JP3363656B2 - ２次電池の急速充電制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、携帯電話機や携帯無線
機等に使用される２次電池の急速充電制御方法に関し、
特に充電中の電池の高温保護に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】携帯電話機や携帯無線機等には、充電を
行いながら繰り返して使用することができる２次電池が
使用されることが多い。これは、充電できない１次電池
を使い捨てた場合と比べると経済的なメリットが大きい
ためである。これらの用途に使われる２次電池として
は、ニッケルカドニウム電池やニッケル水素イオン電
池、そして最近になって実用化されたリチウムイオン電
池等が一般的である。これらの２次電池を充電するため
には、家庭用商用電源を用いた専用の充電器を使用する
ことが通例であり、充電の分類としては、短時間で充電
させる急速充電と長時間かけて徐々に充電させるトリク
ル充電とに大別される。後者のトリクル充電は、微小な
充電電流を常時流し続ける方式で、充電の完了や充電中
の電池の異常発熱等を監視する必要が無いため、充電回
路は簡単な定電流回路のみで構成され、複雑な制御を行
わない。前者は、比較的大きな電流を流して、しかも短
時間で充電を終了させる方式であり、電池にとっては条
件が過酷なため、充電による異常な発熱から電池を保護
するため、また電池温度を常時監視して異常な状態を把
握できるような制御方式を必要とする。充電の終了を正
確に検知するため、また電池温度が異常に上昇して危険
であることを認識するためには、充電器として電池の電
圧を正確に認識する手段と、電池の温度を正確に認識す
る手段とを備える必要がある。これらを同時に実現する
手段として通常良く利用されるのは、充電器にアナログ
−デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄコンバータ」とい
う。）及びこの出力信号を処理・制御するための制御用
のマイクロコンピュータ（以下「マイコン」という。）
回路を導入し、デジタル処理及びソフトウェア処理にて
行う方法である。電池の電圧を認識するためには、Ａ／
Ｄコンバータ（通常は８〜１０ビット分解能の物を使
う。）に電池の端子電圧を直接入力し、電圧値をマイコ
ンデータに変換する。電池の温度を認識するためには、
電池パック側にあらかじめサーミスタなる感温素子を組
み込んでおき、このサーミスタに加わる端子電圧を上記
同様にマイコンで認識することによって、電池の温度を
換算する。 【０００３】初めに、充電終了を検知する方法について
説明する。説明の便宜上、今後は電池の種類は２次電池
のニッケル水素イオン電池とする。図２は、２次電池
（ニッケル水素イオン電池）パックの構成例を示す図で
ある。図２に示すように、２次電池（ニッケル水素イオ
ン電池）パック１０は、３ニッケル水素電池素子１１，
１２，１３、すなわち公称電圧３．６Ｖの電池であるこ
ととする。図２中のＰＴＣは過大電流阻止用ポリスイッ
チ素子、Ｔは高温検知用のサーモスタット素子、ＲＴは
サーミスタ、１４−１は充電端子＋、１４−２は温度検
出端子、１４−３は充電端子−、１５−１は放電端子
＋、１５−２は放電端子−である。急速充電の終了検知
の方法としては様々な方式が使われているが、代表的な
ものに （１）−ΔＶ検出方式 （２）ピーク電圧検出方式 （３）温度微分制御方式（ｄＴ／ｄｔ検出方式） （４）サーマルカット方式 （５）これらの併用方式等 がある。 （１）と（２）の方式は、電池の充電中の電圧の変化を
時々刻々監視するものである。図３は、２次電池（ニッ
ケル水素イオン電池）パックの充電特性の例（１Ｃ急速
充電）を示す図である。充電中の電池の端子電圧は、ニ
ッケル水素イオン電池の場合は図３に示すようなカーブ
を描く。この図から分かるように、電池の端子電圧は充
電開始と同時に徐々に上昇し始め、電池の基準容量Ｃと
同じ値の電流を流した場合（１Ｃ充電）では、およそ６
０分で電圧値のピークに達する。そして、更に同じ値の
電流を流し続けると今度は電池の端子電圧が微減する性
質がある。 【０００４】（１）の方式は、この電圧の微減したとこ
ろを捕らえて充電を終了させる方式であり、通常はピー
