JP2015126627A - リチウムイオン電池用充電器及びその充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池を接続したときに、充電動作前にパルス電流を印加して電池を活性化させる充電器を提供する。【解決手段】電池状態判定手段と、交流−直流変換回路などからなる充電手段と、充電手段に接続されるスイッチ手段とから構成されるリチウムイオン電池を充電する充電器であって、電池状態判定手段は、リチウムイオン電池の出力電圧が入力され、出力電圧などにもとづいてスイッチ手段のオン・オフ制御を行う制御信号を出力するもので、（１）スイッチ手段で生成されるパルス状の信号を所定回数、リチウムイオン電池に供給し、リチウムイオン電池の出力電圧が第1の基準電圧を超えたとき充電可能と判定し、（２）充電可能と判定したときにスイッチ手段をオンにして充電を開始し、（３）リチウムイオン電池の出力電圧が第２の基準電津に達したときスイッチ手段をオフにして充電を停止する制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン充電池の充電器および充電方法に関する。

リチウムイオン電池は、リチウムイオン電池と同様充電可能なニッケル水素電池よりもエネルギー密度が高いため同容量のニッケル水素電池よりも小型、軽量化が可能である。またリチウムイオン電池は、ニッケル水素電池やニッカド電池とは異なり、完全に放電していない状態で充電したときに容量が少なく見える現象、いわゆるメモリ効果が少なく、継ぎ足し充電が可能であることが特徴である。

しかしながらリチウムイオン電池を長期間使用せずに放置すると、電池の状態が不活性状態に変化し、このような状態で充電を試みてもリチウムイオン電池が満充電の状態になるまで時間がかかる。

このように不活性化したリチウムイオン電池の判別方法としては、リチウムイオン電池に直近で充電が行われた日時を記録した無線タグを付けて、検査装置に接触させて無線タグから充電日時の情報を読み取り、充電が行われた期日が所定の期間より経過していれば、電池は不活性状態と判定し、一度電池の放電を行い不活性状態を解消するとともに充電を行った日時を無線タグに記録する検査装置が開示されている（特許文献１）。

特開２００５−２６９６９０号公報

しかしながら、このような方法では不活性化された電池を一度検査装置に接触させた後、充電器で充電を行うという手間がかかる。また、不活性化の判断は電池そのものの状態ではなく無線タグに記録された最後の充電日時を元に判定するため、充電日時が所定の期間を過ぎていない電池については、不活性化した電池や寿命などで使用不可能な電池であっても不活性化されていないと判定されてしまう。

上記課題を解決するため本発明の第１の実施形態にあっては、電池状態判定手段（１１６）と、交流−直流変換回路などからなる充電手段と、充電手段に接続されるスイッチ手段（ＳＷ１）とから構成されるリチウムイオン電池を充電する充電器であって、
電池状態判定手段は、リチウムイオン電池の出力電圧が入力され、出力電圧などにもとづいてスイッチ手段のオン・オフ制御を行う制御信号を出力するものであり、
（１）スイッチ手段で生成されるパルス状の信号を所定回数、リチウムイオン電池に供給し、リチウムイオン電池の出力電圧が第1の基準電圧を超えたとき充電可能と判定し、（２）充電可能と判定したときにスイッチ手段をオンにして充電を開始し、（３）リチウムイオン電池の出力電圧が第２の基準電津に達したときスイッチ手段をオフにして充電を停止する制御を行うことを特徴とする。

さらに第２の実施形態にあっては、第１の実施形態に加えて充電後に追加充電を行うトリクル充電用としてトリクル充電用手段（ＳＷ２）をさらに有することを特徴とする。

本発明に関する第１の実施形態にあっては、充電器に電流パルスを充電池に印加する制御を付け加えることにより充電池を活性化させた後、そのまま充電シーケンスに進めることができる。さらに活性化しない電池を判別することが可能である。

本発明に関する第２の実施形態にあっては、トリクル充電が可能な構成なので充電後の自己放電による電圧低下を防止することが可能である。

本発明の第１の実施形態に関する充電器の回路図 本発明の第１の実施形態に関する充電制御を表したタイミングチャート 本発明の第１の実施形態における充電池が活性しないときの制御を表したタイミングチャート 本発明の第２の実施形態に関する充電器の回路図 本発明の第２の実施形態に関する充電制御を表したタイミングチャート 本発明の第２の実施形態における充電池が活性しないときの制御を表したタイミングチャート

以下に本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本実施形態は一例であり、これに限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本発明に関する第1の実施形態について図1から図３を用いて説明する。
（構成）
図１を用いて本発明の第１の実施形態に関する充電器の構成を説明する。

