JP2010016976A - 充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池パックの充電システムにおいて、電池状態に対応した適切な満充電状態を達成し、より安全性の高い充電システムを提供する。
【解決手段】
電池パック２０と、二次電池セル２１を所定の充電電圧および充電電流に設定して充電し、かつ電池パックの充電電圧が満充電または過充電に達した時に充電を停止させる充電制御回路を有する充電装置１とから成る充電システム２００において、二次電池セル２１の充電状態の変動に関係する二次電池セルの状態値を検出する電池状態検出手段２８をさらに具備し、充電電圧設定手段３０（マイコン１４）は、電池状態検出手段２８で検出された二次電池セル２１の状態値（Ｃｃ）（例えば、電池温度）に対応して充電電圧設定値（Ｙ−Ｋ）を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池から成る電池パックを充電するための充電システムに関し、特に、リチウムイオン二次電池の充電電圧値を電池状態の状態値に対応する値に設定する充電システムに関する。

コードレスタイプの電動工具において、一般に、電動工具の駆動電源としてリチウムイオン二次電池から構成された電池パックが適用されつつある。リチウムイオン電池パックは、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比較してセル公称電圧が高く、かつ出力密度が高いため小形軽量であるという特徴を有する。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴も有する。このため、リチウムイオン電池パックは、電動工具等の軽量化、小型化、および作業効率の向上を図る電源として期待されている。

リチウムイオン電池パックの充電装置は、定電流・定電圧制御方式により充電することが一般的である。特に、リチウムイオン電池パックの充電において、過充電になると二次電池セルを損傷する恐れがあるので、充電装置の制御装置は、最初に一定の充電電流で充電を行い、この一定電流の充電により、一セル当たりの電圧が所定の充電電圧（例えば、４．２０Ｖ／セル程度）に達すると、一定電圧の充電電圧に切り替えて充電を行う。その後、充電電流が徐々に低下して所定の終止電流値以下になったら、満充電として検出して充電を停止するように制御する。このため、充電装置は、充電電流または充電電圧を制御するための制御回路を有する。満充電検出の検出方法としては、例えば下記特許文献１に開示されているように、充電時の充電電流を検出し、所定の終止電流値以下に降下した場合は、満充電と判別する方法が提案されている。

特開平２−１９２６７０号公報

リチウムイオン電池パックは、所定値以上の充電電圧で充電を行うと過充電状態となる。この過充電状態を続けると、電解液の電気分解や電極材料の化学変化が進み、最悪の場合、発煙または発火を引き起こす可能性がある。このため、定電流・定電圧制御で充電を行う場合、定電圧の充電電圧値を高精度に設定し、定電圧で充電を制御する際は、設定値を超えないように制御する必要がある。
従来この種の充電システムでは、充電電圧設定値が固定の値、例えば、４．２０（Ｖ／セル）×セル数に定められていた。しかしながら、充電時における二次電池の充電電圧、電池温度、充電回数等の電池状態のばらつきに基づき、電池セル間で充電電圧設定値にばらつきが発生ずることが分かった。例えば、電池パックの電池温度が、常温の範囲内ではなく、高温状態あるいは低温状態にあるようなものは、常温状態にあるものに比較して、充電状態に達する安全マージンは低下する傾向にある。また、複数の二次電池セルから構成される電池パックでは、充電特性の経時変化により二次電池セル相互間で充電と認められる充電電圧値にばらつきが生ずることが分かった。

このため、電池パックを構成する電池セルの充電時の電池状態値に対応して充電電圧設定値を設定することができれば、より安全な充電システムを提供することができる。例えば、電池セルが上記高温状態あるいは低温状態にあるよう場合は、常温で定められた充電電圧の通常の設定値、例えば、４．２０Ｖ／セル×セル数を、より低い設定値、例えば、４．１５Ｖ／セル×セル数へ下げれば、万が一の発煙や発火を防止した、より安全な充電システムを提供することができる。

したがって、本発明の目的は、上述した課題を解決するために、電池パックを構成する二次電池の定電圧充電を行う際、二次電池の充電時における電池状態の状態値に対応して充電電圧設定値を変更させることにより、より安全性の高い充電システムおよび電池パックを提供することにある。

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、単数または複数の二次電池セルから構成された電池パックと、該電池パックの前記二次電池セルを所定の充電電圧および充電電流に制御する充電制御手段および該充電制御手段によって制御する充電電圧を所定の設定値に設定する充電電圧設定手段を有する充電装置と、を具備する充電システムにおいて、前記充電システムは、前記二次電池セルの充電状態の変動に関係する前記二次電池セルの状態値を検出する電池状態検出手段をさらに具備し、前記充電電圧設定手段は、前記電池状態検出手段で検出された前記二次電池セルの前記状態値に対応して前記充電電圧設定値を決定するように構成する。

