(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池をパルス充電する充電方法であって、電池電圧が設定電圧まで低下したときに、充電を開始してパルス充電する方法において、
パルス充電している１パルス充電時間に対する１パルス充電休止時間の比率でもって、二次電池の満充電を検出し、１パルス充電時間に対する１パルス充電休止時間が設定値よりも大きくなると満充電と判定して充電を完了させることを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項２】
所定の時間充電した後充電を休止し、充電を休止しているときに電池電圧が設定電圧まで低下すると、再び充電を開始してパルス充電する請求項１に記載される二次電池の充電方法。
【請求項３】
パルス充電する１パルス充電時間が、１００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃである請求項２に記載される二次電池の充電方法。
【請求項４】
電池電圧が設定電圧よりも高い充電休止電圧になると充電を休止し、充電を休止しているときに電池電圧が設定電圧まで低下すると、再び充電を開始してパルス充電する請求項１に記載される二次電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池をパルス充電する方法に関し、とくに、パルス充電するデューティーを検出して二次電池の満充電を判定する充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池をパルス充電する充電方法は、短時間に大きな電流を流して、急速充電できる。図１は、二次電池を内蔵するパック電池をパルス充電する充電回路を示す。この充電回路は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオン、オフに切り換えてパック電池２をパルス充電する。この充電回路は、電池の充電を休止させるときに電池電圧を検出し、電池電圧が設定電圧に低下するまでは充電を休止し、電池電圧が設定電圧よりも低下すると、充電を再開してパルス充電できる。
【０００３】
このようにしてパック電池をパルス充電すると、図２に示すように、電池電圧と充電電流が変化して、電池が満充電に近付くにしたがって、１パルス充電休止時間が長くなる。満充電に近付いた電池は、電池電圧が低下するのが遅くなるからである。したがって、電池の１パルス充電休止時間を検出して満充電を検出できる。パック電池２が満充電されると、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオフに保持して、充電を停止させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
１パルス充電休止時間を検出してパック電池の満充電を検出する方法は、充電環境によっては、二次電池の満充電を正確に検出できない。充電を休止するときに電池電圧が次第に低下する割合が、パルス充電の条件によって変化するからである。たとえば、１パルス充電時間を長くすると、１パルスでの充電容量が大きくなって、電池電圧の低下が緩慢になる。このため、１パルス充電休止時間が設定された時間よりも長くなると満充電と判定する方法では、二次電池が満充電されていない状態で間違って満充電と判定してしまう。反対に、１パルス充電時間が短くなると、１パルスでの充電容量が小さくなって、１パルス充電休止時間での電圧降下が速くなる。このため、二次電池が満充電されても、１パルス充電休止時間が設定時間よりも長くならず、満充電された電池を満充電と判定できずに過充電してしまう弊害がある。
【０００５】
本発明は、さらにこのような欠点を解消することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、満充電を正確に判定して、二次電池をパルス充電できる二次電池の充電方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の充電方法は、二次電池をパルス充電する充電方法であって、電池電圧が設定電圧まで低下したときに、充電を開始してパルス充電する。
【０００７】
さらに、本発明の請求項１の充電方法は、パルス充電している１パルス充電時間に対する１パルス充電休止時間の比率でもって、二次電池の満充電を検出する。１パルス充電時間に対する１パルス充電休止時間が、設定値よりも大きくなると満充電と判定して充電を完了させる。
【０００８】
すなわち、本発明の充電方法は、１パルス充電休止時間のみでなく、１パルス充電時間をも考慮して満充電を検出することを特徴とする。さらに、本発明の充電方法は、ふたつのパラメーターで満充電を判定するが、ふたつのパラメーターを独立して別々に識別して満充電を判定するのではなくて、その比率から満充電を判定するので、簡単な方法で正確に満充電を検出できる。
【０００９】
本発明の請求項２の充電方法は、所定の時間充電した後充電を休止し、充電を休止しているときに電池電圧が設定電圧まで低下すると、再び充電を開始してパルス充電する。
【００１０】
本発明の請求項３の充電方法は、請求項２の充電方法において、パルス充電する１パルス充電時間を、１００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃに設定する。
【００１１】
本発明の請求項４の充電方法は、電池電圧が設定電圧よりも高い充電休止電圧になると充電を休止し、充電を休止しているときに電池電圧が設定電圧まで低下すると、再び充電を開始してパルス充電する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、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。
