JP3772665B2

JP3772665B2 - 電池の充電装置

Info

Publication number: JP3772665B2
Application number: JP2000350718A
Authority: JP
Inventors: 秀一原田; 健朗石丸; 信宏高野
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: US6420853B1; JP2002159147A; DE10147369A1; US20020060552A1

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は例えばコードレス電動工具等の携帯用機器等の電源として用いられているニッケルカドミウム電池（以下ニカド電池という）やニッケル水素電池等の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】
ニッケル水素電池やニカド電池を充電する充電装置の満充電検出方法は種々提案されている。定電流充電で充電末期のピーク値からの降下電圧により検出する−ΔＶ検出方法より過充電となる恐れの少ない充電時の各サンプリング幅における最新の電圧変化量を演算し、その変化量が第１設定値以上上昇すると共に上昇後の最新変化量が第２設定値以下になったら満充電と判断する満充電検出法を特開平７−１８４３２９号により提案した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この満充電検出法は前記第１設定値及び第２設定値が固定値であるため、新品の電池や長期放置された電池のような不活性電池と、充放電を繰り返した活性な電池では、図４に示すように充電末期のピークの出現が異なるため、不活性電池または活性な電池を両方とも確実に満充電検出ができない恐れがある。
【０００４】
すなわち、図４の場合は第１設定値及び第２設定値を不活性電池に合せているため、活性な電池の満充電を応答性よく検出することができなくなり、結局充電末期のピークが通り過ぎた後に充電を終了させることになり過充電になる恐れがある。
【０００５】
逆に第１設定値及び第２設定値を活性電池に合せた場合では、不活性電池の満充電を応答性よく検出することができなくなり、第１設定値以上の電圧上昇を検出できれば満充電前で充電を終了させることになり、また第１設定値以上の電圧上昇を検出できなければ過充電を生じる恐れがある。
【０００６】
また、近年電池の高容量化のニーズに対し、ニカド電池に代わり、ニッケル・水素電池の需要が急増しているが、この電池は満充電時のピークの出現がニカド電池に比べ小さく上記した同様の問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、如何なる状態の電池を充電しても応答性よく確実に満充電を判別できるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、前記電池電圧変化量に対応して前記第１設定値及び第２設定値を制御することにより達成される。
【０００９】
また前記第１設定値を超えた時の電池電圧変化量に対応して第２設定値を制御するようにしてもよい。
【００１０】
更に電池電圧変化量が最大値になった時からこの最大値から第４設定値以下に低下した時に満充電と判断してもよく、この場合変化量最大値に対応して第４設定値を制御するようにすることも可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明充電装置の一実施形態を示す回路図である。図において、１は交流電源、２は複数の充電可能な素電池を直列に接続した電池組、３は電池組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後述するＰＷＭ制御ＩＣ２３に帰還する充電電流信号伝達手段である。充電制御伝達信号手段４と充電電流信号伝達手段５はホトカプラ等からなる。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１０の出力電圧を調整するスイッチング電源ＩＣである。３０はダイオード３１、３２、チョークコイル３３と平滑用コンデンサ３４からなる整流平滑回路、４０は抵抗４１、４２からなる電池電圧検出手段で、電池組２の端子電圧を分圧する。