JP2001186684A - リチウムイオン電池充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な回路で充電電流の積算誤差が少ないリ
チウムイオン電池充電装置を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 充電電圧検出回路４は電池電圧を検出
し、充電電流検出回路５は充電電流比例電圧を検出す
る。制御ロジック回路８は電池電圧異常チェックと、微
小電流による定電流の予備充電と、急速充電との制御を
行う。急速充電では、充電最大電流による定電流充電を
電池電圧が満充電電圧に達するまで行い、その後は、電
池電圧が満充電電圧に達する度に段階的に減少させた充
電電流による定電流充電を行い、充電電流が充電完了電
流値に達すると充電終了とする。出力ドライブ回路にフ
ィードバックする回路は定電流制御回路のみで構成され
るので、回路構成が簡単になり、充電電流を段階的に減
少させる量が明確であるため、充電電流の時間積分値が
正確に求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリチウムイオン電池
充電装置に関し、特に簡単な回路で充電電流の積算に誤
差を生じにくいリチウムイオン電池充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン電池はセル数や負極の材
料の違いにより充電特性や電池電圧が異なるが、充電方
法等の違いはないため、以下は負極としてコークス系の
材料を有する１セルのリチウムイオン電池を代表として
例にとり説明する。

【０００３】図４の従来の充電回路の一例を示す図であ
る。従来の充電回路は、電圧Ｖｃｃを出力する電源１０
１とリチウムイオン電池１０２の＋端子との間に接続さ
れた出力ドライブ回路１０３と、リチウムイオン電池１
０２の充電電圧を検出する充電電圧検出回路１０４と、
リチウムイオン電池１０２の−端子とグランドとの間に
接続された微小抵抗値の電流検出抵抗Ｒと、この電流検
出抵抗Ｒの端子電圧を計測して充電電流を検出する充電
電流検出回路１０５と、電圧制御基準電圧１０６および
電流制御基準電圧１０７と、＋入力端子に充電電圧検出
回路１０４の出力が接続され、−入力端子に電圧制御基
準電圧１０６が接続された電圧制御演算増幅器１０８
と、＋入力端子に充電電流検出回路１０５の出力が接続
され、−入力端子に電流制御基準電圧１０７が接続され
た電流制御演算増幅器１０９と、可動接点に電圧制御演
算増幅器１０８および電流制御演算増幅器１０９の出力
が接続され、固定接点に出力ドライブ回路１０３の制御
端子に接続された制御切替回路１１０と、充電電圧検出
回路１０４および充電電流検出回路１０５の出力を受け
て電圧制御基準電圧１０６、電流制御基準電圧１０７お
よび制御切替回路１１０を制御するよう接続された制御
ロジック回路１１１と、充電電流値および放電電流値を
受けて充電容量を計算する充電容量計算回路１１２とを
備えている。

【０００４】ここで、電源１０１、出力ドライブ回路１
０３、リチウムイオン電池１０２および電流検出抵抗Ｒ
による直列接続回路は、充電メイン回路を構成してい
る。なお、電流検出抵抗Ｒが出力ドライブ回路１０３と
リチウムイオン電池１０２の＋端子との間に配置される
場合もある。さらに、充電メイン回路の電流検出抵抗Ｒ
の両端より検出した充電電流比例電圧を充電電流検出回
路１０５で増幅し、電流制御演算増幅器１０９を通して
充電メイン回路の出力ドライブ回路１０３にフィードバ
ックした回路が定電流制御回路を構成し、リチウムイオ
ン電池１０２の＋端子より検出した充電電圧を充電電圧
検出回路１０４と電圧制御演算増幅器１０８を通して充
電メイン回路の出力ドライブ回路１０３にフィードバッ
クした回路が定電圧制御回路を構成している。

