WO2015008593A1 - 二次電池の充電システムおよび充電方法 - Google Patents

Abstract

　充電システムは、二次電池に一定値Ｉｃｃの充電電流を供給し、当該充電電流によって二次電池のＣＣＶが所定の閾値電圧Ｖｃｃに到達するまで定電流充電を行った後、現在供給している充電電流を所定の電流減少量ΔＩｃだけ減少させてこれを新たな充電電流とし、当該新たな充電電流によって二次電池のＣＣＶが所定の電圧上昇量ΔＶｘだけ上昇するまで定電流充電を行うことを所定の回数（Ｎ回）繰り返した後、充電電流の供給を停止する。電流減少量ΔＩｃは、現在供給している充電電流を当該ΔＩｃだけ減少させた際の二次電池のＣＣＶが二次電池の満充電電圧Ｖｆｕｌｌを上回るように設定される。

Description

二次電池の充電システムおよび充電方法

　この発明は、二次電池の充電システムおよび充電方法に関する。

　一般的な二次電池の充電方法としては、はじめに定電流充電（ＣＣ充電）を行って二次電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）を所定電圧まで上昇させた後、定電圧充電（ＣＶ充電）を行って二次電池を満充電状態にする方法が一般的である。しかしながら、二次電池の定電圧充電を行う際には満充電状態に近づくに従って充電電流を連続的に減少させる必要があり、それに伴って単位時間あたりの充電量も減少していくため、充電時間が長くなってしまう。

　上記の問題を解決するために、特許文献１には、二次電池に一定の充電電流を供給して定電流充電を行い、二次電池のＣＣＶが所定の切替電圧に到達すると充電電流を所定の電流量だけ減少させてこれを新たな充電電流とし、当該新たな充電電流によってさらに定電流充電を行うことを繰り返すことによって、二次電池を満充電状態にする方法が記載されている（特許文献１の図６参照）。この方法においても二次電池が満充電状態に近づくに従って充電電流を段階的に減少させていくが、各定電流充電の期間中は電流を減少させないため、上記方法に比べて単位時間あたりの充電量を多くすることができ、充電時間を或る程度まで短縮することができる。

特開平０８－２０３５６３号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の方法では、充電電流の切替時に二次電池のＣＣＶが満充電状態における電圧（図６のＶ３）を下回る程に充電電流を大幅に減少させるため、その分だけ単位時間あたりの充電量が減少してしまい、充電時間を十分に短縮することができない。この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、充電時間を十分に短縮することができる二次電池の充電システムおよび充電方法を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、この発明に係る二次電池の充電システムは、電流供給手段によって二次電池に一定値の充電電流を供給し、当該充電電流によって二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、電流供給手段によって現在供給されている充電電流を所定の電流減少量だけ減少させてこれを新たな充電電流とし、当該新たな充電電流によって二次電池の閉回路電圧が所定の電圧上昇量だけ上昇するまで定電流充電を行うことを所定の回数繰り返すことによって、二次電池の充電を行う充電システムにおいて、所定の回数の繰り返しにおける各所定の電流減少量は、電流供給手段によって現在供給されている充電電流を当該所定の電流減少量だけ減少させた際の二次電池の閉回路電圧が二次電池の満充電電圧を上回るように設定されることを特徴とする。

　また、この発明に係る二次電池の充電方法は、二次電池に一定値の充電電流を供給し、当該充電電流によって二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、二次電池に現在供給している充電電流を所定の電流減少量だけ減少させてこれを新たな充電電流とし、当該新たな充電電流によって二次電池の閉回路電圧が所定の電圧上昇量だけ上昇するまで定電流充電を行うことを所定の回数繰り返すことによって、二次電池の充電を行う充電方法において、所定の回数の繰り返しにおける各所定の電流減少量は、二次電池に現在供給している充電電流を当該所定の電流減少量だけ減少させた際の二次電池の閉回路電圧が二次電池の満充電電圧を上回るように設定されることを特徴とする。

　この発明に係る二次電池の充電システムおよび充電方法によれば、二次電池の充電時間を十分に短縮することができる。

この発明の実施の形態に係る二次電池の充電システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る二次電池の充電システムによって実行される充電処理を示すフローチャートである。 （ａ）は二次電池のＣＣＶとＯＣＶの時間変化を示す図であり、（ｂ）は二次電池に供給される充電電流の時間変化を示す図である。 この発明の実施の形態に係る二次電池の充電システムにおいて、電池の分極の効果を考慮する場合としない場合の比較について示す図である。

