JP2552328B2 - 蓄電池の充電回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は蓄電池の充電回路に係り、特に充電末期に
蓄電池の端子電圧波形に現われる微小電圧変動を検出し
て充電を制御する充電回路に関する。

（従来の技術） 蓄電池の充電方式は種々のものが知られているが、特
に本発明に類似したものとしては、例えば特公昭61−53
39号公報に記載された充電回路がある。

この公知例においては、蓄電池の充電量に対応した端
子電圧の変化に応答する微分回路を蓄電池に並列に接続
し、この微分回路の出力、つまり蓄電池の充電量に対応
して変化する蓄電池の端子電圧の微分値が設定値まで低
下したことを検出して、蓄電池の充電を停止させてい
る。

すなわち、蓄電池の端子電圧は一般には充電末期に急
速に上昇してピークを示した後低下し、それに伴ない微
分回路の出力も低下するので、この微分回路の出力が設
定値まで低下したことを検出したとき充電を停止させれ
ば、適切な充電ができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、蓄電池の充電電圧特性は蓄電池の種類
や充電電流および周囲温度等によって異なり、例えば充
電量が蓄電池の電気容量にほぼ達する充電末期に至って
も端子電圧がピークを示さないことがある。このような
場合、上記公知例においては微分回路の出力が設定値ま
で低下しないので、充電を停止させることができず、過
充電状態となる。

また、一度充電完了した蓄電池を誤って再充電した場
合は、蓄電池の端子電圧が低下しないため、微分回路の
出力はやはり設定値まで低下せず、充電を停止させるこ
とができないので、同様に過充電となってしまう。乾電
池を誤って接続した場合も、端子電圧にピークが生じな
いために誤充電してしまい、破裂や漏液等を引起こし、
機器を破損することがある。

さらに、蓄電池を複数本直列接続して充電する場合、
設定値を蓄電池の直列本数に応じて変更する必要があ
る。また、個々の蓄電池の充電電圧特性が揃っていない
と、合成された充電電圧の特性が平坦となるため、充電
が完了しても微分回路がそれを検知できず、過充電状態
となる。従って、蓄電池を複数本直列にして充電する場
合は、充電電圧特性の揃った蓄電池を選別しなければな
らず、しかも充放電サイクルの繰返しにより特性が次第
に不揃いとなることも考慮しなければならない。

本発明はこのような従来の問題点を解決するためにな
されたもので、蓄電池の種類や充電電流および周囲温度
等によらず充電を適切に制御でき、また充電完了状態の
蓄電池や乾電池に誤って充電した場合でも過充電を起こ
すことがなく、さらに蓄電池を複数本直列接続して同時
に充電を行なう場合、蓄電池の直列接続本数が変化した
り、充電電圧特性が不揃いであっても過充電を起こさな
い蓄電池の充電回路を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、蓄電池の充電末期において端子電圧波形中
に、充電量に対応した端子電圧変化より周波数の十分高
い微小電圧変動が生じることに着目し、この微小電圧変
動を抽出するハイパスフィルタを設け、このハイパスフ
ィルタの出力が設定値に達したことを検出して、蓄電池
の充電を制御するようにしたことを特徴とするものであ
る。

（作 用） 密閉形ニッケルカドミウム蓄電池をはじめとする蓄電
池では、充電末期に至ると充電初期や中期では見られな
かった微小電圧変動が端子電圧波形に現われる。この現
象が発生する理由は、充電末期に至ると陽極から酸素ガ
スが発生し、その酸素ガスがセパレータを透過して陰極
側へ拡散し、陰極と反応して吸収される際の蓄電池内の
物理的変化が内部抵抗等の特性変化を引起こすことによ
るものと考えられる。密閉形ニッケルカドミウム蓄電池
に限らず、充電末期のガスが発生する系の蓄電池には同
様の現象が共通に見られる。

このような蓄電池の充電末期の端子電圧の微小変動
は、蓄電池の種類，充電電流，および周囲温度等により
充電電圧特性が変化しても常に現われるので、この微小
電圧変動をハイパスフィルタにより抽出し、そのハイパ
スフィルタの出力が設定値まで低下したことを検出して
充電を制御すれば、確実に充電末期に充電を制御できる
ことになり、過充電が防止される。

また、充電完了済みの蓄電池を再充電する場合でも、
再充電開始後若干の時間遅れでガスが発生することによ
り微小電圧変動が生じるため、同様に過充電が未然に防
止される。また、本来充電できない乾電池を誤って接続
した場合でも、乾電池内部でガスが発生することにより
微小電圧変動が端子電圧波形に現れるので、直ちに充電
制御がなされ、誤充電は起こらない。

