可再充电电池的充电方法及装置的制造方法
【专利说明】可再充电电池的充电方法及装置
[0001]本发明涉及一种用于适应性充电特别为锂离子电池、或锂基电池的可充电电池的方法。此外，本发明是关于一种充电此类电池的装置。
[0002]为重新适应以再生能源为基础、特别是依靠光伏或风力的发电，生成能量的有效率的储存的需求与日倶增，以在需要时，能够有储存电能可供使用。
[0003]另外，特别为用于通讯与建筑业中的，以可充电蓄电池或电池驱动的可携式且蓄电池供电的装置的数量已有明显增加。在这些装置中，可充电蓄电池的容量代表重要的功能特点。影响可充电电池容量的因素，一方面为几何大小，其传统上通过加大电池或蓄电池几何大小尺寸达成。另一方面，由于通常在蓄电池供电装置中，蓄电池或电池最先失效，即当提及此类装置组件的耐久性时，可充电蓄电池或电池在这些组件中具最短使用寿命，因此耐久性或最大可能充电循环次数扮演主要角色。
[0004]同样，当认同极快速发展中、包含油电混合或电动车辆的电动(E-mobility)领域新技术时，如可充电电池/蓄电池/储存模块的容量、耐久性、及充电时间等特征，尤为重要。在此，可充电电池的几何尺寸及重量，亦扮演非常重要的角色。
[0005]在最近数个月中，已证明锂离子电池因具有长的使用寿命，其充电循环次数较其它技术者高，而在各种可充电电池中属特别优良者。锂离子电池亦具有较其它可充电电池高的储存容量。
[0006]在锂离子电池中，电池是根据设计而放电达其容量的30%。换言之，储存于电池中的30%内在固有能量，将因电池放电至30%低限以下可导致锂离子电池无法挽回的破坏，而无法提供使用者运用。若电池放电至该低限以下，则离子将自电极材料(铜、铝)分离，而因此毁坏电极。
[0007]除此以外，若包含现今锂离子电池的电池充电至100%，则将因电流通常在达充电截止电压时受到限制，以致最后20%容量将以较小安培数充电，所以在时间方面，仅较少能量储存或载入电池中，而需耗费呈指数增多的时间，如此充电将不超过其容量的80%。
[0008]在此又再次突显出，具有有效库容的电池充电时，应尽可能快速，但亦应非常谨慎，以一方面达到最大充电循环次数，且另一方面使充电所需的时间保持尽可能地短，这是因可用于充电的时间，强烈地根据使用者的行为而定。
[0009]可缩短锂离子电池充电时间的一个已知方法是脉冲充电。在此方面，美国专利案第5，481，174号描述一种充电锂离子电池的方法，其使用正与负脉冲，其中在达预设最大电压后，正电流脉冲的高度将减小，而导致长的充电过程。
[0010]基于此情况，本发明的需求是提出一种充电锂基电池的方法/ 一种充电锂基电池的装置，其中该电池的容量将最佳化地使用、及/或充电时间是极度缩短、及/或该电池的耐久性将加长、及/或实际防止经充电的电池退化。
[0011]本发明据以为基础的概念为，以比常规快的速率，给可充电电池、或蓄电池充电。为此，提出一种脉冲充电方法，其中一方面，以非常谨慎且有效率的方式充电电池，且其中另一方面，尽可能有效地使用充电时间。
[0012]进一步地，还提供一个充电准备阶段，为脉冲充电阶段准备或活化可充电电池。然而，为达上述目的，仅实施脉冲充电阶段即足够。
[0013]现在将先对依据本发明的脉冲充电阶段作详细解说。在脉冲充电阶段期间，实施脉冲充电方法，其中电池是以充电电流充电，该充电电流超过该电池最大可容许充电电流，譬如达制造商在其数据表上所规范数值的五倍。该脉冲充电方法是由复数个正脉冲与负脉冲组成。这些负脉冲代表，以一既定负载对电池加载。换言之，该电池释放能量、或电流朝相反方向流动。这些正脉冲称作充电脉冲，同时这些负脉冲可称作负脉冲或放电脉冲。有时亦使用反向脉冲一词。在充电脉冲期间，电压脉冲是以相对应电流脉冲施加。接续于该充电脉冲后，切断该电压，且电池连接至电流槽或负载以用作负脉冲，即电流朝相反方向流动。电池的电压在负载脉冲的时间期间，将根据该电池的充电状态而降低。
[0014]通过施加高于最大可容许电流的充电电流，在电池中储存能量将比施加最大可容许电流时快速。如此，在充电期间，更多离子将自某一电极运送至另一个，而这些离子将在施加负载时又向回运动。如果在较长时段上，连续地以高于可容许充电电流的充电电流实施能量储存，则电池将加热，且建构于电池中的安全机制(正温系数电阻器(PTC)、熔断保险丝、脱气阀、平衡器)将中断此充电动作。枝晶将因连续充电动作而持续地累积于电池的电极上，其一方面将增加电池的内阻，造成电池的电压增加。另一方面，可能的充电循环次数也将因枝晶数量增加而减少。
