JP2012503277A - 迅速な充電方法 - Google Patents

Abstract

迅速な充電方法が提供される。電池が充電されるとき、電池が充電限界電圧まで充電されると電池は充電を停止し、充電限界電圧はＵ＝２Ｕ_０−Ｕ_ｓに設定され、Ｕ_ｓは一定電流でＵ_０へ充電した後の電圧後退の安定化された電圧であり、Ｕ_０は通常産業界で受け入れられる小さい倍率の一定電流一定電圧充電モードにより使用される通常の充電カットオフ電圧であり、安定化された電圧Ｕ_ｓは次のように規定され、即ち電池が一定電流における充電を停止するとき、電池の開回路電圧の低下がある時間セグメント中のある値よりも小さいとき、即ち電池の電圧が安定であり、この時間セグメントの第１の時間点に対応する電圧が電池の前記安定化された電圧Ｕ_ｓと考えられるときタイミングを開始する。
【選択図】なし

Description

本発明は、電池の分野に属する迅速な充電方法に関し、特にリチウムイオン電池とポリマーリチウムイオン電池のための迅速な充電方法に関する。

自動車電気装置の急速な開発により、二次リチウムイオン電池の迅速な充電性能に対する需要は一層高まっており、最短時間で電池を完全に充電するための方法を見つける方法が望まれている。現在、一定電流一定電圧の充電モードが通常採択され、これは充電プロセスにおいて定電圧を維持するために長い時間がかかり、それによって迅速な充電目的は実現が難しい。迅速な充電の目的は一定電流で電池を充電するときに限界電圧を増加することにより実現されることができるが、電池の限界電圧が僅かに高い場合には電池内で副作用が生じる可能性があり、限界電圧が僅かに低い場合には電池は十分に充電されるのが難しい。CN100392943Cは迅速な充電方法を開示しており、これはインピーダンス電圧低下補償の方法を使用することにより電池の充電電圧を補償し、電池の充電カットオフ電圧はＶ_ｘ＝Ｖ＋ＩＲ_Ω＋ＩＲ_Ωに設定され、ここでＲ_Ωは電池のオーム内部抵抗である。しかしながら、電池では、オーム内部抵抗の抵抗値が直接測定されることができることを除いて、濃度分極インピーダンスの抵抗、電気化学的分極インピーダンス、全ての他の未知のインピーダンスを直接的な方法で測定することは困難である。

本発明の目的は、電池のための簡単で便利な迅速な充電方法を提供するために従来技術の欠点をなくし、迅速な充電を実現するために電池の充電プロセスにおける種々のインピーダンスにより発生された電圧低下を補償するために電池の充電限界電圧を増加し、あるサイクル性能の要求を満足する迅速な充電方法を見つけるために電池の異なる充電速度とサイクル性能との関係を使用することである。

本発明の迅速な充電の目的は以下の手段により達成される。本発明では、充電中止の動作は電池において行われ、オーム抵抗の存在により発生される電池の電圧降下ΔＶ、濃度分極インピーダンス、電気化学的分極インピーダンス、及び前記充電方法下の全ての他の未知のインピーダンスは急速かつ正確に発見され、電池の充電限界電圧は電池の充電プロセスにおける種々のインピーダンスにより発生された電圧降下を補償するために増加される。

リチウムイオン電池では、電池の充電後に電池の安定な開回路電圧は電池に充電される容量に比例する。電池の充電プロセスでは、充電は電圧が充電限界電圧に到達した時に停止され、電池の開回路電圧は再度低下を開始し、徐々に安定になる。電流が電池を通っての流れるときに、オーム抵抗、濃度分極インピーダンス、電気化学的分極インピーダンス、及び電池内の全ての他の未知のインピーダンスが電圧の一部ΔＶを消費するためにこの現象が発生する。電池の迅速な充電プロセスでは、電池の充電プロセスで発生される種々のインピーダンスまたはそれぞれのあるインピーダンスの値の代わりに、実際に関係をもつ必要があることは種々のインピーダンスの組合された動作により発生される電池電圧上の効果、即ち電池の充電がある充電方法下で停止された後に電圧の後退値ΔＶを発見することであり、それによって電池が充電されているときに電池の充電カットオフ電圧を補償する。同じ電池では、異なる充電電流Ｉは異なるΔＶに対応し、充電時にレートが高いならば、電流Ｉは高く、充電後のΔＶは高い。

電池の充電プロセスにおいて、充電電圧が充電限界電圧に到達するとき電池は充電を停止し、電池の２つの局間の充電限界電圧がＵ＝２Ｕ_０−Ｕ_ｓに設定される迅速な充電方法では、Ｕ_ｓは一定電流でＵ_０へ充電された後に電池の電圧が後退する安定化された電圧であり、Ｕ_０は通常は産業界で受け入れられる低いレートの一定電流一定電圧により使用される標準的な充電カットオフ電圧である。

