本公開(kāi)涉及電池充電方法和設(shè)備，且更特別地，涉及使用充電率階梯式下降以快速使電池充電并延長(zhǎng)電池壽命的電池快速充電方法和設(shè)備。

本申請(qǐng)享有于2014年10月30日在韓國(guó)提交的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第10-2014-0149420號(hào)和于2015年8月3日在韓國(guó)提交的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第10-2015-0109510號(hào)的優(yōu)先權(quán)，所述優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)?jiān)诖艘匀囊梅绞郊{入本文中。

背景技術(shù)：

近來(lái)，對(duì)于諸如筆記本電腦和移動(dòng)電話(huà)的便攜式電子產(chǎn)品的需求顯著增加，且隨著對(duì)于電動(dòng)推車(chē)、電動(dòng)輪椅和電動(dòng)自行車(chē)的需求的增加，做出了許多對(duì)于可反復(fù)充電的高性能電池的研究。此外，隨著碳能源的逐漸枯竭和近年來(lái)對(duì)環(huán)境越來(lái)越多的關(guān)注，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)(hev)和電動(dòng)汽車(chē)(ev)的需求在全球范圍內(nèi)逐漸增加。

相應(yīng)地，更多的關(guān)注和研究集中在hev和ev的主要部件——汽車(chē)電池上，且進(jìn)一步地，發(fā)展快速充電技術(shù)來(lái)快速為電池充電的需求十分迫切。特別地，對(duì)于不具有其他能量來(lái)源的ev來(lái)說(shuō)，快速充電是非常重要的性能。

電池充電過(guò)程包括允許電流在電池內(nèi)流動(dòng)，從而使電荷和能量積聚，且此過(guò)程應(yīng)受到仔細(xì)控制。一般地，過(guò)度的充電率(c-率)或充電電壓會(huì)永久地降低電池性能，且最終可能導(dǎo)致完全失效或突然事故，例如極易腐蝕或爆炸的化工材料泄漏。

傳統(tǒng)的電池充電方法包括恒定電流(cc)法，該方法從始至終用均勻電流充電；恒定電壓(cv)法，該方法從始至終用均勻電壓充電；恒定電流-恒定電壓(cc-cv)法，該方法在開(kāi)始充電時(shí)用均勻電流充電且在結(jié)束充電時(shí)用均勻電壓充電。

在cc法中，開(kāi)始充電時(shí)，因高電壓差而流動(dòng)高電流。從快速充電的角度看來(lái)，充電電流越高越好，但是用高電流連續(xù)充電降低了充電效率且影響電池壽命。此外，在cc充電法中，電流(比如開(kāi)始充電時(shí)的電流)在充電結(jié)束后仍在電池內(nèi)持續(xù)流動(dòng)，導(dǎo)致根據(jù)鋰離子特性形成金屬鍍膜(鍍鋰)，從而引發(fā)諸如喪失過(guò)度充電控制功能這樣的安全問(wèn)題。由于這個(gè)原因，電池應(yīng)在充電結(jié)束后立即與充電器分離，這會(huì)造成不便。

此外，cv法具有下述缺點(diǎn)，因?yàn)闇囟茸兓碗姵厣傻臒崃?，在充電結(jié)束時(shí)引起端電壓的顯著變化，所以很難預(yù)設(shè)恒定電壓值，且由于電池通常在15.5～16v下充電20～24小時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)就是不便之處。

cc-cv法是最常用的。該方法在電池大量放電時(shí)用cc充電，且在充電接近結(jié)束時(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)換至cv，以防止過(guò)度充電。其中“c”代表以a·h為電荷單位(常用q表示)的電池容量，選擇以安培為電流單位的電流作為c的分?jǐn)?shù)(或乘數(shù))。一般地，最高以1c執(zhí)行充電。對(duì)于容量為700mah的鋰電池，電池充電大約需要1.5小時(shí)。然而，此充電方法需要在通風(fēng)良好且標(biāo)準(zhǔn)溫度大約25℃的地方，在適宜充電器的充電容量的條件下充電。

前述傳統(tǒng)電池充電協(xié)議的缺點(diǎn)是當(dāng)電池充電緩慢或電池內(nèi)過(guò)度充電時(shí)，電池的電極板受損，縮短了電池壽命。通常，已做出的研究主要是通過(guò)提高諸如輸出量的電池性能來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題

本公開(kāi)涉及提供一種用于為電池快速充電和延長(zhǎng)電池壽命的方法和設(shè)備。

技術(shù)方案

為達(dá)到所述目的，按照本公開(kāi)的電池充電方法來(lái)為電池充電，該電池充電方法開(kāi)始于高于1c的初始充電率(c-率)，且階梯式地降低充電率以防止電池的負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低。

