(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の素電池セルを持つ電池パックの充電時間を短縮する。【解決手段】電池パックは、複数の素電池セルのいずれかの電圧が閾値以上になった場合に充電装置に対して充電の中断を指示する制御信号を印加するセル電圧保護手段を備え、前記充電装置は、定電流充電手段と、第１電圧により前記電池パックを充電する第１定電圧充電手段と、前記電池パックの電圧を測定する測定手段と、前記定電流充電手段による充電中に前記電池パックの電圧が目標電圧以上になると、前記定電流充電手段に充電を停止させて前記第１定電圧充電手段に充電を開始させる制御を行う制御手段と、前記制御信号を検出する検出手段と、前記第１電圧より低い第２電圧により前記電池パックを充電する第２定電圧充電手段と、を備える。【選択図】図５
2013017314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池セルを有する電池パックを充電する充電装置であって、前記電池パックは、前記複数の素電池セルのいずれかの電圧が閾値以上になった場合に前記充電装置に対して充電の中断を指示する制御信号を印加するセル電圧保護手段を備え、前記充電装置は、
所定の電流により前記電池パックを充電する定電流充電手段と、
第１電圧により前記電池パックを充電する第１定電圧充電手段と、
前記電池パックの電圧を測定する測定手段と、
前記定電流充電手段による充電中に前記電池パックの電圧が目標電圧以上になると、前記定電流充電手段に充電を停止させて前記第１定電圧充電手段に充電を開始させる制御を行う制御手段と、
前記制御信号を検出する検出手段と、
前記第１電圧より低い第２電圧により前記電池パックを充電する第２定電圧充電手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記定電流充電手段による充電中に前記制御信号が検出された場合、前記定電流充電手段に充電を停止させ、前記制御信号が検出されなくなった後に、前記第２定電圧充電手段に充電を開始させる制御を行う
ことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記制御信号が検出された時の前記電池パックの電圧が前記第２電圧より高い場合は、前記第２電圧の代わりに、前記制御信号が検出された時の前記電池パックの前記電圧と前記第２電圧との間の所定の電圧により前記電池パックを充電するように前記第２定電圧充電手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
複数の素電池セルを有する電池パックを充電する充電装置の制御方法であって、前記電池パックは、前記複数の素電池セルのいずれかの電圧が閾値以上になった場合に前記充電装置に対して充電の中断を指示する制御信号を印加するセル電圧保護手段を備え、前記制御方法は、
定電流充電手段が、所定の電流により前記電池パックを充電する定電流充電工程と、
第１定電圧充電手段が、第１電圧により前記電池パックを充電する第１定電圧充電工程と、
測定手段が、前記電池パックの電圧を測定する測定工程と、
制御手段が、前記定電流充電工程による充電中に前記電池パックの電圧が目標電圧以上になると、前記定電流充電工程に充電を停止させて前記第１定電圧充電工程に充電を開始させる制御を行う制御工程と、
検出手段が、前記制御信号を検出する検出工程と、
第２定電圧充電手段が、前記第１電圧より低い第２電圧により前記電池パックを充電する第２定電圧充電工程と、
を備え、
前記制御手段は、前記制御工程において、前記定電流充電工程による充電中に前記制御信号が検出された場合、前記定電流充電工程に充電を停止させ、前記制御信号が検出されなくなった後に、前記第２定電圧充電工程に充電を開始させる制御を行う
ことを特徴とする制御方法。
【請求項４】
コンピュータに、請求項３に記載の制御方法の各工程を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、携帯型の電子デバイスの主電池として、充電可能な二次電池（特に、リチウムイオン二次電池）が多く用いられている。また、リチウムイオン二次電池の素電池セルを２つ以上直列に接続した構成である複数セル直列型の電池パックも知られている。複数セル直列型の電池パックは、ビデオカメラやデジタル一眼レフカメラなど、モーター駆動等のために高い電圧を必要とするデバイスに多く用いられている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池は、過充電により劣化等の問題が発生するため、２つ以上の素電池セルを使用した電池パックにおいては、各素電池セルごとの両端電圧が所定の電圧以上にならないことを監視する必要性が存在する。即ち、電池パックは、素電池セルごとの両端電圧が所定の電圧（Ｖｌｉｍ）以上にならないことを監視する保護回路を具備する必要がある。いずれかの素電池セルの電圧が所定の電圧以上と判断された場合には、保護回路は、充電を一時的に中断するのための制御信号を充電装置へ送信する。
