JP2014117081A - 充電制御装置および充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充電に際して、内部抵抗による影響を低減し、より短時間で、より十分な容量で充電すること。
【解決手段】充電対象の二次電池に供給する充電電流を、高電流と、前記高電流より低い低電流の少なくとも２段階に切り替えて充電し得る定電流充電回路を備えた充電制御装置において、充電中の前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、前記定電流充電回路における充電電流を前記高電流として定電流充電させ、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達した後は、前記定電流充電回路における前記充電電流を前記高電流から前記低電流に切り替えて定電流充電を継続させ、前記低電流による定電流充電を所定の緩和時間継続させた後に、前記定電流充電回路における前記充電電流を、前記低電流から前記高電流まで漸増させつつ定電流充電させる制御手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池等の二次電池の充電制御に関するものである。

一般的な二次電池の充電制御方法としては、定電圧充電方法、定電流充電方法、定電圧定電流充電方法が広く知られている。
二次電池を定電流充電方法で充電する場合、所定電圧をしきい値として設定し、そのしきい値に達したときに充電を終了させるアルゴリズムを採用することがある。そのようなアルゴリズムを採用した場合、図５に示したように、二次電池の内部抵抗ｒにより、充電制御装置側で監視している電池電圧ＶBattと、被充電側の理想電池が有している電池電圧Ｖが一致しない。
従って、内部抵抗ｒによって発生する電圧降下分Ｖｒがオフセットされた形で充電されるため、上記アルゴリズムで充電した場合には、正味の充電容量が充電中の見かけの電池容量よりも低いという課題があった。
最近では、電池パックを構成する二次電池を１セル単位で充電管理を行うために、電池パック内に１セル単位で過電圧を検出するとアラーム信号を出力するＩＣを配設し、アラーム信号を充電制御装置が受け取ると強制的に充電を終了するように制御されるものもある。しかし、この場合でも、電池電圧がしきい値以上で高電流で充電を行い、アラーム信号により強制的に充電を終了した場合は、電池の内部抵抗による影響のため、正味の充電容量が充電中の見かけの電池容量より低いという問題があった。

上記課題を解決する一例として、高電流で定電流充電中に、電池電圧が所定のしきい値に達した場合、直ちに充電電流を低電流に切り替えて、その低電流で定電流充電する方式が提案されている。
しかし、充電電流の高電流と低電流との比が大きい場合、充電電流を低電流へ切り替えた後に前記低電流による充電を継続する方式では、充電時間が増加したり、二次電池が満充電領域で充電され続けることから、サイクル特性の劣化を引き起こす可能性が高い等の問題があった。

上記充電方式から、さらに充電時間の短縮を図るために、特許文献１には、最初には高電流で充電し、電池電圧が所定の基準電圧に達すると、高電流から低電流に切り替え、低電流から中電流に漸増させつつ充電する充電制御技術が開示されている。

特開2011-211846号公報

特許文献１には、高電流で定電流充電中に、電池電圧が所定のしきい値に達した場合、直ちに低電流に切り替え、所定の基準電圧未満が検出されると、充電電流を低電流から高電流に漸増させつつ充電する充電方式が開示されている。
これによって、充電効率を向上させ充電時間の短縮を図ることができる。
しかし、この場合、高電流から低電流に充電電流を切り替えても、電池内部の平衡および分極作用により、電池電圧は直ちには定常状態とはならず、緩やかに漸減する。
このような電池電圧の漸減過程において、低電流から高電流に充電電流を漸増させようとした場合、二次電池の内部抵抗の影響を残したまま充電プロファイルが進行するため、結果として充電効率が向上しないという欠点がある。（図３の（Ｃ）参照。）
このような欠点は特に二次電池のサイクル使用及び経年による劣化等において顕著に発現し、二次電池の充電効率の向上を阻害する要因となっている。
そこで、本発明は、充電電流を高電流から低電流に切り替えた後、電池電圧が定常状態に移行するために必要な所定の緩和時間を確保した上で、充電電流を低電流から漸増させつつ充電することによって、充電効率を改善することを目的としている。

