JP2015186316A - 二次電池の充電システム及び方法並びに電池パック - Google Patents

二次電池の充電システム及び方法並びに電池パック Download PDF

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Abstract

【課題】二次電池を充電する際に、充放電サイクル劣化を抑制しつつ充電時間を短縮することができる充電システムを提供する。【解決手段】充電システムは、電池パック1と、充電器2を備える。充電制御部21は、二次電池14の充電時に、第1の充電電流で定電流充電するとともに、二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たす場合に、第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流に切り替えて定電流充電し、二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達する場合に、二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電し、第2の充電電流よりも小さい第3の充電電流に切り替えて定電流充電すべく充電器2を制御する。【選択図】図1

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等の充電技術に関する。
リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、エネルギ密度が高く、機器の小型化や軽量化が可能である特性を備え、各種電子機器の主電源、自動車や航空機等の産業用ないし運輸用動力源、家庭用の主電源等に幅広く用いられている。
通常、非水電解質二次電池の充電は、定電流充電を行い、その後に定電圧充電を行って満充電状態とする。充電電流を大きくすることで充電時間を短縮することができるが、二次電池の充放電サイクル劣化が大きくなり寿命が低下してしまう。他方、充電電流を小さくすることで充放電サイクル劣化を抑制することができるが、充電時間が増大してしまう。すなわち、充電電流に対し、充電時間と充放電サイクル劣化はトレードオフの関係にある。
下記の特許文献1には、定電流充電した後に定電圧充電に移行する非水電解質二次電池の充電方法において、定電流充電中の電圧の時間変化率を算出し、その時間変化率が増加から減少に転じた時点で定電圧充電に移行することが記載されている。
特許文献2には、リチウムイオン二次電池の充電方法において、リチウムイオン二次電池の劣化度を検出し、劣化が進んだときに設定電圧を低く設定して満充電することが記載されている。
特開2006−252849号公報 特開2008−228492号公報
定電流充電から定電圧充電への切替タイミングを調整する、あるいは満充電時の設定電圧を調整することで二次電池の充放電サイクル劣化を抑制することが可能であるが、充電時間の短縮および実容量の確保については十分に検討されていない。
本発明の目的は、二次電池を充電する際に、充電時間の短縮および実容量の確保と充放電サイクル劣化の抑制とを高レベルで両立し、充放電サイクル劣化を抑制しつつ充電時間を短縮および実容量を確保することができる充電システム及び方法並びに電池パックを提供することにある。
本発明は、二次電池の充電システムであって、二次電池と、前記二次電池を充電する充電器と、前記二次電池の充電時に、第1の充電電流(充電電流I2)で定電流充電するとともに、前記二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、前記二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たす場合に、前記第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流(充電電流I1)に切り替えて定電流充電し、前記二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達する場合に、前記二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電し、前記第2の充電電流よりも小さい第
3の充電電流(充電電流I3)に切り替えて定電流充電すべく前記充電器を制御する充電制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明の1つの実施形態では、前記充電制御手段は、前記第1の充電電流と前記第2の充電電流により定電流充電した容量の大きさに応じて、前記第3の充電電流の大きさを変更する。
本発明の他の実施形態では、前記充電制御手段は、前記二次電池の劣化の度合いに応じて、前記しきいSOC値と前記しきい端子間電圧の少なくともいずれかを下方変更して前記第1の充電電流から前記第2の充電電流に切り替えることを特徴とする。なお、下方変更とは、より小さい値に変更することを意味し、しきいSOC値の下方変更とは、しきいSOC値をより小さいSOC値に変更することを意味し、しきい端子間電圧の下方変更とは、しきい端子間電圧をより小さい端子間電圧に変更することを意味する。
本発明の他の実施形態では、前記充電制御手段は、前記二次電池の劣化の度合いに応じて、前記第1の充電電流と前記第2の充電電流の少なくともいずれかを下方変更することを特徴とする。なお、第1の充電電流の下方変更とは、第1の充電電流をより小さい充電電流に変更することを意味する。第2の充電電流の下方変更も同様である。
本発明のさらに他の実施形態では、前記充電制御手段は、前記二次電池の劣化の度合いに応じて、前記第2の充電電流の下方変更の割合を第1の充電電流よりも下方変更の割合よりも大きくすることを特徴とする。
