JP4798534B2 - リチウムイオン電池の充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン電池の充電方法に関するものであり、特に、偶発故障が重なった場合に起こり得るリチウムイオン電池の発煙、発火を確実に防止することができるリチウムイオン電池の充電方法に関するものである。

近年、二次電池を組み込んだ種々の電源装置が多方面で利用されている。これらの電源装置は、瞬時停電時の瞬断防止用あるいは短時間の停電時のバックアップ用として利用されているものもあれば、無停電電源装置として数時間程度の停電時に利用されるものもある。

無停電電源装置に組み入れられる二次電池としては、鉛電池を使用するのが一般的であるが、近年この鉛電池に代えて、複数のセルを直列および／または並列に接続したリチウムイオン電池が注目されている。

リチウムイオン電池は、鉛電池に比べて軽量、薄型で、高電力密度を有するという特徴を有している。例えば、リチウムイオン電池の単セル当たりの充電電圧は約４Ｖであり、鉛電池の約２倍である。つまり、リチウムイオン電池は鉛電池の半分の直列接続数で同一の充電電圧を取り出せるという利点を有している。また、リチウムイオン電池は、鉛電池に比べて、同一の容量および充電電圧を得るのに、小形かつ軽量に二次電池を構成できるという利点も兼ね備えている。

ところで、リチウムイオン電池は、鉛電池や、その他のＮｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−ＭＨ電池などと比較して、その取り扱いがセンシティブであった。特に、高温状態下で充放電される場合には、寿命が短くなり、過充電時における最悪の場合には発煙または発火に至るといった危険性があった。

そこで、上述のようなセンシティブなリチウムイオン電池の充電に関する従来技術として、例えば複数の電池セルが直列接続された構成のリチウムイオン電池において、各電池セルの電池電圧を監視し、何れかの電池セルの電圧が上限値に達したときには、上限値に達した電池セルをバイパスして他の電池セルに充電電流を流して、全ての電池セルを満充電させるような充電を行う充電装置が開示されている（例えば、特許文献１）。
特許第２９９５１４２号公報

しかしながら、上記特許文献１を含む従来の充電装置や、この種の充電装置を含む従来の電源装置では、検出手段などの出力情報である電池セルの端子電圧あるいは充電回路の出力電圧もしくは出力電流などに基づいた充放電制御が行われ、また、例えば充電回路の異常時には保護回路を作動させるような制御が行われていた。したがって、検出手段の機能や保護回路の機能が停止した場合には、リチウムイオン電池に対する充放電制御が適正に行われずリチウムイオン電池の性能や寿命が低下するなどの問題点が懸念されていた。また、偶発故障が重なるような最悪の場合（いわゆるワースト−ワースト状態）には、発煙または発火に至る危険性があることも問題視されていた。

また、リチウムイオン電池の場合、通常、１セルあたり４．１Ｖまたは４．２Ｖの電圧を引加して充電することが行われる。したがって、複数の電池セルが直列に接続された複数直列接続のリチウムイオン電池を充電する場合には、リチウムイオン電池全体に、（１セルあたりの充電電圧）×（直列接続数）の電圧が引加されることになる。

一方、リチウムイオン電池を高温下で継続的に充電制御するような場合には、正極と負極とを分離しているセパレータが伸びて穴があき、負極に付着して金属化したリチウムがセパレータを通過して正極側に伸び、正極側と負極側とが短絡するおそれがあった。最悪の場合、複数直列接続のリチウムイオン電池の中で一つの電池セルを残した全ての電池セルが短絡するような状況が生起する可能性があった。このような最悪の状況を考慮した場合、一つの電池セルに全ての電池セルを充電するための端子電圧が引加されることで、発煙または発火に至る蓋然性が高くなると云った問題点があった。

他方、製造サイドでは、発煙または発火に至るような最悪の状況を考慮し、保護回路の機能を強化し、保護回路の機能が喪失した場合でも安全サイドに傾くようなフェールセーフ化の設計を行うのが一般的であるが、偶発故障が重なったような場合には、フェールセーフ機能が働かないまま充電制御が行われる結果、リチウムイオン電池の温度が上昇して、発煙または発火に至ると云った危険性を含んでいることも否定できなかった。

