JPH097642A

JPH097642A - 診断機能付充電器

Info

Publication number: JPH097642A
Application number: JP7171564A
Authority: JP
Inventors: Nobumitsu Kanetsuna; 伸光金綱; Eiichi Nishizawa; 栄一西澤
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1995-06-15
Filing date: 1995-06-15
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】二次電池の異常や性能の劣化を診断し判定す
る機能を備えた充電器を提供する。【構成】診断機能付急速充電器１は、充電モード、リ
フレッシュモードおよび診断モードの３つの動作モード
を有する。使用する二次電池が新品または新品同様の状
態のときに、診断モードにおいて一度充電および放電を
行い、中央処理装置１０は、そのときの充電容量、放電
容量および充電完了時の端子電圧を測定し、記憶部４０
に記憶する。その二次電池を複数回使用した後、該二次
電池を端子５、５’に接続して診断動作を開始させる
と、中央処理装置１０は、その電池を充電し、放電させ
て、そのときの充電容量、放電容量および充電完了時の
端子電圧を測定する。この測定値を記憶部４０に記憶し
ておいた新品のときのデータとを比較して、劣化の度合
を判定し、その結果を表示部２０に表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ニッケル・カドミウム
蓄電池（以下、「ＮｉＣｄ電池」という）やニッケル・
水素蓄電池（以下、「ＮｉＭＨ電池」という）などの二
次電池の充電器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＮｉＣｄ電池やＮｉＭＨ電池に代表され
るような二次電池は、繰り返し使用可能で経済性が高
い、高容量で大電流放電が可能、取扱が容易で保守を必
要としない、といった特性を有しており、産業用あるい
はホビー用など各種の分野において幅広く使用されてい
る。また、その形態も、単一セルのものから特性の揃っ
た複数個のセルを直列または並列に接続して単一のパッ
ケージに格納し所定の電圧または容量を得られるように
したものなど各種のタイプのものが使用されている。

【０００３】そして、これら二次電池を充電するための
充電器にも各種のものが使用されており、その充電方法
としては、二次電池の容量値Ｃの１／１０程度の電流で
１４〜１６時間充電する標準充電、および、比較的大き
い電流で充電し、充電の末期に電流や電圧の制御を行な
い短時間で充電を行なう急速充電が知られている。この
急速充電は急速充電の可能な形式の二次電池にしか適用
できないものであるが、この急速充電用電池は大電流放
電特性にも優れており、ラジコン自動車などのホビー用
や電動工具などに多く使用されている。この急速充電の
制御方法には、充電している電池の電圧を検出して制御
を行なう電圧制御方式、急速充電の完了後電池電圧がピ
ークを過ぎた後下降するという特性を利用し、この下降
する点（−ΔＶ）を検出して充電を停止させる−ΔＶ制
御方式、過充電したときに発生する化学反応熱による温
度上昇を利用し、電池が一定の温度に達したところで充
電を完了する温度検出制御方式などが採用されている。

【０００４】また、知られているようにＮｉＣｄ電池な
どにはメモリ効果があり、その影響をなくすために充電
を開始する前にほぼ完全放電を行なうようにした放電機
能付充電器も使用されている。さらに、充電時における
電流と電圧とを積算して充電量を算出し、同様にして使
用時における放電量を算出することにより、二次電池の
残存する容量を表示することも行なわれていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ＮｉＣｄ電池
やＮｉＭＨ電池においては数１００回の充電・放電の繰
り返し使用（充放電サイクル）を行うことができるもの
とされている。しかしながら、このサイクル寿命は、充
電電流、温度、放電深度、過充電期間などの使用条件に
よって影響を受けることが知られており、大電流で大き
な容量を取り出そうとすると寿命は一般に短くなる傾向
にある。そして、ＮｉＣｄ電池やＮｉＭＨ電池などの二
次電池を繰り返し使用していくうちに、セル不良などの
異常が発生したり、上述したように性能の劣化が生じる
ものである。

【０００６】例えば、一つのパッケージに複数のセルを
格納して所望の電圧を得るようにした多セルタイプの二
次電池においては、一つのセルまたは複数のセルが短絡
したり、あるいは、オープンになったりする場合があ
る。このような場合に、充電器に電圧計が付設されてい
れば、充電電圧が所定の電圧になっているか否かをみる
ことにより、一応、二次電池の異常を検知することがで
きる。しかしながら、複数のセルが並列に接続されてい
る場合にそのうちの一つあるいは複数のセルがオープン
になったときには、充電電圧を見るだけではその異常を
検知することができない。また、充電器に電圧計が付設
されていないときには、別の電圧計を用いて充電電圧を
測定するか、あるいは、経験に基づいた勘により異常を
判断するしかなかった。

