JP4768090B2 - 充電制御回路、電池パック、及び充電システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電を制御する充電制御回路と、これを備えた電池パック及び充電システムとに関する。

従来から、二次電池を短時間で充電できる充電方式として、パルス状に一定の電流を流して充電するパルス充電方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなパルス充電方式では、パルス電流が流れる短い期間、二次電池が満充電電圧を超える充電電圧かつ大電流で充電されることで、充電時間を短縮するようになっている。

また、定電流充電の充電電流を、多段階で段階的に減少させる多段定電流充電方式も知られている（例えば、特許文献２参照。）。このような多段定電流充電方式では、充電末期の充電電流が少なく、電池温度の上昇も低減できるので、二次電池の劣化が少ない。

特開２００５−２５３２１０号公報 特開２００７−１５１２６１号公報

しかしながら、上述のようなパルス充電方式では、満充電付近では充電パルスが二次電池に印加された瞬間、二次電池の端子電圧が満充電電圧を超えるため、二次電池を劣化させてしまうという不都合があった。

一方、多段定電流充電方式では、パルス充電方式のように、満充電電圧を超える電圧を意図的に二次電池に印加することがなく、パルス充電方式よりも二次電池の劣化を低減することができる。しかしながら、多段定電流充電方式では、パルス充電方式よりも充電時間が延びてしまうという、不都合があった。

本発明の目的は、パルス充電方式よりも二次電池の劣化を低減し、背景技術に係る多段定電流充電方式よりも充電時間を短縮することが容易な充電制御回路と、これを用いた電池パック及び充電システムとを提供することである。

本発明の一局面に従う充電制御回路は、二次電池を充電する充電部の動作を制御する充電制御部と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、前記充電制御部は、前記充電部から所定の設定電流値の充電電流を前記二次電池へ供給させて前記充電部に定電流充電を実行させると共に前記定電流充電の実行中に前記電圧検出部によって検出された端子電圧が所定の閾値電圧値と等しくなった場合、前記電流検出部によって検出された電流値が所定の閾値電流値と等しくなるまで前記充電部から前記閾値電圧値の充電電圧を前記二次電池へ供給させることにより前記充電部に定電圧充電を実行させる定電流定電圧充電を、複数回繰り返し、かつ前記定電流定電圧充電が繰り返される都度、前記閾値電圧値を増大させ前記設定電流値及び前記閾値電流値を減少させる。

このような構成の充電制御回路、電池パック、及び充電システムは、定電流充電が、充電電流を段階的に減少しつつ繰り返し実行されるので、背景技術に係る多段定電流充電と同様、二次電池の劣化を低減できる。また、パルス充電方式のように、満充電電圧を超える電圧を意図的に二次電池に印加することがないので、パルス充電方式よりも二次電池の劣化を低減することができる。さらに、定電流充電の次に定電圧充電が実行され、当該定電圧充電が実行される期間においては、充電電流が徐々に減少するから、定電流充電の次に一度に１段階分充電電流を減少させる従来の多段定電流充電より、充電量が増大する結果、背景技術に係る多段定電流充電方式よりも充電時間を短縮することが容易となる。

本発明の一実施形態に係る充電制御回路を備えた、電池パック及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す記憶部に記憶されたデータテーブルの一例を示す表形式の説明図である。 図１に示す充電制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す充電システムの動作の一例を説明するための説明図である。 図１に示す充電システムの動作の他の一例を説明するための説明図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る充電制御回路５を備えた、電池パック２及び充電システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１は、電池パック２と、機器側回路３とが組み合わされて構成されている。

充電システム１は、例えば、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載機器システムである。そして、機器側回路３は、例えばこれら電池搭載機器システムの本体部分であり、負荷回路３４は、これら電池搭載機器システムにおいて、電池パック２からの電力供給により動作する負荷回路である。

電池パック２は、二次電池４、充電制御回路５、電流検出抵抗６、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、及び接続端子１１，１２，１３を備えている。電池パック２は、機器側回路３と脱着可能にされている。また、充電制御回路５は、制御部５０、電圧検出部５１、電流検出部５２、及び通信部５３を備えている。

なお、充電システム１は、必ずしも電池パック２と機器側回路３とに分離可能に構成されるものに限られない。充電システム１全体で一つの充電制御回路５が構成されていてもよい。また、充電システム１は、充電制御回路５を、電池パック２と機器側回路３とで分担して備えるようにしてもよい。また、二次電池４は、電池パックにされている必要はなく、例えば充電制御回路５が、車載用のＥＣＵ（Electric Control Unit）として構成されていてもよい。

機器側回路３は、接続端子３１，３２，３３、負荷回路３４、充電部３５、通信部３６、及び制御部３７を備えている。充電部３５は、給電用の接続端子３１，３２に接続され、通信部３６は、接続端子３３に接続されている。

また、電池パック２が、機器側回路３に取り付けられると、電池パック２の接続端子１１，１２，１３と、機器側回路３の接続端子３１，３２，３３とが、それぞれ接続されるようになっている。

通信部５３，３６は、接続端子１３，３３を介して互いにデータ送受信可能に構成された通信インターフェイス回路である。

充電部３５は、制御部３７からの制御信号に応じた電流、電圧を、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給する電源回路である。充電部３５は、例えば商用電源電圧から電池パック２の充電電流を生成する電源回路であってもよく、例えば太陽光、風力、あるいは水力といった自然エネルギーに基づき発電する発電装置や、内燃機関等の動力によって発電する発電装置等であってもよい。

