JP2012085487A - 二次電池の充電制御方法および電池パック - Google Patents

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Abstract

【課題】電池パック内の複数の電池セルそれぞれの電圧のバランスがアンバランス状態になった場合でも、充電開始時にセル電圧が充電禁止電圧を超えることなく、充電を行う。
【解決手段】二次電池の充電終了時における充電電流値を測定および記憶し、次回の充電開始時に、記憶した充電電流値で二次電池の充電を行うようにする。また、さらに、充電終了時に二次電池の内部抵抗値を測定し、充電開始時に内部抵抗値を用いて最大許容充電電流値を算出し、算出した最大許容充電電流値と記憶した充電電流値とを比較し、記憶した充電電流値が最大許容充電電流値以上となる場合には、二次電池に対する次回の充電開始時に最大許容充電電流値で充電を行うことで、充電終了時の充電電流が次回充電開始時の充電電流として大きすぎる場合には充電電流値を補正することができる。
式（１）
最大許容充電電流値＝（満充電電圧−電池電圧）／内部抵抗値
【選択図】図４

Description

この発明は、二次電池の充電制御方法および電池パックに関し、特に、劣化状態の異なる複数の電池セルのそれぞれを安全に充電することができる二次電池の充電制御方法および電池パックに関する。
近年、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの携帯型電子機器、車載用や電動工具などの高出力型機器では、その電源として、二次電池を用いた電池パックが広く使用されている。中でも、リチウムイオン二次電池は、軽量、高容量、残容量検出の容易さ、サイクル寿命の長さといった利点を有するため、電池パックに広く使用されている。
電池パックは消耗品であり、使用回数が増えたり、長期間放置することによって内部に収容した二次電池が劣化してしまう。劣化した二次電池はインピーダンスが高く、充電電流を流したとたんに電圧が極度に上がって充電禁止電圧に達することがある。
このような問題を回避するために、下記の特許文献１〜特許文献４のように、二次電池の満充電電圧と二次電池の電圧とを比較して、充電電流を制御する方法が知られている。
例えば、特許文献１の発明では、複数の電池セルそれぞれから測定されたセル電圧のうちの最大のセル電圧と満充電電圧とを比較し、最大のセル電圧が満充電電圧より大きい場合に、充電電流指定値により指定される充電電流を低下させる。また、最大のセル電圧と満充電電圧とを比較し、最大のセル電圧が上記満充電電圧より小なる場合に、充電電流指定値により指定される充電電流を上昇させる。このような充電電流指定値を変化させる制御を充電中に周期的に行う充電方法により、劣化の進んだ電池セルが過充電電圧領域まで充電されることを防止する。
特許文献２の発明では、まず、０．１ＣｍＡ程度の大きさの電流で初期充電を行い、端子電圧が規定の電圧まで上昇したら、以後、例えば１．０ＣｍＡの大きさの電流で急速充電を行う充電方法が記載されている。
特許文献３の発明では、電池の内部抵抗値より熱的な最大許容充電電流値Ｉｒを求めて、この電流値を超えないように内部抵抗値の増大と共に充電電流値を低減することで、電池の劣化を抑制する充電制御方法が記載されている。
特許文献４の発明では、電圧ばらつきの最も大きいセルの内部抵抗値を算出して、電圧ばらつきの最も大きいセルの電圧を算出し、算出した電圧値に基づいて、組電池の最大充電量および最大放電量のうちの少なくとも一方を制限する充放電制御装置が記載されている。特許文献４の充放電制御装置では、各セルの電圧を検出する構成を必要としない簡易な構成によって、電圧ばらつきに応じた最大充放電量を求めることができる。
特開２００８−２２０１１０号公報 特開平９−２９８８４５号公報 特開平９−８４２７７号公報 特開２００６−８１３３４号公報
しかしながら、特許文献１の充電方法では、図１に示す様に、充電開始時に最大充電電流値で充電を開始し、セル電圧と満充電電圧との比較による充電電流調整制御を周期的に行っている。このため、最大のセル電圧と満充電電圧とを比較する次の周期までに、セル電圧が充電禁止電圧を超えてしまう場合がある。充電禁止電圧に達してしまうと、充電禁止保護が働くことにより充電が停止され、異常を検出してアラームを発生し、パックに異常が発生した旨がユーザーに通知される問題が発生するとともに、充電を停止する不具合が発生する場合がある。また、劣化初期の軽度な劣化アンバランス状態でも充電電流値が大きいとセル電圧が充電禁止電圧に達して充電が停止されるために、電池寿命を最大まで引き出すことが出来なかった。
また、特許文献２の充電方法では、０．１ＣｍＡ程度の電流から、一気に１．０ＣｍＡ程度の電流に切り替えるため、電池の内部抵抗が大きくなっている場合には、充電電流を切り替えた直後にセル電圧が充電禁止電圧を超えてしまうという問題がある。
特許文献３の充電制御方法では劣化したセルの温度上昇を防ぐことは出来るが、劣化したセルが充電禁止電圧に到達することを防ぐ制御は行っていない。このため、電池セル間の電圧バランスが崩れた場合、最大許容充電電流値Ｉｒの値によっては最大セル電圧が充電禁止電圧を超えてしまうという問題がある。
さらに、特許文献４の充放電制御装置では、求めた内部抵抗値から制限を行うのは充電量であり、充電電流値ではない。したがって、電池セルが過充電される（開回路電圧ＯＣＶが充電禁止電圧を超える）を防ぐことは出来るが、セル電圧（閉回路電圧ＣＣＶ）が充電禁止電圧に到達することを防ぐことは出来ない。また、特許文献４の充放電制御装置では容量調整回路を備え、セル電圧が充電禁止電圧を超える場合にはバイパス回路を介して放電することで、充電中の閉回路電圧ＣＣＶが充電禁止電圧を超えることを防止している。このため、セル毎に容量調整回路を設ける必要があるため、コストが上昇する問題があった。
この発明の目的は、電池パック内の複数の電池セルそれぞれの電圧のバランスがアンバランス状態になった場合でも、充電開始時にセル電圧が充電禁止電圧を超えることなく、充電を行うことが出来る電池パックを提供することにある。
上述の課題を解決するために、この発明の充電制御方法は、複数の二次電池が直列、並列または直並列に接続された組電池に対する充電終了時における充電電流値を測定する測定ステップと、
充電電流値を記憶する記憶ステップと、
二次電池に対する次回の充電開始時に、記憶した充電電流値で二次電池の充電を行う充電ステップと
を備えることを特徴とする。
また、この発明の電池パックは、複数の二次電池が直列、並列または直並列に接続された組電池と、
二次電池の充電および放電を制御するスイッチ素子と、
複数の二次電池の電池電圧をそれぞれ測定するとともに、二次電池の充電電流値を測定する測定部と、
測定した複数の二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧を検出するとともに、二次電池に対する次回の充電開始時に、記憶手段に記憶された充電電流値を充電開始時の充電電流に設定する演算部と、
測定された複数の二次電池の電池電圧に基づいてスイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、
満充電電圧および充電終了時の充電電流値を記憶する記憶手段と、
接続される電子機器との通信を行い、演算部で設定される充電電流値を送信可能な通信部と
を備え、
充電電流値で指定される充電電流が二次電池に供給されることを特徴とする。
さらに、この発明の電池パックは、複数の二次電池が直列、並列または直並列に接続された組電池と、
二次電池の充電および放電を制御するスイッチ素子と、
複数の二次電池の電池電圧をそれぞれ測定するとともに、二次電池の充電電流値を測定する測定部と、
測定した複数の二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧を検出するとともに、二次電池に対する次回の充電開始時に、記憶手段に記憶された充電電流値を充電開始時の充電電流に設定する演算部と、
測定された複数の二次電池の電池電圧に基づいてスイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、
満充電電圧および充電終了時の充電電流値を記憶する記憶手段と、
二次電池に対して、演算部で設定される充電電流値により指定される充電電流および所定の充電電圧を発生し二次電池に供給することが可能な可変電流源および可変電圧源を有する充電電源部とを備えることを特徴とする。
この発明では、二次電池に対する次回の充電開始時に、記憶した前回の充電終了時の充電流値で充電を行うため、二次電池の電圧が充電開始直後に充電禁止電圧まで達することがない。
この発明によれば、電池パック内の複数の電池セルそれぞれの電圧のバランスがアンバランス状態になった場合でも、充電開始直後に電池電圧が充電禁止電圧を超えることがないため、電池寿命を長くすると共に安定した充電を行うことができる。
