JP3421034B2 - 蓄電池の充電方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による蓄電池
の充電方法および請求の範囲第５項の上位概念による蓄
電池用充電装置に関する。

例えば電動工具等の電動装置においてはますますバッ
テリが、繰返し充電のできる簡易交換形の蓄電池に置き
換えられている。このような蓄電池は、例えばNiCad−
セル、NiH−セル等の直列に接続された個別のセルを有
している。セルの温度を検出するためには、例えばNTC
−抵抗又はダイオード等の適合するセンサがセルの間に
挿入される。蓄電池の再充電の際には、例えば温度−、
電圧−、時間−遮断等の種々異なる遮断判定基準が考慮
される。また頻繁にはこれらの複数の判定基準の組み合
わせが用いられる。１時間までの充電時間の際に遮断判
定基準の１つの考慮のもとで障害が生じた場合にはセル
の損傷はまだ回避することができた、 発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による方
法ならびに請求の範囲第５項の特徴部分に記載の本発明
による装置によって得られる利点は、充電時間が著しく
短縮される場合でもセルの寿命を延ばす保護充電サイク
ルが保障されることである。

ファジイ論理を用いることにより様々な周辺条件が考
慮され、非常に保護の行き届いた充電方法が実現のため
の著しいコストの上昇を伴うことなく実現可能である。

本発明による方法の有利な実施例では蓄電池の電圧と
温度ないしは蓄電池のセルの電圧と温度ならびにこれら
の測定値の時間導関数（微分）が求められる。比較的僅
かな信号を用いるだけで既に充分に保護の施される充電
方法が実現され得る。

本発明による方法の別の有利な実施例では、種々異な
る充電過程が、蓄電池の温度が高いか低いか、あるいは
蓄電池ないしはセルの温度が上昇しているか下降してい
るかの判定基準に従って識別され得る。これらの測定値
を考慮することにより簡単な手法で保護の施される蓄電
池の充電が保証され得る。

本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載され
る。

蓄電池用充電装置の有利な実施例では、ファジイ−プ
ロセッサが設けられている。この種のプロセッサを用い
ることにより、充電装置は蓄電池に対して極めて適切に
保護の施された充電を行うことができる。これにより個
々のセルな寿命が延びる。

特にNiCad−及び／又はNiH−蓄電池の充電に本発明に
よる方法ないし充電装置を用いることは非常に有利であ
る。

図面 図１は本発明による充電装置のブロック回路図であ
る。

図２は本発明による蓄電池の充電方法の実行を表すフ
ローチャートである。

図３は入力量に関するメンバーシップ関数である。

図４は出力量に関するメンバーシップ関数である。

実施例の説明 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。

図１には蓄電池３の充電のための充電装置１の概略的
なブロック回路図が示されている。充電装置は適当な配
電源に接続可能である。取り出された電圧はフィルタ回
路５によって平滑化され整流器７に供給される。これか
らの出力信号はDC−変換器９を介して電流制御器11へさ
らに供給される。電流制御器11の出力端子13には蓄電池
３が接続されている。

蓄電池は温度センサを備えている。この温度センサは
ここではNTC抵抗15として構成されており、例えばこの
実施例ではその一方の端部が蓄電池３の１つの端子に接
続されている。NTC抵抗15は、他方で充電装置１の入力
端子17に接続されている。

充電装置１は、マイクロプロセッサ19を有している。
このマイクロプロセッサ19は、ファジイ論理回路21を有
している。このファジイ論理回路には入力信号として、
充電すべき蓄電池３に給電される電圧Ｕと、符号dUで示
されたこの電圧の時間に関する導関数と、蓄電池の温度
Ｔと、符号dTで示された時間に関する導関数が供給され
る。

さらに図１からはマイクロプロセッサ19が測定値処理
段20を備えていることがかる。この処理段20では電圧の
時間導関数（時間微分）dU/dtならびに温度の時間導関
数（時間微分）dT/dtが生ぜしめられる。さらに可及的
にエラーのない後続処理を保証するために、前記信号処
理段20において信号の平滑化が行われる。

