CN101394103B - 用电池电芯的表面温度进行充电控制的充电系统 - Google Patents

用电池电芯的表面温度进行充电控制的充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种充电系统，该充电系统使电池电芯的表面温度不超过上限温度值地进行充电。充电器在充电过程中可变更设定电流。对充电器设定最小充电电流而开始二次电池的充电。在充电过程中测定二次电池的表面温度。将目标温度区(TGT-H～TGT-L)设定在上限温度值T3的下面。当以当前的充电电流值充电时，计算预测温度值，该预测温度值是二次电池被充电至相当于最大表面温度的充电量的时刻的二次电池的表面温度。若预测温度值低于目标温度区则增大设定电流，若预测温度值高于目标温度区则减小设定电流。若预测温度值进入目标温度区则维持当前的设定电流。

Description

用电池电芯的表面温度进行充电控制的充电系统
技术领域
本发明涉及一种使表面温度不超过上限地对二次电池进行充电的技术。
背景技术
在作为便携型电子设备的一例的笔记本型个人计算机(以后称为笔记本PC)中，使用收纳了锂离子电池的电池组件(battery pack)。近年来报告了多起电池组件的着火事故，通过社团法人电池工业会(Battery Association ofJapan)和社团法人电子信息技术产业协会(Japan Electronic and InformationTechnology Industries Association)的协作，发表了使用锂离子电池的安全指南。安全指南可以从他们的因特网主页得到。
在该安全指南中，推荐在对锂离子电池进行充电时根据电池电芯的表面温度来限制充电电流以及充电电压或者其中某一方的最大值。图9(A)、图9(B)表示该指南中所示的电池电芯的表面温度和充电电流以及充电电压的最大值之间的关系。在该指南中，如图9(A)以及图9(B)所示，针对电池电芯的表面温度，定义了T1～T2的低温度区、T2～T3的标准温度区、以及T3～T4的高温度区。在该指南中，规定各温度区的值是制造商进行规定的试验以及验证后决定的值，而现在已规定下限充电温度值T1为0度、标准温度区的下限值(低温度区的上限值)T2为10度、标准温度区的上限值(高温度区的下限值)T3为45度、以及上限充电温度值T4为55度。
在该指南中，针对各温度区规定了最大充电电流和上限充电电压。标准温度区是对最大充电电流以及上限充电电压可以应用最高值的电池电芯的表面温度区域。该指南提倡将标准温度区中的标准最大充电电流值Imax1设定为0.7ItA、将标准上限充电电压Vmax1设定为4.25V。这里所谓ItA的单位表示充放电时在二次电池中流动的电流的单位，被定义为ItA＝额定容量(Ah)/1(h)。低温度区以及高温度区中的最大充电电流以及上限充电电压由制造商来决定。
低温度区是比标准温度区低的温度区，并且是为了安全起见通过降低标准最大充电电流值Imax1以及标准上限充电电压值Vmax1或者其中某一方而可容许的充电时的电池电芯的表面温度区域。作为一例，将低温度区中的低温最大充电电流值Imax2设定为0.3ItA，将低温上限充电电压值Vmax2设定为4.15V。高温度区是比标准温度区高的温度区，并且是为了安全起见通过改变标准最大充电电流值Imax1以及标准上限充电电压值Vmax1或者其中某一方而可容许的充电时的电池电芯的表面温度区域。作为一例，将高温度区中的高温最大充电电流值Imax3设定为0.3ItA，将高温上限充电电压值Vmax3设定为4.20V。
专利文献1公开为了不使电池温度变得异常，预想开始充电起X秒后的电池温度，并根据预想温度控制充电电流的技术。专利文献2公开如下技术，即，为了解决当二次电池的周边温度超过容许值时停止充电、从而到满充电为止的时间变长的问题，预先将充电电流值和二次电池的周边的上升温度之间的关系数据库化，当周边的温度在充电过程中由于环境等的影响而上升时，通过控制向二次电池的充电电流值来抑制二次电池的温度上升，从而无需中断而完成充电。
专利文献3公开如下技术，即，为了在NiMH电池温度在充电容许温度范围的上限附近时开始充电的情况下也可以实现满充电，在当前的电池温度接近充电容许温度的上限附近时，计算与电池温度对应的电流值，通过将充电电流降低至该计算出的电流值，使电池温度不超过上限地进行控制。专利文献4公开如下技术，即，为了使NiMH电池在充电过程中达不到危险温度，控制充电率以使温度的时间上升率(△T/△t)保持一定。
电池电芯在充电以及放电时发热，在充电末期，电池电芯的外壳的表面温度(以后简单称为表面温度)上升约7度左右。在安装在笔记本PC中的电池组件中，当置于通常温度环境中的笔记本PC从AC/DC适配器接收电力供给的同时工作时，表面温度约为30度。在该状态下拆卸AC/DC适配器，由电池组件对笔记本PC供给电力时，在放电末期，表面温度达到约45度。此后，当连接AC/DC适配器来对电池电芯进行充电时，表面温度有可能在充电结束之前进入高温度区。
在标准温度区中进行充电的期间，当电池电芯的表面温度进入高温度区时，根据安全指南，需要将标准上限充电电压值Vmax1降低至高温上限充电电压值Vmax3，因此无法充电至满充电容量，携带使用时的笔记本PC的工作时间缩短。另外，根据安全指南，当将标准最大充电电流值Imax1降低至高温最大充电电流值Imax3时，达到满充电的时间变长，拆卸AC/DC适配器并携带使用笔记本PC时有可能未充电至满充电容量。
【专利文献1】特开2006-20446号公报
【专利文献2】特开2005-245078号公报
【专利文献3】特开平10-14125号公报
【专利文献4】特开2002-165380号公报
