JP4252024B2 - 二次電池の充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電方法に関する。

従来の二次電池の充電方法については、以下の特許文献に開示される。この公報においては、温度上昇勾配が設定勾配よりも急峻になったかどうか、換言するなら、所定時間での電池の温度上昇値が設定温度上昇値以上であるかどうかを、判定して満充電を検出している。
実公平７−３３５６４号公報

例えば、充電できる二次電池のパック電池を内蔵するノート型のような携帯型パーソナルコンピュータ等の携帯機器においては、以下のように、充電を行っている。コンセントから交流商用電力が供給されつつ、携帯機器を使用する場合においては、電池容量が所定容量（例えば、満充電容量に対して９５％）以下の場合、携帯機器の使用を継続しつつ、電池を小電流にて充電する。

携帯機器の電源スイッチがオフの場合（＝電源オフ）でもコンセントにより交流商用電力が供給されているなら、所定の制御ができるようにマイコンを内蔵する制御回路が動作している。このため、電源オフ中等に、電池容量が所定容量（例えば、満充電容量に対して９５％）以下の場合、充電を開始している。このような電源オフ時の充電は、大電流にて行う。携帯機器においては利用できる全体の電源容量（実際には、交直変換アダプターの電源容量）に制限があるので、携帯機器が使用中の充電電流を小電流としている。

ここで、本出願人は、このような携帯機器において、上述の従来例である温度上昇勾配による満充電の検出を試験してみたところ、以下の問題を見出した。

上記の電源オフ時に、大電流にて充電する場合は、温度上昇勾配を設定勾配と比較することより、満充電を検出することができるものの、携帯機器を使用中の小電流よる充電においては、このような温度上昇勾配が小さいため満充電を検出できない場合があることを発見した。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、温度上昇勾配を設定勾配と比較することで、適切に充電制御することを目的とする。

本発明の二次電池の充電方法は、所定時間での前記電池の温度上昇値が、設定温度上昇値以上であるかどうかを判定して充電を制御する充電方法であって、充電電流に応じて、前記設定温度上昇値を変更することを特徴とする。

また、本発明の二次電池の充電方法は、二次電池の充電時において、所定時間での前記電池の温度上昇値が第1設定温度上昇値以上であるかどうかを判定する第1温度比較工程と、該工程にて前記第1設定温度上昇値未満の場合、充電電流を検出して所定電流値と比較する電流比較工程と、該工程にて検出された前記充電電流が前記所定電流値よりも低い場合は、所定時間での前記電池の温度上昇値を第２設定温度上昇値以上であるかどうかを判定する第２温度比較工程とを備え、単位時間あたりの前記第1設定温度上昇値は、単位時間あたりの前記第２設定温度上昇値より大きく、前記第1温度比較工程で前記電池の温度上昇値が、第1設定温度上昇値以上の場合は、充電を制御し、前記第２温度比較工程で前記電池の温度上昇値が、第２設定温度上昇値以上の場合は、充電を制御することを特徴とする。更には、前記第1温度比較工程における前記所定時間は、前記第２温度比較工程における前記所定時間より短いことを特徴とする。

さらに、本発明の二次電池の充電方法は、二次電池の温度上昇勾配が設定勾配よりも急峻になったかどうかを判定して充電を制御する充電方法であって、充電電流に応じて、上記設定勾配を変更することを特徴とする。

本発明においては、所定時間での前記電池の温度上昇値が、設定温度上昇値以上であるかどうかを判定して充電を制御する充電方法であって、充電電流に応じて、設定温度上昇値を変更する。充電電流値が小さい場合は、電池の温度上昇値を、小さい設定温度上昇値と比較するので、充電電流値が大きい場合に採用する大きい設定温度上昇値では、検出できない小さい電池の設定温度上昇値を検出することができるので、適切に充電を制御できる。