従来の充電制御方法を用いた場合の二次電池充電時の電圧および電流を示すグラフである。 この発明の第１の実施の形態による充放電システムを示すブロック図である。 図２の電池パック１の構成の一例をより詳細に示すブロック図である。 第１の実施の形態における充電動作を示すフローチャートである。 この発明の第１の実施の形態による電池セルの断面構造を示す断面図である。 この発明の第１の実施の形態による電池セルに収容する巻回電極体の断面構造を示す断面図である。 この発明の電池パックの一構成例を示す斜視図および斜視分解図である。 この発明の第２の実施の形態による充電システムを示すブロック図である。 この発明の第２の充電制御方法による充電動作を示すフローチャートである。 この発明の第３の充電制御方法による充電動作を示すフローチャートである。 図１０の充電制御方法を用いた場合の電池セルの電圧値（実線）および電流値（点線）を示すグラフである。
以下、発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下のように行う。
１．第１の実施の形態（回路構成および充電制御方法の第１の例）
２．第２の実施の形態（回路構成の第２の例）
３．第３の実施の形態（充電制御方法の第２の例）
４．第４の実施の形態（充電制御方法の第３の例）
１．第１の実施の形態
第１の実施の形態では、電池パックの電池セルが、電子機器に内蔵された充電電源部の制御の基で充電される構成を示す。
（１−１）第１の回路構成
まず、この発明の第１の実施の形態における回路構成について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の第１の実施の形態による充放電システムを示すブロック図である。また、図３は、図２の電池パック１の構成の一例をより詳細に示すブロック図である。
この発明の第１の実施の形態による充電システムは、電池パック１と、電子機器（例えば可搬型パーソナルコンピュータ）１０と、ＡＣアダプタ２０とによって構成されている。ＡＣアダプタ２０の入力端子ｔ１およびｔ２が商用電源と接続され、ＡＣアダプタ２０の出力端子ｔ３およびｔ４に商用電源から生成された所定の直流電圧が発生する。
商用電源とＡＣアダプタ２０とが接続されている時にＡＣアダプタ２０が出力する直流電圧が電子機器１０の負荷１１および充電電源部１２に対して供給される。負荷１１は、電子機器１０が有する回路等である。充電電源部１２は、電池パック１と通信を行う。充電電源部１２は、電池パック１からの制御信号を受信し、充電電源部１２内のプロセッサ（ＭＰＵ(Micro Processing Unit)）の制御によって、電池パック１内のＭＰＵ３から送信された所望の充電電流および充電電圧を発生することが可能な可変電流源および可変電圧源を有している。充電電圧の最大値は、ＡＣアダプタ２０から供給される直流電圧より小である。電子機器１０の端子ｔ５およびｔ６が電池パック１の端子ｔ９およびｔ１０とそれぞれ接続される。充電電流Ｉｃが充電電源部１２から逆流防止ダイオード１３と、端子ｔ５、ｔ６とを介して電池パック１に供給される。
電池パック１は、例えばリチウムイオン二次電池の電池セル２ａおよび２ｂを直列接続した組電池２と、ＭＰＵ３と、スイッチ素子としての充電制御ＦＥＴ(Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ)４ａと、放電制御ＦＥＴ４ｂと、不揮発性メモリ（ＮＶＭ；Non-Volatile Memory）６とを有している。なお、電池セル２ａおよび２ｂが直列に接続されている構成は一例に過ぎず、複数の電池セルを並列に接続するか、もしくは例えば並列に接続された複数の電池セルのユニットをさらに直列に接続した直並列接続としても良い。
不揮発性メモリ６としては、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）が用いられる。不揮発性メモリ６には、初期の満充電容量（Full Charge Capacity）や電池セル２ａおよび２ｂの劣化度を考慮して補正された満充電容量（以下、補正満充電容量と称する）など情報の他、充電処理が終了する際の充電電流値が記憶される。
例えば単セル当たりの満充電電圧が４．２Ｖのリチウムイオン二次電池を用いた場合、この第１の実施の形態の電池パック１の定電圧充電電圧は、８．４Ｖとなる。充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂのドレインおよびソース間には、それぞれ寄生ダイオード５ａおよび５ｂが存在している。寄生ダイオード５ｂは、充電電流Ｉｃに対して順方向で、放電電流Ｉｄに対して逆方向の極性を有する。寄生ダイオード５ａは、充電電流Ｉｃに対して逆方向で、放電電流Ｉｄに対して順方向の極性を有する。
充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂのゲートには、ＭＰＵ３のＦＥＴ制御部３２からの制御信号がそれぞれ供給される。充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂは、例えばＰチャンネル型であるので、ソース電位よりも所定値以上低いゲート電位によってオン状態となる。
充電時には、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂがオン状態とされ、充電電源部１２から出力された充電電流Ｉｃが逆流防止用ダイオード１３、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂを介して電池セル２ａおよび２ｂに供給される。ＡＣアダプタ２０により電子機器１０が給電されていない状態では、電池セル２ａおよび２ｂから充電制御ＦＥＴ４ａ、放電制御ＦＥＴ４ｂおよび逆流防止用ダイオード１４を介して放電電流Ｉｄが負荷１１に供給される。
なお、電池パック１の構成によっては、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂとしてＮチャンネル型のＦＥＴが用いられてもよい。Ｎチャンネル型のＦＥＴを用いる場合には、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂがソース電位よりも所定値以上高いゲート電位によってオン状態となる。
電池パック１のＭＰＵ３のクロック端子ｔ１１およびデータ端子ｔ１２と電子機器１０の充電電源部１２内のプロセッサのクロック端子ｔ７およびデータ端子ｔ８とが接続され、クロック伝送路ＣＬＫおよびデータ伝送路ＤＡＴＡが構成される。
電池パック１のＭＰＵ３は、図３に示すように、例えばＡＦＥ（Analog Front-End）３ａが組電池２およびそれを構成する各電池セル２ａおよび２ｂの電圧を測定し、この測定電圧をＡ／Ｄ変換して、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）３ｂに供給する。ＡＦＥ３ａは、電流検出抵抗７により電流を測定し、この測定電流をＣＰＵ３ｂに供給する。
電池パック１のＭＰＵ３は、電池セル２ａおよび２ｂのそれぞれの電池セル電圧および組電池全体の電圧を測定する機能と、充放電電流値を測定する機能と、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂを制御する機能と、不揮発性メモリ６に記憶された前回充電処理終了時の充電電流値から、再充電時の最適な充電電流値を設定する機能と、計算された最適な充電電流値および不揮発性メモリ６に記憶されている情報を充電電源部１２のプロセッサに対してクロック伝送路およびデータ伝送路を介して送信する機能とを有している。
図３に示すように、電池セル２ａおよび２ｂ、組電池２のいずれの電圧を測定するかは、マルチプレクサ３１によって選択することができ、選択された部分の電圧は、Ａ／Ｄ変換して電圧測定部３５で検出する。充放電電流値は、電流測定抵抗３３ａを用いて電流測定部３３により検出することができる。充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂの制御は、ＦＥＴ制御部３２から出力される制御信号により行われる。再充電時の最適な充電電流値の設定は、演算部３７によってなされる。また、電圧値および電流値は例えば１秒間に１回等一定周期毎に測定され、一定の測定周期は例えばタイマ３６によりカウントされる。
ヒューズ３８は、二次電池２ａおよび２ｂと直列に接続され、二次電池２ａおよび２ｂに過電流が流れると、自身の電流により溶断して電流を遮断する。図３では、ヒューズ３８の近傍にヒータ抵抗３８ａを設け、過電圧時にはヒータ抵抗３８ａの温度が上昇することによりヒューズ３８が溶断して電流を遮断するようにする構成を示す。
保護回路３４は、組電池２およびそれを構成する電池セル２ａおよび２ｂの電圧を測定し、その測定電圧が所定電圧を越える場合には、ヒューズ３８を溶断する。図３の構成では、保護回路３４は過電圧時にヒータ抵抗３８ａに電圧をかけて温度を上昇させることにより、ヒューズ３８を溶断させるものである。保護回路３４は、ＭＰＵ３の制御を受けずにヒューズ３８の溶断を行う。このため、ＭＰＵ３で何らかの問題が生じ、所定電圧以上となっても充電制御ＦＥＴ４ａの制御が行われない場合であっても、電流を遮断することができる。
