(57)【要約】【課題】リチウムイオン電池の温度に着目して充電電圧を制御して、電池寿命を可及的に向上させる。【解決手段】充電対象のリチウムイオン電池４に対する充電電圧を設定するリチウムイオン電池用充電電圧設定装置において、前記リチウムイオン電池４の温度Ｔｘを測定する温度測定手段ＴＭの検出情報に基づいて、前記リチウムイオン電池４の温度Ｔｘが上昇するに伴って、前記充電電圧を下げるように構成され、更に、前記リチウムイオン電池の単電池当たりの充電電圧Ｖｃｈを、　２５　≦Ｔｘ（℃）　≦　３０　の範囲において、　Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　４．２　を満たすように設定し、　３０　＜　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、　Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　−０．００５Ｔｘ　＋　４．３５　を満たすように設定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電対象のリチウムイオン電池に対する充電電圧を設定するリチウムイオン電池用充電電圧設定装置であって、
前記リチウムイオン電池の温度Ｔｘを測定する温度測定手段の検出情報に基づいて、前記リチウムイオン電池の温度Ｔｘが上昇するに伴って、前記充電電圧を下げるように構成され、
更に、前記リチウムイオン電池の単電池当たりの充電電圧Ｖｃｈを、
２５　≦　Ｔｘ（℃）　≦　３０　の範囲において、
Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　４．２
を満たすように設定し、
３０　＜　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、
Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　−０．００５Ｔｘ　＋　４．３５
を満たすように設定するリチウムイオン電池用充電電圧設定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電対象のリチウムイオン電池に対する充電電圧を設定するリチウムイオン電池用充電電圧設定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン電池を充電対象とする充電装置は、例えば充放電の回数によって充電電圧を変化させる等のように、充電電圧を積極的に変化させる構成とする場合が多いが、高温下での充電電流の増加によっていわゆる熱逸走の危険がある鉛蓄電池と異なり、温度に対して充電動作が安定しているリチウムイオン電池については、充電制御に際してリチウムイオン電池の温度は重要視されていなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リチウムイオン電池の一般的な特性として、充電電圧が高いほど電池寿命が低下する傾向があり、この傾向はリチウムイオン電池の温度が高いほど顕著になり、リチウムイオン電池の温度を無視して充電電圧の制御を行うと、電池寿命を低下させてしまっている場合があった。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、リチウムイオン電池の温度に着目して充電電圧を制御して、電池寿命を可及的に向上させる点にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記請求項１記載の構成を備えることにより、充電対象のリチウムイオン電池に対する充電電圧を設定するリチウムイオン電池用充電電圧設定装置において、前記リチウムイオン電池の温度Ｔｘを測定する温度測定手段の検出情報に基づいて、前記リチウムイオン電池の温度Ｔｘが上昇するに伴って、前記充電電圧を下げるように構成され、更に、前記リチウムイオン電池の単電池当たりの充電電圧Ｖｃｈを、　２５　≦　Ｔｘ（℃）　≦　３０　の範囲において、　Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　４．２　を満たすように設定し、　３０　＜　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、　Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　−０．００５Ｔｘ　＋　４．３５　を満たすように設定する。
【０００５】
すなわち、本発明の発明者の実験により、実用的にリチウムイオン電池の充電が行われる温度範囲である　２０　≦　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、上記のような条件でリチウムイオン電池の充電電圧を設定することで、リチウムイオン電池の電池寿命を向上させ得ることを見出した。
これに加えて、リチウムイオン電池の温度が上昇するに伴って、充電電圧を下げるように制御することで、充電時の温度上昇による電池寿命の劣化を抑制することができ、しかも、リチウムイオン電池の内部抵抗の温度特性等により、充電電圧を低下させてもリチウムイオン電池の充電容量の低下を可及的に抑制することができる。
もって、リチウムイオン電池の温度に着目して充電電圧を制御して、電池寿命を可及的に向上させるに至った。
尚、リチウムイオン電池の温度は、単電池の内部温度を用いることが理想的であるが、その温度に十分近い値として、電池筐体の表面温度を用いても良い。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリチウムイオン電池用充電電圧設定装置を無停電電源装置に適用した場合の実施の形態を図面に基づいて説明する。