本発明においては上記問題を解決するために以下の手段を講じた。
請求項１の発明は、
充電対象の二次電池に供給する充電電流を、高電流Ｉ１と、前記高電流Ｉ１より低い低電流Ｉ２の少なくとも２段階に切り替えて充電し得る定電流充電回路を備えた充電制御装置において、
充電中の前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、
前記定電流充電回路における充電電流を前記高電流Ｉ１として定電流充電させ、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達した後は、前記定電流充電回路における前記充電電流を前記高電流Ｉ１から前記低電流Ｉ２に切り替えて定電流充電を継続させ、
前記低電流Ｉ２による定電流充電を所定の緩和時間Ｔ１継続させた後に、
前記定電流充電回路における前記充電電流を、前記低電流Ｉ２から漸増させつつ定電流充電させる制御手段と
を備えたことを特徴としている。
なお、前記緩和時間Ｔ１とは、充電によって二次電池の内部の化学変化が進行した後安定して、所定の定常状態になるまでの時間であり、この緩和時間Ｔ１は、任意の時間の設定、もしくは充電前に緩和時間Ｔ１を推定するための短時間の低電圧充電を行って決定することができる。

請求項２では、
前記制御手段は、所定の充電終了条件を満足した場合に充電を終了するように構成されている。
請求項３では、
前記制御手段には、
前記低電流Ｉ２による定電流充電を所定の緩和時間Ｔ１継続中に、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達したときに充電を終了する充電終了条件が設定されている。

請求項４では、
前記制御手段には、
前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達してから所定の制限時間が経過したときに充電を終了する充電終了条件が設定されている。
請求項５では、
前記制御手段は、前記緩和時間Ｔ１を設定する設定手段を備えている。
請求項６では、
前記設定手段は、予め決定された任意の時間を前記緩和時間Ｔ１として設定し得るように構成されている。
請求項７では、
充電対象の二次電池を定電圧充電し得る定電圧充電回路を備えるとともに、
前記設定手段は、前記定電圧充電回路によって短時間の定電圧充電を行い、定電圧充電中における充電特性に基づいた所定の演算処理によって前記緩和時間Ｔ１を決定するアルゴリズムを備えている。

請求項８にかかる発明は、
充電対象の二次電池に供給する充電電流を、高電流Ｉ１と、前記高電流より低い低電流Ｉ２の少なくとも２段階に切り替えて充電し得る定電流充電回路と、
充電中の前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と
を備えた充電制御装置の充電制御方法において、
前記定電流充電回路における充電電流を前記高電流Ｉ１として定電流充電させ、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達した後は、前記定電流充電回路における前記充電電流を前記高電流Ｉ１から前記低電流Ｉ２に切り替えて定電流充電を継続させ、
前記低電流Ｉ２による定電流充電を所定の緩和時間Ｔ１継続させた後に、
前記定電流充電回路における前記充電電流を、前記低電流Ｉ２から漸増させつつ定電流充電させることを特徴としている。

本発明では、充電電流を高電流から低電流へ切り替えた後、所定の緩和時間Ｔ１は前記低電流による定電流充電を維持し、所定時間が経過してから、再度前記高電流へ切り替えるので、充電効率を改善することができ、充電時間を短縮することができるとともに、サイクル特性の劣化を低減できる。
なお、充電電流を低電流から高電流へ切り替える際には、低電流から高電流へ漸増させるので、二次電池の過電圧領域への踏み込みを防止でき、過充電になることを防止できる。

本発明では高電流から低電流に切り替えた後、電池電圧が定常状態に戻るまでの所定の緩和時間Ｔ１が経過してから漸増させて高電流に戻すようにしたので、二次電池の内部抵抗の影響を、より低減させながら充電を行うことができる。
このようにして、二次電池の内部の化学変化によって発生する緩和時間Ｔ１を考慮して充電電流の設定を行うことにより、特に劣化している二次電池においても充電効率を損なうことなく充電することができる。
以上のように、本発明によれば、二次電池の寿命劣化を引き起こすことなく、充電完了までの時間を短縮することができるのである。

本発明にかかる充電制御装置のブロック図である。 本発明にかかる充電制御方法のフローチャートである。 本発明と従来技術における充電特性の説明図である。 本発明の実施例１にかかる充電制御装置のブロック図である。 二次電池の等価回路である。