初始充電率可從1.5c到5c。初始充電率可從1.5c到3c。

按照本公開(kāi)的電池充電方法包括：在每一不同充電率下測(cè)量電池的負(fù)極電勢(shì)作為充電狀態(tài)(soc)的函數(shù)來(lái)獲取數(shù)據(jù)的步驟；從獲取的數(shù)據(jù)中獲得協(xié)議的步驟，其中該協(xié)議階梯式地改變充電率以防止電池的負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低；和按照協(xié)議為電池充電的步驟。

該數(shù)據(jù)獲取步驟中的充電率可在0.25c～5c的范圍內(nèi)。該數(shù)據(jù)獲取步驟中的充電率可在0.25c～3c的范圍內(nèi)。該數(shù)據(jù)獲取步驟中的充電率可在0.25c～1.5c的范圍內(nèi)。該協(xié)議可包括在以每一充電率完成充電后，階梯式地降低充電率(進(jìn)而降低充電電流)和充電電壓信號(hào)。

按照本公開(kāi)的電池充電設(shè)備包括：被配置以將從標(biāo)準(zhǔn)電源輸入的充電電壓輸出的電源單元；和被配置以將從該電源單元輸入的充電電壓作為為電池充電的充電電流而輸出到該電池的電池充電單元，且當(dāng)該電池的充電電壓達(dá)到預(yù)設(shè)階梯，該電池充電單元被配置以改變充電電流，從而使得輸出到該電池的充電電流被控制為階梯式改變，其中該電池充電單元按照協(xié)議以階梯式控制的充電電流來(lái)為電池充電，該協(xié)議階梯式地改變充電率以防止電池的負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低。

有益效果

根據(jù)本公開(kāi)，按照協(xié)議以階梯式控制的充電電流來(lái)為電池充電，該協(xié)議階梯式地改變充電率以防止負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低?？赏ㄟ^(guò)用于防止負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)防止電池負(fù)極上鍍鋰的產(chǎn)生，進(jìn)而延長(zhǎng)電池壽命并實(shí)現(xiàn)快速電池充電。

附圖說(shuō)明

附圖示出了本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例以及上述公開(kāi)內(nèi)容，用于為本公開(kāi)的技術(shù)精神提供進(jìn)一步的理解，因此，本公開(kāi)不被解釋為局限于所述附圖。

圖1為按照本公開(kāi)的電池充電方法的流程圖。

圖2示出了作為充電率的函數(shù)的負(fù)極電勢(shì)以及基于協(xié)議充電期間的負(fù)極電勢(shì)。

圖3示出了用按照本公開(kāi)的方法為電池充電時(shí)，充電率(充電電流)隨時(shí)間變化的圖表。

圖4為按照本公開(kāi)使用階梯式降低的充電電流的充電方法和傳統(tǒng)cc-cv充電法的電池壽命對(duì)比圖表。

具體實(shí)施方式

在下文中，本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例將結(jié)合附圖得到具體說(shuō)明。然而，本公開(kāi)不限于下文公開(kāi)的實(shí)施例，且將實(shí)施為各種不同形式，且此實(shí)施例僅供于充分公開(kāi)本公開(kāi)之用，且?guī)椭绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員充分完整地理解本發(fā)明。

以恒定電流模式充電的最棘手的問(wèn)題是由負(fù)極表面鍍鋰引起的電池退化。鍍鋰更傾向于在充電電流密度(充電率或充電電流)增大和溫度降低時(shí)產(chǎn)生，為防止鍍鋰，如果降低充電電流密度，就達(dá)不到目標(biāo)充電速度。本公開(kāi)可提供在防止電池內(nèi)產(chǎn)生鍍鋰的同時(shí)縮短充電時(shí)間的技術(shù)。

當(dāng)負(fù)極電勢(shì)為0v或更低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鍍鋰。因此，本公開(kāi)通過(guò)3電極-電池測(cè)試來(lái)測(cè)量負(fù)極電勢(shì)作為充電電流的函數(shù)，且當(dāng)用每個(gè)電流充電時(shí)，用數(shù)字來(lái)定量表示不產(chǎn)生鍍鋰的充電限度。此外，經(jīng)由該測(cè)試，通過(guò)在階梯式地降低充電電流且控制充電率以防止負(fù)極電勢(shì)降低到0v或更低的同時(shí)為電池充電，提供了防止產(chǎn)生鍍鋰和減少充電時(shí)間的多階梯充電技術(shù)。

