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明 細 書

発明の名称 充電装置及び充電方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012  

図面の簡単な説明

0013  

発明を実施するための形態

0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082  

産業上の利用可能性

0083  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2A   2B   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 充電装置及び充電方法

技術分野

[0001]
 本開示は、充電装置及び充電方法に関する。

背景技術

[0002]
 一般的に、ハンディ無線機や携帯機器には二次電池(充電池)としてリチウムイオン電池が使用されている。通常、リチウムイオン電池は、単一の電流による定電流定電圧(CCCV)充電方式により充電される。
[0003]
 特許文献1及び特許文献2には、予め設定された時刻までに充電を完了させるための予約充電機能を有する充電装置が記載されている。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開平8-287959号公報
特許文献2 : 特開2000-287374号公報

発明の概要

[0005]
 リチウムイオン電池等の二次電池が劣化して寿命を縮める要因として、急速充電の多用、満充電での放置、高温での放置、低温での使用、過充電、過放電、及び、ショートを含む大電流放電等が挙げられる。
[0006]
 特許文献1に記載されている充電装置は、予め設定された時刻に充電が終了するように充電開始時刻を逆算し、充電開始時刻になると充電を開始する。そのため、充電開始時刻までは待機状態となり、無駄な待機電力を消費してしまう。
[0007]
 特許文献2に記載されている充電装置は、最初に満充電になるまで充電し、その後は待機状態となり、設定時刻直前に自然放電した分を補充電する。そのため、無駄な待機電力を消費してしまう。また、満充電で待機状態となったり、2回の充電を行ったりすることにより二次電池が劣化しやすくなる。
[0008]
 また、特許文献1及び特許文献2に記載されている充電装置は、いずれも急速充電を行うため、二次電池が劣化しやすくなる。
[0009]
 実施形態は、二次電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させ、予め設定された時刻までに充電を完了させることが可能な充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。
[0010]
 実施形態の第1の態様によれば、二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、前記二次電池に充電電流を供給する定電流源と、前記電池電圧検出部により検出された電池電圧を取得し、前記充電電流の電流値を設定する制御部とを備え、前記制御部は、前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記充電電流の電流値を設定することを特徴とする充電装置が提供される。
[0011]
 実施形態の第2の態様によれば、二次電池の電池電圧を検出し、前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記二次電池を定電流充電するための電流値を設定することを特徴とする充電方法が提供される。
[0012]
 実施形態の充電装置及び充電方法によれば、二次電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させ、予め設定された時刻までに充電を完了させることができる。

図面の簡単な説明

[0013]
[図1] 図1は、一実施形態の充電装置の回路図である。
[図2A] 図2Aは、一実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。
[図2B] 図2Bは、一実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。
[図3] 図3は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量残存率との関係の一例を示す電池特性図である。
[図4] 図4は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量との放電温度特性の一例を示す電池特性図である。
[図5] 図5は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量とのサイクル劣化放電特性の一例を示す電池特性図である。
[図6] 図6は、リチウムイオン電池の内部抵抗と充電時間とのサイクル劣化充電特性の一例を示す電池特性図である。
[図7] 図7は、リチウムイオン電池の充電電流と充電時間の充電特性の一例を示す電池特性図である。