入力信号は論理回路によって評価され、その結果から
充電電流Ｉが算出される。この算出値によって電流制御
器11が蓄電池３の充電過程のために設定される。それ故
マイクロコンピュータ19、すなわちそのファジイ制御回
路21は制御線路23を介して電流制御器11と接続されてい
る。

次に図２に示されているフローチャートに基づき当該
蓄電池の充電方法を詳細に説明する。

図１の充電装置１の動作開始の際には当該の充電方法
は第１ステップ31で開始される。まず第２ステップ33に
おいて充電装置を動作準備状態におくために用いられる
通常の初期化が行われる。

第３のステップ35では、充電装置１の出力端子13に接
続された蓄電池３の種別が適切な手法で確認される。

後続のステップ37では充電装置１に供給された測定値
が測定され、評価論理回路（ファジイ論理回路21）のた
めの次のステップ39で処理される。

処理された測定値は次のステップ41でファジイ論理回
路によって処理ないし評価され、充電電流制御に必要な
充電電流Ｉが算出される。充電過程の制御は次のステッ
プ43によって示される。

ここにおいて問合せステップ45において、充電すべき
蓄電池３が完全に充電されている状態か否かの問合せが
行われる。まだ完全に充電されていない状態の場合には
当該システムは方法ステップ37に戻る。このステップで
は測定値が測定され、ステップ39の測定値処理に従って
ファジィ論理回路において処理される（ステップ41）。

最後に蓄電池が所望の充電状態にもたらされた場合に
は、後続のステップ47において維持充電が行われる。

充電装置１が無負荷動作しない限り細流充電は保持さ
れる。無負荷動作に関する問合せは方法ステップ49にお
いて行われる。

蓄電池が充電装置１から取り外された場合にはこれが
無負荷動作問合せステップ49において識別される。充電
すべき新たな蓄電池の接続の際には当該の方法はステッ
プ33に戻る。このステップは装置の初期化に用いられ
る。前記した方法ステップ35〜49は順次連続して行われ
る。

図１からはファジイ論理回路21がいくつかの入力信号
を処理していることがわかる。例えばここでは充電すべ
き蓄電池の温度Ｔと電圧Ｕとが入力信号として受け取ら
れ、さらにこれらの測定値の時間に関する変化値が受け
取られている。

図３にはこれらの入力量の所謂メンバーシップ関数が
示されている。一番上のダイヤグラムは、摂氏温度℃に
関する蓄電池温度である。これは符号μＴで示されてい
る。

この図には帰属度が異なるクラス毎に示されている。
すなわち“低い蓄電池温度”、“通常の蓄電池温度”、
“高いないし大きな蓄電池温度”等のクラス毎にプロッ
トされている。この帰属度は、値“0"と値“1"との間で
連続的に表される。この場合値“0"には“帰属度なし”
のメッセージが属し、値“1"には“100％の帰属度”の
メッセージが属する。

これらのクラスはここでは次のように区分される。す
なわち第１のクラス“低い蓄電池温度”が−４度よりも
低い全ての値に対して帰属度“1"をとるように区分され
る。このクラスの帰属度は−４℃において値“1"から＋
７℃において値“0"に低下する。

第２のクラス“通常の蓄電池温度”は−４℃に対する
値“0"から＋７℃における値“1"へ上昇する帰属度の度
合を有している。この帰属度は＋45℃まで値“1"に維持
され、＋65℃において値“0"に低下する。

蓄電池温度の第３のクラスは＋45℃から＋65℃までの
上昇する帰属度を有する。この帰属度は＋65℃よりも上
の全ての温度に対して値“1"に維持される。

図３の第２のダイヤグラムにはセル毎の蓄電池電圧に
対するメンバーシップ特性図が示されている。符号μＵ
＊によっては、評価された電圧値が充電過程の制御のた
めに用いられることが表されている。

