JP2009106118A

JP2009106118A - 充電装置

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Publication number: JP2009106118A
Application number: JP2007277053A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Aradate; 卓央荒舘; Kazuhiko Funabashi; 一彦船橋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: JP5418871B2

Abstract

【課題】本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池を定電流・定電圧充電制御方式で充電するための充電装置に関し、特に、充電すべき二次電池の内部抵抗等の種類に対応して充分な充電容量を確保することを目的とする。
【解決手段】
制御回路装置５０は、基準となる二次電池について、定電流充電時間の判別値ｔｃと、該定電流充電時間の判別値ｔｃの大きさに応じて大きく決定された、前記終止電流値ＩｐおよびＩｑとの関係を予め記憶しておき、充電を行う二次電池２について、定電流充電時間ｔｃを実測し、該実測時間値を前記定電流充電時間の判別値ｔｃと比較し、実測時間値ｔｃの大きさに応じて満充電と判別する終止電流値をＩｐまたはＩｑに設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池を定電流・定電圧充電制御方式で充電するための充電装置に関し、特に、充電すべき二次電池の内部抵抗等の種類に対応して充分な充電容量を確保することが可能な充電装置に関する。

一般に、繰り返し充電が可能な二次電池は、電動工具等の携帯用機器の電源として利用され、容量がなくなる毎に機器から取り外されて充電装置で充電した後に、再び携帯用機器に装着されるという作業を繰り返し、多数回の使用が可能になる。この種の二次電池としては、出力密度が高いリチウムイオン電池が広く使用されつつある。

リチウムイオン電池の充電には、充電を行う二次電池に対して定電流を通電した後に、定電圧を印加する定電流・定電圧充電制御方式が使用されている。この定電流・定電圧充電制御方式における満充電の判定は、下記特許文献１に示されるように、定電流充電の期間が終了した後に、定電圧充電制御に移行し、定電圧充電制御では、充電電流が定電流値から降下するので、充電電流が所定の終止電流値以下に達した時に、二次電池は満充電と判別する方法が一般に採用されている。

特開平２−１９２６７０号公報

しかしながら、定電流・定電圧充電制御方式において、二次電池は電池内部の材料、構造、製造方法等により異なる充電特性を示すため、終止電流を、単純に、電池種に従って一律にある所定値に設定して、その設定した所定値に充電電流が降下したか否かによって満充電を判別するだけでは、二次電池の種類による充電特性の違いから適切な充電が行われない場合がある。

例えば、リチウムイオン電池を定電流・定電圧充電制御にて充電を行う場合、内部抵抗が高い二次電池を充電する場合には、内部抵抗が比較的低いものに比べ、電池電圧の上昇率が高くなるため、早い時点で定電圧に達してしまう。この場合、定電流充電によって電池電圧が定電圧に達した後に、充電電流は刻々と降下して所定電流値（終止電流値）以下に減少した時に、満充電と判別して充電を終了する。一方、比較的内部抵抗が低い二次電池を充電する場合は、電池電圧の上昇率が低いため、比較的長い時間、定電流で充電が行われ、しかる後に、充電電流が降下して上記の場合と同一に設定された終止電流値までさらに減少すると、満充電と判別して充電を終了する。この結果、図６の充電特性図に示すように、内部抵抗小ＲＳの電池における定電流Ｉｃでの充電時間ｔｃ２は、内部抵抗大ＲＬの電池における定電流充電時間ｔｃ１に比較して長くなる。

このように、本発明者の検討によれば、二次電池の内部抵抗の違いに基づいて充電特性に差異が生ずるため、図６に示すように、定電流充電後の定電圧充電時における充電電流の終止電流を一律に所定値Ｉｒに設定して満充電の判別を行うと、内部抵抗の大きい二次電池を充電する場合は、充分な充電が行われず、充電容量の不足を来す場合があることが分かった。すなわち、従来の満充電の判別法では、二次電池の公称容量を充分確保できない場合があることが分かった。

従って、本発明の目的は、かかる問題を解決するために、リチウムイオン電池等の二次電池を定電流・定電圧充電制御方式で充電するための充電装置において、充電特性に応じた適切な満充電を行うことにある。

上記課題を解決するために本発明に従って開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴によれば、二次電池を定電流・定電圧充電制御方式で充電する充電装置であって、前記定電流を通電するための充電電流制御回路と、前記定電圧を印加するための充電電圧制御回路と、前記充電電流制御回路および前記充電電圧制御回路を制御するための制御回路装置とを具備し、充電電流が前記定電流値より所定の終止電流値に降下した際に満充電と判別して充電を終了させる充電装置において、前記制御回路装置は、前記終止電流値を変更できるように構成し、かつ前記二次電池の電池電圧および電池温度に基づいて、前記終止電流値を変更するための判別値を設定できるように構成する。

