JP3956917B2

JP3956917B2 - バッテリ充電装置

Info

Publication number: JP3956917B2
Application number: JP2003285825A
Authority: JP
Inventors: 正夫井澤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2023-08-04
Also published as: JP2005057878A

Description

本発明は、バッテリ充電装置に関し、特に、バッテリ式電動車両用のバッテリ充電装置に関する。

従来より、電動式フォークリフト等の産業用電動車両に搭載されたバッテリを充電するバッテリ充電装置は、充電電流を制御しないでトランスとダイオードブリッジの整流回路で構成された、準定電圧充電方式の充電器であることが多いが、充電電流を制御するバッテリ充電装置の場合には、比較的低い電流をバッテリに供給して充電する普通充電モードと、この普通充電モードよりも大きな充電電流をバッテリに供給して短時間で急速充電を行う急速充電モードの何れか一方を選択可能に構成されたものがある。普通充電モードでは、比較的小さい充電電流で充電するため、バッテリの液温等が急激に上昇するのを抑えながら充電することができるが、完全に充電するまでの充電時間は長くなる。一方、急速充電モードは、例えば、作業時間中にフォークリフト等を使用したときのバッテリの放電量を休憩時間中などに補充する場合に選択され、この急速充電モードにおいては、普通充電モードよりも大きな充電電流をバッテリに供給することにより短時間でバッテリを充電することができる。

このようなバッテリ充電装置を用いれば、例えば、１日の終業後においては、普通充電モードにより翌朝までバッテリを完全に充電し、一方、昼休み等の休憩時間の間には、急速充電モードによりバッテリを急速充電してそれまでの作業における放電量を補うことが可能になる。

ところで、前述のバッテリ充電装置には、後述の実施形態中の図５に示すような、定電流・定電圧方式により充電するものが多い。この定電流・定電圧方式は、充電初期においてはバッテリに比較的大きな一定の充電電流を供給し、バッテリ電圧が予め設定された所定の電圧（例えば、バッテリの転極点電圧）に達したときには、バッテリ電圧をその所定の電圧に維持することにより充電電流を緩やかに減少させて充電するものである。その他、実施形態中の図９に示すような、充電完了直前の充電電流を抑制することが可能な２段定電流・定電圧方式も採用されている。

しかし、急速充電モードにおいては、普通充電モードに比べて充電電流が大きく、充電初期にはバッテリにかなり大きな充電電流が供給されることになるため、バッテリの状態によってはバッテリの液温やバッテリ充電装置内のトランスや整流部等の温度が過度に上昇してしまう虞がある。そこで、急速充電モードにおいて、充電開始から一定の充電電流で充電しているときに、バッテリ電圧が転極点電圧等の所定の電圧に達していない場合でも、充電開始から所定の時間が経過したときには、急速充電モードから普通充電モードに切り換えて充電電流を低下させるように構成されたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１９１１３６号公報（第５−７頁、図２、図４）

しかし、前述の定電流・定電圧方式や２段定電流・定電圧方式で急速充電を行う場合、充電開始から予め設定された所定の電圧に達するまで、バッテリには大きな充電電流が供給され、バッテリやバッテリ充電装置の温度が上昇する。さらに、バッテリ電圧が所定の電圧に到達した後も続いて定電圧充電が行われるため、充電電流と充電時間等の条件によっては、バッテリ液温の上昇により極板が劣化したりしてバッテリ寿命が低下する虞がある。また、バッテリ充電装置内のトランスや整流部等の温度が過度に上昇するのを防止するためには、発生した熱をより効果的に放散させる必要があり、バッテリ充電装置の構造が複雑化したりあるいは大型化してしまう。

また、前記特許文献１に記載のバッテリ充電装置では、急速充電モードにおいて、充電開始後から所定時間大電流で充電した後に、引き続いて普通充電モードによりバッテリが充電されるため、充電電流や充電時間等の条件によっては、やはりバッテリやバッテリ充電装置の温度が過度に上昇してしまう虞がある。