【００１３】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
【００１４】
本発明の充電方法は、図１に示す充電回路を使用して二次電池を充電する。この図の充電回路は、定電流定電圧電源３と、二次電池を内蔵しているパック電池２をパルス充電するＯＮ／ＯＦＦスイッチ１と、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を制御する制御回路４を備えている。
【００１５】
図の充電回路は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオン、オフに切り換えて二次電池をパルス充電する。ただ、パック電池に内蔵される保護回路の充電制御スイッチ（図示せず）をオン、オフに切り換えて、パルス充電することもできる。この場合、パック電池の保護回路に内蔵される充電制御スイッチは、電池をパルス充電する充電制御スイッチと、二次電池を保護するためのスイッチとに併用される。
【００１６】
リチウムイオン二次電池を内蔵するパック電池は、ほとんど例外なく保護回路を内蔵している。この保護回路は、二次電池の電圧を検出して、二次電池の電圧が設定電圧よりも高くなると充電を休止させるように設計される。保護回路は、二次電池と直列に接続された充電制御スイッチと、二次電池の電圧を検出して充電制御スイッチをオン、オフに制御する電圧検出回路とを備える。
【００１７】
電圧検出回路は、電池電圧が設定電圧を超えると、過充電を防止する充電制御スイッチをオフに切り換える。ただ、電圧検出回路は、電池電圧が設定電圧を超えても直ちに充電制御スイッチをオフに切り換えない。電池電圧が設定電圧を超えて一定時間経過すると、充電制御スイッチをオフに切り換える。電池電圧が設定電圧を超えて、充電制御スイッチがオフになるまでの短い時間、二次電池はパルス充電される。二次電池がパルス充電される時間は、充電制御スイッチがオフに切り換えられる時間で調整できる。充電制御スイッチがオフになると、二次電池は充電されなくなって、電池の開放電圧は次第に低下する。電圧検出回路は、低下する電池の開放電圧を検出して、開放電圧が設定電圧以下になると、再び充電制御スイッチをオンにして二次電池をパルス充電する。以上のように、パック電池に内蔵される保護回路でパルス充電する方法は、充電回路を簡単にできる。
【００１８】
以下、二次電池として、リチウムイオン二次電池を内蔵しているパック電池を、ＯＮ／ＯＦＦスイッチでパルス充電方法を詳述する。ただ、本発明の充電方法は、充電する二次電池をリチウムイオン二次電池に特定しない。二次電池には、充電できるすべての電池、たとえば、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池とすることもできる。
【００１９】
定電流定電圧電源３は、安定化して出力する電圧を、設定電圧よりも高い電圧までパルス充電できるように、たとえば、出力電圧を４．３Ｖ／セルまで上昇できるように設定する。出力電流は、たとえば、１〜２Ｃで充電できる電流値に設定される。ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１は、オン、オフに切り換えられて、二次電池をパルス充電する。満充電された後は、オフに切り換えられて充電を完了する。
【００２０】
制御回路４は、パック電池２に内蔵される二次電池をパルス充電する際に、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオン、オフに切り換える。この制御回路４は、パック電池２の電池電圧を検出することで、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオン、オフに切り換える。さらに、制御回路４は、パルス充電しているパルス充電の（１パルス充電休止時間）／（１パルス充電時間）を演算して、満充電を検出するマイコンを内蔵している（図示せず）。
【００２１】
制御回路４は、電池電圧が設定電圧まで低下した後、タイマーでＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を一定の時間はオンに保持して、その後オフに切り換える。タイマーの設定時間は、好ましくは１００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃに設定される。この状態で、二次電池をパルス充電するときの電池電圧と充電電流の変化を、図２に示している。
【００２２】
また制御回路４は、電池電圧が設定電圧まで低下した後、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１を一定時間オンにするのではなくて、定電流充電している電池の電圧を検出して、電池電圧が充電休止電圧まで高くなるとＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオフに切り換えるようにして、パルス充電することもできる。この方法で二次電池をパルス充電するときの電池電圧と充電電流の変化を、図４に示す。この図に示す充電方法は、二次電池の電池電圧が、設定電圧と充電休止電圧との間を上下するようにしてパルス充電する。
【００２３】
充電回路が、図３に示すフローチャートの手順でパック電池を充電し、電池電圧と充電電流が図２に示すように変化する様子を以下説明する。
【００２４】
［Ｓ１のステップ］
