JPH03284131A - 急速充電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、充電初期に大電流による急速な充電を行う
とともに、充電完了が近づいたときもある程度の充電を
続け、はぼ完全充電までの充電を行った後に微弱電流に
よる充電状態または充電停止状態に切替えるようにした
充電回路に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の蓄電池の充電制御回路は第８図に示すよ
うに、直流電源１から制御回路２０を介して、蓄電池３
に充電電流を供給する方式を用いており、電圧検出回路
５０により蓄電池３の端子電圧を検出して制御回路２０
に信号を送って、充電電流を制御するとともに、電流検
出回路６０により電流値をモニタし、その信号を制御回
路２０に供給して、制御回路２０から所定の充電電流が
蓄電池３に供給されるようになっている。

たとえば、従来からよく用いられている定電圧定電流方
式は、第９図に示すように、充電電流を一定にして充電
し、端子電圧が設定値に達したところで、電圧の上昇を
押さえ、それによって、電流値を減少することにより過
充電を防止する方式また、第１０図に示すように、電圧
検出回路５０により蓄電池３の端子電圧を検出し、電圧
の上昇に応じて制御回路２０に信号を送り、充電電流を
段階的に減少させる制御方式がある。上述の充電方式で
は、充電電圧を最初から低めに設定し、充電終了を検出
することなく充電を継続して行う方法や、最初充電電流
を比較的高めに設定しておいて、定電圧状態に移行して
から一定時間の後、あるいは蓄電池の温度が上昇したと
き、充電停止またはトリクル充電状態に切り替える方法
が取られている。

［発明が解決しようとする課題］ 蓄電池を急速充電するためには、できるだけ高い電圧を
かけ、かつできるだけ多くの電流を流すことが必要であ
る。しかしながら、蓄電池に高い電圧を印加した場合、
短時間であれば蓄電池は傷むことはないが、高電圧を長
時間継続して印加すると過充電となり、充電電流の多く
は水の電気分解に費やされ、蓄電池の寿命を短縮させる
という問題があった。

したがって、短時間で充電を行なうためには、充電初期
に、高電圧、大電流で充電を行ない、充電末期には低電
圧、微小電流により、充電することが望ましい。しかし
ながら、従来の充電方式では、充電初期において次のよ
うな問題点があった。

すなわち、従来の定電圧定電流方式では、充電末期の検
出に蓄電池電圧が用いられているが、蓄電池の端子電圧
は、充電末期に水の電気分解が発生した場合に高くなる
ので、充電末期を検出するためには、充電初期にそれよ
りも十分低い電圧で充電しなければならない。

また、充電電流は充電電圧に比例して高くなるので、充
電電流が大きすぎると十分に充電されないうちに端子電
圧が上昇し、すぐに充電停止電圧になり、充電末期の電
圧上昇かまたは急速充電電流による電圧上昇かの区別が
つかず、完全充電にならずに充電が終″了する。したが
って、定電流充電時に大きな電流を流すことができない
。

さらに、温度によっても充電電圧が変化するため、複雑
な補正回路をつけるか、余裕を持たすために、設定電圧
を下げなければならない。

すなわち、従来の充電方式では、電圧設定値を蓄電池の
寿命に影響しない上限の電圧よりも必ず低く設定しなけ
ればならない。しかも、電圧の上昇を検出するために充
電初期の電流を押さえる必要から、充電初期にはさらに
低い電圧しかかけられない。よって、急速充電には不向
きである。

以上のように、蓄電池電圧によって、充電末期を検出す
る方法では、充電初期の電圧および電流をあまり大きく
することはできず、充電時間の短縮には限界がある。

次に、充電末期における問題点について説明する。蓄電
池端子電圧の変動範囲は、鉛蓄電池の場合で２．３〜２
．６Ｖ／ｅｅｌ化というわずかな範囲であり、さらに電
流、温度、充電状態などにより複雑に変化するため、完
全充電かどうかを蓄電池端子電圧のみで判定することは
難しい。

たとえば蓄電池の場合、定電流充電時における充電末期
に蓄電池端子電圧が急上昇し始めるのは、８０％充電状
態程度になったときであり、約９０％充電時には蓄電池
端子電圧はほとんど最高値にまで上昇してしまうため、
１００％充電を検出するためには端子電圧とは異なるパ
ラメータで判定しなければならない。そのため、従来は
時間や温度などによって充電停止の検出を行ない充電を
停止している。

