JP5279407B2 - 二次電池の充電制御方法および二次電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池のような二次電池を、その温度に拘わることなく安定に、しかも高速に充電することのできる二次電池の充電制御方法および二次電池装置に関する。

例えばリチウムイオン電池のような二次電池の充電は、一般的には出力電圧および出力電流をそれぞれ制限可能な充電器を用いて上記二次電池に許容される充電電圧および充電電流の下で行われる。しかし二次電池を安全に充電するべく、図７に示すように二次電池の温度に応じてその充電電圧または充電電流の一方を制限する提唱されている（例えば非特許文献１を参照）。

具体的には二次電池の温度を１０〜４５℃の常温領域と、１０℃以下の低温領域および４５℃以上の高温領域とに分け、通常状態である常温領域においては前記充電器の出力電圧および出力電流を、前記二次電池に許容される充電電圧および充電電流にそれぞれ制限して二次電池を充電する。例えばリチウムイオン電池の場合には、充電器の出力電圧を最大で４.２１Ｖ／cellに設定し、また出力電流を最大で０.７Ｃに設定して充電する。そして低温領域および高温領域においては前記充電器の出力電圧を常温領域にて許容される充電電圧よりも低い、例えば４.０６Ｖ／cellに制限して、或いは前記充電器の出力電流を常温領域にて許容される充電電流よりも低い、例えば０.３Ｃに制限して二次電池を充電することが提唱されている。
(社)電子情報技術産業協会・(社)電池工業会「ノート型ＰＣにおけるリチウムイオン二次電池の安全利用に関する手引書」平成１９年４月２０日

しかしながら上述したように安全性を考慮して低温領域での二次電池に対する充電電圧または充電電流の一方を（充電器の出力電圧または出力電流の一方）制限した場合、これに伴って二次電池の充電に要する時間が非常に長くなることが否めない。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池の温度が常温領域よりも低い場合であっても、その安全性を確保しながら短時間に充電することのできる二次電池の充電制御方法および二次電池装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る二次電池の充電制御方法は、出力電圧を制限可能な充電器を用いて二次電池を充電するに際して、
(ａ) 前記二次電池の温度が常温よりも低い低温領域にあるとき、前記充電器の出力電圧を、常温において前記二次電池に許容された充電電圧よりも低く設定された前記低温領域での前記二次電池の最大充電電圧に制限して前記二次電池を充電し（出力電流は、常温において前記二次電池に許容された最大充電電流の範囲とする）［第１の充電制御］、
(ｂ) この充電条件下において前記二次電池の充電電圧が前記充電器の出力電圧を越える第１の条件を満たしたとき、若しくは前記二次電池の充電電流が前記低温領域において制限した前記二次電池の最大充電電流よりも低下する第２の条件を満たしたとき［充電条件の判定］、
(ｃ) 前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定して前記二次電池を充電する［第２の充電制御］ことを特徴としている。

また上述したように
(ａ) 前記充電器の出力電圧を、低温領域において設定した前記二次電池の最大充電電圧に設定して前記二次電池を充電している条件下に条件下において［第１の充電制御］、
(ｂ') 更に前記二次電池の充電電圧が、予め前記二次電池および前記充電器における各電圧公差を見込んで設定された判定電圧を越える第３の条件を満たしたときにも［充電条件の判定］、
(ｃ) 前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大の出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定して前記二次電池を充電する［第２の充電制御］ことを特徴としている。

この際、
(ｄ) 前記二次電池の充電中に該二次電池の温度が常温領域から低温領域に変化したとき、および低温領域において前記二次電池の充電を開始した場合に前記第３の条件を有効とし、それ以外の場合には前記第３の条件を無効とすることも有用である。
また本発明に係る二次電池装置は、
(Ａ) 二次電池および出力電圧が制限可能で上記二次電池の充電に用いられる充電器と、
(Ｂ) 前記二次電池の充電電圧、充電電流および温度をそれぞれ検出する検出部と、
(Ｃ) この検出部にて検出された前記二次電池の充電電圧、充電電流および温度に応じて前記充電器の出力電圧を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、
(Ｃ１) 前記二次電池の温度が常温よりも低い低温領域にあるとき、前記充電器の最大出力電圧を、常温において前記二次電池に許容された充電電圧よりも低く設定された前記低温領域での前記二次電池の最大充電電圧に制限する第１の制御手段と、
(Ｃ２) この第１の制御手段の下で前記二次電池を充電しているとき、前記二次電池の充電電圧が前記充電器の出力電圧を越える第１の条件を満たすか否か、若しくは前記二次電池の充電電流が前記低温領域において制限した前記二次電池の最大充電電流よりも低下する第２の条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
(Ｃ３) この判定手段により前記第１または第２の条件を満たすことが検出されたとき、前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定する第２の制御手段と
を備えることを特徴としている。

