JP2006262614A - 充電装置及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 正確に充電の進行を検出することができる。
【解決手段】 充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池１の端子電圧を検出する電池電圧検出手段５と、前記二次電池の充電中にオン・オフさせるスイッチ手段２とを備える。そして充電電流がオフされる直前の電池電圧Ｖonと、充電電流をオフした後の電池電圧Ｖoffとに従って二次電池の内部抵抗Ｒに相当する値を求める（内部抵抗検出手段１４）。そして二次電池の初期時における内部抵抗Ｒに相当する値Ｚ(int)と、最新の二次電池の内部抵抗Ｒに相当する値Ｚ(now)とを比較して、充電制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を充電する充電装置に関する。

近年、デジタルスチールカメラや玩具などに乾電池に替わって、充電すれば繰り返し使用できるニッケル・水素電池やニッケル・カドミウム蓄電池などの二次電池が、経済性や大電流放電可能などの利点から多く使用されるようになってきている。

従来の二次電池の充電制御は−△V制御や温度上昇率検知（以降△T/△ｔ）制御が用いて充電制御し、二次電池が過充電に至らない様にしていた。

このように、従来ではアルカリ二次電池を急速充電をするときの充電制御は−△V制御や△T/△ｔ制御が用いられていたが、これらの方法では充電時間が３０分程度までの充電制御にしか適用できず、これより短時間で充電しようとすると過充電となる危険があった。

そこで、電池内部に電池内部の圧力が高くなると電流を遮断または減少させる圧力変換素子を内蔵する二次 電池が開発された。この圧力変換素子は、充放電路に設置された接点からなり、電池内部の圧力が上昇すると接点圧が弱くなり接触抵抗が大きくなり、さらに電池内部の圧力が上昇すると接点が離れ充電電流を遮断する働きをする。充電が進み満充電に近づくと電池内部の正極から酸素ガスが発生するが、この酸素ガスは陰極で 吸収される。しかしながら、発生する酸素ガスが多くなり陰極で吸収されるより量多くなると電池内部の圧力が高くなる。電池内部の圧力が上昇すると圧力変換素子の接点の接点圧が弱くなり接触抵抗が大きくなり、充電電流が減少し、酸素ガスの発生量が減少し内圧が減少し接点圧が高くなり、充電電流が多くなり、この動作を繰り返し充電が進む。充電電流の変化は電池電圧の変動を引き起こす。さらに充電が進むと酸素ガスの発生が急増し、上記メカニズムを繰り返し充電電流はオン−オフを繰り返す。

このような二次電池は、以下の特許文献１（または対応の国際公開公報WO02/35618）に開示されている。

本特許文献１において、充電開始より所定時間が経過したとき、又は、充電が進み電池内圧が上がり上記圧力変換素子により充電電流が停止したときに、充電を終了することが記載されている（同公報段落番号０１０５）。また、上記のように、充電が繰り返される過程において、電池の開放電圧を測定して所定値以上となったとき、又は、このような繰り返し回数が所定回数以上となったとき、充電を終了することが開示されている（同公報段落番号０１０７）。
米国公開特許US2002/0119364

しかしながら、この圧力変換素子を内蔵した二次電池を定電流で充電すると、充電末期における酸素ガスの発生が急激で、圧力変換素子の接点が完全に離れてしまい、接点が復帰するまで数十秒から数分かかることがあり、接点が離れているときに負荷を接続しても放電できない問題点があった。そこで、従来の圧力変換素子を内蔵した二次電池の充電方法は、充電末期に発生するガスを少なくするため最大充電電流を制限した定電圧電源で充電するようにしていた。すなわち充電初期は最大充電電流で充電し、二次電池の端子電圧が所定値に達すると充電電流は徐々に減少し、充電制御は例えば１５分のタイマー制御を用いていた。そのため、最大充 電電流を４It（＝４C）で１５分しても容量が７０〜８０％しか放電して取り出せない問題点があった。また、二次電池の端子と充電器の充電端子の接触抵抗が増大したり、二次電池の内部抵抗のバラツキによって定電流領域が変化し、充電が十分にできないことがあった。