充電器１０は、端子Ｐ１、Ｐ２を介して交流電源２０に接続される。充電器１０は交流電源２０より供給される交流電流を直流電流に変換する。変換された直流電流は端子Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を介して接続される電池パック３０に供給し充電を行う。

充電器１０は、ダイオードブリッジＤＢ、平滑回路１０２、スイッチング１０４、高周波トランス１０６、整流・平滑回路１０８、定電流・定電圧制御回路１１０、フォトカプラ１１２、フィードバック制御回路１１４、制御回路１１６、表示部１１８、スイッチＳＷ１、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３から構成される

ダイオードブリッジＤＢは、２つの入力部に商用電源などの交流電源２０が接続される。
ダイオードブリッジＤＢは交流の極性を一方向にそろえ、交流電流を全波整流する。

平滑回路１０２は、ダイオードブリッジＤＢの２つの出力部に並列に接続される。平滑回路１０２は、ダイオードブリッジＤＢで整流された電流を平滑する。平滑回路１０２は、例えば電解コンデンサが使用される。このとき電解コンデンサの端子は、ダイオードブリッジＤＢの出力部にそれぞれ接続される。

スイッチング部１０４は、平滑回路１０２に接続される。スイッチング部１０４は、フィードバック制御回路１１４から出力される制御信号に基づいて動作し、平滑回路１０２で平滑された直流を高周波の交流に変換する。

高周波トランス１０６は、一次コイル側にスイッチング部１０４が接続される。スイッチング部１０４から出力される交流電流を高周波トランス１０６で２次側に伝達する。

整流・平滑回路１０８は、高周波トランス１０６の二次側コイルに接続される。整流・平滑回路１０８は、高周波トランス１０６の一次側から二次側に伝達された信号を整流・平滑し直流電圧に変換する。

スイッチＳＷ１は、その一端が整流・平滑回路１０８の出力端の一つに接続される。スイッチＳＷ１は、充電モードによってオン、オフ及びスイッチング動作のいずれかの状態をとる。

ダイオードＤ１はスイッチＳＷ１の他端に一端が接続されるとともに端子Ｐ３に接続される。ダイオードＤ１を接続することで、電池パック３０から何らかの原因で逆流する電流を妨げることが可能となる。

抵抗Ｒ１は、整流・平滑回路１０８の出力端に一端が接続され、他端が端子Ｐ４に接続される。抵抗Ｒ２は、ダイオードＤ１の他端に一端が接続され、抵抗Ｒ３は抵抗Ｒ２の他端に接続される。

定電流・定電圧制御回路１１０は、整流・平滑回路１０８から電池パック３０に供給される電圧、電圧を監視・制御する。定電流・定電圧制御回路１１０は抵抗Ｒ１の両端と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の接続点が接続される。

フォトカプラ１１２は、発光部として働く発光ダイオードと受光部として働くフォトトランジスタとで構成される。発光部側には定電流・定電圧制御回路１１０に接続される。

フィードバック制御回路１１４は電池パック３０に供給される電圧に基づいてスイッチング部１０４に制御信号を出力するものである。具体的にはフォトカプラ１１２の受光部側の信号が入力され、スイッチング部１０４に制御信号を出力する。

制御回路１１６は、充電器１０全体の動作を制御する。電池パック３０の出力電圧Ｖ_ＢＡＴ、電池パック３０の温度情報に基づく電圧Ｖ_ＴＥＭＰが入力される。また、スイッチＳＷ１のスイッチング制御を行う信号Ｖ_ＣＨＧ、表示部１１８を制御する信号Ｖ_ＬＥＤを出力する。
本実施形態においては、信号Ｖ_ＣＨＧがハイのときスイッチＳＷ１はオン状態になり、
Ｖ_ＬＥＤがハイのとき表示部１１８を点灯させる。

表示部１１８は、充電器１０の動作状態をあらわすもので、例えば発光ダイオードで構成される。表示部１１８は制御回路１１６から出力される信号Ｖ_ＬＥＤで点灯・消灯を制御される。

（動作）
次に本発明の第1の実施形態における充電動作について説明する。

交流電源２０から入力される交流電流はダイオードブリッジＤＢで全波整流され電流が一方向の向きになるように整流される。整流された電流は平滑回路１０２で変動の少ない直流電流に変換される。変換された直流電流はスイッチング部１０４で高周波の交流電流に変換され、高周波トランス１０６の一次側に入力される。

