JP4499164B2 - 充電装置及び充電方法 - Google Patents
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Description
この種の充電装置においては、二次電池の電圧が所定電圧に達するまで所定の定電流で充電し、その後、電流値を小さくして充電を行うことで、二次電池の内部抵抗による影響を小さくして、より満充電に近い状態まで充電することを可能にした、いわゆる多段定電流充電方式が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また充電装置は、通常、二次電池の電池電圧が所定電圧に達した場合や、充電電流が所定電流値になった場合、二次電池の電圧が所定電圧に達してから一定時間が経過した場合等に満充電に達したものとみなして充電を停止している。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、充電時に過不足の無い充電を行い、過充電を確実に防止することができる充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。
<第1実施形態>
図1は、本実施形態に係る充電装置1の構成を示す図である。この図に示すように、充電装置1は、電力を蓄える蓄電池部2と、この蓄電池部2に電力を供給して充電する充電器部4とを備えている。
充電器部4は、外部電源コネクタ6と、充電器8と、充電器コントローラー10と、電流検出器12と、表示器14と、遮断スイッチ16とを有している。
外部電源コネクタ6は、商用電源等の外部電源18が接続されるコネクタであり、外部電源18の電力が充電器8に入力されている。
さらに詳述すると、充電器8には、蓄電池部2及び外部負荷19が並列に接続されており、これら蓄電池部2及び外部負荷19により並列回路9が構成されている。そして、充電器8は、この並列回路9に電圧αを印加することで、蓄電池部2に直流の充電電流Icを供給し、また、外部負荷19に電力を供給する。
外部電源18に停電が発生すると、蓄電池部2及び外部負荷19から成る並列回路9からみて充電器8がハイインピーダンス状態になるため、蓄電池部2及び外部負荷19が自動的に直列に接続され、蓄電池部2から外部負荷19に畜電力が供給される。
電流検出器12は、充電器8と蓄電池部2とを接続した直列回路上に介挿され、この蓄電池部2から充電器8に向う充電電流Icと、充電器8からの放電に伴う放電電流Idとを検出し、充電器コントローラー10に出力するものである。
また、充電器コントローラー10は、充電時において、予め設定された設定時間ごとに電流検出器12の検出信号を取り込んでサンプリングし、サンプリングした充電電流Icを積算し充電量Wcを算出して検出する充電量検出部60と、非充電時においては、サンプリングした放電電流Idを積算し放電量Wdを算出して検出する放電量検出部62と、充電が行われるごとにカウントした充電回数を記憶する記憶部64とを有している。この記憶部64には、さらに、後述する電池組24の寿命を規定する充電可能な総回数である最大充電回数が予め記憶されている。
また、充電器コントローラー10は、電池組24の交換時期の目安として、最大充電回数に対する現在の充電回数の比率を算出する。
しかし蓄電池部2と外部負荷19との間を常時導通状態で保持すると、蓄電池部2の非充電時には、当該蓄電池部2の蓄電力が外部負荷19に供給されてしまう。そこで、充電装置1は、非充電時には、蓄電池部2に流入する充電電流Icを略ゼロに維持するゼロ電流充電を行うことで、蓄電池部2から外部負荷19に電力が供給され無駄に放電されるのを防止する。
具体的には、非充電時において、充電器コントローラー10は、電流検出器12の検出値に基づいて、蓄電池部2に流入する充電電流Icが略ゼロに維持されるように、並列回路9に印加する電圧αをフィードバック制御する。この結果、電圧αと蓄電池部2の電圧との差圧が略等しくなって蓄電池部2への充電電流Icが略ゼロになり、この状態が保持されて蓄電池部2から外部負荷19への蓄電力の供給が停止状態で保持される。
蓄電池部2は、n個(n≧2)の二次電池(セル)22を直列に接続してなる電池組24と、過充電保護回路(バランス回路)26とを有する。二次電池22は例えばリチウムイオン電池の一例たるリチウムポリマー電池である。この他にも、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の任意の二次電池を用いることが可能である。ただし、電池組24を構成する二次電池22は全て同一種の二次電池とする。
蓄電池部2には、電池組24の陽極に電気的に接続される陽極端子30、及び電池組24の負極に電気的に接続される陰極端子32が設けられており、これら陽極端子30及び陰極端子32が上記充電器部4に電気的に接続されている。充電時には、充電器部4から陽極端子30を介して電池組24に充電電流Icが供給されて電池組24の充電が行われる。
放電ルート回路34は、経路中に放電抵抗(バランス抵抗)40及びスイッチング素子42を直列に接続した回路である。スイッチング素子42は常開接点であり、二次電池22の電池電圧Vbが過充電保護電圧Vth1に達した場合に閉成する。この過充電保護電圧Vth1は、二次電池22の種類に応じた満充電電圧Vmよりも低い値に設定されたものであり、二次電池22がリチウムポリマー電池の場合は例えば満充電とみなされる4.2Vを超えない値である。
二次電池22の放電中においては、その二次電池22に流入する充電電流Icが放電ルート回路34にバイパスされ、後段の二次電池22に導入される。このときバイパスされる電流値は、放電抵抗40の抵抗値により決定される。
