JPH10201111A - 充電制御方法および充電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充放電状態を管理する電池管理装置付き電池
を充電制御する場合に、電池のメモリ効果と高温充電に
よる充電効率の低下現象の相乗的作用による電池用量の
低下を防ぎ、充電時間の短縮を図る。 【解決手段】 電池の残存容量が多い時は充電開始上限
温度を低く設定して相乗的作用による弊害を抑制し、残
存容量が少ない時は充電開始上限温度を高くして待機時
間を短くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ニッケル・カド
ミウム電池、ニッケル・水素電池などで代表される二次
電池の充電制御方法と、充電制御装置とに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】充電可能な二次電池では、充電開始温度
の上限および下限を設定しておき、電池温度がこの設定
範囲内に入っている時に充電を開始するようにしてい
る。すなわち電池の種類や形式により決まった設定温度
範囲外の温度で充電を行うと、電池の劣化、充電効率の
低下、漏液（液涸れ）などが発生するおそれがあるから
である。ここに充電効率は、充電電気量に対する実際に
電池に蓄えられた電気量の比である。

【０００３】充電可能な二次電池では、充電後に十分に
放電することなく充電を行うと、電池性能が低下するこ
とがある。例えばニッケル・カドミウム電池やニッケル
・水素電池などのニッケル正極を有するニッケル（Ｎ
ｉ）系の電池では、放電深度の浅い状態で繰り返えし充
電すると、放電時の電圧特性が低下する現象（メモリ効
果）が著しいことが知られている。

【０００４】

【従来技術の問題点】通常の二次電池では、充電開始上
限温度（Ｔ_U）は、電池のサイクル寿命を考慮した上で
充電効率を適切なレベル以上にするのに必要とする温度
に設定される。また、Ｎｉ系電池の充電効率は常温付近
が最も高く、常温以上は温度の上昇にしたがって充電効
率は低下する。すなわち毎回深い放電をしていれば、設
定したレベルの充電効率が得られ電池容量は大きく低下
することはないが、充電開始上限温度付近でメモリー効
果が発生するような浅い充放電を繰り返すと、電池容量
が極端に低下する。これはメモリ効果と高温で充電効率
が低下する現象との相乗的な作用により発生すると考え
られている。

【０００５】この相乗的な作用による容量低下を防ぐた
めには、充電開始温度を十分に低くすればよい。しかし
電池には放電中の反応熱および内部抵抗による自己発熱
があるため、高温になる。このため使用直後の電池では
電池温度が高くなり、この電池温度が自然冷却により十
分に低下するまで長時間待機する必要が生じる。従って
充電待機時間が長くなり、充電所要時間が長くなるとい
う問題がある。

【０００６】

【発明の目的】この発明はこのような事情に鑑みなされ
たものであり、前記相乗的な作用による電池容量の著し
い低下を防止し、充電待機時間と充電所要時間とを短縮
することができる充電制御方法を提供することを第１の
目的とする。またこの発明はこの方法の実施に直接使用
する充電制御装置を提供することを第２の目的とする。

【０００７】

【発明の構成】この発明によれば第１の目的は、充放電
状態を管理する電池管理装置付き電池に用いる充電制御
方法において、前記電池の残存容量を演算し、この残存
容量の減少に対応して充電開始上限温度を高くするよう
に設定し、電池温度がこの充電開始上限温度以下の時に
充電を開始することを特徴とする充電制御方法、により
達成される。

【０００８】この発明によれば第２の目的は、充放電状
態を管理する電池管理装置付き電池を充電器で充電する
充電制御装置において、前記電池の温度検出部と、前記
電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記電池
の残存容量の変化に対する充電開始上限温度の制御特性
を記憶するメモリと、前記制御特性を用いて電池温度に
対する充電開始上限温度を求める上限温度演算部と、電
池温度が前記上限温度演算部で求めた充電開始上限温度
以下の時に前記充電器に充電を開始させる充電制御部と
を備えることを特徴とする充電制御装置、により達成さ
れる。

【０００９】ここに充電開始上限温度と残存容量との関
係を示す制御特性は、電池管理装置に設けたメモリに記
憶することにより、電池毎に特有な制御特性を用いた制
御が可能になる。

