WO2009110221A1

WO2009110221A1 - 充電方法および充電装置

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Publication number: WO2009110221A1
Application number: PCT/JP2009/000949
Authority: WO
Inventors: 長島健彰; 中玉利義行
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-09-11
Also published as: US8344700B2; JPWO2009110221A1; US20100194351A1; EP2249456A1

Abstract

　第１の電流で定電流充電を行うステップ（ａ）と、二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、第１の電圧で定電圧充電を行うステップ（ｂ）とを有する二次電池の充電方法であって、ステップ（ａ）において、二次電池の温度が基準温度以上になったとき、ステップ（ｂ）は、二次電池の電圧が第１の電圧よりも低い第２の電圧に達したとき、第２の電圧で定電圧充電を行うステップ（ｂ１）と、ステップ（ｂ１）の後、二次電池の温度が基準温度未満になったとき、第２の電流で充電を行うステップ（ｂ２）と、二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、第１の電圧で定電圧充電を行うステップ（ｂ３）に切り替わる。

Description

充電方法および充電装置

　本発明は、二次電池の充電方法および充電装置に関し、特に、電池温度に応じて充電制御を行う充電方法および充電装置に関する。

　近年、ポータブルオーディオやデジタルスチルカメラといった携帯可能な電子機器の市場が急速に伸びている。その中で、携帯型電子機器に電源を供給するため、充電して再利用可能な二次電池は重要な役割を担っている。そして、電子機器の駆動電源として用いる二次電池は、電子機器の使用時間をより長くできる様に、二次電池の容量を増加させることが要求されている。

　一方、二次電池の容量を増加させることは、二次電池の安全性にも大きく影響する。例えば、二次電池を充電する場合、二次電池を充電装置に装着して充電を行うが、このとき、充電装置からの煽り熱や、二次電池自身の発熱等により、二次電池の温度が、環境温度よりも上昇する。通常、この温度上昇は１０℃程度であるが、二次電池の容量を増加させると、その分、温度上昇も高くなる。そのため、満充電状態の二次電池の温度が高くなった場合、例えば、外部から二次電池に大きな衝撃等が加わると、二次電池が異常発熱するおそれがある。このような現象は、高い環境温度の下で二次電池の充電を行った場合にも同様に起こりうる。

　このような問題に対して、特許文献１には、充電中の二次電池の温度を監視して、所定の温度を超えた二次電池に対して、充電電流を小さな値に切り換えることによって、充電中の二次電池の温度上昇を抑制し、安全な充電を行う方法が記載されている。

　また、二次電池の検出温度に応じて、充電電流や充電時間を変えて充電制御を行う方法が、特許文献２等に記載されている。
特開２００４－３６４３８７号公報特開平１１－１８３１４号公報

　しかしながら、特許文献１に記載された充電方法では、充電中に充電電流が小さな値に切り替わるため、充電が完了するまでの時間が長くなってしまうという問題がある。

　本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、その主な目的は、充電中の二次電池の温度が過度に上昇した場合にも、安全に充電を行うとともに、充電容量を十分に確保することのできる充電方法を提供することにある。

　本発明の一側面における二次電池の充電方法は、第１の電流で定電流充電を行うステップ（ａ）と、二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、該第１の電圧で定電圧充電を行うステップ（ｂ）とを有し、ステップ（ａ）において、二次電池の温度が基準温度以上になったとき、ステップ（ｂ）は、二次電池の電圧が第１の電圧よりも低い第２の電圧に達したとき、該第２の電圧で定電圧充電を行うステップ（ｂ１）と、ステップ（ｂ１）の後、二次電池の温度が基準温度未満になったとき、第２の電流で充電を行うステップ（ｂ２）と、二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、該第１の電圧で定電圧充電を行うステップ（ｂ３）とを有することを特徴とする。

