JP4056458B2 - 電池の充電方法と充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池電圧を検出して電池の満充電を検出する電池の充電方法と充電装置に関する。

電池は、満充電を正確に検出して充電を停止すると、サイクル寿命を長くできる。過充電を防止して、過充電による電池の性能の低下を少なくできるからである。ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池等の二次電池は、満充電されると、電池電圧がピーク電圧まで上昇した後、ピーク電圧からΔＶ低下する特性を示す。したがって、電池電圧が、ピーク電圧から低下する−ΔＶを検出して、電池の満充電を検出できる。このため、充電器は、一定の周期で電池電圧を検出し、検出した電池電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下したことを検出して満充電と判定している。（特許文献１参照）
特開平１１−２５０９４０号公報

図１は、電池が満充電されたときに、電池の電圧がピーク電圧から低下する、−ΔＶ特性を示している。以上の公報に記載される方法は、この図において、ピーク電圧を認識した後、電池電圧がピーク電圧から低下する−ΔＶを検出する。検出された−ΔＶは、あらかじめ設定している一定電圧値に比較され、−ΔＶが一定電圧値よりも大きいと、電池が満充電されたと判定する。

以上の公報に記載されるように、電池電圧の−ΔＶで満充電を判別する方法は、満充電を正確に検出できないことがある。図２は満充電される電池の電圧が変化する特性を示している。この図の特性曲線Ａで示す電池の電圧は、充電を開始した最初にピーク電圧に上昇し、その後−ΔＶ低下する特性を示す。ただ、この状態で電池は満充電されない。さらに充電を継続して満充電されると、再びピーク電圧から−ΔＶ低下する。−ΔＶを検出して満充電を判別する方法は、最初の満充電されない−ΔＶを間違って満充電と判別してしまう。

また、電池と充電器の接点に接触不良が発生すると、充電される電池の電圧特性が、図３の特性曲線Ｂを示すことがある。この特性曲線Ｂは、接触不良が解消されたときに電池電圧が低下している。接触不良が解消されると、電池と接点との電気抵抗が小さくなる。電気抵抗が小さくなると、接触抵抗に起因する電圧降下が小さくなるからである。接触抵抗に起因する電圧降下は、接触抵抗と充電電流の積に比例する。したがって、接触抵抗が小さくなると接触抵抗に起因する電圧降下も低下する。この電圧降下は電池と直列に接続されて電池電圧として検出されるので、接触抵抗の変化は電池電圧の変化として検出される。接触抵抗の変動に起因する−ΔＶは、電池の満充電によるものではない。このため、この−ΔＶで満充電を判定すると、正確に満充電を判別できなくなる。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池の満充電を正確に検出できる電池の充電方法と充電装置を提供することにある。

本発明の電池の充電方法は、電池電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下したことを検出して電池１の満充電を判定する。さらに、本発明の充電方法は、電池１をパルス充電して、充電しているときの電池電圧であるオン電圧と、充電を停止するときの電池電圧であるオフ電圧の両方を検出し、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態であって、オフ電圧の上昇率が予め設定している判別値以下のときに電池１を満充電と判定し、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態においても、オフ電圧の上昇率が判別値よりも高いときには電池１を満充電と判定しない。

本発明の請求項２に記載される充電装置は、電池電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下したことを検出して電池１の満充電を判定する満充電判別部６を備える。この充電装置は、電池１がパルス充電されると共に、満充電判別部６は、充電状態における電池電圧であるオン電圧と、充電を停止する状態での電池電圧であるオフ電圧の両方を検出して、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態であって、オフ電圧の上昇率が予め設定している判別値以下の状態で電池１を満充電と判定し、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下する状態においても、オフ電圧の上昇率が判別値よりも高い状態では電池１を満充電と判定しない。

本発明の充電方法と充電装置は、電池の満充電を正確に検出できる特長がある。それは、本発明の充電方法と充電装置が、パルス充電しているときのオン電圧とオフ電圧の両方を検出しており、オン電圧で検出されるピーク電圧からの−ΔＶ低下だけでなく、オフ電圧の上昇率を予め設定している判別値と比較して満充電を判定しているからである。本発明の充電方法と充電装置は、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出しても、オフ電圧の上昇率が判別値よりも高いときには電池を満充電と判定しない。本発明の充電方法と充電装置は、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態であって、オフ電圧の上昇率が予め設定している判別値以下のときにのみ電池を満充電と判定する。したがって、十分に放電された電池を充電したり、充電中に充電器の端子と電池との接触抵抗が変化する場合のように、満充電されていない状態でオン電圧の−ΔＶ低下を検出しても、誤って満充電と判定することなく電池の満充電を正確に検出できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための充電方法と充電装置を例示するものであって、本発明は充電方法と充電装置を以下に特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図４は、本発明の充電方法と充電装置に使用する充電器の回路図である。充電器は、満充電されると、電池電圧がピーク電圧まで上昇した後、−ΔＶ低下する特性の電池、たとえばニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を充電する。ただし、本発明の充電方法は、現在すでに開発されており、あるいはこれから開発される全ての電池であって、満充電されると−ΔＶ特性を示す全ての電池を充電することができる。さらに、以下の実施例は、ひとつのニッケル水素電池を充電する例を示すが、ニッケルカドミウム電池も同じようにして充電できる。また、複数のニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池を充電する場合、設定電圧を電池の個数倍に設定して充電できる。