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５６、リセット入力ポート５７からなるマイコンである。ＣＰＵ５１は１サンプリング毎に最新の電池電圧と複数サンプリング前の電池電圧を比較する。ＲＡＭ５３は所定数の過去のサンプリング電圧等を記憶する電池電圧記憶手段である。６０は演算増幅器６１、６２、抵抗６３〜６６からなる充電電流制御手段、７０は電源トランス７１、全波整流回路７２、平滑コンデンサ７３、３端子レギュレータ７４、リセットＩＣ７５からなる定電圧電源で、マイコン５０、充電電流制御手段６０等の電源となる。リセットＩＣ７５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。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５６ｂ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。
【００１２】
次に図１の回路図、図２のフローチャートを参照して、本発明充電装置の一実施形態の動作を説明する。
【００１３】
電源を投入するとマイコン５０は、電池組２の接続待機状態となる（ステップ１０１）。電池組２を接続すると、マイコン５０は電池電圧検出手段４０からの信号により電池組２の接続を判別し、出力ポート５６より充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３に充電開始信号を伝達すると共に出力ポート５６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Ｖｉを演算増幅器６２に印加し、充電電流Ｉで充電を開始する（ステップ１０２）。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値Ｖｉ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。すなわち、充電電流が大きい場合はパルス幅を狭めたパルスを、逆の場合はパルス幅を広げたパルスを高周波トランス２１に与え整流平滑回路３０で直流に平滑し、充電電流を一定に保つ。すなわち電流検出手段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を介して充電電流を設定電流値Ｉとなるように制御する。
【００１４】
次いで満充電検出制御を行う。電池電圧記憶手段５３の記憶データの６サンプリング前までの電圧Ｖi-06、Ｖi-05、……、Ｖi-01と、最新の電池電圧と６サンプリング前の電池電圧Ｖi-06との差すなわち電池電圧変化量（以下単に変化量という）△Ｖi-06、最小電池電圧変化量△Ｖmin、変化量△Ｖi-06と最小電池電圧変化量△Ｖminとの差（以下これを差変化量という)が後述する第１設定値を超えた時の差変化量に対応して記憶する２個の電圧上昇判別フラグＦｌａｇ１、Ｆｌａｇ２をイニシャルリセットし（ステップ１０３）、電池電圧サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０４）。サンプリングタイマ時間が△ｔを経過したら（ステップ１０５）、再度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ１０６）。
【００１５】
次いで電池電圧を電池電圧検出手段４０で分圧した分圧値をＡ／Ｄコンバータ５５でＡ／Ｄ変換し、電池電圧Ｖinとして取り込む（ステップ１０７）。そして演算手段５１にてＶinと６サンプリング前のデータＶi-06との差すなわち変化量△Ｖi-06＝Ｖin−Ｖi-06を求め（ステップ１０８）、ステップ１０９、１１０において差変化量が前記第１設定値を超えると共に差変化量がＫ２以上だった時に１となるＦｌａｇ２、Ｋ１以上だった時に１となるＦｌａｇ１が１となっているか否かを判断する。すなわち差変化量が既に第１設定値を超えたか否かを判断する。ステップ１０９でＦｌａｇ２が１の場合ステップ１２０にスキップする。ステップ１０９でＦｌａｇ２が０の場合はステップ１１０に進みＦｌａｇ１の値を判断し、既に小さい方の第１設定値Ｋ１を超えたか否かの判断を行う。Ｆｌａｇ１が１の場合にはステップ１１８にスキップする。Ｆｌａｇ１が０の場合はステップ１１１に進む。
【００１６】
