CN113131023A - 一种限制锂电池极化现象的充电方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种锂电池的充电方法，在充电过程中监控极化现象，根据极化现象改变充电脉冲，进而减小极化现象对电池寿命的影响。将充电过程分成多个步骤，使用脉冲电流给电池充电，根据正负极之间的电压的变化速度，调节电流脉冲的幅度和脉冲的宽度以及相邻脉冲之间的时间间隔；根据电池温度情况调整充电电流。本方法自动适应锂电池的情况，既保证了最大的充电速度又减少了极化现象，延长了锂电池的寿命，缩短了在低温下的充电时间，避免了在高温下充电电流过大引起电池损坏。

Description

一种限制锂电池极化现象的充电方法

技术领域

本发明涉及到锂电池领域，特别是涉及一种改变充电脉冲和限制极化现象的充电方法。

背景技术

锂电池有着广泛的应用场景，已成为许多重要仪器设备的电源，但锂电池存在充电时间长的缺点，缩短充电时间是用户长期以来的愿望。在充电过程中的极化现象会导致电池损伤和缩短电池的寿命，减少电池损伤和延长电池寿命也是用户的愿望。

在锂电池领域常使用充放电倍率C反应电流的大小，充放电倍率等于充放电电流除以电池的额定容量（单位是安•时），为了缩短充电时间，常使用大的充电倍率，而大的充电倍率会产生更加严重的极化现象。

在一些专利中，在充电过程中添加负脉冲，采用脉冲放电的方式减小极化，这些方式不仅复杂，而且放电还消耗额外的电能，充电时间较长，充电设备复杂，成本较高。在另外一些技术中采用脉冲充电，在脉冲的间隙电池自然恢复，消除极化现象，但是缺乏一种方法判断脉冲是否应该结束或新的脉冲什么时间开始，导致不能很好的消除极化现象或脉冲间隙时间太长，难以获得最佳的充电速度。

在现有技术中，有多篇文献涉及锂电池的充电方法。申请公布号为CN112104031A、CN111755764A、CN109510285A、CN112216887A、CN111934037A、CN106532159A、CN106532160A、CN106816659A、CN108258346A、CN103682499A、CN111162332A、CN111697279A、CN103500858A、CN101728579A、CN111614139A的中国专利中都涉及到快速充电方法，它们都没有使用简单的方法来反应电池的极化现象，没有根据极化现象及时改变充电方式，仍然存在极化现象严重、充电时间长、设备和方法复杂的缺陷。

同种型号不同批次的锂电池有一定的差异，锂电池使用一段时间后性能会发生变化，现有的技术对这些存在一定差异的电池都使用相同的方法充电，难以根据电池的情况自适应地调整充电参数。现有的技术为了适应充电过程中不同的电池荷电状态，常常把充电过程分成几个不同的阶段，这几个阶段是固定的，难以自动调整，不能很好的适应充电过程中不同的电池荷电状态，难以达到较好的充电速度和充电效果，难以达到较短的充电时长。

现有的技术没有一种简单的方法来反应电池的极化现象，不能根据极化现象及时改变充电方式，现有的方法仍然存在充电时间较长和电池极化严重的缺陷，现有技术不能满足用户需求，如何提供一种解决上述技术问题的方法是本领域的技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种通过简单的方式监控电池极化现象及时改变充电电流的方法，达到既能限制极化现象又能缩短充电时间的效果。本发明公开了一种限制锂电池极化现象的充电方法，包含以下步骤，

步骤一，流过电池的电流为零，检测电池正负极之间的电压，等待电池正负极之间的电压稳定后，将此时的正负极之间的电压记为U1；

步骤二，根据U1确定电流的幅度I2，使用稳定的电流I2给电池充电，在充电过程中，检测正负极之间的电压，在充电电流为I2时正负极之间的电压记为U2，在充电过程中U2先快速上升，然后U2上升的速度逐步变慢，当U2的上升速度降到阈值Vt2时，将充电电流降为0；

步骤三，当流过电池的电流回到零以后，检测电池正负极之间的电压，此时正负极之间的电压记为U3，U3先快速下降，然后U3下降的速度逐步变慢；

重复步骤一到步骤三，直到U1达到阈值Ut4，充电结束；

在步骤二中计算Vt2的方式如下：Vt2=（充满电时电池开路电压－电量为0%时电池开路电压）×充电电流I2×系数K / 电池的容量；所述的系数K是和电池特性有关的数字，K的取值范围是1.05到5之间。