無停電電源装置ＵＰは、図１に概略的に示すように、商用交流ライン１からの交流電圧を直流電圧に変換する出力電圧可変型のＡＣ／ＤＣコンバータ２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を設定する充電制御部３と、停電等により商用電力からの電力供給が停止したときに、負荷機器として接続されている電気機器６に対して電力の供給を行うリチウムイオン電池４と、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力直流電圧又はリチウムイオン電池４の出力直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータ５とが備えられて構成されている。尚、本実施の形態のリチウムイオン電池４は、複数の単電池を直列接続して組電池として構成したものを例示している。
【０００７】
上記構成の無停電電源装置ＵＰは、商用交流ライン１から正常に商用電力が供給されている状態では、商用交流ライン１の交流電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ２にて直流電圧に変換された後、更にＤＣ／ＡＣコンバータ５にて交流電圧に変換され、その交流電圧が交流負荷である電気機器６に供給される。
ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力直流電圧はリチウムイオン電池４に対しても充電電圧として供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータ２は充電装置としても機能し、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（すなわちリチウムイオン電池４の充電電圧）を設定する充電制御部３は、リチウムイオン電池用充電電圧設定装置を構成している。このような機能を実行するために、充電制御部３には、演算装置やメモリ等が備えられている。
従って、商用交流ライン１から正常に商用電力が供給されている状態では、商用電力は電気機器６に供給されると共に、リチウムイオン電池４に充電用電力として供給され、停電等の何らかの理由により商用交流ライン１からの電力供給が停止したときは、リチウムイオン電池４の出力直流電圧がＤＣ／ＡＣコンバータ５にて交流電圧に変換されて電気機器６に供給される。
【０００８】
〔充電制御部３による充電電圧の制御〕
次に、商用交流ライン１からの供給される商用電力にてリチウムイオン電池４を充電する場合の充電電圧の制御について説明する。
リチウムイオン電池４への充電電圧を制御する充電制御部３は、充電電圧が高いほど電池寿命が低下する傾向が、リチウムイオン電池４の温度が高いほど顕著となることに鑑みて、リチウムイオン電池４の温度を考慮して充電電圧を設定している。リチウムイオン電池４の温度を検出する温度測定手段ＴＭは、本実施の形態では、リチウムイオン電池４の筐体表面に取り付けた温度センサ７にて構成しているが、リチウムイオン電池４を構成する単電池の内部に温度センサを組み込んで、より精度良くリチウムイオン電池４の温度を検出するようにしても良い。
【０００９】
リチウムイオン電池４の温度を考慮した充電電圧の設定は、具体的には、リチウムイオン電池の単電池当たりの充電電圧をＶｃｈ（Ｖ）とし、温度センサ７の検出温度をＴｘ（℃）として、
２５　≦　Ｔｘ（℃）　≦　３０　の範囲において、
Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　４．２　　……　（１）式
を満たすように設定し、
３０　＜　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、
Ｖｃｈ（Ｖ）　≦　−０．００５Ｔｘ　＋　４．３５　　……　（２）式
を満たすように設定すると共に、リチウムイオン電池４の温度が上昇するに伴って、前記充電電圧を下げるようする。
【００１０】
次に、リチウムイオン電池４の温度に対して、上記（１）式及び（２）式の条件を設定する根拠について説明する。
複数段階の温度条件下で、リチウムイオン電池４の充電電圧と電池寿命の評価結果を、単電池のデータとしてまとめると、表１の関係となる。
電池寿命の評価は、標準的な使用状態での電池寿命と対比して、ほとんど寿命劣化が見られないものを「寿命良好」に分類し、若干電池寿命の劣化が見られるが実用上問題がないものを「寿命若干悪い」に分類し、電池寿命の劣化が比較的大きく実用に適さないものを「寿命悪い」に分類している。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
表１の結果を、「寿命良好」のデータを「○」で、「寿命若干悪い」のデータを「△」で、「寿命悪い」のデータを「×」で、夫々グラフにプロットしたものを図２に示す。
実用上問題のない「寿命若干悪い」のデータから、図２において破線Ａで示す充電電圧とリチウムイオン電池４の温度の関係を求めることができ、この破線Ａ以下の領域が上記（１）式及び（２）式となっている。
又、更に、リチウムイオン電池４の温度が上昇するに伴って、前記充電電圧を下げるようすることで、温度上昇による電池寿命の劣化を抑制し、且つ、充電容量の低下を抑制できる。
【００１３】
上述のような充電電圧の制御を実行するための充電制御部３による充電電圧設定処理について、図３のフローチャートに基づいて、更に説明する。
充電制御部３は、図３の充電電圧設定処理を設定時間毎に繰返し実行しており、先ず温度センサ７の検出値を取り込んで記憶する（ステップ＃１）と共に、前回の充電電圧設定処理時の温度センサ７の検出値と比較して、リチウムイオン電池４の温度が変化したか否かを判断する（ステップ＃２）。
温度変化があったときは（ステップ＃２）、その温度変化量に応じて新たな充電電圧を算出する（ステップ＃３）。
【００１４】
この新たに設定する充電電圧の算出は、上述のように、リチウムイオン電池４の温度が上昇するに伴って、充電電圧を下げるように設定するものであって、具体的には、その時点の充電電圧をＶｃｈ１（Ｖ），前記温度変化をΔＴ（℃）とすると、新たに設定する充電電圧Ｖｃｈ２（Ｖ）を、
Ｖｃｈ２　＝　−ａ×ΔＴ　＋　Ｖｃｈ１　……　（３）式
として算出する。
