JP2003243039A

JP2003243039A - 急速充電の際の電解質層化を改善するための方法及び装置

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Publication number: JP2003243039A
Application number: JP2002336391A
Authority: JP
Inventors: Vladimir Pavlovic; パヴロヴィックヴラディミアー; Robert Field; フィールドロバート; Robert G Pickering; ジー．ピッケリングロバート
Original assignee: Edison Source
Current assignee: Coolsys Inc
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2003-08-29
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: CA2363604C; CA2363604A1; JP4827115B2; EP1330008A3; US20030094927A1; US6965216B2; EP1330008A2

Abstract

(57)【要約】【課題】再充電可能な鉛酸バッテリを再充電するため
の装置および方法を提供すること。【解決手段】装置は、バッテリの成層化を改善するた
めに、バッテリの再充電中、または再充電が終了する前
に、過充電電流をバッテリに供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリの充電に
関し、より詳細には、充電中の電解質成層化を改善する
ための方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】バッテリは、電子を一方の物質から他方
の物質に移動させることを含む酸化還元電気化学反応に
よって、活性物質が持つ化学エネルギーを電気エネルギ
ーに直接変換する装置である。鉛酸バッテリは、バッテ
リの最も一般的な種類の１つである。そのようなバッテ
リは、正および負の鉛の電極と、これらの電極間にある
硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）および水の混合物とを含む。硫酸
は、正極と負極の間の媒質を伝わる電流ならびに電極で
の電気化学反応における活性物質を提供する。

【０００３】バッテリの放電中、鉛（Ｐｂ）が酸化して
Ｐｂ^２＋になることにより負極が形成される。（Ｐｂ⇒
Ｐｂ^２＋＋２ｅ⁻）完全反応は、Ｐｂ＋Ｈ_２ＳＯ_４⇒ＰｂＳＯ_４↓＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ である。

【０００４】同時に、以下の反応によりＰｂ^４＋を還元
してＰｂ^２＋にすることによって正極が形成される。
（Ｐｂ^４＋＋２ｅ⁻⇒Ｐｂ^２＋）完全反応は、ＰｂＯ_２＋Ｈ_２ＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻⇒ＰｂＳＯ_４↓
＋２Ｈ_２Ｏである。

【０００５】鉛酸バッテリが放電するにつれ、鉛（Ｐ
ｂ）と二酸化鉛（ＰｂＯ_２）は硫酸鉛（ＰｂＳＯ_４）に
変換される。生成した水（２Ｈ_２Ｏ）と消費された硫酸
（Ｈ_２ＳＯ_４）は電解液を希釈し、より低い密度の読取
り値が放電したバッテリで観察される。

【０００６】鉛酸バッテリは、広く２つのクラスに分類
される充電器、すなわち単純な充電器と閉ループまたは
帰還充電器に分類される充電器を使用して、再充電する
ことができる。単純な充電器は、ある時間間隔にわたっ
て低レベルの充電電流をバッテリに送出する。この電流
レベルは、過充電によって損なわれないように選択され
る。一方、帰還充電器は、充電サイクル中の充電電流の
大きさを制御するために、バッテリの状態を監視する。
充電サイクルは、高電流段階と調整段階からなる。高電
流段階では、バッテリを急速に充電するために、帰還充
電器によって高充電電流がバッテリに印加される。帰還
電流充電器は、バッテリの状態を監視し続け、バッテリ
の充電状態が回復するにつれて充電電流を低下させる。

【０００７】室温では、硫酸の密度が１８３４ｋｇ／ｍ
^３であり、これは水の密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）の
１．８倍を超えるものである。このような密度の差があ
ると、硫酸の密度が比較的高いことにより水中を下に向
かって沈降するようになるので、再充電中、特に再充電
が高速で行われる場合に問題が生じる可能性がある。こ
の問題は、再充電中に生じる化学反応について調べるこ
とによって、より詳細に見ることができる。この反応の
いくつかの生成物の傍に示される下向きの矢印は、これ
らの生成物が極板上に堆積することを示す。

【０００８】鉛酸バッテリを充電すると、以下の反応に
基づいて両方の電極で硫酸が生成される。正極では、ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ⇒ＰｂＯ_２↓＋Ｈ_２ＳＯ_４＋２Ｈ
^＋＋２ｅ⁻ 負極では、ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻⇒Ｐｂ↓＋Ｈ_２ＳＯ_４

【０００９】硫酸の濃度が正極および負極付近で上昇す
るにつれ、酸がより高い密度になって電極の下の方へと
流れ、その結果、セルの底部での酸濃度が上昇する。こ
の問題は、成層化と呼ばれる。

【００１０】バッテリ電圧は酸濃度に依存する。したが
って、底部があまり充電されない状態で、上昇する平衡
電圧に耐えかつ充電反応を引き起こすために、成層化セ
ルの底部付近ではより高い電圧が必要とされる。問題が
正されない場合、電極底部での条件は各充電サイクルが
行われるたびに次第に悪くなる。最終的に、このセルの
容量は、不可逆的に低下することになる。

【００１１】従来技術では、各充電サイクルの終わりに
１０〜２０％という低率で過充電を行うことによって、
この問題に対処してきた。電子流（電流）の速度が主充
電反応の速度を上回ると、未使用の電子が不可逆的な副
反応（水の電解）に関与し始める。

【００１２】正極での反応は、２Ｈ_２Ｏ⇒Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ である。負極での反応は、４Ｈ^＋＋４ｅ⁻⇒２Ｈ_２である。

