JP4805863B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、充電電流値を大きな定電流値から小さな定電流値に多段に変化させて充電対象電池（例えば二次電池などの充電可能な電池）を充電する充電装置に関するものである。

この種の充電装置として、特開平１１−８９１０６号公報に開示されている充電装置（多段充電装置）が知られている。この充電装置は、多段階に定電流値を出力し得るように構成された充電電源、二次電池の充電電圧を検出する電圧検出器、二次電池に供給される充電電流を検出する電流検出器、およびコントローラを備えている。この充電装置では、コントローラが、電圧検出器および電流検出器からの検出信号を取り込むと共に、二次電池の放電状態を検出し、放電状態から充電容量を求めて、予め設定した多段階の定電流設定値で充電しつつ、電圧検出器で検出された二次電池の充電電圧が規制電圧に達したときに、充電電源に対して次に小さな定電流設定値を設定する。この充電装置によれば、短時間で二次電池を充電し、かつ二次電池のサイクル寿命を長くすることが可能となっている。
特開平１１−８９１０６号公報（第３頁、第１図）

ところが、この従来の充電装置には、以下の問題点がある。すなわち、この充電装置では、二次電池の充電電圧が規制電圧に達したときに充電電流値を次に小さな定電流設定値に設定することにより、充電電流値を多段階に変化させている。しかしながら、二次電池では、その内部抵抗の抵抗値が周囲温度の影響を受けて変化し易いため、その充電電圧も周囲温度によって変動する。したがって、この充電装置には、周囲温度が変動する環境下において、次に小さな充電電流値への切り替えを、二次電池の充電時における内部抵抗の抵抗値、電極反応および副反応（ガス発生）といった内部特性を考慮した所望のタイミングで正確に行うことが困難である結果、さらなる充電効率の向上が困難であるという問題点が存在している。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、充電効率の一層の向上を図り得る充電装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の充電装置は、充電対象電池に対する充電時の充電電流値を制御可能に構成された電源部と、当該電源部を制御することによって前記充電対象電池に対して多段定電流充電処理を実行する電源制御部と、前記多段定電流充電処理を実行すべき前記充電対象電池について残存容量を複数に区画した各領域での充電電流値を規定した多段充電パターンが予め記憶された記憶部とを備え、前記電源制御部は、前記多段定電流充電処理の開始に先立って容量検出処理を実行して現在の前記残存容量および前記充電対象電池の電池容量を検出し、前記現在の残存容量が含まれる前記多段充電パターンにおける前記領域での前記充電電流値を前記充電時の充電電流値として決定すると共に当該現在の残存容量が含まれる前記領域の上限の前記残存容量を目標残存容量として決定し、かつ当該現在の残存容量、当該決定した目標残存容量および前記電池容量に基づいて当該現在の残存容量が含まれる前記領域での目標積算電流値を算出して、前記決定した充電電流値での前記充電対象電池に対する定電流充電を積算電流値を計測しつつ実行することで前記多段定電流充電処理を開始し、前記多段定電流充電処理の開始後は、前記計測している積算電流値が前記目標積算電流値に達したときに前記多段充電パターンにおける当該目標積算電流値を算出した前記領域での充電を終了して、当該多段充電パターンで規定された次の前記領域の下限の残存容量を新たな前記現在の残存容量とし、かつ当該領域での前記充電電流値を新たな前記充電時の充電電流値とし、かつ当該領域の上限の残存容量を新たな前記目標残存容量として決定すると共に、当該新たな現在の残存容量、当該新たな目標残存容量および前記電池容量に基づいて当該領域での新たな前記目標積算電流値を算出して、前記新たな充電電流値での前記充電対象電池に対する定電流充電を積算電流値を計測しつつ実行する処理を、当該多段充電パターンにおける最大の残存容量を前記目標残存容量とする前記領域での充電が終了するまで実行する。

また、請求項２記載の充電装置は、請求項１記載の充電装置において、前記記憶部には前記多段充電パターンが複数記憶され、前記電源制御部は、前記複数の多段充電パターンのうちから選択された１つの多段充電パターンに基づいて前記多段定電流充電処理を実行する。

また、請求項３記載の充電装置は、請求項１または２記載の充電装置において、前記電源制御部は、前記容量検出処理において、前記充電対象電池への一定の充電電流値での充電と前記電源部からの前記充電対象電池の切り離しとを、当該切り離しの開始から所定時間経過後における前記充電対象電池についての開放電圧の測定を実行しつつ複数回繰り返し、前記測定した複数の開放電圧のうちの少なくとも１つに基づいて当該いずれか１つの開放電圧の測定時における前記充電対象電池の前記残存容量を検出する。

また、請求項４記載の充電装置は、請求項３記載の充電装置において、前記電源制御部は、前記容量検出処理において、前記測定した複数の開放電圧のうちの２つに基づいて当該２つの開放電圧の各測定時における前記充電対象電池の前記残存容量を検出し、当該検出した２つの残存容量の差分、前記２つの開放電圧を測定する間における前記充電対象電池に対する総充電時間、および前記容量検出処理における前記充電電流値に基づいて前記電池容量を算出する。

