JP3894175B2

JP3894175B2 - 充電器

Info

Publication number: JP3894175B2
Application number: JP2003302126A
Authority: JP
Inventors: 昌樹池田; 浩康北村; 達哉三輪
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005073433A

Description

本発明は、電池を充電するための充電器に関する。

電池を充電するための充電器において、充電電流のパターン（充電電流の大きさ、充電時間、充電電流の時間に伴う変化の仕方）の異なる２通りの充電モードを準備しておき、充電を行う際に電池の電圧と電池の周囲温度とを検出し、電池の周囲温度に応じて設定される設定電圧よりも検出電圧が低いか否かに応じて、２通りの充電モードを切り替えるように構成したものが知られている（特許文献１）。この従来技術は、電池の温度に依存した充電モードの切替を行うことにより、電池寿命の低下の防止を図っている。
特開平６−２２５４６８号公報

しかしながら、ユーザは一方で、電池寿命への影響を考慮すれば望ましくはなくとも、急速に充電を行いたい場合があり、他方では電池寿命にとってより望ましい低い充電電流で長時間を掛けて充電を行っても支障がない場合がある。したがって、複数の充電モードの間で、ユーザが必要に応じて何れかのモードを選択できるようにした充電器の出現が望まれていた。

一方、充電途中の任意の時点で充電モードの切り替えがあると、その都度、計測されつつある充電時間もリセットされ、新たな充電モードに対応したパターンが初めから反復され、充電の終了が適切な時期に行われないという不都合が発生することが想定される。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、充電の終了時期を適切に保ちつつ、複数の充電モードの間で、ユーザが何れかのモードを選択することを可能にした充電器を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明に係る解決手段は、電池を充電するための充電器であって、前記電池に充電電流を供給するための電源手段と、ユーザの指示に応じて、前記充電電流のパターンが異なる複数の充電モードのうちの何れかを選択するモード切替手段と、前記モード切替手段が選択した充電モードに従って前記電源手段が出力する前記充電電流を制御する充電電流制御手段と、を備え、前記モード切替手段は、充電開始から充電完了までの期間の初期に設定された選択期間に限り、ユーザによる充電モードの選択を許容することを特徴とするものである。

好ましくは、前記充電開始は、前記充電器の電源投入と同時であり、前記モード切替手段は、前記選択期間の起点を前記充電器の電源が投入された時点とする。

又、好ましくは、前記充電電流制御手段は、前記選択期間においても充電電流を出力するように前記電源手段を制御する。

又、好ましくは、前記充電電流制御手段は、前記選択期間においても充電電流をゼロとするように前記電源手段を制御する。

このように構成される本発明の充電器は、充電開始から充電完了までの期間の初期に設定された選択期間に限り、ユーザが複数の充電モードを選択することを可能にする。それにより、充電の終了時期を適切な時期に保ちつつ、ユーザは所望する複数の充電モードの何れかを選択して充電を行うことができる。また、ユーザは単一の充電器を用いて、所望する複数の充電モードの何れかを選択できるので、ユーザは多種類の充電器を準備するコストを節減することもできる。

（充電器の構成）
図１は、本発明の実施形態による充電器及び当該充電器に好適な電池の外観の概略図である。この充電器３が充電対象とする電池は、図１（ａ）が示すように電気器具１００（図１（ａ）では電動工具を例示している）の本体部２に装着して使用されるとともに、図１（ｂ）が示すように脱着後にそのまま充電器３に装着することにより充電が可能に構成された電池パック１の形態を採る。但し、一般に本発明の充電器が充電対象とする電池は、電池パック１の形態のものに限られない。電池パック１が内蔵する電池は、例えばニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などである。電池電圧は、１２Ｖ、１８Ｖ、２４Ｖなど様々であり得る。

図１に例示する電池パック１は、電池を保持する本体部１１と、電気器具本体部２及び充電器３との電気的接続を確立するためのコネクタ部９とを有している。充電器３には開口部を有するコネクタ部１３が設けられており、コネクタ部９をコネクタ部１３へ装着することにより、電池パック１と充電器３との間の電気的接続が確立される。充電器３は、充電電流のパターンが異なる複数の充電モードを準備している。