【０００４】
一般的なリチウムイオン二次電池への充電制御方式としては、定電流／定電圧充電制御方式が挙げられる。定電流／定電圧充電制御方式では、図１（ａ）に示すように、電池パックの両端電圧が所定の目標電圧（Ｖｃｈｋ）に達するまで、予め設定された定電流（Ｉｃｈｇ）で充電が行われる。定電流充電により電池パックの両端電圧が所定の目標電圧（Ｖｃｈｋ）に到達した後、予め設定された定電圧（Ｖｃｈｇ１）による定電圧充電が行われる。一般的には、Ｖｃｈｋ＝Ｖｃｈｇ１に設定される。定電圧充電により充電電流が所定の充電完了電流（Ｉｆｉｎ）に下がると、充電は完了する。この時の充電時間をｔ１で示す。
【０００５】
定電流／定電圧充電制御方式では、充電時間を短縮するために、定電流充電時の充電電流Ｉｃｈｇが高めに設定されることが多い。しかしながら、充電電流Ｉｃｈｇが高い場合には、素電池セルによっては、セル電圧が上がりやすい傾向のセル特性を持つ場合もある。このような特性の素電池セルを含む電池パックでは、セル電圧が、保護回路が設定する制限を超えやすい。そのため、図１（ｂ）に示すように、充電待機状態が頻発して充電時間が長くなるという問題がある。この時の充電時間をｔ２で示す（ｔ２＞ｔ１）。
【０００６】
二次電池の充電時間を短縮するための技術として、特許文献１が知られている。特許文献１よれば、充電装置は、定電流充電中に二次電池の電圧が予め設定された第１の設定電圧Ｖ１に到達すると定電流充電を中断し、内部インピーダンスに基づく電圧降下ΔＶを計測する。その後、充電装置は定電流充電を再開し、二次電池が第２の設定電圧（Ｖ１＋電圧降下ΔＶ）に達するまで定電流充電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２８２８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術によれば、電圧降下を測定するために、二次電池の電圧降下が安定するまで充電を中断する必要があり、それに応じて充電時間が長くなる。また、特許文献１は、複数の素電池セルを持つ電池パックを考慮しておらず、セル電圧が制限を超えないようにするための充電待機に起因して充電時間が長くなるという従来の課題を解決できない。
【０００９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、複数の素電池セルを持つ電池パックの充電時間を短縮する技術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】
【００１０】
上記課題を解決するために、第１の本発明は、複数の素電池セルを有する電池パックを充電する充電装置であって、前記電池パックは、前記複数の素電池セルのいずれかの電圧が閾値以上になった場合に前記充電装置に対して充電の中断を指示する制御信号を印加するセル電圧保護手段を備え、前記充電装置は、所定の電流により前記電池パックを充電する定電流充電手段と、第１電圧により前記電池パックを充電する第１定電圧充電手段と、前記電池パックの電圧を測定する測定手段と、前記定電流充電手段による充電中に前記電池パックの電圧が目標電圧以上になると、前記定電流充電手段に充電を停止させて前記第１定電圧充電手段に充電を開始させる制御を行う制御手段と、前記制御信号を検出する検出手段と、前記第１電圧より低い第２電圧により前記電池パックを充電する第２定電圧充電手段と、を備え、前記制御手段は、前記定電流充電手段による充電中に前記制御信号が検出された場合、前記定電流充電手段に充電を停止させ、前記制御信号が検出されなくなった後に、前記第２定電圧充電手段に充電を開始させる制御を行うことを特徴とする充電装置を提供する。
【００１１】
なお、その他の本発明の特徴は、添付図面及び以下の発明を実施するための形態における記載によって更に明らかになるものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上の構成により、本発明によれば、複数の素電池セルを持つ電池パックの充電時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の充電制御が行われる場合の充電電流及び充電電圧の変化を示す概略図
【図２】第１の実施形態に係る電池パック２０の構成を示すブロック図
【図３】第１の実施形態に係る充電装置３０の構成を示すブロック図