【００１０】

【実施態様】図１は本発明の一実施態様を示す全体概念
図、図２は主としてＣＰＵの機能を説明する図、図３は
動作を示す流れ図、図４は予備充電モードの動作を示す
流れ図、図５は充電モードの動作の前半を示す流れ図、
図６は同じく後半を示す流れ図、図７は制御特性を示す
図である。

【００１１】図１、２において符号１０はモータ、１２
はコントローラ、１４は電池管理装置、１６は充電器で
ある。電池管理装置１４にはニッケル・カドミウム電池
などの電池１８が含まれる。交流電源２０から供給され
る交流は、充電器１６で整流され、ダイオード２２を介
して所定の充電モードで電池１８を充電する。

【００１２】コントローラ１２はこの電池１８を電源と
してモータ１０に所定の電流・電圧を供給し、モータ１
０を駆動する。例えばモータ１０を直流モータとした場
合は、コントローラ１２は電池１８の出力電圧を所定の
デューティでオン・オフ制御するチョッパー方式のもの
とすることができる。

【００１３】このコントローラ１２は、通常の運転時に
は外部信号Ｂに基づきデューティを連続的に変化させて
モータ１０の駆動電圧・電流を制御する。また充電中な
どの放電禁止すべき状況であれば、コントローラ１２は
デューティを０にする。すなわちモータ１０への電圧・
電流の供給を停止し、その旨を表示装置２４に表示す
る。

【００１４】２６は電池用ＣＰＵ（マイクロプロセッサ
ー）である。その機能については後記する。２８は電源
回路であり（図２）、電池１８の電圧（例えば２４Ｖ）
を所定電圧（例えば５Ｖ）に降圧してＣＰＵ２６などを
駆動する。

【００１５】３０は電流検出部、３２は電圧検出部であ
る。電流検出部３０は、電池１８の充放電電流Ｉを検出
し所定電圧の信号にしてＣＰＵ２６に入力するものであ
る。電圧検出部３２は電池１８の正極電圧Ｖを所定電圧
の信号に変えてＣＰＵ２６に入力する。

【００１６】３４は電池１８に設けたサーミスタからな
る電池温度検出部であり、具体的には電池温度Ｔによっ
て変化するサーミスタ３４の電流変化を増幅しかつ所定
電圧に変換してＣＰＵ２６に入力する。ここに電池温度
Ｔは電池１８の内部の温度であり、例えば電解液の温度
とする。

【００１７】図２で３６はメモリとしてのＥＥＰＲＯＭ
(Electrically Erasable / Programable Read Only Mem
ory)である。ＥＥＰＲＯＭ３６はＣＰＵ２６で演算に使
う種々のデータ、例えば電池１８のタイプやその特性デ
ータ、電池温度Ｔによる容量低下特性などをメモリする
と共に、演算途中のデータや演算結果である残存容量や
電池１８の履歴などをメモリする。この発明に用いる充
電開始上限温度（Ｔ_U）と残存容量との関係を示す制御
特性（図７）もこのＥＥＰＲＯＭに記憶される。

【００１８】次にＣＰＵ２６の機能を説明する。ＣＰＵ
２６はコントローラ１２あるいは充電器１６から起動指
令が来ると、初期化処理を行う。なおＣＰＵ２６はソフ
トウェアにより作動するが、図２ではその機能をブロッ
ク化して示した。

【００１９】ＣＰＵ２６はまず充電器１６による充電中
か否かを充電判別部４０で判別する。この判別は、ダイ
オード２２と充電器１６との間のパワーライン４２の電
圧Ｖｃをデジタル化してＣＰＵ２６に入力し、この電圧
Ｖｃが正の所定電圧以上なら充電中と判断し、通信イン
ターフェース３８を介して表示装置２４に表示させ、ま
た後記ＬＥＤ５４を点灯させる。この時には充電電流の
大きさから充電方式を決定して充電器１６に指令する
が、この点は後記する。

【００２０】この充電中にはＣＰＵ２６は充電量を残存
容量演算部４４（図２）で演算する。すなわち電池電流
検出部３０により検出した電流Ｉと充電時間との積（ア
ンペア時）によって充電量を求める。