本発明の目的は、急速充電モードにおいてもバッテリの液温や、トランス、整流部等の温度が過度に上昇するのを防止可能なバッテリ充電装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

第１の発明のバッテリ充電装置は、外部電源に接続され、普通充電モードと、この普通充電モードよりも大きな充電電流でバッテリを急速充電する急速充電モードのうちの、何れかの充電モードによりバッテリを充電可能なバッテリ充電装置において、前記急速充電モードによる充電が開始されてから所定の急速充電時間が経過したときに、充電を停止させる待機モードに充電モードを変更する充電モード変更手段を備え、前記充電モード変更手段は、前記待機モードが所定の待機時間の間継続したときに、且つ、前記外部電源に継続して接続されていた場合に、充電モードを待機モードから普通充電モードに変更することを特徴とするものである。

このバッテリ充電装置においては、普通充電モードと急速充電モードの何れかを選択可能であり、急速充電モードにおいては、普通充電モードよりも大きな充電電流をバッテリに供給して短時間で急速にバッテリを充電できる。しかし、急速充電モードにおいて、長時間バッテリに大電流を供給してしまうと、バッテリ及びバッテリ充電装置の温度が過度に上昇し、バッテリの寿命低下にもつながる。そこで、充電が開始されてから所定の急速充電時間が経過したときには、充電モード変更手段は、充電モードを急速充電モードから待機モードに変更して、バッテリの充電電流を０にする。従って、大きな充電電流が供給された所定の急速充電時間の間に温度が上昇したバッテリ及びバッテリ充電装置は、待機モードの間に冷却されることになり、バッテリ及びバッテリ充電装置の温度が過度に上昇するのを防止することができる。
また、急速充電が所定の急速充電時間継続してから、充電モードが待機モードに変更されて所定の待機時間経過して、バッテリ及びバッテリ充電装置が十分に冷却された後に、充電モードが待機モードから普通充電モードに切り換えられるため、急速充電モードが選択された場合に、バッテリ及びバッテリ充電装置の温度が過度に上昇するのを防止しつつ、バッテリを満充電することができる。
さらに、例えば、長時間の普通充電によりバッテリを満充電する必要があるときに、間違って急速充電モードが選択された場合には、所定時間の急速充電後に、待機モードを継続していると、バッテリが充電不足となる虞がある。そこで、待機モード中にバッテリ充電装置が外部電源に継続して接続されている場合には、さらにバッテリを充電する必要があると判定して、所定の待機時間経過後に充電モード変更手段が充電モードを待機モードから普通充電モードに変更することで、間違って急速充電モードが選択された場合でもバッテリを満充電できるようになる。

第２の発明のバッテリ充電装置は、前記第１の発明において、前記充電モード変更手段は、急速充電中にバッテリ電圧が所定の電圧値に到達していない場合にのみ充電モードを待機モードに変更することを特徴とするものである。従って、所定の急速充電時間が経過しても、バッテリ電圧が転極点電圧等の所定の電圧値に到達しておらず、大きな充電電流でさらに継続してバッテリが充電される状況においてのみ、充電モードを待機モードに変更することで、不必要に充電モードが待機モードに変更されることにより充電時間が長くなるのを防止できる。

本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、電動式フォークリフトのバッテリを充電するバッテリ充電装置に本発明を適用した一例である。

まず、バッテリ充電装置１について図１を参照して簡単に説明する。
図１に示すように、バッテリ充電装置１においては、外部電源である３相交流電源２に、電源プラグ３、オン・オフ制御を行う電磁開閉器４及びトランス５を介して、サイリスタやトランジスタ等で構成された整流部６が接続される。そして、この整流部６にバッテリ７の両端電極が接続され、整流部６からの出力によりバッテリ７が充電されるようになっている。

