JP5561327B2

JP5561327B2 - 充電装置

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Inventors: 俊裕飴井
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Description

本発明は、二次電池を充電する充電装置に関し、更に詳しくは、急速充電モードにおいて、充電する二次電池の電池容量が異なっていても、その電池容量に合わせた最適な充電電流で充電する充電装置に関する。

従来、リチウムイオンなどの二次電池は、通常、図３に示すＣＣＣＶ（定電流定電圧：Constand Current Constant Voltage）充電方式により充電している。ＣＣＣＶ充電方式では、同図（ｂ）に示すように、微小な充電電流Ｉｃを加えて二次電池の端子間の電圧（端子電圧という）Ｖｂの上昇を確認するプリ充電を行った後、一定電流Ｉｋ１の充電電流Ｉｃで充電する急速充電を行い、端子電圧Ｖｂ（ｔ）がその二次電池で定められる最大充電電圧Ｖｅに達するかその直前に、最大充電電圧Ｖｅ付近の端子電圧Ｖｂ（ｔ）を維持するように充電電流Ｉｃ（ｔ）を徐々に減少させる定電圧充電を行う。ここで、最大充電電圧Ｖｅは、二次電池を充電する際に許容される最大の充電電圧であり、これを越える電圧で充電すると過充電となって二次電池が劣化したり、破壊に至る危険がある。この二次電池の最大充電電圧Ｖｅは、電池容量にかかわらず、その種類によりほぼ一定であり、リチウムイオン電池の場合には、４．２Ｖとなっている。

一方、急速充電中に、一定の充電電流Ｉｋ１で上昇する端子電圧Ｖｂ（ｔ）の上昇率（傾き）は、充電しようとする二次電池の電池容量により異なり、電池容量に比べて充電電流Ｉｋ１が小さければ、急速充電の充電時間が延び、逆に大きいと二次電池の自然な化学変化速度を超えて充電されるので、二次電池が耐用年数が短縮する。そこで、公称容量値で満充電した二次電池を定電流放電し、１時間で放電終了（ＳＯＣ（State of Charge）が０％）となるときの放電電流値を１Ｃ（Ｃは定格放電容量値）として、充電しようとする二次電池の電池容量毎に定まる１Ｃに、図３（ａ）に示す一定電流Ｉｋ１を設定し、１Ｃ前後の充電電流Ｉｃを定電流出力する充電装置を用いて、急速充電中にいわゆる１Ｃ充電を行っている。１Ｃ充電により急速充電を行えば、二次電池の自然な化学変化速度を越えずに、最短時間で満充電まで充電できる。

しかしながら、充電しようとする二次電池の電池容量毎にＩｋ１を設定する専用の充電装置を用意しなければならず、この問題を解決するために、急速充電中に定電流制御する充電電流Ｉｃを、二次電池の電池容量に合わせた一定電流Ｉｋ２に二次電池側から設定し、汎用の充電装置であっても異なる電池容量の二次電池を、その電池容量毎に適正値に設定された充電電流Ｉｋ２で充電する充電方式も知られている。この充電方式では、図４に示すように、二次電池の最大充電電圧Ｖｅより充分に高い直流電圧Ｖｋを充電電圧Ｖｃとして定電圧出力する充電装置を用い、二次電池を収容する機器側の定電流制御回路で、急速充電中の充電電流Ｉｋ２が、二次電池の電池容量に合わせた１Ｃとなるように定電流制御している。従って、急速充電中は、二次電池を１Ｃ充電し、ほぼ１時間経過後に、端子電圧Ｖｂ（ｔ）が最大充電電圧Ｖｅに達すると、充電電流Ｉｃ（ｔ）を低下させて端子電圧Ｖｂを最大充電電圧Ｖｅに維持する定電圧充電を行う。

また、急速充電前に予め充電する二次電池の電池容量を検出する容量測定処理を実行し、検出した電池容量に基づいて設定した充電電流Ｉｃで急速充電中に定電流充電処理を実行する充電装置も知られている（特許文献１）。二次電池の電池容量は、容量測定処理中に充電装置から二次電池へ容量検出用の既知の充電電流Ｉｏを流す充電路を開閉制御し、充電電流Ｉｏが流れる一定時間Δｔの間隔を隔てて検出する二つのＳＯＣ１、ＳＯＣ２（単位は％）から得られる。