本発明のさらに他の実施形態では、前記二次電池の劣化の度合いは、前記二次電池の充放電サイクル数、前記二次電池の内部抵抗値、二次電池の実容量のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明は、電池パックであって、二次電池と、前記二次電池の充電時に、第1の充電電流で定電流充電するとともに、前記二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、前記二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たす場合に、前記第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流に切り替えて定電流充電し、前記二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達する場合に、前記二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電し、前記第2の充電電流よりも小さい第3の充電電流に切り替えて定電流充電すべく充電器に対して制御信号を出力する充電制御手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、二次電池の充電方法であって、前記二次電池を第1の充電電流で定電流充電するステップと、前記二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、前記二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たすか否かを判定するステップと、少なくともいずれかの条件を満たす場合に前記第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流に切り替えて定電流充電するステップと、前記二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達すると、前記二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電するか否かを判定するステップと、前記二次電池の劣化度合いに応じた充放電終止電圧に達するまで継続して充電する場合に前記第2の充電電流よりも小さい第3の充電電流に切り替えて定電流充電するステップとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、二次電池の充放電サイクル劣化を抑制しつつ充電時間を短縮および実容量を確保することができる。
実施形態のシステム構成図である。 充電時の二次電池の容量変化を示す図である。 充電時の二次電池の端子間電圧変化を示す図である。 充電時の充電電流の切替を示す図である。 充放電サイクル数と容量との関係を示す図である。 第3の充電電流値の調整を示す図である。 端子間電圧Vfに達するまでに充電された容量と第3の充電電流値の関係を示す図である。 第1から3の充電電流値の調整を示す図である。 充放電サイクル数と充電電流値の関係を示す図である。 切替タイミング及び第1から3の充電電流値の調整を示す図である。
<第1実施形態>
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、非水電解質二次電池としてリチウムイオン二次電池を例にとり説明する。但し、本発明はこれに限定されるわけではない。
図1に、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池の充電システム構成を示す。
充電システムは、電池パック1と、電池パック1に電気的に接続される充電器2から構成される。電池パック1の正極側端子T11及び負極側端子T13は、それぞれ充電器2の正極側端子T21及び負極側端子T23に接続される。また、電池パック1のコネクタ端子T12は、充電器2のコネクタ端子T22に接続される。
<電池パック>
まず、電池パック1の構成について説明する。
電池パック1は、リチウムイオン二次電池14と、制御IC18を備える。リチウムイオン二次電池14は、複数のリチウムイオン二次電池セルが直並列に接続されて構成される。各セルは、正極活物質、負極活物質、及びセパレータを備えており、正極活物質にはリチウム含有複合酸化物等、負極活物質には黒鉛等、セパレータにはポリプロピレンとポリエチレン等が用いられる。
温度センサ17は、リチウムイオン二次電池14の所定位置に設けられ、各セルの温度を検出して制御IC18に供給する。
電圧検出センサ20は、リチウムイオン二次電池14の所定位置に設けられ、各セルの端子間電圧を検出して制御IC18に供給する。
電流検出抵抗16は、リチウムイオン二次電池14の負極側端子に接続され、リチウムイオン二次電池14の通電電流を検出して制御IC18に供給する。
制御IC18は、A/D変換器19と、充電制御部21と、通信部22を備える。
A/D変換器19は、電流検出抵抗16で検出されたリチウムイオン二次電池14の電流データをデジタル値に変換して充電制御部21に供給する。また、温度センサ17で検出されたリチウムイオン二次電池14の温度データをデジタル値に変換して充電制御部21に供給する。また、電圧検出センサ20で検出されたリチウムイオン二次電池14の電
圧データをデジタル値に変換して充電制御部21に供給する。
充電制御部21は、A/D変換器19から供給された、電流データ、電圧データ、温度データに基づいて、リチウムイオン二次電池14の残容量が、満充電時の容量を基準として相対的にどの程度の量であるか、すなわちSOC(State of Charge)を演算する。SOCは、通常、満充電時を100としたときの百分率(%)で表現される。満充電時の容量としては、リチウムイオン二次電池14の製品出荷時(あるいは初回充電時)の初期容量とすることができる。なお、満充電時の容量として、使用により劣化した実容量(A・h)とすることもできる。
充電制御部21は、演算して得られたSOCに基づき、充電電流値や充電電圧値を演算する。そして、充電制御部21は、通信部22を介して充電器2に制御信号を供給する。また、充電制御部21は、A/D変換器19から供給された各データや、充電器2から受信したデータに基づいてシステムの異常を検出すると、スイッチ素子12,13を遮断してリチウムイオン二次電池14を保護する。
充電制御部21は、具体的にはCPU及びメモリを備えるマイクロコンピュータで構成される。マイクロコンピュータのメモリは、プログラムメモリ及びワーキングメモリを含む。プログラムメモリは、電流データ、電圧データ、温度データに基づいてリチウムイオン二次電池14のSOCを算出するためのプログラムその他の動作プログラムを記憶する。SOCの演算は公知の方法を用いることができる。また、プログラムメモリは、充電電流の値を切り替えるためのしきいSOC値、あるいはしきい端子間電圧値を記憶する。ワーキングメモリは、A/D変換器19から供給された各データや、演算により算出されたSOC値等を記憶する。
<充電器2>
次に、充電器2の構成について説明する。
充電器2は、制御IC30と、充電電流供給回路33と、表示パネル34を備える。
