专利名称：电池的充电方法
技术领域：
本发明涉及一种用尽可能短的时间对电池急速充电的方法。
背景技术：
对电池急速充电的现有充电方法大致有2种。第1种充电方法是以一定的电流将电池充満电的方法。此充电方法用于镍-氢电池或镍-镉电池。此充电方法是在检测出电池电压的峰値电压，或检测出从峰値电压降低V的情形时判定为充満电而结束充电。另外，第2种充电方法在定电流充电后进行定电压充电的方法，此充电方法用于锂离子电池的充电。此充电方法在检测出电池电压上升至充电终止电压的情形时判定为充満电而结束充电。
这些充电方法主要是在检测电池电压同时继续进行充电。但是，电池具有充电时温度上升、且电池温度异常过高而电池的性能会降低的性质。为了避免该弊害，开发有一种充电方法，其检测电池温度，控制充电电流，不致使充电效率降低或电池温度异常过高(参照专利文献1日本特开平7-15884号公报)。
该公报所记载的充电方法是在对电池进行脉冲充电时，检测二次电池的温度，并根据检测出的电池温度使进行脉冲充电的充电电流的占空比(duty ratio)变化，以抑制电池温度的上升的方法。在定电流充电时，电池如图1的曲线A所示，电池温度会上升。如图1的曲线A所示，接近充満电时，电池温度会急剧上升。图1的曲线B是表示所充电的电池的电压变化的状态。在曲线B中，电池电压为峰値电压，或从峰値电压降低V时，电池充満电。因此，电池具有接近充満电时电池温度会急剧上升的性质。当电池温度变高，会使电池的性能降低。为防止电池温度变高而使性能降低，以上公报所记载的充电方法是在电池温度高时，减小充电电流的占空比。如此，在电池充电状态时，如图2的实线所示，电池的温度上升会变缓和。特别是，在充満电的状态下，可抑制电池温度的上升。因此，在充満电时，可防止电池温度变高而使性能降低的情形。
发明内容
以上公报所记载的充电方法是减小充电电流的占空比，以减低电池温度的上升，而进行电池充电的方法。另外，该公报所记载的充电方法虽可防止充満电时电池温度异常变高，但因充电时间变长，故无法以更短的时间对电池进行急速充电。
本发明的目的是改良现有充电方法，提供一种在不使电池性能降低的情况下，用更短的时间对电池急速充电的充电方法。
本发明第1方案的电池的充电方法，包括温度保持充电步骤，检测电池温度，以使电池温度成为保持设定温度的方式控制平均充电电流，一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。
本发明第2方案的电池的充电方法，是将保持设定温度设定为50至65℃。
本发明第3方案的电池的充电方法，具备温度上升充电步骤，在温度保持充电步骤之前，温度上升充电步骤利用可使电池温度上升的大电流进行充电，使电池温度上升至保持设定温度。此充电方法是在以温度上升充电步骤进行充电到电池温度成为保持设定温度时，变为进行温度保持充电步骤，以一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。
本发明第4方案的电池的充电方法，是在开始充电时检测电池温度，且当电池温度处在开始设定温度范围时，开始温度上升充电步骤，当电池温度比开始设定温度范围低或高时，则一边检测电池电压一边进行充电。
本发明第5方案的电池的充电方法，是在温度上升充电步骤中，利用1.5C至10C的大电流进行充电。本发明第6方案的电池的充电方法是在温度上升充电步骤中，以使电池温度的上升梯度为1℃/分至5℃/分的电流进行充电。
本发明第7方案的电池的充电方法，是在温度上升充电步骤中使电流连续流入电池而进行充电，在温度保持充电步骤中对电池进行脉冲充电，并根据电池温度变更脉冲充电的占空比，控制平均充电电流。此充电方法是在电池温度上升时，使对电池进行脉冲充电的占空比减小，在电池温度降低时，则使对电池进行脉冲充电的占空比增大，以控制平均充电电流，而一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。
本发明第8方案的电池的充电方法，是在温度上升充电步骤中，当电池温度的上升梯度在预定値以上时停止充电。
本发明具有如下效果。
