(57)【要約】【課題】複数の二次電池を並列に充電可能な従来の充電装置では、装置にセットされた二次電池の数の相違により、充電が完了したか否かの判定時期が異なり、正確な充電が困難であった。【解決手段】本発明は装置にセットされた複数の二次電池をサイクリック充電する充電装置において、１つの電池に対する充電期間が終了する時、１つ前の期間に充電を行った電池の状態を検査する構成を有している。この構成により、満充電か否かの判定時期が充電すべき電池の数にかかわらず一定となり、安定した充電が可能となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池を並列に充電する方法であって、
第１の二次電池に所定の期間充電する第１の充電ステップと、
第１の充電ステップに続いて、第２の二次電池に前記所定の期間充電する第２の充電ステップと、
前記第２の充電ステップの終了を検知して、前記第１の二次電池の電圧を測定し、前記第１の二次電池の充電状態を判定する判定ステップからなる方法。
【請求項２】
複数の二次電池を並列に充電する充電装置であって、
第１の二次電池に所定の期間充電する第１の充電手段と、
第１の充電手段による充電期間に続いて、第２の二次電池に前記所定の期間充電する第２の充電手段と、
前記第２の充電手段による充電の終了を検知し、前記第１の二次電池の電圧を測定し、前記第１の二次電池の充電状態を判定する判定手段からなる充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池を充電する方法及び充電装置に関するものであり、特に、複数の二次電池を並列に充電するものにおいて、充電可能な二次電池の数より少ない数の二次電池を充電する場合であっても、充電が完了した時点を正確に判定する事が可能な充電方法及び充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、電池の使用の利便性のため、完全に充電することが望まれる。しかし、電池を過充電の状態にすると電池の発熱が急速に増加し、特性の悪化、寿命の短縮等の悪影響が出る。そのため、過充電を防止するため、充電を行いつつ充電の状況を監視し、満充電となった事を検知して充電を速やかに終了することが行われている。
二次電池の充電状況の監視には、充電時の電池電圧（充電ＯＮ電圧）を監視する方法、二次電池を充電回路から切り離し、開放状態とした時の電池電圧（充電ＯＦＦ電圧）を監視する方法等が存在する。
【０００３】
図３に、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池等の二次電池を定電流で充電した時の電池電圧の特性が示されている。
（Ａ）は充電時の電池電圧（充電ＯＮ電圧）である。電池電圧は、充電の開始と共に上昇し、その後ほぼ一定の電圧を維持する。充電時間が経過し満充電に近くなると大きく上昇し、その後降下する特性を示す。
（Ｂ）は二次電池を充電回路から切り離し、開放状態とした時の電池電圧（充電ＯＦＦ電圧）である。電池電圧は、充電の開始と共に緩やかに上昇し、充電完了、即ち、満充電となる直前で大きく上昇し二次電池の規定電圧（例えば、１．４８Ｖ）になり、その後降下する特性を示す。
満充電の検知には、充電ＯＮ電圧を測定し、電池電圧がピーク電圧から降下するΔＶを検出して満充電とする方法、充電ＯＦＦ電圧を測定し二次電池の定格値近傍、例えば１．４８Ｖの定格値に対して１．４６Ｖとなった事を検知した時満充電と判定する方法がある。
【０００４】
二次電池の充電制御に関する文献には以下のものが存在する。
【特許文献１】特開２０００−３９１３１８号公報
【特許文献２】特公表平０８−５００２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、充電ＯＦＦ電圧が二次電池の定格値近傍となった事を検知した時満充電と判定する方法に関するものである。
図４に、充電ＯＦＦ電圧に基づいて二次電池の充電を制御する方法の原理が示されている。図４（ａ）は充電回路の概略図であり、１０は定電流回路、１１は二次電池、１２は回路の抵抗成分、１３は制御回路１４からのオン／オフ制御信号１５により、定電流回路１０と二次電池とを接続、又は分離するスイッチ、１６は二次電池の電圧信号を制御回路１４に入力するためのラインである。図４（ｂ）はスイッチ１３のオン期間、即ち充電期間と、スイッチのオフ期間、即ち開放期間に信号ライン１６に現れる電池電圧を示す図である。時刻ｔ１でスイッチ１３をオンとするとライン１６の電圧は上昇し充電を開始する。時刻ｔ２でスイッチ１３をオフとすると電池１１は定電流回路１０から分離され、電池１１の電圧はその特性によって決まる時定数に従って減少する。
