WO2012008247A1 - 二次電池の充電方法および充電装置 - Google Patents

Abstract

　二次電池（２１）を充電する際に、二次電池（２１）の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する二次電池の充電方法において、ピーク電圧ならびに－ΔＶの検出を無効とする無効時間を設定し、無効時間は、二次電池（２１）に流す急速充電電流の電流積算量を急速充電時の平均充電電流量で除して算出され、二次電池（２１）の充電が開始されてから無効時間が経過した後、二次電池（２１）の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する。

Description

二次電池の充電方法および充電装置

　本発明は、二次電池の充電方法及び充電装置に関し、特に、二次電池の充電時に電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下した－ΔＶを検出して満充電を判定する二次電池の充電方法および充電装置に関する。

　二次電池の充電は適正に行う必要がある。なぜならば、充電不足の場合には電池容量が足りないために機器を十分に動作させることができなくなる一方、過充電の場合には電池の異常発熱や性能劣化が引き起こされるおそれがあるためである。

　特に、一般的な二次電池は、正常な充放電サイクルを繰り返すだけでも、充電可能な電池の容量が徐々に減少し、容量の劣化を招くことになる。その他、充電環境温度や過放電状態、過充電状態なども、二次電池の容量の劣化を加速させる要因となる。

　容量の劣化した二次電池をタイマー制御回路等の制御の下に電池初期状態と同等の電池容量分を充電させようとすると過充電となり、異常発熱等を引き起こしやすくなる。このため、タイマー制御回路等以外に、二次電池が満充電に達しているか否かを判定して過充電を防止する手段を施す必要があった。

　そこで、比較的大きな充電電流で急速充電を行う場合の適正な充電方法として、－ΔＶ制御方式といわれる方法が広く一般に知られている。この方法は、二次電池の充電電圧特性が、図１に示すように、満充電付近でピーク電圧ＶＰを有する点を利用している。すなわち、ピーク電圧ＶＰを検出して記憶し、電池電圧がピーク電圧ＶＰに達した後に所定の電圧ΔＶだけ降下した時点で満充電と判定して充電動作を停止する技術（以下、－ΔＶ制御と称する）である。なお、充電電流を遮断した後に、過充電に至らない程度のトリクル充電電流を流している。

　一方、長期間放置して未充電状態のニッケル水素電池やニッケル・カドミウム電池などの二次電池（以下、長期保存電池と称する）では、保存中に電池内部で不活性化が生じている。不活性状態の長期保存電池を充電すると、充電が完了するときに上記したようなピーク電圧ＶＰが生じる一方、図２に示すように、充電が完了する前にも先のピーク電圧ＶＰとは異なるピーク電圧（擬似ピーク電圧）が生じることがある。

　擬似ピーク電圧が発生するおそれがある長期保存電池を充電した際に、上記－ΔＶ制御方式で満充電を判定すると、擬似ピーク電圧を充電完了後のピーク電圧ＶＰとして誤検出しまうおそれがあった。このような場合には、擬似ピーク電圧を検出した直後の電圧降下によって満充電を判定して充電を終了してしまうおそれがあった。この結果、二次電池は、充電不足となり、電池容量の不足を招くことになる。

　上記のような誤検出による充電不足を防止する技術として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、－ΔＶ制御において、充電開始後の所定の時間は、ピーク電圧ならびにその後の－ΔＶの検出を行わない技術が記載されている。例えば、１Ｉｔ充電（１時間で満充電状態とする急速充電）の場合には、図３に示すように充電開始から２～３分間程度はピーク電圧ならびに－ΔＶの検出を行わないように、－ΔＶ制御の無効時間が設定されていた。

日本国特開２００７－２５２０８６号公報(JP 2007-252086 A)

　しかしながら、例えば、１Ｉｔ充電の場合には、二次電池の不活性化の状態によっては３分を超えて電圧降下が続く場合があり、３０分程度電圧降下が続く場合も想定される。このような場合には、上記のような－ΔＶ制御における無効時間の設定では、誤検出を回避しきれないといった不具合を招くおそれがあった。

