專利名稱：Charging method for an assembled cell and an assembled cell system的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于組合電池芯和組合電池芯系統(tǒng)的充電方法，該組合電池芯包括串 聯(lián)連接的多個(gè)蓄電池。
背景技術(shù)：
高能量密度的蓄電池已廣泛用作用于諸如便攜式電話和筆記本個(gè)人電腦的小的 信息裝備的電源。蓄電池通常串聯(lián)連接，其數(shù)量與目標(biāo)設(shè)備所需的電壓以及電流相對(duì)應(yīng)，或 通常用作組合電池芯，其中它們串聯(lián)或并聯(lián)連接。因?yàn)榍笆鲂〉男畔⒀b備的電源電壓約為 數(shù)V至10V，所以組合電池芯中的串聯(lián)連接的數(shù)量為1至3。另一方面，近些年，將蓄電池用于需要高功率或高電壓的目的和用于信息裝備的 電源的應(yīng)用得到了迅速的擴(kuò)張，需要高功率或高電壓的應(yīng)用諸如是家庭電氣器具、電動(dòng)工 具(power tool)、助力自行車(chē)以及混合動(dòng)力車(chē)輛(hybrid electric vehicle)。與之相伴 的是，組合電池芯中串聯(lián)連接的數(shù)量增大了，并且串聯(lián)連接10個(gè)或更多電池不罕見(jiàn)。串聯(lián)連接電池的突出問(wèn)題是單獨(dú)的電池(稱作電池芯)之間的波動(dòng)。波動(dòng)包括例 如電容量波動(dòng)、阻抗波動(dòng)、以及充電狀態(tài)(SOC)波動(dòng)?？赡軐?dǎo)致這些波動(dòng)的錯(cuò)誤的波動(dòng)是電 壓波動(dòng)，其是SOC波動(dòng)之一。如果具有不同電容量的電池串聯(lián)連接，或多個(gè)電池在不同的SOC下連接，則在組 合電池滿充的狀態(tài)下，生成了電壓比平均電壓高的電池芯或電壓比平均電壓低的電池芯。 具有較高電壓的電池芯變成過(guò)度充電狀態(tài)，由此加強(qiáng)了退化。如果重復(fù)充電，則由于過(guò)度充 電而加強(qiáng)了退化的電池芯具有減小的電容量，使得過(guò)度充電更進(jìn)一步，由此加速了退化。結(jié) 果，與電池芯的使用壽命相比，組合電池的循環(huán)使用壽命被極度縮短。因此，要求組合電池芯使用保護(hù)電路來(lái)控制其電池芯不被過(guò)度充電。與過(guò) 度充電一樣，優(yōu)選地，控制組合電池芯的所有電池芯不處于關(guān)于諸如過(guò)度放電和過(guò)熱 (overheating)的其它電池異常的異常范圍內(nèi)。附帶地，作為用于非水電解質(zhì)蓄電池中的充電控制方法，通常使用恒流恒壓型方 法。根據(jù)恒流恒壓型方法，執(zhí)行恒流充電，直到電池達(dá)到滿充電壓，其后，執(zhí)行恒壓充電，電 池電壓維持于某一設(shè)定電壓。根據(jù)恒流恒壓型方法，當(dāng)對(duì)電池芯充電時(shí)，電池芯電壓決不會(huì) 達(dá)到過(guò)度充電區(qū)。即使通過(guò)增大充電電流來(lái)執(zhí)行快速充電，雖然達(dá)到滿充電壓所需的時(shí)間 縮短了，但是不會(huì)達(dá)到更高電壓。另一方面，如果根據(jù)恒流恒壓方法對(duì)組合電池芯進(jìn)行充電，則產(chǎn)生前述電壓波動(dòng)。 當(dāng)對(duì)充電電源執(zhí)行反饋控制時(shí)，通常，在恒壓充電下，組合電池芯的電壓被控制為恒定。因 此，在具有低電壓的電池芯和具有高電壓的電池芯串聯(lián)連接的任何組合電池芯中，具有高 電壓的電池芯達(dá)到過(guò)度充電區(qū)。理想地，如果能夠?qū)M合電池芯的所有電池芯執(zhí)行恒壓充電控制，則由于電壓波 動(dòng)的過(guò)度充電問(wèn)題決不會(huì)發(fā)生。然而，為了對(duì)組合電池芯的所有電池芯的電壓執(zhí)行恒壓充 電，需要在反饋環(huán)中采取如下復(fù)雜的處理，以控制充電電源(i)測(cè)量所有電池芯的電壓；[11]通過(guò)比較各電池芯電壓來(lái)選擇最高電池芯電壓；(iii)將最高電池芯電壓與參考電壓 進(jìn)行比較；以及(iv)基于(iii)的比較結(jié)果控制充電電源的輸出電壓。即使能夠在反饋環(huán) 中采用該處理，就響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、以及對(duì)諸如噪聲的干擾的抵抗力來(lái)說(shuō)，反饋環(huán)也具有 多個(gè)不穩(wěn)定因素。因此，存在可靠性問(wèn)題，且隨著組合電池芯中串聯(lián)連接的電池芯的數(shù)量增 大，電路配置變得復(fù)雜，就成本和尺寸來(lái)說(shuō)，這是不利的。 在大多數(shù)應(yīng)用的組合電池芯系統(tǒng)中，提供分開(kāi)的組合電池芯和充電器，且組合電 池芯和充電器僅在充電時(shí)相連接。