尚、上述した構成に加えて
(Ｃ２ａ) 前記判定手段に、前記第１および第２の条件に加えて、前記二次電池の端子電圧が、予め前記二次電池および前記充電器における各電圧公差を見込んで設定された判定電圧を越える第３の条件を満たすか否かを判定する手段を設け、
(Ｃ３ａ) 前記第２の制御手段を、前記判定手段により前記第１〜第３の条件のいずれか１つが満たすことが検出されたときに前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定するように構成することも好ましい。

この際、
(Ｃ２ｂ) 前記判定手段に、前記二次電池の充電中にその温度が常温領域から低温領域に変化したとき、および低温領域において前記二次電池の充電を開始した場合に前記第３の条件を有効とし、それ以外の場合には前記第３の条件を無効とする手段を設けておくことも好ましい。

上記構成によれば二次電池の温度が低温領域にあるときには、先ず二次電池に印加する充電電圧（充電器の出力電圧）を、低温領域において制限される前記二次電池の最大充電電圧として低く抑えることで該二次電池の安全性を保証して二次電池を充電するので、前記二次電池の充電電流を、常温において前記二次電池に許容されている充電電流の範囲で大きくすることが可能であり、前記二次電池を効率的に充電することができる。

そして二次電池の充電電圧（端子電圧）が前記充電器の出力電圧よりも高くなったときには、若しくは二次電池の充電電流が、低温領域において前記二次電池に許容される最大充電電流よりも小さくなった場合には、前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記二次電池に印加する充電電圧（充電器の出力電圧）を、常温において前記二次電池に許容されている充電電圧として高くして該二次電池を高速充電するので、前記二次電池を効率的に充電することができる。

この結果、二次電池はその充電状態（充電量）に応じて充電形態が変更され、充電初期時には最大充電電圧が制限されて、その後は最大充電電流が制限されることで、その安全性が保証されながら充電される。そしてこのような制限条件下において前記二次電池は、常温において前記二次電池に許容された最大充電電流からなる大電流エネルギを受けた後、常温において前記二次電池に許容された最大充電電圧からなる高電圧エネルギを受けることになるので、その充電効率が高まる。従って二次電池の温度が常温よりも低い場合であっても、その充電時間が徒に長くなることはなく、むしろ充電電圧または充電電流の一方を制限したまま継続して二次電池を充電する場合に比較して、その充電時間の短縮化を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る二次電池の充電制御方法および二次電池装置について説明する。
図１は本発明に係る充電制御方法を採用して構築された二次電池装置の要部概略構成図であって、１０はパック電池、３０はノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器３０である。このパック電池１０は、商用電源を使用しないときに電子機器３０の電源として用いられるものであって、基本的には前記電子機器３０が内蔵する制御・電源部（充電器）３１に接続されて充電される二次電池１を備える。尚、パック電池１０の充電時には、制御・電源部（充電器）３１には商用電源が供給される。そして充電により上記二次電池１に蓄積した電力エネルギを、前記電子機器３０の本体部であるＣＰＵやメモリ等の負荷３２に対して前記制御・電源部３１を介して供給するように構成される。

さてリチウムイオン電池やニッケル水素電池等からなる二次電池１は、例えば複数の電池セル２を直並列に接続して所定の電池電圧と電池容量とを確保した電池群として実現される。この二次電池１は、例えばリチウムイオン電池のように満充電状態で４.２Ｖとなる電池セル２を用いる場合には、電池セル２を３段直列に接続することで、全体として１２.６Ｖの電池電圧を有するものとして実現される。また各段の電池セル２を、それぞれ複数の電池セルを並列接続したものとすることで、必要な電気容量が確保される。

ちなみにこれらの複数の電池セル２の並列接続および直列接続は、例えば金属板やリード線からなる接続タブ３を用いて行われ、二次電池１はこれらの電池セル群を１つにまとめてパッケージ化したものとして実現される。尚、電池セル２の並列接続数や、直列接続する電池セル２の段数については、負荷２に応じて二次電池１に要求される仕様（電池電圧・電池容量）に従って定められるものであり、図１に例示する３並列・３段直列構成の二次電池１に限定されないことは言うまでもない。またこのような二次電池１には、例えばその電池温度Ｔを検出する為のサーミスタ等の温度センサ４が一体に組み込まれる。

