(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電状態を管理する電池管理装置付き電池に用い、充電開始温度の上限および下限を設定しておき、電池温度がこの設定温度範囲内に入っている時に充電を開始すると共に、所定の充電終了条件で充電を終了する充電制御方法において、前記電池の残存容量を演算し、充電開始上限温度を前記残存容量が多い時に低くかつこの残存容量の減少に対応して高くするように設定することを特徴とする充電制御方法。
【請求項２】
充放電状態を管理する電池管理装置付き電池に用い、充電開始温度の上限および下限を設定しておき、電池温度がこの設定温度範囲内に入っている時に充電を開始すると共に、所定の充電終了条件で充電を終了する充電制御装置において、前記電池の温度検出部と、前記電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記電池の残存容量の減少に対して充電開始上限温度を高くする制御特性を記憶するメモリと、前記制御特性を用いて電池温度に対する充電開始上限温度を求める上限温度演算部と、電池温度が前記上限温度演算部で求めた充電開始上限温度以下でかつ充電開始下限温度以上の時に前記充電器に充電を開始させ所定の充電終了条件で充電を終了させる充電制御部とを備えることを特徴とする充電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池などで代表される二次電池の充電制御方法と、充電制御装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
充電可能な二次電池では、充電開始温度の上限および下限を設定しておき、電池温度がこの設定範囲内に入っている時に充電を開始するようにしている。すなわち電池の種類や形式により決まった設定温度範囲外の温度で充電を行うと、電池の劣化、充電効率の低下、漏液（液涸れ）などが発生するおそれがあるからである。ここに充電効率は、充電電気量に対する実際に電池に蓄えられた電気量の比である。
【０００３】
充電可能な二次電池では、充電後に十分に放電することなく充電を行うと、電池性能が低下することがある。例えばニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池などのニッケル正極を有するニッケル（Ｎｉ）系の電池では、放電深度の浅い状態で繰り返えし充電すると、放電時の電圧特性が低下する現象（メモリ効果）が著しいことが知られている。
【０００４】
【従来技術の問題点】
通常の二次電池では、充電開始上限温度（ＴU）は、電池のサイクル寿命を考慮した上で充電効率を適切なレベル以上にするのに必要とする温度に設定される。また、Ｎｉ系電池の充電効率は常温付近が最も高く、常温以上は温度の上昇にしたがって充電効率は低下する。すなわち毎回深い放電をしていれば、設定したレベルの充電効率が得られ電池容量は大きく低下することはないが、充電開始上限温度付近でメモリー効果が発生するような浅い充放電を繰り返すと、電池容量が極端に低下する。これはメモリ効果と高温で充電効率が低下する現象との相乗的な作用により発生すると考えられている。
【０００５】
この相乗的な作用による容量低下を防ぐためには、充電開始温度を十分に低くすればよい。しかし電池には放電中の反応熱および内部抵抗による自己発熱があるため、高温になる。このため使用直後の電池では電池温度が高くなり、この電池温度が自然冷却により十分に低下するまで長時間待機する必要が生じる。従って充電待機時間が長くなり、充電所要時間が長くなるという問題がある。
【０００６】
【発明の目的】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、前記相乗的な作用による電池容量の著しい低下を防止し、充電待機時間と充電所要時間とを短縮することができる充電制御方法を提供することを第１の目的とする。またこの発明はこの方法の実施に直接使用する充電制御装置を提供することを第２の目的とする。
