JP2015171275A - 二次電池の充電装置および充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の内部抵抗値を直接考慮して充電終了条件を判定し、二次電池を確実に目標充電量まで充電することができる、二次電池の充電装置および充電方法を提供する。【解決手段】充電装置１００は、二次電池１に所定の一定電流Ｉｃｃを供給して当該二次電池１の閉回路電圧（ＣＣＶ）が所定の閾値電圧Ｖｃｃに到達するまで定電流充電（ＣＣ充電）を行った後、当該閾値電圧Ｖｃｃによって二次電池１の定電圧充電（ＣＶ充電）を行う。ＣＶ充電の終了条件は、充電電流をＩ、内部抵抗値をＲ、閾値電圧Ｖｃｃと目標充電量に対応する目標充電電圧Ｖｔａｒとの差をΔＶとして、Ｉ?Ｒ≰ΔＶによって定められる。【選択図】図３

Description

この発明は、二次電池の充電装置および充電方法に係り、特にＣＣＣＶ充電を行う二次電池の充電装置および充電方法に関する。

二次電池の充電方法として、はじめに定電流充電（ＣＣ充電）を行って二次電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）を所定の閾値電圧まで上昇させた後、定電圧充電（ＣＶ充電）を行って二次電池を目標充電量まで充電するＣＣＣＶ充電と呼ばれる方法がある。このＣＣＣＶ充電の充電終了条件としては、ＣＶ充電中の充電電流が所定の閾値電流以下になった場合に充電終了と判定するのが一般的である。特許文献１には、二次電池の内部抵抗値の温度依存性を考慮して、上記所定の閾値電流の値を調整する発明が記載されている。

特開２００２−５８１７１号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、高温時に閾値電流を低く調整し、低温時に閾値電流を高く調整しているのみであり、二次電池の内部抵抗値を直接考慮しているわけではない。二次電池の内部抵抗値は温度以外にも電池の劣化状態や充電量等にも依存するため、特許文献１の発明では、二次電池を目標充電量まで充電することができない場合がある。この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、二次電池の内部抵抗値を直接考慮して充電終了条件を判定し、二次電池を確実に目標充電量まで充電することができる、二次電池の充電装置および充電方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る二次電池の充電装置は、二次電池に所定の一定電流を供給して当該二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、当該閾値電圧によって二次電池の定電圧充電を行う充電装置において、二次電池に供給される充電電流を測定する充電電流測定手段と、二次電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、定電圧充電の終了条件を判定する終了条件判定手段とを備え、定電圧充電の終了条件は、充電電流をＩ、内部抵抗値をＲ、閾値電圧と所定の目標充電電圧との差をΔＶとして、
Ｉ×Ｒ≦ΔＶ
によって定められることを特徴とする。

定電圧充電の期間中において、内部抵抗値推定手段は二次電池の内部抵抗値を逐次推定し、終了条件判定手段は定電圧充電の終了条件を逐次判定してもよい。

閾値電圧を調整する閾値電圧調整手段をさらに備え、定電流充電の開始時において、内部抵抗値推定手段は二次電池の充電開始時における内部抵抗値を推定し、閾値電圧調整手段は当該充電開始時における内部抵抗値に基づいて閾値電圧を調整してもよい。

また、この発明に係る二次電池の充電方法は、二次電池に所定の一定電流を供給して当該二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、当該閾値電圧によって二次電池の定電圧充電を行う充電方法において、定電圧充電の終了条件は、二次電池に供給される充電電流をＩ、二次電池の内部抵抗値をＲ、閾値電圧と所定の目標充電電圧との差をΔＶとして、
Ｉ×Ｒ≦ΔＶ
によって定められることを特徴とする。

この発明に係る二次電池の充電装置および充電方法によれば、二次電池の内部抵抗値を直接考慮して充電終了条件を判定し、二次電池を確実に目標充電量まで充電することができる。

