JP3142541B2

JP3142541B2 - 充電回路

Info

Publication number: JP3142541B2
Application number: JP02101030A
Authority: JP
Inventors: 敏治大橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1990-04-16
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH04225A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、蓄電池の充電制御を行う充電回路に係り、
特に満充電を好適に検知し得るようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、電動工具等の蓄電池の充電回路では、充電時間
および電池温度を検知することにより充電制御を行うよ
うにしていた。

すなわち、上記充電回路は蓄電池への充電開始からの
経過時間（充電時間）をタイマで計時し、この充電時間
が予め設定した設定時間になると、満充電と判断して充
電電流をトリクル電流（微小電流）に切り換え（充電制
御）、過充電を防止して蓄電池の劣化を防止するように
している。

一方、蓄電池に容量が残っている場合に上記設定時間
になるまで充電を行うと、過充電になり電池温度が高く
なって蓄電池が劣化する。この劣化を防止するため、充
電時間が設定時間になる前であっても電池温度が予め設
定した設定温度になると、満充電と判断して充電電流を
トリクル電流に切り換えるようにしている。すなわち、
電池温度が蓄電池の劣化する電池温度になる前に充電制
御を行うようにしていた。

ところが、周囲温度等により蓄電池の充電可能な容量
は変化するため、充電時間による充電制御では正確に満
充電されないことがある。一方、電池温度による充電制
御では、電池温度は蓄電池の劣化する温度直前まで上昇
するので、かかる電池温度の上昇が繰り返されると、蓄
電池は次第に劣化することになる。

また、急速充電、すなわち大電流により充電を行う場
合、充電量の増加に比べ電池温度の上昇は遅い。従っ
て、残容量のある蓄電池を充電するとき、満充電状態に
達しても電池温度が設定温度に上昇するまでに時間がか
かり、その間、大電流による充電が続けられ、蓄電池が
劣化、更には破損することになる。

この対策として、急速充電の場合には、単位時間当た
りの電池温度の上昇率を検知し、充電時間が設定時間に
なる前であっても、上記上昇率の変化により満充電を検
知して、充電制御を行うようにしていた。ところが、こ
の場合でも、周囲温度による充電可能な容量の変化によ
って、充電時間が設定時間になっても満充電に達してい
ないことがある。

このように、従来の充電回路では、満充電を検知する
ために複数のパラメータ（充電時間や電池温度等）を測
定し、これらのパラメータのいずれかが予め設定した設
定値（設定時間や設定温度等）以上になると、満充電に
なったと判断して充電制御を行うようにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の充電回路では、周囲温度等の変動により蓄電池
の特性が変化した場合でも、上記パラメータのいずれか
が設定値以上になるまで充電制御を行わないことにな
る。すなわち、例えば、充電不足を防止するために設定
時間を長時間にすると過充電になり蓄電池が劣化する虞
れがある。逆に、設定時間を短くすると充電不足になる
虞れがある。

一方、例えば、設定温度を蓄電池の劣化する電池温度
D₀に設定し、設定温度D₀になると充電制御を行うように
した場合、電池温度が（D₀−１℃）になったときでも充
電を持続するので蓄電池は劣化することとなるが、充電
開始から短時間で電池温度が（D₀−１℃）になったとき
は蓄電池はほとんど劣化しない。すなわち、好適に充電
制御を行うためには、充電時間や電池温度等の複数のパ
ラメータを関連付けて判断することが好ましい。また、
設定値で急に充電制御するよりも、設定値付近でも充電
制御可能にすることが望まれる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、充電状
態を表す複数のパラメータと設定値を総合的に判断し、
好適な充電制御を行う充電回路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〕

上記目的を達成するために、本発明は、上記蓄電池の
充電状態を表わす複数のパラメータのそれぞれのデータ
を検知する複数の検知手段と、各検知データを加算する
加算手段と、該加算手段の加算結果と予め設定した設定
値とを比較する比較手段と、上記充電電流を切り換える
制御手段とを備え、上記制御手段は、上記加算結果が上
記設定値以上のとき上記切り換え動作を行うことを特徴
とするものである。