【０００７】また、徐々に二次電池の性能が劣化する場
合には、繰り返し使用しているうちに使用可能時間が徐
々に短縮していくことで勘により判断しているのが現状
である。特に、ラジコンの自動車や電動工具などにおい
ては、フル充電状態から短時間のうちに完全放電させる
といった極端な使用方法が行われており、いわれている
数１００回といった充電回数よりも少ない充電回数で劣
化が生じることが多い。したがって、使用している二次
電池がどの程度劣化しているかが不明であり、使用する
際に不安感が拭えなかった。

【０００８】そこで本発明は、二次電池の異常の発生や
劣化状態を判定し、その判定結果を表示する機能を具備
した充電器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】上記目的を達成するため
に、本発明の診断機能付充電器は、二次電池を充電する
ための充電器において、二次電池の特性に関する基準デ
ータを記憶する記憶手段と、二次電池の特性に関するデ
ータを測定する手段と、前記測定する手段により測定し
たデータと前記基準データとを比較し、当該二次電池の
良否を判定する手段と、前記判定する手段による判定結
果を表示する手段とを設けたものである。また、前記二
次電池の特性に関する基準データを測定する第２の測定
手段と、該第２の測定手段により測定した二次電池の特
性に関する基準データを前記記憶手段に記憶させる手段
とをさらに備えたものである。

【００１０】

【作用】二次電池の特性に関する基準データを記憶手段
に記憶しているので、充電時または診断時に二次電池の
特性に関するデータを測定する手段により測定した特性
データと、記憶手段に記憶している二次電池の特性に関
する基準データとを比較、判定することにより、当該二
次電池の故障および劣化を判定することができ、その判
定結果を表示することができる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の一実施例である診断機能付急
速充電器の構成を示す図である。この図において、１は
診断機能付急速充電器、２は直流電源、３はＮｉＣｄ電
池やＮｉＭＨ電池などの二次電池である。直流電源２の
出力は端子４および４’を介して充電器１に入力され、
充電器１の出力端子５および５’には二次電池３が接続
されている。なお、直流電源２としては、交流の商用電
源を整流して直流電圧を得るもの、自動車などの蓄電器
の電圧をそのまま利用するもの、あるいは、自動車など
の蓄電器の出力をＤＣ／ＤＣコンバータにより所定の電
圧に変換するものなどを使用することができる。

【００１２】そして、診断機能付急速充電器１は、図示
するように、中央処理装置１０、表示部２０、操作部３
０、記憶部４０、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、放電制御
用トランジスタ６０、抵抗器７０、抵抗器８０、およ
び、電圧安定化回路９０から構成されている。中央処理
装置１０は、例えば、ＡＤ／ＤＡ変換器を内蔵したシン
グルチップマイクロコンピュータであり、内蔵するプロ
グラムメモリに格納されたプログラムにより、二次電池
の接続状態や二次電池の異常の判断、充電放電の制御な
ど、この充電器１の動作を総合的に制御するものであ
る。そして、１１はＤＣ／ＤＣコンバータ５０に対して
動作制御信号を出力する出力ポート、１２は図中のＡ点
の電圧が入力されるアナログ入力ポート、１３は図中の
Ｂ点の電圧が入力されるアナログ入力ポート、１４は放
電制御用トランジスタ６０への導通制御信号を出力する
アナログ出力ポート、１５は図中のＣ点の電圧を入力す
るためのアナログ入力ポートである。また、１６、１７
および１８は、それぞれ、表示部２０、操作部３０およ
び記憶部４０と接続される入出力ポートである。さら
に、１９は電圧安定化回路９０の出力が入力される電源
端子である。

【００１３】表示部２０は、充放電電流値、動作モード
および電池状態判別結果など充電器１の動作状態を表示
するためのものであり、液晶表示装置やＬＥＤなど各種
の表示装置を採用することができる。操作部３０は、充
電器１の動作モード（充電モード、リフレッシュモード
および電池診断モード）の選択、充電電流の設定、電池
個別データの登録および呼び出しなどを行うために使用
者により操作される操作部である。記憶部４０は、例え
ばバッテリバックアップされたＲＡＭなどにより構成さ
れた不揮発性メモリであり、メーカ名や型番などの二次
電池の種類毎に、その公称電圧、公称容量、充電電流、
充電時間といった定格データが、予め、または、ユーザ
により操作部３０から入力されて記憶されている。ま
た、後述する診断モードにおいて測定された充電量、放
電量および最終充電電圧などの特性に関する測定データ
が同様に記憶されるものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ
５０は、中央処理装置１０により制御されて、充電時に
必要な電流を得るために必要な電圧まで直流電源２の電
圧を昇圧または降圧するものである。そして、その出力
は整流後、平滑回路を通さず二次電池３に送り込まれ、
二次電池３は脈流により充電されるようになされてい
る。

