JP2009148046A

JP2009148046A - 充電方法

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Publication number: JP2009148046A
Application number: JP2007321374A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Matsuura; 信一松浦; Atsushi Kawakado; 篤史川角
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: US8148950B2; US20090153104A1; JP5219485B2; CN101459348B; TW200926482A; CN101459348A

Abstract

【課題】電池を強制的に冷却しない状態においても、リチウムイオン二次電池の温度上昇を防止して、短い時間で満充電する。
【解決手段】充電方法は、第１の充電ステップと第２の充電ステップとでリチウムイオン二次電池を充電する。第１の充電ステップは、電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して、検出する温度上昇勾配から第１の設定容量まで充電した状態における電池温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電して第１の設定容量まで充電する。第２の充電ステップは、第１の設定容量まで充電した後、電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して温度上昇勾配から第２の設定容量まで充電した状態における電池の温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電して第２の設定容量まで充電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の充電方法に関し、とくに電池の温度を検出しながら充電電流をコントロールする充電方法に関する。
本明細書において、「リチウムイオン二次電池」は、リチウムポリマー電池を含む意味に使用する。

リチウムイオン二次電池は、安全性を向上することから、電池の温度によって充電電流や充電電圧を制御している。図１は、リチウムイオン二次電池の温度に対する充電電流と最大電圧を示す一例である。この図に示すように、リチウムイオン二次電池は、標準温度域においては電圧と電流を高くするが、低温度域や高温度域においては、充電電圧と電流の両方を小さく制限する。このため、充電して電池の温度が高温度域に上昇すると、充電電圧を低くすることから満充電できなくなる。また、従来のリチウムイオン電池の定電流定電圧充電においては、とくに、充電を開始するとき、電池が高温である場合等において、図１に示すように、電池温度が標準温度域から高温度域に上昇すると、高温度域においては、充電電圧と電流が、標準温度域より小さくなることより、充電量が小さくなったり、充電時間が長くなったり、充電電圧を低下できない充電回路では充電を停止して充電量が小さくなる問題がある。

充電している電池の温度が異常に高くなるのを防止する方法は開発されている（特許文献１参照）。この方法は、ニッケル水素電池を１０〜４０℃に維持して充電する。さらに、この充電方法は、電池の温度上昇値ΔＴを測定し、温度Ｔ、及びΔＴ／Δｔの値から充電終了予定時刻の温度を予測し、予測された電池の温度が４０℃を超えると判断される場合には、電池を冷却する。

さらに、電池の温度を検出して充電電流を制御する方法も開発されている（特許文献２参照）。この方法もニッケル水素電池を充電する方法であって、温度上昇勾配を検出し、検出された温度上昇勾配から温度を予測して、充電電流を制御する。
特開平７−７３９０７号公報特開平７−２２２３７４号公報

特許文献１の充電方法は、電池を強制冷却する機構を必要とする。このため、充電器の製造コストが高くなる欠点がある。また、電池を強制送風して冷却するので、電池を冷却するファンなどの騒音レベルが高くなる欠点もある。さらに、ファン等の機械部品は電子回路に比較して故障しやすいことから故障が発生しやすい欠点もある。また、特許文献２の充電方法は、温度上昇勾配で充電電流を制御するので、充電している電池の温度を低減できるが、リチウムイオン二次電池をこの方法で充電すると、満充電するまでの時間が著しく長くなる欠点がある。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池を強制的に冷却しない状態においても、リチウムイオン二次電池の温度上昇を防止して、短い時間で満充電できる充電方法を提供することにある。

本発明の充電方法は、リチウムイオン二次電池を定電圧定電流充電する方法であって、第１の充電ステップと第２の充電ステップとでリチウムイオン二次電池を充電する。第１の充電ステップは、電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して、検出する温度上昇勾配から第１の設定容量まで充電した状態における電池温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電して第１の設定容量まで充電する。第２の充電ステップは、第１の設定容量まで充電した後、電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して温度上昇勾配から第２の設定容量まで充電した状態における電池の温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電して第２の設定容量まで充電する。