　一方、－ΔＶ制御における無効時間をむやみに長く設定してしまうと、容量が劣化した二次電池を充電する場合に、二次電池の劣化状態によっては図４に示すように満充電後に－ΔＶの制御を開始するおそれがあった。このような場合には、ピーク電圧ＶＰやその後の－ΔＶの検出を正確に行うことが困難となり、過充電となるおそれがあった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、－ΔＶ制御における無効時間の最適化を図り、過充電の回避ならびに必要最低限の電池容量の確保の双方を満足し得る二次電池の充電方法および充電装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の第一の技術的側面に係る二次電池の充電方法は、二次電池を充電する際に二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する二次電池の充電方法であって、二次電池に流す急速充電電流の電流積算量を急速充電時の平均充電電流量で除した値として無効時間を算出する工程と、ピーク電圧ならびに－ΔＶの検出を無効とする無効時間を設定する工程と、二次電池の充電が開始されてから無効時間が経過した後に二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する工程とを備える。

　また、本発明の第二の技術的側面に係る二次電池の充電装置は、二次電池を充電する際に二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する二次電池の充電装置であって、二次電池に流す急速充電電流の電流積算量を急速充電時の平均充電電流量で除して算出された無効時間を記憶するメモリと、二次電池の充電開始後充電経過時間を計測する計測器と、二次電池の充電が開始されてから無効時間が前記計測器によって計測された後に二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する制御部とを備える。

　本発明の第一の技術的側面に係る二次電池の充電方法および本発明の第二の技術的側面に係る充電装置によれば、二次電池に流す急速充電電流の電流積算量を急速充電時の平均充電電流量で除して無効時間を算出することで、無効時間の最適化を図ることができる。この結果、充電が開始されてから無効時間が経過した後に－ΔＶ制御を有効とすることで、必要最低限の電池容量を確保し、かつ過充電を回避することが可能となる。

図１は、二次電池を充電する際の充電時間と電池電圧との関係を示す。 図２は、不活性状態の二次電池を充電する際の充電時間と電池電圧との関係を示す。 図３は、二次電池を充電する際の充電時間と電池電圧との関係において、－ΔＶ制御における無効時間の設定を示す。 図４は、正常な二次電池と容量が劣化した二次電池との充電時間と電池電圧との関係を示す。 図５は、実施形態１に係る充電装置の構成を示す。 図６は、実施形態１に係る充電時間と電池電圧との関係を示す。

　以下、図面を用いて実施形態を説明する。

（実施形態１）
　図５に示す実施形態１に係る充電装置は、充電器側ブロック１と本体側ブロック２とで構成される。

　充電器側ブロック１は、充電電源部１１を備え、本体側ブロック２と着脱自在に構成される。充電電源部１１は、１００Ｖ～２４０Ｖ程度の交流の商用電源を入力して、本体側ブロック２に定電圧・定電流を供給する定電圧・定電流電源として構成される。充電電源部１１は、本体側ブロック２に所定の最大電流を供給できないときには、それ以下の電流を供給するように構成される。

　本体側ブロック２は、充電装置を構成しており、前述した－ΔＶ制御における無効時間を設けると共に、二次電池の満充電を判定する。本体側ブロック２の充電装置は、二次電池２１、充電電流制御素子２２、第１の温度センサー２３、第２の温度センサー２４、表示部２５、充電制御部２６ならびに負荷２７を備える。

　二次電池２１は、ニッケル水素電池、ニッケル・カドミウム電池などの二次電池で構成され、充電電源部１１から供給される電流に基づいて充電される。二次電池２１は、ＤＣモータなどの負荷２７の電源となる。二次電池２１は、図５では、例えば、直列列接続された２本の電池で図示されているが、電池の本数に制約を与えるものではない。

　充電電流制御素子２２は、充電電源部１１と二次電池２１との間に接続され、二次電池２１に供給される充電電流を制御する。充電電流制御素子２２は、スイッチング素子などで構成され、充電オン／オフ信号に基づいてスイッチング素子をオン／オフ制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御により、二次電池２１に供給される充電電流を制御調整する。

　第１の温度センサー２３は、二次電池２１の温度を検出して、電池温度信号を充電制御部２６に出力する。

　第２の温度センサー２４は、室温を検出して、室温温度信号を充電制御部２６に出力する。

　表示部２５は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成され、例えば、点灯したＬＥＤの個数などによって二次電池２１の充電状態を表示する。

