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JP2009195081A - 充電制御回路、及びこれを備える充電装置、電池パック - Google Patents

充電制御回路、及びこれを備える充電装置、電池パック Download PDF

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JP2009195081A JP2008036005A JP2008036005A JP2009195081A JP 2009195081 A JP2009195081 A JP 2009195081A JP 2008036005 A JP2008036005 A JP 2008036005A JP 2008036005 A JP2008036005 A JP 2008036005A JP 2009195081 A JP2009195081 A JP 2009195081A
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明宏 谷口
Takuma Iida
琢磨 飯田
Takuya Nakajima
琢也 中嶋
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Abstract

【課題】ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池に対する充電制御の精度を向上することができる充電制御回路、及びこれを備える充電装置、電池パックを提供する。
【解決手段】電池ブロックＢの端子電圧を検出する電圧検出回路１５と、組電池１４を充電しつつ電池ブロックＢの端子電圧を第１端子電圧Ｖ１として取得する充電処理を、実行する主充電処理部２１５と、主充電処理部２１５によって第１端子電圧Ｖ１が取得された後、充電を停止させた状態で、電池ブロックＢの端子電圧を第２端子電圧Ｖ２として取得する充電休止電圧取得部２１６と、第１端子電圧Ｖ１と第２端子電圧Ｖ２との差に基づいて、組電池１４の充電を終了するか否かを判定する充電終了判定部２１７とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電を制御する充電制御回路、及びこれを備える充電装置、電池パックに関する。
近年、二次電池は、太陽電池や発電装置と組み合わされ、電源システムとして広く利用されている。発電装置は、風力や水力といった自然エネルギーや内燃機関等の人工的な動力によって駆動される。このような二次電池を組み合わせた電源システムは、余剰な電力を二次電池に蓄積し、負荷装置が必要な時に二次電池から電力を供給することによって、エネルギー効率の向上を図っている。
このようなシステムの一例としては、太陽光発電システムが挙げられる。太陽光発電システムは、太陽光による発電量が、負荷装置の電力消費量に比べて大きい場合には、余剰電力で二次電池に充電を行う。逆に、発電量が負荷装置の消費電力より小さい場合には、不足の電力を補うために二次電池から出力して、負荷装置を駆動する。
このように、太陽光発電システムにおいては、従来利用されていなかった余剰電力を二次電池に蓄積できるため、二次電池を用いない電源システムに比べて、エネルギー効率を高めることができる。
このような太陽光発電システムにおいては、二次電池が満充電になってしまうと余剰電力を充電できなくなって、損失が生じる。そこで、余剰電力を効率よく二次電池に充電するため、二次電池の充電状態（以下、ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が１００％とならないように、充電制御が行われている。また、必要なときに負荷装置を駆動できるように、ＳＯＣが０（ゼロ）％とならないようにも充電制御が行われている。具体的には、通常、二次電池においては、ＳＯＣが２０％〜８０％の範囲で推移するように充電制御が行われている。
また、エンジンとモータとを用いたハイブリット自動車（ＨＥＶ；Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）もこのような原理を利用している。ＨＥＶは、走行に必要な動力に対してエンジンからの出力が大きい場合には、余剰のエンジン出力で発電機を駆動し、二次電池を充電する。また、ＨＥＶは、車両の制動や減速時には、モータを発電機として利用することによって二次電池を充電する。
さらに、夜間電力の有効活用をした負荷平準化電源やプラグインハイブリット車も最近注目されている。負荷平準化電源は、電力消費が少なく、電力料金が安い夜間に二次電池に電力を貯蔵し、電力消費がピークとなる日中に、貯蔵した電力を活用するシステムである。電力の消費量を平滑化することにより、電力の発電量を一定にし、電力設備の効率的運用や設備投資の削減に貢献することを目的としている。
また、プラグインハイブリット車は夜間電力を活用し、燃費が悪い市街地走行時には二次電池から電力を供給するＥＶ走行が主体に、長距離走行時には、エンジンとモータを活用したＨＥＶ走行を行うことにより、トータルのＣＯ２の排出量の削減を目的としている。
ところで、二次電池は使用するにつれて劣化し、容量が減少する。その二次電池のＳＯＣを正確に把握することが重要である。例えば、二次電池のＳＯＣを正確に把握できずに、二次電池が過充電されると、二次電池の寿命などの長期信頼性が損なわれることがある。そのため、使用している二次電池のＳＯＣ、特に二次電池が満充電に近いか否かを精度よく判定し、充電制御を行うことが必要となる。
図７は、二次電池のＳＯＣと端子電圧との関係を示すグラフである。図７の横軸はＳＯＣ、縦軸は二次電池の無負荷時の端子電圧、すなわちＯＣＶ（Open Circuit Voltage）を示している。二次電池の端子電圧は、図７のグラフＧ１で示すように、一般的には充電が進んでＳＯＣが増大するにつれて二次電池の端子電圧が上昇する。そこで、従来、グラフＧ１に示すような性質を利用して、二次電池の端子電圧をＳＯＣに換算することにより、ＳＯＣを検出していた。
しかしながら、二次電池の中には、例えば図７のグラフＧ２で示すように、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さく、平坦な電圧特性を有するものがある。このようにＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が平坦な二次電池の場合、ＳＯＣの変化に対して端子電圧が緩やかに変化するため、端子電圧に基づいてＳＯＣを検出すると、ＳＯＣの検出精度が低下する。そして、精度の低いＳＯＣに基づいて充電制御を行うと、二次電池を適切に充電できないという、問題があった。