クの値に対して３０〜６０ｍＶ（電池３素子の場合）の
値にて制御している。 （２）の方式は、前述の充電電圧のピーク値を捕らえて
充電を終了させる方式である。（１）及び（２）の方式
の詳細な説明はここでは省略する。（３）と（４）の方
式は、電池の充電中の温度の上昇温度を監視して制御す
る方式である。 （３）の方式は、温度の上昇値が１分あたり１℃（他の
数値でももちろん構わない。）を越えたことを検知して
充電を停止するものであり、充電の終了近くになると急
に電池温度が上昇し始めるような電池の性質を利用した
ものである。 （４）の方式は、電池にとっての上昇限界温度（今回の
例では６０℃とする。常識的にこの近辺の値が多い。）
に達した場合に充電を終了させる方式で、通常はタイマ
ー等の他の制御と併用する。図４は、充電器の構成例を
示す図である。 【０００５】１は家庭用商用電源を直流電圧に変換する
ＡＣアダプタ、２は定電流・定電圧安定回路、３はマイ
コン動作用の一定の電圧に変換する電源回路、４は急速
充電を制御する制御用マイコン回路４ａ及び急速充電制
御用プログラムメモリ部４ｂを有する制御回路である。
５は２次電池パック１０への電源供給をオン／オフし、
制御用マイコン回路４ａによりその動作が制御されるス
イッチ回路、６は電池の電圧をデジタルデータに変換す
るＡ／Ｄコンバータ、７は充電端子＋９−１と温度検出
端子（以下「ＴＨ端子」という。）９−２のいずれかの
端子に接続し、制御用マイコン回路４によりその動作が
制御されるスイッチ回路、８は充電中もしくは充電完了
等を示す状態表示用ランプであり、９−３は充電端子−
（以下「Ｅ端子」という。）である。ここで、図４を参
照しつつ、電池の温度を充電器が認識する方法について
の動作説明を簡単に行う。サーミスタＲＴは、その温度
が変化すると抵抗値が一義的に決まる抵抗素子であり、
通常は２次電池パック１０内の電池素子に密着して封入
されているので、電池の温度に応じた抵抗値を示すこと
になる。図５は、図４の充電器に図２の２次電池パック
１０を接続した場合を示す図である。 【０００６】サーミスタＲＴの一例としては、温度の変
化に対し一次の逆比例特性を持っており、温度が上昇す
ると抵抗値が下がるような性質の素子がある。充電器の
内部には、安定化された一定電圧値Ｖを供給する定電流
・定電圧安定 回路２と精密な固定抵抗器Ｒとがあり、図
５に示すように両者が直列に接続されてＴＨ端子に至っ
ている。充電器に２次電池パック１０が接続されると、
ＴＨ端子９−２を通して更に電池内のサーミスタＲＴが
直列に接続され、Ｅ端子９−３を経て回路ループを閉じ
る。この時、ある温度ｔｅｍｐにおけるサーミスタＲＴ
の抵抗の値をＲＴ_tempとすると、充電器の内部の固定抵
抗器Ｒの両端に加わる電圧、すなわち、充電器の内部の
制御用マイコン回路４ａが認識する電圧Ｖ_ADは、 Ｖ_AD＝Ｖ−（Ｖ／（Ｒ＋ＲＴ_temp））×Ｒ なる式で表され、温度に依存する一義的な値を取る。 【０００７】以上説明したような各種手段を機能するプ
ログラムをプログラムメモリ部４ｂに記憶しておき、制
御用マイコン回路４ａがそのプログラムを実行すること
によって、充電器は電池の端子電圧と温度を常時認識し
て、充電が正常かつ安全に終了するように制御してい
る。この際、上記説明の例の（１）及び（２）の方式の
場合でも、安全の目的で電池の温度を常時認識して、充
電が正常かつ安全に終了するように制御している。この
場合は、サーマルカットオフ方式のカット温度に相当す
る６０℃（説明のための代表値であり、他の値でも構わ
ない。）を１つの目安として監視し、充電中にもしもこ
の温度を越える（達する）ようなことがあれば、充電を
中断もしくは停止して電池の損傷や、充電中の事故を未
然に防いでいる。２次電池の急速充電は、通常は、温度
が５℃〜４０℃程度の範囲にある場合にだけ行われ、そ
れ以外の温度の時は、危険性及び効率の低下のために充
電を行わないようにしている。また、電池を急速充電す
ることによる電池の温度の上昇値は、電池の固体差もあ
るが、１２℃〜２０℃程度である。６０℃をカット温度
とした理由はここにあり、室温４０℃の条件で充電を開
始した場合には、最高で２０℃の温度上昇が発生したと
すると、その時の温度は６０℃となるから、６０℃を越
えるような条件下では、充電を中断又は停止して電池を
