采用鋰離子電池構(gòu)成的通用型充電電池的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二次電池或電子電源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用鋰離子電池構(gòu)成的通用型充電電池控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子二次電池(以下簡稱為鋰離子電池)具有比能量大、可快速充放電、循環(huán)壽命長、自放電小、無公害、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，是目前替代通用型一次電池和鎳氫充電電池較理想的二次電池。但現(xiàn)有的鋰離子電池的輸出電壓較高，其輸出電壓隨采用正極體系不同而有所差異，目前已商品化的鋰離子電池，其標稱電壓為3.2V?3.8V，且隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池的標稱電壓還會提高，顯然鋰離子電池不能直接用來替代標稱電壓為1.5V的通用型電池和標稱電壓為1.2V的鎳氫充電電池。
[0003]鋰離子電池雖然具有較好的充放電性能，但存在著過充電和過放電耐受性能差、充電過熱及放電過熱耐受性能差等問題，若控制失當輕則造成鋰離子電池快速老化和損壞，重則會產(chǎn)生燃燒甚至爆炸，因而必須嚴格按照鋰離子電池的充放電技術(shù)條件控制其充放電工作。
[0004]目前已成熟的鋰離子電池結(jié)構(gòu)封裝工藝主要有四種類型:其一，采取負極集流體與外殼體連接構(gòu)成的外殼負極封裝鋰離子電池(通常采用鋼質(zhì)外殼封裝)；其二，采取正極集流體與外殼體連接構(gòu)成的外殼正極封裝鋰離子電池(通常采用鋁質(zhì)外殼封裝)；其三，采用軟包封裝的外殼準絕緣封裝鋰離子電池(通常采用鋁塑復合膜材料封裝)；其四，外殼體采用絕緣封裝材料構(gòu)成的外殼絕緣封裝鋰離子電池(通常采用聚丙烯及聚乙烯外殼封裝)。
[0005]由于通用型一次電池和鎳氫充電電池的應(yīng)用歷史較長且已標準化，在許多通用電池應(yīng)用領(lǐng)域，已形成了以電池輸出電壓檢測其低電量的方法，例如:數(shù)碼相機、MP3、MP4、電子智能鎖具、電子儀器儀表等電子裝置，均采用檢測電池實時輸出電壓的方法來實現(xiàn)對電池低電量狀態(tài)的判定。
[0006]另，目前個人計算機、平板電腦和手機等產(chǎn)品的普及程度已很高，充電電池采用計算機USB接口、通用型鋰離子電池充電適配器作為充電電源，即可降低購置成本又可節(jié)約社會資源。
[0007]針對上述問題，中國專利局公開了一篇專利申請?zhí)枮?01110219892.0 (采用鋰離子電池構(gòu)成的充電電池及控制方法)的專利申請，該申請采取將鋰離子電池與放電控制電路封裝為一體，構(gòu)成的通用型充電電池。其存在下列幾方面的功能及性能不足問題:
[0008]第一、充電電池內(nèi)部不具有鋰離子電池充電控制及充電過熱保護
[0009]由于充電電池內(nèi)部未設(shè)置鋰離子電池充電控制及過熱保護電路，因而在充電時必需采取接入二極管來隔離充電及放電電路，并采用帶有鋰離子電池充電控制電路和溫度傳感電路的專用外置充電裝置進行充電。因而存在下列技術(shù)性能缺陷，其一:充電時二極管的正向?qū)▔航禃S工作電流和溫度的不同而變化，降低了充電控制電路對鋰離子電池的檢測和充電控制精度，在二極管正向?qū)▔航递^高時會產(chǎn)生鋰離子電池不能充滿的問題，在二極管正向?qū)▔航递^低時易產(chǎn)生鋰離子電池過充電問題，降低了鋰離子電池的充電性能和安全性；其二:由于充電回路接入了隔離二極管，因而抬升了充電電池的充電輸入電壓，由于現(xiàn)有鈷鋰體系鋰離子電池的充電上限電壓已達4.35V且未來還會提高，若采用標稱電壓為5V±0.25V的現(xiàn)有通用型鋰離子電池充電適配器或計算機USB接口給充電電池充電，即使采用正向?qū)▔航递^低的肖特基器件，在充電輸入電壓下限和隔離二極管導通壓降上限狀態(tài)下，仍存在鋰離子電池不能完全充滿的問題，雖然可以在外置充電裝置內(nèi)采用升壓電路解決此問題，但會造成充電裝置成本上升、效率及可靠性降低等問題；其三:外置溫度傳感電路只能通過充電電池的外封裝殼體或電極間接檢測鋰離子電池的溫度，降低了鋰離子電池充電溫度檢測精度，使充電電池存在鋰離子電池充電過熱而降低循環(huán)壽命和安全性的問題。
[0010]第二、充電電池不具有鋰離子電池放電過熱保護
[0011 ] 在充電電池內(nèi)部未裝置鋰離子電池溫度傳感及控制電路，使得充電電池不具有鋰離子電池放電過程的過熱保護功能，從而使充電電池在高溫環(huán)境下高倍率放電時，存在鋰離子電池溫度超過上限工作溫度的風險，因而存在降低鋰離子電池循環(huán)壽命和安全性的問題。
[0012]第三、充放電控制器結(jié)構(gòu)及裝配工藝復雜