制御部３７は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された制御回路である。そして、電池パック２における制御部５０から通信部５３によって送信された要求指示が、通信部３６によって受信されると、制御部３７は、通信部３６によって受信された要求指示に応じて充電部３５を制御することにより、電池パック２から送信された要求指示に応じた電流や電圧を、充電部３５から接続端子１１，１２へ出力させる。

電池パック２では、接続端子１１は、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ１とを介して二次電池４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２としては、例えばｐチャネルのＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、それぞれ寄生ダイオードを有している。そして、スイッチング素子Ｑ２の寄生ダイオードは、二次電池４の放電電流の流れる方向（二次電池４の正極から接続端子１１へ向かう方向）が、順方向になる向きに配置されている。これにより、スイッチング素子Ｑ２は、オフすると二次電池４の充電方向（接続端子１１から二次電池４の正極へ向かう方向）の電流のみを遮断するようになっている。

また、スイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードは、二次電池４の充電電流の流れる方向が、順方向になる向きに配置されている。これにより、スイッチング素子Ｑ１は、オフすると二次電池４の放電方向の電流のみを遮断するようになっている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、通常、オンされており、異常時にオフされて二次電池４を保護するようになっている。

また、接続端子１２は、電流検出抵抗６を介して二次電池４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ２、スイッチング素子Ｑ１、二次電池４、及び電流検出抵抗６を介して接続端子１２に至る電流経路が構成されている。

なお、接続端子１１，１２，１３，３１，３２，３３は、電池パック２と機器側回路３とを電気的に接続するものであればよく、例えば電極やコネクタ、端子台等であってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。

電流検出抵抗６は、電流検出用の、いわゆるシャント抵抗であり、二次電池４の充電電流および放電電流を電圧値に変換する。なお、電流検出抵抗６の代わりに、例えば電流変成器やホール素子等の電流検出素子を用いてもよい。

二次電池４は、例えば単電池であってもよく、例えば複数の二次電池が直列接続された組電池であってもよく、例えば複数の二次電池が並列接続された組電池であってもよく、直列と並列とが組み合わされて複数の二次電池が接続された組電池であってもよい。二次電池４としては、例えばリチウムイオン二次電池が用いられる。なお、二次電池４は、リチウムイオン二次電池に限られない。例えばニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等、種々の二次電池を二次電池４として用いることができる。

ここで、二次電池４は、端子電圧Ｖｂが非常に低い場合、内部短絡が生じているおそれがある。例えば、リチウムイオン二次電池の場合であれば、１セルの端子電圧が１．４Ｖ以下程度になると、電池内部でリチウムの析出が生じて内部短絡を生じるおそれがある。従って、二次電池４が単電池の場合、端子電圧Ｖｂが１．４Ｖ以下程度になると電池内部で内部短絡を生じるおそれがある。また、二次電池４が、ｎ個のセルが直列に接続された組電池である場合、端子電圧Ｖｂが、１．４Ｖ×ｎ以下程度になると電池内部で内部短絡を生じるおそれがある。このように、二次電池４において内部短絡が生じるおそれのある電圧が、判定電圧Ｖｊとして予め設定されている。

電圧検出部５１は、例えばアナログデジタルコンバータを用いて構成されており、二次電池４の端子電圧（端子間電圧）を検出し、その端子電圧を示す信号を制御部５０へ出力する。

電流検出部５２は、例えばアナログデジタルコンバータを用いて構成されている。そして、電流検出部５２は、電流検出抵抗６の両端間の電圧Ｖｒを検出し、その電圧Ｖｒを示す信号を、二次電池４に流れる充電電流値Ｉｃを示す情報として制御部５０へ出力する。また、電流検出部５２は、充電電流値Ｉｃを示す情報（電圧Ｖｒ）について、例えば二次電池４を充電する方向をプラスの値で、二次電池４を充電する方向をマイナスの値で表すようになっている。

制御部５０では、例えば、この電圧Ｖｒを電流検出抵抗６の抵抗値Ｒで除算することにより、二次電池４に流れる充電電流値Ｉｃを取得する。

制御部５０は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、例えばＲＯＭを用いて構成された記憶部５０２と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。

そして、制御部５０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、充電制御部５０１として機能する。

充電制御部５０１は、通信部５３，３６を用いて制御部３７へ、設定電流値Ｉｓの充電電流の要求指示を送信する。これにより、制御部３７による制御に基づき充電部３５から設定電流値Ｉｓの充電電流が二次電池４へ供給されて定電流充電が実行される。そして、充電制御部５０１は、電圧検出部５１によって検出された二次電池４の端子電圧Ｖｂが所定の閾値電圧値Ｖｔｈになると、通信部５３，３６を用いて制御部３７へ、閾値電圧値Ｖｔｈの充電電圧の要求指示を送信する。これにより、制御部３７による制御に基づき充電部３５から閾値電圧値Ｖｔｈの充電電圧が二次電池４へ供給されて、定電圧充電が実行される。このようにして充電制御部５０１は、電流検出部５２によって検出される充電電流値Ｉｃが閾値電流値Ｉｔｈになるまで定電圧充電を実行する。このように、定電流充電と定電圧充電とを組み合わせることで、充電制御部５０１は、定電流定電圧（CCCV : Constant Current Constant Voltage）充電を実行する。

