JP2005185060A - Lithium-ion battery charging method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、リチウムをドープ又は脱ドープできる炭素質材料を負極活物質としたリチウムイオン電池の充電方法の改良に関し、このリチウムイオン電池の耐久性を確保しつつ、充電時間の短縮を図るものである。 The present invention relates to an improvement in a charging method of a lithium ion battery using a carbonaceous material capable of doping or dedoping lithium as a negative electrode active material, and is intended to shorten the charging time while ensuring the durability of the lithium ion battery. is there.
二次電池であるリチウムイオン電池は、繰り返し使用できてコスト的に有利である等の理由により、カメラ、VTR、ヘッドフォンステレオ、ノート型パソコン、携帯電話等の各種ポータブル型の電気機器に使用されている。このリチウムイオン電池の充電方法に就いては、特許文献1〜12に記載される等により、従来から各種の方法が提案され、その一部は実際に使用されている。又、1乃至複数本のリチウムイオン電池を、保護回路と共にホルダ内に組み込んで電池パックとし、この電池パックを上記電気機器の電源部分に組み込める様にする事も、従来から広く行なわれている。この様な電池パックの構造に就いては、例えば非特許文献1等に記載されている。 Lithium ion batteries, which are secondary batteries, are used in various portable electrical devices such as cameras, VTRs, headphone stereos, notebook computers, mobile phones, etc. because they can be used repeatedly and are advantageous in terms of cost. Yes. As for a method for charging this lithium ion battery, various methods have been proposed in the past, for example, as described in Patent Documents 1 to 12, and some of them are actually used. In addition, it has been widely practiced that one or more lithium ion batteries are assembled in a holder together with a protection circuit to form a battery pack, and this battery pack can be incorporated in the power supply portion of the electric device. Such a battery pack structure is described in, for example, Non-Patent Document 1.
図5は、この非特許文献1に記載された、電池パックの回路図である。リチウムイオン電池1の+極と正端子2とを第一の電路3により導通させると共に、同じく−極と負端子4とを、第二の電路5により導通させている。そして、この第二の電路5の途中に、スイッチング素子である放電FET6と、第二のスイッチング素子である充電FET7とを、互いに直列に設けている。そして、これら両FET6、7のON、OFF(断接)をIC8により制御する様にしている。即ち、このIC8は、充電時には、これら両FET6、7をONした(閉じた)状態として上記両端子2、3から上記リチウムイオン電池1に電流が流れる様にする。そして、このリチウムイオン電池1の電圧が高位側閾値を越えた場合には上記充電FET7をOFFし(開き)、それ以上の充電を停止する。又、上記IC8は、使用に伴って上記リチウムイオン電池1の電圧が低位側閾値を下回った場合に上記放電FET6をOFFし(開き)、それ以上の放電を停止する。更に、上記IC8は、上記両端子2、3同士が短絡されて、これら両端子2、3間に過大な電流が流れた場合にも、上記放電FET6をOFFし、上記リチウムイオン電池1内で急激な反応が生じる事を防止する。
FIG. 5 is a circuit diagram of the battery pack described in Non-Patent Document 1. The
近年、上述の様な電池パックとした場合も含め、リチウムイオン電池の充電時間の短縮化に対する要求が大きくなっている。例えば、外出先で消耗した携帯電話用の電池パックを再利用可能にする為、コンビニエンスストアの店頭や駅頭で充電するサービスが行なわれる様になっており、この様な場合には、少しでも充電時間を短くする事が望まれている。一方、リチウムイオン電池を充電する場合に、高い電圧で長時間保持すると、このリチウムイオン電池の劣化が著しくなる事が知られている。従って、充電時間短縮の為に充電電流を大きくすべく、単に電圧を高くする事はできない。この様な事情を考慮した上でリチウムイオン電池の充電時間を短縮する、所謂急速充電方法として、特許文献3に記載されたものが知られている。
In recent years, there has been an increasing demand for shortening the charging time of lithium ion batteries, including the case of battery packs as described above. For example, in order to make it possible to recycle battery packs for mobile phones that have been consumed on the go, charging services are provided at convenience stores and stations. It is desirable to shorten the time. On the other hand, it is known that when a lithium ion battery is charged, if the lithium ion battery is held for a long time at a high voltage, the lithium ion battery is significantly deteriorated. Therefore, the voltage cannot simply be increased in order to increase the charging current in order to shorten the charging time. As a so-called rapid charging method for shortening the charging time of the lithium ion battery in consideration of such circumstances, a method described in