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种充电系统，使二次电池的表面温度不超过上限温度值，从而能够充电至满充电容量。而且，本发明的目的是提供一种充电系统，其动态地改变充电电流以使表面温度不超过上限温度值地进行充电。而且，本发明的目的是提供一种充电系统，即使在充电过程中环境温度发生了变化，也使表面温度不超过上限温度值地进行充电。而且，本发明的目的是提供一种实现这种充电系统的设备、充电方法、电池组件以及计算机程序。
本发明的充电系统使二次电池的表面温度不超过上限温度值地进行充电。因此，当表面温度超过上限温度值的情况下必须限制充电电流以及充电电压或者其中某一个时，通过使表面温度不超过上限温度值地进行充电，可以充电至满充电容量。充电器在充电过程中可以变更设定电流。温度元件测定二次电池的表面温度。控制部接收来自温度元件的输出，定期计算预测温度值，该预测温度值相当于当假设以当前的充电电流值将二次电池充电至规定的充电量时的表面温度。在低于上限温度值的温度范围内设定有目标温度区。控制部根据定期比较预测温度值和目标温度值而得的结果来变更充电器的设定电流。
为了使表面温度不超过上限温度值地对二次电池进行充电，将充电电流设定为充分小的值即可，而这会导致充电时间极端变长、实际上无法充电至满充电容量。在本发明中，定期计算出的预测温度值相当于假设以当前的充电电流值继续充电时的表面温度，根据将预测温度值定期地与目标温度区进行比较而得的结果动态地变更充电器的设定电流。在充电过程中即使环境温度发生变化，控制部也定期地进行预测温度值的计算和比较，同时修正设定电流。因此，本发明的充电系统能够以充电开始时的表面温度以及充电过程中的环境温度所容许的最大的充电电流，不超过上限温度值地进行充电。
若作为规定的充电量，选择以当前的充电电流值来充电的情况下表面温度达到最大时的充电量，则能够可靠地使表面温度不超过上限温度值地对二次电池进行充电。表面温度变为最大的充电量，也可以是当充电器从恒定电流控制切换至恒定电压控制时的充电量。规定的充电量可以用在以标准最大充电电流进行充电的情况下表面温度变为最大时的RSOC(Relative State Of Charge)(％)来表示。此时，与最大表面温度对应的RSOC(％)因充电电流而变化，因此最好设置按照充电电流的大小设定了达到最大表面温度的RSOC(％)的修正表。
在该充电系统中可以定义标准温度区，该标准温度区的上限值与上限温度值一致，允许以未满标准最大充电电流值的电流值来充电。此时，充电器可以在整个恒定电流控制期间以未满标准最大充电电流值的充电电流值对二次电池进行充电，然后转移至恒定电压控制期间，因此即便充电开始时的表面温度较高，完成充电之前表面温度也不会超过上限温度值。此外，在此的恒定电流控制期间，不仅包括在整个恒定电流控制期间设定电流一定的情况下的期间，还包括充电器的设定电流动态变更、充电器以变更后的各个设定电流进行恒定电流控制的情况下的期间。
当选定比上限温度值低1～3度的值作为目标温度区的上限值、在1～3度范围内选定目标温度区的宽度时，即使环境温度突然发生变化也可以应对，并且可以防止由于充电电流被设定得较低从而充电时间变长的情况。控制部，当预测温度值高于目标温度区时降低设定电流，当进入目标温度区时维持当前的设定电流，当低于目标温度区时增大设定电流。当预测温度值超过上限温度值时若以当前的充电电流继续充电，则现实上会超过上限温度值，因此控制部将充电器的设定电流设定为最小充电电流值。最小充电电流值相当于由该充电系统设定的最小的充电电流值。
可以根据表面温度相对于规定的监视时间的时间上升率和充电至规定的充电量所需的充电时间来计算预测温度值。当根据在监视时间内流动的充电电流的平均值来计算充电至规定的充电量所需的充电时间时，在实际的充电电流因负荷的消耗功率的增大而达不到充电器的设定电流的情况下也可以准确地计算预测温度值。从开始充电至完成充电的期间，设定电流因充电开始时的表面温度、环境温度的变化而发生各种变化。控制部存储实际进行充电时的表面温度和环境温度的履历，并可以根据该履历选定开始下次充电时初次设定的最小充电电流值。
通过本发明，提供一种使二次电池的表面温度不超过上限温度值，从而可以充电至满充电容量的充电系统。而且，通过本发明，提供一种充电系统，其动态地改变充电电流，以使表面温度不超过上限温度值地进行充电。而且，通过本发明，提供一种充电系统，在充电过程中环境温度发生了变化的情况下也可以使表面温度不超过上限温度值地进行充电。而且，通过本发明，提供实现这种充电系统的设备、充电方法、电池组件以及计算机程序。
附图说明
图1是表示本实施方式的由电池组件和搭载电池组件的笔记本PC构成的充电系统的概要的框图。
图2是本实施方式的电池组件的框图。
图3是说明最大表面温度的图。
图4是说明修正RSOC(％)的图。
图5是表示对电池组件进行充电的过程的流程图。
图6是表示对电池组件进行充电的过程的流程图。
图7是表示预测温度值和充电电流的变化的一例的图。
图8是说明温度范围的图。
图9是说明电池电芯的表面温度和充电电压、充电电流的最大值的图。符号说明
Imax1：标准最大充电电流值；
Imax2：低温最大充电电流值；
Imax3：高温最大充电电流值；
Vmax1：标准上限充电电压值；
Vmax2：低温上限充电电压值；
Vmax3：高温上限充电电压值；
Ta：预测温度值；
T1：下限充电温度值；
T2：标准温度区的下限值(低温度区的上限值)
T3：标准温度区的上限值(高温度区的下限值)
T4：上限充电温度值；
TGT-H：上限目标温度值；
TGT-L：下限目标温度值；
Imin：最小充电电流值；
Tmax：最大表面温度值；
Is：充电结束电流值。
具体实施方式
