JP4730671B2

JP4730671B2 - 充電装置

Info

Publication number: JP4730671B2
Application number: JP2007296259A
Authority: JP
Inventors: 信宏高野; 良雄飯村; 嶋　　敏洋; 健朗石丸
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2020-01-06
Also published as: JP2008104349A

Description

本発明は例えばコードレス電動工具等の携帯用機器の電源として用いられている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等の電池を充電する充電装置に関するものである。

近年、ニッケル水素電池やニカド電池等の高容量化及び大電流による充電特性の改善は目覚ましいものがある。しかし電池の高容量化は定格容量が小さい電池に比べ、必然的に充電時の発熱が大きくなってしまい、定格容量が大きい電池を定格容量が小さい電池と同様に比較的大きな充電電流により充電すると、満充電前に電池のサイクル寿命の低減を抑制する目的で設定された設定温度（例えば６０℃）を越えてしまって充電が停止され、充電不足となる恐れがある。

このため、定格容量が小さい電池の場合には比較的大きな充電電流により充電し、定格容量が大きい電池の場合には比較的小さな充電電流により充電するようにした充電装置を特許文献１により提案した。このような充電装置の場合、定格容量が大きい電池では充電時間が長くなるという問題があるために、充電時の発熱を抑制する冷却ファン等の冷却装置を設け、定格容量が大きい電池であっても比較的大きな充電電流により充電できるようにした充電装置が新たに提案された。

特開平７−２３１５７２号公報

上記したように冷却装置が設けられ、定格容量が大きい電池であっても最適な充電ができるようにした充電装置は、当然ながら冷却装置が無い充電装置に比べ高価なものとなっている。定格容量が小さい電池のみしか持たない使用者にとっては冷却装置付充電装置は必要のないものであり、定格容量が大きい電池を充電する場合に充電時間が長くなるという欠点があるが充電することはできるので必ずしも冷却装置付充電装置が必要となるものではなく、このような理由から現在、冷却装置付充電装置と、冷却装置が設けられていない充電装置とが共存している。

この冷却装置付充電装置に具備されている冷却装置が、故障やゴミ等による目詰まり等によりロック状態にされた時、電池に冷却風が送られないので、定格容量が大きい電池を大きな充電電流で充電した場合、確実な満充電検出ができないといった問題が生じる。

また、冷却装置付充電装置と電池との間に形成される通風路が目詰まり等を起こした時にも同様の問題が生じる。

上記の目的を達成するために本発明は、電池パックに収納された電池を充電する充電装置であって、電池パックを冷却する冷却手段と、前記電池を所定電流で充電し、充電中に前記電池の電池温度勾配を検出する電池温度勾配検出手段と、前記電池温度勾配検出手段が所定の温度勾配を超えたか否かを判定し、超えないときには前記所定電流で充電を継続し、満充電を検出したら充電を停止すると共に、前記電池温度勾配が所定の温度勾配以上と判定したときには、前記電池の充電電流を前記所定電流より小さくして充電し、満充電を検出したら充電を停止する制御手段とを備えたことに一つの特徴を有する。

本発明によれば、冷却装置の有無、冷却装置の異常、冷却効果の異常にそれぞれ対応した充電制御を行うことができる。

図１は本発明充電装置の一実施形態を示すブロック図である。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パックであって、素電池に接触あるいは近接して設けられたサーミスタ等の温度検出素子２ａと、電池種類を判別する判別端子２ｂを装備しており、本実施形態では定格容量が大きい電池パック２がこの判別端子２ｂを装備しているとする。３は電池パック２の電池種類を判別する充電装置側に設けられた判別端子である。

４は１次側の第一整流平滑回路、５は第一高周波トランス、６は第一スイッチング素子、７はスイッチング素子６の駆動パルス幅を変えて第二整流平滑回路８の出力電圧を調整し、またマイコンの２０の出力に応じて充電の開始及び停止を制御する第一スイッチング制御回路、９は電池パック２に流れる充電電流を検出する充電電流検出回路、１０は充電電流を所定の電流値に制御する例えば演算増幅器等からなる定電流制御回路、１１はマイコン２０の出力に応じて定電流制御回路１０に所定の電流値に対応する基準電圧を設定印加する電流設定回路である。すなわち定電流制御回路１０は、充電電流検出回路９により検出された電圧が電流設定回路１１の設定電圧と等しくなるように第一スイッチング制御回路７及び第一スイッチング素子６を介して充電電流を一定となるように制御するものである。