一方、パック電池１０は、二次電池１の充放電路に、その充放電電流Ｉを検出するための電流検出部（電流検出手段）５を備えている。この電流検出部５は、例えば上記充放電路に直列に介挿されたシャント抵抗と、このシャント抵抗の両端間に生じた電圧から前記二次電池１の充放電電流Ｉを検出するセンシングアンプとにより構成される。尚、二次電池１の充放電路に流れる電流が充電電流であるか、或いは放電電流であるかは、電流の向きに応じて上記シャント抵抗の両端間に生じる電圧の極性から判定されることは言うまでもない。

また前記二次電池１の充放電路には、前記二次電池１の過充電を阻止する為の充電制御スイッチ（充電禁止手段）６と、二次電池１の過放電を阻止する為の放電制御スイッチ（放電禁止手段）７とがそれぞれ設けられる。これらの制御スイッチ６,７は、例えば前記充放電路にそれぞれ直列に介挿された２つのＰチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴからなる。これらの制御スイッチ（ＦＥＴ）６,７は、後述する制御・演算部２０によりその動作が制御されるものであって、例えばそのゲートにハイレベル（Ｈ）の制御信号が印加されたときに遮断（オフ）動作して、前記二次電池１に対する充電電流または放電電流をそれぞれ遮断する。つまり前記制御スイッチ（ＦＥＴ）６,７は、二次電池１の充電および放電をそれぞれ禁止する充放電禁止手段としての役割を担う。

さて前述した制御・演算部２０は、例えばマイクロプロセッサにより実現される。この制御・演算部２０は、基本的には前記二次電池１の端子電圧Ｖbat、および二次電池１を構成する前記各電池セル２の端子電圧Ｖcellをそれぞれ検出すると共に、前記温度センサ４を用いて温度検出部８が検出する電池温度Ｔを入力し、更には前記電流検出部５にて検出される二次電池１の充放電電流Ｉを入力して前記二次電池１に対する充電および放電をそれぞれ制御する。

ちなみに図１に例示する前記制御・演算部２０は、３段に直列接続された複数の電池セル２における各正極側の電圧Ｖ１,Ｖ２,Ｖ３と負極電圧Ｖ０、および前記温度検出部８にて検出された電池温度Ｔをマルチプレクサ２１を介して選択的に入力し、これをＡ／Ｄコンバータ２２を介してデジタル変換して取り込むものとなっている。また前記制御・演算部２０は、前記電流検出部４にて検出された充放電電流Ｉを、Ａ／Ｄコンバータ２３を介してデジタル変換して取り込んでいる。尚、上記電圧および温度情報の入力は、マルチプレクサ２１およびＡ／Ｄコンバータ２２のサンプリング周期に同期して、所定の周期で巡回的に行われる。そして前記制御・演算部２０は、上記複数の電池セル２の各正極電圧Ｖ１,Ｖ２,Ｖ３と負極電圧Ｖ０とから、前述した二次電池１の端子電圧Ｖbat（＝Ｖ１−Ｖ０）、および前記各電池セル２の端子電圧Ｖcell１（＝Ｖ１−Ｖ２）,Ｖcell２（＝Ｖ２−Ｖ３）,Ｖcell３（＝Ｖ３−Ｖ０）をそれぞれ検出するものとなっている。

そしてこの制御・演算部２０は、基本的には通信処理部２４を介して前記制御・電源部３０の作動を制御して前記二次電池１の充電を制御すると共に（満充電制御）、前述した充電制御スイッチ６をオフ制御して前記二次電池１の過充電を阻止し（過充電保護）、また前記放電制御スイッチ７をオフ制御して前記二次電池１の過放電を阻止する役割（過放電保護）を担っている。

尚、二次電池１に対する満充電制御は、ニッケル水素電池等においては、例えば二次電池１の充電時に該二次電池１の端子電圧Ｖbatが徐々に上昇し、満充電状態において上記端子電圧Ｖbatがピークに達した後、一定電圧（ΔＶ）だけ低下する現象を利用して満充電（１００％充電）状態を判定し（−ΔＶ方式）、二次電池１に対する充電を停止することによって行われる。またリチウムイオン電池を充電するときのように電流値を所定値以下、電圧値を所定値以下にて充電する定電流・定電圧充電においては、定電流充電の後の定電圧充電時において、その充電電流値が所定値以下になった場合に、これを満充電と判定している。尚、電池温度Ｔの変化や充電電流Ｉの変化から満充電状態を検出する等、従来より種々提唱されている充電制御方式を適宜採用可能なことは言うまでもない。また本発明は二次電池１の満充電制御自体に直接関与するものではないので、満充電制御についてのこれ以上の説明は省略する。

