JP6512823B2 - 充電装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、リチウムイオン２次電池等の電池パックを充電する充電装置及び当該充電装置の制御方法に関する。

リチウムイオン２次電池の電池セルの充電電圧は、４．２Ｖのものが多く、２つの電池セルを直列に接続すると、２倍の電圧が取り出せるようになり、充電する際の充電電圧も２倍の８．４Ｖになる。

しかし、２つの電池セルの容量に差があると、セルバランスが崩れ、８．４Ｖで充電した際に、一方の電池セルの電圧が４．０Ｖ、他方の電池セルの電圧が４．４Ｖというように２つの電池セル間に電位差が生じる場合がある。このため、電池パックには、電池セルの安全性を確保すべく、例えばセル当り４．２３Ｖに達すると、電流を制御するＦＥＴ等により充電電流を遮断して過充電を保護する保護回路が設けられている。

電池パックの一般的な充電方法として、定電流定電圧充電を行い、定電圧充電時に満充電検出電流値以下の充電電流値を検出すると、充電回路が満充電と判定して、充電を終了する技術が知られている（第１従来例）。また、過充電の保護回路を有する電池パックの充電方法として、特許文献１には、保護電圧を超えないようにパルス充放電を繰り返す技術が提案されている（第２従来例）。

特開平８−２８９４７８号公報

しかし、上記従来例１では、複数の電池セルのセルバランスが崩れて保護回路が作動すると、充電経路が遮断されて充電電流が流れなくなる。このため、充電電流値は、満充電検出電流値以下となり、充電回路が満充電と判定して充電が終了してしまう。この状態では、電池セルの内部抵抗により電池セルの電圧は高くなっているため、充電電流値を下げれば保護回路が作動せずに充電可能であった容量を充電することなく充電が終了してしまう。

一方、上記従来例２では、パルス充放電を何度も繰り返した場合、充電が終了したときには、必要以上に充電が行われて電池セルが過充電状態となり、電池セルの劣化を起こす原因になる。

そこで、本発明は、複数の電池セルを過充電から保護する保護回路が作動する場合であっても複数の電池セルを充電できるようにすることを目的とする。

本発明に係る充電装置は、直列に接続された複数の電池セルと、前記複数の電池セルを過充電から保護する保護回路とを有する電池パックを充電する充電装置であって、前記電池パックに対する充電電流を検出する電流検出手段と、定電流充電期間後の定電圧充電期間中に、前記電流検出手段によって検出された充電電流が第１の値未満である場合であって前記第１の値よりも小さい第２の値以上である場合には、満充電と判定して前記電池パックの充電を終了する第１の充電制御処理と、前記定電圧充電期間中に、前記電流検出手段によって検出された充電電流が前記第２の値未満である場合には、前記保護回路による過充電保護が行われていると判定し、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機する第２の充電制御処理と、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機した場合は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電を行う第３の充電制御処理とを行う制御手段とを有する。
本発明に係る制御方法は、直列に接続された複数の電池セルと、前記複数の電池セルを過充電から保護する保護回路と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、前記電池パックに対する充電電流を検出する電流検出ステップと、定電流充電期間後の定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が第１の値未満である場合であって前記第１の値よりも小さい第２の値以上である場合には、満充電と判定して前記電池パックの充電を終了する第１の充電制御ステップと、前記定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が前記第２の値未満である場合には、前記保護回路による過充電保護が行われていると判定し、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機する第２の充電制御ステップと、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機した場合は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電を行う第３の充電制御ステップとを有する。
本発明に係るプログラムは、直列に接続された複数の電池セルと、前記複数の電池セルを過充電から保護する保護回路とを有する電池パックを充電する充電装置を制御するためのプログラムであって、前記電池パックに対する充電電流を検出する電流検出ステップと、定電流充電期間後の定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が第１の値未満である場合であって前記第１の値よりも小さい第２の値以上である場合には、満充電と判定して前記電池パックの充電を終了する第１の充電制御ステップと、前記定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が前記第２の値未満である場合には、前記保護回路による過充電保護が行われていると判定し、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機する第２の充電制御ステップと、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機した場合は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電を行う第３の充電制御ステップとをコンピュータに実行させる。

本発明によれば、複数の電池セルを過充電から保護する保護回路が作動する場合であっても複数の電池セルを充電することができる。

実施形態１における充電装置１００及び電池パック２００が有する構成要素を説明するためのブロック図である。 電池パック２００に対する充電制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、充電装置１００の充電特性の例を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１は、実施形態１における充電装置１００及び電池パック２００が有する構成要素を説明するためのブロック図である。

