JP5525862B2

JP5525862B2 - 充電装置、プログラム

Info

Publication number: JP5525862B2
Application number: JP2010043074A
Authority: JP
Inventors: 守久保
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: EP2365605B1; CN102170148A; JP2011182529A; US20110210695A1; EP2365605A2; EP2365605A3

Description

本発明は、充電装置、プログラムに関する。

リチウムイオン電池を充電する方法としては、例えば、電池電圧が所望の電圧となるまで定電流で充電した後、定電圧で充電する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１２９６５５号公報

定電流充電から定電圧充電へと切り替える際の電圧が所望の電圧からずれると、例えば、リチウムイオン電池の充電量が所望の値からずれる問題が発生することがある。このため、充電装置は、定電流充電から定電圧充電へと切り替える際の電圧を精度よく所望の電圧に一致させる必要がある。

ところで、リチウムイオン電池の充電時間を短くするためには、定電流充電の電流値、すなわち充電電流の電流値を大きくする必要がある。しかしながら、一般に充電電流の電流値が大きくなると、充電電流に含まれるリップル等のノイズレベルも高くなる。また、リチウムイオン電池には内部抵抗が存在するため、充電電流のノイズレベルが高くなると、電池電圧もノイズの影響を受けることになる。したがって、このような場合、所望の電池電圧となった際に充電装置に定電圧充電を開始させることが難しい。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、定電圧充電へと切り替える際の電圧を精度よく所望の電圧に一致させることが可能な充電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係る充電装置は、二次電池を充電する充電回路と、前記充電回路の動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記二次電池の電池電圧が第１電圧となるまで前記二次電池が定電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記電池電圧が第１電圧となると前記二次電池が前記定電流より小さい電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記電池電圧が前記第１電圧より高い第２電圧となると前記二次電池が定電圧で充電されるよう前記充電回路を制御する制御部を含み、前記制御部は、前記電池電圧が第１電圧となると、前記二次電池が前記電池電圧の上昇に応じて小さくなる電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記制御回路は、前記二次電池の充電電流を検出する電流検出部を更に備え、前記制御部は、前記電池電圧が前記第２電圧となる際に、前記充電電流が第１の電流値まで低下するように前記充電回路を制御し、前記電流検出部の検出結果に基づいて、前記充電電流の電流値が前記第１の電流値より小さい第２の電流値となると前記充電電流の供給が停止されるよう前記充電回路を制御し、前記制御回路は、前記第１電圧及び前記定電流の電流値と前記第２電圧及び前記第１の電流値とに基づいて算出され、前記第２電圧及び第１の電流値で定まる点が頂点となるようなるような２次曲線の関係を示す情報を記憶する記憶部を含み、前記制御部は、前記情報に基づいて、前記電池電圧が前記第１電圧から前記第２電圧となるまでの前記充電電流の大きさが前記２次曲線の関係で変化するよう前記充電回路を制御する。

定電圧充電へと切り替える際の電圧を精度よく所望の電圧に一致させることが可能な充電装置を提供することができる。

本発明の一実施形態である充電装置１０の構成を示す図である。ＣＰＵ５２に実現される機能ブロックを示す図である。電圧Ｖ１〜Ｖ２の間において生成される充電電流Ｉｃの波形の一例を示す図である。ＣＰＵ５２が実行する処理の一例を示すフローチャートである。電池１５が充電される際の電池電圧Ｖｂａｔ及び充電電流Ｉｃの変化の一例を示す図である。電圧Ｖ１〜Ｖ２の間において生成される充電電流Ｉｃの波形の一例を示す図である。電池１５が充電される際の電池電圧Ｖｂａｔ及び充電電流Ｉｃの変化の一例を示す図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

図１は、本発明の一実施形態である充電装置１０の構成を示す図である。充電装置１０は、商用電源Ｖａｃが入力されると電池１５を充電する装置である。また、充電装置１０は、電源回路３０、充電回路３１、マイコン３２、及び抵抗３３を含んで構成される。

