JP2005039875A

JP2005039875A - 二次電池の充電方法とそれを用いた充電装置

Info

Publication number: JP2005039875A
Application number: JP2003197160A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Takeshima; 宏樹竹島; Takuma Iida; 琢磨飯田; Hiroki Saito; 弘樹齊藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】電池の寿命を判定し、電池を有効活用するための充放電制御システムを提供する。
【解決手段】電池寿命を判定する手段と、電池寿命の判定結果に基づき充電の終了を判定する設定値をマイコンに格納する手段と、充電する手段と、充電中に電池データを検出する手段と、前記充電を終了する電池データの設定値と充電中の電池データーを比較し、充電の終了を判定する手段と、前記電池の充電終了の判定結果に基づいて充電を終了する手段を有する充電方法とした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を長寿命化させるための充電制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロニクスの目覚しい発展により、電子機器の小型・軽量化が可能となり、コードレス化、ポータブル化が急速に進展した。これらの機器の進歩に伴い電子機器用電源も小型・軽量で高エネルギー密度の電池が要望されている。それらの用途としては、電動工具を中心とするパワー用途をはじめ、バックアップ用途など、ありとあらゆるものの電源として使われている。
【０００３】
これらの電源としては、従来ニッケル−カドミウム蓄電池が幅広く使われてきた。高まる高容量化要望と世界的な環境問題への高まりにより、ニッケル−カドミウム蓄電池に代る商品として、ニッケル−水素蓄電池が開発され、市場に浸透してきた。従来、これらの二次電池を用いた電池パックでは、充放電を繰り返すうちに電池が劣化し、内部抵抗が増大することにより電池の寿命が訪れ、十分な電池容量を得ることができなくなる。このため電池の劣化度合いを判定して、劣化を考慮した残存容量の演算を行ったり、寿命表示を行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２１０４号公報（第２頁参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように電池の劣化度合いを判定し、電池の残容量にフィードバックする方法では、電池パックの残容量を得る精度は向上するものの、電池の劣化を抑制し、電池パックを長寿命化することはできなかった。
【０００６】
電池パックが劣化した場合、極板の反応性が低下したり、電池内の液分布が均一でなくなるため、内部抵抗が増加する。また、密閉型電池は充電末期になると、正極板にて酸素発生反応が水酸化ニッケルの充電反応と競合して起こる。その際、発生したガスを負極での還元反応により消費させるために負極容量を正極容量に対して大きくして電池内の圧力を一定範囲内に保持する構成がとられている。このため電池パックが過充電になると本来の充放電反応の他に副反応として水の分解反応が起こり、酸素や水素ガスが発生する。このガスにより電池の劣化が加速し、短寿命の要因となっていた。
【０００７】
本発明は、電池の劣化度合いを判定し、電池の劣化度合いにあわせて充電停止の条件を変更する事により、電池の劣化を抑制することが可能となり、電池パックの長寿命化を可能とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電池寿命を判定する手段と、電池寿命の判定結果に基づき充電の終了を判定する設定値をマイコンに格納する手段と、充電する手段と、充電中に電池データを検出する手段と、前記充電を終了する電池データの設定値と充電中の電池データを比較して充電の終了を判定する手段と、前記電池の充電終了の判定結果に基づいて充電を終了する手段とを有する二次電池の充電方法とした。この充電方法を用いて充電装置を構成し、機器等に組み込むことにより、二次電池の能力が充分に発揮される。
【０００９】
本発明では、寿命劣化度合いを判定し、この判定により、電池の充電を停止する温度や温度上昇率、または電池電圧、および電圧降下率を変更することにより、電池の過充電を抑制することができる。これにより酸素・水素ガスの発生が抑制できるため電池を長寿命化することが可能となった。
【００１０】
前記電池寿命を判定する手段は、電池の内部抵抗を検出する検出回路を作動させ、少なくとも２種類以上の電流を流し、一定時間経過後の電圧変化と負荷電流値から内部抵抗を算出し、予めマイコン内に格納してある内部抵抗と比較して寿命を判定する。これにより電池寿命を判定する際の精度を向上させることが出来る。
【００１１】
また、前記電池寿命を判定する手段は、充電開始から一定時間経過後の電圧を検出し、前記電圧データから電圧、あるいは電圧変化、あるいは電圧変化率を算出し、予めマイコン内に格納してある設定値と比較して寿命を判定する。これにより電池寿命を判定する際の精度を向上させることが出来る。
【００１２】
さらに、前記電池寿命を判定する手段は、充電終了時と充電終了から一定時間経過後の電池電圧を検知する手段と、前記電池電圧から電圧変化および電圧変化率を算出する手段と、マイコン４内に格納してある設定値とを比較して寿命を判定する。これにより電池を長期間放置しても電池寿命の際の判定の精度を高くできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術を具体化するための充電方法の一実施形態であり、本発明を限定するものではない。
【００１５】
本発明の電池の充電方法は、充電している電池の寿命判定を行い、寿命判定結果に基づいて、充電の終了を判定する設定値をマイコンに格納する。本発明の方法で充電される電池は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池等の全ての二次電池に利用できる。
【００１６】
図１に本発明の充電仕様回路のイメージ図を示す。図１において電池の電圧を読みとる電池電圧検知部１と電池１２に接続されるシャント抵抗１１により、電流を検知して電池が充放電されたかどうかの判定をする。温度検知用サーミスタ３からの情報に従い、マイコン４は電池温度や、その温度の変化率などの情報に従い、温度異常などの異常を表示するための異常表示ＬＥＤ７に信号を出す。
【００１７】
またこれらの充電機器は充電初期に、急激に電圧が上昇し、電圧、および電圧変化率などの電圧制御によって充電が停止するのを防ぐために、一定時間、電池の充電を制御させない為のタイマーを設けている。
【００１８】
さらに、この寿命判定の方法としては、充電開始時とタイマーにより一定時間経過後の電圧を電池電圧検知部１で検知し、この値がマイコン４内に予め設定していた値と比較して大きい場合には電池温度の上昇率や電圧降下率の値を変えて電池パックが過充電にならないように調整する。
【００１９】
また電池の内部抵抗を測定する方法としては、電流負荷回路により電流Ｉ１を一定時間負荷させ、負荷終了時の電圧を電池電圧検知部１で検知し、電圧データＶ１をマイコン４内に格納する。さらに電流をＩ２に変えて一定時間負荷させ、負荷終了時の電圧を電池電圧検知部１で検知し、電圧データＶ２をマイコン４内に格納する。これらＶ１，Ｖ２、およびＩ１，Ｉ２により直流抵抗Ｒを算出し、寿命判定を行った。
【００２０】
【式１】

