JP5165405B2 - 充電制御回路、電池パック、及び充電システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電を制御する充電制御回路、及びこれを備えた電池パック、充電システムに関する。

従来から、二次電池を充電する際に、まず始めに一定の電流値で充電を行う定電流充電を実行し、二次電池の端子電圧が予め設定された充電終止電圧に達すると、当該充電終止電圧を二次電池に印加して、一定の充電電圧で充電を行う定電圧充電を実行するＣＣＣＶ（定電流定電圧）充電方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ＣＣＣＶ充電方式では、二次電池が満充電になったときの開放電圧（ＯＣＶ）、すなわち満充電電圧が、充電終止電圧として設定されている。二次電池には内部抵抗Ｒがあるから、定電流充電によって二次電池の端子電圧が充電終止電圧になったときは、当該端子電圧には、内部抵抗Ｒに充電電流Ｉが流れることにより生じる電圧降下ＩＲが含まれており、二次電池の開放電圧はまだ充電終止電圧（＝満充電電圧）に達していない。従って、二次電池はまだ満充電になっていない。

そこで、さらに定電圧充電を行うと、徐々に充電電流が減少して電圧降下ＩＲが減少し、電圧降下ＩＲが減少した分だけ二次電池の開放電圧が上昇する。そして、充電電流が予め微小な電流値に設定された充電終止電流値以下になり、電圧降下ＩＲが無視できる程度に小さくなったとき、すなわち二次電池の開放電圧がほぼ満充電電圧に等しくなったときに充電を終了することで、二次電池を満充電にできるようになっている。

このようなＣＣＣＶ充電方式では、定電流出力と定電圧出力とを切り替える必要があるため、定電流電源回路や定電圧電源回路をそのまま充電器として用いることができない。そのため、出力電流が可変のスイッチング電源回路と、このスイッチング電源回路の出力電流を制御する充電制御回路とを用いて、定電流充電時には、充電制御回路が定電流充電用の充電電流をスイッチング電源回路に要求し、定電圧充電時には、充電制御回路が二次電池の端子電圧を監視して当該端子電圧が充電終止電圧と一致するようにスイッチング電源回路への要求電流値を調節するフィードバック制御を行うことで、ＣＣＣＶ充電を実行するようになっている。
特開平６−７８４７１号公報

しかしながら、例えばマイクロコンピュータを用いた充電制御回路によって、上述のようなフィードバック制御で、二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持して定電圧充電を行う場合、フィードバックループの応答時間が長いと、二次電池の端子電圧が満充電電圧を超えて過電圧になってしまうおそれがあった。このような過電圧を防止するために、フィードバックの応答時間を考慮して充電電圧を満充電電圧より低めに設定することも考えられるが、この場合、充電時間が延びてしまったり、充電容量が減少してしまったりする不都合があった。フィードバック制御の応答時間を短縮するには、例えば高速なマイクロコンピュータを用いるなどして充電制御回路を高速化すればよいが、充電制御回路を高速化するとコストが増大するという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、フィードバック制御の応答時間に起因する過電圧の発生を抑制することができる充電制御回路、及びこれを備えた電池パック、充電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る充電制御回路は、二次電池を充電する充電部の動作を制御する充電制御回路であって、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示す電流減少値情報が予め記憶された記憶部と、前記電圧検出部により検出された前記二次電池の端子電圧が所定の基準電圧以上になったとき以降、前記記憶部に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値に基づいて、前記充電部により前記二次電池へ供給される充電電流を減少させる電流減少処理を行う充電制御部とを備える。

この構成によれば、二次電池の端子電圧が所定の基準電圧以上になったとき以降、二次電池に流れる充電電流が、記憶部に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値に基づいて減少される。そうすると、電流減少値情報は、二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示しているから、二次電池の端子電圧が基準電圧で一定の電圧に維持されたまま充電され、すなわち基準電圧で定電圧充電が行われる。この場合、二次電池の充電電圧は、オープンループで制御されるから、フィードバック制御の応答時間に起因する過電圧の発生を抑制することができる。

また、前記二次電池の内部抵抗値を検出する内部抵抗検出部をさらに備え、前記記憶部には、前記電流減少値情報が、前記二次電池の内部抵抗値に応じて記憶されており、前記充電制御部は、前記電流減少処理において、前記内部抵抗検出部により検出された内部抵抗値に応じた電流減少値情報で示される充電電流の減少値に基づいて、前記充電部により前記二次電池へ供給される充電電流を減少させることが好ましい。

