JP3900409B2 - 二次電池の充電制御方法および二次電池の充電制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電制御装置に関し、特に、二次電池の耐久性を高めること、すなわち初期の充放電性能を長期間維持するのに好適な二次電池の充電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽極（正極）の電極材にニッケル酸化物を採用するニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等の充電に際し、満充電状態になると正極で酸素ガスが発生する。酸素ガスの発生を放置すると二次電池の内部圧力が上昇するので、発生した酸素ガスは陰極（負極）表面で局部電池反応させて消費させている。一般に、この局部電池反応による容量の漸減を見越して、負極の容量を正極の容量より大きく設定してある。例えば、負極の容量と正極の容量との比の値(ＮＰ比)は１．６５〜２．０程度に設定される。しかし、電池の充電容量は正極律速であるため、負極容量が大きくても二次電池が大型化するだけであって、充電容量の増大は望めない。
【０００３】
そこで、充電に際して、満充電未満（例えば９７％）で充電を停止させて、酸素ガスの発生を抑制する充電方法が採られる（特開平５−１１１１７５号公報）。これにより、局部電池反応による負極の容量低減を防止できるので、結果的に負極の容量を小さくして二次電池の小型化つまり充電容量の増大を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、満充電未満で充電を停止させれば、二次電池の耐久性の点では好ましい。しかし、常に満充電未満で充電を停止していると、極板の数パーセント分が利用されない状態が繰り返される。その結果、利用されない数パーセント分の極板が劣化して充電量に寄与しないようになる。
【０００５】
充電を停止するための基準充電量を代表する電圧基準値（カットオフ電圧）を極力満充電近くに設定することで、前記充電量に寄与しない分の極板を削減できる。しかし、二次電池の電圧は二次電池や環境の温度に依存するため、二次電池の電圧がカットオフ電圧に達したことを正確に検出するのが容易ではなく、正確な制御が期待できない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、満充電未満での充電の繰り返しによる満充電量の低減を防止することができる二次電池の充電制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、二次電池の充電制御装置において、満充電未満で充電を停止する第１充電制御手段と、満充電以上で充電を停止する第２充電制御手段と、前記第１充電制御手段による充電が所定回数連続したことを判別する充電回数判別手段と、前記充電回数判別手段により第１充電制御手段による充電が所定回数連続したと判断した場合、次の充電を前記第２充電制御手段で行うための切り替えを行う制御手段切替手段と、前記第１充電制御手段で充電を停止させるために２段階設定されている満充電未満の電池容量のいずれかを選択する選択手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、二次電池の充電制御装置において、満充電未満で充電を停止する第１充電制御手段と、満充電以上で充電を停止する第２充電制御手段と、前記第１充電制御手段による１回の充電毎に乱数を発生させる乱数発生手段と、前記乱数発生手段で発生させる乱数が、該発生される乱数の最大値以下の所定数と一致した場合、次の充電を前記第２充電制御手段で行うための切り替えを行う制御手段切替手段とを具備した点に第２の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、第２の特徴に加え、前記第１充電制御手段で充電を停止させるため満充電未満の電池容量が２段階設定されているとともに、前記２段階の電池容量のいずれかを選択する選択手段を具備した点に第３の特徴がある。さらに、前記選択手段により前記２段階の電池容量のうち、低い方が選択されていて、かつ前記充電回数判別手段で満充電未満の充電を所定回数判別した場合は第２充電制御手段に切替えが行われる際に前記選択がキャンセルされたことを表示する表示手段をさらに具備した点に第４の特徴がある。
【００１１】
上記第１〜第４の特徴によれば、満充電未満で充電が停止される第１充電制御が所定回数以上連続した場合には、満充電超えで充電を停止する第２充電制御が介在されて充電される。
【００１２】
特に、第１および第３の特徴によれば、満充電未満において、満充電に近い電池容量に達する前に設定された、満充電から遠い電池容量に達したところで充電を停止させる選択をすることができる。そして、第４の特徴では、第１または第３の特徴によってより少ない電池容量が選択されたにもかかわらず、第２充電制御で充電しなければならない状態になったときには、その旨の表示をしてユーザに不審を抱かせないようにできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、二次電池（以下、「バッテリ」という）とその充電器とを含む電動車両のシステム構成を示すブロック図である。同図において、電池部１にはバッテリ１１、バッテリ温度検出部１２、バッテリ容量計算部１３、およびメモリ１４が設けられる。一方、充電器２には、環境温度検出部２１、充電電流検出部２２、充電電圧検出部２３、放電器２４、充電制御部２５、ＡＣ／ＤＣコンバータ２６、表示部２７、およびマイクロコンピュータを含むＥＣＵ２８が設けられる。充電器２には、例えば家庭用１００ボルト電源等の電源３からＡＣ／ＤＣコンバータ２６を介して電流が供給される。車体４には車体の動力を発生するモータ４１と、モータ４１を制御するモータドライバ４２と、バッテリ１１の残容量を表示する残容量表示部４３とが設けられる。モータドライバ４２にはバッテリ１１から電流が供給される。
【００１４】
バッテリ１１には、例えば１．２（Ｖ）のＮｉ−ＭＨ電池を１セルとし、それを２０個集合させた２４（Ｖ）−５Ａｈのものを用いることができる。１セルのＮＰｔｔは１．２程度のもので、単２サイズのバッテリ２０本で５Ａｈを達成するコンパクトで高エネルギの密度のものが使用される。
【００１５】
なお、上記システムの各部は、上記区分けに限らず、電動車両の形態等によって変形し得る。例えば、充電電流検出部２２、充電電圧検出部２３、充電制御部２５、およびＥＣＵ２８は充電器２にではなく、電池部１に設けてもよい。また、残容量表示部４３を車体４に代えて、もしくは車体４とともに電池部１に設けてもよい。
【００１６】
上記システムにおけるバッテリ１１の充電制御は、満充電（バッテリの規定容量の１００％の充電状態）近傍における満充電未満（例えば、９７％）の充電状態で充電を停止する第１充電制御（以下、「通常充電」という）と、満充電を所定量超えた状態で充電を停止する第２充電制御（以下、「リフレッシュ充電」という）とを含む。概略的には、通常充電モードで複数回充電される毎（所定充電回数毎、または１回充電毎に発生させる乱数が所定値と一致する毎）にリフレッシュ充電が行われる。
【００１７】
フローチャートを参照して充電制御を詳細に説明する。図２は通常充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１０１〜Ｓ１０８は充電前温度判定処理である。ステップＳ１０１では、表示部２７で「充電中」の表示を行う。ステップＳ１０２では、、バッテリ温度検出部１２でバッテリ温度ＴB0を検出する。ステップＳ１０３では、バッテリ温度ＴB0が、予め設定されている充電開始温度Ｔmax以下か否かの判断がなされる。充電開始温度Ｔmaxは例えば４０°〜５０°Ｃに設定される。この判断が肯定となるまで、所定の待ち時間（ＲＥＳＴ）をおいてステップＳ１０３の処理が繰り返される。ステップＳ１０３が肯定になれば、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、環境温度検出部２１で環境温度ＴA0を検出する。ステップＳ１０５では、充電回数カウンタＮ１をインクリメント（＋１）する。充電回数カウンタＮ１の値によりバッテリ１１の総充電回数を検出できる。ステップＳ１０６では、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が、予め設定されている充電開始温度差ΔＴOK以下か否かの判断がなされる。充電開始温度差ΔＴOKは例えば０〜１０°Ｃに設定される。
【００１８】
環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度ΔＴOK以下になれば、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、カウンタＮ２の値が基準値Ｎref以上か否かを判断する。カウンタＮ２はバッテリ１１の総充電回数を計数するカウンタＮ１とは違い、リフレッシュ充電間の通常充電回数を計数するために使用される。したがって、リフレッシュ充電の終了毎に「１」でリセットされる（ステップＳ１３８参照）。
