JP2007267498A - 充電装置、充電システム及び電気機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池を充電し得る充電装置、充電システム及び電気機器を提供する。
【解決手段】本発明では、充電対象のリチウムイオン二次電池31を定電流−定電圧の充電方式で充電する充電装置において、リチウムイオン二次電池31を充電する電力を供給する直流電源部13と、リチウムイオン二次電池31の電圧を測定する電圧測定部11と、リチウムイオン二次電池31へ流れる電流を測定する電流測定部14と、定電流充電中及び定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、この充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を直流電源部13からリチウムイオン二次電池31へ流すことによって電圧測定部11でリチウムイオン二次電池31の電圧を測定し、この測定結果に基づいて上記充電を行うように直流電源部13を制御する電源制御部12とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】本発明では、充電対象のリチウムイオン二次電池31を定電流−定電圧の充電方式で充電する充電装置において、リチウムイオン二次電池31を充電する電力を供給する直流電源部13と、リチウムイオン二次電池31の電圧を測定する電圧測定部11と、リチウムイオン二次電池31へ流れる電流を測定する電流測定部14と、定電流充電中及び定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、この充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を直流電源部13からリチウムイオン二次電池31へ流すことによって電圧測定部11でリチウムイオン二次電池31の電圧を測定し、この測定結果に基づいて上記充電を行うように直流電源部13を制御する電源制御部12とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池を充電する充電装置に関する。そして、この充電装置とリチウムイオン二次電池の二次電池装置とを備える充電システム及びこの充電装置が組み込まれた電気機器に関する。
近年、電動工具、電気剃刀、携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータ等の様々な電気機器における駆動電源として、リチウムイオン二次電池が利用されるようになってきている。
図12は、リチウムイオン二次電池の充電特性を示す図である。図12の横軸は、Ah単位で示す充電容量を表し、その右縦軸は、V単位で示す電池電圧Vbを示し、その左縦軸は、A単位で示す充電電流Icを示す。また、実線は、充電電流Icであり、一点鎖線は、電池電圧Vbである。
このリチウムイオン二次電池を充電する場合において、リチウムイオン二次電池へ流れる電流(充電電流)Icの電流値Ixが一定値になるように充電を行う定電流充電が行われるが、リチウムイオン二次電池は、定電流充電で充電を続けると過充電されて電池電圧Vbが異常に高くなる結果、劣化してしまう。そのため、リチウムイオン二次電池は、定電流充電だけでは満充電にすることができず、図12に示すように、リチウムイオン二次電池における電圧(電池電圧)Vbの電圧値Exが所定の設定電圧値(電圧閾値)Ethに達するまでは所定の一定電流値Iccで定電流充電(a)が行われ、電池電圧Vbの電圧値Exが所定の設定電圧値Ethに達した後は、リチウムイオン二次電池に流れる充電電流Icを漸次減少させて電池電圧Vbの電圧値Exが所定の設定電圧値Ethを越えないように充電を行う定電圧充電(b)が行われる。
図13は、背景技術に係る充電システムの構成を示すブロック図である。図13(A)及び(B)は、充電システムの第1及び第2の構成をそれぞれ示す。
従来、このような定電流−定電圧の充電方式でリチウムイオン二次電池を充電する充電システム1001は、例えば、図13(A)に示すように、リチウムイオン二次電池装置1011と、リチウムイオン二次電池装置1011を充電する充電装置1021とを備えて構成される。
リチウムイオン二次電池装置1011は、1又は複数のリチウムイオン二次電池セルを備えて構成されるリチウムイオン二次電池1012と、リチウムイオン二次電池1012の充電電流Icが流れる電線路に介挿された抵抗1013と、リチウムイオン二次電池1012から電池電圧Vb及び電池温度Tbを取得すると共に抵抗1013の端子間電圧からリチウムイオン二次電池1012の電池電流Icを取得してリチウムイオン二次電池1012に対する充放電の状態監視を行って監視結果を接続端子1015を介して充電装置1021に出力する制御部1014とを備えて構成される。
充電装置1021は、接続端子1024を介してリチウムイオン二次電池装置1011の制御部1014から監視結果を受信して、監視結果の電池温度Tb、充電電流Ic及び電池電圧Vbに基づいて定電流−定電圧の充電方式でリチウムイオン二次電池1012を充電する充電制御部1022と、充電装置1021の充電以外のその他の機能を実現するための機能ブロック1023とを備えて構成される。
このような構成の充電システム1001では、充電装置1021の充電制御部1022は、リチウムイオン二次電池装置1011の制御部1014から接続端子1015、1024を介して監視結果を受信して、監視結果の電池温度Tb、充電電流Ic及び電池電圧Vbに基づいて定電流−定電圧の充電方式でリチウムイオン二次電池1012を充電する。
なお、このような充電電流Ic及び電池電圧Vbを測定してリチウムイオン二次電池1012に対する充放電の状態監視をリチウムイオン二次電池装置1011側で行うタイプの充電システム1001は、定電流−定電圧の充電制御も行っているが、例えば、特許文献1に開示されている。
また例えば、図13(B)に示すように、充電システム1002は、リチウムイオン二次電池装置1031と、リチウムイオン二次電池装置1031を充電する充電装置1041とを備えて構成される。
リチウムイオン二次電池装置1031は、1又は複数のリチウムイオン二次電池セルを備えて構成されるリチウムイオン二次電池1032と、リチウムイオン二次電池1012の温度を検出して検出結果を接続端子1034を介して充電装置1021に出力するサーミスタ1033とを備えて構成される。
充電装置1041は、接続端子1044を介してリチウムイオン二次電池装置1031のサーミスタ1033から検出結果を電池温度Tbとして受信すると共に、リチウムイオン二次電池装置1031への充電電流Icが流れる電線路から電流I及び電圧Eを充電電流Ic及び電池電圧Vbとして測定して、これら電池温度Tb、充電電流Ic及び電池電圧Vbに基づいて定電流−定電圧の充電方式でリチウムイオン二次電池1032を充電する充電制御部1042と、充電装置1041の充電以外のその他の機能を実現するための機能ブロック1043とを備えて構成される。
このような構成の充電システム1002では、充電装置1041の充電制御部1042は、リチウムイオン二次電池装置1031のサーミスタ1033から接続端子1034、1044を介してその検出結果を電池温度Tbとして受信すると共に、リチウムイオン二次電池装置1031への充電電流Icが流れる電線路から電流I及び電圧Eを充電電流Ic及び電池電圧Vbとして測定して、これら電池温度Tb、充電電流Ic及び電池電圧Vbに基づいて定電流−定電圧の充電方式でリチウムイオン二次電池1032を充電する。
特開2000−092737号公報
ところで、上述の充電電流Ic及び電池電圧Vbを測定してリチウムイオン二次電池1012に対する充放電の状態監視をリチウムイオン二次電池装置1011側で行うタイプの充電システム1001では、リチウムイオン二次電池1012の電池電圧Vbを直接的に測定するので、測定結果の電池電圧Vbと実際の電池電圧Vbとの差が少ない。仮に、制御部1014とリチウムイオン二次電池1012との間の回路パターンによる電圧降下やリチウムイオン二次電池1012の製造バラツキ等があったとしても制御部1014がリチウムイオン二次電池装置1011に組み込まれているので、これらの誤差要因を予め考慮して測定結果の電池電圧Vbを補正可能であるから、測定結果の電池電圧Vbと実際の電池電圧Vbとの差を少なくすることも可能である。そのため、このタイプの充電システム1001は、リチウムイオン二次電池1012に対する充放電の状態監視を比較的正確に行うことができることから、リチウムイオン二次電池1012の電池電圧Vbが略真に設定電圧値Ethに達するまで定電流充電を行うことができ、また、その後、電池電圧Vbが略真に設定電圧値Ethを越えない充電電流Icで定電圧充電を行うことができる。従って、このタイプの充電システム1001は、リチウムイオン二次電池1012を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池1012を充電することができる。
しかしながら、リチウムイオン二次電池装置1011内に制御部1014を設けることから、制御部1014及びその周辺回路並びに駆動電源等が必要となる。そのため、このタイプの充電システム1001は、リチウムイオン二次電池装置1011の大型化、高コスト化及び制御部1014の消費電力(即ち、リチウムイオン二次電池装置1011が供給可能な供給電力量の低下)等の問題を有している。
