JPH11329510A

JPH11329510A - 電池の充電方法

Info

Publication number: JPH11329510A
Application number: JP10127133A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Okada; 行広岡田; Hiromu Matsuda; 宏夢松田; Yoshinori Toyoguchi; ▲よし▼徳豊口; Yoshinori Yamada; 義則山田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-11-30
Also published as: EP0957560A2; EP0957560A3; US6144188A; CN1235277A

Abstract

(57)【要約】【課題】これまで、二次電池の過充電を精度良く検知
する方法がなく、従って高い容量を維持したまま、長期
間の充放電サイクルを行うと、電池の容量は低下した。【解決手段】充電の際、発生する振動を測定し、測定
値があらかじめ定めた値より大きい時、前記電池内でガ
ス発生があると判定する。この検知を行いつつ電池を充
電し、ガス発生を検知したところで、電池の充電を止め
る、または充電電流を下げる、または電池の電圧をガス
発生を検知した時の電圧に維持する充電方法を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する従来分野】本発明は、電池の充電方法に
関わる。

【０００２】

【従来の技術】現在、ノート型パソコン、携帯電話等、
小型高容量二次電池を電源とした携帯機器が急速に普及
しつつある。また、大容量二次電池を電源とする電気自
動車も実用化されている。これらの二次電池の使用にお
いて、過充電は電池のサイクル寿命を低下させる大きい
要因である。そこで二次電池を使用する機器や充電装置
には、過充電をさけるための電気回路や治具が装備され
ている。また、充電に際しては、その時間が短いほど使
用者に利便性を与えることが出来るが、そのためには満
充電状態の的確な検知方法を備え、これを用いて充電す
る必要があることは言うまでもない。

【０００３】従来、このような充電方法、特に過充電を
防止する方法としては基本的には電池の電圧、温度、ま
たは内部圧力を測定し、通常の使用可能な電圧範囲、温
度範囲及び内部圧力の範囲を予め設定しておき、この範
囲内で使用することをもとにしている。これを具体的に
行う方法として以下に示した通り数多くの提案がなされ
ている。過充電の防止方法としては例えば、特開平６−
１３３４６８では、電池の温度と電圧を測定しつつ、充
電を行うことを提案している。

【０００４】また、特開平７−２４０２３６では、二次
電池の充電制御として、電池装着後の初回充電時に定電
圧制御を行なわず、充電電圧を徐々に上げ、二次電池が
過電圧検知を行なつたときの出力電圧から制御電圧を決
定し、次回の充電はこの制御電圧で定電圧制御を行な
い、この制御電圧と充電器固有の識別情報を二次電池内
に記憶して、次回装着時は記憶された識別情報が自充電
器のものであれば記憶された制御電圧にて定電圧制御を
行なうことで過充電の防止を行うことの提案をしてい
る。

【０００５】また、特開平８−７０５３７では、充電中
の電池の一定時間毎の端子電圧変化量ΔＶをとり出すと
ともに、充電中の前記電池の一定時間毎の温度変化量Δ
Ｔをとり出し、前記端子電圧変化量ΔＶのある時点の値
が次の時点の値で減少し、かつ前記温度変化量ΔＴのあ
る時点の値が次の時点の値で増大したときに前記電池の
満充電を示す方法を提案している。

【０００６】また、特開平７−２４０２３４では充電中
の二次電池の電圧を周期的に検出し、ある周期の電池電
圧とその１つ手前の周期の電池電圧との変化量を求め、
この変化量とそれ以前の周期の変化量とを比較して変化
量の最大値を求め、変化量の最大値と変化量との差が予
め設定した値と等しいか又は大きくなつたときに、充電
電流を小さくするか又は充電を停止することによる過充
電の防止を提案している。

【０００７】更に、特開平７−２７２５６では、外部電
源に出力電流制限機能を付加し、機器が動作中に二次電
池を充電しても、充電電流を単位時間毎に観測し、単位
時間当たりの電池温度上昇の検出値を変更したり、電池
の充電電荷量制限値の算出を行うことによつて、充電中
に充電電流が変化しても、正常に充電制御を行なうこと
のできる満充電検知方法を提案している。

