为可充电电池充电的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及为可充电电池(特别是锂离子电池)充电的方法。本发明还涉及为这种电池充电的装置。为了提供给基于锂的电池充电的方法和装置，其中该装置中任选地使用了电池的电容，充电时间急剧缩短，电池使用寿命延长和/或可以增加电池的电容，本发明的方法包括以下步骤：给电池脉冲充电，其中充电脉冲(31)期间充电电流IL超过电池的标称充电电流ILmax；以及利用负载脉冲(32)在充电脉冲(31)之间对电池放电。
【专利说明】为可充电电池充电的方法和装置
[0001]本发明涉及一种为可充电电池充电的方法，特别是锂离子电池或基于锂的电池。而且，本发明涉及为这种电池充电的装置。
[0002]在基于再生能源(特别是通过光伏装置或风能)生产电能的过程中，再定向(reorientation)越来越需要足够的所产生能量的存储,从而按需要且当需要时可获得存储的电能。
[0003]此外，便携式电池操作装置的数量显著增加，它们由可充电电池组或电池驱动，特别用于通信和建筑业中。对于这些装置，可充电电池组的容量构成了基本的功能特征。一方面，影响可充电电池容量的因素是几何尺寸，传统上通过增大电池或电池组的几何尺寸来实现。另一方面，耐久性或最大可能充电循环数也起很大作用，因为对于常用的电池组操作的装置，电池组或电池是最先不能使用的，即，就这些装置的部件的耐久性而言，可充电电池组或电池是具有最短使用寿命的部件之一。
[0004]当涉及到有关混合动力或电动汽车的非常快速发展的电动机动车领域时，可充电电池/电池组/存储模块的诸如容量、耐久性和充电时间等特性也是特别重要的。同样，可充电电池的几何尺寸和重量起非常重要的作用。
[0005]最近数月，锂离子电池已被证明在众多可充电电池中是特别有优势的，因为其具有长预期使用寿命，并且与其他技术相比，其充电循环数高。锂离子电池相比于其他技术电池还具有闻的存储容量。
[0006]对于锂离子电池，该电池根据其设计最多被放电至其容量的30%，换言之，存储在电池中的30%的固有能量不能被使用者利用，因为电池放电至低于30%的阈值将导致该锂电子电池的无法挽回的毁坏。如果电池被放电至低于该阈值，离子可脱离电极材料(Cu、Al)，从而毁坏电极。
[0007]此外，电池(包含当今锂离子电池)不能充电超过其容量的80%，因为如果电池被充点至100%，则需要指数级的更长时间，因为当达到充电终止电压时电流通常受到限值的限制，因而容量的最后20%在较低的电流强度下充电，因而就所耗费时间来说，较少的能量被存储或加载到电池中。
[0008]因此，对于可充电电池的传统技术而言，电池的固有容量未被利用。
[0009]US5, 481, 174描述了一种为锂电子电池充电的方法,其中使用了正脉冲和负脉冲，其中在达到预设的最大电压后，正电流脉冲的高度被降低，从而导致长的充电过程。
[0010]基于这种情况，本发明提出一种用于给基于锂的电池充电的方法或装置，利用该方法，电池的容量被优化使用，死充电时间(die charging time)被急剧缩短，电池的耐久性被延长，和/或电池的容量可能增加。
[0011]本发明是基于比传统方法更快和/或更满地给可充电电池充电的构思而实现的。为此，提供了充电准备期，其中可充电电池被准备或激活用于脉冲充电期。为实现上述目标，仅需要的可能即是所发明的充电准备期。同样，为实现上述目标，仅需要的期间可能即是所述脉冲充电期。
[0012]所发明的脉冲充电期首先被详细描述。在脉冲充电期，使用脉冲充电过程，其中电池以充电电流込被充电，该充电电流超过电池的允许的标称充电电流Itaax。脉冲充电电流込由正脉冲和负脉冲组成。脉冲充电方法相对电流来描述。相关的电压特性参考附图来解释。负脉冲构成电池上的预定负载，换句话说，电池释放能量，或电流向相反方向流动。当正脉冲被称为充电脉冲时，负脉冲可称为负载脉冲或应力脉冲(stress pulse)。有时也使用术语反向脉冲。
[0013]由于施加了比允许的标称充电电流更高的充电电流，电池中能量的存储以比施加标称充电电流更快的速度进行。因此，充电过程中更多的离子从一个电极传输到另一个电极，在施加了负载时电子会反向迁移。如果以高于允许的标称充电电流的充电电流进行能量存储，并连续进行较长的时间段，电池会被加热，安全机构(PTC、熔断、脱气阀、平衡器)会中断这种充电过程。连续充电的效应在于，枝晶在电极上连续累积，这样一方面增加了电池的内阻，导致电池的电压升高，另一方面，由于枝晶的数量不断增加，可能的充电循环数降低了。
