JP2010016944A - 充電電圧制御方法およびそれを用いる充電器ならびに過充電保護方法およびそれを用いる電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池の充電器において、より多くの電荷を注入可能とする。
【解決手段】定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電を行う充電器において、充電電圧Ｖｘは、電池工業会の推奨では、参照符号α１で示すように、４５℃までは４．２５Ｖ、それ以上となると４．１５Ｖ、さらに５０℃以上で４．１０Ｖとなっているのに対して、本実施の形態では、電池セルの温度をＴｘ、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度（＝前記４５℃）をＴｃｔｌ、温度Ｔｃｔｌにおいて電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、電池セルの放電終了電圧をＶｅとするとき、Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２から決定する。したがって、参照符号α２で示すようになり、斜線部分を余分に充電することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池セルを含む電池パックの充電電圧を制御するための方法およびそれを用いる充電器ならびに前記電池パックにおける過充電保護方法およびそれを用いる前記電池パックに関する。

二次電池は、日々改良が進み、単位体積や重量当りのエネルギー蓄積量が増加している。そして、そのようなエネルギー密度の高い電池を安全に使用するための指針として、非特許文献１がある。その非特許文献１は、リチウムイオン二次電池の充放電のプロファイルを定めたもので、充電時のプロファイルは、表１および図７で示すように規定されている。すなわち、Ｔ２＝１０℃からＴ３＝４５℃を標準温度域とし、その標準温度域での充電電圧は４．２５Ｖ、充電電流はメーカ毎に定められる所定値Ｉｃ、たとえば０．８Ｃなどである。これに対して、Ｔ１＝０℃からＴ２＝１０℃の低温域では、充電電圧は前記４．２５Ｖであるものの、充電電流はＩｃ／２の場合と、充電電圧を４．１０Ｖに下げる代りに、充電電流はＩｃのままである場合との何れかの選択となっている。また、前記温度Ｔ３を超える領域では、Ｔ４＝５０℃までは４．１５Ｖ、それを超えてＴ４’＝６０℃までは４．１０Ｖ、充電電流は共にＩｃのままとなっている。

「ノート型ＰＣにおけるリチウムイオン二次電池の安全利用に関する手引書」 平成１９年４月２０日 財団法人電子情報技術産業協会、財団法人電池工業会（ＢＡＪ）

ところが、前記非特許文献１による規格では、充電電圧の制御が粗いので、二次電池の容量を充分に活用できない虞があり、本願発明者の実験によれば、特に高温域で、より多くの電荷を注入可能であることが明らかになった。

本発明の目的は、より多くの電荷を注入することができる充電電圧制御方法およびそれを用いる充電器ならびに過充電保護方法およびそれを用いる電池パックを提供することである。

本発明の充電電圧制御方法は、電池セルの温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘで前記電池セルを充電する充電電圧制御方法において、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度を前記Ｔｘとするとき、Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２から、前記電圧Ｖｘを設定することを特徴とする。

また、本発明の充電器は、充電電流供給回路と、温度検出回路と、充電制御回路とを備え、前記温度検出回路によって検出された電池セルの温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘとなるように、前記充電制御回路が前記充電電流供給回路から出力される充電電圧を制御する充電器において、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える前記温度検出回路で検出された電池セルの現在の温度を前記Ｔｘとするとき、前記充電制御回路は、Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２から、前記電圧Ｖｘを設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電を行う充電器において、温度検出回路が、電池パック側からの電池セルの温度を表す信号または該充電器に設けられた温度センサの検出結果から、電池セルの温度Ｔｘを検出し、その検出結果に対応して、充電制御回路が充電電流供給回路を制御し、その温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘで前記電池セルを定電圧充電するにあたって、前記充電制御回路は、高温時における定電圧充電の充電電圧Ｖｘを、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度を前記Ｔｘとするとき、下式で決定する。

Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２
したがって、前記電池セルの温度のＴｘ上昇に伴って、定電圧充電の充電電圧Ｖｘを、段階的に、その段階毎に比較的大きく下げてゆくのではなく、微少電圧ずつ、電池セルの温度Ｔｘにきめ細かく対応して下げてゆくので、前記段階のレベルとの差分だけ、余分に充電することができる。

さらにまた、本発明の過充電保護方法は、予め定められる保護電圧Ｖｚで電池セルへの充電電流を遮断する過充電保護方法において、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、予め定めるマージンをα、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度をＴｘとするとき、Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋αから、前記保護電圧Ｖｚを設定することを特徴とする。