また前述した過充電保護は、例えば二次電池１の端子電圧Ｖbatが予め設定した二次電池１としての過充電保護電圧を超えたとき、或いは二次電池１を構成する複数段の電池セル２の個々の端子電圧Ｖcellが、各電池セル２に固有な過充電保護電圧を超えたとき、前述した充電制御スイッチ６を作動させてその充電路を強制的に遮断し、それ以上の充電（過充電）を阻止する役割を担う。尚、二次電池１の端子電圧Ｖbatは、充電制御における満充電電圧により管理されているので、前記充電制御スイッチ６の作動による過充電防止は、専ら、個々の電池セル２の端子電圧Ｖcellが、その過充電保護電圧を超えたときに作動する。

更に過放電保護は、例えば二次電池１の端子電圧Ｖbatが予め設定した二次電池１としての過放電保護電圧に近付いたとき、或いは複数段の電池セル２の個々の端子電圧Ｖcellが、各電池セル２に固有な過放電保護電圧に近付いたとき、或いは過放電保護電圧に至ったとき、前述した放電制御スイッチ７を作動させてその充電路を強制的に遮断して該二次電池１の深放電（過放電）を防止する役割を担う。このような機能の他にも前記制御・演算部２０は、例えば前記充放電電流Ｉから二次電池１に対する異常（過大）な充放電電流が検出されたとき、充電制御スイッチ６および／または放電制御スイッチ７を作動させてその充放電路を遮断して、二次電池１のみならず負荷３２等を保護する機能等を備える。

さて基本的には上述した如く構成される二次電池装置において、本発明が特徴とするところは前記制御・演算部２０において前記温度検出部８にて検出される電池温度Ｔに応じて、特に前記二次電池１の温度Ｔが常温（例えば１０〜４５℃）よりも低い場合、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧および出力電流を制御（制限）し、これによって前記二次電池１の安全性を確保しながら前記二次電池１を高速（短時間）に充電する充電制御機能を備えた点にある。ちなみに二次電池としてリチウムイオン電池を用いた周知のパック電池は、通常、最大電流および最大電圧をそれぞれ規制した定電流（最大電流約０.５Ｃ程度）・定電圧（最大電圧約４.２Ｖ／並列ユニット程度）充電を利用して充電される。

二次電池１が常温よりも低温であるときに作動する上記充電制御機能は、基本的には前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧および／または出力電流を常温時よりも低く制限することによって行われる。具体的には前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧を、常温において前記二次電池１に許容された充電電圧よりも低く設定された低温領域での前記二次電池１の最大充電電圧に制限することによって、或いは前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流を、常温において前記二次電池１に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池１の最大充電電流に制限することによって行われる。

このような充電制御機能は、前記制御・演算部２０に設けられた制御手段２０ａにより、通信処理部２４を介する通信によって前記制御・電源部（充電器）３１の作動を制御することにより実現される。またこの制御手段２０ａの作動は、前記制御・演算部２０に設けられた判定手段２０ｂによって管理される。
即ち、前記制御手段２０ａは、前記二次電池１の温度Ｔが常温よりも低い低温領域（例えば１０℃未満）にあるとき、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを、常温時に許容される前記二次電池１の最大充電電圧Ｖmaxよりも低く設定された前記低温領域での前記二次電池１の最大充電電圧ＶＬmaxとして制限し、これによってその温度Ｔが低温領域にある二次電池１を安全に充電する第１の制御手段を備える。尚、この場合、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutを格別に制限することはなく、従って前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutは、常温時に許容される前記二次電池１の最大充電電流Ｉmaxにて制限されるだけである。

尚、二次電池１がリチウムイオン電池である場合には、例えば図７に示したように低温領域において制限される前記二次電池１の最大充電電圧ＶＬmaxは４.０６Ｖ／cellであり、また常温で許容される前記二次電池１の最大充電電圧Ｖmaxは４.２１Ｖ／cellである。更に常温で許容される前記二次電池１の最大充電電流Ｉmaxは０.７Ｃであり、低温領域において制限される前記二次電池１の最大充電電流ＩＬmaxは０.３Ｃである。そして低温領域での二次電池１の安全性を確保する場合には、上述した最大充電電圧ＶＬmaxまたは最大充電電流ＩＬmaxの一方に制限すれば十分であることから、前記第１の制御手段においては、その充電初期時においては前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutだけを低く制限するものとなっている。

従って二次電池１は、４.０６Ｖ／cellに制限された前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutが加えられることによりその安全性が保証された状態で、該制御・電源部（充電器）３１に許容された最大の出力電流Ｉoutにて、つまり０.７Ｃの出力電流Ｉoutにて充電される。そしてこの充電に伴って、例えば図２に示すように二次電池１の充電電圧（端子電圧）Ｖが次第に高まっていくことになる。

