JP4345290B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池等の２次電池を充電する充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−１３６６７６
【特許文献２】
特開２０００−３１２４４０
コードレス工具等の電源に用いられているニッケルカドミニウム電池やニッケル水素電池等を充電する時、大きな電流で充電すると短時間で充電できるが、充電時の電池の発熱も大きくなり、電池のサイクル寿命が短くなるという問題がある。このため、充電装置等に設けられた冷却ファンにより電池を冷却しながら充電を行い、充電時の電池の発熱を抑制して大きな電流で短時間で充電する充電装置が提案されている。
【０００３】
特開昭２００１−１３６６７６号公報（特許文献１）には強制空冷しながら大電流により短時間に充電を行うと共に、充電の完了後にも電池の冷却を続ける冷却装置を備えた充電装置の改良技術について開示されている。
【０００４】
特開２０００−３１２４４０号公報（特許文献２）には充電時の発熱を抑制する冷却ファンを有し、比較的大きな充電電流で充電できる装置と、冷却ファンを有しない充電装置とが混在することによる問題点を改善した技術が開示されている。
【０００５】
また、低温の電池を充電する時は、大きな電流で充電すると短時間で充電できるが、電池内部のガス圧力が上昇し、電池のサイクル寿命が短くなるため、充電初期においては、比較的小さな電流で充電を行い、充電に伴い、電池温度がある所定値にまで上昇したら段階的に充電電流を大きくし、短時間で充電する充電装置が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却ファンを備えた充電装置においては、冷却ファンを作動させながら、低温の電池を周囲温度が低い状態で充電すると、電池が過度に冷却されるため、温度上昇も過度に抑制されてしまい、該充電電流を上昇させる電池温度に達するまでにかかる時間が長くなり、充電時間が長くなるという問題がある。また、温度上昇が過度に抑制された状態で充電電流を大きくすると、電池内部のガス圧力が上昇し、電池のサイクル寿命が短くなるといった問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、低温の電池を充電する際に、電池の冷却の度合いに応じて、冷却ファンの作動状況を適切に制御し、充電時間の短縮及び、電池のサイクル寿命を長寿命化することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明充電装置は、２次電池を充電するための充電装置であって、上記電池の温度を検出する電池温度検出手段と、該電池温度検出手段からの検出信号をとり込み電池温度勾配の演算を行う演算制御手段と、該演算制御装置の出力信号により制御され、上記電池を冷却するための冷却ファンとを有し、上記演算制御装置は、充電開始とともに前記冷却ファンを駆動し、所定時間経過後の上記温度勾配が所定値以上であるか否かを判断し、所定値より小さい場合は前記冷却ファンを停止して充電を続行し、所定値以上の場合は前記冷却ファンの作動を継続させながら充電を続行する、ように制御することに一つの特徴がある。
【０００９】
本発明の他の特徴は、２次電池の温度を検出する電池温度検出手段と、該電池温度検出手段からの検出信号をとり込み前記電池の充電制御を行う演算制御装置と、該演算制御装置の出力信号により制御される冷却ファンとを備えた充電装置を用いて前記電池を充電する方法であって、前記電池を前記冷却ファンで冷却しながら所定の充電電流で充電を開始するステップと、前記電池温度検出手段からの検出信号に基づいて電池温度勾配を演算するステップと、充電開始から所定時間経過後の前記電池温度勾配が予め定めた所定値以上であるか否かを判定するステップと、前記判定結果が所定値より小さい場合は、前記冷却ファンを停止して前記電池の充電を続行するステップと、前記判定結果が所定値以上の場合は、前記冷却ファンを作動しながら前記電池の充電を続行するステップと、前記電池温度検出手段により検出された電池温度が予め設定された所定値を超えたときは、前記電池に供給する充電電流を前記電流より大きい値の充電電流に切替えるステップと、前記電池の満充電状態を検出し、満充電と判定されたときは前記充電を停止するステップとを備えた充電方法にある。