すなわち、二次電池の電池容量は、
電池容量＝充電電流Ｉｏ・一定時間Δｔ・１００／（ＳＯＣ２−ＳＯＣ１）
から算定される。ここで、電池残量であるＳＯＣ（State of Charge）は、二次電池を満充電した際を１００％として、二次電池の端子間の開放電圧の変化分に比例して増減するので、ＳＯＣ１とＳＯＣ２は、充電時間Δｔを隔てた前後で充電路を開制御する二次電池の開放電圧から求める。

特開２００８−６１３７３号公報

上述の従来の図３に示すＣＣＣＶ充電方式では、二次電池の電池容量毎に専用の充電装置を用意する必要があり、急速充電中に電池容量に比べて過大な充電電流Ｉｃを流すと、二次電池の劣化の原因となり、耐用年数が短くなる。逆に、電池容量に比べて過小な充電電流Ｉｃで定電流充電を行うと、満充電までの充電時間が延び、急速充電ができない。

一方、二次電池の電池容量に合わせて、充電する二次電池側若しくは二次電池を収容する機器側から急速充電中の充電電流Ｉｃ（ｔ）を一定電流Ｉｋ２に制御する図４に示す充電方式では、急速充電中に二次電池の端子電圧Ｖｂ（ｔ）が上昇しても、二次電池若しくは機器側から充電装置から出力される充電電圧Ｖｃを制御できないので、充電装置から、二次電池の最大充電電圧Ｖｅより充分に高い直流電圧Ｖｋを定電圧出力している。その結果、特に急速充電中の初期には、充電電圧Ｖｃである直流電圧Ｖｋと二次電池の端子電圧Ｖｂ（ｔ）との電位差が大きく、一定電流Ｉｋ２が流れることにより、電力損失が大きく、また、損失エネルギーが熱エネルギーなどに換わって意図しない温度上昇が発生する。

また、特許文献１に記載の充電装置では、急速充電前に二次電池の電池容量を検出する容量測定処理を行う必要があり、容量測定処理では、充電路を開閉制御して複数回、二次電池の開放電圧を測定するという煩わしさがあり、その制御が複雑となっていた。

更に、電池残量（ＳＯＣ）を検出する毎に、充電路を開制御して二次電池の端子電圧が大きく低下するので、容量測定処理中は実質的に充電が進行せず、充電効率が悪いという問題があった。

本発明は、急速充電前に二次電池の電池容量を検出する容量測定処理を実行せずに、異なる電池容量の二次電池であっても、その電池容量に応じた適正な充電電流Ｉｃ（ｔ）で急速充電を行う充電装置を提供することを目的とする。

また、急速充電中の充電装置から出力する充電電圧Ｖｃと二次電池の端子電圧Ｖｂ（ｔ）が一致し、電力損失なく急速充電を実行する充電装置を提供すること目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の充電装置は、二次電池を直流電力で充電する電源部と、前記二次電池の端子電圧が予め定められる終止電圧に到達するまで、前記電源部の充電動作を制御する電源制御部とを備えた充電装置であって、電源制御部は、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、経過時間を計時するタイマー手段と、微小単位経過時間中の端子電圧増加分ΔＶで表される電圧上昇変化率を逐次算出する算定手段とを有し、電源部が二次電池を直流電力で充電する間に、前記直流電力の充電電圧を二次電池の端子電圧としながら、算定手段で算出する電圧上昇変化率が予め定めた複数の異なる設定上昇変化率に沿って変化するように、前記直流電力の充電電流を可変制御することを特徴とする。

電源制御部は、電源部が二次電池を直流電力で充電する間に、タイマー手段が計時する微小単位経過時間の前後で電圧検出部が検出する二次電池の端子電圧の電位差から端子電圧増加分ΔＶを得て、前記微小単位経過時間中の電圧上昇変化率を算出する。算出した電圧上昇変化率は、二次電池の充電速度を表し、充電電流に比例するので、電圧上昇変化率が設定上昇変化率となるように、充電電流を可変制御することにより、二次電池の電池容量にかかわらず、二次電池に適した最適な充電速度で充電できる。

請求項２の充電装置は、前記複数の設定上昇変化率の少なくとも一組の設定上昇変化率を、所定の端子電圧を境界として異なる変化率に予め定めたことを特徴とする。

請求項３の充電装置は、終止電圧が、二次電池に許容される最大充電電圧であり、電源制御部が、二次電池の端子電圧が最大充電電圧よりわずかに低い目標電圧に達するまで急速充電モードで前記電源部の充電動作を制御し、急速充電モードでの前記設定上昇変化率を、公称容量値の二次電池を定電流放電し、１時間で放電終了となる電流値を１Ｃとして、１Ｃの充電電流で充電した場合の電圧上昇変化率近傍に定めることを特徴とする。