【００２１】
さらに充電終了時と、充電終了から一定時間経過後の電圧の変化量により寿命を判定する方法としては電圧を検知する電池電圧検知部２と、温度を検知する温度検知用サーミスタ３からの情報に従いマイコン４にデータを入力し、このマイコン４内に予め設定していた値と比較して大きい場合には充電を停止し、このときの電圧データＶ３をマイコン４内に格納する。その後タイマーにより一定時間経過後の電圧を電池電圧検知部２で検知し、更にこのときの電圧データＶ４をマイコン４内に格納する。これらＶ３，Ｖ４により電圧変化量を算出し寿命判定を行う。
【００２２】
上記の寿命判定方法により、電池の劣化度合いが大きい場合、充電を終了させる電圧、および電圧降下量（ΔＶ）、および電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）、さらに温度、および温度変化率（ｄＴ／ｄｔ）を、予めマイコン４内にある寿命劣化度合いと、各データのテーブルに従って格納して充電を行う。充電の終了は、電池電圧検知部２と温度を検知する温度検知用サーミスタ３からマイコン４内にデータを入力し、このマイコン４に予め設定していた値と比較して大きい場合にマイコン４からＦＥＴ５，６に信号を送り、充電電流を停止する。寿命判定により充電を終了させるデータ（制御データ）を格納する場合は、寿命判定を充電の開始時に行う場合は、その充電から変更する。また充電終了時に寿命判定を行う場合は、次の充電から行う。
【００２３】
ここでＦＥＴはリレーを使うことも可能である。またリレーはＦＥＴを使用することも出来る。
【００２４】
本発明の二次電池の充電方法は、劣化し始めた二次電池の充電を停止させる為のバロメータとなる電池温度、あるいは電池温度上昇率、電圧、電圧降下率、電流等の設定値を変化させることにより、電池パックの過充電を抑制する充放電制御回路を用いたものである。例えばＨＨＲ３５０ＳＣＰ（容量３．５Ａｈ、電圧１．２Ｖ）の電池を１０本直列にした場合、電池の仕様は容量３．５Ａｈ、全電池定格電圧は１２Ｖとなる。
【００２５】
電池電圧検知部１は、常に全電池を加算した電圧を監視している為、充電開始から、ある一定時間経過後に、この電圧が仮に１．５Ｖ／ｃｅｌｌ以上になると電池電圧検知部１からマイコン４に信号が送られ、電池パックが寿命劣化状態と判定される。マイコン４は一旦、充電停止をＦＥＴ５に伝える、これによりＦＥＴ６のスイッチは遮断され、充電が停止される。電池パック寿命劣化と判定されると、マイコン４内にある、充電を停止させる為の設定値を変更させる。
【００２６】
この設定値を変更させた後、再度、充電の開始をＦＥＴ５に伝える。これによりＦＥＴ６はスイッチをオンとし充電を開始する。
【００２７】
電池周辺部に設けられた温度検知用のサーミスタ３は、電池の温度を常に監視しており、このサーミスタには通常、ＮＴＣが使用されている。本発明においては、電池温度の温度変化率がある一定値を超えると、電池電圧検知部１からマイコン４に信号が送られ、マイコン４は充電停止をＦＥＴ５に伝える。これによりＦＥＴ６のスイッチは遮断され、充電が停止される。充電を停止させる為の電池の温度変化率は１．０℃／ｍｉｎであり、ΔＴがこの値以上の場合、充電気量が初期容量の１００％を超えて過充電されてしまうため、電池内でのガス発生率が大きくなり、電池の劣化が進み、寿命特性が低下してしまう可能性がある。
【００２８】
寿命判定の際に、電池劣化と判定された場合には、さらなる電池の劣化を抑制するために、充電を停止させる為のの電池の温度変化率を０．５℃／ｍｉｎに変更する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の電池制御を用いることにより、電池の長寿命化が図れ、電池を有効活用することができる。また、入力される電源種類は定電流充電でも、定電圧充電でも可能であることから、さまざまな機器への適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイメージ回路図
【符号の説明】
１電池電圧検知部
２電池電圧検知部
３温度検知用サーミスタ
４マイコン
５充電電流遮断用ＦＥＴ
６充電電流遮断用ＦＥＴ
７異常表示ＬＥＤ
１１シャント抵抗
１２電池