例えば、実際のＳＯＣが２０％であるのに８０％と誤検知したりすることもありうる。このような場合、放電が進んでＳＯＣが小さくなっているにもかかわらず、ＳＯＣが誤認されて充電が行われないため、充電不足になってしまい、放電可能な時間が短くなって、電池の性能を十分に発揮できない。逆に実際のＳＯＣが８０％であるのに２０％と誤検知して、充電の必要がないのに充電してしまうおそれもある。この場合、満充電を超えて余分に充電が行われ、過充電する可能性もある。そうすると、電池の寿命や信頼性が損なわれるおそれがある。
この問題を解決するために、例えばＳＯＣの検知精度を向上する目的で、２種類以上の正極材料を混合して使用して電池のＳＯＣを検知し易くする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案によれば、電圧レベルの異なる２種類以上の電圧準平坦部が存在することで、ＳＯＣの検知精度が向上すると述べられている。電圧レベルの違う電圧準平坦部が多数存在すれば、マクロに見ればＳＯＣの変化に対して充電電圧の傾斜が大きく見える。
特開２００７−２５０２９９号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＳＯＣの検出精度を向上させるために、２種類以上の正極材料を用いることとなり、１種類の正極材料を用いた二次電池とは、電池特性が変化してしまう。そのため、所望の電池特性が得られなくなるおそれがあった。
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池に対する充電制御の精度を向上することができる充電制御回路、及びこれを備える充電装置、電池パックを提供することを目的とする。
本発明に係る充電制御回路は、二次電池に充電電流を供給することにより充電を行う充電部の動作を制御する充電制御回路であって、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記充電部によって前記二次電池を充電させつつ前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第１端子電圧として取得する充電処理を、実行する主充電処理部と、前記主充電処理部によって前記第１端子電圧が取得された後、前記充電部による充電を停止させた状態で、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第２端子電圧として取得する充電休止電圧取得部と、前記主充電処理部により取得された第１端子電圧と前記充電休止電圧取得部により取得された第２端子電圧との差に基づいて、前記二次電池の充電を終了するか否かを判定する充電終了判定部とを備える。
この構成によれば、主充電処理部によって、二次電池に充電電流が供給されているときの二次電池の端子電圧が、第１端子電圧として取得される。また、充電休止電圧取得部によって、充電電流の供給が停止された状態での二次電池の端子電圧が、第２端子電圧として取得される。そして、充電終了判定部によって、第１端子電圧と第２端子電圧との差に基づいて、二次電池の充電を終了するか否かが判定される。そうすると、第１端子電圧と第２端子電圧との差は、二次電池のＳＯＣに応じて変化するから、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池を用いた場合であっても、第１端子電圧と第２端子電圧との差に基づいて充電を終了するか否かを判定することにより、端子電圧から直接換算されたＳＯＣに基づく充電制御よりも、充電制御の精度を向上することができる。
また、前記二次電池は、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなるものであり、前記充電終了判定部は、前記第１端子電圧と前記第２端子電圧との差が、予め設定された基準電圧を超える場合、前記二次電池の充電を終了すべきであると判定することが好ましい。
この構成によれば、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなるので、ＳＯＣが大きくなるほど第１端子電圧と前記第２端子電圧との差が大きくなる。そこで、第１端子電圧と前記第２端子電圧との差が、基準電圧を超える場合に二次電池の充電を終了すべきであると判定することで、端子電圧を直接ＳＯＣに換算する場合よりも、充電制御の精度を向上することができる。
また、前記二次電池は、正極活物質として、オリビン系材料を用いたリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
正極活物質として、オリビン系材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなるので、上述の二次電池として好適である。
また、前記正極活物質は、ＬｉＦｅＰＯ４であることが好ましい。
正極活物質として、ＬｉＦｅＰＯ４を用いたリチウムイオン二次電池は、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなるので、上述の二次電池として好適である。
また、前記充電休止電圧取得部は、前記主充電処理部によって前記第１端子電圧が取得された後に、前記充電部による充電の停止状態が予め設定された設定時間継続した後、前記第２端子電圧を取得することが好ましい。
二次電池の端子電圧は、充電が停止してから徐々に低下し、一定の電圧で安定するまで、ある程度の時間を要する。そこで、充電休止電圧取得部が、充電部による充電の停止状態が予め設定された設定時間継続した後、第２端子電圧を取得することで、二次電池の端子電圧が安定してから第２端子電圧を取得することができるので、第２端子電圧の精度を向上することができる。
また、前記充電休止電圧取得部は、前記主充電処理部によって前記第１端子電圧が取得され、かつ前記電圧検出部により検出された端子電圧が、前記二次電池が満充電に近いことを示す電圧として予め設定された判定電圧を超えたとき、前記充電部による充電を停止させ、前記第２端子電圧を取得することが好ましい。
この構成によれば、二次電池の端子電圧が判定電圧を超え、従って二次電池が満充電に近いと考えられる場合にのみ、充電が停止されて、第１端子電圧と第２端子電圧との差に基づく充電制御が行われる。そうすると、二次電池の端子電圧に基づく精度の低い判定方法によって、大まかに二次電池が満充電に近いと判定された場合にのみ、充電が停止されるので、不必要に充電が停止されて充電時間が延びるおそれが低減される。
