JP2012115080A - 充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】現行の充電制御方法を踏襲しつつ、充電電圧の切り替えに対応した充電制御を行うことが可能な充電制御システムを提供する。
【解決手段】電池温度検出部６にて検出した電池温度があらかじめ定めた温度閾値以上の温度に達して、充電電圧の切り替えが必要になった場合、判定部４にて、充電回路部２を制御して、充電電圧を低い電圧値に切り替える動作を行うとともに、充電完了までの時間を示すタイマー値を、充電電流検出部３にて検出した充電電流の電流値に応じて短縮したタイマー値に変更して設定する。しかる後、電池温度が低下して、充電電圧を元の電圧値に復帰させる場合、充電回路部２を制御して、充電電圧を元の電圧値に切り替え、かつ、充電完了までのタイマー値を、充電開始時における電池電圧値に応じて算出していたタイマー値に再設定するとともに、カウンタ部５にて現時点までカウントアップしてきたカウント値をリセットして、カウントし直す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラムに関し、特に、リチウムイオン電池の充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラムに関する。

リチウムイオン電池の安全性向上のために、リチウムイオン電池は、電気用品安全（ＰＳＥ：Product Safety，Electrical Appliance ＆ Materials）法の対象になっている。つまり、該ＰＳＥ法の規定として、リチウムイオン電池の充電制御方法についても、充電中に電池温度が高温になっていることを検出した場合、電池膨れ防止や電池劣化を抑えるために、充電電圧を下げて、安全に充電動作を行うことができるようにしなければならないことが定められている。

一方、一般に、現在行われているリチウムイオン電池の充電制御方法においては、例えば、特許文献１の特開平０９−１４９５５６号公報「二次電池の充電方法」にも記載されているように、充電が完了するまでのタイマー値が、充電電圧の如何によらず、充電開始時に測定した電池電圧に応じてあらかじめ決定されている。したがって、充電中に充電電圧の切り替えが発生すると、充電時間に過不足が生じてしまい、リチウムイオン電池の過充電や充電不足が生じてしまう。

特開平０９−１４９５５６号公報（第２−４頁）

前述したように、現在のリチウムイオン電池の充電制御方法においては、充電完了までのタイマー値を、充電開始直後に測定した電池電圧検出値に応じて数種類のタイマー値のいずれかに選定して、安定した充電容量と充電時間とになるように制御している。

しかしながら、リチウムイオン電池の充電制御方法に関して、電気用品安全(ＰＳＥ)法への対応を実現するためには、図５に示すように、電池温度が高温状態（あらかじめ定めた温度閾値ｔ１以上の温度、例えば、温度ｔ２のような高温状態）になったときには、定電圧充電時においては、充電電圧をＶ１からＶ２へ下げる制御を行うことが必要である。ここで、例えば、Ｖ１＝４.２０Ｖ、Ｖ２＝４.１５Ｖを想定している。図５は、リチウムイオン電池の電池温度に応じて充電電圧を制御する様子を説明するための特性図であり、縦軸が充電電圧を示し、横軸が電池温度を示している。

かくのごとく、定電圧充電時において、充電電圧をＶ１からＶ２へ下げる制御が行われると、図４の実線の曲線Ａ（電圧を切り替える前の電流特性）から破線の曲線Ｂ（電圧を切り替えた後の電流特性）に示すように、充電電流が急激に減少してしまい、その結果として、現状の充電方法においては、充電開始時に設定されていた充電完了までのタイマー値Ｔに対して過分なタイマー値がさらに追加されることになり、リチウムイオン電池が過充電になる恐れがある。図４は、リチウムイオン電池の充電電圧の低下に伴う充電電流の減少および充電用タイマーの増加の様子を説明するための特性図であり、縦軸が充電電流を示し、横軸が充電時間を示している。

本発明は、かくのごとき事情に鑑みてなされたものであり、現行の充電制御方法を踏襲しつつ、充電電圧の切り替えに対応した充電制御を行うことが可能な充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラムを提供することを、その目的としている。

