JP2006129540A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、二次電池の劣化を抑制すべく、充電電流の電流値の大きさに応じて最適な電圧値で定電流充電を行う充電装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る、充電対象の二次電池５を定電流−定電圧充電する充電装置は、二次電池５を充電する電力を供給する電源部１４と、二次電池５の電池電圧を測定する電圧測定部１１と、二次電池５に流れる充電電流を測定する電流測定部１６と、定電流充電の場合における設定電流値が異なる充電モードを受付けるモード選択部１３と、モード選択部１４で受付けた充電モードの設定電流値に応じてこの設定電圧値を変更すると共に、測定された充電電流の電流値に基づいて電源部１４を制御することによりこの設定電圧値に達するまで定電流充電を行って、その後は、測定された電池電圧の電圧値に基づいて電源部１４を制御することによって定電圧充電を行う電源制御部１２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を定電流充電中に電池電圧が所定値になった場合に電池電圧が該所定値を超えないように充電電流を制御する充電装置に関する。

近年、電動工具、電気剃刀、携帯電話及びノート型パーソナルコンピュータ等の携帯可能な電気機器における駆動電源として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の種々の二次電池が汎用されている。このような二次電池を充電する場合において、二次電池に流れる電流（充電電流）の電流値が一定値になるように充電を行う定電流充電が行われるが、リチウムイオン電池は、定電流充電で充電を続けると過充電されて電池電圧が異常に高くなる結果、劣化してしまう。そのため、リチウムイオン電池は、定電流充電だけでは満充電にすることができず、二次電池における電圧（電池電圧）の電圧値が所定値に達するまでは定電流充電が行われ、電池電圧の電圧値が所定値に達した後は、二次電池に流れる充電電流を漸次減少させて電池電圧の電圧値が一定値となるように充電を行う定電圧充電が行われる。

このような定電流−定電圧で二次電池を充電する充電方法は、例えば、特許文献１に開示されている。この特許文献１に記載の充電方法は、二次電池における電池電圧の電圧値が第１設定電圧値に達するまで定電流充電し、その後、第２設定電圧値で定電圧充電するものであって、第２設定電圧値が第１設定電圧値以下に設定されると共に高温の場合よりも低温の場合の方が高くなるように温度補償されている。
特開平９−１４９５５６号公報

ところで、二次電池を充電する場合、短時間で充電を完了するために比較的大きな電流値の充電電流で充電を行う急速充電モードと、時間がかかっても比較的小さな電流値の充電電流で充電を行う長時間充電モードとを含む複数の充電モードがある。背景技術では、充電モードが異なっても定電圧充電における設定電圧の値が共通であったため、特に、急速充電モードで充電を行う場合には、二次電池で発生する熱が高くなり、二次電池が高温になる結果、二次電池の劣化を招く可能性があった。

上述の特許文献１に記載の充電方法は、二次電池の温度に応じて設定電圧値を変更するものであり、充電電流の電流値の大きさに応じて設定電圧値を変更することは記載も示唆もない。

また、充電装置が測定する二次電池における電池電圧の電圧値は、その電圧値を測定する電圧測定部の回路上の配置位置や充電電流の電流値の大きさによっては、電圧測定部から二次電池までに無視できない電圧降下が生じてしまうことがある。このため、測定した電池電圧の電圧値と実際の電池電圧の電圧値との間に誤差が生じ、その結果、定電圧充電が所期の電圧値で充電されない可能性もあった。

本発明は、上述の事情に鑑みて為されたものであり、二次電池の劣化を抑制すべく、充電電流の電流値の大きさに応じて最適な電圧値で定電流充電を行うことができる充電装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る、充電対象の二次電池を、前記二次電池の電池電圧が設定電圧値に達するまでは定電流充電を行って、前記二次電池の電池電圧が前記設定電圧値に達した後は定電圧充電を行う充電装置は、前記二次電池を充電する電力を供給する電源部と、前記二次電池の電圧を前記電池電圧として測定する電圧測定部と、前記二次電池に流れる電流値を充電電流として測定する電流測定部と、前記定電流充電の場合における電流値を設定電流値として設定する定電流設定部と、前記定電流設定部で設定された前記設定電流値に応じて前記設定電圧値を変更すると共に、前記電流測定部で測定された前記充電電流の電流値に基づいて前記電源部を制御することにより変更後の前記設定電圧値に達するまで前記定電流充電を行って、その後は前記電源部を制御することによって前記定電圧充電を行う電源制御部とを備えることを特徴とする。

そして、上述の充電装置において、前記定電流設定部は、前記設定電流値が第１設定電流値である長時間充電モードと前記設定電流値が前記第１設定電流値よりも大きい第２設定電流値である急速充電モードとを含む前記設定電流値が異なる複数の充電モードを受付けるモード選択部であり、前記電源制御部は、前記定電流設定部で受付けた充電モードが前記長時間充電モードである場合には前記設定電圧値として第１設定電圧値を設定すると共に、前記定電流設定部で受付けた充電モードが前記急速間充電モードである場合には前記設定電圧値として前記第１設定電圧値よりも大きい第２設定電圧値を設定することを特徴とする。

