充電装置及び充電方法
【課題】充電時に充電電力の無駄な消費を抑制し、充電効率を高める。
【解決手段】複数の二次電池２２が直列に接続された電池組２４に充電電流Ｉｃを供給して充電する充電装置１において、前記二次電池２２ごとに設けられた放電ルート回路３４を有し、充電中に前記二次電池２２の電池電圧Ｖｂが、満充電電圧Ｖｍよりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達したときに前記放電ルート回路３４に前記二次電池２２を接続して放電させ、前記電池電圧Ｖｂが前記過充電保護電圧Ｖｔｈ１を下回ったときに前記放電ルート回路３４から前記二次電池２２を切断して放電を停止させる過充電保護回路２６と、前記二次電池２２のそれぞれが前記満充電電圧Ｖｍになったことを示す充電完了電圧Ｖｔｈ３に前記電池組２４の電圧が達したときに充電を停止する充電器コントローラー１０とを備えた。
【解決手段】複数の二次電池２２が直列に接続された電池組２４に充電電流Ｉｃを供給して充電する充電装置１において、前記二次電池２２ごとに設けられた放電ルート回路３４を有し、充電中に前記二次電池２２の電池電圧Ｖｂが、満充電電圧Ｖｍよりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達したときに前記放電ルート回路３４に前記二次電池２２を接続して放電させ、前記電池電圧Ｖｂが前記過充電保護電圧Ｖｔｈ１を下回ったときに前記放電ルート回路３４から前記二次電池２２を切断して放電を停止させる過充電保護回路２６と、前記二次電池２２のそれぞれが前記満充電電圧Ｖｍになったことを示す充電完了電圧Ｖｔｈ３に前記電池組２４の電圧が達したときに充電を停止する充電器コントローラー１０とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置及び充電方法に係り、特に、充電効率を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
直列に多段接続された二次電池を充電する充電装置が従来から知られている。
この種の充電装置においては、二次電池の電圧が所定電圧に達するまで所定の定電流で充電し、その後、電流値を小さくして充電を行うことで、二次電池の内部抵抗による影響を小さくして、より満充電に近い状態まで充電することを可能にした、いわゆる多段定電流充電方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、二次電池への過充電を防止するために過充電保護回路を備えた充電装置が知られている。この種の過充電保護回路は、二次電池毎に放電抵抗を含む放電ルート回路を並列に設け、いずれかの二次電池の過充電を検出した場合、過充電が検出された二次電池を放電ルート回路に接続して強制的に放電させ、また、この二次電池に流入する充電電流を放電ルート回路にバイパスさせている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
この過充電保護回路を充電装置に設けることにより、過充電の保護の他にも次のような利点がある。すなわち、リチウムポリマー電池等のように充電時の内部抵抗値等の特性を揃えて製造することが困難な二次電池を多段に直列に接続して充電を行う場合に、過充電保護回路が各二次電池間の電池電圧を一定の上限値に揃えるようにバランスさせるバランス回路として機能するため、二次電池間の特性のばらつきを補償した充電が可能になる。また、経年劣化により充電時の電池電圧（内部抵抗）が大きく変化するような二次電池の充電に対しても、使用開始時の充電時と、ある程度経年劣化した時の充電時とで二次電池の内部抵抗によらず電池電圧の上限値が一定に維持されるため経年劣化を補償した充電が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８７９９１号公報
【特許文献２】特開平１０−５０３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、充電装置が過充電保護回路を備える場合、例えば上記特許文献１の記載の技術を用いて満充電に近い状態まで充電を行うと、各二次電池の電池電圧が満充電の電圧に近づいたものから順次放電ルート回路に接続されて放電が行われる。このため、放電ルート回路の放電により充電電力が無駄に消費され、充電効率を低下させる、といった問題がある。また、放電ルート回路での放電が頻繁に行われると、放電ルート回路での放電による発熱によって周辺部品の劣化を促す、といった問題も生じる。
【０００７】
この種の問題は、過充電保護回路を備えた充電装置に限らず、充電による発熱によりガスの発生を伴う二次電池にも同様に生じる。
すなわち、過充電保護回路の放電ルート回路への放電により充電電力が無駄に消費されるのと同様に、充電中に二次電池でガスが発生している状態においては、二次電池の内部抵抗が増大する等の理由で充電電力が発熱として無駄に消費され、充電効率を低下させる。また、発熱によって周辺部品の劣化を促す、といった問題も同様に生じる。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、充電時に充電電力の無駄な消費を抑制し、充電効率を高めることができる充電装置及び充電方法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】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電装置において、前記二次電池ごとに設けられた放電ルート回路を有し、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させる過充電保護回路と、前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止する充電制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記充電装置において、前記電池組、及び外部負荷が並列接続された並列回路に外部電力を供給し、前記電池組の充電、及び前記外部負荷への電力供給を行う充電器を備え、非充電時には、前記電池組及び前記外部負荷を導通させた状態で維持しつつ、前記充電器が前記並列回路に印加する電圧を、前記電池組に流入する充電電流を略ゼロに維持するように制御することを特徴とする。
【００１１】
また上記目的を達成するために、本発明は、複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電方法において、前記二次電池ごとに放電ルート回路を設け、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させて過充電保護を行い、前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、充電中においては、放電ルート回路への放電を停止させるように充電電流を減少させながら充電が行われるため、放電に伴う充電電力の無駄な消費が抑えられ、充電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る充電装置の構成を示す図である。
【図２】充電処理のフローチャートである。
【図３】充電パターンを示す図である。
【図４】第２実施形態に係る充電装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る充電装置１の構成を示す図である。この図に示すように、充電装置１は、電力を蓄える蓄電池部２と、この蓄電池部２に電力を供給して充電する充電器部４とを備えている。
充電器部４は、外部電源コネクタ６と、充電器８と、充電器コントローラー１０と、電流検出器１２と、表示器１４と、遮断スイッチ１６とを有している。
外部電源コネクタ６は、商用電源等の外部電源１８が接続されるコネクタであり、外部電源１８の電力が充電器８に入力されている。
【００１５】
充電器８は、外部電源１８の電力を蓄電池部２及び外部負荷１９に供給して、蓄電池部２の充電及び外部負荷１９の駆動を行うものである。この外部負荷１９は、外部電源１８の停電時に蓄電池部２の蓄電力を供給する対象の機器である。
さらに詳述すると、充電器８には、蓄電池部２及び外部負荷１９が並列に接続されており、これら蓄電池部２及び外部負荷１９により並列回路９が構成されている。そして、充電器８は、この並列回路９に電圧αを印加することで、蓄電池部２に直流の充電電流Ｉｃを供給し、また、外部負荷１９に電力を供給する。
外部電源１８に停電が発生すると、蓄電池部２及び外部負荷１９から成る並列回路９からみて充電器８がハイインピーダンス状態になるため、蓄電池部２及び外部負荷１９が自動的に直列に接続され、蓄電池部２から外部負荷１９に畜電力が供給される。