前述の課題を解決するため、本発明による充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラムは、主に、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）本発明による充電制御方法は、電池を充電する動作を制御する充電制御方法であって、充電電圧の切り替えが発生した場合、充電完了までの時間を示すタイマー値を、充電電流の電流値に応じて変更して設定することを特徴とする。

（２）本発明による充電制御システムは、電池を充電する動作を制御する充電制御システムであって、充電電圧の切り替えが発生した場合、充電完了までの時間を示すタイマー値を、充電電流の電流値に応じて変更して設定することを特徴とする。

（３）本発明による充電制御プログラムは、少なくとも前記（１）に記載の充電制御方法を、コンピュータによって実行可能なプログラムとして実施していることを特徴とする。

本発明の充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラムによれば、以下のような効果を奏することができる。

（１）充電対象の電池の電池温度が高温状態になり、充電電圧を下げる場合には、充電完了までのタイマー値を充電電流の値に応じて短縮することにより、該電池の過充電を抑えることができる。

（２）充電対象の電池の電池温度が高温状態ではなくなり、充電電圧を上げる場合には、充電完了までのタイマー値を、充電開始時の元の値に戻すことにより、該電池の公称容量まで確実に充電することができるようになる。

本発明に係る充電制御システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。 図１の充電制御システムの動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図１の充電制御システムの図２の動作を実施した後の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 リチウムイオン電池の充電電圧の低下に伴う充電電流の減少および充電用タイマーの増加の様子を説明するための特性図である。 リチウムイオン電池の電池温度に応じて充電電圧を制御する様子を説明するための特性図である。

以下、本発明による充電制御方法、充電制御システムおよび充電制御プログラムの好適な実施形態について添付図を参照して説明する。なお、以下の説明においては、本発明による充電制御方法および充電制御システムについて説明するが、かかる充電制御方法をコンピュータにより実行可能な充電制御プログラムとして実施するようにしても良いし、あるいは、充電制御プログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録するようにしても良いことは言うまでもない。また、以下の説明においては、充電対象の電池（二次電池）がリチウムイオン電池である場合を例にとって説明するが、充電対象の電池はリチウムイオン電池以外であっても良く、充電途中で充電電圧を変更して充電を行う必要が生じる電池であれば如何なる電池についても適用することができる。

（本発明の特徴）
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明は、電池の充電中に、該電池を充電する充電電圧を切り替える際に、充電完了までの時間を示すタイマー値も充電電流の値に応じて変更することによって、最適な充電を行うことを可能とすることを主要な特徴としている。

より具体的には、本発明は、電池の充電中に、電池温度の変化等に伴い、充電電圧を変えなければならなくなったとき、充電電圧を下げる場合には、必要に応じて、充電完了までのタイマー値を減らし、その後、充電電圧を上げる場合には、充電完了までのタイマー値を充電開始時の電池電圧に応じて算出した元の値に再設定するとともに、現時点まであらかじめ定めた単位時間ごとにカウントアップしてきたカウント値（タイマー値）をリセットして、カウントし直すように制御することを特徴としている。

（実施形態の構成例）
次に、本発明に係る充電制御システムの実施形態の構成例について、その一例を、図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る充電制御システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。

図１に示すように、充電制御システム１０は、ＡＣアダプタ１、充電回路部２、充電電流検出部３、判定部４、カウンタ部５、電池温度検出部６を少なくとも含んで構成されており、充電対象となるリチウムイオン電池２０を充電する制御を行っている。

つまり、図１に示す充電制御システム１０は、ＡＣアダプタ１からの電圧を充電回路部２にて定電流定電圧充電用の制御を行い、リチウムイオン電池２０を充電する。つまり、充電開始時は、急速に充電するために、最大充電電圧値を或る所定値に定めた定電流充電動作を行って、リチウムイオン電池２０を充電する。しかる後、リチウムイオン電池２０の充電が進んで、電池温度が、充電動作を定電圧充電動作に切り替えるための閾値としてあらかじめ定めた温度に達したことを電池温度検出部６にて検出した際に、補充電動作を行うために、定電流充電動作を定電圧充電動作に切り替えるとともに、充電電流の測定結果に基づいて、カウンタ部５のカウントアップ動作を起動し、充電開始時に電池電圧値に応じて設定した充電完了までのタイマー値に達するまで、リチウムイオン電池２０を充電する。