また、前記主充電処理部は、前記充電処理において、前記充電部によって、予め設定された主充電用電流値の充電電流を前記二次電池に供給させて定電流充電させるものであり、前記主充電処理部による前記充電処理が実行される前に、前記主充電用電流値より小さい予備充電用電流値で前記充電部によって前記二次電池を充電させつつ前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第３端子電圧として取得する予備充電部と、前記予備充電部によって前記第３端子電圧が取得された後、前記充電部による充電を停止させた状態で、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第４端子電圧として取得する予備後電圧取得部と、前記予備充電部により取得された第３端子電圧と前記予備後電圧取得部により取得された第４端子電圧との差に基づいて、前記主充電処理部による前記充電処理を実行させるか否かを判定する主充電可否判定部とをさらに備えることが好ましい。
この構成によれば、主充電処理部による充電処理が実行される前に、予備充電部によって、主充電用電流値より小さい予備充電用電流値で二次電池に充電電流が供給されているときの二次電池の端子電圧が、第３端子電圧として取得される。また、予備後電圧取得部によって、充電電流の供給が停止された状態での二次電池の端子電圧が、第４端子電圧として取得される。そして、主充電可否判定部によって、第３端子電圧と第４端子電圧との差に基づいて、主充電処理部による充電処理を実行させるか否かが判定される。
そうすると、主充電用電流値の充電電流で充電を行う充電処理の前に、主充電用電流値より小さい予備充電用電流値の充電電流を二次電池に供給することにより、第３端子電圧と第４端子電圧との差に基づいて主充電用電流値の充電電流で充電を行うか否かを高精度で判定することができるので、例え充電の開始時に既に二次電池が満充電であった場合であっても、最初から主充電用電流値で充電を行う場合と比べて二次電池に流れる電流が小さくなる結果、二次電池が過充電されて劣化するおそれを低減することができる。
また、前記主充電処理部は、前記充電処理において、前記充電部によって、予め設定された主充電用電流値の充電電流を前記二次電池に供給させて定電流充電させるものであり、前記充電終了判定部によって、前記二次電池の充電を終了する旨の判定がされた後、前記充電部によって前記主充電用電流値より小さい電流値で前記二次電池を充電させると共に予め設定された経過時間毎に前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第５端子電圧として取得する補充電処理を、実行する補充電処理部と、前記補充電処理部によって前記第５端子電圧が取得された後、前記充電部による充電を停止させた状態で、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第６端子電圧として取得する補充電休止電圧取得部と、前記補充電処理部により取得された第５端子電圧と前記補充電休止電圧取得部により取得された第６端子電圧との差に基づいて、前記補充電処理部による前記補充電処理を再開させるか否かを判定する再充電可否判定部とをさらに備えることが好ましい。
この構成によれば、充電終了判定部によって、二次電池の充電を終了する旨の判定がされた後、主充電用電流値より小さい電流値で二次電池が充電されることにより、二次電池の放電による充電量の減少が補われる。そして、補充電処理部によって、予め設定された経過時間毎に定期的に、二次電池に充電電流が供給されているときの二次電池の端子電圧が、第５端子電圧として取得される。また、補充電休止電圧取得部によって、充電電流の供給が停止された状態での二次電池の端子電圧が、第６端子電圧として取得される。そして、再充電可否判定部によって、第５端子電圧と第６端子電圧との差に基づいて、補充電処理を再開させるか否かが判定されるので、補充電処理により二次電池の過充電が生じるおそれを低減するための充電制御を、端子電圧から直接換算されたＳＯＣに基づき行う場合よりも、充電制御の精度を向上することができる。
また、本発明に係る充電装置は、上述の充電制御回路と、前記充電部とを備える。
この構成によれば、充電装置において、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池に対する充電制御の精度を向上することができる。
また、本発明に係る電池パックは、上述の充電制御回路と、前記二次電池とを備える。
この構成によれば、電池パックにおいて、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池に対する充電制御の精度を向上することができる。
このような構成の充電制御回路、充電装置、及び電池パックは、主充電処理部によって、二次電池に充電電流が供給されているときの二次電池の端子電圧が、第１端子電圧として取得される。また、充電休止電圧取得部によって、充電電流の供給が停止された状態での二次電池の端子電圧が、第２端子電圧として取得される。そして、充電終了判定部によって、第１端子電圧と第２端子電圧との差に基づいて、二次電池の充電を終了するか否かが判定される。そうすると、第１端子電圧と第２端子電圧との差は、二次電池のＳＯＣに応じて変化するから、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池を用いた場合であっても、第１端子電圧と第２端子電圧との差に基づいて充電を終了するか否かを判定することにより、端子電圧から直接換算されたＳＯＣに基づく充電制御よりも、充電制御の精度を向上することができる。
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。図１は、本発明の一実施形態に係る充電制御回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す充電システム１は、電池パック２と充電装置３（充電部）とが組み合わされて構成されている。
なお、この充電システム１は、電池パック２から給電が行われる図示しない負荷装置をさらに含めて、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、等の電池搭載機器システムとして構成されてもよい。その場合、電池パック２は、図１では充電装置３から充電が行われるけれども、該電池パック２が前記負荷装置に装着されて、負荷装置を通して充電が行われてもよい。