【図４】第１の実施形態に係る充電制御を示すフローチャート
【図５】第１の実施形態に係る充電制御が行われる場合の充電電流及び充電電圧の変化を示す概略図
【図６】第２の実施形態に係る充電制御が行われる場合の充電電圧の変化を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが、本発明に必須とは限らない。
【００１５】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係る電池パック２０の構成を示すブロック図である。電池パック２０は、リチウムイオン電池の複数の素電池セルを有する。本実施形態では、電池パック２０は直列接続された２つの素電池セル１４及び１５を有するものとするが、本発明はこれに限定されず、電池パック２０は３つ以上の素電池セルを有してもよい。
【００１６】
図２において、プラス端子１０ａ及びマイナス端子１２ａは、電池パック２０を使用する電子デバイスに対して電力を供給したり、充電装置による充電を受け付けたりするための端子である。
【００１７】
セル電圧保護回路１３は、素電池セル１４及び１５それぞれの電圧（両端電圧）を監視し、それぞれの電圧が閾値（Ｖｌｉｍ）を超えることを防止するために、充電装置による充電を許可したり禁止したりする制御を行う。充電装置による素電池セル１４及び１５のいずれかの電圧が閾値以上になると、セル電圧保護回路１３は、充電装置に対して充電の中断を指示する制御信号（例えば、「Ｌｏｗ」）を、充電待機端子（Ｄ端子）１１ａを介して充電装置に印加する。
【００１８】
図３は、第１の実施形態に係る充電装置３０の構成を示すブロック図である。図３において、プラス端子１０ｂ、Ｄ端子１１ｂ、及びマイナス端子１２ｂは、電池パック２０を充電する際に、プラス端子１０ａ、Ｄ端子１１ａ、及びマイナス端子１２ａにそれぞれ接続される端子である。
【００１９】
ＡＣ電源２１は、ＡＣ電源コンセントから充電装置３０に対して電力を供給するための、入力電源である。１次側電源回路２２は、ＡＣ電源２１から受けたＡＣ電源を整流してＤＣ電源に変換するスイッチング電源回路である。２次側電源回路２３は、１次側電源回路２２により生成されたＤＣ電源から、電池パック２０に対する充電電源や、充電装置３０内の各回路の駆動電源を生成する回路である。
【００２０】
電圧調整回路２４は、２次側電源回路２３の電池パック２０に対する充電電源の電圧を調整する回路である。電圧調整回路２４は、充電制御回路２５からの制御に従い、定電圧充電のための充電電圧であるＶｃｈｇ１（第１電圧）や、Ｖｃｈｇ１より低いＶｃｈｇ２（第２電圧）を生成することができる。具体的には、電圧調整回路２４は、２次側電源回路２３の充電電圧と、充電制御回路２５からの設定電圧とを比較し、フィードバック制御等により、充電電圧が設定電圧になるように制御を行う。
【００２１】
充電制御回路２５は、所定の電流により電池パック２０を充電する定電流充電制御２５−１を行う定電流充電手段として機能する。充電制御回路２５はまた、Ｖｃｈｇ１により電池パック２０を充電する第１定電圧充電制御２５−２を行う第１定電圧充電手段、及び、Ｖｃｈｇ２により電池パック２０を充電する第２定電圧充電制御２５−３を行う第２定電圧充電手段としても機能する。充電制御回路２５は、後述する電圧計測回路２７及び電流計測回路２８によって計測された、電池パック２０の電圧、及び電池パック２０の充電電流に基づいて、電池パック２０の充電を制御する（詳細は図４を参照して後述）。充電制御回路２５は、充電制御専用に設計された半導体ＩＣや、マイコンなどを用いて実装可能である。
【００２２】
スイッチ２６は、２次側電源回路２３とプラス端子１０ｂとの接続の状態を切り替えるスイッチであり、充電制御回路２５の制御に従ってＯＮ／ＯＦＦの状態が切り替わる。ＯＦＦの場合、２次側電源回路２３とプラス端子１０ｂとの接続が切断され、充電が停止される。充電制御回路２５は、Ｄ端子１１ｂの状態を監視し、充電の中断を指示する制御信号（例えば、「Ｌｏｗ」）が印加されていることを検出すると、スイッチ２６をＯＦＦにすることにより充電を中断する。また、充電制御回路２５は、充電待機解除を示す信号（例えば、「Ｈｉｇｈ」）がＤ端子１１ｂに印加されていることを検出すると、スイッチ２６をＯＮにすることにより、充電を再開する。
【００２３】
電圧計測回路２７は、プラス端子１０ｂとマイナス端子１２ｂとの間の電圧（電池パック２０の電圧）を計測するための回路である。電圧計測回路２７は、アナログ−デジタル変換により、充電制御回路２５に対して、電池パック２０の電圧を通知する。電流計測回路２８は、充電電流を計測するための回路であり、マイナス端子１２ｂと充電装置３０内の接地との間に挿入された計測抵抗の両端電圧を計測して電流換算することにより充電電流を計測する。電流計測回路２８は、アナログ−デジタル変換により、充電制御回路２５に対して、電池パック２０の充電電流を通知する。