安定化された電圧Ｕ_ｓの選択のタイミングは、電池が一定電流で充電を停止し、中止状態を開始するときに開始する。ある時間セグメントから、電池の開回路電圧の降下はある時間セグメント内のある値よりも小さく、即ち電池の電圧は安定であり、この時間セグメントの第１の時間点に対応する電圧は電池の安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択される。

一定電流でのみ電池を充電する方法が採択される。充電電流は必要とされる充電速度に基づいて選択され、例えば時間ｔ内で電池を十分に充電することが要求されるならば、電池の論理的充電電流は以下のようになる。
Ｉ＝（Ｃ_ｒ／ｔ）×６０ 式（１）
式（１）では、Ｉは電池を充電するために必要とされる電流を表し、Ｃ_ｒは電池の定格容量を表し、ｔは電池を十分に充電する予測時間（最小）を表している。

式（１）に基づいて、電池が一定電流でＵ_０に充電されるときに充電は停止され、その値はＩであり、ここでＵ_０は通常産業界により受け入れられる低いレートの一定電流一定電圧充電モードにより使用される標準的な充電カットオフ電圧であり、これはリチウムイオン電池および電池の組合せモードにより使用される陽極と陰極の材料に依存しており、例えばＬｉＣｏＯ_２／Ｃに基づいた単一のセルの標準的な充電カットオフ電圧は４．２Ｖであり、ＬｉＦｅＯ_４／Ｃに基づいた単一のセルの標準的な充電カットオフ電圧は３．６Ｖである。電池は停止中であり、安定化された電圧の値Ｕ_ｓは電池の開回路電圧が安定であるときに記録され、値がＩである一定電流でリチウムイオン電池の充電が停止した後の電圧の後退値はΔＶ＝Ｕ_０−Ｕ_ｓである。電池が時間ｔ内で十分に充電されることを確実にするために、電池は値がＩである一定電流で充電され、他方で充電限界電圧はＵ＝Ｕ_０＋ΔＶ＝２Ｕ_０−Ｕ_ｓに設定される。以下のモードは安定化された電圧Ｕ_ｓを選択するために使用されることができ、タイミングは電池が一定電流で充電を停止し、中止状態を開始するときに開始し、ある時間セグメントから、電池の開回路電圧の低下がある時間セグメントのある値よりも小さいとき、即ち電池の電圧が安定であるとき、この時間セグメントの第１の時間点に対応する電圧は電池の安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択される。

本発明では、タイミングは電池が一定電流における充電を停止し中止状態を開始した時から開始でき、５分毎が１つの時間セグメントとして役目を行う。ある時間セグメントから開始するとき、５分間の時間セグメント内の電池の開回路電圧の低下は２ｍＶよりも小さく、それは電池の電圧が安定であることを意味し、この時間セグメントの第１の時間点に対応する電圧は電池の安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択される。

本発明では、タイミングは電池が一定電流における充電を停止し、中止状態が開始した時から開始でき、１０分毎が１つの時間セグメントとして役目を行う。ある時間セグメントから開始するとき、１０分間の時間セグメント内の電池の開回路電圧の低下は１ｍＶよりも小さく、このことは電池の電圧が安定であることを意味し、この時間セグメントの第１の時間点に対応する電圧は電池の安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択されることを意味している。

電池が一定電流でＵ＝Ｕ_０＋ΔＶ＝２Ｕ_０−Ｕ_ｓに充電されるとき充電を停止する方法が使用され、一定電流で充電するプロセスは存在しないので、充電速度は増加される。前記方法を実行するため、サイクル寿命と安全性能の最適化が必要とされる。

サイクル寿命の最適化：本発明ではサイクル性能が確実にされる場合に、迅速な充電を実現する目的は以下の手段により達成される。充電電流が増加されるならば充電時間は短くすることができるが、同時にＵ_ｓは減少され、それによって充電カットオフ電圧は僅かに高くなる。電池の充電限界電圧が僅かに高くなるならば、充電プロセスで生じる副作用は電池のサイクル寿命に影響する可能性がある。リチウムイオン電池が迅速に充電されることができるか否かの決定における実質的な影響ファクタは、前記リチウムイオン電池により使用される材料と電池の設計に存在し、充電方法は単に充電速度が可能な限り電池の最高の充電速度に到達することを可能にする。したがってリチウムイオン電池の実用的使用において、電池の充電速度とサービス寿命は最適化されなければならず、それによって、電池が前記充電速度より下でサイクル性能のある要求を満たすことを確実にしながら、より多くの電気量が最短の時間で電池へ充電されることを可能にするために最適な充電速度が必要とされる。本発明の迅速な充電方法に基づいて、一連の充電電流Ｉ_ｉは一定電流でリチウムイオン電池を充電するために使用され、標準的な充電カットオフ電圧Ｕ_０に到達されるまで停止する。一連のＵ_ｓｉとΔＶ_ｉが測定され、充電は一定電流Ｉ_ｉでＵ_ｉ＝Ｕ_０＋ΔＶ_ｉ＝２Ｕ_０−Ｕ_ｓｉに充電した後カットオフされる。実際的に使用される放電電流に基づいた標準的な放電カットオフ電圧への放電はサイクルテストを行い、一連の充電速度サイクル性能データを得て、前記データに基づいて、あるサイクル性能要求を満たす最も迅速な充電方法が得られる。