【００１６】
充電器コントローラー１０は、充電中においては充電電流Ｉｃの電流値を可変制御するものであり、信号線２０を介して蓄電池部２と接続されている。充電器コントローラー１０は、この信号線２０を介して蓄電池部２から受信した信号に基づいて充電電流Ｉｃを制御する。
電流検出器１２は、充電器８と蓄電池部２とを接続した直列回路上に介挿され、この蓄電池部２から充電器８に向う充電電流Ｉｃと、充電器８からの放電に伴う放電電流Ｉｄとを検出し、充電器コントローラー１０に出力するものである。
【００１７】
充電器コントローラー１０は、電流検出器１２の検出信号に基づいて充電電流Ｉｃの電流値を可変制御する。また、充電器コントローラー１０は、充電時において、予め設定された設定時間ごとに電流検出器１２の検出信号を取り込んでサンプリングし、サンプリングした充電電流Ｉｃを積算し充電量Ｗｃを算出し、放電時においては、サンプリングした放電電流Ｉｄを積算し放電量Ｗｄを算出する。
充電器コントローラー１０は、このように算出した充電量Ｗｃ及び放電量Ｗｄに基づいて、蓄電池部２の現在の蓄電量Ｗを算出する。すなわち、蓄電池部２が満充電された状態の容量を初期容量Ｗ０とした場合、現在の蓄電量Ｗは、Ｗ＝Ｗ０−Ｗｄ＋Ｗｃにより求められる。
【００１８】
表示器１４は、充電器コントローラー１０の制御の下、各種情報を表示するものであり、例えば蓄電池部２の現在の蓄電量Ｗの算出値を表示する。
また、充電器コントローラー１０は、蓄電池部２への充電回数をカウントする機能を備え、蓄電池部２が備える電池組２４（後述）の寿命を示す所定の充電回数に対する現在の充電回数の割合を算出し、その割合を、電池組２４の寿命がどの程度尽きているかを示す情報として表示器１４に表示する。
遮断スイッチ１６は、蓄電池部２の放電を停止するための常閉スイッチであり、充電器８と蓄電池部２とを接続した直列回路上に介挿され、充電器コントローラー１０の制御の下、蓄電池部２が外部負荷１９に電力を供給しているときに、当該蓄電池部２の過放電を防止するために開成する。これにより、蓄電池部２から外部負荷１９への電力供給等に伴う放電が停止され過放電が防止される。
【００１９】
また、遮断スイッチ１６は常閉スイッチであるため、通常は蓄電池部２と外部負荷１９との間が導通状態で保持されている。このように蓄電池部２と外部負荷１９との間をスイッチ等で常時遮断せずに導通状態で維持する構成としているため、外部電源１８に停電が発生したとしても、当該スイッチへの電力供給が停止して作動せずに蓄電池部２と外部負荷１９との間が遮断されたままになる、といった事態が防止される。
しかし蓄電池部２と外部負荷１９との間を常時導通状態で保持すると、蓄電池部２の非充電時には、当該蓄電池部２の蓄電力が外部負荷１９に供給されてしまう。そこで、充電装置１は、非充電時には、蓄電池部２に流入する充電電流Ｉｃを略ゼロに維持するゼロ電流充電を行うことで、蓄電池部２から外部負荷１９に電力が供給され無駄に放電されるのを防止する。
具体的には、非充電時において、充電器コントローラー１０は、電流検出器１２の検出値に基づいて、蓄電池部２に流入する充電電流Ｉｃが略ゼロに維持されるように、並列回路９に印加する電圧αをフィードバック制御する。この結果、電圧αと蓄電池部２の電圧との差圧が略等しくなって蓄電池部２への充電電流Ｉｃが略ゼロになり、この状態が保持されて蓄電池部２から外部負荷１９への蓄電力の供給が停止状態で保持される。
【００２０】
次いで蓄電池部２の構成について詳述する。
蓄電池部２は、ｎ個（ｎ≧２）の二次電池（セル）２２を直列に接続してなる電池組２４と、過充電保護回路（バランス回路）２６とを有する。二次電池２２は例えばリチウムイオン電池の一例たるリチウムポリマー電池である。この他にも、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の任意の二次電池を用いることが可能である。ただし、電池組２４を構成する二次電池２２は全て同一種の二次電池とする。
蓄電池部２には、電池組２４の陽極に電気的に接続される陽極端子３０、及び電池組２４の負極に電気的に接続される陰極端子３２が設けられており、これら陽極端子３０及び陰極端子３２が上記充電器部４に電気的に接続されている。充電時には、充電器部４から陽極端子３０を介して電池組２４に充電電流Ｉｃが供給されて電池組２４の充電が行われる。
【００２１】
過充電保護回路２６は、二次電池２２間の電圧バランスを揃えることで、二次電池２２への過充電を保護するものであり、二次電池２２ごとに並列に設けられた放電ルート回路３４と、二次電池２２ごとに設けられた検出器群３６と、電池制御部３８とを備えている。
放電ルート回路３４は、経路中に放電抵抗（バランス抵抗）４０及びスイッチング素子４２を直列に接続した回路である。スイッチング素子４２は常開接点であり、二次電池２２の電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達した場合に閉成する。この過充電保護電圧Ｖｔｈ１は、二次電池２２の種類に応じた満充電電圧Ｖｍよりも低い値に設定されたものであり、二次電池２２がリチウムポリマー電池の場合は例えば満充電とみなされる４．２Ｖを超えない値である。
【００２２】
スイッチング素子４２が閉成した場合、放電ルート回路３４が二次電池２２電気的に接続され、当該二次電池２２は放電ルート回路３４に放電を開始する。放電ルート回路３４への放電中においては、放電によるエネルギー放出や、充電電流Ｉｃが放電ルート回路３４へバイパスされて二次電池２２への流入量が減少する事などに要因して、二次電池２２の電池電圧Ｖｂが次第に低下する。そして、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１よりも所定のマージン分だけ低い保護停止電圧Ｖｔｈ２まで下がると、スイッチング素子４２が開成し、放電ルート回路３４への放電が停止され、充電時には、再度、充電状態に移行する。過充電保護電圧Ｖｔｈ１と保護停止電圧Ｖｔｈ２との差は、少なくともスイッチング素子４２のチャタリングを防止可能な程度とされる。
二次電池２２の放電中においては、その二次電池２２に流入する充電電流Ｉｃが放電ルート回路３４にバイパスされ、後段の二次電池２２に導入される。このときバイパスされる電流値は、放電抵抗４０の抵抗値により決定される。
【００２３】
検出器群３６は、過充電保護用検出器４４、充電完了検出器４６及び放電遮断用検出器４８を備えている。これら過充電保護用検出器４４、充電完了検出器４６及び放電遮断用検出器４８は、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを、各々に設定された所定電圧と比較するコンパレータ回路を有して構成されている。
過充電保護用検出器４４は、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを検出し、この電池電圧Ｖｂと上記の過充電保護電圧Ｖｔｈ１とを比較し、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超えた場合に、スイッチング素子４２を閉成して、二次電池２２を放電ルート回路３４へ放電させる。また、過充電保護用検出器４４は、電池電圧Ｖｂが保護停止電圧Ｖｔｈ２を下回った場合に、スイッチング素子４２を開成して二次電池２２の放電ルート回路３４への放電を停止する。
【００２４】
また過充電保護用検出器４４は、スイッチング素子４２を開閉するごとに、スイッチング素子４２の開閉状態、すなわち、放電の開始／停止を示す開閉信号を電池制御部３８に出力する。電池制御部３８は、かかる開閉信号が入力されると、充電器部４の充電器コントローラー１０に信号線２０を介して開閉信号を出力し、これにより、充電器コントローラー１０が放電ルート回路３４への放電の有無を検知可能になる。
充電器コントローラー１０は、充電時において、開閉信号に基づいて、いずれかの二次電池２２が放電ルート回路３４へ放電を開始したことを検知した場合、当該放電ルート回路３４への放電が停止されるまで充電電流Ｉｃを減少させる制御を行うが、かかる制御については後述する。
【００２５】
充電完了検出器４６は、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを検出し、この検出信号を電池制御部３８に出力する。電池制御部３８は、各二次電池２２の電池電圧Ｖｂを積算して、電池組２４の電圧Ｖａｌｌを算出し、信号線２０を介して充電器コントローラー１０に出力する。充電器コントローラー１０は、電池組２４の電圧Ｖａｌｌが所定の充電完了電圧Ｖｔｈ３に達した場合、蓄電池部２を含む並列回路９に印加する電圧αを、当該蓄電池部２に流れる充電電流Ｉｃが略ゼロとなるように制御して上記ゼロ電流充電状態として蓄電池部２への充電を停止する。上記充電完了電圧Ｖｔｈ３は、二次電池２２の満充電電圧Ｖｍを二次電池２２の数だけ積算した値である。