【０００７】
【発明の構成】
この発明によれば第１の目的は、充放電状態を管理する電池管理装置付き電池に用い、充電開始温度の上限および下限を設定しておき、電池温度がこの設定温度範囲内に入っている時に充電を開始すると共に、所定の充電終了条件で充電を終了する充電制御方法において、前記電池の残存容量を演算し、充電開始上限温度を前記残存容量が多い時に低くかつこの残存容量の減少に対応して高くするように設定することを特徴とする充電制御方法、により達成される。
【０００８】
この発明によれば第２の目的は、充放電状態を管理する電池管理装置付き電池に用い、充電開始温度の上限および下限を設定しておき、電池温度がこの設定温度範囲内に入っている時に充電を開始すると共に、所定の充電終了条件で充電を終了する充電制御装置において、前記電池の温度検出部と、前記電池の残存容量を演算する残存容量演算部と、前記電池の残存容量の減少に対して充電開始上限温度を高くする制御特性を記憶するメモリと、前記制御特性を用いて電池温度に対する充電開始上限温度を求める上限温度演算部と、電池温度が前記上限温度演算部で求めた充電開始上限温度以下でかつ充電開始下限温度以上の時に前記充電器に充電を開始させ所定の充電終了条件で充電を終了させる充電制御部とを備えることを特徴とする充電制御装置、により達成される。
【０００９】
ここに充電開始上限温度と残存容量との関係を示す制御特性は、電池管理装置に設けたメモリに記憶することにより、電池毎に特有な制御特性を用いた制御が可能になる。
【００１０】
【実施態様】
図１は本発明の一実施態様を示す全体概念図、図２は主としてＣＰＵの機能を説明する図、図３は動作を示す流れ図、図４は予備充電モードの動作を示す流れ図、図５は充電モードの動作の前半を示す流れ図、図６は同じく後半を示す流れ図、図７は制御特性を示す図である。
【００１１】
図１、２において符号１０はモータ、１２はコントローラ、１４は電池管理装置、１６は充電器である。電池管理装置１４にはニッケル・カドミウム電池などの電池１８が含まれる。交流電源２０から供給される交流は、充電器１６で整流され、ダイオード２２を介して所定の充電モードで電池１８を充電する。
【００１２】
コントローラ１２はこの電池１８を電源としてモータ１０に所定の電流・電圧を供給し、モータ１０を駆動する。例えばモータ１０を直流モータとした場合は、コントローラ１２は電池１８の出力電圧を所定のデューティでオン・オフ制御するチョッパー方式のものとすることができる。
【００１３】
このコントローラ１２は、通常の運転時には外部信号Ｂに基づきデューティを連続的に変化させてモータ１０の駆動電圧・電流を制御する。また充電中などの放電禁止すべき状況であれば、コントローラ１２はデューティを０にする。すなわちモータ１０への電圧・電流の供給を停止し、その旨を表示装置２４に表示する。
【００１４】
２６は電池用ＣＰＵ（マイクロプロセッサー）である。その機能については後記する。２８は電源回路であり（図２）、電池１８の電圧（例えば２４Ｖ）を所定電圧（例えば５Ｖ）に降圧してＣＰＵ２６などを駆動する。
【００１５】
３０は電流検出部、３２は電圧検出部である。電流検出部３０は、電池１８の充放電電流Ｉを検出し所定電圧の信号にしてＣＰＵ２６に入力するものである。電圧検出部３２は電池１８の正極電圧Ｖを所定電圧の信号に変えてＣＰＵ２６に入力する。
【００１６】
３４は電池１８に設けたサーミスタからなる電池温度検出部であり、具体的には電池温度Ｔによって変化するサーミスタ３４の電流変化を増幅しかつ所定電圧に変換してＣＰＵ２６に入力する。ここに電池温度Ｔは電池１８の内部の温度であり、例えば電解液の温度とする。
【００１７】
