JP2009189141A - 充電装置および充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電中の電池温度を検出し、充電温度範囲においてのみ充電電流を供給する。
【解決手段】電池パック１が充電器４に装着されると、電池パックの温度に対応する検出電圧が設定された充電温度範囲内か否かがＳ２において確認される。Ｓ２において、検出温度が充電温度範囲の外と判断されると、Ｓ３において充電制御スイッチがＯＦＦとされ、充電が停止される。検出温度が充電温度範囲内であることが確認されると、Ｓ４において、充電制御スイッチがＯＮとされ、Ｓ５において、充電動作がなされる。充電動作中でも、温度が充電温度範囲内であるか否かが監視される。若し、充電中の温度が充電温度範囲から外れた場合、充電を停止させる。Ｓ７において、満充電が検出されると、Ｓ８において、充電動作が終了する。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えばリチウムイオン二次電池に適用して好適な充電装置および充電方法に関する。

リチウムイオン二次電池を充電する際は、事故を防止するために、充電電圧が定格電圧を超えないこと、並びに充電電流が許容最大電流を超えないことが重要である。充電電圧および充電電流の両者を管理する必要があり、定電流定電圧充電方式が使用されている。市販の充電装置は、充電電圧および充電電流を厳しく管理することが可能な構成とされている。しかしながら、充電電圧および充電電流を厳しく管理するのみでは、十分な安全対策がなされているとは言い難く、電池パック内の温度を検出し、温度が安全な範囲内にある場合にのみ充電を行うことも考えられている。

例えば（０°Ｃ〜４５°Ｃ）の温度範囲が充電可能な温度範囲（以下、充電温度範囲と適宜称する）と設定される。リチウムイオン二次電池では、低温で充電した場合、正極から出たリチウムイオンが負極に吸収されにくくなり、リチウム金属が析出しやすくなる。析出したリチウム金属がセパレータをつき破るような事故が発生するおそれが生じる。また、高温で充電した場合、充電電流による温度上昇が環境温度に加わり、電池が高温となり、セパレータの機能が維持できなくなり、事故が発生するおそれが生じる。

従来のニッケル水素電池、またはニッケルカドミウム電池を定電流で充電する充電装置において、一定時間当たりの電池表面温度が急激に上昇することを温度検出素子によって検出し、充電完了の時期を検出すること（所謂ΔＴ検出方式）が行われている。例えば下記の特許文献１には、ΔＴ検出方式おける温度の影響によって正しく充電されない問題を解決するために、温度変化率に応じて満充電時の基準電圧値を補正することが記載されている。

特開平７−１５８８５号公報

特許文献１に記載の発明は、充電温度範囲以外でリチウムイオン二次電池を充電した場合の問題点を解決するものではない。さらに、電池の温度を検出する場合に、充電によって発生する電池の発熱や、充電器の回路から発する熱に対して考慮を払わないと、高精度に電池の温度を検出することができない。

したがって、この発明の目的は、充電温度範囲における充電を確実に行うことかできる充電装置および充電方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、この発明は、二次電池または電池パックの温度に対応する温度情報が入力され、
温度が設定された充電温度範囲内の場合に、充電電流を二次電池または電池パックに供給し、
温度が設定された充電温度範囲外の場合に、充電電流を遮断するようにした充電装置である。

充電温度範囲をさらに複数の領域に分割し、
分割された領域の何れに温度が属するかを判定するようにしても良い。

好ましくは、充電電流を一定の期間の周期でＯＮ／ＯＦＦし、
少なくとも充電電流がＯＦＦしている期間に検出される温度が充電温度範囲内か否かを判定する充電装置である。

好ましくは、ＯＮ期間に検出した温度を利用して充電制御を行うようにしても良い。その場合、充電電流がＯＮしている期間に検出される第１の温度と、充電電流がＯＦＦしている期間に検出される第２の温度との差がしきい値以下である場合に、第１の温度および第２の温度のそれぞれが充電温度範囲内か否かを判定し、第１の温度と、第２の温度との差がしきい値より大である場合に、第２の温度が充電温度範囲内か否かを判定する。
この場合、第１および第２の温度に対する充電温度範囲が別々に設定されることが望ましい。

リチウムイオン二次電池のように、定電流充電動作を行い、次に定電圧充電動作を行う充電制御において、定電圧充電動作時にのみ、温度が充電温度範囲内か否かを判定するようになされる。

さらに、この発明は、二次電池または電池パックの温度に対応する温度情報が入力され、
温度が設定された充電温度範囲内の場合に、充電電流を二次電池または電池パックに供給し、
温度が設定された充電温度範囲外の場合に、充電電流を遮断するようにした充電方法である。

この発明は、異常な環境温度条件下における充電を防止するのみならず、充電中に異常発熱が生じた際にも充電を停止させることができ、事故につながるおそれがある電池性能の劣化を回避することができる。さらに、この発明では、電池温度を正確に検出することができるので、充電温度範囲では、確実に満充電まで充電を継続することができ、充電不足を防止することができる。

以下、この発明の第１の実施の形態について図１を参照して説明する。なお、以下に説明する一実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

参照符号１で示す電池パックと、参照符号４で示す充電器とが接続され、電池パック１の二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）ＢＡＴが充電される。電池パック１および充電器４とが正負の接続端子１ａ（＋），１ｂ（−）および４ａ（＋），４ｂ（−）と、制御端子１ｃ（Ｔ）および４ｃ（Ｔ）とを介して接続される。制御端子１ｃおよび４ｃは、電池パック１の温度情報を充電器４に供給すると共に、充電器４に対して電池パック１が接続されたことを識別するために使用される。これらの接続端子は、通常、機械的接触端子の構成とされ、充電器４に対して電池パック１が装着されると、接続状態とされる。