また、本発明の電池パックは、電池セルと、電圧検出回路と、スイッチ素子と、保護回路とを備え、前記電圧検出回路によって検出された前記電池セルの電圧が、予め定められる保護電圧Ｖｚを超えると、前記保護回路が、前記電池セルへの充電経路に介在された前記スイッチ素子を遮断させ、充電電流を遮断する過充電保護動作を行う電池パックにおいて、温度センサをさらに備え、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、予め定めるマージンをα、前記温度Ｔｃｔｌを超える前記温度センサで検出された電池セルの現在の温度をＴｘとするとき、前記保護回路は、Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋αから、前記保護電圧Ｖｚを設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、電圧検出回路によって検出された電池セルの電圧が、予め定められる保護電圧Ｖｚを超えると、保護回路が、前記電池セルへの充電経路に介在されたスイッチ素子を遮断させ、充電電流を遮断する過充電保護動作を行う電池パックにおいて、温度センサを設けるとともに、前記保護回路は、前記保護電圧Ｖｚを前記電池セルの温度Ｔｘに対応して変化するようにし、さらに高温時における前記保護電圧Ｖｚを、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、予め定めるマージンをα、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度を前記Ｔｘとするとき、下式で決定する。

Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋α
したがって、前記電池セルの温度Ｔｘの上昇に伴って、過充電保護電圧Ｖｚを微少電圧ずつ、きめ細かく下げてゆくので、安全を確保しつつ、その時点（温度Ｔｘ）で可能な限りの容量まで充電することができる。

さらにまた、本発明の充電器は、充電電流を検出する電流検出抵抗と、前記充電制御回路からの目標充電電流に対応したデータをデコードするカウンタと、前記カウンタのデコード値に対応した電圧を発生するデジタル／アナログ変換器とを備えて構成される可変電圧の第１の基準電圧源と、前記電流検出抵抗の検出電圧と前記第１の基準電圧源の第１の基準電圧とを比較する誤差増幅器とをさらに備え、前記充電制御回路は、定電圧充電時に、前記誤差増幅器からの出力に応答し、前記検出電圧が前記第１の基準電圧を超えると前記充電電流供給回路に所定値だけ充電電流を減少させることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電の定電圧充電の領域において、充電制御回路が、充電電流供給回路に、前記充電電圧Ｖｘを維持させながら、満充電に至るまで充電電流を減少させてゆく電流垂下制御を行うにあたって、電流検出抵抗で充電電流を検出し、その電流検出抵抗の検出電圧と、充電電流の制御目標値となる第１の基準電圧源の第１の基準電圧とを誤差増幅器で比較し、前記検出電圧が前記第１の基準電圧を超えると前記充電電流供給回路に所定値だけ充電電流を減少させ、さらに第１の基準電圧を減少させる動作を繰返すことで、前記電流垂下制御を行う。このような構成において、前記第１の基準電圧源を、前記充電制御回路からの目標充電電流に対応したデータをデコードするカウンタと、前記カウンタのデコード値に対応した電圧を発生するデジタル／アナログ変換器とによって構成する。

したがって、逐次減少が指示される充電電流の制御目標値を、簡単な構成で、精度良く設定することができる。

また、本発明の電池パックでは、前記電池セルは相互に直列に複数段設けられて組電池を形成し、前記保護回路は、各段に設けられ、前記保護電圧Ｖｚを設定する可変電圧の第２の基準電圧源およびその第２の基準電圧源からの第２の基準電圧と各段のセル電圧とを比較し、前記第２の基準電圧をセル電圧が超えていると過充電判定信号を出力する比較器と、前記各比較器の少なくとも１つから前記過充電判定信号が出力されると、前記スイッチ素子を遮断させる論理回路とを備えて構成され、さらに前記温度センサからの出力に応答して前記第２の基準電圧源における第２の基準電圧を変化させる保護電圧制御部を備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、電池セルが直列に複数段設けられて組電池を形成する場合に、過充電保護回路を、各段に設けられる第２の基準電圧源および比較器と、共通に設けられる論理回路との簡単な構成で実現することができる。

本発明の充電電圧制御方法および充電器は、以上のように、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電を行う充電器において、温度検出回路が、電池パック側からの電池セルの温度を表す信号または該充電器に設けられた温度センサの検出結果から、電池セルの温度Ｔｘを検出し、その検出結果に対応して、充電制御回路が充電電流供給回路を制御し、その温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘで前記電池セルを定電圧充電するにあたって、前記充電制御回路は、高温時における定電圧充電の充電電圧Ｖｘを、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度を前記Ｔｘとするとき、Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２から決定する。