二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値は、二次電池の劣化に伴って変化する。また、二次電池が劣化すると、二次電池の内部抵抗値が増大する。すなわち内部抵抗値は、二次電池の劣化の程度を示している。従って、この構成によれば、充電制御部によって、内部抵抗検出部によって検出された二次電池の内部抵抗値に対応して記憶部に記憶されている電流減少値情報に基づいて、電流減少処理が実行されることで定電圧充電が行われる結果、劣化の影響が低減されて、定電圧充電の精度を向上することができる。

また、前記二次電池の累積充電サイクル数を係数する充電サイクル計数部をさらに備え、前記充電制御部は、前記電流減少処理において、前記電流減少値情報で示される充電電流の減少値に基づきつつ、前記充電サイクル計数部により係数された累積充電サイクル数が増大するほど前記二次電池の充電電流の減少量を増大させるようにしてもよい。

二次電池は、累積充電サイクル数が増大するほど劣化し、二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持できる充電電流が減少する。従って、累積充電サイクル数が増大するほど二次電池の充電電流の減少量を増大させることで、劣化の影響が低減されて、定電圧充電の精度を向上することができる。

また、前記電流減少値情報は、前記二次電池の累積充電サイクル数に応じて、前記二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示し、前記充電制御部は、前記電流減少処理において、前記充電サイクル計数部により係数された累積充電サイクル数及び時間の経過に応じて、前記記憶部に記憶されている電流減少値情報により示される充電電流の減少値だけ、前記充電部により前記二次電池へ供給される充電電流を減少させることが好ましい。

この構成によれば、充電制御部によって、二次電池の累積充電サイクル数に対応して記憶部に記憶されている電流減少値情報に基づいて、電流減少処理が実行されることで定電圧充電が行われる結果、劣化の影響が低減されて、定電圧充電の精度を向上することができる。

また、前記二次電池の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された前記二次電池の温度が、当該二次電池の充電に適した温度範囲として設定された好適温度範囲の上限を超えた場合、当該温度が高いほど前記基準電圧が低くなるように、当該基準電圧を設定する基準電圧設定部とをさらに備えることが好ましい。

二次電池は、高温で充電を行うと、劣化が増大して好ましくない。また、安全性向上の観点で、電池工業会（BAJ : Battery Association of Japan）によって、充電に適した標準温度域の上限を超える温度では、二次電池の充電電圧を低下させることが推奨されている。そこで、この構成によれば、二次電池の温度が好適温度範囲の上限を超えた場合、基準電圧設定部によって、当該温度が高いほど基準電圧が低くなるように当該基準電圧が設定される。そうすると、充電制御部の電流減少処理によって、当該基準電圧による定電圧充電が行われるので、二次電池の温度が高いほど定電圧充電における充電電圧が低下する結果、二次電池の安全性向上、及び劣化の低減を図ることが可能となる。

また、前記充電サイクル計数部により係数された累積充電サイクル数が増大するほど、前記基準電圧が低くなるように、当該基準電圧を設定する基準電圧設定部をさらに備えるようにしてもよい。

この構成によれば、二次電池は累積充電サイクル数が増大するほど劣化するので、二次電池が劣化するほど基準電圧が低くなる。そうすると、充電制御部の電流減少処理によって、当該基準電圧による定電圧充電が行われるので、二次電池の劣化が進むほど定電圧充電における充電電圧が低下する結果、二次電池の安全性向上、及び劣化の低減を図ることが可能となる。

また、前記二次電池は、複数のセルが直列接続された組電池であり、前記電圧検出部は、前記複数のセルの端子電圧をそれぞれ検出し、前記充電制御部は、前記電圧検出部により検出された各セルの端子電圧のうち、最大の電圧が前記基準電圧以上になったとき以降、前記電流減少処理を行うことが好ましい。

