JP2010088203A - 電池パックの充電方法および充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックを急速かつ安全に充電できる電池パックの充電方法。
【解決手段】充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パック２を充電する電池パックの充電方法であって、電池パックからの充電許可信号を受信している状態で充電を行い、電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に、該停止時点の充電電圧で定電圧充電を継続する。
【選択図】図３

Description

本発明は、充電可能な状態であることを表す充電許可信号を出力する電池パックの充電方法および充電器に関する。

一般に、リチウムイオン電池から成る電池セルを備えた電池パックを充電する充電器においては、残容量が少ない状態では定電流充電が行われ、充電器からの出力電圧が所定の設定値に達した後は、定電圧充電が行われる。

関連する技術として、例えば特許文献１は、２次電池の端子電圧および各電池セルの端子電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段と、２次電池の端子電圧に応じて２次電池に対する充電を制御する充電制御手段と、各電池セルの端子電圧から複数の電池セル間のバラツキを判定するバラツキ検出手段と、複数の電池セル間のバラツキが検出されたとき、電池セルの最大端子電圧に応じて充電制御手段における充電制御電圧を低減する設定電圧変更手段とを備えた電池装置が記載されている。

この電池装置によれば、過電圧保護機能が働いた場合であっても、２次電池としての安全性を保障しながら２次電池を構成する電池セルの機能を十分に利用できる。
特開２００８−５６９３号公報

上述した従来の充電器および特許文献１においては、急速充電を行った場合に、各電池セルの内部インピーダンスのバラツキにより、特定の電池セルへの印加電圧が保護電圧より高くなってしまうという問題がある。

本発明の課題は、電池パックを急速かつ安全に充電できる電池パックの充電方法および充電器を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する電池パックの充電方法であって、電池パックからの充電許可信号を受信している状態で充電を行い、電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に、該停止時点の充電電圧で定電圧充電を継続することを特徴とする。

また、第２の発明は、充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する充電器であって、電池パックを充電する充電回路と、電池パックからの充電許可信号を受信している状態では、電池パックを充電し、充電許可信号の受信が停止され場合に、該停止時点の充電電圧で定電圧充電を継続するように充電回路に指示する制御部とを備えたことを特徴とする。

また、第３の発明は、充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する電池パックの充電方法であって、電池パックからの充電許可信号を受信している状態で充電を行い、電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に充電電圧を下降させ、充電許可信号の受信が再開された場合に再開時点の充電電圧で定電圧充電を継続することを特徴とする。

また、第４の発明は、充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する充電器であって、電池パックを充電する充電回路と、電池パックからの充電許可信号を受信している状態では、電池パックを充電し、電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に充電電圧を下降させ、充電許可信号の受信が再開された場合に再開時点の充電電圧で定電圧充電を継続するように充電回路に指示する制御部を備えたことを特徴とする。

第１及び第２の発明によれば、例えば、電池パック内の電池セルのセル電圧が保護電圧を超えることにより充電許可信号の出力が停止された場合に、その停止時点の充電電圧で定電圧充電を行うので、セル電圧が保護電圧を超えて高くなることを防ぐことができる。その結果、電池パックを急速かつ安全に充電できる。

また、第３及び第４の発明によれば、第１及び第２の発明による効果に加えて、電池セルの充電容量に著しいバラツキがあるなどして、定電圧充電においてセル電圧が保護電圧以上になった場合に、充電を終了することができるため、過充電による電池セルの損傷を防止する効果をさらに高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る充電器１で電池パック２を充電する場合の構成を示すブロック図である。電池パック２は、電池２１と制御部２２を備えている。電池２１は、例えばリチウムイオン電池から成る複数の電池セルが直列に接続されて構成されており、正極端子２ａと負極端子２ｂとの間に接続されている。

制御部２２は、電池２１を構成する複数の電池セルの各々のセル電圧を入力し、全ての電池セルのセル電圧が所定の保護電圧以下の場合は、電池パック２が充電可能な状態であると判断し、充電許可信号を生成して制御端子２ｃから出力する。一方、いずれかの電池セルの電圧が保護電圧より大きくなった場合は、電池パック２が充電不可能な状態であると判断し、充電許可信号の生成を中止する。なお、本実施例、充電許可信号はセル電圧のみについて説明しているが、電池パックを保護するため、温度、充電電流などが充電に適さない状態となった場合にも充電許可信号の生成は中止される。