二次電池の端子電圧が最大充電電圧よりわずかに低い目標電圧に達するまで、二次電池の端子電圧は、ほぼ１Ｃの充電電流で充電した場合の電圧上昇変化率で上昇する。急速充電モードで、二次電池は、その電池容量にかかわらず、自然放電速度にほぼ等しい充電速度で充電される。

請求項４の充電装置は、目標電圧が、充電電流に比例する電圧上昇変化率が低下し始める変曲点電圧であることを特徴とする。

二次電池の端子電圧が変曲点電圧を越えると、同一の充電電流を加えても端子電圧の上昇率は急激に低下し、二次電池に供給される電気エネルギーが熱エネルギーに変換される割合が増加して充電効率が悪化する。従って、充電効率が悪化する直前の変曲点電圧に達した時点で、端子電圧をほぼ１Ｃの充電電流で充電した場合の電圧上昇変化率で上昇させる急速充電モードを終了させる。

請求項５の充電装置は、電源制御部が、二次電池の端子電圧が前記目標電圧に達した後、最大充電電圧に達するまで微調整充電モードで前記電源部の充電動作を制御し、微調整充電モードでの前記設定上昇変化率を、急速充電モードでの前記設定上昇変化率より充分に低い値に定めることを特徴とする。

二次電池の端子電圧が前記目標電圧に達した後、最大充電電圧に達するまで、二次電池の端子電圧の電圧上昇変化率は、急速充電モードより充分に低下するので、端子電圧は徐々に最大充電電圧に近づき、端子電圧が最大充電電圧を超える過充電とならない。

目標電圧が変曲点電圧であれば、変曲点電圧に達した後に充電電流が低下するので、発熱を抑制しつつ、端子電圧が最大充電電圧に達する。

請求項６の充電装置は、電源部が、終止電圧より少なくとも高い直流電圧の直流入力電圧間に直列に接続されたスイッチング素子の開閉により二次電池の充電端子間に前記直流電力を出力するチョッパ式降圧コンバータであり、電源制御部は、前記算定手段で算出する電圧上昇変化率が前記設定上昇変化率に一致するように、前記スイッチング素子を開閉制御するパルス幅変調信号のＯＮデューティを増減し、前記電圧上昇変化率を調整することを特徴とする。

チョッパ式降圧コンバータから出力される直流電力の大きさは、スイッチング素子を閉じ制御するパルス幅変調信号のＯＮデューティに依存するので、ＯＮデューティの増減に応じて二次電池を充電する直流電力が増減する。チョッパ式降圧コンバータの出力電圧は、二次電池の端子電圧であるので、直流電力の増減は充電電流の増減として表れ、充電電流に比例する電圧上昇変化率も増減する。従って、パルス幅変調信号のＯＮデューティを調整することにより、算定手段で算出する電圧上昇変化率を設定上昇変化率に一致させることができる。

請求項１の発明によれば、急速充電前に二次電池の電池容量を検出する容量測定処理を実行せずに、異なる電池容量の二次電池であっても、設定上昇変化率を任意に設定することにより、その電池容量に応じた最適な充電速度で二次電池を充電できる。従って、充電しようとする二次電池毎に専用の充電装置を用意することなく、複数種類の二次電池を充電する充電装置として汎用することができる。

また、充電電圧を二次電池の端子電圧に一致させながら、二次電池を充電するので、両者の差電圧による電力損失が少なく、無駄な発熱を生じることなく充電できる。

また、同一の充電モード中であっても、異なる変化率に設定した設定上昇変化率に、充電状況の変化に応じて電圧上昇変化率を一致させることができる。

請求項２の発明によれば、所定の充電電圧を境界として充電速度を変化させることができる。

請求項３の発明によれば、充電する二次電池の電池容量にかかわらず、二次電池を劣化させない最速の充電速度で充電できる。

請求項４の発明によれば、変曲点電圧に達した時点で、電圧上昇変化率が高い急速充電モードを終了するので、充電効率の低下を防止できる。

請求項５の発明によれば、過充電により二次電池を劣化させる恐れがない。

また、目標電圧が変曲点電圧であれば、変曲点電圧を超えた微調整充電モードで、充電電圧が充分に低下するので、発熱が抑制され、充電効率を大きく低下させずに最大充電電圧まで充電できる。