【００１９】
カウンタＮ２の値が基準値Ｎref以上であれば、ステップＳ１２１（図４）に進む。ステップＳ１２１からリフレッシュ充電の処理に入る。一方、カウンタＮ２の値が基準値Ｎref未満ならばステップＳ１０９からステップＳ１１３（図３）に進み、充電手順が開始される。このように、通常充電が所定回数以上行われ、前回のリフレッシュ充電から間があいたときにリフレッシュ充電が選択される。基準値Ｎrefは２０回未満、好ましくは１０回とするのがよい。その理由は図７に関して後述する。
【００２０】
なお、カウンタＮ２の値で充電モードを選択するのに限らず、変形可能である。例えば、乱数を発生させ、発生した乱数Ｎranが基準値Ｎrefと一致したか否かを判断する。通常充電１０回毎にリフレッシュ充電を１回実施するようにしたい場合は、０〜９の乱数を発生させる。そして、基準値Ｎrefは０〜９のうちの一つに決定する。この設定により、発生された乱数Ｎranが基準値Ｎrefと一致した場合は、ステップＳ１２１（図４）に進む。こうして、おおよそ１０回毎にリフレッシュ充電が選択される。
【００２１】
環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度ΔＴOK以下になっていない場合は、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、「お急ぎ充電」指示がなされているか否かを判断する。「お急ぎ充電」は、通常充電で充電を停止するため設定される満充電未満の基準充電量よりも低めの充電量で充電を停止させる特殊な動作モードをいい、短時間で充電を終了したい要請に応えられる。例えば、「お急ぎ充電スイッチ」を充電器２に設けておき、このスイッチのオン・オフいかんによってステップＳ１０７の判断が決定される。なお、「お急ぎ充電」のモードを備えるかどうかは任意である。
【００２２】
「お急ぎ充電」で充電を停止させる判断基準となる充電量は、例えばバッテリ１１の温度上昇率により判断される。この判断基準となる充電量に対応する基準温度上昇率を予め設定しておき、この基準温度上昇率に相当するバッテリ１１の温度上昇が検出された場合に充電を停止する（ステップＳ１２０参照）。
【００２３】
「お急ぎ充電」が選択されていたならば、ステップＳ１０７は肯定となり、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、充電回数を計数するカウンタＮ２の値が基準値Ｎref以上か否かを判断する。カウンタＮ２の値が基準値Ｎref未満ならばステップＳ１１０からステップＳ１１２（図３）に進み、充電が開始される。カウンタＮの値が基準値Ｎref以上であればステップＳ１１１に進み、表示器２７で注意喚起のため「お急ぎ充電不可」の表示を行わせる。続いて、ステップＳ１２１（図４）に進み、リフレッシュ充電の処理を開始する。なお、ステップＳ１１０の判断機能は、ステップＳ１０９と同様、乱数を基準値と比較して判断する機能に置き換えることができる。
【００２４】
前記ステップＳ１０７が否定、つまり「お急ぎ充電」が選択されていなかった場合は、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が、予め設定されている充電開始温度差ΔＴOK以下か否かの判断がなされる。ステップＳ１０８が否定ならば、所定の待ち時間をおいてステップＳ１０８の判断が継続される。ステップＳ１０８が肯定ならば、ステップＳ１０９に進む。
【００２５】
図３は、通常充電の第２要部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１１３では、算出式（式１）を使用してカットオフ電圧Ｖｃを算出する。Ｖｃ＝Ｖ0-（ＴA0-25）×α＋β…（式１）。カットオフ電圧の算出式に関してはさらに後述する。ステップＳ１１４では充電を開始する。通常充電では、一定の充電電流、例えば１．６アンペアの電流を供給して充電を行う。
【００２６】
ステップＳ１１５では、バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧Ｖｃ以上か否かを判断する。バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧以上であれば満充電に対する所定割合、例えば９７％の充電量が充電されたと判断されるので、ステップＳ１１６で充電を停止する。ステップＳ１１７ではカウンタＮ２の値をインクリメントする。ステップＳ１０９およびステップＳ１１０を乱数により判断するようにすれば、このステップＳ１１７は削除できる。続いて、ステップＳ１１８では、表示部２７に「充電終了」を表示させる。
【００２７】
ステップＳ１１５が否定の場合、つまり充電量が所定値に達していないと判断される場合は、ステップＳ１１９に進み、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が、予め設定されている充電開始温度差ΔＴOK以下か否かを判断する。環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度差ΔＴOK以下であればステップＳ１１５で判断を続けるが、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度差ΔＴOK以上あればステップＳ１２０に進んで、バッテリ温度の変化量ΔＴ／Δｔが所定値、例えば毎分１°Ｃ以上であるか否かを判断する。バッテリ温度は充電量が満充電の９０〜９５％になると急に温度上昇率が大きくなる。そこで、このように温度変化率が所定値以上か否かで充電量が約９０％以上になったかどうかを判別することができる。ステップＳ１２０が肯定ならば、「お急ぎ充電」に見合った充電量が得られたと判断してステップＳ１１６に進み、充電を停止する。
【００２８】
なお、「お急ぎ充電」に対応する充電量が得られたか否かを、温度変化率で判断するのに代えて、充電カットオフ電圧を、２段に設定して、その内の低い方を「お急ぎ充電」終了判断用のカットオフ電圧とし、高い方を「お急ぎ充電」以外の通常充電終了判断用のカットオフ電圧とすることができる。
【００２９】
続いて、リフレッシュ充電の処理を説明する。図４はリフレッシュ充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１２１では、容量計算部１３でバッテリ１１の残容量Ｃを検出する。ステップＳ１２２では、残容量Ｃが放電基準残容量ΔＣ以下か否かを判断する。通常充電を繰り返すと、「充電メモリ効果」により、所定充電電圧における充電量が減少するとともに、放電容量も低下する。そこで、リフレッシュ充電に先立ってバッテリの残容量を検出し、これが放電器基準容量ΔＣ以下であれば、放電を行ってバッテリ１１の放電カーブを初期の状態に回復させる。
【００３０】
ステップＳ１２２が肯定ならば、ステップＳ１２３に進んで、追加放電つまり「リフレッシュ放電」を開始する。ステップＳ１２４では、バッテリ電圧Ｖが所定の放電カットオフ電圧Ｖｄ以下であるか否かを判断する。バッテリ電圧Ｖが放電カットオフ電圧Ｖｄ以下であれば、ステップＳ１２５に進んでバッテリ温度ＴB0がＴmax以下であるかを判断する。放電によりバッテリ温度は上昇するので、これが所定の充電開始温度まで下がるのを待って、充電に移行するためである。
【００３１】
バッテリ温度が下がったと判断されたならばステップＳ１２６に進み、カウンタＮ３を「１」でリセットする。カウンタＮ３はリフレッシュ放電後のリフレッシュ充電回数を判断するために設けられる。
【００３２】
ステップＳ１２２が否定であれば、ステップＳ１２７に進み、カウンタＮ３の値が放電基準カウンタＮdis以下か否かを判断する。この判断が否定ならば、ステップＳ１２３に移行する。つまり、所定回数Ｎdisを超過する回数、リフレッシュ放電を行っていない場合は、バッテリ１１の残容量Ｃが放電基準残容量ΔＣより大きい場合であってもリフレッシュ放電を行うよう処理される。
【００３３】
ステップＳ１２７が肯定ならば、ステップＳ１２８でカウンタＮ３をインクリメントする。なお、リフレッシュ放電が終了したならば、残容量表示部４３の残容量のゼロ表示を更正するため、容量指示データ「０」を出力する。
【００３４】
図５は、リフレッシュ放電の第２要部のフローチャートである。図４のステップＳ１２８に続いて、図５のステップＳ１２９に進み、カットオフ電圧Ｖｃを式１を使って算出する。ステップＳ１３０で充電を開始する。リフレッシュ充電は２段階の充電電流により行う。その理由は図６に関して後述する。ここでは、高い電流（例えば２．５アンペア）により第１段目の充電を開始する。ステップＳ１３１では、バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧Ｖｃ以上か否かを判断する。バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧以上であれば満充電に対する所定割合、例えば９７％の充電量が充電されたと判断されるので、ステップＳ１３２で充電を停止する。ステップＳ１３３では、前記第１段目の充電電流より低い電流（例えば１．０アンペア）により第２段目の充電を開始する。
