JP3851037B2 - 二次電池の充電方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電を開始するときに電池温度を検出し、電池温度が設定温度よりも低いときに限って充電を開始する二次電池の充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、電池温度が高い状態で充電すると電池性能が低下する。さらに、電池は、充電されるときの内部発熱によって電池の温度が上昇するので、高温な状態で充電を始めると、電池温度がさらに高温になって性能が低下する弊害がある。この弊害は、とくに大容量のパック電池を急速充電するときにより問題となる。充電するときの内部発熱量が多くなるからである。
【０００３】
この弊害を解消するために、従来の充電方法は、充電を開始するときに電池の温度を検出している。電池温度が設定温度よりも高いときには充電を中止し、電池温度が設定温度よりも低いことを確認した後に、充電をスタートさせている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電池温度が設定温度よりも低いことを確認して、充電を開始する方法は、電池の高温障害を少なくできる。しかしながら、この方法は、電池温度が設定温度よりも高いときには充電しないので、電池がこの状態にあるときには、温度が低くなるまで待つか、あるいは、電池を強制的に冷却する必要がある。このため、充電に長い時間がかかる欠点がある。この欠点を少なくするために、充電を開始する設定温度を高く設定すると、充電しているときに内部発熱でさらに高温になって高温障害を起こす。高温障害を少なくするためには、充電を開始するときに比較する設定温度を低くする必要があるが、設定温度を低くするほど、充電できない電池が多くなり、充電時間が長くなってしまう欠点がある。
【０００５】
大容量の電池は、自転車または自動車を走行させるモーター駆動用、ラジコンカー用、電動ドリル等の電動工具等の大電流負荷に使用されることが多く、この種の用途に使用される電池は、大電流放電により、放電するときにも発熱が大きくなる。したがって、放電した直後に電池温度が高くなって、再充電できないことがある。この電池は、冷却されるのを待って充電を開始する必要がある。このため、急速大電流放電させた電池は、充電を開始するまでの待ち時間が長くなる。このことは、急速充電においてとくに大きな弊害となる。それは、急速充電によって充電する時間を短くしても、充電を開始するまでの時間が長くなると、トータルの充電時間が長くなってしまうからである。
【０００６】
本発明は、このような従来の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、電池の高温障害を防止しながら、電池を速やかに充電できる二次電池の充電方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池の充電方法は、充電するときに電池の温度を検出し、電池温度が設定温度よりも低いことを確認して充電を開始する。さらに、本発明の充電方法は、充電を開始するときに、電池温度に加えて、相対残存容量も検出する。検出した電池の相対残存容量が大きいときには、充電を開始する設定温度を高く設定する。ところで、本明細書において「相対残存容量」とは、その電池の満充電容量に対する放電できる容量である。
【０００８】
相対残存容量の大きい電池は、満充電に近い電池である。いいかえると、少しの充電で満充電できる電池である。したがって、相対残存容量の大きい電池は、満充電されるまでに電池の内部で発生する発生熱量が少なく、充電を開始してから満充電されるまでの温度上昇が少ない。充電時間と充電量が少ないからである。したがって、この電池は高い温度で充電を開始しても、高温障害を起こすことがない。
【０００９】
これに対して、相対残存容量の少ない電池、いいかえるとより多く放電された電池は、充電時間が長く、また充電容量も大きいので充電中に多量の熱が発生して温度上昇も大きくなる。この電池を高い温度で充電を開始すると、充電中の温度障害で電池性能が低下する。したがって、相対残存容量の小さい電池は、充電を開始する設定温度を低く設定して、充電中の温度障害を少なくする。
