JP2016012948A - 充電装置およびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】充電効率を高めるアルカリ２次電池の充電装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】充電装置の制御方法であって、アルカリ２次電池１に定電流を供給しつつアルカリ２次電池１の電圧値をモニターし、電圧値がアルカリ２次電池１が有する充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限を示す基準電圧値を超えた場合において、単位時間当たりの電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じた場合に充電を停止することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、アルカリ２次電池用の充電装置およびその制御方法に関し、特に、ニッケル水素２次電池又はニッケルカドミウム２次電池方法に用いる充電装置およびその制御方法に関する。
近年、携帯電子機器等に用いられるニッケル水素２次電池、ニッケル−カドミウム２次電池等のアルカリ２次電池に充電をする充電装置および充電方法が、広く、利用されている。このような充電装置では、２次電池を定電流にて充電し、２次電池の電圧のピーク電圧を検出することによって満充電を検出し、充電を停止する制御方法が一般的である。例えば、特許文献１記載の充電装置では、電池電圧のピーク電圧からの電圧低下−ΔＶ（例えば、１０ｍＶ）を検出して、ピーク電圧検出、満充電に相当として判定し、充電を停止している。そして、電圧低下−ΔＶの検出のために電池電圧の変化傾きが極端に緩やかになったことを検出する。図９は、特許文献１に記載された従来の充電装置における充電時間と電池電圧の関係を示す概略図である。図９に示すように、特許文献１に記載された従来の充電装置では、具体的には、単位電圧である１０ｍＶ／ｃｅｌｌ上昇するのに要した時間Ｔ（ｎ）が、前回に１０ｍＶ／ｃｅｌｌ上昇するのに要した時間Ｔ（ｎ−１）よりも、２倍以上長くなったかどうかを判定して、そのような場合をピーク電圧と検出し、満充電として、充電を停止している。
特開２００７−２５２０８６号公報
しかしながら、従来の方式では、充電を完了する直前の段階において、電池の充電に使用された充電電気量に対する電池から放電により取り出せる放電容量の比率として表される充電効率が大きく低下する。その結果、充電に費やした時間や充電電気量の割には、電池に蓄えられた放電容量が高まらないという課題があった。
本発明は、上記問題点に鑑み、充電効率を高める充電装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る充電装置の制御方法は、アルカリ２次電池に定電流を供給しつつ前記アルカリ２次電池の電圧値をモニターし、前記電圧値が、前記アルカリ２次電池が有する充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限を示す基準電圧値を超えた場合において、単位時間当たりの電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じたときに充電を停止することを特徴とする。
また、別の態様では、前記単位時間当たりの電圧値の変化量が所定値以上になった場合、充電を停止するまで表示器を表示させることを特徴とする構成であってもよい。
また、別の態様では、前記アルカリ２次電池の電圧値が時間経過に伴って増加から減少に転じる前に充電を停止することを特徴とする構成であってもよい。
また、別の態様では、前記アルカリ２次電池の充電に使用された充電電気量に対する前記アルカリ２次電池から放電により取り出せる放電容量の比率である充電効率が９５％〜９９％の範囲にある状態において、前記アルカリ２次電池への充電を停止することを特徴とする構成であってもよい。
また、別の態様では、単位時間ΔＴを隔てた２つの時刻から構成され、自然数Ｎに対し時間的に昇順の時刻の組（ＴN、ＴN-1）、（ＴN-2、ＴN-3）、（ＴN-4、ＴN-5）、及び（ＴN-6、ＴN-7）に含まれる各々の時刻において、前記アルカリ２次電池の電圧値ＶN、ＶN-1、ＶN-2、ＶN-3、ＶN-4、ＶN-5、ＶN-6、ＶN-7を各々測定し、電圧値ＶNと電圧値ＶN-1との差分ＶN−ＶN-1で示される電圧値変化Ｖ´Nと、電圧値ＶN-2と電圧値ＶN-3との差分ＶN-2−ＶN-3で示される電圧値変化Ｖ´N-1と、電圧値ＶN-4と電圧値ＶN-5との差分ＶN-4−ＶN-5で示される電圧値変化Ｖ´N-2と、電圧値ＶN-6と電圧値ＶN-7との差分ＶN-6−ＶN-7で示される電圧値変化Ｖ´N-3とを算出し、さらに、電圧値変化Ｖ´Nと電圧値変化Ｖ´N-1との差分Ｖ´N−Ｖ´N-1で示される電圧値変化の差分Ｖ´´Nと、電圧値変化Ｖ´N-1と電圧値変化Ｖ´N-2との差分Ｖ´N-1−Ｖ´N-2で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-1と、電圧値変化Ｖ´N-2と電圧値変化Ｖ´N-3との差分Ｖ´N-2−Ｖ´N-3で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-2とを算出し、前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-2が正であって、前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-1及び前記電圧値変化の差分Ｖ´´Nが共に負である場合に、前記アルカリ２次電池への充電を停止することを特徴とする構成であってもよい。
