(57)【要約】【課題】リチウムイオン電池などの二次電池を充電するにあたって、二次電池の劣化および電力の損失を抑える。【解決手段】二次電池は新品状態から劣化が進むと、満充電状態で蓄積できる電荷量が低下してゆくのに対して、従来では充電電圧および電流は一定のままであったのを、本発明では、演算部４２で求められた実容量を劣化度演算部４５において新品時の容量から減算し、その減少分と前記新品時の容量との比を求めて劣化度として、充放電制御部４１が、その劣化度が大きくなる程、前記二次電池に与えるべき充電電圧および充電電流の少なくとも一方が小さくなるように充電器へ要求する。したがって、二次電池に無理なく電荷を注入し、劣化を抑えることができるとともに、充電時に二次電池に入り切らず、ジュール熱として無駄になるエネルギーも削減することができる。【選択図】図２
2008252960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、
前記二次電池を充電する充電手段と、
前記二次電池の劣化の度合いを求める劣化判定手段と、
充電時に、前記劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池に与える充電電圧および充電電流の少なくとも一方が小さくなるように、前記充電手段を制御する充電制御手段とを含むことを特徴とする充電システム。
【請求項２】
前記充電制御手段は、前記充電電圧および充電電流を求める第１の制御手段と、前記第１の制御手段で求められた充電電圧および充電電流の要求を送信する第１の通信手段と、前記要求を受信する第２の通信手段と、前記第２の通信手段で受信された要求に対応して、前記充電手段の充電電圧および充電電流を制御する第２の制御手段とを備えて構成され、
前記二次電池と、前記劣化判定手段と、前記第１の制御手段と、前記第１の通信手段とを備えて電池パックが構成され、
前記充電手段と、前記第２の制御手段と、前記第２の通信手段とを備えて充電器が構成されることを特徴とする請求項１記載の充電システム。
【請求項３】
前記劣化判定手段は、
前記二次電池の放電電流を検出する電流検出手段と、
前記二次電池の満充電状態から残量が無くなるまでの前記電流検出手段の検出結果を積算することで、前記二次電池の満充電状態における実容量を求める実容量演算手段と、
前記実容量演算手段で求められた前記実容量の前記二次電池の初期容量からの減少分と、前記初期容量との比を前記二次電池の劣化の度合いとして求める劣化度演算手段とを備えて構成されることを特徴とする請求項１記載の充電システム。
【請求項４】
前記二次電池の充放電の経路にスイッチをさらに備えるとともに、充電電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
前記充電制御手段は、前記充電手段に要求した充電電圧よりも予め定める電圧以上高い電圧が印加されていることを前記電圧検出手段で検出すると、前記スイッチを遮断することを特徴とする請求項１記載の充電システム。
【請求項５】
充電器で充電される二次電池を備える電池パックにおいて、
前記二次電池の劣化の度合いを求める劣化判定手段と、
充電時に、前記劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池に与えるべき充電電圧および充電電流の少なくとも一方が小さくなるように、該充電電圧および充電電流を求める充電制御手段と、
前記充電制御手段で求められた充電電圧および充電電流を前記充電器に要求する通信手段とを含むことを特徴とする電池パック。
【請求項６】
二次電池の劣化の度合いを求めるステップと、
前記劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池への充電電圧と充電電流との少なくとも一方を小さくして充電を行うステップとを含むことを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項７】
前記劣化の度合いを求めるステップは、
前記二次電池の満充電状態における実容量を求めるステップと、
求められた前記実容量の前記二次電池の初期容量からの減少分と、前記初期容量との比を前記二次電池の劣化の度合いとして求めるステップとから成ることを特徴とする請求項５記載の二次電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電システム、電池パックおよびその充電方法に関し、特に二次電池の劣化に対応した充電手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、新品状態から劣化が進むと、満充電状態で蓄積できる電荷量（実力容量Full Charge Capacity）が低下してゆく。たとえば、標準的な温度において、前記満充電から残量が０％になるまでの１サイクルの使用で、０．０５％程度減少する。これに対して、従来の充電器では、その劣化を考慮することなく、充電電圧および電流は、一定のままというのが一般的である。