なお、いずれかの二次電池２２の電池電圧Ｖｂが許容された電圧の上限値に至った場合にも、蓄電池部２の充電が速やかに停止される構成とされている。
【００２６】
放電遮断用検出器４８は、電池組２４への非充電の間、すなわち、電池組２４の畜電力が外部負荷１９に供されている間、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを検出し、この電池電圧Ｖｂと放電遮断電圧Ｖｔｈ４とを比較し、電池電圧Ｖｂが放電遮断電圧Ｖｔｈ４を下回った場合に、検知信号を電池制御部３８に出力する。放電遮断電圧Ｖｔｈ４は、二次電池２２が終止電圧を超えて放電する状態、いわゆる過放電状態に至るのを防止するものであり、終止電圧を下回らない電圧に設定されている。例えば、二次電池２２がリチウムポリマー電池である場合、放電遮断電圧Ｖｔｈ４は約３Ｖに設定される。
【００２７】
電池制御部３８は、いずれかの放電遮断用検出器４８から検出信号を受けた場合、放電を遮断すべき事を示す遮断信号を、信号線２０を介して充電器コントローラー１０に出力する。充電器コントローラー１０は、電池制御部３８から遮断信号を受け取った場合、上記遮断スイッチ１６を開成する。これにより、蓄電池部２から外部負荷１９への電力供給等による放電が停止される。
なお、この充電装置１は、電池組２４の電池温度を検出するサーミスタ等の温度検出センサを有し、充電時に、電池組２４の温度が所定温度（例えば、リチウムポリマー電池においては６０度）を超えた場合に、充電を停止するように構成されている。
【００２８】
次いで、充電装置１の充電制御について説明する。
図２は充電装置１の充電処理を示すフローチャートであり、図３は充電装置１による充電パターンを示す図である。なお、図３には、充電時の電池電圧の上昇特性が異なる２つの二次電池２２Ａ、２２Ｂについての充電パターンを示している。
【００２９】
充電装置１は、充電を行う場合、先ず、充電開始条件が満足されたか否かを判断する（ステップＳ１）。充電開始条件には、例えば電池組２４が満充電状態でなくなったときや、過放電防止のために遮断スイッチ１６が開成したとき、前回の充電終了から一定期間が経過したとき等の各種の条件が設定されている。
充電開始条件が満足された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、充電装置１は、電流値Ｉｉｎｉの充電電流Ｉｃを蓄電池部２に供給して充電を開始する（ステップＳ２）。すなわち、充電装置１は、電流検出器１２による検出信号をサンプリングしながら充電電流Ｉｃの電流値が電流値Ｉｉｎｉになるように電池組２４に印加する電圧αを調整する。図３に示すように、充電電流Ｉｃの供給が開始されて充電が始まると（時間ｔ０）、電池組２４の各二次電池２２Ａ、２２Ｂの電池電圧Ｖｂが充電初期電圧Ｖ０ａ、Ｖ０ｂから上昇を開始する。
【００３０】
そして、例えば、図３に示すように、二次電池２２Ａが二次電池２２Ｂよりも電池電圧Ｖｂが上昇し易い特性を有する場合、二次電池２２Ｂの電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に至るよりも前に、二次電池２２Ａの電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達する（時間ｔ１）。この結果、二次電池２２Ａの過充電保護用検出器４４が二次電池２２Ａへの過充電を防止すべくスイッチング素子４２を閉成し、二次電池２２Ａを放電ルート回路３４に接続して放電を開始させる。過充電保護用検出器４４がスイッチング素子４２を閉成した場合、開閉信号が充電器コントローラー１０に出力され、これにより、二次電池２２Ａの放電ルート回路３４への放電が充電器コントローラー１０に検知される。
【００３１】
充電器コントローラー１０は、図２に示すように、いずれかの二次電池２２の放電ルート回路３４への放電を検知した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃの電流値を順次減少させる（ステップＳ４）。
これにより、図３に示すように、二次電池２２Ａの電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達した時間ｔ１から充電電流Ｉｃの電流値が減少させられる。
二次電池２２Ａは、放電ルート回路３４への放電、及び、充電電流Ｉｃの減少に伴い次第に電池電圧Ｖｂを下げ、保護停止電圧Ｖｔｈ２まで下がると（時間ｔ２）、二次電池２２Ａの過充電保護用検出器４４がスイッチング素子４２を開成し、二次電池２２Ａの放電ルート回路３４への放電を停止する。この放電ルート回路３４への放電停止は、開閉信号の充電器コントローラー１０への出力により、充電器コントローラー１０に検知される。
【００３２】
充電器コントローラー１０は、図２に示すように、二次電池２２の放電ルート回路３４への放電停止を検知した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃの電流値の減少を停止して現状の値に固定し（ステップＳ６）、処理手順をステップＳ３に戻して充電を継続する。
これにより、図３に示すように、二次電池２２Ａの電池電圧Ｖｂが保護停止電圧Ｖｔｈ２に下がるまで充電電流Ｉｃが減少し、放電が停止したときの電流値に固定される。なお、充電電流Ｉｃを減少させた場合には、これに伴い、二次電池２２Ａのみならず他の二次電池２２Ｂの電池電圧Ｖｂも低下する。
そして以降、いずれかの二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が検知されるごとに、その二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が停止するまで充電電流Ｉｃを減少する、という処理が繰り返し行われる。この繰り返し回数は、二次電池２２の充電時の電圧上昇特性の違いや劣化の度合い等により変動し、常に決まった回数の繰り返しが行われる訳では無い。
【００３３】
各二次電池２２が満充電状態に近づく充電終期においては、図３に示すように、充電電流Ｉｃが小さくなり、上記ステップＳ４の処理により、充電電流Ｉｃを減少させたときに充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈを下回るようになる（時間ｔ３）。この充電下限電流値Ｉｔｈは、各二次電池２２が満充電状態に近づいたときに示す所定の電流値が設定される。
充電器コントローラー１０は、図２に示すように、充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈ以下になった事を検出すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃを充電下限電流値Ｉｔｈに維持して充電を継続する（ステップＳ８）。
【００３４】
この結果、各二次電池２２の充電状態が満充電状態に近くなり、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超え、放電ルート回路３４への放電を開始する二次電池２２が多数になる。このときには、充電電流Ｉｃが非常に小さい値であるため、放電ルート回路３４にバイパスされる電流値も小さく放電抵抗４０でのエネルギーロスも小さい。そして、放電ルート回路３４に放電中の二次電池２２であっても、充電電流Ｉｃのうち、放電ルート回路３４にバイパスされなかった僅かな電流が流入し、図３に示すように、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超えて満充電電圧Ｖｍに達する（時間ｔ４）。
このようにして、電池組２４の電圧Ｖａｌｌが上述した充電完了電圧Ｖｔｈ３に達した場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、充電開始（時間ｔ０）から放電量Ｗｄの約１００％が充電されたこととなる。したがって、充電装置１は、蓄電池部２の充電状態を上記ゼロ電流充電状態にして蓄電池部２への充電を停止し（ステップＳ１０）、充電処理を終了する。