この構成によれば、組電池を構成する複数のセルにアンバランスが生じた場合であっても、各セルの端子電圧のうち最大の電圧が基準電圧以上になったとき以降、充電制御部の電流減少処理によって、当該端子電圧が最大のセルが基準電圧で定電圧充電され、他のセルの充電電圧は基準電圧以下になるので、各セルの充電電圧が基準電圧を超えて過充電になるおそれが低減される。また、直列接続された各セルには同一の充電電流が流れるから、端子電圧が最大のセルが基準電圧で定電圧充電されているときに、他のセルも充電されて端子電圧が基準電圧に向かって上昇する。この結果、各セルの端子電圧にアンバランスが生じている場合であっても、各セルの端子電圧の差を減少させて、組電池全体の充電量を増大させることができる。

また、本発明に係る電池パックは、上述の充電制御回路と、前記二次電池とを備える。

また、本発明に係る充電システムは、上述の充電制御回路と、前記二次電池と、前記充電部とを備える。

この構成によれば、二次電池の端子電圧が所定の基準電圧以上になったとき以降、二次電池に流れる充電電流が、記憶部に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値だけ減少される。そうすると、電流減少値情報は、二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示しているから、二次電池の端子電圧が基準電圧で一定の電圧に維持されたまま充電され、すなわち基準電圧で定電圧充電が行われる。この場合、二次電池の充電電圧は、オープンループで制御されるから、フィードバック制御の応答時間に起因する過電圧の発生を抑制することができる。

このような構成の充電制御回路、電池パック、及び充電システムによれば、二次電池の端子電圧が所定の基準電圧以上になったとき以降、二次電池に流れる充電電流が、記憶部に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値だけ減少される。そうすると、電流減少値情報は、二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示しているから、二次電池の端子電圧が基準電圧で一定の電圧に維持されたまま充電され、すなわち基準電圧で定電圧充電が行われる。この場合、二次電池の充電電圧は、オープンループで制御されるから、フィードバック制御の応答時間に起因する過電圧の発生を抑制することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る充電制御回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１は、電池パック２と充電装置３（充電部）とが組み合わされて構成されている。

なお、この充電システム１は、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷装置をさらに含めて、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電子機器システムとして構成されてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電装置３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷装置に装着されて、負荷装置を通して充電が行われてもよい。

電池パック２は、接続端子１１，１２，１３、組電池１４（二次電池）、電流検出抵抗１６、充電制御回路４、通信部２０３、及びスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備えている。また、充電制御回路４は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０１、制御部２０２、電圧検出回路１５（電圧検出部）、及び温度センサ１７（温度検出部）を備えている。

なお、充電システム１は、必ずしも電池パック２と充電装置３とに分離可能に構成されるものに限られず、充電システム１全体で一つの充電制御回路４が構成されていてもよい。また、充電制御回路４を、電池パック２と充電装置３とで分担して備えるようにしてもよい。

充電装置３は、接続端子３１，３２，３３、制御ＩＣ３４、及び充電電流供給部３５を備えている。制御ＩＣ３４は、通信部３６と制御部３７とを備えている。充電電流供給部３５は、制御部３７からの制御信号に応じた電流を、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給する電源回路である。制御部３７は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された制御回路である。

電池パック２及び充電装置３は、給電を行う直流ハイ側の接続端子１１，３１と、通信信号用の接続端子１３，３３と、給電および通信信号のための接続端子１２，３２とによって相互に接続される。通信部２０３，３６は、接続端子１３，３３を介して互いにデータ送受信可能に構成された通信インターフェイス回路である。

電池パック２では、接続端子１１は、充電用のスイッチング素子Ｑ２と放電用のスイッチング素子Ｑ１とを介して組電池１４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、例えばｐチャネルのＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。スイッチング素子Ｑ１は、寄生ダイオードのカソードが組電池１４の方向にされている。また、スイッチング素子Ｑ２は、寄生ダイオードのカソードが接続端子１１の方向にされている。

また、接続端子１２は、電流検出抵抗１６を介して組電池１４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ２，Ｑ１、組電池１４、及び電流検出抵抗１６を介して接続端子１２に至る電流経路が構成されている。

電流検出抵抗１６は、組電池１４の充電電流および放電電流を電圧値に変換する。組電池１４は、複数、例えば三個の二次電池１４１，１４２，１４３（セル）が直列に接続された組電池である。二次電池１４１，１４２，１４３は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池である。なお、組電池１４は、例えば単電池であってもよく、例えば複数の二次電池が並列接続された組電池であってもよく、直列と並列とが組み合わされて接続された組電池であってもよい。

