JPH09233725A - 急速充電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充電電流を切り替える基準値を電池種類・型
番毎に設定する煩雑さをなくす。また、基準値を固定し
た場合の充電特性のばらつきを低減させる。 【解決手段】 図４に示すように、タイミング設定手段
が電流パルスのオフ直後の第１タイミングと、電流パル
スのオフ期間中であって前記第１タイミングよりも遅い
第２タイミングとを設定し、電圧検出手段がそのタイミ
ングで二次電池の電圧を計測して、差電圧演算手段が前
記各タイミングに於ける電圧の差（Ｖ１−Ｖ２）を演算
し、その演算された差電圧（Ｖ１−Ｖ２）を比較演算手
段が所定の基準値と比較演算し、電流値制御手段が比較
演算手段の出力により電流パルスの電流値を変更するた
め、充電中の過電圧の変化をとらえてガス発生を抑えて
電流を切り換えることができ、二次電池の種類、型番に
よる充電特性のばらつきを低減することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池を急速に
充電する充電回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の急速充電回路としては、特開平６
−１２１４６８号公報に示されるように、充電の初期に
おいては大電流が二次電池に供給され、充電中はＣＰＵ
により周期的に充電電流をゼロ（オフ）にして二次電池
の開放電圧を測定し、その開放電圧を予め設定した基準
電圧と比較し、開放電圧が基準電圧を越えたことを検出
すると充電電流を低い値に切り替えて充電を進行するも
のが知られている。

【０００３】この技術によれば、大電流にともなうガス
発生が生じる前に電流を下げることで高い充電量までガ
ス発生を抑えて充電させることができるのである。

【０００４】ここで、ガスの発生は、二次電池の電圧が
ある値以上になると発生する。充電中の二次電池は、電
流を印加することによりその電流に対応した電圧の上昇
（過電圧）と、充電が進行し電池の充電量が変化するこ
とによる電圧上昇との二つの効果により電圧が上昇し、
やがてガス発生が起る電圧に達する。従って、急速充電
時には、二次電池に対して大電流が流されそれによる過
電圧の上昇も大きくなるため、充電の進行に従ってガス
発生に至る前に電流を下げて過電圧を低下させていた。

【０００５】別の充電回路においては、充電中に二次電
池の開放電圧を周期的に測定し基準電圧と比較して、基
準電圧を越えた時点で充電を終了させていた。

【０００６】また、開放電圧の測定は、二次電池に電流
が流されていない状態において実行される。これは、電
池リード線の抵抗、端子接触抵抗、電池の内部抵抗等の
抵抗成分によるオーム損に影響されずに電池の充電状態
を検出する必要があるためである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、充電電
流に対する二次電池の過電圧は、電池の種類或いは型番
によって異なるため、従来の急速充電回路においては、
基準電圧を電池の種類・型番毎に設定することが必要で
あり、その使用において煩雑さを有していた。

【０００８】また、一種類の電池の特性を持って全種類
を代表させ、基準電圧値を固定した場合には、多くの電
池は期待する充電特性が得られず、充電量が少なくなっ
たり或いは過大なガスの発生を招くなど、電池によって
充電特性のばらつきを生じていた。

【０００９】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、個々の二次電池別の設定が不要
で、しかも充電特性のばらつきが低減された急速充電回
路を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の急速充電回路は、二次電池を充電するため
の電流を発生する電源と、電源からの電流を所定周期の
電流パルスに切り換えて二次電池に供給する電流切換手
段と、その電流パルスのオフ直後の第１タイミングと電
流パルスのオフ期間中であって前記第１タイミングより
も遅い第２タイミングとを設定するタイミング設定手段
と、そのタイミング設定手段で設定された前記各タイミ
ングにおける二次電池の電圧を計測するための電圧検出
手段と、その電圧検出手段で計測した前記各タイミング
における電圧の差を演算する差電圧演算手段と、その差
電圧演算手段で演算された差電圧を所定の基準値と比較
演算する比較演算手段と、その比較演算手段の出力によ
り電流パルスの電流値を変更する電流値制御手段とを備
えている。

【００１１】また、前記比較演算手段の出力の発生の度
に順次前記電流パルスの電流値を引き下げる電流値制御
手段を備えていてもよい。

【００１２】更に、記比較演算手段の出力により前記基
準値を変更する基準値切換手段を備えていても良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１４】まず、本発明の急速充電回路の構成につい
て図１を用いて説明する。

【００１５】図１に示すように、本発明の急速充電回路
１は、定電流電源２を備えており、定電流電源２には、
交流電力３が入力される。定電流電源２の出力は、本発
明の電流切換手段である電流切換回路４に入力され、こ
の電流切換回路４は定電流電源２の定電流をオンオフし
て電流パルスとして二次電池５に印加する。