图1是表示本实施方式的由电池组件和搭载电池组件的笔记本PC构成的充电系统的概要的框图。充电系统由笔记本PC10、AC/DC适配器11、电池组件100、101构成。电池组件100用作主电池组件，电池组件101用作辅助电池组件。在与本发明的关联方面，电池组件100和电池组件101为相同的结构，在没有安装电池组件101的情况下也可以仅由电池组件100构成充电系统。笔记本PC10只表示与本发明有关的主要部分的结构。AC/DC适配器11可连接到笔记本PC10的电源端子，电池组件100、101可装卸地安装在笔记本PC10的电池槽中。AC/DC适配器11将交流电压转换为直流电压。
充电器51具有恒定电流恒定电压特性。充电器51具有：开关控制电路，其以PWM方式对FET29以及FET31进行导通/断开控制；以及平滑电路，其由电感器33以及电容器34构成。充电器51将从AC/DC适配器11输入的直流电压转换为适于电池组件充电的直流电压来输出。充电器51通过平滑电路来减小驱动开关控制电路而生成的直流充电电流的波动，从而生成恒定电流。在充电器51的电压反馈输入FB-V以及电流反馈输入FB-I上分别连接来自分压电阻37、39和电流传感电阻35的输出，为了反馈控制而输入与从充电器51输出的输出电压以及输出电流相对应的电压。
这里，若忽视由从充电器到电池组106的端子的布线电阻引起的电压下降，则充电器51的输出电压与电池组106的充电电压一致。充电器51在恒定电压控制期间使输出电压与设定电压Vchg一致地动作。另外，充电器51的输出电流和在电池组106中流动的充电电流相同。充电器51在恒定电流控制期间使输出电流与设定电流Ichg一致地动作。当笔记本PC10的消耗功率较小时，在恒定电流控制期间充电器51的输出电流和设定电流Ichg相同，但是在笔记本PC10的消耗功率变大的电源接通时或进行特定操作时，输出电流有时变得比设定电流Ichg小。本说明书中关于电池组106中流动的电流，当着眼于充电器51时使用输出电流的用语，当着眼于电池组106时使用充电电流的用语。
对充电器51的电流设定值输入Iset以及电压设定值输入Vset输入来自基准电压源55的电压，该基准电压源55是将在笔记本PC10的内部生成的一定电压分压而得的。基准电压源55根据来自嵌入式控制器(EC)13的指示，向电压设定值输入Vset输入设定电压Vchg，向电流设定值输入Iset输入设定电流Ichg。充电器51使输出电压不超过设定Vchg、以及使输出电流不超过设定电流Ichg地进行动作。因此，充电器51在充电电流大的充电初期以恒定电流控制进行动作，以使输出电流与设定电流Ichg一致，而在进行充电并且充电电压上升时以恒定电压控制进行动作，以使输出电压与设定电压Vchg一致。当以恒定电压控制进行动作时，由于某种原因输出电流比设定电流Ichg还大时，以恒定电流控制进行动作，以使输出电流与设定电流Ichg一致。
充电器51根据来自EC13的指示在充电过程中动态地变更设定电流Ichg以及设定电压Vchg。但是，在任何情况下设定电流Ichg都不会超过标准最大充电电流值Imax1，设定电压Vchg都不会超过标准上限充电电压值Vmax1。因此，所谓充电器51的恒定电流控制，意味着一旦设定为某一设定电流Ichg时，以与其对应的输出电流值来进行恒定电流控制，在变更为其他设定电流Ichg时，以变更后的输出电流值来进行恒定电流控制。
EC13是除了控制电源以外还控制构成笔记本PC10的很多硬件要素的集成电路。EC13与电池组件100、101进行通信，从而可以取得电池组件101、101生成的电池电芯的表面温度、电池电压、充电电流、充电功率、放电功率、残留容量以及对充电器设定的设定电压Vchg以及设定电流Ichg等信息。EC13根据从电池组件100、101接收到的指示，向基准电压源55发送指示，以使充电器51动作或者停止。例如，当电池组件指示EC13将设定电压Vchg以及设定电流Ichg变为0时，对电压设定值输入Vset、电流设定值输入Iset设定0，充电器51停止动作。当开始充电器51的动作时，从电池组件100、101接收到指示的EC13对电压设定值输入Vset以及电流设定值输入Iset设定设定电压Vchg以及设定电流Ichg。
DC/DC转换器53将从AD/DC适配器11或者电池组件100、101接收到的直流电压转换为规定电压并向笔记本PC10内的系统负荷供给。系统负荷包含CPU、液晶显示器、无线模块、硬盘装置以及控制器等各种设备。FET-A以及FET-B是用于控制针对主电池组件100的充放电的开关，与主电池组件100的充放电电路相连。FET-C以及FET-D是用于控制针对电池组件101的充放电的开关，与电池组件101的充放电电路相连。
FET-E连接在电池组件100、101和DC/DC转换器53之间，是用于形成从电池组件100、101对DC/DC转换器53的放电电路的开关。FET-F与从AC/DC适配器11向DC/DC转换器53供给电力的电路连接，该FET-F是用于在从AC/DC适配器11向DC/DC转换器53供给电力时中断从交流电源接收电力，为了进行使交流电源的峰值缓和的所谓的峰值移动(peak shift)而临时从电池组件100、101向DC/DC转换器53供给电力的开关。FET驱动电路15根据来自EC13的指示控制FET-A～FET-F。
图2是表示本发明实施方式的遵照智能电池系统(SBS)标准的电池组件100的内部结构的框图。电池组件101的结构也与电池组件100相同。电池组件100的电源线131、通信线133以及接地线135分别通过P端子、D端子以及G端子与笔记本PC10相连。在电源线131上串联连接有分别由p型MOS-FET构成的充电保护开关C-FETb和放电保护开关D-FETb。在放电保护开关D-FETb上串联连接有由3节锂离子电芯103～105构成的电池组(battery set)106。来自电池组106的放电电流以及向电池组106的充电电流通过由电源线131以及接地线135构成的充放电电路在与笔记本PC10之间流动。