充電器３が準備する充電モードは、急速充電モード（高レート充電モード）、低レート充電モード、及び電池活性化過充電モード（いわゆるリフレッシュモード）を含んでいる。急速充電モードは、大きい充電電流により短時間で充電を完了させるモードであり、低レート充電モードは、急速充電モードに比べて小さい充電電流で長い時間を掛けて充電を完了させるモードである。これに対して、電池活性化過充電モードは、低レート充電モードと同様に、小さい充電電流で、かつ電池が過充電になるほど長時間を掛けて充電を行うモードである。電池活性化過充電モードは、長期間にわたって不使用状態のまま放置された電池の活性化を図るためのモードである。また、急速充電モード及び低レート充電モードは何れも、電池が過充電にならない限度で充電を完了する。特に、低レート充電モードは小電流で充電を行うため、短時間に充電を完了する緊急性がない場合には、このモードを使用するのが電池寿命を長く維持する上で望ましい。すなわち、低レート充電モードは、電池寿命を重視した充電モードである。

電池活性化過充電モードとして、充電電流のパターンの異なる複数のモードを準備することも可能である。例えば、電池活性化過充電モードとして、小さい充電電流で長時間を掛けて過充電を完了するモードと、それよりも大きい充電電流で短時間で過充電を完了するモードとの２段階のモードを準備しても良い。また、過充電にならない充電モードとして、３通り以上のモードを準備することも可能である。例えば、過充電にならない充電モードとして、急速充電モード、低レート充電モードに加えて、それらの中間の大きさの充電電流により中間の時間で充電を完了する第３のモードを準備しても良い。図１以下の図面に例示する充電器３は、急速充電モード、低レート充電モード、及び電池活性化過充電モードの３通りの充電モードを準備しているものとする。充電器３の外部に露出して設けられる切替スイッチ５を操作することにより、ユーザは３通りの充電モードのうちの所望する何れかを任意に選択することができる。すなわち、充電器３は、複数の充電モードの間でユーザが任意のモードを選択することが可能なように構成されている。なお、充電器３が動作するための電力は、例えばＡＣ１００Ｖの電源線７を通じて供給される。

電池パック１及び充電器３は、より詳細には、例えば図２のような外観を有している。この例では、電池パック１のコネクタ部９は本体部１１から突起した形状をなしており、電極１５，１７，１９，２１がその側面に露出するように配設されている。充電器３が有するコネクタ部１３は、コネクタ部９が挿入可能な凹部をなしており、その内側面には電極１５，１７，１９，２１と接触することにより電気的接続を図る電極２５，２６，２７，２９，３１が配設されている。例えば、電極１７，３１は正の充電電極、電極１５，２５，２６は負の充電電極、電極１９，２９は温度検出信号を伝える電極、そして電極２１，２７は、電池パック１が充電器３へ装着されたことを検知するための電極である。電池パック１が充電器３へ装着されていなければ、充電器３は充電不可となり、装着されておれば充電可能となる。電極１５のうち電極１５ａの部分と電極１５ｂの部分とは、それぞれ電極２５と２６とに接続される。例えば、電池パック１が大容量（電池の容量は、アンペア・時間で表現される）の電池であれば、電極１５ａと１５ｂのいずれもが設けられ、小容量の電池であれば電極１５ａのみが設けられる（電極１５ｂを絶縁部材で覆う形態をも含む）。電極２６は、電極１５ｂが設けられているか否かを検出することができ、それにより電池パック１の電池容量を検出することができる。

電池パック１と充電器３とには、それらが結合したときに互いに対向する表面上の位置に、例えばスリット状の通気孔２３，３３が設けられている。充電器３は冷却ファン（不図示）を内蔵しており、この冷却ファンが作り出す空気の流れが、通気孔２３，３３を通じて充電中の電池パック１内の電池（不図示）にも供給されるようになっている。充電器３の表面には表示器３５が設けられている。この表示器３５は、３通りの充電モードのうち現在選択されているモードを表示する。表示器３５と同じ上面に設けられている切替スイッチ５は、例えばトグル型であって、ユーザが１回押す毎に、３通りの充電モードが循環的に切り替わる。

