(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池（１）として直列接続された複数の各セル（Ｃ１〜Ｃｎ）に向かって初期設定された定電流を流して充電する定充電工程と、充電の進行に従って上昇するセルの両端電圧が過充電限界電圧（Ｖ２）に該当する毎に充電電流を減少する手順を繰り返す多段充電工程と、を順次行うと共に、セルの両端電圧が上昇して過充電限界電圧よりも低い満充電電圧（Ｖ１）に該当する毎に該当セルに流れる充電電流を該当セルに並列接続された放電抵抗（Ｒ１）にも流す動作をし且つ該当セルの両端電圧が満充電復帰電圧（満充電電圧よりも低い電圧であって時間経過に伴って電圧が安定した場合には満充電電圧に復帰する電圧。）にまで低下した場合には該当セルにのみ充電電流を流す動作をする容量調整工程を他工程とは独立して設けてある二次電池の充電方法において、
多段充電工程でセルに向かって送られる充電電流が設定電流（Ｉｍｉｎ＋α）に達した場合には満充電促進工程に移行し、満充電促進工程では、容量調整工程を行いながら、満充電電圧（Ｖ１）を放電抵抗（Ｒ１）の理論値で割り算した満充電促進電流（Ｉｍｉｎ）で各セルを充電し、
設定時間（Ｃ）経過後に満充電促進工程を終了して微調整工程に移行し、微調整工程では、容量調整工程を行いながら各セルに対する充電電流の供給を停止することによって、充電停止時点で満充電電圧以上に該当するセルを放電抵抗（Ｒ１）で放電し、該当セルが満充電復帰電圧（Ｖ０）にまで低下した場合には放電を停止することを特徴とする二次電池の充電方法。
【請求項２】
二次電池はその両端電圧によってそれが駆動する装置の現状能力を算出する用途に用いられるものであることを特徴とする請求項１記載の二次電池の充電方法。
【請求項３】
二次電池（１）として直列接続された複数の各セル（Ｃ１〜Ｃｎ）に向かって初期設定された定電流を流して充電する定充電装置（２）と、充電の進行に従って上昇するセルの両端電圧が満充電電圧（Ｖ１）に該当するに至ったときには該当セルに向かう充電電流を該当セルに並列接続された放電抵抗（Ｒ１）にも流す動作をし且つ該当セルの両端電圧が満充電復帰電圧（満充電電圧よりも低い電圧であって時間経過に伴って電圧が安定した場合には満充電電圧に復帰する電圧。）にまで低下した場合には該当セルにのみ充電電流を流す動作をする容量調整装置（７）と、充電の進行に従ってセルの両端電圧が上昇して満充電電圧よりも高い過充電限界電圧（Ｖ２）に該当するに至る毎に充電電流を減少する手順を繰り返す多段充電装置（８，２）と、を備える二次電池の充電装置において、
多段充電装置の動作中にセルに向かって送られる充電電流が設定電流（Ｉｍｉｎ＋α）に達した場合には満充電促進装置（７，８，２）を作動し、
満充電促進装置（７，８，２）は、容量調整装置（７）の動作を伴いながら満充電電圧（Ｖ１）を放電抵抗（Ｒ１）の理論値で割り算した値の満充電促進電流（Ｉｍｉｎ）で各セルを充電し、
設定時間（Ｃ）経過後に満充電促進装置（７，８，２）の動作を停止して微調整装置（３，７）を作動し、
微調整装置（３，７）は充電を停止し、充電停止時点で満充電電圧以上に該当するセルを容量調整装置（７）の動作によって放電抵抗（Ｒ１）で放電し、該当セルの両端電圧が満充電復帰電圧（Ｖ０）にまで低下した場合には該当セルの放電抵抗（Ｒ１）による放電を停止することを特徴とする二次電池の充電装置。
【請求項４】
二次電池はその両端電圧によってそれが駆動する装置の現状能力を算出する用途に用いられるものであることを特徴とする請求項３記載の二次電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルを直列接続した二次電池の充電方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述した二次電池の各セルを充電する場合、図５に示すように、セルの両端電圧が満充電電圧Ｖ１に達すると、それ以上充電しても過充電となり、充電容量は殆ど向上しないばかりか性能が劣化する。満充電電圧を少し上回る範囲であれば、劣化傾向は比較的小さく、また、全てのセルを満充電電圧に精度良く一致させて充電するのは困難であることから、かかる範囲を過充電許容電圧としている。一方、過充電許容電圧の上限である過充電限界電圧を超えると、劣化が多大であるため、過充電限界電圧を超えないように充電することが求められている。
