(57)【要約】【課題】電池を理想的な状態で充電することによって、安全性を確保しながら電池の実質容量を大きくする。【解決手段】リチウムイオン二次電池の充電方法は、リチウムイオン二次電池の電圧を設定電圧に制限して満充電する。さらに、リチウムイオン二次電池の充電方法は、リチウムイオン二次電池の劣化度を検出して、劣化が進んだとき、設定電圧を低くして満充電する。【効果】新しい電池は大きな実質容量で使用しながら、劣化した状態では設定電圧を低くして安全性を確保できる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池の電圧を設定電圧に制限して満充電する電池の充電方法であって、リチウムイオン二次電池の劣化度を検出して、劣化が進んだとき、設定電圧を低くして満充電することを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電方法。
【請求項２】
電池の劣化度を、電池の内部抵抗、充電できる容量、サイクル数のいずれかから検出する請求項１に記載されるリチウムイオン二次電池の充電方法。
【請求項３】
電池が設定劣化度まで劣化すると定電圧充電の設定電圧を４．２Ｖ／セルから４．１Ｖ／セルに切り換える請求項１に記載されるリチウムイオン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、リチウムイオン二次電池の充電方法に関し、とくに劣化したリチウムイオン二次電池を安全に満充電する充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、定電圧・定電流充電して満充電される。定電圧・定電流充電は、定電流充電した後、定電圧充電して満充電する。最初の定電流充電は、電池の電圧が設定電圧に上昇するまで行われる。電池の電圧が設定電圧まで上昇すると、電池電圧が上昇しないように、定電圧充電に切り換えられる。充電している電池の電圧が設定電圧よりも高くなるのを防止するためである。電池の電圧を設定電圧に保持して充電する定電圧充電によって、電池の充電電流は次第に減少する。充電電流が設定値よりも小さくなると、満充電されたと判定して充電を終了する。リチウムイオン二次電池は、定電圧充電の設定電圧を、たとえば４．１Ｖ／セル〜４．２Ｖ／セルに設定して充電される。
【０００３】
定電圧充電するときの設定電圧は、リチウムイオン二次電池の安全性と実質容量と寿命に影響を与える。設定電圧を高くすると、実質的に充電できる容量、言い換えると満充電した電池を完全に放電するまでの容量を大きくできるが、漏液の確率が高くなる等で安全性が低下し、寿命も短くなる。安全性を向上して寿命を長くするために設定電圧を低くすると、実質容量が小さくなって電池の使用時間が短くなる。図１は、リチウムイオン二次電池の実質容量とサイクル寿命を示すグラフである。この図は、横軸を充放電サイクル、縦軸を実質容量とする。この図から明らかなように、電池の初期の実質容量は、充電する電池の設定電圧を高くして大きくできる。ただ、設定電圧を高くして電池を高電圧に満充電すると、安全性が低下して寿命が短くなる。図１において、特性Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、異なる設定電圧で充電されるリチウムイオン二次電池の特性を示している。特性Ａの電池は、設定電圧を高くして満充電されることから、初期の実質容量は大きくなるが、サイクル寿命が短くなる。反対に、特性Ｂ、Ｃ、Ｄとなるに従って、設定電圧を低くして満充電することから、初期の実質容量は小さいが、サイクル寿命が長くなる。この図に示す特性から、電池の実質容量とサイクル寿命は互いに相反する特性となり、設定電圧を高くして実質容量を大きくするとサイクル寿命が短くなり、反対に設定電圧を低くしてサイクル寿命を長くすると実質容量が小さくなる。このため、実質容量とサイクル寿命は、一方を高くすると他方の特性が悪化し、両方を一緒に満足できない。
【０００４】
実質容量を改善するために、充放電を繰り返すにしたがって、充電する電池の設定電圧を高くする充電方法は開発されている。（特許文献１ないし３参照）
【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
【特許文献３】特開２００５−２７８３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの特許文献に記載されるの充電方法は、充放電サイクルが多くなって、電池が劣化するにしたがって充電する電池の設定電圧を高くする。設定電圧を高くして充電されたリチウムイオン二次電池は、実質容量が増加する。ただ、充放電サイクルが多くなって、電気特性の低下した電池は劣化して寿命が尽きようとしている電池であるので、この電池の設定電圧を高くすることは、漏液等の確率がますます高くなって電池の安全性を低下させる原因となる。それは、劣化して漏液の確率が高くなり、さらに、設定電圧を高くすることからも漏液の確率が高くなって安全性が著しく低下するからである。したがって、劣化した電池の設定電圧を高くすることは、実質容量を増加できるとしても、安全性を確保できず、また電池の劣化も甚だしくなって、実質容量を急激に低下させる。このため、電池を充放電するにしたがって設定電圧を高くする方法は、一時的に実質容量を増加できても、電池の安全性を確保できない。
【０００６】
