JP6517092B2 - バッテリー充電器及びそれを用いたバッテリー診断器並びにバッテリー再生器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池、リチウム電池などのバッテリーを効率よく充電することの出来るバッテリー充電器、及び、このバッテリー充電器を用いて、バッテリーの劣化状態を診断することの出来るバッテリー診断機、並びに、劣化したバッテリーを回復することが出来るバッテリー再生器に関する。

フォークリフトやゴルフカート、構内電動車両等のバッテリーを動力源とする電動車両では、長年使用していると、突然にバッテリー故障が生じ、使用不可能となり、運搬業務等に問題が生じることがある。

また、近年の環境問題に対する緩和策として強い期待が寄せられている、いわゆる電気自動車（電池式電気自動車）においても、これらの電動車両と同様に、突然にバッテリー故障が生じる懸念がある。

特に、電気自動車の場合には、フォークリフトやゴルフカートなどの電動車両とは異なり、特定の範囲内だけを走行するわけではなく、公道なども走行するため、このような突然のバッテリー故障が生じると、場合によっては交通事故等に繋がりかねない。

さらには、携帯電話やＰＨＳの基地局、データセンター、病院等の公共施設などでは、災害時や停電時など電源に異常が発生した場合に備えて、非常用バッテリーを備えているが、このような非常用バッテリーについても、突然に故障が発生すると社会的に多大な影響を与えることになる。

このように故障が生じた際に多大な問題を引き起こすようなバッテリーについては、定期的に新品のバッテリーに交換するなどの処置が行われ、多くのバッテリーが廃棄されており、環境負荷の懸念がある。

このため、バッテリーの長寿命化が求められているものの、バッテリーの劣化予防については十分に行われていない。バッテリーの日常のメンテナンスなどにおいて、早期にバッテリーの劣化を検出して、バッテリーの回復処置を行うことに意義がある。

近年、バッテリーの性能を示すものとして、充電受け入れ性能で評価することが採用されている。バッテリーの劣化は、以下のような原因によりバッテリーの充電受け入れ性能が低下し、電極がスリーピングの状態となってしまう。例えば、バッテリーの過放電によるセルの転極や、深放電によるサルフェーションの発生、もしくは、バッテリーの充電時に電池温度が上昇することによって熱逸走が生じることなどがある。また、電極にバーリアが発生したり、ボーラス表面に異常物質が付着したりすることも原因の一つとなる。

このような原因によりバッテリーの充電受け入れ性能が低下した場合には、従来、故障の原因を特定したうえで、症状に応じた対応策を講じることによって、バッテリーの回復・再生を図ることになる。
本出願人は、このようなバッテリーの回復・再生を行うため、特許文献１、２に開示されるようなバッテリー再生器及びバッテリー充電器を発明した。

特許文献１において開示したバッテリー再生器では、放電回数が予め設定された所定回数に達するバッテリーの充電と放電を繰り返し行うことでバッテリーの再生を行っている。
このように充電と放電を繰り返し行うことによって、サルフェーションやバーリアなどの症状を解消し、使用困難となったバッテリーを再生して、通常使用可能な状態とすることができる。

また、特許文献２において開示したバッテリー充電器では、バッテリーの充電の際に、充電信号に基づいてバッテリーの解析を行い、バッテリーの状態に応じて自動的に充電アルゴリズムを切替えながら、所定回数もしくは所定の満充電完了条件が成立するまで充電を繰り返し行っている。

このように充電アルゴリズムを切替えながら充電を行うことによって、効率よく充電を行えるとともに、バッテリーへの負荷を小さくすることができ、バッテリーの寿命を延ばす効果が得られる。

特開２００９−２８４５７１号公報 国際公開第２０１２／０５３４８７号

このように特許文献１，２で開示されたバッテリー充電器やバッテリー再生器でも、バッテリーの寿命を延ばす充電や、劣化したバッテリーの再生などを行うことが可能であったが、単に多くの電気をバッテリーの注入するだけであり、充電アルゴリズムが最適化できていなかった。

また、バッテリーの充電受け入れ性能は、それぞれのバッテリーの容量により限界があり、容量以上に充電量を増やしても有効に充電されずに熱となり、やがては電極が損傷することになる。

さらに、バッテリーが劣化してくると、充電受け入れ性能も低下し、正規の容量以下の充電量しか受け入れられなくなる。このため、従来の充電器では、十分な充電を行うことができず、満充電となるまで充電したとしても、想定よりも早くバッテリー切れを起こしてしまうようなことがある。

なお、上述するような充電の障害となる原因を取り除くだけではなく、充電中の電解液中のイオン濃度異常分布を解消したり、さらに電解液含浸マット内等の局部的な空隙（ドライアウト現象）を解消したり、活物質とグリットの表面の境界層の導電性を向上させたりすることによっても充電受け入れ性能を向上させることができる。

これらは、バッテリーの臨界充電状態において充電を行うことによって達成することができるが、従来の充電器では、臨界充電状態における充電制御が行われておらず、バッテリーが破損してしまうことになる。