１２は電池電圧検出回路、１３は電池パック２の温度検出素子２ａの抵抗値を電圧に変換しマイコン２０に出力する電池温度検出回路である。１４は電池パック２の判別端子２ｂと充電装置側の判別端子３との接続の有無でマイコン２０に入力する電圧を切り換える電池種判別回路である。１５は例えばモータ付冷却ファン等の冷却装置であり、１６は冷却装置１５と駆動電源とを接続するコネクタであり、冷却装置１５は充電装置内にコネクタ１６を介して着脱可能となっている。

１７は冷却装置１５の実装の有無を検出する冷却装置実装検出回路であり、本実施形態ではコネクタ１６と冷却装置駆動回路１８との間の電圧の有無を検出して冷却装置１５の実装の有無を検出する。１８はマイコン２０の出力に応じて冷却装置１５を駆動または停止させる冷却装置駆動回路、１９は冷却装置１５に流れる電流を検出する装置電流検出回路、２０は電池電圧検出回路１２、電池温度検出回路１３、電池種判別回路１４、冷却装置実装検出回路１７、冷却装置駆動回路１８及び電圧検出回路２５の出力から充電及び冷却を制御する充電制御手段となるマイコンである。

２１は第三整流平滑回路、２２は第二高周波トランス、２３は第二スイッチング素子、２４は第四整流平滑回路、２５は電圧検出回路、２６は電圧制御回路、２７は第二スイッチング制御回路であり、冷却装置１５を駆動するための所定の電圧を発生させる。

２８は冷却装置１５等の故障または異常を表示する故障表示回路であり、装置電流検出回路１９の出力から冷却装置１５に流れる電流値が所定範囲外と検出した時、マイコン２０は冷却装置１５またはその周辺に故障または異常があると判別し、例えばＬＥＤ等からなる故障表示回路２８を動作させる。

次に図１の回路ブロック図、図２のフローチャートを参照して本発明充電装置の動作を説明する。電源を投入するとマイコン２０は電池パック２の接続待機状態となる（ステップ２０１）。電池パック２が接続されると、マイコン２０は冷却装置実装検出回路１７からの出力信号から冷却装置１５が実装されているか否かの判別を行い（ステップ２０２）、冷却装置１５が実装されていないと判別した時は、マイコン２０は電池種判別回路１４の出力を入力し、その入力信号から接続された電池パック２が定格容量が大きい電池であるか否かを判別する（ステップ２０３）。接続された電池パック２が定格容量が大きい電池でないすなわち定格容量が小さい電池（例えば電動工具等で用いられる急速充電タイプの１７００ｍＡｈのニッケルカドミウム電池）と判別した時は、冷却装置１５がなくても大電流での充電が可能と判別し、電流設定回路１１に充電電流Ｉ１に対応する出力信号を、また第一スイッチング制御回路７に充電開始信号を出力し、充電電流Ｉ１（例えば５Ｃ程度）で充電を開始する（ステップ２０４）。

定電流制御の方式としては、充電開始と同時に電池パック２に流れる充電電流を充電電流検出回路９により検出し、この充電電流に対応する電圧と、所定の電流値に対応する電流設定回路１１からの設定電圧との差を定電流制御回路１０より第一スイッチング制御回路７に帰還をかけ、第一スイッチング素子６の駆動パルス幅を制御させることにより充電電流を一定に保つ。

ステップ２０３において、接続された電池パック２が定格容量が大きい電池（例えば電動工具等で用いられる急速充電タイプの３０００ｍＡｈのニッケル水素電池）と判別した時は、大電流Ｉ１での充電ではサイクル寿命特性の低減や充電中の発熱による充電途中での早切れが起こる恐れがあるので、充電電流をＩ１より小さいＩ２（例えば１．５Ｃ程度）で充電すべく、電流設定回路１１に充電電流Ｉ２に対応する出力信号を、また第一スイッチング制御回路７に充電開始信号を出力し、充電電流Ｉ２で充電を開始する（ステップ２０５）。

ステップ２０２において、冷却装置１５が実装されていると判別すると、マイコン２０は冷却装置１５を駆動する出力信号を冷却装置駆動回路１８に伝達し、冷却装置１５を駆動させる（ステップ２０６）。

