JP5410248B2 - 二次電池の寿命期間を保証する充電システム - Google Patents

Description

本発明は二次電池の寿命期間を保証する技術に関する。

携帯型電子機器の一例であるノートブック型パーソナル・コンピュータ（以後ノートＰＣという。）には、リチウム・イオン電池を内蔵した電池パックが使用されている。リチウム・イオン電池に限らず二次電池は使用時間が経過するに伴って劣化して容量が低下する。二次電池の寿命期間は使用環境や充電方法により変化するが、リチウム・イオン電池の劣化モードは２つに大別することができる。１つは、リチウム・イオン電池の充放電サイクルを繰り返す間に生ずる電気化学的変化および物理的変化に起因するサイクル劣化で、他の１つはリチウム・イオン電池が一定の充電状態を持続する間に生ずる電気化学的変化に起因するストレージ劣化またはカレンダー劣化である。

特許文献１は、リチウム・イオン電池のサイクル寿命を長くする発明を開示する。同文献の発明は、使用するリチウム電池の充放電可能容量が大きいうちは実際の充電電圧を上限より低くしかつ放電電圧を下限より高くする。また、充放電可能容量が小さくなるにつれて充電電圧を上限に近くしていきかつ放電電圧を下限に近くしていく。そして、寿命の末期は充電電圧を上限に設定しかつ放電電圧を下限に設定することで充放電可能容量の低下を少なくして寿命を長くしている。

特許文献２は、電池パックの性能劣化や短命化を抑制する発明を開示する。同文献には、リチウム・イオン電池は満充電の状態またはそれに近い状態で放置または保管されると容量劣化が大幅に進行するという性質を有していることが記載されている。さらに、リチウム・イオン電池は、満充電の状態またはそれに近い状態での放置時間が長くなるほど、また、高温になるほどその容量劣化は一層加速し一旦容量劣化した電池は、その容量を回復させることができないと記載されている。そして同文献の発明は、電池パックの温度が比較的高い場合には、電池パックの目標充電容量を比較的小さく設定し、電池パックの温度が比較的低い場合には、目標充電容量を比較的大きく設定することで、電池パックを満充電まで充電させないようにしている。

特開平９−１２０８４３号公報 特開２００５−２８７０９２号公報

近年電気機器に搭載されるリチウム・イオン電池の寿命期間を、電気機器の製造者が３年間あるいは５年間といったような所定期間だけ保証するシステムが開始されようとしている。寿命期間を保証するためには、充放電サイクル数（以下、サイクル数という。）、電池温度、および電池電圧といった容量劣化に強い影響を及ぼす要因に関連する使用条件を標準使用条件として設定する。しかし、ユーザが標準使用条件どおりに使用すれば寿命期間を保証することができるが、実際には、ユーザが標準使用条件から外れて使用することがあるため寿命期間を保証できない場合が生ずる。そこで、標準使用条件から外れて使用されることがあってもリチウム・イオン電池の寿命期間を保証することができる充電システムが望まれる。

そこで本発明の目的は、二次電池の寿命期間を保証することができる充電システムを提供することにある。さらに本発明の目的はそのような充電システムを搭載する電気機器またはコンピュータを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのような充電システムを実現する電池パックを提供することにある。さらに本発明の目的は二次電池の寿命期間を保証する方法を提供することにある。

本発明は二次電池の寿命期間を保証できる充電システムを提供する。本発明が対象にする二次電池は寿命期間が電池温度と電池電圧を主要因とするストレージ劣化に大きく支配される。具体的には、電池温度が所定値以上高くかつ電池電圧が所定値以上高い場合にストレージ劣化が激しく進行するような二次電池を対象にしている。電池温度は二次電池が使用される環境温度で決まるため充電システムは制御できない。本発明にかかる充電システムは容量劣化が進行していると判断したときに電池電圧を下げることで寿命期間を保証する。充電制御回路は、充電器に第１の充電電圧値を設定して充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの二次電池の容量劣化の大きさに関連する劣化特性値を閾値と比べて充電電圧の切り替えが必要であるか否かを判断する。充放電サイクルには、充電期間および放電期間に加えて二次電池が充放電回路から切り離されて自然放電している期間を含んでもよい。充電制御回路は劣化特性値が閾値に到達したと判断したときに充電器に第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定する。

第１の充電電圧値は、寿命期間を保証する前提として設定した標準使用条件における充電電圧値とすることができる。第２の充電電圧値を電池温度が標準使用条件より高くてもストレージ劣化がほとんど進行せず、かつ定格容量を確保できる値に設定すれば、充電電圧を変更したあとのストレージ劣化を標準使用条件の場合よりも抑制して寿命期間が保証できるようになる。本発明にかかる二次電池は正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池とすることが好適であるが、寿命期間がストレージ劣化に強く支配されかつ充電電圧で制御可能なタイプの二次電池一般に適用することが可能である。

劣化特性値には、電池温度が第１の温度値以上でかつ電池電圧が所定値以上である第１の劣化促進状態の時間または累積時間を選定することができる。また劣化特性値には、二次電池の劣化の大きさを示す劣化量を選択することも可能である。劣化量は、満充電容量、二次電池の内部インピーダンス、および二次電池を放電したときの単位容量当たりの電池電圧の変化値から選択することができる。また複数選択した劣化特性値と対応する閾値との関係に論理演算を加えて充電電圧を切り替えるようにしてもよい。

充電制御回路は、電池温度が第２の温度値以上でかつ電池電圧が所定値以上である第２の劣化促進状態が所定時間継続したときに、二次電池を充電開始電圧よりも高い所定の電圧まで放電させることができる。第２の劣化促進状態を、第２の温度値が第１の温度値よりも高いといったように第１の劣化促進状態よりも厳しくなるような状態に設定しておけば、急激な劣化の進行を強制放電により緩和させることができる。

