JP5537992B2 - 二次電池の充電方法、二次電池の充電制御装置及びパック電池 - Google Patents
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Description
これにより、設定電流が過大であるために電池電圧が保護電圧を超える回数が制限回数以下の場合、充電器に対する目標値を設定電流より小さくすることにより、充電器からの充電電流を減少させて電池電圧が保護電圧を超えることがないようにする。
これにより、二次電池が過充電となる虞がある場合、及び二次電池そのものに異常がある場合に、強制的に充電を停止させて、二次電池に発熱、破損等の事故が生じないようにする。
これにより、通常の充電時の上限に設定された電圧(以下、設定電圧という)を超える場合、充電器に対する目標値を低減することにより、充電器からの充電電流を減少させて電池電圧を設定電圧より下げるようにする。従って、低減前の目標値が、設定電流であるか、その後低減された電流値であるかに拘わらず、電池電圧が設定電圧を超える都度、目標値を低減して充電を継続させることにより、二次電池の実質容量を徐々に増大させる。
また、充電開始当初の電池電圧の上昇速度に応じてNの値を適当に大きくした場合は、M+N回連続して検出した電池電圧が第2の電圧値より大きくなる前に、M回連続して検出した電池電圧が所定の電圧値を超えるように判定されるため、電池電圧が保護電圧を超えることが確実に検出される。従って、過大な設定電流を速やかに小さな電流値に低減することができる。
これにより、検出される電池電圧が、保護電圧を超えないものの設定電圧を超える場合、充電器に対する目標値を低減することにより、充電器からの充電電流を減少させて電池電圧を設定電圧より下げるようにする。従って、低減前の目標値が、設定電流であるか、その後低減された電流値であるかに拘わらず、電池電圧が設定電圧を超える都度、目標値を低減して充電を継続させることにより、二次電池の実質容量を徐々に増大させる。
また、検出される電池電圧が、保護電圧を超える場合は、過大な設定電流を、速やかに小さな電流値に低減することができる。
これにより、二次電池の実質容量を充電電流の下限が許す限界まで増大させる。
これにより、検出される電池電圧が設定電圧を超えた場合、目標値そのものを低減するのではなく、充電電流の時系列的な検出値を平均化した値を低減して新たな目標値とする。従って、二次電池に実際に流入する充電電流の大きさを踏まえて、充電電流の次なる目標値を定めることができる。
これにより、過大な設定電流によって電池電圧が保護電圧を超える回数が制限回数以下の場合に、充電器からの充電電流を減少させて充電を継続することが可能な二次電池の充電制御装置が、パック電池に適用される。
これにより、二次電池が複数直列に接続されている場合、最も電池電圧が高い二次電池を基準として充電電流の目標値が低減される。このため、直列に接続された二次電池の電池電圧にアンバランスが生じた場合であっても、充電器に対する目標値の低減が過不足なく適切に行われる。
これにより、設定電流が過大であるために電池電圧が保護電圧を超える回数が制限回数以下の場合、充電器に対する目標値を設定電流より小さくすることにより、充電器からの充電電流を減少させて電池電圧が保護電圧を超えることがないようにする。
従って、充電開始当初の比較的大きい充電電流によって二次電池の電池電圧が保護電圧を超えた場合であっても、充電を継続することが可能な二次電池の充電方法、二次電池の充電制御装置及び該充電方法によって充電されるパック電池を提供することが可能となる。また、充電器の異常によって、目標値を超える充電電流が供給された場合であっても、電池電圧が保護電圧を超えるのを防止することが可能となる。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るパック電池の構成例を示すブロック図である。図中10はパック電池であり、パック電池10は、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯端末等の負荷機器20に着脱可能に装着されている。パック電池10は、リチウムイオン二次電池からなる電池セル11,12,13,21,22,23,31,32,33を3個ずつ順に並列接続してなる電池ブロックB1,B2,B3を、この順番に直列接続してなる電池1を備える。電池1は、電池ブロックB3の正極及び電池ブロックB1の負極が夫々正極端子及び負極端子となるようにしてある。
尚、制御部5、電流検出器2、温度検出器3、A/D変換部4、遮断器7及び通信部9が、電池1の充電制御装置を構成する。
尚、上述したポーリング周期の2秒は、制御・電源部21で決められる値である。
