(57)【要約】【課題】  正確に充電の進行を検出することができる。【解決手段】  充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子１Ａを電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池１を充電する充電装置１０であって、充電時の前記二次電池１の端子間電圧又は電流に対応した電圧から高い周波数帯域を通過させるハイパスフィルター４と、該ハイパスフィルター４からの出力が所定値以上かを検出する検出手段５と、該検出手段５での検出結果に基づいて前記二次電池１の充電を制御する充電制御手段２とを備えてことを特徴とする。前記検出手段５での検出回数に基づいて前記二次電池１の充電を制御する前記充電制御手段２であることを特徴とする【選択図】  図３  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池を充電する充電装置であって、
充電時の前記二次電池の端子間電圧又は電流に対応した電圧から高い周波数帯域を通過させるフィルターと、
該フィルターからの出力が所定値以上かを検出する検出手段と、
該検出手段での検出結果に基づいて前記二次電池の充電を制御する充電制御手段とを備えてことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記検出手段での検出回数に基づいて前記二次電池の充電を制御する前記充電制御手段であることを特徴とする請求項１の充電装置。
【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充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチールカメラや玩具などに乾電池に替わって、充電すれば繰り返し使用できるニッケル・水素電池やニッケル・カドミウム蓄電池などの二次電池が、経済性や大電流放電可能などの利点から多く使用されるようになってきている。
【０００３】
従来の二次電池の充電制御は−△V制御や温度上昇率検知（以降△T/△ｔ）制御を用いて充電制御し、二次電池が過充電に至らない様にしていた。このように、従来ではアルカリ二次電池を急速充電をするときの充電    制御は−△V制御や△T/△ｔ制御が用いられていたが、これらの方法では充電時間が３０分程度までの充電制御にしか適用できず、これより短時間で充電しようとすると過充電となる危険があった。
【０００４】
そこで、電池内部に電池内部の圧力が高くなると電流を遮断または減少させる圧力応答素子を内蔵する二次電池が開発された。このような二次電池は、以下の特許文献１（または対応の国際公開公報WO02/35618）に開示されている。この圧力応答素子は、充放電路に設置された電気接点を電気的に直列に接続した状態で内蔵され、電池内部の圧力が上昇すると接点が離れ充電電流を遮断する働きをする。この後は、充電電流が停止することで、酸素ガスの発生量が減少し内圧が減少し、そして、接点が再度接触し、充電が再開し、充電が繰り返されることになる。
【０００５】
本特許文献１において、充電開始より所定時間が経過したとき、又は、充電が進み電池内圧が上がり上記圧力変換素子により充電電流が停止したときに、充電を終了することが記載されている（同公報段落番号０１０５）。また、上記のように、充電が繰り返される過程において、電池の開放電圧を測定して所定値以上となったとき、又は、このような繰り返し回数が所定回数以上となったとき、充電を終了することが開示されている（同公報段落番号０１０７）。
【特許文献１】米国公開特許US2002/0119364
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、充電停止時を決める場合、充電が繰り返される回数を検出し、この回数が所定以上となったとき充電を終了する方法においては、このような回数を正確に検出するということが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、充電により内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する圧力応答素子を電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池を充電する充電装置であって、充電時の前記二次電池の端子間電圧又は電流に対応した電圧から高い周波数帯域を通過させるフィルターと、該フィルターからの出力が所定値以上かを検出する検出手段と、該検出手段での検出結果に基づいて前記二次電池の充電を制御する充電制御手段とを備えてことを特徴とする。