さらに、蓄電池を複数（ｎ）本直列接続して充電する
場合、過充電時には蓄電池のｎ本の端子電圧の合成電圧
波形に個々の蓄電池の端子電圧波形上の微小電圧変動の
合成が重畳されるが、その際には最も電気容量の小さい
蓄電池の微小電圧変動が最初に現われる。このため蓄電
池１本の充電を行なう場合と同じ充電回路を用いて、電
気容量の最も小さい蓄電池が充電末期に達した時点で充
電が制御されることになり、過充電は起こらない。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係る蓄電池の充電回路を
示したものである。蓄電池１は充電制御回路２を介して
充電用電源３に接続されている。充電制御回路２は充電
電流を制御するスイッチング回路により構成される。充
電用電源３は交流電源を整流して直流を得る直流電源
か、または他の比較的大容量の電池が使用される。

蓄電池１にはさらにハイパスフィルタ４が接続されて
いる。ハイパスフィルタ４は一端が入力端子ａを介して
蓄電池１の陽極に接続されたコンデンサＣと、このコン
デンサＣの他端に反転入力端子が接続され、非反転入力
端子が接地され、出力端子がハイパスフィルタ４の出力
端子ｂに接続された演算増幅器５と、この演算増幅器５
の反転入力端子と出力端子との間に接続された抵抗Ｒと
からなるアクティブフィルタにより構成されている。

ここで、ハイパスフィルタ４の低域遮断周波数f1（＝
1/2πCR）は、蓄電池１の充電末期に現われる端子電圧V
_Bの微小電圧変動を抽出し得るように、充電末期におけ
る蓄電池１の端子電圧変化の上昇率が最大となる時点の
端子電圧変化に対応する出力が、上記微小電圧変動分に
対応する出力より小さくなる関係に選定されている。よ
り具体的には、充電末期における蓄電池１の端子電圧V_B
の上昇率が最大となる時点から、蓄電池１の端子電圧V_B
が最大となる時点までの時間をｔとしたとき、f1が1/4t
1より大となるようにCRを選定している。

ハイパスフィルタ４の出力端子ｂは、検出回路６の入
力端子ｃに接続されている。検出回路６はこの例では電
圧比較器７により構成され、電圧比較器７の反転入力端
子は検出回路６の入力端子ｃに、出力端子は検出回路６
の出力端子ｄにそれぞれ接続されている。また、電圧比
較器７の非反転入力端子には基準電圧Vthが印加されて
いる。

検出回路６の出力端子ｄはフリップフロップ８のリセ
ット端子Ｒに接続されている。フリップフロップ８のセ
ット端子Ｓには、電源投入時やスイッチ等の動作に連動
して発生するスタートパルスが印加される。フリップフ
ロップ８の出力端子Ｑは、充電制御回路２の制御端子に
接続されている。充電制御回路２はフリップフロップ８
の出力端子Ｑが高レベルのとき急速充電状態となり、低
レベルのとき充電制御状態となる。充電制御状態では蓄
電池１の充電を完全に停止させるか、または充電電流を
減少させる。

次に、第１図の充電回路の動作を第２図の電圧波形図
を参照して説明する。

充電回路の電源投入時またはスイッチ動作等に連動し
て発生するスタートパルスがフリップフロップ８のセッ
ト端子Ｓに加わると、フリップフロップ８の出力端子Ｑ
は高レベルとなり、急速充電状態となる。この状態では
充電用電源３から蓄電池１に大電流が供給され、急速充
電が開始される。この充電過程において、蓄電池１の端
子電圧V_Bは第２図に（ａ）に示すように充電初期は電圧
の上昇が急激であり、充電中期には電圧の上昇が緩やか
となり、充電末期は再び急激な電圧上昇を示してピーク
に達した後、下降し始める。

充電末期に達すると、蓄電池１の陽極から酸素ガスが
発生することにより、密閉形の蓄電池の場合は第２図
（ａ）に破線で示すように内圧Ｐが上昇する。ここで、
充電末期において酸素ガスが発生している時点での蓄電
池１の端子電圧V_Bの波形には、第２図（ａ）中に○で囲
んだ拡大図に示されるような微小電圧変動が断続的に現
われる。この微小電圧変動の周波数成分は、蓄電池１の
充電量の変化に対応する端子電圧V_Bのマクロ的な変化の
周波数成分より十分に高い。また、この微小電圧変動の
レベルは変動の出現当初は小さいが、充電がさらに進ん
で酸素ガスの発生量が多くなると、微小電圧変動のレベ
ルも大きくなる。

