JP2011211846A - 二次電池の充電装置および充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の寿命劣化を引き起こすことなく、充電完了までの時間を短縮する。
【解決手段】二次電池１１を充電するための充電電流を供給する充電電流供給回路１と、充電電流の値を検出する充電電流検出手段２と、二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段３と、二次電池の電圧値に基づいて、充電電流供給回路を制御して充電電流の値を調整する充電制御部４とを有し、充電制御部４は、第１の充電電流値によって本充電を開始し、電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、充電電流の値を第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、その後、電池電圧が基準電圧よりも低下した場合には、電池電圧が前記基準電圧を回復するまで第１の充電電流値よりも小さく第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、電池電圧が基準電圧に到達すると充電電流の値を第２の充電電流値に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池の充電装置および充電方法に関し、特に、二次電池の寿命劣化を引き起こすことなく充電時間を短縮することができる二次電池の充電装置および充電方法に関する。

近年、電子機器の小型化軽量化の進展に伴い、携帯機器の普及がすすんでいる。モバイル機器とも呼ばれるこれら携帯機器の普及に合わせて、携帯機器の電源となる充電可能な二次電池の需要が著しく伸びている。二次電池の中でも、特に小型、軽量、かつ、高容量のリチウムイオン二次電池は、携帯電話やノートパソコン、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゲーム機やポータブルオーディオ機器の電源としてその活用の場を広げている。

リチウムイオン電池に代表される二次電池の充電装置として、簡単な回路で誤差の少ない充電容量計算結果が得られる装置が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の充電装置では、予備充電後の急速充電工程における定電流充電を、充電電圧が満充電電圧に達したら充電電流値を所定量減少させてより少ない電流値での充電を行うという充電動作を繰り返し、充電電流があらかじめ定めてあった充電完了電流値となった時に充電を終了するという充電方法を採用している。

図６に、特許文献１に記載の充電装置での充電電流値と充電電圧値との関係を示す。

図６に示すように、従来の充電装置における充電方法では、予備充電後の急速充電時において、所定の第１の電流値（Ｉａ）での定電流充電を行って満充電電圧（Ｖｆ）となった後に、充電電流値を第１の電流値（Ｉａ）よりも所定量（ΔＩ）低下させた第２の電流値（Ｉｂ）で、再び満充電電圧（Ｖｆ）となるまで定電流充電を行う。そして、第２の電流値（Ｉｂ）での定電流充電で満充電電圧（Ｖｆ）に達したとき、第２の電流値（Ｉｂ）よりさらに所定量（ΔＩ）低下させた第３の電流値（Ｉｃ）での定電流充電行う。このような定電流充電値の制御を繰り返し、所定量であるΔＩずつ低下させていった充電電流値が充電完了電流値（Ｉｅ）となった時をもって充電完了とする。

このように二次電池を充電する際の制御対象を充電電流値のみとすることで、充電回路から定電圧制御回路を無くして定電流制御回路のみとすることができ、充電装置をコンパクトにするとともに、充電電流の時間積分のみで充電容量を計算できるため、充電容量計算結果を精度よく求めることができるというものである。

特開２００１−１８６６８４号公報

上記従来の充電装置における充電方法は、一旦満充電電圧となった後に、充電を行うための定充電電流値を少しずつ（ΔＩ）低下させて繰り返し定電流充電を行う方法であるため、二次電池の電圧値が満充電電圧値に近い状態で、定充電電流値とほぼ同じ程度の比較的大きな電流値での充電を行うことになる。このように、二次電池の電圧が満充電電圧に近い状態で大電流での充電を行うと、二次電池の寿命が大幅に劣化しやすいことが知られている。

一方、従来の二次電池の充電方法において、急速充電開始時から定電流充電を行う所定の第１の電流値（Ｉａ）を低い値に設定したり、一旦満充電電圧値に到達した後に充電電流値を低下させる所定量（ΔＩ）を大きく設定したりすることは、二次電池の寿命劣化を防止することに繋がるものの、充電完了までの時間が長くなってしまい好ましくない。

本発明は、上記従来の二次電池の充電装置および充電方法における課題を解決し、二次電池の寿命劣化を引き起こすことなく、かつ、充電完了までの時間を短縮することができる二次電池の充電装置および充電方法を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の二次電池の充電装置は、二次電池に直列に接続され、前記二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給回路と、前記充電電流の値を検出する充電電流検出手段と、前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、前記電池電圧検出手段で検出された二次電池の電圧値に基づいて、前記充電電流供給回路を制御して前記充電電流の値を調整する充電制御部とを有し、前記充電制御部は、第１の充電電流値によって本充電を開始し、前記電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、前記充電電流の値を前記第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、その後、前記電池電圧が前記基準電圧よりも低下した場合には、前記電池電圧が前記基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、前記電池電圧が前記基準電圧に到達すると前記充電電流の値を前記第２の充電電流値に切り替えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため本発明の二次電池の充電方法は、二次電池の電池電圧を監視しながら充電電流の値を調整する二次電池の充電方法であって、必要に応じて行われる予備充電の後に第１の充電電流値によって充電を開始し、前記電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると前記第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、前記第２の充電電流値での充電時に前記電池電圧が前記基準電圧よりも低下した場合には、前記電池電圧が前記基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、前記電池電圧が前記基準電圧に到達すると前記充電電流の値を前記第２の充電電流値に切り替えることを特徴とする。