本発明の他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す履歴値を、前記状態値として記憶するためのメモリ素子を含み、前記充電電圧設定手段は、前記履歴値に対応して前記充電電圧設定値を決定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段の前記メモリ素子は、前記電池パックに収納されたマイコンのメモリ素子によって構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電電圧設定手段はマイコンから構成され、該マイコンは、前記電池状態検出手段によって検出された前記二次電池セルの電池電圧に基づいて、前記充電電圧設定値を決定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は前記二次電池セルの電池温度を検出する電池温度検出手段を含み、前記充電電圧設定手段は、前記電池温度検出手段によって検出された前記二次電池セルの電池温度が所定値以上の高温状態にあると判別した場合、前記充電電圧設定値を、該電池温度が前記所定値未満である場合に比べて低く設定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す前記履歴値を記憶するためのメモリ素子を有し、前記充電電圧設定手段は、前記メモリ素子が記憶する前記履歴値において、所定の電池温度以上で充電した充電回数が所定回数以上である場合、該所定回数未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は、前記二次電池セルの電池温度を検出する電池温度検出手段を含み、前記充電電圧設定手段は、前記電池温度検出手段によって検出された前記二次電池セルの電池温度が所定値以下の低温状態にあると判別した場合、該電池温度が前記所定温度値を超えている場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す前記履歴値を記憶するためのメモリ素子を有し、前記充電電圧設定手段は、前記メモリ素子が記憶する前記履歴値において、所定の電池温度以下で充電した充電回数が所定回数以上である場合、該所定回数未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す前記履歴値を記憶するためのメモリ素子を有し、前記充電電圧設定手段は、前記メモリ素子が記憶する前記履歴値において、記憶されている充電回数が所定回数以上である場合、該所定回数未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電電流を検出する充電電流検出手段を有し、前記充電電圧設定手段は、前記充電電流検出手段によって検出された充電電流が所定電流値以上である場合、該所定電流値未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電制御手段は、第１の期間、前記電池パックを所定の定電流値で定電流充電を行い、前記第１の期間後の第２の期間、前記電池パックを所定の定電圧値で定電圧充電を行う定電流・定電圧制御充電を行う機能を有し、かつ前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電電流を検出する充電電流検出手段を有し、前記充電電流検出手段によって検出される充電電流が、前記第２の期間において前記定電流値から所定の終止電流値以下に低下した場合に満充電と判別する充電システムにおいて、前記充電電圧設定手段が設定する前記充電電圧設定値を変更した場合、満充電と判別する前記終止電流値を変更するように構成する。

本発明の上記特徴によれば、電池パックの二次電池セルの充電電圧設定値を、二次電池セルの充電時における電池状態の状態値に対応して変更させることにより、より安全性の高い充電システムおよび電池パックを提供できる。

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。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。最初に、本発明の実施形態に係る充電システムの全体構成について図1を参照して説明する。

電池パック２０は、二次電池２１として４個のリチウムイオン二次電池セル（素電池）ａ〜ｄが直列接続された電池組（組電池）から構成された、公称電圧１４．４Ｖの４Ｓ１Ｐタイプが示されている。充電装置１は、電池パック２０を安全に充電するための充電装置であり、電池パック２０とともに本発明に係る充電システム２００を構成する。この充電システム２００は、電池パック２０に対して、図９の充電特性図に示すような定電流・定電圧充電を可能にするものである。特に、本実施形態によれば、図９に示す定電流・定電圧充電制御方式において、充電する際の充電電圧設定値（定電圧値）Ｖｃを、電池パック２０の電池状態の状態値に応じて適切な値に設定することにより、適切な満充電で充電を終了できるようにした、安全性の高い充電システムを構成する。

［電池パック２０の回路構成について］
電池パック２０は、上述したように、例えば、４個のリチウムイオン二次電池セルｏ〜ｒの電池組２１から構成されるが、複数の電池セルによって構成する場合の他に、単一の電池セルで構成してもよい。また、直列接続した複数の電池セルによって構成した上記１並タイプの電池組、または少なくとも一対の電池セルを並列接続した電池組、または複数の電池セルを直列接続した電池セル列の少なくとも２組を互いに並列接続した２並タイプ（例えば、４Ｓ２Ｐタイプ）の電池組であってもよい。

電池パック２０は、本発明に従って、充電時の電池組２１の電池温度、電池電圧、充電電流等の電池状態を検出するための電池状態検出手段２８と、電池状態検出手段２８の状態値に対応する所定の充電電圧値を設定するための充電電圧設定手段３０と、を具備する。電池状態検出手段２８は、例えば、感温素子２２を含む電池温度検出回路２４と、セル電圧検出回路２４とから構成され、後述するように、電池パック２０の二次電池セル２１の電池状態の状態値を検出する。また、電池状態検出手段２８は、電池状態値の履歴情報を記憶するためのマイコン２５に内蔵されたＥＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）等から構成されたメモリ素子２７を具備する。充電電圧設定手段３０は、電池パック２０のマイコン２５、または後述する充電装置１のマイコン１４から構成される。