安全性能の最適化：リチウムイオン電池は異なる充電レートを有する充電−放電サイクル後異なる安全性能を有し、一般的には高いレートを有するサイクルを受ける電池の安全性能は悪くなる。使用中およびサイクル使用の最後におけるリチウムイオン電池の安全性能を確実にするために、サイクル寿命の前述の最適化実験から発生された異なる方法のサイクル後の電池に対して、その安全性は標準的な安全性試験方法に基づいてまたは安全で迅速な充電方法を選択するための制御を失った実際的条件をシミュレートすることによって試験される。サイクル後に安全性の失敗を生じる可能性がある超高いレートの充電方法は選択されることができない。

本発明の方法は充電器を製造するために使用されることができる。

本発明の方法は、共に使用されるための電池で組み立てられる電子コンポーネントを製造するために使用されることができる。

本発明の方法は簡単で、効率的で、実際的で容易に普及され、充電は迅速であり、より多くの電気量を電池に充電することができる。

本発明を以下の実施形態によりさらに説明する。
実施形態１：特性パラメータが定格電圧の３．７Ｖと定格容量の５０ｍＡｈである高いレートタイプのポリマーリチウムイオン電池501417HS10Cであり、電池システムはＬｉＣｏＯ_２／Ｃに基づいた単一セル（Ｕ_０＝４．２Ｖ）であり、それぞれ２０分間および１５分間以内で電池を十分に充電することが予測される。式−１に基づいて、必要とされる一定電流の充電電流はそれぞれ１５０ｍＡ（３Ｃレート）と２００ｍＡ（４Ｃレート）である、

表１は異なる充電方法下での高いレートタイプのポリマーリチウムイオン電池501417HS10Cにより発生された電圧低下ΔＶを表している。表２は異なる充電方法下での電池の実際の充電時間と充電された電気容量を表しており、ここでモード１は伝統的な一定電流一定電圧充電モードであり、モード２と３は本発明の方法である。モード１と比較すると、モード２の充電時間とモード３の充電時間はそれぞれ７３．２％と８０．１％減少されており、充電された容量はそれぞれ電池の実際の容量の９８．４％と９７．４％を取り、それによって迅速な充電の期待された目的は達成される。表中のデータは実際の充電時間が予測された充電時間よりも僅かに長いことを示しており、これは充電電流を計算するための式−１を使用するとき、定格容量が電池容量として選択されるが、電池の実際の容量は定格容量よりも僅かに大きく、それによって計算された電流は僅かに小さいためであり、最終結果は実際の充電時間が僅かに長いことを示している。実施形態２でも同じである。

［実施形態２］
特性パラメータが定格電圧の３．７Ｖと定格容量の６０ｍＡｈである迅速な充電タイプのポリマーリチウムイオン電池601417HS10QCである。電池システムはＬｉＣｏＯ_２／Ｃに基づいた単一セル（Ｕ_０＝４．２Ｖ）であり、それぞれ２０分間、１２分間、６分間内で電池を十分に充電することが予測される。式−１に基づいて、必要とされる一定電流の充電電流はそれぞれ１８０ｍＡ（３Ｃレート）３００ｍＡ（５Ｃレート）、６００ｍＡ（１０Ｃレート）である、

表３は異なる充電方法下で迅速な充電タイプのポリマーリチウムイオン電池601417HS10QCにより発生された電圧低下ΔＶを表している。表４は異なる充電方法下での電池の実際の充電時間と充電された電気容量を表しており、ここでモード１は伝統的な一定電流一定電圧充電モードであり、モード２、３、４は本発明の迅速充電方法である。モード１と比較すると、モード２の充電時間とモード３の充電時間とモード４の充電時間はそれぞれ６９．０％、８１．７％、９０．７％減少されており、電池の充電された容量はそれぞれ１００．６％、１００％、１０１％であり、それによって迅速な充電の予測された目的は達成されている。