なお、電池パック１内にサーミスタ等の温度素子を設け、電池セル２ａおよび２ｂ、組電池２、電池パック１の温度をＭＰＵ３で検出するようにしても良い。電池セル２ａおよび２ｂ、組電池２の温度を検出する際には、検出した温度を電子機器１０に送信することにより、電池温度に応じて充放電制御を行ったり、劣化検出を行うようにしても良い。また、さらに、温度が上昇すると、抵抗値が上昇して電流を制限する電流制限素子例えばＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient：熱抵抗素子) を電池セル２ａ、２ｂと直列に接続しても良い。さらに、電池パック１の充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂの一方または両方を電子機器１０中に挿入するようにしても良い。
ＭＰＵ３は、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂのそれぞれのゲートに対して制御信号を供給して、充電制御ＦＥＴ４ａおよび放電制御ＦＥＴ４ｂのオン／オフを制御することにより、保護動作を行う。保護機能としては、過充電および過放電保護機能がある。以下、簡単にこれらの保護機能について説明する。
まず、過充電保護機能について説明する。電池セル２ａおよび２ｂを充電していくと、満充電を過ぎても電池電圧が上昇を続ける。この過充電状態になると危険な状態となる可能性が生じる。したがって、充電は定電圧定電流で行い、最大充電電圧が電池の定格の満充電電圧（例えば単一の電池セルの場合で４．２Ｖ）以下で行う必要がある。しかしながら、充電器の故障や、非正規品の充電器の使用等によって、過充電の危険性がある。過充電され、電池電圧が満充電電圧値を超える充電禁止電圧（例えば４．３Ｖ）であることが検出されると、ＭＰＵ３の出力信号によって充電制御ＦＥＴ４ａがオフされ、充電電流が遮断される。この機能が過充電保護機能である。充電制御ＦＥＴ４ａがオフされると、放電制御ＦＥＴ４ｂおよび寄生ダイオード５ａを介して放電のみが可能とされる。ここで、リチウムイオン二次電池の場合、過充電検出電圧は例えば４．２２５±０．０２５［Ｖ］と定められている。
過放電保護機能について説明する。定格放電終止電圧以下まで放電し、電池電圧が例えば２Ｖ〜１．５Ｖ以下（単一の電池セルの場合）の過放電状態になった場合は、電池が故障する場合がある。放電され、電池電圧がある電圧値以下になった場合、ＭＰＵ３の出力信号によって放電制御ＦＥＴ４ｂがオフされ、放電電流が遮断される。この機能が過放電機能である。放電制御ＦＥＴ４ｂがオフすると、充電制御ＦＥＴ４ａおよび寄生ダイオード５ｂを介して充電のみが可能とされる。ここで、リチウムイオン二次電池の場合、過放電検出電圧は例えば２．５±０．１［Ｖ］と定められている。
（１−２）第１の充電制御方法
この発明の第１の実施の形態では、上述の様な通常の充放電動作および過放電保護動作に加えて、充電開始時にセル電圧が充電禁止電圧を超えることがないように充電制御を行う。以下に説明する充電制御を行うことにより、電池パック内の複数の電池セルが劣化し、それぞれの電圧のバランスがアンバランス状態になった場合でも、充電開始時にセル電圧が充電禁止電圧を超えることなく充電を行うことができる。
図４は、第１の実施の形態における充電動作を示すフローチャートである。なお、下記の処理は、電池パック１のＭＰＵ３により、もしくはＭＰＵ３から電子機器１０に対して制御信号が送信されることにより行われる。
充電動作が開始すると、ステップＳ１において電池セル２ａおよび２ｂが再充電可能であるかが確認される。再充電可能な状態とは、例えばセルが過充電状態、過放電状態になく、適正なセル電圧であり、満充電状態時にセル電圧が低下し再充電が必要になった場合、異常検出状態時に異常状態が解除された場合、あるいは充電電流を検出した場合等である。ステップＳ１において再充電可能であると判断されなかった場合には、一定周期毎にステップＳ１を繰り返す。
ステップＳ１において再充電可能であると判断された場合には、処理がステップＳ２に移る。ステップＳ２では、ＭＰＵ３が不揮発性メモリ６に記憶された充電電流値Ｉを読み出す。なお、この発明では、前回充電動作終了時に、充電動作終了時における充電電流値が不揮発性メモリ６に記憶されている。また、電池パック１の出荷時には、初回充電開始時において好適な充電電流値か、もしくは予備充電終了時の充電電流値が不揮発性メモリ６に記憶されていることが好ましい。
続いて、ステップＳ３で不揮発性メモリ６から読み出した前回充電動作終了時の充電電流値Ｉを、今回の充電開始時の充電電流値に指定する。指定した充電電流値は、ＭＰＵ３から電子機器１０に送信する。次に、ステップＳ４では、充電制御ＦＥＴ４ａがオフされている場合には充電制御ＦＥＴ４をオンし、指定した充電電流値で電池セル２ａおよび２ｂの充電を開始する。電池セル２ａおよび２ｂは、電子機器１０の充電電源部１２が、指定された値の充電電流および充電電圧を発生することにより充電される。
ステップＳ４で充電が開始されると、ステップＳ５において通常の充電処理が行われる。ステップＳ５における通常の充電処理では、所定の満充電電圧に達するまで定電流定電圧充電が行われると共に、上述した過充電保護、過放電保護等が行われる。また、セル電圧が充電禁止電圧以上となった場合に、永久的に充放電を禁止する制御もなされる。
続いて、ステップＳ６で、充電電流値Ｉを測定する。充電電流値Ｉは、所定の一定周期毎に測定される。そして、ステップＳ７において充電電流値Ｉ＝０であるか、異常を検出するか、もしくは満充電状態であると判断された場合には、処理がステップＳ８に移り、放電制御ＦＥＴ４ｂをオフすることにより充電を停止させる。ステップＳ７において充電電流値Ｉ＝０であるか、異常を検出するか、もしくは満充電状態であると判断されなかった場合には、処理がステップＳ５に戻り、通常充電処理を継続する。ステップＳ８で充電が停止した場合には、ステップＳ９に処理が移り、最後に測定した充電電流値Ｉを不揮発性メモリ６に記憶する。これにより、充電処理が終了する。
（１−３）電池セルの構成
次に、電池パック１に収容される電池セル２ａ，２ｂについて説明する。なお、電池セル２ａおよび２ｂは同様の構成であるため、以下では電池セル２ａの説明を行う。
図５は、この発明の第１の実施の形態による電池セル２ａの断面構造を示す断面図である。この電池は、例えばリチウムイオン二次電池である。電池セル２ａは、同様の構成の電池セル２ｂとともに、例えば図２および図３に示すように電池パック１に収容される。
図５に示すように、この電池セルは、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶４１の内部に、帯状の正極５１と帯状の負極５２とがセパレータ５３を介して巻回された巻回電極体４０を有している。電池缶４１は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶４１の内部には、巻回電極体４０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板４２、４３がそれぞれ配置されている。
電池缶４１の開放端部には、電池蓋４４と、この電池蓋４４の内側に設けられた安全弁機構４５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）４６とが、ガスケット４７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶４１の内部は密閉されている。電池蓋４４は、例えば、電池缶４１と同様の材料により構成されている。
安全弁機構４５は、熱感抵抗素子４６を介して電池蓋４４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板４５Ａが反転して電池蓋４４と巻回電極体４０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子４６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット４７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
巻回電極体４０は、例えば、センターピン４４を中心に巻回されている。巻回電極体４０の正極５１にはアルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード５５が接続されており、負極５２にはニッケル（Ｎｉ）などよりなる負極リード５６が接続されている。正極リード５５は安全弁機構４５に溶接されることにより電池蓋４４と電気的に接続されており、負極リード５６は電池缶４１に溶接され電気的に接続されている。