本発明は、この欠点を解消することを目的に開発されたものであって、本発明の重要な目的は、電池を理想的な状態で充電することによって、安全性を確保しながら電池の実質容量を大きくできるリチウムイオン二次電池の充電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のリチウムイオン二次電池の充電方法は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電池の充電方法は、リチウムイオン二次電池の電圧を設定電圧に制限して満充電する。さらに、電池の充電方法は、リチウムイオン二次電池の劣化度を検出して、劣化が進んだとき、設定電圧を低くして満充電する。
【０００８】
本発明の請求項２のリチウムイオン二次電池の充電方法は、電池の劣化度を、電池の内部抵抗、充電できる容量、サイクル数のいずれかから検出する。
【０００９】
本発明の請求項３のリチウムイオン二次電池の充電方法は、電池が設定劣化度まで劣化すると、定電圧充電の設定電圧を４．２Ｖ／セルから４．１Ｖ／セルに切り換える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のリチウムイオン二次電池の充電方法は、電池を理想的な状態で充電することによって、電池の安全性を確保しながら、電池の実質容量を大きくできる特長がある。それは、本発明の充電方法が、リチウムイオン二次電池を設定電圧に制限して満充電する状態において電池の劣化度を検出し、劣化が進んだとき、設定電圧を低くして充電するからである。劣化しないリチウムイオン二次電池は設定電圧を高くして満充電するので、新しいリチウムイオン二次電池の実質容量を制限することがない。すなわち、電池の安全性を向上させるために新しい電池の実質容量を制限することがない。新しい電池は大きな実質容量で使用しながら、劣化した状態では設定電圧を低くして安全性を確保する。さらに、本発明の充電方法は、互いに相反する特性である実質容量を増加しながら寿命を長くできる特長も実現される。それは、本発明の充電方法が、新しいリチウムイオン二次電池は設定電圧を高くして実質容量を大きくし、劣化しやすい電池については、設定電圧を低くして劣化を防止するからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池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に特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１２】
本発明の電池の充電方法は、従来のように充放電を繰り返すにしたがって、充電する電池の設定電圧を高くするのではない。本発明の充電方法は、従来の方法とは反対に、電池の充放電を繰り返すにしたがって、設定電圧を低下させる。すなわち、本発明の充電方法は、新しくて劣化し難い電池の設定電圧を高くして実質容量を大きくするが、充放電を繰り返して電気特性が低下して劣化しやすい電池の設定電圧を低くして劣化を防止する。この方法は、劣化に強い新しい電池の実質容量を大きくするが、劣化に弱い電池は劣化を防止する電圧で充電する。
【００１３】
リチウムイオン二次電池は、電池の最高電圧を制限して充電するために定電圧・定電流充電して満充電される。図２は、本発明の充電方法で充電されるパック電池１０を示す。図２は、パック電池１０を電子機器３０に装着している。電子機器３０は携帯機器ＰＣである。パック電池１０は、装着される電子機器３０の携帯機器ＰＣで充電され、また携帯機器ＰＣに電力を供給する。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１０は、通常、携帯機器ＰＣに着脱自在に装着される。ただ、パック電池は、携帯機器ＰＣの電源として脱着しない構造で内蔵されるものもある。携帯機器ＰＣ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４０に接続される。アダプター４０は、携帯機器ＰＣに直流電力を供給する。携帯機器ＰＣは、アダプター４０から供給される電力を制御する電源回路（図示せず）を備えている。電源回路の出力は、パック電池１０を充電し、また携帯機器ＰＣの負荷に電力を供給する。また、アダプター４０から電力が供給されない状態で、パック電池１０は携帯機器ＰＣに電力を供給する。
【００１４】
パック電池１０は、リチウムイオン二次電池からなる充電できる電池１１と、電池１１の充放電時の電流を検出する電流検出抵抗１２Ａを備える電流検出部１２と、電池１１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）を備える制御回路１３と、この制御回路１３でオンオフに切り換えられて、電池１１に流れる電流をコントロールするスイッチング素子１４と、携帯機器ＰＣとの間で通信する通信回路１５を備える。さらに、図のパック電池１０は、電池１１に熱結合している温度センサ１６Ａであるサーミスタを含む温度検出部１６を備える。
【００１５】
制御回路１３は、Ａ／Ｄコンバータ１７と演算回路１８を内蔵する。Ａ／Ｄコンバータ１７は、電池１１の電圧と、電流検出部１２からの出力と、温度検出部１６からの出力を、アナログ信号からデジタル信号に変換して演算回路１８に入力する。演算回路１８は、Ａ／Ｄコンバータ１７から出力されるデジタル信号を演算処理して、スイッチング素子１４をオンオフに切り換える。電池１１の充電電流と放電電流を積算して残容量を演算処理し、また、電池１１の電圧から満充電を検出してスイッチング素子１４を制御する。また、演算回路１８は、電池１１に流れる異常電流、異常温度、異常電圧の検出時等に、スイッチング素子１４をオフに切り換え、電流を遮断して電池１１を保護する。
【００１６】