温度センサ１７は、二次電池１４１，１４２，１４３の温度を検出する温度センサである。そして、二次電池１４１，１４２，１４３の温度は温度センサ１７によって検出され、充電制御回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。また、組電池１４の端子電圧Ｖｔ、及び二次電池１４１，１４２，１４３の各端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は電圧検出回路１５によってそれぞれ検出され、充電制御回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。

さらにまた、電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃの電流値も、充電制御回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。アナログデジタル変換器２０１は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２０２へ出力する。

制御部２０２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、タイマ回路と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部２０２は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、保護制御部２１１、充電制御部２１２、基準電圧設定部２１３、及び内部抵抗検出部２１４として機能する。

記憶部２１５は、上述のＲＯＭや、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）等、種々の不揮発性記憶素子を用いて構成されている。記憶部２１５には、組電池１４の端子電圧Ｖｔを満充電電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流Ｉｃの減少値を示す電流減少値情報が、組電池１４の内部抵抗値に応じて記憶されている。

電流減少値情報は、例えば劣化によって内部抵抗値が異なる複数の組電池１４を用いて、定電圧充電を行った場合の時間の経過に伴う充電電流の減少値を、実験的に測定することで得られる。

保護制御部２１１は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値から、接続端子１１，１２間の短絡及び充電装置３からの異常電流などの電池パック２の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇等の異常を検出する。具体的には、例えば、電流検出抵抗１６によって検出された電流値が、予め設定された異常電流判定閾値を超えると、接続端子１１，１２間の短絡や充電装置３からの異常電流に基づく異常が生じたと判定し、例えば温度センサ１７によって検出された組電池１４の温度が予め設定された異常温度判定閾値を超えると、組電池１４の異常が生じたと判定する。そして、保護制御部２１１は、このような異常を検出した場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフさせて、過電流や過熱等の異常から、組電池１４を保護する保護動作を行う。

また、保護制御部２１１は、例えば電圧検出回路１５により検出された二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかが、二次電池の過放電を防止するために予め設定された放電禁止電圧Ｖｏｆｆ以下になった場合、スイッチング素子Ｑ１をオフさせて、過放電による二次電池１４１，１４２，１４３の劣化を防止するようになっている。放電禁止電圧Ｖｏｆｆは、例えば２．５０Ｖに設定されている。

充電制御部２１２は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値に応答して、充電装置３に対して、出力を要求する充電電流の電圧値、電流値を演算し、通信部２０３から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信することで、ＣＣＣＶ（定電流定電圧）充電を行う。

具体的には、充電制御部２１２は、まず、予め設定された電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃを、充電装置３から供給させることにより定電流充電を実行する。電流値Ｉｃｃは、例えば、二次電池１４１，１４２，１４３の公称容量値ＮＣを定電流で放電して、１時間で二次電池１４１，１４２，１４３の残容量がゼロとなる電流値を１Ｉｔ（電池容量（Ａｈ）／１（ｈ））とすると、例えば、０．７Ｉｔ程度に設定されている。

なお、複数のセルが並列接続されて組電池１４が構成されている場合、例えば、０．７Ｉｔに並列セル数ＰＮを乗算した電流値が、電流値Ｉｃｃとして用いられる。具体的には、電流値Ｉｃｃは、例えば公称容量値ＮＣ＝２０００ｍＡｈで、２個並列であるとき、７０％で２８００ｍＡに設定されている。

また、充電制御部２１２は、電圧検出回路１５により検出された二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち最大の電圧が、基準電圧設定部２１３によって設定された充電終止電圧Ｖｆ（基準電圧）以上になったとき以降、充電装置３によって組電池１４へ供給される充電電流Ｉｃを、内部抵抗検出部２１４によって検出された組電池１４の内部抵抗Ｒに対応して記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値だけ減少させることにより、電流減少処理を実行する。

そして、充電制御部２１２は、組電池１４に流れる充電電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａ以下になると、組電池１４が満充電になったものと判定して充電を終了する。充電終止電流値Ｉａは、例えば、０．０５Ｉｔ程度に設定されている。

