JP2006050812A - 電池の満充電判定方法、充電システム及び充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】 充電中の電池について満充電を精度良く検出する電池の満充電判定方法、充電システム及び充電器を提供する。
【解決手段】 ニッケル水素電池２０の充電開始電圧Ｅ₀の記録、電圧ピーク値Ｅ_maxのリセット、及びフラット検出カウンタＣのリセットを行う（Ｓ１０１）。ニッケル水素電池２０の電圧Ｅの計測を開始し（Ｓ１０２）、充電時間Ｔの計測を開始する（Ｓ１０３）。ニッケル水素電池２０の電圧Ｅが第１の電圧値Ｅ₁ｍＶ未満でないときには（Ｓ１０４）、フラット検出カウンタＣを作動させる（Ｓ１０５）。電圧ピーク値Ｅ_maxが更新されていないときには（Ｓ１０６）、フラット検出カウンタＣを加算する（Ｓ１０８）。フラット検出カウンタＣが第１の閾値Ｃ₁未満でなく（Ｓ１０９）、かつ充電時間Ｔが閾値（所定時間）Ｔ₁分以上でないときは（Ｓ１１０）、満充電と判断し（Ｓ１１１）、充電を終了する（Ｓ１１２）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、充電可能な電池を充電するための電池の満充電判定方法、充電システム及び充電器に関するものである。

充電によって繰り返し使用できる二次電池、例えばニッケル水素電池は、携帯電話、ノートパソコン及びＰＤＡ（Personal Digital Assistance）などの各種携帯小型電子機器の電源として広く利用されている。そして、ニッケル水素電池は、近年の携帯小型電子機器の普及とともにその需要が飛躍的に増大している。

ニッケル水素電池を充電する際には、電池の性能低下等を防止すべく、満充電になったら充電を終了して過充電とならないようにしなければならない。そのためには、充電中に満充電を正確に検出する必要がある。その技術として、例えば、マイナスΔＶ検出方法やフラット検出方法等が提案されている。
マイナスΔＶ検出方法とは、充電を開始して電池電圧が上昇してピーク電圧に達した後に電池電圧が急に下がる現象を利用して満充電を検出する検出方法をいう。フラット検出方法とは、電池電圧の上昇率をモニターし、ある一定時間内に規定以上の電圧上昇がない場合に満充電を検出する方法をいう。

上述したマイナスΔＶ検出方法を応用して満充電を検出する技術が、例えば特許文献１に開示されている。すなわち、特許文献１では、充電中の電池の電圧を周期的に測定し、電池の電圧が降下し始める時点の電圧値をピーク電圧値として検出し、ピーク電圧値とその後に低下した電圧値とを比較して一定以上の電圧幅になったときに満充電と判断する技術が開示されている。

特開平１１−２５０９４０号公報(第３〜４頁、図２)

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、充電するときの条件によっては満充電付近における電池電圧の電圧降下が十分発生しないことが想定される。したがって、そのような場合には満充電を正確に検出できず、過充電という事態が懸念される。
また、フラット検出方法では、高温環境下での充電や長期間放置された不活性化電池の充電の場合には、充電途中に満充電を誤検出することが想定される。そのような場合には、充電途中にもかかわらず充電が終了してしまい、満充電できないという事態が懸念される。

本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、充電中の電池について満充電を精度良く検出することにある。

かかる目的のもと、本発明が適用される電池の満充電判定方法は、充電中の電池の電圧値を計測し、電池の電圧値の変化が所定の範囲内になるフラット状態を検出し、フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達したか否かを検出する。そして、フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達したときのフラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超え、かつフラット状態を検出した時点での電池の電圧値と充電開始当初の電圧値との差分が第２の電圧値（Ｅ₂）を超えた場合に電池は満充電であると判定する。
電池の充電時間を計測し、フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達したときの電池の充電時間が所定時間（Ｔ₁）を超えていない場合に電池は満充電であると判定することを特徴とすることができる。
フラット状態の継続時間が、所定値（Ｃ₁）よりも大きい値（Ｃ₂）に達したか否かを検出し、フラット状態の継続時間がその値（Ｃ₂）に達したときのフラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超えた場合に電池は満充電であると判定することを特徴とすることができる。

