JPWO2012053487A1 - バッテリー充電器およびバッテリー充電方法 - Google Patents

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Abstract

[課題] 日常的に行われるバッテリーの充電時に取得した、バッテリーの充電特性に基づき、バッテリーとって最適な充電アルゴリズムによってバッテリーの充電を行うことができるバッテリー充電器およびバッテリー充電方法を提供する。[解決手段] 接続されたバッテリーの充電を、所定の充電アルゴリズムに基づいて行うためのバッテリー充電手段と、バッテリー充電手段から送られてくる充電信号に基づいて、バッテリーの解析を行う信号解析手段とを備えたバッテリー充電器であって、バッテリー充電手段は、信号解析手段によって解析されたバッテリーの状態に応じて、自動的に充電アルゴリズムを切替えながら、所定回数の充電を繰り返し行う。

Description

本発明は、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池、リチウム電池などのバッテリーを効率よく充電し、劣化したバッテリーを回復するためのバッテリー充電器およびバッテリー充電方法に関する。
フォークリフトやゴルフカート、構内電動車両等のバッテリーを動力源とする電動車両では、長年使用していると、突然にバッテリー故障が生じ、使用不可能となり、運搬業務等に問題が生じることがある。
また、近年の環境問題に対する緩和策として強い期待が寄せられている、いわゆる電気自動車（電池式電気自動車）においても、これらの電動車両と同様に、突然にバッテリー故障が生じる懸念がある。
特に、電池式電気自動車の場合には、フォークリフトやゴルフカートなどの電動車両とは異なり、特定の範囲内だけを走行するわけではなく、公道なども走行するため、このような突然のバッテリー故障が生じると、場合によっては交通事故等にも繋がりかねない。
このような故障を事前に検出し、対策を取れるようにするためには、バッテリーの日常のメンテナンスにおいて、バッテリーの回復を容易に行えるようにする必要がある。
バッテリーの故障の原因としては、例えば、バッテリーの過放電によるセルの転極や、深放電によるサルフェーションの発生、もしくは、バッテリーの充電時に電池温度が上昇することによって熱逸走が生じることなどがある。
このようなバッテリー故障が生じた場合には、従来、故障の原因を特定したうえで、症状に応じた対応策を講じることによって、バッテリーの回復を図ることになる。また、このような故障の原因は、バッテリーの種類にも依存するため、バッテリーの種類や故障の原因にあわせて、バッテリーを回復させるための現実的な方法はなかった。
さらに、電動車両や電池式電気自動車等で使われているバッテリーは、１つのセルからなる単バッテリーではなく、複数のセルが組み合わされた組バッテリーである。組バッテリーは使用によって劣化していき、それぞれのセルの出力性能に差が生じてしまう（セルバランスの崩れ）。
セルバランスが崩れ、組バッテリーのうちの一部のセルの出力性能が低くなってしまうと、組バッテリーとしても十分な電気容量を充電・回復することができなくなる。
セルバランスの回復を行うためには、セルの出力性能が低下したセルを検出し、そのセルに対して他のセルよりも多く充電を行うことなどが考えられている。
しかしながら、バッテリーの種類や故障の原因にあわせて、バッテリーを回復させるための手段を準備することは、一般的には困難であり、日常のメンテナンスでバッテリーの検査・回復を行うことは現実的ではなかった。
また、組バッテリーのセルバランスを検査するためには、一般的に、バッテリーの使用中（放電中）に電圧値や電流値を測定し、バッテリーの放電特性を連続的に検査していたが、２４時間連続的に電動車両が使用される場合では、電動車両に搭載されるバッテリーは途中で交換されるため、電動車両にバッテリーの検査装置を搭載していても、個別のバッテリーの検査を行うことはできなかった。
また、近年よく使われているリチウムイオン電池などの密封式の電池の場合、過充電などで電池の温度が上昇すると、場合によっては発火・爆発などの危険が生じる。このため、安全性を確保するために、電池の充電が不完全なまま終了するような充電器がほとんどである。
その結果、セルバランスが少しでも崩れることによって、充電器が充電異常と判断して、密封式電池の充電が正常に行えなくなり、電池が積載されている車両が突然に止まってしまうような事態が発生したり、電池の交換が必要となりユーザーのコスト的な負担もかかっていた。
本発明は、このような現状に鑑み、バッテリーの充電時に取得した、バッテリーの充電特性に基づき、バッテリーにとって最適な充電アルゴリズムによってバッテリーの充電を行うことによって、バッテリーへの負荷が小さく、効率よく、より多くの電気を充電させることができるとともに、バッテリーの回復を行うことが可能なバッテリー充電器およびバッテリー充電方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、リチウムイオン電池などの密封式電池などに対して充電する場合であっても、発火や爆発などの危険がなく、電池の充電を完全に行うことができ、結果的に、ユーザーのコスト的な負担を軽減することができるバッテリー充電器およびバッテリー充電方法を提供することを目的とする。
本発明は、前述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、本発明のバッテリー充電器は、接続されたバッテリーの充電を、所定の充電アルゴリズムに基づいて行うためのバッテリー充電手段と、
前記バッテリー充電手段から送られてくる充電信号に基づいて、バッテリーの解析を行う信号解析手段と、を備えたバッテリー充電器であって、
