JP2007267559A

JP2007267559A - ２次電池の充電方法

Info

Publication number: JP2007267559A
Application number: JP2006092687A
Authority: JP
Inventors: Koji Takao; 浩二高尾
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】２次電池の開放端に、負荷および充電器のいずれか一方を接続するよう構成され、放電時には負荷に供給される電流を測定し、充電時には充電電流を測定する電流センサを2次電池と開放端との間に具えた２次電池システムを用いて、一定の電圧で充電する定電圧充電を行うに際し、充電電流か所定の電流下限値を下回ったとき充電を終了させる２次電池の充電方法において、より満充電に近い状態を得ることにできる充電方法を提供する。
【解決手段】電流センサ３として、測定レンジが、スパンの広いものと狭いものとの２段階に切換可能なものを用いるとともに、放電時はスパンの広い測定レンジを使用し、充電時はスパンの狭い測定レンジを使用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、２次電池の開放端に、負荷および充電器のいずれか一方を接続するよう構成され、放電時には負荷に供給される電流を測定し、充電時には充電電流を測定する電流センサを２次電池と開放端との間に具えた２次電池システムを用いて、定電圧充電を行うに際し、充電電流が所定の電流下限値を下回ったとき充電を終了させる２次電池の充電方法に関し、特に、過充電させることなくより満充電状態に近づけることができるものに関する。

従来から、リチウムイオン電池のような２次電池の開放端に、負荷および充電器のいずれか一方を接続するよう構成され、放電時には負荷に供給される電流を測定し、充電時には充電電流を測定する電流センサを2次電池と開放端との間に具えた２次電池システムを用いて、一定の電圧で充電する定電圧充電を行うに際し、充電電流か所定の電流下限値を下回ったとき充電を終了させる２次電池の充電方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、このような２次電池システム９０を示す概念回路図であり、図１（ａ）は、開放端に負荷を接続した状態を、図１（ｂ）は、開放端に充電器を接続した状態をそれぞれ表し、２次電池システム９０は、例えば複数のセルを組み合わせた２次電池９１と、充放電制御部９２と、電流センサ９３と開放端９４とを具えて構成され、開放端９４は、放電時には負荷９６を接続し、２次電池９１を充電する充電時には、充電器９７を接続でできるよう構成されている。

このような２次電池システム９０において、その開放端に充電器を接続して２次電池を充電するに際しては、充電電流を一定に制御して充電する定電流充電を行ったあと、開放端の電圧が所定電圧に達すると、充電電圧を一定に制御して充電する定電圧充電を行い、この時、時間の経過とともに減少する充電電流を監視して、この電流値が所定の値を下回ると充電を停止することが行われている。

図２は、このようにして行う充電時の開放端間の充電電圧と、充電電流とを表すグラフであり、横軸に充電開始からの時間をとり、縦軸に充電電圧、および充電電流をとって示し、図中、Iは充電電流の時間変化を示すカーブであり、E_appは開放端間の電圧の時間変化を示すカーブである。充電開始から時間t₁までは、定電流充電を行う。この間、開放端間の電圧E_appは、二次電池の両端に現れる実際の電圧E_realに回路の電圧降下分E_RIをプラスしたものとなるので、E_appが（E_real＋E_RI）となった時点で充電を停止すれば、二次電池の両端はE_realとなり満充電状態を得ることができるが、実際には、E_RIが不明であり、しかも、過充電されると温度の異常上昇等を招いて事故を起こしかねないので、確実に満充電状態の電圧を下回る安全サイドの電圧値E₁に達した時刻t₁において、定電流充電を停止することが行われている。

しかし、それでは、満充電状態にはほど遠いので、できるだけ満充電に近い状態が得られるよう、そのあと引き続いて、定電圧充電を行う。この過程を継続すると電池９１は満充電に近づいてゆくので充電電流Iの電流値は徐々に低下してゆく。これをどこまでも継続し続けると２次電池９１は過充電状態となって危険なので、充電電流が所定の値I_minを下回った時刻t₂に充電を終了することがおこなわれている。
特開２０００−１４０３５号公報

