JPH05244729A

JPH05244729A - 電池の充電方法

Info

Publication number: JPH05244729A
Application number: JP1113892A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawakami; 孝志川上
Original assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1992-01-24
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【目的】充電式の電池を、充電電流を制御することに
より過充電することなく短時間で効率よく充電する。【構成】周囲温度と電池温度及び電池電圧をパラメー
タとし、まず周囲温度と電池電圧、その上昇傾向から的
確な充電電流を、また電池温度と周囲温度および電池電
圧から充電の完了を、更に充電初期電圧と放電特性およ
び周囲温度から電池残量と充電完了予想時間を、それぞ
れファジィ推論を用いて判断し設定することにより、電
池を劣化させることなく急速充電を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラや携帯電
話などの携帯用機器に使用されるＮｉＣｄ、Ｎｉ水素等
の電池の充電方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より電池の充電には、標準充電（お
よそ１２から１４時間で充電）方式と急速充電（数１０
分から５時間で充電）方式がある。この違いは、充電の
為の供給電流の違いであるが、急速充電の場合は短時間
で充電を完了する反面、充電の完了を速やかに検知しな
ければ、電池の急速な温度上昇並びに内部ガス圧の上昇
を招き電池劣化の原因となる。

【０００３】図６に周囲温度と最大許容電流の関係を示
す。ここでＣｍＡとは、充電時の電流の単位で時間率電
流と言い、即ち放電した電池を充電するとき、１０時間
かけて充電するときの電流値を０．１ＣｍＡと表す。
尚、以下では電流値ＮＣｍＡで充電することをＮＣ充電
と称し、逆に電流値ＮＣｍＡで放電することをＮＣ放電
と称す。

【０００４】この最高充電許容電流を定めているのは、
充電時に電池内部で発生するガスが増加するためで、温
度が低いほどまた、充電電流が高いほど平衡ガス圧が高
くなる。ガス圧が高くなると電池のシール機構の破壊等
により電池劣化を来す。図７にこのガス圧と温度との関
係を示す。これは、低温になると陰極のガス消費反応が
低下するためガス圧が高くなる。従って低温に於いては
充電電流を低く抑える必要がある事を示す。また、充電
完了を越えて充電を継続すると、このガス化反応のため
発生する熱により、電池の急速な温度上昇を来し同様に
電池の劣化を促進させる。

【０００５】電池の充電は短時間で完了するに越したこ
とはないが、以上のような要因により単純に充電電流を
増やすわけには行かない。

【０００６】これを克服する方法としては、電池が満充
電となった時速やかに充電を停止することがもっとも簡
単な方法であり、従来は、電池が満充電となった時若干
の電圧降下が生じるという特性を利用したマイナスデル
タブイ方式と呼ばれる充電方法（例えば、特開昭５９−
１９４６４０号公報、米国特許第４３５４１４８号明細
書、米国特許４３８７３３２号明細書等参照）や、電
池自身の発熱温度の変化を測定することにより充電状態
を検出する方法（例えば、特開昭５９−６７３１号公報
参照）等が採用されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来方法には以下のような問題点があった。

【０００８】１）充電許容電流値は本来、周囲温度によ
り変えることが望ましい。

【０００９】２）ガス圧の増加と内部温度上昇について
は、温度上昇特性の方が若干後れるほか、実際の温度検
出の遅れがこれに加算される。そのためガス圧の上昇は
ある程度避けられない。特に急速充電時は影響が大き
い。

【００１０】３）電池内部温度や電池端子電圧は、周囲
温度をパラメータとして変化するため、判定基準として
一意的に決められない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はこの様な点を考
慮してなされたもので、その第１の特徴は、電池の周囲
温度の高低を示す第１のメンバ−シップ関数と上記電池
に対する充電電流の大きさを示す第２のメンバ−シップ
関数との相関関係よりファジィ推論された充電電流に関
する第１の推論結果を導き出す第１ステップと、上記電
池電圧の高低を示す第３のメンバ−シップ関数と上記第
２のメンバ−シップ関数との相関関係よりファジィ推論
された充電電流に関する第２の推論結果を導き出す第２
ステップと、上記第１、第２の推論結果の論理和の重心
位置より上記電池に対する最適な充電電流値を決定する
第３ステップとからなることにある。