【００１０】
本発明の他の特徴は、前記電池温度検出手段により検出された電池温度が予め設定された第１の所定値を超えたときには、上記電池に供給する充電電流を当初の設定値Ｉ０より大きい値Ｉ１に切替えるように制御することにある。
【００１１】
本発明の他の特徴は、前記温度検出信号により検出された電池温度が第１の所定値よりも高い第２の所定値を超えたときには、上記電池に供給する充電電流を上記電流Ｉ１より大きい電流Ｉ２に切替えるように制御することにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示す回路図である。１は交流電源、２は電池パックであり、複数の素電池を直列接続した電池組２Ａと、電池組２Ａに接触または近接して配置され、電池温度を検出する例えばサーミスタ等の感温素子２Ｂからなる。３は電池パック２に流れる充電電流を検出する電流検出手段、４は充電の開始及び停止を制御する信号を伝達する充電制御信号伝達手段、５は充電電流の信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還する充電電流信号伝達手段である。電流検出手段３は抵抗からなり、充電制御伝達信号手段４及び充電電流信号伝達手段５はホトカプラ等からなる。６は電池組２を冷却する冷却ファン、７は冷却ファン６を駆動する駆動手段であり、トランジスタ７ａ、抵抗７ｂ、７ｃから構成され、マイコン５０の出力ポート５６ｂの出力に応じて冷却ファン６の駆動を制御する。
【００１３】
１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２からなる整流平滑回路、２０は高周波トランス２１、ＭＯＳＦＥＴ２２とＰＷＭ制御ＩＣ２３からなるスイッチング回路である。ＰＷＭ制御ＩＣ２３はＭＯＳＦＥＴ２２の駆動パルス幅を変えて整流平滑回路３０の出力電圧を調整するスイッチング電源ＩＣである。
【００１４】
３０は整流平滑回路でダイオード３１、３２、チョークコイル３３、平滑用コンデンサ３４からなる。４０は抵抗４１、４２からなる電池電圧検出手段で、電池組２の端子電圧はこの抵抗４１、４２により分圧された後マイコン５０に加えられる。マイコン５０は演算手段（ＣＰＵ）５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、タイマ５４、Ａ／Ｄコンバータ５５、出力ポート５６ａ、５６ｂ、リセット入力ポート５７からなる。ＣＰＵ５１は、最新の電池温度と所定時間前にサンプリングした電池温度とから電池温度勾配の演算等を行う。
【００１５】
６０は充電電流制御手段で演算増幅器６１、６２、抵抗６３〜６６からなる。７０は定電圧電源で電源トランス７１、全波整流回路７２、３端子レギュレータ７３、７４、平滑コンデンサ７５〜７７、リセットＩＣ７８からなる。定電圧電源７０の出力電圧は、冷却ファン６、マイコン５０、充電電流制御手段６０等に供給される。リセットＩＣ７８はマイコン５０を初期状態にするためにリセット入力ポート５７にリセット信号を出力する。
【００１６】
８０は充電電流を設定する充電電流設定手段であって、前記出力ポート５６aからの信号に対応して演算増幅器６２の反転入力端に印加する電圧値を変えるものである。９０は抵抗９１、９２からなる電池温度検出手段であり、５Ｖの定電圧源と接続された抵抗９１と、抵抗９２と電池パック２内の感温素子２Ｂとによって分圧された電圧を前記マイコン５０のＡ／Ｄコンバータ５５に入力し、電池温度を検出し充電を制御する構成となっている。
【００１７】
次に図１の回路図及び図２のフローチャートを参照して本発明充電装置の動作の一例を説明する。
電源を投入するとマイコン５０は出力ポート５６a、５６ｂをイニシャルセットし、電池パック２の接続待機状態となる（ステップ１０１）。電池パック２を接続すると、マイコン５０は電池接続を電池電圧検出手段４０からの信号により判別する。
