JP4796784B2 - ２次電池の充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池の充電方法に関する。

２次電池パックは、ノート型パソコン、ビデオカメラ等の携帯機器用に好適な携帯電源であり、携帯機器の付属品として販売されたり、メーカー推奨品として型式等が指定されている。現在のところ、２次電池パックは、充放電回数が増加、もしくは放置される事によって劣化する為、携帯機器等の付属品や推奨品としての二次電池パックは、製品寿命を考慮して電池容量を選定するために、製品出荷時の二次電池パックの電池容量は充分余裕を持つ場合が多い。また、２次電池パックは、使用開始時の充放電回数が少ない段階で、放電容量が急速に減少し、設計容量付近でいったん落着く現象が見られる。

従来の２次電池パックの充電方法としては、リチウムイオン２次電池の場合には、初期には定電流で充電し、電圧が上昇したら定格電圧による定電圧の充電に切替え、充電電流が低下したら充電が完了したとして終了させる充電方法が一般的である。この充電の際には、電圧、電流の測定と、正規の充電電圧、充電電流にて充電するためのＣＣ／ＣＶ（定電流／定電圧）制御、及び電流が収束したことにより満充電を検知し充電を終了させる充電制御を行なっている。

例えば、特許文献１の２次電池パックは、図２に示すような構成であり、２次電池パック１０は、電池素子１と保護機能制御部８と充放電制御スイッチ３と充電電流制御部９を備えている。保護機能制御部８で電池素子１の端子電圧を監視し、充電電流制御部９で充電電流を監視し、充電時にはそれぞれの設定値で制御を行い、充電完了の際は充放電制御スイッチ３を開放し過充電を避けている。

また、充電時の電圧、電流の測定値のみでなく、電池内の電気量に基づき充電制御を行う方法も提案されている。例えば、特許文献２には、充電時間を短縮するために、電池内電気量検出部と電池内電気量演算部、充電量演算部を備え、電池内の電気量に基づき充電電圧、充電電流、及び充電完了を制御して充電する充電装置が提案されている。

さらに、特許文献３には、リチウムイオン二次電池において、正極から正極物質が溶出することを防止し、サイクル特性の劣化を防ぐために、充電電圧を定格電圧（４．２Ｖの時）より低い電圧の範囲（４．０〜４．１５Ｖ）に制御して充電する充電方法が提案されている。

特開２００２−１５２９８２号公報 特開２００２−１３５９９０号公報 特開２００３−７３４９号公報

従来より、２次電池は充放電や放置により劣化するため、劣化を防止するような充電方法が考慮されている。例えば、特許文献１では、保護機能制御部８に過充電検知機能を有しており、特許文献２では、充電時の急速充電を充電初期の電池容量１／２迄に制限しており、特許文献３では、充電電圧を定格電圧より低く抑えている。

しかしながら、上記の従来技術においては、基本的に２次電池を満充電して使用することを前提にしており、充電時の電圧や電流の制御を工夫しても、満充電での充放電を行うことにより電池の劣化が促進される。また、単純に満充電を行わないというのでは、電池容量を有効に活用できず、過大な容量の２次電池パックが必要になるという問題がある。

従って、本発明の解決すべき課題は、２次電池パックの充電による劣化を抑制し、２次電池パック寿命を改善すると共に、過大な容量の２次電池パックとならないような２次電池パックの充電方法を提供することである。

本発明によれば、２次電池パックの電池容量が携帯機器等の仕様等により予め定められた必要容量に対し大きい場合、必要容量のみ充電し、電池を満充電させないことにより、劣化を抑えることを特徴とする２次電池パックが得られる。

また、本発明によれば、上記２次電池パックにおいて、必要容量を充電した時点で充電を停止させる為に、充電時の電流積算量により判断することを特徴とする２次電池パックが得られる。

また本発明によれば、上記２次電池パックにおいて、必要容量を充電した時点で充電を停止させる為に、充電の終期の充電を停止する前には所定電圧で定電圧充電を行い、前記定電圧充電時の充電電流の低下よリ判断して充電を停止することを特徴とする２次電池パックが得られる。

また、本発明によれば、上記２次電池パックの電池容量が、充放電のサイクル数が増える等により劣化し電池容量が少なくなり必要容量と同程度以下となった場合に充電条件を変更し、満充電まで充電し、必要量を確保することを特徴とする２次電池パックが得られる。