前記バッテリー充電手段は、前記信号解析手段によって解析されたバッテリーの状態に応じて、自動的に充電アルゴリズムを切替えながら、所定回数もしくは所定の満充電完了条件が成立するまで充電を繰り返し行うことを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、少なくとも、バッテリー充電手段から送られてくる充電信号と経過時間とをデータとして記憶するデータ記憶手段を備えていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、異常を報知するための異常警報手段を備えていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記バッテリー充電器が、バッテリーの個体情報を認識するためのバッテリー情報入力手段を備えていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記充電アルゴリズムとして、強定電流充電と弱定電流充電とが繰り返されることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記充電アルゴリズムとして、パルス重畳充電が行われることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧となるまでの充電量と、バッテリーの定格容量との比率である利用率、すなわち、
利用率＝充電量／定格容量
を計算し、前記利用率が、所定の値を下回った場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧となってから、過電圧監視終了電圧となるまでに要する過電圧監視時間と、所定の過電圧監視基準時間との比率である過電圧立ち上がり率、すなわち、
過電圧立ち上がり率＝過電圧監視時間／過電圧監視基準時間
を計算し、前記過電圧立ち上がり率が、所定の比率を超えた場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧となるまでの立ち上がり時間と、過電圧監視時間とを比較し、前記過電圧監視時間が立ち上がり時間を超える場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、充電開始から充電完了までに充電された充電量と、前記データ記憶手段に記憶されている充電量データとの充電量比率、すなわち、
充電量比率＝充電量／充電量データ
を計算し、前記充電量比率が、所定の値を下回った場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、前記データ記憶手段に記憶されているｎ−１回目（ｎ≧２；ｎは自然数）の充電時における最大バッテリー電圧値と、ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧値とを比較し、ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧値がｎ−１回目の充電時における最大バッテリー電圧値よりも小さい場合には、
ΔＶ２＝（ｎ−１回目の充電時における最大バッテリー電圧値）
−（ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧値）
を計算し、前記ΔＶ２が、所定の設定値よりも大きくなった場合には、バッテリーの充電を完了させるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、前記データ記憶手段に記憶されているｎ−１回目（ｎ＞２；ｎは自然数）の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値と、ｎ回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値とを比較し、ｎ回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値が、ｎ−１回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値よりも小さい場合には、
ΔＡ＝（ｎ−１回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値）
−（ｎ回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値）
を計算し、前記ΔＡが、所定の設定値よりも大きくなった場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記信号解析手段が、バッテリー電圧およびバッテリーに流れる電流に基づいて、バッテリーの内部抵抗を常時計測するとともに、該内部抵抗の変化ΔＲが所定の設定値よりも大きくなった場合には、バッテリーの充電を完了させるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電器は、前記バッテリー充電手段が、バッテリーの放電を行うための放電手段を兼ね備えたバッテリー充放電手段であることを特徴とする。
また、本発明のバッテリー充電方法は、バッテリーの充電を、所定の充電アルゴリズムに基づいて行うバッテリー充電方法であって、
バッテリーの充電中に得られるバッテリーの充電信号に基づいて、バッテリーの状態を判断し、
前記バッテリーの状態に応じて、自動的に充電アルゴリズムを切替えながら、所定回数の充電を繰り返し行うことを特徴とする。
本発明によれば、バッテリーの状態に応じて、バッテリー充電器が好適な充電アルゴリズムを自動的に切替えて、バッテリーの充電を行うことができるため、効率よく充電を行えるとともに、バッテリーへの負荷が小さく、バッテリーの劣化を回復させ、バッテリーの寿命を延ばすことができる。
また、本発明によれば、バッテリーの異常が検出された場合や、充電異常・放電異常が生じた場合には、異常警報手段によって、異常が報知されるため、日常的に行われるバッテリーの充電時に、バッテリーの異常を検出することができる。
さらに、本発明によれば、バッテリーの異常状態を的確に把握することができるため、例えば、バッテリーの爆発などの危険が生じる可能性がある充電作業を安全に行うことができる。