【００３５】
ステップＳ１３４では、バッテリ１１の電圧変化Ｖdrpが基準降下電圧-ΔＶ以上か否かを判断する。基準降下電圧-ΔＶは所定処理時間ｄｔ内の変化電圧であり、例えば５０mVに設定する。すなわち、ステップＳ１３４では、バッテリ電圧Ｖが垂下傾向になったか否かが判断される。バッテリ電圧が垂下傾向になったならば、充電量が満充電を超えた（飽和した）と判断されるので、ステップＳ１３５で充電を停止する。
【００３６】
ステップＳ１３６では、充電中の最大バッテリ電圧Ｖmax(n)とバッテリ１１の最大温度Ｔmax(n)とを記録する。これらバッテリ電圧と温度とを記録した後、リフレッシュ充電が終了したので、残容量表示部４３の残容量の満充電表示を更正するため、容量指示データ「１００」を出力する。
【００３７】
ステップＳ１３７ではカットオフ電圧の、バッテリ劣化係数βを算出する。バッテリ１１は劣化するので、カットオフ電圧を固定のまま補正しないと、正確に充電量を制御できないからである。補正のための算出式は式１の説明と併せて後述する。ステップＳ１３８では、カウンタＮ２を「１」でリセットする。ステップＳ１０９およびステップＳ１１０を乱数に基づいて判断するように変形した場合はステップＳ１３８は削除できる。ステップＳ１３９では、表示部２７に「充電終了」を表示させる。
【００３８】
図６はリフレッシュ充電の際の充電時間の経過に伴うバッテリ電圧Ｖとバッテリ温度ＴB1の変化を示す図であり、上述の２段階充電をした場合と、一定電流で充電したときのものを示す。同図において、２段階充電時のバッテリ電圧Ｖは線Ｖ(2)で、１段階充電時のバッテリ電圧Ｖは線Ｖ(1)で示す。また、２段階充電時のバッテリ温度ＴB1は線Ｔ(2)で示し、１段階充電時のバッテリ温度ＴB1は線Ｔ(1)で示す。
【００３９】
図示のように、２段階充電では、第１段階において高い電流（２．５アンペア）で充電するので、比較的短時間で満充電（９７％）に近い充電量に達することができる。したがって、その後に低電流（１．０アンペア）による充電に移行したとしても、合計でも短時間で満充電を超える充電を行うことができる。
【００４０】
１段階充電のように、通常充電と同じ電流（１．６アンペア）で一貫して充電を行うと、全充電時間は２段階充電の場合よりも大幅に長時間化する。さらに、長時間をかけた１段階充電と、充電時間の短い２段階充電とでは、バッテリ温度ＴB1にΔＴだけの違いがある。
【００４１】
このような２段階充電によれば、満充電超えのリフレッシュ充電を行った場合でも、通常充電と変わらない短時間で充電が終了する。したがって、通常充電とリフレッシュ充電とを意識していないユーザに対して、充電時間の違いによる違和感を生じさせない。また、バッテリ温度ＴB1の上昇度合も少ないので、バッテリの耐久性も向上する。
【００４２】
図７は通常充電の回数と充電量の変化の関係を示す図である。同図において、充電回数が１０回までは初期の充電特性カーブに乗って充電量は増大するので、大きい充電量が得られる（線Ａ）。しかし、充電回数が多くなる程、充電特性に変化を生じ、満充電に対応するバッテリ電圧Ｖにあっても、初期状態のように大きい充電量は得られない。充電回数が２０回までは線Ｂに示すようにほぼ実用的な充電量5Ahであるが、充電回数が２０回を超え、２５回になると（線Ｃ）、充電量4.7Ahまで低下するので、実用上好ましくない。本実施形態では、カウンタＮ２との比較基準値Ｎrefを「１０」としたので、仮に「お急ぎ充電」が頻繁に行われたとしても、少なくとも充電回数１０回のうち１回はリフレッシュ充電が行われる。
【００４３】
図８は環境温度ＴA0と充電終了電圧Ｖ１との関係を示す図である。この図のように、環境温度ＴA0によって充電終了電圧Ｖ１は変化する。すなわち、環境温度ＴA0が高くなるにつれて充電終了電圧は低下する。したがって、充電を終了させるか否かの判断基準となるカットオフ電圧Ｖｃも、この充電終了電圧Ｖ１と同様、環境温度に応じて変化させるのがよい。上記式１はこのような充電終了電圧Ｖ１の特性に基づいて決定されている。
【００４４】
図８において、環境温度２５°Ｃのときの充電終了電圧を基準電圧Ｖ0とする。基準電圧Ｖ0は例えば２９．６Ｖである。環境温度が２５°Ｃから偏倚した場合、充電終了電圧Ｖ１はその偏倚量に比例して変化する。したがって、環境温度ＴA0に対応するカットオフ電圧Ｖｃは、式１ａに示すように、基準電圧Ｖ0から環境温度ＴA0と基準環境温度２５°Ｃとの差に、補正係数α（例えば０．０１）を乗算した値を除した値とすることができる。Ｖｃ＝Ｖ0-（ＴA0-25）×α）…（式１ａ）。
【００４５】
先に示した式１では、式１ａで算出されるカットオフ電圧Ｖｃに対してさらに係数βを加算している。この係数βは、充電回数を重ねる毎に劣化するバッテリの特性を考慮した劣化係数である。ステップＳ１３７で行われる劣化係数βの算出では次の計算式が使用される。β＝｛（Ｖmax(1)／Ｖmax(R)）-（Ｔmax(1)-２５）×γ｝-｛Ｖmax(n)／Ｖmax(R)）-（Ｔmax(n)-２５）×γ｝…（式２）。
【００４６】
式２において、Ｖmaxは充電毎のバッテリ最大電圧（満充電電圧）、Ｔmaxは充電毎のバッテリ最大温度である。また、それぞれに付加されている符号(1)はそれぞれの初期値つまり初回充電時の値、符号(n)は現在値、符号(R)は基準値であることを示す。この基準値は環境温度２５°Ｃのときの値である。バッテリは劣化するので、式２において、バッテリ電圧Ｖmax(n)はバッテリ電圧Ｖmax(1)より低くなり、バッテリ温度Ｔmax(n)はバッテリ温度Ｔmax(1)より高くなる。したがって、係数βは充電回数を重ねるほど大きい値となり、カットオフ電圧Ｖｃは高くなるように劣化補正される。なお、式２において係数γは温度補正係数である。
【００４７】
次に、残容量表示部４３によるバッテリ１１の残量表示方法を説明する。図９はバッテリの放電曲線を示す図である。図示のようにバッテリの初期状態で、規定のバッテリ電圧Ｖ0のときに放電容量ＡＨ１であったとする。このバッテリが劣化すると、規定のバッテリ電圧Ｖ0のときに放電容量ＡＨ２（＜ＡＨ１）になる。つまり、劣化したバッテリは、初期状態のバッテリよりも早い時期に空になる。したがって、初期状態の満充電状態の位置に「Ｆull」の指標を置き、バッテリの初期状態における空の位置に「Ｅｍｐｔｙ」の指標を置いて、残量表示部４３のスケールつまり表示範囲を設定すると、劣化時には残容量が空になっても、残量指針は「Ｅｍｐｔｙ」を指さない。図９に示したように「Ｅｍｐｔｙ」の移動が生じる。この場合、ユーザがバッテリの劣化を認識していないと、残容量がないのにもかかわらず、あるものと誤認することがある。
【００４８】
そこで、本実施形態では、バッテリに劣化を生じて規定電圧値に対応する放電容量が低下した場合には、これに合わせて残容量表示部４３のスケールを狭めるようにした。
【００４９】
図１０はバッテリ劣化前の残容量表示部４３の正面図、図１１はバッテリ劣化時の残容量表示部４３の正面図である。図１０，図１１において、残容量表示部４３の表示エリアは残容量表示エリア４３１と警告エリア４３２とからなる。残量指針４３３は残量表示エリア４３１と警告エリア４３２とをカバーして動き、残容量に対応した位置を指す。警告エリア４３２を表示するための部分円板つまり扇形プレート５０は、残量表示エリア４３１の部分円形窓５１と同じ曲率を有していて、部分円形窓５１の曲率に沿って、該部分円形窓５１に重なる位置まで変位可能に構成される。扇形プレート５０は警告エリア４３２を示す第１着色部分５０１に加えて、残容量１／２の位置を示す目盛および「１／２」の文字表示を有する第２着色部分５０２を備える。これら着色部分５０１，５０２の境目には空の位置を示す目盛および「Ｅ」の文字表示を設ける。さらに、満充電の位置を示す目盛および「Ｆ」の文字表示を残量表示エリア４３１に設ける。
【００５０】
上記構成において、バッテリが劣化していない状態では、図１０に示すように、扇形プレート５０は残量指針４３３の回動中心と同じ回転中心で図中反時計方向寄りの位置に変位している。この状態では「Ｅ」の文字表示とその目盛が部分円形窓５１の左端に位置している。したがって、「１／２」の文字表示およびその目盛は部分円形窓５１の中央に位置している。
【００５１】
一方、バッテリが劣化したときは、図１１に示すように、扇形プレート５０を劣化相当分だけ時計方向に変位させる。すなわち、バッテリの絶対容量に対するリフレッシュ充電時に検出される満充電容量（相対容量）の割合を算出し、この割合に従って扇形プレート５０を移動させる。したがって、この状態では「Ｅ」の文字表示とその目盛が部分円形窓５１の左端から中央方向にずれて位置する。結果的に、残容量表示エリア４３１の低残容量範囲の変位により残容量表示エリア４３１が狭められる。つまり表示スケールが縮小される。但し、低残容量範囲がずれて表示スケールは縮小されるが、低残容量範囲つまり警告エリア４３２自体の大きさは変化していない。したがって、警告エリア４３２のユーザに対する警告機能を維持しながら、バッテリ１１の劣化に関してもユーザに認識をさせることができる。
【００５２】