さらに演算回路１８は、電池１１の劣化度を検出する劣化度検出部２０を備える。劣化度検出部２０は、検出された劣化度を、記憶する設定劣化度に比較して、検出劣化度が設定劣化度を超えて、劣化が進んでいると判定されるとき、電池が劣化した状態と判定する。このような判定の後、後述するように、充電する設定電圧を低下させる。
なお、本実施例では、劣化度を表す数値が小さいほど、劣化が進んだ状態（後述する最大容量）と判断する方法や、劣化度を表す数値が大きいほど、劣化が進んだ状態（後述する内部抵抗値、サイクル数）と判断する方法とがある。そして、本実施例においては、検出劣化度が設定劣化度を超えると、劣化が進んだ状態とし、電池が劣化している状態を示している。
【００１７】
劣化度検出部２０は、以下の方法で、劣化度を判定できるが、これ以外の方法でも劣化度の判定が可能である。本実施例では、劣化度を判定する方法として、
（１）内部抵抗にて検出する方法
（２）充電できる最大容量から検出する方法
（３）充放電のサイクル数にて検出する方法
の少なくともひとつの方法を利用できる。また、これら方法の複数を利用し、いずれかの方法で検出した最も劣化が進んだ劣化度を、電池の劣化度として利用しても良い。
【００１８】
電池の劣化度を、内部抵抗にて検出する方法（１）においては、電池１１の内部抵抗を検出して、電池１１の劣化度を判定する。電池は、劣化すると内部抵抗が増加する性質があるので、内部抵抗から劣化度を検出できる。ただし、電池は、劣化するにしたがって、充電できる容量も少なくなるので、充電できる実質容量を検出して劣化度を判別することもできる。電池１１の内部抵抗（Ｒ）は、電池１１に電流を流す状態で、電池１１に流れる電流と電圧を検出して以下の式で演算できる。
Ｒ＝（Ｅocv−Ｅccv）／Ｉ
ただし、この式において、Ｅocvは電池の無負荷電圧、Ｅccvは電流Ｉを流す状態での電池電圧、Ｉは電流である。
【００１９】
劣化度検出部２０は、この式から演算される電池１１の内部抵抗（Ｒ）から劣化度を特定する関数やテーブルを記憶しており、記憶される関数やテーブルから電池１１の劣化度を判定する。
【００２０】
内部抵抗（Ｒ）から劣化度を判定するには、新しい電池の最小内部抵抗（Ｒmin）と、寿命が尽きた電池の最大内部抵抗（Ｒmax）を実測し、電池の内部抵抗（Ｒ）が最大内部抵抗（Ｒmax）になると電池が完全に劣化したとして、劣化度０％とする。電池の劣化度は、新しい電池の劣化度を１００％、完全に劣化した電池の劣化度を０％とする。図３は、劣化度検出部２０が、電池の内部抵抗から劣化度を判別するのに使用する関数を例示する。この図は、内部抵抗に対して劣化度をリニアに変化させるが、内部抵抗に対する劣化度は必ずしもリニアに変化させる必要はない。さらには、上記検出劣化度として、電池の検出された内部抵抗を用い、メモリ（図示せず）に記憶される設定劣化度として設定抵抗値を用いるとき、検出された内部抵抗が設定抵抗値を超えたとき、電池が劣化した状態と判定することもできる。
【００２１】
電池の劣化度を、充電できる最大容量から検出する方法（２）においては、電池１１の充電できる実質容量（＝最大容量又は学習容量）から電池１１の劣化度を検出する劣化度検出部２０は、完全に放電した状態から満充電されるまでの容量を検出し、この容量から劣化度を検出する。この劣化度検出部２０も、充電できる実質容量から劣化度を検出する関数やテーブルを記憶しており、記憶される関数やテーブルから容量を劣化度に変換する。図４は、劣化度検出部２０が電池１１の実質容量から劣化度を判別する関数を例示する。この図は、実質容量に対して劣化度をリニアに変化させるが、必ずしもリニアに変化させる必要はない。
【００２２】
さらには、上記検出劣化度としてこのような検出された実質容量を用いるとき、記憶される設定劣化度として設定実質容量を用いるとき、検出された実質容量が設定実質容量より小さくなったとき、電池が劣化した状態と判定する。
ここで、得られた実質容量（＝学習容量）において、前回、演算された総容量より、制限幅を超えているときは、所定の制限値の値とすることもできる。つまり、今回、演算された実質容量において、前回の実質容量値の±２０％の制限幅で制限をかける、例えば、学習容量で３０％の低下があれば、制限があるので、−２０％の実質容量（＝学習容量）とする。また、これに代わって、今回、演算された実質容量（＝学習容量）を利用して、今回までの複数回（約２〜５回程度、望ましくは、４回程度）の平均値を算出した実質容量を利用することもできる。
【００２３】
また、電池の劣化度を、充放電のサイクル数にて検出する方法（３）においては、劣化度検出部２０において、完全に放電された電池、言い換えると残容量を０％とする電池を満充電した後、完全に放電した状態を１サイクルとカウントし、このようなサイクルを累積したサイクル数を検出し、このサイクル数から劣化度を検出する。この劣化度検出部２０も、累積したサイクル数から劣化度を検出する関数やテーブルを記憶しており、記憶される関数やテーブルから累積したサイクル数を劣化度に変換する。さらには、上記検出劣化度として、このような累積したサイクル数を用いるとき、記憶される設定劣化度として設定サイクル数を用いるとき、検出された累積したサイクル数が設定サイクル数より大きくなったとき、電池が劣化した状態と判定する。
【００２４】