然而，包含關(guān)于所有電池芯電壓的信息的復(fù)雜反饋信息 不能在組合電池芯和充電器之間容易地傳輸。 被重新充電的電池芯之間的電壓波動(dòng)隨電池芯之間的SOC波動(dòng)增大而增大，或者 電池芯的電壓相對(duì)于滿充附近的SOC的改變率增大，或充電電流增大。因此，如果企圖對(duì)由 電池芯構(gòu)成的組合電池進(jìn)行快速充電，該電池芯具有容許電池芯電壓在重新充電的結(jié)束期 陡峭上升的特性，則特別是那些問(wèn)題會(huì)變得突出。因?yàn)橥ǔ?，組合電池芯具有關(guān)于電池芯之 間的電壓波動(dòng)的問(wèn)題，所以在比電池芯的滿充電壓高的電壓側(cè)設(shè)定充電禁止電池芯電壓。 然而，如果電池芯間的電壓波動(dòng)增大，則在重新充電期間，電池芯的部分超越充電禁止電池 芯電壓，使得有些時(shí)候，充電中途停止。如果根據(jù)恒流恒壓型方法對(duì)組合電池芯進(jìn)行充電，以避免該現(xiàn)象，則恒壓充電時(shí) 的設(shè)定電壓設(shè)定為低于(電池芯的滿充電壓)X (串聯(lián)連接的電池芯的數(shù)量)。通常，如果 充電電壓進(jìn)一步減小，則在電壓相對(duì)于SOC的改變小的區(qū)中執(zhí)行充電。從而，即使存在相同 量的SOC波動(dòng)，電壓波動(dòng)也減小了。此外，通常，電池芯達(dá)到的電壓減小，使得能夠增大達(dá)到 充電禁止電池芯電壓所需的電壓裕度。即使發(fā)生電壓波動(dòng)，該波動(dòng)也是在能夠?qū)﹄姵匦局?新充電的比滿充電壓低的電壓附近產(chǎn)生，由此降低了發(fā)生過(guò)度充電的可能性。然而，如果降 低了恒壓時(shí)的設(shè)定電壓，則歸因于受限的快速充電性能，產(chǎn)生了充電電容量受限的問(wèn)題和 充電速度降低的問(wèn)題。已經(jīng)公開(kāi)了另一充電方法，例如在JP-A2005-151683(特開(kāi))中，其不限制充電電 容量或充電速度，同時(shí)避免了歸因于電壓波動(dòng)的過(guò)度充電。根據(jù)JP-A2005-151683 (特開(kāi)) 中公開(kāi)的充電方法，根據(jù)恒流方法對(duì)整個(gè)組合電池芯進(jìn)行充電，且在組合電池芯中包含的 任何一個(gè)電池芯達(dá)到滿充電壓時(shí)，減小充電電流，并繼續(xù)恒流充電。通過(guò)重復(fù)此步驟以逐步 減小充電電流，對(duì)電池芯進(jìn)行充電。根據(jù)此充電方法，即使電池芯的電壓發(fā)生波動(dòng)，在表示 最高電壓的電池芯達(dá)到滿充電壓時(shí)，充電電流也降低了。在充電電流下降時(shí)，所有電池芯電 壓下降并達(dá)到過(guò)度充電電壓的情況決不會(huì)發(fā)生。此外，如果最終以充分小的電流值執(zhí)行恒 流充電，則能夠獲得與恒流恒壓充電方法的情況類(lèi)似的充電電容量。此外，通過(guò)將每一步的 充電電流的降低率設(shè)定的較小，能夠獲得與恒流恒壓方法的情況類(lèi)似的充電速度。根據(jù)JP-A2005_151683(特開(kāi))中公開(kāi)的方法，即使電池芯的電壓波動(dòng)，充電也繼 續(xù)。因此，即使包含有比其它電池芯的電壓低得多的電壓的電池芯，充電也決不會(huì)因?yàn)槔?內(nèi)部短路而停止。在組合電池芯的部分被局部加熱，使得電池芯的部分的阻抗降低并且從 而降低了充電時(shí)電池芯的電壓的情況下，發(fā)生相同的事情。根據(jù)恒流恒壓方法，如果由于內(nèi)部短路或過(guò)熱而在組合電池芯中存在具有特別低 的電壓的電池芯，則需要增大其它電池芯的電壓。結(jié)果，因?yàn)檫^(guò)度充電禁止條件，充電停止。 然而，JP-A2005-151683(特開(kāi))中公開(kāi)的方法還有新的問(wèn)題，即，該安全機(jī)制可能被禁用，使得呈現(xiàn)內(nèi)部短路問(wèn)題的電池芯被重新充電，并那樣被使用，結(jié)果，局部加熱的電池芯可以 被快速充電產(chǎn)生的焦耳熱進(jìn)一步加熱。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于組合電池芯和組合電池芯系統(tǒng)的充電方法，該組合 電池芯能夠執(zhí)行快速充電，同時(shí)即使電池芯之間存在波動(dòng)也能抑制過(guò)度充電，并確保以高 安全性防止，歸因于諸如內(nèi)部短路的電池異常，而在電池芯中存在大的電壓波動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于組合電池芯的充電方法，所述組合電池芯 包括多個(gè)串聯(lián)連接的蓄電池，所述充電方法包括檢測(cè)所述電池芯電壓；設(shè)定充電電流設(shè) 定值，以便在至少一個(gè)所檢測(cè)的電池芯電壓達(dá)到預(yù)定充電終止上限電壓時(shí)，降低所述組合 電池芯的所述充電電流設(shè)定值；根據(jù)所述充電電流設(shè)定值控制所述組合電池芯的所述充電 電流；以及在至少一個(gè)檢測(cè)的所述電池芯電壓達(dá)到所述充電終止上限電壓，且最低電池芯 電壓低于預(yù)定充電終止下限電壓時(shí)，停止所述充電。