JP6161919B2 - 熱逸走防止機能付き急速充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム電池、リチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、鉛蓄電池等の二次電池を充電するための充電装置の技術に関するものである。特に、従来問題となっていた熱逸走の発生を防止しつつ急速に充電を行うことができる熱逸走防止機能付き急速充電装置に関する。

電子機器の利用が増える中、特に、携帯型電子機器の小型電源や、停止できないシステム向けの無停電電源（ＵＰＳ）、電気自動車の電源向けなど、多種多様の電池が数多く使用されている。携帯型電子機器の電池はいわゆる使い捨ての電池ではなく、二次電池、すなわち繰り返し充放電可能な再充電可能な電池となっており、各々の用途に合わせて各社、電池の特性改善や劣化防止などの開発が進められている。

二次電池は仕様通りの性能を発揮するためには、それら電子機器の使用環境条件のみならず、二次電池の繰り返し充電の充電条件も制御する必要がある。特に、充電条件は放電後の電池にダメージを与えることなく、如何に“急速に”かつ“充電容量いっぱいまで”充電するかが重要である。このため、充電完了時の検出方法、過充電を防止する方法等を含めて、二次電池の種類および用途別に適した充電方法が研究されている。
従来技術における充電方法のうち代表的なものを説明する。
二次電池は、コバルト複合酸化物を正極とするリチウムイオン電池を例として説明する。なお、リチウムイオン電池の最大充電電圧は４．２Ｖとされている。

まず、従来技術における充電方法の１つとしては定電圧充電法がある。
定電圧充電法は、充電器から一定電圧（この例では４．２Ｖ）を電池に印加する方法である。この定電圧充電法によれば、定電圧である４．２Ｖを充電器から印加するのみであるので簡単な装置構成で済むというメリットがある。

図１１（ａ）は、定電圧充電法を用いて充電する場合の二次電池電圧の時間変化と充電電流の時間的変化の充電特性の概略を簡単に示した図である。図中、縦軸は充電電池電圧または充電電流であり、横軸が時間となっている。
しかし、この定電圧充電法には大きな欠点がある。図１１（ａ）に示したように、充電初期に大きな電流が流れてしまい二次電池を傷めてしまうおそれがあるという問題である。また、充電期間の後半において電流が減衰してゆくが、十分に充電容量が満たされるまでには時間がかかるという問題もある。そのため、初期電流を抑制し、後半の電流を大きくする工夫が必要となってくる。

定電圧充電法において、印加電圧を定格電圧（定格満充電平衡電圧値）とし、初期電流を抑制するよう工夫するものもある。この定格電圧充電の場合、その充電特性は図１１（ｂ）に示すようになる。
図１１（ｂ）は、定格電圧充電にて充電する場合の二次電池電圧の時間変化と充電電流の時間的変化の充電特性の概略を簡単に示した図である。図中、縦軸は充電電池電圧または充電電流であり、横軸が時間となっている。
定格電圧充電にて充電する場合、充電初期における大電流の通電が抑制されているが、その充電特性は時間経過とともに緩やかに減衰してゆくいわゆるロングテール形となっており、十分に充電容量が満たされるまでには時間がかかるという問題は依然残されている。

次に、従来技術における充電方法の１つとして定電流・定電圧充電法がある。
定電流・定電圧充電法は、充電開始後しばらくは定電流充電とし、二次電池の電圧が所定電圧に到達した後、定格電圧（定格満充電平衡電圧値）による定電圧充電に切り換える方法である。この定電流・定電圧充電法によれば、比較的高速に充電することができるというメリットがあり、かつ、充電期間の初期においても過充電がなく、充電期間の終期においても定格電圧（定格満充電平衡電圧値）の印加である限り、過充電が発生することはないというメリットがある。
高い電圧の過充電状態において有機電解質が分解する恐れの高いリチウム系二次電池では、定電流・定電圧充電技術が採用される。
定電流充電時の電流値が大きくても許容されるよう、電池構成を工夫することができれば、さらに充電時間を短縮することができる。

図１２は、定電流・定電圧充電法を用いて充電する場合の二次電池電圧の時間変化と充電電流の時間的変化の充電特性の概略を簡単に示した図である。図中、縦軸は充電電池電圧または充電電流であり、横軸が時間となっている。なお、コバルト複合酸化物を正極とするリチウムイオン電池の場合、４．２Ｖまでは定電流充電であり、二次電池の電圧が４．２Ｖとなった後は４．２Ｖで定電圧充電となっている。
図１２に示すように、定電流・定電圧充電法によれば、図１１に示した定電圧充電法に比べて、充電期間の初期から中盤あたりである定電流域における充電量が大きく確保することができ、充電期間が比較的短くて済むというメリットが得られる。

しかし、定電流定電圧充電法でも、やはり充電時間が長くなってしまうという問題は残っている。図１２に示したように、充電初期の定電流域では定格電流で充電されるため、充電初期における大電流の通電が抑制され、その後の定電圧域においても電流値は低下してゆくため、その充電特性は、定格電圧充電よりも充電時間は短くなるが、やはり充電時間がまだ長く、十分に充電容量が満たされるまでには時間がかかるという問題がある。

特開平０６−２２５４６６号公報

一般に、二次電池に対して、仕様の定格電圧よりも高い充電電圧にて充電したり、仕様の定格電流よりも高い充電電流で充電したり、定格時間よりも長く充電したりすると過充電となるおそれがあり、過充電になると様々な不具合が発生し得ることが知られている。例えば、過充電状態が続くと、負極に金属リチウムが析出してしたり、リチウムイオンの過度の抜き取りによって正極が溶解したりする問題が発生する。さらに、電解液が分解してしまう問題や、発熱による火災も発生し得る。過充電により引き起こされる化学反応（負極に金属リチウムが析出したり正極が溶解したりする現象）は不可逆な反応であるため、充電器の充電容量を低下させるとともに、充電器が劣化し、寿命が短くなってしまう。