　以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
　この発明の実施の形態に係る二次電池の充電システム１００の構成を図１に示す。充電システム１００は、二次電池１と、二次電池１に充電電流を供給する電流制御型の電源２と、二次電池１の電圧を測定する電圧センサ３と、二次電池１と電源２の間に設けられるスイッチ４と、制御ユニット５とから構成されている。

　制御ユニット５は、マイクロコンピュータによって構成されており、電圧センサ３によって測定される二次電池１の電圧を取得すると共に、電源２の出力電流およびスイッチ４の開閉状態を制御することによって、図２のフローチャートに示される二次電池１の充電処理を制御する。以下、図２のフローチャートに示される充電処理における各ステップの詳細について順次説明する。なお、充電処理の開始時においては、電源２は電流を出力しておらず、またスイッチ４は開状態である。

　まず、ステップＳ１において、制御ユニット５は、電圧センサ３によって測定される二次電池１の開回路電圧（ＯＣＶ）を取得し、予め測定してある二次電池１の満充電状態におけるＯＣＶ（満充電電圧Ｖｆｕｌｌ）と比較する。そして、二次電池１のＯＣＶが満充電電圧Ｖｆｕｌｌ未満である場合には、ステップＳ２～Ｓ１２の各ステップを実行する。一方、二次電池１のＯＣＶがＶｆｕｌｌ以上であり既に満充電状態である場合には、充電処理を終了する。

　ステップＳ２において、制御ユニット５は、時刻ｔ０においてスイッチ４を閉状態にすると共に電源２から一定値Ｉｃｃの充電電流を出力させ、当該充電電流によって二次電池１の定電流充電（ＣＣ充電）を開始する（図３（ｂ）参照）。これにより、二次電池１の充電量が時間の経過ともに増加していき、充電量と閉回路電圧（ＣＣＶ）との間には相関関係があるため、電圧センサ３によって測定される二次電池１のＣＣＶも時間の経過とともに上昇していく（図３（ａ）参照）。

　ステップＳ３において、制御ユニット５は、二次電池１の内部抵抗Ｒを推定する。詳細には、ステップＳ２で電源２から二次電池１への充電電流の供給が開始される直前直後に電圧センサ３によって測定される二次電池１の電圧から、内部抵抗Ｒを以下の式に従って推定する。

　　Ｒ＝（Ｖ２－Ｖ１）／Ｉｃｃ

　ただし、上式において、Ｖ１は電流供給開始直前のＯＣＶ、Ｖ２は電流供給開始直後のＣＣＶである。

　ステップＳ４において、制御ユニット５は、電源２から二次電池１への充電電流の供給を継続したまま、二次電池１のＣＣＶが所定の閾値電圧Ｖｃｃに到達するまで待機する。なお、閾値電圧Ｖｃｃは、満充電電圧Ｖｆｕｌｌより大きく、かつ、二次電池１のＣＣＶ＝Ｖｃｃの状態におけるＯＣＶ（図３（ａ）のＶｏ１）が満充電電圧Ｖｆｕｌｌ未満になるように設定されている。

　上記ステップＳ４において二次電池１のＣＣＶが閾値電圧Ｖｃｃに到達したと判定されると、ステップＳ５において、制御ユニット５は、その状態における二次電池１のＯＣＶ（図３（ａ）のＶｏ１）を、以下の式に従って推定する。

　　Ｖｏ１＝（Ｖｃｃ－Ｒ×Ｉｃｃ）

　なお、上式では二次電池１の分極の効果を考慮していない。通常、ＯＣＶの推定の際には電池の分極の効果を考慮したほうがより正確であり、その場合、ＯＣＶの推定値は上式によって得られる値よりも小さくなる。しかしながら、本願発明では分極の効果をあえて無視し、ＯＣＶの推定値を実際の値よりも大きく見積もる。この理由については後述する。

　ステップＳ６において、制御ユニット５は、後のステップＳ８で使用する所定の電流減少量ΔＩｃを、以下の式に従って決定する。

　　ΔＩｃ＝Ｉｃｃ／（Ｎ＋１）

　ただし、上式においてＮは正の整数であり、図３（ｂ）にはＮ＝３の例が示されている。本願発明では、後のステップＳ８で充電電流をΔＩｃだけ減少させた際の二次電池１のＣＣＶ（図３（ａ）のＶｄ１、Ｖｄ２、Ｖｄ３）が満充電電圧Ｖｆｕｌｌを上回るようにＮの値を設定することによって、単位時間あたりの充電量をできるかぎり多くする。具体的には、充電電流をΔＩｃだけ減少させた際のＣＣＶが満充電電圧Ｖｆｕｌｌを上回るためには、

