专利名称：可再充电的锂蓄电池的充电方法、充电设备以及锂蓄电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可再充电的锂蓄电池的充电方法，其中充电电流被注
入蓄电池中，并且在注入过程中监视蓄电池10上的电压。
本发明还涉及一种用于给可再充电的锂蓄电池充电的充电设备，所述 设备具有用于将充电电流注入蓄电池的第一装置，和用于在注入过程中监 视蓄电池上的电压的第二装置。
最后，本发明涉及一种锂蓄电池，所述蓄电池具有用于将蓄电池连接 到充电设备的第一装置，和用于在注入充电电流的过程中监视蓄电池上的 电压的第二装置。
背景技术：
在德国专利文献DE 198 38 137A1中公开了上述类型的方法、充电设 备和锂蓄电池。
如今，在移动电话应用中采用了不同种类的蓄电池(其公知为"电池 组")，例如镍一镉电池(NiCd)、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池。在后 一种情况中，已知多种使用各种组合的不同金属(Mn， Ni， Co， Ti)的 电池。虽然LiCo02电池用于电子设备，诸如便携式计算机，但是LiMn204、 LiNi02、 LiTi5012、 LiNi^Cox02和类似物被用来用在电动工具中，而这正 是本发明所特别关注的领域。这些蓄电池具有在3.6至3.7V之间的电池电 源电压。近来，其电池电源电压为3.3V的磷酸铁锂型锂离子电池也为人 们所熟知。
可再充电的蓄电池的一个普遍问题是在再充电过程中必须避免出现 过充。上述蓄电池根据类型的不同对过充表现出不同的敏感度。
锂离子蓄电池对过充非常敏感，并且在处于过充状态时在极端情况下甚至可能会着火或者爆炸。另一方面，为了让用这些蓄电池进行操作的设
备具有最长的可能操作周期，需要这些蓄电池得到尽可能完全的充电，即 意味着其容量得到最大程度地利用。
类似地，蓄电池对完全放电具有不同的敏感度，就某些类型的蓄电池 而言，完全放电甚至可能会对蓄电池造成破坏。
为了防止蓄电池在充电和放电过程中受损，人们已经发展出许多旨在 通过合适控制电流供应防止出现过充和完全放电的标准。例如，必须知道 电池数量和充电参数(最终充电电压)。实际上，这些标准常常只能非常 困难地得到满足。另一方面，基于蓄电池正逐渐被认为是低端物品这一事 实， 一方面蓄电池的有效保护与另一方面相关费用之间的目标冲突必须得 到解决。
在本发明的上下文中，关注集中在锂蓄电池上，如上所述，这种蓄电
池对过充敏感。然而，出于显而易见的原因，在上述德国专利文献DE198 38 137 Al中公开的方法，其设想用于经皮肤对设在人体内的植入物的蓄 电池进行充电的特殊场合，对不充分利用蓄电池潜能的蓄电池而言在操作 上安全的。
发明内容
现在，本发明的目的是改善上述类型的方法和充电设备，以便避免现 有技术缺陷。特别地，要能够在不知道电池组的特性(诸如电池数量、容 量等)的情况下进行再充电。另外，本发明希望提供一种方法和充电设备， 其允许最大限度地利用锂蓄电池的潜在容量而不存在损坏蓄电池的危险。 另外，将实现更短的充电时间。
关于上述方法，本发明通过监视蓄电池的至少一个状态变量特性随时 间的变化并且持续将充电电流注入蓄电池中直至该状态变量随时间的变 化超出预设极限值这一事实来实现这个目的。
关于上述充电设备，本发明通过提供用于额外监视蓄电池的状态变量 特性中的至少一个随时间的变化的第三装置和用于持续将充电电流注入 蓄电池中直至该状态变量随时间的变化超出预设极限值的第四装置这一 事实来实现这个目的。关于上述锂蓄电池，本发明通过提供用于额外监视蓄电池的状态变量 特性中的至少一个随时间的变化的第三装置以及该第三装置向充电设备 产生信号以持续将充电电流注入蓄电池中直至该状态变量随时间的变化 超出预设极限值这一事实来实现这个目的。
本发明的目的优选由这种方式实现。
艮口，完全属于本发明人的贡献的是己经发现以下事实只要确定给定 参数随时间的变化仍然低于各自的相关阈值，那么锂蓄电池就允许在迄今 为止知道的点(例如在充电电流恒定的条件下电压达到预设阈值时)之外 再注入一定电量。
本发明的另一优点在于有缺陷的电池将不会引起蓄电池过充。即，在