また、非常用バッテリーなどは、その容量が大きく、輸送上の問題が生じるため、センターバック式でのバッテリー再生が困難である。このため、オンサイトでの再生またはバッテリーの活性化が有効となる。

本発明では、充電アルゴリズムを最適化することによって、超臨界充電状態を形成し、スリーピングした電極を活性化して、充電受け入れ性能を向上させるとともに、充電電力が熱になったりしないで有効充電量を向上させ、効率的に短時間で充電を行うことができるとともに、セルバランスを回復させ、バッテリーの寿命を延ばすことが出来るバッテリー充電器を提供することを目的とする。

また、このようなバッテリー充電器を用いて、バッテリーの状態を診断することが可能なバッテリー診断器、及び、劣化したバッテリーの再生を行うことが出来るバッテリー再生器を提供することを目的とする。

本発明は、前述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明のバッテリー充電器は、
接続されたバッテリーの充電を行うためのバッテリー充電手段と、
前記バッテリー充電手段から送られてくる充電信号に基づいて、バッテリーの解析を行う信号解析手段と、
前記信号解析手段における解析結果に基づき前記バッテリー充電手段による充電の制御を行う制御手段と、
を備えたバッテリー充電器であって、
前記制御手段は、
０．０６ＣＡ〜０．２５ＣＡの電流により定電流充電を行う強定電流充電工程と、
前記強定電流充電工程における電流の０．０１ＣＡ〜０．０５ＣＡの電流により定電流充電を行う弱定電流充電工程と、
００．０６ＣＡ〜０．２５ＣＡの電流により定電流充電を行うループ内強定電流充電工程と、ループ内強定電流充電の０．０１ＣＡ〜０．０５ＣＡの電流により定電流充電を行うループ内弱定電流充電工程とを、所定のループ回数だけ交互に繰り返すループ充電工程と、
定電圧充電を行う定電圧充電工程と、
を順次実行するように構成されていることを特徴とする。

このようなバッテリー充電器では、
前記制御手段が、
前記ループ充電工程を多重に行うように構成されていることが好ましい。

さらには、
前記制御手段が、
前記強定電流充電工程及び前記弱定電流充電工程において、前記バッテリーの充電電圧が、該バッテリーの満充電電圧を超えたと判断した場合に、当該工程を終了するように構成されていることが好ましい。

さらには、
前記制御手段は、
前記ループ内強定電流充電工程及び前記ループ内弱定電流充電工程において、前記バッテリーの充電電圧が、該バッテリーの超臨界充電電圧を超えたと判断した場合に、前記ループ充電工程を終了するように構成されていることが好ましい。

また、本発明のバッテリー診断器は、
上述するいずれかに記載のバッテリー充電器と、
前記バッテリーの放電を行うためのバッテリー放電器と、
を備え、
前記制御手段は、
前記強定電流充電工程の前段階に、前記バッテリー放電器により所定の時間だけ前記バッテリーの放電を行う放電工程を実行し、
前記信号解析手段は、
前記強定電流充電工程、前記弱定電流充電工程、前記ループ充電工程が実行されている間、前記バッテリーのセル毎の充電電圧を計測し、
該充電電圧の変化に基づき、前記バッテリーの診断を行うことを特徴とする。

また、本発明のバッテリー再生器は、
上述するいずれかに記載のバッテリー充電器と、
前記バッテリーの放電を行うためのバッテリー放電器と、
を備え、
前記制御手段は、
前記バッテリー充電器と、前記バッテリー放電器とを用いて、前記バッテリーの充電と放電を繰り返すことにより、前記バッテリーの再生を行うことを特徴とする。

本発明によれば、従来のバッテリー充電器には出来なかった超臨界充電電圧での充電を行うことができ、充電受け入れ性能を極大化し、スリーピングした状態の電極を活性化することができる。

さらに、バッテリーへの負荷を小さくするため、超臨界充電電圧付近での充電（ループ内強定電流充電）と、ループ内弱定電流充電を繰り返しているため、バッテリーを故障させることがなく、むしろ、短時間にバッテリーの再生を行うことができ、電極を活性化させ、バッテリーの寿命を延ばすことができる。

また、複数の充電終了条件及び異常検出条件を設定することにより、超臨界充電状態におけるきめ細やかな充電制御を行うことができ、バッテリーを破損することなく、充電受け入れ性能を向上させて効果的に充電を行うことができる。

また、このようなバッテリー充電器を用いたバッテリー診断器では、バッテリーの充電時にセル毎の充電電圧の変化に生じる有意差を検出することが可能であり、バッテリーの充電と同時にバッテリーのセルバランスの診断を行うことができ、早期にバッテリーの劣化を検出することができる。

また、本発明のバッテリー充電器を用いたバッテリー再生器では、超臨界充電状態における充電制御を行うことで、デリケートなニッケル水素バッテリーやリチウムイオンバッテリーなどのセルバランスの回復を行うことができる。

