JP2008206259A - 充電システム、充電装置、及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】非水電解質二次電池の充電時間を短縮しつつ、電池特性の劣化を低減することができる充電システム、充電装置、及び電池パックを提供する。
【解決手段】充電電流供給部３５による充電電流Ｉｃの供給量を、二次電池１４１，１４２，１４３の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で二次電池１４１，１４２，１４３を実質的に劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流Ｉｅを超える電流値Ｉ１に設定する初期電流設定処理の実行後、電圧検出回路１５により検出される端子電圧Ｖｔが、二次電池１４１，１４２，１４３の負極電位が実質的に０Ｖになるときの組電池１４の端子電圧である終止電圧Ｖｆに達するまで、電圧検出回路１５により検出される端子電圧Ｖｔが増大するほど電流値が減少するように変化させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、非水電解質二次電池を充電する充電システム、充電装置、及び非水電解質二次電池を備えた電池パックに関する。

図４は、背景技術に係る定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電による二次電池の充電動作を説明するための説明図である。図４は、非水電解質二次電池、例えばリチウムイオン二次電池を充電する場合のリチウムイオン二次電池の端子電圧Ｖｔと、充電電流Ｉｃと、二次電池の充電深度ＳＯＣとを示している。

ＣＣＣＶ充電では、まず定電流（ＣＣ）充電を行って、リチウムイオン二次電池の端子電圧Ｖｔが終止電圧Ｖｆに達すると、定電圧（ＣＶ）充電に切り換わり、端子電圧Ｖｔを終止電圧Ｖｆに維持するように充電電流Ｉｃが減少されてゆき、充電電流Ｉｃが電流値Ｉａまで低下すると満充電と判定して充電電流の供給が停止される（例えば、特許文献１参照。）。

定電流充電では、充電電流Ｉｃが予め定める一定の電流Ｉ２が充電電流として非水電解質二次電池に供給される。そうすると、充電深度（ＳＯＣ：State Of Charge）の増大に伴い、非水電解質二次電池の正極電位Ｐｐは上昇し、負極電位Ｐｍは低下する。

図５は、リチウムイオン二次電池を充電した場合のＳＯＣと、開路時の正極電位Ｐｐｏ、負極電位Ｐｍｏ、及び閉路時において充電電流が供給されている状態における正極電位Ｐｐｃ，負極電位Ｐｍｃとの関係を示す説明図である。図５に示すように、まず、定電流充電によってリチウムイオン二次電池が充電され、ＳＯＣが増大するにつれて、正極電位Ｐｐｏは上昇し、負極電位Ｐｍｏは低下する。このとき、リチウムイオン二次電池に流れる充電電流によって、電池の内部抵抗における電圧降下が生じるため、充電中の実際の電極電位である正極電位Ｐｐｃは正極電位Ｐｐｏよりも高く、負極電位Ｐｍｃは負極電位Ｐｍｏよりも低くなる。

定電流充電により負極電位Ｐｍｃが０Ｖに達すると、正極電位Ｐｐｃと、負極電位Ｐｍｃとの電位差、すなわちリチウムイオン二次電池の端子電圧が基準電圧Ｖｅ、例えば４．２Ｖになる。定電流充電を終了する終止電圧Ｖｆは、単セルの場合、基準電圧Ｖｅにされており、複数のセルが直列接続された組電池の場合、基準電圧Ｖｅにリチウムイオン二次電池の直列セル数を乗じた値が設定されている。

そして、充電装置は、リチウムイオン二次電池の端子電圧が終止電圧Ｖｆに達すると、すなわち各セルの端子電圧が基準電圧Ｖｅに達し、負極電位Ｐｍｃが実質的に０Ｖになると、定電流充電から定電圧充電に切り替える。

ところで、リチウムイオン二次電池は、充電電流が大きいと、充電電流に対する充電反応に寄与する電流の比率である充電効率が電池の内部抵抗によって低下し、充電反応に寄与しない充電電流により生じるジュール熱が増大して電池温度が上昇する結果、サイクル寿命等の電池特性が劣化するという特性を有している。リチウムイオン二次電池の充電反応では、正極のコバルト酸リチウム中のリチウムがリチウムイオンとなり、負極炭素の層と層との間に移動する。また、セルの端子電圧が基準電圧Ｖｅ（例えば、４．２Ｖ）に近づく程、リチウムイオンが負極炭素の層と層との間に入りにくくなって充電効率の低下が顕著となり、充電反応に寄与しない充電電流によるジュール熱が増大するので、電池特性が劣化し易くなるという特性もある。