本発明の他の特徴によれば、前記判別値は、充電開始前の前記電池電圧および前記電池温度に基づいて設定できるように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記判別値は、充電開始前の前記電池電圧が第１所定値より小さい場合、前記電池温度に対応した少なくとも第１判別値および第２判別値を有し、かつ充電開始前の前記電池電圧が前記第１所定値以上であって該第１所定値より大きい第２所定値以下の場合、前記電池温度に対応した少なくとも第３判別値および第４判別値を有し、前記第１判別値、前記第２判別値、前記第３判別値および前記第４判別値は、互いに異なる値であって、前記二次電池の充電開始前の電池電圧および電池温度に基づいて選択される。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記判別値は、前記二次電池に定電流を充電する充電時間、または前記二次電池の充電開始から所定時間経過後の電池電圧によって規定されている。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記判別値は前記二次電池に定電流を充電する充電時間によって規定され、前記制御回路装置は、前記判別値と前記終止電流値との関係を予め記憶しておき、前記定電流充電時間を実測し、該実測時間値を前記定電流充電時間の前記判別値と比較し、前記比較結果に応じて満充電と判別する前記終止電流値を設定する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記判別値は充電開始から所定時間経過後の電池電圧によって規定され、前記制御回路装置は、前記判別値と前記終止電流値との関係を予め記憶しておき、充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧を実測し、該実測電池電圧値を前記電池電圧の前記判別値と比較し、前記比較結果に応じて満充電と判別する前記終止電流値を設定する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記制御回路装置は、充電開始前の電池電圧の基準値と前記定電流充電時間の前記判別値または前記充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧の前記判別値との関係を予め記憶しておき、充電開始前の電池電圧を実測し、該充電開始前の電池電圧実測値と、前記定電流充電時間実測値または前記充電開始から所定時間経過後の前記電池電圧実測値との大きさに応じて、満充電と判別する前記終止電流値を設定する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電装置は前記二次電池の温度を検出するための温度検出回路をさらに具備し、前記制御回路装置は、充電開始前の電池温度の基準値と前記定電流充電時間の前記判別値または前記充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧の前記判別値との関係を予め記憶しておき、充電開始前の電池温度を実測し、該充電開始前の電池温度実測値と、前記定電流充電時間実測値または前記充電開始から所定時間経過後の前記電池電圧実測値との大きさに応じて、満充電と判別する前記終止電流値を設定する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電装置は前記二次電池のセル数を判別するためのセル数判別回路をさらに具備し、前記制御回路装置は、セル数の基準値と前記定電流充電時間の判別値または前記充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧の判別値との関係を予め記憶しておき、前記二次電池のセル数を実測し、該二次電池のセル数実測値と、前記充電開始から所定時間経過後の前記電池電圧実測値との大きさに応じて、満充電と判別する前記終止電流値を設定する。

本発明のさらに他の特徴によれば、二次電池に対して定電流を通電した後に、定電圧を印加する定電流・定電圧充電制御方式の充電装置であって、前記定電流を通電するための充電電流制御回路と、前記定電圧を印加するための充電電圧制御回路と、前記充電電流制御回路および前記充電電圧制御回路を制御するための制御回路装置とを具備し、充電電流が前記定電流値より所定の終止電流値に降下した際に満充電と判別して充電を終了させる充電装置において、前記制御回路装置は、前記二次電池の内部抵抗の大小を判別し、該内部抵抗が大きいものと判別された場合は、該内部抵抗が小さいものと判別された場合に比較して、満充電と判別する前記終止電流値を小さく設定する。

上記本発明の特徴によれば、二次電池を定電流・定電圧充電制御方式で充電する充電装置において、充電すべき二次電池の電池電圧および電池温度に基づいて、満充電と判別するための終止電流値を変更するための判別値を設定するので、判別値を規定する定電流の充電時間、所定時間経過後の充電電圧等の実測値を判別値と比較することによって満充電と判別する終止電流値を変更することができる。これにより、満充電と判別する終止電流値を二次電池の初期特性に応じて変更することが可能となり、二次電池の充電完了前の特性に応じて適切な電池容量を持つように充電することが可能となる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴および利点は、以下の本明細書の記述および添付図面からさらに明らかとなるであろう。

最初に、本発明の一実施形態に係る充電装置の回路構成について、図１に示した回路図を参照して説明する。

図１において、充電装置３００によって充電すべき電池パック（二次電池）２は、単数または直列接続された複数の充電可能な、リチウムイオン電池セル２ａと、電池パック２内の電池温度を検出するために、電池セル２ａに接触または近接して配置されたサーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子２ｂとから成る。さらに、電池パック２は電池セル２ａのセル数を判別するための電池種判別手段２ｃを有する。この電池種判別手段２ｃは、本実施形態では、電池種によって異なる抵抗値を持つ抵抗２ｃから成るが、電池種を種別コードで表示して、コードを読み出すように構成しても良い。例えば、電池パック２は、電池セル２ａが公称電圧３．６Ｖの電圧を有するリチウムイオン電池（セル）を４個直列接続したもの（４セル）から成り、その出力電圧は１４．４Ｖである。

電池パック２に充電電力を供給するための充電電源回路（第１の電源回路）２００は、第１の整流平滑回路１０と、スイッチング電源回路２０と、第２の整流平滑回路３０とから構成される。

第１の整流平滑回路１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２とから成り、商用交流電源等の交流電源１を全波整流する。スイッチング電源回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次コイルに直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２２と、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるためのＰＷＭ制御ＩＣ（スイッチング制御ＩＣ）２３とを備える。ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、ホトカプラから成る充電制御信号伝達手段４および充電帰還信号伝達手段５より入力される制御入力信号に基づいて、ＭＯＳＦＥＴ２２の充電動作の開始および停止を制御し、かつＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、ＭＯＳＦＥＴ２２のオン時間を制御し、整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。第２の整流平滑回路３０はトランス２１の２次コイル側に接続されたダイオード３１および３２、チョークコイル３３、ならびに平滑用コンデンサ３４および放電用抵抗３５から成る。

充電電源回路2００の出力側３０ａには充電するための電池パック２が接続される。一方、充電電源回路２００には、充電電流制御回路６０および定電圧制御回路８０が電気的に接続される。