また、最悪の状態に備えて完璧な安全対策を目指すことも考えられるが、装置コストの急激な上昇は避けられず、実行可能性に乏しいといった問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、製造コストの増加を抑制し、偶発故障が重なった場合であっても、リチウムイオン電池の発煙、発火を確実に防止することができるリチウムイオン電池の充電方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法にあっては、リチウムイオン電池に対する充電電流を常時、所定の電流値以下の電流に制限することを特徴とする。

この発明によれば、リチウムイオン電池が、常時、所定の電流値以下の電流で充電されるので、リチウムイオン電池の発煙・発火の原因となる温度上昇が起こらず、偶発故障が重なった場合のリチウムイオン電池の発煙または発火事象が確実に防止される。

また、前記リチウムイオン電池は、電極間に設けたセパレータを介してリチウムイオンが行き来し、温度が上昇するに従って、前記セパレータの穴が塞がってインピーダンスが増加し、前記セパレータが破断するまでインピーダンスが一定値になり、前記セパレータが破断するとインピーダンスが下降傾向に転じる特性を有するものであり、前記リチウムイオン電池のインピーダンスが前記一定値から前記下降傾向に転じる温度をインピーダンス下降点温度とするとき、前記所定の電流値は、該所定の電流値に基づく電流を前記リチウムイオン電池に供給したときに該リチウムイオン電池の温度が前記インピーダンス下降点温度以上に達しないような値に設定されていることを特徴とする。

本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法によれば、リチウムイオン電池に対する充電電流を常時、所定の電流値以下の電流に制限するようにしているので、偶発故障が重なった場合であっても、リチウムイオン電池の温度がインピーダンス下降点温度以上に上昇し、リチウムイオン電池のインピーダンスが下降することにより充電電流が増加することを防ぎ、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止することができるという効果を奏する。

以下に、本発明のリチウムイオン電池の充電方法にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、以下に詳述する実施の形態により本発明が限定されるものではない。なお、本願発明の特徴は下記に示す動作の中のリチウムイオン電池に対する充電方法にあり、以下、その内容について説明する。

まず、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法を説明するにあたり、このリチウムイオン電池が組み込まれた電源装置を一例として説明する。なお、図１は、リチウムイオン電池を備えた電源装置（交流ＵＰＳ）の一般的構成を示すブロック図である。

図１に示す電源装置１は、整流器１４、インバータ１５、リチウムイオン電池２１、充電制御回路２２、制御部２５の各構成部を備えており、これらの各構成部と切換スイッチ２７および／または直流切換スイッチ２８の作用によって、交流電源１１の交流出力あるいはリチウムイオン電池２１の直流出力に基づくインバータ１５の交流出力を負荷に供給するものである。

つぎに、電源装置１を構成する各構成部の接続関係について説明する。図１において、例えばＡＣ１００Ｖを出力する交流電源１１からの交流入力を直接負荷に供給するためのバイパスライン１３が、交流電源１１と負荷への給電を切換えるための切換スイッチ２７の一つの入力端子との間に設けられている。また、このバイパスライン１３とは異なり、安定化した交流入力を負荷に供給するために、交流電源１１からの交流入力を整流して直流出力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器としての整流器１４と、整流器１４もしくは停電バックアップ用の電源であるリチウムイオン電池２１からの直流出力を交流出力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器としてのインバータ１５と、による直列接続構成部が、交流電源１１と切換スイッチ２７の他の入力端子との間に挿入されている。この構成により、切換スイッチ２７の接点が一方の入力端子に接続されると、交流電源１１からの交流入力が、そのまま切換スイッチ２７を通して負荷に伝送される。一方、切換スイッチ２７の接点が他方の入力端子に接続されると、インバータ１５からの直流出力が切換スイッチ２７を通して負荷に伝送される。

また、図１において、リチウムイオン電池２１を充電するための機器（構成部）であり、整流器１４からの直流出力に基づいてリチウムイオン電池２１を充電制御する充電制御回路２２が、交流電源１１とリチウムイオン電池２１との間に接続されている。さらに、整流器１４からインバータ１５に至る直流出力ライン１７と、充電制御回路２２からリチウムイオン電池２１に至る直流出力ライン２３との間には、交流出力電圧の正常時または停電時において接点が切換わる直流切換スイッチ２８が接続されている。

また、制御部２５は、電源主回路１０を構成する切換スイッチ２７、整流器１４、インバータ１５、充電制御回路２２、直流切換スイッチ２８のそれぞれの動作を監視または制御するための構成部であり、制御部２５の制御出力は、インバータ１５、充電制御回路２２、切換スイッチ２７および直流切換スイッチ２８の各構成部に出力される。

