JP3695266B2 - 満充電判別方法 - Google Patents
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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（以下ニカド電池という）やニッケル・水素電池（以下ニッケル水素電池という）等の２次電池の電池温度検出による満充電判別方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池の充電制御方法として、所定時間毎の電池電圧をサンプリングし、充電末期のピーク電圧を検出することにより満充電と判別して充電電流の供給を制御する方法、所定時間毎の電池温度をサンプリングして電池温度上昇（電池温度勾配）を演算し、電池温度勾配が所定値以上になったら満充電と判別して充電電流の供給を制御する方法（以下dT/dt検出方法という）がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記電池電圧検出のよる満充電判別方法は、充電末期のピーク電圧の出現が顕著でないニッケル水素電池のような電池には不向きである。
【０００４】
また前記ｄＴ/ｄｔ検出方法の場合は、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度に関係なく一つの判別値で充電制御を行った場合、その上記の要因によっては、充電途中に電池温度勾配が所定値以上上昇して充電が停止して充電不足が生じたり、また逆に電池が満充電になっても所定値以上上昇しないために充電が停止せず電池は過充電になり、充電末期の酸素ガス発生に伴う電解液漏れを引き起こし電池のサイクル寿命を低減させる恐れがあった。
【０００５】
このためｄＴ/ｄｔ検出方法による満充電判別を行う判別値を、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度の条件に対応して変えるようにしており、制御的に複雑になるといった問題を生じる。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度に関係なく、制御的に簡潔であり、且つ確実な満充電判別が可能な電池温度検出による満充電判別方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電池温度勾配の変化量（ｄ2Ｔ/ｄｔ2）が満充電間際に急激に上昇した後に減少することに着目し、所定時間毎に電池温度をサンプリングして電池温度勾配の変化量を演算し、この変化量が増大後減少したのを検出して満充電と判別することにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明満充電判別方法を行う充電装置の一実施形態を示す回路図である。図において、１は交流電源、２は複数の素電池を直列接続した電池組であって、素電池に接触または近接して電池温度を検出する例えばサーミスタ等からなる感温素子２Ａを装備している。３は電池組２に流れる充電電流を検出する電流検出手段、４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、５は検出した充電電流の信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還する充電電流信号伝達手段である。充電制御伝達信号手段４及び充電電流信号伝達手段５は例えばホトカプラ等からなる。１０は全波整流回路１１、平滑用コンデンサ１２からなる整流平滑回路、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ある。ＰＷＭ制御ＩＣ２３はＭＯＳＦＥＴ２２の駆動パルス幅を変えて整流平滑回路１０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、電池組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、入力ポート５８からなるマイコンである。ＣＰＵ５１はサンプリング毎に最新の電池温度と複数サンプリング前の電池温度とを比較すると共に最新の電池温度勾配と複数サンプリング前の電池温度勾配とを比較する。ＲＡＭ５３はサンプリングした最新の電池温度までの所定数のサンプリングした電池温度と、最新の電池温度勾配までの所定数の電池温度勾配と、電池温度勾配の変化量の最大値を記憶する。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、平滑コンデンサ７３、３端子レギュレータ７４、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は電池温度検出手段で、５Ｖの定電圧電源と接続された抵抗９１と、抵抗９２と感温素子２Ａとによって分圧された電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５５に入力し、マイコン５０はこの入力された電圧により電池温度を検出する。