【０００５】これらの回路の定電圧制御／定電流制御の
切り替えおよび定電圧・定電流制御値は制御ロジック回
路１１１でコントロールされる。制御ロジック回路１１
１は、リチウムイオン電池１０２の＋端子より検出した
充電電圧および電流検出抵抗Ｒの両端より検出した充電
電流比例電圧を入力信号とし、定電圧制御回路および定
電流制御回路の電圧制御演算増幅器１０８および電流制
御演算増幅器１０９の電圧制御基準電圧１０６および電
流制御基準電圧１０７を変え、リチウムイオン電池１０
２の充電電圧および充電電流を制御する。電圧制御基準
電圧１０６および電流制御基準電圧１０７は、制御ロジ
ック回路１１１からの基準電圧信号Ｖｒｅｆ、基準電流
信号Ｉｒｅｆにより変えられる。

【０００６】この充電回路においては、電圧制御と電流
制御との切り替えを制御ロジック回路１１１でコントロ
ールされる制御切替回路１１０を用いて行っているが、
電圧制御演算増幅器１０８の出力と電流制御演算増幅器
１０９の出力のうち大きい出力を出力ドライブ回路１０
３に出力する機能をもった論理和回路で置き換え、電圧
制御演算増幅器１０８および電流制御演算増幅器１０９
の電圧制御基準電圧１０６および電流制御基準電圧１０
７の組合わせにより自動的に電流制御と電圧制御とを切
り替える方法をとることもある。

【０００７】また、充電容量計算回路１１２は、リチウ
ムイオン電池１０２の充電において、装置の使用可能残
存時間や充電完了所要時間を把握する必要性から用意さ
れたものである。この充電容量計算回路１１２では、充
電容量を精度良く求めるために電気量積算方式と呼ばれ
る計算方法が多く採用されている。電池容量は電流と時
間との積（ＡＨ）で示されるが、電気量積算方式とは、
充放電電流を時間積分するもので、充電時に充電電流値
を加算、放電時に放電電流値を減算することで充電容量
を計算する。図示の例では、充電容量計算回路１１２
に、制御ロジック回路１１１から充電時の充電電流値、
負荷装置側から放電時の放電電流値が入力されている
が、この形態は様々であり、制御ロジック回路１１１と
してマイクロコントローラを使用する場合には、制御ロ
ジック回路１１１に充電容量計算回路１１２の機能が含
まれることもある。

【０００８】次に、このような充電回路の制御ロジック
回路１１１による充電処理動作について説明する。図５
は従来の代表的なリチウムイオン電池の充電処理の流れ
を示すフローチャートである。まず、充電開始後、充電
電圧検出回路１０４による電池電圧を受けて電池状態の
チェックが行われる（ステップＳ１）。ここで、電池電
圧が異常ならば異常処理を行う。電池電圧が異常でなけ
れば、電池電圧が３．２ボルト以下かどうかの判断がな
される（ステップＳ２）。ここで、電池電圧が３．２ボ
ルト以下であれば、制御切替回路１１０を電流制御演算
増幅器１０９の出力側に切り替え、電流制御基準電圧１
０７を基準電流信号Ｉｒｅｆにより設定して微小電流
（＝０．２アンペア）による定電流充電を行う（ステッ
プＳ３）。次に、電池電圧が３．２ボルトに達したかど
うかが判断される（ステップＳ４）。これにより、定電
流充電は、電池電圧が３．２ボルトに達するまで継続さ
れる。ステップＳ２およびステップＳ４において、電池
電圧が３．２ボルトに達したと判断されたならば、次
は、電流制御基準電圧１０７を基準電流信号Ｉｒｅｆに
より設定し直して大電流（＝１アンペア）による定電流
充電を行い（ステップＳ５）、この定電流充電は電池電
圧がリチウムイオン電池の満充電電圧である４．２ボル
トに達するまで継続する（ステップＳ６）。電池電圧が
満充電電圧に達すると、次は、制御切替回路１１０を電
圧制御演算増幅器１０８の出力側に切り替え、電圧制御
基準電圧１０６を基準電圧信号Ｖｒｅｆにより設定して
一定の電圧（＝４．２ボルト）による定電圧充電を行う
（ステップＳ７）。そして、充電電流検出回路１０５に
て検出された定電圧充電による充電電流が０．１アンペ
ア以下かどうかが判断され（ステップＳ８）、充電電流
が０．１アンペア以下になったときに、充電終了とす
る。

