JP2009033843A

JP2009033843A - 充電装置および充電方法

Info

Publication number: JP2009033843A
Application number: JP2007194219A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sakagami; 正昭阪上; Toshiharu Ohashi; 敏治大橋; Masatoshi Ito; 正俊伊藤
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-02-12

Abstract

【課題】定電圧充電における最大電圧に晒される時間を最小限に抑えて電池の寿命を延ばし得る充電装置および充電方法を提供する。
【解決手段】充電制御部１２により、第１の定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、第１の定電流Ｉ１から徐々に電流を下げて行く第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０よりも大きい第２の電圧値Ｖ１に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、第２の定電流から徐々に電流を下げて行く第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流Ｉｅｎｄ１まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池を充電する充電装置および充電方法に係り、特に、定電圧充電における最大電圧に晒される時間を最小限に抑えて電池の寿命を延ばし得る充電装置および充電方法に関する。

近年、電動工具や携帯機器などの電気機器の駆動電源として、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの種々の二次電池が汎用されている。このような二次電池では、過充電されると、電池パックが破損したり、電池寿命を縮めてしまうことになる。特にリチウムイオン二次電池において、過充電による悪影響が顕著である。二次電池の過充電を防止するためには、少ない充電電流でゆっくり充電し、二次電池の電圧が所定値に達したら充電を停止するようにすればよい。しかし、充電電流を少なくすると、充電時間が増大してしまう。

そこで、図４に示すように、充電開始直後から、一定の電流Ｉ１で急速充電を行い、ある程度二次電池の電圧が上昇してから所定の定電圧Ｖ１を二次電池に印加する定電圧充電に切り替え、その後二次電池の充電が進むと共に充電電流を減少させて、充電電流が所定値Ｉｅｎｄを下回ったら充電を停止させ、二次電池の過充電を防止するようにした充電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−６６２７７号公報

しかしながら、このような定電流充電から定電圧充電への切り換え充電方式で充電する電池には寿命があり、充放電を繰り返すと、充放電容量が低下してついには使えなくなるという事情があった。ここで、電池の寿命を長くするには定電圧充電において一定電圧（Ｖ１）に晒されている時間をできる限り短くすることが有効である。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、定電圧充電における最大電圧に晒される時間を最小限に抑えて電池の寿命を延ばし得る充電装置および充電方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る充電装置は、二次電池へ電力を供給する電源部と、前記二次電池の電圧を検出する電圧測定部と、前記二次電池へ供給される充電電流を検出する電流測定部と、前記電源部の動作を制御する充電制御部と、を備えた充電装置であって、前記充電制御部は、第１の定電流による第１の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が第１の電圧値に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第１の電圧値による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、前記第１の閾値電流より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、前記第２の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了することを第１の特徴とする。

また、本発明に係る充電装置は、前記充電制御部は、前記第１の定電圧充電および前記第２の定電圧充電において、充電電流を段階的に下げて行くことを第２の特徴とする。

また、本発明に係る充電装置は、前記充電制御部により、第１の定電流による第１の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が第１の電圧値に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第１の電圧値による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、前記第１の閾値電流より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、前記第２の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する第１の充電モードと、第１の定電流による定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第２の電圧値に達したときに該定電流充電を完了し、次に、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による定電圧充電を開始して充電電流が前記第２の閾値電流まで低下したときに該定電圧充電を完了する第２の充電モードと、を切り換えるスイッチを備えることを第３の特徴とする。

さらに、本発明に係る充電方法は、二次電池へ電力を供給する電源部と、前記二次電池の電圧を検出する電圧測定部と、前記二次電池へ供給される充電電流を検出する電流測定部と、前記電源部の動作を制御する充電制御部と、を備えた充電装置の充電方法であって、第１の定電流による第１の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が第１の電圧値に達したときに該該第１の定電流充電を完了する第１の定電流充電ステップと、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第１の電圧値による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了する第１の定電圧充電ステップと、前記第１の閾値電流より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値に達したときに該第２の定電流充電を完了する第２の定電流充電ステップと、前記第２の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する第２の定電圧充電ステップと、を備えることを第４の特徴とする。

本発明に係る充電装置および充電方法では、定電圧充電における最大電圧に晒される時間を最小限に抑えて、電池の寿命を延ばし得る充電装置および充電方法を実現することができる。

以下、本発明の充電装置および充電方法の実施例について、〔実施例〕、〔変形例〕の順に図面を参照して詳細に説明する。

〔実施例〕
図１は本発明の実施例に係る充電装置の構成図である。同図において、本実施例の充電装置は、充電器１および電池パック２を含む構成である。

電池パック２は、電池セルＥ１〜Ｅｎが複数個直列に接続された二次電池２１と、各電池セルＥ１〜Ｅｎの電圧を、単段でまたは２〜３段纏めて測定する電圧判定回路２２と、充電器１の接続端子Ｔ１１〜Ｔ１３に対応する接続端子Ｔ２１〜Ｔ２３とを備えて構成される。電池セルＥ１〜Ｅｎは、リチウムイオン電池等から成り、複数の電池セルが並列に接続されて構成されてもよく、また単段構成の場合は、電圧判定回路２２の機能は充電器１側の電圧測定部１３で実現できるので、該電圧判定回路２２は省略されてもよい。なお、電圧判定回路２２は、各段の電池セルＥ１〜Ｅｎの電圧を測定し、何れかの電池セルが予め定める目標電圧Ｖ１に達すると過充電信号をアクティブのローレベルとし、達していないと該過充電信号を非アクティブのハイレベルとして、接続端子Ｔ２３，Ｔ１３を介して充電制御部１２へ出力する。