電池パック２は、接続端子１１，１２，１３、組電池１４（二次電池）、電流検出抵抗１６、充電制御回路４、通信部２０３、及びスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備えている。また、充電制御回路４は、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器２０１、制御部２０２、電圧検出回路１５（電圧検出部）、及び温度センサ１７（温度検出部）を備えている。
なお、充電システム１は、必ずしも電池パック２と充電装置３とに分離可能に構成されるものに限られず、充電システム１全体で一つの充電制御回路４が構成されていてもよい。また、充電制御回路４を、電池パック２と充電装置３とで分担して備えるようにしてもよい。また、組電池１４は、電池パックにされている必要はなく、例えば充電制御回路４が、車載用のＥＣＵ（Electric Control Unit）として構成されていてもよい。
充電装置３は、接続端子３１，３２，３３、制御ＩＣ３４、及び充電電流供給部３５を備えている。制御ＩＣ３４は、通信部３６と制御部３７とを備えている。充電電流供給部３５は、制御部３７からの制御信号に応じた電流を、接続端子３１，３２を介して電池パック２へ供給する電源回路である。制御部３７は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成された制御回路である。
電池パック２及び充電装置３は、給電を行う直流ハイ側の接続端子１１，３１と、通信信号用の接続端子１３，３３と、給電および通信信号のための接続端子１２，３２とによって相互に接続される。通信部２０３，３６は、接続端子１３，３３を介して互いにデータ送受信可能に構成された通信インターフェイス回路である。
電池パック２では、接続端子１１は、充電用のスイッチング素子Ｑ２と放電用のスイッチング素子Ｑ１とを介して組電池１４の正極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２としては、例えばｐチャネルのＦＥＴ（Field Effect Transistor）が用いられる。スイッチング素子Ｑ１は、寄生ダイオードのカソードが組電池１４の方向にされている。また、スイッチング素子Ｑ２は、寄生ダイオードのカソードが接続端子１１の方向にされている。
また、接続端子１２は、電流検出抵抗１６を介して組電池１４の負極に接続されており、接続端子１１からスイッチング素子Ｑ２，Ｑ１、組電池１４、及び電流検出抵抗１６を介して接続端子１２に至る電流経路が構成されている。電流検出抵抗１６は、組電池１４の充電電流および放電電流を電圧値に変換する。
組電池１４は、例えば複数の電池ブロック（二次電池）Ｂ１、Ｂ２、・・・、ＢＮが直列接続されて構成されている。また、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮは、例えば、それぞれ複数の二次電池１４１が直列接続されて構成されている。なお、組電池１４は、例えば単電池であってもよく、例えば複数の二次電池が並列接続された組電池であってもよく、直列と並列とが組み合わされて接続された組電池であってもよい。
二次電池１４１は、例えば正極活物質として、オリビン系材料の一例であるＬｉＦｅＰＯ４を用いたリチウムイオン二次電池である。なお、正極活物質は、例えば、ＬｉｘＦｅＰＯ４（０＜ｘ≦１）であってもよい。
正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ４を用いたリチウムイオン二次電池は、例えば図７のグラフＧ２に示すように、広い領域でＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さく平坦である。例えば、二次電池１４１として、ＳＯＣが１０％から９５％まで変化した場合における端子電圧の変化量が、０．０１Ｖ以上、０．３Ｖ未満となる二次電池を用いることができる。
また、本願発明者らは、図３に示すように、正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ４を用いたリチウムイオン二次電池は、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなる性質を有することを、実験的に見出した。
図３は、二次電池１４１に充電電流を流した後、充電電流をゼロにしたときの、端子電圧の変化を説明するための説明図である。図３に示すように、正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ４を用いた二次電池１４１は、充電電流が流れると、徐々に端子電圧が上昇する。そして、充電電流がゼロになると端子電圧が徐々に低下し、時間ｔｗの経過後に、端子電圧が一定の電圧になって、安定する。
このとき、本願発明者らは、充電電流がゼロになる直前の端子電圧と、端子電圧が低下して安定になったときの電圧との差は、二次電池１４１のＳＯＣが小さいとき（△１）よりも、二次電池１４１が満充電のとき（△２）の方が、大きくなることを、実験的に見出した。
温度センサ１７は、組電池１４の温度を検出する温度センサである。そして、組電池１４の温度は温度センサ１７によって検出され、充電制御回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。また、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮの各端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮは、電圧検出回路１５によってそれぞれ検出され、充電制御回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。
さらにまた、電流検出抵抗１６によって検出された充放電電流Ｉｃの電流値も、充電制御回路４内のアナログデジタル変換器２０１に入力される。アナログデジタル変換器２０１は、各入力値をデジタル値に変換して、制御部２０２へ出力する。