他の観点から捉えると、本発明は、充電可能な電池を電子機器に接続して充電する充電システムに適用することができる。すなわち、本発明が適用される充電システムは、充電中の電池の電圧を電圧計測手段で計測し、電圧計測手段により計測された電圧値の変化が所定の範囲内になるフラット状態をフラット検出手段で検出する。また、フラット検出手段により検出されたフラット状態の継続時間をフラット時間計測手段で計測する。そして、フラット時間計測手段により計測されたフラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達した場合に、フラット検出手段により検出されたフラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超え、かつフラット状態を検出した時点での電圧計測手段により計測された電池のピーク電圧値と電圧計測手段により計測された充電開始当初の電圧値との差分が第２の電圧値（Ｅ₂）を超えたことを条件に電池の充電を充電停止手段で停止させる。

更に本発明を別の観点から捉えると、本発明は、充電可能な電池の充電器に適用することができる。すなわち、本発明が適用される充電器は、充電中の電池の電圧値が入力され、電池の電圧値の変化が所定の範囲内になるフラット状態をフラット検出手段で検出し、フラット検出手段により検出されたフラット状態の継続時間をフラット時間計測手段で計測する。そして、フラット時間計測手段により計測されたフラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達した場合に、フラット検出手段により検出されたフラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超え、かつフラット状態の電圧値と充電開始当初の電圧値との差分が第２の電圧値（Ｅ₂）を超えたことを条件に電池の充電を充電停止手段が停止させる。

本発明によれば、充電中の電池について満充電を精度良く検出できるので、過充電や充電完了時の未充電を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係るポータブルミニディスク機器（以下ＭＤと省略する）の主要部分の制御ブロック図である。
ＭＤ１０は、電流リミット回路１１と定電圧回路１２と電池電圧増幅回路１３と満充電検出回路１４とトランジスタ(transistor)制御回路１５とタイマー１６とを備えている。また、ＭＤ１０は、トランジスタ１７とダイオード(diode)１８とを備え、充電されるニッケル水素電池２０が接続されている。
電流リミット回路１１は、充電電流をモニターしトランジスタ制御回路１５に制御信号を送ることで充電電流を５００ｍＡに保つための回路である。定電圧回路１２は、出力電圧をモニターし電池が挿入されていないときはトランジスタ制御回路１５に制御信号を送ることで出力を一定に保つための回路である。電池電圧増幅回路１３は、満充電検出回路１４により電池電圧の変動を確実にモニターできるようにするために電池電圧を６倍に増幅する回路である。
また、満充電検出回路１４は、電池電圧の上昇値及び充電時間をモニターすることで満充電を検出する回路である。また、満充電検出回路１４は、満充電を検出したときにトランジスタ制御回路１５に制御信号を送り、これによって充電を停止させる。トランジスタ制御回路１５は、電流リミット回路１１、定電圧回路１２、満充電検出回路１４及びタイマー１６からの制御信号により、トランジスタ１７を介して充電電流を一定に保ったり、充電を停止させたりするための回路である。また、タイマー１６は、充電開始からの時間計測を行うためのものであり、満充電検出後には時間計測を止める。

次に、充電開始から満充電検出に至る制御内容について図２を用いて説明する。
図２は、充電中の制御を示すフローチャートである。
図２に示すように、まず、ニッケル水素電池２０の充電を開始すると、満充電検出回路１４により、ニッケル水素電池２０の開始電圧Ｅ₀の記録、電圧ピーク値Ｅ_maxのリセット、及びフラット検出カウンタＣのリセットが行われる（Ｓ１０１）。
ここで、電圧ピーク値Ｅ_maxは、満充電検出回路１４が充電中の電池電圧Ｅをモニターし、規定以上の電圧上昇があったときに更新される電圧値である。具体的には、規定以上の電圧上昇があったときにはその電圧上昇後の電池電圧Ｅを図示しない記憶手段に記憶し、その後に更に規定以上の電圧上昇があったときには電圧上昇後の電圧に置き換えて記憶する。ここにいう「規定以上の電圧上昇」とは、単位時間当たりの電圧上昇率を演算し、その電圧上昇率の値が予め定めた値以上の場合を指す。
また、フラット検出カウンタＣは、充電中に電圧ピーク値Ｅ_maxが更新されていない経過時間を計測するためのものであり、満充電検出回路１４により計測される。