図2は、電池ブロックB1〜B3の電圧範囲及び電池1の温度域に応じた充電電流の目標値の初期値一覧を例示する図表である。電池ブロックB1〜B3の電圧範囲は、「A(単位はV。以下同様)未満」、「A以上B未満」、「B以上C未満」及び「C以上」に区分されており、電池1の温度域は、「低温度域」、「標準温度域」及び「高温度域」に区分されている。充電電流の目標値の初期値は、これらの電圧範囲及び温度域の組み合わせによって決まり、図2に示された4行3列の表中の各セルの値が、夫々の電圧範囲及び温度域に応じた充電電流の目標値の初期値(単位はmA)としてROM52に記憶されている。ここで、「C」は放電時間率を表す。例えば、0.5Cとは、電池ブロックB1〜B3の各容量(mAh)に相当する電気量を2時間で供給し得る電流値(mA)を意味する。
充電電流の目標値の初期値は、電池ブロックB1〜B3の電圧範囲の低/高と、温度域の高/低とに応じて0.1Cから0.8Cまで大/小に変化するようにしてある。これは、電池ブロックB1〜B3に充電電流が流入したときに、夫々の内部抵抗に生じる電圧の分だけ電池ブロックB1〜B3の電圧が上昇して、充電時の上限に設定された設定電圧を超えることを防止するためである。また、低温度域における充電電流の目標値の初期値を、標準温度域及び高温度域における充電電流の目標値の初期値と同等以下にしてあるのは、特に低温度域において充電電流の上限値が低く設定されているためである。
図3は、電池ブロックBhの電圧及び充電電流の目標値の時間変化を模式的に示すグラフである。図3(a)は電池ブロックBhの電圧を示し、図3(b)は充電電流の目標値を示す。図3において、横軸は時間(秒)を表し、図3(a)の縦軸は電池ブロックBhの電圧(V)を、図3(b)の縦軸は充電電流の目標値(mA)を表す。図3(a)において、4.37Vは充電電圧(の最大値)であり、4.32Vは電池ブロックBhの電圧が超えてはならない保護電圧である。また、4.30Vは、充電時の上限に設定された設定電圧である。電池ブロックBhの電圧は、250ms周期で取り込まれる。
尚、充電電流の目標値を低減すべき値は、0.1Cに限定されるものではなく、例えば、充電電流の目標値の初期値に一定の値を掛け算して算出するようにしてもよい。
尚、充電電流の平均値に掛け算する値は、0.9に限定されるものではなく、1以下の他の値であってもよいし、所定の算式で算出される1以下の値であってもよい。
本実施の形態1では、例えば図3(a)の時刻T2に至るまで250ms周期で取り込んだ電池ブロックBhの電圧値が、時刻T2において2回連続で保護電圧を超えると判定した場合に、電池ブロックBhの電圧が保護電圧(4.32V)を超えたことを検出する。また、例えば図3(a)の時刻T4に至るまで250ms周期で取り込んだ電池ブロックBhの電圧値が、時刻T4において3回連続で設定電圧(4.30V)を超えると判定した場合に、電池ブロックBhの電圧が設定電圧を超えたことを検出する。このように、保護電圧を連続して超える回数の判定値(2回)を、設定電圧を連続して超える回数の判定値(3回)より小さくしてあるのは、電池ブロックBhの電圧が一気に上昇したような場合に、前記電圧が保護電圧を超えているにも拘わらず、設定電圧を超えていることが先に検出されるのを防止するためである。逆に、電池ブロックBhの電圧が保護電圧を超えていることが先に検出されるように、上述した判定値の組み合わせを予め適当に設定することが望ましい。
上述したステップS21の処理を終えた場合、ステップS20でCCカウンタが3以上ではない場合(S20:NO)、又はステップS22の処理を終えた場合、CPU51は、図4の処理を終了する。
本実施の形態1では、250ms周期で充電電流の検出値を取り込んで記憶し、その都度相加平均を算出してIavgに記憶する。平均値の算出は、相加平均に限定されるものではなく、相乗平均、加重平均等の平均化を行うようにしてもよい。
図5は、充電電流の検出値を平均化するCPU51の処理手順を示すフローチャートである。以下の処理は、250ms周期で電池1の充電中に起動され、ROM52に予め格納された制御プログラムに従ってCPU51により実行される。起動される周期は、250msに限定されるものではない。以下の処理で用いるAVGフラグはRAM53に記憶し、プログラムの初期化時にゼロクリアする。AVGフラグは0から2までの値をとり、後述する処理でAVGフラグが1にセットされることによって、図5の処理に平均値の算出開始が通知される。
図6及び図7は、充電電流の目標値を低減するCPU51の処理手順を示すフローチャートである。以下の処理は、図4及び図5の処理より低い実行優先度が与えられて250ms周期で電池1の充電中に起動され、ROM52に予め格納された制御プログラムに従ってCPU51により実行される。起動される周期は、250msに限定されるものではない。以下の処理で用いるOVP超回数は、RAM53に記憶し、プログラムの初期化時にゼロクリアする。
