JPS6031175B2 - 蓄電池の充電方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は蓄電池を迅速に充電する方法およびこれを実施
するための装置に関する。

（従来の技術） 一般に、蓄電池製造業者は蓄電池を公称容量の１／１０
の電流で１母時間充電するように澄める。

蓄電池を過充電により破損しないためには４・さな電流
を使用する必要がある。しかし、充電時間が長いことは
一般に好ましいことではない。蓄電池（ｂａｔにｒｙ）
は複数個直列接続された単位蓄電池（ａｃｃｕｍｕｌａ
ｂｒ）（以下セルと指称する）をそなえており、その容
量の約８０％パーセントまでは一定電流により迅速に充
電することができ、例えば大きな充電電流が必要なとき
には１時間より短い時間で充電することができ、その後
接続を解除することにより、蓄電池は温度上昇およびガ
ス発生により破損されることはない。

容量の点からみた場合、より効果的な迅速な充電方法は
いわゆるパルス充電方法であり、この方法によると蓄電
池は一定期間おきに高麗流パルスを受ける。ある例にお
いては、パルスは短い放電パルスと組み合わされて使用
される。パルス幅は、充電される蓄電池の電圧が上昇す
るにつれてパルス幅を減じるように充電中の蓄電池の電
圧との関係において決定される。従って、この方法では
、過充電を避けるために、充電期間中蓄電池の電圧を、
常に測定しなければならない。他の迅速な充電方法にお
いては、電圧、温度、または圧力の上昇を検出して充電
動作の最後において電流を害のないレベルまで減じるよ
うになっている。

一定電流を使用して充電する方法を除いて前述した方法
はすべて、充電動作の間の蓄電池またはセルの動作に依
存したパラメ−夕を使用するものである。

これらの蓄電池パラメータは一般に十分に安全なフアク
タとはいえない。蓄電池電圧は温度およびその使用度に
依存している。さらに、あるセルと他のセルとではその
電圧は製造上のデータは同じでも実際には異なっている
ことが多い、蓄電池を構成するセルには一般に温度感知
要素が取り付けられている。この温度感知要素は被測定
セルの温度のみ表示する。蓄電池中の圧力を感知する場
合、蓄電池内部に切欠き部を形成し圧力を感知しなけれ
ばならない。従って、上述した方法により蓄電池を充電
する場合には蓄電池パラメータを得るため複数個のセル
から１つのセルを選択し、選択されたセルの圧力等が測
定される。しかし測定された圧力等は、他のセルの圧力
等と異なっていることが多い。一方、１つのセルの圧力
測定ですませるためには、すべてのセルの圧力を等しく
しなければならないことになってしまう。（発明の要約
）本発明は、充電電流が蓄電池パラメータに依存するこ
となく、セル又は蓄電池を迅速に充電するものである。

このことは、充電動作開始時に電流の値を蓄電池の公称
容量の数倍の大きさとし、その後電流を指数関数的に減
少させ、蓄電池が十分に充電されたときには電流値を蓄
電池を破損しない十分小さな値とすることにより達成さ
れる。１９７３王１１月にニューヨークにおいて、発表
された文献（製品工学、４４巻第１１号）にも誼戦され
ているように、充電期間中、充電電流は一定であっても
、蓄電池が受け取ることが出来る容量は指数関数的に減
少することが知られている。

このことは充電可能なほとんどの電池が有する特性であ
る。それは電池が充電電流を吸収するときその電気的抵
抗および化学的抵抗が時間とともに上昇し、それに対応
して電池が受け取れる容量が減少するからでありこのこ
とは当業者には公知の事実である。本願発明者はこの事
実に注目し、初期電値を大きくとり充電電流を時間とと
もに指数関数的に減少させれば、個々の蓄電池の種々の
パラメータ例えば温度、圧力、充電電流、充電電圧等を
測定しながら充電を行なわなければならない従来技術の
不便を取り除くことができるとともに、充電電流を自動
的に制御しながら迅速な充電を行なうことが出来るとい
うことに気がついたのである。このことを確実に行わせ
るために、本発明による充電装置には充電動作の開始時
に蓄電池を完全に放電させる電気回路がそなえられる。
この電気回路は蓄電池と充電装置が接続されるとまず残
留電荷を放電させ、その後自動的に充電動作を開始させ
る。本発明による充電装置の実施例において、異なる種
類の蓄電池に適応できるように複数個のポテンショメー
タを設けて充電曲線を広い範囲に変化させることができ
るようにすることが好ましい。