時間が充分経過し出力が安定した時刻ｔｘの電圧を測定すると、電池１１が満充電の時は電池の規定電圧である１．４８Ｖに近い値を示す。しかし、電池１１が満充電に至っていない場合には、時刻ｔｘの電圧は規定電圧より小さな値となる。このため、スイッチ１３をオフとしてから所定時間が経過した時点で、電池１１の電圧を測定し、測定値が所定の値、例えば１．４６Ｖとなっているか否かを判定する事により、電池１１の充電が完了したか否かの判定が可能となる。
【０００６】
図４（ｃ）は充電ＯＦＦ電圧による充電の制御を具体的に示す図である。時刻ｔ１とｔ２の間、スイッチ１３がオンとされ電池１１は充電される。スイッチ１３がオフとされた後、所定時間経過した時刻ｔｘ１で充電ＯＦＦ電圧が測定される。測定された充電ＯＦＦ電圧が所定の値に達しているか否かを判定し、達していない場合、時刻ｔ３でスイッチ１３を再度オンとし充電を行う。その後、時刻ｔ４でのスイッチ１３のオフ、時刻ｔｘ２での充電ＯＦＦ電圧の測定及び判定を繰り返す。ｔｘ１あるいはｔｘ２で測定された充電ＯＦＦ電圧が所定の値に達していた場合は、充電が完了したとして充電動作を終了する。
なお、スイッチ１３をオンとする期間は十秒から数十秒程度であるが、長すぎると満充電となった時に示される充電ＯＦＦ電圧のピーク点を検出できなくなる可能性がある。例えば容量2000mAhの充電池で、充電電流が4Aの場合では１０秒程度が望ましい。
【０００７】
図５は、複数（同図では４本）の二次電池を並列に充電する構成を示すものである。同図の２０は定電流回路、２１−１、・・・、２１−４は二次電池、２２−１、・・・、２２−４は回路の抵抗成分、２３−１、・・・、２３−４は制御回路２４からの制御信号２５−１、・・・、２５−４により定電流回路２０と対応する二次電池との接続をオン／オフするスイッチ、２６−１、・・・、２６−４は対応する二次電池の電圧を制御回路２４が測定するためのラインである。
【０００８】
図６（ａ）は、図５の制御回路２４により制御されるスイッチ２３−１、・・・、２３−４のオン／オフの状態を示す図である。時刻ｔ１からｔ２の期間、スイッチ２３−１がオンとされ、二次電池２１−１（電池１）が電源２０と接続され充電状態となる。次の時刻ｔ２からｔ３の期間にスイッチ２３−２がオンとされ、二次電池２１−２（電池２）が充電状態となる。以下各スイッチは順次循環的にオンとされ、各二次電池が充電される。
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示されるシーケンスにより制御される二次電池の信号ライン２６−１、・・・、２６−４に現れる電圧を示す図である。時刻ｔ１−ｔ２で充電され、時刻ｔ２で電源から切り離される二次電池２１−１（電池１）の信号ライン２６−１には、ｔ２−ｔ５の期間に充電ＯＦＦ電圧が現れる。制御回路２４は前記ｔ２−ｔ５の終了近傍のｔ１１で充電ＯＦＦ電圧を読み込み、読み込まれた電圧が満充電となったと判定しうる電圧であるか否かを検査する。この検査の結果、満充電と判断されると二次電池２１−１（電池１）の充電は終了する。満充電と判断されなかった時は、ｔ５から始まる次のサイクルが実行される。二次電池２１−２（電池２）は期間ｔ２−ｔ３で充電され、ｔ２１で充電ＯＦＦ電圧の読み込と判定が行われる。二次電池２１−３（電池３）及び２１−４（電池４）も二次電池２１−１あるいは２１−２と同じ制御が１期間ずつずらして行われる。上記の充電制御は全ての二次電池が満充電となるまで繰り返し実行される。
【０００９】
複数の二次電池を並列に充電するものでは、充電可能な本数全て（図５に示される例では４本）を充電装置の装着位置にセットし、全てを同時に充電する必要はない。制御装置２４は二次電池の充電を開始する時点で装着位置に充電すべき電池がセットされているか否かを検査する。検査の結果、電池がセットされていない装着位置が発見されると、その装着位置に対する充電動は行われず、直ちに次の装着位置に対する充電動作が開始される。
図７は４本の二次電池の並列充電が可能な充電器に、４本、３本、および２本の電池をセットし充電を行った時のタイミングと、電池１で測定される電圧の状況を示すものである。