冷却装置１５を駆動後、装置電流検出回路１９の出力から、マイコン２０は冷却装置１５に流れる電流値を検出し、電流値が異常であるか否かの判別すなわち電流値が冷却装置１５の定格電流に対し所定の範囲内であるか否かを判別する（ステップ２０７）。

冷却装置１５に流れる電流が所定の範囲外すなわち電流値が異常の時は、マイコン２０は冷却装置１５またはその周辺に故障または異常があると判別し、故障表示回路２８を動作させて故障表示を行い（ステップ２１７）、充電を行わない。すなわち冷却装置１５に流れる電流を検出することにより冷却装置１５等の故障が判別可能になり、また故障表示をすることにより、例えば冷却装置１５が冷却ファンなら、ファンのロック状態等の異常を発見し易くなり充電装置の使い勝手が向上する。

ステップ２０７において、冷却装置１５に流れる電流が正常である時は、電流設定回路１１に充電電流Ｉ１に対応する出力信号を、また第一スイッチング制御回路７に充電開始信号を出力し、充電電流Ｉ１で充電を開始する（ステップ２０８）。

次いで充電開始後、電池温度検出回路１３の出力から、マイコン２０は電池温度データＴａを取り込み（ステップ２０９）、その後所定時間経過したなら（ステップ２１０）、更にマイコン２０は電池温度データＴｂを取り込み（ステップ２１１）、次いで充電電流Ｉ１で充電中の所定時間における電池温度の上昇を演算し（Ｔｂ−Ｔａ）、所定時間における電池温度の上昇が所定値Ｋ以上か否かの判別を行う（ステップ２１２）。

電池温度の上昇が所定値以上と判別した時は、冷却装置１５による冷却効果はないと判断し、ステップ２０３に進み、接続された電池パック２が定格容量が大きい電池であるか否かの判別を行い、定格容量が大きい電池と判別した時はステップ２０５に進み充電電流をＩ１からＩ２に引き下げる。これは冷却装置１５が冷却ファンの場合、例えば冷却風が流れるべき通風穴がゴミ等で目詰まりを起こしている時や電池パック２に冷却風の通風穴が設けられてない時等にも対応できる。

また、接続された電池パック２が定格容量が小さい電池と判別した時は、冷却効果がなくても大電流での充電が可能と判別し、充電電流Ｉ１のまま充電を続ける（ステップ２０４）。

ステップ２１２において、電池温度の上昇が所定値Ｋ以上でない場合は、充電電流Ｉ１で充電中の電池パック２に冷却装置１５による冷却効果があると判断し、充電電流Ｉ１のまま充電を行い、満充電検出処理を行う（ステップ２１３）。

満充電検出には周知の如く種々の方法があるが、例えば充電末期のピーク電圧から所定量降下したこと検出する−ΔＶ検出、電池電圧の時間による２階微分値が負になるのを検出する２階微分検出法、充電開始からの電池温度上昇値が所定値以上になるのを検出するΔＴ検出法、特開昭６２−１９３５１８号、特開平２−２４６７３９号、実開平３−３４６３８号公報等に記載されている充電時における所定時間当りの電池温度上昇率（温度勾配）が急激に上昇する時点を検出するΔＴ／Δｔ検出法等の一つないし複数の満充電検出法を用いて行えばよい。

ここで電池温度の上昇は、冷却装置１５の実装及び冷却効果の具合や、選択された充電電流に応じて異なるので、上記のΔＴ検出法やΔＴ／Δｔ検出法等の電池温度検出による満充電検出を行う場合は、その満充電処理の設定値をそれぞれの状態に応じ種々設定する必要がある。

ステップ２１３において、電池パック２が満充電状態にあると判別したならば、マイコン２０は第一スイッチング制御回路７に充電停止信号を出力することにより充電を停止し（ステップ２１４）、また冷却装置駆動回路１８に冷却装置１５を停止する信号を出力し、冷却装置１５を停止させる（ステップ２１５）。次いで電池パック２が取り出されるのを判別する（ステップ２１６）。電池パック２が取り出されたことを判別したならばステップ２０１に戻り、次の電池パック２の充電のための待機をする。