図６は図５に示した巻回電極体４０の一部を拡大して表すものである。
［正極］
正極５１は、例えば、正極集電体５１Ａと、正極集電体５１Ａの両面に設けられた正極活物質層５１Ｂとを有している。なお、正極集電体５１Ａの片面のみに正極活物質層５１Ｂが存在する領域を有するようにしてもよい。正極集電体５１Ａは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）箔などの金属箔により構成されている。
正極活物質層５１Ｂは、例えば、正極活物質と、繊維状炭素やカーボンブラック等の導電剤と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等の結着剤とを含む。正極活物質としては、
正極活物質は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能であり、その反応電位が対リチウムで例えば３〜４．５Ｖにある正極材料のいずれか１種または２種以上を含んでいる。このような正極材料としては、例えば、リチウムを含む複合酸化物が挙げられる。具体的には、リチウムと遷移金属との複合酸化物として、層状構造を有するコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）あるいはこれらを含む固溶体（ＬｉＮｉxＣｏyＭｎzＯ2；式中、ｘ、ｙおよびｚの値はそれぞれ０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）を用いることができる。
そして、正極材料として、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）あるいはその固溶体（Ｌｉ（Ｍｎ2-vＮｉv）Ｏ4；式中、ｖの値はｖ＜２である。）などを用いることもできる。さらに、正極材料として、例えば、オリビン構造を有するリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ4）などのリン酸化合物を用いることもできる。高いエネルギー密度が得られるからである。なお、正極材料は、上述の材料の他、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化鉄、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、硫黄や、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子であってもよい。
導電剤としては、正極活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はないが、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。結着剤としては、通常この種の電池の正極合剤に用いられている公知の結着剤を用いることができるが、好ましくはポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂が用いられる。
［負極］
負極５２は、例えば、負極集電体５２Ａと、負極集電体５２Ａの両面に設けられた負極活物質層５２Ｂとを有している。なお、負極集電体５２Ａの片面のみに負極活物質層５２Ｂが存在する領域を有するようにしてもよい。負極集電体５２Ａは、例えば銅（Ｃｕ）箔などの金属箔により構成されている。
負極活物質層５２Ｂは、例えば、負極活物質を含んでおり、必要に応じて導電剤、結着剤あるいは粘度調整剤などの充電に寄与しない他の材料を含んでいてもよい。導電剤としては、黒鉛繊維、金属繊維あるいは金属粉末などが挙げられる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）などのフッ素系高分子化合物、またはスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）あるいはエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＲ）などの合成ゴムなどが挙げられる。
負極活物質としては、対リチウム金属２．０Ｖ以下の電位で電気化学的にリチウム（Ｌｉ）を吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか１種または２種以上を含んで構成されている。
リチウム（Ｌｉ）を吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、炭素材料、金属化合物、酸化物、硫化物、ＬｉＮ3などのリチウム窒化物、リチウム金属、リチウムと合金を形成する金属、あるいは高分子材料などが挙げられる。
炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維あるいは活性炭が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。また、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
このようなリチウム（Ｌｉ）を吸蔵および離脱可能な負極材料のなかでも、充放電電位が比較的リチウム金属に近いものが好ましい。負極５２の充放電電位が低いほど電池の高エネルギー密度化が容易となるからである。なかでも炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れたサイクル特性を得ることができるので好ましい。
リチウム（Ｌｉ）を吸蔵および離脱可能な負極材料としては、また、リチウム金属単体、リチウム（Ｌｉ）と合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が挙げられる。これらは高いエネルギー密度を得ることができるので好ましく、特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。なお、本明細書において、合金には２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とからなるものも含める。その組織には固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物あるいはそれらのうち２種以上が共存するものがある。
このような金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、銀（Ａｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）またはハフニウム（Ｈｆ）が挙げられる。これらの合金あるいは化合物としては、例えば、化学式ＭａfＭｂgＬｉh、あるいは化学式ＭａsＭｃtＭｄuで表されるものが挙げられる。これら化学式において、Ｍａはリチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を表し、ＭｂはリチウムおよびＭａ以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を表し、Ｍｃは非金属元素の少なくとも１種を表し、ＭｄはＭａ以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を表す。また、ｆ、ｇ、ｈ、ｓ、ｔおよびｕの値はそれぞれｆ＞０、ｇ≧０、ｈ≧０、ｓ＞０、ｔ＞０、ｕ≧０である。
なかでも、短周期型周期表における４Ｂ族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素（Ｓｉ）あるいはスズ（Ｓｎ）、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
リチウムを吸蔵・放出可能な負極材料としては、さらに、酸化物、硫化物、あるいはＬｉＮ3などのリチウム窒化物などの他の金属化合物が挙げられる。酸化物としては、ＭｎＯ2、Ｖ2Ｏ5およびＶ6Ｏ13などが挙げられる。その他、比較的電位が卑でリチウムを吸蔵および放出することが可能な酸化物として、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズなどが挙げられる。硫化物としてはＮｉＳ、ＭｏＳなどが挙げられる。
［セパレータ］
セパレータ５３としては、例えば、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム、合成樹脂製不織布などを用いることができる。セパレータ５３には、液状の電解質である非水電解液が含浸されている。
［非水電解液］
非水電解液は、液状の溶媒、例えば有機溶媒などの非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とを含むものである。