本発明の二次電池の充電装置は、電池電圧検出手段で検出された二次電池の電圧値に基づいて充電電流供給回路を制御して充電電流の値を調整する充電制御部が、電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、充電電流の値をより小さな値の第２の充電電流値に切り替えるため、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近い状態で充電電流の値が大きいままであることを回避できる。また、電池電圧が基準電圧よりも低下した場合には、電池電圧が基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電するため、充電電流値が小さくなりすぎて充電完了までの時間が掛かりすぎることをも回避できる。

また、本発明の二次電池の充電方法は、電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、充電電流の値をより小さな値の第２の充電電流値に切り替え、その後、電池電圧が基準電圧よりも低下した場合には、電池電圧が基準電圧を回復するまで充電電流の値を前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値とする。このため、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近い状態で充電電流の値が大きいままであることを回避でき、充電電流値が小さくなりすぎて充電完了までの時間が掛かりすぎることをも回避できる。

このため、本発明の二次電池の充電装置および充電方法によれば、二次電池の寿命劣化を引き起こすことなく、かつ、充電完了までの時間を短縮することができる。

本発明の実施形態にかかる二次電池の充電装置の構成例を示す回路ブロック図である。 本発明の実施形態にかかる二次電池の充電装置における、充電制御部による充電電流の制御内容の第１の例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態にかかる二次電池の充電装置における、充電制御部による充電電流の制御内容の第１の例を示す二次電池の電池電圧と充電電流の値の変化を示す図である。 本発明の実施形態にかかる二次電池の充電装置における、充電制御部による充電電流の制御内容の第２の例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態にかかる二次電池の充電装置における、充電制御部による充電電流の制御内容の第２の例を示す二次電池の電池電圧と充電電流の値の変化を示す図である。 従来の二次電池の充電方法における二次電池の電池電圧と充電電流の値の変化を示す図である。

本発明の二次電池の充電装置は、二次電池に直列に接続され、前記二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給回路と、前記充電電流の値を検出する充電電流検出手段と、前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、前記電池電圧検出手段で検出された二次電池の電圧値に基づいて、前記充電電流供給回路を制御して前記充電電流の値を調整する充電制御部とを有し、前記充電制御部は、第１の充電電流値によって本充電を開始し、前記電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、前記充電電流の値を前記第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、その後、前記電池電圧が前記基準電圧よりも低下した場合には、前記電池電圧が前記基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、前記電池電圧が前記基準電圧に到達すると前記充電電流の値を前記第２の充電電流値に切り替える。

上記本発明の二次電池の充電装置は、充電制御部が第１の充電電流値での充電を行い、電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、充電電流値をより低電流の第２の充電電流値に切り替えるため、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近い状態で高い充電電流値で充電し続けることを回避して電池寿命の劣化を防止することができる。また、電池電圧が基準電圧よりも低下した場合には、電池電圧が基準電圧を回復するまで充電電流の値を第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電するため、充電電流値が小さいままで充電することにより充電完了までの時間が掛かりすぎてしまうことを回避できる。

前記二次電池の充電装置において、前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、あらかじめ定められた１又は２以上の所定の充電電流値とすることができる。このようにすることで、二次電池の寿命劣化に繋がる大電流ではなく、かつ、比較的短時間で電池電圧を基準電圧値に回復させることができる電流量で、効果的に二次電池の充電を行うことができる。

また、前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、前記電池電圧が前記基準電圧値に到達するまでの間、前記第２の充電電流値から最大で前記第１の充電電流値と同じ電流値まで漸増された電流値とすることができる。このようにすることで、二次電池の充電状態に対応した適切な充電電流で、電池電圧を基準電圧値に回復させることができる。

さらに、前記二次電池の充電装置において、前記二次電池の満充電電圧よりも低い電圧が第１の閾値電圧として設定され、前記充電制御部は、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として充電を行うことが好ましい。このようにすることで、第１の充電電流値による充電時に、二次電池の電池電圧が満充電電圧値を超えてしまうことを効果的に回避することができる。

さらにまた、前記第１の閾値電圧よりも低い電圧が第２の閾値電圧として設定され、前記充電制御部は、前記第２の閾値電圧を前記基準電圧として第１ステップの充電を行い、前記第１ステップの充電における前記第２の充電電流値による充電で、前記電池電圧が前記第２の閾値電圧を超えると、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として前記第１ステップの前記第２の充電電流値を新たに前記第１の充電電流値とする第２ステップの充電を行うことが好ましい。このようにすることで、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近い状態で、充電電流の値を効果的に低減でき、電池寿命の劣化防止と充電時間の短縮とをより効果的に実現することができる。

本発明の二次電池の充電方法は、二次電池の電池電圧を監視しながら充電電流の値を調整する二次電池の充電方法であって、必要に応じて行われる予備充電の後に第１の充電電流値によって充電を開始し、前記電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると前記第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、前記第２の充電電流値での充電時に前記電池電圧が前記基準電圧よりも低下した場合には、前記電池電圧が前記基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、前記電池電圧が前記基準電圧に到達すると前記充電電流の値を前記第２の充電電流値に切り替える。