次いで前記差変化量が小さい方の第１設定値Ｋ１以上か否かの判断を行い（ステップ１１１）、Ｋ１以上ならステップ１１７にスキップし、Ｋ１未満なら変化量が負か否かを判断し（ステップ１１２）、負でないなら変化量と変化量最小値の大小を比較し（ステップ１１４）、変化量が変化量最小値未満なら変化量を変化量最小値とし（ステップ１１５）てステップ１１６に進む。変化量が変化量最小値以上ならステップ１１６にスキップする。ステップ１１６においては、Ｖi-05→Ｖi-06、Ｖi-04→Ｖi-05、………、Ｖin→Ｖi-01とそれぞれの電池電圧データを１サンプリング前の記憶エリアに移し替え、その後ステップ１０５に戻る。
【００１７】
ステップ１１１において差変化量が第１設定値Ｋ１以上なら第１設定値Ｋ１を超えたと判断し、Ｆｌａｇ１を１にセット（ステップ１１７）しステップ１１８に進む。
【００１８】
ステップ１１８においては差変化量がＫ２以上か否かを判断し、Ｋ２以上ならＦｌａｇ２を１にセット（ステップ１１９）してステップ１２０に進み、Ｋ２未満ならステップ１２１にスキップする。
【００１９】
すなわちステップ１１１において第１設定値Ｋ１を超えた時一旦負活性電池と認識し、ステップ１１８でＫ２以上なら活性電池と認識を改め、ステップ１１８でＫ２未満なら負活性電池と認識を改めない。
【００２０】
ステップ１２０においては変化量が活性電池に対応する第２設定値Ｓ２以上低下したか否かを判断し、低下と判断したすなわち満充電と判断した場合にはステップ１２２に進んで充電を停止する。ステップ１２１においては変化量が負活性電池に対応する第２設定値Ｓ１（Ｓ１＜Ｓ２）以上低下したかを判断し、低下と判断した場合すなわち満充電と判断した場合にはステップ１２２に進んで充電を停止する。ステップ１２０、１２１において変化量が第２設定値Ｓ２（Ｓ１）以下ならステップ１１２に戻る。
【００２１】
ステップ１２２においては前記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に伝達して充電を停止する。ステップ１２３においては電池組２が取り出されるのを判断し、取り出されたら次ぎの電池組２の充電に備えてステップ１０１に戻る。
【００２２】
なお前記第１設定値Ｋ１、Ｋ２及び第２設定値Ｓ１、Ｓ２は、変化量または差変化量が満充電近傍において上昇及び低下する値で、電池電圧をＡ／Ｄコンバータ５５でデジタル値に変換した場合、所定のビット数で表されるもので、Ｋ１＜Ｋ２、Ｓ１＜Ｓ２の関係を有する。
【００２３】
上記実施形態においては変化量と変化量最小値との差すなわち差変化量が第１設定値Ｋ１、Ｋ２を超えたか否かを判断するとしたが、変化量が第１設定値Ｋ１、Ｋ２を超えたか否かを判断するようにしてもよい。また第１設定値Ｋ１、Ｋ２を超えた時の変化量または差変化量の値によって活性電池または負活性電池と認識し、第２設定値Ｓ１、Ｓ２を選択制御するようにしたが、第１設定値を超える前の変化量または差変化量の値によって活性電池か負活性電池と認識し、この認識結果によって第１設定値Ｋ１、Ｋ２及び第２設定値Ｓ１、Ｓ２を選択制御するようにしてもよい。
【００２４】
上記実施形態によれば電池組２の状態すなわち活性電池、負活性電池に関係なく満充電を正確かつ確実に検出できるようになり、過充電、不足充電となる恐れはなくなる。
【００２５】
上記実施形態においては、電池電圧変化量が第１設定値以上上昇すると共に上昇後の最新変化量が第２設定値以下になったら満充電と判断するとしたが、上記特開平７−１８４３２９号の図３から明らかな如く、変化量が最大値となった後に変化量が最大値から所定値低下した時点を満充電と判断しても電池電圧がピークに達する前に判断できることには変わりなくこのように判断しても上記実施形態の満充電判断と大差はない。
【００２６】
図３はこの思想で満充電を判断するようにしたフローチャートを示すもので以下図１の回路図、図３のフローチャートを参照して本発明の他の実施形態の動作を説明する。
【００２７】
ステップ２０１〜２０８は図２のステップ１０１〜１０８とほぼ同じであり説明を省略する。ステップ２０３において変化量の最大値△Ｖmaxが図２にない値で０にイニシャルリセットされる。
【００２８】
ステップ２０９において変化量最大値△Ｖmaxが第３設定値Ｐ２以上か否かを判断し、以上なら活性電池と判断してステップ２１５にスキップし、未満ならステップ２１０へ進む。
【００２９】
ステップ２１０において変化量最大値△Ｖmaxが第３設定値Ｐ１（＜Ｐ２）以上か否かを判断し、以上なら負活性電池と判断してステップ２１４にスキップし、未満ならステップ２１１へ進む。