このように、空を表す「Ｅ」の文字とその目盛とが変位して表示スケールが縮小されることにより、ユーザはバッテリの劣化およびその程度を容易に認識することができる。なお、表示スケールの縮小は空の表示位置をずらすのに限らず、満充電の表示位置を空の側にずらすことによっても実現できる。
【００５３】
表示スケールを劣化の程度に応じて縮小する残容量表示部４３は上記アナログ式表示に限らず、デジタル式のセグメント表示によっても実現することができる。図１２は劣化前のバッテリ残容量のセグメント表示例、図１３は劣化時のバッテリ残容量のセグメント表示例を示す図である。図１２に示すように劣化前には１０個のセグメントが残容量表示範囲として設定されていたものが、図１３に示すように劣化時には残容量表示範囲は８個のセグメントに縮小され、残りの２個のセグメントは警告エリアとして使用される。
【００５４】
図１４は、上記実施形態の要部機能を示すブロック図である。同図において、通常充電部６は満充電未満で充電を停止する第１充電制御を行い、リフレッシュ充電部７は、満充電を所定量超えた状態で充電を停止する第２充電制御を行う。電源３から供給される電流は、これら通常充電部６およびリフレッシュ充電部７のいずれかを介してバッテリ１１に供給される。いずれかの充電部が、切替部８の切替えによって選択される。切替部８は、通常充電の回数を計数するカウンタ９の値Ｎ２が所定値（２０回未満であることが好ましい）になったときにリフレッシュ充電部７側に切り替えられる。カウンタ９はリフレッシュ充電部７による充電が終了したときにリセットされる。
【００５５】
カウンタ９は、乱数発生器から発生される乱数が所定値であった場合に、切替部８に対してリフレッシュ充電部７への切替を指示する機能で置き換えることができる。この機能を使用すれば、マイクロコンピュータのプログラム上の処理で充電部の切り替えを行うことができるので、ハードウェアの追加が少なくてすむ。
【００５６】
通常充電部６では、充電時間を短縮した「お急ぎ充電」つまり短縮充電が可能である。このために、通常充電部６には充電停止基準としてのカットオフ電圧が２種類設定される。一つは、カットオフ電圧演算部１５で演算される第１カットオフ電圧であり、他の一つは短縮カットオフ電圧設定部１６によって設定される、第１カットオフ電圧より低い第２カットオフ電圧である。これにより、「お急ぎ充電」では比較的短時間で充電を終了させることができる。なお、「お急ぎ充電」の終了時点を、電圧基準によるのではなく、バッテリ温度の上昇率が所定値を超過したときを基準とすることができる。
【００５７】
「お急ぎ充電」は、図示しないお急ぎ充電スイッチが操作されてカットオフ電圧指定部１７で前記第２カットオフ電圧が指定されたときに行うようにできる。但し、カウンタ９がカウントアップした場合には、リフレッシュ充電部７による充電が選択されるので、表示部２７の機能である短縮充電拒否表示部１８で、「お急ぎ充電不可」等の注意表示が行われる。
【００５８】
通常充電部６およびリフレッシュ充電部で使用されるカットオフ電圧は、基準電圧Ｖ0を、環境温度検出部２１で検出される環境温度ＴA0で補正することによって決定される。さらに、基準満充電電圧、初期満充電電圧Ｖmax(1)、現在満充電電圧Ｖmax(n)、初期最大バッテリ温度Ｔmax(1)、現在最大バッテリ温度Ｔmax(n)に基づいてバッテリ１１の劣化補正が行われる。初期満充電電圧Ｖmax(1)および現在満充電電圧Ｖmax(n)は充電電圧検出部２３で検出され、初期最大バッテリ温度Ｔmax(1)および現在最大バッテリ温度Ｔmax(n)はバッテリ温度検出部１２で検出される。
【００５９】
電圧垂下検出部２９は、充電中増大傾向にあったバッテリ電圧が垂下傾向に転じたことを検出する。バッテリ電圧が垂下傾向を示した場合は、バッテリ容量が飽和したと判断できるので、リフレッシュ充電を停止させる。このように、リフレッシュ充電では、バッテリ電圧が所定のカットオフ電圧に達したときに充電を終えるのではなく、飽和状態の検出により充電を停止する。
【００６０】
図１５は、本実施形態の第２の要部機能を示すブロック図である。リフレッシュ充電は所定条件の下に、リフレッシュのための放電を行った後、実施される。放電器２４の機能としてのリフレッシュ放電部３２はバッテリ１１の放電特性を回復するための機能である。残容量判別部３３はバッテリ１１の残容量が基準残容量以下かどうかを判別し、残容量が基準残容量以下であればリフレッシュ放電部３２に放電指示を出力する。カウンタ３４は残容量判別部３３の判別結果によりリフレッシュ放電指示がなされなかった場合にインクリメントされる。つまりカウンタ３４のカウンタ値はリフレッシュ放電の間隔を代表する。そして、カウンタ３４の値が、予め定められるリフレッシュ放電の判断基準値に達したときは、カウントアップする。リフレッシュ放電部３２は、バッテリ１１の残容量が基準残容量より多い場合であっても、カウンタ３４のカウントアップに応答してバッテリ１１をリフレッシュのため放電する。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１〜６の発明によれば、所定回数または乱数と所定回数とが一致するまで満充電未満で停止する充電が行われたときは、次の充電が満充電超えで停止するようにできる。したがって、満充電未満での充電が続きすぎるのを防止して、劣化したバッテリの極板をリフレッシュできる上、各セルの劣化のバラツキも無くすることができるので、結果的にバッテリの耐久性が向上する。また、満充電未満での充電が主となるので、極板の容量に余裕分を持たないでもよくなり、局部電池反応による負極の容量低減に配慮しない限界設計が可能となる。すなわち、負極の容量を大きくしない、ＮＰ比を小さくしたコンパクトで高容量なバッテリを提供することができる。
【００６２】
請求項２の発明によれば、乱数発生手段をコンピュータプログラムで構成できるのでハードウェアとしてのカウンタを必要とせず、ハードウェア構成が簡素化する。
【００６３】
請求項４の発明によれば、満充電から一層少ない充電容量で充電を停止できるので、短時間で充電を終了したい要請に応えることができる。また、請求項６の発明によれば、短時間で充電を終了できるはずの選択をしたのに、満充電超えまで充電を行うようになった場合に、表示によって、ユーザに不審を抱かせないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るバッテリ充電制御装置を含む電動車両のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】 通常充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。
【図３】 通常充電の第２要部の処理を示すフローチャートである。
【図４】 リフレッシュ充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。
【図５】 リフレッシュ放電の第２要部のフローチャートである。
【図６】 リフレッシュ充電の際の充電時間の経過に伴うバッテリ電圧とバッテリ温度の変化を示す図である。
【図７】 通常充電の回数と充電量の変化の関係を示す図である。
【図８】 環境温度と充電終了電圧との関係を示す図である。
【図９】 バッテリの放電曲線を示す図である。
【図１０】 バッテリ劣化前の残容量表示部の正面図である。
【図１１】 バッテリ劣化時の残容量表示部の正面図である。
【図１２】 劣化前のバッテリ残容量のセグメント表示例を示す図である。
【図１３】 劣化時のバッテリ残容量のセグメント表示例を示す図である。
【図１４】 本発明の一実施形態の要部機能を示すブロック図である。
【図１５】 本発明の一実施形態に係る第２要部の機能を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…電池部、 ２…充電器、 ３…電源、 ４…車体、 ６…通常充電部、 ７…リフレッシュ充電部、 ８…切替部、 ９…カウンタ、 １１…バッテリ、 １２…バッテリ温度検出部、 １５…カットオフ電圧検出部、１７…カットオフ電圧指定部、 １８…短縮充電拒否表示部、 ２１…環境温度検出部、 ２３…充電電圧検出部、 ２７…表示部、 ２８…ＥＣＵ、 ２９…電圧垂下検出部、３２…リフレッシュ放電部
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電制御装置に関し、特に、二次電池の耐久性を高めること、すなわち初期の充放電性能を長期間維持するのに好適な二次電池の充電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽極（正極）の電極材にニッケル酸化物を採用するニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等の充電に際し、満充電状態になると正極で酸素ガスが発生する。酸素ガスの発生を放置すると二次電池の内部圧力が上昇するので、発生した酸素ガスは陰極（負極）表面で局部電池反応させて消費させている。一般に、この局部電池反応による容量の漸減を見越して、負極の容量を正極の容量より大きく設定してある。例えば、負極の容量と正極の容量との比の値(ＮＰ比)は１．６５〜２．０程度に設定される。しかし、電池の充電容量は正極律速であるため、負極容量が大きくても二次電池が大型化するだけであって、充電容量の増大は望めない。
