JP4147567B2 - 電池の充電装置 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は例えばコードレス電動工具等の携帯用機器の電源として用いられているニッケルカドミウム電池(以下ニッカド電池という)やニッケル水素電池等の電池を充電する充電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ニッケル水素電池やニッカド電池等の電池の高容量化及び大電流による充電特性の改善は目覚ましいものがある。しかし電池の高容量化は定格容量が小さい電池に比べ、必然的に充電時の発熱が大きくなってしまい、定格容量が大きい電池を定格容量が小さい電池と同様に比較的大きな充電電流により充電すると、満充電前に電池のサイクル寿命の低減を抑制する目的で設定された設定温度(例えば60℃)を越えてしまって充電が停止され、充電不足となる恐れがある。
【0003】
このため、定格容量が小さい電池の場合には比較的大きな充電電流により充電し、定格容量が大きい電池の場合には比較的小さな充電電流により充電するようにした充電装置が提案された。このような充電装置の場合、定格容量が大きい電池では充電時間が長くなるという問題があるために、充電時の発熱を抑制する冷却ファン等の冷却装置を設け、定格容量が大きい電池であっても比較的大きな充電電流により充電できるようにした充電装置が新たに提案された。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように冷却装置を設け、定格容量が大きい電池であっても最適な充電ができるようにした充電装置は、当然ながら冷却装置が無い充電装置に比べ高価なものとなっている。定格容量が小さい電池のみしか持たない使用者にとっては冷却装置付充電装置は必要のないものであり、定格容量が大きい電池を充電する場合に充電時間が長くなるという欠点があるが充電することはできるので必ずしも冷却装置付充電装置が必要となるものではなく、このような理由から現在、冷却装置付充電装置と、冷却装置が設けられていない充電装置とが共存している。このため、冷却装置付充電装置及び冷却装置無充電装置の2種類の充電装置をサポートする必要があり、、経済的でないと共に生産性が悪いという問題があった。
【0005】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、前記2種類の充電装置を同じ制御基板で製作できるようにし、以って経済性及び生産性に優れた安価な充電装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、少なくとも充電電流I2と、該充電電流I2よりも大きい値の充電電流I1により電池を充電できる充電装置において、該充電装置に冷却装置が実装されているか否かを検出する冷却装置実装検出手段と、該冷却装置実装検出手段からの検出信号を受けて、冷却装置が実装されている場合には、前記電池を充電電流I1により充電するように制御し、冷却装置が実装されていない場合には、前記電池の定格容量が大きいときは充電電流I2で電池を充電し、定格容量が小さいときは充電電流I1で電池を充電するように制御する制御手段を備えたことに一つの特徴を有する。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は本発明充電装置の一実施形態を示すブロック図である。図において、1は交流電源、2は複数の充電可能な素電池を直列に接続した電池パックであって、素電池に接触あるいは近接して設けられたサーミスタ等の温度検出素子2aと、電池種を判別する判別端子2bを装備しており、本実施形態では定格容量が大きい電池がこの判別端子2bを装備しているとする。3は電池パック2の電池種を判別する充電装置側に設けられた判別端子である。
【0008】
4は1次側の第一整流平滑回路、5は第一高周波トランス、6は第一スイッチング素子、7はスイッチング素子6の駆動パルス幅を変えて第二整流平滑回路8の出力電圧を調整し、またマイコンの20の出力に応じて充電の開始及び停止を制御する第一スイッチング制御回路、9は電池パック2に流れる充電電流を検出する充電電流検出回路、10は充電電流を所定の電流値に制御する例えば演算増幅器等からなる定電流制御回路、11はマイコン20の出力に応じて定電流制御回路10に所定の電流値に対応する基準電圧を設定印加する電流設定回路である。すなわち定電流制御回路10は、充電電流検出回路9により検出された電圧が電流設定回路11の設定電圧と等しくなるように第一スイッチング制御回路7及び第一スイッチング素子6を介して充電電流を一定となるように制御するものである。