【００１０】
相対残存容量に対する設定温度は、電池のタイプ、容量、充電電流等を考慮して最適値に設定される。たとえば、ニッケル−カドミウム電池の場合、相対残存容量が５０％以下の電池は、６０℃よりも低い温度で充電してそれよりも高い温度では充電を中断し、相対残存容量が５０％以上の電池は６５℃よりも低い温度で充電してそれよりも高い温度では充電を中断する。すなわち、相対残存容量が５０％を境界として、充電を開始する温度を、６０℃と６５℃に切り換える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための二次電池の充電方法を例示するものであって、本発明は二次電池の充電方法を以下のものに特定しない。
【００１２】
図１は、パック電池１と、パック電池１を充電する充電器２とを示す。図のパック電池１は、二次電池３と、パイロットランプの点灯個数や液晶等でパック電池の相対残存容量を表示する残存容量表示器１３と、電池の充電電流と放電電流とを検出する電流検出回路１４と、二次電池３の温度を検出する温度センサー４と、二次電池３と出力端子５との間に接続しているスイッチ６と、このスイッチ６を制御すると共に、相対残存容量を演算する制御回路７とを備える。
【００１３】
パック電池１は、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池を内蔵している。
【００１４】
温度センサー４は、二次電池３に接触して配設されて、電池の温度を検出して、温度信号を制御回路７に入力する。温度センサー４は、サーミスター等の温度によって抵抗が変化する素子が使用される。電池に直接接触するように配設される温度センサー４は、電池温度を正確に検出できる。ただし、温度センサー４は、二次電池３から多少離して配設することもできる。この温度センサー４は、電池の周囲の温度を検出して間接的に電池温度を検出する。
【００１５】
スイッチ６は、制御回路７に制御されて、二次電池３を充電するときと放電するときにオンに切り換えられる。スイッチは電池を充電するときにオンに切り換えられ、二次電池３が満充電になると、オフに切り換えられて過充電を防止する。また、放電している二次電池３が完全に放電されると、スイッチ６はオフに切り換えられて二次電池３の過放電を防止する。スイッチ６は、ＦＥＴやトランジスター等の半導体スイッチング素子である。
【００１６】
制御回路７は、パック電池を充電器に接続して充電を開始するときに、電池温度を設定温度に比較してスイッチ６をオンオフに制御する。制御回路７は、電池温度が設定温度よりも低いときにかぎって、スイッチ６をオンに切り換える。電池温度が設定温度よりも高いときには、スイッチ６をオフに保持して充電を開始しない。電池温度が設定温度よりも高い電池は、電池の温度が設定温度よりも低くなることを検出した後、スイッチ６をオンにして充電を開始する。
【００１７】
充電を開始するかどうかを決定する設定温度は、制御回路７に内蔵される記憶回路（図示せず）が記憶している。記憶回路は、ＲＯＭ等の記憶素子であって、相対残存容量に対する設定温度を記憶している。記憶回路は、図２〜図４に示すように、電池の相対残存容量をパラメーターとして設定温度を記憶している。設定温度は、相対残存容量が大きくなると高くして、相対残存容量が小さくなると低く設定している。
【００１８】
記憶回路は、図２と図３に示すように、相対残存容量によって段階的に変化する設定温度を記憶しており、あるいは、図４に示すように、相対残存容量に対する関数として設定温度を記憶している。図２は、相対残存容量が５０％を境界として、設定温度を５５℃と６０℃に切り換えている。このように相対残存容量によった段階的に設定温度を設定する方法は、小さい容量の記憶回路に記憶できる。さらに、段階的に変化する設定温度を記憶する記憶回路は、図３に示すように、相対残存容量の複数点で段階的に変化する設定温度を記憶することもできる。さらに、図４に示すように、相対残存容量に対して連続的に変化する関数として設定温度を記憶回路に記憶させる方法は、もっとも理想的な状態で充電を開始できる。
【００１９】