なお、サイクルについては、充放電の繰り返しを示す充放電サイクルの１サイクルを、上述のように、完全に放電された電池を満充電した後、完全に放電した状態のみでなく、充電容量又は放電容量を積算してカウントすることもできる。充電容量からカウントする方法は、充放電される電池の充電容量の積算値を累積する。充電容量の累積量が、その時点での電池の実質容量に達する毎に１サイクルとカウントし、カウントに基づいて、累積サイクル数を増加させている。たとえば、現在の電池の実質容量が１０００ｍＡｈである場合、１回目の充電で５００ｍＡｈ、２回目に２００ｍＡｈ、３回目に３００ｍＡｈの充電を行ったとき、充電容量の累積量が１０００ｍＡｈに達するので、１サイクルの充電を行ったと判定する。この間、電池は、放電を行うこともでき、また、満充電にすることもできる。これらの充電を繰り返し、積算量がその時点での電池の実質容量に達する毎に、サイクル数を増加させる。
【００２５】
また、充電容量に代わって、放電容量の累積量から１サイクルをカウントすることもできる。この方法は、実際の放電容量を累積し、この累積量がその時点での電池の実質容量に達する毎に１サイクルとカウントし、カウントに基づいて、劣化カウンタを増加させている。たとえば、現在の電池の実質容量が１０００ｍＡｈである場合、１回目の放電で５００ｍＡｈ、２回目に２００ｍＡｈ、３回目に３００ｍＡｈの放電充電を行ったとき、放電容量の累積量が１０００ｍＡｈに達するので、１サイクルの放電充電を行ったと判定する。この間、電池は、充電放電を行うこともでき、また、満充電にすることもできる。これらの放電を繰り返し、積算量がその時点での電池の実質容量に達する毎に、サイクル数を増加させている。
【００２６】
また、充電容量又は放電容量に代わって、充電容量と放電容量の累積量から１サイクルをカウントすることもできる。この方法は、実際の充電容量と放電容量を累積し、この累積量がその時点での電池の実質容量の２倍に達する毎に１サイクルとカウントし、カウントに基づいて、劣化カウンタを増加させている。たとえば、現在の電池の実質容量が１０００ｍＡｈである場合、１回目の充電で８００ｍＡｈ、この充電に続く１回目の放電で５００ｍＡｈ、２回目の放電で２００ｍＡｈ、２回目の充電で２００ｍＡｈ、その後に３回目に３００ｍＡｈの充電を行ったとき、充電容量の累積値が１０００ｍＡｈ、放電容量の累積量が１０００ｍＡｈに達するので、充放電の累積値が２０００ｍＡｈとなって、１サイクルの充電を行ったと判定する。
【００２７】
スイッチング素子１４はＭＯＳＦＥＴである。ＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオードを有する。寄生ダイオードのあるＭＯＳＦＥＴは、オフ状態で逆向きの電流を寄生ダイオードで流すことができる。ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１４は、電池１１の放電電流を遮断する放電用のスイッチング素子１４Ａと、充電電流を遮断する充電用のスイッチング素子１４Ｂとを直列に接続している。
【００２８】
放電用のスイッチング素子１４Ａは、放電している電池１１の電圧が最低電圧まで低下すると、制御回路１３でオンからオフに切り換えられて、電池１１の放電電流を遮断する。オフ状態となった放電用のスイッチング素子１４Ａは、寄生ダイオードで充電電流を流すことができる。したがって、充電電流が流れて電池１１の電圧が上昇すると、放電用のスイッチング素子１４Ａはオフからオンに切り換えられて、放電できる状態とする。
【００２９】
充電用のスイッチング素子１４Ｂは、制御回路１３でオンからオフに切り換えられて、電池１１の充電電流を制御して満充電する。電池１１が満充電されると、充電用のスイッチング素子１４Ｂはオフに保持される。オフ状態の充電用のスイッチング素子１４Ｂは、寄生ダイオードで放電電流を流すことができる。したがって、放電電流が流れて電池１１の電圧が低下すると、充電用のスイッチング素子１４Ｂはオフからオンに切り換えられる。オン状態の充電用のスイッチング素子１４Ｂは、寄生ダイオードよりも内部抵抗が小さい。従って、放電電流の電圧降下が小さく、充電用のスイッチング素子１４Ｂの発熱を防止しながら、電池１１の電力を有効に負荷である携帯機器ＰＣに供給する。
【００３０】
制御回路１３は、電池１１を充電する状態で、充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御する。制御回路１３は、電池１１の電圧が設定電圧よりも低いとき、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオン状態に保持して電池１１を定電流充電する。その後、電池１１の電圧が設定電圧まで上昇すると、制御回路１３は、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換えて、電池１１をパルス充電で満充電する。
【００３１】
設定電圧で充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換える制御回路１３は、オンオフに切り換える設定電圧、すなわちオン設定電圧とオフ設定電圧に差を設けて、すなわちヒステリシスを設けて充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換える。すなわち、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフに切り換えるオフ設定電圧よりもオンに切り換えるオン設定電圧を低くする。充電用のスイッチング素子１４Ｂを同じ設定電圧でオンオフに切り換えると、オンに切り換えた直後にオフに切り換えられるからである。