基準電圧設定部２１３は、温度センサ１７により検出された組電池１４の温度ｔが、二次電池１４１，１４２，１４３の充電に適した好適温度範囲の一例である標準温度域（１０℃以上４５℃以下）の上限を超える場合、温度ｔが高いほど、充電終止電圧Ｖｆが低くなるように、充電終止電圧Ｖｆを設定する。具体的には、例えば、基準電圧設定部２１３は、温度ｔが４５℃以下であれば、充電終止電圧Ｖｆを満充電電圧である４．２０Ｖに設定し、温度ｔが４５℃を超えて５０℃以下であれば、充電終止電圧Ｖｆを４．１０Ｖに設定し、温度ｔが５０℃を超えて６０℃以下であれば、充電終止電圧Ｖｆを４．０５Ｖに設定する。

満充電電圧は、二次電池１４１，１４２，１４３がリチウムイオン二次電池の場合、例えば、二次電池１４１，１４２，１４３の負極電位が実質的に０Ｖになったときの、正極電位と負極電位との電位差すなわち二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が用いられる。満充電電圧は、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いたときに約４．２Ｖ、正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いたときに約４．３Ｖとなる。

内部抵抗検出部２１４は、組電池１４の内部抵抗値Ｒを検出する。内部抵抗値Ｒの検出方法は特に限定されないが、例えば、組電池１４に流れる電流値の変化量△Ｉと、そのときの組電池１４の端子電圧Ｖｔの変化量△Ｖとから、内部抵抗値Ｒ＝△Ｖ／△Ｉとして算出することができる。

充電装置３では、制御部２０２からの要求を、制御ＩＣ３４において、通信部３６で受信し、制御部３７が充電電流供給部３５を制御して、制御部２０２からの要求に応じた電圧値、及び電流値で、充電電流供給部３５から充電電流を出力させる。充電電流供給部３５は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング電源回路を用いて構成され、例えば商用交流電源電圧から、制御部３７で指示された充電電圧及び充電電流を生成し、接続端子３１，１１；３２，１２を介して電池パック２へ供給する。

次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図２は、図１に示す充電システム１の動作の一例を示す説明図である。まず、温度センサ１７によって、組電池１４の温度ｔが検出される。

そして、温度ｔが４５℃以下のとき、基準電圧設定部２１３によって充電終止電圧Ｖｆが満充電電圧である４．２０Ｖに設定され、温度ｔが４５℃を超えて５０℃以下であれば充電終止電圧Ｖｆが４．１０Ｖに設定され、温度ｔが５０℃を超えて６０℃以下であれば充電終止電圧Ｖｆが４．０５Ｖに設定される。図２は、充電終止電圧Ｖｆが４．２０Ｖに設定された場合の例を示している。

また、充電制御部２１２によって、通信部２０３，３６を介して制御部３７へ、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃを要求する要求信号が送信される。そうすると、電流値Ｉｃｃの充電電流Ｉｃが充電電流供給部３５から出力されて組電池１４が定電流充電される（タイミングＴ１）。

そして、充電に伴い組電池１４の端子電圧Ｖｔが上昇し、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のうち最大の電圧、例えば端子電圧Ｖ１が充電終止電圧Ｖｆである４．２０Ｖ以上になると（タイミングＴ２）、充電制御部２１２からの要求に応じて、充電装置３によって組電池１４へ供給される充電電流Ｉｃが、内部抵抗検出部２１４で検出された組電池１４の内部抵抗Ｒに対応して記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値だけ減少される電流減少処理（タイミングＴ２〜Ｔ３）が行われる。

図３は、図１に示す記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報の一例を示す説明図である。図３において、縦軸は電流減少値を示し、横軸は各セル電圧の最大値が充電終止電圧Ｖｆになった後の経過時間を示している。そして、電流減少値Ｉｄ１は、組電池１４が劣化しておらず、従って内部抵抗Ｒが小さい抵抗値Ｒ１のときの電流減少値を示している。電流減少値Ｉｄ２は、組電池１４が劣化して内部抵抗Ｒが増大した抵抗値Ｒ２のときの電流減少値を示している。電流減少値Ｉｄ３は、組電池１４の劣化がさらに進んで内部抵抗Ｒが抵抗値Ｒ２より大きい抵抗値Ｒ３になったときの電流減少値を示している。