さらに、充電制御部５０１は、電圧検出部５１によって検出された端子電圧Ｖｂが、予め設定された判定電圧Ｖｊを超える場合において開始された定電流定電圧充電（CCCV充電）において、記憶部５０２に記憶されているデータテーブルＡに基づき、閾値電圧値Ｖｔｈを二次電池４の満充電電圧Ｖｆまで段階的に増大させ、閾値電流値Ｉｔｈを二次電池４の満充電を判定するための判定電流値Ｉｆまで段階的に減少させつつ、定電流定電圧充電を複数回繰り返すことで、二次電池４を満充電まで充電する。

一方、充電制御部５０１は、電圧検出部５１によって検出される端子電圧Ｖｂが、判定電圧Ｖｊに満たない場合において開始された定電流定電圧充電の次に繰り返される定電流定電圧充電において、記憶部５０２に記憶されているデータテーブルＡに基づき、その前の定電流定電圧充電よりも、閾値電圧値Ｖｔｈ及び閾値電流値Ｉｔｈを段階的に増大させる。

記憶部５０２には、例えば図２に示すように、充電制御部５０１によって行われる定電流定電圧充電において用いられる設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈを、端子電圧Ｖｂと対応付けたデータテーブルＡ（LUT：Look Up Table）が予め記憶されている。

図２に示すデータテーブルＡにおいて、電圧値Ｖ１〜Ｖ４、Ｖｆは、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖｆの関係にある。電圧値Ｖｆは、二次電池４の満充電電圧である。ここで、データテーブルＡでは、判定電圧Ｖｊが、例えばＶ１＜Ｖｊ＜Ｖ２の関係にある場合についての例を示している。また、電流値Ｉ０〜Ｉ６、Ｉｆは、Ｉｆ＜Ｉ０＜Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４＜Ｉ５＜Ｉ６の関係にある。電流値Ｉｆは、二次電池４の満充電を判定するための判定電流値である。

図２に示すデータテーブルＡは、０Ｖ〜満充電電圧Ｖｆまでの端子電圧Ｖｂの電圧範囲を、５つの段階（領域）に区分し、各段階に対応する設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈを記憶している。また、各段階に対応する端子電圧Ｖｂの電圧範囲の下限値は、各段階より１段階、端子電圧Ｖｂが低い段階に対応する閾値電圧値Ｖｔｈと等しい電圧が設定されている。これにより、定電流定電圧充電が実行される都度、１段階ずつ端子電圧Ｖｂが高い段階に移行することになる。

そして、データテーブルＡには、端子電圧Ｖｂが判定電圧Ｖｊに満たない段階１，２においては、段階１，２からそれぞれ次の段階２，３へ移行したとき、設定電流値Ｉｓ、閾値電流値Ｉｔｈ、及び閾値電圧値Ｖｔｈがそれぞれ増大するように、各値が設定されている。そして、端子電圧Ｖｂが判定電圧Ｖｊに満たない段階１，２における設定電流値Ｉｓ（充電電流値）は、もし仮に二次電池４が内部短絡を生じている場合であっても、電池パック２の故障や損傷を招かない程度の微小な電流値が設定されている。

なお、判定電圧Ｖｊは、必ずしも二次電池４において内部短絡が生じるおそれのある電圧でなくてもよい。例えば、二次電池４において内部短絡が生じるおそれのある電圧が、電圧値Ｖ１に満たない場合に、判定電圧Ｖｊが、例えばＶ１＜Ｖｊ＜Ｖ２の条件を満たす電圧範囲内に設定されていてもよい。

この場合、端子電圧Ｖｂが、二次電池４において内部短絡が生じるおそれのある電圧を超える段階２における設定電流値Ｉｓ（充電電流値）は、二次電池４が内部短絡を生じている場合であっても必ずしも電池パック２の故障や損傷を招かない程度の電流値である必要はない。しかしながら、段階２においては、端子電圧Ｖｂは判定電圧Ｖｊに満たないので、さらにその次の段階３よりも設定電流値Ｉｓ（充電電流値）が小さな値に設定されている。

これにより、段階２における充電電流値がその後の段階３より小さな電流値にされることで、充電により二次電池４で発生する発熱量を減少させることができる。このように、判定電圧Ｖｊを適宜設定することで、二次電池４で発生する発熱量を調節することが可能となり、電池パック２の熱設計が容易となる。

一方、データテーブルＡには、端子電圧Ｖｂが判定電圧Ｖｊを超える段階３，４においては、段階３，４からそれぞれ次の段階４，５へ移行したとき、設定電流値Ｉｓ、及び閾値電流値Ｉｔｈがそれぞれ減少し、閾値電圧値Ｖｔｈが増大するように、各値が設定されている。また、段階３，４の閾値電流値Ｉｔｈは、次の段階４，５における設定電流値Ｉｓと等しくなるように、その値が設定されている。

ここで、二次電池４に設定電流値Ｉｓの電流が流れると、その端子電圧Ｖｂは、二次電池４の内部抵抗に設定電流値Ｉｓの電流が流れることにより生じる電圧と、二次電池４の開放電圧（OCV : Open Circuit Voltage）とを加算したものとなる。そのため、端子電圧Ｖｂと二次電池４の開放電圧とは一致せずその差は充電電流によって変化する。