【０００３】
この点、特許文献１や特許文献２では、劣化の度合いに応じて充電電圧を変更している。具体的には、充電電圧を、初期は低く、末期に高くすることで、サイクル寿命を延ばすようにしている。
【特許文献１】特開平９−１２０８４３号公報
【特許文献２】特開２０００−２７０４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
たとえば、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素を用いたリチウムイオン二次電池の充電反応では、正極のコバルト酸リチウム中のリチウムがリチウムイオンとなり、負極炭素の層と層との間に移動する。このため、新品電池の場合、電池の端子電圧が基準電圧である４．２Ｖまでは、リチウムイオンが前記負極炭素の層と層との間に入り、充電が可能であるのに対して、充放電サイクルが進むに従って負極炭素の結晶構造が崩れてリチウムイオンが層と層との間に入り難くなり、新品で４．２Ｖまで充電できたものが、２０％劣化、すなわち容量維持率（前記実力容量）が８０％の場合、実質的に３．９８Ｖに相当するリチウムイオン量しか、負極炭素の層と層との間に入らなくなる。
【０００５】
したがって、前述のような従来技術では、劣化が進んでも高い電圧で充電することで、見掛け上は、充電電気量が多くなり、放電容量を初期と同じにすることができると思われるけれども、実質的には、前記３．９８Ｖに相当するリチウムイオン量しか負極炭素の層と層との間に入らず、高い電圧で無理矢理充電した分、電池特性が急激に劣化する上、注入した電荷はジュール熱となり、得られる容量もほとんど増加しない。
【０００６】
本発明の目的は、二次電池の不所望な劣化を抑えることができるとともに、充電電荷の無駄を抑えることができる充電システム、電池パックおよびその充電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の充電システムは、二次電池と、前記二次電池を充電する充電手段と、前記二次電池の劣化の度合いを求める劣化判定手段と、充電時に、前記劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池に与える充電電圧および充電電流の少なくとも一方が小さくなるように、前記充電手段を制御する充電制御手段とを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の電池パックは、充電器で充電される二次電池を備える電池パックにおいて、前記二次電池の劣化の度合いを求める劣化判定手段と、充電時に、前記劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池に与えるべき充電電圧および充電電流の少なくとも一方が小さくなるように、該充電電圧および充電電流を求める充電制御手段と、前記充電制御手段で求められた充電電圧および充電電流を前記充電器に要求する通信手段とを含むことを特徴とする。
【０００９】
さらにまた、本発明の二次電池の充電方法は、二次電池の劣化の度合いを求めるステップと、前記劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池への充電電圧と充電電流との少なくとも一方を小さくして充電を行うステップとを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、二次電池は新品状態から劣化が進むと、満充電状態で蓄積できる電荷量が低下してゆくのに対して、従来では充電電圧および電流は一定のままであったのを、本発明では、劣化の度合いが高くなる程、前記二次電池に与えるべき充電電圧および充電電流の少なくとも一方を小さくする。
【００１１】
前記劣化の度合いは、たとえば満充電状態から、残量が無くなる（０％）、すなわち放電終了電圧までの連続放電時における予め定める時間、たとえば２ｍｓｅｃ毎の電流検出手段の検出結果、すなわち放電電流値を積算することで、二次電池の満充電状態における実容量（ＡｈまたはｍＡｈ）を求め、その求められた実容量の前記二次電池の初期容量からの減少分と、前記初期容量との比、またはその比をパラメータとして求めた値とすることができる。その場合、前記満充電状態から残量が無くなるまで連続放電しなかったり、継ぎ足し充電されたときには、前記実容量の積算を行わなくてもよく、或いは充放電の電荷を加減算して積算を継続するようにしてもよい。もしくは、充放電の回数や、超高温や低温での使用時間、保存時間など、前記劣化の度合いを表すことができる他のパラメータが用いられてもよい。
【００１２】
こうして、二次電池に無理なく電荷を注入し、劣化を抑えることができるとともに、充電時に二次電池に入り切らず、ジュール熱として無駄になるエネルギーも削減することができる。
【００１３】