【０００３】
上述した二次電池の充電方法としては、始めに定電流で充電する工程の後に、いずれかのセルの電圧が目標電圧（通常，過充電限界電圧）に達すると、該当するセルを放電させながら充電電流を設定分だけ下げて充電を継続する処理を繰り返し、充電電流が設定電流となった場合に充電を終了する方法が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−３６９３９８号公報
【０００４】
二次電池は充電する際に全セルの最大許容容量が同じということは通常有りえず、過電圧によって劣化具合にバラツキが生じている。このため、図５に示すように、特定のセルＡが満充電電圧Ｖ１に達し、セルＡ自身の最大許容容量Ｑ−Ａに達したときに、他のセルＢが満充電電圧Ｖ１に達せず、セルＢ自身の最大許容容量Ｑ−Ｂよりも小さい容量Ｑ−Ｂ’にまでしか達しないことがある。この場合、上述した方法は特定のセルＡが過充電限界電圧Ｖ２を超えないように放電させながら充電電流を下げて、他のセルＢを満充電電圧Ｖ１に近づけて、最大許容容量になるように充電している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した方法は、充電電流が設定電流となった場合には充電を終了するものなので、全セルが満充電に達していないケースも想定され、この場合、二次電池全体での充電量は最大許容容量よりも少ないことになる。一方、充電終了時には全セルが満充電に達しているケースも想定される。ところが、セルの両端電圧は、充放電電流の変化に対して緩慢に応答する性質を有しているので、充電停止時には満充電であったのに、所定時間経過後には満充電に達していないことがある。従って、いずれのケースであっても、充電量が、二次電池全体の最大許容容量に達していないケースが大半であると考えられる。
【０００６】
それ故、理論的には二次電池全体の最大許容容量まで充電することのできる二次電池の充電方法及び装置が望ましい。
【０００７】
また、二次電池全体の最大許容容量まで充電した場合であっても、二次電池のセルの中に過充電許容電圧範囲内のものがあると、少なくとも２つの不具合がある。一つ目は、過充電許容電圧範囲のセルは劣化するということである。二つ目は、例えばハイブリッド自動車の走行モーター用に二次電池が用いられた場合に、二次電池での走行可能距離の表示よりも実際の走行可能距離が短くなるということである。つまり、二次電池全体の両端電圧によって走行可能距離が算出されるからである。ここでセルの中に、過充電許容電圧範囲にあるものが存在すると、セルは満充電電圧を越えている分は殆ど放電されないにも関わらず、走行可能距離の算出に加味されて、本来よりも長い距離走行できるかのように表示されるのである。
【０００８】
本出願に係る発明は上記実情を考慮してなされたもので、全セルの中に過充電許容電圧のセルがある場合に、該当するセルを理論的には満充電電圧まで放電することのできる二次電池の充電方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、二次電池として直列接続された複数の各セルに向かって初期設定された定電流を流して充電する定充電工程と、充電の進行に従って上昇するセルの両端電圧が過充電限界電圧に該当する毎に充電電流を減少する手順を繰り返す多段充電工程と、を順次行うと共に、セルの両端電圧が上昇して過充電限界電圧よりも低い満充電電圧に該当する毎に該当セルに流れる充電電流を該当セルに並列接続された放電抵抗にも流す動作をし且つ該当セルの両端電圧が満充電復帰電圧（満充電電圧よりも低い電圧であって時間経過に伴って電圧が安定した場合には満充電電圧に復帰する電圧。）