CN1137183A - 碳阳极锂蓄电池的充电方法 - Google Patents

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伊克萨维·安德鲁
菲利普·巴南
安托尼·松奈
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Abstract

本发明涉及碳阳极锂蓄电池的充电方法，该方法包括：第一步骤是强制性保持一个恒定不变的电流强度并使蓄电池的电压增加到参考电压为止，然后进行第二步骤，在该步骤中施加一个参考电压而使电流强度降低。本发明方法的特征在于：使参考电压时刻都等于蓄电池充电目标电压与蓄电池欧姆电阻乘以电路中电流强度之积的和。

Description

碳阳极锂蓄电池的充电方法
本发明涉及一种带有碳阳极的锂蓄电池或由若干个这种蓄电池相联组成的电池组进行充电的方法，本发明还涉及使用这种充电方法的装置。
到目前为止，这些蓄电池都装有金属锂阳极，其工作性能由于溶解/再结晶(伴随着枝晶的形成)而限制了蓄电池的可应用电流密度和使用寿命。近来研制出的一些蓄电池都带有含碳的材料的阳极，该材料在充电时先吸收锂离子，而后在放电的过程中，解吸锂离子。这类蓄电池的阴极含有一种掺入材料，通常为添加有导电材料(通常为碳)的金属氧化物(二氧化锰、氧化钴、氧化镍、等……)。
公知的充电方法包括两个主要步骤。在第一个步骤中，使蓄电池保持一恒定的充电电流强度。这时，蓄电池电压将逐渐增加直到这种型号蓄电池的充电特性曲线上的目标电压。事实上，由第一个步骤所获得的充电率只有50％-70％左右。
在第二个步骤中，使在第一步骤结束时的电压值保持一定必要的时间，以便得到所期望的一般为75％-95％左右的充电率，这时，电流强度开始降低，一直降低很低的值。
在某些情况下，这蓄电池的充电时间需要尽可能地缩短，尤其是对装入在便携式仪器中的的蓄电池，更是如此，对于那类装置来说使用者都要求能够很快地完成充电。
第一步骤中的恒定电流强度值只有在充电效率降低时才可增加，这表明：采用相同供电量，在第一步骤结束时充电率将比较高。在第二步骤时，可能达到的最大充电率受蓄电池阻抗的限制。因而增加第二步的持续时间是无用的。在这些已知的条件下，减少充电时间往往只能得到不完全的充电。
在专利US-5,204,611中提出了一种解决办法，该方法充电目标电压受零电流所测电压的控制。这种方法因为必须把存储装置与伺服装置组合起来，所以比较复杂。此外，它不能适用于各种工艺的蓄电池，比如螺旋形蓄电池就具有大的感抗分量。
因此，本发明的目的是提供一种不仅比现有方法更快而且还能达到相同量值充电率的对锂蓄电池充电的方法。
本发明另一个目的是提供一种快速且不损害蓄电池又不降低蓄电池使用寿命的对锂蓄电池充电的方法。
本发明还有一个目的是提供一种使用简单又适合各种工艺的蓄电池的快速充电的方法。
本发明的内容是关于以充电目标电压和欧姆电阻为特征的碳阳极锂蓄电池的充电方法，该方法包括：第一个步骤是强制性保持一恒定不变的电流强度，则所述蓄电池的电压将增加，直到参考电压值，然后进行第二个步骤，在此步骤中施加所述参考电压使所述电流强度降低，该方法的特征在于：每一时刻所述参考电压都等于所谓的充电目标电压与上述电流强度乘以上述欧姆电阻之积的和。
这里所提及的欧姆电阻被定义为蓄电池高频测量阻抗的实部值。具体地是包括由于电流集电器(电子导电)和分离器(离子导电)形成的电阻。在低频下，内阻包括欧姆电阻，也包括扩散电阻和传导电阻。对碳阳极锂蓄电池，欧姆电阻不变化。即使欧姆电阻可能发生很小的变化，则对这个变化所用的补偿值也是很小的。
本发明方法用于给欧姆电阻为R的蓄电池充电，其充电目标电压为Uf，第一个步骤达到恒定电流强度Ic。用下式确定可判断第一步骤结束的参考电压Ur：
              Ur＝Uf+(Ic×R)
第二个步骤是施加一个使电流强度Ii减少的参考电压Ui。该电压Ui每一时刻都随着Ii的变化而变化，并由下面的计算公式求出：
              Ui＝Uf+(Ii×R)式中i表示所进行的测量序数而且从1至N变化，N是测量总序数。
仅作一次测量就能确定第一步骤的参考电压，因为电流是恒定的值。所述参考电压的值一直通过模拟伺服电路或通过软件进行计算。
于是，采用本发明的方法就可以使总的充电时间缩短为现有方法充电时间的30％，同时仍保持较高的充电率。
利用本发明方法对蓄电池进行充电所使用的装置包括：
根据电流确定电压的电源；
存储所述充电目标电压和所述欧姆电阻的存储单元；
测量所述蓄电池的上述电流强度和上述电压的测量单元；
通过计算所述充电目标电压与电流强度乘以欧姆电阻之积的和的计算参考电压的计算单元；
将所述测量的电压与所述参考电压进行比较的比较单元；
将所述参考电压施加给蓄电池的装置。
被装置存储的待充电蓄电池的特性的充电目标电压和欧姆电阻由使用者指定。对充电电路中通过的电流进行测量，把所测量的电流与蓄电池的欧姆电阻R相乘并将其积与蓄电池充电的目标电压Uf相加。因此获得了对于所考虑电流Ii的参考电压Ui值，比如：