【００２１】なお前記ＥＥＰＲＯＭ３６には電池１８の
初期容量が予め記憶されていて、充電量の積算値がこの
初期容量を超えた時は充電量をこの初期容量とすること
により、充電量の積算誤差が蓄積されるのを防ぐ。また
正確に充電方式に従って充電を終了した場合には、充電
量は初期容量にリセットされる。

【００２２】一方ＣＰＵ２６は充電中の電圧と電流との
積から電力を求め、電力の大小によって充電量を補正し
てもよい（電力補正）。この補正は、充電電流の大小や
充電方式によって充電効率が変化することを考慮して行
うものである。この結果はＥＥＰＲＯＭ３６にメモリさ
れ、必要に応じて通信インターフェース３８を介してコ
ントローラ１２に送られ、表示装置２４に表示される。

【００２３】またＣＰＵ２６は電池電流Ｉの流れ方向か
ら放電中か否かを判別し、放電中と判別すれば、残存容
量演算部４４は放電量の演算を行う。すなわち電池電流
検出部３０で検出する放電電流に時間を積算して放電量
（アンペア時）を求める。残存容量演算部４４はこれを
ＥＥＰＲＯＭ３６に記憶している残存容量から減算する
ことにより残存容量の現在値を求める。

【００２４】なおこの現在値に前記した電力変化による
補正（電力補正）を加えてもよいのは勿論である。この
補正後の残存容量はＥＥＰＲＯＭ３６にメモリされる。
またこの結果は通信インターフェース３８を介してコン
トローラ１２に送られ、表示装置２４に表示される。

【００２５】次に充電器１６を図１を用いて説明する。
この充電器１６は電源２０から供給される交流を直流に
変換するＡＣ／ＤＣコンバータ４６と、充電電流検出部
４８と、デューティ演算部５０と、出力制御部５２とを
持つ。デューティ演算部５０は、電池管理装置１４で指
定される充電電流を出力するためのデューティを決め
る。出力制御部５２は、このデューティに対応してコン
バータ４６のスイッチング素子をオン・オフ制御するた
めの信号（ＰＷＭ信号）を出力する。

【００２６】またこの充電器１６は充電表示部としての
ＬＥＤ（発光ダイオード）５４と、これを駆動するＬＥ
Ｄドライバ５６とを備える。このＬＥＤドライバ５６に
は、電池管理装置１４から送られる充電中であることを
示す信号が入力され、この信号に基づいてＬＥＤ５４が
点灯される。

【００２７】図２で５７は放電度合判断部である。この
放電度合判断部５７は、充電開始指令に基づいて電池１
８の放電の度合を判断するものであり、この放電の度合
は充電が必要か否かを判断するために用いられる。ここ
に充電開始指令は、例えば充電器１６に設けた充電開始
スイッチ（表示せず）の操作により入力されるものとす
る。また充電判別部４０でパワーライン４２の電圧Ｖｃ
が所定電圧以上になったことを判別した時に、この充電
開始指令がこの放電度合判断部５７に入力されるように
してもよい。

【００２８】この放電度合判断部５７が用いる放電度合
の判断データとしては、種々のものが使用可能である。
ここでは、前回の充電から後に放電指令が有ったか否か
をＥＥＰＲＯＭ３６のデータから判定し、放電度合の判
断資料とする。また前回の充電以後の自己放電量や、残
存容量も用いる。

【００２９】この放電度合を示すデータは充電要否判別
部５８に入力され、ここで充電の要否が判別される。例
えば前回の充電から１回も放電が行われていない時や、
この時自己放電量が所定値以下である時や、残存容量が
所定値以上である時には、充電は不要と判断する。この
ようにして充電が不要と判断されると、充電器１６に充
電を停止する旨の信号を送り、また表示装置であるＬＥ
Ｄ５４を所定時間点灯させる。このような状態をここで
は「にせ充電」と言う。