また、請求項２では、各パラメータの重要度に応じて
設定された重み係数で、検知データにそれぞれ重み付け
を行う重み付け手段を備え、加算手段は上記重み付けさ
れた各データを検知データとして加算するようにした。

さらに、請求項３では、各パラメータのデータに対し
てそれぞれ予め定められた重み係数の関数を有し、検知
データを上記重み係数でそれぞれ重み付けを行う重み付
け手段を備え、加算手段は上記重み付けされた各データ
を検知データとして加算するようにした。

〔作用〕

上記構成の充電回路によれば、蓄電池の充電状態が複
数のパラメータのそれぞれのデータで検知され、これら
の検知データが加算され、この加算結果と予め設定した
設定値とが比較される。そして、上記加算結果が上記設
定値以上のときに充電電流がトリクル電流（微小電流）
に切り換えられる。

また、請求項２の充電回路によれば、各パラメータの
重要度に応じて設定された重み係数で検知データがそれ
ぞれ重み付けられ、重み付けされた各データが検知デー
タとして加算され、この加算結果と予め設定した設定値
とが比較される。そして、上記加算結果が上記設定値以
上のときに充電電流がトリクル電流に切り換えられる。

さらに、請求項３の充電回路によれば、検知データが
各パラメータのデータに対してそれぞれ予め定められた
重み係数でそれぞれ重み付けられ、重み付けされた各デ
ータが検知データとして加算され、この加算結果と予め
設定した設定値とが比較される。そして、上記加算結果
が上記設定値以上のときに充電電流がトリクル電流に切
り換えられる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る充電回路の一例を示す回路図で
ある。

入力フィルタ回路２は交流電源１からの交流から雑音
を濾過して整流ブリッジ３に出力するものである。整流
ブリッジ３は上記交流を整流して平滑回路４および補助
電源回路13に出力するものである。平滑回路４は整流ブ
リッジ３からの出力を平滑してトランスＴに出力するも
のである。トランスＴは一次側コイルL₁と二次側コイル
L₂とからなり、スイッチング回路12により一次側コイル
L₁がオン、オフされることにより二次側コイルL₂に誘起
される交流電圧を整流回路5,14に出力するものである。
整流回路５は上記誘起電圧により生じる交流電流を整流
して平滑回路６に出力するものである。平滑回路６は整
流回路５からの出力を平滑し、電流検出回路７を通して
蓄電池８に充電電流として供給するものである。

電流検出回路７は蓄電池８への充電電流を検出して充
電制御回路20に出力するものである。電圧検出回路16は
蓄電池８の電池電圧を検知し、検知データとして充電制
御回路20に出力するものである。電池温度検出回路17は
蓄電池８に接するように設けられ、蓄電池８の電池温度
を検知し、検知データとして充電制御回路20に出力する
ものである。周囲温度検出回路18は蓄電池８の発熱の影
響を受けない充電回路本体適所に設けられ、周囲温度を
検知し、検知データとして充電制御回路20に出力するも
のである。タイマ回路19は充電開始からの経過時間（充
電時間）を計時し、検知データとして充電制御回路20に
出力するものである。

充電制御回路20は電圧検出回路16からの電池電圧より
単位時間当たりの電池電圧変化率を演算し、電池温度検
出回路17からの電池温度より単位時間当たりの電池温度
上昇率を演算し、上記電池温度および周囲温度検出回路
18からの周囲温度より周囲温度に対する電池温度の上昇
値を演算し、これらを検知データとする演算機能を備え
ている。

