(57)【要約】【課題】二次電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させ、予め設定された時刻までに充電を完了させることが可能な充電装置及び充電方法を提供する。【解決手段】充電装置１は電池電圧検出部１５、定電流源１２、及び、制御部１１を備える。電池電圧検出部１５は二次電池ＢＴの電池電圧を検出する。定電流源１２は二次電池ＢＴに充電電流を供給する。制御部１１は、電池電圧検出部１５により検出された電池電圧から電池容量残存率を算出し、電池容量残存率と二次電池ＢＴの実容量とから充電量を算出し、設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、充電量から充電可能な時間内に満充電となるように充電電流の電流値を設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、
前記二次電池に充電電流を供給する定電流源と、
前記電池電圧検出部により検出された電池電圧を取得し、前記充電電流の電流値を設定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、
前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、
設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、
前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記充電電流の電流値を設定する
ことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記二次電池の温度を検出する電池温度検出部をさらに備え、
前記制御部は、
前記電池電圧検出部により検出された電池電圧から前記二次電池の内部抵抗を算出し、前記内部抵抗と前記電池温度検出部により検出された温度とから前記二次電池の実容量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記二次電池に少なくとも２種類の所定の電流値の電流を流し、それぞれの電流値における電池電圧に基づいて前記内部抵抗を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
【請求項４】
二次電池の電池電圧を検出し、
前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、
前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、
設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、
前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記二次電池を定電流充電するための電流値を設定する
ことを特徴とする充電方法。
【請求項５】
前記二次電池の温度を検出し、
前記電池電圧から前記二次電池の内部抵抗を算出し、
前記二次電池の内部抵抗と温度とから前記二次電池の実容量を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の充電方法。
【請求項６】
前記二次電池に少なくとも２種類の所定の電流値の電流を流し、それぞれの電流値における電池電圧に基づいて前記内部抵抗を算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置及び充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ハンディ無線機や携帯機器には二次電池（充電池）としてリチウムイオン電池が使用されている。通常、リチウムイオン電池は、単一の電流による定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電方式により充電される。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２には、予め設定された時刻までに充電を完了させるための予約充電機能を有する充電装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２８７９５９号公報
【特許文献２】特開２０００−２８７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リチウムイオン電池等の二次電池が劣化して寿命を縮める要因として、急速充電の多用、満充電での放置、高温での放置、低温での使用、過充電、過放電、及び、ショートを含む大電流放電等が挙げられる。
【０００６】
特許文献１に記載されている充電装置は、予め設定された時刻に充電が終了するように充電開始時刻を逆算し、充電開始時刻になると充電を開始する。そのため、充電開始時刻までは待機状態となり、無駄な待機電力を消費してしまう。
【０００７】