オン設定電圧とオフ設定電圧の差、すなわちヒステリシス電圧は、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンに切り換えて所定の時間は電池１１が充電され、その後に充電用のスイッチング素子１４Ｂがオフに切り換えられる電圧に設定される。電池１１は内部抵抗を有するので、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンに切り換えて充電を開始すると電池１１の出力端子の電圧は上昇する。内部抵抗による電圧降下が電池電圧に加算されて出力端子の電圧となるからである。したがって、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフからオンに切り換えると、電池自体の電圧が上昇しなくても、電池電圧に内部抵抗の電圧降下が加算されて電池１１の出力端子の電圧は上昇する。したがって、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換える設定電圧を同じ電圧にすると、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフからオンに切り換えるときに、内部抵抗の電圧降下が電池電圧に加算されて出力端子の電圧が上昇し、充電用のスイッチング素子１４Ｂを直ちにオフに切り換えることになる。この状態では電池１１が充電できない。したがって、設定電圧にヒステリシスを持たせて、内部抵抗による弊害を避けて電池１１を充電する。したがって、ヒステリシス電圧は、電池１１の内部抵抗による電圧降下よりも大きく設定される。電池１１の内部抵抗による電圧降下は、内部抵抗と充電電流の積となる。したがって、内部抵抗による電圧降下は、内部抵抗と充電電流により変化し、内部抵抗が大きく、かつ充電電流が大きくなると大きくなる。したがってヒステリシス電圧は、電池１１の内部抵抗と充電電流を考慮し、さらに、Ａ／Ｄコンバータ１７の分解能を考慮して、たとえば１ｍＶないし５０ｍＶに設定される。充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフにする状態では、内部抵抗による電圧降下は無視できる。したがって、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフにする状態での出力端子の電圧、すなわちＯＣＶ（Open Circuit Voltage）は、実質的な電池電圧となる。
【００３２】
制御回路１３は、下記のように、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換えて、充電する電池１１の電圧を設定電圧に制限して充電すると共に、電池１１の劣化度で設定電圧を低下させながらパルス充電する。
なお、充電する設定電圧を低下させるには、このようなパルス充電に代わって、劣化が進んだこと、または、劣化が進んで設定電圧を低下させる必要があることをパック電池１０との通信により、電子機器３０側に通信し、電子機器３０内の電源回路（図示せず）において、充電する設定電圧を低下させることもできる。
【００３３】
パルス充電は、電池１１の充電電圧の実効値（後述する）を設定電圧に制限して、あるいは電池１１のＯＣＶを設定電圧に制限するように、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換えて定電圧充電して満充電する。すなわち、パルス充電は、電池１１の電圧がオフ設定電圧まで上昇すると充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフに切り換え、その後、電池１１の電圧がオン設定電圧まで低下し、あるいは所定の時間が経過すると充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンに切り換える動作を繰り返して、電池１１を満充電する。この充電状態を図５と図６に示す。
【００３４】
図５は、電池電圧がオフ設定電圧まで上昇すると充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフに切り換え、その後、電池電圧がオン設定電圧まで低下すると、充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンに切り換えて充電する状態を示している。これにより、充電電圧の実効値は、大まかには、オフ設定電圧とオン設定電圧との中間の値となり、オフ設定電圧とオン設定電圧との略平均値となる。つまり、充電電圧の実効値である設定電圧で、電池１１は充電される。このようなパルス充電を利用するなら、オフ設定電圧とオン設定電圧とを共に、同じ電圧値分だけ低下させることで、充電電圧の設定値を下げることができる。例えば、充電電圧の設定電圧を、１ｍＶ低減させるには、オフ設定電圧とオン設定電圧とを共に、１ｍＶ低減させて設定すれば良い。図６は、電池電圧がオフ設定電圧まで上昇すると充電用のスイッチング素子１４Ｂをオフに切り換え、所定の時間が経過すると充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンに切り換えて、電池１１の充電電圧の実効値が設定電圧となるように充電する状態を示している。
【００３５】