　ある好適な側面において、ステップ（ｂ１）とステップ（ｂ２）の間に、充電を休止するステップをさらに有する。

　ある好適な側面において、第１の電圧と第２の電圧との差は、０．１～０．２Ｖの範囲にある。

　ある好適な側面において、二次電池はリチウムイオン二次電池であり、第１の電圧は４．２Ｖ、第２の電圧は４．１Ｖである。

　本発明の一側面における二次電池の充電装置は、上記の充電方法によって二次電池の充電を行う充電装置であって、第１の電流で定電流充電を行い、二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、該第１の電圧で定電圧充電を行う電源供給回路と、電源供給回路の充電を制御する充電制御部とを備え、充電制御部は、二次電池の温度を監視する監視手段と、監視手段で検出された二次電池の温度に基づいて、定電圧充電の充電電圧を、第１の電圧と、該第１の電圧よりも低い第２の電圧に切り換える切換手段とをさらに備え、第１の電流で定電流充電を行う間、監視手段で検出された二次電池の温度が基準温度以上になったとき、切換手段により、第２の電圧で定電圧充電を行い、その後、二次電池の温度が基準温度未満になったとき、第２の電流で充電を行い、その後、二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、切換手段により、第１の電圧で定電圧充電を行うことを特徴とする。

　本発明の充電方法によれば、充電中の二次電池の温度が過度に上昇した場合でも、安全性を損なうことなく、充電容量を十分に確保することのできる充電を行うことができる。

図１は、従来の充電方法における充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化をそれぞれ示したグラフである。図２は、二次電池の充電方法のフローを示したフローチャートである。図３は、検出温度が基準温度を超えた場合の充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化をそれぞれ示したグラフである。図４は、本発明の実施形態における二次電池の充電方法のフローを示したフローチャートである。図５は、本実施形態における充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化をそれぞれ示したグラフである。図６は、本実施形態における充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化をそれぞれ示したグラフである。図７は、本発明の実施形態における二次電池の充電装置の構成を示したブロック図である。

符号の説明

　１　　　充電装置
　２　　　電池パック
　３　　　二次電池
　４　　　サーミスタ
　５　　　制御ＩＣ
　１０　　電源供給回路
　１１　　定電流回路
　１２　　定電圧回路
　１３　　充電制御部
　１４　　監視手段
　１５　　切換手段

　本発明の実施形態を説明する前に、従来の二次電池の充電方法について、図１を参照しながら説明する。図１は、充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化をそれぞれ示したグラフである。

　図１に示すように、充電開始から最初の間は、一定の電流で充電を行う定電流充電を行う。そして、次第に充電容量が増加していき、二次電池の電圧が予め設定された最大電圧（例えば、リチウムイオン電池の場合、典型的には４．２Ｖ）に達すると、それ以降は、この最大電圧を超えないように、充電電流を減少させながら定電圧充電を行う。そして、充電電流が所定の値まで減少したとき、充電を完了する。

　ところで、図１に示すように、充電が進むにつれて、二次電池の温度が上昇していくが、例えば、環境温度が３５℃の場合、二次電池の温度上昇が１０℃を超えない範囲、すなわち、二次電池の温度が４５℃以下であれば、それほど安全性に影響を及ぼすことはない。

　しかしながら、前述したように、二次電池の容量が増加すると、その分、温度上昇が高くなり、例えば、二次電池の温度が４５℃を超えると、安全性の面で問題が生じるおそれがある。

　そこで、二次電池の温度を検出しながら充電を行い、二次電池の温度が、所定の基準温度（例えば、４５℃）を超えたとき、定電圧充電において予め設定された最大電圧を、通常の設定値よりも低い値に切り換えて定電圧充電を行えば、過度な温度上昇が起きた場合にも、二次電池の安全性が確保できると考えられる。

　図２は、このような考えに基づいた充電制御を行う充電方法のフローを示したフローチャートである。

　まず、充電開始（ステップＳ１）に当たり、二次電池が充電装置に接続されているか否かを判断する（ステップＳ２）。通常、二次電池が充電装置に装着されていることを検出することによって判断する。接続が確認されると、二次電池は、一定の電流で充電を行う定電流充電を開始する（ステップＳ３）。充電中、二次電池の温度を検出し、検出温度が所定の基準温度（Ｔ_０）に達しているか否かを判断する（ステップ４）。検出温度が基準温度（Ｔ_０）を超えていない場合には、二次電池の電圧が所定の最大電圧（Ｖ_１）に達したとき（ステップＳ５）、定電流充電から定電圧充電に移行する（ステップＳ６）。そして、充電電流が所定の値まで減少したとき、充電を完了する（ステップＳ９）。この場合の充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化は、図１に示した通りとなる。

