JP5322395B2 - 組電池の充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のリチウムイオン二次電池を直列に接続している組電池を充電する方法に関し、とくに、特定の電池電圧が高くなると、この電池を保護しながら充電する充電方法に関する。

リチウムイオン二次電池の組電池は、出力電圧を高くするために複数の電池を直列に接続している。この組電池は、電池電圧が設定電圧に上昇するまで定電流充電され、その後、電池の電圧が上昇しないように定電圧充電して満充電される。充電される組電池は、電池を直列に接続しているので、全ての電池に同じ充電電流が流れる。直列に接続される全ての電池の電気特性が同一であれば、全ての電池は同じように電圧が上昇する。しかしながら、充放電を繰り返して電池が劣化するにしたがって、各々の電池の電気特性はアンバランスになる。全ての電池が全く同じ状態では劣化しないからである。アンバランスな電池は、同じ電流で充電されても、電圧に差ができる。とくに、劣化した電池は電圧が高くなる。ところで、組電池は、トータル電圧を検出して、定電流充電から定電圧充電に切り換えて満充電される。トータル電圧で充電をコントロールしながら組電池を充電する方法は、特定の電池電圧が高く、他の電池電圧が低い状態を判別しない。このため、特定の電池電圧が高くなって、この電池に悪い影響を与えることがある。この欠点を解消するために、従来の充電方法は、充電される各々の電池電圧を検出し、いずれかの電池電圧が最高電圧を超えると充電を停止している。この方法は、全ての電池電圧が最高電圧を超えることがない。ただ、この充電方法によると、ひとつの電池電圧が高くなると充電が停止されることから、電池がアンバランスになると、組電池を充電できる容量が小さくなる（電池がアンバランスになると、組電池を充電できる容量が小さくなる欠点）。この欠点を解消するために、直列に接続している各々の電池を独立して満充電する充電方法が開発されている。（特許文献１参照）
特開２００３−１５７９０８号公報

特許文献１は、組電池を第１の充電装置と、第２の充電装置で充電する。第１の充電装置は、直列に接続しているいずれかの電池が満充電されるまで組電池を定電流・定電圧充電する。第１の充電装置は、最初に満充電される電池のみを満充電して充電を停止するので、他の電池は満充電されない状態で充電が停止される。その後、組電池は、第２の充電装置で充電される。第２の充電装置は、直列に接続している全ての電池に同じ充電電流を流して充電するのではなく、各々の電池を順番に切り換えて単独で満充電する。

この充電方法は、各々の電池を別々に充電して満充電するので、電池がアンバランスになっても、それぞれの電池を満充電できる。したがって、電池を直列に接続している組電池を最大容量まで充電できる。ただ、この充電方法は、各々の電池を順番に切り換えて単独に充電するので、充電回路が極めて複雑になる欠点がある。
また、上述の、電池がアンバランスになると組電池を充電できる容量が小さくなる欠点については、充電される各々の電池電圧を検出し、いずれかの電池電圧が最高電圧を超えると充電を停止する従来の方法において、設定される最高電圧を高く設定することができる。しかしながら、最高電圧を高く設定すると、電池に悪影響を与えることになる。

本発明は、さらにこれらの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、簡単な充電回路を使用しながら、直列に接続している電池がアンバランスな状態となる組電池を、劣化した電池に与える悪影響を少なくしながら、できる限り大容量に充電できる組電池の充電方法を提供することにある。

本発明の組電池の充電方法は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
組電池の充電方法は、複数のリチウムイオン二次電池を直列に接続している組電池を定電流・定電圧充電して満充電する。充電方法は、組電池のトータル電圧がトータル設定電圧に上昇するまでは定電流充電し、トータル電圧がトータル設定電圧に上昇した後は、定電流充電を定電圧充電に切り換えて満充電されるまで充電する。さらに、充電方法は、充電される各々の電池電圧を検出し、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えた後、パルス充電に切り換えて充電する。

本発明の充電方法は、パルス充電において、いずれかの電池電圧が、第１の設定電圧を超えた状態を第１の設定時間経過すると充電を停止し、すべての電池電圧が、第１の設定電圧を下回ると充電を再開して充電し その後、第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧を超えた状態を第２の設定時間経過すると充電を停止し、すべての電池電圧が、第１の設定電圧を下回る状態を第３の設定時間経過すると充電を再開する。