[0014]但是，本发明提出了在充电脉冲后具有负载脉冲。在该负载脉冲期间，电池中的电流向相反方向流动，因为电池再次释放能量。因此，充电脉冲期间累积的剩余物(remanence)在之后的负载脉冲期间被减少。负载脉冲的作用在于去除充电脉冲期间累积的枝晶或晶体。该晶体或枝晶会导致电池中阴极和阳极间的隔离器被刺穿，最严重的情况下，这会导致短路。负载脉冲使得累积的晶体被重复地去除。因此，在下一个充电脉冲期间，电池可被以高于允许的充电脉冲的充电脉冲来充电，而不会变得过热。正脉冲期间较高的充电电流使得比利用常规充电方法更多的能量被存储在电池中。随后的负载脉冲抵消了枝晶的持续形成，使得电池能够再次以更高的充电电流充电。负载脉冲的高度低于充电脉冲，或者换句话说，负载脉冲期间的绝对电流强度较小。因此，隔离器中的通道被冲刷以用于离子交换，因而，由于较高的充电电流，电池中仍保留逐渐增加量的能量。
[0015]由于本发明的短的高充电电流和随后的负载脉冲，隔离器被格式化(formatted)。一方面，这阻止了锂在其中一个电极上的不均匀的分布或沉积。此外，短的充电脉冲和负载脉冲，阻止了电池的温度的上升。因为脉冲在两个电流方向上都是短的，电极处的温度无法升高。此外，电极处温度的可能的上升也可在脉冲之间的时间被再次降低。温度升高会导致电极处的不均匀电阻分布，最终导致锂在电极处的不均匀沉积。
[0016]在电池中，接线端子通常彼此成对角线排布，S卩，电极中的线路电阻是不同的，特别是在缠绕型电池中尤其如此。对于长和短的充电电流(以及缓慢脉冲充电电流)，锂离子试图朝最小电阻方向迁移，即，它们不是尝试采取到相对电极的最短路径，而是直接迁移至相对极的接线端子。但是，这样的效果是锂不均匀地沉积在电极上。但是，锂在电极上的不均匀沉积导致使用寿命的降低以及电池容量的减少，因为整个电极表面不再能用于化学反应。
[0017]但是，由于短的充电脉冲以及增加的充电电流，并且由于存在负载脉冲，离子没有时间寻找具有最短电阻的路径，而必须选择电极之间的最短路径，因而整个电极长度可用于离子交换，并且锂的沉积在电极之间保持均匀分布。
[0018]优选地，充电脉冲期间的充电电流大于电池的标称充电电流的1.5倍，例如两倍于标称充电电流，或者更大。充电电流可为标称充电电流的不超过5倍。脉冲充电期期间供应的充电电流或放电电流仅受限于双向电流流动方向中的PTC，PTC的传导率取决于温度。根据电池的设计，PTC被配制成使得它对应于标称充电电流的5倍或10倍。如果更大的电流流动，PTC会中断电流流动。
[0019]在特定充电时间后(相应地，在许多充电脉冲后)，电池的电压Uz超过充电脉冲期间的充电终止电压队_。对于常规电池，电流此时会被限制，例如5，481，174即为这种情况。但是，根据本发明，在达到充电终止电压Utaax时，充电电流不被限制。换句话说，电池电压进一步上升超过充电终止电压Uljnax，而充电电流的水平在充电脉冲期间被维持。对于常规充电方法，当达到电池容量的约80%时，电流被限制，因为随后已达到最大的充电终止电压队_。通过短的且高的充电脉冲以及所述负载脉冲，实现了电压增加超过最大的充电终止电压Utaax，因为特别是由于短的强脉冲，电池的温度没有增加，从而抵消了电极电阻的不均匀分布/电极上的锂沉积的不均匀分布。
[0020]优选地，电池通过负载脉冲在正充电脉冲之间放电。如前所述,这导致所形成的的枝晶的移除。但是，其他充电模式也是可行的，其中在两个负载脉冲之间出现一个间歇，并且直到两个或更多充电脉冲之后才会出现另一个负载脉冲。但是，这会影响充电时间，因为充电脉冲之间的充电电流无法像在所有充电脉冲之间都具有负载脉冲那样一样高。
[0021]在优选的实施方式中，充电脉冲的高度和/或负载脉冲的高度取决于电池的状态，特别是电池的内部电阻。换句话说，负载脉冲的高度可随着电荷态增加而增加，从而除去剩余物。充电脉冲/负载脉冲的高度的适应性设置使得可以对充电操作期间的独特特性作出反应，例如对外部温度影响作出反应。相似地，可能出现由充电脉冲和/或负载脉冲期间的电压趋势引起的变化，这是由于锂的不均匀沉积或电极的短时升温引起的。
[0022]为评价电池状态，在至少一个负载脉冲和/或充电脉冲期间测量了电池的电压。因为电池的电压测量必须在负载下进行，从而得出电池状态的现实结论，因此在负载脉冲期间测量电压。如果电压在负载脉冲最后部分时测量则是特别有利的，因为此时达到了电池的最稳定状态。换句话说，电压在负载脉冲离开其最大值之前并且在电流在O方向流动之前的时间点测量。在无负载情况下测量电压可能导致得出无法在负载状态获得的电压值，因为电压随后急剧上升并且电流崩溃。为更好地控制充电脉冲和/或负载脉冲，特别是脉冲的高度或持续时间，优选也在充电脉冲期间测量电池的电压，特别是为了检测上行方向的电压偏差。
[0023]优选地，在负载脉冲期间，充电电流的最多20-25%的放电电流在流动。结果，负载脉冲期间，从电池离开的能量不超过充电脉冲期间存储在其中的能量。