上記したような構成とすることにより、冷却装置付充電装置、冷却装置無充電装置においても、冷却装置１５の有無以外同様の構成とすることができるようになり、経済性及び生産性を向上させることができるようになる。すなわち、冷却装置１５の有無を検出し、検出結果に応じて充電制御を変えるようにしたので、冷却装置付充電装置及び冷却装置無充電装置の２種類の充電装置を同じ制御基板で製作できるようになり、経済性、生産性を向上でき、安価な充電装置を提供できるようになる。

なお、冷却装置１５の実装の有無を検出し、冷却装置１５の実装状態に応じて充電電流を制御するようにしたので、冷却装置１５が取付けられていない充電装置に後々冷却装置１５を取付けたとしても適切な充電制御を行うことが可能である。

また、ステップ２０９〜２１２の所定時間における電池温度上昇を検出し、電池温度の上昇が所定値以上の時は、冷却装置１５による冷却効果がないと判断し、充電電流をＩ１からＩ２に引き下げるようにしたことにより、冷却装置１５が冷却ファンの場合、冷却ファンが駆動しているにもかかわらず、例えば冷却風が流れる通風穴がゴミ等で目詰まりを起こしているとか、電池パック２に通風路が装備されていないといった時にも対応できるという利点の他に、電池パック２が満充電状態や寿命間近の電池状態の時も電池温度上昇が大きくなり、上記制御方式を用いればこのような電池状態の時は充電電流を引き下げるのでサイクル寿命特性の向上も期待できる。

また上記実施形態では、冷却装置１５の実装の有無と、電池パック２の定格容量の大小により充電電流を変えるようにしたが、これに限るものではなく、基本的な考えとしては冷却装置１５が取付けられている場合、取付けられていない場合においても充電時の発熱を抑制し充電不足の発生やサイクル寿命の低減を抑制することができるようにし、冷却装置１５が取付けられている場合には操作性の向上についても考慮するようにすることである。それゆえ上記実施形態では、充電中の発熱が極力少ないと考えられる定格容量が小さい電池に関しては、冷却装置１５の有無に拘らず大電流で充電するようにした。なお、定格容量が小さい電池と判別した場合には、冷却装置１５が取付けられていたとしても冷却装置１５を駆動しないようにしても良い。

更に上記実施形態においては、冷却装置１５の実装の有無を検出すると共に定格容量の大小を判別して充電電流を制御するようにしたが、定格容量の判別をせずに冷却装置１５の実装の有無を判別するのみで充電電流を制御するようにしても良い。

また上記実施形態では定電流での充電制御方式について説明したが、充電中に電池電圧や電池温度等に応じて電流を順次切り換える充電制御方式にも適用が可能であり、冷却装置１５の実装の有無に応じて大電流で充電する時間を制御するなどして平均充電電流を制御するようにすれば良い。

本発明充電装置の一実施形態を示すブロック回路図。本発明充電装置の動作説明用フローチャート。

符号の説明

２は電池パック、１３は電池温度検出手段、１５は冷却装置、１６はコネクタ、１７は冷却装置実装検出回路、１８は冷却装置駆動回路、１９は装置電流検出回路、２０はマイコンである。

Claims

電池パックに収納された電池を充電する充電装置であって、
電池パックを冷却する冷却手段と、
前記電池を所定電流で充電し、充電中に前記電池の電池温度勾配を検出する電池温度勾配検出手段と、
前記電池温度勾配検出手段が所定の温度勾配を超えたか否かを判定し、超えないときには前記所定電流で充電を継続し、満充電を検出したら充電を停止すると共に、
前記電池温度勾配が所定の温度勾配以上と判定したときには、前記電池の充電電流を前記所定電流より小さくして充電し、満充電を検出したら充電を停止する制御手段と、
を備えることを特徴とする充電装置。
請求項１において、前記制御手段は、前記電池温度勾配検出手段の出力信号より、前記冷却手段の冷却効果を判定し、前記冷却手段の冷却効果が小さいと判断したときには、冷却効果が正常と判断したときよりも充電電流を小さくすることを特徴とする充電装置。
請求項１において、電池の定格容量を検出する定格容量検出手段を備え、前記制御手段は、前記電池温度勾配が所定の温度勾配以上の場合、前記定格容量検出手段で検出された定格容量が大容量であるときには、検出された定格容量が小容量であるときよりも充電電流を小さくすることを特徴とする充電装置。