【００１６】この電流切換回路４は、トランジスタスイ
ッチから構成された一般的なものであり、後述のマイク
ロコンピュータ７によりそのオンオフが制御されるもの
である。このオンオフ制御により電流パルスが形成され
るのである。即ち、電流切換回路４はそのオン状態の時
に二次電池５に所定の電流値の充電電流を印加し、オフ
状態の時に充電電流を印加しないように構成されたもの
である。

【００１７】また、前記定電流電源２は、周知の一般的
な構成のものであり、後述のマイクロコンピュータ７か
らの出力信号を受けて電流ゼロの状態から充電初期に二
次電池５に印加可能な大電流値の間で定電流出力が可能
である。

【００１８】二次電池５は、電流切換回路４の正極，負
極端子に着脱可能に装着されるものである。この電流切
換回路４の正極（二次電池５の正極端子）及び負極（二
次電池５の負極端子）には、本発明の電圧検出手段とし
てのＡ／Ｄコンバータ６が接続されており、このＡ／Ｄ
コンバータ６の出力端子はマイクロコンピュータ７の信
号入力端子に接続されている。また、Ａ／Ｄコンバータ
６は、マイクロコンピュータ７からの計測信号を受けて
二次電池５の端子間電圧をデジタル値に変換する。

【００１９】マイクロコンピュータ７は、前記電流切換
回路４をオフし、電流パルスを立ち下げるとともに、パ
ルスのオフ期間中に二次電池５の端子間電圧を測定する
ように構成されている。マイクロコンピュータ７には、
タイマ８が接続されており、マイクロコンピュータ７
は、タイマ８によりパルスの立ち下がりから第１と第２
の遅延時間をカウントし、その遅延時間が経過した時に
二次電池５の端子間電圧を測定する。また、マイクロコ
ンピュータ７には、メモリ９も接続され、そのメモリ９
には、後述する基準値が記憶されている。

【００２０】次に、本発明の急速充電回路の動作につい
て図１、図２、図３、図４を用いて説明する。

【００２１】急速充電回路１がオンされると、まず初期
設定として、電流値を第１電流値に設定し（Ｓ１）、基
準値は第１基準値に設定される（Ｓ２）。二次電池５が
急速充電回路１に接続されると、Ａ／Ｄコンバータ６に
よって電池の接続が検知され（Ｓ３；ＹＥＳ）、充電が
開始される。

【００２２】まず、マイクロコンピュータ７より定電流
電源２に設定電流値が送られるが、充電開始時は初期設
定により電流値が第１電流値（１０Ｃ）に設定されてい
るため、第１電流値が定電流電源２に指令出力され（Ｓ
４）、電源は入力された定電流を電流切換回路４に出力
する。ここで、記号Ｃは二次電池５の定格容量を１時間
で充電することができる電流に相当するため、二次電池
５の定格容量が５００ｍＡｈであれば、第１電流値（１
０Ｃ）は５Ａの電流に相当する。

【００２３】次に、マイクロコンピュータ７は、電流切
換回路４に電流のオンを指示する（Ｓ５）。この時点で
二次電池５に対して１０Ｃの電流が流されることにな
る。

【００２４】マイクロコンピュータ７はタイマ８によっ
て１ｓｅｃのオン時間をカウントし（Ｓ６） １ｓｅｃ
のカウントが終了した後、電流切換回路４にオフを指示
し（Ｓ７）、電流切換回路４は二次電池５への電流をオ
フする。即ち、二次電池５はマイクロコンピュータ７と
電流切換回路４の動作によって、１ｓｅｃの間１０Ｃの
定電流で充電されることになる。

【００２５】次に、マイクロコンピュータ７はタイマ８
によって、電流切換回路４にオフを指示した時点から５
ｍｓｅｃの第１遅延時間をカウントし（Ｓ８）、カウン
トが終了した後Ａ／Ｄコンバータ６に入力されている二
次電池５の端子間電圧をＡ／Ｄ変換して読み込む（Ｓ
９）。

【００２６】更に、マイクロコンピュータ７は、タイマ
８によって、電流切換回路４にオフを指示した時点から
９５ｍｓｅｃの第２遅延時間をカウントし（Ｓ１０）、
カウントが終了した後、再度Ａ／Ｄコンバータ６に入力
されている二次電池５の端子間電圧をＡ／Ｄ変換して読
み込む（Ｓ１１）。このように、図１に示したマイクロ
コンピュータ７と図２のＳ８及びＳ１０が、本発明のタ
イミング設定手段に相当している。