【００１４】放電制御用トランジスタ６０は、リフレッ
シュモードや電池診断モードにおける放電動作時に二次
電池３の負荷となるトランジスタであり、中央処理装置
１０のアナログ出力ポート１４からの出力によりその導
通状態が制御されるものである。抵抗７０は、放電制御
用トランジスタ６０に直列に挿入された抵抗器であり、
その両端には二次電池３の放電時における放電電流に比
例した電圧が発生する。また、抵抗８０は、二次電池３
の負極と接地との間に接続された抵抗器であり、その両
端には二次電池３の充電時における充電電流に比例した
電圧が発生する。なお、電圧安定化回路９０は直流電源
２から供給される電圧を安定化して中央処理装置１０の
動作電圧を発生するものである。

【００１５】このように構成された本発明の診断機能付
急速充電器１は、（１）充電モード、（２）リフレッシ
ュモード、および、（３）電池診断モードの３つの動作
モードを有している。以下、これらの各動作モードにお
ける動作について説明する。

【００１６】（１）充電モード電源投入直後、充電器１はこのモードになる。この充電
モードは良く知られている急速充電を行なうモードであ
り、このモードにおいて、操作部３０のスタートボタン
が押されると、二次電池３に対して急速充電が開始され
る。このときの充電電流は操作部３０に設けられている
電流設定ボタンにより任意の電流値に設定することがで
きるようになされている。中央処理装置１０は、入力ポ
ート１３から入力されるＢ点の電圧から充電電流を測定
し、操作部３０において設定された充電電流が流れるよ
うに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧を出力ポー
ト１１から出力する信号により制御する。また、充電が
開始されると同時に、中央処理装置１０は、図示しない
タイマによる計時動作を開始させ、充電時間が所定の時
間を超えた場合には強制的に充電が停止されるようにな
されている。

【００１７】図２に、ＮｉＣｄ電池及びＮｉＭＨ電池の
充電特性を示す。この図に示すように、充電を進めてい
くと電池３の端子電圧は徐々に上昇し、完全充電付近で
ピークを迎え、次に低下する。なお、このように電圧が
低下するのは、過充電で電池温度が上昇するためであ
る。中央処理装置１０は二次電池３の端子電圧を入力ポ
ート１２から入力されるＡ点の電圧により監視し、それ
がピーク値から所定電圧だけ低下したことを検出したと
き、すなわち、デルタピーク電圧を検出したときに、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ５０を制御し、急速充電を停止させ
る。これは、いわゆる−ΔＶ方式と呼ばれている制御方
法である。そして、このようにして完全充電した後は、
電池の自己放電を補うだけの微小電流で充電するトリク
ル充電状態になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制
御する。すなわち、急速充電終了後にトリクル充電を行
なって充電率を高めている。

【００１８】また、中央処理装置１０は、充電終了後も
しくは上記所定の時間経過後に、電池３の端子電圧と予
め記憶部４０に記憶されている当該電池の公称電圧とを
比較する。この比較の結果、電池３の端子電圧が公称電
圧にまで充電されていない場合には、当該二次電池にセ
ルのショートなどの異常が発生したものと判断し、表示
部２０に電池に異常があることを表示する。この表示形
態は、ＬＥＤなどを点灯することにより行なってもよい
し、また、その旨のメッセージを表示することによって
行なってもよい。

【００１９】（２）リフレッシュモード操作部１３においてリフレッシュモードが選択される
と、充電器１はリフレッシュモードで動作を行なう。こ
のモードはメモリ効果の影響をなくすためのモードであ
り、スタートボタンが押されると二次電池３の放電が開
始され、放電終了後、一定時間をおいてから急速充電が
行なわれるように動作するものである。また、ユーザの
選択により、放電のみの動作を行なわせることも可能と
なっている。

