JP2005065476A - 電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池性能を低下させることなく、さらに短時間で急速充電する。
【解決手段】 電池の充電方法は、電池温度を検出して、電池温度が保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する温度保持充電工程からなる。さらに、電池の充電方法は、温度保持充電工程より前に、電池温度を上昇させる大きな電流で充電して電池温度を保持設定温度まで上昇させる温度上昇充電工程を設けて、温度上昇充電工程で充電されて電池の温度が保持設定温度になると、温度保持充電工程に移行させることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電池をできるかぎり短い時間で急速充電する方法に関する。

電池を急速充電する従来の充電方法は、大別してふたつの方法がある。第１の充電方法は、電池を満充電されるまで一定の電流で充電する方法である。この充電方法は、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池に採用される。この充電方法は、電池電圧のピーク電圧を検出し、あるいはピーク電圧からΔＶ低下したことを検出して満充電と判定して充電を終了させる。また、第２の充電方法は、定電流充電した後に定電圧充電する方法で、この充電方法はリチウムイオン電池の充電に採用される。この充電方法は、電池電圧が充電終止電圧まで上昇したことを検出して満充電と判定して充電を終了する。

これ等の充電方法は、主として電池電圧を検出しながら充電を継続する。ただし、電池は充電しているときに温度が上昇し、電池温度が異常に高くなると電池として性能が低下する性質がある。この弊害を避けるために、電池温度も検出して、充電効率が低下したり、電池温度が異常に高くならないように充電電流を制御する充電方法が開発されている（特許文献１参照）。
特開平７−１５８８４号公報

この公報に記載される充電方法は、電池をパルス充電するときに、二次電池の温度を検出し、検出した電池温度で、パルス充電する充電電流のデューティー比を変化させて、電池温度の上昇を少なくしようとするものである。電池は、定電流充電すると、図１の曲線Ａで示すように、電池温度が上昇する。この図の曲線Ａで示すように、満充電に近付くと、電池の温度が急激に上昇する。この図の曲線Ｂは、充電される電池の電圧が変化する状態を示している。曲線Ｂにおいて、電池電圧がピーク電圧となり、あるいはピーク電圧からΔＶ低下するときに、電池は満充電される。このことから、電池は、満充電に近付くときに温度が急激に上昇する性質がある。電池温度が高くなると、電池の性能を低下させる。電池温度が高くなって性能が低下するのを防止するために、以上の公報に記載される充電方法は、電池温度が高いときに、充電電流のデューティー比を小さくする。このようにして、電池を状態すると、図２の実線で示すように、電池の温度上昇は緩くなる。とくに、満充電される状態で電池温度の上昇を少なくできる。したがって、満充電されるときに、電池温度が高くなって電池性能が低下するのを防止できる。

以上の公報に記載される充電方法は、充電電流のデューティー比を小さくして、電池温度の上昇を低減し、電池を充電するものである。また、同公報に記載される充電方法は、満充電されるときに電池の温度が異常に高くなるのを防止できるが、その結果、充電時間が長くなるため、電池をより短い時間で急速充電することはできない。本発明は、さらに従来の充電方法を改良して、電池性能を低下させることなく、さらに短時間で急速充電できる充電方法を提供することを目的に開発されたものである。

本発明の電池の充電方法は、電池温度を検出して、電池温度が保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する温度保持充電工程からなる。

本発明の請求項２に記載される電池の充電方法は、保持設定温度を、５０〜６５℃としている。

本発明の請求項３に記載される電池の充電方法は、温度保持充電工程より前に、電池温度を上昇させる大きな電流で充電して電池温度を保持設定温度まで上昇させる温度上昇充電工程を備える。この充電方法は、温度上昇充電工程で充電して電池の温度が保持設定温度になると、温度保持充電工程に移行して電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する。