【００１２】また第２の特徴は、電池電圧の所定時間毎
の変化量を示す第１のメンバーシップ関数と上記電池に
対する充電電流のカット率を示す第２のメンバ−シップ
関数との相関関係よりファジィ推論された充電電流のカ
ット率に関する第１の推論結果を導き出す第１ステップ
と、上記電池の所定時間毎の温度の変化量を示す第３の
メンバ−シップ関数と上記第２のメンバ−シップ関数と
の相関関係よりファジィ推論された充電電流のカット率
に関する第２の推論結果を導き出す第２ステップと、上
記第１、第２の推論結果の論理和の重心位置より充電電
流の最適なカット率を決定する第３ステップとからなる
ことにある。

【００１３】更に第３の特徴は、電池の放電時の電圧に
関する第１のメンバーシップ関数と上記電池の充電完了
予想時間に関する第２のメンバーシップ関数との相関関
係よりファジィ推論された充電完了予想時間に関する第
１の推論結果を導き出す第１ステップと、上記電池の充
電時の電圧を示す第３のメンバーシップ関数と上記第２
のメンバーシップ関数との相関関係よりファジィ推論さ
れた充電完了予想時間に関する第２の推論結果を導き出
す第２ステップと、上記第１、第２の推論結果の論理和
の重心位置より上記電池の充電完了予想時間を決定する
第３ステップからなることにある。

【００１４】

【作用】本発明は上述のごとく構成したので、電池を選
ばず最適な充電電流が設定され、急速充電にあり勝ちな
電池の劣化を防止することが出来ると共に、利用者に充
電完了時間を前もって提示する等、最適な充電システム
を得ることが出来る。

【００１５】

【実施例】図１は本発明を適用した実施例を示し、その
構成は、屋内配線等の交流電圧を例えばＮｉＣｄ電池か
らなる被充電電池（１）の充電に適する直流電流（充電
電流）に変換し出力する電源回路（２）と、この電源回
路（２）から出力される充電電流の上記電池（１）への
供給を制御するための例えばスイッチングトランジスタ
からなるスイッチ手段（６）と、上記電池（１）自身の
温度を検出するための第１温度センサ（５）と、上記電
池（１）の周囲温度を検出するための第２温度センサ
（７）と、上記両温度センサ（５）（７）の検出温度に
対応した電圧値を出力する温度検出電圧変換回路（４）
と、この変換回路（４）の出力及び上記電池（１）の電
圧値をアナログ−デジタル変換するＡ／Ｄ変換器（８）
と、このＡ／Ｄ変換器（８）からの出力に基づいて電源
回路（２）より出力される充電電流の制御や上記スイッ
チ手段（６）のオン−オフ等の制御を司る制御部（３）
とを備える。

【００１６】上記制御部（３）は、具体的には上記電池
（１）電圧値、電池（１）自身の温度及び電池（１）の
周囲温度を基に、充電開始時の充電電流値及び充電中の
充電電流のカット率をファジィ推論し上記電源回路
（２）の出力電流値を制御すると共に、充電予想時間を
も推論する。

【００１７】次に、上記各ファジィ推論の決定ルールに
ついて説明する。

【００１８】＜充電開始時の充電電流値の決定ルール＞
先ず、充電電流の決定ルールについて説明する。周囲温
度及び電池（１）電圧をパラメータとして充電電流値を
推論する。具体的には以下の様な記述のもとに推論を行
う。

【００１９】周囲温度が低ければ：充電電流をやや低く周囲温度がやや低ければ：充電電流をやや低く周囲温度が中くらいなら：充電電流を中くらいに周囲温度がやや高ければ：充電電流をやや高く周囲温度が高ければ：充電電流をやや高く電池電圧が低ければ：充電電流を高く電池電圧がやや低ければ：充電電流をやや高く電池電圧が中くらいなら：充電電流を中くらいに電池電圧がやや高ければ：充電電流をやや低く電池電圧が高ければ：充電電流を低く温度が高い、低い、という概念は抽象的な表現である
が、数値として分かりやすく例えれば、「高い」とは周
囲温度４０℃以上、又逆に「低い」とは−１０℃以下と
設定し、その間を等分してセンサ（７）で検出した温度
に該当するメンバーシップ関数に対応させればよい。ま
た電池電圧について「高い」とは、電池の単位セル当り
の電圧で１．３Ｖ以上、逆に「低い」とは１．２Ｖ以下
を当てはめ、この間を等分すると考える。更に充電電流
については「高い」を０．３５Ｃ、「低い」を０．０５
Ｃとしこの間を等分する。

