JP3611104B2

JP3611104B2 - 二次電池の充電制御方法

Info

Publication number: JP3611104B2
Application number: JP2000241923A
Authority: JP
Inventors: 俊之仲辻
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: US20020036482A1; US6366057B1; JP2002058171A; TW533647B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池等の二次電池の充電制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池等の市場は、急速に拡大しており、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話などの携帯型電子機器におけるパワー源として広く使用されるようになっている。
【０００３】
二次電池の一つであるリチウムイオン二次電池の充電において、満充電状態での充電容量のバラツキを小さくすることは、残充電容量を管理する上で重要なことである。
【０００４】
リチウムイオン二次電池の充電では、充電時の安全性を考慮して過充電を防止する必要があるため、充電電圧を無制限に上昇させることはできない。したがって、リチウムイオン二次電池の充電方法としては、図６に示すように、最初はリチウムイオン二次電池の正負の端子間に一定電流を流して充電（定電流充電：充電電圧は時間経過と共に上昇する）を行い、リチウムイオン二次電池の正負の端子間電圧が所定の電圧値に達した後には、リチウムイオン二次電池の正負の端子間に一定電圧を印加して充電（定電圧充電：充電電流は時間経過と共に下降する）を行い、満充電状態にするＣＶＣＣ（ＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅ、ＣｏｎｓｔａｎｔＣｕｒｒｅｎｔ）充電制御を実施している。
【０００５】
図６において、時刻ｔ０〜ｔ１が定電流充電による充電期間（ＣＣ領域）であり、時刻ｔ１〜ｔ２が定電圧充電による充電期間である。ＣＣ（ＣｏｎｓｔａｎｔＣｕｒｒｅｎｔ）期間では充電電流が一定であり、ＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ
Ｖｏｌｔａｇｅ）期間では充電電圧が一定である。
【０００６】
ＣＶＣＣ充電制御では、充電終了時の満充電状態でのリチウムイオン二次電池の全容量Ｓは、図６に示す充電電流の特性曲線によって囲まれる部分の全面積（斜線部）で表される。満充電状態の検出は、充電電流がＣＶ期間内で予め定められた充電電流値Ｉｃより小さくなった時に、満充電と判断される。そして、充電を停止する電流値は、定電流充電期間の充電電流値の約１／１０〜１／１５、即ち、約０．０７Ｃ（例えば、容量１５００ｍＡｈであれば１００ｍＡ）に設定される。
【０００７】
充電電流の特性曲線におけるＣＶ期間の曲線形状は、温度が定まればほぼ一義的に決まり、充電電流値は時間経過と共に順次減少する。このため、図６に示すように、温度が一定であれば、リチウムイオン二次電池においても満充電状態での全容量Ｓは、ほとんど同一となり、全容量Ｓのバラツキも小さくなる。
【０００８】
ところが、図５に示すようにリチウムイオン二次電池の温度が異なると、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が変化するために、リチウムイオン二次電池の充電電流の特性曲線が変化する。二次電池の温度が異なっているにも関らず、満充電検出電流値Ｉｃが一定になっていると、二次電池温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）におけるリチウムイオン二次電池の満充電完了時間は、それぞれｔ１、ｔ２、ｔ３（ｔ３＜ｔ２＜ｔ１）となり、二次電池温度が低くなるほど、満充電完了時間が長くなる。この場合のリチウムイオン二次電池の充電時の全容量を、それぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とすると、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３となり、二次電池温度が高いほど二次電池の容量は大きくなる。すなわち、二次電池温度が低い状態ではリチウムイオン二次電池の内部抵抗が増加するために、全容量は低下し、二次電池の温度が高い状態ではリチウムイオン二次電池の内部抵抗が低下するために、全容量が増加する。