しかしながら、上記の充電方法は、例えば、電動自転車駆動用バッテリのように充電電流に対して放電電流の大きい２次電池を充電する場合には、２次電池の充電状態を満充電に近づけることができず、改良が求められていた。すなわち、従来の方法において、充電を終了した場合には、満充電状態の電圧と充電終了時の電圧E₂との電圧差ΔE₁（図２参照）を小さくすることが難しかった。

これは、図１に示すように、充電電流が所定の値I_minを下回ったが否かを検出する電流センサ９４は、放電電流と充電電流とを測定するよう用いられており、電流の大きい放電時にレンジオーバしないようその測定レンジは広く設定されおり、充電時にも電流センサ９４の、放電時と同じレンジを用いて最低電流値I_min付近の電流を検知しようとすれば、その誤差は大きく見積もらざるをえず、過電流にならないようかなり安全サイドで充電を停止するためには、最低電流値I_minを大きく設定して満充電状態のかなり手前で充電を終了しなければならなかったからである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、２次電池の開放端に、負荷および充電器のいずれか一方を接続するよう構成され、放電時には負荷に供給される電流を測定し、充電時には充電電流を測定する電流センサを２次電池と開放端との間に具えた２次電池システムを用いて、定電圧充電を行うに際し、充電電流か所定の電流下限値を下回ったとき充電を終了させる２次電池の充電方法において、より満充電に近い状態を得ることにできる充電方法を提供することを目的とする。

＜１＞は、２次電池の開放端に、負荷および充電器のいずれか一方を接続するよう構成され、放電時には負荷に供給される電流を測定し、充電時には充電電流を測定する電流センサを２次電池と開放端との間に具えた２次電池システムを用いて、一定の電圧で充電する定電圧充電を行うに際し、充電電流が所定の電流下限値を下回ったとき充電を終了させる２次電池の充電方法において、
前記電流センサとして、測定レンジのスパンが、広いものと狭いものとの２段階に切換可能なものを用いるとともに、放電時はスパンの広い測定レンジを使用し、充電時はスパンの狭い測定レンジを使用する２次電池の充電方法である。

＜２＞は、＜１＞において、前記一定電圧充電に先だって、一定の電流で充電する定電流充電を行い、定電流充電において所定電圧に達したとき、前記定電圧充電に移行する２次電池の充電方法である。

＜３＞は、＜１＞もしくは＜２＞において、充電を終了させるのに用いる前記電流下限値を、放電時定格電流値の１０分の１以下とする２次電池の充電方法である。

＜４＞は、＜１＞〜＜３＞のいずれかにおいて、前記電流センサとして、抵抗値の異なる一対のシャント抵抗が並列配置されるとともに抵抗値の小さい側のシャント抵抗に充電方向の電流を遮断する整流器が直列接続されてなる合成回路の両端の電圧を検出して電流値とするものを用いる２次電池の充電方法である。

＜５＞は、＜１＞〜＜３＞のいずれかにおいて、前記電流センサとして、前記開放端に充電器に接続されたときの充電電圧を検知してスイッチングを行うＦＥＴにより前記測定レンジを切換えるよう構成されたものを用いる２次電池の充電方法である。

＜６＞は、＜１＞〜＜５＞のいずれかにおいて、前記２次電池を、電動自転車用に用いる２次電池の充電方法である。

＜１＞によれば、電流センサとして、測定レンジのスパンが、広いものと狭いものとの２段階に切換可能なものを用いるとともに、放電時はスパンの広い測定レンジを使用し、充電時はスパンの狭い測定レンジを使用するので、定電圧充電時の電流を精密に測定することができ、このことによって、充電を停止するときの電流下限値を極めて低く設定することができ、過充電を防止するとともに満充電に極めて近い状態を得ることができる。