このように、電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると充電電流の値をより小さな値の第２の充電電流値に切り替え、その後、電池電圧が基準電圧よりも低下した場合には、電池電圧が基準電圧を回復するまで充電電流の値を第１の充電電流値を上回らない範囲で増加させることで、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近い状態で充電電流の値が大きいままであることを回避でき、充電電流値が小さくなりすぎて充電完了までの時間が掛かりすぎることをも回避できる。このため、二次電池の寿命劣化を引き起こすことなく、かつ、充電完了までの時間を短縮することができる。

この本発明の二次電池の充電方法において、前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、あらかじめ定められた１又は２以上の所定の充電電流値とすることができ、また、前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、前記電池電圧が前記基準電圧値に到達するまでの間、前記第２の充電電流値から最大で前記第１の充電電流値と同じ電流値まで漸増された電流値とすることができる。

このようにすることで、電池寿命を劣化させる大電流での充電を回避しつつ、より効果的に短時間で電池電圧を基準電圧に回復できる充電電流量での充電を行うことができる。

さらに、前記二次電池の充電方法において、前記二次電池の満充電電圧よりも低い電圧が第１の閾値電圧として設定され、前記充電制御部は、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として充電を行うことが好ましい。このようにすることで、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近づいている場合に充電電流値を効果的に低減し、二次電池の電池電圧を満充電電圧以上となってしまうことをさらに効果的に回避することができる。

さらにまた、前記二次電池の満充電電圧よりも低い第１の閾値電圧と、前記第１の閾値電圧よりもさらに低い第２の閾値電圧とを設定し、前記第２の閾値電圧を前記基準電圧として第１ステップの充電を行い、前記第１ステップの充電における前記第２の充電電流値による充電で、前記電池電圧が前記第２の閾値電圧を超えると、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として前記第１ステップの前記第２の充電電流を新たに前記第１の充電電流値とする第２ステップの充電を行う。このようにすることで、二次電池の電池電圧が満充電電圧に近い状態で、充電電流の値をより適切な値に低減でき、電池寿命の劣化防止と充電時間の短縮とを実現することができる。

（発明の実施の形態）
以下、本発明の二次電池の充電装置と充電方法について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態にかかる二次電池の充電装置である、ノートパソコンに組み込まれた充電装置の概略構成を示す回路ブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の充電装置１００は、充電電流供給回路である充電器１と、充電器１と充電装置外部の二次電池１１との間に配置されて、充電器１からの充電電流の値を検出する充電電流検出手段である電流検出素子２、二次電池１１の電池電圧を検出する電池電圧検出手段である電圧検出素子３、さらに、電流検出素子２および電圧検出素子３からの充電電流値情報や電池電圧値情報に基づいて充電器１を制御して、電池電圧として示される二次電池の充電状態に応じて充電電流の値を最適に調整する充電制御部４を有している。

充電器１は、商用ＡＣ電源からＤＣ電圧を生成するＡＣアダプタ１２から供給された例えば１２ＶのＤＣ電圧から、所定の充電電流を生成する。

電流検出素子２は、図１に示すように、直列接続された充電器１と二次電池１１との間に配置された微小抵抗の両端電圧を検出することで、充電電流値に比例した電圧値を得、得られた電圧値から求められた充電電流値の情報を充電制御部４に出力している。

電圧検出素子３は、二次電池１１の＋(正極)側端子に接続されて、二次電池１１の電圧値を常に検出し、電池電圧値情報を充電制御部４に出力している。

充電制御部４は、マイコンや、ロジック回路の組み合わせで構成されており、電圧検出素子３から二次電池１１の電池電圧値情報が、また、電流検出素子２から充電電流値情報が入力される。そして、あらかじめ定められた制御ロジックに基づいて、二次電池１１の充電の開始と終了、二次電池１１の電池電圧の状態に応じた適切な充電電流値での充電を制御している。なお、充電制御部４での具体的な充電電流の制御内容については、後に詳述する。

本実施形態の充電装置１００は、ノートパソコンに内蔵された充電回路であるため、図１に負荷として示されるノートパソコンを駆動するための電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ１３に、二次電池１１からの電圧を供給するか、それともＡＣアダプタ１２から供給される電圧を供給するかを切り替えると共に、二次電池１１を充電する際に充電器１に電圧を供給するように接続を切り替えるスイッチング素子５を有している。

なお、二次電池１１は、例えば４つの充電セルを備えた５７００Ａｈ／７．４Ｖ、のリチウムイオンバッテリーであるが、本実施形態の充電装置および充電方法において、二次電池１１の種類やその出力電圧値、容量などに特別な制約はなく、各種の二次電池１１に充電制御部４の充電制御ロジックを適合させることができる。また、本実施形態の充電装置および充電方法は、バッテリ−内に制御ＩＣを備えた、いわゆるスマートセルタイプの二次電池にも適用することができる。

また、本実施形態の充電装置１００は、ノートパソコンに内蔵されたものを例示しているが、充電装置１００周囲のノートパソコン本体部分の回路構成などの図示と説明は省略する。

次に、本実施形態の充電装置１００における充電制御部４の動作、および、充電制御部４において制御される、二次電池１１の充電方法の具体例について、図面を用いて説明する。