この発明の実施の形態に係る二次電池の充電装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る二次電池の充電装置によって実行されるＣＣＣＶ充電処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態に係るＣＣＣＶ充電処理の充電特性を示す図である。 この発明の実施の形態に係る二次電池のＳＯＣおよび温度と内部抵抗値との対応関係を与えるマップである。 この発明のその他の実施の形態に係るＣＣＣＶ充電処理の充電特性を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
この発明の実施の形態に係る二次電池の充電装置１００の構成を図１に示す。充電装置１００は、二次電池１に充電電流を供給する電源回路２と、二次電池１の端子電圧を測定する電圧センサ３と、二次電池１に供給される充電電流を測定する電流センサ４と、二次電池１の温度を測定する温度センサ６と、制御ユニット７とから構成されている。なお、制御ユニット７は、二次電池１に供給される充電電流を積算することによって、または、二次電池１の開回路電圧（ＯＣＶ）を使うことによって、二次電池１の充電量（ＳＯＣ）を算出するＳＯＣ推定部５を備える。

制御ユニット７は、マイクロコンピュータによって構成されており、電圧センサ３、電流センサ４、および温度センサ６から取得される測定値に基づいて電源回路２を制御することによって、図２のフローチャートに示されるＣＣＣＶ充電処理を実行する。以下、図２のフローチャートに示されるＣＣＣＶ充電処理における各ステップの詳細について順次説明する。

まず、ステップＳ１において、制御ユニット７は、時刻ｔ０において電源回路２から一定値Ｉｃｃの充電電流を出力させ、当該充電電流によって二次電池１の定電流充電（ＣＣ充電）を開始する（図３（ｂ）参照）。ＣＣ充電の期間中、二次電池１の閉回路電圧（ＣＣＶ）は時間の経過ともに上昇していき、また二次電池１のＳＯＣと相関関係にある開回路電圧（ＯＣＶ）も時間の経過とともに上昇していく（図３（ａ）参照）。

ステップＳ２において、制御ユニット７は、二次電池１の充電開始時における内部抵抗値Ｒｏを推定する。詳細には、ステップＳ１で電源回路２から二次電池１への充電電流の供給が開始される直前直後に電圧センサ３によって測定される二次電池１の端子電圧から、充電開始時における内部抵抗値Ｒｏを以下の式に従って推定する。

Ｒｏ＝（Ｖ”−Ｖ’）／Ｉｃｃ

ただし、上式において、Ｖ’は電流供給開始直前のＯＣＶ、Ｖ”は電流供給開始直後のＣＣＶである。

ステップＳ３において、制御ユニット７は、上記ステップＳ２で推定した内部抵抗値Ｒｏに基づいて、二次電池１の劣化度αを推定する。詳細には、制御ユニット７の内部メモリには、予め実験的に作成された図４に示されるようなマップが保存されている。図４（ａ）のマップは、製造直後の二次電池のＳＯＣおよび温度と内部抵抗値との対応関係を与えるものであり、図４（ｂ）のマップは、寿命を迎える直前の二次電池のＳＯＣおよび温度と内部抵抗値との対応関係を与えるものである。

例えば、充電開始時に、ＳＯＣ推定部５によって推定されるＳＯＣが０％、温度センサ６によって測定される温度が３０℃である場合には、図４（ａ）のＳＯＣ＝０％、温度＝３０℃に対応する内部抵抗値をＲｏ＿ｎｅｗ、図４（ｂ）のＳＯＣ＝０％、温度＝３０℃に対応する内部抵抗値をＲｏ＿ｏｌｄとして、以下の式に従って劣化度αを推定する。

α＝（Ｒｏ−Ｒｏ＿ｎｅｗ）／（Ｒｏ＿ｏｌｄ−Ｒｏ＿ｎｅｗ）

ステップＳ４において、制御ユニット７は、電圧センサ３によって測定される二次電池１のＣＣＶを取得し、ステップＳ５において、当該ＣＣＶと所定の閾値電圧Ｖｃｃとを比較し、ＣＣＶが閾値電圧Ｖｃｃに到達するまでステップＳ４〜Ｓ５を繰り返す。なお、閾値電圧Ｖｃｃは、二次電池１の過充電電圧よりも低く設定されている。

上記ステップＳ５において二次電池１のＣＣＶが閾値電圧Ｖｃｃに到達したと判定されると、ステップＳ６において、制御ユニット７は、電源回路２の出力電圧を閾値電圧Ｖｃｃに固定し、二次電池１の定電圧充電（ＣＶ充電）を開始する（図３（ａ）参照）。ＣＶ充電の期間中、電源回路２から出力される充電電流は時間の経過とともに減少していく（図３（ｂ）参照）。また、二次電池１のＣＣＶは閾値電圧Ｖｃｃのまま一定であるが、ＳＯＣと相関関係にあるＯＣＶは時間の経過とともに上昇していく（図３（ａ）参照）。

