JP2005039918A - 電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経年変化により充電装置のターミナル・端子間の接触状態が劣化した電池パックにおいても、適切な充電をすることができる充電装置を提供すること。
【解決手段】電池温度を検出するサーミスタ等の感温素子の出力により電池温度を検出する電池温度検出手段と、電池温度検出手段の出力に基づいて電池温度を記憶する電池温度記憶手段と、電池温度検出手段及び電池温度記憶手段の出力に基づいて電池温度勾配を演算する電池温度勾配演算手段を有し、電池パックの充電中において、所定の電池温度に達した時に充電電流を充電電流制御手段により切り替える際に、充電電流を切り替えた直後の電池温度を充電電流を切り替える直前の電池温度と比較演算後その差分を記憶して補正値とし、充電電流を切り替えた後の電池温度及び電池温度勾配を前記補正値を用いて補正することにより電池温度を正確に検出できるようにした。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等の２次電池を充電する充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コードレス電動工具（以下単に電動工具という）等の電源に用いられるニッケルカドミニウム電池やニッケル水素電池等の電池パックを充電する場合、大きな充電電流で充電すれば短時間で充電できるが、充電時の電池パック内の素電池の発熱が大きくなり、素電池のサイクル寿命が短くなるため、素電池の発熱を抑制するように小さい充電電流で時間をかけて充電する充電装置が提案されている。
【０００３】
また、電池パックの満充電を判別する方法として、あるサンプリング幅で演算された電池温度勾配が、電池温度勾配記憶手段の中の最小値からある所定値以上上昇した時、満充電とするｄＴ／ｄｔ検出法等が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平６−１１３４７５号公報（請求項１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電動工具に使用される電池パックの場合、電池パック側の端子が負荷（例えば電動工具）及び充電装置に何度も装着されるため、端子部分が磨耗や腐食等の経年変化を起こし接触抵抗が増してくるという現象がある。また充電装置側のターミナルにおいても同様の現象が起こる。この際、電池パック内蔵の感温素子の出力の一端が充電用端子と共通であると、充電中において電池パック側端子―充電装置側ターミナル間の接触抵抗により接触電位差Ｖｃが発生し、電池パック端子側の電位が充電装置側ターミナルよりも高くなる。このとき感温素子の出力端子である電池パックの温度測定端子の出力電位はこの接触電位Ｖｃの影響を受けて本来の電圧よりも高くなる。充電中に充電電流を切り替えると接触電位差Ｖｃが変化するため、電池温度検出手段の出力電圧も変化し、電流切り替え前後で電池温度が大きく変化したのと同様の現象が起こり電池温度及び電池温度勾配を誤検出してしまい、正常な充電ができないことがある。
【０００５】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、経年変化により電池パック側端子と充電装置側ターミナル間の接触状態が劣化した電池パックにおいても、適切な充電をすることができる充電装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電池温度を検出するサーミスタ等の感温素子と、その出力により電池温度を検出する電池温度検出手段と、電池温度検出手段の出力に基づいて電池温度を記憶する電池温度記憶手段と、電池温度検出手段及び電池温度記憶手段の出力に基づいて電池温度勾配を演算する電池温度勾配演算手段を有し、電池パックの充電中において所定の電池温度に達したら充電電流を充電電流制御手段により切り替える際に、充電電流を切り替えた直後の電池温度を充電電流を切り替える直前の電池温度と比較演算後その差分を記憶し補正値とし、充電電流を切り替えた後の電池温度及び電池温度勾配を前記補正値を用いて補正することにより達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示すブロック回路図である。１は交流電源、２は電池パックで、複数の素電池２ａを直列接続した電池組及び素電池２ａに接触または近接して電池温度を検出する温度測定手段を構成する例えばサーミスタからなる感温素子２ｂ、正極端子２ｃ、負極端子２ｄ、温度測定端子２ｅを有する。３は充電装置であり、正極ターミナル３ｃ、負極ターミナル３ｄ、温度検出ターミナル３ｅは対応する各電池パック２側端子にそれぞれ接続される。