【０００９】
次に図１の回路図、図２のフローチャートを参照して、本発明満充電判別方法を採用した充電装置の動作を説明する。
【００１０】
電源を投入するとマイコン５０は、電池組２の接続待機状態となる（ステップ１０１）。電池組２を接続すると、マイコン５０は電池接続を電池電圧検出手段４０からの信号により判別し、出力ポ−ト５６より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に充電開始信号を伝達すると共に出力ポート５６より充電電流設定手段８０を介して充電電流設定基準電圧値Ｖｉ0を演算増幅器６２に印加し、充電電流Ｉ0で充電を開始する（ステップ１０２）。充電開始と同時に電池組２に流れる充電電流を電流検出手段３により検出し、この充電電流に対応する電圧と充電電流設定基準値Ｖｉ0との差を充電電流制御手段６０より信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還をかける。すなわち、充電電流が大きい場合はパルス幅を狭めたパルスを、逆の場合はパルス幅を広げたパルスを高周波トランス２１に与え整流平滑回路３０で直流に平滑し、充電電流を一定に保つ。電流検出手段３、充電電流制御手段６０、信号伝達手段５、スイッチング回路２０、整流平滑回路３０を介して充電電流を所定電流値Ｉ0となるように制御する。
【００１１】
次いで満充電検出制御を行う。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、６サンプリング前までの電池温度勾配dT/dt(i-06)、dT/dt(i-05)、……、dT/dt(i-01)と、最新の電池温度勾配と６サンプリング前のdT/dt(i-06)との減算によって求める電池温度勾配の変化量の最大値を記憶するデ−タd2T/dt2(MAX)をイニシャルリセットし（ステップ１０３）、電池温度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０４）。サンプリングタイマ時間が△ｔを経過したら（ステップ１０５）、再度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０６）。なおステップ１０３における∞はマイコン５０におけるＡ／Ｄ変換の最大値を示す。
【００１２】
次いで感温素子２Ａ及び電池温度検出手段９０の抵抗９１、９２で分圧した分圧値をＡ／Ｄコンバータ５５でＡ／Ｄ変換して取り込み電池温度Ｔinとして取り込む（ステップ１０７）。そして演算手段５１にてＴinと６サンプリング前のデ−タＴi-06との差から最新の電池温度勾配としてのdT/dt(in)＝Ｔin−Ｔi-06を求め（ステップ１０８）、dT/dt(in)が負か否かの判別を行い（ステップ１０９）、dT/dt(in)が負の時はdT/dt(i n)のデータを０とし（ステップ１１０）、dT/dt(in)が正の時はステップ１１０をスキップし、引き続き演算手段５１にてdT/dt(in)と６サンプリング前の電池温度勾配デ−タdT/dt(i-06)との差から最新の電池温度勾配の変化量としてのd2T/dt2(in)＝dT/dt(in)−dT/dt(i-06)を求め（ステップ１１１）、d2T/dt2(in)が負か否かの判別を行い（ステップ１１２）、d2T/dt2(in)が負の時はd2T/dt2(in)のデータを０とし（ステップ１１３）、d2T/dt2(in)が正の時はステップ１１３をスキップする。そして演算手段５１にてd2T/dt2(in)と電池温度勾配の変化量の最大値を記憶したデ−タd2T/dt2(MAX)とを比較演算し（ステップ１１４）、d2T/dt2(in)がd2T/dt2(MAX)より予め設定された判別値Ｋより小さいか否かの判断、すなわち充電末期の電池温度上昇に対応し、電池温度勾配の変化量が増大後減少したか否かの判断を行う。d2T/dt2(MAX)− d2T/dt2(in)≧Ｋの時は、マイコン５０は出力ポ−ト５６より充電制御信号伝達手段４を介して充電停止信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に伝達し充電を停止する（ステップ１１８）。次いで電池組２が取り出されるのを判別する（ステップ１１９）。電池組２の取り出しを判別したらステップ１０１に戻り、次の電池組２の充電のための待機をする。
【００１３】
ステップ１１４においてd2T/dt2(MAX)− d2T/dt2(in)≧Ｋでない時は、d2T/dt2(in)とd2T/dt2(MAX)との比較を行い（ステップ１１５）、d2T/dt2(in)がd2T/dt2(MAX)より大きければ、d2T/dt2(in)の値をd2T/dt2(MAX)として更新し（ステップ１１６）、d2T/dt2(in)がd2T/dt2(MAX)より小さければ、ステップ１１６をスキップする。