【００３０】次に図３〜５に基づいて動作を説明する。
まず充電器１６のパワーライン４２の電圧Ｖｃが設定値
以上になったことや、手動で充電開始スイッチを操作す
ることにより、充電開始指令が放電度合判断部５７に入
力される（図３のステップ１００）。放電度合判断部５
７は、この充電開始指令が入力されると前回の充電から
後に放電が行われた回数をＥＥＰＲＯＭ３６が記憶する
履歴データに基づいて求める。

【００３１】充電要否判別部５８ではこの放電回数に基
づき充電の要否を判別する。この実施態様では放電回数
が０であれば充電を不要と判断する（ステップ１０
２）。この放電回数が１回でもあれば、電池１８の残存
容量が所定値以下か否かを判別する（ステップ１０
４）。ここに残存容量は前記残存容量演算部４４で演算
される。従ってこの場合には残存容量演算部４４は放電
の度合を検出する放電度合検出部ともなっている。

【００３２】前記のステップ１０２で、前回の充電以後
に放電が１度も行われていない時は、充電要否判別部５
８は前回の充電が完全充電されたものか、不十分な充電
で終ったのかをＥＥＰＲＯＭ３６のデータに基づいて判
定する（ステップ１０６）。充電が不完全で終った時に
は、ステップ１０４に入る。すなわち残存容量が少なけ
れば電池の良否を判定するステップ１０８に入り、多け
ればステップ１１０に入る。

【００３３】このステップ１１０では、自己放電量を演
算し、この自己放電量が所定値（例えば４００ｍＡｈ）
以上なら充電モード１００に入り、以下ならにせ充電モ
ードに入る（ステップ１１２）。すなわち実際には充電
を行わせることなく、にせ充電タイマによる計時を開始
すると共にＬＥＤ５４だけを点灯させる（ステップ１１
２）。そしてにせ充電タイマに設定した所定の時間を経
過すると（ステップ１１４）、ＬＥＤ５４を消して（ス
テップ１１６）、にせ充電モードを終る。このにせ充電
モードでは充電電流を０にしてよいのは勿論であるが微
少電流を流し続けてもよい。

【００３４】ここに自己放電量の演算には電池温度Ｔに
対する残存容量の低下率特性を用いる。すなわち放置時
間および電池温度の増加と共に自己放電量は増加し、こ
の関係は電池１８に対して決まっているから、この関係
をＥＥＰＲＯＭ３６に予めメモリしておく。従って電池
１８の放置中の電池温度Ｔと時間が求まれば、この関係
式（あるいはこの関係を示すマップ）を用いて自己放電
量を求めることができる。

【００３５】この自己放電量の演算は前記残存容量演算
部４４で行うことができる。従ってこの実施態様では、
残存容量演算部４４はこの自己放電量を求める放電度合
検出部も兼ねている。なおこの残存容量演算部４４は残
存容量を求める際に、この自己放電量による補正を行っ
てもよい。

【００３６】ステップ１０４で残存容量が所定値以下の
時、およびステップ１１０で自己放電量が所定値（４０
０ｍＡｈ）以上の時には、ステップ１０８に入って電池
１８が長期間の放置により使用不可能なものか否かを判
別する。このためまず電池電圧Ｖが正常時（例えば２４
Ｖ）に比べて著しく低い（例えば１６Ｖ）か否かを判定
する（ステップ１０８）。電池電圧Ｖがしきい値（１６
Ｖ）以下なら予備充電モード（ステップ１２０）にな
り、しきい値以上なら通常の充電モード（ステップ１２
２）になる。

【００３７】予備充電モード（ステップ１２０）では、
図４に示すように小さい充電電流（０．５Ａ）で充電開
始し、一定時間（例えば１時間）の予備充電タイマの計
時を開始させ、待機していることを表示するＬＥＤをオ
ンにする（ステップ１２４）。そして電池電圧Ｖがしき
い値（１６Ｖ）以上に回復するか否かをタイマの設定時
間（１時間）監視する（ステップ１２６，１２８）。