【００２７】次に、マイクロコンピュータ７は、第１遅
延時間で読み込んだ電圧Ｖ1と第２遅延時間で読み込ん
だ電圧Ｖ2の差を演算し（Ｓ１２）、この差電圧（Ｖ1−
Ｖ2）と第１基準値とを比較演算する（Ｓ１３）。この
ように、図１に示したマイクロコンピュータ７と図２の
Ｓ１２及びＳ１３が本発明の差電圧演算手段と比較演算
手段にそれぞれ相当している。

【００２８】充電開始当初は、差電圧（Ｖ1−Ｖ2）は第
１基準電圧を下回っているため（Ｓ１３：ＮＯ）、マイ
クロコンピュータ７は、電流切換回路４にオフを指示し
た時点から１００ｍｓｅｃをカウントした後（Ｓ１
７）、再度定電流電源２に設定電流値が送られる。この
場合、設定電流値は変更されていないため第１電流値が
そのまま送られ、上述と同様に１０Ｃの定電流が二次電
池５に流される。

【００２９】マイクロコンピュータ７は、上述した差電
圧（Ｖ1−Ｖ2）が第１基準電圧を上回るまで、図２のＳ
４からＳ１３とＳ１７に示す動作を繰り返すため、二次
電池５には、図３の様に高さ１０Ｃで、オン：１ｓｅ
ｃ，オフ：１００ｍｓｅｃの周期的なパルス電流が加え
られることになる。図３では、便宜上電流パルスは２個
しか描かれていないが、実際の動作においては５００パ
ルス程度連続して流されるものである。

【００３０】また、マイクロコンピュータ７は、その周
期的なパルス電流のオフの期間において、図４に示す第
１と第２のタイミングで二次電池５の端子間電圧を計測
するものである。

【００３１】本発明においては、オン時間１ＳＥＣ・オ
フ時間１００ｍＳＥＣのパルスとしているが、オン時間
は任意に決められてよい。また、オフ時間に付いても１
００ｍｓｅｃ以上であれば任意に決められてよい。

【００３２】ここで、基準値と差電圧の関係を詳述する
ため、電流パルスとそれを受けたときの二次電池５の端
子間電圧の変化を図３、４、５を用いて説明する。

【００３３】図５のように、二次電池の端子間電圧は、
電流パルスがオフされると、抵抗分の電圧上昇が瞬間的
に低下した後、過電圧分が指数関数的に減少し十分な時
間の後にはその二次電池の充電量における電圧まで低下
していく。ここで、過電圧とは、二次電池を充電するた
めに、電池の電圧より余分に加えねばならない電圧のこ
とであり、これは充電電流の大小と密接な関係がある。

【００３４】連続的にパルスを印加した場合、図３のよ
うに電流パルスがオンすると端子間電圧は抵抗分による
電圧上昇の後、緩やかな過電圧の上昇を示す。電流がオ
フされると、抵抗分の電圧は瞬間的に低下し過電圧分が
ゆっくりと低下して行くが、電流が流された分、充電が
進行しているため、端子間電圧は一つ前の電流パルス印
加時の値よりは若干上昇している。

【００３５】上記電流パルスを繰り返し受けることによ
って二次電池５は充電されて行き、それにともなって全
体の電圧は上昇して行く。二次電池５の電圧が、ある値
以上になると、二次電池５内部において電解液の分解に
よるガスが発生するため、ガス発生を抑えるには電流パ
ルスのオン時の過電圧を低くする必要があり、そのため
に、電流値を下げて過電圧を低下させることが必要とな
る。

【００３６】ここで、前述の充電量に対応する電圧は、
電池の種類あるいは型番によって大きく異なるため、基
準値に電圧値を用いた場合には、電池によっては、過電
圧がまだ低いのに電流が切り替わってしまったり、逆に
過電圧が上昇しているのに電流が切り替わらずにガス発
生を招くことがある。

【００３７】しかし、本発明においては、図４に示すよ
うにオフ時間内で２回電圧を測定し、その差分（差電
圧）を見ることで、主に過電圧の変化のみを知ることが
できるため、充電量に対応する電圧変化の影響を低減す
ることができ、電池による充電動作のばらつきを減じる
ことができる。

【００３８】本発明においては、第１の電圧測定タイミ
ングを電流パルスのオフから５ｍｓｅｃ経過時に設定し
ているが、さらに短い時間で測定しても良く、電流パル
スに対する過電圧の応答が低下するよりも十分短ければ
任意に設定されて良い。