また、上述の充電装置において、前記第２設定電圧値は、前記電圧測定部から前記二次電池までにおける前記充電電流が流れる電流経路に生じる電圧降下分を加算した値であることを特徴とする。

さらに、これら上述の充電装置において、前記電源制御部は、さらに、前記二次電池の状態に応じて前記第２設定電圧値を補正することを特徴とする。

そして、上述の充電装置において、前記二次電池の温度を電池温度として測定する温度測定部をさらに備え、前記電源制御部は、さらに、前記温度測定部で測定された電池温度が予め既定した第１所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第１補正値だけ小さく補正することを特徴とする。

また、上述の充電装置において、前記電源制御部は、さらに、前記電圧測定部で測定された電池電圧が予め既定した第２所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第２補正値だけ小さく補正することを特徴とする。

さらに、上述の充電装置において、前記二次電池の温度を電池温度として繰り返し測定する温度測定部をさらに備え、前記電源制御部は、さらに、前記温度測定部で測定された電池温度に基づく単位時間当たりの電池温度の変化が予め既定した第３所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第３補正値だけ小さく補正することを特徴とする。

そして、上述の充電装置において、前記電圧測定部は、前記二次電池の電圧を前記電池電圧として繰り返し測定し、前記電源制御部は、さらに、前記電圧測定部で測定された電池電圧に基づく単位時間当たりの電池電圧の変化が予め既定した第４所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第４補正値だけ小さく補正することを特徴とする。

また、上述の充電装置において、前記二次電池の温度を電池温度として測定する温度測定部をさらに備え、前記電源制御部は、さらに、前記温度測定部で測定された電池温度が予め既定した第５所定値以下である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第５補正値だけ小さく補正することを特徴とする。

このような構成の充電対象の二次電池を定電流−定電圧充電する充電装置は、電圧測定部が二次電池の電圧を電池電圧として測定し、電流測定部が二次電池に流れる電流値を充電電流として測定し、定電流設定部が定電流充電の場合における電流値を設定電流値として設定する。そして、充電装置の電源制御部は、電流測定部で測定された充電電流の電流値に基づいて、二次電池を充電する電力を供給する電源部を制御することにより設定電圧値に達するまで定電流充電を行って、電圧測定部で測定された電池電圧の電圧値が設定電圧値に達した後は電源部を制御することによって定電圧充電を行うと共に、定電流設定部で設定された設定電流値に応じて設定電圧値を変更する。このため、充電電流の電流値の大きさに応じて最適な電圧値で定電流充電を行うことができ、二次電池の劣化を抑制することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（実施形態の構成）
図１は、実施形態における充電装置の構成を示す図である。図２は、定電流−定電圧充電における電池電圧及び充電電圧の時間的変化のグラフを示す図である。図２（Ａ）は、電池電圧の時間的変化のグラフであり、その横軸は時間であり、その縦軸は電池電圧である。図２（Ｂ）は、充電電流の時間的変化のグラフであり、その横軸は時間であり、その縦軸は充電電流である。

図１において、充電装置１は、充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２と、充電側通信端子Ｔｃ２と、電圧測定部１１と、電源制御部１２と、モード選択部１３と、電源部１４と、温度測定部１５と、電流測定部１６とを備えて構成される。二次電池５は、充電装置１の充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２に接続するための電池端子Ｔｂ１、Ｔｂ２と、電池端子Ｔｂ１、Ｔｂ２間に接続された１又は複数の電池セル５１と、電池セル５１の温度を電池温度として検出する温度検出部５２と、温度検出部５２で検出した検出結果を出力する共に充電側通信端子Ｔｃ２に接続するための電池側通信端子Ｔｃ１とを備えて構成される。電池セル５１は、例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池及びリチウムイオン電池等の二次電池の素電池であり、温度検出部５２は、例えば、サーミスタ等の温度によってその抵抗値が変化する素子である。

充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２は、充電対象の二次電池５を充電する電力を出力すると共にこの二次電池５の電池端子Ｔｂ１、Ｔｂ２と接続するための電極端子である。

充電側通信端子Ｔｃ２は、二次電池５の温度検出部５２で検出した検出結果を出力する電池側通信端子Ｔｃ１と接続するための信号端子である。

電圧測定部１１は、充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２に接続され、充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２間の電圧（充電電圧）を電池電圧として測定し、この測定した電池電圧を電源制御部１２に出力する回路である。電圧測定部１１は、例えば、充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２間に接続される、直列に接続された２個の抵抗素子と、これら２個の抵抗素子における相互接続点から出力される充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２間の充電電圧に対する分圧電圧をアナログ信号からディジタル信号に変換して電池電圧として電源制御部１２に出力するアナログ／ディジタル変換回路（以下、「Ａ／Ｄ変換回路」と略記する。）とを備えて構成される。

モード選択部１３は、長時間充電モードと急速充電モードとを含む設定電流値が異なる複数の充電モードから一の充電モードを受付け、受付けた充電モードを電源制御部１２に出力する入力回路であり、定電流充電の場合における電流値を設定電流値として設定する定電流設定部の一例である。モード選択部１３は、例えば、押し釦スイッチやロータリスイッチ等のスイッチを備えて構成され、スイッチを切り換えることによって一の充電モードを受付け、受付けた充電モードを表す信号を電源制御部１２に出力する。本実施形態の充電装置１は、長時間充電モードと急速充電モードとの２個の充電モードが設定可能とされている。