【００１３】電流と分解した水の量との関係は、ファラ
デー定数（９６４８５Ａｓまたは２６．８Ａｈに相当）
を使用して評価することができる。電解反応で交換され
た電子の数は２であるので、１モル重量の水（１８ｇ）
を分解するのに５３．６Ａｈが必要とされる。このた
め、１Ａｈの過充電電流によって水０．３３６ｇが分解
し、標準状態で０．６８リットルの気体が生成される
（摂氏２５度および標準大気圧で）。水の分解によって
生成した気体（Ｈ_２およびＯ_２）はこの系内を上昇し、
下から上に向かって液体の混合運動を引き起こし、成層
化を改善する。気体の混合運動の強さは、気体発生また
は過充電の速度によって制御される。

【００１４】各充電サイクルの終わりに１０〜２０％と
いう低率で過充電を行う溶液には、時間がかかるという
欠点があり、それによって急速再充電の利益が大きく打
ち消される。また、過充電の速度が速いと電極を腐食さ
せる傾向があり、それによってバッテリの耐用寿命が短
縮される。これらの作用は、より高い温度で悪化する。

【００１５】したがって、成層化を回避しながらバッテ
リを急速に再充電するための方法および装置が望まれて
いる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一態様の目的
は、改善されたバッテリ充電器を提供することである。
本発明の一態様によれば、バッテリ充電用の充電電流を
発生させる発生器手段と、この発生器手段を制御するた
めの制御器手段とを有するバッテリ充電器が提供され
る。発生器手段は、過充電電流を得るため充電電流に加
えられる過充電電流増分を発生させるように動作可能で
ある。制御器手段は、再充電中に再充電可能な鉛酸バッ
テリの充電受入れ能力および充電状態の少なくとも１つ
を決定するための帰還手段と、バッテリの充電受入れ能
力を上回る過充電電流を決定するための過充電命令手段
と、充電電流および過充電電流増分が供給されるよう発
生器を制御するための電流制御手段とを含む。電流制御
手段は、充電中に過充電電流がバッテリに送出されるよ
う動作可能である。

【００１７】過充電命令手段は、過充電の所要時間と過
充電を行う時を決定するよう動作可能であり、電流制御
手段は、過充電を行う時にその過充電の所要時間だけバ
ッテリに過充電電流が送出されるよう動作可能であるこ
とが好ましい。

【００１８】本発明の別の態様の一目的は、再充電可能
な鉛酸バッテリを再充電するための、改善された方法を
提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のこの態様によれ
ば、再充電可能な鉛酸バッテリを再充電する方法が提供
される。この方法は、（ａ）バッテリを充電するための
充電電流を発生させるステップと、（ｂ）充電電流をバ
ッテリに供給するステップと、（ｃ）再充電可能な鉛酸
バッテリの充電受入れ能力と充電状態の少なくとも１つ
を決定するステップと、（ｄ）バッテリの充電受入れ能
力を上回る過充電電流を決定するステップと、（ｅ）過
充電電流を得るために充電電流に加えられる過充電電流
増分を決定するステップと、（ｆ）ステップｂの間、過
充電電流増分をバッテリに供給し、電流制御手段が、充
電中に過充電電流をバッテリに送出するよう動作可能で
あるステップとを含む。

【００２０】この方法は、過充電の所要時間および過充
電を行う時も決定することが好ましい。過充電電流は、
過充電を行う時に過充電の所要時間だけバッテリに供給
される。

【００２１】次に、一例として本発明の好ましい実施形
態を示す添付図面を参照する。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の一態様によれば、再充電
プロセス中の２〜３の異なる時間に電解質が混合される
よう、バッテリに、制御された短い過充電パルスを供給
することによって、再充電中の鉛酸バッテリの非層化が
改善される。電解質の混合は、バッテリの充電状態（Ｓ
ＯＣ）が６０〜１００％の間であるときにバッテリに過
充電パルスを供給する場合が、最も効果的である。過充
電パルスは、バッテリに供給される電流を、その充電電
流からバッテリの充電受入れ能力（ＣＡＡ）を上回る過
充電電流まで０．５分から５分かけて増大させることに
よって実行される。好ましい実施形態では、この手順
を、例えばＳＯＣが６０％、８０％、９５％程度のとき
に、充電サイクル中に２回から３回繰り返す。

【００２３】本発明の好ましい実施形態によれば、充電
方法は、１９９８年１０月８日に公開された国際特許出
願ＰＣＴ／ＣＡ９８／００３０８に開示されている方法
に実質上従い、追加として、非層化機能が組み込まれ
る。この特許出願により教示されるように、鉛酸バッテ
リは、充電サイクル中に充電電流の大きさを制御するた
めバッテリの状態を監視する帰還充電器によって、素早
く充電することができる。次に述べるように、本発明
は、成層化を改善するための鉛酸バッテリの急速充電に
適用される。

【００２４】図１１を参照すると、本発明による充電方
法を実施するためのバッテリ充電器１０のブロック図が
示されている。このバッテリ充電器は、制御器１２と、
ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１
４と、プログラマブル電源１６とを含む。

【００２５】プログラマブル電源１６は、充電器１０に
結合されたバッテリ２０を充電するために、符号１８で
示される充電電流Ｉを発生させる。制御器１２は、デジ
タル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２２を通してプログラ
マブル電源１６のアナログ入力に結合している。Ｄ／Ａ
変換器２２は、バッテリ２０に印加される充電電流Ｉの
相対レベルを表すアナログ制御信号出力を、電源に供給
する。アナログ入力は、Ｄ／Ａ変換器２２から、０〜１
０ＶＤＣの範囲の制御電圧信号を受信する。制御電圧信
号は、プログラマブル電源１６のフルスケール出力電流
容量の０％から１００％までの範囲を表す。

