JPS5822545A - 二次電池充電器 - 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】 ２・、し 本発明は充電可能な二次電池（バッテリー）の充電器に
関するものであり、特に、定電流充電方式を用いた短時
間急速充電器における、過充電防止手段に特徴を有する
ものである。

二次電池の需要は可搬形のポータプル機器の増加に伴っ
てふえ、特に、比較的大電流を必要とするボータプルの
ビデオテープレコーダ（以下ＶＴＲと称す）の電源は、
その殆んどが二次電池を使用している。ポータプルＶＴ
Ｒに使用される二次電池は、過去の使用実績から、密閉
形鉛蓄電池（ｐｂ電池）が一般的であるが、ｐｂ電池は
重量１体積の点から小形、軽量化を目ざすポータプル機
器には不利である。これに対し、密閉形ニッケルカドミ
ウム蓄電池（ＮｉＣｄ電池）は、内部抵抗が非常に小さ
いため大電流での放電特性にすぐれていること、比較的
広い温度範囲で安定した特性が得られること、他の電池
に比べて急速充電が容易にできること、充放電サイクル
寿命が３００〜５００回以上であることなどの特徴があ
り、最近のポータプル機器の多くがＮ　ｉ　Ｃｄ電池を
採用する傾向にある。

ＮｉＣｄ電池の急速充電方法には、大別して定電圧充電
方式と定電流充電方式とがある。

定電圧充電方式の代表的なものは、ジョグル充電方式で
あり、バッテリーの端子電圧が所定の値になるまでは大
電流で充電し、所定値以上になれば断続したパルス状の
充電電流を流し、バッテリ一端子電圧の微小な電圧増加
に応じて充電電流を減少させる方式である。この方式は
効率の良い急速充電ができること、過充電が防止できる
ことなどの長所をもつが、反面、高感度電圧スイッチや
高周波コンバータを必要とするため回路が複雑になるこ
と、パルス状の充電電流を用いるため空中に飛ぶノイズ
をシールドする必要があること、電源ラインに重畳する
ノイズを防止するためラインフィルターを必要とするこ
と、などの欠点を有する。

これに対し定電流充電方式は、近年、半導体技術の進歩
に伴って、高性能のトランジスタや演算増幅器等が安価
に手に入るようになったため、簡単々回路構成で定電流
回路が構成できること、連続した電流を扱うためジョグ
ル充電方式で問題となるノイズ対策を必要としないこと
などの利点により、この充電方式が見直されている。

定電流充電方式の代表的なものは、通称■テーパ一方式
と呼ばれる方法である。この方法はバッテリ一端子電圧
が所定の値に々るまでは、はぼ一定の大電流で充電し、
端子電圧が所定値以上になると大電流の充電をやめ、コ
ンデンサと抵抗で構成されるＯＲ放電カーブに沿って充
電電流を減少させる効率の良い急速充電方法である。

本発明の詳細な説明する前に、まず■テーパ一方式の充
電方法について説明する。

第１図にはＶテーパ一方式による充電パターンを、第２
図には第１図の充電特性を得るための具体回路例を示し
である。

第１図において横軸には充電時間を、縦軸にはバッテリ
ーの端子電圧と充電電流とを示しである。

充分に放電されたバッテリーを■テーパ一方式で充電し
た場合、充電電流は第１図にｉで示す変化を示し、バッ
テリーの端子電圧はＶで示す変化を示す。

充電初期の時間ｔ。−１１の期間は、バッテリー容量１
Ｃに相当する比較的大きな電流で定電流充電される。こ
の時バッテリーの端子電圧は充電が進むにつれて徐々に
上昇し、充電容量が０．７０近傍に達すると端子電圧は
急激に増加する。この状態で引続き１０前後の大電流で
充電を継続させた場合、ガスの発生による電池内部の圧
力及び電池温度の急激な増加をきたす。密閉形ＮｉＣｄ
電池には通常安全弁が装着されているため、万一内圧が
異常に上昇しても破裂することはない。しかし、一度安
全弁が作動［−てガスを放出した場合、電池の容量は劣
化する。壕だ、大電流による連続過充電は異常な温度上
昇、水素ガスの引火などによる破裂もあり得るため、無
理な使用方法は絶対に避ける必要がある。

