JP5075353B2

JP5075353B2 - 二次電池の充電方法

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Publication number: JP5075353B2
Application number: JP2006137665A
Authority: JP
Inventors: 麻美水谷; 行生門田; 伸一郎小杉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007311107A

Description

本発明は、急速充電可能な二次電池の充電方法に関する。

最近、携帯電話等の通信機器や携帯型ノートパソコン等の電子機器などの電源として、二次電池の使用が増加している。特に、携帯型機器に用いられる二次電池は、急速に充電できることが望まれる。また、二次電池およびこの二次電池の充電装置（以下、二次電池およびこの二次電池の充電装置を総称して充電式電池装置という）は、利便性の観点から、小型、軽量、高容量であることが望まれる。

従来この種の二次電池を急速に充電する方法に、特開平７−２１１３５４号公報（特許文献１）および特開２００１−３５５４０号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

特開平７−２１１３５４号公報（特許文献１）に記載された充電方法は、非水系の二次電池を充電するパルス充電方法において、パルス電流の１サイクル中のオン時間の比率を示すデューティ比を、二次電池の温度が低温から高温に変移するのに応じて連続的にもしくは段階的に大きくする方法であり、低温の二次電池にとって好適なゆっくりした小さな充電率から、高温の二次電池が対応し得る大きな充電率まで、低温から高温まで各温度に対応した最適かつ最速の充電時間で充電することができる。

また、特開２００１−３５５４０号公報（特許文献２）に記載された密閉型鉛蓄電池の充電方式は、充電電流を段階的に二度低減して充電を行うことにより、短時間で充電することができる充電方式である。
特開平７−２１１３５４号公報特開２００１−３５５４０号公報

従来の二次電池を急速に充電する方法では、二次電池の内部抵抗による影響に対する対策が不十分である。

二次電池の両端電圧を測定すると、二次電池に充電された電圧と二次電池の内部抵抗による電圧降下による和が観測される。二次電池の内部抵抗値は、二次電池内部の化学状態の変動に依存する。この化学変化は充電電流値が大きいほど大きくなる。このため、二次電池の内部抵抗値は、充電電流値の増加に伴い増加する。また、充電電流値が大きいほど二次電池の内部抵抗による電圧降下は大きくなる（オーム則）。このため、充電電流値を大きくしてしまうと、二次電池の内部抵抗による影響により、電池容量一杯まで充電する（以下、満充電するという）ことが難しくなってしまう。

特許文献１に記載された充電方法では、パルス充電を行うにあたり、充電開始から充電終了まで一定の充電電流を用いている。このため、二次電池の内部抵抗による電圧降下を考慮して二次電池を満充電するためには、充電電流値を大きくすることができず、充電時間の増加につながってしまう。また、充電時間を短縮するために充電電流を大きくすると、満充電することが難しくなる。

また、特許文献２に記載された充電方式では、充電電流を段階的に低減するにあたり、休止時間を設けていない。このため、二次電池内部の化学状態は平衡状態に戻ることができない。したがって、二次電池の内部抵抗による電圧降下の影響を常に受けることとなり、やはり電池容量一杯まで充電する（以下、満充電するという）ことが難しい。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、内部抵抗による影響を低減することにより急速に満充電することができる二次電池の充電方法を提供することを目的とする。

本発明に係る二次電池の充電方法は、上述した課題を解決するために、二次電池が許容できる最大電流を充電電流として充電を開始するステップと、前記二次電池の両端電圧が充電終止電圧に達した場合充電を中断するステップと、所定の休止時間経過後に、前記充電電流よりも小さい充電電流で充電を再開するステップと、を有し、前記中断するステップと前記再開するステップとを繰り返すとともに、この繰り返しごとに前記休止時間を前記充電電流の低減に応じて短くする方法である。

また、本発明に係る二次電池の充電方法は、上述した課題を解決するために、二次電池が許容できる最大電流を充電電流として充電を開始するステップと、前記二次電池の両端電圧が充電終止電圧に達した場合充電を中断するステップと、前記両端電圧の時間変化量が所定の値を下回った場合に前記充電電流よりも小さい充電電流で充電を再開するステップとを有し、前記中断するステップと前記再開するステップとを繰り返すことを特徴とする方法である。