また、本発明においては、二次電池の温度上昇勾配が設定勾配よりも急峻になったかどうかを判定して充電を制御する充電方法であって、充電電流に応じて、設定勾配を変更する。充電電流値が小さい場合は、電池の温度上昇勾配を、小さい設定勾配と比較するので、充電電流値が大きい場合に採用する大きい設定勾配では、検出できない小さい電池の温度勾配を検出することができるので、適切に充電を制御できる。

本発明の実施例を、図を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施例においては、パック電池Ａと、これを充電する電源を備える携帯機器ＰＣとを備えている。携帯機器ＰＣは、ノート型のような携帯型パーソナルコンピュータである。パック電池Ａは、通常、携帯機器ＰＣに着脱自在に装着される構造である。携帯機器ＰＣには、コンセントからの交流商用電力を直流電力に変換するアダプター（図示せず）から出力される直流電力が供給され、この電力を制御し、供給するマイコンを内蔵する電源回路Ｓを備えている。また、パック電池Ａの充放電電流をオンオフ制御するスイッチングトランジスタ等からなる制御素子７を備えている。

パック電池Ａにおいては、ニッケル水素電池等の二次電池１と、電池１の充放電時の電流を検出する抵抗等からなる電流検出部２と、電池１の充放電を監視、制御するマイクロプロセッサーユニット(以下、ＭＰＵと記す）とを備えている。また、パック電池Ａ内には、電池１（ニッケル水素電池の１０直列接続、容量は３．６ＡＨ）に密接して配置されたサーミスタを含む温度検出部３が設けられている。

ＭＰＵにおいては、電池電圧(測定箇所ｄ）、電流検出部２からの出力、温度検出部３からの出力のアナログ電圧が入力され、デジタル変換し、実電圧[mV]や実電流値[mA]に換算するＡ／Ｄ変換部４が設けられている。そして、Ａ／Ｄ変換部５からの出力が、充電制御部５に入力されて、演算、比較、判定等が行われて、この充電制御部５からの信号で、携帯機器ＰＣ内の制御素子７をオンオフ制御する。周知技術を利用して、充電制御部５においては、充放電電流を積算して残容量を演算処理している。この演算された残容量にて、電池１の満充電を検出することも可能である。

携帯機器ＰＣの電源回路Ｓは、以下のように、動作する。アダプターから直流電力が供給されつつ、携帯機器ＰＣを使用する場合においては、電池１の容量が所定容量（例えば、満充電容量に対して９５％）未満の場合、携帯機器の使用を継続しつつ、電池１を小電流（例えば、１Ａ 約０．３Ｃ）の定電流にて充電する。

携帯機器の電源スイッチがオフの場合（＝電源オフ）で、アダプターから直流電力が供給されているなら、所定の制御ができるよう電源回路Ｓが動作している。このため、電源オフ中等に、電池容量が所定容量（例えば、満充電容量に対して９５％）未満の場合、充電を開始している。このような電源オフ時は、大電流（例えば、２Ａ 約０．６Ｃ）の定電流にて充電する。

充電制御部５は、以下のように制御して、満充電を検出する。第1所定時間（＝１分、３０秒〜２分でも可能）での電池１の温度上昇値が第1設定温度上昇値（例えば、１℃／１分）以上であるかどうかを判定し、この値以上の場合は、満充電として、充電を制御する。この値未満の場合、充電電流を検出して所定電流値（例えば、１．５Ａ）と比較する。そして、所定電流値よりも低いと、第２所定時間（＝１０分、５分〜２０分でも可能）での電池１の温度上昇値が第２設定温度上昇値（例えば、５℃／１０分）以上であるかどうかを判定し、この値以上の場合は、満充電として、充電を制御する。ここで、単位時間あたりの第1設定温度上昇値は、１℃／１分であり、単位時間あたりの第２設定温度上昇値は、０．５℃／１分であり、単位時間あたりの第1設定温度上昇値の方が大きい。

