JP2004282929A

JP2004282929A - 電池の充電方法および充電装置

Info

Publication number: JP2004282929A
Application number: JP2003072446A
Authority: JP
Inventors: Fumiya Sato; 文哉佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】充電時間を短縮することができる電池の充電方法および充電装置を提供する。
【解決手段】定電流充電を行ったのち（ステップＳ１０１）、充電電流値（ｍＡ）が予め設定された定電圧充電移行値に達した時点で（ステップＳ１０２；Ｙ）、定電圧充電に移行し、定電圧充電を行う（ステップＳ１０３）。定電圧充電中に、充電電流値（ｍＡ）が、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の３０％以上８０％以下の範囲内に設定されたパルス充電移行値に達した時点で（ステップＳ１０４；Ｙ）、パルス充電に移行し、パルス充電を行う（ステップＳ１０５）。また、パルス充電のオフ時間に、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）で放電を行う（ステップＳ１０６）。パルス充電のオフ時間に、電池電圧が４．２３Ｖ以上４．３Ｖ以下の範囲内に設定された遷移電圧以上である時間が、１秒以上１０秒以下の範囲内に設定されたオフ最長時間以上となった時に（ステップＳ１０７；Ｙ）、充電を終了する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばリチウム二次電池を充電する際に好ましく用いることができる電池の充電方法および充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話あるいはラップトップコンピュータ等の携帯型電子機器が多く登場し、その小型化および軽量化が図られている。それに伴い、これらの電子機器の携帯型電源として、リチウム二次電池が注目されている。
【０００３】
近年では、このリチウム二次電池は、特許文献１に記載されているように、パルス充電を用て次のようにして充電するのが一般的である。まず、リチウム電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の約６０％〜約１００％の一定の電流値（ｍＡ）で定電流充電する。次いで、電池電圧が４．２０Ｖに到達したときにパルス充電に移行する。パルス充電では、例えば、最大電圧は、４．２４Ｖ〜４．４Ｖ、最大電流はリチウム電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の約６０％〜約１００％の値（ｍＡ）、オン時間は５秒、オフ時間は０．１秒とし、オフ時間における電圧が４．２００Ｖ以下に到達したときは、再度、オン時間に切り換え、オフ時間の電圧が４．２０１Ｖ以上の状態が、約５秒間以上続いた場合、充電を終了する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−４５５５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この充電方法では、短時間での充電が難しかった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、充電時間を短縮することができる電池の充電方法および充電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による充電方法は、パルス充電を用いるものであって、パルス充電中に、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）で電池を放電するものである。
【０００８】
本発明による充電装置は、電池に対してパルス充電を行うパルス充電手段と、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）で電池を放電させるための抵抗器と、パルス充電中に電池と抵抗器との間に閉回路を形成するスイッチ素子とを備えたものである。
【０００９】
