JPH1094187A

JPH1094187A - 電池の充電装置

Info

Publication number: JPH1094187A
Application number: JP8243200A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Takano; 信宏高野; Takero Ishimaru; 健朗石丸; Toshio Mizoguchi; 利夫溝口
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1998-04-10
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: JP3518193B2; DE19740535A1; US5973480A

Abstract

(57)【要約】【課題】不活性な電池や放電直後の温まった電池を充
電した場合、充電時の電池電圧の変化量が小さいため、
Ａ／Ｄコンバータを介して周期的にマイコンに取り込む
場合、マイコンのＡ／Ｄコンバータの分解能では、確実
に満充電検出制御ができないといった問題に対し、確実
に満充電検出制御ができる電池の充電装置を提供できる
ようにすることである。【解決手段】被充電電池２の電池電圧を検出する電池
電圧検出手段４０と、該電池電圧検出手段４０とＡ／Ｄ
コンバータ５５ｂとの間に差動増幅回路からなる電池電
圧変換手段９０を設け、如何なる電池２においても確実
に満充電検出ができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はニッケル・カドミウ
ム電池（以下ニカド電池という）等の２次電池の充電装
置に関するものであり、電池電圧すなわちセル数の異な
る種々の電池を急速かつ確実に充電できるようにしたも
のである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、特公平７−３２５４４号の如く
セル数の異なる種々の電池を急速かつ確実に充電するた
め、複数の分圧比を選択できるように複数の分圧抵抗に
より電池電圧検出・変換手段を構成し、この分圧抵抗の
一つを電池電圧に対応してマイコンにより選択できるよ
うにしたことを特徴とする技術がある。

【０００３】かかる方法によればセル数に関係なくすな
わち電池電圧に関係なくＡ／Ｄコンバータへの入力電圧
が所定範囲内の大きさになり、充電の経過と共に電池電
圧がピークに達した後の降下電圧（−ΔＶ）を検出する
−ΔＶ検出法や、電池電圧がピークに達する前に充電を
停止させることにより過充電を低減して電池のサイクル
寿命を向上させることを目的とし、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階微分検出法に
採用することにより安定した満充電検出制御が可能とな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電池の高容量化、充電
時間の短縮というニーズに対応していく中で、満充電検
出制御は電池のサイクル寿命を向上させることを目的と
して、−ΔＶ検出方式より過充電の少ない２階微分検出
法が主流となりつつある。サイクル寿命が向上する理由
は、２階微分検出法は−ΔＶ検出法より過充電にならな
いので、充電末期に発生する酸素ガス発生に伴う電池内
部の圧力上昇が少なくなり、電池に付属されている安全
弁の動作による電池内部の電解液の漏れ等が少なくなる
ためである。特に２階微分検出法は電動工具のような大
電流で充放電が行われる電池を充電する充電器に広く用
いられている。

【０００５】しかし、新品の電池や長期放置された電池
のような不活性電池を充電すると、電池電圧の変化量が
小さく、そのため２階微分検出法での満充電検出は非常
に困難になる。この理由として、一定の周期でサンプリ
ングして、電池電圧を８ビットＡ／Ｄコンバータで２５
５分割したデジタル値に変換し、最新の電池電圧のデジ
タル値とそれ以前のデジタル値と比較演算した電圧上昇
換算ビット数を図３に示す。図からも分かるように不活
性な電池を充電した場合、不活性電池の電池電圧の経時
変化は活性な電池（図５参照）に比べ緩やかな電圧上昇
になり、充電末期の電池電圧のピークの出現が鈍くな
り、電池電圧の２階微分値が負になるのを検出して充電
を制御する２階微分検出法では電池電圧の変化量が小さ
いため、確実に満充電検出ができない。すなわち、図３
の不活性電池では、電圧上昇を換算したビット数が１ビ
ット分（この図の例では１０セルの電池とし、電池電圧
を０．２０３倍に分圧しており、８ビットＡ／Ｄコンバ
ータの基準電圧を５Ｖとすると、１ビット当たりの電圧
値は、５／０．２０３×１／２５５＝９６．６ｍＶ、す
なわち１セル当たり９．６６ｍＶである）と少なく、こ
の１ビット分の電圧上昇で電池電圧の２階微分値が負に
なるのを検出するには１ビットから０ビットに降下した
ら充電を停止することになり、このようなビット変化は
充電開始から随所に出現するため、正確に満充電を検出
できない。そのため、電池電圧の２階微分値が負になる
のを検出し、正確に満充電検出するためには、最低でも
電圧上昇換算ビット数が２ビット以上上昇し、その後電
圧上昇換算ビット数が２ビット以上減少した時に充電を
停止させるようにしなければならず、結局、不活性電池
を充電した場合、２階微分検出法で満充電検出ができな
い。同様に、図４に示すように放電直後の温まった電池
でも充電末期のピークの出現は鈍く、電池電圧の変化量
が負になるのを検出して充電を制御する方式では、上記
理由と同じくマイコンのＡ／Ｄコンバータの分解能の性
能上電池電圧の変化量が確実に検出できない。