[0024]连续的充电脉冲中的充电电流的水平可能是变化的，即，该充电电流的水平分别适应于电池的状态，其中此时可利用例如电压测量和/或温度测量来记录状态。
[0025]此外，在连续的负载脉冲中，放电电流的水平和大小也可能是变化的。
[0026]如果充电脉冲期间的电压测量显示电压增加，这表示充电期间的异常，它可能是由于枝晶的累积增加引起的，导致电池的内部电阻增加。为了抵消这种电压增加，下一个充电脉冲的高度可相对前一个充电脉冲被降低。换句话说，如果电池的电压突然上升，最后一个充电脉冲中的电流就被降低。优选地，减少约50%，因此，对于前个充电脉冲中两倍大的充电电流，现在充电脉冲仅为允许充电电流的一倍大。
[0027]优选地，减少的充电脉冲后的负载脉冲，相比于前个负载脉冲，也降低了 50%。从负载脉冲期间测定的电压可得知，下一个正充电脉冲是否也必须被降低，或者可再次以增加的充电电流进行。如果在具有降低负载的负载脉冲期间的电压再次处于预定耐受范围，下一个正充电脉冲可再次以之前实施的增加的充电电流进行。随后，下一个负载脉冲也可以之前施加的负载进行，从而在短时间内将电池放电，并且使其准备用于下一次具有增加的充电电流的正充电脉冲。
[0028]电池的电压可能由于例如PTC缺陷或电池内阻太高(由于电极过度加热导致)而可能升高。那么，优选地，充电脉冲和负载脉冲都被降低直到电池的电压回到预定电压趋势。
[0029]在优选的实施方式中，在所有的放电脉冲中都进行电压测量。
[0030]优选地，负载脉冲的长度对应于充电脉冲长度的约一半。这样不仅确保了充电脉冲期间供应的电流高于负载脉冲期间的电流，而且在充电脉冲期间，较高的电流被供应比负载脉冲期间更长的时间，在负载脉冲期间，能量从电池中移走。但是，负载脉冲为2/3，充电脉冲为1/3，这样的比率也是可行的。负载脉冲必须不能太长，否则电池的充电被不必要地延长。在优选的实施方式中，脉冲的时间/它们各自的比率可被调节。
[0031]在另一个优选实施方式中，当对于预定数目的负载脉冲，所测定的电压对应于电池的充电终止电压时，电池的充电终止。
[0032]特别优选地，在达到电池的100%电荷之前的最后一次负载脉冲比前次负载脉冲大约25%，因为电池的剩余物因升高的电压而增加，其随后必须以较大的负载脉冲来去除。
[0033]此外或作为选择，如果负载脉冲期间的电压达到充电终止电压，那么下次充电脉冲的电流被降低。优选地，下次充电脉冲被减半，这一直持续到对于下次负载脉冲充电终止电压仍保持稳定时为止。随后，电池被充电至几乎100%。
[0034]对于所有方法步骤，优选持续或周期性地测量电池的温度。这给出了要被充电的电池在充电期间是否正常的更多信息。只要温度在预定限值之内，充电过程即继续。温度的升高低于预定限值可通过减小充电脉冲和/或负载脉冲的高度或持续时间来抵消。至少应当在充电脉冲/负载脉冲期间监控温度。如果超过预定温度(Tmax)并持续预定时间，例如45°C，电池的充电操作要放弃一个或多个充电脉冲。高能电池和大电流电池的临界温度是 47-48。。
[0035]此外或作为选择，电池的电压在充电期间被持续或周期性地测量，以获得关于电池状态的更多信息，其中如果电池的预定电压被超过，即放弃或中断充电操作。如果电池电压上升超出电池的预定电压，则电池有异常，在随后充电期间可能要考虑这个因素，可改变充电电流水平/负载电流水平，或者在极端情况下，放弃充电过程或中断充电过程以冷却电池。
[0036]到目前为止，仅就脉冲充电期描述了充电过程。利用上述脉冲充电期，一方面电池充电期间可节省大量时间，另一方面，电池可在短时间内充电至其容量的100%，因为在达到最大充电终止电压时，充电电流不减少，甚至当超过最大充电终止电压时，充电电流的大小仍在充电脉冲期间维持。因此，本发明的方法可以在20%的常规充电时间内充电至电池容量的100%，而电池不会发热或被永久损坏。通过快速地在高充电脉冲和负载脉冲之间切换，阻止了电池的温度的上升，因而电极的电阻也保持不变，因此抵消了锂的不均匀分布。
[0037]以下所述的充电准备期被用于激活电池。特别重要的是，要缓慢地准备深度放电电池用于脉冲充电过程。但是，即使仅应用该充电准备期，也会构成Li电池充电期间的改进。
[0038]电池组通常由几个并联或串联的电池构成。在电池组或这种类型的电源组中，提供有平衡器，通常防止电池的深度放电。对于常规电池，如果电池仍含有其容量的30%，该电池被称为“放完电的”。如果电池被放电至多于30%，它被称为“深度放电”。当平衡器有缺陷时，或如果电池被放置在极端低温或存储在非常低的温度的放电状态下时，就可能出现这种情况。
