JPH11150885A - ２次電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温時における充電時間を室温等の充電時間
に近づけることにより、充電時間が周囲温度の影響を受
けにくいようにした充電方法を提供する。 【解決手段】 少なくとも定電圧により充電すべき２次
電池と、２次電池を加熱するためのヒーターと、２次電
池の表面温度を測定するための温度センサーと、ヒータ
ーを加熱制御するための温度制御回路と、電流制限付き
の定電圧電源とを使用する定電圧充電方法において、充
電開始時に、電池の温度が所定の温度より低いときは、
ヒーターに通電し、２次電池が設定温度に達した後に、
充電を開始する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、２次電池の充電
方法に係り、特に、低温下での充電時間の短縮を可能に
した充電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、低温下での２次電池の充放電
では、化学反応速度が鈍くなるため、電気的に内部イン
ピーダンスが上昇することが知られている。その結果、
充電時の電池端子間の電圧は、電池自身の起電圧に、内
部インピーダンスによる電圧付加分が加わるので、高温
での充電に比べて高くなる。ところが、リチウムイオン
電池や鉛蓄電池のように、定電圧で充電する２次電池の
場合には、すぐに規定の充電上限電圧に達してしまうた
め、満充電に到るまでの充電時間が、高温時より必然的
に長くなる傾向があった。

【０００３】図５は、室温時と低温時における電池の充
電特性を説明する図で、(1) は室温時の特性図の一例、
(2) は低温時の特性図の一例である。図において、横軸
は時間、縦軸は電圧値および電流値を示し、は電池電
圧、は充電電流を示す。

【０００４】この図５(1) と(2) に示す特性図におい
て、室温とはほぼ２０〜３０℃、低温とはほぼ０℃以下
をいう。図５(1) に示した室温においては、充電を開始
すると、充電電流がほぼ一定の時間内に電池電圧が
徐々に上昇して、定電圧値に達する。その後、充電電流
は、緩やかに減少して電流値が「０」になり、充電動
作が完了する。これに対して、図５(2) に示した低温時
には、充電を開始すると、充電電流がほぼ一定の時間
内に、電池電圧が急激に上昇して、定電圧値に達す
る。他方、充電電流は、ほぼ半分の値まで急激に減少
し、その後は緩やかに減少して、電流値が「０」にな
り、充電動作が完了する。

【０００５】ここで、室温時と低温時とを比較すると、
図５(1) の室温に比べて図５(2) の低温時の方が、電池
電圧が定電圧値に達するまでの時間が短かい。その原
因は、低温時には、電池内部での化学反応速度が鈍くな
り、電気的に内部インピーダンスが上昇するためであ
る。そのため、充電の開始後、定電流によって充電を行
うと、図５(2) の低温時には、電池電圧が急速に上昇
し、図５(1) の室温時より短い時間で定電圧値に達して
しまう。その後、定電圧充電に移っても、内部インピー
ダンスが高いままの状態になっているため、室温時に較
べて充電電流が低くなるので、満充電に到るまでの時
間が、室温時よりも延びてしまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】先の図５(1) と(2) に
示した特性図によって説明したように、低温時の充電時
間は、室温時の充電時間に較べて長くなる。特に、リチ
ウムイオン電池や鉛蓄電池のように、定電圧で充電する
２次電池の場合には、充電を開始すると、低温時には、
すぐに規定の充電上限電圧に達してしまうため、満充電
に到るまでの充電時間が、室温等の高温時より必然的に
長くなり、周囲温度によって充電時間が大きく変動す
る、という問題がある。この発明では、低温時における
充電時間を、室温等の充電時間に近づけることによっ
て、充電時間が周囲温度の影響を受けにくいようにした
２次電池の充電方法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、少
なくとも定電圧により充電すべき２次電池と、２次電池
を加熱するためのヒーターと、２次電池の表面温度を測
定するための温度センサーと、ヒーターを加熱制御する
ための温度制御回路と、電流制限付きの定電圧電源とを
使用する定電圧充電方法において、充電開始時に、電池
の温度が所定の温度より低いときは、ヒーターに通電
し、２次電池が設定温度に達した後に、充電を開始す
る。