ステップＳ７において、制御ユニット７は、充電中の内部抵抗値の変化に対応するために、現時点における二次電池１の内部抵抗値Ｒを推定する。詳細には、上記ステップＳ３で推定された二次電池１の劣化度αと、ＳＯＣ推定部５によって推定される二次電池１のＳＯＣと、温度センサ６によって測定される二次電池１の温度とに基づいて、図４のマップを参照することによって、内部抵抗値Ｒを推定する。

例えば、ステップＳ３で算出された劣化度αが０．４、ＳＯＣ推定部５によって推定されるＳＯＣが６０％、温度センサ６によって測定される温度が６０℃である場合には、図４（ａ）のＳＯＣ＝６０％、温度＝６０℃に対応する内部抵抗値をＲ＿ｎｅｗ、図４（ｂ）のＳＯＣ＝６０％、温度＝６０℃に対応する内部抵抗値をＲ＿ｏｌｄとして、以下の式に従って内部抵抗値Ｒを推定する。

Ｒ＝Ｒ＿ｎｅｗ＋（Ｒ＿ｏｌｄ−Ｒ＿ｎｅｗ）×α

次に、ステップＳ８において、制御ユニット７は、電流センサ４によって測定される二次電池１に供給される充電電流Ｉを取得し、ステップＳ９において、以下の式によって定義される充電終了条件が成立するか否かを調べる。

Ｉ×Ｒ≦ΔＶ

ただし、上式において、ΔＶは閾値電圧Ｖｃｃと目標充電量に対応するＯＣＶである目標充電電圧Ｖｔａｒを用いて、以下の式によって定義される。なお、閾値電圧Ｖｃｃは、目標充電電圧Ｖｔａｒより大きい。

ΔＶ＝Ｖｃｃ−Ｖｔａｒ

上記ステップＳ９において充電終了条件が成立していない場合には、ステップＳ７に戻る。一方、充電成立条件が成立している場合には、ステップＳ１０において、電源回路２から二次電池１への充電電流の供給を停止させ、二次電池１の充電処理を終了する。

図３（ａ）に示されるように、ＣＶ充電中の各時点におけるＩ×Ｒの値は、その時点における二次電池１のＣＣＶとＯＣＶとの差に対応するものであり、ΔＶ＝Ｖｃｃ−Ｖｔａｒは、二次電池１が目標充電量まで充電された状態におけるＣＣＶ（＝Ｖｃｃ）とＯＣＶ（＝Ｖｔａｒ）との差を与えるものである。そのため、時刻ｔ１におけるＣＶ充電の開始直後においては、ＣＣＶとＯＣＶとの差であるＩ×Ｒの値はΔＶよりも大きく、充電が進行してＯＣＶが上昇していくに従ってＩ×Ｒの値が減少していく。そして、時刻ｔ２においてＯＣＶが目標充電電圧Ｖｔａｒに到達すると、Ｉ×Ｒ＝ΔＶとなる。

以上説明したように、この実施の形態に係る二次電池の充電装置１００では、ＣＶ充電の終了条件は、充電電流をＩ、内部抵抗値をＲ、閾値電圧Ｖｃｃと目標充電量に対応する目標充電電圧Ｖｔａｒとの差をΔＶとして、
Ｉ×Ｒ≦ΔＶ
によって定められる。これにより、二次電池１の内部抵抗値Ｒを直接考慮して充電終了条件を判定することができ、二次電池１を確実に目標充電量まで充電することができる。また、ＣＶ充電の期間中、内部抵抗値Ｒは逐次推定され、充電終了条件が逐次判定されるため、充電中の内部抵抗値Ｒの変化を考慮して、二次電池１を確実に目標充電量まで充電することができる。