このダイヤグラムはここでは２つのクラス、すなわち
第１のクラス“小さな蓄電池電圧”と第２のクラス“大
きな蓄電池電圧”に対する帰属度に基づいている。

ここでもこれらの帰属度は特性曲線経過によって値
“1"と値“0"の間で示される。100％の帰属度、すなわ
ち値“1"は、1.5V/cell以下の蓄電池電圧によって定め
られる。その後このクラスの帰属度は、1.6V/cellの電
圧に対する値“0"に低下する。

第２のクラス“大きな蓄電池電圧”は、1.5V/cellに
おける値“0"から開始され、1.6V/cellの際に値“1"を
とる。

図３における第３のダイヤグラムは蓄電池温度の変化
が時間に関して示されている。この場合の単位にはmK/s
が選定されている。

このダイヤグラムはここでは３つのクラスに区別され
る。すなわち“負の温度変化”、“正の温度変化”、
“非常に大きな正の温度変化”に区別される。

第１のクラス“負の温度変化”の帰属度は、dT/dt＝
−20mK/sに対して値“1"を有しており、dT/dt＝13mK/s
までに値“0"に低下する。第２のクラスの帰属度はdT/d
t＝−20mK/sにおける値“0"からdT/dt＝13mK/sにおける
値“1"へ上昇し、dT/dt＝27mK/sから値“0"へ低下す
る。この値“0"にはdT/dt＝85mK/sの際に達する。

相応に第３のクラス“非常に大きな正の温度変化”の
帰属度は、dT/dt＝27mK/sとdT/dt＝85mK/sの間で値“0"
から値“1"へ上昇する。

最後に図３の第４のダイヤグラムには、蓄電池に給電
される電圧の時間に関する電圧変化がプロットされてい
る。この場合変化値dU/dtは単位“mV/cell,s"を有す
る。すなわちセルおよび毎秒毎にmV単位で測定される。

電圧変化μdUの帰属度は、ここでも３つのクラスを有
する。すなわち“負の電圧変化”、“正の電圧変化”、
“非常に大きな正の電圧変化”に分けられる。

第１のクラス“負の電圧変化”は、dU/dt＝−6mV/cel
l,sにおいて値“1"を有し、dU/dt＝−0.1mV/cell,sまで
に値“0"に低下する。

この値範囲においては第２のクラスの帰属度は値“0"
から値“1"へ上昇し、さらに0.6〜1.5mV/cell,sの間で
値“0"へ低下する。

相応に“非常に大きな電圧変化”のクラスにおいても
値“0"から値“1"への帰属度の上昇が観察される。1.5m
V/cell,sよりも上では当該第３のクラスの帰属度は保持
され続ける。

もちろん個々のメンバーシップ特性図における２つの
クラス間の移行領域に対する数値はここでは単なる一例
として選定されたものである。それらの設定は充電すべ
き蓄電池に適合され得る。

図４には出力量μＩ、すなわち充電電流のメンバーシ
ップ関数が示されている。この充電電流は、制御線路23
から供給される制御信号に依存して電流制御器11から出
力端子13を介して蓄電池３に供給される。

アンペアで測定される充電電流Ｉは、４つのクラスに
区別される。すなわち充電電流は、0A,2A,4A,6Aに分け
られる。

クラス“0A"の帰属度は、−2A〜0Aの間で値“0"から
値“1"へ上昇する。その後0A〜＋2Aの間で再び値“0"に
なる。

クラス“2A"の帰属度は、0Aにおける値“0"から出発
する。値“1"には＋2Aにおいて達し、その後再び値“0"
に低下する。この値“0"は4Aにおいて達成される。