図１は、本発明のバッテリー充電器の一実施例における構成を説明するためのブロック図である。 図２は、バッテリー充電器１０の充電アルゴリズムを説明するためのフローチャートである。 図３は、図２のループ充電のアルゴリズムを説明するためのサブフローチャートである。 図４は、バッテリー充電器１０を用いて充電を行った際の充電電圧及び充電電流の時間変化を示すグラフである。 図５は、図４のグラフにおいて定電圧充電中の範囲を拡大したグラフである。 図６は、従来のバッテリー充電器で充電した場合のバッテリーの充電−放電特性と、本実施例のバッテリー充電器で充電した場合のバッテリーの充電−放電特性を比較したグラフである。 図７は、本発明のバッテリー診断器の一実施例における構成を説明するための概略構成図である。 図８は、バッテリー診断器によりバッテリーの診断を行う流れを説明するためのフローチャートである。 図９は、バッテリー診断器によりバッテリーの診断を行う際に用いられるバッテリーの充電電圧の変化を示すグラフである。 図１０は、本発明のバッテリー再生器の一実施例における構成を説明するための概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明のバッテリー充電器の一実施例における構成を説明するためのブロック図である。

図１に示すように、バッテリー充電器１０は、バッテリー５０に接続し、バッテリー５０の充電を行うバッテリー充電手段２０と、バッテリー充電手段２０から送られてくる充電信号に基づいてバッテリーの解析を行う信号解析手段３０と、信号解析手段３０における解析結果に基づきバッテリー充電手段２０による充電の制御を行う制御手段４０とを備えている。

バッテリー充電手段２０から送られてくる充電信号としては、バッテリー５０の充電時におけるバッテリー電圧（以下、「充電電圧」という。）やバッテリーに流れる電流（以下、「充電電流」という。）などをそのまま信号として利用してもよいし、ＡＤ変換回路（図示せず）を介して充電電圧や充電電流をデジタル信号として送信するようにしてもよい。

なお、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号が、充電電圧や充電電流などの場合には、例えば、バッテリー充電手段２０と信号解析手段３０との間に、分流器や分圧器などを介して、信号解析手段３０に流れる電気信号として必要十分な量だけ取り出すようにすることができる。

また、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号がデジタル信号の場合には、その送受信手段として、例えば、デジタル信号をそのままの状態で送受信するデジタル送受信装置や、誤り符号訂正機能付きの信号として送受信する誤り符号訂正機能付きデジタル送受信装置などを用いることができる。

なお、バッテリー充電手段２０は、電力を供給するための電源部と、充電電流や充電電圧の変成を行うトランスとを有している。なお、バッテリー充電手段２０は、本実施例の構成に限定されず、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御などを用いたスイッチング電源を用いることもできる。

また、信号解析手段３０としては、バッテリー充電手段２０から送られてくる信号に基づいて、バッテリーの解析を行うことができる手段として、例えば、マイコンやカスタムＩＣ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いることができる。なお、信号解析手段３０は、バッテリー充電器１０の外部に設けられたパーソナルコンピュータやサーバーなどのコンピュータであってもよい。

また、制御手段４０としては、信号解析手段３０による解析結果に基づき、バッテリー充電手段２０を制御して、バッテリー５０への充電電流や充電電圧を変更することができる手段として、例えば、マイコンやカスタムＩＣ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いてもよいし、バッテリー充電器１０の外部に設けられたパーソナルコンピュータやサーバーなどのコンピュータとすることもできる。なお、制御手段４０は信号解析手段３０と一体の装置として構成することも可能である。

また、制御手段４０は、バッテリー充電手段２０に組み込まれていても構わない。すなわち、制御手段４０は、単独の装置としてもよいし、また、バッテリー充電手段２０と一体であっても、信号解析手段３０と一体であっても構わない。

また、制御手段４０には、バッテリー充電手段２０から送られてくる充電電圧や充電電流などの充電信号や充電中の経過時間などをデータとして記憶するデータ記憶手段４２が備えられている。

なお、データ記憶手段４２には、過去に行われた充電時に得られた充電信号や充電中の経過時間などのデータが記憶されており、これらのデータに基づいて信号解析手段３０においてバッテリー５０の状態を診断することができる。

また、信号解析手段３０には、充電異常が生じた場合などに、異常を報知するための異常警報手段３２を備えることができる。異常警報手段３２としては、例えば、ブザーなどの音によって報知する手段、ランプなどの光によって報知する手段、またはそれらを組み合わせた手段や液晶ディスプレイなどの図示しない表示手段などを用いることができる。

また、信号解析手段３０としてコンピュータなどが用いられている場合には、例えば、コンピュータに接続されたディスプレイなどに警報を表示するようにしてもよい。さらには、インターネットやＬＡＮ（Local Area Network）などを介して、スマートフォンやタブレット、ノートパソコンなどのモバイル端末に警報を表示することもできる。

このように構成された本実施例のバッテリー充電器１０では、以下のようにしてバッテリー５０の充電を行っている。
図２は、バッテリー充電器１０の充電アルゴリズムを説明するためのフローチャート、図３は、図２のループ充電のアルゴリズムを説明するためのサブフローチャート、図４は、バッテリー充電器１０を用いて充電を行った際の充電電圧及び充電電流の時間変化を示すグラフである。