充電器１は、制御部１１、充電回路１２、電流検出器１３およびタイマ１４を備えている。また、充電器１には、正極端子１ａ、負極端子１ｂおよび制御端子１ｃが設けられており、電池パック２を充電する際は、電池パック２の正極端子２ａ、負極端子２ｂおよび制御端子２ｃにそれぞれ接続される。

制御部１１は、電池パック２の制御端子２ｃから制御端子１ｃを介して送られてくる充電許可信号および電流検出器１３から送られてくる電流値に基づき、充電器１の全体を制御する。制御部１１の動作は後述する。

充電回路１２は、制御部１１からの指示に応じて、定電流充電または定電圧充電を行うための電圧を出力する。充電回路１２から出力された電圧は、正極端子１ａおよび負極端子１ｂを介して電池パック２に供給される。

電流検出器１３は、充電回路１２から出力される電流の大きさを検出する。電流検出器１３で検出された電流値は、制御部１１に送られる。タイマ１４は、制御部１１からの指示に応じて計時を開始し、また、計時を停止する。タイマ１４で計時された時間は、制御部１１に送られる。

図２は、電池２１の開回路電圧（ＯＣＶ：open circuit voltage）と残容量パーセンテージ（ＳＯＣ：State Of Charge）との相関を示す図である。電池パック２に含まれる電池２１を構成する複数の電池セルのセル電圧のいずれかが保護電圧になった場合に、ＳＯＣが１００％とされる。制御部１１は、以下に説明するように、あらゆるＳＯＣに対応できるように充電処理を実行する。

次に、上記のように構成される実施例１に係る充電器１の動作を、図３に示すフローチャートおよび図４に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図４（ａ）はＳＯＣがほぼ０％の状態から充電が開始される場合を示し、図４（ｂ）はＳＯＣが４０％程度の状態から充電が開始される場合を示し、図４（ｃ）はＳＯＣが８０％程度から充電が開始される場合を示している。

電池パック２が充電器１に接続されると、まず、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ１１）。すなわち、制御部１１は、電池パック２の制御端子２ｃから制御端子１ｃを介して送られてくる充電許可信号を受信しているかどうかを調べる。ステップＳ１２において、充電許可信号がないことが判断されると、電池パック２が充電不可能な状態であると判断され、充電は開始されず、充電器１の動作は終了する。

ステップＳ１１において、充電許可信号を受信していることが判断されると、最低充電電圧で充電が開始される（ステップＳ１２）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、充電器１の最低充電電圧で充電を開始するように指示し、充電回路１２は、最低充電電圧を出力して電池パック２に供給する。これにより、充電が開始される（図４（ａ）〜図４（ｃ）のＴ１参照）。

次いで、最大充電電流より小さいか否かが調べられる（ステップＳ１３）。すなわち、制御部１１は、電流検出器１３で検出された電流（充電回路１２の出力電流）が、充電器１の最大充電電流値より小さいか否かを調べる。ここで、図４（ａ）に示すように、ＳＯＣがほぼ０％の状態から充電が開始される場合は、急速充電が行われて大きい電流が流れるので、電流検出器１３で検出される電流は最大充電電流または最大充電電流に近い電流になり、それ以外の状態から充電が開始される場合は、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、電流検出器１３で検出される電流は最大充電電流より小さい。

ステップＳ１３において、最大充電電流より大きくないことが判断されると、充電電圧が上昇される（ステップＳ１４）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、充電電圧の上昇を指示し、充電回路１２は、現在の充電電圧を若干上昇させた充電電圧を電池パック２に供給する。これにより、現在の充電電圧より若干高い充電電圧での充電が行われる。

次いで、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ１５）。すなわち、制御部１１は、電池パック２から充電許可信号を受信しているかどうかを調べる。ステップＳ１５において、充電許可信号があることが判断されると、ステップＳ１３に戻り、上述した処理が繰り返される。この繰り返しにより、充電電圧が徐々に上昇する。一方、ステップＳ１５において、充電許可信号がないことが判断されると、ステップＳ１８へ進む。以上のステップＳ１３〜Ｓ１５およびＳＴ１８の処理により、図４（ｂ）のＴ２に示すように、充電電流が最大充電電流に到達するか、電池パック２から充電許可信号が受信されなくなる、つまり停止されるまで、充電電圧が上昇する。