それゆえ、前記電池セルの温度のＴｘ上昇に伴って、定電圧充電の充電電圧Ｖｘを、段階的に、その段階毎に比較的大きく下げてゆくのではなく、微少電圧ずつ、電池セルの温度Ｔｘにきめ細かく対応して下げてゆくので、前記段階のレベルとの差分だけ、余分に充電することができる。

さらにまた、本発明の過充電保護方法は、および電池パックは、以上のように、電圧検出回路によって検出された電池セルの電圧が、予め定められる保護電圧Ｖｚを超えると、保護回路が、前記電池セルへの充電経路に介在されたスイッチ素子を遮断させ、充電電流を遮断する過充電保護動作を行う電池パックにおいて、温度センサを設けるとともに、前記保護回路は、前記保護電圧Ｖｚを前記電池セルの温度Ｔｘに対応して変化するようにし、さらに高温時における前記保護電圧Ｖｚを、高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、予め定めるマージンをα、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度を前記Ｔｘとするとき、Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋αから決定する。

それゆえ、前記電池セルの温度Ｔｘの上昇に伴って、過充電保護電圧Ｖｚを微少電圧ずつ、きめ細かく下げてゆくので、安全を確保しつつ、その時点（温度Ｔｘ）で可能な限りの容量まで充電することができる。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る充電システム１のブロック図である。この充電システム１は、電池パック２と充電器３とを備えて構成される。電池パック２は、この図１で示すように、直接充電器３から充電される構成に限らず、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電池駆動機器に内装された状態で充電されてもよい。これらの電池パック２と充電器３とは、接続端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を介して接続される。

電池パック２は、二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３が直列に接続されて成る組電池Ｂと、充放電を制御する制御ＩＣ１１と、前記制御ＩＣ１１からの制御出力に応答して保護動作を行うスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２と、温度センサ１２，１３とを備えて構成される。前記温度センサ１２，１３は、組電池Ｂ（二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３毎に設けられてもよい）に密着してその温度を検出するもので、サーミスタなどから成り、温度センサ１２は制御ＩＣ１１に内蔵されてもよい。

前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３は、前記非特許文献１の対象となるリチウムイオン二次電池である。二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３は、それぞれ複数の二次電池セルが並列に接続されたものでもよい。また、直列段数も、３段に限らない。前記組電池Ｂは、前記接続端子Ｔ１，Ｔ３を介して充電器２から与えられる充電電流で充電され、その充放電の経路には、直列に、過放電防止用のスイッチ素子Ｑ１と、過充電防止用のスイッチ素子Ｑ２とが介在される。

前記制御ＩＣ１１は、分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３；Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３；Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３と、基準電圧源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３と、比較器ＣＰ１１，ＣＰ１２；ＣＰ２１，ＣＰ２２；ＣＰ３１，ＣＰ３２と、ＮＡＮＤゲートＧ１，Ｇ２とを備えて構成される。前記各二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３のセル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３は、制御ＩＣ１１内に取込まれ、分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３；Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３；Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３によって分圧される。

分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２；Ｒ２１，Ｒ２２；Ｒ３１，Ｒ３２間のハイ側の分圧電圧Ｖ１１，Ｖ２１，Ｖ３１は、過放電検出用の比較器ＣＰ１１，ＣＰ２１，ＣＰ３１の一方の入力端に入力され、他方の入力端に入力される第２の基準電圧である基準電圧源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３からの基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３と比較される。その比較結果は、ＮＡＮＤゲートＧ１に与えられ、したがってこのＮＡＮＤゲートＧ１は、前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３のセル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３の分圧電圧Ｖ１１，Ｖ２１，Ｖ３１の少なくとも１つが、基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３より低下すると、過放電状態と判断し、ｐチャネルＦＥＴから成る前記スイッチ素子Ｑ１を遮断させる。

同様に、分圧抵抗Ｒ１２，Ｒ１３；Ｒ２２，Ｒ２３；Ｒ３２，Ｒ３３間のロー側の分圧電圧Ｖ１２，Ｖ２２，Ｖ３２は、過充電検出用の比較器ＣＰ１２，ＣＰ２２，ＣＰ３２の一方の入力端に入力され、他方の入力端に入力される前記基準電圧源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３からの基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３と比較される。その比較結果は、ＮＡＮＤゲートＧ２に与えられ、したがってこのＮＡＮＤゲートＧ２は、前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３のセル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３の分圧電圧Ｖ１２，Ｖ２２，Ｖ３２の少なくとも１つが、基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３より低下すると、過充電状態と判断し、ｐチャネルＦＥＴから成る前記スイッチ素子Ｑ２を遮断させる。