上記リセット等が行われた後には、満充電検出回路１４によりニッケル水素電池２０の電池電圧Ｅの計測が開始されるとともに（Ｓ１０２）、タイマー１６において充電時間カウンタが加算されることにより充電時間Ｔの計測を開始する（Ｓ１０３）。
次に、ニッケル水素電池２０の電池電圧Ｅが第１の電圧値Ｅ₁ｍＶ未満か否かを判定する（Ｓ１０４）。ニッケル水素電池２０の電池電圧Ｅが第１の電圧値Ｅ₁ｍＶ未満のときは（Ｅ＜Ｅ₁）、ステップ１０２に戻る。また、ニッケル水素電池２０の電池電圧Ｅが第１の電圧値Ｅ₁ｍＶ未満でないときには（Ｅ≧Ｅ₁）、フラット検出カウンタＣを作動させる（Ｓ１０５）。
その後、電圧ピーク値Ｅ_maxが更新されているか否かを判定する（Ｓ１０６）。電圧ピーク値Ｅmaxが更新されているときには、フラット検出カウンタＣをリセットし（Ｓ１０７）、ステップ１０５に戻る。電圧ピーク値Ｅ_maxが更新されていないときには、フラット検出カウンタＣを加算する（Ｓ１０８）。

そして、フラット検出カウンタＣが第１の閾値（所定値）Ｃ₁分未満か否かを判定する（Ｓ１０９）。フラット検出カウンタＣが第１の閾値Ｃ₁未満のときには（Ｃ＜Ｃ₁）、ステップ１０２に戻る。フラット検出カウンタＣが第１の閾値Ｃ₁未満でないときには（Ｃ≧Ｃ₁）、更に充電時間Ｔが閾値Ｔ₁分以上か否かを判定する（Ｓ１１０）。すなわち、充電時間Ｔが閾値（所定時間）Ｔ₁分以上でないときは（Ｔ＜Ｔ₁）、満充電と判断し（Ｓ１１１）、充電を終了ないしは停止（以下単に「終了」とする）し（Ｓ１１２）、処理を終了する。また、充電時間Ｔが閾値Ｔ₁分以上のときは（Ｔ≧Ｔ₁）、ステップ１１３に進む。
ステップ１１３では、充電開始当初からの上昇電圧ΔＥ（ΔＥ＝Ｅ_max−Ｅ₀）が第２の電圧値Ｅ₂ｍＶ未満か否かを判定する。すなわち、上昇電圧ΔＥが第２の電圧値Ｅ₂ｍＶ未満でないときには（ΔＥ≧Ｅ₂）、満充電と判断し（Ｓ１１１）、充電を終了した後に（Ｓ１１２）、処理を終了する。上昇電圧ΔＥが第２の電圧値Ｅ₂ｍＶ未満のときは（ΔＥ＜Ｅ₂）、ステップ１１４に進む。
ステップ１１４では、フラット検出カウンタＣが、第１の閾値Ｃ₁よりも大きい第２の閾値（所定値よりも大きい値）Ｃ₂分未満か否かを判定する。すなわち、フラット検出カウンタＣが第２の閾値Ｃ₂分未満でないときには（Ｃ≧Ｃ₂）、満充電と判断し（Ｓ１１１）、充電を終了した後に（Ｓ１１２）、処理を終了する。フラット検出カウンタＣが第２の閾値Ｃ₂未満のときは（Ｃ＜Ｃ₂）、ステップ１０２に戻る。

次に、充電中におけるニッケル水素電池２０の電圧上昇について図３〜図６を用いて説明する。
図３は、低電流充電の場合の電圧上昇の推移を説明するためのグラフであり、図４は、本実施の形態における電圧上昇の推移を示すグラフである。また、図５は、本実施の形態において満充電の電池を充電した場合の電圧上昇の推移を示すグラフであり、図６は、本実施の形態において満充電の電池を充電した場合の電圧上昇の推移を示すグラフである。図３〜図６のいずれのグラフも縦軸は電池電圧（ｍＶ）、横軸は充電時間（分）である。
例えば１Ａの大電流で充電すると、充電に伴う発熱量が多くなり、ＭＤ１０にとっては好ましくない。そのため、例えば０．５Ｃ以下の低電流で充電するように設計することが考えられる。ここにいう「Ｃ」は充放電レートを表すのに用いられる記号である。
しかし、そのような低電流充電を行うと、図３に示すように、満充電後の電池電圧の電圧降下は十分発生せずほぼフラットに推移する（図３の３ａ部分参照）。また、残容量が少ない電池を低電流充電すると、充電初期に電池電圧フラットに推移するポイントが現れる（図３の３ｂ部分参照）。かかる充電初期の現象は、不活性電池や、高温環境下での充電においては顕著となる。
したがって、満充電後の電圧降下に着目した従来のマイナスΔＶ検出方法や、電池電圧の電圧上昇がフラットに推移することのみを主眼に置いた従来のフラット検出方法では、電池電圧の推移が図３に示す場合には、満充電検出を誤検出するおそれがある。