高周波トランス１０６では２次側の巻き線の巻き数に応じた電圧に変換されて２次側コイルに出力される。２次側コイルに出力された電圧は整流・平滑回路１０８において電池パック３０に充電するための電圧に変換される。変換された電圧はダイオードＤ１通過して端子Ｐ３を介して電池パック３０に供給される。電池パック３０内に供給される充電電流は端子Ｐ４を介して整流・平滑回路１０８に流れる。

定電流・定電圧制御回路１１０には、抵抗Ｒ１を流れる電流に基づいた電位差と、電池パック３０に供給される電圧を抵抗Ｒ２とＲ３とで分圧した電圧が入力され、一定の電圧、一定の電流になるようにフォトカプラ１１２の発光部の点灯・消灯を制御する。

フォトカプラ１１２内の受光部であるフォトトランジスタは発光部の点灯・消灯動作に基づいた信号をフィードバック制御回路１１４に出力する。フィードバック制御回路１１４はフォトカプラ１１２からの信号に基づいて制御信号をスイッチング部１０４に出力し、スイッチング部１０４の動作を制御する。

以上のように、電池パック３０に供給する電圧、電流に基づいてフィードバック制御を行い一定の電圧・電流で充電パック３０を充電する。

（充電シーケンス）
次に電池パック３０が充電器１０に接続されたのち充電が終了するまでを図２を用いて説明する。充電シーケンスは、充電開始、電池状態判定ステップ、充電ステップ、充電完了の大きく４つのステップに分けられる。
図３に示す信号はそれぞれ、電池パック３０に供給される充電電圧Ｖ_ＢＡＴ、リチウムイオン電池が活性化されている常態かを判定する基準電圧Ｖ１、リチウムイオン電池が満充電の状態であると判定する基準電Ｖ２，電池パック３０に供給される充電電流Ｉ_ＣＨＧ，スイッチＳＷ１を制御する制御信号Ｖ_ＣＨＧ、表示部１１８の制御を行う信号Ｖ_ＬＥＤを表している。

＜充電開始＞
電池パック３０が充電器１０に接続されると、制御回路１１６は表示部１１８を構成する発光ダイオードが点灯するための信号Ｖ_ＬＥＤを出力する。同時に電池パック３０に対してパルス状の電流を供給するため、スイッチＳＷ１に制御信号Ｖ_ＣＨＧを出力する。このとき、スイッチＳＷ１をスイッチング動作させるため制御信号Ｖ_ＣＨＧはパルス信号となる（Ｔ０）。

＜電池状態判定ステップ＞
パルス状の制御信号Ｖ_ＣＨＧに基づいて電池パック３０には電流パルスＩ_ＣＨＧが供給される。パルス電流が電池パック３０に供給されるごとにバッテリ電圧Ｖ_ＢＡＴはステップ状に上昇する。パルス電流Ｉ_ＣＨＧの印加は予め設定された回数行われる。例えば周期４秒のパルスを１０回連続で印加する。
パルス電流の印加が所定の回数行われた後、スイッチＳＷ１をオフにすることで電流パルスの印加を一定期間（ｔ２）やめる。ｔ２は例えば３秒間に設定される。

＜充電ステップ＞
時間ｔ２が経過後、電池パック３０の出力電圧Ｖ_ＢＡＴが第一の基準電圧Ｖ１より大きいときは、電池パック３０は活性化され充電してもよい電池パック３０であると判定し、スイッチＳＷ１をオンさせて、前述の動作に基づいて充電が行われる充電ステップが始まる（Ｔ１）。

＜充電完了＞
電池パック３０の出力電圧Ｖ_ＢＡＴが第二の基準電圧Ｖ２に達したとき、制御回路１１６は満充電であると判定し、スイッチＳＷ１をオフにする。このとき充電終了したことを知らせるために表示部１１８の発光ダイオードは消灯する（Ｔ２）。

次に、電池状態判定ステップで充電不可能な電池パック３０であると判定されたときの制御について図３を用いて説明する。

＜エラー表示ステップ＞
電池状態判定ステップで、充電器１０に接続された電池パック３０が充電不可能なものであると判断されると（Ｔ１）、信号Ｖ_ＣＨＧはローレベルを維持する。さらに制御回路１１６は表示部１１８を構成する発光ダイオードに対して点滅動作を行うため、信号Ｖ_ＬＥＤはパルス状の信号を出力する。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について図４から図６を用いて説明する。なお第１の実施形態と同じ部分には同じ符号を付している。本実施形態の説明では、第１の実施形態と異なる構成、動作について説明する。