この場合、定電圧状態に移行してから充電完了するまで
の時間や温度上昇は、蓄電池の放電状態や環境の温度に
よって著しく変化するため、充電の過不足が起こりやす
い。

たとえば、はとんど完全充電状態にある電池を再度充電
する場合は、充電開始後ただちに充電を終了すべきであ
る。このような場合は、充電電圧がただちに上昇し定電
圧状態になるが、充電時間をタイマで規定した場合には
あらかじめ定める時間が経過するまで充電は継続して行
なわれることになる。また、蓄電池表面の温度によって
充電終了を規定することを考えると、蓄電池は熱容量が
大きく、また、熱伝導率が悪いプラスチックケースを使
用しているので、電極の温度が上昇しても、蓄電池表面
温度はすぐには上昇しないため、過充電になりやすいと
いう問題点がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、短時間で過不足
なく蓄電池の充電を行なうことのできる急速充電回路を
提供することである。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかる急速充電回路は、蓄電池を充電するた
めの直流電源と、蓄電池への充電電流があらかじめ定め
る電流値にまで減少したことを検出する充電電流検出手
段と、検出手段の検出出力に応答して、蓄電池への充電
電圧を低下させる充電電圧制御手段とを備えて構成され
る。

［作用］ この発明では、蓄電池の充電電圧設定を、短時間であれ
ば寿命に影響しない上限電圧に最初から設定する。それ
により、その蓄電池にとって最大限の充電電流を流すこ
とができ、最短時間で十分に充電することができる。こ
の発明では、さらに、充電電流の減少を検出して、完全
充電近くまで充電したところで電圧を下げ、その後ゆっ
くり充電することにより、急速かつ確実に充電できるよ
うにする。

これにより、最初は高電圧、大電流で充電を行ない、充
電末期は低電圧、微小電流による充電を行なうことがで
きる。

定電圧充電の場合、充電電流は充電状態に応じて著しく
変化するので、充電終了の検出が極めて容易である。す
なわち、充電電流が十分低下したということは、それ以
上充電できないということであり、はぼ完全充電になっ
たことの証明である。

そのため、充電終了を検出するための蓄電池温度の検出
や、タイマなどの制御回路が不要となる。

［発明の実施例］ 実施例１ 第１図はこの発明の一実施例の電気的構成を示す概略ブ
ロック図である。第１図に示すように、直流電源１から
、制御回路２を介して、蓄電池３に充電電流を供給する
。検出回路５は充電電流の低下を検出して制御回路２に
信号を送り、設定電圧を制御する。直流電源１は蓄電池
３を充電するための直流電源であり、制御回路２は充電
電圧を所定電圧に保つように制御するとともに、電流検
出回路５が検出した所定の充電電流値に基づく信号に応
じて設定電圧値を下げる回路である。

好ましくは、充電初期に充電器が過負荷にならないよう
に抵抗やりアクドルを挿入して最大電流に制限を加えた
り、設定電圧の低下制御を多段階にしたり、充電電圧を
充電電流に逆比例させて低下させたりする。

第２図はこの発明の一実施例の充電特性を示すグラフで
ある。第２図に示すように、充電開始時は定電圧充電に
より大電流で充電され、時間の経過とともに充電電流が
減少する。蓄電池が完全充電近くになると、充電電流が
所定の電流値にまで低下する。電流検出回路５はこの電
流の減少を検出し、制御回路２に充電完了の信号を供給
する。

電流検出回路５としては、充電電流の変化率が所定の値
になったことに応じて充電完了の信号を出力するものを
用いてもよい。制御回路２は時間ｔ１においてこの信号
を受は取ると、充電電圧をトリクル充電電圧に低減する
。これによって、充電電流はさらに小さくなり、微弱な
トリクル充電電流により自己放電分を補充するだけの充
電が行なわれる。

なお、第２図における破線は充電初期の充電器御電圧を
少し下げた場合、−点鎖線はさらに下げた場合の充電特
性曲線である。このように、充電電圧を下げると、初期
の充電電流が低下し、充電時間が増加する。

第３図は制御回路をマイクロコンピュータとマイクロコ
ンピュータが出力する電圧設定値に応じた電圧になるよ
うに充電電圧を制御するためのトランジスタおよびトラ
ンジスタの駆動回路により構成した場合のブロック図で
ある。電流の検出はシャント抵抗５ａで行ない、その両
端の電圧をＡ／Ｄ変換器２ｄでディジタル化し、マイク
ロコンピュータ２ｃに入力する。マイクロコンピュータ
２Ｃは第４図のフローチャートに従って、電圧設定値を
演算し、Ｄ／Ａ変換器２ｂを通して、アナログ電圧に変
換し、その電圧を電圧制御用トランジスタ２ａのベース
に印加する。蓄電池電圧（これは、トランジスタ２ａの
エミッタ電圧に等しい）が上記ベース電圧とペースエミ
ッタ間飽和電圧（約ＩＶ）との電位差より低ければ、ト
ランジスタにベース電流が流れ、トランジスタのコレク
タ０ 電流（蓄電池充電電流）が流れる。したがって、充電電
圧は常に、ベース電圧とペースエミッタ間飽和電圧との
電位差により制御される。

