(57)【要約】【課題】定電流の充電では、充電末期における許容電流以上に充電電流を大きく設定できないため、長い充電時間を要する電池であっても短時間で出来るだけ大きな充電電流を確保することが可能な充電器を提供する。【解決手段】電池に複数段階の充電電流を供給する機能を有し、充電の進行に伴い電池の許容できる充電電流が低減することに応じて、充電電流を許容電流以下に段階的に低減して、急速充電を可能な充電器とする。また、前記充電器は第１の充電電流から第Ｎ番目の充電電流へ段階的に切替える機能をし、第１から第Ｎ番目までの充電電流の段階的切替えは、充電電流オフ期間における電池電圧が各々の電流切替えに対して予め設定された電池電圧ＶＢ１から電池電圧ＶＢ（Ｎ−１）に達したことを検出して行い第Ｎ番目の充電電流による充電期間では充電電流オフ期間における電池電圧が充電末期にピークを迎え、その後電圧降下することを検出して充電完了とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電式電池の充電器において、電池に複数段階の充電電流を供給する機能を有し、充電の進行に伴い電池の許容できる充電電流が低減することに応じて、充電電流を許容電流以下に段階的に低減して、より急速充電化を図ったことを特徴とする充電器。
【請求項２】
第１の充電電流から第Ｎ番目の充電電流へ段階的に切替える機能を有するとき、前記第１から第Ｎ番目までの充電電流の切替えは、充電電流オフ期間における電池電圧が各々の電流切替えに対して予め設定された電池電圧ＶＢ１から電池電圧ＶＢ（Ｎ−１）に達したことを検出して行い、第Ｎ番目の充電電流による充電期間では、充電電流オフ期間における電池電圧が充電末期にピークを迎え、その後電圧降下することを検出して充電完了とする機能を備えた請求項１記載の充電器。
【請求項３】
充電途中の段階的充電電流の切替えに伴い充電容量表示を行い、また充電完了検出に伴い充電完了表示を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の充電器。
【請求項４】
複数個の電池を直列接続するスイッチ素子と、各電池と並列に接続されたバイパス用スイッチ素子を設け、充電電流をデューティー制御することにより、複数個の電池を充電できるようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電器の充電制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の充電器としては、充電開始から充電完了まで定電流による充電を行い、充電末期の電池電圧の電圧降下を検出して充電完了を検出する方式であった。例えば特許文献１には、従来の技術として、定電流制御された充電電流を継続して被充電電池に流し、電池電圧の変化をモニターして充電完了を検出することが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３２４７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の一定電流を充電開始から充電完了まで流す方式では、その充電電流は充電末期に電池が許容し得る最大電流に制限され、それ以上の充電電流を流すことができなかった。このため、近年のニッケル水素蓄電池の高容量化に伴い、電池が充電末期に許容し得る電流が０．５Ｉｔ程度に制限される電池においては、０．５Ｉｔ定電流による約２時間が充電時間としての最短であった。
【０００４】
尚、Ｉｔは電池の充電電流または放電電流を表す単位であり、電池の定格容量の数値を１Ｉｔとしており、例えば容量が２０００ｍＡｈの電池の場合、１Ｉｔは２０００ｍＡとなり、０．５Ｉｔは１０００ｍＡである。
【０００５】
図２に従来例による電池電圧と充電電流の時間推移を示すが、充電開始後より０．５Ｉｔの充電電流が流れ、その後約２時間が経過し、充電完了が近づくと、電池電圧はピークを迎えその後緩やかに降下する。このピーク後の電池電圧降下を検出して、充電完了とし、充電を終了する。この充電完了付近、特に充電容量が約９０％を越えてから充電完了までの期間では、電池内部の圧力が上昇するため、充電電流が電池の許容値を越えている場合、電池の安全弁が作動し、内部よりガスが流出し、電池の性能劣化を起こす可能性がある。