本発明の請求項２の充電方法は、第１の設定容量を、満充電容量の６０％ないし９０％としている。また、本発明の請求項３の充電方法は、第２の設定容量を満充電容量としている。さらに、本発明の請求項４の充電方法は、設定温度を４０℃ないし４５℃としている。

さらに、本発明の請求項５の充電方法は、第１の充電ステップにおいて、検出される温度上昇勾配で充電電流を増加しながら充電する。

さらに、本発明の請求項６の充電方法は、第１の充電ステップにおいて電池を定電流充電し、第２の充電ステップにおいて定電圧充電する。

さらに、本発明の請求項７の充電方法は、電池の電圧を検出して充電電流を制御すると共に、電池の電圧が設定電圧まで上昇すると充電電流を減少して充電し、電池の電圧が設定電圧まで上昇して充電電流を減少するステップにおいて、電池電圧が設定電圧まで上昇したことを検出した後、あらかじめ設定している設定時間は電池の電圧を検出するのを中断する。

さらにまた、本発明の請求項８の充電方法は、電池の電圧を検出して充電電流を制御すると共に、電池の電圧が設定電圧まで上昇すると充電電流を減少し、電圧を検出して制御する充電電流と、予測温度から制御される充電電流のうち、小さい充電電流で電池を充電する。

本発明は、電池を強制的に冷却することなく、リチウムイオン二次電池の温度上昇を防止しながら、短い時間で満充電できる特徴がある。それは、本発明の充電方法が、第１の充電ステップにおいて、充電電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して第１の設定容量まで充電したときの電池温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度が設定温度よりも低くなる電流で充電して第１の設定容量まで第１の充電ステップで充電し、その後、第２の充電ステップにおいて、電池の充電電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して、温度上昇勾配から第２の設定容量まで充電したときの電池温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度が設定温度よりも低くなる電流で充電するからである。とくに、本発明は、第１の充電ステップで第１の設定容量まで充電し、その後、第２の充電ステップで第２の設定容量まで充電することを特徴とする。本発明は、設定容量を変更する複数のステップで充電することから、短時間で満充電できる。

図２は、本発明の充電方法でリチウムイオン二次電池を充電する状態を示している。この図において、曲線Ａは、充電電流を示し、曲線Ｂは、このときの電池の温度が変化する状態を示している。この図からも分かるように、本発明は、第１の充電ステップと第２の充電ステップとで、温度上昇勾配から予測される予測温度から充電電流をコントロールしながら電池を充電するので、第１の充電ステップでは、電池を充電する電流を大きくしながら、予測温度を設定温度よりも低くする電流で充電して、第１の設定容量まで短時間で充電できる。このため、本発明は、満充電するまでの時間を短縮できる。また、第１の充電ステップと第２の充電ステップの両方において、設定温度よりも低くなるように充電電流を制御するので、電池の温度が設定温度よりも高くなることはない。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための充電方法を例示するものであって、本発明は充電方法を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図３は、本発明の充電方法で充電されるパック電池１０の回路図である。このパック電池１０は、本体機器２０にセットされて、本体機器２０の充電回路２１で充電される。パック電池１０は、リチウムイオン二次電池からなる電池１１の電圧と温度を検出して、検出する電圧と温度から電池１１の電流をコントロールする演算回路１２とを備える。本体機器２０の充電回路２１は、定電圧定電流電源２２と、この定電圧定電流電源２２から出力される電池の充電電流をコントロールする電流調整回路２３とを備える。電流調整回路２３は、パック電池１０の演算回路１２から入力される制御信号で電池の充電電流を制御して電池１１を満充電する。