【０００６】また、近年電池の高容量化のニーズに対
し、ニカド電池に代わり、ニッケル・水素電池の需要が
増大しているが、この電池は満充電時のピークの出現が
ニカド電池に比べ小さく、また充電時の温度上昇がニカ
ド電池に比べ高いため上記したと同様の問題がある。更
に異なるセル数の電池を一つの充電装置で充電する汎用
充電器において、例えば４セルの電池から各２セルづつ
増やし２０セルの電池まで全て充電できる充電器とした
場合、各分圧比は９種設定しなければならず、この分圧
抵抗の一つを電池電圧に対応してマイコンで選択した場
合、当然マイコンの出力ポートは９ポート必要となり、
マイコンのピン数を増大させマイコンを大型化させると
いう問題がある。

【０００７】本発明の目的は、上記した従来技術の欠点
をなくし、如何なる電池においても確実に満充電検出で
きるようにすることである。本発明の他の目的は、汎用
充電器において、マイコンを大型化させることなく、所
定の分圧比を設定できるようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、充電時の電
池電圧は充電電流がある一定の値であれば、必ずある特
定の範囲内で変動することに着目し、複数の分圧抵抗で
複数の分圧比を構成する電池電圧検出手段とマイコンの
Ａ／Ｄコンバータの間に差動増幅回路からなる電池電圧
変換手段を設けることにより達成される。また、上記の
他の目的は、電池電圧に対応した所定の分圧比を、電池
電圧検出手段の複数の分圧抵抗の内一つないし複数の分
圧抵抗の組み合わせをマイコンにより選択することによ
り達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例である。
図において、１は交流電源、２は充電可能な複数の素電
池を直列に接続した電池、３は電池２に流れる充電電流
を検出する電流検出手段、４は充電の開始及び停止を制
御する信号を伝達する充電制御信号伝達手段、５は充電
電流の信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還する充電電流信
号伝達手段である。充電制御伝達信号手段４と充電電流
信号伝達手段５はホトカプラ等から構成される。１０は
全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２からなる整流
平滑回路、２０は高周波トランス２１、ＭＯＳＦＥＴ２
２とＰＷＭ制御ＩＣ２３からなるスイッチング回路であ
る。ＰＷＭ制御ＩＣ２３はＭＯＳＦＥＴ２２の駆動パル
ス幅を変えて整流平滑回路１０の出力電圧を調整するス
イッチング電源ＩＣである。３０はダイオード３１、３
２、チョークコイル３３と平滑用コンデンサ３４からな
る整流平滑回路、４０は抵抗４１〜４５からなる電池電
圧検出手段で、マイコン５０の出力ポート５６ａにより
抵抗４２〜４５のうち一つないし複数がグランドに接続
されて選択され、電池２の電池電圧が選択された抵抗及
び抵抗４１により決定される分圧比で分圧し、分圧電圧
をマイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５５ａと、後述の電
池電圧変換手段９０の演算増幅器９１の非反転入力端に
入力する。５０は演算手段（ＣＰＵ）５１、ＲＯＭ５
２、ＲＡＭ５３、タイマ５４、Ａ／Ｄコンバータ５５
ａ、５５ｂ、出力ポート５６ａ、５６ｂ、リセット入力
ポート５７からなるマイコンである。６０は演算増幅器
６１、６２、抵抗６３〜６６からなる充電電流制御手
段、７０は電源トランス７１、全波整流回路７２、平滑
コンデンサ７３、３端子レギュレータ７４、リセットＩ
Ｃ７５からなる定電圧電源で、マイコン５０、充電電流
制御手段６０等の電源となる。リセットＩＣ７５はマイ
コン５０を初期状態にするためにリセット入力ポート５
７にリセット信号を出力する。８０は充電電流を設定す
る充電電流設定手段であって、出力ポート５６ｂからの
信号すなわち流すべき充電電流値に対応して演算増幅器
６２の反転入力端に印加する充電電流設定基準電圧値を
変えるものである。９０は演算増幅器９１、９２、抵抗
９３〜９６、入力保護用ダイオード９７からなる電池電
圧変換手段であり差動増幅回路を構成している。

