JP2007028745A - ２次電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電時間を長くすることなく、充電時の温度上昇を抑制することができると共に高周波ノイズの発生を抑制することができる２次電池の充電方法を得る。
【解決手段】 充電制御回路３が、充電電流生成回路４に対して、温度検出回路２で検出された温度が所定の第１の温度Ｔ１以上になると第２の充電電流値ｉｃ２の充電電流ｉｃを２次電池７に供給させ、第２の充電電流値ｉｃ２の充電電流ｉｃを２次電池７に供給させてから所定時間ｔｄ内における第１の充電電流値ｉｃ１への切り換えを禁止するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２次電池の充電方法に関し、特に充電時の温度上昇を抑制すると共に高周波ノイズの発生を抑制することができる２次電池の充電方法に関する。

従来、２次電池を急速充電するために所定の電流値による定電流充電が行われており、この場合、充電電流は比較的大きいため充電回路の温度上昇が発生する。特に、温度上昇の大きい部品としては充電電流を直接制御する出力トランジスタがあり、充電回路をＩＣ化した場合は、発熱の大きい該出力トランジスタはＩＣに外付けにする方式が一般的であった。しかし、比較的小容量で携帯機器に用いられる充電装置においては、小型軽量化のために、１チップＩＣに充電回路と出力トランジスタを内蔵する要求が強くなってきた。
出力トランジスタを内蔵した場合、ＩＣチップの温度上昇に対する対策が必要である。回路の温度変動は、環境温度や系の熱抵抗等にも依存することから、あらゆる場合を想定して充電回路の温度設計を行うことは困難であった。そこで、ＩＣに限らず、充電回路の温度上昇を抑制する方法が数多く提案されてきた。

例えば、電源回路の発熱部品の温度を温度センサで検出し、検出温度が設定値以上になると充電電流を減少させ、減少させたときには、２次電池の満充電の検出を中断するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。また、充電回路部の温度が第１の温度以上になったときに充電電流を変化させ、更に充電回路部の温度が第２の温度以下になったとき前記充電電流値に戻す方式があった（例えば、特許文献２参照。）。
特開平７−２２２３７０号公報 特開平１１−１０３４０５号公報

しかし、前者の場合、一旦、温度センサが作動して充電電流を減少させると、以後は減少した電流値で満充電まで充電を行うため、充電時間が長くなるという問題があった。また、後者の場合、第１の温度と第２の温度を検出するたびに充電電流を変化させるため、第１の温度と第２の温度との温度差が小さい場合は、頻繁に充電電流が切り換わり、高周波ノイズ及び高調波ノイズを発生する。これはシステムに対してのＥＭＩノイズとなり、システムに耐ノイズ部品等を付加する必要があり、２次電池を電源とする携帯機器の小型軽量化に障害になるという問題があった。また、充電電流が頻繁に切り換わらないようにするため、第１の温度と第２の温度との温度差を５℃以上にしているため、システムの放熱性によっては、一旦充電電流が減少すると長時間充電電流が元に戻らない状態が継続することから、やはり満充電までの充電時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、第１の温度と第２の温度との温度差を小さくしても、充電電流が頻繁に切り換わることがなくなり、充電時間を長くすることなく、充電時の温度上昇を抑制することができると共に高周波ノイズの発生を抑制することができる２次電池の充電方法を得ることを目的とする。

この発明に係る２次電池の充電方法は、２次電池の充電を行う充電回路の充電時の発熱による温度変化の検出を行い、該検出した温度に応じて、所定の第１の充電電流値又は該第１の充電電流値よりも小さい第２の充電電流値のいずれかを前記２次電池に供給して前記２次電池の充電を行う前記充電回路における２次電池の充電方法において、
前記検出した温度が所定の第１の温度以上になると前記第２の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給し、該第２の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給してから第１の所定時間内における前記第１の充電電流値への切り換えを禁止するようにした。

具体的には、前記検出した温度が前記第１の温度よりも小さい第２の温度以下になると共に前記第２の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給してから第１の所定時間経過した場合、前記第１の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給するようにした。