【００１４】
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、６サンプリング前までの電池温度勾配dT/dt(i-06)、dT/dt(i-05)、……、dT/dt(i-01)を、Ti-05→Ti-06、Ti-04→Ti-05、………、Tin→Ti-01に、またdT/dt(i-05)→dT/dt(i-06)、dT/dt(i-04)→dT/dt(i-05)、……、dT/dt(in)→dT/dt(i-01)に夫々の記憶デ−タを１サンプリング前の記憶エリアに移し替え（ステップ１１７）、再度ステップ１０５からの処理を行う。
【００１５】
上記実施形態の説明において、満充電判別方法をステップ１１４に示した最新の電池温度勾配の変化量d2T/dt2(in)が、充電中の電池温度勾配の変化量の最大値を記憶したデータd2T/dt2(MAX)と比較して、電池温度勾配の変化量が増大後減少したのを検出して満充電を判別するようにしたが、これに限るものではなく、図3の充電中の電池温度特性における電池温度勾配の変化量d2T/dt2に示すように変化量が第１所定値以上になり、続いて第２所定値以下になるのを検出したら満充電と判別してもよい。要するに図3に示す充電末期に出現する電池温度勾配の変化量d2T/dt2の変化を検出できれば良い。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度に関係なく、制御的に簡潔であり、且つ確実な満充電判別が可能な満充電判別方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明満充電判別方法を採用した充電装置の一実施形態を示す回路図。
【図２】図１の動作説明用フローチャート。
【図３】充電中の電池温度、電池温度勾配、電池温度勾配の変化量の特性を示す説明用グラフ。
【符号の説明】
２は電池組、２Ａは感温素子、５０はマイコン、５１は演算手段（ＣＰＵ）、５３はＲＡＭ、５５はＡ／Ｄコンバータ５５、９０は電池温度検出手段である。
【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（以下ニカド電池という）やニッケル・水素電池（以下ニッケル水素電池という）等の２次電池の電池温度検出による満充電判別方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池の充電制御方法として、所定時間毎の電池電圧をサンプリングし、充電末期のピーク電圧を検出することにより満充電と判別して充電電流の供給を制御する方法、所定時間毎の電池温度をサンプリングして電池温度上昇（電池温度勾配）を演算し、電池温度勾配が所定値以上になったら満充電と判別して充電電流の供給を制御する方法（以下dT/dt検出方法という）がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記電池電圧検出のよる満充電判別方法は、充電末期のピーク電圧の出現が顕著でないニッケル水素電池のような電池には不向きである。
【０００４】
また前記ｄＴ/ｄｔ検出方法の場合は、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度に関係なく一つの判別値で充電制御を行った場合、その上記の要因によっては、充電途中に電池温度勾配が所定値以上上昇して充電が停止して充電不足が生じたり、また逆に電池が満充電になっても所定値以上上昇しないために充電が停止せず電池は過充電になり、充電末期の酸素ガス発生に伴う電解液漏れを引き起こし電池のサイクル寿命を低減させる恐れがあった。
【０００５】
このためｄＴ/ｄｔ検出方法による満充電判別を行う判別値を、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度の条件に対応して変えるようにしており、制御的に複雑になるといった問題を生じる。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度に関係なく、制御的に簡潔であり、且つ確実な満充電判別が可能な電池温度検出による満充電判別方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電池温度勾配の変化量（ｄ2Ｔ/ｄｔ2）が満充電間際に急激に上昇した後に減少することに着目し、所定時間毎に電池温度をサンプリングして電池温度勾配の変化量を演算し、この変化量が増大後減少したのを検出して満充電と判別することにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明満充電判別方法を行う充電装置の一実施形態を示す回路図である。