演算回路１２は、電池１１の電圧を検出する電圧検出回路１３と、電池１１の温度を検出する温度検出回路１４と、電池１１の残容量を検出する残容量検出回路１５と、電池１１の温度に対する設定電圧を記憶するメモリ１６とを備える。

電圧検出回路１３は、電池１１の両端の電圧を検出して電池電圧を検出する。電池１１の温度を検出する温度検出回路１４は、電池１１に熱結合している温度センサ１７の電気抵抗から電池温度を検出する。残容量検出回路１５は、電池１１の電圧から、あるいは電流の積算値と電圧から残容量を検出する。メモリ１６は、低温度域における低温設定電圧と、標準温度域における標準設定電圧と、高温度域における高温設定電圧とを記憶している。

演算回路１２は、充電している電池１１の温度を検出して単位時間における温度勾配を検出し、温度勾配から第１の設定容量まで充電される電池温度を予測する。第１の設定容量における電池の温度は、以下の方法で予測する。
電池温度…………………………………１５℃
充電電流………………………………０．２Ｃ
充電している電池の温度勾配………０．１℃／分
現在の電池の残容量……………………１０％
第１の設定容量…………………………７０％
電池の定格容量………………………６００ｍＡｈ

残容量が１０％である電池は、あと６０％充電して残容量を７０％にできる。したがって、この電池を残容量が７０％になるまで充電する充電容量は定格容量の６０％、すなわち３６０ｍＡｈとなる。０．２Ｃにおける１時間の充電容量が１２０ｍＡｈであるから、１分間の充電容量は１２０ｍＡｈ／６０分となる。すなわち、充電電流を０．２Ｃとする電池の１分間の充電容量は、２ｍＡｈとなる。したがって、この充電容量で３６０ｍＡｈの容量を充電するには１８０分かかることになる。温度勾配が０．１℃であるから、この温度勾配で１８０分経過すると１８℃温度が上昇することになる。１５℃であった電池の温度が１８℃上昇するので、この電池が第１の設定容量である７０％まで充電されると電池温度は３３℃と予測される。

さらに、演算回路１２は、充電している電池１１の温度を検出して単位時間における温度勾配を検出し、温度勾配から第２の設定容量まで充電される電池温度を予測する。第２の設定容量における電池の温度は、以下の方法で予測する。
電池温度…………………………………３３℃
充電電流………………………………０．２Ｃ
充電している電池の温度勾配………０．１℃／分
現在の電池の残容量……………………７０％
第２の設定容量………………………１００％
電池の定格容量………………………６００ｍＡｈ

残容量が７０％である電池は、あと３０％充電して残容量を１００％にできる。したがって、この電池を残容量が１００％になるまで充電する充電容量は定格容量の３０％、すなわち１８０ｍＡｈとなる。０．２Ｃにおける１時間の充電容量が１２０ｍＡｈであるから、１分間の充電容量は１２０ｍＡｈ／６０分となる。すなわち、充電電流を０．２Ｃとする電池の１分間の充電容量は、２ｍＡｈとなる。したがって、この充電容量で１８０ｍＡｈの容量を充電するには９０分かかることになる。温度勾配が０．１℃であるから、この温度勾配で９０分経過すると９℃温度が上昇することになる。３３℃であった電池の温度が９℃上昇するので、この電池が第２の設定容量である１００％まで充電されると電池温度は４２℃と予測される。

演算回路１２は、電池１１の充電電流をコントロールする温度帯域を記憶している。たとえば、演算回路１２は、図２に示すように、第１の設定温度Ｔ1（図において４５℃）と、第２の設定温度Ｔ2（図において４４℃）と、第３の設定温度Ｔ3（図において４２℃）を記憶している。演算回路１２は、第１と第２と第３の設定温度により、以下の第１〜第４の温度域に分割して、充電電流をコントロールする。第１の温度域は、第１の設定温度Ｔ1よりも高い温度域、第２の温度域は、第１の設定温度Ｔ1と第２の設定温度Ｔ2の間の温度域、第３の温度域は、第２の設定温度Ｔ2と第３の設定温度Ｔ3の間の温度域、第４の温度域は、第３の設定温度Ｔ3よりも低い温度域である。充電している電池の予測温度が第１の温度域にあると充電電流を最小電流とし、第２の温度域にあると充電電流を一定の割合で減少し、第３の温度域にあると充電電流を変更することなく充電し、第４の温度域にあると充電電流を一定の割合で増加させる。