電池の充電完了を検出する因子としては電圧。

温度、内圧の３つに限定される。内圧の検出には圧力の
検出素子が必要になり、安価に検出する方６　・で　“ 式はまだ実現されていない。一般に広く用いられている
方式は電圧検出方式であり、この方式に加えて温度検出
方式が併用される。この時の温度検出の目的は、周囲温
度の変化に応じて電圧の検出レベルを変化させるためで
ある。温度検出方式は本発明の主旨とは異なるだめ、こ
こでは詳細な説明は省略する。

第１図において、バッテリーの端子電圧が制御開始電圧
ｖＣに達した点、すなわち時間ｔ１　の時点以後、時間
ｔ２までの間は充電電流をＯＲ放電曲線に沿った形で徐
々に減少させる。制御開始電圧ｖＣは電池の内部圧力及
び電池の温度が異常に上昇しない安全な電圧からさらに
多少の余裕をもった電圧に設定する。ＯＲ放電曲線は、
急峻にすると満充電になるまでに多くの時間がかかり、
あまり緩慢にすると、ｔｌ　以降の充電電流によってバ
ッテリーの端子電圧が制御開始電圧以上に上昇すること
になる。従って、ＯＲ放電曲線はｔ１以降のバッテリ一
端子電圧が制御開始電圧以下になり、且つ、できるだけ
緩慢な曲線になるように設定される。

時間ｔ２以降の充電電流は、長時間の連続充電を行なっ
ても電池に異常をきたさない０．１Ｃ以下の電流値に設
定する。

以上の説明のごとく充電電流を設定すれば、比較的短時
間に、且つ安全に急速充電が可能である。

次に第２図を用いて、第１図の充電パターンを実現する
具体回路例について説明する。

第２図において、１は充電されるべきバッテリーを示し
、例えば１０個のバッテリーが直列に接続されている。

２は定電流充電回路であり、第１図に示した時間ｔ。−
ｔｌの間バッテリーを定電流で充電する。定電流充電回
路２は例えば演算増幅器で構成される周知の回路であり
、バッテリー１に流れる電流を、比較的低い値（例えば
１Ω）をもつ抵抗Ｒ７の電圧降下として検出し、ｂ点の
電圧値とＣ点の基準電圧値とが等しくなるように充電電
流を制御する。トランジスタＱ１　は充電初期ｔｏ−ｔ
１の期間はＯＦＦ　状態である。従って、Ｃ点の基準電
圧は抵抗Ｒ２とＲ３との分割比で決定されたｄ点の電位
からダイオードＤ１　の電圧降下を引いた値となる。

第１の電圧検出回路３はバッテリーの端子電圧を検出す
る回路であり、出力ｅには第１図に示した電圧特性Ｖが
出力される。第２の電圧検出回路４はヒステリシス特性
をもったシュミット回路であり、この回路４の出力ｆは
時間ｔ０〜ｔ１　の期間Ｌｏｗ　電圧を出力する。従っ
て、トランジスタＱ１はＯＦＦ　状態である。バッテリ
ーの端子電圧ｅが制御開始電圧ｖＣに達しだ時、電圧検
出回路２の出力ｆはＨｉ　ｇ　ｈ電圧になり、トランジ
スタＱ１　はＯＮ状態になる。この時、トランジスタＱ
１ノコレクターエミッタ間の飽和電圧を零と仮定すれば
、ｄ点の電位は抵抗Ｒ３とＲ４との並列抵抗値と、抵抗
Ｒ２との分割比で決定される。この時のｄ点の電位は、
定電流充電回路２の出力電流が０．１Ω程度になるよう
に設定される。すなわち、時間ｔ２以降の充電電流値を
決定する。トランジスタＱ１がＯＮした時間ｔ１　から
１２までの間、ｄ点の電位はＣ点の電位より低くなる。