クラス“4A"の帰属度は、＋2A〜4Aの間で値“0"から
値“1"に上昇し、その後再び値“0"に低下する。この値
“0"は6Aにおいて達成される。

最後にクラス“6A"に対しては4A〜6Aの間で値“0"か
ら値“1"への帰属度の上昇が決定し、その後8Aにおいて
値“0"へ低下する。

図１による充電装置を用いてないしは前記のメンバー
シップ関数を用いて実現可能な充電電流は、図３に示し
たような入力量の評価から得られる。以下に示すテーブ
ルからは、その際に検出可能な制御特性値セットが読出
し可能である。この制御特性値セットからは蓄電池の種
々異なる充電状態ないし温度状態に対する充電電流が読
出され得る。以下のテーブルでは測定値が符号Ｘで示さ
れている。この測定値は重み付けなしで保持される。

例えば以下のテーブルにおいて制御セットの第１段目
に着目すれば、重み付けされていないセル毎の蓄電池電
圧が大である場合、充電電流Ｉは0Aの値をとっている。
この場合は、温度も、この温度の時間的な変化も、時間
毎の蓄電池電圧の変化も重要ではない。

その他の符号Ｘの付されている蓄電池の電圧状態は、
評価に含まれない。この場合はその他の入力量のみが充
電流の設定調整に用いられる。いずれにしても蓄電池温
度が低い場合、温度変化が負の場合でも正の場合でも蓄
電池における電圧変化は考慮されない。温度変化が負で
ある最初の場合では、充電電流Ｉは4Aである。蓄電池に
おける温度変化が正である最初の場合では充電電流Ｉは
6Aである。

さらにこのテーブルからは蓄電池の温度が高い場合に
は電圧変化dUは影響を与えないままであることが見て取
れる。蓄電池の温度変化が負か、正か、非常に大きな正
かに応じて充電電流はそれぞれ2A、0A、0Aとなる。

その他の場合においても、温度、時間毎の電圧の変
化、および時間に関する温度変化によって充電電流Ｉが
設定調整される。それぞれの値は以下のテーブルから読
出される。

（テーブル） Ｕ＊ Ｔ dU dT Ｉ 大 Ｘ Ｘ Ｘ ０ Ｘ 低い Ｘ 負 ４ Ｘ 低い Ｘ 正 ６ Ｘ 低い 負 大きな正 ０ Ｘ 常温 正 負 ６ Ｘ 常温 正 正 ６ Ｘ 常温 正 大きな正 ４ Ｘ 常温 大きな正 負 ６ Ｘ 常温 大きな正 正 ６ Ｘ 常温 大きな正 大きな正 ４ Ｘ 常温 負 負 ６ Ｘ 常温 負 正 ０ Ｘ 常温 負 大きな正 ０ Ｘ 高い Ｘ 負 ２ Ｘ 高い Ｘ 正 ０ Ｘ 高い Ｘ 大きな正 ０ ファジイ論理装置を用いることにより、蓄電池におけ
る電圧及び温度並びにこれらの値の時間導関数を充電過
程期間中に求めることが可能となる。その際次のような
概念−すなわち“電圧が高い”、“電圧が低い”、また
は“電圧の上昇”、“電圧の低下”−との論理結合が可
能である。この場合は次のような概念−すなわち“温度
が高い”、“温度が低い”または“温度の上昇”、“温
度の低下”−を前記概念と論理結合させることも可能で
ある。いずれにしても種々異なる条件のもとで常時最適
な充電電流の設定調整が保証される。それにより蓄電池
の充分に保護された充電が実現可能となり、蓄電値の個
々のセルの非常に長い寿命が保証される。

可及的に均一でかつ充分に保護された充電過程を保証
するために、有利には充電期間のセッティングの際に蓄
電池の温度と電圧の制御値が複数の測定サイクルに亘っ
て平均化される。

異なる周辺条件を求めることによって充電期間を15分
かまたは単に５分だけに大幅に短縮する際にも蓄電池の
保護が維持され得る。

前記実施例からは、当該方法及び前記充電装置がNica
d−セルまたはNiH−セルを有する蓄電池の充電方法にお
いて用いることに非常によく適していることがあきらか
である。