図３は、充電器３の構成を示すブロック図である。図３（ａ）は、充電器３のハードウェア構成を示しており、図３（ｂ）は充電器のマイクロコンピュータの構成を機能に基づいて展開して示している。図３（ａ）が示すように、充電器３は、電源部３７、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と適宜略記する）３８、電流検出部３９、抵抗器４０、及び電池電圧検出部４１を備えている。電源部３７は、例えばＡＣ−ＤＣコンバータとして構成され、マイコン３８が出力する指示値に応じてパルスのデューティ比を設定する駆動部４４と、設定されたデューティ比でスイッチング動作することにより指示値に応じた直流の充電電流Ｉを生成する出力部４５とを有している。電流検出部３９は、充電電流Ｉを抵抗器４０の電圧降下を通じて検出する。電池電圧検出部４１は、電極２７と電極２５との間の電圧を計測することにより、装着される電池パック１に内蔵される電池の電圧を検出する。

マイコン３８は、図示しないＣＰＵ（中央演算処理部）、メモリ等を備えており、ＣＰＵの動作を規定するプログラムがメモリに搭載されることにより、図３（ｂ）に示す各種の装置要素を等価的に構成する。すなわち、マイコン３８は、充電電流制御部５０、モード切替部５１、過充電モードデータ記憶部５２、低レート充電モードデータ記憶部５３、急速充電モードデータ記憶部５４、及び時間計測部５７を備えている。

モードデータ記憶部５２、５３、５４は、例えば不揮発性の半導体メモリを有し、３通りの充電モードに対応する充電電流のパターンを記憶する。モード切替部５１は、モードデータ記憶部５２、５３、５４に記憶される充電電流パターンのうちの一つを、切替スイッチ５の操作等に応じて選択し、充電電流制御部５０へ伝える。充電電流制御部５０は、モード切替部５１が伝える充電電流パターン、電流検出部３９が検出する充電電流Ｉ等に基づいて、充電電流Ｉの指示値を駆動部４４へ伝える。時間計測部５７は、充電開始後の時間を計測する装置要素である。充電電流制御部５０は、時間計測部５７が計測する時間を参照しつつ、モード切替部５１が伝える充電電流パターン等に応じて時間とともに変化する充電電流Ｉの指示値を生成する。

電池温度検出信号入力部６１は、電池パック１が電池温度を検出する機能を有する場合に、電池温度検出信号を受信する装置要素であり、電極２９を有している。電池容量検出部６２は、電池パック１が内蔵する電池の電池容量を検出する装置要素であり、電極２６を有している。モード選択信号入力部６４は、ユーザが充電モードを選択することを可能にするモード選択スイッチを電池パック１が備える場合に、モード選択スイッチが選択した内容を伝えるモード選択信号を受信する装置要素であり、電極２６を有している。

モード切替部５１は、後述するようにモード選択信号入力部６４からの信号をも参照して充電モードの切替えを行う。また、充電電流制御部５０は、後述するように電池温度検出信号６１、電池容量検出部６２及び電池電圧検出部４１からの信号をも参照しつつ充電電流Ｉの指示値を生成する。なお、充電器３は、図３に示した要素のうち、一部のみを備えることにより、一部の機能のみを実現するように構成しても良い。

（充電器の動作）
充電器３は、充電初期に選択期間を設定し、この選択期間に限りユーザによる充電モードの選択を許容するように構成される。より具体的には、モード切替部５１は、充電初期の与えられた期間である選択期間に、ユーザによる切替スイッチ５の操作を受付け、操作内容に応じて充電モードを選択する。しかしモード切替部５１は、選択期間を経過すると、ユーザによる切替スイッチ５の操作があっても充電モードを変更しない。すなわち充電モードは、選択期間の経過とともに確定し、充電完了まで確定した充電モードが維持される。これにより充電器３は、ユーザによる所望の充電モードの選択を可能にするとともに、充電モードの切替えに伴って充電の終了時期が不適切となる不都合をも解消する。

選択期間の始期は、好ましくは充電器３の電源が投入された時点に設定される。すなわちユーザが充電器３の図示しない電源スイッチをオンする、或いは電源線７のプラグをＡＣ１００Ｖのコンセントに接続することにより、例えばマイコン３８のリセットが解除された時点が、選択期間の起点として設定される。充電が電源投入と同時に開始されるのが通例であるため、選択期間の起点として適切であるからである。また、選択期間は、例えば３０秒程度に設定される。それより短いと、ユーザはモード選択の機会を失する場合が多くなる一方、過度に長いと適切な充電終了時間が得られなくなるからである。

