JPH0865910A - 二次電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】満充電をより正確に判定して過充電を起こすこ
とがないようにした二次電池の充電装置を提供する。 【構成】サーミスタとＡ／Ｄ変換器４１および電池温度
検出部４３を介して求められた二次電池の単位時間当た
りの温度上昇量を温度微分計算部４６により計算し、そ
の温度微分値が所定の温度微分しきい値に達したことを
温度微分値判定部５４が判定したとき充電制御部５０の
制御により急速充電を停止させる温度微分検出方式の充
電装置において、検出した電池温度が複数の温度領域の
どの領域にあるかを電池温度判定部４５により判定し、
その判定結果に基づいて充電制御部５０により温度しき
い値テーブル５５から選択された温度微分しきい値を温
度微分値判定部５４に対して設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は二次電池の充電装置に係
り、特にニッケル水素二次電池や、ニッケルカドミウム
二次電池などのアルカリ二次電池の急速充電に適した充
電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次電池を短時間で充電するための急速
充電器においては、電池が満充電となったことを判定し
て急速充電を終了する。満充電の判定方式は種々考えら
れているが、その一つとして温度微分検出方式がある。
これは電池の温度微分、つまり単位時間当たりの温度上
昇量が充電末期には急激に増加することを利用し、この
温度微分があるしきい値、例えば１℃／分に達したこと
をもって満充電と判定する方式である。

【０００３】図５に、ニッケル水素二次電池を定電流で
急速充電した場合の時間に対する電池温度ＴB と電池電
圧ＶB の変化を示す。同図に示すように、充電末期には
電池温度ＴB が急激に上昇するので、単位時間当たりの
温度上昇量つまり温度微分を検出し、温度微分値（ｄＴ
／ｄｔ）がしきい値に達したことを捕らえることによ
り、満充電を検知することができる。

【０００４】電池温度ＴB の検出には通常サーミスタを
用い、その抵抗値が温度に対して変化する現象を利用す
る。ここで、温度変化に対するサーミスタの抵抗値は図
６に示すように非線形性を示すため、その抵抗値変化を
そのまま検出するのでなく、図７に示すように固定抵抗
Ｒとサーミスタを直列に接続し、この直列回路の両端に
一定の直流電圧印加して、サーミスタの端子電圧（以
下、サーミスタ電圧という）Ｖｔを検出する方法がとら
れる。このときの電池温度ＴB に対するサーミスタ電圧
Ｖｔの変化は、図８に示すようにほぼ直線近似できる。
この場合、図８の領域ｂでは電池温度ＴB とサーミスタ
電圧Ｖｔの関係は直線を示し、温度微分値ｄＴ／ｄｔは
サーミスタの電圧の微分値ｄＶｔ／ｄｔに比例するの
で、サーミスタ電圧Ｖｔを微分することにより、温度微
分値ｄＴ／ｄｔを正確に検知することができる。

【０００５】しかし、図８の領域ｂの両側の領域ａ、領
域ｃでは電池温度ＴB の変化に対するサーミスタ電圧Ｖ
ｔの変化は非線形となって、領域ｂに比較して同じ電池
温度ＴB の変化に対するサーミスタ電圧Ｖｔの変化が小
さくなる。すなわち、領域ａおよび領域ｃでは温度微分
値ｄＴ／ｄｔはｄＶｔ／ｄｔに比例しなくなるので、サ
ーミスタ電圧Ｖｔを微分しても温度微分値ｄＴ／ｄｔを
正確に求めることができず、従って電池温度ＴB の変化
を正しく捕らえることができない。

【０００６】このことは、領域ａおよび領域ｃでは単位
時間当たりの温度変化がより大きくないと、温度微分値
が領域ｂのそれと同じ値にならないために、温度微分値
の検出による満充電の検知が遅れることを意味する。こ
の結果、電池が過充電となってしまい、電池寿命の低
下、漏液の原因となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の温度微分検出方式による急速充電装置では、温度検出
素子の非線形性のために温度微分検出による満充電の検
知を正確に行うことができず、過充電を起こすことがあ
るという問題があった。