【０００８】請求項２の発明では、少なくとも定電圧に
より充電すべき２次電池と、２次電池を加熱するための
ヒーターと、２次電池の表面温度を測定するための温度
センサーと、ヒーターを加熱制御するための温度制御回
路と、電流制限付きの定電圧電源とを使用する定電圧充
電方法において、充電開始後、定電圧充電領域に入った
後、電池の温度が所定の温度以下であったときは、充電
回路出力の制限電流値の範囲内で電池充電に寄与しない
余剰電流によってヒーターに通電し、２次電池を加熱す
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明の２次電池の充電方法に
ついて、図面を参照しながら、その実施の形態を詳しく
説明する。

【００１０】第１の実施の形態 この第１の実施の形態は、請求項１の発明に対応してい
る。この第１の実施の形態では、充電開始時に、電池の
温度が所定の温度より低いときは、まず、ヒーターに通
電し、２次電池が設定温度に達した後に、充電を開始す
る点に特徴を有している。最初に、この発明の充電方法
を実施する場合に使用するのに好適な充電装置について
説明する。

【００１１】図１は、この発明の２次電池の充電方法を
実施する場合に使用するのに好適な充電装置について、
その要部構成の一例を示す機能ブロック図である。図に
おいて、１は定電圧電源、２は電流制限器、３は充電制
御部、４は温度制御部、５は電池、６はヒーター、７は
温度センサー、Ｓ１とＳ２はスイッチを示す。

【００１２】各部の機能は次のとおりである。定電圧電
源１は、制限電流特性を有しており、出力電流が制限電
流値まで達すると、その電流値を維持したまま出力電圧
が低下し、短絡保護動作電圧まで達すると、その出力を
停止する機能、および現在の出力電流値の情報を送出す
る機能を備えた電源部である。この２つの機能によっ
て、電池５の充電に必要な電源機能と、ヒーター６の発
熱に必要な電源機能とが得られる。この定電圧電源１
は、例えば次の図２に示すような出力特性を有してい
る。

【００１３】図２は、定電圧電源１の出力特性図であ
る。図の横軸は出力電流Ａ、縦軸は電圧Ｖを示し、は
定電圧値、は出力電流を示す。

【００１４】この図２に示すように、定電圧電源１から
は、一定の出力、すなわち、定電圧値の電圧が出力さ
れる。そして、出力電流が制限電流値に達すると、そ
の電流値を維持したまま出力電圧が低下される。次に、
電流制限器２は、入力された信号レベルに比例した電流
量が流れるように構成された回路である。この電流制限
器２は、主として抵抗器やカレントトランス等によって
構成される電流検出部、および半導体の増幅機能等を用
いた電流量制限回路によって構成される。この電流制限
器２は、ヒーター６の発熱量を制御するために、ヒータ
ー６に流れる電流値を制御するよう機能する。

【００１５】充電制御部３は、主としてマイクロコンピ
ュータ等を使用した制御回路によって構成されており、
制御回路内には、制御情報を温度制御部４とやり取りす
るための通信機能、定電圧電源１の出力電圧および電池
５の出力電圧を監視し、電池５への充電開始を促す機
能、スイッチＳ１をオン／オフする通電制御機能、電池
５の出力電圧および定電圧電源１からの出力電流情報に
基づいて、電池５への充電電流が設定値以下になると充
電の停止を促す満充電監視機能、これらの機能を制御し
て電池５を充電開始から充電完了までの行程を制御する
ための処理手順が格納されており、その手順に従ってス
イッチＳ１をオン／オフし、充電の開始および停止を行
う機能を備えている。