                Ui＝Uf+(Ii×R)
将所测量的蓄电池实际电压与参考电压值进行比较，该参考电压值是根据第一步骤所要求的恒定电流强度计算出的。使蓄电池的实际电压一直增加到参考电压值，由此决定充电结束。
在第二个步骤中，由瞬时电流的测量周期性地重复计算参考电压，而且把所得到的计算值的电平加给蓄电池。
本发明的其它特征和优点将在通过阅读下面的实施例和参看附图而显示出来，当然，该实施例是作为说明而给出的而不是任何限制性的说明，以下对附图的图面进行说明。
图1是本发明方法充电装置的示意图。
图2示出了充电过程中电路中电流强度的变化。
图3示出了在充电过程中蓄电池电压的变化。
图4指出了本发明方法所得到的时间增益，与已有方法获得的时间增益的对比，所述的增益是随着两种不同的充电状态所达到的充电率而变化的。
图1概括地表示出一种本发明的充电装置。待充电的蓄电池1用两条充电缆线3和4与充电装置2相连，这两条充电缆线分别与蓄电池1的正、负端相连接。单元2包括一个由电流限定的电压的电源5。测量单元包括一个测量电流强度用的安培计6和一个用来测量蓄电池两端电压的伏特计7。存储、计算和比较单元都组装在一个数据处理单元8中。该处理单元可按照由计算所确定的值来调节充电的电流强度值和电压值。
图2示出了以安培为单位的电流强度I随充电时间t(以分钟表示)的变化，而图3表示的是碳阳极锂蓄电池的电压U(以伏特为单位)随时间t的变化。待充电蓄电池的标定容量为/Ah(安培小时)，而且其充电目标电压为4.2伏，串联欧姆电阻为100毫欧。例如欧姆电阻可在充电开始之前用公知的电流切断方法来测量。
另一方面，按照现有方法，采用第一个步骤按约1A的恒定电流强度(曲线10)进行充电。电压(曲线20)从3.2V的初始值增加到4.2V的充电目标电压值。在第一步骤结束时、蓄电池充电率达到60％。然后在第二个步骤中把电压一直保持在4.2V的恒定值。电流强度一直降低到很小的最终值。第二步骤的持续时间约2小时，因而3小时后得到约80％的最终充电率。
另外，按照本发明的方法，如前所述那样，按1A的恒定电流强度(曲线11)进行充电。电压(曲线21)一直增加到它要达到的4.2V充电目标电压值。这时，第一步骤应一直继续直到所确定的参考电压。该参考电压是由充电终止电压(4.2V)与瞬时电流强度(1A)乘以蓄电池欧姆电阻(0.1Ω)之积的和而计算出来的即4.3V。
在第二步骤中，外加一个应该每一时刻都等于充电目标电压(4.2V)与欧姆电阻(0.1Ω)与瞬时电流强度的乘积相加的和的参考电压。这时电流强度以比现有方法中更快的速度减小直到变得很小。对蓄电池所强加的参考电压不再是固定不变的，而是随着电流强度而变化的。于是第二个步骤的周期时间明显地减少而使最终的充电率经常为80％左右。这样，就在2.5小时的时间内完成了充电，即时间节省17％。
图4指出了用本发明方法所缩短的充电时间Δt与现有方法对蓄电池充电所必需的时间t之间的比Δt/t，该比值随充电率C/Cn而变化(C/Cn是实际充电容量C与蓄电池理论标定容量Cn的比)对1Ah容量的蓄电池用本发明方法以1A的充电状态进行了充电(曲线30)。充电率增加则节省量也提高很快。而对于标定容量的约95％的充电率来说达到了21％的最大时间节省量。
对于1.5A的更快的充电状态(曲线31)，标定容量的95％左右的充电率可达到33％的最大时间节省量。
当然，本发明并不限于上面所描述的实施方案，对于本技术领域内的普通技术人员，可以在不脱离本发明构思的情况下做出各种实施变型，特别是人们可以在不离开本发明范围的前提下，用等同单元取代每一个单元。

Claims (4)

1.一种对具有充电目标电压和欧坶电阻作为特征的碳阳极锂蓄电池进行充电的方法，该方法包括：第一个步骤在保持恒定不变的电流强度的同时，使所述蓄电池的电压增加到参考电压，然后进行第二个步骤，在该第二步骤中施加所述参考电压使所述电流强度降低，该方法的特征在于：在每一时刻，所述参考电压都等于所述充电目标电压加上上述电流强度乘以上述欧姆电阻之积的和。
2.根据权利要求1所述的充电方法，其中所述参考电压要通过计算并且在所述第二步骤中经常进行更新。
3.利用根据上述权利要求所述方法的充电装置，包括：
一个根据电流确定的电压的电源，
存储所述充电目标电压和所述欧姆电阻的存储单元，
测量所述蓄电池电流强度及电压的测量单元，
通过计算所述充电目标电压与电流强度乘以欧姆电阻之积的和的计算参考电压的计算单元，
将所述测量的电压与所述参考电压进行比较的比较单元，
使所述参考电压施加给蓄电池的装置。
4.利用根据权利要求3所述方法的充电装置，其中所述计算单元、比较单元和施加装置都能经常不断地在所述第二步骤中对所述参考电压进行计算和更新。
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