(57)【要約】      （修正有）【課題】使用履歴がわからなくても、充電の状態から過充電の要否を判断でき、過充電にならないような充電方法を提供する。【解決手段】二次電池１０と、二次電池１０の電圧を計測する電圧計１２と、二次電池１０への充電電流および二次電池１０からの放電電流を計測する電流計１４と、充電電源が接続された際に二次電池に印加する電圧と二次電池１０に流す電流を制御することができる電力制御器１６と、電圧計１２と電流計１４と電力制御器１６に接続された制御器２０と、二次電池１０に流れ込む充電電気量および二次電池１０から流れ出る放電電気量の合計である充放電電気量を演算する充放電電気量演算手段２５を有し、制御器２０は、二次電池１０の電圧が、定電圧設定値になる前に充放電電気量がゼロに達したら、二次電池１０の電圧を定電圧設定値になるまで充電し、さらに充電が開始される直前の放電電気量の一定割合の電気量を充電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、
前記二次電池の電圧を計測する電圧計と、
前記二次電池への充電電流および前記二次電池からの放電電流を計測する電流計と、
充電電源が接続された際に前記二次電池に印加する電圧と前記二次電池に流す電流を制御することができる電力制御器と、
前記電圧計と前記電流計と前記電力制御器に接続された制御器と、
前記二次電池に流れ込む充電電気量および前記二次電池から流れ出る放電電気量の合計である充放電電気量を演算する充放電電気量演算手段を有し、
前記制御器は、前記二次電池の電圧が、定電圧設定値になる前に前記充放電電気量がゼロに達したら、前記二次電池の電圧を前記定電圧設定値になるまで充電し、さらに充電が開始される直前の放電電気量の一定割合の電気量を充電することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記充電が開始される直前の放電電気量の一定割合の電気量を充電した後に、前記充放電電気量をゼロに設定することを特徴とする請求項１に記載された電源装置。
【請求項３】
充電および放電する際に充放電電気量を算出する電源装置の充電方法であって、
前記二次電池の定電圧設定値までバルク充電する工程と、
前記定電圧設定値まで充電した後にゼロ充電する工程を有し、
前記定電圧設定値になる前に前記充放電電気量が満充電になった際には、前記定電圧設定値まで充電した後に、さらに充電が開示される直前の放電電気量の一定割合の電気量を充電することを特徴とする充電方法。
【請求項４】
前記充電が開示される直前の放電電気量の一定割合の電気量を充電した後に、前記充放電電気量の値をゼロに設定することを特徴とする請求項３に記載された充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池を用いた電源装置に関するものであり、特に一定時間放電を行い、その後充電されるといった使用方法に供される電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二次電池の寿命を長くするために、フロート充電という方法が行われている。これは満充電になるまで充電した後は、二次電池に負荷をかけず、常に満充電状態が維持するように充電を行う方法である。
【０００３】
しかし、充電期間と放電期間が交互に訪れるサイクル使用をする場合は、放電期間の間は充電されることがなく、二次電池は大きな電気量を放電することとなる。このように、大量の電気量を放電し、再び満充電まで充電するような使用方法では、熱や電流・電圧の測定誤差などで、放電した電気量を充電しきれない場合がある。そうすると二次電池は、充電不足という状態に陥る。
【０００４】
鉛蓄電池では、放電されると硫酸イオンが消費されるため、電解液濃度が低くなる。この時に充電を行うと極版付近で硫酸ができ、電解液濃度が高くなる。この時に、電槽内で電解液濃度の不均衡が生じ、サルフェーション（硫酸鉛蓄積）の原因となる。サルフェーションは、硫酸鉛が極版で結晶化したもので、不導体であるため、充放電を阻害する。結果、電池は繰り返し使用ができなくなる。
【０００５】
特許文献１では、このような状態を回避するために、通常は満充電以下に充電量を制御し、所定の期間毎に過充電を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１１１２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の方法では、充電サイクル数をメモリしておく機器が必要となる。つまり、履歴の分からない二次電池を使用する場合は、利用することができないという課題があった。また、リフレッシュ充電は、放電量の多寡に係らず一定の過充電を行うため、放電量が少なかった場合は、過充電になりすぎる場合があるという課題があった。特に、過充電は、二次電池の寿命を劣化させる原因になる。