電池パック１の正極端子１ａが充電制御スイッチ２ａを介して二次電池ＢＡＴの正極と接続され、二次電池ＢＡＴの負極が電池パック１の負極端子１ｂと接続される。充電制御スイッチ２ａは、保護ＩＣ(Integrated Circuit)２ｂによってそのＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される。スイッチ２ａがＯＮする状態で充電電流によって充電動作がなされ、スイッチ２ａがＯＦＦすることによって充電電流が遮断され、充電が停止される。

図１における電池パック１の構成は、簡略化されたものであり、図示しないが、放電制御スイッチが充電制御スイッチ２ａと直列に接続され、保護ＩＣ２ｂによってそのＯＮ／ＯＦＦ動作が制御される。充電制御スイッチ２ａおよび放電制御スイッチが電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと適宜称する）によって構成されている。これらのＦＥＴのそれぞれのドレイン・ソース間には、寄生ダイオードが存在する。寄生ダイオードを通じて電流が流れるようになされる。

保護ＩＣ２ｂによって、過充電、過放電、または過電流から二次電池ＢＡＴを保護する保護機能がある。保護動作について説明すると、保護ＩＣ２ｂが過充電を検出すると、充電制御スイッチ２ａをＯＦＦする制御信号が保護ＩＣ２ｂによって生成される。充電器４からの充電電流が遮断される。この保護動作によって充電器４の故障等による過充電状態を回避できる。

また、充電器４に代えて電池パック１に負荷が接続されており、二次電池ＢＡＴが過放電状態になった場合は、二次電池ＢＡＴが故障する場合がある。保護ＩＣ２ｂは、電池電圧がある電圧値（例えば２．７Ｖ）以下になったことを検出し、放電制御信号によって図示しない放電制御スイッチを制御して放電電流を遮断する。さらに、電池の＋−端子間が短絡された場合には、大電流がながれてしまい、異常発熱する危険性がある。放電電流がある電流値以上流れた場合には、保護ＩＣ２ｂが放電電流を遮断する。

これらの保護機能は、従来の電池パックが備えるものと同様である。この発明の第１の実施の形態では、電池パック１の温度検出素子として例えばサーミスタ３が備えられている。サーミスタ３の一端が制御端子１ｃと接続され、その他端が接続端子１ｂと接続される。サーミスタ３は、温度変化に対する抵抗値Ｒｔの変化が負となる特性を有している。サーミスタ３は、電池パック１内に配置されるか、電池パック１の外側のケース表面に貼り付けられる。さらに、充電器４の内部に温度検出素子を内蔵して、間接的に電池パック１の温度を検出するようにしても良い。さらに、環境温度を検出して異常な温度環境を検出するようにしても良い。なお、温度検出素子としては、負特性のサーミスタ以外に温度変化に対する抵抗変化が正の傾きを有する素子例えばＰＴＣ(Positive Temperature Coefficient ）を使用しても良い。

充電器４は、直流電源５、充電制御スイッチ６および充電制御部７を有する。直流電源５は、充電電源を出力として発生するもので、正の出力端子が充電制御スイッチ６を介して端子４ａに接続され、負の出力端子が端子４ｂに接続される。直流電源５は、具体的には、商用電源１００Ｖ〜２４０Ｖを直流電源に変換するスイッチング電源、直流電圧源から充電用の電圧例えばリチウムイオン電池充電用の４．２Ｖを発生するＤＣ―ＤＣコンバータ等の種々の形態が可能である。充電制御スイッチ６としては、ＦＥＴ、リレーのスイッチ等を使用できる。

充電制御部７は、マイクロコンピュータによって構成され、充電制御スイッチ６をＯＮ／ＯＦＦ制御するための制御信号を出力する。なお、充電器４は、電池パック１内の二次電池ＢＡＴを適切に充電するための充電制御を行う。図示しないが、二次電池ＢＡＴ例えばリチウムイオン２次電池を定電流充電と定電圧充電とを組合せた方法で充電する。例えば例えば電池電圧が４．１Ｖ以下の領域では、所定の充電電流によって定電流充電を行う。電池電圧が４．１Ｖより大きくなると、充電器４が定電圧制御の動作を行い、次第に充電電流が減少する。電池電圧が充電器４の出力電圧（４．２Ｖ）に向かって上昇する。そして、充電器４の出力電圧と電池電圧との差電圧が所定の値になったこと、または充電電流が所定値以下になったことを検出すると、充電が完了する。このような充電制御は、充電制御部７によってなされる。但し、図１では、充電制御のための構成については省略されている。

充電制御部７に対してコンパレータＴＨ１およびＴＨ２から比較出力Ｔ１およびＴ２がそれぞれ供給される。基準電圧Ｖref２（固定値）が抵抗Ｒ１、Ｒ２およびＲ３の直列回
路の一端に供給される。抵抗直列回路の他端が接地される。抵抗Ｒ１およびＲ２の接続中点から充電温度範囲の低温側の温度しきい値に対応する基準電圧Ｖ１が取り出され、基準電圧Ｖ１がコンパレータＴＨ１の一方の入力端子（非反転入力端子）に供給される。抵抗Ｒ２およびＲ３の接続中点から充電温度範囲の低温側の温度しきい値に対応する基準電圧Ｖ２が取り出され、基準電圧Ｖ２がコンパレータＴＨ２の他方の入力端子（反転入力端子）に供給される。