電池１５（二次電池）は、例えば３０個のリチウムイオン電池を含むいわゆるバッテリーパックであり、リチウムイオン電池Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０を含んで構成される。電池１５においては、直列接続されたリチウムイオン電池Ａ１〜Ａ１０、Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０の夫々が並列に接続されている。また、電池１５は電池電圧Ｖｂａｔを生成する。

電源回路３０は、商用電源Ｖａｃから充電回路３１を動作させるための直流電源を生成するＡＣ−ＤＣコンバータである。
充電回路３１は、マイコン３２からの指示に基づいて電池１５を充電する。具体的には、充電回路３１は、マイコン３２からの指示に応じた電圧、電流を生成して電池１５を充電する。
マイコン３２は、充電装置１０を統括制御する回路であり、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）５０、メモリ５１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５２を含んで構成される。
抵抗３３は、充電回路３１の充電電流Ｉｃを検出するための電流検出抵抗であり、充電回路３１と電池１５の＋側電極との間に設けられる。

ＡＤコンバータ５０は、電池電圧Ｖｂａｔと、抵抗３３に発生する電圧とをデジタルデータに変換する。
メモリ５１（記憶部）は、例えば、ＣＰＵ５２が実行するためのプログラムデータや、ＣＰＵ５２がプログラムを実行する際に使用する各種データを記憶する。
ＣＰＵ５２は、メモリ５１に記憶されたプログラムデータを実行することにより、各種機能を実現する。具体的には、ＣＰＵ５２は図２に示すような、電流検出部６０、及び制御部６１の機能を実現する。
電流検出部６０は、ＡＤコンバータ５０から出力される抵抗３３の電圧に基づいて、充電電流Ｉｃを算出する。

制御部６１は、ＡＤコンバータ５０から出力される電池電圧Ｖｂａｔと、電流検出部６０で算出された充電電流Ｉｃと、メモリ５１に記憶されたデータとに基づいて充電回路３１を制御する。また、制御部６１は、電池１５の電池電圧Ｖｂａｔが、定電圧充電させるための電圧に近くなると、充電電流Ｉｃが減少するように充電回路３１を制御する。

具体的には、制御部６１は、電池電圧Ｖｂａｔが所定の電圧Ｖ１（第１電圧）となるまでは、充電回路３１に電池１５を電流値Ｉ１の定電流ＩＡで充電させる。また、制御部６１は、電池電圧Ｖｂａｔが電圧Ｖ１となると、充電回路３１に定電流ＩＡより小さい電流ＩＢで電池１５を充電させる。そして、電池電圧Ｖｂａｔが上昇して電圧Ｖ２（第２電圧）となると、制御部６１は、充電回路３１に定電圧ＶＡで電池１５を充電させる。つまり、電圧Ｖ２になると、定電圧充電が開始される。そして、定電圧充電されている電池１５の充電電流Ｉｃが減少して電流値Ｉ２（第２の電流値）となると、制御部６１は、充電回路３１に電池１５の充電を停止させる。この結果、充電電流Ｉｃの供給は停止されることになる。つまり、上記電流値Ｉ２は、充電を終了させる際の充電電流Ｉｃの値である。

ところで、制御部６１は、電池電圧Ｖｂａｔが電圧Ｖ１〜Ｖ２までの間においては、電池電圧Ｖｂａｔと、メモリ５１に記憶されたデータとに基づいて充電回路３１を制御する。本実施形態のメモリ５１には、充電回路３１に対して、電池電圧Ｖｂａｔのレベルに応じた充電電流Ｉｃを生成させるためのデータが記憶されている。ここで、前述のデータは例えば図３に示すように、充電回路３１に対し、下に凸の２次曲線の関係で減少する充電電流Ｉｃを生成させるためのデータである。なお、以下、２次曲線の関係で減少する充電電流Ｉｃを生成させるためのデータを第１制御データと称する。２次曲線は、電圧Ｖ１と定電流ＩＡの電流値Ｉ１とで定まる点Ａと、電圧Ｖ２と電圧Ｖ２の際の充電電流Ｉｃの電流値Ｉ３とで定まる点Ｂとを含み、点Ｂが頂点となるように定められている。なお、点Ｂにおける電流値Ｉ３（第１の電流値）は、定電流ＩＡの電流値Ｉ１より小さく、かつ電流値Ｉ２より大きい値である。