电池组106的各电池电芯103～105的电压侧的端子连接在模拟/接口107的模拟输入V1～V3端子。在电池组106的表面粘贴有1个～多个热敏电阻等温度元件111。温度元件111测定电池电芯103～105的表面温度，其输出被连接在MPU113的T端子。此外，表面温度可以通过使传感器与电池电芯103～105的外壳接触的接触式或者离开外壳的非接触式中的任意方式测定。在电池电芯105的负极端子和G端子之间的接地线135上连接有电流传感电阻109。电流传感电阻109的两端与模拟/接口107的I1、I2端子相连。
模拟/接口107具有取得电池电芯103～105的各自的电芯电压的模拟输入端子V1、V2、V3，以及取得电流传感电阻109的两端的电位差的模拟输入端子I1、I2。模拟/接口107还具有输出对充电保护开关C-FETb以及放电保护开关D-FETb进行导通/断开控制的信号的模拟输出端子C-CTL以及D-CTL。模拟/接口107测定电池组106的电芯电压并转换为数字值后发送到MPU113。
模拟/接口107根据电流传感电阻109检测出的电压来测定在电池组106中流动的充电电流以及放电电流的值并转换为数字值后发送到MPU113。MPU113是在一个封装(package)中除了8～16位程度的CPU外还具有RAM、ROM、闪速存储器、定时器等的集成电路。MPU113能够与模拟/接口107进行通信，根据从模拟/接口107发送来的、与电池组106有关的电压以及电流计算充电量和放电量，而且计算满充电容量并存储在闪速存储器中。
MPU113还具有过电流保护功能、过电压保护功能(也称为过充电保护功能)以及低电压保护功能(也称为过放电保护功能)，在根据从模拟/接口107接收到的电压和电流检测出电池电芯103～105中异常时，通过模拟/接口107断开充电保护开关C-FETb以及放电保护开关D-FETb或者其中某一个。过电流保护功能、过电压保护功能以及低电压保护功能由通过MPU113执行的程序构成。
通信线133从MPU113通过D端子连接在笔记本PC10的EC13上，在MPU113和EC13之间可以进行通信。在通信线133中还包含时钟线。MPU113向EC13发送在充电器51中设定的设定电流Ichg以及设定电压Vchg。EC13经由基准电压源55将该设定值设置在充电器51中，使充电器51开始或者停止动作。
图3是表示当表面温度进入标准温度区时充电器51将设定电流Ichg设定为标准最大充电电流值Imax1来对电池组106进行充电时的情形的图。线201表示从充电器51向电池组106供给的充电电流。线203表示电池电芯103～105的表面温度，线205表示充电量。充电量(Ah)是储存在电池组106中的电量，是充电前残留的电量和通过充电注入的电量的合计值。通过充电注入的电量是将充电中的充电电流根据充电时间进行时间积分而得的值。
即使将设定电流Ichg以及设定电压Vchg设定为任意值，充电器51也使输出电流以及输出电压都不超过设定电流Ichg以及设定电压Vchg地进行开关动作。由于充电初期在电池组106中流动较大的充电电流，因此当充电器51如线201所示在时刻0开始充电时，用标准最大充电电流值Imax1的输出电流来进行恒定电流控制。随着充电的进行，电池电芯103～105的表面温度如线203所示地上升，充电量如线205所示地上升。而且，电池组106的端子电压上升，并且在时刻t1充电器51的输出电压达到设定电压Vchg时，充电器51为使输出电压与设定电压Vchg一致而切换到恒定电压控制。
此后，充电电流随着充电的进行而下降，但是MPU113当检测到充电电流达到预先设定的充电结束电流值Is时，指示充电器51在时刻t2停止充电。将在时刻t2储存在电池组106中的充电量称为满充电容量。满充电容量还相当于当前时刻该电池组106能够储存的最大放电电量。满充电容量是随时间劣化而下降的值。电池电芯的表面温度在从恒定电流控制切换到恒定电压控制的时刻t1达到最大，与充电开始前相比上升约7度。以标准最大充电电流值Imax1进行了充电时，从恒定电流控制切换到恒定电压控制的时刻t1的充电量几乎恒定，约为满充电容量的70％。
将电池组106实际储存的充电量和满充电容量的比称为RSOC(％)(Relative State OfCharge)。在图3中表示在RSOC(％)为70％时电池电芯的表面温度达到最大表面温度值Tmax。并且，当达到最大表面温度值Tmax时，电池电芯103～105的表面温度最容易超过标准温度区的上限值T3而进入高温度区。但是，在RSOC(％)为70％时电池电芯103～105达到最大表面温度值Tmax，是充电电流为标准最大充电电流值Imax1时的情况。当设定电流Ichg变更、充电器51以标准最大充电电流值Imax1以外的输出电流进行充电时，与最大表面温度值Tmax对应的RSOC(％)成为不同于70％的值。
另外，如图1所示，AC/DC适配器11可以经由DC/DC转换器53向系统负荷供给电力的同时，向充电器51也供给电力，从而对电池组106进行充电。此时，根据AC/DC适配器11的容量，在系统负荷的消耗功率大时AC/DC适配器11的输出电压下降，即使在充电器51的电流设定值输入Iset中设定0.7ItA的设定电流Ichg，实际上从充电器51也仅流动未满0.7ItA的输出电流。由于这样的原因，充电电流发生变化时，与最大表面温度值Tmax对应的RSOC(％)的值也变化。
