JP2016220279A - 充電制御装置、充電制御方法、およびバッテリーパック - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーの充電中に正極側若しくは負極側の劣化等を検出した場合に充電完了電圧を調節することにより、過充電による正極および負極へのダメージを低減し、バッテリー寿命を延ばすことができる充電制御装置を提供する。【解決手段】充電制御装置１０は、バッテリー２０の正極２１と参照極２３との電位差を正極側電圧として検出する正極側電圧モニタ１４と、バッテリー２０の負極２２と参照極２３との電位差を負極側電圧として検出する負極側電圧モニタ１５と、正極側電圧モニタが検出した正極側電圧と負極側電圧モニタが検出した負極側電圧とに基づいて、正極２１と負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、正極２１と負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、充電完了電圧の値を自動的に調節する充電制御部１１とを備える。【選択図】図５

Description

本実施の形態は、充電制御装置、充電制御方法、およびバッテリーパックに関する。

従来、例えばリチウムイオンバッテリーなどの二次電池は、充電電圧が所定の充電完了電圧（満充電電圧）に達するまで充電を行っている。充電完了電圧は、安全に充電することができる充電電圧の上限値であり、充電終止電圧を超える電圧で充電（過充電）すると、バッテリーの性能を劣化させるなどの原因となる。充電電圧が所定の充電完了電圧に達したか否かの判断は、バッテリーの正極−負極間の電位差をモニタすることで制御する。

一方、バッテリー電極として、正極と負極に加えて、参照極を備えるリチウムイオンバッテリーも開示されている。

特開平１１−６７２８０号公報 特開２００８−１０８４３５号公報

正極側若しくは負極側に劣化が生じたバッテリーを充電すると、劣化していない電極側に高い電圧がかかることになり、劣化していない電極も劣化してしまう原因となる。

本実施の形態は、バッテリーの充電中に正極側若しくは負極側の劣化等を精度よく検出することができるとともに、正極側若しくは負極側の劣化等を検出した場合に充電完了電圧を調節することにより、過充電による正極および負極へのダメージを低減し、バッテリー寿命を延ばすことができる充電制御装置、充電制御方法、およびバッテリーパックを提供する。

本実施の形態の一態様によれば、入力電源から供給される電力を充電用電力としてバッテリーに供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまで前記バッテリーの充電を行う充電制御装置であって、前記バッテリーの正極と参照極とに接続されるとともに、前記正極と前記参照極との電位差を正極側電圧として検出する正極側電圧モニタと、前記バッテリーの負極と前記参照極とに接続されるとともに、前記負極と前記参照極との電位差を負極側電圧として検出する負極側電圧モニタと、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、前記充電完了電圧の値を自動的に調節する充電制御部とを備える充電制御装置が提供される。

本実施の形態の他の態様によれば、バッテリーと、入力電源から供給される電力を充電用電力としてバッテリーに供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまで前記バッテリーの充電を行う充電制御装置であって、前記バッテリーの正極と参照極とに接続されるとともに、前記正極と前記参照極との電位差を正極側電圧として検出する正極側電圧モニタと、前記バッテリーの負極と前記参照極とに接続されるとともに、前記負極と前記参照極との電位差を負極側電圧として検出する負極側電圧モニタと、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、前記充電完了電圧の値を自動的に調節する充電制御部とを備える充電制御装置とを備えるバッテリーパックが提供される。

本実施の形態の他の態様によれば、入力電源から供給される電力を充電用電力としてバッテリーに供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまで前記バッテリーの充電を行う充電制御装置により実行される前記バッテリーの充電制御方法であって、前記バッテリーの正極と参照極とに接続される正極側電圧モニタによって、前記正極と前記参照極との電位差を正極側電圧として検出するステップと、前記バッテリーの負極と前記参照極とに接続される負極側電圧モニタによって、前記負極と前記参照極との電位差を負極側電圧として検出するステップと、充電制御部によって、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、前記充電完了電圧の値を自動的に調節するステップとを有する充電制御方法が提供される。

本実施の形態によれば、バッテリーの充電中に正極側若しくは負極側の劣化等を精度よく検出することができるとともに、正極側若しくは負極側の劣化等を検出した場合に充電完了電圧を調節することにより、過充電による正極および負極へのダメージを低減し、バッテリー寿命を延ばすことができる充電制御装置、充電制御方法、およびバッテリーパックを提供することができる。

比較例に係る充電制御装置の模式的ブロック構成図。 リチウムイオンバッテリー内部の充電反応と、バッテリー電圧の推移とを模式的に例示する説明図。 比較例に係る充電制御装置において、バッテリーの負極側が劣化した状態で充電した時の一例を示す説明図。 実施の形態に係る充電制御装置において、バッテリーの負極側が劣化した状態で充電した時の一例を示す説明図。 実施の形態に係る充電制御装置（制御ＩＣ）を備えたバッテリーパックの模式的ブロック構成図。 実施の形態の変形例１に係る充電制御装置（制御ＩＣ）を備えたバッテリーパックの模式的ブロック構成図。 実施の形態の変形例２に係る充電制御装置（制御ＩＣ）を備えたバッテリーパックの模式的ブロック構成図。 実施の形態の変形例３に係る充電制御装置（制御ＩＣ）を備えたバッテリーパックの模式的ブロック構成図。 比較例に係る充電制御装置によるバッテリーの充電制御方法の一例を示す概略フローチャート。 図９に例示したバッテリーの充電制御方法における充電特性の一例を示す概略図。 実施の形態に係る充電制御装置によるバッテリーの充電制御方法の一例を示す概略フローチャート。 図１１に例示したバッテリーの充電制御方法における充電特性例を示す概略図であって、（ａ）ＧＮＤ基準で正極と負極の電位を例示した図、（ｂ）参照極基準で正極と負極の電位を例示した図。