前記充電制御手段は、前記充電電圧および充電電流を求める第１の制御手段と、前記第１の制御手段で求められた充電電圧および充電電流の要求を送信する第１の通信手段と、前記要求を受信する第２の通信手段と、前記第２の通信手段で受信された要求に対応して、前記充電手段の充電電圧および充電電流を制御する第２の制御手段とで構成することができ、前記二次電池と、前記劣化判定手段と、前記第１の制御手段と、前記第１の通信手段とで電池パックを構成し、前記充電手段と、前記第２の制御手段と、前記第２の通信手段とを備えで充電器を構成することができる。
【００１４】
また、本発明の充電システムでは、前記二次電池の充放電の経路にスイッチをさらに備えるとともに、充電電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、前記充電制御手段は、前記充電手段に要求した充電電圧よりも予め定める電圧以上高い電圧が印加されていることを前記電圧検出手段で検出すると、前記スイッチを遮断することを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、充電制御手段は、前述のように二次電池の劣化を抑えることができる充電電圧を充電器に要求しているけれども、充電器側の電圧の検出誤差や充電手段の誤差などで、要求した充電電圧よりも所定レベル以上高い電圧が印加されていることを検出すると、二次電池への充電電流の供給を遮断する。
【００１６】
したがって、より確実に劣化を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の充電システム、電池パックおよびその充電方法は、以上のように、二次電池は新品状態から劣化が進むと、満充電状態で蓄積できる電荷量が低下してゆくのに対して、劣化の度合いが高くなる程、前記二次電池に与えるべき充電電圧および充電電流の少なくとも一方を小さくする。
【００１８】
それゆえ、二次電池に無理なく電荷を注入し、劣化を抑えることができるとともに、充電時に二次電池に入り切らず、ジュール熱として無駄になるエネルギーも削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施の一形態に係る充電方法が用いられる充電システムの電気的構成を示すブロック図である。この充電システムは、電池パック１に、それを充電する充電器２を備えて構成されるが、負荷機器が設けられて電子機器システムが構成されてもよい。その場合、電池パック１は、負荷機器に装着されて、該負荷機器を通して充電が行われてもよい。電池パック１および充電器２は、充電を行う直流ハイ側の端子Ｔ１１，Ｔ２１と、通信信号の端子Ｔ１２，Ｔ２２と、充電および通信信号のためのＧＮＤ端子Ｔ１３，Ｔ２３とによって相互に接続される。前記負荷機器にも、同様の３つの端子が設けられる。
【００２０】
前記電池パック１内で、前記の端子Ｔ１１から延びる直流ハイ側の充放電経路１１には、充電用と放電用とで、相互に導電形式が異なるＦＥＴ１２，１３が介在されており、その充放電経路１１が二次電池１４のハイ側端子に接続される。前記二次電池１４のロー側端子は、直流ロー側の充放電経路１５を介して前記ＧＮＤ端子Ｔ１３に接続され、この充放電経路１５には、充電電流および放電電流を電圧値に変換する電流検出抵抗１６が介在されている。
【００２１】
前記二次電池１４は、複数の二次電池のセルが直並列に接続されて成り、そのセルの温度は温度センサ１７によって検出され、制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。また、前記各セルの端子間電圧は電圧検出回路２０によって読取られ、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。さらにまた、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値も、前記制御ＩＣ１８内のアナログ／デジタル変換器１９に入力される。前記アナログ／デジタル変換器１９は、各入力値をデジタル値に変換して、充電制御判定部２１へ出力する。
【００２２】
第１の制御手段である前記充電制御判定部２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路などを備えて成り、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値に応答して、二次電池１４の残量が、満充電時の何％であるかを演算して、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３を介して充電器２へ送信する。この残量％の演算の基となる満充電時における容量には、二次電池１４の新品時における初期容量と、後述のようにして求められる使用によって劣化した実容量（ＡｈまたはｍＡｈ）とのいずれが用いられてもよい。また、前記充電制御判定部２１は、前記アナログ／デジタル変換器１９からの各入力値から、充電器２に対して出力を要求する充電電流の電圧値および電流値を演算し、第１の通信手段である通信部２２から端子Ｔ１２を介して送信するとともに、前記各入力値から、端子Ｔ１１，Ｔ１３間の短絡や充電器２からの異常電流などの電池パック１の外部における異常や、二次電池１４の異常な温度上昇などに対して、前記ＦＥＴ１２，１３を遮断するなどの保護動作を行う。