電源部１４は、充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２に接続され、二次電池５を充電するための電力を充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２を介して二次電池５に供給する直流電源回路である。電源部１４は、例えば、商用電源を直流に整流する整流回路と、整流回路で整流された直流を平滑する平滑回路と、平滑回路の直流の電圧値を所望の電圧値に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えて構成される。

温度測定部１５は、充電側温度端子Ｔｃ２から入力された検出結果に基づいて二次電池５の温度（電池温度）を測定し、測定した電池温度を電源制御部１２に出力する回路である。温度測定部１５は、充電側温度端子Ｔｃ２から入力された検出結果をＡ／Ｄ変換して電池温度として電源制御部１２に出力するＡ／Ｄ変換回路を備えて構成される。

電流測定部１６は、電源部１４と充電端子Ｔｓ２の間に配置され電源部１４から充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２を介して二次電池に流れる電流（充電電流）を測定し、この測定した充電電流を電源制御部１２に出力する。電流測定部１６は、例えば、抵抗素子と、この抵抗素子に流れる電流によって生じたその端子間電圧をＡ／Ｄ変換して充電電流として電源制御部１２に出力するＡ／Ｄ変換回路とを備えて構成される。

電源制御部１２は、電圧測定部１１で測定した電池電圧、モード選択部１３で受付けた充電モード、及び、電流測定部１６で測定した充電電流に基づいて電源部１４から出力される充電電圧及び充電電流を制御する。電源制御部１２は、機能的に、定電圧制御部２１とモード判定部２２と定電流制御部２３とを備える。電源制御部１２は、例えば、演算処理を実行する中央処理部（ＣＰＵ、Central Processing Unit）、後述の定電流−定電圧充電を実現するための充電プログラム等の制御プログラムやデータ等を記憶する例えばＲＯＭ（Read Only Memory）やＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発性記憶素子、及び、データを一時的に記憶する等の所謂ＣＰＵのワークキングメモリとなる例えばＲＡＭ（Random Access Memory）から成る揮発性記憶素子等を備えて構成されるマイクロコンピュータである。

定電流制御部２３は、充電開始後、電圧測定部１１で測定された電池電圧の電圧値が設定電圧値に達するまで、電流測定部１６で測定された充電電流の電流値に基づいて電源部１４を制御することにより二次電池５に対して一定値の充電電流を流して充電する定電流充電を行う。即ち、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、電圧測定部１１で測定される二次電池５における電池電圧Ｖの電圧値は、充電時間の経過に従って増加していくことになるが、定電流制御部２３は、設定電圧値Ｖｃに達するまでの時刻ｔｃまで電流測定部１６で測定される充電電流Ｉの電流値が略一定値Ｉｃになるように電源部１４の出力を制御する。

定電圧制御部２１は、電圧測定部１１で測定された電池電圧の電圧値が設定電圧値に達した後、電圧測定部１１で測定された電池電圧の電圧値に基づいて電源部１４を制御することにより二次電池５に流れる充電電流を徐々に減少させていくことで電池電圧の電圧値が一定値になるように充電する定電圧充電を行う。即ち、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、定電圧制御部２１は、電圧測定部１１で測定される二次電池５における電池電圧Ｖの電圧値が設定電圧値Ｖｃに達した時刻ｔｃ以降は二次電池５における電池電圧Ｖの電圧値が設定電圧値Ｖｃで略一定値を維持するように電源部１４の出力を制御する。

モード判定部２２は、モード選択部１３からの信号に基づいてモード選択部１３で設定された充電モードを判別し、充電モードとして長時間充電モードを受付けた場合には設定電流値として第１設定電流値を設定すると共に、充電モードとして急速充電モードを受付けた場合には設定電流値として第１設定電流値よりも大きい第２設定電流値を設定する。即ち、長時間充電モードで定電流充電を行う場合における充電電流の電流値（第１設定電流値）は、急速充電モードで定電流充電を行う場合における充電電流の電流値（第２設定電流値）より小さくされている。

そして、注目すべきは、モード判定部２２で判別された充電モードに応じて、即ち、設定電流値に応じて、定電流−定電圧充電の設定電圧値が変更されることである。

図３は、定電流−定電圧充電の長時間充電モード及び急速充電モードにおける電池電圧及び充電電圧の時間的変化のグラフを示す図である。図３（Ａ）は、長時間充電モード及び急速充電モードにおける電池電圧の時間的変化のグラフであり、その横軸は時間であり、その縦軸は電池電圧である。図３（Ｂ）は、長時間充電モード及び急速充電モードにおける充電電流の時間的変化のグラフであり、その横軸は時間であり、その縦軸は充電電流である。そして、図３（Ａ）、（Ｂ）において、長時間充電モードにおける電池電圧及び充電電流の時間的変化が実線で示され、急速充電モードにおける電池電圧及び充電電流の時間的変化が一点鎖線で示されている。