つぎに、図１に示した電源装置の動作について説明する。なお、以下に示す全体の制御は、制御部２５の出力に基づいて行われる。同図において、交流電源１１からの交流入力が通常の電圧レベルの場合、例えば直流切換スイッチ２８がオフに切換制御され、交流入力がそのまま負荷に供給される。その一方で、例えば安定化された電源出力を供給するような場合、図１の実線矢印で示すように、交流入力に基づいた整流器１４の直流出力がインバータ１５に供給され、例えば直流切換スイッチ２８がオンに切換制御され、インバータ１５で変換された所望の交流出力（例えばＡＣ１００Ｖ）が負荷に供給される。また、それと共に、リチウムイオン電池２１は、整流器１４からの直流出力が入力された充電制御回路２２の制御によって所望の容量となるまで充電される。

他方、交流入力が、例えば停電などで所定の電圧レベルが低下したような場合、例えば切換スイッチ２７および直流切換スイッチ２８がオンに切換制御され、図１の点線矢印で示すように、リチウムイオン電池２１からの直流出力がインバータ１５に供給され、インバータ１５で変換された所望の交流出力（例えばＡＣ１００Ｖ）が負荷に供給される。

つぎに、図１および図２を用いてリチウムイオン電池の一般的な充電方法について説明する。ここで、図２は、一般的なリチウムイオン電池の充電方法を示す図である。同図に示すグラフは、充電時間に対するリチウムイオン電池２１の充電電圧とリチウムイオン電池２１に印加される充電電流とを示すものである。

図２に示すように、リチウムイオン電池２１に対する充電は、定電流充電期間と定電圧充電期間とに分けられる。定電流充電期間では、リチウムイオン電池２１に対して例えば３．５Ａ（１ＣＡ）の電流が充電制御回路２２から供給される。一方、定電圧充電期間では、リチウムイオン電池２１に対して例えば１セルあたり４．１Ｖの一定電圧が印加される。

ここで、定電圧充電区間における一定電圧値である４．１Ｖは、１セルあたりの推奨充電電圧と呼ばれる電圧値であり、定電圧充電に切り替えるときの電池セルの電池電圧を示している。

また、上記の記載において、「１Ｃ」の「Ｃ」とは、「Ｃａｐａｃｉｔｙ」の頭文字をとったものであり電池容量の単位を示している。ここで、「Ｃ］の定義としては、「１時間率」、「５時間率」、あるいは「２０時間率」などが一般的なものとして用いられるが、リチウムイオン電池の場合には、「５時間率」で定義することが一般的であるため、本明細書では「５時間率」を用いることにする。例えば、０．７Ａの定電流で５時間放電させたときに放電終止電圧に達した場合であれば、０．７Ａ×５ｈ＝３．５Ａｈが５時間率の電池容量として定義され、このときの電流値、すなわち「３．５Ａ」の電流が「１ＣＡ」と表記される。

つぎに、リチウムイオン電池２１を充電する際の一連の動作について説明する。なお、リチウムイオン電池２１を放電終止電圧まで使用すると、電池電圧が、例えば２．５Ｖ／セルとなる。したがって、充電の開始は、リチウムイオン電池２１の電池電圧が２．５Ｖ／セルになった状態から開始されるものとして説明する。

図２において、充電制御回路２２の制御によって電池電圧が２．５Ｖ／セルのところから定電流充電（例えば１Ｃ充電）が開始される。そうすると、徐々にリチウムイオン電池２１の電池電圧が上昇していく。その後、リチウムイオン電池２１の電池電圧が推奨充電電圧（例えば４．１Ｖ）になったところから定電圧制御に切り替える。この定電圧制御によって、リチウムイオン電池２１の電池電圧の上昇が抑制される。この定電圧充電区間では、リチウムイオン電池２１の充電電流は急激に減少していく。そして、最終的に充電電流が所定の電流以下（例えば５０ｍＡ以下）になったところで充電を終了させる。

なお、上記の例では、リチウムイオン電池に対して、１ＣＡの充電電流で充電する場合を例にとり説明したが、１ＣＡの充電電流に限定されるものではなく、例えば０．４Ａ（０．１１ＣＡ）の充電電流で徐々に充電することも可能である。