（第１の例）
図２は、本実施形態の充電装置１００における充電制御部４の制御ロジックの第１の具体例を示すフローチャートであり、図３は、図２に示したフローチャートに基づく充電が行われたときの、二次電池１１の電池電圧の値と、二次電池１１を充電する充電電流の値の変化を示す図である。ただし、図３では、図２に示した予備充電のステップであるステップＳ１およびステップＳ２が終了し、ステップＳ３の本充電に移行した後の二次電池１１の電池電圧の値と、二次電池１１を充電する充電電流の値を示している。

本実施形態の充電装置１００における充電制御部４の充電制御ロジックの第１の例では、まず、充電開始と共に最初のステップＳ１で、二次電池１１の電池電圧（ＶＢ）を検出し、電池電圧ＶＢが予備充電を必要とする電圧（ＶＳ）よりも低いか否かを判断する。

そして、ステップＳ１で二次電池１１の電池電圧（ＶＢ）が所定の電圧（ＶＳ）より低いと判断された（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ２で、充電電流Ｉ＝ＩＰとして予備充電を行う。

この予備充電は、二次電池１１の放電が進んで電池電圧（ＶＢ）が低下している状態でいきなり大電流での充電を行うと電池寿命を大幅に劣化させてしまうため、例えば２８５ｍＡという低電流の予備充電電流ＩＰでの予備充電を行って、電池電圧を所定の電圧値ＶＳ（一例として６．０Ｖ）以上とするものである。

なお、図２では図示を省略しているが、この予備充電のプロセスで所定時間以上充電しても、二次電池１１の電池電圧（ＶＢ）が本充電に移行できる電圧値（ＶＳ）にならない場合には、二次電池１１が大きく損傷していることなどが考えられるため、ユーザーに二次電池１１の不良を伝える警告表示を行って充電を停止することが好ましい。予備充電が所定時間以上継続していることを判別するためには、予備充電時間を計算するタイマーを設ける方法や、図２に示したフローチャートでの電池電圧を判断するステップＳ１の繰り返し回数をカウントする方法など、周知の電池異常検出方法が利用できる。

ステップＳ１で、二次電池１１の電池電圧の値（ＶＢ）が、予備充電が必要であると判断される電圧（ＶＳ）よりも小さくはない（Ｎｏ）場合、本充電に移行できる電圧値以上であるとして本充電（ステップＳ３以下）に移行する。なお、図示は省略するが、充電開始時の二次電池１１の電池電圧（ＶＢ）が、満充電電圧（ＶＦ）である場合には、本充電に移行せずに充電完了をユーザーに伝えて充電プロセスを終了させることもできる。

本充電では、所定の充電電流量である第１の充電電流値Ｉ１で充電を開始する（ステップＳ３）。

所定の充電流値の値は、充電される二次電池１１の規格電圧値や容量、さらには、充電所要時間の観点からの制約等を考慮して適宜設定される値である。例えば、上記した本実施形態のノートパソコンに用いられる５７００Ａｈ／７．４Ｖのリチウムイオンバッテリーの二次電池１１の場合には、Ｉ１＝６Ａとしている。

次に、電池電圧（ＶＢ）が、あらかじめ定められた基準電圧値（Ｖ１）以上であるか否かを確認する（ステップＳ４）。本実施形態におけるノートパソコン用リチウムイオン電池の場合は、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）よりも一時的であっても高くなることを防止するため、基準電圧の値（Ｖ１）を１セル当たりの満充電電圧（ＶＦ）である４．３５Ｖよりも低い４．１９Ｖとしている。しかし、本実施形態における二次電池の充電装置における充電制御部の設定において、二次電池１１の電池寿命を著しく損なわない範囲であることが確認できる場合には、基準電圧値（Ｖ１）を満充電電圧値（ＶＦ）と同じ値とすることもできる。

ステップＳ４で、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）よりも小さい場合（Ｎｏ）には、所定の充電電流量である第１の充電電流値Ｉ１で充電を継続する。

一方、ステップＳ４で、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）と同じかそれよりも大きい場合（Ｙｅｓ）には、充電電流の値Ｉを第１の充電電流値Ｉ１よりも電流値の小さな第２の充電電流値Ｉ２にして充電を継続する（ステップＳ５）。本実施形態では、第２の充電電流値Ｉ２を１．８Ａとしている。

このように、二次電池１１の満充電電圧値（ＶＦ＝４．３５Ｖ）に近い電圧値４．１９Ｖを超えた状態で充電電流値を、Ｉ１＝６ＡからＩ２＝１．８Ａに下げることで、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧値（ＶＦ）に近い状態で大電流での充電を継続することにより電池寿命が劣化することを防止することができる。

次のステップＳ６では、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）より下がっていないかを確認する。

そして、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）よりも低くなってしまっている場合（Ｙｅｓ）には、充電電流値を第１の充電電流値Ｉ１より小さく第２の充電電流値Ｉ２よりは大きな電流値Ｉ３にする（ステップＳ７）。本実施形態では、Ｉ３＝３．５Ａとしている。

その後、再び電池電圧（ＶＢ）が基準電圧（Ｖ１）を回復したか否かを確認する（ステップＳ８）。

電池電圧（ＶＢ）が基準電圧（Ｖ１）と同じか大きい値となった場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ５に戻って充電電流をＩ２に下げる。一方、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧（Ｖ１）よりも低い場合（Ｎｏ）には、そのままＩ３で充電を継続する。