本発明により、二次電池の寿命期間を保証することができる充電システムを提供することができた。さらに本発明によりそのような充電システムを搭載する電気機器またはコンピュータを提供することができた。さらに本発明により、そのような充電システムを実現する電池パックを提供することができた。さらに本発明により二次電池の寿命期間を保証する方法を提供することができた。

正極にコバルト系リチウムを使用したリチウム・イオン電池の寿命期間を保証する方法の概要を説明する図である。 本実施の形態にかかる基本的な充電システムの機能ブロック図である。 劣化特性値として満充電容量比を選択した場合に寿命期間を保証する方法を説明する図である。 劣化特性値として劣化促進状態の継続時間を選択した場合に寿命期間を保証するための閾値を決定する方法を説明する図である。 充電システムが劣化特性値に基づいてリチウム・イオン電池の寿命期間を保証する手順を示すフローチャートである。 電池パックと電池パックを搭載するノートＰＣで構成された充電システムの概要を示す機能ブロック図である。 スマート・バッテリィ・システム（ＳＢＳ）規格に準拠した電池パックの内部構成を示す機能ブロック図である。

［リチウム・イオン電池の寿命期間］
二次電池の寿命期間は、使用開始時の満充電容量に対して所定の割合以上の満充電容量が残存している期間として定義することができる。リチウム・イオン電池の寿命期間を保証するには、使用中に容量劣化の程度を判断して制御因子を適切に制御する必要がある。発明者の実験によれば、リチウム・イオン電池は正極の材料により劣化に大きな影響を与える要因が異なることがわかった。現在、リチウム・イオン電池の正極材料にはコバルト系リチウムと、ニッケル系リチウムが主に採用されている。コバルト系リチウムとしては、コバルト酸リチウムまたはコバルト酸リチウムとマンガン酸リチウムを混合した材料が主として使用されている。ニッケル系リチウムとしては、ニッケル酸リチウムとコバルト酸リチウムまたはマンガン酸リチウムを混合した材料が主として使用されている。

そして正極材料と容量劣化の関係を調べていくと、正極にコバルト系リチウムを使用したリチウム・イオン電池では、電池の表面温度である電池温度が高くかつ充放電回路から切り離したときの端子電圧である電池電圧が高い状態が続くと容量劣化が激しくなり、ストレージ劣化が支配的であることがわかった。また、電池温度が高くても電池電圧を下げることでストレージ劣化を抑制することができることもわかった。これに対して、正極にニッケル酸リチウムを使用したリチウム・イオン電池では、想定サイクル数を越えると容量劣化が激しくなりサイクル劣化が支配的であることがわかった。また、電池温度が高くてもストレージ劣化は少なく、さらに、電池電圧を下げてもサイクル劣化を抑制することができないこともわかった。

電池は、使用開始後にさまざまな要因で劣化していくが、劣化要因のなかには充電電圧に支配される電池電圧のように充電システムで制御できる因子と、環境温度に支配される電池温度のように制御できない因子がある。使用条件を過剰に制約することなく寿命期間を確実に保証するためには、あらかじめ適切な制御因子を特定する必要がある。本実施の形態では、正極にコバルト系リチウムを使用したリチウム・イオン電池を例示して、適切に使用条件を制御して寿命期間を保証することができる充電システムを説明する。

［寿命期間を保証する方法の概要］
図１は、正極にコバルト系リチウムを使用したリチウム・イオン電池の寿命期間を保証する方法の概要を説明する図である。ライン１１、１３、１５は、いずれも初期の満充電容量に対する経過時間ごとに測定した満充電容量の比を表している。以後、満充電容量の初期値に対する所定の経過時間後の値の割合を満充電容量比という。満充電容量は、その時点で電池が蓄積できる最大の電気量をいいリチウム・イオン電池の物理的変化および化学的変化により経年的に低下する値である。リチウム・イオン電池は、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）方式で充電する。定電流定電圧方式では、定電流充電で充電を開始し電池電圧が所定値まで上昇したときに定電圧充電に切り替える。定電圧充電を継続すると充電電流が次第に減少する。そして充電電流が放電終止電流に到達した時点で充電を終了する。

したがって電池電圧は充電を停止する直前の電圧である充電電圧に支配される。満充電容量は放電終止電圧またはその近辺から放電終止電流まで充電する間に電池に蓄積される総電気量として計測することができる。なお、複数の電池を直列に接続している場合の電池電圧は、単体の電池（電池セル）の電圧をいう。本実施の形態では、リチウム・イオン電池の寿命期間を２年あるいは３年といった所定期間として保証するために標準使用条件を設定する。標準使用条件を構成する項目は、充電電圧、電池温度、およびサイクル数に集約されるが正極がコバルト系リチウムのリチウム・イオン電池では充電電圧と電池温度が特に重要である。充電電圧を低くすると寿命期間が長くなることは一般に知られているが、充電電圧を下げると満充電容量まで充電しないことになり放電により利用できる電気量が低下するため寿命期間を保証する前の充電電圧はこれまで４．２Ｖにしていた。ここに、満充電容量に対して実際に電池が蓄積している電気量の割合をＲＳＯＣ（％）（Relative State Of Charge）という。

充電電圧は定電流定電圧方式の充電において、定電圧領域で充電している間に各電池セルに印加される電圧に対応する。充電電圧を４．２Ｖにすると電池温度およびサイクル数を標準使用条件の範囲に納めても３年間の寿命期間を満たすことは困難であるため、本実施の形態では初期の充電電圧を一例として４．１Ｖにする。そして、充電電圧として４．１Ｖ、時間的に平均的した電池温度として２５度、寿命期間中の合計のサイクル数として８００回を標準使用条件とする。電池の定格容量は、４．１Ｖで充電したときのＲＳＯＣ（％）で規定している。本実施の形態では寿命期間である３年の終期ｔｆにおける満充電容量比が６０％以上になるように設定している。ただし、寿命期間の終期ｔｆでの満充電容量比および寿命期間に他の値を採用することもできる。