図6は、この特許文献3に記載されたリチウムイオン電池の充電方法を示している。この従来方法の場合、充電電流を実線aに示す様に段階的に変化させ、充電電圧を破線bで示す様に変化させる。この従来方法の場合、リチウムイオン電池を、先ず、上記実線aの左端部に示す様に定電流で充電する事により、このリチウムイオン電池の電圧を鎖線bの左端部に示す様に変化させる。そして、この電圧が鎖線cで示す規定充電電圧に達したならば、上記実線aで示した充電電流を低くし、再び上記リチウムイオン電池の電圧が規定充電電圧に達するまで、定電流で充電を行なう。以下、この作業を繰り返し行なう。
FIG. 6 shows a method of charging a lithium ion battery described in
上述の様な特許文献3に記載されている充電方法の場合、従来から一般に行なわれている充電方法に比べれば、リチウムイオン電池の劣化を抑えつつ、充電時間を短縮できるが、充電時間をより短縮する面からは改良の余地がある。即ち、上記特許文献3に記載された充電方法の場合、図6に鎖線cで示した規定充電電圧は、充電開始から充電終了まで全く同じであり、具体的には、4.20Vにする事を想定している(明細書の段落番号[0043]参照)。この4.20Vなる値は、リチウムイオン電池の本体部分(実際に電気を蓄える部分)の電池電圧(フル充電時の開回路電圧)に一致する。この様な条件で上記リチウムイオン電池の充電を行なうと、上記本体部分の電圧が、この本体部分の劣化を防止する為に必要とされる以上に低く抑えられ、充電時間が長くなる。特に、充電容量を100%に近付ける為に要する時間が長くなる。この理由に就いて、前述の図5に図7を加えて説明する。
In the case of the charging method described in
例えば電池パックを構成するリチウムイオン電池1の+−両極と、充電器の端子が接続される正端子2及び負端子4との間には、第一、第二両電路3、5の他、放電、充電両FET6、7が、互いに直列に接続されている。このうちの放電、充電両FET6、7の抵抗は、例えば25〜50mΩ程度になる。又、上記リチウムイオン電池1(本体部分)は、図7に示す様に、セル9として上記電池パックに組み込まれるが、このセル9には、上記リチウムイオン電池1自体の抵抗(=特許請求の範囲に記載した電極抵抗=例えば50mΩ程度)と直列に、PTCやタブ部分の抵抗10(例えば20mΩ程度)が、直列に加わる。このうちのリチウムイオン電池1自体の抵抗は、このリチウムイオン電池1に加わる電圧降下の原因とはならないが、他の部分の抵抗(=放電、充電両FET6、7の抵抗と抵抗10との合計=特許請求の範囲に記載した、電極抵抗を除いた直流抵抗R)は、上記電圧降下の原因となる。前記特許文献3に記載された充電方法は、この直流抵抗Rを考慮せずに規定充電電圧を設定している為、上述の様に上記リチウムイオン電池1の本体部分の電圧が必要以上に低く抑えられ、充電時間が長くなる。
For example, between the positive and negative electrodes of the lithium ion battery 1 constituting the battery pack and the
一方、特許文献8には、リチウムイオン電池の+−両極と充電器の端子との間に存在する抵抗(抵抗値=R)を考慮しつつ、このリチウムイオン電池の充電時間の短縮を図る充電方法に関する発明が記載されている。この従来の充電方法の第2例の場合、図8に実線aで示す様に、充電すべきリチウムイオン電池の定格容量{=1C=1Ah(公報の第4欄第16〜17行)}よりも少しだけ大きな充電電流Ii (>1CA=1A)で充電を開始する。そして、上記端子間の電圧が、上記リチウムイオン電池の充電完了後の電圧Vf (=4.2V)に上記抵抗に基づく電圧降下分を足した電圧Vi (=Vf +RIi ≒4.3V)に達した後、この充電電流を漸次減少させる。上記端子間の電圧をこの様な電圧Vi にまで上昇させる為に、上記充電電流Ii を1CAよりも少しだけ大きな値に保持する時間を、図8に破線bで示した、上記特許文献8に記載された方法に対する従来方法の場合よりも長くしている。
On the other hand,
そして、上記端子間の電圧が上記「Vf +RIi 」なる値に達した後、上記充電電流Ii を漸次減少させて、この端子間の電圧をこの「Vf +RIi 」なる値に保持する様にしている。従って、上記特許文献8に記載された方法に対する従来方法の場合に上記端子間の電圧が図9の破線dで示す様に変化するのに対して、上記特許文献8に記載された充電方法の場合には、同図の実線cで示す様に変化する。そして、上記リチウムイオン電池に流れる充電電流を多くして、充電時間の短縮を図るとしている。
Then, after the voltage between the terminals reaches the value of “V f + RI i ”, the charging current I i is gradually decreased to maintain the voltage between the terminals at the value of “V f + RI i ”. I try to do it. Therefore, in the case of the conventional method with respect to the method described in
この様な特許文献8に記載された従来の充電方法の第2例の場合、単にリチウムイオン電池の+−両極と充電器の端子との間に存在する抵抗に基づく電圧降下分を考慮しただけであって、それ以上に充電時間を短縮する事を意図してはいない。特に、充電電流を1CAを越えて十分に大きくする事により、充電時間の大幅な短縮を図る事は、全く意図していない。従って、図8の実線aと破線bとの右端部同士を比較すれば明らかな通り、上記特許文献8に記載された充電方法は、この特許文献8に記載された充電方法に対する従来方法に比べても、充電時間の短縮効果は限られたものに過ぎない。充電時間の短縮のみを考慮すれば、上記特許文献8に記載された充電方法で、初期の充電電流を1CAよりも大幅に大きくすれば、短縮化は可能であると考えられる。但し、この場合には、充電中に長い時間に亙ってリチウムイオン電池の電圧が高く維持され、このリチウムイオン電池の耐久性が損なわれる。