特に、充電プロセスの早い段階、すなわち、本充電が開始されて初めて電池電圧が基準電圧（Ｖ１）を超えた場合などでは、上記ステップＳ５で充電電流値ＩをＩ１からそれよりも小さな値であるＩ２に変更したことで、電池電圧（ＶＢ）が低下する現象が生じやすい。このように、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）よりも下がった状態で、値の小さな第２の充電電流値Ｉ２での充電を続けることは、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）より低いため電池寿命が劣化するおそれが少ないにもかかわらず、充電時間をいたずらに引き延ばすことに繋がる。

このため、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）よりも下がった状態では、充電電流をＩ２よりは大きな値のＩ３とすることで、再び電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）を回復するまでに必要な充電時間が掛かり過ぎないようにすることができる。また、この充電電流値Ｉ３はＩ１よりは小さな値であるため、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）に近い基準電圧値（Ｖ１）近傍である状態で、大きな電流値による充電を行うことで電池寿命が劣下する問題の発生を、効果的に防止することができる。

このようにステップＳ５からステップＳ８を繰り返し、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧値（Ｖ１）を上回った場合、すなわち図３における時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３のタイミングで、充電電流値をＩ２に下げ、充電電流Ｉ２での充電では電池電圧（ＶＢ）が基準電圧（Ｖ１）を下回る場合には、充電電流値を少し大きくしたＩ３で充電を継続していると、図３における時刻ｔ４からｔ５の間のように、充電電流をＩ２に下げても電池電圧（ＶＢ）が基準電圧（Ｖ１）を下回らないようになる。すなわち、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧（Ｖ１）よりも小さくならない場合（ステップＳ６においてＮｏの場合）には、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）と同じとなるまで（Ｎｏの場合）そのまま充電電流Ｉ２での充電を継続し、図３における時刻ｔ６の状態のように、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）に達した場合（Ｙｅｓ）には、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）であるように保ちながら、充電電流値Ｉを第２の充電電流値Ｉ２から徐々に低下させる（ステップＳ１０）。

充電電流値Ｉが徐々に低減されていく課程で充電電流値Ｉを検出し、これが充電終了の電流値ＩＥとなるか否か判断する（ステップＳ１１）。充電電流Ｉが充電終了電流値ＩＥと同じでない場合（Ｎｏ）は、引き続き充電電流値Ｉを低減させていき、充電電流値Ｉが充電終了電流値ＩＥと同じとなったとき（Ｙｅｓ）は、次のステップＳ１２に進んで充電電流の供給を停止して充電を終了させる。

なお、図２に図示はしていないが、充電終了時にはランプやディスプレイに表示することによって、ユーザーに充電終了を知らせることが好ましい。

以上、本実施形態として、ノートパソコンの充電装置における充電制御部での制御アルゴリズム、すなわち、本実施形態の充電方法の具体例の第１の例を説明してきた。

この第１の例では、電池電圧がその電圧値を超えたときに、充電電流の値を本充電における基準の充電電流である第１の充電電流値Ｉ１から小さな電流値である第２の充電電流値Ｉ２に低下させる基準電圧を、二次電池の満充電電圧よりも低い第１の閾値電圧として充電のプロセスを行った。このようにすることで、二次電池の充電電圧が瞬間的にオーバーシュート状態となって満充電電圧値を超えてしまうことを、効果的に防止することができる。しかし、このように、基準電圧を満充電電圧とは異なる第１の閾値電圧と設定することは、本実施形態の充電方法において必須のものではなく、充電電圧の監視タイミングや基本的な充電電流値Ｉ１の設定によって、充電電池のオーバーシュートによる二次電池の寿命劣化の問題が生じにくい場合には、基準電圧を満充電電圧値そのものとすることができる。

また、第１の例では、第１の充電電流値Ｉ１よりも小さく、第２の充電電流値Ｉ２よりも大きな電流値を、所定の１つの電流値Ｉ３に固定して充電処理を行った場合を説明したが、これは、本実施形態の充電方法において必須の事項ではない。

例えば、第１の充電電流値Ｉ１よりも小さく、第２の充電電流値Ｉ２よりも大きな電流値として、複数個の電流値をあらかじめ規定しておき、ステップＳ６で充電電圧値が基準電圧より低下したことを検知し充電電流値を第２の充電電流値Ｉ２よりも大きくするたびに、所定の異なる電流値で充電することができる。この場合には、第１の充電電流値Ｉ１よりも小さく、第２の充電電流値Ｉ２よりも大きな電流値として、どのような電流値を用いることもできるが、ステップＳ６を経過する回数が増えるごとに、所定の電流値の中で値の大きなものから徐々に低下する電流値を設定しておくことが、二次電池に充電された充電容量の関係からより好ましい。

また、第１の充電電流値Ｉ１よりも小さく、第２の充電電流値Ｉ２よりも大きな電流値として、あらかじめ電流値を設定しおくのではなく、第２の充電電流値から最大で第１の充電電流値となるまで徐々に充電電流値の値を上昇させて、充電電圧が基準電圧を超えた場合に、充電電流を第２の充電電流値に戻すような充電電流の設定を行うことができる。