【００１０】
図７（ａ）は、４本の装着位置全てに電池がセットされ、４本全てに充電動作を行う場合のタイミングを示すものである。電池１には時刻ｔ１で充電動作が開始され、所定の期間、例えば１０秒間充電され、時刻ｔ２で充電は中断される。電池２には時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間充電され、時刻ｔ３で充電動作は中断される。以下電池３は時刻ｔ３からｔ４の期間、電池４は期間ｔ４からｔ５間の期間充電される。この１サイクルが終了し、電池１に対して再度充電動作が実行される時刻ｔ５の直前のｔａ１で、制御装置２４は信号ライン２６−１に現れている電池１の充電ＯＦＦ電圧を読み取り、電池１が満充電か否かを判定する。この判定の結果、電池１は満充電ではないと判定されると、次の時刻ｔ５からｔ６の期間充電動作を実行する。
以上の通り、４本の装着位置全てに二次電池がセットされ、４本全てに充電動作が行われると、電池１は、ｔ１−ｔ２の１期間、例えば１０秒間充電が行われた後、ｔ２−ｔａ１の約３０秒間開放状態とされた後の充電ＯＦＦ電圧が測定され、満充電か否かの判定がなされる。
【００１１】
図７（ｂ）は、４本の装着位置のうち、１から３の位置に電池がセットされ、３本の電池に充電動作を行う場合のタイミングを示すものである。（ａ）と同様、電池１には時刻ｔ１からｔ２の期間充電され、以下、電池２および電池３に１期間ずつ充電が行われる。制御装置２４は充電動作を行う前に、各装着位置に電池がセットされているか否かを検知する。（ｂ）の場合、装着位置４には電池がセットされていないため、制御装置２４は装着位置４に対する充電制御は行わず、装着位置３に対する充電動作を行った後、直ちに装着位置１に対する充電制御を開始する。この結果、装着位置１にセットされている電池１が満充電か否かを判定するための電圧の検査は、時刻ｔ４の直前のｔｂ１に行われることになる。この判定により、電池１は満充電ではないと判断されると、時刻ｔ４からｔ５の期間充電が行われる。
以上の通り、４本の装着位置のうち３カ所にのみ電池がセットされ、３本の電池に充電動作が行われると、電池１は、ｔ１−ｔ２の１期間、例えば１０秒間充電が行われた後、ｔ２−ｔｂ１の約２０秒間開放状態とされた後の充電ＯＦＦ電圧が測定され、満充電か否かの判定がなされる。
【００１２】
図７（ｃ）は４本の装着位置のうち、１と２の位置にのみ電池がセットされ、２本の電池に充電動作を行う場合のタイミングを示すものである。この状態では、制御装置２４は装着位置２に対する充電動作を実行した後、装着位置３および４に対する制御は行わず、直ちに装着位置１に対する制御を実行する。そのため、装着位置１にセットされている電池１の電圧の検査は、時刻ｔ３の直前のｔｃ１に行われる。
以上の通り、４本の装着位置のうち２カ所にのみ電池がセットされ、２本の電池に充電動作が行われると、電池１は、ｔ１−ｔ２の１期間、例えば１０秒間充電が行われた後、ｔ２−ｔｃ１の約１０秒間開放状態とされた後充電ＯＦＦ電圧が測定され、満充電か否かの判定がなされる。
なお、１本の電池のみがセットされている場合は、１期間毎にＯＮとＯＦＦを繰り替えし、ＯＦＦ期間の終了直前に電池の電圧が検査される。そのため、この電池に対する制御の状況は図７（ｃ）の電池１に対する制御と同じとなる。
【００１３】
従来技術による充電の制御方法では、充電位置にセットされた電池の数に応じて、電池が満充電となった否かを判定する時点は、図７の示されるように、ｔａ１，ｔｂ１，ｔｃ１と変化する。図４（ｂ）に示される様に、二次電池が充電用の電源部から切り離され開放状態となった時、二次電池の測定ライン（１６）に現れる電圧は時間と共に変化する。そのため、充電される電池の本数により測定時期がｔａ１，ｔｂ１，ｔｃ１と変化すると、測定により得られる充電ＯＦＦ電圧も変化することになる。この結果、同じ状態にある電池であっても満充電か否かの判定が異なり、安定した充電が行えないという問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、充電器にセットされた二次電池の数の相違により、満充電が否かの判定結果に差が現れ、十分な充電が行えないという従来技術の問題を解決するものである。本発明は上記目的を達成するため、充電器にセットされた二次電池の一つに対して、１期間の充電動作が終了した後、次の１期間の終了近傍で、その二次電池の充電ＯＦＦ電圧を測定し、満充電となったか否かを検査する構成を有している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、充電される電池の本数にかかわりなく、充電期間が終了してから一定の時間が経過した時点の充電ＯＦＦ電圧を測定し、満充電が否かの判定を行うことが可能となり、安定した充電動作が実現できる。