本発明に係る二次電池の充電方法によれば、内部抵抗による影響を低減することにより急速に満充電することができる。

本発明に係る二次電池の充電方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る二次電池の充電方法を実施するための充電制御装置の一実施形態を示すブロック図である。なお、図１において破線は制御信号などの信号の入出力を示す。

充電制御装置１０は、二次電池１１、充電器１２、電流検出器１３、電圧検出器１４および制御部１５を有する。

二次電池１１としては、リチウムイオン二次電池などの非水系電解液の二次電池、鉛二次電池またはニッケルカドミウム二次電池などを用いる。

なお、二次電池１１は、単一の二次電池のほか、複数の二次電池を互いに接続した組電池を含むものとする。

充電器１２は正負の端子をもち、電流を出力する。この充電器１２の両端子は二次電池１１の両端子にそれぞれ接続され、二次電池１１に充電電流を供給する。この供給すべき充電電流値は、制御部１５により制御される。

電流検出器１３は、充電電流値を検出できるように、二次電池１１と充電器１２のいずれかの端子間に接続される。電流検出器１３は、検出した充電電流値を制御部１５に与える。

電圧検出器１４は、二次電池１１の両端電圧を検出できるように、二次電池１１の両端に接続される。電圧検出器１４は、検出した二次電池１１の両端電圧値を制御部１５に与える。

制御部１５は、電流検出器１３および電圧検出器１４から充電電流値および二次電池１１の両端電圧値をそれぞれ受け、この充電電流値および二次電池１１の両端電圧値にもとづき充電器１２の出力する充電電流値を制御する。また、制御部１５は、二次電池１１が満充電状態になったか否かを判定する機能を有する。

図２は本発明に係る二次電池１１の充電方法の第１実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフである。

図２において、横軸は時間、左側縦軸は充電電流、右側縦軸は二次電池１１の両端電圧をそれぞれ示す。

まず第１のステップにおいて、二次電池１１の許容する最大電流値Ｉ０で充電を開始する。

次に、第２のステップにおいて、二次電池１１の両端電圧が充電終止電圧に達した時点において充電電流をゼロとする。

次に、第３のステップにおいて、充電電流をゼロとし充電を休止した時点から所定の休止時間Ｔ０経過後に充電を再開する。この再開時の充電電流値は、休止前の充電電流値よりも小さい値に設定する。

なお、この設定は、再開時の充電電流値は、休止前の充電電流値よりも小さい値になるように行えばよく、休止前の充電電流値に定数（たとえば０．６など）を乗じることによって行ってもよいし、定数（たとえば５アンペア）を減じることによって行ってもよいし、これらを組み合わせることによって行ってもよい。また、休止時間Ｔ０は、充電電流により引き起こされた二次電池１１内部の化学変化が平衡状態に戻るに足る時間とする。

続いて第２、第３のステップを繰り返し、制御部１５により二次電池１１の満充電が検知された時点で充電を終了する。

第１実施形態に示した二次電池１１の充電方法では、二次電池１１の両端電圧が充電終止電圧に達した後、充電電流により引き起こされた二次電池１１内部の化学変化が平衡状態に戻るに足る休止時間Ｔ０をおいてから充電を再開する。このため、二次電池１１内部の化学変化により増加した二次電池１１の内部抵抗が通常の値に戻ることができる。したがって、二次電池の内部抵抗による電圧降下分を除去することができ、二次電池１１を急速に容易に満充電することができる。

また、休止時間を設けることにより、二次電池１１内部の化学状態を平衡状態に戻すことは、二次電池１１の劣化を抑制することにつながる。したがって、サイクル寿命を損なうことなく充電することができる。

また、本実施形態に係る二次電池１１の充電方法では、充電開始時の充電電流を二次電池１１の許容する最大電流値Ｉ０とし、段階的に電流を低減する。このため、一定の小さな電流で充電することで二次電池１１の内部抵抗による電圧降下の影響を減らす方法に比べ、充電時間を短縮することができる。

また、本実施形態に係る二次電池１１の充電方法では、充電終了直前の充電電流が充電開始電流よりも低くなる。このため、充電電流値を充電開始電流値のまま一定で充電する方法に比べ、二次電池１１の内部抵抗による電圧降下の影響を低減することができ、容易に二次電池１１の容量いっぱいにエネルギーを蓄積（満充電）することができる。

なお、充電開始電流値はＩ０以下の任意の値であってもよいが、Ｉ０に近い値であるほど充電時間は短くなる。

図３は本発明に係る二次電池１１の充電方法の第２実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフである。