本発明の請求項４に記載される電池の充電方法は、充電を開始するときに電池温度を検出し、電池温度が開始設定温度範囲にあるときに、温度上昇充電工程を開始し、電池温度が開始設定温度範囲よりも低く、あるいは高いときに電池電圧を検出しながら充電する。

本発明の請求項５に記載される電池の充電方法は、温度上昇充電工程において、１．５Ｃ〜１０Ｃの大きな電流で充電する。本発明の請求項６に記載される電池の充電方法は、温度上昇充電工程において、電池温度の上昇勾配が、１℃／分〜５℃／分となる電流で充電する。

本発明の請求項７に記載される電池の充電方法は、温度上昇充電工程においては電池に連続して電流を流して充電し、温度保持充電工程においては電池をパルス充電し、電池温度でパルス充電するデューティー比を変更して平均充電電流を制御する。この充電方法は、電池温度が上昇すると電池をパルス充電するデューティー比を小さくし、電池温度が低下すると電池をパルス充電するデューティー比を大きくして平均充電電流を制御して電池を保持設定温度に保持しながら充電する。
本発明の請求項８に記載される電池の充電方法は、温度上昇充電工程において、電池温度の上昇勾配が、所定以上となったとき充電を停止する。

本発明の充電方法は、電池性能を低下させることなく、極めて短い時間に急速充電できる特長がある。それは、本発明の充電方法が、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電することで、例えば、充電する際に電池への悪影響や性能低下が発生する温度以下で、最大付近の温度の保持設定温度において、大きな電流にて急速に充電することが可能であるからである。また、本発明の請求項３の充電方法では、温度保持充電工程より前に設けた温度上昇充電工程において、大電流で充電して電池温度を上昇所定温度まで上昇させた後、温度保持充電工程で電池温度を保持設定温度に保持するように平均充電電流を制御しながら充電するからである。

とくに、本発明の充電方法は、従来の充電方法のように、最後に電池温度が上昇するのを防止するのではなく、充電を開始した直後であって、従来の方法では電池温度がほとんど上昇しないタイミングにおいて、極めて大きな電流で充電して電池の温度を上昇させる。温度が上昇しないタイミングで電池温度を上昇させるので、この工程では従来の充電方法に比較して極めて大きな平均充電電流で充電できる。その後は、温度保持充電工程として、電池温度を保持設定温度に保持して充電するので、平均充電電流を電池性能が低下しない最大電流としながら充電できる。このため、本発明の充電方法は、従来の方法とは比較にならない短時間で、たとえば３０分以下で充電できる特長がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための充電方法を例示するものであって、本発明は充電方法を以下の方法に特定しない。

図３に示す充電回路は、電池１に充電電流を供給して充電する電源回路２と、電源回路
２と電池１との間に接続されて電池１の平均充電電流を調整するスイッチング素子３と、このスイッチング素子３をオンオフに切り換えて、充電電流を調整する制御回路４と、電池温度を検出して制御回路４に温度信号を入力する温度センサー５とを備える。
電池１は、規格上の単１〜４型電池等を使用する場合は、充電器（図示なし）に電池１を設置したときに、温度センサー５が電池１に密着するように配置される。また、電池１がパック電池である場合には、温度センサー５は、パック電池内の素電池に密着させて配置される。

この充電回路が電池１を充電するときの電池温度が上昇する特性と、電池電圧が変化する特性を図４のグラフに示している。この図４において、曲線Ａは電池温度が上昇する特性を、曲線Ｂは電池電圧が変化する特性を示している。この図に示すように、図３の充電回路は、満充電されるときに電池温度が上昇する割合を小さくするのではなく、充電を開始した最初の温度上昇充電工程において、電池温度を上昇所定温度まで上昇させ、その後は温度保持充電工程において、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する。したがって、最初に大きな電流を流して電池温度を上昇させる。いいかえると、電池温度が上昇する程度に大きな電流を流して電池１を充電する。このとき、電池１は大きな電流で充電されるが、電池温度が高くならないので、電池性能が低下することはなく、この時間帯に大きな容量を充電できる。