【００１８】
次いで、出力ポ−ト５６ｂからの信号により駆動手段７を介して冷却ファン６を作動する（ステップ１０２）。また出力ポ−ト５６ａより充電制御信号伝達手段４を介しＰＷＭ制御ＩＣ２３に充電開始信号を伝達するとともに出力ポート５６ａより充電電流設定手段８０を介して充電電流設定基準電圧値Ｖｉ0を演算増幅器６２に印加し、充電電流Ｉ0で充電を開始する（ステップ１０３）。
【００１９】
充電開始と同時に電池組２に流れる充電電流を電流検出手段３により検出し、この充電電流に対応する電圧と充電電流設定基準電圧値Ｖｉ0との差を充電電流制御手段６０より信号伝達手段５を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還をかける。そして、充電電流が大きい場合はパルス幅を狭めたパルスを、逆の場合パルス幅を広げたパルスをＭＯＳＦＥＴ２２で発生させる。このパルスは高周波トランス２１を介して整流平滑回路３０に加えられ、ここで整流平滑されて電池パック２に供給される。即ち、電流検出手段３、充電電流制御手段６０、信号伝達手段５、スイッチング回路２０、整流平滑回路３０により電池パック２の充電電流を所定電流値Ｉ0となるように制御する。
【００２０】
一方、電池温度検出手段９０の出力信号は所定時間間隔でサンプリングしてマイコン５０に取り込まれＲＡＭ５３に記憶される。サンプリングの時間間隔は適宜選定できるが、本実施形態では５秒に設定されている。図３はＲＡＭ５３に記憶されるサンプリングデータの一例を示し、現時点から例えば５秒前の時点ｔ１における電池温度データＴi-01、１０秒前の時点ｔ２におけるデータＴi-02……及び３０秒前の時点ｔ６における電池温度データＴi-0６が格納されている。ＲＡＭ５３に記憶するサンプル数は適宜選択することができる。
ステップ１０４においてはＲＡＭ５３に記憶された上記のデータＴi-01、Ｔi-02，…Ｔi-06と後述する各種のフラブをイニシャルリセットし、引き続いて電池温度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０５）。サンプリングタイマ時間が△ｔ（例えば５秒）を経過したら（ステップ１０６）、再度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０７）。
【００２１】
次いで、感温素子２Ａからの電圧を電池温度検出手段９０の抵抗９１，９２で分圧し、その分圧値をＡ／Ｄコンバータ５５でＡ／Ｄ変換し、電池温度Ｔinとして取り込む（ステップ１０８）。そしてＣＰＵ５１にてＴinと６サンプリング前のデ−タＴi-06との差から最新の電池温度勾配としてのdT/dt(in)＝Ｔin−Ｔi-06を求める（ステップ１０９）。本実施形態ではサンプリング時間を５秒としているのでステップ１０９では最新の３０秒間における電池温度勾配を求めていることになる。
【００２２】
次に電池温度勾配dT/dt(in)及び電池温度Ｔinの大きさに応じて冷却ファン６の動作や充電電流の大きさを制御する動作に入るが、そのためにＲＡＭ５３に図４に示すようなフラグ記憶領域が設けられている。
ステップ１１０において冷却ファン作動・停止判断フラグが1か否かの判別を行い、冷却ファン作動・停止判断フラグが1の場合は、ステップ１１５にジャンプする。ステップ１１０において冷却ファン作動・停止判断フラグが1でない場合、すなわち０の場合は、dT/dt(in)が負か否かの判別を行い（ステップ１１１）、dT/dt(in)が負の場合は、ステップ１２３にジャンプする。イニシャルリセットによりＴi-01〜Ｔi-06には∞の値が入っているからdT/dt(in) ＜０になる。すなわちステップ１１１は充電開始後所定時間（本実施形態では３０秒）経過したか否かを判定していることになる。