非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびプロピレンカーボネート（ＰＣ）などの環状炭酸エステルのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。特に、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを混合して含むようにすれば、よりサイクル特性を向上させることができるので好ましい。
非水溶媒は、また、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）あるいはメチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）などの鎖状炭酸エステルのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。サイクル特性をより向上させることができるからである。
非水溶媒は、さらに、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、これら化合物の水素基の一部または全部をフッ素基で置換したもの、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピロニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルフォルムアミド、Ｎ−メチルピロリジノン、Ｎ−メチルオキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシドあるいはリン酸トリメチルなどのいずれか１種または２種以上を含んでいてもよい。
組み合わせる電極によっては、上記非水溶媒群に含まれる物質の水素原子の一部または全部をフッ素原子で置換したものを用いることにより、電極反応の可逆性が向上する場合がある。したがって、これらの物質を適宜用いることも可能である。
電解質塩としては、リチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、リチウム塩としては、例えば六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、六フッ化アンチモン酸リチウム（ＬｉＳｂＦ6）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、四塩化アルミニウム酸リチウム（ＬｉＡｌＣｌ4）などの無機リチウム塩や、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2）、リチウムビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミド（ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2）、およびリチウムトリス（トリフルオロメタンスルホニル）メチド（ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3）などのパーフルオロアルカンスルホン酸誘導体などが挙げられ、これらを１種単独でまたは２種以上を組み合わせて使用することも可能である。中でも、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）は、高いイオン伝導性を得ることができると共に、サイクル特性を向上させることができるので好ましい。
一方、非水電解液の変わりに固体電解質を用いるようにしてもよい。固体電解質としては、リチウムイオン導電性を有する材料であれば無機固体電解質および高分子固体電解質のいずれも用いることができる。無機固体電解質としては、窒化リチウム（Ｌｉ3Ｎ）、よう化リチウム（ＬｉＩ）等が挙げられる。高分子固体電解質は電解質塩と、電解質塩を溶解する高分子化合物とからなり、その高分子化合物はポリ（エチレンオキサイド）や同架橋体などのエーテル系高分子、ポリ（メタクリレート）エステル系、アクリレート系などを単独あるいは分子中に共重合、または混合して用いることができる。
さらに、ゲル状電解質を用いてもよい。ゲル状電解質のマトリクスポリマとしては、上述の非水電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子が利用できる。たとえばポリビニリデンフルオロライドや、ビニリデンフルオロライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子、ポリエチレンオキサイドや同架橋体などのエーテル系高分子、またポリアクリロニトリルなどを使用できる。特に酸化還元安定性から、フッ素系高分子を用いることが望ましい。電解質塩を含有させることによりイオン導電性を賦与する。
このような非水電解質電池は、上限充電電圧を４．２５Ｖ以上４．８０Ｖ以下、下限放電電圧を２．００Ｖ以上３．３０Ｖ以下として用いることにより、よりこの発明の正極活物質の顕著な効果を得ることができる。
（１−４）電池セルの作製方法
この電池セルは、例えば以下に説明するようにして製造することができる。
［正極の製造方法］
例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体５１Ａに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層５１Ｂを形成し、正極５１を作製する。
［負極の製造方法］
また、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体５２Ａに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層５２Ｂを形成し、負極５２を作製する。
［電池セルの組み立て］
次いで、正極集電体５１ａに正極リード５５を溶接などにより取り付けるとともに、負極集電体５２Ａに負極リード５６を溶接などにより取り付ける。そののち、正極５１と負極５２とをセパレータ５３を介して巻回し、正極リード５５の先端部を安全弁機構４５に溶接すると共に、負極リード５６の先端部を電池缶４１に溶接して、巻回した正極５１および負極５２を一対の絶縁板４２、４３で挟み電池缶４１の内部に収納する。
正極５１および負極５２を電池缶４１の内部に収納したのち、上述した電解液を電池缶４１の内部に注入し、セパレータ５３に含浸させる。そののち、電池缶４１の開口端部に電池蓋４４、安全弁機構４５および熱感抵抗素子４６を、ガスケット４７を介してかしめることにより固定する。以上により、図５に示した電池セル２ａを製造できる。
（１−５）電池パックの構成
図７に示すように、上述のようにして作製した電池セル２ａと、電池セル２ａと同様の構成を有する電池セル２ｂとを例えば２直列に接続し、回路基板５７と接続する。回路基板５７上には、充電制御ＦＥＴ４ａ、放電制御ＦＥＴ４ｂ、不揮発性メモリ６、電流検出抵抗３３ａ、保護回路３４、ヒューズ３８、ＡＦＥ３ａ、ＣＰＵ３ｂ等がマウントされている。また、電子機器１０の正極および負極と接続する端子ｔ９、ｔ１０および、電子機器１０と通信を行う端子ｔ１１、ｔ１２が回路基板５７に設けられている。
電池セル２ａおよび２ｂと、回路基板５７は、例えば樹脂モールドケースからなる外装ケース５８に収容される。外装ケースは、例えば下ケース５８ａと上ケース５８ｂとからなる。下ケース５８ａおよび上ケース５８ｂの少なくとも一方には、端子ｔ９、ｔ１０、ｔ１１およびｔ１２を外部に露出させるための開口部５９が設けられている。電子機器と接続される際には、開口部５９を介して外部に露出した各端子と電子機器の接続部とが接触して、充放電および情報の通信が可能となる。
〔効果〕
次回の充電時には、今回の充電終了時に不揮発性メモリ６に記憶された充電電流値Ｉを指定充電電流値Ｉとして充電が開始される。次回の充電時には、電池セル２ａおよび２ｂの電圧が今回の充電終了時の電圧と同等か、今回の充電終了時の電圧未満となっている場合が多い。このため、今回の充電終了時に不揮発性メモリ６に記憶された充電電流値Ｉにより次回の充電を開始することにより、電池セル２ａおよび２ｂの電圧が急激に高くなって、短時間で充電禁止電圧以上となることを防止することができる。
また、このような制御を行うことにより、電池寿命を最大まで引き出すことができる。特に、電池セルの劣化がアンバランス状態となる充放電サイクル進行時においても、セル電圧が充電禁止電圧に達することによる充電の永久停止を抑制できる。
２．第２の実施の形態
第２の実施の形態では、第１の実施の形態において電子機器１０内に配置されていた充電電源部１２、逆流防止ダイオード１３および１４が、電池パック１内に配置された充放電システムについて説明する。なお、下記の説明では、第１の実施の形態と異なる点のみ説明する。また、参照符号は、第１の実施形態の各部と同様の部分には同じ符号を付す。
図８は、この発明の第２の実施の形態による充電システムを示すブロック図である。図８に示すように、第２の実施の形態による充電システムは、第１の実施の形態と同様に電池パック１と、電子機器（例えば可搬型パーソナルコンピュータ）１０と、ＡＣアダプタ２０とによって構成されている。