本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、所望の容量まで、安定して充電することを目的とする。

本発明は、充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池と、前記二次電池に充電電流を供給する充電用電源と、前記二次電池と前記充電用電源との間に介挿され、オン時間ｔ１とオフ時間ｔ２として、充電電流をオン−オフするスイッチ手段と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチ手段がオンからオフへ移行する直前の前記電圧検出手段の出力Vonを記憶するメモリと、前記スイッチ手段がオンからオフへ移行してから所定時間ｔ３（ｔ２≧ｔ３＞０）後の前記電圧検出手段の出力Voffと前記メモリに記憶されたVonとから前記二次電池の内部抵抗Rに相当する値を求める内部抵抗検出手段と、前記内部抵抗検出手段により求められた前記二次電池の充電初期における内部抵抗Rに相当する値Z(int)と、前記内部抵抗検出手段により求められる最新の前記二次電池の内部抵抗Rに相当する値Z(now)とに従って、前記スイッチ手段をオフにする充電制御信号を出力する充電制御手段を備えたことを特徴とする。

また、更に前記二次電池に対する充電電流を検出する電流検出手段を備え、前記メモリは、前記スイッチ手段により前記充電電流がオフされる直前の前記二次電池の電池電圧Ｖonと共に、そのときに上記電流検出手段により検出される充電電流Ｉonを記憶し、前記内部抵抗検出手段は、前記スイッチ手段により前記充電電流がオフされたときの前記二次電池の電池電圧Ｖoffおよびそのときに前記電流検出手段により検出される充電電流Ｉoffと、前記メモリに記憶された電池電圧Ｖonおよび充電電流Ｉonとから前記二次電池の内部抵抗Ｒに相当する値を求めることを特徴とする。

また、前記充電制御手段は、充電中の内部抵抗Rに相当する値Z(now)と充電初期の内部抵抗Rに相当する値Z（Int）との差が所定値に達したとき充電制御信号を発生すること特徴とする。

前記充電制御手段は、充電中の内部抵抗Rに相当する値Z(now)と充電初期の内部抵抗Rに相当する値Z（Int）との比が所定値に達したとき充電制御信号を発生すること特徴とする。

本発明は、充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池を充電する充電方法であって、電池の内部抵抗を測定して、該内部抵抗に基づいて充電制御することを特徴とする。

上述したごとく構成された本発明の充電装置によれば、圧力応答素子を内蔵した二次電池の充電時の内部抵抗を測定し、内部抵抗の値が上昇すると充電を停止、或いは充電を制御している。つまり、正確に充電の進行を検出することができる。

このため、内圧が必要以上に上昇することを防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
図１は、この実施形態に係る二次電池の充電装置Aの概略的な構成図であり、充電装置Aの充電端子＋、−には、詳細には後述する圧力応答素子１Aを電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池１が、着脱自在に設置される。
充電用電源Ｂは、スイッチ手段としてのスイッチ素子２を介して充電電流を流し二次電池１を充電する。充電開始の電源投入などに同期して発生する充電スタート信号がパルス発生回路３に加わると、パルス発生回路３はスイッチ素子２をｔ１時間オン、ｔ２時間オフさせる信号を発生する。 しかして二次電池１の充電路には、ＦＥＴ等からなるスイッチ素子２が直列に介装されている。このスイッチ素子２は、スイッチ駆動回路３によりオン・オフ駆動されるものであり、以下の充電制御手段である充電制御回路３Ａ、パルス発生回路３Ｂ、論理回路３Ｃで構成される。

充電制御回路３Ａは、二次電池１が満充電等に至ったときに上記充電路を遮断してその充電を停止させる機能を担っており、充電を行う場合に、オンの制御信号を発生する。パルス発生回路３Ｂは、図２に示す、オン時間ｔ１とオフ時間ｔ２にて、オンのパルスを発生する。そして、論理回路３Ｃは、アンドの論理回路であって、パルス発生回路３Ｂがオンであると共に、充電制御回路３Ａがオンのとき、スイッチ駆動回路３として、スイッチ素子２をオンさせるオン信号を発生する。スイッチ駆動回路３の動作により、該二次電池２の充電中にその充電電流Ｉcを図２に示すように連続して、間欠的にオン・オフする役割を担う。