基準電圧Ｖref１（固定）が抵抗Ｒｏと端子４ｃと端子１ｃとサーミスタ３を介して接
地ラインに接続される。抵抗Ｒｏとサーミスタ３が直列に接続され、抵抗Ｒｏおよびサーミスタ３の接続中点の電圧（検出電圧と適宜称する）ＶｒがコンパレータＴＨ１の他方の入力端子およびコンパレータＴＨ２の一方の入力端子にそれぞれ供給される。したがって、検出電圧Ｖｒの値は、下記の式で表され、例えば図３に示すように、検出温度に対して変化する。

Ｖｒ＝Ｖref１×（Ｒｔ／（Ｒｏ＋Ｒｔ））

すなわち、サーミスタ３が負特性を有するので、温度上昇にしたがって検出電圧Ｖｒ（抵抗Ｒｔ）の値が減少する。基準電圧Ｖ１は、充電温度範囲の低温側のしきい値例えば０°Ｃに対応し、基準電圧Ｖ２は、充電温度範囲の高温側のしきい値例えば＋４５°Ｃに対応するように設定される。

コンパレータＴＨ１は、基準電圧Ｖ１および検出電圧Ｖｒを比較し、（Ｖｒ＞Ｖ１）の場合に比較出力信号Ｔ１がローレベル（以下Ｌと適宜称する）となり、（Ｖｒ≦Ｖ１）の場合に比較出力信号Ｔ１がハイレベル（以下Ｈと適宜称する）となる。コンパレータＴＨ２は、基準電圧Ｖ２および検出電圧Ｖｒを比較し、（Ｖｒ≧Ｖ２）の場合に比較出力信号Ｔ２がＨとなり、（Ｖｒ＜Ｖ２）の場合に比較出力信号Ｔ２がＬとなる。

したがって、コンパレータＴＨ１およびＴＨ２は、ウインドウコンパレータとして機能し、下記の関係の出力信号を発生する。
（Ｖｒ＞Ｖ１）の場合、Ｔ１＝Ｌ、Ｔ２＝Ｈ
（Ｖ２≦Ｖｒ≦Ｖ１）の場合、Ｔ１＝Ｈ、Ｔ２＝Ｈ
（Ｖｒ＜Ｖ２）の場合、Ｔ１＝Ｈ、Ｔ２＝Ｌ

充電制御部７は、コンパレータＴＨ１およびＴＨ２のそれぞれの比較出力信号Ｔ１およびＴ２を受け取って、電池パック１の温度が充電温度範囲内にあるか否かを判断する。電池パック１の温度が充電温度範囲内にあると判断すると、充電制御スイッチ６をＯＮとする制御信号を充電制御スイッチ６に供給する。電池パック１の温度が充電温度範囲外と判断すると、充電制御スイッチ６をＯＦＦとする制御信号を充電制御スイッチ６に供給する。

一例として、充電温度範囲の低温しきい値が０°Ｃに設定され、高温しきい値が４５°Ｃに設定される。さらに、Ｖref１＝Ｖref２＝２．５Ｖ、Ｒｏ＝１００ｋΩと設定される。この場合では、一例として下記のように各素子の値が設定される。

サーミスタ３の抵抗値Ｒｔ：０°Ｃの時で３５７ｋΩ
検出電圧Ｖｒ：２．５Ｖ÷（１００ｋ＋３５７ｋ）×３５７ｋ＝１．９５Ｖ
よって、Ｖ１（低温しきい値）が１．９５Ｖに設定される。
サーミスタ３の抵抗値Ｒｔ：４５°Ｃの時で４１ｋΩ
検出電圧Ｖｒ：２．５Ｖ÷（１００ｋ＋４１ｋ）×４１ｋΩ＝０．７３Ｖ
よって、Ｖ２（高温しきい値）が０．７３Ｖに設定される。

基準電圧Ｖ１およびＶ２は、表１に示す計算式で表され、図３の温度対基準電圧Ｖｒとの相関図を基に、表２の手順で抵抗Ｒ１，Ｒ２およびＲ３の値を導くことができる。

上述した設定を行った充電器４に対して電池パック１を装着し、その時の電池パック１の温度を１５°Ｃとすると、各電圧が下記のものとなる。

サーミスタ３の抵抗値Ｒｔ：１５°Ｃの時で１６３ｋΩ
検出電圧Ｖｒ：＝２．５Ｖ÷（１００ｋ＋１６３ｋ）×１６３ｋ＝１．５５Ｖ
コンパレータＴＨ１の反転入力＝１．５５Ｖ、非反転入力＝１．９５Ｖ、したがって、出力Ｔ１＝Ｈとなる。
コンパレータＴＨ２の非反転入力＝１．５５Ｖ、反転入力＝０．７３Ｖ、したがって、出力Ｔ２＝Ｈとなる。

すなわち、（０．７３Ｖ≦１．５５Ｖ≦１．９５Ｖ）の関係からコンパレータＴＨ１の出力信号Ｔ１がＨとなり、コンパレータＴＨ２の出力信号Ｔ２もＨとなる。充電制御部７は、二つのコンパレータＴＨ１およびＴＨ２の出力Ｔ１およびＴ２がＨになるので、充電温度範囲内であると判断し、充電制御スイッチ６をＯＮさせる制御信号が発生し、充電制御スイッチ６を通じて充電電流が電池パック１に対して供給される。充電動作中に温度が充電温度範囲から外れた場合には、一方のコンパレータの出力がＬとなるので、充電制御スイッチ６がＯＦＦとされて、充電が停止する。

