JP3580414B2 - 二次電池の充電回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電回路に関し、特に劣化判定機能を備えた二次電池の充電回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バックアップ用途の二次電池は、通常、待機状態にあり、停電等により商用電源の供給が停止した場合に放電動作を行って負荷への給電を持続させる。商用電源が回復すると、前記二次電池は充電回路で急速に満充電される。満充電後は、再び二次電池はスタンバイ動作に入り、停電に備える。スタンバイ動作中に二次電池を放置すると自己放電により、容量が低減する。このため、トリクル充電によりスタンバイ中の自己放電容量の低下を補う。
【０００３】
二次電池（ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池等）は過充電により劣化するので、パルス電流によりトリクル充電を行うことが望ましく、パルス電流の平均値が自己放電量に相当する微少な電流となるように設定する。しかし、パルス電流で充電を行った場合においても二次電池の劣化による容量低減は避けられず、二次電池の劣化を監視しながらトリクル充電を行う必要がある。
【０００４】
二次電池を満充電後に負荷から切り離した状態とし、たえず微少な電流を流して、自己放電を補う充電方法をトリクル充電と呼称する。トリクル充電用の電流は微少な定電流でも良いが、過充電の影響が少ないとされるパルス電流が推奨される。
【０００５】
パルス電流によるトリクル充電を示す従来例として、（ａ）「トワイセル密閉形ニッケル・水素蓄電池技術資料」−三洋電機株式会社（１９９９年６月），（ｂ）「Ｆａｓｔ Ｃｈａｒｇｅ ＩＣ」−Ｂｅｎｃｈｍａｒｑ社（１９９８年Ｄａｔａ−Ｂｏｏｋ）、（ｃ）「二次電池の充電方法及び充電装置」−特開平８−１８２２１５号等がある。
【０００６】
資料の（ａ）は、トリクル充電時におけるパルス電流のオン・オフ比を具体的に示し、過充電を避けるトリクル充電方法として、パルス充電方法を推奨している。資料の（ｂ）には、パルス充電を行うための制御回路用ＩＣ及びこの制御回路用ＩＣを用いた充電回路の構成が示されている。資料の（Ｃ）には、急速充電時において、二次電池の寿命末期に発熱量が問題になる場合があるので、パルス電流オン期間とパルス電流オフ期間の電池電圧の差分を持ってパルスのオン・オフ比を変化させる発明が示されている。
【０００７】
図８は、従来例におけるの二次電池の充電回路の回路図である。先に説明した資料（特に（ｂ）と（ｃ））に示される充電回路は、基本的には同一であり、図８に示す構成である。図は、充電電圧値、極性及び品質等を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電流をオン・オフする第一のスイッチＳＷ１、パルス電流の波高値を調整する可変抵抗ＶＲ、充電される二次電池２、充電電流を検出するシャント抵抗Ｒ（低抵抗）及び制御回路３０から構成される。
【０００８】
図９は、従来例における二次電池の充電電流を示す図である。図には、資料の（ｂ）に示される急速充電電流、Ｔｏｐ−Ｏｆｆ充電電流及びトリクル充電電流の概念図が示されている。トリクル充電期間のパルス電流はオン期間が少なく、平均電流（パルス電流の波高値×デューティ比）としては極めて少なくなるように設定される。
【０００９】
図１０は、従来例における二次電池の充電回路の動作説明フローである。二次電池２が放電後に、急速充電を開始する時を開始点とした動作フローである。
〔Ｓ２１〕二次電池２を充電回路に接続する。
〔Ｓ２２〕急速充電を行う。急速充電時には、二次電池２に大きな充電電流を流す必要があるので、第一のスイッチＳＷ１は継続してオン状態、あるいはオフ期間に比べてオン期間の大きなスイッチング状態を保つ。