相対残存容量に対する設定温度は、電池のタイプ、容量、充電電流を考慮して最適値に決定する。たとえば、ニッケル−カドミウム電池とニッケル−水素電池とを比較すると、ニッケル−カドミウム電池は、ニッケル−水素電池に比較して高温特性が優れている。したがって、ニッケル−カドミウム電池の充電を開始する設定温度は、ニッケル−水素電池よりも高くする。さらに、大容量の電池は外形も大きく、充電電流も大きいために充電するときに発生する熱量も大きい。このため、大容量の電池は設定温度を高くして、高温障害を有効に防止することが大切である。
【００２０】
制御回路７は、充電電流と放電電流を演算して相対残存容量を演算する。演算された相対残存容量は、残存容量／満充電容量で計算される。満充電容量は、満充電した電池を完全に放電させるときの放電電流を時間で積分して計算する。残存容量は、充電容量から放電容量を減算して計算する。充電容量は、充電電流を時間で積分した値に充電効率をかけて計算する。充電効率は、充電電流が電池を充電する効率であって、電池の種類や充電電流によって変化するが、たとえば、０．８〜０．９に設定される。放電容量は放電電流を時間で積分して計算する。
【００２１】
電池の満充電容量は、充放電を繰り返すにしたがって低下する。とくに、満充電した電池を完全放電させない状態で使用するとメモリー効果で満充電容量が低下する。メモリー効果は、電池を深く放電させるリフレッシュ放電で解消できる。図のパック電池は、リフレッシュ放電のタイミングを検出するためのカウンターを備えている。
【００２２】
カウンター１０は、パック電池１を充電器２に接続して充電するときに、カウント値に１をプラスして充電回数をカウントする。カウンター１０は、二次電池３をリフレッシュする毎に、カウント値が０にリセットされる。図のカウンター１０は、出力端子５の電圧変化を検出して、充電状態を検出する。パック電池１が充電器２に接続されると、出力端子５の電圧が急激に上昇するので、電圧上昇を検出して、充電状態を検出できる。また、カウンターは、二次電池に流れる電流の方向を検出して、充電状態を検出することもできる。充電時と放電時では電流の方向が逆になるからである。充電電流と放電電流は、図に示すように、二次電池と出力端子との間に電流検出抵抗を接続し、この電流検出抵抗の両端に発生する電圧をアンプで増幅する電流検出回路１４で検出できる。
【００２３】
制御回路７は、カウンター１０のカウント値、すなわちパック電池１の充電回数を設定値に比較して、カウント値が設定値以上になると、リフレッシュの時期であることを知らせる。制御回路７は、カウンター１０のカウント値を補正して設定値に比較することもできる。この方法は、二次電池３のメモリ効果が、温度によって変化する特性を補正しなからリフレッシュできる。二次電池３は、温度が高くなるとメモリ効果が発生し易くなり、反対に、温度が低くなるとメモリ効果は発生し難くなるからである。
【００２４】
制御回路７が、電池温度によってカウント値を補正してリフレッシュ時期を判定するフローチャートを図５に示す。この図のフローチャートは以下のステップでリフレッシュ時期を判定する。
【００２５】
［ｎ＝１のステップ］
温度センサー４が電池温度を検出して、温度信号を制御回路７に入力する。このときに制御回路７に温度信号を入力する温度センサーは、電池の充電を開始するときに電池温度を検出するセンサーを併用する。
【００２６】
［ｎ＝２のステップ］
制御回路７は、入力される電池温度が、低温、中温、高温のいずれの領域にあるかを判別する。制御回路７は、電池の種類によって、充電開始時、充電終了時、あるいは充電中の最高温度のいずれかを電池温度として、リフレッシュ時期を補正する。制御回路７は、あらかじめ、低温、中温、高温の温度範囲を記憶している。制御回路７は、温度センサー４から入力される温度を、記憶している温度に比較して、電池温度が低温、中温、高温の何れの範囲にあるかを判定する。制御回路７が記憶する温度は、たとえば、低温と中温の境界を１０〜２０℃とし、中温と高温の境界を２０〜４０℃とする。
【００２７】
［ｎ＝３、４、５のステップ］
制御回路７は、電池温度によってカウント値を補正し、補正したカウント値を設定値に比較して、リフレッシュ時期を判定する。リフレッシュ時期になると、制御回路７は、「リフレッシュお知らせ」信号を出力する。
【００２８】