図の充電器は、入力される交流の商用電源（日本においては１００Ｖ）を、電池１を充電する電圧と電流に変換する充電電源部２と、この充電電源部２の出力側であって電池１との間に接続されて電池１をパルス充電する充電スイッチ３と、パルス充電する電池１のオン電圧とオフ電圧を検出して充電スイッチ３と充電電源部２とを制御する充電制御部４とを備える。

充電電源部２は、充電制御部４にコントロールされて、電池１を充電する電圧と電流を調整する。充電電源部２が電池１をパルス充電する平均電流は、０．２５Ｃ〜１Ｃである。たとえば容量が２０００ｍＡｈである電池を、平均電流２Ａで充電すると、電池は１Ｃの充電電流で充電される。ただし、本発明は、電池を充電する平均電流を特定しない。電池は、たとえば０．１Ｃ〜４Ｃ、好ましくは０．２Ｃ〜２Ｃの平均電流で充電することができる。

図の充電器は、充電スイッチ３を所定の周期でオンオフに切り換えて電池１をパルス充電する。この充電器は、電池１をパルス充電するためにオンオフに切り換えられるスイッチと、電池１が満充電されたときにオンからオフに切り換えて充電を終了させる充電制御スイッチをひとつのスイッチで実現できる。ただし、本発明は、充電電源部に電池をパルス充電するためのスイッチング素子を内蔵し、充電スイッチは電池が満充電されたときにのみオンからオフに切り換えることもできる。

充電スイッチ３は、充電電源部２と電池１との間に接続され、所定の周期でオンオフに切り換えられて電池１をパルス充電し、さらに、電池１が満充電されると、常にオフに切り換えられて電池１の充電を終了させる。充電スイッチ３は、オンの状態で電池１に電流を流して充電し、オフの状態では電流を遮断して充電を停止する。充電スイッチ３は、ＦＥＴやトランジスター等の半導体スイッチング素子である。

充電制御部４は、充電スイッチ３をオンオフに切り換えて電池１をパルス充電する。充電制御部４は、ひとつの充電スイッチ３のオン時間を０．５秒、オフ時間を１．５秒、オンオフの周期を２秒、オン時間の充電電流を１Ｃとして、電池１を０．２５Ｃの平均電流で充電する。このように充電スイッチ３のオン時間を１周期の１／４とするパルス充電は、図５に示すように、４個の電池１を順番に切り換えてパルス充電できる。充電器に２個の電池がセットされるときは、オン時間とオフ時間を０．５秒、１周期を１秒、オン時間の充電電流を１Ｃとして、電池を０．５Ｃの平均電流で充電できる。ただし、本発明は、電池をパルス充電するオン時間を特定するものではなく、オン時間は、たとえば０．１〜５秒、好ましくは０．２秒〜３秒とすることができる。また、１周期に対するオン時間であるデューティーは、１／１０〜９／１０にできる。

充電制御部４は、電池１の満充電を検出する満充電判別部６を備える。満充電判別部６が電池１の満充電を検出すると、充電スイッチ３はオフに保持されて電池１の充電は停止される。さらに、充電制御部４は、電池１の電圧を検出してデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ５を備えている。Ａ／Ｄコンバータ５でデジタル値に変換された電池電圧は、電池１の満充電を判別する満充電判別部６に入力される。

Ａ／Ｄコンバータ５は、一定のサンプリング周期で電池電圧をデジタル値に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータ５は、充電スイッチ３をオンにして電池１を充電しているときのオン電圧と、充電スイッチ３をオフにして電池１の充電を停止しているときのオフ電圧をデジタル値に変換する。オン電圧を検出するサンプリング周期と、オフ電圧を検出するサンプリング周期は同じ周期で、たとえば１〜２分とする。ただし、サンプリング周期は、３０秒〜１０分、好ましくは１〜５分とすることもできる。サンプリング周期を速くすると、電池１の電圧変化が小さくなって、−ΔＶの検出が難しくなる。反対にサンプリング周期を長くすると満充電した電池１をさらに継続して充電する時間が長くなる。したがって、サンプリング周期は、−ΔＶを検出する精度を考慮しながら、できるかぎり電池１の満充電を速やかに検出できるように設定される。オン電圧を検出するサンプリング周期と、オフ電圧を検出するサンプリング周期は同じにするが、異なる周期とすることもできる。たとえば、オン電圧を検出するサンプリング周期を、オフ電圧を検出するサンプリング周期よりも短くし、あるいは反対にすることもできる。

満充電判別部６は、Ａ／Ｄコンバータ５から一定の周期で入力されるデジタル信号の電池電圧から電池１の満充電を検出する。満充電判別部６は、Ａ／Ｄコンバータ５から入力されるオン電圧とオン電圧の両方から、電池１の満充電を判別する。