図において、１は交流電源、２は複数の素電池を直列接続した電池組であって、素電池に接触または近接して電池温度を検出する例えばサーミスタ等からなる感温素子２Ａを装備している。３は電池組２に流れる充電電流を検出する電流検出手段、４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、５は検出した充電電流の信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還する充電電流信号伝達手段である。充電制御伝達信号手段４及び充電電流信号伝達手段５は例えばホトカプラ等からなる。１０は全波整流回路１１、平滑用コンデンサ１２からなる整流平滑回路、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ある。ＰＷＭ制御ＩＣ２３はＭＯＳＦＥＴ２２の駆動パルス幅を変えて整流平滑回路１０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、電池組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、入力ポート５８からなるマイコンである。ＣＰＵ５１はサンプリング毎に最新の電池温度と複数サンプリング前の電池温度とを比較すると共に最新の電池温度勾配と複数サンプリング前の電池温度勾配とを比較する。ＲＡＭ５３はサンプリングした最新の電池温度までの所定数のサンプリングした電池温度と、最新の電池温度勾配までの所定数の電池温度勾配と、電池温度勾配の変化量の最大値を記憶する。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、平滑コンデンサ７３、３端子レギュレータ７４、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は電池温度検出手段で、５Ｖの定電圧電源と接続された抵抗９１と、抵抗９２と感温素子２Ａとによって分圧された電圧をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５５に入力し、マイコン５０はこの入力された電圧により電池温度を検出する。
【０００９】
次に図１の回路図、図２のフローチャートを参照して、本発明満充電判別方法を採用した充電装置の動作を説明する。
【００１０】
電源を投入するとマイコン５０は、電池組２の接続待機状態となる（ステップ１０１）。電池組２を接続すると、マイコン５０は電池接続を電池電圧検出手段４０からの信号により判別し、出力ポ−ト５６より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に充電開始信号を伝達すると共に出力ポート５６より充電電流設定手段８０を介して充電電流設定基準電圧値Ｖｉ0を演算増幅器６２に印加し、充電電流Ｉ0で充電を開始する（ステップ１０２）。充電開始と同時に電池組２に流れる充電電流を電流検出手段３により検出し、この充電電流に対応する電圧と充電電流設定基準値Ｖｉ0との差を充電電流制御手段６０より信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還をかける。すなわち、充電電流が大きい場合はパルス幅を狭めたパルスを、逆の場合はパルス幅を広げたパルスを高周波トランス２１に与え整流平滑回路３０で直流に平滑し、充電電流を一定に保つ。電流検出手段３、充電電流制御手段６０、信号伝達手段５、スイッチング回路２０、整流平滑回路３０を介して充電電流を所定電流値Ｉ0となるように制御する。
【００１１】
次いで満充電検出制御を行う。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、６サンプリング前までの電池温度勾配dT/dt(i-06)、dT/dt(i-05)、……、dT/dt(i-01)と、最新の電池温度勾配と６サンプリング前のdT/dt(i-06)との減算によって求める電池温度勾配の変化量の最大値を記憶するデ−タd2T/dt2(MAX)をイニシャルリセットし（ステップ１０３）、電池温度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０４）。サンプリングタイマ時間が△ｔを経過したら（ステップ１０５）、再度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０６）。なおステップ１０３における∞はマイコン５０におけるＡ／Ｄ変換の最大値を示す。
【００１２】