以下に、本発明にかかる充電制御装置および充電制御方法を図面を参照して詳細に説明する。
図１には、本発明の実施形態としての充電制御装置のブロック図を示している。
図１において、
１は充電制御装置であり、充電のための電源として供給される電源Ｖｃｃを、充電対象とするリチウムイオン電池等の二次電池４に適切に充電するように構成されている。
前記充電制御装置１は、充電部２と制御部３とを備えており、
前記充電部は、前記電源Ｖｃｃからの電流を制御して前記二次電池４への充電電流として出力する充電回路２１と、前記充電回路２１における充電電流を高電流Ｉ１に設定する高電流設定手段２２と、前記充電回路２１における充電電流を低電流Ｉ２に設定する低電流設定手段２３とを備えている。

前記充電回路２１は、前記制御部３から出力される充電電流切り替え信号３１によって、前記充電回路２１から前記二次電池４へ出力する充電電流を、前記高電流設定手段２２によって設定される高電流Ｉ１もしくは前記低電流設定手段２３によって設定される低電流Ｉ２の何れかに切り替えるように構成されている。
なお、前記高電流設定手段２２における高電流Ｉ１および前記低電流設定手段２３における低電流Ｉ２は、前記制御部３から充電電流設定信号３２、３３によって設定されるように構成されている。
また、前記制御部３はＣＰＵを備えており、
さらに、後述する緩和時間Ｔ１を計時するように設定されたタイマ３４と、
後述するしきい値Ｖ１が設定されて記憶されているしきい値メモリ３５と、
後述する制御プログラムが書き込まれたプログラムメモリ３６を備えている。

前記充電回路２１から前記二次電池４への出力線には電池電圧検出線２４が接続されており、前記二次電池４の電池電圧を検出して電池電圧検出信号として前記制御部３へ入力するように構成されている。
前記二次電池４には、当該二次電池が複数のセルで構成されている場合、各セルの電池電圧を個別に検出して何れかのセルの電池電圧が所定の規定値を超えた場合にアラーム信号をするアラーム回路４１（破線で図示）が内蔵されている場合がある。

次に、前記充電制御装置１を制御する充電制御方法を、図２に示したプログラムのフローチャートを参照して説明する。
なお、前記高電流設定手段２２における高電流Ｉ１、前記低電流設定手段２３における低電流Ｉ２、前記タイマ３４における緩和時間Ｔ１、および前記しきい値メモリ３５におけるしきい値Ｖ１は、予め設定されているものとする。
前記制御部３による前記充電部２を介した前記二次電池４への充電が開始されると、
ステップＳ１では、
制御部３から前記充電電流切り替え信号３１を出力して、前記充電回路２１における充電電流を、前記高電流設定手段２２に設定されている高電流Ｉ１に設定して、ステップＳ２で前記二次電池４への定電流充電を開始する。
なお、充電中は、前記制御部３は前記電池電圧検出線２４を介して前記二次電池４の電池電圧を常時監視している。

そして、ステップＳ３では、前記電池電圧検出線２４を介して取得した前記二次電池４の電池電圧を、前記しきい値メモリ３５に予め設定記憶されているしきい値Ｖ１と比較し、前記しきい値Ｖ１に達するまではステップＳ２、ステップＳ３を繰り返す。
ステップＳ３で、前記電池電圧が前記しきい値Ｖ１に達するとステップＳ４へ進み、制御部３におけるタイマ３４をリセットして計時開始するとともに、
制御部３から前記充電電流切り替え信号３１を出力して、前記充電回路２１における充電電流を、前記高電流設定手段２２に設定されている高電流Ｉ１から、前記低電流設定手段２３に設定されている低電流Ｉ２に変更して、ステップＳ５で前記二次電池４への定電流充電を継続する。

ステップＳ６では、前記タイマ３４において前記緩和時間Ｔ１が経過したか否かをチェックし、まだ経過していなければステップＳ７へ進み、経過するとステップＳ８へ進む。
ステップＳ７では、前記電池電圧検出線２４を介して取得した前記二次電池４の電池電圧を、前記しきい値メモリ３５に予め設定記憶されているしきい値Ｖ１と比較し、前記しきい値Ｖ１に達するまではステップＳ５へ戻り、前記しきい値Ｖ１に達すると、前記二次電池４に対する充電を終了する。