高温状態から保護していた。すなわち、平常の条件下で
は、充電中に電池の温度が６０℃を越える可能性は少な
く、６０℃を越えるような電池は電池そのものに何等か
の異常があるものと判断していた。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
２次電池の急速充電制御方法よれば、サーマルカットオ
フのカット温度を６０℃という固定値に設定していたの
で、充電を開始する時の室温の初期値によっていろいろ
な不具合を生じる場合があった。この不具合について説
明する。通常、ニッケル水素イオン電池等の２次電池
は、前述の通り急速充電の条件として周囲温度が５℃〜
４０℃程度の範囲に限定されるのが通例である。これ
は、低温下では化学反応が活性化せず充電がされにくい
こと、高温下では温度上昇にともなう危険性が大きいこ
とが主な理由である。また、パック化されたニッケル水
素イオン電池等の２次電池は、急速充電を開始してから
充電が完了するまでにおよそ２０℃程度の温度の上昇が
生じる（２０℃は、一例であり、電池の種類や構造及び
充電の条件の違い等によってまちまちな値である。）。
ここで、室温がおよそ４０℃（許容範囲の上限）の時に
急速充電を開始した場合を想定すると、充電が終了する
までにはおよそ２０℃の温度上昇があるから、充電終了
時には電池の温度が約６０℃となって、サーマルカット
オフが働く温度のぎりぎりのところで充電が正常に終了
する。 【０００９】次に室温が１０℃程度の場合を考えると、
平常の充電においては充電終了時の温度はおよそ３０℃
程度であるから、サーマルカットオフが働くには十分な
余裕がある。このことは逆に考えると、２０℃をはるか
に越えるような異常な温度上昇が生じても、サーマルカ
ットオフは働かず、電池の異常を見逃してしまうという
問題がある。特に、室温が５℃の時に充電を開始した場
合、サーマルカットオフ温度を６０℃とすると、５９℃
まではサーマルカットオフが働かないから、５４℃の温
度上昇までは異常とは判定しないことになる。しかし、
温度上昇値５４℃というのは、明らかに電池の異常状態
であり、これを判定できないという点が従来の方法の大
きな問題点であった。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明の２次電池の急速
充電制御方法では、前記課題を解決するために、２次電
池の急速充電開始する直前の２次電池の温度を測定する
電池温度測定処理と、前記電池温度測定処理により測定
された２次電池の温度に基づいて、サーマルカットオフ
温度（これを「ＴＣＯ判定温度」という。）を段階分け
して設定するＴＣＯ判定温度設定処理と、前記充電途中
に前記２次電池温度が前記ＴＣＯ判定温度に達した又は
越えた時に、前記２次電池の急速充電を中断又は停止す
る急速充電中断・停止処理とを実行する。 【００１１】 【作用】本発明によれば、以上のように２次電池の急速
充電制御方法を構成したので、例えば、２次電池に内蔵
されたサーミスタの抵抗を測定することにより、２次電
池の急速充電を開始する直前の２次電池の初期温度を測
定する。そして、初期温度に応じて、ＴＣＯ判定温度を
設定して、そのＴＣＯ判定温度に達した又は越えた時
に、２次電池の急速充電を中断・停止する。これによ
り、充電中の温度上昇値の最高値が縮小される。従っ
て、前記課題を解決できるのである。 【００１２】 【実施例】本発明の実施例を説明するに当たり、電池パ
ックの種類をニッケル水素イオンタイプ２次電池、素子
数は３素子（３．６Ｖ）の図２に示したものを使用し、
急速充電の充電電流を１Ｃ（Ｃは電池の時間当たりの定
格容量）、ＴＣＯ判定温度は６０℃、急速充電の温度範
囲を５℃〜４０℃として説明する。充電器は、図４に示
したものと同様の構成のものを使用するものとする。ま
た、温度検出や電圧検出の際に生じる測定誤差は便宜上
無いものとして扱う。 【００１３】（実施例） 図１は、本発明の実施例の２次電池の急速充電制御方法
を示すフローチャートであり、従来との相違点は、急速
充電を開始する直前に電池の温度を測定し、その温度に
応じてＴＣＯ判定温度を適宜選定している点にある。図
６は、図１中の電池温度測定・ＴＣＯ判定温度設定処理
のフローチャートである。急速充電制御にかかわる図１
のメインの制御フローは、本発明の本題から外れるの