過充電を回避するため、バッテリに合わせて充電器の制御が設定されているのでその充電器ごとに設定されている定格電圧、定格電流、定格時間にて充電を行えば良いこととなる。上記した定電圧充電法、定電流定電圧充電法では、いずれも、その充電器ごとに設定されている定格電圧、定格電流、定格時間にて充電を行うものとなっている。
しかし、これら、上記した定電圧充電法、定電流定電圧充電法のいずれを採用するにしても、二次電池の種類、個体差、二次電池の使用状態の影響、二次電池の劣化度合いなど、充電対象となっている二次電池の種類、個体差、状態の影響による過充電、さらには“熱逸走”という大きな問題がある。

つまり、これらの充電方法において、充電終了タイミングの判断方法を二次電池の状態を無視して一律に適用すると二次電池の種類、個体差、内部状態に応じて過充電や熱逸走の不具合が生じ得る。例えば、電極構造の違い、電極金属の違い、電解質種の違い等二次電池の種類によって充電時における特性は異なる。さらには、同一種、同型番の二次電池であっても、充電時の環境条件の違い、二次電池の劣化度合い、電気化学的状態等によってその特性が大きく異なってくる。そのため、一律の同一パターンでの充電は結果的に過充電となることもあり、そのため、二次電池内部で異常な化学反応を引き起こして発熱し、すなわち、熱逸走が発生し、電気エネルギーが熱エネルギーに変換されるため充電効率は低下する事態が発生するおそれがある。特に、近年は充電時間の短縮化を狙い、定格電圧、定格電流付近での効率的な充電制御を行うことが多く、そのため二次電池の個体差や状態の違いの影響を受けやすいとも言える。その結果、熱逸走などの不具合の発生について防止策が求められている。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、二次電池の種類、個体差、内部状態の違いにより発生し得る充電時の過充電および熱逸走を防止することができる熱逸走防止機能付き急速充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置は、二次電池に充電電圧または充電電流を供給する充電手段と、前記二次電池の端子電圧を検知する電圧検知手段と、前記二次電池に通電される充電電流の電流値を検知する電流検知手段と、前記充電手段の前記充電電圧または前記充電電流を制御する充電制御装置を備え、前記充電制御装置が、充電対象となっている前記二次電池の定格電圧と定格充電電流を用いて定電流定電圧充電制御を行う急速充電装置において、前記充電制御装置が前記二次電池の充電状態において熱逸走の発生を予測または検知する熱逸走検知手段を備え、前記充電制御装置が、前記熱逸走検知手段が前記熱逸走の発生を予測または検知しない平常時に適用される前記定電流定電圧充電制御と、前記熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知されれば前記定電流定電圧充電制御から切り替えて適用される熱逸走制御を備え、前記充電手段を制御することを特徴とする熱逸走防止機能付き急速充電装置である。
ここで、熱逸走制御は、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流の増加を検知したことをもって切り替えて開始するものである。
充電制御装置が、定電流定電圧充電制御と、熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知に基づく熱逸走制御とを切り替えて充電手段を制御することにより、熱逸走発生を事前に予測、または、熱逸走の発生を検知して確実に熱逸走という問題の発生を回避することができる。

熱逸走制御の例としては、熱逸走検知手段が、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段により充電電流の増加を検知したことをもって熱逸走制御を開始するものであり、この熱逸走制御としては、定電圧域での前記定電流定電圧充電制御における充電電流制限値を一定幅低下させる充電電流制限値更新手順と、その後前記電流検知手段において再度前記充電電流が増加するかを監視する監視手順と、前記監視手順において再度前記充電電流が増加すれば前記充電電流制限値更新手順において直近の充電電流制限値を一定幅低下させるという手順を繰り返し、前記充電電流制限値更新手順の実行が一定回数以上になれば前記充電手段を介した前記二次電池への充電を停止させる制御である。

定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電流の増加が見られれば、熱逸走が起こっているか、熱逸走に至るような発熱などの異常事態が起こりつつあると予測でき、本発明はこの充電電流の増加を検知すれば、充電制御装置は、熱逸走抑制制御に遷移するものである。なお、第２の熱逸走抑制制御の場合、充電電流の増加が見られれば即座に充電を停止するものではなく、一時的な誤動作や一時的な化学現象で熱逸走に至らない場合もあるため、充電電流制限値を変動しながら監視を続けて様子を見る期間を設ける工夫をしているものである。

また、熱逸走制御の他の例としては、定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、電圧検知手段により充電電圧の低下を検知したことをもって熱逸走抑制制御を開始するものであり、この熱逸走制御として、前記定電圧域での前記定電流定電圧充電制御における充電電流制限値を一定幅低下させる充電電流制限値更新手順と、その後前記電圧検知手段において再度前記充電電圧が減少するかを監視する監視手順と、前記監視手順において再度前記充電電圧が減少すれば前記充電電流制限値更新手順において直近の充電電流制限値を一定幅低下させるという手順を繰り返し、前記充電電流制限値更新手順の実行が一定回数以上になれば前記充電手段を介した前記二次電池への充電を停止させる制御である。

定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電圧の低下が見られれば、熱逸走が起こっているか、熱逸走に至るような発熱などの異常事態が起こりつつあると予測でき、本発明はこの充電電圧の低下を検知すれば、充電制御装置は、熱逸走抑制制御に遷移するものである。なお、第４の熱逸走抑制制御の場合、充電電圧の低下が見られれば即座に充電を停止するものではなく、一時的な誤動作や一時的な化学現象で熱逸走に至らない場合もあるため、充電電流制限値を変動しながら監視を続けて様子を見る期間を設ける工夫をしているものである。