なぜならば、ｄ点の電位はトランジスタＱ１　がＯＮ状
態になった時、すぐに降下するが、Ｃ点の電位はコンデ
ンサＣ１に蓄積された電荷の量によって決定され、すぐ
には降下しない。定電流充電回路２の入力インピーダン
スをほぼ無限大と仮定すれば、コンデンサＣ１に蓄積さ
れた電荷は抵抗Ｒ１を通じてのみ放電される。バッテリ
ーへの充電電流はＣ点の電位で決定されるため、時間ｔ
１〜ｔ２の間の充電電流はＣ１・Ｒ１の放電特性に沿っ
た形で徐々に減少する。

Ｃ点の電位がｄ点の電位からダイオードＤ１　の電圧降
下分だけ下がった電位に達すれば、以後Ｃ点の電位は一
定となり、時間ｔ２以降の電流値を設定することになる
。

なお、時間ｔ１以降のバッテリーの端子電圧は、制御開
始電圧ｖｃから一定量下がった電位で安定する。この時
、第２電圧検出回路４の出力ｆが再びＬｏｗ　電位にな
らないよう、この回路４にはヒステリシス特性をもたせ
てあり、出力ｆがＬｏｗ電位になるだめの入力のスレッ
シュレベルは、例えば、第１図に示すｖｈの電位に設定
しである。

以上が■テーパ一方式の充電パターン、及び具体回路例
である。この方式は比較的簡単な回路構成で連続した充
電電流を扱うことができること。

ＣＲ放電特性を利用して効果的に充電時間を短縮できる
ことなどの利点をもつが、現回路方式では電池の再充電
の点において不備であった。

第１図に示しだＣＲ放電曲線は、既に説明したように、
急峻にすると満充電になるまでに多くの時間がかかり、
あまり緩慢にするとｔ１以降のバッテリーの端子電圧が
制御開始電圧以上に上昇することになるため、ｔ１以降
のバッテリーの端子電圧が制御開始電圧以下になり、且
つ、できるだけ緩慢々曲線になるように設定されている
。しかし、ｔｌ　以降の充電電流とバッテリーの端子電
圧との関係は、それまでのバッテリーの充電履歴に関連
して変化する。例えば１セル当り１．０ｖ程度までに十
分放電させたバッテリーを再充電する場合には、第１図
に示したような充電パターンをとるが、少量の放電しか
行なっていないもの、もしくは満充電状態のバッテリー
を強制的に再充電させた場合には、第３図に実線で示す
充電パターンとなる。

第３図において、時間ｔ０において強制的に再充電が開
始されたバッテリーの端子電圧は急激に上昇し、短時間
にて制御開始電圧ｖＣに達する。この時点で前述の第２
の電圧検出回路４が作動し、充電電流は実線１１　で示
すＣＲ放電曲線に沿って減少する。しかし、満充電に近
いバッテリーを再充電させた場合、十分に放電されたバ
ッテリーを効率良く充電するＣＲ放電曲線１１は緩慢す
ぎるため、バッテリ一端子電圧はすぐには下降せず、実
線　、で示すように変化する。この時、バッテリ一端子
電圧は安全電圧を越えて上昇し、電池の内部圧力も増加
する。その結果安全弁が作動し、電池容量を劣化させる
ことになる。満充電に近いバッテリーを再充電させる場
合には、破線１２で示す急峻なＣＲ放電曲線を用いれば
良く、この時の端子電圧の変化は破線　　となシ、制御
開始電圧を越えない特性を得ることができる。

しかし、充電の履歴によってＣＲ放電曲線を変えること
は容易ではない。このため、従来の充電回路は、前述し
たごとく、電圧検出回路２にヒステリシス特性をもたせ
、満充電に近いバッテリーに対しては、大電流で再充電
を行なわない構成をとっていたが、この方法は実際にバ
ッテリーを使用する側にとっては不便であった。なぜな
らば、実際に機器を操作する場合、バッテリーが十分放
電しきるまで機器を操作する場合もあるが、適当な時間
機器を操作した後、次の操作に備えてバッテリーを再充
電しておく必要性も頻繁に生じるからである。