本発明による電池の充電方法および充電装置では、パルス充電中に、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の電流値（ｍＡ）で電池が放電される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る電池の充電装置の概要構成を表すものである。この充電装置１０は、例えば、電池パック２０の内部に保護回路部などと共に収容された１個または複数個のリチウム二次電池を充電するためのものであり、例えば、コンセント１１と、外部端子１２と、電源回路部１３と、充電制御回路部１４と、抵抗器１５と、スイッチ素子１６とを備えており、コンセント１１により図示しない家庭用交流電源などの電源に接続され、外部端子１２により電池パック２０の外部端子２１に接続されるようになっている。なお、リチウム二次電池とは、リチウムイオン二次電池あるいはリチウム金属二次電池などのリチウム（Ｌｉ）を反応種に用いるもの広くを指す。
【００１２】
電源回路部１３は、例えば、電源から供給される電源電圧を所定の直流電圧に変換し、その電圧を安定的に充電制御回路部１４に供給するものであり、いわゆるＡＣ−ＤＣコンバータにより構成されている。
【００１３】
充電制御回路部１４は、リチウム二次電池に対する充電を制御するものであり、定電流充電手段と、定電圧充電移行制御手段と、定電圧充電手段と、パルス充電移行制御手段と、パルス充電手段と、充電終了制御手段とを備えている。
【００１４】
定電流充電手段は、リチウム二次電池に対して定電流充電を行うものであり、例えば、リチウム二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の５０％以上２００％以下の範囲内の一定の電流値（ｍＡ）で充電を行うようにするものである。
【００１５】
定電圧充電移行制御手段は、定電流充電において、電池電圧が予め設定された定電圧充電移行値、例えば、４．２（Ｖ）に達したときに、定電流充電から定電圧充電に移行させるものである。
【００１６】
定電圧充電手段は、電池に対して定電圧充電を行うものであり、例えば、４．２（Ｖ）の一定の電圧で充電を行うようにするものである。
【００１７】
パルス充電移行制御手段は、定電圧充電において、充電電流値（ｍＡ）が予め設定された所定のパルス充電移行値に達したときに、パルス充電に移行させるものである。定電圧充電を続けるよりもその途中でパルス充電に移行した方が、充電を効率的に行うことができるからである。
【００１８】
図２は、最初から最後までリチウム二次電池に対してパルス充電を行ったときの充電特性と、定電流充電に続き定電圧充電を行ったときの充電特性とを比較して表すものである。図２から分かるように、定電圧充電は充電時間に従い充電電流値が急速に小さくなり、充電効率が急速に低下してしまうのに対して、パルス充電は、定電圧充電に比べて平均充電電流値の低下が小さいので、最初は定電圧充電の充電電流値の方が大きいが、途中でパルス充電の平均充電電流値の方が大きくなっている。すなわち、定電圧充電の充電電流値よりもパルス充電の充電電流値の方が大きくなるあたり、例えば図２でいうと、充電電流値がリチウム二次電池の理論放電容量を１（ｈ）で割った値の６０％程度になった時点でパルス充電に移行した方が充電効率が高いことが分かる。
【００１９】
パルス充電移行値は、リチウム二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の３０％以上８０％以下の範囲内に設定されることが好ましい。この範囲内において充電時間を短くすることができるからである。
【００２０】
パルス充電手段は、電池に対してパルス充電を行うものであり、リチウム二次電池に対して電流を断続的に与えるようになっている。例えば図３に示したように、パルス充電時の出力電流値およびオン時間Ｔ_ＯＮは一定、オフ時間Ｔ_ＯＦＦは予め設定されたオフ最短時間Ｔ_ＳＯＦＦとオフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦとの間において、電池電圧が予め設定された遷移電圧よりも小さくなるまでと設定されている。オフ最短時間Ｔ_ＳＯＦＦは電池電圧が遷移電圧より小さくてもその間はオフとする時間であり、オフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦは電池電圧が遷移電圧以上であってもそれを経過したらオンに切り替える時間である。具体的には、例えば、オン時間Ｔ_ＯＮは５秒、オフ最短時間Ｔ_ＳＯＦＦは０．１秒にそれぞれ設定されている。また、このパルス充電手段は、例えば最大で４．２５Ｖ以上４．４０Ｖ以下の範囲内の電圧をリチウム二次電池に印加し、例えば最大でリチウム二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の５０％以上２００％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）をリチウム二次電池に与えるようになっている。
【００２１】