ステップＳ８では、充電電流を前記低電流Ｉ２から僅かに高い充電電流に漸増させ、その充電電流で定電流充電する。前記充電電流は、前記低電流Ｉ２から前記高電流Ｉ１まで直線的に漸増させても、種々の単調増加曲線に沿って漸増させてもよい。
そして、ステップＳ９では、前記電池電圧検出線２４を介して取得した前記二次電池４の電池電圧を、前記しきい値メモリ３５に予め設定記憶されているしきい値Ｖ１と比較し、前記しきい値Ｖ１に達するまではステップＳ８へ戻り、前記しきい値Ｖ１に達すると、ステップＳ４へ戻り、前記タイマ３４をリセットして計時開始するとともに、前記充電電流を前記高電流Ｉ１から前記低電流Ｉ２に変更して定電流充電を継続して繰り返す。

このようにして、充電電流を前記高電流Ｉ１から前記低電流Ｉ２へ切り替えた後、所定の緩和時間Ｔ１が経過してから、前記低電流Ｉ２から前記高電流Ｉ１へ漸増させつつ充電を繰り返し、前記低電流Ｉ２での充電中に電池電圧が前記しきい値Ｖ１に達したときに充電を終了するので、前記低電流Ｉ２による充電中に前記二次電池が定常状態に戻ることができ、二次電池の内部抵抗の影響をより低減させながら、また、過電圧状態へ突入することなく、短時間でより適正な充電を行うことができる。（図３の（Ａ）、（Ｂ）参照。）

なお、前記充電回路２１は特許請求の範囲に記載された定電流充電回路に対応し、
前記電池電圧検出線２４と前記制御部３とは、特許請求の範囲に記載された電池電圧検出手段に対応し、
前記制御部３は特許請求の範囲に記載された制御手段に対応し、
前記タイマ３４と前記制御部３は、特許請求の範囲に記載された設定手段に対応する構成である。

本発明によれば、充電電流は、図３に示したように、高電流Ｉ１から低電流Ｉ２に切り替えられた後、所定の緩和時間Ｔ１が経過してから漸増させるので、前記二次電池を定常状態に戻して内部抵抗の影響をより低減させながら、過電圧状態へ突入することなく、短時間でより適正な充電を行うことができるのである。

図４は、本発明の実施例１にかかる充電制御装置のブロック図を示したものである。図４の充電制御装置１Ｂは、
図１の前記高電流設定手段２２に代えて、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路による高電流設定手段２２Ｂを備え、図１の前記低電流設定手段２３に代えて、抵抗Ｒ２による低電流設定手段２３Ｂを備えたものである。

前記充電制御装置１Ｂでは、制御部３から充電電流切り替え信号３１を出力して、充電回路２１Ｂにおける充電電流を、前記高電流設定手段２２Ｂの前記抵抗Ｒ１によって規定される高電流Ｉ１に設定して定電流充電を開始する。電池電圧がしきい値Ｖ１に達すると、制御部３から充電電流切り替え信号３１を出力して、充電回路２１Ｂにおける充電電流を、前記高電流Ｉ１から前記低電流設定手段２３Ｂの前記抵抗Ｒ２によって規定される低電流Ｉ２に切り替えて定電流充電する。そして、緩和時間Ｔ１が経過すると、制御部３から充電電流切り替え信号３１を出力して、再び、前記高電流設定手段２２Ｂの前記抵抗Ｒ１によって規定される高電流Ｉ１に切り替えて定電流充電を開始するが、前記抵抗Ｒ１には前記コンデンサＣ１が並列に接続されているため、前記抵抗Ｒ１の端子電圧は前記抵抗Ｒ１と前記コンデンサＣ１によって規定される漸増特性に基づいて漸増する。

前記充電回路２１Ｂは、漸増する前記抵抗Ｒ１の端子電圧に応じて充電電流を漸増させることによって、前記二次電池４が過電圧領域に突入することを防止しつつ、より高い電流値で定電流充電するので、安全にしかも短時間で充電することができるのである。
なお、図４の充電制御装置１Ｂの構成と動作は、基本的に図１のものと同様であるので、他の説明は省略した。

図１における高電流設定手段２２と低電流設定手段２３を、１つのＤ／Ａ変換器に置き代え、制御部３からは高電流Ｉ１に対応する対応するデジタル信号と、低電流Ｉ２に対応する対応するデジタル信号を出力するように構成してもよい。
また、充電電流は、高電流と低電流の２段階に切り替えることに限らず、３段階以上の複数の段階に切り替えて、それぞれの電流で定電流充電するように構成してもよい。