そのため、従来、セルの端子電圧が基準電圧Ｖｅのときに電池特性の劣化が実質的に生じない電流である基準電流値Ｉｅを、定電流充電の充電電流値Ｉ２として設定することで、定電流充電による電池特性の劣化を抑制するようにしていた。

一方、近年、リチウムイオン二次電池の高容量化が進むにつれて、基準電流値Ｉｅは減少する傾向にある。そのため、定電流充電の充電電流値Ｉ２として基準電流値Ｉｅを用いると、電池容量の増大と充電電流の減少との相乗効果によって、充電時間が増大してしまうという不都合があった。そこで、図４に示すように、市場ニーズに応じてリチウムイオン二次電池に要求されるサイクル寿命を満たす範囲で、可能な限り充電電流値Ｉ２を、基準電流値Ｉｅを超えて増大させ、ある程度のサイクル寿命の低下を許容しつつ充電時間を短縮することが行われている。
特開平６−７８４７１号公報

しかしながら、充電時間を短縮したいという市場ニーズがある一方、サイクル寿命を延ばしたいという市場ニーズも存在するため、上述のように充電時間を短縮するためにサイクル寿命が低下してしまうのは不都合である。また、定電流充電の充電電流値Ｉ２を、基準電流値Ｉｅを超える電流値に増大させると、リチウムイオン二次電池の端子電圧Ｖｔが終止電圧Ｖｆに達したことを検出して定電圧充電に移行するまでの遅延時間において、充電電圧が終止電圧Ｖｆを超える過電圧状態で充電されることになり、このような充放電サイクルが繰り返されると、過電圧による電池特性の劣化が蓄積、増大するという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、非水電解質二次電池の充電時間を短縮しつつ、電池特性の劣化を低減することができる充電システム、充電装置、及び電池パックを提供することを目的とする。

本発明に係る充電システムは、非水電解質二次電池と、前記非水電解質二次電池に充電電流を供給する充電電流供給部と、前記非水電解質二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を実質的に劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値の充電電流を、前記充電電流供給部に供給させる初期電流設定処理を行う第１充電制御部と、前記第１充電制御部による初期電流設定処理の実行後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、前記電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を変化させる第２充電制御部とを備える。

この構成によれば、第１充電制御部によって、充電電流供給部による非水電解質二次電池への充電電流の供給量が、非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を実質的に劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値に設定される。そして、第２充電制御部によって、電圧検出部により検出される端子電圧が、非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように変化される。この場合、充電電流の供給に伴い非水電解質二次電池が充電され、端子電圧が増大してゆく初期の段階、すなわち充電電流の増大による電池特性の劣化が生じにくいときに、基準電流値を超える第１電流値で充電が行われるので、非水電解質二次電池の充電時間を短縮することができる。また、非水電解質二次電池の充電電流は、電圧検出部により検出される非水電解質二次電池の端子電圧が増大して終止電圧に達するまで、端子電圧が増大するほど減少するので、非水電解質二次電池の端子電圧が終止電圧になる際の充電電流が減少される結果、電池特性の劣化を低減することができる。

また、前記第２充電制御部は、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記基準電流値まで低下させた後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記終止電圧に達するまで当該充電電流の供給量を前記基準電流値のまま維持させることが好ましい。

この構成によれば、前記第２充電制御部によって、充電電流供給部による充電電流の供給量が基準電流値まで低下された後、電圧検出部により検出される端子電圧が終止電圧に達するまで当該充電電流の供給量が、基準電流値のまま維持される。この場合、充電電流が、非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を実質的に劣化させることなく流すことのできる電流値まで減少した後は、それ以上充電電流が減少することなく、非水電解質二次電池の端子電圧が終止電圧に達するまで充電が継続されるので、過度に充電電流を減少させて充電時間を増大させるおそれを低減しつつ、電池特性の劣化を低減することができる。

また、前記第２充電制御部は、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記終止電圧に満たない値に予め設定された第１閾値電圧以上になった場合、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記基準電流値に設定することが好ましい。

この構成によれば、第２充電制御部によって、非水電解質二次電池の端子電圧が、充電電流供給部による充電電流の供給に伴い増大し、終止電圧に満たない値に予め設定された第１閾値電圧以上になった場合に非水電解質二次電池の充電電流が基準電流値に設定されるので、非水電解質二次電池の端子電圧が終止電圧になった際に流れる充電電流が、基準電流値を超えて非水電解質二次電池が劣化するおそれが低減される。