充電終了制御手段は、パルス充電のオフ時間Ｔ_ＯＦＦに、電池電圧が遷移電圧以上である時間Ｔがオフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦ以上となった時に充電を終了させるものである。遷移電圧は、例えば４．２３Ｖ以上４．３Ｖ以下の範囲内に設定されることが好ましく、オフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦは、例えば１秒以上１０秒以下の範囲内に設定されることが好ましい。遷移電圧が低すぎると、または、オフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦが短すぎると、リチウム二次電池の放電容量が小さくなってしまい、遷移電圧が高すぎると、または、オフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦが長すぎると、充電に要する時間が長くなってしまうからである。
【００２２】
抵抗器１５は、例えば、外部端子１２と並列に接続されており、パルス充電のオフ時間Ｔ_ＯＦＦにリチウム二次電池を放電させることにより、リチウム二次電池内における活物質を活性化させ、充電電流が多くなるようにするためのものである。この抵抗器１５は、具体的には、リチウム二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）でリチウム二次電池を放電させるようになっている。すなわち、数１で表される抵抗値を有している。１０％よりも大きいと、充電が終了しない不具合が生じる可能性があり、一方、１％よりも小さいと、充電時間が長くなってしまう可能性があるからである。
【００２３】
【数１】
Ｒ＝Ｖ／｛（Ｃ／１）×α｝
式中、Ｒは抵抗値（Ω）を表し、Ｖは電池の定格充電電圧（Ｖ）を表し、Ｃは電池の理論放電容量（Ａｈ）を表し、αは係数０．０１〜０．１０を表す。
【００２４】
この抵抗器１５は、ポジスタにより構成することが好ましい。電池パック２０の外部端子２１と並列に接続されている抵抗器１５には、例えば、充電器が故障した場合、異常に高い電圧が印加される可能性があるが、ポジスタは、異常に高い電圧が印加されると、抵抗値が増大し、放電電流を小さく変化させる特性を有するため、異常に高温になったり、破壊したりする不具合が少ないからである。
【００２５】
スイッチ素子１６は、抵抗器１５と直列に接続されており、パルス充電のオフ時間に電池パック２０と抵抗器１５との間に閉回路を形成するようになっている。なお、それ以外、すなわち定電流充電時、定電圧充電時、パルス充電のオン時間Ｔ_ＯＮおよび充電終了後には電池パック２０と抵抗器１５との間に開回路を形成するようになっている。
【００２６】
図４は、図１に示した充電装置１０を用いて電池を充電する方法を表すものである。まず、この充電装置１０のコンセント１１を電源に接続し充電装置１０に電池パック２０を接続すると、電源回路部１３により、電源から供給される電源電圧は所定の直流電圧に変換され、充電制御回路部１４に供給される。
【００２７】
充電制御回路部１４では、まず、定電流充電手段により、リチウム二次電池に対して定電流充電を行う（ステップＳ１０１）。その際、定電圧充電移行制御手段により電池電圧を監視し、電池電圧が定電圧充電移行値に達した時点で（ステップＳ１０２）、定電圧充電に移行する。次いで、定電圧充電手段により定電圧充電を行う（ステップＳ１０３）。その際、パルス充電移行制御手段により充電電流を監視し、充電電流値が予め設定されたパルス充電移行値に到達した時点で（ステップＳ１０４；ＹｏｒＮ）、パルス充電に移行する。
【００２８】
パルス充電に移行すると、パルス充電手段によりリチウム二次電池に対してパルス充電を行う（ステップＳ１０５）。その際、パルス充電のオフ時間Ｔ_ＯＦＦにはスイッチ素子１６により電池パック２０と抵抗器１５との間に閉回路を形成し、抵抗器１５を介してリチウム二次電池を放電する（ステップＳ１０６）。
【００２９】
また、オフ時間Ｔ_ＯＦＦの放電時に、充電終了制御手段により電池電圧と予め設定された遷移電圧とを比較し（ステップＳ１０７；ＹｏｒＮ）、電池電圧が遷移電圧以上である時間Ｔがオフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦ以上となった時点で（ステップＳ１０７，Ｙ）、充電制御回路部１４により充電電流を遮断し、充電を終了する。一方、電池電圧が遷移電圧以上の時間がオフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦ未満であれば（ステップＳ１０６，Ｙ）、パルス充電を続ける（ステップＳ１０５）。
【００３０】
充電が終了したのち、電池パック２０を充電装置１０から取り外すと共に、コンセント１１を電源から取り外す。
