保存当前时刻与前一时刻两个端电压值。当锂离子电池端电压超过运算阈值后。所述端电压变化率为锂离子电池1的当前时刻记录的端电压值减去前一时刻的端电压值。记录锂离子电池1端电压变化率的频率为每分钟内60个瞬间的端电压变化率值。
本发明利用锂离子电池在充满电时，电压变化率会急剧下降，形成一个陡峭的下降坡。电压变化率由增长到急剧下降，在电池满电时电压变化率形成的曲线会形成了一个曲线拐点的特征来防止恒流充电导致的电池过充现象，即实现快速充电目标，又确保了电池的安全性和使用寿命。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种锂离子电池快速充电的装置，包括：
直流电流恒流源，与待充电的锂离子电池相连接，直流电流恒流源提供恒定充电电流；
可控开关，与所述锂离子电池以及所述直流电流恒流源串联形成串联电路，可控开关接通或者切断所述串联电路；
其特征在于，所述锂离子电池快速充电的装置还包括：
控制模块，所述控制模块连接锂离子电池和所述可控开关，所述控制模块检测锂离子电池的端电压和端电压变化率，测得的端电压低于充电阈值，所述控制模块控制所述可控开关接通所述串联电路对锂离子电池充电；测得的端电压高于充电阈值且测得端电压变化率曲线出现明显下降，控制模块控制可控开关切断所述串联电路停止对锂离子电池充电。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池快速充电的装置，其特征在于，所述控制模块包括一单片机，所述单片机与锂离子电池并接，其中，所述单片机的第一端连接锂离子电池正极的一端，其第二端连接锂离子电池负极的一端，所述单片机检测并记录锂离子电池的端电压和端电压变化率，根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线，并对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺，判断端电压值与充电阈值的大小，端电压值小于充电阈值则生成接通所述串联电路的指令，根据端电压变化率的曲线搜寻端电压变化率曲线的拐点，端电压变化率曲线出线拐点则生成切断所述串联电路的指令。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池快速充电的装置，其特征在于，所述控制模块还包括一指令发送元件，所述指令发送元件的一端与所述单片机的第三端相连接，所述指令发送元件的另一端与所述可控开关的控制端相连接，根据所述单片机生成的指令向所述可控开关发送接通或切断所述串联电路的指令。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池快速充电的装置，其特征在于，所述锂离子电池为如下电池中的任一种：
锂离子单体电池；以及
锂离子聚合物电池。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池快速充电的装置，其特征在于，所述可控开关为如下装置中的任一种：
金属氧化物场效应管；
继电器；以及
三极管。
6.一种锂离子电池快速充电的方法，包括如下步骤：
步骤A.将锂离子电池与直流电流恒流源以及可控开关串联，形成一串联电路，将控制模块与锂离子电池和所述可控开关相连接；
步骤B.控制模块包括单片机以及指令发送元件，所述单片机检测所述锂离子电池两端的端电压，判断锂离子电池的端电压是否低于充电阈值；
步骤C.若端电压低于充电阈值，则通过指令发送元件向可控开关发出接通所述串联电路的指令，触发可控开关闭合；
步骤D.单片机对锂离子电池的端电压进行检测，并运行充电截止时刻搜寻算法；
步骤E.判断单片机是否已生成切断所述串联电路的指令；
步骤F.当单片机生成切断所述串联电路的指令时，指令发送元件向可控开关发出该指令，触发所述可控开关断开。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池快速充电的方法，其特征在于，所述充电截止时刻搜寻算法包括如下步骤：
步骤a.单片机实时监测锂离子电池的端电压，并记录端电压值；
步骤b.判断锂离子电池的端电压是否高于运算阈值；
步骤c.当锂离子电池达到一运算阈值时，开始计算每一时刻的端电压变化率，并记录一定时间内的端电压变化率；
步骤d.根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线，并对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺；
步骤e.搜寻电压变化率曲线，判断该电压变化率曲线是否出现拐点；
步骤f.当电压变化率曲线出现拐点时，生成切断所述串联电路的指令。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池快速充电的方法，其特征在于，记录所述锂离子电池端电压的频率为每秒采集一次所述锂离子电池的端电压样本值。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池快速充电的方法，其特征在于，所述端电压变化率为所述锂离子电池的当前时刻记录的端电压值减去前一时刻的端电压值。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池快速充电的方法，其特征在于，记录所述锂离子电池端电压变化率的频率为每分钟内60个瞬间的端电压变化率值。
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