充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに切り換えてパルス充電すると、電池１１が満充電されるにしたがって、平均電流が減少する。電池１１が満充電されるにしたがってオフ時間が長くなるからである。電池１１を充電する平均電流が所定の値まで小さくなると、制御回路１３は電池１１が満充電されたと判定して、充電を終了する。図２に示すように、複数の電池１１を直列に接続しているパック電池１０は、電池電圧が最も高くなる電池１１の電圧が設定電圧を超えないように、あるいは直列に接続している電池１１のトータル電圧、すなわちパック電池１０の出力電圧が設定電圧を超えないように、制御回路１３が充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御して充電する。このように、パルス充電することにより、電池１１に印加される充電電圧の実効値を低減させることができ、即ち、電池１１を充電する設定電圧を低減させることができる。
【００３６】
制御回路１３は、前述したように、電池電圧が低い状態であって、設定電圧まで上昇しない状態では、定電流充電して短時間に効率よく充電する。したがって、本発明の充電方法は、好ましくは、充電を開始する初期、すなわちの電池電圧が設定電圧に上昇するまでは定電流充電し、その後に定電圧充電して満充電して、短時間に効率よく満充電できる。ただし、本発明の充電方法は、充電を開始する最初から定電圧充電して満充電することもできる。
【００３７】
制御回路１３が、電池１１を満充電する電圧を高く設定すると、電池１１を完全に放電するまでの実質容量を大きくできるが、劣化した電池１１の安全性を確保できなくなり、また寿命も短くなる。制御回路１３は、図７に示すように、電池１１が劣化するにしたがって、満充電する電池１１の設定電圧を低下させる。図７に示すように、充電する電池１１の設定電圧を電池１１の劣化度で変化させる制御回路１３は、電池１１が劣化して漏液などの確率が高くなるにしたがって設定電圧を低下させる。
【００３８】
図７に示すように設定電圧を低下して電池１１を充電する制御回路１３は、電池１１の劣化度が所定値（例えば、約５０％〜１０％、望ましくは約４０％〜２０％、一例として約４０％）となるまでは、設定電圧を４．２Ｖとし、その後は、４．１Ｖに低下させる。電池１１の劣化度は、前述した内部抵抗や実質容量、あるいはサイクル数で特定される。
また、これに代わって、電池１１の劣化度が所定値となったとき、その後、図７の鎖線に示すように、充電する設定電圧を徐々に低下させても良い。
【００３９】
以上の方法は、パック電池１０に内蔵される制御回路１３で充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御して電池１１を満充電する。ただし、本発明の充電方法は、パック電池１０を装着する携帯機器ＰＣなどの電子機器３０に内蔵する充電回路（図示せず）でもって、パック電池１０の充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御して満充電することもできる。また、携帯機器ＰＣに、電池を満充電するための充電回路を内蔵し、これでもってパック電池に内蔵される電池の充電を制御して満充電することもできる。また、携帯機器ＰＣの充電回路で電池を満充電する装置にあっては、携帯機器ＰＣとパック電池の両方で充電を制御しながら、電池を満充電することができる。この場合、携帯機器ＰＣの充電回路が電池の満充電を検出して充電を停止する設定電圧を、パック電池の制御回路が電池の満充電を検出して充電を停止する電圧よりも低くする。この方式は、携帯機器ＰＣの充電回路に異常が発生しても、パック電池の制御回路と充電用のスイッチング素子とで電池を設定電圧に保持して満充電できる。
【００４０】
電子機器３０の充電回路が、パック電池１０の充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御するシステムにあっては、パック電池１０と携帯機器ＰＣとを通信回線１９で接続する。図のパック電池１０は、通信回路１５を内蔵している。パック電池１０の通信回路１５は、通信回線１９を介して携帯機器ＰＣに接続される。携帯機器ＰＣは、通信回線１９と通信回路１５を介してパック電池１０の充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御する。通信回路１５は、充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御する信号を制御回路１３に入力する。さらに、通信回路１５は、電子機器３０の充電回路が充電用のスイッチング素子１４Ｂをオンオフに制御する情報、すなわち電池電圧、電池１１の充放電の電流などを電子機器３０である携帯機器ＰＣに伝送する。携帯機器ＰＣの充電回路は、通信回路１５を介して伝送される情報で、充電用のスイッチング素子１４Ｂを制御し、あるいは充電回路に内蔵される充電用のスイッチング素子（図示せず）を制御して電池を満充電する。
また、電池を充電する設定電圧を低減させることについて、上述のように、パルス充電を行うことで設定電圧を低減することを説明したが、これに代わって、上述の通信回路１５を利用して、電子機器３０の充電回路における充電電圧の設定電圧を低減させることもできる。
【００４１】
また、充電するときに、以下の充電方法を採用することにより、電池の劣化を軽減させることができる。
図８に示す充電方法は、電池が充電されるにしたがって、いいかえると電池の充電率が高くなるにしたがって、充電電流が小さくなるように制御しながら充電する。この充電方法は、反応可能な極板の残り面積に対する充電電流レートを制御することにより劣化を軽減させる。例えば、充電電流を０．５Ｃとして定電流・定電圧充電する場合、充電率０％（反応可能な極板の残り面積が１００％）のときには、０．５Ｃであった残り面積当たりの充電電流レートが、充電率５０％（反応可能な極板の残り面積が５０％）になると、１．０Ｃ相当まで大きくなる。このとき、電流値を半分にすれば、充電初期における極板の残り面積当たりの充電電流レートを確保できる。このような単位面積あたり一定、例えば２Ｃとなる電流の関係式は次式の通りである。
