JPH0898426A - バッテリの充電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バッテリの劣化を防止しつつ、充電時間の短
縮することのできる充電方法を提供する。 【構成】 バッテリ温度と、バッテリ蓄電状態を検出す
る。前記検出されたバッテリ蓄電状態に基づき充電すべ
き電気量を算出する。前記バッテリ温度と前記充電すべ
き電気量に基づき、充電終了時のバッテリ温度が予め定
められた所定温度または当該所定温度以下となる充電電
流を算出する。算出された充電電流によって充電を実行
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッテリの劣化が進ま
ず、また効率良く充電できる状態にバッテリを維持しつ
つバッテリの充電を行う方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】バッテリには、通常乾電池と呼ばれるマ
ンガン電池やアルカリ電池などの使い切り形式のいわゆ
る電池と、一旦放電しても充電を行うことによって再び
使用することができる二次電池がある。二次電池は、そ
の使用状態や充電時の状態によって、その寿命が大きく
異なってくる。たとえば、後者の電池の代表的なもので
ある鉛二次電池の場合、一旦蓄電量が０になってしまう
と、劣化が著しく進む。また、充電時のバッテリ温度の
上昇や過充電によっても劣化が進む。

【０００３】このように二次電池の場合は、その電池の
特性に合わせて適正な状態で使用および充電する必要が
ある。特開平４−３５１４２８号公報には、二次電池に
充電する際に、現在の蓄電量に基づき適切な充電時間を
算出し、この充電電気量を達成する充電時間を算出して
過充電を防止する技術が開示されている。そして、この
充電時間の算出においては、充電時の電流（充電電流）
は一定であるとして行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の装
置においては、充電電流は一定であり、充電電流を増加
させることができず充電時間が長くなるという問題があ
った。すなわち、バッテリの温度上昇による劣化を抑制
するために、充電電流は十分に低い値に固定されてお
り、たとえ、充電時間が短く温度上昇が少ないと考えら
れるときにおいても、また充電時の外気温、バッテリ温
度等が低く、バッテリが高温にならないと予想される時
においても、前記の低い充電電流によって充電しなけれ
ばならなかった。

【０００５】バッテリ温度が高い状態で充電を行うと、
電解液中より水の電気分解によるガスが発生し、電解液
が減少してついには液枯れ状態となり、電池として機能
しなくなる。このガス発生はバッテリ温度が高いほど発
生しやすく、したがって充電中のバッテリ温度が高いほ
ど早くバッテリの劣化が進行する。また、充電電流がガ
ス発生のために消費されてしまうので充電の効率も悪化
する。また、バッテリ温度が高いと格子腐蝕が発生し、
これもバッテリの劣化を早めることとなる。

【０００６】以上のように、バッテリ温度が高い状態で
充電を行うと、効率が悪く、バッテリの劣化が早く進む
ので、充電中にバッテリ温度が高くなり過ぎないような
充電電流を設定する必要がある。前記公報に示された装
置においては、充電電流は一定であり、バッテリの劣化
を考慮した場合、充電時間が長く温度上昇が多いと考え
られるときに合わせた低い充電電流に設定する必要があ
る。したがって、充電すべき電気量が少なく比較的短時
間で充電が終了する場合においても、バッテリ温度がそ
れほど上昇しないにもかかわらず、充電電流を増加させ
ることができず、必要以上に充電時間が長くなる場合が
あるという問題があった。

【０００７】本発明は前述の問題点を解決するためにな
されたものであり、バッテリの劣化を抑えつつ充電時間
の短縮を行うことのできるバッテリの充電方法を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明にかかるバッテリの充電方法は、バッテリ
温度を検出する工程と、バッテリ蓄電状態を検出する工
程と、前記検出されたバッテリ蓄電状態に基づき充電す
べき電気量を算出する工程と、前記バッテリ温度と前記
充電すべき電気量に基づき充電終了時のバッテリ温度が
予め定められた所定温度以下となる最大の充電電流を算
出する工程と、算出された充電電流によって充電を実行
する工程とを有している。

【０００９】

【作用】本発明は以上のような構成を有しており、バッ
テリの温度上昇を所定値以内に抑えることができるの
で、充電時の温度上昇によるバッテリ劣化を防止するこ
とができる。また、バッテリ劣化が発生しない範囲で充
電電流を増加させることができるので、充電時間の短縮
が可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明にかかる好適な実施例を図面に
従って説明する。