図のフローチャートは、低温と判定された電池はカウント値を＋１、中温と判定された電池はカウント値を＋２、高温と判定された電池はカウント値を＋３してカウント値を補正している。この方法は、温度が中温の領域にある二次電池は、低温である電池に比較してカウント値を２倍とし、高温の領域にある二次電池は、低温である電池に比較してカウント値を３倍とする。したがって、電池温度を中温の領域とするパック電池は、電池温度を低温領域とするパック電池に比較して１／２の充電回数でリフレッシュ時期を表示し、電池温度を高温の領域とするパック電池は、電池温度を低温領域とするパック電池に比較して１／３の充電回数でリフレッシュ時期を表示する。このことは、いいかえると、低温のパック電池は、高温のパック電池に比較して３倍の充電回数でリフレッシュ時期を表示し、中温のパック電池は、低温のパック電池に比較して２倍の充電回数でリフレッシュ時期を表示する。
【００２９】
以上のフローチャートに示す方法は、電池温度を低温、中温、高温とする状態で、整数倍の補正値を加算して、カウント値を補正しているが、補正値は必ずしも整数ではなく、たとえば、低温、中温、高温において、＋１、＋１．５、＋２、とすることもでき、また、＋０．８、＋１、＋１．２とすることもできる。
【００３０】
以上の方法は、充電回数のカウント値を補正して、一定の設定値に比較しているが、充電回数のカウント値を補正しないで、設定値を電池温度で補正することもできる。この方法は、パック電池を充電する毎にカウント値を＋１として、カウント値を比較する設定値を電池の温度で補正する。この方法は、パック電池を充電するときの電池温度が高くなるにしたがって、設定値を小さく補正する。たとえば、電池温度が低温領域にあるときには設定値を変化させず、電池温度が中温領域にあるときは設定値を−１、電池温度が高温領域にあるときは設定値を−２として少なくする。
【００３１】
この方法は、パック電池を充電する毎に充電回数は正確に＋１してカウントされる。充電回数であるカウント値は、補正された設定値に比較されて、リフレッシュ時期であるかどうかが判定される。したがって、この方法も電池温度が高くなると、少ない充電回数でリフレッシュ時期であることが表示される。
【００３２】
制御回路７が、パック電池１のリフレッシュ時期であると判別されると、このことがリフレッシュ表示器９に表示される。リフレッシュ表示器９は、たとえば、「リフレッシュのお知らせ」として、パック電池１をリフレッシュすることを表示する。電池を使用者している者は、「リフレッシュのお知らせ」を確認して、適当な時に、パック電池をリフレッシュ放電させる。
【００３３】
パック電池をリフレッシュ放電させるために、図１のパック電池１は、リフレッシュスイッチ１２を制御回路７に接続している。リフレッシュスイッチ１２が押されると、制御回路７はスイッチ６をオフにして充電を停止し、リフレッシュ回路８に内蔵されるスイッチ（図示せず）をオンにして、二次電池３を深く放電させる。リフレッシュ回路８は、好ましくは二次電池を深く放電させる。二次電池が深く放電されると、制御回路７がこのことを検出して、リフレッシュ回路８に内蔵しているスイッチをオフにして放電を停止させる。その後、二次電池３と出力端子５との間のスイッチ６をオンにして充電を開始する。
【００３４】
以上のように、リフレッシュスイッチ１２を操作してリフレッシュするパック電池１は、使用者が「リフレッシュのお知らせ」を確認して、好きなときにリフレッシュして便利に使用できる。たとえば、パック電池がリフレッシュ時期であっても、すぐにパック電池を充電して使用したいときには、リフレッシュすることなく満充電し、その後、パック電池を直ちに使用しないときにリフレッシュすることができる。
【００３５】
ただ、制御回路でリフレッシュ回路を制御し、リフレッシュ時期になるとリフレッシュスイッチを操作しなくても、自動的に二次電池をリフレッシュすることもできる。この方法は、二次電池がリフレッシュ時期になると確実にリフレッシュして、メモリ効果を解消できる。
【００３６】