図２で３６はメモリとしてのＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable / Programable Read Only Memory)である。ＥＥＰＲＯＭ３６はＣＰＵ２６で演算に使う種々のデータ、例えば電池１８のタイプやその特性データ、電池温度Ｔによる容量低下特性などをメモリすると共に、演算途中のデータや演算結果である残存容量や電池１８の履歴などをメモリする。この発明に用いる充電開始上限温度（ＴU）と残存容量との関係を示す制御特性（図７）もこのＥＥＰＲＯＭに記憶される。
【００１８】
次にＣＰＵ２６の機能を説明する。ＣＰＵ２６はコントローラ１２あるいは充電器１６から起動指令が来ると、初期化処理を行う。なおＣＰＵ２６はソフトウェアにより作動するが、図２ではその機能をブロック化して示した。
【００１９】
ＣＰＵ２６はまず充電器１６による充電中か否かを充電判別部４０で判別する。この判別は、ダイオード２２と充電器１６との間のパワーライン４２の電圧Ｖｃをデジタル化してＣＰＵ２６に入力し、この電圧Ｖｃが正の所定電圧以上なら充電中と判断し、通信インターフェース３８を介して表示装置２４に表示させ、また後記ＬＥＤ５４を点灯させる。この時には充電電流の大きさから充電方式を決定して充電器１６に指令するが、この点は後記する。
【００２０】
この充電中にはＣＰＵ２６は充電量を残存容量演算部４４（図２）で演算する。すなわち電池電流検出部３０により検出した電流Ｉと充電時間との積（アンペア時）によって充電量を求める。
【００２１】
なお前記ＥＥＰＲＯＭ３６には電池１８の初期容量が予め記憶されていて、充電量の積算値がこの初期容量を超えた時は充電量をこの初期容量とすることにより、充電量の積算誤差が蓄積されるのを防ぐ。また正確に充電方式に従って充電を終了した場合には、充電量は初期容量にリセットされる。
【００２２】
一方ＣＰＵ２６は充電中の電圧と電流との積から電力を求め、電力の大小によって充電量を補正してもよい（電力補正）。この補正は、充電電流の大小や充電方式によって充電効率が変化することを考慮して行うものである。この結果はＥＥＰＲＯＭ３６にメモリされ、必要に応じて通信インターフェース３８を介してコントローラ１２に送られ、表示装置２４に表示される。
【００２３】
またＣＰＵ２６は電池電流Ｉの流れ方向から放電中か否かを判別し、放電中と判別すれば、残存容量演算部４４は放電量の演算を行う。すなわち電池電流検出部３０で検出する放電電流に時間を積算して放電量（アンペア時）を求める。残存容量演算部４４はこれをＥＥＰＲＯＭ３６に記憶している残存容量から減算することにより残存容量の現在値を求める。
【００２４】
なおこの現在値に前記した電力変化による補正（電力補正）を加えてもよいのは勿論である。この補正後の残存容量はＥＥＰＲＯＭ３６にメモリされる。またこの結果は通信インターフェース３８を介してコントローラ１２に送られ、表示装置２４に表示される。
【００２５】
次に充電器１６を図１を用いて説明する。この充電器１６は電源２０から供給される交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ４６と、充電電流検出部４８と、デューティ演算部５０と、出力制御部５２とを持つ。デューティ演算部５０は、電池管理装置１４で指定される充電電流を出力するためのデューティを決める。出力制御部５２は、このデューティに対応してコンバータ４６のスイッチング素子をオン・オフ制御するための信号（ＰＷＭ信号）を出力する。
【００２６】
またこの充電器１６は充電表示部としてのＬＥＤ（発光ダイオード）５４と、これを駆動するＬＥＤドライバ５６とを備える。このＬＥＤドライバ５６には、電池管理装置１４から送られる充電中であることを示す信号が入力され、この信号に基づいてＬＥＤ５４が点灯される。
【００２７】