　充電制御部２６は、充電装置の動作を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するために必要な、ＣＰＵや記憶装置等のハードウェア資源を備えたマイクロコンピュータ等により実現される。充電制御部２６を構成するマイクロコンピュータのＣＰＵ（演算処理部２６９）で処理プログラムが実行されることによって、－ΔＶ制御を含む二次電池２１を充電するための各種機能が実現される。

　充電制御部２６は、充電接続入力部２６１、充電制御出力部２６２、電圧状態入力部２６３、記憶素子部２６４、タイマー制御部２６５、第１の温度状態入力部２６６、第２の温度状態入力部２６７、表示出力部２６８、演算処理部２６９を備える。

　充電制御部２６は、充電接続入力部２６１に入力される接続信号に基づいて、充電電源部１１が本体側ブロック２に接続されているか否かを判別する。充電制御部２６は、充電電源部１１が接続されていることが確認されると、二次電池２１の充電動作を制御可能となる。

　充電制御部２６は、充電制御出力部２６２を介して、充電オン／オフ信号を充電電流制御素子２２に与え、この充電オン／オフ信号に基づいて充電電流制御素子２２をオン／オフ制御することで、任意のデューティ比でＰＷＭ制御を行う。これにより、充電制御部２６は、所望の平均電流値の定電流（急速充電電流、トリクル充電電流など）を生成して、二次電池２１に供給する。

　充電制御部２６は、二次電池２１の充電を開始してから予め設定された－ΔＶ制御における無効時間の経過後に、測定点ａにおける二次電池２１の電池電圧を随時検出し、検出した電池電圧を電圧状態入力部２６３を介して入力する。－ΔＶ制御の無効時間は、後述するようにして予め算出されて記憶素子部２６４（メモリ）に記憶されて用意される。なお、－ΔＶ制御の無効時間は、充電制御部２６内で後述する算出式を用いて、算出に必要な二次電池２１の仕様に対応した各諸量を外部から入力して算出するようにしてもよい。

　－ΔＶ制御の無効時間は、二次電池２１の充電が開始された後に、タイマー制御部２６５（計測器）によって計測される。充電制御部２６は、電池電圧のピーク電圧ＶＰと、ピーク電圧ＶＰからのΔＶの電圧降下を検出（－ΔＶ検出）する。充電制御部２６は、ピーク電圧ＶＰの検出後に－ΔＶを検出すると、二次電池２１が満充電したものと判定し、充電動作を停止するかまたは補充電を行う。

　充電制御部２６は、第１の温度状態入力部２６６を介して入力された電池温度信号、または第２の温度状態入力部２６７を介して入力された室温温度信号に基づいて、室温や電池温度が予め仕様などで設定されている範囲を逸脱した場合には、安全保護の観点から充電動作を停止する。

　充電制御部２６は、表示出力部２６８を介して、表示部２５のＬＥＤを点灯制御する制御信号を表示部２５に出力する。充電制御部２６は、記憶素子部２６４に予め記憶されて用意されたプログラムに基づいてＣＰＵで構成された演算処理部２６９で各種演算処理を行って、充電動作を制御する。

　次に、上記充電装置において、－ΔＶ制御における無効時間の最適値を算出する手順について説明する。

［必要容量の設定］
　先ず、電池容量の劣化が進行して寿命末期の状態、例えば満充電時の電池容量が正常な場合に比べて５０％～７０％程度の状態、または１年以上長期間にわたって放置して不活性状態の二次電池において、予め仕様などで設定された１回の定格充電による機器の動作時間をＴｄｉｓ（ｈ）とする。また、機器が動作する際の平均消費電流をＩｄｉｓ（ｍＡ）とする。平均消費電流Ｉｄｉｓは、機器に用いる負荷２７などの種類によってそれぞれ異なる。

　二次電池は、電池に貯蓄えられている容量に対して実際に取り出せる容量が小さくなるのが一般的であり、放電可能容量／貯蓄容量＝放電効率とされる。この放電効率をｙ（０～１．００の範囲の定数）とする。上記各パラメータを用いて、寿命末期または長期間放置された二次電池に要求される必要最低限の電池容量（放電容量）Ｃｃａｐ（ｍＡｈ）は、次式（１）によって算出される。