本发明的充电方法具有可在不使电池性能降低的情况下，以极短的时间对电池急速充电的特长。这是由于本发明的充电方法通过一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电，而可在例如充电时会发生对电池的不良影响或性能降低的温度以下且在最大温度附近的保持设定温度下，利用大电流急速进行充电之故。另外，在本发明第3方案的电池的充电方法中，由于在温度保持充电步骤之前设置的温度上升充电步骤中，利用大电流进行充电而使电池温度上升至上升预定温度后，在温度保持充电步骤中，一边以使电池温度保持在保持设定温度的方式控制平均充电电流一边进行充电之故。
特别是，本发明的充电方法并非如现有充电方法那样，最后防止电池温度上升，而是在刚开始充电之后，在现有方法中电池温度几乎未上升的时间中，利用极大的电流进行充电而使电池温度上升。由于在温度几乎未上升的时间使电池温度上升，因此在此步骤中与现有充电方法相比较可利用极大的平均充电电流进行充电。然后，温度保持充电步骤是一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电，因此可将平均充电电流设定为电池性能不会降低的最大电流而进行充电。因此，本发明的充电方法具有能以现有方法所无法相比的极短时间，例如30分钟以下的短时间进行充电的特长。
图1是表示对电池进行定电流充电时的温度特性及电压特性的图表。
图2是表示以现有充电方法对电池充电时的温度特性及电压特性的图表。
图3是表示使用在本发明的一实施例的充电方法的充电电路一例的电路图。
图4是表示用本发明的一实施例的充电方法对电池充电时的温度特性及电压特性的图表。
具体实施例方式
以下，根据
本发明的实施例。然而，以下所示的实施例仅为例示用以将本发明的技术思想予以具体化的充电方法，本发明的充电方法并未限定为以下的方法。
图3所示的充电电路具备将充电电流供给至电池1、以进行充电的电源电路2；连接在电源电路2与电池1之间、以调整电池1的平均充电电流的开关元件3；切换(ON/OFF)该开关元件3、以调整充电电流的控制电路4；以及检测电池温度、并将温度信号输入至控制电路4的温度传感器5。
电池1使用规格的1至4号电池等时，在充电器(未附图)设置电池1时，温度传感器5以与电池1密接的方式配置。另外，电池1为电池组(battery pack)时，温度传感器5是与电池组内的电池单元(unit cell)密接而配置。
此充电电路对电池1充电时的电池温度上升的特性与电池电压变化的特性，表示于图4的图表。在图4中，曲线A表示电池温度上升的特性，曲线B表示电池电压变化的特性。如图4所示，图3的充电电路并非在充満电时减小电池温度上升的比例，而是在开始充电的最初的温度上升充电步骤中，使电池温度上升至上升预定温度，然后在温度保持充电步骤中，一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。因此，可在最初使大电流流通而使电池温度上升。换而言之，使电池温度会上升的程度的大电流流通而对电池1进行充电。此时，电池1是以大电流进行充电，但因电池温度不会太高，故电池性能不会降低，可在该时间带进行大容量的充电。
电源电路2具有在使开关元件3导通(ON)的状态下，以平均电流1.5C至10C(较佳为2C至8C，更佳为2C至5C)的大电流进行充电的输出。电源电路可形成与控制电路分别独立的电源适配器(adapter)而经由引线与控制电路连接。亦可将电源电路收纳在与控制电路相同的外壳内。
充电电路也可以如图3所示，切换多个电源电路2以对电池1进行充电。多个电源电路2经由切换开关6而连接至开关元件3。切换开关6切换对电池1进行充电的电源电路2。多个电源电路2对电池1进行脉冲充电时的峰値电流(peak current)不同。即使平均充电电流相同，脉冲充电的峰値电流大时，电池1的发热也会变大。因此，以大电流对电池1进行充电时，切换至峰値电流变小的电源电路2而对电池1进行充电时，可减小电池1的发热。因此，能以更大的平均充电电流对电池1进行充电，并减少电池温度的上升。