〔Ｓ２３〕急速充電により二次電池２の満充電を検出したかどうかをチェックする。急速充電により二次電池２が満充電になったかどうかの判断は、ピーク電圧、−ΔＶ、最大温度、温度上昇率などを検出して行われる。満充電を検出すればＳ２４に進み、そうでなければＳ２２に戻る。すなわち、二次電池２の満充電が
検出されるまで、急速充電動作を行い、満充電が検出されると次の動作に移る。
【００１０】
〔Ｓ２４〕パルスのデューティ比・周期を変更し、仕上げ（Ｔｏｐ−Ｏｆｆ）充電を行う。但し、Ｔｏｐ−Ｏｆｆ充電を省略し、直ちにパルス電流によるトリクル充電状態に移行する場合もある。
〔Ｓ２５〕パルスのデューティ比・周期を再変更し、トリクル充電を行う。このトリクル充電は、停電や充電回路の故障で二次電池が負荷（図８では省略しているが、通常、二次電池と並列に接続）に放電するまで継続される。
〔Ｓ２６〕急速充電信号を受信したかどうかをチェックし、受信したらＳ２２に戻り、していなければＳ２６に戻る。すなわち、放電後に二次電池が充電可能な状態に回復すると、充電回路は急速充電状態に移行し、二次電池の急速充電を行う本フローの開始点に戻る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バックアップ用途の二次電池は、充放電期間に比べて、待ち受け時間に相当するトリクル充電期間が極めて長い。従来の発明は、急速充電期間における充電回路構成や充電方法が検討されているが、トリクル充電期間の二次電池の劣化についてはほとんど考慮されていない。
このように従来の充電回路においては、トリクル充電期間における二次電池の劣化判定機能を有しないので、トリクル充電期間中に二次電池が劣化して容量が減少したことを検知できない。このため、実際に二次電池が放電動作を行う非常時におけるバックアップ時間を予測することが困難であった。
【００１２】
本発明は、上述したような従来回路の有する欠点に鑑みてなされたもので、パルス電流によるトリクル充電のオフ期間を利用し、二次電池の劣化を判定する回路構成を有する二次電池の充電回路を提供することをその目的とする。すなわち、パルス電流を用いてトリクル充電を行う充電回路の劣化診断回路に係わり、特に二次電池の劣化が進むにつれて放電時の電圧降下が増加する性質を利用した二次電池の劣化判定機能を備えた二次電池の充電回路である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、トリクル充電を行う二次電池の充電回路において、パルス状の制御信号によりトリクル充電電流をオンおよびオフして前記二次電池に出力する第一のスイッチと、前記第一のスイッチの出力側に一端が接続され、かつ、前記二次電池に並列に接続されている第二のスイッチと、前記二次電池の温度および放電電流と関連してこの電池の電圧降下のデータをあらかじめ記憶し、前記第一のスイッチのオンおよびオフをするための前記制御信号をこのスイッチに送り、前記制御信号をカウントし、所定数のこの制御信号をカウント後に、前記二次電池の温度を検出すると共に、前記第一のスイッチのオフ期間中に前記第二のスイッチをオンおよびオフし、前記第二のスイッチのオンで前記二次電池から流れる放電電流とこの電池の電圧降下を検出し、検出した温度および放電電流による電圧降下と、前記あらかじめ記憶している前記二次電池のデータとを基にして、前記二次電池の劣化判定をする制御回路とを有することを特徴とする二次電池の充電回路である。
【００１４】
本発明によれば、トリクル充電電流をオンおよびオフする第一のスイッチのオフ期間にオンおよびオフする第二のスイッチによって、放電電流調整用抵抗を介して流れる二次電池の放電電流を調整する。この第二のスイッチによる二次電池の放電電流の調整は二次電池の劣化判定に基づいて行われる。
【００１５】