本発明の請求項３の充電方法は、請求項１の構成に加えて、パルス充電において、いずれかの電池電圧が、第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧を超えると、電池をパルス充電するデューティーを小さくし、またはパルス充電する周波数を大きくする。

本発明の請求項４の充電方法は、請求項１の構成に加えて、パルス充電において、各々の電池電圧の差が第３の設定電圧より大きくなると、電池をパルス充電するデューティーを小さくし、またはパルス充電する周波数を大きくする。

本発明の請求項５の充電方法は、請求項１の構成に加えて、第１の設定電圧を３．９Ｖ〜４．４Ｖとしている。

本発明の請求項６の充電方法は、第１の設定電圧を３．９Ｖ〜４．４Ｖ、第１の設定時間を２０秒〜８０秒、第２の設定時間を５０ｍ秒〜２５０ｍ秒、第３の設定時間を０．５秒〜２秒としている。

本発明の請求項８の充電方法は、請求項４の構成に加えて、第３の設定電圧を０．０３〜０．３０Ｖとしている。

本発明の充電方法は、簡単な充電回路を使用しながら、複数の電池を直列に接続している組電池を、電池がアンバランスな状態となる状態においても、劣化した電池の悪影響を少なくしながら充電容量を大きくできる特徴がある。それは、本発明の充電方法が、組電池を定電流、定電圧充電することに加えて、充電される各々の電池電圧を検出し、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えた後、パルス充電に切り換えて充電するからである。パルス充電は、連続して電池を充電しないことから、充電される電池の電圧上昇を小さくできる。このため、いずれかの電池が劣化して、劣化した電池の充電電圧が高くなった状態にあっては、電池の電圧上昇を制限しなが充電できる。したがって、電池の電気特性がアンバランスになって、充電電圧がアンバランスになる組電池にあっては、劣化した電池の電圧上昇を制限しながら、さらに充電できる。このため、劣化した電池に与える悪い影響を少なくしながら、組電池を最大限に利用できるように充電容量を大きくできる。

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組電池の充電方法を例示するものであって、本発明は充電方法を以下の方法には特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１の組電池１は、複数のリチウムイオン二次電池２を直列に接続している。この組電池１は、定電圧・定電流電源３で充電される。定電圧・定電流電源３は、出力電圧を最高電圧以下に制限し、かつ出力電流を最大電流以下に制限して組電池１を充電する。放電された組電池１は、トータルの出力電圧が低下している。この組電池１が定電圧・定電流電源３で充電されると、組電池１のトータル電圧が定電圧・定電流電源３の最高電圧よりも低いので、電圧は制限されず、出力電流を最大電流に制限して、一定の電流で定電流充電される。充電されるにしたがって組電池１のトータル電圧は上昇する。組電池１のトータル電圧が定電圧・定電流電源３の最高電圧まで上昇すると、最高電圧に制限され、定電圧充電される。したがって、組電池１は、定電圧・定電流電源３によって、最初は定電流充電され、トータル電圧が最高電圧になると、この電圧で定電圧充電される。

定電圧・定電流電源３のトータル電圧は、接続する電池の直列数×４．２０Ｖ（所望定電圧）に設定される。したがって、３個のリチウムイオン二次電池２を直列に接続している組電池１は、定電圧充電するトータル電圧（＝トータル所望電圧）を１２．６０Ｖに設定する。このトータル電圧を高くして、組電池１の充電容量を大きくできる。ただ、トータル電圧を高くすると電池の劣化が大きくなるので、電池の劣化と充電容量を考慮して最適値に設定される。また、トータル電圧は、リチウムイオン二次電池２のタイプ、たとえば電極材料なども考慮して最適値に設定される。

さらに、定電圧・定電流電源３が組電池１を定電流充電する電流値を大きくして、組電池１の充電時間を短縮できる。ただ、充電電流を大きくすると、電池に与える影響が大きなって、劣化しやすくなる。したがって、定電流充電の電流値は、電池の寿命と充電時間を考慮して最適値に設定される。