【０００３】
そこで、充電に際して、満充電未満（例えば９７％）で充電を停止させて、酸素ガスの発生を抑制する充電方法が採られる（特開平５−１１１１７５号公報）。これにより、局部電池反応による負極の容量低減を防止できるので、結果的に負極の容量を小さくして二次電池の小型化つまり充電容量の増大を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、満充電未満で充電を停止させれば、二次電池の耐久性の点では好ましい。しかし、常に満充電未満で充電を停止していると、極板の数パーセント分が利用されない状態が繰り返される。その結果、利用されない数パーセント分の極板が劣化して充電量に寄与しないようになる。
【０００５】
充電を停止するための基準充電量を代表する電圧基準値（カットオフ電圧）を極力満充電近くに設定することで、前記充電量に寄与しない分の極板を削減できる。しかし、二次電池の電圧は二次電池や環境の温度に依存するため、二次電池の電圧がカットオフ電圧に達したことを正確に検出するのが容易ではなく、正確な制御が期待できない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、満充電未満での充電の繰り返しによる満充電量の低減を防止することができる二次電池の充電制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、二次電池の充電制御装置において、満充電未満で充電を停止する第１充電制御手段と、満充電以上で充電を停止する第２充電制御手段と、前記第１充電制御手段による充電が所定回数連続したことを判別する充電回数判別手段と、前記充電回数判別手段により第１充電制御手段による充電が所定回数連続したと判断した場合、次の充電を前記第２充電制御手段で行うための切り替えを行う制御手段切替手段と、前記第１充電制御手段で充電を停止させるために２段階設定されている満充電未満の電池容量のいずれかを選択する選択手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、二次電池の充電制御装置において、満充電未満で充電を停止する第１充電制御手段と、満充電以上で充電を停止する第２充電制御手段と、前記第１充電制御手段による１回の充電毎に乱数を発生させる乱数発生手段と、前記乱数発生手段で発生させる乱数が、該発生される乱数の最大値以下の所定数と一致した場合、次の充電を前記第２充電制御手段で行うための切り替えを行う制御手段切替手段とを具備した点に第２の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、第２の特徴に加え、前記第１充電制御手段で充電を停止させるため満充電未満の電池容量が２段階設定されているとともに、前記２段階の電池容量のいずれかを選択する選択手段を具備した点に第３の特徴がある。さらに、前記選択手段により前記２段階の電池容量のうち、低い方が選択されていて、かつ前記充電回数判別手段で満充電未満の充電を所定回数判別した場合は第２充電制御手段に切替えが行われる際に前記選択がキャンセルされたことを表示する表示手段をさらに具備した点に第４の特徴がある。
【００１１】
上記第１〜第４の特徴によれば、満充電未満で充電が停止される第１充電制御が所定回数以上連続した場合には、満充電超えで充電を停止する第２充電制御が介在されて充電される。
【００１２】
特に、第１および第３の特徴によれば、満充電未満において、満充電に近い電池容量に達する前に設定された、満充電から遠い電池容量に達したところで充電を停止させる選択をすることができる。そして、第４の特徴では、第１または第３の特徴によってより少ない電池容量が選択されたにもかかわらず、第２充電制御で充電しなければならない状態になったときには、その旨の表示をしてユーザに不審を抱かせないようにできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、二次電池（以下、「バッテリ」という）とその充電器とを含む電動車両のシステム構成を示すブロック図である。同図において、電池部１にはバッテリ１１、バッテリ温度検出部１２、バッテリ容量計算部１３、およびメモリ１４が設けられる。一方、充電器２には、環境温度検出部２１、充電電流検出部２２、充電電圧検出部２３、放電器２４、充電制御部２５、ＡＣ／ＤＣコンバータ２６、表示部２７、およびマイクロコンピュータを含むＥＣＵ２８が設けられる。充電器２には、例えば家庭用１００ボルト電源等の電源３からＡＣ／ＤＣコンバータ２６を介して電流が供給される。車体４には車体の動力を発生するモータ４１と、モータ４１を制御するモータドライバ４２と、バッテリ１１の残容量を表示する残容量表示部４３とが設けられる。モータドライバ４２にはバッテリ１１から電流が供給される。
【００１４】
バッテリ１１には、例えば１．２（Ｖ）のＮｉ−ＭＨ電池を１セルとし、それを２０個集合させた２４（Ｖ）−５Ａｈのものを用いることができる。１セルのＮＰｔｔは１．２程度のもので、単２サイズのバッテリ２０本で５Ａｈを達成するコンパクトで高エネルギの密度のものが使用される。
【００１５】
なお、上記システムの各部は、上記区分けに限らず、電動車両の形態等によって変形し得る。例えば、充電電流検出部２２、充電電圧検出部２３、充電制御部２５、およびＥＣＵ２８は充電器２にではなく、電池部１に設けてもよい。また、残容量表示部４３を車体４に代えて、もしくは車体４とともに電池部１に設けてもよい。
【００１６】
上記システムにおけるバッテリ１１の充電制御は、満充電（バッテリの規定容量の１００％の充電状態）近傍における満充電未満（例えば、９７％）の充電状態で充電を停止する第１充電制御（以下、「通常充電」という）と、満充電を所定量超えた状態で充電を停止する第２充電制御（以下、「リフレッシュ充電」という）とを含む。概略的には、通常充電モードで複数回充電される毎（所定充電回数毎、または１回充電毎に発生させる乱数が所定値と一致する毎）にリフレッシュ充電が行われる。
【００１７】
フローチャートを参照して充電制御を詳細に説明する。図２は通常充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１０１〜Ｓ１０８は充電前温度判定処理である。ステップＳ１０１では、表示部２７で「充電中」の表示を行う。ステップＳ１０２では、、バッテリ温度検出部１２でバッテリ温度ＴB0を検出する。ステップＳ１０３では、バッテリ温度ＴB0が、予め設定されている充電開始温度Ｔmax以下か否かの判断がなされる。充電開始温度Ｔmaxは例えば４０°〜５０°Ｃに設定される。この判断が肯定となるまで、所定の待ち時間（ＲＥＳＴ）をおいてステップＳ１０３の処理が繰り返される。ステップＳ１０３が肯定になれば、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、環境温度検出部２１で環境温度ＴA0を検出する。ステップＳ１０５では、充電回数カウンタＮ１をインクリメント（＋１）する。充電回数カウンタＮ１の値によりバッテリ１１の総充電回数を検出できる。ステップＳ１０６では、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が、予め設定されている充電開始温度差ΔＴOK以下か否かの判断がなされる。充電開始温度差ΔＴOKは例えば０〜１０°Ｃに設定される。
【００１８】
環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度ΔＴOK以下になれば、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、カウンタＮ２の値が基準値Ｎref以上か否かを判断する。カウンタＮ２はバッテリ１１の総充電回数を計数するカウンタＮ１とは違い、リフレッシュ充電間の通常充電回数を計数するために使用される。したがって、リフレッシュ充電の終了毎に「１」でリセットされる（ステップＳ１３８参照）。
【００１９】
カウンタＮ２の値が基準値Ｎref以上であれば、ステップＳ１２１（図４）に進む。ステップＳ１２１からリフレッシュ充電の処理に入る。一方、カウンタＮ２の値が基準値Ｎref未満ならばステップＳ１０９からステップＳ１１３（図３）に進み、充電手順が開始される。このように、通常充電が所定回数以上行われ、前回のリフレッシュ充電から間があいたときにリフレッシュ充電が選択される。基準値Ｎrefは２０回未満、好ましくは１０回とするのがよい。その理由は図７に関して後述する。
【００２０】
なお、カウンタＮ２の値で充電モードを選択するのに限らず、変形可能である。例えば、乱数を発生させ、発生した乱数Ｎranが基準値Ｎrefと一致したか否かを判断する。通常充電１０回毎にリフレッシュ充電を１回実施するようにしたい場合は、０〜９の乱数を発生させる。そして、基準値Ｎrefは０〜９のうちの一つに決定する。この設定により、発生された乱数Ｎranが基準値Ｎrefと一致した場合は、ステップＳ１２１（図４）に進む。こうして、おおよそ１０回毎にリフレッシュ充電が選択される。