优选的，在所述的步骤二中，当U1小于阈值Ut11时，电流的幅度I2为I21；当U1大于Ut11并小于Ut12时，电流的幅度I2为I22，I21大于I22。

优选的，在重复的步骤二中，根据电池的温度修改电流幅度，当电池温度小于T1时，本次的充电电流比上一次充电电流大；当电池温度大于T2时，本次的充电电流比上一次充电电流小；当电池温度大于T3时，将充电电流变为零，结束步骤二，进入步骤三；T1小于T2，T2小于T3。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）在充电过程中，在极化现象较强时将充电电流降为零，等极化现象消除后再加载充电电流，限制了极化现象的程度，及时消除了极化现象，不会出现长时间严重的极化现象，减小了极化现象对电池的损伤，延长了电池的使用寿命；（2）在充电过程中，监测电池的温度；当电池温度较低时，增加了充电电流，使电池的温度快速上升到较佳的范围内，提高了充电效率；当电池温度较高时，降低充电电流，减小电池的温升，避免高温充电损坏电池；（3）充电过程中没有负脉冲，没有放电，充电速度快，充电装置简单，成本低；（4）能够自动调整充电的电流脉冲，可以自动适应不同电池的情况，也可以自动适应充电过程中电池不同的荷电状态，能够达到较好的充电速度和充电效果，能够达到较短的充电时长。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例中电池正负极之间的电压随着时间的变化情况。

图2是本发明实施例中充电电流随着时间的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

在一种限制锂电池极化现象的充电方法的实施例中，包含以下步骤：

步骤一，流过电池的电流为零，检测电池正负极之间的电压，等待电池正负极之间的电压稳定后，将此时的正负极之间的电压记为U1。实施例中使用的是单个锂电池，在充电器中使用AD转换器和单片机检测锂电池的电压。参考图１和图2，图１中的纵坐标为电池正负极之间的电压，单位是伏特；横坐标是时间，在t0时刻到t1时刻之间没有流过电池的电流，反复测量正负极之间的电压，等待正负极之间的电压稳定后，将此时的正负极之间的电压记为U1。实施例中，每100毫秒测量一次正负极之间的电压，当连续五次测量结果之间的差异都在误差范围内时，认为测量结果稳定了。

流过电池的电流为零时，当电池正负极之间的电压稳定后表明极化现象已经消除了。在测量电池正负极之间的电压过程中，测量电压会导致电池的正负极流过微弱的电流，该电流对电池的影响非常微弱，该电流远小于电池正常充放电时的电流，由测量电压引起的电流可以忽略不计，认为测量电压不会导致电流通过电池正负极。

步骤二，根据U1确定电流的幅度I2，使用稳定的电流I2给电池充电，在充电过程中，检测正负极之间的电压，在充电电流为I2时正负极之间的电压记为U2，在充电过程中U2先快速上升，然后U2上升的速度逐步变慢，当U2的上升速度降到阈值Vt2时，将充电电流降为0。参考图１和图2，根据U1的值确定充电的倍率是3C，电池容量是2安时，得出充电电流I2是6安培。从t1时刻开始使用稳定的6安培电流给电池充电，在充电过程中，检测正负极之间的电压，在充电电流为I2时正负极之间的电压记为U2，开始充电的瞬间正负极之间的电压迅速跳升到U20，然后U2上升的速度逐步变慢，当U2的上升速度降到阈值Vt2时，将充电电流降为0；实施例中Vt2为7.2伏/小时，等于2毫伏/秒；图中t2时刻U2的上升速度降到阈值Vt2，表明极化现象已经比较严重了，此时将充电电流降为零，防止极化现象加剧。当充电电流稳定时，U2的上升速度反映了极化现象的严重程度。

步骤三，当流过电池的电流回到零以后，检测电池正负极之间的电压，此时正负极之间的电压记为U3，U3先快速下降，然后U3下降的速度逐步变慢；参考图1和图2，在t2时刻电流降为零，U3先跳下来，然后U3下降的速度逐步变慢，U3趋于稳定，再次进行步骤一。在没有电流的情况下，当电池正负极之间的电压稳定后表明极化现象消除了。

重复步骤一到步骤三，直到U1达到阈值Ut4，充电结束。在一个实施例中，使用的是18650圆柱形锂电池，Ut4为4.2V。

在以上过程中通过检测电池正负极之间的电压来监测极化现象，在充电过程中，在极化现象还没有非常严重时就将充电电流降为零，等极化现象消除后再次施加充电电流，不会出现长时间严重的极化现象，及时消除了极化现象，减小了极化现象对电池的损伤，延长了电池的使用寿命。