電源回路２は、スイッチング素子３をオンにする状態で、電池１を、平均電流１．５Ｃ〜１０Ｃ、好ましくは２Ｃ〜８Ｃ、さらに好ましくは２Ｃ〜５Ｃの大きな電流で充電する出力を有する。電源回路は、制御回路とは別のアダプターとしてリード線を介して制御回路に接続することができる。ただ、電源回路を制御回路と同じケースに収納することもできる。

充電回路は、図３に示すように複数の電源回路２を切り換えて電池１を充電することもできる。複数の電源回路２は、切換スイッチ６を介してスイッチング素子３に接続される。切換スイッチ６は、電池１を充電する電源回路２を切り換える。複数の電源回路２は、電池１をパルス充電するときのピーク電流が異なる。電池１は平均充電電流が同じであっても、パルス充電するピーク電流が大きいと発熱が大きくなる。このため、電池１を大電流で充電するとき、ピーク電流が小さくなる電源回路２に切り換えて、電池１を充電すると、電池１の発熱を少なくできる。したがって、電池１をより大きな平均充電電流で充電して電池温度の上昇を少なくできる。

スイッチング素子３はトランジスターやＦＥＴで、制御回路４にスイッチングされて電池１をパルス充電する。スイッチング素子３は、スイッチングされないでオン状態に保持されて、電池１を最初に大電流で充電して電池温度を所定の温度である上昇所定温度、保持設定温度まで上昇させる。この場合、定電流充電となる。また、スイッチング素子３は、所定のデューティー比でオンオフにスイッチングされて、電池１を最初にパルスの大電流（平均電流値が大きい大電流）で充電して所定の温度である上昇所定温度、保持設定温度まで上昇することもできる。

スイッチング素子３は、オンオフに切り換えられるデューティー比で電池１をパルス充電する平均充電電流を調整する。パルス充電するときのデューティー比（Ｑ）は、スイッチング素子３をオンにする時間（ｔｏｎ）とオフにする時間（ｔｏｆｆ）との比率であるから以下の式で表される。
Ｑ＝ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）
したがって、スイッチング素子３がオンオフに切り換えられるデューティー比を小さくすると平均充電電流は小さくなり、反対にデューティー比を大きくすると平均充電電流は大きくなる。

制御回路４は、温度センサー５から入力される信号で電池温度を検出して、スイッチング素子３を所定のデューティー比でオンオフに切り換える。スイッチング素子３をオンオフに切り換えるデューティー比は、電池温度が高い状態では小さく、電池温度が低くなると大きくして、電池温度を保持設定温度に保持する。図４に示すように、充電を開始する最初には電池温度が低いので、電池温度が上昇所定温度まで上昇するまでは大きな電流で充電し、その後は電池１の温度を保持設定温度に保持するように、制御回路４がスイッチング素子３のデューティー比を制御する。制御回路４が、スイッチング素子３をオンオフに切り換える周期は、１ｍｓｅｃ〜１０ｓｅｃ、好ましくは１０ｍｓｅｃ〜２ｓｅｃ、さらに好ましくは５０ｍｓｅｃ〜２ｓｅｃとする。

制御回路４は、温度センサー５で検出した電池温度が保持設定温度よりも低いとき、デューティー比を大きくして、電池１をパルス充電する平均充電電流を大きくして電池温度を上昇させる。電池温度が保持設定温度まで上昇すると、デューティー比を小さくして電池温度が保持設定温度を越えないように、また保持設定温度から低下しないようにスイッチング素子３のデューティー比を制御する。したがって、制御回路４は電池１を定電流で充電することはなく、また定電圧で充電することもない。制御回路４は、スイッチング素子３のデューティー比を制御して、電池１を充電する平均充電電流を制御し、電池１の温度が図４のカーブを示すようにコントロールする。