＝＝充電装置１０の動作の一例＝＝
ここで、図４、５を参照しつつ、充電装置１０の動作の一例を説明する。なお、図４は、ＣＰＵ５２が実行する処理の一例であり、図５は、充電装置１０が電池１５を充電する際の電池電圧Ｖｂａｔ及び充電電流Ｉｃの変化を示す図である。また、ここでは、電池１５は放電されていることとする。

まず、時刻ｔ０において制御部６１は、充電回路３１に定電流ＩＡで電池１５を充電させる（Ｓ１００）。このため、時刻ｔ０以降、電池電圧Ｖｂａｔは上昇することになる。そして、制御部６１は、電池電圧Ｖｂａｔが電圧Ｖ１以上であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。電池電圧Ｖｂａｔが電圧Ｖ１より小さい場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、処理１００が実行される。一方、例えば、時刻ｔ１に電池電圧Ｖｂａｔが上昇して電圧Ｖ１となると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、制御部６１は、充電電流Ｉｃが電流値Ｉ１から減少するよう、充電回路３１を制御する（Ｓ１０２）。具体的には、制御部６１は、メモリ５１に記憶された第１制御データと、電池電圧Ｖｂａｔとに基づいて、充電電流Ｉｃが前述した２次曲線の関係で変化するよう充電回路３１を制御する。この結果、充電電流Ｉｃは減少し、電池電圧Ｖｂａｔの増加も緩やかになる。また、制御部６１は、電池電圧Ｖｂａｔが電圧Ｖ２以上であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。電池電圧Ｖｂａｔが電圧Ｖ２より小さい場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、処理１０２が実行される。一方、例えば、時刻ｔ２に電池電圧Ｖｂａｔが上昇して電圧Ｖ２となると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、制御部６１は、電池１５が定電圧ＶＡで充電されるよう充電回路３１を制御する（Ｓ１０４）。この結果、電池１５は定電圧充電されることになる。その後、制御部６１は、充電電流Ｉｃが充電終了を示す電流値Ｉ２以上であるか否かを判定する（Ｓ１０５）。充電電流Ｉｃが電流値Ｉ２より小さい場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、処理１０４が実行される。一方、例えば時刻ｔ３に充電電流Ｉｃが減少して電流値Ｉ２となると（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、制御部６１は電池１５の充電を終了する。

＝＝制御部６１が他の制御データに基づいて充電回路３１を制御する場合＝＝
ここで、制御部６１が、第１制御データとは異なる他の制御データに基づいて、充電回路３１を制御する場合について説明する。

なお、この場合、メモリ５１には、充電回路３１に対して、電池電圧Ｖｂａｔのレベルに応じた充電電流Ｉｃを生成させるための第２制御データが記憶されていることとする。ここで、第２制御データは、例えば図６に示すように、充電回路３１に対し、電圧Ｖ１となると電流値Ｉ４の充電電流Ｉｃを生成させ、更に電池電圧Ｖｂａｔの増加に応じて線形に減少する充電電流Ｉｃを生成させるためのデータである。なお、電流値Ｉ４は、定電流ＩＡの電流値Ｉ１より小さく、かつ電流値Ｉ３より大きい値である。また、この場合の充電電流Ｉｃは、電圧Ｖ１と電流値Ｉ４とで定まる点Ｃと、電圧Ｖ２と電流値Ｉ３とで定まる点Ｂとに基づいて定められる。このため、制御部６１が、メモリ５１に格納された第２制御データと電池電圧Ｖｂａｔとを取得した場合、充電回路３１は、図６に示すような関係の充電電流Ｉｃを生成することになる。なお、制御部６１が第２制御データと電池電圧Ｖｂａｔとに基づいて充電回路３１を制御する場合であっても、ＣＰＵ５２が実行する処理は、前述の図４と同じである。したがって、詳細な説明は省略するが、この場合における電池電圧Ｖｂａｔ及び充電電流Ｉｃは、例えば図７の様に変化する。