【００１０】次に電池電圧検出手段４０、電池電圧変換
手段９０及びそれに対応するマイコン５０の動作の概要
を説明する。説明の都合上ここでは４セル〜２０セルの
電池２（セル数が２セルづつ異なる）に対応する充電装
置とし、抵抗４１〜４５及び抵抗９３〜９６は、抵抗４
１＝２０ｋΩ、抵抗４２＝５．１ｋΩ、抵抗４３＝１０
ｋΩ、抵抗４４＝１０ｋΩ、抵抗４５＝２０ｋΩ、抵抗
９３＝２０ｋΩ、抵抗９４＝５６ｋΩ、抵抗９５＝１０
ｋΩ、抵抗９６＝２０ｋΩ、演算増幅器９１の出力電圧
範囲を０．２〜４．２Ｖとする（この出力電圧範囲は演
算増幅器のオフセット電圧と最大振幅電圧の性能より異
なるが、ここではこの範囲とする）。

【００１１】表１の電池電圧範囲は各セル数の電池に
対応する電池電圧を示し、セル当たり約０〜２．５Ｖの
範囲である。充電時の電池電圧は、充電電流、電池温度
等によって異なるが、通常は１．３Ｖ／セル〜１．９Ｖ
／セル位の範囲で変動する。そこでＡ／Ｄコンバータ５
５ａに入力する範囲は余裕を持って０〜２．５Ｖの範囲
とした。分圧比は電池電圧範囲をＡ／Ｄコンバータ５
５ａに０〜５Ｖの範囲に分圧する比率であり、グランド
接続抵抗はその所定の分圧比を設定するために抵抗４２
〜４５のうち出力ポート５６ａによりグランドに接続さ
れる抵抗を示す。電池電圧範囲は演算増幅器９１、９
２、抵抗９３〜９６からなる差動増幅回路から０．２〜
４．２Ｖの範囲で出力され、Ａ／Ｄコンバータ５５ｂに
入力される電圧に対応する電池電圧範囲を示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】上記の如く、各セル数の電池２に対応する
所定の分圧比に設定するため、マイコン５０は出力ポー
ト５６ａで表１に示した通りに抵抗４２〜４５の一つま
たは複数をグランドに接続して選択すれば、Ａ／Ｄコン
バータ５５ａに入力される電池電圧は各セル数において
約０〜２．５０Ｖ／セルの一定の電圧範囲となる。そし
てこの分圧比の選択が４個の抵抗４２〜４５の組み合わ
せにより可能となる。また表１の電池電圧範囲は、電
池電圧が通常変動する１．３Ｖ／セル〜１．９Ｖ／セル
の範囲で上記抵抗値を設定した。上記の抵抗値で計算す
るとｅ１は演算増幅器９２の出力電圧であり、ｅ１＝５（Ｖ）×（Ｒ94／（Ｒ93＋Ｒ94））＝３．６８Ｖ・・・（１）ｅ２は演算増幅器９１の非反転入力端に入力される電圧
であり、電池電圧検出手段４０の分圧比で分圧された電
池電圧である。ｅ０はＡ／Ｄコンバータ５５ｂに入力さ
れる電圧である。これらの関係はｅ０＝ｅ２×（（Ｒ95＋Ｒ96）／Ｒ95）−ｅ１（Ｒ96／Ｒ95）・（２）ｅ０＝３ｅ２−２ｅ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）すなわち電池電圧変換手段９０は、電池電圧検出手段４
０の出力電圧を演算増幅器９１の非反転入力端に入力
し、３倍に非反転増幅した電圧を、抵抗９３、９４から
作られる基準電圧を２倍に増幅した電圧から減算した電
圧を出力する回路である。ここで、ｅ０＝０．２Ｖ、ｅ
１＝３．６８Ｖとし、式（３）からｅ２を求めるとｅ２＝２．５２Ｖであり、これを表１の分圧比で電池電圧に対応させると
約１．２５Ｖ／セルである。すなわち約１．２５Ｖ／セ
ル以下の電池電圧が演算増幅器９１の非反転入力端に入
力された場合、演算増幅器９１の出力はオフセット電圧
になり、Ａ／Ｄコンバータ５５ｂに入力される電圧は、
このオフセット電圧のままになる。