一方、充電器１は、電圧検知部１３と、電流測定部１４と、定電流回路１５及び定電圧回路１６を含む電源部１１と、充電制御部１２と、を備えた構成である。なお、スイッチＳＷ１については変形例において後述する。

電源部１１は、例えばＡＣ−ＤＣコンバータとして構成された電源回路で、電源線を介して接続された商用電源３から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。そして、電源部１１における正極側出力端子は、接続端子Ｔ１１，Ｔ２３を介して二次電池２１の正極端子に接続され、電源部１１における負極側出力端子は、電流測定部１４、接続端子Ｔ１２，Ｔ２２を介して二次電池２１の負極端子に接続されている。

定電流回路１５は、充電制御部１２からの制御信号に応じて電源部１１から電池パック２へ供給される二次電池２１の充電電流を調整する。また、定電圧回路１６は、充電制御部１２からの制御信号に応じて電源部１１から電池パック２へ供給される二次電池２１の充電電圧を調整する。

また、電圧検知部１３は、接続端子Ｔ１１，Ｔ１２間の電圧、即ち二次電池２１における端子電圧を検出する回路部で、例えば抵抗体を用いて構成されており、その抵抗体の電圧降下により生じた電圧を、電圧検知信号として充電制御部１２へ出力する。

また、電流測定部１４は、電源部１１から接続端子Ｔ１２，Ｔ２２を介して二次電池２３へ供給される充電電流を検出する回路部で、例えばホール素子を用いた電流センサや抵抗体によって充電電流を電圧に変換することにより得られた電流検知信号を充電制御部１２へ出力する。

さらに、充電制御部１２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記録された不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記録する揮発性の記憶素子であるＲＡＭ（Random Access Memory）と、電圧検知信号および電流検知信号をデジタル値に変換するＡＤコンバータとを備えて構成され、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、電源部１１（定電流回路１５および定電圧回路１６）へ制御信号を出力して二次電池２１の充電動作を制御する。

次に、以上のように構成された電池パック２および充電器１が結合されたときに、充電制御部１２の制御の下に行われる充電動作について、図２および図３（ａ）〜（ｃ）を参照して詳細に説明する。ここで、図２は実施例の充電動作を説明するフローチャートであり、図３は実施例の充電動作を説明する説明図であり、図３（ａ）は二次電池２１の電池電圧の時間的推移を、図３（ｂ）は充電電流の時間的推移を、図３（ｃ）は動作状態の時間的推移をそれぞれ示す。なお、図３（ｄ）は変形例における充電電流の時間的推移であり、これについては後述する。

図２において、まず、電源投入用プラグを介して商用電源３から充電器１に通電され（ステップＳ１０１）、電池パック２が挿入されて電池パック２および充電器１が結合されると（ステップＳ１０２）、充電器１は電池パック２への充電を開始する。

すなわち、第１の定電流Ｉ１による第１の定電流充電（ステップＳ１０４）を開始して、二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０まで上昇するまでこの第１の定電流充電を行う（ステップＳ１０５）。

二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０に達すると、第１の定電流充電（ステップＳ１０４）を完了し、次に、第１の電圧値Ｖ０による第１の定電圧充電を開始して、図３（ｂ）に示すように第１の定電流Ｉ１から徐々に連続的に電流を下げて行く（ステップＳ１０６）。この第１の定電圧充電（ステップＳ１０６）は、充電電流が第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０まで低下したときに完了する（ステップＳ１０７）。

次に、第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０より大きい第２の定電流による第２の定電流充電（ステップＳ１０８）を開始して、二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０よりも大きい第２の電圧値Ｖ１まで上昇するまでこの第２の定電流充電を行う（ステップＳ１０９）。

二次電池２１の電圧が第２の電圧値Ｖ１に達すると、第２の定電流充電（ステップＳ１０８）を完了し、次に、第２の電圧値Ｖ１による第２の定電圧充電を開始して、図３（ｂ）に示すように第２の定電流から徐々に連続的に電流を下げて行く（ステップＳ１１０）。この第２の定電圧充電（ステップＳ１１０）は、充電電流が第２の閾値電流Ｉｅｎｄ１まで低下したとき（ステップＳ１１１）に完了する（ステップＳ１１２）。

以上のような充電動作により、図３（ａ）に示す本実施例の二次電池２１の電池電圧の時間的推移と図４（ａ）に示す従来の二次電池の電池電圧の時間的推移とを対比して分かるように、本実施例では定電圧充電における最大電圧Ｖ１に晒される時間が第２の定電圧充電の期間のみとなり、定電圧充電における最大電圧Ｖ１に晒される時間を最小限に抑えることができ、その結果として二次電池２１の寿命を延ばすことができる。