また、前記第２充電制御部は、さらに、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記第１閾値電圧に満たない値に予め設定された第２閾値電圧以上、かつ前記第１閾値電圧未満の電圧になった場合、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記第１電流値に満たず、かつ前記基準電流値を超える値に予め設定された第２電流値に設定することが好ましい。

この構成によれば、第２充電制御部によって、非水電解質二次電池の端子電圧が、充電電流供給部による充電電流の供給に伴い増大し、第１閾値電圧に満たない値に予め設定された第２閾値電圧以上、かつ第１閾値電圧未満の電圧になった場合、非水電解質二次電池の充電電流の供給量が、第１電流値に満たず、かつ基準電流値を超える値に設定される。非水電解質二次電池が充電されて端子電圧が第２閾値電圧以上、かつ第１閾値電圧未満の電圧になった中間的な領域では、充電初期より電池特性の劣化が生じやすくなっていると考えられるので、充電電流を第１電流値よりも少なく、かつ基準電流値を超える電流値に減少させることで、電池特性の劣化を低減しつつ、充電電流を増大させて充電時間を短縮することが容易である。

また、前記第２充電制御部は、さらに、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記終止電圧に達すると、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記終止電圧を維持するように、前記充電電流供給部による充電電流の供給量を減少させてゆく定電圧充電を開始することが好ましい。

この構成によれば、充電電流供給部により非水電解質二次電池に供給された充電電流によって、非水電解質二次電池が充電されて端子電圧が上昇し、電圧検出部により検出される非水電解質二次電池の端子電圧が終止電圧に達すると定電圧充電が開始され、非水電解質二次電池の端子電圧が端子電圧に維持されて過電圧により電池特性が劣化するおそれが低減されると共に、充電が進むにつれて充電電流が減少されてゆく結果、充電電流により生じるジュール熱の発生が低減されて電池特性が劣化するおそれが低減される。

また、本発明に係る充電装置は、非水電解質二次電池に接続するための接続端子と、前記接続端子に前記非水電解質二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給部と、前記接続端子に接続された非水電解質二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値の充電電流を、前記充電電流供給部に供給させる初期電流設定処理を行う第１充電制御部と、前記第１充電制御部による初期電流設定処理の実行後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、前記電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を変化させる第２充電制御部とを備える。

この構成によれば、本発明に係る充電装置の接続端子に非水電解質二次電池を接続して充電する場合に、非水電解質二次電池の充電時間を短縮しつつ、電池特性の劣化を低減することができる。

また、本発明に係る電池パックは、外部からの要求に応じて非水電解質二次電池を充電するための充電電流を出力する充電装置と接続される電池パックであって、非水電解質二次電池と、前記非水電解質二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記充電装置へ、前記充電電流の供給量を、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値に設定する指示を行う初期電流設定処理を行う第１充電制御部と、前記第１充電制御部による初期電流設定処理の実行後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、前記充電装置へ、前記電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように、前記充電電流の供給量を算出し、当該算出した供給量の前記充電装置への通知及び／又は要求を行う第２充電制御部とを備える。

この構成によれば、本発明に係る電池パックを、外部からの要求に応じて非水電解質二次電池を充電するための充電電流を出力する充電装置と接続して充電を行う場合に、電池パックが備える非水電解質二次電池の充電時間を短縮しつつ、電池特性の劣化を低減することができる。

とくに、複数個のセルを直列に接続して構成し、それぞれのセルの電圧を検出できる電池パックに用いると、それぞれのセルの電圧をモニターしながら、充電電流の供給量を算出し、充電装置の充電制御部へ通知及び／又は要求することができるので、充電時間を短縮しつつ、電池特性の劣化の低減をより精度よく実施するができ、好適である。

