JPH1098836A

JPH1098836A - 二次電池の充電方法

Info

Publication number: JPH1098836A
Application number: JP8250630A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Iwai; 清岩井
Original assignee: O S I SOFTWARE KK
Current assignee: O S I SOFTWARE KK
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】二次電池に障害を起こすことなく急速充電を
可能にする。繰り返し充電してもメモリー効果が生じな
いようにする。電流容量の大小に拘らず、効率良く、高
速充電ができるようにする。【解決手段】二次電池に、その電池の特性に合った、
電池の規定電圧より高い電圧を印加して充電を開始し、
所定の間隔で充電電流および温度ならびに電池の端子電
圧等を測定し、それらの測定値が、予め設定された許容
範囲を逸脱したかどうかを判断し、もし逸脱したとき
は、一旦電圧の印加を中断して、上記測定値が許容範囲
に入ったら、再度充電を開始し、以後このサイクルを繰
り返すと共に、最終的に上記測定値が、充電終了範囲に
入ったら充電を終了する。大きい電流容量の電池に対し
ては充電開始電流を大きく、小さい電流容量の電池に対
しては充電開始電流を小さくとる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池の充電方
法と、それに用いる充電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】二次電池は、携帯用電子機器、例えば携
帯電話、ノート型パソコン、ビデオカメラ等に多く用い
られている。また最近では自転車、自動車の駆動源とし
ても脚光をあびている。二次電池には、古くからある鉛
蓄電池のほか、近年開発されたニッケルカドミウム（Ｎ
ｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、リ
チウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）電池などがある。これら
の二次電池の中でも特にＮｉ−Ｃｄ電池やＮｉ−ＭＨ電
池が、小型化や従来のマンガン乾電池との置き換えが可
能であることから、携帯用電子機器には圧倒的なシェア
を占めている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれらの
二次電池は電池メーカー推奨の充電方法で充電すると、
通常２〜５時間の充電時間を要するという短所があっ
た。このため充電電流を高めにして、充電時間を３０分
から１時間位にする、いわゆる急速充電器も、電池メー
カー以外のメーカーから提供されているが、この種の充
電器は、充電電流を高めにしているため充電終期に電池
が高温になり、電池寿命を短くするだけでなく、場合に
よっては電池内部にガスが発生して内圧が上昇し、爆発
等の危険性がある。

【０００４】また二次電池は、不完全な充放電を繰り返
していると、有効放電容量が次第に減少するいわゆるメ
モリー効果が発生し、これが原因で早めに使用不能にな
ってしまうという欠点もある。メモリー効果は、二次電
池の容量を完全に使いきらない（十分放電しない）うち
に次の充電を行う、いわゆる継ぎ足し充電を行うことに
よって生じる。メモリー効果を低減するためには、充電
に先立って完全放電を行えばよいが、放電にかなりの時
間がかかるため面倒である。例えば携帯電話などを外出
前に充電するときは十分な時間がとれないため、つい継
ぎ足し充電になってしまうのが実情である。

【０００５】メモリー効果は、二次電池内での電気化学
的変化による結晶化が原因である。いったんできたた結
晶を除去するには、高電界をかける（高電圧をかけて充
電電流を大きくする）ことにより化学物質を活性化して
結晶を壊すことが有効とされている。このため二次電池
に大電流または衝撃パルス電流を流して、メモリー効果
を防ぐ方法も提案されている。しかし、先に述べたよう
に充電電流を大きくすると過充電となり、電池内部の温
度上昇、ガス発生により、電池に致命的な障害が起き
る。

【０００６】さらに、充電に際しては、電池の充電容量
が重要な要素となる。つまり、電流容量の異なる２つの
電池を、同一の充電電流で充電開始したとすると、その
充電電流が容量の小さい方に合わせてあった場合は、容
量の大きな電池は、もっと大きな充電電流をとれるにも
拘らず、小さな充電電流に限定されているので、相対的
に充電時間は長くなり、効率的でない。反対に容量の大
きい方に合わせてあった場合、容量の小さな電池には、
過大な充電電流が流れ、発熱し、寿命を短くするばかり
か、内部ガス圧による爆発の危険もある。従って、従来
は、電池の容量毎に充電器を製作しなければならなかっ
た。