発明を実施するための形態

[0014]
[充電装置]
 図1を用いて充電装置を説明する。図1は一実施形態の充電装置の回路図である。なお、本実施形態の充電装置及び充電方法では、充電される二次電池としてリチウムイオン電池を例に挙げて説明する。
[0015]
 充電装置1は、ACアダプタ2、操作部3、時計部4、及び、充電制御回路10を備える。なお、リチウムイオン電池BTは充電装置1に着脱自在に装着されている。
[0016]
 ACアダプタ2は、商用交流電源から供給される電力の交流電圧を所定の直流電圧に変換する。
[0017]
 ユーザは、操作部3によって、リチウムイオン電池BTの充電を完了させたい時刻(充電完了予約時刻)等の設定情報を入力する。操作部3は、例えば操作ボタンや操作パネルで構成されている。
[0018]
 時計部4は、現在の時刻を計測する。時計部4は例えばデジタル時計である。
[0019]
 充電制御回路10は、スイッチSW、定電圧レギュレータRG、マイクロプロセッサ(MPU)11、定電流源12、定電圧源13、充電電流検出部14、電池電圧検出部15、及び、電池温度検出部16を備える。充電制御回路10を集積回路として構成してもよい。
[0020]
 スイッチSWは充電装置1の電源スイッチである。
[0021]
 定電圧レギュレータRGは、ACアダプタ2により所定の直流電圧に変換された電力をマイクロプロセッサ11に供給する。
[0022]
 マイクロプロセッサ11は制御部として機能する。以下、マイクロプロセッサ11を制御部11と称することとする。
[0023]
 定電流源12は、トランジスタQ1,Q2,Q3、抵抗R2,R3、及び、D/AコンバータDACにより構成されている。
[0024]
 定電圧源13は、トランジスタQ1、抵抗R2,R3、及び、ダイオードDにより構成されている。
[0025]
 充電電流検出部14は、抵抗R3、及び、A/DコンバータADC1により構成されている。
[0026]
 電池電圧検出部15はA/DコンバータADC2により構成されている。
[0027]
 電池温度検出部16は、抵抗R1、A/DコンバータADC3、及び、リチウムイオン電池BTに内蔵されているサーミスタTHにより構成されている。
[0028]
[制御部]
 制御部11は、定電圧レギュレータRGから電力が供給されたり、充電装置1にリチウムイオン電池BTが装着されたりすることによりスイッチSWをオン状態にする。制御部11は、リチウムイオン電池BTの充電が完了するとスイッチSWをオフ状態にする。
[0029]
 制御部11は操作部3から設定情報として充電完了予約時刻を取得して保持する。制御部11は時計部4から現在の時刻を取得する。制御部11は、充電完了予約時刻と現在の時刻とに基づいて、リチウムイオン電池BTの充電を制御する。
[0030]
 なお、制御部11の詳細な機能については後述する。
[0031]
[定電流源]
 定電流源12はリチウムイオン電池BTに充電電流を、電流値を自在に可変して供給する。
[0032]
 トランジスタQ1は、コレクタがスイッチSW、定電圧レギュレータRGの入力端子、及び、抵抗R2の一方の端子に接続されている。トランジスタQ1は、ベースが抵抗R2の他方の端子とダイオードDのカソードとの接続点P1に接続されている。トランジスタQ1は、エミッタがリチウムイオン電池BTの一方の端子に接続されている。
[0033]
 トランジスタQ2とトランジスタQ3とはカレントミラー回路を構成している。
[0034]
 トランジスタQ2は、コレクタが接続点P1に接続されている。トランジスタQ2は、エミッタがD/AコンバータDACに接続されている。
[0035]
 トランジスタQ3は、コレクタがリチウムイオン電池BTの他方の端子、及び、ダイオードDのアノードに接続されている。トランジスタQ3は、エミッタが抵抗R3の一方の端子に接続されている。なお、抵抗R3の他方の端子は接地されている。
[0036]
 トランジスタQ2,Q3は、ベースがリチウムイオン電池BTの他方の端子、及び、ダイオードDのアノードに接続されている。
[0037]
 D/AコンバータDACには、制御部11から、リチウムイオン電池BTに供給される充電電流の電流値を設定するための設定電圧データが出力される。D/AコンバータDACは、入力された設定電圧データに対応する電圧Vdaを出力する。
[0038]
 トランジスタQ2のベースエミッタ間電圧Vbe2とトランジスタQ3のベースエミッタ間電圧Vbe3とを同じ値とする。これにより、リチウムイオン電池BTには、電圧Vdaと抵抗R3(抵抗値r3)の両端の電圧とが同じ値になるような電流値Ichg(Ichg=Vda/r3)の充電電流が供給される。即ち、リチウムイオン電池BTは、定電流源12により定電流(CC)充電される。
[0039]
 従って、抵抗R3の抵抗値r3を既知の固定値とすれば、定電流源12からリチウムイオン電池BTに供給される充電電流の電流値を、制御部11からD/AコンバータDACに出力される設定電圧データに応じて自在に可変させることができる。
[0040]
[定電圧源]
 定電圧源13はリチウムイオン電池BTを定電圧で充電する。
[0041]
 リチウムイオン電池BTは、定電流源12から充電電流が供給されることにより、電池電圧が上昇する。リチウムイオン電池BTの電池電圧が所定の電圧に達すると、トランジスタQ2には電流が流れなくなり、ダイオードDに電流が流れるようになる。所定の電圧とは、ダイオードDのツェナー電圧VzからトランジスタQ1のベースエミッタ間電圧Vbe1を減算した電圧(Vz-Vbe1)である。