＜２＞によれば、前記一定電圧充電に先だって、一定の電流で充電する定電流充電を行い、定電流充電において所定電圧に達したとき、前記定電圧充電に移行するので、充電時間を短縮することができる。

＜３＞によれば、充電を終了させるのに用いる前記電流下限値を、放電時定格電流値の
１０分の１以下としたので、満充電により一層近い状態を得ることができる。

＜４＞によれば、前前記電流センサとして、抵抗値の異なる一対のシャント抵抗が並列配置されるとともに抵抗値の小さい側のシャント抵抗に充電方向の電流を遮断する整流器が直列接続されてなる合成回路の両端の電圧を検出して電流値とするものを用いて測定レンジを切換えるので、レンジ切換回路を簡易に構成することができ、コスト等を低く抑えて実現することができる。

＜５＞によれば、電流センサとして、前記開放端に充電器に接続されたときの充電電圧を検知してスイッチングを行うＦＥＴにより前記測定レンジを切換えるよう構成されたものを用いたので、レンジ切換の電流下限値をさらに高精度に設定することができる。

＜６＞によれば、前記２次電池を、電動自転車用に用いるので、充電方法の改善効果を有利に活用することができる。

本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。図３は、本発明に係る２次電池の充電方法に用いられる２次電池システムを示す概念回路図であり、２次電池システム１０は、２次電池１と、この電池１の充放電を制御する充放電制御部２と、放電時には放電電流を、充電時には充電電流を検知する電流センサ３と、負荷６もしくは充電器７を接続するための開放端４とを具えて構成される。

電流センサ３は、合成抵抗部１５を有し、合成抵抗部１５は、抵抗値の小さい第一シャント抵抗１１と抵抗値の大きい第二シャント抵抗１２とを並列に接続するとともに、第一シャント抵抗１１には、充電電流だけを遮断する整流器１３を直列接続して構成され、電流センサ３は、合成抵抗部１５の両端に生起された電圧を、この電圧に比例する物理量に変換する変換部１４を介して電流値として検出するよう構成されている。

そして、電流センサ１４からの出力は、充放電制御部２に入力され、充放電制御部２は、この値が、予め設定された電流Iminを下回ったとき充電を終了するよう機能する。

ここで、充電時は、抵抗値の大きい第二シャント抵抗１２しか電流を通過させないので充電電流が小さくても、合成抵抗１５の両端間の電圧Vは大きく、一方、電流の大きな放電時は、抵抗の小さな第一シャント抵抗１１を通過する電流が支配的となるので、電流が大きくても合成抵抗１５の両端間の電圧Vは小さく、このことによって、充電時の最大電流に対する合成抵抗１５の両端間と、放電時の最大電流に対する合成抵抗１５の両端間電圧Vとをほほ同じ値にすることができ、このことは、この両端間電圧Vを、一定の分解能を有する変換器１４を介して電流値として充放電制御部２に入力するに際して、充電時にはスパンの狭い測定レンジで測定し、放電時にはスパンの広い測定レンジで測定することを意味し、このことによって、充電時には電流値が小さくても高い精度を確保することができ、しかも、放電時には、電流値が大きくてもレンジオーバとなるのを防止することができる。

従来は、充電時にもスパンの広い測定レンジで小さな電流を測定していたのに対して、本発明においては、このように、スパンの狭い測定レンジに切換えて電流の測定を行うことができ、より高精度な電流測定が可能となり、その結果、前記電流下限値Iminに対しての大小比較における誤差が小さくなり、電流下限値Iminを従来のものよりずっと小さくしても過充電を招く危険性がなくなり、例えば、充電時の電流の測定レンジのフルスパンを従来の1/10とすることができた場合には、誤差も1/10となり、それに応じて、Iminも従来の1/10とすることができ、図４に、本発明における充電時の電圧値変化および電流値変化をグラフで示すように、図２に示した従来の場合に対して、過充電を招くことなく長時間充電することができ、その分、満充電時の電圧との差ΔE₂を極めて小さくし、満充電に近い状態を得ることができる。