以上の演算回路１２は、温度域を４領域に区画して充電電流をコントロールする。ただし、演算回路は、必ずしも温度域を４領域に区画して、以上の方法で充電電流をコントロールする必要はない。演算回路は、たとえば、ひとつの設定温度を設け、この設定温度よりも高いと電流を減少して、設定温度よりも低いと電流を増加し、さらに、設定温度と予測温度の差温度が大きくなるにしたがって、減少または増加させる電流値を変更して、充電電流をコントロールすることもできる。

以上の充電方法は、図４に示すフローチャートで電池を充電する。
［ｎ＝１、２のステップ］
最小電流Ｉminを０．２Ｃに設定する。充電電流Ｉを最小電流Ｉminである０．２Ｃとして充電を開始する。
［ｎ＝３、４のステップ］
１分経過させた後、電池の残容量を検出する。
［ｎ＝５、６のステップ］
電池が第１の設定容量である残容量７０％まで充電されたかどうかを判定する。電池が残容量７０％まで充電されていないと、ｎ＝６のステップに進み、電池が７０％まで充電される状態での予測温度Ｔaを電池の温度上昇勾配から演算する。
［ｎ＝７ないし９のステップ］
電池の残容量が７０％以上であると、ｎ＝６のステップに進み、電池が第２の設定容量である満充電容量まで充電されたかどうかを判定する。電池が満充電されていると、ｎ＝８のステップに進んで、充電を終了する。電池が満充電されていないと、ｎ＝９のステップに進み、電池が満充電される状態での予測温度Ｔaを電池の温度上昇勾配から演算する。
［ｎ＝１０のステップ］
電池の予測温度Ｔaが、第２の設定温度Ｔ2と第３の設定温度Ｔ3の間にあるかどうか、すなわち、予測温度Ｔaが第３の温度域にあるかどうかを判定する。
予測温度Ｔaが第３の温度域にあると、ｎ＝３のステップに戻って、充電電流Ｉを変更することなく充電を継続する。
［ｎ＝１１、１２のステップ］
予測温度Ｔaが第３の温度域にないと、ｎ＝１１のステップにおいて、電池の予測温度Ｔaが、第１の設定温度Ｔ1以上であるかどうか、すなわち、予測温度Ｔaが第１の温度域にあるかどうかを判定する。
予測温度Ｔaが第１の温度域にあると、ｎ＝１２のステップに進み、充電電流Ｉを最小電流Ｉminである０．２Ｃに変更する。その後、ｎ＝３のステップに戻って、変更した充電電流Ｉで充電を継続する。
［ｎ＝１３〜１５のステップ］
予測温度Ｔaが第１の温度域にないと、ｎ＝１３のステップに進み、電池の予測温度Ｔaが、第２の設定温度Ｔ2以上であるかどうかを判定する。
予測温度Ｔaが第２の設定温度Ｔ2以上であると、ｎ＝１１のステップより、予測温度Ｔaは第１の設定温度Ｔ1よりも小さいので、予測温度Ｔaが第２の温度域にあると判定して、ｎ＝１４のステップに進み、充電電流Ｉを０．１Ｃ減少させる。その後、ｎ＝３のステップに戻って、変更した充電電流Ｉで充電を継続する。
予測温度Ｔaが第２の設定温度Ｔ2以上でないと、ｎ＝１０のステップより、予測温度Ｔaは第３の設定温度Ｔ3よりも小さいので、予測温度Ｔaが第４の温度域にあると判定して、ｎ＝１５のステップに進み、充電電流Ｉを０．１Ｃ増加させる。その後、ｎ＝３のステップに戻って、変更した充電電流Ｉで充電を継続する。