また、本発明によれば、２次電池パックにおいて、予め定められた必要容量を充電した時点で充電を停止させる為に、充電器の充電電圧を制御する機能を２次電池パックに持たせ、電圧を変化させ、定電圧充電時の充電電流の低下を検知して充電を停止することを特徴とする電池パックが得られる。

２次電池パックにおいて、電池の初期容量が、機器の必要容量に比べて大きい場合、必要量のみ充電し、２次電池パックを満充電状態にしないことにより、２次電池パックの充電による劣化を抑制し、２次電池パックの寿命を改善することができる。

また、使用サイクルが増えて、電池容量が小さくなった場合でも、電池容量が機器の必要容量に比べて小さくなるまでは、電池の充電条件を変えずに２次電池パックを使用でき、それ以降は満充電迄充電するようにして２次電池パックを使用するので、２次電池パックの容量を有効に使用することが可能である。

本発明は、２次電池パックにおいて、電池の初期容量が、携帯機器等の必要容量に比べ大きい場合に、充電方法を制御することにより、２次電池パックの寿命を改善することを目的とした２次電池パックである。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の２次電池パックの一例を示すブロック図である。本発明の２次電池パック１０は、電池素子と必要な保護回路７と電池の充電量（もしくは残存容量）を管理するための制御ユニット２と、充電量（もしくは残存容量）を算出するための電圧、電流を測定するための電圧測定素子４と電流測定素子５と残量データ等を記録するための記録部品６および、充電を停止させるための充放電制御スイッチ３を備えている。この充放電制御スイッチ３は制御ユニット２から制御が可能なように構成されている。また、充電器と通信するための信号線１１を備えており、充電器との通信や、充電器への充電電圧の指定等を行うことができるように構成されている。

制御ユニット２では、電池の電圧、電流の測定値より充電量を算出し、放電可能な容量を記録し、電池の充放電のサイクル回数等の使用履歴も管理する。充放電のサイクル数の少ない間は、２次電池パック１０の電池容量が携帯機器等の必要容量に比べて大きいため、充電により２次電池パック１０の充電容量が予め設定された携帯機器等の必要容量に達した段階で制御ユニット２からの信号で充放電制御スイッチ３が開放され、充電が停止される。この場合は、電池容量が必要容量よりも大きいため、電池を満充電させることはない。

２次電池パックの充電量は電池の充放電特性が分かっているため、充電電圧、電流の測定値より演算で求めることができるので、これを利用して予め設定された携帯機器等の必要容量に達したことで充電完了と判断して充電停止することができる。また、所定の充電電圧、所定の電流に達したことを以て充電完了と判断して充電を停止しても良い。

２次電池パックの充放電特性は使用履歴により変化するため、前述の制御ユニットで管理している充放電サイクル等の使用履歴を加味して、上記の充電容量の演算や、所定電圧、電流の条件変更を行うことにより、充電完了の判断を精度良く行うことが可能となる。

また、充電量を充電電圧と充電電流から演算する替わりに、実際の充電電流と充電時間から積算して求めても良く、併用してもかまわない。また、併用することで、２次電池の劣化の状態もある程度、推定可能となることから、充電完了の判断を精度良く行うことが可能となる。なお、充電時に満充電状態になった場合は過充電を行わない様に、必要充電量に達しなくても、当然ながら充電完了として充電を停止する。特に充電電流の積算値のみから判断する場合は、充電電圧、電流を監視し、満充電状態を検知することが必要である。

充電条件は、従来の２次電池パックの場合と同様な正規の充電電圧、電流にてＣＣ／ＣＶ（定電流／定電圧）制御で充電を行えば良い。また、特許文献２のような急速充電を採用しても良い。

また、使用履歴、電池の劣化の状態によって、充電条件と、充電完了の判断条件を変更しても良い。例えば、充電最終段階の定電圧充電時の電圧を充放電サイクルの回数が少ないときや劣化が小さいときには、低い電圧で充電を行って充電電流の低下を検知して充電完了と判断して充電を停止し、満充電よりも充電量を低く抑え、充放電サイクルの回数が多くなったときや劣化が進行したときには定格電流に近い高い電圧で充電を行って充電電流の低下を検知して充電完了と判断して充電を停止し、満充電に近い充電量とする。劣化していない場合には、電池容量が大きいので満充電より充電量を低く抑えても必要容量が確保される。劣化により電池容量が小さくなれば、満充電に近い充電量として必要容量を確保する。