電池温度は、リチウム・イオン電池が充電中、放電中または充放電回路からの開放状態のいずれかの状態におかれているときに電池セルの表面で測定した値を時間的に平均した温度である。ただし、安全上電池温度が所定値を越えた場合は充電が制限されるので、その場合は放電中または開方状態のいずれかの状態で測定することになる。ライン１１は標準使用条件のときの満充電容量比の経年変化を示しており、寿命期間が保証されていることを示している。ライン１３は電池温度を４０度でかつ電池電圧を４．１Ｖにしたときの満充電容量比の経年変化を示しており寿命期間を保証することができないことを示している。ライン１５は、電池温度を６０度でかつ電池電圧を４．１Ｖにしたときの満充電容量比の経年変化を示しており、この使用状態では時刻ｔｘでリチウム・イオン電池が寿命に到達している。

点線で示したライン１７は、時期ｔ１で充電電圧を初期の充電電圧より下げて４．０５Ｖにしたときの満充電容量比の経年変化を示している。時刻ｔ１のときのライン１５の満充電容量比がライン１１の満充電容量比よりも小さい場合は、標準使用条件で使用した場合よりも劣化が進行していることになるため、それ以降に標準使用条件で使用しても寿命期間を保証することはできなくなる。正極にコバルト系リチウムを使用したリチウム・イオン電池では、電池電圧を４．０５Ｖ程度以下に下げると電池温度が高くても標準使用条件の場合よりもそれ以降のストレージ劣化の進行が少ないことが実験でわかっている。

よって、本実施の形態では上記の特質を利用して容量劣化が標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることが判明した場合には、それ以降の充電電圧を低下させてストレージ劣化を抑制し寿命期間を保証する。ライン１７における時刻ｔ１以降の充電電圧（４．０５Ｖ）を劣化抑制電圧といい、充電電圧を変更する時刻ｔ１を充電電圧の切替時期という。劣化抑制電圧は、リチウム・イオン電池が搭載される電気機器に許容される最大の環境温度においても標準使用状態のときよりもストレージ劣化の進行を抑制することができる充電電圧ということができる。

［充電システム］
図２は、本実施の形態にかかる基本的な充電システムの機能ブロック図である。充電システム５０は、電気機器、情報機器、電動工具、または自動車などの電力機器に搭載することができる。直流電源５１は、充電器５５および負荷６５に直流電圧の電力を供給する。直流電源５１は、常時充電システム５０の一部を構成して充電できる状態にしておく必要はなく、リチウム・イオン電池５７の充電が必要なときだけスイッチ５３に接続するようにしてもよい。充電器５５は、直流電源５１から供給された直流電圧をスイッチング制御して所定の直流電圧に変換し定電流定電圧制御でリチウム・イオン電池５７を充電する。充電器５５は、直流電源５１が供給する電圧を検知して充電制御回路６１に直流電源５１が接続されていることを知らせる。リチウム・イオン電池５７は正極にコバルト系リチウムを採用している。

電流測定回路５４は、リチウム・イオン電池５７に流れる充電電流または放電電流を測定してその値を充電制御回路６１に送る。電圧測定回路５６は、リチウム・イオン電池５７を構成する電池セルの電圧を測定して充電制御回路６１に送る。温度測定回路５９はリチウム・イオン電池５７の表面温度を測定して充電制御回路６１に送る。

充電制御回路６１は、電流測定回路５４、電圧測定回路５６および温度測定回路５９から受け取ったデータに基づいて充電器５５の動作を制御する。充電制御回路６１は、充電器５５に定電圧領域で動作するときの充電電圧および定電流領域で動作するときの充電電流を設定する。充電制御回路６１は、電流測定回路５４から受け取ったデータに基づいてリチウム・イオン電池５７の使用を開始してから実行されたサイクル数をカウントする。充電制御回路６１は、リチウム・イオン電池５７の使用を開始してからの経過時間を計測する。

充電制御回路６１は、所定のサイクル数ごとまたは所定の経過時間ごとに充電器５５に電圧が印加されていることを確認してから、リチウム・イオン電池５７を放電終止電圧またはその近辺まで強制的に放電させ、その後充電終了電流まで充電するときの全電気量から満充電容量を計算する。充電制御回路６１は、リチウム・イオン電池５７の劣化量に関する劣化特性値を測定して切替時期が到来したことを判断し、充電器５５に設定する充電電圧を変更する。充電制御回路６１は、電池電圧が所定値以上でかつ電池温度が所定値以上である劣化促進状態が継続している時間、およびその累積時間を劣化特性値として測定する。劣化促進状態とその継続時間は切替時期を判断したり強制放電の時期を判断したりするために利用される。

充電制御回路６１は、ＥＥＰＲＯＭ６２を備えている。ＥＥＰＲＯＭ６２には、リチウム・イオン電池５７の充放電に関する固有情報、劣化特性値の閾値、累積のサイクル回数、および経過時間などのデータが書き込まれる。充電制御回路６１は、充電器５５を通じて直流電源５１がスイッチ５３に接続されていることを認識する。負荷６５は、リチウム・イオン電池５７または直流電源５１から電力の供給を受けて動作する。