【００２０】この様にして図２（ａ）に周囲温度に関す
るメンバーシップ関数、図２（ｂ）に電池（１）電圧に
関するメンバーシップ関数、そして図２（ｃ）に充電電
流に関するメンバーシップ関数を示す。

【００２１】図２において例えば、周囲温度がＴ（℃）
で電池電圧がｖ（Ｖ）とすると、前述のルールから、周囲温度が中くらいならば：充電電流を中くらいとする電池電圧がやや高ければ：充電電流をやや低くするという条件が成立する。初めの条件から図２（ｃ）のエ
リア（Ｘ）の部分が論理積として得られる。また次の条
件から同様に図２（ｃ）のエリア（Ｙ）の部分が論理積
として得られる。そしてこの結果、エリア（Ｘ）、エリ
ア（Ｙ）の論理和の重心位置（矢印のＧ）で示す所に相
当する充電電流（中くらい）が最適値として設定され
る。（ｍｉｎ−ｍａｘ重心法と呼ばれる）この例では、「高く」を０．３５Ｃ充電、低くを０．０
５Ｃ充電と決めているので、例題の場合はおよそ０．１
７Ｃ充電となる。

【００２２】＜充電中の充電電流のカット率の決定ルー
ル＞次に充電電流のカット率を決めるルールについて説
明する。なお、この判定ルーチンの実行は、前述のルー
ルにより決定された充電電流にて充電を開始後、所定の
時間間隔（数１０秒〜数分）を決めて実行する。実行の
タイミングについては図５のフローチャートを基に後で
説明する。

【００２３】まず、パラメータとして電池（１）自身の
温度と周囲温度との差分と電池（１）電圧の変化量（実
際には所定時間（数１０秒〜数分）毎の電圧の変化分，
以下では単に電圧差という）を測定し、これをもとに充
電の完了を推論する。具体的には、以下のような記述を
基にメンバーシップ関数を決める。

【００２４】電圧差ゼロ：充電電流減少電圧差微増：充電電流微減少電圧差増（＋）：現行充電電流継続電圧差減（−）：充電停止温度差大：充電中止温度差有り：充電電流減少温度差やや有り：現行充電電流継続温度差なし：現行充電電流継続上記「電圧差増」とは０．０１Ｖ以上の電圧上昇を言
い、このような電圧上昇は通常充電の範囲内であること
を示す。そして充電が１００％を越える辺りからは飽和
の傾向となり「電圧差微増（０．００５Ｖ程度）」とな
る。ここから徐々に充電電流を減少させる。又、温度上
昇については電圧の傾向と類似であるが、１００％を越
える辺りから電池温度の上昇が始まる。そして上昇が大
きくなると充電を停止する。尚、温度差において「大」
とは１０℃以上を、「有り」とは７℃程度を、「やや有
り」とは３．５℃程度を、「なし」とは０℃以下をい
う。

【００２５】以上の関係から図３（ａ）に電池の電圧差
に関するメンバーシップ関数、同図（ｂ）に温度差に関
するメンバーシップ関数、そして同図（ｃ）に充電電流
のカット率に関するメンバーシップ関数を示す。ここで
充電電圧の減少の傾向を見た場合、電池の表面温度の上
昇傾向との絡みで充電電流の修正及び充電の停止（完
了）を判定する。電圧変化と温度変化の両方の傾向を見
ることにより、ダイナミックな判定が可能となる。

【００２６】例えば図において、電圧差ｖ（Ｖ）で温度
差Ｔ（℃）の場合の充電電流の変更の推論のパターンで
は、電圧差分がｖの時、メンバーシップ関数は「変化微
増」の関数となり、充電電流の「微減少」のパターンの
エリア（Ｘ）が選択される。また温度差Ｔについては、
温度上昇「なし」と「やや有り」にヒットするがこの場
合、論理積となるため「なし」のメンバーシップ関数が
選択され、「現状維持」のパターンのエリア（Ｙ）が選
択される。（図中の波線α）そしてこの結果、エリア
（Ｘ）、エリア（Ｙ）の論理和の重心位置（矢印のＧ）
で示す所に相当する充電電流が最適値として設定され
る。この場合、充電電流の微減少が選択される。

【００２７】図３（ｃ）に於いて現状維持から停止まで
をどの様な数値で現すかについては、例えば以下のよう
に考えられる。即ち現行の充電電流に対しての減少の割
合を（％）で示す。