で、ＴＣＯ判定に関する部分を詳細に説明し、それ以外
は簡単に説明する。ここで、急速充電を行う温度条件
は、前述の通り５℃〜４０℃の範囲のものとする。ステ
ップＳ１０において、電圧チェックの１つとして短絡チ
ェックを行った後、電池温度測定処理及びＴＣＯ判定温
度設定処理をするステップＳ２０に進む。図６中のステ
ップＳ２１において、電池の初期温度を測定する。これ
は、図５に示す２次電池パック１０に内蔵してあるサー
ミスタＲＴを利用して、前述したと同様にして、図４に
示す制御用マイコン回路４ａが測定する。ステップＳ２
２において、初期温度が３段階の温度区分（〜２０℃、
２０〜３０℃、３０℃〜）のどれに当てはまるかを判別
する。初期温度が２０℃以下の場合には、ステップＳ２
３において、以後の急速充電判定制御フロー中における
ＴＣＯ判定温度を４０℃とする。すなわち、周囲温度が
５℃〜２０℃の範囲のことであり、この場合の急速充電
中における電池の温度上昇の許容値（ＴＣＯと判定しな
い最大の値）は、２０℃の時で２０℃、５℃の時で３５
℃となる。 【００１４】次に、初期温度が２０℃を越え、３０℃以
下の場合には、ステップＳ２４において、ＴＣＯ判定温
度を５０℃とする。この場合、温度上昇の許容値は同様
に考え、３０℃の時で２０℃、２０℃の時で３０℃とな
る。最後に初期温度が３０℃を越える場合（上限は４０
℃である。）は、ステップＳ２５において、ＴＣＯ判定
温度を６０℃に設定する。この場合の温度上昇の許容値
は、４０℃の場合で２０℃、３０℃の場合で３０℃であ
る。ステップＳ３０において、急速充電を開始する。ス
テップＳ４１において、充電中に温度がＴＣＯ判定温度
を越えたかどうかを判定して、ＴＣＯ判定温度に越えた
時、ステップＳ４２において急速充電を中断する。この
時、ＴＣＯ判定温度が初期温度に応じて設定されている
ので、使用温度全体における温度上昇の許容値が、２０
℃〜３５℃であり、最大でも３５℃に収まり、電池の温
度上昇に伴う危険性が大幅に改善されるようになる。ス
テップＳ４３及びＳ４４により、電池の温度がＴＣＯ判
定温度以下に下がるまで待ち、充電開始から７５分たっ
ても下がらない場合は、異常と判定して充電を終了し、
電池の温度がＴＣＯ判定温度以下に下がると、急速充電
を再開する。 【００１５】また、Ｓ５１はｄＴ／ｄｔ検出のステッ
プ、Ｓ５２はピーク電圧判定ステップ、Ｓ５３は充電開
始後６０分経過判定ステップ、Ｓ５９，Ｓ６１は−ΔＶ
判定ステップ、Ｓ６０，Ｓ６２は充電開始後７５分経過
すると充電を終了させるステップである。ステップＳ５
１によりｄＴ／ｄｔ検出、又はステップＳ５３により充
電開始後６０分経過が検出されると、ステップＳ５４に
おいて、充電中に温度がＴＣＯ判定温度を越えたかどう
かを判定して、ＴＣＯ判定温度に越えた時、ステップＳ
５５において急速充電を中断する。ステップＳ５６及び
Ｓ５７により、電池の温度がＴＣＯ判定温度以下に下が
るまで待ち、充電開始から７５分たっても下がらない場
合は、異常と判定して充電を終了し、電池の温度がＴＣ
Ｏ判定温度以下に下がると、ステップＳ５８において、
急速充電を開始して、充電終了判定フローに戻る。以上
説明したように、本実施例によれば、使用温度全体にお
ける温度上昇の許容値は、２０℃〜３５℃であり、最大
でも３５℃に収まり、従来のように温度上昇が５４℃に
も及ぶにも拘らず何等異常と判定しなかったような不具
合は無くなり、電池の温度上昇に伴う危険性が大幅に改
善されるようになる。 【００１６】（参考例） 図７は、本発明の参考例の２次電池の急速充電制御方法
を示すフローチャートである。ここでは急速充電制御に
かかわるメインの制御フローの説明は省略し、実施例と
の相違点を中心に説明する。本参考例の２次電池の急速
充電方法が実施例の急速充電方法と異なる箇所は、急速
充電開始直前の電池温度測定に基づくＴＣＯ判定温度の
段階区分けをせずに、各初期温度における最適なＴＣＯ
判定温度を設定するようにした点である。以下、図７を
参照しつつ、本参考例の２次電池の急速充電方法の説明
する。ステップＳ１００において、電池の初期温度を測
定する。初期温度の測定のために使用する感温素子であ
るサーミスタＲＴは、その測定温度を１℃程度にするこ
とが可能であり、ここで測定される電池温度は１℃程度
の精度で測定されたものとする。ステップＳ１０１にお