記憶部２１５には、電流減少値Ｉｄ１，Ｉｄ２，Ｉｄ３のような電流カーブが、例えばデータテーブルや二次関数の演算式として記憶されている。

図２では、組電池１４が劣化しておらず、内部抵抗検出部２１４で検出された組電池１４の内部抵抗Ｒの抵抗値がＲ１であった場合の例を示している。内部抵抗Ｒの抵抗値がＲ１であった場合、タイミングＴ２以降、充電制御部２１２によって、時間の経過に伴って、図３に示す電流減少値Ｉｄ１が、制御部３７へ、充電電流Ｉｃを減少させる要求値として送信される。

図４は、組電池１４が劣化して、内部抵抗検出部２１４で検出された組電池１４の内部抵抗Ｒの抵抗値がＲ２であった場合の例を示している。内部抵抗Ｒの抵抗値がＲ２であった場合、タイミングＴ２以降、充電制御部２１２によって、時間の経過に伴って、図３に示す電流減少値Ｉｄ２が、制御部３７へ、充電電流Ｉｃを減少させる要求値として送信される。

そうすると、制御部３７からの制御信号に応じて、充電電流供給部３５によって、図２に示すタイミングＴ２〜Ｔ３の期間における充電電流Ｉｃが、組電池１４へ供給される。

この場合、電流減少値情報は、二次電池の端子電圧を満充電電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流Ｉｃの減少値を示しているから、電流減少値Ｉｄ１に応じて充電電流Ｉｃが減少されると、充電終止電圧Ｖｆに達している端子電圧Ｖ１は、充電終止電圧Ｖｆに維持されたまま充電が行われる結果、二次電池１４１が定電圧充電される。

そうすると、二次電池１４１は、オープンループで充電電流が制御されて定電圧充電されるので、フィードバック制御を行った場合のような制御ループの応答時間に起因する過電圧が、発生することがない。

そして、まだ充電終止電圧Ｖｆに達していない端子電圧Ｖ２，Ｖ３のみ、充電終止電圧Ｖｆに近づくように徐々に上昇し、二次電池１４２，１４３についても略満充電になるまで充電される。これにより、二次電池１４１，１４２，１４３の特性や充電深度にバラツキが生じて端子電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に差が生じている場合であっても、二次電池１４１，１４２，１４３の端子電圧が充電終止電圧Ｖｆを超えて過充電されるおそれを低減しつつ、端子電圧の低い二次電池についても端子電圧が略充電終止電圧Ｖｆになるまで、すなわち略満充電になるまで充電することができる。

また、二次電池の端子電圧を満充電電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流Ｉｃの減少値は、二次電池の劣化に伴って変化する。また、二次電池が劣化すると、内部抵抗Ｒが増大する。すなわち内部抵抗Ｒは、二次電池の劣化の程度を示している。

そこで、充電制御部２１２は、内部抵抗検出部２１４によって検出された組電池１４の内部抵抗Ｒに対応して記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報に基づいて、タイミングＴ２〜Ｔ３の電流減少処理を実行するので、最も端子電圧が高い二次電池１４１における定電圧充電の精度を向上することができる。

図５は、温度センサ１７によって検出された温度ｔが４５℃を超えて５０℃以下であったときに、基準電圧設定部２１３によって充電終止電圧Ｖｆが４．１０Ｖに設定された場合の例を示している。

充電終止電圧Ｖｆが４．１０Ｖに設定されると、端子電圧Ｖ１が４．１０Ｖ以上になったとき（タイミングＴ２）以降、充電制御部２１２からの要求に応じて、充電装置３によって組電池１４へ供給される充電電流Ｉｃが、内部抵抗検出部２１４で検出された組電池１４の内部抵抗Ｒに対応して記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値だけ減少される結果、二次電池１４１が４．１０Ｖで定電圧充電され、かつ二次電池１４２，１４３の端子電圧も、４．１０Ｖ以下に抑えられる（タイミングＴ２〜Ｔ３）。

二次電池は、高温で充電を行うと、劣化が増大して好ましくない。また、安全性向上の観点で、電池工業会（BAJ : Battery Association of Japan）によって、充電に適した標準温度域（１０℃以上４５℃以下）を超える温度では、二次電池の充電電圧を低下させることが推奨されている。そこで、基準電圧設定部２１３によって、組電池１４の温度ｔが充電に適した標準温度域（１０℃以上４５℃以下）を超える場合、温度ｔが高いほど、充電終止電圧Ｖｆが低くなるように充電終止電圧Ｖｆが設定されて充電電圧が低下されるようにされている。これにより、二次電池の安全性を向上しつつ劣化を低減することができる。