In the case of the second example of the conventional charging method described in
前述の特許文献3に記載された充電方法は、あくまでもリチウムイオン電池の電圧を規定充電電圧以下で変化させる事を意図しており、保護回路やセル内に存在する抵抗に基づく電圧降下を考慮していない。又、特許文献3に記載された充電方法と特許文献8に記載された充電方法とは、充電時間を短縮させる点で共通する点があるとは言え、本来全く別の着眼点でなされたものであり、これら両発明を組み合わせる為の動機づけは存在しない。増して、充電時間の大幅な短縮化の為に、充電作業の初期に1CAを大幅に超える充電電流を流す事に就いては、上記特許文献3、8の何れにも記載されていない。特許文献11には、充電作業の初期に2〜3.5CAの充電電流を流す事が記載されているが、この特許文献11に記載された発明は、単に充電電流を大きくする事のみを考慮しており、リチウムイオン電池の耐久性確保が難しいものと考えられる。充電電流を2段階に分けて行なう事も記載されてはいるが、高電流での充電継続を単に時間で規制している(明細書の段落番号[0085]等)のみであり、そのままでは充電時間の短縮と耐久性確保とを両立させる事は難しいものと考えられる。
The charging method described in
本発明は、前述の様な事情に鑑みて、リチウムイオン電池の耐久性を確保しつつ、このリチウムイオン電池を充電する為に要する時間を大幅に短縮できる充電方法を実現すべく発明したものである。 In view of the circumstances as described above, the present invention was invented to realize a charging method capable of significantly reducing the time required for charging a lithium ion battery while ensuring the durability of the lithium ion battery. is there.
本発明のリチウムイオン電池の充電方法は、リチウムイオン電池を充電器により充電する為の方法である。
この様な本発明のリチウムイオン電池の充電方法では、先ず、1CAよりも大きな第一の充電電流を設定し、この第一の充電電流により上記リチウムイオン電池を、このリチウムイオン電池側の端子間の電圧(電池パックの正負両端子等、このリチウムイオン電池側に設けられた、充電器の端子を接続する端子部分の電圧)がVf +RIになるまで定電流で充電する。
The method for charging a lithium ion battery of the present invention is a method for charging a lithium ion battery with a charger.
In such a lithium ion battery charging method of the present invention, first, a first charging current larger than 1 CA is set, and the lithium ion battery is connected between the terminals on the lithium ion battery side by the first charging current. Is charged at a constant current until V f + RI is reached (the voltage at the terminal portion of the battery pack, such as both the positive and negative terminals of the battery pack, which is provided on the lithium ion battery side and connected to the charger terminal).
尚、Cとは上記リチウムイオン電池の定格容量であり、例えば、このリチウムイオン電池の定格容量が1400mAh(1.4Ah)の場合には、1CAは1400mAとなる。
又、上記式中、Vf とは、充電を完了した状態で達成されるべき、このリチウムイオン電池の開回路電圧(PTCやタブ部分の抵抗による電圧降下分のない、リチウムイオン本体部分の電圧)である。
又、Rとは、上記リチウムイオン電池側の端子間に存在する直流抵抗のうちで、このリチウムイオン電池の電極抵抗(図7で説明した、リチウムイオン電池1自体が有する、例えば50mΩ程度の抵抗)を除いた直流抵抗(図7で説明した、放電、充電両FET6、7が有する、例えば25〜50mΩ程度の抵抗と、PTCやタブ部分が有する、例えば20mΩ程度の抵抗10との合計)である。
更に、上記Iとは、上記充電器から上記リチウムイオン電池に送り込む充電電流である。
C is the rated capacity of the lithium ion battery. For example, when the rated capacity of the lithium ion battery is 1400 mAh (1.4 Ah), 1CA is 1400 mA.
In addition, in the above formula, V f is the open circuit voltage of this lithium ion battery (the voltage of the lithium ion main body part without the voltage drop due to the resistance of the PTC and the tab part) that should be achieved in the state where the charging is completed. ).
R is the resistance of the electrode of the lithium ion battery among the DC resistances existing between the terminals on the lithium ion battery side (the resistance of the lithium ion battery 1 itself described in FIG. ) (Excluding the resistance of the discharge and
Further, I is a charging current sent from the charger to the lithium ion battery.