バッテリー５０への充電を開始すると（Ｓ１０）、まず、強定電流充電を行う（Ｓ２０）。強定電流充電では、バッテリー５０の公称容量に基づき、０．０６ＣＡ〜０．２５ＣＡ、好ましくは、０．１０ＣＡ〜０．２０ＣＡの電流により定電流充電を行う。

図４に示すように、バッテリー５０に対して強定電流充電を行うことによって、充電電圧（バッテリー電圧）が徐々に上昇する。この間、信号解析手段３０では、バッテリー５０の充電電圧を逐次監視し、制御手段４０において充電電圧が後述する充電終了条件を満たしたか否かが判断される（Ｓ３０）。

そして、充電電圧が充電終了条件を満たした場合には、所定の時間だけ充電を継続（Ｓ４０）した後、所定の第１休止時間だけ充電を停止する（Ｓ５０）。なお、バッテリー５０の充電時には、充電反応によりバッテリー５０の電極付近においてイオン濃度勾配が大きくなるため、これを均一化させる時間として、第１休止時間を適宜設定することができる。

次いで、弱定電流充電を行う（Ｓ６０）。弱定電流充電では、０．０１ＣＡ〜０．０５ＣＡ程度の電流により定電流充電を行う。
図４に示すように、バッテリー５０に対して弱定電流充電を行うことによって、充電停止時にいったん低下した充電電圧（バッテリー電圧）が徐々に上昇する。この間、信号解析手段３０では、バッテリー５０の充電電圧を逐次監視し、充電電圧がバッテリー５０の後述する充電終了条件を満たしたか否かが判断される（Ｓ７０）。

そして、充電電圧が充電終了条件を満たした場合には、所定の時間だけ充電を継続（Ｓ８０）した後、所定の第２休止時間だけ充電を停止する（Ｓ９０）。なお、第２休止時間としては、第１休止時間と同じとすることが好ましいが、第１休止時間よりも短いもしくは長い時間を採用しても構わない。

次いで、ループ充電を行う（Ｓ１００）。ループ充電では、図３に示すＳ１０５からＳ１４０までを１回の充電サイクルとして、強定電流充電と弱定電流充電を繰り返すことによって行う。

まず、ループ充電における充電条件を設定する（Ｓ１０５）。ここで、充電条件とは、後述するループ内強定電流充電やループ内弱定電流充電における充電電流の大きさや、後述する充電終了条件を含むものである。

充電終了条件は、後述するような条件から適宜選択することができ、また、複数の充電終了条件を組み合わせて設定することもできる。なお、充電終了条件は、ループごとに変更してもよいし、所定のループ回数だけループ充電を行うごとに変更したり、ループ充電中に異常終了した際に充電終了条件を変更してループ充電を再開するようにしてもよい。

ループ充電におけるループ内強定電流充電では、上述するＳ２０における強定電流充電と同様に、０．０６ＣＡ〜０．２５ＣＡ程度の電流により定電流充電を行う（Ｓ１１０）。

Ｓ２０〜Ｓ８０のように強定電流充電と弱定電流充電を行うことによって、バッテリー５０は概ね充電が完了した状態となっている。このため、ループ内強定電流充電を行うことによって、充電電圧（バッテリー電圧）は通常の満充電電圧よりも高く上昇し、過電圧が生じる状態となる。

一般的に、このような過電圧が生じる状態での過充電は、バッテリーの寿命を短くし、故障の原因となると言われているが、本発明では、充電電圧がバッテリー５０の超臨界充電電圧まで上昇するようにしている。

なお、臨界充電電圧とは、バッテリーの満充電状態において、バッテリー電極の充電反応をラジカル状態に保持した際の充電電圧のことをいう。ここでは電解質のイオン状態が複合錯塩状態となるドライアウト現象を解消する状態となる。具体的には、１セルあたりの満充電電圧が２．５Ｖの鉛バッテリーでは、２．７Ｖが臨界充電電圧となる。そして、超臨界充電電圧は、臨界充電電圧の約８％高い電圧である２．９Ｖとしている。したがって、１２Ｖの鉛バッテリー（６セル）の場合、超臨界電圧は１７．５Ｖとなる。

また、１セルあたりの満充電電圧が１．３８Ｖのニッケル水素バッテリーでは、１．４２〜１．４５Ｖが臨界充電電圧となり、１．４６〜１．４９Ｖが超臨界充電電圧となる。したがって、１２セルのニッケル水素バッテリーの場合、超臨界充電電圧は１７．５〜１７．９Ｖ、２０セルのニッケル水素バッテリーの場合、超臨界充電電圧は２９．２〜２９．６Ｖ、１８８セルのニッケル水素バッテリーの場合、超臨界充電電圧は２７４〜２８０Ｖとなる。

なお、バッテリーの満充電電圧、臨界充電電圧、超臨界充電電圧は温度依存性を有しており、バッテリーの温度が低いとこれらの電圧は高くなり、一方で、温度が高いとこれらの電圧は低くなるため、上述する臨界充電電圧、超臨界充電電圧は一例であり、バッテリーの種類や使用条件等により適宜変更が可能である。