図１は、本発明のバッテリー充電器の第１の構成を示すブロック図である。 図２は、バッテリーの充電を行った際の充電時間とバッテリー電圧との関係（充電特性）を示すグラフであって、図２（ａ）は、正常状態のバッテリーを充電した場合の充電特性の一例を示すグラフ、図２（ｂ）は、異常状態のバッテリーを充電した場合の充電特性の一例を示すグラフである。 図３は、本発明のバッテリー充電器によって行われるバッテリーの充電の流れを説明するフローチャートである。 図４は、本発明のバッテリー充電器によって、バッテリーを充電した場合の、それぞれのセル電圧の変化および全セル電圧の平均値の変化を示すグラフである。 図５は、本発明のバッテリー充電器によって、バッテリーを充電した場合の、それぞれのセル電圧の変化および全セル電圧の平均値の変化を示すグラフである。 図６は、サルフェーションの一種である充電バーリアが発生しているバッテリーを充電した場合の充電特性の一例を示すグラフである。 図７は、本発明のバッテリー充電器の第２の構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明のバッテリー充電器の第１の構成を示すブロック図である。
本発明のバッテリー充電器１０の第１の構成では、バッテリー５０に接続し、バッテリー５０の充電を行うバッテリー充電手段２０と、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号に基づいてバッテリーの解析を行う信号解析手段３０を備えている。
ここで、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号は、充電時のバッテリー電圧やバッテリーに流れる電流などをそのまま信号としてもよいし、ＡＤ変換回路（図示せず）を介して、充電時のバッテリー電圧やバッテリーに流れる電流などをデジタル信号に変換して用いてもよい。
バッテリー充電手段２０から送られてくる信号が、バッテリー電圧やバッテリーに流れる電流などの場合には、例えば、バッテリー充電手段２０と信号解析手段３０との間に、分流器や分圧器などを介して、信号解析手段に流れる電気信号を必要十分な量だけ取り出すようにしてもよい。この場合、信号解析手段３０に信号を送信するために、ＡＤ変換回路（図示せず）を介して、受信信号をデジタル信号に変換してもよい。
また、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号がデジタル信号の場合には、例えば、信号をそのままの状態で受信するデジタル受信装置や誤り符号訂正機能付きのデジタル受信装置などを用いることができる。
なお、バッテリー充電手段２０は、電力を供給するための電源部と、充電の制御を行うための充電制御部から構成されている。なお、電源部としては、一般的な充電器で用いられている電源を用いることができ、例えば、スイッチング電源などの半導体電源や、トランスなどを用いることができる。
また、信号解析手段３０としては、バッテリー充電手段２０から送られてくるデジタルデータに基づいてデータの解析を行うことができる手段として、例えば、マイコンやカスタムＩＣ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などを用いることができる。なお、信号解析手段３０は、バッテリー充電器１０の外部に設けられたパーソナルコンピュータやサーバーなどのコンピュータであってもよい。
なお、本実施例においては、バッテリー充電手段２０を電源部と充電制御部から構成しているが、信号解析手段３０と充電制御部を一体の構成とすることもできる。すなわち、充電の制御を行う充電制御部は、バッテリー充電手段２０に含まれてもよいし、信号解析手段３０に含まれていても構わない。
また、信号解析手段３０には、バッテリー充電手段２０から送られてくるバッテリー電圧やバッテリーに流れる電流などの充電信号や充電中の経過時間などをデータとして記憶するデータ記憶手段３２が備えられている。
データ記憶手段３２には、過去に行われた充電時に得られた充電信号や充電中の経過時間などのデータが記憶されており、これらのデータに基づいて信号解析手段３０においてバッテリー５０の状態を診断することができる。
また、信号解析手段３０には、充電異常が生じた場合などに、異常を報知するための異常警報手段３４が備えられている。異常警報手段３４としては、例えば、ブザーなどの音によって報知する手段、ランプなどの光によって報知する手段、またはそれらを組み合わせた手段などを用いることができ、信号解析手段３０としてコンピュータが用いられている場合には、コンピュータに接続されたディスプレイに警報を表示するようにしてもよい。
図２は、バッテリーの充電を行った際の充電時間とバッテリー電圧との関係（充電特性）を示すグラフであって、図２（ａ）は、正常状態のバッテリーを充電した場合の充電特性の一例を示すグラフ、図２（ｂ）は、異常状態のバッテリーを充電した場合の充電特性の一例を示すグラフである。
一般的に、バッテリーの充電の際には、いわゆる過充電となることを防ぐために、タイマーが設けられている。このタイマーは、バッテリー電圧Ｖが過電圧監視終了電圧Ｖfとなった場合に作動するように構成するか、もしくは、満充電電圧Ｖcとなった場合に作動するように構成されており、予めバッテリーに応じて設定された時間が経過すると、充電を終了するように構成されている。
このように構成された本発明のバッテリー充電器１０では、バッテリー充電手段２０によってバッテリーの充電を行うと同時に、信号解析手段３０によって充電信号（例えば、バッテリー電圧やバッテリーに流れる電流）を解析し、バッテリーに適した充電アルゴリズムによって充電を行うように自動的に充電アルゴリズムの切替えが行われる。
具体的には、図３のフローチャートに示すようにバッテリーの充電が行われる。
まず、充電するバッテリーの型番やバッテリー容量などに基づいて、バッテリー充電器１０に対して、初期値を設定する。ここでは、バッテリーの定格容量ＣAH、過電圧監視開始電圧Ｖ0、過電圧監視終了電圧Ｖf、充電の繰り返し回数などを初期値として設定する（Ｓ１００）。