【００２３】
充電器２では、前記の残量を制御ＩＣ３０の制御部３１が第２の通信手段である通信部３２を介して受信し、表示パネル３４に表示を行う。また、第２の制御手段である前記制御部３１は、前記の電池パック１から要求のあった電圧値および電流値の充電電流を、充電手段である充電電流供給回路３３に、端子Ｔ２１，Ｔ１１；Ｔ２３，Ｔ１３から出力させる。
【００２４】
注目すべきは、本実施の形態では、前記充電制御判定部２１は、二次電池１４は新品状態から劣化が進むと、満充電状態で蓄積できる電荷量が低下してゆくのに対して、従来では充電電圧および電流は一定のままであったのを、本発明では、劣化の度合いが大きくなる程、前記二次電池１４に与えるべき充電電圧および充電電流の少なくとも一方を小さくすることである。通常、前記劣化具合は、初期容量（ＡｈまたはｍＡｈ）に対する容量維持率（放電可能な実容量）で表され、通常のリチウムイオン二次電池で充放電を、たとえば１００サイクル繰返した後は９５％に減少し、３００サイクル繰返した後は８０％に減少し、５００サイクル繰返した後は６０％に減少する。本実施の形態では、実容量の初期容量からの減少分と、前記初期容量との比を劣化度合いを表す劣化度として使用し、この劣化度が大きくなる程、前記二次電池１４に与えるべき充電電圧および充電電流を小さくしてゆく。
【００２５】
図２は、前記制御ＩＣ１８の充電制御判定部２１の具体的な一構成例を示すブロック図である。充電制御判定部２１は、充放電制御部４１と、演算部４２と、残量補正部４３と、データテーブル４４，４６と、劣化判定部４５と、学習部４９とを備えて構成される。前記充放電制御部４１は、充放電の制御および異常に対する保護動作を行うものであり、充電器２に対して要求する充電電流の電圧値、電流値、および異常の有無を、通信部２２から端子Ｔ１２，Ｔ１３を介して送信する。
【００２６】
前記演算部４２は、満充電状態から放電終了電圧（残量０％）までの連続放電時における予め定める時間、たとえば２ｍｓｅｃ毎の電流検出抵抗１６の検出結果、すなわち放電電流値を積算することで、二次電池１４の満充電状態における実容量を求めるとともに、二次電池１４の現在の残量％を演算し、前記充電器２や負荷機器などへ出力する。具体的には、前記演算部４２は、充放電の電荷量を積算する積算部４２１と、前記実容量を格納し、その実容量が前記学習部４９によって更新（学習）させられる実容量保持部４２２と、残量％を求める残量演算部４２３とを備えて構成される。この演算部４２には、前記充放電制御部４１から、該電池パック１のステータス情報が入力されており、そのステータス情報によって、充電状態であるか、放電状態であるか、或いは満充電状態に達したかなどを判定することができる。そして、積算部４２１は、充電状態と放電状態とが切換わると、積算値をリセットして、前記電流検出抵抗１６によって検出された電流値を積算してゆく。満充電の判定は、充電時に前記充放電制御部４１が所定の周期で充電用のＦＥＴ１２をＯＦＦしてＯＣＶ（開放回路電圧）を測定し、そのＯＣＶが所定時間以上保持されたことで行われてもよく、或いは通常のＣＣ−ＣＶ充電での電流垂下などから行われてもよい。
【００２７】
前記残量演算部４２３は、積算部４２１の積算値を、それまでの残量値に加減算し、実容量演算部４２２に設定されている実容量から、（加減算値／実容量）×１００によって前記残量％を算出し、前記通信部２２を介して充電器２や負荷機器へ送信する。放電時において、この残量％は、残量補正部４３によって、セル電圧が予め定められる複数の補正ポイントの値となる毎に、その補正ポイントにおける残量％の値に逐次補正される。たとえば、前記補正ポイントとしては、残量％が、５．５％、３．５％、０％の値である。
【００２８】
実容量保持部４２２は、積算部４２１の積算値を、現在の二次電池１４が満充電の状態から放電終了電圧（残量０％）まで放電可能な電荷量である実容量として更新する。その更新は、前記学習部４９からの更新指示によって行われる。その更新指示は、二次電池１４が満充電状態から前記放電終了電圧まで連続放電した場合に出力される。或いは、積算部４２１の積算精度や電流検出抵抗１６の検出精度が高い場合は、前記連続放電に限らず、継ぎ足し充電された後に放電終了電圧まで放電された場合にも前記実容量の更新が行われてもよい。さらにまた、前記連続放電の機会が少ない場合には、たとえば１サイクルの充放電で０．０５％の容量が減少するので、たとえば前回の更新から１０サイクル経過したときには、０．５％減少した値を用いるなどしてもよい。
【００２９】
こうして求められた実容量は、劣化度演算部４５に入力され、この劣化度演算部４５は、その実容量が前記二次電池１４の初期容量からどれだけ減少し、その減少分が初期容量の何％になるのかを演算し、劣化度として前記充放電制御部４１に与える。前記劣化度には、前記比に限らず、その比をパラメータとして求めた値が用いられてもよい。もしくは、前記劣化度には、充放電の回数や、超高温や低温での使用時間、保存時間など、前記劣化度を表すことができる他のパラメータが用いられてもよい。