特定の状態で使用される電池１が充電されて、オン電圧とオフ電圧が変化する特性を図６と図７に示している。図６は長期間放置されて十分に放電された電池の電圧特性を示し、図７は充電中に充電器の端子と電池との接触状態が変化して接触抵抗が変化する状態における電圧特性を示している。これ等の図に示すように、オン電圧は、電池が満充電されない状態でピーク電圧から−ΔＶ低下することがある。満充電判別部６は、満充電されない状態における−ΔＶを満充電と間違って判別しないために、オン電圧とオフ電圧の両方で満充電を判別する。

満充電判別部６は、図６と図７に示すように、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態であっても、オフ電圧の上昇率が、予め設定している判別値以下のときに限って電池１を満充電と判定する。オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態においても、オフ電圧の上昇率が判別値よりも高いときには電池１を満充電とは判定しない。−ΔＶを検出する状態で、満充電かどうかを判定するオフ電圧の上昇率の判別値は、１０ｍＶ／１０分とする。上昇率をこの判別値に設定すると、オフ電圧が上昇しない状態で、オン電圧の−ΔＶが検出されると満充電と判定し、オン電圧の−ΔＶが検出される状態であっても、オフ電圧が上昇する状態では満充電と判定しない。

図６と図７の電圧特性においては、充電を開始した最初の時間帯に、オン電圧はピーク電圧から−ΔＶ低下するが、この状態において、オフ電圧は上昇しているので満充電とは判定しない。満充電されてオン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下すると、オフ電圧は上昇しないので、この状態で電池１が満充電されたと判定する。満充電判別部６は、一定のサンプリング周期で入力される電池１の電圧を比較して、電池電圧が上昇しているか、あるいは低下しているかを検出する。前回に入力される電池電圧が、その次に入力される電池電圧よりも低いと、電池電圧は上昇していると判定される。反対に、前回の電池電圧が次回の電池電圧よりも高いと電池電圧は低下したと判定される。前回の電池電圧と次回の電池電圧が同じであると、電池電圧は変化しないと判定する。

満充電判別部６は、図８に示すフローチャートで、以下のようにして電池１の満充電を判別する。
［ｎ＝１のステップ］
満充電判別部６は、電池１のオン電圧がピーク電圧から−ΔＶを検出したかどうかを判別する。−ΔＶが検出されるまで、このステップをループする。
［ｎ＝２、３のステップ］
−ΔＶが検出されると、オフ電圧が上昇しているかどうかを判別し、オフ電圧が上昇していないと満充電と判別する。オフ電圧が上昇していると、満充電とは判別しないで、ｎ＝１のステップに戻る。

充電器は、満充電判別部６が電池１の満充電を検出すると、充電スイッチ３をオフに保持して、充電を終了する。図の充電器は、充電状態を示す発光ダイオード７を備える。この発光ダイオード７は、電池１を充電しているときに発光して充電状態を表示する。充電が終了すると発光ダイオード７は消灯され、あるいは発光色を変化させて満充電を表示する。

満充電される電池の−ΔＶ特性を示すグラフである。 満充電されない電池が−ΔＶ特性を示す一例を示すグラフである。 満充電されない電池が−ΔＶ特性を示す他の一例を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる充電方法に使用する充電器の回路図である。 図４に示す充電器で４個の電池を順番に切り換えてパルス充電する状態を示すタイミングチャート図である。 十分に放電された電池が充電されてオン電圧とオフ電圧が変化する特性を示すグラフである。 充電中に充電器の端子と電池との接触抵抗が変化してオン電圧とオフ電圧が変化する特性を示すグラフである。 満充電判別部が電池の満充電を検出するフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…充電電源部
３…充電スイッチ
４…充電制御部
５…Ａ／Ｄコンバータ
６…満充電判別部
７…発光ダイオード

Claims (2)

1. 電池電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下したことを検出して電池(1)の満充電を判定する電池の充電方法において、
   電池(1)をパルス充電して、充電しているときの電池電圧であるオン電圧と、充電を停止するときの電池電圧であるオフ電圧の両方を検出し、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態であって、オフ電圧の上昇率が予め設定している判別値以下のときに電池(1)を満充電と判定し、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態においても、オフ電圧の上昇率が判別値よりも高いときには電池(1)を満充電と判定しない電池の充電方法。
2. 電池電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下したことを検出して電池(1)の満充電を判定する満充電判別部(6)を備える充電装置において、
   電池(1)がパルス充電されると共に、満充電判別部(6)は、充電状態における電池電圧であるオン電圧と、充電を停止する状態での電池電圧であるオフ電圧の両方を検出して、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下することを検出する状態であって、オフ電圧の上昇率が予め設定している判別値以下の状態で電池(1)を満充電と判定し、オン電圧がピーク電圧から−ΔＶ低下する状態においても、オフ電圧の上昇率が判別値よりも高い状態では電池(1)を満充電と判定しない充電装置。
   

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