過充電保護用検出器44は、二次電池22の電池電圧Vbを検出し、この電池電圧Vbと上記の過充電保護電圧Vth1とを比較し、電池電圧Vbが過充電保護電圧Vth1を超えた場合に、スイッチング素子42を閉成して、二次電池22を放電ルート回路34へ放電させる。また、過充電保護用検出器44は、電池電圧Vbが保護停止電圧Vth2を下回った場合に、スイッチング素子42を開成して二次電池22の放電ルート回路34への放電を停止する。
充電器コントローラー10は、充電時において、開閉信号に基づいて、いずれかの二次電池22が放電ルート回路34へ放電を開始したことを検知した場合、当該放電ルート回路34への放電が停止されるまで充電電流Icを減少させる制御を行うが、かかる制御については後述する。
なお、この充電装置1は、電池組24の電池温度を検出するサーミスタ等の温度検出センサを有し、充電時に、電池組24の温度が所定温度(例えば、リチウムポリマー電池においては60度)を超えた場合に、充電を停止するように構成されている。
図2は充電装置1の充電処理を示すフローチャートであり、図3は充電装置1による充電パターンを示す図である。なお、図3には、充電時の電池電圧の上昇特性が異なる2つの二次電池22A、22Bについての充電パターンを示している。
上記の充電開始条件には、例えば電池組24が満充電状態でなくなったときや、過放電防止のために遮断スイッチ16が開成したとき、前回の充電終了から一定期間が経過したとき等の各種の条件が設定されている。
この結果、図3に示すように、充電電流Icの供給が開始されて充電が始まると(時間t0)、電池組24の各二次電池22A、22Bの電池電圧Vbが充電初期電圧V0a、V0bから上昇を開始する。
これにより、図3に示すように、二次電池22Aの電池電圧Vbが過充電保護電圧Vth1に達した時間t1から充電電流Icの電流値が減少させられる。
二次電池22Aは、放電ルート回路34への放電、及び、充電電流Icの減少に伴い次第に電池電圧Vbを下げ、保護停止電圧Vth2まで下がると(時間t2)、二次電池22Aの過充電保護用検出器44がスイッチング素子42を開成し、二次電池22Aの放電ルート回路34への放電を停止する。この放電ルート回路34への放電停止は、開閉信号の充電器コントローラー10への出力により、充電器コントローラー10に検知される。
これにより、図3に示すように、二次電池22Aの電池電圧Vbが保護停止電圧Vth2に下がるまで充電電流Icが減少し、放電が停止したときの電流値に固定される。なお、充電電流Icを減少させた場合には、これに伴い、二次電池22Aのみならず他の二次電池22Bの電池電圧Vbも低下する。
そして以降、いずれかの二次電池22の放電ルート回路34への放電が検知されるごとに、その二次電池22の放電ルート回路34への放電が停止するまで充電電流Icを減少する、という処理が繰り返し行われる。この繰り返し回数は、二次電池22の充電時の電圧上昇特性の違いや劣化の度合い等により変動し、常に決まった回数の繰り返しが行われる訳では無い。
充電器コントローラー10は、図2に示すように、充電電流Icが充電下限電流値Ith以下になった事を検出すると(ステップS10:YES)、充電電流Icを充電下限電流値Ithに維持して充電を継続する(ステップS11)。
なお、本実施形態では、ステップS12の処理を充電電流Icが充電下限電流値Ithに至った後に行う場合を例示したが、充電装置1は、充電の間、電池組24への充電量Wcが放電量Wdと等しくなったか否かを継続的に監視し、電池組24への充電量Wcが放電量Wdと等しくなったかときに、充電電流Icの電流値にかかわらず速やかに停止する構成としても良い。
この構成により、充電中においては、各二次電池22の放電ルート回路34への放電が抑制されるため、充電電力が放電によって無駄に消費されることが無く、充電効率が高められる。
これに加え、放電ルート回路34における発熱も小さくなることから、周辺部品の劣化も防止される。
なお、過充電保護回路26での放電等の損失に伴い100%の充電効率が得られない場合には、その損失分を補償した充電量Wcが充電されるように、放電量Wdに損失分を加算する補正を加えた上、この補正後の放電量Wdに充電量Wcが等しくなるまで充電する構成としても良い。さらに、電池組24の劣化に伴い充電効率が低下する場合には、その低下分を補うように充電されるように、経年劣化による充電効率の低下に合わせて放電量Wdを補正する構成としても良い。
この構成により、充電下限電流値Ithに充電電流Icを維持して電池組24への供給を継続することで、多くの二次電池22の電池電圧Vbが過充電保護電圧Vth1を超えて、放電ルート回路34への放電を行う状態になるものの、充電電流Icが比較的小さい充電下限電流値Ithであるため、放電ルート回路34で消費されるエネルギーも小さい状態に抑えられる。そして、このように放電ルート回路34で消費されるエネルギー量が抑えられた状態で、各二次電池22を満充電状態まで充電することができる。
これに対して、本実施形態によれば、充電量Wcが放電量Wdと等しくなったときに電池組24への充電を停止するようにしたため、満充電状態が得られたときに、速やかに充電を停止させることができる。
次いで、本発明の第2実施形態について説明する。
本実施形態では、充電中にガスが発生する性質を有する複数の二次電池122を直列に接続した電池組124に充電を行う充電装置100について説明する。