このとき前記判定手段２０bにおいては、充電に伴って変化する二次電池１の端子電圧（充電電圧）Ｖを検出しており、検出した充電電圧Ｖが前記制御・電源部（充電器）３１に設定された最大の出力電圧Ｖout（＝設定電圧ＶＬmax）を越える第１の条件を満たすか否かを判定している。尚、上述した第１の条件の判定に代えて、充電に伴って変化する前記二次電池１の充電電流Ｉを前記判定手段２０bにて検出し、この充電電流Ｉが低温領域において制限される前記二次電池１の最大充電電流ＩＬmax（設定電流）よりも低下する第２の条件を満たすか否かを判定しても良い。

そしてこの判定手段２０ｂにおいて第１または第２の条件を満たすことが判定されたとき、前記制御手段２０ａでは、例えば前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutを前記低温領域にて設定される前記二次電池１の最大充電電流ＩＬmaxとして制限して二次電池１の安全性を確保すると共に、前述した如く制限していた前記制御・電源部（充電器）３１の最大出力電圧Ｖoutを、常温で許容される二次電池１の最大充電電圧Ｖmax（設定電圧）に設定する［第２の制御手段］。この結果、前記二次電池１は前述した充電初期時よりも高い電圧Ｖmaxが印加された状態にて、最大で上述した如く制限された最大充電電流ＩＬmaxにて充電されることになる。

ちなみにこのようにして充電される二次電池１の端子電圧（充電電圧）は次第に前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutに近付くだけであるが、その充電電流Ｉは該二次電池１が満充電に近付くに従って徐々に減少する。前述した満充電制御は、このような二次電池１の充電電流の変化を捉え、その充電電流Ｉが満充電判定閾値Ｉfullまで低下したとき、これを二次電池１が満充電状態に至ったと判定して該二次電池１に対する充電を停止制御する。

尚、上述した説明においては前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを制限して二次電池１を充電している初期充電時に、該二次電池１の充電電圧Ｖまたは充電電流Ｉを監視して充電形態の切り替えを行った。しかし前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを検出する上での公差、および二次電池１の端子電圧Ｖを検出する上での公差がそれぞれ４０ｍＶ存在する場合、これらの公差を見込んで前述した充電形態の切り替えを制御するようにしても良い。

即ち、常温状態で二次電池１の充電を開始した状態においてその周囲環境が低温に変化した場合、具体的には寒冷地域において暖房した室内で二次電池１の充電を開始した後、窓を開けたことによって冷気が入り込んで室内温度が急激に低下したような場合、電池温度Ｔの低下によって前述した制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutが、低温領域において設定された最大充電電圧ＶＬmaxに制限されることが想定される。すると二次電池１の充電中であるに拘わらず前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutが二次電池１の充電電圧Ｖよりも低くなることが想定され、この場合には二次電池１側から制御・電源部（充電器）３１へと電流が逆流する虞がある。

従ってこのような不具合を防止するべく前述した公差を見込んで設定した判定電圧Ｖth（＝ＶＬmax−［制御・電源部３１の公差］−［制御・演算部２０の公差］）、具体的には３.９８Ｖ／cellを用い、前記二次電池１の充電電圧Ｖが上記判定電圧Ｖthを越えるか否か［第３の条件］を判定することが好ましい。すると前述した第２の制御手段においては、図３に示すように二次電池１の充電電圧Ｖが３.９８Ｖ／cellを越えたとき、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutを前記低温領域にて設定される前記二次電池１の最大充電電圧ＩＬmaxとして制限して二次電池１の安全性を確保すると共に、前述した如く制限していた前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを、常温で許容される二次電池１の最大充電電圧Ｖmaxに設定することになる。

但し、このようにして二次電池１および制御・電源部（充電器）３１での公差を見込んで設定した判定電圧Ｖthを用い、二次電池１の充電電圧Ｖが上記判定電圧Ｖthを越えるか否かを判定してその充電形態を切り替え制御した場合、特に低温領域にて二次電池１の充電を開始したような場合、図３に示すように比較的早い段階で上述した第３の条件［二次電池１の充電電圧Ｖが上記判定電圧Ｖthを越えるか否か］を満たすことが想定される。すると前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを低く制限し、二次電池１を大電流で充電する期間が短くなるので、二次電池１のトータル的な充電時間が長くなることが否めない。

従って前述した第３の条件については、二次電池１の充電中に該二次電池１の温度が常温領域から低温領域に変化したとき、および低温領域において前記二次電池１の充電を開始した場合にのみ有効とし、それ以外の場合には無効とするような制御を行うことが好ましい。このようにして二次電池１の充電環境に応じて第３の条件の適用を制御すれば、逆流防止を目的として判定電圧Ｖthを設定したことに起因して、二次電池１を大電流で充電する期間が短くなると言う不具合を回避することが可能となり、この結果、二次電池１を短時間煮効率的に充電することが可能となる。