にまで低下した場合には該当セルにのみ充電電流を流す動作をする容量調整工程を他工程とは独立して設けてある二次電池の充電方法を前提とする。そして、多段充電工程でセルに向かって送られる充電電流が設定電流に達した場合には満充電促進工程に移行し、満充電促進工程では、容量調整工程を行いながら、満充電電圧を放電抵抗の理論値で割り算した満充電促進電流で各セルを充電し、設定時間経過後に満充電促進工程を終了して微調整工程に移行し、微調整工程では、容量調整工程を行いながら各セルに対する充電電流の供給を停止することによって、充電停止時点で満充電電圧以上に該当するセルを放電抵抗で放電し、該当セルが満充電復帰電圧にまで低下した場合には放電を停止することを特徴とする。
【００１０】
満充電電圧、過充電限界電圧は必ずしも特定の値に限らず、いずれも多少幅のある数値であっても良い。満充電促進工程の時間を長く取ると、全てのセルが満充電となるが、ある程度の時間以上長くしても効率が悪いので、数時間を目途とすることが望ましい。
また、満充電促進工程を長く取って終了すると、理論的にはセルは満充電電圧となる。しかし、放電抵抗には製品ばらつき（誤差）があるので、満充電促進工程中に過充電許容電圧に至るセルも現れる。過充電許容電圧のセルは満充電電圧以下のセルに比べて劣化することが知られている。従って、劣化を防止するには、上述したように、設定時間経過後に満充電促進工程を終了して微調整工程に移行し、微調整工程では容量調整工程を行いながら各セルに対する充電電流の供給を停止することによって、充電停止時点で満充電電圧以上に該当するセルを放電抵抗で放電し、該当セルが満充電復帰電圧にまで低下した場合には放電を停止することが望ましい。ここでは、充電停止時点で満充電電圧以上に該当するセルが一つの場合にはその一つのセルが満充電復帰電圧にまで低下した場合には放電を停止し、該当するセルが複数の場合には、少なくとも一つのセル（理想的には全セル）が満充電復帰電圧にまで低下した場合には放電を停止する。
【００１１】
満充電復帰電圧は、一旦は満充電電圧よりも低下しているが、ある程度時間が経過して電圧が安定すると、満充電電圧に復帰する電圧であって、試験結果等により把握される。微調整工程開始時に全てのセルが満充電電圧以上であれば、全てのセルが満充電復帰電圧にまで低下したときに一連の充電処理を終了することが望ましい。ただし、微調整工程開始時に全てのセルのうちいくつかが満充電電圧未満の場合もあり、この場合は、満充電電圧以上の全セルが満充電復帰電圧にまで低下したときに一連の充電処理を終了することが望ましい。なお、満充電電圧以上のセルのうちそのうちの少なくても一つの該当セルが満充電復帰電圧にまで低下した場合には放電を停止しても良い。
【００１２】
請求項２の発明は、二次電池はその両端電圧によってそれが駆動する装置の現状能力を算出する用途に用いられるものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、二次電池として直列接続された複数の各セルに向かって初期設定された定電流を流して充電する定充電装置と、充電の進行に従って上昇するセルの両端電圧が満充電電圧に該当するに至ったときには該当セルに向かう充電電流を該当セルに並列接続された放電抵抗にも流す動作をし且つ該当セルの両端電圧が満充電復帰電圧（満充電電圧よりも低い電圧であって時間経過に伴って電圧が安定した場合には満充電電圧に復帰する電圧。）にまで低下した場合には該当セルにのみ充電電流を流す動作をする容量調整装置と、充電の進行に従ってセルの両端電圧が上昇して満充電電圧よりも高い過充電限界電圧に該当するに至る毎に充電電流を減少する手順を繰り返す多段充電装置と、を備える二次電池の充電装置を前提とする。