制御IC30は、制御部31と、通信部32を備える。通信部32は、電池パック1の通信部22を介して供給された制御信号を受信し、制御部31に供給する。制御部31は、通信部32を介して受信した制御信号に基づき、充電電流供給回路33を制御する。また、必要に応じ、表示パネル34に電池パック1の充電状態を表示する。充電電流供給回路33は、制御部31からの信号に基づき、電池パック1を充電する際の充電電流を増減調整する。
一般に、充電器2は、定電流充電と定電圧充電により電池パック1を満充電まで充電するが、本実施形態では、定電流充電の際に、複数種類の電流を組み合わせた充電を行う。すなわち、例えば複数種類の電流として2種類の電流値I1、I2(但し、I1<I2とする)を設定し、リチウムイオン二次電池14が所定のSOC値に達するまでは電流I2で定電流充電し、リチウムイオン二次電池14が所定のSOC値に達した時点で電流I2よりも小さい電流I1に切り替えて定電流充電する。
すなわち、電池パック1の充電制御部21は、演算したSOC値を所定のSOC値と大小比較し、リチウムイオン二次電池14のSOC値が所定のSOC値に達したか否かを判定する。達していない場合には、電流I2で定電流充電すべく制御信号を充電器2の制御部31に供給する。達している場合には、電流I2よりも小さい電流I1で定電流充電すべく制御信号を充電器2の制御部31に供給する。制御部31は、充電制御部21から供給された制御信号に基づいて、充電電流供給回路33を制御して充電電流をI2からI1
に切替制御する。充電電流I2を第1の充電電流、充電電流I1を第2の充電電流とすると、第1の充電電流から第2の充電電流に切り替えて定電流充電を行うものである。
本実施形態において、充電電流をI2からI1に切り替えるのは、リチウムイオン二次電池14の劣化によらず、未だ劣化していない製品出荷後の初期状態から既に切り替えていることに留意されたい。言い換えれば、本実施形態では、リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いや劣化の程度によらず、定電流充電時には常に充電電流をI2からI1に強制的に切り替えて充電する。従来の一定電流による定電流充電との相違は明らかであろう。所定のSOC値に達した時点で充電電流をI2からI1に切り替える代わりに、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が所定の端子間電圧に達した時点で切り替えてもよい。
このように充電電流を切り替えて充電を行う理由は以下の通りである。定電流で充電する場合、充電電流が大きい場合には充電時間は短縮できるが、リチウムイオン二次電池14のサイクル劣化が大きくなる。他方、充電電流が小さい場合にはサイクル劣化を抑制することは可能であるが、充電時間が増大してしまう。
そこで、本実施形態では、充電初期においては充電電流を相対的にI2と大きくして充電し、リチウムイオン二次電池14のSOC値あるいはこれに対応する端子間電圧値に達した時点で充電電流を相対的に小さいI1に切り替えて充電することで、充電電流I2により充電時間の短縮を図るとともに、充電電流I1によりサイクル劣化を抑制し、充電時間の短縮とサイクル劣化の抑制を同時に達成する。
ところで、リチウムイオン二次電池14は、充放電サイクル数が増大するに従って劣化していき、実容量が低下することが知られている。すなわち、充電時には、リチウムイオン二次電池14の正極活物質のリチウムがリチウムイオンとなって負極活物質の層間に移動する。製品出荷時の段階ではリチウムイオンが負極活物質の層間の間に入って充電が可能であるものの、充放電サイクルが進むに従って負極活物質の結晶構造が崩れてリチウムイオンが層間に入り難くなり、実容量が低下する。よって、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んだ段階においても初期段階の充電終止電圧で充電を停止すると、充電による実容量が低下する。実容量の低下を補うため、リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電することが好ましい。また、リチウムイオン二次電池14の劣化が進むと内部抵抗が増加し、充電電流が大きいと内部抵抗による電圧が高くなり、充電できる時間が少なくなるため、初期段階での充電終止電圧を超えた後の充電電流を下方変更することが好ましい。
そこで、本実施形態では、充放電サイクルが進み、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んだと判定された場合、充電終止電圧である端子間電圧Vfに達すると、劣化度合いに応じた充電終止電圧Vf(2)に達するまで充電電流値I3で、継続して充電を行う。具体的には、充電電流値I3は充電電流値I1よりも小さな値で、端子間電圧Vf(2)は端子間電圧Vfよりも大きな値に変更する。端子間電圧Vf(2)は、例えば、初期段階では充電を停止する所定の端子間電圧値が4.0Vであったところ、4.1あるいは4.2Vに変更する等である。充電を停止する所定の端子間電圧値を大きな値に変更することで、その分だけリチウムイオン二次電池14の容量が増加する。 充電電流をI2からI1に切り替える切替タイミングは、複数のリチウムイオン二次電池14を用いて切替タイミングを種々変化させてその充電時間の変化とサイクル劣化の変化のデータを取得し、充電時間の短縮とサイクル劣化の抑制に最も効果的な切替タイミングを選択することで取得し得る。このようにして取得された切替タイミング(具体的にはしきいSOC値あるいはしきい端子間電圧値)が充電制御部21のメモリに記憶される。
なお、リチウムイオン二次電池14が充放電サイクルが進むにつれて劣化した場合、メモリに記憶された切替タイミングが適当なタイミングでなくなる場合がある。この場合には、リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いに応じて、切替タイミングを動的に変更すればよい。具体的には、リチウムイオン二次電池14の劣化が進むと、充電電流を小さくした方が劣化を抑制することができるため、相対的に充電電流I1による定電流充電の割合を増大させるべく、切替タイミングを早めればよい。
<充電方法の詳細>
次に、本実施形態における充電方法を詳細に説明する。
図2に、充電時のリチウムイオン二次電池14の充電容量の時間変化を示す。図において、横軸は時間、縦軸は充電容量(A・h)を示す。比較のため、本実施形態での充電方法による充電容量の変化100を実線で示すとともに、充電電流I2のみで充電した場合の充電容量の変化200を一点鎖線で示し、充電電流I3のみで充電した場合の充電容量の変化300を破線で示す。時間t=0において充電が開始されるものとする。