【０００８】
つまり、使用履歴がわからなくても、充電の状態から過充電の要否を判断でき、また、過充電にならないような充電方法が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みて想到されたものであり、充電する二次電池の使用履歴に係らず、過充電が必要か否かを判断でき、また充電前の放電量に応じた過充電を行う電源装置を提供するものである。
【００１０】
より具体的に本発明の電源装置は、
二次電池と、
前記二次電池の電圧を計測する電圧計と、
前記二次電池への充電電流および前記二次電池からの放電電流を計測する電流計と、
充電電源が接続された際に前記二次電池に印加する電圧と前記二次電池に流す電流を制御することができる電力制御器と、
前記電圧計と前記電流計と前記電力制御器に接続された制御器と、
前記二次電池に流れ込む充電電気量および前記二次電池から流れ出る放電電気量の合計である充放電電気量を演算する充放電電気量演算手段を有し、
前記制御器は、前記二次電池の電圧が、定電圧設定値になる前に前記充放電電気量がゼロに達したら、前記二次電池の電圧を前記定電圧設定値になるまで充電し、さらに充電が開始される直前の放電電気量の一定割合の電気量を充電することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る電源装置は、前記二次電池の電圧が、前記定電圧設定値になる前に前記充放電電気量がゼロに達した際に、前記二次電池の電圧を前記定電圧設定値になるまで充電し、さらに放電電気量の一定割合の電気量の過充電を行う。したがって、二次電池の過去の使用履歴に係らず、過充電が必要か否かを判断することができる。
【００１２】
また、充電前の放電電気量に応じて充電量を制御するため、過充電を回避することができる。そのため、二次電池に損傷を与えることなく、満充電まで電池容量を回復させることができ、電池寿命を延ばすことができる。また、この過充電を行った時に充放電電気量をリセットすることで、電池の残存電気量（電池容量）を正しく把握しながら使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る電源装置の構成を示す図である。
【図２】充放電制御の状態を示すグラフである。
【図３】電源装置の充放処理のフローを示す図である。
【図４】充放電制御において過充電が行われる際の状態を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明に係る電源装置について図面を参照しながら説明を行う。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は以下の実施形態に限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、以下の実施形態は改変することができる。
【００１５】
図１は、本発明に係る電源装置１の構成を示す図である。本発明の電源装置１は、正極１０ａと負極１０ｂを有する二次電池１０と、正極１０ａと負極１０ｂ間の電圧を測定する電圧計１２と、二次電池１０に流れる電流を測定する電流計１４と、電力制御器１６と、制御器２０を含む。なお、本発明に係る電源装置１は、充電および放電する際に充放電電気量を算出する電源装置である。
【００１６】
二次電池１０は、特に限定されるものではないが、鉛蓄電池が好適に利用することができる。また二次電池１０は単体の電池だけでなく、組電池でもよい。また二次電池１０は、過去に使用されたものであってもよい。本発明の電源装置１では、過充電のタイミングを充電時の電圧、電流の挙動で判断するため、過去の使用履歴が無くてもよいからである。
【００１７】
電圧計１２は、二次電池１０の正極１０ａと負極１０ｂの間の電圧を測定する。この電圧は「二次電池電圧」若しくは「端子間電圧Ｓｖ」と呼ぶ。電流計１４は、二次電池１０から流れ出る電流（放電電流）と流れ込む電流（充電電流）を識別して測定できる。放電電流と充電電流をまとめて充放電電流Ｓａと呼ぶ。
【００１８】
電力制御器１６は、主として充電時に接続される充電電源５２からの電力を制御し、二次電池１０へ所定の電圧もしくは所定の電流を流す。つまり、電力制御器１６は、充電電源５２が接続された際に二次電池１０に印加する電圧と二次電池１０に流す電流を制御することができる。また、充電電源５２からの電力が半波整流されたものであっても、直流電力に変換できる機能が搭載されたものが望ましい。また、二次電池１０に接続する回路と、二次電池１０の間を導通・切断できるようにしてもよい。