[0039]充电准备期在脉冲充电期之前进行。充电准备期，除其他事项外，包括无负载(即不具有预先施加的电流)的电池的电压的第一次测量。如果电池没有电压，就要得出电池有缺陷的结论。根据所测量的电压，设定充电电流水平。充电准备期期间的充电电流水平在最大标称充电电流水平的第一上升期受到限制。而且，设定充电电流从零或从低初始值升至特定充电电流水平的上升/时间。如果电压测量显示非常低的电压，通常应当在第一上升期期间施加50%的标称充电电流。电压越小，第一上升期持续的时间越长，即，低电压时，充电电流的上升较小。
[0040]随后，在直到设定的充电电流水平的第一上升期内以特定的充电电流给电池充电，例如大于预定时间(如I分钟)1A，其中充电电流在其最大值对应于电池的标称充电电流。这种充电用来激活电池，因而离子开始缓慢地从一个电极迁移至另一个电极。
[0041]在达到设定的充电电流水平后，暂停充电，不供应充电电流。可早在此时就测量电池的电压。随后，测量电池在预定负载情况下的电压。该预定的负载与脉冲充电期中的负载脉冲相似或相同。此外，在负载脉冲之前和/或之后，可插入无电流供应的暂停，从而测定电压。
[0042]根据在负载下测定的电池电压，重复第一上升期。如果负载下的电压没有显示出期望的值，那么这种重复是很重要的。例如，如果在第一上升期后未达到电池的放电终止电压，则重复第一上升期。根据电池的类型和电池状态，可多次重复该第一上升期(充电电流在其最大值时对应标称充电电流)。
[0043]当负载下的电池包含的电压超过放电终止电压的5%时，优选可进行第二上升期，其中电池以线性上升至高于标称充电电流的预定充电电流充电。例如，在第二上升期内，电池可被高达双倍标称充电电流的电流充电。随后，在该第二上升期结束时再次在负载情况下测定电池的电压。如果电压现在达到了电池适于进行脉冲充电期的预定值，那么终止充电准备期。如果在一次或多次第一上升期后达到了放电终止电压，可省略第二上升期。
[0044]本发明还提供一种为电池充电的装置，其中该装置包括用于进行上述过程的控制器。
[0045]现参考附图描述本发明的实施例。
[0046]图1显示常用锂电子电池的构造。
[0047]图2显示缠绕状态的锂离子电池。
[0048]图3显示本发明的充电方法用于高能电池时的电流信号特性示意图。
[0049]图4显示本发明的脉冲充电方法用于大电流电池时的电流特性。
[0050]图5显示本发明的充电方法的另一个实施方式中的电流、电压和温度特性。
[0051]图6显示本发明的充电方法的另一个实施方式中的电流、电压和温度特性。
[0052]图7显示图5的电流、电压和温度特性的一部分。[0053]图8a、8b显示本发明的充电方法的流程图。
[0054]图9显示另一个实施方式中的充电准备期期间的信号特性的实施方式。
[0055]图10示意性地显示了用于实施本发明的脉冲充电方法的充电装置。
[0056]图1示意性地显示了包含阴极和阳极的锂离子电池的构造。充电操作期间，锂离子从正电极迁移至负电极，负电极例如涂覆有锂石墨。放电操作期间，锂离子从负电极迁移回正电极。两个电极通过隔离器彼此隔开，其中锂离子迁移通过该隔离器。
[0057]锂离子电池相比于其他可充电电池的特征在于它们没有记忆效应，并且自身放电非常低。锂离子电池通常的充电终止电压为约4.2V(基于标称电压为3.6V)。锂离子电池包括例如锂聚合物电池、硫酸锂铁电池、锂石墨电池和锂钴电池。
[0058]图2显示了缠绕状态的锂离子电池。阳极21和阴极22彼此相对设置并且通过隔离器23彼此隔开。电极21和22上的接线端子24和25彼此呈对角线设置。S卩，电极的电阻随着线路长度增加而增加。因此，电极的电阻随着到接线端子的距离的增加而增加。因此，当锂离子从正电极迁移至负电极时，它们尽力采用最小电阻的路径，但是，该电阻不是由直接相对的电极形成的，而是位于两个电极之间并贯穿整个电池(以27表示)。由于短的充电脉冲具有高于电池的标称充电电流Itax的充电电流l.，锂离子会被促使朝另一个电极移动，而没有时间寻找具有最小电阻的路径。因此，隔离器23被形成以允许两个相对的电极21和22之间均匀的离子交换。此外，由于充电脉冲和负载脉冲一直被限制，阻止了电极21，22的温度上升，否则会导致电极的内阻增加，这又会导致不均匀的电阻分布，一方面导致电极温度的进一步升高，另一方面导致电池内锂分布的变化，从而导致锂沉积的不均匀分布。锂的不均匀沉积会导致电极之间不再有可利用的完整的化学反应表面，从而减小了最大的可能充电循环。另一方面，如果锂沉积在其中一个电极上不均匀增长，有时会达到并刺穿隔离器，导致短路。短的充电脉冲或负载脉冲具有抵销这种情况的作用，其中防止温度的过度上升是尤其重要的。参考标记27显示了尝试采取最小电阻路径的锂离子的路径。如果电池没有用该短的高充电脉冲或负载脉冲来充电/放电，锂离子会试图采取附图标记27表示的途径，这将导致电极上的锂沉积的不均匀分布。