そのため、定電流充電を多段階で行う場合に、１段階進む際に、設定電流値Ｉｓの減少及び閾値電圧値Ｖｔｈの増大を、一定値の減算や加算によって行うと、充電電流が多いときは、端子電圧Ｖｂ（充電電圧）と二次電池４の開放電圧との差が大きいため、開放電圧が十分に上昇する前に端子電圧Ｖｂが閾値電圧値Ｖｔｈに達して定電流充電が終了してしまい、充電時間が延びてしまう。その一方、充電電流が多いときに合わせて閾値電圧値Ｖｔｈを高めに設定しておくと、充電電流が少ないときは、端子電圧Ｖｂ（充電電圧）と二次電池４の開放電圧との差が小さいため、端子電圧Ｖｂが閾値電圧値Ｖｔｈに達したときは、開放電圧が高くなりすぎて二次電池４の劣化が促進されるおそれがある。

そこで、図１に示す充電制御回路５は、設定電流値Ｉｓの減少及び閾値電圧値Ｖｔｈの増大を、一定値の減算、加算といった算出演算で行うのではなく、予め例えば実験的に、良好な充電（定電流充電の終了が早すぎることなく、かつ二次電池４の劣化が少ない充電）が実行可能な設定電流値Ｉｓと閾値電圧値Ｖｔｈとの組み合わせを求めてデータテーブルＡとして記憶部５０２に記憶させておく。

そして、このデータテーブルＡに基づき各段階（端子電圧Ｖｂ）において、設定電流値Ｉｓ（充電電流値）と閾値電圧値Ｖｔｈとを設定することで、最適な設定電流値Ｉｓと閾値電圧値Ｖｔｈとの組み合わせを実現し、良好な充電を実行することが容易とされている。

なお、必ずしも記憶部５０２を備える必要はない。定電流充電を多段階で行う場合において１段階進む際に、充電制御部５０１は、データテーブルＡを用いることなく例えば算出演算によって、設定電流値Ｉｓ及び閾値電圧値Ｖｔｈの増減を行うようにしてもよい。

次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図３は、図１に示す充電制御部５０１の動作の一例を示すフローチャートである。また、図４は、図１に示す充電システム１の動作を説明するための説明図である。

まず、電圧検出部５１によって、例えば図４におけるタイミングＴ１において、二次電池４の端子電圧Ｖｂが検出される（ステップＳ１）。次に、充電制御部５０１によって、記憶部５０２のデータテーブルＡから、端子電圧Ｖｂに対応する設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈが読み出される（ステップＳ２）。

そうすると、タイミングＴ１において、端子電圧Ｖｂは電圧値Ｖ１より低いから、充電制御部５０１によって、データテーブルＡにおける段階１から、設定電流値Ｉｓが電流値Ｉ１、閾値電圧値Ｖｔｈが電圧値Ｖ１、閾値電流値Ｉｔｈが電流値Ｉ０として設定される。そして、充電制御部５０１によって、制御部３７へ、電流値Ｉ１の充電電流を要求する要求指示が送信されて、制御部３７による制御に応じて充電部３５から、電流値Ｉ１の充電電流が二次電池４へ供給されて、定電流充電ＣＣ１が実行される（ステップＳ３）。

そうすると、二次電池４が、電流値Ｉ１の充電電流によって充電されるにつれて、端子電圧Ｖｂが上昇し、端子電圧Ｖｂが閾値電圧値Ｖｔｈに満たない場合（ステップＳ４でＮＯ）、充電制御部５０１によって、ステップＳ３が繰り返されて定電流充電ＣＣ１が継続する。

一方、端子電圧Ｖｂが閾値電圧値Ｖｔｈ以上になると（ステップＳ４でＹＥＳ、タイミングＴ２）、充電制御部５０１はステップＳ５へ移行する。そして、充電制御部５０１によって、制御部３７へ、電圧値Ｖ１の充電電圧を要求する要求指示が送信されて、制御部３７による制御に応じて充電部３５から、電圧値Ｖ１の充電電圧が二次電池４へ供給されて、定電圧充電ＣＶ１が実行される（ステップＳ５）。

ここで、もし仮に、タイミングＴ１において二次電池４に内部短絡が生じていた場合、二次電池４は充電されないために端子電圧Ｖｂが上昇せず、定電流充電ＣＣ１が継続することとなる。しかしながら、定電流充電ＣＣ１における充電電流値Ｉ１は、電池パック２の故障や損傷を招かない程度の微小な電流値が設定されているので、二次電池４に内部短絡が生じていた場合であっても、電池パック２の故障や損傷を招くおそれを低減することができる。

次に、定電圧充電ＣＶ１において、二次電池４が、電圧値Ｖ１の充電電圧によって充電されるにつれて、電流検出部５２によって検出される充電電流値Ｉｃが徐々に減少する。このとき、充電電流値Ｉｃが閾値電流値Ｉｔｈを超えている場合（ステップＳ６でＮＯ）、ステップＳ５が繰り返されて定電圧充電ＣＶ１が継続する。このようにして、ステップＳ１〜Ｓ６（タイミングＴ１〜Ｔ３）において、定電流定電圧充電が実行される。

そして、充電電流値Ｉｃが閾値電流値Ｉｔｈ以下になると（ステップＳ６でＹＥＳ、タイミングＴ３）、充電制御部５０１はステップＳ７へ移行する。そして、充電制御部５０１によって、閾値電流値Ｉｔｈと電流値Ｉｆとが比較される（ステップＳ７）。タイミングＴ３においては、閾値電流値Ｉｔｈは電流値Ｉ０に設定されており、電流値Ｉｆではないから（ステップＳ７でＮＯ）、充電制御部５０１はステップＳ１へ移行して、再び次の定電流定電圧充電が繰り返される。