トリクル充電電流を二次電池に流すための第一のスイッチがオフを検出して動作することから、二次電池の放電電流が充電回路の影響を受けることがない。二次電池の容量は、第二のスイッチによる放電動作のために減少するが、この容量の減少量は、第二のスイッチのオン期間と放電電流調整用抵抗を調整して任意に決めることができる。さらに、メモリ効果のある二次電池をリフレッシュさせるために、放電によるパルス電流の平均値をトリクル充電によるパルス電流の平均値より大きくなるように設定することも可能である。
【００１６】
第二のスイッチのオン期間には、二次電池の放電電流、電圧降下、温度を測定してデータベースとして記憶し、以前に測定した二次電池のデータベースと比較して劣化の程度を判定可能となる。以前に測定したデータを用いて二次電池の劣化を判定するために、例えば、二次電池の電圧降下を放電電流と温度の関数としてフィッティングし、測定した電圧降下と前記関数で求めた電圧降下とを比較する手段が適用できる。
【００１７】
二次電池の劣化は徐々に進むものであるから、一定のトリクル電流のパルス数毎に測定を行うように構成することにより、ＣＰＵが保持するデータベースも小さくなり、データの取り込み速度の遅い測定機器を用いることが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために本発明の二次電池の充電回路は、二次電池のトリクル充電をパルス電流で行う二次電池の充電回路において、トリクル充電電流をオン・オフする第一のスイッチと、前記第一のスイッチのオフ期間を検出する手段と、該第一のスイッチのオフ期間にオン・オフする第二のスイッチを備え、該第二のスイッチは放電電流調整用抵抗を介して該二次電池に並列に接続されていることに特徴を有している。前記第二のスイッチは、必ず、前記第一のスイッチのオフ期間中にオン・オフを完了するよう動作させることが必要である。
【００１９】
また、本発明の二次電池の充電回路は、二次電池の劣化を判定するために、前記第二のスイッチのオン期間に該二次電池の放電電流と、該二次電池の電圧降下と、該二次電池の温度を測定する機能を設け、該放電電流と、該電圧降下と、該温度を順次記憶する記憶回路を備えたＣＰＵを備えていることに特徴を有している。該二次電池の電圧降下は、該二次電池の温度や該二次電池の放電電流の影響を大きく受ける。測定データにより二次電池の劣化を判定する場合には、初期に測定したデータから類似のデータを抽出して、測定データと比較して判定することが可能である。
【００２０】
更に、本発明の二次電池の充電回路は、二次電池の劣化を高精度に判定するために、ＣＰＵは二次電池の温度または二次電池の放電電流の少なくとも一方により、前記電圧降下を補正する手段と、前記補正手段の出力を記憶回路に追記する手段と、前記補正手段の出力と許容最大値を比較する手段とを有し、基準化したデータ間で劣化を判定することに特徴を有している。
【００２１】
また、本発明の二次電池の充電回路は、パルス電流によりトリクル充電が終了する毎に測定を行う必要はない。このため、二次電池のトリクル充電パルスをカウントする機能を有し、特定数のトリクル充電パルスを印加した後に該二次電池の放電電流と、該二次電池の電圧降下と、該二次電池の温度を測定することに特徴を有している。
【００２２】
【実施例】
先ず、本発明の原理について説明する。図７は、本発明の原理を説明する説明図である。（ａ）は、二次電池の内部抵抗と容量の関係を示したグラフである（例えば、Ｎ，ＫＡＴＯ，Ｋ．ＹＡＭＡＭＯＴＯ，"Estimation of the Capacity of Nickel-Cadmium Batteries by Measuring Impedance using Electolyte-Deficient Battery Characteristics",Proceedings of ｌＮＴＥＬＥＣ’95,pp.772-777）。電池の劣化が進むと内部抵抗は増加し、かつ、容量が減少することを示している。
【００２３】