在另一个实施例中使用的是26650圆柱形锂电池，容量为3安时，在步骤二中，当U1小于阈值Ut11时，电流的幅度I2为I21，Ut11为4.0V，根据电池生产厂家建议使用2C的倍率充电，I21为6A。当U1大于Ut11并小于Ut12时，电流的幅度I2为I22；实施例中，Ut12为4.2V，I22为1.5A，对应的充电倍率为0.5C，I21大于I22。在重复的步骤一、步骤二和步骤三中，不断地监测电池正负极之间的电压，根据电压U1调整充电电流，不仅可以防止过度充电，还可以将充电速度提到最快。

在另一个实施例的重复的步骤二中，根据电池的温度修改电流幅度，当电池温度小于T1时，本次的充电电流比上一次充电电流大；当电池温度大于T2时，本次的充电电流比上一次充电电流小；当电池温度大于T3时，将充电电流变为零，结束步骤二，进入步骤三。实施例中温度T1为10摄氏度，当电池温度小于T1时，本次充电电流的幅度比上一次充电电流的幅度增加1%；温度T2为40摄氏度，当电池温度大于T2时，本次充电电流的幅度比上一次充电电流的幅度小1%；T3为50摄氏度，当电池温度大于T3时，将充电电流变为零，结束步骤二，进入步骤三，T1小于T2，T2小于T3。在充电过程中，监测电池的温度；当电池温度较低时，增加了充电电流，使电池的温度快速上升到较佳的范围内，提高了充电速度，改善了充电效果；当电池温度较高时，降低充电电流，避免高温充电损坏电池。

在实施例的步骤二中计算Vt2的方式如下：Vt2=（充满电时电池开路电压—电量为0%时电池开路电压）×充电电流I2×系数K / 电池的容量；在另一个实施例中充满电时电池开路电压是4.2伏，电量为0%时电池开路电压为2.75伏，某次步骤二的充电电流I2是6安培，电池的容量是2安培•小时。系数K是和电池特性有关的数字，优选的K的取值范围是1.05到5之间，实施例中K取2，Vt2为8.7伏/小时，等于2.42毫伏/秒。电池在开路状态下的端电压称为开路电压，电池的开路电压等于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。在对一个特定的电池充电时，系数K始终不变。

给不同的锂电池充电时，在同样的充电电流的情况下，电池正负极之间的电压变化情况不一样，根据电池正负极之间的电压变化情况，本专利自动调整充电的电流脉冲的宽度和相邻电流脉冲的时间间隔，可以自行适应不同电池的情况。当电池的荷电状态不同时，在充电时，电池正负极之间的电压变化情况也不一样，本专利自动调整电流脉冲，可以自动适应充电过程中电池不同的荷电状态，能够达到较好的充电速度和充电效果，能够达到较短的充电时长。锂电池的性能随着使用时长和环境而变化，本专利自动调整电流脉冲，给电池提供较好的充电电流，适应电池的变化。

在一个实施例中步骤二中根据U1确定电流的幅度I2，对于不同的U1使用不同的I2，U1和I2之间的关系由生产电池的厂家通过实验确定，并记载在产品说明书中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种限制锂电池极化现象的充电方法，其特征是：包含以下步骤，

步骤一，流过电池的电流为零，检测电池正负极之间的电压，等待电池正负极之间的电压稳定后，将此时的正负极之间的电压记为U1；

步骤二，根据U1确定电流的幅度I2，使用稳定的电流I2给电池充电，在充电过程中，检测正负极之间的电压，在充电电流为I2时正负极之间的电压记为U2，在充电过程中U2先快速上升，然后U2上升的速度逐步变慢，当U2的上升速度降到阈值Vt2时，将充电电流降为0；

步骤三，当流过电池的电流回到零以后，检测电池正负极之间的电压，此时正负极之间的电压记为U3，U3先快速下降，然后U3下降的速度逐步变慢；

重复步骤一到步骤三，直到U1达到阈值Ut4，充电结束；

在步骤二中计算Vt2的方式如下：Vt2=（充满电时电池开路电压－电量为0%时电池开路电压）×充电电流I2×系数K / 电池的容量；所述的系数K是和电池特性有关的数字，K的取值范围是1.05 到5之间。

2.根据权利要求1所述的一种限制锂电池极化现象的充电方法，其特征是：在所述的步骤二中，当U1小于阈值Ut11时，电流的幅度I2为I21；当U1大于Ut11并小于Ut12时，电流的幅度I2为I22，I21大于I22。

3.根据权利要求1所述的一种限制锂电池极化现象的充电方法，其特征是：在重复的步骤二中，根据电池的温度修改电流幅度，当电池温度小于T1时，本次的充电电流比上一次充电电流大；当电池温度大于T2时，本次的充电电流比上一次充电电流小；当电池温度大于T3时，将充电电流变为零，结束步骤二，进入步骤三；T1小于T2，T2小于T3。

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