このゼロ電流充電においては、蓄電池部２に流入する充電電流Ｉｃを略ゼロに維持するように、充電器８の電圧αがフィードバック制御される。これにより、蓄電池部２への充電が停止状態となると共に、蓄電池部２と外部負荷１９とを導通状態で保持しつつ蓄電池部２から外部負荷１９への畜電力の供給を停止した状態に保持する。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、過充電保護回路２６の過充電保護動作によって、いずれかの二次電池２２が放電ルート回路３４に放電を開始した場合に、充電器コントローラー１０は、放電を開始した二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が停止するまで充電電流Ｉｃを減少させて充電を継続する構成とした。
この構成により、充電中においては、各二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が抑制されるため、充電電力が放電によって無駄に消費されることが無く、充電効率が高められる。
これに加え、放電ルート回路３４における発熱も小さくなることから、周辺部品の劣化も防止される。
【００３６】
また本実施形態によれば、充電器コントローラー１０は、充電電流Ｉｃが所定の充電下限電流値Ｉｔｈを下回った場合、この充電下限電流値Ｉｔｈに充電電流Ｉｃを維持して電池組２４への供給を継続し、電池組２４の電圧Ｖａｌｌが所定の充電完了電圧Ｖｔｈ３に達したときに充電を停止する構成とした。
この構成により、充電下限電流値Ｉｔｈに充電電流Ｉｃを維持して電池組２４への供給を継続することで、多くの二次電池２２の電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超えて、放電ルート回路３４への放電を行う状態になるものの、充電電流Ｉｃが比較的小さい充電下限電流値Ｉｔｈであるため、放電ルート回路３４で消費されるエネルギーも小さい状態に抑えられる。そして、このように放電ルート回路３４で消費されるエネルギー量が抑えられた状態で、各二次電池２２を満充電電圧Ｖｍまで充電することができる。
【００３７】
また本実施形態によれば、電池組２４、及び外部負荷１９で並列回路９を構成して充電器８に接続する構成としたため、非充電の間、電池組２４及び外部負荷１９が導通された状態で保持される。このため、充電器８に供給される外部電源１８が停電等した場合には、電池組２４及び外部負荷１９が自動的に直列回路を構成し、電池組２４から外部負荷１９への蓄電力供給が速やかに開始される。
さらに、非充電時には、充電器８が並列回路９に印加する電圧αを、電池組２４に流入する充電電流Ｉｃを略ゼロに維持するに制御するため、電池組２４から外部負荷１９に電力が供給されることがなく、当該電池組２４の無駄な放電が防止される。
【００３８】
また本実施形態によれば、いずれかの二次電池２２の電池電圧Ｖｂが所定の放電遮断電圧Ｖｔｈ４まで低下した場合、電池組２４から外部機器への蓄電力の供給を遮断し、電池組２４への充電を開始する構成としたため、各二次電池２２の過放電を確実に防止することができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態では、充電中にガスが発生する性質を有する複数の二次電池１２２を直列に接続した電池組１２４に充電を行う充電装置１００について説明する。
図４は、本実施形態に係る充電装置１００の構成を示す図である。なお、同図において、図１に示したものには同一の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態の充電装置１００は、ガス発生検知回路５０を備えている。このガス発生検知回路５０は、充電中に、いずれかの二次電池１２２でのガスの発生を検知して電池制御部３８に出力するものである。電池制御部３８は、ガスの発生が検知された場合、信号線２０を介して充電器コントローラー１０に出力する。
【００４０】
充電器コントローラー１０は、充電中にガスの発生が検知されごとに、ガスの発生が停止するまで充電電流Ｉｃを減少させて充電を継続することになる。
なお、充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈを下回る場合には、第１実施形態で説明した図２のステップＳ７以降と同様の処理を行う。すなわち、充電器コントローラー１０は、充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈ以下になった事を検出すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃを充電下限電流値Ｉｔｈに維持して充電を継続し（ステップＳ８）、電池組１２４の電圧Ｖａｌｌが上述した充電完了電圧Ｖｔｈ３に達した場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、蓄電池部２への充電状態をゼロ電流充電状態として充電を停止し（ステップＳ１０）、充電処理を終了する。
【００４１】
このように本実施形態によれば、充電中においては、各二次電池１２２でのガスの発生が抑制されるため、二次電池１２２の内部抵抗の上昇が抑えられるため、この内部抵抗の上昇に伴う充電電力の無駄な消費が抑制されることとなり、充電効率が高められる。
【００４２】
なお、ガス発生検知回路５０は、ガスセンサ等によりガスの発生の有無を直接検知する構成や、各二次電池１２２の電池電圧Ｖｂを監視し、二次電池１２２からガスの発生を生じさせる所定の電圧に電池電圧Ｖｂが到達した事を検知することで、ガスの発生を間接的に検知する構成としても良い。
また、ガス発生検知回路５０がガス発生の有無をセンサ等で直接検出する構成である場合には、このガス発生検知回路５０の検知結果に基づいて、充電器コントローラー１０がガス発生の停止を判断する構成としても良く、また、ガスの発生が停止する所定の電池電圧と二次電池１２２の電池電圧Ｖｂとを比較することで、間接的にガスの発生停止を検知する構成としても良い。
【００４３】
なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、充電中における過充電保護回路２６での充電電力の余分な消費、及び、充電中における二次電池１２２でのガス発生に伴う充電電力の余分な消費を抑える構成とした。
しかしながら、これに限らず、電池組が、充電電力を充電以外に無駄に消費する電力消費要因が充電中に発生し得るものであり、なおかつ、この電力消費要因が充電電流を減少させることで解消するものである場合には、そのような電池組への充電にも、本発明を適用することが可能である。
すなわち、充電中に電力消費要因による充電電力の消費が発生された場合には、この消費が停止するまで充電電流を減少させて充電を継続すれば良い。
【符号の説明】
【００４４】
１、１００ 充電装置
２ 蓄電池部
４ 充電器部
８ 充電器
９ 並列回路
１０ 充電器コントローラー（充電制御手段）
１２ 電流検出器
１４ 表示器
１９ 外部負荷
２２、２２Ａ、２２Ｂ、１２２ 二次電池
２４ 電池組
２６ 過充電保護回路
３４ 放電ルート回路
３８ 電池制御部
４０ 放電抵抗
４２ スイッチング素子
４４ 過充電保護用検出器
４６ 充電完了検出器
４８ 放電遮断用検出器
５０ ガス発生検知回路
Ｉｃ 充電電流
Ｉｔｈ 充電下限電流値
Ｖｂ 電池電圧
Ｖｍ 満充電電圧
Ｖｔｈ１ 過充電保護電圧
Ｖｔｈ２ 保護停止電圧
Ｖｔｈ３ 充電完了電圧
Ｖｔｈ４ 放電遮断電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電装置及び充電方法に係り、特に、充電効率を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
直列に多段接続された二次電池を充電する充電装置が従来から知られている。
この種の充電装置においては、二次電池の電圧が所定電圧に達するまで所定の定電流で充電し、その後、電流値を小さくして充電を行うことで、二次電池の内部抵抗による影響を小さくして、より満充電に近い状態まで充電することを可能にした、いわゆる多段定電流充電方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、二次電池への過充電を防止するために過充電保護回路を備えた充電装置が知られている。この種の過充電保護回路は、二次電池毎に放電抵抗を含む放電ルート回路を並列に設け、いずれかの二次電池の過充電を検出した場合、過充電が検出された二次電池を放電ルート回路に接続して強制的に放電させ、また、この二次電池に流入する充電電流を放電ルート回路にバイパスさせている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