[0059]图3显示本发明的具有充电准备期和脉冲充电期的充电方法的随时间变化的信号特性。此处所示的充电方法是用于2.3 Ah容量的高能电池的一个例子。
[0060]利用该充电方法，该电池在充电准备期期间被充电，充电准备期包含第一上升期33，其充电电流在一分钟内由O升至1A。在该一分钟后，停止充电操作2s的时间，即，不再为电池供应充电电流，其中首先在无负载情况下测定电池电压，随后在预定负载情况下测定电池电压。在2秒过后，并且在测得了高于3.0 V的放电终止电压的电压后，完成充电准备期，并可开始脉冲充电过程。
[0061]在脉冲充电期，正充电脉冲31的脉冲持续时间最初为ls，其中负载脉冲32的持续时间为0.5s。负载脉冲32期间，电池经受300 mA的负载，其中在负载脉冲32内测定电池的电压Uzo如果此负载期间的电压超过4.2V，则完成充电操作。
[0062]在电池内，本发明的充电操作期间发生以下事项:充电脉冲31期间在电池内部产生了晶体，该晶体破坏电池的隔离器23，这会导致电荷和容量损失。而且，晶体阻挡了电极21，22之间的离子移动，导致电池使用寿命的显著减少。但是，因为在充电脉冲31之间存在本发明的负载脉冲32，这些晶体会由于负载而立刻被减少，因而晶体的负面作用被消除了。这是本发明的充电方法的一个主要优点。根据图3所述的本发明的充电方法，在脉冲充电期使用5A的充电脉冲31，其可能是高能电池的2.3A的标称充电电流的约两倍。
[0063]除充电脉冲31期间的上升的电流值外，在本发明的充电方法中还施加或允许施加高于特定的充电终止电压Utaax的电压，其对于各电池是预定的，在本例中，对于高能电池指定为4.2V。这样，高电流可被维持直至最后一个充电脉冲31，与常规充电方法相比，使得电池可能在非常短的时间内充电至100%或更多。
[0064]对于其他常规充电方法而言，所使用的充电电流保持恒定，但当达到充电终止电压Utaax时，充电电流被降低。因为达到充电终止电压Utaax时的电流陷落，所以需要显著更高的充电时间，特别是对于为电池容量的剩余20%充电而言。而且，对于传统充电方法，电压在充电脉冲中断期间测量。因此，因为没有施加负载脉冲，充电期间形成的损坏隔离器23的晶体或枝晶未被除去。因为这些晶体未被除去，常用的充电方法一定不能使用升高的恒定充电电流和高于充电终止电压Utaax的电压。
[0065]还有一些充电方法使用连续升高的电流来充电，但是其中连续升高的充电电流込导致电池衰退，特别是如果电池被充电至100%时更是如此。而且，观察到了温度的显著上升。
[0066]本发明的充电方法，在负载脉冲32期间使用预定的陷落(sink)从而除去晶体或枝晶，并抵销温度增加，因此即使当达到充电终止电压Utaax时，也可以在充电脉冲31期间维持充电电流l.，并以恒定的充电电流込和高于充电终止电压Utaax的电压给电池充电。由于负载脉冲期间持续地移除晶体或枝晶，所以可以使用更高的电压和均匀的电流脉冲，导致充电时间的急剧下降。由于脉冲很短，因此避免了温度的上升，并且电池以非常谨慎的方式充电，因而尽管使用了更高的电压和电流值，电池的使用寿命不会以任何方式被减少。
[0067]而且，由于不存在晶体，所以几乎没有自身放电，效果在于充电至100%的电池在闲置时或在未连接时不会放电，因此不会衰退，甚至在存储几年后仍可具有其完整容量。
[0068]图3的信号特性涉及的高能电池具有2.3Ah的容量、4.2V的充电终止电压ULmax、
3.7V的标称电压、3.0V的放电终止电压Ua、2.3A的标称充电电流Itaax和4.2A的最大放电电流，以及3.5A的连续放电电流。
[0069]图4显示了本发明的用于高能电池的充电方法，该高能电池的容量为2.3Ah。该高能电池的其他特性数据为4.1V的充电终止电压Utaax、3.3V的标称电压、2.0V的放电终止电压Ua、10A的标称充电电流、最大50A的放电电流和25A的连续放电电流。
[0070]与图3所述的充电方法相反，对于大电流电池，在脉冲充电期的充电脉冲41期间利用绝对数量为20A的显著更高的电流进行充电。充电脉冲41之间的负载脉冲42也显著更高(2A)(绝对数量)。
[0071]图5显示了本发明的充电方法的电压、电流、容量和温度的信号特性。根据图5，锂电池在约18分钟的时间内被完全充满，并且电池的温度没有上升。温度显示在图5的下部，并且从充电操作开始到完成保持在低于35°C的区域。电流/电压特性显示以5A的充电脉冲对电池的脉冲刺激，其中充电脉冲之后为负载脉冲，负载脉冲小于1A，优选地，所使用的负载脉冲为约300 mA。在图5的上部显示的是电压。充电程序开始时，电池中的电压低于
3.7V，其中在第一充电脉冲期间，电压Uz最初低于4.2V。但是，当在充电过程的整个时间上来看电压特性时，可看出电池的电压Uz在较短的时间(约2.5min)后达到4.25V，这高于锂离子电池的充电终止电压队_。