充電電流制御回路６０は、オペアンプ（演算増幅器）６１ａおよび６１ｂと、オペアンプ６１ａおよび６１ｂの入力抵抗６２および６４と、オペアンプ６１ａおよび６１ｂの帰還抵抗６３および６５と、充電電流設定回路を構成する抵抗６６および抵抗６７と、ダイオード６９およびダイオード電流制限用抵抗６８からなる出力回路とから構成されたオペアンプ多段接続回路を含む。設定充電電流に対応する設定電位を与える分圧抵抗６６および６７には、マイコン５０等の駆動電源Ｖｃｃを給電する、後述の定電圧電源１００の出力電圧（Ｖｃｃ）が印加される。充電電流制御回路６０の入力側は電池パック２の充電電流を検出するための抵抗から成る電流検出手段３に接続される。また、その出力側は、上述したように、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３を制御する。このような構成に基づき充電電流制御回路６０は電池パック２に供給する充電電流を定電流値に制御する。なお、オペアンプ６１ａの出力はＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄポート）５２に入力され、その値はマイコン５０において電流値として取込まれる。

定電圧制御回路８０は、オペアンプ８１と、反転入力端子（−）側の入力抵抗８２と、帰還抵抗８４と、非反転入力端子（＋）側の入力抵抗８３と、ダイオード８９およびダイオード電流制限用抵抗８５から成る出力回路とから構成される。定電圧制御回路８０の入力側は、抵抗４１および抵抗４２から成る充電電源の出力電圧検出回路４０に接続され、上述した充電電源回路２００の出力側３０ａのフィードバック用検出電圧が入力される。その出力側は、上記充電電流制御回路６０の出力側と同様に、ホトカプラから成る充電帰還信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３を制御する。従って、ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、上記充電電流制御回路６０または定電圧制御回路８０の出力信号（フィードバック信号）により制御されることになる。

さらに、オペアンプ８１の非反転入力端子には抵抗８３を介して出力電圧設定回路８０ａが接続される。出力電圧設定回路８０ａは、抵抗８６〜８８から構成される。出力電圧設定回路８０ａからオペアンプ８１の非反転入力（＋）へ供給する設定電圧は、後述するマイコン５０の出力ポート５３ｂに抵抗８８の一端を接続し、出力ポート５３ｂからハイまたはロー信号を出力することにより抵抗８８を抵抗８７に並列接続するか否か制御する。これによってセル数の異なる充電電圧値を設定する。該設定電圧値に応じた定電圧制御回路８０のフィードバック作用によって、第２の整流平滑回路３０の出力電圧（出力端子３０ａの電圧）が所定の出力電圧値に制御される。

従って、定電圧制御回路８０は出力電圧設定回路８０ａと共に、充電電源回路２００の出力電圧を設定するための出力電圧制御回路を構成する。

充電電源回路２００、充電電流制御回路６０、定電圧制御回路８０、出力電圧設定回路８０ａ、および電池温度検出回路７０等の動作は、マイコン（制御回路装置）５０によって制御される。

マイコン５０は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（中央処理装置）５１の他に、ＣＰＵ５１の制御プログラム、電池パック２の電池種に関するデータ、後述する図３および図４に示すような基準となる二次電池について、満充電判定に必要な終止電流の設定値と、充電前の電池電圧（Ｖｏ）の基準値、充電前の電池温度（Ｔｏ）の基準値、定電流充電時間の判別値（ｔｃ）、検出時間の判別値（Ｖｘ）等との関係を格納するリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）５５、ＣＰＵ５１の作業領域やデータの一時記憶領域などとして利用されるランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）５６、および充電時間等の計測に使用するタイマ５７等を具備している。さらに、マイコン５０は、上記した電池種判別抵抗２ｃおよび抵抗６、電池電圧検出回路７および電池温度検出回路７０によって検出されたアナログ入力信号をデジタル出力信号に変換するための上記Ａ／Ｄコンバータ５２と、上記出力電圧設定回路８０ａに制御信号を出力するための出力ポート５３ｂと、充電制御信号伝達手段４に充電の開始または停止を制御する制御信号を出力するための出力ポート５３ａと、電源投入時にリセット信号を入力するためのリセット入力ポート５４とを具備する。

電池パック２の感温素子２ｂは、駆動電源電圧Ｖｃｃが給電された直列抵抗７１および７２から成る電池温度検出回路７０に接続され、抵抗値の温度変化を電圧に変換し、マイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力される。

電池パック２の電池種判別抵抗２ｃは、上述したように電池パック２のセル数に対応する抵抗値を持つので、一端が駆動電源Ｖｃｃに接続された抵抗６と共に分圧回路を構成し、その分圧電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力し、マイコン５０によって電池パック２の電池の種類（セル数）を判別する。

電池パック２の電池電圧は、分圧用抵抗７ａおよび７ｂから成る電池電圧検出回路７によって検出電圧として分圧され、マイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２に入力される。

電池パック２の充電を開始または停止させる制御信号は、マイコン５０の制御プログラムに従って、その出力ポート５３ａより充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３の制御入力へ供給される。充電制御信号伝達手段４より充電開始の制御信号を受信すれば、ＰＷＭ制御ＩＣ２３によって、ＭＯＳＦＥＴ２２はスイッチング動作を開始し、逆に充電停止の制御信号を受信すれば、ＭＯＳＦＥＴ２２はスイッチング動作を停止する。

定電圧電源１００は、マイコン５０、充電電流制御回路６０、充電電圧制御回路８０（充電電圧設定回路８０ａを含む）、電池温度検出回路７０、電池種判別の検出抵抗６等の駆動電源電圧Ｖｃｃを供給するために設けられる。この電源１００は、商用交流電源１を整流する第１の整流平滑回路１０より分岐され、上記第１の電源回路である充電電源回路２００とは別系統の第２の電源回路として設けられる。