本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、長時間充電モードにおける設定電圧値Ｖｃは、第１設定電圧値Ｖｃ１に設定され、急速充電モードにおける設定電圧値Ｖｃは、第１設定電圧値Ｖｃ１よりも小さい第２設定電圧値Ｖｃ２に設定されている。即ち、電源制御部１２は、モード判定部２２で判別した充電モードに応じて（定電流充電における充電電流の電流値Ｉｃに応じて）設定電圧値を切り換えて、定電流制御部２３及び定電圧制御部２１により上述のように電源部１４の出力を制御することによって定電流−定電圧充電で二次電池５を充電する。つまり、電源制御部１２は、モード判定部２２で判別した充電モードが長時間充電モードである場合（定電流充電における充電電流の電流値Ｉｃが第１設定電流値Ｉｃ１である場合）には第１設定電圧値Ｖｃ１で定電流制御部２３及び定電圧制御部２１により上述のように電源部１４の出力を制御することによって定電流−定電圧充電で二次電池５を充電する。そして、電源制御部１２は、モード判定部２２で判別した充電モードが急速充電モードである場合（定電流充電における充電電流の電流値Ｉｃが第２設定電流値Ｉｃ２である場合）には第２設定電圧値Ｖｃ２で定電流制御部２３及び定電圧制御部２１により上述のように電源部１４の出力を制御することによって定電流−定電圧充電で二次電池５を充電する。

また、注目すべきは、電源制御部１２は、二次電池５の劣化を抑制すべく、急速充電モードの第２設定電圧値Ｖｃ２を充電開始前の二次電池５の状態や充電中の二次電池５の状態に応じて補正することである。

次に、本実施形態の動作について説明する。
（実施形態の動作）
図４は、実施形態における充電装置の定電流−定電圧充電の動作を示すフローチャートである。図４において、モード選択部１３から充電モードが受付けられ設定され、二次電池５の充電が開始されると、まず、電源制御部１２のモード判定部２２は、モード選択部１３で受付けられた充電モードが急速充電モードであるか否かを判断する（Ｓ１１）。

判断の結果、急速充電モードではない場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、充電モードとして長時間充電モードを設定する。即ち、電源制御部１２は、モード判定部２２により充電モードとして長時間充電モードがモード選択部１３から受付けられ設定されたと判断すると、設定電圧値Ｖｃを第１設定電圧値Ｖｃ１に設定し、設定電流値Ｉｃを第１設定電流値Ｉｃ１に設定する（Ｓ１２）。長時間充電は、一般に、電池温度の上昇が低く、二次電池５のサイクル寿命が急速充電よりも長くなるという長所がある。

次に、電源制御部１２は、定電流制御部２３によって電流測定部１６で測定された充電電流の電流値に基づいて電源部１４を制御することにより略第１設定電流値Ｉｃ１の一定値で二次電池５を定電流充電する（Ｓ１３）。

そして、電源制御部１２は、所定のサンプリング周期で電圧測定部１１で測定された電池電圧の電圧値が第１設定電圧値Ｖｃ１に到達したか否かを判断する（Ｓ１４）。判断の結果、充電電圧の電圧値が第１設定電圧値Ｖｃ１に到達していない場合（Ｎｏ）には、処理が処理Ｓ１３に戻され、電源制御部１２は、定電流制御部２３によって第１設定電流値Ｉｃ１の一定値で定電流充電を継続する。一方、判断の結果、充電電圧の電圧値が第１設定電圧値Ｖｃ１に到達している場合（Ｙｅｓ）には、電源部１４の制御が定電流制御部２３から定電圧制御部２１に切り換えられ、電源制御部１２は、定電圧制御部２１によって電圧測定部１１で測定された電池電圧の電圧値に基づいて電源部１４を制御することにより略第１設定電圧値Ｖｃ１の一定値で二次電池５を定電圧充電する（Ｓ１５）。

そして、電源制御部１２は、二次電池５の充電が完了したか否かを判断する（Ｓ１６）。この充電完了の判断は、例えば、定電圧充電の開始からの経過時間によって判断される。判断の結果、充電が完了していない場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、定電圧制御部２１によって第１設定電圧値Ｖｃ１の一定値で定電圧充電を継続する。一方、判断の結果、充電が完了している場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、処理を終了し、充電を完了する。

一方、処理Ｓ１１の判断の結果、急速充電モードである場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、充電モードとして急速充電モードを設定する。即ち、電源制御部１２は、モード判定部２２により充電モードが急速充電モードであると判断すると、設定電圧値Ｖｃを第１設定電圧値Ｖｃ１より小さい値である第２設定電圧値Ｖｃ１に設定し、定電流制御部２３は、設定電流値Ｉｃを第１設定電流値Ｉｃ１より大きい値である第２設定電流値Ｉｃ１に設定する（Ｓ２１）。急速充電は、一般に、短時間で満充電となり、二次電池５を用いた電気機器による作業を早期に開始可能であるという長所がある。