また、前記アルカリ２次電池は、ニッケル水素２次電池又はニッケルカドミウム２次電池の何れかであることを特徴とする構成であってもよい。
また、本発明の一態様に係る充電装置は、アルカリ２次電池を充電する充電装置であって、定電流電源部と、前記定電流電源部と前記アルカリ２次電池を結ぶ電流路に設けられたスイッチ部と、前記アルカリ２次電池の電圧値をモニターし、当該電圧値が前記アルカリ２次電池が有する充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限を示す基準電圧値を超えた場合において、単位時間当たりの電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じたときに前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、別の態様では、表示器をさらに備え、前記制御部は、前記単位時間当たりの電圧値の変化量が所定値以上になった場合、充電を停止するまでの間、前記表示器を表示させることを特徴とする構成であってもよい。
また、別の態様では、前記制御部は、前記アルカリ２次電池の電圧値が時間経過に伴って増加から減少に転じる前に前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させる、
ことを特徴とする構成であってもよい。
また、別の態様では、前記制御部は、前記アルカリ２次電池の充電に使用された充電電気量に対する前記アルカリ２次電池から放電により取り出せる放電容量の比率である充電効率が９５％〜９９％の範囲にある状態において、前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させることを特徴とする構成であってもよい。
また、別の態様では、前記制御部は、単位時間ΔＴを隔てた２つの時刻から構成され、自然数Ｎに対し時間的に昇順の時刻の組（ＴN、ＴN-1）、（ＴN-2、ＴN-3）、（ＴN-4、ＴN-5）、及び（ＴN-6、ＴN-7）に含まれる各々の時刻において、前記アルカリ２次電池の電圧値ＶN、ＶN-1、ＶN-2、ＶN-3、ＶN-4、ＶN-5、ＶN-6、ＶN-7を各々測定し、電圧値ＶNと電圧値ＶN-1との差分ＶN−ＶN-1で示される電圧値変化Ｖ´Nと、電圧値ＶN-2と電圧値ＶN-3との差分ＶN-2−ＶN-3で示される電圧値変化Ｖ´N-1と、電圧値ＶN-4と電圧値ＶN-5との差分ＶN-4−ＶN-5で示される電圧値変化Ｖ´N-2と、電圧値ＶN-6と電圧値ＶN-7との差分ＶN-6−ＶN-7で示される電圧値変化Ｖ´N-3とを算出し、さらに、電圧値変化Ｖ´Nと電圧値変化Ｖ´N-1との差分Ｖ´N−Ｖ´N-1で示される電圧値変化の差分Ｖ´´Nと、電圧値変化Ｖ´N-1と電圧値変化Ｖ´N-2との差分Ｖ´N-1−Ｖ´N-2で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-1と、電圧値変化Ｖ´N-2と電圧値変化Ｖ´N-3との差分Ｖ´N-2−Ｖ´N-3で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-2とを算出し、前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-2が正であって、前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-1及び前記電圧値変化の差分Ｖ´´Nが共に負である場合に、前記アルカリ２次電池への充電を停止することを特徴とする構成であってもよい。
本発明の一態様に係る充電装置又はその制御方法は、上記した構成により、充電中の電池電圧における電圧勾配の変曲点を検出し充電を停止することができ、充電効率を高めることができる。