本実施形態では、充電制御部21は、A/D変換器19からの電流データ、電圧データ、温度データに基づいてリチウムイオン二次電池14の残容量、すなわちSOCを所定の制御タイミングで順次演算する。そして、リチウムイオン二次電池14の充電が必要と判定した場合に、通信部22及び通信部32を介して充電指令を充電器2の制御部31に供給する。この制御指令には、充電電流をI2とすべき指令が含まれる。
充電器2の制御部31は、充電制御部21からの制御指令に基づいて充電電流供給回路33の動作を制御し、充電電流をI2として電池パック1に供給する。電池パック1のリチウムイオン二次電池14は、充電器2から供給された充電電流I2で充電され、充電容量が徐々に増大していく。充電制御部21は、充電中においても所定の制御タイミングでリチウムイオン二次電池14のSOCを順次演算により算出する。
充電が進むとともに充電容量が増大し、充電容量が所定の容量Csocに達した時点でリチウムイオン二次電池14のSOC値が所定のSOC値、例えばSOC値=60%に達すると、充電制御部21は、通信部22及び通信部32を介して切替指令を充電器2の制御部31に供給する。この切替指令には、充電電流をI1とすべき指令が含まれる。図2において、リチウムイオン二次電池14の充電容量がCsocとなり、所定のSOC値に達するタイミングをtsocで示している。
充電器2の制御部31は、充電制御部21からの切替指令に基づいて充電電流供給回路33の動作を制御し、充電電流をI2からI1に切り替えて電池パック1に供給する。電池パック1のリチウムイオン二次電池14は、充電器2から供給された充電電流I1で充電される。充電電流がI2からI1に切り替わることにより、リチウムイオン二次電池14の充電容量の時間変化の割合もその分だけ減少する。図2において、充電容量の時間変化の割合、つまり充電容量の変化100の傾きが時間tsocを境に小さく変化している。
充電電流I1にて充電がさらに進み、端子間電圧が充電終止電圧である電圧Vfに達した時点(tf)で、充電制御部21は、リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いを判定する。充放電サイクルが進み、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んだと判定された場合、充電制御部21は、電圧Vf(2)に達するまで継続して充電を行うとともに、通信部22及び通信部32を介して充電電流をI3とすべき切替指令を充電器2の制御部31に供給する。充電器2の制御部31は、充電制御部21からの切替指令に基づいて充電電流供給回路33の動作を制御し、充電電流をI1からI3に切り替えて電池
パック1に供給する。電池パック1のリチウムイオン二次電池14は、充電器2から供給された充電電流I3で充電される。充電電流がI1からI3に切り替わることにより、リチウムイオン二次電池14の充電容量の時間変化の割合がさらに減少する。図2において、充電容量の変化100の傾きが時間tfを境にさらに小さく変化している。充電電流I3にて充電がさらに進み、端子間電圧が電圧Vf(2)に達した時点で、満充電状態になったものと判定して充電を停止するものとする。充電容量が端子間電圧Vf(2)に対応する容量Cf(2)(但し、C2<Cf(2)<C3)に達すると、充電制御部21は、通信部22及び通信部32を介して充電停止指令を充電器2の制御部31に供給する。充電器2の制御部31は、充電制御部21からの充電停止指令に基づいて充電電流供給回路33の動作を制御し、充電電流をゼロとして電池パック1への充電電流の供給を停止する。図2において、リチウムイオン二次電池14の充電容量がCf(2)となるタイミングをtで示している。あるいは、充電容量が所定の容量Cf(2)に達すると、充電制御部21は、通信部22及び通信部32を介して定電圧充電指令を充電器2の制御部31に供給してもよい。充電器2の制御部31は、充電制御部21からの定電圧充電指令に基づいて充電電流供給回路33の動作を制御し、定電圧条件下で充電電流を電池パック1に供給する。
これに対し、充電電流I2のみで充電する場合、一点鎖線で示す充電容量の変化200のように、充電開始からほぼ一定の傾きで充電が進み、端子間電圧Vf(2)に対応する充電容量C2に達した時点で満充電になったものとして充電を停止する。充電容量C2に達するタイミングをt2とすると、t2<tである。
また、充電電流I3のみで充電する場合、破線で示す充電容量の変化300のように、充電開始からほぼ一定の傾きで充電が進む。このときの傾きは、充電電流I2で充電する場合の傾きよりも小さい。端子間電圧Vf(2)に対応する充電容量C3に達した時点で満充電になったものとして充電を停止する。充電容量C3に達するタイミングをt3とすると、t2<t<t3である。従って、本実施形態において充電容量Cf(2)に達するタイミングtは、充電電流I2のみで充電する場合と、充電電流I3で充電する場合の間に存在し、充電時間に関しては、充電電流I2のみで充電するよりも大きいものの、充電電流I3のみで充電する場合に比べて短縮することができる。さらに、充電終止電圧を電圧Vf(2)として、充電電流I1、I2およびI3で充電する場合の充電容量Cf(2)は、充電終止電圧を電圧Vfのままとして、充電電流I1およびI2で充電する場合の充電容量Cfよりも大きく、実容量に関しては、充電終止電圧を電圧Vfのまま充電する場合に比べて大きくすることができる。
図3に、充電時のリチウムイオン二次電池14の端子間電圧の時間変化を示す。図において、横軸は時間、縦軸は端子間電圧(V)を示す。比較のため、本実施形態での充電方法による端子間電圧の変化102を実線で示すとともに、充電電流I2のみで充電した場合の端子間電圧の変化202を一点鎖線で示し、充電電流I3のみで充電した場合の端子間電圧の変化302を破線で示す。時間t=0において充電が開始されるものとする。