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組合電池芯系統(tǒng)的框圖；圖2是示出相同實(shí)施例的算術(shù)運(yùn)算部分的細(xì)節(jié)的框圖；圖3是示出相同實(shí)施例的充電控制流程的流程圖；圖4是示出根據(jù)相同實(shí)施例的，在用于恒流充電的充電電流設(shè)定值逐步降低時(shí)， 連續(xù)進(jìn)行充電時(shí)的充電曲線的圖示；圖5是示出根據(jù)相同實(shí)施例的，在電池芯電壓達(dá)到充電終止上限時(shí)，存在具有比 充電終止下限低的電池芯電壓的電池的情況下，充電曲線的圖示。
具體實(shí)施例方式以下，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的組合電池芯系統(tǒng)。組合電池芯系統(tǒng)主要具有電 池組10和充電器20。為了給電池組10充電，電池組10和充電器20如同一圖中所示地連 接，為了使電池組10放電，將它們斷開(kāi)，并且將電池組10連接至負(fù)載。雖然圖1示出了電 池組10和充電器20彼此分開(kāi)的范例，但是使用其中電池組和充電器組合為電源系統(tǒng)的組 合電池芯是允許的。電池組10裝備有組合電池芯11，組合電池芯11具有串聯(lián)連接的多個(gè)電池芯11-1 至ll-η。雖然圖1中組合電池芯11的串聯(lián)連接的數(shù)量是5，但是η可以是2或更大的任意 數(shù)。圖1中單個(gè)電池表示的部分可以是多個(gè)并聯(lián)連接的電池，并且在該情況下，使用并串聯(lián) 組合電池芯。電池組10還包括電壓檢測(cè)單元12、算術(shù)運(yùn)算單元13、通信單元14以及開(kāi)關(guān) 電路15。電壓檢測(cè)單元12連接至組合電池芯11的所有電池芯11-1至11_η的連接點(diǎn)，以 檢測(cè)電池芯11-1至ll-η的電壓(稱作電池芯電壓)。如果組合電池芯包含并聯(lián)連接，則電 壓檢測(cè)單元12僅需要檢測(cè)每組并聯(lián)連接的單個(gè)位置的電壓，因?yàn)橥唤M并聯(lián)連接具有相 同電壓。電壓檢測(cè)單元12的檢測(cè)結(jié)果輸入至算術(shù)運(yùn)算單元13。
算術(shù)運(yùn)算單元13確定電壓檢測(cè)單元12檢測(cè)的所有電池芯電壓并基于該確定結(jié)果 確定充電電流設(shè)定值Ic。如果電壓檢測(cè)單元12檢測(cè)的電池芯電壓異常，則算術(shù)運(yùn)算單元 13關(guān)斷插于組合電池芯11和充電器20之間的開(kāi)關(guān)電路15，以便強(qiáng)制地切斷充電電流或放 電電流。算術(shù)運(yùn)算單元13具有電池芯電壓確定單元31和充電電流設(shè)定單元32，如圖2的 內(nèi)部配置的范例中所示。電池芯電壓確定單元31使用初步確定的充電終止上限電壓和充 電終止下限電壓確定電壓檢測(cè)單元12檢測(cè)的電池芯電壓，以獲得確定結(jié)果。更具體地，電 池芯電壓確定單元31確定(a)在組合電池芯11的充電期間每個(gè)電池芯電壓是否達(dá)到了其 充電終止上限電壓，并且還確定(b)在至少一個(gè)電池芯電壓達(dá)到充電終止上限電壓時(shí)，最 低電池芯電壓是否低于充電終止下限電壓。算術(shù)運(yùn)算單元13由例如并入有模-數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的微控制器構(gòu)成，并在將電壓檢測(cè)單元12檢測(cè)的電池芯電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行 上述判斷。如果至少一個(gè)電池芯電壓達(dá)到了充電終止上限電壓，則充電電流設(shè)定單元32基 于電池芯電壓確定單元31的確定結(jié)果(a)設(shè)定充電電流設(shè)定值以降低組合電池芯11的充 電電流。以此方式設(shè)定的充電電流設(shè)定值的信息通過(guò)通信單元14傳輸至充電器20。關(guān)于電池芯電壓確定單元31的確定結(jié)果(b)的信息傳輸至開(kāi)關(guān)電路15。如果在 至少一個(gè)電池芯電壓達(dá)到充電終止上限電壓時(shí)，最低電池芯電壓低于組合電池芯充電時(shí)的 充電終止下限電壓，則關(guān)斷開(kāi)關(guān)電路15以停止充電。另一方面，充電器20裝備有充電電源21、控制單元28和通信單元29。充電電源 21包括初級(jí)整流電路22、功率開(kāi)關(guān)電路23、高頻變壓器電路24、次級(jí)整流電路25、平滑電路 26以及電流檢測(cè)電路27，并在控制單元28的控制下產(chǎn)生充電電流。