また、請求項５記載の充電装置は、請求項１から４のいずれかに記載の充電装置において、前記電源部は前記充電対象電池に対する充電時の充電電圧値を制御可能に構成され、前記電源制御部は、前記多段定電流充電処理を実行した後に前記充電対象電池に対して定電圧充電を実行する。

請求項１記載の充電装置では、電源制御部が、多段定電流充電処理の開始に先立って容量検出処理を実行して残存容量および充電対象電池の電池容量を検出すると共に、記憶部に記憶された多段定電流充電処理を実行する際における充電対象電池の残存容量と充電電流値との関係を示す多段充電パターンおよびこの検出した電池容量に基づいて多段定電流充電処理の開始時の充電電流値を決定し、充電の開始後においては多段充電パターンに従って充電電流値を決定する。したがって、この充電装置によれば、充電対象電池（特に鉛蓄電池）における充電時の内部特性（内部抵抗の抵抗値、電極反応および副反応（ガス発生））との間に周囲温度に左右されない関係が成立している残存容量に基づいて、充電対象電池の充電時における内部特性を考慮した所望のタイミングで多段定電流充電時の充電電流値を正確に切り替えることができ、その結果、充電効率の一層の向上を図ることができる。

また、請求項２記載の充電装置によれば、記憶部に複数の多段充電パターンを記憶させ、電源制御部が、複数の多段充電パターンのうちから選択された１つの多段充電パターンに基づいて多段定電流充電処理における充電開始時および充電開始後の充電電流値を決定することにより、目的に応じた多段充電パターンでの充電を実行することができる。例えば、多段充電パターンとして、短時間に充電を完了させるために充電電流の電流値を大きめに設定した短時間多段充電パターンと、高効率充電を目的として充電電流の電流値を小さめに設定した高効率多段充電パターンとを記憶部に記憶させて選択可能とすることにより、目的に応じて、短時間での充電と高効率での充電とを選択して実行することができる結果、充電装置の使い勝手を向上させることができる。

また、請求項３記載の充電装置によれば、容量検出処理において、電源制御部が、充電対象電池への一定の充電電流値での充電と電源部からの充電対象電池の切り離しとを、切り離しの開始から所定時間経過後における充電対象電池についての開放電圧の測定を実行しつつ複数回繰り返し、測定した複数の開放電圧のうちの少なくとも１つに基づいていずれか１つの開放電圧の測定時における充電対象電池の残存容量を検出することにより、容量検出処理の時間を無駄にすることなく充電対象電池に対する充電を行いつつ、残存容量をリアルタイムに検出することができる。また、開放電圧を測定して充電対象電池の残存容量を検出することにより、電池形状、電極構造および配線に起因して充電電圧を測定する際に発生する内部抵抗の影響をなくすことができると共に満充電近傍で急上昇する過電圧による影響も軽減することができる。

また、請求項４記載の充電装置によれば、容量検出処理において、電源制御部が、測定した複数の開放電圧のうちの２つに基づいて、２つの開放電圧の各測定時における充電対象電池の残存容量を検出し、検出した２つの残存容量の差分、２つの開放電圧を測定する間における充電対象電池に対する総充電時間、および容量検出処理における充電電流値に基づいて電池容量を算出することにより、容量検出処理の時間を無駄にすることなく充電対象電池に対する充電を行いつつ、電池容量を検出することができる。

また、請求項５記載の充電装置によれば、電源制御部が多段定電流充電処理を実行した後に定電圧充電処理を実行することにより、ほぼ満充電に近い状態の充電対象電池をより満充電に近い状態に移行させつつ、充電終期の電流を低下させて過充電を回避することができるため、充電対象電池の寿命低下を防止することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る充電装置の最良の形態について説明する。なお、充電対象電池の一例として二次電池（具体的には鉛蓄電池）を充電する構成を挙げて説明する。

図１に示すように、充電装置１は、電源部２、スイッチ部３、電圧測定部４、電源制御部５、記憶部６、計時部７および操作部８を備え、一例として交流電源９から交流電圧Ｖｉを入力して直流電圧Ｖｏを生成すると共に二次電池１０に直流電圧Ｖｏを出力しての充電が可能に構成されている。

電源部２は、一例としてスイッチング方式（シリーズ方式であってもよい）の電源回路（図示せず）を備えて構成されて、交流電源９から入力端子Ｐ１，Ｐ２を介して入力している交流電圧Ｖｉを直流電圧（二次電池１０の充電電圧でもある）Ｖｏに変換すると共に、この直流電圧Ｖｏを出力端子Ｐ３，Ｐ４に接続されている二次電池１０に出力する。また、電源部２は、電源制御部５の制御下で、充電電圧Ｖｏの電圧値を制御可能に構成されると共に、出力電流（二次電池１０に対する充電電流でもある）Ｉｏの電流値（充電電流値）を制御可能に構成されている。