また、充電制御回路20は各パラメータの重要度に応じ
て設定された重み係数で検知データにそれぞれ重み付け
を行う機能および各パラメータのデータに対してそれぞ
れ予め定められた重み係数の関数を有し、上記検知デー
タを上記重み係数でそれぞれ重み付けを行う重み付け機
能を有している。さらに、充電制御回路20は上記演算機
能により得られた各検知データや電池温度検出回路17、
周囲温度検出回路18およびタイマ回路19からの各検知デ
ータをそのまま、あるいは重み付けた後の各検知データ
を加算する加算式を記憶し、この加算式で上記各検知デ
ータを加算する加算機能、この加算結果と予め設定した
設定値とを比較する比較機能および上記加算結果が上記
設定値以上のときに満充電であると判断してフォトカプ
ラ９を通してPWM回路10に充電制御信号を出力する制御
機能を有している。

また、充電制御回路20は電流検出回路７により検知さ
れた充電電流が一定になるようにPWM回路10に制御信号
を出力するようにしている。

PWM回路10はフォトカプラ９を通して入力される充電
制御回路20からの制御信号に応じてドライバ回路11に制
御パルスを出力するものである。ドライバ回路11はPWM
回路10からの制御パルスに応じてスイッチング回路12を
駆動するもので、スイッチング回路12は上記制御パルス
に応じて一次側コイルL₁をオン、オフ駆動するものであ
る。すなわち、PWM回路10は上記充電制御信号が入力さ
れるまでは、充電電流が蓄電池８に供給されるようにパ
ルスデューティの大きい制御パルス（以下、充電用パル
スという）を出力し、上記充電制御信号が入力される
と、パルスデューティの小さい制御パルス（以下、充電
制御パルスという）を出力する。このため、PWM回路10
に充電制御信号が入力されるとトランスＴの二次側コイ
ルL₂の誘起電力が減少し、蓄電池８への充電電流はトリ
クル電流（微小電流）に切り換えられる。

なお、補助電源回路13はPWM回路10およびドライバ回
路11に電源供給するものである。また、整流回路14およ
び定電圧回路15はトランスＴからの交流電圧を整流し、
定電圧化して充電制御回路20に電源供給するものであ
る。

次に、本発明に係る充電回路の充電制御動作の第１実
施例について説明する。

第１実施例では、検知手段からのパラメータの検知デ
ータとして電池電圧、単位時間当たりの電池電圧変化
率、電池温度、単位時間当たりの電池温度上昇率、周囲
温度に対する電池温度の上昇値および充電時間を用い、
これらの検知データにより蓄電池８の充電状態を判断す
るようにしている。なお、設定値Th₁は満充電のときの
加算値S₁に設定されている。

すなわち、充電制御回路20は下記加算式より加算値S₁
を求める。

S₁＝κ₁V＋κ_２ΔV/Δｔ＋κ₃D＋ κ_４ΔD/Δｔ＋κ_５Δｄ＋κ₆t なお、V:電池電圧 ΔV/Δt:単位時間当たりの電池電圧変化率 D:電池温度 ΔD/Δt:単位時間当たりの電池温度上昇率 Δd:周囲温度D₀に対する電池温度Ｄの上昇値
（Ｄ−D₀） t:充電時間 κ_１〜κ₆:単位の異なる各パラメータを加算可能な値
に変換するための係数なお、検知手段からのデータに対して充電制御回路20
内で上記係数κ_１〜κ_６を用いて各パラメータを変換し
てもよいが、予め検知手段から変換結果を出力するよう
にしてもよいし、あるいは個々に双方の変換を適宜採用
し得るようにしてもよい。

そして、比較機能により、 S₁≧Th₁ かどうかが判断される。すなわち、充電開始直後では各
パラメータの検知データが小さいため、加算値S₁は設定
値Th₁以下であり、充電制御回路20は満充電になってい
ないと判断し、引き続き充電を行う。

この後、充電の継続により満充電に近づくに従って、
上記各演算値は大きくなり満充電で加算値S₁が設定値Th
₁以上になると、充電制御回路20は満充電になったと判
断し、PWM回路10に充電制御信号を出力する。従って、P
WM回路10からの制御パルスが充電用パルスから充電制御
パルスに切り換えられ、蓄電池８にトリクル電流（微小
電流）が供給される。