この過充電保護回路を充電装置に設けることにより、過充電の保護の他にも次のような利点がある。すなわち、リチウムポリマー電池等のように充電時の内部抵抗値等の特性を揃えて製造することが困難な二次電池を多段に直列に接続して充電を行う場合に、過充電保護回路が各二次電池間の電池電圧を一定の上限値に揃えるようにバランスさせるバランス回路として機能するため、二次電池間の特性のばらつきを補償した充電が可能になる。また、経年劣化により充電時の電池電圧（内部抵抗）が大きく変化するような二次電池の充電に対しても、使用開始時の充電時と、ある程度経年劣化した時の充電時とで二次電池の内部抵抗によらず電池電圧の上限値が一定に維持されるため経年劣化を補償した充電が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−８７９９１号公報
【特許文献２】特開平１０−５０３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、充電装置が過充電保護回路を備える場合、例えば上記特許文献１の記載の技術を用いて満充電に近い状態まで充電を行うと、各二次電池の電池電圧が満充電の電圧に近づいたものから順次放電ルート回路に接続されて放電が行われる。このため、放電ルート回路の放電により充電電力が無駄に消費され、充電効率を低下させる、といった問題がある。また、放電ルート回路での放電が頻繁に行われると、放電ルート回路での放電による発熱によって周辺部品の劣化を促す、といった問題も生じる。
【０００７】
この種の問題は、過充電保護回路を備えた充電装置に限らず、充電による発熱によりガスの発生を伴う二次電池にも同様に生じる。
すなわち、過充電保護回路の放電ルート回路への放電により充電電力が無駄に消費されるのと同様に、充電中に二次電池でガスが発生している状態においては、二次電池の内部抵抗が増大する等の理由で充電電力が発熱として無駄に消費され、充電効率を低下させる。また、発熱によって周辺部品の劣化を促す、といった問題も同様に生じる。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、充電時に充電電力の無駄な消費を抑制し、充電効率を高めることができる充電装置及び充電方法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】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電装置において、前記二次電池ごとに設けられた放電ルート回路を有し、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させる過充電保護回路と、前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止する充電制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記充電装置において、前記電池組、及び外部負荷が並列接続された並列回路に外部電力を供給し、前記電池組の充電、及び前記外部負荷への電力供給を行う充電器を備え、非充電時には、前記電池組及び前記外部負荷を導通させた状態で維持しつつ、前記充電器が前記並列回路に印加する電圧を、前記電池組に流入する充電電流を略ゼロに維持するように制御することを特徴とする。
【００１１】
また上記目的を達成するために、本発明は、複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電方法において、前記二次電池ごとに放電ルート回路を設け、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させて過充電保護を行い、前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、充電中においては、放電ルート回路への放電を停止させるように充電電流を減少させながら充電が行われるため、放電に伴う充電電力の無駄な消費が抑えられ、充電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る充電装置の構成を示す図である。
【図２】充電処理のフローチャートである。
【図３】充電パターンを示す図である。
【図４】第２実施形態に係る充電装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る充電装置１の構成を示す図である。この図に示すように、充電装置１は、電力を蓄える蓄電池部２と、この蓄電池部２に電力を供給して充電する充電器部４とを備えている。
充電器部４は、外部電源コネクタ６と、充電器８と、充電器コントローラー１０と、電流検出器１２と、表示器１４と、遮断スイッチ１６とを有している。
外部電源コネクタ６は、商用電源等の外部電源１８が接続されるコネクタであり、外部電源１８の電力が充電器８に入力されている。
【００１５】
充電器８は、外部電源１８の電力を蓄電池部２及び外部負荷１９に供給して、蓄電池部２の充電及び外部負荷１９の駆動を行うものである。この外部負荷１９は、外部電源１８の停電時に蓄電池部２の蓄電力を供給する対象の機器である。
さらに詳述すると、充電器８には、蓄電池部２及び外部負荷１９が並列に接続されており、これら蓄電池部２及び外部負荷１９により並列回路９が構成されている。そして、充電器８は、この並列回路９に電圧αを印加することで、蓄電池部２に直流の充電電流Ｉｃを供給し、また、外部負荷１９に電力を供給する。
外部電源１８に停電が発生すると、蓄電池部２及び外部負荷１９から成る並列回路９からみて充電器８がハイインピーダンス状態になるため、蓄電池部２及び外部負荷１９が自動的に直列に接続され、蓄電池部２から外部負荷１９に畜電力が供給される。
【００１６】
充電器コントローラー１０は、充電中においては充電電流Ｉｃの電流値を可変制御するものであり、信号線２０を介して蓄電池部２と接続されている。充電器コントローラー１０は、この信号線２０を介して蓄電池部２から受信した信号に基づいて充電電流Ｉｃを制御する。
電流検出器１２は、充電器８と蓄電池部２とを接続した直列回路上に介挿され、この蓄電池部２から充電器８に向う充電電流Ｉｃと、充電器８からの放電に伴う放電電流Ｉｄとを検出し、充電器コントローラー１０に出力するものである。
【００１７】
充電器コントローラー１０は、電流検出器１２の検出信号に基づいて充電電流Ｉｃの電流値を可変制御する。また、充電器コントローラー１０は、充電時において、予め設定された設定時間ごとに電流検出器１２の検出信号を取り込んでサンプリングし、サンプリングした充電電流Ｉｃを積算し充電量Ｗｃを算出し、放電時においては、サンプリングした放電電流Ｉｄを積算し放電量Ｗｄを算出する。
充電器コントローラー１０は、このように算出した充電量Ｗｃ及び放電量Ｗｄに基づいて、蓄電池部２の現在の蓄電量Ｗを算出する。すなわち、蓄電池部２が満充電された状態の容量を初期容量Ｗ０とした場合、現在の蓄電量Ｗは、Ｗ＝Ｗ０−Ｗｄ＋Ｗｃにより求められる。
【００１８】
表示器１４は、充電器コントローラー１０の制御の下、各種情報を表示するものであり、例えば蓄電池部２の現在の蓄電量Ｗの算出値を表示する。
また、充電器コントローラー１０は、蓄電池部２への充電回数をカウントする機能を備え、蓄電池部２が備える電池組２４（後述）の寿命を示す所定の充電回数に対する現在の充電回数の割合を算出し、その割合を、電池組２４の寿命がどの程度尽きているかを示す情報として表示器１４に表示する。
遮断スイッチ１６は、蓄電池部２の放電を停止するための常閉スイッチであり、充電器８と蓄電池部２とを接続した直列回路上に介挿され、充電器コントローラー１０の制御の下、蓄電池部２が外部負荷１９に電力を供給しているときに、当該蓄電池部２の過放電を防止するために開成する。これにより、蓄電池部２から外部負荷１９への電力供給等に伴う放電が停止され過放電が防止される。
【００１９】
また、遮断スイッチ１６は常閉スイッチであるため、通常は蓄電池部２と外部負荷１９との間が導通状態で保持されている。このように蓄電池部２と外部負荷１９との間をスイッチ等で常時遮断せずに導通状態で維持する構成としているため、外部電源１８に停電が発生したとしても、当該スイッチへの電力供給が停止して作動せずに蓄電池部２と外部負荷１９との間が遮断されたままになる、といった事態が防止される。
しかし蓄電池部２と外部負荷１９との間を常時導通状態で保持すると、蓄電池部２の非充電時には、当該蓄電池部２の蓄電力が外部負荷１９に供給されてしまう。そこで、充電装置１は、非充電時には、蓄電池部２に流入する充電電流Ｉｃを略ゼロに維持するゼロ電流充電を行うことで、蓄電池部２から外部負荷１９に電力が供給され無駄に放電されるのを防止する。
具体的には、非充電時において、充電器コントローラー１０は、電流検出器１２の検出値に基づいて、蓄電池部２に流入する充電電流Ｉｃが略ゼロに維持されるように、並列回路９に印加する電圧αをフィードバック制御する。この結果、電圧αと蓄電池部２の電圧との差圧が略等しくなって蓄電池部２への充電電流Ｉｃが略ゼロになり、この状態が保持されて蓄電池部２から外部負荷１９への蓄電力の供給が停止状態で保持される。