【０００８】また、特開平７−８５８９２では、電池か
らのＡＥ（アコースチックエミッション）信号を測定
し、測定値を微分し、微分値が急上昇傾向を示したと
き、定電流充電から定電圧充電に切り替えることで過充
電の防止を提案している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、過充電
を防止する方法として数多くの方法が提案されている
が、基本的に電池の電圧、温度、または内部圧力を測定
することをもとにしている。

【００１０】電池の電圧を測定することにより、電池が
充電末期状態にあることを検知する方法では、電池の温
度が上昇すると、充電末期の電圧変化を捕らえにくいた
め、正確な検知が困難になる課題がある。

【００１１】また電池の内部圧力を測定することで電池
状態が充電末期であることを検知するためには、密閉系
の電池では内部圧力を検知する為のセンサーを取り付け
るために、電池に穴を開ける必要があり、それだけ構造
が複雑になる。

【００１２】一方、電池の温度を測定することにより電
池の状態を検知する方法は、一般に温度の伝わる速度は
ある程度遅いため、これによる検知方法はレスポンスが
遅くなるという課題があり、充放電が短時間で切り替わ
るような電池システムにおいては、実際的な使用には適
さないものである。また、電池のおかれている環境温度
にも影響される。

【００１３】また、電池からのアコースチックエミッシ
ョン信号を測定し、測定値を微分し、微分値が急上昇傾
向を示したとき、定電流充電から定電圧充電に切り替え
ることで過充電の防止する方法では、満充電状態の電池
を改めて充電する時は、微分値が急上昇傾向を示さない
ため、過充電状態を検知できない。また、連続して充電
をするような系においては微分値が急上昇傾向を示す点
は比較的わかりやすいが、パルス的な充放電の繰り返し
においては、微分値が急上昇傾向を示す点を見いだすこ
とは困難である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かかる課題に鑑み、本発
明の電池の充電方法は、電池の充電を行うとともに、前
記電池から発生する振動を測定し、前記振動の測定値が
あらかじめ定めた値より大きい時、前記充電を停止す
る、または前記充電の電流値を下げる、または前記電池
の電圧を、前記振動の測定値があらかじめ定めた値より
大きくなった時の電圧値に維持することを特徴とする。

【００１５】この時、電池の振動を測定する手段は、１
ｋＨｚ以上で５００ｋＨｚ以下の周波数を有する信号の
ＳＮ比を選択的に高める手段を備えたことを特徴とす
る。

【００１６】また、電池の振動を測定する手段は、振動
量を計測した後、前記計測値を積分、微分、または平均
化し、この値をあらかじめ定めた値と比較することを特
徴とする。

【００１７】さらに、振動を測定する手段は、共振周波
数が１ｋＨｚ以上で５００ｋＨｚ以下のの圧電素子を用
いることを特徴とする。

【００１８】また、振動を測定する手段は、予め定めた
時間内に発生した振動の量を出力することを特徴とす
る。

【００１９】また、振動を測定する手段は、予め定めた
時間内に発生した振動の回数を出力することを特徴とす
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】発明者の測定の結果、現在市販さ
れている鉛蓄電池、ＮｉＣｄ蓄電池及びＮｉ水素蓄電池
つまり水溶液系の電解液を使用した電池では、充電末期
持に内圧上昇と共に、電池の内部から振動が発生するこ
とを見出した。そこで、電池の振動を測定しつつ、充電
作業を行い、振動がある値より大きくなったところで充
電を終了する、という充電方法を用いると、過充電を防
止することができ、電池の充放電サイクル特性を高める
ことができた。

【００２１】この振動は充電末期の水溶液系電池の電解
液中で水の電気分解が起こり、これによる酸素／水素の
ガス発生に起因する振動であると考えられる。一般的
に、水溶液系電解液を用いた電池では、過充電時には水
の電気分解反応が発生する。また、充電末期から過充電
状態に移るにつれ、電池からの振動量が多くなった。こ
れは、水の電気分解反応によるガスの発生数が多くなっ
たことと対応したものと考える。したがって、ガス発生
に起因した振動によって電池の過充電状態を捕らえるに
は振動の数をカウントすればよい。この振動をカウント
する方法は、ガス発生の基本的な現象を捕らえたもので
あり、ＲＭＳ回路で振動信号の積分値を計測する手段に
比べて、外部ノイズに対して非常に優れている。