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[比較例]
比較例に係る充電制御装置の模式的ブロック構成は、図１に示すように表される。また、図２は、リチウムイオンバッテリー内部の充電反応とバッテリー電圧の推移とを模式的に例示しており、図３は、比較例に係る充電制御装置において、バッテリーの負極側が劣化した状態で充電した時の一例を模式的に示す。

比較例に係る充電制御装置１０は、入力電源２００から供給される電力を充電用電力としてバッテリー２０の正極２１に供給する充電制御装置であって、充電制御部１１と、電流モニタ１２と、正極−負極間電圧モニタ１３と、充電電流検出用抵抗１６と、制御用トランジスタ１９とを備える。

制御用トランジスタ１９のソースには入力電源２００が接続され、制御用トランジスタ１９のゲートは充電制御部１１に接続され、制御用トランジスタ１９のドレインは、充電電流検出用抵抗１６に接続される。

電流モニタ１２は、充電電流検出用抵抗１６の両端に接続され、充電電流検出用抵抗１６を通じてバッテリー２０の正極２１に流れる電流Ｉを検出し、検出した電流値Ｉを充電制御部１１に送る。バッテリー２０の負極２２側には、ＧＮＤ端子３０が接続され、ＧＮＤ端子３０は接地電圧に接続されている。

正極−負極間電圧モニタ１３は、バッテリー２０の正極２１側と負極２２側の両端に接続され、正極２１と負極２２の両端の合計電圧をバッテリー電圧ＶＢ（充電電圧）として充電制御部１１に送る。

充電制御部１１は、電流モニタ１２が検出した充電電流値と正極−負極間電圧モニタ１３が検出したバッテリー電圧ＶＢとから、充電電流Ｉあるいは充電電圧が所望の値になるように制御用トランジスタ１９のゲートに供給する電圧を制御する。

比較例に係る充電制御装置１０で用いられるリチウムイオンバッテリー２０のバッテリー電極は、正極２１（＋）と負極２２（−）との２端子構成となっているため、正極２１と負極２２の端子両端の合計電圧からバッテリー電圧ＶＢが判断される。より具体的には、図２に示すように、リチウムイオンバッテリー２０は、バッテリー内部でリチウムイオンＬｉ⁺が正極−負極間を移動することで電気が流れる（充放電する）仕組みになっている。充電時には、図２に示すように、正極２１の結晶構造からリチウムイオンＬｉ⁺が電解液中に抜け出し、負極２２の結晶層側に挿入される。充電が進むにつれて、正極２１側の電位と負極２２側の電位が上昇し、例えば、時刻ｔ５における正極２１側の電位Ｖｐ１と負極２２側の電位Ｖｎ１とが加算されたものがバッテリー電位ＶＢ１となる。

図３に示すように、例えば、負極２２の劣化により負極２２の出力可能な電位Ｖｎ２が低下したバッテリー２０を充電する場合、所定の充電完了電圧ＶＢ２まで充電するためには、劣化していない正極２１（出力可能な電位Ｖｐ２）に対して電位差ΔＶだけ高い電圧がかかることになり、劣化していない正極２１までもが劣化してしまう原因となる。バッテリー２０の正極２１若しくは負極２２に劣化が生じていても、その劣化を検出する手段と、劣化に応じた制御手段が備わっていなければ、バッテリー２０の寿命を低下させてしまう。

[実施の形態]
（充電制御装置および充電制御装置を備えたバッテリーパック）
実施の形態に係る充電制御装置１０（制御ＩＣ）を備えたバッテリーパック１００の模式的ブロック構成は、図５に示すように表される。また、図４は、実施の形態に係る充電制御装置１０において、バッテリー２０の負極２２側が劣化した状態で充電した時の一例を模式的に示している。

実施の形態においては、通常の正極２１、負極２２に加え、第３の電極である参照極２３をもつバッテリー２０を用いた充電制御装置１０において、正極２１−負極２２間をモニタすることで得られるバッテリー電圧ＶＢ以外に、正極２１−参照極２３間と負極２２−参照極２３間とをそれぞれモニタする。そして、正極２１−参照極２３間と負極２２−参照極２３間とをそれぞれモニタすることで得られる電圧値から、正極２１側若しくは負極２２側の劣化によって本来充電可能な電圧値Ｖｐ３、Ｖｎ３からの乖離がみられた場合、乖離した分の電位差ΔＶだけ充電完了電圧を引き下げる（充電完了電圧ＶＢ３に調節する）。これにより、正極２１、負極２２の双方へのダメージを低減し、結果としてバッテリー寿命を延ばすことができる。

実施の形態に係るバッテリーパック１００は、図５に示すように、バッテリー２０と、充電制御装置１０とを備える。

実施の形態に係る充電制御装置１０は、図５に例示するように、入力電源２００から供給される電力を充電用電力としてバッテリー２０の正極２１に供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまでバッテリー２０の充電を行うリニア方式の充電制御装置であって、充電制御部１１と、電流モニタ１２と、正極−負極間電圧モニタ１３と、正極側電圧モニタ１４と、負極側電圧モニタ１５と、充電電流検出用抵抗１６と、制御用トランジスタ１９とを備える。