さらに、定電圧・定電流電源３は、組電池１の充電電流を検出して満充電を判定する満充電検出回路（図示せず）を備える。この満充電検出回路は、充電する組電池１の充電電流の平均値を検出して、満充電を判定する。リチウムイオン二次電池２を直列に接続している組電池１は、最後の定電圧充電において、満充電になるにしたがって充電電流が減少する。したがって、満充電検出回路は、充電している組電池１の充電電流の平均値が満充電電流よりも小さくなると、満充電されたと判定して、充電を停止する。本発明の充電方法は、電池がアンバランスになるとパルス充電するので、満充電検出回路は、パルス充電における平均電流を検出して、組電池１の満充電を判定する。

直列に接続している全ての電池の特性が均一でアンバランスがなく、あるいはアンバランスが小さいとき、組電池１は、定電圧・定電流電源３で満充電される。しかしながら、組電池１は、充放電を繰り返すにしたがって、各々の電池の電気特性がアンバランスになる。たとえば、充放電を１００サイクル繰り返すことで、組電池１は電池の電気特性にアンバランスが発生する。

図１の充電回路は、各々の電池電圧を検出して、充電をコントロールする制御回路４と、この制御回路４でオンオフに切り換えられるスイッチング素子５を備えている。制御回路４は、直列に接続している各々の電池電圧を検出する電圧検出回路６と、この電圧検出回路６の出力でスイッチング素子５をオンオフに切り換えて、パルス充電する制御部７とを備える。

制御部７は、図２に示すように、電圧検出回路６から入力される各々の電池電圧を、あらかじめ記憶している第１の設定電圧に比較し、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧よりも高くなるとパルス充電制御を開始する。なお、この図において、曲線Ａは電圧上昇の大きい高電圧電池の電圧特性を示し、曲線Ｂは電圧上昇が正常である他の低電圧電池の電圧特性を示している。図１のように、電池２を３個利用するとき、電圧上昇の大きい電池２は、曲線Ａの特性を示し、他の２つの電池２の特性は、曲線Ｂの特性を示す。このパルス充電制御は、図３に示すように、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えると、制御部７が電圧超過時間のカウントを開始し、この電圧超過時間が第１の設定時間（ｔ1）を経過するとスイッチング素子５をオフに切り換え、その後、すべての電池電圧が第１の設定電圧を下回ると、制御部７が電圧低下時間のカウントを開始し、この電圧低下時間が第３の設定時間（ｔ3）を経過するとスイッチング素子５をオフからオンに切り換える制御をして組電池１をパルス充電する。第１の設定電圧は、例えば４．２０Ｖに設定し、電圧が低い領域での制御の煩雑さを防ぎ制御部での電流消費を抑えている。ただし、この第１の設定電圧は、３．９Ｖ〜４．４Ｖとすることもできる。さらに、第１の設定電圧は、電池電圧を検出するタイミングで、一時的に電池の充電を停止して電池電圧を検出する方法（＝電池の開放電圧（ＯＣＶ）を測定する方法）にあっては、以上の電圧よりも低く、たとえば、０．１Ｖ〜０．３Ｖ低く設定することもできる。また、第１の設定時間（ｔ1）は、０秒〜１８０秒とすることができ、とくに、後述する第２の設定電圧を用いない場合は、好ましくは０．５秒〜１０秒、第２の設定電圧を用いる場合は、好ましくは２０秒〜８０秒、約６０秒程度とすることができる。ここで、第１の設定時間（ｔ1）を０秒（ここで０秒とは、後述する第２の設定電圧を超える状態でパルス充電することになる。）にするとは、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えると、制御部７が直ちにスイッチング素子５をオフとし、実質的には、電池電圧が第１の設定電圧を超えないように充電する状態を示している。さらにまた、第３の設定時間（ｔ3）は、０秒〜１２０秒、好ましくは０．５秒〜２秒とすることができる。ここで、第３の設定時間（ｔ3）を０秒にするとは、すべての電池電圧が第１の設定電圧を下回ると、制御部７が直ちにスイッチング素子５をオンに切り換えて充電を再開する状態を示している。