【００２２】以下、実施例により具体的に本発明を説明
する。

【００２３】

【実施例】（実施例１）本実施例では、電池として密閉
型ニッケル水素蓄電池を用いた。

【００２４】定格容量６．５Ａｈの密閉型ニッケル水素
蓄電池を、６．５Ａの電流で充電し、環境温度２５℃の
状態で、定格電池容量の１０５％まで充電した。この時
の電池電圧、内部圧力、及び電池から発生する振動を測
定した。測定に使用したセンサ、及び回路を図１に、ま
た測定結果を図２に示した。

【００２５】図１において、使用した振動検知用のセン
サー１は、ジルコン・チタン酸鉛磁器（エヌエフ回路設
計ブロック製：ＡＥ−９０１Ｓ）を用いたであり、１４
０ｋＨｚに共振周波数を持つ。また、検出感度を上げる
ため、プリアンプ２（エヌエフ回路設計ブロック製：品
番９９１３）を用いた。また、図１で、３、４、５が一
体となった計測装置（エヌエフ回路設計ブロック製テス
タ：９５０１）を用いた。この装置では、ある一定時間
に検出した振動信号の個数を出力する。

【００２６】図２において、充電を行い電池の状態が充
電末期に入ると、電池の内部圧力が上昇し始め、この
時、電池内部から発生する振動の強度が上昇し始める。
そして、充電深度が定格容量の１００％を越えたところ
で、振動強度が激しく増加することが判った。このこと
から、この振動は水の電気分解反応の結果生じたガスに
起因した振動であることが分かる。

【００２７】この際、過充電状態と検知するレベルを、
たとえば２００カウント／ｓとすることで、実際の測定
値が２００カウント／ｓを超えた際に、満充電状態であ
ると判定することが出来る。

【００２８】ここで、ガス発生し、過充電状態と判断す
る方法としては、一定時間のカウント数の絶対値レベル
で判定することもでき、また一定時間のカウント数の平
均値、積分値、微分値の絶対値レベル、あるいは増加量
で判定することもできる。また、検出したカウント数を
ある一定時間で平均化した後の値をもちいて、絶対値レ
ベル、一定時間のカウント数の平均値、積分値、微分値
のレベル、あるいは増加量で判定すると、さらに検知の
精度が向上する。

【００２９】ガス発生の各々に起因した振動は、ほぼ同
じ信号強度の振動信号である。もし、大きな信号強度の
ノイズが１つ入ってきた場合、ＲＭＳ回路を用いた方式
では、非常に大きな誤差となってしまうが、振動信号の
数をカウントする方法では、大きな信号強度のノイズも
１つの信号としてしか捕らえないため、ノイズに対して
非常に有利な計測手段である。

【００３０】次に、この検知法を用い充放電サイクルを
行ったときの、電池容量の変化を測定し、その結果を図
３に示した。充放電は、環境温度４０度、充電電流６．
５Ａ、放電電流６．５Ａで、放電停止は０．９Ｖとし
た。本方法の比較例として、従来の電圧変化量ΔＶが負
になった時、充電を止める方法を併せて評価した。その
結果も図３に示した。

【００３１】図３より、本発明によりガス発生を検知し
た後、充電を止める方法は、従来の検知方法よりも電池
の寿命を延ばすことが可能であることを見出した。ここ
で、ガス発生を検知した後、充電を止める代わりに、充
電電流を下げる方法、また充電を定電流充電から定電圧
充電へ切り替える方法を用いても、従来法よりも電池の
サイクル寿命は向上した。

【００３２】次に、充電の電流値を変えたときの本発明
で用いた満充電の検知方法の妥当性の検証を行った。そ
の結果を図４に示した。

【００３３】図４では、充電の際の電流値を６．５Ａお
よび１Ａとし、その際の振動出力を示した。図４におい
て、充電レートが落ちることで信号の強度も落ちる。こ
れは、単位時間あたりのガス発生頻度の減少に基づく。
したがって、ガス発生したと検知するレベルを、充電レ
ートと相関を持たせることにより、より精度のよいガス
発生の検出が可能となる。また、充電初期の振動による
信号強度と比較して一定レベルを超えた時をガス発生し
たと検知させる方法でもよい。