【００１１】図１には、第１実施例のフローチャートが
示されている。まず、充電開始前のバッテリの温度Ｔ_a
が検出される（Ｓ１０）。また、充電していない状態で
のバッテリ端子電圧が検出され（Ｓ１２）、これを基に
バッテリにどのくらいの電気量が蓄えられているかを示
すバッテリ蓄電状態（ＳＯＣ）を算出する（Ｓ１４）。
ＳＯＣは、バッテリが十分に蓄電している状態の電気量
に対する現在蓄電されている電気量の割合であり、通常
百分率により表示される。また、ＳＯＣが高いとき、す
なわち蓄電された電気量が多いときにはバッテリ端子電
圧も高くなり、逆にＳＯＣが低いときには端子電圧は低
くなる。したがって、端子電圧を検出することでＳＯＣ
を算出することができる。

【００１２】算出されたＳＯＣに基づき充電すべき電気
量（必要充電量）Ｃを算出する（Ｓ１６）。必要充電量
Ｃは、バッテリが十分に蓄電された状態とするまで充電
されるべき電気量に、均等化充電量Ｃ_s を加えたもので
ある。バッテリに蓄えられるべき電気量は、バッテリの
容量（Ｃ_full）とＳＯＣ（％）から、

【数１】Ｃ_full＊（１−ＳＯＣ／１００） …（１） と表される。また、均等化充電量Ｃ_s は、充電中ガス発
生などで失われる電気量、および複数のバッテリ間での
蓄電状態のばらつきを少なくするための電気量である。
直列接続されたバッテリにおいては、蓄電状態のばらつ
きがあったまま使用すると、このばらつきがさらに大き
くなり、特定のバッテリの劣化が急速に進む。したがっ
て、やや多めに充電を行うことによって、複数のバッテ
リのばらつきを減少させている。よって、必要充電量Ｃ
は、

【数２】 Ｃ＝Ｃ_full＊（１−ＳＯＣ／１００）＋Ｃ_s …（２） で表される。

【００１３】次に、前記の必要充電量Ｃに基づき、１段
目充電の充電量Ｃ₁ を算出する（Ｓ１８）。バッテリの
充電は通常２段階に分けて行われ、前期（１段目）では
比較的大きな充電電流で急速に蓄電状態の改善を図り、
後期（２段目）では比較的充電電流を低くして、ガス発
生を抑えて効率良く充電を行う。本実施例においても２
段に分けて充電を行っており、２段目の充電条件は固定
されている。すなわち、２段目充電においては、充電電
流および充電時間が予め定められた値に固定されてお
り、よってこの間のバッテリ温度の上昇はほぼ一定の値
となる。また、充電電流および充電時間が定まっている
ので、２段目充電Ｃ₂ における充電量も定まる。したが
って、必要充電量Ｃと２段目充電量Ｃ₂ から、１段目の
充電量Ｃ₁は、

【数３】Ｃ₁ ＝Ｃ−Ｃ₂ …（３） として求まる。

【００１４】次に、１段目充電電流Ｉ₁ を仮定する（Ｓ
２０）。この仮定値は、実施例の装置が発生し得る最大
の充電電流であり、この充電電流Ｉ₁ と１段目充電量Ｃ
₁ から１段目充電時間ｔ₁ が、

【数４】ｔ₁ ＝Ｃ₁ ／Ｉ₁ …（４） より求まる。

【００１５】以上から１段目充電を行った際の温度変化
ΔＴ₁ を求めることができる（Ｓ２２）。すなわち、図
２に示すような、ある充電電流Ｉ₁ である充電時間
ｔ₁ 、充電を行ったときの温度変化ΔＴ₁ を示す温度上
昇特性図を予め作成しておき、この図から温度変化を推
定する。そして、ステップＳ１０で求めたバッテリ温度
Ｔ_a と１段目充電における温度変化ΔＴ₁ とから、１段
目充電の終了時点でのバッテリ温度Ｔ₁ が

【数５】Ｔ₁ ＝Ｔ_a ＋ΔＴ₁ …（５） として算出される（Ｓ２４）。この１段目終了時のバッ
テリ温度Ｔ₁ と１段目充電上限温度Ｔ_u1が比較される
（Ｓ２６）。１段目上限温度Ｔ_u1は、ガス発生などによ
りバッテリの劣化が著しく進行する温度の下限値（充電
時上限温度）Ｔ_u と２段目充電の際の温度変化ΔＴ₂ と
から、