図２は、図１に示す制御部２０２の構成の一例を説明するためのブロック図である。制御部２０２は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、タイマ回路と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部２０２は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、保護制御部２１１、予備充電部２１２、予備後電圧取得部２１３、主充電可否判定部２１４、主充電処理部２１５、充電休止電圧取得部２１６、充電終了判定部２１７、補充電処理部２１８、補充電休止電圧取得部２１９、及び再充電可否判定部２２０として機能する。
保護制御部２１１は、アナログデジタル変換器２０１からの各入力値から、接続端子１１，１２間の短絡及び充電装置３からの異常電流などの電池パック２の外部における異常や、組電池１４の異常な温度上昇等の異常を検出する。具体的には、例えば、電流検出抵抗１６によって検出された電流値が、予め設定された異常電流判定閾値を超えると、接続端子１１，１２間の短絡や充電装置３からの異常電流に基づく異常が生じたと判定し、例えば温度センサ１７によって検出された組電池１４の温度が予め設定された異常温度判定閾値を超えると、組電池１４の異常が生じたと判定する。そして、保護制御部２１１は、このような異常を検出した場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフさせて、過電流や過熱等の異常から、組電池１４を保護する保護動作を行う。
予備充電部２１２は、主充電処理部２１５による充電処理が実行される前に、電流値Ｉｃｃ（主充電用電流値）より小さい電流値Ｉｐｃ（予備充電用電流値）の充電電流の要求を、通信部２０３から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信することで、充電装置３によって組電池１４を予備充電させつつ電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを、第３端子電圧Ｖ３ｂ１、Ｖ３ｂ２、・・・、Ｖ３ｂＮとして取得する。
ここで、二次電池１４１の公称容量値を定電流で放電して、１時間で当該二次電池の残容量がゼロとなる電流値を１Ｃ（＝１Ｉｔ＝電池容量（Ａｈ）／１（ｈ））とすると、電流値Ｉｃｃは、例えば０．７Ｃに設定されている。
予備後電圧取得部２１３は、予備充電部２１２によって第３端子電圧Ｖ３ｂ１、Ｖ３ｂ２、・・・、Ｖ３ｂＮが取得された後、充電装置３に充電停止要求を送信する。そして、予備後電圧取得部２１３は、充電装置３による充電を停止させた状態で、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを、第４端子電圧Ｖ４ｂ１、Ｖ４ｂ２、・・・、Ｖ４ｂＮとして取得する。
主充電可否判定部２１４は、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのそれぞれについて、予備充電部２１２により取得された第３端子電圧Ｖ３ｂ１、Ｖ３ｂ２、・・・、Ｖ３ｂＮと、予備後電圧取得部２１３により取得された第４端子電圧Ｖ４ｂ１、Ｖ４ｂ２、・・・、Ｖ４ｂＮとの差に基づいて、主充電処理部２１５による充電処理を実行させるか否かを判定する。
主充電処理部２１５は、充電装置３によって組電池１４を充電させつつ電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮとして取得する充電処理を、実行する。
充電休止電圧取得部２１６は、主充電処理部２１５によって第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮが取得された後、充電装置３による充電を停止させた状態で、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを第２端子電圧Ｖ２ｂ１、Ｖ２ｂ２、・・・、Ｖ２ｂＮとして取得する。
充電終了判定部２１７は、主充電処理部２１５により取得された第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮと充電休止電圧取得部２１６により取得された第２端子電圧Ｖ２ｂ１、Ｖ２ｂ２、・・・、Ｖ２ｂＮとの差に基づいて、組電池１４の充電を終了するか否かを判定する。
補充電処理部２１８は、一旦組電池１４が満充電にされて充電が終了した後、例えば組電池１４の自己放電によるＳＯＣの低下を補うように、補充電、例えばトリクル充電を行う。具体的には、補充電処理部２１８は、充電終了判定部２１７によって、組電池１４の充電を終了する旨の判定がされた後、予め設定された時間ｔｃｙｃ毎に、充電装置３によって組電池１４を充電させつつ電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを第５端子電圧Ｖ５ｂ１、Ｖ５ｂ２、・・・、Ｖ５ｂＮとして取得する。
補充電休止電圧取得部２１９は、補充電処理部２１８によって第５端子電圧Ｖ５ｂ１、Ｖ５ｂ２、・・・、Ｖ５ｂＮが取得された後、充電装置３による充電を停止させた状態で、電圧検出回路１５によって検出された端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを第６端子電圧Ｖ６ｂ１、Ｖ６ｂ２、・・・、Ｖ６ｂＮとして取得する。
再充電可否判定部２２０は、補充電処理部２１８により取得された第５端子電圧Ｖ５ｂ１、Ｖ５ｂ２、・・・、Ｖ５ｂＮと補充電休止電圧取得部２１９により取得された第６端子電圧Ｖ６ｂ１、Ｖ６ｂ２、・・・、Ｖ６ｂＮとの差に基づいて、補充電処理部２１８による補充電と第５端子電圧Ｖ５ｂ１、Ｖ５ｂ２、・・・、Ｖ５ｂＮの取得とを再開させるか否かを判定する。
充電装置３では、制御部２０２からの要求を、制御ＩＣ３４において、通信部３６で受信し、制御部３７が充電電流供給部３５を制御して、制御部２０２からの要求に応じた電圧値、及び電流値で、充電電流供給部３５から充電電流を出力させる。充電電流供給部３５は、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング電源回路を用いて構成され、例えば商用交流電源電圧から、制御部３７で指示された充電電圧及び充電電流を生成し、接続端子３１，１１；３２，１２を介して電池パック２へ供給する。