（ｂ）は、二次電池の電圧降下に差異が生じることを示している。すなわち、二次電池の電圧降下は、二次電池の放電電流×内部抵抗に比例するので、劣化の状況により、二次電池の電圧降下に差異が生じる。従って、二次電池の放電電流及び温度が同一の状況下では、二次電池の電圧降下の時間的な推移をデータとして記憶し、初期の取得したデータと現在のデータを比較することにより劣化の程度を判定することができる。
【００２４】
また、簡単なデータの補正方法としては、電圧降下（Ｖｄ）は、放電電流（Ｉ）に比例し、温度（ｔ）のｍ次の近似多項式で下記のように与えられると仮定する。
Ｖｄ／Ｉ＝ａ_０＋ａ_１ｔ＋ａ_２ｔ^２＋−−−−−−−＋ａ_ｍｔ^ｍ （１）
Ｖｄ，Ｉ及びｔについて初期データをｎ個取得した時点で、ａ_０〜ａ_ｍを求めれば、測定対象の二次電池における任意の放電電流及び温度におけるＶｄを推定することができる。ａ_０〜ａ_ｍを求めるための方法として、最小２乗近似やチェビシエフ近似が一般的に用いられる。
式（１）から求めたＶｄ（Ｖｄｓ）またはＶｄ／Ｉ（Ｒｄｓ）と現在の測定データとを比較し、特定の値以上に現在の測定データが式（１）の計算値を上回った場合に、二次電池が劣化したと判定する。
【００２５】
また、近似式を求めるのではなく、二次電池の使用初期に取得したｎ＋１個のデータから、これらの点を通る補間を行い、電池の初期データの推定値（ＶｄｓまたはＲｄｓ）とすることができる。補間方法としては、ラグランジュ補間やニュートン補間が適用できる。
【００２６】
（実施例１）
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例における二次電池の充電回路の回路図である。なお、図８と同一符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示しており、説明を省略する。
この実施例では、第二のスイッチＳＷ２と直列に放電電流調整用の可変抵抗ＶＲ２を接続し、第一のスイッチＳＷ１のオフ時に第二のスイッチＳＷ２をオンさせるように構成する。図において、第一のスイッチＳＷ１のオン時に、第二のスイッチＳＷ２が同時にオンすると充・放電電流測定用の低抵抗Ｒ１は、二次電池２のＤＣ／ＤＣコンバータ１側から流れ込む電流の影響を受け、二次電池２の放電電流のみを正確に測定することができない。そこで、制御回路１０には第一のスイッチＳＷ１のオン時には、第二のスイッチＳＷ２を決してオンしないような機構を設ける。このような機構は、制御回路１０により実現するものである。
【００２７】
図２は、本発明の実施例における制御回路の構成を示す図である。図におけるパルス充電用ＩＣ１１は、二次電池２を急速充電する機能と、満充電を判定する機能と、Ｔｏｐ−Ｏｆｆ充電する機能と、パルス電流でトリクル充電する機能と、トリクル充電モードであることを表示する機能を有すれば十分である。従って、市販の充電用ＩＣ（例えば、先に述べたＢＥＮＣＨＭＡＲＱ社のＢＱ２００２シリーズＩＣ）も使用可能である。
【００２８】
以下、図２において、第二のスイッチＳＷ２をオン・オフさせる機構について詳述する。パルス充電用ＩＣ１１から制御信号を第一のスイッチＳＷ１に出力する。パルス充電用ＩＣ１１がトリクル充電モードに入ると、トリクル充電モード信号を出力する。このため、ＡＮＤ回路１２は第一のスイッチＳＷ１のオン信号を出力入力する。ＡＮＤ回路１２の出力は、遅延回路１４とＮＯＴ回路１５の順序（あるいはＮＯＴ回路１５と遅延回路１４の順序でも良い）を通して、第一のスイッチＳＷ１のオフ期間に等しく、若干遅れた信号を得る。
【００２９】