図4は、本実施形態に係る充電装置100の構成を示す図である。なお、同図において、図1に示したものには同一の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態の充電装置100は、ガス発生検知回路50を備えている。このガス発生検知回路50は、充電中に、いずれかの二次電池122でのガスの発生を検知して電池制御部38に出力するものである。電池制御部38は、ガスの発生が検知された場合、信号線20を介して充電器コントローラー10に出力する。
なお、充電電流Icが充電下限電流値Ithを下回る場合には、第1実施形態で説明した図2のステップS10以降と同様の処理を行う。すなわち、充電器コントローラー10は、充電電流Icが充電下限電流値Ith以下になった事を検出すると(ステップS10:YES)、充電電流Icを充電下限電流値Ithに維持して充電を継続し(ステップS11)、電池組24への充電量Wcが、充電開始前の非充電時の間に放電された放電量Wdと等しくなった場合(ステップS12:YES)、電池組124への充電状態をゼロ電流充電状態として充電を停止し(ステップS13)、充電処理を終了する。
また、ガス発生検知回路50がガス発生の有無をセンサ等で直接検出する構成である場合には、このガス発生検知回路50の検知結果に基づいて、充電器コントローラー10がガス発生の停止を判断する構成としても良く、また、ガスの発生が停止する所定の電池電圧と二次電池122の電池電圧Vbとを比較することで、間接的にガスの発生停止を検知する構成としても良い。
例えば、上述した実施形態では、充電中における過充電保護回路26での充電電力の余分な消費、及び、充電中における二次電池122でのガス発生に伴う充電電力の余分な消費を抑える構成とした。
しかしながら、これに限らず、電池組が、充電電力を充電以外に無駄に消費する電力消費要因が充電中に発生し得るものであり、なおかつ、この電力消費要因が充電電流を減少させることで解消するものである場合には、そのような電池組への充電にも、本発明を適用することが可能である。
すなわち、充電中に電力消費要因による充電電力の消費が発生された場合には、この消費が停止するまで充電電流を減少させて充電を継続すれば良い。
2 蓄電池部
4 充電器部
8 充電器
10 充電器コントローラー(充電制御手段)
12 電流検出器
14 表示器
22、22A、22B、122 二次電池
24 電池組
26 過充電保護回路
34 放電ルート回路
38 電池制御部
40 放電抵抗
42 スイッチング素子
44 過充電保護用検出器
48 放電遮断用検出器
50 ガス発生検知回路
60 充電量算出部
62 放電量算出部
64 記憶部
Ic 充電電流
Ith 充電下限電流値
Vb 電池電圧
Vth1 過充電保護電圧
Vth2 保護停止電圧
Claims (4)
- 複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電装置において、
非充電状態の間に前記電池組から放電された電力量を検出する放電量検出手段と、
充電状態の間に前記電池組に充電された電力量を検出する充電量検出手段と、
充電時には、前記電池組の二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまで前記二次電池のいずれかが満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧を充電電圧が超えるごとに充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電下限電流値以下の電流値で充電を継続して各二次電池の充電電圧を過充電保護電圧より高め、当該充電によって前記電池組に充電された電力量が、非充電状態の間に前記電池組から放電された電力量に等しくなったときに充電を停止する充電制御手段と
を備えることを特徴とする充電装置。 - 請求項1に記載の充電装置において、
前記二次電池ごとに設けられた放電ルート回路を有し、充電中に前記二次電池の電池電圧が前記過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させる過充電保護回路を備え、
前記充電制御手段は、
前記充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電下限電流値以下の電流値で充電を継続して各二次電池の充電電圧を過充電保護電圧より高め、当該充電によって前記電池組に充電された電力量が、非充電状態の間に前記電池組から放電された電力量に等しくなったときに充電を停止する
ことを特徴とする充電装置。 - 請求項1又は2に記載の充電装置において、
前記二次電池への充電回数のカウント値と、前記二次電池の寿命を規定する充電可能な総回数とに基づいて、前記二次電池の交換時期の目安を出力する出力手段を備えることを特徴とする充電装置。 - 複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電方法において、
非充電状態の間に前記二次電池から放電された電力量を検出し、
充電時には、前記電池組の二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまで前記二次電池のいずれかが満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧を充電電圧が超えるごとに充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電下限電流値以下の電流値で充電を継続して各二次電池の充電電圧を過充電保護電圧より高め、当該充電によって前記電池組に充電された電力量が、非充電状態の間に前記電池組から放電された電力量に等しくなったときに充電を停止する
ことを特徴とする充電方法。
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