制御用トランジスタ１９のソースには入力電源２００が接続され、ゲートは充電制御部１１に接続され、ドレインは、充電電流検出用抵抗１６に接続される。

電流モニタ１２は、充電電流検出用抵抗１６の両端に接続され、充電電流検出用抵抗１６を通じてバッテリー２０の正極２１に流れる電流（充電電流）Ｉを検出し、検出した電流値Ｉを充電制御部１１に送る。バッテリー２０の負極２２側には、ＧＮＤ端子３０が接続され、ＧＮＤ端子３０は接地電圧に接続されている。

正極−負極間電圧モニタ１３は、バッテリー２０の正極２１および負極２２に直接接続されるとともに、正極２１と負極２２の端子両端の合計電圧からバッテリー電圧ＶＢ（充電電圧）を検出して、検出したバッテリー電圧ＶＢを充電制御部１１に送る。

正極側電圧モニタ１４は、バッテリー２０の正極２１と参照極２３とに接続されるとともに、正極２１と参照極２３との電位差を正極２１側の電圧（正極側電圧）として検出し、検出した正極側電圧を充電制御部１１に送る。

負極側電圧モニタ１５は、バッテリー２０の負極２２と参照極２３とに接続されるとともに、負極２２と参照極２３との電位差を負極２２側の電圧（負極側電圧）として検出し、検出した負極側電圧を充電制御部１１に送る。

充電制御部１１は、電流モニタ１２が検出した充電電流値と、正極−負極間電圧モニタ１３が検出したバッテリー電圧ＶＢと、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電電流Ｉあるいは充電電圧が所望の値になるように制御用トランジスタ１９のゲートに供給する電圧をリニア制御し、充電電流検出用抵抗１６の抵抗値を変化させる（リニア方式）。

それとともに、充電制御部１１は、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電動作中に正極２１若しくは負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位がメモリ１７に予め格納された想定電位よりも低いか否かを判定し（図４に示した例では電位差ΔＶ）、正極２１と負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、想定電位との電位差ΔＶだけ充電完了電圧を自動的に引き下げる。言い換えれば、充電制御部１１は、例えば、負極２２側が劣化した場合、比較例のように劣化していない正極２１に対して電位差ΔＶを上乗せするのではなく、電位差ΔＶを差し引いた電圧値ＶＢ３に充電完了電圧を調節する。これにより、正極２１本来の出力可能な電位Ｖｐ３値の範囲内、および負極２２の劣化後の出力可能な電位Ｖｎ３値の範囲内で充電することができるので、劣化していない正極２１までもが劣化してしまうのを防止することができる。

また、実施の形態に係る充電制御装置１０は、正極２１−参照極２３間と負極２２−参照極２３間の両側の電圧をモニタしているため、バッテリー２０の異常状態をより正確に検出し、充電完了電圧を自動的に調節することにより、電極の劣化等を防止して、バッテリー２０をより長いサイクルで使用可能にする。

実施の形態に係る充電制御装置１０においては、バッテリー２０の正極２１および負極２２に直接接続された正極−負極間電圧モニタ１３により、バッテリー電圧ＶＢを検出したが、正極側電圧モニタ１４および負極側電圧モニタ１５がそれぞれ検出した正極側電圧および負極側電圧の合計値からバッテリー電圧ＶＢを算出しても良い。

（変形例１）
実施の形態の変形例１に係る充電制御装置１０は、図６に例示するように、入力電源２００から供給される電力を充電用電力としてバッテリー２０の正極２１に供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまでバッテリー２０の充電を行うスイッチング方式の充電制御装置である。

変形例１に係る充電制御装置１０は、充電制御部１１と、電流モニタ１２と、正極−負極間電圧モニタ１３と、正極側電圧モニタ１４と、負極側電圧モニタ１５と、充電電流検出用抵抗１６と、コイル２７と、ダイオード１８と、制御用トランジスタ１９とを備える。

制御用トランジスタ１９のソースには入力電源２００が接続され、ゲートは充電制御部１１に接続され、ドレインは、充電電流検出用抵抗１６に接続される。制御用トランジスタ１９は、スイッチングトランジスタとしても機能する。

コイル２７の一端は、制御用トランジスタ１９のドレインに接続され、コイル２７の他端は、充電電流検出用抵抗１６に接続される。また、制御用トランジスタ１９のドレインと接地電位間には、ダイオード１８が接続される。コイル２７とダイオード１８とから整流回路が形成される。なお、ダイオード１８の代わりに、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いることもできる。

上記以外の変形例１に係る充電制御装置１０を備えたバッテリーパック１００の各部の構成は、図５に例示した実施の形態の各部の構成と同様であるため、詳細な説明を省く。

充電制御部１１は、電流モニタ１２が検出した充電電流値と、正極−負極間電圧モニタ１３が検出したバッテリー電圧ＶＢと、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電電流Ｉあるいは充電電圧が所望の値になるように制御用トランジスタ１９のゲートに供給するパルス電圧のデューティ比を制御して制御用トランジスタ１９を交互にオン／オフさせ、充電電流検出用抵抗１６の抵抗値を変化させる（スイッチング方式）。

それとともに、充電制御部１１は、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電動作中に正極２１若しくは負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位がメモリ１７に予め格納された想定電位よりも低いか否かを判定し（図４に示した例では電位差ΔＶ）、正極２１と負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、想定電位との電位差ΔＶだけ充電完了電圧を自動的に引き下げる。

（変形例２）
実施の形態の変形例２に係る充電制御装置１０を備えたバッテリーパック１００は、図７に示すように、直列に配置されたＮ個（ここでＮは２以上の整数）のバッテリー２０−１・２０−２・…・２０−Ｎと、充電制御装置１０とを備える。

