JP4038820B2 - 充電器 - Google Patents

Description

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）等の２次電池を充電する充電器の電池組寿命判別装置に関するものである。

一般に充電可能な電池は、携帯用機器の電源として使用され、電池容量がなくなる毎に機器から取り外されて充電装置で充電された後再び機器に装着され使用されるという作業を繰り返し、多数回の使用が可能になる。しかし、これら電池は、充放電を繰り返していくうちに図３に示すように初期の特性より劣化し、充放電を繰返し使用できる回数等に限界がある。従来、このような電池の寿命の判断は機器の使用者が経験等によって個々に行っていた。

電池の寿命は電池内部から電解液が漏出をすることにより内部インピーダンスが増大し図３の（２）に示すような容量低下を招くモードと、電池内部のセパレータ等の有機材料の劣化や極板強度の低下によって起る内部短絡とがあるが、特に複数個の素電池を直列に接続した電池組では、各素電池の容量バラツキにより、組電池内で最も容量の少ない素電池が過充電、過放電され、前者のモードで寿命になるケースがほとんどである。

特開平５−２８１３０９号公報

しかしながら、電池寿命の判断を使用者の経験で行う場合、使用者が容量の減少に気付いた時には、電池組内の一素電池が過充電、過放電され続け、充電中充電装置内に電池内の電解液が放出され、電子部品等を腐食させ、充電装置の故障を引き起こすといった問題があった。また、電動工具等の高負荷で使用する機器は、電池の消耗も激しく電池の取り換え時期を知りたいという要求があるが、これに充分に応えることはできない。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、充電器において電池組の寿命を確実に判別できるようにすることである。

本発明の他の目的は、電池組寿命を素電池数に対応して確実に判別できるようにすることである。

上記目的は、所定電流で初期充電した後の電池電圧を検出し、該検出電圧値が所定寿命判別電圧値以上の時電池寿命と判別するか、所定電流で充電した時の最大電池電圧値を検出記憶し、該検出記憶した最大電池電圧値が所定寿命電圧値以上の時電池寿命と判別することにより達成できる。

また前記初期充電時の充電電流及び／又は充電時間を電池温度に基いて変えることにより達成できる。

更に前記寿命判別電圧値を電池組内の素電池数に対応して変えることにより達成できる。

本発明によれば、電池組の寿命を電池温度、充電電流、素電池数に関係なく確実かつ正確に検出することが可能となる。また寿命電池組を充電初期に判別して寿命電池組の充電すなわち無駄な充電が開始されることがなくなる。更に寿命判別のために特別な要素を追加する必要がなく寿命判別装置を備えた充電器を安価に提供できる等の作用効果を奏し得るようになる。

図１は本発明の一実施形態を示すブロック回路図である。図において、１は交流電源、２は複数の充電可能な素電池を直列に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電池温度検出手段２Ａを内蔵している。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と充電電流信号伝達手段５は例えばホトカプラ等から構成される。１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ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からなるマイコンである。ＲＡＭ５３はサンプリングした電池電圧及び電池温度を夫々記憶する電池電圧記憶手段５３１及び電池温度記憶手段５３２を内蔵する。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、三端子レギュレータ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ＬＥＤ８１、抵抗８２からなり、電池組２の寿命を表示する電池寿命表示手段である。９０は充電電流を設定する充電電流設定手段９０であって、前記出力ポート５６からの信号すなわち流すべき充電電流値に対応して前記演算増幅器６２の反転入力端に印加する充電電流設定基準電圧値を変えるものである。

本発明の判別動作を説明する前に、正常な電池組２（以下正常電池組という）及び寿命がきた電池組２（以下寿命電池組という）の充電時の電池電圧特性について説明する。

図４は寿命電池組２を充電電流Ｉαで充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電池電圧が寿命判別基準電圧Ｖｒα以上に上昇していることを示す。図５は温度が低い正常電池組２を充電電流Ｉαで充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電池電圧が寿命判別基準電圧Ｖｒα以上となっていることを示す。図６は温度が低い正常電池組２を低温時の充電電流Ｉβ（Ｉα＞Ｉβ）で充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電池電圧が寿命判別基準電圧Ｖｒβ以上となっていないことを示す。図７は長期間放置されたが温度が低くない正常電池組２を充電電流Ｉαで充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電圧上昇が起きているが、寿命電池組２の電圧上昇と比べ小さいことを示す。図８は温度が低くない寿命電池組２を充電電流Ｉαで充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電池電圧が寿命判別基準電圧Ｖｒα以上に上昇していることを示す。図９は温度が低い寿命電池組２を低温時の充電電流Ｉβで充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電池電圧が低温時の寿命判別基準電圧Ｖｒβ以上に上昇していることを示す。図１０は温度が低くない正常電池組２を充電電流Ｉαで充電した時の電池電圧を示し、充電初期に電池電圧が寿命判別基準電圧Ｖｒα以上に上昇していないことを示す。以上説明した如く、充電開始時における電池組２の温度を検出し、該検出温度に対応して充電電流Ｉα、Ｉβ及び充電時間ｔα、ｔβを適当に設定して初期充電を行い、該初期充電後の電池電圧が寿命判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβ以上か否かを検出することにより電池組２が正常電池組か寿命電池組かを判別できるようになる。以下かかる寿命判別を図１及び図２のフローチャートを参照して説明する。

