JP2014166058A - 熱逸走防止機能付き急速充電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 二次電池200に充電電圧または充電電流を供給する充電手段110と、電圧値を検知する電圧検知手段120と、電流値を検知する電流検知手段130と、充電手段110による充電を制御する充電制御装置140と、二次電池200の充電状態において熱逸走の発生を予測または検知する熱逸走検知手段150を備えた構成とする。充電制御装置140が、充電対象となっている二次電池200の定格電圧と定格充電電流を用いて定電流定電圧充電制御を実行するが、充電制御装置140は定電流定電圧充電制御の主基準と、熱逸走検知手段150の熱逸走発生予測または検知に基づく熱逸走制御基準の2つの基準を組み合わせることによって、充電手段110を制御する。
【選択図】図1
Description
従来技術における充電方法のうち代表的なものを説明する。
二次電池は、コバルト複合酸化物を正極とするリチウムイオン電池を例として説明する。なお、リチウムイオン電池の最大充電電圧は4.2Vとされている。
定電圧充電法は、充電器から一定電圧(この例では4.2V)を電池に印加する方法である。この定電圧充電法によれば、定電圧である4.2Vを充電器から印加するのみであるので簡単な装置構成で済むというメリットがある。
しかし、この定電圧充電法には大きな欠点がある。図11(a)に示したように、充電初期に大きな電流が流れてしまい二次電池を傷めてしまうおそれがあるという問題である。また、充電期間の後半において電流が減衰してゆくが、十分に充電容量が満たされるまでには時間がかかるという問題もある。そのため、初期電流を抑制し、後半の電流を大きくする工夫が必要となってくる。
図11(b)は、定格電圧充電にて充電する場合の二次電池電圧の時間変化と充電電流の時間的変化の充電特性の概略を簡単に示した図である。図中、縦軸は充電電池電圧または充電電流であり、横軸が時間となっている。
定格電圧充電にて充電する場合、充電初期における大電流の通電が抑制されているが、その充電特性は時間経過とともに緩やかに減衰してゆくいわゆるロングテール形となっており、十分に充電容量が満たされるまでには時間がかかるという問題は依然残されている。
定電流・定電圧充電法は、充電開始後しばらくは定電流充電とし、二次電池の電圧が所定電圧に到達した後、定格電圧(定格満充電平衡電圧値)による定電圧充電に切り換える方法である。この定電流・定電圧充電法によれば、比較的高速に充電することができるというメリットがあり、かつ、充電期間の初期においても過充電がなく、充電期間の終期においても定格電圧(定格満充電平衡電圧値)の印加である限り、過充電が発生することはないというメリットがある。
高い電圧の過充電状態において有機電解質が分解する恐れの高いリチウム系二次電池では、定電流・定電圧充電技術が採用される。
定電流充電時の電流値が大きくても許容されるよう、電池構成を工夫することができれば、さらに充電時間を短縮することができる。
図12に示すように、定電流・定電圧充電法によれば、図11に示した定電圧充電法に比べて、充電期間の初期から中盤あたりである定電流域における充電量が大きく確保することができ、充電期間が比較的短くて済むというメリットが得られる。
しかし、これら、上記した定電圧充電法、定電流定電圧充電法のいずれを採用するにしても、二次電池の種類、個体差、二次電池の使用状態の影響、二次電池の劣化度合いなど、充電対象となっている二次電池の種類、個体差、状態の影響による過充電、さらには“熱逸走”という大きな問題がある。
充電制御装置が、定電流定電圧充電制御の主基準と、熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知に基づく熱逸走制御基準の2つの基準を組み合わせて充電手段を制御することにより、熱逸走発生を事前に予測、または、熱逸走の発生を検知して確実に熱逸走という問題の発生を回避することができる。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置によれば、定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、充電電流の増加、充電電圧の低下、充電電流の低下速度の変化の大きさ、充電電流の低下幅の変化の大きさを熱逸走制御基準として保持しておくことにより、熱逸走検知手段により熱逸走が起こっているか、熱逸走に至るような発熱などの異常事態が起こりつつあると予測でき、本発明はこの熱逸走の検知または予測を得れば、充電制御装置が熱逸走抑制制御に遷移し、熱逸走を抑制するよう充電を制御することができる。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置は、二次電池を充電するための充電装置に適用されるものである。二次電池であれば、特に限定されず広く適用することができる。一例として、リチウム電池、リチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、鉛蓄電池等であっても適用することができるものであることが理解されよう。特にことわりがない限り、以下、リチウム電池を例として説明する。