次に、上述のように構成された充電システム１の動作について説明する。図４、図５、図６は、図１に示す充電システム１の動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の説明において、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮを総称して電池ブロックＢと記載し、端子電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、・・・、ＶｂＮを総称して端子電圧Ｖｂと記載し、第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮを総称して第１端子電圧Ｖ１と記載し、第２端子電圧Ｖ２ｂ１、Ｖ２ｂ２、・・・、Ｖ２ｂＮを総称して第２端子電圧Ｖ２と記載し、第３端子電圧Ｖ３ｂ１、Ｖ３ｂ２、・・・、Ｖ３ｂＮを総称して第３端子電圧Ｖ３と記載し、第４端子電圧Ｖ４ｂ１、Ｖ４ｂ２、・・・、Ｖ４ｂＮを総称して第４端子電圧Ｖ４と記載し、第５端子電圧Ｖ５ｂ１、Ｖ５ｂ２、・・・、Ｖ５ｂＮを総称して第５端子電圧Ｖ５と記載し、第６端子電圧Ｖ６ｂ１、Ｖ６ｂ２、・・・、Ｖ６ｂＮを総称して第６端子電圧Ｖ６と記載する。
まず、組電池１４の充電が開始されると、予備充電部２１２によって、電流値Ｉｐｃの充電電流の要求が、通信部２０３から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信される。そうすると、充電装置３によって電流値Ｉｐｃでの組電池１４の予備充電が開始される（ステップＳ１）。電流値Ｉｐｃは、電流値Ｉｃｃより小さい電流値、例えば０．３Ｃ程度の電流値に設定されている。
次に、予備充電が開始されてからの経過時間が、予め設定された時間ａ、例えば３分を超えると（ステップＳ２でＹＥＳ）、予備充電部２１２によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｂが、第３端子電圧Ｖ３として取得される（ステップＳ３）。
次に、予備後電圧取得部２１３によって、充電装置３に充電停止要求が送信され、充電装置３によって充電電流がゼロにされて、予備充電が停止する（ステップＳ４）。そして、充電装置３による充電の停止状態が予め設定された設定時間βを超えて継続すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、予備後電圧取得部２１３によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｂが第４端子電圧Ｖ４として取得される（ステップＳ６）。
設定時間βは、充電電流がゼロになってから端子電圧Ｖｂが安定するのに掛かる時間ｔｗ以上の時間が予め設定されている。これにより、端子電圧Ｖｂが安定してから第４端子電圧Ｖ４（及び後述する第２端子電圧Ｖ２、第６端子電圧Ｖ６）が取得されるので、第４端子電圧Ｖ４（及び後述する第２端子電圧Ｖ２、第６端子電圧Ｖ６）の精度が向上する。
次に、主充電可否判定部２１４によって、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのそれぞれにおける第３端子電圧Ｖ３から第４端子電圧Ｖ４が減算されて、各電圧差△Ｖが算出される（ステップＳ７）。そして、主充電可否判定部２１４によって、各電圧差△Ｖが予め設定された予備判定電圧ｂと比較され（ステップＳ８）、例えば各電圧差△Ｖのうちいずれか一つでも予備判定電圧ｂを超えていれば（ステップＳ８でＹＥＳ）、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのうち少なくとも一つは満充電に近いと考えられるので、過充電を避けるべく、充電を終了する（ステップＳ９）。予備判定電圧ｂは、電流値Ｉｐｃの充電電流を用いた場合において、満充電に近い二次電池１４１における電圧差△Ｖが、予め、例えば実験的に求められて、予備判定電圧ｂとして設定されている。
一方、ステップＳ８において、例えば各電圧差△Ｖのすべてが予備判定電圧ｂ以下であれば（ステップＳ８でＮＯ）、組電池１４はまだ充電の余地があるから、主充電を行うべくステップＳ１０へ移行する。
以上、ステップＳ１〜Ｓ９の処理によれば、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さく平坦な二次電池を充電する場合であっても、電圧差△Ｖに基づき精度よく組電池１４の充電状態を判定し、充電制御の精度を向上することができる。また、主充電を行う前に、主充電より小さい充電電流を流すことで、電圧差△Ｖを検出するので、例え組電池１４が充電開始時に既に満充電であった場合であっても、最初からステップＳ１０以降の主充電を行う場合と比べて組電池１４に流れる電流が小さくなる結果、組電池１４が過充電されて劣化するおそれを低減することができる。
次に、主充電処理部２１５によって、電流値Ｉｃｃの充電電流の要求が、通信部２０３から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信される。そうすると、充電装置３によって電流値Ｉｃｃで、組電池１４が定電流充電されて、主充電が開始される（ステップＳ１０）。そして、主充電処理部２１５によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｂが、第１端子電圧Ｖ１として取得される（ステップＳ１１）。
次に、充電休止電圧取得部２１６によって、第１端子電圧Ｖ１が予め設定された判定電圧αと比較される（ステップＳ１２）。判定電圧αは、電池ブロックＢが満充電になったときの電池ブロックＢの端子電圧に近い電圧が、予め設定されている。そして、第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮのすべてが判定電圧α以下であれば（ステップＳ１２でＮＯ）、まだ組電池１４は充電の余地があると考えられるので、再びステップＳ１１へ移行して主充電が継続される。
一方、第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮのうち少なくともひとつが判定電圧αを超えていれば（ステップＳ１２でＹＥＳ）、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのうち少なくとも一つが満充電に近いと考えられるので、さらに精度よく電池ブロックＢの充電状態を判定するべくステップＳ１３へ移行する。そして、充電休止電圧取得部２１６によって、充電装置３に充電停止要求が送信され、充電装置３によって充電電流がゼロにされて、主充電が休止する（ステップＳ１３）。