次に、ステップＳ１（タイミングＴ３）において、電圧検出部５１によって、端子電圧Ｖｂが検出されると、端子電圧Ｖｂは電圧値Ｖ１になっているから、充電制御部５０１によって、記憶部５０２のデータテーブルＡから、電圧値Ｖ１の端子電圧Ｖｂに対応する段階２の電流値Ｉ４、電圧値Ｖ２、及び電流値Ｉ３が、設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈとしてそれぞれ読み出される（ステップＳ２）。すなわち、設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈが、前の段階１よりもそれぞれ増大される。

そして、充電制御部５０１によって、制御部３７へ、電流値Ｉ４の充電電流を要求する要求指示が送信される。そして、制御部３７による制御に応じて充電部３５から、電流値Ｉ４の充電電流が二次電池４へ供給されて、定電流充電ＣＣ２が実行される（ステップＳ３）。

ここで、定電流充電ＣＣ１から定電圧充電ＣＶ１へ移行したことは、充電に伴い二次電池４の端子電圧Ｖｂが上昇したことを意味し、二次電池４は内部短絡していないと考えられる。従って、定電流充電ＣＣ２においては、設定電流値Ｉｓを、充電電流の上限値である電流値Ｉ６まで増加させるようにしてもよく、すなわちデータテーブルＡの段階２を設けず、段階３における端子電圧Ｖｂの範囲をＶ１≦Ｖｂ＜Ｖ３としてもよい。この場合、充電電流が増大されるので、充電時間を短縮できる。

しかしながら、充電電流の増加は、二次電池４の発熱量の増大を招くので、熱設計上の必要に応じて、段階２における設定電流値Ｉｓを電流値Ｉ６より小さい電流値Ｉ４に設定しておくことで、発熱量を低減することが可能となる。

以下、ステップＳ３〜Ｓ７が繰り返されて、定電流充電ＣＣ２及び定電圧充電ＣＶ２が実行され、すなわち定電流定電圧充電が実行されて、再びステップＳ１へ移行する（タイミングＴ５）。そうすると、端子電圧Ｖｂは電圧値Ｖ２になっているから（ステップＳ１）、充電制御部５０１によって、記憶部５０２のデータテーブルＡから、電圧値Ｖ２の端子電圧Ｖｂに対応する段階３の電流値Ｉ６、電圧値Ｖ３、及び電流値Ｉ５が、新たな設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈとしてそれぞれ読み出される（ステップＳ２）。すなわち、設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈが、前の段階２よりもそれぞれ増大される。

そして、充電制御部５０１によって、設定電流値Ｉｓを電流値Ｉ６、閾値電圧値Ｖｔｈを電圧値Ｖ３、閾値電流値Ｉｔｈを電流値Ｉ５として、再びステップＳ３〜Ｓ７が実行されて、充電電流を電流値Ｉ６とする定電流充電ＣＣ３（タイミングＴ５〜Ｔ６）と、充電電圧を電圧値Ｖ３とする定電圧充電ＣＶ３（タイミングＴ６〜Ｔ７）とが、定電流定電圧充電として実行される。

そして、定電圧充電ＣＶ３（タイミングＴ６〜Ｔ７）において、充電電流値Ｉｃが閾値電流値Ｉｔｈ以下になると（ステップＳ６でＹＥＳ、タイミングＴ７）、充電制御部５０１は、ステップＳ７へ移行する。

タイミングＴ７においては、閾値電流値Ｉｔｈは電流値Ｉ５に設定されており、電流値Ｉｆではないから（ステップＳ７でＮＯ）、充電制御部５０１は、ステップＳ１へ移行して、再び次の定電流定電圧充電が繰り返される。

そうすると、端子電圧Ｖｂは電圧値Ｖ３になっているから（ステップＳ１）、充電制御部５０１によって、記憶部５０２のデータテーブルＡから、電圧値Ｖ３の端子電圧Ｖｂに対応する段階４の電流値Ｉ５、電圧値Ｖ４、及び電流値Ｉ２が、新たな設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈとしてそれぞれ読み出される（ステップＳ２）。すなわち、端子電圧Ｖｂが判定電圧Ｖｊを超える場合において開始された定電流定電圧充電（定電流充電ＣＣ４、定電圧充電ＣＶ４）において、閾値電圧値Ｖｔｈが、前の段階３よりも増大され、設定電流値Ｉｓ及び閾値電流値Ｉｔｈが前の段階３よりも減少される。

そして、充電制御部５０１によって、設定電流値Ｉｓを電流値Ｉ５、閾値電圧値Ｖｔｈを電圧値Ｖ４、閾値電流値Ｉｔｈを電流値Ｉ２として、再びステップＳ３〜Ｓ７が実行されて、充電電流を電流値Ｉ５とする定電流充電ＣＣ４（タイミングＴ７〜Ｔ８）と、充電電圧を電圧値Ｖ４とする定電圧充電ＣＶ４（タイミングＴ８〜Ｔ９）とが実行される。

そして、定電圧充電ＣＶ４（タイミングＴ８〜Ｔ９）において、充電電流値Ｉｃが閾値電流値Ｉｔｈ以下になると（ステップＳ６でＹＥＳ、タイミングＴ９）、ステップＳ７へ移行する。