【００２６】プログラマブル電源１６は、制御器１２の
出力ポートおよび入力ポートにそれぞれ結合されたバッ
ファ付きデジタル入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェー
スも含む。プログラマブル電源１６は、充電電流Ｉのオ
ン／オフを設定するために、また障害状態をクリアする
ために、制御器１２から送出されたデジタル制御信号を
受信する。電源１６は、デジタル入力信号を制御器１２
から受信して、それにより瞬時に遮断を行って出力充電
電流Ｉを０％にすることが好ましい。またプログラマブ
ル電源１６は制御器１２にデジタル信号を出力して、ス
テータスおよび障害状態、例えば温度過昇やＤＣバス電
圧が高すぎること、ＤＣバス電圧が低すぎることを示
す。当業者なら、プログラマブル電源１６の実施につい
て熟知しているであろう。

【００２７】制御器１２は、本発明による充電プログラ
ムおよび成層化制御方法を実行するよう適切にプログラ
ムされたマイクロプロセッサまたはプロセッサ・ボード
を含む。充電プロセスは、ユーザ・インターフェースお
よび電源制御表示パネル１４を通して入力されるパラメ
ータによって構成される。ユーザ・インターフェースお
よび電源制御表示パネル１４は、バッテリ・タイプ用の
充電パラメータを入力するために、ディスプレイおよび
キーボード、またはキーパッドを含むことが好ましい。
ユーザ・インターフェースおよび電源制御パネル１４
は、ある特定の既知のタイプのバッテリに関連付けられ
たバッテリ・パラメータ識別子を読み取るための入力デ
バイスを含んでもよい。米国特許第５，５４８，２００
号に記載されるように、複数のユーザ・インターフェー
スおよび電源制御表示パネルを図１１のバッテリ充電器
に組み込むことによって、いくつかのバッテリを同じ充
電ステーションに割り当てることが可能になる。

【００２８】制御器１２は、ユーザ・インターフェース
および電源制御表示パネル１４を使用して、バッテリ充
電ステータス、充電システム・ステータス・インジケー
タ、障害状態および診断情報を表示する。この表示パネ
ルは、バッテリ充電プロセスを開始／停止するための、
またバッテリ２０を充電器１０に接続して充電パラメー
タを入力するようユーザに指示を与えるプロンプト／メ
ッセージを表示するための、入力キーも含む。

【００２９】上述のように、充電器１０は帰還充電シス
テムとして動作する。図１１に示されるように、充電器
１０は、バッテリ２０の様々なパラメータを監視するた
めのセンサを含む。センサは、充電電流センサ２６、バ
ッテリ電圧センサ２８、バッテリ圧力センサ３０、バッ
テリ温度センサ３２、およびバッテリ電解質センサ４２
を含む。これらのセンサ２６、２８、３０、３２、およ
び４２は、アナログ・プロセス測定回路を含み、アナロ
グ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器および制御器３４を介し
て制御器１２のそれぞれの入力ポートに結合されてい
る。

【００３０】充電電流センサ２６は充電電流Ｉを監視す
るものであり、信号を処理するために不可抵抗器および
アナログ増幅器（図示せず）に接続されたスイスのＬＥ
ＭＳ．Ａ．から入手可能なＬＥＭモジュールＬＴ５００
などの電流変換器を使用して実施される。このようなア
ナログ回路の実施は、当業者に知られているであろう。

【００３１】バッテリ電圧センサ２８はバッテリ２０の
出力電圧を監視するものであり、好ましくは、例えばオ
プトカプラ（図示せず）によって得られた電気的な分離
を有するスケーラブル信号処理増幅器（図示せず）を含
む。

【００３２】バッテリ圧力センサ３０はバッテリ２０の
内部圧力を監視するものであり、ＯｍｅｇａＥｎｇｉ
ｎｅｅｒｉｎｇＩｎｃ．から入手可能なＰＸ３０２モ
デルなどの適切な圧力変換器を使用して実施される。

【００３３】バッテリ電解質レベル・センサ４２は、バ
ッテリ内の電解液のレベルを監視する。このレベルが低
すぎる場合、この情報はＡ／Ｄ変換器３４を介してバッ
テリ給水システム制御器４４に伝達され、水の供給４６
および給水システム４８を制御してバッテリに水を追加
する。

【００３４】バッテリ温度センサ３２はバッテリ２０の
内部温度を監視するものであり、バッテリ２０の外壁に
接触するよう配置される固相熱センサを使用して実施さ
れる。適切な温度センサは、ＣＡ、ＳａｎｔａＣｌａ
ｒａのＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
から入手可能なＬＭ３３５Ａ固相デバイスである。温度
センサ３２は、温度センサ３２からの出力信号を処理す
るためのアナログ処理増幅器（図示せず）を含むことが
できる。センサ２６〜３２および４２からの出力信号
は、Ａ／Ｄ変換器および制御器３４に供給されデジタル
化されて、制御器１２により入力される。Ａ／Ｄ変換器
および制御器３４は、高速１２ビット変換器を含むこと
が好ましい。

【００３５】制御器１２によって読み取られたＡ／Ｄ変
換器および制御器３４からのデジタル化信号は、ユーザ
によって入力されたバッテリおよび充電パラメータと併
せてバッテリ充電プログラムおよび方法により利用され
る。入力に応答して、バッテリ充電器１０用のプロセス
制御プログラムがプルグラマブル電源１５用の制御コマ
ンドを計算し、更新する。プロセス制御プログラムは、
プログラマブル電源１６のステータスおよび動作も監視
し続ける。何らかの障害が検出された場合、バッテリ充
電プログラムは充電サイクルを終了し、すなわち電源１
６をオフにして、ユーザ・インターフェースおよび電源
制御表示パネル１４とＬＥＤステータス・インジケータ
３６に打切りまたは障害ステータスであることを表示す
る。具体的には、赤色ＬＥＤステータス・インジケータ
が「オン」のときは障害が生じたことを示す。コハク色
のＬＥＤが「オン」のときは、ステーションが、接続さ
れているバッテリを充電していることを示す。緑色ＬＥ
Ｄが「オン」のときは、ステーションが待機中であり、
または充電を開始できる状態にあり、または充電が終了
したことを示す。応急処置が必要な場合は、応急処置が
必要であるという警告をユーザに発するために、音声イ
ンジケータ３８を使用する。バッテリ充電プログラムお
よび方法で具体化された処理ステップについて、図１〜
１０を参照しながら以下に詳細に述べる。