（数１）
　Ｃｃａｐ＝Ｔｄｉｓ×Ｉｄｉｓ／ｙ　…（１）

［電池の充電効率］
　二次電池では、放電時と同様に充電時にも充電効率ｘ（＝充電容量／充電電流積算量、０～１．００の範囲の定数）が存在する。したがって、上記Ｃｃａｐの容量分を充電する際に必要となる電流積算量Ｉｓ（ｍＡｈ）は、次式（２）によって算出される。

（数２）
　Ｉｓ＝Ｃｃａｐ／ｘ　…（２）

［深放電領域分の容量（機器動作停止電圧～０Ｖまでの容量）］
　二次電池の過放電による劣化を防止するために、二次電池を電源とした機器では、一般的に、電池電圧が所定の電圧以下に低下した際には動作が停止し、この動作が停止するアンダーカット電圧以下の低電圧状態（深放電状態）に陥らないように制御されている。

　一方、機器の動作停止後、充電されずに長期間放置された場合には、機器内での微少な消費電流や自然放電などにより電池電圧（電池容量）はさらなる減少を続け、ついには深放電状態となり容量が完全に放電する。

　ここで、アンダーカット電圧から深放電状態までに電池が保有する容量をＣｄｅｐ（ｍＡｈ）とすると、二次電池が深放電状態において、上記Ｔｄｉｓ（ｈ）を満足させるために必要な電池容量Ｃｃｄ（ｍＡｈ）は、次式（３）によって算出される。

（数３）
　Ｃｃｄ＝（Ｃｃａｐ／ｘ）＋Ｃｄｅｐ　…（３）

［－ΔＶ制御における無効時間の最適値の算出］
　二次電池が、例えば、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池で構成されている場合、二次電池の充電動作は、急速充電動作と、急速充電動作の後に補足的に行われるトリクル充電動作とに分かれるのが一般的である。ここで、上記急速充電時の平均充電電流をＩｒａｐ（ｍＡ）とし、トリクル充電時のトリクル充電電流をＩｔｒｃ（ｍＡ）とする。これらの数値は、電池性能上の制約を除けば、設計者によって任意に設定することのできる値である。

　ニッケル水素電池やニッケル・カドミウム電池などの二次電池は、長期放置により不活性状態になった場合には、再活性状態にするために、通常の急速充電後に所定の時間トリクル充電を行うのが一般的である。

　したがって、二次電池の充電動作においては、急速充電とトリクル充電との双方の充電動作により蓄えられた電池容量で、前述した１回の定格充電による機器の動作時間Ｔｄｉｓを満足させるものとする。

　トリクル充電を行う際に推奨されるトリクル充電推奨時間をＴｔｒｃ（ｈ）とすると、急速充電時に不活性状態の二次電池に供給する充電電流の電流積算量Ｓｒａｐ（ｍＡｈ）は、上記各諸量を用いて、次式（４）によって算出される。

（数４）
　Ｓｒａｐ＝（Ｃｃａｐ／ｘ）＋Ｃｄｅｐ－（Ｉｔｒｃ×Ｔｔｒｃ）　…（４）

　したがって、前述した１回の定格充電による機器の動作時間Ｔｄｉｓを満足させるためには、急速充電時の充電最低時間Ｔｔｒｍｉｎ（ｈ）は、上式（４）で算出された電流積算量Ｓｒａｐと急速充電時の平均充電電流Ｉｒａｐとから、次式（５）によって算出される。

（数５）
　Ｔｔｒｍｉｎ＝Ｓｒａｐ／Ｉｒａｐ　…（５）

　不活性状態にある二次電池を充電する際に、充電時間を上式（５）によって算出された充電最低時間Ｔｔｒｍｉｎに設定することで、上述した必要最低限の電池容量Ｃｃａｐを確保することが可能となる。そこで、図６に示すように、充電開始後充電最低時間Ｔｔｒｍｉｎの間、ピーク電圧の検出ならびに－ΔＶの検出を無効とするように、－ΔＶ制御における無効時間を設定する。これにより、上記充電最低時間Ｔｔｒｍｉｎに設定された無効時間後に、電池電圧のピーク電圧の検出ならびに－ΔＶを誤検出して充電動作を終了した場合であっても、必要最低限の電池容量を確保することが可能となる。また、無効時間後に－ΔＶ制御が有効となるので、過充電を回避することができる。