本実施形態に係る二次電池１１の充電方法は、第１実施形態に示した二次電池１１の充電方法において充電電流値の下限を１Ｃとする方法である。ここで、１Ｃとは、１時間で二次電池１１を完全に放電させる電流値をいう。

繰り返し回数が増えて際限なく充電電流値を低減してしまうと、充電電流値が小さくなりすぎ、一定電流量で充電した場合に比べ、かえって充電時間が長くなってしまうおそれがある。この第２実施形態に係る二次電池１１の充電方法では、充電電流値の下限を１Ｃとするため、二次電池１１の内部抵抗による電圧降下の影響を低減できるとともに、充電時間の短縮を確実に図ることができる。

図４は本発明に係る二次電池１１の充電方法の第３実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフである。

本実施形態に係る二次電池１１の充電方法は、第１実施形態に示した二次電池１１の充電方法と比べて休止時間の長さが異なる。二次電池１１内部の化学変化は充電電流が小さいと小さくなる。このため、二次電池１１内部の化学状態が平衡状態に戻るまでにかかる時間は、充電電流が小さいと短くなる。したがって、休止時間を適切に短縮することにより、充電時間を短縮することができる。

次に、第３のステップにおいて、充電電流をゼロとし充電を休止した時点から所定の休止時間Ｔ１経過後に充電を再開する。この再開時の充電電流値は、休止前の充電電流値よりも小さい値に設定する。

続いて第２、第３のステップを繰り返す。このとき、ｎ回目の休止時間Ｔｎはｎ−１回目の休止時間Ｔｎ−１よりも短くすることに注意する。つまり、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３・・・とする。

そして、制御部１５により二次電池１１の満充電が検知された時点で充電を終了する。

この第３実施形態に係る二次電池１１の充電方法では、充電電流値が大きいときは休止時間を長く、充電電流値が小さいときは休止時間を短くする。このため、たとえばＴ１と図２に示したＴ０とが等しい場合などは、第１実施形態に係る充電方法に比べ、充電終了までの総休止時間が短くなる。したがって、充電時間を短縮することができる。

図５は本発明に係る二次電池１１の充電方法の第４実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフである。

本実施形態に係る二次電池１１の充電方法は、第１実施形態に示した二次電池１１の充電方法と比べて休止時間の長さが異なる。

次に、第３のステップにおいて、充電電流をゼロとし二次電池１１の両端電圧の時間変化率ΔＶｂ／Δｔの絶対値（時間変化量）が所定の値ｋを下回った場合に充電を再開する。この再開時の充電電流値は、休止前の充電電流値よりも小さい値に設定する。

この第４実施形態に係る二次電池１１の充電方法では、二次電池１１の両端電圧の時間変化率ΔＶｂ／Δｔの絶対値（時間変化量）が所定の値ｋを下回った場合に充電を再開する。二次電池１１の両端電圧の時間変化率ΔＶｂ／Δｔは、二次電池１１の化学状態を示す指標として用いることができる。本実施形態では、この時間変化率ΔＶｂ／Δｔの絶対値（時間変化量）が所定の値ｋを下回ったときに二次電池１１が平衡状態に達したとみなす。このため、休止時間は、充電電流値が大きいときは長く、小さいときは短くなる。したがって、本実施形態に係る充電方法によれば、第１実施形態に比べ総休止時間を短縮することができ、かつ休止時間をいたずらに短縮しすぎることなく、充電時間を容易に的確に短縮することができる。

図６は本発明に係る二次電池１１の充電方法の第５実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフである。

本実施形態に係る二次電池１１の充電方法は、第１実施形態に示した二次電池１１の充電方法と比べて二次電池１１の充電中の到達電圧が異なる。

次に、第２のステップにおいて、二次電池１１の両端電圧が充電終止電圧と所要の電圧の和に達した時点において充電電流をゼロとする。

ここで、所要の電圧とは、二次電池１１の内部抵抗により降下する電圧をいう。

あらかじめ、制御部１５に、充電電流値に対して二次電池１１の内部抵抗により降下する電圧を関連付けたデータを記憶させておく。制御部１５は、このデータにもとづき、充電電流値から二次電池１１の内部抵抗による電圧降下量を算出する。