なお、バッテリーの定格容量ＣAHなどを設定する場合には、バッテリー充電器１０と接続された数値入力手段（図示せず）によって入力してもよいし、バッテリー充電器１０に定格容量ＣAHなどの設定を切り替えることができるスイッチを設けるようにしても構わない。
また、過電圧監視開始電圧Ｖ0は、バッテリーの容量や種類、状態といったバッテリーの充電条件によって異なるもので、例えば、定格４８Ｖのバッテリーであれば、図２（ａ）に示すように、満充電電圧Ｖcは５８．５Ｖ程度となるため、過電圧監視開始電圧Ｖ0は満充電電圧Ｖcよりも低い値、例えば、２Ｖ低い値として、５６．５Ｖと設定することができる。
また、過電圧監視終了電圧Ｖfとしては、過電圧監視開始電圧Ｖ0よりも大きな値を設定する必要があり、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、図２（ａ）に示すように、過電圧監視開始電圧Ｖ0を５６．６Ｖと設定した場合には、満充電電圧Ｖcよりも高い値、例えば、１Ｖ高い値として、５９．５Ｖと設定することができる。
そして、この初期値に基づいた充電アルゴリズムによって第１段階の充電を行う（Ｓ１１０）。
ここで、充電アルゴリズムとは、例えば、定電圧充電や定電流充電、急速充電やパルス充電などの充電方法のことをいう。本発明のバッテリー充電器１０は、このような充電方法を組み合わせることによって、バッテリーの種類や状態に応じた充電アルゴリズムによって、バッテリーを好適に充電することができる。
第１段階の充電（Ｓ１２０）では、例えば、強定電流による充電を行うことができる。このように、強定電流による充電を行うことによって、充電に要する時間を短縮させることができる。なお、強定電流による充電の際には、電流値を、例えば、最大で１０Ａ、最小で５Ａなどと設定しておき、この範囲を逸脱する電流が流れる場合には、異常警報手段３４によって異常を報知するとともに、充電を中止する（Ｓ１３０）。
また、例えば、第１段階の充電を開始してから所定時間経過しても、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0に達しない場合などにも、異常警報手段３４によって異常を報知するとともに、充電を中止することができる（Ｓ１３０）。
一方で、バッテリー電圧が過電圧監視終了電圧Ｖf（設定によっては、満充電電圧Ｖc）に達した場合には、タイマーが作動し、所定時間経過後に、充電を完了するように構成されている（Ｓ１４０）。
続いて、第２段階の充電を開始する（Ｓ１６０）前に、バッテリーの充電アルゴリズムを、例えば、強定電流充電から比較的充電電流の小さい弱定電流充電に切替える（Ｓ１５０）。なお、充電によって上昇したバッテリーの温度を低下させるためにも、この充電アルゴリズムの切替えのタイミングＳ１３０では、所定の休止時間を設けたほうがよい。
第２段階の充電（Ｓ１７０）で、弱定電流充電を行う場合には、例えば、強定電流充電における３０％程度の電流値によって充電を行うことができる。この場合にも、第１段階の充電（Ｓ１２０）の際と同様に、所定の範囲を逸脱する電流が流れる場合や、所定の時間が経過しても過電圧監視開始電圧Ｖ0に達しない場合などには、異常警報手段３４によって異常を報知するとともに、充電を中止することができる（Ｓ１８０）。
第２段階の充電でも、バッテリー電圧が過電圧監視終了電圧Ｖf（設定によっては、満充電電圧Ｖc）に達した場合には、タイマーが作動し、所定時間経過後に、充電を完了するよう構成されている（Ｓ１９０）。
第２段階の充電が完了した後、第１段階の充電および第２段階の充電の組み合わせが行われた回数がチェックされる（Ｓ２００）。ここで、所定の回数の充電が行われていた場合には、充電が終了（Ｓ２２０）する。充電を行う所定の回数としては、バッテリーの種類やバッテリーの状態などに基づいて、適宜設定することができる。
なお、Ｓ２００においては、充電の回数のチェックだけではなく、例えば、バッテリー５０への充電量がバッテリー５０の定格容量と比較して異常に少なくないかなど、バッテリー５０に対する他のチェックも行うように構成してもよい。
一方で、所定の回数の充電が行われていない場合には、信号解析手段によってこれまでに行われた充電時の充電特性が解析され、好適な充電アルゴリズムに切替えられる（Ｓ２１０）。なお、充電によって上昇したバッテリーの温度を低下させるためにも、この充電アルゴリズムの切り替えのタイミングＳ１９０でも、所定の休止時間を設けたほうがよい。
このように、充電アルゴリズムを切替えながら、第１段階の充電および第２段階の充電を所定回数繰り返すことによって、転極やサルフェーションや熱スリープなどのバッテリーの故障や、セルバランスの崩れを回復させることができる。なお、本発明においては、第１段階の充電および第２段階の充電によって、１ループの充電が構成され、このループ充電を繰り返すことによって、本発明のバッテリー充電器１０は、バッテリーの充電を行っている。
図４および図５は、本発明のバッテリー充電器１０によって、バッテリーを充電した場合の、それぞれのセル電圧の変化および全セル電圧の平均値の変化を示すグラフであり、図５は、図４における充電を行った後に、バッテリーを使用（放電）し、再度充電を行った際のセル電圧の変化および全セル電圧の平均値の変化を示している。なお、図４および図５では、説明のために一部のセル電圧についてのみ表示している。
なお、本実施例において、本発明のバッテリー充電器１０は、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号として、バッテリー全体の電圧値（バッテリー電圧）のみを取得する構成とすればよいが、説明のため、一部のセル電圧も測定している。
図４および図５において、一点鎖線は、セルＡのセル電圧の変化、二点鎖線は、セルＢのセル電圧の変化、実線は、全セル電圧の平均値の変化を示している。