第２の実施形態における充電システムは、商用電源とＡＣアダプタ２０とが接続されている時にＡＣアダプタ２０が出力する直流電圧が電子機器１０の負荷１１に供給されると共に、電池パック１の充電電源部１２に対して供給される。第２の実施形態における電池パック１は、電池パック１の充電電源部１２がＭＰＵ３によって指定された充電電流値と充電電圧値とで充電動作を行う。
第２の実施の形態における充電動作は、電池パック１のＭＰＵ３により、もしくはＭＰＵ３から電池パック１内の充電電源部１２に対して制御信号が送信されることにより行われる以外は第１の実施の形態と同様である。
〔効果〕
第２の実施の形態では、充電電源部１２が電池パック１内にある場合でも、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
３．第３の実施の形態
第３の実施の形態では、第２の充電制御方法について説明する。第２の充電制御方法は、充電開始時に電池セル２ａおよび２ｂの電圧と、電池セル２ａおよび２ｂの内部抵抗とから最大許容充電電流値を算出する。そして、不揮発性メモリ６に記憶された前回の充電動作終了時の充電電流値Ｉが、算出した最大許容充電電流値を超えている場合には、算出した最大許容充電電流値にて充電を開始するものである。
ここで、第２の充電制御方法は、第１の実施の形態における回路構成および第２の実施の形態における回路構成のどちらの場合であっても適用可能である。以下、第２の充電制御方法についてのみ説明する。
図９は、第２の充電制御方法による充電動作を示すフローチャートである。なお、下記の処理は、第１の実施の形態における回路構成の場合には、電池パック１のＭＰＵ３により、もしくはＭＰＵ３から電子機器１０に対して制御信号が送信されることにより行われる。また、第２の実施の形態における回路構成の場合には、電池パック１のＭＰＵ３により、もしくはＭＰＵ３から電池パック１内の充電電源部１２に対して制御信号が送信されることにより行われる。
充電動作が開始すると、ステップＳ１１において電池セル２ａおよび２ｂが再充電可能であるかが確認される。ステップＳ１１において再充電可能であると判断されなかった場合には、一定周期毎にステップＳ１１を繰り返す。ステップＳ１１において再充電可能であると判断された場合には、処理がステップＳ１２に移る。ステップＳ１２では、ＭＰＵ３が不揮発性メモリ６に記憶された充電電流値Ｉを読み出す。なお、第２の充電制御方法は、第１の充電方法と同様に、前回充電動作終了時に、充電動作終了時における充電電流値が不揮発性メモリ６に記憶されている。また、電池パック１の出荷時には、初回充電開始時において好適な充電電流値か、もしくは予備充電終了時の充電電流値が不揮発性メモリ６に記憶されていることが好ましい。
続いて、ステップＳ１３で、電池セル２ａおよび２ｂの満充電電圧、セル電圧および内部抵抗値とから、下記の式を用いて最大許容充電電流値（設定可能な最大の充電電流値）を算出する。
最大許容充電電流値＝（満充電電圧−セル電圧）／内部抵抗値 ・・・ 式（１）
なお、この式は、充電開始時において、電池セルの状態を考慮し、電池セルの電圧が最大でも満充電電圧までしか上昇しない充電電流値を算出するものである。ステップＳ１３では算出した最大許容充電電流値と、不揮発性メモリ６に記憶された前回の充電動作終了時の充電電流値Ｉとを比較する。比較は、例えば演算部３７でなされる。そして、不揮発性メモリ６に記憶された前回の充電動作終了時の充電電流値Ｉが、算出した最大許容充電電流値未満であると判断された場合には、処理がステップＳ１４に移る。この場合、記憶された充電電流値Ｉで充電を開始しても満充電電圧に達しない。このため、ステップＳ１４において不揮発性メモリ６から読み出した前回の充電動作終了時の充電電流値Ｉを、今回の充電開始時の充電電流値に指定する。
一方、ステップＳ１３で不揮発性メモリ６に記憶された前回の充電動作終了時の充電電流値Ｉが、算出した最大許容充電電流値未満であると判断されなかった場合には、処理がステップＳ１５に移る。この場合、記憶された充電電流値Ｉで充電を開始するとセル電圧が一気に満充電電圧に達するおそれがある。このため、ステップＳ１５では、｛（満充電電圧−セル電圧）／内部抵抗値｝で求められた最大許容充電電流値を、今回の充電開始時の充電電流値に指定する。
ここで、ステップＳ１３では、組電池２全体の電圧および内部抵抗値を用いて上述の最大許容充電電流値を算出する場合、セル電圧にばらつきが生じている場合には充電開始後にセル電圧の高い電池セルが満充電電圧を超える可能性が高い。このため、組電池２を構成する電池セル２ａおよび２ｂのうち、セル電圧が最も高い電池セルについて比較を行うようにすることが好ましい。また、各電池セルの劣化にばらつきが生じている場合には、セル電圧が同じ場合でも内部抵抗値が大きくなっている電池セルの方が最大許容充電電流値が小さくなる。このため、組電池２を構成する電池セル２ａおよび２ｂのそれぞれについて最大許容充電電流値を算出し、最大許容充電電流値が最も小さいものについて読み出した充電電流値Ｉとの比較を行うようにすることがより好ましい。なお、このステップＳ１３の計算で用いるセル電圧は、充電開始前であるため、電池セル２ａおよび２ｂの開回路電圧ＯＣＶが用いられる。
ＭＰＵ３は、ステップＳ１４もしくはステップＳ１５で指定した充電電流値（充電電流値Ｉもしくは（満充電電圧−セル電圧）／内部抵抗値で得られる充電電流値）を充電電源部１２に送信する。次に、ステップＳ１６では、充電制御ＦＥＴ４ａがオフされている場合には充電制御ＦＥＴ４をオンし、指定した充電電流値で電池セル２ａおよび２ｂの充電を開始する。電池セル２ａおよび２ｂは、充電電源部１２が、指定された値の充電電流および充電電圧を発生することにより充電される。
ステップＳ１６で電池セル２ａおよび２ｂの充電が開始された以降は、第１の実施の形態と同様の充電動作がなされる。ステップＳ１６で充電動作が開始されると、ステップＳ１７において、所定の満充電電圧を上限電圧とする定電流定電圧充電、上述した過充電保護、過放電保護等の通常の充電処理が行われる。
続いて、ステップＳ１８で、所定の一定周期毎に充電電流値Ｉを測定する。また、ステップＳ１９にて電池セル２ａおよび２ｂの内部抵抗値を測定する。内部抵抗値は、次回の充電動作開始時にいずれの電池セルが採用されてもいいように、すべての電池セルの内部抵抗値が測定されることが好ましい。
そして、ステップＳ１９において充電電流値Ｉ＝０であるか、異常を検出するか、もしくは満充電状態であると判断された場合には、処理がステップＳ２０に移り、放電制御ＦＥＴ４ｂをオフすることにより充電を停止させる。ステップＳ２０において充電電流値Ｉ＝０であるか、異常を検出するか、もしくは満充電状態であると判断されなかった場合には、処理がステップＳ１７に戻り、通常充電処理を継続する。ステップＳ２０で充電が停止した場合には、ステップＳ２１に処理が移り、最後に測定した充電電流値Ｉを不揮発性メモリ６に記憶する。これにより、充電処理が終了する。
〔効果〕
第３の実施の形態では、不揮発性メモリ６に記憶した充電動作終了時の充電電流値が、充電動作再開時の充電電流値として適切かを判断する充電制御を行う。このため、充電開始時にその都度電池セルの状態に対して充電電流値が適切かを判断し、適切でない場合には適切な充電電流値を指定するため、より電池セルの電圧が充電禁止電圧まで上昇することを抑制することができ、安全性が高くなる。
４．第４の実施の形態
第４の実施の形態では、第３の充電制御方法について説明する。第３の充電制御方法は、第１の充電制御方法および第２の充電制御方法の通常充電処理時において、セル電圧に応じて充電電流値を可変とすることにより、急速充電を可能としたものである。
ここで、第２の充電制御方法は、第１の実施の形態における回路構成および第２の実施の形態における回路構成のどちらの場合であっても適用可能である。以下、第３の充電制御方法についてのみ説明する。第３の充電制御方法は、第１の充電制御方法のステップＳ５における通常充電処理、および第２の充電制御方法のステップＳ１７における通常充電処理中における充電制御方法である。
図１０は、第３の充電制御方法による充電動作を示すフローチャートである。通常充電動作中、ステップＳ３１において、各電池セル（電池セル２ａおよび２ｂ）の電圧値が測定される。各電池セルの電圧値は、内部抵抗と電流の積で求められる電圧と起電力との和である。劣化の程度が進んだ電池セルの場合では、内部抵抗が増大しているので、電池セルの電圧値も大きくなる。ステップＳ３２において、測定された電圧値の中で最大のセル電圧値（以下、最大セル電圧と適宜称する）が満充電電圧値（例えば４．２Ｖ）と比較される。満充電電圧値（以下、満充電電圧と適宜称する）は、不揮発性メモリ６に電池パックの構成に合わせて記憶されている。