また、前記２次電池への充電電流を前記第２の充電電流値から前記第１の充電電流値に増加させる場合、第２の所定時間をかけて該充電電流を増加させるようにした。

また、前記２次電池の電圧が第１の電圧以下の場合は、前記第１の充電電流値未満の電流で充電する予備充電を行うようにした。

本発明の２次電池の充電方法によれば、２次電池の充電時の発熱による急速な温度変化が生じても、２次電池への充電電流が第２の充電電流値になると第１の所定時間以上経過しないと第１の充電電流値に戻らないようにした。このため、第１の温度と第２の温度との温度差を小さくしても、頻繁に第１の充電電流値と第２の充電電流値が切り換わることがなくなり、充電時間を長くすることなく、充電時の温度上昇を抑制することができると共に高周波ノイズの発生を抑制できる。また、２次電池への充電電流を第２の充電電流値から第１の充電電流値に増加させる場合は、第２の所定時間をかけて該充電電流を増加させるようにしたことから、高調波ノイズの発生を抑制することができる。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態における２次電池の充電方法を行う充電回路の例を示したブロック図である。
図１において、充電回路１は、２次電池７の充電を行うものであり、温度検出回路２、充電制御回路３及び充電電流生成回路４で構成されている。なお、温度検出回路２は温度検出回路部を、充電制御回路３は充電制御回路部を、充電電流生成回路４は充電電流生成回路部をそれぞれなす。
温度検出回路２は、充電回路１の温度の検出を行い、検出した温度が第１の温度Ｔ１以上になるとハイレベルの検出信号Ｔｏを、検出した温度が第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２以下になるとローレベルの検出信号Ｔｏをそれぞれ生成して出力する。

充電制御回路３は、温度検出回路２が第１の温度Ｔ１以上であることを検出してハイレベルの検出信号Ｔｏを出力すると、所定時間ｔｄのパルス幅を有するハイレベルのパルス信号Ｄｏ（図示せず）を生成する。なお、所定時間ｔｄは第１の所定時間をなす。充電制御回路３は、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏと、パルス信号Ｄｏが共にローレベルの場合はハイレベルの信号Ｃｏを出力する。また、充電制御回路３は、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏがハイレベルであるか、又はパルス信号Ｄｏがハイレベルである場合はローレベルの信号Ｃｏを出力する。また、充電制御回路３は、２次電池７の電圧をモニタし、２次電池７の電圧が所定の電圧以下の場合は定電流充電を行うための制御信号Ｓｃを充電電流生成回路４に出力し、２次電池７の電圧が所定の電圧を超えると定電圧充電を行うための制御信号Ｓｃを充電電流生成回路４に出力する。

充電電流生成回路４は、２次電池７への充電電流ｉｃを増加する際に、所定時間をかけて該充電電流ｉｃを徐々に増加させるようにするソフトスタート回路１５を備えている。なお、該所定の時間は第２の所定時間をなす。充電制御回路３からの制御信号Ｓｃが定電流充電を行うことを示している場合、充電電流生成回路４は、充電制御回路３からハイレベルの出力信号Ｃｏが入力されると２次電池７に供給する充電電流ｉｃを第１の充電電流値ｉｃ１に設定し、出力信号Ｃｏがローレベルの場合は、充電電流ｉｃを第２の充電電流値ｉｃ２に設定する。第１の充電電流値ｉｃ１は２次電池７を急速充電するための電流値であり、第２の充電電流値ｉｃ２は第１の充電電流値ｉｃ１より小さい電流値、例えば第１の充電電流値ｉｃ１の１０％程度の電流値である。また、充電制御回路３から定電圧充電を行うための信号Ｓｃが出力されている場合、充電電流生成回路４は、充電制御回路３の出力信号Ｃｏに応じた充電電流ｉｃの電流値変更を行わないようにする。