すなわち、信号解析手段３０において、バッテリー５０の充電電圧を逐次監視し、充電電圧がバッテリー５０の超臨界充電電圧を超えたか否かが判断される（Ｓ１１５）。
そして、充電電圧が超臨界充電電圧を超えた場合には、所定の第３休止時間だけ充電を停止する（Ｓ１２０）。なお、第３休止時間としては、第２休止時間と同じにすることが好ましい。

なお、ループ内強定電流充電中に後述するような異常検出条件を満たした場合（Ｓ１１１）には、ループ充電Ｓ１００を終了するように構成することが好ましい。

次いで、ループ内弱定電流充電では、上述するＳ５０における弱定電流充電と同様に、強定電流充電の０．０１ＣＡ〜０．０５ＣＡ程度の電流により定電流充電を行う（Ｓ１３０）。この間、信号解析手段３０では、バッテリー５０の充電電圧を逐次監視し、充電電圧がバッテリー５０の後述する充電終了条件を満たしたか否かが判断される（Ｓ１３５）。

そして、充電電圧が充電終了条件を満たした場合には、所定の第４休止時間だけ充電を停止する（Ｓ１４０）。なお、第４休止時間としては、第３休止時間と同じにすることが好ましい。

なお、ループ内弱定電流充電中に後述するような異常検出条件を満たした場合（Ｓ１３１）には、ループ充電Ｓ１００を終了するように構成することが好ましい。

このようにループ充電中に、強定電流充電と弱定電流充電を組み合わせることで、劣化初期のバッテリー５０であれば、電極活物質の活性化が回復することになる。

図４に示すように、ループ充電を行うことによって、ループ内弱定電流充電中の充電電圧が、充電サイクルを繰り返すにつれ徐々に上昇する。そして、事前に設定された所定のループ回数だけ充電サイクルが実行されたか否かが判断され（Ｓ１４５）、所定のループ回数に達していない場合には、Ｓ１１０のループ内強定電流充電に戻ってループ充電を継続し、ループ回数に達した場合には、ループ充電を終了する（Ｓ１５０）。

なお、ループ充電によるバッテリーの充電量は、全体の１０〜２０％程度とすることが好ましく、充電時間にすると、ループ充電時間は総充電時間の４０〜６０％程度とすることが好ましい。

また、ループ内強定電流充電とループ内弱定電流充電とは、充電量にして、１：１〜１：３とすることが望ましい。
ループ内強定電流充電は、バッテリーを超臨界充電状態に維持する役割を果たし、ループ内弱定電流充電は、バッテリーの有効充電量を増加させる役割を果たしている。

このように、バッテリーの充電電圧を超臨界充電電圧まで上昇させるループ内強定電流充電と、負荷の小さい弱定電流充電とを交互に行うループ充電を行うことによって、効率的に短時間で充電を行うとともに、バッテリーへの負荷を小さくすることができる。

なお、ループ充電を終了した後、所定のループ休止時間だけ充電を停止した後、充電電流などの充電条件を変更し、次のステップのループ充電（Ｓ１００）を行うように構成することもできる。

すなわち、ループ充電回数が所定のステップ数に達したか否かを判断し（Ｓ１５５）、ステップ数に達していない場合には、Ｓ１００のループ充電を繰り返し実行する。なお、この場合、ステップ毎の充電条件は、例えば、前回のループ充電時の半分程度の充電量としたり、１．３倍の充電量としたりするなど、適宜変更することが好ましい。

このように、充電条件の異なるループ充電を多重に行うことによって、ループ充電における強弱のレベルや、ループ充電毎の充電量のレベルなどを微細に調整することが出来、バッテリーの再生を行い充電受け入れ性能を回復させて、効果的にバッテリーの充電を行うことができる。

なお、充電条件の変更は、本実施例のように、自動的に行うようにしてもよいが、ループ充電から次のループ充電に移行した際の充電条件の変更時などのタイミングで、手動により充電条件を変更するようにしてもよい。

その後、バッテリー５０の充電状態をチェックするため、定電圧充電を行う（Ｓ１６０）。なお、定電圧充電では、浮動充電（フロート充電）とすることが好ましい。
定電圧充電中は、図５に示すように、時間が経つにつれて充電電流は低下していくが、過充電状態となると充電電流が増大することになる。このため、定電圧充電中は、信号解析手段３０により、バッテリー５０の充電電流を逐次監視し、充電電流の増大分（＋ΔＡ２）が、所定の充電完了増大値を超えたか否かを判断する（Ｓ１７０）。

そして、充電電流の増大分が、充電完了増大値を超えた場合に、バッテリー５０の充電を終了する（Ｓ１８０）。

このように構成した本発明のバッテリー充電器１０によれば、従来のバッテリー充電器には出来なかった超臨界充電電圧付近での充電を行うことができ、バッテリー５０の活性化充電が行える。