電池パック２０のマイコン２５は、電池状態検出手段２８の検出状態情報に基づいて決定した適切な過充電判別値を、セル電圧検出回路２３によって検出したセル電圧と比較することによって、過充電制御信号（充電停止信号）を出力する機能を有する。この過充電制御信号は、通信ポート２０ｃを介して充電装置１のマイコン１４へ送信され、充電回路の動作を停止させるように制御する。従って、セル電圧検出回路２４が、電池パック２０を構成する複数の二次電池セル２１のうち、いずれか一つでも所定の過充電電圧値（設定値）以上であると判別すれば、過充電と判別することができる。

感温素子２２は、電池組（二次電池セル）２１の充電時の電池温度を検出するために、電池組２１に接触または近接して設けられた感温素子で、例えば、サーミスタによって構成される。感温素子２２における電池温度の検出情報は、電池温度検出回路２２を介して電池パック２０内に設置された、マイコン２５に入力される。

セル電圧検出回路２４は、電池組２１における二次電池セルｏ〜ｒのセル毎のセル電圧を検出するための電圧検出回路である。セル電圧検出回路２４は、特に充電時において、複数の電池セルａ〜ｄのうち少なくとも一個の電池セルの電池電圧が、過充電判定値（設定値）以上に上昇したか否かを判別するために検出する。上記のとおり、検出された電池電圧は、マイコン２５から充電装置１のマイコン１４に送信される。

マイコン２５は、電池状態検出手段２８の一部を構成し、セル電圧検出回路２４および電池温度検出回路２３によって検出された電池電圧、電池温度等の電池状態情報を記憶し、かつ、必要な電池状態情報を、マイコン２５の出力ポート２０ｃを介して、充電装置１のマイコン１４へ送信する。マイコン２５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の他に、電池組２１における各電池セルにおける充電毎の状態値の履歴を記憶するために、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリから成るメモリ素子２７を内蔵している。後述するように、本実施形態によれば、充電装置１のマイコン１４は、電池組２１の二次電池セルの電池状態の履歴情報によっても充電電圧（定電圧値）を決定し、設定する。

サーマルプロテクタ２６は、電池組２１から発熱する温度に応答して変形するバイメタル接点を用いた感温スイッチであり、電池組２１の温度が所定温度以上（例えば、８０℃以上）に達した場合、充電経路を遮断するように設置されている。遮断した後は、電池組２１の温度が所定温度以下まで低下すると、再び充電経路が接続される。サーマルプロテクタ２６は、上記感温素子２２の機能と共に、電池温度に対して二重の保護機能を達成するように接続されている。

［充電装置１の回路構成について］
電池パック２０は、以下に述べる充電装置１に挿入されて充電される。充電装置１は、商用交流電源等の交流電源２より充電電力が供給される。例えば、交流電源２としてＡＣ１００Ｖの商用電源が供給される。

第一整流平滑回路３は、図示されていないが、例えば、ブリッジ接続された整流ダイオードを含む全波整流回路と平滑用コンデンサとから成り、交流電源２を全波整流する。

高周波トランス４およびスイッチング回路５は、第一整流平滑回路３によって出力された直流電源（ＤＣ電源）を、図示されない半導体スイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）を用いて高周波パルス信号でオン、オフさせるためのスイッチング電源回路を構成する。

高周波トランス４は、上記第一整流平滑回路３のＤＣ出力電源に接続された１次巻線と、後述する第二整流平滑回路７が接続される２次巻線を有する。スイッチング回路５は、上記高周波トランス４の１次巻線に直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）と、該ＭＯＳＦＥＴ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）とを備える。高周波トランス４およびスイッチング回路５によって構成されたスイッチング電源回路は、スイッチング回路５の半導体スイッチング素子を駆動する駆動パルス信号のデューディ比（パルス幅）を制御することによって、後述する第二整流平滑回路７の出力直流電圧を調整することができる。

スイッチング制御回路６は、充電電流および充電電圧の信号をスイッチング回路５のＰＷＭ制御ＩＣに帰還するホトカプラ等の充電信号伝達手段から構成された制御回路である。

第二整流平滑回路７は、高周波トランス４の２次巻線に接続された、図示されていない整流用ダイオード、平滑用コンデンサ、放電用抵抗等から構成された直流電圧出力回路で、上記電池パック２０の充電電流および充電電圧を供給する電源回路を構成する。

電池電圧検出回路１０は、電池パック２０に印加される電池電圧を検出するための分圧抵抗等のポテンショメータからなる電圧検出回路である。電池電圧検出回路１０は、電池パック２０に供給される充電電圧の全電圧を検出するもので、電池電圧検出手段１０によって全電圧を分圧した分圧電圧が、後述するマイコン１４のＡ／Ｄポートａに入力さる。

充電電流検出回路１１は、充電電流を検出するための回路で、充電線路に挿入された電流検出抵抗および電流値を電圧値に変換するための、例えば、ＯＰアンプ回路等から構成される。充電電流検出手段１１で検出された充電電流の電圧換算値は、マイコン１４のＡ／Ｄポートｂに入力される。

