CN105375072A - 一种电池充电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池充电方法及装置，其中方法包括以下步骤：S1、以最大恒流电流对电池进行恒流充电，使电池电压达到第一预设电压；S2、通过电流控制方式对电池进行充电，控制充电电流根据电池电压上升而逐步减小，使电池电压达到第二预设电压；S3、通过脉冲循环对电池进行充电，使电池电压达到额定电压。本发明在大电流恒流充电后根据电池电压减小充电电流，在确保电池的充电效率同时避免充电电流过多用于分解水，再通过脉冲循环降低极化反应；并且本发明充电控制的最大功率要求低，硬件设计更经济。

Description

一种电池充电方法及装置

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，更具体地说，涉及一种电池充电方法及电池充电装置，能够降低对充电电池的损耗。

背景技术

可维护铅酸蓄电池的寿命与电池的充电方法有很大关系，而一般充电方法按照设计的充电曲线通过控制单元实现。所以对铅酸蓄电池的充电曲线优化改良，可以达到更好的充电效果，延长电池使用寿命。

可维护铅酸蓄电池常见的失效原因有：(1)电池电极附着的活性物质逐渐脱落；(2)电池电解液温度高，则容易出现热失控，同时高温对电池内部单元材料寿命有不利影响。同时随着可维护铅酸蓄电池作为动力电池的广泛应用，在经济性方面，使用者对电池的维护成本、充电器的造价成本以及充电时间有了更高的要求。例如，充电过程中电池内的水分解过多，则需要频繁维护补水，造成维护成本较高。

以下对几种现有常见的铅酸蓄电池充电曲线进行介绍。

第一种为传统的恒流恒压充电曲线，如图1所示，其中U表示充电电压，I表示充电电流。其先采用最大电流恒流充电，当电池电压升高到充电器电压设定值后进入恒压充电，恒压充电阶段电流值逐渐下降，当下降到设定值后充电完成。该充电曲线存在的缺点为：(1)初始充电电流大长期使用容易造成电池极板的活性物质松脱。(2)开口铅酸蓄电池最大充电电压较高(单节2.6V左右)，所以在恒流充电阶段，当电池电压高于2.4V时，若持续大电流充电，则出现一定过冲。过冲的充电电流主要在分解水，会产生大量气体，同时电解液温度快速升高。

第二种为脉冲式充电曲线，如图2所示，其中I表示充电电流。这种充电方式实质是间歇性恒流、间歇性恒压充电，在很大电流(充电电流I在1C以上)恒流充电过程中间歇性停止充电，目的在于消除充电过程中在电池两极形成的极化反应。当电压达到转折点电压值时，转化为间歇性恒压充电。该充电曲线存在的缺点为：(1)初始充电电流非常大，长期使用容易造成电池极板的活性物质松脱。(2)对充电机的最大输出功率要求高，充电机硬件成本高。(3)转折后恒压充电阶段对电池仍然有较大电流充电，如果被充电电池初始还剩余较多电量，则这种充电曲线的恒压充电阶段会出现过冲。

第三种为恒流恒压充电结合脉冲式充电，如图3所示，其中U表示充电电压，I表示充电电流。这种充电曲线分三段，第一阶段I为恒流充电(0.1C到1C)，第二阶段II为恒压恒流交替，第三阶段III为两种不同电压的恒压充电交替。其中第二阶段II和第三阶段III还使用负载对电池进行放电，目的在于消除充电后期出现的严重的极化反应。这种充电曲线适合用于铅酸蓄电池充电系统，在充电的同时还有负载放电。该充电曲线存在的缺点为：(1)充电应用范围窄。仅适用于输出带有固定负载设备的铅酸蓄电池充电系统。(2)第二阶段II与第三阶段III的恒压恒流交替时间较短(500ms、1s、5s)，对充电机设备输出的电压电流动态要求高，同时稳压稳流精度要求较高。只有采用恒压恒流较好的硬件才能达到该充电曲线的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有电池充电过程中对电池容易造成耗损的缺陷，提供一种电池充电方法及装置，能够有效地降低充电过程对电池的损耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池充电方法，包括以下步骤：

S1、以最大恒流电流Iset对电池进行恒流充电，使电池电压达到第一预设电压V1；

S2、通过电流控制方式对电池进行充电，控制充电电流根据电池电压上升而逐步减小使电池电压达到第二预设电压V₂；

S3、通过脉冲循环对电池进行充电，使电池电压达到额定电压V_R。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述最大恒流电流I_set为电池容量的10％至20％。