【００３０】
充放電制御部４１は、入力された劣化度からデータテーブル４６を参照し、格納されている表１で示すようなその劣化度に適した充電電圧および充電電流を読出して、前記通信部２２から充電器２へ要求する。劣化度に応じて変化するのは、充電電圧と充電電流との両方でなくてもよく、少なくとも一方であればよい。また、二次電池１４へパルス充電を行っている場合には、前記パルスのデューティを変化するようにしてもよい。
【００３１】
【表１】
2008252960.tif 000003
【００３２】
表１の例では、新品の劣化度０％の場合には、充電電圧が４．２［Ｖ］であり、充電電流は、ＩＥＣ６１４３４に定義され、定格容量（前記実容量）を１時間で放電することができる電流値を１Ｉｔとするとき、０．７Ｉｔ［Ａ］であるのに対して、寿命末期の劣化度５０％の場合には、充電電圧が３．８１［Ｖ］であり、充電電流は０．３５Ｉｔ［Ａ］、すなわち半分となっている。
【００３３】
したがって、前述のように正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素を用いたリチウムイオン二次電池で比較すると、新品電池の場合、本実施の形態の充電電圧も前記４．２Ｖであり、劣化の具合は、特許文献１や２の従来技術とほぼ同じになる。しかしながら、劣化が進んだ場合、たとえば２０％減少して容量維持率（前記実容量）が８０％の場合、実質的に３．９８Ｖに相当するリチウムイオン量しか負極炭素の層と層との間に入らなくなるところ、従来技術では前記４．２Ｖより高い電圧を印加して無理やり電荷を押し込むのに対して、本実施の形態では、その３．９８Ｖしか印加しない。同様に５０％減少した場合、本実施の形態では、前記３．８１Ｖしか印加しなくなる。
【００３４】
これによって、通常のリチウムイオン二次電池では、前述のように実容量は、たとえば充放電を１００サイクル繰返した後は９５％に減少し、３００サイクル繰返した後は８０％に減少し、５００サイクル繰返した後は６０％に減少するのに対して、本実施の形態のように劣化が進むに連れて充電電圧および充電電流を小さくしてゆくことで、たとえば充放電を前記１００サイクル繰返した後は９５％であるけれども、３００サイクルで８５％、５００サイクルで７５％に、前記実容量の減少を抑えることができる。こうして、二次電池１４に無理なく電荷を注入し、劣化を抑えることができるとともに、充電時に二次電池１４に入り切らず、ジュール熱として無駄になるエネルギーも削減することができる。
【００３５】
また、前記充放電制御部４１は、二次電池１４の劣化を抑えることができる充電電圧を充電器２に要求しているけれども、充電器２側の電圧の検出誤差や充電電流供給回路３３の誤差などで、要求した充電電圧よりも所定レベル、たとえば０．１Ｖ以上高い電圧が印加されていることを電圧検出回路２０によって検出すると、充電用のＦＥＴ１２をＯＦＦして、二次電池１４への充電電流の供給を遮断する。具体的には、新品状態で４．３Ｖ、劣化度２０％（実容量８０％）で４．０８Ｖ、劣化度５０％（実容量５０％）で３．９１Ｖ以上となるとＦＥＴ１２をＯＦＦする。したがって、より確実に劣化を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、二次電池に無理なく電荷を注入し、劣化を抑えることができるとともに、充電時に二次電池に入り切らず、ジュール熱として無駄になるエネルギーも削減することができるので、電池パックの充電に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の一形態に係る充電方法が用いられる充電システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図２】図１で示す電池パックの制御ＩＣにおける充電制御判定部の具体的な一構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    電池パック
２    充電器
１１，１５    充放電経路
１２，１３    ＦＥＴ
１４    二次電池
１６    電流検出抵抗
１７    温度センサ
１８，３０    制御ＩＣ
１９    アナログ／デジタル変換器
２０    電圧検出回路
２１  充電制御判定部
２２，３２    通信部
３１  制御部
３３    充電電流供給回路
３４    表示パネル
４１  充放電制御部
４２    演算部
４２１  積算部
４２２  実容量保持部
４２３  残量演算部
４３    残量補正部
４４，４６    データテーブル
４５    劣化度演算部
４９    学習部
Ｔ１１，Ｔ２１；Ｔ１２，Ｔ２２；Ｔ１３，Ｔ２３    端子
【図１】
2008252960.tif 000004
【図２】
2008252960.tif 000005