JPH04217826A - 二次電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、アルカリ二次電池を
はじめとする各種二次電池の充電方法であって、特に充
電時における電池電圧の変化を利用するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の充電方法としては、図１（
ａ）に示す如く、充電中における電池電圧が充電末期に
おいてピーク点Ａを有することを利用し、このピーク点
Ａあるいは更に電池電圧が所定値だけ下がった時点Ｂを
検知し、充電量制御に利用する方法が一般的である。 更に、充電中における二次電池の電池電圧を常時検知し
、単位時間当たりの電圧変化量が設定値を超えると所定
の充電電流制御を行う方法も開示されている（例えば特
公昭５３−４０６９５号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、充電電
圧のピーク点Ａ近傍における単位時間当りの電圧変化量
それ自体が微小であることに加えて、電圧変化量が小さ
い箇所が必ずしもピーク点Ａとは限らず、単に電圧変化
量の検知のみでは、ピーク点Ａに達したか否かを的確に
判断することは難しく、検知誤差の発生は避けられない
。

【０００４】かかる不都合に対し、ピーク点Ａから所定
電圧ΔＶだけ下がった時点Ｂを検知して制御に利用する
方法では、制御開始時点の検知を、前記したピーク点Ａ
を検知する場合よりも比較的容易に行なえる反面、充電
電圧曲線は充電電流の大小あるいは周囲温度の高低に対
応して大きく変化するため、ΔＶの値を一義的に設定す
ると、検知時点のばらつきも大きく、充電量の過不足を
生じることは避けられない。特に近年開発がすすむニッ
ケル水素電池にあっては、ピーク地点からの電圧降下量
それ自体が小さく、上記した問題が依然として発生する
。

【０００５】一方、充電電圧曲線における傾斜の大小を
検知する方法にあっては、設定が上記した方法による場
合に比して容易であることは明かであるが、単に電圧変
化量が設定値を越える時点を検出するだけでは、充電特
性の変化に即応した対応をすることが難しい。

【０００６】更に、上記した方法を利用して組電池の充
電を行なった場合、組電池を構成する個々の電池の特性
間のばらつきを考慮することが難しく、悪い特性あるい
は放電量の少ない電池が混じっていた場合、それらの電
池に対して過充電する虞れが強く、サイクル特性の劣化
を生じる問題があった。

【０００７】本発明者らは上記した問題を解消すべく考
察を行なった結果、二次電池における充電電圧曲線は何
れも、充電電流の大小あるいは周囲温度の高低などの各
種充電条件の違いにかかわらず、図１（ａ）に例示する
如く、充電中期までは比較的小さい電池電圧の上昇を示
すが、充電末期に近づくと急激に電圧上昇したのちピー
ク点に達して漸減するという一定のパターンを有するも
のであって、充電中期から末期の間に必ず充電電圧曲線
の「変曲点」Ｃが存在し、この変曲点Ｃのすぐ後に現わ
れる、電池電圧の変化量が略ゼロから負の最大値までの
期間が満充電時と略一致することを知見した。

【０００８】すなわち、電池電圧の変化それ自体ではな
く、充電電圧曲線の１階微分値である電池電圧の単位時
間当たりの変化量（ｄＶ／ｄｔ）を調べると、図１（ｂ
）のごとく、電池電圧がピーク点Ａに達する少し前に正
の凸状になるピーク点を有するとともに、かかるピーク
点の発生する前後は、電池電圧の変化量が他よりも十分
大きい。したがって、更に上記した充電電圧曲線の二階
微分値である電池電圧の変化量の傾き（ｄ２Ｖ／ｄｔ２
）を求めると、図１（ｃ）の様に、変曲点Ｃの前後で急
激に正から負に変化する。

【０００９】同様に、ピーク点Ａを超えた満充電位置Ｂ
近傍においても、ピーク通過後の電圧降下が大きい種類
の二次電池にあっては、上記した変曲点Ｃにおける変化
と同様な電池電圧の変化が現れる。したがって、充電電
圧曲線の二階微分値の変化を検知することにより、上記
した変曲点Ｃあるいは満充電位置Ｂの発生時期を容易に
検出できる。かかる時点は、充電条件の違いにかかわら
ず略一定の充電量に達した時点に対応するので、その後
に続く充電制御動作開始の有力な目安とすることができ
るのである。