さらに、このパルス充電は、いずれかの電池電圧が、第１の電池電圧よりも高い第２の設定電圧を超える状態を第２の設定時間（ｔ2）経過すると、制御部７がスイッチング素子５をオフとし、さらに、スイッチング素子５をオフに切り換えた後、この電池電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）を下回る状態が第３の設定時間（ｔ3）を経過すると、再びスイッチング素子５をオン状態として、以後これらを繰り返すことによって、組電池１をパルス充電する。第２の設定電圧は、例えば４．２５Ｖに設定している。ただし、この第２の設定電圧は、第１の設定電圧＋０．０Ｖ〜＋０．４Ｖとすることができる。また、第２の設定時間（ｔ2）は、０秒〜１０秒、好ましくは０．５秒〜２秒とすることができる。ここで、第２の設定時間（ｔ2）を０秒（ここで０秒とは、上述した第１の設定電圧を超える状態でパルス充電することになる。）とするとは、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧を超えると、制御部７が直ちにスイッチング素子５をオフとする状態を示している。
このような本実施例のパルス充電を行うことで、電池の開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下したことを検出した後、所定の時間だけスイッチング素子をオンに切り換えてパルス充電するので、全ての電池は、特に、最も高い電圧の電池においても、パルス充電の後の安定した状態での開放電圧において、開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）を越えない状態となる。また、充電時に第１の設定電圧（４．２Ｖ）を越えない電池においても、パルス充電により、徐々に、第１の設定電圧に近づくことになる。
なお、この図２において、曲線Ａは電圧上昇の大きい高電圧電池の電圧特性を示し、曲線Ｂは電圧上昇が正常である他の低電圧電池の電圧特性を示している。
また、上述のように定電圧・定電流電源３のトータル電圧は、接続する電池の直列数×（所望定電圧）として、最大で、トータル所望電圧にて定電圧充電されることより、パルス充電時においては、パルスのオン時(充電時)に各電池に印加される電圧を合計すると、トータル所望電圧以下となる。

このパルス充電は、電池電圧が第２の設定電圧よりも高くなると、スイッチング素子５をオンオフに切り換えするデューティーを小さくし、または、パルス充電の周波数を大きくすることができる。制御部７は、たとえば、第２の設定電圧を下げ、もしくは第１・第２の設定時間を短くして、第３の設定時間を長くすることにより、オフ時間に対するオン時間を短く制御してデューティーを小さくすることができる。また、制御部７は、同様に、第１・第２・第３の設定時間を短くすることにより、パルス充電の周波数を大きくすることができる。これら方法は、電池電圧の上昇をさらに小さくしながら、組電池１を充電できる。

さらに、制御部７は、電圧検出回路６から入力される各々の電池電圧の差を検出し、電池電圧の差を、あらかじめ記憶している第３の設定電圧に比較し、いずれかの電池電圧の差が第３の設定電圧よりも大きくなると、パルス充電のデューティーを小さくし、または、パルス充電の周波数を大きくすることができる。制御部７は、前述のように、第１・第２の設定電圧や第１・第２・第３の設定時間を変更してパルス充電のデューティーを小さくし、あるいはパルス充電の周波数を大きくすることができる。第３の設定電圧は、例えば０．０３Ｖ〜０．３０Ｖ、好ましくは０．０３Ｖ〜０．０５Ｖとすることができる。この方法も、電池電圧の上昇をさらに小さくしながら、組電池１を充電できる。

また、本発明の充電方法は、以上のようなパルス充電に代わって、制御部７があらかじめ記憶している所定の周期（デューティー）でスイッチング素子５をオンオフに切り換えて、組電池１をパルス充電することもできる。このパルス充電は、電池電圧が第１の設定電圧よりも高くなると、制御部７が所定の周期（デューティー）でスイッチング素子５をオンオフに切り換えてパルス充電を開始する。さらに、この充電方法は、電池電圧が第２の設定電圧よりも高くなると、あるいは、各々の電池電圧の差が第３の設定電圧よりも大きくなると、スイッチング素子５をオンオフに切り換えするデューティーを小さくし、または、パルス充電の周波数を大きくすることができる。

組電池１の満充電は、定電圧・定電流電源３が組電池１を充電する平均電流があらかじめ設定された満充電電流よりも小さくなると満充電と判定する。これに代わって、パルス充電される組電池１の満充電は、制御回路４で検出することもできる。この制御回路４は、パルス充電される状態で、各々の電池の充電を停止する状態で検出される開放電圧（ＯＣＶ）、すなわちスイッチング素子５をオフとする状態における電池電圧を検出し、いずれかの電池の開放電圧（ＯＣＶ）が満充電電圧（例えば４．２Ｖ）まで上昇すると満充電と判定する。満充電と判定する満充電電圧は、高すぎると電池の劣化が大きくなり、低くすると充電容量が小さくなる。したがって、満充電電圧は、電池を劣化させる程度と、充電容量と、電池のタイプを考慮して、たとえば、４．１Ｖ〜４．２５Ｖの範囲で最適電圧に設定される。