[0013]充放電控制器的負電極與充電電池封裝殼體間的電路連接，采用了徑向彈性壓緊連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，在充電電池裝配時，必須將彈性負電極徑向下壓到位后，才能將充放電控制器推入充電電池的封裝殼體內(nèi)。此外，彈性負電極為活動部件，其結(jié)構(gòu)占用了較大的充放電控制器內(nèi)部空間，并使充放電控制器難以實現(xiàn)密封。造成充放電控制器體積較大、制裝工藝復雜且難度較高、不利于自動化量產(chǎn)裝配、不能實現(xiàn)防水密封，因而存在充電電池的蓄電容量較低、生產(chǎn)成本較高、受潮及浸水后易產(chǎn)生電路失效的問題。
[0014]第四、充放電控制器與鋰離子電池正極連接可靠性差
[0015]R20充電電池及R14充電電池配用的充放電控制器與鋰離子電池正極連接采用了彈性壓接方式連接，由于電極間的接觸面受空間限制，在充電電池大電流充放電時，容易產(chǎn)生觸點燒蝕現(xiàn)象。觸點燒蝕氧化會造成充電電池系統(tǒng)內(nèi)阻上升、充放電時產(chǎn)生的熱量使充電電池工作溫度升高，嚴重時會產(chǎn)生斷路使充電電池失效問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的在于提供一種采用鋰離子電池構(gòu)成的通用型充電電池的控制方法，按照鋰離子電池所需的充電及放電工作技術(shù)條件，對鋰離子電池的充電及放電過程進行管控和保護，實現(xiàn)了通用型充電電池穩(wěn)壓輸出1.5V和在鋰尚子電池低電量時穩(wěn)壓輸出1.1V，實現(xiàn)了對鋰離子電池的過充電保護、過放電保護及充放電過熱保護，實現(xiàn)了可用計算機USB接口或通用型鋰離子電池充電適配器給通用型充電電池充電，全面提高通用型充電電池的性能。
[0017]為實現(xiàn)上述目的，
[0018]本發(fā)明提供一種采用鋰離子電池構(gòu)成的通用型充電電池的控制方法，
[0019]采用鋰離子電池構(gòu)成的通用型充電電池包括:外封裝殼體，以及該外封裝殼體內(nèi)依次壓合組裝的充放電控制器、正極焊接片、鋰離子電池、及負極端蓋；所述充放電控制器包括:充放電控制器殼體，以及設(shè)于充放電控制器殼體內(nèi)的充放電控制電路焊裝體、充放電控制器支架，所述充放電控制電路焊裝體焊裝有鋰離子電池充放電控制電路，該鋰離子電池充放電控制電路包括:焊裝在電路基板上且分別與鋰離子電池、正極端蓋、及通過充放電控制器殼體和外封裝殼體與負極端蓋電性連接的鋰離子電池充電控制電路、鋰離子電池檢測及控制電路、及DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路；
[0020]所述通用型充電電池的充電和放電控制方法包括以下控制條件:
[0021]控制條件一，當充電電源接入通用型充電電池時，所述鋰離子電池檢測及控制電路檢測到接入的充電電壓，控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路和鋰離子電池充電控制電路進入充電狀態(tài)，在充電狀態(tài)，DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路關(guān)閉穩(wěn)壓輸出，鋰尚子電池充電控制電路開啟對鋰離子電池進行充電；
[0022]控制條件二，在充電狀態(tài)，所述鋰離子電池充電控制電路檢測所述鋰離子電池的輸出電壓，并根據(jù)所述鋰離子電池的輸出電壓狀態(tài)選擇以涓流充電、恒流充電或恒壓充電方式對鋰離子電池進行充電，在充電過程中，所述鋰離子電池充電控制電路檢測充電電源的最大允許輸出電流，在充電電源最大允許輸出電流小于設(shè)定的充電電流值時，以充電電源的最大允許輸出電流對鋰離子電池進行充電，當恒壓充電狀態(tài)的充電電流降為設(shè)定的充滿態(tài)判定電流時，停止對鋰離子電池的充電；
[0023]控制條件三，當充電電源脫離通用型充電電池時，所述鋰離子電池檢測及控制電路檢測到充電電源脫離，將充電過程中濾波電容存儲的多余電能釋放掉，使通用型充電電池的正負電極間電壓快速降至等于或低于最大開路電壓，并控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路和鋰離子電池充電控制電路進入放電狀態(tài)，在放電狀態(tài)，鋰離子電池充電控制電路關(guān)閉充電輸出，DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路開啟穩(wěn)壓放電，并按控制條件四穩(wěn)壓放電輸出；