　　Ｒ×ΔＩｃ＜Ｖｃｃ－Ｖｆｕｌｌ

の関係を満たす必要があり、

　　ΔＩｃ＝Ｉｃｃ／（Ｎ＋１）

であることを考慮して、Ｎの値は
　　Ｎ＞（Ｒ×Ｉｃｃ）／（Ｖｃｃ－Ｖｆｕｌｌ）－１
の関係を満たすように設定される。

　ステップＳ７において、制御ユニット５は、後のステップＳ１０で使用する所定の電圧上昇量ΔＶｘを、以下の式に従って決定する。

　　ΔＶｘ＝（Ｖｆｕｌｌ－Ｖｏ１）／Ｎ
　　　　　＝（Ｖｆｕｌｌ－（Ｖｃｃ－Ｒ×Ｉｃｃ））／Ｎ

　上式においてΔＶｘは、図３（ａ）における満充電電圧ＶｆｕｌｌとＯＣＶ推定値Ｖｏ１との間のギャップをＮ分割した電圧として定義されている。

　次に、ステップＳ８において、制御ユニット５は、電源２が現在供給している充電電流を上記ステップＳ６で決定した電流減少量ΔＩｃだけ減少させてこれを新たな充電電流とし、当該新たな充電電流によって二次電池１の定電流充電を行う（図３（ｂ）の時刻ｔ１）。

　ステップＳ９において、制御ユニット５は、ステップＳ８で充電電流をΔＩｃだけ減少させた際に電圧センサ３によって測定される二次電池１のＣＣＶ（図３（ａ）のＶｄ１）を取得する。

　ステップＳ１０において、制御ユニット５は、電源２から二次電池１への充電電流の供給を継続したまま、二次電池１のＣＣＶがＶｄ１＋ΔＶｘに到達するまで待機する。すなわち、二次電池１のＣＣＶが上記ステップＳ７で決定した電圧上昇量ΔＶｘだけ上昇するまで待機する。

　上記ステップＳ１０において二次電池１のＣＣＶが電圧量上昇ΔＶｘだけ上昇したと判定されると、ステップＳ１１において、制御ユニット５は、ステップＳ８～Ｓ１０がＮ回繰り返されたか否かを調べる。そして、ステップＳ８～Ｓ１０の繰り返しがＮ回未満である場合には、ステップＳ８に戻る。一方、Ｎ回の繰り返しが完了している場合には、ステップＳ１２に進み、スイッチ４を開状態にすると共に電源２から二次電池１への充電電流の供給を停止させ、二次電池１の充電処理を終了する。

　上記ステップＳ８～Ｓ１０をＮ回（この実施の形態の例では３回）繰り返すことによって、二次電池１のＯＣＶは満充電電圧Ｖｆｕｌｌに漸近してき、二次電池１の充電が行われる（図３（ａ）の点線）。この過程において、電源２から二次電池１に供給される充電電流はΔＩｃずつ段階的に減少していき（図３（ｂ））、二次電池１のＣＣＶは充電電流の減少時に一端減少してからΔＶｘ上昇することを繰り返しながら次第に下降していく（図３（ａ）の実線）。この際、上述したように二次電池１のＣＣＶが満充電電圧Ｖｆｕｌｌを下回ることはないため、充電電流の切替時にＣＣＶが満充電電圧を下回る程に充電電流を減少させる特許文献１の方法に比べて単位時間あたりの充電量を多くすることができ、充電時間が十分に短縮される。

　以上説明したように、この実施の形態に係る二次電池の充電システム１００では、二次電池１に一定値Ｉｃｃの充電電流を供給し、当該充電電流によって二次電池１のＣＣＶが所定の閾値電圧Ｖｃｃに到達するまで定電流充電を行った後、現在供給している充電電流を所定の電流減少量ΔＩｃだけ減少させてこれを新たな充電電流とし、当該新たな充電電流によって二次電池１のＣＣＶが所定の電圧上昇量ΔＶｘだけ上昇するまで定電流充電を行うことを所定の回数（Ｎ回）繰り返した後、充電電流の供給を停止する。この際、電流減少量ΔＩｃは、現在供給している充電電流を当該ΔＩｃだけ減少させた際の二次電池１のＣＣＶが二次電池１の満充電電圧Ｖｆｕｌｌを上回るように設定される。これにより、特許文献１の方法に比べて単位時間あたりの充電量を多くすることができ、充電時間を十分に短縮することができる。