フロントページの続き (72)発明者 ヘールレ，ヴィンツェンツ ドイツ連邦共和国 Ｄ―7449 ネッカル トエンツリンゲン アッハアルムシュト ラーセ ５／１ (56)参考文献 特開 平４−225（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−21750（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 10/42 - 10/48 H02J 7/00 - 7/12

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄電池（３）の充電方法であって、 充電電流の制御のために論理回路（19）により蓄電池
   （３）の温度が入力量（Ｔ）として測定され、さらに所
   定の蓄電池電圧に達した場合には、充電過程が遮断され
   る形式の蓄電池充電方法において、 前記論理回路（19）により、接続されている蓄電池
   （３）の種別を検出し、 さらなる入力量として温度と電圧の時間変化（dT/dt、d
   U/dt）を求め、 前記求められた各入力量（T,U,dT/dt,dU/dt）毎に、境
   界領域で交わる複数のクラス（小さい、通常、大きい、
   負、正、大きい正）を形成し、 前記入力量の測定値が帰属している全てのクラス（小さ
   い、通常、大きい、負、正、大きい正）をファジイ論理
   （ロジック）の方式に従ってメンバーシップ関数に論理
   結合させ、 メンバーシップ関数に相応する所定の電流量を充電電流
   （Ｉ）の設定調整のために形成するようにしたことを特
   徴とする蓄電池の充電方法。
2. 【請求項２】“電圧が高い”、“電圧が低い”、“電圧
   の上昇”、または“電圧の低下”等の状態識別を行い、
   充電過程を相応に制御する、請求の範囲第１項記載の蓄
   電池の充電方法。
3. 【請求項３】“蓄電池の温度が高い”、“蓄電池の温度
   が低い”、“蓄電池の温度の上昇”および“蓄電池の温
   度の低下”等の状態識別を行う、請求の範囲第１項また
   は２項に記載の蓄電池の充電方法。
4. 【請求項４】蓄電池の瞬時の電圧または温度が複数回の
   測定に亘って検出され、そして平均化される、請求の範
   囲第１項〜３項いずれか１項に記載の蓄電池の充電方
   法。
5. 【請求項５】蓄電池の瞬時の電圧（Ｕ）と温度（Ｔ）を
   求めるための手段と、 温度と電圧の時間変化（dT/dt、dU/dt）を求めるための
   手段と、 充電過程を制御する制御装置（１）とを有している、請
   求項１〜４項いずれか１項に記載の方法を実施するため
   の蓄電池（３）用の充電装置において、 前記制御装置（１）は、接続されている蓄電池（３）の
   種別を検出する手段を含んでおり、 前記制御装置（１）は、ファジィプロセッサ（19,21）
   を有しており、該ファジィプロセッサ（19,21）は、求
   められた入力量（Ｔ、dT、Ｕ、dU/dt）が帰属するクラ
   ス（小さい、通常、大きい、負、正、正、大きい）か
   ら、充電電流（Ｉ）に対する制御信号が形成されるよう
   に構成されていることを特徴とする、蓄電池用充電装
   置。
6. 【請求項６】前記制御装置（１）において、電圧（Ｕ）
   および温度（Ｔ）ならびに該電圧と温度の時間導関数
   （時間微分）に対応する信号が相互に論理結合される、
   請求の範囲第５項記載の蓄電池用充電装置。
7. 【請求項７】前記電圧（Ｕ）および温度（Ｔ）は、順次
   連続する複数の測定周期において検出および平均化可能
   である、請求の範囲第５項または６項記載の蓄電池用充
   電装置。
8. 【請求項８】前記充電装置をNiCad−蓄電池及び／又はN
   iH−蓄電池の充電に用いる、請求の範囲第５項〜７項い
   ずれか１項に記載の充電装置の適用。