ここで、リチウムイオン電池２０の充電完了までのタイマー値に達したか否かのカウントアップ動作をカウンタ部５に開始させる判定は次のように行う。本充電制御システム１０においては、充電電流検出部３にて、常時、充電電流を検出させ、判定部４に通知している。該通知を受け取った判定部４において、充電電流検出部３が検出した充電電流があらかじめ定めた電流閾値以下つまりタイマー開始電流閾値Ｉｔｈ以下になったか否かを判定し、充電電流が該タイマー開始電流閾値Ｉｔｈ以下になったことを検出した際に、カウンタ部５の動作を起動させて、或る単位時間ごとにカウントアップするカウンタ部５のカウントアップ動作を開始させる。

カウンタ部５のカウントアップ動作が開始されると、カウンタ部５のカウント値（すなわちタイマー値）を、判定部４にて、充電完了までのタイマー値と比較して、該充電完了までのタイマー値に達したことが確認されると、充電回路部２を制御して、充電動作を完了させる。

なお、電池温度検出部６にて、リチウムイオン電池２０の電池温度を常時監視しており、ＰＳＥ法対応として、判定部４にて判定した該電池温度の温度状態に応じて、すなわち、該電池温度とＰＳＥ法対応としてあらかじめ定めた温度閾値との比較結果に応じて、判定部４より充電回路部２に対して充電電圧の切り替えを指示するようにしている。

そして、判定部４より充電回路部２に対して充電電圧の切り替えを指示した場合には、必要に応じて、カウンタ部５によるカウントアップ動作を制御し、充電完了までのタイマー値についても、充電開始時に電池電圧値に応じて設定していた値を、充電電流の電流値に応じて算出したタイマー値に変更して再設定を行う。

（実施形態の動作の説明）
次に、図１に示した充電制御システムの動作について、その一例を、図２および図３のフローチャートを用いて説明する。図２は、図１の充電制御システム１０の動作の一例を説明するためのフローチャートであり、充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度があらかじめ定めた温度閾値以上に上昇した際の充電電圧の切り替え動作の一例を示している。図３は、図１の充電制御システム１０の図２の動作を実施した後の動作の一例を説明するためのフローチャートであり、充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度が上昇して充電電圧を切り替えた後に、電池温度が低下した際の動作の一例を示している。

まず、図２のフローチャートを用いて、電池温度検出部６において充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度がＰＳＥ法対応としてあらかじめ設定している温度閾値以上に上昇したことを検出した際に、充電電圧を切り替える動作について、その一例を説明する。なお、図２のフローチャートは、リチウムイオン電池２０の充電動作が定電流充電動作から定電圧充電動作に切り替わった以降の動作について示しており、図２のフローチャートの実行に先立って、充電開始時において、充電対象のリチウムイオン電池２０の電池電圧の測定結果に応じて、充電完了までのタイマー値があらかじめ求められている状態にある。

図２のフローチャートにおいて、リチウムイオン電池２０を充電しているとき、充電電流検出部３にて充電電流Ｉｃｈｇを常時取得している（ステップＳ１）。そして、判定部４において、検出した充電電流Ｉｃｈｇが、カウンタ部５においてカウントアップ動作を開始するタイマー開始電流閾値Ｉｔｈとしてあらかじめ定めた電流閾値以下になっているか否かを常時判定している。

ここで、充電対象のリチウムイオン電池２０は、前述したように、充電回路部２の動作によって定電流定電圧充電を行っており、充電を開始した時点から実施されていた定電流充電動作から切り替わった定電圧充電動作中においては、充電開始付近と充電終了付近との間で、単位時間当たりの電流変化(減少)量に差があり、充電開始付近では、単位時間当たりの電流変化(減少)量は多く、充電終了付近では、単位時間当たりの電流変化(減少)量は少なくなっている。したがって、充電終了付近の電流変化(減少)量を精度良く検出するためには、充電電流を検出する部位には高性能で高価な電流検出部が必要となってくる。