圖1為按照本公開(kāi)的電池充電方法的流程圖。

參考圖1，執(zhí)行在每一不同充電率下測(cè)量電池的負(fù)極電勢(shì)作為soc的函數(shù)來(lái)獲取數(shù)據(jù)的步驟(s1)。

例如，通過(guò)3電極-電池測(cè)試來(lái)測(cè)量所述負(fù)極電勢(shì)作為充電電流的函數(shù)。其中“c”代表以a·h為電荷單位(常用q表示)的電池容量，選擇以安培為單位的電流作為c的分?jǐn)?shù)(或乘數(shù))。例如，1c充電率是充滿(mǎn)電的電池容量在1小時(shí)內(nèi)被耗盡或充滿(mǎn)的充電/放電速度，1c充電率也被稱(chēng)為該時(shí)刻的電流密度。近來(lái)，隨著電子設(shè)備的功能多元化，設(shè)備在預(yù)定時(shí)間內(nèi)需要使用的電流量大量增加。相應(yīng)地，作為其能量來(lái)源的電池需要更高的性能。以移動(dòng)電話(huà)為例，它們中大多數(shù)過(guò)去需要c/2的充電速度和放電速度，但將來(lái)，這些功能會(huì)得到進(jìn)一步提升，需要與1c的充電率和放電率相適應(yīng)的性能。目前，筆記本電腦的電池、ev和phev需要類(lèi)似的充電率和更高的放電率。

充電率高于1c從快速充電的角度來(lái)說(shuō)是理想的。然而，高電流連續(xù)充電往往伴隨著電池內(nèi)部高溫?zé)崃康漠a(chǎn)生，且由于電池的電阻，各電極可能處于過(guò)壓狀態(tài)。因此，充電率的設(shè)定應(yīng)考慮到電池的類(lèi)型和特性。

在數(shù)據(jù)獲取步驟中的充電率范圍依賴(lài)于電池的類(lèi)型和特性。例如，ev電池可在0.25c～1.5c的充電率范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，其中初始充電率被設(shè)定為1.5c。另一個(gè)例子中，phev(插電式混合動(dòng)力汽車(chē))電池可在0.25c～3c的充電率范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，其中初始充電率被設(shè)定為3c。初始充電率和充電率范圍可能受到電池的類(lèi)型和實(shí)際汽車(chē)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大電流的限制。

如前所述，考慮到電池的特性，ev電池可將初始充電率設(shè)為1.5c，且phev電池可將初始充電率設(shè)為3c。根據(jù)需要更快充電率和放電率的電池規(guī)格，可增大初始充電率，例如，高達(dá)5c。因此，初始充電率可為1.5c至5c，且在本公開(kāi)中，數(shù)據(jù)獲取步驟的充電率范圍可為0.25c至5c。

如前所述，更多的關(guān)注和研究都集中在了作為hev和ev的主要部件的汽車(chē)電池上，且此外，為了快速為電池充電，迫切需要發(fā)展快速充電技術(shù)。在汽車(chē)市場(chǎng)中，對(duì)充電時(shí)間的需求逐漸增多，且為了滿(mǎn)足此需求，需要更高的初始充電率。從快速充電的角度看來(lái)，更高的初始充電率是有利的，但由于前面指出的問(wèn)題，當(dāng)充電率過(guò)高時(shí)，由于電池的電阻，各電極可能處于過(guò)壓狀態(tài)。此外，如果充電率過(guò)高，會(huì)在充電開(kāi)始的同時(shí)達(dá)到限度(在本公開(kāi)的情況中，該限度為0v或更低的負(fù)極電勢(shì))，從而無(wú)法顯著地縮短總充電時(shí)間。因此，為了提高初始充電率，應(yīng)該共同提升電池的電阻特性。本公開(kāi)可將具有比傳統(tǒng)電池更強(qiáng)的電阻特性的電池的初始充電率提高到5c。

圖2示出了作為充電率的函數(shù)的負(fù)極電勢(shì)。如圖2所示，在從1.5c變化到0.25c的充電率下，測(cè)量負(fù)極電勢(shì)作為soc的函數(shù)來(lái)獲得圖表。

隨后，從所獲數(shù)據(jù)中獲得協(xié)議，該協(xié)議階梯式地改變充電率以防止電池的負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低(s2)。如果防止了負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低，那么在電池充電期間形成的離子層就會(huì)擴(kuò)散到電解質(zhì)中并分解，從而防止負(fù)極上產(chǎn)生鍍鋰。