さて前記二次電池１の充電路には、該二次電池１の電池性能を評価するための１つのパラメータである充電電流Ｉcを測定するための電流検出手段である充電電流測定回路４が直列に介装されている。また前記二次電池１の両端間には、該二次電池１の電池性能を評価するための別のパラメータである二次電池１の端子電圧Ｖを測定するための電池電圧測定回路５が設けられている。

尚、図示しないが、二次電池１の電池温度を監視するための温度センサを設けることができ、異常温度を検出したときに、充電を停止する。

基本的には上述したように二次電池１の充電電流Ｉcをオン・オフするスイッチ素子２、その充電電流Ｉcを検出する充電電流測定回路４、および端子電圧Ｖを測定する電圧検出手段である電池電圧測定回路５を備えて構成される二次電池装置において、二次電池１の充電中にスイッチ素子２をオン・オフ駆動する際、スイッチ素子２によって充電電流Ｉcがオフされる直前における前記二次電池１の電池電圧Ｖonを記憶するメモリ１１を備えている。即ち、このメモリ１１は、前記スイッチ駆動回路３の制御を受けて前記スイッチ素子２をオフ駆動する直前に、前記電池電圧測定回路５にて検出されている二次電池１の電池電圧Ｖonを記憶するものとなっている。

また上記スイッチ駆動回路３の制御出力はタイマ回路１２に与えられており、タイマ回路１２は上記スイッチ素子２をオフ駆動した時点であるパルス発生回路３Ｂから発生されるオフした時点から所定時間ｔ３（図２参照）を経過した後に、前記メモリ１１に対して並列に設けられた第２のメモリ１３を駆動している。尚、オン時間ｔ１、オフ時間ｔ２、上記所定時間ｔ３（ｔ２≧ｔ３＞０）は、充電電流Ｉcの停止後に二次電池１の状態が安定する時間を見込んで、例えばｔ１＝７秒、ｔ２＝３秒、ｔ３＝２．５秒に設定される。そして第２のメモリ１３は、前記スイッチ素子２により二次電池１の充電電流Ｉcをオフしているとき、前記電池電圧測定回路５にて検出される二次電池１の電池電圧ＶＢを記憶するものとなっている。従って第２のメモリ１３には、図２に示すように二次電池１の充電中に充電電流Ｉcをオフさせたときの該二次電池１の電池電圧Ｖoffが記憶される。

このような２つのメモリ１１,１３にそれぞれ記憶された電圧Ｖon,Ｖoffをそれぞれ取り込む内部抵抗検出回路１４は、二次電池１の充電電流Ｉcをオフする直前の電池電圧Ｖonと、充電電流Ｉcをオフしているときの開放電池電圧Ｖoffとから、例えば
Ｚ ＝ Ａ（Ｖon−Ｖoff）
として、二次電池１の内部抵抗Ｒに相当する値Ｚを求めている。但し、上記Ａは比例係数である。図２において、点線は、内部抵抗Ｒが増大したときの電圧特性である。

このようにして求められる二次電池１の内部抵抗Ｒに相当する値（内部抵抗相当値）Ｚは、内部抵抗判定機能をも備える充電制御回路３Ａにて、判定される。充電制御回路３Ａは、初期値メモリ１６において、二次電池１が新品（例えば使用開始時）のときに求められる上記二次電池１の内部抵抗相当値Ｚを、その初期値Ｚ(int)として記憶させている。そして充電制御回路３Ａはは、その後、前記二次電池１を充電する毎に検出される最新の内部抵抗相当値Ｚ(now)と上記初期値メモリ１６に記憶された初期値Ｚ(int)とを比較し（差を求め）、例えば上記内部抵抗相当値Ｚ(now)がその初期値Ｚ(int)よりも所定量だけ高くなったとき、充電制御回路３Ａにて、充電が進んで、略所定充電容量となり、電池の内圧が上昇したと判断して、スイッチング素子２をオフすることで、充電を停止、換言するなら、充電を制御する。つまり、充電制御回路３Ａがオフ信号である充電制御信号を発生する。