図４はリチウムイオン電池からなる電池セルを４段直列に接続した二次電池１を充電する場合における本発明の充電制御方法を具現化した制御手順の一例を示している。この制御手順に示すように、二次電池１を充電するに際しては、先ず二次電池１の温度Ｔを検出し、その温度が１０℃以上（常温）であるか否かを判定する〈ステップＳ１〉。そして二次電池１の温度が１０℃以上（常温）である場合には非低温フラグＦを［１］にセットし〈ステップＳ２〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを１６８０ｍＶ（＝４.２Ｖ／cell×４）に設定すると共に、その出力電流Ｉoutを１４００ｍＡ（＝０.７Ｃ）に設定して前記二次電池１を充電する〈ステップＳ３〉。つまり制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutを制限することなく、換言すれば常温において許容されている二次電池１の充電電圧および充電電流の下で該二次電池１を充電する。

これに対して前記二次電池１の温度が１０℃以上（常温）でない場合、つまり二次電池１の温度Ｔが低温領域である場合には、その時点で二次電池１が充電中であるか否かを判定する〈ステップＳ４〉。そして充電中でない場合には、該二次電池１の端子電圧（充電電圧）が前述した第３の条件を満たすか否かを判定する〈ステップＳ５〉。ちなみに第３の条件を満たしている場合には、該二次電池１が或る程度の状態まで充電されていることが示されるので、前記非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ６〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限すると共に、その出力電流Ｉoutを２００ｍＡ（＝０.３Ｃ）に制限して該二次電池１の充電を開始する〈ステップＳ７〉。

これに対して二次電池１の端子電圧（充電電圧）が前述した第３の条件を満たしていない場合には〈ステップＳ５〉、二次電池１の充電が不足しているので前記非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ８〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutを１４００ｍＡ（＝０.７Ｃ）にしたまま、その出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限して該二次電池１の充電を開始する〈ステップＳ９〉。これによって二次電池１は、その印加電圧が制限された状態で大電流にて充電されることになる。

一方、前述したステップＳ４において二次電池１が充電中であることが確認された場合には、先ず該二次電池１の端子電圧（充電電圧）Ｖが前述した第１の条件として与えられる設定電圧４.０６Ｖ／cell以上であるか否かを判定する〈ステップＳ１０〉。二次電池１の端子電圧（充電電圧）Ｖが４.０６Ｖ／cell以上である場合には、二次電池１が或る程度の状態まで充電されていることが示されるので、前述した非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ６〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限すると共に、その出力電流Ｉoutを２００ｍＡ（＝０.２Ｃ）に制限して該二次電池１の充電を継続する〈ステップＳ７〉。つまり充電電流を制限した状態で二次電池１の充電が行われる。この場合には、図示しない制御ルーチンによって二次電池１が満充電に達したか否かが判定され、満充電制御が行われることになる。

また前述したステップＳ４において二次電池１の充電電圧Ｖが第１の条件を満たしていないことが判定された場合には、次に該二次電池１の充電電流が前述した第２の条件を満たしているか否かが判定される〈ステップＳ１１〉。そして第２の条件が満たされている場合には、二次電池１が或る程度の状態まで充電されていることが示されるので、前述した第１の条件が満たされた場合と同様に前述した非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ６〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限すると共に、その出力電流Ｉoutを２００ｍＡ（＝０.２Ｃ）に制限して該二次電池１の充電を継続する〈ステップＳ７〉。

しかし第１の条件の第２の条件も満たされない場合には〈ステップＳ１０,Ｓ１１〉、二次電池１の充電量が大幅に不足していることが示されるので、先ず前述した非低温フラグＦが［１］であるか否かを判定する〈ステップＳ１２〉。つまりその時点まで前記二次電池１が非低温状態であったか否かを判定する。そしてそれまで二次電池１が非低温状態（常温領域）でなかった場合には、該二次電池１の温度が低温領域であったとして前記非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ８〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutを１４００ｍＡ（＝０.７Ｃ）にしたまま、その出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限して該二次電池１の充電を継続する〈ステップＳ９〉。

尚、ステップＳ１２において前記非低温フラグＦが［１］であり、前記二次電池１の温度が常温領域から低温領域に変化したことが確認された場合には、前述したように二次電池１の端子電圧（充電電圧）が前述した第３の条件を満たすか否かを判定する〈ステップＳ５〉。そして第３の条件を満たしている場合には、該二次電池１が或る程度の状態まで充電されていることが示されるので、前記非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ６〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限すると共に、その出力電流Ｉoutを２００ｍＡ（＝０.３Ｃ）に制限して該二次電池１の充電を継続する〈ステップＳ７〉。

