(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電時に検出した電池の端子電圧及び充電量に関するパラメータに基づいて得た前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量又は電池温度の単位充電量当たりの変化量に基づいて前記電池の満充電を判定する充電状態判定手段を有し、
前記充電状態判定手段は、前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量が正のピーク値となる場合に満充電と判定することを特徴とする電池の充電装置。
【請求項２】
請求項１記載の電池の充電装置において、
前記充電状態判定手段は、前記充電量が今回の充電動作直前の累計放電量以上となり、かつ、前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量が正のピーク値となる場合に満充電と判定することを特徴とする電池の充電装置。
【請求項３】
充電時に検出した電池の端子電圧及び充電量に関するパラメータに基づいて得た前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量又は電池温度の単位充電量当たりの変化量に基づいて前記電池の満充電を判定する充電状態判定手段を有し、
前記充電状態判定手段は、前記充電量が今回の充電動作直前の累計放電量未満又は電池温度が所定値以上であり、かつ、前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量が負の値となる場合に満充電と判定することを特徴とする電池の充電装置。
【請求項４】
充電時に検出した電池の端子電圧及び充電量に関するパラメータに基づいて得た前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量又は電池温度の単位充電量当たりの変化量に基づいて前記電池の満充電を判定する充電状態判定手段を有し、
前記充電状態判定手段は、前記電池温度の単位充電量当たりの変化量が急増し始める場合に満充電と判定することを特徴とする電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の充電装置に関し、特にその満充電判定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、電気自動車に使われる電池には、高性能で長寿命なＮｉーＭＨ電池電池が使われるようになってきた。ＮｉーＭＨ電池の満充電判定法としては、以下の二つの方法が知られている。
まず、第１の方法として、充電末期に充電効率が低下して電池が発熱する性質を利用して、単位時間当たりの温度変化量ｄＴ／ｄｔが所定値に達した場合に満充電と判断する時間当たり温度変化率検出式満充電判定法が知られており、例えば特開平６ー２９０８１６には、電池温度及び外気温度を判定し、充電開始時の電池温度と外気温度の差を補正するなどの工夫が提案されている。
【０００３】
また、第２の方法として、単位時間当たりの電圧変化量ｄＶ／ｄｔに基づいて満充電を検出する時間当たり端子電圧変化率検出式満充電判定法が知られている。
更に、第３の方法として、特開平８ー１４０２８３号公報は、端子電圧の絶対値が所定値に達したことで満充電を検出する端子電圧絶対値検出式満充電判定法を提案している。
【０００４】
また更に、第４の方法として、特開平６ー２９０８１６号公報は、電池温度と外気温度との温度差が所定値に達したことで満充電を検出する温度差検出式満充電判定法を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の４つの満充電判定法には次に説明する欠点があった。
まず、時間当たりの端子電圧又は電池温度の変化率で満充電判定する上記第１、第２の方法では、充電電流などが異なる種々の充電設備を用いる場合、満充電時の時間当たりの端子電圧又は電池温度の変化率の値が変動してしまい、正確な満充電判定が困難となる。
【０００６】
次に、上記第１、第２の方法では、時間当たりの端子電圧又は電池温度の変化率と満充電との関係が電池温度が高温となると大きく変化するので、正確な満充電判定が困難となる。
次に、端子電圧の絶対値又は電池温度の上昇量で満充電判定する上記第３の方法では、端子電圧又は電池温度と満充電との関係が電池温度が高温となると大きく変化するので、正確な満充電判定が困難となる。
【０００７】
また、上記第３の方法では、端子電圧絶対値の測定は、測定すべき電池の特性ばらつきや検出回路系の誤差の影響を大きく受けるので検出精度が低下してしまう。
更に、第４の方法では、室温が変化すると、正確な満充電判定が困難となる。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、充電条件の変動や装置の特性ばらつきにもかかわらず高精度の満充電判定が可能な電池の充電装置を提供することをその目的としている。