【０００９】
したがって、リチウムイオン二次電池の充電において、充電時の二次電池温度が異なると、満充電状態での充電容量のバラツキを抑えることが難しくなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、リチウムイオン二次電池のＣＶＣＣ充電制御では、満充電検出方法として、温度変化に関らず図６に示すように満充電検出電流値Ｉｃを一律に定めて、満充電の検出を行っている。このため現状の満充電検出方法では、温度変化による充電容量のバラツキが生じるために、残充電容量の管理において、誤差が生じる問題がある。
【００１１】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、リチウムイオン二次電池の充電時に、周囲温度が変化しても、一定の充電容量が得られるＣＶＣＣ充電制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池の充電制御方法は、二次電池を一定の電流によって充電した後に、一定の電圧あるいはパルス状の電流によって充電し、充電電流が所定値以下、あるいは１パルス当たりの平均充電電流が所定値以下になると、満充電検出する充電制御方法であって、
該二次電池の温度を測定し、その温度に基づいて、満充電での該二次電池の全容量が一定になるように、充電を停止する電流値である満充電検出電流値を変更することを特徴とする。
【００１３】
前記二次電池の温度変化に対して、満充電での該二次電池の全容量が一定になるように、満充電検出電流値が設定される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
本発明は、二次電池のＣＶＣＣ充電の充電制御方法であり、その特徴は、二次電池の周囲温度に基づいて、満充電となって充電を停止する満充電検出電流値を選択することにある。
【００１７】
表１は、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量を等しくするために、リチウムイオン二次電池を満充電にする温度と満充電検出電流値との関係の具体例を示す。満充電検出電流値をＩｃとすると、温度５℃以下ではＩｃ＝１００ｍＡ、温度５℃〜１０℃ではＩｃ＝１４０ｍＡ、温度１１℃〜２０℃ではＩｃ＝２００ｍＡ、温度２１℃〜４５℃ではＩｃ＝３００ｍＡ、温度４６℃〜５９℃ではＩｃ＝３２０ｍＡに設定される。この表は、リチウムイオン二次電池を満充電にする温度が上昇するにつれて、満充電検出電流値も上昇している。
【００１８】
【表１】

図３は、各温度による満充電検出電流値の選択方法の手順を示すフローチャートである。まず、満充電検出電流値テーブル（表１）の値を確認する（ステップＳ１）。次に、リチウムイオン二次電池の温度を検出して、その温度に対応する満充電検出電流値をインデックス値として設定する。温度５℃以下では、Ｉｃ＝１００ｍＡをインデックス値として設定する（ステップＳ２）。温度５℃〜１０℃では、Ｉｃ＝１４０ｍＡをインデックス値として設定する（ステップＳ３）。温度１１℃〜２０℃では、Ｉｃ＝２００ｍＡをインデックス値として設定する（ステップＳ４）。温度２１℃〜４５℃では、Ｉｃ＝３００ｍＡをインデックス値として設定する（ステップＳ５）。温度４６℃〜５９℃では、Ｉｃ＝３２０ｍＡをインデックス値として設定する（ステップＳ６）。そして、各温度範囲に対応して、満充電処理のための満充電検出電流値が選択される（ステップＳ７）。
【００１９】
図１および２は、本発明の実施の形態であるリチウムイオン二次電池の充電制御方法の原理を説明するグラフである。
【００２０】
図２は、温度変化のある場合でも、満充電状態での全容量のバラツキが小さくなるように、各温度での充電電流の特性曲線より満充電検出電流値Ｉｃを変化させることにより、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量を等しくできることを示している。図２に示すように二次電池の温度が高くなると、満充電検出電流値は、大きく設定され、二次電池の温度が低くなると、満充電検出電流値は、小さく設定される。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、基準温度Ｔｂより高い温度Ｔｃ（Ｔｂ＜Ｔｃ）の場合に、温度Ｔｃでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｃが基準温度Ｔｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂに等しくなるように、温度Ｔｃでの満充電検出電流値Ｉｃｃを定めている。