ところで、リチウムイオン電池に対する図２に示すような充電方法、すなわち、充電制御回路の機能に基づいて定電流充電後に定電圧充電を行うような充電方法は、単にリチウムイオン電池の充電効率を上げようとして定電流制御のみで充電を行なう場合に比べて、リチウムイオン電池の電池特性の劣化を抑止することができ、信頼性の高い充電を行なうことができるという利点を有している。しかしながら、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止するという観点に鑑みると大きな問題点を有している。なお、その詳細については後述する。

一方、図３は、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法を示す図である。同図に示すグラフは、図２と同様に充電時間に対するリチウムイオン電池２１の充電電圧とリチウムイオン電池２１に印加する充電電流とを示すものである。

図３において、例えば３．５Ａｈの容量値を有するリチウムイオン電池に対し、充電制御回路２２によって電池電圧が２．５Ｖ／セルのところから所定の電流（例えば、０．４Ａ（０．１１ＣＡ））を上限とし、当該所定の電流に基づく充電が行われる。すなわち、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法では、図２に示したリチウムイオン電池に対する一般的な充電方法と比較して、リチウムイオン電池に流す電流の上限が所定の電流以下に設定されている。なお、図３では、充電の初期〜中期において、リチウムイオン電池２１に流す充電電流を略一定として示しているが、必ずしも略一定で推移させる必要はない。すなわち、リチウムイオン電池２１に流す充電電流は、図２に示すような定電流である必要はなく、所定の電流以下に制限されていればよい。

また、充電の中期〜終期において、図２に示した従来技術にかかるリチウムイオン電池の充電方法のような定電圧制御を行う（定電圧制御に切り替える）必要はない。

一方、充電終了の判定は、図２に示す手法と同様であり、充電電流が所定の電流以下（例えば５０ｍＡ以下）になったところで充電を終了させればよい。なお、充電の中期〜終期において、図３に示すように充電電流が自然に減少していくので、従来技術のような定電圧制御（図２参照）を行う必要はない。その理由は、電源装置の充電機能が正常に機能しているときでは、リチウムイオン電池の電池電圧の上昇に従って充電電流が自然に減少するからであり、一方、電源装置の充電機能が故障してリチウムイオン電池に過大な電圧が印加されるような状況が生起した場合であれば、リチウムイオン電池が発煙または発火する以前に、リチウムイオン電池自身のインピーダンスが上昇し、リチウムイオン電池に流れる電流が制限されるからである。

このように、本発明にかかる充電方法は、電源装置の充電機能が正常であるか故障であるかに関わらず、リチウムイオン電池に流れる電流が自動的に制限されて行くという特性を利用することで、リチウムイオン電池２１自身の発熱による温度上昇が抑制され、偶発故障が重なった最悪の状況下であっても、リチウムイオン電池２１の温度上昇に起因する発煙または発火を防止することができる。

図４−１は、図１に示した電源回路から充電制御機能を抽出した機能ブロック図である。同図において、電力変換部４１は、図１の構成で云えば整流器１４に相当する機能部である。電力変換部４１内の保護機能部４１ａは、過電流が流れたときに回路を遮断する例えばブレーカやヒューズなどの過電流保護のための機能部である。また、充電制御部４２は、図１の構成で云えば充電制御回路２２および制御部２５に相当する機能部である。充電制御部４２内の保護機能部４２ａは、リチウムイオン電池４３に過電圧が印加されないようにする過電圧保護のための機能部である。

一方、図４−２は、図４−１の機能ブロック図において保護機能部の機能が失われた場合の充電制御機能を示す機能ブロック図である。図４−２に示す機能ブロックは、上述したような偶発故障が重なってフェールセーフ機能が働かないまま充電制御が継続されるような場合を想定している。保護機能部４１ａの過電流保護機能は、例えば突入電流などの比較的大きな電流に対する回路保護を目的としている。したがって、極端な大電流が流れない限り動作しない。一方、リチウムイオン電池４３の発煙または発火事象は、後述のように、主としてリチウムイオン電池４３自身の温度上昇に起因するものであり、保護機能部４１ａが正常に機能している範囲内においてもリチウムイオン電池４３の発煙または発火事象が生起し得る。

また、充電制御部４２の保護機能部４２ａが故障した場合、過電圧保護機能が停止する。この場合に、例えば充電制御部４２内に通常具備されるトランスに接続される二次側回路において、制御ループのバランスが崩れて個々の電池セルが接続されるトランスの二次側タップに電力変換部４１から出力される電圧のピーク電圧が発生するといった状況が想定される。図４−２に示す機能ブロック図は、このような偶発故障が重なった場合を想定しており、このような場合には、同図に示すように電力変換部４１の最大出力電圧がリチウムイオン電池４３に直接印加されることになる。