尚、例えば最新の内部抵抗相当値Ｚ(now)とその初期値Ｚ(int)との比を求め、最新の内部抵抗相当値Ｚ(now)がその初期値Ｚ(int)の２〜３倍を越えたとき、充電制御回路３Ａにて、充電が進んで、略所定充電容量となり、電池の内圧が上昇したと判断して、充電制御回路３Ａがオフ信号である充電制御信号を発生し、スイッチング素子２をオフすることで、充電を停止することもできる。

また、これに代わって、内部抵抗相当値Ｚ(now)を、所定値と比較して、所定値を超えたとき、充電制御回路３Ａにて、電池の内圧が上昇したと判断して、充電制御回路３Ａがオフ信号である充電制御信号を発生し、スイッチング素子２をオフすることで、充電を停止することもできる。

かくして上述した如く構成された二次電池装置によれば、二次電池１の充電中にその充電電流Ｉcをオン・オフして該二次電池１の内部抵抗Ｒに相当する値Ｚを求めるので、電池の内圧が上昇したことを、正確に判断することができる。しかも二次電池１における初期時の内部抵抗相当値Ｚ(int)と、最新の内部抵抗相当値Ｚ(now)とを比較して充電の進行を評価するので、その評価信頼性を十分に高くすることができる。

ところで上述した実施形態においては、二次電池１の充電時における充電電流をオン・オフし、オフ直前の電池電圧Ｖonと、オフとなったときから所定時間ｔ３を経過したときの電池電圧Ｖoffとに基づいて二次電池１の内部抵抗Ｒに相当する値Ｚを求めたが、これに代わって、以下の内部抵抗Ｒに相当する値Ｚを採用することもできる。即ち、各検出タイミングにおいて二次電池１の充電電流Ｉbをそれぞれ検出するようにしても良い。具体的にはスイッチ素子２にて充電電流Ｉcをオフする直前の充電電流Ｉonと、充電電流Ｉcをオフしたときの充電電流（トリクル電流）Ｉoffとをそれぞれ検出する。そして内部抵抗検出回路１４において、例えば
Ｚ ＝ Ｂ（Ｖon−Ｖoff）／（Ｉon−Ｉoff）
として、二次電池１の内部抵抗Ｒに相当する値（内部抵抗相当値）Ｚを求めるようにしても良い。但し、上記Ｂは比例係数である。

このようにして二次電池１の電池電圧Ｖon,Ｖoffのみならず、二次電池１に流れる電流Ｉon,Ｉoffをも検出してその内部抵抗Ｒに相当する値Ｚを求めるようにすれば、二次電池１の充電の形態に拘わることなしに、より正確に電池性能を、ひいては充電が進んで、略所定充電容量となり、電池の内圧が上昇したことを、判断することができる。

また、図示しないが、温度センサにて検出される電池温度Ｔに従って電池特性を温度補正するようにすれば、その測定精度を更に高めることが可能となる。

なお、以上の説明では、オフ信号である充電制御信号が発生すると、スイッチ素子２をオフにして充電を完全に停止させたが、オフ信号である充電制御信号が発生すると、充電用電源から供給される充電電流を段階的に低減させてもよい。このようにすると、短時間でより充電量が増え、充電不足を解消できる。

更には、図１に示すように、充電源電源Ｂに追加して、追加充電用電源Ｃを設けて、スイッチング素子２と、電池１との間に結線して、電力を供給する回路を採用するなら、スイッチング素子２がオフのときでも、充電電流を供給できるので、より早く充電を進めることもできる。

更にはZ(now)を移動平均値としても良く、あるいはZ(now)とZ(Int)との差あるいは比が所定値を連続して越える回数が所定回に達したら初めて充電制御信号を発生し充電を停止する要にしてもよい。このようにするとノイズの影響を受けにくくなる。