なお、本実施例においては、定電圧定電流にて充電されることより、充電が進み、定電圧充電領域で充電される場合においては、上記のフローにて充電されるが、電池自身の充電特性により、定電圧充電領域で充電電流が上記フローで規定される電流値よりも、小さい電流値にて充電されるときは、この小さい電流値にて充電されることになる。
また、ここで、本実施例においては、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電するために、第１の設定容量（７０％）での電池温度を予想する（第１の充電ステップ）と共に、第２の設定容量（１００％）での電池温度を予想（第２の充電ステップ）している。ここで、第１の設定容量（７０％）は、定電圧定電流充電するとき、定電流充電から定電圧に移行するときの大まかな容量であり、定電圧充電においては、充電電流が徐々に低下することより、電池温度が上昇することは少ない。しかしながら、定電流充電から定電圧充電に移行する容量は、温度、電池の劣化等に影響されて一定でない。したがって、このような第１の設定容量（７０％）以上の充電時においても、定電流充電が行われることがあり、このような場合、あるいは他の理由等により、電池温度が上昇することになる。図１に示すように、電池温度が標準温度域から高温度域に上昇すると、高温度域においては、充電電圧、電流が、標準温度域より小さくなることより、充電量が小さくなったり、充電時間が長くなったり、充電電圧を低下できない充電回路では充電を停止して充電量が小さくなる問題がある。一方、本実施例においては、第１の設定容量（７０％）以上の充電時において、定電流充電が行われる場合等においても、第２の設定容量（１００％）での電池温度を予想（第２の充電ステップ）して、充電電流をコントロールして充電するので、上述の問題を解消して、充電量を大きくしたり、充電時間を短くすることができる。

さらに、演算回路１２は、電池１１の電圧を検出して、この検出電圧を設定値に比較して、充電電流を制御する。図５は、演算回路１２が電池電圧で充電電流を制御する状態を示すグラフである。この図の方法で電流を制御する演算回路１２は、電池１１の電圧が設定電圧（例えば、４．２０Ｖで、図１の標準温度域では、４．２５Ｖ以下に設定できる。）まで上昇する毎に充電電流を減少する。したがって、演算回路１２は、電池１１のセル電圧（電池が直列接続された複数の電池で構成される場合は最大の電池電圧）が設定電圧を超えると、本体機器２０の電流調整回路２３に、電流を減少するための電流減少信号を通信端子１８を介して出力する。本体機器２０の電流調整回路２３は、この電流減少信号で充電電流を減少する。ただ、パック電池１０が電流減少信号を出力してから、電流調整回路２３が充電電流を減少するまでに遅延時間がある。この遅延時間は、電池１１の電流が減少されず、電池１１の電圧は上昇する。電池の充電は、上限電圧を超えると停止されるので、この遅延時間内に電池電圧が上限電圧を超えると充電が停止されてしまう。この弊害を防止するために、演算回路１２は、電流調整回路２３が充電電流を減少させるまでは、充電スイッチ（図示せず）をオフにして充電を一時停止する機能を備えている。これにより、遅延時間内に電池電圧が上限電圧を超えるのを防止できる。また、演算回路１２は、遅延時間内に充電が停止されるのを防止するために、遅延時間に電池１１の電圧を検出するのを中断し、あるいは電圧を検出しても、充電を停止する信号を出力しないキャンセル回路１９を備えることもできる。

電池の充電電流は、予測温度と電池電圧の両方でコントロールされるが、このとき、充電電流は、予測温度と電池電圧で特定される電流値のうち、少ない電流値となるように制御される。