請求項６の発明によれば、充電電圧を端子電圧としながら、スイッチング素子を開閉制御するパルス幅変調信号のＯＮデューティを調整するだけで、電圧上昇変化率を設定上昇変化率に一致させることができる。

二次電池１０を充電する本発明の一実施の形態に係る充電装置１の回路図である。充電装置１で二次電池１０を充電する間の（ａ）は、充電装置１から出力される充電電圧Ｖｃと充電電流Ｉｃの関係を、（ｂ）は、端子電圧波形Ｖｂ（ｔ）と充電電流波形Ｉｃ（ｔ）を、示すグラフである。従来のＣＣＣＶ充電方式により二次電池を充電する間の（ａ）は、充電装置から出力される充電電圧Ｖｃと充電電流Ｉｃの関係を、（ｂ）は、端子電圧波形Ｖｂ（ｔ）と充電電流波形Ｉｃ（ｔ）を、示すグラフである。従来の他の充電方式により二次電池を充電する間の（ａ）は、充電装置から出力される充電電圧Ｖｃと充電電流Ｉｃの関係を、（ｂ）は、端子電圧波形Ｖｂ（ｔ）と充電電流波形Ｉｃ（ｔ）を、示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態における充電装置１を、図１と図２で説明する。図１に示すように、充電装置１は、二次電池１０を直流電力で充電する電源部２と、電源部２の出力を制御する電源制御部３から構成されている。

電源部２は、一対の入力２ａ、２ｂ間に接続された平滑コンデンサ１１により平滑化された直流電源２０の入力電圧Ｖｉｎを降圧して一対の出力２ｃ、２ｄ間に出力するチョッパ式降圧コンバータで構成され、低圧側入力２ｂと低圧側出力２ｄ間に接続されたスイッチ素子４と、高圧側入力２ａと高圧側出力２ｃ間に接続されたインダクタ６と、一対の出力２ｃ、２ｄ間に接続されたコンデンサ７と、高圧側入力２ａと低圧側出力２ｄ間に接続された逆流防止用スイッチ素子とを備えている。

スイッチ素子４は、ドレインとソースをそれぞれ低圧側出力２ｄと低圧側入力２ｂに、ゲートを電源制御部３の後述するドライブ回路１７へ接続した３端子型電界効果トランジスタであり、ドライブ回路１７から出力されるフォワードスイッチ制御信号によってドレイン−ソース間が開閉制御される。

逆流防止用スイッチ素子もドレインを高圧側入力２ａに、ソースを低圧側出力２ｄに、ゲートを電源制御部３のドライブ回路１７へ接続した３端子型電界効果トランジスタであり、ドライブ回路１７から出力されるフライバック制御信号によって、スイッチ素子４が閉じ制御されている間、高圧側入力２ａから低圧側入力２ｂへ流れる電流を阻止するように、ドレイン−ソース間が遮断制御され、スイッチ素子４が開制御されている間、インダクタ６のフライバック動作によって生じる低圧側出力２ｄ側から高圧側出力２ｃへの放電電流を流すように、ドレイン−ソース間が導通制御される。従って、この逆流防止用スイッチ素子に代えて、低圧側入力２ｂから高圧側入力２ａを順方向とするダイオードを用いてもよい。

高圧側出力２ｃと低圧側出力２ｄは、それぞれ高圧側充電線８ａと低圧側充電線８ｂを介して直接二次電池１０の一対の端子１０ａ、１０ｂに接続している。これにより電源部（チョッパ式降圧コンバータ）２の一対の出力２ｃ、２ｄ間の出力電圧は、電源部２により充電する二次電池１０の一対の端子１０ａ、１０ｂ間の端子電圧Ｖｂに一致している。

電源部２の直流電力で充電する二次電池１０は、最大充電電圧が４．２Ｖ、公称電圧が３．７Ｖのリチウムイオン電池であり、リチウムイオン電池は、最大充電電圧を超える過電圧に弱いので、ここでは、充電を停止する終止電圧を最大充電電圧４．２Ｖとし、電源制御部３は、一対の出力２ｃ、２ｄ間の出力電圧、すなわち端子電圧Ｖｂが４．２Ｖに達した時点で充電を停止する充電制御を行っている。上述の通り、電源部２には、入力電圧Ｖｉｎを降圧するチョッパ式降圧コンバータを用いるので、直流電源２０の入力電圧Ｖｉｎは、少なくとも端子電圧Ｖｂの最大値４．２Ｖより高い電圧となっている。

