JP2012058144A - バッテリー給電可能判定方法およびバッテリー充放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トリクル充電モードから、急速充電モードに移行してバッテリーを充電するバッテリーの制御回路において、バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する。
【解決手段】バッテリー給電可能判定方法であって、急速充電モード時にバッテリー電圧Ｖ_BATがＶ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACCを満たす場合にバッテリーが給電可能であると判定することを特徴とする。ここで、Ｖ_TKLは前記トリクル充電完了時の前記バッテリー電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CCは定電流充電モードの電流、ｒは前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACCは前記バッテリーの放電可能検出電圧である。
【選択図】図４

Description

本発明はバッテリーの充電が完了する前にバッテリー充電中にバッテリーに充電された電力の所定の値を知る、バッテリー給電可能判定方法およびバッテリー充放電装置に関する。

従来、一定期間低い定電流を供給してバッテリーを充電するトリクル充電と、該トリクル充電完了後に高い電力を供給してバッテリーを充電する急速充電と、を切り替えて充電する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。バッテリーを深放電すると、高い電力を供給して急速充電を行っても、充電されない、または充電されても、深放電される以前に完全に充電した場合の電力より少ない電力しか充電されない現象が起こる。この現象を解決するために、深放電された状態から急速充電を行える状態になるだけの電力を充電しなければならない。一定期間低い定電流を供給してバッテリーを充電するトリクル充電によって一定量の電力を充電し、次に急速充電する方法が知られている。また、完全に充電したバッテリーの、自然放電による時間の経過に伴う充電した電力量の減少を防ぐために、バッテリーを完全に充電した後、トリクル充電を行う方法も知られている。

急速充電の方法としては、トリクル充電時の定電流よりも高い定電流を供給してバッテリーを充電する定電流急速充電モードや、一定の定電圧を供給することでバッテリーを充電する定電圧急速充電モードや、これらの併用が挙げられる。

近年、商用ＡＣ電源から得られる電源とバッテリー電源を併用する機器が増えてきている。これらの機器の動作の中には商用ＡＣ電源から得られる電源では正確な動作が出来ず、バッテリー電源から得られる電源で動作させなければならないものがある。そこで、バッテリー充電中にバッテリーに充電された電力の値を知り、バッテリーがシステムに給電するのに十分な電力が蓄積されたことを判定する方法が必要とされている。

特開平０８−１４０２８１号公報

しかし、従来技術において、バッテリー充電中にバッテリーに充電された電力の値を知る方法は充電期間中の電流積分演算を行う形で実現可能であるが、回路規模が大きくなり、また複雑な処理が必要となる。上記以外の簡便な方式でバッテリー充電中にバッテリーに充電された電力の値を知るには、バッテリーの充電がフル充電になるまで待たなければならないのが実情である。

そこで、本発明は簡便な方法および装置により、バッテリーの充電が完了する前にバッテリー充電中にバッテリーに充電された電力の所定の値を知る方法および該判定が可能なバッテリー充放電装置を提供することを課題とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、トリクル充電モードから、急速充電モードに移行してバッテリーを充電する前記バッテリーの制御回路において、前記バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する判定方法であって、前記急速充電モード時にバッテリー電圧Ｖ_BATがＶ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACCを満たす場合に前記バッテリーが給電可能であると判定することを特徴とし、ここで、Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリー電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧である。