【００３６】過充電されることなく任意の所与の時間に
バッテリが電流を受け取ることができる最大速度を、充
電受入れ能力（ＣＡＡ）と呼ぶ。ＣＡＡは、充電ステー
タス、温度、バッテリの使用時間、および以前の充電履
歴と関係がある。本発明の好ましい態様によれば、１９
９８年１０月８日に公開された国際特許出願ＰＣＴ／Ｃ
Ａ９８／００３０８により教示されるように、ＣＡＡと
充電状態（ＳＯＣ）の両方を決定するために端子電圧プ
ロフィルを使用する。しかし、ＣＡＡとＳＯＣを決定す
るその他の方法が当業者に周知であり、ＣＡＡおよびＳ
ＯＣの決定に使用される特定の方法とは関係なく本発明
をどのように実施することができるかが当業者に明らか
にされよう。

【００３７】図１を参照すると、本発明の実施形態によ
るバッテリ充電プログラムの構成が、ブロック図に示さ
れている。バッテリ充電プログラム１００は、充電制御
モジュール１０２と、ユーザ・インターフェース・モジ
ュール１０４と、充電器出力モジュール１０６と、充電
器入力モジュール１０８と、プロセス測定モジュール１
１０とを含む。

【００３８】充電制御モジュール１０２は、本発明によ
るバッテリの充電を制御するための方法ステップを含
み、これについては以下により詳細に述べる。ユーザ・
インターフェース・モジュール１０４は、ユーザ・イン
ターフェースおよび電源制御表示パネル１４（図１１）
の操作を制御する機能を提供する。ユーザ・インターフ
ェース・モジュール１０４は、充電制御モジュールで使
用される充電制御パラメータにユーザが入力した入力を
処理し、これについては以下により詳細に述べる。ユー
ザ・インターフェース・モジュール１０４は、充電プロ
セス中の充電制御モジュール１０２からのデータもプロ
セス出力としてまた診断情報１１６としてユーザ・イン
ターフェースおよび電源制御表示パネル１４に表示す
る。

【００３９】充電器出力モジュール１０６は、充電制御
モジュール１０２から送出された制御コマンドに応答し
て、プログラマブル電源１６の動作を制御する。充電器
出力モジュール１０６は、デジタル制御信号をＤ／Ａ変
換器２２に供給して、プログラマブル電源１６用の制御
電圧信号を発生させる。充電器出力モジュール１０６
は、プログラマブル電源１６を制御するために、デジタ
ル出力信号、例えば充電電流のオン／オフや障害リセッ
トなどの信号も発生させる。

【００４０】充電器入力モジュール１０８は、プログラ
マブル電源１６から送出されたステータスおよび障害信
号を受信する。ステータスおよび障害状態信号は制御器
１２の入力ポートで受信され、充電制御モジュール１０
２に送信されて処理が行われる。例えば、電源温度過昇
状態に応答して、充電制御モジュール１０２はバッテリ
２０の充電を打ち切り、充電器出力モジュール１０６を
介して電源１６を遮断し、さらにユーザ・インターフェ
ース・モジュール１０４によってユーザ・インターフェ
ースおよび電源制御表示パネル１４に「打切りメッセー
ジ」を表示する。

【００４１】プロセス測定モジュール１１０は、充電電
流センサ２６、バッテリ電圧センサ２８、バッテリ圧力
センサ３０、およびバッテリ温度センサ３２（図１１）
からの信号の入力を監視する。次いでこれらのセンサか
らのアナログ入力をＡ／Ｄ変換器３４によりデジタル化
する。次いで以下により詳細に述べるように、センサか
ら得られたデジタル化情報をメモリに記憶させて充電制
御モジュール１０２により使用する。

【００４２】次に図２を参照すると、本発明によるバッ
テリ充電器１０および充電制御モジュールの動作が示さ
れている。

【００４３】初めに、充電器１０がバッテリ識別子を読
み取るための入力デバイスを含む場合は、充電制御器１
０２がステップ１０３でバッテリ・タイプ識別子を読み
取る。充電器１０がバッテリ・タイプ用の読取り装置を
含まない場合は、ユーザがインターフェース１４を使用
してバッテリ・タイプを入力するよう指示を与える。こ
のバッテリ・タイプ情報を使用して、ステップ１０５で
適切なパラメータ・テーブルを選択する。

【００４４】端子電圧プロフィルおよびパラメータ・テ
ーブルは、バッテリのタイプによって異なる。本発明の
この態様によれば、バッテリはグループＩとグループＩ
Ｉに分類される。グループＩのバッテリは、最も一般的
なバッテリ・タイプを構成し、鉛酸バッテリおよびニッ
ケルカドミウム・バッテリが含まれる。グループ１のバ
ッテリは、図８に示されるように勾配がｄＶ／ｄｔの端
子電圧プロフィルを有する。端子電圧プロフィルは、以
下に述べるように、充電電流Ｉが遮断されまたは変化す
るときのバッテリの電圧と定義される。グループＩのバ
ッテリの充電プロセスの開始時は（すなわちバッテリが
放電され、実際の充電速度がバッテリの充電受入れ能力
を下回る）、曲線１２０ａにより示されるように、端子
電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔがほとんど平らであ
る。バッテリが充電されるにつれ、曲線１２０ｂ、１２
０ｃ、１２０ｄにより示されるように、端子電圧プロフ
ィルの勾配ｄＶ／ｄｔが増大する。最終的に端子電圧プ
ロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔは、曲線１２２により示され
るように、その最大値に達する。端子電圧プロイフィル
の最大勾配ｄＶ／ｄｔ、すなわち図８の曲線１２２は、
バッテリの充電受入れ能力ＣＡＡに達しており、したが
ってバッテリの過熱および損傷を回避するために充電電
流Ｉを低減させなければならないことを意味する。