今、第３図（ａ）において充電末期における端子電圧
V_Bの上昇率が最大となる時刻t aから、端子電圧V_Bが最
大値Vpとなる時刻t bまでの時間をt1（sec）とすると、
充電末期における端子電圧V_Bのマクロ的な変化の周波数
成分の最大値f2（Hz）は、破線で示すように周期が約4t
1であるから、概略次式（１）で表わされる。

f2＝1/4t1 …（１） また、蓄電池１の端子電圧V_Bの時間変化に対する微分
値dV_B/d tの上昇率が最大となる時刻からdV_B/d tが最大
となる時点までの時刻をt2とすると、充電末期における
端子電圧V_Bのマクロ的な変化の周波数成分の最大値f3
（Hz）は、概略次式（２）で表わされる。

f3＝1/4t2 …（２） ところで、一般に歪波の周波数成分は三角関数で表示
されるが、三角関数は微分してもその周波数は変化しな
いことから、式（１）と（２）は通常ほぼ同一となる。
蓄電池１の端子電圧V_Bのマクロ的変化の最高周波数成分
は算出の容易な式（１）で求めればよいが、蓄電池１の
種類や周囲温度および充放電の履歴によっては、第３図
（ｂ）のように充電末期において蓄電池１の端子電圧V_B
がピークを示さないことがあり、このような場合は、式
（２）で求めればよい。

従って、ハイパスフィルタ４の低域遮断周波数f1を、
式（１）または（２）に示す周波数f2,f3より高く選定
すれば、ハイパスフィルタ４の出力においては、蓄電池
１の端子電圧V_Bの上昇率が最大となる時点のマクロ的な
変化に対応した出力よりも、微小電圧変動の周波数成分
に対応した出力の方が大きくなる。すなわち、ハイパス
フィルタ４によって後者の微小電圧変動の周波数成分を
抽出することができる。

なお、蓄電池１の端子電圧V_Bのマクロ的変化の周波数
成分の最大値f2,f3および微小電圧変動の周波数成分
は、蓄電池１の種類や周囲温度、充電電流および充放電
の履歴等によって変化するが、f2,f3はほぼ0.001Hz以下
であり、微小電圧変動の周波数成分はほぼ0.01〜10Hzの
範囲内で約１桁以上の差がある。両者の幾何平均値に近
い値をハイパスフィルタ４の低域遮断周波数f1に設定す
れば、f2,f3および微小電圧変動の周波数成分が多少変
動しても、微小電圧変動の周波数成分を抽出できる。

このようにハイパスフィルタ４の出力端子ｂには、第
２図（ｂ）に示すように蓄電池１の端子電圧V_Bの微小電
圧変動に対応した出力が現れる。このハイパスフィルタ
４の出力は検出回路６に入力され、電圧比較器７で基準
電圧Vthと比較される。電圧比較器７の出力は第２図
（ｃ）に示すようにハイパスフィルタ４の出力がVthを
越えたとき低レベルとなり、フリップフロップ８をリセ
ット状態とする。フリップフロップ８の出力端子Ｑはリ
セット状態において低レベルとなるから、充電制御回路
２は充電制御状態となり、蓄電池１の充電を停止させる
か、または充電電流を減少させる。

このようにして蓄電池１の充電末期に端子電圧波形に
現われる微小電圧変動をハイパスフィルタ４により検出
し、このハイパスフィルタ４の出力が基準電圧Vthで与
えられる設定値に達したとき充電を制御することによっ
て、蓄電池１を過充電を起こすことなく常に適切な量ま
で充電することができる。すなわち、充電電圧特性が蓄
電池の種類や充電電流および周囲温度等によって種々異
なるのに対して、上記のような微小電圧変動は充電末期
に必ず現われる現象であるため、これを利用して充電末
期を検出することで充電を制御すれば、過充電となるこ
とはない。

また、充電の終わった蓄電池を誤って再充電しようと
した場合でも、充電末期と同様に酸素ガスが発生して微
小電圧変動が生じ、充電制御を行なうことができるの
で、過充電を防止することが可能である。

同様に乾電池を接続して充電しようとした場合でも、
同様にガスが発生して微小電圧変動が生じ、充電制御を
行なうことができるので、誤充電を防止することができ
る。

さらに、蓄電池を複数本直列接続して充電する場合に
は、充電末期において最も電気容量の小さい蓄電池の微
小電圧変動が最初に現われ、その時点で全ての蓄電池の
充電が制御されるので、電気容量の小さい蓄電池が過充
電状態となるようなことはない。このため蓄電池を複数
本直列にして同時に充電する場合、従来のように充電電
圧特性の揃った蓄電池を選別するという手間を省くこと
ができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例え
ば第１図ではハイパスフィルタ４を抵抗とコンデンサと
演算増幅器とからなるアクティブフィルタにより構成し
たが、他の方式のアクティブフィルタでもよく、演算増
幅器を用いないパッシブフィルタでもよく、またディジ
タルフィルタでもよい。更に、交流電源の周波数等によ
る誤動作を防ぎ動作を安定させるために、ローパスフイ
ルタの機能をハイパスフィルタに付加したバンドパスフ
ィルタを用いてもよい。