この発明の第１の実施の形態の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される処理は、充電制御部７に含まれるマイクロコンピュータの制御によって実行される。ステップＳ１において、電池パック１が装着されているか否かが判定される。電池パック１が充電器４に装着されていない状態では、充電制御部７は、充電制御スイッチ６をＯＦＦ状態にしており、充電回路は開放状態にある。また、コンパレータＴＨ１の反転入力端子及びコンパレータＴＨ２の非反転入力端子に入力される電圧Ｖｒは、抵抗Ｒｏを通じて接続されている基準電圧Ｖref１になっている。

ここで、電池パック１が充電器４に装着されると、基準電圧Ｖref１が抵抗Ｒｏ、端子
４ｃ，１ｃ、電池パック１内のサーミスタ３を介して端子１ｂ（接地）に接続される。コンパレータＴＨ１の反転入力端子およびコンパレータＴＨ２の非反転入力端子に入力される検出電圧は、基準電圧Ｖref１を抵抗Ｒo とサーミスタ３の抵抗値Ｒｔで分圧した電圧
になる。例えば、基準電圧Ｖref１が２．５Ｖ、抵抗Ｒｏ＝１００ｋΩ、Ｒｔが１００ｋ
Ω（２５℃において）とすると、電池パック１の非装着時は２．５ＶがコンパレータＴＨ１およびＴＨ２の入力端子に供給され、電池パック１の装着時は２．５Ｖ÷（１００ｋ＋１００ｋ）×１００ｋ＝１．２５ＶがコンパレータＴＨ１およびＴＨ２の入力端子に供給される。

サーミスタ３の抵抗値Ｒｔは、周辺温度によって変動する素子なので、検出電圧値は、電池パック１の温度と相関関係を持つことになる。コンパレータＴＨ1 の非反転入力端子に供給される基準電圧Ｖ１を低温しきい値に相当する電圧値に設定しておくことで、検出電圧Ｖｒが基準電圧Ｖ１より低い時、すなわち、低温しきい値Ｖ１よりサーミスタ周辺温度が高い時にコンパレータＴＨ１の出力信号がＨとなる。

コンパレータＴＨ２の反転入力に接続された基準電圧Ｖ２を高温しきい値に相当する電圧値に設定しておくことで、検出電圧Ｖｒが基準電圧Ｖ２より高い時、すなわち、高温しきい値Ｖ２よりサーミスタ周辺温度が低い時にコンパレータＴＨ２の出力信号がＨとなる。ステップＳ２において、コンパレータＴＨ1 とＴＨ2 の両方がＨ信号となることによって、充電温度範囲内にあることが確認される。

ステップＳ２において、検出温度が充電温度範囲の外と判断されると、ステップＳ３において充電制御スイッチ６がＯＦＦとされ、充電が停止される。ステップＳ３の後に処理がステップＳ２に戻り、温度の確認が行われる。

ステップＳ２において、検出温度が充電温度範囲内であること、すなわち、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｈであることが確認されると、ステップＳ４において、充電制御スイッチ６がＯＮとされる。そして、ステップＳ５において、充電動作がなされる。

充電動作中でも、ステップＳ６において、電池パック１の温度が充電温度範囲内であるか否かが監視されている。若し、充電中の温度が充電温度範囲から外れた場合、コンパレータＴＨ１およびＴＨ２の何れか一方の比較出力がＬとなり、充電制御部７が充電制御スイッチ６をＯＦＦとし、充電を停止させる（ステップＳ３）。

ステップＳ６において、電池パック１の検出温度が充電温度範囲内にあることが検出されると、充電動作がなされ、ステップＳ７において、満充電か否かが判断される。満充電か否かは、充電器４の出力電圧と、二次電池ＢＡＴの電圧との差が所定値以下になったことから検出できる。或いは充電電流が所定値以下になったことから満充電を検出することができる。

ステップＳ７において満充電が検出されると、ステップＳ８において、充電制御スイッチ６がＯＦＦとされて充電動作が終了する。このような一連の動作によって、この発明の第１の実施の形態は、充電中の異常発熱時や異常な環境温度下での充電を防止することが可能となる。

なお、充電温度範囲の温度の上下限設定値は、二次電池ＢＡＴの特性により安全域が異なるので、一概には言えないが、概ね０°Ｃから４５°Ｃが一般的と考えられる。しかしながら、この発明は、かかる具体的充電温度範囲に限定されるものではなく、各々の充電器が対象とする二次電池の特性から安全領域が設定されるものである。

図４は、この発明の第２の実施の形態の構成を示す。第１の実施の形態と相違する点は、検出電圧Ｖｒを充電制御部７Ａに対してコンパレータを介さずに直接的に供給する点である。充電制御部７Ａは、Ａ／Ｄコンバータを有し、Ａ／Ｄコンバータによってアナログの検出電圧Ｖｒをデジタル信号に変換し、検出電圧Ｖｒが設定された電圧範囲内に含まれるか否かをソフトウェア処理で判定するものである。検出電圧Ｖｒが充電温度範囲内に存在する場合に、充電制御スイッチ６をＯＮする制御信号を発生することは、第１の実施の形態と同様である。