このような構成の充電システム、充電装置、及び電池パックは、第１充電制御部によって、充電電流供給部による非水電解質二次電池への充電電流の供給量が、非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を実質的に劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値に設定される。そして、第２充電制御部によって、電圧検出部により検出される端子電圧が、非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように変化される。この場合、充電電流の供給に伴い非水電解質二次電池が充電され、端子電圧が増大してゆく初期の段階、すなわち充電電流の増大による電池特性の劣化が生じにくいときに、基準電流値を超える第１電流値で充電が行われるので、非水電解質二次電池の充電時間を短縮することができる。また、非水電解質二次電池の充電電流は、電圧検出部により検出される非水電解質二次電池の端子電圧が増大して終止電圧に達するまで、端子電圧が増大するほど減少するので、非水電解質二次電池の端子電圧が終止電圧になる際の充電電流が減少される結果、電池特性の劣化を低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る充電装置３と電池パック２とからなる充電システム１の構成の一例を示すブロック図である。この充電システム１は、電池パック２に、それを充電する充電装置３を備えて構成されるが、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷機器をさらに含めて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電装置３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷機器に装着されて、負荷機器を通して充電が行われてもよい。

電池パック２は、接続端子１１，１２，１３、組電池１４（非水電解質二次電池）、電圧検出回路１５（電圧検出部）、電流検出抵抗１６、温度センサ１７、制御ＩＣ１８、及びＦＥＴ２１，２２を備えている。また、制御ＩＣ１８は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０１と、制御部２０２と、通信部２０３とを備えている。

充電装置３は、接続端子３１，３２，３３、制御ＩＣ３４、及び充電電流供給部３５を備えている。なお、制御部２０２を電池パック２に備える例に限られず、充電装置３に制御部２０２を備えるようにしてもよい。また、制御部２０２を電池パック２と充電装置３で分担して備えるようにしてもよい。

電池パック２および充電装置３は、給電を行う直流ハイ側の接続端子１１，３１と、通信信号の接続端子１２，３２と、給電および通信信号のための接続端子１３，３３とによって相互に接続される。前記負荷機器が設けられる場合も、同様の端子が設けられる。

なお、充電システム１は、必ずしも電池パック２と充電装置３とに分離可能に構成されるものに限られず、充電システム１全体で一つの電池回路として構成されていてもよい。この場合、接続端子１１，３１及び接続端子１３，３３は、組電池１４を充放電するための電流経路を充電電流供給部３５と接続するものであればよく、例えばコネクタであってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。

電池パック２では、接続端子１１は、放電用のＦＥＴ２１と充電用のＦＥＴ２２とを介して組電池１４の正極に接続されている。ＦＥＴ２１，２２としては、ｐチャネルのＦＥＴが用いられる。ＦＥＴ２１，２２は、寄生ダイオードの向きが互いに逆になるように接続されている。また、接続端子１３は、電流検出抵抗１６を介して組電池１４の負極に接続されており、接続端子１１からＦＥＴ２１，２２、組電池１４、及び電流検出抵抗を介して接続端子１３に至る電流経路が構成されている。

電流検出抵抗１６は、組電池１４の充電電流および放電電流を電圧値に変換する。組電池１４は、複数、例えば三個の二次電池１４１，１４２，１４３が直列に接続された組電池である。二次電池１４１，１４２，１４３は非水電解質二次電池であり、例えばリチウムイオン二次電池である。

温度センサ１７は、二次電池１４１，１４２，１４３の温度を検出する温度センサである。そして、二次電池１４１，１４２，１４３の温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。また、組電池１４の端子電圧Ｖｔ、及び二次電池１４１，１４２，１４３の各端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は電圧検出回路１５によってそれぞれ読取られ、制御ＩＣ１８内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。さらにまた、電流検出抵抗１６によって検出された充電電流Ｉｃの電流値も、制御ＩＣ１８内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。アナログデジタル変換器２０１は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２０２へ出力する。

制御部２０２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成され、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、充電制御部２１１（第１及び第２充電制御部）、及び保護制御部２１２として機能する。

充電制御部２１１は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値に応答して、充電装置３に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値を演算し、通信部２０３から接続端子１２，３２を介して充電装置３へ送信する。

具体的には、充電制御部２１１は、例えば、充電装置３から、所定の充電電流Ｉｃを供給させることにより定電流充電を実行し、組電池１４の端子電圧Ｖｔが予め設定された一定の終止電圧Ｖｆに達すると、終止電圧Ｖｆを印加して組電池１４を充電する定電圧充電に切り替えるいわゆるＣＣＣＶ充電を行う。なお、充電制御部２１１の充電方法はＣＣＣＶ充電に限られず、定電流充電の後にパルス状に充電電流を供給するパルス充電を行うものや、定電流充電の後に微少電流により充電を行うトリクル充電等を行うもの等、種々の充電方式を用いることができる。また、図略の負荷回路へ負荷電流を供給しながら組電池１４を充電する構成であってもよい。