また充電電流が所定の値まで減少したときに充電を停止
するような手段を備え、あるいはそれを示すための発光
夕１１ィオ−ドのような表示手段を備えた電気回路を設
けることが好ましい。以下、本発明の実施例が示された
添付図面を参照して本発明の方法および装置を詳細に説
明する。

（実施例） 第１図には、充電装置の構成の主要部が示されている。

この充電装置に蓄電池を接続すると、小さな充電電流が
抵抗器Ｒ，を介して蓄電池に流れる。この抵抗器の値は
当該蓄電池に公称容量の１′１０の電流が１親時間流れ
るように選定される。接点Ｓが閉成されると、コンデン
サＣ２が主電圧Ｖ＋に充電される。その後接点Ｓが開か
れるとコンデンサＣ２は放電し始め、抵抗器Ｒ２を介し
て、トランジスタＬのベースに電圧がかかるため、Ｔ３
は導薄を開始し、リレーＲｅが付勢される。付勢された
りレーＲｅによりリレーの各スイッチは第１図中上側の
各接点に接続され、その結果、演算増幅器ＯＰ，の１つ
の入力端は蓄電池の陽極に接続され、ＯＰ，の他の入力
機は蓄電池の陰極に接続される。演算増幅器ＯＰ，はそ
の２つの入力の電圧差を少なくするよう働く。従って、
ＯＰ，の出力端と蓄亀池の陰極との間に接続されたコン
デンサＣ，は、ＯＰ，の出力様と蓄電池の陽極との間に
接続されたダイオード，、ツェナーダイオードＺの電圧
と等しい亀圧値になる迄充電される。トランジスタＴ３
は、コンデンサＣ２が放電されッェナーダィオードＺに
より決定される電圧になるまで導適状機を維持する。

コンデンサＣ２と抵抗器Ｒ２の値は、コンデンサＣ，が
完全に充電されるまでトランジスタＴ３が導適状機を維
持できるように選定される。比較器Ｋ，は蓄電池の電圧
とポテンショメータＰ３の電圧とを比較する。蓄電池の
電圧がポテンショメータＰ３の電圧を越えている間は、
比較器Ｋ，はトランジスタＴ４が導適するような出力信
号をトランジスタＴ４に発生する。トランジスタＬはリ
レーＲｅに該リレーの接点の１つを介して接続され、リ
レーＲｅを付勢する。このようにして、蓄電池が放電し
所定電圧値になる迄第１図の回路は蓄電池の放電状態を
保つ。すなわち、蓄電池はトランジスタＴ，および抵抗
器Ｒｕを介して放電する。抵抗器Ｒｕは蓄電池の残留容
量が数秒間に放電されるように選定するのが好ましい。
蓄電池の電圧が設定電圧以下になるとりレーＲｅが消勢
され、トランジスタＴ６のベースがリレーＲｅの接点を
介してＶｏに接続される。これにより、トランジスタＴ
，とＴ６がカットオフ状態となり、放電が停止する。そ
して、充電開始可能となり、トランジスタＴ７のベース
とＶｏとの結合がリレーＲｅの消勢によってしや断され
、演算増幅器ＯＰ２の出力信号がトランジスタＴ７を介
してトランジスタＴ２に印加される。リレーＲｅが消勢
されるとリレーの各スイッチは、第１図中上側の各接点
から下側の各接点へ切り換えられ、演算増幅器ＯＰ，の
２つの入力端は共に蓄電池の陽極へ接続される。この演
算増幅器ＯＰ，の２つの入力信号が同一値となるため、
ＯＰ，の出力は零である。従って蓄電池の放電期間中に
充略されたコンデンサＣ，は可変抵抗器Ｒｃを介して放
電し始める。一方、ＯＰ，の出力側に接続されたポテン
ショメータＰ・の電圧はコンデンサＣ，の電圧に等しい
値となる。Ｐ，の電圧は演算増幅器ＯＰ２に入力され、
抵抗Ｒ，の電圧と比較される。ＯＰ２の出力はトランジ
スタＴ７およびＬを介してＲ．に接続されており、この
構成によって、抵抗器Ｒ，の電圧がポテンショメータＰ
，の電圧と等しくなるようにＯＰ２は動作する。従って
、コンデンサＣ，の電圧は指数関数曲線に沿って減少す
るため、抵抗器Ｒ，の電圧も同様に指数関数曲線に沿っ
て減少し、蓄電池の充電電流も指数関数曲線に沿って減
少する。比較器Ｋ２は抵抗器Ｒ，の電圧と抵抗器Ｒ３の
電圧とを比較するために設けられている。