制御回路７は、満充電した電池を完全に放電するまでの放電容量で満充電容量を演算するが、リフレッシュした後、電池が満充電から完全放電されるまでの間は、電池の満充電容量を、リフレッシュ前の満充電容量よりもあらかじめ設定されたリフレッシュ回復容量だけ大きく補正して、満充電容量を正確に補正できる。この方法は、リフレッシュ前の満充電容量に、リフレッシュ回復容量を加えた満充電容量に補正する。リフレッシュ放電させることによって、メモリー効果による電池の満充電容量の減少が解消されるからである。リフレッシュ回復容量は、たとえば、リフレッシュ前の満充電容量の約２０％とする。リフレッシュ回復容量を２０％とする電池は、リフレッシュ放電前の満充電容量が５００ｍＡｈとすれば、リフレッシュ後の満充電容量が６００ｍＡｈに補正される。ただし、リフレッシュ回復容量は、電池の種類やリフレッシュ放電の条件によって一定ではなく、１０〜３０％の範囲で特定の設定値とする。リフレッシュ回復容量は、制御回路７のメモリに記憶される。
【００３７】
さらに、制御回路７は、パック電池をリフレッシュ放電した後、次にリフレッシュ放電されるまでの間は、カウンター１０のカウント値で相対残存容量を補正することにより、さらに正確な相対残存容量を計算できる。制御回路７は、カウンター１０のカウント値が多くなるにしたがって、相対残存容量が少なくなるように補正する。たとえば、制御回路７は、満充電容量から放電電流の積算値を減算した演算残存容量から、カウンター１０のカウント値と減算定数の積を減算して補正した補正相対残存容量を演算する。減算定数はパック電池に特定された数値で、制御回路７のメモリが減算定数を記憶している。補正された補正相対残存容量は、残存容量表示器１３に表示される。
【００３８】
ところで、制御回路は、満充電された電池が放電停止電圧まで放電されるとき、放電電流を積算して、電池の満充電容量を正確に演算できる。したがって、制御回路７は、カウンター１０のカウント値と、制御回路７が正確に演算した満充電容量の両方で相対残存容量を補正するのがよい。この方法は、リフレッシュ放電した後、電池が満充電された状態から放電停止電圧まで放電されるときの放電電流の積算値で電池の満充電容量を演算し、演算された満充電容量でもって相対残存容量を補正する。このとき、カウンターのカウント値を無視して、放電電流から演算された相対残存容量を、カウント値で補正した相対残存容量よりも正確な容量とみなして補正する。その後は、カウント値で相対残存容量を補正する。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の充電方法は、電池の高温障害を最小にして、電池を速やかに充電できる。それは、本発明の充電方法が、充電を開始するときに、電池温度と相対残存容量の両方を検出して、相対残存容量の大きい電池は設定温度を高くして高温で充電を開始し、相対残存容量の小さい電池は低温で充電を開始するからである。相対残存容量の大きい電池は、高温で充電を開始するが満充電されるまでの充電量が少なく、充電を開始してから満充電されるまでの発熱が少ないので、高温で充電を開始しても高温障害を少なくできる。ただ、相対残存容量の小さい電池は、満充電までの温度上昇が大きいので、高温で充電を開始すると高温障害を受けるので、低い温度で充電を開始する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の充電方法で充電するパック電池と充電器とを示す回路図
【図２】相対残存容量に対する電池の充電開始温度を示すグラフ
【図３】相対残存容量に対する電池の充電開始温度を示すグラフ
【図４】相対残存容量に対する電池の充電開始温度を示すグラフ
【図５】電池のリフレッシュ時期を判定するフローチャート図
【符号の説明】
１…パック電池
２…充電器
３…二次電池
４…温度センサー
５…出力端子
６…スイッチ
７…制御回路
８…リフレッシュ回路
９…リフレッシュ表示器
１０…カウンター
１２…リフレッシュスイッチ
１３…残存容量表示器
１４…電流検出回路

Claims (1)

1. 二次電池の温度を検出して、電池温度が設定温度よりも低いときにかぎって充電を開始する充電方法において、
   充電を開始するときに、電池温度に加えて相対残存容量を検出し、相対残存容量が大きいときに充電を開始する設定温度を高くすることを特徴とする二次電池の充電方法。

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