図14は、リチウムイオン二次電池に対する充放電の状態監視を充電装置側で行う場合におけるリチウムイオン二次電池の充電特性を示す図である。図14(A)は、充電容量−電池電圧特性を示し、その横軸は、Ah単位で示す充電容量を表し、その縦軸は、V単位で示す電池電圧Vbを示す。図14(B)は、時間−充電電流特性を示し、その横軸は、min(分)単位で示す時間を表し、その縦軸は、A単位で示す充電電流Icを示す。また、実線は、実際のリチウムイオン二次電池の特性を示し、破線は、充電装置側で測定された電池電圧Vb及び充電電流Icを示す。
一方、上述の充電電流Ic及び電池電圧Vbを測定してリチウムイオン二次電池1032に対する充放電の状態監視を充電装置1041側で行うタイプの充電システム1002では、これらリチウムイオン二次電池装置1031の大型化、高コスト化及び制御部の消費電力等の問題を低減することができる。
しかしながら、このタイプの充電システム1002では、充電装置1041とリチウムイオン二次電池1032とを接続する接続端子1044、1034の間における接触状態の良不良に依る接触抵抗値の変動、リチウムイオン二次電池装置1031内の回路パターンによる電圧降下、及び、リチウムイオン二次電池1032の製造バラツキ等により、図14(A)に示すように、充電装置1041側で測定した電池電圧Vbと実際の電池電圧Vbとの間に比較的大きな誤差VR0が生じてしまう。そのため、このタイプの充電システム1002では、充電装置1041側で測定した電池電圧Vb及び充電電流Icに基づく充電容量−電池電圧特性及び時間−充電電流特性(図中の破線)は、実際のリチウムイオン二次電池1032の特性(図中の実線)に一致しない。その結果、このタイプの充電システム1002は、リチウムイオン二次電池1032に対する充放電の状態監視をリチウムイオン二次電池1032側で行うタイプに較べて、リチウムイオン二次電池1032を効率よく充電することができず、時間trだけ充電時間が延びてしまう。
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、充電装置側で電池電圧を測定する場合でも、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池を充電することができる充電装置を提供することを目的とする。そして、この充電装置とリチウムイオン二次電池とを備える充電システム及びこの充電装置が組み込まれた電気機器を提供することを目的とする。
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明に係る一態様では、充電対象のリチウムイオン二次電池を、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が設定電圧値に達するまでは定電流充電を行って、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が前記設定電圧値に達した後は前記リチウムイオン二次電池の充電電流が設定電流値に達するまで前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が前記設定電圧値を実質的に越えない充電電流で定電圧充電を行う充電装置において、前記リチウムイオン二次電池を充電する電力を供給する電源部と、前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記リチウムイオン二次電池へ流れる電流を測定する電流測定部と、前記定電流充電中及び前記定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、該充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を前記電源部から前記リチウムイオン二次電池へ流すことによって前記電圧測定部で前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定し、該測定結果に基づいて前記充電を行うように前記電源部を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
そして、上述の充電装置において、前記電源制御部は、前記定電流充電中及び前記定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、該充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を前記電源部から前記リチウムイオン二次電池へ流すことによって前記電圧測定部で前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定し、該測定結果を前記電池電圧として前記充電を行うように前記電源部を制御することを特徴とする。
また、上述の充電装置において、前記電源制御部は、前記定電流充電中及び前記定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、該充電中における充電電流の電流値よりも小さい互いに異なる第1及び第2電流値の第1及び第2電流を前記電源部から前記リチウムイオン二次電池へ流すことによって前記電圧測定部で前記リチウムイオン二次電池の第1及び第2電圧を測定し、前記第1及び第2電流の第1及び第2電流値並びに前記測定結果の第1及び第2電圧値に基づいて前記設定電圧値を補正して前記充電を行うように前記電源部を制御することを特徴とする。
さらに、これら上述の充電装置において、前記リチウムイオン二次電池の電池温度に応じて前記設定電圧値を補正する設定電圧補正部をさらに備えることを特徴とする。
そして、本発明に係る他の一態様では、リチウムイオン二次電池を備える二次電池装置と、前記リチウムイオン二次電池を充電する充電装置とを備える充電システムにおいて、前記充電装置は、これら上述のうちの何れかであることを特徴とする。
また、本発明に係る他の一態様では、これら上述のうちの何れかの充電装置が組み込まれた電気機器である。
このような構成の充電装置、充電システム及び電気機器は、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池を充電することができる。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
(第1の実施形態の構成)
図1は、実施形態における充電システムの構成を示す図である。図1において、充電システム1は、充電装置2と、二次電池装置3とを備えて構成され、充電電流Ic及び電池電圧Vbを測定して二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31に対する充放電の状態監視を充電装置2側で行うタイプである。充電装置1は、二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31への充電電流Icが流れる電線路から電流I及び電圧Eを充電電流Ic及び電池電圧Vbとして測定することによって、二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31を定電流−定電圧の充電方式で充電する装置であり、充電端子Ts1、Ts2と、電圧測定部11と、電源制御部12と、直流電源部13と、電流測定部14とを備えて構成される。二次電池装置3は、充電装置2の充電端子Ts1、Ts2に接続するための電池端子Tb1、Tb2と、電池端子Tb1、Tb2間に接続され、1又は複数のリチウムイオン二次電池セル41(41−1、41−2、・・・、41−n)を備えるリチウムイオン二次電池31とを備えて構成される。複数のリチウムイオン二次電池セル41は、全てが直列に接続されてもよく、また所定の個数が直列に接続されてセルグループを構成し各セルグループが並列に接続されてもよく、二次電池装置3の定格及び1個のリチウムイオン二次電池セル41の定格等に応じて適宜に接続される。
(第1の実施形態の構成)
図1は、実施形態における充電システムの構成を示す図である。図1において、充電システム1は、充電装置2と、二次電池装置3とを備えて構成され、充電電流Ic及び電池電圧Vbを測定して二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31に対する充放電の状態監視を充電装置2側で行うタイプである。充電装置1は、二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31への充電電流Icが流れる電線路から電流I及び電圧Eを充電電流Ic及び電池電圧Vbとして測定することによって、二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31を定電流−定電圧の充電方式で充電する装置であり、充電端子Ts1、Ts2と、電圧測定部11と、電源制御部12と、直流電源部13と、電流測定部14とを備えて構成される。二次電池装置3は、充電装置2の充電端子Ts1、Ts2に接続するための電池端子Tb1、Tb2と、電池端子Tb1、Tb2間に接続され、1又は複数のリチウムイオン二次電池セル41(41−1、41−2、・・・、41−n)を備えるリチウムイオン二次電池31とを備えて構成される。複数のリチウムイオン二次電池セル41は、全てが直列に接続されてもよく、また所定の個数が直列に接続されてセルグループを構成し各セルグループが並列に接続されてもよく、二次電池装置3の定格及び1個のリチウムイオン二次電池セル41の定格等に応じて適宜に接続される。
充電端子Ts1、Ts2は、充電対象の二次電池装置3を充電するための電力を出力すると共に、二次電池装置3の電池端子Tb1、Tb2と接続するための電極端子である。