たとえば、前記分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１を１２８４ｋΩ、分圧抵抗Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ３２を１１４０ｋΩ、分圧抵抗Ｒ１３，Ｒ２３，Ｒ３３を１０００ｋΩに設定し、前記基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３を１．２５Ｖに設定すると、前記分圧電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３が前記基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３の１．２５Ｖになるのは、セル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３が、１．２５×３４２４／２１４０＝２Ｖとのときである。すなわち、セル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３が２Ｖを超えて低下した場合は、比較器ＣＰ１１，ＣＰ２１，ＣＰ３１は過放電と判定し、ＮＡＮＤゲートＧ１を介してスイッチ素子Ｑ１を遮断させる。

同様の設定では、前記分圧電圧Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３が前記基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３の１．２５Ｖになるのは、セル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３が、１．２５×３４２４／１０４０＝４．２８Ｖとのときである。すなわち、セル電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３が、過充電の保護電圧Ｖｚである４．２８Ｖを超えて上昇した場合は、比較器ＣＰ１２，ＣＰ２２，ＣＰ３２は、過充電になったと判定し、ＮＡＮＤゲートＧ２を介してスイッチ素子Ｑ２を遮断させる。

一方、充電器３は、直流電源回路２１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２と、充電制御回路２３と、バイアス電源Ｅ０１およびバイアス抵抗ＲＢと、電流検出抵抗ＲＳと、基準電圧源Ｅ０２，Ｅ０３と、誤差増幅器（エラーアンプ）ＣＰ０１，ＣＰ０２とを備えて構成される。

前記直流電源回路２１は、商用交流などから直流電圧を発生させるもので、発生された電圧は、昇圧または降圧のＤＣ−ＤＣコンバータ２２によって、後述する所定の充電電圧Ｖｘで、所定の充電電流に変換されて、前記接続端子Ｔ１，Ｔ３から組電池Ｂへ与えられる。これらの直流電源回路２１およびＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、充電電流供給回路
を構成する。

前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、前記直流電源回路２１の出力端間に直列に接続されるスイッチング素子Ｑ１１、インダクタＬ１および平滑コンデンサＣ１と、前記インダクタＬ１および平滑コンデンサＣ１と並列に接続されるダイオードＤ１と、ＰＷＭ制御回路２４とを備えて構成される。そして、前記充電制御回路２３からの制御出力に応答した周波数およびデューティでＰＷＭ制御回路２４がスイッチング素子Ｑ１１をスイッチングさせることで、平滑コンデンサＣ１から前記接続端子Ｔ１，Ｔ３間には、所定の充電電圧Ｖｘで、所定の充電電流が供給される。

その接続端子Ｔ１，Ｔ３間の電圧Ｖｘは、誤差増幅器ＣＰ０１に取込まれ、この誤差増幅器ＣＰ０１は、前記電圧Ｖｘと基準電圧源Ｅ０２からの基準電圧Ｖｒｅｆ０１とを比較し、それらの差に対応した出力を前記充電制御回路２３に与えることで、充電制御回路２３は充電電圧Ｖｘを検知する。また、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２２から電池パック２へ流れる充電電流は、電流検出抵抗ＲＳによって電圧変換され、誤差増幅器ＣＰ０２において、第１の基準電圧源である基準電圧源Ｅ０３からの基準電圧Ｖｒｅｆ０２と比較され、それらの差に対応した出力が前記充電制御回路２３に与えられることで、充電制御回路２３は前記充電電流を所定の値に保持する。

さらにまた、前記接続端子Ｔ２には、バイアス電源Ｅ０１からバイアス抵抗ＲＢを介してバイアス電圧が与えられており、電池パック２側では、この接続端子Ｔ２とＧＮＤ側の接続端子Ｔ３との間には温度センサ１３が接続される。したがって、前記接続端子Ｔ２には、前記バイアス電圧をバイアス抵抗ＲＢと温度センサ１３とで分圧した電圧が現れ、充電制御回路２３は、その分圧電圧から組電池Ｂ（二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３）の温度を検出する。前記バイアス電源Ｅ０１、バイアス抵抗ＲＢおよび温度センサ１３は、温度検出回路を構成するが、温度センサ１３は充電器３側に設けられてもよく、また制御ＩＣ１１に接続される温度センサ１２の検出結果を、通信によって得るようにしてもよい。