また、直前の充電サイクルの終了時の二次電池１１の両端電圧と充電終止電圧の差を、この充電サイクルの充電電流値における内部抵抗による電圧降下量とし、この電圧降下量から次のサイクルの充電電流値における電圧降下量を推測するように制御部１５を構成してもよい。

この第５実施形態に係る二次電池１１の充電方法では、充電終止電圧と充電電流値に対応する二次電池１１の内部抵抗による降下電圧を加えた電圧値に到達するまで充電を行うことを繰り返す。このため、各充電サイクルにおいて、通電時間を延長することができる。したがって、充電時間を短縮することができる。

図７は、本発明に係る二次電池の充電方法の第６実施形態を実施するために用いられる充電制御装置の構成例を示すブロック図である。

この実施形態に示された充電制御装置１０Ａは、複数の二次電池１１を互いに接続した二次電池の組電池２１を用い、それぞれの二次電池１１に対して電圧検出手段１４を接続したものであり、他の構成および作用は第１実施形態に示された充電制御装置１０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

二次電池の組電池２１は、ｎ個の二次電池１１_１〜１１_ｎを互いに接続することにより構成される。この各二次電池１１_１〜１１_ｎの両端電圧を個別に測定可能にするため、各二次電池１１_１〜１１_ｎの両端に電圧検出手段１４_１〜１４_ｎをそれぞれ接続する。

充電制御装置１０Ａは、ｎ個の二次電池１１_１〜１１_ｎを互いに接続した組電池２１、充電器１２、電流検出器１３、ｎ器の電圧検出器１４_１〜１４_ｎおよび制御部１５を有するものである。

制御部１５は、電流検出器１３から充電電流値を、電圧検出器１４_１〜１４_ｎから二次電池１１_１〜１１_ｎの両端電圧値をそれぞれ受け、この充電電流値および二次電池１１_１〜１１_ｎの両端電圧値にもとづき充電器１２の出力する充電電流値を制御する。また、制御部１５は、二次電池１１_１〜１１_ｎが満充電状態になったか否かを各二次電池について判定する機能を有する。

次に、本実施形態に係る二次電池の組電池２１の充電方法について説明する。

図８は、二次電池１１_１〜１１_ｎで構成される二次電池の組電池２１を充電する際の手順を示すフローチャートである。図８において、Ｓに数字を付した符号は、フローチャートの各ステップを示す。

まず、ステップＳ１において、充電器１２は、制御部１５に制御されて、二次電池１１_１〜１１_ｎの許容する最大電流値Ｉ０_１〜Ｉ０_ｎの最小値Ｉ０ｍｉｎを回路に供給し、二次電池の組電池２１の充電を開始する。

次に、ステップＳ２において、制御部１５は、電圧検出器１４_１〜１４_ｎから受けた二次電池１１_１〜１１_ｎの両端電圧値を監視し、充電終止電圧に達した二次電池があるかどうか判定する。充電終止電圧に達した二次電池が一つもない場合は、ステップＳ３に進む。一方、一つでもある場合はステップＳ６に進む。

次に、ステップＳ３において、制御部１５は、二次電池１１_１〜１１_ｎの充電履歴にもとづき、満充電に達した二次電池があるかどうかを判定する。満充電に達した二次電池が一つでもある場合は、二次電池の組電池２１の充電終了と判定し、充電器１２を制御して電流の出力をゼロとし、この手順は終了となる。一方、満充電に達した二次電池が一つもない場合は、ステップＳ２に戻る。

他方、充電終止電圧に達した二次電池が一つでもある場合は、ステップＳ４において、充電器１２は、制御部１５に制御されて出力電流をゼロとし、充電を中断する。

次に、ステップＳ５において、制御部１５は、あらかじめ設定した所定の時間Ｔ０の充電器１２を出力ゼロのまま待機させる。

次に、ステップＳ６において、充電器１２は、制御部１５に制御されて、直近の中断前の充電電流値（たとえばＩ０ｍｉｎ）よりも小さい電流値を出力し、二次電池の組電池２１の充電を再開して、ステップＳ２に戻る。

以上の手順により、二次電池の組電池２１を充電することができる。

この第６実施形態に係る二次電池の充電方法では、二次電池の組電池を充電する際に、この組電池を構成する二次電池１１_１〜１１_ｎの一つでも充電終止電圧に達した場合に充電を中断する。このため、過充電となってしまう二次電池を一つも出すことなく、組電池の充電を完了することができる。したがって、複数または全ての二次電池が充電終止電圧になるまで充電を行う方法に比べて、各二次電池の長寿命化を図ることができるとともに組電池としての長寿命化を図ることができる。