【数６】Ｔ_u1＝Ｔ_u −ΔＴ₂ …（６） として求まる。すなわち、１段目、２段目を含めて充電
時に越えることがないようにすべき温度が充電時上限温
度Ｔ_u であり、２段目充電終了時点でこの上限温度上限
温度Ｔ_u を越えないようにするためには２段目充電で上
昇する温度ΔＴ₂を見越して、１段目終了時の上限温度
Ｔ_u1が定められている。そして、推定された１段目充電
終了時の温度Ｔ₁ が１段目の上限温度Ｔ_u1以下であれ
ば、１段目充電電流Ｉ₁ で、１段目充電時間ｔ₁ の充電
が実行される（Ｓ２８）。１段目充電時間終了後ただち
に２段目充電が実行される（Ｓ３０）。前述のように本
実施例においては、２段目充電の電流および時間は予め
設定された固定値である。

【００１６】一方、ステップＳ２６で一段目充電終了時
の温度Ｔ₁ が１段目の上限温度Ｔ_u1を越えている場合、
より低い充電電流が仮定しなおされ、ステップＳ２２に
移行する。

【００１７】１段目充電条件の決定について、図２を用
いて具体例をあげて説明する。バッテリは、蓄電容量Ｃ
_fullが５０Ａｈ、充電時の上限温度Ｔ_u が６０℃の性能
を有する。また、２段目充電の充電条件は、充電電流Ｉ
₂ が２．５Ａ、充電時間ｔ₂が４時間、またこのときの
バッテリ温度上昇ΔＴ₂ が１０℃とする。そして、ＳＯ
Ｃが０％、すなわち空の状態、バッテリ温度Ｔ_a が１５
℃から充電を開始するとする。また、均等化充電量Ｃ_s
が８Ａｈとする。充電装置の性能は、充電電流を１２
Ａ，８Ａ，６Ａ，２．５Ａと設定できるものとする。

【００１８】必要充電量は式（２）より必要充電量Ｃは
５８Ａｈとなり、さらに式（３）より１段目充電量Ｃ₁
は４８Ａｈとなる。充電装置の発生可能な電流の最大値
１２Ａをまず１段目充電電流Ｉ₁ として仮定する。この
とき、式（４）から充電時間ｔ₁ が４時間と求まる。図
２から、このときの１段目充電終了時点での温度上昇Δ
Ｔ₁ が５０℃であることが分かる。さらに、式（５）か
ら１段目充電終了時点でのバッテリ温度Ｔ₁ が６５℃と
して算出される。一方、１段目充電上限温度Ｔ_u1は式
（６）より５０℃と求まり、算出されたバッテリ温度Ｔ
₁ はこの５０℃より大幅に高い。すなわち、仮定した充
電電流Ｉ₁ が高すぎる値であったことが分かる。そこ
で、１段目充電電流Ｉ₁ を前回仮定した値より低めに再
度仮定する。前述のように充電装置の設定できる電流が
離散的であるとしているので、この場合の新たな１段目
充電電流Ｉ₁ として８Ａを仮定する。

【００１９】１２Ａと仮定した場合と同様にして、１段
目充電時間ｔ₁ が６時間、１段目充電終了時の温度上昇
ΔＴ₁ が３５℃、このときの温度が５０℃と求まる。こ
の場合は、１段目充電上限温度Ｔ_u1（＝５０℃）を越え
ないので、この条件で１段目充電が行われる。そして、
１段目充電終了後前述の充電条件で２段目充電が行われ
る。

【００２０】以上の具体例によれば、１段目充電終了時
の温度Ｔ₁ が上限温度Ｔ_u1と等しいが、充電電流Ｉ₁ が
離散的な値しかとれない場合は、これらが等しくならな
い場合がある。このときは上限温度Ｔ_u1を越えない範囲
で最も高い充電電流が設定される。

【００２１】図３には、本発明にかかる第２の実施例の
フローチャートが示されている。第１の実施例と同様の
ステップには同一の符号を付し、説明を省略する。本実
施例に特徴的なことは、バッテリの蓄電状態（ＳＯＣ）
を算出するのに、バッテリの内部抵抗から算出している
ことと、１段目充電電流Ｉ₁ の算出に際して、仮定値を
用いずに直接算出している点にある。

【００２２】バッテリ内部抵抗の検出（Ｓ３４）は、た
とえばある電流が流れた時の端子間の電圧を検出するこ
とによって求められる。他に、交流電流を流してインピ
ーダンスの測定を行うことによっても求めることができ
る。内部抵抗は、ＳＯＣが高い場合は小さく、ＳＯＣが
低い場合は大きいので、予め内部抵抗とＳＯＣの関係を
求めておけば、内部抵抗からＳＯＣ算出することができ
る（Ｓ３６）。

【００２３】また、１段目充電電流Ｉ₁ の算出は、以下
のように行われる。ステップＳ１８で算出された１段目
充電量Ｃ₁ を充電するためには電流Ｉ₁ を時間ｔ₁ 流す
必要がある。すなわち、