定電圧電源１００は、電源トランス１０２と、電源トランス１０２の１次コイル１０２ａの閉回路に設けられたスイッチング電源用ＩＣ（ＰＷＭ制御ＩＣとＦＥＴを含む）１０１と、スイッチング電源用ＩＣ１０１によって発生したパルス電圧を電源トランス１０２の２次コイル１０２ｂ側で整流する整流ダイオード１０３および平滑コンデンサ１０４と、フィードバック回路装置１０５、シャントレギュレータ１０６、出力電圧を設定する分圧抵抗１０７、１０８および平滑用コンデンサ１０９から成る定電圧化回路と、３端子レギュレータ１１０および平滑用コンデンサ１１１から成る定電圧Ｖｃｃを出力する定電圧出力回路と、定電圧出力側に設けられたリセットＩＣ１１２とから構成される。定電圧電源１００のリセットＩＣ１１２は、電源投入時などにマイコン５０を初期状態にするために、マイコン５０のリセット入力ポート５４にリセット信号を出力する機能を有する。

直流電源回路９０は、上記ＰＷＭ制御ＩＣ２３を駆動するための電源回路で、電源トランス１０２の第２の２次コイル９２に接続された整流用ダイオード９１および平滑用コンデンサ９３から成り、この電源回路も上記充電電源回路２００と別系統の電源回路として構成されている。

表示回路１２０は、電池パック２の充電状態を表示するために設けられ、例えば、赤色ＬＥＤ（Ｒ）および緑色ＬＥＤ（Ｇ）から成る表示回路１２１と、表示回路１２１の電流を制限する抵抗１２２、１２３とを具備する。表示回路１２０は、マイコン５０の出力ポート５３ｂの出力信号によって、赤色ＬＥＤ（Ｒ）の赤色または緑色ＬＥＤ（Ｇ）の緑色を点灯させ、さらに、両ＬＥＤ（Ｒ）、（Ｇ）を同時に発光させて橙色を点灯させる。本実施形態では、充電前には赤色を点灯させ、充電中は橙色を点灯させ、さらに充電終了時には緑色を点灯させるようにマイコン５０によって制御する。

図６に示すように、従来の充電特性図によれば、一律に終止電流Ｉｒが設定され、電池の内部抵抗の大小（ＲＬまたはＲＳ）によって、定電流Ｉｃの充電時間または電池電圧の上昇率が大きく変化する。すなわち、内部抵抗が大きい電池（ＲＬ）は、小さい電池（ＲＳ）に比べて、定電流Ｉｃの充電時間ｔｃが短くなる（ｔｃ１＜ｔｃ２）。一方、所定時間ｔｄ経過後の電池電圧（検出電圧）Ｖｘは大きくなる。このとき、従来、二次電池の内部抵抗の大小（ＲＬまたはＲＳ）にかかわらず、満充電を判別する終止電流を一律Ｉｒに設定して判別していたので、内部抵抗の大きい二次電池は、充分な充電容量を確保できないという問題が生じた。

本発明では、このような充電特性に着眼し、図２の充電特性図に示すように、この定電流Ｉｃで充電が行われている時間ｔｃによって内部抵抗の大小（ＲＬまたはＲＳ）に起因して決定される、例えば、定電流Ｉｃの充電時間ｔｃの大小を検出し、この充電時間ｔｃの大小を判別値として満充電を判別するための複数の終止電流値（ＩｐまたはＩｑ）を設定する。

一方、図２の充電特性図に示すように、内部抵抗が大きい電池（ＲＬ）は、小さい電池（ＲＳ）に比べて、電池電圧の上昇率が大きくなるので、充電開始後における所定時間ｔｄ経過後の電池電圧Ｖｘを検出し、この電池電圧Ｖｘの大小に対応して、電池種に従った複数の終止電流値を設定するための判別値を規定する。

ここで、定電流充電時間ｔｃの長短の程度、または電池電圧Ｖｘの上昇の程度は、充電前の電池電圧Ｖｏ（残容量）および充電前の電池温度（Ｔｏ）によって異なっていることに着目して終止電流の大小を決定する。すなわち、図２に示すように、充電前の電池電圧Ｖｏ、すなわち電池の残容量が多い程、または電池温度Ｔｏが低いほど電池電圧Ｖｘの上昇の程度は大きいので、本発明では、充電開始前の電池電圧Ｖｏおよび充電開始前の電池温度Ｔｏに対応して判別値を設定し、満充電判別のための終止電流の設定値（ＩｐまたはＩｑ）を使い分ける。

以上の観点から、本発明によれば、二次電池の種類（構造、構成材料、特性等）を考慮して基準となる二次電池について、図３または図４に例示すような満充電の判別値と判別方法を採用する。すなわち、図３に示す満充電の判別方法では、まず充電前の電池電圧Ｖｏが、電圧Ｖ１より小さく残容量が少ない場合、電圧Ｖ１〜Ｖ２の範囲で残容量が中程度の場合、電圧Ｖ２より大きく残容量が多い場合の３区分に区分けして満充電を判別するための複数の終止電流値ＩｐまたはＩｑを設定する。また、充電前の電池温度Ｔｏについても、Ｔ１以上か、またはＴ１より低いかで、満充電を判別するための終止電流値ＩｐまたはＩｑを設定する。さらに、定電流の充電時間ｔｃの長短に対応した判別値ｔ１〜ｔ４を設定し、充電時間の実測値と判別値との関係より、終止電流値ＩｐまたはＩｑを設定する。