【００１６】温度制御部４も、主としてマイクロコンピ
ュータ等を使用した制御回路によって構成されており、
制御回路内には、温度センサー７からの情報を読み取る
ための温度監視機能、スイッチＳ２をオン／オフする通
電制御機能、ヒーター通電時に定電圧電源１からの出力
電流情報および定電圧電源１の出力電圧を監視し、定電
圧値が維持されるように制限電流値の出力電圧が一定に
維持されるよう電流制限器２を流れる電流値を制御する
電流制限機能、これらの機能を制御するための処理手順
が格納されており、その手順に従ってヒーター６への通
電を制御する機能を備えている。電池５は、リチウムイ
オン電池、鉛蓄電池等の定電圧充電方式による充電が可
能な２次電池である。これらの２次電池は、一般的に充
電時における上限電流値が規定されているため、充電期
間内にあって設定された定電圧値に達していない期間に
おいては、定電流によって充電する必要がある。

【００１７】ヒーター６は、抵抗発熱体、セラミック発
熱体等を用いた加熱手段で、供給される電流にほぼ比例
して発熱量の制御が可能な発熱体で構成されている。こ
のヒーター６は、電池５の近傍に設置され、通電により
電池５自体を加熱して温度を上昇させるよう機能する。
温度センサー７は、サーミスタ、白金、半導体等によっ
て構成される温度検出手段であり、電池５の表面温度が
測定できる位置に設置される。この第１の実施の形態に
よる充電方法では、充電の開始前に、まず、温度制御部
４が温度センサー７によって電池５の温度を検出し、電
池温度が低温を示す設定値以下であるとの情報を得ると
この情報を充電制御部３に送出する。この情報によっ
て、充電制御部３は、一旦、電池５への充電を保留し、
その間に温度制御部４が、スイッチＳ２をオンしてヒー
ター６に通電する。

【００１８】ヒーター６への通電電流は、最大定電圧電
源の制限電流値までとなり、それ以下に制御するとき
は、電流制限器２を制御して減少させることが可能であ
る。温度制御部４は、温度センサー７によって電池５の
温度が最適温度、すなわち、室温並を示す設定値になる
までヒーター６によって電池５を加熱し、室温並の設定
値に達すると、温度制御部４はスイッチＳ２をオフして
ヒーター６への通電を停止し、同時に、充電制御部３に
対して電池温度が最適を示す設定値になったことを通知
する。この通知を受け取ると、充電制御部３は、スイッ
チＳ１をオンして電池５への通電を開始する。

【００１９】ここで、スイッチＳ１とＳ２は、リレーや
トランジスタ等の半導体スイッチから構成され、電流を
オンオフするスイッチ手段である。一方のスイッチＳ１
は、電池５への充電を開始・停止させるためのスイッチ
であり、他方のスイッチＳ２は、ヒーター６への通電を
開始・停止させるためのスイッチである。充電制御部３
は、電池温度が最適である旨の通知を受け取った時点で
は、電池５の温度（電池温度）は室温並となっているの
で、先の図５(1) に示したような充電特性に従って充電
が進行し、定電圧充電に到達した後、充電電流が所定の
電流値以下に達すると、充電を満充電と判断してスイッ
チＳ１をオフし、電池５への通電を停止して充電行程を
完了する。

【００２０】図３は、この発明の２次電池の充電方法に
おいて、電池温度が低温時の充電特性を示す図で、(1)
は電池５の充電特性、(2) は充電行程における定電圧電
源１の出力電流特性を示す。図の符号は図５と同様であ
り、は電池温度、横軸は時間、縦軸は電圧値および電
流値を示す。