４は電池パック２に流れる充電電流を検出する電流検出手段、５は充電の開始及び停止を制御する信号を伝達する充電制御信号伝達手段、６は充電電流の信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還する充電電流信号伝達手段で、充電制御伝達信号手段５及び充電電流信号伝達手段６はホトカプラ等からなる。１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２からなる一次側整流平滑回路、２０は高周波トランス２１、ＭＯＳＦＥＴ２２、ＰＷＭ制御ＩＣ２３からなるスイッチング回路で、ＰＷＭ制御ＩＣ２３はＭＯＳＦＥＴ２２の駆動パルス幅を変えて整流平滑回路３０の出力電圧を調整するスイッチング電源ＩＣである。３０はダイオード３１、３２、チョークコイル３３、平滑用コンデンサ３４からなる二次側整流平滑回路、４０は抵抗４１、４２からなる電池電圧検出手段で、電池パック２の端子電圧を分圧する。５０は演算手段（ＣＰＵ）５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、タイマ５４、Ａ／Ｄコンバータ５５、出力ポート５６、リセット入力ポート５７からなるマイコンである。ＣＰＵ５１は、最新の電池温度を感温素子２ｂの出力として所定の周期ごとにサンプリングして取り込み、電池温度勾配を演算すると共に現在の電池温度勾配値を満充電判別値と比較する。ＲＡＭ５３は、所定時間前までにサンプリングした電池温度を記憶する電池温度記憶手段５３１と、電流切り替え時における補正値を記憶する補正値記憶手段５３２と、電池温度勾配記憶手段５３３を内蔵する。６０は演算増幅器６１、６２、抵抗６３〜６６からなる充電電流制御手段、７０は電源トランス７１、全波整流回路７２、３端子レギュレータ７４、平滑コンデンサ７３、リセットＩＣ７５からなる定電圧電源で、マイコン５０、充電電流制御手段６０等の電源となる。リセットＩＣ７５はマイコン５０を初期状態にするためにリセット入力ポート５７にリセット信号を出力する。８０は充電電流を設定する充電電流設定手段であって、前記出力ポート５６からの信号に対応して演算増幅器６２の反転入力端に印加する電圧値を変えるものである。９０は電池パック２の感温素子２ｂの抵抗値を電圧に変換しＡ／Ｄコンバータ５５に出力する抵抗９１及び９２とからなる電池温度検出回路である。
【０００８】
図２は充電装置３及び電池パック２の外観を示したものである。電池パック２は、上記した如く、ケース２ｆ内に素電池２ａ、感温素子２ｂを内蔵し、各接続端子（２ｃ、２ｄ、２ｅ）はケース２ｆの外側に露出して設けられている。充電装置３は図１の回路を搭載した基板２０１、基板２０１上に設けられたターミナル群（３ｃ、３ｄ、３ｅ）、基板２０１を収め電池パック２を差し込む電池差込口２０２を設けたケース２０３から構成される。電池パック２を充電する際には、図２中Ａの矢印の方向に電池パック２を差込む。
【０００９】
図３（ａ）は正極ターミナル３ｃ部の図２におけるＢ方向から見た断面図であり、ターミナル群（３ｃ、３ｄ、３ｅ）は例えば薄い金属板を折り曲げた構造でバネ性があり、電池パック２を差し込んだ際には図３（ｂ）のように変形し電池パック２の各端子（２ｃ、２ｄ、２ｅ）と接触する。電池パック２を充電する際は毎回各端子（２ｃ、２ｄ、２ｅ）と各ターミナル（３ｃ、３ｄ、３ｅ）は摩擦されるため、端子部に着いたごみ等の影響による磨耗や、露出しているため腐食等の経年変化を起こしやすい。また図示はしないが負荷に接続される際にも同様の装着方法がとられるため同様の経年変化が起こる。充電装置３と電池パック２の各接続端子（２ｃ、２ｄ、２ｅ）とターミナル（３ｃ、３ｄ、３ｅ）間には図４に示す等価回路のようにその接触抵抗Ｒｃｃ、Ｒｃｄ、Ｒｃｅが存在する。充電電流Ｉｃが流れている時、感温素子を流れる電流Ｉｔｈが充電電流Ｉｃに比べ十分に小さいとして、負極端子２ｄ―負極ターミナル３ｄ間すなわちＲｃｄ間に
Ｖｃ＝Ｒｃｄ×Ｉｃ ―（１）
なる接触電圧Ｖｃが生じる。従って感温素子２ｂの抵抗を、Ｒｔｈ（Ｔ）（感温素子２ｂの抵抗値は温度Ｔの関数であり以下Ｒｔｈとする）とした場合、マイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５５に温度検出回路９０を介して入力される入力電圧Ｖｉｎは、抵抗９１、９２の抵抗値をＲ９１、Ｒ９２として

となり接触電圧Ｖｃの影響を受けることとなる。
【００１０】