すなわち、図３に示すように、充電前の電池電圧Ｖｏが第１の基準電圧Ｖ１より小さく、充電前の電池温度Ｔｏが第１の基準温度Ｔ１以上の場合、定電流充電時間判別値ｔｃをｔ２に設定し、この判別値ｔ２に対して実測時間の方が大きい場合、終止電流値を高い電流Ｉｑ（内部抵抗小ＲＳと判断）に設定する。同様に、充電開始前の電池電圧Ｖｏおよび電池温度Ｔｏから定電流充電時間判別値ｔｃを決定し、その決定した判別値に対する実測時間の大小に応じて終止電流値ＩｑまたはＩｐを設定する。

なお、充電開始前の電池電圧ＶｏがＶ２より高い（大きい）場合に判別を行わない理由は、満充電状態に近い電池は、内部抵抗の高低にかかわらず、電池温度の上昇の程度が高く、かつ同程度であるため判別を行う必要がないためである。

同様に、図４に例示するような判別方法では、図３に示す方法と同様に、充電前の電池電圧Ｖｏまたは充電前の電池温度Ｔｏに対応して満充電を判別するための終止電流値ＩｑまたはＩｐを判別するための判別値を設定する。この判別値は、充電開始後、所定時間ｔｄを経過した後に、上昇電池電圧Ｖｘを検出し、その大小関係に対応して満充電の判別値Ｖａ〜Ｖｄを設定する。すなわち、図４に示すように、充電前の電池電圧Ｖｏが第１の基準電圧Ｖ１より小さく、充電前の電池温度Ｔｏが第１の基準温度Ｔ１以上の場合、検出電圧判別値ＶｘをＶｂに設定し、この判別値Ｖｂに対して充電開始後、所定時間経過後の実測電池電圧が小さい場合、終止電流値を高い電流Ｉｑ（内部抵抗小ＲＳと判断）に設定する。同様に、充電開始前の電池電圧Ｖｏおよび電池温度Ｔｏから検出電圧判別値Ｖａ〜Ｖｄを決定し、その決定した判別値に対する実測電池電圧の大小に応じて終止電流値ＩｑまたはＩｐを設定する。このように図３または図４に示す判別方法により、所定の公称容量を満足するような適切な充電容量を確保することができる。

マイコン５０のＲＯＭ（記憶部）５５には、図３に示すように、基準となるリチウムイオン電池（２）について、充電前の電池電圧Ｖｏ（１セル当たりの電池電圧）の基準値（比較値）と、充電前の電池温度（Ｔｏ）の基準値と、定電流充電時間（ｔｃ）の判別値と、満充電判定の終止電流設定値（ＩｐまたはＩｑ）との相互関係を記憶させておく。同様に、図４に示すように、基準となるリチウムイオン電池（２）について、充電前の電池電圧Ｖｏ（１セル当たりの電池電圧）の基準値と、充電前の電池温度（Ｔｏ）の基準値と、充電開始後の所定時間経過後の電池電圧（Ｖｘ）の判別値と、満充電判定の終止電流設定値（ＩｐまたはＩｑ）との相互関係を記憶させておく。二次電池を充電する際は、充電前の電池電圧Ｖｏ、充電前の電池温度Ｔｏ、時間ｔｄ経過後の充電電圧Ｖｘ、定電流の充電時間ｔｃ等をマイコン５０のＣＰＵ５１、タイマ５７で実測、記録し、基準値または判別値と比較演算する。

次に、上記実施形態に係る充電装置３００の動作について、図５に示す制御フローチャートを参照して説明する。
電源を投入すると、マイコン５０は、出力ポート５３ａおよび５３ｂをイニシャルセットする。次に、表示回路１２０の赤色点灯によって充電前であることを表示する。本実施例では、表示回路１２０の抵抗１２２に連なるマイコン５０の出力ポート５３ｂからハイ信号を出力し、表示回路１２０を赤点灯させることにより充電前であることを表示する（ステップ３０１）。

次に、二次電池２が充電装置３００の出力端子３０ａに接続されたか否かを判別する（ステップ３０２）。二次電池２の接続は、例えば、電池温度検出回路７０を介して入力されるマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２の値に変化があった場合に、二次電池２が接続されたものと検出すればよい。二次電池２が接続された場合は、マイコン５０は、電池電圧検出回路７を介して入力されるＡ／Ｄコンバータ５２の値より充電開始前の電池電圧Ｖｏを記憶するとともに、電池温度検出回路７０を介して入力されるＡ／Ｄコンバータ５２の値より充電開始前の電池温度Ｔｏの値を記憶する（ステップ３０３）。

次に、抵抗から成るセル数判別手段６を介して入力されるマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５２の値よりセル数を判別し、判別したセル数に応じて充電電圧制御回路８０の抵抗８８に連なるマイコン５０の出力ポート５３ｂからハイまたはロー信号を出力させ、出力電圧を設定する（ステップ３０４）。例えば、ステップ３０４において３セルであると判別した場合、抵抗８８に連なるマイコン５０の出力ポートからロー信号を出力し、４セルであると判別した場合、ハイ信号を出力することによりそれぞれのセル数に応じた出力電圧を設定する。

次に、出力ポート５３ａよりハイ信号を出力し、その出力信号を、充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ（スイッチング電源ＩＣ）２３に、伝達することにより充電を開始する（ステップ３０５）。充電を開始したら、表示回路１２０より充電中であることを表示する。本実施形態では、表示回路１２０の抵抗１２３および抵抗１２２に連なる出力ポート５３ｂよりハイ信号を出力して橙色を点灯させることにより充電中であることを表示する（ステップ３０６）。