［実施形態３］
特性パラメータが定格電圧の３．７Ｖと定格容量の５０ｍＡｈである迅速な充電タイプのポリマーリチウムイオン電池501417HS10Cであり、電池システムはＬｉＣｏＯ_２／Ｃに基づいた単一セル（Ｕ_０＝４．２Ｖ）である、電池の充電速度とサイクル性能に対する以下の要求を有する２人のクライアントがそれぞれ存在する。

クライアント１：電池は１Ｃが放電電流として作用を行い、３．０Ｖが放電限界電圧として作用する放電方法で放電することを要求され、電池はその電池が２５０サイクル後であっても定格容量の８０％を超えて維持できる条件下で可能な限り迅速に充電されることができる。電池は使用中に１０Ｃ１０Ｖの過充電を受ける場合でさえも焼損又は爆発しないことを要求される。

クライアント２：電池は１Ｃが放電電流として作用し、３．０Ｖが放電限界電圧として作用する放電方法で放電することを要求され、電池はその電池が１５０サイクル後であっても定格容量の８０％を超えて維持できる条件下で可能な限り迅速に充電されることができる。電池は使用中に１０Ｃ１０Ｖの過充電を受ける場合でさえも焼損又は爆発しないことを要求される。

前述の要求に基づいて、電池の予測される充電時間はそれぞれ３０分間、２０分間、１５分間、１２分間、１０分間、６分間に設定される。本発明の前記方法に基づいて、異なる充電時間の一定電流の充電電流は式−１に基づいて得られ、迅速な充電試験は異なる充電電流における実際の充電速度ｔ（分）とサイクル性能を得るために、異なる電流で本発明の前記迅速な充電方法を使用して電池において行われ、その結果が表５に示されている。

注：表中の充電時間ｔは電池が時間ｔ内で十分に充電されることを表しており、サイクル数ｎは電池が１Ｃの放電電流と３．０Ｖの放電限界電圧を有する放電方法を使用することにより放電されることを表し、電池容量はｎサイクル後にその定格容量の８０％を取る。

表中のデータに基づいて、クライアント１では、最適な充電方法、即ち４．３２２Ｖの限界電圧を有しサイクル寿命と安全性能が確実にされている２００ｍＡの一定電流での一定電流での充電が選択されることができ、クライアント２では、最適な充電方法、即ち４．３８４Ｖの限界電圧を有しサイクル寿命と安全性能が確実にされている３００ｍＡの一定電流での一定電流での充電が選択される。

Claims (5)

1. 電池が充電されている期間中、電池が充電限界電圧に充電されるとき電池は充電を停止する迅速な充電方法において、
   前記電池の２つの極間の前記充電限界電圧はＵ＝２Ｕ_０−Ｕ_ｓに設定され、
   Ｕ_ｓは電池の前記電圧が一定電流でＵ_０へ充電された後に電池の前記電圧が後退する安定化された電圧であり、
   Ｕ_０は通常産業界で通常受け入れられる低いレートの一定電流一定電圧充電モードにより使用される標準的な充電カットオフ電圧であることを特徴とする迅速な充電方法。
2. 前記安定化された電圧Ｕ_ｓは、前記電池が前記一定電流での充電を停止して、中止状態を開始するタイミングが開始し、ある時間セグメントから、前記電池の開回路電圧の低下が前記ある時間セグメント内のある値よりも小さくなり、それにより電池の前記電圧が安定になり、この時間セグメントの前記第１の時間点に対応する電圧が前記電池の前記安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択されることを特徴とする請求項１記載の迅速な充電方法。
3. 前記電池が前記一定電流でＵに充電されるとき前記電池は充電を停止することを特徴とする請求項１記載の迅速な充電方法。
4. 前記タイミングは、前記電池が前記一定電流における充電を停止し中止状態を開始したときに開始し、５分毎が１つの時間セグメントとして動作し、ある時間セグメントから、５分間のこの時間セグメント内の前記電池の開回路電圧の低下が２ｍＶよりも小さく、即ち前記電池の前記電圧が安定であり、この時間セグメントの前記第１の時間点に対応する電圧が前記電池の前記安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択されるときに開始することを特徴とする請求項１記載の迅速な充電方法。
5. 前記タイミングは、前記電池が前記一定電流における充電を停止し中止状態を開始した時に開始し、１０分毎が１つの時間セグメントとして動作し、ある時間セグメントから１０分間のこの時間セグメント内の前記電池の開回路電圧の低下が１ｍＶよりも小さく、即ち前記電池の前記電圧が安定であり、この時間セグメントの前記第１の時間点に対応する電圧が前記電池の前記安定化された電圧Ｕ_ｓとして選択されるときに開始することを特徴とする請求項１記載の迅速な充電方法。