また、充電制御部２１１は、定電流充電の実行期間において、充電電流供給部３５による充電電流Ｉｃの供給量を、予め設定された基準電流値Ｉｅを超える電流値Ｉ１（第１電流値）に増大させる初期電流設定処理の実行後、電圧検出回路１５により検出された組電池１４の端子電圧が、終止電圧Ｖｆに達するまで、電圧検出回路１５により検出される端子電圧Ｖｔが増大するほど電流値が減少するように変化させる電流減少処理を実行する。

基準電流値Ｉｅは、二次電池１４１，１４２，１４３の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で二次電池１４１，１４２，１４３を実質的に劣化させることなく、すなわち実使用上の劣化の影響をほとんど生じさせないで流すことのできる充電電流の電流値であり、例えば実験的に求めることができるが、基準電流値Ｉｅの具体的な値としては、０．７ＩｔＡ〜１．０ＩｔＡ（ＩｔＡ＝電池容量（Ａｈ）／１（ｈ））の範囲が好ましい。

また、二次電池１４１，１４２，１４３の負極電位Ｐｍｃが実質的に０Ｖになったときの、正極電位Ｐｐｃと、負極電位Ｐｍｃとの電位差、すなわち二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が、基準電圧Ｖｅ（約４．２Ｖ）として設定されている。そして、終止電圧Ｖｆは、例えば基準電圧Ｖｅに二次電池１４１，１４２，１４３の直列セル数である「３」を乗じた値が設定されている。

なお、「負極電位が実質的に０Ｖ」とは、二次電池１４１，１４２，１４３の温度等の環境条件や、製造上の特性バラツキ、測定誤差等によるバラツキの範囲を０Ｖに含む意であり、例えば負極電位が０Ｖ±０．１Ｖの範囲となることを示すものとする。

保護制御部２１２は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値から、接続端子１１，１３間の短絡や充電装置３からの異常電流などの電池パック２の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇等の異常を検出する。具体的には、例えば、電流検出抵抗１６によって検出された電流値が、予め設定された異常電流判定閾値を超えると、接続端子１１，１３間の短絡や充電装置３からの異常電流に基づく異常が生じたと判定し、例えば温度センサ１７によって検出された二次電池１４１，１４２，１４３の温度が予め設定された異常温度判定閾値を超えると、組電池１４の異常が生じたと判定する。そして、保護制御部２１２は、このような異常を検出した場合、ＦＥＴ１２，１３をオフさせて、過電流や過熱等の異常から、組電池１４を保護する保護動作を行う。

充電装置３では、充電制御部２１１からの要求を、制御ＩＣ３４において、通信手段である通信部３６で受信し、充電制御手段である制御部３７が充電電流供給手段である充電電流供給部３５（充電部）を制御して、要求に応じた電圧値、電流値、およびパルス幅で、充電電流を供給させる。充電電流供給部３５は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどから成り、入力電圧を、制御部３７で指示された電圧値、電流値、およびパルス幅に変換し、接続端子３１，１１；３３，１３を介して電池パック２へ供給する。

電池パック２及び充電装置３は、例えば電池の規格団体であるＳＢＳ−ＩＦ（Smart Battery System Implementers Forum）によって規格化されたＳｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍに準拠しており、充電制御部２１１は、例えばＳｍａｒｔ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｄａｔａのアドレス０ｘ１４［ｈｅｘ］に、充電電流の要求値を設定することにより、充電装置３に充電電流の要求指示を行うことができるようになっている。

なお、充電装置３は、制御部３７の代わりに充電制御部２１１を備え、充電制御部２１１からの要求により充電電流供給部３５の動作を制御してもよく、通信部２０３は、アナログデジタル変換器２０１により取得された端子電圧Ｖｔや充電電流Ｉｃを通信部３６を介して充電装置３に設けられた充電制御部２１１へ送信するようにしてもよい。この場合、通信部３６が電圧検出部の一例に相当する。

また、充電装置３は、電池パック２を充電するものに限られず、充電制御部２１１、電圧検出回路１５、電流検出抵抗１６等を備え、接続端子３１，３３に直接接続された組電池１４を充電するものであってもよい。