以下のような制御も、一般的な制御としては可能である。
熱逸走制御の一例としては、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段により充電電流の増加を検知したことをもって第１の熱逸走制御を開始するものであり、この第１の熱逸走制御として、充電手段を介した二次電池への充電を即座に停止させる制御とする例がある。
次に、熱逸走制御の他の例としては、定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、電圧検知手段により充電電圧の低下を検知したことをもって第３の熱逸走制御を開始するものであり、この第３の熱逸走制御として、充電手段を介した二次電池への充電を即座に停止させる例がある。
次に、熱逸走制御の他の例としては、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段により充電電流の低下速度が既定値以下となったことを検知したことと当該検知に係る時間帯との関係をもって第５の熱逸走制御を開始するものであり、この第５の熱逸走制御として、充電手段を介した二次電池への充電を即座に停止させる例がある。

また、熱逸走制御基準の他の例としては、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段により充電電流の低下速度が既定値以下となったことを検知したことと当該検知に係る時間帯との関係をもって第６の熱逸走抑制制御を開始するものであり、この第６の熱逸走抑制制御として、充電手段を介した二次電池への充電を既定時間経過後に停止させる例がある。

定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電流の低下速度が既定値以下になれば、そのまま充電を続ければ、充電電流が増加に反転し、さらには熱逸走に至るような発熱などの異常事態が起こりつつあると予測できる。本発明はこの充電電流の低下速度が既定値以下になれることを検知すれば、充電制御装置は、熱逸走抑制制御に遷移することとし、充電を即座に停止する制御も可能であるし、一定時間経過してから充電を停止する制御も可能である。

また、熱逸走制御基準の他の例としては、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段により充電電流が所定時間を経過しても所定値まで低下しないことを検知したこと、または、充電電流が所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることを検知した場合に第７の熱逸走抑制制御を開始するものであり、この第７の熱逸走抑制制御としては、充電手段を介した二次電池への充電を即座に停止させる例がある。

また、熱逸走制御基準の他の例としては、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段により充電電流が所定時間を経過しても所定値まで低下しないことを検知したこと、または、充電電流が所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることを検知した場合に第８の熱逸走抑制制御を開始するものであり、この第８の熱逸走抑制制御が、充電手段を介した二次電池への充電を既定時間経過後に停止させる例がある。

定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電流の低下幅が既定値以上になれば、そのまま充電を続ければ、充電電流が増加に反転し、さらには熱逸走に至るような発熱などの異常事態が起こりつつあると予測できる。本発明はこの充電電流の低下幅が既定値以上になれることを検知すれば、充電制御装置は、熱逸走抑制制御に遷移することとし、充電を即座に停止する制御も可能であるし、一定時間経過してから充電を停止する制御も可能である。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置によれば、充電制御装置が、定電流定電圧充電制御と、熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知に基づく熱逸走制御の２つの制御を切り替えて適用して充電手段を制御することにより、熱逸走発生を事前に予測、または、熱逸走の発生を検知して確実に熱逸走という問題の発生を回避することができる。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置によれば、定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、充電電流の増加、充電電圧の低下、充電電流の低下速度の変化の大きさ、充電電流の低下幅の変化の大きさを熱逸走制御として保持しておくことにより、熱逸走検知手段により熱逸走が起こっているか、熱逸走に至るような発熱などの異常事態が起こりつつあると予測でき、本発明はこの熱逸走の検知または予測を得れば、充電制御装置が熱逸走制御に遷移し、熱逸走を抑制するよう充電を制御することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例により具体的に説明する。なお、本発明の技術的思想の範囲はこれらの実施例の具体的な形状や数値に限定されるものではない。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置は、二次電池を充電するための充電装置に適用されるものである。二次電池であれば、特に限定されず広く適用することができる。一例として、リチウム電池、リチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、鉛蓄電池等であっても適用することができるものであることが理解されよう。特にことわりがない限り、以下、リチウム電池を例として説明する。
また、充電制御は、基本的には定電流定電圧充電制御としつつ、熱逸走抑制制御を組み込んだものとして説明する。

最初に、熱逸走現象の発生の概要について説明し、次に、熱逸走防止機能付き急速充電装置１の各構成要素の説明をし、次に、熱逸走防止機能付き急速充電装置１の動作の流れを鳥瞰する。
請求項１における熱逸走制御は、下記では第２の熱逸走制御として例示され、請求項２における熱逸走制御は、第４の熱逸走制御として例示されている。
また「制御基準」という言葉は、単に「制御」または「制御の手順」という程度の意味である。

まず、図１は、熱逸走現象の発生の概要を説明する図である。
熱逸走現象は様々な充電方式において発生し得るが、ここでは、定電流定電圧充電方式を採用している充電装置において生じる熱逸走現象について説明する。

二次電池の充電時おける熱逸走とは以下のような現象を言う。
バッテリに対し充電を行った場合、通常は充電の進行によるバッテリ起電圧の上昇に伴い定電圧領域で暫時充電電流が低下していくが、バッテリの劣化などの要因により、充電時におけるバッテリ温度上昇に伴って、ある程度充電電流低下した時点から逆に電流増加現象を生じたり、または、電流低下せずに高電流のまま充電電圧が低下していく現象が生じたりすることがある。二次電池の温度が高い時に大電流で充電を続けると、二次電池には内部抵抗があるため大電流により二次電池の温度がさらに上昇し、その温度上昇によりさらに電流増加現象が生じたり充電電圧の低下現象が生じたりするという悪循環を起こすことがある。この現象を“熱逸走”と言う。バッテリの充電において熱逸走が起こるとバッテリ温度は急激に上昇し、バッテリの劣化をさらに急進させ、バッテリの寿命を短くする不具合を起こす可能性がある。