抵抗器Ｒ・の電圧が低下すると、すなわち、電流が抵抗
器Ｒ３により決定される限界値まで低下すると、比較器
Ｋ２は発光ダイオードＬ，が発光するような出力信号を
発する。このことは充電が終了したことを示す。トラン
ジスタＴ５は、蓄電池の能力が非常に低下しているとき
すなわち短絡化しているときには蓄電池を充電しないよ
うにするために設けられている。

これにより、抵抗器Ｒｕの電圧が低下しまたは零になる
と、トランジスタＴ５はカットオフ状態となり、トラン
ジスタＴ４のベースはダイオードＤ２を介して電圧が供
給され、蓄電池の電圧がポテンショメー夕Ｐ３の電圧よ
り低くなってもＬの導適状態を維持し、リレーＲｅを付
勢する。トランジスタＴ４が導適状態にある限り、リレ
ーは付勢された状態にあり、蓄電池の充電は開始されな
い。発光ダイオードＬはトランジスタＬがカットオフ状
態にあるとき発光し、リレーＲｅが作動された後蓄電池
の能力が低下している状態のときに発光ダイオードＬ２
とともに発光する。発光ダイオードＬ３は充電進行期間
中にも発光する。発光ダイオードＬ２はリレー付勢期間
中、すなわち放電動作期間中発光する。尚、充電電流の
初期値はポテンショメータＰ，を調整することにより所
望の値に設定可能である。

又、蓄電池の充電終了時の蓄電池に流れる電流値の設定
はポテンショメータＰ２の調整により可能である。すな
わち、コンデンサＣ，が完全に放電された時、ポテンシ
ョメータＰ，の電圧は、演算増幅器ＯＰ，のオフセット
電圧によって決定され、このオフセット電圧はポテンシ
ョメータＰ２によって決まるからである。以上、述べた
ように蓄電池の充電電流は指数関数曲線に沿って低下す
るようにコンデンサＣ，により制御される。

ここで、コンデンサＣ，は抵抗器Ｒｃを介して放電され
る。従って、充電電流は、１＝Ｌｅ−毒 という式で表現される。

そして、蓄電池は下式により充電される。肌ｔ＝雌（１
‐ｅ−声） 上記式中において、ｔは充電の開始点から計数された時
間（単位は秒）、いま時刻ｔ＝０における初期充電電流
、１は時刻ｔ＝ｔ（秒）における電流、ＲＣは時定数を
それぞれ示す。

蓄電池の公称容量をＣＩとすると、充電電流は上記式に
従って、以下の表のように計算される。下の表は時定数
ＲＣがそれぞれ２８９．玖 ４３６．４、８８１．６、
１８００．０であり、初期充電電流が、１５．に１、１
０．に１、５．に１、２．＄１のとき、充電電流が充電
開始後どのように減少するかということを計算したもの
であり、蓄電池の公称容量の倍数の形で表わされている
。ＲＣ＝２８９．９４３６．４８８１．６ １８００．
ＯＬ＝１５．０ＣＩＩＯ．ＯＣ１５．０ＣＩ２．５ＣＩ
ち： ５．に１ ５．に１３．的１２．１ＣＩ１２０ニ
０．２４ＣＩＯ．ＭＣＩＩ．２８ＣＩＩ．２８ＣＩ１３
。