変形例２に係る充電制御装置１０は、入力電源２００から供給される電力を充電用電力としてバッテリー２０の正極２１に供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまでバッテリー２０の充電を行うリニア方式の充電制御装置であるが、リニア方式の代わりにスイッチング方式の充電制御を適用することにできる。

変形例２に係る充電制御装置１０は、図７に示すように、充電制御部１１と、電流モニタ１２と、正極−負極間電圧モニタ１３と、正極側電圧モニタ１４と、負極側電圧モニタ１５と、充電電流検出用抵抗１６と、制御用トランジスタ１９、スイッチ群４０とを備える。

スイッチ群４０は、直列に配置された複数のバッテリー２０−１・２０−２・…・２０−Ｎの各々の正極２１と負極２２と参照極２３とに接続されるとともに、複数のバッテリー２０−１・２０−２・…・２０−Ｎのうちの少なくとも１つ以上を、正極側電圧モニタ１４および負極側電圧モニタ１５に切り替え可能に接続する。

正極側電圧モニタ１４は、スイッチ群４０によって複数のバッテリー２０−１・２０−２・…・２０−Ｎのうちの少なくとも１つ以上に切り替え可能に接続されるとともに、接続されたバッテリーの正極２１と参照極２３との電位差を当該バッテリーの正極側電圧として検出し、検出した正極側電圧を充電制御部１１に送る。

同様に、負極側電圧モニタ１５は、スイッチ群４０によって複数のバッテリー２０−１・２０−２・…・２０−Ｎのうちの少なくとも１つ以上に切り替え可能に接続されるとともに、接続されたバッテリーの負極２２と参照極２３との電位差を当該バッテリーの負極側電圧として検出し、検出した負極側電圧を充電制御部１１に送る。

上記以外の変形例２に係る充電制御装置１０を備えたバッテリーパック１００の各部の構成は、図５に例示した実施の形態の各部の構成と同様であるため、詳細な説明を省く。

充電制御部１１は、電流モニタ１２が検出した充電電流値と、正極−負極間電圧モニタ１３が検出したバッテリー電圧ＶＢと、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電電流Ｉあるいは充電電圧が所望の値になるように制御用トランジスタ１９のゲートに供給する電圧をリニア制御し、充電電流検出用抵抗１６の抵抗値を変化させる。

それとともに、充電制御部１１は、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電動作中に正極２１若しくは負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位がメモリ１７に予め格納された想定電位よりも低いか否かを判定し（図４に示した例では電位差ΔＶ）、正極２１と負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、想定電位との電位差ΔＶだけ充電完了電圧を自動的に引き下げる。

（変形例３）
実施の形態の変形例３に係る充電制御装置１０を備えたバッテリーパック１００は、図８に示すように、直列に配置された２個のバッテリー２０−１・２０−２と、充電制御装置１０とを備える。なお、変形例３においては、説明を容易にするために２個のバッテリー２０−１・２０−２を備える例を示したが、変形例２と同様にＮ個（ここでＮは２以上の整数）のバッテリー２０−１・２０−２・…・２０−Ｎを備えることもできる。

変形例３に係る充電制御装置１０は、入力電源２００から供給される電力を充電用電力としてバッテリー２０の正極２１に供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまでバッテリー２０の充電を行うリニア方式の充電制御装置であるが、リニア方式の代わりにスイッチング方式の充電制御を適用することにできる。

変形例３に係る充電制御装置１０は、図７に示すように、充電制御部１１と、電流モニタ１２と、正極−負極間電圧モニタ１３と、正極側電圧モニタ１４と、負極側電圧モニタ１５と、充電電流検出用抵抗１６と、制御用トランジスタ１９、スイッチ４１，４２，４３を備えるスイッチ群４０とを備える。

スイッチ４１は、負極側電圧モニタ１５を、バッテリー２０−１の負極２２とバッテリー２０−２の負極２２とのうちのいずれか１つに接続させるように切り替え動作を行う。

スイッチ４２は、正極側電圧モニタ１４および負極側電圧モニタ１５を、バッテリー２０−１の参照極２３とバッテリー２０−２の参照極２３とのうちのいずれか１つに接続させるように切り替え動作を行う。

スイッチ４３は、正極側電圧モニタ１４を、バッテリー２０−１の正極２１とバッテリー２０−２の正極２１とのうちのいずれか１つに接続させるように切り替え動作を行う。

図８に示す例では、正極側電圧モニタ１４は、スイッチ４２・４３を介して、バッテリー２０−１の正極２１と参照極２３に接続されており、バッテリー２０−１の正極２１と参照極２３との電位差を当該バッテリーの正極側電圧として検出し、検出した正極側電圧を充電制御部１１に送る。また、負極側電圧モニタ１５は、スイッチ４１・４２を介して、バッテリー２０−１の負極２２と参照極２３に接続されており、バッテリー２０−１の負極２２と参照極２３との電位差を当該バッテリーの負極側電圧として検出し、検出した負極側電圧を充電制御部１１に送る。

上記以外の変形例３に係る充電制御装置１０を備えたバッテリーパック１００の各部の構成は、図７に例示した変形例２の各部の構成と同様であるため、詳細な説明を省く。

充電制御部１１は、電流モニタ１２が検出した充電電流値と、正極−負極間電圧モニタ１３が検出したバッテリー電圧ＶＢと、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電電流Ｉあるいは充電電圧が所望の値になるように制御用トランジスタ１９のゲートに供給する電圧をリニア制御し、充電電流検出用抵抗１６の抵抗値を変化させる。