【００１０】更に、組電池の充電時における電池電圧曲
線についても同様な研究を行った結果、図２（ａ）の様
に、組電池１３を構成する電池１３ａ・１３ｂの特性が
略同一である初期状態においては、組電池としての電池
電圧曲線上における変曲点位置Ｃは、個々の電池１３ａ
・１３ｂの変曲点Ｃ１・Ｃ２と略一致する。しかしなが
ら、充放電サイクルを繰り返して個々の電池の特性にば
らつきが生じると、図２（ｂ）の様に、その放電量の最
も少ない電池１３ａにおける変曲点Ｃ１およびピーク点
Ａ１に対応して組電池１３としての変曲点Ｃおよびピー
ク点Ａが現れることを知見した。

【００１１】本発明は上記した知見に基づいてなされた
ものであって、充電電圧曲線の二階微分値が正から負に
変化する時期を検知して充電制御に利用することにより
、充電電流あるいは周囲温度などの充電条件の違いにか
かわらず、容易に過不足のない充電制御が行なえる充電
方法を提供することを目的とする。

【００１２】本発明は更に、変曲点Ｃの検知直後に現れ
る、電池電圧の変化量がゼロないしは負の最大値になる
時点を検知することにより、満充電時期を確実に検知で
きる充電方法を提供することを目的とする。本発明は更
にまた、組電池の充電時にも過充電を未然に防止した充
電方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる充電方法
は、二次電池の充電時における電池電圧を検知し、この
検知電圧を利用するものである。検知した電圧曲線の二
階微分値が正から負に転ずる点Ｃまたはその近傍を検知
する第１検知工程と、前記した第１検知工程における検
知動作と連動して行われる充電制御工程とを備えている
。上記した第１検知工程における検知動作後に発生する
、電池電圧の単位時間当たりの変化量がゼロないし負の
最大になるまでの期間内に入ったことを検知可能とする
第２検知工程を備え、この第２検知工程における検知動
作と連動して充電制御工程を実施することが好ましい。

【００１４】上記した制御工程では、それ以前よりも充
電電流値を減少させて、更に所定時間だけ充電を継続す
ることができる。少なくとも充電制御の最終段階におい
て、十分低い電流によるトリクル充電に入ることが好ま
しい。また、充電を行う二次電池は、複数本の電池を直
列あるいは並列接続した組電池の状態で充電することも
できる。

【００１５】

【作用】上記した構成により、二次電池の充電を開始す
ると、充電電流の大小あるいは周囲温度の高低などの充
電条件の違いにかかわらず、電池電圧Ｖｂは略同傾向の
変化パターンを示しながら上昇する。ここで、二次電池
１３の充電が進んで充電末期に近づくと、充電電圧曲線
が急激に立ち上がる変曲点Ｃが現われる。かかる電圧曲
線の１階微分値、すなわち電池電圧の単位時間当たりの
電圧変化量は、図１（ｂ）の様に正の凸状に変化する。 更にこの曲線の微分値をとり、電圧曲線の２階微分値を
求めて曲線を描くと、上記した変曲点Ｃを中心として、
正から負へとＳ字状にその値は急変する。

【００１６】したがって、電池電圧曲線の２階微分値を
演算し、その値が正から負に変化する時点を検出するこ
とにより、変曲点Ｃ位置が求まる。ところで、変曲点位
置における二次電池の充電量は、同種類の電池に対して
は実験などにより予め一義的に特定できる。したがって
、それ以後は例えば図１（ｄ）に示す如く、１００％の
容量に達するまでに不足する容量分を補う充電制御動作
を例えばタイマーを用いて行うことにより、過不足がな
い充電制御が行える。

【００１７】更に、電池電圧曲線のピーク点Ａで電圧変
化量がゼロになり、そのピーク点Ａを通過したのち所定
の電圧値だけ電池電圧が低下した時点に、電圧変化量は
負の最小値となる。したがって、上記した変曲点Ｃの検
知直後に現れる、電池電圧の変化量が正から負になる時
点ないしは、負の最小値になる時点の少なくとも何れか
一方を検知することにより、満充電時期が特定されるの
である。