この信号をカウンタ１６のクロック信号として入力し、クロック信号の数が特定数以上になった場合、カウンタ１６はワンショットマルチバイブレータ１７に出力を送出する。前述した通り、カウンタ信号の前縁部は遅延回路１４で遅れるので、第一のスイッチＳＷ１のオフ後に立ち上がるが、後縁部が次の第一のスイッチＳＷ１のオン信号と重なり、第一のスイッチＳＷ１と第二のスイッチＳＷ２が同時にオンする可能性がある。従って、カウンタ１６から出る信号の後縁部を前縁部側に近づけるように、ワンショットマルチバイブレータ１７でパルス波形を整形する。整形された信号は、バッファ１８を通して、第二のスイッチＳＷ２をオン・オフする駆動信号として出力される。なお、バッファ１８はワンショットマルチバイブレータ１７で第二のスイッチＳＷ２を動作させる時、駆動電力が不足する場合に必要となる。
【００３０】
また、図２において第二のスイッチＳＷ２の駆動信号と同期してサンプリング回路１９を動作させるように構成しておけば、第二のスイッチＳＷ２のオン時における二次電池２の電圧降下、温度、放電電流を測定することが可能になる。測定したデータは、ＣＰＵ１３に送出され、順次記録されるとともに必要に応じて、ＣＰＵ１３は外部に二次電池の劣化警報を送出する。
【００３１】
図３は、本発明の実施例におけるトリクル充電中の動作タイミングと低抵抗の測定電流を示す図である。（ａ）はスイッチの動作、（ｂ）は測定電流である。すなわち、トリクル充電時の充電電流と放電電流の二次電池２からみた極性とタイミングを示したものである。
モード１：第一のスイッチＳＷ１がオン、第二のスイッチのＳＷ２がオフの期間に充電電流が測定される。
モード２：第一のスイッチＳＷ１がオフ、第二のスイッチのＳＷ２がオフの期間には電流は流れない。
モード３：第一のスイッチＳＷ１がオフ、第二のスイッチのＳＷ２がオンの期間に放電電流が測定される。
モード４：第一のスイッチＳＷ１がオフ、第二のスイッチのＳＷ２がオフの期間には電流は流れない。
【００３２】
図４は、本発明の第１実施例における二次電池の充電回路の動作説明フローである。図１に示す本発明の第１実施例における二次電池の充電回路に図２の制御回路１０を適用した場合の動作フローである。
〔Ｓ１〕パルス充電用ＩＣ１１からの制御信号を第一のスイッチヘＳＷ１に出力する。
〔Ｓ２〕トリクル充電モード信号オンか？オンであればＳ３に進み、そうでなければＳ９に進む。
〔Ｓ３〕ＡＮＤ回路１２が動作する。
〔Ｓ４〕遅延回路１４，ＮＯＴ回路１５，カウンタ１６によりトリクル充電信号の何サイクル毎に第二のスイッチＳＷ２をオンさせるかを決定する。
【００３３】
〔Ｓ５〕第二のスイッチＳＷ２をオンさせるサイクルか？そうであればＳ６に進み、そうでなければＳ４に戻る。
〔Ｓ６〕カウンタ１６をリセットし、ワンショットマルチバイブレータ１７で第二のスイッチＳＷ２のオン・オフ時間幅を決定する。
〔Ｓ７〕第二のスイッチＳＷ２にオン・オフ信号送出と同時にオン信号で同期回路２０を動作させてサンプリング回路１９のゲートを開き、二次電池２の電圧、温度、放電電流をサンプリングする。
〔Ｓ８〕サンプリング回路１９の取り込んだ信号をＣＰＵ１３で処理、警報信号を発信する。
〔Ｓ９〕ＡＮＤ回路１２はオフの状態を維持する。
【００３４】
（実施例２）
図５は、本発明の第２実施例における二次電池の充電回路の回路図である。図１に示すように充電電流と放電電流を一個の充・放電電流測定用の低抵抗Ｒ１で測定しても良いが、放電電流測定用には、パルス幅が短いので高周波特性が求められることがある。第２実施例は、第二のスイッチＳＷ２と直列に放電電流測定用の低抵抗Ｒ２を接続し、別に充電電流測定用の低抵抗Ｒ３を設けている。
【００３５】
図６は、本発明の第２実施例における二次電池の充電回路の動作説明フローである。
〔Ｓ１１〕二次電池２を充電回路に接続する。
〔Ｓ１２〕急速充電を行う。
〔Ｓ１３〕急速充電により二次電池２の満充電を検出したかどうかをチェックする。検出すればＳ１４に進み、そうでなければＳ１２に戻る。
〔Ｓ１４〕パルスのデューティ比・周期を変更し、仕上げ（Ｔｏｐ−Ｏｆｆ）充電を行う。
〔Ｓ１５〕パルスのデューティ比・周期を再変更し、トリクル充電を行う。