【００２４】
充電状態表示部２９は、多灯ＬＥＤ、ＴＮ液晶、又はＴＦＴ液晶などの表示デバイスであり、充電装置３０の状態（電池パック未装着、充電中、充電待機、充電終了、充電異常、電池パック異常など）を表示する。
【００２５】
図４は、第１の実施形態に係る充電制御を示すフローチャートである。本フローチャートの各ステップの処理は、特に断らない限り、充電制御回路２５によって実行される。Ｓ１０１で、充電制御回路２５は、電池パック２０への充電制御を開始するために、電圧計測回路２７によって計測された電池パック２０の電圧が過放電電圧（Ｖｉｎｉ）未満か否かを判定する。電池パック２０の電圧が過放電電圧（Ｖｉｎｉ）未満である場合、処理はＳ１０２に進む。Ｓ１０２で、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＮにし、電流計測回路２８によって測定される充電電流が電池パック２０を安全に充電するための充電電流（Ｉｉｎｉ）になるように電圧調整回路２４を制御することによって、予備充電を行う。
【００２６】
Ｓ１０１において電池パック２０の電圧がＶｉｎｉ未満ではないと判定されると、処理はＳ１０３に進み、充電制御回路２５は、Ｄ端子１１ｂに充電待機状態の信号（本実施形態では、「Ｌｏｗ」）が印加されているか否かを判定する。充電待機状態の信号が印加されている場合、処理はＳ１０４に進み、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＦＦにすることによって充電を中断する。
【００２７】
Ｓ１０３において充電許可を示す信号（本実施形態では、「Ｈｉｇｈ」）の印加が検出されると、処理はＳ１０５に進む。Ｓ１０５で、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＮにする。そして、充電制御回路２５は定電流充電手段として機能し、電流計測回路２８によって測定される充電電流が定電流充電のための所定の電流（Ｉｃｈｇ）になるように電圧調整回路２４を制御することによって、定電流充電を行う。
【００２８】
Ｓ１０６で、充電制御回路２５は、電圧計測回路２７によって測定される電池パック２０の電圧が目標電圧（Ｖｃｈｋ）以上になったか否かを判定する。電池パック２０の電圧が目標電圧以上になった場合、処理はＳ１０７に進み、充電制御回路２５は、定電流充電を停止させる。そして、充電制御回路２５は第１定電圧充電手段として機能し、２次側電源回路２３の充電電源電圧をＶｃｈｇ１に調整するように電圧調整回路２４を設定することによって、定電圧充電を開始する。その後、処理はＳ１１２に進む。
【００２９】
Ｓ１０６において電池パック２０の電圧が目標電圧以上ではないと判定された場合、処理はＳ１０８に進み、充電制御回路２５は、Ｓ１０８と同様にＤ端子１１ｂの信号を判定する。Ｄ端子１１ｂの信号が「Ｈｉｇｈ」であれば処理はＳ１０６に戻る。Ｄ端子１１ｂの信号が「Ｌｏｗ」の場合（即ち、定電流充電の実行中に充電の中断を指示する制御信号が検出された場合）、処理はＳ１０９に進む。
【００３０】
Ｓ１０９で、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＦＦにすることにより、定電圧充電を停止し、処理はＳ１１０に進む。充電制御回路２５は、Ｄ端子１１ｂの信号が「Ｌｏｗ」である間は、Ｓ１１０で待機する。Ｄ端子１１ｂの信号が「Ｈｉｇｈ」になると（即ち、充電の中断を指示する制御信号が検出されなくなると）、処理はＳ１１１に進む。
【００３１】
Ｓ１１１で、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＮにする。そして、充電制御回路２５は第２定電圧充電手段として機能し、２次側電源回路２３の充電電源電圧をＶｃｈｇ２（Ｖｃｈｇ２＜Ｖｃｈｇ１）に調整するように電圧調整回路２４を設定することによって、定電圧充電を開始する。その後、処理はＳ１１２に進む。
【００３２】
Ｓ１１２において、充電制御回路２５は、Ｓ１０７又はＳ１１１の処理の結果、Ｖｃｈｇ１又はＶｃｈｇ２を充電電圧とする定電圧充電を実行中である。このとき、充電制御回路２５は、電流計測回路２８によって測定される電池パック２０に対する充電電流（Ｉｃ）が充電完了電流（Ｉｆｉｎ）以下であるか否かを判定する。充電電流（Ｉｃ）が充電完了電流（Ｉｆｉｎ）以下でない場合、処理はＳ１１３に進む。
【００３３】