【００２０】このモードにおいてスタートボタンが押さ
れると、まず、二次電池３の放電が行なわれる。このと
きに流す放電電流が多すぎると、リード線やコネクター
が発熱して危険であるし、また、極端なハイレートで放
電することは電池に対して悪影響を及ぼすため、電池を
安全かつ高速に放電することができるような放電電流値
を設定することが必要である。

【００２１】このような放電電流の最適値を自動設定す
る方法について図３を参照して説明する。ａ．まず、放電制御用トランジスタ６０を非導通状態と
して、無負荷時の二次電池３の端子電圧（Ｖ₀ ）を入力
ポート１２からの入力により測定する。これにより、当
該電池３のセル数を判断することができる。ｂ．次に、放電電流に比例するＣ点の電圧を入力ポート
１５からの入力により監視しつつ、出力ポート１４によ
り放電制御用トランジスタ６０のインピーダンスを制御
することにより、二次電池３を第１の電流値Ｉ₁ で放電
させ、一定時間経過後に端子電圧Ｖ₁ を測定する。ｃ．続いて、同様にして、放電電流値をＩ₂ に増加させ
て、一定時間経過後の端子電圧Ｖ₂ を測定する。ｄ．これを何回か繰り返し行なう（電流値Ｉ₃ ・・・Ｉ
_n 、端子電圧Ｖ₃ ・・・Ｖ_n ）。ｅ．そして、電圧Ｖ₁ −Ｖ_n がある参照電圧Ｖ_THを超え
たときに、その直前の電流値Ｉ_n-1 を放電電流値と決定
し、二次電池３を電流Ｉ_n-1 で定電流放電させる。な
お、この参照電圧Ｖ_THは、当該電池のセル数と所定の定
数（１セル当りの電圧降下許容値）との積により決定さ
れる電圧である。

【００２２】上記のようにして設定された放電電流で放
電が開始された後は、次のようにして放電の終了のタイ
ミングが決定される。これを、図４を参照して説明す
る。図４は、ＮｉＣｄ電池およびＮｉＭＨ電池の放電特
性を示すものであり、図示するように、端子電圧は放電
終期まで安定しており、放電終了付近で急激に低下する
特性を有している。この放電終了付近における端子電圧
の急激な低下を検出して放電の終了タイミングを決定し
ている。すなわち、放電開始後、中央処理装置１０は、
入力ポート１２から入力されるＡ点の電圧を利用して単
位時間内の電圧降下量（−ΔＶ／Δｔ）を逐次監視す
る。そして、この単位時間内の電圧降下量（−ΔＶ／Δ
ｔ）と、無負荷時の電圧（Ｖ₀ ）から判断された当該電
池のセル数と１セル当りの単位時間内の電圧降下量許容
値とにより決定される設定値とを比較し、単位時間内の
電圧降下量（−ΔＶ／Δｔ）が該設定値を越えたとき
に、放電制御用トランジスタ６０を非導通として、放電
を終了させている。ただし、電流値設定中に完全放電し
てしまう場合もあるので、電流値設定中であっても（Ｖ
₀−Ｖ_n ）とＶ₀ との関係を監視して、それがある設定
値を越えた場合には放電を中止するようになされてい
る。

【００２３】放電完了後、一定時間経過した後に、急速
充電が行われる。このとき、放電時に自動設定された放
電電流値を参照して、該放電電流値に所定の係数（通常
０．５〜０．７）を掛けた値を充電電流として、上記し
た充電モードの場合と同様に急速充電が行なわれる。ま
た、放電電流の設定を自動で行なうことができなかった
場合には、記憶部４０に予め設定されている電流値を用
いて充電が行なわれる。

【００２４】（３）電池診断モードこのモードは二次電池の劣化および異常を診断し判定す
るモードである。二次電池の劣化及び異常の診断は、当
該二次電池が最初に有している基準となる特性データを
記憶しておき、複数回使用した後に測定した特性データ
と比較することにより行われる。したがって、このモー
ドにおいては、次の２通りの動作が行なわれる。

【００２５】ａ．初期性能データの取得まず、使用する二次電池が新品または２〜３回使用して
新品と同様の状態にあるときに、当該二次電池を端子
４、４’に接続し、ユーザの指定する条件のもとで充電
および放電を行なう。この過程で、中央処理装置１０
は、当該二次電池の充電容量、放電容量、充電完了時の
端子電圧、一定時間内での電圧降下、充電時の電圧上昇
などの特性データを測定して、記憶部４０に記憶させて
おく。なお、電池個々に特性のばらつきが存在するため
に、これらのデータは、電池個々に取得し、記憶部４０
に格納しておく。