タイミングＴ９においては、閾値電流値Ｉｔｈは電流値Ｉ２に設定されており、電流値Ｉｆではないから（ステップＳ７でＮＯ）、充電制御部５０１は、ステップＳ１へ移行して、再び次の定電流定電圧充電が繰り返される。

そうすると、端子電圧Ｖｂは電圧値Ｖ４になっているから（ステップＳ１）、充電制御部５０１によって、記憶部５０２のデータテーブルＡから、電圧値Ｖ４の端子電圧Ｖｂに対応する段階５の電流値Ｉ２、電圧値Ｖｆ、及び電流値Ｉｆが、新たな設定電流値Ｉｓ、閾値電圧値Ｖｔｈ、及び閾値電流値Ｉｔｈとしてそれぞれ読み出される（ステップＳ２）。すなわち、閾値電圧値Ｖｔｈが、前の段階４よりも増大され、設定電流値Ｉｓ及び閾値電流値Ｉｔｈが前の段階４よりも減少される。

そして、充電制御部５０１によって、設定電流値Ｉｓを電流値Ｉ２、閾値電圧値Ｖｔｈを電圧値Ｖｆ、閾値電流値Ｉｔｈを電流値Ｉｆとして、再びステップＳ３〜Ｓ７が実行されて、充電電流を電流値Ｉ２とする定電流充電ＣＣ５（タイミングＴ９〜Ｔ１０）と、充電電圧を電圧値Ｖｆとする定電圧充電ＣＶ５（タイミングＴ１０〜Ｔ１１）とが実行される。

そして、定電圧充電ＣＶ５（タイミングＴ１０〜Ｔ１１）において、充電電流値Ｉｃが閾値電流値Ｉｔｈ以下になると（ステップＳ６でＹＥＳ、タイミングＴ１１）、充電制御部５０１は、ステップＳ７へ移行する。

タイミングＴ１１においては、閾値電流値Ｉｔｈと電流値Ｉｆとが等しいから（ステップＳ７でＹＥＳ）、充電制御部５０１によって、制御部３７へ、充電電流をゼロにする要求指示が送信されて、制御部３７による制御に応じて充電部３５が、充電電流の供給を停止して（ステップＳ８）、二次電池４の充電が終了する。

以上、充電制御部５０１は、電圧検出部５１によって検出される端子電圧Ｖｂが、判定電圧Ｖｊを超える場合において開始された定電流定電圧充電（タイミングＴ５〜Ｔ１１）において、データテーブルＡに基づき、閾値電圧値Ｖｔｈを二次電池４の満充電電圧Ｖｆまで段階的に増大させ、閾値電流値Ｉｔｈを二次電池４の満充電を判定するための判定電流値Ｉｆまで段階的に減少させつつ複数回繰り返すことで、二次電池４を満充電まで充電する。

この結果、定電流充電ＣＣ３，ＣＣ４，ＣＣ５において、充電電流を、多段階で段階的に減少させる多段定電流充電が実行されるので、二次電池４の劣化が少ないという、多段定電流充電のメリットが得られる。また、パルス充電方式のように、満充電電圧を超える電圧を意図的に二次電池に印加することがないので、パルス充電方式よりも二次電池４の劣化を低減することができる。

また、定電圧充電ＣＶ３，ＣＶ４，ＣＶ５において、二次電池４が、閾値電圧値Ｖｔｈの充電電圧によって充電されるにつれて、二次電池４の充電電流値Ｉｃが徐々に減少する。

ここで、背景技術に記載の多段定電流充電方式であれば、定電圧充電ＣＶ３，ＣＶ４，ＣＶ５が実行されることはなく、定電流充電ＣＣ３，ＣＣ４，ＣＣ５に引き続いて、電流値を１段階減少させた定電流充電が実行されることになる。そうすると、図１に示す充電制御回路５は、背景技術に記載の多段定電流充電方式よりも、図４に示す斜線部Ｂ，Ｃ，Ｄの面積に相当する電荷量だけ、余分に充電できるから、多段定電流充電方式よりも充電時間を短縮することが容易である。

また、背景技術に係る多段定電流充電方式においては、ある段階の定電流充電において、二次電池の端子電圧が所定の閾値以上になると、充電電流を１段階減少させて次の段階の定電流充電を実行するのであるが、この場合、端子電圧が閾値以上になったことを検出してから充電電流値を減少させるまでの制御応答時間において、端子電圧が閾値電圧を超えてしまい、二次電池の劣化を招くおそれがある。

一方、図１に示す充電制御回路５は、ある段階の定電流充電において、二次電池４の端子電圧Ｖｂが閾値電圧値Ｖｔｈ以上になると、充電電圧を閾値電圧値Ｖｔｈとする定電圧充電に移行するから、定電流充電の次は二次電池の端子電圧（充電電圧）を直接制御する電圧制御が行われる結果、二次電池４の端子電圧Ｖｂが閾値電圧値Ｖｔｈを超えるおそれを低減することが容易である。

また、端子電圧Ｖｂが、判定電圧Ｖｊを超える場合において開始された定電流定電圧充電における閾値電流値Ｉｔｈは、データテーブルＡに基づいて、その次に繰り返される定電流定電圧充電における設定電流値Ｉｓとして用いられる。その結果、定電圧充電ＣＶ３から定電流充電ＣＣ４への移行時、及び定電圧充電ＣＶ４から定電流充電ＣＣ５への移行時において、充電電流、及び充電電圧が連続した値となり、なめらかに移行が行われるので、二次電池４に与えるストレスが低減される。

