JPH05152003A

JPH05152003A - 組電池の充電方法

Info

Publication number: JPH05152003A
Application number: JP3339769A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Horiie; 浩堀家; Tatsu Nagai; 龍長井; Masanobu Kizu; 正信木津
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1993-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】組電池の充電にあたり、充電電流の大きさや
周囲の温度の高低に影響を受けることなく、適正に組電
池を充電する。【構成】組電池を構成する素電池のすべてにひずみゲ
ージを取り付け、それらのひずみゲージを直列に接続し
て、充電制御の入力部とし、電池内圧の時間的上昇率ｄ
Ｐ／ｄｔ（ただし、Ｐは電池内圧であり、ｔは時間であ
る）が低下する時点を検出し、充電を終了する制御方法
により、組電池を充電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、密閉形で充電可能な複
数個の素電池を直列に接続した組電池の充電方法に関す
るものであり、さらに詳しくは、充電に伴って各素電池
の内部に発生するガスによる電池内圧の変化を検出し
て、充電を制御する組電池の充電方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、ビデオカメラなどの電子機器
を電池により作動する際、必要な電圧を得るために、ア
ルカリ二次電池などの密閉形二次電池を複数個直列に接
続して組電池にすることが行われている。

【０００３】そして、この組電池の充電方法としては、
図８に示すように、充電電圧曲線Ｖが充電末期において
ピーク点Ｘを有することを利用し、このピーク点Ｘから
一定電圧（ΔＶ）降下したＹ点を検出することによっ
て、充電を制御する、いわゆる−ΔＶ検出制御による充
電方法が採用されていた（たとえば、特開昭５３−４３
８５４号公報）。

【０００４】また、図８の曲線Ｗで示すように、充電の
進行に伴って電池の表面温度が上昇することを利用し、
この表面温度の上昇を検出して、充電を制御する温度検
出制御による充電方法も採用されていた（たとえば、特
開昭５２−９１１３７号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ピーク点Ｘから一定電圧（ΔＶ）下がったＹ点を検出し
て充電を制御する−ΔＶ検出制御による充電方法では、
制御開始時点の検出がピーク点Ｘを検出する場合よりも
比較的容易に行い得るものの、充電電圧曲線Ｖが充電電
流の大きさや周囲の温度の高低によって大きく変化する
ため、ΔＶ値を一義点に設定すると、検出時点のバラツ
キが大きく、充電量の過不足を生じることが避けられな
かった。

【０００６】また、電池の表面温度を検出する温度検出
制御による充電方法では、充電電流の大きさにかかわら
ず、比較的正確な制御開始時点の特定が可能であるが、
周囲の温度の変化に対しては、依然として検出時点のバ
ラツキ発生を避けることができず、過充電になったり、
あるいは充電不足になるおそれがあった。

【０００７】さらに、上記の充電方法を利用して組電池
の充電を行った場合、組電池を構成する個々の素電池間
の特性のバラツキを考慮することがむつかしく、放電容
量の小さい素電池が混じっていると、その放電容量の小
さい素電池に対して過充電するおそれが強く、そのた
め、充放電サイクル特性の劣化が生じるという問題があ
った。

【０００８】特に急速充電した場合には、充電時の電流
値が大きく、温度上昇も大きいので、−ΔＶが明確に現
れにくくなる関係もあって、放電容量の小さい素電池を
過充電するおそれが強く、組電池全体としての充放電サ
イクル特性の劣化が生じやすかった。

【０００９】したがって、本発明は、組電池の充電にあ
たり、充電電流の大きさや周囲の温度の高低による影響
を受けることなく、適正な充電を行い得る充電方法を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、充電に伴って
各素電池の内部に発生するガスによる電池内圧の変化を
検出するためのひずみゲージを各素電池の電池ケースに
取り付け、それらのひずみゲージを直列に接続して、充
電制御の入力部とすることによって、上記目的を達成し
たものである。

【００１１】本発明に至った経過ならびに本発明によれ
ば充電電流の大きさや周囲の温度の高低に影響されずに
適正な充電を行い得る理由を説明すると、次の通りであ
る。

【００１２】まず、本発明者らは、二次電池における充
電末期のガス発生による電池内圧の上昇は、充電電流や
周囲の温度により影響を受けるが、必ず生じる現象であ
り、これを測定することによって、充電状態を検出する
ことが可能であるという知見を得た。