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンにして、パック電池２を充電する。この状態でパック電池２は定電流定電圧充電される。充電されるにしたがって、電池電圧は上昇する。
【００２５】
［Ｓ２のステップ］
パック電池２の電池電圧が、設定電圧である４．２Ｖ／セルよりも高いかどうかを判定し、電池電圧が設定電圧よりも高くないときには、Ｓ１のステップにジャンプする。電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セル以上になるまで、Ｓ１とＳ２のステップをループする。
【００２６】
［Ｓ３のステップ］
パック電池２の電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セル以上になると、その後、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１が１パルス充電時間ｔｏｎだけ、オン状態に保持される。この例では、ｔｏｎ＝３６０ｍｓｅｃである。パック電池２を３６０ｍｓｅｃ充電した後、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１がオフに切り換えられて充電を停止する。
【００２７】
［Ｓ４のステップ］
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１がオフに切り換えられた後、オフ時間のカウントが開始されて、１パルス充電休止時間ｔｏｆｆがカウントされる。
【００２８】
［Ｓ５、Ｓ６のステップ］
（１パルス充電休止時間）／（１パルス充電時間）、すなわちｔｏｆｆ／ｔｏｎを演算して、この比率であるデューティーが満充電と検出する時間の設定値よりも大きいかどうかを判定する。デューティーが満充電検出時間設定値よりも大きい場合は、Ｓ６のステップにジャンプして満充電と判定し、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオフに保持する。
【００２９】
［Ｓ７のステップ］
（１パルス充電休止時間）／（１パルス充電時間）の比率であるデューティーが、満充電検出時間設定値よりも小さいときは、パック電池２の電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セルよりも高いかどうかを判定し、設定電圧よりも高いときはＳ４にジャンプして、オフ時間をカウントする。電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セルに降下するまで、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７をループし、あるいは、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６のステップで満充電される。電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セル以上でないとき、いいかると設定電圧よりも低くなると、Ｓ１にジャンプして、充電を再開する。
【００３０】
パック電池２が充電されるまで、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７のステップをループしてパルス充電される。パック電池２が満充電されると、Ｓ５のステップからＳ６に分岐されて、充電が完了される。
【００３１】
さらに、図２の充電回路は、図５に示すフローチャートの手順でパック電池を充電して、電池電圧と充電電流を図４に示すように変化させることもできる。
【００３２】
［Ｓ１のステップ］
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオンにして、パック電池２を充電する。この状態でパック電池２は定電流定電圧充電される。充電されるにしたがって、電池電圧は上昇する。
【００３３】
［Ｓ２のステップ］
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１がオンに切り換えられた後、オン時間のカウントが開始されて、１パルス充電時間がカウントされる。
【００３４】
［Ｓ３のステップ］
パック電池２の電池電圧が、充電休止電圧である４．２１Ｖ／セルよりも高いかどうかを判定し、電池電圧が充電休止電圧よりも高くないときには、Ｓ２のステップにジャンプする。電池電圧が充電休止電圧である４．２１Ｖ／セル以上になるまで、Ｓ２とＳ３のステップをループする。
【００３５】
［Ｓ４のステップ］
パック電池２の電池電圧が充電休止電圧である４．２１Ｖ／セル以上になると、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１がオフに切り換えられて充電を休止する。
【００３６】
［Ｓ５のステップ］
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１がオフに切り換えられた後、オフ時間のカウントが開始されて、１パルス充電休止時間がカウントされる。
【００３７】
［Ｓ６、Ｓ７のステップ］
（１パルス充電休止時間）／（１パルス充電時間）を演算して、この比率であるデューティーが満充電と検出する時間の設定値よりも大きいかどうかを判定する。デューティーが満充電検出時間設定値よりも長い場合は、Ｓ７のステップにジャンプして満充電と判定し、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ１をオフに保持する。
【００３８】
［Ｓ８のステップ］