スイッチ部３は、リレーや、トランジスタなどの半導体スイッチ素子などで構成されて、電源部２と出力端子Ｐ３との間に介装されている。また、スイッチ部３は、電源制御部５の制御下で、電源部２と出力端子Ｐ３とを電気的に接続するオン状態（導通状態）、および電源部２と出力端子Ｐ３とを電気的に切り離すオフ状態（非導通状態）のいずれか一方の状態に移行する。電圧測定部４は、出力端子Ｐ３，Ｐ４間に接続されて、充電電圧Ｖｏの電圧値（二次電池１０の充電電圧値）を測定して電圧データＤｖとして電源制御部５に出力する。

電源制御部５は、ＣＰＵ（図示せず）などを含んで構成されている。また、電源制御部５は、記憶部６に記憶されている動作プログラムに従い、充電処理を実行して二次電池１０を充電する。この充電処理では、電源制御部５は、操作部８から出力される選択信号Ｓ３に基づいて二次電池１０に対して多段定電流充電処理を実行する際に使用する多段充電パターンを決定する充電パターン決定処理、二次電池１０の容量（残存容量（以下、「ＳＯＣ」とも」いう。充電量でもある）および電池容量Ｂｃ［Ａｈ］）を検出（算出）する容量検出処理、決定した多段充電パターンに基づいて充電電流Ｉｏの電流値を多段に変更しつつ電源部２を充電する多段定電流充電処理、および電源部２を定電圧充電で動作させる定電圧充電処理を実行する。また、電源制御部５は、制御信号Ｓ１を出力することにより、スイッチ部３に対するオンオフ制御処理も実行する。

記憶部６は、ＲＯＭやＲＡＭなどの半導体メモリで構成されている。また、記憶部６には、電源制御部５用の動作プログラム、ＳＯＣの算出式（下記式（１））、電池容量の算出式（下記式（２））、および定電流充電する際に使用する複数の多段充電パターン（本例では一例として、短時間多段充電パターンと高効率多段充電パターンの２つ。図３参照）が予め記憶されている。この場合、各多段充電パターンは、同図に示すように、ＳＯＣ［％］に対する充電電流Ｉｏの電流値を規定したものであり、本例では一例として、３つのＳＯＣ（ＳＯＣｔ１（＝５０％），ＳＯＣｔ２（＝８０％），ＳＯＣｔ３（＝９５％））において区画された第１の領域（０％＜ＳＯＣ≦５０％）、第２の領域（５０％＜ＳＯＣ≦８０％）、および第３の領域（８０％＜ＳＯＣ≦９５％）の３つの領域での充電電流Ｉｏの各電流値が規定された３段充電パターンとして規定されている。この各多段充電パターンにおける０．３ＣＡ等は充電電流Ｉｏの電流値を示す値であり、二次電池１０の電池容量がＢｃ［Ａｈ］である場合には、Ｂｃ×０．３ＣＡが実際の電流値［Ａ］となる。

なお、鉛蓄電池は、充電時における内部特性について以下の事実が実験によって確認されている。すなわち、ＳＯＣが０％から５０％までの領域では、内部抵抗が最も低く、充電された電気量の殆どが電極（活物質）反応に使用されるため、充電電流Ｉｏの電流値を大きくしたとしても、高効率で充電することができる。また、ＳＯＣが５０％から８０％までの領域では、電極反応が主であるが、それ以外の副反応（ガスの発生）も現れ始める。また、内部抵抗は、ＳＯＣが０％から５０％までの領域よりも若干増加する。また、ＳＯＣが８０％から９５％までの領域では、ＳＯＣが５０％から８０％までの領域よりも副反応の割合が高まり、また内部抵抗も急激に上昇する。以上の充電時における鉛蓄電池の内部特性を考慮して、各多段充電パターンでは、充電動作全体の効率を高め得るように、第１、第２および第３の各領域での充電電流Ｉｏの電流値が順次低下するように設定され、かつ充電効率の高い第１の領域のＳＯＣの範囲が最も広く設定されている。また、第１の領域程ではないが、第３の領域よりも充電効率を高められる第２の領域のＳＯＣの範囲が次に広く設定され、充電時の損失が多くなる第３の領域のＳＯＣの範囲が最も狭く設定されている。したがって、ＳＯＣが５０％に達するタイミングおよびＳＯＣが８０％に達するタイミングで充電電流Ｉｏの電流値を切り替え、またＳＯＣが９５％に達するタイミングで多段定電流充電処理を完了させることにより、鉛蓄電池である二次電池１０に対して、その内部特性を考慮した多段定電流充電処理が可能となっている。

また、記憶部６には、スイッチ部３に対するオンオフ制御処理におけるオン時間Ｔ１（一例として１５分）およびオフ時間Ｔ２（一例として５分）をそれぞれ規定する各データＤ１，Ｄ２と、定電圧充電処理の時間Ｔ３を規定するデータＤ３とが計時部７に対する計時用データＤｔとして予め記憶されている。また、記憶部６には、容量検出処理において、二次電池１０の充電電圧Ｖｏを測定する回数（一例として数値「３」）が記憶されている。さらに、記憶部６には、容量検出処理における充電電流Ｉｏの充電電流値Ｉ１（一例として５Ａ）が予め記憶されている。