【０００８】
また、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、電池が高温となっても高精度の満充電判定が可能な電池の充電装置を提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
各発明の電池の充電装置によれば、端子電圧又は電池温度の単位充電量当たりの変化量に基づいて電池の満充電を判定する。
すなわち、本構成では、従来のように端子電圧や電池温度の単なる単位時間当たりの変化率ではなく、単位充電量当たりのそれらの変化量により満充電を判定するので、たとえ充電電流がばらついても正確に満充電を判定することができ、更に、端子電圧や温度の絶対値ではなくその変化量により満充電を判定するので、センサ誤差や電池特性のばらつきによる検出精度の低下を回避することができる。
【００１０】
特に、単位充電量当たりの端子電圧の変化量に基づいて電池の満充電を判定する場合には、更に、外部環境温度変化の満充電検出精度への影響を一層低減することができ、かつ、電池の熱容量による温度検出遅れの影響を回避して満充電判定の一層の高精度化を図ることができる。
更に、電池温度が４０℃以上の高温になっても、充電量当たりの端子電圧又は電池温度の変化はたとえば単に端子電圧の絶対値や電池温度に比較してや優れた検出感度をもつので、満充電判定精度を向上することができる。
【００１１】
請求項１記載の第１発明は更に、端子電圧又は電池温度の単位充電量当たりの変化量が、正のピーク値（又は、その後の減少状態）となる場合に満充電と判定するので、請求項記載の作用効果の一層の向上を図ることができる。
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の電池の充電装置において更に、充電量が今回の充電動作直前の累計放電量以上となり、かつ、前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量が正のピーク値となる場合に満充電と判定するので、一層の判定精度の向上を図ることができる。
【００１２】
更に説明すれば、電池がなんらかの障害を発生しない限り、通常では、充電ロスの分だけ、前回の放電量より今回の満充電までの充電量は大きいはずである。したがって、今回の充電量が前回の放電量（たとえば前回の満充電判定時から今回の充電動作開始までの累計充放電量として定義される）よりも少なければ、満充電と判定しないので、判定精度を向上することができる。
【００１３】
なお、今回の充電量が前回の放電量（たとえば前回の満充電判定時から今回の充電動作開始までの累計充放電量として定義される）よりも少ないにもかかわらず満充電と判定した場合には、警報を出力したり、再度、満充電判定を行ってもよい。
請求項３記載の第２発明は更に、充電量が今回の充電動作直前の累計放電量未満又は電池温度が所定値以上であり、かつ、前記端子電圧の単位充電量当たりの変化量が負の値となる場合に満充電と判定する。
【００１４】
このようにすれば、電池が高温となっても一層正確に満充電を判定することができる。
請求項４記載の第３発明は更に、電池温度の単位充電量当たりの変化量が急増し始める場合に満充電と判定するので、従来の電池温度に基づく満充電判定よりも充電電流変化による満充電判定精度の低下を抑止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電池の充電装置の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１６】
【実施例】
この実施例の電気自動車用の電池の充電装置を図１に示すブロック図を参照して説明する。
１は、組み電池、２は１の組み電池中の１モジュール単位の電池を示し、さらにモジュール内に複数の単電池セルが存在する。３は温度センサ、４は電流センサ、５は電池モジュール２の両端の電圧を検出する電圧検出回路、６は温度検出回路、７は電流検出回路、８は各検出回路５，６，７からの信号に基づいて充電制御装置９を制御するコントローラである。
【００１７】
電圧検出回路５はモジュール電圧をデジタルデータに変換した後、それを時間的多重化によりシリアル電圧信号としてマイコン内蔵のコントローラ８に入力する。
温度センサ３は、各モジュールそれぞれの所定の一つの単電池セルの外周面に接着されて各温度センサは温度検出回路６から給電されている。各温度センサ３の抵抗変化により検出される単電池２の温度は温度検出回路６でデジタルデータに変換され、各デジタルデータは時間的に多重化によりシリアル温度信号とされて、コントローラ８に入力される。
【００１８】
組み電池１は、充電制御装置９により略一定の充電電流を給電されて充電され、組み電池１の充電電流は電流センサ４で検出され、電流検出回路７でデジタルデータに変換されてコントローラ８に送られる。