その後、CPU51は、読み出した低減値を、制御・電源部21から読み出されるべき充電電流の目標値として通信部9のレジスタに書き込む(S47)。
通信の2周期が経過した場合(S49:YES)、CPU51は、充電電流を遮断するMOSFET71を再びオンさせ(S50)、充電電流の平均値の算出開始を図5の処理に通知するために、AVGフラグを1にセットして(S51)図6の処理を終了する。
図6のステップS41でOVPフラグが1ではない場合(S41:NO)、CPU51は、図7のステップS61に処理を移してCCフラグが1であるか否かを判定する(S61)。CCフラグが1ではない場合(S61:NO)、CPU51は、そのまま図7の処理を終了する。CCフラグが1である場合(S61:YES)、即ちVhが設定電圧を超えたことが検出された場合、CPU51は、CCフラグをゼロクリアする(S62)と共に、充電電流を遮断するMOSFET71をオフさせる(S63)。その後、CPU51は、図5の処理で算出されたIavg(充電電流の平均値)を読み出し(S64)、読み出した値に0.9を掛けた値を算出し(S65)、算出した値を、低減された充電電流の目標値として通信部9のレジスタに書き込む(S66)。
従って、充電開始当初の比較的大きい充電電流によって二次電池の電池電圧が保護電圧を超えた場合であっても、充電を継続することが可能な二次電池の充電方法、二次電池の充電制御装置及び該充電方法によって充電されるパック電池を提供することが可能となる。
また、充電時間を短縮するために、上述の保護電圧又は設定電圧より大きい電圧の値を充電電圧の最大値とする場合は、過充電を防止しつつ充電時間を短くすることが可能となる。
従って、二次電池が過充電となる虞がある場合、及び二次電池そのものに異常がある場合に、強制的に充電を停止させて、二次電池に発熱、破損等の事故が生じないようにすることが可能となる。
従って、二次電池の電池電圧が保護電圧を超えることが確実に検出され、充電電流の目標値の過大な初期値を速やかに小さな電流値に低減することが可能となる。また、二次電池の電池電圧が保護電圧を超えずに設定電圧を超える場合に、充電電流の目標値を低減して充電を継続させることにより、二次電池の実質容量を徐々に増大させることが可能となる。
従って、二次電池の実質容量を充電電流の下限が許す限界まで増大させることが可能となる。
従って、二次電池に実際に流入する充電電流の大きさを踏まえて、充電電流の次なる目標値を定めることが可能となる。
従って、充電開始当初の比較的大きい充電電流によって二次電池の電池電圧が保護電圧を超える回数が制限回数以下の場合に、充電を継続することが可能な二次電池の充電制御装置を、パック電池に適用することが可能となる。
従って、直列に接続された二次電池の電池電圧にアンバランスが生じた場合であっても過充電を防止し、適切な充電制御を行うことができ、目標値の低減を過不足なく適切に行うことが可能となる。
また、本実施の形態1にあっては、図6の処理でOVP超回数が1以下の場合、即ち1の場合に充電電流の目標値をROM52から読み出した0.1Cに低減しているが、これに限定されるものではなく、例えばOVP超回数が2の場合に0.1より更に小さい電流値に低減するようにしてもよい。
実施の形態1が、電池ブロックBhの電圧が保護電圧及び設定電圧を夫々超えたことを並列的に検出する形態であるのに対し、実施の形態2は、電池ブロックBhの電圧が設定電圧を超えたと判定してから所定時間が経過するまでに保護電圧を超えたと判定されるとき(又は所定時間が経過するまで保護電圧を超えないと判定されるとき)に、電池ブロックBhの電圧が保護電圧(又は設定電圧)を超えたことを検出する形態である。
その後、CPU51は、Vhが設定電圧(4.30V)を超えるか否かを判定し(S83)、超えない場合(S83:NO)、そのまま図8の処理を終了する。つまり、Vhが設定電圧を超えるまでは何の処理も実行せずに終了する。
その他、実施の形態1に対応する箇所には同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
従って、二次電池の電池電圧が最大電圧を超える場合は、充電電流の目標値の過大な初期値を速やかに小さな電流値に低減することが可能となる。また、二次電池の電池電圧が最大電圧を超えずに設定電圧を超える場合に、充電電流の目標値を低減して充電を継続させることにより、二次電池の実質容量を徐々に増大させることが可能となる。
B1、B2、B3、 電池ブロック
11、12、13、21、22、23、31、32、33 電池セル(二次電池)
2 電流検出器(検出手段)
3 温度検出器
4 A/D変換部(検出部)
5 制御部
51 CPU
52 ROM
54 タイマ(計時手段)
7 遮断器
71、72 MOSFET
9 通信部
10 パック電池
20 負荷機器
21 制御・電源部(充電器)
Claims (10)