【００１９】
制御器２０は、電圧計１２、電流計１４および電力制御器１６と接続されている。制御器２０は、電圧計１２からは電圧値を信号Ｓｖで受信し、電流計１４からは電流値を信号Ｓａで受信する。また、制御器２０は、電力制御器１６に対して指示信号Ｃｓを送信する。指示信号Ｃｓによって、電力制御器１６は充電電源５２の電力を所定の電圧若しくは所定の電流として二次電池１０に流す。また、制御器２０は、内部にタイマを有しており、時刻および時刻と時刻の間の時間を計測できる。なお、タイマは制御器２０と別に備えてもよい。また、信号Ｓｖで受信した電圧値を端子間電圧Ｓｖとし、信号Ｓａで受信した電流値を充放電電流Ｓａとする。
【００２０】
制御器２０が電流計１４から受信した信号Ｓａと制御器２０自身が有するタイマから得た時間ｔから、充放電電気量ΣＣが算出される。充放電電気量ΣＣを算出する手段は充放電電気量演算手段２５と呼ぶ。充放電電気量演算手段２５は、制御器２０が時間ｔと電流計１４から受信した信号Ｓａによって演算するソフトウェア的手段である。図１では、制御器２０中に符号２５を記載する。
【００２１】
なお、電源装置１には、外部端子１８ａ、１８ｂが設けられていてもよい。外部端子１８ａ、１８ｂは、電源装置１に負荷５０若しくは充電電源５２が接続される際の接続端子となる。したがって、外部端子１８ａ、１８ｂは、二次電池１０から見て、電圧計１２、電流計１４、電力制御器１６よりも、遠い位置で接続されている。
【００２２】
負荷５０は、電源装置１に接続される電力消費者である。好適に接続できる例として、電化製品、電動機、コンバータ等が挙げられる。充電電源５２は、電源装置１に充電電力を与える電力源である。直流電力が供給されるものであれば限定されるものではない。また、半波整流された電力源であってもよい。
【００２３】
次に本発明に係る電源装置１の動作について説明する。図２には、放電時・充電時の電圧、電流および電気量を示すグラフを示す。図２（ａ）は、横軸が時刻を表し、縦軸は端子間電圧Ｓｖ（Ｖ）を表す。端子間電圧Ｓｖは、電圧計１２が計測する。電圧Ｖ１は公称電圧である。たとえば鉛蓄電池の場合は１３．０Ｖ程度である。また電圧Ｖ２は、充電時に許容される最大電圧で、定電圧設定値である。定電圧設定値Ｖ２は、後述するバルク充電から吸収充電（定電圧充電）に移行する際の目安にもなる値である。鉛蓄電池の場合は１４．９Ｖ程度である。
【００２４】
図２（ｂ）は、横軸が時刻を表し、縦軸は充放電電流Ｓａ（Ａ）である。充放電電流Ｓａは、二次電池１０に充電する際に流れる充電電流を正として表す。したがって、放電電流は負の充放電電流Ｓａとして表される。充放電電流Ｓａは電流計１４が計測する。
【００２５】
図２（ｃ）は、横軸が時刻を表し、縦軸は充放電電気量ΣＣ（Ａｈ）を表す。充放電電気量ΣＣは、二次電池１０に流れる電流値と、電流が流れている時間の積で表される。なお、充放電電気量ΣＣは満充電になった時にゼロとする。したがって、放電を行うと、充放電電気量ΣＣは、ゼロから減っていく。
【００２６】
図２（ａ）乃至（ｃ）の３つのグラフは、横軸が同じ時刻を表す。よって、ある時刻で二次電池１０の端子間電圧Ｓｖは、同じ時刻の充放電電流Ｓａの値および充放電電気量ΣＣの値に対応している。説明のため、時刻ｔ１以前では、図１の負荷５０が電源装置１の外部端子１８ａ、１８ｂに接続されているとする。
【００２７】
したがって、時刻ｔ１以前では、図２（ｂ）の充放電電流Ｓａ（Ａ）は負の一定値が流れている。つまり、負荷５０に向かって電流が流れる。図２（ａ）の二次電池１０の端子間電圧Ｓｖは徐々に低下する。また、図２（ｃ）の充放電電気量ΣＣも徐々に減少する。
【００２８】
なお、このとき、電力制御器１６は、二次電池１０と負荷５０の間を単に接続しているだけである。また、充放電電気量演算手段２５は、単位時間Δｔに負荷５０に流れる充放電電流Ｓａと単位時間Δｔを掛け算して単位時間当たりの放電電気量Δｔ・Ｓａを求め、充放電電気量ΣＣに単位時間当たりの放電電気量Δｔ・Ｓａを加算することで新たな充放電電気量ΣＣ（＝ΣＣ＋Δｔ・Ｓａ）を演算する。充放電電気量演算手段２５は、他の処理に係らず常に稼働し、その時々の充放電電気量ΣＣを算出している。
【００２９】
図３には、電源装置１の充電フローを示す。図３および図２を参照して充電処理を説明する。時刻ｔ１で充電が始まると（ステップＳ１００）、初期設定を行う（ステップＳ１０２）。初期設定は、フラグＦＧのリセットを含む。フラグＦＧは、後述する過充電を行うか否かの処理の分岐のために用いる。また、フラグＦＧのリセットは、フラグＦＧの値をゼロにする事としてよい。
【００３０】