電圧・電流制御回路１２は、電池電圧検出回路１０および充電電流検出回路１１で検出された充電電圧および充電電流の情報を、電圧・電流設定回路1３で設定された設定情報と比較するための比較回路によって構成される。電圧・電流制御回路１２の充電電圧および充電電流の設定値と比較された結果は、制御信号として上記スイッチング制御回路６に伝達されて、スイッチング回路５を構成する半導体スイッチング素子の駆動パルス信号のパルス幅を制御し、そのパルス幅の調整により第二整流平滑回路７から所定の充電電流または充電電圧を供給するように制御する。

マイコン１４は、図示されていないが、充電制御プログラムを実行するためのＣＰＵ、該ＣＰＵの制御プログラムおよび電池パック２０の電池種に関するデータ等を格納するＲＯＭ、ＣＰＵの作業領域やデータの一時記憶領域等として利用されるＲＡＭ、タイマ等を具備し、電池パック２０からの電池状態情報に基づいて、電圧・電流設定回路１３の充電電圧および充電電流を適切な判別基準値に設定する。設定信号は出力ポートｈから出力されて電圧・電流設定回路１３の適切な電圧基準値および電流基準値を設定する。

また、マイコン１４は、マイコン２５からの過充電制御信号（充電停止信号）を、受信し、出力ポートｇよりスイッチング制御回路６に出力する。さらに、マイコン１４は、充電の開始時には開始指示信号を出力ポートｇよりスイッチング制御回路６に出力する。特に、本実施形態によれば、マイコン１４は、後述するように、電池パック２０内に収納された感温素子２２、電池温度検出回路２３、セル電圧検出回路２４、およびマイコン２５（メモリ素子２８）によって構成された電池状態検出手段２８から検出された電池状態の状態値に基づいて、適切な定電圧の充電電圧値Ｖｃを決定し、充電する際にその定電圧の設定値として充電電圧設定信号（充電設定信号）を出力ポートｈより出力するように構成する。さらに、マイコン１４は、次に述べる表示回路８を表示するための駆動信号を出力する。

表示回路８は、充電装置１の充電動作状態を表示するためのＬＥＤ等の表示手段を含み、マイコン１４によって出力される制御信号によって駆動される。表示手段は、例えば、赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤから構成され、マイコン１４の出力ポートｆの制御信号によって赤色ＬＥＤのみを点灯させれば充電開始前の状態、赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤを同時点灯させて実質的に橙色点灯とすれば、充電中の状態、緑色ＬＥＤのみを点灯させれば、充電終了状態をそれぞれ表示するように構成される。

補助電源回路９は、商用交流電源２を数十Ｖの低圧に変圧するための変圧トランス、変圧交流を整流するための整流ダイオード、整流された整流電圧を平滑するための平滑用コンデンサ等によって構成された直流電源回路によって構成され、スイッチング回路５のＰＷＭ制御ＩＣの駆動電源Ｖｃｃ、マイコン１４の駆動電源（Ｖｃｃ）等を供給する。

［充電システム２００の動作について］
次に、図２に示した制御フローチャートを参照して、充電システム２００の動作について説明する。

充電装置１を商用交流電源２に接続すると、補助電源回路９が起動する。補助電源回路９は、直流電圧Ｖｃｃを出力し、充電装置１のマイコン１４、スイッチング回路（ＰＷＭ制御ＩＣを含む）５、スイッチング制御回路６、電圧・電流制御回路１２、および電圧・電流設定回路１３の各回路等へ駆動電圧を供給する。また、この直流電圧Ｖｃｃは、電池パック２０のポート２０ｄを介して、電池パック２０のマイコン２５へ駆動電源として供給される。マイコン１４のリセットポートｅに直流電圧Ｖｃｃが供給されると、マイコン１４内の各種フラグはリセットされ、マイコン１４の各出力ポートｆ〜ｈはイニシャルセットされる。

次に、ステップ２０１において、マイコン１４は表示回路８を制御し、表示回路８の表示手段として用いられる赤色ＬＥＤ（図示なし）を赤色に点灯し、充電開始前であることを表示する。本実施形態では、マイコン１４の出力ポートｆからの表示信号によって赤色ＬＥＤを赤色点灯させる。

次に、ステップ２０２において、電池パック２０が充電装置１に接続されたか否かを判別する。本実施形態では、電池パック２０が充電装置１に接続されると、上述したように充電装置１の補助電源回路９より接続端子２０ｄを介して電池パック２０内のマイコン２５の直流電圧（駆動電圧）Ｖｃｃが供給される。駆動電圧Ｖｃｃが供給されることによりマイコン２５が起動し、マイコン２５は、充電装置１との間の接続ポート２０ｃを介して、充電装置内のマイコン１４へ電池パック２０が実装されたという情報を伝達する。その結果、マイコン１４は、電池パック２０が実装されたことを判別する。なお、ここで述べた電池パック２０の電池実装の判別方法は一例であって、これに限定されることなく、他の判別方法を実施することもできる。