次に、電源制御部１２は、充電開始前において、温度測定部１５で測定された電池温度が第１所定値以上であるか否かを判断する（Ｓ２２）。

判断の結果、電池温度が第１所定値未満である場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、後述の処理Ｓ２４を実行し、電池温度が第１所定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、第２設定電圧値Ｖｃ２を第１補正値△Ｖ１だけ低い値に再設定し（Ｓ２３）、処理Ｓ２４を実行する。充電開始前に二次電池５が高温である場合において、このように動作することによって急速充電モードで比較的大きな値に設定されている第２設定電流値の充電電流で二次電池５が定電流充電される時間が短くなり、二次電池５の発熱を抑制することができるから、二次電池５の劣化を抑制することができる。この観点から第１所定値は、二次電池５の劣化が始まる温度等を考慮して予め既定され、例えば、６０［℃］や５０［℃］等である。そして、この観点から第１補正値△Ｖ１は、二次電池５の劣化を抑制する程度等を考慮して予め既定され、例えば、０．０５［Ｖ／セル］や０．１［Ｖ／セル］等である。後述の第２、第３及び第５補正値△Ｖ２、△Ｖ３、△Ｖ５も第１補正値△Ｖ１と同様に二次電池５の劣化を抑制する程度等を考慮して予め既定される。

処理Ｓ２４において、電源制御部１２は、充電開始前において、二次電池５が満充電に近い充電状態であるか否かを判断すべく、電圧測定部１１で測定された電池電圧が第２所定値以上であるか否かを判断する。満充電に近い充電状態とは、例えば、充電状態が満充電の９５％や９７％等の場合である。第２所定値は、二次電池５が満充電に近いか否かを判断するための値であり、例えば、０．０５［Ｖ／セル］や０．１［Ｖ／セル］等に予め既定される。

判断の結果、電池電圧が第２所定値未満である場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、後述の処理Ｓ２６を実行し、電池電圧が第２所定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、二次電池５が満充電に近い充電状態であると判断し、第２設定電圧値Ｖｃ２を第２補正値△Ｖ２だけ低い値に再設定し（Ｓ２５）、処理Ｓ２６を実行する。第２補正値△Ｖ２は、例えば、０．０５［Ｖ／セル］や０．１［Ｖ／セル］等である。充電開始前に二次電池５が満充電に近い充電状態である場合において、このように動作することによって急速充電モードで比較的大きな値に設定されている第２設定電流値の充電電流で二次電池５が定電流充電される時間が短くなり、二次電池５の過充電を回避することができるから、二次電池５の劣化を抑制することができる。

処理Ｓ２６において、電源制御部１２は、定電流制御部２３によって電流測定部１６で測定された充電電流の電流値に基づいて電源部１４を制御することにより略第２設定電流値Ｉｃ２の一定値で二次電池５を定電流充電する。

次に、電源制御部１２は、充電中において、電池温度変化に基づいて二次電池５が満充電に近い充電状態であるか否かを判断すべく、あるいは、二次電池５の内部抵抗が高い状態であるか否かを判断すべく、所定のサンプリング周期で温度測定部１５によって測定された電池温度に基づいて単位時間当たりの電池温度の変化△Ｔ／△ｔが第３所定値以上であるか否かを判断する（Ｓ２７）。

判断の結果、単位時間当たりの電池温度の変化△Ｔ／△ｔが第３所定値未満である場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、後述の処理Ｓ２８を実行し、単位時間当たりの電池温度の変化△Ｔ／△ｔが第３所定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、第２設定電圧値Ｖｃ２を第３補正値△Ｖ３だけ低い値に再設定し（Ｓ２９）、後述の処理Ｓ３０を実行する。第３補正値△Ｖ３は、例えば、０．０５［Ｖ／セル］や０．１［Ｖ／セル］等である。充電中に二次電池５が満充電に近い充電状態である場合、あるいは、充電中に二次電池５の内部抵抗が高い状態である場合において、このように動作することによって急速充電モードで比較的大きな値に設定されている第２設定電流値の充電電流で二次電池５が定電流充電される時間が短縮され、二次電池５の発熱を抑制することができるから、二次電池５の劣化を抑制することができる。

処理Ｓ２８において、電源制御部１２は、充電中において、電池電圧変化に基づいて二次電池５が満充電に近い充電状態であるか否かを判断すべく、所定のサンプリング周期で電圧測定部１１によって測定された電池電圧に基づいて単位時間当たりの電池電圧の変化△Ｖ／△ｔが第４所定値以上であるか否かを判断する。

判断の結果、単位時間当たりの電池電圧の変化△Ｖ／△ｔが第４所定値未満である場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、処理Ｓ３０を実行し、単位時間当たりの電池電圧の変化△Ｖ／△ｔが第４所定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、第２設定電圧値Ｖｃ２を第３補正値△Ｖ３だけ低い値に再設定し（Ｓ２９）、処理Ｓ３０を実行する。充電中に二次電池５が満充電に近い充電状態である場合において、このように動作することによって急速充電モードで比較的大きな値に設定されている第２設定電流値の充電電流で二次電池５が定電流充電される時間が短縮され、二次電池５の発熱を抑制することができるから、二次電池５の劣化を抑制することができる。