　他方、検出温度が基準温度（Ｔ_０）を超えた場合、定電圧充電における最大電圧を、通常の設定値（Ｖ_１）よりも低い値（Ｖ_２）に切り換える。そして、二次電池の電圧が切り換え後の最大電圧（Ｖ_２）に達したとき（ステップＳ７）、定電流充電から定電圧充電に移行する（ステップＳ８）。そして、充電電流が所定の値まで減少したとき、充電を完了する（ステップＳ９）。

　図３は、検出温度が基準温度（Ｔ_０）を超えた場合の充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量の変化をそれぞれ示したグラフである。図３に示すように、定電圧充電における最大電圧（Ｖ_２）が、図１に示した最大電圧（Ｖ_１）よりも低く設定されているため、充電完了後の充電容量は、図１に示した場合に比べて減少している。例えば、リチウムイオン電池の場合、通常の設定値（Ｖ_１＝４．２Ｖ）から０．１Ｖだけ低い値（Ｖ_２＝４．１Ｖ）に設定されていると、通常の充電完了後の充電容量を１００％としたとき、検出温度が基準温度（Ｔ_０）を超えた場合の充電完了後の充電容量は、約９０％に減少している。そのため、このような条件で充電された二次電池は、充電容量が減少した分、電子機器の使用時間が短くなってしまうという問題がある。

　本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、充電中の二次電池の温度が過度に上昇した場合にも、安全に充電を行うとともに、充電容量を十分に確保することのできる充電方法を提供するものである。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

　図４は、本実施形態における二次電池の充電方法のフローを示したフローチャートである。

　まず、充電開始（ステップＳ１０）に当たり、二次電池が充電装置に接続されているか否かを判断する（ステップＳ１１）。通常、二次電池が充電装置に装着されていることを検出することによって判断する。接続が確認されると、二次電池は、第１の電流（Ｉ_１）で定電流充電（Ｉ＝Ｉ_１）を開始する（ステップＳ１２）。充電中、二次電池の温度を検出し、検出温度が所定の基準温度（Ｔ_０）に達しているか否かを判断する（ステップ１３）。検出温度が基準温度（Ｔ_０）を超えていない場合には、二次電池の電圧が第１の電圧（Ｖ_１）に達したとき（ステップＳ１４）、定電流充電（Ｉ＝Ｉ_１）から定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）に移行する（ステップＳ１５）。そして、充電電流が所定の値まで減少したとき、充電を完了する（ステップＳ２１）。

　この場合の充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量は、それぞれ図５に示すように変化する。図５中の（ａ）は定電圧充電（Ｉ＝Ｉ_１）のステップを示し、（ｂ）は、定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）のステップを示す。

　他方、検出温度が基準温度（Ｔ_０）を超えた場合、定電圧充電における最大電圧を、通常の設定値（Ｖ_１）よりも低い値（Ｖ_２）に切り換える。そして、二次電池の電圧が第２の電圧（Ｖ_２）に達したとき（ステップＳ１６）、定電流充電から定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_２）に移行する（ステップＳ１７）。定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_２）中、充電電流は徐々に減少するため、二次電池の温度も低下していく。そして、検出温度が再び基準温度（Ｔ_０）以下になったとき、二次電池を第２の電流（Ｉ_２）で定電流充電（Ｉ＝Ｉ_２）を開始する（ステップＳ１９）。その後、二次電池の電圧は、第２の電圧（Ｖ_２）から再び上昇し、第１の電圧（Ｖ_１）に達したとき（ステップＳ２０）、定電流充電（Ｉ＝Ｉ_２）から定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）に移行する（ステップＳ１５）。そして、充電電流が所定の値まで減少したとき、充電を完了する（ステップＳ２１）。

　この場合の充電開始から充電完了までの充電電流、充電電圧、二次電池の検出温度、及び充電容量は、それぞれ図６に示すように変化する。図６中の（ａ）は定電圧充電（Ｉ＝Ｉ_１）のステップ、（ｂ１）は定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_２）のステップ、（ｂ２）は定電圧充電（Ｉ＝Ｉ_２）のステップ、（ｂ３）は定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）のステップ、をそれぞれ示す。