請求項２に記載の発明は、トリクル充電モードから、急速充電モードに移行してバッテリーを充電する前記バッテリーの制御回路において、前記バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する判定方法であって、前記急速充電モード時にバッテリー電流Ｉ_BATが所定の電流値Ｉ_VAL以下となり、かつＶ_BAT≧Ｖ_EOCとなった場合に前記バッテリーが給電可能であると判定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、トリクル充電モードから、定電流急速充電モードと定電圧急速充電モードからなる急速充電モードに移行してバッテリーを充電する前記バッテリーの制御回路において、前記バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する判定方法であって、前記バッテリー電圧Ｖ_BATが下記式（１）を満たす場合、ただし、Ｖ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACC （１）、Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリーの電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧である、場合か、Ｖ_BAT≧Ｖ_EOCかつ、前記バッテリー電流Ｉ_BAT＜Ｉ_VALを満たす場合かのどちらかを満たす場合に前記バッテリーが給電可能であると判定することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の判定方法によってバッテリーが給電可能であると判定されたとき、前記バッテリーからシステムへ電力を供給するようにすることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、トリクル充電手段と、定電流急速充電手段と、第１のバッテリー給電判定手段と、バッテリー給電切替手段と、を備えるバッテリー充放電装置であって、前記第１のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電圧Ｖ_BATがＶ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACCを満たすと、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成することを特徴とし、ここで、Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリーの電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧である。

請求項６に記載の発明は、トリクル充電手段と、定電圧急速充電手段と、第２のバッテリー給電判定手段と、バッテリー給電切替手段とを備えるバッテリー充放電装置であって、前記第２のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電流Ｉ_BATが所定の電流値Ｉ_VAL以下になると、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、トリクル充電手段と、定電流急速充電手段と、定電圧急速充電手段と、急速充電モード判定手段と、第１のバッテリー給電判定手段と、第２のバッテリー給電判定手段と、バッテリー給電切替手段と、を備えるバッテリー充放電装置であって、前記第１のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電圧Ｖ_BATがＶ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACCを満たすと、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成し、ここで、Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリーの電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧であり、前記第２のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電流Ｉ_BATが所定の電流値Ｉ_VAL以下になり、かつＶ_BAT≧Ｖ_EOCとなると、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、簡便な方法および装置により、バッテリーの充電が完了する前にバッテリー充電中にバッテリーに充電された電力の所定の値を知ることができ、バッテリーに充電すると同時にバッテリーからシステムへ給電可能であることを、バッテリーの充電が完了する前の適切なタイミングで判定することが可能となる。

本発明の実施形態に係るバッテリー充放電装置の第１の形態を示す回路図である。 本発明の実施形態に係るバッテリー充放電装置の第２の形態を示す回路図である。 本発明の実施形態に係るバッテリー充放電装置の第３の形態を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る定電流急速充電モードにおける判定方法を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る定電圧急速充電モードにおける判定方法を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明のバッテリー充放電装置の第１の形態を示す回路図である。本形態は、トリクル充電手段１および定電圧急速充電手段２によって、バッテリー４およびシステム１３に給電するバッテリー充放電装置である。トリクル充電手段１および定電流急速充電手段２は、並列に配置され、一端は電源に接続され、他端は充電モード切替手段１０の一端に接続されている。充電モード切替手段１０は、トリクル充電手段１、または定電流急速充電手段２のどちらをバッテリー４に接続するかを切り替えるスイッチである。充電モード切替手段１０の他端は、バッテリー給電切替手段１１、およびバッテリー端子７を介してバッテリー４、および第１のバッテリー給電判定手段８に接続されている。バッテリー４は、セル５および内部回路６によって構成され、セル５および内部回路６は直列に配置され、内部回路６は充電モード切替手段１０に接続され、セル５は接地されている。バッテリー給電切替手段１１はシステム１３に接続され、バッテリー充放電装置とシステム１３との間の接続、および切断の切り替えスイッチになっている。第１のバッテリー給電判定手段８は接地されたリファレンス電圧１４、およびコンパレータ１５によって構成され、バッテリー４はコンパレータ１５の正の入力端子に、セル５はコンパレータ１５の負の入力端子に、コンパレータの出力端子はバッテリー給電切替手段１１にそれぞれ接続されており、バッテリー給電切替手段１１に、バッテリー充放電装置とシステム１３との間を切断、または接続するように指示を出す。

上記バッテリー充放電装置の第１の形態の作動方法の詳細は後に述べ、次に図２に示すバッテリー充放電装置の第２の形態の構成を、その次に図３に示すバッテリー充放電装置の第３の形態の構成を述べる。