このような機能を実現するためには、例えば出力側から見た電力変換部４１自身のインピーダンスが、リチウムイオン電池の内部インピーダンスよりも大きな値に設定されるような回路構成が為されていればよい。また、偶発故障が重なって保護機能が全く機能しなくなった場合のみを想定するのであれば、図４−１における充電制御部４２の機能は不要であり、電力変換部４２の出力をダイレクトにリチウムイオン電池４３に出力してもよい。

図５は、リチウムイオン電池単セルの内部構造を示す模式的断面図である。同図に示す電池セル５０は、１直２並列に構成されたリチウムイオン電池であり、正極／セパレータ／負極の３層構造からなる。その内部には電解液５５が充填されるとともに、セパレータ５３で仕切られた電解液中に電極５１がそれぞれ設けられている。また、各電極５１は一つおきに接続され、それぞれが正極端子と負極端子とを形成している。

つぎにリチウムイオン電池の原理および動作について簡単に説明する。図５において、リチウムイオン電池の電極５１の材料として、正極には、例えば高電圧でサイクル特性に優れたマンガン酸リチウムが用いられ、負極には、例えば高容量で電圧平坦性に優れた結晶性の高い黒鉛系材料塗布されたものが用いられる。また、セパレータ５３には、例えばポリオレフィンの多孔膜が用いられ、電解液５５には、例えばＬｉイオンを含んだ有機電解液が用いられる。なお、リチウムイオン電池の動作はつぎのとおりである。まず、充電時には正極中のリチウムがイオンとなって溶け出し、セパレータ５３を通過して負極側に移動する。逆に、放電時にはリチウムイオンが正極側に移動する。このように、リチウムイオン電池は、正極と負極との間でセパレータ５３を介してリチウムイオンが行き来することにより電池として機能する。

図６は、図５に示した電池セル５０が発煙または発火を起こす場合の内部状態を示した模式的断面図である。同図において、まず、電池セル５０が後述する図７のＡ点（１２６℃）付近の温度状態下にあるときを考える。このとき、例えばポリオレフィンの多孔膜であるセパレータ５３が収縮して自身の穴を塞ぐように動作する。この状態は、リチウムイオンの流れが止まる方向に作用するので、電池動作としては安全サイドに移行する。しかしながら、電池セル５０の温度上昇が継続して後述する図７のＣ点（１６５℃）以上に達すると、セパレータ５３が膨張するとともに、流動変形を引き起こし、最終的には同図に示すように自身を破断させてしまう。すると、電極上に析出した金属の結晶が成長して破断した部分を介して、正負の電極間を短絡（ショート）させる。その結果、電池セル５０が熱暴走を起こして発煙または発火現象を引き起こすことにつながる。

上述した内容は、電池セル５０の内部状態に着目した場合の発煙または発火現象のメカニズムに関する説明であった。つぎに電池セル５０の電気的特性面から見た発煙または発火事象に至るまでの特性変化について説明する。

図７は、電池セル５０の温度に対するインピーダンス特性を示す図である。同図のＡ点（１２６℃）からＢ点（１４０℃）までの区間がセパレータ５３の熱収縮で自身の穴を塞ぐように動作する区間である。この区間では、リチウムイオンの流れが少なくなるのでインピーダンスは増加する。なお、このＡ点の前後では、同図に示すように、リチウムイオン電池のインピーダンスが略一定値から上昇傾向に転じるような特性を示している。

また、同図のＢ点（１４０℃）からＣ点（１６５℃）までの区間は、セパレータ５３の穴が塞がった状態から上述したようなセパレータ５３の一部が破断に至るまでの区間である。この区間では、リチウムイオンの流れの変化が小さいのでインピーダンスはほぼ一定である。

さらに、後述するインピーダンス下降点温度である同図のＣ点（１６５℃）からＤ点（１８０℃）までの区間は、セパレータ５３の一部が破断するとともに電極上に析出した金属の結晶が成長して正負の電極間が短絡に至るまでの区間である。この区間では、破断した部分を通してリチウムイオンの流れが増加するのでインピーダンスは減少する。