【００３９】第１遅延時間で読み込んだ電圧Ｖ1と第２
遅延時間で読み込んだ電圧Ｖ2の差電圧（Ｖ1−Ｖ2）
は、充電の進行にしたがって図６の様に増加して行き充
電末期のガス発生付近において増大する。

【００４０】差電圧が急上昇する充電量とその時の差電
圧値は、二次電池５の種類、型番、或いは、二次電池５
に流される電流値によって異なるが、差電圧の急上昇以
降はわずかの充電量の変化で差電圧は大きく変化するた
め、逆に差電圧に基準値を設定すれば、その基準値に達
する充電量とガス発生開始充電量のずれは小さくなるも
のである。このような理由で、基準値を差電圧の急上昇
点付近に設定すれば、二次電池５の種類、型番あるいは
電流パルスの電流値に対して共通の基準値を設定しても
よい。

【００４１】また、予め、第１電流値で定電流充電を行
なった時の差電圧の急上昇点の付近に第１基準値を設定
してメモリ９に記憶させておき、第２基準値、第３基準
値についても同様にして、予め決定してメモリ９に記憶
させて、電流値に対応させて基準値を変更することでよ
り正確にガス発生を防いで電流を切り換えることができ
る。

【００４２】次に、本発明の急速充電回路の動作につい
て、更に、図１、２、３を用いて説明する。

【００４３】充電が進行して行くに従って、上述の差電
圧（Ｖ1−Ｖ2）は上昇して行き、やがて第１基準値を上
回る（Ｓ１３：ＹＥＳ）。これは、第１電流値（１０
Ｃ）の電流パルスによる充電の終了を示し、更に充電を
続けると、二次電池５の内部でガスが発生することを意
味しているが、電流値を下げれば、まだ充電は可能な段
階である。

【００４４】マイクロコンピュータ７は、現在の基準値
が第３基準値であるかを見ることによって、充電動作を
終了させるか否かを判断するが（Ｓ１４）、この段階で
は、まだ第１電流値が終了したところであるため（Ｓ１
４：ＮＯ）、電流値を第２電流値（８Ｃ）に変更し（Ｓ
１５）、更に、基準値を第２基準値に変更する（Ｓ１
６）。

【００４５】このように、図１に示したマイクロコンピ
ュータ７と図２のＳ１５が本発明の電流値制御手段に相
当し、また、図１に示したマイクロコンピュータ７と図
２のＳ１６が本発明の基準値切換手段に相当している。

【００４６】電流値が第２電流値（８Ｃ）に、基準値が
第２基準値に変更されてしばらくの間は、差電圧（Ｖ1
−Ｖ2）は第２基準値を下回っているため（Ｓ１３：Ｎ
Ｏ）、マイクロコンピュータ７は上述した差電圧（Ｖ1
−Ｖ2）が第２基準値を上回るまで、図２のＳ４からＳ
１３とＳ１７に示す動作を繰り返す。よって、二次電池
５には図３の様に高さ８Ｃで、オン：１ｓｅｃ，オフ：
１００ｍｓｅｃの周期的なパルス電流が加えられること
になる。図３では便宜上電流パルスは２個しか描かれて
いないが、実際の動作においては数百パルス程度連続し
て流される。

【００４７】更に、充電が進行するにつれて二次電池５
の差電圧は上昇を続け、差電圧が第２基準値を上回る
（Ｓ１３：ＹＥＳ）。この時点では、第２電流でこれ以
上充電を継続すると、二次電池５内部においてガス発生
が始まるため電流値を下げなくてはならないが、第３電
流値であればまだ充電は可能な段階である。マイクロコ
ンピュータ７は、現在の基準値が第３基準値であるか否
かをチェックして充電終了を判断する（Ｓ１４）。設定
は第２基準値であるため（Ｓ１４：ＮＯ）、電流値は第
３電流値に（Ｓ１５）、基準値は第３基準値（２Ｃ）に
変更される（Ｓ１６）。

【００４８】電流値が第３電流値（２Ｃ）に、基準値が
第３基準値に変更されてしばらくの間は差電圧（Ｖ1−
Ｖ2）は第３基準電圧を下回っているため（Ｓ１３：Ｎ
Ｏ）、マイクロコンピュータ７は上述した差電圧（Ｖ1
−Ｖ2）が第３基準値を上回るまで、図２のＳ４からＳ
１３に示す動作を繰り返す。よって、二次電池５には図
３の様に高さ２Ｃで、オン：１ｓｅｃ，オフ：１００ｍ
ｓｅｃの周期的なパルス電流が加えられることになる。
図３では便宜上電流パルスは２個しか描かれていない
が、実際の動作においては数十パルス程度連続して流さ
れる。