本発明は簡単な回路を付加することによって、過去の放
電量に関係なく再充電が可能なこと、過充電防止回路を
兼用できること、制御開始電圧を検出後、充電残量に応
じて自動的に充電電流を減少させ、以後ＣＲ放電曲線に
沿って効率の良い充電を行々うことができること、々ど
の特徴を有する。

以下、本発明の具体例について説明する。

第４図には本発明の具体回路例を示す。第４図１３　、 に示す回路は、第２図に示した回路に新たに波線で囲む
回路ブロック６、すなわち、第３の電圧検出回路６とト
ランジスタＱ２の部分を付加したものである。図中第２
図と同一記号のものは同一の機能を有する。

第３の電圧検出回路５はヒステリシス特性をもたないシ
ュミット回路であり、入力のスレッシュレベルは前述の
制御開始電圧よりもわずかに高く、且つ、電池の内部圧
力が異常に上昇することのない安全電圧に設定する。バ
ッテリーの端子電圧が安全電圧以下の時、第３の電圧検
出回路５の出力ｑはＬｏｗ　電圧を発生しトランジスタ
Ｑ２はＯＦＦ状態である。端子電圧が安全電圧を越える
時には、出力ｑはＨｉｇｈ電圧となりトランジスタＱ２
はＯＮ状態になる。

以上の動作を行なう回路ブロック６を付加した時の充電
パターンについて説明する。

第５図は満充電に近いバッテリーを強制的に再充電状態
にした時の充電パターンである。強制的に再充電させる
方法は、第２の電圧検出回路４のヒステリシス特性を解
除させる方法をとれば良い。

この方法はバッテリーを充電器にセットしだ時自動的に
行なっても良く、手動の再充電スイッチを設けても良い
（図示せず）。第５図において、時間ｔ。から再充電を
行なった場合、バッテリーは定格容量１Ｃ近傍の大きな
充電電流ｉ３で充電される。この間バッテリーの端子電
圧は急激に増大し、時間ｔ１において制御開始電圧ｖＣ
に達する。

この時、第４図に示す第２の電圧検出回路４が作動し、
ｔ１〜ｔ３の間ＣＲ放電特性に沿って減少する。時間ｔ
３はバッテリ一端子電圧が前述の安全電圧ｖＳに達した
時の時間である。本発明による第３の電圧検出回路５が
付加されていない場合には、時間ｔ３以降もＣＲ放電曲
線に沿った比較的大きな充電電流が流れるため、バッテ
リーの端子電圧は第５図に破線で示すように上昇する。

しかし、本発明によれば、バッテリーの端子電圧が安全
電圧ｖＢに達した時点で第３の電圧検出回路６が作動し
、トランジスタＱ２がＯＮ状態となる。このため、コン
デンサＣ１に蓄積された電荷は抵抗Ｒ１に比べて比較的
小さな抵抗Ｒ１ｏ　、トランジスタＱ２を経て放電し、
バッテリーへの充電電流は第５図にｉ５で示す電流値ま
で減少する。

充電電流が減少してバッテリ一端子電圧が安全電圧υＢ
より下がると、トランジスタＱ２がＯＦＦとなり、充電
電流はもとのＣ１・Ｒ１の放電曲線に従って減少する。

電流値１６はバッテリーの端子電圧が安全電圧０８以上
にならない状態での最大の電流値であり、再充電前のバ
ッテリーの充電残量に応じて異なる。本発明によれば、
第４図に示す回路ブロック６を付加することにより、こ
の電流値ｉ６の値を自動的に決定することができる。

なぜならば、回路ブロック６はバッテリーの端子電圧が
安全電圧ｖ８に達しだ時点で動作し、コンデンサＣ１に
蓄積された電荷を放電せしめ、充電電流を減少させる。

充電電流の減少度合が少なければ、バッテリーの端子電
圧はさらに増加するため、回路ブロック６の動作により
充電電流はさらる。

時間ｔ３以降はバッテリーの端子電圧は次第に減少する
。第３の電圧検出回路６はヒステリシス特性をもたない
ため、バッテリ一端子電圧が安全電圧ｖＳより下がれば
、その出力ｑはＬｏｗ　電圧となり、トランジスタＱ２
はＯＦＦ　　状態となる。すなわち回路ブロック６は付
加されていない状態と等価である。