在根据本发明所述的电池充电方法中，该方法还包括在步骤S1之前执行的步骤S0：采用第一预充电流I₁对电池进行恒流充电，在达到预设固定时间时停止；或者从所述第一预充电流I₁逐渐上升到所述最大恒流电流I_set对电池进行电流控制方式充电，其中，所述第一预充电流I₁为所述最大恒流电流I_set的20％至40％。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述第一预充电流I₁为所述最大恒流电流I_set的30％。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述第一预设电压V₁为2.2V到2.4V。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述第二预设电压V₂为2.5V到2.7V。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述步骤S1和步骤S2中通过检测电池电压的实际反馈值是否达到第一预设电压V₁或者达到第二预设电压V₂来判断是否停止充电。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述步骤S3中所述脉冲循环由以下任意两个或者三个阶段构成：

A)以第一补充电流I_a对电池进行恒流充电；或者以第一补充电压V_a对电池进行恒压充电；

B)以第二补充电流I_b对电池进行恒流充电；或者以第二补充电压V_b对电池进行恒压充电；

C)以第三补充电流I_c对电池进行恒流充电；或者以第三补充电压V_c对电池进行恒压充电；其中，I_a<I_c<I_b，V_a<V_c<V_b。

在根据本发明所述的电池充电方法中，所述步骤S3中脉冲循环由A-C三个阶段依次构成，其中，A阶段充电持续时间T_a为5s到30s；B阶段充电持续时间T_b为1分钟到5分钟；C阶段充电持续时间T_c为1分钟到5分钟；第一补充电流I_a为所述最大恒流电流I_set的0到10％；第二补充电流I_b为所述最大恒流电流I_set的60到100％；第三补充电流I_c为所述最大恒流电流I_set的20到50％。

本发明还提供了一种电池充电方法，该方法包括以下步骤：

S1、以最大恒流电流I_set对电池进行恒流充电，使电池电压达到第一预设电压V₁；

S2、通过电压控制方式对电池进行充电，使电池电压达到第二预设电压V₂；在所述电压控制方式中控制充电电压从第一预设电压V₁逐渐上升而充电电流逐渐减小；

S3、通过脉冲循环对电池进行充电，使电池电压达到额定电压V_R。

本发明还提供了一种电池充电装置，适用于对电池进行充电，所述电池充电装置包括：控制器、电池充电电路和电压侦测电路；所述控制器用于执行程序以实现如前所述的电池充电方法中的步骤；所述电池充电电路受控于所述控制器以及连接所述电池，用于提供如前所述的电池充电方法中的步骤所需的充电电流或者充电电压，对所述电池进行充电；所述电池侦探电路受控于所述控制器以及连接所述电池，用于侦探所述电池的电池电压并反馈给所述控制器。

实施本发明的电池充电方法及装置，具有以下有益效果：本发明的电池充电方法在大电流恒流充电后根据电池电压减小充电电流，在确保电池的充电效率同时避免充电电流过多用于分解水，此后通过脉冲循环在电池充饱与电解液温度两个对立面实现较好的平衡点；并且本发明充电控制的最大功率要求低，硬件设计更经济。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中传统的恒流恒压充电曲线图；

图2是现有技术中脉冲式充电曲线图；

图3是现有技术中恒流恒压充电结合脉冲式充电曲线图；

图4为根据本发明优选实施例的电池充电方法的流程图；

图5a和图5b分别为根据本发明优选实施例的电池充电方法的充电电流和电池电压曲线示意图；

图6为根据本发明的电池充电方法中脉冲循环的第一实施例的示意图；

图7为根据本发明的电池充电方法中脉冲循环的第二实施例的示意图；

图8为根据本发明优选实施例的电池充电装置的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图4，为根据本发明优选实施例的电池充电方法的流程图。该电池充电方法尤其适用于铅酸蓄电池。如图4所示，该实施例提供的电池充电方法该方法包括以下步骤：