【００４５】グループＩＩのバッテリにはニッケル水素
バッテリが含まれる。グループＩＩのバッテリは、図９
の曲線によって示されるように勾配がｄＶ／ｄｔの端子
電圧プロフィルを有する。バッテリが完全に放電される
場合、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔ（すなわち
電流変動間隔中に得られた）は、図９の曲線１２４ａに
よって示されるように最大勾配ｄＶ／ｄｔを示すことに
なる。バッテリが充電されるにつれ、端子電圧プロフィ
ルの勾配ｄＶ／ｄｔ（例えば連続する電流変動間隔）
は、図９の曲線１２４ｂ、１２４ｃ、および１２４ｄに
よって示されるように減少する。バッテリが充電される
と、すなわち充電速度が充電受入れ能力に達すると、端
子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔは、図９の曲線１２
６によって示されるように０に近付く。

【００４６】ステップ１０５で読み取られるパラメータ
・テーブルは、特定のタイプのバッテリ、例えばニッケ
ルカドミウムかまたは鉛酸（グループＩ）バッテリであ
るか、あるいはニッケル水素（グループＩＩ）バッテリ
かによって異なる。テーブルには、充電パラメータと、
安全性限界と、入力／出力タイマに関するサンプリング
速度および分解能であって、以下により詳細に述べるよ
うなものを含むことが好ましい。充電器１０を考慮に入
れた様々なバッテリに関するパラメータは、制御器１２
によりアクセス可能な不揮発性メモリに記憶されること
が好ましい。

【００４７】図２に示されるように、チャージャ１０で
のデータ収集処理およびコマンド転送制御をそれぞれ行
う２つのモジュール２０１、２０２が存在する。データ
収集モジュール２０１は、センサ２６〜３２（図１１）
からのデータ入力を監視する。実時間プロセス・モジュ
ール２０２は、デジタル制御信号および電流制御信号を
（Ｄ／Ａ変換器２２を介して）、プログラマブル電源１
６に出力する。

【００４８】実時間プロセス制御モジュール２０２のス
テップ２０３では、出力制御コマンドを出力するための
時間基準が発生する。次に、ステップ２０５では、出力
制御コマンドが適切なハードウェア・ドライバに送られ
る。図示されるように、実時間プロセス制御モジュール
２０２と実時間データ収集モジュール２０１との間に
は、以下に述べるループバック・パス２０７も存在す
る。ループバック２０７は、以下に述べるように実時間
データ収集モジュール２０１に「トリガ」を供給する。

【００４９】図２を参照すると、ステップ２０９では、
データ収集モジュール２０１が、データを入力するため
の、すなわちサンプリングするための時間基準を発生さ
せる。サンプリング速度は、当業者に理解されるよう
に、利用されている特定のハードウェアおよびプロセス
制御のための所望の分解能によって異なる。例えば、６
０マイクロ秒ごとに１回のサンプリングが充電器には適
している。ステップ２１１では、データ収集モジュール
２０１が、充電電流センサ２６（図１１）から電流の読
取りＩ_１、．．．、Ｉ_ｎを、バッテリ電圧センサ２８か
ら電圧の読取りＶ _１、．．．、Ｖ_ｎを、バッテリ圧力セ
ンサ３０からの圧力の読取りＰ_１、．．．、Ｐ_ｎを、バ
ッテリ温度センサ３２から温度の読取りＴ_１、．．．、
Ｔ_ｎを収集する（サンプリング速度で）。

【００５０】ステップ２１３では、平均電圧Ｖ_ａｖ、平
均充電電流Ｉ_ａｖ、クーロン電荷Ｑ、充電エネルギー
Ｅ、および経過充電時間の各値を入力データから計算す
る。平均充電電流Ｉ_ａｖおよび平均電圧Ｖ_ａｖの値は、
選択された期間にわたって計算される。例えば１秒であ
る。クーロン電荷Ｑは充電電流Ｉ_１、．．．、Ｉ_ｎの値
を積分することによって計算され、充電エネルギーＥ
は、平均電流Ｉ_ａｖおよび平均電圧Ｖ_ａｖから計算され
る。

【００５１】ステップ２１１では、充電電流Ｉ_Ｈｉの高
い値、充電電流Ｉ_ＬＯＷの低い値、電圧Ｖ_Ｈｉの高い
値、電圧Ｖ_ＬＯＷの低い値に対応するデータも、実時間
プロセス制御モジュール２０２からループバック・バス
２０７に供給されたトリガと合わせて読み取られる。高
充電電流Ｉ_Ｈｉに関するトリガは、充電電流Ｉを高い値
まで上昇させるためのプログラマブル電源１６への出力
コマンドを含む。同様に、低充電電流Ｉ_ＬＯＷに関する
トリガは、充電電流Ｉを低い値に低下させるための電源
１６への出力コマンドを含む。高電圧Ｖ_Ｈｉおよび低電
圧Ｖ_ＬＯＷの値は、同様の手法で読み取られる。データ
収集モジュール２０１で発生したデータはメモリに記憶
されてさらに処理される。

【００５２】図２を参照すると、充電サイクルの開始時
に、ブロック１０７でステータスを「ＲＡＭＰＵＰ
（ランプアップ）」に設定する。ランプアップ・ステー
タスは、充電電流ＩがＨＩＧＨ（高）電流レベルまでラ
ンプアップしまたは増加することを意味する。次いで充
電サイクルの高電流段階の間、バッテリの充電受入れ能
力に達するまで、すなわち充電電流を調整してバッテリ
の充電が完了しまたは終了するまで、充電電流Ｉを高い
値に維持する。