また、本実施形態に係る二次電池の充電方法では、充電開始電圧を二次電池１１_１〜１１_ｎの許容する最大電流値Ｉ０_１〜Ｉ０_ｎの最小値Ｉ０ｍｉｎに設定している。このため、各二次電池に許容電流の相違がある場合でも特定の二次電池に過度な負担をかけることなく、充電時間の短縮を図ることができる。

なお、本発明において、充電開始電流値はＩ０（またはＩ０ｍｉｎ）以下の任意の値であってもよい。また、充電電流は、二次電池１１を充電することができればよく、図２〜図６に示した矩形波のほか、半波の正弦波でも、これらの波形が多少ゆがんだものでもよい。

なお、第１実施形態ないし第６実施形態は、任意に組み合わせて用いてもよいし、順にまたは並行して実施してもかまわない。

たとえば第５実施形態と第６実施形態を組み合わせた場合、図８のステップＳ２において、充電終止電圧に充電電流に応じた内部抵抗による電圧降下量を加えた電圧を新たな受電終止電圧とし、この新たな充電終止電圧に組電池２１を構成する二次電池１１_１〜１１_ｎの一つでも達した場合に充電を中断するようにすることにより、第５実施形態の効果（通電時間延長による充電時間短縮）と第６実施形態の効果（過充電二次電池発生の抑止）をあわせて奏することができる。

本発明に係る二次電池の充電方法を実施するための充電制御装置の一実施形態を示すブロック図。本発明に係る二次電池の充電方法の第１実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフ。本発明に係る二次電池の充電方法の第２実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフ。本発明に係る二次電池の充電方法の第３実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフ。本発明に係る二次電池の充電方法の第４実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフ。本発明に係る二次電池の充電方法の第５実施形態における時間、充電電流および両端電圧の関係を示す模式的なグラフ。本発明に係る二次電池の充電方法の第６実施形態を実施するために用いられる充電制御装置の構成例を示すブロック図。複数の二次電池で構成される二次電池の組電池を充電する際の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０充電制御装置
１１、１１_１、１１_２、１１_ｎ二次電池
１２充電器
１３電流検出器
１４、１４_１、１４_２、１４_ｎ電圧検出器
１５制御部
２１二次電池の組電池

Claims

二次電池が許容できる最大電流を充電電流として充電を開始するステップと、
前記二次電池の両端電圧が充電終止電圧に達した場合充電を中断するステップと、
所定の休止時間経過後に、前記充電電流よりも小さい充電電流で充電を再開するステップと、
を有し、
前記中断するステップと前記再開するステップとを繰り返すとともに、この繰り返しごとに前記所定の休止時間を前記充電電流の低減に応じて短くする二次電池の充電方法。
前記繰り返しを前記二次電池が満充電になるまで行う請求項１記載の二次電池の充電方法。
前記充電電流の最小値は定格電流１Ｃである請求項１または２に記載の二次電池の充電方法。
二次電池が許容できる最大電流を充電電流として充電を開始するステップと、
前記二次電池の両端電圧が充電終止電圧に達した場合充電を中断するステップと、
前記両端電圧の時間変化量が所定の値を下回った場合に前記充電電流よりも小さい充電電流で充電を再開するステップとを有し、
前記中断するステップと前記再開するステップとを繰り返すことを特徴とする二次電池の充電方法。
前記充電終止電圧は、前記充電電流の値に応じた電圧をさらに加えたものである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の二次電池の充電方法。
前記二次電池は複数の前記二次電池を接続して構成された組電池であり、
前記中断するステップは、前記複数の二次電池のうち一つ以上の両端電圧が充電終止電圧に達した場合充電を中断するステップである請求項１ないし５のいずれか１項に記載の二次電池の充電方法。
前記二次電池は複数の前記二次電池を接続して構成された組電池であり、
前記複数の二次電池のうち一つ以上が満充電に達した場合充電を終了するステップをさらに有する請求項６記載の二次電池の充電方法。
前記二次電池が許容できる最大電流値は、定格電流１Ｃ以上の大きさである請求項１ないし７のいずれか１項に記載の二次電池の充電方法。