さらに、バッテリー５０への負荷を小さくするため、超臨界充電電圧付近での充電（ループ内強定電流充電）と、弱定電流充電を繰り返しているため、バッテリー５０を故障させることがなく、むしろ、サルフェーションやバーリアなどの症状を解消し、バッテリーの寿命を延ばすことができる。

なお、充電終了条件としては、以下のような複数の監視パラメーターを設定し、そのいずれかを満たした場合に充電を終了させるようにすることで、効率的に短時間で充電を行うとともに、バッテリーへの負荷を小さくすることができる。

（１）通常の満充電検出
例えば、充電量を検出することでバッテリー５０が満充電となった時点で充電を終了させたり、満充電検出後、タイマーを用いて所定の時間Ｔｃだけ充電を行った時点で充電を終了させることができる。

（２）−ΔＶ２の検出
ループ充電中において、ｎ−１回目の充電時における最大バッテリー電圧よりも、ｎ回目の充電時における最大バッテリー電圧が低下した場合には、その値を−ΔＶ２として検知し、この−ΔＶ２が所定の設定値よりも大きくなった場合には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。

このように、−ΔＶ２が大きくなった場合には、それ以上充電をすることができない状態、すなわち、充電限界を迎えた状態であると判断することができるため、バッテリーの充電を正常に終了させることができる。

なお、−ΔＶ２の設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１Ｖ（バッテリー電圧として２〜２．５Ｖ程度）とすることができる。なお、このように−ΔＶ２が検出されることは、鉛バッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムイオンバッテリーのいずれにもおきえる。

（３）−ΔＶ３の検出
ループ充電中において、ｍ回目の充電時における最大バッテリー電圧よりも、ｎ回目（ｍ＜ｎ）の充電時における最大バッテリー電圧が低下した場合には、その値を−ΔＶ３として検知し、このΔＶ３が所定の設定値よりも大きくなった場合には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。

このように、−ΔＶ３が大きくなった場合には、それ以上充電をすることができない状態、すなわち、充電限界を迎えた状態であると判断することができるため、バッテリーの充電を正常に終了させることができる。

なお、−ΔＶ３の設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１Ｖ（バッテリー電圧として２〜２．５Ｖ程度）とすることができる。なお、このように−ΔＶ３が検出されることは、鉛バッテリー、ニッケル水素バッテリー、リチウムイオンバッテリーのいずれにもおきえる。

（４）−ΔＡＨ１の検出
ループ充電中の充電量が、一つ前のステップのループ充電中の充電量よりも減少した場合、その差を−ΔＡＨ１として検出し、−ΔＡＨ１が所定の許容値よりも大きくなった場合には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。

（５）ΔＡＨ１の検出
ループ充電中の充電量が、一つ前のステップのループ充電中の充電量よりも増加した場合、その差をΔＡＨ１として検出し、ΔＡＨ１が所定の許容値よりも大きくなった場合には、満充電条件が成立したと判断され充電を完了させることができる。

このような満充電条件を設定するとともに、下記のような異常検出条件を設定することによって、充電中に異常が発生した場合に、充電を終了させ、バッテリー５０が損傷することを防ぐことができる。

（１）−ΔＶの検出
充電中に、バッテリー電圧が低下した場合には、その値を−ΔＶとして検知し、この−ΔＶが所定の設定値よりも大きくなった場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

なお、−ΔＶの設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１Ｖ（バッテリー電圧として２Ｖ〜２．５Ｖ程度）とすることができる。なお、このように−ΔＶが検出されることは、特に、ニッケル水素バッテリーで多い。

（２）＋ΔＶの検出
定電圧充電中において、バッテリー電圧が急に上昇した場合には、その値を＋ΔＶとして検知し、この＋ΔＶが所定の設定値よりも大きくなった場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

なお、＋ΔＶの設定値としては、バッテリーの種類や定格電圧によって適宜設定することができるが、例えば、定格４８Ｖのバッテリーの場合には、全セル電圧の平均値として０．１２Ｖ（バッテリー電圧として３Ｖ程度）とすることができる。なお、このように＋ΔＶが検出されることは、特に、リチウムイオンバッテリーで多い。

（３）＋ΔＡの検出
定電圧充電中において、バッテリーに流れる電流の値が急に増大することがある。この増大量をΔＡとして検知し、このΔＡが所定の設定値よりも大きくなった場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

なお、＋ΔＡの設定値としては、バッテリーの種類や定電流充電時の電流値によって適宜設定することができるが、例えば、定格容量が４００ＡＨのバッテリーの場合には、５〜１０Ａ程度とすることができる。なお、このように＋ΔＡが検出されることは、特に、ニッケル水素バッテリーで多い。

（４）Ｖｕの検出
バッテリー５０の下限限界電圧Ｖｕを設定しておき、バッテリー５０の充電電圧が、下限限界電圧Ｖｕを下回った場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

（５）Ｖｈの検出
バッテリー５０の上限限界電圧Ｖｈを設定しておき、バッテリー５０の充電電圧が、上限限界電圧Ｖｈを上回った場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

（６）Ｔｔの検出
充電上限時間Ｔｔを設定しておき、バッテリー５０の充電時間が、充電上限時間Ｔｔを上回った場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