【0009】
12は電池電圧検出回路、13は電池パック2の温度検出素子2aの抵抗値を電圧に変換しマイコン20に出力する電池温度検出回路である。14は電池パック2の判別端子2bと充電装置側の判別端子3との接続の有無でマイコン20に入力する電圧を切り換える電池種判別回路である。15は例えば冷却ファン等の冷却装置であり、16は冷却装置15と駆動電源とを接続するコネクタであり、冷却装置15は充電装置内にコネクタ16を介して着脱可能となっている。
17は冷却装置15の実装の有無を検出する冷却装置実装検出回路であり、本実施形態ではコネクタ16と冷却装置駆動回路18との間の電圧の有無を検出して冷却装置15の実装の有無を検出する。18はマイコン20の出力に応じて冷却装置15を駆動または停止させる冷却装置駆動回路、19は冷却装置15に流れる電流を検出する装置電流検出回路、20は電池電圧検出回路12、電池温度検出回路13、電池種判別回路14、冷却装置実装検出回路17、冷却装置駆動回路18及び電圧検出回路25の出力から充電及び冷却を制御する充電制御手段となるマイコンである。
【0010】
21は第三整流平滑回路、22は第二高周波トランス、23は第二スイッチング素子、24は第四整流平滑回路、25は電圧検出回路、26は電圧制御回路、27は第二スイッチング制御回路であり、冷却装置15を駆動するための所定の電圧を発生させる。
【0011】
28は冷却装置15等の故障または異常を表示する故障表示回路であり、装置電流検出回路19の出力から冷却装置15に流れる電流値が所定範囲外と検出した時、マイコン20は冷却装置15またはその周辺に故障または異常があると判別し、例えばLED等からなる故障表示回路28を動作させる。
【0012】
次に図1の回路ブロック図、図2のフローチャートを参照して本発明充電装置の動作を説明する。電源を投入するとマイコン20は電池パック2の接続待機状態となる(ステップ201)。電池パック2が接続されると、マイコン20は冷却装置実装検出回路17からの出力信号から冷却装置15が実装されているか否かの判別を行い(ステップ202)、冷却装置15が実装されていないと判別した時は、マイコン20は電池種判別回路14の出力を入力し、その入力信号から接続された電池パック2が定格容量が大きい電池であるか否かを判別する(ステップ203)。接続された電池パック2が定格容量が大きい電池でないすなわち定格容量が小さい電池(例えば電動工具等で用いられる急速充電タイプの1700mAhのニッケルカドミウム電池)と判別した時は、冷却装置15がなくても大電流での充電が可能と判別し、電流設定回路11に充電電流I1に対応する出力信号を、また第一スイッチング制御回路7に充電開始信号を出力し、充電電流I1(例えば5C程度)で充電を開始する(ステップ204)。
【0013】
定電流制御の方式としては、充電開始と同時に電池パック2に流れる充電電流を充電電流検出回路9により検出し、この充電電流に対応する電圧と、所定の電流値に対応する電流設定回路11からの設定電圧との差を定電流制御回路10より第一スイッチング制御回路7に帰還をかけ、第一スイッチング素子6の駆動パルス幅を制御させることにより充電電流を一定に保つ。
【0014】
ステップ203において、接続された電池パック2が定格容量が大きい電池(例えば電動工具等で用いられる急速充電タイプの3000mAhのニッケル水素電池)と判別した時は、大電流I1での充電ではサイクル寿命特性の低減や充電中の発熱による充電途中での早切れが起こる恐れがあるので、充電電流をI1より小さいI2(例えば1.5C程度)で充電すべく、電流設定回路11に充電電流I2に対応する出力信号を、また第一スイッチング制御回路7に充電開始信号を出力し、充電電流I2で充電を開始する(ステップ205)。
【0015】
ステップ202において、冷却装置15が実装されていると判別すると、マイコン20は冷却装置15を駆動する出力信号を冷却装置駆動回路18に伝達し、冷却装置15を駆動させる(ステップ206)。
【0016】
冷却装置15を駆動後、装置電流検出回路19の出力から、マイコン20は冷却装置15に流れる電流値を検出し、電流値が異常であるか否かの判別すなわち電流値が冷却装置15の定格電流に対し所定の範囲内であるか否かを判別する(ステップ207)。
【0017】
冷却装置15に流れる電流が所定の範囲外すなわち電流値が異常の時は、マイコン20は冷却装置15またはその周辺に故障または異常があると判別し、故障表示回路28を動作させて故障表示を行い(ステップ217)、充電を行わない。すなわち冷却装置15に流れる電流を検出することにより冷却装置15等の故障が判別可能になり、また故障表示をすることにより、例えば冷却装置15が冷却ファンなら、ファンのロック状態等の異常を発見し易くなり充電装置の使い勝手が向上する。