電圧測定部11は、充電端子Ts1、Ts2に接続され、充電端子Ts1、Ts2間の電圧Eを測定し、この測定した電圧(測定電圧)Eを電源制御部12に出力する回路である。電圧測定部11は、例えば、充電端子Ts1、Ts2間に接続される、直列に接続された2個の抵抗と、これら2個の抵抗における相互接続点から出力される充電端子Ts1、Ts2間の電圧に対する分圧電圧をアナログ信号からディジタル信号に変換して測定電圧として電源制御部12に出力するアナログ/ディジタル変換部(以下、「A/D変換部」と略記する。)とを備えて構成される。
直流電源部13は、充電端子Ts1、Ts2に接続され、二次電池装置3を充電するための電力をその電力値を調整しながら充電端子Ts1、Ts2を介して二次電池装置3に供給する直流電源回路である。直流電源部13は、例えば、本実施形態では、二次電池装置3を充電するための電力を生成する電源部26と、電源部26の出力に接続され(リチウムイオン二次電池31を充電するための電流(充電電流)Icが流れる電線路に介挿され)、電源制御部12の制御によってその出力の電流値Ixを調整する充電電流調整部27とを備えて構成される。電源部26は、例えば、商用電源を直流に整流する整流回路と、整流回路で整流された直流を平滑する平滑回路と、平滑回路の直流の電圧値を所望の電圧値に変換するDC/DCコンバータとを備えて構成される。充電電流調整部27は、例えば、電源制御部12の制御によって電流の通電時間を調整することで電源部26の出力の電流値Iを調整する回路であり、より具体的には、制御端子を備え、該制御端子に入力される制御信号により電流の通電をオンオフするスイッチング素子(例えば電界効果トランジスタ等のトランジスタ)を備えて構成される。
電流測定部14は、リチウムイオン二次電池31を充電するための充電電流Icが流れる電線路に介挿され、直流電源部13から充電端子Ts1、Ts2を介して二次電池装置3へ流れる電流Iを測定し、この測定した電流(測定電流)Iを電源制御部12に出力する。直流電源部13は、より具体的には、本実施形態では、直流電源部13と充電端子Ts2の間に配置される。電流測定部14は、例えば、抵抗と、この抵抗に流れる電流によって生じたその端子間電圧をA/D変換して測定電流として電源制御部12に出力するA/D変換回路とを備えて構成される。
電源制御部12は、二次電池装置3における充電対象のリチウムイオン二次電池31を、リチウムイオン二次電池31の電池電圧Vbが設定電圧値Ethに達するまでは定電流充電を行って、リチウムイオン二次電池31の電池電圧Vbが設定電圧値Ethに達した後はリチウムイオン二次電池31の充電電流Icが設定電流値Ithに達するまでリチウムイオン二次電池31の電池電圧Vbが設定電圧値Ethを実質的に越えない充電電流Icで定電圧充電を行う定電流−定電圧の充電方式で充電するように、電圧測定部11で測定した測定電圧及び電流測定部14で測定した測定電流に基づいて直流電源部13の充電電流調整部27を制御する。電源制御部12は、機能的に、定電流充電中及び定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、当該充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を直流電源部13から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31へ流すことによって電圧測定部11で充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介したリチウムイオン二次電池31の電圧を測定し、この測定結果に基づいて当該充電を行うように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する充電制御部21と、充電制御部21によって所定時間tnが設定されると計時を開始すると共に所定時間tnが経過するとその旨を充電制御部21に通知するタイマ部22と、定電流で充電する場合における充電電流Icの電流値Icc、定電圧で充電する場合における充電電圧Ecの電圧値Eである設定電圧値Eth(過充電によりリチウムイオン二次電池31が劣化を引き起こさないリチウムイオン二次電池31に印加可能な充電電圧Ecの上限電圧値、定電流充電の終了を判断するための充電電圧Ecの電圧値)、及び、充電終了を判断するための充電電流Icの電流値Iである設定電流値Ith等を予め記憶する制御データ記憶部23とを備える。これら電流値Icc、設定電圧値Eth、設定電流値Ithは、リチウムイオン二次電池31の定格及びリチウムイオン二次電池セル41の定格等に応じて適宜に設定される。電源制御部12は、例えば、演算処理を実行する中央処理部(CPU、Central Processing Unit)、後述する定電流−定電圧の充電方式を実現するための充電プログラム等の制御プログラムやデータ等を記憶する例えばROM(Read Only Memory)やEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)等の不揮発性記憶素子、データを一時的に記憶する等の所謂CPUのワークキングメモリとなる例えばRAM(Random Access Memory)等の揮発性記憶素子、及び、周辺回路等を備えて構成されるマイクロコンピュータである。
次に、本実施形態の動作について説明する。
(第1の実施形態の動作)
図2及び図3は、第1の実施形態における充電装置の定電流−定電圧充電の動作を示すフローチャートである。図4は、定電流−定電圧充電における電流及び電圧の時間的変化を示す図である。図4(A)は、電流の時間的変化のグラフであり、その横軸はmin(分)単位で示す時間であり、その縦軸は、A単位で示す電流である。図4(B)は、電圧の時間的変化のグラフであり、その横軸は、min(分)単位で示す時間であり、その縦軸は、V単位で示す電圧である。実線は、本実施形態における電流及び電圧の時間的変化を表し、破線は、背景技術の欄で説明した上述の、リチウムイオン二次電池に対する充放電の状態監視を充電装置側で行うタイプの充電システムにおける電流及び電圧の時間的変化を表す。
(第1の実施形態の動作)
図2及び図3は、第1の実施形態における充電装置の定電流−定電圧充電の動作を示すフローチャートである。図4は、定電流−定電圧充電における電流及び電圧の時間的変化を示す図である。図4(A)は、電流の時間的変化のグラフであり、その横軸はmin(分)単位で示す時間であり、その縦軸は、A単位で示す電流である。図4(B)は、電圧の時間的変化のグラフであり、その横軸は、min(分)単位で示す時間であり、その縦軸は、V単位で示す電圧である。実線は、本実施形態における電流及び電圧の時間的変化を表し、破線は、背景技術の欄で説明した上述の、リチウムイオン二次電池に対する充放電の状態監視を充電装置側で行うタイプの充電システムにおける電流及び電圧の時間的変化を表す。
図2乃至図4において、充電装置2に二次電池装置3がセットされ、充電が開始されると、充電装置2の電源制御部12における充電制御部21は、タイマ部22の初期化を行った後にタイマ部22に所定時間tnを設定し、タイマ部22に計時を開始させる(S11)。タイマ部22は、充電制御部21によって所定時間tnが設定されると計時を開始し、所定時間tnが経過するとその旨を充電制御部21に通知する。
次に、充電制御部21は、電流測定部14の測定電流Iを参照しながら充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、定電流充電を行う場合に予め設定されている電流値Iccの電流Iが充電装置2から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する(S12)。これによって充電装置2は、二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31を電流値Iccの定電流で充電する。
次に、充電制御部21は、所定時間tnが経過したか否かを判断する(S13)。より具体的には、本実施形態では、充電制御部21は、タイマ部22から所定時間tnが経過した旨の通知が為されている場合には所定時間tnが経過したと判断し、一方、タイマ部22から所定時間tnが経過した旨の通知が為されていない場合には所定時間tnが経過していないと判断する。
処理S13における判断の結果、所定時間tnが経過していない場合(No)には、充電制御部21は、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbとする(S14)。そして、充電制御部21は、この電池電圧Vbとした測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であるか否かを判断する(S18)。これによって定電流充電の終了が判断される。
処理S18における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、定電流充電の終了であり、充電制御部21は、後述の処理S19を行い、一方、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、定電流充電の続行であり、充電制御部21は、処理を処理S12に戻す。
このように動作するので、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満であって所定時間tnが経過する前までは、充電制御部21は、所定の一定の電流値Iccが充電装置2から二次電池装置3へ流れるように充電電流調整部15を制御した状態における電圧測定部11で測定した測定電圧Eを電池電圧Vbとして処理S12、処理S13、処理S14及び処理S18を繰り返し、定電流充電を行う。この結果、図4に示すように、充電電流Icが一定の電流値Iccでリチウムイオン二次電池31が充電され、電圧測定部11の測定電圧は、時間経過に従って漸次増加する。