充電電流を大きい値から小さい値に切り替えた際には、（１）式より接触電圧Ｖｃが小さくなるため（２）式より明らかなように入力電圧Ｖｉｎが小さくなる。感温素子２ｂが例えばＮＴＣサーミスタであった場合、入力電圧Ｖｉｎが小さくなると電池温度が上昇したことになるため、充電電流を切り替えた後の電池温度が実際の電池温度値よりも高く検出されることとなり、電池パック２と充電装置３の接触が良好な場合は接触電圧Ｖｃが小さく、入力電圧Ｖｉｎへの影響は小さいが、接触状態が劣化すると入力電圧Ｖｉｎへの影響が大きくなる。なお、端子―ターミナル間の接触抵抗は、正極端子２ｃと温度測定端子２ｅにも存在するが、正極端子２ｃは感温素子２ｂと共通の接点を持たないため影響を及ぼさない。また、温度測定端子２ｅにおける接触抵抗Ｒｃｅは、そこに流れる電流Ｉｔｈが充電電流Ｉｃに比べて十分に微小電流であり、また電流Ｉｔｈの変化量も非常に小さいため特に問題となることはない。
【００１１】
図５のフローチャート及び図６の充電時における各部のグラフを参照して本発明を採用した充電装置の動作を説明する。図６において横軸は充電時間、縦軸はそれぞれ電池電圧、充電電流、電池温度、電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（Ａ／Ｄ変換された値）を示す。
電源を投入すると出力ポート５６をイニシャルセットして電池パック２の接続待機状態となる（ステップ５０１）。電池パック２が接続されると、充電電流Ｉ０で充電を開始する（ステップ５０２、図６時間軸０）。次いでＲＡＭ５３における記憶デ−タである６サンプリング前までの電池温度Ｔｉ−０６、Ｔｉ−０５、……、Ｔｉ−０１と、最新の電池温度と６サンプリング前の電池温度との差によって演算された電池温度勾配の最小値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）と、電流切換え済みフラグ、電池温度補正値Ｔｋをイニシャルリセットし（ステップ５０３）、サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ５０４）。サンプリングタイマ時間が△ｔを経過したら（ステップ５０５）、再度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ５０６）。本実施形態ではサンプリング時間を例えば１０秒とする。
【００１２】
感温素子２ｂの抵抗値を電圧に変換しＡ／Ｄコンバータ５５に出力することにより補正前の電池温度Ｔｉｎ’を検出する（ステップ５０７）。次に、補正値Ｔｋを用いてＴｉｎ’からＴｋを引いた値を補正後の電池温度Ｔｉｎとして演算、記憶する（ステップ５０８）。なお充電電流が切換わる前は電池温度を補正する必要はなく、Ｔｋ＝０（Ｔｉｎ＝Ｔｉｎ’）である。補正後の電池温度から電池温度記憶手段５３２に記憶された６サンプリング前の電池温度を引いた値を電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）として演算する（ステップ５０９）。
【００１３】
電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）が０より小さいか否かを判別する（ステップ５１０）。０より小さい場合は、電池温度の検出を開始してから６サンプリング時間経過していない場合であり、この場合はステップ５１３にジャンプする。ステップ５１０で０より小さくない場合は、現在の電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）と電池温度勾配記憶手段５３３中の電池温度勾配最小値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）を比較する（ステップ５１１）。電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）が電池温度勾配最小値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）より小さい場合は、電池温度勾配最小値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）を更新する（ステップ５１２）。ステップ５１１において、電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）が電池温度勾配最小値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）より小さくない場合はステップ５１３にジャンプする。電流切換え済みフラグが１か否かの判別を行う（ステップ５１３）。電流切換え済みフラグが１の場合は満充電か否かを判別するため、ステップ５１５にジャンプする。
【００１４】