【０００９】図６は従来の代表的なリチウムイオン電池
の充電特性を示す図である。この充電特性によれば、リ
チウムイオン電池１０２の充電は、予備充電−急速充電
という流れで行われる。予備充電は、充電の安全性を考
慮した充電工程であり、電池電圧が３．２ボルトに達す
るまで小電流（０．２アンペア）による定電流制御を行
う。急速充電は、充電工程のメインであり、充電工程の
前半が充電最大電流（電池性能と安全性とから決められ
た最大連続充電電流）による定電流（１アンペア）充電
工程で、電池電圧が満充電電圧（充電容量が１００％の
ときの電池電圧）に達した段階で、満充電電圧（４．２
ボルト）による定電圧充電工程に移る。定電圧充電工程
では、充電が進んで電池容量が増加するに従って電流が
減少し、電流が充電完了電流値（充電完了と判断される
電流値）以下になった時点で充電を終了させるが、ここ
ではこの電流値を０．１アンペアとしている。なお、充
電電流が０．１アンペアになったときの充電容量は約９
５％であるため、図６には図示していないが、この後、
充電容量をより１００％に近づけるためにトリクル充電
と呼ばれる１時間程度の定電圧充電を継続することもあ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
充電回路では、急速充電における制御方式が、電流制御
と電圧制御との２種類の制御を要するものであるため、
２種類の制御回路（電流制御回路、電圧制御回路）およ
び制御回路を切り替えるための回路が必要であり、回路
規模が大きくなると共に回路が複雑になるという問題点
があった。また、充電容量計算において、充電電流が非
線型的変化を示すため、充電電流の積算で誤差を生じや
すいという問題点もある。

【００１１】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、簡単な回路で充電電流の積算に誤差を生じに
くいリチウムイオン電池充電装置を提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では上記問題を解
決するために、電源とグランドとの間にリチウムイオン
電池と共に直列に接続するよう配置された出力ドライブ
回路および微小抵抗値の電流検出抵抗を有する充電メイ
ン回路と、前記充電メイン回路の前記電流検出抵抗の両
端より充電電流比例電圧を検出する充電電流検出回路お
よび前記充電電流比例電圧と電流制御基準電圧との差を
前記充電メイン回路の出力ドライブ回路にフィードバッ
クする演算増幅器を有する定電流制御回路と、リチウム
イオン電池の＋端子の電圧を検出する充電電圧検出回路
と、前記定電流制御回路の充電電流検出回路が検出した
充電電流比例電圧と前記充電電圧検出回路が検出した充
電電圧とを入力し、急速充電時に、前記充電電圧が満充
電電圧に到達後、前記定電流制御回路の電流制御基準電
圧を階段状に減少させる制御ロジック回路と、を備えて
いることを特徴とするリチウムイオン電池充電装置が提
供される。

【００１３】このようなリチウムイオン電池充電装置に
よれば、小電流による定電流充電の予備充電後に行なわ
れる急速充電において、充電最大電流による定電流充電
と、充電電圧が満充電電圧に到達の度に階段状に減少さ
せた充電電流で行う定電流充電とを行うようにしてい
る。このため、充電制御を定電流充電のみで行うことに
なり、充電メイン回路の出力ドライブ回路にフィードバ
ックする回路として定電流制御回路だけで構成すること
ができ、その分、回路を単純に構成することができる。
また、充電電流の変化が単純な階段状となり、その電流
値は常に制御ロジックに従った明確な値となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、１
セル・コークス系のリチウムイオン電池を充電する充電
回路に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明す
る。