また、充電制御は、基本的には定電流定電圧充電制御としつつ、熱逸走抑制制御を組み込んだものとして説明する。
熱逸走現象は様々な充電方式において発生し得るが、ここでは、定電流定電圧充電方式を採用している充電装置において生じる熱逸走現象について説明する。
バッテリに対し充電を行った場合、通常は充電の進行によるバッテリ起電圧の上昇に伴い定電圧領域で暫時充電電流が低下していくが、バッテリの劣化などの要因により、充電時におけるバッテリ温度上昇に伴って、ある程度充電電流低下した時点から逆に電流増加現象を生じたり、または、電流低下せずに高電流のまま充電電圧が低下していく現象が生じたりすることがある。二次電池の温度が高い時に大電流で充電を続けると、二次電池には内部抵抗があるため大電流により二次電池の温度がさらに上昇し、その温度上昇によりさらに電流増加現象が生じたり充電電圧の低下現象が生じたりするという悪循環を起こすことがある。この現象を“熱逸走”と言う。バッテリの充電において熱逸走が起こるとバッテリ温度は急激に上昇し、バッテリの劣化をさらに急進させ、バッテリの寿命を短くする不具合を起こす可能性がある。
二次電池の個体差や二次電池の劣化などの要因により、定電圧域における二次電池への充電電流Icは、Ic1、Ic2、Ic3など充電特性に応じた曲線に従って低下して行くこととなる。
定電圧域に移行後、予定される定格充電時間よりも早い時間帯(例えば、図中T1からT2)において、充電電流の低下速度が急に小さくなることを検知すれば、熱逸走が発生するおそれがあると予測するものである。熱逸走曲線Aに沿う充電電流の変化がある場合、実際には充電電流が増加していなくとも、充電電流が増加に転じる前には、充電電流の低下速度が急に小さくなることが分かる。なお、この充電電流の低下速度が急に小さくなる現象が定格充電時間の終了付近であれば、通常の低下現象と言えるが、予定される定格充電時間よりも早い時間帯にその低下現象が検知されれば、充電電流が増加に転じて熱逸走に向かう直前にあると予測できる。この予測を熱逸走制御基準の一つとする(以下、「熱逸走制御基準3」として参照することがある)。
定電圧域に移行後、充電電流が所定時間(例えば、図中T2)を経過しても所定値(例えば、図中Ia)まで低下しないことを検知したこと、または、充電電流が所定値(例えば、図中Ia)まで低下する時間が予定される定格充電時間(例えば、図中T2)よりも長くかかっている(例えば、図中T3)ことを検知した場合に、熱逸走が発生するおそれがあると予測するものである。熱逸走の一つのパターンとしては、充電電流が予定通りに収束に向かわずになかなか充電電流が低下せずにそのまま熱逸走してしまうパターンや、充電電流が所定値まで低下したものの異常に長く掛かっておりその後熱逸走に転じてしまうパターンなどがある。これらの現象が検知できれば熱逸走に向かう直前にあると予測できる。この予測を熱逸走制御基準の一つとする(以下、「熱逸走制御基準4」として参照することがある)。
図2に示すように、本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置100は、充電手段110、電圧検知手段120、電流検知手段130、充電制御装置140、熱逸走検知手段150の各構成要素を備えている。なお、二次電池200が併せて示されている。
図3および図4は、熱逸走防止機能付き急速充電装置100による熱逸走抑制処理の流れの例を説明する図(その1、その2)である。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置100と二次電池200との正常な電気的接続が確保され、二次電池200に対する充電が開始される(図3(b)ステップS301)。なお、二次電池200の充電の進行状況は、電圧検知手段120および電流検知手段130によりモニタされている。