なお、前記制御部３に設定されている前記緩和時間Ｔ１を、任意の時間に設定し得る設定手段を備えている。前記緩和時間Ｔ１としては、予め決定された任意の時間を設定してもよいが、充電対象の二次電池の状態に応じた最適な緩和時間を想定して設定するように構成してもよい。
このためには、前記充電回路２１に、充電対象の二次電池を定電圧で充電し得る定電圧充電回路も備え、前記設定手段としては、前記定電圧充電回路によって短時間の定電圧充電を行い、定電圧充電中における充電特性に基づいた所定の演算処理によって前記緩和時間Ｔ１を決定するアルゴリズムがプログラムされた前記制御部３で構成することができる。

以上のように、本発明は、二次電池の状態に応じて適切な充電電流を設定することにより、充電効率の向上を図るものであり、二次電池の内部の化学変化によって発生する緩和時間を考慮して充電電流の設定を行うことにより、特に劣化している二次電池においても充電効率を損なうことなく充電することができる。

１ 充電制御装置
４ 二次電池
２ 充電部
３ 制御部
２１ 充電回路
２２ 高電流設定手段
２３ 低電流設定手段
２４ 電池電圧検出線
３１ 充電電流切り替え信号
３４ 緩和時間Ｔ１が設定されたタイマ
３５ しきい値Ｖ１が記憶されているしきい値メモリ
３６ 制御プログラムが書き込まれたプログラムメモリ

Claims (8)

1. 充電対象の二次電池に供給する充電電流を、高電流Ｉ１と、前記高電流より低い低電流Ｉ２の少なくとも２段階に切り替えて充電し得る定電流充電回路を備えた充電制御装置において、
   充電中の前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、
   前記定電流充電回路における充電電流を前記高電流Ｉ１として定電流充電させ、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達した後は、前記定電流充電回路における前記充電電流を前記高電流Ｉ１から前記低電流Ｉ２に切り替えて定電流充電を継続させ、
   前記低電流Ｉ２による定電流充電を所定の緩和時間Ｔ１継続させた後に、
   前記定電流充電回路における前記充電電流を、前記低電流Ｉ２から漸増させつつ定電流充電させる制御手段と
   を備えたことを特徴とする充電制御装置。
2. 前記制御手段は、所定の充電終了条件を満足した場合に充電を終了するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
3. 前記制御手段には、
   前記低電流Ｉ２による定電流充電を所定の緩和時間Ｔ１継続中に、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達したときに充電を終了する充電終了条件が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の充電制御装置。
4. 前記制御手段には、
   前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達してから所定の制限時間が経過したときに充電を終了する充電終了条件が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の充電制御装置。
5. 前記制御手段は、前記緩和時間Ｔ１を設定する設定手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の充電制御装置。
6. 前記設定手段は、予め決定された任意の時間を前記緩和時間Ｔ１として設定し得るように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の充電制御装置。
7. 充電対象の二次電池を定電圧充電し得る定電圧充電回路を備えるとともに、
   前記設定手段は、前記定電圧充電回路によって短時間の定電圧充電を行い、定電圧充電中における充電特性に基づいた所定の演算処理によって前記緩和時間Ｔ１を決定するアルゴリズムを備えていることを特徴とする請求項５に記載の充電制御装置。
8. 充電対象の二次電池に供給する充電電流を、高電流Ｉ１と、前記高電流より低い低電流Ｉ２の少なくとも２段階に切り替えて充電し得る定電流充電回路と、
   充電中の前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と
   を備えた充電制御装置の充電制御方法において、
   前記定電流充電回路における充電電流を前記高電流Ｉ１として定電流充電させ、前記電池電圧検出手段によって検出した電池電圧が所定のしきい値に達した後は、前記定電流充電回路における前記充電電流を前記高電流Ｉ１から前記低電流Ｉ２に切り替えて定電流充電を継続させ、
   前記低電流Ｉ２による定電流充電を所定の緩和時間Ｔ１継続させた後に、
   前記定電流充電回路における前記充電電流を、前記低電流Ｉ２から漸増させつつ定電流充電させることを特徴とする充電制御装置の制御方法。

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