通信單元29經(jīng)由通信 單元14接收從電池組10傳輸?shù)年P(guān)于充電電流設(shè)定值的信息，并將其傳輸給控制單元28。通信單元14和29不僅交換關(guān)于充電電流設(shè)定值的信息，而且交換電池組10和充 電器20之間的所需的其它信息。省略后者的描述。通信單元14和29的通信方法可以是 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的串行通信或并行通信，或可以是使用模擬值的通信，其原樣為模擬值。在其中集成了電池組和充電器的組合電池芯系統(tǒng)的情況下，通信單元14和29不 總是必需的，但是如果電池組10和充電器20如圖1中所示地彼此分開(kāi)，則優(yōu)選地提供通信 單元14和29。開(kāi)關(guān)電路15不總是必需的，且關(guān)于電池芯電壓確定單元31的確定結(jié)果(b)的信 息傳輸至充電電流設(shè)定單元32，且還可以通過(guò)通信單元14傳輸以停止充電器20的充電輸
出ο為了簡(jiǎn)單描述充電電源21，在初級(jí)整流電路22中，對(duì)外部AC電源(例如，商業(yè)AC 電源)的電壓進(jìn)行整流，且通過(guò)功率開(kāi)關(guān)電路23中的高頻切換由此獲得的DC電壓。功率 開(kāi)關(guān)電路23產(chǎn)生的高頻電壓經(jīng)由高頻電壓器電路24傳輸至次級(jí)整流電路25，并在那里被 整流。來(lái)自次級(jí)整流電路25的輸出由平滑電路26平滑。電流檢測(cè)電路27檢測(cè)次級(jí)整流 電路25和平滑電路26產(chǎn)生的充電電流?？刂茊卧?8根據(jù)例如脈寬調(diào)制(PWM)系統(tǒng)控制功率開(kāi)關(guān)電路24，以便電流檢測(cè)電 路27檢測(cè)的充電電流與從電池組10傳輸?shù)某潆婋娏髟O(shè)定值一致。此外，控制單元28如所 需地具有對(duì)基于充電電源21的輸出電壓(充電電壓)控制充電電流進(jìn)行反饋的功能。
接下來(lái)，將使用圖3中所示的流程圖描述此實(shí)施例的組合電池芯系統(tǒng)中的充電控 制的詳細(xì)流程。構(gòu)成組合電池芯11的電池芯11-1至11-n的充電終止上限電壓VH和充電終止下 限電壓VL設(shè)定于電池芯電壓確定單元31中。充電終止上限電壓VH優(yōu)選地為停止充電時(shí) 的上限電池芯電壓并稱作正確的(just)充電終止電壓。充電終止下限電壓VL是停止充電 時(shí)的下限電池芯電壓。假定充電電流設(shè)定值為Ici，且i越大，充電電流設(shè)定值越小，則算術(shù)運(yùn)算單元13 的充電電流設(shè)定單元32設(shè)定i = 1 (步驟S101)，且在后面描述的步驟S102經(jīng)過(guò)后，設(shè)定 Ici為Icl (步驟S103)。以此方式設(shè)定的充電電流設(shè)定值Icl的信息從電池組10傳輸至 充電器20，以開(kāi)始對(duì)組合電池芯11的恒流充電(步驟S104)。電壓檢測(cè)單元12以例如數(shù)msec至數(shù)秒的短周期檢測(cè)電池芯電壓Vcell (步驟 S105)，且檢測(cè)的電池芯電壓Vcell的數(shù)據(jù)輸入至算術(shù)運(yùn)算單元13。算術(shù)運(yùn)算單元13通過(guò) 將電池芯電壓確定單元31檢測(cè)的每個(gè)電池芯電壓與充電終止上限電壓VH進(jìn)行比較來(lái)確定 該每個(gè)電池芯電壓(步驟S106)。如果在步驟S106中確定各電池芯電壓的至少一個(gè)電池芯電壓達(dá)到充電終止上限 電壓，則充電電流設(shè)定單元32使i增加1 (步驟S108)，并設(shè)定比Icl小1級(jí)的充電電流設(shè) 定值Ic2。關(guān)于以此方式設(shè)定的充電電流設(shè)定值Ic2的信息從電池組10傳輸至充電器20， 由此繼續(xù)恒流充電(步驟S104)。如果充電電流設(shè)定值Ici以此方式下降且在步驟S102中確定充電電流設(shè)定值Ici 已達(dá)到此過(guò)程中的最小充電電流Icmin，則終止組合電池芯11的充電。不僅可以通過(guò)Ici， 而且可以根據(jù)其它標(biāo)準(zhǔn)(或條件)來(lái)確定充電的終止，其它標(biāo)準(zhǔn)諸如是總的充電時(shí)間超過(guò) 預(yù)定時(shí)間的時(shí)候。Ici的預(yù)定值可以作為表由算術(shù)運(yùn)算單元13儲(chǔ)存或每次根據(jù)檢測(cè)的電池 芯電壓Vcell設(shè)定不同值。如果在步驟S106中，至少一個(gè)電池芯電壓Vcell達(dá)到充電終止上限電壓VH，則檢 查那時(shí)(至少一個(gè)電池芯電壓Vcell達(dá)到VH時(shí))是否有至少一個(gè)其它電池芯電壓達(dá)到充 電終止下限電壓VL(步驟S107)。