CN105406546A - 充电系统及其充电装置与充电方法 - Google Patents

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Abstract

一种充电系统及其充电装置与充电方法，所述充电方法包括：对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。本发明技术方案不但能实现目标电池的快速充电，而且还能修复目标电池以延长电池寿命。

Description

充电系统及其充电装置与充电方法
技术领域
本发明涉及充电技术领域，特别涉及一种充电系统及其充电装置与充电方法。
背景技术
蓄电池在如下两种情况下需要充电：1.新蓄电池使用前，必须充电，称初次充电，充电时间大约需要30～50小时；2.蓄电池放电完毕，应立即充电，称正常充电，亦称补充充电，充电时间大约12～15小时。
通常采用恒流充电法或恒压充电法。恒流充电法：在充电过程中，充电电流保持恒定，蓄电池电压逐渐升高，此法充电时间较少，但在充电后期，充电电流大部分能量都用来电解水，蓄电池冒出大量气泡，不仅浪费大量电能，而且使极板活性物质脱落。恒压充电法：在充电过程中，充电电压保持恒定，刚充电时，充电电流很大，随着蓄电池电压的升高，充电电流逐渐减小。此法可避免蓄电池过量充电，但充电初期产生的大电流，亦可损坏极板。
为了避免单独采用恒流充电或恒压充电所产生的弊端，通常的做法是采用分级定流充电法或定流定压充电法，即快充浮充法。分级定流充电法将充电过程分成两个阶段，第一阶段用10小时率电流充电6～7小时，第二阶段用20小时率电流充电14～17小时，一般充到单只蓄电池端电压2.6～2.7伏，连续两小时电压不变，并且直到极板冒泡为止。定流定压充电法将充电周期分成两半，前半周期用0.1C电流将蓄电池端电压充至2.3V左右，后半周期自动切换到定压充电。采用这种方法充电，电解液气泡较少，可节省能源，降低蓄电池温升，减少蒸馏水损耗，改善工作环境，避免极板损耗。
无论是恒流充电法、恒压充电法，还是分级定流充电法、定流定压充电法，在充电过程中都不可避免地会产生如下三种极化现象：
1.电阻极化现象：蓄电池充电过程中，正负离子分别向相反符号极板运动，运动中受到一定阻力，称蓄电池内阻，充电电流流过蓄电池内阻，内阻上产生压降，因此，蓄电池端电压将升高。这种因蓄电池内阻变化引起端电压变化称电阻极化。当充电电流流过极化电阻时，内阻上不断产生热量，导致蓄电池温度上升。
2.浓差极化现象：蓄电池充电过程中，极板表面产生大量离子，在外电源电场作用下，正负离子分别向相反符号极板运动，称离子的电迁移。这种离子电迁移的运动速度远小于化学反应的速度，因此极板和极板附近的离子浓度远大于远离极板处的离子浓度。电解液中离子浓度的不同，必然导致电解液极化。这种因离子浓度差引起的电极电位的变化，称浓差极化。充电电流越大，电化学反应越剧烈，极板表面产生的正负离子越多，因此浓差极化越严重。
3.电化学极化现象：蓄电池充电过程中，外电源不断从蓄电池正极板取得电子输送到负极板，而正负极板上的活性物质与电解液发生电化学反应，但由于电化学反应的速度远小于电子运动的速度，因此，正负极板上形成电荷积累。蓄电池的正负极板形成一个一定容量的电容器，正负极板上积累的电荷越多，则电容器两端电压(即蓄电池端电压)越高，由于电化学反应速度小于电子运动速度而引起的蓄电池端电压升高，称为电化学极化现象。
这三种极化现象都会对充电过程产生影响，其结果是使充电需要更多的电能和更多的时间，尤其是电化学极化现象在实际情况中引起电池电极周边的短暂“钝化”现象，更是大大降低电池充电速度以及缩短电池使用寿命。
因此，如何克服现有技术中充电方法的缺点，使蓄电池充电省时节能，并延长蓄电池的使用寿命，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的问题是现有技术中因充电过程产生的极化/钝化现象而使电池充电速度降低以及缩短电池使用寿命。
为解决上述问题，本发明技术方案提供一种充电方法，包括：对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。
可选的，所述第一充电阶段的维持时间T0为100微秒(μs)～1200微秒。
可选的，所述放电阶段的维持时间T1满足：T0/30<T1<T0/102。
可选的，所述第二充电阶段的维持时间T2满足：T1<T2≤5*T1。
可选的，所述放电阶段和第二充电阶段叠加形成的波形为倒锯齿波形。
可选的，所述放电阶段的维持时间以及施加的电压和电流根据所述目标电池的性能确定。
可选的，所述充电过程为无线充电过程。
为解决上述问题，本发明技术方案还提供一种充电装置，包括：电源、充电单元、放电单元和控制单元；所述电源与所述充电单元相连，所述控制单元与所述充电单元和放电单元相连，所述充电单元和放电单元在所述控制单元的控制下，对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述充电单元在所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电单元在所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述充电单元还在所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。
可选的，所述放电单元为反向微分电路。
为解决上述问题，本发明技术方案还提供一种充电系统，包括：待充电的目标电池以及适于对所述目标电池进行充电的上述充电装置。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下优点：