発明者らが実験により求めたアルカリ２次電池における充電電気量の定格電池容量に対する比率と放電容量の定格電池容量に対する比率との関係を示す特性図である。 実施の形態の一態様に係る充電装置１００の機能構成を示すブロック図である。 （ａ）実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と電池電圧との関係を示す電池１の電圧値特性を表す曲線の概略図である。（ｂ）実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と充電効率との関係を示す概略図である。 実施の形態の一態様に係る充電装置１００の充電動作に関する動作を示すフローチャートである。 実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と電池電圧との関係を示す実験結果である。 実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と充電電気量及び放電容量との関係を示す実験結果である。 実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と充電効率及び放電容量比率との関係を示す実験結果である。 実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と電池温度との関係を示す実験結果である。 特許文献１に記載された従来の充電装置における充電時間と電池電圧の関係を示す概略図である。
≪本発明を実施するための形態に至った経緯について≫
図１は、発明者らが実験により求めたアルカリ２次電池における充電電気量の定格電池容量に対する比率（以後、充電電気量比率と省略する）と放電容量の定格電池容量に対する比率（以後、放電容量比率と省略する）との関係を示す特性図である。
ここで、「充電電気量」とは、充電に使用される電気量（ｍＡｈ）を指し、定電流充電の場合は、その電流値と充電時間の積になる。「放電容量」とは、電池に充電され放電により取り出せる容量（ｍＡｈ）を指す。
図１に示すように、充電電気量比率が８０％の範囲までは、充電電気量比率と放電容量比率とはほぼ比例し充電効率は１００％に近い。しかしながら、充電電気量比率約８０％を超えて充電を継続した場合、充電電気量比率の増加に対する放電容量比率の増加の割合は徐々に低下し、充電効率は低下する。そのため、放電容量比率として１００％に近い容量まで充電するためには、充電電気量比率が１２０％程度になるまで充電することが必要となり、この場合、充電電気量として約２０％程度の損失が生じる。電池の出力電圧のピーク電圧を検出することによって満充電を検出し充電を停止する従来の充電装置では、このように、充電電気量比率が１２０％程度となるまで充電を行っていた。そして、この充電方法では、充電電気量の損失は発熱となり電池の温度を高め寿命劣化の要因となっていた。但し、周囲環境等の影響により、図１において破線で示した比率を表すカーブは変動する。
仮に、充電中に充電電気量比率が８０％から１００％の範囲にあること検出することができ、この範囲で充電を停止することができれば、高い充電効率にて充電された電池を使用することができる。また、充電電気量比率が１００％を超えたところで発生する発熱を防止することができ、電池の寿命を高めることができる。
そこで、発明者らは、充電効率の高い状態で充電を停止する方法の実現に向け、充電中に充電電気量比率が８０％から１００％の範囲にあること検出する方法について鋭意検討を行い、本発明の実施の形態の一態様に係る充電装置およびその制御方法に想到するに至った。
以下、本発明の実施の形態の一態様に係る充電装置およびその制御方法について、図面を参照しながら説明する。
≪実施の形態≫
＜充電装置１００の構成＞
図２は、実施の形態の一態様に係る充電装置１００の電気的に機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、本発明の一態様に係る充電装置１００は、装置に着脱自在のアルカリ２次電池１（以後、電池１と省略する）に充電する充電装置であって、電池１に電流を供給する電源部２と、電池へ電流を供給又は遮断するスイッチ部３とを備える。そして、充電装置１００は、さらに、制御部４を備え、制御部４は、電池１が出力する電圧値をモニターして電圧勾配における変曲点を検出し、スイッチ部３と電源部２の動作を制御してスイッチ部３に対し電池１へ電流の供給又は電流供給の遮断を指示する。
（電池１）
充電装置１００は、単３形、又は単４形の電池に充電を行う。アルカリ２次電池としては、例えば、ニッケル水素２次電池又はニッケルカドミウム２次電池を利用できる。また、充電装置１００には、１〜４本の電池１が着脱自在に装着され、充電装置１００はこれらに対し同時に充電を行うことができる。
（電源部２）
電源部２は、電池１に充電電流を供給する定電流電源である。例えば、交流１００Ｖから２４０Ｖの商用電源から電力供給を受け、２．２Ａの定電流を出力する。電池１を３〜４本装着した場合には、各電池１に供給される電流は５５０ｍＡとなり、電池１〜２本を装着した場合には、各電池１に供給される電流は１．１Ａとなる。
（スイッチ部３）
スイッチ部３は、電源部２と電池１との間に接続され、後述の制御部４から信号に基づき電池１への充電電流を供給又は遮断する。
（制御部４）
制御部４は、図示しないマイコンを内蔵し、スイッチ部３の充電オン／オフ信号を出力し、スイッチ部３のオンとオフを切り換えて充電電流を調整する。スイッチ部３をオンオフしてデューティー比を調整し、所望の平均電流値からなる定電流により電池１を充電する。
また、制御部４は、充電中に、スイッチ部３をオンオフして、周期的に充電を停止し、測定点ａにおける電池１の出力電圧を測定する。この際、例えば、約１〜５秒の周期の間に、約０．１〜２．０秒間充電を停止させる。これは、充電を停止中の方が、電池電圧を正確に測定できるためである。しかしながら、これに限られず充電中に電池電圧を測定する構成としてもよい。