そして、電流検出抵抗１６で検出された充電電流Ｉｃが充電終止電流値Ｉａ以下になると、充電制御部２１２によって、通信部２０３，３６を介して制御部３７へ、充電の終了を要求する要求信号が送信される。そうすると、充電電流供給部３５によって、充電電流Ｉｃがゼロにされて充電動作が終了する（タイミングＴ３）。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る充電制御回路を備えた電池パック、及び充電システムについて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る充電制御回路４ａを備えた電池パック２ａ、及び充電システム１ａの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１ａは、電池パック２ａと充電装置３とが組み合わされて構成されている。

図６に示す充電制御回路４ａは、図１に示す充電制御回路４とは、下記の点で異なる。すなわち、図６に示す充電制御回路４ａは、制御部２０２ａが、内部抵抗検出部２１４を備えず、代わりに充電サイクル数計数部２１６を備える点で異なる。また、充電制御部２１２ａの動作が異なる。

また、記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報は、組電池１４の累積充電サイクル数に応じて、組電池１４の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示している。その他の構成は図１に示す充電システム１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。

充電サイクル数計数部２１６は、組電池１４の累積充電サイクル数を係数する。具体的には、充電サイクル数計数部２１６は、例えば、電流検出抵抗１６によって検出された組電池１４の充電電流Ｉｃを積算することにより、累積充電電荷量を算出する。そして、充電サイクル数計数部２１６は、この累積充電電荷量を組電池１４の電池容量で除算することにより、組電池１４の累積充電サイクル数を係数する。なお、充電サイクル数計数部２１６は、充電電流Ｉｃの代わりに放電電流を積算することにより、累積放電電荷量を算出し、累積充電電荷量とするようにしてもよい。

組電池１４の内部抵抗Ｒは、サイクル劣化に応じて増大する傾向があり、内部抵抗Ｒと累積充電サイクル数との間には、相関関係がある。従って、内部抵抗Ｒの代わりに組電池１４の累積充電サイクル数を用いることで、図１に示す充電制御回路４と同様の制御を行うことが可能である。

そこで、充電制御部２１２ａは、タイミングＴ２以降、充電サイクル数計数部２１６により係数された累積充電サイクル数及び時間の経過に応じて、記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報により示される充電電流の減少値だけ、充電装置３により組電池１４へ供給される充電電流を減少させることにより、電流減少値情報で示される充電電流の減少値に基づきつつ、充電サイクル計数部２１６により係数された累積充電サイクル数が増大するほど組電池１４の充電電流の減少量を増大させる。

これにより、例えば累積充電サイクル数が３００サイクルになったとき、電流減少処理中における充電電流の最大値を、例えば０．７Ｉｔから０．５Ｉｔに減少させ、さらに累積充電サイクル数が５００サイクルになったとき、電流減少処理中における充電電流の最大値を、例えば０．５Ｉｔから０．３Ｉｔに減少させたりする。

そうすると、累積充電サイクル数と内部抵抗値Ｒとの間には、相関関係があるので、結果的に、最も端子電圧が高い二次電池１４１は、図１に示す充電システム１の場合と同様、オープンループで充電電流が制御されて定電圧充電される。その結果、フィードバック制御を行った場合のような制御ループの応答時間に起因する過電圧が、発生することがない。また、内部抵抗値Ｒを検出するために充電を停止したり充電電流を変化させたりする必要がないので、内部抵抗値Ｒを検出するために充電時間が増大するおそれが低減される。

なお、記憶部２１５に、組電池１４の累積充電サイクル数に応じた電流減少値情報を記憶させておく例に限られず、例えば、記憶部２１５には、組電池１４が新品のときの電流減少値情報を記憶しておき、充電制御部２１２ａが、充電サイクル数計数部２１６により係数された累積充電サイクル数に応じて、所定の関数、例えば二次関数を用いて記憶部２１５に記憶されている電流減少値情報を補正して用いるようにしてもよい。

また、基準電圧設定部２１３は、充電サイクル計数部２１６により係数された累積充電サイクル数が増大するほど、充電終止電圧Ｖｆが低くなるように、充電終止電圧Ｖｆを設定するようにしてもよい。

本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池搭載装置において、二次電池の充電を制御する充電制御回路、及びこれを備えた電池パック、充電システムとして好適に利用することができる。