そして、処理Ｓ３０において、電源制御部１２は、所定のサンプリング周期で電圧測定部１１によって測定された電池電圧の電圧値が第２設定電圧値Ｖｃ２（補正値△Ｖ１、△Ｖ２、△Ｖ３で補正されている場合には補正後の第２設定電圧値Ｖｃ２を含む。）に到達したか否かを判断する。判断の結果、充電電圧の電圧値がこの第２設定電圧値Ｖｃ２に到達していない場合（Ｎｏ）には、処理が処理Ｓ２６に戻され、電源制御部１２は、定電流制御部２３によって第２設定電流値Ｉｃ２の一定値で定電流充電を継続する。一方、判断の結果、充電電圧の電圧値がこの第２設定電圧値Ｖｃ２に到達している場合（Ｙｅｓ）には、電源部１４の制御が定電流制御部２３から定電圧制御部２１に切り換えられ、電源制御部１２は、定電圧制御部２１によって電圧測定部１１で測定された電池電圧の電圧値に基づいて電源部１４を制御することにより略第２設定電圧値Ｖｃ２（補正値△Ｖ１、△Ｖ２、△Ｖ３で補正されている場合には補正後の第２設定電圧値Ｖｃ２を含む。）の一定値で二次電池５を定電圧充電する（Ｓ３１）。

そして、電源制御部１２は、二次電池５の充電が完了したか否かを判断する（Ｓ３２）。この充電完了の判断は、例えば、定電圧充電の開始からの経過時間によって判断される。判断の結果、充電が完了していない場合（Ｎｏ）には、電源制御部１２は、定電圧制御部２１によって第２設定電圧値Ｖｃ２の一定値で定電圧充電を継続する。一方、判断の結果、充電が完了している場合（Ｙｅｓ）には、電源制御部１２は、処理を終了し、充電を完了する。

図５は、定電流−定電圧充電における電池電圧及び電池温度の時間的変化のグラフを示す図である。図５（Ａ）は、図３（Ａ）と同様の電池電圧の時間的変化のグラフを示し、その横軸は時間であり、その縦軸は電池電圧である。図５（Ｂ）は、電池温度の時間的変化のグラフを示し、その横軸は時間であり、その縦軸は電池温度である。図５中、実線は、急速充電モードにおいて設定電圧値が第２設定電圧値である場合の電池温度の時間的変化を示し、破線は、急速充電モードにおいて設定電圧値が第１設定電圧値である場合の電池温度の時間的変化を示す。

図４を用いて上述に説明したように動作することによって充電モードが急速充電モードである場合には、設定電圧値が第１設定電圧値Ｖｃ１ではなく第２設定電圧値Ｖｃ２に設定され、充電装置１は、二次電池５を定電流−定電圧充電する。このため、充電装置１によって二次電池５を急速充電すると、例えば、図５に示すように破線で示す電池温度の時間的変化から実線で示す電池温度の時間的変化となって急速充電における電池温度が低減され、二次電池５の劣化が抑制される。

ここで、第２設定電圧値Ｖｃ２は、第１設定電圧値Ｖｃ１より小さくし過ぎると、満充電にするためには充電時間が長くなり、あるいは、充電時間を背景技術の急速充電モードの充電時間と同レベルにするためには充電完了時点の容量が低下することになるので、サイクル寿命と充電時間と充電完了時点の容量とのバランスを考慮して決定することが好ましい。

図６は、電圧測定部１１から二次電池５までの電流経路における電気抵抗によって生じる電圧降下を考慮した場合における、定電流−定電圧充電の長時間充電モード及び急速充電モードにおける電池電圧及び充電電圧の時間的変化のグラフを示す図である。図６（Ａ）は、長時間充電モード及び急速充電モードにおける電池電圧の時間的変化のグラフであり、その横軸は時間であり、その縦軸は電池電圧である。図６（Ｂ）は、長時間充電モード及び急速充電モードにおける充電電流の時間的変化のグラフであり、その横軸は時間であり、その縦軸は充電電流である。そして、図６（Ａ）、（Ｂ）において、長時間充電モードにおける電池電圧及び充電電流の時間的変化が実線で示され、急速充電モードにおける電池電圧及び充電電流の時間的変化が一点鎖線で示されている。

ここで、電圧測定部１１が測定する二次電池５における電池電圧の電圧値は、電圧測定部１１の回路上の配置位置や充電電流の電流値の大きさによっては、電圧測定部１から二次電池５までに無視できない電圧降下が生じてしまうことがある。特に、急速充電モードにおける充電電流の電流値は、図３（Ｂ）に示すように、比較的大きな第２設定電流値Ｉｃ２であるため、無視できない電圧降下が生じてしまうおそれがある。そのため、電圧測定部１１で測定した電池電圧の電圧値と実際の電池電圧の電圧値との間に生じる誤差だけ、即ち、電圧測定部１１から二次電池５までの電流経路における電気抵抗によって生じる電圧降下分△Ｖ５だけ、第２設定電圧値Ｖｃ２にこの電圧降下分△Ｖ５だけ加算して第２設定電圧Ｖｃ２を補正することが好ましい。その結果、図６に示すように、急速充電モードにおける設定電圧値である第２設定電圧値Ｖｃ２は、長時間充電モードにおける設定電圧値である第１設定電圧値Ｖｃ１を超える場合も起こり得る。

このように電圧測定部１１から二次電池５までの電流経路における電気抵抗によって生じる電圧降下分△Ｖ５だけ第２設定電圧値Ｖｃ２を補正することによって、充電装置１は、所期の電圧値で定電流−定電圧充電することができる。