【００２１】
環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度ΔＴOK以下になっていない場合は、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、「お急ぎ充電」指示がなされているか否かを判断する。「お急ぎ充電」は、通常充電で充電を停止するため設定される満充電未満の基準充電量よりも低めの充電量で充電を停止させる特殊な動作モードをいい、短時間で充電を終了したい要請に応えられる。例えば、「お急ぎ充電スイッチ」を充電器２に設けておき、このスイッチのオン・オフいかんによってステップＳ１０７の判断が決定される。なお、「お急ぎ充電」のモードを備えるかどうかは任意である。
【００２２】
「お急ぎ充電」で充電を停止させる判断基準となる充電量は、例えばバッテリ１１の温度上昇率により判断される。この判断基準となる充電量に対応する基準温度上昇率を予め設定しておき、この基準温度上昇率に相当するバッテリ１１の温度上昇が検出された場合に充電を停止する（ステップＳ１２０参照）。
【００２３】
「お急ぎ充電」が選択されていたならば、ステップＳ１０７は肯定となり、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、充電回数を計数するカウンタＮ２の値が基準値Ｎref以上か否かを判断する。カウンタＮ２の値が基準値Ｎref未満ならばステップＳ１１０からステップＳ１１２（図３）に進み、充電が開始される。カウンタＮの値が基準値Ｎref以上であればステップＳ１１１に進み、表示器２７で注意喚起のため「お急ぎ充電不可」の表示を行わせる。続いて、ステップＳ１２１（図４）に進み、リフレッシュ充電の処理を開始する。なお、ステップＳ１１０の判断機能は、ステップＳ１０９と同様、乱数を基準値と比較して判断する機能に置き換えることができる。
【００２４】
前記ステップＳ１０７が否定、つまり「お急ぎ充電」が選択されていなかった場合は、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が、予め設定されている充電開始温度差ΔＴOK以下か否かの判断がなされる。ステップＳ１０８が否定ならば、所定の待ち時間をおいてステップＳ１０８の判断が継続される。ステップＳ１０８が肯定ならば、ステップＳ１０９に進む。
【００２５】
図３は、通常充電の第２要部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１１３では、算出式（式１）を使用してカットオフ電圧Ｖｃを算出する。Ｖｃ＝Ｖ0-（ＴA0-25）×α＋β…（式１）。カットオフ電圧の算出式に関してはさらに後述する。ステップＳ１１４では充電を開始する。通常充電では、一定の充電電流、例えば１．６アンペアの電流を供給して充電を行う。
【００２６】
ステップＳ１１５では、バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧Ｖｃ以上か否かを判断する。バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧以上であれば満充電に対する所定割合、例えば９７％の充電量が充電されたと判断されるので、ステップＳ１１６で充電を停止する。ステップＳ１１７ではカウンタＮ２の値をインクリメントする。ステップＳ１０９およびステップＳ１１０を乱数により判断するようにすれば、このステップＳ１１７は削除できる。続いて、ステップＳ１１８では、表示部２７に「充電終了」を表示させる。
【００２７】
ステップＳ１１５が否定の場合、つまり充電量が所定値に達していないと判断される場合は、ステップＳ１１９に進み、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が、予め設定されている充電開始温度差ΔＴOK以下か否かを判断する。環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度差ΔＴOK以下であればステップＳ１１５で判断を続けるが、環境温度ＴA0とバッテリ温度ＴB0との差が充電開始温度差ΔＴOK以上あればステップＳ１２０に進んで、バッテリ温度の変化量ΔＴ／Δｔが所定値、例えば毎分１°Ｃ以上であるか否かを判断する。バッテリ温度は充電量が満充電の９０〜９５％になると急に温度上昇率が大きくなる。そこで、このように温度変化率が所定値以上か否かで充電量が約９０％以上になったかどうかを判別することができる。ステップＳ１２０が肯定ならば、「お急ぎ充電」に見合った充電量が得られたと判断してステップＳ１１６に進み、充電を停止する。
【００２８】
なお、「お急ぎ充電」に対応する充電量が得られたか否かを、温度変化率で判断するのに代えて、充電カットオフ電圧を、２段に設定して、その内の低い方を「お急ぎ充電」終了判断用のカットオフ電圧とし、高い方を「お急ぎ充電」以外の通常充電終了判断用のカットオフ電圧とすることができる。
【００２９】
続いて、リフレッシュ充電の処理を説明する。図４はリフレッシュ充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１２１では、容量計算部１３でバッテリ１１の残容量Ｃを検出する。ステップＳ１２２では、残容量Ｃが放電基準残容量ΔＣ以下か否かを判断する。通常充電を繰り返すと、「充電メモリ効果」により、所定充電電圧における充電量が減少するとともに、放電容量も低下する。そこで、リフレッシュ充電に先立ってバッテリの残容量を検出し、これが放電器基準容量ΔＣ以下であれば、放電を行ってバッテリ１１の放電カーブを初期の状態に回復させる。
【００３０】
ステップＳ１２２が肯定ならば、ステップＳ１２３に進んで、追加放電つまり「リフレッシュ放電」を開始する。ステップＳ１２４では、バッテリ電圧Ｖが所定の放電カットオフ電圧Ｖｄ以下であるか否かを判断する。バッテリ電圧Ｖが放電カットオフ電圧Ｖｄ以下であれば、ステップＳ１２５に進んでバッテリ温度ＴB0がＴmax以下であるかを判断する。放電によりバッテリ温度は上昇するので、これが所定の充電開始温度まで下がるのを待って、充電に移行するためである。
【００３１】
バッテリ温度が下がったと判断されたならばステップＳ１２６に進み、カウンタＮ３を「１」でリセットする。カウンタＮ３はリフレッシュ放電後のリフレッシュ充電回数を判断するために設けられる。
【００３２】
ステップＳ１２２が否定であれば、ステップＳ１２７に進み、カウンタＮ３の値が放電基準カウンタＮdis以下か否かを判断する。この判断が否定ならば、ステップＳ１２３に移行する。つまり、所定回数Ｎdisを超過する回数、リフレッシュ放電を行っていない場合は、バッテリ１１の残容量Ｃが放電基準残容量ΔＣより大きい場合であってもリフレッシュ放電を行うよう処理される。
【００３３】
ステップＳ１２７が肯定ならば、ステップＳ１２８でカウンタＮ３をインクリメントする。なお、リフレッシュ放電が終了したならば、残容量表示部４３の残容量のゼロ表示を更正するため、容量指示データ「０」を出力する。
【００３４】
図５は、リフレッシュ放電の第２要部のフローチャートである。図４のステップＳ１２８に続いて、図５のステップＳ１２９に進み、カットオフ電圧Ｖｃを式１を使って算出する。ステップＳ１３０で充電を開始する。リフレッシュ充電は２段階の充電電流により行う。その理由は図６に関して後述する。ここでは、高い電流（例えば２．５アンペア）により第１段目の充電を開始する。ステップＳ１３１では、バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧Ｖｃ以上か否かを判断する。バッテリ電圧Ｖがカットオフ電圧以上であれば満充電に対する所定割合、例えば９７％の充電量が充電されたと判断されるので、ステップＳ１３２で充電を停止する。ステップＳ１３３では、前記第１段目の充電電流より低い電流（例えば１．０アンペア）により第２段目の充電を開始する。
【００３５】
ステップＳ１３４では、バッテリ１１の電圧変化Ｖdrpが基準降下電圧-ΔＶ以上か否かを判断する。基準降下電圧-ΔＶは所定処理時間ｄｔ内の変化電圧であり、例えば５０mVに設定する。すなわち、ステップＳ１３４では、バッテリ電圧Ｖが垂下傾向になったか否かが判断される。バッテリ電圧が垂下傾向になったならば、充電量が満充電を超えた（飽和した）と判断されるので、ステップＳ１３５で充電を停止する。
【００３６】
ステップＳ１３６では、充電中の最大バッテリ電圧Ｖmax(n)とバッテリ１１の最大温度Ｔmax(n)とを記録する。これらバッテリ電圧と温度とを記録した後、リフレッシュ充電が終了したので、残容量表示部４３の残容量の満充電表示を更正するため、容量指示データ「１００」を出力する。
【００３７】