次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図２は、充電システム１の動作の一例を説明するための説明図である。また、図３は、充電システム１の動作の一例を示すフローチャートである。まず、充電制御部２１１によって、基準電流値Ｉｅを超える電流値Ｉ１の充電電流Ｉｃを要求する要求指示が、通信部２０３及び通信部３６を介して制御部３７へ送信される初期電流設定処理が実行され、制御部３７によって充電電流供給部３５の出力電流が電流値Ｉ１に設定されて、定電流充電が開始される（ステップＳ１）。そうすると、充電電流供給部３５から出力される充電電流Ｉｃが電流値Ｉ１に増大する（タイミングＴ１）。

電流値Ｉ１としては、組電池１４の公称定格容量をＣとした場合、例えば０．８Ｃの電流値が設定されている。例えば、組電池１４の公称定格容量Ｃが２４００ｍＡｈであれば、Ｉ１＝０．８Ｃ＝１９２０ｍＡとなる。そして、組電池１４が電流値Ｉ１の充電電流Ｉｃによって充電されるにつれて、端子電圧Ｖｔが徐々に増大する。

次に、充電制御部２１１によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｔと、予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ２（第２閾値電圧）とが比較され（ステップＳ２）、端子電圧Ｖｔが閾値電圧Ｖｔｈ２に達すると（ステップＳ２でＹＥＳ）、充電制御部２１１によって、充電電流Ｉｃを電流値Ｉ１から電流値Ｉ２へ減少させる旨の要求指示が、制御部３７へ送信され、制御部３７によって充電電流供給部３５の出力電流が電流値Ｉ２に設定される電流減少処理が実行される（ステップＳ３）。そうすると、充電電流供給部３５から出力される充電電流Ｉｃが電流値Ｉ２に減少する（タイミングＴ２）。

閾値電圧Ｖｔｈ２は、４．１０Ｖ以下、例えば４．１０Ｖ程度の電圧を好適に用いることができる。また、電流値Ｉ２としては、例えば０．７Ｃの電流値が設定されている。例えば、組電池１４の公称定格容量Ｃが２４００ｍＡｈであれば、Ｉ２＝０．７Ｃ＝１６８０ｍＡとなる。

次に、充電制御部２１１によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｔと、予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ１（第１閾値電圧）とが比較され（ステップＳ４）、端子電圧Ｖｔが閾値電圧Ｖｔｈ１に達すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、充電制御部２１１によって、充電電流Ｉｃを電流値Ｉ２から電流値Ｉ３へ減少させる旨の要求指示が、制御部３７へ送信され、制御部３７によって充電電流供給部３５の出力電流が電流値Ｉ３に設定される電流減少処理が実行される（ステップＳ５）。そうすると、充電電流供給部３５から出力される充電電流Ｉｃが電流値Ｉ３に減少する（タイミングＴ３）。

閾値電圧Ｖｔｈ１は、閾値電圧Ｖｔｈ２を超え、かつ終止電圧Ｖｆに満たない電圧、例えば４．１５Ｖ程度の電圧を好適に用いることができる。また、電流値Ｉ３は、例えば実験的に求められた基準電流値Ｉｅ以下の電流値、例えば基準電流値Ｉｅに設定されている。基準電流値Ｉｅは、セルによって異なり、特に高容量のセルほど基準電流値Ｉｅが小さくなる傾向があるが、例えば０．５Ｃ程度の電流値となる。例えば、組電池１４の公称定格容量Ｃが２４００ｍＡｈであれば、Ｉ３＝Ｉｅ＝０．５Ｃ＝１２００ｍＡとなる。

次に、充電制御部２１１によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｔと、予め設定された終止電圧Ｖｆとが比較され（ステップＳ６）、端子電圧Ｖｔが終止電圧Ｖｆに達すると（ステップＳ６でＹＥＳ）、充電制御部２１１によって、定電流充電から定電圧充電に切り替えられる。そして、充電制御部２１１によって、終止電圧Ｖｆを出力すべき旨の要求指示が制御部３７へ送信され、制御部３７によって、充電電流供給部３５の出力電圧が終止電圧Ｖｆに設定される（ステップＳ７）。そうすると、充電電流供給部３５によって、接続端子３１，３３間に終止電圧Ｖｆが印加され、接続端子１１，１３を介して組電池１４の両端に終止電圧Ｖｆが印加されて定電圧充電が開始される（タイミングＴ４）。