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は電池組２接続を電池電圧検出手段４０の信号により判別し、電池組２の温度すなわち電池温度検出手段２Ａの出力信号をＡ／Ｄコンバータ５５でＡ／Ｄ変換して充電開始前の電池温度Ｔｉｎを取り込み（ステップ１０２）、充電開始前の電池温度Ｔｉｎから電池低温判別基準温度Ｔｒｅｆを減算し、正か負の判別を行う（ステップ１０３）。

正の場合は電池温度が低温でないと判別し、充電電流Ｉαに対応する充電電流設定基準電圧Ｖα、寿命判別基準電圧Ｖｒα（Ｖｒαは充電電流Ｉαに対応し、充電電流を大きく設定すればＶｒαも大きくなり、小さく設定すればＶｒαも小さくなる。）及び初期充電時間ｔαを設定し（ステップ１０４）、出力ポート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し、充電電流Ｉαで充電を開始する（ステップ１０５）。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、検出充電電流に対応する電圧と出力ポート５６の出力に対応した充電電流設定手段９０からの基準電圧Ｖα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、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。すなわち電流検出手段３、充電電流制御手段６０、充電電流信号伝達手段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Ｉαとなるように制御する。

次いで電池寿命判別を行う。初期充電最大電池電圧値Ｖｍを０にイニシャルセット（ステップ１０６）し、次に初期充電開始から最新の電池電圧値Ｖｘを入力し（ステップ１０７）、電池電圧記憶手段５３１に電池電圧値Ｖｘを格納し、最新の電池電圧値Ｖｘと電池電圧記憶手段５３１に格納されている前入力までの初期充電最大電圧値Ｖｍと比較演算を行う（ステップ１０８）。ステップ１０８において正の場合、Ｖｘ値をＶｍとして電池電圧記憶手段５３１の初期充電最大電圧値の書換えを行い（ステップ１０９）、初期充電時間ｔαが経過したか否かをチェックし（ステップ１１０）、ｔα時間経過していない場合、再度ステップ１０７〜ステップ１１０の処理を行う。ステップ１０８において負の場合、ステップ１０９の処理を行わずステップ１１０へジャンプする。ステップ１１０においてｔα時間経過した場合、初期充電最大電池電圧値Ｖｍと寿命判別基準電圧Ｖｒαとの差を比較演算し（ステップ１１１）、正の場合、充電されている電池組２は電池寿命と判別し、マイコン５０は出力ポート５６より電池寿命の出力を発生し電池寿命表示手段８０のＬＥＤ８１を発光させ（ステップ１１３）、出力ポート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１１４）。次いで電池組２が取り出されるのを判別し（ステップ１１５）、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２Ａの充電のための待機をする。

ステップ１１１において負の場合、電池組２は通常の使用が可能な電池組２と判別し、引き続き満充電検出処理を行う。満充電検出は周知の如く種々の検出方法があるが、例えば、公知の充電末期のピーク電圧値から所定量△Ｖ降下したことを検出して充電を停止する−ΔＶ検出のように電池組２の−ΔＶ検出を行い（ステップ１１２）、満充電を判別した場合は、マイコン５０は充電停止信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に伝達して充電を停止し（ステップ１１４）、次いで電池組２が取り出されるのを判別し（ステップ１１５）、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。ステップ１１２において満充電状態にないと判断したならば、再度ステップ１１２に戻る。

前記ステップ１０３において負の場合、電池温度が低温であると判別し、充電電流Ｉβ（Ｉα＞Ｉβ）に対応する充電電流設定基準値Ｖβ（Ｖα＞Ｖβ）、寿命判別基準電圧Ｖｒβ（ＶｒβもＶｒαと同様に充電電流Ｉβに対応し、Ｖｒαとの大小差は充電電流Ｉα、Ｉβの値によって変わる。）及び初期充電時間ｔβ（ｔβ≧ｔα）を設定し（ステップ１１６）、以後上記したステップ１０５〜１１２と同様の初期充電、電池寿命判別及び満充電判別をステップ１１６〜１２４で行い、電池組２の寿命を判別したらステップ１１３で前記ＬＥＤ８１を発光させ、電池組２が正常で満充電を検出したらステップ１１４で充電を停止する。