[0072]对于常用的充电方法，充电脉冲期间的电流水平会被降低。在本发明的充电方法中，使用了电流强度高于标称充电电流Itaax的极短的充电脉冲，因此即使超过充电终止电压Utaax时，电池的电压Uz可进一步升高，而充电脉冲中的电流强度不须降低。因此，可以急剧降低电池的充电时间，而不会有温度上升，或电池以某种形式衰退。当达到约4.5V的电压Uz时，充电脉冲期间的电流开始降低，因为在几个连续的负载脉冲中都测到了约4.1V的电压Uz，其大约对应于最大充电终止电压Uljnax。
[0073]而且，还可以认识到，充电脉冲的高度和负载脉冲的高度根据所测定的电池的电压仏而变化。可以看出，当负载脉冲期间电压上升时，负载脉冲期间的应力或负载电流继而降低，直到负载脉冲期间的电压再次位于特定范围内，该特定范围遵循电压的较低趋势。因此，这避免了电极处温度的升高。
[0074]图6显示了本发明的充电方法的另一种信号特性。在该充电方法中，在25分钟内实现电池的100%充电。类似于图5的充电方法，可以认识到，电压相对快速地升高至高于
4.2V的充电终止电压，并在随后没有降低充电脉冲期间的电流。直到约17分钟，当电池的电压Uz达到4.5V后，充电脉冲才降低。在达到4.5V的电压后，在负载脉冲中，电池中已存在大于4V的电压。即，电池几乎完全充满。为了避免温度的进一步上升，在预定电压4.5V时开始降低充电脉冲期间的电流强度，但是，负载脉冲的高度不变。可清楚地看出，电压Uz在负载脉冲期间进一步上升，并达到4.2V的值，这对应于电池的充电终止电压Utaax。对于这种信号特性，还可以认识到的是，电池的温度很难变化，并且无论如何不会上升高过35°C。
[0075]图7显示了充电过程期间的电流、电压、容量和温度的信号特性。在脉冲充电期开始时，施加5A的充电 脉冲，在高能电池中，这对应于Iljnax的约两倍多。在负载脉冲和充电脉冲期间测定电压Uz。在5A的第一个充电脉冲中，电池中的电压Uz达到约4.2V。第一充电脉冲之后为小于500 mA的第一负载脉冲,优选300 mA,此时电池被放电。负载脉冲的电流是充电脉冲期间的电流的约3%-6%。
[0076]图7清楚地显示了负载脉冲的高度的变化。在视图的中部，可认识到，在负载脉冲期间，电压陡然升至最初的3.8V或仅低于4V。这种陡然的电压升高的抵消在于随后的负载脉冲的电流强度被降低。最初，负载脉冲从300mA减半至150mA。如果电压进一步上升，还可以施加小于50mA的电流强度的负载脉冲。在降低负载脉冲的高度后，可以认识到，电压Uz回到负载脉冲期间的电压趋势，导致负载脉冲期间的电压又位于3.75V以下的范围内。
[0077]图7表示图5或图6的充电过程的时间部分，但是仅表示约I分钟。因此，不可检测到温度或电容的变化。
[0078]图8a和Sb显示了本发明的充电过程的流程图，其中进行了充电准备期和脉冲充电期。在充电过程在步骤S301中被启动后，电池的电压Uz被最初测定(S302)。当电压Uz大于充电终止电压ULmax时，即，当在高能电池的情况下，电池存在4.2V的电压时，电池被完全充满，充电过程完成。
[0079]如果电池电压Uz小于终止电压Utaax，在步骤S303中进行检查以观察电池电压是否大于放电终止电压Uelo高能电池的放电终止电压Uel为约3V，大电流电池的放电终止电压Uel为约2V。如果电池电压Uz高于放电终止电压UEL，图8b的脉冲充电过程可立即继续。但是，如果电池的电压Uz小于放电终止电压ua，必须进行充电准备期，以激活电池。[0080]因此，在步骤304中进行第一上升期。在电池在第一上升期内被充电后，在负载下测定电池电压Uz。换句话说，检查电池在负载下的电压的水平Uz。如果电压Uz现在高于2V或3V(取决于所使用的电池)的放电终止电压Ua，可启动脉冲充电期。否则在步骤S306或S307中重复第一上升期，其中也重复进行电压测量。如果在重复第一上升期后，电池电压仍低于放电终止电压Ua，使用高于标称充电电流Itaax的充电电流k来进行第二上升期(S308)。虽然未在图8a中显示，但在第二上升期结束后，要检查电池电压Uz是否达到了放电终止电压UEL。如果即使在第二上升期后电池电压Uz仍然未达到放电终止电压UEL，则电池是有缺陷的，并且不能被进一步充电。图8b中所示的脉冲充电期仅可在达到放电终止电SUa的条件下开始。在开始脉冲充电期后，最初利用充电电流L施加充电脉冲一个时间段tl,该充电电流Ilj大于标称充电电流Iljliaxt5在充电脉冲后，施加负载脉冲，优选地，负载脉冲的长度仅为充电脉冲的一半，并且此时电池被负载以放电电流I—，放电电流I—为约标称充电电流Itaax的25%。在负载脉冲期间，测量电池电压Uz，并检查电池电压Uz是否大于充电终止电压队_。如果电池电压Uz已经高于充电终止电压Uljnax，那么在步骤S315和S316/S317中检查充电终止电压是否已达到三次。如果是这样，电池即完全充满。如果在步骤S313中，电池电压Uz小于充电终止电压，在步骤S314中基于负载脉冲期间测定的电压Uz，设定下一次充电脉冲/负载脉冲的高度，随后该方法在步骤S311/S312中继续，这可从图5、6、7的信号特性明显看出。
