JP4372074B2

JP4372074B2 - 二次電池の充電方法

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Publication number: JP4372074B2
Application number: JP2005280965A
Authority: JP
Inventors: 智也福田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: US7615964B2; JP2007097269A; CN1941546B; TW200713741A; US20070069691A1; CN1941546A

Description

本発明は、二次電池の充電方法に関する。

従来において、二次電池を急速に充電する充電方法が、以下の特許文献に開示されている。その充電方法とは、電池温度を検出して平均充電電流を制御する充電方法において、電池温度を上昇させる大きな電流で充電して電池温度を保持設定温度まで上昇させる温度上昇充電工程と、この工程の後、電池温度が保持設定温度となるように平均充電電流を制御して、電池温度を保持設定温度に保持しながら充電する温度保持充電工程とからなる充電方法である。
特開２００５−６５４７６特開２００５−８０３７３

このような充電方法においては、電池温度が一定となるように、平均充電電流を制御する必要があり、制御が複雑となる。また、電池温度が一定となるように制御するために、電池温度を正確に測定する必要があり、電池温度を安定して測定するには困難であった。また、温度により充電制御は、周囲温度の影響を受けやすく、安定して充電することが困難であった。特に、このような充電方法を、着脱式の電池の充電、例えば、円筒状の単3型電池の充電に利用するときは、充電器に装着した状態で、充電器の温度測定素子を電池に密着させ、電池温度を安定して測定するには困難であった。例えば、充電器の温度測定素子と、電池の間に空間ができたり、また、充電器の温度測定素子と、電池の間に異物が存在すると、正常に電池を温度を測定し、充電することは難しい。

また、このような方法に代わって、大きな電流値（＝約３．５Ｃ。３Ｃ(又はＩｔ)以上が望ましい。）で充電する場合、図４の特性グラフに示すように、−ΔＶの検出より満充電とすることができる。しかしながら、この充電方法は、満充電の直前に急激に温度が上昇しており、二次電池に悪影響を及ぼしている。また、大電流による充電は、充電効率が悪く、また、上昇した高温時においても充電効率が低く、十分な充電容量が得られていない。そして、このときの充電量を、電池を放電して確認すると、規定容量の７９．８％であった。

なお、図４においては、ファンを利用して、二次電池を冷却しているものの、満充電の直前に急激に温度が上昇している。

本発明はこのような問題点を解決するために成されたものであり、周囲の状況に影響されにくく、電池性能の低下を低減し、短時間で充電できる充電方法を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池を定電流にて充電する二次電池の充電方法であって、所定の電流値にて二次電池の出力電圧のピークを検出した後、前記所定の電流値よりも低下した電流値にて充電し、前記出力電圧のピーク又はピークからの低下を検出して充電を制御することを特徴とする。

また、本発明は、前記所定の電流値は、３Ｃ以上であることを特徴とする。更に、前記二次電池の出力電圧のピークを検出した後と、前記所定の電流値よりも低下した電流値にて充電する工程との間に、充電の休止時間を設けることを特徴とする。

更には、前記ピークの検出は、出力電圧の電圧上昇勾配が設定勾配よりも小さくなったとき行い、前の前記ピークの検出における設定勾配を、後の前記ピークの検出における設定勾配より、大きくしていることを特徴とする。

本発明の充電方法は、出力電圧のピークを検出するので、周囲温度の影響を受けることなく充電できると共に、また、大電流にてピークからの低下（＝-ΔＶ）を検出するのに比べて、温度上昇も小さく電池への悪影響も少ない。そして、出力電圧のピークを検出した後、前記所定の電流値よりも低下した電流値にて充電しているので、特に、満充電直前においての大電流での充電による効率の悪さをなくし、低下した電流値にて充電することで、充電量を多くすることができる。

また、休止時間を設けているので、電池温度の上昇をおさえることができる。

更には、前の前記ピークの検出における設定勾配を、後の前記ピークの検出における設定勾配より、大きくしていることにより、前のピークの検出を早めに行うことで、満充電の直前に大電流にて充電することによる充電効率の悪さ、温度上昇を低減することができる。

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。

図１に示す充電回路は、電池４１に充電電流を供給して充電する電源回路４２と、電源回路４２と電池４１との間に接続されて電池４１の平均充電電流を調整するスイッチング素子４３と、このスイッチング素子４３をオンオフに切り換えて、充電電流を調整する制御回路４４と、電池温度を検出して制御回路４４に温度信号を入力する温度センサー４５とを備え、電池温度が、保護温度（６０〜６５℃程度）を超えるとき等に、充電を停止する。

電池４１は、規格上の単１〜４型電池等を使用する場合は、充電器（図示なし）に電池４１を設置したときに、温度センサー４５が電池４１に密着するように配置される。また、電池４１がパック電池である場合には、温度センサー４５は、パック電池内の素電池に密着させて配置される。また、制御回路４４は、図示しないが、電池４１の正極側の測定点より、電圧を測定して、電池のピーク検出、ピークからの低下（＝−ΔＶ）の検出を行い、各種制御を行っている。制御回路４４は、満充電に相当する検出時に、充電を停止、又は、補充電を行う制御をする。