通过在以恒定充电电压对目标电池进行充电的过程中间隔地插入适度的放电过程，该放电过程以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，并在该放电过程完毕后施加逐步上升的充电电压直至达到所述恒定充电电压继续进行恒定充电，从而使整个充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段，如此能在目标电池的电极周围形成微环境中电子流的涡流，去除电极周边的短暂“钝化”现象，使电极始终保持“新鲜”状态，即最佳充电状态，使电池充电始终保持最佳的充电性能，由此不但能实现目标电池的快速充电，而且还能修复目标电池以延长电池寿命。
进一步地，将所述放电过程施加的电压、电流和功率等均控制在合适的范围内，既能够较好地达到快速充电以及修复电池延长电池寿命的目的，又能够避免因过度放电而影响充电效率以及电池寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的充电方法对应充电曲线的示意图；
图2是目标电池的电极周围形成微环境中电子流的涡流的示意图；
图3是本发明实施例的充电系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细的说明。
为解决因充电过程产生的极化/钝化现象而使待充电电池充电速度降低以及缩短电池使用寿命的问题，本发明实施例提供一种能够实现快速充电且修复电池、延长电池寿命的充电方法，具体包括：对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。
在实际实施时，对于目标电池的具体充电过程通常可以通过充电曲线予以体现，本发明实施例中使用特殊的充电曲线。如图1所示，横轴表示充电过程的时间进度，纵轴表示充电过程中施加的电压；平行于横轴的水平直线表示以恒定充电电压Vc对目标电池进行直流充电的第一充电阶段，第一充电阶段的持续时间为T0，T0＝t0-0；第一充电阶段结束后，紧接着是以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电的放电阶段，所述放电阶段在图1中以t0时刻与t1时刻之间的弧线表示，其在t0时刻的初始放电电压值(绝对值)一般小于或等于恒定充电电压Vc，图1中以“-Vc”表示该初始放电电压，从t0时刻开始所施加的放电电压值不断降低，直至达到t1时刻的0电压，所述放电阶段的持续时间为T1，T1＝t1-t0；放电阶段结束后，紧接着是以持续上升的充电电压对目标电池进行充电的第二充电阶段，所述第二充电阶段在图1中以t1时刻与t2时刻之间的弧线表示，其在t1时刻所施加的充电电压为0，此后充电电压持续上升，直至达到t2时刻的充电电压，该充电电压的值即为第一充电阶段的恒定充电电压Vc，所述第二充电阶段的持续时间为T2，T2＝t2-t1，至此完成由依次连续的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段构成的一个充电循环过程。
在一个充电循环过程中的所述第二充电阶段结束后，便开始下一个充电循环过程，继续参阅图1，仍然先以恒定充电电压Vc对目标电池进行直流充电，即执行下一个充电循环过程中的第一充电阶段，其持续时间为T3，T3＝t3-t2，显然T3＝T0；同理，此后便继续依次执行本次充电循环过程中放电阶段和第二充电阶段，此前已详细描述，此处不再赘述。
因此，对于目标电池的整个充电过程是由一个个充电循环过程构成，其中的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段依次连续且循环往复。
需要说明的是，本实施例中，一个充电循环过程中是以所述第一充电阶段作为起始阶段为例进行说明的，而本领域技术人员能够理解的是，作为循环往复的过程，所述第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段中的任何一个阶段均可以作为整个充电过程的起始阶段，例如先执行第二充电阶段，而后依次执行第一充电阶段和放电阶段，或者先执行放电阶段，而后依次执行第二充电阶段和第一充电阶段。
本实施例中，所述放电阶段和第二充电阶段叠加在一起形成的波形为倒锯齿波形，如图1中t0时刻与t2时刻之间的弧线所示，如此实现了放电阶段与充电阶段之间的平滑过渡，该过程中既没有过多的电压突变，也不存在停止充电的时间间隔，却能够达到去除电极周边的短暂“钝化”现象以保持电池最佳充电性能的目的，并且确保了更高的充电效率，所以整个充电过程的充电曲线可以直观地认为是在“直流波形”(水平的直线)的基础上叠加了“倒锯齿波形”，整体上呈现为一段直线，然后一段斜向上的弧线(即倒锯齿形状的弧线)，再一段直线，再一段斜向上的弧线，如此间隔呈现的波形图。
通过使用上述特殊的充电曲线，能够实现在目标电池的电极周围形成微环境中电子流的涡流，如图2所示，从而去除电池电极周边的短暂“钝化”现象，使电极始终保持“新鲜”状态，即最佳充电状态，使电池充电始终保持最佳的充电性能；此外，由于充电电流决定了电阻极化现象和浓差极化现象的强度，当充电电流中断时(放电阶段)，电阻极化现象和浓差极化现象立即消失。
需要说明的是，虽然现有技术中也会存在对电池进行放电过程，然后再充电，但与本发明技术方案提供的充电方法相比存在本质区别，因为现有技术通常是先经过一个电池放电过程达到一定程度，然后持续以恒定电压进行直流充电，即使另有变化，也只是分阶段，例如前期大功率充电，后期减小充电功率，而非如本发明技术方案那样放电阶段和充电阶段是间隔形成且中间不存在停止充电的时间间隔。