図３は、本発明の充放電サイクル等の使用履歴により、充電条件を変更するフロー図である。ある程度使用して、電池容量が携帯機器等で予め決められた必要容量に対してさほど余裕がなくなった場合は、前述のような必要容量だけの充電を行うことを止めて、満充電迄、充電を行い、充電量を確保する方法を示している。このフローは、非常に単純な例を示したもので、使用履歴により多段に分岐させるような複雑なフローを採用してもかまわない。

なお、図１の２次電池パックのブロック図では、２次電池パック中に、充電電源以外の充電制御機器や回路がすべて納まっているように記載しているが、本発明の主体は２次電池パックの充電方法にあるので、図１のように充電電源以外の機器や回路等を備えていれば、簡易な充電器で充電できるメリットがあるが、２次電池パックとしては基本的に電池素子、保護回路、充放電制御スイッチを備えていれば良い。

例えば、充電条件の切替（充電量を低く抑えるか、満充電か等）や充電条件の設定（充電電圧や電流）は２次電池パックより指示、もしくは２次電池パックとの通信等により充電器自身が判断して充電器が行ってもかまわない。

上述で説明したように、２次電池パックにて、電池容量が携帯機器等で予め決められた必要容量に対して余裕がある場合に、必要な充電量を確保し、満充電に至らない条件にて充電して充放電を繰り返した場合、規定の満充電条件にて充放電を繰り返した場合と比べて容量劣化が少なくなる。

本発明では、電池容量が必要容量以上の間は必要容量までの充電を行い、必要容量以下では満充電までの充電を行う本発明の充電方法と、比較のため満充電を行う従来の充電方法で充電放電を繰り返して２次電池パックの寿命を比較した一例を示す。比較は、２次電池の定格容量：２Ａｈ、必要容量を定格容量の９０％と設定した条件で行った。３００サイクルの充放電を行った時点で従来の充電方法の満充電容量が必要容量の１．８Ａｈに達し、５００サイクルの充放電時点で、本発明の充電方法では１．８Ａｈを保っているのに対し、従来の充電方法では、満充電容量が１．７Ａｈとなった。従って、２次電池パックの満充電容量が定格容量の９０％となる充放電回数で比較すると、従来の充電方法が３００サイクルに対し、本発明の充電方法が５００サイクル以上と改善され、電池の総放電量を考慮しても、本発明により６０％以上改善することができることがわかった。

本発明の２次電池パックの一例を示すブロック図 従来の２次電池パックの構成図 本発明の充放電サイクル等の使用履歴により、充電条件を変更するフロー図。

符号の説明

１ 電池素子
２ 制御ユニット
３ 充放電制御スイッチ
４ 電圧測定素子
５ 電流測定素子
６ 記録部品
７ 保護回路
８ 保護機能制御部
９ 充電電流制御部
１０ ２次電池パック
１１ 信号線

Claims (5)

1. ２次電池の電池容量が、予め定められた必要容量に所定の値を加算した値に対して大きい場合、前記必要容量を充電した時点で充電を停止させ前記２次電池を満充電させず、
   前記電池容量が、前記必要容量に前記所定の値を加算した値以下となった場合、前記２次電池を満充電させる２次電池の充電方法。
2. ２次電池の電池容量が、予め定められた必要容量に対し大きい場合、前記必要容量を充電した時点で充電を停止させ前記２次電池を満充電させず、
   前記電池容量が、前記予め定められた必要容量以下となった場合、前記２次電池を満充電させる２次電池の充電方法。
3. 前記必要容量を充電した時点を充電時の電流積算量により判断して充電を停止させることを特徴とする請求項１または２に記載の２次電池の充電方法。
4. 前記充電を停止させる前に所定電圧で定電圧充電を行い、前記定電圧充電時の充電電流の低下により、前記必要容量を充電した時点を判断して充電を停止させる請求項１または２に記載の２次電池の充電方法。
5. 前記２次電池を満充電させないときに充電用に使用する電圧値を、前記２次電池を満充電させるときに充電用に使用する電圧値よりも小さくする請求項１乃至４のいずれか一に記載の２次電池の充電方法。

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