電源制御部３は、図１に示すように、マイクロプロセッサ９と、出力２ｃ、２ｄ間の端子電圧Ｖｂを数ｍｓｅｃの周期で検出してマイクロプロセッサ９へ出力する端子電圧検出回路１２と、マイクロプロセッサ９の実行プログラムの他、充電する二次電池１０毎に定められた終止電圧や後述する目標電圧、設定上昇変化率等を記憶するＲＯＭ１３と、低圧側充電線８ｂに介在するシャント抵抗１８の電圧降下から低圧側充電線８ｂに流れる充電電流Ｉｃを常時監視してマイクロプロセッサ９へ出力する充電電流検出回路１４と、計時情報をマイクロプロセッサ９へ出力するタイマー回路１５と、直流電源２０の入力電圧Ｖｉｎを検出してマイクロプロセッサ９へ出力する入力電圧検出回路１６及びスイッチ素子４と逆流防止用スイッチ素子の動作を制御するドライブ回路１７とを備えている。マイクロプロセッサ９は、更に二次電池１０の近傍に配置された温度センサー１９にも接続し、温度センサー１９から二次電池１０の温度情報を入力している。

後述する高速充電モードで、ドライブ回路１７からスイッチ素子４（ＦＥＴのゲート）を開閉制御するフォワードスイッチ制御信号は、１μｓｅｃの周期でＨレベルとＬレベルを繰り返す矩形波信号であり、矩形波信号がＨレベルであるときに、低圧側出力２ｄと低圧側入力２ｂが導通する。また、ドライブ回路１７から逆流防止用スイッチ素子５（ＦＥＴのゲート）を開閉制御するフライバック制御信号は、上記フォワードスイッチ制御信号の極性を反転させてフォワードスイッチ制御信号に同期して出力されるもので、スイッチ素子４が閉制御される間、Ｌレベルの矩形波信号を逆流防止用スイッチ素子５へ出力して、高圧側入力２ａと低圧側出力２ｄ間を遮断する。従って、スイッチ素子４が閉じ制御されるＯＮ期間中は、直流電源２０の入力電圧Ｖｉｎと端子電圧Ｖｂとの差電圧がインダクタ６に加わってインダクタ６が充電され、電気エネルギーは磁界エネルギーに変換される。

一方、スイッチ素子４にＬレベルの矩形波信号が出力され、スイッチ素子４が開制御されるＯＦＦ期間に、逆流防止用スイッチ素子５にはＨレベルの矩形波信号が出力され、高圧側入力２ａと低圧側出力２ｄ間を導通させるので、ＯＮ期間中にインダクタ６に蓄えられた磁気エネルギーが電気エネルギーである充電電流Ｉｃとなって、インダクタ６の両端に並列に接続される二次電池１０とコンデンサ７を充電する。

ここで、ＯＮ期間とＯＦＦ期間の和である一周期（１μｓｅｃ）に、電源部２の出力２ｃ、２ｄに発生する電気エネルギーは、一周期中のＯＮ期間の比、すなわちＯＮデューティに比例する。出力２ｃ、２ｄに発生する電気エネルギーは、直流電力として二次電池１０を充電するが、出力２ｃ、２ｄは、二次電池１０の一対の端子１０ａ、１０ｂに接続しているので、出力２ｃ、２ｄ間の出力電圧は、端子１０ａ、１０ｂ間の端子電圧Ｖｂに等しく、ＯＮデューティに比例して増減する直流電力は、二次電池１０を充電する充電電流Ｉｃの増減となって表れる。

そこで、本実施の形態では、矩形波信号であるフォワードスイッチ制御信号を、マイクロプロセッサ９から出力する所定の制御データで変調したＰＷＭ（パルス幅変調）信号とし、二次電池１０の充電状況に応じてマイクロプロセッサ９からドライブ回路１７へ出力される制御データで、フォワードスイッチ制御信号のＯＮデューティを可変し、充電電流Ｉｃを増減制御している。

以下、リチウムイオン電池である二次電池１０を終止電圧Ｖｅまで充電する充電装置１の充電過程を、図２（ｂ）に示すプリ充電、急速充電、微調整充電の各モードに分けて、マイクロプロセッサ９の動作を中心に説明する。

（プリ充電モードＡ）
プリ充電モードでは、二次電池１０を充電する前に、二次電池１０や充電回路中に異常がないかを判定し、異常を認める場合には、急速充電モードに移行せずに、充電を中止する。