图4(A)是说明充电电流的变化和达到最大表面温度值Tmax时的RSOC(％)的关系的图。线401表示将设定电流Ichg设定为0.7ItA时的充电电流的时间特性，线403表示将设定电流Ichg设定为0.5ItA时的充电电流的时间特性。线405表示与线401对应的充电量的时间特性，线407表示与线403对应的充电量的时间特性。在线401上，在时刻t1从恒定电流控制转移到恒定电压控制并在时刻t3结束充电，而在线403上，在比时刻t1迟的时刻t2从恒定电流控制转移到恒定电压控制并在比时刻t3迟的时刻t4结束充电。
如图3中说明的那样，当以恒定电流恒定电压方式进行了充电时，在从恒定电流控制切换到恒定电压控制的时刻t1达到最大表面温度值Tmax。在时刻t1的RSOC(％)成为70％。但是，以0.5ItA的充电电流进行了充电时，充电器51进行恒定电流控制的期间较长，达到最大表面温度值Tmax的时刻t2比时刻t1迟。并且，在时刻t2的RSOC(％)成为80％。这样，当恒定电流控制期间的充电电流变小时，向恒定电压控制的转移时期推迟，达到最大表面温度值Tmax时的RSOC(％)的值变大。
因此，当以不同于标准最大充电电流值Imax1的充电电流来进行充电时，需要修正与最大表面温度值Tmax对应的RSOC(％)的值。与根据充电电流修正后的最大表面温度值Tmax对应的RSOC(％)以后被称为修正RSOC(％)。图4(B)表示存储用实际流动的充电电流值修正了RSOC(％)而得的结果的修正表409的一例，该RSOC(％)与以标准最大充电电流值Imax1进行了充电时的最大表面温度值Tmax对应。在修正表409中表示修正RSOC(％)随着充电电流值下降到0.7ItA以下而变大。修正表409被存储在MPU113的ROM中，MPU113可以参照该修正表409。
在此，充电电流越小修正RSOC(％)越大，但是与修正RSOC(％)对应的最大表面温度值Tmax变小。这是因为，在将电池组106的内部电阻值设定为R时，来自电池组的发热量成为内部电阻值R乘以充电电流的平方而得的值，充电电流越小发热量就越小。
在电池电芯103～105的表面温度进入高温度区时，若按照安全指南将设定电压Vchg降低至高温上限充电电压值Vmax3，则充电器51无法将电池组106充电至满充电容量。另外，在以标准最大充电电流值Imax1进行恒定电流充电的期间，电池电芯103～105的表面温度进入高温度区，若将设定电流Ichg降低至高温最大充电电流值Imax3，则此后的充电电流不足、充电时间变长，因此有时在携带使用时达不到满充电容量。
这里，图9所示的各温度区的上限充电电压值是各电池电芯103～105的电压，考虑串联连接的电池电芯数和充电器51的误差来决定充电器51的设定电压Vchg。在本说明书中，将充电器51的设定电压Vchg设定为标准上限充电电压值Vmax1的表现，意味着设定为考虑充电器51的误差来选择的值，以使各电池电芯103～105的上限充电电压值维持未满标准上限充电电压值Vmax1的状态。关于其他温度区也一样。
图5、图6是表示笔记本PC10和电池组件100的充电过程的流程图，通过将高温上限充电电压值Vmax3以及高温最大充电电流值Imax3或者其中某一方限制得比标准温度区的值还低，能够解决无法充电至满充电容量或者充电时间变长的问题。以存储在MPU113的ROM中的充电程序为主体执行图5、图6的过程。图7是表示执行了图6的充电过程时的充电电流的变化的一例的图。
在图5中，在流程块200中，在笔记本PC10上连接AC/DC适配器11、而且电池组件100安装在电池槽中的状态下，MPU113对EC13发出充电请求，由此充电器51开始充电。针对充电器51的充电的开始以及停止的控制、设定电流Ichg以及设定电压Vchg的设定都由MPU113对EC13进行。笔记本PC10的系统负荷的消耗功率也可以与图5、图6无关地变动。将该时刻的设定电流Ichg以及设定电压Vchg分别设定为标准最大充电电流值Tmax1以及标准上限充电电压值Vmax1。
在流程块201中，MPU113计测电池电芯103～105的表面温度T来判断是否未满下限充电温度值T1，在未满下限充电温度值T1时，在流程块205停止充电并待机。当表面温度T在下限充电温度值T1以上时，转移至流程块203，MPU113判断表面温度T是否在上限充电温度值T4以上，当在上限充电温度T4以上时，在流程块205停止充电并待机。在表面温度T未满上限充电温度值T4时，转移至流程块207，MPU113判断表面温度T是否进入低温度区。
当表面温度T进入低温度区时，转移至流程块209，MPU113选择图9所示的低温最大充电电流值Imax2、低温上限充电电压值Vmax2分别作为设定电流Ichg以及设定电压Vchg并设定在充电器51中，使充电器51动作。当表面温度T离开低温度区时，转移至流程块211，MPU113判断表面温度T是否进入高温度区。当表面温度T进入高温度区时，转移至流程块213，MPU113选择图9所示的高温最大充电电流值Imax3以及高温上限充电电压值Vmax3分别作为设定电流Ichg以及设定电压Vchg并设定在充电器51中，使充电器51动作。在流程块211中，当表面温度T离开高温度区时，由于表面温度T进入了标准温度区，因此MPU113转移至流程块215开始图6的过程。
在图6的流程块250中，即使MPU113判断为表面温度T进入了标准温度区，电池组件的内部温度等充电条件也因充电开始时的表面温度T以及笔记本PC10的动作状态而多样，由此充电过程中的表面温度T受影响。并且，如上所述，充电电流越大因充电引起的温度上升值越大。在图6所示的过程中，MPU113动态地变更充电器51的设定电流Ichg，以便在任何充电条件下、以及即使充电条件突然变化，表面温度T也不会达到标准温度区的上限值T3以上。