図１に示すように、充電装置１００は、ＡＣ入力部１０１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２と、制御部１０３と、電流制御素子１０４と、電流検出素子１０５と、表示部１０６とを有する。電池パック２００は、充電装置１００に装着される。電池パック２００は、充電装置１００から取り外し可能である。ＡＣ入力部１０１、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２、制御部１０３と、電流制御素子１０４、電流検出素子１０５及び表示部１０６の少なくとも一つは、ハードウェア構成を有する。

ＡＣ入力部１０１は、プラグ付きケーブルや直接プラグを介して商用電源のコンセントと接続され、充電装置１００へ電力を供給する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２は、ＡＣ電圧を整流し充電に適したＤＣ電圧へ変換する。

制御部１０３は、電池パック２００のサーミスタ２０５の温度、充電電圧及び充電電流を検出し、電池パック２００に対する充電制御を行う。電流制御素子１０４は、トランジスタ、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を使用して充電電流を制御する素子であり、制御部１０３によって制御される。

電流検出素子１０５は、抵抗器等で構成され、抵抗両端の電圧差を制御部１０３が検出することにより充電電流が検出される。表示部１０６は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等で構成され、電池パック２００に対する充電状態を表示する。

電池パック２００は、保護回路２０１と、複数の電池セル２０２及び２０３と、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２０４と、サーミスタ２０５とを有する。

保護回路２０１は、複数の電池セル２０２及び２０３の電圧や充放電電流を検出し、検出値が例えばセル当り所定の電圧値に達すると、ＦＥＴ２０４により充電電流を遮断して過充電保護を行う。

複数の電池セル２０２及び２０３は、リチウムイオン電池等の充放電可能な２次電池である。なお、図１では、２つの電池セル２０２及び２０３を直列に接続して電池パック２００を構成しているが、３つ以上の電池セルを直列に接続して電池パック２００を構成してもよい。

ＦＥＴ２０４は、保護回路２０１の制御により充電や放電を遮断するためのスイッチ回路である。サーミスタ２０５は、複数の電池セル２０２及び２０３の温度を検出する。

図２は、電池パック２００に対する充電制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。図２を用いて説明される処理は、充電装置１００が有するメモリ等に記憶されたプログラムが制御部１０３によって実行されることによって制御される。

図２において、ステップＳ１０１では、制御部１０３は、電池パック２００のサーミスタ２０５の接続を検出すると、電池パック２００が充電装置１００に装着されたと判定してステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、制御部１０３は、サーミスタ２０５の温度の検出結果に基づき温度条件、電池電圧条件に合わせた充電条件を決定し、決定した充電条件で電池パック２００への充電を開始し、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、制御部１０３は、電流検出素子１０５の両端の電圧を測定して充電電流を検出し、ステップＳ１０４に進む。ここでの電流検出方法は、一定間隔のサンプリングにより常時充電電流を検出する方法が一般的であり、通常の充電特性による電流変化量に対してサンプリング間隔は十分に細かく設定される。

ステップＳ１０４では、制御部１０３は、ステップＳ１０３で検出した充電電流の電流値が第１の設定値未満か否かを判定する。ステップＳ１０３で検出した充電電流の電流値が第１の設定値未満である場合（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、制御部１０３は、ステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０３で検出した充電電流の電流値が第１の設定値以上である場合（ステップＳ１０４でＮＯ）、制御部１０３は、ステップＳ１０３へ戻る。

ステップＳ１０５では、制御部１０３は、ステップＳ１０３で検出した充電電流の電流値が第１の設定値より小さい第２の設定値未満か否かを判定する。ステップＳ１０３で検出した充電電流の電流値が第２の設定値未満である場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）は、制御部１０３は、ステップＳ１０６で電池パック２００の保護回路２０１による過充電保護が行われていると判定し、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０３で検出した充電電流の電流値が第２の設定値以上である場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、制御部１０３は、ステップＳ１０７で満充電と判定して充電処理を終了する。

ステップＳ１０８では、制御部１０３は、電池パック２００の保護回路２０１による過充電保護が解除されて充電可能な状態となるまで所定時間待機し、ステップＳ１０９に進む。保護回路２０１による過充電保護を解除する方法としては、所定時間の待機に代えて短時間放電を行う方法でもよい。

ステップＳ１０９では、制御部１０３は、電流制御素子１０４を制御してステップＳ１０２で決定した充電条件より充電電流値を下げて電池パック２００に対して充電を行い、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、制御部１０３は、電流検出素子１０５の両端の電圧を測定して充電電流を検出し、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１では、制御部１０３は、ステップＳ１１０で検出した充電電流の電流値が第１の設定値未満であるか否かを判定する。ステップＳ１１０で検出した充電電流の電流値が第１の設定値未満である場合（ステップＳ１１１でＹＥＳ）、制御部１０３は、充電処理を終了する。ステップＳ１１０で検出した充電電流の電流値が第１の設定値以上である場合（ステップＳ１１１でＮＯ）、制御部１０３は、ステップＳ１１０へ戻り、電池パック２００に対して充電電流値を下げた充電を複数回繰り返す。