例如，在圖2中，可獲得如虛線(xiàn)所示的協(xié)議，該協(xié)議防止負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低。以1.5c的初始充電率開(kāi)始充電，且負(fù)極電勢(shì)在soc為35％的點(diǎn)變?yōu)?v。該充電率之后變?yōu)橄乱怀潆娐剩?.25c。充電期間，負(fù)極電勢(shì)在soc為47％的點(diǎn)變?yōu)?v。該充電率之后變?yōu)橄乱怀潆娐剩?c。充電期間，負(fù)極電勢(shì)在soc為56％的點(diǎn)變?yōu)?v。該充電率之后變?yōu)橄乱怀潆娐剩?.75c。充電期間，負(fù)極電勢(shì)在soc為65％的點(diǎn)變?yōu)?v。該充電率之后變?yōu)橄乱怀潆娐剩?.5c。充電期間，負(fù)極電勢(shì)在soc為76％的點(diǎn)變?yōu)?v。該充電率之后變?yōu)橄乱怀潆娐省?/p>

可通過(guò)此方法獲得協(xié)議，且負(fù)極電勢(shì)相對(duì)于soc的圖表根據(jù)電池類(lèi)型而變化，但可類(lèi)似地應(yīng)用獲得協(xié)議的方法。

此外，雖然此實(shí)施例描述了充電率從1.5c每次降低0.25c直到0.25c，但是初始充電率范圍和數(shù)據(jù)獲取階梯的充電率范圍可變化至前述任何程度，且充電率的降低程度可以是除了0.25之外的任意值。由于減小了降低程度，所述階梯被細(xì)分，從而延長(zhǎng)了總充電時(shí)間，但增強(qiáng)了防鍍鋰的效果。

圖3示出了用本公開(kāi)的方法為電池充電時(shí)，充電率(充電電流)隨時(shí)間變化的圖表，且圖3表現(xiàn)出的協(xié)議(最終充電率為0.4c，而非0.25c)與圖2所示的按照充電率隨時(shí)間變化的形式示出的協(xié)議類(lèi)似。

用于為電池充電的充電器的充電電流隨著時(shí)間推移，從對(duì)應(yīng)1.5c的初始充電率階梯式地下降到最終充電率。如前所述，因?yàn)槌潆娐视脕?lái)防止負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低，所以每個(gè)充電率在其中得到保持的時(shí)間(t1至t6)可能變化。如上所述，本公開(kāi)測(cè)量負(fù)極電勢(shì)作為充電率的函數(shù)，且當(dāng)以該充電率用每個(gè)電流充電時(shí)，用數(shù)字來(lái)定量表示不產(chǎn)生鍍鋰的充電限度。

隨后，按照協(xié)議為電池充電(s3)。該協(xié)議可包括，在以每個(gè)充電率完成充電后，階梯式地降低充電率和充電電壓信號(hào)。根據(jù)本公開(kāi)，通過(guò)施加按照協(xié)議優(yōu)化過(guò)的充電電流來(lái)為電池充電。

可使用按照本公開(kāi)的電池充電設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)充電協(xié)議。電池充電設(shè)備包括：被配置以將從標(biāo)準(zhǔn)電源輸入的充電電壓輸出的電源單元；和被配置以將從電源單元輸入的充電電壓作為為電池充電的充電電流而輸出到電池的電池充電單元，且當(dāng)該電池的充電電壓到達(dá)預(yù)設(shè)階梯時(shí)，該電池充電單元被配置以改變充電電流，從而使輸出到電池的充電電流被控制為階梯式地改變。該電池充電單元按照協(xié)議以階梯式控制的充電電流來(lái)為電池充電，該協(xié)議階梯式地改變充電率以防止電池的負(fù)極電勢(shì)下降到0v或更低。

按照本公開(kāi)的充電方法的協(xié)議的邏輯可與所述電池充電設(shè)備相結(jié)合，且可用于為電池充電。該電池充電單元采用了用于實(shí)現(xiàn)快速充電的處理器。根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例，該處理器將充電協(xié)議的邏輯儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，且以高準(zhǔn)確度測(cè)量出電壓和電流，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制并維持設(shè)備性能。

表格1總結(jié)了按照充電協(xié)議實(shí)際充電時(shí)的充電電壓和充電時(shí)間，該充電協(xié)議是基于每個(gè)電流密度的負(fù)極電勢(shì)而設(shè)定的，而不會(huì)將負(fù)極電勢(shì)降低到0v或更低。