一般に、任意温度でのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量は、満充電から放電終了までの放電量を検出して求めることができる。図２（ａ）では、基準温度Ｔｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂは、満充電から放電終了までの放電量に基づいて予め求められている。この時の満充電検出電流値および満充電完了時間は、それぞれＩｃｂ、ｔｂである。
【００２２】
前述したように、充電電流の特性曲線は、温度が定まればほぼ一義的に決まり、温度Ｔｃ（Ｔｂ＜Ｔｃ）になると、満充電検出電流値がＩｃｂのままでは、温度Ｔｃでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｃは、温度Ｔｂでの満充電における全容量Ｓｂより大きくなってしまう。そのため、温度がＴｂ＜Ｔｃの場合でも、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量がＳｂ≒Ｓｃとなるには、温度Ｔｃでの満充電検出電流値および満充電完了時間を、それぞれＩｃｃ、ｔｃとすると、Ｉｃｃおよびｔｃは、次式を満足しなければならない。
【００２３】
Ｉｃｂ＜Ｉｃｃ・・・（１）
ｔｂ＞ｔｃ・・・（２）
さらに、この時、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量がＳｂ≒Ｓｃとなるには、図２（ａ）での温度Ｔｂ、Ｔｃにおける充電電流の特性曲線が重なり合わない部分が等しくなければならない。すなわち、温度Ｔｂ、Ｔｃにおける充電電流の特性曲線が重なり合わない部分の面積をＳ４、Ｓ５とすると
Ｓ４≒Ｓ５・・・（３）
を満足することが必要である。
【００２４】
したがって、温度Ｔｃ（Ｔｂ＜Ｔｃ）において、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｃを温度Ｔｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂに等しくするために、Ｓｃの満充電から放電終了までの放電量に基づいて、（１）、（２）および（３）式を満足させるように、温度Ｔｃでの満充電検出電流値Ｉｃｃが定められる。
【００２５】
図２（ｂ）は、基準温度Ｔｂより低い温度Ｔａ（Ｔａ＜Ｔｂ）の場合に、温度Ｔａでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓａが、温度Ｔｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂに等しくなるように、温度Ｔａでの満充電検出電流値Ｉｃａを定めたことを示している。図２（ｂ）でも、図２（ａ）の場合と同様に、基準温度Ｔｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂは、満充電から放電終了までの放電量に基づいて予め求められている。この時の満充電検出電流値および満充電完了時間は、それぞれＩｃｂ、ｔｂである。
【００２６】
前述したように、充電電流の特性曲線は、温度が定まればほぼ一義的に決まり、温度がＴａ（Ｔａ＜Ｔｂ）になると、満充電検出電流値がＩｃｂのままでは、温度がＴａでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓａは、温度がＴｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂより小さくなってしまう。そのため、温度がＴａ＜Ｔｂの場合でも、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量がＳａ≒Ｓｂとなるためには、温度Ｔａでの満充電検出電流値および満充電完了時間を、それぞれＩｃａ、ｔａとすると、Ｉｃａおよびｔａは、次式を満足しなければならない。
【００２７】
Ｉｃａ＜Ｉｃｂ・・・（４）
ｔａ＞ｔｂ・・・（５）
さらに、この時、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量がＳａ≒Ｓｂとなるには、図２（ｂ）において、温度Ｔａ、Ｔｂにおける充電電流の特性曲線が重なり合わない部分が等しくなければならない。すなわち、温度Ｔａ、Ｔｂにおける充電電流の特性曲線が重なり合わない部分の面積をＳ６、Ｓ７とすると