また、第１段階の充電期間はＨｎ、第２段階の充電期間はＬｎ（ｎは１ループ中の充電回数）として示している。なお、Ｄｃは、バッテリーの放電期間を示しており、符号が付されていない期間は、バッテリーの充電・放電ともに行われていない期間である。
なお、図４および図５に示す充電の際には、強定電流充電および弱定電流充電だけではなく、パルス重畳充電（定電流充電中にパルス電圧を印加する充電方法）が行われている。これは、信号解析手段３０によって好適な充電アルゴリズムに切替えられているためである。
図４および図５によれば、図４における充電前の放電時（すなわち、図４におけるＤｃ）には、セルＡとセルＢの電圧差は０．４３Ｖ程度あったのに対し、図５における充電後（すなわち、図５におけるＬ11）には、セルＡとセルＢの電圧差は０．０３Ｖ程度まで縮小している。
このように、本発明の充電方法のように、充電アルゴリズムを好適に切替えながら、繰り返し充電を行うことによって、転極やサルフェーションや熱スリープなどのバッテリーの劣化を回復させ、また、セルバランスの回復をさせることができる。
なお、Ｓ１４０およびＳ１９０において、信号の解析中に充電異常が検出された場合、例えば、バッテリー電圧が異常判定電圧Ｖwに達した場合や、所定時間が経過してもバッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0に達しない場合などには、充電を終了するとともに、異常警報手段３４によって充電異常を報知するように構成されている。
なお、異常判定電圧Ｖwとしては、バッテリー５０の定格電圧よりも極端に大きい電圧Ｖw1と、極端に小さい電圧Ｖw2の両方を設定することができ、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、異常判定電圧Ｖw1として７０Ｖとすることができ、異常判定電圧Ｖw2として２５Ｖとすることができる。
この場合、バッテリー電圧が異常判定電圧Ｖw1を上回った場合、及び、異常判定電圧Ｖw2を下回った場合に充電異常であると判定し、バッテリー５０の充電を終了するとともに、異常警報手段３４によって充電異常を報知することができる。
また、信号解析手段３０では、Ｓ１４０およびＳ１９０において、データ記憶手段３２に記憶されている充電信号や充電に要した時間などのデータに基づいて、例えば、以下のような方法を用いてバッテリー５０の解析・評価が行われる。
（１）利用率による評価
初期値として設定されたバッテリー５０の定格容量ＣAHと、充電時にバッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0となったときのバッテリー５０の充電量Ｃとを用いて、定格容量ＣAHとバッテリー５０の充電量Ｃとの比率である利用率ＲU、すなわち、
利用率ＲU＝充電量Ｃ／定格容量ＣAH
を信号解析手段３０によって計算することによって求める。
この利用率ＲUが所定の値、例えば、０．５（５０％）を下回っていた場合にはバッテリー５０が異常状態、すなわち、バッテリー５０が劣化していると判断され、例えば、定電圧で長時間の充電を行うように充電アルゴリズムを切替えることができる。なお、このようにバッテリー５０が異常状態であると判断された場合には、異常警報手段３４によってバッテリー異常を報知するように構成してもよい。なお、このようなバッテリーの劣化は、特に、鉛蓄電池で生じることが多い。
（２）過電圧立ち上がり率による評価
初期値として設定された過電圧監視開始電圧Ｖ0と過電圧監視終了電圧Ｖf、および、データ記憶手段３２に事前に記憶されている、正常なバッテリーの充電特性に基づいて、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0に達してから過電圧監視終了電圧Ｖfに達するまでに要する過電圧監視時間ＴW（過電圧監視基準時間ＴB）を用いて、バッテリー５０の評価を行うことができる。
なお、過電圧監視基準時間ＴBは、バッテリーの容量や種類、状態によって異なるもので、例えば、３時間や５時間などバッテリー５０の特性に合わせた時間となる。
バッテリー５０の充電中には、バッテリー５０の充電を開始してから、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0に達してから過電圧監視終了電圧Ｖfに達するまでに要した過電圧監視時間Ｔwを測定する。
そして、この過電圧監視時間ＴWと過電圧監視基準時間ＴBとの比率である過電圧立ち上がり率Ｒt、すなわち、
過電圧立ち上がり率Ｒt＝過電圧監視時間Ｔw／過電圧監視基準時間ＴB
を信号解析手段３０によって計算することによって求める。
この過電圧立ち上がり率Ｒtが所定の値、例えば、２（２００％）を上回っていた場合（例えば、過電圧監視基準時間ＴBを３時間とした場合には、過電圧監視時間Ｔwが６時間を上回った場合）にはバッテリー５０が異常状態、すなわち、バッテリー５０が劣化していると判断する。なお、このようにバッテリー５０が異常状態であると判断された場合には、異常警報手段３４によってバッテリー異常を報知するように構成してもよい。なお、このようなバッテリーの劣化は、特に、リチウム電池で生じることが多い。
（３）過電圧監視時間による評価
初期値として設定された過電圧監視開始電圧Ｖ0と、データ記憶手段３２に事前に記憶されている、正常なバッテリーの充電特性に基づいて、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0になるまでに要する過電圧監視時間Ｔwを用いて、バッテリー５０の評価を行うことができる。
バッテリー５０の充電中には、充電開始からバッテリー電圧が過電圧監視開始電圧Ｖ0になるまでの立ち上がり時間ＴSを計測する。
そして、この立ち上がり時間ＴSと過電圧監視時間Ｔwを比較して、過電圧監視時間Ｔwが立ち上がり時間Ｔsを超える場合にはバッテリー５０が異常状態、すなわち、バッテリー５０が劣化していると判断する。なお、このようにバッテリー５０が異常状態であると判断された場合には、異常警報手段３４によってバッテリー異常を報知するように構成してもよい。なお、このようなバッテリーの劣化は、特に、鉛蓄電池で生じることが多い。