第４図は充電電圧を多段階に制御する場合のフローチャ
ートである。充電が開始すると、マイクロコンピュータ
は第４図のプログラムを呼び出し、充電制御を実行する
。

すなわち、マイクロコンピュータは、まず、充電電圧を
電圧設定値に設定するなどの初期設定を行なう（ステッ
プＳＬ）。次に、設定電圧をＤ／Ａ変換器に供給し、充
電を開始する（ステップＳ２）。次に、充電電流を測定
する（ステップＳ３）。充電電流はシャント抵抗５ａの
両端電圧をその抵抗値で除算して得られる。次に、充電
電流と電流設定値とを比較して、充電電流が大きければ
ステップＳ２に戻る（ステップ８４）。充電電流の方が
小さければ、電流設定値が最小値であるかを調べ（ステ
ップＳ５）、最小値以下であれば充電制御を終了する（
ステップＳ７）。一方、最小値より大きければ、電圧設
定値および電流設定値を１ 下げ（ステップＳ６）、ステップＳ２へ戻る。

このようにして、最初は高電圧、大電流で充電を行ない
、充電末期は定電圧、微小電流による充電を行なうこと
ができる。

実施例２ 第５図は電圧の制御に抵抗を用いたものを示す。

直流電源は必ずしも完全な定電圧である必要はなく、充
電器の過負荷防止という点では内部インピーダンスの大
きいものの方が望ましい。

トランジスタでアナログ的に充電電圧を制御する場合、
蓄電池の容量が大きくなると、充電電流も大きくなり、
制御部での発熱が大きくなるため不利である。そのよう
な場合、抵抗をオン／オフにすることによって、同様な
制御が可能となる。

−例として、急速充電１通常充電、トリプル充電の３段
階に制御する場合について説明する。この動作状況を第
６図に示す。

最初、急速充電電流制限抵抗６を通して大電流で充電し
、充電電流が第１の設定値以下になると、抵抗を切り替
え、通常充電電流制限抵抗７を通し２ て通常充電を行なう。さらに、充電が進み、電流が第２
の設定値まで減少すると、再度抵抗を切り替え、トリク
ル充電抵抗８を通して充電する。

このようにして、初期には抵抗６を通して大電流が流れ
、急速充電が行なわれる。充電が進むにつれ、充電電流
が低下し、それを電流検出回路５が検出すると、該検出
回路は急速充電完了の制御信号を発生する。スイッチ９
はこの信号に応答して、接続をより大きい抵抗７に切り
替え、通常充電を行なう。この時、急速充電量は蓄電池
容量の７０〜８０％程度までで停止するように設定する
。

充電末期には、さらに電流が減少すると、再び電流検出
回路５はそれを検出し、通常充電終了の制御信号を出力
する。スイッチ９はこの信号に応答してさらに大きい抵
抗８に切り替え、トリクル充電を行なう。

電圧の制御に抵抗を用いる場合、第７図に示すように、
電流制限用抵抗を直列に接続して、段数を増やして急速
充電できるようにしてもよい。

上述の実施例１および２によれば、従来の定電３ 圧定電流充電方式に比べ、蓄電池電圧を検出する必要が
ないため、回路がより簡単になる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、充電電流の低下を検
出し充電電圧を制御することにより、簡単な構成でもっ
て、高電流で短時間に充電を行なうことができるため、
過不足のない充電状態を得ることができる。したがって
、確実かつ安価に急速充電を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の電気的構成を示す概
略ブロック図である。第２図はこの発明の第１の実施例
の充電特性を示すグラフである。 第３図はこの発明の第１の実施例の検出回路および制御
回路の構成を示すブロック図である。第４図は第３図に
示す制御回路の動作を説明するための図である。第５図
はこの発明の第２の実施例の電気的構成を示すブロック
図である。第６図はこの発明の第２の実施例の充電特性
を示すブロック図である。第７図は第２の実施例の変形
例を示す４ ブロック図である。第８図は従来の充電器の構成を示す
ブロック図である。第９図は従来の定電圧定電流充電時
の充電特性を示すグラフである。第１０図は従来の電流
値を多段階に変化させた場合の充電特性を示すグラフで
ある。 図において、１は直流電源、２は制御回路、３は蓄電池
、５は電流検出回路、６．７および８は抵抗、９，１０
および１１はスイッチを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 蓄電池を充電するための直流電源と、 前記蓄電池への充電電流があらかじめ定める電流値にま
   で減少したことを検出する充電電流検出手段と、 前記検出手段の検出出力に応答して、前記蓄電池への充
   電電流を低下させる充電電流制御手段とを備えたことを
   特徴とする、急速充電回路。