図１は、定電流定電圧充電方式を採用した場合の充電特性を表わす図である。図１に見るように、大きな劣化のない二次電池に対して充電している場合には、充電初期から中盤まで“定電流域”であり、その後充電終期まで“定電圧域”となっている。

定電流域では、充電手段から二次電池に流される充電電流Ｉｃは、定格電流Ｉｏの値にて定電流として二次電池に流される。その際、充電手段から二次電池に印加される充電電圧Ｅｃは、二次電池に定格電流Ｉｏが流れるよう、漸増するように制御される。

充電手段から二次電池に印加される充電電圧Ｅｃは、定格電流Ｉｏが流れるように漸増してゆくにつれ、いずれ定格電圧Ｅｏに到達する。ここで、二次電池の端子に現れる内部電圧Ｅも徐々に増加しており、例えば、Ｅ(１)にまで到達しているものとする。ここで、充電手段から二次電池に印加される充電電圧Ｅｃの増加は停止され、定格電圧値Ｅｏを定電圧として維持する定電圧域に移行する。

定電圧域では、二次電池への充電電流Ｉｃは、充電手段から二次電池に印加される充電電圧である定格電圧値Ｅｏと、二次電池の端子に現れる内部電圧Ｅ(１)との電位差により流れ、二次電池の端子に現れる内部電圧Ｅ(１)が充電の進行により徐々に昇圧されるため、二次電池への充電電流Ｉｃは、図１に示すような漸減してゆくように流れることとなる。
二次電池の個体差や二次電池の劣化などの要因により、定電圧域における二次電池への充電電流Ｉｃは、Ｉｃ１、Ｉｃ２、Ｉｃ３など充電特性に応じた曲線に従って低下して行くこととなる。

しかし、ここで、上記した熱逸走という現象が発生すると、図１において様々なパターンが起こり得る。

例えば、図１に示す曲線Ａのような熱逸走曲線がある。曲線Ａのような熱逸走曲線は、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電流が一旦減少した後、増加に転じているような曲線である。このようにある程度充電電流低下した時点から逆に電流増加現象は、充電時における二次電池の温度上昇に伴って熱暴走を始めた可能性があると判断できるのである。本発明の急速充電装置では、この曲線Ａの熱逸走曲線を描く現象が発生していることを熱逸走制御基準の一つとする（以下、「熱逸走制御基準１」として参照することがある）。

また、例えば、図１に示す曲線Ｂのような熱逸走曲線がある。曲線Ｂのような熱逸走曲線は、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、一旦、電流が少し低下し、そのあと上昇して最大電流に戻る現象が発生した場合であり、充電電圧が定格電圧Ｅｏを維持できずに低下しているような曲線となっている。そこで、このように充電電圧が定格電圧Ｅｏを維持できずに低下してしまう電圧低下現象を検知すれば、充電電流は最大電流が流れており充電時における二次電池の温度上昇に伴って熱暴走を始めた可能性があると判断できるのである。本発明の急速充電装置では、この曲線Ｂの熱逸走曲線を描く現象が発生していることを熱逸走制御基準の一つとする（以下、「熱逸走制御基準２」として参照することがある）。

ここで、図１に示したような充電特性の曲線を解析すれば、二次電池内でまだ熱逸走は発生していないが、このまま充電を継続すると熱逸走が発生するおそれがあると予測できる場合もある。

例えば、図１に示す熱逸走曲線Ａを解析すると、以下のことが予測できる。
定電圧域に移行後、予定される定格充電時間よりも早い時間帯（例えば、図中Ｔ１からＴ２）において、充電電流の低下速度が急に小さくなることを検知すれば、熱逸走が発生するおそれがあると予測するものである。熱逸走曲線Ａに沿う充電電流の変化がある場合、実際には充電電流が増加していなくとも、充電電流が増加に転じる前には、充電電流の低下速度が急に小さくなることが分かる。なお、この充電電流の低下速度が急に小さくなる現象が定格充電時間の終了付近であれば、通常の低下現象と言えるが、予定される定格充電時間よりも早い時間帯にその低下現象が検知されれば、充電電流が増加に転じて熱逸走に向かう直前にあると予測できる。この予測を熱逸走制御基準の一つとする（以下、「熱逸走制御基準３」として参照することがある）。

例えば、図１に示す熱逸走曲線Ｂを解析すると、以下のことが予測できる。
定電圧域に移行後、充電電流が所定時間（例えば、図中Ｔ２）を経過しても所定値（例えば、図中Ｉａ）まで低下しないことを検知したこと、または、充電電流が所定値（例えば、図中Ｉａ）まで低下する時間が予定される定格充電時間（例えば、図中Ｔ２）よりも長くかかっている（例えば、図中Ｔ３）ことを検知した場合に、熱逸走が発生するおそれがあると予測するものである。熱逸走の一つのパターンとしては、充電電流が予定通りに収束に向かわずになかなか充電電流が低下せずにそのまま熱逸走してしまうパターンや、充電電流が所定値まで低下したものの異常に長く掛かっておりその後熱逸走に転じてしまうパターンなどがある。これらの現象が検知できれば熱逸走に向かう直前にあると予測できる。この予測を熱逸走制御基準の一つとする（以下、「熱逸走制御基準４」として参照することがある）。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置では、上記の種々の熱逸走制御基準を用いて熱逸走制御を行う。この実施例では、熱逸走検知手段において、上記の熱逸走制御基準１から熱逸走制御基準４を装備しているものとする。