（３）式において、係数「ａ」は正数であり、便宜上ｍＶ単位で表記すると、温度センサ７の検出温度Ｔｘ（℃）が、　２５　≦　Ｔｘ（℃）　≦　４５　の範囲では、単電池当たり　−１．５〜−８．０ｍＶ／℃　に、　４５　＜　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲では、単電池当たり　−３．０〜−１０．０ｍＶ／℃に設定することが電池寿命の劣化の抑制及び充電容量の低下の抑制の観点から好ましい。
【００１５】
次に、上記のようにして算出した新たな充電電圧（Ｖｃｈ２）が、その時点の温度センサ７の検出値との関係で、単電池当たりで図２において、破線Ａと一点鎖線Ｂとに囲まれる範囲に入っているか否かを判断する（ステップ＃４）。ここで、破線Ａ以下の領域は、上述のように上記（１）式及び（２）式を満たしているか否かの判断であり、一点鎖線Ｂ以上の領域は、実用的な充電容量の確保等の観点から設定する条件であり、具体的には、
２５　≦　Ｔｘ（℃）　≦　３０　の範囲において、
Ｖｃｈ（Ｖ）　≧　４．０５　　……　（４）式
であり、且つ、
３０　＜　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、
Ｖｃｈ（Ｖ）　≧　−０．００５Ｔｘ　＋　４．２　　……　（５）式
となる範囲である。尚、充電電圧の初期設定においても、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件を満たしている必要があるのはもちろんである。
ステップ＃３で算出した充電電圧（Ｖｃｈ２）が、単電池当たりに換算して、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件を全て満たしていれば、上記算出値をそのまま充電電圧として設定するようにＡＣ／ＤＣコンバータ２へ信号を送る（ステップ＃６）。
【００１６】
一方、（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件を満たしていなければ、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件を満たすように算出値を修正した後（ステップ＃５）、修正後の値を充電電圧として設定するようにＡＣ／ＤＣコンバータ２へ信号を送る（ステップ＃６）。このステップ＃５における算出値の修正は、例えば、単電池当たりの充電電圧を図２における破線Ａ上あるいは一点鎖線Ｂ上の電圧のうちの何れか前記算出値に近い方の電圧に設定すれば良い。
【００１７】
〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
＜１＞　上記実施の形態では、リチウムイオン電池４の充電電圧を設定するについて、充電電圧を設定変更する都度、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件を満たしているか否かを判断しているが、予め、リチウムイオン電池４の温度と充電電圧との関係を、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件を満たすように定めておいても良く、このようにすれば、図３の充電電圧設定処理におけるステップ＃４の処理は不要となる。
【００１８】
＜２＞　上記実施の形態では、組電池として構成したリチウムイオン電池に本発明を適用する場合を例示しているが、単電池のみのリチウムイオン電池に本発明を適用しても良い。
＜３＞　上記実施の形態では、個々の単電池の特性ばらつきを考慮することなく、組電池全体として一律に充電電圧の設定を行っているが、例えば、各単電池の電圧を個別に測定し、最大電圧の単電池に対する充電電圧が、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件等を満たすように、ＡＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を変化させるように構成しても良い。
更に、各単電池毎に充電回路を備える形式の充電装置の場合では、全ての単電池について、上記（１）式，（２）式，（４）式及び（５）式で表される条件等を満たすように制御できる。
【００１９】
＜４＞　上記実施の形態では、充電制御部３（リチウムイオン電池用充電電圧設定装置）をリチウムイオン電池４とは別個に備える場合を例示しているが、充電制御部３をリチウムイオン電池４に内蔵させるように構成しても良い。
＜５＞　上記実施の形態では、本発明を無停電電源装置ＵＰに適用する場合を例示しているが、携帯型コンピュータに内蔵されるリチウムイオン電池等、リチウムイオン電池を搭載する種々の機器に本発明を適用できる。
＜６＞　上記実施の形態では、温度測定手段ＴＭは、リチウムイオン電池の筐体表面温度を測定する場合を例示しているが、例えば、リチウムイオン電池の設置箇所の周囲の雰囲気温度を測定して、その測定温度をリチウムイオン電池の温度に換算するようにしても良い。
【００２０】
【発明の効果】
上記請求項１記載の構成によれば、実用的にリチウムイオン電池の充電が行われる温度範囲である　２０　≦　Ｔｘ（℃）　≦　６０　の範囲において、所定の条件でリチウムイオン電池の充電電圧を設定することで、リチウムイオン電池の電池寿命を向上させ得るという知見に基づいて、リチウムイオン電池の温度に着目して充電電圧を制御することで電池寿命を向上できる。
更に、リチウムイオン電池の温度が上昇するに伴って、充電電圧を下げるように制御することで、充電時の温度上昇による電池寿命の劣化を抑制することができ、しかも、リチウムイオン電池の内部抵抗の温度特性等により、充電電圧を低下させてもリチウムイオン電池の充電容量の低下を可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる無停電電源装置のブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態にかかる充電電圧と電池温度との関係を示す図
【図３】本発明の実施の形態にかかるフローチャート
【符号の説明】
４　　リチウムイオン電池
ＴＭ　温度測定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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