マイクロプロセッサ９は、プリ充電モードを開始するｔ_０時に、端子電圧検出回路１２、充電電流検出回路１４、入力電圧検出回路１６、温度センサー１９がそれぞれ検出する、端子電圧Ｖｂ、充電電流Ｉｃ、入力電圧Ｖｉｎ、二次電池１０の温度Ｔｂを記録しておき、同時に、ドライブ回路１７へフォワードスイッチ制御信号とフライバック制御信号を出力させる制御データを出力して電源部２を動作させる。ここでドライブ回路１７に出力される制御データは、パルス幅変調によりフォワードスイッチ制御信号のＯＮ期間を短時間とするもので、従って、図２のＡに示すように、プリ充電モードでは、微小な充電電流Ｉｃ（ｔ）で二次電池１０が充電される。

その後、マイクロプロセッサ９は、タイマー回路１５で計時する所定時間後のｔ_１時の端子電圧Ｖｂ、充電電流Ｉ、入力電圧Ｖｉｎ、二次電池１０の温度Ｔｂを、それぞれ端子電圧検出回路１２、充電電流検出回路１４、入力電圧検出回路１６、温度センサー１９から入力し、ｔ_０時の値と比較し、いずれかの検出値に異常値がある場合、例えば、端子電圧Ｖｂ（ｔ）が上昇しない、充電電流Ｉｃ（ｔ）が制御データで予測する値の範囲にない、入力電圧Ｖｉｎが終止電圧以下である、二次電池の温度Ｔｂが異常に上昇する等となった場合には、充電を中止する。充電の中止は、ドライブ回路９から出力するフォワードスイッチ制御信号を常時Ｌレベルとして、スイッチ素子４を開制御する。

（急速充電モードＢ→Ｂ’→Ｃ）
ｔ_１時の検出値に異常がない場合には、急速充電モードに移行する。急速充電モードでは、二次電池１０の定格放電速度にほぼ等しい充電速度で、端子電圧Ｖｂ（ｔ）が最大充電電圧Ｖｅよりわずかに低い目標電圧Ｖｅ’に達するｔ_２時まで二次電池１０を充電する。ここで、二次電池１０の定格放電速度にほぼ等しい充電速度とは、満充電した公称容量値の二次電池１０を定電流放電し、１時間で放電終了となる電流値を１Ｃとし、１Ｃの充電電流で二次電池１０を充電した場合（これを、１Ｃ充電という）の電圧上昇変化率（単位時間あたりの端子電圧Ｖｂ（ｔ）間の差電圧）にほぼ等しく端子電圧Ｖｂ（ｔ）が上昇する速度である。また、本実施の形態では、急速充電モードを終了させる目標電圧Ｖｅ’を、充電電流Ｉｃ（ｔ）に比例する電圧上昇変化率が低下し始める変曲点電圧とし、最大充電電圧Ｖｅの４．２Ｖよりわずかに低い４．０Ｖとしている。

ＲＯＭ１３には、リチウムイオン電池である二次電池１０の充電情報として、充電しようとする二次電池１０を１Ｃ充電した場合の電圧上昇変化率（二次電池１０の電池種別毎に異なる）をもとに設定する第１設定上昇変化率（ここでは、リチウムイオン電池の場合の変化率に設定）、第１設定上昇変化率より充分に低い値に設定する第２設定上昇変化率、目標電圧Ｖｅ’（４．０Ｖ）、終止電圧である最大充電電圧Ｖｅ（４．２Ｖ）が記憶されている。

マイクロプロセッサ９は、急速充電モードを開始するｔ_１時後に、フォワードスイッチ制御信号のＯＮデューティを所定値とする制御データをドライブ回路１７に出力し、ドライブ回路１７からフォワードスイッチ制御信号と極性を反転させたフライバック制御信号を出力し、電源部２を動作させる。その後、数ｍｓｅｃの微小時間Δｔの前後（Ｂ、Ｂ’）で端子電圧検出回路１２が検出する端子電圧Ｖｂ（ｔ）間の差電圧から端子電圧増加分ΔＶを得て、微小時間Δｔ時間あたりの端子電圧増加分ΔＶである電圧上昇変化率を算定する。