しかしながら、本発明の一実施形態である図１の充電制御システムにおいては、充電電流検出部３として安価な電流検出部を用いることを可能とするために、定電圧充電時において充電電流の電流変化(減少)量があらかじめ定めた電流変化閾値よりも多い電流領域（例えば２００ｍＡ程度の電流領域）に、カウンタ部５においてカウントアップ動作を開始するか否かを判別するためのタイマー開始電流閾値Ｉｔｈをあらかじめ設定している。そして、充電電流の電流値と該タイマー開始電流閾値Ｉｔｈとを比較する動作を、前記電流変化閾値よりも多い電流領域において実施するように制御している。

而して、安価な検出器からなる充電電流検出部３にて、電流変化(減少)量が前記電流変化閾値よりも多い電流領域において充電電流の電流値を検出し、検出した充電電流が、タイマー開始電流閾値Ｉｔｈ未満に低下したことを判定部４にて検知した場合に、カウンタ部５においてタイマーのカウントアップ動作を開始するようにしている。

また、本発明の一実施形態である図１の充電制御システムにおいては、ステップＳ１において常時取得している充電電流Ｉｃｈｇと充電電圧切り替えによって変化する充電電流値（理論値）ΔＩｃｈｇとを使用して、タイマー値を再設定するようにしている。ここで、充電電圧切り替えによって変化する充電電流値（理論値）ΔＩｃｈｇは、次の式（１）によって与えられるものとする。
ΔＩｃｈｇ＝（充電電圧切り替え時の電圧差）
÷（リチウムイオン電池２０の内部抵抗＋回路ロス）…（１）

図２のフローチャートに戻って、次に、充電電圧を低い電圧値に切り替える前に、充電を完了させるためのタイマー値をカウントアップするカウンタ部５が現在動作中であるか否かを確認する（ステップＳ２）。充電を完了させるためのタイマー値をカウントアップするカウンタ部５が現在動作中であった場合は（ステップＳ２のＹ）、充電電圧を低い電圧値に切り替えると、切り替えた充電電圧においては、既に、十分に充電されているものと判断することができる。

すなわち、カウンタ部５が動作中にある状態で、充電電圧を低い電圧値に切り替えると、図４に示したように、充電電流が、充電完了時の充電電流Ｉｅｎｄにより近くなるか、もしくは、充電完了時の充電電流Ｉｅｎｄから充電電圧切り替えによって変化する充電電流値（理論値）ΔＩｃｈｇを差引いた値が'０'以下、すなわち、
Ｉｅｎｄ−ΔＩｃｈｇ≦０
になるので、切り替えた充電電圧においては、既に、十分に充電されているものと判断することができる。したがって、かかる場合には、充電動作を早急に完了させるために、充電完了までのタイマー値を、より短い時間に短縮させるために、充電開始時に選択することができるタイマー値のうち最小のタイマー値に再設定する（ステップＳ４）。

一方、充電を完了させるためのタイマー値をカウントアップするカウンタ部５が現在動作中ではなかった場合には（ステップＳ２のＮ）、充電電圧を低い電圧値に切り替えても、充電電流が、カウンタ部５がカウントアップ動作を開始するための電流閾値としてあらかじめ設定したタイマー開始電流閾値Ｉｔｈ以上の電流値になっているか否かを確認する（ステップＳ３）。

充電電圧を切り替えても、充電電流が、タイマー開始電流閾値Ｉｔｈ以上の電流値になっている場合は（ステップＳ３のＹ）、現在の充電電流Ｉｃｈｇから電圧切り替えによって変化する電流値（理論値）ΔＩｃｈｇを差引いても、タイマー開始電流閾値Ｉｔｈ以上になっている場合であり、カウンタ部５がカウントアップ動作を開始する状態にまだ達していないので、充電完了までのタイマー値を変更することなく、そのまま使用する（ステップＳ５）。

