CN107148699B - 用于将电池快速充电的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供一种快速为电池充电的方法和设备，从而使得电池可被快速充电，同时具有延长的寿命。按照本发明的为电池充电的方法，电池充电开始于高于1C的初始充电率，且阶梯式地降低所述充电率，使得该电池的负极电势不会下降到0V或更低电平。可通过防止负极电势下降到0V或更低电平的标准来防止电池负极上镀锂的产生，从而提供快速为电池充电同时延长电池寿命的效果。

Description

用于将电池快速充电的方法和设备

技术领域

本公开涉及电池充电方法和设备，且更特别地，涉及使用充电率阶梯式下降以快速使电池充电并延长电池寿命的电池快速充电方法和设备。

本申请享有于2014年10月30日在韩国提交的韩国专利申请第10-2014-0149420号和于2015年8月3日在韩国提交的韩国专利申请第10-2015-0109510号的优先权，所述优先权申请在此以全文引用方式纳入本文中。

背景技术

近来，对于诸如笔记本电脑和移动电话的便携式电子产品的需求显著增加，且随着对于电动推车、电动轮椅和电动自行车的需求的增加，做出了许多对于可反复充电的高性能电池的研究。此外，随着碳能源的逐渐枯竭和近年来对环境越来越多的关注，对混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)的需求在全球范围内逐渐增加。

相应地，更多的关注和研究集中在HEV和EV的主要部件——汽车电池上，且进一步地，发展快速充电技术来快速为电池充电的需求十分迫切。特别地，对于不具有其他能量来源的EV来说，快速充电是非常重要的性能。

电池充电过程包括允许电流在电池内流动，从而使电荷和能量积聚，且此过程应受到仔细控制。一般地，过度的充电率(C-率)或充电电压会永久地降低电池性能，且最终可能导致完全失效或突然事故，例如极易腐蚀或爆炸的化工材料泄漏。

传统的电池充电方法包括恒定电流(CC)法，该方法从始至终用均匀电流充电；恒定电压(CV)法，该方法从始至终用均匀电压充电；恒定电流-恒定电压(CC-CV)法，该方法在开始充电时用均匀电流充电且在结束充电时用均匀电压充电。

在CC法中，开始充电时，因高电压差而流动高电流。从快速充电的角度看来，充电电流越高越好，但是用高电流连续充电降低了充电效率且影响电池寿命。此外，在CC充电法中，电流(比如开始充电时的电流)在充电结束后仍在电池内持续流动，导致根据锂离子特性形成金属镀膜(镀锂)，从而引发诸如丧失过度充电控制功能这样的安全问题。由于这个原因，电池应在充电结束后立即与充电器分离，这会造成不便。

此外，CV法具有下述缺点，因为温度变化和电池生成的热量，在充电结束时引起端电压的显著变化，所以很难预设恒定电压值，且由于电池通常在15.5～16V下充电20～24小时，充电时间长就是不便之处。

CC-CV法是最常用的。该方法在电池大量放电时用CC充电，且在充电接近结束时及时转换至CV，以防止过度充电。其中“C”代表以A·h为电荷单位(常用Q表示)的电池容量，选择以安培为电流单位的电流作为C的分数(或乘数)。一般地，最高以1C执行充电。对于容量为700mAh的锂电池，电池充电大约需要1.5小时。然而，此充电方法需要在通风良好且标准温度大约25℃的地方，在适宜充电器的充电容量的条件下充电。

前述传统电池充电协议的缺点是当电池充电缓慢或电池内过度充电时，电池的电极板受损，缩短了电池寿命。通常，已做出的研究主要是通过提高诸如输出量的电池性能来实现快速充电。

发明内容

技术问题

本公开涉及提供一种用于为电池快速充电和延长电池寿命的方法和设备。

技术方案

为达到所述目的，按照本公开的电池充电方法来为电池充电，该电池充电方法开始于高于1C的初始充电率(C-率)，且阶梯式地降低充电率以防止电池的负极电势下降到0V或更低。

初始充电率可从1.5C到5C。初始充电率可从1.5C到3C。

按照本公开的电池充电方法包括：在每一不同充电率下测量电池的负极电势作为充电状态(SOC)的函数来获取数据的步骤；从获取的数据中获得协议的步骤，其中该协议阶梯式地改变充电率以防止电池的负极电势下降到0V或更低；和按照协议为电池充电的步骤。

该数据获取步骤中的充电率可在0.25C～5C的范围内。该数据获取步骤中的充电率可在0.25C～3C的范围内。该数据获取步骤中的充电率可在0.25C～1.5C的范围内。该协议可包括在以每一充电率完成充电后，阶梯式地降低充电率(进而降低充电电流)和充电电压信号。

