JP4884045B2

JP4884045B2 - 二次電池の充電方法

Info

Publication number: JP4884045B2
Application number: JP2006077882A
Authority: JP
Inventors: 孝浩山下; 智也福田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-03-21
Also published as: US7786706B2; JP2007259532A; US20080094036A1

Description

本発明は、二次電池の充電方法に、関する。

以下の特許文献には、リチウムイオン２次電池を充電する充電器の開示がある。この公報の図４、図５に開示されるように、このような充電器は、電源部１と、充電経路に配置される充電制御スイッチ２と、電池電圧と充電電流を検出して電源部１と充電制御スイッチ２とを制御する演算回路３(=マイコン)とを備えている。そして、このような電源部１は、電流、電圧のフィードバック回路を備えている。電源部１は、交流を直流に変換する整流回路８、整流回路８の直流を高周波のパルス波に変換するスイッチング部９、パルス波を所定の電圧に変換する変換トランス１１と、スイッチング部９を制御して直流出力を制御するＰＷＭ制御回路１３と、ＰＷＭ制御回路１３に、制御信号を入力するフォトカプラ１７とを備えている。

そして、電流のフィードバック回路として、定電流充電回路６及びフォトカプラ１７を利用して、充電電流が所定値を超えると、フォトカプラ１７を非導通状態とし、これをフィードバック制御信号として、ＰＷＭ制御回路１３はトランジスター１０を制御して出力を低く制御して、電池の充電電流を少なくする。したがって、定電流充電回路６は、電池の充電電流が設定値Ｉ1よりも大きくなるのを防止して、定電流充電する。

また、電圧のフィードバック回路として、定電圧充電回路５及びフォトカプラ１７を利用して、充電電圧が所定値を超えると、フォトカプラ１７を非導通状態とし、これをフィードバック制御信号として、ＰＷＭ制御回路１３はトランジスター１０を制御して出力を低く制御して、電池の充電電圧を少なくする。したがって、定電圧充電回路５は、電池電圧が設定値よりも大きくなるのを防止して、定電圧充電する。

なお、このような制御方法に代わって、以下の制御方法とすることも、既に利用されている。同公報において、図５の定電圧充電回路５における作動アンプ５Ａの＋端子、−端子を逆とし、また、定電流充電回路６の作動アンプ６Ａの＋端子、−端子を逆とすることで、充電電流、充電電圧が所定値を超えると、ＰＷＭ制御回路１３の制御方法を、フォトカプラ１７を導通状態として、これをフィードバック制御信号として、ＰＷＭ制御回路１３はトランジスター１０を制御して出力を低く制御して、電池の充電電圧、電流を少なくする制御方法を採用することも可能である。
特開平８−２０５４１８号公報

このように、上記従来の充電用電源においては、リチウムイオン(Li-ion)２次電池、リチウムポリマー(Li-polymer)２次電池を充電するとき、２次側の充電電圧をモニターし、一次側にフィードバック(Feed Back)している。

しかしながら、このような従来の電源には、以下のような問題がある。充電電源の所定の電圧よりも高い電圧の電池が装着され充電開始しようとしたときに、定電圧Feed Backが動作し、充電電源出力を低下させ、出力が停止または間欠的な発振してしまう場合がある。
これが起きるメカニズムは以下のとおりである。

(1)例えば、充電器自身の定電圧出力が4.20V、装着する電池電圧が4.21Vとする。

(2)充電器は出力電圧が4.20Vとなるように、Feed Back回路が常時動作している。

(3)電池が装着され、充電スイッチがオンすると、充電出力の電圧が電池電圧と同じ4.21Vになってしまう。

(4)充電器で設定されている電圧は4.20Vであるため、Feed Back部は出力電圧を低下させようと、充電電源部へ出力低下信号を出す。

(5)しかし、出力電圧は電池電圧の4.21Vのまま変化しないため、Feed Back部より出力を低下させる信号が継続する。

(6)充電電源の出力低下が限界に達し、充電出力が停止し（＝電源停止）、二次側回路への電源供給が停止する。ここで、二次側回路への電源供給としては、変換トランスからの出力を、二次側のマイコン、IC等の電源に、電力を供給する。

(7)二次側回路が停止するため、Feed Back回路の信号が停止し、二次側の充電スイッチがオフとなる。

(8)その後、充電用電源には、継続して商用電力は供給されているので、充電用電源は再度供給を開始することになるから、充電出力や二次側電源供給が正常に回復する。

(9) (3)〜(8)を繰り返し、間欠発振のような動作となる。

このような間欠発振、電源停止の症状は、例えば、ある充電器で満充電まで充電した電池（電圧4.20V）を、これと違う別の充電器に装着した場合などで、電池電圧４．２０Vで、別の充電器の定電圧の電圧値が４．２０Vのときには、充電器の検出電圧のバラツキ、誤差等により、電池電圧を４．２１Ｖと検出し、４．２０Ｖの定電圧で充電するので、このような症状が発生する。