また、二次電池が充電用電源から分離されるＯＦＦ期間の電圧は、ＯＦＦ期間となった直後は大きく変化し不安定である。また、その変化の形態は個々の電池の個体差に依存して電池間で大きく異なっている。そのため、本発明では上記の不安定な期間を避け、ＯＦＦ期間となった後、１期間に近い時間が経過した時点で二次電池の電圧を測定する構成としており、安定した測定が可能となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１には、４本の二次電池の並列充電が可能な充電装置に、（ａ）４本の電池がセットされた時、（ｂ）３本の電池がセットされた時の電池１と電池２の電圧と、充電ＯＦＦ電圧の測定タイミングが示されている。同図に示される動作例は、１期間（例えば、ｔ１からｔ２の期間）を１０秒とし、１期間毎に充電対象の電池を切り替えている。１期間の最初の９秒間は電池に対して充電を行い、最後の１秒を休止期としている。この休止期の中央、即ち１期間の９．５秒の時点で、１つ前の期間に充電を行った電池の充電ＯＦＦ電圧を検査し、その電池の充電が完了したか否かを判断する。
図１（ａ）は４箇所の電池装着位置全てに電池がセットされた時のタイミング図である。同図では、ｔ１−ｔ２の期間で電池１に充電を行い（実際には、９秒充電し、１秒休止）、次のｔ２−ｔ３の期間の９秒で電池２に充電を行い、その０．５秒後の時点ｔａ１で電池１の充電ＯＦＦ電圧を測定し、電池１の充電が完了したか否かを判定している。
図１（ｂ）は４箇所の電池装着位置のうち３カ所にのみ電池がセットされた時のタイミング図である。この状態であっても、図３（ａ）と同様、電池２に充電を行う第２期間ｔ２−ｔ３の９．５秒の時点ｔｂ１で、電池１の充電ＯＦＦ電圧を測定する。
上記構成により、充電装置の電池装着位置にセットされている電池の数が異なっても、電池の充電完了／非完了の判定は、判定対象の電池の充電期間が終了した後９．５秒経過した時点である。そのため、セットされている電池の数の違いにより充電完了／非完了の判定に差が出ることはない。
【００１７】
図２（ａ）に、図１に示されるタイミングを実現する制御フローの一例が示されている。また、同図（ｂ）に、上記処理フローで用いられる制御装置内のレジスタとテーブルが示されている。
図２（ａ）の処理フローは以下の通りである。
１００：充電装置が動作を開始すると、充電装置の制御装置は電池装着位置を検査し、各装着位置に電池がセットされているか否か、あるいは対象外の電池がセットされていないかを検査する。検査結果は制御装置内のテーブルに記憶される。テーブルには装着位置対応に、電池のセットの有無及び電池の状態に関する情報が、「空き」、「要充電」、「満充電」として記憶される。図２（ｂ）は、装着位置１，３、４に充電を必要とする二次電池がセットされており、装着位置２には電池がセットされていない状態を示している。
この検査の結果、充電を要する電池が何れの装着位置にもセットされていないことが検出された時、あるいは対象外の電池がセットされていると判断された時は処理を終了する。
レジスタ１には、充電を行う電池装着位置の番号が記憶され、充電が終了した後、次の期間で充電を行う電池装着位置の番号に更新される。また、レジスタ２には、直前の期間で充電が行われた電池装着位置の番号が記憶され、充電ＯＦＦ電圧を測定すべき位置の決定に用いられる。
１０１：ステップ１００の検査の結果、セットされている電池は１本であるか否かを調べる。セットされている電池が１本の時はステップ１０９に進み、２本以上セットされている時はステップ１０２に進む。
１０２：テーブルを調査し、電池がセットされている装着位置の最若番をレジスタ１に記憶し、最老番をレジスタ２に記憶する。図１（ｂ）に示される例では、レジスタ１に「１」が記憶され、レジスタ２に「４」が記憶される。レジスタ１への記憶は最初の充電位置を決めるものであり、レジスタ２への記憶はダミーである。
