JP4039771B2

JP4039771B2 - 二次電池の充電方法

Info

Publication number: JP4039771B2
Application number: JP18508699A
Authority: JP
Inventors: 幹隆玉井; 真吾溝下; 一成森
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP2001016795A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池をパルス充電する方法に関し、とくに、パルス充電するときの充電電圧を温度によって変化させる充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池をパルス充電する充電方法は、短時間に大きな電流を流して、急速充電できる。図１は、二次電池２を内蔵するパック電池をパルス充電する充電回路を示す。この充電回路は、スイッチング素子であるＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオン、オフに切り換えて二次電池２をパルス充電する。この充電回路は、電池２の電圧を検出し、電池電圧が第１設定電圧になると、一定のパルス幅の電圧と電流で１パルス充電する。パルス充電は、充電と休止とを繰り返して二次電池２を充電する。充電を休止すると、電池電圧は次第に低下する。電池電圧が第１設定電圧まで低下すると、一定のパルス幅の充電を再開し、一定時間に充電した後、充電を休止する。このように、充電と休止とを繰り返して、二次電池をパルス充電する。
【０００３】
以上の状態で二次電池をパルス充電すると、図２に示すように、電池電圧が変化する。１パルス充電する時間は一定である。また、１パルス充電は、最大電圧と最大電流を一定に制御する、定電圧定電流状態に制御して行われる。この状態で充電される二次電池の電池電圧は、満充電に近付くにしたがって、休止時間が長くなる。電池電圧が第１設定電圧Ｖ1に低下するのに時間がかかるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の方法でパルス充電する方法は、短時間で二次電池を満充電できる。しかしながら、この充電方法は、パルス充電しているときに、電池電圧が規定電圧を越えて高くなるので、低温のときに劣化しやすい弊害がある。それは、低温になると二次電池の内部抵抗が大きくなるからである。内部抵抗の大きい二次電池を、規定電圧を越えて充電すると、充電中の電池電圧が高くなって、電池を劣化させる。この欠点は、パルス充電するときの電圧を低くして解消できる。しかしながら、パルス充電するときの電圧を低くすると、二次電池を満充電のに時間がかかる欠点がある。とくに、この種の充電方法でリチウムイオン二次電池を充電すると、電池電圧が規定電圧よりも高くなって、電池を劣化させる原因となる。
【０００５】
本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、二次電池を短時間で能率よく満充電できるにもかかわらず、電池の劣化を有効に阻止できる二次電池の充電方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池の充電方法は、二次電池をパルス充電する充電方法であって、電池電圧が第１設定電圧になると、パルス充電電圧で所定の時間パルス充電する。さらに、二次電池の充電方法は、充電される電池の周囲温度を検出し、温度が低くなるとパルス充電電圧を低くしてパルス充電する。
【０００７】
本発明の請求項２の二次電池の充電方法は、電池の周囲温度が低くなると第１設定電圧を高くしてパルス充電する。
【０００８】
本発明の請求項３の二次電池の充電方法は、電池の周囲温度が低くなると、パルス充電する充電電流を低くしてパルス充電する。
【０００９】
本発明の請求項４の二次電池の充電方法は、パルス充電しているときの１パルス充電時間と充電休止時間から平均充電電流を値を検出し、平均充電電流が設定電流値よりも小さくなると満充電と判定して充電を完了させる。
【００１０】
本発明の請求項５の二次電池の充電方法は、周囲温度が設定温度以上のときにパルス充電電圧を一定の値とし、周囲温度が設定温度から低下するにしたがって、パルス充電電圧を低くしている。さらに、本発明の請求項６の二次電池の充電方法は、設定温度を２０〜３０℃としている。
【００１１】
本発明の請求項７の二次電池の充電方法は、充電する二次電池をリチウムイオン二次電池とし、設定温度よりも高いときにおけるパルス充電電圧を４．２〜４．４Ｖ／セルとしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための二次電池の充電方法を例示するものであって、本発明は充電方法を以下の方法に特定しない。
【００１３】