Ｓ１１３で、充電制御回路２５は、Ｄ端子１１ｂの信号が「Ｌｏｗ」であるか否かを判定する。「Ｌｏｗ」の場合、処理はＳ１１４に進み、「Ｈｉｇｈ」の場合、処理はＳ１１２に戻る。Ｓ１１４で、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＦＦにすることにより充電を中断し、処理をＳ１１３に戻す。その後、Ｓ１１３においてＤ端子１１ｂの信号が「Ｈｉｇｈ」になると、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＮにすることにより充電を再開し、処理をＳ１１２に戻す。
【００３４】
Ｓ１１２において充電電流（Ｉｃ）が充電完了電流（Ｉｆｉｎ）以下であると判定された場合、処理はＳ１１５に進み、充電制御回路２５は、スイッチ２６をＯＦＦにすることにより充電を完了させる。
【００３５】
図４に示す充電制御によれば、定電流充電中にセル電圧保護回路１３による保護制御（Ｄ端子１１ｂに対する「Ｌｏｗ」の印加）が行われた場合には、通常のＶｃｈｇ１よりも低いＶｃｈｇ２を充電電圧とする定電圧充電が行われる。そのため、素電池セル１４及び１５の充電時の電圧上昇が抑制され、セル電圧が閾値（セル保護電圧）に到達する可能性が低減される。その結果、充電待機（充電の中断）の発生が抑制され、充電時間が短縮される。
【００３６】
図５は、第１の実施形態に係る充電制御が行われる場合の充電電流及び充電電圧の変化を示す概略図である。図５に示すように、セル１は電圧が上昇しやすい特性を持つ。従来の定電流／定電圧充電制御方式と同様に、最初は目標電圧（Ｖｃｈｋ）を目標として、予め設定された定電流（Ｉｃｈｇ）による定電流充電が行われる。しかしながら、定電流充電中に、セル１のセル電圧が閾値（Ｖｌｉｍ）に到達し、電池パックの電圧が目標電圧（Ｖｃｈｋ）に到達する前に充電待機状態が発生する。
【００３７】
充電待機状態になると、電池パックの自然な電圧降下によりセル電圧保護回路による保護制御が解除される電圧まで、充電が中断される。保護制御が解除された後には、セル１の充電による電圧上昇を低減するために、予め設定された定電圧（Ｖｃｈｇ２）に切り替えた第２定電圧充電制御による充電が行われる。従って、セル１の充電電圧が閾値（Ｖｌｉｍ）に到達する可能性が低減される。また、電池パックは定電圧充電により充電電圧Ｖｃｈｇ２までは充電され、且つ充電電流が所定の充電完了電流（Ｉｆｉｎ）に下がった時点で充電は完了する。
【００３８】
図１（ｂ）に示すように、従来は充電待機状態が頻発したため、充電時間は例えばｔ２であったが、本実施形態の充電制御によれば、図５に示すように充電待機状態の頻度が低下し、充電時間は例えばｔ２よりも短いｔ３となる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、定電流充電中に電池パックの電圧が目標電圧以上になった場合は、定電流充電中が停止して第１電圧（Ｖｃｈｇ１）による定電圧充電が行われる。しかしながら、定電流充電中にいずれかの素電池セルの電圧が閾値以上になって充電が中断されると、充電再開後は、第１電圧よりも低い第２電圧（Ｖｃｈｇ２）による定電圧充電が行われる。これにより、複数の素電池セルを持つ電池パックの充電時間を短縮することが可能となる。
【００４０】
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、定電流充電中に充電が中断された場合でも、第１の実施形態におけるＶｃｈｇ２よりも高い電圧（Ｖｃｈｇ２’）まで電池パック２０を充電することを可能にする構成について説明する。第２の実施形態では、図４のＳ１０９及びＳ１１１の処理が変更されるが、それ以外は第１の実施形態と同様である。以下、変更点について説明する。
【００４１】
Ｓ１０９で、Ｄ端子１１ｂが「Ｌｏｗ」になったことがＳ１０８において検出された時の電池パック２０の電圧Ｖｂを記憶する。Ｓ１１１で、充電制御回路２５は、Ｖｂ＞Ｖｃｈｇ２であれば、Ｓ１０９で記憶されたＶｂとＶｃｈｇ２との間の所定の電圧（Ｖｃｈｇ２’）により、定電圧充電を行う。
【００４２】
図６は、第２の実施形態に係る充電制御が行われる場合の充電電圧の変化を示す概略図である。図６に示すように、Ｖｂ＞Ｖｃｈｇ２であるので、充電再開後は、Ｖｃｈｇ２よりも高いＶｃｈｇ２’により定電圧充電が行われる。従って、電池パックはＶｃｈｇ２よりも高いＶｃｈｇ２’まで充電されるため、充電容量が向上する。
【００４３】
［その他の実施形態］
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。
【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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