【０００７】本発明の一つの目的は、二次電池に障害を
起こすことなく二次電池の急速充電を可能にすることに
ある。本発明の他の目的は、繰り返し充電してもメモリ
ー効果が生じない充電方法を提供することにある。本発
明のさらなる目的は、被充電電池に最初に流す充電電流
をその電池の充電容量に応じて変化させ、電流容量の大
小に拘らず、効率良く、高速充電ができるようにしたこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の充電方法は、充電しようとする二次電池にその電池
の特性に合った、電池の規定電圧より高い電圧を印加し
て充電を開始し、所定の間隔で充電電流および温度なら
びに電池の端子電圧等を測定し、それらの測定値が、予
め設定された許容範囲を逸脱したかどうかを判断し、も
し逸脱したときは、一旦電圧の印加を中断して、上記測
定値が許容範囲に入ったら、再度充電を開始し、以後こ
のサイクルを繰り返すと共に、最終的に上記測定値が、
充電終了範囲に入ったら充電を終了する、ことを特徴と
するものである。

【０００９】さらに本発明は、大きい電流容量の電池に
対しては充電開始電流を大きく、小さい電流容量の電池
に対しては充電開始電流を小さくとることを特徴とし、
これにより、電池の種類、電流容量の違いに対応して、
効率よい高速充電を行うことができるにうにしたもので
ある。

【００１０】まず本発明の理論を説明する。充電しよう
とする二次電池の内部抵抗をＦ（Ｒ）とし、充電電圧を
Ｅとすると、充電電流は下記の式で表せられる。

【００１１】

【数１】Ｆ（Ｉ）＝Ｅ／Ｆ（Ｒ）

【００１２】F(R)は電池が充電されるに従って大きくな
るので、充電電流Ｆ（Ｉ）は充電と共に小さくなる例え
ば、Ｎｉ−Ｃｄ電池の場合、一例として図１のような特
性となる。

【００１３】ところで、前述したメモリ効果を防ぐに
は、大電流や衝撃電流を流せば良いことが知られてい
る。一方、Ｆ（Ｉ）を大きくして充電すれば、急速に充
電でき、メモリ効果の防止と相まって一石二鳥の充電を
行う事ができる理屈である。しかしながら、大電流によ
る充電は、満充電に達した後、もし過充電になると温度
上昇が顕著になり、それによって起こる内部ガス圧力の
増大で爆発の危険がある。従って従来は、比較的小さい
一定の電流を流してゆっくり充電し、急速充電もメモリ
効果も犠牲にしていたのが現状である。つまり定電流方
式をとっていた。

【００１４】図２は充電による電池端子電圧の上昇に伴
い温度およびガス圧が上昇する関係を示したものであ
る。図２からわかるように、内部ガス圧が増大する前の
満充電終了ゾーン（斜線）内で、充電を止めれば、ガス
爆発の危険もなく効率良い充電ができることがわかる。

【００１５】つまりガス圧増大の原因である温度上昇を
防ぎながら、充電終了ゾーン内で充電を止めればよい。
本発明のポイントは、まさにこのような安全ゾーンで充
電を終了させることにあり、このためにマイクロコンピ
ュータにより、充電電流、内部インピーダンス、温度、
端子電圧等を測定し、その結果を予め記憶されている、
各電池特有のデータと比較し、安全な充電特性に沿って
充電できるようにしたものである。