バッテリ７のバッテリ電圧Ｖは、バッテリ７の両端電極に接続された電圧検出部８により検出され、一方、バッテリ７に供給される充電電流Ｉは、電流センサ９により検出される。そして、このバッテリ充電装置１は、電圧検出部８と電流センサ９からの検出信号に基づいて、コントローラ１０により整流部６を制御して、３相交流電源２とバッテリ７との間を適宜接続／切断することにより、バッテリ電圧Ｖ及び充電電流Ｉを制御してバッテリ７を充電する。さらに、後述するように、バッテリ充電装置１は、比較的低い充電電流をバッテリ７に供給して長時間（例えば、８時間以上）の普通充電を行う普通充電モードと、この普通充電モードよりも大きな充電電流をバッテリ７に供給して短時間（例えば、１時間程度）の急速充電を行う急速充電モードの、２つの充電モードから何れか１つを選択してバッテリ７を充電可能に構成されている。

コントローラ１０は、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータを有するものであり、そのＲＯＭには、バッテリ電圧Ｖや充電電流Ｉを制御してバッテリ７を充電する後述のバッテリ充電処理（図２〜図４参照）の制御プログラムや、そのバッテリ充電処理で用いられる後述の転極点電圧Ｖ１、電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉｃ及び設定時間Ｔ１，Ｔ２等の各種設定値のデータが格納されている。また、図１に示すように、コントローラ１０には、普通充電モード選択用の普通充電スイッチ１１と、急速充電モード選択用の急速充電スイッチ１２が夫々接続されており、これら普通充電スイッチ１１と急速充電スイッチ１２の何れか一方が操作されたときには、その操作されたスイッチに対応する充電モードによりバッテリ７の充電が開始される。

従って、例えば、フォークリフトの使用を終えた１日の終業後には、電源プラグ３を３相交流電源２に接続してから普通充電スイッチ１１を操作して、普通充電モードにより翌朝までバッテリ７を完全に充電し、一方、昼休み等の休憩時間の間には、急速充電スイッチ１２を操作して、急速充電モードによりバッテリ７を急速充電してそれまでの作業における放電量を補うことが可能になる。

次に、本実施形態のバッテリ充電装置１によるバッテリ充電処理について、図２〜図４のフローチャートと図５〜図７を参照して説明する。尚、以下の説明において、Ｓｉ（ｉ＝１０，１１，１２・・・）は各ステップを示す。
図２に示すように、電源プラグ３が３相交流電源２に接続された状態で（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、普通充電スイッチ１１が操作された場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、Ｓ１４の普通充電処理が実行されて普通充電モードによりバッテリ７が充電される。この普通充電処理は、図５に示すような、定電流・定電圧方式によりバッテリ７の充電を行うものである。この定電流・定電圧方式は一般的な充電方式であるので、簡単に説明する。

図３、図５に示すように、この普通充電処理においては、充電初期には、一定の充電電流Ｉ１によりバッテリ７を充電していくが（Ｓ２０、Ｓ２１）、この定電流充電が進行するにつれてバッテリ電圧が上昇し、電圧検出部８で検出されたバッテリ電圧Ｖが転極点電圧Ｖ１に達すると（Ｓ２０：Ｎｏ）、定電圧充電に切り換えて（Ｓ２２）、バッテリ電圧Ｖを転極点電圧Ｖ１に維持した状態でバッテリ７を充電する。そして、この定電圧充電が進んで定電圧充電開始からの時間が予め設定された充電終了時間Ｔ３に達したときには、（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、図２のメインルーチンへリターンして充電を終了する。

一方、図２において、急速充電スイッチ１２が操作された場合には（Ｓ１２：Ｙｅｓ）、Ｓ１３の急速充電処理が実行されて普通充電モードよりも大きな充電電流によりバッテリ７が急速充電される。図４に示すように、この急速充電処理においては、まず、充電時間タイマＴをスタートさせてから（Ｓ３０）、普通充電モードにおける充電電流Ｉ１よりも大きな一定の充電電流Ｉ２をバッテリ７に供給して定電流充電を行う（Ｓ３１）。