それとともに、充電制御部１１は、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧と、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧とに基づいて、充電動作中に正極２１若しくは負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位がメモリ１７に予め格納された想定電位よりも低いか否かを判定し（図４に示した例では電位差ΔＶ）、正極２１と負極２２のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、想定電位との電位差ΔＶだけ充電完了電圧を自動的に引き下げる。

（比較例による充電制御方法）
図９は、比較例に係る充電制御装置１０によるバッテリー２０の充電制御方法の一例を示す。また、図１０は、図９に例示したバッテリーの充電制御方法における充電特性の一例を示す。

まず、ステップＳ１０１において、充電制御装置１０は、バッテリー２０が装着されているのを検出し、さらに、入力電源２００からの電力供給を検出すると、充電制御を開始する。

次に、ステップＳ１０２において、充電制御装置１０は、消耗したバッテリー２０に対して微小電流（トリクル充電電流Ｒ５）を継続的に与えるトリクル充電を開始する（期間ＰＴ）。トリクル充電電流Ｒ５の具体的な値としては、例えば、２０ｍＡ〜３００ｍＡ程度である。

次に、ステップＳ１０３において、充電制御装置１０は、正極−負極間電圧モニタ１３が検出したバッテリー電圧ＶＢが、所定の予備充電開始電圧Ｒ２に達したか否かを判定する。予備充電開始電圧Ｒ２の具体的な値としては、例えば、２．５Ｖ〜３．６Ｖ程度である。

ステップＳ１０３の判定の結果、バッテリー電圧ＶＢが予備充電開始電圧Ｒ２に達していない場合、ステップＳ１０２に戻って、トリクル充電を続ける。

ステップＳ１０３の判定の結果、バッテリー電圧ＶＢが予備充電開始電圧Ｒ２に達した場合（図１０の例では時刻ｔ１）、ステップＳ１０４に進み、充電制御装置１０は、システム電圧ＶＳを一定に保ちながら、予備充電電流Ｒ６による予備充電を開始する（期間ＰＡ）。予備充電電流Ｒ６の具体的な値としては、例えば、１００ｍＡ〜２０００ｍＡ程度である。

次に、ステップＳ１０５において、充電制御装置１０は、バッテリー電圧ＶＢが、所定の急速充電開始電圧Ｒ３に達したか否かを判定する。急速充電開始電圧Ｒ３の具体的な値としては、例えば、３．０Ｖ〜３．６Ｖ程度である。

ステップＳ１０５の判定の結果、バッテリー電圧ＶＢが急速充電開始電圧Ｒ３に達していない場合、ステップＳ１０４に戻って、予備充電を続ける。

ステップＳ１０５の判定の結果、バッテリー電圧ＶＢが急速充電開始電圧Ｒ３に達した場合（図１０の例では時刻ｔ２）、ステップＳ１０６に進み、充電制御装置１０は、制御用トランジスタ１９を作動させて、急速充電電流Ｒ７による急速充電（定電流）を開始する（期間ＰＨ）。急速充電電流Ｒ７の具体的な値としては、例えば、５００ｍＡ〜５０００ｍＡ程度である。

次に、ステップＳ１０７において、充電制御装置１０は、バッテリー電圧ＶＢが、所定の充電完了電圧Ｒ１に達したか否かを判定する。充電完了電圧Ｒ１の具体的な値としては、例えば、３．７３Ｖ〜４．３５Ｖ程度である。

ステップＳ１０７の判定の結果、バッテリー電圧ＶＢが充電完了電圧Ｒ１に達していない場合、ステップＳ１０６に戻って、急速充電（定電流）を続ける。

ステップＳ１０７の判定の結果、バッテリー電圧ＶＢが充電完了電圧Ｒ１に達した場合（図１０の例では時刻ｔ３）、ステップＳ１０８に進み、充電制御装置１０は、充電電圧を一定に保ちつつ（再充電電圧Ｒ４）、充電電流ＣＢを徐々に低下させる急速充電（定電圧）を開始する（期間ＰＨ）。再充電電圧Ｒ４の具体的な値としては、例えば、−０．０５Ｖ〜０．３５Ｖ程度である。

次に、ステップＳ１０９において、充電制御装置１０は、電流モニタ１２が検出した充電電流ＣＢが、所定の充電終止電流Ｒ８まで低下したか否かを判定する。充電終止電流Ｒ８の具体的な値としては、例えば、５０ｍＡ〜２０００ｍＡ程度である。

ステップＳ１０９の判定の結果、充電電流ＣＢが充電終止電流Ｒ８まで低下していない場合、ステップＳ１０８に戻って、急速充電（定電圧）を続ける。

ステップＳ１０９の判定の結果、充電電流ＣＢが充電終止電流Ｒ８まで低下した場合（図１０の例では時刻ｔ４）、ステップＳ１１０に進み、充電制御装置１０は、充電処理を停止する（期間ＰＳ）。

このように、比較例による充電制御方法においては、急速充電においてバッテリー電圧ＶＢが充電完了電圧（満充電電圧）Ｒ１に達したところで、急速充電（定電流）を完了し、急速充電（定電圧）に移行している。

（実施の形態による充電制御方法）
図１１は、実施の形態に係る充電制御装置１０によるバッテリー２０の充電制御方法の一例を示す。また、図１２は、図１１に例示したバッテリーの充電制御方法における充電特性一例を示す。