次に、ステップ２０３において電池パック２０のこれまでの充電履歴情報（電池状態情報）を確認する。電池パック２０内のマイコン２５が内蔵する不揮発性メモリ等のメモリ素子２８には、上述したように、二次電池セル２１の充電毎の履歴情報（電池状態信号Ｃｃ）が記憶されている。電池パック２０の充電履歴に関する記憶内容としては、例えば、現在から過去の所定充電回数までの履歴を遡った時の、電池パック２０が所定電池温度以上で充電された高温充電の回数、および該所定電池温度より低い温度以下で充電された低温充電の回数、または充電のトータル回数等の履歴が記憶されている。このステップにおいて、電池パック２０内のマイコン２５に記憶された電池状態信号は、電池パック２０の通信ポート２０ｃを介して充電装置１のマイコン１４に通信される。

次に、ステップ２０４において、電池パック２０に内蔵された二次電池セル２１のセル数を判別する。セル数の情報は、前述した充電履歴を確認する場合と同様に、電池状態信号として電池パック２０内のマイコン２５から通信ポート２０ｃを介して、充電装置１内のマイコン１４へ伝達される。

次に、ステップ２０５において、上記ステップ２０３およびステップ２０４で電池パック２０のマイコン２５から伝達された情報に基づいて、マイコン１４は、充電する際の定電圧の設定値（以下、「充電電圧設定値」と称する）を決定する。充電する際の充電電圧設定値の決定方法における一例が、図３〜図５に示される。この設定例について説明する。まず、ステップ２０３において電池パック２０から通信された電池パック２０の「高温充電の頻度」（図３参照）を、高・中・低（大・中・小）の３つの頻度に分ける。すなわち、現在から過去の所定回数までの履歴を遡った時の、所定電池温度以上で充電された高温充電の回数が、第１の所定回数（ｎ１）以上である場合は頻度「高」、前記第１の所定回数（ｎ１）より小さい第２の所定回数（ｎ２）以上で、かつ前記第１の所定回数（ｎ１）未満である場合は頻度「中」、前記第２の所定回数（ｎ２）未満である場合は頻度「小」であると規定する。この振り分け区分は、リチウムイオン二次電池セルの充電寿命の観点から実験的に決定され、マイコン１４のＲＯＭメモリ部に記憶されている。
一方、マイコン１４のメモリ部には、履歴区分毎の判別値の係数Ｋ（Ｖ/セル）および充電電圧設定値として標準設定値Ｙ（Ｖ／セル）を記憶しておく。図３に示すように、上述した「高温充電の頻度」が頻度「高」であると判別された場合は、前記標準設定値Ｙ（例えば、４．２０Ｖ／セル）から所定値ｂ１（例えば、０．０２Ｖ／セル）だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ｂ１（Ｖ／セル）という値を、充電をする際の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として決定する。また、「高温充電の頻度」が頻度「低」であると判別された場合は、前記設定値Ｘから所定値ａ１（ｂ１＞ａ１）（例えば、０．０１Ｖ／セル）だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ａ１（Ｖ／セル）という値を、充電をする際の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として決定する。さらに、「高温充電の頻度」が頻度「低」であると判別された場合は、充電をする際の充電電圧設定値は、標準設定値Ｙという値から変更を行わない。

同様にして、図４にしめすように、電池パック２０の「低温充電の頻度」が第１の所定回数（ｒ１）以上である場合は頻度「高」と判別し、前記標準設定値Ｙ（Ｖ／セル）から所定値ｂ２だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ｂ２（Ｖ／セル）という値を、充電する際の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として決定する。また、前記第１の所定回数（ｒ１）より小さい第２の所定回数（ｒ２）以上で、かつ前記第１の所定回数（ｒ１）未満である場合は、頻度「中」と判別され、前記標準設定値Ｙから所定値ａ２（ｂ２＞ａ２）だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ａ２（Ｖ／セル）という値を、定電圧の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として決定する。さらにまた、「低温充電の頻度」が前記第２の所定回数（ｒ２）未満で頻度「低」であると判別された場合は、充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）は、前記標準設定値Ｙから変更を行わない。

さらに同様にして、図５に示すように、電池パック２０のトータルの「充電回数」が「多」であると判別された場合は、前記標準設定値Ｙから所定値ｂ３だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ｂ３（Ｖ／セル）という値を、充電する際の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として決定する。また、トータルの「充電回数」が「中」であると判別された場合は、前記標準設定値Ｙから所定値ａ３（ｂ３＞ａ３）だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ａ３（Ｖ／セル）という値を充電する際の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として決定する。また、トータルの「充電回数」が「少」であると判別された場合は、充電する際の充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）は、標準設定値Ｙという値から変更を行わない。