【数７】Ｃ₁ ＝Ｉ₁ ＊ｔ₁ …（７） となる。また、この間の発熱はほとんどがジュ−ル熱で
あるので、発熱量Ｑは電流Ｉ₁ の２乗に比例し、

【数８】Ｑ＝ｋ₁ ＊Ｉ₁ ² ＊ｔ₁ …（８） で表される。ここで、ｋ₁ は比例定数である。さらに、
この発熱量Ｑによる温度上昇ΔＴ₁ は、

【数９】ΔＴ₁ ＝ｋ₂ ＊Ｑ …（９） で表され（ｋ₂ は比例定数）、前記の式（７），
（８），（９）から１段目充電電流Ｉ₁ は、

【数１０】 Ｉ₁ ＝ΔＴ₁ ／（ｋ₁ ＊ｋ₂ ＊Ｃ₁ ） …（１０） と表される。比例定数ｋ₁ はバッテリの内部抵抗によっ
て定まり、比例定数ｋ₂はバッテリの熱容量によって定
まるので、同一のバッテリにおいてこれらの比例定数を
予め測定しておけば、充電電流Ｉ₁ は、温度上昇ΔＴ₁
と充電容量Ｃ₁ の関数となる。さらに、上昇温度ΔＴ₁
は、バッテリの特性によって定まる１段目充電時の上限
温度Ｔ_u1と充電前のバッテリ温度Ｔ_a の差であれば、充
電中にバッテリが上限温度Ｔ_u 以上に加熱されることが
ない。したがって、式（１０）は、

【数１１】 Ｉ₁ ＝（Ｔ_u1−Ｔ_a ）／（ｋ₁ ＊ｋ₂ ＊Ｃ₁ ） …（１１） となり、このうち１段目充電上限温度Ｔ_u1、比例定数ｋ
₁ ，ｋ₂ は前述のようにバッテリの特性により定まる定
数であるので、これらを予め求めておけば、１段目充電
電流Ｉ₁ は、充電前のバッテリ温度Ｔ_a と１段目充電量
Ｃ₁ より算出することができる（Ｓ３８）。

【００２４】１段目充電電流Ｉ₁ が求まれば式（７）よ
り、１段目充電時間ｔ₁ が算出できる（Ｓ４０）。これ
らの条件に基づき１段目充電が実行され、これが終了す
ると２段目充電が実行される。

【００２５】以上、ふたつの実施例において、充電によ
って生じるバッテリ温度の上昇を考慮して、適正な温度
範囲で充電を行うことが可能となる。したがって、ＳＯ
Ｃが多くそれほど充電を行わなくて良いときには、充電
時間が短いので大きな電流を流すことが可能となる。言
い換えれば、電流をより多く流せることができるので、
充電時間を短縮することができる。また、充電時のバッ
テリ温度を所定値以下に納めることができるので、劣化
が抑制され、バッテリの寿命を延ばすことができる。

【００２６】また、ふたつの実施例において、バッテリ
の蓄電状態（ＳＯＣ）の算出方法が異なるが、どちらの
方法を用いることも可能である。すなわち、第１の実施
例において、バッテリの内部抵抗に基づきＳＯＣの算出
を行うことも可能であり、また第２実施例において、バ
ッテリ端子電圧からＳＯＣの算出を行うこともできる。
さらに、バッテリに対する電気量の出入りを逐次監視
し、この履歴よりＳＯＣを算出することもできる。

【００２７】さらに、ふたつの実施例おいては、２段階
の充電を行ったが、１段のみの充電を行うことも可能で
ある。この場合、１段目終了時のバッテリ温度がバッテ
リの充電時の上限温度となるように算出を行えば良く、
前述の実施例と同様充電時間が短縮される場合がある。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、バッテ
リの温度上昇を所定値以内に抑えることができるので、
充電時の温度上昇によるバッテリ劣化を防止することが
できる。したがって、バッテリの寿命を延ばすことがで
きる。また、バッテリ劣化が発生しない範囲で充電電流
を増加させることができるので、充電時間の短縮が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる第１の実施例のフローチャート
である。

【図２】第１の実施例において、適正な充電電流を算出
するときに用いる特性図である。

【図３】本発明にかかる第２の実施例のフローチャート
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッテリ温度を検出する工程と、 バッテリ蓄電状態を検出する工程と、 前記検出されたバッテリ蓄電状態に基づき充電すべき電
   気量を算出する工程と、 前記バッテリ温度と前記充電すべき電気量に基づき、充
   電終了時のバッテリ温度が予め定められた所定温度以下
   となる最大の充電電流を算出する工程と、 算出された充電電流によって充電を実行する工程と、 を含むことを特徴とするバッテリの充電方法。