【００１３】これを図１を参照しつつ説明すると、図１
中の充電電池内圧曲線Ａに示すように、充電時間が増加
すると、電池内圧が上昇する。この電池内圧の上昇は、
充電に伴って電池内部に発生するガスによるものである
が、図１中の充電電圧曲線Ｂとの対比からもわかるよう
に、電池の充電が充電末期に達したときに対応して生じ
る。

【００１４】つまり、電池に充電を行うと、電池電圧
は、充電電圧曲線Ｂに示すように、ゆるやかに上昇し、
ある時点から急激に上昇して、ピークに達して後、一定
電圧降下してから平行になる。この電池電圧が急激に上
昇し、ピークに達するまでの間が充電末期に該当し、そ
れ以後は過充電状態である。

【００１５】電池内圧は、その充電電池内圧曲線Ａに示
すように、当初ほぼ平行に進行し、ある時点から急激に
上昇して、ピークに達した後、再び平行になるが、この
電池内圧の急激な上昇は、電池電圧の急激な上昇に対応
して生じている。したがって、充電に伴う電池内圧の上
昇は、電池の充電末期から過充電になるまでの間に生じ
ていることになる。

【００１６】そこで、電池ケースにひずみゲージを取り
付け、電池内圧の上昇に基づく電池ケースの変形（ひず
み）による抵抗変化をホイートストンブリッジにより測
定することによって、電池内圧の変化を検出し、それに
よって充電を制御することにより、充電電流の大きさや
周囲の温度の高低に影響を受けることなく、適正な充電
をすることができる。

【００１７】また、その際、可逆式安全弁を設け、その
可逆式安全弁の作動圧力を安全性が確保できる範囲内に
設定し、その作動圧力よりも低い範囲内での電池内圧の
変化を検出して、充電を終了することにより、充電を安
全に行うことができる。上記可逆式安全弁の作動圧力を
図１に直線Ｃで示す。

【００１８】上記のように、電池内圧の上昇に基づく電
池ケースの変形による抵抗変化をホイートストーンブリ
ッジにより測定する方法を図２を参照しつつ説明する
と、次の通りである。

【００１９】電池ケースＤの変形（ひずみ）を測定する
ためのひずみゲージは、アクティブゲージＥとダミーゲ
ージＦとで構成され、図２に示すように、ひずみゲージ
のアクティブゲージＥは、ひずみを測定しようとする電
池ケースＤに、その変位方向に向けて、接着剤で貼り付
けられる。

【００２０】当初、つまり、電池ケースＤにひずみが生
じる前は、アクティブゲージＥの抵抗Ｒ₁と、ひずみゲ
ージのダミーゲージＦの抵抗Ｒ₂と、抵抗Ｒ₃と、抵抗
Ｒ₄との間に、Ｒ₁＝Ｒ₂＝Ｒ₃＝Ｒ₄の平衡状態が保
たれている。

【００２１】電池に充電して、電池内部にガスが発生
し、電池内圧が上昇して、電池ケースＤが膨張し、電池
ケースＤにひずみが生じ、それを受けてアクティブゲー
ジＥの抵抗Ｒ₁がΔＲ₁だけ変化すると、当初、Ｒ₁＝
Ｒ₂＝Ｒ₃＝Ｒ₄の平衡状態にあったものが壊れて、出
力電圧ｅ₀は、次の数式（Ｉ）に示すように、約１／４
Ｋ・ε・ｅ_iになる。

【００２２】

【数１】

【００２３】上記数式（Ｉ）において、Ｋはひずみ感度
で、εはひずみであり、ｅ_iはブリッジ電圧である。

【００２４】上記のように、電池内圧の変化を電圧の変
化に変換でき、これを利用することで電池内圧の変化を
検出して、充電を制御することにより、適正な充電を行
うことができる。

【００２５】そして、その制御にあたっては、電池内圧
の時間的変化率ｄＰ／ｄｔ（ただし、Ｐは電池内圧であ
り、ｔは時間である）を測定し、その時間的変化率ｄＰ
／ｄｔが、その直前の値より小さくなった時点で、充電
を終了する方法によるのが好ましい。

【００２６】これは、出力電圧ｅ₀の時間的変化率ｄｅ
₀／ｄｔ（ｔは時間）が電池内圧の時間的変化率ｄＰ／
ｄｔ（Ｐは電池内圧）に相当するので、その出力電圧ｅ
₀の時間的変化率ｄｅ₀／ｄｔを一定時間毎に測定し、
直前の値と比較して、その大小を判定することにより、
電池の充電状態を適正に判定できるからである。