ステップＳ１３７ではカットオフ電圧の、バッテリ劣化係数βを算出する。バッテリ１１は劣化するので、カットオフ電圧を固定のまま補正しないと、正確に充電量を制御できないからである。補正のための算出式は式１の説明と併せて後述する。ステップＳ１３８では、カウンタＮ２を「１」でリセットする。ステップＳ１０９およびステップＳ１１０を乱数に基づいて判断するように変形した場合はステップＳ１３８は削除できる。ステップＳ１３９では、表示部２７に「充電終了」を表示させる。
【００３８】
図６はリフレッシュ充電の際の充電時間の経過に伴うバッテリ電圧Ｖとバッテリ温度ＴB1の変化を示す図であり、上述の２段階充電をした場合と、一定電流で充電したときのものを示す。同図において、２段階充電時のバッテリ電圧Ｖは線Ｖ(2)で、１段階充電時のバッテリ電圧Ｖは線Ｖ(1)で示す。また、２段階充電時のバッテリ温度ＴB1は線Ｔ(2)で示し、１段階充電時のバッテリ温度ＴB1は線Ｔ(1)で示す。
【００３９】
図示のように、２段階充電では、第１段階において高い電流（２．５アンペア）で充電するので、比較的短時間で満充電（９７％）に近い充電量に達することができる。したがって、その後に低電流（１．０アンペア）による充電に移行したとしても、合計でも短時間で満充電を超える充電を行うことができる。
【００４０】
１段階充電のように、通常充電と同じ電流（１．６アンペア）で一貫して充電を行うと、全充電時間は２段階充電の場合よりも大幅に長時間化する。さらに、長時間をかけた１段階充電と、充電時間の短い２段階充電とでは、バッテリ温度ＴB1にΔＴだけの違いがある。
【００４１】
このような２段階充電によれば、満充電超えのリフレッシュ充電を行った場合でも、通常充電と変わらない短時間で充電が終了する。したがって、通常充電とリフレッシュ充電とを意識していないユーザに対して、充電時間の違いによる違和感を生じさせない。また、バッテリ温度ＴB1の上昇度合も少ないので、バッテリの耐久性も向上する。
【００４２】
図７は通常充電の回数と充電量の変化の関係を示す図である。同図において、充電回数が１０回までは初期の充電特性カーブに乗って充電量は増大するので、大きい充電量が得られる（線Ａ）。しかし、充電回数が多くなる程、充電特性に変化を生じ、満充電に対応するバッテリ電圧Ｖにあっても、初期状態のように大きい充電量は得られない。充電回数が２０回までは線Ｂに示すようにほぼ実用的な充電量5Ahであるが、充電回数が２０回を超え、２５回になると（線Ｃ）、充電量4.7Ahまで低下するので、実用上好ましくない。本実施形態では、カウンタＮ２との比較基準値Ｎrefを「１０」としたので、仮に「お急ぎ充電」が頻繁に行われたとしても、少なくとも充電回数１０回のうち１回はリフレッシュ充電が行われる。
【００４３】
図８は環境温度ＴA0と充電終了電圧Ｖ１との関係を示す図である。この図のように、環境温度ＴA0によって充電終了電圧Ｖ１は変化する。すなわち、環境温度ＴA0が高くなるにつれて充電終了電圧は低下する。したがって、充電を終了させるか否かの判断基準となるカットオフ電圧Ｖｃも、この充電終了電圧Ｖ１と同様、環境温度に応じて変化させるのがよい。上記式１はこのような充電終了電圧Ｖ１の特性に基づいて決定されている。
【００４４】
図８において、環境温度２５°Ｃのときの充電終了電圧を基準電圧Ｖ0とする。基準電圧Ｖ0は例えば２９．６Ｖである。環境温度が２５°Ｃから偏倚した場合、充電終了電圧Ｖ１はその偏倚量に比例して変化する。したがって、環境温度ＴA0に対応するカットオフ電圧Ｖｃは、式１ａに示すように、基準電圧Ｖ0から環境温度ＴA0と基準環境温度２５°Ｃとの差に、補正係数α（例えば０．０１）を乗算した値を除した値とすることができる。Ｖｃ＝Ｖ0-（ＴA0-25）×α）…（式１ａ）。
【００４５】
先に示した式１では、式１ａで算出されるカットオフ電圧Ｖｃに対してさらに係数βを加算している。この係数βは、充電回数を重ねる毎に劣化するバッテリの特性を考慮した劣化係数である。ステップＳ１３７で行われる劣化係数βの算出では次の計算式が使用される。β＝｛（Ｖmax(1)／Ｖmax(R)）-（Ｔmax(1)-２５）×γ｝-｛Ｖmax(n)／Ｖmax(R)）-（Ｔmax(n)-２５）×γ｝…（式２）。
【００４６】
式２において、Ｖmaxは充電毎のバッテリ最大電圧（満充電電圧）、Ｔmaxは充電毎のバッテリ最大温度である。また、それぞれに付加されている符号(1)はそれぞれの初期値つまり初回充電時の値、符号(n)は現在値、符号(R)は基準値であることを示す。この基準値は環境温度２５°Ｃのときの値である。バッテリは劣化するので、式２において、バッテリ電圧Ｖmax(n)はバッテリ電圧Ｖmax(1)より低くなり、バッテリ温度Ｔmax(n)はバッテリ温度Ｔmax(1)より高くなる。したがって、係数βは充電回数を重ねるほど大きい値となり、カットオフ電圧Ｖｃは高くなるように劣化補正される。なお、式２において係数γは温度補正係数である。
【００４７】
次に、残容量表示部４３によるバッテリ１１の残量表示方法を説明する。図９はバッテリの放電曲線を示す図である。図示のようにバッテリの初期状態で、規定のバッテリ電圧Ｖ0のときに放電容量ＡＨ１であったとする。このバッテリが劣化すると、規定のバッテリ電圧Ｖ0のときに放電容量ＡＨ２（＜ＡＨ１）になる。つまり、劣化したバッテリは、初期状態のバッテリよりも早い時期に空になる。したがって、初期状態の満充電状態の位置に「Ｆull」の指標を置き、バッテリの初期状態における空の位置に「Ｅｍｐｔｙ」の指標を置いて、残量表示部４３のスケールつまり表示範囲を設定すると、劣化時には残容量が空になっても、残量指針は「Ｅｍｐｔｙ」を指さない。図９に示したように「Ｅｍｐｔｙ」の移動が生じる。この場合、ユーザがバッテリの劣化を認識していないと、残容量がないのにもかかわらず、あるものと誤認することがある。
【００４８】
そこで、本実施形態では、バッテリに劣化を生じて規定電圧値に対応する放電容量が低下した場合には、これに合わせて残容量表示部４３のスケールを狭めるようにした。
【００４９】
図１０はバッテリ劣化前の残容量表示部４３の正面図、図１１はバッテリ劣化時の残容量表示部４３の正面図である。図１０，図１１において、残容量表示部４３の表示エリアは残容量表示エリア４３１と警告エリア４３２とからなる。残量指針４３３は残量表示エリア４３１と警告エリア４３２とをカバーして動き、残容量に対応した位置を指す。警告エリア４３２を表示するための部分円板つまり扇形プレート５０は、残量表示エリア４３１の部分円形窓５１と同じ曲率を有していて、部分円形窓５１の曲率に沿って、該部分円形窓５１に重なる位置まで変位可能に構成される。扇形プレート５０は警告エリア４３２を示す第１着色部分５０１に加えて、残容量１／２の位置を示す目盛および「１／２」の文字表示を有する第２着色部分５０２を備える。これら着色部分５０１，５０２の境目には空の位置を示す目盛および「Ｅ」の文字表示を設ける。さらに、満充電の位置を示す目盛および「Ｆ」の文字表示を残量表示エリア４３１に設ける。
【００５０】
上記構成において、バッテリが劣化していない状態では、図１０に示すように、扇形プレート５０は残量指針４３３の回動中心と同じ回転中心で図中反時計方向寄りの位置に変位している。この状態では「Ｅ」の文字表示とその目盛が部分円形窓５１の左端に位置している。したがって、「１／２」の文字表示およびその目盛は部分円形窓５１の中央に位置している。
【００５１】
一方、バッテリが劣化したときは、図１１に示すように、扇形プレート５０を劣化相当分だけ時計方向に変位させる。すなわち、バッテリの絶対容量に対するリフレッシュ充電時に検出される満充電容量（相対容量）の割合を算出し、この割合に従って扇形プレート５０を移動させる。したがって、この状態では「Ｅ」の文字表示とその目盛が部分円形窓５１の左端から中央方向にずれて位置する。結果的に、残容量表示エリア４３１の低残容量範囲の変位により残容量表示エリア４３１が狭められる。つまり表示スケールが縮小される。但し、低残容量範囲がずれて表示スケールは縮小されるが、低残容量範囲つまり警告エリア４３２自体の大きさは変化していない。したがって、警告エリア４３２のユーザに対する警告機能を維持しながら、バッテリ１１の劣化に関してもユーザに認識をさせることができる。
【００５２】
このように、空を表す「Ｅ」の文字とその目盛とが変位して表示スケールが縮小されることにより、ユーザはバッテリの劣化およびその程度を容易に認識することができる。なお、表示スケールの縮小は空の表示位置をずらすのに限らず、満充電の表示位置を空の側にずらすことによっても実現できる。
【００５３】
表示スケールを劣化の程度に応じて縮小する残容量表示部４３は上記アナログ式表示に限らず、デジタル式のセグメント表示によっても実現することができる。図１２は劣化前のバッテリ残容量のセグメント表示例、図１３は劣化時のバッテリ残容量のセグメント表示例を示す図である。図１２に示すように劣化前には１０個のセグメントが残容量表示範囲として設定されていたものが、図１３に示すように劣化時には残容量表示範囲は８個のセグメントに縮小され、残りの２個のセグメントは警告エリアとして使用される。
【００５４】