- 充電電流の最大の設定値である目標値に基づいて二次電池に定電流・定電圧にて充電を行う二次電池の充電方法において、
前記二次電池の電圧を時系列的に検出し、
M回(Mは2以上の整数)連続して検出した電圧値の全てが所定の電圧値より大きいか否かを判定し、
前記所定の電圧値より大きいと判定した回数を計数し、
計数した回数が所定回数以下である場合、前記目標値を低減し、
M+N回(Nは1以上の整数)連続して検出した電圧値の全てが前記所定の電圧値より小さい第2の電圧値より大きいか否かを判定し、
前記第2の電圧値より大きいと判定した場合、前記目標値を低減すること
を特徴とする二次電池の充電方法。 - 充電電流の最大の設定値である目標値に基づいて二次電池に定電流・定電圧にて充電を行う二次電池の充電方法において、
前記二次電池の電圧を時系列的に検出し、
検出した電圧値が所定の電圧値より大きいか否かを判定し、
前記所定の電圧値より大きいと判定した回数を計数し、
計数した回数が所定回数以下である場合、前記目標値を低減し、
検出した電圧値が前記所定の電圧値より小さい第2の電圧値より大きいか否かを判定し、
前記第2の電圧値より大きいと判定した場合、計時を開始し、
計時を開始してから所定時間が経過するまでの間に、検出した電圧値が前記所定の電圧値より大きいか否かを判定し、
前記所定時間が経過するまでの間、前記所定の電圧値より大きくないと判定した場合、前記目標値を低減すること
を特徴とする二次電池の充電方法。 - 充電電流の最大の設定値である目標値に基づいて二次電池の充電器に定電流・定電圧にて充電を行わせる二次電池の充電制御装置において、
前記二次電池の電圧を時系列的に検出する検出部と、
該検出部でM回(Mは2以上の整数)連続して検出した電圧値の全てが所定の電圧値より大きいか否かを判定する判定手段と、
該判定手段が所定の電圧値より大きいと判定した回数を計数する計数手段と、
該計数手段が計数した回数が所定回数以下である場合、前記目標値を低減する低減手段と、
前記検出部でM+N回(Nは1以上の整数)連続して検出した電圧値の全てが前記所定の電圧値より小さい第2の電圧値より大きいか否かを判定する手段と、
前記手段が大きいと判定した場合、前記目標値を低減する第2の低減手段と
を備えることを特徴とする二次電池の充電制御装置。 - 充電電流の最大の設定値である目標値に基づいて二次電池の充電器に定電流・定電圧にて充電を行わせる二次電池の充電制御装置において、
前記二次電池の電圧を時系列的に検出する検出部と、
該検出部で検出した電圧値が所定の電圧値より大きいか否かを判定する判定手段と、
該判定手段が所定の電圧値より大きいと判定した回数を計数する計数手段と、
該計数手段が計数した回数が所定回数以下である場合、前記目標値を低減する低減手段と、
前記検出部で検出した電圧値が前記所定の電圧値より小さい第2の電圧値より大きいか否かを判定する手段と、
該手段が第2の電圧値より大きいと判定した場合、計時を開始する計時手段とを備え、
前記判定手段は、前記計時手段が計時を開始してから所定時間が経過するまでの間に、前記検出部で検出した電圧値が前記所定の電圧値より大きいか否かを判定するようにしてあり、
前記所定時間が経過するまでの間、前記判定手段が大きくないと判定した場合、前記目標値を低減する第2の低減手段と
を備えることを特徴とする二次電池の充電制御装置。 - 前記二次電池の充電電流を遮断する遮断器を備え、
前記計数手段が計数した回数が前記所定回数を超える場合、前記遮断器が遮断するようにしてあること
を特徴とする請求項3又は4に記載の二次電池の充電制御装置。 - 前記第2の低減手段は、前記目標値を所定の低減率で低減するようにしてあることを特徴とする請求項3から5の何れか1項に記載の二次電池の充電制御装置。
- 前記二次電池の充電電流を時系列的に検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した充電電流値を平均化する平均手段とを備え、
前記第2の低減手段は、前記平均手段が平均化した値を低減して目標値とするようにしてあること
を特徴とする請求項3から6の何れか1項に記載の二次電池の充電制御装置。 - 請求項3から7の何れか1項に記載の二次電池の充電制御装置と、
該充電制御装置から与えられた電流値を目標値とする充電が、充電器によって行われる1又は複数の二次電池と
を備えることを特徴とするパック電池。 - 前記複数の二次電池は、直列又は並列に接続してあり、
前記検出器は、各二次電池について検出した電圧値のうち、最も高い電圧値を検出値とするようにしてあること
を特徴とする請求項8に記載のパック電池。 - 前記二次電池は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項8又は9に記載のパック電池。
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