开关元件3为电晶体或FET(场效晶体管)并由控制电路4切换，以对电池1进行脉冲充电。最初开关元件3并未被切换而保持在导通(ON)状态，而以大电流对电池1进行充电，使电池温度上升至作为预定温度的上升预定温度、保持设定温度。此时为定电流充电。另外，亦可在最初以预定的占空比切换开关元件3的导通关断(ON、OFF)，而以脉冲的大电流(平均电流値大的大电流)对电池1进行充电，使电池温度上升至作为预定温度的上升预定温度、保持设定温度。
对电池1进行脉冲充电的平均充电电流，通过切换开关元件3的导通关断的占空比来调整。进行脉冲充电时的占空比(Q)是开关元件3导通的时间(ton)与开关元件3关断的时间(toff)的比率，因此以下式表示Q＝ton/(ton+toff)因此，若减少切换开关元件3的导通关断的占空比时，平均充电电流会变小，反之若增大占空比时，平均充电电流会变大。
控制电路4用从温度传感器5输入的信号来检测电池温度，而以预定的占空比来切换开关元件3的导通关断。切换开关元件3的导通关断的占空比，是设定为在电池温度高时较小，在电池温度低时较大，以将电池温度保持在保持设定温度。如图4所示，因开始充电的最初电池温度较低，故控制电路4会控制开关元件3的占空比，以用大电流进行充电来使电池温度上升至上升预定温度，然后将电池1的温度保持在保持设定温度。控制电路4切换开关元件3的导通关断的周期为1msec至10sec，较佳为10msec至2sec，更佳为50msec至2sec(其中sec表示秒)。
控制电路4在温度传感器5所检测出的电池温度比保持设定温度低时，使占空比变大，以增大对电池1进行脉冲充电的平均充电电流以使电池温度上升。当电池温度上升至保持设定温度时，则减小占空比以使电池温度不会超过保持设定温度，且控制开关元件3的占空比以使电池温度不致低于保持设定温度。因此，控制电路4不会以定电流对电池1进行充电，且不会以定电压进行充电。控制电路4控制开关元件3的占空比，并控制对电池1进行充电的平均充电电流，而将电池1的温度控制成如图4所示的曲线。
图3的充电电路是用以下的步骤对电池1进行充电。以下例示镍-氢电池的充电方法，但亦可变更充电电流而以同様的方式对镍-镉电池进行充电。
(1)首先，在充电开始之前，在充电电路中，用温度传感器5检测所充电的电池1的温度。在检测的电池温度在开始设定温度范围时，控制电路4开始温度上升充电步骤。开始温度上升充电步骤的电池1的开始设定温度范囲为0至40℃，较佳为10至30℃。当电池温度比开始设定温度范围低或高时，则一边检测电池电压一边进行通常充电。通常充电将充电电流限制在1C以下，且一边检测电池电压，一边进行充电而在电池电压成为峰値电压，或检测出V时充満电。
再者，从电压检测出电池1的剩余容量。这是因为接近充満电的电池若在下一个温度上升充电步骤中被充电，则会被过充电，而使电池性能降低之故。电池电压比设定电压低的电池判断为剩余容量少，而在温度上升充电步骤中开始充电。电池电压比设定电压高的电池则判断为剩余容量大，在温度上升充电步骤中充电则会被过充电，而开始进行通常充电。
此外，可在开始充电时检测电池1的内部电阻，当内部电阻比预定的电阻高时，不进行温度上升充电步骤而进行通常充电。亦可在通常充电后，当内部电阻比预定的电阻小时，开始进行温度上升充电步骤。
(2)电池1的温度在开始设定温度范围、且电池电压比保持设定电压低时，开始进行温度上升充电步骤。温度上升充电步骤是以能以预定的温度梯度使电池温度上升的大电流进行充电。在该步骤中，是以电池温度的上升梯度约3℃/分的平均充电电流进行充电。在公称容量2100mAh的3号镍-氢电池的场合，使平均充电电流为2C至3C，使温度上升梯度为约3℃/分。然而，在此步骤中，可利用使温度的上升梯度为1℃/分至5℃/分的平均充电电流进行充电。另外，可使电池1的平均充电电流为1.5C至10C。