[0042]
 その結果、リチウムイオン電池BTは、定電圧源13により、所定の電圧と同じ値の充電電圧で定電圧(CV)充電される。
[0043]
 従って、リチウムイオン電池BTの電池電圧が所定の電圧に達することにより、定電流源12による定電流充電から定電圧源13による定電圧充電に切り替わる。
[0044]
[充電電流検出部]
 充電電流検出部14はリチウムイオン電池BTに供給される充電電流を検出する。
[0045]
 A/DコンバータADC1は抵抗R3と並列に接続されている。抵抗R3の抵抗値r3を既知の固定値とする。抵抗R3の両端の電圧をA/DコンバータADC1から制御部11へ出力する。これにより、制御部11は充電電流に比例したA/D値を得ることができる。
[0046]
[電池電圧検出部]
 電池電圧検出部15はリチウムイオン電池BTの電池電圧を検出する。
[0047]
 A/DコンバータADC2は、リチウムイオン電池BTと並列に接続されている。リチウムイオン電池BTの両端の電圧をA/DコンバータADC2から制御部11へ出力する。これにより、制御部11はリチウムイオン電池BTの電圧に比例したA/D値を得ることができる。
[0048]
[電池温度検出部]
 電池温度検出部16はリチウムイオン電池BTの温度を検出する。
[0049]
 抵抗R1は、温度によって抵抗値が変化するサーミスタTHと直列に接続されている。A/DコンバータADC3は、サーミスタTHと並列に接続されている。サーミスタTHの両端の電圧をA/DコンバータADC3から制御部11へ出力する。これにより、制御部11はリチウムイオン電池BTの温度に対応するA/D値を得ることができる。
[0050]
[充電方法]
 図2A及び図2B、並びに、図3~図7を用いて充電方法を説明する。図2A及び図2Bは一実施形態の充電方法を説明するためのフローチャートである。
[0051]
 電池温度検出部16は、図2AのステップS1にて、リチウムイオン電池BTの温度を検出する。
[0052]
 制御部11は、ステップS2にて、リチウムイオン電池BTの温度が充電可能な温度範囲内か否かを判定する。充電可能な温度範囲は、例えば0℃~40℃であり、制御部11に予め設定されている。
[0053]
 リチウムイオン電池BTの温度が充電可能な温度範囲内ではない(NO)と判定された場合、制御部11は、処理をステップS1に戻す。
[0054]
 リチウムイオン電池BTの温度が充電可能な温度範囲内である(YES)と判定された場合、電池電圧検出部15は、ステップS3にて、リチウムイオン電池BTの電池電圧を検出する。
[0055]
 図3はリチウムイオン電池の電池電圧と電池容量残存率との関係の一例を示す電池特性図である。リチウムイオン電池BTの電池電圧と電池容量残存率とは関連付けられて制御部11に記憶されている。
[0056]
 制御部11は、ステップS4にて、図3は示す電池特性に基づいて、ステップS3で検出されたリチウムイオン電池BTの電池電圧から、満容量に対する電池容量残存率(電池残量)を算出する。なお、電池電圧と電池容量残存率とがテーブル上に関連付けられて記憶されている場合は、ステップS3で検出された電池電圧から最適な電池容量残存率を選択するようにしてもよい。
[0057]
 制御部11は、ステップS5にて、リチウムイオン電池BTの電池電圧が1セル当たり所定の電圧未満(例えば3V)か否かを判定する。所定の電圧は制御部11に予め設定されている。
[0058]
 リチウムイオン電池BTの電池電圧が所定の電圧未満である(YES)と判定された場合、制御部11は、ステップS6にて、リチウムイオン電池BTの電池電圧が1セル当たり所定の電圧になるまで、例えば0.1C以下の充電電流がリチウムイオン電池BTに流れるように定電流源12を制御する。これにより、リチウムイオン電池BTは所定の電圧になるまで前調整充電(プリチャージ)される。
[0059]
 なお、0.1CのCとは、充電電流(または放電電流)を電池容量との比率で表す単位である。例えば、1.0Cは電池容量を1時間で充電(または放電)できる電流量である。0.1Cは電池容量を10時間で充電(または放電)できる電流量である。
[0060]
 リチウムイオン電池BTの電圧が所定の電圧未満ではない(NO)と判定された場合、または、ステップS6でリチウムイオン電池BTのプリチャージが完了すると、制御部11は、ステップS7にて、2種類の電流値の充電電流、即ち、第1の電流値Iaの充電電流、及び、第2の電流値Ibの充電電流がそれぞれリチウムイオン電池BTに通電されるように定電流源12を制御する。
[0061]
 電池電圧検出部15は、ステップS8にて、第1の電流値Iaの充電電流が流れたときのリチウムイオン電池BTの電池電圧Va、及び、第2の電流値Ibの充電電流が流れたときのリチウムイオン電池BTの電池電圧Vbを検出する。
[0062]
 制御部11は、図2BのステップS9にて、電池電圧検出部15が検出した2種類の電池電圧Va,Vbから、リチウムイオン電池BTの内部抵抗Rbt(Rbt=(Vb―Va)/(Ib―Ia))を算出する。
[0063]