そして、多段充電装置の動作中にセルに向かって送られる充電電流が設定電流に達した場合には満充電促進装置を作動し、満充電促進装置は、容量調整装置の動作を伴いながら満充電電圧を放電抵抗の理論値で割り算した値の満充電促進電流で各セルを充電し、設定時間経過後に満充電促進装置の動作を停止して微調整装置を作動し、微調整装置は充電を停止し、充電停止時点で満充電電圧以上に該当するセルを容量調整装置の動作によって放電抵抗で放電し、該当セルの両端電圧が満充電復帰電圧にまで低下した場合には該当セルの放電抵抗による放電を停止することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、二次電池はその両端電圧によってそれが駆動する装置の現状能力を算出する用途に用いられるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、３の発明であれば、満充電促進電流によって満充電電圧以下のセルが徐々に満充電となり、満充電促進電流が満充電電圧となったセルには流れず放電抵抗に流れ、過充電を防止できるので、満充電促進電流を長時間とれば理論的には、充電を停止しても電圧が満充電電圧で安定し、二次電池全体の最大許容容量まで充電することができる。その上で、満充電電圧以上の過充電許容電圧に該当するセル、つまり、過充電のセルを放電抵抗によって放電して満充電復帰電圧までに低下させれば、セルの性能の劣化を食い止めることができる。
【００１６】
請求項２，４の発明であれば、二次電池を例えば、ハイブリッド自動車の走行モータに使用するので、二次電池の総電圧から把握される走行可能距離を正確に算出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
二次電池１は図２に示すように、複数のセルＣ１〜Ｃｎを直列接続したリチウム電池である。二次電池の充電装置は、電源部２と、充電管理部３から構成される。電源部２は、ＣＰＵが内蔵されたコントローラ４に各種の情報信号を取り込み、情報信号に基づいてコントローラ４が直流電流電源５の電流値を設定すると共にスイッチ６を開閉して二次電池１への通電を制御する。ここで各種の情報信号とは、総電圧検出回路Ｖ３’から得られる二次電池１の総電圧Ｖ３、電流検出回路Ａ１から得られる直流電流電源５の電流値、充電管理部３から得られるセルＣ１〜Ｃｎの両端電圧に関する情報である。コントローラ４に初期設定された充電電流は一定値であるので、電源部２が定充電装置となる。
【００１８】
充電管理部３は、電源部２からの電流を二次電池１の両端に導くと共に、各セルＣ１〜Ｃｎに対して容量調整装置７と多段指令回路８の双方を、並列接続するものである。
【００１９】
容量調整装置（容量調整回路）７は、放電抵抗Ｒ１と第一トランジスタＴｒ１を直列接続してバイパス回路を形成すると共に、ＩＣからなる満充電電圧検出回路Ｖ１’をバイパス回路に対して並列接続したものである。満充電電圧検出回路Ｖ１’は並列接続されたセルＣｎの両端電圧が満充電電圧Ｖ１以上に該当するに至ると、第一トランジスタＴｒ１を動作させて、放電抵抗Ｒ１に電源部２からの電流を流し、その分だけ該当セルＣｎの両端電圧を低下させる。満充電電圧Ｖ１以上に該当するに至るセルが全くない場合には、セルに電源部２から供給される電流を全部流してセルを充電する。また、満充電電圧検出回路Ｖ１’はそのヒステリシス特性によって満充電復帰電圧検出回路としても機能し、満充電電圧Ｖ１から低下したセルの両端電圧が満充電復帰電圧Ｖ０（＝Ｖ１−ΔＶ）に至ると、第一トランジスタＴｒ１の動作を停止してセルＣｎへの充電を継続する。
【００２０】