特許文献２に記載されている充電装置は、最初に満充電になるまで充電し、その後は待機状態となり、設定時刻直前に自然放電した分を補充電する。そのため、無駄な待機電力を消費してしまう。また、満充電で待機状態となったり、２回の充電を行ったりすることにより二次電池が劣化しやすくなる。
【０００８】
また、特許文献１及び特許文献２に記載されている充電装置は、いずれも急速充電を行うため、二次電池が劣化しやすくなる。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑み、二次電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させ、予め設定された時刻までに充電を完了させることが可能な充電装置及び充電方法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】
本発明は、二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、前記二次電池に充電電流を供給する定電流源と、前記電池電圧検出部により検出された電池電圧を取得し、前記充電電流の電流値を設定する制御部とを備え、前記制御部は、前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記充電電流の電流値を設定することを特徴とする充電装置を提供する。
【００１１】
また、本発明は、二次電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記二次電池を定電流充電するための電流値を設定することを特徴とする充電方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の充電装置及び充電方法によれば、二次電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させ、予め設定された時刻までに充電を完了させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態の充電装置の回路図である。
【図２Ａ】一実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。
【図２Ｂ】一実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量残存率との関係の一例を示す電池特性図である。
【図４】リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量との放電温度特性の一例を示す電池特性図である。
【図５】リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量とのサイクル劣化放電特性の一例を示す電池特性図である。
【図６】リチウムイオン電池の内部抵抗と充電時間とのサイクル劣化充電特性の一例を示す電池特性図である。
【図７】リチウムイオン電池の充電電流と充電時間の充電特性の一例を示す電池特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［充電装置］
図１を用いて充電装置を説明する。図１は一実施形態の充電装置の回路図である。なお、本実施形態の充電装置及び充電方法では、充電される二次電池（バッテリ）としてリチウムイオン電池を例に挙げて説明する。
【００１５】
充電装置１は、ＡＣアダプタ２、操作部３、時計部４、及び、充電制御回路１０を備える。なお、リチウムイオン電池ＢＴは充電装置１に着脱自在に装着されている。
【００１６】
ＡＣアダプタ２は、商用交流電源から供給される電力の交流電圧を所定の直流電圧に変換する。
【００１７】
ユーザは、操作部３によって、リチウムイオン電池ＢＴの充電を完了させたい時刻（充電完了予約時刻）等の設定情報を入力する。操作部３は、例えば操作ボタンや操作パネルで構成されている。
【００１８】
時計部４は、現在の時刻を計測する。時計部４は例えばデジタル時計である。
【００１９】
充電制御回路１０は、スイッチＳＷ、定電圧レギュレータＲＧ、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）１１、定電流源１２、定電圧源１３、充電電流検出部１４、電池電圧検出部１５、及び、電池温度検出部１６を備える。充電制御回路１０を集積回路として構成してもよい。
【００２０】
スイッチＳＷは充電装置１の電源スイッチである。
【００２１】
定電圧レギュレータＲＧは、ＡＣアダプタ２により所定の直流電圧に変換された電力をマイクロプロセッサ１１に供給する。
【００２２】
マイクロプロセッサ１１は制御部として機能する。以下、マイクロプロセッサ１１を制御部１１と称することとする。
【００２３】
定電流源１２は、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３、抵抗Ｒ２，Ｒ３、及び、Ｄ／ＡコンバータＤＡＣにより構成されている。
【００２４】
定電圧源１３は、トランジスタＱ１、抵抗Ｒ２，Ｒ３、及び、ダイオードＤにより構成されている。
【００２５】
充電電流検出部１４は、抵抗Ｒ３、及び、Ａ／ＤコンバータＡＤＣ１により構成されている。
【００２６】
電池電圧検出部１５はＡ／ＤコンバータＡＤＣ２により構成されている。