また、制御部４は、電源部２に充電電圧／電流制御信号を出力し電源部２のオン又はオフ等の制御を行う。
制御部４における、充電制御の方法の詳細については、後述する。
（温度センサー５）
温度センサー５は、電池１の温度を検出して制御部４に温度信号を出力する。温度センサー５は、サーミスタ等から構成される。充電装置１００に、電池１を装着した状態で、電池１と温度センサー５とが密着する構成、又は密着しなくとも適切に電池１の温度がモニターできる位置に配置される構成とし、電池１と温度センサー５とを熱的に接続した状態となっている。電池１の温度が所定の温度を超えた場合、制御部４は充電を停止する。例えば、制御部４は、電池温度が、６０〜６５℃を超えるとき等に、スイッチ部３をオフとして充電を停止する。その後、電池温度が充電可能温度まで下がると、制御部４は再度、スイッチ部３をオンして続きから充電を再開する。
また、制御部４は電池温度に対応して後述する所定電圧値Ｖ0を決定する。
（ＬＥＤ６（充電状態表示））
ＬＥＤ６は、制御部４からの信号を受け、充電状態、満充電状態等の充電の状態を表示する。例えば、制御部４は、充電中には「充電状態表示」としてＬＥＤ６をオンとして充電中を明示する。
（ＬＥＤ７（省エネ誘導ランプ））
通常、充電を開始するときの環境温度が−５〜４０℃の範囲にあるときに充電を開始する。さらに、充電を開始するときの環境温度が５〜３０℃の範囲にあるときに充電を開始すると高い充電効率にて充電することができる。そのため、制御部４は、環境温度が５〜３０℃の範囲にあるときに充電を開始すると、所定の時間、例えば、１０分間、ＬＥＤ７を「省エネ誘導ランプ」として点灯する。これにより、５℃未満の低温環境や３０℃を超える高温環境で充電する場合に比べて、相対的に高い充電効率にて充電できる状態であることを、使用者に向けて表示することができる。ここで、充電を開始するときの環境温度は、温度センサー５を用いて測定することができる。充電開始時は、電池が充電により高温になる前であるので、温度センサー５は環境温度と同じ温度を示しているからである。なお、充電装置のケース内で、電池、部品の温度の影響を受けにくい場所に、温度センサーを別に設けることも可能である。
また、充電が継続され、単位時間ΔＴあたりの電圧変化量ΔＶが所定値以上になると、制御部４は、表示器としてＬＥＤ７を点灯させる。所定値とは、単位時間あたりの電池電圧の上昇が、例えば、約１．５分から２．５分の間に、３ｍＶ以上の電圧増加が生じた場合等を指す。そして、充電を停止するまで、ＬＥＤ７の点灯を継続し、充電が停止するとＬＥＤ７を消灯する。後述するように、本実施の形態の充電装置では、高い充電効率を維持した状態で充電を停止する。ＬＥＤ７の点灯により省エネ充電であることを使用者に向けて表示することができる。
＜制御部４における充電制御について＞
図３（ａ）は、実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と電池電圧との関係を示す電池１の電圧値特性を表す曲線の概略図である。図３（ａ）に示すように、電池１の充電時の電圧値特性を表す曲線では、充電を開始した後、電池電圧は先ず急激に上昇し、その後、ゆるやかに電圧が上昇する平坦部を示す。その後、上昇の傾きが再び増加して充電時間Ｂにおいてピークを迎え、その後、ピークを過ぎ下降し充電時間Ｃに至るカーブを示す。このような電池電圧の特性に対し、制御部４は、以下の３種類の基準に基づく制御を行う。
（１）制御部４は、充電開始後、所定時間Ｔ0が経過しているかどうかを判断し、所定時間Ｔ0が経過するまでは充電を継続する。これは、長期間の不使用の、または、浅い放電深度の放電充電を繰り返してメモリー効果が発生したニッケル水素２次電池等の不活性電池において、これを充電したとき、この所定時間Ｔ0以内にピーク電圧が発生することがあり、これらを検出して満充電と誤検出することを防止するためである。
（２）図３に示す電池電圧の特性曲線における平坦部から後述する変曲点を検出することを防止するために、制御部４は、所定電圧値Ｖ0以上となるまでは、後述する（３）の基準に基づく検出は行わない。所定電圧値Ｖ0とは、電池１の充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限電圧値であって、電池温度約２０〜３０℃では、約１．３８Ｖ以上１．４５Ｖ以下であり、望ましくは、約１．４０Ｖ以上１．４３Ｖ以下の値、例えば、約１．４２Ｖである。
（３）制御部４は、電池１が出力する電圧値をモニターし、電圧値が所定電圧値Ｖ0以上である場合において、単位時間ΔＴ当たりの電圧値の変化量ΔＶが時間経過に伴って増加から減少に転じたことを検出する。そして、その場合に、スイッチ部３に電池１への電流供給を遮断させる。