なお、タイミングＴ１〜Ｔ５において、２段階で設定電流値Ｉｓを増大させる例を示したが、設定電流値Ｉｓを、１段階で最大の電流値Ｉ６に変化させるようにしてもよく、電流値Ｉ６になるまでの段階数を３段階以上としてもよい。

また、タイミングＴ５〜Ｔ１１において、段階３〜５の３段階で設定電流値Ｉｓを電流値Ｉｆまで減少させる例を示したが、２段階で減少させてもよく、４段階以上としてもよい。

また、図５に示すように、設定電流値Ｉｓ（充電電流）を増大させる段階を設けない構成としてもよい。

即ち、本発明の一局面に従う充電制御回路は、二次電池を充電する充電部の動作を制御する充電制御部と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、前記充電制御部は、前記充電部から所定の設定電流値を有する充電電流を前記二次電池へ供給させて前記充電部に定電流充電を実行させると共に前記定電流充電の実行中に前記電圧検出部によって検出された端子電圧が所定の閾値電圧値と等しくなった場合、前記電流検出部によって検出された電流値が所定の閾値電流値と等しくなるまで前記充電部から前記閾値電圧値を有する充電電圧を前記二次電池へ供給させることにより前記充電部に定電圧充電を実行させる定電流定電圧充電を、複数回繰り返し、かつ前記定電流定電圧充電が繰り返される都度、前記閾値電圧値を増大させ前記設定電流値及び前記閾値電流値を減少させる。

この構成によれば、充電制御部によって、設定電流値による定電流充電が実行される。そして、二次電池の端子電圧が閾値電圧値まで上昇すると、充電制御部によって、二次電池に流れる電流値が閾値電流値に減少するまで充電電圧を閾値電圧値とする定電圧充電が実行される。そして、充電制御部によって、この定電流充電と定電圧充電とを１セットとした定電流定電圧充電が、閾値電圧値を二次電池の満充電電圧まで段階的に増大させ、設定電流値及び閾値電流値を段階的に減少させつつ複数回繰り返される。

これにより、定電流充電が、充電電流を段階的に減少しつつ繰り返し実行されるので、背景技術に係る多段定電流充電と同様、二次電池の劣化を低減できる。また、パルス充電方式のように、満充電電圧を超える電圧を意図的に二次電池に印加することがないので、パルス充電方式よりも二次電池の劣化を低減することができる。さらに、定電流充電の次に定電圧充電が実行され、当該定電圧充電が実行される期間においては、充電電流が徐々に減少するから、定電流充電の次に一度に１段階分充電電流を減少させる従来の多段定電流充電より、充電量が増大する結果、背景技術に係る多段定電流充電方式よりも充電時間を短縮することが容易となる。

また、前記充電制御部は、前記定電流定電圧充電において用いられた閾値電流値を、その次に繰り返される定電流定電圧充電における前記設定電流値として用いることが好ましい。特に前記充電制御部は、前記二次電池への充電電流を段階的に減らしていく必要がある電池電圧の領域において、前記定電流定電圧充電における閾値電流値を、その次に繰り返される定電流定電圧充電における前記設定電流値として用いることが好ましい。

この構成によれば、前の段階の定電流定電圧充電における定電圧充電の最後に二次電池に流れていた電流が、次の段階の定電流定電圧充電における定電流充電の充電電流となるので、各段階の定電流定電圧充電間の移行時における充電電流が、連続してなめらかに変化する結果、二次電池に与えるストレスを低減することができる。

また、前記充電制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された判定電圧に満たない場合において開始された定電流定電圧充電の次に繰り返される定電流定電圧充電において、その直前の定電流定電圧充電よりも、前記設定電流値、前記閾値電圧値、及び前記閾値電流値を増大させることが好ましい。

この構成によれば、二次電池の端子電圧が判定電圧に満たない場合において開始された定電流定電圧充電の次に繰り返される定電流定電圧充電においては、その前の定電流定電圧充電よりも、設定電流値、閾値電圧値、及び閾値電流値が増大される。すなわち、二次電池の端子電圧が判定電圧に満たない場合において開始された定電流定電圧充電においては、その後に実行される定電流定電圧充電よりも、設定電流値、閾値電圧値、及び閾値電流値が小さな値に設定される。

ここで、二次電池の端子電圧にかかわらず、設定電流値及び閾値電流値を段階的に減少させた場合には、充電を開始した直後の設定電流値、すなわち充電電流値が最も大きな電流値になる。そのため、もしも二次電池が内部短絡を生じていると、充電開始直後に最も大きな充電電流値が内部短絡を生じている二次電池に供給されることとなり、充電制御回路の故障や損傷を招くおそれがある。

しかしながら、二次電池に内部短絡が生じていた場合、二次電池の端子電圧は低下し、判定電圧に満たなくなると考えられるので、二次電池の端子電圧が判定電圧に満たない場合において開始された定電流定電圧充電においては、その後に実行される定電流定電圧充電よりも、設定電流値、閾値電圧値、及び閾値電流値を小さな値に設定することで、内部短絡を生じているおそれのある二次電池に供給される充電電流値を減少させることができる結果、充電制御回路の故障や損傷を招くおそれを低減することができる。