【００２７】
電池温度検出部１６は、抵抗Ｒ１、Ａ／ＤコンバータＡＤＣ３、及び、リチウムイオン電池ＢＴに内蔵されているサーミスタＴＨにより構成されている。
【００２８】
［制御部］
制御部１１は、定電圧レギュレータＲＧから電力が供給されたり、充電装置１にリチウムイオン電池ＢＴが装着されたりすることによりスイッチＳＷをオン状態にする。制御部１１は、リチウムイオン電池ＢＴの充電が完了するとスイッチＳＷをオフ状態にする。
【００２９】
制御部１１は操作部３から設定情報として充電完了予約時刻を取得して保持する。制御部１１は時計部４から現在の時刻を取得する。制御部１１は、充電完了予約時刻と現在の時刻とに基づいて、リチウムイオン電池ＢＴの充電を制御する。
【００３０】
なお、制御部１１の詳細な機能については後述する。
【００３１】
［定電流源］
定電流源１２はリチウムイオン電池ＢＴに充電電流を、電流値を自在に可変して供給する。
【００３２】
トランジスタＱ１は、コレクタがスイッチＳＷ、定電圧レギュレータＲＧの入力端子、及び、抵抗Ｒ２の一方の端子に接続されている。トランジスタＱ１は、ベースが抵抗Ｒ２の他方の端子とダイオードＤのカソードとの接続点Ｐ１に接続されている。トランジスタＱ１は、エミッタがリチウムイオン電池ＢＴの一方の端子に接続されている。
【００３３】
トランジスタＱ２とトランジスタＱ３とはカレントミラー回路を構成している。
【００３４】
トランジスタＱ２は、コレクタが接続点Ｐ１に接続されている。トランジスタＱ２は、エミッタがＤ／ＡコンバータＤＡＣに接続されている。
【００３５】
トランジスタＱ３は、コレクタがリチウムイオン電池ＢＴの他方の端子、及び、ダイオードＤのアノードに接続されている。トランジスタＱ３は、エミッタが抵抗Ｒ３の一方の端子に接続されている。なお、抵抗Ｒ３の他方の端子は接地されている。
【００３６】
トランジスタＱ２，Ｑ３は、ベースがリチウムイオン電池ＢＴの他方の端子、及び、ダイオードＤのアノードに接続されている。
【００３７】
Ｄ／ＡコンバータＤＡＣには、制御部１１から、リチウムイオン電池ＢＴに供給される充電電流の電流値を設定するための設定電圧データが出力される。Ｄ／ＡコンバータＤＡＣは、入力された設定電圧データに対応する電圧Ｖｄａを出力する。
【００３８】
トランジスタＱ２のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅ２とトランジスタＱ３のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅ３とを同じ値とする。これにより、リチウムイオン電池ＢＴには、電圧Ｖｄａと抵抗Ｒ３（抵抗値ｒ３）の両端の電圧とが同じ値になるような電流値Ｉｃｈｇ（Ｉｃｈｇ＝Ｖｄａ／ｒ３）の充電電流が供給される。即ち、リチウムイオン電池ＢＴは、定電流源１２により定電流（ＣＣ）充電される。
【００３９】
従って、抵抗Ｒ３の抵抗値ｒ３を既知の固定値とすれば、定電流源１２からリチウムイオン電池ＢＴに供給される充電電流の電流値を、制御部１１からＤ／ＡコンバータＤＡＣに出力される設定電圧データに応じて自在に可変させることができる。
【００４０】
［定電圧源］
定電圧源１３はリチウムイオン電池ＢＴを定電圧で充電する。
【００４１】
リチウムイオン電池ＢＴは、定電流源１２から充電電流が供給されることにより、電池電圧が上昇する。リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧が所定の電圧に達すると、トランジスタＱ２には電流が流れなくなり、ダイオードＤに電流が流れるようになる。所定の電圧とは、ダイオードＤのツェナー電圧ＶｚからトランジスタＱ１のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅ１を減算した電圧（Ｖｚ−Ｖｂｅ１）である。
【００４２】
その結果、リチウムイオン電池ＢＴは、定電圧源１３により、所定の電圧と同じ値の充電電圧で定電圧（ＣＶ）充電される。
【００４３】
従って、リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧が所定の電圧に達することにより、定電流源１２による定電流充電から定電圧源１３による定電圧充電に切り替わる。
【００４４】
［充電電流検出部］
充電電流検出部１４はリチウムイオン電池ＢＴに供給される充電電流を検出する。
【００４５】
Ａ／ＤコンバータＡＤＣ１は抵抗Ｒ３と並列に接続されている。抵抗Ｒ３の抵抗値ｒ３を既知の固定値とする。抵抗Ｒ３の両端の電圧をＡ／ＤコンバータＡＤＣ１から制御部１１へ出力する。これにより、制御部１１は充電電流に比例したＡ／Ｄ値を得ることができる。
【００４６】
［電池電圧検出部］
電池電圧検出部１５はリチウムイオン電池ＢＴの電池電圧を検出する。
【００４７】
Ａ／ＤコンバータＡＤＣ２は、リチウムイオン電池ＢＴと並列に接続されている。リチウムイオン電池ＢＴの両端の電圧をＡ／ＤコンバータＡＤＣ２から制御部１１へ出力する。これにより、制御部１１はリチウムイオン電池ＢＴの電圧に比例したＡ／Ｄ値を得ることができる。
【００４８】
［電池温度検出部］