このように、第１実施例では、電池電圧Ｖ、電池電圧
変化率ΔV/Δｔ、電池温度Ｄ、電池温度上昇率ΔD/Δ
ｔ、電池温度の上昇値Δｄおよび充電時間ｔの複数のパ
ラメータの検知データを加算して（関連付けて）蓄電池
８の充電状態を検知するので、蓄電池８の劣化レベル寸
前で充電制御を行うとか、設定値に余裕を持たせたこと
による充電不足のまま充電制御を行うことがなく、好適
に満充電にすることができる。

なお、パラメータは電池電圧Ｖ、電池電圧変化率ΔV/
Δｔ、電池温度Ｄ、電池温度上昇率ΔD/Δｔ、電池温度
の上昇値Δｄおよび充電時間ｔの全てを用いる必要はな
く、任意のパラメータを選択して用いてもよい。すなわ
ち、パラメータとして電池温度Ｄと充電時間ｔのみを用
いてもよく（第２実施例）、単位時間当たりの電池温度
上昇率ΔD/Δｔと充電時間ｔのみを用いてもよい（第３
実施例）。

次に、本発明に係る充電回路の充電制御動作の第２実
施例について説明する。

第２実施例では、充電制御回路20はパラメータとして
電池温度Ｄと充電時間ｔのみを用いて蓄電池８の充電状
態を検知するようにしている。なお、設定値Th₂は満充
電のときの加算値S₂に設定されている。

すなわち、充電制御回路20は下記加算式より加算値S₂
を求める。

S₂＝κ₃D＋κ₆t そして、比較機能により、 S₂≧Th₂ かどうかが判断される。

充電開始直後は値κ₆tが小さく、電池温度Ｄも余り上
昇していないため、加算値S₂が設定値Th₂以下であり、
充電制御回路20は満充電になっていないと判断し、引き
続き充電を行う。そして、充電の継続により値κ₆tが大
きくなるとともに、電池温度Ｄの上昇により値κ₃Dが大
きくなって加算値S₂が設定値Th₂以上になると、充電制
御回路20は満充電になったと判断し、蓄電池８への充電
電流をトリクル電流に切り換える。

一方、残容量のある蓄電池８の場合、充電開始直後、
電池温度Ｄは短時間で劣化の始まる温度近くまで上昇す
るので値κ₃Dが大きくなるが、値κ₆tが小さいため、加
算値S₂が設定値Th₂以下である。従って、満充電と誤判
断されることなく引き続き充電を行う。この後、値κ₃D
は余り変化しないのに対し、値κ₆tは大きくなるので、
電池温度Ｄが劣化の始まる温度に上昇する前に加算値S₂
が設定値Th₂以上になり、充電制御回路20は満充電にな
ったと判断し、蓄電池８への充電電流をトリクル電流に
切り換える。

このように、加算値S₂で充電状態を検知するので、残
容量のある蓄電池８の場合、電池温度Ｄが劣化の始まる
温度に上昇する前に充電制御が行われる。また、満充電
に近付いたときの電池温度Ｄの上昇を考慮して充電時間
を設定できるので、従来の充電回路のように充電時間だ
けで充電制御する場合より充電時間を長く設定でき、充
電不足を防止できる。一方、充電時間が設定時間に達し
なくても、満充電に近付けば電池温度Ｄが上昇するの
で、加算値S₂が設定値Th₂以上になり過充電を防止でき
る。

次に、本発明に係る充電回路の充電制御動作の第３実
施例について説明する。

第３実施例では、充電制御回路20はパラメータとして
単位時間当たりの電池温度上昇率ΔD/Δｔと充電時間ｔ
とを用いて蓄電池８の充電状態を検知するようにしてい
る。なお、設定値Th₃は満充電のときの加算値S₃に設定
されている。