二次電池１４１は、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さく平坦な特性を有しているので、第１端子電圧Ｖ１を判定電圧αと比較するだけでは、電池ブロックＢが満充電か否かを精度よく判定することができないが、おおよそ満充電に近いか否かを判定することはできる。そこで、ステップＳ１２において、第１端子電圧Ｖ１ｂ１、Ｖ１ｂ２、・・・、Ｖ１ｂＮのうち少なくともひとつが判定電圧αを超えており、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのうち少なくとも一つが満充電に近い可能性が高い場合にのみ、ステップＳ１３へ移行することで、不必要に繰り返し主充電を休止させるおそれが低減される結果、充電時間が延びてしまうおそれが低減される。
そして、充電装置３による充電の停止状態が予め設定された設定時間βを超えて継続すると（ステップＳ１４でＹＥＳ）、充電休止電圧取得部２１６によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｂが第２端子電圧Ｖ２として取得される（ステップＳ１５）。
次に、充電終了判定部２１７によって、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのそれぞれにおける第１端子電圧Ｖ１から第２端子電圧Ｖ２が減算されて、各電圧差△Ｖが算出される（ステップＳ１６）。そして、充電終了判定部２１７によって、各電圧差△Ｖが予め設定された基準電圧γと比較され（ステップＳ１７）、例えば各電圧差△Ｖのうちいずれか一つでも基準電圧γを超えていれば（ステップＳ１７でＹＥＳ）、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのうち少なくとも一つは満充電になっていると考えられるので、過充電を避けるべく、充電を終了し（ステップＳ１８）、組電池１４の自己放電を補うべくステップＳ２１へ移行する。
基準電圧γは、電流値Ｉｃｃの充電電流を用いた場合において、満充電にされた二次電池１４１における電圧差△Ｖが、予め、例えば実験的に求められて、基準電圧γとして設定されている。
一方、ステップＳ１７において、例えば各電圧差△Ｖのすべてが基準電圧γ以下であれば（ステップＳ１７でＮＯ）、組電池１４はまだ充電の余地があるから、主充電を再開するべくステップＳ１０へ移行する。
以上、ステップＳ１０〜Ｓ１８の処理により、電圧差△Ｖに基づいて電池ブロックＢの充電状態が判定されるので、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さい二次電池１４１を用いた組電池１４に対する充電制御の精度を向上することができる。
次に、ステップＳ２１において、補充電処理部２１８によって、電流値Ｉｔｃの充電電流の要求が、通信部２０３から接続端子１３，３２を介して充電装置３へ送信される。そうすると、充電装置３によって電流値Ｉｔｃでの組電池１４の補充電、例えばトリクル充電が開始される（ステップＳ２１）。電流値Ｉｔｃは、組電池１４の自己放電量を補う程度の電流値、例えば１／３０Ｃ程度の電流値に設定されている。
次に、補充電が開始されてから予め設定された時間ｔｃｙｃ毎に、定期的にステップＳ２３へ移行して、組電池１４の充電状態の判定が実行される。時間ｔｃｙｃは、例えば１０分程度の時間が設定されている。そして、補充電処理部２１８によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｂが、第５端子電圧Ｖ５として取得される（ステップＳ２３）。
次に、補充電休止電圧取得部２１９によって、充電装置３に充電停止要求が送信され、充電装置３によって充電電流がゼロにされて、補充電が停止する（ステップＳ２４）。そして、充電装置３による充電の停止状態が予め設定された設定時間βを超えて継続すると（ステップＳ２５でＹＥＳ）、補充電休止電圧取得部２１９によって、電圧検出回路１５で検出された端子電圧Ｖｂが第６端子電圧Ｖ６として取得される（ステップＳ２６）。
次に、再充電可否判定部２２０によって、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのそれぞれにおける第５端子電圧Ｖ５から第６端子電圧Ｖ６が減算されて、各電圧差△Ｖが算出される（ステップＳ２７）。そして、再充電可否判定部２２０によって、各電圧差△Ｖが予め設定された判定電圧δと比較され（ステップＳ２８）、例えば各電圧差△Ｖのうちいずれか一つでも判定電圧δを超えていれば（ステップＳ２８でＹＥＳ）、電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのうち少なくとも一つは満充電になっていると考えられるので、過充電を避けるべく、補充電を終了する（ステップＳ２９）。判定電圧δは、電流値Ｉｔｃの充電電流を用いた場合において、満充電に近い二次電池１４１における電圧差△Ｖが、予め、例えば実験的に求められて、判定電圧δとして設定されている。
一方、ステップＳ２８において、例えば各電圧差△Ｖのすべてが判定電圧δ以下であれば（ステップＳ２８でＮＯ）、組電池１４はまだ充電の余地があるから、補充電を再開するべくステップＳ２１へ移行する。
以上、ステップＳ２１〜Ｓ２９の処理によれば、ＳＯＣの変化に対して端子電圧の変化が小さく平坦な二次電池の、自己放電を補充するべくトリクル充電等の補充電を行う場合であっても、電圧差△Ｖに基づき精度よく組電池１４の充電状態を判定し、補充電における充電制御の精度を向上することができる。
なお、二次電池１４１として、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなる二次電池を用いる例を示したが、ステップＳ８，Ｓ１７，Ｓ２８の判定条件を適宜変更することで、充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど小さくなる二次電池を、二次電池１４１として用いることもできる。
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、太陽電池や発電装置と二次電池とを組み合わされた電源システム等の電池搭載装置において、二次電池の充電を制御する充電制御回路、及びこれを備えた電池パック、充電システムとして好適に利用することができる。
本発明の一実施形態に係る充電制御回路を備えた電池パック、及び充電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す制御部の構成の一例を説明するためのブロック図である。 図１に示す二次電池に充電電流を流した後、充電電流をゼロにしたときの、端子電圧の変化を説明するための説明図である。 図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す充電システムの動作の一例を示すフローチャートである。 二次電池のＳＯＣと端子電圧との関係を示すグラフである。