【０００８】本発明は、このような従来の温度微分検出
方式による急速充電装置の問題点を解消するためになさ
れたもので、満充電をより正確に判定して過充電を起こ
すことがないようにした二次電池の充電装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、温度微分検出方式により二次電池を急速充
電する機能を備えた充電装置において、検出された電池
温度の温度領域に応じて温度微分値の判定のためのしき
い値を変更するようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１０】すなわち、本発明に係る二次電池の充電装
置は、二次電池の温度を検出する温度検出手段と、この
温度検出手段により検出された温度の単位時間当たりの
温度上昇量である温度微分値を求める温度微分検出手段
と、この温度微分検出手段により求められた温度微分値
が所定のしきい値に達したとき前記急速充電を終了させ
る充電制御手段と、前記温度検出手段により検出された
温度が予め定められた複数の温度領域のどの領域にある
かを判定する判定手段と、この判定手段の判定結果に基
づいて前記しきい値を設定するしきい値設定手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１１】また、本発明に係る二次電池の充電装置
は、二次電池の温度に対して検出値が線形に変化する線
形領域と非線形に変化する非線形領域を有し、該二次電
池の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段
により検出された温度の単位時間当たりの温度上昇量で
ある温度微分値を求める温度微分検出手段と、この温度
微分検出手段により求められた温度微分値が所定のしき
い値に達したとき前記急速充電を終了させる充電制御手
段と、前記温度検出手段により検出された温度が前記線
形領域に対応する第１の温度領域にあるか前記非線形領
域に対応する第２の温度領域にあるかを判定する判定手
段と、この判定手段により前記温度検出手段で検出され
た温度が前記第１の温度領域にあると判定されたときは
前記しきい値を第１の値に設定し、第２の温度領域にあ
ると判定されたときは前記しきい値を第１の値より小さ
い第２の値に設定するしきい値設定手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００１２】

【作用】このように本発明では、検出された電池温度の
温度領域に応じて温度微分値を判定する際のしきい値を
設定し、温度検出の非線形性が現れる領域では線形性の
領域よりもしきい値を小さくすることで、温度微分値か
ら二次電池の満充電を正確に検知することができる。こ
の結果、満充電の検知誤りによる過充電の可能性が少な
くなり、電池寿命の低下や漏液の問題が解決される。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明に係る実施例を示す二次電池の充
電装置の回路構成図である。図１において、電池パック
１はアルカリ二次電池などの二次電池（以下、単に電池
という）２と、この電池２の近傍に配置された温度測定
用のサーミスタ３を筐体内に設けたものである。図１
は、この電池パック１が充電装置４にセットされた状態
を示している。なお、電池パック１が組み込まれた携帯
電話機その他の機器を充電装置４にセットするようにし
てもよい。

【００１４】充電装置４は、次のように構成されてい
る。充電装置４には商用交流電源５（例えば１００Ｖ）
からの電力が入力され、ノイズ除去のためのフィルタ６
を介して整流平滑回路７により直流化された後、トラン
ス８の一次側に与えられる。トランス８の一次側には、
パワーＭＯＳトランジスタからなるスイッチングトラン
ジスタ９が抵抗１０を介して接続されている。スイッチ
ングトランジスタ９は、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路１
１の出力によってスイッチングされる。これによりトラ
ンス８の一次側にパルス電流が流れ、トランス８の二次
側にエネルギーが伝達される。トランス８の二次側に生
じた出力は、整流平滑回路１２により直流化された後、
急速充電用トランジスタ１３、またはトリクル充電用ト
ランジスタ１４と抵抗１５の直列回路を通り、さらに逆
流防止用ダイオード１６を介して、電池２に充電電流と
して供給される。なお、整流平滑回路１２の出力はフォ
トカプラ１７の発光素子１８にも供給され、フォトカプ
ラ１７の受光素子１９の出力はＰＷＭ回路１１に入力さ
れる。