本発明のリチウムイオン電池の充電方法では、前記第一の充電電流で上記リチウムイオン電池の充電を開始し、充電の進行に伴うこのリチウムイオン電池の内部抵抗の変化に対応して、上記充電器側から印加する電圧を調節する事により、定電流(第一の充電電流)で充電を継続する。
そして、上記リチウムイオン電池側の電圧がVf +RIに達した後、上記第一の充電電流よりも小さく、前記1CAよりも大きな第二の充電電流を設定する。そして、この第二の充電電流により上記リチウムイオン電池の定電流充電を継続して行なう。この第二の充電電流による定電流充電は、このリチウムイオン電池側の端子間の電圧がVf +RIになるまで行なう。
以下、同様に定電流で充電する動作を、上記リチウムイオン電池側の端子間の電圧がVf +RIになる毎に充電電流を小さくしつつ複数段階に亙り行なう。この場合に、後段での充電電流を1CA未満としても良い。但し、上記第二の充電電流は1CAよりも大きくして、充電時間の短縮を図る。
尚、本件の特許請求の範囲及び明細書中で、「電圧がVf +RIになる」とは、完全にVf +RIに一致する状態に限定するものではない事は明らかである。本発明の趣旨である、充電時間の短縮を図る面から、上記電圧がVf +RIに十分に近づいた状態(例えばVf +RIの95%以上、好ましくは99%以上、より好ましくは99.8%以上に達した状態)であれば、電圧がVf +RIになったとする。
In the method for charging a lithium ion battery according to the present invention, charging of the lithium ion battery is started with the first charging current, and the charger is adapted to change in the internal resistance of the lithium ion battery as the charging proceeds. By adjusting the voltage applied from the side, charging is continued at a constant current (first charging current).
Then, after the voltage on the lithium ion battery side reaches V f + RI, a second charging current smaller than the first charging current and larger than the 1CA is set. And the constant current charge of the said lithium ion battery is continuously performed by this 2nd charging current. The constant current charging with the second charging current is performed until the voltage between the terminals on the lithium ion battery side becomes V f + RI.
Hereinafter, similarly, the operation of charging with a constant current is performed over a plurality of stages while reducing the charging current every time the voltage between the terminals on the lithium ion battery side becomes V f + RI. In this case, the charging current at the subsequent stage may be less than 1 CA. However, the second charging current is set to be larger than 1 CA in order to shorten the charging time.
In the claims and specification of the present case, it is clear that “the voltage becomes V f + RI” is not limited to a state that completely matches V f + RI. Is a gist of the present invention, from the surface to shorten the charging time, a state where the voltage is sufficiently close to the V f + RI (e.g. V f + RI 95% or more, preferably 99% or more, more preferably 99.8 %), The voltage is assumed to be V f + RI.
上述の様な本発明のリチウムイオン電池の充電方法によれば、リチウムイオン電池の耐久性を確保しつつ、このリチウムイオン電池を充電する為に要する時間を大幅に短縮できる。
先ず、リチウムイオン電池の耐久性を確保できる理由は、上記リチウムイオン電池側の端子間の電圧が、それまでの充電電流Iに基づいて求められるVf +RIになる(Vf +RIに十分に近づく)毎に、充電電流を段階的に小さくする為である。即ち、この端子間の電圧がVf +RIに達した状態でも、上記リチウムイオン電池の本体部分の電圧は、このリチウムイオン電池の開回路電圧Vf (若しくはそれよりも僅かに小さい値)に止まる。そして、上記充電電流Iを小さくする毎に、上記端子間の電圧Vf +RIが(Iが小さくなった分だけ)小さくなり、上記開回路電圧もVf よりも小さくなる。従って、上記リチウムイオン電池の本体部分の電圧が長時間に亙って高いままに保持される事がなく、このリチウムイオン電池の耐久性が損なわれる事はない。
According to the lithium ion battery charging method of the present invention as described above, the time required to charge the lithium ion battery can be greatly shortened while ensuring the durability of the lithium ion battery.
First, the reason why the durability of the lithium ion battery can be ensured is that the voltage between the terminals on the lithium ion battery side becomes V f + RI obtained based on the current charging current I (sufficiently close to V f + RI). This is to reduce the charging current step by step. That is, even when the voltage between the terminals reaches V f + RI, the voltage of the main part of the lithium ion battery remains at the open circuit voltage V f (or a value slightly smaller than that) of the lithium ion battery. . Each time the charging current I is decreased, the voltage V f + RI between the terminals decreases (by the amount I decreases), and the open circuit voltage also decreases below V f . Therefore, the voltage of the main part of the lithium ion battery is not kept high for a long time, and the durability of the lithium ion battery is not impaired.
又、上記リチウムイオン電池を充電する為に要する時間を大幅に低減できる理由は、上記リチウムイオン電池側の端子間に存在する直流抵抗のうち、このリチウムイオン電池の電極抵抗を除いた直流抵抗による電圧降下分を考慮した上で、上記リチウムイオン電池側の端子間の電圧を観察する為である。この為、このリチウムイオン電池の本体部分には、上記電圧降下分が引かれない、この本体部分が耐え得る限界に近い電圧が加わる。言い換えれば、前述の特許文献3に記載された場合の様に、リチウムイオン電池の本体部分の電圧が必要以上に低く抑えられる事はない。この結果、充電時間の大幅な短縮が可能になる。
Also, the reason why the time required for charging the lithium ion battery can be greatly reduced is due to the direct current resistance excluding the electrode resistance of the lithium ion battery among the direct current resistances existing between the terminals on the lithium ion battery side. This is because the voltage between the terminals on the lithium ion battery side is observed in consideration of the voltage drop. For this reason, a voltage close to the limit that the main body portion can withstand is applied to the main body portion of the lithium ion battery so that the voltage drop is not drawn. In other words, unlike the case described in
本発明を実施する場合に好ましくは、請求項2に記載した様に、第一の充電電流を1.5CA以上(より好ましくは2.0CA以上、更に好ましくは2.5CA以上)とする。 この様に、第一の充電電流を1CAよりも大幅に(0.5CA以上、より好ましくは1.0CA以上、更に好ましくは1.5CA以上)大きくすれば、充電時間のより大幅な短縮化が可能になる。この様に第一の充電電流を1CAよりも大幅に大きくしても、リチウムイオン電池の本体部分の電圧が開回路電圧Vf を越える事はないので、このリチウムイオン電池の耐久性が損なわれる事はない。
又、好ましくは、請求項3に記載した様に、充電電流を凡そ1CAに設定して定電流充電を行なってから、更に充電電流を1CA未満に設定して定電流充電を行なった後、更に電圧をVf に設定して定圧充電を行なう。
この様にすれば、リチウムイオン電池の耐久性が損なわれる事を防止しつつ、このリチウムイオン電池の容量率を100%に近づける事ができる。
When implementing this invention, Preferably, as described in
Preferably, as described in
In this way, it is possible to bring the capacity ratio of the lithium ion battery close to 100% while preventing the durability of the lithium ion battery from being impaired.