【００１８】

【実施例】以下、上記した本発明にかかる充電方法を、
ニッケルカドミウム二次電池を充電する充電装置に実施
した一例を示すが、ニッケル水素電池を始めとする各種
二次電池の充電装置に対しても略同様に実施できること
は勿論である。

【００１９】充電装置は、図３に概略的な構成を示す如
く、商用交流電源１１を整流し、所定の直流電流Ｉを出
力可能とする充電回路１２と、該充電回路１２から二次
電池１３への通電時期を規制するスイッチング素子１４
と、二次電池１３の端子電圧をデジタル値に変換するＡ
／Ｄ変換器１５と、Ａ／Ｄ変換器１５からの出力データ
を入力し、二次電池１３に対する所定の充電制御動作を
行なう制御回路１６とから構成される。

【００２０】充電回路１２は定電流源であって、更に、
制御回路１６から送られる制御信号Ｓ１の入力と連動し
て、出力電流Ｉの値を複数段階に変更できる様に構成し
ている。スイッチング素子１４は、リレーや半導体スイ
ッチの様なスイッチング手段が使用され、充電回路１２
と二次電池１３間に配設されており、制御回路１６から
出力される制御信号Ｓ２の入力と連動してオンオフし、
二次電池１３への通電時期を規制できる様に構成してい
る。Ａ／Ｄ変換器１５は、二次電池１３の電池電圧Ｖｂ
を間欠的にサンプリングし、アナログ状の電池電圧Ｖｂ
を所定ビット数のデジタル信号に変換し、制御回路１６
に電圧データＶｉとして入力する。

【００２１】制御回路１６は、ＣＰＵやメモリなどを一
体に備えたワンチップマイクロコンピュータが使用され
、ＲＯＭ内に予め記憶しておいたプログラムにより、図
３に示す各回路の一部または全部がソフト的に構成され
る様にしている。すなわち制御回路１６は、充電条件な
どの各種設定を可能とする設定操作部２１と、Ａ／Ｄ変
換器１５から出力される検知電圧Ｖｉのデータを一時記
憶するデータ記憶部２２と、充電電圧Ｖｂの変化を利用
した演算値から満充電状態に達したか否かを判定する比
較部２３と、比較部２３における判定結果に対応して、
最適の充電時間や充電電流値を決定する演算部２４と、
該演算部２４の演算結果に対応した制御信号Ｓ１・Ｓ２
を出力する制御出力部２５と、各種タイマー信号を作る
タイマー部２６とから構成される。

【００２２】

【動作手順】以下において、図４に示す流れ図および図
５の説明図に従って、制御回路１６における制御手順を
具体的に説明する。先ず、充電の開始に先だってステッ
プ５１で設定操作部２１において、変曲点Ｃを検知する
までの充電電流値Ｉｂ、変曲点検知後の充電電流値Ｉｍ
、満充電検知後の充電電流値Ｉｓなどの各種初期設定を
行なったあと、時刻ｔ１にスタートスイッチをオンする
と、制御出力部２５から電流値Ｉｂに対応した制御信号
Ｓ１が充電回路１２に送られ、該充電回路１２からの出
力電流ＩがＩｂとなる様に設定される。

【００２３】それと同時に、制御出力部２５からスイッ
チング素子１４に対してオンを指令する制御信号Ｓ２が
送られ、充電回路１２と二次電池１３間が導通し、所定
の定電流による急速充電が開始される（ステップ５２）
。