【００１４】一方、ｅ０＝４．２Ｖ、ｅ１＝３．６８Ｖ
とし、式（３）からｅ２を求めるとｅ２＝３．８５Ｖであり、これを表１の分圧比で電池電圧に対応させると
約１．９０Ｖ／セルである。すなわち約１．９０Ｖ／セ
ル以上の電池電圧が演算増幅器９１の非反転入力端に入
力された場合、演算増幅器９１の出力は最大振幅電圧に
なり、Ａ／Ｄコンバータ５５ｂに入力される電圧は、こ
の最大振幅電圧のままになる。この結果は、Ａ／Ｄコン
バータ５５ｂに入力される電圧は０．２〜４．２Ｖの範
囲が電池電圧１．２５〜１．９０Ｖ／セルの範囲に対応
する。言い換えれば、電池電圧が変動する電圧範囲のみ
をＡ／Ｄコンバータ５５ｂに入力するように電池電圧変
換手段９０を設け各抵抗値を設定した。当然のことなが
ら上記の抵抗値はこれに限る値ではないことはいうまで
もない。

【００１５】ここで、従来の分圧比のみでＡ／Ｄコンバ
ータ５５ｂに入力した場合と、電池電圧変換手段９０を
設けた場合の電池電圧の変化量の検出精度を比較する
と、表１に示した分圧比のみでＡ／Ｄコンバータ５５ａ
に入力される場合、８ビットコンバータの分解能では、２．５０Ｖ×１／２５５＝９．８０ｍＶ／セルである。

【００１６】すなわち１セル当たりの１ビット分の電圧
は９．８０ｍＶとなる。

【００１７】一方、差動増幅回路から出力され、Ａ／Ｄ
コンバータ５５ｂに入力される場合は、８ビットＡ／Ｄ
コンバータ５５ｂの分解能では、（１．９０Ｖ−１．２５Ｖ）×５Ｖ／（４．２Ｖ−０．
２Ｖ）×１／２５５＝３．１９ｍＶ／セルである。すなわち１セル当たりの１ビット分の電圧は
３．１９ｍＶとなる。この結果は、従来の電池電圧を分
圧比のみでＡ／Ｄコンバータ５５ａに入力される場合と
比較し、９．８０ｍＶ／３．１９ｍＶ＝約３倍の精度の
向上が図れ、電池電圧の変化量が少ない電池２の充電に
おいても確実に満充電検出制御ができるようになる。