以上の実施例に記載された内部抵抗を得る方法に変わって、種々の公知の方法を利用して、内部抵抗を得ることも可能である。

また第２のメモリ１３を準備することなく、内部抵抗検出回路１４においては電池電圧測定回路５から電池電圧Ｖoffを得て、前述した内部抵抗演算処理をリアルタイムに実行するように構成することも可能である。またここでは二次電池１としてニッケル水素電池を用いる場合について説明したが、ニッケルカドミウム電池やＬiイオン電池等の他の二次電池を用いる場合にも同様に適用できることは言うまでもない。更には上述した電池電圧Ｖon,Ｖoffの検出処理をソフトウェアにより制御しても良いことは勿論のことである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

そして、二次電池１の等価回路は、図３のように示され、電池成分を表す電池１Bと、圧力応答素子１Aとを備えることになる。圧力応答素子１Aは、電池内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する状態となり、内圧が下がると電気抵抗が低下する状態となり、可変抵抗分に相当する。また、このように電気抵抗が上昇する状態が進んだ状態が、電気的に遮断状態のオフとなり、オンオフのスイッチに相当する。また、電気抵抗が低下する状態が進んだ状態が、電気的導通状態のオンである。

次に、圧力応答素子１Ａを内蔵する二次電池１の構造については、米国公開特許US2002/0119364（または対応の国際公開公報WO02/35618）の図２、図６に開示されるように構造が採用できる。このような構造を、図５、図４を利用して説明する。図４は一つの例、図５は他の例を示す断面図であって、下方は省略してある。二次電池１は、一端を開口し他端に底を有する有底円筒状金属缶５０を備え、この内部には、シート状正極５１とシート状負極５２とがシート状セパレータ５３を間に挟んで配置された状態で巻回されて収納されている。開口された一端を、キャップ構造５４で封止している。

略円板形状の柔軟性、絶縁性を有する材質、例えば樹脂材料からなる可動体５５が、その外周を缶５０の一端にて保持されている。そして、可動体５５の中心に位置する開口５５ｈに略円柱状でスプール形状の電気接続体５６が嵌め込まれ、この電気接続体５６は、収納された正極に金属タブ６２を介して正極５１に電気接続されている。なお、負極５２は最外周で缶５０と接触して電気接続されている。

電気接続体５６の上部において、中心部に開口を有する金属円板状の内側電気接続体５７を、電気接続体５６の上部フランジ部と、可動体５５の中央の上部とで、挟持している。また、中心部に開口を有する金属円板状の外側電気接続体５８が、その開口付近の上面にて、内側電気接続体５７の下面の外周部と接触して配置されている。略円盤状でプラス端子として利用される円柱状の凸部を備える金属キャップ５９が、その下面の外周部を、外側電気接続体５８の上面の外周部が接触した状態で、可動体５５の外周部で挟持され、そして、可動体５５の外周部は、缶５０を断面略コの字状とすることで缶５０の一端にて挟持されている。ここで、図４、図５に示す構造は、正極５１、負極５２、セパレータ５３及びタブ６２を除いて、有底円筒状金属缶５０の軸を中心といて、軸対象の構造を備えていることになる。なお、図５に示す電気接続体５６においては、中心軸あたりに貫通穴６０が設けれているが、これは、内圧の閾値よりも大きな異常圧力が生じたときに、キャップ５９の穴６１を通じて、穴６０が開き圧力を解除するものであり、通常は閉じているものである（この圧力解除時の気体の流れを穴６０中の矢印と、点線の矢印Ｂで図示する）。図５において、可動体５５に加わる内圧を矢印Ａで示される。