ステップＳ３２において、最大セル電圧が満充電電圧より大であると判断されると、ステップＳ３３において、充電電流指定値が前回の充電電流を所定の量、例えば１０ｍＡ低下させた充電電流を指定するものに変更される。充電電流の変化量は、セル電圧の適切な変化を生じさせるものに設定されている。充電電流の変化量を固定せずに、電圧差に応じて可変しても良い。充電電流が減少することによって各セル電圧が低下する。これにより、セル電圧が充電禁止電圧以上となることを防止することができる。ステップＳ３３にて充電電流指定値を低下させた後、処理がステップＳ３６に移る。
一方、ステップＳ３２において、最大セル電圧が満充電電圧より大でないと判断された場合には、ステップＳ３４において、最大セル電圧が満充電電圧より小か否かが判断される。最大セル電圧が満充電電圧より小と判断されると、ステップＳ３５において、充電電流指定値が前回の値に対して所定の量、例えば１０ｍＡ上昇された充電電流を指定するものに変更される。充電電流が上昇することによって各セル電圧が上昇する。これにより、充電開始時に初期値として前回充電動作終了時に記憶された充電電流値Ｉを指定して充電がなされている場合に、セル電圧に余力がある場合には、より大きい充電電流値で充電を行うことができ、満充電までの充電時間を短縮することができる。ステップＳ３５にて充電電流指定値を上昇させた後、処理がステップＳ３６に移る。
上述したステップＳ３４において最大セル電圧が満充電電圧より小であると判断されなかった場合、すなわち、最大セル電圧＝満充電電圧の場合には、充電電流指定値を変化させずに、ステップＳ３６において、充電電流指定値により指定される充電電流が充電電流最大値より大きいか否かが判断される。充電電流最大値は、予め設定された値であり、電池パック内の各部を損傷しない程度の値が設定されている。ステップＳ３３（充電電流指定値を低下）およびステップＳ３５（充電電流指定値を上昇）の制御後においても、同様に、ステップＳ３６の判定処理がなされる。
ステップＳ３６において、充電電流指定値により指定される充電電流が充電電流最大値より大きいと判定された場合には、ステップＳ３７において、充電電流指定値が充電電流最大値を指定するものに設定される。ステップＳ３６において、充電電流指定値により指定される充電電流が充電電流最大値より大きいと判定されなかった場合、すなわち、充電電流指定値が充電電流最大値以下の場合では、充電電流指定値が変更されない。そして、ステップＳ３８において、充電電流指定値がプロセッサ３から充電電源部１２に対して送信される。
なお、図７では、省略されているが、不揮発性メモリ６から読み出された電池パック１を充電することができる充電電圧最大値（例えば４．２Ｖ×２＝８．４Ｖ以上の所定の電圧）を指定する充電電圧指定値もプロセッサ３から充電電源部１２に対して送信される。充電電圧指定値は固定値であるので、同一の電池パックに関して充電開始に先立って１回送信すれば足りる。これに対して、充電電流指定値は、上述した充電電流指定値算出処理がなされる毎に送信される。
図１１は、図１０の充電制御方法を用いた場合の電池セルの電圧値（実線）および電流値（点線）を示すグラフである。一定の制御周期において、所定の充電電流値を指定して充電を行っている場合に、セル電圧が満充電電圧より小さい場合にはより大きい充電電流値を再度指定して充電を継続する。これにより、電池セルのセル電圧が充電禁止電圧に達しない範囲内でより大きい充電電流値を指定して充電することが可能となる。また、セル電圧が満充電電圧より大きい場合には、より小さい充電電流値を指定して充電を継続する。これにより、充電禁止電圧に達しない範囲内でより長く電池セルの充電を行うことができる。
〔効果〕
第４の実施の形態では、通常充電中においても電池セルのセル電圧と満充電電圧とを比較して適切な充電電流値を設定することができる。したがって、セル電圧が低い場合にはより大きい充電電流値を指定して急速充電を可能となる。また、セル電圧が満充電電圧に近い場合や、劣化が大きく電圧が急上昇しやすい場合には、より小さい充電電流値を指定してセル電圧が充電禁止電圧に達しないように制御することができる。このため、高い安全性を備えるとともに、電池セルの寿命を最大まで引き出すことができる。
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。なお、この発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
＜実施例１＞
［正極の作製］
正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）９６重量％と、導電剤としてケッチェンブラック１重量％と、結着材として粉状ポリフッ化ビニリデン３重量％とを均一に混合し、これをＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状の正極合剤を調製した。この正極合剤を正極集電体となるアルミニウム（Ａｌ）箔の両面に均一に塗布し、１００℃で２４時間減圧乾燥した。
次に、これをロールプレス機で加圧成形することにより正極シートとし、当該正極シートを帯状に切り出して正極とした。さらに、正極集電体上の正極活物質未形成部分にアルミニウム（Ａｌ）リボンからなる正極端子を溶接した。
［負極の作製］
負極活物質としてグラファイト９４重量％と、結着材として粉状ポリフッ化ビニリデン６重量％とを均一に混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させてスラリー状の負極合剤を調製した。次に、この負極合剤を負極集電体となる銅（Ｃｕ）箔の両面に均一に塗布し、１２０℃で２４時間減圧乾燥することにより負極活物質層を形成した。
次に、これをロールプレス機で加圧成形することにより負極シートとし、当該負極シートを帯状に切り出して負極とした。さらに、負極集電体上の負極活物質未形成部分にニッケル（Ｎｉ）リボンからなる負極端子を溶接した。
［非水電解液の調整］
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を質量比１対１で混合した非水溶媒に、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｌとなるように添加し、混合して非水電解液を調整した。
［電池セルの組み立て］
以上のように作製された帯状の正極および負極を、厚さ２０μｍの微多孔性ポリオレフィンフィルムからなるセパレータを介して積層し、多数回巻回して渦巻き型の巻回電極体を作製した。この巻回電極体を、巻回電極体の上下両巻回面に絶縁板を配置した状態でニッケルめっきを施した鉄製の電池缶に収納した。次に、負極集電体と接続されたニッケル製の負極端子を電池缶の底部に溶接した。この後、センターピンを巻回電極体の中心部に挿入した。また、正極集電体と接続されたアルミニウム製の正極端子を、電池蓋と電気的な導通が確保された安全弁の突起部に溶接した。
最後に、上述の巻回電極体が組み込まれた電池缶内に非水電解液を注入した後、電池缶と電池蓋とを絶縁封口ガスケットを介してかしめることにより、安全弁、ＰＴＣ素子ならびに電池蓋を固定した。これにより、電池セル内の密封性を保持させた外径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍの円筒型電池を作製した。
次に、上述のようにして得られたリチウムイオン二次電池の電池セル３本を用いて、図３に示す電池パックを作製した。そして、作製した電池パックを満充電付近まで充電した。このとき、各セルの電圧を劣化して容量差が発生したことを模擬して電池セル毎に４．００Ｖ、４．１０Ｖおよび４．２０Ｖと電圧差をつけた。
この様にして作製した電池パックを、従来の制御方法とこの発明の制御方法を用いて充電し、比較を行った。
（ａ）従来の充電制御方法
従来の充電制御方法では、最大充電電流値で充電を開始した直後にセル電圧が充電禁止電圧を超えてしまうために、最大のセル電圧と満充電電圧とを比較し、充電電流を変化させる制御が働く前に、充電禁止状態を検出し充電が停止した。従来の充電制御方法を用いた電池パックの電圧および電流の挙動は、図１の様になった。
（ｂ）この発明の充電制御方法
この発明の充電制御方法では、前回の満充電付近まで充電した際の充電電流値で充電を開始した。このため、充電開始直後にセル電圧が充電禁止電圧を超えてしまうことなく、充電が継続することを確認できた。この発明の充電制御方法を用いた電池パックの電圧および電流の挙動は、図１１の様になった。
このため、本願発明の充電制御方法を用いることにより、電池セルの電圧が充電禁止電圧以上となりにくいことがわかった。
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の各実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。二次電池の種類に応じて電池状態の判定基準が異なるため、用いる二次電池に応じて適切な基準値を設定する。
また、電池セル２ａおよび２ｂとして円筒型電池を例に挙げて説明したが、ラミネートフィルムで外装された電池や角型電池、コイン型、ボタン型等の形状を有する電池が電池セル２ａおよび２ｂとして用いられてもよい。
１・・・電池パック