ここで、図６に示すように、電圧検出部８で検出されたバッテリ電圧Ｖが転極点電圧Ｖ１に達した場合には（Ｓ３２：Ｎｏ）、前述の普通充電処理と同様に定電圧充電に切り換えて（Ｓ３３）、バッテリ電圧Ｖを転極点電圧Ｖ１に維持した状態でバッテリ７を充電し、定電圧充電が進んで定電圧充電開始からの時間が予め設定された充電終了時間Ｔ３に達したときには（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、図２のメインルーチンへリターンして充電を終了する。

一方、バッテリ電圧Ｖが転極点電圧Ｖ１に達していない状態で（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、充電開始からの経過時間Ｔが、所定の急速充電時間Ｔ１（例えば、Ｔ１は１時間程度）より大きくなったときには（Ｓ３５：Ｙｅｓ）、図７に示すように、充電を一旦停止させて充電電流が０の待機モードに切り換える（Ｓ３６）。このように、バッテリ電圧Ｖが転極点電圧Ｖ１に達する前に充電を一旦停止させるのは、急速充電モードにおいて大きな充電電流Ｉ２を長時間バッテリ７に供給することにより、バッテリ７の液温や、バッテリ充電装置１内のトランス５及び整流部６等の温度が過度に上昇するのを防止することと、急速充電により温度が上昇したバッテリ７及びバッテリ充電装置１を待機モード中に冷却するためである。また、バッテリ電圧Ｖが転極点電圧Ｖ１に到達しておらず、大きな充電電流でさらに継続してバッテリ７が充電される状況においてのみ、充電モードを待機モードに変更することで、不必要に充電モードが待機モードに変更されることにより充電時間が長くなるのを防止できる。

この待機モード中において、フォークリフトを使用するために作業者により意図的に電源プラグ３が抜かれた場合には（Ｓ３７：Ｎｏ）、図２のメインルーチンに戻って充電を終了する。しかし、電源プラグ３が継続して接続されている状態で、充電開始からの経過時間ＴがＴ２（例えば、Ｔ２は数時間程度）より大きくなり（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、待機モードが、所定の待機時間（Ｔ２−Ｔ１）継続したときには、バッテリ７やバッテリ充電装置１が十分冷却されたとして、図２のメインルーチンに戻り、続けて図３の普通充電処理が開始される。つまり、図３、図７に示すように、時刻Ｔ２から、一定の充電電流Ｉ１をバッテリ７に供給して定電流充電を行い（Ｓ２０、Ｓ２１）、バッテリ電圧Ｖが転極点電圧Ｖ１に達したときには（Ｓ２０：Ｎｏ）、定電圧充電に切り換えて（Ｓ２２）、バッテリ電圧Ｖを転極点電圧Ｖ１に維持した状態でバッテリ７を充電する。そして、定電圧充電開始からの時間が予め設定された充電終了時間Ｔ３に達したときには（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、図２のメインルーチンへリターンして充電を終了する。
尚、以上の説明において、コントローラ中のマイクロコンピュータと、図４におけるＳ３５〜Ｓ３８が充電モード変更手段に相当する。

以上説明したバッテリ充電装置１によれば、次のような効果が得られる。
１）急速充電モードが選択されたときに、充電が開始されてから所定の急速充電時間Ｔ１が経過したときには、充電が一旦停止されて、急速充電モードから充電電流が０の待機モードに充電モードが切り換えられる（Ｓ３５，Ｓ３６）。そのため、バッテリ７に大きな充電電流Ｉ２が長時間供給されることがなく、さらに、急速充電中に温度が上昇したバッテリ７及びバッテリ充電装置１が、充電が停止した待機モードの間に確実に冷却されることになり、バッテリ７及びバッテリ充電装置１の温度が過度に上昇するのを防止することができる。