一方、処理S13における判断の結果、所定時間tnが経過している場合(Yes)には、充電制御部21は、電流測定部14の測定電流Iを参照しながら充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい電流値Isの電流Iが充電装置2から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する(S15)。
次に、充電制御部21は、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbとする(S16)。
この測定電圧Eの電圧値Exは、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい電流値Isの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流して電圧測定部11で電圧Eを測定しているので、処理S14のように定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccの電流を充電装置2から二次電池装置3へ流している状態のままで電圧測定部11によって電圧Eを測定する場合に較べて、リチウムイオン二次電池31における実際の電池電圧Vbにより近い値となり、実際の電池電圧Vbに対する誤差VR0が小さくなる。
このため、処理S15における電流値Isが0に近い値であるほど、例えば充電端子Ts1、Ts2と電池端子Tb1、Tb2との接触抵抗や直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの回路パターンによる抵抗等に基づく電圧降下が小さくなるから、測定電圧Eの電圧値Exは、実際の電池電圧Vbにより近い値となり、実際の電池電圧Vbに対する誤差VR0がより小さくなるので、処理S15における電流値Isは、0により近い値であることが好ましい。
次に、充電制御部21は、処理S11と同様に、タイマ部22の初期化を行った後にタイマ部22に所定時間tnを設定し、タイマ部22に計時を開始させる(S17)。
そして、充電制御部21は、処理S18を実行し、処理S16で電池電圧Vbとした測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であるか否かを判断する。この判断における測定電圧Eの電圧値Exは、処理S14で取得した電圧値Exに較べて実際の電池電圧Vbにより近いので、処理S14で取得した電圧値Exを用いて定電流充電の終了を判断する場合に較べてより正確に判断することができる。
このように測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満であって所定時間tnが経過すると、処理S15乃至処理S18が実行され、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい電流値Isの電流Iが充電装置2から二次電池装置3へ流され、この状態で電圧測定部11によって電圧Eが測定され、定電流充電の終了が判断される。この結果、図4に示すように、所定時間tn(図4に示す例ではtn=t1)が経過した時点では、充電電流Icが電流値Iccより小さい電流値Isとなり、例えば充電端子Ts1、Ts2と電池端子Tb1、Tb2との接触抵抗や直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの回路パターンによる抵抗等に基づく電圧降下の影響が低減された電圧Eが電圧測定部11で測定される。
そして、再び処理S12、処理S13、処理S14及び処理S18が繰り返され、また、所定時間t1が経過すると、処理S15乃至処理S18が実行される。このような処理が測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上となるまで、繰り返される。この結果、図4に示すように、充電電流Icが一定の電流値Iccでリチウムイオン二次電池31が充電され、電圧測定部11の測定電圧Eは、時間経過に従って漸次増加する一方で、所定時間tn(図4に示す例ではtn=t1)が経過するたびにその時点では、充電電流Icが電流値Iccより小さい電流値Isとなり、上述の電圧降下の影響が低減された電圧Eが電圧測定部11で測定される。
このように所定時間tnの経過ごとに、充電電流Icが電流値Iccより小さい電流値Isとされ、上述の電圧降下の影響が低減された電圧Eが電圧測定部11で測定され、定電流充電の終了が判断されるので、本発明では、定電流充電の電流値Iccは、本発明を適用しない場合に較べて大きくすることができるから、電流I及び電圧Eが図4に示す実線のように変化し、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を定電流で充電することができる。
一方、処理S19において、充電制御部21は、処理S15と同様に、電流測定部14の測定電流Iを参照しながら充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい電流値Isの電流Iが充電装置2から二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する。
次に、充電制御部21は、処理S16と同様に、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbとする(S20)。
次に、充電制御部21は、処理S18と同様に、処理S19で電池電圧Vbとした測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であるか否かを判断する(S21)。
処理S21における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、定電流充電の終了であり、充電制御部21は、後述の処理S22を行い、一方、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、定電流充電の続行であり、充電制御部21は、処理を処理S12に戻す。
このように処理S18の判断で測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であると判断された場合(Ex≧Eth)に、処理S19乃至処理S21の各処理を実行するのは、処理S14で電池電圧Vbとした測定電圧Eの電圧値Exを用いて処理S18の判断を行って測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であると判断された場合(Ex≧Eth)では、処理S14の測定電圧Eの電圧値Exが実際の電池電圧Vbに対して比較的大きな誤差VR0を含む場合があるので、より正確に定電流充電の終了を判断するためである。
処理S11乃至処理S21を実行することにより定電流充電が終了すると、処理S22において、充電制御部21は、まず、現在の充電電流Icを定電圧充電における初期の充電電流Icの電流値Icvとして電源制御部12に記憶する。そして、充電制御部21は、充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、電源制御部12に記憶されている電流値Icvの電流が充電装置2から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する(S23)。これによって充電装置2は、電流値Icvで二次電池装置3を充電する。
次に、充電制御部21は、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbとする(S24)。
次に、充電制御部21は、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であるか否かを判断する(S25)。
処理S25における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、充電制御部21は、充電電圧Ecを上昇させる余裕△E(=Eth−Ex)があるので、電源制御部12に記憶している充電電流Icの電流値Icvを所定値△Icvだけ増加させ(Icv=Icv+△Icv)、この増加させた電流値Icvを定電圧充電における充電電流Icの電流値Icvとして電源制御部12に記憶し、処理を処理S23に戻す(S26)。これによって処理S23で所定値△Icvだけ増加した電流値Icvの充電電流Icが充電装置2から二次電池装置3へ流れ、二次電池装置3が充電される。
なお、この処理S26を省略してもよい。即ち、処理S25における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)に、充電制御部21は、処理S26を実行することなく、処理を処理S23に戻す。このように構成することによって、充電制御部21は、定電圧充電の場合に充電電流Icを増加させることがないので、過充電を回避することができ、安全性や信頼性が向上する。
一方、処理S25における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、充電制御部21は、電流測定部14の測定電流Iを参照しながら充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvよりも小さい電流値Isの電流Iが充電装置2から二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する(S27)。