表格1

當(dāng)電池以1.5c的初始充電率充電時(shí)，達(dá)到soc為35％(即，電池的充電電壓為3.823v)的點(diǎn)需要14分鐘(t1)。當(dāng)電池以按照協(xié)議改變至下一充電率1.25c的充電率充電時(shí)，達(dá)到了soc為47％的點(diǎn)，且在此時(shí)，電池的充電電壓為3.832v且花費(fèi)了5.76分鐘(t2)。當(dāng)電池以按照協(xié)議改變至下一充電率1c的充電率充電5.4分鐘(t3)時(shí)，達(dá)到了soc為56％的點(diǎn)，且在此時(shí)，電池的充電電壓為3.84v。當(dāng)電池以按照協(xié)議改變至下一充電率0.75c的充電率充電時(shí)，達(dá)到了soc為65％的點(diǎn)，且在此時(shí)，電池的充電電壓為3.857v，且此階梯的維持時(shí)間為7.2分鐘(t4)。當(dāng)電池以按照協(xié)議改變至下一充電率0.5c的充電率充電13.2分鐘(t5)時(shí)，達(dá)到了soc為76％的點(diǎn)，且在此時(shí)，電池的充電電壓為3.95v。當(dāng)電池以按照協(xié)議改變至下一充電率0.4c的充電率充電時(shí)，達(dá)到了soc為80％的點(diǎn)，且在此時(shí)，電池的充電電壓為4.0v，且這一階梯花費(fèi)了6分鐘(t6)。

從表格1中可以看出，按照本公開(kāi)的教導(dǎo)內(nèi)容的執(zhí)行導(dǎo)致下述充電概況，其中在51.56分鐘(t1+t2+t3+t4+t5+t6)內(nèi)獲得了完全充電的80％(80％soc)，造成充電時(shí)間減少；即使在完全充電的情況下，充電時(shí)間也比按照傳統(tǒng)方法以1c的充電率完全充電所需的大約1.5小時(shí)少。

此外，按照本公開(kāi)，由于該充電過(guò)程經(jīng)控制以防止負(fù)極電勢(shì)降到0v或更低，當(dāng)與一般的cc-cv充電法相比時(shí)，負(fù)極上不存在產(chǎn)生鍍鋰的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果是，存在延長(zhǎng)壽命的效果。

電池壽命是電池可用的時(shí)間度量且其單位是循環(huán)，其被稱(chēng)為循環(huán)特征。換言之，它表明了該電池在使用期間可重復(fù)充電多少次，且在電能的意義上，當(dāng)電池僅充過(guò)一次電且被使用至該電池完全放電時(shí)，其被稱(chēng)為1次循環(huán)，而循環(huán)的次量被稱(chēng)為壽命。

圖4為按照本公開(kāi)使用階梯式降低充電電流的充電方法和傳統(tǒng)cc-cv充電法的電池壽命對(duì)比圖表，示出了電池容量變化與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。即使在長(zhǎng)時(shí)間的充電/放電循環(huán)后，不降低且維持電池容量也是必要的。

在本公開(kāi)和常規(guī)技術(shù)中，在同樣的時(shí)間執(zhí)行充電，且在同樣的條件(1ccc)下執(zhí)行放電，對(duì)比每種情況下的壽命。在如圖4所示的傳統(tǒng)方法中，在250次循環(huán)后，容量保持率降低到大約96％，而在本公開(kāi)中，甚至在250次循環(huán)后，容量保持率仍為98％或更高。

電池壽命由許多因素決定，且電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤其是負(fù)極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是十分重要的。理想的負(fù)極具有很高的與鋰離子反應(yīng)的可逆性。當(dāng)發(fā)生理想的可逆反應(yīng)時(shí)，作為循環(huán)的函數(shù)的容量保持率沒(méi)有發(fā)生變化。可以看出，按照本公開(kāi)使用階梯式下降的充電電流的充電方法比傳統(tǒng)方法具有更高的反應(yīng)可逆性，這是因?yàn)樵谪?fù)極上防止了鍍鋰。如上所述，根據(jù)本公開(kāi)的使用階梯式下降的充電電流的充電方法，可以看出通過(guò)防止電池退化，電池壽命比傳統(tǒng)電池更長(zhǎng)。

按照本公開(kāi)使用階梯式下降的充電電流的充電方法，使用高于1c的初始充電率，以階梯式下降的充電率快速為電池充電，以防止負(fù)極電勢(shì)降低到0v或更低，在不產(chǎn)生鍍鋰的情況下實(shí)現(xiàn)快速電池充電。防止損傷電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并延長(zhǎng)電池壽命是可能的。

雖然本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例已在上文中得到闡明和描述，但是本公開(kāi)不限于上述具體的優(yōu)選實(shí)施例，且對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很明顯可以做出各種修改而不背離所附權(quán)利要求中要求保護(hù)的本公開(kāi)的本質(zhì)，且此種修改落入所述權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。