［劣化特性値］
つぎに、リチウム・イオン電池５７の劣化特性値について説明する。リチウム・イオン電池が標準使用条件からはずれて使用されると、寿命期間を保証するときに予定していたよりも容量劣化が進行し、所定の寿命期間を保証できなくなる。本実施の形態では、使用を開始してから所定の時間ごとまたは所定のサイクル数ごとにリチウム・イオン電池５７の劣化特性値を計測して劣化の程度を判断し必要な場合に充電電圧を変更する。あるいは、使用を開始してから劣化特性値が閾値に到達したと判断したときに充電電圧を変更する。劣化特性値は、リチウム・イオン電池５７の容量劣化の大きさに関連する劣化量とすることができる。劣化特性値は、使用開始時の劣化値に対する使用開始後の劣化値の割合で表すことができる。満充電容量比は使用開始時の劣化量をゼロとしたときに直接容量劣化を示す劣化特性値となる。

満充電容量と電池セルの内部インピーダンスは相関関係がある。また、放電させたときの単位容量当たりの電池電圧の変化値（以下、容量電圧変化率（ΔＶ／ΔＣ）という。）も満充電容量と相関関係がある。満充電容量が低下するに伴って内部インピーダンスは上昇し、また、容量電圧変化率も上昇するので、それぞれの初期値に対する割合として内部インピーダンス比または容量電圧変化率の比を計算し、満充電容量比に代えてそれらを劣化特性値として採用することができる。内部インピーダンス比と容量電圧変化率の比は逆数を使用して、満充電容量比と同じように経過時間とともに低下する値として利用することもできる。

リチウム・イオン電池５７の劣化特性値としては、電池の劣化の大きさを直接示す劣化量以外に劣化をもたらす要因に関連する情報を採用することもできる。リチウム・イオン電池５７は、電池温度が所定値以上でかつ電池電圧が所定値以上の劣化促進状態が継続すると容量劣化が激しくなる。したがって、あらかじめ、リチウム・イオン電池５７が所定の電池温度および所定の電池電圧で規定される劣化促進状態におかれている継続時間または累積時間を劣化特性値として採用することもできる。

［寿命期間の保証方法］
つぎに、劣化特性値として満充電容量比を選択して寿命期間を保証する方法を、図３を参照して説明する。図３のライン２１は、寿命期間の終期ｔｆに６０％以上の満充電容量比を保証するために標準使用条件（電池温度２５度、電池電圧４．１Ｖ）で使用したときの満充電量容量比の経年変化を示している。ライン２３−１は、電池温度が６０度で電池電圧を４．０５Ｖまで下げたときの満充電量容量比の経年変化を示している。ライン２３−２は、寿命期間の終期ｔｆにおける満充電容量比がライン２１のそれと一致するようにライン２３−１を下方向に平行移動させたものである。

ライン２５−１は電池電圧が４．１Ｖで電池温度が６０度の満充電容量比の経年変化を示し、ライン２５−２は電池電圧が４．１Ｖで電池温度が５５度のときの満充電容量比の経年変化を示している。なお、電池温度が５５度を超えるときはリチウム・イオン電池に対する充電が禁止されているので、ライン２３−１、２５−１、２５−２は、リチウム・イオン電池５７が充電以外の状態におかれているときの特性である。時刻ｔ１ではライン２１が示す標準使用条件では満充電容量比がＣ１％であるが、ライン２５−１が示す電池温度が６０度のときはＣ２％まで低下している。

しかし、時刻ｔ１で充電電圧を劣化抑制電圧である４．０５Ｖに変更するとその後はライン２３−２にしたがって容量が低下するため、寿命期間の終期ｔｆにおいて６０％の満充電容量比を維持することができる。なお、時刻ｔ１以前に充電電圧を劣化抑制電圧に変更することでも寿命期間を満たすことはできるが、劣化抑制電圧で充電すると蓄積できる電気量が減るので時刻ｔ１で変更することが望ましい。また、ライン２５−１に従って容量が低下した場合は、時刻ｔ１が経過してから充電電圧を劣化抑制電圧に変更するとライン２３−２がさらに下方向にシフトすることになり寿命期間を満たすことができなくなる。

時刻ｔ２では、ライン２１が示す標準使用条件では満充電容量比がＣ３％であるが、ライン２５−２が示す電池温度が５５度のときはＣ４％まで低下している。しかし、時刻ｔ２で充電電圧を劣化抑制電圧である４．０５Ｖに変更するとその後はライン２３−２にしたがって容量が低下するため、寿命期間の終期ｔｆにおいて６０％の満充電容量比を満たすことができる。なお、時刻ｔ２以前に充電電圧を劣化抑制電圧に変更することでも寿命期間を満たすことはできるが、ライン２５−１の場合と同様に劣化抑制電圧で充電すると蓄積できる電気量が減るのでライン２５−２で劣化した場合は時刻ｔ２で切り替えることが望ましい。これらのことから、最適な切替時期は各時刻において満充電容量比がライン２３−２まで低下した時期として決定できることがわかる。

内部インピーダンス比または容量電圧変化率の比を劣化特性値として採用する場合は、あらかじめそれらの値と満充電容量の関係を実験で求めておく。そして満充電容量比の場合と同様にそれぞれの値について標準使用条件で使用したときの経年変化と劣化抑制電圧で充電したときの経年変化を実験で求めて切替時期を決定することができる。

劣化特性値として、電池温度と電池電圧で規定する劣化促進状態の継続時間を採用する場合は、劣化促進状態の累積時間としての閾値を満充電容量比がライン２３−２に近づくように決定することで最適な切替時期を決定することができる。図４は、劣化特性値として劣化促進状態の継続時間を選択した場合に寿命期間を保証するための累積時間の閾値を決定する方法を説明する図である。図４のライン２３−２は、図３で説明したものと同じである。劣化促進状態は、たとえば電池温度が４５度以上でかつ電池電圧が４．１Ｖ以上と設定することができる。