【００２７】つまり、充電末期から過充電になると、電
池内圧の上昇率が低くなるので、出力電圧ｅ₀の時間的
変化率ｄｅ₀／ｄｔがその直前より低くなるということ
は、過充電になることを意味するので、その時点で充電
を終了することにより、適正な充電を行うことができ
る。

【００２８】そして、本発明においては、組電池を構成
するすべての素電池について、ひずみゲージを取り付
け、その電池内圧を測定しているので、いずれの素電池
に対しても過充電することがないし、また、その電池内
圧の測定に使用するひずみゲージを直列に接続し、個々
の素電池の電池内圧を積算させ、組電池の電池内圧とし
て充電制御回路に入力するので、個々の素電池の電池内
圧をすべて入力する場合に比べて、回路構成が簡単にな
り、格段と安価になる。

【００２９】また、組電池としての充電制御の信頼性
も、後に図６〜７を参照しつつ説明するように、個々の
素電池における充電制御の信頼性と同程度の精度を有し
ている。

【００３０】本発明の方法は、ニッケル・メタルハイド
ライド電池をはじめ、ニッケル・カドミウム電池、ニッ
ケル・亜鉛電池など、各種の密閉形二次電池を素電池と
して構成した組電池の充電に適用することができる。ま
た、従来の充電方法と併用することも可能である。な
お、本発明において、電池ケースとは、その内部に電池
内容物が収容されている外装体をいう。

【００３１】

【実施例】密閉形で充電可能な素電池として単３形のニ
ッケル・メタルハイドライド電池を用い、このニッケル
・メタルハイドライド電池からなる素電池を３個直列に
接続して組電池を構成し、この組電池に充電を行った。

【００３２】充電装置は、図３に概略を示すように、商
用交流電源１を整流し、所定の直流電流Ｉを出力可能に
する充電回路２と、該充電回路２から組電池３への通電
時期を規制するスイッチング素子４と、組電池３を構成
する３個の素電池の電池内圧による電池ケースの変形
（ひずみ）を抵抗変化に変換するひずみゲージ５と、そ
の抵抗変化を電圧変化に変換する圧力測定部６と、その
圧力測定部６からの出力データを入力し、その出力デー
タをもとに変化率を求め、その変化率の大小を比較し、
組電池３に対する所定の充電制御動作を行う制御回路７
とから構成される。

【００３３】充電回路２は、定電流源であり、制御回路
７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ように構成されてい
る。

【００３４】スイッチング素子４は、充電回路２と組電
池３との間に配設されており、制御回路７から出力され
る制御信号Ｓ₂の入力と連動して開閉し、組電池３への
通電時期を規制できる。

【００３５】制御回路７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内にあらかじ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
成されている。

【００３６】すなわち、制御回路７は、充電条件などの
各種設定を可能にする設定操作部８と、圧力測定部６か
ら出力される検出電圧ｅ₀のデータを一時記憶するデー
タ記憶部９と、その検出電圧ｅ₀のデータをそれ以前に
検出されたデータと比較判定する比較部１０と、その比
較部１０における判定結果に対応して、充電を継続する
か否か、あるいは低い電流値に変更してさらに充電を続
けるかなどを決定する演算部１１と、該演算部１１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１２と、各タイマー信号を作るタイマー部１３とか
ら構成される。

【００３７】この充電装置により、図４に示す流れ図に
基づき、制御回路７における制御手順を説明する。

【００３８】まず、組電池３を低い充電電流で補充電
し、一定時間後、圧力（電池内圧）を測定し、その後、
一定間隔Ｔｓ毎に圧力測定し、その圧力Ｐの時間的変化
率ｄＰ／ｄｔを前後で比較し、その大小を判定する。

【００３９】その結果、直前の変化率よりも小さい場
合、充電を終了し、直前の変化率より大きい場合、充電
を開始する。ただし、可逆式安全弁の作動圧力より電池
内圧Ｐが大きくならないように、それ以下の電池内圧で
充電を終了することも可能である。

【００４０】このように、充電に伴って素電池の電池内
部に発生するガスによる電池内圧の変化をひずみゲージ
により電圧変化に変換し、その電池電圧の変化を検出す
ることによって、充電を制御する方法で充電を行ってい
るので、充電電流の大きさや周囲の温度の高低に影響を
受けることなく、適正な充電を行うことができる。