次に、図２は、図１の充電回路１の動作例を示したタイミングチャートであり、図２を参照しながら図１の充電回路１の動作についてもう少し詳細に説明する。なお、以下、充電回路１は１つのＩＣに集積され、温度検出回路２は該ＩＣの半導体チップの温度検出を行う場合を例にして説明する。
２次電池７への充電が開始され、半導体チップの温度が上昇し、該温度がＡ点で第１の温度Ｔ１を超えると、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏはローレベルからハイレベルに反転すると共に、充電制御回路３はパルス幅ｔｄのハイレベルのパルス信号Ｄｏを生成する。このため、充電制御回路３の出力信号Ｃｏは、前記Ａ点でハイレベルからローレベルに反転する。

充電電流生成回路４は、充電制御回路３の出力信号Ｃｏがローレベルの場合は、前記したように２次電池７に第２の充電電流値ｉｃ２の充電電流ｉｃを供給して２次電池７を充電する。半導体チップの温度を低下させるために、第２の充電電流値ｉｃ２は第１の充電電流値ｉｃ１よりも十分小さい電流値に設定されており、図２で示すようにＡ点以降は半導体チップの温度は低下する。半導体チップの温度が低下し、Ｂ点で第２の温度Ｔ２以下になると、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏはハイレベルからローレベルに反転する。この時点では、すでに所定時間ｔｄ以上経過していることから、充電制御回路３のパルス信号Ｄｏはローレベルに立ち下がっている。このため、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏがハイレベルからローレベルに反転しても、充電制御回路３のパルス信号Ｄｏはローレベルのまま変化しない。

充電制御回路３は、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏ及びパルス信号Ｄｏが共にローレベルである場合、ハイレベルの出力信号Ｃｏを出力することから、出力信号ＣｏはＢ点でローレベルからハイレベルに反転する。充電電流生成回路４は、充電制御回路３の出力信号Ｃｏがハイレベルの場合は、前記したように第１の充電電流値ｉｃ１の充電電流ｉｃを供給して２次電池７を充電する。ただし、２次電池７に対する充電電流が増加する場合は、前記したソフトスタート回路１５が作動し、図２の充電電流ｉｃの波形に示すように、充電電流ｉｃが第２の充電電流値ｉｃ２から第１の充電電流値ｉｃ１まで増加する際は、充電電流ｉｃは所定の時間をかけて徐々に増加するため、高調波ノイズの発生を抑えることができる。

充電電流ｉｃが第１の充電電流値ｉｃ１になると再び半導体チップの温度が上昇し、Ｃ点で第１の温度Ｔ１以上になると、前記と同様、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏと充電制御回路３内のパルス信号Ｄｏは、それぞれ反転してハイレベルになる。また、充電制御回路３の出力信号Ｃｏはローレベルになり、充電電流ｉｃは第２の充電電流値ｉｃ２に減少する。この結果、再び半導体チップの温度は低下する。半導体チップの温度がＤ点で第２の温度Ｔ２以下になると、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏは反転してローレベルになるが、充電制御回路３内のパルス信号Ｄｏは、まだ所定時間ｔｄが経過していないことからハイレベルのままである。このため、充電制御回路３の出力信号Ｃｏはローレベルで保持されることから、充電電流ｉｃも第２の充電電流ｉｃ２のままである。所定時間ｔｄが経過して、充電制御回路３内のパルス信号ＤｏがＥ点でローレベルになると、充電制御回路３の出力信号Ｃｏは反転してハイレベルになり、充電電流ｉｃは第１の充電電流値ｉｃ１に戻る。

このように、半導体チップの温度が急速に変化しても、一旦、充電電流ｉｃが第２の充電電流値ｉｃ２になると、充電制御回路３に設定された時間ｔｄ以上経過しないと充電電流ｉｃが第１の充電電流値ｉｃ１に戻らないようにした。このため、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差を小さくしても、充電電流ｉｃが頻繁に第１の充電電流値ｉｃ１と第２の充電電流値ｉｃ２とに切り換わることがなくなり、高周波ノイズの発生を抑制することができる。更に、充電電流ｉｃを増加させる場合は、ソフトスタート回路１５を作動させるようにしたことから、高調波ノイズの発生を抑制することができる。