この場合には、電池電圧として検出される二次電池の充電状態により適切に応じた電流値での充電ができるため、電池寿命を劣化させることなく、かつ、最も効果的に充電時間を低減できる充電プロセスを提供することができる。

（第２の例）
次に、本実施形態の充電装置１００における充電制御方法の第２の具体例について説明する。

この、第２の充電プロセス例では、第１の充電電流値Ｉ１よりも小さく、第２の充電電流値Ｉ２よりも大きな電流値として、所定の電流値をあらかじめ定めるのではなく、充電電圧を監視しながら充電電流値を徐々に上昇させて充電する例を例示している。また、基準電圧値を２つ設定して、第１ステップの充電を行った後に基準電圧値と充電電流値の設定を変更した第２のステップの充電を行う場合について示している。

図４は、本実施形態の充電装置１００における充電制御部４の制御ロジックの第２の例を示すフローチャートであり、図５は、図４に示したフローチャートに基づく充電が行われたときの、二次電池１１の電池電圧の値と、二次電池１１を充電する充電電流の値の変化を示す図である。なお、図４、および、図５では、本充電開始以降の制御ロジックの流れのみを示していて、図２で示した予備充電について図示していないが、図２で示した制御ロジックの第１の例と同様に、第２の例でも充電開始と共に最初に二次電池の電池電圧が本充電に移行できるレベルであるか否かを確認し、充電電圧が低い場合には低電流値での予備充電を行うことが好ましい。

図４に示した充電制御部の第２の制御ロジック例では、本充電が開始されるステップＳ２１で、二次電池１１に第１の充電電流Ｉ１で充電が開始される。本実施形態のノートパソコンのリチウムイオンバッテリーの充電装置では、第１の充電電流値Ｉ１＝６Ａとしている。

この第２の例として示した充電プロセスでは、二次電池の満充電電圧（ＶＦ）よりも低い所定の第１の閾値電圧（Ｖ２）と、この第１の閾値電圧（Ｖ２）よりもさらに低い電圧の第２の閾値電圧（Ｖ１）が設定されていて、まず、第２の閾値電圧（Ｖ１）を基準電圧として充電電流を制御する第１のステップの充電が行われる。

まず、ステップＳ２１で、第１ステップの充電における充電電流Ｉ１で充電を行い、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧として設定された第２の閾値電圧（Ｖ１）と同じ電圧かこれを上回っているかを判断する（ステップＳ２２）。

なお、本実施形態のノートパソコンのリチウムイオンバッテリーの充電装置１００では、第２の閾値電圧Ｖ１＝４．１９Ｖとしている。

電池電圧（ＶＢ）が第１ステップの充電における基準電圧である第２の閾値電圧（Ｖ１）よりも低い場合（Ｎｏ）には、引き続き第１の充電電流Ｉ１での充電を継続する。

電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）を上回った場合（Ｙｅｓ）には、次のステップＳ２３に進んで、充電電流Ｉを第１の充電電流Ｉ１よりも小さい値の、第２の充電電流値Ｉ２として充電を継続する（ステップＳ２３）。

なお、本実施形態では、第１ステップの充電における第２の充電電流値Ｉ２＝３Ａとしている。

充電電流値を第２の充電電流値Ｉ２とした後、電池電圧（ＶＢ）を測定し、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧としていた第２の閾値電圧（Ｖ１）よりも低下するか否かを確認する（ステップＳ２４）。

電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）よりも低下した場合には、充電電流を第１の充電電流値Ｉ１よりも小さい電流値で、かつ、第２の電流値Ｉ２よりも大きな電流値に切り替える。ここでは、第２の充電電流値Ｉ２に所定の電流増加分ΔＩを加えた電流値とする（ステップＳ２５）。

充電電流をＩ２＋ΔＩに増加させたのち、電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）を回復したかどうかを確認する（ステップＳ２６）。

電池電圧（ＶＢ）が、第２の閾値電圧（Ｖ１）を回復できていない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ２５に戻って、さらに充電電流をΔＩ増加させる。これを充電電流が、最大Ｉ１となるまで繰り返す。

電池電圧（ＶＢ）が、第２の閾値電圧（Ｖ１）を回復した場合（Ｓ２６でＹｅｓ）、ステップＳ２３に戻って、充電電流を第２の充電電流値Ｉ２に低下させる。以下、この動作を、充電電流値がＩ２の状態でも、電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）を下回らなくなるまで繰り返す。

このときの二次電池１１の電池電圧（ＶＢ）と、充電電流値Ｉとの関係が、図５に示されている。

本充電開始後、第１の充電電流値Ｉ１で充電が行われ、時刻ｔ１１で電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）に到達する。そして、充電電流値が、第１の充電電流値Ｉ１よりも小さな値の第２の充電電流値Ｉ２に切り替えられる。すると、電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）よりも低下する。ここで、充電電流値ＩをＩ２からΔＩだけ徐々に増加させていく。すると電池電圧（ＶＢ）の低下が止まり、電池電圧（ＶＢ）が上昇を始める。

図５に示すように、電池電圧（ＶＢ）が初めて第２の閾値電圧（Ｖ１）を上回った後に充電電流を第２の充電電流に切り替えた場合には、電池電圧（ＶＢ）の低下が大きいため、充電電流を上昇最大限の第１の充電電流値Ｉ１にまで増加させた後少し時間が経過して、電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）まで回復する。その後、再び充電電流を第２の充電電流値に戻す。