（構成）
図４を用いて本発明の第２の実施形態に関する充電器の構成を説明する。

本発明の第２の実施形態に関する充電器１０においては、充電完了後に行うトリクル充電用の回路が追加されている。整流・平滑回路１０８の出力側には、充電動作用のスイッチＳＷ１，ダイオードＤ１の経路に並列となるように、抵抗Ｒ４、スイッチＳＷ２、ダイオードＤ２がこの順番で直列に接続される。
抵抗Ｒ４はトリクル充電を行うための微小電流を供給するための制限抵抗である。
スイッチＳＷ２は制御回路１１６から出力される制御信号Ｖ_{ＴＲＩＣKＬＥ}によってオン・オフの制御が行われる。
本実施例においては第１の実施例と同様Ｖ_ＣＨＧがハイレベルのときスイッチＳＷ１はオン状態となり、同様にＶ_{ＴＲＩＣKＬＥ}がハイレベルのときはスイッチＳＷ２がオン状態となる。

（動作）
次に、本発明の第２の実施形態に関する充電器１０の充電動作について説明する。充電動作は第１の実施形態と同様であるが、第２の実施例では充電終了後にスイッチＳＷ２，ダイオードＤ２の経路を使用して追加充電としてトリクル充電が行われる。このトリクル充電を行うことで電池パック３０の自己放電を補うことが可能となる。

（充電シーケンス）
次に本発明第２の実施例に関する充電シーケンスについて図５を用いて説明する。第１の実施形態と同様に充電シーケンスは、充電開始、電池状態判定ステップ、充電ステップ、充電完了の大きく４つに分けられる。図５に示す信号は第１の実施形態の信号に加えて、スイッチＳＷ２を制御する制御信号Ｖ_{ＴＲＩＣKＬＥ}を表している。

第１の実施形態の充電シーケンスと異なるところは充電完了後、追加充電としてトリクル充電が開始されるところである。充電ステップ終了後（Ｔ２）、制御信号Ｖ_ＣＨＧによってスイッチＳＷ１をオフにするとともに、制御信号Ｖ_{ＴＲＩＣKＬＥ}によってスイッチＳＷ２をオンにする。トリクル充電は例えば、１／３０Ｃで行われる。ここで１Ｃとは公称容量値の容量を有するセルを定電流放電して、1時間で放電終了となる電流値のことをしめす。たとえば、公称容量値が２Ａｈの電池であれば１Ｃは２Ａとなる。

＜エラー表示ステップ＞
電池状態判定ステップで、充電器１０に接続された電池パック３０が充電不可能なものであると判断されると（Ｔ１）、制御信号Ｖ_ＣＨＧはローレベルを維持するとともに、信号Ｖ_{ＴＲＩＣKＬＥ}もローレベルを維持する。さらに制御回路１１６は表示部１１８を構成する発光ダイオードに対して点滅動作を行うため、信号Ｖ_ＬＥＤはパルス状の信号を出力する。

なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

１０ 充電器、２０ 交流電源、３０ 電池パック、１０２ 平滑回路、１０４ スイッチング部、１０６ 高周波トランス、１０８ 整流・平滑回路、１１０ 定電流・定電圧制御回路、１１２ フォトカプラ、１１４ フィードバック制御回路、１１６ 制御回路、１１８ 表示部、ＤＢ ダイオードブリッジ、 Ｄ１、Ｄ２ ダイオード、ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、Ｒ４ 抵抗

Claims (4)

1. 電池状態判定手段と、充電手段と、前記充電手段に接続されるスイッチ手段と、を備えたリチウムイオン電池を充電する充電器であって、
   前記電池状態判定手段は、前記リチウムイオン電池の出力電圧が入力されるとともに、前記スイッチ手段のオン・オフ制御を行う制御信号を出力するものであり、
   パルス状の信号を生成し所定回数、前記リチウムイオン電池に供給し、前記リチウムイオン電池の出力電圧が第1の基準電圧を超えたとき充電可能と判定し、充電可能と判定したときに前記スイッチ手段をオンにして充電を開始するとともに、前記リチウムイオン電池の出力電圧が第２の基準電津に達したとき前記スイッチ手段をオフにして充電を停止する制御を行うことを特徴とするリチウムイオン電池用充電器。
2. 前記第２の基準に達して前記リチウムイオン電池への充電がオフとなったときにトリクル充電を行うトリクル充電手段を有していることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池用充電器。
3. 前記電池状態判定手段において、充電不可能と判定されたときに点滅する表示手段をさらに有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリチウムイオン電池用充電器。
4. 電池状態判定手段と、充電手段と、前記充電手段に接続されるスイッチ手段と、を備えたリチウムイオン電池を充電する充電器であって、
   前記リチウムイオン電池にパルス信号を印加し前記リチウムイオン電池の状態を判定する電池状態判定ステップと、
   前記リチウムイオン電池を充電する充電ステップと、
   を有することを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法。