另外，在此以预定的充电电流値(例如2.5C)进行充电时(通常的情况，温度上升梯度为2℃/分至3℃/分)，检测出预定的温度上升梯度(例如为5℃/分)以上时，或检测出—V(例如60mA)时，将电池当作充満电而结束充电以防止过充电。如上所述在充电开始前，测定电池的电压，以检测剩余容量，虽可对剩余容量多的电池进行通常充电以防止对其过充电，但依电池电压判断剩余容量时，会有电池电压不能正确反映剩余容量的情形，通过此步骤可防止该电池的过充电。亦即，即使实际的剩余容量多，但判断为电池电压低且剩余容量少而在温度上升充电步骤中以大电流进行充电的情况下，如上所述检测出预定的温度上升梯度以上或—V时，及判断为电池已充満电，以防止过充电。
在此步骤中，使开关元件3保持在导通状态，或增大开关元件3的占空比，将平均充电电流设定在前述的范围。若电池温度变成上升预定温度而接近保持设定温度时，在例如将保持设定温度设定为57至60℃的情形下，若接近上升预定温度(例如约55℃)时，则检测上升预定温度(例如约55℃)，并减少平均充电电流，以减少电池1的温度上升梯度。
图4是若电池温度变成上升预定温度的约55℃时，则检测出此温度并减少平均充电电流，减缓温度上升梯度，接近保持设定温度(图4所示的温度上升充电步骤)。平均充电电流通过减小使开关元件3导通关断的占空比来控制。如此，在电池1的温度接近保持设定温度而成为上升预定温度时减少平均充电电流的方法，是可防止电池温度超过保持设定温度而过调节(over-shoot)的情形，而有效地阻止电池1因高温障碍而劣化。但是，到电池1的温度成为保持设定温度为止，也能通过使电池1的温度以预定的温度梯度上升的平均充电电流进行充电。
在此温度上升充电步骤中，在预定的时间(例如15分)内，未到达预定温度(例如约55℃的上升预定温度，或后述的保持设定温度)时，设定为后述的温度保持充电步骤的平均充电电流(温度上升充电步骤中的平均充电电流的一半程度的约1.5C)程度，以进行温度保持充电步骤的充电控制。因此，在充电开始前的电池温度为低温(约0至10℃程度)的电池中，可减低温度急剧上升对电池造成的不良影响。
(3)温度上升充电步骤结束时，若电池温度上升到保持设定温度，则控制平均充电电流而在温度保持充电步骤对电池1充电，以使电池温度保持于保持设定温度。在此温度保持充电步骤中，控制电路4是控制切换开关元件3的导通关断的占空比，调整脉冲充电的平均充电电流，而将电池温度保持在保持设定温度。在此步骤中，温度传感器5检测出电池温度，并将温度信号输入控制电路4。控制电路是4根据检测出的电池温度控制切换开关元件3的导通关断的占空比。若电池温度高时，则减小占空比，使平均充电电流减少以使电池温度降低，若电池温度低时，则增大占空比，使平均充电电流增加以使电池温度上升，而一边将电池温度保持在保持设定温度，一边进行充电。而且，在温度保持充电步骤中电池温度是以保持在一定温度(例如58℃)为佳。
在此，保持设定温度是设定为会发生电池的不良影响、性能劣化的温度以下的最大附近的温度。而且，是设定在即使使用者碰触电池1也无问题，不会对热的电池1感到异常的程度。这种保持设定温度是上限设定在最大约70℃，较佳为65℃以下，更佳为63℃以下。保持设定温度的范围是设定在较佳为50至65℃，更佳为53至63℃，最佳为56至61℃，更进一步为57至60℃。
而且，为了将保持电池温度设定在保持设定温度，在本实施例中是如以下方式进行控制。首先在保持设定温度中将控制规定温度设定为预定温度(例如58℃)。而且在所检测的电池温度比此控制规定温度例如每上升1℃时，阶段地使平均充电电流降低，而且，在所检测的电池温度比此控制规定温度每降低1℃时，阶段地使平均充电电流上升。通过这种控制而将电池温度保持在保持设定温度而被充电。
亦可取代上述控制规定温度，而将控制规定温度设定为预定的温度范围(例如57至59℃)。而且，在所检测的电池温度比此控制规定温度例如每上升1℃时，阶段地使平均充电电流降低，而且，在所检测的电池温度比此控制规定温度每降低1℃时，阶段地使平均充电电流上升。通过这种控制而将电池温度保持在保持设定温度而进行充电。