如果步驟S017的結(jié)果是“是”，則關(guān)斷開(kāi)關(guān)電路15以終 止充電，而不會(huì)通過(guò)增加i、使用下一個(gè)充電電流設(shè)定值來(lái)繼續(xù)進(jìn)行恒流充電。在步驟108中將i增加1后，充電電流設(shè)定單元32設(shè)定比步驟S103中的先前充 電電流設(shè)定值(Ici-I)小一級(jí)的充電電流設(shè)定值Ici。此時(shí)，充電電流設(shè)定值Ici可以降 低，因?yàn)樵陔姵匦倦妷哼_(dá)到充電終止上限電壓VH時(shí)的電池芯電壓之間的差異(電壓波動(dòng)) 增大了。根據(jù)此實(shí)施例，增加步驟S107的處理是突出點(diǎn)。通過(guò)增加步驟S107的處理，能夠 確保防止大的電池芯電壓波動(dòng)的高安全性，該大的電池芯電壓波動(dòng)歸因于諸如內(nèi)部短路的 電池異常。圖4和5示出了此實(shí)施例的組合電池芯的充電曲線，其橫坐標(biāo)表示 電容量，且縱坐標(biāo)表示電池芯電壓和充電電流。圖4表述通過(guò)例如按步驟 Icl — Ic2 — Ic3 — Ic4 — Ic5 — Ic6 — Ic7 — Ic8減小恒流充電的充電電流設(shè)定值Ici 時(shí)，連續(xù)充電的狀態(tài)。即，如果在每個(gè)充電電流設(shè)定值Ici下執(zhí)行恒流充電時(shí)，電池芯電壓 Vcell達(dá)到充電終止上限電壓VH，則充電電流設(shè)定值降低一級(jí)，然后執(zhí)行恒流充電。這樣，
8重復(fù)此過(guò)程。圖4示出了在所有充電電流設(shè)定值Icl至IcS處，在某一電池芯電壓達(dá)到VH時(shí)，所 有電池芯電壓超過(guò)充電終止下限電壓VL的情況的范例。另一方面，圖5示出了的范例是， 其中在某一電池芯電壓(例如電池芯電壓Vcelll)達(dá)到VH時(shí)，存在具有比VL低的電池芯 電壓的單個(gè)電池(例如Vcell5)。在存在歸因于諸如內(nèi)部短路的電池異常的大的電池芯電 壓波動(dòng)時(shí)，發(fā)生圖5的現(xiàn)象。根據(jù)此實(shí)施例，如果在某一電池芯電壓達(dá)到VH時(shí)，存在低于VL的電池芯電壓，則 圖3的步驟S107的結(jié)果變?yōu)椤笆恰?，并且在該點(diǎn)停止充電。從而，決不會(huì)發(fā)生呈現(xiàn)內(nèi)部短路 的單個(gè)電池被重新充電或局部過(guò)熱的電池由快速充電的焦耳熱進(jìn)一步加熱的情況，由此確 保了高的安全性。為了檢測(cè)任何異常電池(該電池中，由SOC波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)引起了內(nèi)部短路) 的存在，可以允許簡(jiǎn)單地監(jiān)控電池芯的電壓波動(dòng)，并且在最大值和最小值之間的差超過(guò)特 定值時(shí)，確定存在異常。然而，通常，由非水電解質(zhì)蓄電池構(gòu)成的組合電池芯優(yōu)選地所處的 狀況是，就防止每個(gè)電池芯的過(guò)度充電來(lái)說(shuō)，SOC在滿充側(cè)100%滿足。如果構(gòu)建該組合電 池芯，優(yōu)選地確定充電側(cè)的SOC波動(dòng)，而不是放電側(cè)的SOC波動(dòng)。能夠以較高靈敏度和精 度檢測(cè)取決于電壓波動(dòng)的SOC波動(dòng)，因?yàn)樵鰪?qiáng)了電壓相對(duì)于電池電容量的改變率。例如，如 果電壓測(cè)量精度為士 10mV，且電壓相對(duì)于電池電容量的改變率是20 (mV/% S0C)，則能夠檢 測(cè)到的SOC波動(dòng)。通常，在非水電解質(zhì)蓄電池中，0% SOC附近和100% SOC附近電壓改 變率最大。因此，如此實(shí)施例中，最優(yōu)選地，在充電期間至少一個(gè)電池芯達(dá)到充電終止上限 電壓時(shí)，依賴于是否存在電壓比充電終止下限電壓低的任何電池芯，來(lái)確定是否存在其SOC 波動(dòng)主要?dú)w因于內(nèi)部短路的任何電池芯。在此實(shí)施例中，優(yōu)選地，充電電流設(shè)定單元32構(gòu)成為使得組合電池芯11的最大充 電電流設(shè)定值設(shè)定為大于10C。(1C等效于在一個(gè)小時(shí)內(nèi)將電池從100% SOC放電至0% SOC的電流)。隨著初始充電電流設(shè)定值Icl增大，電池芯電壓初始達(dá)到VH時(shí)的SOC減小 了。相反地，隨著Icl減小，電池芯電壓初始達(dá)到VH時(shí)的SOC得到了增強(qiáng)，達(dá)到接近滿充 的狀態(tài)。在此實(shí)施例中，為了在發(fā)生歸因于諸如內(nèi)部短路的電池異常的電池芯電壓波動(dòng)時(shí) 終止充電，需要至少一個(gè)電池芯電壓達(dá)到VH以產(chǎn)生前述步驟S017。因此，如果存在異常電 池，隨著Icl減小，在較接近滿充的狀態(tài)終止充電。如果Icl為IOC或更大，能夠在SOC接 近100%之前終止充電，這是優(yōu)選的。