【０００６】
近年の電池の高容量化に伴い、この電流許容値は下がる傾向にあり、０．５Ｉｔ以上の充電電流を流すと安全弁の作動が発生する電池も出てきている。よって、充電電流の上限はこの充電末期において安全弁を作動させることのない電流値に制限され、充電開始時から０．５Ｉｔの充電電流で充電する場合、その充電時間は約２時間が最短であった。
【０００７】
また、充電表示については充電中と充電完了の２段階しか表示されないため、充電途中で何％程度充電されているかを知らしめる手段がなく、使用者の使い勝手としてはやや不便さがあった。
【０００８】
本発明は従来より短時間で出来るだけ大きな充電量を確保することが可能な充電器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、充電器は電池に複数段階の充電電流を供給する機能を有し、充電の進行に伴い電池の許容できる充電電流が低減することに応じて、充電電流を許容電流以下に段階的に低減して、より短時間での急速充電を可能とするものである。
【００１０】
また、第１の充電電流から第Ｎ番目の充電電流へ段階的に切替える機能を有するとき、第１番目から第Ｎ番目までの充電電流の段階的切替えは、充電電流オフ期間における電池電圧が各々の電流切替えに対して予め設定された電池電圧ＶＢ１から電池電圧ＶＢ（Ｎ−１）に達したことを検出して行い、第Ｎ番目の充電電流による充電期間では、充電電流オフ期間における電池電圧が充電末期にピークを迎え、その後電圧降下することを検出して充電完了とする機能を備えている。
【００１１】
そして充電途中の段階的充電電流の切替えに伴い充電途中での容量表示を行い、また充電完了検出に伴い充電完了表示を行う機能を備えている。
【００１２】
さらに、複数個の電池を直列接続するスイッチ素子と、各電池と並列に接続されたバイパス用スイッチ素子を設け、充電電流をデューティー制御することにより、複数個の電池を同時に充電できるようにすることも可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の充電器は、上記構成を有し、充電末期の充電電流が低く制限される電池であっても、より急速充電化を図れるものである。具体的には、定電流充電では充電電流が０．５Ｉｔを越えることができない電池であっても、その電池性能を劣化させることなく１時間以内の急速充電を可能とするものである。
【００１４】
また、充電途中の段階的充電電流の切替えに伴い充電途中での容量表示を行うことにより、充電完了に至らずとも短時間で出来るだけ多く充電したいと願う使用者にとっては使い勝手の良い充電器を提供することができる。
【００１５】
さらに、複数個の電池を直列接続するスイッチ素子と、各電池と並列に接続されたバイパス用スイッチ素子を設けることによって、充電状態の異なる複数個の電池を同時に急速充電することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
本発明のより具体的な実施の形態について、充電電流の段階的切替えが最も少ない実施例として図１を用いて説明する。図１は充電時の電池電圧と充電電流の時間推移を示す図である。充電開始後、第１の充電電流として約３Ｉｔの電流を電池に供給し、充電を行う。電流パターンとしては電流オン期間として約１．１秒間電流を流し、次に約０．１秒間の電流オフ期間を設けている。充電電流切替えを行う検出電圧ＶＢ１はこの電流オフ期間、つまり電流の流れていないときの電池電圧を検出して行う。
【００１７】
これは、本実施形態では第１の充電電流として約７．８Ａという大電流を用いているために電流オン期間の電池電圧、つまり電流が流れているときの電池電圧を検出しようとした場合、充電器の出力端子と電池との接触抵抗、端子自体で発生する電圧降下、さらにはプリント基板の銅箔パターンでの電圧降下が、電池電圧に加算されて読み込まれるために、正確な電池電圧を測定するのが非常に困難となる。このために、電流オフ期間の電池電圧を検出するようにしている。電流オフ期間であれば、接触抵抗等における電圧降下が発生しないため、その影響を受けずに電池のみの正確な電圧を検出することができるためである。