２）前述の待機モードが所定の待機時間（Ｔ２−Ｔ１）の間継続したときには、充電モードが待機モードから普通充電モードに変更される（Ｓ３８）。従って、待機時間の間にバッテリ７及びバッテリ充電装置１が十分に冷却されてから普通充電モードによりバッテリ７が充電されるため、急速充電モードが選択された場合でも、バッテリ７及びバッテリ充電装置１の温度が過度に上昇するのを防止しつつ、バッテリ７を完全に充電することができる。

さらに、この待機モードから普通充電モードへの充電モード変更は、待機モード中にバッテリ充電装置１が外部電源に継続して接続されていた場合に行われる（Ｓ３７）。従って、例えば、長時間の普通充電によりバッテリ７を満充電する必要があるときに、作業者が間違って急速充電スイッチ１２を操作してしまった場合でも、時間Ｔ１の間の急速充電が行われてから、充電停止状態が（Ｔ２―Ｔ１）の時間だけ継続した後に普通充電が開始されるため、バッテリ７が完全に充電されることになり充電不足が生じない。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。
１］前記実施形態では、急速充電モードが選択された場合に、所定の急速充電時間Ｔ１が経過した後に充電を一旦完全に停止することにより、充電モードを待機モードに変更するように構成されているが、待機モードにおいて必ずしも充電を完全に停止する必要はない。即ち、図８に示すように、待機モードにおいてバッテリ７に供給する充電電流Ｉを、普通充電モードにおける充電電流Ｉ１よりも小さい電流Ｉ３とすることによっても、待機モード中にバッテリ７及びバッテリ充電装置１を十分冷却することができる。但し、この場合には、前記実施形態よりも待機時間（Ｔ２−Ｔ１）を長くすることが好ましい。

２］定電流充電から定電圧充電に切り換える際のバッテリ電圧Ｖのしきい値は、転極点電圧Ｖ１とする必要は必ずしもなく、Ｖ１よりも低い値を用いてもよい。
３］図９に示すような、充電末期の充電電流を抑制することが可能な、いわゆる２段定電流・定電圧方式を採用したバッテリ充電装置にも、本発明を適用することができる。
４］フォークリフト以外のバッテリ式電動車両用のバッテリ充電装置に、本発明を適用することも可能である。

本発明の実施形態に係るバッテリ充電装置の概略的な回路図である。バッテリ充電処理のメインルーチンのフローチャートである。普通充電処理のフローチャートである。急速充電処理のフローチャートである。定電流・定電圧方式の普通充電モードにおけるバッテリ電圧及び充電電流の時間変化を説明する説明図である。急速充電中にバッテリ電圧が転極点電圧に到達する場合のバッテリ電圧及び充電電流の時間変化を説明する説明図である。急速充電中にバッテリ電圧が転極点電圧に到達しない場合のバッテリ電圧及び充電電流の時間変化を説明する説明図である。変更形態の図７相当図である。変更形態の２段定電流・定電圧方式の普通充電モードにおけるバッテリ電圧及び充電電流の時間変化を説明する説明図である。

符号の説明

１バッテリ充電装置
２３相交流電源
３電源プラグ
７バッテリ
１０コントローラ

Claims

外部電源に接続され、普通充電モードと、この普通充電モードよりも大きな充電電流でバッテリを急速充電する急速充電モードのうちの、何れかの充電モードによりバッテリを充電可能なバッテリ充電装置において、
前記急速充電モードによる充電が開始されてから所定の急速充電時間が経過したときに、充電を停止させる待機モードに充電モードを変更する充電モード変更手段を備え、
前記充電モード変更手段は、前記待機モードが所定の待機時間の間継続したときに、且つ、前記外部電源に継続して接続されていた場合に、充電モードを待機モードから普通充電モードに変更することを特徴とするバッテリ充電装置。
前記充電モード変更手段は、急速充電中にバッテリ電圧が所定の電圧値に到達していない場合にのみ充電モードを待機モードに変更することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電装置。