【００２１】この図３(1) に示す電池５の充電特性は、
従来例として示した図５(1) と同様であるが、充電開始
時点が、電池温度に応じて遅れる点が異なっている。
すなわち、電池温度が室温並のとき（電池温度が低温を
示す設定値以上であった場合）は、ヒーター６への通電
は行わず、直ちに電池５への通電を行って充電行程を開
始する。この通電開始後は、先に述べた図５(1) の行程
と同じである。これに対して、充電開始前の測定結果か
ら電池温度が低かったときは、まず、電池を加熱するこ
とによって電池温度を室温並にするための加熱行程に入
る。したがって、この場合には、図３(1) に示したよう
に、充電開始時点が遅れるが、電池の充電時間は、低温
下で充電する場合に比べて著しく短縮することが可能で
ある。定電圧電源１の出力電流特性は、図３(2) に示し
たように、加熱開始から充電開始までも、充電開始後も
一定である。

【００２２】このように、第１の実施の形態では、ヒー
ター用の電源と電池充電用の電源とを兼用しているた
め、新たにヒーター用の電源を用意する必要がない。特
に、充電電流が大きい定電圧電源を使用する場合には、
その分だけヒーターの加熱に要する電力を大きくとるこ
とができる。その結果、電池を暖める時間が短くて済む
ので、急速充電を行うような充電装置を構成する際に
は、一層有効である。以上のように、この第１の実施の
形態では、電池の温度が所定の温度より低い状態では、
まず、電池をヒーターで加熱した後に、充電するように
している。したがって、電池内部での反応速度が上昇さ
れ、電池の充電時間を短くすることができる。

【００２３】第２の実施の形態 この第２の実施の形態は、請求項２の発明に対応してい
る。先の第１の実施の形態は、充電開始時に、電池の温
度が所定の温度より低いときは、まず、電池を加熱し、
所定の温度に達してから充電行程を開始する場合であ
る。この第２の実施の形態は、充電開始後に、電池の温
度が所定の温度以下であった場合の処理であり、充電回
路の制限電流値から定電圧充電領域に入った後、電池充
電電流との差である余剰電流によってヒーターを加熱す
る点に特徴を有している。

【００２４】使用する充電装置は、先の図１と同様であ
る。電池５の温度が低温（室温以下）であっても、電池
５の充電が可能な状態となる充電制御部３は、スイッチ
Ｓ１をオンして電池５への通電を開始する。もし、電池
温度が低温のときは、電池５は先の図５(2) の充電特性
に従って充電される。そして、電池電圧が定電圧値に到
達すると同時に、充電制御部３は、電池５への定電流充
電が終了した旨の情報を温度制御部４に送出する。温度
制御部４は、まず、温度センサー７によって電池５の温
度を検出し、電池温度が低温を示す設定値以下であると
の情報を得ると、スイッチＳ２をオンしてヒーター６へ
の通電を開始する。

【００２５】この温度制御部４は、定電圧電源１の電
圧、および定電圧電源１からの出力電流の情報を監視
し、ヒーター６への通電電流が通電によって定電圧電源
１の出力電圧が低下しないような最大電流が得られるよ
うに、電流制限器２を制御し、この電力によって電池５
を加熱する。すなわち、定電圧電源１の電流制限値から
電池５への充電電流分を差し引いた残り分が、全てヒー
ター６に流せるように制御する。

【００２６】電池５の充電が進行するに従って、充電電
流は徐々に減少し、その分ヒーター６への通電電流が増
加し、電池５は加速度的に加熱される。この間、温度制
御部４は、温度センサー７を監視しており、電池５の温
度が最適温度、すなわち、室温並を示す設定値に達した
ことを検知すると、温度制御部４は、スイッチＳ２をオ
フしてヒーター６への通電を停止する。この状態では、
電池５は、その電池温度が室温並となっているので、図
５(1)のような充電特性に従って充電が進行し、充電電
流が所定の電流値以下に達すると、充電を満充電と判断
して、スイッチＳ１をオフ状態にして電池５への通電を
停止し、充電を完了する。以上の充電行程を、次の図４
によって説明する。

【００２７】図４は、この発明の充電方法について、第
２の実施の形態による電池の充電特性を説明する図で、
(1) は電池５の充電特性、(2) は充電行程における定電
圧電源１の出力電流特性の一例である。図において、横
軸は時間、縦軸は電圧値および電圧値および電流値を示
し、は電池電圧、は充電電流、は電池温度、は
定電圧電源１の出力電流を示す。