Ｓ６≒Ｓ７・・・（６）
を満足する必要がある。
【００２８】
したがって、温度Ｔａ（Ｔａ＜Ｔｂ）において、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓａを温度Ｔｂでのリチウムイオン二次電池の満充電での全容量Ｓｂに等しくするために、Ｓａの満充電から放電終了までの放電量に基づいて、（４）、（５）および（６）式を満足させるように、温度Ｔａでの満充電検出電流値Ｉｃａが定められる。
【００２９】
図１は、リチウムイオン二次電池を満充電にする温度が異なる場合でも、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量が等しくなるように、図２に示した方法で、充電電流の特性曲線より満充電検出電流値を定めた結果を示すグラフである。
すなわち、温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ（Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ）において、リチウムイオン二次電池の満充電での全容量、満充電検出電流値および満充電完了時間を、温度ＴａではＳａ、Ｉｃａ、ｔａ、温度ＴｂではＳｂ、Ｉｃｂ、ｔｂ、温度ＴｃではＳｃ、Ｉｃｃ、ｔｃとすると、温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ（Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ）でリチウムイオン二次電池の満充電での全容量がＳａ≒Ｓｂ≒Ｓｃとなる場合、各温度での満充電検出電流値、満充電完了時間の関係は、
Ｉｃａ＜Ｉｃｂ＜Ｉｃｃ・・・（７）
ｔａ＞ｔｂ＞ｔｃ・・・（８）
を満足することになる。
【００３０】
図４は、前述の満充電検出電流値を用いて、リチウムイオン二次電池の満充電検出処理の手順を示すフローチャートである。満充電検出処理では、まず、リチウムイオン二次電池の温度を確認して、温度範囲によって異なる満充電検出電流値を選択する（ステップＳ８）。次に、満充電検出処理の実行の可否の判断を行い（ステップＳ９）、満充電が実施されたことを示す満充電フラグがセットされている状態「０でない」の場合は、満充電処理は実行されず、満充電タイマーを１分にセットして満充電検出処理が終了する（ステップＳ１８）。満充電フラグがセットされていない状態「０である」場合、即ちまだ満充電状態でない場合には、リチウムイオン二次電池のトータル電池電圧が確認され（ステップＳ１０）、トータル電池電圧が１１．５Ｖより小さい場合には、満充電処理が実行されず、満充電タイマーを１分にセットして終了する（ステップＳ１８）。
【００３１】
トータル電池電圧が１１．５Ｖ以上になっていると、充電電流を判定し（ステップＳ１１）、充電電流が「０」であれば、充電状態でないので満充電処理は実行せずに、満充電タイマーを１分にセットして処理する（ステップＳ１８）。
【００３２】
充電電流が印加されている場合には、充電電流値と満充電検出電流値とが比較され（ステップＳ１２）、充電電流値が満充電検出電流値より大きい場合は、充電途中段階と判断し満充電処理は実行されず、満充電タイマーを１分にセットして終了する（ステップＳ１８）。これに対して、充電電流値が満充電検出電流値より小さくなると、リチウムイオン二次電池は、満充電状態と判断し（ステップＳ１３）、満充電状態フラグがセットされていないことを確認して（ステップＳ１４）、満充電タイマーを減算し（ステップＳ１５）、満充電タイマーが「０である」即ち１分間満充電状態が経過したことを確認する（ステップＳ１６）。仮に、満充電タイマーが「０でない」場合には、満充電状態が１分間継続していないと判断し、上記満充電検出判定が１分間繰り返される。この１分間継続判定は、ノイズや急激な負荷の増大による短時間の電流降下での満充電判定誤検出を防止するために、ある程度の継続判定が必要であり、この実施例では１分継続としている。上記充電電流値が満充電検出値より小さい場合が１分間繰り返された時、満充電処理が実行され（ステップＳ１７）、終了する（ステップＳ１８）。
【００３３】
満充電処理（ステップＳ１７）は、満充電フラグを１にセットし、充電ＦＥＴフラグを１にセットし、充電を完了させる（ステップＳ１９）。
【００３４】
充電電流を停止させる方法としては、当制御回路がＦＥＴをＯＦＦにする場合とＰＣ本体に満充電判定結果を知らせてＰＣ本体側で充電電流を停止させる場合とがあるが、どちらの場合にも上記手法により、満充電検出を行う。