Claims

対象とする二次電池の電池寿命を判定する手段と、電池寿命の判定結果に基づき充電の終了を判定する設定値をマイコンに格納する手段と、前記電池を充電する手段と、充電中に電池データを検出する手段と、前記充電中の電池データーと前記マイコンに予め格納した充電を終了した電池データの設定値とを比較して充電の終了を判定する手段と、前記電池の充電終了の判定結果に基づいて充電を終了する手段とを有する二次電池の充電方法。
前記電池寿命を判定する手段としては、電池の内部抵抗を検出する検出回路を作動させ、少なくとも２種類以上の電流を流し、一定時間経過後の電圧変化と負荷電流値から内部抵抗を算出し、予めマイコン内に格納してある内部抵抗と比較して寿命を判定することを特徴とする請求項１記載の充電方法
前記電池寿命を判定する手段は、充電開始から一定時間経過後の電圧を検出し、前記電圧データから電圧、あるいは電圧変化、あるいは電圧変化率を算出し、これと予めマイコン内に格納してある設定値と比較して寿命を判定することを特徴とする請求項１記載の充電方法。
前記電池寿命を判定する手段は、充電終了時と充電終了から一定時間経過後の電池電圧を検知する手段と、前記電池電圧から電圧変化、および電圧変化率を算出する手段と、これとマイコン内に格納してある設定値とを比較して寿命を判定することを特徴とする請求項１記載の充電方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の充電方法を用いた二次電池の充電装置。