以上の充電回路は、図４に示す以下のステップで組電池１を充電する。
［ｎ＝１のステップ］
組電池１は、定電圧・定電流電源３で充電される。定電圧・定電流電源３は、組電池１のトータル電圧を検出して、トータル電圧がトータル設定電圧になるまでは定電流充電し、トータル電圧がトータル設定電圧まで上昇すると、この電圧で定電圧充電する。
［ｎ＝２のステップ］
組電池１が定電流充電され、あるいは定電圧充電される状態で、制御回路４の電圧検出回路６が各々の電池電圧を検出する。電圧検出回路６は、充電される状態で電池の電圧を検出する。すなわち、電圧検出回路６は、電池の充電電圧を検出する。ただし、電圧検出回路６は、電圧を検出するタイミングで一時的に電池の充電を停止して、充電を停止する状態で各々の電池電圧を検出することもできる。
［ｎ＝３のステップ］
電圧検出回路６で検出されるいずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えるかどうかを判定する。第１の設定電圧は、電池を充電する状態で検出する場合と、電池の充電を停止して検出する場合とで電圧が異なる。充電する状態で電池電圧を検出する方法にあっては、第１の設定電圧を、例えば４．２０Ｖに設定する。また、充電を停止して電池電圧を検出する方法における第１の設定電圧は、充電状態で電池電圧を検出する方法の第１の設定電圧よりも低くする。充電を停止して電池電圧を検出する方法にあっては、第１の設定電圧を、例えば４．１５Ｖに設定する。
［ｎ＝４のステップ］
いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えると、パルス充電制御を開始する。パルス充電は、いずれかの電池電圧が、第１の設定電圧（例えば４．２０Ｖ）を越えた状態を第１の設定時間（例えば６０秒）経過すると、または、第２の設定電圧（例えば４．２５Ｖ）を越えた状態を第２の設定時間（例えば０．２５秒）経過すると、制御部７がスイッチング素子５をオフとし、さらに、スイッチング素子５をオフに切り換えた後、すべての電池電圧（開放電圧）が、第１の設定電圧（例えば４．２Ｖ）より低下した状態を第３の設定時間（例えば０．５秒）経過すると、再びスイッチング素子５をオン状態として、以後これらを繰り返す制御を行って、組電池１をパルス充電する。
［ｎ＝５のステップ］
パルス充電される組電池１の満充電が検出されると、充電が停止される。組電池１の満充電は、定電圧・定電流電源３でもって判別することができる。この方法は、定電圧・定電流電源３が、組電池１の充電電流の平均値を検出し、組電池１の充電電流が満充電電流よりも小さくなると、組電池１が満充電されたと判定して充電を終了する。ただし、組電池１の満充電は、以下の方法で検出しても良い。この方法は、パルス充電される組電池１の満充電を、充電を停止する電池の開放電圧（ＯＣＶ）で判定する。制御回路４は、最も電圧の高い電池の開放電圧が４．２Ｖまで上昇すると、満充電と判定し、スイッチング素子５をオフに切り換えて充電を停止する。定電圧・定電流電源３は、充電電流を遮断するスイッチング素子（図示せず）を出力側に接続しており、満充電を検出すると、このスイッチング素子をオフに切り換えて充電電流を遮断する。