【００５３】ステップ１０９では、「ランプアップ」ス
テータスをチェックする。充電器１０がＲＡＭＰＵＰ
モードにある場合は、ステップ１１１でランプアップ手
順３００を呼び出す。ランプアップで順３００の機能は
充電電流Ｉを最大値Ｉ_Ｍａｘまで増加させまたは上昇さ
せることであり、特定のバッテリを充電することができ
る。最大電流Ｉ_Ｍａｘは、都合よくパラメータ・テーブ
ルに記憶される。ラップ・アップ手順３００を、図３に
より詳細に示す。

【００５４】図３を参照すると、ランプアップ手順３０
０によって実行される第１のオペレーションは、充電さ
れるバッテリの充電受入れ能力ＣＡＡを計算することで
ある。ステップ３０１では、充電受入れ能力手順４００
を呼び出すが、この充電受入れ能力手順４００を図６に
より詳細に示す。充電受入れ手順４００の機能は、バッ
テリの充電受入れ能力に達したかどうかを決定すること
である。バッテリの充電受入れ能力に達していない場
合、バッテリの急速充電が続けられるように充電電流Ｉ
を増加させることができる。本発明のこの態様によれ
ば、充電受入れ能力ＣＡＡは、端子電圧プロフィルの勾
配ｄＶ／ｄｔ（図９および１０）から決定される。

【００５５】図６に示されるように、充電受入れ能力手
順４００は、初めにステップ４０１で動作モードをチェ
ックし、すなわちより具体的には、そのモードがＲＥＧ
ＵＬＡＴＥ（調整）であるかどうかをチェックする。動
作モードが調整モードではない場合、充電器１０はＨＩ
ＧＨＣＵＲＲＥＮＴ（高電流）モードまたはランプア
ップ・モードにあり、次にそのバッテリ・タイプをステ
ップ４０３でチェックする。上述のように、本発明によ
る充電方法はグループＩのバッテリとグループＩＩのバ
ッテリを区別し、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔ
を使用してバッテリの充電受入れ能力ＣＡＡを確認す
る。バッテリがグループＩＩのニッケル水素（ＮｉＭ
Ｈ）バッテリである場合、端子電圧プロフィルの勾配ｄ
Ｖ／ｄｔは、充電受入れ能力に達すると０に近付く（図
９）。逆に、グループＩのバッテリについては、充電受
入れ能力に達すると端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄ
ｔが最大に達する（図８）。グループＩのバッテリで
は、ステップ４０５で、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ
／ｄｔ_ｍａｘの最大値と現在の勾配ｄＶ／ｄｔとの差を
とることによって充電受入れ能力ＣＡＡを計算する。勾
配ｄＶ／ｄｔ_ｍａｘの最大値は、都合よくパラメータ・
テーブルに記憶される。バッテリが充電されるにつれ、
最大勾配ｄＶ／ｄｔ_ｍａｘと実際の勾配ｄＶ／ｄｔとの
差が小さくなり、ステップ４０５でＣＡＡ＝０のときに
充電受入れ能力に達する。

【００５６】端子電圧プロフィルは、充電電流の変動間
隔中に測定され、または充電電流Ｉおよび電流が遮断さ
れないときのバッテリ内部抵抗を用いて端子電圧から計
算される。図７に示されるように、充電電流Ｉが遮断さ
れまたは変動すると、端子電圧は、２つの構成要素また
は段階、すなわち電圧Ｖ_Ｒと電圧Ｖ_Ｄを含む降下が生じ
る（図７の曲線によって表される）。電圧Ｖ_Ｒは電圧変
位であり、充電電流Ｉが変化したほぼ直後、すなわち図
７のＴ_１で示される時間に生じる。電圧変位ΔＶ_Ｒは、
バッテリ内の抵抗損（例えばポストや極板、セル間配線
などの抵抗損）によってほぼ完全に生じる。第２の構成
要素は、端子電圧の電圧充電ΔＶ_Ｄを含む。電圧充電Δ
Ｖ_Ｄは勾配ｄＶ／ｄｔを有し、また本発明のこの態様に
よれば、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔを利用し
て、バッテリの充電受入れ能力を決定する。

【００５７】図６に戻り参照すると、グループＩＩのバ
ッテリ、すなわちニッケル水素バッテリでは、ステップ
４０７で充電受入れ能力ＣＡＡを計算する。本発明のこ
の態様によれば、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔ
は、バッテリが充電されると最小に近付く。ステップ４
０７では、充電受入れ能力ＣＡＡを、端子電圧プロフィ
ルの最小勾配ｄＶ／ｄｔ_ＭＩＮと現在の勾配ｄＶ／ｄｔ
との差として計算する。ＮｉＭＨバッテリでは、最小勾
配ｄＶ／ｄｔ_ＭＩＮと勾配ｄＶ／ｄｔとの差が０に近付
く。