これに対して、充電電圧を切り替えると、充電電流が、タイマー開始電流閾値Ｉｔｈ未満の電流値になる場合は（ステップＳ３のＮ）、図４の曲線Ａ，Ｂに示しているように、定電圧充電時における充電電流の変化量を２次関数に見立てることによって近似計算を行い、充電電流Ｉｃｈｇの電流値に応じて、充電完了までのタイマー値Ｔを求めて、求めた該タイマー値Ｔを、充電開始時に電池電圧値に応じてあらかじめ算出していた充電完了までのタイマー値から変更して、再設定する（ステップＳ６）。

ここで、タイマーの最大値（充電開始時に設定している値の最大値）をＴｍａｘとし、タイマー開始電流閾値をＩｔｈとし、充電完了時の充電電流をＩｅｎｄとし、充電電圧切り替えによって変化する充電電流値（理論値）をΔＩｃｈｇとし、充電電圧切り替え後の充電電流をＩｃｈｇ'とすると、求めるべき充電完了までのタイマー値Ｔは、次の式（２）に示すように、
Ｔ＝（タイマー最大値）
×[１−｛（タイマー開始電流閾値−充電電圧切り替え後の電流）
／（タイマー開始電流閾値−充電完了時の充電電流）｝^２]
＝Ｔｍａｘ×[１−｛（Ｉｔｈ−Ｉｃｈｇ'）／（Ｉｔｈ−Ｉｅｎｄ）｝^２]
＝Ｔｍａｘ×[１−｛（Ｉｔｈ−（Ｉｃｈｇ−ΔＩｃｈｇ））
／（Ｉｔｈ−Ｉｅｎｄ）｝^２] …（２）
として与えられ、タイマー最大値Ｔｍａｘから充電電流Ｉｃｈｇの電流値に応じて短縮したタイマー値を、充電完了までのタイマー値Ｔとして新たに設定するようにすれば良い。

以上のように、充電電圧の切り替えが必要になった場合、ステップＳ４〜Ｓ６において、カウンタ部５の動作の有無、充電電流Ｉｃｈｇの電流値に応じて、充電完了までのタイマー値を再設定した後に、充電回路部２を制御して、充電電圧を例えば４．２０Ｖから４．１５Ｖに切り替える（ステップＳ７）。かくのごとく、リチウムイオン電池２０が高温状態になり、充電電圧を下げる場合には、充電電流Ｉｃｈｇの電流値に応じて、充電完了までのタイマー値を更新して短縮することによって、電池の過充電を抑えることができる。

次に、図３のフローチャートについて説明する。すなわち、充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度がＰＳＥ法対応としてあらかじめ設定している温度閾値以上に上昇した際に、図２のフローチャートに示した動作によって、充電電圧と充電終了までのタイマー値とを切り替えた後に、電池温度がＰＳＥ法対応としてあらかじめ設定している温度閾値未満に低下したことを検出した場合に充電電圧を切り替える動作について、図３のフローチャートを用いて、その一例を説明する。

図３のフローチャートにおいて、電池温度検出部６にて常時検出している充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度が低下して、充電電圧を元の電圧値にまで上昇させることが可能になったことを、判定部４にて判定すると、充電回路部２を制御して、充電電圧を例えば４．１５Ｖから元の電圧値４．２０Ｖに切り替える（ステップＳ８）。

充電電圧の切り替えにより変更した電圧差とリチウムイオン電池２０の内部抵抗と回路ロスとを考慮すると、充電電圧の切り替えを行った後の充電電流は、タイマー開始電流閾値Ｉｔｈよりも大きくなるので、カウンタ部５のカウント値をリセットしてカウントし直すように制御するとともに、充電完了までのタイマー値を充電開始時に求めていた値に戻して（ステップＳ９）、充電動作を継続する。かくのごとく、リチウムイオン電池２０が高温状態ではなくなり、充電電圧を上げる場合には、充電完了までのタイマー値を、充電開始時の元の値に戻すことができ、電池の公称容量まで確実に充電することができるようになる。