劣化促進状態はリチウム・イオン電池５７の使用環境により、連続的に発生する場合もあるし間欠的に発生する場合もある。したがって、劣化促進状態が所定の累積時間に到達するときの経過時間は使用環境により変化する。ライン２３−２が示すように、寿命期間の保証のために許容できる劣化量は、経過時間が長くなるほど大きくなる。したがって、累積時間の閾値に対応する満充電容量比がライン２３−２であるとすれば、経過時間が長いほど閾値を大きくすることができる。

たとえば、時刻ｔ１では劣化量Δ１を許容でき時刻ｔ２では劣化量Δ２（Δ２＞Δ１）を許容できる。したがって、劣化促進状態の累積時間に対する閾値は、経過時間の関数として定めてもよい。一例として、劣化促進状態が連続して発生するような場合では経過時間ｔ１が２４００時間のときの累積時間の閾値は２４００時間とし、経過時間ｔ２が１２０００時間のときの累積時間の閾値は３０００時間にするといったように、各経過時間において満充電容量比がライン２３−２にできるだけ近づくように閾値を設定することが望ましい。

劣化特性値に劣化促進状態の継続時間を採用する場合は電池温度、電池電圧および累積時間を計算するだけでよく劣化量を測定する必要がないため実現が容易である。また切替時期は、劣化量および劣化促進状態を複数設定しそれらと閾値との関係に論理和または論理積などの演算を施して決定するようにしてもよい。たとえば、満充電容量比と劣化促進状態の累積時間がともに閾値に到達したときに充電電圧を切り替えたり、劣化促進状態を構成する電池温度を複数設定して設定した各電池温度で構成される劣化促進状態と劣化量との間で論理演算をして切替時期を判断したりすることができる。

［寿命期間を保証する手順］
つぎに充電システム５０において、劣化特性値に基づいてリチウム・イオン電池５７の寿命期間を保証する手順を図５のフローチャートに基づいて説明する。ブロック１０１からブロック１０５までは切替時期を決定するために劣化特性値に適用する閾値を求めて充電制御回路６１のＥＥＰＲＯＭ６２に格納する手順を示し、ブロック１０７からブロック１２１までは充電システム５０の実際の動作の手順を示している。ブロック１０１では、図３のライン２３−１に示したような電池電圧を劣化抑制電圧に一致させたときの劣化特性値の経年変化に関する実験データを取得する。実験中の電池温度は、リチウム・イオン電池５７が搭載される電気機器に許容される範囲で予測しえる最大の温度とする。

ブロック１０３では、寿命期間の終期ｔｆ、初期の充電電圧、および電池温度を設定して、図３のライン２１に示したような標準使用条件での劣化特性値の実験データを取得する。ブロック１０５では、ブロック１０１で取得した実験データの寿命終期における劣化特性値をブロック１０３で取得した実験データの寿命終期における劣化特性値に一致させるように実験データを修正して図３のライン２３−２に示したような修正データを取得する。劣化量を劣化特性値に選択した場合は、修正データが切替時期を判定するための閾値となる。劣化促進状態の継続時間を劣化特性値に選択した場合は、図４で示した手順に基づいて累積時間に対する閾値を設定する。修正データおよび累積時間の閾値は、充電制御回路６１のＥＥＰＲＯＭ６２に格納する。

ブロック１０７ではリチウム・イオン電池５７の使用を開始する。スイッチ５３は通常オンになっている。充電制御回路６１は、充電器５５に初期の充電電圧（４．１Ｖ）と充電電流を設定する。直流電源５１がスイッチ５３に接続されると充電器５５が電圧を検知して充電制御回路６１がそれを認識しスイッチ６３をオフにする。負荷６５には直流電源５１から電力が供給され、自然放電で充電開始電圧まで低下した電池電圧を電圧測定回路５６が検出すると、充電制御回路６１は充電器５５を動作させて充電を開始させる。充電制御回路６１は、電流測定回路５４が測定する充電電流が充電終了電流に到達したと判断したときに充電器５５の動作を停止させる。

直流電源５１が停止したり、スイッチ５３から外されたりしたときには、充電制御回路６１はスイッチ６３をオンにして負荷６５にリチウム・イオン電池５７から電力を供給する。そして、つぎに直流電源５１が接続されたことを認識したときに充電制御回路６１は充電器５５を動作させて充電を開始させ、かつ、直流電源５１から負荷６５に電力を供給させる。このような一連のサイクルで充電システム５０の動作が継続する。

ブロック１０９では充電制御回路６１が、温度測定回路５９が測定した電池温度、電圧測定回路５６が測定した電池電圧、および電流測定回路５４が測定した充電電流に基づいて、所定時間ごとまたは所定のサイクル数ごとに劣化特性値を測定する。ブロック１１１では、充電制御回路６１はリチウム・イオン電池５７が強制放電を必要とするような劣化促進状態におかれているか否かを判断する。

強制放電は、リチウム・イオン電池５７が電池温度および電池電圧が高い劣化促進状態が所定時間継続したときに、一旦負荷６５を通じて電荷を放電させて電池電圧を低下させ劣化促進状態から解放する操作である。強制放電は、劣化を抑制することを目的とする点で充電電圧を切り替える操作と一致するが、劣化が著しく進行し易い状況になっていると判断したときに一時的に行う点で相違する。そして、強制放電の必要性の判断の一例として、劣化特性値として電池温度が６０度以上でかつ電池電圧が４．１Ｖ以上で規定される劣化促進状態の継続時間を採用し、それに対する閾値として連続する２時間を設定する。