充電電流Ｉ＝２−２×ｘ ［Ｃ］
ここで、ｘは充電率であって、ｘ＝０で充電率０％、ｘ＝１で充電率１００％を示している。
また、充電電流を時間積分したものが充電率になることから次式が得られる。
充電率ｘ（ｔ）＝∫（２−２×ｘ）ｄｔ
＝２ｔ−２×ｘ×ｔ＋Ａ
ここで、初期条件、ｘ（ｔ＝０）＝０よりＡ＝０となり、整理すると
充電率ｘ（ｔ）＝２ｔ／（１＋２ｔ）が得られる。
【００４２】
図８は、従来の定電圧定電流充電を鎖線で、単位面積あたりの充電電流制御を実線で示している。０．７Ｃ充電の場合の従来方法は、充電開始時（反応残り面積１００％）に単位面積あたり０．７Ｃ充電、定電圧に切り替わる充電率８０％（反応残り面積２０％）で単位面積あたり３．５Ｃ充電となる。一方で、本例においては、単位面積あたりの充電制御方法では２Ｃ充電を狙い、充電開始時（反応残り面積１００％）に２Ｃ、充電率４０％（反応残り面積６０％）では１．２Ｃ（単位面積あたり２Ｃ）、充電率７０％（反応残り面積３０％）で電池電圧が設定電圧に上昇する時、すなわち、定電圧充電に切り換わるときの充電電流が０．６Ｃ（単位面積あたり２Ｃ）となるように、充電率（充電時間）に対応して、充電電流を双曲線状に小さくしている。この単位面積あたりの充電電流制御を満充電まで続けると際限なく充電電流が下がり充電時間が延びるため、ある充電率を超えた先、例えば充電率８０％を超えた後には、従来の定電圧定電流制御に戻すことも可能で、図８ではそのようにしている。単位面積あたりの充電レートは、例えば低温時の電解液のイオン伝播速度低下に応じて小さくすることもできる。また、充電電流レートの制御は、充電率（充電時間）に対応して、充電電流が階段状に、あるいは曲線状に小さくなるようにすることもできる。ここで、電池の充電率は、満充電容量に対する充電容量・電池電圧・充電時間等で判断することができる。
【００４３】
この充電方法は、従来の定電流・定電圧充電と異なり、電池電圧が所定の設定電圧に上昇するまで、充電電流が小さくなるように制御しながら充電し、電池電圧が設定電圧まで上昇すると、定電圧充電に切り換えて充電する。このため、この充電方法では、図８の鎖線で示す従来の充電方法に比べて、電池電圧が高い領域における充電電流を小さくして、電池の劣化を軽減しながら電池を充電できる。なお、この充電方法は、たとえば、充電電流をダイナミックに制御できる充電器で対応可能である。
【００４４】
また、図９に示す充電方法は、最初は低い設定電圧で電池を定電流・定電圧充電し、その後、高い設定電圧に切り換えて定電流・定電圧充電する。この充電方法は、低い設定電圧で定電流・定電圧充電する状態において、電池の充電状態が定電圧充電領域になって充電電流がある程度絞られてきたときに、高い設定電圧に切り換える。図９の充電方法では、充電初期における低い設定電圧を４．１Ｖとし、切り換え後の高い設定電圧を４．２Ｖとしている。ただ、充電初期における低い設定電圧を３．８Ｖ〜４．２Ｖとし、切り換え後の高い設定電圧を３．９Ｖ〜４．３５Ｖとすることもできる。
【００４５】
この充電方法では、予め低めの設定電圧で定電流・定電圧充電しておき、定電圧充電領域で充電電流がある程度絞られた状態から設定電圧を上げて定電流・定電圧充電するので、設定電圧を切り換えた直後は定電流充電領域での充電となり、その後、定電圧充電に切り換わるが、この前後の電池電圧が高い領域における充電電流を小さくすることができる。このため、この充電方法も、図９の鎖線で示す従来の充電方法に比べて、電池電圧が高い領域における充電電流を小さくして、電池の劣化を軽減しながら電池を充電できる。なお、この充電方法は、たとえば、充電電圧を数段階に設定できる充電器で実現できる。とくに、充電電圧を数段階に設定できるが、電流値は固定になっている充電器、たとえば、急速充電用（通常４．２Ｖ／セル）とプリチャージ用（それより少し低い電圧）の２段階の充電電圧を設定できるが、充電電流は１段階しか設定できない充電器で対応可能である。
【００４６】
また、図１０に示す充電方法は、充電を間欠的に行うことによって平均充電電流を下げて、実質的な充電電流を小さくする。この充電方法は、図８や図９に示す充電方法のように、充電電流や充電電圧を変化させることなく、充電のオンオフを繰り返すことによって、電池電圧が高い領域における実質的な充電電流を小さくする。図１０の実線で示す充電方法は、充電のオン時間とオフ時間を等しくして、実質的な充電電流を、図の鎖線で示す従来の充電方法における充電電流（１Ｃ）の１／２にしている。ただ、この充電方法は、充電のオンオフのデューティーを変更して平均電流を調整することもできる。たとえば、オフ時間に対するオン時間の比率を大きくして平均電流を大きくし、あるいは、オフ時間に対するオン時間の比率を小さくして平均電流を小さくすることができる。この充電方法は、たとえば、平均充電電流が、０．２Ｃ〜０．８Ｃとなるように、充電のオンオフを制御することができる。
【００４７】