次いで感温素子２Ａ及び電池温度検出手段９０の抵抗９１、９２で分圧した分圧値をＡ／Ｄコンバータ５５でＡ／Ｄ変換して取り込み電池温度Ｔinとして取り込む（ステップ１０７）。そして演算手段５１にてＴinと６サンプリング前のデ−タＴi-06との差から最新の電池温度勾配としてのdT/dt(in)＝Ｔin−Ｔi-06を求め（ステップ１０８）、dT/dt(in)が負か否かの判別を行い（ステップ１０９）、dT/dt(in)が負の時はdT/dt(i n)のデータを０とし（ステップ１１０）、dT/dt(in)が正の時はステップ１１０をスキップし、引き続き演算手段５１にてdT/dt(in)と６サンプリング前の電池温度勾配デ−タdT/dt(i-06)との差から最新の電池温度勾配の変化量としてのd2T/dt2(in)＝dT/dt(in)−dT/dt(i-06)を求め（ステップ１１１）、d2T/dt2(in)が負か否かの判別を行い（ステップ１１２）、d2T/dt2(in)が負の時はd2T/dt2(in)のデータを０とし（ステップ１１３）、d2T/dt2(in)が正の時はステップ１１３をスキップする。そして演算手段５１にてd2T/dt2(in)と電池温度勾配の変化量の最大値を記憶したデ−タd2T/dt2(MAX)とを比較演算し（ステップ１１４）、d2T/dt2(in)がd2T/dt2(MAX)より予め設定された判別値Ｋより小さいか否かの判断、すなわち充電末期の電池温度上昇に対応し、電池温度勾配の変化量が増大後減少したか否かの判断を行う。d2T/dt2(MAX)− d2T/dt2(in)≧Ｋの時は、マイコン５０は出力ポ−ト５６より充電制御信号伝達手段４を介して充電停止信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に伝達し充電を停止する（ステップ１１８）。次いで電池組２が取り出されるのを判別する（ステップ１１９）。電池組２の取り出しを判別したらステップ１０１に戻り、次の電池組２の充電のための待機をする。
【００１３】
ステップ１１４においてd2T/dt2(MAX)− d2T/dt2(in)≧Ｋでない時は、d2T/dt2(in)とd2T/dt2(MAX)との比較を行い（ステップ１１５）、d2T/dt2(in)がd2T/dt2(MAX)より大きければ、d2T/dt2(in)の値をd2T/dt2(MAX)として更新し（ステップ１１６）、d2T/dt2(in)がd2T/dt2(MAX)より小さければ、ステップ１１６をスキップする。
【００１４】
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、６サンプリング前までの電池温度勾配dT/dt(i-06)、dT/dt(i-05)、……、dT/dt(i-01)を、Ti-05→Ti-06、Ti-04→Ti-05、………、Tin→Ti-01に、またdT/dt(i-05)→dT/dt(i-06)、dT/dt(i-04)→dT/dt(i-05)、……、dT/dt(in)→dT/dt(i-01)に夫々の記憶デ−タを１サンプリング前の記憶エリアに移し替え（ステップ１１７）、再度ステップ１０５からの処理を行う。
【００１５】
上記実施形態の説明において、満充電判別方法をステップ１１４に示した最新の電池温度勾配の変化量d2T/dt2(in)が、充電中の電池温度勾配の変化量の最大値を記憶したデータd2T/dt2(MAX)と比較して、電池温度勾配の変化量が増大後減少したのを検出して満充電を判別するようにしたが、これに限るものではなく、図3の充電中の電池温度特性における電池温度勾配の変化量d2T/dt2に示すように変化量が第１所定値以上になり、続いて第２所定値以下になるのを検出したら満充電と判別してもよい。要するに図3に示す充電末期に出現する電池温度勾配の変化量d2T/dt2の変化を検出できれば良い。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電池の種類、電池の状態、充電開始時の電池温度、充電電流あるいは周囲温度に関係なく、制御的に簡潔であり、且つ確実な満充電判別が可能な満充電判別方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明満充電判別方法を採用した充電装置の一実施形態を示す回路図。
【図２】図１の動作説明用フローチャート。
【図３】充電中の電池温度、電池温度勾配、電池温度勾配の変化量の特性を示す説明用グラフ。
【符号の説明】
２は電池組、２Ａは感温素子、５０はマイコン、５１は演算手段（ＣＰＵ）、５３はＲＡＭ、５５はＡ／Ｄコンバータ５５、９０は電池温度検出手段である。
Claims (1)
- 所定時間毎に電池温度をサンプリングし、サンプリング毎に電池温度勾配の変化量を演算すると共に電池温度勾配変化量の最大値を求め、最新サンプリング時の電池温度勾配変化量が前記最大値から所定量以上降下したことを検出したら満充電と判別することを特徴とした満充電判別方法。
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