充電制御回路６１は、直流電源５１が接続されていることを確認し、さらに強制放電のための劣化促進状態が閾値に到達したことを確認すると、ブロック１１３でスイッチ５３をオフにし、スイッチ６３をオンにして、負荷６５を通じてリチウム・イオン電池５７を強制的に放電させて電池電圧を低下させる。放電は、電池電圧が充電を開始する電圧よりは大きな値であって、たとえば３．７５Ｖ程度まで行う。強制放電が終了したあとは、充電制御回路６１はスイッチ５３をオンにしてスイッチ６３をオフにすることで、負荷６５に直流電源５１から電力を供給する。その後自然放電で電池電圧が充電開始電圧まで下がったときに充電器５５により充電が再開される。再充電までの時間は１週間〜２週間といった比較的長い時間となるように放電を停止する電圧を設定することで、リチウム・イオン電池５７はその間劣化促進状態から解放される。強制放電は、常に直流電源５１が接続されてリチウム・イオン電池５７が満充電状態に維持されているような充電システムにおける劣化の抑制に特に適している。

ブロック１１５では、劣化測定値として劣化量を採用した場合は、充電制御回路６１は劣化特性値が切替時期を決定するための閾値に到達したか否かを所定のサイクル数ごとまたは所定の経過時間ごとに判断する。このとき充電制御回路６１は劣化量がブロック１０５で取得しＥＥＰＲＯＭ１０５に格納しておいた修正データに到達したか否かを判断する。劣化特性値に劣化促進状態を採用した場合は、充電制御回路６１は切り替え時期の決定のための劣化促進状態の累積時間がＥＥＰＲＯＭ６２に保存しておいた閾値に到達したか否かを判断する。いずれの場合であっても、閾値に到達したと判断したときはブロック１１７に移行し、閾値に到達していないと判断したときはブロック１０９に戻る。

ブロック１１７では、充電制御回路６１が充電器５５に劣化抑制電圧（４．０５Ｖ）を設定する。ブロック１１９では、充電制御回路６１は、経過時間が寿命期間の終期ｔｆに到達したか否かを判断し、終期に到達した場合はブロック１２１で寿命期間の保証のための手順を終了する。終期に到達していない場合はブロック１０９に戻る。この手順では充電電圧をブロック１１７で一度だけ切り替えているが、劣化抑制電圧をステップ状に設定して劣化特性値に基づいて２回以上変更するようにしてもよい。また、これまで正極がコバルト系リチウムの材料で形成されたリチウム・イオン電池を例にして寿命期間を保証する手順を説明したが、本発明は寿命期間を電池温度と電池電圧を主要因とするストレージ劣化が支配している他のタイプの二次電池に適用することも可能である。

［ノートＰＣへの適用］
本発明にかかる充電システムはノートＰＣに適用することができる。図６は、電池パックと電池パックを搭載するノートＰＣで構成された充電システムの概要を示す機能ブロック図である。充電システムは、ノートＰＣ２００、ＡＣアダプタ２０１、および電池パック３００で構成されている。ノートＰＣ２００は、充電システムに関連する部分だけを示している。

電池パック３００はスマート・バッテリィ・システム（ＳＢＳ）の規格に適合しておりノートＰＣ２００の筐体に着脱可能に装着される。ＡＣアダプタ２０１は交流電圧を直流電圧に変換しノートＰＣ２００の電源端子に接続される。充電器２０９は、定電流定電圧特性を備えている。充電器２０９は入力電圧をＰＷＭ方式でオン／オフ制御するスイッチング制御回路と平滑回路とを備える。充電器２０９は、ＡＣアダプタ２０１から入力された直流電圧を電池パック３００の充電に適した直流電圧に変換して出力する。充電器２０９は、出力電流または出力電圧を設定された充電電流または充電電圧に一致させるためのフィードバック回路を備えている。充電器２０９は定電圧制御期間においては、出力電圧が充電電圧に一致するように動作する。また、充電器２０９は定電流制御期間においては、出力電流が充電電流に一致するように動作する。

充電器２０９には、エンベデッド・コントローラ（ＥＣ）２１１により充電電圧および充電電流が設定される。充電器２０９は出力電圧が充電電圧を超えないように、および出力電流が充電電流を超えないように動作する。したがって充電器２０９は、充電初期には出力電流が充電電流に一致するように定電流制御で動作するが、充電が進行して充電電圧が上昇すると出力電圧を充電電圧に一致させるように定電圧制御で動作する。

ＥＣ２１１は、電源以外にもノートＰＣ２００を構成する多くのハードウェア要素を制御する集積回路である。ＥＣ２１１は、電池パック３００と通信して、電池パック３００が生成した電池の表面温度、電池電圧、充電電流、残存容量、満充電容量および充電器に設定する充電電圧および充電電流などの情報を取得することができる。ＥＣ２１１は、電池パック３００から受け取った指示に基づいて、充電器２０９を動作させたり停止させたりする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１５は、ＡＣアダプタ２０１または電池パック３００から受け取った直流電圧を所定の直流電圧に変換してノートＰＣ２００内のシステム負荷に電力を供給する。システム負荷には、ＣＰＵ、液晶ディスプレイ、無線モジュール、ハードディスク装置、およびコントローラなどの様々なデバイスを含む。ＦＥＴ２０５およびＦＥＴ２０７は、電池パック３００に対する充放電を制御するためのスイッチであり、電池パック３００の充放電回路に接続されている。

ＦＥＴ２０８は、電池パック３００とＤＣ／ＤＣコンバータ２１５との間に接続され、電池パック３００からＤＣ／ＤＣコンバータ２１５に対する放電回路を形成するためのスイッチである。ＦＥＴ２０３は、ＡＣアダプタ２０１からＤＣ／ＤＣコンバータ２１５に電力を供給する回路に接続されている。ＡＣ／ＤＣアダプタ２０１からＤＣ／ＤＣコンバータ２１５に電力を供給している際、電池が劣化促進状態に入った場合にＦＥＴ２０３を一時的にオフにして電池パック３００からＤＣ／ＤＣコンバータ２１５に電力を供給して強制放電することができる。ＦＥＴ駆動回路２１３は、ＥＣ２１１からの指示に基づいてＦＥＴ２０３、２０５、２０７、２０８を制御する。