为了不超过标准温度区的上限值T3地进行充电，在本实施方式中，如图7所示，在标准温度区的范围内设置通过上限目标温度值TGT-H和下限目标温度值TGT-L划界的目标温度区。作为一例，当标准温度区的上限值T3为45度时，将上限目标温度值TGT-H设定为44～43度，将下限目标温度值TGT-L设定为42～41度。
当上限目标温度值TGT-H过于接近标准温度区的上限值T3时，电池组件的外壳内的环境温度因系统负荷的消耗功率突然增大而上升时，超过标准温度区的上限值T3的可能性高，因此不理想。另外，当上限目标温度值TGT-H过于远离标准温度区的上限值T3时，充电电流降低必要以上的值，从而充电时间变长，因此不理想。而且，当目标温度区的宽度过窄时，频繁变更设定电流Ichg，当目标温度区的宽度过宽时，通过必要以上地降低的充电电流继续充电，这两种情况均不理想。
因此，理想的是在比标准温度区的上限值T3低1～3度的范围内选择上限目标温度值TGT-H，在1～3度范围内选择目标温度区的宽度。将上限目标温度值TGT-H以及下限目标温度值TGT-L编入MPU113执行的充电程序中或者以表的形式存储在闪速存储器中，从而使MPU113能够利用。
在流程块251中，MPU113将充电器51的设定电流Ichg设定为预先设定的最小充电电流值Imin，将设定电压Vchg设定为标准上限充电电压值Vmax1。最小充电电流值Imin是在通常的充电条件下使表面温度T不超过标准温度区的上限值T3的程度的值，例如，可以在0.2ItA～0.3ItA的范围内选择。
在流程块253中，在最小充电电流值Imin下监视作为监视时间△t而设定的一分钟的充电状态，MPU113计算监视时间△t期间的充电电流的平均值，参照修正表409来求出与平均充电电流值Imean对应的修正RSOC(％)的值。该修正RSOC(％)与当假设以计算出的平均充电电流值Imean继续充电时达到最大表面温度值Tmax时的充电量对应。假设此后也以平均充电电流值Tmean继续充电的情况下，MPU113预测充电至修正RSOC(％)时的最大表面温度值Tmax。由于已知达到修正RSOC(％)为止表面温度T几乎直线上升，因此计算每一监视时间△t的表面温度T的时间上升率△T/△t，还计算充电至与修正RSOC(％)对应的充电量的时间，从而可以预测最大表面温度值Tmax。
MPU113根据过去的充电量以及放电量，在闪速存储器中存储当前的满充电容量以及当前储存的充电量。MPU113在从图4的修正表409得到的修正RSOC(％)上乘以当前的满充电容量，由此可以计算在修正RSOC(％)的充电量。设当前的充电量为C1(Ah)、设在修正RSOC(％)的充电量为C2(Ah)时，在以平均充电电流值Imean充电时充电至修正RSOC(％)所需要的充电时间t可以通过t＝(C2-C1)/Imean来计算。
而且，当设监视时间Δt的开始时刻的表面温度T和结束时刻的表面温度T的差为ΔT时，可以计算表面温度T的时间上升率ΔT/Δt。然后，在时间上升率ΔT/Δt上乘以充电时间t，再加上预测时刻的表面温度值，由此可以预测以平均充电电流值Imean充电至修正RSOC(％)时的最大表面温度值Tmax。将MPU113预测出的最大表面温度值Tmax称为预测温度值Ta。
参照图7(A)、图7(B)说明此时的情况。图7(A)表示由于充电开始时的表面温度T较低，因此在标准温度区以标准最大充电电流值Imax1来充电的情况。图7(B)表示充电开始时的表面温度T较高，在标准温度区内无法以标准最大充电电流值Imax1充电，以比它小的充电电流来充电的情况。当执行图6的过程时，不同于如图3所示在恒定电流期间对充电器51设定恒定的设定电流Ichg，而动态地变更设定电流Ichg。
在图7(A)、图7(B)中，在用线301表示的标准温度区的上限值T3的稍微下方设定有通过用线303表示的上限目标温度值TGT-H和用线305表示的下限目标温度值TGT-L来划界的目标温度区。线307、321表示当执行图6的过程时在电池组106中流动的充电电流。时刻t1～时刻t4的各个间隔相当于监视时间Δt的一例。在图7(A)中，在时刻t1和时刻t2的期间由MPU113测定的平均充电电流值Imean为0.5ItA。
在时刻t2，MPU113根据时刻t2的表面温度值和时刻t1的表面温度值的差来计算之前的监视时间Δt期间的温度上升值ΔT。时刻t6为以0.5ItA充电时达到修正RSOC(％)的时刻，MPU113根据t6-t2来计算充电至修正RSOC(％)时的充电时间，根据满充电容量计算相当于修正RSOC(％)的充电量，从而计算在时刻t6的预测温度值Ta(t2)。
线313是通过时刻t2的当前的表面温度值、并将表面温度T的时间上升率ΔT/Δt作为斜率的直线，表示以时刻t1～t2的监视时间Δt期间实际测量的平均充电电流值Imean充电至时刻t6时预想的表面温度T的时间特性。预测温度值Ta(t2)成为比目标温度区低的值。图7(A)同样把MPU113在时刻t3计算出的预测温度值Ta(t3)表示在线311的尖端，把在时刻t4计算出的预测温度值Ta(t4)表示在线309的尖端。在线311上时刻t3之前的监视时间Δt中的平均充电电流值Imean变成0.6ItA，因此预测温度值Ta(t3)成为比预测温度值Ta(t2)大的值。
在线309上，时刻t4之前的监视时间Δt中的平均充电电流值Imean变成0.7ItA，因此预测温度值Ta(t4)成为比预测温度值Ta(t3)大的值。图7(B)也同样把MPU113在时刻t2计算出的预测温度值Ta(t2)表示在线323的尖端，把在时刻t3计算出的预测温度值Ta(t3)表示在线327的尖端，把在时刻t4计算出的预测温度值Ta(t4)表示在线325的尖端。