ＳＯＣ＝Ａ×Ｖｏｐ−Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
ここで、ＡおよびＢは、二次電池１０の種類によって一義的に決定される定数である。また、Ｖｏｐは二次電池１０の開放電圧である。この場合、各定数Ａ，Ｂおよび開放電圧Ｖｏｐは、周囲温度の影響を若干は受けるものの、その変動量は、二次電池１０の内部抵抗の温度による変動量と比較した場合、殆ど無視できる程度の少量である。この式（１）によれば、ＳＯＣと開放電圧Ｖｏｐとの間に比例関係が存在することになるが、この両者間の比例関係については、長い時間放置された二次電池１０の充電開始直後の短期間においては開放電圧Ｖｏｐが比例関係から外れて低い値を示す場合が多いものの、この短期間以後の充電期間においては、二次電池１０に定電流を連続して（または定電流を周期的に一定時間ずつ）供給するという条件下において、二次電池１０の開放電圧Ｖｏｐ［Ｖ］とＳＯＣ［％］との間に図２に示す比例関係が存在することが実験的に確認されている。このため、このＡおよびＢについては、例えば充電装置１の使用温度（二次電池１０の充電時の温度でもある）において、この充電期間での二次電池１０（鉛蓄電池）についての開放電圧Ｖｏｐ［Ｖ］とＳＯＣ［％］との比例関係を予め測定（実験）することにより、決定することができ、また決定された値は上記したように周囲温度の影響を殆ど受けないため、一般的な二次電池１０の使用温度範囲（例えば０℃〜５０℃）において定数となる。また、二次電池１０の開放電圧Ｖｏｐとは、スイッチ部３をオフ状態に移行させたときの二次電池１０の充電電圧（端子電圧）を意味する。

電池容量Ｂｃ＝Ｉ１×ΔＴ×１００／（ＳＯＣ２−ＳＯＣ１）・・・・・・（２）
ここで、Ｉ１は容量検出処理における充電電流Ｉｏの充電電流値であり、（ＳＯＣ２−ＳＯＣ１）は時間を空けて検出した２つの残存容量ＳＯＣ２，ＳＯＣ１の差分（単位は％）である。また、ΔＴは、２つの残存容量ＳＯＣ２，ＳＯＣ１のうちの最初の残存容量ＳＯＣ１を検出した時から、最後の残存容量ＳＯＣ２を検出した時までの間における、充電電流Ｉｏの二次電池１０への充電時間の総和（本発明における総充電時間。単位は時間）である。

計時部７は、電源制御部５から計時用データＤｔを入力したときに、この計時用データＤｔで指定された時間を計時すると共に、この指定された時間が経過した時点で、電源制御部５に対して計時完了信号Ｓ２を出力する。操作部８は、多段充電パターンを選択するためのスイッチ（図示せず）を備え、このスイッチに対する操作によって選択された多段充電パターンを示す選択信号Ｓ３を電源制御部５に出力する。

次に、充電装置１の動作について、図３〜図６を参照して説明する。

まず、各出力端子Ｐ３，Ｐ４間に二次電池１０が接続された状態において、充電装置１が起動されたときには、電圧測定部４が二次電池１０についての充電電圧値の測定を開始して、電圧データＤｖの電源制御部５への出力を開始する。また、電源制御部５が、二次電池１０に対する充電動作を開始する。

この充電動作において、電源制御部５は、まず、図５に示すように、多段充電パターン決定処理を実行する（ステップ５１）。この多段充電パターン決定処理では、電源制御部５は、操作部８から出力される選択信号Ｓ３に基づいて二次電池１０を多段定電流充電する際に使用する多段充電パターンを決定する。一例として、電源制御部５は、図３に示す高効率多段充電パターンを選択したものとして以下に説明するが、短時間多段充電パターンを選択した場合についても、第１、第２および第３の各領域における充電電流Ｉｏの電流値が大きくなる以外は、高効率多段充電パターンの選択時と同様にして多段定電流充電処理が行われる。

次いで、電源制御部５は、容量検出処理（ＳＯＣ検出処理および電池容量検出処理）を実行する。この容量検出処理では、電源制御部５は、まず、ＳＯＣ検出処理を実行して、二次電池１０のＳＯＣを検出する（ステップ５２）。この残存容量（ＳＯＣ）検出処理では、電源制御部５は、図６に示すように、まず、記憶部６に記憶されている容量検出処理における充電電流Ｉｏの充電電流値Ｉ１を電源部２に設定すると共に、電源部２を作動させる（ステップ６１）。これにより、電源部２は、スイッチ部３を介して二次電池１０が接続されたときに、二次電池１０に対して充電電流Ｉｏを充電電流値Ｉ１で供給し得る状態に移行する。