【0018】
ステップ207において、冷却装置15に流れる電流が正常である時は、電流設定回路11に充電電流I1に対応する出力信号を、また第一スイッチング制御回路7に充電開始信号を出力し、充電電流I1で充電を開始する(ステップ208)。
【0019】
次いで充電開始後、電池温度検出回路13の出力から、マイコン20は電池温度データTaを取り込み(ステップ209)、その後所定時間経過したなら(ステップ210)、更にマイコン20は電池温度データTbを取り込み(ステップ211)、次いで充電電流I1で充電中の所定時間における電池温度の上昇を演算し(Tb−Ta)、所定時間における電池温度の上昇が所定値K以上か否かの判別を行う(ステップ212)。
【0020】
電池温度の上昇が所定値以上と判別した時は、冷却装置15による冷却効果はないと判断し、ステップ203に進み、接続された電池パック2が定格容量が大きい電池であるか否かの判別を行い、定格容量が大きい電池と判別した時はステップ205に進み充電電流をI1からI2に引き下げる。これは冷却装置15が冷却ファンの場合、例えば冷却風が流れるべき通風穴がゴミ等で目詰まりを起こしている時や電池パック2に冷却風の通風穴が設けられてない時等にも対応できる。
【0021】
また、接続された電池パック2が定格容量が小さい電池と判別した時は、冷却効果がなくても大電流での充電が可能と判別し、充電電流I1のまま充電を続ける(ステップ204)。
【0022】
ステップ212において、電池温度の上昇が所定値K以上でない場合は、充電電流I1で充電中の電池パック2に冷却装置15による冷却効果があると判断し、充電電流I1のまま充電を行い、満充電検出処理を行う(ステップ213)。
【0023】
満充電検出には周知の如く種々の方法があるが、例えば充電末期のピーク電圧から所定量降下したこと検出して充電を制御する−ΔV検出や、電池電圧の時間による2階微分値が負になるのを検出して充電を制御する2階微分検出法、充電開始からの電池の温度上昇値が所定値以上になるのを検出して充電を制御するΔT検出法、特開昭62−193518号、特開平2−246739号、実開平3−34638号公報等に記載されている充電時における所定時間当りの電池温度上昇率(温度勾配)が急激に上昇する時点を検出して充電を制御するΔT/Δt検出法等の一つないし複数の満充電検出法を用いて行えばよい。
【0024】
ここで電池温度の上昇は、冷却装置15の実装及び冷却効果の具合や、選択された充電電流に応じて異なるので、上記のΔT検出法やΔT/Δt検出法等の電池温度検出による満充電検出を行う場合は、その満充電処理の設定値をそれぞれの状態に応じ種々設定する必要がある。
【0025】
ステップ213において、電池パック2が満充電状態にあると判別したならば、マイコン20は第一スイッチング制御回路7に充電停止信号を出力することにより充電を停止し(ステップ214)、また冷却装置駆動回路18に冷却装置15を停止する信号を出力し、冷却装置15を停止させる(ステップ215)。次いで電池パック2が取り出されるのを判別する(ステップ216)。電池パック2が取り出されたことを判別したならばステップ201に戻り、次の電池パック2の充電のための待機をする。
【0026】
上記したような構成とすることにより、冷却装置15付充電装置、冷却装置15無充電装置においても、冷却装置15の有無以外同様の構成とすることができるようになり、経済性及び生産性を向上させることができるようになる。すなわち、冷却装置15の有無を検出し、検出結果に応じて充電制御を変えるようにしたので、冷却装置付充電装置及び冷却装置無充電装置の2種類の充電装置を同じ制御基板で製作できるようになり、経済性、生産性を向上でき、安価な充電装置を提供できるようになる。
【0027】
なお、冷却装置15の実装の有無を検出し、冷却装置15の実装状態に応じて充電電流を制御するようにしたので、冷却装置15が取付けられていない充電装置に後々冷却装置15を取付けたとしても適切な充電制御を行うことが可能である。
【0028】
また、ステップ209〜212の所定時間における電池温度上昇を検出し、電池温度の上昇が所定値以上の時は、冷却装置15による冷却効果がないと判断し、充電電流をI1からI2に引き下げるようにしたことにより、冷却装置15が冷却ファンの場合、冷却ファンが駆動しているにもかかわらず、例えば冷却風が流れる通風穴がゴミ等で目詰まりを起こしているとか、電池パック2に通風路が装備されていないといった時にも対応できるという利点の他に、電池パック2が満充電状態や寿命間近の電池状態の時も電池温度上昇が大きくなり、上記制御方式を用いればこのような電池状態の時は充電電流を引き下げるのでサイクル寿命特性の向上も期待できる。