【００１５】図１は本発明によるリチウムイオン電池の
充電回路を示す図である。本発明によるリチウムイオン
電池の充電回路は、電圧Ｖｃｃを出力する電源１とリチ
ウムイオン電池２の＋端子との間に接続された出力ドラ
イブ回路３と、リチウムイオン電池２の充電電圧を検出
する充電電圧検出回路４と、リチウムイオン電池２の−
端子とグランドとの間に接続された微小抵抗値の電流検
出抵抗Ｒと、この電流検出抵抗Ｒの端子電圧を計測して
充電電流を検出する充電電流検出回路５と、電流制御基
準電圧６と、＋入力端子に充電電流検出回路５の出力が
接続され、−入力端子に電流制御基準電圧６が接続さ
れ、出力端子に出力ドライブ回路３の制御端子に接続さ
れた電流制御演算増幅器７と、充電電圧検出回路４およ
び充電電流検出回路５の出力を受けて電流制御基準電圧
６を制御するよう接続された制御ロジック回路８と、充
電電流値および放電電流値を受けて充電容量を計算する
充電容量計算回路９とを備えている。なお、リチウムイ
オン電池２は、内部抵抗Ｒｂを有するため、その内部
は、電池と内部抵抗Ｒｂとの直列接続回路として模擬す
ることができる。

【００１６】上記の構成のため、本発明による充電回路
は、従来の充電回路と比較し、電圧制御演算増幅器など
の電圧フィードバック回路と制御切替回路とが省かれた
構成となっている。

【００１７】ここで、電源１、出力ドライブ回路３、リ
チウムイオン電池２および電流検出抵抗Ｒによる直列接
続回路は、充電メイン回路を構成し、充電電流検出回路
５が充電メイン回路の電流検出抵抗Ｒの両端より充電電
流比例電圧を検出し、その充電電流比例電圧を電流制御
演算増幅器７を通して充電メイン回路の出力ドライブ回
路３にフィードバックした回路が定電流制御回路を構成
している。

【００１８】制御ロジック回路８は、シーケンサ、マイ
クロコントローラあるいはロジックの複合回路から成
り、充電電圧検出回路４からリチウムイオン電池２の＋
端子より検出した充電電圧と、充電電流検出回路５から
電流検出抵抗Ｒの両端より検出した充電電流比例電圧と
を受け、所定の充電処理の制御ロジックをもとに基準電
流信号Ｉｒｅｆを出力し、電流制御基準電圧６を所定の
充電電流Ｉとなる基準電圧に設定する機能を有してい
る。制御ロジック回路８は、また、充電電圧検出回路４
からの充電電圧をもとにリチウムイオン電池２の電圧異
常をチェックする機能を有している。

【００１９】充電容量計算回路９は、リチウムイオン電
池２を電源とする装置の使用可能残存時間やリチウムイ
オン電池２の充電完了所要時間を把握する目的で設けら
れている。この充電容量計算回路９には、制御ロジック
回路８から充電時の充電電流値、負荷装置側から放電時
の放電電流値が入力され、充電時に充電電流値を加算
し、放電時に放電電流値を減算することで充電容量を計
算する。

【００２０】次に、このような充電回路の制御ロジック
回路８における充電処理の制御ロジックについて説明す
る。図２は本発明によるリチウムイオン電池の充電処理
の流れを示すフローチャートである。まず、充電開始
後、充電電圧検出回路４による電池電圧を受けて電池状
態のチェックが行われる（ステップＳ１１）。ここで、
電池電圧が異常ならば異常処理を行う。電池電圧が異常
でなければ、検出された電池電圧が３．２ボルト以下か
どうかの判断がなされる（ステップＳ１２）。ここで、
電池電圧が３．２ボルト以下であれば、基準電流信号Ｉ
ｒｅｆにより電流制御基準電圧６の基準電圧を設定して
微小電流（＝０．２アンペア）による定電流充電を行う
（ステップＳ１３）。次に、電池電圧が３．２ボルトに
達したかどうかが判断される（ステップＳ１４）。これ
により、微小電流（＝０．２アンペア）による定電流充
電は、電池電圧が３．２ボルトに達するまで継続するこ
とができる。