電池温度検出部１６はリチウムイオン電池ＢＴの温度を検出する。
【００４９】
抵抗Ｒ１は、温度によって抵抗値が変化するサーミスタＴＨと直列に接続されている。Ａ／ＤコンバータＡＤＣ３は、サーミスタＴＨと並列に接続されている。サーミスタＴＨの両端の電圧をＡ／ＤコンバータＡＤＣ３から制御部１１へ出力する。これにより、制御部１１はリチウムイオン電池ＢＴの温度に対応するＡ／Ｄ値を得ることができる。
【００５０】
［充電方法］
図２Ａ及び図２Ｂ、並びに、図３〜図７を用いて充電方法を説明する。図２Ａ及び図２Ｂは一実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。
【００５１】
電池温度検出部１６は、図２ＡのステップＳ１にて、リチウムイオン電池ＢＴの温度を検出する。
【００５２】
制御部１１は、ステップＳ２にて、リチウムイオン電池ＢＴの温度が充電可能な温度範囲内か否かを判定する。充電可能な温度範囲は、例えば０℃〜４０℃であり、制御部１１に予め設定されている。
【００５３】
リチウムイオン電池ＢＴの温度が充電可能な温度範囲内ではない（ＮＯ）と判定された場合、制御部１１は、処理をステップＳ１に戻す。
【００５４】
リチウムイオン電池ＢＴの温度が充電可能な温度範囲内である（ＹＥＳ）と判定された場合、電池電圧検出部１５は、ステップＳ３にて、リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧を検出する。
【００５５】
図３はリチウムイオン電池の電池電圧と電池容量残存率との関係の一例を示す電池特性図である。リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧と電池容量残存率とは関連付けられて制御部１１に記憶されている。
【００５６】
制御部１１は、ステップＳ４にて、図３は示す電池特性に基づいて、ステップＳ３で検出されたリチウムイオン電池ＢＴの電池電圧から、満容量に対する電池容量残存率（電池残量）を算出する。なお、電池電圧と電池容量残存率とがテーブル上に関連付けられて記憶されている場合は、ステップＳ３で検出された電池電圧から最適な電池容量残存率を選択するようにしてもよい。
【００５７】
制御部１１は、ステップＳ５にて、リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧が１セル当たり所定の電圧（例えば３Ｖ）か否かを判定する。所定の電圧は制御部１１に予め設定されている。
【００５８】
リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧が所定の電圧未満である（ＹＥＳ）と判定された場合、制御部１１は、ステップＳ６にて、リチウムイオン電池ＢＴの電池電圧が１セル当たり所定の電圧になるまで、例えば０．１Ｃ以下の充電電流がリチウムイオン電池ＢＴに流れるように定電流源１２を制御する。これにより、リチウムイオン電池ＢＴは所定の電圧になるまで前調整充電（プリチャージ）される。
【００５９】
なお、０．１ＣのＣとは、充電電流（または放電電流）を電池容量との比率で表す単位である。例えば、１．０Ｃは電池容量を１時間で充電（または放電）できる電流量である。０．１Ｃは電池容量を１０時間で充電（または放電）できる電流量である。
【００６０】
リチウムイオン電池ＢＴの電圧が所定の電圧未満ではない（ＮＯ）と判定された場合、または、ステップＳ６でリチウムイオン電池ＢＴのプリチャージが完了すると、制御部１１は、ステップＳ７にて、２種類の電流値の充電電流、即ち、第１の電流値Ｉａの充電電流、及び、第２の電流値Ｉｂの充電電流がそれぞれリチウムイオン電池ＢＴに通電されるように定電流源１２を制御する。
【００６１】
電池電圧検出部１５は、ステップＳ８にて、第１の電流値Ｉａの充電電流が流れたときのリチウムイオン電池ＢＴの電池電圧Ｖａ、及び、第２の電流値Ｉｂの充電電流が流れたときのリチウムイオン電池ＢＴの電池電圧Ｖｂを検出する。
【００６２】
制御部１１は、図２ＢのステップＳ９にて、電池電圧検出部１５が検出した２種類の電池電圧Ｖａ，Ｖｂから、リチウムイオン電池ＢＴの内部抵抗Ｒｂｔ（Ｒｂｔ＝（Ｖｂ―Ｖａ）／（Ｉｂ―Ｉａ））を算出する。
【００６３】
図４は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量との放電温度特性の一例（放電電流が０．５Ｃの場合）を示す電池特性図である。リチウムイオン電池の温度に対する電池電圧と電池容量とは関連付けられて制御部１１に記憶されている。
【００６４】
図４に示すように、リチウムイオン電池は、温度が低下すると内部抵抗（直流抵抗）が大きくなるため、電池電圧が低下する。また、リチウムイオン電池は、温度が低下すると電池容量が低下する。
【００６５】
図５は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量とのサイクル劣化放電特性の一例（電池温度が２５℃で放電電流が１．０Ｃの場合）を示す電池特性図である。リチウムイオン電池の充放電サイクル数に対する電池電圧と電池容量とは関連付けられて制御部１１に記憶されている。
【００６６】