図３の充電回路は、以下の工程で電池１を充電する。以下は、ニッケル−水素電池の充電方法を例示するが、ニッケル−カドミウム電池も充電電流を変更して同じように充電できる。
(1) まず、充電開始の前に、充電回路において、充電する電池１の温度を温度センサー
５で検出する。制御回路４は、検出した電池温度が開始設定温度範囲にあるとき、温度上昇充電工程を開始する。温度上昇充電工程を開始する電池１の開始設定温度範囲は０〜４０℃、好ましくは１０〜３０℃とする。電池温度が開始設定温度範囲よりも低いとき、あるいは高いときには、電池電圧を検出しながら通常充電を開始する。通常充電は、充電電流を１Ｃ以下に制限し、電池電圧を検出しながら、電池電圧がピーク電圧となり、あるいはΔＶを検出して満充電する。
さらに、電池１の残容量を電圧から検出する。満充電に近い電池が、次の温度上昇充電工程で充電されると過充電されて、電池性能が低下するからである。電池電圧が設定電圧よりも低い電池は、残容量が少ないと判別して、温度上昇充電工程で充電を開始する。電池の電圧が設定電圧よりも高い電池は、残容量が大きく、温度上昇充電工程で充電すると過充電すると判別して、通常充電を開始する。

さらに充電を開始するときに電池１の内部抵抗を検出し、内部抵抗が所定の電気抵抗よりも高いときには、温度上昇充電工程に移行しないで通常充電をする。通常充電の後、内部抵抗が所定の電気抵抗よりも小さくなると、温度上昇充電工程を開始することもできる。

(2) 電池１の温度が開始設定温度範囲にあり、かつ電池電圧が保持設定電圧よりも低い
場合は、温度上昇充電工程を開始する。温度上昇充電工程は、電池温度を所定の温度勾配で上昇させる大きな電流で充電する。この工程においては、電池温度の上昇勾配が約３℃／分となる平均充電電流で充電する。単三型タイプで公称容量が２１００ｍＡｈのニッケル−水素電池の場合、平均充電電流を２Ｃ〜３Ｃとして温度上昇勾配が約３℃／分となる。ただし、この工程において、温度の上昇勾配を１℃／分〜５℃／分とする平均充電電流で充電することができる。また、電池１の平均充電電流を１．５Ｃ〜１０Ｃとすることもできる。
また、ここで、所定の平均電流値（例えば、２．５Ｃ）で充電するとき（通常であれば温度上昇勾配は２℃／分〜３℃／分となる）、所定の温度上昇勾配（例えば、５℃／分）以上を検出したとき、或いは、−ΔＶ（例えば、６０ｍＶ）を検出したとき、電池が満充電であるとして、充電を終了し、過充電を防止する。上述のように充電開始前に、電池の電圧を測定して、残容量を検出して、残容量が多い電池を通常充電し過充電を防止しているものの、電池電圧により残容量を判断する場合、電池電圧が適正に残容量を反映していない場合があり、この工程により、このような電池の過充電を防止している。つまり、仮に、実際の残容量が多いものの、電池電圧が低く残容量が小さいと判断し温度上昇充電工程で大電流にて充電する場合、上記のように、所定の温度上昇勾配以上、或いは、−ΔＶを検出したとき、電池が満充電あると判断し、過充電を防止している。
この工程において、スイッチング素子３はオン状態に保持され、あるいはスイッチング素子３のデューティー比を大きくして、平均充電電流を前述の範囲とする。電池温
度が上昇所定温度になって保持設定温度に近くなると、たとえば保持設定温度を５７〜６０℃に設定する場合、上昇所定温度（たとえば、約５５℃）に近付くと、上昇所定温度（たとえば、約５５℃）を検出し、平均充電電流を少なくして、電池１の温度上昇勾配を小さくする。