【００１８】
また、電流切替えのポイントを検出する検出電圧ＶＢ１は、あらかじめ実験により１０分間の充電で充電する電池の定格容量の５０％を充電する電流値を設定し、その時の開路電圧に設定されている。さらに電池電圧は負の温度特性を持っているため、検出電圧ＶＢ１には電池電圧の温度特性と同等の温度特性が、あらかじめ実験により求められ、設定されている。そして充電開始後、第１の充電電流による充電が進行するに従い電池電圧が上昇し、電流オフ期間の電池電圧がＶＢ１に達したことを検出して、第１の充電電流による充電を終了する。この第１の充電電流による充電時間は本実施の形態では約１０分であり、充電容量としては約５０％となる。充電電流の切替えと同時に充電状態を表す表示も切替え、電池定格容量の約５０％の充電ができたことを使用者へ知らせることが可能となる。
【００１９】
次に第２の充電電流として約１Ｉｔの電流に切替えて充電を継続するが、電池電圧はこの時点で一旦低い電圧に下降するが、第２の充電電流による充電が進行するに従い再び上昇する。第２の充電電流による充電期間も、第１の充電電流の期間と同様に約１．１秒の電流オン期間と約０．１秒の電流オフ期間の繰り返しにより、充電を進行し、電流オフ期間での電池電圧を検出し、第３の充電電流への切替え電圧である電池電圧ＶＢ２を検出する。そして充電が進行し、電池電圧がＶＢ２に達すると、第２の充電電流による充電を終了する。この第２の充電電流による充電時間は約２０分であり、その充電容量は同じく電池定格容量の約３０％である。充電開始からの累計では、充電時間としては約３０分、トータル充電容量としては約８０％となっているが、この充電容量８０％においてはまだ電池内圧の著しい上昇は始まっておらず、約１Ｉｔの電流により安全弁が作動し電池性能の劣化を起こすことはない。また、ここでも充電電流の切替えと同時に充電状態を表す表示を切替え、約８０％の充電ができたことを使用者へ知らせることができる。
【００２０】
その後、第３の充電電流として約０．５Ｉｔの電流に切替えて充電を継続するが、この時点でも電池電圧は一旦下降し、その後上昇する。第３の充電電流による充電期間も第１の充電電流及び第２の充電電流の期間と同様に約１．１秒の電流オン期間と約０．１秒の電流オフ期間の繰り返しにより充電を進行し、電池電圧の検出も同様に電流オフ期間で行う。そして充電が進行し、充電末期において電池電圧はピークを迎え、その後ゆるやかに下降する。この電池電圧のピーク後の電圧降下を検出して充電完了と判断し、表示としては充電完了表示へ切替える。この第３の充電電流による充電時間は約３０分であり、その充電容量は電池定格容量の約２５％である。この充電完了付近の領域では、充電電流が電池としての許容値である０．５Ｉｔとなっているため、安全弁作動による電池性能の劣化は起こらない。充電開始からの累計では、充電時間としては約１時間、トータル充電容量としては約１０５％となっており、電池として充電完了に至っている。
【００２１】
（実施の形態２）
本発明を複数個の電池ができる充電器に用いた場合のより具体的な実施の形態について、図３〜図８を用いて説明する。図３は４個の電池が充電できるＤＣ入力タイプの充電器の回路ブロック図である。
【００２２】
Ｂ１〜Ｂ４は充電されるニッケル水素電池である。ＳＷ１〜ＳＷ４は４個の電池を直列接続するように設けられたスイッチ素子であり、ＳＷ５〜ＳＷ８は各電池と並列に設けられたバイパス用のスイッチ素子である。ＳＷ９は充電制御部で電池電圧を検出するための回路を構成するスイッチ素子である。Ｒ１は充電電流検出用の抵抗であり、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３は充電状態表示用のＬＥＤである。その他の回路ブロックとしては、ＤＣ／ＤＣコンバータ部、定電流制御部、５Ｖ電源部、充電制御部が設けられている。
【００２３】