次に、充電制御部21は、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbとする(S28)。
次に、充電制御部21は、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であり、かつ、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvが所定の設定電流値Ith以下であるか否かを判断する(S29)。これによって定電圧充電の終了が判断される。
この測定電圧Eの電圧値Exは、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvよりも小さい電流値Isの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流して電圧測定部11で電圧を測定しているので、処理S24のように定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流している状態のままで電圧測定部11によって電圧Eを測定する場合に較べて、リチウムイオン二次電池31における実際の電池電圧Vbにより近い値となり、実際の電池電圧Vbに対する誤差VR0が小さくなる。よって、充電電流Icの電流値Icvのままで電圧測定部11によって電圧Eを測定して定電圧充電の終了を判断する場合に較べてより正確に判断することができる。従って、充電装置3は、リチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
処理S29における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であって、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvが所定の設定電流値Ith以下である場合(Ex≧Eth and Icv≦Ith)には、定電圧充電の終了、即ち、充電の終了であり、充電制御部21は、リチウムイオン二次電池31を充電する本処理を終了する。
一方、処理S29における判断の結果、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvが所定の設定電流値Ithより大きい場合(Icv>Ith)には、定電圧充電の続行であり、充電制御部21は、まず、充電制御部21は、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であるか否かを判断する(S30)。
処理S30における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、充電制御部21は、充電電圧Ecの電圧値Exを下げるべく、電源制御部12に記憶している充電電流Icの電流値Icvを所定値△Icvだけ減少させ(Icv=Icv−△Icv)、この減少させた電流値Icvを定電圧充電における充電電流の電流値Icvとして電源制御部12に記憶し、処理を処理S23に戻す(S31)。これによって処理S23で所定値△Icvだけ減少した電流値Icvの充電電流Icが充電装置2から二次電池装置3へ流れ、二次電池装置3が充電される。なお、所定値△Icvは、充電装置2の仕様等に応じて適宜に設定され、また、処理S26で充電電流Icを増加させる場合の所定値△Icvとこの処理S31で充電電流Icを減少させる場合の所定値△Icvとは、同一でも異なってもよい。
一方、処理S30における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、充電制御部21は、電源制御部12に記憶している充電電流Icの電流値Icvのままで定電流充電を続行するべく、現在の充電電流Icの電流値Icvを保持して、即ち、電源制御部12に記憶されている電流値Icvのままで、処理を処理S23に戻す(S32)。これによって処理S23で現在の電流値Icvの充電電流Icが充電装置2から二次電池装置3へ流れ、二次電池装置3が充電される。
このような処理S22乃至処理S32の各処理を実行することによって充電装置2は、リチウムイオン二次電池31の充電電流Icが設定電流値Ithに達するまでリチウムイオン二次電池31の電池電圧Vbが設定電圧値Ethを実質的に越えない充電電流Icの電流値Icvで定電圧充電を行う。この結果、図4に示すように、充電電流Icが電流値Icvでリチウムイオン二次電池31が充電され、電圧測定部11の測定電圧Eは、時間経過に従って漸次減少する。その一方で、処理S25で測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上となった時点では、図4に示すように、充電電流Icが電流値Iccより小さい電流値Isとなり、例えば充電端子Ts1、Ts2と電池端子Tb1、Tb2との接触抵抗や直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの回路パターンによる抵抗等に基づく電圧降下の影響が低減された電圧Eが電圧測定部11で測定される。そして、処理S29で定電圧充電の終了を判断する場合では、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvよりも小さい電流値Isの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流して電圧測定部11で測定した測定電圧Eを用いているので、リチウムイオン二次電池31における実際の電池電圧Vbにより近い値でこの判断を行うこととなり、より正確に判断することができ、本発明を適用しない場合に較べて定電圧充電の電流値Icvを大きくすることができるから、電流I及び電圧Eが図4に示す実線のように変化する。このため、充電装置3は、リチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
なお、上述の第1の実施形態において、電源制御部12の情報処理負荷の軽減や充電時間の短縮を図るために、図2の処理S19乃至処理S21を省略してもよい。即ち、処理S18における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には処理S22が実行され、一方、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(E<Eth)には処理が処理S12に戻るように充電装置2が構成されてもよい。このように構成することによって上述の図2に示す動作を行う場合に較べて、図2の処理S19乃至処理S21を省略した分に相当する電源制御部12の情報処理負荷が軽減され、そして、その分の充電時間が短縮される。
また、上述の第1の実施形態において、所定時間tnは、一定ではなく変化させてもよく、また、各所定時間tnにおける電流値Isの値は、一定ではなく変化させてもよい。
次に、別の実施形態について説明する。
(第2の実施形態の構成)
第1の実施形態では、所定時間tnごとに当該充電中における充電電流Icの電流値Ixよりも小さい電流値Isの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流して電圧測定部11で電圧Eを測定することによって、実際のリチウムイオン二次電池31の実際の電池電圧Vbにより近い測定電圧Eの電圧値Exを取得して当該充電を行うように構成したが、例えば充電端子Ts1、Ts2と電池端子Tb1、Tb2との接触抵抗や直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの回路パターンによる抵抗等に起因する、直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの抵抗値を見積もり、これによって設定電圧値Ethを補正するように構成してもよい。このように構成することによってもリチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、リチウムイオン二次電池31を効率よく充電することができる。
(第2の実施形態の構成)
第1の実施形態では、所定時間tnごとに当該充電中における充電電流Icの電流値Ixよりも小さい電流値Isの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流して電圧測定部11で電圧Eを測定することによって、実際のリチウムイオン二次電池31の実際の電池電圧Vbにより近い測定電圧Eの電圧値Exを取得して当該充電を行うように構成したが、例えば充電端子Ts1、Ts2と電池端子Tb1、Tb2との接触抵抗や直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの回路パターンによる抵抗等に起因する、直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの抵抗値を見積もり、これによって設定電圧値Ethを補正するように構成してもよい。このように構成することによってもリチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、リチウムイオン二次電池31を効率よく充電することができる。
図5は、充電システムの回路等価モデルを示す図である。図5において、図1に示す充電システム1の回路等価モデルは、充電装置2の直流電源部13に対応する定電流定電圧源Sに、抵抗R及び二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31が直列に接続されている。抵抗Rは、例えば充電端子Ts1、Ts2と電池端子Tb1、Tb2との接触抵抗や直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの回路パターンによる抵抗等に起因する、直流電源部13からリチウムイオン二次電池31までの抵抗である。