在接续的流程块257中，MPU113判断预测温度值Ta是否在标准温度区的上限值T3以上。当继续图6的过程时，也有可能由于周围温度或系统的消耗功率突然发生变化而预测温度值Ta超过标准温度区的上限值T3，因此MPU113判断为预测温度值Ta为标准温度区的上限值T3以上时，返回流程块251，MPU113将充电器51的设定电流Ichg设定为最小充电电流值Imin。结果，预测温度值Ta下降，可以避免表面温度T超过标准温度区的上限值T3的情况。
当MPU113判断为预测温度值Ta未满标准温度区的上限值T3时，转移至流程块259。流程块259不是表示MPU113的判断，而是表示基于充电器51的设定电流Ichg和设定电压Vchg的动作。充电器51进行对电池组106的充电，从而输出电压与设定电压Vchg一致时，转移至流程块261，进行使输出电压和设定电压Vchg一致的恒定电压控制。然后，MPU113当判断为充电电流达到充电结束电流值Is时，在流程块263使充电器51的动作停止。
在图7(A)、图7(B)中，充电器51均在时刻t5从恒定电流控制转移至恒定电压控制。在图7(A)中，在以标准最大充电电流值Imax1进行充电后转移至恒定电压控制，而在图7(B)中，在整个恒定电流控制期间以小于标准最大充电电流值Imax1的充电电流值进行充电后转移至恒定电压控制。在转移至恒定电压控制以后充电电流变小，因此如图3所示，表面温度T下降。图8表示在图6的过程中判断出的预测温度值Ta的范围。温度范围351是从流程块257转移至流程块259时的预测温度值Ta的范围。
接着转移至流程块267，MPU113判断预测温度值Ta是否进入目标温度区的范围。目标温度区被设置在标准温度区的上限值T3的稍微下方的位置，因此预测温度值Ta小于上限目标温度值TGT-H意味着即使以当前的充电电流值Imean充电至修正RSOC(％)时电池电芯103～105达到最大表面温度值Tmax，其最大表面温度也不超过标准温度区的上限值T3，并且意味着由于预测温度值Ta大于下限目标温度值TGT-L，因此充电电流不会过低。
因此，只要能够满足流程块267的条件，以当前的设定电流Ichg继续充电就为最佳，因此MPU113转移至流程块253。图7(A)的线309、图7(B)的线325表示该情形。在图7(A)的时刻t4以及图7(B)的时刻t4以后，由于MPU113已转移至流程块253，因此充电电流没有发生变化。MPU113在流程块267中判断为预测温度值Ta离开目标温度区时，转移至流程块269，并判断预测温度值Ta是否在上限目标温度值TGT-H以上。图8的温度范围353是从流程块267转移至流程块269时的预测温度值Ta的范围。
当MPU113判断为预测温度值Ta在上限目标温度值TGT-H以上时，预测温度值Ta就会进入上限目标温度值TGT-H和高温度区的下限值T3之间。此时，若以该监视时间Δt中的平均充电电流值Imean来继续充电，则还可以预想最大表面温度值Tmax由于环境温度的变化或系统的消耗功率的变动而超过标准温度区的上限值T3。因此，MPU113转移至流程块271后变更充电器51的设定电流Ichg来降低充电电流后再转移至流程块253。图8的温度范围355是从流程块269转移至流程块271时的预测温度值Ta的范围。
关于充电电流值，也可以对充电器51的设定电流Ichg设定多个等级(step)并降低规定等级。图7(B)的线323表示该情形。在线323上，在时刻t2的预测温度值Ta(t2)进入上限目标温度值TGT-H和标准温度区的上限值T3之间。因此，MPU113在时刻t2降低充电器51的设定电流Ichg。
在流程块269，当MPU113判断为预测温度值Ta未满上限目标温度值TGT-H时，预测温度值Ta就会进入下限目标温度值TGT-L和标准温度区的下限值T2的范围内。此时，充电电流变得过低，充电时间变得过长，因此MPU113转移至流程块273，变更充电器51的设定电流Ichg来增大充电电流后转移至流程块253。图8的温度范围357是从流程块269转移至流程块273时的预测温度值Ta的范围。
图7(A)的线311、313、图7(B)的线327表示该情形。在线311上，在时刻t3的预测温度值Ta(t3)进入下限目标温度值TGT-L和标准温度区的下限值T2(未图示)之间。因此，充电电流在时刻t3被MPU113增大。重复图6的过程并针对每一监视时间Δt计算预测温度值Ta，并根据其结果动态地变更充电电流，由此即使充电至修正RSOC(％)，表面温度值也不会超过标准温度区的上限值T3。而且，可以将设定电流Ichg设定为在由充电开始时的电池电芯103～105的表面温度T和充电过程中的环境温度所容许的范围内接近最大值的值，因此充电时间不会变长。
在流程块251中，设定为最小充电电流值Imin。如图7(A)所示，最初以最小充电电流值Imin开始充电，但是当充电开始时的表面温度T较低、环境温度也不高时，此后充电电流增大，在恒定电流控制期间的大部分时间内以标准最大充电电流值Imax1来充电。因此，此时若从最初开始以标准最大充电电流值Imax1来充电，则不会有设置在必要以上地抑制了充电电流的期间而造成充电时间延长的情况。
因此，MPU113将参数和在该参数下稳定充电的充电电流值有关的数据作为充电履历存储在闪速存储器中，上述参数是将把过去进行了充电时的充电开始时的表面温度T和环境温度作为一组的参数。然后，当开始下次充电时观测到相同或近似的参数时，也可以代替最小充电电流值Imin，而将稳定充电的充电电流值设定为设定电流Ichg。
到此为止，说明了电池组件100中安装的MPU113控制充电器的实施例，而本发明，在安装有未安装处理器的电池组件的笔记本PC中，也可以由安装在笔记本PC中的处理器执行其过程来控制充电器。此时，将充电程序存储在笔记本PC的闪速存储器或者硬盘装置中。