【００１６】すなわち、一定時間毎に、電池の状況監視
を行い、それが予め設定された値の許容範囲を越えた場
合には、一旦充電を中断して、温度上昇しいてはガス圧
の上昇を防ぎ、該値が、再び、許容範囲に戻ったら、再
度充電を再開する。以後このようなサイクルを繰り返す
ことにより、安全な充電特性に従った、高速且つメモリ
効果を防止した充電方法を提供するものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に本発明を図面に示す実施形態
により、詳細に説明する。図３は本発明充電装置の概略
構成図である。充電しようとする二次電池１に電力を供
給する直流電源部２と、二次電池１へ充電のための電力
供給を開閉する、電力供給開閉部４と、二次電池１の充
電電流、端子電圧、内部抵抗等を測定する測定部６と、
測定部６の測定結果に基ずいて、それらの測定値が予め
設定された許容範囲に入っているかどうかの判断及び充
電の終了判断を行う演算部８とより構成されている。

【００１８】直流電源部２から供給される充電電圧は、
二次電池１の規定端子電圧よりも高い電圧であり、これ
を電力供給開閉部４を通して二次電池１に印加すると、
高い初期充電電流が得られる。演算部８には予め、充電
開始から終了に到るまでの電流、電圧の特性曲線がある
許容範囲の幅で記憶されている。測定部６は充電電流、
端子電圧、内部抵抗、温度等を直接又は間接的に測定す
る。演算部８は、測定部６で測定した各種値が前記許容
範囲に入っているかどうかを比較し、許容範囲に入って
いたらそのまま充電を続行する。もし許容範囲を逸脱し
ていたら、電力供給開閉部４に指令を出し、それを閉じ
て、充電電圧の印加を中断し、許容範囲に再び戻った
ら、電力供給開閉部４を開いて充電を再開する。

【００１９】この装置による本発明の充電方法の１例を
図４に示す。図４はＮｉ−Ｃｄ電池の場合における充電
電流の時間的推移を、その許容範囲と共に示したもので
ある。電圧は１２Ｖ、初期電流は約３．７Ａで、約２５
分で充電終了となる特性曲線である。電池の端子電圧は
９．４８Ｖから９．９２Ｖへと上昇し充電が終了する。
各時間に対して許容範囲（斜線）ないに入っているかど
うかを前述の測定部６、演算部８により調べるのであ
る。

【００２０】測定は後述するマイクロコンピュータの制
御により行われるため、数ｍ秒単位の周期で測定され、
充電を中断する場合でも時間的には短く、急速充電を何
ら損なうものではない。経験上は、殆ど許容範囲に入っ
ており中断の頻度はすくなく、充電終了の判定が主とな
っている。

【００２１】上述の方法で充電を行った結果、従来の方
法（定電流、ΔＶ方式）で約１．５時間かかっていたも
のが、約２５分で充電できた。また上記電池の充放電を
繰り返した場合の放電容量は図５の通りであった。これ
に対し、従来方法による充放電後の放電容量は、図６に
示す通りであった。このように本発明の方法は、３０回
充放電サイクル後も約１００％の電池容量を保ち、メモ
リ効果がないことがわかる。

【００２２】次に図７を参照して本発明の充電装置の詳
細例を説明する。直流電源部２はスイッチング電源から
なり電力供給開閉部４へ電池の規定電圧よりも高い電圧
Ｅを供給する。出力電力供給開閉部４は、抵抗Ｒ１、ト
ランジスタＱ１、Ｑ３、リレーＲＬ等で構成されてい
る。演算部８からのデジタル出力を抵抗Ｒ１でアナログ
出力に変え、それをトランジスタＱ１に供給し、これに
よりトランジスタＱ３のベース電圧をオンオフし、リレ
ーＲＬのコイルＣＬに流れる電流を制御し、接点Ｓを開
閉する。

【００２３】測定部６は、コンパレータＣＰ１、比較電
圧回路ＣＶ１等より構成され、可変抵抗ＶＲ１により所
定の比較電圧に設定されている。いま比較電圧を９．２
６Ｖに設定されたとすると、コンパレータＣＰ１により
該値になったかどうかを演算部８で判定できる。