このような回路等価モデルでは、定電圧定電流源Sの電圧値をE0、抵抗Rの抵抗値をR0、リチウムイオン二次電池31の電池電圧の電圧値をVb1、Vb2とし、定電流定電圧源Sから抵抗Rを介してリチウムイオン二次電池31へ流れる充電電流Icの電流値をIs1、Is2とすると、式1−1、式1−2が成り立つ。なお、式中の“・”は、乗算の演算子である。
Vb1=E0−R0・Is1 ・・・ (式1−1)
Vb2=E0−R0・Is2 ・・・ (式1−2)
よって、式1−1及び式1−2から式2が成り立つ。
R0=(Vb2−Vb1)/(Is1−Is2) ・・・ (式2)
Vb1=E0−R0・Is1 ・・・ (式1−1)
Vb2=E0−R0・Is2 ・・・ (式1−2)
よって、式1−1及び式1−2から式2が成り立つ。
R0=(Vb2−Vb1)/(Is1−Is2) ・・・ (式2)
従って、2個の充電電流の電流値Is1、Is2を直流電源部13からリチウムイオン二次電池31に流して電圧測定部11で電圧Eをそれぞれ測定することによって抵抗Rの抵抗値R0を見積もることができ、この抵抗値R0に当該充電方式における充電電流Icの電流値を乗じることでこの抵抗Rによる電圧降下R0・Ixを求めることができる。この電圧降下R0・Ixで設定電圧値Ethを補正することによって抵抗Rによる電圧降下R0・Ixの影響を除去した設定電圧値Ethを求めることができるから、リチウムイオン二次電池31を効率よく充電することができる。
このため、第2の実施形態に係る充電システム1の充電装置2及び二次電池装置3は、充電制御部21が後述のように動作する点を除き、第1の実施形態に係る充電システム1の充電装置2及び二次電池装置3の構成と同様であるので、その説明を省略する。
第2の実施形態に係る電源制御部21は、定電流充電中及び定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、当該充電中における充電電流Icの電流値よりも小さい互いに異なる第1及び第2電流値Is1、Is2の第1及び第2電流を直流電源部13から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3のリチウムイオン二次電池31へ流すことによって電圧測定部11で充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介したリチウムイオン二次電池31の第1及び第2電圧を測定し、前記第1及び第2電流の第1及び第2電流値Is1、Is2並びに前記測定結果の第1及び第2電圧値Vb1、Vb2に基づいて設定電圧値Ethを補正して当該充電を行うように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する。
次に、本実施形態の動作について説明する。
(第2の実施形態の動作)
図6及び図7は、第2の実施形態における充電装置の定電流−定電圧充電の動作を示すフローチャートである。図6及び図7において、充電装置2に二次電池装置3がセットされ、充電が開始されると、充電装置2の電源制御部12における充電制御部21は、図2に示す処理S11、処理S12及び処理S13と同様に、タイマ部22の設定及び計時開始処理(S41)、定電流充電処理(S42)及び所定時間tn経過の判断処理(S43)を順次にそれぞれ実行する。
(第2の実施形態の動作)
図6及び図7は、第2の実施形態における充電装置の定電流−定電圧充電の動作を示すフローチャートである。図6及び図7において、充電装置2に二次電池装置3がセットされ、充電が開始されると、充電装置2の電源制御部12における充電制御部21は、図2に示す処理S11、処理S12及び処理S13と同様に、タイマ部22の設定及び計時開始処理(S41)、定電流充電処理(S42)及び所定時間tn経過の判断処理(S43)を順次にそれぞれ実行する。
処理S43における判断の結果、所定時間tnが経過していない場合(No)には、充電制御部21は、処理S14と同様に、電圧値Exの取得処理(S44)を実行し、処理S18と同様に、電圧値Ex≧設定電圧値Etの判断処理(S49)を順次に実行する。この処理S69における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、定電流充電の終了であり、充電制御部21は、後述の処理S50を行い、一方、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、定電流充電の続行であり、充電制御部21は、処理を処理S42に戻す。
一方、処理S43における判断の結果、所定時間tnが経過している場合(Yes)には、充電制御部21は、まず、電流測定部14の測定電流Iを参照しながら充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい第1電流値Is1の第1電流が充電装置2から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御し、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbの第1電圧値Vb1とする。そして、充電制御部21は、電流測定部14の測定電流Iを参照しながら充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい第2電流値Is2の第2電流Iが充電装置2から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御し、電圧測定部11から測定電圧Eの電圧値Exを取得し、これを電池電圧Vbの第2電圧値Vb2とする。第1電流値Is1と第2電流値Is2とは、互いに異なる値である。
この測定電圧Eの電圧値Exは、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccよりも小さい電流値Is1、Is2の電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流して電圧測定部11で電圧Eを測定しているので、定電流充電中における充電電流Icの電流値Iccの電流Iを充電装置2から二次電池装置3へ流している状態のままで電圧測定部11によって電圧Eを測定する場合に較べて、リチウムイオン二次電池31における実際の電池電圧Vbにより近い値となる。
次に、充電制御部21は、設定電圧値Ethを補正するための電圧補正値△Vを演算する(S46)。より具体的には、充電制御部21は、第1及び第2電流値Is1、Is2並びに測定結果の第1及び第2電圧値Vb1、Vb2を式2に用いて抵抗Rの抵抗値R0を演算し、定電流充電の電流値Iccを用いて電圧補正値△V=R0・Iccを演算することによって電圧補正値△Vを演算する。
次に、充電制御部21は、電圧補正値△Vを用いて設定電圧値Ethを補正する(S47)。より具体的には、充電制御部21は、現在の設定電圧値Ethに電圧補正値△Vを加算して新たな設定電圧値Eth(=Eth+△V)を求めることによって設定電圧値Ethを補正する。
次に、充電制御部21は、処理S11と同様に、タイマ部22の初期化を行った後にタイマ部22に所定時間tnを設定し、タイマ部22に計時を開始させ(S48)、処理を処理S42に戻す。
このように所定時間tnの経過ごとに設定電圧値Ethが補正されるので、処理S49における定電流充電の終了をより正確に判断することができる。従って、充電装置3は、リチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
そして、処理S49における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、充電制御部21は、図2に示す処理S19、処理S20及び処理S21と同様に、充電電流Icを電流値Isまで小さくする処理(S50)、電圧値Exの取得処理(S51)、及び、電圧値Ex≧設定電圧値Etの判断処理(S52)を順次にそれぞれ実行する。この処理S52における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、定電流充電の終了であり、充電制御部21は、後述の処理S53を行い、一方、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、定電流充電の続行であり、充電制御部21は、処理を処理S42に戻す。
このように処理S49の判断で測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であると判断された場合(Ex≧Eth)に、処理S50乃至処理S51の各処理を実行するのは、第1の実施形態と同様に、処理S44で電池電圧Vbとした測定電圧Eの電圧値Exを用いて処理S49の判断を行って測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であると判断された場合(Ex≧Eth)では、処理S44の測定電圧Eの電圧値Exが実際の電池電圧Vbに対して比較的大きな誤差VR0を含む場合があるので、より正確に定電流充電の終了を判断するためである。
処理S41乃至処理S52を実行することにより定電流充電が終了すると、処理S53において、充電制御部21は、まず、処理S11と同様に、タイマ部22の初期化を行った後にタイマ部22に所定時間tnを設定し、タイマ部22に計時を開始させる。