　二次電池の劣化が進んだ場合の最終的に想定される電池容量は、電池の特性やばらつき、使用環境など複雑な要因から推定されるものであり、寿命末期の電池容量をどの程度に設定するのかは、二次電池の製造者や種類などによって決められる。

　ここで、劣化が進んだ二次電池の電池容量をＣｌａｇとすると、上記Ｃｃａｐは、Ｃｃａｐ≦Ｃｌａｇを満たしている場合に上記算出式（５）により－ΔＶ制御の無効時間を最適化することができる。

　一方、Ｃｃａｐ＞Ｃｌａｇの関係が成立するような二次電池の場合には、満充電後に－ΔＶ制御が有効となるので、上記無効時間の設定では誤検出するおそれがある。したがって、このような場合には、－ΔＶ制御の他の充電制御方法、例えば二次電池の単位時間当たりの温度上昇の変化による制御方式などにより満充電を判定することが望ましい。

　このように、上記実施形態においては、－ΔＶ制御を無効とする無効時間を適切に設定することができる。これにより、容量の劣化が進行した二次電池、ならびに長期未使用の二次電池のいずれの状態の二次電池に対しても、適切に充電制御を行うことが可能となる。すなわち、過充電による発熱防止や、機器の使用時間、使用回数の低下を抑制することができ、かつ機器を所定の時間動作させるのに必要な最低限の電池容量を確保することができる。

　また、ノイズなどにより－ΔＶの誤検出が生じるおそれがあるような装置構成で、容量の劣化や長期放置以外の正常な二次電池を充電するような場合であっても、機器を所定の時間動作させるのに必要な最低限の電池容量を確保することができる。

　実施形態に係る充電装置は、例えば、電気かみそり、電動バリカン、脱毛器、電動歯ブラシなどの小型の電気機器に適用することができる。実施形態に係る充電装置は、上記電気かみそりなどの小型の電気機器に備えられた二次電池を充電するものである。

Claims (4)

1. 　二次電池を充電する際に、前記二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する二次電池の充電方法であって、
   　前記二次電池に流す急速充電電流の電流積算量を急速充電時の平均充電電流量で除した値として無効時間を算出する工程と、
   　ピーク電圧ならびに－ΔＶの検出を無効とする前記無効時間を設定する工程と、
   　前記二次電池の充電が開始されてから前記無効時間が経過した後に、前記二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する工程と
   を備えた二次電池の充電方法。
2. 　請求項１に記載の二次電池の充電方法であって、
   　前記二次電池に流す急速充電電流の前記電流積算量を、容量劣化状態または長期放置状態の二次電池で要求される電池容量、充電時の充電効率、深放電領域分の電池容量、トリクル充電時のトリクル充電電流量ならびにトリクル充電時間に基づいて算出する工程を更に備える
   ことを特徴とする二次電池の充電方法。
3. 　二次電池を充電する際に、前記二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する二次電池の充電装置であって、
   　前記二次電池に流す急速充電電流の電流積算量を急速充電時の平均充電電流量で除して算出された無効時間を記憶するメモリと、
   　前記二次電池の充電開始後充電経過時間を計測する計測器と、
   　前記二次電池の充電が開始されてから前記無効時間が前記計測器によって計測された後に、前記二次電池の電池電圧がピーク電圧からΔＶ低下する－ΔＶを検出して満充電と判定する制御部と
   を備えた二次電池の充電装置。
4. 　請求項３に記載の二次電池の充電装置であって、
   　前記二次電池に流す急速充電電流の電流積算量は、容量劣化状態または長期放置状態の二次電池で要求される電池容量、充電時の充電効率、深放電領域分の電池容量、トリクル充電時のトリクル充電電流量ならびにトリクル充電時間に基づいて算出される
   ことを特徴とする二次電池の充電装置。

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