上述のように電池１の充電時の電圧値特性を表す曲線は、ゆるやかに電圧が上昇する平坦部を示した後、上昇の傾きが一旦増加し、その後、充電時間Ａにおいて上昇の傾きが減少し、充電時間Ｂにおいてピークを迎える。ここでは、充電時間Ａにおいて生じる電池電圧値の勾配における変曲点を検出する。具体的には、制御部４は、電池１が出力する電圧値Ｖをモニターし、電圧値が所定電圧値Ｖ0以上である場合において、単位時間ΔＴ当たりの電圧値の変化量ΔＶを算出する。そして、ΔＶが時間経過に伴って増加から減少に転じた場合に、その電圧を変曲点として検出する。尚、本実施の形態では、ノイズ等による誤検出を防止するために、２回連続してΔＶの減少を検出した場合に変曲点を検出する構成とした。このような変曲点は、発明者らの実験により上述した充電電気量比率が８０％から１００％の範囲に存在することが発明者らの検討によって判明している。制御部４において、この変曲点を検出することにより、充電電気量比率が８０％から１００％の範囲にある状態において、充電を停止することが可能となる。
図３（ｂ）は、実施の形態の一態様に係る充電装置１００における充電時間と充電効率との関係を示す概略図である。図３（ｂ）に示すように、充電時間Ａにある変曲点を検出し充電を停止することにより、充電時間Ｂを超えて充電を継続したときに生じる充電効率の低下とそれによるエネルギー損失を防止することができる。
＜充電装置１００の動作について＞
以上の構成からなる充電装置１の動作についてフローチャートを用いて説明する。図４は、実施の形態１の一態様に係る充電装置１００の充電動作に関する動作を示すフローチャートである。
（ステップ０（Ｓ０））
ステップ０（Ｓ０）において、制御部４は、充電開始後、所定時間Ｔ0が経過しているかどうかを判断し、所定時間Ｔ0が経過するまでステップ０（Ｓ０）を繰り返して充電を継続する。これは、メモリー効果が発生したニッケル水素２次電池等の不活性電池において、この所定時間Ｔ0以内にピーク電圧が発生することがあり、これらを検出して満充電と誤検出することを防止するためである。なお、この所定時間Ｔ0は、制御部４が内蔵するタイマーにてカウントして、所定時間Ｔ0の経過を判断している。所定時間Ｔ0は、例えば、３分、電流０．３Ｉｔ（単３形電池なら０．６Ａ程度）を利用している。所定時間Ｔ0が経過したら、次に進む。
なお、制御部４は、充電を開始したときに温度センサー５が示す温度が５〜３０℃の範囲にある場合に、所定の時間、例えば、１０分間、ＬＥＤ７を点灯させる。
（ステップ１（Ｓ１））
ステップ１（Ｓ１）において、制御部４は、充電中に、図１における測定点ａにおける電池１の出力電圧Ｖを測定する。そして、単位時間ΔＴ経過後に電池１の出力電圧Ｖを再度測定する。そして、電圧Ｖの変化量である電圧変化ΔＶを算出し、正（＞０）のΔＶを検出しない場合は充電を停止する。一方、正（＞０）のΔＶを検出した場合は、制御部４に内蔵するメモリー内にΔＶを記憶した後、次に進む。
尚、単位時間ΔＴは、約１．５分から２．５分の範囲であることが好ましい。１．５分より短い場合は、時間間隔が短く電圧変化が小さいため小さな電圧変動をノイズ等と区別して正確に測定することが必要となり装置のコストが高くなる。一方、３分を超えて時間間隔を増加させた場合は、変曲点を検出する時間的分解能が低くなり、ピーク電圧を超えてから変曲点を検出するような場合が生じ変曲点を正しく検出できない可能性がある。
また、制御部４は、単位時間ΔＴあたりの電圧変化量ΔＶが所定値以上になると、ＬＥＤ７を点灯させる。所定値とは、単位時間あたりの電池電圧の上昇が、例えば、約１．５分から２．５分の間に、３ｍＶ以上の電圧増加が生じた場合等を指す。
（ステップ２（Ｓ２））
ステップ２（Ｓ２）においては、制御部４は、電池電圧が電池１の充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限電圧値である所定電圧値（例えば、１．４２Ｖ）以上であるか否かを判定する。所定電圧値に満たない場合には、ステップ１（Ｓ１）に戻り充電を継続する。一方、所定電圧値を超えている場合には、次に進む。
（ステップ３（Ｓ３））
ステップ３（Ｓ３）においては、制御部４は、ステップ１（Ｓ１）において算出したΔＶと、前回のループおけるステップ１（Ｓ１）において算出したΔＶとの大小を比較する。今回、算出したΔＶが、前回算出したΔＶと比べて増加している場合、又は今回、初めてΔＶを算出した場合には、ステップ１（Ｓ１）に戻り充電を継続する。一方、今回算出したΔＶが、前回算出したΔＶと比べて減少している場合は、制御部４に内蔵するメモリー内にΔＶが減少したことを示す識別情報を記憶させた後、次に進む。
（ステップ４（Ｓ４））
ステップ４（Ｓ４）においては、制御部４は、前回のループにおいてもステップ３（Ｓ３）において検出したΔＶが減少していたか否を、制御部４に記憶された識別情報の有無に基づき判定する。制御部４に前回のループにおいてΔＶが減少したことを示す識別情報がある場合には、２回連続してΔＶが減少したと判定する。その場合、充電を停止する。一方、識別情報が無く、前回のループにおいてΔＶが減少していたとはいえない場合には、ステップ１（Ｓ１）に戻り充電を継続する。
＜実験結果＞