按照本公开的电池充电设备包括：被配置以将从标准电源输入的充电电压输出的电源单元；和被配置以将从该电源单元输入的充电电压作为为电池充电的充电电流而输出到该电池的电池充电单元，且当该电池的充电电压达到预设阶梯，该电池充电单元被配置以改变充电电流，从而使得输出到该电池的充电电流被控制为阶梯式改变，其中该电池充电单元按照协议以阶梯式控制的充电电流来为电池充电，该协议阶梯式地改变充电率以防止电池的负极电势下降到0V或更低。

有益效果

根据本公开，按照协议以阶梯式控制的充电电流来为电池充电，该协议阶梯式地改变充电率以防止负极电势下降到0V或更低。可通过用于防止负极电势下降到0V或更低的标准来防止电池负极上镀锂的产生，进而延长电池寿命并实现快速电池充电。

附图说明

附图示出了本公开的优选实施例以及上述公开内容，用于为本公开的技术精神提供进一步的理解，因此，本公开不被解释为局限于所述附图。

图1为按照本公开的电池充电方法的流程图。

图2示出了作为充电率的函数的负极电势以及基于协议充电期间的负极电势。

图3示出了用按照本公开的方法为电池充电时，充电率(充电电流)随时间变化的图表。

图4为按照本公开使用阶梯式降低的充电电流的充电方法和传统CC-CV充电法的电池寿命对比图表。

具体实施方式

在下文中，本公开的优选实施例将结合附图得到具体说明。然而，本公开不限于下文公开的实施例，且将实施为各种不同形式，且此实施例仅供于充分公开本公开之用，且帮助本领域普通技术人员充分完整地理解本发明。

以恒定电流模式充电的最棘手的问题是由负极表面镀锂引起的电池退化。镀锂更倾向于在充电电流密度(充电率或充电电流)增大和温度降低时产生，为防止镀锂，如果降低充电电流密度，就达不到目标充电速度。本公开可提供在防止电池内产生镀锂的同时缩短充电时间的技术。

当负极电势为0V或更低时，会产生镀锂。因此，本公开通过3电极-电池测试来测量负极电势作为充电电流的函数，且当用每个电流充电时，用数字来定量表示不产生镀锂的充电限度。此外，经由该测试，通过在阶梯式地降低充电电流且控制充电率以防止负极电势降低到0V或更低的同时为电池充电，提供了防止产生镀锂和减少充电时间的多阶梯充电技术。

图1为按照本公开的电池充电方法的流程图。

参考图1，执行在每一不同充电率下测量电池的负极电势作为SOC的函数来获取数据的步骤(s1)。

例如，通过3电极-电池测试来测量所述负极电势作为充电电流的函数。其中“C”代表以A·h为电荷单位(常用Q表示)的电池容量，选择以安培为单位的电流作为C的分数(或乘数)。例如，1C充电率是充满电的电池容量在1小时内被耗尽或充满的充电/放电速度，1C充电率也被称为该时刻的电流密度。近来，随着电子设备的功能多元化，设备在预定时间内需要使用的电流量大量增加。相应地，作为其能量来源的电池需要更高的性能。以移动电话为例，它们中大多数过去需要C/2的充电速度和放电速度，但将来，这些功能会得到进一步提升，需要与1C的充电率和放电率相适应的性能。目前，笔记本电脑的电池、EV和PHEV需要类似的充电率和更高的放电率。

充电率高于1C从快速充电的角度来说是理想的。然而，高电流连续充电往往伴随着电池内部高温热量的产生，且由于电池的电阻，各电极可能处于过压状态。因此，充电率的设定应考虑到电池的类型和特性。

在数据获取步骤中的充电率范围依赖于电池的类型和特性。例如，EV电池可在0.25C～1.5C的充电率范围内获取数据，其中初始充电率被设定为1.5C。另一个例子中，PHEV(插电式混合动力汽车)电池可在0.25C～3C的充电率范围内获取数据，其中初始充电率被设定为3C。初始充电率和充电率范围可能受到电池的类型和实际汽车使用的发动机的最大电流的限制。

如前所述，考虑到电池的特性，EV电池可将初始充电率设为1.5C，且PHEV电池可将初始充电率设为3C。根据需要更快充电率和放电率的电池规格，可增大初始充电率，例如，高达5C。因此，初始充电率可为1.5C至5C，且在本公开中，数据获取步骤的充电率范围可为0.25C至5C。