この充電方法も、図１０の従来の充電方法（点線の電圧、電流（時間Ａ時点で、定電流から電流が低下する））に比べて、パルス充電を利用することにより、電池電圧が高い領域における実質的な充電電流を小さくして、電池の劣化を軽減しながら電池を充電できる。ちなみに、図１０の実線で示す制御によって充電した電池（図の一点鎖線で示す平均の電流値）の劣化速度は、パルス充電でないこのような平均電流値による定電流・定電圧充電した電池の劣化速度に近づくことが確認された。なお、この充電方法は、充電電圧と充電電流を共に変更できない充電器に対して、パック電池内の処理によっても実現可能な制御である。なお、このようなパルス充電に代わって、充電最初は、パルスでない定電流充電とし、定電流充電領域の途中から、パルス充電（パルス充電時の電流値は、定電流時の電流と同じ、または、５０〜８０％に低減した値とする）とすることもできる。
【００４８】
さらに、以上の図８ないし図１０に示す充電制御を、電気機器（パソコン）本体側やパック電池側にて制御可能な場合は、これらを選択的に採用することにより、充電器の回路を変更することなく、高電圧領域における充電電流を小さくして、サイクル劣化を軽減することが可能である。
【００４９】
ところで、直列接続してなる多数の電池の電圧を、安全かつ効率的に充電する方法として、全体電圧をフィードバックして充電するのではなく、各直列段の電池電圧をフィードバックして充電する方法が各種考案されている。ただ、従来の方法では、電池の温度情報を特別に考慮していないので、低温時あるいは高温時に電池の安全性や劣化に対して懸念がある。また、電圧測定においては、抵抗分圧等の特性は直線状であるので、電圧検出精度向上にはある一定の限界がある。そこで、これらの問題点を解消する充電方法を以下に示す。
【００５０】
この充電方法は、各直列段の電池電圧をフィードバックして電池を充電する充電方法であって、電池温度に応じて充電電圧と充電電流を調整しながら充電する。この充電方法は、電池温度を検出し、検出した電池温度に応じて充電電圧と充電電流を所定の値に制御しながら充電する。この充電方法は、たとえば、検出した電池温度が設定範囲内にあるときは、充電電圧と充電電流を高くして充電し、電池温度が設定範囲外になると、充電電圧と充電電流を低くして充電する。ここで、電池温度の設定範囲は、たとえば、最低温度を０℃〜１５℃とし、最高温度を３５℃〜５０℃とすることができる。
【００５１】
電池温度によって充電電圧と充電電流を制御する一例を図１１と図１２に示す。これらの図に示す充電方法は、電池温度の設定範囲を１０℃〜４０℃としており、検出した電池温度がこの設定範囲内にあるときは、充電電圧を４．２Ｖ、充電電流を１．０Ｃとして充電する。さらに、電池温度がこの設定範囲外にあるときは、充電電圧と充電電流を共に小さく制御して充電している。ただ、電池温度が設定範囲外になると、充電電圧のみを下げ、あるいは充電電流のみを下げることもできる。ここで、図１１に示す制御では、設定範囲の境界である最低温度（１０℃）と最高温度（４０℃）において、充電電圧と充電電流を階段状に切り換えており、電池温度がこの設定範囲外にあるときは、充電電圧を４．１Ｖ、充電電流を０．７Ｃに下げて充電している。これに対して、図１２に示す制御では、設定範囲の境界である最低温度（１０℃）と最高温度（４０℃）において、充電電圧と充電電流を階段状に切り換えずに、電池温度が５℃以下と４５℃以上のときに、充電電圧を４．１Ｖ、充電電流を０．７Ｃに下げると共に、５℃〜１０℃の範囲と４０℃〜４５℃の範囲においては、充電電圧と充電電流を直線状に小さくしている。ただ、電池温度の設定範囲外における充電電圧は、設定範囲内における充電電圧から−０．２０Ｖ〜−０．０５Ｖとし、設定範囲外における充電電流は、設定範囲内における充電電流から−０．５Ｃ〜−０．１Ｃとすることもできる。
【００５２】
以上のように、電池温度に応じて充電電圧と充電電流を調整することにより、電池温度が設定範囲内にある、いいかえると正常に充電可能な電池においては、短時間で充電容量を大きくでき、電池温度が設定範囲外にある電池においては、安全性を向上して、電池の劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】リチウムイオン二次電池の実質容量とサイクル寿命を示すグラフである。
【図２】本発明の一実施例にかかる充電方法で充電されるパック電池の一例を示すブロック図である。
【図３】電池の内部抵抗から劣化度を判別する関数の一例を示す図である。
【図４】電池の実質容量から劣化度を判別する関数の一例を示す図である。
【図５】充電用のスイッチング素子をオンオフに切り換えて電池を満充電する一例を示す図である。
【図６】充電用のスイッチング素子をオンオフに切り換えて電池を満充電する他の一例を示す図である。
【図７】電池の劣化度で設定電圧を低くする一例を示す図である。
【図８】電池の劣化を軽減させる充電方法の一例を示す図である。
【図９】電池の劣化を軽減させる充電方法の他の一例を示す図である。
【図１０】電池の劣化を軽減させる充電方法の他の一例を示す図である。
【図１１】電池の劣化を軽減させる充電方法の他の一例を示す図である。
【図１２】電池の劣化を軽減させる充電方法の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…パック電池
１１…電池
１２…電流検出部            １２Ａ…電流検出抵抗
１３…制御回路
１４…スイッチング素子      １４Ａ…放電用のスイッチング素子
１４Ｂ…充電用のスイッチング素子
１５…通信回路
１６…温度検出部            １６Ａ…温度センサ
１７…Ａ／Ｄコンバータ
１８…演算回路
１９…通信回線
２０…劣化度検出部
３０…電子機器
４０…アダプター
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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