【００５８】図６を参照すると、充電器がＬＯＷＣＵ
ＲＲＥＮＴＭＯＤＥ（低電流モード）で動作する場
合、すなわちステータス＝調整がＴＲＵＥ（真）である
場合は、ステップ４０９でカウンタ・フラグ「ｎ」をチ
ェックする。調整モードでは、充電電流Ｉを最適なレベ
ルに維持するために充電受入れ能力ＣＡＡを監視する
（カウンタ・フラグｎは、以下に述べるように調整手順
によって設定する）。調整状態が開始した後のファース
ト・パスでは、フラグが１になり、手順４００はステッ
プ４１５に進む。ステップ４１１では、パラメータＩ・
ｄＶ／ｄＩを更新する。パラメータＩ・ｄＶ／ｄＩは、
調整段階中の充電電流Ｉのステップ式変化と、電圧ｄＶ
で結果的に生じる変化を表す。充電電流Ｉのステップ式
減少と端子電圧の変化ｄＶとの関係を、図１０に示す。
計算を簡単にするために、充電電流Ｉを減少させるため
のステップ・サイズはＩ／ｄＩが一定になるよう選択さ
れる。したがってステップ４１１では、電圧の変化ｄＶ
のみ測定すればよい。次にステップ４１３では、充電受
入れ能力ＣＡＡを、最初の読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）_１
と現在の読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）_ｎとの差として計算
する。最初の読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）_１は、ＣＡＡが
０の状態、すなわちバッテリ充電受入れ能力に達した状
態に対応する。ステップ４１３で計算された充電受入れ
能力の値が０ではない場合、それはバッテリが完全に充
電されていないことを意味し、設定点を高めることがで
きる。カウンタ・フラグｎが真（すなわちステップ４０
９でｎ＝１）である場合、充電受入れ能力ＣＡＡはステ
ップ４１５で０に設定されてバッテリが充電されたこと
が示され、読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）_１はステップ４１
７で更新される。次いで制御は、ステップ４１９で呼出
し手順に戻る。

【００５９】図３のランプアップ手順３００に戻って参
照すると、この手順３００は、ステップ３０３で、充電
受入れ能力ＣＡＡが０より大きいかどうかチェックす
る。ＣＡＡが０より大きい場合、バッテリは完全に充電
されず、充電電流Ｉをさらに増大させまたはランプアッ
プさせる。ステップ３０５では、充電電流Ｉを漸進的に
増加させる。ステップ３０７では、充電電流Ｉの設定値
を最大許容電流設定値Ｉ _ｍａｘ（パラメータ・テーブル
に記憶されている）と比較する。充電電流Ｉが最大値に
達した場合、充電器１０が高電流で動作していることを
示すためにステップ３０９でステータス・フラグをＨＩ
ＧＨ（高）に設定し、したがって充電電流Ｉのランプア
ップが終了する。ステップ３１１では、ランプアップ手
順３００が充電器制御１００に戻る。

【００６０】図３に示されるように、充電受入れ能力Ｃ
ＡＡが０以下である場合、ランプアップ手順３００はス
テップ３１３で、充電受入れ能力ＣＡＡが０に等しいか
どうかチェックする。充電受入れ能力ＣＡＡが０に等し
くない場合、すなわち負である場合はバッテリの充電受
入れ能力を上回り、したがってステップ３１５で充電電
流Ｉを低下させる。充電受入れ能力ＣＡＡが０の場合
（または最大充電電流に達していない場合−上述のステ
ップ３０７）、ランプアップ機能３００はステップ３１
７で、端子（例えば抵抗なし）電圧Ｖ_ｒｆ（すなわち充
電電流Ｉの変動中に得られたもの）の読取を設定電圧Ｓ
Ｖ_ｒｅｆと比較する。電圧の読取りＶ_ｒｆが設定電圧Ｓ
Ｖ_ｒｅｆを超えた場合はランプアップ・オペラーション
を終了させるべきであり、またステップ３１９でステー
タス・フラグを「調整」に設定し、ステップ３２１カウ
ンタ・フラグ「ｎ」を０に設定して、調整段階が開始し
たことが示されるようにする（カウンタ・フラグ「ｎ」
は、上述のように充電受入れ手順４００によって使用さ
れる）。端子電圧Ｖ_ｒｆが依然として設定電圧ＳＶ_ｒ
_ｅｆ未満である場合、ランプアップ手順３００はステッ
プ３２３で、充電電流Ｉをランプアップするための時間
が経過したかどうかをチェックする。例えば、所定時間
内にランプアップ電流に達していない場合は障害が生じ
る可能性があり、そのような状態であることを示すフラ
グを立てるべきである。次いでランプアップ手順３００
は、ステップ３１１で呼出し手順に戻る。

【００６１】図２に戻って参照すると、充電制御プログ
ラム１０２はステップ１１３で、ステータスがＨＩＧＨ
（高）に設定されたかどうかをチェックする。ステータ
スは、上述のように、最大充電電流Ｉ_ｍａｘに達したと
きにランプアップ手順３００によってＨＩＧＨ（高）に
設定される。ステータスがＨＩＧＨ（高）である場合、
充電制御プログラム１００はステップ１１５で高電流制
御手順５００を呼び出す。図４を参照すると、充電電流
Ｉが最大値Ｉ_ｍａｘまでランプアップされると、高電流
制御手順５００が充電電流Ｉを制御する。図４に示され
るように、最初のオペレーションは、ステップ５０１で
端子電圧Ｖ_ｒｆの値を更新することを含む。端子電圧Ｖ
_ｒｆは、ステップ５０１で、電圧Ｖ、電流Ｉ、および抵
抗Ｒ用のデータ収集モジュール２０１により得られた電
流値に基づいて更新される。端子または抵抗なしの電圧
は、以下の式に従って計算され、

【数１】抵抗Ｒは以下の式に従って計算される。

【数２】

【００６２】電圧および電流の読取りは、充電電流Ｉが
遮断されまたは変化したときに行われる。本発明におい
ては、充電電流Ｉの変動によって、バッテリの端子、す
なわち抵抗のない電圧Ｖ_ｒｆを計算するために、電圧お
よび電流パラメータを測定するウィンドウが得られる。
充電電流Ｉの変動は、制御器１２およびプログラマブル
電源１６（図１１）によって調整される。電流Ｉの適切
な変動には、ステップ式変化（例えば電流がオフにさ
れ、０以外の値まで減少しまたは増加する）、ランプ変
化、正弦変化、指数変化、対数変化が含まれる。