また、直前の放電電気量Ｅｃ（図２（ｃ）、図４（ｃ）参照）を記録する。放電電気量Ｅｃは、充放電電気量ΣＣがゼロから、充電が開始される直前の充放電電気量ΣＣの値までの電気量である。放電電気量Ｅｃは、後に過充電量を算出するために求められる。
【００３１】
次に電源装置１は、バルク充電を行う（ステップＳ１０４）。バルク充電は、制御器２０が電力制御器１６にバルク充電を指示信号Ｃｓで指示する。バルク充電が始まると、図２（ｂ）の充放電電流Ｓａは正の値になる。また、充放電電気量ΣＣも増加傾向に移る。バルク充電は、二次電池１０の端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２になるまで継続される（ステップＳ１１０）。
【００３２】
ステップＳ１１０に移る前に、充放電電気量ΣＣがゼロを超えたか否かが判断される（ステップＳ１０６）。そして、充放電電気量ΣＣがゼロを超えた場合（ステップＳ１０６のＹ分岐）は、フラグＦＧを立てる（ステップＳ１０８）。ここでフラグＦＧを立てるとは、ＦＧに値１を代入するとしてよい。充放電電気量ΣＣがゼロを超えていない場合（ステップＳ１０６のＮ分岐）は、そのまま処理を進める。そして、端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２を超えたか否かを判断するステップ（ステップＳ１１０）に移る。
【００３３】
ステップＳ１０６でＹ分岐になったということは、端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２になる前に、充放電電気量ΣＣがゼロになった（ゼロを超えた）ことを意味する。本発明ではこのような状態が生じた際に、過充電を行う。つまり、二次電池１０の充電状態だけから二次電池１０をリフレッシュするための、タイミングを知る。またフラグＦＧを立てる（１にする）のは、後程過充電処理を行う際の分岐のためである。ここでは、フラグＦＧは立たなかったもの（つまり、過充電は行わない）として説明を続ける。
【００３４】
端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２を越えたら（ステップＳ１１０のＹ分岐）、フラグＦＧが立っているか否かを判断する（ステップＳ１１２）。ここでは、フラグＦＧは立たなかったとして説明を続ける。フラグＦＧが１でなかった場合（ステップＳ１１２のＮ分岐）は、定電圧充電を行う（ステップＳ１１４）。具体的には、制御器２０は、電力制御器１６に充電電圧を一定にするように指示信号Ｃｓを送信する。この時の充電電圧は、定電圧設定値Ｖ２である。なお、充電電圧を一定にして充電を行うことを定電圧充電モード（吸収充電とも呼ばれる。）と呼ぶ。
【００３５】
図２を参照して、定電圧充電モードになったら、二次電池１０へ流れる電流は減少してゆく（図２（ｂ））。これは、二次電池１０の端子間電圧Ｓｖが上昇するにつれ、定電圧充電モードでは充電しにくくなるからである。
【００３６】
そして、充放電電気量ΣＣがゼロになったか否かを判断する（ステップＳ１１６）。すなわち、定電圧充電モードは、充放電電気量ΣＣがゼロになるまで（満充電になるまで）続けられる。つまり、充放電電気量ΣＣがゼロでなければ（ステップＳ１１６のＮ分岐）、定電圧充電モードを継続する（ステップＳ１１４）。
【００３７】
充放電電気量ΣＣがゼロになったら（ステップＳ１１６のＹ分岐）、制御器２０は、充電終了の通知信号を出す（ステップＳ１１８）。この通知によって電源装置１に設けた表示器（図示せず）に「充電終了」の表示を行ってもよい。また、他の機器に対してこの通知信号を送信してもよい。
【００３８】
次に、制御器２０は電力制御器１６に指示信号Ｃｓを使って、二次電池１０に流れる電流がゼロになるように、端子間電圧Ｓｖを制御する（ステップＳ１２０）。これをゼロ充電モード若しくはフロート充電モードと呼ぶ。二次電池１０に電流が流れないので、二次電池１０は、放電も充電もされなくなる。
【００３９】
その後は、充電電源５２が電源装置１に接続されているか否かを判断し（ステップＳ１２２）、接続されていれば（ステップＳ１２２のＹ分岐）、ステップＳ１２０に戻りゼロ充電モードを継続する。充電電源５２が電源装置１から外された場合（ステップＳ１２２のＮ分岐）は、処理を終了する（ステップＳ１５０）。
【００４０】
次にステップＳ１１２で、フラグＦＧが立った（ＦＧ＝１）場合（ステップＳ１１２のＹ分岐）の処理について説明する。すでに説明したように、フラグＦＧが１になっているということは、端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２になる前に、充放電電気量ΣＣがゼロになったことを意味する。充放電電気量ΣＣとは、電流計１４と制御器２０およびタイマで構成される充放電電気量演算手段２５によって求められた計算値である。