（７）Ｔｌｃの検出
ループ充電中のループ充電上限時間Ｔｌｃを設定しておき、ループ充電時間が、ループ充電上限時間Ｔｌｃを上回った場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

（８）Ａｌの検出
定電圧充電中において、充電電流が下限電流Ａｌを下回った場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

（９）Ｖｏの検出
所定の過電圧監視開始電圧Ｖ₀を設定しておき、充電電圧が過電圧監視開始電圧Ｖｏに達してから所定時間経過しても、バッテリー５０の満充電電圧Ｖｃまで上昇しない場合には、異常として検出し、充電を中止するようにする。

このように複数の充電終了条件及び異常検出条件を設定することにより、超臨界充電状態におけるきめ細やかな充電制御を行うことができ、バッテリー５０を破損することなく、充電受け入れ性能を向上させて効果的に充電を行うことができる。

なお、本実施例では、異常検出条件を満たした場合には、ループ充電Ｓ１００を終了し、Ｓ１５５において、ループ充電回数が所定のステップ数に達していない場合には、再度ループ充電Ｓ１００を行うように構成しているが、充電を継続することが危険な場合などには充電そのものを中止するように構成してもよい。

なお、充電開始直後は、バッテリー５０の充電電圧が過渡状態にあり、電圧変化が安定しない。このため、所定の充電過渡時間Ｔｎを設定し、充電開始から充電過渡時間Ｔｎが経過するまでは、充電終了条件及び異常検出条件の判定を行わないようにすることが好ましい。

図６は、従来のバッテリー充電器で充電した場合のバッテリー５０の充電受け入れ特性と、本実施例のバッテリー充電器で充電した場合のバッテリー５０の充電受け入れ特性を比較したグラフであり、図６（ａ）が充電時の充電量と電圧の関係を示すグラフ、図６（ｂ）が放電時の放電量と電圧の関係を示すグラフである。

なお、図６において、Ｖ、ＶＶ、ＶＶＶは従来の充電器を用いて充電し、そのバッテリーを放電させて充電−放電特性を計測した。一方で、Ｍは本実施例のバッテリー充電器１０を用いて充電し、そのバッテリーを放電させて充電−放電特性を計測した。

なお、Ｖは弱電流、ＶＶは中電流、ＶＶＶは大電流で充電した場合の結果である。
図６に示すように、中電流で充電した方が高電流で充電するよりも多くの有効充電をすることができ、さらに、弱電流でゆっくり充電した方が、中電流で充電するよりも多くの有効充電をすることができる。すなわち、弱い電流でゆっくり時間をかけて充電を行った方が充電受け入れ性能が優れている。

これに対して、本実施例のバッテリー充電器５０を用いた場合には、初期の強定電流充電時において中電流によって充電を行ったとしても、従来のバッテリー充電器を用いて弱電流によって充電を行った場合に比べて、より多くの電力が充電でき、また、多くの電力を出力することができるようになっている。すなわち、従来のバッテリー充電器を用いて弱電流によってゆっくりと充電をするよりも、本実施例のバッテリー充電器１０を用いて充電を行った方が、充電受け入れ性能が優れている。これは、超臨界充電状態においてループ内弱定電流充電時においてゆっくり充電を行っていることの効果である。

なお、本実施例であるＭでは、強定電流充電と弱定電流充電とを組み合わせたループ充電を行っているが、例えば、強定電流充電のみのループ充電（強定電流充電と充電休止の繰り返し）や、弱定電流充電のみのループ充電（弱定電流充電と充電休止の繰り返し）では、その充電受入量は本実施例であるＭよりも小さいと推定される。すなわち、強定電流充電と弱定電流充電とを組み合わせたループ充電が最もバッテリーを活性化することができる。

図７は、本発明のバッテリー診断器の一実施例における構成を説明するための概略構成図、図８は、バッテリー診断器によりバッテリーの診断を行う流れを説明するためのフローチャートである。

このバッテリー診断器６０は、バッテリー充電器１０と、バッテリー５０の放電を行うためのバッテリー放電器６２とを備えている。
なお、バッテリー放電器６２によるバッテリー５０の放電制御のため、バッテリー放電器６２に制御手段を設けてもよいが、本実施例では、バッテリー充電器１０の制御手段４０により、バッテリー放電器６２を制御するよう構成している。

この実施例のように、バッテリー診断器６０として使用するためには、制御手段４０において、以下のように、バッテリー充電手段２０と信号解析手段３０とバッテリー放電器６２とを制御することにより達成する。

バッテリーの診断を始めると（Ｓ２００）、まず、バッテリー放電器６２により所定の時間だけ放電を行う（Ｓ２１０）。これにより、バッテリー５０の各セルがそれぞれ有する放電深度に応じて放電が行われる。

この状態で、信号解析手段３０によって、バッテリー５０のセル毎の充電電圧の計測を開始（Ｓ２２０）するとともに、バッテリー充電器１０により上述するようなアルゴリズムによってバッテリー５０の強定電流充電、弱定電流充電、ループ充電を行う（Ｓ２２０）。