【００２０】
次いで蓄電池部２の構成について詳述する。
蓄電池部２は、ｎ個（ｎ≧２）の二次電池（セル）２２を直列に接続してなる電池組２４と、過充電保護回路（バランス回路）２６とを有する。二次電池２２は例えばリチウムイオン電池の一例たるリチウムポリマー電池である。この他にも、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の任意の二次電池を用いることが可能である。ただし、電池組２４を構成する二次電池２２は全て同一種の二次電池とする。
蓄電池部２には、電池組２４の陽極に電気的に接続される陽極端子３０、及び電池組２４の負極に電気的に接続される陰極端子３２が設けられており、これら陽極端子３０及び陰極端子３２が上記充電器部４に電気的に接続されている。充電時には、充電器部４から陽極端子３０を介して電池組２４に充電電流Ｉｃが供給されて電池組２４の充電が行われる。
【００２１】
過充電保護回路２６は、二次電池２２間の電圧バランスを揃えることで、二次電池２２への過充電を保護するものであり、二次電池２２ごとに並列に設けられた放電ルート回路３４と、二次電池２２ごとに設けられた検出器群３６と、電池制御部３８とを備えている。
放電ルート回路３４は、経路中に放電抵抗（バランス抵抗）４０及びスイッチング素子４２を直列に接続した回路である。スイッチング素子４２は常開接点であり、二次電池２２の電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達した場合に閉成する。この過充電保護電圧Ｖｔｈ１は、二次電池２２の種類に応じた満充電電圧Ｖｍよりも低い値に設定されたものであり、二次電池２２がリチウムポリマー電池の場合は例えば満充電とみなされる４．２Ｖを超えない値である。
【００２２】
スイッチング素子４２が閉成した場合、放電ルート回路３４が二次電池２２電気的に接続され、当該二次電池２２は放電ルート回路３４に放電を開始する。放電ルート回路３４への放電中においては、放電によるエネルギー放出や、充電電流Ｉｃが放電ルート回路３４へバイパスされて二次電池２２への流入量が減少する事などに要因して、二次電池２２の電池電圧Ｖｂが次第に低下する。そして、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１よりも所定のマージン分だけ低い保護停止電圧Ｖｔｈ２まで下がると、スイッチング素子４２が開成し、放電ルート回路３４への放電が停止され、充電時には、再度、充電状態に移行する。過充電保護電圧Ｖｔｈ１と保護停止電圧Ｖｔｈ２との差は、少なくともスイッチング素子４２のチャタリングを防止可能な程度とされる。
二次電池２２の放電中においては、その二次電池２２に流入する充電電流Ｉｃが放電ルート回路３４にバイパスされ、後段の二次電池２２に導入される。このときバイパスされる電流値は、放電抵抗４０の抵抗値により決定される。
【００２３】
検出器群３６は、過充電保護用検出器４４、充電完了検出器４６及び放電遮断用検出器４８を備えている。これら過充電保護用検出器４４、充電完了検出器４６及び放電遮断用検出器４８は、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを、各々に設定された所定電圧と比較するコンパレータ回路を有して構成されている。
過充電保護用検出器４４は、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを検出し、この電池電圧Ｖｂと上記の過充電保護電圧Ｖｔｈ１とを比較し、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超えた場合に、スイッチング素子４２を閉成して、二次電池２２を放電ルート回路３４へ放電させる。また、過充電保護用検出器４４は、電池電圧Ｖｂが保護停止電圧Ｖｔｈ２を下回った場合に、スイッチング素子４２を開成して二次電池２２の放電ルート回路３４への放電を停止する。
【００２４】
また過充電保護用検出器４４は、スイッチング素子４２を開閉するごとに、スイッチング素子４２の開閉状態、すなわち、放電の開始／停止を示す開閉信号を電池制御部３８に出力する。電池制御部３８は、かかる開閉信号が入力されると、充電器部４の充電器コントローラー１０に信号線２０を介して開閉信号を出力し、これにより、充電器コントローラー１０が放電ルート回路３４への放電の有無を検知可能になる。
充電器コントローラー１０は、充電時において、開閉信号に基づいて、いずれかの二次電池２２が放電ルート回路３４へ放電を開始したことを検知した場合、当該放電ルート回路３４への放電が停止されるまで充電電流Ｉｃを減少させる制御を行うが、かかる制御については後述する。
【００２５】
充電完了検出器４６は、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを検出し、この検出信号を電池制御部３８に出力する。電池制御部３８は、各二次電池２２の電池電圧Ｖｂを積算して、電池組２４の電圧Ｖａｌｌを算出し、信号線２０を介して充電器コントローラー１０に出力する。充電器コントローラー１０は、電池組２４の電圧Ｖａｌｌが所定の充電完了電圧Ｖｔｈ３に達した場合、蓄電池部２を含む並列回路９に印加する電圧αを、当該蓄電池部２に流れる充電電流Ｉｃが略ゼロとなるように制御して上記ゼロ電流充電状態として蓄電池部２への充電を停止する。上記充電完了電圧Ｖｔｈ３は、二次電池２２の満充電電圧Ｖｍを二次電池２２の数だけ積算した値である。
なお、いずれかの二次電池２２の電池電圧Ｖｂが許容された電圧の上限値に至った場合にも、蓄電池部２の充電が速やかに停止される構成とされている。
【００２６】
放電遮断用検出器４８は、電池組２４への非充電の間、すなわち、電池組２４の畜電力が外部負荷１９に供されている間、二次電池２２の電池電圧Ｖｂを検出し、この電池電圧Ｖｂと放電遮断電圧Ｖｔｈ４とを比較し、電池電圧Ｖｂが放電遮断電圧Ｖｔｈ４を下回った場合に、検知信号を電池制御部３８に出力する。放電遮断電圧Ｖｔｈ４は、二次電池２２が終止電圧を超えて放電する状態、いわゆる過放電状態に至るのを防止するものであり、終止電圧を下回らない電圧に設定されている。例えば、二次電池２２がリチウムポリマー電池である場合、放電遮断電圧Ｖｔｈ４は約３Ｖに設定される。
【００２７】
電池制御部３８は、いずれかの放電遮断用検出器４８から検出信号を受けた場合、放電を遮断すべき事を示す遮断信号を、信号線２０を介して充電器コントローラー１０に出力する。充電器コントローラー１０は、電池制御部３８から遮断信号を受け取った場合、上記遮断スイッチ１６を開成する。これにより、蓄電池部２から外部負荷１９への電力供給等による放電が停止される。
なお、この充電装置１は、電池組２４の電池温度を検出するサーミスタ等の温度検出センサを有し、充電時に、電池組２４の温度が所定温度（例えば、リチウムポリマー電池においては６０度）を超えた場合に、充電を停止するように構成されている。
【００２８】
次いで、充電装置１の充電制御について説明する。
図２は充電装置１の充電処理を示すフローチャートであり、図３は充電装置１による充電パターンを示す図である。なお、図３には、充電時の電池電圧の上昇特性が異なる２つの二次電池２２Ａ、２２Ｂについての充電パターンを示している。
【００２９】
充電装置１は、充電を行う場合、先ず、充電開始条件が満足されたか否かを判断する（ステップＳ１）。充電開始条件には、例えば電池組２４が満充電状態でなくなったときや、過放電防止のために遮断スイッチ１６が開成したとき、前回の充電終了から一定期間が経過したとき等の各種の条件が設定されている。
充電開始条件が満足された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、充電装置１は、電流値Ｉｉｎｉの充電電流Ｉｃを蓄電池部２に供給して充電を開始する（ステップＳ２）。すなわち、充電装置１は、電流検出器１２による検出信号をサンプリングしながら充電電流Ｉｃの電流値が電流値Ｉｉｎｉになるように電池組２４に印加する電圧αを調整する。図３に示すように、充電電流Ｉｃの供給が開始されて充電が始まると（時間ｔ０）、電池組２４の各二次電池２２Ａ、２２Ｂの電池電圧Ｖｂが充電初期電圧Ｖ０ａ、Ｖ０ｂから上昇を開始する。
【００３０】