更に、好ましくは、請求項4に記載した様に、充電を開始する際に、先ずリチウムイオン電池の開回路電圧を測定する。この測定は、リチウムイオン電池側の端子間の電圧を測定する事で行なう。そして、上記開回路電圧が閾値以上の場合には直ちに第一の充電電流を設定して充電を開始する。これに対して、上記開回路電圧が閾値未満の場合には、1CAよりも小さな充電電流で充電を行ない、この開回路電圧がこの閾値以上に達した後、上記第一の充電電流を設定して充電を開始する。
この様にすれば、何らかの故障が生じているリチウムイオン電池側に、当該リチウムイオン電池にとって過大な電流を流す事を防止して、当該リチウムイオン電池に、過度の発熱等、より重大な故障が発生する事を防止できる。
Further, preferably, when charging is started, first, an open circuit voltage of the lithium ion battery is measured. This measurement is performed by measuring the voltage between the terminals on the lithium ion battery side. When the open circuit voltage is equal to or higher than the threshold, the first charging current is immediately set and charging is started. On the other hand, when the open circuit voltage is less than the threshold value, charging is performed with a charging current smaller than 1 CA, and after the open circuit voltage reaches the threshold value or more, the first charging current is set. Start charging.
In this way, it is possible to prevent excessive current for the lithium ion battery from flowing to the side of the lithium ion battery in which some failure has occurred, and to cause more serious failure such as excessive heat generation in the lithium ion battery. It can be prevented from occurring.
図1〜4は、本発明の実施例を示している。このうちの図1は充電器11の、図2はリチウムイオン電池1、1を2本備えた電池パック12の、それぞれ回路図である。上記充電器11は、商用電源13から充電器側入力端子14が受け入れた電力を、電源制御部15、充電制御部16を通じて出力端子17に送る様にしている。この充電制御部16は、これら電源制御部15から送り込まれる電源電圧に関する情報信号、並びに、上記出力端子17側から送り込まれる、上記電池パック12側の電圧に関する情報信号に基づいて、この出力端子17から上記電池パック12に送り出す電流、電圧を制御する。この制御の状態に関しては、図3〜4を用いて後で詳しく説明する。
1 to 4 show an embodiment of the present invention. Among these, FIG. 1 is a circuit diagram of a
又、上記電池パック12には、上記リチウムイオン電池1、1の他、保護回路18と電池側入力端子19とを設けている。この保護回路18は、これら各リチウムイオン電池1、1の過充電、過放電、短絡に関する保護を図るもので、前述の図5に示す様に、放電、充電両FET6、7及びこれら両FET6、7のON、OFFを制御する為のIC8(何れも図5参照)を備える。又、上記電池側入力端子19と上記出力端子17とには、上記充電器11から上記電池パック12の側に電力(充電電流)を送る為に必要な電力用端子素子に加えて、この電池パック12側の電圧を取り出す為の信号用端子素子も備えている。そして、この信号用端子素子を通じて取り出した、上記電池パック12側の電圧を表す信号を、上記充電制御部16に制御信号を送る為の信号用制御部20に送り込む様にしている。この信号用制御部20は、上記電池パック12側の電圧を表す信号と、上記商用電源13側から送り込まれる電力とに応じて、上記出力端子17から上記電池パック12に送り出す電流、電圧を制御する。
The
上述の様な充電器11と電池パック12とを使用して、この電池パック12を構成する上記リチウムイオン電池1、1を充電する際、上記充電制御部16は、図3に示す様にして、上記電池パック12の電力用端子素子に送り込む充電電流を制御する。
先ず、充電を開始するに際し、ステップ1で、信号用端子素子により上記電池パック12の電圧を測定する事で、上記リチウムイオン電池1、1の開回路電圧を測定する。そして、続くステップ2で、各リチウムイオン電池1、1毎の電圧が、上記開回路電圧が閾値である3V(電池パック12全体として6V)以上であると判定された場合には、直ちにステップ5に移り、第一の充電電流を設定して充電を開始する。この場合の充電の手順に就いては後で詳しく説明する。
When charging the lithium ion batteries 1 and 1 constituting the
First, when charging is started, the open circuit voltage of the lithium ion batteries 1 and 1 is measured in step 1 by measuring the voltage of the