首先，在步骤S1中，以最大恒流电流I_set对电池进行恒流充电，使电池电压V_BA达到第一预设电压V₁。优选地，最大恒流电流I_set为电池容量的10％至20％。该最大恒流电流I_set不低于电池容量的10％，进而可以在较短的充电时间内为电池充上大部分电荷，同时也可以避免充电电流过低导致电池长期欠充而出现硫化现象；该最大恒流电流I_set也不高于电池容量的20％，否则容易因为充电电流过大而分解水。该步骤S1中可以通过检测电池电压V_BA的实际反馈值是否达到第一预设电压V₁来判断是否停止充电。当对单节铅酸蓄电池进行充电时，第一预设电压V₁为2.2V到2.4V。该第一预设电压V₁不低于2.2V，可以避免电池长期欠充出现硫化现象；该第一预设电压V₁也不高于2.4V，可以避免充电电流过大而造成过充分解水。

随后，在步骤S2中，通过电流控制方式对电池进行充电，通过控制充电电流I根据电池电压V_BA上升而逐步减小，使电池电压V_BA达到第二预设电压V₂。优选地，电流减小满足：I＝I_set-[m*(V_BA-V_R+n)]。其中，m为斜率系数，n为电压补偿值。优选地，m＝3.714，n＝12V，即I＝I_set-[3.714*(V_BA-V_R+12V)]。该步骤S2中可以通过检测电池电压V_BA的实际反馈值是否达到第二预设电压V₂来判断是否停止充电。当对单节铅酸蓄电池进行充电时，第二预设电压V₂为2.5V到2.7V。该第二预设电压V₂不低于2.5V，可以避免电池长期欠充出现硫化现象；该第二预设电压V₂也不高于2.7V，可以避免充电电流过大而造成过充分解水。该步骤中的电流设定是根据电池电压采样值实现实时调节的，确保了电池的充电效率，同时避免充电电流过多用于分解水。最后，在步骤S3中，通过脉冲循环对电池进行充电，使电池电压V_BA达到额定电压V_R。对于单节铅酸蓄电池而言，额定电压V_R为2.6V。该步骤中采用的脉冲曲线设计可以在电池充饱与电解液温度两个对立面实现较好的平衡点。在本发明的另一个优选实施例中，上述步骤S2中也可以采用电压控制方式对电池进行充电。在电压控制方式中控制充电电压从第一预设电压V₁逐渐上升而充电电流I逐渐减小。在本发明的优选实施例中，通过控制充电电压使充电电流I呈阶梯状减小。在本发明的另一些优选实施例中，通过控制充电电压使充电电流I线性减小。

在本发明的另一优选实施例中，电池充电方法还包括在步骤S1之前执行的步骤S0：采用第一预充电流I₁对电池进行恒流充电，在达到预设固定时间时停止；或者从第一预充电流I₁逐渐上升到最大恒流电流I_set对电池进行电流控制方式充电，其中，第一预充电流I₁为所述最大恒流电流I_set的20％至40％。该第一预充电流I₁不小于最大恒流电流I_set的20％，可以有效缩短预充电的时间；该第一预充电流I₁不大于最大恒流电流I_set的40％，可以避免较大的充电电流忽然充电导致电池的活性物质脱落。第一预充电流I₁的取值范围不是绝对值，而是一个渐变的过程，当第一预充电流I₁越高则电池受损的概率大大增大。优选地，第一预充电流I₁为所述最大恒流电流I_set的30％。由此可见，该步骤主要采用小电流对电池进行预充电，目的是为了保护电池极板，使电池充电两极化学反应逐渐充分。由于久未充电的铅酸蓄电池忽然大电流充电容易造成极板活性物质脱落，长期忽然大电流初始充电会降低电池使用寿命。因此，在该步骤中给电池大电流之前采用一个确定的小电流激活充电，避免了大电流忽然充电导致活性物质脱落。请结合参阅图5a和图5b，分别为根据本发明优选实施例的电池充电方法的充电电流和电池电压曲线示意图。如图所示，在本发明该优选实施例中，充电曲线可以分为与前述步骤S0-S3相对应的4个阶段：

在步骤S0的第一阶段(t0-t1)中，采用小电流对电池进行预充电。即充电电流I保持第一预充电流I₁对电池进行恒流充电，在达到预设固定时间时停止进行下一阶段。该预设固定时间优选为10分钟。此时电池电压V_BA逐渐上升。该第一阶段为可选阶段。作为一个替代方案，该阶段充电电流也可以从第一预充电流I₁逐渐上升到最大恒流电流I_set对电池进行电流控制方式充电。例如，第一预充电流I₁为10A，最大恒流电流I_set为50A。