【００１８】次に図１の回路図、図２のフローチャート
を参照して本発明の充電装置の動作の説明をする。電源
を投入するとマイコン５０は各出力ポート５６ａ、５６
ｂをイニシャルセットし（ステップ１０１）、電池２の
接続待機状態となる（ステップ１０２）。電池２を接続
すると、マイコン５０は電池電圧検出手段４０の信号に
より判別し、初期充電時間ｔ0を設定し（ステップ１０
３）、出力ポート５６ｂより充電制御信号伝達手段４を
介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に充電開始信号を伝達すると
共に出力ポート５６ｂより充電電流設定手段８０を介し
て、充電電流設定基準電圧値ＶI0を演算増幅器６２に印
加し、充電電流Ｉ0で充電を開始する（ステップ１０
４）。充電開始と同時に電池２に流れる充電電流を電流
検出手段３により検出し、この充電電流に対応する電圧
と充電電流設定基準値ＶI0との差を充電電流制御手段６
０より信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰
還をかける。すなわち、充電電流が小さい場合はパルス
幅を広げたパルスを高周波トランス２１に与え整流平滑
回路３０で直流に平滑し、充電電流を一定値Ｉ0に保
つ。すなわち、電流検出手段３、充電電流制御手段６
０、信号伝達手段５、スイッチング回路２０、整流平滑
回路３０を介して充電電流を所定電流値Ｉ0となるよう
に制御する。

【００１９】次に電池２のセル数判別を行う。充電開始
からｔ0時間経過をチェックし（ステップ１０５）、ｔ0
時間経過後、マイコン５０は充電停止信号をＰＷＭ制御
ＩＣ２３に伝達して充電を停止する（ステップ１０
６）。次にマイコン５０の出力ポート５６ａの各ポート
を、例えば表１に示した充電装置（４セル〜２０セルの
電池でセル数が２セルづつ異なる場合とする）の時で
は、２０セルに対応する所定の分圧比を設定するように
出力ポート５６ｂに接続されている分圧抵抗４２〜４５
をグランドに接続し、この後セル数の多い順に所定の分
圧比にするよう、出力ポート５６ａに接続されている分
圧抵抗を表１に示した通りに順次グランドに接続し、充
電停止時の電池電圧をＡ／Ｄコンバータ５５ａに入力
し、Ｖt0を求める（ステップ１０７）。そして予め設定
されている各電池の基準電圧ｎＶa（ｎはセル数であ
り、Ｖaはセル数判別の基準電圧であり、ニカド電池で
は、電池の残容量、電池温度等により異なるが最小値は
約１．２Ｖ程度である）と比較し、電池２のセル数ｎを
判別する（ステップ１０８）。

【００２０】セル数判別終了後、出力ポート５６ａに接
続されている分圧抵抗４２〜４５の内一つないし複数を
グランドに接続しセル数ｎに対応する分圧比（表１参
照）にする（ステップ１０９）。分圧比設定を完了後、
出力ポート５６ｂより充電制御信号伝達手段４を介して
ＰＷＭ制御ＩＣ２３に充電開始信号を伝達すると共に充
電電流設定手段８０を介して、充電電流設定基準値ＶI1
を演算増幅器６２に印加し、充電電流Ｉ1で再び充電を
開始する（ステップ１１０）。

【００２１】次いで満充電検出制御を行う。ＲＡＭ５３
の記憶データ及び最新の電池電圧と複数サンプリング前
までの電池電圧との比較値をイニシャルセットし（ステ
ップ１１１）、電池電圧サンプリングタイマをスタート
させる（ステップ１１２）。サンプリングタイマ時間Δ
ｔを経過したら（ステップ１１３）、再度、電池電圧サ
ンプリングタイマを再スタートさせる（ステップ１１
４）。次いで電池２の電圧を電池電圧検出手段４０で分
圧した電池電圧を電池電圧変換手段９０を介しＡ／Ｄコ
ンバータ５５ｂに入力してＡ／Ｄ変換し、電池電圧Ｖｉ
ｎとして取り込み（ステップ１１５）、演算手段５１で
電池電圧Ｖｉｎより６サンプリング前の入力電池電圧Ｅ
i−5を減算しΔＶを求める（ステップ１１６）。