図4において、ステップS301からステップS303までは再掲している。「第2の熱逸走抑制制御」が開始されると、しばらく様子を見るべく、定電流定電圧充電制御基準(主基準)における充電電流制限値を一定幅低下させる「充電電流制限値更新手順」(ステップS401)と、その後に電流検知手段130における充電電流が増加するかを監視する「充電電流監視手順」(ステップS402)とを繰り返し行い、再度、電流検知手段130により充電電流Icの増加が検知されたか否かを調べ(ステップS404)、充電電流Icの増加が解消されれば充電電流Icの増加は一時的な現象として再度二次電池200に対する充電を再開し(ステップS404:N、ステップS301へ)、充電電流Icの増加が解消されなければ再度「充電電流制限値更新手順」(ステップS401)と「充電電流監視手順」(ステップS402)の実行が繰り返されることとなり、それが一定回数以上になれば(ステップS403:Y)、熱逸走が発生しているものと判断し、充電制御装置140が充電手段110を介した二次電池200への充電処理を終了させるものである。回数については運用基準に従うが、例えば3回程度とする。3回連続して電流検知手段130における充電電流の増加が検出されれば、誤動作や一時的な化学現象ではなく、熱逸走が発生したと判断でき、充電手段110を介した二次電池200への充電を停止させる処理とする。
上記の図3(b)に示す「第1の熱逸走抑制制御」または図4に示す「第2の熱逸走抑制制御」が実行された後、充電制御装置140は、充電手段110を制御して充電処理を終了する。
図5および図6は、熱逸走防止機能付き急速充電装置100による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図(その3、その4)である。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置100と二次電池200との正常な電気的接続が確保され、二次電池200に対する充電が開始される(図5(b)ステップS501)。なお、二次電池200の充電の進行状況は、電圧検知手段120および電流検知手段130によりモニタされている。
もう一つのパターンは、B2のパターンによる充電電圧の低下がみられる場合である。B2のパターンは、定電流域から定電圧域に移行した後に充電電圧Ecが落ち始める現象がみられる場合である。図5(a)の充電特性のEoに達した後、定電圧域における充電が開始されたが、充電電圧Ecが低下を始めて点b2に到達したとする。この点b2が検知されることにより、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電圧検知手段120により充電電圧Ecの低下が検知される(図5(b)ステップS502)。
熱逸走検知手段150が装備している「熱逸走制御基準2」は、「定電流定電圧充電制御の定電圧域において充電電圧Ecの低下を検知された場合、熱逸走抑制制御を開始する」というものである。
熱逸走検知手段150が熱逸走の発生を検知したことを受けて、充電制御装置140は熱逸走制御基準2に基づいて「熱逸走抑制制御」を開始する(図5(b)ステップS503)。
図6において、ステップS501からステップS503までは図5のものを再掲している。「第4の熱逸走抑制制御」が開始されると、しばらく様子を見るべく、定電流定電圧充電制御基準(主基準)における充電電流制限値を一定幅低下させる「充電電流制限値更新手順」(ステップS601)と、その後に電圧検知手段120における充電電圧Ecが低下するかを監視する「充電電圧監視手順」(ステップS602)とを繰り返し行い、再度、電圧検知手段120により充電電圧Ecの低下が検知されたか否かを調べ(ステップS604)、充電電圧Ecの低下が解消されれば充電電圧Ecの低下は一時的な現象として再度二次電池200に対する充電を再開し(ステップS602:Y、ステップS501へ)、充電電圧Ecの低下が解消されなければ再度「充電電流制限値更新手順」(ステップS601)と「充電電圧監視手順」(ステップS602)の実行が繰り返されることとなり、その繰り返しが一定回数以上になれば(ステップS603:Y)、熱逸走が発生しているものと判断し、充電制御装置140が充電手段110を介した二次電池200への充電を停止させるものである。回数については運用基準に従うが、例えば3回程度とする。3回連続して電圧検知手段120における充電電圧の低下が検出されれば、誤動作や一時的な化学現象ではなく、熱逸走が発生したと判断でき、充電手段110を介した二次電池200への充電を停止させる処理とする。
上記の図5に(b)示す「第3の熱逸走抑制制御」または図6に示す「第4の熱逸走抑制制御」が実行された後、充電制御装置140は、充電手段110を制御して充電処理を請求する。
図7は、熱逸走防止機能付き急速充電装置100による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図(その5)である。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置100と二次電池200との正常な電気的接続が確保され、二次電池200に対する充電が開始される(図7(b)ステップS701)。なお、二次電池200の充電の進行状況は、電圧検知手段120および電流検知手段130によりモニタされている。