到此为止，通过图示的特定实施方式说明了本发明，但是本发明不限于图示的实施方式，只要能达到本发明的效果，不言而喻，可以采用此前已知的任何结构。
产业上的可利用性
可以应用于对表面温度进行管理的同时对二次充电进行充电的充电系统。

Claims (15)

1.一种充电系统，使锂离子电池的表面温度不超过上限温度值地对所述锂离子电池进行充电，其特征在于，
包括：
充电器，其具备恒流恒压特性，在充电过程中可变更设定电流；
温度元件，测定所述锂离子电池的表面温度；以及
控制部，在所述充电器进行恒流控制的期间，接收来自所述温度元件的输出，定期计算相当于当假设以当前的充电电流值将所述锂离子电池充电至小于满充电容量的规定的充电量时的所述表面温度的预测温度值，根据定期比较在低于所述上限温度值的温度范围内设定的目标温度区和所述预测温度值而得的结果，变更所述充电器的设定电流。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
所述规定的充电量，对应于以当前的充电电流值进行充电的情况下所述表面温度达到最大时的充电量。
3.根据权利要求1或2所述的充电系统，其中，
所述规定的充电量，对应于在所述充电器从恒定电流控制切换到恒定电压控制的时刻的充电量。
4.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
所述规定的充电量，与相当于所述表面温度达到最大时的RSOC(％)的充电量相对应，而且具有针对每一充电电流设定了所述RSOC(％)的修正表。
5.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
定义容许以未满标准最大充电电流值的电流值来充电的标准温度区，所述标准温度区的上限值与所述上限温度值一致，所述充电器在整个恒定电流控制期间以未满所述标准最大充电电流值的充电电流值对所述锂离子电池进行充电，并转移至恒定电压控制期间。
6.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
作为所述目标温度区的上限值，选定比所述上限温度值低1～3度的值。
7.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
在1～3度的范围内选定所述目标温度区的宽度。
8.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
所述控制部，当所述预测温度值超过所述目标温度区时减小所述设定电流，当所述预测温度值进入所述目标温度区时维持所述设定电流，当所述预测温度值低于所述目标温度区时增大所述设定电流。
9.根据权利要求1所述的充电系统，其中，
所述控制部，当所述预测温度值超过所述上限温度值时，将所述充电器的设定电流设定为最小充电电流值。
10.根据权利要求1所述充电系统，其中，
所述控制部，根据所述表面温度相对于规定的监视时间的时间上升率、和充电至所述规定的充电量所需的充电时间，计算所述预测温度值。
11.根据权利要求10所述的充电系统，其中，
所述控制部根据在所述监视时间内流动的充电电流的平均值，计算充电至所述规定的充电量所需的充电时间。
12.一种充电方法，是在包含具有恒流恒压特性、在充电过程中可变更设定电流的充电器，和锂离子电池的充电系统中，在所述充电器进行恒流控制的期间使所述锂离子电池的表面温度不超过上限温度值地进行充电的方法，其特征在于，
包括以下步骤：
所述充电器以最小充电电流值开始所述锂离子电池的充电的步骤；
测定所述锂离子电池的表面温度的步骤；
在比所述上限温度值低的温度范围内提供目标温度区的步骤；
定期计算预测温度值的步骤，该预测温度值相当于当假设以当前的充电电流值将所述锂离子电池充电至小于满充电容量的规定的充电量时的所述表面温度；
定期比较所述预测温度值和所述目标温度区的步骤；以及
应答所述比较的步骤来变更所述充电器的设定电流的步骤。
13.根据权利要求12所述的充电方法，其中，
包括：
存储所述设定电流的变更履历的步骤；以及
根据所述存储的变更履历来决定所述最小充电电流值的步骤。
14.一种设备，该设备中可安装收纳锂离子电池和测定该锂离子电池的表面温度的温度元件的电池组件，并且该设备中搭载了使所述锂离子电池的表面温度不超过上限温度值地进行充电的充电系统，该设备的特征在于，
包括：
充电器，其具有恒流恒压特性，在充电过程中可变更设定电流；
负荷，从所述锂离子电池接收电力供给而工作；以及
控制部，在所述充电器进行恒流控制的期间，接收来自所述温度元件的输出，定期计算预测温度值，并根据定期比较在低于所述上限温度值的温度范围内设定的目标温度区和所述预测温度值而得的结果，变更所述充电器的设定电流，所述预测温度值相当于当假设以当前的充电电流值将所述锂离子电池充电至小于满充电容量的规定的充电量时的所述表面温度。
15.一种电池组件，其安装在搭载了具有恒流恒压特性，在充电过程中可变更设定电流的充电器的设备上，并使锂离子电池的表面温度不超过上限温度值地被充电，其特征在于，
包括：
锂离子电池；
温度元件，测定所述锂离子电池的表面温度；以及
处理器，在所述充电器进行恒流控制的期间，接收来自所述温度元件的输出，定期计算预测温度值，并根据定期比较在低于所述上限温度值的温度范围内设定的目标温度区和所述预测温度值而得的结果，变更所述充电器的设定电流，所述预测温度值相当于当假设以当前的充电电流值将所述锂离子电池充电至小于满充电容量的规定的充电量时的所述表面温度。
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