（４）充電量比率による評価
バッテリー５０を充電するたびに、充電開始から充電完了までに充電された充電量をデータ記憶手段３２に記憶するようにする。そして、充電開始から充電完了までに充電された充電量と、データ記憶手段３２に記憶されている所定回数前の充電時における充電量データとの充電量比率、すなわち、
充電量比率＝充電量／充電量データ
を信号解析手段３０によって計算することによって求める。
この充電量比率が所定の値、例えば、充電量比率の所定の基準値の１．５〜２倍を超えるような場合にはバッテリー５０が異常状態、すなわち、バッテリー５０が劣化していると判断する。なお、このようにバッテリー５０が異常状態であると判断された場合には、異常警報手段３４によってバッテリー異常を報知するように構成してもよい。
（５）ΔＶ１による評価
例えば、図４におけるＬ05のように、１つの段階の充電中に、バッテリー電圧が低下した場合には、その値をΔＶ１として検知し、このΔＶ１が所定の設定値よりも大きくなった場合には、異常警報手段３４によって異常を報知するとともに、充電を中止することができる。
なお、ΔＶ１の設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１Ｖ（バッテリー電圧として２Ｖ〜２．５Ｖ程度）とすることができる。なお、このようにΔＶ１が検出されることは、特に、ニッケル水素二次電池で多い。
（６）ΔＶ１’による評価
ΔＶ１とは逆に、１つの段階の充電中の終期、すなわち、バッテリー電圧がほぼ一定となる期間において、バッテリー電圧が急に上昇した場合には、その値をΔＶ１’として検知し、このΔＶ１’が所定の設定値よりも大きくなった場合には、異常警報手段３４によって異常を報知するとともに、充電を中止することができる。
なお、ΔＶ１’の設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１２Ｖ（バッテリー電圧として３Ｖ程度）とすることができる。なお、このようにΔＶ１’が検出されることは、特に、リチウム電池で多い。
（７）ΔＶ２による評価
例えば、図４のＨ08とＨ09のように、ｎ−１回目の充電時における最大バッテリー電圧よりも、ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧が低下した場合には、その値をΔＶ２として検知し、このΔＶ２が所定の設定値よりも大きくなった場合には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。
このように、ΔＶ２が大きくなった場合には、それ以上充電をすることができない状態、すなわち、充電限界を迎えた状態であると判断することができるため、バッテリーの充電を正常に終了させることができる。
なお、ΔＶ２の設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１Ｖ（バッテリー電圧として２〜２．５Ｖ程度）とすることができる。なお、このようにΔＶ２が検出されることは、鉛蓄電池、ニッケル水素二次電池、リチウム電池のいずれにもおきえる。
（８）ΔＶ３による評価
ΔＶ２と同様に、ｍ回目の充電時における最大バッテリー電圧よりも、ｎ回目（ｍ＜ｎ）の充電時における最大バッテリー電圧が低下した場合には、その値をΔＶ３として検知し、このΔＶ３が所定の設定値よりも大きくなった場合には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。
このように、ΔＶ３が大きくなった場合には、それ以上充電をすることができない状態、すなわち、充電限界を迎えた状態であると判断することができるため、バッテリーの充電を正常に終了させることができる。
なお、ΔＶ３の設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１Ｖ（バッテリー電圧として２〜２．５Ｖ程度）とすることができる。なお、このようにΔＶ３が検出されることは、鉛蓄電池、ニッケル水素二次電池、リチウム電池のいずれにもおきえる。
なお、（１）から（８）に示した評価方法を組み合わせてバッテリー５０の評価を行うこともできるし、（１）から（８）に示した評価方法以外にも、例えば、以下のようにΔＡやΔＲを用いた評価方法を使うことも可能である。
（９）ΔＡによる評価
本実施例においては、バッテリー電圧のみを取得するように構成されているが、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号として、バッテリーに流れる電流の値を取得するように構成することもできる。定電圧充電中に、バッテリーに流れる電流の値が急に増大することがある。この増大量をΔＡとして検知し、このΔＡが所定の設定値よりも大きくなった場合に、異常警報手段３４によって異常を報知するとともに、充電を中止することもできる。
なお、ΔＡの設定値としては、バッテリーの種類や定電流充電時の電流値によって適宜設定することができるが、例えば、定格容量が４００ＡＨのバッテリーの場合には、５〜１０Ａ程度とすることができる。なお、このようにΔＡが検出されることは、特に、ニッケル水素二次電池で多い。
（１０）ΔＲによる評価
また、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号として、バッテリー電圧およびバッテリーに流れる電流の値を取得するように構成すれば、バッテリー５０の内部抵抗を常時計測することもできる。
バッテリー５０の内部抵抗は、バッテリーの回復度合いによって変化し、バッテリーが劣化状態では、内部抵抗は大きく、バッテリーが回復すると、内部抵抗は小さくなる。
このため、充電中にバッテリー５０の内部抵抗の変化であるΔＲを常時計測することによって、ΔＲが所定の設定値よりも大きくなった場合（内部抵抗が良好になった場合）には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。