図２は、実施例１にかかる熱逸走防止機能付き急速充電装置１の基本構成を模式的に示した図である。各構成物を分かりやすくするため適宜図示を簡略化している。
図２に示すように、本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００は、充電手段１１０、電圧検知手段１２０、電流検知手段１３０、充電制御装置１４０、熱逸走検知手段１５０の各構成要素を備えている。なお、二次電池２００が併せて示されている。

充電手段１１０は、二次電池２００に対して、後述する充電制御装置１４０の制御に従って、指定された充電電圧Ｅ、充電電流Ｉの値にて充電電圧または充電電流を供給することができる電気的構成要素である。

電圧検知手段１２０は、二次電池２００の接続端子に接続され、二次電池２００の内部電圧を検知することができる電気的構成要素である。

電流検知手段１３０は、二次電池２００に流れる充電電流の値を検出できるよう二次電池２００の周辺に配置され、二次電池２００への充電電流を検知することができる電気的構成要素である。

充電制御装置１４０は、充電手段１１０を制御して二次電池２００に対して供給する充電電圧または充電電流を制御する電気的構成要素である。充電制御装置１４０と充電手段１１０の連動により充電制御装置１４０が指定した充電電圧Ｅ、充電電流Ｉの値にて充電が行われる。

この構成例では、充電制御装置１４０は基本的には充電対象となっている二次電池２００の定格電圧Ｅｏと定格充電電流Ｉｏを用いて定電流定電圧充電制御を行うものであり、平常時に適用される定電流定電圧充電制御（平常時の制御）を備えている。

熱逸走検知手段１５０は、充電制御装置１４０が二次電池２００の充電状態において熱逸走の発生を予測または検知するものであり、熱逸走の検知のため熱逸走制御基準を備えている。この構成例では、熱逸走検知手段１５０は充電制御装置１４０に包含されている。

この構成例では、図２に示すように、充電制御装置１４０が熱逸走検知手段１５０を備え、定電流定電圧充電制御と、熱逸走検知手段１５０の熱逸走発生予測または検知に基づく熱逸走制御を切り替えて熱逸走の検知または予測を行うことができる仕組みとなっている。

以下、本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による二次電池２００の充電制御の流れを説明する。
図３および図４は、熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの例を説明する図（その１、その２）である。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００がこれから充電しようとする二次電池２００の充電が図３（ａ）に示すような充電曲線Ａの変化を示したものとする。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００と二次電池２００との正常な電気的接続が確保され、二次電池２００に対する充電が開始される（図３（ｂ）ステップＳ３０１）。なお、二次電池２００の充電の進行状況は、電圧検知手段１２０および電流検知手段１３０によりモニタされている。

ここで、充電が進み、定電流域から定電圧域に移行し、さらに、図３（ａ）の充電特性の点ａに到達したとする。この点ａが検知されることにより、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電流検知手段１３０により充電電流Ｉｃの増加が検知される（図３（ｂ）ステップＳ３０２：Ｙ）。

熱逸走検知手段１５０が装備している「熱逸走制御基準１」は、「定電流定電圧充電制御の定電圧域において充電電流Ｉｃの増加が検知された場合、熱逸走抑制制御を開始する」というものである。

熱逸走検知手段１５０が熱逸走の発生を検知したことを受けて、充電制御装置１４０は熱逸走制御基準１に基づいて「熱逸走抑制制御」を開始する（図３（ｂ）ステップＳ３０３）。

ここでは、「熱逸走抑制制御」として「第１の熱逸走抑制制御」と「第２の熱逸走抑制制御」の２通りを説明する。充電制御装置１４０内にいずれか一方の処理プログラムが搭載されたものでも良く、いずれか一方を選択するものでも良い。

「第１の熱逸走抑制制御」の例は、充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を即座に停止させるものである。図３（ｂ）に示すようにもっとも簡単な処理である。

「第２の熱逸走抑制制御」の例は、充電電流の増加が見られても即座に充電を停止するものではなく、一時的な誤動作や一時的な化学現象で熱逸走に至らない場合もあるため、充電電流制限値を変動しながら監視を続けて様子を見る期間を設ける工夫をしているものである。

「第２の熱逸走制御」を行う場合の処理の流れを図４に示す。
図４において、ステップＳ３０１からステップＳ３０３までは再掲している。「第２の熱逸走制御」が開始されると、しばらく様子を見るべく、平常時の制御である定電流定電圧充電制御（平常時の制御）における充電電流制限値を一定幅低下させる「充電電流制限値更新手順」（ステップＳ４０１）と、その後に電流検知手段１３０における充電電流が増加するかを監視する「充電電流監視手順」（ステップＳ４０２）とを繰り返し行い、再度、電流検知手段１３０により充電電流Ｉｃの増加が検知されたか否かを調べ（ステップＳ４０４）、充電電流Ｉｃの増加が解消されれば充電電流Ｉｃの増加は一時的な現象として再度二次電池２００に対する充電を再開し（ステップＳ４０４：Ｎ、ステップＳ３０１へ）、充電電流Ｉｃの増加が解消されなければ再度「充電電流制限値更新手順」（ステップＳ４０１）と「充電電流監視手順」（ステップＳ４０２）の実行が繰り返されることとなり、それが一定回数以上になれば（ステップＳ４０３：Ｙ）、熱逸走が発生しているものと判断し、充電制御装置１４０が充電手段１１０を介した二次電池２００への充電処理を終了させるものである。回数については運用基準に従うが、例えば３回程度とする。３回連続して電流検知手段１３０における充電電流の増加が検出されれば、誤動作や一時的な化学現象ではなく、熱逸走が発生したと判断でき、充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させる処理とする。
上記の図３（ｂ）に示す「第１の熱逸走制御」または図４に示す「第２の熱逸走制御」が実行された後、充電制御装置１４０は、充電手段１１０を制御して充電処理を終了する。