【００３１】
このように本実施の形態では、パルス充電のオフ時間に、リチウム二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）でリチウム二次電池を放電するようにしたので、リチウム二次電池内の活物質を活性化させることができる。よって、充電電流を増大させることができ、充電時間を短縮することができると共に、電池の放電容量を増大させることもできる。従って、充電装置１０の電源オン時間を短縮することができ、それにより、電力消費量を低減することができ、地球環境影響を改善することができる。
【００３２】
特に、パルス充電に移行する前に、定電圧充電を、パルス充電移行値に達するまで行うようにすれば、充電電流をより増大させることができ、充電時間をより短縮することができる。
【００３３】
また、パルス充電のオフ時間に、電池電圧が遷移電圧以上である時間がオフ最長時間以上となった時に充電を終了するようにすれば、より効率的に充電を行うことができる。
【００３４】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００３５】
実施例１〜８として、実施の形態において説明した充電装置１０および充電方法を用いて、リチウムイオン二次電池を充電した。その際、リチウムイオン二次電池の理論放電容量に対するパルス充電移行値の割合を実施例１〜８で表１に示したように変化させた。なお、定電流充電時にはリチウムイオン二次電池に対して１１００ｍＡの電流を与え、定電圧充電移行値は４．２５Ｖに設定した。抵抗器１５としては、２２０Ωの抵抗を有するポジスタを用い、パルス充電時にリチウムイオン二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の約１．７％の電流値（ｍＡ）で放電した。パルス充電時のオン時間Ｔ_ＯＮは０．９９秒、オフ最短時間Ｔ_ＳＯＦＦは０．０１秒、オフ最長時間Ｔ_ＬＯＦＦは５秒に設定した。表１および図５に実施例１〜８の充電時間、パルス充電に移行するまでの時間（パルス充電移行時間）、および、充電後の電池の放電容量を示すと共に、図６〜図１３に、実施例１〜８の充電特性をそれぞれ示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
また、本実施例に対する比較例１として、２２０Ωの抵抗を有する抵抗器を用い、１１２０ｍＡの定電流で電池電圧が４．２５Ｖに達するまで定電流充電を行ったのち、４．２５Ｖの定電圧で充電電流が７４ｍＡに達するまで定電圧充電を行った。また、本実施例に対する比較例２として、抵抗器を用いず、１１００ｍＡの定電流で電池電圧が４．２５Ｖに達するまで定電流充電を行ったのち、４．２５Ｖの定電圧で充電電流が５４ｍＡに達するまで定電圧充電を行った。表１に比較例１，２の充電時間および充電後のリチウムイオン二次電池の放電容量を合わせて示すと共に、図１４に比較例１の充電特性を示し、図１５に比較例２の充電特性を示す。
【００３８】
図６〜１５および表１から分かるように、実施例１〜８によれば、比較例１，２に比べて、充電時間を短縮することができ、放電容量については１０６０ｍＡｈ程度と大きくすることができた。すなわち、パルス充電時に放電を行うようにすれば、充電時間を短縮することができると共に、リチウムイオン二次電池の放電容量を大きくすることができることが分かった。
【００３９】
また、表１および図５から分かるように、充電時間は、パルス充電移行値が増大するほど短くなり、極大値を示したのち長くなる傾向が見られた。また、放電容量は、パルス充電移行値が増大するほど大きくなり、極大値を示したのち小さくなる傾向が見られた。すなわち、パルス充電移行値（ｍＡ）は、リチウムイオン二次電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の３０％以上８０％以下の範囲内とすることが好ましいことが分かった。
【００４０】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、本発明をリチウム二次電池に適用する場合について説明したが、本発明は、他の電池についても適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電池の充電方法および充電装置によれば、パルス充電中に、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）で電池を放電するようにしたので、電池内の活物質を活性化させることができる。よって、充電電流を増大させることができ、充電時間を短縮することができると共に、電池の放電容量を増大させることもできる。
【００４２】