２・・・組電池
２ａ，２ｂ・・・二次電池
３・・・ＭＰＵ
３ａ・・・ＡＦＥ
３ｂ・・・ＣＰＵ
４ａ・・・充電制御ＦＥＴ
４ｂ・・・放電制御ＦＥＴ
５ａ，５ｂ・・・寄生ダイオード
１０・・・電子機器
１１・・・負荷
１２・・・充電電源部
１３，１４・・・逆流防止ダイオード
２０・・・ＡＣアダプタ
３１・・・マルチプレクサ
３２・・・ＦＥＴ制御部
３３・・・電流測定部
３３ａ・・・電流測定抵抗
３４・・・保護回路
３５・・・電圧測定部
３６・・・タイマ
３７・・・演算部
３８・・・ヒューズ
３８ａ・・・ヒータ抵抗
４１・・・電池缶
４２，４３・・・絶縁板
４４・・・電池蓋
４５・・・安全弁機構
４５Ａ・・・ディスク板
４６・・・熱感抵抗素子
４７・・・ガスケット
５０・・・巻回電極体
５１・・・正極
５１Ａ・・・正極活物質層
５１Ｂ・・・正極集電体
５２・・・負極
５２Ａ・・・負極活物質層
５２Ｂ・・・負極集電体
５３・・・セパレータ
５４・・・センターピン
５５・・・正極リード
５６・・・負極リード
５７・・・回路基板
５８・・・外装ケース
５８ａ・・・下ケース
５８ｂ・・・上ケース
５９・・・開口部
ｔ１〜ｔ１２・・・端子

Claims (11)

  1. 複数の二次電池が直列、並列または直並列に接続された組電池に対する充電終了時における充電電流値を測定する測定ステップと、
    上記充電電流値を記憶する記憶ステップと、
    上記二次電池に対する次回の充電開始時に、記憶した上記充電電流値で該二次電池の充電を行う充電ステップと
    を備える
    二次電池の充電制御方法。
  2. 上記二次電池に対する充電終了時に、該二次電池の内部抵抗値を測定し、
    上記二次電池に対する充電開始時に、上記内部抵抗値を用いて式（１）から最大許容充電電流値を算出し、該最大許容充電電流値と、記憶した上記充電電流値とを比較し、
    記憶した上記充電電流値が上記最大許容充電電流値以上となる場合には、上記二次電池に対する次回の充電開始時に該最大許容充電電流値で充電を行う
    請求項１に記載の二次電池の充電制御方法。
    式（１）
    最大許容充電電流値＝（満充電電圧−電池電圧）／内部抵抗値
  3. 上記二次電池に対する充電中に、複数の上記二次電池のそれぞれの電池電圧と充電電流値とを測定し、
    複数の上記二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧と、予め設定された満充電電圧とを比較し、
    上記最大セル電圧が上記満充電電圧を超える場合には、上記充電電流値を低下させる
    請求項２に記載の二次電池の充電制御方法。
  4. 上記二次電池に対する充電中に、複数の上記二次電池のそれぞれの電池電圧と充電電流値とを測定し、
    複数の上記二次電池の電池電圧のうち最も高い最大セル電圧と、予め設定された満充電電圧とを比較し、
    上記最大セル電圧が上記満充電電圧未満の場合には、上記充電電流値を上昇させる
    請求項３に記載の二次電池の充電制御方法。
  5. 上記二次電池に対する充電中に、複数の上記二次電池のそれぞれの電池電圧と充電電流値とを測定し、
    複数の上記二次電池の電池電圧のうち最も高い最大セル電圧と、予め設定された満充電電圧とを比較し、
    上記最大セル電圧と上記満充電電圧とが同等の場合には、上記充電電流値と、予め設定された充電電流最大値とを比較し、
    上記充電電流値が予め設定された充電電流最大値よりも大きい場合には、該充電電流値を該充電電流最大値と同等となるように設定する
    請求項４に記載の二次電池の充電制御方法。
  6. 複数の二次電池が直列、並列または直並列に接続された組電池と、
    上記二次電池の充電および放電を制御するスイッチ素子と、
    複数の上記二次電池の電池電圧をそれぞれ測定するとともに、該二次電池の充電電流値を測定する測定部と、
    測定した複数の上記二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧を検出するとともに、上記二次電池に対する次回の充電開始時に、上記記憶手段に記憶された上記充電電流値を充電開始時の充電電流に設定する演算部と、
    測定された複数の上記二次電池の電池電圧に基づいて上記スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、
    満充電電圧および充電終了時の充電電流値を記憶する記憶手段と、
    接続される電子機器との通信を行い、上記演算部で設定される上記充電電流値を送信可能な通信部と
    を備え、
    上記充電電流値で指定される充電電流が上記二次電池に供給される
    電池パック。
  7. 上記二次電池それぞれの内部抵抗値を測定する内部抵抗測定部
    を備え、
    上記内部抵抗測定部が、上記二次電池に対する充電終了時に、該二次電池の内部抵抗値を測定し、
    上記演算部が、上記二次電池に対する充電開始時に、上記内部抵抗値を用いて式（１）から最大許容充電電流値を算出し、該最大許容充電電流値と記憶した上記充電電流値とを比較し、記憶した上記充電電流値が上記最大許容充電電流値以上となる場合には、充電開始時の充電電流値として該最大許容充電電流値を設定する
    請求項６に記載の電池パック。
    式（１）
    最大許容充電電流値＝（満充電電圧−電池電圧）／内部抵抗値
  8. 上記演算部が、上記二次電池に対する充電中に、複数の上記二次電池のそれぞれの電池電圧と充電電流値とを測定し、複数の上記二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧を検出し、検出された該最大セル電圧と上記満充電電圧とを比較し、該最大セル電圧が該満充電電圧を超える場合に、充電電流を低下させるように上記充電電流値を設定し、該最大セル電圧が該満充電電圧未満の場合に、充電電流を上昇させるように上記充電電流値を設定し、上記充電電流指定値を変化させる制御を充電中に周期的に行い、
    上記通信部を介して、上記充電電流値を送信する
    請求項７に記載の電池パック。
  9. 複数の二次電池が直列、並列または直並列に接続された組電池と、
    上記二次電池の充電および放電を制御するスイッチ素子と、
    複数の上記二次電池の電池電圧をそれぞれ測定するとともに、該二次電池の充電電流値を測定する測定部と、
    測定した複数の上記二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧を検出するとともに、上記二次電池に対する次回の充電開始時に、上記記憶手段に記憶された上記充電電流値を充電開始時の充電電流に設定する演算部と、
    測定された複数の上記二次電池の電池電圧に基づいて上記スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、
    満充電電圧および充電終了時の充電電流値を記憶する記憶手段と、
    上記二次電池に対して、上記演算部で設定される上記充電電流値により指定される充電電流および所定の充電電圧を発生し上記二次電池に供給することが可能な可変電流源および可変電圧源を有する充電電源部と
    を備える電池パック。
  10. 上記二次電池それぞれの内部抵抗値を測定する内部抵抗測定部
    を備え、
    上記内部抵抗測定部が、上記二次電池に対する充電終了時に、該二次電池の内部抵抗値を測定し、
    上記演算部が、上記二次電池に対する充電開始時に、上記内部抵抗値を用いて式（１）から最大許容充電電流値を算出し、該最大許容充電電流値と記憶した上記充電電流値とを比較し、記憶した上記充電電流値が上記最大許容充電電流値以上となる場合には、充電開始時の充電電流値として該最大許容充電電流値を設定し、
    上記充電電源部が、上記二次電池に対して、上記演算部で設定された上記最大許容充電電流値により指定される充電電流を供給する
    請求項９に記載の二次電池の電池パック。
    式（１）
    最大許容充電電流値＝（満充電電圧−電池電圧）／内部抵抗値
  11. 上記演算部が、上記二次電池に対する充電中に、上記二次電池に対する充電中に、複数の上記二次電池のそれぞれの電池電圧と充電電流値とを測定し、複数の上記二次電池の電池電圧のうち最大の電池電圧である最大セル電圧を検出し、検出された該最大セル電圧と上記満充電電圧とを比較し、該最大セル電圧が該満充電電圧を超える場合に、充電電流を低下させるように上記充電電流値を設定し、該最大セル電圧が該満充電電圧未満の場合に、充電電流を上昇させるように上記充電電流値を設定し、上記充電電流指定値を変化させる制御を充電中に周期的に行い、
    上記充電電源部が、上記演算部によって設定された上記充電電流値に基づいて上記二次電池を充電する
    請求項１０に記載の二次電池の電池パック。
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