なお、本実施例においては、強定電流充電と弱定電流充電を繰り返すことによって充電を行っているが、バッテリーの状態等に応じて充電アルゴリズムを変更することができ、例えば、強定電流充電と中定電流充電と弱定電流充電を組み合わせて充電したり、バッテリーの劣化がさほど進んでいないと評価された場合には、充電電流を大きくし充電時間を短縮するように設定したり、逆に、バッテリーの劣化が進んでいると評価された場合には、充電電流を小さくし充電時間を長くしたり、パルス充電を行うことによって劣化したバッテリーであってもより大きな電荷を充電することができるようになる。
具体的には、以下に例として挙げたようにバッテリーの充電を行うことによって、劣化したバッテリーの回復を図ることができる。
例えば、上記（２）のように、過電圧立ち上がり率による評価を行い、所定の過電圧立ち上がり率Ｒtを上回っていた場合には、バッテリーに過電圧劣化が生じていると判断することができる。
また、所定時間充電を続けても、バッテリー電圧が過電圧監視終了電圧Ｖfに達しないような場合にも、バッテリーに過電圧劣化が生じていると判断することができる。
このような場合には、過電圧監視終了電圧Ｖfを、例えば、１Ｖ下げて充電することによって、過電圧劣化が生じ充電が困難となったバッテリーに対しても充電を行うことが可能となる。
また、セル短絡が生じた場合などには、強定電流充電と弱定電流充電を繰り返す場合に、強定電流を流す際の電圧と、弱低電流を流す場合の電圧との差を調整することなどによって、セル短絡が生じ充電が困難となったバッテリーに対しても充電を行うことが可能となる。
また、充電時の充電電圧の波形が、例えば、図６に示すようになった場合には、サルフェーションの一種である充電バーリアが発生している可能性が高い。このような場合には、過電圧監視終了電圧Ｖfよりも高く設定された異常判定電圧Ｖwを、例えば、５Ｖ上げた特殊モードにおける異常判定電圧Ｖw1として充電するとともに、測定される充電電流が０Ａであっても充電を続けるようにすることによって、充電バーリアが解消される。
すなわち、通常よりも高い電圧で充電を続けられるように、異常判定電圧Ｖwを高く設定することによって、時間の経過とともにバーリアが解消され、正常に充放電ができるようにバッテリーの回復を図ることができる。
なお、上記のようにバッテリーの回復を図るための充電に適宜切り替えられるように、バッテリー充電器１０に、切替スイッチ（図示せず）を設けることが好ましい。
図７は、本発明のバッテリー充電器の第２の構成を示すブロック図である。
図７に示すバッテリー充電器１０は、基本的には図１に示したバッテリー充電器１０と同様な構成であり、同じ構成部材には、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
本発明のバッテリー充電器１０のような充電器では、通常、１台の充電器によって複数のバッテリーの充電を行う場合がある。このような場合には、バッテリー充電器に、バッテリーの個体情報を認識するためのバッテリー情報入力手段４０を備えることができる。
バッテリー情報入力手段４０としては、例えば、バーコードスキャナ、ＩＤタグリーダなどを用いることができる。ここで、ＩＤタグリーダとは、ＲＦＩＤや光ＩＤタグなどのＩＤ情報を埋め込んだタグから情報を読み取ることができる装置のことをいう。
このようなバッテリー情報入力手段４０を備えるバッテリー充電器の場合、バッテリーには、バッテリー情報入力手段に対応した、例えば、バーコードや、ＲＦタグ、ＩＣタグなどのＩＤタグなどのバッテリー個体識別子５２が付与されている。
なお、バッテリー情報入力手段４０として、例えば、キーボードなどのキー入力装置を備えておくことで、バッテリーごとに付与された識別番号をキー入力装置によって入力するように構成することもできる。
このバッテリー個体識別子５２には、少なくとも、各々のバッテリーを区別することができるだけの情報、例えば、バッテリーの識別番号などが含まれている。
このように、バッテリーごとに固有のバッテリー個体識別子５２を付与することによって、バッテリーを充電する際に、バッテリー情報入力手段４０によってバッテリーの個体情報を得ることができる。
このため、例えば、上述した充電量比率による評価など、データ記憶手段に記憶されている過去の充電時のデータを用いた評価を行う場合にも、データの記憶時に、バッテリーの個体情報と紐付けて記憶することができるため、複数のバッテリーを１台のバッテリー充電器で効果的に充電することができる。
また、バッテリーの個体情報と紐付けてバッテリーの定格容量ＣAHや過電圧監視開始電圧Ｖ0などをデータ記憶手段３２に記憶することによって、バッテリーの充電の都度、バッテリーの初期値をバッテリー充電器に設定する必要がなくなり、ユーザーは、バッテリー情報入力手段４０によってバッテリー個体識別子５２を読み取るだけで、効果的な充電を行うことができるようになる。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、本実施例では、バッテリーの充電時にバッテリー充電手段２０から送られてくる信号のみを解析することによってバッテリーの状態を解析しているが、バッテリー充電手段２０が放電手段を兼ね備えることによって、バッテリーの放電時にバッテリー充放電手段２０から送られてくる信号をも解析することで、より精確にバッテリーの状態を解析することもできる。
１０ バッテリー充電器
２０ バッテリー充電手段
３０ 信号解析手段
３２ データ記憶手段
３４ 異常警報手段
４０ バッテリー情報入力手段
５０ バッテリー
５２ バッテリー個体識別子

Claims (14)

  1. 接続されたバッテリーの充電を、所定の充電アルゴリズムに基づいて行うためのバッテリー充電手段と、
    前記バッテリー充電手段から送られてくる充電信号に基づいて、バッテリーの解析を行う信号解析手段と、を備えたバッテリー充電器であって、
