[发明专利]平衡锂离子或锂聚合物电池的充电的方法

说明书

技术领域

本发明涉及可再充电电池的充电的领域，并且以随时间对锂离子或锂聚合物电池的电池单元进行充电或平衡充电的方法作为其目的。

背景技术

包括多个组成电池单元的电池的最佳充电提出了难以解决的问题，尤其是在串联的单元或电池单元的数目较多时。

在锂离子或锂聚合物电池的情况下，除了不同单元或电池单元的充电优化的问题，还增加了在过充(特别是由过热或过压所形成的过充)情况下，所造成的上述单元难以弥补的受损可能。

一方面，众所周知在使用串联的锂离子或锂聚合物单元的电池中，充电之后每一个单元或电池单元的电容量性能不同，并且这些差异随着充电和放电周期而增长，直到电池的寿命结束为止。

另一方面，众所周知锂离子和锂聚合物电池不能够在充电时过充，也不能够在使用(放电)时过放(undercharge)。作为示例而不是限制，对于串联的锂离子和锂聚合物电池的每一个单元的过充，最大残留电压值是4.20伏特，以及用以停止放电从而避免电池受损的残留电压是2.70伏特。

正如我们所知，通常，对于每一个锂离子或锂聚合物单元或电池单元，在单元或电池单元的端处的电压反映了存储在所述单元或电池单元中的电容量。这种电压的指示没有给出安培/小时或瓦特/小时的电容量精确值，而给出了在测量该电压时所述单元的电容量的百分比。

附图1示出了表示在锂离子单元的端处的电压相对于其电容量的发展的曲线(在具有恒定电流的放电曲线的情况下，时间正比于存储在所述锂离子单元中的电容量的百分比)，其中，0秒＝＞95％(4.129伏特)，6150秒＝＞50％(3.760伏特)以及12300秒＝＞0％(3.600伏特)。需要注意，电容量曲线在快速下降之前的一大部分几乎是线性的。为了控制锂离子单元或电池单元的充电和放电的操作，在几乎为线性的部分中执行操作，这可以认为电压反映了电容量。

根据三个前述点中形成的指示，可以确认，在由多于三个或四个串联的锂离子或锂聚合物单元组成的电池中，在最高充电单元达到4.20伏特时，电池的充电将结束，或者相反地，在放电期间，在最小电容量的单元达到2.70伏特时，放电停止：因此，具有最小电容量的单元将确定电池的整个电容量。这可以理解为，当电池具有大量串联单元时，实际上可能并未使用所有电池电容量，因为最小电容量单元以限制方式确定了电池的整个电容量。此外，该现象随着充电/放电周期增加而愈加严重。

这种不平衡充电的现象本质上是由电池组成单元之间的电容量差异和内部电阻引起的，这些差异是由锂离子或锂聚合物单元的生产质量的不同而引起的。

为了优化电池电容量随时间的变化(这对于使用成本非常重要)，必须通过在停止充电之前、实现电池的所有单元或所有电池单元的再次平衡，来克服上述问题。这种平衡将允许所有单元的100％充电，无论它们的电容量如何。

在现有技术应用中，这种平衡发生在充电结束处，导出(derive)充电到100％的单元的充电电流，即，当该单元达到4.20伏特时导出充电电流。因此，各单元在达到4.20伏特时停止充电，因而可在充电操作结束处获得所有单元的100％的充电。

然而，这种公知的在充电结束处的平衡技术具有明显的缺陷。

因此，这种平衡系统要求较大的电阻能够耗散随后的电流，并且在充电电流仍然较大时，所需耗散更大，这是在电池单元非常不平衡时出现的。

此外，这种极大耗散功率会产生随后的温度增高，这对于集成了分流电阻的电池是很麻烦的。

此外，尽管在充电操作结束时注入较大充电电流，可能会发生在达到充电结束条件时电池未平衡。

此外，应该注意，锂离子电池或锂聚合物电池在充电结束时可能不安全，这是因为由于其本质和其所存储的能量的量，电池单元实际上充电至其最大电平。

因此，该条件和该情况下用于平衡缺乏电荷的电池单元的高充电电流的施加导致所述单元过热，这会在极限情况下导致这些单元爆炸。

最后，高强度充电电流的施加加速了电池单元的老化，因此降低了其性能。

此外，在较高功率的应用中，电池的再充电时间(尤其是对于完全再充电)很长，甚至非常长。因此，经常发生放电的两个阶段之间的有效充电时间太短而不能够终止充电操作的情况，因此尽管尚未补偿单元或电池单元之间的不平衡，充电也中断了(在根据现有技术，平衡系统出现在充电结束处的情况下)。这些现象的重复导致所述电池的性能快速下降。

发明内容