在步骤S1的第二阶段(t1-t2)中，按最大恒流电流I_set进行大电流恒流充电。该阶段目的是为了在较短的充电时间内为电池充上大部分电荷。在该过程中不断检测电池电压V_BA的实际反馈值，当达到第一预设电压V₁时停止充电，进入下一个阶段，对于单节铅酸蓄电池而言，该第一预设电压V₁可以为2.2V到2.4V。

在步骤S2的第三阶段(t2-t3)中，采用电流控制方式进行充电，使充电电流根据电池电压V_BA的实际反馈值上升而逐步减小。或者采用变压充电方法，实现电流大小的调节，即更改充电器的输出电压，使第三阶段开始的t2时刻充电电压为第一预设电压V₁，然后逐渐调整充电器的输出电压给定值升高，从而实现了电流值阶梯状减小。虽然电流值不是一直减小，但是总体趋势是减小的。在该过程中不断检测电池电压V_BA的实际反馈值，当达到第二预设电压V₂时停止充电，进入下一个阶段。

第二阶段和第三阶段的转折点第一预设电压V₁和第二预设电压V₂都是电池电压V_BA的实际反馈值。严格根据电池电压V_BA的实际反馈值来确定充电电流大小，确保了这两个阶段内，充电电流主要转化为电能，大大提高了充电效率，避免过多分解水带来的析气，同时电池内部电解液的温升保持较低水平。并且第三阶段的充电电流根据电池电压V_BA上升而逐步减小，或者变压充电时充电电流阶梯状减小，使得该阶段充电速度减慢，更利于对电池电压V_BA的准确监控。

在步骤S3的第四阶段(t3-t4)中，充电电流进入脉冲阶段。电池电压V_BA逐渐接近额定电压V_R。本发明该实施例中四个阶段的顺序组合对充电机的最大功率要求低，硬件设计更经济。

请参阅图6，为根据本发明的电池充电方法中脉冲循环的第一实施例的示意图。如图6所示，前述步骤S3中脉冲循环由三个阶段构成：

A阶段：近乎停止充电阶段。以第一补充电流I_a对电池进行恒流充电，优选地第一补充电流I_a约为最大恒流电流I_set的0到10％。A阶段充电持续时间T_a约为5s到30s。

B阶段：较大电流补充充电阶段。以第二补充电流I_b对电池进行恒流充电，优选地第二补充电流I_b为最大恒流电流I_set的60到100％。B阶段充电持续时间T_b为1分钟到5分钟。

C阶段：较小电流补充充电阶段。以第三补充电流I_c对电池进行恒流充电，优选地第三补充电流I_c为最大恒流电流I_set的20到50％。C阶段充电持续时间T_c为1分钟到5分钟。

步骤S3中可以采用N个脉冲循环，循环次数N为2次到5次。虽然上述给出了第一补充电流I_a、第二补充电流I_b和第三补充电流I_c的具体参考数值范围，但是本发明并不限于此，而可以采用其它大小的充电电流，只需满足I_a<I_c<I_b。

请参阅图7，为根据本发明的电池充电方法中脉冲循环的第二实施例的示意图。如图7所示，前述步骤S3中脉冲循环的三个阶段A-C可以采用变压充电实现电流大小的调节。即A阶段、B阶段、C阶段分别采用第一补充电压V_a、第二补充电压V_b和第三补充电压V_c对电池进行恒压充电，且V_a<V_c<V_b。其具体实施办法是：A阶段、B阶段、C阶段分别调整充电器的输出电压给定值即充电电压的高低，从而实现变化的电流值，虽然充电电流在A阶段、B阶段、C阶段分别不恒定，但是总体可以得出三个阶梯段的变化电流如图7所示。

第四阶段中的脉冲循环除了前述图6和图7给出的A阶段、B阶段和C阶段三种组合，还可以是任意两种组合，且A阶段、B阶段和C阶段的顺序可以颠倒或任何组合。最优选地，采用三种阶段依次组合，A阶段短时的停止充电、B阶段较大电流补充充电和C阶段较小电流补充充电，三种阶段循环控制，会大大降低电池的极化反应，有利于电池在充电最后阶段的有效率地充电。该第四阶段的脉冲曲线设计在电池充饱与电解液温度两个对立面实现较好的平衡点。

本发明还提供了一种电池充电装置。请参阅图8，为根据本发明优选实施例的电池充电装置的模块示意图。如图8所示，该电池充电装置包括：控制器10、电池充电电路20和电压侦测电路30，用于对电池40进行充电。