以上に詳細に説明したように、本実施形態においては、次のような効果が得られる。

（１）充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度が高温状態になり、充電電圧を下げる場合には、充電完了までのタイマー値を充電電流の値に応じて短縮することができ、電池の過充電を抑えることができる。

（２）充電対象のリチウムイオン電池２０の電池温度が高温状態でなくなり、充電電圧を上げる場合には、充電完了までのタイマー値を充電開始時の値に戻すことができ、リチウムイオン電池２０の公称容量まで確実に充電することができるようになる。

以上、本発明の好適な実施形態の構成を説明した。しかし、かかる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。

１ ＡＣアダプタ
２ 充電回路部
３ 充電電流検出部
４ 判定部
５ カウンタ部
６ 電池温度検出部
１０ 充電制御システム
２０ リチウムイオン電池

Claims (10)

1. 電池を充電する動作を制御する充電制御方法であって、充電電圧の切り替えが発生した場合、充電完了までの時間を示すタイマー値を、充電電流の電流値に応じて変更して設定することを特徴とする充電制御方法。
2. 前記充電電圧を低い電圧値に切り替える場合、充電完了までの前記タイマー値を、充電開始時における電池電圧値に応じて算出していたタイマー値から、前記充電電流の電流値に応じて短縮されたタイマー値に再設定することを特徴とする請求項１に記載の充電制御方法。
3. 前記充電電圧を低い電圧値から高い電圧値に復帰させる場合、充電完了までの前記タイマー値を、充電開始時における電池電圧値に応じて算出していたタイマー値に再設定することを特徴とする請求項２に記載の充電制御方法。
4. 前記充電電流の電流値をあらかじめ定めたタイマー開始電流閾値と比較し、前記充電電流の電流値が前記タイマー開始電流閾値未満の電流値に低下したことを検知した時点から、あらかじめ定めた単位時間ごとにカウントアップするカウンタ部の動作を開始し、該カウンタ部のカウント値が充電完了までの前記タイマー値に達した時点で充電動作を停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれに記載の充電制御方法。
5. 前記充電電圧を切り替える際に、前記カウンタ部のカウントアップ動作が既に開始されていた場合、充電完了までの前記タイマー値を、選択可能なタイマー値のうち最も小さい値に再設定し、また、前記充電電圧を切り替える際に、前記カウンタ部のカウントアップ動作がまだ開始されていない場合であって、前記充電電圧を切り替えた後の前記充電電流の電流値が前記タイマー開始電流閾値未満の電流値に低下する場合には、充電完了までの前記タイマー値を前記充電電流の電流値に応じて短縮されたタイマー値に再設定することを特徴とする請求項４に記載の充電制御方法。
6. 前記充電電流の電流値を前記タイマー開始電流閾値と比較する動作を、前記充電電流の電流変化量があらかじめ定めた電流変化閾値よりも多い電流領域において実施するように制御することを特徴とする請求項４または５に記載の充電制御方法。
7. 電池を充電する動作を制御する充電制御システムであって、充電電圧の切り替えが発生した場合、充電完了までの時間を示すタイマー値を、充電電流の電流値に応じて変更して設定することを特徴とする充電制御システム。
8. 前記充電電圧を低い電圧値に切り替える場合、充電完了までの前記タイマー値を、充電開始時における電池電圧値に応じて算出していたタイマー値から、前記充電電流の電流値に応じて短縮されたタイマー値に再設定することを特徴とする請求項７に記載の充電制御システム。
9. 前記充電電圧を低い電圧値から高い電圧値に復帰させる場合、充電完了までの前記タイマー値を、充電開始時における電池電圧値に応じて算出していたタイマー値に再設定することを特徴とする請求項８に記載の充電制御システム。
10. 請求項１ないし６のいずれかに記載の充電制御方法を、コンピュータによって実行可能なプログラムとして実施していることを特徴とする充電制御プログラム。

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