＝ ０．１８ＣＩＯ．６４ＣＩＯ．４２ＣＩち
ｏ＝ ０．俳に１０．３４ＣＩ１，
。。＝ ０．０４ＣＩ
表中ｌｏ、１５、１２ｏ、１３ｏ、１６。、１，のはそ
れぞれ、充電開始時点、充電開始時点から５分経過後、
２０分経過後、３０分経過後、６０分経過後、１００分
経過後の充電電流を表わす。従って、例えば時定数ＲＣ
が聡１．６であり、初期充電電流ｌｏが５．に１であれ
ば充電開始から５分経過後、２０分経過後、３０分経過
後、６０分経過後における充電電流１は、上記式ｔ１＝
Ｌｅ−Ｒ富５ （すな被１＝５．０ＣＩｅ‐前） よりそれぞれ、蓄電池の公称容量の５．０倍、３．６倍
、１．２８倍、０．６４倍、０．０８倍というように減
少する。

充電電流はそれそ１２４．２分、３３．５分、５７．９
分および９６．粉ご後にＣＩ／１０の電流値に低下する
。

第２図は上記表の時定数と同一の時定数を用い、充電電
流の初期値を同一にして行なった実験結果を示すグラフ
であって、それに計算結果である上記表の各数値を、時
定数ＲＣの値２８９．９について○で、４３６．４につ
いては×で、８８１．６については△で、１８００．０
については●でそれぞれプロツトしたものである。実験
結果が上記計算結果とよく合致していることがわかる。
第２図の充電曲線は指数関数曲線であり、この指数関数
曲線を充電開始時から充電終了時迄、積分した値は蓄電
池の公称容量に等しい。

従って指数関数曲線は充電開始および終了電流値、そし
て蓄電池の公称容量値（曲線の積分値）によって決定す
る事ができる。種類、寸法の異なった蓄電池は充電動作
中に大電流を受けることのできる容量も異なっているこ
とに留意されたい。従って、本発明による装置は各種蓄
電池に対して最大の充電速度が得られるように構成され
ている。大きな充電電流は蓄電池にとって非常に好まし
く、特に使用年数が長くなって樹枝状結晶が形成されて
短絡事故をひきおこす傾向のある蓄電池には特に有効で
ある。上記樹枝状結晶は周知のように大電流パルスによ
り破壊することができ、蓄電池を再び使用することがで
きる。試験によれば本発明による装置はこのような効果
があることが立証された。試験に使用された蓄電池は２
び分で充電され、それから通常の寺間内に放電され、次
に新しい充電が行われた。測定された蓄電池の寿命は同
じ種類の蓄電池に対して一般に薦められている１曲時間
充電された蓄電池の寿命より長いものであった。さらに
、この試験により本発明方法は蓄電池を１００％充電す
ることができることが立証された。第３図は、交流電圧
を蓄電池充電に必要な電圧に変換するための結線図であ
る。

電圧源は充電対象蓄電池の電圧より数ボルト大きくする
必要があるとともに、充電期間蓄電池に必要な容量を少
くとも有するものでなければならない。このことは、例
えば電圧源として大きな蓄電池を使用できることを意味
する。第３図の回路は公知の適当な装置により構成でき
、例えば所望レベルの一定電圧が得られる集積回路を使
用することができる。

本発明によれば、蓄電池は完全に放電された後充電され
、初期充電電流は蓄電池の公称容量の数倍の値をとり、
その後、充電電流はコンデンサの放電により決定される
上に凹な曲線（ｕｐｗａｒｄｌｙｃｏｎｃａｖｅ）に沿
って時間とともに指数関数的に低下する。