［電池パック］
図７は、スマート・バッテリィ・システム（ＳＢＳ）規格に準拠した電池パック３００の内部構成を示す機能ブロック図である。電池パック３００は、電源ライン３０１、通信ライン３０３、およびグランド・ライン３０５がそれぞれＰ端子、Ｄ端子、およびＧ端子でノートＰＣ２００に接続される。電源ライン３０１には、それぞれｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴで構成された充電保護スイッチ３０７と放電保護スイッチ３０９が直列に接続されている。放電保護スイッチ３０９には、３本のリチウム・イオン電池セル３１１、３１３、３１５で構成された電池セット３１７の正極が直列に接続されている。電池セット３１７からの放電電流および電池セット３１７に対する充電電流は、電源ライン３０１およびグランド・ライン３０５で構成される充放電回路を通じてノートＰＣ２００との間を流れる。

電池セット３１７を構成する電池セル３１１〜３１５の電圧側の端子はアナログ／インターフェース３１９のアナログ入力Ｖ１〜Ｖ３端子に接続されている。電池セット３１７の表面には、１個〜複数個のサーミスタなどの温度素子３２１が貼り付けられている。温度素子３２１は電池セル３１１〜３１５の表面温度を測定し、ＭＰＵ３２３のＴ端子に出力する。なお、表面温度は、センサを電池セル３１１〜３１５の筐体に接触させる接触式または筐体から離す非接触式のいずれの方式で測定してもよい。電池セル３１５の負端子とＧ端子との間のグランド・ライン３０５には、電流センス抵抗３２５が接続されている。電流センス抵抗３２５の両端は、アナログ／インターフェース３１９のＩ１、Ｉ２端子に接続されている。

アナログ／インターフェース３１９は、電池セル３１１〜３１５のそれぞれのセル電圧を取得するアナログ入力端子Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、および電流センス抵抗３２５の両端の電位差を検出するアナログ入力端子Ｉ１、Ｉ２を備える。アナログ／インターフェース３１９はさらに充電保護スイッチ３０７および放電保護スイッチ３０９をオン／オフ制御する信号を出力するアナログ出力端子Ｃ−ＣＴＬおよびＤ−ＣＴＬを備える。アナログ／インターフェース３１９は、電池セット３１７のセル電圧を測定してディジタル値に変換しＭＰＵ３２３に送る。

アナログ／インターフェース３１９は、電流センス抵抗３２５が検出した電圧から電池セット３１７に流れる充電電流および放電電流の値を測定してディジタル値に変換しＭＰＵ３２３に送る。ＭＰＵ３２３は、８〜１６ビット程度のＣＰＵの他に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、タイマなどを１個のパッケージの中に備えた集積回路である。ＭＰＵ３２３は、アナログ／インターフェース３１９と通信が可能になっており、アナログ／インターフェース３１９から送られた電池セット１０６に関する電圧および電流に基づいて充電電気量や放電電気量を計算し、さらに満充電容量比を計算してフラッシュ・メモリに記憶しておく。

ＭＰＵ３２３はまた、過電流保護機能、過電圧保護機能（過充電保護機能ともいう。）、および低電圧保護機能（過放電保護機能ともいう。）を備え、アナログ／インターフェース３１９から受け取った電圧や電流から電池セル３１１〜３１５に異常を検出した場合に、アナログ／インターフェース３１９を通じて充電保護スイッチ３０７および放電保護スイッチ３０９またはそのいずれかをオフにする。過電流保護機能、過電圧保護機能、および低電圧保護機能はＭＰＵ３２３で実行されるプログラムで構成される。

ＭＰＵ３２３からはＤ端子を通じて通信ライン３０３がノートＰＣ２００のＥＣ２１１に接続され通信が可能になっている。通信ライン３０３にはクロック・ラインも含まれている。ＭＰＵ３２３は、ＥＣ２１１に対して充電器２０９に設定する充電電流および充電電圧を送る。ＭＰＵ３２３が充電電圧および充電電流のデータをレジスタに記憶しておくと、ＥＣ２１１が定期的にそれを読み取ることでデータが転送される。ＥＣ２１１は図示しない基準電圧源を経由してこの設定値を充電器２０９に設定し、充電器２０９の動作を開始させたり停止させたりする。

ＭＰＵ３２３はＲＯＭに、図５の手順で説明した方法で充電電圧を切り替えるための閾値および強制放電の必要性を判断するための閾値を格納している。ＭＰＵ３２３は使用開始後のサイクル数および経過時間を計算してデータをＲＯＭに格納する。ＭＰＵ３２３は、電池セット３１７の表面温度およびセル電圧に基づいて充電器２０９に対する充電電圧の切り替えまたは強制放電のための劣化促進状態が閾値に到達したか否かを判断する。ＭＰＵ３２３は、劣化量が閾値に到達したか否かを判断する。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

５０…充電システム
２００…ノートＰＣの充電システム
３００…電池パック

Claims (14)