以上、本実施形態の充電装置１０について説明した。充電回路３１からの充電電流Ｉｃには、充電電流Ｉｃの電流値が大きくなるほど増加するリップル等のノイズが含まれる。また、電池１５には内部抵抗（不図示）が存在する。このため、電池電圧Ｖｂａｔには、充電電流Ｉｃの電流値と、内部抵抗の抵抗値との積に応じたノイズが含まれることになる。本実施形態では、電圧Ｖ２より低い電圧Ｖ１となると、充電電流Ｉｃの電流値を減少させている。このため、定電流ＩＡで電池１５を充電し続ける場合と比較すると、電圧Ｖ１〜Ｖ２の間では、電池電圧Ｖｂａｔが受けるノイズの影響は小さくなる。したがって、制御部６１は、より正確な電池電圧Ｖｂａｔを検出でき、精度よく所望の電圧Ｖ２で充電回路３１に定電圧充電を開始させることができる。

また、電圧Ｖ２の直近ではノイズを抑制するために充電電流Ｉｃの電流値を小さくする必要があるが、電池電圧Ｖｂａｔ電圧Ｖ２から離れている場合、充電電流Ｉｃを小さくすると充電時間が長くなることがある。制御部６１は、電圧Ｖ１〜Ｖ２の間の充電電流Ｉｃが、電池電圧Ｖｂａｔの上昇に応じて小さくなるよう充電回路３１を制御している。このため、例えば、電圧Ｖ１となると電流値Ｉ３の定電流で電池１５を充電する場合と比較すると、充電時間を短くすることができる。

また、例えば、電圧Ｖ２の際に、充電電流Ｉｃを充電完了の際の電流値Ｉ２より低くすることも可能であるが、その場合は充電時間が長くなる。本実施形態では、電流値Ｉ２より大きい電流値Ｉ３まで低下させることにより、不要に充電時間を長くすることを防ぐことができる。

また、制御部６１は、メモリ５１に記憶された第１制御データに基づいて充電回路３１を制御し、充電回路３１に図３に示すような２次曲線の関係で変化する充電電流Ｉｃを生成させている。例えば、充電電流Ｉｃをステップ状に変化させると、それによりノイズ等が発生することがある。本実施形態では、２次曲線の関係を用いて充電電流Ｉｃを緩やかに変化させているため、不要なノイズの発生を防ぐことができる。

また、前述のように電池電圧Ｖｂａｔには、充電電流Ｉｃの電流値と、内部抵抗の抵抗値との積に応じたノイズが含まれることになる。このため、本実施形態では、電圧Ｖ１を、定電流ＩＡの電流値Ｉ１と内部抵抗の抵抗値とに基づいて定めている。例えば、定電流ＩＡの電流値が小さくノイズも小さい場合は、定電流ＩＡの電流値が大きくノイズも大きい場合に比べ、電圧Ｖ１を高く設定する。ノイズが大きい場合に電圧Ｖ１を高くすると、電圧Ｖ１とともに、電圧Ｖ２が制御部６１により誤検出されることがある。したがって、電流値Ｉ１と内部抵抗の抵抗値とに応じて電圧Ｖ１を設定することにより、ノイズの影響を低減しつつ、定電流ＩＡによる充電時間を長く確保できる。

また、メモリ５１には、ＣＰＵ５２に図４に示す処理を実行させるためのプログラムデータが記憶されている。ＣＰＵ５２はプログラムデータを実行することにより、充電回路３１の動作を制御できる。

なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

制御部６１は、メモリ５１に記憶された制御データに基づいて充電電流Ｉｃを減少させたが、これに限られるものでは無い。例えば、ＣＰＵ５２が図３に示す２次曲線を演算させ、演算結果に基づいて逐次充電電流Ｉｃを変化させても良い。

また、電池１５は、例えばニッケルカドミウム等の他の二次電池であっても良い。

１０充電装置
１５電池
３０電源回路
３１充電回路
３２マイコン
３３抵抗
５０ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
５１メモリ
５２ＣＰＵ
６０電流検出部
６１制御部
Ａ１〜Ａ１０，Ｂ１〜Ｂ１０，Ｃ１〜Ｃ１０リチウムイオン電池

Claims

二次電池を充電する充電回路と、前記充電回路の動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記二次電池の電池電圧が第１電圧となるまで前記二次電池が定電流
で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記電池電圧が第１電圧となると前記二次電池が前記定電流より小さい電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記電池電圧が前記第１電圧より高い第２電圧となると前記二次電池が定電圧で充電されるよう前記充電回路を制御する制御部を含み、
前記制御部は、前記電池電圧が第１電圧となると、前記二次電池が前記電池電圧の上昇に応じて小さくなる電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、
前記制御回路は、前記二次電池の充電電流を検出する電流検出部を更に備え、前記制御部は、前記電池電圧が前記第２電圧となる際に、前記充電電流が第１の電流値まで低下するように前記充電回路を制御し、前記電流検出部の検出結果に基づいて、前記充電電流の電流値が前記第１の電流値より小さい第２の電流値となると前記充電電流の供給が停止されるよう前記充電回路を制御し、
前記制御回路は、前記第１電圧及び前記定電流の電流値と前記第２電圧及び前記第１の電流値とに基づいて算出され、前記第２電圧及び第１の電流値で定まる点が頂点となるようなるような２次曲線の関係を示す情報を記憶する記憶部を含み、前記制御部は、前記情報に基づいて、前記電池電圧が前記第１電圧から前記第２電圧となるまでの前記充電電流の大きさが前記２次曲線の関係で変化するよう前記充電回路を制御することを特徴とする充電装置。
二次電池を充電する充電回路と、前記充電回路の動作を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記二次電池の電池電圧が第１電圧となるまで前記二次電池が定電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記電池電圧が第１電圧となると前記二次電池が前記定電流より小さい電流で充電されるよう前記充電回路を制御し、前記電池電圧が前記第１電圧より高い第２電圧となると前記二次電池が定電圧で充電されるよう前記充電回路を制御する制御部を含み、
前記第１電圧は、前記定電流の電流値と前記二次電池の内部抵抗の抵抗値とに基づいて定まる電圧であること、を特徴とする充電装置。
前記制御部は、前記電池電圧が第１電圧となると、前記二次電池が前記電池電圧の上昇に応じて小さくなる電流で充電されるよう前記充電回路を制御することを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
前記制御回路は、前記二次電池の充電電流を検出する電流検出部を更に備え、前記制御部は、前記電池電圧が前記第２電圧となる際に、前記充電電流が第１の電流値まで低下するように前記充電回路を制御し、前記電流検出部の検出結果に基づいて、前記充電電流の電流値が前記第１の電流値より小さい第２の電流値となると前記充電電流の供給が停止されるよう前記充電回路を制御することを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
前記制御回路は、前記第１電圧及び前記定電流の電流値と前記第２電圧及び前記第１の電流値とに基づいて算出され、前記第２電圧及び第１の電流値で定まる点が頂点となるようなるような２次曲線の関係を示す情報を記憶する記憶部を含み、前記制御部は、前記情報に基づいて、前記電池電圧が前記第１電圧から前記第２電圧となるまでの前記充電電流の大きさが前記２次曲線の関係で変化するよう前記充電回路を制御することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。