最後に、同図のＤ点（１８０℃)以降の区間は、セパレータ５３の正負の電極間が短絡状態にある区間である。この区間では、正負の電極間は短絡しているのでインピーダンスは小さくかつ一定の大きさとなる。

つぎに、図４−２に示すような保護機能が失われた状態において図２に示すような通常の充電手法を用いて充電を行った場合にリチウムイオン電池が発煙または発火に至る状況について図８を用いて説明する。なお、図８は、通常の充電手法を用いて充電を行った場合にリチウムイオン電池が発煙または発火に至る状況を説明するための図である。

図８において、曲線Ｋ１は充電時間に対するリチウムイオン電池の充電電圧を示し、曲線Ｋ２は保護機能喪失時の充電時間に対するリチウムイオン電池に印加される充電電流を示し、曲線Ｋ２'は正常時の充電時間に対するリチウムイオン電池に印加される充電電流を示し、曲線Ｋ３は充電時間に対するリチウムイオン電池の温度を示している。

図８において、正常時は、曲線Ｋ２'に示すようにリチウムイオン電池の温度が１２６℃未満の所定温度において定電流充電区間から定電圧充電区間に切り替わるような正常動作が行われてリチウムイオン電池に対する充電電流が減少するので、リチウムイオン電池の温度が１６５℃に達することがなく、発煙または発火に至る事象は生起しない。

一方、例えば保護機能喪失時では、例えば曲線Ｋ２に示すような過充電の状態が継続される結果、リチウムイオン電池の温度は、例えば曲線Ｋ３に示すように時間の経過と共に図７に示すＡ点（１２６℃）からインピーダンス下降点温度であるＣ点（１６５℃）までの間で直線的に上昇し、その後の急激な温度上昇（１７０℃以上）に伴って発煙または発火事象が引き起こされる。また、曲線Ｋ１に示すようにリチウムイオン電池の充電電圧は、Ａ点（１２６℃）までは直線的に上昇し、この温度から第２のインピーダンス下降点温度であるＣ点（１６５℃）までの間で急激に上昇するとともに、１７０℃付近で一気に低下する。なお、この１７０℃付近での急激な低下特性は、電池セルに電極間短絡が生じていることを示している。

図７に示すインピーダンス特性曲線や、図８に示す特性曲線などから以下に示す事項が明らかとなる。リチウムイオン電池は、電極５１間に設けたセパレータ５３を介してリチウムイオンが行き来し、温度が上昇するに従って、セパレータ５３の穴が塞がってインピーダンスが増加し、セパレータ５３が破断するまでインピーダンスが一定値になり、セパレータ５３が破断するとインピーダンスが下降傾向に転じる特性を有し、リチウムイオン電池のインピーダンスが前記一定値から前記下降傾向に転じる温度をインピーダンス下降点温度とするとき、リチウムイオン電池のインピーダンスは、インピーダンス下降点温度までは増加傾向にあるか、あるいは略一定値を有するので保護機能喪失時（例えば、偶発故障が重なって保護機能が全く機能しなくなった図４−２に示すような状態）であっても充電電流は減少する。一方、インピーダンス下降点温度以降の温度では、リチウムイオン電池のインピーダンスが下降傾向にあるので、保護機能喪失時では充電電流が増加する。したがって、リチウムイオン電池の温度が例えばインピーダンス下降点温度であるＣ点（１６５℃）を超えないように確実に制御することができれば、保護機能喪失時であっても、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止することができる。図３に示した、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法は、当該機能を実現するものである。すなわち、リチウムイオン電池に対して、例えば０．１１ＣＡ程度の低電流を印加した定電流充電を行うことで、リチウムイオン電池の温度を確実に臨界温度以下に保持させることができるので、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止することができる。

ところで、上記の説明の全体を通じて、リチウムイオン電池に供給する充電電流の設定値を０．１１ＣＡとして説明してきたが、この設定値は例えば実験値に基づいて決定してもよい。例えば、リチウムイオン電池に供給する充電電流をパラメータにとり、この充電電流をチウムイオン電池に流したときのリチウムイオン電池の温度を測定する。このようにして測定された特性曲線において、リチウムイオン電池に供給する充電電流がリチウムイオン電池に温度上昇を生じさせない値に設定されていればよい。

なお、図７に示すインピーダンス特性は、電池セル全体の構造や、電極やセパレータに用いられる材料、あるいは電解液などによっても異なるものと考えられる。したがって、インピーダンスが略一定値から下降傾向に転じるポイントであるインピーダンス下降点温度は、用いられる電池セルごとに測定することが好ましい。