如前所述，更多的关注和研究都集中在了作为HEV和EV的主要部件的汽车电池上，且此外，为了快速为电池充电，迫切需要发展快速充电技术。在汽车市场中，对充电时间的需求逐渐增多，且为了满足此需求，需要更高的初始充电率。从快速充电的角度看来，更高的初始充电率是有利的，但由于前面指出的问题，当充电率过高时，由于电池的电阻，各电极可能处于过压状态。此外，如果充电率过高，会在充电开始的同时达到限度(在本公开的情况中，该限度为0V或更低的负极电势)，从而无法显著地缩短总充电时间。因此，为了提高初始充电率，应该共同提升电池的电阻特性。本公开可将具有比传统电池更强的电阻特性的电池的初始充电率提高到5C。

图2示出了作为充电率的函数的负极电势。如图2所示，在从1.5C变化到0.25C的充电率下，测量负极电势作为SOC的函数来获得图表。

随后，从所获数据中获得协议，该协议阶梯式地改变充电率以防止电池的负极电势下降到0V或更低(s2)。如果防止了负极电势下降到0V或更低，那么在电池充电期间形成的离子层就会扩散到电解质中并分解，从而防止负极上产生镀锂。

例如，在图2中，可获得如虚线所示的协议，该协议防止负极电势下降到0V或更低。以1.5C的初始充电率开始充电，且负极电势在SOC为35％的点变为0V。该充电率之后变为下一充电率，1.25C。充电期间，负极电势在SOC为47％的点变为0V。该充电率之后变为下一充电率，1C。充电期间，负极电势在SOC为56％的点变为0V。该充电率之后变为下一充电率，0.75C。充电期间，负极电势在SOC为65％的点变为0V。该充电率之后变为下一充电率，0.5C。充电期间，负极电势在SOC为76％的点变为0V。该充电率之后变为下一充电率。

可通过此方法获得协议，且负极电势相对于SOC的图表根据电池类型而变化，但可类似地应用获得协议的方法。

此外，虽然此实施例描述了充电率从1.5C每次降低0.25C直到0.25C，但是初始充电率范围和数据获取阶梯的充电率范围可变化至前述任何程度，且充电率的降低程度可以是除了0.25之外的任意值。由于减小了降低程度，所述阶梯被细分，从而延长了总充电时间，但增强了防镀锂的效果。

图3示出了用本公开的方法为电池充电时，充电率(充电电流)随时间变化的图表，且图3表现出的协议(最终充电率为0.4C，而非0.25C)与图2所示的按照充电率随时间变化的形式示出的协议类似。

用于为电池充电的充电器的充电电流随着时间推移，从对应1.5C的初始充电率阶梯式地下降到最终充电率。如前所述，因为充电率用来防止负极电势下降到0V或更低，所以每个充电率在其中得到保持的时间(t1至t6)可能变化。如上所述，本公开测量负极电势作为充电率的函数，且当以该充电率用每个电流充电时，用数字来定量表示不产生镀锂的充电限度。

随后，按照协议为电池充电(s3)。该协议可包括，在以每个充电率完成充电后，阶梯式地降低充电率和充电电压信号。根据本公开，通过施加按照协议优化过的充电电流来为电池充电。

可使用按照本公开的电池充电设备来实现充电协议。电池充电设备包括：被配置以将从标准电源输入的充电电压输出的电源单元；和被配置以将从电源单元输入的充电电压作为为电池充电的充电电流而输出到电池的电池充电单元，且当该电池的充电电压到达预设阶梯时，该电池充电单元被配置以改变充电电流，从而使输出到电池的充电电流被控制为阶梯式地改变。该电池充电单元按照协议以阶梯式控制的充电电流来为电池充电，该协议阶梯式地改变充电率以防止电池的负极电势下降到0V或更低。

按照本公开的充电方法的协议的逻辑可与所述电池充电设备相结合，且可用于为电池充电。该电池充电单元采用了用于实现快速充电的处理器。根据本公开的实施例，该处理器将充电协议的逻辑储存在存储器中，且以高准确度测量出电压和电流，以实现准确的控制并维持设备性能。

表格1总结了按照充电协议实际充电时的充电电压和充电时间，该充电协议是基于每个电流密度的负极电势而设定的，而不会将负极电势降低到0V或更低。

表格1

当电池以1.5C的初始充电率充电时，达到SOC为35％(即，电池的充电电压为3.823V)的点需要14分钟(t1)。当电池以按照协议改变至下一充电率1.25C的充电率充电时，达到了SOC为47％的点，且在此时，电池的充电电压为3.832V且花费了5.76分钟(t2)。当电池以按照协议改变至下一充电率1C的充电率充电5.4分钟(t3)时，达到了SOC为56％的点，且在此时，电池的充电电压为3.84V。当电池以按照协议改变至下一充电率0.75C的充电率充电时，达到了SOC为65％的点，且在此时，电池的充电电压为3.857V，且此阶梯的维持时间为7.2分钟(t4)。当电池以按照协议改变至下一充电率0.5C的充电率充电13.2分钟(t5)时，达到了SOC为76％的点，且在此时，电池的充电电压为3.95V。当电池以按照协议改变至下一充电率0.4C的充电率充电时，达到了SOC为80％的点，且在此时，电池的充电电压为4.0V，且这一阶梯花费了6分钟(t6)。