次いで、電源制御部５は、制御信号Ｓ１をスイッチ部３に出力することにより、スイッチ部３をオン状態に移行させる（ステップ６２）。これにより、図４に示すように、電源部２からスイッチ部３を経由して二次電池１０に一定の電流値（充電電流値Ｉ１）で充電電流Ｉｏが供給され始めて、二次電池１０の充電（定電流充電）が開始される。また、電源制御部５は、スイッチ部３をオン状態に移行させるタイミングに同期して、記憶部６に記憶されているデータＤ１を計時用データＤｔとして計時部７に設定して、計時部７によるオン時間（１５分程度）の計時を開始させる（ステップ６３）。次いで、電源制御部５は、計時完了信号Ｓ２の入力の有無を繰り返し検出することにより、計時部７によるオン時間の計時が完了したか否か検出する（ステップ６４）。

その後、計時部７は、オン時間の計時を完了し、計時完了信号Ｓ２を生成して電源制御部５に出力する。これにより、電源制御部５は、ステップ６４において、計時部７によるオン時間の計時の完了を検出し、次いで、制御信号Ｓ１のスイッチ部３への出力を停止して、スイッチ部３をオフ状態に移行させる（ステップ６５）。これにより、二次電池１０が電源部２から切り離されるため、図４に示すように、二次電池１０に対する充電が停止される。また、電源制御部５は、スイッチ部３をオフ状態に移行させるタイミングに同期して、記憶部６に記憶されているデータＤ２を計時用データＤｔとして計時部７に設定して、計時部７によるオフ時間（５分程度）の計時を開始させる（ステップ６６）。次いで、電源制御部５は、計時完了信号Ｓ２の入力の有無を繰り返し検出することにより、計時部７によるオフ時間の計時が完了したか否か検出する（ステップ６７）。

その後、計時部７は、オフ時間の計時を完了し、計時完了信号Ｓ２を生成して電源制御部５に出力する。これにより、電源制御部５は、ステップ６７において、計時部７によるオフ時間の計時の完了を検出し、次いで、二次電池１０の充電電圧値を測定する（ステップ６８）。具体的には、電源制御部５は、計時完了信号Ｓ２の入力時点での電圧データＤｖ（計時完了信号Ｓ２の入力後に最初に入力した電圧データＤｖ）に基づいて二次電池１０の充電電圧値を検出して、記憶部６に記憶させる。この場合、測定された二次電池１０の充電電圧値は、スイッチ部３がオフ状態、つまり二次電池１０が電源部２から切り離された状態で測定されたものであるため、二次電池１０の開放電圧Ｖｏｐの電圧値（開放電圧値）であり、また切り離しからオフ時間（本発明における所定時間）経過後の充電電圧値（開放電圧値）となる。電源制御部５は、二次電池１０についての充電電圧値の測定回数が３回に達したか否かを判別しつつ（ステップ６９）、上記ステップ６２〜６９を繰り返して、二次電池１０についての充電電圧値を３回測定し、二次電池１０の開放電圧値Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３として記憶部６に順次記憶させる。

次いで、電源制御部５は、開放電圧値Ｖｏｐ３を測定した時点での二次電池１０のＳＯＣ（残存容量）を算出する（ステップ７０）。このＳＯＣの算出において、電源制御部５は、まず、測定した３回分の開放電圧値Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３が図４において一点鎖線で示す直線Ｌ（充電時間と充電電圧Ｖｏとの関係を示す直線）上に位置することを確認する。本例では、上記したように、各開放電圧値Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３は約２０分（＝１５分＋５分）毎に（等時間間隔で）測定され、また二次電池１０、特に鉛蓄電池では、充電開始直後の所定期間（例えば数分間）を除く充電期間において、二次電池１０に定電流を連続して（または定電流を周期的に同一時間ずつ）供給するという条件下において、二次電池１０の開放電圧Ｖｏｐ［Ｖ］が時間に比例して上昇する関係が存在することが実験的に確認されている。本例では、充電開始からまず１５分間程度充電を行ってから各開放電圧値Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３を測定しているため、すべての開放電圧値Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３が直線Ｌ上に位置することになる。

電源制御部５は、各開放電圧値Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３が直線Ｌ上に位置することを確認した後、上記の式（１）を用いて、最後の開放電圧値Ｖｏｐ３を測定した時点での二次電池１０のＳＯＣｓを算出して、記憶部６に記憶させる。本例では、一例として、算出したＳＯＣｓが４０％であるとする。これにより、ＳＯＣ検出処理が完了する。

次に、電源制御部５は、図５に示すように、電池容量検出処理を実行する（ステップ５３）。この電池容量検出処理では、電源制御部５は、まず、上記の式（１）を用いて、最初の開放電圧値Ｖｏｐ１を測定した時点での二次電池１０のＳＯＣを算出して、記憶部６にＳＯＣ１として記憶させる。本例では、一例として、算出したＳＯＣ１が３５％であるとする。次いで、電源制御部５は、上記の式（２）を用いて、二次電池１０の電池容量Ｂｃを算出する。この場合、ＳＯＣ２としては、ステップ５２において算出した二次電池１０のＳＯＣｓ（４０％）を使用する。また、ΔＴは、２つの残存容量ＳＯＣ２，ＳＯＣ１のうちの最初の残存容量ＳＯＣ１を検出した時から、最後の残存容量ＳＯＣ２を検出した時までの間における、充電電流Ｉｏの二次電池１０への供給時間の総和（単位：時間）であり、本例では、２×Ｔ１（０．５時間）である。また、容量検出処理における充電電流Ｉｏの充電電流値Ｉ１は５Ａである。したがって、算出される二次電池１０の電池容量Ｂｃは５０Ａｈとなる。電源制御部５は、算出した二次電池１０の電池容量Ｂｃを記憶部６に記憶させて電池容量検出処理を終了する。