上述のように構成される充電システムにおいて、注目すべきは、本実施の形態では、充電制御回路２３は、定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電を行うにあたって、定電圧充電時には、前記温度センサ１３によって検出された組電池Ｂの温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘとなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２２から出力される充電電圧Ｖｘを制御し、その際、高温であるときには、前記非特許文献１とは異なり、下式に従って前記充電電圧Ｖｘを決定することである。すなわち、充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３が許容できる最大充電電圧（前記非特許文献１で定めるところの上限充電電圧に相当するセル当りに可能な充電電圧の上限値）をＶｃｔｌ、前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３が安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３の放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える温度であって、前記温度センサ１３で検出された二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３の現在の温度を前記Ｔｘとするとき、充電プロファイルを電熱工学的に計算して、
Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２ ・・・（１）
から、前記電圧Ｖｘを設定する。前記温度Ｔｃｔｌは、前記非特許文献１では、４５℃である。

以下に、式１の求め方を説明する。先ず、前記二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３の容量をＣ、前記温度Ｔｃｔｌ，Ｔｘにおけるセルの電圧をＶｃｔｌ，Ｖｘとすると、セルの有するエネルギーＥｃｔｌ，Ｅｘは、
Ｅｃｔｌ＝（１／２）・Ｃ・Ｖｃｔｌ^２−（１／２）・Ｃ・Ｖｅ^２・・・（２）
Ｅｘ＝（１／２）・Ｃ・Ｖｘ^２−（１／２）・Ｃ・Ｖｅ^２ ・・・（３）
から求められる。

したがって、前記温度Ｔｃｔｌ，Ｔｘにおけるセルのエネルギー比は、
Ｅｘ／Ｅｃｔｌ＝［（１／２）・Ｃ・Ｖｘ^２−（１／２）・Ｃ・Ｖｅ^２］
／［（１／２）・Ｃ・Ｖｃｔｌ^２−（１／２）・Ｃ・Ｖｅ^２］・・（４）
となり、さらに、
Ｅｘ／Ｅｃｔｌ＝［Ｖｘ^２−Ｖｅ^２］／［Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２］ ・・・（５）
となる。

一方、前記式４から、
Ｃ・Ｖｘ^２−Ｃ・Ｖｅ^２＝Ｅｘ・（Ｃ・Ｖｃｔｌ^２−Ｃ・Ｖｅ^２）／Ｅｃｔｌ・（６）
であり、したがって、
Ｖｘ^２＝［Ｅｘ・（Ｃ・Ｖｃｔｌ^２−Ｃ・Ｖｅ^２）／Ｅｃｔｌ・Ｃ］＋Ｖｅ^２・（７）
となる。ここで、温度上昇ΔＴはセルの電気的エネルギーにほぼ比例し、前記最高温度をＴｌｉｍとすると、前記式７を前記式１とすることができる。

なお、単電池の内部短絡時の等価回路を示すと、図２（ａ）のようになり、そのときの熱回路のモデルを示すと図２（ｂ）のようになる。Ｒｑはその内部短絡を起こした異物の電気抵抗によって発生する熱起電力であり、ＣＴは電池の熱容量であり、Ｒは電池の放熱抵抗である。そこで、前記温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝Ｒｑ（１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ・ＣＴ）） ・・・（８）
と表すことができ、展開すると、
ΔＴ＝Ｒ・Ｉ^２・ｒ（１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ・ＣＴ））
＝Ｒ・Ｐ・（１−ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ・ＣＴ）） ・・・（９）
となる。

ここで、Ｐは、セルの内部短絡で発生する電力で、単位時間当りに発生するエネルギーであり、その大きさはセルに充電されたエネルギーＥが源となるので、前記のように温度上昇ΔＴはセルの電気的エネルギーにほぼ比例することになる。したがって、電池の限界温度Ｔｌｉｍは材料によって上下するが、セルの内部で短絡した場合は、短絡によって発生する抵抗が発熱体（前記Ｒｑ）となり、電池自身を過熱してその電池に蓄えられたエネルギーが熱に変わり、その最終到達温度が電池材料で決まる限界温度を超えない範囲で、充電エネルギーをコントロールできればよく、現在の温度Ｔｘから、前記温度上昇ΔＴが生じても、前記限界温度Ｔｌｉｍ内であれば安全を確保することができ、前記式１での充電が可能となる。