このコントローラ８により制御される組み電池１の充電制御の実際を図２のフローチャートを参照して説明する。
【００１９】
この充電制御ルーチンは、外部からコンロトローラ８に入力される充電指令により開始され、所定の短いインタバルで繰り返し実施されるものとする。
まず、Ｓ１にてコントローラ８の各部を初期化する。これにより後述する充電開始のタイマーがリセットされ、充電完了フラグＦｌａｇはＯＦＦとされる。
次に、組み電池１の端子電圧Ｖ、充電電流Ｉ、各温度センサ３からの温度信号の最高値からなる電池温度Ｔが読み込まれ（Ｓ２）、充電開始後の経過時間をタイマーでカウントし（Ｓ３）、この充電開始後の累計の充電量Ｑｇを充電電流Ｉの積分により算出し（Ｓ４）、所定の充電異常判定動作を実行し（Ｓ５）、充電異常であれば所定の充電異常処理を行い（Ｓ６）、そうでなければ満充電を示すＦｌａｇをオン（満充電）かどうかを調べ（Ｓ７）、満充電であれば微小電流で行う均等充電処理を行い（Ｓ１４）、その後、ルーチンを終了する。なお、上記充電異常判定動作及び充電異常処理は本実施例の要旨ではないのでその詳細な説明は省略する。
【００２０】
一方、Ｓ７にて満充電ではない（ＯＦＦ）と判定された場合には、直前の所定の単位充電量当たりの端子電圧Ｖの変化（増加）量ｄＶ／ｄＡｈを算出する（Ｓ８）。ここでは、単位充電量を定格容量に対して0．０１〜３％好ましくは１％とする。また、所定の単位充電量当たりの端子電圧Ｖの変化（増加）量ｄＶは今回平均端子電圧Ｖ１と前回平均端子電圧Ｖ２との差とする。
【００２１】
なお、今回平均端子電圧Ｖ１は、現時点の直前の単位充電量が充電される期間において所定タイミングでＳ２にて読み込まれた端子電圧Ｖのデータの平均値とされ、同じく、前回平均端子電圧Ｖ２は、現時点より単位充電量が充電される時間前の前回時点の直前の単位充電量が充電される期間において所定タイミングでＳ２にて読み込まれた端子電圧Ｖのデータの平均値とされる。これにより、ｄＶ／ｄＡｈの無用の変動の影響を排除することができる。もちろん、端子電圧Ｖの変化（増加）量ｄＶは他の方式で算出してもよい。
【００２２】
次に、Ｓ９にて、Ｓ４で算出している今回の充電開始時点からの充電量Ｑｇが、消費した容量（放電量）Ｑｓを超えたかどうかチェックする。なお、この実施例では、消費した容量（放電量）Ｑｓは、ここでは前回の満充電時点から今回の充電開始までの間の充放電電流の積算を図２に図示しない放電ルーチンで行って記憶しておくことにより得るものとするが他の方法で求めてもよい。
【００２３】
Ｓ９にてＱｇがＱｓを超過したと判定した場合には、Ｓ８にて求めたｄＶ／ｄＡｈの正のピーク又はそれを超えたかどうかをすなわち正のピークか又はその後の減少状態かどうかを検出する（Ｓ１０）。この実施例では、過去３回のｄＶ／ｄＡｈの算出値を記憶しておき、ｄＶ／ｄＡｈの算出値が単調減少状態である場合に正のピークまたはその後の減少状態と判定するが、他の判定手順の採用も可能である。
【００２４】
Ｓ１０にてｄＶ／ｄＡｈが正のピークまたはその後の減少状態と判断されれば、満充電と判定してＳ１３にてＦｌａｇをＯＮとし、次回のループ時にＳ１４の均等充電に移れるようにする。
一方、Ｓ１０にて、未だｄＶ／ｄＡｈのピーク又はその後の減少状態が検出されない場合には、Ｓ１１にてｄＶ／ｄＡｈの値が負になっていないかどうかチェックする。この判定は、例えば過去３回分のｄＶ／ｄＡｈ算出値を記憶しておき、いずれも負値になっているかどうか判断することによって確実に行うことができる。同様に、Ｓ９にて、ＱｇがＱｓ以上であると判定した場合には、Ｓ１１にてｄＶ／ｄＡｈの値が負になっていないかどうかチェックする。
【００２５】
Ｓ１１にて、ｄＶ／ｄＡｈが負値になっていれば満充電と判定してＳ１３に進み、ｄＶ／ｄＡｈが負値になっていなければ満充電はまだであると判定してＳ１２に進んで、ＦｌａｇをＯＦＦとしてＳ２にリターンする。
このようにすれば、高精度の満充電判定を実現することができる。  更に説明すれば、この実施例では、Ｓ９において今回の充電開始時点からの累計の充電量Ｑｇが前回の満充電時点から今回の充電開始までの間の充放電電流の積算値以下である場合には、後述するように通常の場合（電池温度が高温である場合以外）には満充電にはなる筈がないので、満充電と判定をしないようにしてなんらかの原因による誤判定を回避する。
【００２６】
更に、Ｓ９において今回の充電開始時点からの累計の充電量Ｑｇが前回の満充電時点から今回の充電開始までの間の充放電電流の積算値以下である場合でも、後述するように電池温度が高温である場合には満充電となる場合があり、かつ、この場合には通常のピーク値判定（Ｓ１０）が困難であるものの、満充電時にはｄＶ／ｄＡｈが負値になるという現象が生じるので、これを利用して満充電判定を行う。
【００２７】
このようにすれば、高温時にｄＶ／ｄＡｈが満充電時に明確なピーク値をもたないニッケル水素電池などのアルカリ二次電池でも正確に満充電判定を行うことができ、更に回路誤動作などによる満充電誤判定も回避することができる。