図９は、複数の電池セルが直列に接続された複数直列接続のリチウムイオン電池を示す図である。同図に示すリチウムイオン電池６０は、複数の電池セル６１−１，６１−２，・・・，６１−ｎが直列に接続されている。リチウムイオン電池の場合、１セルあたり４．１Ｖ（または４．２Ｖ）の電圧を引加した充電が行われるので、例えば、複数の電池セル６１−１，６１−２，・・・，６１−ｎが直列に接続された図９の構成において、ｎ＝１５とすれば、リチウムイオン電池６０の正極と負極との間に約６２Ｖの電圧が引加される。一方、例えば同図の電池セル６１−２，・・・，６１−ｎの全てが電極短絡を起こした場合、電池セル６１−１に約６２Ｖの電圧が印加される。したがって、このような場合にもリチウムイオン電池の発煙または発火が引き起こされる可能性がある。なお、一つの電池セルが電極短絡を起こすと他の電池セルの電極短絡も連鎖的に引き起こされる可能性が高い。

一方、本願発明は、０．１１ＣＡ程度の低電流による定電流充電を行うようにしているので、図９に示すような構成のリチウムイオン電池に対しても適用することができ、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、リチウムイオン電池に対し、所定の電流（例えば０．１１ＣＡ）以下の電流で定電流充電するようにしているので、偶発故障が重なった場合であっても、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止することができる。

また、本発明によれば、リチウムイオン電池の発煙または発火を確実に防止するための保護機能を簡易なものとすることができるので、製造コストの増加を抑制することができる。

なお、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法の説明に際し、図１に示すような交流ＵＰＳの構成を一例として説明したが、交流ＵＰＳに限定されるものでなく、リチウムイオン電池を二次電池として用いる携帯電話、家電機器などのあらゆる電気機器に対して適用することができる。

以上のように、本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法は、リチウムイオン電池を二次電池として用いる携帯電話、家電機器などのあらゆる電気機器に有用である。

リチウムイオン電池を備えた電源装置（交流ＵＰＳ）の一般的構成を示すブロック図である。 一般的なリチウムイオン電池の充電方法を示す図である。 本発明にかかるリチウムイオン電池の充電方法を示す図である。 図１に示した電源回路から充電制御機能を抽出した機能ブロック図である。 図４−１の機能ブロック図において保護機能部の機能が失われた場合の充電制御機能を示す機能ブロック図である。 リチウムイオン電池単セルの内部構造を示す模式的断面図である。 図５に示した電池セル５０が発煙または発火を起こす場合の内部状態を示した模式的断面図である。 電池セル５０の温度に対するインピーダンス特性を示す図である。 通常の充電手法を用いて充電を行った場合にリチウムイオン電池が発煙または発火に至る状況を説明するための図である。 複数の電池セルが直列に接続された複数直列接続のリチウムイオン電池を示す図である。

１ 電源装置
１０ 電源主回路
１１ 交流電源
１３ バイパスライン
１４ 整流器
１５ インバータ
１７ 直流出力ライン
２１，４３，６０ リチウムイオン電池
２２ 充電制御回路
２３ 直流出力ライン
２５ 制御部
２７ 切換スイッチ
２８ 直流切換スイッチ
４１ 電力変換部
４１ａ，４２ａ 保護機能部
４２ 充電制御部
５０，６１ 電池セル
５１ 電極
５３ セパレータ
５５ 電解液

Claims (1)

1. リチウムイオン電池に対する充電電流を常時、所定の電流値以下の電流に制限することを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法において、
   前記リチウムイオン電池は、電極間に設けたセパレータを介してリチウムイオンが行き来し、温度が上昇するに従って、前記セパレータの穴が塞がってインピーダンスが増加し、前記セパレータが破断するまでインピーダンスが一定値になり、前記セパレータが破断するとインピーダンスが下降傾向に転じる特性を有するものであり、
   前記リチウムイオン電池のインピーダンスが前記一定値から前記下降傾向に転じる温度をインピーダンス下降点温度とするとき、
   前記所定の電流値は、該所定の電流値に基づく電流を前記リチウムイオン電池に供給したときに該リチウムイオン電池の温度が前記インピーダンス下降点温度以上に達しないような値に設定されていることを特徴とするリチウムイオン電池の充電方法。

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