次に、他の熱逸走抑制処理の流れの例を説明する。
図５および図６は、熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その３、その４）である。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００がこれから充電しようとする二次電池２００の充電が図５（ａ）に示すような充電曲線Ｂ１またはＢ２の変化を示したものとする。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００と二次電池２００との正常な電気的接続が確保され、二次電池２００に対する充電が開始される（図５（ｂ）ステップＳ５０１）。なお、二次電池２００の充電の進行状況は、電圧検知手段１２０および電流検知手段１３０によりモニタされている。

ここで、熱逸走するパターンとして、図５（ａ）には２つのパターンが示されている。一つはＢ１のパターンによる充電電圧の低下がみられる場合である。Ｂ１のパターンは、本来定電流域にあり、また定電圧域に移行する前であるにもかかわらず充電電圧Ｅｃが落ち始める現象がみられる場合である。図５（ａ）の充電特性のＥｏに達していないにもかかわらず、充電電圧Ｅｃが点ｂ１に低下したことが検知されたとする。この点ｂ１が検知されることにより、定電流定電圧充電制御の定電流域において、電圧検知手段１２０により充電電圧Ｅｃの低下が検知される（図５（ｂ）ステップＳ５０２）。
もう一つのパターンは、Ｂ２のパターンによる充電電圧の低下がみられる場合である。Ｂ２のパターンは、定電流域から定電圧域に移行した後に充電電圧Ｅｃが落ち始める現象がみられる場合である。図５（ａ）の充電特性のＥｏに達した後、定電圧域における充電が開始されたが、充電電圧Ｅｃが低下を始めて点ｂ２に到達したとする。この点ｂ２が検知されることにより、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電圧検知手段１２０により充電電圧Ｅｃの低下が検知される（図５（ｂ）ステップＳ５０２）。
熱逸走検知手段１５０が装備している「熱逸走制御基準２」は、「定電流定電圧充電制御の定電圧域において充電電圧Ｅｃの低下を検知された場合、熱逸走抑制制御を開始する」というものである。
熱逸走検知手段１５０が熱逸走の発生を検知したことを受けて、充電制御装置１４０は熱逸走制御基準２に基づいて「熱逸走抑制制御」を開始する（図５（ｂ）ステップＳ５０３）。

ここでは、「熱逸走抑制制御」として「第３の熱逸走抑制制御」と「第４の熱逸走抑制制御」の２通りを説明する。充電制御装置１４０内にいずれか一方の処理プログラムが搭載されたものでも良く、いずれか一方を選択するものでも良い。

「第３の熱逸走抑制制御」の例は、充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を即座に停止させるものである。図５（ｂ）に示すようにもっとも簡単な処理である。

「第４の熱逸走抑制制御」の例は、充電電圧Ｅｃの低下が見られても即座に充電を停止するものではなく、一時的な誤動作や一時的な化学現象で熱逸走に至らない場合もあるため、充電電流制限値を変動しながら充電電圧Ｅｃの監視を続けて様子を見る期間を設ける工夫をしているものである。

「第４の熱逸走制御」を行う場合の処理の流れを図６に示す。
図６において、ステップＳ５０１からステップＳ５０３までは図５のものを再掲している。「第４の熱逸走制御」が開始されると、しばらく様子を見るべく、平常時の制御である定電流定電圧充電制御（平常時の制御）における充電電流制限値を一定幅低下させる「充電電流制限値更新手順」（ステップＳ６０１）と、その後に電圧検知手段１２０における充電電圧Ｅｃが低下するかを監視する「充電電圧監視手順」（ステップＳ６０２）とを繰り返し行い、再度、電圧検知手段１２０により充電電圧Ｅｃの低下が検知されたか否かを調べ（ステップＳ６０４）、充電電圧Ｅｃの低下が解消されれば充電電圧Ｅｃの低下は一時的な現象として再度二次電池２００に対する充電を再開し（ステップＳ６０２：Ｙ、ステップＳ５０１へ）、充電電圧Ｅｃの低下が解消されなければ再度「充電電流制限値更新手順」（ステップＳ６０１）と「充電電圧監視手順」（ステップＳ６０２）の実行が繰り返されることとなり、その繰り返しが一定回数以上になれば（ステップＳ６０３：Ｙ）、熱逸走が発生しているものと判断し、充電制御装置１４０が充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させるものである。回数については運用基準に従うが、例えば３回程度とする。３回連続して電圧検知手段１２０における充電電圧の低下が検出されれば、誤動作や一時的な化学現象ではなく、熱逸走が発生したと判断でき、充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させる処理とする。
上記の図５に（ｂ）示す「第３の熱逸走制御」または図６に示す「第４の熱逸走制御」が実行された後、充電制御装置１４０は、充電手段１１０を制御して充電処理を請求する。

次に、他の熱逸走抑制処理の流れの例を説明する。
図７は、熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その５）である。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００がこれから充電しようとする二次電池２００の充電が図７（ａ）に示すような充電曲線Ｃの変化を示したものとする。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００と二次電池２００との正常な電気的接続が確保され、二次電池２００に対する充電が開始される（図７（ｂ）ステップＳ７０１）。なお、二次電池２００の充電の進行状況は、電圧検知手段１２０および電流検知手段１３０によりモニタされている。

ここで、充電が進み、定電流域から定電圧域に移行し、さらに、図７（ａ）の充電特性の点ｃに到達したとする。この点ｃに到達した状態では、充電電流Ｉｃの低下速度が既定値以下となったこと（つまり充電電流Ｉｃが十分に低下して充電特性曲線の底部付近に到達したこと）が検知され得る（図７（ｂ）ステップＳ７０２：Ｙ）。