以下、ミッシュメタルを負極活物質とし、水酸化ニッケルを正極活物質とし、ＫＯＨ水溶液を電解液とするニッケル水素電池の各種電池特性について、図３〜図８の電池特性図を参照して説明する。
【００２８】
図３は、定電流（０．１Ｃ）で充電した時のモジュール２の充電量Ｑｇ（図では充電容量Ａｈと表記）と電圧との関係を示す特性図である。なお、１モジュールは、１０セルの単電池からなっており、図中の温度は外部環境温度を示している。図３から充電末期には端子電圧の上昇ピークが生じるが、この上昇ピークは高温度ほど小さくなり、５０℃ではピークが生じないことがわかる。
【００２９】
図４は、単位充電量当たりのモジュール電圧変化ｄＶ／ｄＡｈと充電量Ｑｇとの関係を示す特性図である。充電末期にはｄＶ／ｄＡｈが正のピークＰ２０〜Ｐ４０を持っており、外部環境温度が高温になるほど正のピークの大きさが減少し、５０℃では正のピークが全く現れないことがわかる。また、正のピークが現れた時点から更に充電容量を大きくすると、いずれの外部環境温度でもｄＶ／ｄＡｈは負の値（たとえばＰ３０’）となり、一方、５０℃ではｄＶ／ｄＡｈは早期に負の値（Ｐ５０’）となることがわかる。
【００３０】
図５は、電池温度と充電量Ｑｇとの関係を示す特性図である。充電末期には充電効率の低下に伴い電池温度が上昇すること、単位充電量当たりの電池温度の増加率ｄＴ／ｄＡｈが急増する点Ｘを満充電判定点とすることができ、これを用いれば高温時でも満充電判定を行うことができることがわかる。
図６は、環境温度３０℃において充電電流を変更した場合の単位充電量当たりのモジュール電圧変化ｄＶ／ｄＡｈと充電量Ｑｇとの関係を示す特性図である。充電電流を変更しても（充電時間を変更しても）、正確に満充電判定できることがわかる。
【００３１】
図７は、充電電流を変更した場合における単位時間当たりの端子電圧の変化量ｄＶ／ｄｍｉｎと、単位充電量当たりの端子電圧の変化量ｄＶ／ｄＡｈとを図示する特性図である。特に小電流充電時におけるピーク値のシャープネス性において後者が格段に優れていることがわかる。
結局、この実施例によれば、外部環境温度の変化に影響を受けない電圧パラメータを用いることが可能とであり、かつ充電電流の違い、４０℃以上の高温度でも誤作動無く確実な満充電の判定が可能となる。さらに、ｄＶ／ｄＡｈは、電圧の絶対値ではなく相対的な電圧変化をパラメータとしているので、電圧センサ誤差や電池特性のばらつき・変動に関係なく、確実な動作が可能となる。
【００３２】
【実施例２】
他の実施例を図８を参照して説明する。
上記実施例では、電圧変化ｄＶ／ｄＡｈによる満充電判定について説明したが、温度変化ｄＴ／ｄＡｈを用いて満充電判定を行っても、従来の温度変化ｄＴ／ｄｔによる満充電判定よりも判定精度を向上することができる。
【００３３】
たとえば、充電器の充電能力によって充電電流が変わる場合、満充電時の温度上昇は、充電時のエネルギーＷｈ（ほぼＡｈ・Ｖ）に応じて上昇する。従来から用いらていた単位時間当たりの電池温度変化ｄＴ／ｄｔを算出して満充電を判定すると、単位時間内に充電するエネルギーが充電電流によって変化するため、ｄＴ／ｄｔの算出値が電流依存性をもつようになり、正確な判定が困難となる。
一方、単位充電量あたりの電池温度変化ｄＴ／ｄｔでは、単位充電量を充電する際の充電エネルギーが電流によってほぼ等しいので、満充電付近の温度上昇が等しくなり、正確に満充電を判定することができる。
【００３４】
なお、この実施例の満充電判定を実行するには、図２に示すフローチャートにおいて、Ｓ８にて単位充電量当たりの電池温度の増加率ｄＴ／ｄＡｈを算出し、Ｓ９、Ｓ１１を省略し、Ｓ１０にて単位充電量当たりの電池温度の増加率ｄＴ／ｄＡｈが急増し始めたかどうかを判定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の電池の充電装置のブロック図である。
【図２】  図１に示す電池の充電装置の充電制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】  実施例に用いたニッケル水素の充電特性を示す特性図である。
【図４】  実施例に用いたニッケル水素の充電特性を示す特性図である。
【図５】  実施例に用いたニッケル水素の充電特性を示す特性図である。
【図６】  実施例に用いたニッケル水素の充電特性を示す特性図である。
【図７】  実施例に用いたニッケル水素の充電特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１は電池、２は単電池（電池モジュール）、３は温度センサ、４は８はコントローラ（充電状態判定手段）
【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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