本実施形態では、まず充電電流I2でリチウムイオン二次電池14を充電する。充電が進み、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocに達した時点で、充電制御部21は切替指令を充電器2の制御部31に供給して充電電流をI2からI1に切り替える。図において、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧がVsocに達したタイミングをtsocで示す。このtsocは、図2におけるtsocと同一である。充電電流がI2からI1に切り替わるとともに、端子間電圧の変化の傾きも小さくなる。充電がさらに進み、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が端子間電圧Vfに達した時点で、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んでいた場合、充電制御部21は充電終止電圧をVfからVf(2)に変更するとともに、切替
指令を充電器2の制御部31に供給して充電電流をI1からI3に切り替える。図において、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧がVfに達したタイミングをtfで示す。このtfは、図2におけるtfと同一である。充電電流がI1からI3に切り替わるとともに、端子間電圧の変化の傾きもさらに小さくなる。充電がさらに進み、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が端子間電圧Vf(2)に達した時点で満充電状態になったと判定し、充電を停止する。このときのタイミングをtで示す。このtは、図2におけるtと同一である。
これに対し、充電電流I2のみで充電する場合、端子間電圧の変化202はほぼ一定であり、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が端子間電圧Vf(2)に達するタイミングをt2とすると、このt2は図2におけるt2と同一であって、t2<tである。
また、充電電流I3のみで充電する場合、端子間電圧の変化302はほぼ一定であり、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が端子間電圧Vf(2)に達するタイミングをt3とすると、このt3は図2におけるt3と同一であって、t2<t<t3である。
ところで、一定電流による定電流充電を行った場合、所定の端子間電圧に達するまでの所要時間は、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進むにつれ短くなる。このため、所定の端子間電圧に達するまでに充電される容量は、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進むにつれ小さくなる。つまり、リチウムイオン二次電池14の製品出荷時の初期容量を満充電時の容量としてSOCを表現した場合、所定の端子間電圧に対応づけられるSOCは、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進むにつれ小さくなる。所定のSOC値に達した時点で充電電流をI2からI1に切り替える場合、劣化の度合いに応じ、それに相当する開始からの所要時間や端子間電圧がずれていくことに注意されたい。説明の簡略化のため、以下、充電電流を切り替えるタイミングとして、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が所定の端子間電圧に達した時点を想定する。この点、劣化の度合いに応じた対応づけを行うことで、所定のSOC値に達した時点で充電電流を切り替える場合等にも適用可能であることは当業者において理解されるところである。
図4に、本実施形態における充電電流の変化104を示す。端子間電圧Voにおいて充電が開始されるものとする。まず、充電電流I2で充電を開始する。リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocに達するまで、充電電流I2による定電流充電を行う。なお、端子間電圧Voの値は、Vsocの値よりも小さい値であれば任意の値でよい。
充電が進み、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocに達すると、充電制御部21は切替信号を充電器2の制御部31に供給し、充電電流をI2からI1に切り替える。さらに、端子間電圧がVfに達し、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んでいた場合、充電制御部21は充電終止電圧をVfからVf(2)に変更するとともに、切替信号を充電器2の制御部31に供給し、充電電流をI1からI3に切り替える。以後は、充電電流I3により定電流充電を行う。端子間電圧Voで充電を開始し、端子間電圧Vsocで充電電流を切り替え、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んでいた場合、端子間電圧がVfで充電電流をさらに切り替え、端子間電圧Vf(2)で充電を停止するものとすると、端子間電圧Vo〜Vsoc:充電電流I2、端子間電圧Vsoc〜Vf:充電電流I1、端子間電圧Vf〜Vf(2):充電電流I3である。図4において、充電電流I2による充電部分を符号104aで示し、充電電流I1による充電部分を符号104bで示し、充電電流I3による充電部分を符号104cで示す。
図5に、充放電サイクル数と容量の関係を示す。図において、横軸は充放電サイクル数
であり、縦軸は実容量(A・h)である。比較のため、本実施形態の容量変化106を実線で示すとともに、充電電流I2のみで充電した場合の容量変化206を一点鎖線で示し、充電電流I3のみで充電した場合の容量変化306を破線で示す。
充電電流I2のみで充電する場合、図2あるいは図3に示すように充電時間は短いものの、容量変化206に示すように充放電サイクル数に対する実容量の低下の度合いも大きい。他方、本実施形態のように充電電流I2から充電電流I1に切り替えるとともに、リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いに応じて充電終止電圧を端子間電圧Vfから端子間電圧Vf(2)に変更し、かつ、充電電流I1から充電電流I3に切り替えて充電する場合、容量変化106に示すように充放電サイクル数に対する実容量の低下の度合いを抑制し、充電電流I3のみで充電する場合とほぼ同程度に抑制できる。本実施形態の場合、充電時間はt2<t<t3であって充電電流I3のみで充電する場合よりも充電時間は短いから、結局、充電時間を充電電流I3の場合よりも短縮しつつ、サイクル劣化を充電電流I3の場合と同程度まで抑制できる。さらに、充放電終止電圧を端子間電圧Vf(2)として、Vf(2)に達するまで継続して充電を行うことで、充放電終止電圧を端子間電圧Vfのまま充電する場合よりも充電できる実容量を増加させることができるから、充放電サイクル数に対する実容量の低下を補うことができる。