[0015]然而依据本发明，提出在充电脉冲后具有负载脉冲。在该负载脉冲期间，由于电池再次释放能量，因此电池中的电流将朝对立方向流动。因此，在该充电脉冲期间累积的剩余量，将在接续的负载脉冲期间减少。该负载脉冲具有将该充电脉冲期间所累积枝晶或结晶移除的效应。这些结晶或枝晶可导致，刺穿该电池中阴极与阳极之间的隔板，这在最差情况下将导致短路。该负载脉冲可造成，累积的结晶反复地移除。因此，可在下一充电脉冲期间，以高于可容许充电脉冲的充电脉冲充电电池，而不致使其过热。正脉冲期间的较高充电电流可造成，在电池中储存比已知充电方法多的能量。接续的负载脉冲将对抗固定的枝晶形成，而允许再次以一较高充电电流对电池充电。负载脉冲的高度小于充电脉冲的高度，或换言之，在负载脉冲期间的绝对安培数较小。这样，隔板中的通道将涌出离子交换，然而通过将由于较高的充电电流，而使较多的能量仍保持于电池中。
[0016]可基于短暂的高充电电流及后续的负载脉冲，安排隔板。负载脉冲的高度是调整隔板涌流强度的基准。负载脉冲愈小、即小负载电流，涌流效应愈小。负载脉冲的持续时间特别对放电总量具有影响，即当以非常高负载电流、但非常短负载脉冲持续时间工作时，将造成涌流效应，释放的能量将因短负载脉冲而较小。
[0017]涌流效应一方面可防止锂或离子不均匀分布或沉积于其中一个电极上。此外，由于短充电脉冲及负载脉冲，可防止电池中温度到达临界高度。由于二个电流方向的脉冲皆短暂，因此电极的温度不致显著地上升。除此以外，电极可能的温升(温度升高)，可在这些脉冲之间的时间内再次下降。临界温升将在电极中造成不均匀的电阻分布，且因此最终为电极上的不均匀锂沉积。
[0018]在电池中，接线端子通常是沿对角线相互配置，即电极中的线电阻各不相同，特别在卷绕型电池中。对于长与短充电电流，其中也对于缓慢脉冲充电电流，锂离子是朝最小电阻方向迀移，即其并非试图采取最短路线到达对立电极，而直接迀移至对立极性的接线端子。然而，这将具有不均匀沉积锂于电极上的效应。然，不均匀沉积锂于电极上，将因整个电极表面不再都用于化学反应，而导致使用寿命减少及电池容量减小。
[0019]然而，由于短充电脉冲结合增大的充电电流，且还由于负载脉冲，使离子没有时间来寻找最小电阻路径，且必须选择电极之间的最短路线，使全电极长度因此皆可用于离子交换，且锂沉积在电极之间仍保持均匀分布。
[0020]较佳地，充电脉冲期间的充电电流是超过1.5倍于电池的标称充电电流，譬如最大可容许充电电流的二或三倍或更大。充电电流可能达最大可容许充电电流的五倍。脉冲充电阶段期间所传送的充电电流l./抽取的放电电流IUST(亦称作负载电流)，在二个电流流动方向上仅由PTC限制，该PTC的传导性是根据温度而定。该PTC是根据电池的设计而布置，使其相当于充电电流的5倍或10倍。如果较强电流流通，则该PTC将中断该电流流动。
[0021]在某特定充电时间及相对应充电脉冲数后，电压Uz将超过或到达充电截止电压队_。通过已知的充电方法，电流现在具有限制，譬如在美国专利第US 5，481，174号中。另外，通过本发明的充电方法，在充电脉冲期间，当达充电截止电压队_后，该充电脉冲的电流电平将降低。可由充电装置所处理的充电程序来执行该降低。为防止电池的电压Uz在充电脉冲期间进一步增加，将在电流充电脉冲期间已达充电截止电压队_时，尽早减小电流。
[0022]依据本发明的一个方面，脉冲充电方法包括以下步骤:脉冲化充电电池，其中充电脉冲期间的充电电流超过电池可容许最大充电电流I uJi其值5倍；及在充电脉冲之间通过负载脉冲将电池放电，其中负载脉冲较充电脉冲短。依据本发明，可施加充电及/或负载脉冲的最大次数mMAX已预定，且当该既定次数m _达到时，该充电方法将完成。除上述优点以外，这将因充电脉冲期间的恒定的减小充电电流、或减低电流电平，使储存于电池中的总能量相较于需求时间仍保持小量，而具有非必要加长充电时间的效应。
[0023]根据本发明的另一方面，充电至少一个锂离子基可充电电池的方法包括以下步骤:检查是否符合脉冲充电方法的至少一个既定条件，其中当已符合电池脉冲充电的至少一个既定条件时，开始脉冲充电方法，其中充电脉冲期间的充电电流超过电池可容许最大充电电流IhJi其值5倍；及在充电脉冲之间通过负载脉冲将电池放电，其中负载脉冲较充电脉冲短。
[0024]优选地，所述既定条件包含至少一个以下准则:在负载脉冲期间存在电池电压Uz，其至少相当于该电池的放电截止电压Ik;或一个外部信号，其表明急需实施脉冲充电方法。
[0025]基于这些条件，一方面可确保仅在某些特定条件下开始该脉冲充电方法。由于该脉冲充电方法代表一种快速充电方法，因此该电池必须符合至少既定基本准则，譬如其必须不包括深度放电状态或其它临界状态。另一方面，必须由需要脉冲充电的应用或控制装置符合某些条件，譬如电动车在加油站快速充电，即应存有其需快速充电的外部信号。
[0026]依据本发明的另一方面，一种充电至少一个锂离子基可充电电池的方法包括以下步骤:脉冲化充电电池，其中充电脉冲期间的充电电流Ijg过电池可容许最大充电电流Iu.达其值5倍；及在充电脉冲之间通过负载脉冲将电池放电，其中负载脉冲较充电脉冲短，其中在达充电截止电压后，充电脉冲的持续时间将减短。
[0027]如此将具有，至少对接续的充电脉冲尽可能地避免在充电脉冲期间减小充电电流的优点。可在缩短的充电脉冲期间保持过度的充电电流l.，这是由于若非如此，充电程序将由于具吸