図１１において、ステップＳ１０１〜Ｓ１０６までは、図９に例示した比較例におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理と同様であるため、詳細な説明を省略する。

ステップＳ１０６において、急速充電（定電流）が開始されると（時刻ｔ２）、次に、ステップＳ２０１において、充電制御装置１０は、正極側電圧モニタ１４が検出した正極側電圧が、想定電圧を下回るか否かを判定する。

ステップＳ２０１の判定の結果、正極側電圧が想定電圧を下回った場合、ステップＳ２０２に進み、充電制御装置１０は、想定電位との電位差ΔＶだけ充電完了電圧Ｒ１の値を自動的に引き下げる。

ステップＳ２０１の判定の結果、正極側電圧が想定電圧を下回っていない場合、ステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３において、充電制御装置１０は、負極側電圧モニタ１５が検出した負極側電圧が、想定電圧を下回るか否かを判定する。

ステップＳ２０３の判定の結果、負極側電圧が想定電圧を下回った場合、ステップＳ２０４に進み、充電制御装置１０は、想定電位との電位差ΔＶだけ充電完了電圧Ｒ１の値を自動的に引き下げる。

ステップＳ２０３の判定の結果、負極側電圧が想定電圧を下回っていない場合、ステップＳ１０７に進む。

次に、ステップＳ１０７において、充電制御装置１０は、バッテリー電圧ＶＢが、充電完了電圧Ｒ１に達したか否かを判定する。なお、ここで判定に用いられる充電完了電圧Ｒ１は、ステップＳ２０２あるいはＳ２０４にてその値が引き下げられている場合もあり、その場合には、引き下げられた充電完了電圧Ｒ１の値で判定処理が行われる。

以降、ステップＳ１０７〜Ｓ１１０まで、図９に例示した比較例におけるステップＳ１０７〜Ｓ１１０と同様の処理を実行する。

なお、図１１のフローチャートでは、正極側電圧に関する処理（ステップＳ２０１、２０２）を、負極側電圧に関する処理（ステップＳ２０３、２０４）よりも先に実行する例を示したが、負極側電圧に関する処理（ステップＳ２０３、２０４）を正極側電圧に関する処理（ステップＳ２０１、２０２）よりも先に実行してもよいし、両者を同時に実行してもよい。

正極側電圧に関する処理（ステップＳ２０１、２０２）および負極側電圧に関する処理（ステップＳ２０３、２０４）のさらなる具体例（充電プロファイル）を、図１２を参照しながら説明する。図１２（ａ）は、ＧＮＤ基準で正極と負極の電位を示しており、図１２（ｂ）は、参照極基準で正極と負極の電位（バッテリー電圧ＶＢ４）を示している。

時刻ｔ２において、バッテリー電圧ＶＢが急速充電開始電圧Ｒ３に達すると、急速充電（定電流）が開始される。図１２（ａ）は、急速充電（定電流）が進むにつれて、バッテリー電圧ＶＢが上昇していることを示しており、図１２（ｂ）は、急速充電（定電流）が進むにつれて、正極２１−負極２２間の電位差が増加していくことを示している。

実施の形態による充電制御方法においては、参照極２３を基準として正極２１および負極２２の電位を計測し、予め想定した想定電圧値との比較を行う。図１２（ｂ）において、正極２１の想定電圧値をｐ１・ｐ２・…・ｐ１０で示し、負極の想定電圧値をｎ１・ｎ２・…・ｎ１０で示す。

図１２（ｂ）に示した例では、想定電圧値ｐ１〜ｐ６／ｎ１〜ｎ６までは想定通りにバッテリー電圧ＶＢが上昇したものとする。この間は、ステップＳ１０６→ステップＳ２０１→ステップＳ２０３→ステップＳ１０７→ステップＳ１０６の処理が繰り返される。すなわち、想定電圧値ｐ１〜ｐ６／ｎ１〜ｎ６の間は、ステップＳ２０２、Ｓ２０４の処理は発生しない。

図１２（ｂ）において、想定電圧値ｎ７に対し、電位差ΔＶ１だけ負極側電圧が下回ったとする（ステップＳ２０３）と、実施の形態に係る充電制御装置１０は、ステップＳ２０４において、充電完了電圧Ｒ１を同様に電位差ΔＶ１だけ引き下げる。さらに、想定電圧値ｎ８、ｎ９において、電位差ΔＶ２、ΔＶ３とそれぞれ広がっていくと（ステップＳ２０３）、充電完了電圧Ｒ１も、電位差ΔＶ２、ΔＶ３だけそれぞれ引き下げる（ステップＳ２０４）。その結果、このバッテリー２０に対しては、本来の充電完了電圧（ＶＢ６）よりも電位差ΔＶ３低い電圧（ＶＢ５）まで充電したところで、急速充電（定電流）を完了し、急速充電（定電圧）に移行する。

なお、図１２の例では、負極側電圧が想定電圧値ｎ１・ｎ２・…・ｎ１０よりも下回った場合を示したが、正極２１の電位が想定電圧値ｐ１・ｐ２・…・ｐ１０を下回った場合も同様に充電完了電圧Ｒ１を引き下げるし、あるいは正極２１と負極２２の双方の電位が想定電圧値ｐ１・ｐ２・…・ｐ１０／ｎ１・ｎ２・…・ｎ１０を下回った場合も同様に充電完了電圧Ｒ１を引き下げる。