<第3の充電電流値の調整>
上記の説明では、充放電サイクル数に応じて充電終止電圧を端子間電圧Vfから端子間電圧Vf(2)に変更し、かつ、充電電流I1から充電電流I3に切り替えて充電する場合について説明したが、第3の充電電流値を下方変更してもよい。
図6は、第3の充電電流値の調整を示す図である。図6に、端子間電圧Vfに達するまでに第1の容量が充電された場合の充電電流の変化と、それより少ない第2の容量が充電された場合の充電電流の変化を示す。図において、比較のため、第1の容量が充電された場合の充電電流の変化104を一点鎖線で示すとともに、第2の容量が充電された場合の充電電流の変化108を実線で示す。第1の容量で充電されているときは、端子間電圧Vfに達するタイミングtfで充電電流をI1からI3に切り替えて充電を行う。他方、第2の容量で充電されているときは、第3の充電電流をI3からI3(2)に下方変更する。ここで、I3>I3(2)である。
端子間電圧Vf(2)に達するタイミングt(2)で同じ実容量まで充電することを想定すると、第1の容量で充電されているときより、第2の容量で充電されているときのほうが、第3の充電電流で充電すべき容量が多くなる。充電電流をI3からI3(2)に下方変更することで、充電時間はtからt(2)だけ増大するものの、充電電流が大きいままだと第3の充電電流による充電可能時間が少なくなることを抑制することができる。結果、端子間電圧Vfに達した時点で充電されている容量が少ない場合でも実容量を確保することができる。
図7は、端子間電圧Vfに達するまでに充電された容量Cfと第3の充電電流値I3の関係を示す図である。充電電流についても、ある容量が充電されていたら段階的に下方変更するのではなく、図7に示すように充電された容量に応じて連続的に下方変更してもよい。図7において、横軸に端子間電圧Vfに達するまでに充電された容量、縦軸に充電電流を示す。充電電流I3は、端子間電圧Vfに達するまでに充電された容量が減少するに従って連続的に減少していく。
<切替タイミングの調整>
本実施形態の充電方法では、リチウムイオン二次電池14が製品出荷の初期段階であっても充電電流をI2からI1に切り替えて充電するが、この場合の切替タイミングはリチ
ウムイオン二次電池14の状態によらずに常に固定とする場合の他、リチウムイオン二次電池14の劣化の程度に応じて切替タイミングを調整してもよい。
すなわち、本実施形態によれば、充電電流をI2からI1に切り替えて充電することでサイクル劣化を抑制することが可能であるが、リチウムイオン二次電池14の劣化は充放電サイクルとともに進んでいく。
そこで、充放電サイクルが進み、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んだと判定された場合、充電制御部21は、充電電流をI2からI1に切り替えるタイミングをそれまでよりも早めに切り替える。具体的には、切り替えるタイミングを決定する所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocをより小さな値に変更し、変更後のSOC値に対応する端子間電圧を用いて充電電流を切り替える。端子間電圧Vsocを下方変更することで、その分だけリチウムイオン二次電池14が所定のSOC値に対応する端子間電圧に達するタイミングが早くなり、充電電流をI2からI1に切り替えるタイミングも早くなる。
<第1から3の充電電流値の調整>
上記の説明では、第3の充電電流値をI3からI3(2)に下方変更する場合について説明したが、第1および2の充電電流値も下方変更してもよい。 図8は、第1から3の充電電流値の調整を示す図である。図8において、充放電サイクル数が進み、第1のサイクル数に達した時点での充電電流の変化と、さらにサイクル数が進み、第2のサイクル数に達した時点での充電電流の変化を示す。図において、比較のため、第2のサイクル数に達した時点での充電電流の変化110を実線で示すとともに、第1のサイクル数に達した時点での充電電流の変化104を一点鎖線で示す。充放電サイクル数が第1のサイクル数に達するまでは、所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsoc達すると充電電流値をI2からI1に切り替えて充電を行う。他方充放電サイクル数が第2のサイクル数に達してリチウムイオン二次電池14の劣化がさらに進んだと判定した場合、所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocはそのまま維持しつつ、充電開始当初の充電電流値をI2からI2(2)に下方変更するとともに、所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocに達した時点での充電電流値をI1からI1(2)に下方変更する。そして、端子間電圧Vfに達するタイミングtfで充電電流値をI1(2)からI3(2)に変更して、端子間電圧Vf(2)まで継続して充電を行う。 切替前後の充電電流値をともにI2(2)、I1(2)に下方修正し、かつ、端子間電圧Vf(2)に達するまで継続して充電を行うことで、劣化がさらに進んだ後でもそれより劣化が進んでいない場合に近い容量を得ることができる。また、リチウムイオン二次電池14は、端子間電圧Vf(2)に達するまで継続して充電を行う場合にサイクル劣化が生じるが、充電電流をI3からI3(2)に下方変更することで低い充電電流で充電される区間が設けられ、サイクル劣化を相対的に抑制させることができる。
なお、本実施形態において、充電を停止するタイミングを規定する所定の端子間電圧値をあるサイクル数に達した時点で段階的に変更するものではなく、連続的に変更してもよい。
図9は、充放電サイクル数と充電電流値の関係を示す図である。充電電流においても、あるサイクル数に達した時点で段階的に下方変更するのではなく、図9に示すように充電電流I1,I2,I3は充放電サイクル数に応じて連続的に下方変更してもよい。
図9において、横軸に充放電サイクル数、縦軸に充電電流を示す。図中のNは、充電終止電圧を端子間電圧VfからVf(2)に変更して充電電流I3を用いてVf(2)に達するまで継続して充電をしはじめる充放電サイクル数である。