続いて、電源制御部５は、図５に示すように、記憶部６から読み出した多段充電パターンについての３つの領域を区画するＳＯＣのうちの最大のＳＯＣｔ３（９５％）と、容量検出処理の終了した時点でのＳＯＣｓ（４０％）とを比較し（ステップ５４）、ＳＯＣｓがＳＯＣｔ３以上のときには多段定電流充電処理を実行する必要のない高い充電状態であるため、電流制限された定電圧充電処理（ステップ５９）に移行し、ＳＯＣｓがＳＯＣｔ３未満のときには多段定電流充電処理を実行する。

この多段定電流充電処理では、電源制御部５は、まず、定電流充電の充電条件を決定する（ステップ５５）。具体的には、電源制御部５は、ステップ５１の多段充電パターン決定処理において決定した多段充電パターン（図３に示す高効率多段充電パターン）と、現在のＳＯＣｃ（ＳＯＣｓ）とを比較することにより、多段充電パターンにおけるＳＯＣｃが含まれる領域の上限のＳＯＣを目標残存容量ＳＯＣｔとして決定する。本例では、ＳＯＣｓ（４０％）は第１の領域（０％＜ＳＯＣ≦５０％）に含まれるため、第１の領域の上限のＳＯＣｔ１（５０％）を目標残存容量ＳＯＣｔとして決定して記憶部６に記憶させる。また、電源制御部５は、このＳＯＣｃが含まれる領域の電流値（０．１５ＣＡ）を二次電池１０に供給する充電電流Ｉｏの電流値として決定して記憶部６に記憶させる。また、電源制御部５は、現在のＳＯＣｃと、多段充電パターンにおける現在のＳＯＣｃが含まれる領域の上限のＳＯＣ（目標残存容量ＳＯＣｔ）と、二次電池１０の電池容量Ｂｃとを用いて下記式（３）により、目標積算電流値Ｉｈｔを算出して、記憶部６に記憶させて、この多段充電パターン決定処理を終了する。
Ｉｈｔ＝（ＳＯＣｔ−ＳＯＣｃ）×Ｂｃ／１００・・・・・・（３）

なお、電源制御部５は、ステップ５５での定電流充電についての充電条件の決定に際して、現在のＳＯＣｃ（ＳＯＣｓ）が多段充電パターンにおける第２の領域に含まれるときには、この領域の上限のＳＯＣ（ＳＯＣｔ２）を目標残存容量ＳＯＣｔとし、この領域の電流値（０．１ＣＡ）を充電電流Ｉｏの電流値として決定する。また、現在のＳＯＣｃ（ＳＯＣｓ）が多段充電パターンにおける第３の領域に含まれるときには、この領域の上限のＳＯＣ（ＳＯＣｔ３）を目標残存容量ＳＯＣｔとし、この領域の電流値（０．０５ＣＡ）を充電電流Ｉｏの電流値として決定する。

次いで、電源制御部５は、記憶部６に記憶されている電流値での充電電流Ｉｏの二次電池１０への供給を開始すると共に、積算電流値Ｉｈの計測を開始する（ステップ５６）。この場合の積算電流値Ｉｈは、現在のＳＯＣｃからの充電電流Ｉｏに充電時間を乗算して求める。その後、電源制御部５は、計測している積算電流値Ｉｈが記憶部６に記憶されている目標積算電流値Ｉｈｔ以上となったか否かを検出しつつ（ステップ５７）、積算電流値Ｉｈが目標積算電流値Ｉｈｔ以上となるまでステップ５６を繰り返し実行する。一方、この二次電池１０に対する定電流充電の際に、ステップ５７において、積算電流値Ｉｈが目標積算電流値Ｉｈｔ以上となったときには、電源制御部５は、現在の目標残存容量ＳＯＣｔが現在の多段充電パターンにおける最大のＳＯＣｔ３（９５％）であるか否かを検出し（ステップ５８）、目標残存容量ＳＯＣｔがＳＯＣｔ３と一致するまで、ステップ５５〜ステップ５８を繰り返し実行する。

これにより、多段充電パターンにおける第１の領域での充電が終了したときには、電源制御部５は、ステップ５５において、次の第２の領域での上限のＳＯＣｔ２（８０％）を新たな目標残存容量ＳＯＣｔとし、かつ次に供給する充電電流Ｉｏの電流値を次の第２の領域における電流値（０．１ＣＡ）とし、かつ新たな目標積算電流値Ｉｈｔを算出して、これらを記憶部６に記憶させて、多段充電パターンにおける第２の領域での充電を実行する。同様にして、多段充電パターンにおける第２の領域での充電が終了したときには、電源制御部５は、次の第３の領域での上限のＳＯＣｔ３（９５％）を新たな目標残存容量ＳＯＣｔとし、かつ次に供給する充電電流Ｉｏの電流値を次の第３の領域における電流値（０．０５ＣＡ）とし、かつ新たな目標積算電流値Ｉｈｔを算出して、これらを記憶部６に記憶させて、多段充電パターンにおける第３の領域での充電を実行する。これにより、図４に示すように、０．１５ＣＡ、０．１ＣＡ、０．０５ＣＡというように充電電流値を多段階に変化させた多段定電流充電処理が、充電装置１によって二次電池１０に対して行われる。