熱逸走検知手段１５０が装備している「熱逸走制御基準３」は、「定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電流Ｉｃの低下速度が既定値以下となったことが検知されたことと、検知に係る時間帯との関係をもって、熱逸走抑制制御を開始する」というものである。検知に係る時間帯は、例えば、定電圧域の開始時刻Ｔ１から定格充電時間Ｔ３に至るまでの間の時刻Ｔ２の間とする。つまり、定格充電時間Ｔ３に比べて比較的に早い時間帯において、充電電流Ｉｃの低下速度が既定値以下に落ちてきたことを持って熱逸走が発生することを“予測”し、熱逸走抑制制御を開始するものである。

熱逸走検知手段１５０が熱逸走の発生を検知したことを受けて、充電制御装置１４０は「熱逸走抑制制御」を開始する（図７（ｂ）ステップＳ７０３）。
ここでは、「熱逸走抑制制御」として「第５の熱逸走抑制制御」と「第６の熱逸走抑制制御」の２通りを説明する。充電制御装置１４０内にいずれか一方の処理プログラムが搭載されたものでも良く、いずれか一方を選択するものでも良い。

「第５の熱逸走抑制制御」の例は、充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を即座に停止させるものである。もっとも簡単な処理である。

「第６の熱逸走抑制制御」の例は、充電電流Ｉｃの低下速度が既定値以下に低下しても即座に充電を停止するものではなく、一定時間経過後に充電制御装置１４０が充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させるものである。
この熱逸走制御基準３は、熱逸走が現実に発生しているものではなく、熱逸走が発生することを検知した段階であるため、即座に停止するまではせずに、しばらくの時間は充電が可能であることを考慮し、所定の時間にわたり充電を継続して行うものである。所定の時間はバッテリ容量やバッテリの種類などを考慮して定めれば良い。
図８は、熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その６）である。ステップＳ８０１からステップＳ８０３までは図７に示した「第５の熱逸走抑制制御」の例と同様となっている。
第６の熱逸走抑制制御の場合は、第５の熱逸走抑制制御とは異なり、所定時間を経過するまでしばらく充電を継続し、所定時間経過後に充電を停止するものである。つまり、所定時間経過したことを検知すれば（ステップＳ８０４：Ｙ）、充電制御装置１４０が充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させる。
上記の「第５の熱逸走抑制制御」または「第６の熱逸走抑制制御」が実行された後、充電制御装置１４０は、充電手段１１０を制御して充電処理を終了する。

次に、他の熱逸走抑制処理の流れの例を説明する。
図９は、熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その７）である。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００がこれから充電しようとする二次電池２００の充電が図９（ａ）に示すような充電曲線Ｄ１またはＤ２の変化を示したものとする。
本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置１００と二次電池２００との正常な電気的接続が確保され、二次電池２００に対する充電が開始される（図９（ｂ）ステップＳ８０１）。なお、二次電池２００の充電の進行状況は、電圧検知手段１２０および電流検知手段１３０によりモニタされている。

ここで、熱逸走するパターンとして、図９（ａ）には２つのパターンが示されている。一つはＤ１のパターンによる充電電流の変化がみられる場合である。Ｄ１のパターンは、定電流域から定電圧域に移行した後、充電電流が所定時間を経過しても所定値まで低下しない場合である。図９（ａ）の充電時間が所定時間（図中例えばＴ２）に達したにもかかわらず、充電電流が十分には落ち切っておらず、充電電流Ｉｃが点ｄ１まで低下したことが検知されたとする。この点ｄ１が検知されることにより、定電流定電圧充電制御の定電流域において、電圧検知手段１２０により充電電流Ｉｃの低下が不十分であることが検知される（図９（ｂ）ステップＳ９０２：Ｙ）。
もう一つのパターンは、Ｄ２のパターンによる充電電流の変化がみられる場合である。Ｄ２のパターンは、定電流域から定電圧域に移行した後、充電電流が所定値に低下するまでの経過時間が所定時間よりも長い時間かかった場合である。図９（ａ）において充電電流Ｉｃが所定値、たとえばｄ２まで低下したことが検知され、その時点における経過時間がたとえばＴ３であったとする。本来は経過時間Ｔ２でこのｄ２まで低下するものであった場合、このＴ３までかかったことによる遅延が検出できる。このように、定電流定電圧充電制御の定電圧域において、電圧検知手段１２０により充電電流Ｉｃが所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることが検知される（図９（ｂ）ステップＳ９０２：Ｙ）。

熱逸走検知手段１５０が装備している「熱逸走制御基準４」は、「定電流定電圧充電制御の定電圧域において、充電電流Ｉｃが所定時間を経過しても所定値まで低下しないことを検知したこと、または、充電電流Ｉｃが所定値まで低下する時間が予定される定格充電時間よりも長くかかっていることを検知した場合に熱逸走抑制制御を開始する」というものである。この条件となったことを持って熱逸走が発生することを“予測”し、熱逸走抑制制御を開始するものである。

熱逸走検知手段１５０が熱逸走の発生を検知したことを受けて、充電制御装置１４０は「熱逸走抑制制御」を開始する（図９（ｂ）ステップＳ９０３）。
ここでは、「熱逸走抑制制御」として「第７の熱逸走抑制制御」と「第８の熱逸走抑制制御」の２通りを説明する。充電制御装置１４０内にいずれか一方の処理プログラムが搭載されたものでも良く、いずれか一方を選択するものでも良い。

「第７の熱逸走抑制制御」の例は、充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を即座に停止させるものである。もっとも簡単な処理である。