これに対して二次電池１の温度が常温領域から低温領域に変化したにも拘わらず該二次電池１の端子電圧（充電電圧）が前述した第３の条件を満たしていなかった場合には〈ステップＳ５〉、二次電池１の充電が不足しているので前記非低温フラグＦを［０］にセットし〈ステップＳ８〉、前記制御・電源部（充電器）３１の出力電流Ｉoutを１４００ｍＡ（＝０.７Ｃ）にしたまま、その出力電圧Ｖoutを１６２４ｍＶ（＝４.０６Ｖ／cell×４）に制限して該二次電池１の充電を開始する〈ステップＳ９〉。これによって二次電池１は、その印加電圧が制限された状態で大電流にて充電されることになる。

このようにして二次電池１の充電電圧、充電電流、および温度に応じてその充電器である制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutを制限して該二次電池１の充電形態を切り替えることで、二次電池１の温度Ｔが常温よりも低い低温領域であっても、その安全性を確保しながら先ず充電電圧を制限することで許容される最大電流で二次電池１を効率的に充電し、その後、充電電流を制限することで許容される最大充電電流にて該二次電池１を効率的に充電することができる。この結果、二次電池１に対する充電時間の短縮化を図り、二次電池１を高速に充電することが可能となる。

このような制御・電源部（充電器）３１の出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutの替え制御により二次電池１は、図２に示すようにその充電初期時には制御・電源部（充電器）３１から最大で４.０６Ｖの電圧が印加された状態において０.７Ｃの大電流で充電され、充電に伴って次第にその充電電圧Ｖｔが上昇する。そして二次電池１の充電電圧が、前述した如く制限された制御・電源部（充電器）３１の出力電圧ＶＬmaxに達したならば、その充電電流が２００ｍＡに抑えられ、同時に充電電圧の制限が解除されるので、最大で４.２０Ｖ／cellの高電圧が印加された状態で充電される。この結果、二次電池１は、その充電初期時には充電電圧が制限されるが大電流にて効率的に充電され、その後、充電電流が制限されるも、高電圧が印加されることで効率的に充電される。従って上述した充電制御によれば、二次電池１が低温である場合でも、その安全性を確保しながら効率的に短時間で高速に充電することができる。

図５は上述した制御の下で電池セルを４段直列に接続した公称１６Ｖの二次電池（リチウムイオン電池）１を、５℃なる低温条件下で充電したときの充電電圧、充電電流、および電池温度の変化の実測例を示している。ちなみにこの二次電池１の充電は、定格電圧出力が１６.８Ｖ，定格電流出力が１.７１Ａの定電圧・定電流源（充電器）を用いて行った。そして充電初期時には充電器の出力電圧Ｖoutを１６.０８Ｖに制限し、最大出力電流が１.７１Ａの電源として動作させて二次電池１を充電し、その充電電流Ｉoutが１.７１Ａから２００ｍＡまで低下した時点で前記充電器の出力電流を２００ｍＡに制限し、最大出力電圧が１６.８Ｖの電源として動作させて二次電池１を充電した。そしてその充電電流の低下から二次電池１が満充電状態に至ったことが検出されるまでの時間を計測したところ、５時間１８分であった。

これに対して同じ二次電池１を、従来のように出力電圧が１６.８Ｖの充電器の充電電流を２００ｍＡに制限し、この状態を保ちながら二次電池１を充電したところ、図６に示すように満充電状態に至るまでに１４時間３２分もの時間を要した。これらの図５および図６にそれぞれ示す実測例によれば、本発明に係る充電制御法を採用することで、その充電所要時間を略１／２に短縮し得ることが確認できた。尚、図５,６に示す実験においては、二次電池が満充電に近付いたとき、つまり電池電圧が所定電圧に達したとき、パルス充電に切り替えて充電を行った。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前述した充電器の出力電圧および出力電流に対する制限値は、充電対象とする二次電池１の種類および仕様に応じて設定すれば良いものであり、前述した第１〜第３の条件についても上記二次電池１の仕様や特性に応じて設定すれば良いものである。要は本発明は低温条件下で二次電池を充電するに際し、充電初期時にはその充電電圧を制限して充電し、この充電に伴って二次電池の充電状態が所定の条件を満たしたときには、上述した充電電圧の制限に代えて充電電流を制限して充電するようにその充電形態を変更するものであり、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。