その他の実施の形態．
一般に、二次電池の劣化が進行するとその内部抵抗値は増加する。図５（ａ）（ｂ）には、製造直後の内部抵抗値の小さな二次電池Ａの充電特性（Ｖａ、Ｉａ）と、劣化が進行した内部抵抗値の大きな二次電池Ｂの充電特性（Ｖｂ、Ｉｂ）とが示されている。図５（ａ）のＣＣ充電の期間中、劣化した二次電池ＢのＣＣＶ（Ｖｂ）は、その内部抵抗値が大きいことに起因して製造直後の二次電池ＡのＣＣＶ（Ｖａ）よりも高くなり、Ｖｂが閾値電圧Ｖｃｃに到達してＣＶ充電に移行するまでの期間τｂは、Ｖａが閾値電圧Ｖｃｃに到達してＣＶ充電に移行するまでの期間τａよりも短くなる。

二次電池の充電量は供給される充電電流の積算であり、図５（ｂ）の電流曲線と時間軸とで囲まれる部分の面積に相当するものであるから、劣化した二次電池Ｂの充電量と製造直後の二次電池Ａの充電量とが等しくなるためには、二次電池ＢのＣＶ充電期間Ｔｂは、二次電池ＡのＣＶ充電期間Ｔａよりも長くなる。その結果、劣化した二次電池Ｂの充電終了時間ｔｂは、製造直後の二次電池Ｂの充電終了時間ｔａよりも長くなってしまう。

この問題に対処するために、上記実施の形態における図２のステップＳ２において、二次電池１の劣化に起因して充電開始時における内部抵抗値Ｒｏが大きい場合には、図５（ａ）に示されるように、閾値電圧Ｖｃｃを過充電電圧を超えない範囲で高く調整してもよい。図５（ａ）（ｂ）には、閾値電圧をＶｃｃからＶｃｃ’に変更した場合における、劣化した二次電池Ｂの充電特性（Ｖｂ’、Ｉｂ’）が併せて示されている。図から見て取れるように、閾値電圧をＶｃｃ’に変更したことにより、ＣＶ充電に移行するまでの期間τｂ’が長くなり、それに伴ってＣＶ充電期間Ｔｂ’が短くなり、充電終了時間ｔｂ’を短縮することができる。

１ 二次電池、４ 電流センサ（充電電流測定手段）、７ 制御ユニット（内部抵抗値推定手段、終了条件判定手段、閾値電圧調整手段）、Ｉｃｃ 一定電流、Ｖｃｃ 閾値電圧、Ｉ 充電電流、Ｒ 内部抵抗値、Ｖｔａｒ 目標充電電圧、ΔＶ 閾値電圧と目標充電電圧との差、Ｒｏ 充電開始時の内部抵抗値。

Claims (4)

1. 二次電池に所定の一定電流を供給して該二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、該閾値電圧によって前記二次電池の定電圧充電を行う充電装置において、
   前記二次電池に供給される充電電流を測定する充電電流測定手段と、
   前記二次電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、
   前記定電圧充電の終了条件を判定する終了条件判定手段と
   を備え、
   前記定電圧充電の終了条件は、前記充電電流をＩ、前記内部抵抗値をＲ、前記閾値電圧と所定の目標充電量に対応する目標充電電圧との差をΔＶとして、
   Ｉ×Ｒ≦ΔＶ
   によって定められることを特徴とする、二次電池の充電装置。
2. 前記定電圧充電の期間中において、前記内部抵抗値推定手段は前記二次電池の内部抵抗値を逐次推定し、前記終了条件判定手段は前記定電圧充電の終了条件を逐次判定することを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の充電装置。
3. 前記閾値電圧を調整する閾値電圧調整手段をさらに備え、
   前記定電流充電の開始時において、前記内部抵抗値推定手段は前記二次電池の充電開始時における内部抵抗値を推定し、前記閾値電圧調整手段は該充電開始時における内部抵抗値に基づいて前記閾値電圧を調整することを特徴とする、請求項１または２に記載の二次電池の充電装置。
4. 二次電池に所定の一定電流を供給して該二次電池の閉回路電圧が所定の閾値電圧に到達するまで定電流充電を行った後、該閾値電圧によって前記二次電池の定電圧充電を行う充電方法において、
   前記定電圧充電の終了条件は、前記二次電池に供給される充電電流をＩ、前記二次電池の内部抵抗値をＲ、前記閾値電圧と所定の目標充電量に対応する目標充電電圧との差をΔＶとして、
   Ｉ×Ｒ≦ΔＶ
   によって定められることを特徴とする、二次電池の充電方法。

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