いて、初期温度が４０℃以下か４０℃を越えるかどうか
判別して、初期温度が４０℃以下の場合は、ステップＳ
１０２に進み、４０℃を越えた場合には、ステップＳ１
０３に進む。ステップＳ１０２において、初期温度が４
０℃以下の場合には、初期温度を測定した結果に対し
て、通常の場合の最大温度上昇想定分である２０℃をこ
の初期温度に加えて、その時のＴＣＯ判定温度として設
定する。ステップＳ１０３において、初期温度が４０℃
を越える場合には、ＴＣＯ判定温度として６０℃を一律
の値とする。これは、ＴＣＯ設定温度を６０℃以上に設
定することは、電池の安全上好ましくないからである。
また、初期温度が４０℃を越えている場合は、急速充電
が待機の状態であり、温度が４０℃以下に下がった時に
充電を開始する（つまり、図１中のステップＳ３０に進
む。）。 【００１７】以上説明したように、本参考例によれば、
ＴＣＯ判定温度を１℃きざみで設定することにより、電
池の異常な温度上昇に対して即座に応答し充電を中断さ
せることができるので、電池の温度上昇に伴う危険性の
改善効果は実施例よりも更に高まる。なお、本発明は、
上記実施例や参考例に限定されず、種々の変形が可能で
ある。その変形例としては、例えば次のようなものがあ
る。 （１） 実施例では、充電開始時の温度条件を３段階に
したが、他の段階でもよく、また設定温度も他の温度で
も構わない。 （２） 参考例では、初期温度に対して固定値２０℃を
加えて、ＴＣＯ判定温度としたが、固定値は他の値でも
よい。 （３） 実施例及び参考例では、２次電池としてニッケ
ル水素イオン電池の場合について説明したが、他の２次
電池であってもよい。 （４） 充電条件（例えば、充電電流）を変更してもよ
い。 【００１８】 【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、ニッケル水素イオン電池等の２次電池を急速充電
する際の温度上昇に伴う弊害を除去するためのＴＣＯ制
御の判定温度を急速充電を開始する直前の電池温度に応
じて段階分けして設定するようにしたので、急速充電を
行うことのできる全ての温度範囲において、電池の最大
温度上昇の許容値を狭い範囲に収めることができる。そ
のため、特に急速充電開始時の電池温度が低い状態で急
速充電を開始した時の電池の温度上昇値が異常に高くな
る不具合を防止できるようになり、電池の発熱に伴う危
険性を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例の２次電池急速充電制御方法を
示すフローチャートである。 【図２】２次電池パックの構成例を示す図である。 【図３】２次電池パックの充電特性の例を示す図であ
る。 【図４】充電器の構成例を示す図である。 【図５】充電器と２次電池パックの接続を示す図であ
る。 【図６】図１中の電池温度測定・ＴＣＯ判定温度設定処
理のフローチャートである。 【図７】本発明の参考例の２次電池急速充電制御方法を
示すフローチャートである。 【符号の説明】 １ ＡＣアダプタ ２ 定電流・定電圧安定回路 ３ 電源回路 ４ 制御回路 ４ａ 制御用マイコン回路 ４ｂ プログラムメモリ部 ５，７ スイッチ回路 ６ Ａ／Ｄコンバータ ９−１，１４−１ 充電端子＋ ９−２，１４−２ 温度検出端子 ９−３，１４−３ 充電端子− １０ ２次電池パック １１〜１３ ニッケル水素電池素子Ｐ ＴＣ ポリスイッチ素子 Ｒ 固定抵抗器 ＲＴ サーミスタ Ｔ サーモスタット素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 7/10 H01H 10/44 101

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ２次電池の急速充電開始する直前の２次
   電池の温度を測定する電池温度測定処理と、 前記電池温度測定処理により測定された２次電池の温度
   に基づいて、サーマルカットオフ温度を段階分けして設
   定するＴＣＯ判定温度設定処理と、 前記充電途中に前記２次電池温度が前記サーマルカット
   オフ温度に達した又は越えた時に、前記２次電池の急速
   充電を中断又は停止する急速充電中断・停止処理とを、 実行することを特徴とする２次電池の急速充電制御方
   法。