【００１５】マイクロコントローラ２０は、マイクロコ
ンピュータを主体として構成され、急速充電用トランジ
スタ１３、トリクル充電用トランジスタ１４、フォトカ
プラ１７およびＬＥＤ３１の制御を行うものである。こ
のマイクロコントローラ２０には、抵抗２１とサーミス
タ３との接続点の電圧（以下、サーミスタ電圧という）
Ｖｔと、抵抗２２，２３により電池２の電圧ＶB を分圧
した電圧（以下、電池電圧分圧値という）Ｖｂが入力さ
れている。

【００１６】抵抗２４〜２９および演算増幅器３０は、
充電電流を一定にする制御を行うために設けられてい
る。演算増幅器３０の反転入力端子には、充電路に直列
に挿入されて充電電流を検出する抵抗２４の端子電圧が
抵抗２７を介して入力され、非反転入力端子には＋５Ｖ
の電源電圧を抵抗２５，２６により分圧した電圧（基準
電圧）が抵抗２８を介して入力される。演算増幅器３０
の反転入力端子と出力端子との間には抵抗２９が接続さ
れ、抵抗２７と抵抗２９により演算増幅器３０の利得が
決定される。演算増幅器３０の出力端子は、フォトカプ
ラ１７の発光素子１８の整流平滑回路１２の出力端子に
接続された側と反対側に接続されている。このような構
成により、演算増幅器３０の反転入力端子と非反転入力
端子の電位が等しくなるようにフィードバック制御が施
される。

【００１７】例えば、電池２の充電電流が大きく、電流
検出用抵抗２４の端子電圧が大きいときは、演算増幅器
３０の非反転入力端子より反転入力端子の方が高電位と
なるため、演算増幅器３０の出力電圧は低くなり、発光
素子１８に流れる電流が増大する。この結果、ＰＷＭ回
路１１の出力パルス幅、つまりスイッチングトランジス
タ９のオン時間幅が短くなり、トランス８の二次側に伝
達されるエネルギーが減少して、充電電流が小さくな
る。

【００１８】逆に、電池２の充電電流が小さいときは、
演算増幅器３０の非反転入力端子より反転入力端子の方
が低電位となるため演算増幅器３０の出力電圧は高くな
り、発光素子１８に流れる電流が減少するため、ＰＷＭ
回路１１の出力パルス幅、つまりスイッチングトランジ
スタ９のオン時間幅が長くなり、トランス８の二次側に
伝達されるエネルギーが増加することにより、充電電流
は大きくなる。

【００１９】このようにして、充電電流に応じた抵抗２
４の端子電圧と抵抗２５，２６により得られた基準電圧
とが等しくなるようにフィードバック制御が行われ、充
電電流が定電流制御される。

【００２０】マイクロコントローラ２０は、マイクロコ
ンピュータを用いたソフトウェア処理によって制御を行
うものである。図２に、マイクロコントローラ２０の機
能ブロック図を示す。

【００２１】図２において、サーミスタ電圧Ｖｔおよび
電池電圧分圧値ＶｂはＡ／Ｄ変換器４１，４２によりそ
れぞれディジタル値に変換された後、電池温度検出部４
３および電池電圧検出部４４にそれぞれ入力され、電池
温度ＴB および電池電圧ＶBが求められる。電池温度検
出部４３の出力は、電池温度判定部４５と温度微分計算
部４６に入力される。電池温度判定部４５は、電池温度
がどのような温度範囲（温度領域）にあるかを判定する
ものであり、具体的には電池温度が正常の範囲にあるか
どうかの判定と、電池温度が予め定められた複数の温度
領域のどの領域にあるかの判定を行う。温度微分計算部
４６は、電池の温度微分、つまり単位時間当たりの温度
上昇量を求めるものである。

【００２２】温度微分計算部４６の出力は温度微分値判
定部５４に入力される。温度微分値判定部５４は、温度
微分計算部４６により求められた温度微分値を温度微分
しきい値テーブル５５から読み出された温度微分しきい
値と比較して、両者の大小関係を判定する。温度微分し
きい値テーブル５５は、電池温度の温度領域と温度微分
しきい値との関係をＲＯＭのようなメモリに格納したも
のである。