これに対して、上記ステップ2で、上記リチウムイオン電池1、1毎の開回路電圧が閾値である3V(電池パック12全体として6V)未満であると判定された場合には、上記充電器11の充電制御部16は、ステップ3で、1CAよりも小さな充電電流である、(1/10)CAで充電を行なう。例えば、上記電池パック12の定格容量が1400mAhの場合(以下、定格容量に関して、同じ前提で説明する)には、140mAで充電を行なう。この様に低電流での充電を行なう理由は、何らかの故障が生じているリチウムイオン電池1、1側に、当該リチウムイオン電池1、1にとって過大な電流を流す事を防止し、当該リチウムイオン電池1、1に、過度の発熱等、より重大な故障が発生する事を防止する為である。この場合には、低電流での充電を行なう事で充電時間が長くなるが、より重大な損傷の防止を図る為には仕方がない。この様な低電流での充電の結果、ステップ4で、上記リチウムイオン電池1、1毎の開回路電圧が閾値である3V(電池パック12全体として6V)以上に達したと判定されたならば、当該リチウムイオン電池1、1には特に故障がないと考えられるので、上記第一の充電電流を設定して充電を開始する。これに対して、予め設定された所定時間(例えば10〜30分)経過しても、上記ステップ4で、上記リチウムイオン電池1、1毎の開回路電圧が閾値である3V(電池パック12全体として6V)以上に達しないと判定された場合には、当該リチウムイオン電池1、1には、充電を行なう事に対して故障が存在すると考えられるので、前記充電器11に付属させた警告灯を点灯させる等により、使用者に充電不能を知らせる。
On the other hand, when it is determined in
ステップ2或はステップ4で、上記リチウムイオン電池1、1毎の開回路電圧が閾値である3V(電池パック12全体として6V)以上であると判定された場合には、上記充電器11の充電制御部16は、ステップ5で、1CAよりも大きな第一の充電電流を設定する。そして、この第一の充電電流により上記リチウムイオン電池1、1の充電を開始する。本実施例の場合、この第一の充電電流を3CA(4200mA)として定電流での充電を開始する。この様な3CAでの定電流充電は、前記信号用端子素子により取り出される、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RIに達するまで行なう。定電流充電を行なう為に上記充電制御部16は、充電の進行に伴う上記リチウムイオン電池1、1内部の抵抗の増大に従って、前記電力用端子素子間の電圧を高くする。本実施例の場合、Vf が上記リチウムイオン電池1、1毎に4.2V(電池パック12全体として8.4V)であるから、Rが凡そ50mΩであると仮定すれば、この抵抗Rによる電圧降下分は0.21Vとなる。そこで、ステップ6で、電池パック12全体としての電圧(上記電力用端子素子間の電圧)が8.61Vに達したと判定されるまで、3CAでの充電を行なう。
If it is determined in
上記ステップ6で、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RI(電池パック12全体として8.61V)に達したと判定されたならば、上記充電器11の充電制御部16は、ステップ7で、上記第一の充電電流(4200mA)よりも小さく、1CAよりも大きな、第二の充電電流を設定する。本実施例の場合、この第二の充電電流を2CA(2800mA)として、上記リチウムイオン電池1、1の定電流での充電を継続する。上記ステップ7で、充電電流が第一の充電電流である3CAから第二の充電電流である2CAにまで、1CA(1400mA)分、瞬間的に減少する事に伴って、上記電池パック12側の電圧が瞬間的に低下する。この様に電圧が低下する程度は、上記電池パック12側に設けた1対の電力用端子素子同士の間に存在する抵抗と、充電電流の低減分である1CAとの積となる。この様な2CAでの定電流充電に就いても、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RIに達するまで行なう。本実施例の場合、上記第二の充電電流での定電流充電を、ステップ8で、上記電池パック12全体としての電圧が8.54Vに達したと判定されるまで行なう。
If it is determined in
上記ステップ8で、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RI(電池パック12全体として8.54V)に達したと判定されたならば、上記充電器11の充電制御部16は、ステップ9で、第三の充電電流として、1CA(1400mA)を設定し、上記リチウムイオン電池1、1の定電流での充電を継続する。上記ステップ9でも、充電電流が第二の充電電流である2CAから第三の充電電流である1CAにまで、1CA(1400mA)分、瞬間的に減少する事に伴って、上記電池パック12側の電圧が瞬間的に低下する。この様な1CAでの定電流充電に就いても、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RIに達するまで行なう。本実施例の場合、ステップ10で、上記電池パック12全体としての電圧が8.47Vに達したと判定されるまで行なう。
If it is determined in
上記ステップ10で、上記電池パック12全体としての電圧が8.47Vに達したと判定されたならば、上記充電器11の充電制御部16は、ステップ11で、第四の充電電流として、0.5CA(700mA)を設定し、定電流での充電を継続する。上記ステップ11でも、充電電流が第三の充電電流である1CAから第四の充電電流である0.5CAにまで、0.5CA(700mA)分、瞬間的に減少する事に伴って、上記電池パック12側の電圧が瞬間的に低下する。この様な0.5CAでの定電流充電に就いても、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RIに達するまで行なう。本実施例の場合、ステップ12で、上記電池パック12全体としての電圧が8.435Vに達したと判定されるまで行なう。
If it is determined in
そして、上記ステップ12で、上記電池パック12側の電圧が、Vf +RI(電池パック12全体として8.435V)に達したと判定されたならば、上記充電器11の充電制御部16は、ステップ13で、電圧をVf である8.4V(各リチウムイオン電池毎に4.2V)に設定して、定圧充電を行なう。この定圧充電の開始直後の状態では、電圧をVf である8.4V、充電電流を0.5CA(700mA)に設定する。但し、この充電の進行に伴って上記リチウムイオン電池の内部抵抗が増大すると、前記電力用端子素子間に流れる充電電流が次第に低下する。そこで、ステップ14でこの充電電流がC/10以下に低減した状態(本実施例の場合、凡そ70分経過した時点)で、充電を完了する。具体的には、前記保護回路18中の充電FET7を開き、充電器11に付属の充電表示用のインジケータを消滅させる。
If it is determined in