さらに、本発明の充電方法は、他の実施例として、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えた後、以下のようにしてパルス充電することもできる。この充電方法は、図５に示すように、電池電圧を、第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧に比較し、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧を超えると、スイッチング素子５をオフに切り換え、その後、すべての電池電圧が第１の設定電圧を下回る状態が第３の設定時間（ｔ3）を経過するとスイッチング素子５をオフからオンに切り換える制御をして組電池１をパルス充電する。第１の設定電圧は、充電する状態で電池電圧を検出する方法にあっては、例えば４．２０Ｖに設定し、第２の設定電圧は、例えば４．２５Ｖに設定している。また、第３の設定時間（ｔ3）は、例えば５００ｍ秒としている。ただし、第１の設定電圧は、３．９Ｖ〜４．４Ｖとし、第２の設定電圧は、第１の設定電圧＋０．０Ｖ〜＋０．４Ｖとし、第３の設定時間（ｔ3）は、０．０秒〜１２０秒、好ましくは０．５秒〜２秒とすることもできる。このパルス充電においては、充電が進むにつれて、オン時間が短くなり、オフ時間が長くなるので、オフ時間に対するオン時間の割合であるデューティーが小さく制御される。また、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧を超えると、制御部７が直ちにスイッチング素子５をオフとするので、実質的には、電池電圧が第２の設定電圧を超えないように充電できる。ただ、充電方法は、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧を超えると、制御部７が所定の周期でスイッチング素子５をオンオフに切り換えて、組電池１をパルス充電することもできる。
なお、この図５において、曲線Ａは電圧上昇の大きい高電圧電池の電圧特性を示し、曲線Ｂは電圧上昇が正常である他の低電圧電池の電圧特性を示している。
このような本実施例のパルス充電を行うことで、電池の開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下したことを検出した後、所定の時間だけスイッチング素子をオンに切り換えてパルス充電するので、全ての電池は、特に、最も高い電圧の電池においても、パルス充電の後の安定した状態での開放電圧において、開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）を越えない状態となる。また、充電時に第２の設定電圧を越えない電池２においても、パルス充電により、徐々に、第１の設定電圧に近づくことになる。

この充電方法は、図６に示す以下のステップで組電池１を充電する。
［ｎ＝１のステップ］
組電池１は、定電圧・定電流電源３で充電される。定電圧・定電流電源３は、組電池１のトータル電圧を検出して、トータル電圧がトータル設定電圧になるまでは定電流充電し、トータル電圧がトータル設定電圧まで上昇すると、この電圧で定電圧充電する。
［ｎ＝２のステップ］
組電池１が定電流充電され、あるいは定電圧充電される状態で、制御回路４の電圧検出回路６が各々の電池電圧を検出する。電圧検出回路６は、充電される状態で電池の電圧を検出する。すなわち、電圧検出回路６は、電池の充電電圧を検出する。
［ｎ＝３のステップ］
電圧検出回路６で検出されるいずれかの電池電圧が、第１の設定電圧を超えた後、第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧を超えたかどうかを判定する。第１の設定電圧は、例えば４．２０Ｖに、第２の設定電圧は、例えば４．２５Ｖに設定する。
［ｎ＝４のステップ］
いずれかの電池電圧が第２の設定電圧を超えると、制御部７が所定の周期でスイッチング素子５をオンオフに切り換えて、組電池１をパルス充電する。
このパルス充電は、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧を超えると、スイッチング素子５をオフに切り換え、その後、すべての電池電圧が第１の設定電圧を下回る状態が第３の設定時間（ｔ3）を経過するとスイッチング素子５をオフからオンに切り換える。第３の設定時間（ｔ3）は、例えば５００ｍ秒とする。
［ｎ＝５のステップ］
パルス充電される組電池１の満充電が検出されると、充電が停止される。パルス充電される組電池１の満充電は、充電電流の平均値から検出する。検出される平均充電電流が満充電電流よりも小さくなると、組電池１が満充電されたと判定して充電を終了する。この定電圧・定電流電源３は、充電電流を遮断するスイッチング素子（図示せず）を出力側に接続しており、このスイッチング素子をオフに切り換えて充電電流を遮断する。ただ、組電池１の満充電は、充電を停止する電池の開放電圧（ＯＣＶ）で判定することもできる。制御回路４は、最も電圧の高い電池の開放電圧が４．２Ｖまで上昇すると、満充電と判定し、スイッチング素子５をオフに切り換えて充電を停止する。

さらに、本発明の充電方法は、他の実施例として、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えると、以下のようにしてパルス充電することもできる。この充電方法は、図７と図８に示すように、スイッチング素子をオンに切り換えて充電するオン時間が異なる第１のパルス充電と第２のパルス充電で、電池をパルス充電する。なお、この図において、曲線Ａは電圧上昇の大きい高電圧電池の電圧特性を示し、曲線Ｂは電圧上昇が正常である低電圧電池の電圧特性を示している。この充電方法は、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧（例えば、４．２Ｖ）を超えると第１のパルス充電を開始し、さらに、第１のパルス充電中に、いずれかの電池電圧が、第１の設定電圧よりも高い設定電圧である第２の設定電圧（例えば、４．２５Ｖ）を超えると第２のパルス充電に切り換えて、組電池１をパルス充電する。第１のパルス充電は、第２のパルス充電よりもスイッチング素子をオン状態とするオン時間を長く設定している。