充電電流I1の減少度合い(傾き)は、充電電流I2の減少度合い(傾き)より大きくすることで、より低い充電電流で充電される区間が増加して、リチウムイオン二次電池14のサイクル劣化をより抑制することができる。そのため、充電を停止する端子間電圧値まで継続して充電した場合でも劣化を相対的に抑制することができる。なお、充電電流I1,I2,I3の減少度合いについては、必ずしもこれに限定されるものではなく、減少度合いの大小関係を変更しても良い。
充電電流I3は、充放電サイクル数がある値Nに達した場合、連続的に下方変更される。これまでの説明ではリチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進み、充放電サイクル数がある値Nに達した場合に、充電終止電圧を端子間電圧VfからVf(2)に変更して充電電流I3を用いてVf(2)に達するまで継続して充電を行う一例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、リチウムイオン二次電池14の劣化があまり進行していない場合(製品出荷後の初期状態を含む)に、充電終止電圧を端子間電圧VfからVf(2)に変更して充電電流I3を用いてVf(2)に達するまで継続して充電を行っても良い。また、充電電流I3は充放電サイクル数に影響されずに一定の値、連続的に上方変更させても良い。
<切替タイミング及び第1から3の充電電流値の調整>
上記ではリチウムイオン二次電池14の劣化の程度、すなわち充放電サイクル数に応じて切替タイミングを下方変更し、充放電サイクル数に応じて充電電流値を下方変更しているが、これらを組み合わせ、リチウムイオン二次電池14の劣化の程度、すなわち充放電サイクル数に応じて切替タイミング及び充電電流値を下方変更してもよい。
図10は、切替タイミング及び第1から3の充電電流値の調整を示す図である。
図10に示すように充電電流の切替タイミングを早めてもよい。充放電サイクル数が進み、第1のサイクル数に達した時点での充電電流の変化と、さらにサイクル数が進み、第2のサイクル数に達した時点での充電電流の変化を示す。図において、比較のため、第2のサイクル数に達した時点での充電電流の変化112を実線で示すとともに、第1のサイクル数に達した時点での充電電流の変化104を一点鎖線で示す。充放電サイクル数が第1のサイクル数に達するまでは、所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocに達すると充電電流をI2からI1に切り替えて充電を行う。他方、充放電サイクル数があるサイクル数に達してリチウムイオン二次電池14の劣化が進んだと判定した場合、所定のSOC値に対応する端子間電圧VsocをVsoc(2)に下方変更するとともに、充電開始当初の充電電流をI2からI2(2)に下方変更し、所定のSOC値に対応する端子間電圧Vsocに達した時点での充電電流値をI1からI1(2)に下方変更する。そして、端子間電圧Vfに達するタイミングtで充電電流値をI1(2)からI3(2)に下方変更して、端子間電圧Vf(2)まで継続して充電を行う。
充電電流の切替タイミングを早め、かつ、切替前後の充電電流値をともにI2(2)、I1(2)に下方変更して、かつ、Vf(2)に達するまで継続して充電を行うことで、ある程度劣化した後でも製品出荷後の初期段階に近い容量を得ることができる。また、低い充電電流で充電される区間が増加するため、リチウムイオン二次電池14のサイクル劣化を相対的に抑制することができる。
本実施形態における充電を停止するタイミングの調整、充電電流の切替タイミング、および充電電流値の調整は、多様に組み合わせることができる。これらを具体的に列挙すると以下の通りである。
(1)リチウムイオン二次電池14がある程度劣化した場合に劣化度合いに応じた端子間電圧値に達するまで継続して充電するとともに、充電電流I2を下方変更する
(2)リチウムイオン二次電池14がある程度劣化した場合に劣化度合いに応じた端子間電圧値に達するまで継続して充電するとともに、充電電流I2及びI1をともに下方変更する
(3)リチウムイオン二次電池14がある程度劣化した場合に劣化度合いに応じた端子間電圧値に達するまで継続して充電するとともに、しきいSOC値あるいはしきい端子間電圧値を下方変更し、充電電流I2及びI1を下方変更する。
上記(1)から(3)では、充電を停止する端子間電圧値まで継続して充電するタイミングと、充電電流、しきいSOC値あるいはしきい端子間電圧値の下方変更のタイミングとを同時・非同時で実行されてもよい。なお、非同時の場合、充電電流、しきいSOC値あるいはしきい端子間電圧値の下方変更がされた後に充電を停止する端子間電圧値まで継続して充電する。
<その他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず種々の変更が可能であり、これらの変形例も全て本発明に含まれる。
例えば、本実施形態では充電電流の切替タイミングをSOC値あるいはこれに対応する端子間電圧値により規定しているが、端子間電圧で規定する場合、満充電状態の端子間電圧を4.1V〜4.2Vとして、リチウムイオン二次電池14の端子間電圧が3.9V程度に達した時点で充電電流をI2からI1に切り替えることができる。
また、SOC値と端子間電圧を択一的に用いるのではなく、SOC値と端子間電圧をともに用いて充電電流をI2からI1に切り替えることもできる。例えば、SOC値が60%に達し、かつ、端子間電圧が3.9Vに達した場合に充電電流をI2からI1に切り替える等である。すなわち、電池パック1の充電制御部21は、リチウムイオン二次電池14のSOC及び端子間電圧を検出し、SOCが所定のSOC値となる条件と、端子間電圧が所定の端子間電圧となる条件の少なくともいずれかの条件を満たす場合に、充電電流をI2からI1に切り替えるための制御信号を充電器2に供給すればよい。
また、本実施形態では、端子間電圧Vfに達するまでは、充電電流をI2からI1に2段階に切り替えているが、3段階あるいはそれ以上に切り替えることも可能である。例えば、リチウムイオン二次電池14のSOC値が所定の第1のSOC値に達すると充電電流をI2からI1に切り替え、SOC値が所定の第2のSOC値に達すると充電電流をI1からI0に切り替える等である。ここで、第1のSOC値<第2のSOC値であり、I0<I1<I2である。
また、本実施形態では、リチウムイオン二次電池14の劣化の程度を評価する一つの指標として充放電サイクル数を用いているが、劣化の程度を評価する他のパラメータを用いることもできる。例えば、劣化の程度を示すパラメータとしてSOH(State of Health)が知られているが、その名称如何を問わず、実容量の変化の程度を示すパラメータを用いることができる。リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いを示すパラメータを列挙すると以下の通りである。