【００４１】
しかし、実際の充放電では、熱による損失や電槽中の不可逆な化学変化によって損失が生じるため、実際に蓄積された充電電気量と充放電電気量ΣＣの値に乖離が生じる。また、軽いサルフェーションが生じている場合もある。本発明は充電時の充放電電気量ΣＣと端子間電圧Ｓｖとの関係より、端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２になる前に、充放電電気量ΣＣがゼロになったら（満充電になったら）、過充電を行う。
【００４２】
図４には、この様な状態を図示する。図４（ａ）乃至（ｃ）は、図２（ａ）乃至（ｃ）と同じ変数のグラフである。図４（ｃ）を参照して、時刻ｔ１から開始された充電処理は、時刻ｔｆで充放電電気量ΣＣがゼロとなった。しかし、この時端子間電圧Ｓｖは定電圧設定値Ｖ２まで到達していない（図４（ａ）の点Ｚ）。
【００４３】
図３を参照して、ステップＳ１０４とステップＳ１１０の間の処理により、端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２まで到達していなくても、ＦＧを１にする処理は行われるものの、結局は端子間電圧Ｓｖが定電圧設定値Ｖ２になるまでバルク充電は行われる。ステップＳ１１０をＹ分岐で抜けなければ、次のステップＳ１１２に移動できないからである。
【００４４】
従って、ステップＳ１１２の段階では、端子間電圧Ｓｖは定電圧設定値Ｖ２になっている。ただし、充放電電気量ΣＣはゼロ以上になっている。図４（ｃ）では、この時の充電電気量を「ＣＣ」とした。ＣＣは正の値である。
【００４５】
図３を参照して、ステップＳ１１２のＹ分岐からステップＳ１３０に進むと、過充電の目標値の設定を行う。具体的には、充電目標値ＴＣは、現在の充放電電気量ΣＣ（＝ＣＣ）に直前の放電電気量Ｅｃの所定割合（αＥｃ）を加えたものを充電目標値ＴＣとする。図４（ｃ）では、充電電気量ＣＣにαＥｃを加算した値が充電目標値ＴＣである。
【００４６】
つまり、本発明に係る電源装置１の充電処理は充電する直前に使用した電流量に応じて、過充電量を変える処理である。このようにすれば、仮に充電直前の放電電気量が少ない場合であっても、二次電池１０に対して過充電になることはない。したがって、二次電池１０の寿命を長くすることができる。なお、αは０．１程度が好適である。
【００４７】
図３に戻って、ステップＳ１３０では、充電目標値ＴＣに現在の充放電電気量ΣＣ（＝ＣＣ）と放電電気量Ｅｃのα倍を代入する。次に定電圧充電を行い（ステップＳ１３２）、充放電電気量ΣＣが充電目標値ＴＣを越えたか否かについて判断する（ステップＳ１３４）。充電目標値ＴＣを越えていない場合（ステップＳ１３４のＮ分岐）は、ステップＳ１３２に戻って定電圧充電モードを継続する。
【００４８】
充放電電気量ΣＣが充電目標値ＴＣに到達した場合（ステップＳ１３４のＹ分岐）は、その時充放電電気量ΣＣをゼロにする（ステップＳ１３６）。つまり、ステップＳ１３０からの過充電処理を行った結果、二次電池１０の充電電気量ＣＣはゼロに戻すことができた（リフレッシュすることができた）と判断する。その後処理はステップＳ１１８に移動し、ステップＳ１１８以下の充電終了後の処理を続ける。なお、充放電電気量ΣＣをゼロにするとは（ステップＳ１３６）、充放電電気量ΣＣを満充電にすると言って良い。
【００４９】
以上のように本発明に係る電源装置１は、充電中二次電池１０の電圧挙動から過充電の時期を想定し、また過充電量も実際に使用した電気量に基づいて行われるので、過充電に至ることがない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の電源装置は、充放電の際に充放電電気量を算出する電源装置だけでなく、二次電池の充電制御に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  電源装置
１０  二次電池
１０ａ  正極
１０ｂ  負極
１２  電圧計
１４  電流計
１６  電力制御器
１８ａ、１８ｂ  外部端子
２０  制御器
２５  充放電電気量演算手段
５０  負荷
５２  充電電源
Ｖ１  公称電圧
Ｖ２  定電圧設定値
Ｓｖ  端子間電圧
Ｓａ  充放電電流
ΣＣ  充放電電気量
Ｅｃ  放電電気量
Ｃｓ  指示信号
ＴＣ  充電目標値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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