 図4は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量との放電温度特性の一例(放電電流が0.5Cの場合)を示す電池特性図である。リチウムイオン電池の温度に対する電池電圧と電池容量とは関連付けられて制御部11に記憶されている。
[0064]
 図4に示すように、リチウムイオン電池は、温度が低下すると内部抵抗(直流抵抗)が大きくなるため、電池電圧が低下する。また、リチウムイオン電池は、温度が低下すると電池容量が低下する。
[0065]
 図5は、リチウムイオン電池の電池電圧と電池容量とのサイクル劣化放電特性の一例(電池温度が25℃で放電電流が1.0Cの場合)を示す電池特性図である。リチウムイオン電池の充放電サイクル数に対する電池電圧と電池容量とは関連付けられて制御部11に記憶されている。
[0066]
 図5に示すように、リチウムイオン電池は、充放電を繰り返すと、サイクル劣化により内部抵抗が大きくなるため、電池電圧が低下する。また、リチウムイオン電池は、充放電を繰り返すと電池容量が低下する。
[0067]
 図6は、リチウムイオン電池の電池電圧、充電電流、及び、充電容量と、充電時間とのサイクル劣化充電特性の一例を示す電池特性図である。具体的には、電池温度が25℃で、定電圧値が4.2V、定電流値が2.0Aで180分間だけ充電を行った場合の電池特性図である。リチウムイオン電池の電池電圧、充電電流、及び、充電容量と、充電時間とは関連付けられて制御部11に記憶されている。
[0068]
 図6に示すサイクル劣化や温度特性によってリチウムイオン電池の内部抵抗が大きくなると、定電流充電による充電時間が短くなる。
[0069]
 そこで、制御部11は、ステップS10にて、常温における新品のリチウムイオン電池BTの公称容量と比較して現時点でのリチウムイオン電池BTの容量がどの程度になっているか、即ち、現時点でのリチウムイオン電池BTの実容量を算出する。
[0070]
 現時点でのリチウムイオン電池BTの実容量は、ステップS1で検出されたリチウムイオン電池BTの温度、及び、ステップS9で算出されたリチウムイオン電池BTの内部抵抗から、図3~図6に示す電池特性に基づいて算出することができる。
[0071]
 なお、温度に対する電池電圧と電池容量、充放電サイクル数に対する電池電圧と電池容量、並びに、電池電圧、充電電流及び充電容量と充電時間とが、テーブル上にそれぞれ関連付けられて記憶されている場合は、これらテーブルから最適な実容量を選択するようにしてもよい。
[0072]
 制御部11は、ステップS11にて、ステップS4で算出された電池容量残存率と、ステップS10で算出された実容量とから、リチウムイオン電池BTを満充電にするために必要な充電量(充電量=実容量×(100-電池容量残存率(%))/100)を算出する。
[0073]
 制御部11は、ステップS12にて、時計部4から取得した現在の時刻と、操作部3から取得した充電完了予約時刻とから、充電可能な時間を算出する。
[0074]
 図7は、リチウムイオン電池の充電電流と充電時間の充電特性の一例を示す電池特性図である。リチウムイオン電池の充電電流と充電時間とは関連付けられて制御部11に記憶されている。
[0075]
 図7に示すように、同一の充電量(電池容量に対する充電比)に対し、充電電流の電流値により充電時間が異なる。
[0076]
 そこで、制御部11は、ステップS13にて、ステップS11で算出された充電量から、ステップS12で算出された充電可能な時間内に満充電となるような最小の電流値を設定する。即ち、制御部11は、充電可能な時間内に満充電となるような最小の電流値の充電電流がリチウムイオン電池BTに流れるように定電流源12を制御する。これにより、リチウムイオン電池BTは、制御部11により設定された電流値の充電電流で定電流充電が開始される。
[0077]
 リチウムイオン電池BTは、ステップS14にて、所定の電圧に達すると、定電流源12による定電流充電から定電圧源13による定電圧充電に切り替えられる。
[0078]
 制御部11は、ステップS15にて、充電電流検出部14が検出したリチウムイオン電池BTの充電電流が規定値(例えば0.1C)以下になるか、充電完了予約時刻になった時点で、リチウムイオン電池BTの充電を終了させる。規定値は制御部11に予め記憶されている。
[0079]
 制御部11は、ステップS16にて、充電装置1への電力の供給が遮断されるようにスイッチSWをオフ状態にして、処理を終了させる。
[0080]
 以上のように、本実施形態の充電装置及び充電方法によれば、充電可能な時間と電池容量残存率に応じて定電流充電の電流値が設定される。これにより、二次電池(リチウムイオン電池)は、充電前の電池容量残存率に係わらず、充電完了予約時刻には満充電になる。そのため、充電していない待機時間をほぼゼロにすることができるので、満充電での放置や急速充電の多用を抑制することができる。よって、二次電池の劣化や待機消費電力を従来よりも低減させることができる。
[0081]
 なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
[0082]
 例えば、本実施形態の充電装置は、単体であってもよいし、ハンディ無線機や携帯機器等の機器に内蔵されていてもよい。充電装置が機器に内蔵されている場合には、機器のマイクロプロセッサを制御部11として機能させてもよい。また、二次電池も機器に内蔵されていてもよい。