また、前記充電制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記判定電圧を超える場合において開始された定電流定電圧充電において用いられた前記閾値電流値を、その次に繰り返される定電流定電圧充電における前記設定電流値として用いることが好ましい。

この構成によれば、二次電池の端子電圧が判定電圧を超え、内部短絡が生じていないと考えられる場合に開始された定電流定電圧充電における定電圧充電の最後に二次電池に流れていた電流が、次の段階の定電流定電圧充電における定電流充電の充電電流となるので、各段階の定電流定電圧充電間の移行時における充電電流が、連続してなめらかに変化する結果、二次電池に与えるストレスを低減することができる。

また、前記各定電流定電圧充電において用いられる前記設定電流値、前記閾値電圧値、及び前記閾値電流値を、前記端子電圧と対応付けて予め記憶する記憶部をさらに備え、前記充電制御部は、前記各定電流定電圧充電を開始する際に前記電圧検出部によって検出された端子電圧と対応付けて前記記憶部に記憶されている設定電流値、及び閾値電圧値を、前記各定電流定電圧充電において用いることが好ましい。

この構成によれば、記憶部によって、複数回の定電流定電圧充電において用いられる複数の設定電流値、及び閾値電圧値が、二次電池の端子電圧と対応付けて予め記憶されている。そして、充電制御部は、定電流定電圧充電を開始する際に、電圧検出部によって検出される端子電圧と対応付けて記憶部に記憶されている設定電流値、及び閾値電圧値を、当該開始された定電流定電圧充電において用いる。この場合、設定電流値、及び閾値電圧値の増減を、一定値の加算、減算といった算出演算で行うのではなく、予め例えば実験的に、二次電池の端子電圧に応じて良好な充電が実行可能な設定電流値と閾値電圧値（充電電圧）との組み合わせを求めて記憶部に記憶させておくことができる。これにより、充電制御部は、記憶部に記憶されている設定電流値と閾値電圧値とを用いることで、二次電池の端子電圧に応じて、良好な充電を実行することが容易となる。

また、本発明の一局面に従う電池パックは、上述の充電制御回路と、前記二次電池と、を備える。

この構成によれば、電池パックにおいて、パルス充電方式よりも二次電池の劣化を低減し、背景技術に係る多段定電流充電方式よりも充電時間を短縮することが容易となる。

また、本発明の一局面に従う充電システムは、上述の充電制御回路と、前記二次電池と、前記充電部とを備える。

この構成によれば、充電システムにおいて、パルス充電方式よりも二次電池の劣化を低減し、背景技術に係る多段定電流充電方式よりも充電時間を短縮することが容易となる。

この出願は、２００９年１１月２０日に出願された日本国特許出願特願２００９−２６４７００号を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

なお、発明を実施するための形態の項においてなされた具体的な実施態様又は実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。

本発明に係る充電制御回路及びこれを備えた、電池パックと充電システムとは、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、太陽電池や発電装置と二次電池とを組み合わされた電源システム等、種々の電池搭載装置、システムにおいて、好適に利用することができる。

Claims (7)

1. 二次電池を充電する充電部の動作を制御する充電制御部と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、
   前記充電制御部は、
   前記充電部から所定の設定電流値を有する充電電流を前記二次電池へ供給させて前記充電部に定電流充電を実行させると共に前記定電流充電の実行中に前記電圧検出部によって検出された端子電圧が所定の閾値電圧値と等しくなった場合、前記電流検出部によって検出された電流値が所定の閾値電流値と等しくなるまで前記充電部から前記閾値電圧値を有する充電電圧を前記二次電池へ供給させることにより前記充電部に定電圧充電を実行させる定電流定電圧充電を、複数回繰り返し、かつ前記定電流定電圧充電が繰り返される都度、前記閾値電圧値を増大させ前記設定電流値及び前記閾値電流値を減少させる充電制御回路。
2. 前記充電制御部は、
   前記定電流定電圧充電において用いられた前記閾値電流値を、その次に繰り返される定電流定電圧充電における前記設定電流値として用いる請求項１記載の充電制御回路。
3. 前記充電制御部は、
   前記電圧検出部によって検出された端子電圧が、予め設定された判定電圧に満たない場合において開始された定電流定電圧充電の次に繰り返される定電流定電圧充電において、その直前の定電流定電圧充電よりも、前記設定電流値、前記閾値電圧値、及び前記閾値電流値を増大させる請求項１記載の充電制御回路。
4. 前記充電制御部は、
   前記電圧検出部によって検出された端子電圧が、前記判定電圧を超えた場合において開始された定電流定電圧充電において用いられた前記閾値電流値を、その次に繰り返される定電流定電圧充電における前記設定電流値として用いる請求項３記載の充電制御回路。
5. 前記各定電流定電圧充電において用いられる前記設定電流値、前記閾値電圧値、及び前記閾値電流値を、前記端子電圧と対応付けて予め記憶する記憶部をさらに備え、
   前記充電制御部は、
   前記各定電流定電圧充電を開始する際に前記電圧検出部によって検出された端子電圧と対応付けて前記記憶部に記憶されている設定電流値、及び閾値電圧値を、前記各定電流定電圧充電において用いる請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電制御回路。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電制御回路と、
   前記二次電池とを備える電池パック。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電制御回路と、
   前記二次電池と、
   前記充電部とを備える充電システム。

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