次に、充電制御部21は、図3に示す処理S22と同様に、現在の充電電流Icを定電圧充電における初期の充電電流Icの電流値Icvとして電源制御部12に記憶する(S54)。そして、充電制御部21は、図3に示す処理S23と同様に、充電電流調整部27の通電時間を調整することによって、電源制御部12に記憶されている電流値Icvの電流Iが充電装置2から充電端子Ts1、Ts2及び電池端子Tb1、Tb2を介して二次電池装置3へ流れるように直流電源部13の充電電流調整部27を制御する(S55)。これによって充電装置2は、電流値Icvで二次電池装置3を充電する。
次に、充電制御部21は、所定時間tnが経過したか否かを判断する(S56)。
処理S56における判断の結果、所定時間tnが経過している場合(Yes)には、充電制御部21は、図6に示す処理S45乃至処理S48と同様に、充電電流Icを第1及び第2電流値Is1、Is2まで小さくして第1及び第2電圧値Vb1、Vb2を測定する測定処理(S57)、電圧補正値△Vを求める演算処理(S58)、設定電圧値Ethを電圧補正値△Vで補正する補正処理(S59)及びタイマ部22の設定及び計時開始処理(S60)を順次にそれぞれ実行し、処理を処理S55に戻す。
一方、処理S56における判断の結果、所定時間tnが経過していない場合(No)には、充電制御部21は、図3に示す処理S24及び処理S25と同様に、電圧値Exの取得処理(S61)を実行し、電圧値Ex≧設定電圧値Etの判断処理(S62)を順次にそれぞれ実行する。
処理S62における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、充電制御部21は、図3の処理S26と同様に、充電電流Icの電流値Icvを所定値△Icvだけ増加させる増加処理(S63)を実行し、処理を処理S55に戻す。これによって処理S55で所定値△Icvだけ増加した電流値Icvの充電電流Icが充電装置2から二次電池装置3へ流れ、二次電池装置3が充電される。
なお、この処理S63を省略してもよい。即ち、処理S62における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)に、充電制御部21は、処理S63を実行することなく、処理を処理S55に戻す。このように構成することによって、充電制御部21は、定電圧充電の場合に充電電流Icを増加させることがないので、過充電を回避することができ、安全性や信頼性が向上する。
一方、処理S62における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、充電制御部21は、図3の処理S27乃至処理S29と同様に、充電電流Icを電流値Isに小さくする処理(S64)、電圧値Exの取得処理(S65)を実行し、電圧値Ex≧設定電圧値Ethかつ電流値Icv≦設定電流値Ithの判断処理(S65)を順次にそれぞれ実行する。
処理S65における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上であって、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvが所定の設定電流値Ith以下である場合(Ex≧Eth and Icv≦Ith)には、定電圧充電の終了、即ち、充電の終了であり、充電制御部21は、リチウムイオン二次電池31を充電する本処理を終了する。
一方、処理S65における判断の結果、定電圧充電中における充電電流Icの電流値Icvが所定の設定電流値Ithより大きい場合(Icv>Ith)には、定電圧充電の続行であり、充電制御部21は、まず、充電制御部21は、図3に示す処理S30と同様に、電圧値Ex≧設定電圧値Ethの判断処理(S67)を実行する。
処理S67における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には、充電制御部21は、図3の処理S31と同様に、充電電流Icの電流値Icvを所定値△Icvだけ減少させる減少処理(S68)を実行し、処理を処理S55に戻す。これによって処理S55で所定値△Icvだけ減少した電流値Icvの充電電流Icが充電装置2から二次電池装置3へ流れ、二次電池装置3が充電される。
一方、処理S67における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には、充電制御部21は、図3に示す処理S32と同様に、現在の充電電流Icの電流値Icvを保持する保持処理を実行し(S69)、処理を処理S23に戻す。これによって処理S55で現在の電流値Icvの充電電流Icが充電装置2から二次電池装置3へ流れ、二次電池装置3が充電される。
このように所定時間tnの経過ごとに設定電圧値Ethが補正されるので、処理S62及び処理S66におけるリチウムイオン二次電池31の充電電流Icが設定電流値Ithに達するまでリチウムイオン二次電池31の電池電圧Vbが設定電圧値Ethを実質的に越えない充電電流Icvで定電圧充電を行う判断をより正確に行うことができる。このため、本発明を適用しない場合に較べて定電圧充電の電流値Icvを大きくすることができるから、充電装置3は、リチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。また、このように所定時間tnの経過ごとに設定電圧値Ethが補正されるので、処理S66における定電圧充電の終了をより正確に判断することができる。従って、充電装置3は、リチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
このように第2の実施形態に係る充電システム1では、充電装置2が所定時間tnの経過ごとに設定電圧値Ethを補正するので、リチウムイオン二次電池31を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
なお、上述の第2の実施形態において、電源制御部12の情報処理負荷の軽減や充電時間の短縮を図るために、図6の処理S50乃至処理S52を省略してもよい。即ち、処理S49における判断の結果、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth以上である場合(Ex≧Eth)には処理S53が実行され、一方、測定電圧Eの電圧値Exが所定の設定電圧値Eth未満である場合(Ex<Eth)には処理が処理S42に戻るように充電装置2が構成されてもよい。このように構成することによって上述の図6に示す動作を行う場合に較べて、図6の処理S50乃至処理S52を省略した分に相当する電源制御部12の情報処理負荷が軽減され、そして、その分の充電時間が短縮される。
また、上述の実施形態において、所定時間tnは、一定ではなく変化させてもよく、また、各所定時間tnにおける電流値Isの値は、一定ではなく変化させてもよい。
図8は、設定電圧値の温度特性を示す図である。図8の横軸は、温度Tempであり、その縦軸は、設定電圧値Eth(Temp)である。リチウムイオン二次電池31(リチウムイオン二次電池セル41)の設定電圧値Ethは、図8に示すように温度Tempに依存する。設定電圧値Ethは、温度Tempの上昇に伴って緩やかに大きくなる。
このため、上述の第1及び第2の実施形態において、充電装置2は、設定電圧値Ethを温度に応じて補正するように構成されてもよい。このように構成することによって温度変化に伴う設定電圧値Ethの変化を考慮した設計マージンを少なくすることができる。
このような設定電圧値Ethを温度に応じて補正する充電システム1の構成は、第1及び第2の実施形態に係る二次電池装置3に図1に破線で示すように、リチウムイオン二次電池31の温度を電池温度Tbとして検出する温度検出部32と、温度検出部32で検出した検出結果を出力する共に充電側通信端子Tc2に接続するための電池側通信端子Tc1をさらに備え、第1及び第2の実施形態に係る充電装置2に図1に破線で示すように、二次電池装置3の温度検出部32で検出した検出結果を出力する電池側通信端子Tc1と接続するための充電側通信端子Tc2と、充電側温度端子Tc2から入力された検出結果をA/D変換して電池温度Tbとして電源制御部12に出力するA/D変換部16とをさらに備える。温度検出部32は、例えば、サーミスタ等の温度によってその抵抗値が変化する温度検出素子であり、リチウムイオン二次電池31に対して温度検出素子が1個設けられてもよく、また複数のリチウムイオン二次電池セル41に対して温度検出素子が1個設けられてもよく、また個々のリチウムイオン二次電池セル41に対して温度検出素子が1個設けられてもよい。複数の温度検出素子が設けられている場合には、設定電圧値Ethの温度特性が図9に示すように温度の上昇に応じて大きくなるので、各検出温度のうち最低温度が温度検出部32の出力とされる。
そして、充電制御部21は、図2及び図3では処理S18、処理S21、処理S25、処理S29及び処理S30のように、また、図6及び図7では処理S49、処理S52、処理S54、処理S60及び処理S61のように、電圧測定部11で測定した測定電圧Eの電圧値Exと設定電圧値Ethとを比較する処理を行う前に、二次電池装置3の温度検出部32から電池側通信端子Tc1、充電側通信端子Tc2及びA/D変換部16を介して電池温度Tbを取得し、この取得した電池温度Tbに基づいて設定電圧値Ethを補正する。
この補正は、例えば、複数の温度範囲ごとに設定電圧値Ethを対応させたルックアップテーブルを電源制御部12に予め記憶させておき、温度検出部32から取得した電池温度Tbに対応する設定電圧値Ethをこのルックアップテーブルから取得することによって行う。このルックアップテーブルは、例えば図8に示す設定電圧値Ethの温度特性を複数の温度範囲に区切って、各温度範囲における設定電圧値Ethを設定することによって作成される。