次に、ステップ２０６において、ステップ２０４で検出したセル数に応じて、充電電圧設定値Ｖｃ（図９参照）を電圧・電流設定回路１３によって所定値に設定する。すなわち、マイコン１４は、定電圧充電設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）を決定したら、出力ポートｈより定電圧充電設定値Ｙ−Ｋに対応する充電設定信号を電圧・電流設定回路１３に出力する。この場合、電池パック２０の二次電池セル２１が複数の電池セルから構成される場合は、二次電池セル２１の全体に印加するための充電電圧設定値Ｖｃは、（Ｙ−Ｋ）×セル数という値に変換して設定する。

引き続いて、ステップ２０７において、マイコン１４は、電池パック２０内の電池温度検出回路２３で検出された電池温度の情報に基づき、充電電流Ｉｃ（図９参照）を所定値に設定する。電池温度検出手段２３で検出された電池温度の情報は、電池パック２０内のマイコン２５に伝達され、さらに、ポート２０ｃを介して、電池状態信号として充電装置１内のマイコン１４へ通信される。マイコン１４は、電池パック２０の電池温度が常温の範囲内（所定値Ｔ１〜Ｔ２の範囲内）（Ｔ１＜Ｔ２）にある場合、出力ポートｈを介して電圧・電流設定回路１３に充電電流Ｉｃの所定値Ｉ１を設定するための設定信号を送信する。また、電池パック２０の電池温度が上記常温の下限値（Ｔ１）より低温であると判別した場合、電圧・電流設定回路１３の充電電流ＩｃをＩ３（Ｉ３＜Ｉ１）に設定する。さらに、マイコン１４は、電池温度が上記常温の上限値（Ｔ２）を超えた高温であると判別した場合（例えば、所定値Ｔ２以上）は、電圧・電流設定回路１３の充電電流ＩｃをＩ２（Ｉ３＜Ｉ２＜Ｉ１）に設定する。

引き続くステップ２０８において、充電装置１内のマイコン１４は、充電開始のための充電開始信号をスイッチング制御回路６へ出力し、スイッチング回路５の動作を開始させ、充電を開始させる。充電開始と同時に、マイコン１４は、ステップ２０９において、表示回路８の赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤを同時に点灯させて橙色表示を行い、充電中であることを表示する。本実施形態では、マイコン１４の出力ポートｆから赤色ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤへ同時に表示信号を出力することにより、表示回路８に橙色を点灯させる。

次に、ステップ２１０において、電池パック２０内の電池温度検出手段２３によって電池温度をする。電池温度検出手段２３で検出された電池温度の情報は、電池パック２０内のマイコン２５に伝達され、ポート２０ｃを介して、充電装置１内のマイコン１４へ通信される。

次に、ステップ２１１において、充電装置１内の充電電流検出手段１１によって充電電流を検出する。検出された充電電流は、充電装置１内のマイコン１４のＡ／Ｄポートｂに入力される。

次に、ステップ２１２において、ステップ２１０およびステップ２１１で検出された充電電流および電池温度の値に基づいて、充電電圧の定電圧値Ｖｃを決定する。定電圧の充電電圧設定値の設定方法について、一例を、図６および図７を用いて説明する。まず、図６に示すように、ステップ２１０において検出された電池パック２０の「電池温度」を「高」、「中」、「低」の３つの区分に分ける。すなわち、検出された電池温度がある第１の所定値ｔ１以上である場合は、「電池温度」が「高」と判別し、前記「高」であると判別する第１の所定温度ｔ１より小さい第２の温度ｔ２以上であり、かつ前記第１の所定温度ｔ１未満である場合は、「電池温度」が「中」程度であると判別し、前記第２の温度ｔ２未満である場合は「電池温度」が「低」と判別する。これらの温度区分に従って、上述した場合と同様に、適切な充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として設定値を決定する。

すなわち、図６に示すように、電池温度が「高」の場合、標準設定値Ｙから所定値ｂ５だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ｂ４（Ｖ／セル）という値を充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として設定する。また「電池温度」が「低」と判別された場合は、標準設定値Ｙから所定値ａ４（ｂ４＞ａ４）だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ａ４（Ｖ／セル）という値を充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として設定する。また、電池温度が「中」と判別された場合は、充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）は、標準設定値Ｙから変更を行わない値、すなわち、標準設定値Ｙに設定する。

同様にして、ステップ２１１において検出された電池パック２０の「充電電流」を、図７に示すように、「大」、「中」、「小」の３つの区分に分ける。「充電電流」の値が、「大」と判別された場合は、前記標準設定値Ｙから所定値ｂ５だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ｂ５（Ｖ／セル）という値を充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として設定する。また、「充電電流」の値が、「中」と判別された場合は、前記標準設定値Ｙから所定値ａ５（ｂ５＞ａ５）だけ小さい値、すなわち、Ｙ−ａ５（Ｖ／セル）という値を充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）として設定する。さらに、「充電電流」が「少」と判別された場合は、充電電圧設定値Ｙ−Ｋ（Ｖ／セル）は、標準設定値Ｙから変更を行わない値、すなわち、標準設定値Ｙ（Ｖ／セル）に設定する。