【００２４】なお、電池の種類によっては図１（ｂ）の
破線で示す如く、充電開始直後にｄＶ／ｄｔの値に変化
が現れるものもあるが、これを充電末期の変化と区別す
るために、ステップ５３においてタイマー部２６が作動
し、第１回目に二次電池１３の電池電圧Ｖｂを読み込む
までに、所定の待ち時間Ｔｗ［分］を意図的に設けるこ
とも可能である。すなわち、充電開始直後は図５（ａ）
の如く電池電圧Ｖｂの変動が大きく不安定でもあるため
、 Ｔｗ＝Ｋｗ／Ｉｂ　　　　（但し、Ｋｗは充電条件に対
応して設定される係数であって、本実施例では「５」。 Ｉｂの単位は［Ｃ］。なお、この単位の［Ｃ］は充電レ
ートを示し、１［Ｃ］は１時間で１００％充電すること
を意味する。）で求められる時間だけ電圧の読み込みを
待つことにより、変曲点Ｃの誤検知を防止するのである
。但し、図１（ｃ）の実線で示す様な、充電初期にｄ２
Ｖ／ｄｔ２の正負が反転しないタイプの電池においては
、特に誤検知防止のためにＴｗを設けず、破線で示す如
くステップ５３をスキップしてもよい。

【００２５】次に、ステップ５３で所定時間Ｔｗが経過
したことが判断されると、ステップ５４で電池電圧Ｖｂ
をＡ／Ｄ変換器１５を介して演算部２４でＶｉとして読
み込むと同時に、変数ｎおよびＶｃを初期設定したあと
、変曲点Ｃを検知するための第１検知工程に入る。

【００２６】先ず、ステップ５５で前記した電池電圧Ｖ
ｉおよび差電圧Ｖｃをデータ記憶部２２に保存する。更
にステップ５６で、電池電圧Ｖｂを読み込むための時間
間隔Ｔｓ［分］が設定される。すなわち、電池電圧Ｖｂ
の単位時間当りの電圧変動量（ｄＶ／ｄｔ）は、通常は
充電電流値Ｉｂの大きさに略比例する。そこで、Ｔｓ＝
Ｋｓ／Ｉｂ　　　　　　（但し、Ｋｓは充電条件に対応
して設定される係数であって、本実施例では「１」。Ｉ
ｂの単位は［Ｃ］。）で求められる時間間隔で電池電圧
Ｖｂを間欠的に読み込むことにより、充電電流値Ｉｂの
大小にかかわらず、各検知電圧Ｖｉ間の電圧差Ｖｃが略
同一の傾向で変化する様に設定している。

【００２７】ここで、時間Ｔｓが経過し、ステップ５７
で電池電圧としてＶｉを読み込んだ後、ステップ５８に
おいて演算部２４で、今回の検知電圧値Ｖｉとデータ記
憶部２２に先に記憶しておいた前回の検知電圧値Ｖｍと
の差電圧Ｖｃを計算する。更に引き続いてステップ５９
において、今回計算によって得られた差電圧Ｖｃと前回
分の差電圧Ｖｄとの差電圧Ｖｓをとることにより、電池
電圧曲線における二階微分値が計算される。

【００２８】ここで電圧曲線の二階微分値は、図１（ｃ
）に例示する如く、変曲点Ｃを中心として、正の凸状態
から負の凸状態へと値が急変する。したがって本実施例
においては、ステップ６０において二階微分値Ｖｓの値
が負になった時点を変曲点Ｃの通過時期と判断する様に
構成している。

【００２９】なお、Ｖｓの値が負になった時点をすぐに
変曲点位置と判断すると、ノイズなどにより誤動作する
虞れがある。そこで本実施例では更に、Ｖｓが負値を繰
り返す回数ｎを設定し、正の場合はステップ６１でこの
値を常に「０」に維持し、負を検知する毎にステップ６
２でｎを１つづ増加させ、ステップ６３で例えば２回の
連続した検知動作を確認した時点ｔ２ではじめて、次の
第２検知工程に移行する様に構成している。

【００３０】第２検知工程ではステップ６４〜６７にお
いて、第１検知工程と略同様にして差電圧Ｖｃを求めた
あと、ステップ６８で差電圧Ｖｃが「０」となったか、
あるいは負になったことが検知されると、その時点ｔ３
をピーク点Ａと判断し、ステップ６９で所定の充電制御
工程における処理を実行したのち、制御出力部２５から
スイッチング素子１４にオフの制御信号Ｓ２を送って、
一連の充電動作を終了する（ステップ７０）。