また、第１図では検出回路６を電圧比較器７のみで構
成したが、第４図〜第10図に示すように構成してもよ
い。第４図は電圧比較器７の反転入力端子の前に整流回
路11を挿入した例である。整流回路11は図では１個のダ
イオードを用いた半波整流回路を示したが、全波整流回
路でもよく、またダイオードと演算増幅器とを組合わせ
た理想ダイオード回路でもよいし、絶対値回路であって
もよい。

第５図は電圧比較器７の反転入力端子の前に、ハイバ
スフィルタ４の出力の最大値と最小値との差を出力する
ピーク・ツー・ピーク検出回路12を挿入したものであ
る。このようにすると電圧比較器７の入力レベルが２倍
となり、検出精度が向上する。

第６図は整流回路11と電圧比較器７との間に積分回路
13を挿入した例であり、第７図はピーク・ツー・ピーク
検出回路12と電圧比較器７との間に積分回路13を挿入し
た例である。第６図および第７図のように構成すると、
ノイズによる誤動作、あるいは蓄電池の端子に充電回路
の給電端子を接触接続して電流を供給する場合の振動・
衝撃による接触抵抗の変化が引起こすハイパスフィルタ
４の出力変化に起因する誤動作を防止することができ
る。

第８図は電圧比較器７の反転入力端子の前に、ハイパ
スフィルタ４の出力のピークを検出して保持するピーク
検出回路14を挿入したものである。このピーク検出回路
14を設けると、ハイパスフィルタ４の出力のピーク値の
変化だけが電圧比較器７に入力されるので、ハイパスフ
ィルタ４の出力が基準電圧Vthを越えたことを電圧比較
器７でより容易に検出できる。この場合、ハイパスフィ
ルタ４の出力が一旦基準電圧Vthを越えると、電圧比較
器７の出力が低レベル状態を維持するので、第１図にお
けるフリップフロップ８を省略することもできる。

第９図は第８図と第４図を組合わせてピーク検出回路
14の前段に整流回路11を挿入したものであり、また第10
図は第８図と第５図とを組合わせてピーク検出回路14の
前にピーク・ツー・ピーク検出回路12を挿入したもので
ある。

なお、蓄電池１の端子から第８図と第10図におけるピ
ーク検出回路12までの間に、ノイズや振動・衝撃による
誤動作を防止するためのフィルタを挿入すれば、信頼性
がより向上する。

さらに、第１図ではハイパスフィルタ４と検出回路６
とを直接接続したが、両回路の間に増幅器を挿入して検
出感度の向上を図ることも可能である。

また、本発明に基づく充電制御は例えばタイマー制
御，電圧制御，温度制御等の従来の充電制御法と組合わ
せて実施することも可能である。

（発明の効果） 本発明によれば、蓄電池の充電末期において端子電圧
波形中に現れる，充電量に対応した端子電圧変化より高
い周波数成分である微小電圧変動分をハイパスフィルタ
により検出し、このハイパスフィルタの出力が設定値に
達したことを検出して蓄電池の充電を制御する構成とし
たことにより、蓄電池の種類や充電電流および周囲温度
等による充電電圧特性の変化によらず確実に充電末期を
検出して充電を制御でき、過充電による蓄電池の寿命低
下を防止することが可能となる。

また、充電完了後の蓄電池を誤って充電した場合、速
やかに充電制御状態になるので、過充電が防止され、乾
電池を誤って充電しようとした場合でも、直ちに充電制
御状態となり、誤充電が防止される。

さらに、蓄電池を複数本直列接続して充電する場合に
は、充電末期において電気容量の小さい蓄電池の微小電
圧変動が現れた時点で全ての蓄電池の充電が制御される
ので、電気容量の小さい蓄電池が過充電状態となること
がなく、充電電圧特性の揃った蓄電池を選別する必要が
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る蓄電池の充電回路の構
成を示す図、第２図および第３図は同実施例の動作を説
明するための電圧波形図、第４図〜第10図は本発明にお
ける検出回路の他の構成例を示す図である。 １……蓄電池、２……充電制御回路、３……充電用電
源、４……ハイパスフィルタ、５……検出回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄電池の充電末期における端子電圧波形中
   に現われる、充電量に対応した端子電圧変化より高い周
   波数成分からなる微小電圧変動を抽出するハイパスフイ
   ルタと、 このハイパスフィルタの出力が設定値に達したことを検
   出する検出手段と、 この検出手段の出力により前記蓄電池の充電を制御する
   充電制御手段とを備えたことを特徴とする蓄電池の充電
   回路。