図４におけるステップＳ２３からステップＳ２６を繰り返すことで、図５に示すように充電電流値を第２の充電電流値に下げたときの電池電圧（ＶＢ）の低減度合いが小さくなって、充電電流をＩ１にまで戻さなくても電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）を下回らなくなっていく。そして、充電電流を第２の充電電流とした状態でも電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）よりも徐々に上昇するようになる。

その後、図５における時間ｔ＝１２として示すように、電池電圧（ＶＢ）が第１の閾値電圧（Ｖ２）を超えるようになる。

図４に示すフローチャートで、ステップＳ２７として示すように、第１ステップの充電において電池電圧（ＶＢ）が第２の閾値電圧（Ｖ１）を上回った場合には、第１の閾値電圧（Ｖ２）を基準電圧とする第２ステップの充電に移行する。

第２ステップの充電では、第１ステップの充電で第２の充電電流値であった、Ｉ２＝３Ａを第２ステップの充電での第１の充電電流値と置き換え、新たに、第１ステップの充電における第２の電流値Ｉ２よりも小さい値の第４の充電電流値を第２ステップの充電の第２の充電電流値として充電を行う。なお、本実施形態の場合は、第２ステップの充電における第２の充電電流値Ｉ４の値は、Ｉ４＝１．８Ａとしている。

以下、ステップＳ２８からステップＳ３１までを繰り返して、電池電圧（ＶＢ）が第１の閾値電圧（Ｖ２）に到達すると、充電電流値を第４の充電電流値Ｉ４に低下させ、電池電圧（ＶＢ）が第２ステップの充電での基準電圧値である第１の閾値電圧値（Ｖ２）を下回る場合には、充電電流値を最大で第２ステップの充電における第１の充電電流値Ｉ２までΔＩ’だけ上昇させ、電池電圧（ＶＢ）が第１の基準電圧値（Ｖ２）を回復すると充電電流値を第２ステップの充電における第２の充電電流値Ｉ４に低減させるというプロセスを繰り返す。

この第２ステップの充電における電池電圧値（ＶＢ）と充電電流値Ｉとの関係は、図５の時間ｔ１３からｔ１４に示すように、時間ｔ１１からｔ１２に示した第１ステップの充電での電圧、電流の推移と同じような経緯をたどる。そして、時間ｔ１４として示すように、第２の充電プロセスにおける第２の充電電流値Ｉ４での充電によっても、電池電圧（ＶＢ）が第１の閾値電圧（Ｖ２）を下回らないようになる。

ステップＳ２９に示すように、電池電圧（ＶＢ）が第１の閾値電圧（Ｖ２）を下回らないようになると(Ｎｏの場合)、充電を終了させる処理に移行する。

ステップＳ３２では、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）と同じとなるまで（Ｎｏの場合）そのまま充電電流Ｉ４での充電を継続し、図５における時刻ｔ１５と示される、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）に達した場合（Ｙｅｓ）には、電池電圧ＶＢが満充電電圧ＶＦであるように保ちながら、充電電流値ＩをＩ４から徐々に低下させる（ステップＳ３３）。

その後、ステップＳ３４で、充電電流値が充電終了を示す値ＩＥとなった場合、すなわち図５における時刻ｔ１６の場合には、充電電流を停止し充電を終了（ステップＳ３５）する。このとき、ランプの点灯などの指標を用いて、充電終了をユーザーに伝えることができる。

このように、第２の例においては、第１の閾値電圧（Ｖ２）を基準電圧とする第１ステップの充電と、第２の閾値電圧（Ｖ１）を基準電圧とする第２ステップの充電とによって充電プロセスを形成している。この結果、充電プロセスの第２の例では、二次電池１１の電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧（ＶＦ）から離れている状態では充電電流値が比較的大きい状態での充電を行い、電池電圧（ＶＢ）が満充電電圧値（ＶＦ）に近づいた状態では、より少ない充電電流での充電を行うことができる。このため、満充電電圧（ＶＦ）に近い状態で大電流の充電を行うことで生じる電池寿命の劣化を回避できるとともに、電池寿命を劣化させない状態ではより大電流での充電ができるので、充電時間がいたずらに長くなってしまうことを効果的に防止することができる。

なお、第２の例では、第２の閾値電圧（Ｖ１）を基準電圧とする第１ステップの充電と、第１の閾値電圧（Ｖ２）を基準電圧とする第２ステップの充電との２つの充電ステップで充電を行う充電プロセスを説明したが、本実施形態の充電方法のプロセスはこれに限られるものではなく、３回もしくはそれ以上の充電ステップによって、よりきめの細かい充電電圧と充電電流の制御を行うこともできる。

また、第２の例では、電池電圧（ＶＢ）が基準電圧に到達した後、充電電流を第２の充電電流値に下げたときに生じる電池電圧（ＶＢ）の降下を回復するときに、第２の電流値から第１の電流値を最大電流値として充電電流を漸増する充電制御プロセスを説明した。
このとき、第１ステップの充電での充電電流漸増分をΔＩ、第２ステップの充電での充電電流漸増分をΔＩ‘として説明したが、このΔＩおよびΔＩ’の値は適宜定めればよく、また、ΔＩとΔＩ’の値は同じであっても異なっていてもよい。