図４は、電池温度が上昇所定温度約５５℃になると、この温度を検出して、平均充電電流を小さくして温度上昇勾配を緩くし、保持設定温度に近づいている（図４に示す温度上昇充電工程である）。平均充電電流は、スイッチング素子３をオンオフするデューティー比を小さくして制御される。このように、電池１の温度が保持設定温度に近くなり上昇所定温度になると平均充電電流を少なく制御する方法は、電池温度が保持設定温度を越えてオーバーシュートするのを防止して、電池１が高温障害で劣化するのを有効に阻止できる。ただし、電池１の温度が保持設定温度になるまで、電池１の温度が所定の温度勾配で上昇する平均充電電流で充電することもできる。
また、温度上昇充電工程において、所定の時間（例えば、１５分）内に、所定の温度（例えば、約５５℃の上昇所定温度、又は、後述する保持設定温度）に到達しないときは、後述する温度保持充電工程における平均充電電流（温度上昇充電工程での平均充電電流の半分程度の約１．５Ｃ）程度とし、温度保持充電工程での充電制御とすることができる。これにより、充電開始前の電池温度が低温（約０〜１０℃程度）の電池において、急激に温度が上昇し、電池に悪影響を及ぼすことを低減できる。

(3) 温度上昇充電工程の終わりに、電池温度が保持設定温度まで上昇すると、電池温度
が保持設定温度に保持されるように、平均充電電流を制御して温度保持充電工程で電池１を充電する。この温度保持充電工程においては、制御回路４がスイッチング素子３をオンオフに切り換えるデューティー比を制御して、パルス充電の平均充電電流を調整して、電池温度を保持設定温度に保持する。この工程において、温度センサー５が電池温度を検出して、温度信号を制御回路４に入力する。制御回路４は、検出された電池温度で、スイッチング素子３をオンオフに切り換えるデューティー比を制御する。電池温度が高くなると、デューティー比を小さくして平均充電電流を減少させて電池温度を低下させ、電池温度が低くなるとデューティー比を大きくして平均充電電流を増加させて電池温度を上昇させて、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する。また、温度保持充電工程において、電池温度は、一定温度（例えば、５８℃）に保持することが望ましい。
ここで、保持設定温度は、電池の悪影響、性能低下が発生する温度以下で、最大付近の温度に設定される。また、使用者が電池１に触れても問題がなく、熱い電池１を異常と感じない程度に設定される。このような保持設定温度は、上限としては、最大で略７０℃であって、好ましくは６５℃以下であって、更に好ましくは、６３℃以下に設定される。保持設定温度の範囲としては、好ましくは５０〜６５℃、更に好ましくは、５３〜６３℃、これ以上に好ましくは、５６〜６１℃、そして、５７〜６０℃に設定される。

また、電池温度を保持設定温度に保持するためには、本実施例においては、以下のように制御される。まず、保持設定温度において、制御規定温度を所定温度（例えば、５８℃）に設定する。そして、検出される電池温度が、この制御規定温度より、たとえば、１℃上昇する毎に、段階的に平均充電電流を低下させ、また、検出される電池温度が、この制御規定温度より１℃低下する毎に、段階的に平均充電電流を上昇させる。このような制御により、電池温度を保持設定温度に保持して充電される。
上記の制御規定温度に代わって、制御規定温度を所定の温度範囲（例えば、５７〜５９℃）に設定してもよい。そして、検出される電池温度が、この制御規定温度より、たとえば、１℃上昇する毎に、段階的に平均充電電流を低下させ、また、検出される電池温度が、この制御規定温度より１℃低下する毎に、段階的に平均充電電流を上昇させる。このような制御により、電池温度を保持設定温度に保持して充電する。