次に、この発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、電池パック１の温度を正確に検出するための改良を行っている。すなわち、充電中に検出する温度には、充電器４からのあおり熱が加わっていたり、電池パック内の保護回路の熱が加わっており、正確に電池パック１の温度が検出されないという問題があった。特に、二次電池ＢＡＴに供給する充電電流が比較的大きな充電器においては、二次電池ＢＡＴの自己発熱に加え電池パック内の保護ＩＣの部品発熱や充電器側の回路熱が大きく影響し、電池パック全体の温度は上昇し易い傾向にある。

安全性を考慮する際、最も重要で監視すべきは、二次電池ＢＡＴの温度であって、極力周辺回路の熱の影響を排除し正確な温度を検出することが望ましい。第３の実施の形態は、ある一定周期で充電をＯＮ/ ＯＦＦさせ、充電をＯＦＦしている期間に温度検出を行うことで、正確な温度検出を行うものである。充電をＯＦＦした場合、充電器の回路および電池保護回路への電流供給がないので、部品温度の上昇が抑えられ、熱あおりを抑えることが可能となる。この期間にサーミスタが検知する温度は、殆ど二次電池ＢＡＴ（電池セル）自体の温度であり、二次電池の安全性をより正確に判定できる。

第３の実施の形態の処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。電池パック１および充電器４の基本的構成は、図１または図４と同様である。このフローチャートに示される処理は、充電制御部７（または７Ａ）に含まれるマイクロコンピュータの制御によって実行される。

ステップＳ１１において、電池パック１が装着されているか否かが判定される。電池パック１が充電器４に装着されていない状態では、充電制御部７は、充電制御スイッチ６をＯＦＦ状態にしており、充電回路は開放状態にある。ここで、電池パック１が充電器４に装着されると、ステップＳ１２において、電池パック１の温度が充電温度範囲内にあるか否かが判断される。温度確認処理は、上述した第１の実施の形態と同様になされる。

ステップＳ１２において、検出温度が充電温度範囲の外と判断されると、ステップＳ１３において充電制御スイッチ６がＯＦＦとされ、充電が停止（充電電流が遮断）される。ステップＳ１３の後に処理がステップＳ１２に戻り、温度の確認が行われる。

ステップＳ１２において、検出温度が充電温度範囲内であることが確認されると、ステップＳ１４において、充電制御スイッチ６がＯＮとされる。そして、ステップＳ１５において、充電動作がなされる。

ステップＳ１６において、満充電か否かが判断される。満充電か否かは、充電器４の出力電圧と、二次電池ＢＡＴの電圧との差が所定値以下になったことから検出できる。或いは充電電流が所定値以下になったことから満充電を検出することができる。

ステップＳ１６において、満充電でないと検出されると、ステップＳ１７において、充電スイッチ６が周期的にＯＦＦとされる。すなわち、温度判断の周期でもって充電スイッチ６がＯＦＦとされる。例えば３分間、連続して充電動作を行った後に、３秒間、充電スイッチ６をＯＦＦする。充電スイッチ６のＯＦＦ期間において、ステップＳ１８の温度確認がなされる。

ステップＳ１８の判断の結果、若し、充電中の温度が充電温度範囲から外れた場合、充電制御部７が充電制御スイッチ６をＯＦＦとし、充電を停止させる（ステップＳ１３）。電池パック１の温度が充電温度範囲内にあると、ステップＳ１８において確認されると、ステップＳ１４（充電スイッチ６のＯＮ）に処理が戻り、引き続き充電動作がなされる。

ステップＳ１６において満充電が検出されると、ステップＳ１９において、充電制御スイッチ６がＯＦＦとされて充電動作が終了する。このような一連の動作によって、この発明の第３の実施の形態は、充電中の異常発熱時や異常な環境温度下での充電を防止することが可能となる。さらに、充電電流をＯＦＦした時の電池パック１の温度を検出するので、充電器４からの熱の影響、並びに電池パック１内の保護回路の熱の影響を少なくでき、正確な温度検出を行うことができる。

正確な温度検出を可能とする第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は、温度検出を充電ＯＦＦの期間だけでなく、充電ＯＮ期間にも行い、ＯＮ期間とＯＦＦ期間の温度差がある設定値以下である場合には、ＯＮ期間の温度も充電可否の判定に使用するものである。

図６に示すように、検出電圧Ｖｒと比較される基準電圧がＯＮ期間に使用されるものと、ＯＦＦ期間に使用されるものとがスイッチ８および９によって切り替えられる。スイッチ８および９は、充電制御部７Ｂからの温度設定制御信号によって切り替えられる。

固定の基準電圧Ｖref２と接地間に抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびＲ５の直列回路
が挿入され、抵抗同士の接続点が導出される。抵抗Ｒ１およびＲ２の接続点から基準電圧Ｖ１が取り出され、抵抗Ｒ２およびＲ３の接続点から基準電圧Ｖ２が取り出され、抵抗Ｒ３およびＲ４の接続点から基準電圧Ｖ３が取り出され、抵抗Ｒ４およびＲ５の接続点から基準電圧Ｖ４が取り出される。Ｖ４＜Ｖ３＜Ｖ２＜Ｖ１の関係がある。