尚、上述の説明に使用した図3は、説明が煩雑化するのを防止する為、充電電流を変化させる回数を実際よりも少なく記載している。実際には、図4に示す様に、この充電電流を変化させる回数をより多くする。尚、第一の充電電流は、図3〜4に示す様に、3CA程度に迄大きくする事ができる。上記図4に示した7本の線のうち、太い実線aは充電電流を、細い実線bは電池パック12の電圧を、太い破線cは各リチウムイオン電池の+−両極同士の間の電圧を、細い破線dは容量を、一点鎖線eは容量率を、二点鎖線fは上記電池パック12の温度を、それぞれ表している。尚、図3の線図は、本発明を考察する為のシミュレーションの過程で求めた為、各リチウムイオン電池毎の電圧を求めたが、両電圧を表す線は重なっている。本発明を実施する場合に、各リチウムイオン電池毎に、その電圧を求める必要がある訳ではない。
Note that FIG. 3 used in the above description describes the number of times of changing the charging current less than the actual number in order to prevent the description from becoming complicated. Actually, as shown in FIG. 4, the number of times of changing the charging current is increased. The first charging current can be increased to about 3 CA as shown in FIGS. Of the seven lines shown in FIG. 4, the thick solid line a represents the charging current, the thin solid line b represents the voltage of the
又、第一〜第nの充電電流の大きさに関しても、前記図3や上記図4に示した値に限らず、各部の抵抗値等、使用する電池パック12の特性の相違や、要求される充電時間に応じて、適宜設計的に定める。次の表1は、上記第一〜第nの充電電流の大きさの別例を示している。尚、この表1には、各セル毎の電圧降下分を考慮したセル電圧と、電圧パックとして、各セルに共通の抵抗となる、保護回路部分に存在する抵抗(基板抵抗)に基づく電圧下降分とを分けて記載している。本発明を実施する場合に、これら両抵抗を分けて考慮する必要がある訳ではない。
何れにしても、上述の様に構成する本実施例のリチウムイオン電池の充電方法によれば、前記リチウムイオン電池1、1の耐久性を確保しつつ、このリチウムイオン電池1、1を充電する為に要する時間を大幅に短縮できる。
先ず、上記リチウムイオン電池1、1の耐久性確保は、上記リチウムイオン電池1、1側の端子である電力用端子素子間の電圧を、Vf +RIになる毎に充電電流を段階的に小さくする事により図られる。即ち、上記電力用端子素子間の電圧がVf +RIに達した状態でも、上記リチウムイオン電池1、1の本体部分の電圧は、図4の細い実線b及び太い破線cの頂部から明らかな通り、このリチウムイオン電池1、1の開回路電圧Vf に止まる。そして、上記図4の太い実線aの段差部に対応する位置での上記両線b、cから明らかな通り、上記充電電流を小さくする毎に、上記電力用端子素子間の電圧が、それまでの大きな充電電流に基づく、Vf +RIよりも小さくなり、上記開回路電圧もVf よりも小さくなる。従って、上記リチウムイオン電池1、1の本体部分の電圧が長時間に亙って高いままに保持される事がなく、このリチウムイオン電池1、1の耐久性が損なわれる事はない。
In any case, according to the lithium ion battery charging method of the present embodiment configured as described above, the lithium ion batteries 1 and 1 are charged while ensuring the durability of the lithium ion batteries 1 and 1. The time required for this can be greatly reduced.
First, to ensure the durability of the lithium ion batteries 1 and 1, the voltage between the power terminal elements which are terminals on the lithium ion battery 1 and 1 side is reduced stepwise for every V f + RI. It is planned by doing. That is, even when the voltage between the power terminal elements reaches V f + RI, the voltage of the main body portion of the lithium ion batteries 1 and 1 is as clearly shown from the tops of the thin solid line b and the thick broken line c in FIG. The open circuit voltage V f of the lithium ion batteries 1 and 1 is stopped. Then, as is apparent from the two lines b and c at the position corresponding to the stepped portion of the thick solid line a in FIG. 4, the voltage between the power terminal elements is increased up to that time each time the charging current is reduced. Based on a large charging current of V f + RI, the open circuit voltage is also smaller than V f . Therefore, the voltage of the main body portion of the lithium ion batteries 1 and 1 is not kept high for a long time, and the durability of the lithium ion batteries 1 and 1 is not impaired.