【００２３】一方、電池電圧検出部４４の出力は、電池
状態判定部４７に入力される。電池状態判定部４７は、
電池電圧から電池２が正常かどうかを判定するものであ
る。Ａ／Ｄ変換器４１の出力は、電池パックセット検出
部４８にも入力される。電池パックセット検出部４８
は、電池パック１が充電装置４にセットされているかど
うかを検出するものである。

【００２４】Ａ／Ｄ変換器４１、電池温度判定部４５、
電池状態判定部４７、電池パックセット検出部４８およ
び温度微分値判定部５４の出力は充電制御部５０に入力
され、充電制御部５０はこれらの出力に基づいて、急速
充電用トランジスタ１３への急速充電制御信号５１、ト
リクル充電用トランジスタ１４へのトリクル充電制御信
号５２、および充電スタート信号５３を発生する。充電
スタート信号５３は、図１における抵抗２８の一端に供
給される。

【００２５】さらに、充電制御部５０は電池温度判定部
４５の判定結果、つまり電池温度が存在する温度領域の
情報に基づいて、温度微分しきい値テーブル５５からそ
の温度領域に対応した温度微分しきい値を読み出し、こ
れを温度微分値判定部５４に与える制御も行う。

【００２６】次に、図３乃至図４に示すフローチャート
と図８を参照して本実施例の動作を説明する。まず、サ
ーミスタ電圧ＶｔがＡ／Ｄ変換器４１を介して読み込ま
れる（ステップ１０１）。電池パック１が充電装置４に
セットされると、サーミスタ電圧Ｖｔはそれまでの＋５
Ｖからサーミスタ３と抵抗２１との分圧によって低下す
る。ここで、サーミスタ電圧Ｖｔが所定値（例えば、
４．８Ｖ）以下になると、電池パックセット検出部４８
によって電池パック１が充電装置４にセットされたこと
が検出される（ステップ１０２）。

【００２７】ステップ１０２において電池パック１のセ
ットが検出されると、電池温度計算部４３によりサーミ
スタ電圧Ｖｔが温度データに変換されて電池温度ＴB が
計算され（ステップ１０３）、次いで電池温度判定部４
５により電池温度ＴB が０℃以上、かつ４０℃以下の範
囲にあるかどうかが判定される（ステップ１０４）。電
池温度ＴB が０℃≦ＴB ≦４０℃の範囲に入ると、引き
続いて電池電圧分圧値ＶｂがＡ／Ｄ変換器４２を介して
読み込まれて電池電圧検出部４４により電池電圧ＶB が
求められ（ステップ１０５）、さらに電池状態判定部４
７によって電池電圧ＶB から電池２が正常かどうかが判
定される（ステップ１０６）。具体的には、単セル当り
の電池電圧ＶB が１．０Ｖ≦ＶB ≦１．７Ｖの範囲内の
とき電池２は正常と判定される。ここで、電池２が正常
でなければ処理は終了し、急速充電は行われない。

【００２８】ステップ１０６の判定の結果、電池２が正
常の場合は図４のステップ１０７に移行し、急速充電が
行われる。すなわち、充電制御部５０から出力される急
速充電制御信号５１が“Ｌ”レベルとなることにより、
急速充電用トランジスタ１３がオンになると共に、充電
スタート信号５３が“Ｌ”レベルとなることによって急
速充電が行われる。この間、ＬＥＤ３１がマイクロコン
トローラ２０により制御されて点灯し、急速充電が行わ
れていることを示す。また、この急速充電中、充電電流
は前述したフィードバック制御によって一定に保たれ
る。

【００２９】そして、この急速充電の間、ステップ１０
８〜１１２において充電制御部５０で電池温度判定部４
５と温度微分しきい値テーブル５５を参照することによ
る温度微分しきい値の設定（変更）と、温度微分値判定
部５４での温度微分値の判定が行われる。