【００３５】
通常、この満充電検出処理ルーチンは、メインルーチン内で一定の周期で常に実行されており、上記判定条件を満たせば満充電処理が行われる。また、満充電フラグが再度０に戻るのは（再充電可能ポイント）、満充電処理実行後、放電が行われた場合、または、ある容量値まで現在容量が下がった場合等に行われ、充電可能状態となる。
【００３６】
本発明における満充電検出電流値は、表１に示すように、任意の温度範囲に対応するテーブル値をそのまま使用しているが、線形補間法によって近似的に求められた各温度に対応した満充電検出電流値を用いてもよい。例えば、温度１０℃では、Ｉｃ＝１６０ｍＡであり、温度２０℃では、Ｉｃ＝２４０ｍＡである場合に、温度１４℃での満充電検出電流値を線形補間法によって求めると、
Ｉｃ＝１６０＋（２４０−１６０）×（１４−１０）／（２０−１０）
＝１９２ｍＡ
となり、より精度が高くなる。
【００３７】
さらに、本発明のリチウムイオン二次電池の充電制御方法は、ＰＷＭ制御を用いたパルス充電についても同様に適用できる。パルス充電には、２つの方法がある。
【００３８】
方法１は、充電電圧が所定電圧に達するまで定電流充電（オンデューティ比１００％）を行い、その後は、充電電流のパルスの周期を一定とし、デューティ比を低下させることによって、充電電流の１パルス当たりの平均電流を低下させる。そして、その平均電流が所定値まで低下すると、充電を停止する満充電検出電流値となる。この場合、温度変化に対しては、温度に基づいて、満充電検出電流値を変化させる。
【００３９】
方法２は、充電電圧が所定電圧に達するまで定電流充電（オンデューティ比１００％）を行い、その後は、リチウムイオン二次電池の電池電圧が所定電圧である第１の制御電圧に達すると、充電電流をＯＦＦ状態として、電池電圧が第１の制御電圧より低い第２の制御電圧まで低下すると、充電電流をＯＮ状態にする。充電電流がＯＮ状態になると電池電圧が上昇して、電池電圧が第１の制御電圧に達すると再び充電電流をＯＦＦ状態にする。このような充電電流のＯＮ／ＯＦＦ動作の繰り返しによりリチウムイオン二次電池に印加される充電電流および充電電圧は、パルス状になる。このパルス充電を継続して、充電ＯＦＦしてから、第２の制御電圧まで所定時間内に電池電圧が低下しない場合に満充電とする。そして、温度変化に対しては、温度に基づいて第１および第２の制御電圧の電圧値の設定を変えることによって、充電電流のＯＮ／ＯＦＦ切替のパルス幅を変化させることができ、満充電とする電流値を変化させる場合と同様の効果を生じる。
【００４０】
【発明の効果】
以上より、本発明の二次電池の充電制御方法は、二次電池温度に基づいて満充電検出条件である電流値および電圧値を定めることによって、二次電池の充電時に温度が異なっていても充電後の二次電池の全容量が一定となり、正確な残量管理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である二次電池の充電制御方法の原理を説明するための充電電流の特性曲線である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、満充電検出電流値の決定方法を説明するための充電電流の特性曲線である。
【図３】満充電検出電流値を選択する手順を示すフローチャートである。
【図４】満充電検出処理手順を示すフローチャートである。
【図５】リチウムイオン二次電池の異なる温度での充電電流の特性曲線である。
【図６】リチウムイオン二次電池のＣＶＣＣ充電における充電電流の特性曲線である。
【符号の説明】
Ｓａ温度Ｔａにおける二次電池の満充電での全容量
Ｓｂ基準温度Ｔｂにおける二次電池の満充電での全容量
Ｓｃ温度Ｔｃにおける二次電池の満充電での全容量
Ｔａ基準温度Ｔｂより低い温度
Ｔｂ基準温度Ｔｂ
Ｔｃ基準温度Ｔｂより高い温度

Claims

二次電池を一定の電流によって充電した後に、一定の電圧あるいはパルス状の電流によって充電し、充電電流が所定値以下、あるいは１パルス当たりの平均充電電流が所定値以下になると、満充電検出する充電制御方法であって、
該二次電池の温度を測定し、その温度に基づいて、満充電での該二次電池の全容量が一定になるように、充電を停止する電流値である満充電検出電流値を変更することを特徴とする二次電池の充電制御方法。
前記二次電池の温度変化に対して、満充電での該二次電池の全容量が一定になるように、満充電検出電流値が設定される請求項１に記載の二次電池の充電制御方法。