図４は、充電器３が出力する充電電流Ｉのパターンを例示するグラフである。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれユーザが急速充電モード、低レート充電モード、及び電池活性化過充電モードを選択した場合を示している。また、図４（ｄ）は、ユーザが急速充電モードを選択した場合について充電電流Ｉのパターンの別の例を示している。図４（ａ）〜（ｃ）の例では、充電電流制御部５０は、選択期間において、ある大きさの充電電流Ｉ（例えば、１７０ｍＡ）を出力させておき、選択期間を経過することにより充電モードが確定してから、各充電モードに対応したパターンによる充電電流Ｉを出力させる。選択期間における充電電流Ｉの大きさは、例えば、電池パック１が制御回路を有している場合に、内蔵する電池が放電し尽くされた状態で電池パック１が充電器３に装着されたときに、制御回路を動作させるために微少電流（内蔵電池を充電するのに必要な電流よりは十分に小さい電流）を供給する目的で設定するとよい。例えば、選択期間における充電電流Ｉの大きさ（例えば、１７０ｍＡ）を、マイコン３８が有するメモリ（不図示）に予め記憶させておくことにより、充電電流制御部５０は、選択期間において、このデータを読み出すことにより、充電電流Ｉの指示値を生成することができる。

急速充電モードにおける充電電流Ｉのパターン（図４（ａ））と低レート充電モードにおける充電電流Ｉのパターン（図４（ｂ））とは、充電電流Ｉの平均値が異なる点が特徴的な相違点である。すなわち、急速充電モードは、低レート充電モードに比べて充電電流Ｉの平均値が大きくなるように充電電流Ｉのパターンを設定している。急速充電モードは、平均電流が大きいため、短時間で充電を完了することができる。一方、低レート充電モードは、平均電流が小さいため、充電完了までに長時間を要する反面、電池寿命を長く保ち得るという利点を有する。従って、ユーザは電池寿命を重視するか、作業性を重視するかに応じて、所望のモードを選択することができる。

図４（ａ）が示す例では、急速充電モードは、充電電流Ｉを、選択期間終了後の初期には比較的小さく維持し、その後大きい値へ引き上げ、充電完了近くになると小さい値へ引き下げる。一方、低レート充電モードは、充電電流Ｉを、選択期間終了後から充電完了まで小さい値へ維持する。これらの充電モードは、充電を開始するときには電池が使用直後であって、電池温度が高くなっている場合があるため、初期には充電電流Ｉを小さく保っている。また、急速充電モードは、充電完了付近でも電池の温度上昇を考慮して充電電流Ｉを引き下げている。何れのモードも、それによって可能な限り電池寿命の劣化を抑制する。

充電電流Ｉを段階的に切り替える時期は、例えば電池温度検出信号入力部６１が受信する電池温度検出信号にもとづいて、充電電流制御部５０が決定する。すなわち、充電電流制御部５０は、与えられた閾値温度よりも電池温度が高い充電初期には充電電流Ｉを小さくし、電池温度が常温近くにまで下がって閾値温度以下になると、充電電流Ｉを引き上げ、充電完了が近くなって、再び閾値温度を超える電池温度の上昇が検出されると、充電電流Ｉを引き下げる。例えば、急速充電モードは、閾値温度として６０°Ｃを設定し、低レート充電モードは、３０°Ｃを設定する。低レート充電モードでは、充電完了近くになって電池温度が閾値温度を超えることは通常では起こらないので、図４（ｂ）に示すように、充電電流Ｉは充電完了近くにおいても、通常は引き下げられることはない。

温度の代わりに、或いはそれとともに、電池容量及び／又は電池電圧の検出値に基づいて同様に充電電流Ｉの制御を行うことも可能である。すなわち、電池容量の大きさ又は電池電圧の高さに応じて、充電電流Ｉを変更する制御を行うことが可能である。

充電完了時期については、充電電流制御部５０は、例えば、充電電流Ｉの大きさ等に応じて、充電を完了する時期を決定する。或いは、充電モード毎に充電完了時期を定めておくことも可能である。この場合には、モードデータ記憶部５３及び５４は、充電完了時期をも記憶しておくと良い。