以上説明したように、本実施例の充電装置および充電方法では、充電制御部１２により、第１の定電流Ｉ１による第１の定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、第１の定電流Ｉ１から徐々に電流を下げて行く第１の電圧値Ｖ０による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０よりも大きい第２の電圧値Ｖ１に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、第２の定電流から徐々に電流を下げて行く第２の電圧値Ｖ１による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流Ｉｅｎｄ１まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する。

これにより、定電圧充電における最大電圧Ｖ１に晒される時間を最小限に抑えて、二次電池２１の寿命を延ばし得る充電装置および充電方法を実現することができる。

〔変形例〕
上述した実施例の充電装置および充電方法では、第１の定電圧充電（ステップＳ１０６）および第２の定電圧充電（ステップＳ１１０）において、充電電流を徐々に連続的に下げて行くようにしたが、図３（ｄ）に示すように、段階的に予め定める減分ΔＩずつ低下させるようにしても良い。

また、図１に示すように、充電器１にスイッチＳＷ１を具備して、実施例１による充電動作（図３参照）と従来の充電動作（図４参照）とを切り換える構成としても良い。

すなわち、スイッチＳＷ１は、第１の定電流Ｉ１による第１の定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、第１の定電流Ｉ１から徐々に電流を下げて行く第１の電圧値Ｖ０による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、第１の閾値電流Ｉｅｎｄ０より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第１の電圧値Ｖ０よりも大きい第２の電圧値Ｖ１に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、第２の定電流から徐々に電流を下げて行く第２の電圧値Ｖ１による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流Ｉｅｎｄ１まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する第１の充電モード（実施例の充電動作）と、第１の定電流Ｉ１による定電流充電を開始して二次電池２１の電圧が第２の電圧値Ｖ１に達したときに該定電流充電を完了し、次に、第１の定電流Ｉ１から徐々に電流を下げて行く第２の電圧値Ｖ１による定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流Ｉｅｎｄ１まで低下したときに該定電圧充電を完了する第２の充電モード（従来の充電動作）と、を切り換えるものである。

本発明の実施例に係る充電装置の構成図である。実施例の充電動作を説明するフローチャートである。実施例および変形例の充電動作を説明する説明図であり、図３（ａ）は二次電池２１の電池電圧の時間的推移を、図３（ｂ）は充電電流の時間的推移を、図３（ｃ）は動作状態の時間的推移を、図３（ｄ）は変形例における充電電流の時間的推移をそれぞれ示す。従来の充電動作を説明する説明図である。

符号の説明

１充電器
２電池パック
１１電源部
１２充電制御部
１３電圧測定部
１４電流測定部
１５定電流回路
１６定電圧回路
２１二次電池
２２電圧判定回路
Ｅ１〜Ｅｎ電池セル
Ｔ１１〜Ｔ１３，Ｔ２１〜Ｔ２３接続端子
ＳＷ１スイッチ

Claims

二次電池へ電力を供給する電源部と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧測定部と、
前記二次電池へ供給される充電電流を検出する電流測定部と、
前記電源部の動作を制御する充電制御部と、を備えた充電装置であって、
前記充電制御部は、第１の定電流による第１の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が第１の電圧値に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第１の電圧値による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、前記第１の閾値電流より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、前記第２の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了することを特徴とする充電装置。
前記充電制御部は、前記第１の定電圧充電および前記第２の定電圧充電において、充電電流を段階的に下げて行くことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
前記充電制御部により、第１の定電流による第１の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が第１の電圧値に達したときに該第１の定電流充電を完了し、次に、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第１の電圧値による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了し、次に、前記第１の閾値電流より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値に達したときに該第２の定電流充電を完了し、次に、前記第２の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する第１の充電モードと、第１の定電流による定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第２の電圧値に達したときに該定電流充電を完了し、次に、前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による定電圧充電を開始して充電電流が前記第２の閾値電流まで低下したときに該定電圧充電を完了する第２の充電モードと、を切り換えるスイッチを有することを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の充電装置。
二次電池へ電力を供給する電源部と、前記二次電池の電圧を検出する電圧測定部と、前記二次電池へ供給される充電電流を検出する電流測定部と、前記電源部の動作を制御する充電制御部と、を備えた充電装置の充電方法であって、
第１の定電流による第１の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が第１の電圧値に達したときに該該第１の定電流充電を完了する第１の定電流充電ステップと、
前記第１の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第１の電圧値による第１の定電圧充電を開始して充電電流が第１の閾値電流まで低下したときに該第１の定電圧充電を完了する第１の定電圧充電ステップと、
前記第１の閾値電流より大きい第２の定電流による第２の定電流充電を開始して前記二次電池の電圧が前記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値に達したときに該第２の定電流充電を完了する第２の定電流充電ステップと、
前記第２の定電流から徐々に電流を下げて行く前記第２の電圧値による第２の定電圧充電を開始して充電電流が第２の閾値電流まで低下したときに該第２の定電圧充電を完了する第２の定電圧充電ステップと、
を有することを特徴とする充電方法。