以上、説明した実施の形態の一態様に係る充電装置１００を用いて充電の実験を行った。電池１には、電池容量１９００ｍＡｈのニッケル水素２次電池を使用し、４本の電池を並列に接続し、電源部２から２．２Ａの定電流を供給して充電を行った。実験では、電池１が出力する電圧値と電池表面の温度を測定しながら充電を行い、異なる充電時間において充電を停止し放電により取り出せる容量である放電容量を各々測定した。以下、その結果について図面を用いて説明する。
（充電時間と電池電圧の関係について）
図５は、充電装置１００における充電時間と電池電圧との関係を示す実験結果である。充電装置１００における電池１の充電時の電圧値特性を表す曲線を示す。図５に示すように、電池電圧は、充電を開始した後、電池電圧は、先ず急激に上昇し、約１時間を経過した後、ゆるやかに電圧が上昇する平坦部を示す。その後、このアルカリ２次電池が有する充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限を示す電圧値Ｖ0である約１．４２Ｖを超えた後、上昇の傾きが再び増加して充電時間Ｂで示される充電時間３．６時間においてピークを迎え、その後、ピークを過ぎ下降する特性を示した。
本実験では、単位時間ΔＴ当たりの電圧値の変化量Δが時間経過に伴って増加から減少に転じる、電圧勾配の変曲点はＡで示される充電時間３．４時間であった。充電装置１００では、上記したように、単位時間当たりの前記電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じた場合に、前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させる制御部４を採用することによって、充電時間３．４時間において電圧勾配の変曲点を検出し充電を停止することができた。
尚、本実験では、変曲点を検出して充電を停止する充電装置１００の動作実験に加えて、異なる充電時間において充電を停止する条件で充電実験を行い、充電時間３．４時間を超える時間においても、電池電圧、電池温度、及び放電容量を測定した。
（充電時間と充電電気量及び放電容量との関係について）
図６は、充電装置１００における充電時間と充電電気量及び放電容量との関係を示す実験結果である。図６に示すように、充電電気量は充電時間と比例する。これに対し、放電容量は約３．２時間までは充電時間と比例するが、以後、徐々に傾きが減少し、充電時間約３．８時間で、電池容量である１９００ｍＡｈに到達する。その時点における、充電電気量は約２０９０ｍＡｈであり、定格電池容量１９００ｍＡｈまで充電するために約１０％の充電電気量を余分に要した。
（充電時間と放電容量比率及び充電効率との関係について）
図７は、充電装置１００における充電時間と充電効率及び放電容量比率との関係を示す実験結果である。放電容量比率とは、各充電時間における放電容量の定格電池容量１９００ｍＡｈに対する比率である。図７に示すように、放電容量比率は、約３．２時間までは充電時間と比例するが、以後、徐々に傾きが減少し、充電時間約３．８時間で約１００％に達する。これに対し、充電効率は、約３．２時間までは約９９％以上の高い数値を示すが、以後、徐々に減少し、ピーク電圧を示す充電時間３．６ｈでは約９５％、放電容量比率が、約１００％に達する充電時間約３．８時間では約９１％まで低下する。
上述したように、充電装置１００では、電池１の電圧勾配における変曲点を検出し充電を停止することで、Ａ点で示される充電時間３．４時間において充電を停止する構成とした。充電時間３．４時間における充電効率は約９９％であり、ピーク電圧を検出した後に充電を停止する従来の方式に比べ、高い充電効率を実現することができる。
また、充電装置１００では、電池１の電圧勾配における変曲点を検出し充電を停止することで、充電時間３．６時間において電池１の電圧値が時間経過に伴って増加から減少に転じるＢ点よりも前に充電を停止する構成とした。すなわち、上述したように単位時間ΔＴを、約１．５分から２．５分の範囲とし、電池１の電圧勾配における変曲点を検出し充電を停止することで、電池１の電圧値が時間経過に伴って増加から減少に転じるＢ点よりも前に充電を停止することができる。充電時間３．６時間における充電効率は約９５％であり、ピーク電圧を検出した後に充電を停止する従来の方式に比べ、より高い充電効率を実現することができる。
（充電時間と電池温度との関係について）
図８は、充電装置１００における充電時間と電池温度との関係を示す実験結果である。図８に示すように、電池温度は、充電を開始した後、先ず上昇し、約１時間を経過した後、ほぼ約２５．５℃の一定値を示す。その後、Ａ点で示される充電時間３．４時間を経過した後、急激に上昇して充電時間Ｂで示される充電時間３．６時間において約２８．５℃を示す。そして、放電容量比率が、約１００％に達する充電時間約３．８時間では、約３４℃まで上昇する。
上述したように、充電装置１００では、Ａ点で示される充電時間３．４時間において充電を停止する構成とした。充電時間３．４時間における電池温度は約２５．５℃であり、急激な温度上昇が始まる前に充電を停止することができ、ピーク電圧を検出した後に充電を停止する従来の構成と比べて電池温度を低減することができる。
＜まとめ＞