なお、ＳＯＣが８０％程度から充電が開始される場合は、図４（ｃ）のＴ２に示すように、充電電圧が定電圧充電時の電圧に到達することにより、電池パック２から充電許可信号が受信されなくなる。

ステップＳ１３において、最大充電電流より小さくない、即ち、最大充電電流に等しいと判断されると、最大充電電流で充電が行われる（ステップＳ１６）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、最大充電電流で充電するように指示し、充電回路１２は、最大充電電流を流すための充電電圧を電池パック２に供給する。次いで、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ１７）。すなわち、制御部１１は、電池パック２から送られてくる充電許可信号を受信したかどうかが調べる。ステップＳ１７において、充電許可信号があることが判断されると、ステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。一方、ステップＳ１７において、充電許可信号がないことが判断されると、ステップＳ１８へ進む。以上のステップＳ１６およびＳ１７の繰り返し実行により、図４（ａ）に示すように、充電許可信号が受信されなくなるまで、最大充電電流での定電流充電が行われる。

充電許可信号が受信されなくなると、その時に出力している充電電圧で定電圧充電を行う。

ステップＳ１８においては、定電圧充電時間の計測が開始される。すなわち、制御部１１は、タイマ１４に対して、計時の開始を指示する。タイマ１４は、この指示に応答して計時を開始する。次いで、定電圧充電が行われる（ステップＳ１９）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、定電圧充電を指示し、充電回路１２は、定電流充電終了時点の電圧を充電電圧として電池パック２に供給する。

次いで、充電電流が最小充電電流以上であるかどうかが調べられる（ステップＳ２０）。すなわち、制御部１１は、電流検出器１３で検出された電流の大きさが、充電器１の最小充電電流として定められている値以上であるか否かを調べる。

ステップＳ２０において、充電電流が最小充電電流以上であることが判断されると、次いで、充電時間が設定値以上になったかどうかが調べられる（ステップＳ２１）。すなわち、制御部１１は、カウンタ１４から計数値を読み込み、この読み込んだ計数値が、予め充電時間として設定された設定値以上になったかどうかを調べる。ステップＳ２１において、充電時間が設定値以上になっていないことが判断されると、ステップＳ１９に戻り、上述した処理が繰り返される。

ステップＳ２１において、充電時間が設定値以上になったことが判断された場合、または、ステップＳ２０において、充電電流が最小充電電流以上でないことが判断された場合は、充電が停止される（ステップＳ２２）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、充電電流の出力を停止するように指示する。これにより、電池パック２の充電は終了する。以上のステップＳ１９〜Ｓ２２の処理により、図４（ａ）〜図４（ｃ）のＴ４に示すように、充電電流が最小充電電流になるか、充電時間が予め設定された時間を経過するまで、定電圧充電が行われる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る充電器１によれば、電池パック２に含まれる電池２１を構成する複数の電池セルのセル電圧のいずれかが保護電圧に達した場合に、充電器１から出力される充電電圧は、その時点で出力している電圧に固定するので、セル電圧が保護電圧を超えて高くなることを防ぐことができる。

本発明の実施例２に係る充電器１の構成は、図１に示した実施例１に係る充電器１の構成と同じである。

次に、上記のように構成される実施例２に係る充電器１の動作を、図５に示すフローチャートおよび図６に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図６（ａ）はＳＯＣがほぼ０％の状態から充電が開始される場合を示し、図６（ｂ）はＳＯＣが４０％程度の状態から充電が開始される場合を示し、図６（ｃ）はＳＯＣが８０％程度から充電が開始される場合を示している。以下においては、図３のフローチャートに示した実施例１に係る充電器１の動作と同じ処理を行うステップには、図３で使用した符号を付して説明を簡略化する。

電池パック２が充電器１に接続されると、まず、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ１１）。ステップＳ１２において、充電許可信号がないことが判断されると、電池パック２が充電不可能な状態であると判断され、充電は開始されず、充電器１の動作は終了する。ステップＳ１１において、充電許可信号を受信していることが判断されると、最低充電電圧で充電が開始される（ステップＳ１２）。図６（ａ）〜図６（ｃ）のＴ１参照。