充電ＯＮ期間における電池パック１の温度は、充電ＯＦＦ期間における電池パック１の温度に比して高い。したがって、基準電圧Ｖ１およびＶ３が充電ＯＦＦ期間における低温側しきい値および高温側しきい値をそれぞれ規定するように設定され、基準電圧Ｖ２およびＶ４が充電ＯＮ期間における低温側しきい値および高温側しきい値をそれぞれ規定するように設定される。スイッチ８および９によって、充電ＯＦＦ期間では、基準電圧Ｖ１およびＶ３がそれぞれコンパレータＴＨ１およびＴＨ２の反転入力端子に供給され、充電ＯＮ期間では、基準電圧Ｖ２およびＶ４がそれぞれコンパレータＴＨ１およびＴＨ２の反転入力端子に供給される。

第１の実施の形態と同様に、電池パック１のサーミスタ３により検出された検出電圧ＶｒがコンパレータＴＨ１およびＴＨ２のそれぞれの非反転入力端子に供給される。検出電圧Ｖｒが基準電圧Ｖ１およびＶ３の範囲内にある場合には、コンパレータＴＨ１の出力信号Ｔ１がＬとなり、コンパレータＴＨ２の出力信号Ｔ２がＨとなる。同様に、検出電圧Ｖｒが基準電圧Ｖ２およびＶ４の範囲内にある場合には、コンパレータＴＨ１の出力信号Ｔ１がＬとなり、コンパレータＴＨ２の出力信号Ｔ２がＨとなる。

充電制御部７Ｂに対してコンパレータＴＨ１の出力信号Ｔ１とコンパレータＴＨ２の出力信号Ｔ２とが供給される。充電制御部７Ｂは、充電ＯＮ期間と充電ＯＦＦ期間のそれぞれにおいて、電池パック１の温度が設定された充電温度範囲内に入っているか否かを判断することができる。さらに、充電制御部７Ｂに対して、検出電圧Ｖｒが供給され、充電ＯＮ期間の電池パック１の温度Ｔonおよび充電ＯＦＦ期間の電池パック１の温度Ｔoff とを充電制御部７Ｂが検出し、これらの差の大小を判断するようになされている。

ＯＮ期間とＯＦＦ期間の温度差が小さいということは、充電電流印加によって生じる回路、部品による熱が比較的小さいので、二次電池ＢＡＴに対する熱の影響が少ないと推定できる。したがって、この場合には、ＯＮ期間に検出した温度あっても、電池パック１の温度を比較的正確に反映しているので、温度確認に使用できる。ＯＮ期間およびＯＦＦ期間の両方の期間、温度検知を行うことで、より瞬時に異常発熱を検知し充電を停止させることが可能となる。

ただし、熱あおりの影響は小さいというものの、全く影響がないということではないので、ＯＮ期間とＯＦＦ期間で温度しきい値（基準電圧Ｖ１〜Ｖ４）を上述したように、各々設定している。

図７のフローチャートを参照してこの発明の第４の実施の形態の動作について説明する。ステップＳ２１において、電池パック１が装着されているか否かが判定される。電池パック１が充電器４に装着されていない状態では、充電制御部７は、充電制御スイッチ６をＯＦＦ状態にしており、充電回路は開放状態にある。ここで、電池パック１が充電器４に装着されると、ステップＳ２２において、電池パック１の温度が充電温度範囲内にあるか否かが判断される。この温度確認処理においては、充電ＯＦＦ時の温度しきい値（基準電圧Ｖ１およびＶ３）が使用される。

ステップＳ２２において、検出温度が充電温度範囲の外と判断されると、ステップＳ２３において充電制御スイッチ６がＯＦＦとされ、充電が停止される。ステップＳ２３の後に処理がステップＳ２２に戻り、温度の確認が行われる。

ステップＳ２２において、検出温度が充電温度範囲内であることが確認されると、ステップＳ２４において、充電制御スイッチ６がＯＮとされる。そして、ステップＳ２５において、充電動作がなされる。

充電動作中に充電スイッチ６がＯＮの期間と充電スイッチ６がＯＦＦの期間とのそれぞれにおいて温度検出動作がなされる。温度検出動作は、一定周期で行われる。温度検出動作がなされると、検出された温度に応じて後の処理がなされる。ステップＳ２６において、検出電圧Ｖｒから充電ＯＮ時の温度Ｔonが検出される。検出された温度Ｔonが充電制御部７Ｂにおいて記憶される。ステップＳ２７において、充電スイッチ６がＯＦＦとされる。ステップＳ２８において、検出電圧Ｖｒから充電ＯＦＦ時の温度Ｔoff が検出される。検出された温度Ｔoff が充電制御部７Ｂにおいて記憶される。

ステップＳ２９において、温度差（Ｔon−Ｔoff ）が温度差のしきい値より小であるか否かが判定される。温度差がしきい値より小であると判定されると、ステップＳ３０において、温度しきい値が充電ＯＮ時の値（基準電圧Ｖ２およびＶ４）に設定される。そして、ステップＳ３１において、充電スイッチ６がＯＮとされる。

ステップＳ３２において、充電ＯＮ時の温度しきい値を使用して電池パック１の温度が充電温度範囲内にあるか否かの判定処理（温度確認処理）がなされる。ステップＳ３２の温度確認処理の結果、電池パック１の温度が充電温度範囲内にあると判定されると、ステップＳ３３において、温度しきい値が充電ＯＦＦ時の値（基準電圧Ｖ１およびＶ３）に設定される。そして、ステップＳ３４において、充電スイッチ６がＯＦＦとされる。ステップＳ３５において、充電ＯＦＦ時の温度しきい値を使用して電池パック１の温度が充電温度範囲内にあるか否かの判定処理（温度確認処理）がなされる。