図３（ａ）は、電池パック２００に対して一般的な定電流定電圧充電を行い、充電電流が満充電検出電流値を下回った時点で満充電と判定して充電を終了している充電装置の充電特性の一例を説明するための図である。図３（ｂ）は、充電途中に電池パック２００の保護回路が作動し充電を終了している充電装置の充電特性の一例を説明するための図である。図３（ｃ）は、充電途中に電池パック２００の保護回路が作動した場合に、制御部が過充電保護が働いたと判定し、充電電流を下げて充電を行っている実施形態１の充電装置の充電特性の一例を説明するための図である。

以上説明したように、実施形態１では、電池パック２００の過充電の保護回路２０１が作動したのか、正常に満充電が行われたのかを判別し、判別結果に応じて充電制御を行っている。これにより、複数の電池セル２０２及び２０３に対して容量に応じた電力を効率よく充電することができる。

なお、本発明は、実施形態１に例示したもの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適宜変更可能である。

例えば、実施形態１では、図２のステップＳ１１１で充電電流値が第１の設定値未満である場合は、充電処理を終了しているが、これに限定されない。例えば、図２のステップＳ１１１において充電電流値が再度第２の設定値未満となって保護回路２０１による過充電保護が行われていると判定される場合は、満充電と判定して充電処理を終了するようにしてもよい。

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。ネットワーク又は各種記憶媒体を介して取得したソフトウェア（プログラム）をパーソナルコンピュータ（ＣＰＵ，プロセッサ）にて実行することでも実現できる。

１００ 充電装置
１０３ 制御部
１０４ 電流制御素子
１０５ 電流検出素子
２００ 電池パック
２０１ 保護回路
２０２，２０３ 電池セル

Claims (6)

1. 直列に接続された複数の電池セルと、前記複数の電池セルを過充電から保護する保護回路とを有する電池パックを充電する充電装置であって、
   前記電池パックに対する充電電流を検出する電流検出手段と、
   定電流充電期間後の定電圧充電期間中に、前記電流検出手段によって検出された充電電流が第１の値未満である場合であって前記第１の値よりも小さい第２の値以上である場合には、満充電と判定して前記電池パックの充電を終了する第１の充電制御処理と、前記定電圧充電期間中に、前記電流検出手段によって検出された充電電流が前記第２の値未満である場合には、前記保護回路による過充電保護が行われていると判定し、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機する第２の充電制御処理と、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機した場合は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電を行う第３の充電制御処理とを行う制御手段と
   を有することを特徴とする充電装置。
2. 前記保護回路による過充電保護は、前記保護回路による過充電保護が解除されてから所定時間が経過した後に解除されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記保護回路による過充電保護は、前記電池パックの放電が所定時間行われた後に解除されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
4. 前記制御手段は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電が行われている場合に、前記電流検出手段によって検出された充電電流が前記第１の値未満となった場合には、前記電池パックの充電を終了する第４の充電制御処理を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の充電装置。
5. 直列に接続された複数の電池セルと、前記複数の電池セルを過充電から保護する保護回路と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、
   前記電池パックに対する充電電流を検出する電流検出ステップと、
   定電流充電期間後の定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が第１の値未満である場合であって前記第１の値よりも小さい第２の値以上である場合には、満充電と判定して前記電池パックの充電を終了する第１の充電制御ステップと、
   前記定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が前記第２の値未満である場合には、前記保護回路による過充電保護が行われていると判定し、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機する第２の充電制御ステップと、
   前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機した場合は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電を行う第３の充電制御ステップと
   を有することを特徴とする制御方法。
6. 直列に接続された複数の電池セルと、前記複数の電池セルを過充電から保護する保護回路とを有する電池パックを充電する充電装置を制御するためのプログラムであって、
   前記電池パックに対する充電電流を検出する電流検出ステップと、
   定電流充電期間後の定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が第１の値未満である場合であって前記第１の値よりも小さい第２の値以上である場合には、満充電と判定して前記電池パックの充電を終了する第１の充電制御ステップと、
   前記定電圧充電期間中に、前記電流検出ステップで検出された充電電流が前記第２の値未満である場合には、前記保護回路による過充電保護が行われていると判定し、前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機する第２の充電制御ステップと、
   前記保護回路による過充電保護が解除されるまで待機した場合は、前記定電流充電期間中の充電電流よりも低い充電電流で前記電池パックの定電流充電を行う第３の充電制御ステップと
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。