又、上記リチウムイオン電池1、1を充電する為に要する時間を大幅に短縮できる理由は、上記リチウムイオン電池1、1側の電力用端子素子間に存在する直流抵抗のうちで、このリチウムイオン電池1、1の電極抵抗を除いた直流抵抗による電圧降下分を考慮した上で、上記リチウムイオン電池1、1側の端子間の電圧を観察する為である。この為、このリチウムイオン電池1、1の本体部分には、上記電圧降下分が引かれない、この本体部分が耐え得る限界に近い電圧(≒Vf =4.2V)が加わる。言い換えれば、前述の特許文献3に記載された場合の様に、リチウムイオン電池の本体部分の電圧が必要以上に低く抑えられる事はない。この結果、充電時間の大幅な短縮が可能になる。具体的には、図4に示した例で、30分足らずの間に容量率が90%を越え、45分程度で容量率がほぼ100%に達する。
The reason why the time required for charging the lithium ion batteries 1 and 1 can be greatly shortened is that the lithium ion among the DC resistances existing between the power terminal elements on the lithium ion battery 1 and 1 side. This is because the voltage between the terminals on the lithium ion battery 1 and 1 side is observed in consideration of the voltage drop due to the DC resistance excluding the electrode resistance of the batteries 1 and 1. For this reason, a voltage (≈V f = 4.2 V) that is close to the limit that the main body portion can withstand is applied to the main body portions of the lithium ion batteries 1 and 1. In other words, unlike the case described in
又、本実施例の場合には、第一の充電電流を凡そ3CAと、1CAよりも大幅に(2CA程度)大きくしているので、充電時間のより大幅な短縮が可能になる。この様に第一の充電電流を1CAよりも大幅に大きくしても、図4の細い実線b及び太い破線cの左寄り部分から明らかな通り、上記リチウムイオン電池1、1の本体部分の電圧が開回路電圧Vf を越える事はない。従って、このリチウムイオン電池1、1の耐久性が損なわれる事はない。 In the case of the present embodiment, the first charging current is about 3 CA and significantly larger than 1 CA (about 2 CA), so that the charging time can be significantly shortened. In this way, even if the first charging current is significantly larger than 1CA, the voltage of the main body portion of the lithium ion batteries 1 and 1 can be clearly seen from the left side of the thin solid line b and the thick broken line c in FIG. Never exceed the open circuit voltage V f . Therefore, the durability of the lithium ion batteries 1 and 1 is not impaired.
又、本実施例の場合には、充電電流を凡そ1CAに設定して定電流充電を行なってから、更に充電電流を1CA未満に設定して定電流充電を行なった後、更に電圧をVf に設定して定圧充電を行なっている為、(例えば45〜70分程度と、或る程度充電時間を確保する事により)上記リチウムイオン電池1、1の耐久性が損なわれる事を防止しつつ、このリチウムイオン電池1、1の容量率を100%に近づける事ができる。 Further, in the case of the embodiment, after set the charging current approximately in 1CA after performing the constant current charging was subjected to constant current charging further sets the charging current to less than 1CA, further voltage V f Since the constant-pressure charging is carried out with the above-described setting, the durability of the lithium ion batteries 1 and 1 is prevented from being impaired (for example, by securing the charging time to some extent, for example, about 45 to 70 minutes). The capacity ratio of the lithium ion batteries 1 and 1 can be brought close to 100%.
更に、本実施例の場合には、図3にステップ1〜4で示した様に、充電を開始する際に、先ずリチウムイオン電池1、1の開回路電圧を測定して、この開回路電圧が閾値以上の場合にのみ第一の充電電流を設定して充電を開始する為、何らかの故障が生じているリチウムイオン電池1、1側に、当該リチウムイオン電池1、1にとって過大な電流を流す事を防止できる。この結果、当該リチウムイオン電池1、1に、過度の発熱等、より重大な故障が発生する事を防止できる。 Further, in the case of this embodiment, as shown in Steps 1 to 4 in FIG. 3, when starting charging, first, the open circuit voltage of the lithium ion batteries 1 and 1 is measured, and this open circuit voltage is measured. Since the first charging current is set and charging is started only when the battery voltage is equal to or greater than the threshold value, an excessive current flows for the lithium ion battery 1 or 1 on the side of the lithium ion battery 1 or 1 where some failure has occurred. You can prevent things. As a result, it is possible to prevent a more serious failure such as excessive heat generation from occurring in the lithium ion batteries 1 and 1.
1 リチウムイオン電池
2 正端子
3 第一の電路
4 負端子
5 第二の電路
6 放電FET
7 充電FET
8 IC
9 セル
10 抵抗
11 充電器
12 電池パック
13 商用電源
14 充電器側入力端子
15 電源制御部
16 充電制御部
17 出力端子
18 保護回路
19 電池側入力端子
20 信号制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
7 Charge FET
8 IC
DESCRIPTION OF
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