特に、パルス充電に移行する前に、定電圧充電を、パルス充電移行値に達するまで行うようにすれば、充電電流をより増大させることができ、充電時間をより短縮することができる。
【００４３】
また、パルス充電のオフ時間に、電池電圧が遷移電圧以上である時間が、オフ最長時間以上となった時に充電を終了するようにすれば、より効率的に充電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電池の充電装置の概要構成を表す模式図である。
【図２】定電流定電圧充電およびパルス充電の充電特性を表す特性図である。
【図３】パルス充電の出力電流を表す特性図である。
【図４】図１に示した充電装置を用いて電池を充電する方法を表す流れ図である。
【図５】本発明の実施例１〜８に係るパルス充電移行電流と、パルス充電移行時間，充電時間および放電時間との関係を表す特性図である。
【図６】本発明の実施例１に係る充電特性を表す特性図である。
【図７】本発明の実施例２に係る充電特性を表す特性図である。
【図８】本発明の実施例３に係る充電特性を表す特性図である。
【図９】本発明の実施例４に係る充電特性を表す特性図である。
【図１０】本発明の実施例５に係る充電特性を表す特性図である。
【図１１】本発明の実施例６に係る充電特性を表す特性図である。
【図１２】本発明の実施例７に係る充電特性を表す特性図である。
【図１３】本発明の実施例８に係る充電特性を表す特性図である。
【図１４】比較例１に係る充電特性を表す特性図である。
【図１５】比較例２に係る充電特性を表す特性図である。
【符号の説明】
１０…充電装置、１１…コンセント、１２，２１…外部端子、１３…電源回路部、１４…充電制御回路部、１５…抵抗器、１６…スイッチ素子、２０…電池パック、Ｔ_ＯＮ…オン時間、Ｔ_ＯＦＦ…オフ時間、Ｔ_ＳＯＦＦ…オフ最短時間、Ｔ_ＬＯＦＦ…オフ最長時間

Claims

パルス充電を用いる電池の充電方法であって、
パルス充電中に、電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）で電池を放電することを特徴とする電池の充電方法。
パルス充電のオフ時間に電池を放電することを特徴とする請求項１記載の電池の充電方法。
パルス充電に移行する前に、定電圧充電を、充電電流値（ｍＡ）が電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の３０％以上８０％以下の範囲内に設定されたパルス充電移行値に達するまで行うことを特徴とする請求項１記載の電池の充電方法。
定電圧充電を行う前に、定電流充電を、電池電圧が所定の定電圧充電移行値に達するまで行うことを特徴とする請求項３記載の電池の充電方法。
パルス充電のオフ時間に、電池電圧が４．２３Ｖ以上４．３Ｖ以下の範囲内に設定された遷移電圧以上である時間が、１秒以上１０秒以下の範囲内に設定されたオフ最長時間以上となった時に充電を終了することを特徴とする請求項１記載の電池の充電方法。
リチウム二次電池を充電することを特徴とする請求項１記載の電池の充電方法。
電池に対してパルス充電を行うパルス充電手段と、
電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の１％以上１０％以下の範囲内の電流値（ｍＡ）で電池を放電させるための抵抗器と、
パルス充電中に電池と前記抵抗器との間に閉回路を形成するスイッチ素子と
を備えたことを特徴とする充電装置。
前記抵抗器として、ポジスタを備えたことを特徴とする請求項７記載の充電装置。
電池に対して定電圧充電を行う定電圧充電手段と、
定電圧充電中に、充電電流値（ｍＡ）が電池の理論放電容量（ｍＡｈ）を１（ｈ）で割った値の３０％以上８０％以下の範囲内に設定されたパルス充電移行値に達したとき、パルス充電に移行するパルス充電移行制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項７記載の充電装置。
電池に対して定電流充電を行う定電流充電手段と、
電池電圧が所定の定電圧充電移行値に達したとき、定電圧充電に移行する定電圧充電移行制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項９記載の充電装置。
パルス充電のオフ時間に、電池電圧が４．２３Ｖ以上４．３Ｖ以下の範囲内に設定された遷移電圧以上である時間が、１秒以上１０秒以下の範囲内に設定されたオフ最長時間以上となった時に充電を終了する充電終了制御手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の充電装置。
リチウム二次電池を充電するものであることを特徴とする請求項７記載の充電装置。