このような誤検出を防ぐことができるように、本実施の形態を上述したような構成にしている。すなわち、本実施の形態では、図４に示すように、満充電検出の条件を、(1)電池電圧Ｅの上昇が第１の閾値Ｃ₁分以上無いこと（フラット検出）、(2)電池電圧Ｅが第１の電圧値Ｅ₁ｍＶ以上であること、及び(3)電池電圧Ｅの上昇分が第２の電圧値Ｅ₂ｍＶ以上であることの３つとした。そして、３つの条件すべてを満たす場合に、充電中の電池は満充電であると判定し、充電を終了する。
本実施の形態では、次の２つの方法によって、さらに満充電電池の充電に対する誤検出にも対応している。すなわち、第１の方法は、図５に示すように、充電開始からの充電時間Ｔが閾値Ｔ₁分未満のときに上記(1)のフラット検出があった場合に限り、上記(2)及び(3)の条件を満たさなくても、充電中の電池は満充電であると判定し、充電を終了するものである。
また、第２の方法は、図６に示すように、充電開始からの充電時間Ｔが閾値Ｔ₁分以降に、上記(1)及び(2)を満たし、上記(3)を満たさないときには、上記(1)における電池電圧Ｅの上昇が第２の閾値Ｃ₂（Ｃ₂＞Ｃ₁）分以上継続された場合に限り、充電中の電池は満充電であると判定し、充電を終了するものである。

本実施の形態では主に携帯小型電子機器などに用いられるニッケル水素電池の低電流充電（０．５Ｃ以下）において有効である。また、本実施の形態は、高温環境化におけるニッケル水素電池の充電などの電池電圧の上昇があまり見込めない状態での充電などにおいて有効である。さらには、本実施の形態は、長期間使用されていない不活性状態のニッケル水素電池の充電などの電池電圧の上昇があまり見込めない状態などにおいて有効である。
このように、本実施の形態における満充電を判定する方法によれば、充電により上昇した電池電圧Ｅ、充電時間Ｔ及びフラット検出カウンタＣを利用することにより常に安定した満充電検出を実現することができる。また、高温環境下や不活性化電池などの今までのフラット検出において満充電を誤検出する可能性がある状態においても常に安定した満充電検出が可能となる。

ここで、具体的な数値の一例を示すと、第１の電圧値Ｅ₁＝１４５０ｍＶ、第２の電圧値Ｅ₂＝８０ｍＶ、第１の閾値Ｃ₁＝１５分、第２の閾値Ｃ₂＝２５分、閾値Ｔ₁＝５０分である。これらの数値は、実験を通じて定められたものであり、条件が異なれば異なる数値を採用することになる。

本実施の形態について種々の変形例が考えられる。例えば、本実施の形態では、ＭＤ１０内のニッケル水素電池を充電する場合を説明したが、ＭＤ１０から取り外したニッケル水素電池を単体で図示しない充電器にて充電する場合にも同様にして採用することができる。
また、ＭＤ１０内のニッケル水素電池を充電する場合には、ＭＤ１０の本体に電源コードを直接つないで充電する場合のみならず、充電スタンド（クレードル）を介して充電する場合にも採用することができる。

また、電池が満充電であると判定して充電を終了した後に、放電による容量損失を補うために常時微小な電流で充電し、常に完全充電状態に保とうとするトリクル充電を行うようにすることも考えられる。また、満充電と判定すると電流が充電器内のバイパス回路を通り電池への負担をゼロにするフロート充電を行うようにすることも考えられる。

また、本実施の形態では、ニッケル水素電池２０の充電について説明したが、これ以外の充電可能な二次電池にも適用することが考えられる。

本実施の形態に係るポータブルミニディスク機器の主要部分の制御ブロック図である。 充電中の制御を示すフローチャートである。 低電流充電の場合の電圧上昇の推移を説明するためのグラフである。 本実施の形態における電圧上昇の推移を示すグラフである。 本実施の形態において満充電の電池を充電した場合の電圧上昇の推移を示すグラフである。 本実施の形態において満充電の電池を充電した場合の電圧上昇の推移を示すグラフである。

符号の説明

１０…ＭＤ、１４…満充電検出回路、１６…タイマー、２０…ニッケル水素電池、Ｃ…フラット検出カウンタ、Ｃ₁…第１の閾値、Ｃ₂…第２の閾値、Ｅ…電池電圧、Ｅ₀…開始電圧、Ｅ₁…第１の電圧値、Ｅ₂…第２の電圧値、Ｅ_max…電圧ピーク値、ΔＥ…上昇電圧、Ｔ…充電時間、Ｔ₁…閾値