図２で５７は放電度合判断部である。この放電度合判断部５７は、充電開始指令に基づいて電池１８の放電の度合を判断するものであり、この放電の度合は充電が必要か否かを判断するために用いられる。ここに充電開始指令は、例えば充電器１６に設けた充電開始スイッチ（表示せず）の操作により入力されるものとする。また充電判別部４０でパワーライン４２の電圧Ｖｃが所定電圧以上になったことを判別した時に、この充電開始指令がこの放電度合判断部５７に入力されるようにしてもよい。
【００２８】
この放電度合判断部５７が用いる放電度合の判断データとしては、種々のものが使用可能である。ここでは、前回の充電から後に放電指令が有ったか否かをＥＥＰＲＯＭ３６のデータから判定し、放電度合の判断資料とする。また前回の充電以後の自己放電量や、残存容量も用いる。
【００２９】
この放電度合を示すデータは充電要否判別部５８に入力され、ここで充電の要否が判別される。例えば前回の充電から１回も放電が行われていない時や、この時自己放電量が所定値以下である時や、残存容量が所定値以上である時には、充電は不要と判断する。このようにして充電が不要と判断されると、充電器１６に充電を停止する旨の信号を送り、また表示装置であるＬＥＤ５４を所定時間点灯させる。このような状態をここでは「にせ充電」と言う。
【００３０】
次に図３〜５に基づいて動作を説明する。まず充電器１６のパワーライン４２の電圧Ｖｃが設定値以上になったことや、手動で充電開始スイッチを操作することにより、充電開始指令が放電度合判断部５７に入力される（図３のステップ１００）。放電度合判断部５７は、この充電開始指令が入力されると前回の充電から後に放電が行われた回数をＥＥＰＲＯＭ３６が記憶する履歴データに基づいて求める。
【００３１】
充電要否判別部５８ではこの放電回数に基づき充電の要否を判別する。この実施態様では放電回数が０であれば充電を不要と判断する（ステップ１０２）。この放電回数が１回でもあれば、電池１８の残存容量が所定値以下か否かを判別する（ステップ１０４）。ここに残存容量は前記残存容量演算部４４で演算される。従ってこの場合には残存容量演算部４４は放電の度合を検出する放電度合検出部ともなっている。
【００３２】
前記のステップ１０２で、前回の充電以後に放電が１度も行われていない時は、充電要否判別部５８は前回の充電が完全充電されたものか、不十分な充電で終ったのかをＥＥＰＲＯＭ３６のデータに基づいて判定する（ステップ１０６）。充電が不完全で終った時には、ステップ１０４に入る。すなわち残存容量が少なければ電池の良否を判定するステップ１０８に入り、多ければステップ１１０に入る。
【００３３】
このステップ１１０では、自己放電量を演算し、この自己放電量が所定値（例えば４００ｍＡｈ）以上なら充電モード１００に入り、以下ならにせ充電モードに入る（ステップ１１２）。すなわち実際には充電を行わせることなく、にせ充電タイマによる計時を開始すると共にＬＥＤ５４だけを点灯させる（ステップ１１２）。そしてにせ充電タイマに設定した所定の時間を経過すると（ステップ１１４）、ＬＥＤ５４を消して（ステップ１１６）、にせ充電モードを終る。このにせ充電モードでは充電電流を０にしてよいのは勿論であるが微少電流を流し続けてもよい。
【００３４】
ここに自己放電量の演算には電池温度Ｔに対する残存容量の低下率特性を用いる。すなわち放置時間および電池温度の増加と共に自己放電量は増加し、この関係は電池１８に対して決まっているから、この関係をＥＥＰＲＯＭ３６に予めメモリしておく。従って電池１８の放置中の電池温度Ｔと時間が求まれば、この関係式（あるいはこの関係を示すマップ）を用いて自己放電量を求めることができる。
【００３５】
この自己放電量の演算は前記残存容量演算部４４で行うことができる。従ってこの実施態様では、残存容量演算部４４はこの自己放電量を求める放電度合検出部も兼ねている。なおこの残存容量演算部４４は残存容量を求める際に、この自己放電量による補正を行ってもよい。
【００３６】