定電圧充電の実行中は、充電制御部２１１からの指示に応じて、電圧検出回路１５で検出される端子電圧Ｖｔが終止電圧Ｖｆを維持するように、充電電流供給部３５から供給される充電電流Ｉｃが減少されてゆく。そして、充電制御部２１１によって、電流検出抵抗１６で検出された充電電流Ｉｃと、予め設定された電流値Ｉａとが比較され（ステップＳ８）、充電電流Ｉｃが電流値Ｉａ以下になると（ステップＳ８でＹＥＳ）満充電と判定されて充電電流の供給が停止される（ステップＳ９）。

以上、ステップＳ１，Ｓ２の処理により、組電池１４の端子電圧Ｖｔが閾値電圧Ｖｔｈ２に満たないほど低く、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と基準電圧Ｖｅ（例えば、４．２Ｖ）との差が大きいために、充電電流の増大による電池特性の劣化が生じにくいときは、充電電流Ｉｃを、基準電流値Ｉｅを超える電流値Ｉ１に増大させる初期電流設定処理（タイミングＴ１〜Ｔ２）を行うことで、電池特性の劣化を低減しつつ、充電電流Ｉｃを増大させて充電時間を短縮することが容易である。

この場合、図４に示す背景技術のように、基準電流値Ｉｅを超える電流値Ｉ２を、定電流充電の終了まで、すなわち二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が基準電圧Ｖｅになって充電電流の増大による電池特性の劣化が生じ易くなるまで維持する場合と比べて電池特性の劣化を低減しつつ、電流値Ｉ２よりさらに大きな電流値を電流値Ｉ１として設定することで、充電時間を短縮することが容易である。

また、ステップＳ３，Ｓ４の処理により、定電流充電によって組電池１４の端子電圧Ｖｔが上昇し、閾値電圧Ｖｔｈ２に達したもののまだ閾値電圧Ｖｔｈ１に満たず、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と基準電圧Ｖｅとの差が一定以上ある中間的な領域（タイミングＴ２〜Ｔ３）では、タイミングＴ１〜Ｔ２より電池特性の劣化が生じやすくなっていると考えられるので、充電電流Ｉｃを、電流値Ｉ１よりも減少させ、かつ基準電流値Ｉｅを超える電流値Ｉ２に設定することで、電池特性の劣化を低減しつつ、充電電流Ｉｃを増大させて充電時間を短縮することが容易である。この場合の電流値Ｉ２としては、例えば図４に示す背景技術における電流値Ｉ２と同程度の電流値を設定することができる。

また、ステップＳ５，Ｓ６の処理により、定電流充電によって組電池１４の端子電圧Ｖｔが上昇し、閾値電圧Ｖｔｈ１に達して、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と基準電圧Ｖｅとの差がわずかになると、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が基準電圧Ｖｅになってもサイクル寿命等の電池特性を実質的に劣化させない基準電流値Ｉｅまで、充電電流Ｉｃが減少されるので、電池特性の劣化を低減することができる。また、組電池１４の端子電圧Ｖｔが終止電圧Ｖｆになる前に、充電電流Ｉｃが基準電流値Ｉｅに低下されるので、背景技術のように、端子電圧Ｖｔが終止電圧Ｖｆに達したことを検出して定電圧充電に移行するまでの遅延時間において、充電電圧が終止電圧Ｖｆを超える過電圧状態で充電されて、過電圧により電池特性が劣化するおそれが低減される。

なお、電流減少処理において、閾値電圧Ｖｔｈ２と閾値電圧Ｖｔｈ１とを設けて、充電電流Ｉｃを電流値Ｉ１から電流値Ｉ２へ、電流値Ｉ２から電流値Ｉ３へ、二段階で減少させる例を示したが、例えば閾値電圧Ｖｔｈ２を設けず、電流値Ｉ１から電流値Ｉ３へ一度に減少させるようにしてもよい。

また、電流減少処理において、閾値電圧Ｖｔｈ２と終止電圧Ｖｆとの間に、複数の閾値電圧を設け、端子電圧Ｖｔが各閾値電圧に達する都度、充電電流Ｉｃを減少させることで、充電電流Ｉｃを滑らかに減少させるようにしてもよい。

また、定電流充電領域において、必ずしも充電電流Ｉｃを一定の電流値に維持する期間を設ける必要はなく、充電電流Ｉｃを、初期電流設定処理によって増大させた後、基準電流値Ｉｅ以下の電流値に向かって徐々に、滑らかに、あるいは段階的に減少させるようにしてもよい。