【００３０】すなわち、図８の領域ａと領域ｂとの境界
の電池温度をＴａとし、領域ｂと領域ｃとの境界の電池
温度をＴｂとすると、まず電池温度判定部４５において
電池温度検出部４３で検出された電池温度ＴB が領域ｂ
つまりＴａ＜ＴB ＜Ｔｂの領域にあるか否かを判定する
（ステップ１０８）。この判定の結果、ＹＥＳであれば
温度微分値しきい値をＴＨｂに設定し、温度微分値判定
部５４でｄＴ／ｄｔ≧ＴＨｂか否かを判定する（ステッ
プ１０９）。ここで、ステップ１０９においてＹＥＳで
あれば満充電と判定して急速充電を停止し、またＮＯで
あればステップ１０７に戻り、急速充電を継続する。

【００３１】一方、ステップ１０８においてＮＯであれ
ば、引き続き電池温度判定部４５においてＴB ≦Ｔａか
否かを判定する（ステップ１１０）。この判定の結果、
ＹＥＳであれば温度微分しきい値をＴＨａに設定し、温
度微分値判定部５４でｄＴ／ｄｔ≧ＴＨａか否かを判定
する（ステップ１１１）。ここで、ステップ１１１にお
いてＹＥＳであれば満充電と判定して急速充電を停止
し、またＮＯであればステップ１０７に戻り、急速充電
を継続する。

【００３２】さらに、ステップ１１０においてＮＯであ
れば、温度微分しきい値をＴＨｃに設定し、温度微分値
判定部５４でｄＴ／ｄｔ≧ＴＨｃか否かを判定する（ス
テップ１１２）。ここで、ステップ１１２においてＹＥ
Ｓであれば満充電と判定して急速充電を停止し、またＮ
Ｏであればステップ１０７に戻り、急速充電を継続す
る。

【００３３】なお、ステップ１０９，１１１，１１２に
おいてＹＥＳとなって満充電を検知し場合は、急速充電
制御信号５１および充電スタート信号５３が共に“Ｈ”
レベルとなることにより、急速充電が停止される。

【００３４】ここで、３つの温度微分しきい値ＴＨａ，
ＴＨｂ，ＴＨｃの関係は、ＴＨｂ＞ＴＨａ，ＴＨｃのよ
うに選ばれる。但し、ＴＨａとＴＨｃは異なっていても
等しくても構わない。従来の技術において述べたよう
に、図８において、領域ｂでは電池温度ＴB に対してサ
ーミスタ電圧Ｖｔが線形に変化するのに対し、領域ａ，
ｃでは非線形に変化するため、領域ｂに比較して同じ電
池温度ＴB に対するサーミスタ電圧Ｖｔの変化は小さ
く、温度微分値ｄＴ／ｄｔも小さい。従って、領域ｂと
領域ａ，ｃでの温度微分値ｄＴ／ｄｔを同じ温度微分し
きい値と比較して満充電の検知を行うと、領域ａ，ｃで
満充電になる場合、その満充電の検知に時間遅れが生じ
る。

【００３５】これに対し、本発明では領域ａ，ｃでの温
度微分しきい値ＴＨａ，ＴＨｃを領域ｂでの温度微分し
きい値ＴＨｂより小さくすることにより、このような満
充電検知の時間遅れがなくなるので、電池２の過充電を
防止することができる。

【００３６】本発明は、上記実施例に限られるものでな
く、種々変形して実施することができる。例えば、上記
実施例では温度領域を図８の３つの領域ａ，ｂ，ｃに分
けて判定したが、領域ａは急速充電直後に相当する温度
領域であり、この領域ａではは満充電の検知を行う必要
は必ずしもない。

【００３７】すなわち、例えば(1) 電池を周囲温度の低
い環境から高い環境に持ち込んで急速充電を行う場合
や、(2) 充電器自体の発熱によるおあり熱の影響があっ
た場合、あるいは(3) 過放電状態の電池を急速充電する
場合など、充電開始直後に満充電を誤検出してしまうこ
とがあるために充電不足を起こすことがあり、この問題
を避けるために充電開始後一定時間は温度微分検出によ
る満充電の判定を行わないようにしてもよい。これは図
２においてタイマ４９により急速充電開始時点からの経
過時間を計測し、例えば５分間が経過するまで充電制御
部５０において温度微分値判定部５４の判定結果に基づ
く満充電の検知を行わないようにすることで実現でき
る。