図４、図５は、内圧が低い場合を図示しているものであり、このような状態においては、正極５１からの電気出力は、タブ６２、電気接続体５６、内側電気接続体５７、外側電気接続体５８、キャップ５９を介して取り出されることになる。そして、充電が進み、内圧が閾値以上となったときは、可動体５５の中心部付近が上方に移動することになるので、これに伴い、電気接続体５６、内側接続体５７も移動する。一方、外側電気接続体５８は固定され移動しないので、外側電気接続体５８の開口付近の上面と、内側電気接続体５７の下面の外周部との接触が解除されることより、電気接続がなくなり、充電が進行中においては充電電流が停止されることになる。充電電流が停止されると、内圧が低下するので、外側電気接続体５８と、内側電気接続体５７とが再び接触し、充電が再開されることになる。このような内圧の上下により、内側接続体５７と外側接続体５８との接続がオンオフされる構造を、圧力応答素子１Ａとして、図示する。

また、内圧が閾値未満で、充電が進んで、内圧が徐々に上昇するときには、電池の内部抵抗に相当する内側接続体５７と外側接続体５８との電気接続抵抗は、徐々に大きくなる。つまり、内圧が低い状態で可動体５５の復元力により両者が押圧されている状態から、充電が進み内圧が低い状態から高い状態に進むと、徐々に押圧される力が弱まることより、両者間の電気接続抵抗は徐々に上昇する。

本発明の一実施形態に係る二次電池装置の概略構成図。 二次電池の充電電流、電圧を示す図。 本実施例に利用される二次電池の等価回路である。 本実施例に利用される二次電池の断面図である。 本実施例に利用される他の二次電池の断面図である。

符号の説明

１ 二次電池
２ スイッチ素子
３ スイッチ駆動回路
４ 充電電流測定回路
５ 電池電圧測定回路
１１ メモリ（電池電圧Ｖon）
１２ タイマ回路
１３ メモリ（電池電圧Ｖoff）
１４ 内部抵抗検出回路
１６ 初期値メモリ

Claims (5)

1. 充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池と、
   前記二次電池に充電電流を供給する充電用電源と、
   前記二次電池と前記充電用電源との間に介挿され、オン時間(ｔ１)とオフ時間(ｔ２)として、充電電流をオン−オフするスイッチ手段と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記スイッチ手段がオンからオフへ移行する直前の前記電圧検出手段の出力Vonを記憶するメモリと、
   前記スイッチ手段がオンからオフへ移行してから所定時間(ｔ３)後の前記電圧検出手段の出力Voffと前記メモリに記憶されたVonとから前記二次電池の内部抵抗Rに相当する値を求める内部抵抗検出手段と、
   前記内部抵抗検出手段により求められた前記二次電池の充電初期における内部抵抗Rに相当する値Z(int)と、前記内部抵抗検出手段により求められる最新の前記二次電池の内部抵抗Rに相当する値Z(now)とに従って、前記スイッチ手段をオフにする充電制御信号を出力する充電制御手段を備えたことを特徴とする充電装置。
2. 請求項１に記載の充電装置において、更に前記二次電池に対する充電電流を検出する電流検出手段を備え、前記メモリは、前記スイッチ手段により前記充電電流がオフされる直前の前記二次電池の電池電圧Ｖonと共に、そのときに上記電流検出手段により検出される充電電流Ｉonを記憶し、前記内部抵抗検出手段は、前記スイッチ手段により前記充電電流がオフされたときの前記二次電池の電池電圧Ｖoffおよびそのときに前記電流検出手段により検出される充電電流Ｉoffと、前記メモリに記憶された電池電圧Ｖonおよび充電電流Ｉonとから前記二次電池の内部抵抗Ｒに相当する値を求めることを特徴とする充電装置。
3. 前記充電制御手段は、充電中の内部抵抗Rに相当する値Z(now)と充電初期の内部抵抗Rに相当する値Z（Int）との差が所定値に達したとき充電制御信号を発生すること特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第２項記載の充電装置。
4. 前記充電制御手段は、充電中の内部抵抗Rに相当する値Z(now)と充電初期の内部抵抗Rに相当する値Z（Int）との比が所定値に達したとき充電制御信号を発生すること特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第２項記載の充電装置。
5. 充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池を充電する充電方法であって、
   電池の内部抵抗を測定して、該内部抵抗に基づいて充電制御することを特徴とする充電方法。

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