図３に示した電流センサに代えて、図５に示す構成の電流センサ３Aを用いることもでき、この電流センサ３Aは、充電器７が開放端４に接続されたとき、充電器７からの電圧によってスイッチとして機能するＦＥＴ２１が導通状態となり、内部抵抗が切換可能に構成されたＩＣ回路２２の内部抵抗を大きな抵抗値のものに切換えるようなっていて、このことにより、充電時は、ＩＣ回路２２の大きな内部抵抗に電流を流した時の両端間電圧Ｖを電流値として充放電制御部２に入力し、放電時には、ＩＣ回路２２の小さな内部抵抗に電流を流した時の両端間電圧Ｖを電流値として充放電制御部２に入力することにより、先に説明したのと同様に、放電時の電流値を測定レンジ内に抑えるとともに、電流値が小さい充電時にも高い精度を担持させることができる。

そして、前記電流下限値Iminを、放電時定格電流値の１０分の１以下とした場合には、満充電に一層近い状態まで２次電池１を充電することができる。なお、このようにして充電することの２次電池としては、リチウムイオン電池、鉛蓄電池等をあげることができる。

そして、このような２次電池システムを用いて充電方法を電動自転車のモータ駆動用バッテリに適用した場合には、従来、充電量が満充電にほど遠い状態までしか充電できなった従来の方法に対比して、その充電量を大幅に増大することができ、充電周期が長くなることによって、充電に要する煩わしさを大幅に低減することができる。

本発明は、特に、定格容量が大きな２次電池の充電に用いることができる。

従来の２次電池システムを示す概念回路図である。従来の充電方法における、充電時の、時間に対する電流変化と電圧変化とを示すグラフである。本発明に係る実施形態の２次電池システムを示す概念回路図である。本発明の従来の充電方法における、充電時の、時間に対する電流変化と電圧変化とを示すグラフである。他の実施形態の２次電池システムを示す概念回路図である。

符号の説明

１２次電池
２充放電制御部
３、３A 電流センサ
４開放端
６負荷
７充電器
１０２次電池システム
１１抵抗が小さい方のシャント抵抗
１２抵抗が大きい方のシャント抵抗
１３整流器
１４変換部
１５合成抵抗部
２１ＦＥＴ
２２ＩＣ回路

Claims

２次電池の開放端に、負荷および充電器のいずれか一方を接続するよう構成され、放電時には負荷に供給される電流を測定し、充電時には充電電流を測定する電流センサを２次電池と開放端との間に具えた２次電池システムを用いて、一定の電圧で充電する定電圧充電を行うに際し、充電電流が所定の電流下限値を下回ったとき充電を終了させる２次電池の充電方法において、
前記電流センサとして、測定レンジのスパンが、広いものと狭いものとの２段階に切換可能なものを用いるとともに、放電時はスパンの広い測定レンジを使用し、充電時はスパンの狭い測定レンジを使用する２次電池の充電方法。
前記一定電圧充電に先だって、一定の電流で充電する定電流充電を行い、定電流充電において所定電圧に達したとき、前記定電圧充電に移行する請求項１に記載の２次電池の充電方法。
充電を終了させるのに用いる前記電流下限値を、放電時定格電流値の１０分の１以下とする請求項１もしくは２に記載の２次電池の充電方法。
前記電流センサとして、抵抗値の異なる一対のシャント抵抗が並列配置されるとともに抵抗値の小さい側のシャント抵抗に充電方向の電流を遮断する整流器が直列接続されてなる合成回路の両端の電圧を検出して電流値とするものを用いる請求項１〜３のいずれかに記載の２次電池の充電方法。
前記電流センサとして、前記開放端に充電器に接続されたときの充電電圧を検知してスイッチングを行うＦＥＴにより前記測定レンジを切換えるよう構成されたものを用いる請求項１〜３のいずれかに記載の２次電池の充電方法。
前記２次電池を、電動自転車用に用いる請求項１〜５のいずれかに記載の２次電池の充電方法。