多段指令回路８は、ＩＣからなる過充電限界電圧検出回路Ｖ２’と第二トランジスタＴｒ２を並列接続すると共に、第二トランジスタＴｒ２にはホトカプラからなる第三トランジスタＴｒ３の発光素子９を直列接続し、ホトカプラの受光素子側１０を充電管理部３のコントローラ４に接続してある。過充電限界電圧検出回路Ｖ２’は、並列接続されたセルの両端電圧が過充電限界電圧Ｖ２以上に該当するに至ると、第二トランジスタＴｒ２を動作させて、ホトカプラの発光素子９を点灯させ、その点灯時間をコントローラ４で計測し、第一設定時間Ａ秒継続するとコントローラ４から直流電流電源５に指令を送って電流を設定分ΔＩだけ下げて、充電を継続する。同様にして、全セルのうちいずれかが過充電限界電圧Ｖ２に達すると、電流を設定分ΔＩだけ下げる操作を繰り返す。設定分ΔＩは、必ずしも毎回同じでなくとも良い。電源部２からの充電電流は多段階的に下がるので、多段指令回路８及び電源部２が多段充電装置となる。
【００２１】
また、電流を設定分ΔＩだけ下げる操作を繰り返すうちに、電流が設定電流Ｉｍｉｎ＋αに達すると、電流検出回路Ａ１からの検出結果を受けてコントローラ４が直流電流電源５に指令を送って充電電流を満充電促進電流Ｉｍｉｎに落として、充電を設定時間Ｃ（数時間、例えば１，２時間）継続する。満充電促進電流とは、セルの満充電電圧値を容量調整回路の抵抗値で割った値であって、この値を採用することによって、セルが満充電電圧未満の場合には満充電に達するまで充電が継続され、セルが過充電許容電圧の場合には充電されずに満充電電圧に落ちるまで容量調整装置７で放電が継続される。セルが満充電電圧の場合には充電されないことになる。これは、セルに拡散抵抗が含まれていることに起因するものと思われる。ちなみに、セルＣｎを電気回路で表すと、図４に示すように、抵抗と拡散抵抗の直列回路と、コンデンサとから構成される並列回路で表される。上述したように充電を継続している間に、全てのセルの充電電圧が満充電の付近に集中していくので、容量調整装置７、多段指令回路８及び電源部２が満充電促進装置となる。
【００２２】
前述した容量調整装置７は、満充電促進電流による充電終了後にも機能するもので、過充電許容電圧のセルＣ１〜Ｃｎに対しては、容量調整装置７の第一トランジスタＴｒ１が動作していることにより、放電が継続され、満充電復帰電圧Ｖ０にまで低下した場合には満充電電圧検出回路Ｖ１’が満充電復帰電圧検出機能によって第一トランジスタＴｒ１を停止して、放電を停止する。充電を停止すると共に放電によって、セルの充電電圧が微調整されるので、コントローラ４を含む電源部２及び容量調整装置７が微調整装置となる。
【００２３】
二次電池の充電装置の充電処理のうち、上述した説明で足りない分を、図２又は図３のフローチャートに基づいて詳細に説明する。まず、二次電池１を充電しても良いか否かの初期チェックを行う。例えば、二次電池１付近に配置した温度センサで検出される二次電池の温度と、総電圧検出回路Ｖ３’で検出される二次電池の総電圧Ｖ３に基づいて、充電不可と判定されると充電を行わずに、終了する。例えば、二次電池の温度が設定範囲を超えている場合である。一方、充電可と判定されると、コントローラ４がスイッチ６を閉じて定充電工程に移行する。
【００２４】
定充電工程では、初期設定された定電流を流す。次に、容量調整工程と多段充電工程に移行する。容量調整工程は、各セルの両端電圧を検出する。満充電電圧Ｖ１未満のセルについては、そのまま定電流での充電を継続する。そして、例えば特定のセルＣ１が満充電電圧Ｖ１以上に該当するに至ると、該当セル専用の容量調整装置７を作動させ、放電抵抗Ｒ１に電流を導き、電流の減少に伴って該当セルの充電電圧が低下する。低下した充電電圧が満充電復帰電圧Ｖ０以下にならない場合にはそのままの状態を維持し、満充電復帰電圧Ｖ０以下に落ちると容量調整装置７を停止して、再度、該当セルを定電流で充電する。
【００２５】