ここで、リチウムイオン電池の形状としては、円筒形、角形、ラミネート（ポリマー）形のものがあり、正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に巻回した極板群を電池ケースに挿入し、非水電解液を注液後、封口することにより製造されている。正極の活物質としては、コバルト酸リチウム、コバルト酸リチウムの変性体、ニッケル酸リチウム、ニッケル酸リチウムの変性体、マンガン酸リチウム、マンガン酸リチウムの変性体などが好ましい。各変性体には、アルミニウム、マグネシウムなどの元素を含むものを用いることができ、コバルト、ニッケルおよびマンガンの少なくとも２種を含むものも用いることができる。一方、負極の活物質としては、各種天然黒鉛、各種人造黒鉛、シリサイドなどのシリコン含有複合材料、各種合金材料を用いることができる。

また、非水電解液には、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）などの各種リチウム塩を溶質として用いることができる。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどを用いることが好ましいが、これらに限定されない。非水溶媒は、１種を単独で用いることもできるが、２種以上を組み合わせて用いることが好ましい。また、添加剤としては、ビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ジフェニルエーテルなどを用いることもできる。

このような１個または複数個のリチウムイオン電池と保護回路とを樹脂ケースに入れたものが電池パックであり、前記リチウム塩からなる溶質が正負極間を移動することにより、充放電されるメカニズムである為に、正負極材料や形状の違が異なっている場合であっても、前記式を適用することができる。

図３および図４は、本願発明者による充電プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。共に前記温度Ｔｃｔｌ＝４５℃以上をシミュレーションしたものであり、前記４５℃までは、前記非特許文献１の一例に従っている。図３は前記最高温度Ｔｌｉｍを１５０℃とした場合であり、図４は前記最高温度Ｔｌｉｍを１８０℃とした場合である。参照符号α１が前記非特許文献に従う充電プロファイルであり、参照符号α２，α３が本願発明に従う充電プロファイルである。

また、図５は、前記式１による電熱光学計算による充電温度Ｔｘおよび電圧Ｖｘと電池エネルギーとの関係を示すグラフである。それによると、前記充電電圧の抑制を開始すべき温度Ｔｃｔｌ＝４５℃で、既に充電電圧Ｖｘを増やしてもその容量は変らなくなり、この時点での容量を１００％とすると、５０℃で約９５％、６０℃で約８６％となっている。一方、２５℃では、充電電圧Ｖｘを増やす程に容量が増加し、４．２５Ｖで１００％となっている。また、電気工学・電熱工学的に数値計算するために、電池に充電されるエネルギーについて、電池をコンデンサに置き換えてシュミレーションした場合も、前記２５℃のデータに近くなる。そして、前記非特許文献１では、矢符Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で示すように各温度での充電電圧が定められるのに対して、本実施の形態では、矢符Ｆ１，Ｆ２’，Ｆ３で示すように充電電圧が定められることになる。

こうして、充電制御回路２３が、二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３の温度Ｔｘの上昇に伴って、定電圧充電の充電電圧Ｖｘを、微少電圧ずつ、前記温度Ｔｘにきめ細かく対応して下げてゆくことで、非特許文献１による段階的に低下させるのに比べて、その差分（図３および図４において斜線を施して示す領域および図５においてＦ２’−Ｆ２）だけ、余分に充電することができるようになる。

また、注目すべきは、電池パック２側でも、制御ＩＣ１１が、前記比較器ＣＰ１２，ＣＰ２２，ＣＰ３２およびＮＡＮＤゲートＧ２を使用して過充電保護動作を行うにあたって、前記温度センサ１２に保護電圧制御部１３が設けられるとともに、前記基準電圧源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が可変電圧となっていることである。そして、保護電圧制御部１３は、下式に従って過充電の保護電圧Ｖｚを決定する。

Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋α ・・・（１０）
すなわち、前記式１が充電電圧Ｖｘであるのに対して、上記保護電圧Ｖｚはマージンαを加えた電圧となる。前記マージンαは、たとえば０．２５Ｖである。前記マージンα以外の求め方は先述の通りである。保護電圧制御部１３は決定した保護電圧Ｖｚとなるように、前記基準電圧源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３による基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３を変化する。なお、過充電判定レベルである前記基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３を変化させてしまうと、過放電判定レベルも２Ｖから変化するが、充電と放電とは別動作であり、前記保護電圧制御部１３は、充電時にだけ基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３を変化させるようにすればよい。或いは、放電時にも、温度に応じた適切な過放電判定レベルとなるように基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２，Ｖｒｅｆ３を変化させるようにしてもよい。さらにまた、前記基準電圧源Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を充電と放電とで共用しているけれども、個別に設けられてもよい。