上記実施形態においては、電池組２の充電開始時の電池温度Ｔｉｎが基準温度Ｔｒｅｆより小さいか否かを判別して低温電池であるか否かを判別し、該検出温度に対応する判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβと電池電圧の大小を検出して寿命電池組か否かを判別するようにしたが、前記基準温度を細分し、判別基準電圧を細分した基準温度に対応して細分してもよい。

また電池組２を素電池数が等しい電池組２としたが、素電池数を検出し、該検出した素電池数に対応した判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβとしてもよい。すなわち本出願人が先に出願した特願平５−９３０８１号（特開平６−３１１６６２号）「電池充電装置の充電制御方法」で開示した如く、充電初期に小電流で所定時間充電した後の電池電圧を検出して素電池数を検出し、該検出した素電池数に対応した判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβとしてもよい。

当然のことながら上記実施形態において、判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβは設定される充電電流Ｉα、Ｉβによって変わり、充電電流Ｉα、Ｉβを大きく設定すれば判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβも大きく設定し、小さく設定すれば小さく設定する。すなわち判別基準電圧Ｖｒα、Ｖｒβは充電電流Ｉα、Ｉβ及び電池温度に対応して変化するものである。

また電池組２を構成する素電池も種々のものがあり、１Ｃ以下の電流で充電する標準タイプから５Ｃ程度まで充電可能な急速充電タイプと種類は様々であり、上記実施形態において充電電流Ｉα、Ｉβはこれら素電池の種類に合わせ設定される。

以上の電池温度、素電池数及び充電電流に対応した判別基準電圧の一例を表１に示す。なお、電池組２は急速充電タイプの素電池（１７００ｍＡｈ）から構成されているものとして、１個の素電池の公称電圧を１．２Ｖとし、電池組２を７．２Ｖ（６個の素電池）、９．６Ｖ（８個の素電池）、１２Ｖ（１０個の素電池）、２４Ｖ（２０個の素電池）の４種類とし、充電電流Ｉαは４Ｃとする。

また、電池低温判別基準値Ｔｒｅｆを０℃、充電電流Ｉαを３Ｃ、Ｉβを１Ｃとした時の素電池数に対応した判別基準電圧の一例を表２に示す。前記表１と同様に電池組２は急速充電タイプの素電池（１７００ｍＡｈ）から構成されているものとする。

図１１は本発明の他の実施形態を示すフローチャートである。この実施形態は、充電に伴って上昇する電池電圧の最大値が所定寿命判別電圧以上か否かを検出することにより電池組２が寿命か否かを判別するようにしたものである。なお図１１において、図２のフローチャートと同じかほぼ同じステップには同じステップ番号を付した。すなわち図２と同様にステップ１０８、１２０において電池電圧の最大値Ｖｍを検出し、該最大電池電圧値Ｖｍが寿命判別電圧値Ｖｒα、Ｖｒβより大きいか否かをステップ１１１、１２３が検出し、大きければステップ１１３でＬＥＤ８１を点灯させると共にステップ１１４で充電を停止させる。ステップ２０１、２０２は満充電を検出するステップで、例えば本出願人が先に出願した特願平４−１５６６７６号の如く、電池電圧の２階微分値が所定値以下になったことを検出して満充電とするΔ２Ｖ検出法によって検出するステップである。この実施形態によれば寿命電池組２を速やかに検出できるという効果を奏し得る。

本発明充電装置の一実施形態を示す回路図。 本発明の一実施形態を示すフローチャート。 電池のサイクル寿命特性を示すグラフ。 寿命の電池を充電した時の充電特性を示すグラフ。 電池温度が低温で正常な電池を通常の充電電流で充電した時の充電特性を示すグラフ。 電池温度が低温で正常な電池を充電した時の充電特性を示すグラフ。 長期間放置した電池を充電した時の充電特性を示すグラフ。 電池温度が低温でなく寿命の電池を充電した時の充電特性を示すグラフ。 電池温度が低温で寿命の電池を充電した時の充電特性を示すグラフ。 電池温度が低温でなく正常な電池を充電した時の充電特性を示すグラフ。 本発明の他の実施形態を示すフローチャート。

符号の説明

２は電池組、２Ａは電池温度検出手段、４０は電池電圧検出手段、５０は電池寿命判別をするマイコン、６０は充電電流制御手段、８０は電池寿命表示手段、９０は充電電流設定手段である。

Claims (1)

1. 直列に接続された複数の素電池からなる電池組を充電する充電器において、
   電池組の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、充電開始から所定時間経過した後の電池電圧に基づき電池組内の素電池数に対応した寿命判別基準電圧を設定し、電池電圧検出手段により検出された電池電圧が前記寿命判別電圧以上の時、電池組の寿命と判別する電池組寿命判別手段とを備えたことを特徴とする充電器。

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