〔Ｓ１６〕第一のスイッチＳＷ１のオフ期間に第二のスイッチＳＷ２をオン・オフする。
〔Ｓ１７〕第二のスイッチＳＷ２のオン期間に二次電池２の電流及び電圧検出・記憶装置に保存する。
〔Ｓ１８〕急速充電信号を受信したかどうかをチェックし、受信したらＳ１２に戻り、していなければＳ１５に戻る。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はパルス電流によるトリクル充電のオフ期間を利用し、二次電池の劣化を判定する回路構成を有するので、トリクル充電期間中に二次電池が劣化して容量が減少したことを検知できる。このため、実際に二次電池が放電動作を行う非常時におけるバックアップ時間を予測することが可能となる。また、本発明によれば、制御信号をカウントし、所定数のこの制御信号をカウント後に、二次電池の温度の検出、二次電池から流れる放電電流と電池の電圧降下との検出を行うので、トリクル充電が終了する毎に測定を行うことを不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における二次電池の充電回路の回路図である。
【図２】本発明の実施例における制御回路の構成を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例におけるトリクル充電中の動作タイミングと低抵抗の測定電流を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例における二次電池の充電回路の動作説明フローである。
【図５】本発明の第２実施例における二次電池の充電回路の回路図である。
【図６】本発明の第２実施例における二次電池の充電回路の動作説明フローである。
【図７】（ａ），（ｂ）は、本発明の原理を説明する説明図である。
【図８】従来例における二次電池の充電回路の回路図である。
【図９】従来例における二次電池の充電電流を示す図である。
【図１０】従来例における二次電池の充電回路の動作説明フローである。
【符号の説明】
１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ 二次電池
１０ 制御回路
１１ パルス充電用ＩＣ
１２ ＡＮＤ回路
１３ ＣＰＵ
１４ 遅延回路
１５ ＮＯＴ回路
１６ カウンタ
１７ ワンショットマルチバイブレータ
１８ バッファ
１９ サンプリング回路
２０ 同期回路
３０ 制御回路
Ｒ シャント抵抗
Ｒ１ 充・放電電流測定用の低抵抗
Ｒ２ 放電電流測定用の低抵抗
Ｒ３ 充電電流測定用の低抵抗
ＳＷ１ 第一のスイッチ
ＳＷ２ 第二のスイッチ
ＶＲ 可変抵抗
ＶＲ１ 充電電流調整用の可変抵抗
ＶＲ２ 放電電流調整用の可変抵抗

Claims (1)

1. トリクル充電を行う二次電池の充電回路において、
   パルス状の制御信号によりトリクル充電電流をオンおよびオフして前記二次電池に出力する第一のスイッチと、
   前記第一のスイッチの出力側に一端が接続され、かつ、前記二次電池に並列に接続されている第二のスイッチと、
   前記二次電池の温度および放電電流と関連してこの電池の電圧降下のデータをあらかじめ記憶し、前記第一のスイッチのオンおよびオフをするための前記制御信号をこのスイッチに送り、前記制御信号をカウントし、所定数のこの制御信号をカウント後に、前記二次電池の温度を検出すると共に、前記第一のスイッチのオフ期間中に前記第二のスイッチをオンおよびオフし、前記第二のスイッチのオンで前記二次電池から流れる放電電流とこの電池の電圧降下を検出し、検出した温度および放電電流による電圧降下と、前記あらかじめ記憶している前記二次電池のデータとを基にして、前記二次電池の劣化判定をする制御回路と、
   を有することを特徴とする二次電池の充電回路。

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