[0024]控制條件四，在放電狀態(tài)，所述鋰離子電池檢測及控制電路監(jiān)測鋰離子電池的輸出電壓，并控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路的輸出反饋深度，在鋰離子電池輸出電壓高于低電量電壓\時，控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路將鋰離子電池輸出電壓降為第一輸出電壓穩(wěn)壓輸出；在鋰離子電池輸出電壓高于放電截止電壓Vd但等于或低于低電量電壓V J寸，控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路將鋰尚子電池輸出電壓降為第二輸出電壓穩(wěn)壓輸出，并在鋰離子電池充電后的輸出電壓高于\+ Δ 1時，控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路恢復第一輸出電壓穩(wěn)壓輸出；\為設(shè)定的鋰尚子電池低電量電壓，Δ V i為設(shè)定的鋰尚子電池低電量電壓檢測門限的回差電壓，Vd為設(shè)定的鋰離子電池放電截止電壓；
[0025]控制條件五，在放電狀態(tài)，所述鋰離子電池檢測及控制電路監(jiān)測鋰離子電池的輸出電壓，在鋰離子電池輸出電壓降至等于或低于放電截止電壓Vd時，控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路關(guān)閉穩(wěn)壓輸出，并在鋰離子電池充電后的輸出電壓高于％+八^時，按控制條件四恢復穩(wěn)壓輸出；Λ V2為設(shè)定的鋰離子電池放電截止電壓檢測門限的回差電壓；
[0026]控制條件六，在對通用型充電電池充電過程中，所述鋰離子電池檢測及控制電路檢測鋰離子電池的溫度，在鋰離子電池的溫度上升至充電上限溫度ΤεΗ時，控制所述鋰離子電池充電控制電路停止對鋰離子電池充電，并在鋰離子電池的溫度下降至低于ΤεΗ- Δ T1時再次恢復充電，Tch為設(shè)定的鋰離子電池充電上限溫度，Λ T 設(shè)定的T Jt測門限的回差電壓對應(yīng)的回差溫度；
[0027]控制條件七，在通用型充電電池放電過程中，所述鋰離子電池檢測及控制電路檢測鋰離子電池的溫度，在鋰離子電池的溫度上升至放電上限溫度Tdh時，控制所述DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路停止穩(wěn)壓輸出，并在鋰離子電池的溫度下降至低于Tdh- Δ T2時再次恢復穩(wěn)壓輸出，Tdh為設(shè)定的鋰離子電池放電上限溫度，八1~2為設(shè)定的Tdh檢測門限的回差電壓對應(yīng)的回差溫度；
[0028]當控制條件一給出充電電源接入通用型充電電池，且控制條件六允許對鋰離子電池充電時，按照控制條件二對鋰離子電池進行充電，當控制條件六不允許對鋰離子電池進行充電時，停止對鋰離子電池充電；
[0029]當控制條件三給出通用型充電電池脫離充電電源，且控制條件五和控制條件七均允許鋰離子電池放電輸出時，按照控制條件四將鋰離子電池輸出電能降壓并穩(wěn)壓輸出，當控制條件五或控制條件七其中之一不允許鋰離子電池放電輸出時，控制DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路關(guān)閉穩(wěn)壓輸出。
[0030]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的采用鋰離子電池構(gòu)成的通用型充電電池的控制方法，按照鋰離子電池所需的充電及放電工作技術(shù)條件，通過設(shè)置鋰離子電池充電控制電路、鋰離子電池檢測及控制電路、及DC-DC降壓型穩(wěn)壓放電電路，對鋰離子電池的充電及放電過程進行管控和保護，實現(xiàn)了通用型充電電池穩(wěn)壓輸出1.5V和在鋰離子電池低電量時穩(wěn)壓輸出1.1V，實現(xiàn)了對鋰離子電池充電及放電過程的充電模式、充電倍率、過充電、過放電、放電倍率及充放電過熱進行控制和保護，實現(xiàn)了可用計算機USB接口或通用型鋰離子電池充電適配器給通用型充電電池充電，全面提高通用型充電電池的性能，實現(xiàn)了通用型充電電池形體結(jié)構(gòu)和電性能符合GB/T 8897.2-2008技術(shù)規(guī)范，能夠直接替代現(xiàn)有通用型一次電池和鎳氫充電電池，并在可循環(huán)充放電、放電過程輸出電壓恒定和環(huán)保性等方面優(yōu)于現(xiàn)有通用型一次電池，在標稱輸出電壓為1.5V、放電過程輸出電壓恒定、無記憶效應(yīng)、充電時間短和循環(huán)壽命長等方面優(yōu)于現(xiàn)有鎳氫充電電池。
[0031]為了能更進一步了解本發(fā)明的特征以及技術(shù)內(nèi)容，請參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細說明與附圖，然而附圖及實施例所標示的參數(shù)僅提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制。