【００２８】この図４(1) に示すように、充電行程が開
始されると、電池電圧が上昇されるが、もし、電池温
度で示すように、電池温度が室温より低いときは、電
池電圧が定電圧値に到達した時点で、ヒーター６の通
電による加熱行程が開始される。そのため、定電圧電源
１の出力電流は、図４(2) に示したように、先の図５
(2) のように低下されず、充電開始時と同じレベルであ
る。なお、電池温度が低温を示す設定値以上であったと
きは、ヒーター６への通電は行わず、電池５への通電を
行うのみである。充電の満充電検出以降は、先の図４
(1) に示した行程と同一である。

【００２９】以上のように、この第２の実施の形態で
は、電池への充電開始後の電池の温度を監視し、電池温
度が低かったときは、定電圧電源の電流制限値から電池
への充電電流分を差し引いた残り分を用いてヒーターを
加熱し、充電期間中に電池温度を室温並に上昇させるよ
うにしている。その結果、先に説明した第１の実施の形
態による充電方法のように、充電開始前に電池の加熱時
間を必要とせず、しかも、低温下においても充電時間を
より短縮することが可能となる。すなわち、電池を充電
可能な状態にしてから充電が完了するまでの時間を、さ
らに短縮することができる。また、この第２の実施の形
態においても、ヒーター用の電源と電池充電用の電源を
兼用しているため、新たにヒーター用の電源を用意する
必要はない。

【００３０】

【発明の効果】請求項１の２次電池の充電方法では、電
池の温度が所定の温度より低い状態では、電池をヒータ
ーで加熱した後に充電するようにしている。したがっ
て、電池内部での反応速度が上昇され、電池の充電時間
を短くすることができる。

【００３１】請求項２の電池の充電方法では、充電回路
の制限電流値から定電圧充電領域に入った後、電池充電
電流との差である余剰電流によってヒーターを加熱する
ようにしている。したがって、請求項１の充電方法に比
べて、電池を加熱するための時間が不要となり、電池の
充電時間をさらに短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の２次電池の充電方法を実施する場合
に使用するのに好適な充電装置について、その要部構成
の一例を示す機能ブロック図である。

【図２】定電圧電源１の出力特性図である。

【図３】この発明の２次電池の充電方法において、電池
温度が低温時の充電特性を示す図である。

【図４】この発明の充電方法について、第２の実施の形
態による電池の充電特性を説明する図である。

【図５】室温時と低温時における電池の充電特性を説明
する図である。

【符号の説明】

１……定電圧電源、２……電流制限器、３……充電制御
部、４……温度制御部、５……電池、６……ヒーター、
７……温度センサー、Ｓ１とＳ２……スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも定電圧により充電すべき２次
   電池と、前記２次電池を加熱するためのヒーターと、前
   記２次電池の表面温度を測定するための温度センサー
   と、前記ヒーターを加熱制御するための温度制御回路
   と、電流制限付きの定電圧電源とを使用する定電圧充電
   方法において、 充電開始時に、電池の温度が所定の温度より低いとき
   は、ヒーターに通電し、前記２次電池が設定温度に達し
   た後に、充電を開始することを特徴とする充電方法。
2. 【請求項２】 少なくとも定電圧により充電すべき２次
   電池と、前記２次電池を加熱するためのヒーターと、前
   記２次電池の表面温度を測定するための温度センサー
   と、前記ヒーターを加熱制御するための温度制御回路
   と、電流制限付きの定電圧電源とを使用する定電圧充電
   方法において、 充電開始後、定電圧充電領域に入った後、電池の温度が
   所定の温度以下であったときは、充電回路出力の制限電
   流値の範囲内で電池充電に寄与しない余剰電流によって
   前記ヒーターに通電し、前記２次電池を加熱することを
   特徴とする充電方法。