此外，在此實(shí)施例的單個(gè)電池11-1至11-n中，如果在25°C的環(huán)境下執(zhí)行IC電 流的恒流充電，則優(yōu)選地，在達(dá)到充電終止上限電壓VH時(shí)，電壓相對(duì)于電池電容量的改變 率Al (V/% SOC) (S0C為充電電容量相對(duì)于單個(gè)電池的滿充電容量的比率)大于20(mV/% SOC)。如先前所述，達(dá)到充電終止上限電壓時(shí)電壓相對(duì)于電池電容量的改變率Al對(duì)應(yīng) 于通過(guò)電壓波動(dòng)來(lái)檢測(cè)SOC波動(dòng)時(shí)的靈敏度，且Al = 20(mV/% SOC)的改變率對(duì)應(yīng)于SOC 波動(dòng)10%時(shí)200mV的電壓差。在實(shí)際組合電池芯中，即使Al = 20(mV/% SOC)，S0C波動(dòng)至 低水平的電池也不達(dá)到充電終止上限電壓VH，結(jié)果，VH和最低電池電壓之間的電壓差小于 200mV。然而，如果Al > 20(mV/% SOC)，則能夠安全地檢測(cè)到歸因于微小內(nèi)部短路的小SOC 波動(dòng)，這是優(yōu)選的。
以下，將描述實(shí)施例的特定范例。然而，本發(fā)明不限于以下范例。(范例 1)使用鈷酸鋰(LiCoO2)來(lái)混合導(dǎo)電材料和粘合劑作為正電極有源材料，其后，將此 混合物散布于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中以制備正電極漿。將此正電極漿施加于厚度為 15 μ m的鋁箔(純度99.99% wt. % )、干燥并壓制以產(chǎn)生正電極。另一方面，使用鈦酸鋰(Li4Ti5O12)來(lái)混合導(dǎo)電材料和粘合劑作為負(fù)電極有源材 料，其后，將此混合物散布于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中以制備負(fù)電極漿。將此負(fù)電極漿施 加于厚度為15 μ m的鋁箔(純度99.99% wt. % )、干燥并壓制以產(chǎn)生負(fù)電極。接下來(lái)，通過(guò)重復(fù)步驟⑴側(cè)向安置厚度為20 μ m的帶狀聚乙烯多孔膜構(gòu)成的隔 離物；(ii)將條狀切割的正電極片放置在隔離物的左端；(iii)沿正電極片的右端將隔離 物向左邊折疊回；(iv)將條狀切割的負(fù)電極片放置在隔離物上；以及(ν)沿負(fù)電極片的左 端將隔離物向右邊折疊回，跨隔離物層疊31個(gè)正電極和30個(gè)負(fù)電極，以產(chǎn)生功率生成元 件。在將產(chǎn)生的功率生成元件壓制成預(yù)定形狀后，分別連接正電極端子和正電極片、 負(fù)電極端子和負(fù)電極片。功率生成元件密封到層壓護(hù)套中，且在其中灌入非水電解質(zhì)，以產(chǎn) 生電容量為3Ah的平板非水電解質(zhì)蓄電池(單個(gè)電池)。充電終止上限電壓VHl為2. 8V, 且電壓相對(duì)于達(dá)到滿充時(shí)的電池電容量的改變率Al (V/% SOC) (S0C為充電電容量相對(duì)于 電池的滿充電容量的比率)是150(mV/% SOC)。制備五個(gè)單個(gè)的電池，且根據(jù)IC 2. 8V的恒流恒壓充電方法對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行充 電，直至充電電流達(dá)到0. 05C。其后，串聯(lián)連接五個(gè)單個(gè)的電池，且從每個(gè)電池的連接單元引 出電壓測(cè)量端子，以產(chǎn)生如圖1中所示的組合電池芯和組合電池芯系統(tǒng)。每個(gè)電池的SOC變 為初始狀態(tài)，其中，在組合電池芯滿充時(shí)，其100%滿足。充電電流設(shè)定值Icl、Ic2、. . . Icl2 設(shè)定為12C、11C、... 1C，最小充電電流設(shè)定為Icmin = 1C，且充電終止下限電壓設(shè)定為VL =2. 45V。(范例 2)如范例1中，產(chǎn)生電池芯，然后產(chǎn)生如圖1中所示的組合電池芯和組合電池芯系 統(tǒng)。充電電流設(shè)定值Icl、Ic2、. . . Ic6設(shè)定為12C、10C、. . . 2C，最小充電電流設(shè)定為Icmin =2C，且充電終止下限電壓設(shè)定為VL = 2. 45V。(范例 3)如范例1中，產(chǎn)生電池芯，然后產(chǎn)生如圖1中所示的組合電池芯和組合電池芯系 統(tǒng)。初始充電電流設(shè)定值Icl設(shè)定為12C，第二和接下來(lái)的充電電流設(shè)定值設(shè)定為Ici，Ici =Ici-lXVmin/VHXO. 95，最小充電電流設(shè)定為Icmin = 1C，且充電終止下限電壓設(shè)定為 VL = 2. 45V。Vmin假定為至少一個(gè)電池芯電壓達(dá)到VH時(shí)的最低電池芯電壓。