次に、図３は、図１の充電回路１における充電方法の例を示したフローチャートである。図２及び図３を参照しながら充電回路１の充電動作の流れについてもう少し詳細に説明する。
図３において、２次電池７の充電を開始すると、まず最初に、充電制御回路３は、２次電池７の電圧が所定の第１の電圧Ｖ１以上であるか否かを調べ（ステップＳ１）、２次電池７の電圧が第１の電圧Ｖ１以上であれば（ＹＥＳ）、定電流充電を行うための制御信号Ｓｃを充電電流生成回路４に出力する（ステップＳ２）。なお、第１の電圧Ｖ１は、例えばリチウムイオン電池の場合、単位セルあたり約２.５Ｖに設定されている。

また、充電制御回路３は、ステップＳ１で、２次電池７の電圧が第１の電圧Ｖ１未満であれば（ＮＯ）、２次電池７は過放電状態にあると判断して、２次電池７に対して所定の予備充電を行うように制御信号Ｓｃを充電電流生成回路４に出力し、充電電流生成回路４が、２次電池７に対して前記予備充電を行って（ステップＳ１２）、ステップＳ１に戻る。ここで、前記予備充電は、定電流充電時よりも小さい電流、すなわち第１の充電電流値ｉｃ１未満の電流で２次電池７の充電を行うものである。このようにする理由は、２次電池７が過放電状態にあるときに、いきなり大電流で充電を行うと２次電池７に不具合が発生する可能性があるためであり、充電電流を絞って充電を行う必要があることから、予備充電時の充電電流は通常数ｍＡ〜数十ｍＡ程度である。

ステップＳ２の処理を行った後、充電電流生成回路４は、所定時間をかけて２次電池７に対する充電電流ｉｃを徐々に増加させるソフトスタート充電を行い（ステップＳ３）、充電電流ｉｃを第１充電電流値ｉｃ１まで上昇させた後、引き続き２次電池７に対して第１充電電流値ｉｃ１で充電を行う（ステップＳ４）。次に、充電制御回路３は、２次電池７の電圧が第２の電圧Ｖ２以下であるか否かを調べ（ステップＳ５）、第２の電圧Ｖ２以下でない場合（ＮＯ）は、後述するステップＳ１３に進む。また、充電制御回路３は、ステップＳ５で、２次電池７の電圧が第２の電圧Ｖ２以下である場合（ＹＥＳ）、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏから、温度が第１の温度Ｔ１以上であるか否かを調べる（ステップＳ６）。充電制御回路３は、ステップＳ６で、第１の温度Ｔ１未満であることを検出すると（ＮＯ）、ステップＳ４に戻り、図２のＡ点又はＣ点のように第１の温度Ｔ１以上であることを検出すると（ＹＥＳ）、出力信号Ｃｏをローレベルに立ち下げると共にパルス信号Ｄｏをハイレベルにし、パルス信号Ｄｏをハイレベルにしてからの経過時間を計測する（ステップＳ７）。

充電電流生成回路４は、充電制御回路３の出力信号Ｃｏがローレベルに立ち下がったことから、２次電池７に対して第２充電電流値ｉｃ２の充電電流ｉｃで充電を行う（ステップＳ８）。次に、充電制御回路３は、２次電池７の電圧が第２の電圧Ｖ２以下であるか否かを調べ（ステップＳ９）、第２の電圧Ｖ２以下でない場合（ＮＯ）は、定電圧充電を行うための制御信号Ｓｃを充電電流生成回路４に出力し、充電電流生成回路４は、２次電池７に対して定電圧充電を行う（ステップＳ１３）。

リチウムイオン電池は、電池電圧が定格電圧以上に高くなると、電池内部に金属リチウムが析出して危険なため、電池電圧が高くならないように、充電がある程度進んだ段階でステップＳ１３の定電圧充電に切り換えるようにすることが一般的である。定電圧充電を行う電圧は、例えばリチウムイオン電池の場合、単位セルあたり約４.２Ｖに設定する。また、定電圧充電時の充電電流ｉｃは、第１充電電流値ｉｃ１と比較してはるかに小さく、しかも充電電流ｉｃは次第に減少することから、温度に伴う充電電流ｉｃの電流値切り換えは行わない。