【００２１】ステップＳ１２およびステップＳ１４にお
いて、電池電圧が３．２ボルトに達したと判断されたな
らば、基準電流信号Ｉｒｅｆにより電流制御基準電圧６
の基準電圧を充電電流が充電最大電流（＝１アンペア）
になるよう設定し（ステップＳ１５）、充電最大電流に
よる定電流充電を行う（ステップＳ１６）。この定電流
充電は電池電圧がリチウムイオン電池の満充電電圧であ
る４．２ボルトに達するまで継続する（ステップＳ１
７）。電池電圧が満充電電圧に達すると、次は、基準電
流信号Ｉｒｅｆを所定の量だけ減少させる設定を行う
（ステップＳ１８）。ここでは、基準電流信号Ｉｒｅｆ
の１回の減少量は、最初に設定した充電最大電流の１／
１０としている。次に、充電電流検出回路５にて検出さ
れた定電圧充電による充電電流が充電完了電流値の０．
１アンペアより小さいかどうかが判断される（ステップ
Ｓ１９）。ここで、充電電流が０．１アンペアより小さ
くなると、充電終了とする。充電電流が０．１アンペア
より小さくならなければ、ステップＳ１６に戻る。

【００２２】このようにして、ステップＳ１１では、電
池状態のチェックを行い、ステップＳ１２〜Ｓ１４で予
備充電を行い、ステップＳ１５〜Ｓ１９の急速充電工程
においては、電池電圧が満充電電圧になったら充電電流
値を所定の量ずつ減少させて定電流充電を行い、これを
充電電流が充電完了電流値になるまで繰り返すようにし
ている。

【００２３】リチウムイオン電池２は内部抵抗Ｒｂを有
するため、リチウムイオン電池２の内部は、電池２ａと
内部抵抗Ｒｂとの直列回路として表すことができる。こ
こで、リチウムイオン電池２が電流Ｉによる定電流充電
がなされている場合、電池２ａには定電流Ｉが流れてい
ることになる。そのときの電池電圧Ｖは、Ｖｂａｔを電
池２ａの電圧とすると、

【００２４】

【数１】Ｖ＝Ｖｂａｔ＋Ｉ・Ｒｂ ・・・（１） となる。

【００２５】ステップＳ１８において、充電電流Ｉが瞬
間的に所定の減少量である△Ｉだけ減少した場合、電池
電圧Ｖ１は、

【００２６】

【数２】 Ｖ１＝Ｖｂａｔ＋Ｉ・Ｒｂ−△Ｉ・Ｒｂ ・・・（２） となり、内部抵抗Ｒｂによる電圧降下分（△Ｉ・Ｒｂ）
だけ小さくなる。

【００２７】図３は本発明によるリチウムイオン電池の
充電回路の制御特性を示す図である。この図３におい
て、充電電流Ｉが△Ｉだけ減少したときの内部抵抗Ｒｂ
による電圧降下分（△Ｉ・Ｒｂ）は、電圧特性の電圧変
化分（△Ｖ）に相当する。充電電流値を決める基準電流
信号Ｉｒｅｆの減少と電池電圧が満充電電圧（４．２ボ
ルト）になるまでの定電流制御は、充電電流Ｉが充電完
了電流値（０．１アンペア）以下になるまで繰り返さ
れ、この充電は、充電電流Ｉが充電完了電流値（０．１
アンペア）以下になった時点で完了する。

【００２８】したがって、本発明による充電回路の電流
特性は、階段状に減少する特性となる。１回の電流の減
少量（△Ｉ）を小さくすれば、階段の高さが低くなり電
流変化の回数が増加し、従来の定電流定電圧制御の充電
方式による電流特性に近づけることも可能である。ま
た、充電完了電流値を極めて小さい値に設定すれば、充
電完了時の充電容量を１００％に近づけることができ
る。

【００２９】充電電流は、変化が単純な階段状で、電流
値が制御ロジック回路８で決定された明確な値となって
いる。このため、この電流値は所定時間ごとに充電容量
計算回路９に送られ、充放電電流を時間積分することに
よって充電容量が計算されるが、その充電容量値は、正
確な値となる。

【００３０】上記の実施の形態では、リチウムイオン電
池が１セルの場合の充電回路について説明したが、ｎ個
直列に接続したリチウムイオン電池の場合には、予備充
電工程における充電完了電圧および満充電電圧の値は、
それぞれｎ倍した値にすればよい。