このように構成することで、前記保護電圧制御部１３が、二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３の温度Ｔｘの上昇に伴って、過充電保護電圧Ｖｚを微少電圧ずつ、きめ細かく下げてゆくので、安全を確保しつつ、その時点（温度Ｔｘ）で可能な限りの容量まで充電することができる。

また、注目すべきは、充電器３において、充電電流制御の基準となる基準電圧Ｖｒｅｆ０２を作成する基準電圧源Ｅ０３が、前記充電制御回路２３からの目標充電電流に対応したデータをデコードするカウンタ２５と、前記カウンタ２５のデコード値に対応した電圧を発生するデジタル／アナログ変換器２６とを備えて構成され、前記基準電圧Ｖｒｅｆ０２を可変電圧で出力することである。前記デジタル／アナログ変換器２６は、電源Ｅ０４からの電源電圧で動作する。

前記定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電の定電圧充電の領域において、前記充電制御回路２３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に、前記充電電圧Ｖｘを維持させながら、満充電に至るまで充電電流を減少させてゆく電流垂下制御を行うにあたって、電流検出抵抗ＲＳで充電電流を検出し、その電流検出抵抗ＲＳの検出電圧と、充電電流の制御目標値となる基準電圧Ｖｒｅｆ０２とを誤差増幅器ＣＰ０２で比較し、前記検出電圧が前記基準電圧Ｖｒｅｆ０２を超えると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に所定値だけ充電電流を減少させ、さらに前記基準電圧Ｖｒｅｆ０２を減少させる動作を繰返すことで、前記電流垂下制御を行う。このような構成において、前記のように基準電圧源Ｅ０３をカウンタ２５とデジタル／アナログ変換器２６とによって構成することで、逐次減少が指示される充電電流の制御目標値を、簡単な構成で、精度良く設定することができる。

［実施の形態２］
図６は、本発明の実施の第２の形態に係る充電システム１ａのブロック図である。この充電システム１ａは、前述の図１で示す充電システム１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この充電システム１ａでは、電池パック２ａおよび充電器３ａに、非正規品或いは非適合品を排除するためのＩＤ認証チップ１９，２９が搭載されていることである。そして、ＩＤ認証チップ１９，２９は、前記接続端子Ｔ２，Ｔ３を介して通信を行い、充電器３ａ側のＩＤ認証チップ２９で電池パック２ａに対する認証が行えない場合は、充電制御回路２３ａに充電動作を行わせず、または電池パック２ａ側のＩＤ認証チップ１９で充電器３ａに対する認証が行えない場合は、スイッチ素子Ｑ２を遮断させて充電動作を行わせず、或いはＩＤ認証チップ１９，２９間で相互認証を行い、前記の動作を共に行ってもよい。

このように構成される充電システム１ａにおいて、電池パック２ａ側のＩＤ認証チップ１９は、認証動作を行う認証部１９ａとともに、前記温度センサ１２および保護電圧制御部１３ａを備えて構成される。このため、制御ＩＣ１１ａには、前記保護電圧制御部１３が設けられていない。また、充電器３ａ側の充電制御回路２３ａは、前記ＩＤ認証チップ１９，２９間の通信によって前記組電池Ｂの温度Ｔｘを取得する。

このように構成することで、ＩＤ認証チップ１９は、ＩＤ認証とともに、自身の二次電池セルＢ１，Ｂ２，Ｂ３に推奨する充電条件および温度プロファイルで充電を行うことができる。

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、等の電池搭載装置として使用される充電システムとして好適に利用することができる。

本発明の実施の第１の形態に係る充電システムのブロック図である。 単電池の内部短絡時の等価回路図および熱回路のモデルを示す図である。 本願発明者による充電プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。 本願発明者による充電プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施の形態の電熱光学計算による充電温度および電圧と電池エネルギーとの関係を示すグラフである。 本発明の実施の第２の形態に係る充電システムのブロック図である。 背景技術に係る充電プロファイルのグラフである。