なお、上述の実施形態では、処理Ｓ２４において充電開始前に二次電池５が高温であるか否かを判断し、そして、二次電池が高温である場合には第２設定電圧値Ｖｃ２を下げるように補正したが、さらに二次電池５の電池温度が第５所定値以下であるか否かを判断することによって二次電池５が低温であるか否かを判断し、そして、二次電池が低温である場合には第２設定電圧値Ｖｃ２を第５補正値だけ下げるように補正してもよい。二次電池５が低温である場合には、充電に伴う化学反応が進み難くいために比較的大きな値の充電電流を流して充電を行うことは好ましくない。このため、このように構成することによって充電開始前に二次電池５が低温である場合において、急速充電モードで比較的大きな値に設定されている第２設定電流値の充電電流で二次電池５が定電流充電される時間が短くなり、低温中の比較的大きな値の充電電流による充電を抑制することができる。第５所定値は、二次電池５の化学反応の程度等を考慮して予め既定され、例えば、５［℃］や０［℃］等である。第５補正値△Ｖ５は、例えば、０．０５［Ｖ／セル］や０．１［Ｖ／セル］等である。

また、上述の実施形態では、処理Ｓ２８において単位時間当たりの電池電圧の変化△Ｖ／△ｔが第４所定値以上であるか否かによって二次電池５の状態を判断したが、電池電圧によって二次電池５の状態を判断するように構成してもよい。

このような充電装置１は、電池式装置における駆動電源として汎用される種々の二次電池に対して適用可能であるが、一例として、電動工具の駆動電源として用いられるリチウムイオン電池の場合について以下に説明する。

図７は、実施形態に係る充電装置が適用される充電式電動工具セットの要部を示す外観構成図である。図８は、電動工具本体の装着部に電池パックが装着された状態を示す図である。図９は、充電装置の装着孔部に電池パックが装着された状態を示す図である。

図７において、充電式電動工具セット１００は、充電式ドリルドライバーを構成する電動工具本体１１０と、この電動工具本体１１０に装着される電池パック１２０と、この電池パック１２０を充電する充電装置１３０とを備えている。

電動工具本体１１０は、筐体１１１の把持部の内部に形成され、電池パック１２０が取外し自在に装着される装着部１１２と、筐体１１１の内部に配設され、電池パック１２０から電流が供給されることで駆動されるモータ１１３と、筐体１１１の把持部に設けられ、モータ１１３への電流の供給をオンオフ制御するトリガースイッチ１１４と、筐体１１１の先端に設けられ、ドリル歯などが取り付けられる回転部１１５とを備えている。装着部１１２の底部には、モータ１１３に接続された一対の電極端子１１６が取り付けられている。

電池パック１２０は、筐体１２１内にリチウムイオン電池１２２などが収納された本体部１２３と、本体部１２３の一面側に突出し、電動工具本体１１０の装着部１１２に装着される電極部１２４とを備えている。電極部１２４は、先端部の対向面にリチウムイオン電池１２２の電極に接続された一対の電池端子１２５及びリチウムイオン電池１２２の温度を電池温度として検出する温度検出部１２７（不図示）で検出した検出結果を出力する電池側通信端子１２６が設けられている。一対の電池端子１２５は、電動工具本体１１０の装着部１１２に装着された場合に装着部１１２の一対の端子電極１１６が圧接されるようになっている。そして、電池側通信端子１２６は、充電装置１３０の装着孔部１３２に装着された場合に装着孔部１３２の充電側通信端子１３４が圧接されるようになっている。なお、図８に、電動工具本体１１０の装着部１１２に電池パック１２０が装着された状態を示している。

充電装置１３０は、内部に電源部や電源制御部などを構成する回路ブロック１３１が設けられ、上面側に電池パック１２０の電極部１２４が取外し自在に装着される装着孔部１３２が設けられている。この装着孔部１３２内部の対向位置に一対の充電端子１３３（一方のみ図示）が設けられており、電池パック１２０の電極部１２４が装着された場合にその一対の電池電極１２５に装着孔部１３２の一対の充電端子１３３が圧接されるようになっている。さらに、装着孔部１３２内部に充電側通信端子１３４（不図示）が設けられており、電池パック１２０の電極部１２４が装着された場合にその電池側通信端子１２６に装着孔部１３２の充電側通信端子１３４が圧接されるようになっている。また、上面側には、充電モードを入力する押し釦スイッチ１３５が配設されている。なお、図９に、充電装置１３０の装着孔部１３２に電池パック１２０が装着された状態を示している。

ここで、充電装置１３０が図１に示す充電装置１に対応し、回路ブロック１３１が図１に示す電圧測定部１１、電源制御部１２、電源部１４、温度測定部１５及び電流測定部１６に対応し、充電端子１３３が図１に示す充電端子Ｔｓ１、Ｔｓ２に対応し、充電側信号端子１３５が図１に示す充電側信号端子Ｔｃ２に対応し、そして、押し釦スイッチ１３５が図１に示すモード選択部１３に対応する。また、電池パック１２０が図１に示す二次電池５に対応し、リチウムイオン電池１２２が図１に示す電池セル５１に対応し、電池端子１２５が図１に示す電池端子Ｔｂ１、Ｔｂ２に対応し、そして、電池側通信端子１２６が図１に示す電池側通信端子Ｔｃ１に対応する。