さらに、第１ステップの充電および第２ステップの充電の少なくともいずれか一方を、本実施形態における第１の例としてとして説明したような、第１の充電電流値よりも小さく第２の充電電流値よりも大きな、所定の充電電流値で充電を行うプロセスとすることもできる。

また、電池電圧が満充電電圧（ＶＦ）に到達した後の、充電終了プロセスについては、上記説明した方法に限らず、各種の方法で充電を停止するようにプロセスを進めることができる。

以上、本発明の実施形態として、ノートパソコンのリチウムイオン電池を充電する充電装置、および、充電方法について説明したが、本発明の充電装置および充電方法は、ノートパソコンに限らず携帯機器をはじめとする各種機器の二次電池の充電装置および充電方法として適用することができる。

また、ノートパソコンのように、充電装置が機器本体内に組み込まれている場合に限らず、二次電池を充電するための充電器として独立したものを本発明の充電装置とすること、また、二次電池を充電するための充電器の制御ロジックとして本発明の充電方法を適用することができる。

本発明にかかる二次電池の充電装置、および、充電方法は、モバイル機器をはじめとする各種の機器の電源として使用される二次電池の充電を行う充電装置および充電方法として、幅広い用途に適用することができる。

１ 充電器（充電電流供給回路）
２ 電流検出素子（充電電流検出手段）
３ 電圧検出素子（充電電圧検出手段）
４ 充電制御部
１１ リチウムイオン電池（二次電池）
１００ 充電装置

Claims (10)

1. 二次電池に直列に接続され、前記二次電池を充電するための充電電流を供給する充電電流供給回路と、
   前記充電電流の値を検出する充電電流検出手段と、
   前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、
   前記電池電圧検出手段で検出された二次電池の電圧値に基づいて、前記充電電流供給回路を制御して前記充電電流の値を調整する充電制御部とを有し、
   前記充電制御部は、第１の充電電流値によって本充電を開始し、前記電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると、前記充電電流の値を前記第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、その後、前記電池電圧が前記基準電圧よりも低下した場合には、前記電池電圧が前記基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、前記電池電圧が前記基準電圧に到達すると前記充電電流の値を前記第２の充電電流値に切り替えることを特徴とする二次電池の充電装置。
2. 前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、あらかじめ定められた１又は２以上の所定の充電電流値である請求項１に記載の二次電池の充電装置。
3. 前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、前記電池電圧が前記基準電圧値に到達するまでの間、前記第２の充電電流値から最大で前記第１の充電電流値と同じ電流値まで漸増された電流値である請求項１に記載の二次電池の充電装置。
4. 前記二次電池の満充電電圧よりも低い電圧が第１の閾値電圧として設定され、
   前記充電制御部は、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として充電を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池の充電装置。
5. 前記第１の閾値電圧よりも低い電圧が第２の閾値電圧として設定され、
   前記充電制御部は、前記第２の閾値電圧を前記基準電圧として第１ステップの充電を行い、
   前記第１ステップの充電における前記第２の充電電流値による充電で、前記電池電圧が前記第２の閾値電圧を超えると、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として前記第１ステップの前記第２の充電電流値を新たに前記第１の充電電流値として充電する第２ステップの充電を行う請求項４に記載の二次電池の充電装置。
6. 二次電池の電池電圧を監視しながら充電電流の値を調整する二次電池の充電方法であって、
   必要に応じて行われる予備充電の後に第１の充電電流値によって充電を開始し、
   前記電池電圧が満充電電圧と同じかより低い値の基準電圧に到達すると前記第１の充電電流値よりも小さな値の第２の充電電流値に切り替えて充電を継続し、
   前記第２の充電電流値での充電時に前記電池電圧が前記基準電圧よりも低下した場合には、前記電池電圧が前記基準電圧を回復するまで前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値で充電し、前記電池電圧が前記基準電圧に到達すると前記充電電流の値を前記第２の充電電流値に切り替えることを特徴とする二次電池の充電方法。
7. 前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、あらかじめ定められた１又は２以上の所定の充電電流値である請求項６に記載の二次電池の充電方法。
8. 前記第１の充電電流値よりも小さく前記第２の充電電流値よりも大きい充電電流値が、前記電池電圧が前記基準電圧値に到達するまでの間、前記第２の充電電流値から最大で前記第１の充電電流値と同じ電流値まで漸増された電流値である請求項６に記載の二次電池の充電方法。
9. 前記二次電池の満充電電圧よりも低い電圧が第１の閾値電圧として設定され、
   前記充電制御部は、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として充電を行う請求項６〜８のいずれか１項に記載の二次電池の充電方法。
10. 前記二次電池の満充電電圧よりも低い第１の閾値電圧と、前記第１の閾値電圧よりもさらに低い第２の閾値電圧とを設定し、
    前記第２の閾値電圧を前記基準電圧として第１ステップの充電を行い、
    前記第１ステップの充電における前記第２の充電電流値による充電で、前記電池電圧が前記第２の閾値電圧を超えると、前記第１の閾値電圧を前記基準電圧として前記第１ステップの前記第２の充電電流値を新たに前記第１の充電電流値とする第２ステップの充電を行う請求項９に記載の二次電池の充電方法。

Images