【００３０】
ステップ２１１において変化量と変化量最大値との大小を判断し、変化量が大きければ変化量を変化量最大値とし（ステップ２１２）てステップ２１３に進み、変化量が小さければステップ２１３にスキップする。ステップ２１３においては上記ステップ１１６と同様に電池電圧データの移し替えを行う。
【００３１】
ステップ２１４、２１５においては、変化量が変化量最大値から第４設定値Ｑ１またはＱ２（＞Ｑ１）以上低下した否かを判断し、低下したのを判断したらステップ２１６に進んで充電を停止し、低下を判断しなかったらステップ２１１に戻る。
【００３２】
図３の実施形態においても第３設定値Ｐ１（Ｐ２）を超える時の変化量最大値によって活性電池か負活性電池かを判別し、第４設定値Ｑ１（Ｑ２）を選択するようにしたので、上記実施形態と同様に、電池組２の状態に関係なく満充電を正確かつ確実に検出できるようになる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば，これにより充電末期の電圧上昇が異なる不活性電池または活性な電池を両方とも確実に満充電検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す回路図。
【図２】本発明充電装置の動作の一実施形態を示すフローチャート。
【図３】本発明充電装置の動作の他の実施形態を示すフローチャート。
【図４】本発明による電池組の充電電圧特性を示すグラフ。
【符号の説明】
２は電池組，４０は電池電圧検出手段，５０はマイコン，６０は充電電流制御手段である。

Claims

被充電電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、電池電圧検出手段からの複数サンプリング電池電圧を記憶する電池電圧記憶手段と、最新のサンプリング電池電圧と所定数前のサンプリング電池電圧の差すなわち電池電圧の変化量を演算し、変化量が第１設定値を超えたか否かを検出し、超えない時前記電源電圧記憶手段の記憶値を書き換え、変化量が第１設定値を超えた後の最新サンプリング電池電圧の変化量が前記第１設定値より小さい第２設定値以下となったことを検出して満充電と判断する演算手段とを備えた電池の充電装置であって、
前記第１設定値を活性電池に対応する活性電池対応第１設定値及び不活性電池に対応し活性電池対応第１設定値より小さい不活性電池対応第１設定値とすると共に第２設定値を活性電池に対応する活性電池対応第２設定値及び不活性電池に対応し活性電池対応第２設定値より小さい不活性電池対応第２設定値とし、前記変化量が活性電池対応第１設定値以上となった時活性電池と認識し、その後の変化量が活性電池対応第２設定値以下となった時活性電池の満充電と検出し、前記変化量が活性電池対応第１設定値未満で不活性電池対応第１設定値以上となった時不活性電池と認識し、その後の変化量が不活性電池対応第２設定値以下となった時不活性電池の満充電と検出するようにしたことを特徴とした電池の充電装置。
被充電電池の電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、電池電圧検出手段からの複数サンプリング電池電圧を記憶する電池電圧記憶手段と、最新のサンプリング電池電圧と所定数前のサンプリング電池電圧の差すなわち電池電圧の変化量を演算し、変化量の最大値が第３設定値を超えたか否かを検出し、超えない時前記電源電圧記憶手段の記憶値を書き換え、変化量の最大値が第３設定値を超えた後の最新サンプリング電池電圧の変化量が変化量最大値より第４設定値以下となったことを検出して満充電と判断する演算手段とを備えた電池の充電装置であって、
前記第３設定値を活性電池に対応する活性電池対応第３設定値及び不活性電池に対応し活性電池対応第３設定値より小さい不活性電池対応第３設定値とすると共に第４設定値を活性電池に対応する活性電池対応第４設定値及び不活性電池に対応し活性電池対応第４設定値より小さい不活性電池対応第４設定値とし、前記変化量最大値が活性電池対応第３設定値以上となった時活性電池と認識し、その後の変化量が変化量最大値より活性電池対応第４設定値以下となった時活性電池の満充電と検出し、前記変化量最大値が活性電池対応第３設定値未満で不活性電池対応第３設定値以上となった時不活性電池と認識し、その後の変化量が変化量最大値より不活性電池対応第４設定値以下となった時不活性電池の満充電と検出するようにしたことを特徴とした電池の充電装置。