【００２４】またコンパレータＣＰ２、比較電圧回路Ｃ
Ｖ２等で構成される測定部の例では、供給電圧Ｂ（Ｖ）
を抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧して比較電圧としている。たと
えばＢを９．５Ｖとすれば比較電圧は４．７５Ｖとなり
コンパレータＣＰ２により演算部８で４．７５Ｖになっ
たかどうか判定できる。なを上述のようにコンパレータ
を用いるのではなく、図８のようにＡＤ変換器ＩＣ１、
基準電圧発生回路ＩＣ２、分圧回路Ｒ９，Ｒ１１，Ｒ１
２等で構成してもよい。その場合は、分圧回路で分圧し
た電圧を、ＡＤ変換器ＩＣ１でデジタル値に変換し演算
部８に入力することにより行う。また充電電流は抵抗Ｒ
１３の端子電圧として測定しＡＤ変換器ＩＣ１を経由し
て演算部８に入力され、そこで電流値に変換される。

【００２５】演算部８はマイクロコンピュータで構成さ
れる。上記の測定はマイクロコンピュータの制御により
行われる。すなわちマイクロコンピュータに内蔵された
プログラムにより測定および結果の解析がおこなわれ、
その結果によって電力供給開閉部４へ指令がだされ、前
記したようにリレーが開閉される。演算部８には予め図
４のような充電しようとする電池の特性に合ったデータ
が許容範囲と共に記録されている。演算部８は、測定し
た電流、電圧等の値が前記の許容範囲内であれば、充電
を継続し、もしそれを逸脱していた場合は、電力供給開
閉部４をいったん開いて充電を中断する。測定値が許容
範囲に戻ったら再度電力供給開閉部４を閉にして、充電
を開始する。以降、同様に繰り返して、最終的に充電終
了ゾーンにはいったら充電を終了する。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、二次電池に障害を起こ
すことなく二次電池の急速充電を行うことができる。ま
た繰り返し充電してもメモリー効果を生じさせることな
く充電を行うことができる。さらに本発明では、従来の
定電流方式と異なり、変電流方式をとっているため、容
量の大きい電池の場合はその分大きな充電電流を流せ
る。すなわち容量の大きな電池は単体の電池セルが複数
個並列に接続されて構成されているため、全体の内部抵
抗は小さく、同一の充電電圧を印加した場合充電電流は
大きくなるので、電池の電流容量に応じた効率の良い充
電を行う事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次電池充電時の電池端子電圧と充電電流の
時間的経過を示すグラフ。

【図２】電池端子電圧と温度、ガス圧との関係を示す
グラフ。

【図３】本発明の充電方法の実施に好適な充電装置の
概略構成を示すブロック図。

【図４】本発明の充電方法による電池端子電圧と充電
電流の時間的経過を示すグラフ。

【図５】本発明の充電方法を採用したときの電池の充
放電回数に対する放電容量の変化を示すグラフ。

【図６】従来の充電方法を採用したときの電池の充放
電回数に対する放電容量の変化を示すグラフ。

【図７】本発明の充電方法の実施に好適な充電装置の
一実施形態を示す回路図。

【図８】図７の装置における測定部の他の例を示す回
路図。

【符号の説明】

１：二次電池２：直流電源部４：電力供給開閉部６：測定部８：演算部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充電しようとする二次電池に、その電池の
特性に合った、電池の規定電圧より高い電圧を印加して
充電を開始し、所定の間隔で充電電流および温度ならび
に電池の端子電圧等を測定し、それらの測定値が、予め
設定された許容範囲を逸脱したかどうかを判断し、もし
逸脱したときは、一旦電圧の印加を中断して、上記測定
値が許容範囲に入ったら、再度充電を開始し、以後この
サイクルを繰り返すと共に、最終的に上記測定値が、充
電終了範囲に入ったら充電を終了する、ことを特徴とす
る二次電池の充電方法。
【請求項２】大きい電流容量の電池に対しては充電開始
電流を大きく、小さい電流容量の電池に対しては充電開
始電流を小さくとることを特徴とする請求項１記載の二
次電池の充電方法。