[0081]图9显示了详细的充电准备期。在图9的上部可认识到，电池最初以线性上升的电流充电，最多上升到IA的电流强度，其中电池的电压在此时由约3.5V上升至3.7V。在后续的负载施加期间，在此进行电压测量。在第一上升期后，可以看出，电池的电压Uz低于
2.0V，这低于大电流电池的放电终止电压Ua，因此必须进行另一个第一上升期，因为脉冲充电期仅可在放电终止电压Ua的基础上开始。在重复第一上升期后，进行另一次电压测量，其显示在重复第一上升期结束时，电池的电压为2.1V，这高于放电终止电压Ua。现在，基于各实施方式，可进行第二上升期，此时电池被高于标称充电电流的电流强度Itaax充电。作为选择，也可以立即开始脉冲充电期。
[0082]图10显示了进行所述充电方法的装置。通常，用于进行充电方法的装置被称为充电装置。与常规充电装置相反，进行该充电方法的充电装置能够对电池施加预定的陷落/预定的负载脉冲。充电装置100连接至电池140。电池140连接至温度传感器160，温度传感器连接至充电装置100用于连续地或周期性地监控温度。充电装置100包含CPU 110，其运行本发明的充电方法。CPU 110与存储器120以及用于输出测量值的显示器130相连。而且，充电装置包括输入单元150，通过该输入单元150可控制该充电方法。存储器120存储有各种用于充电过程的参数。例如，对于某种电池，这些参数可为其特性数据，例如容量、充电终止电压、标称电压、放电终止电压、最大充电电流、最大放电电流和连续放电电流或仅为它们的一部分。基于这些值，计算出充电脉冲/负载脉冲的高度。而且，各电池相关的临界温度值也可被存储在存储器120中。充电装置可优选配备有检测装置，以用于识别要被充电的电池。
[0083]类似地，电池的类型可经由输入装置150被载入。根据各充电方法，充电装置的CPU 110测量充电/负载脉冲中的电压和/或电流。优选地，充电装置100包括至少一个电容器，其用于为充电脉冲提供电荷。类似地，可以使用至少一个电容器用于负载脉冲期间的放电，其中存储的电荷随后经由电阻被放电。
【权利要求】
1.一种为基于锂离子的可充电电池充电的方法，所述方法包括: -为电池(140)脉冲充电，其中充电脉冲(31，34)期间的充电电流込超过电池(140)的标称充电电流Itax ;以及 -电池(140)在充电脉冲(31)之间通过负载脉冲(32)被放电，其中负载脉冲(32)短于充电脉冲(31)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中充电脉冲(31，41)期间的充电电流L大于电池(140)的标称充电电流Iljnax的1.5倍，优选是标称充电电流Itaax的两倍或更大。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中充电脉冲(31，41)期间的充电电压队高于充电终止电压Utaax。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的方法，其中充电脉冲(31，41)期间的充电电流込的水平和/或负载脉冲(32，42)的高度取决于电池(140)的状态。
5.根据权利要求4所述的方法，其中充电脉冲(31，41)和/或负载脉冲(32，42)期间的电流水平根据电池(140)的内阻和/或电池的温度设定。
6.根据权利要求1-5的任一项所述的方法，其中在负载脉冲(32，42)期间，最大为标称充电电流Itax的20 - 25 %的放电电流Last在流动。
7.根据权利要求1-6的任一项所述的方法，其中充电电流L的水平在连续的充电脉冲(31，41)中是变化的，和/或放电电流Last的水平在连续的负载脉冲(32，42)中是变化的。
8.根据权利要求1-7的任一项所述的方法，其中在至少一个负载脉冲(32，42)和/或一个充电脉冲(31，41)期间，在电池(140)上进行电压测量，优选在所有负载脉冲/充电脉冲期间都进行电压测量。
9.根据权利要求1-8的任一项所述的方法，其中持续地或周期性地测量电池的电压Uz和/或温度T。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中当超过电池(140)的预定电压时，终止充电操作，和/或其中当超过电池的预定温度(Tmax)时，终止充电操作。