【００３１】ここで、上記した充電制御工程６９は、充
電電流量などの充電条件に対応して、設定操作部２１に
よる設定内容あるいは充電状態の自動検知と連動して変
更して実施されるものであって、場合によっては、何も
行なうことなく直ちにステップ７０に移って充電を終了
することも可能である。しかしながら本実施例において
は、変曲点Ｃの検知時点ｔ１に充電電流Ｉをそれまでの
電流値Ｉｂよりやや小さいＩｍに減少させた状態で充電
を行なった後、ピーク点Ａを検知した時刻ｔ３から、更
に少ない電流値Ｉｓによるトリクル充電に切り換える様
にしている。

【００３２】なお、上記した実施例では、図５（ｃ）に
示す差電圧が負になった時点を満充電時と判断して充電
量制御をする様に構成したが、微少な正の設定値を下廻
った時点を検知することも可能である。また、電池電圧
の値がピークに達したのちに急激に低下する場合は、上
記した第２検知工程とは別に、あるいはそれに加えて、
差電圧値が負の最大値になる時点ｔ４を検知してもよい
。すなわち、かかる変化を更に微分した値は、図５（ｄ
）に示す様に、負から正への変化を示す。したがって、
第１検知工程と略同様にして２階微分値を求め、この値
が負から正に変化する時点を求めることにより、更に確
実に満充電時期が検知できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は上記の如く、充電制御動作を変
曲点Ｃの出現時期を基準として行なうとともに、変曲点
Ｃの検知時に、電池電圧曲線の二階微分値が正から負に
急変する時点を検出する様にすることにより、周囲温度
や充電電流の大きさに影響されることなく、精度の高い
充電後期の検知が可能となり、過充電が未然に防止され
る。更に、変曲点位置の検知後に現れる、単位時間当た
りの電圧変化量が略ゼロまたは負の最大値までの期間を
満充電時と判断することにより、適切な充電制御が可能
となった。

【００３４】また組電池を充電する場合は、最も早く充
電末期の症状が現われる電池１３ａを検知することがで
きるので、過充電を未然に防止でき、組電池のサイクル
寿命を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な構成を説明するためのグラフ
であって、（ａ）は電池電圧の充電特性、（ｂ）は電池
電圧の単位時間当たりにおける変化量の特性、（ｃ）は
電池電圧曲線の二階微分値の変化状態、（ｄ）は充電電
流の制御状態、（ｅ）は充電量の特性を各々示す。

【図２】組電池における図１（ａ）と略同様なグラフで
あって、（ａ）は電池間の特性が等しい場合、（ｂ）は
特性が異なる場合を各々例示している。

【図３】電気回路のブロック図である。

【図４】図３の装置における制御手順を示す流れ図であ
る。

【図５】図４の制御手順を説明するための、図１に類似
したグラフである。

【符号の説明】

１２　　充電回路、１３　　二次電池、１５　　Ａ／Ｄ
変換器、１６　　制御回路、Ａ　　　　ピーク点、Ｃ　
　　　変曲点。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二次電池の充電時における電池電圧を検知
   するとともに、検知した電圧曲線の二階微分値が正から
   負に転ずる点Ｃまたはその近傍を検知する第１検知工程
   と、前記した第１検知工程における検知動作と連動して
   行われる充電制御工程とを備えた二次電池の充電方法。
2. 【請求項２】二次電池の充電時における電池電圧を検知
   するとともに、検知した電圧曲線の二階微分値が正から
   負に点ずる点Ｃまたはその近傍を検知可能とする第１検
   知工程と、前記した第１検知工程における検知動作後に
   発生する、電池電圧の単位時間当たりの変化量がゼロな
   いし負の最大になるまでの期間内に入ったことを検知可
   能とする第２検知工程と、この第２検知工程における検
   知動作と連動して行われる充電制御工程とを備えた二次
   電池の充電方法。
3. 【請求項３】上記した二次電池は、複数本の電池からな
   る組電池である請求項１または２記載の充電方法。
4. 【請求項４】上記した充電制御工程は、それ以前と同一
   またはやや低い電流で所定時間だけ充電を継続すること
   を特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の充電方
   法。
5. 【請求項５】上記した充電制御工程では、少なくとも充
   電制御の最終段階において、十分低い電流によるトリク
   ル充電が行われることを特徴とする請求項１ないし４の
   何れかに記載の充電方法。