根據(jù)范例3， 如上述，在將充電電流設(shè)定值Ici設(shè)定為小于先前的充電電流設(shè)定值(Ici-I) 一級(jí)時(shí)，充電 電流設(shè)定值Ici減小，因?yàn)殡姵匦倦妷哼_(dá)到充電終止上限電壓VH時(shí)，電池芯電壓之間的差 增大了。(比較范例1)如范例1中，產(chǎn)生電池芯，然后產(chǎn)生如圖1中所示的同樣的組合電池芯和組合電池 芯系統(tǒng)。雖然Icl、Ic2、. . . Icl2設(shè)定為12C、11C、. . . 1C，且最小充電電流設(shè)定為Icmin =1C，但是不在算術(shù)運(yùn)算單元13中設(shè)定充電終止下限電壓VL。(比較范例2)如范例1中，產(chǎn)生電池芯，然后產(chǎn)生如圖1中所示的同樣的組合電池芯和組合電池 芯系統(tǒng)。在充電器20中執(zhí)行12C、14V的恒流恒壓充電，且在充電電流減小至IC時(shí)終止充 電。如果電池芯電壓超過(guò)2. 9V的過(guò)度充電區(qū)，則禁止充電。(比較范例3)如范例2中，產(chǎn)生電池芯，然后產(chǎn)生如圖1中所示的同樣的組合電池芯和組合電池 芯系統(tǒng)。在充電器20中執(zhí)行12C、13V的恒流恒壓充電，且在充電電流減小至IC時(shí)終止充 電。如果電池芯電壓超過(guò)2. 9V的過(guò)度充電區(qū)，則禁止充電。對(duì)于范例1至3和比較范例1至3的組合電池芯系統(tǒng)，執(zhí)行以下(1)至(5)所述的 快速充電測(cè)試，來(lái)測(cè)量充電電容量、達(dá)到相對(duì)于滿充電容量的80% SOC的充電時(shí)間、以及電 池芯表面的最高溫度，以對(duì)其進(jìn)行比較。在快速充電測(cè)試前，總是在25°C下根據(jù)1C、2. 8V的 恒流恒壓充電方法對(duì)每個(gè)電池芯進(jìn)行充電，直至充電電流達(dá)到0. 05C,以便實(shí)現(xiàn)S0C100%。 通過(guò)其中以IOC執(zhí)行恒流充電且在電池芯電壓的最低值達(dá)到1.8V時(shí)終止充電的方法，整個(gè) 組合電池芯系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)。1)根據(jù)針對(duì)每個(gè)范例和比較范例的前述設(shè)定的充電方法在25°C的環(huán)境溫度下執(zhí) 行充電。2)在僅第二和第三電池芯(11-2、11-3)在使用0. 2C的恒流在25°C的環(huán)境溫度下 放電達(dá)僅20mAh后，根據(jù)針對(duì)每個(gè)范例和比較范例的上述設(shè)定的充電方法對(duì)它們重新進(jìn)行 充電。3)在僅第二和第三電池芯(11-2、11-3)在使用0. 2C的恒流在25°C的環(huán)境溫度下 放電達(dá)僅IOOmAh后，根據(jù)針對(duì)每個(gè)范例和比較范例的上述設(shè)定的充電方法對(duì)它們重新進(jìn) 行充電。4)在僅第二和第三電池芯(11-2、11-3)在使用0. 2C的恒流在25°C的環(huán)境溫度下 放電達(dá)僅300mAh后，根據(jù)針對(duì)每個(gè)范例和比較范例的上述設(shè)定的充電方法對(duì)它們重新進(jìn) 行充電。5)在25°C的環(huán)境溫度下在2Ω的電阻器緊密接觸且并聯(lián)連接至第三電池芯 (11-3)后，根據(jù)針對(duì)每個(gè)范例和比較范例的上述設(shè)定的充電方法對(duì)其重新進(jìn)行充電。此目 的是模擬第三電池芯11-3突然內(nèi)部短路以致在產(chǎn)生熱時(shí)電流流動(dòng)的狀況。表1示出了充電電容量、電池芯的最高表面溫度、以及達(dá)到滿充電容量的S0C80% 時(shí)的充電時(shí)間，上述(1)至(5)的每一個(gè)示為標(biāo)準(zhǔn)。表權(quán)利要求
一種用于組合電池芯的充電方法，所述組合電池芯包括多個(gè)串聯(lián)連接的蓄電池，所述充電方法包括檢測(cè)所述電池芯電壓；設(shè)定充電電流設(shè)定值，以便在至少一個(gè)所檢測(cè)的電池芯電壓達(dá)到預(yù)定充電終止上限電壓時(shí)，降低所述組合電池芯的所述充電電流設(shè)定值；根據(jù)所述充電電流設(shè)定值控制所述組合電池芯的所述充電電流；以及在至少一個(gè)檢測(cè)的所述電池芯電壓達(dá)到所述充電終止上限電壓，且最低電池芯電壓低于預(yù)定充電終止下限電壓時(shí)，停止所述充電。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使用所述充電終止上限電壓和所述充電終止下限 電壓來(lái)確定所檢測(cè)的電池芯電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，設(shè)定所述充電電流設(shè)定值是重復(fù)降低所述充電電 流設(shè)定值直至所述充電電流設(shè)定值達(dá)到預(yù)定最小充電電流的處理。