本発明の第１実施形態に係る充電制御回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す充電システムの動作の一例を示す説明図である。 図１に示す記憶部に記憶されている電流減少値情報の一例を示す説明図である。 組電池が劣化して内部抵抗が増大した場合における充電システムの動作の一例を示す説明図である。 組電池の温度が高くなった場合における充電システムの動作の一例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る充電制御回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 充電システム
２ 電池パック
３ 充電装置
４ 充電制御回路
１４ 組電池
１５ 電圧検出回路
１６ 電流検出抵抗
１７ 温度センサ
３１ 接続端子
３５ 充電電流供給部
１４１，１４２，１４３ 二次電池
２０１ アナログデジタル変換器
２０２ 制御部
２１１ 保護制御部
２１２ 充電制御部
２１３ 基準電圧設定部
２１４ 内部抵抗検出部
２１５ 記憶部
２１６ 充電サイクル数計数部
Ｉａ 充電終止電流値
Ｉｄ１，Ｉｄ２，Ｉｄ３ 電流減少値
Ｖｆ 充電終止電圧

Claims (9)

1. 二次電池を充電する充電部の動作を制御する充電制御回路であって、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
   前記二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために、時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示す電流減少値情報が予め記憶された記憶部と、
   前記電圧検出部により検出された前記二次電池の端子電圧が所定の基準電圧以上になったとき以降、前記記憶部に記憶されている電流減少値情報により時間の経過に応じて示される充電電流の減少値に基づいて、前記充電部により前記二次電池へ供給される充電電流を減少させる電流減少処理を行う充電制御部と
   を備えることを特徴とする充電制御回路。
2. 前記二次電池の内部抵抗値を検出する内部抵抗検出部をさらに備え、
   前記記憶部には、
   前記電流減少値情報が、前記二次電池の内部抵抗値に応じて記憶されており、
   前記充電制御部は、
   前記電流減少処理において、前記内部抵抗検出部により検出された内部抵抗値に応じた電流減少値情報で示される充電電流の減少値に基づいて、前記充電部により前記二次電池へ供給される充電電流を減少させること
   を特徴とする請求項１記載の充電制御回路。
3. 前記二次電池の累積充電サイクル数を係数する充電サイクル計数部をさらに備え、
   前記充電制御部は、
   前記電流減少処理において、前記電流減少値情報で示される充電電流の減少値に基づきつつ、前記充電サイクル計数部により係数された累積充電サイクル数が増大するほど前記二次電池の充電電流の減少量を増大させること
   を特徴とする請求項１記載の充電制御回路。
4. 前記電流減少値情報は、
   前記二次電池の累積充電サイクル数に応じて、前記二次電池の端子電圧を一定の電圧に維持したまま充電するために時間の経過に従って減少させるべき充電電流の減少値を示し、
   前記充電制御部は、
   前記電流減少処理において、前記充電サイクル計数部により係数された累積充電サイクル数及び時間の経過に応じて、前記記憶部に記憶されている電流減少値情報により示される充電電流の減少値だけ、前記充電部により前記二次電池へ供給される充電電流を減少させること、
   を特徴とする請求項３記載の充電制御回路。
5. 前記二次電池の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された前記二次電池の温度が、当該二次電池の充電に適した温度範囲として設定された好適温度範囲の上限を超えた場合、当該温度が高いほど前記基準電圧が低くなるように、当該基準電圧を設定する基準電圧設定部とをさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電制御回路。
6. 前記充電サイクル計数部により係数された累積充電サイクル数が増大するほど、前記基準電圧が低くなるように、当該基準電圧を設定する基準電圧設定部をさらに備えること
   を特徴とする請求項３又は４に記載の充電制御回路。
7. 前記二次電池は、
   複数のセルが直列接続された組電池であり、
   前記電圧検出部は、
   前記複数のセルの端子電圧をそれぞれ検出し、
   前記充電制御部は、
   前記電圧検出部により検出された各セルの端子電圧のうち、最大の電圧が前記基準電圧以上になったとき以降、前記電流減少処理を行うこと
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の充電制御回路。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の充電制御回路と、
   前記二次電池と
   を備えることを特徴とする電池パック。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の充電制御回路と、
   前記二次電池と、
   前記充電部と
   を備えることを特徴とする充電システム。

Images