次に、充電開始から所定時間を経過したか否かをチェックするために、所定時間の経過フラグが１であるか否かを判別する（ステップ３０７）。所定時間経過フラグが１でない場合は、充電開始から所定時間経過したか否かを判別する（ステップ３０８）。ステップ３０８において所定時間の経過を判別した場合（ＹＥＳの場合）、ステップ３０９に進み、所定時間経過フラグを１とし、電池電圧が所定値以上か否かを判別する（ステップ３１０）。ステップ３１０では、所定時間ｔｄの経過後に検出される電池電圧Ｖｘの値から二次電池２の内部抵抗が大きいか否かを判別する。

図２を参照して上述したように、内部抵抗が大きい電池は小さい電池に比べ、所定時間ｔｄ経過後の電池電圧Ｖｘの上昇が大きくなる。この電池電圧Ｖｘの上昇の具合から内部抵抗の大小を判別する。また、電池電圧Ｖｘの上昇の程度は、充電前の電池電圧（残容量）Ｖｏや電池温度Ｔｏによって異なる。充電前の電池電圧Ｖｏが高いほど、または電池温度Ｔｏが低いほど、電池電圧Ｖｘの上昇の程度は大きくなる。結果的に、図４の特性表に示すように、充電前の電池電圧の大きさとともに、電池電圧Ｖｘの大きさに従って二次電池の内部抵抗を判定し、その内部抵抗の大きさに対応して満充電の終止電流の判別値を設定する。ステップ３１０では、図４に示すように、電池電圧Ｖｘが所定値以上であるか否かを判別し、内部抵抗Ｒｉが大きいと判別した場合、ステップ３１１で内部抵抗大フラグを１にする。なお、本実施形態では、電池電圧Ｖｘの検出は、電池に充電負荷がかかった状態で行っているが、検出時には充電を一旦停止して無負荷の状態で電池電圧を検出してもよい。

ステップ３０８において充電開始から所定時間経過していない場合（Ｎｏの場合）、またはステップ３０７において所定時間経過フラグが１の場合（Ｙｅｓの場合）、ステップ３１２に進み、定電圧の充電中であるか否かを、すなわち定電圧充電中フラグが１か否かを判別する（ステップ３１２）。

ステップ３１２において定電圧充電中フラグが１でない場合（Ｎｏの場合）、定電流充電中であるか否かを判別する（ステップ３１３）。定電流充電中であるか否かの判別は、充電電流が所定定電流値以下か否かによって判別すればよい。例えば、４Ａが定電流の設定値であるとすれば、４Ａから所定値だけ電流値が低下したか否かで判別すればよい。ステップ３１３において定電流充電中であると判別しなかった場合（Ｎｏの場合）、定電圧充電が行われていると判別して定電圧充電中フラグを１にする（ステップ３１４）。

次に、充電開始から現在までの経過時間、すなわち定電流充電が行われていた時間が所定時間ｔｃ以下か否かを判別する（ステップ３１５）。図２の特性図から明らかなように、内部抵抗Ｒｉが大きい電池（ＲＬ）は小さい電池（ＲＳ）に比べて、上昇した電池電圧Ｖｘの高く、その電池電圧Ｖｘが高い程、早くに電池電圧が定電圧Ｖｃまで達して定電圧充電が行われる。すなわち、内部抵抗Ｒｉが小さい程、定電流充電が行われている時間ｔｃが長く、内部抵抗Ｒｉが大きい程、定電流充電が行われている時間ｔｃが短くなる。図３の判別方法に従って、この定電流が行われている時間によって内部抵抗の高低を判別する。

この判別において、電池電圧の上昇（Ｖｘ）の程度は、充電前の電池電圧（残容量）Ｖｏおよび電池温度Ｔｏによって異なる。上述したように、電池の残容量（Ｖｏ）が多い程、また電池温度（Ｔｏ）が低い程、電池電圧の上昇の程度は大きい。よって、図３に示すように、定電流充電時間ｔｃから内部抵抗Ｒｉの高低を判別するためには、ステップ３０３において検出した充電開始前の電圧Ｖｏおよび充電開始前の電池温度Ｔｏに対応して定める必要がある。

図３に示す判別方法では、電池電圧ＶｏがＶ１より小さく、残容量が少ない場合、電池電圧ＶｏがＶ１〜Ｖ２の範囲で、残容量が中程度の場合、および電池電圧ＶｏがＶ２より高く、残容量が多い場合の３区分に分けて終止電流値ＩｐまたはＩｑを設ける。なお、電池電圧ＶｏがＶ２より大きいものは、電池の残容量が多いものと判断し、判別しない。一方、電池温度Ｔｏが、所定値Ｔ１以上か、またはＴ１より小さいかに対応して判別値（ｔｃ）を設ける。

ステップ３１５において、充電開始からの経過時間が所定値ｔｃ以下であると判別した場合、内部抵抗Ｒｉが高いと判別して、内部抵抗大フラグを１にする（ステップ３１６）。

次に、ステップ３１７に進み、内部抵抗大フラグが１か否かを判別する。内部抵抗が高い二次電池を内部抵抗が低い二次電池の場合と同じ充電制御で充電を行なうと容量不足を生ずる。すなわち、図６に示す従来の特性図から明らかにされるように、リチウムイオン電池である二次電池を定電流・定電圧充電において、内部抵抗の高いような電池（ＲＬ）を充電する場合、比較的内部抵抗の低い電池（ＲＳ）を充電する場合に比べ、電池電圧の上昇が高いため早い段階で定電圧Ｖｃにまで達してしまう。定電圧Ｖｃにまで達すると定電流Ｉｃの充電電流が降下し、その後ある所定電流値Ｉｒまで降下すると、満充電と判別し充電が終了する。一方、比較的内部抵抗が低い電池（ＲＳ）の場合、電圧の上昇が低いため、比較的長い時間、定電流で充電が行われる。充電特性にこのような差異があるため、所定電流値Ｉｒまで降下した場合に、一律、満充電であると判別してしまう従来の判別方式では、内部抵抗の高い電池（ＲＬ）を充電する場合に容量不足をきたす場合がある。本発明では、図２に示すように、適切な充電容量を得るため、内部抵抗が高い電池（ＲＬ）を充電する場合の満充電を判別するための終止電流の値Ｉｐを、内部抵抗が低い電池（ＲＳ）の終止電流の値Ｉｑより小さく設定する。