上記構成において、入力にＤＣ電源が印加され、電池が接続されると、ＤＣ／ＤＣコンバータが発振を開始し、電流検出抵抗Ｒ１と定電流制御部により定電流化された充電電流が電池に供給される。Ｂ１〜Ｂ４までの４個全ての電池が接続された場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ→ＳＷ１→Ｂ１→ＳＷ２→Ｂ２→ＳＷ３→Ｂ３→ＳＷ４→Ｂ４の経路で充電電流は流れる。電池が３個で、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４に接続されている場合は、バイパス用スイッチＳＷ５を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ→ＳＷ５→ＳＷ２→Ｂ２→ＳＷ３→Ｂ３→ＳＷ４→Ｂ４の経路で充電電流が流れる。電池が１個のみで、Ｂ４に接続されている場合は、バイパス用スイッチＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ→ＳＷ５→ＳＷ６→ＳＷ７→ＳＷ４→Ｂ４の経路で充電電流が流れる。このように電池個数に応じて直列接続用のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４、及びバイパス用スイッチ素子ＳＷ５〜ＳＷ８の開閉を組み合わせて、充電回路を形成し、複数個の電池の充電を行う。
【００２４】
各電池の電池電圧検出は、任意の時間に設定された充電電流ＯＦＦ期間に行う。図４に充電電流の波形を示すが、本実施例においては、１．１秒間の充電電流ＯＮ期間と０．１秒間の充電電流ＯＦＦ期間を交互に繰り返している。各電池の電池電圧検出はこの充電電流ＯＦＦ期間の０．１秒間に行われる。この電池電圧検出時は、まずＤＣ／ＤＣコバータ部を停止し、充電電流を停止する。その後スイッチ素子ＳＷ９を閉じ、ＳＷ１〜ＳＷ９の開閉の組合せにより、各電池の電池電圧を検出する。例えばＢ１の電池電圧を検出す場合、充電制御部→ＳＷ９→ＳＷ１→Ｂ１→ＳＷ６→ＳＷ７→ＳＷ８の回路を形成して電池Ｂ１の電圧検出を行う。このとき、ＳＷ５、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４は“開”状態である。
【００２５】
また、１．１秒間の充電電流ＯＮ期間においては、複数個の電池各々に適切な充電電流を流すべく、充電電流のデューティー制御を行っている。本実施形態においては、充電電流は２つの充電電流ピーク値を持ち、この２つの充電電流ピーク値をデューティー制御することにより、３つの充電電流平均値を構成し、充電進行状態に応じて各電池毎に適切な充電電流を流すようにしている。図４に第１の充電電流の構成を、図５に第２の充電電流の構成を、図６に第３の充電電流の構成をする場合の充電電流波形を示す。
【００２６】
図４において、第１の充電電流の平均値は７．２Ａであるが、この７．２Ａは充電電流ピーク値７．８Ａをデューティー比９２％に制御することにより構成されている。図５においては、第２の充電電流の平均値は２．３Ａであるが、この２．３Ａは充電電流ピーク値７．８Ａを同じく２９％に制御する手段、及び２．５Ａを９２％にデューティー制御する手段の２種類の手段により構成されている。また図６においても、第３の充電電流の平均値は１．２Ａであるが、この１．２Ａは充電電流ピーク値７．８Ａを１５％にデューティー制御する手段、及び２．５Ａを４８％にデューティー制御する手段の２種類の手段により構成されている。
【００２７】
図７に、上記３つの充電電流平均値を用いて２本の電池を充電する実施例の充電電流平均値の推移を示す。上段に放電により残容量０％となっている電池Ｂ１の充電電流平均値の推移を、下段に約３０％の残容量がある電池Ｂ２の充電電流平均値の推移を示す。充電開始後、期間Ａにおいては電池Ｂ１及び電池Ｂ２に対し共に充電電流平均値７．２Ａが流れる。次に充電が進行し、充電制御部により電池Ｂ２の第１段目の検出がなされ、電池Ｂ２の充電電流のみが平均値２．３Ａに切替えられ、電池Ｂ１と電池Ｂ２で充電電流平均値が異なる期間Ｂとなる。図８に、この期間Ｂにおけるデューティー制御が行われている充電電流波形を示す。期間Ｂ−１は電池Ｂ１及びＢ２に対し共に充電電流ピーク値７．８Ａが流れており、回路接続としてはＤＣ／ＤＣコンバータ→ＳＷ１→Ｂ１→ＳＷ２→Ｂ２→ＳＷ７→ＳＷ８となっている。