また、充電する環境の変化によっては、同じ充電器を使用していても、間欠発振、電源停止の症状が、起きる場合がある。

例えば、充電出力電圧が０℃では4.21V、２５℃では4.20Vというように、温度が変化すると充電出力電圧が増減するような充電器では、０℃で満充電にして、同じ充電器と電池を25℃で充電しようとすると、間欠発振し、電源停止の症状が起きる。

この電源停止または間欠発振を防止する対策として、従来は、以下のような対策を取っていた。
・二次側電源供給を、充電出力と別系統にする。つまり、充電出力が低下しても、二次側電源供給が途絶えないような回路構成にする。例えば、充電出力については、上記の従来技術のように定電圧充電となるように、フィードバックをかけるが、二次側電源供給については、充電出力に利用するトランスとは、別のトランスから常に出力を得るようにする。これにより、充電出力が停止、間欠発振しても、二次側電源供給を行うことができるので、二次側のマイコン、IC等は引き続き利用することができる。これにより、マイコンのシャットダウン等は発生しない。
・高精度で電圧検出できる素子を用い、充電出力電圧と電池電圧を比較し、充電出力電圧より電池電圧のほうが高い場合には充電開始しないようにする。
しかし、いずれの対策にしても、回路部品が追加になったり、高価な部品を使用する必要があった。

本発明は、このような欠点を解決するためになされたものであり、二次電池を定電圧にて充電を行う充電用電源を利用する充電方法において、間欠発振、電源の出力停止を防止する二次電池の充電方法を提供することを目的とする。

本発明は、２次電池を電圧と電流のフィードバック回路を用いて定電流・定電圧充電により充電を行う充電用電源を利用し、前記充電用電源と前記２次電池との間に前記フィードバック回路の電圧測定点を備え、前記２次電池の端子電圧が前記フィードバック回路の電圧測定点に印加される充電回路を利用する２次電池の充電方法であって、充電開始時に、前記充電用電源からの電力供給をオンオフしてパルス充電を行い、充電電流が所定値以下のとき、前記２次電池が満充電であるとして、充電を停止し、満充電でないとき、前記充電用電源の電力を供給して充電することを特徴とする。また、前記パルス充電の時間が、５ｍ秒以上５００ｍ秒以下であることを特徴とする。

本発明においては、充電開始時に、パルス充電を行い、充電電流が所定値以下のとき、前記二次電池が満充電であるとして、充電を停止することで、たとえ、定電圧の所定値を超える電池が充電されるときでも、従来の技術に説明したような、充電用電源が間欠発振、出力停止等の問題が発生する前、或いは、発生しても直ぐに、充電を停止できる。

また、この方法は、従来の回路構成のまま部品を追加することなく、電源停止、間欠発振の対策をすることができる。

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充電方法を例示するものであって、本発明は充電方法、構成を以下の方法、構成に特定しない。

図１に示す充電回路を備える充電器Ａは、充電器に着脱自在の電池１に充電電流を供給して充電する定電圧、定電流電源（最大４．２V、最大０．７A）である充電電源部２（＝充電用電源）と、これと電池１との間に接続されて電池１の充電電流を、制御、調整するスイッチング素子３と、このスイッチング素子３をオンオフに切り換えて、充電電流を、制御、調整するマイコンを内蔵する充電制御部４と、電池温度を検出して充電制御部４に温度信号を入力するサーミスタ等の温度センサー５とを備えている。電池１は、リチウムイオン(Li-ion)２次電池、リチウムポリマー(Li-polymer)２次電池等の２次電池が利用できる。また、充電制御部４は、充電電源部２に、制御信号を出力して、充電電源部２のオンオフ等の制御を行う。また、充電電源部２は、二次側回路への電源供給として、内蔵する変換トランスからの出力を、二次側のマイコン、IC等の回路部品に、電力を供給する。

充電制御部４は、充電中に、スイッチング素子３をオンオフして、周期的に充電を停止して（例えば、約０．５〜５Ｓの周期の間に、約０．０１〜１．０Ｓ間の停止）、電池電圧を、測定点ｄにて測定している。充電を停止中の方が、電池電圧を正確に測定できるためであるが、充電中の電池電圧を測定しても良い。また、スイッチング素子３をオンオフしてデューティー比を調整して、所望の平均電流値の定電流に切り替えて、電池１を充電することができる。

充電電源部２は、上記従来例と同じ様に、周知のものを利用することができ、電圧、電流のフィードバック回路２Ｆを含む。上記従来例と同様に、測定点ｆより電圧を検出し、充電経路に設置される電流検出用抵抗（図示せず）の電圧を検出する充電電流検出回路２Ｃからの出力が入力されるフィードバック回路２Ｆにより、フィードバック制御信号を出力し、定電圧、定電流の出力を、２次側に供給している。充電電源部２では、所定の最大の定電流以内、所定の最大の定電圧以内の電力を供給し、リチウムイオン２次電池１を充電し、残量が少ない電池を充電するときには、充電初期には、最大の定電流を提供して、電池電圧は最大定電圧以内の範囲で上昇し、その後、最大の定電圧を供給して、電流は徐々に低下する。