以上、説明したとおり、本発明の実施の形態に係る充電装置１００およびその制御方法は、電池１が出力する電圧値をモニターし、電圧値が所定の電圧値以上である場合において、単位時間当たりの電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じた場合に、スイッチ部３に電池への電流を遮断させる制御部を備える。これにより、充電中の電池電圧の電圧勾配の変曲点を検出し充電を停止できるので、充電電気量に対する放電容量の比率として表される充電効率高めることができる。また、充電電気量比率が１００％を超えたところで発生する電池の発熱を防止することができ電池の寿命を高めることができる。
＜変形例＞
以上、実施の形態の一態様に係る充電装置１００及びその制御方法の実施形態を説明したが、例示した充電装置１００を以下のように変形することも可能であり、本発明が上述の実施形態で示した通りの充電装置１００に限られないことは勿論である。
（１）実施の形態の一態様に係る充電装置１００では、制御部４は、充電中に単位時間ΔＴ経過前後に電池１の出力電圧Ｖの変化量である電圧変化ΔＶを算出し、その増減を検出することにより電圧勾配の変曲点を検出する構成とした。しかしながら、制御部４は、単位時間当たりの前記電圧値の変化量の時間経過に伴う増減を検出するものであれば足り、以下に示す構成であってもよい。例えば、変形例では、制御部４は、各充電時間における電池電圧を検出し、そこから充電中に単位電圧変化ΔＶに要する充電時間ΔＴを算出する。そして、その増減を検出することにより電圧勾配の変曲点を検出する構成とする構成とした。この場合も、実施の形態に係る充電装置１００同様に、充電中の電池電圧の電圧勾配の変曲点を検出し充電を停止できる。
（２）実施の形態の一態様に係る充電装置１００では、制御部４は、充電中に単位時間ΔＴ経過前後に電池１の出力電圧Ｖの変化量である電圧変化ΔＶを算出し、２回連続してΔＶが減少した場合に充電を停止する構成とした。しかしながら、制御部４は、電圧勾配の増減を正確に検出するものであれば足り、以下に示す構成であってもよい。例えば、変形例では、制御部４は、３又は４回連続してΔＶが減少した場合に充電を停止する構成であっても良い。このような構成は、単位時間ΔＴの間隔を充電装置１００に比べて短くし、かつ電池電圧の検出精度を高めることで実現でき、より正確に電圧勾配の変曲点を検出することができる。
≪補足≫
以上で説明した実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序などは一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない工程については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。
また、発明の理解の容易のため、上記各実施の形態で挙げた各図の構成要素の縮尺は実際のものと異なる場合がある。また本発明は上記各実施の形態の記載によって限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
さらに、充電装置においては基板上に回路部品、リード線等の部材も存在するが、電気的配線、電気回路について照明装置等の技術分野における通常の知識に基づいて様々な態様を実施可能であり、本発明の説明として直接的には無関係のため、説明を省略している。尚、上記示した各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
本発明の充電装置および充電装置の制御方法は、例えば、家庭用もしくは公共施設、あるいは業務用の携帯電子機器等に用いられるニッケル水素２次電池、ニッケル−カドミウム２次電池等のアルカリ２次電池を充電をする充電装置およびその制御方法等に好適に利用可能である。
１ 電池（アルカリ２次電池）
２ 電源部
３ スイッチ部
４ 制御部
５ 温度センサー
６ ＬＥＤ（充電状態表示）
７ ＬＥＤ（省エネ誘導ランプ）

Claims (12)

  1. アルカリ２次電池に定電流を供給しつつ前記アルカリ２次電池の電圧値をモニターし、
    前記電圧値が、前記アルカリ２次電池が有する充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限を示す基準電圧値を超えた場合において、単位時間当たりの電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じたときに充電を停止することを特徴とする充電装置の制御方法。
  2. 前記単位時間当たりの電圧値の変化量が所定値以上になった場合、充電を停止するまでの間、表示器を表示させることを特徴とする請求項１の充電装置の制御方法。
  3. 前記アルカリ２次電池の電圧値が時間経過に伴って増加から減少に転じる前に充電を停止することを特徴とする請求項１に記載の充電装置の制御方法。
  4. 前記アルカリ２次電池の充電に使用された充電電気量に対する前記アルカリ２次電池から放電により取り出せる放電容量の比率である充電効率が９５％〜９９％の範囲にある状態において、前記アルカリ２次電池への充電を停止することを特徴とする請求項３記載の充電装置の制御方法。