次に期間Ｂ−２においては、ＳＷ２が“開”となり、ＳＷ６が“閉”となり、回路接続はＤＣ／ＤＣコンバータ→ＳＷ１→Ｂ１→ＳＷ６→ＳＷ７→ＳＷ８となり、充電電流ピーク値７．８Ａが流れるのは電池Ｂ１のみとなる。期間Ｂ−３は前述の電池電圧検出期間であり、ＤＣ／ＤＣコンバータが停止して充電を停止し、充電制御部による電池電圧検出が行われる。この期間Ｂ−１から期間Ｂ−３までの充電電流ＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率により、前述したように電池Ｂ１用には充電電流ピーク値７．８Ａを９２％にデューティー制御することにより充電電流平均値７．２Ａを、電池Ｂ２用には充電電流ピーク値７．８Ａを２９％にデューティー制御することにより充電電流平均値２．３Ａを得ている。
【００２８】
次に充電が進行し電池Ｂ１の充電電流も切替ると図７の期間Ｃに移行する。期間Ｃでは充電電流ピーク値は２．５Ａに変更され、充電電流ピーク値２．５Ａを９２％にデューティー制御することにより充電電流平均値２．３Ａを得ている。電池Ｂ２に対しては期間Ｂと期間Ｃでは充電電流平均値は２．３Ａと同じであるが、その構成は充電電流ピーク値７．８Ａの２９％デューティー比から、充電電流ピーク値２．５Ａの９２％デューティー比に変更されることになる。
【００２９】
以降の各期間においても同様にスイッチ素子の開閉時間を制御することにより、各電池に適切な充電電流平均値が流れるように制御を行う。また、電池本数が３本、４本と増えた場合も、同様にスイッチ素子の開閉時間を制御することにより、各電池に適切な充電電流を流すことができ、複数本の電池の充電を可能とするものである。
【００３０】
充電の進行を使用者に知らせるには例えば、図３に示すＬＥＤ１〜３を用いて、第１の充電電流が流れている状態においてＬＥＤ１が赤色点灯し、第２の充電電流に切り替わった時点でＬＥＤ１を緑色点灯に切り替え、ＬＥＤ２を赤色点灯させるといった具合に順次表示して充電完了した時点ではＬＥＤ１〜３が全て緑色点灯となるようにすれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の充電器は、ニッケル水素蓄電池等の急速充電化において有用な技術である。特に、近年の高容量化に伴い、電池の過充電性能として大電流を受入れられない電池であっても、その性能劣化を発生することなく、より速い急速充電を可能とするものである。
【００３２】
また、充電途中での段階的電流切替えに伴う充電容量表示を行い、さらにスイッチ素子を設けて複数個の電池を直列接続し、充電電流をデューティー制御することにより、複数個の電池を充電することを可能とし、使用者の使い勝手を著しく向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態による電池電圧と充電電流の推移を示す図
【図２】従来例の形態による電池電圧と充電電流の推移を示す図
【図３】本発明の一実施例の回路ブロック図
【図４】第１の充電電流の状態図
【図５】第２の充電電流の状態図
【図６】第３の充電電流の状態図
【図７】充電電流平均値の推移を示す図
【図８】期間Ｂにおける充電電流波形を示す図
【符号の説明】
【００３４】
ＶＢ１                第１の充電電流の終了を検出する電池電圧
ＶＢ２                第２の充電電流の終了を検出する電池電圧
Ｖｂ                  電池電圧
Ｉ                    充電電流
ＳＷ１〜ＳＷ４        電池を直列接続するスイッチ素子
ＳＷ５〜ＳＷ８        バイパス用スイッチ素子
ＳＷ９                電池電圧検出回路を構成するスイッチ素子
Ｒ１                  電流検出抵抗
ＬＥＤ１〜ＬＥＤ３    充電状態表示用発光ダイオード
【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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【図８】
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