図１４は、上記実施形態の要部機能を示すブロック図である。同図において、通常充電部６は満充電未満で充電を停止する第１充電制御を行い、リフレッシュ充電部７は、満充電を所定量超えた状態で充電を停止する第２充電制御を行う。電源３から供給される電流は、これら通常充電部６およびリフレッシュ充電部７のいずれかを介してバッテリ１１に供給される。いずれかの充電部が、切替部８の切替えによって選択される。切替部８は、通常充電の回数を計数するカウンタ９の値Ｎ２が所定値（２０回未満であることが好ましい）になったときにリフレッシュ充電部７側に切り替えられる。カウンタ９はリフレッシュ充電部７による充電が終了したときにリセットされる。
【００５５】
カウンタ９は、乱数発生器から発生される乱数が所定値であった場合に、切替部８に対してリフレッシュ充電部７への切替を指示する機能で置き換えることができる。この機能を使用すれば、マイクロコンピュータのプログラム上の処理で充電部の切り替えを行うことができるので、ハードウェアの追加が少なくてすむ。
【００５６】
通常充電部６では、充電時間を短縮した「お急ぎ充電」つまり短縮充電が可能である。このために、通常充電部６には充電停止基準としてのカットオフ電圧が２種類設定される。一つは、カットオフ電圧演算部１５で演算される第１カットオフ電圧であり、他の一つは短縮カットオフ電圧設定部１６によって設定される、第１カットオフ電圧より低い第２カットオフ電圧である。これにより、「お急ぎ充電」では比較的短時間で充電を終了させることができる。なお、「お急ぎ充電」の終了時点を、電圧基準によるのではなく、バッテリ温度の上昇率が所定値を超過したときを基準とすることができる。
【００５７】
「お急ぎ充電」は、図示しないお急ぎ充電スイッチが操作されてカットオフ電圧指定部１７で前記第２カットオフ電圧が指定されたときに行うようにできる。但し、カウンタ９がカウントアップした場合には、リフレッシュ充電部７による充電が選択されるので、表示部２７の機能である短縮充電拒否表示部１８で、「お急ぎ充電不可」等の注意表示が行われる。
【００５８】
通常充電部６およびリフレッシュ充電部で使用されるカットオフ電圧は、基準電圧Ｖ0を、環境温度検出部２１で検出される環境温度ＴA0で補正することによって決定される。さらに、基準満充電電圧、初期満充電電圧Ｖmax(1)、現在満充電電圧Ｖmax(n)、初期最大バッテリ温度Ｔmax(1)、現在最大バッテリ温度Ｔmax(n)に基づいてバッテリ１１の劣化補正が行われる。初期満充電電圧Ｖmax(1)および現在満充電電圧Ｖmax(n)は充電電圧検出部２３で検出され、初期最大バッテリ温度Ｔmax(1)および現在最大バッテリ温度Ｔmax(n)はバッテリ温度検出部１２で検出される。
【００５９】
電圧垂下検出部２９は、充電中増大傾向にあったバッテリ電圧が垂下傾向に転じたことを検出する。バッテリ電圧が垂下傾向を示した場合は、バッテリ容量が飽和したと判断できるので、リフレッシュ充電を停止させる。このように、リフレッシュ充電では、バッテリ電圧が所定のカットオフ電圧に達したときに充電を終えるのではなく、飽和状態の検出により充電を停止する。
【００６０】
図１５は、本実施形態の第２の要部機能を示すブロック図である。リフレッシュ充電は所定条件の下に、リフレッシュのための放電を行った後、実施される。放電器２４の機能としてのリフレッシュ放電部３２はバッテリ１１の放電特性を回復するための機能である。残容量判別部３３はバッテリ１１の残容量が基準残容量以下かどうかを判別し、残容量が基準残容量以下であればリフレッシュ放電部３２に放電指示を出力する。カウンタ３４は残容量判別部３３の判別結果によりリフレッシュ放電指示がなされなかった場合にインクリメントされる。つまりカウンタ３４のカウンタ値はリフレッシュ放電の間隔を代表する。そして、カウンタ３４の値が、予め定められるリフレッシュ放電の判断基準値に達したときは、カウントアップする。リフレッシュ放電部３２は、バッテリ１１の残容量が基準残容量より多い場合であっても、カウンタ３４のカウントアップに応答してバッテリ１１をリフレッシュのため放電する。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１〜６の発明によれば、所定回数または乱数と所定回数とが一致するまで満充電未満で停止する充電が行われたときは、次の充電が満充電超えで停止するようにできる。したがって、満充電未満での充電が続きすぎるのを防止して、劣化したバッテリの極板をリフレッシュできる上、各セルの劣化のバラツキも無くすることができるので、結果的にバッテリの耐久性が向上する。また、満充電未満での充電が主となるので、極板の容量に余裕分を持たないでもよくなり、局部電池反応による負極の容量低減に配慮しない限界設計が可能となる。すなわち、負極の容量を大きくしない、ＮＰ比を小さくしたコンパクトで高容量なバッテリを提供することができる。
【００６２】
請求項２の発明によれば、乱数発生手段をコンピュータプログラムで構成できるのでハードウェアとしてのカウンタを必要とせず、ハードウェア構成が簡素化する。
【００６３】
請求項４の発明によれば、満充電から一層少ない充電容量で充電を停止できるので、短時間で充電を終了したい要請に応えることができる。また、請求項６の発明によれば、短時間で充電を終了できるはずの選択をしたのに、満充電超えまで充電を行うようになった場合に、表示によって、ユーザに不審を抱かせないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るバッテリ充電制御装置を含む電動車両のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】 通常充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。
【図３】 通常充電の第２要部の処理を示すフローチャートである。
【図４】 リフレッシュ充電の第１要部の処理を示すフローチャートである。
【図５】 リフレッシュ放電の第２要部のフローチャートである。
【図６】 リフレッシュ充電の際の充電時間の経過に伴うバッテリ電圧とバッテリ温度の変化を示す図である。
【図７】 通常充電の回数と充電量の変化の関係を示す図である。
【図８】 環境温度と充電終了電圧との関係を示す図である。
【図９】 バッテリの放電曲線を示す図である。
【図１０】 バッテリ劣化前の残容量表示部の正面図である。
【図１１】 バッテリ劣化時の残容量表示部の正面図である。
【図１２】 劣化前のバッテリ残容量のセグメント表示例を示す図である。
【図１３】 劣化時のバッテリ残容量のセグメント表示例を示す図である。
【図１４】 本発明の一実施形態の要部機能を示すブロック図である。
【図１５】 本発明の一実施形態に係る第２要部の機能を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…電池部、 ２…充電器、 ３…電源、 ４…車体、 ６…通常充電部、 ７…リフレッシュ充電部、 ８…切替部、 ９…カウンタ、 １１…バッテリ、 １２…バッテリ温度検出部、 １５…カットオフ電圧検出部、１７…カットオフ電圧指定部、 １８…短縮充電拒否表示部、 ２１…環境温度検出部、 ２３…充電電圧検出部、 ２７…表示部、 ２８…ＥＣＵ、 ２９…電圧垂下検出部、３２…リフレッシュ放電部
Claims (6)
- 満充電未満で充電を停止する第１充電制御手段と、
満充電以上で充電を停止する第２充電制御手段と、
前記第１充電制御手段による充電が所定回数連続したことを判別する充電回数判別手段と、
前記充電回数判別手段により第１充電制御手段による充電が所定回数連続したと判断した場合、次の充電を前記第２充電制御手段で行うための切り替えを行う制御手段切替手段と、
前記第１充電制御手段で充電を停止させるために２段階設定されている満充電未満の電池容量のいずれかを選択する選択手段とを具備したことを特徴とする二次電池の充電制御装置。 - 満充電未満で充電を停止する第１充電制御手段と、
満充電以上で充電を停止する第２充電制御手段と、
前記第１充電制御手段による１回の充電毎に乱数を発生させる乱数発生手段と、
前記乱数発生手段で発生させる乱数が、該発生される乱数の最大値以下の所定数と一致した場合、次の充電を前記第２充電制御手段で行うための切り替えを行う制御手段切替手段とを具備したことを特徴とする二次電池の充電制御装置。 - 前記乱数発生手段で発生される乱数が２０未満であることを特徴とする請求項２記載の二次電池の充電制御装置。
- 前記第１充電制御手段で充電を停止させるため満充電未満の電池容量が２段階設定されているとともに、
前記２段階の電池容量のいずれかを選択する選択手段を具備したことを特徴とする請求項２または３記載の二次電池の充電制御装置。 - 前記選択手段により前記２段階の電池容量のうち、低い方が選択されていて、かつ前記充電回数判別手段で満充電未満の充電を所定回数判別した場合は第２充電制御手段に切替えが行われることを特徴とする請求項１または４記載の二次電池の充電制御装置。
- 前記第２充電制御手段に切替えが行われる際に、前記選択がキャンセルされたことを表示する表示手段をさらに具備したことを特徴とする請求項５記載の二次電池の充電制御装置。
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