【００３８】電池電圧Ｖがこのしきい値（１６Ｖ）以上
に回復すれば、電池１８は使用可能であるとして予備充
電を終了する（ステップ１３０）。すなわち充電電流を
０にして待機を示すＬＥＤをオフにする。そして充電モ
ード（ステップ１２２）に入る。電池電圧Ｖがしきい値
（１６Ｖ）に回復しなければ、電池１８は長期間の放置
により使用不可能であると判断し、電池に異常有りとす
る表示をする（ステップ１３２）。この時には充電電流
を０にして、待機を示すＬＥＤをオフにする。

【００３９】次に充電モード（ステップ１２２）を図
５、６を用いて説明する。充電器１６の電源が投入さ
れ、電池１８の放電の度合いが少なく、また電池が不良
でないと判断されて充電モード（ステップ１２２）に入
ると、ＣＰＵ２６ではサーミスタ３４が出力する信号に
基づいて温度計測部６０で電池温度Ｔを求める。

【００４０】ＣＰＵ２６はステップ１０４で求めた残存
容量に対する充電開始上限温度Ｔ_Uを、図７に示す制御
特性を用いて演算する（ステップ１３６）。この演算は
ＥＥＰＲＯＭ３６に予め記憶された電池１８に対する制
御特性を用いて、ＣＰＵ２６の上限温度演算部６１で行
う。

【００４１】ＣＰＵ２６は、電池温度Ｔがここで求めた
上限温度Ｔ_Uより低くなっているか否かを判定し（ステ
ップ１３８）、電池温度Ｔがこの上限温度Ｔ_U以下にな
るまで待機ＬＥＤをオンとして待機する（ステップ１４
０）。この温度ＴとＴ_Uの比較は後記する充電制御部６
６で行う。

【００４２】なおこのステップ１３８の温度判定の際に
は、電池温度Ｔが充電開始下限温度Ｔ_Lより高いことも
同時に判定する。ここではこの下限温度Ｔ_Lは０℃の固
定値とする。従ってＣＰＵ２６では電池温度Ｔが０＜Ｔ
＜Ｔ_Uの充電可能な温度範囲に入っているか否かを判定
する。

【００４３】この温度範囲内に入れば、テスト充電を開
始する（ステップ２０２）。このテスト充電は充電方式
を決定するために一定電圧を電池１８に印加して、この
時の充電電流Ｉを求めるものである。なお、電池サイク
ル寿命や充電効率を向上させる為には、この充電電流Ｉ
によって、その電流量に最適な充電方式を適用すること
が望ましい。

【００４４】なお充電器１６の電源投入時には充電電流
Ｉは不安定で変動する。そこで僅かな遅延時間（数ミリ
秒程度）を設定しておき、安定した充電電流Ｉを用いて
判別する。この電流Ｉの安定は、充電電流Ｉの変化率
（単位時間に対する変化量）を演算し、この変化率が所
定値以下になったことから判別してもよい。図２の電流
安定判別部６２はこの変化率の大小を判別する。また６
４は充電電流Ｉをしきい値Ｉ₀と比較して充電方式を判
別する充電方式判別部である。

【００４５】充電方式を判別した結果は、充電制御部６
６に送られ、所定の充電方式により充電制御を行う。充
電電流Ｉがしきい値Ｉ₀以下なら、第１充電方式を選択
する。この実施態様では−ΔＶ方式を選択する。この−
ΔＶ方式は、Ｎｉ−Ｃｄ電池では充電終期に充電電圧が
最大値に達した後降下する点に着眼し、最大値から−Δ
Ｖだけ降下した時点を充電終了と判別するものである。
この−ΔＶの演算は図２の−ΔＶ演算部６８が行う。

【００４６】ＣＰＵ２６は充電電流Ｉや、この−ΔＶの
値をセットする（ステップ２０６）。ＣＰＵ２６はこの
充電方式の時は４．５時間のタイマをセットした後、本
充電を開始する（ステップ２０８）。

【００４７】充電電流Ｉがしきい値Ｉ₀より大なら、第
２充電方式を選択する（ステップ２０４）。この第２充
電方式としては、ここではｄＴ／ｄｔ方式を用いる。こ
の方式は電池温度Ｔが充電末期に急上昇する点に着眼
し、電池温度Ｔの時間に対する変化率ｄＴ／ｄｔが設定
値以上になった時点で充電を終了させるものである。こ
のｄＴ／ｄｔの演算は図２のｄＴ／ｄｔ演算部７０が行
う。