ここでは、「熱逸走抑制制御」として「第5の熱逸走抑制制御」と「第6の熱逸走抑制制御」の2通りを説明する。充電制御装置140内にいずれか一方の処理プログラムが搭載されたものでも良く、いずれか一方を選択するものでも良い。
この熱逸走制御基準3は、熱逸走が現実に発生しているものではなく、熱逸走が発生することを検知した段階であるため、即座に停止するまではせずに、しばらくの時間は充電が可能であることを考慮し、所定の時間にわたり充電を継続して行うものである。所定の時間はバッテリ容量やバッテリの種類などを考慮して定めれば良い。
図8は、熱逸走防止機能付き急速充電装置100による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図(その6)である。ステップS801からステップS803までは図7に示した「第5の熱逸走抑制制御」の例と同様となっている。
第6の熱逸走抑制制御の場合は、第5の熱逸走抑制制御とは異なり、所定時間を経過するまでしばらく充電を継続し、所定時間経過後に充電を停止するものである。つまり、所定時間経過したことを検知すれば(ステップS804:Y)、充電制御装置140が充電手段110を介した二次電池200への充電を停止させる。
上記の「第5の熱逸走抑制制御」または「第6の熱逸走抑制制御」が実行された後、充電制御装置140は、充電手段110を制御して充電処理を終了する。
図9は、熱逸走防止機能付き急速充電装置100による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図(その7)である。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置100と二次電池200との正常な電気的接続が確保され、二次電池200に対する充電が開始される(図9(b)ステップS801)。なお、二次電池200の充電の進行状況は、電圧検知手段120および電流検知手段130によりモニタされている。
もう一つのパターンは、D2のパターンによる充電電流の変化がみられる場合である。D2のパターンは、定電流域から定電圧域に移行した後、充電電流が所定値に低下するまでの経過時間が所定時間よりも長い時間かかった場合である。図9(a)において充電電流Icが所定値、たとえばd2まで低下したことが検知され、その時点における経過時間がたとえばT3であったとする。本来は経過時間T2でこのd2まで低下するものであった場合、このT3までかかったことによる遅延が検出できる。このように、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電圧検知手段120により充電電流Icが所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることが検知される(図9(b)ステップS902:Y)。
ここでは、「熱逸走抑制制御」として「第7の熱逸走抑制制御」と「第8の熱逸走抑制制御」の2通りを説明する。充電制御装置140内にいずれか一方の処理プログラムが搭載されたものでも良く、いずれか一方を選択するものでも良い。
この熱逸走制御基準4は、熱逸走が現実に発生しているものではなく、熱逸走が発生することを検知した段階であるため、即座に停止するまではせずに、しばらくの時間は充電が可能であることを考慮し、所定の時間にわたり充電を継続して行うものである。所定の時間はバッテリ容量やバッテリの種類などを考慮して定めれば良い。
図10は、第8の熱逸走抑制制御の処理の例を示すフローチャートである。
ステップS1001からステップS1003までは図9に示した「第7の熱逸走抑制制御」の例と同様となっている。
第8の熱逸走抑制制御の場合は、第7の熱逸走抑制制御とは異なり、所定時間を経過するまでしばらく充電を継続し、所定時間経過後に充電を停止するものである。つまり、所定時間経過したことを検知すれば(ステップS1004:Y)、充電制御装置140が充電手段110を介した二次電池200への充電を停止させる。
上記の「第7の熱逸走抑制制御」または「第8の熱逸走抑制制御」が実行された後、充電制御装置140は、充電手段110を制御して充電処理を終了する。
110 充電手段
120 電圧検知手段
130 電流検知手段
140 充電制御装置
150 熱逸走検知手段
Claims (9)
- 二次電池に充電電圧または充電電流を供給する充電手段と、前記二次電池の端子電圧を検知する電圧検知手段と、前記二次電池に通電される充電電流の電流値を検知する電流検知手段と、前記充電手段の前記充電電圧または前記充電電流を制御する充電制御装置を備え、前記充電制御装置が、充電対象となっている前記二次電池の定格電圧と定格充電電流を用いて定電流定電圧充電制御を行う急速充電装置において、