本発明の充電方法は、図３に示す充電回路を使用して二次電池を充電する。この図の充電回路は、定電流定電圧電源３と、二次電池２をパルス充電するＯＮ／ＯＦＦスイッチ１と、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を制御する制御回路４を備えている。
【００１４】
以下、二次電池２として、リチウムイオン二次電池をパルス充電方法を詳述する。ただ、本発明の充電方法は、充電する二次電池をリチウムイオン二次電池に特定しない。二次電池には、充電できるすべての電池、たとえば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池とすることもできる。
【００１５】
定電流定電圧電源３は、二次電池２を充電する最大電流と最大電圧を一定に制限して、二次電池２を充電する。定電圧定電流電源３は、制御回路４に制御されて、出力電流と出力電圧を制御する。
【００１６】
定電圧定電流電源３は、電池２の周囲温度が設定温度よりも高いときに、出力電流を一定値に安定化させる。電池２の周囲温度が設定温度よりも低くなると出力電流を小さく制御する。たとえば、電池２の周囲温度が１０℃以下になると出力電流を半分に制御する。定電圧定電流電源は、周囲温度が低下するにしたがって、出力電流を連続的に小さく制御することもできる。
【００１７】
定電圧定電流電源３の出力電圧は、二次電池２のパルス充電電圧Ｖ2を安定化して出力する。パルス充電電圧Ｖ2は、二次電池２を短時間で能率よく充電して、しかも二次電池２の劣化を最も少なくできる電圧に設定する。このことを実現するために、定電圧定電流電源３は制御回路４に制御されて、出力するパルス充電電圧Ｖ2を、電池２の周囲温度で変化させる。パルス充電電圧Ｖ2は、電池２の周囲温度が低くなるにしたがって低くする。
【００１８】
たとえば、パルス充電電圧Ｖ2は、電池２の周囲温度が設定温度よりも高いときに、一定の電圧に設定し、電池２の周囲温度が設定温度よりも低くなるにしたがって、次第に低下させる。図４のグラフは、リチウムイオン二次電池を充電するときのパルス充電電圧Ｖ2の一例を示している。この図に示すパルス充電電圧Ｖ2は、電池の周囲温度が設定温度よりも高いときに一定の電圧とし、電池の周囲温度が設定温度よりも低くなるにしたがって次第に低下させている。この図に示すパルス充電電圧Ｖ2は、電池の周囲温度が設定温度よりも高いときの電圧を４．３０Ｖ／セルとする。周囲温度が設定温度から０℃まで低下するにしたがって、パルス充電電圧Ｖ2を直線的に低くして、０℃において４．１５Ｖ／セルとする。さらに、この図のパルス充電電圧Ｖ2は、設定温度を２５℃としている。
【００１９】
図４は、設定温度を２５℃として、リチウムイオン二次電池をパルス充電するパルス充電電圧Ｖ2を、設定温度よりも高いときに４．３０Ｖ／セルとし、０℃において４．１５Ｖ／セルとしている。ただ、本発明の充電方法は、リチウムイオン二次電池をパルス充電するための設定温度を２０〜３０℃として、パルス充電電圧Ｖ2を４．２〜４．４Ｖ／セルとし、さらに０℃におけるパルス充電電圧Ｖ2を４．１〜４．２Ｖ／セルとすることもできる。さらに、パルス充電電圧Ｖ2は、設定温度よりも低くなるにしたがって、直線的に低下させるのではなくて非直線的に低下させることもできる。二次電池は、電池の種類によって、出力電圧等の電気的な特性が異なる。したがって、リチウムイオン二次電池以外の二次電池をパルス充電するときには、パルス充電電圧Ｖ2と設定温度は、各々の電池に最適な電圧と温度に設定する。
【００２０】
二次電池２をパルス充電する充電電流、すなわち、定電圧定電流電源３の出力電流は、たとえば、１〜２Ｃで充電できる電流値に設定する。好ましくは、パルス充電する充電電流も電池２の周囲温度で変化させる。たとえば、周囲温度が１０℃以下になると、充電電流を半分にする。この定電圧定電流電源３は、低温時における二次電池２の劣化をより少なくできる。ただし、充電電流を周囲温度が変化しても一定にして充電することもできる。
【００２１】
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１は、制御回路４でオン、オフに切り換えられて、二次電池２をパルス充電する。満充電された後は、オフに切り換えられて充電を完了する。ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１には、ＦＥＴやトランジスター等の半導体スイッチング素子を使用する。ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１がオンになると二次電池２は充電されて、オフになると充電は休止される。
【００２２】