以上説明したように、本実施の形態およびその変形例１〜３によれば、通常の正極２１、負極２２に加え、第３の電極である参照極２３をもつバッテリー２０を用いた充電制御装置１０において、正極２１−負極２２間をモニタすることで得られるバッテリー電圧ＶＢ以外に、正極２１−参照極２３間と負極２２−参照極２３間とをそれぞれモニタする。そして、正極２１−参照極２３間と負極２２−参照極２３間とをそれぞれモニタすることで得られる電圧値から、正極２１側若しくは負極２２側の劣化によって本来充電可能な電圧値からのかい離がみられた場合、乖離した分の電位差ΔＶだけ充電完了電圧を引き下げる。これにより、正極２１、負極２２の双方へのダメージを低減し、結果としてバッテリー寿命を延ばすことができる。

本実施の形態およびその変形例１〜３によれば、バッテリーの充電中に正極側若しくは負極側の劣化等を精度よく検出することができるとともに、正極側若しくは負極側の劣化等を検出した場合に充電完了電圧を調節することにより、過充電による正極および負極へのダメージを低減し、バッテリー寿命を延ばすことができる充電制御装置、充電制御方法、およびバッテリーパックを提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態およびその変形例１〜３について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

例えば、実施の形態およびその変形例１〜３では、定電流定電圧充電方式の場合について説明したが、定電流定電圧充電方式以外の充電方式、例えば、２段定電圧制御充電方式、２段定電流充電方式などにも同様に適用することができる。

また、実施の形態およびその変形例１〜では、リチウムイオンバッテリーの場合について説明したが、リチウムイオン型以外のバッテリー、例えば、ニッケル水素バッテリーなどにも同様に適用することができる。

このように、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

本実施の形態およびその変形例１〜３に係る充電制御装置、充電制御方法、およびバッテリーパックは、リチウムイオンバッテリーで動作するモバイル機器（携帯電話、ＰＣ、タブレット端末、ＤＳＣ（Digital Still Camera:デジタルスチルカメラ）、ＤＶＣ（Digital Video Camera:デジタルビデオカメラ））、電気自転車、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply:無停電電源装置）、家庭用蓄電池、ＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）、電気工具、各種蓄電システムなど様々な応用分野に適用可能である。

１０…充電制御装置（制御ＩＣ）
１１…充電制御部
１２…電流モニタ
１３…正極−負極間電圧モニタ
１４…正極側電圧モニタ
１５…負極側電圧モニタ
１６…充電電流検出用抵抗
１７…メモリ
１８…ダイオード
１９…制御用トランジスタ
２０、２０−１、２０−２、２０−Ｎ…バッテリー
２１…正極
２２…負極
２３…参照極
２７…コイル
３０…ＧＮＤ端子
４０…スイッチ群
４０、４１、４３…スイッチ
１００…バッテリーパック
２００…入力電源
Ｌｉ⁺…リチウムイオン
Ｉ…電流
ｎ１、ｎ２、ｎ６、ｎ７、ｎ８、ｎ９、ｎ１０…負極の想定電圧値
ＰＡ、ＰＨ、ＰＴ、ＰＳ…期間
ｐ１、ｐ２、ｐ６、ｐ７、ｐ８、ｐ９、ｐ１０…正極の想定電圧値
Ｒ１…充電完了電圧
Ｒ２…予備充電開始電圧
Ｒ３…急速充電開始電圧
Ｒ４…再充電電圧
Ｒ５…トリクル充電電流
Ｒ６…予備充電電流
Ｒ７…急速充電電流
Ｒ８…充電終止電流
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５…時刻
ＶＢ、ＶＢ２、ＶＢ３、ＶＢ４、ＶＢ５、ＶＢ６…バッテリー電圧（電位）
Ｖｐ１、Ｖｐ２、Ｖｐ３…正極側の電圧（電位）
Ｖｎ１、Ｖｎ２、Ｖｎ３…負極側の電圧（電位）
ΔＶ、ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３…電位差

Claims (22)