また、前記検出手段での検出回数に基づいて前記二次電池の充電を制御する前記充電制御手段であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、フィルターを利用して充電時の二次電池の端子間電圧又は電流に対応した電圧変化より、高い周波数成分を通過させて取り出していることより、圧力応答素子の電気抵抗上昇に伴う電圧の変動のみを取り出すことができるので、正確に、このような電圧の変動を検出することができる。そして、このような出力の変動を、所定値と比較することにより、正確に充電の進行を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施例を、図１〜５を用いて、詳細に説明する。図１は、本実施例の充電装置１０において、回路構成を示すブロック図であって、充電装置１０の充電端子１１、１１には、詳細には後述する圧力応答素子１Aを電気的に直列に接続した状態で内蔵する二次電池１が、着脱自在に設置される。
【００１０】
そして、二次電池１の等価回路は、図２のように示され、電池成分を表す電池１Bと、圧力応答素子１Aとを備えることになる。圧力応答素子１Aは、電池内圧が上昇すると電気抵抗が上昇する状態となり、内圧が下がると電気抵抗が低下する状態となる。また、このように電気抵抗が上昇する状態が進んだ状態が、電気的に遮断状態のオフである。また、電気抵抗が低下する状態が進んだ状態が、電気的導通状態のオンである。
【００１１】
図１のブロック回路において、商用電源の交流を直流出力に変換する充電用電源３と、充電制御手段としての充電制御回路２と、二次電池１が設置されたプラス側の充電端子１１に接続されたハイパスフィルター４と、ここからの出力を検出する検出手段としての検出回路５とを備えている。検出回路５においては、ハイパスフィルター４からの出力を基準値(Vth)と比較する電圧比較器６と、電圧比較器６からのパルス状の出力をカウントする計数回路７とを備えている。なお、充電用電源３としては、充電方法に応じて、定電流特性、準定電流特性、定電圧特性、準定電圧特性のいずれでも良いが、以下の説明では最大電流を制限した定電圧電源で説明する。
【００１２】
計数回路７においては、カウントする回数が所定回数であるｎ回に達したら、ラッチ回路８の入力端子Sにハイレベルの信号を出力し、ラッチ回路８の出力端子Qはハイレベルとなり、この出力を入力端子Ｔにて充電制御回路２が検出し、充電を停止している。また、ラッチ回路８の他方の入力端子Rには、二次電池１が充電装置１０に装着され、かつ、充電用電源３に図示しない商用電力が供給されると、スタートパルスであるハイレベル信号が印加される。このハイレベル信号が印加されると、ラッチ回路８の出力端子Qはローレベルとなり、この信号を入力端子Ｔにて検出した充電制御回路２が充電を開始する。このように、充電制御回路２は、その入力端子Ｔに、ローレベル信号が入力されたとき、充電を行い、ハイレベル信号が入力されたとき、充電を停止している。そして、本実施例で、入力端子Ｔの信号により、充電用電源３から二次電池１に流れる充電電流をオン−オフしていることになる。
【００１３】
次に、圧力応答素子１Aを内蔵する二次電池１としては、既に、米国にて、Rayovac Corporationより発売されている単3タイフ゜(＝ＡＡタイフ゜）、単４タイフ゜(＝ＡＡＡタイフ゜)のＩＣ−３電池が、利用することができる。図３には、このような単3タイフ゜の電池(IC-3)を、例えば、最大電流４Cに制限した定電圧にて充電したときの各種検出データのグラフを示している。また、定電圧に限らず、所定の電流で充電する定電流充電とすることも可能である。
【００１４】
図３(ａ)には、充電開始からの時間に対する端子間電圧、充電電流の変化を示している。二次電池１の端子間電圧はｔ1までの間、徐々に上昇し、充電電流はIｃｃで略一定となる。
ｔ＝ｔ1以降は充電電流は徐々に低下し端子間電圧はVcで略一定に保たれる。ｔ＝ｔ2までに、端子間電圧が小さい幅で小刻みに振幅しているのは、後述する圧力応答素子１Aにおいてオン状態での接触抵抗が安定せず、接触抵抗が僅かに変動するために発生していると考えられる。ｔ2以降において、電池内圧が上昇し圧力応答素子１Ａの電気抵抗が上昇することにより、端子間電圧は上昇し、充電電流は低下する。電気抵抗の上昇により充電電流が低下することより、酸素ガスの発生量が減少し内圧が低下する。そして、内圧が低下することで、再度、接触電気抵抗が低下し、充電電流が増加、端子間電圧は低下することになる。その後、充電電流増加により電池内圧が上昇し圧力応答素子１Ａは、再び、電気抵抗が上昇することになる。このように、圧力応答素子１Ａの電気抵抗の増減が繰り返され、ｔ2からｔ3の間で、端子間電圧は大きく振動することになる。