図２では、本実施例にて、電池１を充電する場合の、時間に対する電流、電池温度、電圧の変化を示している。電流(Current)、電池温度(Temperature)、電圧(Voltage)において、線Ａは、電源オフ時の大電流での充電特性を示している。横軸の時間の単位は、時間：分：秒であり、例えば、目盛りの１：２０：００は、１時間２０分０秒を表している。線Ａの電池は、略空状態の電池１を充電した場合を示しており、充電開始後、約１時間４０分直前で、電池温度において、第1所定時間（＝１分）での第1設定温度上昇値（１℃／１分）以上の温度上昇値を検出して、満充電を検出して、充電を制御している。

線Ｂは、携帯機器ＰＣの使用を継続しつつ、電池１を小電流（例えば、１Ａ）の定電流にて充電する場合を示しており、パック電池Ａの充電制御部５にて、電池１の容量が所定容量（例えば、満充電容量に対して９５％）未満の場合、充電を開始している。充電開始から小電流が連続２０分以上継続されたことが確認された後、第２所定時間（＝１０分）での第２設定温度上昇値（５℃／１０分）以上の温度上昇値を検出して、満充電を検出して、充電を制御している。

ここで、本実施例においては、単位時間あたりの第1設定温度上昇値より小さい単位時間あたりの第２設定温度上昇値により、線Ｂの温度上昇を検出することで、満充電を検出している。ここで、第1設定温度上昇値のみであれば、線Ｂの温度上昇を検出することができず、電池１は過充電状態となる。また、線Ａにおいては、次のフローで説明するように電流が１．５Ａ以上であるため、第2設定温度では、満充電検出しない。

また、第２所定時間を１０分として、第1所定時間を１分としているのは、短い時間内での不安定要因による温度上昇を削除でき、１０分経過の後のトータルの温度上昇を検出できるからであり、小電流による充電の場合は温度の上昇値が小さいため長い時間かける必要がある。

なお、満充電検出後の制御については、充電を停止してもよいし、定電流でのトリクル充電、パルスにより補充電を行ってもよい。

次に、本実施例の充電方法について、図３のフローチャートを用いて、工程毎に説明する。まず、充電制御部５にて、電池容量が９５％未満であることを検知して、充電を開始する。ステップ１（図では、ステップをSとして記す）で、電流検出部２にて充電電流を読み込む。この充電電流値については、上述のように、携帯機器ＰＣの電源回路Ｓの制御により、携帯機器ＰＣを使用する場合においては、電池１を小電流（例えば、１Ａ）の定電流にて充電し、 携帯機器ＰＣが電源オフ時の場合においては、大電流（例えば、２Ａ）の定電流にて充電されることになる。このような携帯機器ＰＣの電源回路Ｓの制御は、一般的な制御であり、このような制御を採用している携帯機器ＰＣについては、本実施例のＭＰＵを利用して、充電の電流値等を設定するだけでいいので、本実施例のＭＰＵ、電池パックＡは汎用性が高い。

ステップ２で温度検出部３にて電池温度を読み込み、ステップ３ではＡ／Ｄ変換器４にてデジタル変換された電池温度を、充電制御部５内にて、時間に対する温度上昇値を計算する。

次に、ステップ４にて、温度上昇が、温度上昇が１℃／１分以上かどうかを判定する。ステップ４においては、充電電流の大小にかかわりなく判定されている。これは、小電流の充電であっても、過充電時に、温度上昇が１℃／１分以上となる場合があるからである。そして、温度上昇が１℃／１分以上である場合は、ステップ５にて、満充電であるとして、充電制御部５が制御素子７をオフにして充電を停止、或いは補充電等を行う。

ステップ４で、温度上昇が１℃／１分未満の場合は、ステップ６にて、ステップ１で読み込んだ充電電流値が１．５Ａ未満（即ち、小電流）であって、連続２０分以上継続したかどうかを判定する。ステップ４で、ＮＯの場合は、ステップ１にもどることになる。

ここで、連続して２０分以上継続したかどうかを判定しているのは、以下の理由である。大電流で充電した直後に、携帯機器ＰＣを使用するなら、携帯機器ＰＣの電源回路Ｓの制御により小電流で充電される。この場合、直前までは大電流で充電されていたので、その影響で温度上昇が大きく、小電流でも、温度上昇が５℃／１０分以上となり満充電を誤検出することがある。よって、このような場合は、ステップ６で小電流状態が２０分未満として、ステップ１に戻り、ステップ４で満充電を判定するようにしている。