Claims (9)

1. 充電する電池の満充電を判定する電池の満充電判定方法であって、
   充電中の前記電池の電圧値を計測し、
   前記電池の電圧値の変化が所定の範囲内になるフラット状態を検出し、
   前記フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達したか否かを検出し、
   前記フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達したときの当該フラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超え、かつ当該フラット状態を検出した時点での電池の電圧値と充電開始当初の電圧値との差分が第２の電圧値（Ｅ₂）を超えた場合に前記電池は満充電であると判定する、電池の満充電判定方法。
2. 前記電池の充電時間を計測し、
   前記フラット状態の継続時間が前記所定値（Ｃ₁）に達したときの前記電池の充電時間が所定時間（Ｔ₁）を超えていない場合に当該電池は満充電であると判定することを特徴とする請求項１に記載の電池の満充電判定方法。
3. 前記フラット状態の継続時間が、前記所定値（Ｃ₁）よりも大きい値（Ｃ₂）に達したか否かを検出し、
   前記フラット状態の継続時間が前記値（Ｃ₂）に達したときの当該フラット状態の電圧値が前記第１の電圧値（Ｅ₁）を超えた場合に前記電池は満充電であると判定することを特徴とする請求項１に記載の電池の満充電判定方法。
4. 充電可能な電池を電子機器に接続して充電する充電システムにおいて、
   充電中の前記電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
   前記電圧計測手段により計測された電圧値の変化が所定の範囲内になるフラット状態を検出するフラット検出手段と、
   前記フラット検出手段により検出された前記フラット状態の継続時間を計測するフラット時間計測手段と、
   前記フラット時間計測手段により計測された前記フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達した場合に、前記フラット検出手段により検出された前記フラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超え、かつ当該フラット状態を検出した時点での前記電圧計測手段により計測された電池のピーク電圧値と前記電圧計測手段により計測された充電開始当初の電圧値との差分が第２の電圧値（Ｅ₂）を超えたことを条件に前記電池の充電を停止させる充電停止手段と
   を含む充電システム。
5. 前記電池の充電時間を計測する充電時間計測手段を更に含み、
   前記充電停止手段は、前記フラット時間計測手段により計測された前記フラット状態の継続時間が前記所定値（Ｃ₁）に達した場合に、前記充電時間計測手段により計測された前記充電時間が所定時間（Ｔ₁）を超えていないことを条件に前記電池の充電を停止させることを特徴とする請求項４に記載の充電システム。
6. 前記充電停止手段は、前記フラット時間計測手段により計測された前記フラット状態の継続時間が、前記所定値（Ｃ₁）よりも大きい値（Ｃ₂）に達した場合に、当該フラット状態の電圧値が前記第１の電圧値（Ｅ₁）を超えたことを条件に前記電池の充電を停止させることを特徴とする請求項４に記載の充電システム。
7. 充電中の電池の電圧値が入力され、当該電池の電圧値の変化が所定の範囲内になるフラット状態を検出するフラット検出手段と、
   前記フラット検出手段により検出された前記フラット状態の継続時間を計測するフラット時間計測手段と、
   前記フラット時間計測手段により計測された前記フラット状態の継続時間が所定値（Ｃ₁）に達した場合に、前記フラット検出手段により検出された前記フラット状態の電圧値が第１の電圧値（Ｅ₁）を超え、かつ当該フラット状態の電圧値と充電開始当初の電圧値との差分が第２の電圧値（Ｅ₂）を超えたことを条件に前記電池の充電を停止させる充電停止手段と
   を含む充電器。
8. 前記電池の充電時間を計測する充電時間計測手段を更に含み、
   前記充電停止手段は、前記フラット時間計測手段により計測された前記継続時間が所定値（Ｃ₁）に達した場合に、前記充電時間計測手段により計測された前記充電時間が所定時間（Ｔ₁）を超えていないことを条件に前記電池の充電を停止させることを特徴とする請求項７に記載の充電器。
9. 前記充電停止手段は、前記フラット時間計測手段により計測された前記継続時間が、前記所定値（Ｃ₁）よりも大きい値（Ｃ₂）に達した場合に、前記フラット状態の電圧値が前記第１の電圧値（Ｅ₁）を超えたことを条件に前記電池の充電を停止させることを特徴とする請求項７に記載の充電器。

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