多段充電工程では、いずれかのセルが過充電限界電圧Ｖ２以上をＡ秒（例えば２秒）継続することを確認すると、充電電流を設定分ΔＩだけ下げる。充電電流を下げてもセルが、過充電限界電圧Ｖ２以上をＢ秒（＞Ａ例えば８秒）継続することを確認すると、コントローラ４がスイッチ６を開いて充電を強制停止する。過充電限界電圧Ｖ２がＢ秒継続しない場合には、コントローラ４が充電電流を検出して、設定電流Ｉｍｉｎ＋α未満にまで落ち込んだか否かを判定する。設定電流未満に落ち込んでいない場合には、再度、セルが過充電限界電圧Ｖ２以上をＡ秒（例えば２秒）継続することを確認するステップに戻る。次にいずれかのセルが過充電限界電圧Ｖ２以上をＡ秒継続することを確認すると、同様のループ処理が行われる。このループ処理を繰り返すうちに、充電電流が設定電流Ｉｍｉｎ＋α未満にまで落ち込んだ場合には、満充電促進工程に移行する。
【００２６】
満充電促進工程では、まず、充電電流を満充電促進電流Ｉｍｉｎ（初期の定電流に対して１／１０程度）に落として充電を継続する。満充電促進工程の初期段階では、通常の各セルの充電電圧は満充電復帰電圧Ｖ０以上であるので容量調整装置７の放電抵抗Ｒ１に電流が流れている。故に、各セルは満充電電圧以上に充電されようとすると、放電抵抗Ｒ１で放電される。従って、各セルは満充電電圧Ｖ１にまで充電される。また、仮にいくつかのセルの充電電圧が満充電促進工程の初期段階では満充電復帰電圧Ｖ０以下であったとしても、満充電促進電流を流しているうちに通常、満充電電圧Ｖ１となり、この場合も満充電電圧Ｖ１を超えて充電されることは理論的にはない。但し、図１のグラフではセルＣ２の充電電圧は最終的に満充電電圧Ｖ１を超え過充電許容電圧にまで上昇しているが、これは放電抵抗Ｒ１が理論値よりも大きい場合、即ち放電抵抗Ｒ１の製品ばらつきによるものである。満充電促進工程での充電開始後、設定時間Ｃだけ経過すると、微調整工程に移行する。
【００２７】
微調整工程では、放電抵抗Ｒ１の誤差（製品ばらつき）を吸収して全てのセルを最終的に満充電電圧Ｖ１にできるだけ等しくするために、コントローラ４がスイッチ６を開いて充電を停止する。前述した容量調整工程は微調整工程中も行われており、充電停止時には通常全セルが満充電電圧Ｖ１以上になっているので、全セルは放電抵抗Ｒ１によって放電を継続している。そして、各セルの両端電圧が満充電復帰電圧Ｖ０以下か否かを判定し、満充電復帰電圧Ｖ０よりも大きい場合には再度判定処理に戻り、その間、容量調整工程による放電を継続する。以上により、全セルが順番に満充電復帰電圧Ｖ０以下に落ち込んでいき、各々の容量調整回路７を停止して放電を停止する。なお、微調整工程を始める際に充電電圧が満充電復帰電圧Ｖ０よりも小さいものについては、容量調整工程での放電抵抗Ｒ１への通電は停止しており、充電電圧は維持されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】充電装置による充電電流、セルの両端電圧の時間推移を示すグラフである。
【図２】充電装置を示すブロック図である。
【図３】充電方法を示すフローチャートである。
【図４】セルの回路図である。
【図５】セルの充電容量と両端電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１  二次電池、２  電源部、３  充電管理部、４  コントローラ、５  直流電流電源、６  スイッチ、７  容量調整装置（容量調整回路）、８  多段指令回路、９  発光素子、１０  受光素子側、Ｖ０  満充電復帰電圧、Ｖ１  満充電電圧、Ｖ２  過充電限界電圧、Ｖ３  総電圧、Ｖ１’  満充電電圧検出回路、Ｖ２’  過充電限界電圧検出回路、Ｖ３’  総電圧検出回路、Ｒ１  放電抵抗、Ｔｒ１  第一トランジスタ、Ｔｒ２  第二トランジスタ、Ｔｒ３  第三トランジスタ、Ａ１  電流検出回路、Ｃ１〜Ｃｎ  セル、Ｉｍｉｎ＋α  設定電流、Ｉｍｉｎ  満充電促進電流
【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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