【００３４】また、この方法では、充電状態の等しい電
池に等しい充電電流を与えた場合、発生するガスの量は
同じであるため、既に満充電になっている電池を改めて
充電した時や、さらにパルス状の充電を行ったときも、
ガス発生の検知が可能であり、満充電検知として有効で
ある。

【００３５】さらに、信号を測定した後、１ｋＨｚ〜５
００ｋＨｚ以外の信号強度を減衰させるフィルターを通
すことの効果を図５に示した。これから明らかに、フィ
ルターを入れた場合、ノイズレベルが小さくなり、検出
精度が増すことがわかる。

【００３６】なお、今回の実験で用いた振動を計測する
手段では、ある一定時間に検出した振動信号の個数を出
力するものであったが、ＲＭＳ回路等を用いて、一定時
間の振動の強度を出力するものであってもよい。また、
これらの出力信号を平滑化することで、さらに、信頼性
の向上が可能である。

【００３７】（実施例２）本実施例では、被検知用電池
と振動の計測手段を、実施例１の装置と同一として、計
測した振動量を、１秒間積分し、この値を測定結果とし
た。その結果、この測定値が予め定めた値より大きい
時、ガス発生したと認定することで、ガス発生の検出を
行うことが出来た。

【００３８】この時、積分時間を１秒以上とすると、振
動ノイズの影響を小さくでき、検知精度が向上した。ま
た、実施例１と同様に、充電レートと相関を持たせるこ
とにより、より精度のよいガス発生の検出が可能となっ
た。また、充電初期の振動による信号強度と比較して一
定レベルを超えた時をガス発生したと検知させる方法で
も同等の結果を得ることが出来た。さらに、信号を測定
した後、フィルターを通すことで、実施例１と同様、ノ
イズレベルが小さくなり、検出精度が向上した。

【００３９】本実施例で用いた振動計測する手段では、
一定時間に検出した振動信号の個数を出力するものであ
ったが、ＲＭＳ回路等を用いて、一定時間の振動の強度
を出力するものであってもよい。また、これらの出力信
号を平滑化することで、さらに、信頼性の向上が可能で
あった。

【００４０】また、計測した振動の量を、１秒以上の間
隔で平均化し、これを測定値としたときも、ガス発生の
検出を行うことが出来た。平均化の間隔を１秒以上にす
ることで振動ノイズの影響を小さくでき、検知精度も向
上した。さらに、実施例１と同様にして、充電レートと
相関を持たせることにより、より精度のよいガス発生の
検出が可能となる。充電初期の振動による信号強度と比
較して一定レベルを超えた時をガス発生したと検知させ
る方法でもよい。

【００４１】さらに、信号を測定した後、フィルターを
通すことで、実施例１と同様、ノイズレベルが小さくな
り、検出精度が増した。

【００４２】今回の実験で用いた振動計測する手段で
は、ある一定時間に検出した振動信号の個数を出力する
ものであったが、ＲＭＳ回路等を用いて、一定時間の振
動の強度を出力するものであってもよい。また、これら
の出力信号を平滑化することで、さらに、信頼性の向上
が可能であった。

【００４３】また、測定を１秒間隔で行い、これを微分
した場合も、ガス発生の検出が可能であった。測定間隔
を、１秒以上にすることで振動ノイズの影響を小さくで
き、検知精度が向上した。ここで、微分値はノイズに大
きく左右されることから、微分する前にデータを平滑化
することが必要である。また、実施例１と同様にして、
充電レートと相関を持たせることにより、より精度のよ
いガス発生の検出が可能となる。充電初期の振動による
信号強度と比較して一定レベルを超えた時をガス発生し
たと検知させる方法でもよい。