第１のパルス充電は、図８に示すように、スイッチング素子５を第１のオン時間（ｓ1）だけオン状態とし、この時間が経過するとスイッチング素子５をオフに切り換えて、組電池１をパルス充電する。この第１のオン時間（ｓ1）は、例えば、６０秒に設定する。ただし、この第１のオン時間は、例えば０秒〜１８０秒、好ましくは２０秒〜８０秒とすることもできる。さらに、スイッチング素子５をオフに切り換えた後、この電池の電圧（開放電圧）が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下すると、再びスイッチング素子５を第１のオン時間（ｓ1）だけオン状態として、パルス充電を繰り返す。以上のように、スイッチング素子５をオンオフに制御する動作を繰り返して、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧（例えば、４．２５Ｖ）に上昇するまで、組電池１を第１のパルス充電する。第１のパルス充電中にいずれかの電池電圧が第２の設定電圧（例えば、４．２５Ｖ）を超えると、第２のパルス充電に切り換える。

第２のパルス充電は、図８に示すように、スイッチング素子５を第２のオン時間（ｓ2）だけオン状態とし、この時間が経過するとスイッチング素子５をオフに切り換えて、組電池１をパルス充電する。この第２のオン時間（ｓ2）は、第１のオン時間（ｓ1）よりも短く、例えば、１２５ｍ秒に設定する。ただし、この第２のオン時間（ｓ2）は、例えば、５０ｍ秒〜２５０ｍ秒とすることもできる。さらに、スイッチング素子５をオフに切り換えた後、この電池の電圧（開放電圧）が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下すると、再びスイッチング素子５を第２のオン時間（ｓ2）だけオン状態として、パルス充電を繰り返す。以上のように、スイッチング素子５をオンオフに制御する動作を繰り返して、組電池１の満充電が検出されるまで、電池を第２のパルス充電する。組電池１の満充電は、たとえば、組電池１の充電電流の平均値を検出し、組電池１の平均充電電流が満充電電流よりも小さくなったことを検出して組電池１が満充電されたと判定する。

以上の充電方法では、電池の開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下したことを検出した後、所定の時間だけスイッチング素子をオンに切り換えてパルス充電するので、全ての電池は、特に、最も高い電圧の電池においても、パルス充電の後の安定した状態での開放電圧において、開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）を越えない状態となる。また、充電時に第１の設定電圧（４．２Ｖ）を越えない電池２においても、パルス充電により、徐々に、第１の設定電圧に近づくことになる。したがって、劣化した電池の開放電圧を第１の設定電圧以下に制限して、悪影響を極減しながら、全ての電池をできる限り大容量に充電できる。また、いずれの電池も、パルス充電により、平均された充電電圧を、上述の第１の設定電圧よりも高い設定電圧である第２の設定電圧（例えば、４．２５Ｖ）よりも小さくできることにより、電池への悪影響を低減することができる。