ステップ５１３において、電流切換え済みフラグが１でない場合は、補正後の現在の電池温度Ｔｉｎが４５℃以上か否かを判別する（ステップ５１４、図６時間軸ｔｂ）。補正後の現在の電池温度Ｔｉｎが４５℃以上の場合は、電流切換え済みフラグを１にセットし（ステップ５１７）、サイクル寿命劣化の原因となる充電中の電池温度の上昇を抑制するため、充電電流設定手段８０により充電電流を小さな値Ｉ１（Ｉ０＞Ｉ１）に切り替える（ステップ５１８）。充電電流を切替えると、グランドレベルの変化により、電池温度を誤検出してしまう。そこで、充電電流が切換わった直後の電池温度Ｔｉｎ’を検出し（ステップ５１９）、前記Ｔｉｎ’’から充電電流が切換わる直前の電池温度Ｔｉｎを引いた値を補正値Ｔｋとし（ステップ５２０）、補正値Ｔｋを用いてＴｉｎ’からＴｋを引いた値を補正後の電池温度Ｔｉｎとして演算、記憶し（ステップ５２１）、ステップ５０５に戻る。なおステップ５１９〜５２１における処理に要する時間は、電池温度のサンプリング時間に比べて十分短い時間とする。ステップ５１４において、電池温度Ｔｉｎが４５℃以上の場合は、現在の電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）から電池温度最小勾配値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）を引いた値がＰを超えているか否かを判別し（ステップ５１５）、Ｐを超えている場合は満充電とみなし充電を停止し（ステップ５２２、図６時間軸ｔｅ）、電池パック２が抜かれたら（ステップ５２３）ステップ５０１に戻る。ステップ５１５において、現在の電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）から電池温度最小勾配値ｄＴ／ｄｔ（ｍｉｎ）を引いた値がＰ以下の場合は、電池温度記憶手段５３１における記憶デ−タである６サンプリング前までの電池温度Ｔｉ−０６、Ｔｉ−０５、……、Ｔｉ−０１を１サンプリング前の記憶エリアに移し替え（ステップ５１６）、再度ステップ５０５からの処理を行う。
【００１５】
上記実施形態においては、現在の電池温度と６サンプリング前の電池温度より電池温度勾配を算出したが、これに限るものではなく、例えば１２サンプリング前の電池温度を用いて算出してもよい。また電池温度が４５℃に達した時点で、充電電流をＩ０からＩ１に切替えるとしたが、これに限るものではなく、例えば冷却ファン等で電池パック２を冷却する機能を有する充電器では、より高い電池温度（例えば５０℃）で充電電流を切替えてもよい。更にサンプリング時間を１０秒としたが、これに限るものではなく、例えば５秒としてもよい。
【００１６】
なお、図６（ｅ）は補正を行わずにｄＴ／ｄｔ演算を行った場合を示すグラフで、充電電流を切り替えた直後に、満充電ではないにもかかわらず所定値Ｐを超えてしまい、充電が終了してしまった例を示す。
【００１７】
上記のような方法で、電池温度勾配及び電池温度の補正を行うことにより経時変化により端子の接触状態が悪くなった電池パック２と充電装置３においても適切な充電を行うことができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、経時変化により充電装置とのターミナル・端子間の接触状態が劣化した電池パックにおいても、適切な充電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明充電装置の一実施形態を示すブロック回路図。
【図２】本発明充電装置の一実施形態を示す外観図。
【図３】本発明充電装置と電池パックの接触状態を示す断面図。
【図４】本発明充電装置と電池パックの接触状態の等価回路図。
【図５】本発明充電装置の充電中の電池温度が所定温度に達したときに充電電流を小さい設定値に切り替えて充電を行い、充電電流を切り替えた際に電池温度勾配を補正する動作を説明するフローチャート。
【図６】本発明充電装置の充電中の電池電圧、充電電流、電池温度、電池温度勾配を示すタイムチャート。
【符号の説明】
２は電池パック、２ｂは感温素子、３は充電装置、５０は演算機能を有するＣＰＵ５１、電池温度記憶手段５３１、補正値記憶手段５３２、電池温度勾配記憶手段５３３等を有するマイコン、９０は電池温度検出手段である。

Claims (1)

1. 電池パックの充放電用の正極端子、負極端子、電池温度を測定するサーミスタ等の感温素子の出力端子である温度測定端子の各端子と対応するターミナルを有し、電池パックを充電する充電装置であって、
   充電電流を制御する充電電流制御手段と、感温素子の出力に基づいて電池温度を検出する電池温度検出手段と、電池温度検出手段の出力に基づいて電池温度を記憶する電池温度記憶手段と、電池温度検出手段及び電池温度記憶手段の出力に基づいて電池温度勾配を演算する電池温度勾配演算手段を有し、前記電池パックの充電中において所定の電池温度に達した時に充電電流を前記充電電流制御手段により切り替える際に、充電電流を切り替えた直後の電池温度を充電電流を切り替える直前の電池温度と比較演算後その差分を記憶して補正値とし、充電電流を切り替えた後の電池温度及び電池温度勾配を前記補正値を用いて補正することを特徴とする電池の充電装置。

Images