本発明の一実施形態に係る二次電池の充電制御方法を適用した二次電池装置の要部概略構成図。 本発明に係る二次電池の充電制御形態の切り換えに伴う充電電圧と充電電流の変化の様子を示す図。 公差を見込んで充電制御形態を変更した場合の充電電圧と充電電流の変化の様子を示す図。 本発明に係る充電制御方法を実現する制御手順の一例を示す図。 本発明を適用してリチウムイオン電池を充電した際の充電電圧および充電電流の実測例を示す図。 従来の充電法によりリチウムイオン電池を充電した際の充電電圧および充電電流の実測例を示す図。 電池温度に応じて二次電池の安全性を考慮して設定される充電電圧と充電電流の制限例を示す図。

符号の説明

１ 二次電池
５ 電流検出部
６,７ 制御スイッチ
８ 温度検出部（電池温度検出手段）
２０ 制御・演算部
２０ａ 充電制御手段
２０ｂ 判定手段
２１ マルチプレクサ
２２.２３ ＡＤ変換器
３１ 制御・電源部（充電器）

Claims (6)

1. 出力電圧を制限可能な充電器を用いて二次電池を充電するに際して、
   前記二次電池の温度が常温よりも低い低温領域にあるとき、前記充電器の出力電圧を、常温において前記二次電池に許容された充電電圧よりも低く設定された前記低温領域での前記二次電池の最大充電電圧に制限して前記二次電池を充電し、
   この充電条件下において前記二次電池の充電電圧が前記充電器の出力電圧を越える第１の条件を満たしたとき、若しくは前記二次電池の充電電流が前記低温領域において制限される前記二次電池の最大充電電流よりも低下する第２の条件を満たしたとき、
   前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定して前記二次電池を充電することを特徴とする二次電池の充電制御方法。
2. 請求項１に記載の二次電池の充電制御方法において、
   更に前記充電器の出力電圧を、低温領域において設定した前記二次電池の最大充電電圧に設定して前記二次電池を充電している条件下において、
   前記二次電池の充電電圧が、予め前記二次電池および前記充電器における各電圧公差を見込んで設定された判定電圧を越える第３の条件を満たしたとき、
   前記充電器の出力電流を、常温時よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定して前記二次電池を充電することを特徴とする二次電池の充電制御方法。
3. 請求項２に記載の二次電池の充電制御方法において、
   前記二次電池の充電中に該二次電池の温度が常温領域から低温領域に変化したとき、および低温領域において前記二次電池の充電を開始した場合に前記第３の条件を有効とし、それ以外の場合には前記第３の条件を無効とすることを特徴とする二次電池の充電制御方法。
4. 二次電池および出力電圧が制限可能で上記二次電池の充電に用いられる充電器と、
   前記二次電池の充電電圧、充電電流および電池温度をそれぞれ検出する検出部と、
   この検出部にて検出された前記二次電池の充電電圧、充電電流および電池温度に応じて前記充電器の出力電圧を制御する制御装置とを具備し、
   前記制御装置は、前記二次電池の温度が常温よりも低い低温領域にあるとき、前記充電器の最大出力電圧を、常温において前記二次電池に許容された充電電圧よりも低く設定された前記低温領域での前記二次電池の最大充電電圧に制限する第１の制御手段と、
   この第１の制御手段の下で前記二次電池を充電しているとき、前記二次電池の充電電圧が前記充電器の出力電圧を越える第１の条件を満たすか否か、若しくは前記二次電池の充電電流が前記低温領域において制限した前記二次電池の最大充電電流よりも低下する第２の条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
   この判定手段により前記第１または第２の条件を満たすことが検出されたとき、前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の最大出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定する第２の制御手段と
   を備えることを特徴とする二次電池装置。
5. 請求項４に記載の二次電池装置において、
   前記判定手段は、前記第１および第２の条件に加えて、前記二次電池の端子電圧が、予め前記二次電池および前記充電器における各電圧公差を見込んで設定された判定電圧を越える第３の条件を満たすか否かを判定する手段を含み、
   前記第２の制御手段は、前記判定手段により前記第１〜第３の条件のいずれか１つが満たすことが検出されたときに前記充電器の出力電流を、常温において前記二次電池に許容された充電電流よりも低く設定された低温領域での前記二次電池の最大充電電流に制限すると共に、前記充電器の出力電圧を、前記常温において前記二次電池に許容された充電電圧に設定することを特徴とする二次電池装置。
6. 請求項５に記載の二次電池装置において、
   前記判定手段は、前記二次電池の充電中にその温度が常温領域から低温領域に変化したとき、および低温領域において前記二次電池の充電を開始した場合に前記第３の条件を有効とし、それ以外の場合には前記第３の条件を無効とする手段を含むことを特徴とする二次電池装置。

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