11.根据权利要求1-10的任一项所述的方法，其中根据电压测量值为随后的充电脉冲(31，41)设定充电电流込的水平，其中如果在负载脉冲期间(32，42)电池的电压Uz高于预定值，那么充电电流L在下一个充电脉冲中被降低。
12.根据权利要求1-11的任一项所述的方法，其中根据电压测量值为随后的负载脉冲(32，42)设定放电电流I^t的水平，其中如果在负载脉冲期间(32，42)电池的电压Uz高于预定值，那么放电电流kast在下一个负载脉冲中被降低。
13.根据权利要求1-12的任一项所述的方法，其中负载脉冲(32，42)的长度对应于充电脉冲(31，41)的长度的约一半。
14.根据权利要求1-13的任一项所述的方法，其中在达到预定数量(η)的负载脉冲(32，42)后并且在这些负载脉冲中测量的电压Uz对应于电池的充电终止电压Utaax，则电池的充电完成。
15.根据权利要求1-14的任一项所述的方法，其中在充电脉冲(31，41)期间达到充电终止电压Utaax后，负载比达到充电终止电压Uljnax前的负载脉冲(32，42)中的大约25%。
16.根据权利要求1-15的任一项所述的方法，其中如果电压Uz在负载脉冲(32，42)期间达到充电终止电压Utaax，那么在下一个充电脉冲中(31，41)降低充电电流込。
17.根据权利要求1-16的任一项所述的方法，其中在脉冲充电期之前进行充电准备期。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括: -测定无负载时的电池电压Uz (S302), -根据测定的电压Uz设定充电电流水平込， -设定相对预定时间tA的充电电流的增加込， -在预定时间tA内的第一线性上升期内以充电电流k为电池充电(S304)，在第一线性上升期电流最高升至所设定的充电电流水平，其中充电电流L在其最大值时对应电池的标称充电电流Itaax。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在达到所设定的充电电流水平后，在预定负载下测定电池的电压Uz (S305)。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括 -根据在负载下测定的电池的电压Uz，重复第一线性上升期一次或几次(S306)。
21.根据权利要求18-20的任一项所述的方法，其中当电池的电压Uz高于第一阈值但低于第二阈值时，利用高于电池的标称充电电流Itaax的充电电流Iy进行第二线性上升期(S308)。
22.根据权利要求17-21的任一项所述的方法，所述方法进一步包括: -测定电池在负载下的电压UZ(S302，S303, S305, S307)，确定是否达到允许脉冲充电的预定最小电压， -在达到预定最小电压后开始脉冲充电期(S310)。
23.—种为基于锂离子的可充电电池充电的方法，所述方法包括以下步骤: -测定电池在无负载时的电压UZ(S302)， -根据所测定的电压Uz设定充电电流水平， -设定相对于预定时间的充电电流L的增加， -在预定时间内的第一线性上升期内以充电电流k为电池充电(S304)，在第一线性上升期电流最高升至所设定的充电电流水平，其中充电电流L在其最大值时对应电池的标称充电电流Itaax。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在达到所设定的充电电流水平后，在预定负载下测定电池的电压Uz (S305)。
25.根据权利要求24所述的方法，所述方法进一步包括: -根据在负载下测定的电池的电压Uz，重复第一线性上升期一次或几次(S306)。
26.根据权利要求23-25的任一项所述的方法，其中如果所测定的电池的电压Uz高于第一阈值但低于第二阈值时，那么利用高于电池的标称充电电流Itaax的充电电流，进行第二线性上升期(S308)。
27.一种为基于锂离子的可充电电池充电的装置，所述装置包括控制器(110)，所述控制器(I1)适于进行权利要求1-26的任一项所述的方法。
28.根据权利要求27所述的装置，所述装置进一步包括用于提供陷落从而在负载脉冲(32，42)期间给电池放电的装置，其中负载脉冲(32，42)的大小可被设定。
29.根据权利要求27或28所述的装置，所述装置进一步包括至少一个电容器，所述电容器用于提供负载脉 冲(32，42)和/或充电脉冲(31，42)。
【文档编号】H02J7/00GK104040823SQ201280058911
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】约格·海姆佩尔 申请人:H科技公司