図２は、本発明のバッテリー充放電装置の第２の形態を示す回路図である。本形態は、図１に示すバッテリー充放電装置の第１の形態とは、定電圧急速充電手段２の替わりに定電圧急速充電手段３を、第１のバッテリー給電判定手段８の替わりに第２のバッテリー給電判定手段９を使用したことを除き、構成は同じである。第２のバッテリー給電判定手段９は接地された定電流源１６、およびコンパレータ１５によって構成されており、バッテリー給電切替手段１１に、バッテリー充放電装置とシステム１３との間を切断、または接続するように指示を出す。

図３は、本発明のバッテリー充放電装置の第３の形態を示す回路図である。本形態は、図１、および図２に示すバッテリー充放電装置の第１および第２の形態を組み合わせたものである。充電モード切替手段１０、定電圧急速充電手段２、および定電流急速充電手段３は並列に配置されている。充電モード切替手段１０は、トリクル充電手段１、または定電圧急速充電手段２、または定電流急速充電手段３のいずれをバッテリー４に接続するかを切り替えるスイッチである。第１のバッテリー給電判定手段８および第２のバッテリー給電判定手段９は充電モード切替手段１０、バッテリー給電切替手段１１、およびバッテリー４に接続されている。第１のバッテリー給電判定手段８および第２のバッテリー給電判定手段９のコンパレータ１５の出力端子はいずれも急速充電モード判定手段１２に接続されており、急速充電モード判定手段１２は第１のバッテリー給電判定手段８、または第２のバッテリー給電判定手段９のどちらをバッテリー給電切替手段１１に接続するかを切り替えるスイッチである。バッテリー端子７の電圧Ｖ_BATによって、急速充電モード判定手段１２のスイッチが切り替わる。

次に、本発明のバッテリー充放電装置の第１、第２、および第３の形態を使用し、バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する方法を図４、および図５を用いて述べる。

図４は本発明の定電流急速充電モードから定電圧急速充電モードに移り変わる動作における判定方法を、図５は定電圧急速充電モードにおける判定方法を説明するグラフである。図４、および図５中のＶ_EOCはバッテリー４の充電終止判定電圧、Ｉ_BATはバッテリーに流れる電流、Ｉ_EOC(図示せず)は充電終了と判定する充電電流に対し十分小さい固有値であり、実際の充電収支条件はＶ_BAT>Ｖ_EOCかつＩ_BAT<Ｉ_EOCである。

まず低い定電流でバッテリー４への充電を行うトリクル充電モードが実行され、バッテリー４のセル５に電力が蓄積されて、バッテリー端子７の電圧Ｖ_BATが徐々に上昇する。充電モード切替手段１０のスイッチはトリクル充電手段１に接続されている。

次に、バッテリー端子７の電圧Ｖ_BATがＶ_TKLに達すると充電モード切替手段１０により急速充電モードに切り替わる。

急速充電モードに切り替わった瞬間のＶ_BATは、以下の式（１）で近似される。
Ｖ_BAT＝Ｖ_TKL＋ΔＶ
＝Ｖ_TKL＋Ｉ_BAT×ｒ （１）
ここで、Ｖ_TKLはバッテリーに急速充電することが可能となるリファレンス電圧、Ｉ_BATはバッテリーに流れる電流であって定電圧急速充電手段２または定電流急速充電手段３によって決定する値、ｒはバッテリーの内部インピーダンスであり、Ｖ_TKLおよびｒは充電回路の固有値である。

図４に示すように、急速充電モードに切り替わった瞬間のＶ_BATがＶ_Eより小さい場合、充電モード切替手段１０のスイッチを定電流急速充電手段３に接続し、Ｉ_BAT＝Ｉ_CCである定電流急速充電モード（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ、ＣＣ）を実行し、徐々にＶ_BATを上昇させる。ここで、Ｉ_CCは定電流急速充電モードにおけるバッテリーに流れる電流であって定電流急速充電手段３の固有値であり、Ｖ_Eはバッテリーの充電ターゲット電圧(図示せず)であって定電圧急速充電手段２に固有の値である。Ｖ_BATの上昇とともに、セル電圧Ｖ_CELも上昇する。Ｖ_BATがV_Eに達すると、さらにＶ_BATを上げる必要はないため、充電モード切替手段１０のスイッチを定電圧急速充電手段２に接続し、Ｖ_BAT＝Ｖ_Eである定電圧急速充電モード（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖｏｌｔａｇｅ、ＣＶ）を実行する。この場合、本発明のバッテリー充放電装置の第１、または第３の形態を使用する。