在此温度保持充电步骤中，若电池1接近充满电时，则即使减少平均充电电流，电池温度上升的倾向也会变强。因此，若电池1接近充满电，则电池温度会上升或者倾向上升，但此时是降低平均充电电流，以将电池温度保持在保持设定温度。亦即，控制电路4极小地控制切换开关元件3的导通关断的占空比。因此，若电池1接近充满电，则控制电路4会使平均充电电流急剧地减少。因此，在温度保持充电步骤中，即使检测出电池1的充满电而未停止充电，平均充电电流也会急剧地减少以防止过充电。本实施例的温度保持充电步骤中的充电结束是用定时器使充电结束。定时器设定为可充分地对电池1充电的时间(例如约30分左右)，以使电池1大致充满电。而且，在本实施例中如上所述，因接近充满电时电池温度会上升，平均充电电流会降低，故检测出该被降低的电流时，即使在比定时器的设定时间之前也能结束充电。
另外，在温度保持充电步骤中，可在检测出预定的温度上升梯度(例如2℃/分)以上、预定的电池温度(例如62℃)以上、或一V(例如60mA)时判断为充満电，而停止充电。
再者，在温度保持充电步骤中对电池1充电时，检测电池1的内部电阻，若内部电阻比预定的电阻高时，则进行通常充电而减少电池1的充电电流。如此，即使在通常充电中也可使电池1的温度不会比保持设定温度高。
(4)在以上的温度上升充电步骤与温度保持充电步骤中，虽然电池1被大致充满电，但未被完全充满电。温度保持充电步骤之后进行通常充电，可完全使电池1充满电。
以上的充电方法虽然是在温度上升充电步骤与温度保持充电步骤中对电池1进行脉冲充电，但本发明未必需要控制脉冲充电的占空比，来调整平均充电电流。例如在温度上升充电步骤与温度保持充电步骤中，也能控制连续充电的充电电流，令平均充电电流为预定的电流以对电池进行充电。
权利要求
1.一种电池的充电方法，其特征在于，包括温度保持充电步骤，检测电池温度，以使电池温度成为保持设定温度的方式控制平均充电电流，一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。
2.如权利要求1所述的电池的充电方法，其中，保持设定温度为50至65℃。
3.如权利要求1所述的电池的充电方法，其中，具备温度上升充电步骤，在温度保持充电步骤之前，利用可使电池温度上升的大电流进行充电，使电池温度上升至保持设定温度；且在通过温度上升充电步骤进行充电到电池温度成为保持设定温度时，变为进行温度保持充电步骤。
4.如权利要求3所述的电池的充电方法，其中，在开始充电时检测电池温度，当电池温度处在开始设定温度范围时，开始温度上升充电步骤，当电池温度比开始设定温度范围低或高时，一边检测电池电压一边进行充电。
5.如权利要求3所述的电池的充电方法，其中，在温度上升充电步骤中，利用1.5C至10C的大电流进行充电。
6.如权利要求3所述的电池的充电方法，其中，在温度上升充电步骤中，利用电池温度的上升梯度为1℃/分至5℃/分的电流进行充电。
7.如权利要求3所述的电池的充电方法，其中，在温度上升充电步骤中使电流连续流入电池而进行充电，在温度保持充电步骤中对电池进行脉冲充电，并根据电池温度变更脉冲充电的占空比，以控制平均充电电流，且在电池温度上升时，使对电池进行脉冲充电的占空比减小，在电池温度降低时，则使对电池进行脉冲充电的占空比增大，以控制平均充电电流，而一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。
8.如权利要求3所述的电池的充电方法，其中，在温度上升充电步骤中，当电池温度的上升梯度在预定值以上时停止充电。
全文摘要
本发明提供一种电池的充电方法，是在不使电池性能降低的情况下，以更短的时间对电池急速充电的充电方法。本发明的电池的充电方法，包括温度保持充电步骤，检测电池温度，以使电池温度成为保持设定温度的方式控制平均充电电流，一边将电池温度保持在保持设定温度一边进行充电。而且，电池的充电方法还具备温度上升充电步骤，在温度保持充电步骤之前，利用可使电池温度上升的大电流进行充电，使电池温度上升至保持设定温度；在以温度上升充电步骤进行充电到电池温度成为保持设定温度时，变为进行温度保持充电步骤。
文档编号H02J7/10GK1577948SQ20041005863
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月26日 优先权日2003年7月25日
发明者泉芳和, 黑田靖, 古川明男, 山下孝浩 申请人:三洋电机株式会社