すなわち、ステップ３１７において内部抵抗大フラグが１であると判別した場合、１であると判別されなかった場合の終止電流Ｉｑより小さい終止電流Ｉｐとする（ステップ３１９およびステップ３２２）。

一方、終止電流を小さくしてより深い充電を行うことは、浅い充電を行った場合よりも電池の寿命に影響を与えてしまう場合がある。また、二次電池のセル数が多セルの場合、個々のセルの電池寿命に影響を与えるような充電容量にアンバランスを起こし易くなるので、充電制御において極力、二次電池の寿命を伸ばすような制御が必要となる。そこで、本実施態様によれば、セル数が所定の個数ａ以上であるか否かを判断する（ステップ３１８およびステップ３２１）。セル数が個数ａ以上である場合（ステップ３１８およびステップ３２１のＹｅｓの場合）は、終止電流が、図３または図４に規定した終止電流値Ｉｑより浅い（大きい）終止電流値Ｉｑ’（Ｉｑ’＞Ｉｑ）以下に降下したか（ステップ３２０）、または終止電流値Ｉｐより浅い（大きい）終止電流値Ｉｐ’（Ｉｐ’＞Ｉｐ）以下に降下したかを判定する（ステップ３２３）。そして終止電流値Ｉｑ’以下または終止電流値Ｉｐ’以下に達した時点で満充電と判別して充電を終了する。これによって、浅い充電を行い、寿命劣化を抑制する。

ステップ３２４で充電を終了したら、充電が終了したことを表示するために表示回路１２０の抵抗１２３に連なるマイコン５０の出力ポート５３ｂからハイ信号を出力することにより緑色を点灯させ、充電終了を表示する（ステップ３２５）。その後、二次電池２が充電装置３００より抜かれたら（ステップ３２６）、ステップ３０１に戻る。

以上の実施態様の説明から明らかにされるように、本発明によれば、二次電池の充電特性を予め検出し、充電特性に応じて満充電を判別するための終止電流値を設定するので、電池内部の構成材料、構造、製造方法等による電池種に基づいて異なる充電特性に対応したより適切な充電を行うことができる。

なお、以上の実施形態では、定電流・定電圧制御によって充電される電池パックの電池種としてリチウムイオン電池を例に説明したが、本発明はその他の電池種の定電流・定電圧制御に適用してもよい。また、リチウムイオン電池では、定電流制御のみとして電池電圧が充電電圧に達した時に充電電流を小さく制御する充電方式にも適用可能であり、最初の充電電流での充電時間（ｔｃ）や充電を開始してから所定時間（ｔｄ）経過後の電池電圧（Ｖｘ）に基づいて判定値を設定してもよい。

さらに、図３または図４に示した電池電圧Ｖｏ、電池温度Ｔｏ、検出電圧Ｖｘ、定電流充電時間ｔｃおよび終止電流値についての基準値または判定値を、２区分以上に分けて満充電を判別してもよい。また、上記充電開始前の電池電圧Ｖｏおよび電池温度Ｔｏの基準値の代わりに、充電開始後の所定時間経過した時点での電池電圧および電池温度を基準値としてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る充電装置の回路図。本発明の充電装置による定電流・定電圧充電による充電特性図。本発明の充電装置による充電時間に基づく満充電の判別方法を示す特性表。本発明の充電装置による電池電圧に基づく満充電の判別方法を示す特性表。本発明の実施形態に係る充電装置の制御フローチャート。従来の充電装置による定電流・定電圧充電による充電特性図。

符号の説明

１：入力商用電源２：電池パック２ａ：電池セル２ｂ：感温素子
２ｃ：電池種判別素子３：電流検出抵抗
４：充電制御信号伝達手段（ホトカプラ）５：充電帰還信号伝達手段（ホトカプラ）
６：検出用抵抗７：電池電圧検出回路７ａ、７ｂ：分圧用抵抗
１０：第１の整流平滑回路１１：全波整流回路１２：平滑用コンデンサ
２０：スイッチング電源回路２１：高周波トランス２２：ＭＯＳＦＥＴ
２３：ＰＷＭ制御ＩＣ３０：第２の整流平滑回路３０ａ：出力端子
３１、３２：整流用ダイオード３３：チョークコイル
３４：平滑用コンデンサ３５：放電用抵抗４０：出力電圧検出回路
４１、４２：分圧用抵抗５０：マイコン（制御回路装置）５１：ＣＰＵ
５２：Ａ／Ｄポート５３ａ、５３ｂ：出力ポート
５４：リセット入力ポート５５：ＲＯＭ５６：ＲＡＭ５７：タイマ
６０：充電電流制御回路６１ａ、６１ｂ：オペアンプ（演算増幅器）
６２、６４：オペアンプの入力用抵抗６３、６５：オペアンプの帰還用抵抗
６６、６７：充電電流設定用分圧抵抗６８：抵抗６９：ダイオード
７０：電池温度検出回路７１、７２：分圧用抵抗８０：充電電圧制御回路
８０ａ：充電電圧制御回路（出力電圧制御回路）８１：オペアンプ
８２、８３：オペアンプの入力用抵抗８４：オペアンプの帰還用抵抗
８５：出力用抵抗８６〜８８：検出用抵抗８９：ダイオード
９０：直流電源回路９１：整流用ダイオード
９２：電源トランスの２次コイル９３：平滑用コンデンサ
１００：定電圧電源１０１：スイッチング電源用ＩＣ
１０２：電源トランス１０２ａ：電源トランスの１次コイル
１０２ｂ：電源トランスの２次コイル１０３：整流用ダイオード
１０４：平滑用コンデンサ１０５：フィードバック回路装置
１０６：シャントレギュレータ１０７、１０８：分圧用抵抗
１０９：平滑用コンデンサ１１０：３端子レギュレータ
１１１：平滑用コンデンサ１１２：リセットＩＣ１２０：表示回路
１２１：表示手段（ＬＥＤ）１２２、１２３：電流制限用抵抗
２００：充電電源回路３００：充電装置