    前記バッテリー充電手段は、前記信号解析手段によって解析されたバッテリーの状態に応じて、自動的に充電アルゴリズムを切替えながら、所定回数もしくは所定の満充電完了条件が成立するまで充電を繰り返し行うことを特徴とするバッテリー充電器。
  2. 前記信号解析手段が、少なくとも、バッテリー充電手段から送られてくる充電信号と経過時間とをデータとして記憶するデータ記憶手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー充電器。
  3. 前記信号解析手段が、異常を報知するための異常警報手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリー充電器。
  4. 前記バッテリー充電器が、バッテリーの個体情報を認識するためのバッテリー情報入力手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  5. 前記充電アルゴリズムとして、強定電流充電と弱定電流充電とが繰り返されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  6. 前記充電アルゴリズムとして、パルス重畳充電が行われることを特徴とする請求項５に記載のバッテリー充電器。
  7. 前記信号解析手段が、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧となるまでの充電量と、バッテリーの定格容量との比率である利用率、すなわち、
    利用率＝充電量／定格容量
    を計算し、前記利用率が、所定の値を下回った場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  8. 前記信号解析手段が、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧となってから、過電圧監視終了電圧となるまでに要する過電圧監視時間と、所定の立ち上がり基準時間との比率である過電圧立ち上がり率、すなわち、
    過電圧立ち上がり率＝過電圧監視時間／立ち上がり基準時間
    を計算し、前記過電圧立ち上がり率が、所定の比率を超えた場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  9. 前記信号解析手段が、バッテリー電圧が過電圧監視開始電圧となるまでの立ち上がり時間と、基準時間とを比較し、前記立ち上がり時間が基準時間を超える場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  10. 前記信号解析手段が、前記データ記憶手段に記憶されているｎ−１回目（ｎ＞２；ｎは自然数）の充電時における最大バッテリー電圧値と、ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧値とを比較し、ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧値が、ｎ−１回目の充電時における最大バッテリー電圧値よりも小さい場合には、
    ΔＶ２＝（ｎ−１回目の充電時における最大バッテリー電圧値）
    −（ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧値）
    を計算し、前記ΔＶ２が、所定の設定値よりも大きくなった場合には、バッテリーの充電を完了させるように構成されていることを特徴とする請求項２から９のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  11. 前記信号解析手段が、前記データ記憶手段に記憶されているｎ−１回目（ｎ＞２；ｎは自然数）の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値と、ｎ回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値とを比較し、ｎ回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値が、ｎ−１回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値よりも小さい場合には、
    ΔＡ＝（ｎ−１回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値）
    −（ｎ回目の充電時においてバッテリーに流れた最大電流値）
    を計算し、前記ΔＡが、所定の設定値よりも大きくなった場合にバッテリーが異常状態であると判断するように構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  12. 前記信号解析手段が、バッテリー電圧およびバッテリーに流れる電流に基づいて、バッテリーの内部抵抗を常時計測するとともに、該内部抵抗の変化ΔＲが所定の設定値よりも大きくなった場合には、バッテリーの充電を完了させるように構成されていることを特徴とする請求項２から１１のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  13. 前記バッテリー充電手段が、バッテリーの放電を行うための放電手段を兼ね備えたバッテリー充放電手段であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のバッテリー充電器。
  14. バッテリーの充電を、所定の充電アルゴリズムに基づいて行うバッテリー充電方法であって、
    バッテリーの充電中に得られるバッテリーの充電信号に基づいて、バッテリーの状態を判断し、
    前記バッテリーの状態に応じて、自動的に充電アルゴリズムを切替えながら、所定回数の充電を繰り返し行うことを特徴とするバッテリー充電方法。
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