そして、例えば、図３に示すように、二次電池２２Ａが二次電池２２Ｂよりも電池電圧Ｖｂが上昇し易い特性を有する場合、二次電池２２Ｂの電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に至るよりも前に、二次電池２２Ａの電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達する（時間ｔ１）。この結果、二次電池２２Ａの過充電保護用検出器４４が二次電池２２Ａへの過充電を防止すべくスイッチング素子４２を閉成し、二次電池２２Ａを放電ルート回路３４に接続して放電を開始させる。過充電保護用検出器４４がスイッチング素子４２を閉成した場合、開閉信号が充電器コントローラー１０に出力され、これにより、二次電池２２Ａの放電ルート回路３４への放電が充電器コントローラー１０に検知される。
【００３１】
充電器コントローラー１０は、図２に示すように、いずれかの二次電池２２の放電ルート回路３４への放電を検知した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃの電流値を順次減少させる（ステップＳ４）。
これにより、図３に示すように、二次電池２２Ａの電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１に達した時間ｔ１から充電電流Ｉｃの電流値が減少させられる。
二次電池２２Ａは、放電ルート回路３４への放電、及び、充電電流Ｉｃの減少に伴い次第に電池電圧Ｖｂを下げ、保護停止電圧Ｖｔｈ２まで下がると（時間ｔ２）、二次電池２２Ａの過充電保護用検出器４４がスイッチング素子４２を開成し、二次電池２２Ａの放電ルート回路３４への放電を停止する。この放電ルート回路３４への放電停止は、開閉信号の充電器コントローラー１０への出力により、充電器コントローラー１０に検知される。
【００３２】
充電器コントローラー１０は、図２に示すように、二次電池２２の放電ルート回路３４への放電停止を検知した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃの電流値の減少を停止して現状の値に固定し（ステップＳ６）、処理手順をステップＳ３に戻して充電を継続する。
これにより、図３に示すように、二次電池２２Ａの電池電圧Ｖｂが保護停止電圧Ｖｔｈ２に下がるまで充電電流Ｉｃが減少し、放電が停止したときの電流値に固定される。なお、充電電流Ｉｃを減少させた場合には、これに伴い、二次電池２２Ａのみならず他の二次電池２２Ｂの電池電圧Ｖｂも低下する。
そして以降、いずれかの二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が検知されるごとに、その二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が停止するまで充電電流Ｉｃを減少する、という処理が繰り返し行われる。この繰り返し回数は、二次電池２２の充電時の電圧上昇特性の違いや劣化の度合い等により変動し、常に決まった回数の繰り返しが行われる訳では無い。
【００３３】
各二次電池２２が満充電状態に近づく充電終期においては、図３に示すように、充電電流Ｉｃが小さくなり、上記ステップＳ４の処理により、充電電流Ｉｃを減少させたときに充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈを下回るようになる（時間ｔ３）。この充電下限電流値Ｉｔｈは、各二次電池２２が満充電状態に近づいたときに示す所定の電流値が設定される。
充電器コントローラー１０は、図２に示すように、充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈ以下になった事を検出すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃを充電下限電流値Ｉｔｈに維持して充電を継続する（ステップＳ８）。
【００３４】
この結果、各二次電池２２の充電状態が満充電状態に近くなり、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超え、放電ルート回路３４への放電を開始する二次電池２２が多数になる。このときには、充電電流Ｉｃが非常に小さい値であるため、放電ルート回路３４にバイパスされる電流値も小さく放電抵抗４０でのエネルギーロスも小さい。そして、放電ルート回路３４に放電中の二次電池２２であっても、充電電流Ｉｃのうち、放電ルート回路３４にバイパスされなかった僅かな電流が流入し、図３に示すように、電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超えて満充電電圧Ｖｍに達する（時間ｔ４）。
このようにして、電池組２４の電圧Ｖａｌｌが上述した充電完了電圧Ｖｔｈ３に達した場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、充電開始（時間ｔ０）から放電量Ｗｄの約１００％が充電されたこととなる。したがって、充電装置１は、蓄電池部２の充電状態を上記ゼロ電流充電状態にして蓄電池部２への充電を停止し（ステップＳ１０）、充電処理を終了する。
このゼロ電流充電においては、蓄電池部２に流入する充電電流Ｉｃを略ゼロに維持するように、充電器８の電圧αがフィードバック制御される。これにより、蓄電池部２への充電が停止状態となると共に、蓄電池部２と外部負荷１９とを導通状態で保持しつつ蓄電池部２から外部負荷１９への畜電力の供給を停止した状態に保持する。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、過充電保護回路２６の過充電保護動作によって、いずれかの二次電池２２が放電ルート回路３４に放電を開始した場合に、充電器コントローラー１０は、放電を開始した二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が停止するまで充電電流Ｉｃを減少させて充電を継続する構成とした。
この構成により、充電中においては、各二次電池２２の放電ルート回路３４への放電が抑制されるため、充電電力が放電によって無駄に消費されることが無く、充電効率が高められる。
これに加え、放電ルート回路３４における発熱も小さくなることから、周辺部品の劣化も防止される。
【００３６】
また本実施形態によれば、充電器コントローラー１０は、充電電流Ｉｃが所定の充電下限電流値Ｉｔｈを下回った場合、この充電下限電流値Ｉｔｈに充電電流Ｉｃを維持して電池組２４への供給を継続し、電池組２４の電圧Ｖａｌｌが所定の充電完了電圧Ｖｔｈ３に達したときに充電を停止する構成とした。
この構成により、充電下限電流値Ｉｔｈに充電電流Ｉｃを維持して電池組２４への供給を継続することで、多くの二次電池２２の電池電圧Ｖｂが過充電保護電圧Ｖｔｈ１を超えて、放電ルート回路３４への放電を行う状態になるものの、充電電流Ｉｃが比較的小さい充電下限電流値Ｉｔｈであるため、放電ルート回路３４で消費されるエネルギーも小さい状態に抑えられる。そして、このように放電ルート回路３４で消費されるエネルギー量が抑えられた状態で、各二次電池２２を満充電電圧Ｖｍまで充電することができる。
【００３７】
また本実施形態によれば、電池組２４、及び外部負荷１９で並列回路９を構成して充電器８に接続する構成としたため、非充電の間、電池組２４及び外部負荷１９が導通された状態で保持される。このため、充電器８に供給される外部電源１８が停電等した場合には、電池組２４及び外部負荷１９が自動的に直列回路を構成し、電池組２４から外部負荷１９への蓄電力供給が速やかに開始される。
さらに、非充電時には、充電器８が並列回路９に印加する電圧αを、電池組２４に流入する充電電流Ｉｃを略ゼロに維持するに制御するため、電池組２４から外部負荷１９に電力が供給されることがなく、当該電池組２４の無駄な放電が防止される。
【００３８】
また本実施形態によれば、いずれかの二次電池２２の電池電圧Ｖｂが所定の放電遮断電圧Ｖｔｈ４まで低下した場合、電池組２４から外部機器への蓄電力の供給を遮断し、電池組２４への充電を開始する構成としたため、各二次電池２２の過放電を確実に防止することができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態では、充電中にガスが発生する性質を有する複数の二次電池１２２を直列に接続した電池組１２４に充電を行う充電装置１００について説明する。
図４は、本実施形態に係る充電装置１００の構成を示す図である。なお、同図において、図１に示したものには同一の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示すように、本実施形態の充電装置１００は、ガス発生検知回路５０を備えている。このガス発生検知回路５０は、充電中に、いずれかの二次電池１２２でのガスの発生を検知して電池制御部３８に出力するものである。電池制御部３８は、ガスの発生が検知された場合、信号線２０を介して充電器コントローラー１０に出力する。