1. リチウム・イオン電池の寿命期間を保証することが可能な充電システムであって、
   正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池を充電する充電器と、
   前記リチウム・イオン電池の電池温度が第１の温度値以上でかつ電池電圧が所定値以上である第１の劣化促進状態の累積時間に相当する劣化特性値を測定する測定回路と、
   前記寿命期間を保証するために設定した標準使用条件における第１の充電電圧値が設定された前記充電器による充電期間および放電期間を含む充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの前記劣化特性値が、容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値に到達したと判断したときに前記充電器に前記第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定する充電制御回路と
   を有する充電システム。
2. 前記第１の充電電圧値が、前記寿命期間を保証するために設定した、電池温度を含む標準使用条件における充電電圧値である請求項１に記載の充電システム。
3. 前記充電システムが前記リチウム・イオン電池を満充電状態に維持するときに、
   前記充電制御回路は、前記リチウム・イオン電池の電池温度が前記第１の温度値以上でかつ電池電圧が所定値以上である第２の劣化促進状態が所定時間継続したときに、前記リチウム・イオン電池を充電開始電圧よりも高い所定の電圧まで放電させる請求項１または請求項２に記載の充電システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の充電システムを搭載した電気機器。
5. 充電器を搭載する電気機器に装着が可能な電池パックであって、
   前記充電器により充電される正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池と、
   前記リチウム・イオン電池の電池温度が第１の温度値以上でかつ電池電圧が所定値以上である第１の劣化促進状態の累積時間に相当する劣化特性値を測定する測定回路と、
   前記電気機器と通信する通信回路と、
   寿命期間を保証するために設定した標準使用条件における第１の充電電圧値が設定された前記充電器による前記リチウム・イオン電池の充電期間および放電期間を含む充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの前記劣化特性値が、容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値に到達したと判断したときに、前記通信回路を通じて前記充電器に前記第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定するプロセッサと
   を有する電池パック。
6. 充電器を搭載する携帯式コンピュータであって、
   ＡＣアダプタまたは正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池から電力の供給を受けるシステム負荷と、
   前記リチウム・イオン電池の電池温度が第１の温度値以上でかつ電池電圧が所定値以上である第１の劣化促進状態の累積時間に相当する劣化特性値を測定する測定回路と、
   寿命期間を保証するために設定した標準使用条件における第１の充電電圧値が設定された前記充電器による充電期間および前記システム負荷による放電期間を含む充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの前記劣化特性値が、容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値に到達したと判断したときに前記充電器に前記第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定するコントローラと
   を有する携帯式コンピュータ。
7. リチウム・イオン電池の寿命期間を保証することが可能な充電システムであって、
   正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池を充電する充電器と、
   前記リチウム・イオン電池の容量劣化の大きさに関連する劣化特性値を測定する測定回路と、
   前記寿命期間を保証するために設定した標準使用条件を構成する第１の充電電圧値が設定された前記充電器による充電期間および放電期間を含む充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの前記劣化特性値が、前記容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値に到達したと判断したときに前記充電器に前記第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定する充電制御回路と
   を有する充電システム。
8. 請求項７に記載の充電システムを搭載した電気機器。
9. 充電器を搭載する電気機器に装着が可能な電池パックであって、
   前記充電器により充電される正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池と、
   前記リチウム・イオン電池の容量劣化の大きさに関連する劣化特性値を測定する測定回路と、
   前記電気機器と通信する通信回路と、
   前記寿命期間を保証するために設定した標準使用条件を構成する第１の充電電圧値が設定された前記充電器による前記リチウム・イオン電池の充電期間および放電期間を含む充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの前記劣化特性値が、前記容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値に到達したと判断したときに、前記通信回路を通じて前記充電器に前記第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定するプロセッサと
   を有する電池パック。
10. リチウム・イオン電池を充電する充電器を搭載し前記リチウム・イオン電池の寿命期間を保証することが可能な携帯式コンピュータであって、
    ＡＣアダプタまたは正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池から電力の供給を受けるシステム負荷と、
    前記リチウム・イオン電池の容量劣化の大きさに関連する劣化特性値を測定する測定回路と、
    前記寿命期間を保証するために設定した標準使用条件を構成する第１の充電電圧値が設定された前記充電器による充電期間および前記システム負荷による放電期間を含む充放電サイクルを繰り返しながら所定の時間が経過したときの前記劣化特性値が、前記容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値に到達したと判断したときに前記充電器に前記第１の充電電圧値より低い第２の充電電圧値を設定するコントローラと
    を有する携帯式コンピュータ。
11. 充電システムにおいて充電器の動作を制御してリチウム・イオン電池の寿命期間を保証する方法であって、
    正極がコバルト系リチウムで形成されたリチウム・イオン電池の満充電容量の低下に関連する劣化特性値に基づいて前記充電器に設定する充電電圧を変更するための、容量劣化が前記標準使用条件の場合よりも所定量以上進行していることを示す閾値を提供するステップと、
    前記充電器に前記寿命期間を保証するために設定した標準使用条件を構成する第１の充電電圧値を設定して充放電サイクルを繰り返すステップと、
    使用開始から所定の時間が経過した時点での前記劣化特性値が前記閾値に到達したか否かを判断するステップと、
    前記劣化特性値が前記閾値に到達したときに前記充電器に前記第１の充電電圧値よりも低い第２の充電電圧値を設定して充放電サイクルを繰り返すステップと
    を有する方法。
12. 前記第１の充電電圧値は、前記リチウム・イオン電池の電池温度が標準温度のときに前記寿命期間を保証できるように選定されている請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の充電電圧値は、前記電池温度が前記標準温度より高い場合であっても、前記充電器に前記第１の充電電圧を設定して充放電サイクルを繰り返すよりも前記満充電容量の低下が少なくなるように選定されている請求項１２に記載の方法。
14. 前記リチウム・イオン電池の電池温度が所定値以上でかつ電池電圧が所定値以上である劣化促進状態が所定時間継続したときに前記電池電圧を低下させるステップと、
    前記電池電圧が低下してから充電を開始するまで前記リチウム・イオン電池を自然放電させるステップと
    を有する請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の方法。

Images