（１パルス充電休止時間）／（１パルス充電時間）の比率であるデューティーが、満充電検出時間設定値よりも小さいときは、パック電池２の電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セルよりも高いかどうかを判定し、設定電圧よりも高いときはＳ５にジャンプして、オフ時間をカウントする。電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セルに降下するまで、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８をループし、あるいは、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７のステップで満充電される。電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セル以上でないとき、いいかると設定電圧よりも低くなると、Ｓ１にジャンプして、充電を再開する。
【００３９】
パック電池２が充電されるまで、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８のステップをループしてパルス充電される。パック電池２が満充電されると、Ｓ６のステップからＳ７に分岐されて、充電が完了される。
【００４０】
以上の充電方法は、１パルス充電時間を一定の時間に設定してパルス充電し、あるいは、電池電圧が設定電圧である４．２Ｖ／セルになると充電を再開して、充電休止電圧である４．２１Ｖ／セルになると充電を停止し、パルス充電する。さらに、本発明の充電方法は、たとえば、充電する二次電池の容量によって、１パルス充電時間を変更して満充電することもできる。この充電方法は、容量の大きい電池は、１パルス充電時間を長くし、容量の小さい電池は１パルス充電時間を短くする。たとえば、１パルス充電時間を、１００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃに設定する。さらにまた、本発明の充電方法は、充電する電池の実質的な容量を検出し、実質容量で１パルス充電時間を変更してパルス充電することもできる。この充電方法は、実質容量の大きい電池を充電するときには１パルス充電時間を長くする。電池は使用するにしたがって、実質容量が減少する。実質容量が小さくなった電池は、１パルス充電時間を短くしてパルス充電する。本発明の充電方法は、（１パルス充電休止時間）／（１パルス充電時間）の比率から満充電を判定するので、上記のように１パルス充電時間を変更しても、正確に電池の満充電を検出できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の二次電池の充電方法は、満充電を正確に判定して、二次電池をパルス充電できる特長がある。それは、本発明の充電方法が、パルス充電するときの１パルス充電休止時間のみを検出するのではなくて、１パルス充電時間に対する１パルス充電休止時間の比率を検出して、満充電を検出するからである。このように、１パルス充電時間と１パルス充電休止時間との比率から満充電を検出する方法は、パルス充電するときの１パルス充電時間を考慮して、いいかえると、１パルス充電時間で１パルス充電休止時間を補正しながら、電池の満充電を検出するので、従来の１パルス充電休止時間のみで満充電を判定する方法に比較して、極めて正確に満充電を判定できる特長がある。電池は、１パルス充電時間の長さ、いいかえると、１パルスの充電容量によって、充電を休止しているときの電池電圧が低下する割合が変動するからである。本発明の充電方法は、１パルス充電時間が長くなるときには、１パルス充電休止時間も長くならないと満充電とは判定しない。このため、１パルスの充電容量が大きくて、電池電圧がゆっくりと低下するときにも、また、１パルスの充電容量が小さくて、電池電圧が速やかに低下するときにも、電池の満充電をより正確に判定できる特長がある。
【００４２】
この特長は、満充電を極めて正確に判定することが要求される、リチウムイオン二次電池等のパルス充電において、とくに有効である。リチウムイオン二次電池は、過充電すると電池性能が著しく低下し、反対に満充電しないで使用すると、実質的に使用できる充電容量が小さくなって、大容量を特性としているリチウムイオン二次電池の特長が生かされなくなるからである。
【００４３】
リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池等の全ての二次電池においても、満充電を正確に判定することは極めて大切である。それは、電池性能を低下させることなく、実質的に使用できる充電容量を可能な限り大きくすることが要求されるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充電方法と従来の充電方法に使用される充電回路のブロック線図
【図２】本発明の充電方法でパルス充電される電池電圧と充電電流を示すグラフ
【図３】本発明の充電方法でパック電池を充電する過程を示すフローチャート
【図４】本発明の他の充電方法でパルス充電される電池電圧と充電電流を示すグラフ
【図５】本発明の他の充電方法でパック電池を充電する過程を示すフローチャート
【符号の説明】
１…ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
２…パック電池
３…定電流定電圧電源
４…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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