控制器10分别连接至电池充电电路203与电压侦测电路30，用于执行程序以实现前述的电池充电方法中的步骤，如步骤S1-S3，或者步骤S0-S3。

电池充电电路20受控于控制器10，并连接电池40，用于提供前述电池充电方法的步骤中所需的充电电流或者充电电压，对电池40进行充电。

电池侦测电路30受控于控制器10并连接电池40，用于提供侦探电池40的电池电压V_BA并反馈给控制器10。该电池侦测电路30可以将电池电压V_BA的实际反馈值提供给控制器10。

控制器10、电池充电电路20与电压侦测电路30分别可直接采用对应的相关公知电路技术或是公知电路组件实现。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (11)

1.一种电池充电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、以最大恒流电流I_set对电池进行恒流充电，使电池电压达到第一预设电压V₁；

S2、通过电流控制方式对电池进行充电，控制充电电流根据电池电压上升而逐步减小，使电池电压达到第二预设电压V₂；

S3、通过脉冲循环对电池进行充电，使电池电压达到额定电压V_R。

2.根据权利要求1所述的电池充电方法，其特征在于，所述最大恒流电流I_set为电池容量的10％至20％。

3.根据权利要求1所述的电池充电方法，其特征在于，该方法还包括在步骤S1之前执行的步骤S0：采用第一预充电流I₁对电池进行恒流充电，在达到预设固定时间时停止；或者从所述第一预充电流I₁逐渐上升到所述最大恒流电流I_set对电池进行电流控制方式充电，其中，所述第一预充电流I₁为所述最大恒流电流I_set的20％至40％。

4.根据权利要求3所述的蓄电池充电方法，其特征在于，所述第一预充电流I₁为所述最大恒流电流I_set的30％。

5.根据权利要求1所述的电池充电方法，其特征在于，所述第一预设电压V₁为2.2V到2.4V。

6.根据权利要求1所述的电池充电方法，其特征在于，所述第二预设电压V₂为2.5V到2.7V。

7.根据权利要求1所述的电池充电方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S2中通过检测电池电压的实际反馈值是否达到第一预设电压V₁或者达到第二预设电压V₂来判断是否停止充电。

8.根据权利要求1所述的电池充电方法，其特征在于，所述步骤S3中所述脉冲循环由以下任意两个或者三个阶段构成：

A)以第一补充电流I_a对电池进行恒流充电；或者以第一补充电压V_a对电池进行恒压充电；

B)以第二补充电流I_b对电池进行恒流充电；或者以第二补充电压V_b对电池进行恒压充电；

C)以第三补充电流I_c对电池进行恒流充电；或者以第三补充电压V_c对电池进行恒压充电；其中，I_a<I_c<I_b，V_a<V_c<V_b。

9.根据权利要求8所述的电池充电方法，其特征在于，所述步骤S3中脉冲循环由A-C三个阶段依次构成，其中，A阶段充电持续时间T_a为5s到30s；B阶段充电持续时间T_b为1分钟到5分钟；C阶段充电持续时间T_c为1分钟到5分钟；第一补充电流I_a为所述最大恒流电流I_set的0到10％；第二补充电流I_b为所述最大恒流电流I_set的60到100％；第三补充电流I_c为所述最大恒流电流I_set的20到50％。

10.一种电池充电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、以最大恒流电流I_set对电池进行恒流充电，使电池电压达到第一预设电压V₁；

S2、通过电压控制方式对电池进行充电，使电池电压达到第二预设电压V₂；在所述电压控制方式中控制充电电压从第一预设电压V₁逐渐上升而充电电流逐渐减小；

S3、通过脉冲循环对电池进行充电，使电池电压达到额定电压V_R。

11.一种电池充电装置，适用于对电池进行充电，其特征在于，所述电池充电装置包括：控制器、电池充电电路和电压侦测电路；

所述控制器用于执行程序以实现权利要求1-9中任意一项所述的电池充电方法中的步骤；

所述电池充电电路受控于所述控制器以及连接所述电池，用于提供权利要求1-9中任意一项所述的电池充电方法中的步骤所需的充电电流或者充电电压，对所述电池进行充电；

所述电池侦探电路受控于所述控制器以及连接所述电池，用于侦探所述电池的电池电压并反馈给所述控制器。