その後、電源制御部５は、ステップ５７において積算電流値Ｉｈが目標積算電流値Ｉｈｔ以上となったことを検出したときには、次のステップ５８において、現在の目標残存容量ＳＯＣｔが現在の多段充電パターンにおける最大のＳＯＣｔ３（９５％）であることを検出するため、多段充電パターンに基づく多段定電流充電処理を終了する。この多段定電流充電処理により、二次電池１０は、ＳＯＣが９５％の状態まで充電される。最後に、電源制御部５は、定電圧充電処理を時間Ｔ３だけ実行し（ステップ５９）、この多段定電流充電処理の完了時点で、二次電池１０に対する充電動作を終了する。

このように、この充電装置１によれば、電源制御部５が、多段定電流充電処理の開始に先立って容量検出処理を実行して多段定電流充電処理の開始直前でのＳＯＣｓおよび二次電池１０の電池容量Ｂｃを検出すると共に、記憶部６に記憶された多段定電流充電処理を実行する際における二次電池１０のＳＯＣと充電電流Ｉｏの充電電流値との関係を示す多段充電パターンおよび検出した電池容量Ｂｃに基づいて多段定電流充電処理の開始時における充電電流値を決定し、多段定電流充電処理の開始後においては多段充電パターンに従って充電電流値を決定して変更する。したがって、この充電装置１によれば、二次電池１０（特に鉛蓄電池）における充電時の内部特性（内部抵抗の抵抗値、電極反応および副反応（ガス発生））との間に周囲温度に殆ど左右されない関係が成立しているＳＯＣに基づいて、二次電池１０の充電時における内部特性を考慮した所望のタイミングで多段定電流充電処理における充電電流値を正確に切り替えることができ、その結果、充電効率を一層向上させることができる。

また、この充電装置１によれば、記憶部６に複数の多段充電パターンを記憶させ、電源制御部５が、複数の多段充電パターンのうちから選択された１つの多段充電パターンに基づいて多段定電流充電処理における充電開始時および充電開始後の充電電流値を決定することにより、目的に応じた多段充電パターンでの充電を実行することができる。例えば、多段充電パターンとして、図３に示すように、短時間に充電を完了させるために、第１、第２および第３の各領域の充電電流Ｉｏの電流値を大きめに設定した短時間多段充電パターンと、充電の完了までの時間よりも高効率充電を目的として、第１、第２および第３の各領域の充電電流Ｉｏの電流値を小さめに設定した高効率多段充電パターンとを記憶部６に記憶させて、選択可能とすることにより、目的に応じて、短時間での充電と高効率での充電とを選択して実行することができる結果、充電装置１の使い勝手を向上させることができる。

また、この充電装置１によれば、容量検出処理において、電源制御部５が、二次電池１０への一定の充電電流値Ｉ１での充電と電源部２からの二次電池１０の切り離しとを、切り離しの開始から所定時間（Ｔ２）経過後における二次電池１０についての開放電圧Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３の測定を実行しつつ複数回（一例として３回）繰り返し、測定した複数の開放電圧Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３のうちの少なくとも１つに基づいていずれか１つの開放電圧Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３の測定時における二次電池１０のＳＯＣを検出することにより、容量検出処理の時間を無駄にすることなく二次電池１０に対する充電を行いつつ、ＳＯＣをリアルタイムに検出することができる。また、開放電圧Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３を測定して二次電池１０のＳＯＣを検出することにより、電池形状、電極構造および配線に起因して充電電圧を測定する際に発生する内部抵抗の影響をなくすことができると共に満充電近傍で急上昇する過電圧による影響も軽減することができる。

また、この充電装置１によれば、容量検出処理において、電源制御部５が、測定した複数の開放電圧Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ２，Ｖｏｐ３のうちの２つに基づいて、２つの開放電圧（本例では開放電圧Ｖｏｐ１，Ｖｏｐ３）の各測定時における二次電池１０のＳＯＣ（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）を検出し、検出した２つのＳＯＣの差分（ＳＯＣ２−ＳＯＣ１）、２つの開放電圧を測定する間における二次電池１０に対する総充電時間、および容量検出処理における充電電流値Ｉ１に基づいて電池容量Ｂｃを算出することにより、容量検出処理の時間を無駄にすることなく二次電池１０に対する充電を行いつつ、電池容量Ｂｃを検出することができる。