【００１５】
このような内圧の上下は、以下のような化学反応により発生している。充電が進むと電池内部の正極から酸素ガスが発生するが、この酸素ガスは陰極で吸収される。しかしながら、発生する酸素ガスが多くなり陰極で吸収されるより量多くなると電池内部の圧力が高くなる。充電電流が減少すると、酸素ガスの発生量が減少するので、内圧が減少することになる。
【００１６】
また、端子間電圧を検出することに代わって、二次電池１に流れる充電電流を電圧に変換する電流−電圧変換手段として電気抵抗を挿入し、ここに発生する電圧を検出することも可能である。
【００１７】
そして、図３(a)に示される端子間電圧は、ハイパスフィルター４を通過して、図３(b)に示す出力となる。ハイパスフィルター４にて、端子間電圧の高い周波数の帯域を通過され、低い周波数の帯域を減衰させている。圧力応答素子１Ａの電気抵抗増減の周波数成分は、本実施例においては、０.１Hz〜１.０Hz程度であるので、このような周波数を通過させるハイパスフィルター４を採用する必要がある。また、ハイパスフィルター４に代わって、ノイズによる誤動作を防止するため高い周波数を遮断し、０.１Hz〜１.０Hz程度を通過させるバンドパスフィルター等のフィルターを採用することもできる。更に、上記ハイパスフィルターやバンドパスフィルタは、コンデンサーと抵抗と演算増幅器からなるアナログフィルターでも良く、端子電圧をサンプリングしてソフトウエア−で処理するデジタルフィルターでも良く、アナログフィルターとデジタルフィルターとを組み合わせたハイブリッドフィルターでもよい。
【００１８】
図３(b)に示されるように、ハイパスフィルター４からの出力は、電圧比較器６にて、基準電圧であるVthと比較され、Vth以上の場合、電圧比較器６より、ハイレベル信号がパルス状に出力される（図３(c)参照）。Vthの値については、図３(b)に示されるように、本実施例では、ｔ2経過直後の幅の小さい出力の変動は検出せず、ｔ3に近づくにつれて、大きくなった幅の出力の変動を検出できるように設定している。これに代わって、圧力応答素子１Ａの電気抵抗の増減が開始されるｔ2以後の出力の変動を検出できるように設定しても良く、適宜、所望のVthの値を採用することができる。
【００１９】
このパルス状の出力を、計数回路７にてカウントし、所定回数のｎ回に達したらなら、計数回路７より、ラッチ回路８にハイレベル信号を出力する（図３(d)参照）。これを受けて、ラッチ回路８は、充電制御回路２にハイレベル信号を出力し、充電制御回路２においては、このハイレベル信号を検出して充電を停止する。このような所定回数は、二次電池１が内蔵する圧力応答素子１Ａの構造に依存し、略満充電以下となるように設定すればよい。
【００２０】
また、上記の充電を停止する充電制御に代わって、充電このような所定回数を検出したら、充電電流を低下、例えば、トリクル充電とする電流に低下させるような、充電制御を行っても良い。このようにすると、充電終期の温度上昇を押さえることができ、充電効率の低下を緩和でき、充電量を１００％により近づけることができる。
【００２１】
さらに、一定期間内に所定のｎ回に達しなかったときは、カウント数を０にリセットしても良い。このようにするとノイズによる誤動作が防止できる。
【００２２】
次に、圧力応答素子１Ａを内蔵する二次電池１の構造については、米国公開特許US2002/0119364（または対応の国際公開公報WO02/35618）の図２、図６に開示されるように構造が採用できる。このような構造を、図５、図４を利用して説明する。図４は一つの例、図５は他の例を示す断面図であって、下方は省略してある。二次電池１は、一端を開口し他端に底を有する有底円筒状金属缶５０を備え、この内部には、シート状正極５１とシート状負極５２とがシート状セパレータ５３を間に挟んで配置された状態で巻回されて収納されている。開口された一端を、キャップ構造５４で封止している。
【００２３】