　本実施形態における充電方法は、第１の電流（Ｉ_１）で定電流充電を行うステップ（ａ）と、二次電池の電圧が第１の電圧（Ｖ_１）に達したとき、第１の電圧（Ｖ_１）で定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）を行うステップ（ｂ）とを基本フローとしつつ、定電流充電（Ｉ＝Ｉ_１）を行うステップ（ａ）において、二次電池の温度が基準温度（Ｔ_０）以上になったとき、定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）を行うステップ（ｂ）を、以下のステップに切り換えることを特徴とする。

　すなわち、二次電池の温度が基準温度（Ｔ_０）以上になったとき、二次電池の電圧が第１の電圧（Ｖ_１）よりも低い第２の電圧（Ｖ_２）に達したとき、第２の電圧（Ｖ_２）で定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_２）を行うステップ（ｂ１）と、ステップ（ｂ１）の後、二次電池の温度が基準温度（Ｔ_０）未満になったとき、第２の電流（Ｉ＝Ｉ_２）で定電流充電（Ｉ＝Ｉ_２）を行うステップ（ｂ２）と、二次電池の電圧が第１の電圧（Ｖ_１）に達したとき、第１の電圧（Ｖ_１）で定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_１）を行うステップ（ｂ３）とを切り換え後のステップとする。

　このような切り換え後のステップを採用することにより、図６に示すように、充電完了後の充電容量を、通常の充電、すなわち、充電中の二次電池の温度が基準温度（Ｔ_０）に達しないで充電を完了した時の充電容量と同等の大きさにすることができる。これにより、充電中の二次電池の温度が過度に上昇した場合でも、安全性を損なうことなく、充電容量を十分に確保した充電を行うことができる。

　本発明において、定電流充電における「第１の電流（Ｉ_１）」及び「第２の電流（Ｉ_２）」の大きさは特に限定されず、また、同一の大きさでも、あるいは、異なる大きさであってもよい。さらに、第２の電流（Ｉ_２）での充電は、必ずしも定電流充電でなくてもよい。また、定電圧制御における「第１の電圧（Ｖ_１）」及び「第２の電圧（Ｖ_２）」の大きさは特に限定されないが、Ｖ_１とＶ_２との差は、０．１～０．２Ｖの範囲にあることが好ましい。例えば、二次電池がリチウムイオン電池の場合、典型的には、Ｖ_１＝４．２Ｖ、Ｖ_２＝４．１Ｖに設定することができる。また、「基準温度（Ｔ_０）」の大きさは特に限定されないが、環境温度に対して１０℃程度高い温度に設定することが好ましい。例えば、図６に示すように、環境温度が３５℃の場合、基準温度（Ｔ_０）は４５℃に設定するとよい。また、安全性の観点からは、基準温度（Ｔ_０）と環境温度との差が大きいほど、第１の電圧（Ｖ_１）と第２の電圧（Ｖ_２）との差を大きくすることが好ましい。例えば、環境温度が３５℃で、基準温度（Ｔ_０）を５０℃に設定した場合、第１の電圧（Ｖ_１）が４．２Ｖであるとき、第２の電圧（Ｖ_２）を、例えば４．０Ｖに設定することが好ましい。

　また、図６に示すように、第２の電圧（Ｖ_２）で定電圧充電（Ｖ＝Ｖ_２）を行うステップ（ｂ１）と、第２の電流（Ｉ＝Ｉ_２）で定電流充電（Ｉ＝Ｉ_２）を行うステップ（ｂ２）との間に、充電を休止するステップ（ｂ４）を設けてもよい。この場合、形式的には、ステップ（ｂ１）で一端充電を完了し、その後、ステップ（ｂ２）で再充電を開始し、ステップ（ｂ３）で再充電を完了する格好となる。

　次に、本発明の実施形態における充電装置を、図７を参照しながら説明する。図７は、本実施形態における充電装置の構成を示したブロック図である。なお、本実施形態における充電装置は、上述した本発明の充電方法による充電を実行可能とする充電装置を構成するものである。

　図７に示すように、充電装置１は、定電流充電を行う定電流回路１１と、定電圧充電を行う定電圧回路１２とを備えた電源供給回路１０と、電源供給回路１０の充電を制御する充電制御部１３とを備えている。さらに、充電制御部１３は、二次電池の温度を監視する監視手段１４と、監視手段１４で検出された二次電池の温度に基づいて、定電圧充電の充電電圧を、第１の電圧（Ｖ_１）と、第１の電圧（Ｖ_１）よりも低い第２の電圧（Ｖ_２）に切り換える切換手段１５とを備えている。