　なお、図２のステップＳ５において、二次電池１のＯＣＶを推定する際に電池の分極の効果を考慮しなかったのは、以下のような理由による。
　上記の実施の形態では、図２のステップＳ７において、電圧上昇量ΔＶｘを図３（ａ）の満充電電圧ＶｆｕｌｌとＯＣＶ推定値Ｖｏ１との間のギャップをＮ分割した電圧として定義した。しかしながら、ＶｆｕｌｌとＶｏ１との間を厳密にＮ分割してまったく余裕をもたせないと、図４の点線（電圧上昇量ΔＶｘ’）に示されるように、充電終了時に二次電池１のＯＣＶが満充電電圧Ｖｆｕｌｌを超過してしまう可能性がある。そのため、ステップＳ５でＯＣＶを推定する際に分極の効果を無視することにより、Ｖｏ１の値を意図的に実際よりも大きく推定し、電圧上昇量ΔＶｘがＶｆｕｌｌとＶｏ１との間を厳密にＮ分割した値よりも若干小さくなるように調整する。これにより、図４の実線（電圧上昇量ΔＶｘ）に示されるように、充電終了時に二次電池１のＯＣＶが満充電電圧Ｖｆｕｌｌを確実に下回るようにすることができる。

その他の実施の形態．
　上記の実施の形態では、図２のステップＳ８～Ｓ１０のＮ回の繰り返しにおいて、各電流減少量ΔＩｃと各電圧上昇量ΔＶｘは、それぞれすべて等しい値に設定されていたが、繰り返しごとにそれらに異なる値を設定してもよい。

Claims (4)

1. 　電流供給手段によって二次電池に一定値の充電電流を供給し、該充電電流によって前記二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、前記電流供給手段によって現在供給されている充電電流を所定の電流減少量だけ減少させてこれを新たな充電電流とし、該新たな充電電流によって前記二次電池の閉回路電圧が所定の電圧上昇量だけ上昇するまで定電流充電を行うことを所定の回数繰り返すことによって、前記二次電池の充電を行う充電システムにおいて、
   　前記所定の回数の繰り返しにおける各所定の電流減少量は、前記電流供給手段によって現在供給されている充電電流を該所定の電流減少量だけ減少させた際の前記二次電池の閉回路電圧が前記二次電池の満充電電圧を上回るように設定されることを特徴とする、二次電池の充電システム。
2. 　前記所定の回数の繰り返しにおける各所定の電流減少量はすべて等しく、該所定の電流減少量をΔＩｃ、前記二次電池にはじめに供給される充電電流の一定値をＩｃｃ、前記所定の回数をＮとすると、
   　ΔＩｃ＝Ｉｃｃ／（Ｎ＋１）
   によって決定され、
   　前記Ｎの値は、前記二次電池の内部抵抗をＲ、前記満充電電圧をＶｆｕｌｌ、前記所定の閾値電圧をＶｃｃとすると、
   　Ｎ＞（Ｒ×Ｉｃｃ）／（Ｖｃｃ－Ｖｆｕｌｌ）－１
   の関係を満たすように設定されることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の充電システム。
3. 　前記所定の回数の繰り返しにおける各所定の電圧上昇量はすべて等しく、該所定の電圧上昇量をΔＶｘとすると、
   　ΔＶｘ＝（Ｖｆｕｌｌ－（Ｖｃｃ－Ｒ×Ｉｃｃ））／Ｎ
   によって決定されることを特徴とする、請求項２に記載の二次電池の充電システム。
4. 　二次電池に一定値の充電電流を供給し、該充電電流によって前記二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、前記二次電池に現在供給している充電電流を所定の電流減少量だけ減少させてこれを新たな充電電流とし、該新たな充電電流によって前記二次電池の閉回路電圧が所定の電圧上昇量だけ上昇するまで定電流充電を行うことを所定の回数繰り返すことによって、前記二次電池の充電を行う充電方法において、
   　前記所定の回数の繰り返しにおける各所定の電流減少量は、前記二次電池に現在供給している充電電流を該所定の電流減少量だけ減少させた際の前記二次電池の閉回路電圧が前記二次電池の満充電電圧を上回るように設定されることを特徴とする、二次電池の充電方法。

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