【0029】
また上記実施形態では、冷却装置15の実装の有無と、電池パック2の定格容量の大小により充電電流を変えるようにしたが、これに限るものではなく、基本的な考えとしては冷却装置15が取付けられている場合、取付けられていない場合においても充電時の発熱を抑制し充電不足の発生やサイクル寿命の低減を抑制することができるようにし、冷却装置15が取付けられている場合には操作性の向上についても考慮するようにすることである。それゆえ上記実施形態では、充電中の発熱が極力少ないと考えられる定格容量が小さい電池に関しては、冷却装置15の有無に関わらず大電流で充電するようにした。なお、定格容量が小さい電池と判別した場合には、冷却装置15が取付けられていたとしても冷却装置15を駆動しないようにしても良い。
【0030】
更に上記実施形態においては、冷却装置15の実装の有無を検出すると共に定格容量の大小を判別して充電電流を制御するようにしたが、定格容量の判別をせずに冷却装置15の実装の有無を判別するのみで充電電流を制御するようにしても良い。
【0031】
また上記本実施形態では定電流での充電制御方式について説明したが、充電中に電池電圧や電池温度等に応じて電流を順次切り換える充電制御方式にも適用が可能であり、冷却装置15の実装の有無に応じて大電流で充電する時間を制御するなどして平均充電電流を制御するようにすれば良い。
【0032】
図3は、本発明の他の実施形態を示すもので、図1と異なり、冷却装置15を電池パック2に内蔵した場合の回路ブロック図である。図において、電池パック2は素電池に接触あるいは近接して設けられたサーミスタ等の温度検出素子2aと、電池種を判別する判別端子2bと、冷却装置15と、冷却装置15と駆動電源とを接続する冷却装置駆動端子16a、16bを装備している。また充電装置にも電池パック2に設けられている冷却装置駆動端子16a、16bにそれぞれ対応する冷却駆動端子16c、16dを装備している。
【0033】
これにより上記した実施形態と同様の動作原理で、電池パック2における冷却装置15の有無に応じて充電電流を制御するようにすれば適切な充電制御が可能になる。すなわち冷却装置15を装備している電池パック2を充電する時は平均充電電流を大きくし、冷却装置15を装備していない電池パック2の時には平均充電電流を小さくすれば、充電時の発熱を抑制し充電不足の発生やサイクル寿命の低減を抑制することができる
【0034】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、冷却装置の有無に対応した適切な充電制御が可能となり、充電不足がなく満充電まで確実に充電できるようになる。また冷却装置付充電装置及び冷却装置無充電装置を同じ制御基板で製作することが可能となり、経済性、生産性に優れた安価な充電装置を提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明充電装置の一実施形態を示す回路ブロック図。
【図2】本発明充電装置の一実施形態を示すフローチャート。
【図3】本発明充電装置の他の実施形態を示す回路ブロック図。
【符号の説明】
2は電池パック、15は冷却装置、16はコネクタ、17は冷却装置実装検出回路、20はマイコンである。
Claims (2)
- 少なくとも充電電流I2と、該充電電流I2よりも大きい値の充電電流I1により電池を充電できる充電装置において、該充電装置に冷却装置が実装されているか否かを検出する冷却装置実装検出手段と、該冷却装置実装検出手段からの検出信号を受けて、冷却装置が実装されている場合には、前記電池を充電電流I1により充電するように制御し、冷却装置が実装されていない場合には、前記電池の定格容量が大きいときは充電電流I2で電池を充電し、定格容量が小さいときは充電電流I1で電池を充電するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする電池の充電装置。
- 請求項1において、冷却装置が実装されている場合、前記電池を充電電流I1により充電した後、前記制御手段は、所定時間における電池温度の上昇を検出し、温度上昇が予め定められた値を超えたときは、電池の容量に応じて充電電流I1及びI2の何れかを選択して、前記電池を充電するように制御することを特徴とする電池の充電装置。
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