【００３８】この場合、タイマ４９がタイムアップする
までの間に電池温度ＴB が図８の領域ａを通過するた
め、検出された電池温度ＴB が領域ａにあるか否かの判
定を行って温度微分しきい値を設定する制御は不要とな
る。また、検出された電池温度ＴB の温度領域の判定と
それに基づく温度微分しきい値の変更は、さらに多くの
領域に分けて行うようにしてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば二
次電池の温度微分検出により満充電の判定を行って急速
充電を停止させる方式の充電装置において、検出された
電池温度の温度領域に応じて温度微分値の判定のための
しきい値を変更し、例えば温度検出の非線形性が現れる
領域では線形性の領域よりもしきい値を小さくすること
により、温度微分値から二次電池の満充電を正確に検知
することができ、満充電の検知誤りによる過充電を防止
して、電池寿命の低下や漏液の問題を解決することがで
きる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る二次電池の充電装置の
回路構成図

【図２】図１におけるマイクロコントローラの機能ブロ
ック図

【図３】同実施例の動作を説明するためのフローチャー
トの一部を示す図

【図４】同実施例の動作を説明するためのフローチャー
トの他の一部を示す図

【図５】急速充電時の電池温度と電池電圧の時間変化を
示す図

【図６】サーミスタの温度変化に対する抵抗値変化の特
性を示す図

【図７】サーミスタと固定抵抗を組み合わせた温度検出
部の構成を示す図

【図８】温度変化に対する図７のサーミスタの端子電圧
の変化を示す図

【符号の説明】

１…電池パック ２…二次電池 ３…サーミスタ ４…充電装置 ５…商用交流電源 ６…フィルタ ７…整流平滑回路 ８…トランス ９…スイッチングトランジスタ １１…パルス幅変調
回路 １２…整流平滑回路 １３…急速充電用
トランジスタ １４…トリクル充電用トランジスタ １６…逆流防止用
ダイオード １７…フォトカプラ ２０…マイクロコ
ントローラ ３０…演算増幅器 ３２…放電用トラ
ンジスタ ４１…Ａ／Ｄ変換器 ４２…Ａ／Ｄ変換
器 ４３…電池温度計算部 ４４…電池電圧検
出部 ４５…電池温度判定部 ４６…温度微分計
算部 ４７…電池状態判定部 ４８…電池パック
セット検出部 ４９…タイマ ５０…充電制御部 ５１…急速充電制御信号 ５２…トリクル充
電制御信号 ５３…充電スタート信号 ５４…温度微分値
判定部 ５５…温度微分しきい値テーブル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二次電池を急速充電する機能を備えた充電
   装置において、 前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段により検出された温度の単位時間当た
   りの温度上昇量である温度微分値を求める温度微分検出
   手段と、 この温度微分検出手段により求められた温度微分値が所
   定のしきい値に達したとき前記急速充電を終了させる充
   電制御手段と、 前記温度検出手段により検出された温度が予め定められ
   た複数の温度領域のどの領域にあるかを判定する判定手
   段と、 この判定手段の判定結果に基づいて前記しきい値を設定
   するしきい値設定手段とを備えたことを特徴とする二次
   電池の充電装置。
2. 【請求項２】二次電池を急速充電する機能を備えた充電
   装置において、 前記二次電池の温度に対して検出値が線形に変化する線
   形領域と非線形に変化する非線形領域を有し、該二次電
   池の温度を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段により検出された温度の単位時間当た
   りの温度上昇量である温度微分値を求める温度微分検出
   手段と、 この温度微分検出手段により求められた温度微分値が所
   定のしきい値に達したとき前記急速充電を終了させる充
   電制御手段と、 前記温度検出手段により検出された温度が前記線形領域
   に対応する第１の温度領域にあるか前記非線形領域に対
   応する第２の温度領域にあるかを判定する判定手段と、 この判定手段により前記温度検出手段で検出された温度
   が前記第１の温度領域にあると判定されたときは前記し
   きい値を第１の値に設定し、第２の温度領域ににあると
   判定されたときは前記しきい値を第１の値より小さい第
   ２の値に設定するしきい値設定手段とを備えたことを特
   徴とする二次電池の充電装置。