次に、充電電流生成回路４は、充電電流ｉｃが第１の充電電流値ｉｃ１以下であるか否かを調べ（ステップＳ１４）、充電電流ｉｃが第１の充電電流値ｉｃ１以下でないならば（ＮＯ）、ステップＳ１３に戻り、充電電流ｉｃが第１の充電電流値ｉｃ１以下であれば（ＹＥＳ）、本フローは終了する。
一方、ステップＳ９で第２の電圧Ｖ２以下である場合（ＹＥＳ）、充電制御回路３は、温度検出回路２からの検出信号Ｔｏから、温度が第２の温度Ｔ２以下であるか否かを調べる（ステップＳ１０）。充電制御回路３は、ステップＳ１０で、第２の温度Ｔ２を超えていることを検出すると（ＮＯ）、ステップＳ８に戻る。また、充電制御回路３は、ステップＳ１０で、図２のＢ点又はＤ点のように第２の温度Ｔ２以下であることを検出すると（ＹＥＳ）、パルス信号Ｄｏをハイレベルにしてからの経過時間が所定時間ｔｄ以上であるか否かを調べ（ステップＳ１１）、図２のＥ点のように所定時間ｔｄ以上であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ３に戻り、所定時間ｔｄ未満であれば（ＮＯ）、ステップＳ８に戻る。

このように、本第１の実施の形態における充電方法は、半導体チップの温度が急速に変化しても、一旦、第２の充電電流値ｉｃ２になると所定時間ｔｄ以上経過しないと第１充電電流値ｉｃ１に戻らないようにしたことから、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２の温度差を小さくしても、充電電流ｉｃが頻繁に第１の充電電流値ｉｃ１と第２の充電電流値ｉｃ２に切り換わることがなくなり、充電時間を長くすることなく、充電時の温度上昇を抑制することができると共に高周波ノイズの発生を抑制することができる。更に、充電電流ｉｃを増加させる場合は、充電電流ｉｃが所定の時間をかけて徐々に増加するようにしたことから、高調波ノイズの発生を抑制することができる。これにより、システムの放熱性や環境温度等の多くのパラメータについて検討をすることなく、ノイズの低減を図ることができ、温度上昇を抑えた充電回路を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態における充電方法を行う充電回路の例を示したブロック図である。 図１の充電回路１の動作例を示したタイミングチャートである。 図１の充電回路１における充電方法の例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 充電回路
２ 温度検出回路
３ 充電制御回路
４ 充電電流生成回路
７ ２次電池
１５ ソフトスタート回路

Claims (4)

1. ２次電池の充電を行う充電回路の充電時の発熱による温度変化の検出を行い、該検出した温度に応じて、所定の第１の充電電流値又は該第１の充電電流値よりも小さい第２の充電電流値のいずれかを前記２次電池に供給して前記２次電池の充電を行う前記充電回路における２次電池の充電方法において、
   前記検出した温度が所定の第１の温度以上になると前記第２の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給し、該第２の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給してから第１の所定時間内における前記第１の充電電流値への切り換えを禁止することを特徴とする２次電池の充電方法。
2. 前記検出した温度が前記第１の温度よりも小さい第２の温度以下になると共に前記第２の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給してから第１の所定時間経過した場合、前記第１の充電電流値の充電電流を前記２次電池に供給することを特徴とする請求項１記載の２次電池の充電方法。
3. 前記２次電池への充電電流を前記第２の充電電流値から前記第１の充電電流値に増加させる場合、第２の所定時間をかけて該充電電流を増加させることを特徴とする請求項１又は２記載の２次電池の充電方法。
4. 前記２次電池の電圧が第１の電圧以下の場合は、前記第１の充電電流値未満の電流で充電する予備充電を行うことを特徴とする請求項１、２又は３記載の２次電池の充電方法。
   

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