【００４９】更に、第３電流値の電流パルスによって充
電が進行すると、二次電池５の差電圧は徐々に上昇し差
電圧が第３基準値を上回る（Ｓ１３：ＹＥＳ）。第３電
流値は第１電流値、第２電流値に比べ十分に小さい値に
設定されているため、この電流値でガス発生が起こる直
前まで充電されていれば、ほぼ二次電池５は満充電近く
まで達している。よってマイクロコンピュータ７は基準
値の判断の後（Ｓ１４：ＹＥＳ）充電動作を終了させ
る。尚、この時充電を終了したことを表示器やブザー等
の報知手段により報知しても良い。

【００５０】また、本発明においては、電流パルスの電
流値の変更は第１定電流値（１０Ｃ）→第２定電流値
（８Ｃ）→第３定電流値（２Ｃ）の３段階で順次電流を
引き下げることにより、充電初期の電池電圧が低い段階
では大電流で充電することで充電時間を短縮し、充電末
期に至って充電量の増加により電池電圧が上昇してガス
発生が起きやすい段階で充電電流を下げて充電量を補う
ことで急速でなおかつ十分な充電量が得られる充電を行
なっているが、最後に供給される電流パルスの電流値が
最も小さく、満充電になるまでガス発生を生じないのに
十分小さい電流値に設定されていれば、その他の電流値
と変更段数は任意に設定可能である。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明の急速充電回路は、タイミング設定手段が電流パルス
のオフ直後の第１タイミングと、電流パルスのオフ期間
中であって前記第１タイミングよりも遅い第２タイミン
グとを設定し、電圧検出手段がそのタイミングで二次電
池の電圧を計測して、差電圧演算手段が前記各タイミン
グに於ける電圧の差を演算し、その演算された差電圧を
比較演算手段が所定の基準値と比較演算し、電流値制御
手段が比較演算手段の出力により電流パルスの電流値を
変更するため、充電中の過電圧の変化をとらえてガス発
生を抑えて電流を切り換えることができ、二次電池の種
類、型番による充電特性のばらつきを低減することが可
能となる。

【００５２】また、前記電流値制御手段が比較演算手段
の出力の度に順次前記電流パルスの電流値を引き下げて
もよく、そのときは充電量が少ない充電初期において大
電流で充電し、充電量が増加し電池電圧が増加する充電
末期に於いて電流を下げてガス発生を抑えつつより深い
充電量まで充電するため、急速でかつ十分な充電量が得
られる。

【００５３】あるいは、基準値切換手段が前記比較手段
の出力により前記基準値を変更するときは、より正確に
ガス発生を抑えて電流パルスの電流値を切り換えること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の急速充電回路の構成を示すブロック図
である。

【図２】本発明の急速充電回路の動作を示すフローチャ
ートである。

【図３】動作中の電流パルスと二次電池の端子間電圧の
時間変化を示す図である。

【図４】電圧計測タイミングを説明する図である。

【図５】一般的な二次電池の電流パルスに対する端子間
電圧の応答を説明する図である。

【図６】充電量と差電圧及び差電圧の基準値との関係を
示す図である。

【符号の説明】

１ 急速充電回路 ２ 定電流電源 ４ 電流切換回路 ５ 二次電池 ６ Ａ／Ｄコンバータ ７ マイクロコンピュータ ８ タイマ ９ メモリ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次電池を充電するための電流を発生す
   る電源と、 その電源からの電流を所定周期の電流パルスに切り換え
   て二次電池に供給する電流切換手段と、 その電流パルスのオフ直後の第１タイミングと、電流パ
   ルスのオフ期間中であって前記第１タイミングよりも遅
   い第２タイミングとを設定するタイミング設定手段と、 そのタイミング設定手段で設定された前記各タイミング
   における二次電池の電圧を計測するための電圧検出手段
   と、 その電圧検出手段で計測した前記各タイミングにおける
   電圧の差を演算する差電圧演算手段と、 その差電圧演算手段で演算された差電圧を所定の基準値
   と比較演算する比較演算手段と、 その比較演算手段の出力により電流パルスの電流値を変
   更する電流値制御手段とを備えたことを特徴とする急速
   充電回路。
2. 【請求項２】 前記比較演算手段の出力の発生の度に順
   次前記電流パルスの電流値を引き下げる電流値制御手段
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の急速充電回
   路。
3. 【請求項３】 前記比較演算手段の出力により前記基準
   値を変更する基準値切換手段を備えたことを特徴とする
   請求項１もしくは２記載の急速充電回路。