また、本実施例の充電器は、制御回路４４にて制御され、周囲の空気を電池４１に当てて電池４１を冷却するための冷却ファン２５を備えている。

電源回路４２は、スイッチング素子３をオンにする状態で、電池４１を、平均電流１．５Ｃ〜１０Ｃ、好ましくは２Ｃ〜８Ｃ、さらに好ましくは２Ｃ〜５Ｃの大きな電流で充電する出力を有する。電源回路は、制御回路とは別のアダプターとしてリード線を介して制御回路に接続することができる。ただ、電源回路を制御回路と同じケースに収納することもできる。

スイッチング素子４３はトランジスターやＦＥＴで、制御回路４４にスイッチングされて電池４１をパルス充電する。スイッチング素子４３は、スイッチングされないでオン状態に保持されて、電池４１を最初に大電流で充電する。また、スイッチング素子４３は、オンオフしてデューティー比を調整して、平均電流値が大きい大電流、低下した電流値の電流にて、電池４１を充電することができる。スイッチング素子４３は、オンオフに切り換えられるデューティー比で電池４１をパルス充電する平均充電電流を調整する。制御回路４４が、スイッチング素子３をオンオフに切り換える周期は、１ｍｓｅｃ〜１０ｓｅｃ、好ましくは１０ｍｓｅｃ〜２ｓｅｃ、さらに好ましくは５０ｍｓｅｃ〜２ｓｅｃとする。

この充電回路が電池４１を充電するときの電池温度が上昇する特性と、電池電圧が変化する特性を図２のグラフに示している。この図２において、曲線Ａは電池温度（充電開始時の電池温度約２７℃）が上昇する特性を、曲線Ｂは電池電圧が変化する特性を示している。

本実施例においては、以下の手順に従い、図２の特性グラフのごとく、充電される。充電開始時より、定電流として、所定の電流値（＝４Ｃ、３Ｃ以上が望ましい）にて充電される。そして、充電が進むに従い、出力電圧がピークを迎えたかどうかを判定しつつ充電する。

このピークの検出は、出力電圧の電圧上昇勾配が設定勾配よりも小さくなったかどうかで判定される。図２において、出力電圧が設定勾配より小さくなったとき、充電を休止している。この休止時間により、電池温度の上昇をおさえることができる。このような休止時間は、１０〜６０秒程度とすることでき、本実施例においては、３０秒としている。この休止時間は、所定の電流値、後の低下した電流値、ファン２５の風量を考慮して、電池４１の温度が保護温度（６０〜６５℃程度、望ましくは、約６３℃、更に望ましくは、約６０℃）を超えないように、適宜、設定される。休止時間の後、低下した電流値（２．９Ｃで、３Ｃより低いことが望ましい）にて充電を再開する。そして、充電が進むに従い、出力電圧がピーク又はピークからの低下（＝-ΔＶ）を迎えたかどうかを判定しつつ充電する。

図２においては、約１５分で、出力電圧がピークとなり、充電を停止している。このときの充電量を、電池４１を放電して確認すると、規定容量の８１．９％であり、後述する図４の比較例の７９．８％よりも大きい。電池温度についても、１回目の前のピーク検出直後、２回目の後のピーク検出直後に、約６０℃に上昇しているだけで、電池温度上昇がおさえることもできている。

本実施例と比較するために、上述の従来の図４の特性グラフを得た。詳細には、本実施例と同じように充電を行い、曲線Ａは電池温度（充電開始時の電池温度約２７℃）が上昇する特性を、曲線Ｂは電池電圧が変化する特性を示している。

図４の特性グラフは、以下の手順に従い充電される。充電開始時より、所定の大きな電流値（＝約３．５Ｃ。３Ｃ(又はＩｔ)以上が望ましい。）で充電する。−ΔＶ（例えば、２０ｍＶ／セルの低下）の検出より満充電が検出され充電を停止している。充電開始後、１５分で、−ΔＶを検出し、満充電となっている。図４においては、満充電の直前に急激に温度が略６３℃程度に、上昇しており、二次電池に悪影響を及ぼしている。また、大電流による充電は、充電効率が悪く、また、上昇した高温時においても充電効率が低く、十分な充電容量が得られていない。そして、このときの充電量を、電池４１を放電して確認すると、規定容量の７９．８％であった。なお、図４においては、ファン２５を利用して、二次電池を冷却しているものの、満充電の直前に急激に温度が上昇している。

図３は、本発明の他の実施例を示し、以下の手順に従い、図３の特性グラフのごとく、充電される。この図３において、曲線Ａは電池温度が上昇する特性を、曲線Ｂは電池電圧（充電開始時の電池温度約２７℃）が変化する特性を示している。本実施例においては、充電開始時より、所定の電流値（＝３．８Ｃ、３Ｃ以上が望ましい）にて充電される。そして、充電が進むに従い、出力電圧がピークを迎えたかどうかを判定しつつ充電する。このピークの検出は、出力電圧の電圧上昇勾配が設定勾配よりも小さくなったかどうかで判定される。出力電圧が設定勾配より小さくなったことを検出した後、低下した電流値（２．５Ｃで、３Ｃより低いことが望ましい）にて充電を継続する。低下した電流値での充電においては、出力電圧のピーク又はピークからの低下（＝−ΔＶ）を検出して、満充電としている。