さらに、本発明によれば、充電動作の最後に流れる電流
は十分小さいので過充電を行っても蓄電池が破壊される
ことがない。また、充電電流や予め定められた値より大
きい場合には、亀流しや断を行い、その後十分小さな電
流で自動的に充電が行われる。第１図に示した装置への
供給電圧はなるべく低いことが望ましいが、当然のこと
ながら充電完了時の蓄電池端子電圧より高く選択されね
ばならない。

公知の供給電圧源を本発明の装置の電圧源とするために
は適切なりレーＲｅとッェナーダィオードとを供給電圧
源の電圧値に対応して、選択すればよい。第１図に示し
た装置への供給電圧が必要以上に高いものしか得られな
い場合には、他の構成要素を調整するか、あるいは装置
の入力端Ｖ＋，Ｖｏにおいて電圧を制御しなければなら
ない。

蓄電池の充電は、本発明装置の入力端を自動車のバッテ
リーに接続することによっても行うことができる。

この種の装置の応用としては、電動機車両蓄電池を電圧
源として使用して軍事装置用蓄電池を充電することがあ
げられる。本発明はこの用途にも適している。その理由
は、本発明は各種蓄電池に適応できるように簡単に調整
でき、また迅速な充電を行えるとともに小型且つ頑強に
設計できるからである。以上述べたように、本発明によ
れば、充電電流を指数関数に沿って時間とともに減少さ
せるようにしたので、個々の蓄電池の種々のパラメータ
、例えば温度、圧力、充電電流、充電電圧等を測定しな
がら充電を行なわなければならなかった従来技術の不便
を取り除くことができるとともに、迅速な充電を行なう
こが出来るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による充電装置の一実施例を示す電気回
路図、第２図は４つの異なった充電曲線を示す特性図、
および第３図は本発明による充電装置に好適な電源の回
路図である。 Ｃ，，Ｃ２……コンデンサ、Ｃ，Ｒで・…制御回路、Ｄ
，……ダイオード、Ｋ，，ね……比較器、Ｌ，，−，Ｌ
３・・・・・・発光ダイオード、ＯＰ，，ＯＰ２・・・
・・・演算増幅器、Ｐ，，Ｐ３……ポテンショメータ、
Ｒ，，Ｒ２，Ｒ３・・・・・・抵抗器、Ｒｃ・・・・・
・可変抵抗器、Ｒｃ・・・・・・リレー、Ｒ，，Ｒｕ・
・・・・・抵抗器、Ｓ・・・・・・接点、Ｔ，，Ｔ２，
Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ８，Ｔ７・””・トランジスタ、
Ｖ十，Ｖｏ・・・・・・主電圧、Ｚ，Ｚ・・・・・・ツ
ェナーダィオード。 と主夕‐Ｊ とき‐夕 とき‐７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蓄電池に充電電流を供給する直前に、前記蓄電池の
   残留容量を放電するのに十分な時間だけ前記蓄電池を放
   電回路に接続して放電し、その後、前記蓄電池の充電を
   開始するよう構成した迅速に蓄電池を充電する蓄電池の
   充電方法において、充電動作開始時の充電電流値を前記
   蓄電池の公称容量の数倍にして充電を開始し、ＲＣ回路
   を有する制御装置によつて、指数関数曲線に従つて前記
   充電電流を減少させ、前記蓄電池が十分に充電されたと
   きには前記充電電流の値を前記蓄電池が破壊されないよ
   うに十分小さな値とするか、または前記充電電流が所定
   値まで低下したとき前記充電電流をしや断し、前記蓄電
   池に損傷を与えない程度の小さな値の一定電流を前記蓄
   電池に供給することを特徴とする迅速に蓄電池を充電す
   る蓄電池の充電方法。 ２ 特許請求の範囲第１項における方法において、前記