図５に示すように、急速充電モードに切り替わった瞬間のＶ_BATがＶ_Eと同じか大きい場合、バッテリー端子７の電圧Ｖ_BATは最大値に達しているため、定電流急速充電モードのようにＶ_BATを上昇させる必要はない。したがって充電モード切替手段１０のスイッチを定電圧急速充電手段２に接続し、Ｖ_BAT＝Ｖ_Eである定電圧急速充電モード（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖｏｌｔａｇｅ、ＣＶ）を実行する。この場合、本発明のバッテリー充放電装置の第２、または第３の形態を使用する。

次に、バッテリー４からシステム１３へ給電可能であることを判定する方法の詳細を以下に述べる。

まず、図４、図５のバッテリー電流Ｉ_BATのグラフに示すように、セル５に充電された電力は、充電開始からバッテリーに流れた電流Ｉ_BATの積分値から得られる。

図４に示すように、トリクル充電モードから急速充電モードに切り替わったのち、バッテリーからシステムへ給電可能な量の電力がセルに充電されたときのＶ_BATの増加量をＶ_ACCとすると、瞬間のＶ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACCがＶ_Eより小さい場合、下記式（２）で表される条件を満たしたときにバッテリーからシステム１３への給電が可能となる充電量に達したと判定される。
Ｖ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACC （２）

図４においては、一例として、セルの充電電力の充電率が４０％となるときのＶ_BATをＶ_BAT1、トリクル充電完了時のバッテリー電圧をＶ_tkl、トリクル充電から急速充電に切り替わったときのΔＶをΔＶ₁とする。ΔＶはrによって変わる変数であり、急速充電に切り替わったときのＶ_BATを測定してΔＶ₁を求める。rはバッテリーの使用頻度等で変わる内部抵抗を含んでおり、劣化によって大きくなるなど、rの値が使用回数などに応じて変動する。したがって、トリクル充電から急速充電に切り替わるたびにＶ_BATを測定してΔＶ₁を求める必要がある。残りのＶ_ACCは定数もしくはΔＶ₁に応じた値を設定すればよいので（２）式から、バッテリー端子７における電圧Ｖ_BATによって容易にかつ正確にバッテリーからシステム１３への給電が可能となる充電量に達したことを判定することが可能になる。この場合、本発明のバッテリー充放電装置の第１、または第３の形態を使用する。

つぎに、図５に示すように、急速充電モードに切り替わった瞬間のＶ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACCがＶ_Eより大きい場合、バッテリーからシステムへ給電可能な量の電力がセルに充電されたときのＩ_BATをＩ_VALとする。このとき、バッテリー端子電圧がＶ_EOC以上であり、かつバッテリー電流Ｉ_BATがＩ_VAL以下になったとき、バッテリー４からシステム１３への給電が可能となる充電量に達したと判定される。この場合、本発明のバッテリー充放電装置の第２、または第３の形態を使用する。

１ トリクル充電手段
２ 定電流急速充電手段
３ 定電圧急速充電手段
４ バッテリー
５ セル
６ 内部回路
７ バッテリー端子
８ 第１のバッテリー給電判定手段
９ 第２のバッテリー給電判定手段
１０ 充電モード切替手段
１１ バッテリー給電切替手段
１２ 急速充電モード判定手段
１３ システム
１４ リファレンス電圧
１５ コンパレータ
１６ 定電流源

Claims (9)