制御回路４は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンオフに切り換えて、二次電池２をパルス充電する。この制御回路４は、電池２の電池電圧を検出して、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオン、オフに切り換える。制御回路４は、電池電圧が第１設定電圧Ｖ1になると、タイマーでＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を一定時間オンにして、その後にオフに切り換える。ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンにする時間は、好ましくは１００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃに設定される。
【００２３】
制御回路４は、電池２の周囲温度を検出するための温度センサー５を接続している。温度センサー５は、電池２の近傍に配設されて、電池２の周囲温度を検出する。制御回路４は、温度センサー５から入力される信号を演算して、電池２の周囲温度で定電圧定電流電源３の出力電圧や出力電流を制御する。
【００２４】
制御回路４がＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を制御して、これをオンに切り換える第１設定電圧Ｖ1は、図５に示すように、電池２の周囲温度に関係なく一定の電圧とし、あるいは図６に示すように、設定温度よりも低くなるにしたがって次第に高くする。図６は、設定温度を２５℃として、設定温度よりも高いときの第１設定電圧Ｖ1を４．１０Ｖ／セルとし、０℃における第１設定電圧Ｖ1を４．１５Ｖ／セルとして、温度が２５℃低下するにしたがって、直線的に０．０５Ｖ／セル高くしている。この図に示す第１設定電圧Ｖ1は、設定温度を２５℃として、設定温度よりも高いときに４．１０Ｖ／セルとし、設定温度よりも低下するにしたがって０．０５Ｖ／２５℃の勾配で直線的に高くしているが、設定温度を、たとえば２０〜３０℃とし、設定温度よりも低いときに前述の勾配と異なる勾配で非直線的に高くすることもできる。以上のように、電池２の周囲温度が、設定温度よりも低くなるにしたがって、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンにする第１設定電圧Ｖ1を高く制御する充電方法は、二次電池２をより短時間でパルス充電できる。
【００２５】
さらに、制御回路４は、パルス充電しているときに、１パルス充電時間と充電休止時間から平均充電電流の値を検出して、平均充電電流が設定電流値よりも小さくなると満充電と判定して充電を完了させる。平均充電電流は、以下の式で計算できる。
平均充電電流＝充電電流×１パルス充電時間／（１パルス充電時間＋充電休止時間）
【００２６】
以上の充電回路は、図７のフローチャートで二次電池を充電する。
【００２７】
［Ｓ１のステップ］
温度センサー５が電池２の周囲温度を検出する。
［Ｓ２のステップ］
制御回路４は、温度センサー５からの信号で定電圧定電流電源３を制御して、定電圧定電流電源３の出力電圧と出力電流を制御する。制御回路４は、図４に示すように、電池２の周囲温度によってパルス充電電圧Ｖ2を補正する。電池２の周囲温度が、設定温度よりも高いとき、パルス充電電圧Ｖ2を４．３０Ｖ／セルとする。電池２の周囲温度が２５℃から低下するにしたがって、パルス充電電圧Ｖ2を０．１５Ｖ／２５℃の勾配で次第に低下させる。たとえば、電池温度が０℃になるとパルス充電電圧Ｖ2を４．１５Ｖ／セルとする。
さらに、制御回路４は、定電圧定電流電源３を制御し、充電電流も制御する。充電電流は、たとえば、電池２の周囲温度が１０℃以下になると半分に減少させる。
【００２８】
［Ｓ３のステップ］
制御回路４がＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンにして、二次電池２を充電する。
［Ｓ４のステップ］
制御回路４が、充電している二次電池２の電圧を検出して、これを第１設定電圧Ｖ1に比較する。電池電圧が第１設定電圧Ｖ1よりも低いときは、Ｓ１のステップにジャンプする。電池電圧が第１設定電圧Ｖ1を越えるまで、Ｓ１〜Ｓ４のステップをループする。
［Ｓ５〜Ｓ６のステップ］
電池電圧が第１設定電圧Ｖ1になると、制御回路４はＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を、一定の時間オンにした後、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオフに切り換える。制御回路４がＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンに保持する１パルス充電時間は一定である。ただ、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオフにする時間は一定に制御されず、電池電圧でオンに切り換えられる。
［Ｓ７のステップ］