1. 入力電源から供給される電力を充電用電力としてバッテリーに供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまで前記バッテリーの充電を行う充電制御装置であって、
   前記バッテリーの正極と参照極とに接続されるとともに、前記正極と前記参照極との電位差を正極側電圧として検出する正極側電圧モニタと、
   前記バッテリーの負極と前記参照極とに接続されるとともに、前記負極と前記参照極との電位差を負極側電圧として検出する負極側電圧モニタと、
   前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、前記充電完了電圧の値を自動的に調節する充電制御部と
   を備えることを特徴とする充電制御装置。
2. 前記充電制御部は、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が前記想定電位よりも低いことを検出した場合、前記想定電位との電位差の分だけ前記充電完了電圧の値を自動的に引き下げることを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
3. 直列に配置された複数の前記バッテリーの各々の前記正極と前記負極と前記参照極とに接続されるとともに、前記複数のバッテリーのうちの少なくとも１つ以上を、前記正極側電圧モニタおよび前記負極側電圧モニタに切り替え可能に接続するスイッチ群をさらに備え、
   前記正極側電圧モニタは、前記スイッチ群によって接続された前記バッテリーの前記正極側電圧を検出し、前記負極側電圧モニタは、前記スイッチ群によって接続された前記バッテリーの前記負極側電圧を検出することを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
4. 前記スイッチ群は、
   前記正極側電圧モニタを、前記複数のバッテリーのうちのいずれか１つの前記正極に切り替え可能に接続させる第１のスイッチと、
   前記正極側電圧モニタおよび前記負極側電圧モニタを、前記複数のバッテリーのうちのいずれか１つの前記参照極に切り替え可能に接続させる第２のスイッチと、
   前記負極側電圧モニタを、前記複数のバッテリーのうちのいずれか１つの前記負極に切り替え可能に接続させる第３のスイッチと
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の充電制御装置。
5. 前記バッテリーの前記正極に流れる充電電流を検出する電流モニタと、
   前記バッテリーの前記正極および前記負極に接続されるとともに、前記バッテリーのバッテリー電圧を検出する正極−負極間電圧モニタと
   をさらに備え、
   前記充電制御部は、前記電流モニタが検出した前記充電電流値と、前記正極−負極間電圧モニタが検出した前記バッテリー電圧と、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と、前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、充電電流あるいは充電電圧が所望の値になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
6. 前記想定電位を予め格納したメモリをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
7. 前記バッテリー電圧が前記充電完了電圧に達するまで、前記バッテリーに対して定電流の急速充電を行うことを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
8. 前記バッテリー電圧が前記充電完了電圧に達した後、前記バッテリーに対して定電圧の急速充電を行うことを特徴とする請求項７に記載の充電制御装置。
9. 前記充電制御装置は、リニア方式の充電制御装置であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の充電制御装置。
10. 前記充電制御装置は、スイッチング方式の充電制御装置であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の充電制御装置。
11. バッテリーと、
    入力電源から供給される電力を充電用電力としてバッテリーに供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまで前記バッテリーの充電を行う充電制御装置であって、前記バッテリーの正極と参照極とに接続されるとともに、前記正極と前記参照極との電位差を正極側電圧として検出する正極側電圧モニタと、前記バッテリーの負極と前記参照極とに接続されるとともに、前記負極と前記参照極との電位差を負極側電圧として検出する負極側電圧モニタと、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、前記充電完了電圧の値を自動的に調節する充電制御部とを備える充電制御装置と
    を備えることを特徴とするバッテリーパック。
12. 前記充電制御部は、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が前記想定電位よりも低いことを検出した場合、前記想定電位との電位差の分だけ前記充電完了電圧の値を自動的に引き下げることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
13. 前記充電制御装置は、直列に配置された複数の前記バッテリーの各々の前記正極と前記負極と前記参照極とに接続されるとともに、前記複数のバッテリーのうちの少なくとも１つ以上を、前記正極側電圧モニタおよび前記負極側電圧モニタに切り替え可能に接続するスイッチ群をさらに備え、
    前記正極側電圧モニタは、前記スイッチ群によって接続された前記バッテリーの前記正極側電圧を検出し、前記負極側電圧モニタは、前記スイッチ群によって接続された前記バッテリーの前記負極側電圧を検出することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
14. 前記スイッチ群は、
    前記正極側電圧モニタを、前記複数のバッテリーのうちのいずれか１つの前記正極に切り替え可能に接続させる第１のスイッチと、
    前記正極側電圧モニタおよび前記負極側電圧モニタを、前記複数のバッテリーのうちのいずれか１つの前記参照極に切り替え可能に接続させる第２のスイッチと、
    前記負極側電圧モニタを、前記複数のバッテリーのうちのいずれか１つの前記負極に切り替え可能に接続させる第３のスイッチと
    を備えることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリーパック。
15. 前記充電制御装置は、
    前記バッテリーの前記正極に流れる充電電流を検出する電流モニタと、
    前記バッテリーの前記正極および前記負極に接続されるとともに、前記バッテリーのバッテリー電圧を検出する正極−負極間電圧モニタと
    をさらに備え、
    前記充電制御部は、前記電流モニタが検出した前記充電電流値と、前記正極−負極間電圧モニタが検出した前記バッテリー電圧と、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と、前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、充電電流あるいは充電電圧が所望の値になるように制御することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
16. 前記充電制御装置は、前記想定電位を予め格納したメモリをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
17. 前記充電制御装置は、前記バッテリー電圧が前記充電完了電圧に達するまで、前記バッテリーに対して定電流の急速充電を行うことを特徴とする請求項１１に記載のバッテリーパック。
18. 前記充電制御装置は、前記バッテリー電圧が前記充電完了電圧に達した後、前記バッテリーに対して定電圧の急速充電を行うことを特徴とする請求項１７に記載のバッテリーパック。
19. 前記充電制御装置は、リニア方式の充電制御装置であることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載のバッテリーパック。
20. 前記充電制御装置は、スイッチング方式の充電制御装置であることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載のバッテリーパック。
21. 入力電源から供給される電力を充電用電力としてバッテリーに供給して、バッテリー電圧が充電完了電圧に達するまで前記バッテリーの充電を行う充電制御装置により実行される前記バッテリーの充電制御方法であって、
    前記バッテリーの正極と参照極とに接続される正極側電圧モニタによって、前記正極と前記参照極との電位差を正極側電圧として検出するステップと、
    前記バッテリーの負極と前記参照極とに接続される負極側電圧モニタによって、前記負極と前記参照極との電位差を負極側電圧として検出するステップと、
    充電制御部によって、前記正極側電圧モニタが検出した前記正極側電圧と前記負極側電圧モニタが検出した前記負極側電圧とに基づいて、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いか否かを判定し、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が想定電位よりも低いことを検出した場合、前記充電完了電圧の値を自動的に調節するステップと
    を有することを特徴とする充電制御方法。
22. 前記充電制御部は、前記正極と前記負極のいずれか一方若しくは両方の電位が前記想定電位よりも低いことを検出した場合、前記想定電位との電位差の分だけ前記充電完了電圧の値を自動的に引き下げることを特徴とする請求項２１に記載の充電制御方法。

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