略円板形状の柔軟性、絶縁性を有する材質、例えば樹脂材料からなる可動体５５が、その外周を缶５０の一端にて保持されている。そして、可動体５５の中心に位置する開口５５ｈに略円柱状でスプール形状の電気接続体５６が嵌め込まれ、この電気接続体５６は、収納された正極に金属タブ６２を介して正極５１に電気接続されている。なお、負極５２は最外周で缶５０と接触して電気接続されている。
【００２４】
電気接続体５６の上部において、中心部に開口を有する金属円板状の内側電気接続体５７を、電気接続体５６の上部フランジ部と、可動体５５の中央の上部とで、挟持している。また、中心部に開口を有する金属円板状の外側電気接続体５８が、その開口付近の上面にて、内側電気接続体５７の下面の外周部と接触して配置されている。略円盤状でプラス端子として利用される円柱状の凸部を備える金属キャップ５９が、その下面の外周部を、外側電気接続体５８の上面の外周部が接触した状態で、可動体５５の外周部で挟持され、そして、可動体５５の外周部は、缶５０を断面略コの字状とすることで缶５０の一端にて挟持されている。ここで、図４、図５に示す構造は、正極５１、負極５２、セパレータ５３及びタブ６２を除いて、有底円筒状金属缶５０の軸を中心といて、軸対象の構造を備えていることになる。なお、図５に示す電気接続体５６においては、中心軸あたりに貫通穴６０が設けれているが、これは、内圧の閾値よりも大きな異常圧力が生じたときに、キャップ５９の穴６１を通じて、穴６０が開き圧力を解除するものであり、通常は閉じているものである（この圧力解除時の気体の流れを穴６０中の矢印と、点線の矢印Ｂで図示する）。図５において、可動体５５に加わる内圧を矢印Ａで示される。
【００２５】
図４、図５は、内圧が低い場合を図示しているものであり、このような状態においては、正極５１からの電気出力は、タブ６２、電気接続体５６、内側電気接続体５７、外側電気接続体５８、キャップ５９を介して取り出されることになる。そして、充電が進み、内圧が閾値以上となったときは、可動体５５の中心部付近が上方に移動することになるので、これに伴い、電気接続体５６、内側接続体５７も移動する。一方、外側電気接続体５８は固定され移動しないので、外側電気接続体５８の開口付近の上面と、内側電気接続体５７の下面の外周部との接触が解除されることより、電気接続がなくなり、充電が進行中においては充電電流が停止されることになる。充電電流が停止されると、内圧が低下するので、外側電気接続体５８と、内側電気接続体５７とが再び接触し、充電が再開されることになる。このような内圧の上下により、内側接続体５７と外側接続体５８との接続がオンオフされる構造を、圧力応答素子１Ａとして、図示する。
【００２６】
このように圧力応答素子１Ａは、電気接続をオンオフできるが、実際に上述のRayovac Corporation製ＩＣ−３電池を、定電圧にて充電するなら図３(a)のように電圧、電流が変動し、電流はゼロにならないことより、圧力応答素子１Ａにおける内側接続体５７と外側接続体５８と（以下両者という）の間の電気接続抵抗が、以下ように、変動しているものと考えられる。つまり、内圧が低い状態で可動体５５の復元力により両者が押圧されている状態から、充電が進み内圧が低い状態から高い状態に進むと、徐々に押圧される力が弱まることより、両者間の電気接続抵抗は徐々に上昇する。電気抵抗の上昇により、充電電流が低下することになる。充電電流の低下により、その後、内圧も低下し、両者の押圧力も大きくなることより、電気抵抗も低くなり、充電電流も大きくなる。充電電流が大きくなることより、再度、内圧は上昇することとなる。このように、内圧の上下に伴い、充電電流も上下に変動する。図３(a)に示すように、充電電流が低下したとき、端子間電圧は上昇し、充電電流が上昇したとき、端子間電圧は低下することになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック回路図である。
【図２】７  本実施例に利用される二次電池の等価回路である。
【図３】本発明の一実施例において、各種出力を示すタイムチャートである。
【図４】本実施例に利用される二次電池の断面図である。
【図５】本実施例に利用される他の二次電池の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  二次電池
１Ａ  圧力応答素子
４  ハイパスフィルター
５  検出回路
１０  充電装置
【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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