符号の説明
１ 充電システム
２ 電池パック
３ 充電装置
４ 充電制御回路
１４ 組電池
１５ 電圧検出回路
１６ 電流検出抵抗
１７ 温度センサ
１４１ 二次電池
２０２ 制御部
２１１ 保護制御部
２１２ 予備充電部
２１３ 予備後電圧取得部
２１４ 主充電可否判定部
２１５ 主充電処理部
２１６ 充電休止電圧取得部
２１７ 充電終了判定部
２１８ 補充電処理部
２１９ 補充電休止電圧取得部
２２０ 再充電可否判定部
Ｂ１、Ｂ２、・・・、ＢＮ 電池ブロック

Claims (10)

  1. 二次電池に充電電流を供給することにより充電を行う充電部の動作を制御する充電制御回路であって、
    前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
    前記充電部によって前記二次電池を充電させつつ前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第１端子電圧として取得する充電処理を、実行する主充電処理部と、
    前記主充電処理部によって前記第１端子電圧が取得された後、前記充電部による充電を停止させた状態で、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第２端子電圧として取得する充電休止電圧取得部と、
    前記主充電処理部により取得された第１端子電圧と前記充電休止電圧取得部により取得された第２端子電圧との差に基づいて、前記二次電池の充電を終了するか否かを判定する充電終了判定部と
    を備えることを特徴とする充電制御回路。
  2. 前記二次電池は、
    充電を停止したときに生じる端子電圧の低下量が、ＳＯＣが大きくなるほど大きくなるものであり、
    前記充電終了判定部は、
    前記第１端子電圧と前記第２端子電圧との差が、予め設定された基準電圧を超える場合、前記二次電池の充電を終了すべきであると判定すること
    を特徴とする請求項１記載の充電制御回路。
  3. 前記二次電池は、
    正極活物質として、オリビン系材料を用いたリチウムイオン二次電池であること
    を特徴とする請求項２記載の充電制御回路。
  4. 前記正極活物質は、ＬｉＦｅＰＯ４であること
    を特徴とする請求項３記載の充電制御回路。
  5. 前記充電休止電圧取得部は、
    前記主充電処理部によって前記第１端子電圧が取得された後に、前記充電部による充電の停止状態が予め設定された設定時間継続した後、前記第２端子電圧を取得すること
    を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電制御回路。
  6. 前記充電休止電圧取得部は、
    前記主充電処理部によって前記第１端子電圧が取得され、かつ前記電圧検出部により検出された端子電圧が、前記二次電池が満充電に近いことを示す電圧として予め設定された判定電圧を超えたとき、前記充電部による充電を停止させ、前記第２端子電圧を取得すること
    を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電制御回路。
  7. 前記主充電処理部は、前記充電処理において、前記充電部によって、予め設定された主充電用電流値の充電電流を前記二次電池に供給させて定電流充電させるものであり、
    前記主充電処理部による前記充電処理が実行される前に、前記主充電用電流値より小さい予備充電用電流値で前記充電部によって前記二次電池を充電させつつ前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第３端子電圧として取得する予備充電部と、
    前記予備充電部によって前記第３端子電圧が取得された後、前記充電部による充電を停止させた状態で、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第４端子電圧として取得する予備後電圧取得部と、
    前記予備充電部により取得された第３端子電圧と前記予備後電圧取得部により取得された第４端子電圧との差に基づいて、前記主充電処理部による前記充電処理を実行させるか否かを判定する主充電可否判定部とをさらに備えること
    を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の充電制御回路。
  8. 前記主充電処理部は、前記充電処理において、前記充電部によって、予め設定された主充電用電流値の充電電流を前記二次電池に供給させて定電流充電させるものであり、
    前記充電終了判定部によって、前記二次電池の充電を終了する旨の判定がされた後、前記充電部によって前記主充電用電流値より小さい電流値で前記二次電池を充電させると共に予め設定された経過時間毎に前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第５端子電圧として取得する補充電処理を、実行する補充電処理部と、
    前記補充電処理部によって前記第５端子電圧が取得された後、前記充電部による充電を停止させた状態で、前記電圧検出部によって検出された端子電圧を第６端子電圧として取得する補充電休止電圧取得部と、
    前記補充電処理部により取得された第５端子電圧と前記補充電休止電圧取得部により取得された第６端子電圧との差に基づいて、前記補充電処理部による前記補充電処理を再開させるか否かを判定する再充電可否判定部とをさらに備えること
    を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の充電制御回路。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の充電制御回路と、
    前記充電部と
    を備えることを特徴とする充電装置。
  10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の充電制御回路と、
    前記二次電池と
    を備えることを特徴とする電池パック。
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