産業上の利用可能性

[0083]
 本発明は、二次電池を充電する際に利用できる。

請求の範囲

[請求項1]
 二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、
 前記二次電池に充電電流を供給する定電流源と、
 前記電池電圧検出部により検出された電池電圧を取得し、前記充電電流の電流値を設定する制御部と、
 を備え、
 前記制御部は、
 前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、
 前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、
 設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、
 前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記充電電流の電流値を設定する
 ことを特徴とする充電装置。
[請求項2]
 前記二次電池の温度を検出する電池温度検出部をさらに備え、
 前記制御部は、
 前記電池電圧検出部により検出された電池電圧から前記二次電池の内部抵抗を算出し、前記内部抵抗と前記電池温度検出部により検出された温度とから前記二次電池の実容量を算出する
 ことを特徴とする請求項1に記載の充電装置。
[請求項3]
 前記制御部は、
 前記二次電池に少なくとも2種類の所定の電流値の電流を流し、それぞれの電流値における電池電圧に基づいて前記内部抵抗を算出する
 ことを特徴とする請求項2に記載の充電装置。
[請求項4]
 二次電池の電池電圧を検出し、
 前記電池電圧から電池容量残存率を算出し、
 前記電池容量残存率と前記二次電池の実容量とから充電量を算出し、
 設定された充電完了予約時刻と現在の時刻とから充電可能な時間を算出し、
 前記充電量から前記充電可能な時間内に満充電となるように前記二次電池を定電流充電するための電流値を設定する
 ことを特徴とする充電方法。
[請求項5]
 前記二次電池の温度を検出し、
 前記電池電圧から前記二次電池の内部抵抗を算出し、
 前記二次電池の内部抵抗と温度とから前記二次電池の実容量を算出する
 ことを特徴とする請求項4に記載の充電方法。
[請求項6]
 前記二次電池に少なくとも2種類の所定の電流値の電流を流し、それぞれの電流値における電池電圧に基づいて前記内部抵抗を算出する
 ことを特徴とする請求項5に記載の充電方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2A]

[ 図 2B]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]