符号の説明

１，１ａ 充電システム
２，２ａ 電池パック
３，３ａ 充電器
１１，１１ａ 制御ＩＣ
１２，１３ 温度センサ
１９，２９ＩＤ認証チップ
１９ａ 認証部
２１ 直流電源回路
２２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２３，２３ａ 充電制御回路
２５ カウンタ
２６ デジタル／アナログ変換器
Ｂ 組電池
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ 二次電池セル
ＣＰ０１，ＣＰ０２ 誤差増幅器
ＣＰ１１，ＣＰ１２；ＣＰ２１，ＣＰ２２；ＣＰ３１，ＣＰ３２ 比較器
Ｅ０１ バイアス電源
Ｅ０２，Ｅ０３ 基準電圧源
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３ 基準電圧源
Ｇ１，Ｇ２ ＮＡＮＤゲート
Ｑ１，Ｑ２ スイッチ素子
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３；Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３；Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３ 分圧抵抗
ＲＢ バイアス抵抗
ＲＳ 電流検出抵抗
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ 接続端子

Claims (6)

1. 電池セルの温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘで前記電池セルを充電する充電電圧制御方法において、
   高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度を前記Ｔｘとするとき、
   Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
   ・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２
   から、前記電圧Ｖｘを設定することを特徴とする充電電圧制御方法。
2. 予め定められる保護電圧Ｖｚで電池セルへの充電電流を遮断する過充電保護方法において、
   高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、予め定めるマージンをα、前記温度Ｔｃｔｌを超える現在の電池セルの温度をＴｘとするとき、
   Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
   ・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋α
   から、前記保護電圧Ｖｚを設定することを特徴とする過充電保護方法。
3. 充電電流供給回路と、温度検出回路と、充電制御回路とを備え、前記温度検出回路によって検出された電池セルの温度Ｔｘに対応した電圧Ｖｘとなるように、前記充電制御回路が前記充電電流供給回路から出力される充電電圧を制御する充電器において、
   高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、前記温度Ｔｃｔｌを超える前記温度検出回路で検出された電池セルの現在の温度を前記Ｔｘとするとき、前記充電制御回路は、
   Ｖｘ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
   ・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２
   から、前記電圧Ｖｘを設定することを特徴とする充電器。
4. 充電電流を検出する電流検出抵抗と、
   前記充電制御回路からの目標充電電流に対応したデータをデコードするカウンタと、前記カウンタのデコード値に対応した電圧を発生するデジタル／アナログ変換器とを備えて構成される可変電圧の第１の基準電圧源と、
   前記電流検出抵抗の検出電圧と前記第１の基準電圧源の第１の基準電圧とを比較する誤差増幅器とをさらに備え、
   前記充電制御回路は、定電圧充電時に、前記誤差増幅器からの出力に応答し、前記検出電圧が前記第１の基準電圧を超えると前記充電電流供給回路に所定値だけ充電電流を減少させることを特徴とする請求項３記載の充電器。
5. 電池セルと、電圧検出回路と、スイッチ素子と、保護回路とを備え、前記電圧検出回路によって検出された前記電池セルの電圧が、予め定められる保護電圧Ｖｚを超えると、前記保護回路が、前記電池セルへの充電経路に介在された前記スイッチ素子を遮断させ、充電電流を遮断する過充電保護動作を行う電池パックにおいて、
   温度センサをさらに備え、
   高温のために充電電圧の抑制を開始すべき温度をＴｃｔｌ、その温度Ｔｃｔｌにおいて前記電池セルが許容できる最大充電電圧をＶｃｔｌ、前記電池セルが安全上許容できる最高温度をＴｌｉｍ、前記電池セルの放電終了電圧をＶｅ、予め定めるマージンをα、前記温度Ｔｃｔｌを超える前記温度センサで検出された電池セルの現在の温度をＴｘとするとき、前記保護回路は、
   Ｖｚ＝｛［（Ｔｌｉｍ−Ｔｘ）／（Ｔｌｉｍ−Ｔｃｔｌ）］
   ・（Ｖｃｔｌ^２−Ｖｅ^２）＋Ｖｅ^２｝^１／２＋α
   から、前記保護電圧Ｖｚを設定することを特徴とする電池パック。
6. 前記電池セルは相互に直列に複数段設けられて組電池を形成し、
   前記保護回路は、各段に設けられ、前記保護電圧Ｖｚを設定する可変電圧の第２の基準電圧源およびその第２の基準電圧源からの第２の基準電圧と各段のセル電圧とを比較し、前記第２の基準電圧をセル電圧が超えていると過充電判定信号を出力する比較器と、前記各比較器の少なくとも１つから前記過充電判定信号が出力されると、前記スイッチ素子を遮断させる論理回路とを備えて構成され、
   さらに前記温度センサからの出力に応答して前記第２の基準電圧源における第２の基準電圧を変化させる保護電圧制御部を備えることを特徴とする請求項５記載の電池パック。

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