この温度保持充電工程において、電池１が満充電に近付くと、平均充電電流を小さくしても、電池温度が上昇する傾向が強くなる。したがって、電池１が満充電に近付くと、電池温度が上昇し、又は上昇しようとするが、電池温度を保持設定温度に保持するように、平均充電電流が低減される。つまり、制御回路４はスイッチング素子３をオンオフに切り換えるデューティー比を極めて小さく制御する。このため、電池１が満充電に近くなると、制御回路４は平均充電電流を急激に減少させる。したがって、温度保持充電工程におい
ては、電池１の満充電を検出して充電を停止しなくとも、平均充電電流が急激に減少されて過充電が防止される。本実施例の温度保持充電工程における充電終了については、タイマーで充電を終了している。タイマーは、電池１が略満充電となるように電池１を充分に充電できる時間（例えば、略３０分程度）に設定している。また、本実施例においては、上述のように、満充電近くで電池温度が上昇し、平均充電電流が低減するので、この低減された電流を検出したときは、タイマーの設定時間より前でも充電を終了している。
また、温度保持充電工程において、所定の温度上昇勾配（例えば、２℃／分）以上、所定の電池温度（例えば、６２℃）以上、或いは、−ΔＶ（例えば、６０ｍＶ）を検出したとき満充電として、充電を停止することもできる。

さらに温度保持充電工程で電池１を充電しているときに、電池１の内部抵抗を検出し、内部抵抗が所定の電気抵抗よりも高くなると、通常充電をして電池１の充電電流を小さくする。通常充電においても、電池１の温度が保持設定温度よりも高くならないようにする。

(4) 以上の温度上昇充電工程と温度保持充電工程で、電池１はほぼ満充電されるが、完
全には満充電されない。温度保持充電工程の後は、通常充電して電池１を完全に満充電することができる。

以上の充電方法は、温度上昇充電工程と温度保持充電工程において電池１をパルス充電しているが、本発明は必ずしもパルス充電するデューティー比を制御して平均充電電流を調整する必要はない。たとえば、温度上昇充電工程と温度保持充電工程において、連続して充電する充電電流を制御して、平均充電電流を所定の電流として電池を充電することもできる。

電池を定電流充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。 従来の充電方法で電池を充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる充電方法に使用する充電回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施例にかかる充電方法で電池を充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１…電池
２…電源回路
３…スイッチング素子
４…制御回路
５…温度センサー
６…切換スイッチ

Claims (8)

1. 電池温度を検出して、電池温度が保持設定温度となるように平均充電電流を制御し、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する温度保持充電工程からなる電池の充電方法。
2. 保持設定温度が、５０〜６５℃である請求項１に記載される電池の充電方法。
3. 温度保持充電工程より前に、電池温度を上昇させる大きな電流で充電して電池温度を保持設定温度まで上昇させる温度上昇充電工程を備え、温度上昇充電工程で充電されて電池の温度が保持設定温度になると、温度保持充電工程に移る請求項１に記載される充電方法。
4. 充電を開始するときに電池温度を検出し、電池温度が開始設定温度範囲にあるときに、温度上昇充電工程を開始し、電池温度が開始設定温度範囲よりも低く、あるいは高いときに電池電圧を検出しながら充電する請求項３に記載される電池の充電方法。
5. 温度上昇充電工程において、１．５Ｃ〜１０Ｃの大きな電流で充電する請求項３に記載される電池の充電方法。
6. 温度上昇充電工程において、電池温度の上昇勾配が、１℃／分〜５℃／分となる電流で充電する請求項３に記載される電池の充電方法。
7. 温度上昇充電工程においては電池に連続して電流を流して充電し、温度保持充電工程においては電池をパルス充電し、電池温度でパルス充電するデューティー比を変更して平均充電電流を制御し、電池温度が上昇すると電池をパルス充電するデューティー比を小さくし、電池温度が低下すると電池をパルス充電するデューティー比を大きくして平均充電電流を制御して電池を保持設定温度に保持しながら充電する請求項３に記載される電池の充電方法。
8. 温度上昇充電工程において、電池温度の上昇勾配が、所定以上となったとき充電を停止する請求項３に記載される電池の充電方法。
   
   
   

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