ステップ１１１においてdT/dt(in)が正になると所定時間が経過したと判断し、ステップ１１２に進み、dT/dt(in)が所定値Kより大きいか否かの判別を行う（ステップ１１２）。Ｋより小さい場合は、電池が過度に冷却されていると判断し、出力ポ−ト５６ｂより駆動手段７を介して冷却ファンを停止させ（ステップ１１３）、Ｋより大きい場合はステップ１１３をスキップしそのまま冷却ファンを作動させ続け、その後、冷却ファン作動・停止判断フラグを１にする（ステップ１１４）。即ち冷却ファン作動・停止判断フラグは充電開始後、所定時間経過してから最新の電池温度勾配が予め決められた値Ｋより大きいか否かの判断を行ったかどうかを表示するものであり、その判断を一度行うとそれ以後は“１”を維持する。
【００２３】
次に、I1切替えフラグが１か否かの判別を行い（ステップ１１５）、I1切替えフラグが１の場合は、ステップ１１９にジャンプする。ステップ１１５において、I1切替えフラグが1でない場合、すなわち０の場合は、Ｔinが−１０℃より大きいか否かを判別し（ステップ１１６）、−１０℃より小さい場合は、ステップ１２３にジャンプする。ステップ１１６において、Ｔinが−１０℃より大きい場合は、充電電流をＩ１（Ｉ１＞Ｉ０）に切り替え（ステップ１１７）、次いで、Ｉ１切り替えフラグを１にする（ステップ１１８）。
【００２４】
即ちステップ１１５〜１１８のフローは、充電を開始してから所定時間経過した後、最新の電池温度Ｔinがある温度（本実施形態では−１０℃）を越えたときは当初の充電電流Ｉ０より大きい充電電流Ｉ１で充電できるものと判断し、電池２の充電電流をＩ０からＩ１に切替える動作を示している。
ステップ１１５においてＩ１切替えフラグが１の場合はステップ１１９に進み、I２切替えフラグが１か否かの判別を行い、I２切替えフラグが１の場合は、ステップ１２３にジャンプする。ステップ１１９において、I２切替えフラグが1でない場合、すなわち０の場合は、Ｔinが５℃より大きいか否かを判別し（ステップ１２０）、５℃より小さい場合は、ステップ１２３にジャンプする。
【００２５】
ステップ１２０において、Ｔinが５℃より大きい場合は、充電電流をＩ２（Ｉ２＞Ｉ１）に切り替え（ステップ１２１）、次いで、Ｉ２切り替えフラグを１にする（ステップ１２２）。即ちステップ１１９〜１２２のフローは、充電開始してから所定時間経過後、最新の電池温度Ｔinがある温度（本実施形態では５℃）を超えたときに充電電流をＩ１より更に大きいＩ２に切替える動作を表している。
【００２６】
従ってステップ１１５〜１２２のフローにより電池温度が上昇するに従って充電電流がＩ０からＩ１，Ｉ１からＩ２（Ｉ０＜Ｉ１＜Ｉ２）に順次切替えられることになる。
【００２７】
次にステップ１２３に進み電池パック２が満充電か否かが判定される。電池パックか満充電か否かの判別には周知の如く種々の検出方法がある。例えば，−ΔＶ検出法は電池電圧検出手段４０の出力に基づいて充電末期のピーク電圧から所定量降下したことを検出して満充電を検出する。また２階微分検出法は電池電圧がピークに達する前に充電を停止することにより過充電を低減し，電池のサイクル寿命を向上させることを目的とし，電池電圧の時間による２階微分値が負になるのを検出して満充電とする方法である。
【００２８】
更にΔＴ検出法は、電池温度検出手段９０の出力に基づいて充電開始からの電池の温度上昇値が所定の温度上昇値以上になるのを検出して満充電とする方法である。この他，特開昭６２−１９３５１８号，特開平２−２４６７３９号，実開平３−３４６３８号公報等に記載されているように充電時における所定時間当りの電池温度上昇率（温度勾配）が所定値以上になるのを検出して満充電とするｄＴ／ｄｔ検出法等があり、本実施形態では任意の一つないし複数の満充電検出法を用いて行えばよい。
【００２９】
ステップ１２３において，電池パック２が満充電なら，マイコン５０は出力ポート５６ｂより充電制御信号伝達手段４を介して充電停止信号をＰＷＭ制御ＩＣ２３に伝達し，充電を停止する（ステップ１２５）。次いで電池パック２の取り出されるのを判別する（ステップ１２６）。電池パック２の取り出しが判別したら、出力ポ−ト５６ｂより駆動手段７を介して冷却ファン６を停止し（ステップ１２７）、ステップ１０１に戻り，次の充電の待機状態となる。
【００３０】