図４（ｃ）に例示するように、電池活性化過充電モードは、充電電流Ｉの大きさを低レート充電モードの充電電流Ｉよりも遙かに小さい値に設定する。図４（ｃ）の例では、選択期間終了後の充電電流Ｉは、選択期間における充電電流Ｉと同じ大きさに設定され、且つ充電完了まで同じ大きさに保持される。電池活性化過充電モードは、このような微小な充電電流Ｉを、電池が過充電状態になるまで長時間にわたって供給することにより、長期間にわたって不使用状態に置かれた電池の活性化を図ることができる。充電時間の一例を示すと、急速充電モードでは３０分、低レート充電モードでは１時間、電池活性化過充電モードでは２４時間である。

図４（ａ）〜（ｃ）の例では、充電電流制御部５０は選択期間において微小な充電電流Ｉを出力させるが、選択期間において充電電流Ｉをゼロとすること、すなわち選択期間において充電電流Ｉの立ち上げを控えておくことも可能である（不図示）。それにより、選択期間を設けたことによる充電量の変動を防止することができる。

これに対して図４（ｄ）に例示するように、充電電流制御部５０が選択期間においても各充電モード（図４（ｄ）では急速充電モード）のパターンに従って充電電流Ｉを出力させるように充電器３を構成してもよい。この場合には、選択期間内に充電モードの変更があった場合には、充電量に多少の変動を来すこととなるが、不必要に長い選択期間を設定しなければ、充電量の変動は実質的に解消される。また、充電開始が早まるために、充電完了も早まるという利点が得られる。

選択期間においてユーザが充電モードの選択を行う前に、充電電流制御部５０は、予め定められた特定の充電モードを初期設定（デフォルト）モードとして選択してもよい。また、充電電流制御部５０は、選択期間においてユーザが充電モードの選択を行わなかった場合には、初期設定モードを充電モードとして確定させても良い。この場合には例えば、マイコン３８が有するメモリ（不図示）に初期設定モードを予め記憶させておき、充電電流制御部５０は、電源投入後において、このデータを読み出すことにより充電モードを設定すると良い。

図５に示すように、電池パック１にユーザが充電モードを選択することを可能にするモード選択スイッチ１０を設けることができる。既述の通り、モード選択信号入力部６４（図３）は、モード選択スイッチ１０が選択した充電モードをモード切替部５１へ伝える。モード切替部５１は、モード選択信号入力部６４から充電モード選択信号の入力があると、例えば初期設定モードに優先して、この信号に従って充電モードを選択する。これによりユーザは、毎回同一の充電モードで充電するにも拘わらず、充電器３を操作して充電モードを設定しなければならないという煩わしさを回避することができる。充電器３から充電モード選択信号の入力がない場合には、充電電流制御部５０は、初期設定モードを充電モードとして確定させる。初期設定モードは、例えば電池パック１の内蔵電池にとって最も安全な低レート充電モードに設定される。

本発明の実施形態による充電器及び当該充電器に好適な電池の外観の概略図である。図１の充電器及び電池のより詳細な外観図である。図１の充電器の構成を示すブロック図である。図１の充電器が出力する充電電流のパターンの一例を示すグラフである。電池パックにモード選択スイッチを設けた例を示す外観図である。

符号の説明

３充電器３７電源部５１モード切替部

Claims

電池を充電するための充電器であって、
前記電池に充電電流を供給するための電源手段と、
ユーザの指示に応じて、前記充電電流のパターンが異なる複数の充電モードのうちの何れかを選択するモード切替手段と、
前記モード切替手段が選択した充電モードに従って前記電源手段が出力する前記充電電流を制御する充電電流制御手段と、を備え、
前記モード切替手段は、充電開始から充電完了までの期間の初期に設定された選択期間に限り、ユーザによる充電モードの選択を許容することを特徴とする充電器。
前記充電開始は、前記充電器の電源投入と同時であり、
前記モード切替手段は、前記選択期間の起点を前記充電器の電源が投入された時点とする請求項１記載の充電器。
前記充電電流制御手段は、前記選択期間においても充電電流を出力するように前記電源手段を制御する請求項１又は２記載の充電器。
前記充電電流制御手段は、前記選択期間においても充電電流をゼロとするように前記電源手段を制御する請求項１又は２記載の充電器。