続いて、算定した電圧上昇変化率をＲＯＭ１３から読み出す第１設定上昇変化率と比較し、算定した電圧上昇変化率が第１設定上昇変化率に一致するように、フォワードスイッチ制御信号のＯＮデューティを変化させる制御データをドライブ回路１７へ出力する。すなわち、算定した電圧上昇変化率が第１設定上昇変化率以下である場合には、フォワードスイッチ制御信号のＯＮデューティを増加させる制御データをドライブ回路１７へ出力し、充電電流Ｉｃ（ｔ）を増加させ、逆に算定した電圧上昇変化率が第１設定上昇変化率以上である場合には、フォワードスイッチ制御信号のＯＮデューティを減少させる制御データをドライブ回路１７へ出力し、充電電流Ｉｃ（ｔ）を減少させる。端子電圧Ｖｂ（ｔ）の電圧上昇変化率は、充電電流Ｉｃ（ｔ）の増減により増減するので、急速充電モード中に以上の処理を例えば数ｍｓｅｃの周期で繰り返すことにより、二次電池１０を、その電池容量の大きさにかかわらず、定格放電速度にほぼ等しい充電速度で充電できる。尚、微小時間Δｔの長さ、即ち、上述の処理を繰り返す周期について、本実施の形態では数ｍｓｅｃに設定しているが、必ずしもこのような長さである必要はなく、数秒〜数十秒程度の長さであっても本発明を実施し得る。

この急速充電モードでの充電電流Ｉｃ（ｔ）は、理想的には、充電する二次電池１０の種類とその電池容量から定まる充電電流値１Ｃの付近で変動することとなるが、従来の充電装置のように、既知の二次電池１０について定められた充電電流値１Ｃで定電流制御するものではないので、二次電池１０の内部抵抗の経年変化や充電線の抵抗値の変化といった充電条件が変化しても、充電電流Ｉｃが自動的に変化して設定され、その都度の充電条件にとって最適な充電速度を維持して充電できる。

また、マイクロプロセッサ９は、数ｍｓｅｃの周期で上記処理を繰り返す過程で、端子電圧検出回路１２が検出する端子電圧Ｖｂ（ｔ）をＲＯＭ１３から読み出した目標電圧Ｖｅ’（４．０Ｖ）と比較し、目標電圧Ｖｅ’（４．０Ｖ）に達したｔ_２時に、急速充電モードから微調整充電モードに移行する。

（微調整充電モードＤ）
微調整充電モードでは、二次電池１０の充電効率が急激に低下する変曲点電圧を端子電圧Ｖｂ（ｔ）が越えているので、二次電池１０の充電電流Ｉｃ（ｔ）を低下させて充電速度を落とし、過剰な充電電流Ｉｃ（ｔ）が熱エネルギーに変換され充電効率が悪化することを防止するととともに、端子電圧Ｖｂが最大充電電圧を越える過充電となり、二次電池１０が劣化したり、破損することを防止する。

マイクロプロセッサ９は、急速充電モードから引き続いて、数ｍｓｅｃの微小時間Δｔの前後の端子電圧Ｖｂ（ｔ）を検出して、微小時間Δｔ時間あたりの端子電圧増加分ΔＶである電圧上昇変化率を算定し、算定した電圧上昇変化率が、ＲＯＭ１３から読み出した第２設定上昇変化率に一致するように、フォワードスイッチ制御信号のＯＮデューティを変化させる制御データをドライブ回路１７へ出力する。

第２設定上昇変化率は、第１設定上昇変化率に比べて充分に低く、０に近い値とするので、図２（ｂ）に示すように、電圧上昇変化率を第２設定上昇変化率へ一致させる充電電流Ｉｃは、急速充電モードでの充電電流Ｉｃ（ｔ）から急激に低下し、端子電圧Ｖｂ（ｔ）は極めて緩やかな傾斜で上昇する。

マイクロプロセッサ９は、数ｍｓｅｃの周期で上記処理を繰り返す過程で、端子電圧検出回路１２が検出する端子電圧Ｖｂ（ｔ）を、ＲＯＭ１３から読み出した終止電圧である最大充電電圧Ｖｅ（４．２Ｖ）と比較し、終止電圧（４．２Ｖ）に達したｔ_３時に、ドライブ回路９から出力するフォワードスイッチ制御信号を常時Ｌレベルとして、スイッチ素子４を開制御し、充電を停止する。

以上の二次電池１０の充電工程では、端子電圧Ｖｂ（ｔ）が終止電圧（４．２Ｖ）に達したｔ_３時の後に、マイクロプロセッサ９は電圧上昇変化率を０とする制御データをドライブ回路１７へ出力し、微少な充電電流Ｉｃ（ｔ）を流して端子電圧Ｖｂが終止電圧（４．２Ｖ）を維持するようにしてもよい。