次に、ステップ２１３において、電池パック２０内のセル電圧検出回路２４において検出された電圧が、過充電と判別する基準値（設定値）以上か否かを判別する。セル電圧検出回路２４において検出された電圧が、複数の電池セルの中の一セルでも所定電圧以上であると判別した場合、過充電であると判別する。過充電とする判別値は、予めマイコン１４に入力され、セル電圧検出回路２４において検出されたセル電圧情報は、マイコン２５の通信ポート２０ｃを介して、充電装置１のマイコン１４に伝達される。

ステップ２１３において過充電であると判別された場合は、ステップ２１６およびステップ２１７へ進み、マイコン１４は、表示回路８の緑色ＬＥＤへ表示信号を送信して緑色を点灯させる。同時に、スイッチ制御回路６へ過充電制御信号（充電停止信号）を送信して充電を停止させる。

ステップ２１３において過充電でないと判別された場合、ステップ２１４に進み、満充電であるか否かを判別するための終止電流値Ｉｒ（図９参照）を設定する。満充電であるとの判別は、リチウムイオン二次電池の一般的な充電方法である定電流・定電圧充電方式で行われている判別方式を採用することができる。すなわち、定電流・定電圧充電方式で充電を行う場合、定電流充電で充電が行われた結果、電池パック２０の二次電池セル２１が、所定の電池電圧に達して定電圧充電が行われることになる。その際、満充電になると、充電電流が定電流値より終止充電流値Ｉｒへ低下するので、その終止電流値Ｉｒに達したか否かを判別すれば、満充電の判別ができる。本実施形態によれば、この終止電流値Ｉｒの設定方法は、電池状態値に対応して次のように実施される。

図８に示すように、充電電圧設定値（定電圧値）Ｖｃがある第一の所定値Ｖｃ４以上である場合は、満充電と判別するための終止電流Ｉｒの値をＩ４と設定する。また、充電電圧設定値Ｖｃが、前記第１の所定値Ｖｃ４より小さい第２の所定値Ｖｃ６（Ｖｃ４＞Ｖｃ６）以上であり、かつ前記第１の所定値Ｖｃ４未満である場合は、満充電と判別するための終止電流Ｉｒの所定値をＩ５（Ｉ４＞Ｉ５）に設定する。また、充電電圧設定値Ｖｃが前記第２の所定値Ｖｃ６未満である場合は、満充電と判別するための終止電流Ｉｒの所定値をＩ６（Ｉ４＞Ｉ５＞Ｉ６）に設定する。この理由は、充電電圧設定値Ｖｃを小さくする程、電池セルに充電される容量（電力）は少なくなる。一方、満充電と判別する終止電流Ｉｒの値を小さくする程、充電時間は延びて充電容量は増加する方向になる。したがって、図８に示すように、満充電と判別する終止電流Ｉｒの値を充電電圧設定値Ｖｃの値を小さくする程、小さく設定することにより、安全に充電容量を確保することができるようにするためである。

次に、ステップ２１５に進み、満充電であるか否かを判別する。満充電であるか否かの判別は、定電流充電を終了した後の定電圧充電時において、充電電流が、上述したステップ２１４で設定した終止電流値Ｉｒに低下したか否かを判別すればよい。

ステップ２１５において満充電であると判別された場合は、上述した過充電の場合と同様に、ステップ２１６に進み、表示回路８に緑色を点灯させることによって、充電が終了したことを報知する。さらに、ステップ２１７へ進み、充電装置１内のマイコン１４の出力ポートｇよりスイッチング制御回路６へ充電停止信号を出力することにより、スイッチング回路５の動作を制御して充電を停止させる。

さらに、ステップ２１７で充電が停止されると、ステップ２１８へ進み、電池パック２０が充電装置１より取り外されたか否かを判別する。電池パック２０が取り外された場合は、ステップ２０１の制御に戻る。

以上の実施形態から明らかにされるように、本発明によれば、充電時における電池パックの電池状態の状態値に対応して充電電圧設定値を決定し、設定するので、電池パックの充電状態を適切に制御することができる。これにより安全な充電システムおよび電池パックを提供することができる。

以上、本発明によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施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。

本発明に係る充電システムの一実施形態を示す回路ブロック図。 図１に示した充電システムの制御フローチャート。 図１に示した充電システムにおいて、高温状態での充電履歴に対応して充電電圧設定値を決定するための状態値と設定値の関係表。 図１に示した充電システムにおいて、低温状態での充電履歴に対応して充電電圧設定値を決定するための状態値と設定値の関係表。 図１に示した充電システムにおいて、充電回数履歴に対応して充電電圧設定値を決定するための状態値と設定値の関係表。 図１に示した充電システムにおいて、電池パックの電池温度に対応して充電電圧設定値を決定するための状態値と設定値の関係表。 図１に示した充電システムにおいて、電池パックの充電電流に対応して充電電圧設定値を決定するための状態値と設定値の関係表。 図１に示した充電システムにおいて、電池パックの充電電圧に対応して満充電と判別する充電終止電流値を決定するための状態値と設定値の関係表。 図１に示した充電システムにおいて、定電流・定電圧制御方式で電池パックを充電する場合の充電特性図。