ステップ７では、温度上昇値が５℃／１０分以上か否かが判定される。この判定においては、小電流の充電では幾分かの電池１は温度上昇値が１℃／１分以上で満充電が判定できるものの、多くの電池１は、温度上昇値が小さく、温度上昇値の１℃／１分以上が検出されずに、このステップ７で、温度上昇値の５℃／１０分以上が検出されることになる。温度上昇値が５℃／１０分以上であるなら、ステップ５で充電を停止、或いは補充電等を行う。温度上昇値が５℃／１０分未満であるなら、ステップ１に戻る。

なお、所定時間での電池の温度上昇値が、設定温度上昇値以上であるかどうかを判定しているが、これに代わって、二次電池の温度上昇勾配が設定勾配よりも急峻になったかどうかを判定してもよい。

また、本実施例では、所定時間での電池の温度上昇値が、設定温度上昇値以上であるかどうかを判定しているが、これに代わって、単位温度変化あたりの充電所要時間を検出して、検出した時間を前回の検出時間に比較して、温度上昇勾配が設定勾配よりも急峻になったかどうかを判定してもよい。

本発明の電池パックの回路ブロック図である。 本発明の実施例を示すグラフである。 本発明の実施例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａ 電池パック
ＭＰＵ マイクロプロセッサユニット
ＰＣ 携帯機器
１ 電池

Claims (3)

1. 二次電池の充電時において、所定時間での前記電池の温度上昇値が第1設定温度上昇値以上であるかどうかを判定する第1温度比較工程と、
   該工程にて前記第1設定温度上昇値未満の場合、充電電流を検出して所定電流値と比較する電流比較工程と、
   該工程にて検出された前記充電電流が、前記所定電流値よりも低い場合が継続したときは、所定時間での前記電池の温度上昇値を第２設定温度上昇値以上であるかどうかを判定する第２温度比較工程とを備え、
   前記工程にて検出された前記充電電流が、前記所定電流値よりも低い場合が継続していないときは、前記第1温度比較工程にて判定を行い、
   単位時間あたりの前記第1設定温度上昇値は、単位時間あたりの前記第２設定温度上昇値より大きく、
   前記第1温度比較工程で前記電池の温度上昇値が、第1設定温度上昇値以上の場合は、充電を制御し、
   前記第２温度比較工程で前記電池の温度上昇値が、第２設定温度上昇値以上の場合は、充電を制御し、
   前記所定電流値よりも低い場合が継続する時間は、設定時間以上であることを特徴とする二次電池の充電方法。
2. 二次電池の充電時において、所定時間での前記電池の温度上昇値が第1設定温度上昇値以上であるかどうかを判定する第1温度比較工程と、
   該工程にて前記第1設定温度上昇値未満の場合、充電電流を検出して所定電流値と比較する電流比較工程と、
   該工程にて検出された前記充電電流が、前記所定電流値よりも低い場合が継続したときは、所定時間での前記電池の温度上昇値を第２設定温度上昇値以上であるかどうかを判定する第２温度比較工程とを備え、
   前記工程にて検出された前記充電電流が、前記所定電流値よりも低い場合が継続していないときは、前記第1温度比較工程にて判定を行い、
   単位時間あたりの前記第1設定温度上昇値は、単位時間あたりの前記第２設定温度上昇値より大きく、
   前記第1温度比較工程で前記電池の温度上昇値が、第1設定温度上昇値以上の場合は、充電を制御し、
   前記第２温度比較工程で前記電池の温度上昇値が、第２設定温度上昇値以上の場合は、充電を制御し、
   前記所定電流値よりも低い場合が継続する時間は、２０分以上である
   ことを特徴とする二次電池の充電方法。
3. 前記第1温度比較工程における前記所定時間は、前記第２温度比較工程における前記所定時間より短いことを特徴とする請求項１または２の二次電池の充電方法。

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