本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置として使用される充電システム、これら電池搭載装置の電源として用いられる電池パック、及びこのような電池パックを充電する充電装置として好適に利用することができる。

本発明の一実施形態に係る充電装置と電池パックとからなる充電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す充電システムの動作の一例を説明するための説明図である。 図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。 背景技術に係る定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電による二次電池の充電動作を説明するための説明図である。 リチウムイオン二次電池を充電した場合のＳＯＣと、開路時の正極電位Ｐｐｏ、負極電位Ｐｍｏ、及び閉路時の充電電流が供給されている状態における正極電位Ｐｐｃ，負極電位Ｐｍｃとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 充電システム
２ 電池パック
３ 充電装置
１１，１２，１３，３１，３２，３３ 接続端子
１４ 組電池
１５ 電圧検出回路
１６ 電流検出抵抗
１８，３４ 制御ＩＣ
３５ 充電電流供給部
３６，２０３ 通信部
３７，２０２ 制御部
１４１，１４２，１４３ 二次電池
２１１ 充電制御部
２１２ 保護制御部
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３ 電流値
Ｉｃ 充電電流
Ｉｅ 基準電流値
Ｖｔ 端子電圧
Ｖｅ 基準電圧
Ｖｆ 終止電圧

Claims (8)

1. 非水電解質二次電池と、
   前記非水電解質二次電池に充電電流を供給する充電電流供給部と、
   前記非水電解質二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を実質的に劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値の充電電流を、前記充電電流供給部に供給させる初期電流設定処理を行う第１充電制御部と、
   前記第１充電制御部による初期電流設定処理の実行後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、前記電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を変化させる第２充電制御部と
   を備えることを特徴とする充電システム。
2. 前記第２充電制御部は、
   前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記基準電流値まで低下させた後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記終止電圧に達するまで当該充電電流の供給量を前記基準電流値のまま維持させること
   を特徴とする請求項１記載の充電システム。
3. 前記第２充電制御部は、
   前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記終止電圧に満たない値に予め設定された第１閾値電圧以上になった場合、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記基準電流値に設定すること
   を特徴とする請求項１又は２記載の充電システム。
4. 前記第２充電制御部は、
   さらに、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記第１閾値電圧に満たない値に予め設定された第２閾値電圧以上、かつ前記第１閾値電圧未満の電圧になった場合、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記第１電流値に満たず、かつ前記基準電流値を超える値に予め設定された第２電流値に設定すること
   を特徴とする請求項３記載の充電システム。
5. 前記第２充電制御部は、
   さらに、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記終止電圧に達すると、前記電圧検出部により検出される端子電圧が前記終止電圧を維持するように、前記充電電流供給部による充電電流の供給量を減少させてゆく定電圧充電を開始すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電システム。
6. 非水電解質二次電池に接続するための接続端子と、
   前記接続端子に前記非水電解質二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給部と、
   前記接続端子に接続された非水電解質二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値の充電電流を、前記充電電流供給部に供給させる初期電流設定処理を行う第１充電制御部と、
   前記第１充電制御部による初期電流設定処理の実行後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、前記電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように、前記充電電流供給部による前記充電電流の供給量を変化させる第２充電制御部と
   を備えることを特徴とする充電装置。
7. 外部からの要求に応じて非水電解質二次電池を充電するための充電電流を出力する充電装置と接続される電池パックであって、
   非水電解質二次電池と、
   前記非水電解質二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記充電装置へ、前記充電電流の供給量を、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになった状態で当該非水電解質二次電池を劣化させることなく流すことのできる充電電流の電流値として予め設定された基準電流値を超える第１電流値に設定する指示を行う初期電流設定処理を行う第１充電制御部と、
   前記第１充電制御部による初期電流設定処理の実行後、前記電圧検出部により検出される端子電圧が、前記非水電解質二次電池の負極電位が実質的に０Ｖになるときの当該非水電解質二次電池の端子電圧である終止電圧に達するまで、前記充電装置へ、前記電圧検出部により検出される端子電圧が増大するほど電流値が減少するように、前記充電電流の供給量を算出し、当該算出した供給量の前記充電装置への通知及び／又は要求を行う第２充電制御部と
   を備えることを特徴とする電池パック。
8. 前記電池パックが、複数個のセルを直列に接続して構成されており、前記電圧検出部は、それぞれのセルの電圧を検出可能に構成されていること
   を特徴とする請求項７記載の電池パック。

Images