采用常规程序的情况下，仅将18V的蓄电池充至16.8V，以防某个电池出
现缺陷。
在采用根据本发明的方法的情况下，优选地在电压达到预设极限值之 前，沿预定曲线控制充电电流，即保持充电电流不变或者例如使其为周期 脉冲的形式。
在根据本发明的方法的第一变形中，电压随时间的变化受到监视。
经测试，已证实特别优选的这个变量格外有效。
然而，根据本发明的方法的第二变形，蓄电池温度随时间的变化受到监视。
最后，根据本发明的方法的第三变形，蓄电池内阻随时间的变化受到 监视。
在这一方面特别优选的是同时监视蓄电池的至少两个状态变量，并 且持续将充电电流注入蓄电池中直至所述至少两个状态变量随时间的变 化之一超出各自的相关预设极限值。
这种特征提供如下优点例如通过根据上述第一变形监视电压随时间 的变化，同时同步监视温度随时间的变化以便在蓄电池达到热极限(例如 处于具有极高环境温度的状态下)时就已经将充电过程中断，即使此时电 压随时间的变化仍未达到其极限值，能够保证获得特别安全的充电过程。
关于上述变形，特别有利的，所监视的随时间的变化是随时间的增加。
根据本发明实施例的第一变形，当状态变量随时间的变化超过预定极限值时切断充电电流。
这个特征提供如下优点，即能够相对较快地终止充电过程。 与此相比，根据本发明实施例的第二变形，当状态变量随时间的变化
超出预定极限值时，逐渐地将充电电流降至零。
这个特征提供如下优点，即能够更加缓和地执行蓄电池的充电过程。 虽然基本上本发明可用于任何类型的锂离子蓄电池，但是特别优选使
用磷酸铁锂蓄电池(lithium iron phosphate accumulator )。
这个特征提供如下优点，即其采用了一种与其它类型的锂离子蓄电池 相比对过充的敏感性较小的锂离子蓄电池类型。
本发明的其它优点将从说明书和附图中变得显而易见。
应理解本发明的上述特征和将在下面进行解释的那些特征不仅可用
于各自被指出的组合，而且还可以用于其它组合或者单独使用，而不脱离 本发明的范围。
本发明的特定实施例在附图中示出，并且将在下面的说明书中得到更
加详细地讨论。在附图中
图1示出了与根据本发明的充电设备的一个实施例相关的蓄电池的示 意性电路图2示出了在现有技术的锂离子蓄电池的充电过程中，电流、电压和 电量的曲线图3示出了与图2类似的视图，但其是关于根据本发明的用来向第一 磷酸铁锂蓄电池充电的方法的一个实施例；以及
图4示出了与图3类似的视图，但其是关于根据本发明的用来向第二 磷酸铁锂蓄电池充电的方法的一个实施例。
具体实施例方式
在图1中，蓄电池，其口头上也叫作"电池组"，总体上用附图标记 IO来表示。该蓄电池为锂离子蓄电池，优选为磷酸铁锂蓄电池。
蓄电池10与充电设备12相连。充电设备12与蓄电池10之间的连接由阳极线14和接地线16建立。充电设备12经由电源线18与电源相连， 例如230V交流电源相连。
蓄电池10包含串联连接的n个电池20a-20n。这些电池20a—20n被 连接到电子监视系统22上。在电池22a—22n附近设有温度传感器24，例 如NTC电阻，其也被连接到电子监视系统22上。
电子监视系统22包括能够产生与充电电流I、充电电压U、电池22a —22n的内阻Rj、电池22a—22n的温度T和(在某些情况下)蓄电池充 电状态的其他参数特性相对应的信号的装置。特别地，电子监视系统22 能够检测这些参数随时间的变化、即一次时间导数，并且能够产生相应的 信号，例如dU/dt、 dl/dt、 dT/dt和dRi/dt等。优选地，上述参数随时间的 增加受到监视。
或者，电子监视系统22也可以被设置在充电设备12中。
另外，电子监视系统22可从这些信号中产生指示例如电池22a—22n 的报警条件的次级信号，所述报警条件例如为临过充状态、临完全放电状 态、过压、过载电流、过热等。经如此确定和/或处理的信号经由信号线 30、 32和34送至充电设备12。
充电设备12包括经由多根控制线44a—44n相互连接的开关电源40 和电子控制器42。电子控制系统42经由信号线30、 32和34接收上述信 号，并且以根据本发明的方法所建议的方式经由开关电源40调节充电电 流I。