すなわち、充電制御回路20は下記加算式より加算値S₃
を求める。

S₃＝κ_４ΔD/Δｔ＋κ₆t そして、比較機能により、 S₃≧Th₃ かどうかが判断される。

充電開始直後では電池温度Ｄは比較的大きな勾配で上
昇するため、値κ_４ΔD/Δｔが大きくなるが、値κ₆tが
小さいので、加算値S₃は設定値Th₃以下である。従っ
て、充電制御回路20は満充電になっていないと判断し、
引き続き充電を行う。

この後、満充電に近付くに従って値κ₆tは大きくなる
が、電池温度上昇の勾配は次第に小さくなり、値κ_４Δ
D/Δｔは小さくなる。そして、演算値κ₆tが大きくなっ
て加算値S₃が設定値Th₃以上になると、充電制御回路20
は満充電になったと判断し、蓄電池８への充電電流をト
リクル電流に切り換える。

一方、残容量のある蓄電池８を急速充電した場合、電
池温度はより大きな勾配で上昇するため、容量が残って
いない蓄電池８を急速充電した場合よりも短い充電時間
で、加算値S₃が設定値Th₃以上になり、過充電を防止す
ることができる。

次に、本発明に係る充電回路の充電制御動作の第４実
施例について説明する。

第４実施例では、各パラメータに重み付けを行い、満
充電を判断する上で重要なパラメータほど加算値S₄に影
響するようにしている。

すなわち、充電制御回路20は下記加算式より加算値S₄
を求める。

S₄＝a₁κ₁V＋a₂κ_２ΔV/Δｔ＋ a₃κ₃D＋a₄κ_４ΔD/Δｔ＋ a₅κ_５Δｄ＋a₆κ₆t なお、 a₁〜a₆:重み係数（０≦a₁〜a₆≦１）この後、比較機能により、 S₄≧Th₄ かどうかが判断される。

そして、加算値S₄が設定値Th₄以上になると、充電制
御回路20は満充電になったと判断し、蓄電池８への充電
電流をトリクル電流に切り換える。

例えば、パラメータとして電池温度Ｄと充電時間ｔの
みを用いて蓄電池８の満充電を判断する場合、充電時間
ｔが電池温度Ｄよりも満充電を判断する上で重要であれ
ば、加算値S₄を求める式は、 S₄＝0.5・κ₃D＋1.0・κ₆t にする。

このように、蓄電池８の特性や充電回路の特性を考慮
して重要なパラメータの検知データを効果的に反映する
ことができる。

なお、上記各重み係数は、例えば０〜１以外の値を取
るようにしてもよい。

次に、本発明に係る充電回路の充電制御動作の第５実
施例について説明する。

第５実施例では、充電制御回路20は各パラメータのデ
ータに対してそれぞれ予め定められた重み係数の関数を
有し、検知データを上記重み係数でそれぞれ重み付けを
行うようにしている。

すなわち、充電制御回路20は下記加算式より加算値S₅
を求める。

S₅＝a₁（Ｖ）κ₁V ＋a₂（ΔV/Δｔ）κ_２ΔV/Δｔ＋a₃（Ｄ）κ₃D ＋a₄（ΔD/Δｔ）κ_４ΔD/Δｔ＋a₅（Δｄ）κ_５Δｄ＋＋a₆（ｔ）κ₆t なお、 a₁（Ｖ）：電池電圧の重み係数の関数 a₂（ΔV/Δｔ）：単位時間当たりの電池電圧変化率の重
み係数の関数 a₃（Ｄ）：電池温度の重み係数の関数 a₄（ΔD/Δｔ）：単位時間当たりの電池温度上昇率の重
み係数の関数 a₅（Δｄ）：周囲温度に対する電池温度の上昇値の
重み係数の関数 a₆（ｔ）：充電時間の重み係数の関数すなわち、重み係数a₃（Ｄ）を例にすると、第２図に
示すように、電池温度Ｄが、例えば60℃以上について
は、重み係数a₃（Ｄ）は1.0になり、20℃以下について
は０になり、電池温度Ｄが20℃と60℃の間は連続的に変
化するようにする。