【００２２】次にステップ１１６において求めたΔＶと
ΔＶｍａｘの比較を行う（ステップ１１７）。減算した
ΔＶがΔＶｍａｘよりｍビット（ｍは整数でＡ／Ｄコン
バータ５５ｂの分解能の性能、サンプリングタイム、充
電電流によりその値は異なる。本実施例のように電池電
圧変換手段９０を設け、例えば８ビットＡ／Ｄコンバー
タ５５ｂ、充電電流９Ａ、サンプリングタイム５ｓｅｃ
の時、ｍは４〜６位で設定する。これは、１〜３ビット
は満充電時に出現するピークの手前の電圧がこのビット
範囲で変動するためである）以上小さい時は、マイコン
５０は出力ポート５６ｂより充電制御信号伝達手段４を
介して充電停止信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に伝達し、充
電を停止する（ステップ１１８）。次いで電池２の取り
出されるのを判別する（ステップ１１９）。電池２の取
り出しが判別したらステップ１０１に戻り、次の電池の
充電のための待機をする。

【００２３】ステップ１１７においてΔＶｍａｘからΔ
Ｖを減算した値がｍビットより小さい時は、ΔＶとΔＶ
ｍａｘを比較し（ステップ１２０）、ΔＶがΔＶｍａｘ
より大きい時はＲＡＭ５３のΔＶｍａｘのデータを書き
換え（ステップ１２１）、ＲＡＭ５３の電池電圧の書き
換えを行い（ステップ１２２）、ステップ１１２に戻り
同様の処理を行う。ステップ１２０においてΔＶがΔＶ
ｍａｘより小さい時はステップ１２１をスキップし、Ｒ
ＡＭ５３の電池電圧の書き換えを行い（ステップ１２
２）、ステップ１１２に戻り同様の処理を行う。

【００２４】本実施例によって不活性電池を充電した時
の充電特性を図６に示す。電池電圧変換手段９０を設け
ることにより、電池電圧の変化量が精度良く検出でき、
電池電圧の２階微分値が負になるのを検出して満充電を
検出する２階微分検出法で、如何なる電池状態の電池に
おいても確実に満充電検出ができるようになる

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電池電圧
の変化量が少ない電池の充電においても確実に満充電検
出制御ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路図。

【図２】本発明の動作説明用フローチャート。

【図３】不活性な電池の充電特性を示すグラフ。

【図４】放電直後の温まった電池の充電特性を示すグラ
フ。

【図５】活性な電池の充電特性を示すグラフ。

【図６】本実施例による不活性な電池の充電特性を示す
グラフ。

【符号の説明】

２は電池、４０は電池電圧検出手段、５０はマイコン、
９０は電池電圧変換手段である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年９月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被充電電池の状態を検出して充電を制御
する充電装置において、被充電電池の電池電圧を検出す
る電池電圧検出手段と、該電池電圧検出手段と制御手段
のＡ／Ｄコンバータとの間に差動増幅回路からなる電池
電圧変換手段を設けたことを特徴とする電池の充電装
置。
【請求項２】前記電池電圧検出手段を、複数の分圧比
を選択できるように複数の分圧抵抗により構成したこと
を特徴とする請求項１記載の電池の充電装置。
【請求項３】前記電池電圧検出手段の複数の分圧抵抗
の内、一つないし複数の分圧抵抗の組み合わせを制御手
段により選択して電池電圧に対応した所定の分圧比にす
るようにしたことを特徴とする請求項２記載の電池の充
電装置。
【請求項４】前記電池電圧変換手段は、被充電電池の電
圧変動範囲をＡ／Ｄコンバータに入力されるように被充
電電池の電池電圧を差動増幅したことを特徴とする請求
項１記載の電池の充電装置。
【請求項５】前記電池電圧変換手段の出力をＡ／Ｄコ
ンバータに入力してデジタル値に変換し、逐次的な被充
電電池の電池電圧の変化量を演算する演算手段と、該演
算手段の出力に基づいて充電電流の供給を制御する制御
手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電池の充
電装置。