【００３１】また、充電メイン回路においては、充電電
流を検出する微小抵抗値の電流検出抵抗Ｒを、リチウム
イオン電池の−端子とグランドとの間に接続したが、出
力ドライブ回路とリチウムイオン電池の＋端子との間に
接続してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、制御
ロジック回路を、電池電圧異常チェックおよび予備充電
の後の急速充電工程において、定電流充電を行うが、そ
の定電流充電により充電電圧が満充電電圧に達したら充
電電流値を所定量減少させて定電流充電を行う工程を充
電電流が充電完了電流値に達するまで繰り返し行う制御
構成にした。これにより、定電圧制御回路が不要とな
り、充電回路を定電流制御回路のみで構成するができる
ので、回路を構成する部品点数が抑えられ、装置全体を
コンパクトにでき、コストを低く抑えることができる。

【００３３】また、回路が単純になるため、設計が容易
で、設計時間を短縮することができる。さらに、充電電
流の時間積分値が正確に求まるため、充電電流の加算に
おける計算精度が向上し、充電容量が精度よく計算でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるリチウムイオン電池の充電回路を
示す図である。

【図２】本発明によるリチウムイオン電池の充電処理の
流れを示すフローチャートである。

【図３】本発明によるリチウムイオン電池の充電回路の
制御特性を示す図である。

【図４】従来の充電回路の一例を示す図である。

【図５】従来の代表的なリチウムイオン電池の充電処理
の流れを示すフローチャートである。

【図６】従来の代表的なリチウムイオン電池の充電特性
を示す図である。

【符号の説明】

１ 電源 ２ リチウムイオン電池 ２ａ 電池 ３ 出力ドライブ回路 ４ 充電電圧検出回路 ５ 充電電流検出回路 ６ 電流制御基準電圧 ７ 電流制御演算増幅器 ８ 制御ロジック回路 ９ 充電容量計算回路 Ｉｒｅｆ 基準電流信号 Ｒ 電流検出抵抗 Ｒｂ 内部抵抗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源とグランドとの間にリチウムイオン
   電池と共に直列に接続するよう配置された出力ドライブ
   回路および微小抵抗値の電流検出抵抗を有する充電メイ
   ン回路と、 前記充電メイン回路の前記電流検出抵抗の両端より充電
   電流比例電圧を検出する充電電流検出回路および前記充
   電電流比例電圧と電流制御基準電圧との差を前記充電メ
   イン回路の出力ドライブ回路にフィードバックする演算
   増幅器を有する定電流制御回路と、 リチウムイオン電池の＋端子の電圧を検出する充電電圧
   検出回路と、 前記定電流制御回路の充電電流検出回路が検出した充電
   電流比例電圧と前記充電電圧検出回路が検出した充電電
   圧とを入力し、急速充電時に、前記充電電圧が満充電電
   圧に到達後、前記定電流制御回路の電流制御基準電圧を
   階段状に減少させる制御ロジック回路と、 を備えていることを特徴とするリチウムイオン電池充電
   装置。
2. 【請求項２】 前記制御ロジック回路は、前記充電電圧
   検出回路が検出した充電電圧をもとに電池電圧の異常を
   チェックする異常チェック機能と、電池電圧が低い場合
   に小電流による定電流充電を行うよう前記定電流制御回
   路の電流制御基準電圧を設定する予備充電制御機能と、
   予備充電終了後に、充電最大電流による定電流充電を行
   うよう前記定電流制御回路の電流制御基準電圧を設定
   し、その後、電池電圧が満充電電圧に到達の度に前記電
   流制御基準電圧を所定量小さく設定して前記充電電流比
   例電圧が充電完了電流値に達した段階で充電終了とする
   急速充電制御機能とを有することを特徴とする請求項１
   記載のリチウムイオン電池充電装置。
3. 【請求項３】 リチウムイオン電池の電池電圧が異常で
   あるかどうかをチェックし、 電池電圧が満充電電圧に達するまで小電流による定電流
   充電を行い、 電池電圧が満充電電圧に達するまで充電最大電流による
   定電流充電を行い、 電池電圧が満充電電圧に到達の度に充電電流を充電最大
   電流から段階的に所定量低減して低減した充電電流で定
   電流充電を行い、 前記充電電流が充電完了電流値に達した段階で充電終了
   する、 ことからなることを特徴とするリチウムイオン電池充電
   方法。