1. トリクル充電モードから、急速充電モードに移行してバッテリーを充電する前記バッテリーの制御回路において、前記バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する判定方法であって、
   前記急速充電モード時にバッテリー電圧Ｖ_BATが下記式（１）を満たす場合に前記バッテリーが給電可能であると判定することを特徴とするバッテリー給電可能判定方法。
   Ｖ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACC （１）
   （Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリー電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧）
2. トリクル充電モードから、急速充電モードに移行してバッテリーを充電する前記バッテリーの制御回路において、前記バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する判定方法であって、
   前記急速充電モード時にバッテリー電流Ｉ_BATが所定の電流値Ｉ_VAL以下となり、かつＶ_BAT≧Ｖ_EOCとなった場合に前記バッテリーが給電可能であると判定することを特徴とするバッテリー給電可能判定方法。
3. トリクル充電モードから、定電流急速充電モードと定電圧急速充電モードからなる急速充電モードに移行してバッテリーを充電する前記バッテリーの制御回路において、前記バッテリーからシステムへ給電可能であることを判定する判定方法であって、
   Ｖ_BAT≦Ｖ_EOCかつ、前記バッテリー電圧Ｖ_BATが下記式（１）を満たす場合か、
   Ｖ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACC （１）
   （Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリーの電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧）
   Ｖ_BAT≧Ｖ_EOCかつ、前記バッテリー電流Ｉ_BAT＜Ｉ_VALを満たす場合か
   のどちらかを満たす場合に前記バッテリーが給電可能であると判定することを特徴とするバッテリー給電可能判定方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の判定方法によってバッテリーが給電可能であると判定されたとき、前記バッテリーからシステムへ電力を供給するようにすることを特徴とするバッテリー充放電切替方法。
5. トリクル充電手段と、定電流急速充電手段と、第１のバッテリー給電判定手段と、バッテリー給電切替手段と、を備えるバッテリー充放電装置であって、
   前記第１のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電圧Ｖ_BATが下記式（１）を満たすと、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成することを特徴とするバッテリー充放電装置。
   Ｖ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACC （１）
   （Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリーの電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧）
6. トリクル充電手段と、定電圧急速充電手段と、第２のバッテリー給電判定手段と、バッテリー給電切替手段とを備えるバッテリー充放電装置であって、
   前記第２のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電流Ｉ_BATが所定の電流値Ｉ_VAL以下になり、かつＶ_BAT≧Ｖ_EOCとなると、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成することを特徴とするバッテリー充放電装置。
7. トリクル充電手段と、定電流急速充電手段と、定電圧急速充電手段と、急速充電モード判定手段と、第１のバッテリー給電判定手段と、第２のバッテリー給電判定手段と、バッテリー給電切替手段と、を備えるバッテリー充放電装置であって、
   前記第１のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電圧Ｖ_BATが下記式（１）を満たすと、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成し、
   Ｖ_BAT＞Ｖ_TKL＋ΔＶ＋Ｖ_ACC （１）
   （Ｖ_TKL：前記トリクル充電完了時の前記バッテリーの電圧、ΔＶ＝Ｉ_CC×ｒ、Ｉ_CC：定電流充電モードの電流、ｒ：前記バッテリーの内部インピーダンス、Ｖ_ACC：前記バッテリーの放電可能検出電圧）
   前記第２のバッテリー給電判定手段が、バッテリー電流Ｉ_BATが所定の電流値Ｉ_VAL以下になり、かつＶ_BAT≧Ｖ_EOCとなると、前記バッテリー給電切替手段をオンにする信号を生成する
   ことを特徴とするバッテリー充放電装置。
8. 前記式（１）におけるＶ_TKL＋ΔＶは前記トリクル充電モードから前記急速充電モードに切り替わった時点の前記バッテリー電圧を測定することにより求めることを特徴とする請求項１または３に記載のバッテリー給電可能判定方法。
9. 前記式（１）におけるＶ_TKL＋ΔＶはトリクル充電から急速充電に切り替わった時点のバッテリー電圧を測定することにより求めることを特徴とする請求項５または７に記載のバッテリー充放電装置。

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