制御回路４は、充電を休止する状態で電池電圧を検出して、検出した電池電圧を第１設定電圧Ｖ1に比較する。電池電圧が第１設定電圧Ｖ1よりも高いときは、平均充電電流を演算する次のＳ８のステップに移行し、電池電圧が第１設定電圧Ｖ1以下に低下すると、Ｓ１のステップにジャンプする。したがって、電池電圧が第１設定電圧Ｖ1まで低下すると、Ｓ１のステップにジャンプし、二次電池２が満充電されるまで、Ｓ１〜Ｓ７のステップをループする。Ｓ１〜Ｓ７のステップをループしながら二次電池２をパルス充電するとき、パルス充電電圧Ｖ2と充電電流は、電池２の周囲温度で補正される。
【００２９】
［Ｓ８のステップ］
電池電圧が、第１設定電圧Ｖ1まで低下しないとき、１パルス充電時間と充電休止時間から平均充電電流を演算し、演算した平均充電電流を設定電流に比較して、平均充電電流が設定電流よりも小さくなると満充電と判定して、Ｓ９のステップで充電を終了する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の二次電池の充電方法は、電池が劣化しやすい温度が低いときに、電池の劣化を防止しながら、短時間で能率よく満充電できる特長がある。それは、本発明の充電方法が、充電される電池の周囲温度を検出して、温度が低くなるとパルス充電電圧を低くしてパルス充電するからである。二次電池は温度が低くなると内部抵抗が大きくなって充電しているときの電池電圧が高くなって劣化しやすくなるが、本発明は温度が低くなって電池電圧が高くなるときに、パルス充電電圧を低くするので、電池電圧が高くなって劣化するのを有効に防止できる。
【００３１】
さらに、本発明の請求項２の充電方法は、低温のときに電池の劣化を防止しながら、より短時間で満充電できる特長がある。それは、温度が低くなるときに、パルス充電を開始する第１設定電圧を高くするからである。第１設定電圧を高くしても、充電している電池電圧が高くなることはなく、これによって電池が劣化することはない。
【００３２】
また、本発明の請求項３の充電方法は、温度が低いときにおける電池の劣化をさらに少なくできる特長がある。それは、温度が低いときにパルス充電電圧を低くすると共に、充電電流も少なくするからである。
【００３３】
本発明の請求項４の充電方法は、パルス充電の平均充電電流を検出して満充電と判定するので、パルス充電しながら電池の満充電を正確に検出できる特長がある。
【００３４】
本発明の請求項５の充電方法は、設定温度よりも高いときにパルス充電電圧を一定の値として、設定温度から低下するにしたがって、パルス充電電圧を低くするので、簡単な制御回路で電池の劣化を防止しながら、短時間で満充電できる特長がある。
【００３５】
本発明の請求項７の充電方法は、リチウムイオン二次電池の劣化を防止しながら、短時間で満充電できる特長がある。リチウムイオン二次電池は、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池に比較すると、電池性能を低下させないで短時間で満充電するのが難しい。本発明の充電方法は、温度が低くて充電電圧が高くなって電池が劣化しやすいときに、パルス充電電圧を低くしてリチウムイオン二次電池を充電するので、電池性能を低下させることなく短時間で満充電できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の二次電池の充電方法に使用する充電回路のブロック線図
【図２】二次電池をパルス充電するときの電池電圧と充電電流を示すグラフ
【図３】本発明の実施例の二次電池の充電方法に使用する充電回路のブロック線図
【図４】パルス充電電圧の一例を示すグラフ
【図５】第１設定電圧の一例を示すグラフ
【図６】第１設定電圧の他の一例を示すグラフ
【図７】本発明の実施例の充電方法で二次電池を充電する過程を示すフローチャート図
【符号の説明】
１…ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
２…電池
３…定電流定電圧電源
４…制御回路
５…温度センサー

Claims

二次電池をパルス充電する充電方法であって、電池電圧が第１設定電圧になると、パルス充電電圧で所定の時間パルス充電する充電方法において、
充電される電池の周囲温度を検出し、温度が低くなるとパルス充電電圧を低くしてパルス充電することを特徴とする二次電池の充電方法。
電池の周囲温度が低くなると第１設定電圧を高くしてパルス充電する請求項１に記載される二次電池の充電方法。
電池の周囲温度が低くなると、パルス充電する充電電流を低くしてパルス充電する請求項１に記載される二次電池の充電方法。
パルス充電しているときの１パルス充電時間と充電休止時間から平均充電電流を値を検出し、平均充電電流が設定電流値よりも小さくなると満充電と判定して充電を完了させる請求項１に記載される二次電池の充電方法。
周囲温度が設定温度以上のときにパルス充電電圧を一定の値とし、周囲温度が設定温度から低下するにしたがって、パルス充電電圧を低くする請求項１に記載される二次電池の充電方法。
設定温度を２０〜３０℃とする請求項５に記載される二次電池の充電方法。
充電する二次電池をリチウムイオン二次電池とし、設定温度よりも高いときにおけるパルス充電電圧を４．２〜４．４Ｖ／セルとする請求項５に記載される二次電池の充電方法。