【００４０】
充電器コントローラー１０は、充電中にガスの発生が検知されごとに、ガスの発生が停止するまで充電電流Ｉｃを減少させて充電を継続することになる。
なお、充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈを下回る場合には、第１実施形態で説明した図２のステップＳ７以降と同様の処理を行う。すなわち、充電器コントローラー１０は、充電電流Ｉｃが充電下限電流値Ｉｔｈ以下になった事を検出すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、充電電流Ｉｃを充電下限電流値Ｉｔｈに維持して充電を継続し（ステップＳ８）、電池組１２４の電圧Ｖａｌｌが上述した充電完了電圧Ｖｔｈ３に達した場合には（ステップＳ９：ＹＥＳ）、蓄電池部２への充電状態をゼロ電流充電状態として充電を停止し（ステップＳ１０）、充電処理を終了する。
【００４１】
このように本実施形態によれば、充電中においては、各二次電池１２２でのガスの発生が抑制されるため、二次電池１２２の内部抵抗の上昇が抑えられるため、この内部抵抗の上昇に伴う充電電力の無駄な消費が抑制されることとなり、充電効率が高められる。
【００４２】
なお、ガス発生検知回路５０は、ガスセンサ等によりガスの発生の有無を直接検知する構成や、各二次電池１２２の電池電圧Ｖｂを監視し、二次電池１２２からガスの発生を生じさせる所定の電圧に電池電圧Ｖｂが到達した事を検知することで、ガスの発生を間接的に検知する構成としても良い。
また、ガス発生検知回路５０がガス発生の有無をセンサ等で直接検出する構成である場合には、このガス発生検知回路５０の検知結果に基づいて、充電器コントローラー１０がガス発生の停止を判断する構成としても良く、また、ガスの発生が停止する所定の電池電圧と二次電池１２２の電池電圧Ｖｂとを比較することで、間接的にガスの発生停止を検知する構成としても良い。
【００４３】
なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、充電中における過充電保護回路２６での充電電力の余分な消費、及び、充電中における二次電池１２２でのガス発生に伴う充電電力の余分な消費を抑える構成とした。
しかしながら、これに限らず、電池組が、充電電力を充電以外に無駄に消費する電力消費要因が充電中に発生し得るものであり、なおかつ、この電力消費要因が充電電流を減少させることで解消するものである場合には、そのような電池組への充電にも、本発明を適用することが可能である。
すなわち、充電中に電力消費要因による充電電力の消費が発生された場合には、この消費が停止するまで充電電流を減少させて充電を継続すれば良い。
【符号の説明】
【００４４】
１、１００ 充電装置
２ 蓄電池部
４ 充電器部
８ 充電器
９ 並列回路
１０ 充電器コントローラー（充電制御手段）
１２ 電流検出器
１４ 表示器
１９ 外部負荷
２２、２２Ａ、２２Ｂ、１２２ 二次電池
２４ 電池組
２６ 過充電保護回路
３４ 放電ルート回路
３８ 電池制御部
４０ 放電抵抗
４２ スイッチング素子
４４ 過充電保護用検出器
４６ 充電完了検出器
４８ 放電遮断用検出器
５０ ガス発生検知回路
Ｉｃ 充電電流
Ｉｔｈ 充電下限電流値
Ｖｂ 電池電圧
Ｖｍ 満充電電圧
Ｖｔｈ１ 過充電保護電圧
Ｖｔｈ２ 保護停止電圧
Ｖｔｈ３ 充電完了電圧
Ｖｔｈ４ 放電遮断電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電装置において、
前記二次電池ごとに設けられた放電ルート回路を有し、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させる過充電保護回路と、
前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止する充電制御手段と
を備えたことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の充電装置において、
前記電池組、及び外部負荷が並列接続された並列回路に外部電力を供給し、前記電池組の充電、及び前記外部負荷への電力供給を行う充電器を備え、
非充電時には、前記電池組及び前記外部負荷を導通させた状態で維持しつつ、前記充電器が前記並列回路に印加する電圧を、前記電池組に流入する充電電流を略ゼロに維持するように制御することを特徴とする充電装置。
【請求項３】
複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電方法において、
前記二次電池ごとに放電ルート回路を設け、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させて過充電保護を行い、
前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止することを特徴とする充電方法。
【請求項１】
複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電装置において、
前記二次電池ごとに設けられた放電ルート回路を有し、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させる過充電保護回路と、
前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止する充電制御手段と
を備えたことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の充電装置において、
前記電池組、及び外部負荷が並列接続された並列回路に外部電力を供給し、前記電池組の充電、及び前記外部負荷への電力供給を行う充電器を備え、
非充電時には、前記電池組及び前記外部負荷を導通させた状態で維持しつつ、前記充電器が前記並列回路に印加する電圧を、前記電池組に流入する充電電流を略ゼロに維持するように制御することを特徴とする充電装置。
【請求項３】
複数の二次電池が直列に接続された電池組に充電電流を供給して充電する充電方法において、
前記二次電池ごとに放電ルート回路を設け、充電中に前記二次電池の電池電圧が、満充電電圧よりも低い電圧に設定した所定の過充電保護電圧に達したときに前記放電ルート回路に前記二次電池を接続して放電させ、前記電池電圧が前記過充電保護電圧を下回ったときに前記放電ルート回路から前記二次電池を切断して放電を停止させて過充電保護を行い、
前記二次電池のそれぞれが満充電状態に近いことを示す充電下限電流値まで前記充電電流が減少するまでの間、いずれかの前記二次電池が放電ルート回路への放電を開始するごとに該放電ルート回路への放電が停止するまで前記充電電流を減少させて充電し、その後、前記充電電流が前記充電下限電流値以下まで減少したときに、前記充電電流を前記充電下限電流値に維持して充電を継続して各二次電池の電池電圧を前記過充電保護電圧より高めて、前記二次電池のそれぞれが前記満充電電圧になったことを示す充電完了電圧に前記電池組の電圧が達したときに充電を停止することを特徴とする充電方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８８７４０（Ｐ２０１１−１８８７４０Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７９５０（Ｐ２０１１−１０７９５０）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【分割の表示】特願２００８−４３４６７（Ｐ２００８−４３４６７）の分割
【原出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（００００００１９２）岩崎電気株式会社 (533)
【出願人】（５０８０５８１４７）東京整流器株式会社 (3)
【出願人】（５０８０５７４４９）株式会社ジェーピーエス (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【分割の表示】特願２００８−４３４６７（Ｐ２００８−４３４６７）の分割
【原出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（００００００１９２）岩崎電気株式会社 (533)
【出願人】（５０８０５８１４７）東京整流器株式会社 (3)
【出願人】（５０８０５７４４９）株式会社ジェーピーエス (3)
【Ｆターム（参考）】
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