また、急速充電モードや微調整充電モードであっても、温度センサー１９が検出する二次電池１０の温度が異常に上昇したり、入力電圧Ｖｉｎが終止電圧（４．２Ｖ）未満となった場合には、スイッチ素子４を開制御し、充電を停止する。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々変形が可能であり、例えば、急速充電モードで電圧上昇変化率を一致させる第１設定上昇変化率は、必ずしも１Ｃの充電電流で充電した場合の電圧上昇変化率に設定する必要はなく、２Ｃ充電若しくは１／２Ｃ充電等任意の充電速度に合わせて設定することができる。

また、電圧上昇変化率を一致させる設定上昇変化率は、急速充電モードにおいて同一である必要はなく、異なる変化率に設定した複数の設定上昇変化率のいずれかに、充電状況の変化に応じて電圧上昇変化率を一致させてもよい。例えば、温度センサー１９が検出する二次電池１０の温度上昇に伴って、電圧上昇変化率を一致させる設定上昇変化率をより低い値に設定した設定上昇変化率に変更する。

また、微小単位経過時間の前後で検出する端子電圧は、連続して検出する複数の端子電圧の相関から、異常値を除いたり平均値化する等の算定処理を行って特定してもよい。

また、電源部２は、出力電圧を端子電圧に連動させながら、二次電池を充電する出力電流（充電電流）を可変制御できるものであれば、チョッパ式降圧コンバータに限らず、任意の直流電源を用いることができる。

更に、二次電池も充電電流に応じて充電速度が変化する特性の二次電池であれば、リチウムイオン電池に限らず、ニッケルカドミウム電池など他の二次電池であってもよい。

本発明は、反転板バネを可動接点板として用いる充電装置に適している。

１充電装置
２電源部
３電源制御部
４スイッチ素子（スイッチング素子）
９マイクロプロセッサ（算定手段）
１０二次電池
１２端子電圧検出回路（電圧検出部）
１５タイマー回路（タイマー手段）

Claims

二次電池を直流電力で充電する電源部と、
前記二次電池の端子電圧が予め定められる終止電圧に到達するまで、前記電源部の充電動作を制御する電源制御部とを備えた充電装置であって、
電源制御部は、
前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
経過時間を計時するタイマー手段と、
微小単位経過時間中の端子電圧増加分ΔＶで表される電圧上昇変化率を逐次算出する算定手段とを有し、
電源部が二次電池を直流電力で充電する間に、前記直流電力の充電電圧を二次電池の端子電圧としながら、前記算定手段で算出する電圧上昇変化率が、予め定めた複数の異なる設定上昇変化率に沿って変化するように、前記直流電力の充電電流を可変制御することを特徴とする充電装置。
前記複数の設定上昇変化率の少なくとも一組の設定上昇変化率を、所定の端子電圧を境界として異なる変化率に予め定めたことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
終止電圧は、二次電池に許容される最大充電電圧であり、
電源制御部は、二次電池の端子電圧が最大充電電圧よりわずかに低い目標電圧に達するまで急速充電モードで前記電源部の充電動作を制御し、
急速充電モードでの前記設定上昇変化率を、公称容量値の二次電池を定電流放電し、１時間で放電終了となる電流値を１Ｃとして、１Ｃの充電電流で充電した場合の電圧上昇変化率近傍に定めることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の充電装置。
目標電圧は、充電電流に比例する電圧上昇変化率が低下し始める変曲点電圧であることを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
電源制御部は、二次電池の端子電圧が前記目標電圧に達した後、最大充電電圧に達するまで微調整充電モードで前記電源部の充電動作を制御し、
微調整充電モードでの前記設定上昇変化率を、急速充電モードでの前記設定上昇変化率より充分に低い値に定めることを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の充電装置。
電源部は、終止電圧より少なくとも高い直流電圧の直流入力電圧間に直列に接続されたスイッチング素子の開閉により二次電池の充電端子間に前記直流電力を出力するチョッパ式降圧コンバータであり、電源制御部は、前記算定手段で算出する電圧上昇変化率が前記設定上昇変化率に一致するように、前記スイッチング素子を開閉制御するパルス幅変調信号のＯＮデューティを増減し、前記電圧上昇変化率を調整することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の充電装置。