また例えば、この補正は、設定電圧値Ethの温度特性を示す関数式を電源制御部12に予め記憶させておき、温度検出部32から取得した電池温度Tbに対応する設定電圧値Ethをこの関数式を用いて演算することによって行う。この関数式は、例えば、設定電圧値Ethの温度特性を多項式近似することによって作成される。
このように構成することによって温度変化に伴う設定電圧値Ethの変化を考慮した設計マージンを少なくすることができる。そして、温度変化に応じて設定電圧値Ethを変更するので、過充電を回避することができ、安全性や信頼性が向上する。
このような充電装置2は、電池式装置における駆動電源として汎用される種々の二次電池に対して適用可能であるが、一例として、電動工具の駆動電源として用いられるリチウムイオン二次電池の場合について以下に説明する。
図9は、実施形態に係る充電装置が適用される充電式電動工具セットの要部を示す外観構成図である。図10は、電動工具本体の装着部に電池パックが装着された状態を示す図である。図11は、充電装置の装着孔部に電池パックが装着された状態を示す図である。
図9において、充電式電動工具セット100は、充電式ドリルドライバーを構成する電動工具本体110と、この電動工具本体110に装着される電池パック(二次電池装置)120と、この電池パック120を充電する充電装置130とを備えている。
電動工具本体110は、筐体111の把持部の内部に形成され、電池パック120が取外し自在に装着される装着部112と、筐体111の内部に配設され、電池パック120から電流が供給されることで駆動されるモータ113と、筐体111の把持部に設けられ、モータ113への電流の供給をオンオフ制御するトリガースイッチ114と、筐体111の先端に設けられ、ドリル歯などが取り付けられる回転部115とを備えている。装着部112の底部には、モータ113に接続された一対の電極端子116が取り付けられている。
電池パック(二次電池装置)120は、1又は複数のリチウムイオン二次電池セルを備えて構成されるリチウムイオン二次電池122等が筐体121内に収納された本体部123と、本体部123の一面側に突出し、電動工具本体110の装着部112に装着される電極部124とを備えている。電極部124は、先端部の対向面にリチウムイオン二次電池122の電極に接続された一対の電池端子125が設けられている。この一対の電池端子125は、電動工具本体110の装着部112に装着された場合に装着部112の一対の電極端子116が圧接されるようになっている。また、図10に、電動工具本体110の装着部112に電池パック120が装着された状態を示している。
充電装置130は、内部に直流電源部や電源制御部等を構成する回路ブロック131が設けられ、上面側に電池パック120の電極部124が取外し自在に装着される装着孔部132が設けられている。この装着孔部132内部の対向位置に一対の充電端子133(一方のみ図示)が設けられており、電池パック120の電極部124が装着された場合にその一対の電池端子125に装着孔部132の一対の充電端子133が圧接されるようになっている。また、図11に、充電装置130の装着孔部132に電池パック120が装着された状態を示している。
なお、電池温度Tbを検出する場合には、破線で示すように、リチウムイオン二次電池122の温度を電池温度Tbとして検出する温度検出部127(不図示)で検出した検出結果を出力する電池側通信端子126が電極部124の先端部に設けられてもよく、これに応じて、装着孔部132内部に充電側通信端子134(不図示)が設けられてもよく、電池パック120の電極部124が装着された場合にその電池側通信端子126に装着孔部132の充電側通信端子134が圧接されるように構成されてもよい。
ここで、充電装置130が図1に示す充電装置2に対応し、回路ブロック131が図1に示す電圧測定部11、電源制御部12、直流電源部13及び電流測定部14に対応し、充電端子133が図1に示す充電端子Ts1、Ts2に対応する。また、電池パック120が図1に示す二次電池装置3に対応し、リチウムイオン二次電池122が図1に示すリチウムイオン二次電池31に対応し、電池端子125が図1に示す電池端子Tb1、Tb2に対応する。なお、電池温度Tbを検出する場合であって電池側通信端子126及び充電側通信端子134を備える場合では、充電側通信端子134が図1に示す充電側通信端子Tc2に対応し、電池側通信端子126が図1に示す電池側通信端子Tc1に対応する。
このように、充電装置130に電池パック120が装着されて両者が回路接続されることで、充電装置130は、上述のように電池パック120を定電流−定電圧で充電する。このため、電池パック120のリチウムイオン二次電池122を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
また、実施形態に係る充電装置2が電動工具、電気剃刀、携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータ等の様々な電気機器に組み込まれて構成されてもよい。このように構成された場合でも、充電装置2が上述のように電池パック120を定電流−定電圧で充電することによって、電池パック120のリチウムイオン二次電池122を劣化させることなく、充電時間が短くなるように効率よくリチウムイオン二次電池31を充電することができる。
1 充電システム
2 充電装置
3 二次電池装置
11 電圧測定部
12 電源制御部
13 直流電源部
14 電流測定部
16 アナログ/ディジタル変換部
21 充電制御部
22 タイマ部
23 制御データ記憶部
31 リチウムイオン二次電池
32 温度検出部
41 リチウムイオン二次電池セル
2 充電装置
3 二次電池装置
11 電圧測定部
12 電源制御部
13 直流電源部
14 電流測定部
16 アナログ/ディジタル変換部
21 充電制御部
22 タイマ部
23 制御データ記憶部
31 リチウムイオン二次電池
32 温度検出部
41 リチウムイオン二次電池セル
Claims (6)
- 充電対象のリチウムイオン二次電池を、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が設定電圧値に達するまでは定電流充電を行って、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が前記設定電圧値に達した後は前記リチウムイオン二次電池の充電電流が設定電流値に達するまで前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が前記設定電圧値を実質的に越えない充電電流で定電圧充電を行う充電装置において、
前記リチウムイオン二次電池を充電する電力を供給する電源部と、
前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記リチウムイオン二次電池へ流れる電流を測定する電流測定部と、
前記定電流充電中及び前記定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、該充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を前記電源部から前記リチウムイオン二次電池へ流すことによって前記電圧測定部で前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定し、該測定結果に基づいて前記充電を行うように前記電源部を制御する制御部とを備えること
を特徴とする充電装置。 - 前記電源制御部は、前記定電流充電中及び前記定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、該充電中における充電電流の電流値よりも小さい電流値の電流を前記電源部から前記リチウムイオン二次電池へ流すことによって前記電圧測定部で前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定し、該測定結果を前記電池電圧として前記充電を行うように前記電源部を制御すること
を特徴とする請求項1に記載の充電装置。 - 前記電源制御部は、前記定電流充電中及び前記定電圧充電中の少なくとも一方の充電中に、該充電中における充電電流の電流値よりも小さい互いに異なる第1及び第2電流値の第1及び第2電流を前記電源部から前記リチウムイオン二次電池へ流すことによって前記電圧測定部で前記リチウムイオン二次電池の第1及び第2電圧を測定し、前記第1及び第2電流の第1及び第2電流値並びに前記測定結果の第1及び第2電圧値に基づいて前記設定電圧値を補正して前記充電を行うように前記電源部を制御すること
を特徴とする請求項1に記載の充電装置。 - 前記リチウムイオン二次電池の電池温度に応じて前記設定電圧値を補正する設定電圧補正部をさらに備えること
を特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の充電装置。 - リチウムイオン二次電池を備える二次電池装置と、前記リチウムイオン二次電池を充電する充電装置とを備える充電システムにおいて、
前記充電装置は、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の充電装置であること
を特徴とする充電システム。 - 請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の充電装置が組み込まれた電気機器。
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