【００４８】この第２充電方式を選択した時には（ステ
ップ２０４）、第２充電方式の充電電流や終了条件をセ
ットする（ステップ２１２）。すなわちｄＴ／ｄｔの値
などを設定する。そしてタイマを１．５時間にセットし
た後、本充電を開始する（ステップ２１４）。この時の
充電電流Ｉは、前記ステップ２０６、２１２でセットさ
れた値となるように制御される。

【００４９】本充電を行っている間（図６、ステップ２
１６）、ＣＰＵ２６では常にタイマの積算時間がステッ
プ２０８、２１４に設定した時間をオーバーフローして
いるか否かを判定する（ステップ２２２）。オーバーフ
ローしていれば充電は終了とする。オーバーフローして
いなければそのまま充電を続け、ステップ２０６、２１
２で設定した充電終了条件を満たした時点で充電を終了
させる（ステップ２１４）。この充電の終了は図２の充
電終了判別部７２で行われる。

【００５０】この実施態様では電池管理装置１４内のメ
モリ（ＥＥＰＲＯＭ３６）に、図７に示す制御特性を記
憶したから、電池１８ごとに特有な特性を記憶させるこ
とができ、電池ごとに最適な上限温度Ｔ_Uを決定するこ
とにより、最適な充電制御を行うことができる。また残
存容量の計算はこの実施態様に限定されるものではな
く、電池の種類や劣化の程度等に基づいて最適な方法を
用いればよい。本発明はニッケル・カドミウム電池以外
の二次電池にも適用でき、電池の特性に合わせて充電方
法などを変更してよいのは勿論である。

【００５１】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、残存容
量が多い時は充電開始上限温度を低く設定するから、浅
い充放電を繰り返す場合のメモリ効果と、高温での充電
による充電効率の低下現象との相乗作用による電池容量
の著しい低下（相乗的作用）を防止することができる。
また残存容量が少ない時には充電開始上限温度を高く設
定するから、電池の使用により放電直後に電池温度が上
昇していても、電池の冷却に要する待機時間を短くする
ことができ、充電に要する時間が長くなるのを防ぐこと
ができる。

【００５２】請求項２の発明によれば、この方法の実施
に直接使用する充電制御装置が得られる。ここに制御特
性は充電管理装置のメモリに記憶させておくことができ
る（請求項３）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の全体概略図

【図２】主としてＣＰＵの機能を示すブロック図

【図３】動作を示す流れ図

【図４】予備充電モードの動作を示す流れ図

【図５】充電モードの動作の前半を示す流れ図

【図６】同じく充電モードの動作の後半を示す流れ図

【図７】残存容量に対する充電開始上限温度の制御特性
を示す図

【符号の説明】 １０ モータ １２ コントローラ １４ 電池管理装置 １６ 充電器 １８ 電池 ２６ ＣＰＵ ３４ 電池温度検出部 ３６ メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ ４４ 残存容量演算部 ５４ ＬＥＤ ６１ 上限温度演算部 ６６ 充電制御部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充放電状態を管理する電池管理装置付き
   電池に用いる充電制御方法において、前記電池の残存容
   量を演算し、この残存容量の減少に対応して充電開始上
   限温度を高くするように設定し、電池温度がこの充電開
   始上限温度以下の時に充電を開始することを特徴とする
   充電制御方法。
2. 【請求項２】 充放電状態を管理する電池管理装置付き
   電池を充電器で充電する充電制御装置において、前記電
   池の温度検出部と、前記電池の残存容量を演算する残存
   容量演算部と、前記電池の残存容量の変化に対する充電
   開始上限温度の制御特性を記憶するメモリと、前記制御
   特性を用いて電池温度に対する充電開始上限温度を求め
   る上限温度演算部と、電池温度が前記上限温度演算部で
   求めた充電開始上限温度以下の時に前記充電器に充電を
   開始させる充電制御部とを備えることを特徴とする充電
   制御装置。
3. 【請求項３】 前記電池管理装置は、電池に特有な前記
   制御特性を記憶するメモリを有する請求項２の充電制御
   装置。