この充電方法は、図９に示す以下のステップで組電池１を充電する。
［ｎ＝１のステップ］
組電池１は、定電圧・定電流電源３で充電される。定電圧・定電流電源３は、組電池１のトータル電圧を検出して、トータル電圧がトータル設定電圧になるまでは定電流充電し、トータル電圧がトータル設定電圧まで上昇すると、この電圧で定電圧充電する。
［ｎ＝２のステップ］
組電池１が定電流充電され、あるいは定電圧充電される状態で、制御回路４の電圧検出回路６が各々の電池電圧を検出する。電圧検出回路６は、充電される状態で電池の電圧を検出する。すなわち、電圧検出回路６は、電池の充電電圧を検出する。
［ｎ＝３のステップ］
電圧検出回路６で検出されるいずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えるかどうかを判定する。第１の設定電圧は、例えば、４．２Ｖに設定する。
［ｎ＝４、５のステップ］
いずれかの電池電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）を超えると、制御部７は組電池１を第１のパルス充電する。第１のパルス充電は、所定の時間である第１のオン時間（ｓ1）だけスイッチング素子５をオン状態として、組電池１をパルス充電する。この第１のオン時間（ｓ1）は、例えば６０秒に設定する。さらに、第１のパルス充電は、スイッチング素子５をオフに切り換えた後、この電池の開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下すると、再びスイッチング素子５を第１のオン時間（ｓ1）だけオン状態として、パルス充電を繰り返す。
第１のパルス充電は、いずれかの電池電圧が第２の設定電圧に上昇するまで継続される。第２の設定電圧は、第１の設定電圧よりも高く、例えば、４．２５Ｖに設定する。
［ｎ＝６、７のステップ］
いずれかの電池電圧が第２の設定電圧（４．２５Ｖ）を超えると、制御部７は、第２のパルス充電に切り換えて、組電池１をパルス充電する。第２のパルス充電は、第１のオン時間（ｓ1）よりも短い時間である第２のオン時間（ｓ2）だけスイッチング素子５をオン状態として、組電池１をパルス充電する。この第２のオン時間（ｓ2）は、例えば１２５ｍ秒に設定する。さらに、第２のパルス充電は、スイッチング素子５をオフに切り換えた後、この電池の開放電圧が第１の設定電圧（４．２Ｖ）まで低下すると、再びスイッチング素子５を第２のオン時間（ｓ2）だけオン状態として、パルス充電を繰り返す。
第２のパルス充電は、組電池１が満充電されるまで継続される。組電池１の満充電が検出されると、充電が停止される。パルス充電される組電池１の満充電は、充電電流の平均値から検出する。検出される平均充電電流が満充電電流よりも小さくなると、組電池１が満充電されたと判定する。

本発明の一実施例にかかる組電池の充電方法に使用する充電回路の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施例にかかる充電方法で充電される電池の電圧特性を示すグラフである。 図２に示すグラフの概略拡大図である。 本発明の一実施例にかかる充電方法で組電池を充電するフローチャートである。 本発明の他の実施例にかかる充電方法で充電される電池の電圧特性を示すグラフである。 図５に示す充電方法で組電池を充電するフローチャートである。 本発明の他の実施例にかかる充電方法で充電される電池の電圧特性を示すグラフである。 図７に示すグラフの要部拡大図である。 図７に示す充電方法で組電池を充電するフローチャートである。

符号の説明

１…組電池
２…二次電池
３…定電圧・定電流電源
４…制御回路
５…スイッチング素子
６…電圧検出回路
７…制御部

Claims (7)

1. 複数のリチウムイオン二次電池を直列に接続している組電池を定電流・定電圧充電して満充電する充電方法であって、
   組電池のトータル電圧がトータル設定電圧に上昇するまでは定電流充電し、トータル電圧がトータル設定電圧に上昇した後は、定電流充電を定電圧充電に切り換えて満充電されるまで充電すると共に、充電される各々の電池電圧を検出し、いずれかの電池電圧が第１の設定電圧を超えた後、パルス充電に切り換えて充電し、
   パルス充電において、いずれかの電池電圧が、第１の設定電圧を超えた状態を第１の設定時間経過すると充電を停止し、すべての電池電圧が、第１の設定電圧を下回ると充電を再開して充電し、
   その後、第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧を超えた状態を第２の設定時間経過すると充電を停止し、すべての電池電圧が、第１の設定電圧を下回ると充電を再開する組電池の充電方法。
2. 第１の設定電圧を下回る状態を第３の設定時間経過すると充電を再開する請求項１に記載される組電池の充電方法。
3. パルス充電において、いずれかの電池電圧が、第１の設定電圧よりも高い第２の設定電圧を超えると、電池をパルス充電するデューティーを小さくし、またはパルス充電する周波数を大きくする請求項１に記載される組電池の充電方法。
4. パルス充電において、各々の電池電圧の差が第３の設定電圧より大きくなると、電池をパルス充電するデューティーを小さくし、またはパルス充電する周波数を大きくする請求項１に記載される組電池の充電方法。
5. 第１の設定電圧が３．９Ｖ〜４．４Ｖである請求項１に記載される組電池の充電方法。
6. 第１の設定電圧が３．９Ｖ〜４．４Ｖ、第１の設定時間が２０秒〜８０秒、第２の設定時間が５０ｍ秒〜２５０ｍ秒、第３の設定時間が０．５秒〜２秒である請求項２に記載される組電池の充電方法。
7. 第３の設定電圧が０．０３〜０．３０Ｖである請求項４に記載される組電池の充電方法。
   

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