  5. 単位時間ΔＴを隔てた２つの時刻から構成され、自然数Ｎに対し時間的に昇順の時刻の組（ＴN、ＴN-1）、（ＴN-2、ＴN-3）、（ＴN-4、ＴN-5）、及び（ＴN-6、ＴN-7）に含まれる各々の時刻において、前記アルカリ２次電池の電圧値ＶN、ＶN-1、ＶN-2、ＶN-3、ＶN-4、ＶN-5、ＶN-6、ＶN-7を各々測定し、
    差分ＶN−ＶN-1で示される電圧値変化Ｖ´Nと、
    差分ＶN-2−ＶN-3で示される電圧値変化Ｖ´N-1と、
    差分ＶN-4−ＶN-5で示される電圧値変化Ｖ´N-2と、
    差分ＶN-6−ＶN-7で示される電圧値変化Ｖ´N-3とを算出し、
    さらに、差分Ｖ´N−Ｖ´N-1で示される電圧値変化の差分Ｖ´´Nと、
    差分Ｖ´N-1−Ｖ´N-2で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-1と、
    差分Ｖ´N-2−Ｖ´N-3で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-2とを算出し、
    前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-2が正であって、前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-1及び前記電圧値変化の差分Ｖ´´Nが共に負である場合に、前記アルカリ２次電池への充電を停止することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の充電装置の制御方法。
  6. 前記アルカリ２次電池は、ニッケル水素２次電池又はニッケルカドミウム２次電池の何れかであることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の充電装置の制御方法。
  7. アルカリ２次電池を充電する充電装置であって、
    定電流電源部と、
    前記定電流電源部と前記アルカリ２次電池を結ぶ電流路に設けられたスイッチ部と、
    前記アルカリ２次電池の電圧値をモニターし、当該電圧値が前記アルカリ２次電池が有する充電時の電圧値特性を表す曲線における平坦部の上限を示す基準電圧値を超えた場合において、単位時間当たりの電圧値の変化量が時間経過に伴って増加から減少に転じたときに前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させる制御部と、
    を備えたことを特徴とする充電装置。
  8. 表示器をさらに備え、前記制御部は、前記単位時間当たりの電圧値の変化量が所定値以上になった場合、充電を停止するまでの間、前記表示器を表示させることを特徴とする請求項７の充電装置。
  9. 前記制御部は、前記アルカリ２次電池の電圧値が時間経過に伴って増加から減少に転じる前に前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させる、
    ことを特徴とする請求項７に記載の充電装置。
  10. 前記制御部は、前記アルカリ２次電池の充電に使用された充電電気量に対する前記アルカリ２次電池から放電により取り出せる放電容量の比率である充電効率が９５％〜９９％の範囲にある状態において、前記スイッチ部に前記電池への電流を遮断させる、
    ことを特徴とする請求項９に記載の充電装置。
  11. 前記制御部は、単位時間ΔＴを隔てた２つの時刻から構成され、自然数Ｎに対し時間的に昇順の時刻の組（ＴN、ＴN-1）、（ＴN-2、ＴN-3）、（ＴN-4、ＴN-5）、及び（ＴN-6、ＴN-7）に含まれる各々の時刻において、前記アルカリ２次電池の電圧値ＶN、ＶN-1、ＶN-2、ＶN-3、ＶN-4、ＶN-5、ＶN-6、ＶN-7を各々測定し、
    差分ＶN−ＶN-1で示される電圧値変化Ｖ´Nと、
    差分ＶN-2−ＶN-3で示される電圧値変化Ｖ´N-1と、
    差分ＶN-4−ＶN-5で示される電圧値変化Ｖ´N-2と、
    差分ＶN-6−ＶN-7で示される電圧値変化Ｖ´N-3とを算出し、
    さらに、差分Ｖ´N−Ｖ´N-1で示される電圧値変化の差分Ｖ´´Nと、
    差分Ｖ´N-1−Ｖ´N-2で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-1と、
    差分Ｖ´N-2−Ｖ´N-3で示される電圧値変化の差分Ｖ´´N-2とを算出し、
    前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-2が正であって、前記電圧値変化の差分Ｖ´´N-1及び前記電圧値変化の差分Ｖ´´Nが共に負である場合に、前記アルカリ２次電池への充電を停止することを特徴とする請求項７から１０の何れかに記載の充電装置。
  12. 前記アルカリ２次電池は、ニッケル水素２次電池又はニッケルカドミウム２次電池の何れかであることを特徴とする請求項７から１１の何れかに記載の充電装置。
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