ステップ１０４で残存容量が所定値以下の時、およびステップ１１０で自己放電量が所定値（４００ｍＡｈ）以上の時には、ステップ１０８に入って電池１８が長期間の放置により使用不可能なものか否かを判別する。このためまず電池電圧Ｖが正常時（例えば２４Ｖ）に比べて著しく低い（例えば１６Ｖ）か否かを判定する（ステップ１０８）。電池電圧Ｖがしきい値（１６Ｖ）以下なら予備充電モード（ステップ１２０）になり、しきい値以上なら通常の充電モード（ステップ１２２）になる。
【００３７】
予備充電モード（ステップ１２０）では、図４に示すように小さい充電電流（０．５Ａ）で充電開始し、一定時間（例えば１時間）の予備充電タイマの計時を開始させ、待機していることを表示するＬＥＤをオンにする（ステップ１２４）。そして電池電圧Ｖがしきい値（１６Ｖ）以上に回復するか否かをタイマの設定時間（１時間）監視する（ステップ１２６，１２８）。
【００３８】
電池電圧Ｖがこのしきい値（１６Ｖ）以上に回復すれば、電池１８は使用可能であるとして予備充電を終了する（ステップ１３０）。すなわち充電電流を０にして待機を示すＬＥＤをオフにする。そして充電モード（ステップ１２２）に入る。電池電圧Ｖがしきい値（１６Ｖ）に回復しなければ、電池１８は長期間の放置により使用不可能であると判断し、電池に異常有りとする表示をする（ステップ１３２）。この時には充電電流を０にして、待機を示すＬＥＤをオフにする。
【００３９】
次に充電モード（ステップ１２２）を図５、６を用いて説明する。充電器１６の電源が投入され、電池１８の放電の度合いが少なく、また電池が不良でないと判断されて充電モード（ステップ１２２）に入ると、ＣＰＵ２６ではサーミスタ３４が出力する信号に基づいて温度計測部６０で電池温度Ｔを求める。
【００４０】
ＣＰＵ２６はステップ１０４で求めた残存容量に対する充電開始上限温度ＴUを、図７に示す制御特性を用いて演算する（ステップ１３６）。この演算はＥＥＰＲＯＭ３６に予め記憶された電池１８に対する制御特性を用いて、ＣＰＵ２６の上限温度演算部６１で行う。
【００４１】
ＣＰＵ２６は、電池温度Ｔがここで求めた上限温度ＴUより低くなっているか否かを判定し（ステップ１３８）、電池温度Ｔがこの上限温度ＴU以下になるまで待機ＬＥＤをオンとして待機する（ステップ１４０）。この温度ＴとＴUの比較は後記する充電制御部６６で行う。
【００４２】
なおこのステップ１３８の温度判定の際には、電池温度Ｔが充電開始下限温度ＴLより高いことも同時に判定する。ここではこの下限温度ＴLは０℃の固定値とする。従ってＣＰＵ２６では電池温度Ｔが０＜Ｔ＜ＴUの充電可能な温度範囲に入っているか否かを判定する。
【００４３】
この温度範囲内に入れば、テスト充電を開始する（ステップ２０２）。このテスト充電は充電方式を決定するために一定電圧を電池１８に印加して、この時の充電電流Ｉを求めるものである。なお、電池サイクル寿命や充電効率を向上させる為には、この充電電流Ｉによって、その電流量に最適な充電方式を適用することが望ましい。
【００４４】
なお充電器１６の電源投入時には充電電流Ｉは不安定で変動する。そこで僅かな遅延時間（数ミリ秒程度）を設定しておき、安定した充電電流Ｉを用いて判別する。この電流Ｉの安定は、充電電流Ｉの変化率（単位時間に対する変化量）を演算し、この変化率が所定値以下になったことから判別してもよい。図２の電流安定判別部６２はこの変化率の大小を判別する。また６４は充電電流Ｉをしきい値Ｉ0と比較して充電方式を判別する充電方式判別部である。
【００４５】
充電方式を判別した結果は、充電制御部６６に送られ、所定の充電方式により充電制御を行う。充電電流Ｉがしきい値Ｉ0以下なら、第１充電方式を選択する。この実施態様では−ΔＶ方式を選択する。この−ΔＶ方式は、Ｎｉ−Ｃｄ電池では充電終期に充電電圧が最大値に達した後降下する点に着眼し、最大値から−ΔＶだけ降下した時点を充電終了と判別するものである。この−ΔＶの演算は図２の−ΔＶ演算部６８が行う。
【００４６】