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，設(shè)定所述充電電流設(shè)定值是重復(fù)降低所述充電電 流設(shè)定值直至所述組合電池芯的充電時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間的處理。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在設(shè)定所述充電電流設(shè)定值時(shí)，隨至少一個(gè)所檢測(cè) 的電池芯電壓達(dá)到所述充電終止上限電壓時(shí)所述電池芯電壓之間的差增大，減小所述充電 電流設(shè)定值。
6.一種組合電池芯系統(tǒng)，包括組合電池芯，包括多個(gè)串聯(lián)連接的電池芯；電壓檢測(cè)單元，其檢測(cè)所述電池芯的電壓；設(shè)定單元，其設(shè)定充電電流設(shè)定值，以便在至少一個(gè)所檢測(cè)的電池芯電壓達(dá)到預(yù)定充 電終止上限電壓時(shí)，降低所述組合電池芯的所述充電電流設(shè)定值；以及開(kāi)關(guān)單元，其在至少一個(gè)所述電池芯電壓達(dá)到所述充電終止上限電壓，且最低電池芯 電壓低于預(yù)定充電終止下限電壓時(shí)，停止所述充電。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括確定單元，所述確定單元使用所述充電終止上限 電壓和所述充電終止下限電壓來(lái)確定所檢測(cè)的電池芯電壓。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括控制單元，所述控制單元基于所述充電電流設(shè)定 值控制所述組合電池芯的所述充電電流。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述設(shè)定單元重復(fù)降低所述充電電流設(shè)定值直至 所述充電電流設(shè)定值達(dá)到預(yù)定最小充電電流的處理。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，設(shè)定單元重復(fù)降低所述充電電流設(shè)定值直至所述 組合電池芯的充電時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間的處理。
11.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述設(shè)定單元配置為，隨至少一個(gè)檢測(cè)的電池芯 電壓達(dá)到所述充電終止上限電壓時(shí)所述電池芯電壓之間的差增大，減小所述充電電流設(shè)定 值。
12.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述設(shè)定單元配置為將所述組合電池芯的最大充 電電流設(shè)定值設(shè)定為IOC或更高。
13.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，在25°C的環(huán)境下執(zhí)行IC的恒流充電時(shí)，電池芯配 置成使得電壓相對(duì)于達(dá)到所述充電終止上限電壓時(shí)的電池電容量的改變率Al (V/ % S0C)(S0C為充電電容量相對(duì)于所述電池芯的滿充電容量的比率)大于20(mV/% S0C)。
14.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述電池芯具有包含鈦酸鋰的負(fù)電極。
15.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括電池組，并入有所述組合電池芯、所述電壓檢測(cè)單元和所述設(shè)定單元；以及 充電器，包括用于對(duì)所述組合電池芯進(jìn)行充電并由所述控制單元控制的充電電源。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述電池組還并入有確定單元，所述確定單元使 用所述充電終止上限電壓和所述充電終止下限電壓來(lái)確定所檢測(cè)的電池芯電壓。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述充電器還包括控制單元，所述控制單元基于 所述充電電流設(shè)定值控制所述組合電池芯的所述充電電流。
18.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括通信單元，所述通信單元將表示所述充電電流 設(shè)定值的信息傳輸至所述控制單元。
全文摘要
文檔編號(hào)H01M10/46GK101953016SQ20098010618
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者Tatebayashi Yoshinao 申請(qǐng)人:Toshiba Kk