なお、各重み係数は、０≦a₁（Ｖ）〜a₆（ｔ）≦１になるが、例えば０〜１以外の値を取るようにしてもよ
い。

この後、比較機能により、 S₅≧Th₅ かどうかが判断される。

そして、加算値S₅が設定値Th₅以上になると、充電制
御回路20は満充電になったと判断し、蓄電池８への充電
電流をトリクル電流に切り換える。

この結果、例えば、残容量のある蓄電池８を急速充電
したために電池温度Ｄが極めて高くなり、蓄電池８が劣
化する虞れのある電池温度（60℃）になると、重み係数
a₃（Ｄ）が1.0になり、電池温度Ｄの上昇により加算値S
₅が短時間で設定値Th₅以上になる。

従って、電池温度Ｄが高いまま蓄電池８が充電され続
けることを防止することができる。

このように、パラメータのデータに応じた重み付けを
行うので、よりそのパラメータの特性を引き出すことが
できる。

次に、本発明に係る充電回路の充電制御動作の第６実
施例について説明する。

第６実施例では、充電制御回路20は充電により前述の
各加算値S₁〜S₅に比例して充電電流を連続的に切り換え
るようにPWM回路10に制御信号を出力するようにしてい
る。

この結果、充電電流は充電開始直後をピークに次第に
減少するため、電池温度の上昇を緩かにでき、蓄電池８
の劣化を防止できる。

〔発明の効果〕

本発明は、蓄電池の充電状態を複数のパラメータで検
知し、これらの検知データを加算することで総合的に満
充電を判断するので、蓄電池の劣化寸前で充電制御が行
なわれたり、充電不足で充電制御が行なわれることを防
止することができる。また、残容量のある蓄電池に充電
する場合や周囲温度等の影響による１のパラメータの変
動の影響を低減でき、正確に満充電を判断することがで
きる。

また、各パラメータの検知データに重み付けを行うの
で、蓄電池の特性や充電回路の特性等を考慮して満充電
を判断することができ、好適な充電制御を行うことがで
きる。

さらに、各パラメータのデータに対してそれぞれ予め
定められた重み係数の関数を有し、検知データを上記重
み係数でそれぞれ重み付けを行うようにしたので、より
そのパラメータの検知データの特性を用いることができ
る。従って、例えば、電池温度が異常に高くなった場合
に、電池温度が高いまま蓄電池が充電され続けて蓄電池
が劣化することを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る充電回路の一例を示す回路図、第
２図は本発明に係る充電回路の第５実施例の重み付けを
説明するための図である。７……電流検出回路、８……蓄電池、10……PWM回路、1
2……スイッチング回路、16……電圧検出回路、17……
電池温度検出回路、18……周囲温度検出回路、19……タ
イマ回路、20……充電制御回路、Ｔ……トランス。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 H01M 10/42 - 10/48 301

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上記蓄電池の充電状態を表わす複数のパラ
メータのそれぞれのデータを検知する複数の検知手段
と、各検知データを加算する加算手段と、該加算手段の
加算結果と予め設定した設定値とを比較する比較手段
と、上記充電電流を切り換える制御手段とを備え、上記
制御手段は、上記加算結果が上記設定値以上のとき上記
切り換え動作を行うことを特徴とする充電回路。
【請求項２】請求項１記載の充電回路において、各パラ
メータの重要度に応じて設定された重み係数で、前記検
知データにそれぞれ重み付けを行う重み付け手段を備
え、前記加算手段は上記重み付けされた各データを検知
データとして加算するようにしたことを特徴とする充電
回路。
【請求項３】請求項１記載の充電回路において、各パラ
メータのデータに対してそれぞれ予め定められた重み係
数の関数を有し、前記検知データを上記重み係数でそれ
ぞれ重み付けを行う重み付け手段を備え、前記加算手段
は上記重み付けされた各データを検知データとして加算
するようにしたことを特徴とする充電回路。