一旦由电子监视系统22以上述方式产生了指示电池22a—22n的报警 条件的信号，该信号引起充电设备12被完全切断。例如，在未检测到报 警条件的情况下，在信号线30上将出现信号"0"，而在检测到指示例如 临过充或者临完全放电状态的报警条件时，将出现有限电压信号"1"，其 例如具有+18V的电压。
如图1所示，电子监视系统22可被设置在蓄电池10中。然而作为替 换方式，也可以将电子监视系统的至少一部分放在蓄电池10的外部，例 如在充电设备12中。
应注意到这一点当蓄电池IO被连接到用电设备、例如电动工具上 时，还可以使用所述报警切断功能。当在用电设备的操作过程中存在蓄电池10即将出现完全放电的危险的时候，报警信号经由通向用电设备的相 应连接线路弓I发用电设备被切断。
图2示出了现有技术的配置的第一图表，其说明了三条时间曲线，即
关于充电电压U的曲线52、关于充电电流I的曲线54和关于电量Q (即 蓄电池10的充电状态)的曲线56。注意到 一开始用恒定电流I^i对蓄 电池10进行充电，因此电量Q将从零开始逐渐上升。同时，电压也从初 始值l^U,开始上升，直至在t,时刻达到预设极限值U二U2。此时，蓄电 池IO仅被充电至Q:Q,的值。从这点开始，对电流I进行控制以保证电压 U2不变，因此电流I将逐渐下降至零，同时电量Q接近阈值Q2。
与此相比，图3示出了说明根据本发明的方法的一个实施例的图表 60，其包括充电电流I的曲线62、充电电压U的曲线64和电量Q的曲线 66，以及电压的一次导数dU/dt的曲线68。
在这种情况下，电流I从零逐渐升至值I,，并且在Ii这个值上保持不 变直到在t,时刻发现电压U已经达到预设极限值U,。与图2所示的常规 进行方式不同，该系统现在继续向蓄电池IO注入恒定电流I。在这个过程 中，电压随时间的增长dUm/dt受到监视，直至还发现极限值dU/dt已被达 到。只在这个时间点上降低电流I。从电压U的曲线64中可注意到在达 到两个极限值U,和dU/dt,的时间点之间的额外时间间隔At期间，电压U 曾一度更加明显地上升，然而这对于蓄电池10来说不存在任何危险，特 别是在蓄电池10为磷酸铁锂型的情况下。
在这种情况下，充电过程在t2时刻终止，此时处于100%充电的状态。 在这个时间点上，电流I急速下降至零。
最后，图4以相同比例示出了与图3相似的充电过程，但图4是关于 不同的蓄电池和略微不同的充电过程。与在图3中使用的附图标记相比， 图4中的附图标记已经增加了 10。至于其它部分，与图3相关的讨论也适 用于图4。
在图4所示的实施例中，充电过程在t2时刻仍未结束。作为替换，对 该充电过程进行控制以使得在t2时刻蓄电池将仅充电例如95%。将仅经过 t2时刻与充电过程完全终止时的t3时刻之间的额外时间间隔At2就能实现 电量Q从例如95%的电量(^ (其在时间间隔At结束时的t2时刻达到)进一步增加到100%的电量值Q2。在时间间隔At2期间，电流I为此逐渐降 低为零。这种进行方式允许更缓和地对蓄电池进行充电。
基于在电子监视系统22中设有合适的装置以用于产生代表充电电流 I、充电电压U、电池22a—22n的内阻Ri、电池22a—22n的温度T和在 某些情况下蓄电池充电状态的其他参数特性的信号这一事实，根据本发明 的方法还可以使用dT/dt或者dR/dt例如替代电压随时间的变化、特别是 电压随时间的增长dU/dt。还可以并行处理多条这样的曲线，并且在第一 条这样的曲线的极限值达到时降低电流I。
权利要求
1. 可再充电的锂蓄电池(10)的充电方法，其中充电电流(I)被注入蓄电池(10)，并且在注入过程中蓄电池(10)上的电压受到监视，其特征在于蓄电池(10)的至少一个状态变量特性随时间的变化受到监视，并且持续将充电电流(I)注入蓄电池(10)中直至所述状态变量随时间的变化超出预设极限值。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于沿预定曲线控制充电电流。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于充电电流保持不变。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于充电电流具有周期性形状。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于充电电流为脉冲的形式。