ステップ１２３において、電池パック２が満充電でないと判別した場合は記憶手段５３における記憶デ−タである６サンプリング前までの電池温度Ｔi-06、Ｔi-05、……、Ｔi-01を更新し，Ti-05、Ti-04………、Tinの記憶デ−タをTi-06、Ti-05、………、Ti-01の記憶エリアにそれぞれ移し替え（ステップ１２４）、再度ステップ１０６からの処理を行う。
【００３１】
また、上記実施形態では、ステップ１１６及びステップ１２０において、それぞれ電池温度が−１０℃及び５℃に達した時点で電流を切替えるようにしたがこれに限るものではなく、設定温度は電池組２Ａの仕様、及び冷却ファン６の冷却能力応じて、その温度を設定すれば良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、低温電池を充電する際に、冷却ファンによる電池の冷却の度合いに応じて、冷却ファンの作動状況を適切に制御し、充電時間の短縮及び、電池のサイクル寿命を長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明充電装置の一実施形態を示す回路図。
【図２】本発明充電装置の制御方法の一実施形態を示すフローチャート。
【図３】本発明装置のＲＡＭに記憶される電池温度データの説明図。
【図４】本発明装置のＲＡＭに記憶されるフラグの説明図。
【符号の説明】
２は電池パック、２Ａは電池組、６は冷却ファン、５０は演算手段５１、記憶手段５３、Ａ／Ｄコンバータ５５等の機能を有する制御手段であるマイコン、９０は電池温度検出手段である。

Claims (4)

1. ２次電池を充電するための充電装置であって、上記電池の温度を検出する電池温度検出手段と、該電池温度検出手段からの検出信号をとり込み電池温度勾配の演算を行う演算制御手段と、該演算制御装置の出力信号により制御され、上記電池を冷却するための冷却ファンとを有し、
   上記演算制御装置は、
   充電開始とともに前記冷却ファンを駆動し、
   所定時間経過後の上記温度勾配が所定値以上であるか否かを判断し、
   所定値より小さい場合は前記冷却ファンを停止して充電を続行し、
   所定値以上の場合は前記冷却ファンの作動を継続させながら充電を続行する、ように制御することを特徴とする充電装置。
2. ２次電池の温度を検出する電池温度検出手段と、
   該電池温度検出手段からの検出信号をとり込み前記電池の充電制御を行う演算制御装置と、
   該演算制御装置の出力信号により制御される冷却ファンとを備えた充電装置を用いて前記電池を充電する方法であって、
   前記電池を前記冷却ファンで冷却しながら所定の充電電流で、充電を開始するステップと、
   前記電池温度検出手段からの検出信号に基づいて電池温度勾配を演算するステップと、
   充電開始から所定時間経過後の前記電池温度勾配が予め定めた所定値以上であるか否かを判定するステップと、
   前記判定結果が所定値より小さい場合は、前記冷却ファンを停止して前記電池の充電を続行するステップと、
   前記判定結果が所定値以上の場合は、前記冷却ファンを作動しながら前記電池の充電を続行するステップと、
   前記電池温度検出手段により検出された電池温度が予め設定された所定値を超えたときは、前記電池に供給する充電電流を前記電流より大きい値の充電電流に切替えるステップと、
   前記電池の満充電状態を検出し、満充電と判定されたときは前記充電を停止するステップと
   よりなることを特徴とする２次電池の充電方法。
3. 請求項１において上記演算制御装置は前記電池温度検出手段により検出された電池温度が予め設定された第１の所定値を超えたときには、上記電池に供給する充電電流を当初の設定値Ｉ０より大きい値Ｉ１に切替えるように制御することを特徴とする充電装置。
4. 請求項３において上記演算制御装置は前記温度検出信号により検出された電池温度が第１の所定値よりも高い第２の所定値を超えたときには、上記電池に供給する充電電流を上記電流Ｉ１より大きい電流Ｉ２に切替えるように制御することを特徴とする充電装置。

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