このため、ｔ３〜ｔ２の間の充電電流はＣ１・Ｒ１で決
定される放電曲線に従って次第に減少する。このことは
、バッテリーの端子電圧が安全電圧ｖｓを越えた時、充
電電流を零にする方法や極減させる方法に比べて、効率
良く充電を持続させることができることを示している。

時間ｔ２以後は、前述のごとく０．１Ｃ以下の定電流で
充電が行なわれる。

第６図は充電残量の異なるバッテリーを、本発明による
回路を付加した充電器で再充電した時の１３近傍の充電
パターンを示しである。十分に放電されたバッテリーを
再充電した場合には、バッテリーの端子電圧は制御開始
電圧ｖＣ以後、破線で示す鴨のごとく減少し、この時の
充電電流は１８で示すようにＣＲ放電曲線に沿って減少
する。

満充電に近いバッテリーを再充電した場合には、バッテ
リーの端子電圧は安全電圧ｖＳ″！、で上昇し、再充電
前の充電残量に応じて１９．もしくは１１０で示すよう
な充電電流の特性を得ることになる。

以上の説明で明らかなように、本発明によればバッテリ
一端子電圧が安全電圧に達した時、充電電流を決定する
コンデンサに蓄積された電荷を放電させる構成をとるた
め、バッテリーの過充電の防止ができること、バッテリ
ーの端子電圧が安全電圧に達した時、再充電前の充電残
量に応じて自動的に充電電流を減少させることができる
ため、放電量に関係なく再充電が可能なこと、安全電圧
を検出し、充電電流を一度減少させた後の充電電流はＣ
Ｒ放電曲線に従って減少するため、再充電時にも効率の
良い充電ができること、などの利点を有する。

なお、ここではバッテリーの温度補償についての説明は
省略したが、温度により抵抗値の変化するサーミスタ等
の素子を用いてバッテリーの温度上昇を検出し、電圧検
出回路４及び６のスレッシュレベル、すなわち、制御開
始電圧や安全電圧のレベルを変化させることは、従来の
電圧検出法と同様に適宜性なわれても良く５本発明の主
旨に反するものではない。

また、これまでの説明では、コンデンサに蓄積された電
荷を放電させる時定数回路を用いた具体回路例について
説明してきたが、コンデンサに電荷を蓄積させる時定数
回路を用いても、同様の結果が得られることは明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は■テーパ方式による充電パターンを示す図、第
２図は従来のＶテーパ方式を実現するだめの具体回路図
、第３図は再充電時におけるバッテリ一端子電圧と充電
電流との関係を示す図、第４図は本発明による充電回路
の一実施例を示す図、第６図は本発明による充電回路を
用いた時の充電Ｑ−ン図、第６図は充電残量の異なるバ
ッテリ−を再充電した時の各充電電流特性図である。 １・・・・・・バッテリー、２・・・・・・定電流充電
回路、３．４．５・・・・・・電圧検出回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１１
図 Ｔｉ　　　　　　　　　　　ｔ　ｔ　　　　　　ｔ　’
一時間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）充電初期には比較的大きな充電電流で二次電池を
   充電し、その二次電池電圧が第１の設定値に達したこと
   を検出して、前記充電電流を第１のカーブで順次減少せ
   しめるとともに、前記二次電池電圧が前記第１の設定値
   より大なる第２の設定値に達したことを検出して、前記
   第１のカーブよりも急峻な第２のカーブで、前記充電電
   流を減少させることを特徴とした二次電池充電器。
2. （２）電源を時定数回路と定電流回路を介して二次電池
   に接続し、第１および第２の設定値に達したことを検出
   したそれぞれの検出出力により、前記時定数回路の時定
   数と切換えて、第１のカーブおよび第２のカーブの充電
   電流を作成することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の二次電池充電器。