(1)リチウムイオン二次電池14の内部抵抗
(2)リチウムイオン二次電池14の実容量
(3)リチウムイオン二次電池14の充放電サイクル数
また、本実施形態では、上記のように定電圧充電を行うか否かは任意であるが、定電圧充電を行う場合は以下の通りである。
すなわち、リチウムイオン二次電池14を定電流充電した後に定電圧充電を行う場合、
定電流充電において本実施形態の充電方法を適用する。例えば、所定のSOC値あるいはこれに対応する端子間電圧に達するまでは充電電流I2により定電流充電し、その後、所定のSOC値あるいはこれに対応する端子間電圧に達した時点で充電電流I1に切り替えて定電流充電する。そして、リチウムイオン二次電池14の劣化がある程度進んだと判定された場合、充電電流値I3で、劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電を行う。3種類の電流を切り替えて定電流充電を行い、変更後の充電終止電圧に達した時点で定電流充電を終了し、定電圧充電を行う。定電圧充電を行い、充電電流が所定値以下となった場合にリチウムイオン二次電池14が満充電状態になったと判定して充電を停止する。
また、本実施の形態では、リチウムイオン二次電池14の劣化の度合いによらず端子間電圧Vf(2)を所定値することを想定して説明したが、リチウムイオン二次電池14の劣化の進行に応じて端子間電圧Vf(2)を徐々に増加させたり、減少させたりして充電を行ってもよい。
1 電池パック、2 充電器、14 リチウムイオン二次電池、18 制御IC(電池パック側)、21 充電制御部、30 制御IC(充電器側)、31 制御部。

Claims (8)

  1. 二次電池と、
    前記二次電池を充電する充電器と、
    前記二次電池の充電時に、第1の充電電流で定電流充電するとともに、前記二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、前記二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たす場合に、前記第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流に切り替えて定電流充電し、前記二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達する場合に、前記二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電し、前記第2の充電電流よりも小さい第3の充電電流に切り替えて定電流充電すべく前記充電器を制御する充電制御手段と、
    を備えることを特徴とする二次電池の充電システム。
  2. 請求項1記載の二次電池の充電システムにおいて、
    前記充電制御手段は、前記第1の充電電流と前記第2の充電電流により定電流充電した容量の大きさに応じて、前記第3の充電電流の大きさを変更する
    ことを特徴とする二次電池の充電システム。
  3. 請求項2記載の二次電池の充電システムにおいて、
    前記充電制御手段は、前記二次電池の劣化の度合いに応じて、前記しきいSOC値と前記しきい端子間電圧の少なくともいずれかを下方変更して前記第1の充電電流から前記第2の充電電流に切り替える
    ことを特徴とする二次電池の充電システム。
  4. 請求項3記載の二次電池の充電システムにおいて、
    前記充電制御手段は、前記二次電池の劣化の度合いに応じて、前記第1の充電電流と前記第2の充電電流の少なくともいずれかを下方変更する
    ことを特徴とする二次電池の充電システム。
  5. 請求項4記載の二次電池の充電システムにおいて、
    前記充電制御手段は、前記二次電池の劣化度合いに応じて、前記第2の充電電流の下方変更の割合を第1の充電電流よりも下方変更の割合よりも大きくする
    ことを特徴とする二次電池の充電システム。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池の充電システムにおいて、
    前記二次電池の劣化の度合いは、前記二次電池の充放電サイクル数、前記二次電池の内部抵抗値、二次電池の実容量のいずれかであることを特徴とする二次電池の充電システム。
  7. 二次電池と、
    前記二次電池の充電時に、第1の充電電流で定電流充電するとともに、前記二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、前記二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たす場合に、前記第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流に切り替えて定電流充電し、前記二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達する場合に、前記二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧まで継続して充電し、前記第2の充電電流よりも小さい第3の充電電流に切り替えて定電流充電すべく充電器に対して制御信号を出力する充電制御手段と、
    を備える
    ことを特徴とする電池パック。
  8. 二次電池の充電方法であって、
    前記二次電池を第1の充電電流で定電流充電するステップと、
    前記二次電池のSOCがしきいSOC値に達する条件と、前記二次電池の端子間電圧がしきい端子間電圧に達する条件の少なくともいずれかの条件を満たすか否かを判定するステップと、
    少なくともいずれかの条件を満たす場合に前記第1の充電電流よりも小さい第2の充電電流に切り替えて定電流充電するステップと、
    前記二次電池の端子間電圧が充電終止電圧に達すると、前記二次電池の劣化度合いに応じた充電終止電圧に達するまで継続して充電するか否かを判定するステップと、
    前記二次電池の劣化度合いに応じた充放電終止電圧に達するまで継続して充電する場合に前記第2の充電電流よりも小さい第3の充電電流に切り替えて定電流充電するステップと、
    を備えることを特徴とする二次電池の充電方法。
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