１０３：レジスタ１に記憶されている番号の装着位置に対して充電を開始するため、対応する充電用スイッチ（図５の２３−１）をオンにする。
１０４：充電期間である９秒待つ。
１０５：充電用スイッチをオフにする。
１０６：０．５秒経過後、レジスタ２に記憶されている番号の装着位置にセットされている電池の充電ＯＦＦ電圧を測定し、当該電池が満充電か否かを判定する。判定結果に基づいてテーブルを更新し、更に０．５秒休止する。この処理は、１つ前の期間に充電された二次電池が、その充電よって満充電となったか否かを検査するものである。なお、初回の判定は意味のないダミーである。
１０７：ステップ１０６において更新されたテーブルに記憶されている各電池装着位置の状態を検査し、充電を要する電池は１本であるか否かを判別する。充電を要する電池が１本の時はステップ１１１に進み、２本以上の時はステップ１０８に進む。このステップで充電を要する電池が１本のみと判断されることは、ステップ１０６の判定で、判定対象となった電池の充電は完了したと判断され、直前のステップ１０３からステップ１０５で今回充電された電池のみが充電を要する電池であることを意味している。
１０８：レジスタ１に記憶されている装着位置番号をレジスタ２に移動する。テーブルから、充電を要する電池がセットされている次の装着位置を判別し、その装着位置の番号をレジスタ１に記憶し、ステップ１０３に進む。この処理により、レジスタ１に記憶された装着位置番号（例えば「１」）がレジスタ２に移され、引き続き実行されるステップ１０３からステップ１０６の処理の処理時間である９．５秒経過後に実行される次のステップ１０６の判定処理により、この装着位置の電池が満充電となったか否かが検査される。また、図２（ｂ）の例では、テーブルを検査することにより、充電を要する電池の次の装着位置は「３」であり、「３」がレジスタ１に記憶される。この結果、次回の充電は装着位置３の電池に対して行われる。
【００１８】
１０９：ステップ１０１の検査により、セットされている電池が１本のみと判断されるとステップ１０９に進み、その１本がセットされている装着位置の番号をレジスタ１に記憶する。
１１０：レジスタ１に記憶されている装着位置に対応する充電用スイッチを９秒間オンし、次に１秒休止する。
１１１：９．５秒経過後、レジスタ１に記憶されている装着位置にセットされている電池の充電ＯＦＦ電圧を測定し、当該電池が満充電か否かを判定し、０．５秒休止する。
１１２：ステップ１１２の判定の結果、満充電の時ステップ１１３に進み、満充電ではなく、まだ充電を必要とする時はステップ１１０に進む。
１１３：終了処理を実行する。
【００１９】
図２（ａ）の処理フローにより、充電装置にセットされた電池の充電ＯＦＦ電圧を検査し、当該電池の充電が完了したか否かを判定する時点は、セットされた電池の数が相違しても、必ず充電が行われた期間の９．５秒後となる。この結果、充電する電池の数が幾つであっても、何れの電池に対しても同じ条件で充電ＯＦＦ電圧を測定することが可能となり、安定した充電が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
複数の二次電池を並列に充電可能な従来の充電装置では、装置にセットされた二次電池の数の相違により、充電が完了したか否かの判定時期が異なり、正確な充電が困難であった。本発明は装置にセットされた二次電池の数が相違しても、充電が完了したか否かの判定時期を一定とすることが可能となる。その結果、どのような状況にあっても、安定した充電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による二次電池の充電電圧の測定タイミングの例を示す図
【図２】図１のタイミングを実現する処理フローの一例と制御部のレジスタおよびテーブルを示す図
【図３】二次電池のＯＮ電圧とＯＦＦ電圧を示す図
【図４】充電装置のＯＦＦ電圧の測定原理を示す図
【図５】複数の二次電池を並列充電可能な充電装置の概要図
【図６】複数の二次電池を並列充電した時のＯＦＦ電圧の測定タイミングを示す図
【図７】従来の充電装置におれるＯＦＦ電圧の測定タイミングを示す図
【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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