【附圖說明】
[0032]下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的【具體實施方式】詳細描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案及其它有益效果顯而易見。
[0033]附圖中，
[0034]圖1為采用鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后的充電電池正極一端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為采用鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后的充電電池負極一端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖3為采用鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池配用的外殼負極封裝單體鋰離子電池的正極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4為采用鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池配用的外殼負極封裝單體鋰離子電池的負極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖5為采用外殼負極封裝單體鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后，外封裝殼體沿軸線剖視的內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖6為采用外殼負極封裝單體鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖7為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的外殼正極封裝單體鋰離子電池的正極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ] 圖8為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的外殼正極封裝單體鋰離子電池的負極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖9為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的外殼正極封裝單體鋰離子電池并聯(lián)裝配體的負極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖10為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的外殼正極封裝單體鋰離子電池并聯(lián)裝配體的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖11為采用多個外殼正極封裝單體鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后，外封裝殼體沿軸線剖視的內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖12為采用多個外殼正極封裝單體鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖13為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的軟包封裝單體鋰離子電池的正極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖14為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的軟包封裝單體鋰離子電池并聯(lián)裝配體的正極一端結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖15為采用多個鋰離子電池并聯(lián)構(gòu)成的R20充電電池配用的軟包封裝單體鋰離子電池并聯(lián)裝配體裝配后的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖16為采用多個軟包封裝單體鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后，外封裝殼體沿軸線剖視的內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖17為采用多個軟包封裝單體鋰離子電池構(gòu)成的R20充電電池裝配后的爆炸結(jié)構(gòu)