ステップＳ２９において、温度差（Ｔon−Ｔoff ）が温度差のしきい値以上と判定された場合には、充電ＯＮ時の温度しきい値を使用した温度確認処理（ステップＳ３２）が省略され、ステップＳ３３、ステップＳ３４およびステップＳ３５の充電ＯＦＦ時の温度しきい値を使用した温度確認処理がなされる。さらに、ステップＳ３２およびＳ３５のそれぞれの温度確認処理において、電池パック１の検出温度が充電温度範囲外と判定された場合には、処理がステップＳ２３の充電停止に移る。

ステップＳ３６において、満充電か否かが判断される。満充電か否かは、充電器４の出力電圧と、二次電池ＢＡＴの電圧との差が所定値以下になったことから検出できる。或いは充電電流が所定値以下になったことから満充電を検出することができる。

ステップＳ３６において、満充電でないと検出されると、ステップＳ２５に処理が戻り、上述したステップＳ２６からステップＳ３５に至る一連の処理が繰り返される。ステップＳ３６において満充電が検出されると、充電制御スイッチ６がＯＦＦとされて充電動作が終了する。このような一連の動作によって、この発明の第４の実施の形態は、充電電流のＯＦＦ期間の温度に加えて、充電電流のＯＮ期間の温度も使用して温度確認を行うので、充電器４の熱の影響、並びに電池パック１内の保護回路の熱の影響を少なくでき、正確な温度検出を行うことができ、さらに、連続的に温度確認を行うことができる。

この発明の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、温度しきい値をより細かく区切って、電池パック１の温度に対して細かく充電条件を変化させることによって、充電不足を解消するものである。図８のようにコンパレータを必要な数だけ増やすことにより可能となる。

図８に示すように、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７の直列回路が設けられ、温度しきい値に対応する基準電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が生成される。コンパレータＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３，ＴＨ４が設けられ、それぞれの比較出力出力Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が充電制御部７Ｃに供給される。検出電圧ＶｒがコンパレータＴＨ１〜ＴＨ４のそれぞれの非反転入力端子に供給される。コンパレータＴＨ１の非反転入力端子には、スイッチ１０により選択された基準電圧Ｖ１およびＶ２の一方が供給され、コンパレータＴＨ４の非反転入力端子には、スイッチ１１により選択された基準電圧Ｖ５およびＶ６の一方が供給される。

基準電圧Ｖ１およびＶ２は、充電温度範囲の低温側しきい値に対応し、基準電圧Ｖ５およびＶ６が充電温度範囲の高温側しきい値に対応している。基準電圧Ｖ３，Ｖ４によって充電温度範囲が３個の領域に分割される。したがって、電池パック１の検出された温度（検出電圧Ｖｒ）が充電温度範囲内の分割された領域の何れに存在しているかをコンパレータＴＨ１〜ＴＨ４の出力信号Ｔ１〜Ｔ４から充電制御部７Ｃが判断することができる。スイッチ１０および１１により上限または下限の温度しきい値を切り替えることによって、電池パック１の二次電池ＢＡＴの種類、特定等に応じて充電温度範囲を設定することができる。

図９に示すような温度特性を有するサーミスタ３を使用した場合、検出電圧ＶｒおよびＶ１〜Ｖ６の各電圧の計算式を表３に示し、温度しきい値に対応する抵抗Ｒ１〜Ｒ７および抵抗の合計値を表４に示す。

上述の設定値の場合、温度しきい値が（−５°Ｃまたは０°Ｃ、１５°Ｃ、４５°Ｃ、５０°Ｃまたは６０°Ｃ）に設定される。このように、充電温度範囲を複数の領域に分割することによって、領域によって充電方式を切り替えたり、充電電圧（充電器４の出力電圧）を切り替えることができ、適切な充電を行うことができる。

次に、この発明の第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態は、リチウムイオン二次電池の充電に対して適用して好適なものである。リチウムイオン二次電池は、図１０に示すような特性でもって充電される。

充電方法として定電流充電と定電圧充電とを組合せたものが使用される。図１０に、４．２Ｖ、１Ａの定電流・定電圧制御特性を有する充電器で充電した場合のリチウムイオン電池充電特性を示す。図１０において、横軸が充電電流Ａであり、縦軸が電池電圧Ｖである。充電初期から電池電圧が例えば４．２Ｖに至るまでの期間は定電流制御の期間であり、一定電流（１Ａ）で充電が行われる。電池電圧が４．２Ｖに達すると、これ以上の電圧に上昇しない様に定電圧制御が働き、充電の進行と共に充電電流が低下する特性となる。この期間が定電圧制御期間である。

定電流制御から定電圧制御に移行する時点、すなわち電池電圧が４．２Ｖに達した時点で、電池容量はおおよそ７０％から８０％充電されている。リチウムイオン二次電池は、サイクル寿命が長いという特長を有しているが、充電中、特に４．２Ｖに至ってからの電池の発熱はサイクル寿命劣化に大きく影響することが知られている。この点を考慮して、第６の実施の形態は、電池電圧が４．２Ｖに至った後、つまり定電圧充電領域での温度管理を行うものである。定電流充電領域では温度検出を行わないので、充電制御部での処理が簡素化でき、マイクロコンピュータのプログラムのバグや充電制御の失敗の機会を抑制できる。