在实际实施时，所述充电过程中的各个阶段的持续时间以及施加的电压、电流、功率等均需要控制在合理的范围之内，尤其是所述放电阶段的反向电流的电压、电流、功率等均要在实验数据以内，否则不但反而会达不到快速充电、修复电池以延长使用寿命的目的，甚至还可能会损坏电池，因为过度放电首先降低充电效率，持续时间长就会容易造成电极表面损伤，影响电极寿命，从而影响电池寿命。
为此，本申请发明人经过长期实验，努力探求所述充电过程中的各个阶段之间的关系以及每个阶段中各项参数的取值范围，这些对于充电效率和电池性能、电池寿命的影响。
作为优选的实施例，本实施例中的第一充电阶段的维持时间T0为100微秒～1200微秒；所述放电阶段的维持时间T1应当满足：T0/30<T1<T0/102；所述第二充电阶段的维持时间T2满足：T1<T2≤5*T1。
当然，在实际实施时，所述放电阶段的维持时间以及施加的电压和电流是需要根据所述目标电池的性能进行确定的。
在实际实施时，所述充电过程既可以是常用的有线充电过程，也可以是目前具有较好发展前景的无线充电过程，所述充电过程的类型不影响充电方法实施的效果。
基于上述充电方法，本发明实施例还提供一种充电装置，包括：电源、充电单元、放电单元和控制单元；所述电源与所述充电单元相连，所述控制单元与所述充电单元和放电单元相连，所述充电单元和放电单元在所述控制单元的控制下，对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述充电单元在所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电单元在所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述充电单元还在所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。
此外，本发明实施例还提供一种充电系统，包括：待充电的目标电池以及适于对所述目标电池进行充电的上述充电装置。
可以参阅图3，所述充电系统包括待充电的目标电池40以及适于对所述目标电池40进行充电的充电装置30；其中所述充电装置30包括电源301、充电单元302、放电单元303和控制单元304；电源301与充电单元302相连，用于满足通过充电单元302对目标电池40进行充电时的供电需求，控制单元304与充电单元302和放电单元303相连，充电单元302和放电单元303在控制单元304的控制下，交替地对目标电池40进行充电和放电。
在实际实施时，电源301具体可以是开关稳压电源，也可以是线性稳压电源，还可以是整流滤波后的脉动电压。
具体实施时，所述放电单元303可以通过反向微分电路予以实现。本领域技术人员知晓，所述反向微分电路可以通过现有技术中的常用手段实现，只不过该反向微分电路工作时需要配合特定的参数设置，具体对充电装置30中的反向微分电路的参数设置可以参考上述充电方法中的相关描述。
所述充电系统及其充电装置的具体实施也可以参考上述充电方法的实施，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中的充电系统及其充电装置的全部或部分是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质可以是ROM、RAM、磁碟、光盘等。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种充电方法，其特征在于，包括：对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。
2.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述第一充电阶段的维持时间T0为100微秒～1200微秒。
3.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述放电阶段的维持时间T1满足：T0/30<T1<T0/102。
4.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述第二充电阶段的维持时间T2满足：T1<T2≤5*T1。
5.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述放电阶段和第二充电阶段叠加形成的波形为倒锯齿波形。
6.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述放电阶段的维持时间以及施加的电压和电流根据所述目标电池的性能确定。
7.根据权利要求1所述的充电方法，其特征在于，所述充电过程为无线充电过程。
8.一种充电装置，其特征在于，包括：电源、充电单元、放电单元和控制单元；所述电源与所述充电单元相连，所述控制单元与所述充电单元和放电单元相连，所述充电单元和放电单元在所述控制单元的控制下，对目标电池进行的充电过程包含依次连续且循环往复的第一充电阶段、放电阶段和第二充电阶段；所述充电单元在所述第一充电阶段以恒定充电电压对所述目标电池进行直流充电；所述放电单元在所述放电阶段以持续降低的放电电压对所述目标电池进行放电，直至施加的电压为零；所述充电单元还在所述第二充电阶段以持续上升的充电电压对所述目标电池进行充电，直至施加的电压达到所述恒定充电电压；所述放电阶段的初始放电电压小于或等于所述恒定充电电压。
9.根据权利要求8所述的充电装置，其特征在于，所述放电单元为反向微分电路。
10.一种充电系统，其特征在于，待充电的目标电池以及适于对所述目标电池进行充电的如权利要求8或9所述的充电装置。
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