前記充電制御装置が前記二次電池の充電状態において熱逸走の発生を予測または検知する熱逸走検知手段を備え、
前記充電制御装置が、前記定電流定電圧充電制御の主基準と、前記熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知に基づく熱逸走制御基準の2つの基準を組み合わせることによって、前記充電手段を制御することを特徴とする熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流の増加を検知したことをもって第1の熱逸走抑制制御を開始することであり、
当該第1の熱逸走抑制制御が、前記充電手段を介した前記二次電池への充電を即座に停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流の増加を検知したことをもって第2の熱逸走抑制制御を開始することであり、
当該第2の熱逸走抑制制御が、前記定電流域または前記定電圧域での前記定電流定電圧充電制御基準における充電電流制限値を一定幅低下させる充電電流制限値更新手順と、その後前記電流検知手段において再度前記充電電流が増加するかを監視する監視手順と、前記監視手順において再度前記充電電流が増加すれば前記充電電流制限値更新手順において前記直近の充電電流制限値を一定幅低下させるという手順を繰り返し、前記充電電流制限値更新手順の実行が一定回数以上になれば前記充電手段を介した前記二次電池への充電を停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、前記電圧検知手段により前記充電電圧の低下を検知したことをもって第3の熱逸走抑制制御を開始することであり、
前記第3の熱逸走抑制制御が、前記充電手段を介した前記二次電池への充電を即座に停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、前記電圧検知手段により前記充電電圧の低下を検知したことをもって第4の熱逸走抑制制御を開始することであり、
前記第4の熱逸走抑制制御が、前記定電圧域での前記定電流定電圧充電制御基準における充電電流制限値を一定幅低下させる充電電流制限値更新手順と、その後前記電圧検知手段において再度前記充電電圧が減少するかを監視する監視手順と、前記監視手順において再度前記充電電圧が減少すれば前記充電電流制限値更新手順において前記直近の充電電流制限値を一定幅低下させるという手順を繰り返し、前記充電電流制限値更新手順の実行が一定回数以上になれば前記充電手段を介した前記二次電池への充電を停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流の低下速度が既定値以下となったことを検知したことと当該検知に係る時間帯との関係をもって第5の熱逸走抑制制御を開始することであり、
前記第5の熱逸走抑制制御が、前記充電手段を介した前記二次電池への充電を即座に停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流の低下速度が既定値以下となったことを検知したことと当該検知に係る時間帯との関係をもって第6の熱逸走抑制制御を開始することであり、
前記第6の熱逸走抑制制御が、前記充電手段を介した前記二次電池への充電を既定時間経過後に停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流が所定時間を経過しても所定値まで低下しないことを検知したこと、または、前記充電電流が所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることを検知した場合に第7の熱逸走抑制制御を開始することであり、
前記第7の熱逸走抑制制御が、前記充電手段を介した前記二次電池への充電を即座に停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。 - 前記熱逸走制御基準の一つが、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流が所定時間を経過しても所定値まで低下しないことを検知したこと、または、前記充電電流が所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることを検知した場合に第8の熱逸走抑制制御を開始することであり、
前記第8の熱逸走抑制制御が、前記充電手段を介した前記二次電池への充電を既定時間経過後に停止させるものである請求項1に記載の熱逸走防止機能付き急速充電装置。
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