「第８の熱逸走抑制制御」の例は、充電電流Ｉｃの低下幅が既定値以上に低下しても即座に充電を停止するものではなく、一定時間経過後に充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させる処理とするものである。
この熱逸走制御基準４は、熱逸走が現実に発生しているものではなく、熱逸走が発生することを検知した段階であるため、即座に停止するまではせずに、しばらくの時間は充電が可能であることを考慮し、所定の時間にわたり充電を継続して行うものである。所定の時間はバッテリ容量やバッテリの種類などを考慮して定めれば良い。
図１０は、第８の熱逸走抑制制御の処理の例を示すフローチャートである。
ステップＳ１００１からステップＳ１００３までは図９に示した「第７の熱逸走抑制制御」の例と同様となっている。
第８の熱逸走抑制制御の場合は、第７の熱逸走抑制制御とは異なり、所定時間を経過するまでしばらく充電を継続し、所定時間経過後に充電を停止するものである。つまり、所定時間経過したことを検知すれば（ステップＳ１００４：Ｙ）、充電制御装置１４０が充電手段１１０を介した二次電池２００への充電を停止させる。
上記の「第７の熱逸走抑制制御」または「第８の熱逸走抑制制御」が実行された後、充電制御装置１４０は、充電手段１１０を制御して充電処理を終了する。

以上、本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置における好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

本発明の熱逸走防止機能付き急速充電装置は、二次電池を充電するための充電装置に適用されるものであり、二次電池であれば、特に限定されず広く適用することができる。一例として、リチウム電池、リチウムイオン電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素金属電池、鉛蓄電池等であっても適用することができるものであることが理解されよう。

熱逸走現象の発生の概要を説明する図である。 実施例１にかかる熱逸走防止機能付き急速充電装置１の基本構成を模式的に示した図である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その１）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その２）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その３）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その４）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その５）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その６）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その７）である。 熱逸走防止機能付き急速充電装置１００による熱逸走抑制処理の流れの一例を説明する図（その８）である。 従来技術における定電圧充電法を用いて充電する場合の二次電池電圧の時間変化と充電電流の時間的変化の充電特性の概略を簡単に示した図である。 従来技術における定電流・定電圧充電法を用いて充電する場合の二次電池電圧の時間変化と充電電流の時間的変化の充電特性の概略を簡単に示した図である。

１００ 熱逸走防止機能付き急速充電装置
１１０ 充電手段
１２０ 電圧検知手段
１３０ 電流検知手段
１４０ 充電制御装置
１５０ 熱逸走検知手段

Claims (2)

1. 二次電池に充電電圧または充電電流を供給する充電手段と、前記二次電池の端子電圧を検知する電圧検知手段と、前記二次電池に通電される充電電流の電流値を検知する電流検知手段と、前記充電手段の前記充電電圧または前記充電電流を制御する充電制御装置を備え、前記充電制御装置が、充電対象となっている前記二次電池の定格電圧と定格充電電流を用いて定電流定電圧充電制御を行う急速充電装置において、
   前記充電制御装置が前記二次電池の充電状態において熱逸走の発生を予測または検知する熱逸走検知手段を備え、
   前記充電制御装置が、前記熱逸走検知手段が前記熱逸走の発生を予測または検知しない平常時に適用される前記定電流定電圧充電制御と、前記熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知されれば前記定電流定電圧充電制御から切り替えて適用される熱逸走制御を備え、
   前記熱逸走制御が、前記定電流定電圧充電制御の定電圧域において、前記電流検知手段により前記充電電流の増加を検知したことをもって切り替えて開始するものであり、
   前記熱逸走制御が、定電流域または前記定電圧域での前記定電流定電圧充電制御における充電電流制限値を一定幅低下させる充電電流制限値更新手順と、その後前記電流検知手段において再度前記充電電流が増加するかを監視する監視手順と、前記監視手順において再度前記充電電流が増加すれば前記充電電流制限値更新手順において直近の充電電流制限値を一定幅低下させるという手順を繰り返し、前記充電電流制限値更新手順の実行が一定回数以上になれば前記充電手段を介した前記二次電池への充電を停止させるものであることを特徴とする熱逸走防止機能付き急速充電装置。
2. 二次電池に充電電圧または充電電流を供給する充電手段と、前記二次電池の端子電圧を検知する電圧検知手段と、前記二次電池に通電される充電電流の電流値を検知する電流検知手段と、前記充電手段の前記充電電圧または前記充電電流を制御する充電制御装置を備え、前記充電制御装置が、充電対象となっている前記二次電池の定格電圧と定格充電電流を用いて定電流定電圧充電制御を行う急速充電装置において、
   前記充電制御装置が前記二次電池の充電状態において熱逸走の発生を予測または検知する熱逸走検知手段を備え、
   前記充電制御装置が、前記熱逸走検知手段が前記熱逸走の発生を予測または検知しない平常時に適用される前記定電流定電圧充電制御と、前記熱逸走検知手段の熱逸走発生予測または検知されれば前記定電流定電圧充電制御から切り替えて適用される熱逸走制御を備え、
   前記熱逸走制御が、前記定電流定電圧充電制御の定電流域または定電圧域において、前記電圧検知手段により前記充電電圧の低下を検知したことをもって切り替えて開始するものであり、
   前記熱逸走制御が、前記定電圧域での前記定電流定電圧充電制御における充電電流制限値を一定幅低下させる充電電流制限値更新手順と、その後前記電圧検知手段において再度前記充電電圧が減少するかを監視する監視手順と、前記監視手順において再度前記充電電圧が減少すれば前記充電電流制限値更新手順において直近の充電電流制限値を一定幅低下させるという手順を繰り返し、前記充電電流制限値更新手順の実行が一定回数以上になれば前記充電手段を介した前記二次電池への充電を停止させるものであることを特徴とする熱逸走防止機能付き急速充電装置。

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