【００２８】現状維持０（％）減少停止１００（％）減少その間を対数目盛りにて規定する。こうすると微減少の
範囲がほぼ１０％減少まで、減少から停止までが１１％
〜９９％減少の対数目盛りに設定できる。これを例題に
該当させると、およそ５％の充電電流の減少となる。

【００２９】＜充電完了予想時間の決定ルール＞次に、
充電開始時に算定する充電予想時間の決定方法について
説明する。まず、スイッチ回路（６）をオフにすること
により放電回路を形成し、電池（１）の放電時の電池電
圧を周囲温度で補正した放電電圧を測定する。続いて、
スイッチ回路（６）をオンにすることにより充電回路を
構成し、かつ充電電流として０．２Ｃに適した充電電流
を電池（１）に供給した状態での電池（１）電圧を周囲
温度で補正した電圧（充電電圧）を測定する。この２つ
の測定結果のメンバーシップ関数から電池残量を推論
し、充電必要時間（充電完了予想時間）を予測する。た
とえば以下のような記述を基にメンバーシップ関数を決
める。なおここでは、放電電圧としては２Ｃ放電、充電
電圧は０．２Ｃ充電とした。また、放電した電池を満充
電するために必要な充電時間は最大４時間で制御すると
仮定する。

【００３０】放電電圧が低ければ：４時間充電モード放電電圧がやや低ければ：３時間充電モード放電電圧がやや高ければ：２時間充電モード放電電圧が高ければ：１時間充電モード充電電圧が低ければ：４時間充電モード充電電圧がやや低ければ：３時間充電モード充電電圧がやや高ければ：２時間充電モード充電電圧が高ければ：１時間充電モードここで言う放電電圧が「高い」とは電池の単位セル当り
の電圧で１．３Ｖ以上、逆に「低い」とは１．２Ｖ以下
を当てはめ、この間を等分すると考える。また充電電圧
が「高い」とは電池の単位セル当りの電圧で１．４５Ｖ
以上、逆に「低い」とは１．３５Ｖ以下を当てはめ、こ
の間を等分すると考える。もちろん温度による電圧値の
変化分は補正されたものとして考える。

【００３１】図４（ａ）に電池の放電電圧に関するメン
バーシップ関数、図４（ｂ）に充電電圧に関するメンバ
ーシップ関数、そして図４（ｃ）に充電時間に関するメ
ンバーシップ関数を示す。例えば、放電電圧がやや高く
ｖｏ（Ｖ）、充電電圧がやや低いｖｉ（Ｖ）場合の充電
完了予想時間は、前述の例と同様に２時間充電と３時間
充電の論理和となり，充電時間として図中の重心位置で
およそ２．４時間程度となる。

【００３２】充電時と放電時の２つのパターンの電圧測
定結果にさらに温度補正を加味し、さらにファジィ推論
にて電池残量を予測するため、ＮｉＣｄ電池等の充放電
特性からでも、かなり精度の高い電池残量が推定可能と
なる。

【００３３】次に、これらの処理を、制御部（３）によ
る実際の電池充電の制御手順に沿って図５に示すフロー
チャートで説明する。

【００３４】まず、Ｓ１ステップにおいてスイッチ回路
（６）をオフすることにより放電回路を形成し、所定時
間の後、Ｓ２ステップにおいて放電電圧を測定する。具
体的には、Ａ／Ｄ変換器（８）を介して入力される電池
電圧値を第２温度センサ（７）で検出された周囲温度で
補正することにより得る。次にＳ３ステップにおいてス
イッチ回路（６）をオンすることにより充電回路を形成
し、かつ電源回路（２）より充電電流として０．２Ｃに
適した充電電流を電池（１）に供給することにより充電
を開始し、続くＳ４ステップにおいてそのときの電池電
圧を測定し、第２温度センサ（７）で検出された周囲温
度で補正することにより充電電圧を測定する。そして、
Ｓ５ステップにおいて上記Ｓ２、Ｓ４ステップにおいて
測定した放電電圧及び充電電圧を基に上述した充電完了
予想時間の決定ルールにより充電完了予想時間を推論す
る。この推論結果は、例えば図示しない表示部等に表示
する。

【００３５】続くＳ６ステップでは、第２温度センサ
（７）からの出力に基づいて周囲温度を計測すると共
に、この時点での電池（１）電圧を測定し、Ｓ７ステッ
プにおいてこの測定結果を基に上述した充電開始時の充
電電流値の決定ルールにより充電開始時の充電電流値を
決定し、この決定結果に従って電源回路（２）から電池
（１）に供給する電圧値を決定する。