信号解析手段３０では、バッテリー５０の充電が完了するまで、充電電圧を計測する。バッテリー５０の充電が完了すると、信号解析手段３０によって、セル毎の充電電圧の変化を解析する（Ｓ２４０）。

このように、バッテリー５０の充電を行いながら、充電電圧の変化を解析することにより、図９に示すように、バッテリーの充電を進めていくと、ループ内弱定電流充電時の充電電圧に有意差が検出される。なお、７，１２，２０，２４はバッテリーセルのセル番号である。

このセル毎の充電電圧の変化に生じる有意差に基づいて、バッテリー５０のセルバランスを把握することができ、バッテリー５０の診断を行うことができる。

図１０は、本発明のバッテリー再生器の一実施例における構成を説明するための概略構成図である。
このバッテリー再生器７０は、上述するバッテリー診断器６０と基本的には同じ構成とすることができるため、同一の構成部材には、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

このように構成したバッテリー再生器７０では、特許文献１に開示するように、制御手段４０により、バッテリー５０の充電と放電を繰り返し行うことにより、バッテリーの再生を行うことができる。

このようなバッテリー再生器７０であれば、従来の充電器では充電不能なバッテリーであっても、充電が可能となるようにバッテリーの再生を行うことができる。
なお、バッテリーセルに対して並列にコンデンサーを接続し、パッシブバランシングを行うように構成することもできる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、
上記実施例では、一例として鉛バッテリーとニッケル水素バッテリーの超臨界充電電圧を挙げたが、本発明のバッテリー充電器、バッテリー診断器、バッテリー再生器では、例えば、リチウムイオンバッテリー、ニッケルカドミウムバッテリーなどにも使用することができる。

また、特許文献１，２に開示するように異常を検出するように構成し、バッテリーに対して過剰な負荷がかかった場合に、瞬時に充電を終了させ、バッテリーの故障を防ぐなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１０ バッテリー充電器
２０ バッテリー充電手段
３０ 信号解析手段
３２ 異常警報手段
４０ 制御手段
４２ データ記憶手段
５０ バッテリー
６０ バッテリー診断器
６２ バッテリー放電器
７０ バッテリー再生器

Claims (7)

1. 接続されたバッテリーの充電を行うためのバッテリー充電手段と、
   前記バッテリー充電手段から送られてくる充電信号に基づいて、バッテリーの解析を行う信号解析手段と、
   前記信号解析手段における解析結果に基づき前記バッテリー充電手段による充電の制御を行う制御手段と、
   を備えたバッテリー充電器であって、
   前記制御手段は、
   ０．０６ＣＡ〜０．２５ＣＡの電流により定電流充電を行う強定電流充電工程と、
   前記強定電流充電工程における電流の０．０１ＣＡ〜０．０５ＣＡの電流により定電流充電を行う弱定電流充電工程と、
   ０．０６ＣＡ〜０．２５ＣＡの電流により定電流充電を行うループ内強定電流充電工程と、ループ内強定電流充電の０．０１ＣＡ〜０．０５ＣＡの電流により定電流充電を行うループ内弱定電流充電工程とを、所定のループ回数だけ交互に繰り返すループ充電工程と、
   定電圧充電を行う定電圧充電工程と、
   を順次実行するように構成されていることを特徴とするバッテリー充電器。
2. 前記制御手段は、
   前記ループ充電工程を多重に行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー充電器。
3. 前記制御手段は、
   事前に設定された充電終了条件及び異常検出条件が記憶され、
   前記強定電流充電工程、前記弱定電流充電工程、前記ループ充電工程において、前記充電終了条件または前記異常検出条件が満たされた場合に、当該工程を終了するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリー充電器。
4. 前記制御手段は、
   前記強定電流充電工程及び前記弱定電流充電工程において、前記バッテリーの充電電圧が、該バッテリーの満充電電圧を超えたと判断した場合に、当該工程を終了するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のバッテリー充電器。
5. 前記制御手段は、
   前記ループ内強定電流充電工程及び前記ループ内弱定電流充電工程において、前記バッテリーの充電電圧が、該バッテリーの超臨界充電電圧を超えたと判断した場合に、前記ループ充電工程を終了するように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のバッテリー充電器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のバッテリー充電器と、
   前記バッテリーの放電を行うためのバッテリー放電器と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記強定電流充電工程の前段階に、前記バッテリー放電器により所定の時間だけ前記バッテリーの放電を行う放電工程を実行し、
   前記信号解析手段は、
   前記強定電流充電工程、前記弱定電流充電工程、前記ループ充電工程が実行されている間、前記バッテリーのセル毎の充電電圧を計測し、
   該充電電圧の変化に基づき、前記バッテリーの診断を行うことを特徴とするバッテリー診断器。
7. 請求項１から５のいずれかに記載のバッテリー充電器と、
   前記バッテリーの放電を行うためのバッテリー放電器と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記バッテリー充電器と、前記バッテリー放電器とを用いて、前記バッテリーの充電と放電を繰り返すことにより、前記バッテリーの再生を行うことを特徴とするバッテリー再生器。

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