   曲線は、前記指数関数的に減少する充電電流の積分が充
   電完了蓄電池の公称容量に実質的に等しくなるように調
   整される事を特徴とする蓄電池充電方法。３ 蓄電池を
   充電する前に前記蓄電池を放電する放電回路を有する迅
   速に蓄電池を充電する蓄電池の充電装置において、前記
   放電回路に接続され、前記蓄電池の電圧値と所定の電圧
   値とを比較し前記蓄電池の電圧値が所定の電圧値以下に
   なつた時に前記蓄電池の放電を終了させる放電制御回路
   と、前記蓄電池を充電する充電回路と、前記蓄電池の放
   電の終了に応答して、前記蓄電池を前記充電回路に接続
   するリレー回路と、前記蓄電池に与える充電電流を時間
   とともに指数関数曲線に従つて減少し前記蓄電池の充電
   が終了したときには前記充電電流の値が前記蓄電池を損
   傷しない程度に十分低くなつているように前記充電回路
   を制御する充電電流制御手段とを有する充電動作回路と
   から構成されていることを特徴とする迅速に蓄電池を充
   電する蓄電池の充電装置。 ４ 特許請求の範囲第３項の記載の蓄電池の充電装置に
   おいて、前記放電制御回路は比較器Ｋ＿１と前記所定の
   電圧値を設定する第１のポテンシヨメータＰ＿３とを含
   み、前記比較器Ｋ＿１の一方入力には放電すべき蓄電池
   が接続され、また前記比較器Ｋ＿１の他方入力には前記
   第１のポテンシヨメータＰ＿３が接続されていて、前記
   蓄電池の端子電圧が前記所定の電圧値になつたときに前
   記蓄電池の放電を終了させ、前記リレー回路には第１の
   トランジスタＴ＿４とリレーＲ＿ｅとが含まれていて、
   該第１のトランジスタＴ＿４はそのベース電極が前記比
   較器Ｋ＿１の出力に接続されていて前記蓄電池の放電が
   終了するまで導通を保ち、前記蓄電池の放電が終了する
   ときに非導通になり、それに応答して前記リレーＲ＿ｅ
   が前記蓄電池を前記放電回路から前記充電回路へ接続す
   るようになつており、前記充電電流制御手段には低抗値
   が調節可能な第１の抵抗器Ｒ＿ｃとそれに並列に接続さ
   れたコンデンサＣ＿１とが設けられていて、該コンデン
   サＣ＿１は蓄電池の放電期間中に充電されるとともに前
   記充電回路が充電動作を開始すると前記第１の抵抗器Ｒ
   ＿ｃを介して放電を開始して指数関数的に減少する電圧
   を作り出すようになつており、前記充電電流制御手段に
   はさらに、第１の演算増幅器ＯＰ＿１、第２の演算増幅
   器ＯＰ＿２、第２のポテンシヨメータＰ＿１、第２の抵
   抗器Ｒ＿１および第２のトランジスタＴ＿７が含まれて
   いて、前記コンデンサＣ＿１は前記第１の演算増幅器Ｏ
   Ｐ＿１の一方入力と出力との間に接続され、前記第２の
   ポテンシヨメータＰ＿１は前記第１の演算増幅器ＯＰ＿
   １の他方入力と出力との間に接続され、前記第２のポテ
   ンシヨメータＰ＿１により調節可能な電圧が前記第２の
   演算増幅器ＯＰ＿２の一方入力に接続されており、該第
   ２の演算増幅器ＯＰ＿２の他方入力には前記第２の抵抗
   器Ｒ＿１の一端が接続され、該第２の抵抗器Ｒ＿１の他
   端は前記蓄電池に接続され、前記第２の演算増幅器ＯＰ
   ＿２の出力が前記第２のトランジスタＴ＿７のベースに
   接続され、該第２のトランジスタＴ＿７は前記第２の抵
   抗器Ｒ＿１に直列に接続され、その結果蓄電池の充電電
   流が前記コンデンサＣ＿１と前記第１の抵抗器Ｒ＿ｃと
   からなる並列回路がつくりだす前記指数関数的に減少す
   る電圧に従つて指数関数的に減少することを特徴とする
   蓄電池の充電装置。