符号の説明

１：充電装置 ２：交流電源 ３：第１整流平滑回路
４：高周波トランス ５：スイッチング回路 ６：スイッチング制御回路
７：第２整流平滑回路 ８：表示回路 ９：補助電源回路
１０：電池電圧検出回路 １１：充電電流検出回路
１２：電圧・電流制御回路 １３：電圧・電流設定回路
１４：充電装置のマイコン ２０：電池パック ２１：二次電池セル
２２：感温素子 ２３：電池温度検出回路 ２４：セル電圧検出回路
２５：電池パックのマイコン ２６：サーマルプロテクタ
２７：不揮発性メモリ素子（ＥＥＰＲＯＭ） ２８：電池状態検出手段
３０：充電電圧設定手段 ２００：充電システム
２０１〜２１８：図１に示した充電システムの制御フローチャートにおける各ステップ

Claims (11)

1. 単数または複数の二次電池セルから構成された電池パックと、該電池パックの前記二次電池セルを所定の充電電圧および充電電流に制御する充電制御手段および該充電制御手段によって制御する充電電圧を所定の設定値に設定する充電電圧設定手段を有する充電装置と、を具備する充電システムにおいて、
   前記充電システムは、前記二次電池セルの充電状態の変動に関係する前記二次電池セルの状態値を検出する電池状態検出手段をさらに具備し、
   前記充電電圧設定手段は、前記電池状態検出手段で検出された前記二次電池セルの前記状態値に対応して前記充電電圧設定値を決定することを特徴とする充電システム。
2. 前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す履歴値を、前記状態値として記憶するためのメモリ素子を含み、前記充電電圧設定手段は、前記履歴値に対応して前記充電電圧設定値を決定することを特徴とする請求項１に記載された充電システム。
3. 前記電池状態検出手段の前記メモリ素子は、前記電池パックに収納されたマイコンのメモリ素子によって構成したことを特徴とする請求項２に記載された充電システム。
4. 前記充電電圧設定手段はマイコンから構成され、該マイコンは、前記電池状態検出手段によって検出された前記二次電池セルの電池電圧に基づいて、前記充電電圧設定値を決定するように構成した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システム。
5. 前記電池状態検出手段は前記二次電池セルの電池温度を検出する電池温度検出手段を含み、前記充電電圧設定手段は、前記電池温度検出手段によって検出された前記二次電池セルの電池温度が所定値以上の高温状態にあると判別した場合、前記充電電圧設定値を、該電池温度が前記所定値未満である場合に比べて低く設定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電システム。
6. 前記電池状態検出手段は前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す前記履歴値を記憶するためのメモリ素子を有し、前記充電電圧設定手段は、前記メモリ素子が記憶する前記履歴値において、所定の電池温度以上で充電した充電回数が所定回数以上である場合、該所定回数未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電システム。
7. 前記電池状態検出手段は、前記二次電池セルの電池温度を検出する電池温度検出手段を含み、前記充電電圧設定手段は、前記電池温度検出手段によって検出された前記二次電池セルの電池温度が所定値以下の低温状態にあると判別した場合、該電池温度が前記所定温度値を超えている場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電システム。
8. 前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す前記履歴値を記憶するためのメモリ素子を有し、前記充電電圧設定手段は、前記メモリ素子が記憶する前記履歴値において、所定の電池温度以下で充電した充電回数が所定回数以上である場合、該所定回数未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電システム。
9. 前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電毎の充電状態における履歴を表す前記履歴値を記憶するためのメモリ素子を有し、前記充電電圧設定手段は、前記メモリ素子が記憶する前記履歴値において、記憶されている充電回数が所定回数以上である場合、該所定回数未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電システム。
10. 前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電電流を検出する充電電流検出手段を有し、前記充電電圧設定手段は、前記充電電流検出手段によって検出された充電電流が所定電流値以上である場合、該所定電流値未満である場合に比較して、前記充電電圧設定値を低く設定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載された充電システム。
11. 前記充電制御手段は、第１の期間、前記電池パックを所定の定電流値で定電流充電を行い、前記第１の期間後の第２の期間、前記電池パックを所定の定電圧値で定電圧充電を行う定電流・定電圧制御充電を行う機能を有し、かつ前記電池状態検出手段は、前記電池パックの充電電流を検出する充電電流検出手段を有し、前記充電電流検出手段によって検出される充電電流が、前記第２の期間において前記定電流値から所定の終止電流値以下に低下した場合に満充電と判別する充電システムにおいて、
    前記充電電圧設定手段が設定する前記充電電圧設定値を変更した場合、満充電と判別する前記終止電流値を変更するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一つに記載された充電システム。

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