図３においては、ピーク又は−ΔＶの検出がなかったので、充電開始後、タイマーを利用して、１５分が経過した時点で、充電を終了している。図３の実施例においては、一回目の前のピークの検出直後で、最高電池温度（約６０℃程度）であり、低下した電流値での充電においては、徐々に温度が低下している。従来の充電方法においては、図４に示すように、充電開始から１５分経過したときの−ΔＶを検出時には、電池温度が約６３℃に到達しているのに比べ、本実施例の図３においては、ピークの検出した直後に、約６０℃であり、最高温度が低下して、電池４１への熱影響を低減できた。そして、このときの充電量を、電池４１を放電して確認すると、規定容量の７９．２％であった。上述の従来例においては、充電量が、７９．８％であったことより、略同等の充電量が得られたことが確認できた。

本実施例においては、ピークの検出においては、電圧上昇勾配が設定勾配よりも小さくなったかどうかで判定しており（＝設定勾配より小さくなったときピーク検出）、以下のような方法を利用している。また、本実施例においては、また、一回目の前のピークの検出における設定勾配を、後のピークの検出における設定勾配より、以下のように、大きくしている。

ピークの検出は、出力電圧が、規定電圧（１０ｍＶ）上昇する測定時間Ｔ(n-1)に対して、次回に電池電圧が１０ｍＶ上昇する時間Ｔ(n)が、規定倍率（略１．７以上、例えば、２倍が望ましい）以上になったとき行う。そして、前の前記ピークの検出における規定倍率を、後の前記ピークの検出における規定倍率より、小さくしている。例えば、前のピーク検出の規定倍率を、１．８倍、後のピーク検出の倍率を、２倍とする。これにより、前のピークの検出を早めに行い、電池温度が、不所望に、必要以上に、上昇することを防止している。

なお、出力電圧においては、図２、３、４にて確認できるように、充電初期、又は、図２の休止の後の再充電直後、出力電圧が急激に上昇した後、略平坦なカーブを描き、その後、上昇しているので、このような略平坦なカーブを満充電としないために、充電開始後、２〜６分の間、休止後の１〜２分間、ピークの検出、−ΔＶの検出をおこなっていない。

また、図３においては、低下した電流値での充電となったとき、出力電圧が大きく低下した後、上昇しており、制御回路４４が、ピーク検出時に、出力電圧の上昇、下降を区別することをしない場合、ピーク検出を、規定電圧（１０ｍＶ）変動する測定時間Ｔ(n-1)に対して、次回に電池電圧が１０ｍＶ上昇する時間Ｔ(n)が、規定倍率より大きくなったとき行うことになる。すると、低下した電流値での充電となったとき、出力電圧が大きく低下した後、上昇することでも、ピークを検出することになるので、低下した電流値での充電となったとき、１〜２分間、ピークの検出を行っていいない。

また、ピークの検出は、以下の方法でも行うことができる。ピークの検出は、所定時間での出力電圧の上昇値が設定値未満のとき行う。そして、前の前記ピークの検出における設定値を、後の前記ピークの検出における設定値より、大きくしている。これにより、前のピークの検出を早めに行い、電池温度が、不所望に、必要以上に、上昇することを防止している。つまり、このピーク検出方法でも、上述のピーク検出方法と同様に、ピークの検出は、出力電圧の電圧上昇勾配が設定勾配よりも小さくなったとき行い、前の前記ピークの検出における設定勾配を、後の前記ピークの検出における設定勾配より、大きくしている。

本発明の一実施例にかかる充電器の充電回路の一例を示す回路図である。本発明の一実施例にかかる充電器で電池を充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。本発明の他の実施例にかかる充電器で電池を充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。従来例おいて、電池を充電するときの温度特性と電圧特性を示すグラフである。

符号の説明

２５ファン
４１電池
４２電源回路
４３スイッチング素子
４４制御回路
４５温度センサー

Claims

二次電池を定電流にて充電する二次電池の充電方法であって、所定の電流値にて二次電池の出力電圧のピークを検出した後、前記所定の電流値よりも低下した電流値にて充電し、前記出力電圧のピーク又はピークからの低下を検出して充電を制御し、
前記ピークの検出は、出力電圧の電圧上昇勾配が設定勾配よりも小さくなったとき行い、前の前記ピークの検出における設定勾配を、後の前記ピークの検出における設定勾配より、大きくしている
ことを特徴とする二次電池の充電方法。
前記所定の電流値は、３Ｃ以上であることを特徴とする請求項１の二次電池の充電方法。
前記二次電池の出力電圧のピークを検出した後と、前記所定の電流値よりも低下した電流値にて充電する工程との間に、充電の休止時間を設けることを特徴とする請求項１の二次電池の充電方法。