【００４４】以上の検知方法を用いて、電池の充放電サ
イクルを行うと、実施例１と同じく、サイクル寿命を大
きく向上することが出来た。

【００４５】（実施例３）本実施例では、ガス発生に起
因した振動の周波数を評価した。被検用の電池は、定格
容量６．５ｈＡの密閉鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄
電池、ニッケル水素蓄電池を用いた。また、振動の検知
は、実施例１と同じ回路で行い、振動検知はジルコン・
チタン酸鉛磁器（エヌエフ回路設計ブロック製：ＡＥ−
９００Ｓ−ＷＢ）を用いた。充電は、環境温度２５度、
充電電流６．５Ａで行った。

【００４６】その結果、ガス発生を検知した時、１ｋＨ
ｚ〜５００ｋＨｚの範囲の振動が発生していることがわ
かった。これら以外にも電池には種々のものがあるが、
基本的には水の電気分解による気泡の、発生あるいは破
壊あるいは吸収に起因した振動のため、この範囲に収ま
ると考えられる。したがって、信号を測定する手段とし
て、共振周波数が１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの圧電素子を
用いることが望ましい。また、ノイズを低減する手段と
しては１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの信号のＳＮ比を向上さ
せる手段を備えることが望ましい。

【００４７】また、本発明方法は、電池の充電末期に必
ず発生するガス発生に起因した音を検知するため、従来
の温度変化や、電圧変化を用いた満充電検知方法より
も、環境温度等の依存性が小さく、充電末期の検知精度
を大幅に向上することが可能である。したがって、本発
明方法を用いることで電池のサイクル寿命を延ばすこと
が可能になる。しかし、本発明方法では振動を検知する
ため、種々のノイズによって精度が落ちる可能性があ
る。測定周波数を制限したり、信号を平滑化したりする
ことで、このように精度が落ちることを、ある程度軽減
することが可能である。しかし、測定周波数域に多くの
ノイズ信号が入る可能性がある場合には、検知精度を向
上させるため、従来の検知方法と組み合わせることが望
ましい。

【００４８】本発明による検知方法と、従来の電圧変化
や温度変化等の検知方法と組み合わせることで、環境温
度が高い場合、あるいは環境温度が変化している場合、
あるいはパルス状の充放電の場合等に従来の検知方法の
みではなしえない、精度の高い過充電の検知が可能とな
り、電池のサイクル寿命を延ばすことが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、水溶液
系電池より発生する振動を検知することによりガス発生
を検知し、これを用いて充電を制御することで電池の寿
命を長くすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例で構成した検知装置の略
図

【図２】本発明の第１の実施例で行った振動測定の結果
と電池の状態との関係を示した図

【図３】本発明の第１の実施例で行った電池容量のサイ
クル特性を示した図

【図４】本発明の第１の実施例で行った充電電流を変え
たときの振動の測定の結果を示した図

【図５】本発明の第１の実施例で行った振動測定の結果
を示した図

フロントページの続き (72)発明者山田義則大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池の充電を行うとともに、前記電池か
ら発生する振動を測定し、前記振動の測定値があらかじ
め定めた値より大きい時、前記充電を停止する、または
前記充電の電流値を下げる、または前記電池の電圧を、
前記振動の測定値があらかじめ定めた値より大きくなっ
た時の電圧値に維持することを特徴とする電池の充電方
法。
【請求項２】電池から発生する振動を測定する手段
が、１ｋＨｚ以上で５００ｋＨｚ以下の周波数を有する
信号のＳＮ比を選択的に高める手段を備えたことを特徴
とする請求項１記載の電池の充電方法。
【請求項３】電池から発生する振動を測定する手段
は、振動量を計測した後、前記計測値を積分、微分、ま
たは平均化し、この値をあらかじめ定めた値と比較する
ことを特徴とする請求項１または２記載の電池の充電方
法。
【請求項４】電池から発生する振動を測定する手段
は、共振周波数が１ｋＨｚ以上で５００ｋＨｚ以下のの
圧電素子を用いることを特徴とする請求項１、２または
３記載の電池の充電方法。
【請求項５】電池から発生する振動を測定する手段
は、予め定めた時間内に発生した振動の量を出力するこ
とを特徴とする請求項１、２、３または４記載の電池の
充電方法。
【請求項６】電池から発生する振動を測定する手段
は、予め定めた時間内に発生した振動の回数を出力する
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の電池
の充電方法。