また、この充電装置１によれば、電源制御部５が定電流充電処理を実行した後に定電圧充電処理を一定時間だけ実行することにより、ほぼ満充電に近い状態の二次電池１０をより満充電に近い状態に移行させつつ、充電終期の充電電流値Ｉ１を低下させて過充電を回避することができるため、二次電池１０の寿命低下を防止することができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、その構成を適宜変更することができる。例えば、鉛蓄電池の充電時の内部特性を考慮して３段階に充電電流Ｉｏの電流値を変更する例について上記したが、他の種類の二次電池１０における充電時の内部特性に合わせて、２段階、さらには４段階以上に充電電流Ｉｏの電流値を変更する多段定電流充電処理を実行する構成を採用することもできる。また、短時間多段充電パターンと高効率多段充電パターンの２つの多段充電パターンを記憶部６に記憶させて選択する例について上記したが、目的に応じて、さらに他の多段充電パターンを１または２つ以上追加する構成を採用することもできるし、逆に、記憶部６に１つの多段充電パターンのみを記憶させる構成を採用することもできる。

本発明の実施の形態に係る充電装置１の構成図である。 開放電圧Ｖｏｐと残存容量との関係を示す特性図である。 多段充電パターン（短時間多段充電パターンと高効率多段充電パターン）を示す説明図である。 充電処理における充電電流Ｉｏおよび充電電圧Ｖｏの時間経過に伴う各変化を示す特性図である。 電源制御部５の充電動作を説明するためのフローチャートである。 図５における残存容量（ＳＯＣ）検出処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 充電装置
２ 電源部
３ スイッチ部
４ 電圧測定部
５ 電源制御部
６ 記憶部
７ 計時部
１０ 二次電池
Ｉｏ 充電電流
Ｖｏ 充電電圧

Claims (5)

1. 充電対象電池に対する充電時の充電電流値を制御可能に構成された電源部と、当該電源部を制御することによって前記充電対象電池に対して多段定電流充電処理を実行する電源制御部と、前記多段定電流充電処理を実行すべき前記充電対象電池について残存容量を複数に区画した各領域での充電電流値を規定した多段充電パターンが予め記憶された記憶部とを備え、
   前記電源制御部は、前記多段定電流充電処理の開始に先立って容量検出処理を実行して現在の前記残存容量および前記充電対象電池の電池容量を検出し、
   前記現在の残存容量が含まれる前記多段充電パターンにおける前記領域での前記充電電流値を前記充電時の充電電流値として決定すると共に当該現在の残存容量が含まれる前記領域の上限の前記残存容量を目標残存容量として決定し、かつ当該現在の残存容量、当該決定した目標残存容量および前記電池容量に基づいて当該現在の残存容量が含まれる前記領域での目標積算電流値を算出して、前記決定した充電電流値での前記充電対象電池に対する定電流充電を積算電流値を計測しつつ実行することで前記多段定電流充電処理を開始し、
   前記多段定電流充電処理の開始後は、前記計測している積算電流値が前記目標積算電流値に達したときに前記多段充電パターンにおける当該目標積算電流値を算出した前記領域での充電を終了して、当該多段充電パターンで規定された次の前記領域の下限の残存容量を新たな前記現在の残存容量とし、かつ当該領域での前記充電電流値を新たな前記充電時の充電電流値とし、かつ当該領域の上限の残存容量を新たな前記目標残存容量として決定すると共に、当該新たな現在の残存容量、当該新たな目標残存容量および前記電池容量に基づいて当該領域での新たな前記目標積算電流値を算出して、前記新たな充電電流値での前記充電対象電池に対する定電流充電を積算電流値を計測しつつ実行する処理を、当該多段充電パターンにおける最大の残存容量を前記目標残存容量とする前記領域での充電が終了するまで実行する充電装置。
2. 前記記憶部には前記多段充電パターンが複数記憶され、
   前記電源制御部は、前記複数の多段充電パターンのうちから選択された１つの多段充電パターンに基づいて前記多段定電流充電処理を実行する請求項１記載の充電装置。
3. 前記電源制御部は、前記容量検出処理において、前記充電対象電池への一定の充電電流値での充電と前記電源部からの前記充電対象電池の切り離しとを、当該切り離しの開始から所定時間経過後における前記充電対象電池についての開放電圧の測定を実行しつつ複数回繰り返し、前記測定した複数の開放電圧のうちの少なくとも１つに基づいて当該いずれか１つの開放電圧の測定時における前記充電対象電池の前記残存容量を検出する請求項１または２記載の充電装置。
4. 前記電源制御部は、前記容量検出処理において、前記測定した複数の開放電圧のうちの２つに基づいて当該２つの開放電圧の各測定時における前記充電対象電池の前記残存容量を検出し、当該検出した２つの残存容量の差分、前記２つの開放電圧を測定する間における前記充電対象電池に対する総充電時間、および前記容量検出処理における前記充電電流値に基づいて前記電池容量を算出する請求項３記載の充電装置。
5. 前記電源部は前記充電対象電池に対する充電時の充電電圧値を制御可能に構成され、
   前記電源制御部は、前記多段定電流充電処理を実行した後に前記充電対象電池に対して定電圧充電を実行する請求項１から４のいずれかに記載の充電装置。

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