ＣＰＵ２６は充電電流Ｉや、この−ΔＶの値をセットする（ステップ２０６）。ＣＰＵ２６はこの充電方式の時は４．５時間のタイマをセットした後、本充電を開始する（ステップ２０８）。
【００４７】
充電電流Ｉがしきい値Ｉ0より大なら、第２充電方式を選択する（ステップ２０４）。この第２充電方式としては、ここではｄＴ／ｄｔ方式を用いる。この方式は電池温度Ｔが充電末期に急上昇する点に着眼し、電池温度Ｔの時間に対する変化率ｄＴ／ｄｔが設定値以上になった時点で充電を終了させるものである。このｄＴ／ｄｔの演算は図２のｄＴ／ｄｔ演算部７０が行う。
【００４８】
この第２充電方式を選択した時には（ステップ２０４）、第２充電方式の充電電流や終了条件をセットする（ステップ２１２）。すなわちｄＴ／ｄｔの値などを設定する。そしてタイマを１．５時間にセットした後、本充電を開始する（ステップ２１４）。この時の充電電流Ｉは、前記ステップ２０６、２１２でセットされた値となるように制御される。
【００４９】
本充電を行っている間（図６、ステップ２１６）、ＣＰＵ２６では常にタイマの積算時間がステップ２０８、２１４に設定した時間をオーバーフローしているか否かを判定する（ステップ２２２）。オーバーフローしていれば充電は終了とする。オーバーフローしていなければそのまま充電を続け、ステップ２０６、２１２で設定した充電終了条件を満たした時点で充電を終了させる（ステップ２１４）。この充電の終了は図２の充電終了判別部７２で行われる。
【００５０】
この実施態様では電池管理装置１４内のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ３６）に、図７に示す制御特性を記憶したから、電池１８ごとに特有な特性を記憶させることができ、電池ごとに最適な上限温度ＴUを決定することにより、最適な充電制御を行うことができる。また残存容量の計算はこの実施態様に限定されるものではなく、電池の種類や劣化の程度等に基づいて最適な方法を用いればよい。本発明はニッケル・カドミウム電池以外の二次電池にも適用でき、電池の特性に合わせて充電方法などを変更してよいのは勿論である。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１の発明は以上のように、残存容量が多い時は充電開始上限温度を低く設定するから、浅い充放電を繰り返す場合のメモリ効果と、高温での充電による充電効率の低下現象との相乗作用による電池容量の著しい低下（相乗的作用）を防止することができる。また残存容量が少ない時には充電開始上限温度を高く設定するから、電池の使用により放電直後に電池温度が上昇していても、電池の冷却に要する待機時間を短くすることができ、充電に要する時間が長くなるのを防ぐことができる。
【００５２】
請求項２の発明によれば、この方法の実施に直接使用する充電制御装置が得られる。ここに制御特性は充電管理装置のメモリに記憶させておくことができる（請求項３）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様の全体概略図
【図２】主としてＣＰＵの機能を示すブロック図
【図３】動作を示す流れ図
【図４】予備充電モードの動作を示す流れ図
【図５】充電モードの動作の前半を示す流れ図
【図６】同じく充電モードの動作の後半を示す流れ図
【図７】残存容量に対する充電開始上限温度の制御特性を示す図
【符号の説明】
１０  モータ
１２  コントローラ
１４  電池管理装置
１６  充電器
１８  電池
２６  ＣＰＵ
３４  電池温度検出部
３６  メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ
４４  残存容量演算部
５４  ＬＥＤ
６１  上限温度演算部
６６  充電制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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