次いで、最大充電電流より小さいか否かが調べられる（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、最大充電電流より大きくないことが判断されると、充電電圧が上昇される（ステップＳ１４）。次いで、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において、充電許可信号があることが判断されると、ステップＳ１３に戻り、上述した処理が繰り返される。この繰り返しにより、充電電圧が徐々に上昇する。一方、ステップＳ１５において、充電許可信号がないことが判断されると、ステップＳ３１へ進む。

ステップＳ１３において、最大充電電流より小さくないことが判断されると、最大充電電流で充電が行われる（ステップＳ１６）。次いで、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において、充電許可信号があることが判断されると、ステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。一方、ステップＳ１７において、充電許可信号がないことが判断されると、ステップＳ３１へ進む。

次いで、充電電圧が下降される（ステップＳ３１）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、充電電圧の下降を指示し、充電回路１２は、現在の充電電圧を若干下降させた充電電圧を電池パック２に供給する。これにより、現在の充電電圧より若干低い充電電圧での充電が行われる。

次いで、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ３２）。すなわち、制御部１１は、電池パック２から充電許可信号を受信しているかどうかを調べる。ステップＳ３２において、充電許可信号がないことが判断されると、次いで、最低充電電圧より大きいかどうかが調べられる（ステップＳ３３）。すなわち、制御部１１は、現在の充電電圧が、電流検出器１３で検出された電流に基づき、充電器１の最低充電電圧として定められている値より大きいか否かを調べる。

ステップＳ３３において、最低充電電圧より大きいことが判断されると、ステップＳ３１に戻り上述した処理が繰り返される。一方、ステップＳ３３において、最低充電電圧より大きくないことが判断されると、最低充電電圧まで充電電圧が下降しても充電許可信号が受信されないことを認識し、ステップＳ２２に進んで充電を終了する。以上のステップＳ３１〜ＳＴ３３の処理により、図６（ａ）〜図６（ｃ）のＴ５に示すように、充電許可信号が受信されなくなった場合に、充電電圧が徐々に下降する。これにより、電池パック２の電池２１を構成する電池セルのセル電圧も下降するため、電池パック２は、再度、充電許可信号を出力する。

ステップＳ３２において、充電許可信号があることが判断されると、電池パック２から、再度、充電許可信号を出力された旨を認識し、定電圧充電時間の計測が開始される（ステップＳ１８）。次いで、定電圧充電が行われる（ステップＳ１９）。次いで、充電許可信号があるかどうかが調べられる（ステップＳ３４）。すなわち、制御部１１は、電池パック２から充電許可信号を受信しているかどうかを調べる。ステップＳ３４において、充電許可信号がないことが判断されると、ステップＳ２２に進む。

一方、ステップＳ３４において、充電許可信号があることが判断されると、充電電流が最小充電電流以上であるかどうかが調べられる（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において、充電電流が最小充電電流以上であることが判断されると、次いで、充電時間が設定値以上になったかどうかが調べられる（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において、充電時間が設定値以上になっていないことが判断されると、ステップＳ１９に戻り、上述した処理が繰り返される。

ステップＳ２１において、充電時間が設定値以上になったことが判断された場合、または、ステップＳ２０において、充電電流が最小充電電流以上でないことが判断された場合、または、ステップＳ３４において、充電許可信号がないことが判断された場合、充電が停止される（ステップＳ２２）。これにより、電池パック２の充電は終了する。以上のステップＳ１９〜Ｓ２２の処理により、図６（ａ）〜図６（ｃ）のＴ４に示すように、充電電流が最小充電電流になるか、充電時間が予め設定された時間を経過するまで、定電圧充電が行われる。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る充電器１によれば、実施例１に係る充電器１の効果に加えて、電池セルの充電容量に著しいバラツキがあるなどして、定電圧充電においてセル電圧が保護電圧以上になった場合に、充電を終了することができるため、過充電による電池セルの損傷を防止する効果をさらに高めることができる。

なお、上述した実施例２に係る充電器１では、充電許可信号が受信されなくなった場合に、充電電圧を徐々に下降させるように構成したが、充電電圧を一定量だけ直ちに下降させるように変形することもできる。

図７は、この実施例２の変形例に係る充電器１の動作を示すフローチャートである。以下、図５のフローチャートに示した実施例２に係る充電器１の処理と同じ処理が実行されるステップには、図５で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略し、異なる処理が実行される部分だけを説明する。