このように、充電装置１２０に電池パック１１０が装着されて両者が回路接続されることで、充電装置１２０は、上述のように電池パック１１０を定電流−定電圧で充電する。このため、電池パック１１０のリチウムイオン電池１２２の劣化が背景技術よりも抑制され得る。

実施形態における充電装置の構成を示す図である。 定電流−定電圧充電における電池電圧及び充電電圧の時間的変化のグラフを示す図である。 定電流−定電圧充電の長時間充電モード及び急速充電モードにおける電池電圧及び充電電圧の時間的変化のグラフを示す図である。 実施形態における充電装置の定電流−定電圧充電の動作を示すフローチャートである。 定電流−定電圧充電における電池電圧及び電池温度の時間的変化のグラフを示す図である。 電圧測定部１１から二次電池５までの電流経路における電気抵抗によって生じる電圧降下を考慮した場合における、定電流−定電圧充電の長時間充電モード及び急速充電モードにおける電池電圧及び充電電圧の時間的変化のグラフを示す図である。 実施形態に係る充電装置が適用される充電式電動工具セットの要部を示す外観構成図である。 電動工具本体の装着部に電池パックが装着された状態を示す図である。 充電装置の装着孔部に電池パックが装着された状態を示す図である。

符号の説明

１ 充電装置
２ 二次電池
１１ 電圧測定部
１２ 電源制御部
１３ モード選択部
１４ 電源部
１５ 温度測定部
１６ 電流測定部
２１ 定電圧制御部
２２ モード判定部
２３ 定電流制御部
５１ 電池セル
５２ 温度検出部

Claims (9)

1. 充電対象の二次電池を、前記二次電池の電池電圧が設定電圧値に達するまでは定電流充電を行って、前記二次電池の電池電圧が前記設定電圧値に達した後は定電圧充電を行う充電装置において、
   前記二次電池を充電する電力を供給する電源部と、
   前記二次電池の電圧を前記電池電圧として測定する電圧測定部と、
   前記二次電池に流れる電流値を充電電流として測定する電流測定部と、
   前記定電流充電の場合における電流値を設定電流値として設定する定電流設定部と、
   前記定電流設定部で設定された前記設定電流値に応じて前記設定電圧値を変更すると共に、前記電流測定部で測定された前記充電電流の電流値に基づいて前記電源部を制御することにより変更後の前記設定電圧値に達するまで前記定電流充電を行って、その後は前記電源部を制御することによって前記定電圧充電を行う電源制御部とを備えること
   を特徴とする充電装置。
2. 前記定電流設定部は、前記設定電流値が第１設定電流値である長時間充電モードと前記設定電流値が前記第１設定電流値よりも大きい第２設定電流値である急速充電モードとを含む前記設定電流値が異なる複数の充電モードを受付けるモード選択部であり、
   前記電源制御部は、前記定電流設定部で受付けた充電モードが前記長時間充電モードである場合には前記設定電圧値として第１設定電圧値を設定すると共に、前記定電流設定部で受付けた充電モードが前記急速間充電モードである場合には前記設定電圧値として前記第１設定電圧値よりも大きい第２設定電圧値を設定すること
   を特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記第２設定電圧値は、前記電圧測定部から前記二次電池までにおける前記充電電流が流れる電流経路に生じる電圧降下分を加算した値であること
   を特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 前記電源制御部は、さらに、前記二次電池の状態に応じて前記第２設定電圧値を補正すること
   を特徴とする請求項２又は請求項３に記載の充電装置。
5. 前記二次電池の温度を電池温度として測定する温度測定部をさらに備え、
   前記電源制御部は、さらに、前記温度測定部で測定された電池温度が予め既定した第１所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第１補正値だけ小さく補正すること
   を特徴とする請求項４に記載の充電装置。
6. 前記電源制御部は、さらに、前記電圧測定部で測定された電池電圧が予め既定した第２所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第２補正値だけ小さく補正すること
   を特徴とする請求項４に記載の充電装置。
7. 前記二次電池の温度を電池温度として繰り返し測定する温度測定部をさらに備え、
   前記電源制御部は、さらに、前記温度測定部で測定された電池温度に基づく単位時間当たりの電池温度の変化が予め既定した第３所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第３補正値だけ小さく補正すること
   を特徴とする請求項４に記載の充電装置。
8. 前記電圧測定部は、前記二次電池の電圧を前記電池電圧として繰り返し測定し、
   前記電源制御部は、さらに、前記電圧測定部で測定された電池電圧に基づく単位時間当たりの電池電圧の変化が予め既定した第４所定値以上である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第４補正値だけ小さく補正すること
   を特徴とする請求項４に記載の充電装置。
9. 前記二次電池の温度を電池温度として測定する温度測定部をさらに備え、
   前記電源制御部は、さらに、前記温度測定部で測定された電池温度が予め既定した第５所定値以下である場合には、前記第２設定電圧値を予め既定した第５補正値だけ小さく補正すること
   を特徴とする請求項４に記載の充電装置。

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