【００４１】そして、組電池３を構成する個々の素電池
のすべてにひずみゲージを取り付けて、その電池内圧を
測定しているので、組電池３を構成するいずれの素電池
に対しても過充電することがない。

【００４２】また、その測定に使用するひずみゲージを
直列に接続し、個々の素電池の電池内圧を積算させ、組
電池の電池内圧として充電制御回路に入力するので、個
々の素電池の電池内圧をすべて入力する場合に比べて、
回路構成が簡単になり、格段と安価になる。

【００４３】ひずみゲージを直列に接続する場合の接続
状態は、図５に示す通りである。つまり、組電池を構成
する各素電池に取り付けられた複数個のひずみゲージＧ
₁、Ｇ₂、Ｇ₃、Ｇ₄、…Ｇ_nは、図５に示すように接
続される。そして、それらのひずみゲージＧ₁、Ｇ₂、
Ｇ₃、Ｇ₄、…Ｇ_nで測定された個々の素電池の電池内
圧を積算して組電池の電池内圧として充電制御回路に入
力される。

【００４４】そして、組電池としての充電制御の信頼性
は、図６〜７に示すように、個々の素電池の場合と同程
度の精度を有している。

【００４５】すなわち、図６に示すように、素電池の充
電電圧曲線ＨおよびＩと組電池の充電電圧曲線Ｊとはほ
ぼ同様の傾向を示しており、素電池が充電末期に達する
とほぼ同時期に組電池も充電末期に達して、両者の間に
実質的な差が生じない。

【００４６】また、図７に示すように、素電池の充電電
池内圧曲線ＬおよびＭと組電池の充電電池内圧曲線Ｎ
も、ほぼ同様の傾向を示しており、素電池、組電池とも
ほぼ同じような時期に電池内圧が上昇しはじめる。

【００４７】そして、図６の組電池の充電電圧曲線Ｊと
組電池の充電電池内圧曲線Ｎとの対比からわかるよう
に、充電末期に達する時点と電池内圧が上昇する時点と
がほぼ一致している。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、充電
に伴って電池内部に発生するガスによる電池内圧の変化
をひずみゲージにより電圧変化に変換し、電池内圧の変
化を検出することによって、充電を制御する方法で充電
を行うので、充電電流の大きさや周囲の温度の高低に影
響されることなく、適正な充電を行うことができる。

【００４９】また、組電池を構成する素電池のすべてに
ひずみゲージを取り付け、電池内部を測定しているの
で、いずれの素電池に対しても過充電することがない。

【００５０】しかも、各素電池の電池内圧の測定に使用
するひずみゲージを直列に接続し、個々の素電池の電池
内圧を積算させ、組電池の電池内圧として充電制御回路
に入力するので、個々の素電池の電池内圧をすべて入力
する場合に比べて、回路構成が簡単になり、格段と安価
になる。

【００５１】そして、充電制御の信頼性は、図６〜７で
も示したように、個々の素電池の充電制御の信頼性と同
程度である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の充電方法の原理を説明するための図で
ある。

【図２】本発明の充電方法の実施にあたり、電池内圧を
測定するための装置の概略を模式的に示す図である。

【図３】本発明の実施例で用いる充電装置を示すブロッ
ク図である。

【図４】図３に示す充電装置における制御手順を示す流
れ図である。

【図５】本発明の実施例において、ひずみゲージを直列
に接続した状態を示すモデル図である。

【図６】本発明の充電方法を実施した場合の組電池の充
電電圧曲線と上記組電池を構成する素電池の充電電圧曲
線を示す図である。

【図７】本発明の充電方法を実施した場合の組電池の充
電電池内圧曲線と上記組電池を構成する素電池の充電電
池内圧曲線を示す図である。

【図８】従来の充電方法の原理を説明するための図であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉形で充電可能な複数個の素電池を直
列に接続した組電池の充電において、充電に伴って各素
電池の内部に発生するガスによる電池内圧の変化を検出
するためのひずみゲージを各素電池の電池ケースに取り
付け、それらのひずみゲージを直列に接続して、充電制
御の入力部とすることを特徴とする組電池の充電方法。
【請求項２】充電制御の入力方法が、各素電池の電池
内圧の時間的変化率ｄＰ／ｄｔ（ただし、Ｐは電池内圧
であり、ｔは時間である）をもとに行われることを特徴
とする請求項１記載の組電池の充電方法。