また、充電制御部４は、電池温度が、保護温度（６０〜６５℃程度）を超えるとき等に、スイッチング素子３をオフとして充電を停止する。

電池１が、規格上の単１〜４型電池等を使用する場合等のように、電池１にサーミスタを内蔵しないときは、充電器Ａの充電端子に、電池４１を装着した状態で、電池４１と、サーミスタである温度センサー５が密着したり、密着しなくとも適切に電池１の温度がモニターできる位置に配置することで、電池１と温度センサー５とを熱結合の状態とする。また、電池１がパック電池であるときは、温度センサー５がパック電池に内蔵されて、電池１の温度がモニターできるように、熱結合して配置されることになる。

また、充電制御部４は、充電中を表示するＬＥＤ６をオンとして、充電中を明示する制御を行っている。

充電制御部４は、リチウムイオン２次電池等においては、既に周知の方法にて、電池１の満充電を検出している。即ち、所定周期で電流を検出して、検出された電流が所定値以下であることが、所定回数連続して検出されたとき、２次電池１が満充電であるとして、充電を停止する。このような電流を検出する所定の周期は、３０ｍＳから１０Ｓ程度に設定できる。このとき、所定回数連続して検出されたとき、満充電とするのは、１回から数回程度では、測定される電流値が誤差で所定値以下に検出されたりするためである。

そして、このような満充電検出方法だけを利用するときは、電流を検出する所定周期の間で、上述の発明が解決しようとする課題で説明したように、出力停止または間欠発振が発生することになる。即ち、上述のように、例えば、ある充電器で満充電まで充電した電池（電圧4.20V）を、これと違う別の充電器に装着した場合などで、電池電圧４．２０Vで、別の充電器の定電圧の電圧値が４．２０Vのときには、充電器の検出電圧のバラツキ、誤差等により、電池電圧を４．２１Ｖと検出し、４．２０Ｖの定電圧で充電するので、このような症状が発生する。

本実施例においては、このような症状を防止するために、所定周期で電流を検出する工程に先駆け、充電制御部４は、充電開始時に、パルス充電を行い、充電電流を測定し、充電電流が所定値以下のとき、２次電池１が満充電であるとして、充電を停止する。

次に、図２のフローチャートを用いて、本実施例の手順を説明する。まず、ステップＳ０において、充電開始条件を満足した状態として、本実施例のフローは開始される。この充電開始条件を満足した状態とは、電池１が装着されたことを検出し、電池温度が規定範囲内（例えば、０℃以上４０℃以下）であること確認された状態である。

ステップＳ１においては、充電制御部４が、スイッチング素子３を、オンし、その後オフして、パルス充電を行い、充電電流を測定する。このとき、パルス充電の時間は、５ｍＳ以上５００ｍＳ以下程度が望ましく、本実施例では、１０ｍＳを採用した。このようなパルス充電の時間は、充電電源部２において、上述のような間欠発振、出力停止の症状が発生する充電時間（例えば、３０ｍＳ〜５００ｍＳ以上）より、短く設定することが望ましい。

次に、ステップＳ２においては、測定された充電電流が、所定電流値（例えば、０．１A）以下かどうかが判定される。Yesのときは、満充電と判定し、充電を終了、停止する。ステップＳ２で、Noの場合は、電池１が満充電でないので、ステップＳ４にて、通常の充電を開始する。そして、ステップＳ５において、充電制御部４内に設けられた回数カウンターを、１増加させる。次に、ステップＳ７において、回数カウウンターの回数が、所定回数（約４回以上約２０回以内、例えば、１０回）以上かどうかが判定される。この回数が所定回数以上であれば、満充電と判定して、充電を停止、即ち、充電制御部５は、スイッチング素子３をオフとして、ＬＥＤ６の表示を、充電終了の表示に切り替える。

また、ステップＳ５において、測定された充電電流が、所定電流値を超えた場合は、Noとしてステップ１０に進み、回数カウンターの回数をクリアーする。そして、ステップＳ１１に進んで、充電を継続し、その後、ステップＳ５に進むことになる。また、ステップＳ７において、回数カウンターが所定回数未満のときは、Noとして、ステップＳ１１に進んで、充電を継続し、その後、ステップＳ５に進むことになる。これにより、ステップＳ５〜Ｓ１１が、周期的（３０ｍＳから１０Ｓ）に繰り返されることになる。

本発明の一実施例にかかる充電器の充電回路の一例を示す回路図である。本発明の一実施例にかかるフローチャートである。

符号の説明

１電池
２充電電源部
３スイッチング素子
４充電制御部
５温度センサー

Claims

２次電池を電圧と電流のフィードバック回路を用いて定電流・定電圧充電により充電を行う充電用電源を利用し、前記充電用電源と前記２次電池との間に前記フィードバック回路の電圧測定点を備え、前記２次電池の端子電圧が前記フィードバック回路の電圧測定点に印加される充電回路を利用する２次電池の充電方法であって、
充電開始時に、前記充電用電源からの電力供給をオンオフしてパルス充電を行い、充電電流が所定値以下のとき、前記２次電池が満充電であるとして、充電を停止し、満充電でないとき、前記充電用電源の電力を供給して充電し、
前記パルス充電の時間が、５ｍ秒以上５００ｍ秒以下であることを特徴とする二次電池の充電方法。