Claims

二次電池を定電流・定電圧充電制御方式で充電する充電装置であって、前記定電流を通電するための充電電流制御回路と、前記定電圧を印加するための充電電圧制御回路と、前記充電電流制御回路および前記充電電圧制御回路を制御するための制御回路装置とを具備し、充電電流が前記定電流値より所定の終止電流値に降下した際に満充電と判別して充電を終了させる充電装置において、
前記制御回路装置は、前記終止電流値を変更できるように構成し、かつ前記二次電池の電池電圧および電池温度に基づいて、前記終止電流値を変更するための判別値を設定できるように構成したことを特徴とする充電装置。
前記判別値は、充電開始前の前記電池電圧および前記電池温度に基づいて設定できるように構成したことを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
前記判別値は、充電開始前の前記電池電圧が第１所定値より小さい場合、前記電池温度に対応した少なくとも第１判別値および第２判別値を有し、かつ充電開始前の前記電池電圧が前記第１所定値以上であって該第１所定値より大きい第２所定値以下の場合、前記電池温度に対応した少なくとも第３判別値および第４判別値を有し、
前記第１判別値、前記第２判別値、前記第３判別値および前記第４判別値は、互いに異なる値であって、前記二次電池の充電開始前の電池電圧および電池温度に基づいて選択されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された充電装置。
前記判別値は、前記二次電池に定電流を充電する充電時間、または前記二次電池の充電開始から所定時間経過後の電池電圧によって規定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載された充電装置。
前記判別値は前記二次電池に定電流を充電する充電時間によって規定され、前記制御回路装置は、前記判別値と前記終止電流値との関係を予め記憶しておき、前記定電流充電時間を実測し、該実測時間値を前記定電流充電時間の前記判別値と比較し、前記比較結果に応じて満充電と判別する前記終止電流値を設定することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
前記判別値は充電開始から所定時間経過後の電池電圧によって規定され、前記制御回路装置は、前記判別値と前記終止電流値との関係を予め記憶しておき、充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧を実測し、該実測電池電圧値を前記電池電圧の前記判別値と比較し、前記比較結果に応じて満充電と判別する前記終止電流値を設定することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
前記制御回路装置は、充電開始前の電池電圧の基準値と前記定電流充電時間の前記判別値または前記充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧の前記判別値との関係を予め記憶しておき、充電開始前の電池電圧を実測し、該充電開始前の電池電圧実測値と、前記定電流充電時間実測値または前記充電開始から所定時間経過後の前記電池電圧実測値との大きさに応じて、満充電と判別する前記終止電流値を設定することを特徴とする請求項５または請求項６に記載された充電装置。
前記充電装置は、前記二次電池の温度を検出するための温度検出回路をさらに具備し、前記制御回路装置は、充電開始前の電池温度の基準値と前記定電流充電時間の前記判別値または前記充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧の前記判別値との関係を予め記憶しておき、充電開始前の電池温度を実測し、該充電開始前の電池温度実測値と、前記定電流充電時間実測値または前記充電開始から所定時間経過後の前記電池電圧実測値との大きさに応じて、満充電と判別する前記終止電流値を設定することを特徴とする請求項５または請求項６に記載された充電装置。
前記充電装置は、前記二次電池のセル数を判別するためのセル数判別回路をさらに具備し、前記制御回路装置は、セル数の基準値と前記定電流充電時間の判別値または前記充電開始から前記所定時間経過後の電池電圧の判別値との関係を予め記憶しておき、前記二次電池のセル数を実測し、該二次電池のセル数実測値と、前記充電開始から所定時間経過後の前記電池電圧実測値との大きさに応じて、満充電と判別する前記終止電流値を設定することを特徴とする請求項５または請求項６に記載された充電装置。
二次電池に対して定電流を通電した後に、定電圧を印加する定電流・定電圧充電制御方式の充電装置であって、前記定電流を通電するための充電電流制御回路と、前記定電圧を印加するための充電電圧制御回路と、前記充電電流制御回路および前記充電電圧制御回路を制御するための制御回路装置とを具備し、充電電流が前記定電流値より所定の終止電流値に降下した際に満充電と判別して充電を終了させる充電装置において、
前記制御回路装置は、前記二次電池の内部抵抗の大小を判別し、該内部抵抗が大きいものと判別された場合は、該内部抵抗が小さいものと判別された場合に比較して、満充電と判別する前記終止電流値を小さく設定することを特徴とする充電装置。