【００２６】ｂ．電池性能の劣化の診断二次電池性能を診断するときには、対象とする二次電池
を端子４、４’に接続し、操作部３０において、診断す
る電池の特定および充放電条件の指定を行った後、診断
スタートボタンを押して、診断動作を開始させる。診断
動作が開始されると、中央処理装置１０は、まず、指定
された条件により当該二次電池の充電を行う。ただし、
二次電池に残存容量があるときには、上記リフレッシュ
モードにおけるように放電を行ってから充電を行う。こ
の充電動作中に、中央処理装置１０は、充電電流および
充電時間を測定して充電容量を算出し、充電完了時にお
ける端子電圧も取得する。次いで、中央処理装置１０
は、今充電が完了した二次電池の放電をユーザの指定し
た条件で行わせる。このときも、放電電流および放電時
間を測定して放電容量を算出する。

【００２７】このようにして１サイクルの充放電を行っ
た後、中央処理装置１０は、上記ａにより記憶部４０に
格納されている当該二次電池の基準となる初期性能デー
タを記憶部４０から読み出し、この１サイクルの充放電
動作により取得したデータと比較する。二次電池の充放
電が繰り返されるにつれ、その充電容量および放電容量
は徐々に低下するものであり、初期状態における充電容
量および放電容量と複数回使用後における充電容量およ
び放電容量とを比較することにより、その劣化の度合を
知ることができる。また、二次電池が劣化するとその内
部抵抗が上昇し、充電中の端子電圧が上昇するので、充
電中の端子電圧を比較することによっても劣化の度合を
判定することができる。したがって、中央処理装置１０
は、これらのデータを用いて、当該二次電池の良否の判
定を行い。その結果を表示部１２に表示する。なお、こ
の表示の形態は、劣化の度合を％で表示するものであっ
てもよいし、電池の劣化の状態を複数の段階で表わした
場合にそのうちのどの段階にあるのかを示すような表示
形態であってもよい。また、判定結果だけではなく測定
値をそのまま表示してもよい。

【００２８】なお、上記実施例においては、二次電池３
としてＮｉＣｄ電池あるいはＮｉＭＨ電池を対象とした
例について説明したが、これに限られることはなく、小
型シール鉛蓄電池やイオン蓄電池などを対象とする場合
においても本発明の充電器を使用することができる。

【００２９】また、上記実施例においては、中央処理装
置として単一基板上にマイクロプロセッサ、プログラム
メモリ、入出力ポート、タイマカウンタ、ＡＤ／ＤＡ変
換器などを搭載したシングルチップマイクロコンピュー
タを使用しているが、必ずしもこれに限られることはな
く、通常のマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＡＤ
変換器およびＤＡ変換器などを用いて構成してもよいこ
とは明らかである。

【００３０】さらに、上記実施例においては急速充電の
制御方式として、−ΔＶ制御方式を採用しているが、こ
れに限られることはなくどのような制御方式を採用して
もよいことは明らかである。

【００３１】

【発明の効果】本発明の充電器によれば、複数回使用し
た二次電池の劣化の度合や異常を判定する機能が設けら
れているので、ユーザは、現在使用している二次電池が
どのような状態にあるのかを知ることができ、安心して
使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の診断機能付充電器の構成を示す図であ
る。

【図２】ＮｉＣｄ電池およびＮｉＭＨ電池の充電特性を
示す図である。

【図３】本発明における放電電流値を決定する過程を示
す図である。

【図４】ＮｉＣｄ電池およびＮｉＭＨ電池の放電特性を
示す図である。

【符号の説明】

１診断機能付急速充電器２直流電源３二次電池４、４’、５、５’ 端子１０中央処理装置１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８ポ
ート１９電源端子２０表示部３０操作部４０記憶部５０ＤＣ／ＤＣコンバータ６０放電制御用トランジスタ７０、８０抵抗器９０電圧安定化回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次電池を充電するための充電器におい
て、二次電池の特性に関する基準データを記憶する記憶手段
と、二次電池の特性に関するデータを測定する手段と、前記測定する手段により測定したデータと前記基準デー
タとを比較し、当該二次電池の良否を判定する手段と、前記判定する手段による判定結果を表示する手段とを設
けたことを特徴とする診断機能付充電器。
【請求項２】前記二次電池の特性に関する基準データ
を測定する第２の測定手段と、該第２の測定手段により測定した二次電池の特性に関す
る基準データを前記記憶手段に記憶させる手段とをさら
に備えたことを特徴とする請求項１記載の診断機能付充
電器。