　また、電池パック２は、二次電池３と、二次電池３の温度を検出するサーミスタ４と、二次電池３の電圧を検出し、過電圧や過放電電圧等の異常状態から二次電池３の保護を制御する制御ＩＣ５とを備えている。そして、電池パック２が充電装置１に装着されると、電池パック２のターミナルＴ１、Ｔ３は、充電装置１のターミナルＴ１１、Ｔ１３と接続され、二次電池３は、電源供給回路１０によって充電される。また、電池パック２のターミナルＴ２は、充電装置１のターミナルＴ１２に接続されて、充電装置１の監視手段１４によって、充電中の二次電池３の温度が監視される。

　第１の電流（Ｉ_１）で定電流充電を行う間、監視手段１４で検出された二次電池３の温度が基準温度（Ｔ_０）以上になったとき、充電装置１は、次にように動作する。すなわち、二次電池３の温度が基準温度（Ｔ_０）以上になったとき、切換手段１５により、第２の電圧（Ｖ_２）で定電圧充電を行い、その後、二次電池３の温度が基準温度（Ｔ_０）未満になったとき、第２の電流（Ｉ_２）で定電流充電を行い、その後、二次電池３の電圧が第１の電圧（Ｖ_１）に達したとき、切換手段１５により、第１の電圧（Ｖ_１）で定電圧充電を行う。

　なお、図７において、１６は充電電流検出抵抗Ｒ_２、１７は基準電圧レギュレータ、１８は分圧抵抗Ｒ_１である。

　以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、二次電池としてリチウムイオン電池を例に説明したが、これに限らず、例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等にも適用することができる。

　また、本発明において「二次電池」とは、単独の二次電池に限らず、複数の二次電池が直列又は並列に接続された電池パックも含む意味である。

　本発明は、安全性に優れ、充電容量を十分に確保できる二次電池の充電装置に有用である。

Claims

　（ａ）第１の電流で定電流充電を行うステップと、
　（ｂ）二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、該第１の電圧で定電圧充電を行うステップと、
　を有する二次電池の充電方法であって、
　前記ステップ（ａ）において、前記二次電池の温度が基準温度以上になったとき、前記ステップ（ｂ）は、
　（ｂ１）前記二次電池の電圧が前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に達したとき、該第２の電圧で定電圧充電を行うステップと、
　（ｂ２）前記ステップ（ｂ１）の後、前記二次電池の温度が前記基準温度未満になったとき、第２の電流で充電を行うステップと、
　（ｂ３）前記二次電池の電圧が前記第１の電圧に達したとき、該第１の電圧で定電圧充電を行うステップと、
　を有する、充電方法。
　請求項１に記載の充電方法であって、
　前記ステップ（ｂ１）と前記ステップ（ｂ２）の間に、充電を休止するステップをさらに有する、充電方法。
　請求項１に記載の充電方法であって、
　前記第１の電圧と前記第２の電圧との差は、０．１～０．２Ｖの範囲にある、充電方法。
　請求項３に記載の充電方法であって、
　前記二次電池はリチウムイオン二次電池であり、
　前記第１の電圧は４．２Ｖ、前記第２の電圧は４．１Ｖである、充電方法。
　請求項１～４の何れかに記載の充電方法によって二次電池の充電を行う充電装置であって、
　第１の電流で定電流充電を行い、前記二次電池の電圧が第１の電圧に達したとき、該第１の電圧で定電圧充電を行う電源供給回路と、
　前記電源供給回路の充電を制御する充電制御部とを備え、
　前記充電制御部は、
　　前記二次電池の温度を監視する監視手段と、
　　前記監視手段で検出された前記二次電池の温度に基づいて、定電圧充電の充電電圧を、前記第１の電圧と、該第１の電圧よりも低い第２の電圧に切り換える切換手段と、
　をさらに備え、
　　前記第１の電流で定電流充電を行う間、前記監視手段で検出された前記二次電池の温度が基準温度以上になったとき、前記切換手段により、前記第２の電圧で定電圧充電を行い、その後、前記二次電池の温度が前記基準温度未満になったとき、第２の電流で充電を行い、その後、前記二次電池の電圧が前記第１の電圧に達したとき、前記切換手段により、前記第１の電圧で定電圧充電を行う、充電装置。