ステップＳ１５またはステップＳ１７において、充電許可信号がないことが判断されると、充電電流が一定量だけ下降される（ステップＳ４１）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、充電電圧を一定量だけ下降させる指示を行い、充電回路１２は、現在の充電電圧を一定量だけ下降させた充電電圧を電池パック２に供給する。

次いで、一定時間だけ定電圧充電が行われる（ステップＳ４２）。すなわち、制御部１１は、充電回路１２に対し、ステップＳ４２で下降させた充電電圧で一定時間だけ充電を行うように指示し、充電回路１２は、図８のＴ６に示すように、現在の充電電圧を一定量だけ下降させた充電電圧を一定時間Ｔ６だけ電池パック２に供給する。この一定時間Ｔ６の間に、電池パック２から、再度、充電許可信号が出力される。以上の処理が終了すると、以降は、実施例２に係る充電器１と同様の処理が実行される。

以上のように構成される実施例２の変形例に係る充電器１でも、上述した実施例２に係る充電器１と同様の効果が得られる。

本発明は、電池セルの内部インピーダンスのバラツキがある電池パックを安全に充電する充電器に利用可能である。

本発明の実施例１に係る充電器で電池パックを充電する場合の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る充電器で充電される電池パックの開回路電圧と残容量パーセンテージとの相関を示す図である。 本発明の実施例１に係る充電器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る充電器の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る充電器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る充電器の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２の変形例に係る充電器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例２の変形例に係る充電器の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 充電器
２ 電池パック
１ａ、２ａ 正極端子
１ｂ、２ｂ 負極端子
１ｃ、２ｃ 制御端子
１１ 制御部
１２ 充電回路
１３ 電流検出器
１４ タイマ
２１ 電池
２２ 制御部

Claims (10)

1. 充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する電池パックの充電方法であって、
   前記電池パックからの充電許可信号を受信している状態で充電を行い、
   前記電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に、該停止時点の充電電圧で定電圧充電を継続することを特徴とする電池パックの充電方法。
2. 前記定電圧充電の継続時間が予め設定された時間を超えた場合、または、充電電流が予め設定された最小充電電流より小さくなった場合に充電を終了することを特徴とする請求項１記載の電池パックの充電方法。
3. 前記電池パックからの充電許可信号を受信している状態では、最大充電電流での充電、または、充電電圧を昇圧させながらの充電を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電池パックの充電方法。
4. 前記電池パックからの充電許可信号の受信が開始された場合は、最低充電電圧で充電を開始することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電池パックの充電方法。
5. 充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する充電器であって、
   前記電池パックを充電する充電回路と、
   前記電池パックからの充電許可信号を受信している状態では、前記電池パックを充電し、充電許可信号の受信が停止され場合に、該停止時点の充電電圧で定電圧充電を継続するように前記充電回路に指示する制御部と、
   を備えたことを特徴とする充電器。
6. 充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する電池パックの充電方法であって、
   前記電池パックからの充電許可信号を受信している状態で充電を行い、
   前記電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に充電電圧を下降させ、
   前記充電許可信号の受信が再開された場合に再開時点の充電電圧で定電圧充電を継続することを特徴とする電池パックの充電方法。
7. 前記定電圧充電の継続時間が予め設定された時間を超えた場合、または、充電電流が予め設定された最小充電電流より小さくなった場合、または、充電許可信号の受信が停止された場合に充電を終了することを特徴とする請求項６に記載の電池パックの充電方法。
8. 充電中でなくかつ前記電池パックからの充電許可信号を受信していない状態で、充電許可信号の受信が開始された場合は、最低充電電圧で充電を開始し、充電電流が最大充電電流より小さい場合は充電電圧を上昇させることを特徴とする請求項６または請求項７記載の電池パックの充電方法。
9. 充電電圧を上昇させることにより充電電流が最大充電電流となった場合は、最大充電電流で充電を継続することを特徴とする請求項８に記載の電池パックの充電方法。
10. 充電可能な状態を表す充電許可信号を出力する電池パックを充電する充電器であって、
    前記電池パックを充電する充電回路と、
    前記電池パックからの充電許可信号を受信している状態では、前記電池パックを充電し、前記電池パックからの充電許可信号の受信が停止された場合に充電電圧を下降させ、前記充電許可信号の受信が再開された場合に再開時点の充電電圧で定電圧充電を継続するように前記充電回路に指示する制御部と、
    を備えたことを特徴とする充電器。

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