図１１は、この発明の第６の実施の形態の構成を示す。上述した第５の実施の形態の構成（図８）と同様の構成に対して、定電流充電と定電圧充電との判別のために、充電電流検出用の抵抗１２が充電電流路に挿入される。検出抵抗１２に生じる検出電圧Ｖｉが充電制御部７Ｄに供給され、充電制御部７Ｄが現在の充電の動作を判定する。

充電制御部７Ｄは、定電流定電圧充電制御の内、定電圧制御の期間のみ温度を検知する。第６の実施の形態の処理の流れを図１２のフローチャートに示す。図１２は、図７のフローチャートに対して、検出電圧Ｖｉ測定のステップＳ４１と定電流充電と定電圧充電とを判定するステップＳ４２を追加したものである。

充電動作（ステップＳ２５）を行っている時に、検出電圧Ｖｉが測定され（ステップＳ４１）、検出電圧Ｖｉから現在の状態が定電流充電（ＣＣ）と定電圧充電（ＣＶ）との何れであるかが判定される。定電流充電（ＣＣ）と判断されると、ステップＳ２５に戻り、充電動作が引き続きなされる。定電圧充電（ＣＶ）と判断されると、ステップＳ２６（ＯＮ期間の温度Ｔonの検出）に処理が移る。その後の処理は、図７を参照して説明したのと同様である。

この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、充電器４に対して電池パック１を接続するようにしているが、充電器４が電子機器の本体内に構成しても良い。さらに、この発明は、リチウムイオン二次電池以外のニッケル水素電池に対しても適用することができ、電池パックのように保護ＩＣを一体に有する構成に限らず、二次電池単体に対しても適用できる。

この発明の第１の実施の形態のブロック図である。 第１の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 第１の実施の形態に使用した温度検出素子の特性の一例を示すグラフである。 この発明の第２の実施の形態のブロック図である。 第３の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の第４の実施の形態のブロック図である。 第４の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の第５の実施の形態のブロック図である。 第５の実施の形態に使用した温度検出素子の特性の一例を示すグラフである。 リチウムイオン二次電池の充電特性を示すグラフである。 この発明の第６の実施の形態のブロック図である。 この発明の第６の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・電池パック
２ａ・・・充電制御スイッチ
２ｂ・・・保護ＩＣ
３・・・サーミスタ
ＢＡＴ・・・二次電池
４・・・充電器
５・・・直流電源
６・・・充電制御スイッチ
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ・・・充電制御部

Claims (12)

1. 二次電池または電池パックの温度に対応する温度情報が入力され、
   上記温度が設定された充電温度範囲内の場合に、充電電流を上記二次電池または電池パックに供給し、
   上記温度が設定された充電温度範囲外の場合に、充電電流を遮断するようにした充電装置。
2. 上記充電温度範囲をさらに複数の領域に分割し、
   分割された上記領域の何れに上記温度が属するかを判定する請求項１記載の充電装置。
3. 充電電流を一定の期間の周期でＯＮ／ＯＦＦし、
   少なくとも上記充電電流がＯＦＦしている期間に検出される温度が上記充電温度範囲内か否かを判定する請求項１記載の充電装置。
4. 充電電流を一定の期間の周期でＯＮ／ＯＦＦし、
   上記充電電流がＯＮしている期間に検出される第１の温度と、上記充電電流がＯＦＦしている期間に検出される第２の温度との差がしきい値以下である場合に、上記第１の温度および上記第２の温度のそれぞれが上記充電温度範囲内か否かを判定し、
   上記第１の温度と、上記第２の温度との差がしきい値より大である場合に、上記第２の温度が上記充電温度範囲内か否かを判定する請求項１記載の充電装置。
5. 上記第１および第２の温度に対する上記充電温度範囲が別々に設定される請求項４記載の充電装置。
6. 定電流充電動作を行い、次に定電圧充電動作を行う充電制御において、上記定電圧充電動作時にのみ、上記温度が上記充電温度範囲内か否かを判定する請求項１記載の充電装置。
7. 二次電池または電池パックの温度に対応する温度情報が入力され、
   上記温度が設定された充電温度範囲内の場合に、充電電流を上記二次電池または電池パックに供給し、
   上記温度が設定された充電温度範囲外の場合に、充電電流を遮断するようにした充電方法。
8. 上記充電温度範囲をさらに複数の領域に分割し、
   分割された上記領域の何れに上記温度が属するかを判定する請求項７記載の充電方法。
9. 充電電流を一定の期間の周期でＯＮ／ＯＦＦし、
   少なくとも上記充電電流がＯＦＦしている期間に検出される温度が上記充電温度範囲内か否かを判定する請求項７記載の充電方法。
10. 充電電流を一定の期間の周期でＯＮ／ＯＦＦし、
    上記充電電流がＯＮしている期間に検出される第１の温度と、上記充電電流がＯＦＦしている期間に検出される第２の温度との差がしきい値以下である場合に、上記第１の温度および上記第２の温度のそれぞれが上記充電温度範囲内か否かを判定し、
    上記第１の温度と、上記第２の温度との差がしきい値より大である場合に、上記第２の温度が上記充電温度範囲内か否かを判定する請求項７記載の充電方法。
11. 上記第１および第２の温度に対する上記充電温度範囲が別々に設定される請求項１０記載の充電方法。
12. 定電流充電動作を行い、次に定電圧充電動作を行う充電制御において、上記定電圧充電動作時にのみ、上記温度が上記充電温度範囲内か否かを判定する請求項７記載の充電方法。

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