図５に示すように、リチウムイオン電池は、充放電を繰り返すと、サイクル劣化により内部抵抗が大きくなるため、電池電圧が低下する。また、リチウムイオン電池は、充放電を繰り返すと電池容量が低下する。
【００６７】
図６は、リチウムイオン電池の電池電圧、充電電流、及び、充電容量と、充電時間とのサイクル劣化充電特性の一例を示す電池特性図である。具体的には、電池温度が２５℃で、定電圧値が４．２Ｖ、定電流値が２．０Ａで１８０分間だけ充電を行った場合の電池特性図である。リチウムイオン電池の電池電圧、充電電流、及び、充電容量と、充電時間とは関連付けられて制御部１１に記憶されている。
【００６８】
図６に示すサイクル劣化や温度特性によってリチウムイオン電池の内部抵抗が大きくなると、定電流充電による充電時間が短くなる。
【００６９】
そこで、制御部１１は、ステップＳ１０にて、常温における新品のリチウムイオン電池ＢＴの公称容量と比較して現時点でのリチウムイオン電池ＢＴの容量がどの程度になっているか、即ち、現時点でのリチウムイオン電池ＢＴの実容量を算出する。
【００７０】
現時点でのリチウムイオン電池ＢＴの実容量は、ステップＳ１で検出されたリチウムイオン電池ＢＴの温度、及び、ステップＳ９で算出されたリチウムイオン電池ＢＴの内部抵抗から、図３〜図６に示す電池特性に基づいて算出することができる。
【００７１】
なお、温度に対する電池電圧と電池容量、充放電サイクル数に対する電池電圧と電池容量、並びに、電池電圧、充電電流及び充電容量と充電時間とが、テーブル上にそれぞれ関連付けられて記憶されている場合は、これらテーブルから最適な実容量を選択するようにしてもよい。
【００７２】
制御部１１は、ステップＳ１１にて、ステップＳ４で算出された電池容量残存率と、ステップＳ１０で算出された実容量とから、リチウムイオン電池ＢＴを満充電にするために必要な充電量（充電量＝実容量×（１００−電池容量残存率（％））／１００）を算出する。
【００７３】
制御部１１は、ステップＳ１２にて、時計部４から取得した現在の時刻と、操作部３から取得した充電完了予約時刻とから、充電可能な時間を算出する。
【００７４】
図７は、リチウムイオン電池の充電電流と充電時間の充電特性の一例を示す電池特性図である。リチウムイオン電池の充電電流と充電時間とは関連付けられて制御部１１に記憶されている。
【００７５】
図７に示すように、同一の充電量（電池容量に対する充電比）に対し、充電電流の電流値により充電時間が異なる。
【００７６】
そこで、制御部１１は、ステップＳ１３にて、ステップＳ１１で算出された充電量から、ステップＳ１２で算出された充電可能な時間内に満充電となるような最小の電流値を設定する。即ち、制御部１１は、充電可能な時間内に満充電となるような最小の電流値の充電電流がリチウムイオン電池ＢＴに流れるように定電流源１２を制御する。これにより、リチウムイオン電池ＢＴは、制御部１１により設定された電流値の充電電流で定電流充電が開始される。
【００７７】
リチウムイオン電池ＢＴは、ステップＳ１４にて、所定の電圧に達すると、定電流源１２による定電流充電から定電圧源１３による定電圧充電に切り替えられる。
【００７８】
制御部１１は、ステップＳ１５にて、充電電流検出部１４が検出したリチウムイオン電池ＢＴの充電電流が規定値（例えば０．１Ｃ）以下になるか、充電完了予約時刻になった時点で、リチウムイオン電池ＢＴの充電を終了させる。規定値は制御部１１に予め記憶されている。
【００７９】
制御部１１は、ステップＳ１６にて、充電装置１への電力の供給が遮断されるようにスイッチＳＷをオフ状態にして、処理を終了させる。
【００８０】
従って、本実施形態の充電装置及び充電方法によれば、充電可能な時間と電池容量残存率に応じて定電流充電の電流値が設定される。これにより、二次電池（リチウムイオン電池）は、充電前の電池容量残存率に係わらず、充電完了予約時刻には満充電になる。そのため、充電していない待機時間をほぼゼロにすることができるので、満充電での放置や急速充電の多用を抑制することができる。よって、リチウムイオン電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させることができる。
【００８１】
なお、本発明に係る実施形態は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【００８２】
例えば、本実施形態の充電装置は、単体であってもよいし、ハンディ無線機や携帯機器等の機器に内蔵されていてもよい。充電装置が機器に内蔵されている場合には、機器のマイクロプロセッサを制御部１１として機能させてもよい。また、二次電池（リチウムイオン電池）も機器に内蔵されていてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１  充電装置
１１  マイクロプロセッサ（制御部）
１２  定電流源
１５  電池電圧検出部
１６  電池温度検出部
ＢＴ  二次電池（リチウムイオン電池）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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