从表格1中可以看出，按照本公开的教导内容的执行导致下述充电概况，其中在51.56分钟(t1+t2+t3+t4+t5+t6)内获得了完全充电的80％(80％SOC)，造成充电时间减少；即使在完全充电的情况下，充电时间也比按照传统方法以1C的充电率完全充电所需的大约1.5小时少。

此外，按照本公开，由于该充电过程经控制以防止负极电势降到0V或更低，当与一般的CC-CV充电法相比时，负极上不存在产生镀锂的风险，结果是，存在延长寿命的效果。

电池寿命是电池可用的时间度量且其单位是循环，其被称为循环特征。换言之，它表明了该电池在使用期间可重复充电多少次，且在电能的意义上，当电池仅充过一次电且被使用至该电池完全放电时，其被称为1次循环，而循环的次数被称为寿命。

图4为按照本公开使用阶梯式降低充电电流的充电方法和传统CC-CV充电法的电池寿命对比图表，示出了电池容量变化与循环次数的关系。即使在长时间的充电/放电循环后，不降低且维持电池容量也是必要的。

在本公开和常规技术中，在同样的时间执行充电，且在同样的条件(1CCC)下执行放电，对比每种情况下的寿命。在如图4所示的传统方法中，在250次循环后，容量保持率降低到大约96％，而在本公开中，甚至在250次循环后，容量保持率仍为98％或更高。

电池寿命由许多因素决定，且电极的结构稳定性，尤其是负极的结构稳定性是十分重要的。理想的负极具有很高的与锂离子反应的可逆性。当发生理想的可逆反应时，作为循环的函数的容量保持率没有发生变化。可以看出，按照本公开使用阶梯式下降的充电电流的充电方法比传统方法具有更高的反应可逆性，这是因为在负极上防止了镀锂。如上所述，根据本公开的使用阶梯式下降的充电电流的充电方法，可以看出通过防止电池退化，电池寿命比传统电池更长。

按照本公开使用阶梯式下降的充电电流的充电方法，使用高于1C的初始充电率，以阶梯式下降的充电率快速为电池充电，以防止负极电势降低到0V或更低，在不产生镀锂的情况下实现快速电池充电。防止损伤电池的内部结构并延长电池寿命是可能的。

虽然本公开的优选实施例已在上文中得到阐明和描述，但是本公开不限于上述具体的优选实施例，且对于本领域普通技术人员来说，很明显可以做出各种修改而不背离所附权利要求中要求保护的本公开的本质，且此种修改落入所述权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种电池充电方法，包括：

在每一不同充电率下测量电池的负极电势的步骤；

获取每一不同充电率下所测量的负极电势下降到0V或更低时的SOC的步骤；

从所获取的SOC中获得协议的步骤，其中所述协议在针对每一不同充电率所获取的SOC处，阶梯式地改变充电率；和

按照所述协议为电池充电的步骤。

2.根据权利要求1所述的电池充电方法，其中测量负极电势的步骤中的充电率在0.25C～5C的范围内。

3.根据权利要求2所述的电池充电方法，其中所述协议具有高于1C的初始充电率。

4.根据权利要求3所述的电池充电方法，其中所述协议具有1.5C至5C的初始充电率。

5.根据权利要求1所述的电池充电方法，其中所述协议包括，在以每一充电率完成充电后，阶梯式地降低充电率和充电电压信息。

6.根据权利要求1所述的电池充电方法，其中测量负极电势的步骤包括，通过3电极-电池测试测量所述负极电势作为充电电流的函数。

7.根据权利要求1所述的电池充电方法，其中测量负极电势的步骤包括，在所述充电率降低0.25C的同时，测量所述负极电势。

8.一种电池充电设备，包括：

被配置以将从标准电源输入的充电电压输出的电源单元；和

被配置以将从所述电源单元输入的充电电压作为为电池充电的充电电流而输出到电池的电池充电单元，所述电池充电单元被配置以改变充电电流，从而使得输出到电池的充电电流被控制为阶梯式改变，

其中所述电池充电单元按照协议以阶梯式控制的充电电流为电池充电，所述协议阶梯式地改变充电率以防止电池的负极电势下降到0V或更低，

其中所述协议从针对每一不同充电率所测量的负极电势下降到0V或更低时获取的SOC获得；

其中所述协议在针对每一不同充电率所获取的SOC处，阶梯式地改变充电率。