この充電方法は、図６に示す以下のフローチャートで電池を充電する。
［ｎ＝１のステップ］
充電を開始する。
［ｎ＝２のステップ］
演算回路１２が、電池の予測温度Ｔaから充電電流Ｉ_Ｔを特定する。この充電電流Ｉ_Ｔは、前述のように、電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出し、この温度上昇勾配から所定の設定容量まで充電した状態における電池の温度を予測し、この予測温度Ｔaが設定温度よりも低くなるように特定される。
［ｎ＝３のステップ］
演算回路１２が、電池電圧から充電電流Ｉ_Ｖを特定する。この充電電流Ｉ_Ｖは、電池の電圧が設定電圧まで上昇すると減少されて、電池電圧がこの設定電圧を超えないように特定される。
［ｎ＝４ないし６のステップ］
予測温度Ｔaから特定される充電電流Ｉ_Ｔと、電池電圧から特定される充電電流Ｉ_Ｖを比較し、充電電流Ｉ_Ｔと充電電流Ｉ_Ｖのうち、小さい方の電流値を充電電流Ｉとして電池を充電する。
［ｎ＝７のステップ］
電池が満充電されたかどうかを判定する。電池が満充電されていないと、ｎ＝２のステップに戻って充電を継続する。電池が満充電されていると、ｎ＝８のステップに進んで充電を終了する。

リチウムイオン二次電池の温度に対する充電電流と最大電圧の一例を示す図である。本発明の一実施例にかかる充電方法で充電される電池の充電電流と電池温度を示すグラフである。本発明の一実施例にかかる充電方法で充電されるパック電池の一例を示す回路図である。本発明の一実施例にかかる充電方法を示すフローチャートである。演算回路が電池電圧で充電電流を制御する状態を示すグラフである。本発明の他の実施例にかかる充電方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…パック電池
１１…電池
１２…演算回路
１３…電圧検出回路
１４…温度検出回路
１５…残容量検出回路
１６…メモリ
１７…温度センサ
１８…通信端子
１９…キャンセル回路
２０…本体機器
２１…充電回路
２２…定電圧定電流電源
２３…電流調整回路

Claims

リチウムイオン二次電池を定電圧定電流充電する方法であって、
電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して、検出する温度上昇勾配から第１の設定容量まで充電した状態における電池温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電して第１の設定容量まで充電する第１の充電ステップと、
第１の設定容量まで充電した後、電池を充電している電流に対する電池の温度上昇勾配を検出して温度上昇勾配から第２の設定容量まで充電した状態における電池の温度を予測し、予測温度から充電電流をコントロールして、電池の温度を設定温度よりも低くする電流で充電して第２の設定容量まで充電する第２の充電ステップとでリチウムイオン二次電池を充電する充電方法。
第１の設定容量が満充電容量の６０％ないし９０％である請求項１に記載される充電方法。
第２の設定容量が満充電容量である請求項１に記載される充電方法。
設定温度が４０℃ないし４５℃である請求項１に記載される充電方法。
第１の充電ステップにおいて、検出される温度上昇勾配で充電電流を増加しながら充電する請求項１に記載される充電方法。
第１の充電ステップにおいて電池を定電流充電し、第２の充電ステップにおいて定電圧充電する請求項１に記載される充電方法。
電池の電圧を検出して充電電流を制御すると共に、電池の電圧が設定電圧まで上昇すると充電電流を減少して充電し、電池の電圧が設定電圧まで上昇して充電電流を減少するステップにおいて、電池電圧が設定電圧まで上昇したことを検出した後、あらかじめ設定している設定時間は電池の電圧を検出するのを中断する請求項１に記載される充電方法。
電池の電圧を検出して充電電流を制御すると共に、電池の電圧が設定電圧まで上昇すると充電電流を減少し、電圧を検出して制御する充電電流と、予測温度から制御される充電電流のうち、小さい充電電流で電池を充電する請求項１に記載される充電方法。