[发明专利]一种锂离子电池快速充电方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可充电的二次锂离子电池的充电装置及其充电方法，尤其涉及能快速充电、抑制电池老化的锂离子电池充电装置及其充电方法。

背景技术

作为锂离子电池或Ni-MH电池等非水系二次电池的充电方法，一般使用连续充电和脉冲充电。在连续充电中，可进一步细分为恒定电流充电、恒定电压充电以及恒流-恒压充电三种方式。在非水系二次电池的充电中，若充电电压过高，则电池性能明显劣化，甚至引发燃烧爆炸等事故。因此需要十分注意，使得充电电压不超过给定电压。

为了在充电速度和充电安全性之间达到一个折中平衡，连续充电一般使用恒流-恒压充电。在充电初期，进行恒定电流充电，二次电池的电压达到给定电压值后，以恒定电压继续充电，充电电流降低到给定值时即认为达到满量充电，结束充电。这种充电方法的优点在于，进行恒定电流充电时，通过增大充电电流能快速充电，缩短充电时间；而二次电池的电压达到给定电压值时，就切换到恒压充电，确保导致使得二次电池劣化的高压不施加到二次电池上。

电池的内部电动势或者开路电压是判断电池充电是否满充的理想参数，然而在实际充电过程中，上述两个参数不可测，只能使用电池端电压进行近似分析。一般情况下，由于电池内阻的存在，电池端电压小于电池开路电压。电池充电电流越大，电池端电压和开路电压差异越大。在恒流-恒压充电方法中，恒流阶段当电池端电压达到给定值(例如锂离子电池设定为4.2伏)时，电池开路电压实际并未达到给定值。但是为了安全保守起见，不得不采取限流措施，改为充电电流较小的恒压充电模式。

由以上分析可知，恒压充电模式的引入，确保了电池充电的安全性，但是同时也影响了电池的充电速度。如图1，实验中对锂离子电池使用1.5A的恒定电流进行充电，大约50分钟后即可充电85％。然后端电压达到给定值改用恒压充电。经过约1.5小时后，电池才渐至充满。充电15％，结果占用了65％的充电时间。由此可见，恒压充电阶段严重降低了电池的充电速度。事实上，对于使用一段时间后的老化电池，由于电池内阻的变大，恒流充电阶段时间变短，恒压充电对电池充电速度的影响更加显著。

上述充电方法利用电池的端电压作为电池充电模式切换与充电终止的控制参数，不利于电池的充电速度提升，例如专利98122261.7与01121097.4。为了克服上述问题，本发明提出一种完全利用恒流充电的电池快速充电方法与装置。充电过程中，实时测量电池的端电压。当端电压达到给定值后，计算电压变化率，搜寻电压变化率曲线的拐点。电池接近充满时，电压变化率开始逐渐变大，到达充满时刻电压变化率急剧减小。当电压变化率的拐点出现时，即说明电池充电已经充满，充电结束。通过电压变化率拐点这一充电截止判断方法，无需引入恒压充电阶段，在保证电池安全、可靠与高效充电的同时，极大加快了电池充电速度。

发明内容

针对锂离子电池恒流-恒压充电方法充电速度偏慢的缺陷，本发明提出一种完全恒流充电的锂离子电池充电方法及其装置。其利用电池端电压变化率满充时出现拐点这个特征作为充电截止的判定方法，即确保了电池充电的安全可靠，又达到了快速充电的目的。

根据本发明的一个方面，提供一种锂离子电池快速充电的装置，包括：直流电流恒流源，与待充电的锂离子电池相连接，直流电流恒流源提供恒定充电电流；可控开关，与所述锂离子电池以及所述直流电流恒流源串联形成串联电路，可控开关接通或者切断所述串联电路；其特征在于，所述锂离子电池快速充电的装置还包括：控制模块，所述控制模块连接锂离子电池和所述可控开关，所述控制模块检测锂离子电池的端电压和端电压变化率，测得的端电压低于充电阈值，所述控制模块控制所述可控开关接通所述串联电路对锂离子电池充电；测得的端电压高于充电阈值且测得端电压变化率曲线出现明显下降，控制模块控制可控开关切断所述串联电路停止对锂离子电池充电。

优选地，所述控制模块包括一单片机，所述单片机与锂离子电池并接，其中，所述单片机的第一端连接锂离子电池正极的一端，其第二端连接锂离子电池负极的一端，所述单片机检测并记录锂离子电池的端电压和端电压变化率，根据不同时刻的端电压变化率生成电压变化率曲线，并对电压变化率序列曲线进行平滑滤波，消除电压测量过程中产生的毛刺，判断端电压值与充电阈值的大小，端电压值小于充电阈值则生成接通所述串联电路的指令，根据端电压变化率的曲线搜寻端电压变化率曲线的拐点，端电压变化率曲线出线拐点则生成切断所述串联电路的指令。