6. 如权利要求1-5中的一项或多项所述的方法，其特征在于电压随时间的变化(dU/dt)受到监视。
7. 如权利要求l-6中的一项或多项所述的方法，其特征在于蓄电池(10)的温度随时间的变化(dT/dt)受到监视。
8. 如权利要求l-7中的一项或多项所述的方法，其特征在于蓄电池(10)的内阻随时间的变化(dRi/dt)受到监视。
9. 如权利要求l-8中的一项或多项所述的方法，其特征在于蓄电池 (10)的至少两个状态变量同时受到监视，并且持续将充电电流(I)注入蓄电池(10)直至所述至少两个状态变量随时间的变化之一超出各自相关 的预设极限值。
10. 如权利要求l-9中的一项或多项所述的方法，其特征在于所述状态变量随时间的增加受到监视。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于电压随时间的增加(dU/dt)受到监视。
12. 如权利要求10或11所述的方法，其特征在于蓄电池(10)的温度随时间的增加(dT/dt)受到监视。
13. 如权利要求10-12中的一项或多项所述的方法，其特征在于蓄电池(10)的内阻随时间的增加(dRi/dt)作为电气时间变量受到监视。
14. 如权利要求10-13中的一项或多项所述的方法，其特征在于蓄 电池(10)的至少两个状态变量同时受到监视，并且持续将充电电流(I) 注入蓄电池(10)直至所述至少两个状态变量随时间的增加之一超出各自相关的预设极限值。
15. 如权利要求1-14中的一项或多项所述的方法，其特征在于当状态变量随时间的变化超过预设极限值时，切断充电电流(1)。
16. 如权利要求1-14中的一项或多项所述的方法，其特征在于当状态变量随时间的变化超过预设极限值时，将充电电流(I)逐渐地降低至零。
17. 如权利要求1-16中的一项或多项所述的方法，其特征在于对磷酸铁锂蓄电池进行充电。
18. 如权利要求1-17中的一项或多项所述的方法，其特征在于蓄电池(10)适于操作电动工具。
19. 用于给可再充电的锂蓄电池(10)充电的充电设备，其具有用于 将充电电流(I)注入蓄电池(10)的第一装置和用于在注入过程中监视蓄 电池(10)上的电压(U)的第二装置，其特征在于设有用于额外监视 蓄电池(10)的状态变量特性中的至少一个随时间的变化的第三装置，和 用于将充电电流(I)连续注入蓄电池(10)中直至所述状态变量随时间的变化超过预设极限值的第四装置。
20. 如权利要求19所述的充电设备，其特征在于这些装置被用来在所述状态变量随时间的变化超出预设极限值时切断充电电流(1)。
21. 如权利要求19所述的充电设备，其特征在于这些装置被用来在所述状态变量随时间的变化超出预设极限值时将充电电流(I)逐渐降为零。
22. 锂蓄电池，其具有用于将蓄电池(10)连接到充电设备(12)上 的第一装置(14， 16)，和用于在充电电流(I)的注入过程中监视蓄电池(10)上的电压(U)的第二装置，其特征在于设有用于额外监视蓄电 池(10)的状态变量特性中的至少一个随时间的变化的第三装置，并且所 述第三装置向充电设备(12)产生信号以持续将充电电流(I)注入蓄电池(10)直至状态变量随时间的变化超过预设极限值。
23.如权利要求22所述的锂离子蓄电池，其特征在于所述第二和/ 或第三装置至少部分被设置在充电设备(12)中。
全文摘要
一种用于向可再充电的锂蓄电池(10)充电的方法和充电设备(12)。充电电流(I)被注入蓄电池(10)中，并且在注入过程中监视蓄电池(10)上的电压。另外，蓄电池(10)的至少一个状态变量特性随时间的变化受到监视，并且持续将充电电流(I)注入蓄电池(10)中直至所述状态变量随时间的变化超过预设极限值。
文档编号H01M10/44GK101414755SQ200810169379
公开日2009年4月22日 申请日期2008年10月14日 优先权日2007年10月16日
发明者拉杜·巴尔扎, 施赖伯·艾尔弗雷德 申请人:C.& E.泛音有限公司