【００３６】その後、Ｓ８ステップにおいて、所定時間
毎に電池（１）電圧の変化量及びその時点での電池
（１）自身の温度と周囲温度との温度差を測定し、続く
Ｓ９ステップにおいて上記測定結果を基に上述した充電
中の充電電流のカット率の決定ルールに従って充電電流
のカット率を推論すると共に、この推論結果においてカ
ット率０％、即ち充電電流の変更を要しない場合には、
Ｓ８スッテプに処理を戻す。また、推論結果が０％でな
く充電電流の変更を要する場合には、処理をＳ１０ステ
ップに進める。

【００３７】Ｓ１０ステップでは、Ｓ９ステップにおい
て推論した充電電流カット率が１００％であるか否かを
判定し、１００％であると判定すると充電を終了する。
一方、充電電流カット率が１００％未満であると判定す
ると、Ｓ１１ステップに処理を進め、上記Ｓ９ステップ
で推論された充電電流カット率に従って充電電流値を変
更する。

【００３８】尚、本実施例では充電電流のカット率推論
に用いる温度差を電池（１）自身の温度と周囲温度との
差としたが、この温度差は所定時間毎の電池（１）自身
の温度上昇度とすることも可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば電池充電
に関連するパラメータ（電圧、温度など）を逐次測定し
その結果からファジィ推論を用いて要望する条件を推論
決定することにより、短時間で最適な電池の充電を実現
でき、また、それに要する時間も推論できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用してなる装置の一実施例を示すブ
ロック図である。

【図２】本実施例の周囲温度、電池電圧及び充電電流に
関するメンバーシップ関数を示す模式図である。

【図３】本実施例の電圧差、温度差及び充電電流カット
率に関するメンバーシップ関数を示す模式図である。

【図４】本実施例の放電電圧、充電電圧及び充電完了予
想時間に関するメンバーシップ関数を示す模式図であ
る。

【図５】本実施例の動作を示すフローチャートである。

【図６】電池の最大許容充電電流を示すグラフである。

【図７】電池の過充電電流と平衡ガス圧との関係を示す
グラフである。

【符号の説明】

１被充電電池２電源回路３制御部４温度検出電圧変換回路５第１温度センサ６スイッチ回路７第２温度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池の周囲温度の高低を示す第１のメン
バ−シップ関数と上記電池に対する充電電流の大きさを
示す第２のメンバ−シップ関数との相関関係よりファジ
ィ推論された充電電流に関する第１の推論結果を導き出
す第１ステップと、上記電池電圧の高低を示す第３のメ
ンバ−シップ関数と上記第２のメンバ−シップ関数との
相関関係よりファジィ推論された充電電流に関する第２
の推論結果を導き出す第２ステップと、上記第１、第２
の推論結果の論理和の重心位置より上記電池に対する最
適な充電電流値を決定する第３ステップとからなること
を特徴とする電池の充電方法。
【請求項２】電池電圧の所定時間毎の変化量を示す第
１のメンバーシップ関数と上記電池に対する充電電流の
カット率を示す第２のメンバ−シップ関数との相関関係
よりファジィ推論された充電電流のカット率に関する第
１の推論結果を導き出す第１ステップと、上記電池の所
定時間毎の温度の変化量を示す第３のメンバ−シップ関
数と上記第２のメンバ−シップ関数との相関関係よりフ
ァジィ推論された充電電流のカット率に関する第２の推
論結果を導き出す第２ステップと、上記第１、第２の推
論結果の論理和の重心位置より充電電流の最適なカット
率を決定する第３ステップとからなることを特徴とする
電池の充電方法。
【請求項３】電池の放電時の電圧に関する第１のメン
バーシップ関数と上記電池の充電完了予想時間に関する
第２のメンバーシップ関数との相関関係よりファジィ推
論された充電完了予想時間に関する第１の推論結果を導
き出す第１ステップと、上記電池の充電時の電圧を示す
第３のメンバーシップ関数と上記第２のメンバーシップ
関数との相関関係よりファジィ推論された充電完了予想
時間に関する第２の推論結果を導き出す第２ステップ
と、上記第１、第２の推論結果の論理和の重心位置より
上記電池の充電完了予想時間を決定する第３ステップか
らなることを特徴とする電池の充電方法。