【００６３】次にステップ５０３では、高電流制御手順
５００が、端子電圧Ｖ_ｒｆの値が設定電圧ＳＶ_ｒｅｆ未
満であるかどうかをチェックする。電圧Ｖ_ｒｆが設定電
圧ＳＶ_ｒｅｆ未満である場合、ステップ５０５でバッテ
リの充電受入れ能力ＣＡＡを更新する。バッテリの充電
受入れ能力ＣＡＡは、図６を参照しながら述べたように
計算される。充電受入れ電圧ＣＡＡが０より大きい場合
（ステップ５０７）、バッテリはより多くの充電電流を
得ることができ、したがって設定基準電圧ＳＶ _ｒｅｆは
ステップ５０９で増加する。本発明のこの態様によれ
ば、設定電圧ＳＶ _ｒｅｆは、バッテリの充電受入れ能力
ＣＡＡを使用して最適に調節される。

【００６４】安全点検として、ステップ５０９で調節さ
れた設定電圧ＳＶ_ｒｅｆと最大設定設定基準電圧（ＳＶ
_ｒｅｆ）_ＭＡＸとをステップ５１１で比較する。最大設
定電圧（ＳＶ_ｒｅｆ）_ＭＡＸに達した場合、さらに充電
を行うとバッテリに損傷を与える可能性があるので、ス
テップ５１３で充電ステータスをＲＥＧＵＬＡＴＥ（調
整）に設定する。同様に、充電受入れ能力ＣＡＡが０以
下である場合（ステップ５０７）、ステップ５１３で充
電ステータスをＲＥＧＵＬＡＴＥ（調整）に設定する。
次にステップ５１５で、カウンタ・フラグ「ｎ」を０に
リセットし、高電流制御手順は充電制御モジュール１０
２に戻る（ステップ５１７）。

【００６５】図２に戻って参照すると、次に充電制御プ
ログラム１０２は、ステップ１１７で、ステータスが調
整動作に設定されたかどうかをチェックする（上述のよ
うに、高電流制御手順５００はステータスをＲＥＧＵＬ
ＡＴＥ（調整）に設定する）。ステップ１１９では、充
電電流調整手順を充電制御プログラム１０２により呼び
出す。充電電流調整手順６００の機能は、バッテリの充
電を終了しまたは完了するために充電電流Ｉを調整する
ことである。

【００６６】図５を参照すると、電流調整手順６００が
より詳細に示されている。ステップ６０１では、調整手
順６０１が、データ収集モジュール２０１（図２）によ
って得られた電圧、電流、および抵抗の読取りを使用し
て、端子、すなわち抵抗のない電圧Ｖ_ｒｆに対する電流
値を計算する。次にステップ６０３では、更新された端
子電圧Ｖ_ｒｆを設定電圧ＳＶ_ｒｅｆと比較する。電圧が
設定電圧ＳＶ_ｒｅｆより大きい場合、電流調整手順６０
０はステップ６０５で、等化オペレーションを実行する
かどうかを確認する。等化オペレーションは、高い充電
電流Ｉで充電サイクルの終わりにバッテリを過充電する
ことを含む。この高い充電電流の目的は、バッテリ・パ
ック内の全てのセルを完全に充電することである。等化
オペレーションは、典型的な場合、バッテリ・パックの
充電サイクルが５０回行われるごとに１回実行される。
等化オペレーションを実行する場合、ステップ６０７で
充電電流Ｉを等化電流値Ｉ_ｅｑと比較する。充電電流Ｉ
が所定の等化電流Ｉ_ｅｑ未満の場合、ステップ６０９で
充電電流Ｉを等化値Ｉ_ｅｑに設定し、ステップ６１１で
充電ステータスをＥＱＵＡＬＩＺＥ（等化）に設定す
る。次いで調整手順６００は、ステップ６１３で充電制
御プログラム１０２に戻る。

【００６７】図５を参照すると、等化が選択されない場
合（ステップ６０５）、または充電電流Ｉが等化電流を
上回る場合（ステップ６０７）、カウンタ・フラグ
「ｎ」を次に進める。次にステップ６１７では、設定電
圧に達したので充電電流Ｉを漸進的に減少させる。ステ
ップ６１９では、充電受入れ手順４００を呼び出すこと
によって充電受入れ能力ＣＡＡを計算する（図６を参照
して述べたように）。ステップ６１７での充電電流Ｉの
ステップ式変化によって、勾配ｄＶ／ｄｔを決定するの
に都合よい充電電流Ｉ変動がもたらされる。ステップ６
１９で決定された充電受入れ能力ＣＡＡが０より大きい
場合（ステップ６２１）、バッテリをさらに充電するこ
とができ、ステップ６２３で設定電圧ＳＶ_ｒｅｆをチェ
ックする。設定電圧ＳＶ_ｒｅｆがすでに最大設定基準電
圧（ＳＶ_ｒｅｆ）_ｍａｘにある場合、手順６００はステ
ップ６１３で、その制御を充電制御プログラム１０２に
戻す。一方、最大設定電圧（ＳＶ_ｒｅｆ）_ｍａｘに達し
ていない場合、設定基準電圧ＳＶ_ｒｅｆはステップ６２
５で漸進的に増加し、制御が充電制御プログラム１０２
に戻る。

【００６８】図２に戻って参照すると、次にステップ１
２１では、充電サイクルの終わりをチェックする。充電
サイクルの終わりは、１つまたは複数の選択されたパラ
メータを見ることによって決定される。パラメータに
は、充電経過時間、クーロン電荷Ｑの値、充電電流を最
小充電電流Ｉ_ＭＩＮと比較した値、およびバッテリ電圧
ｄＶ／ｄｔの変化率が含まれる。例えば、バッテリに印
加された充電電流が最小値Ｉ_ＭＩＮまで徐々に減少した
場合、バッテリは充電されたとされ、すなわちさらなる
充電を受け入れることができない。同様に、バッテリ電
圧の変化率が本質的に０である場合、バッテリは充電さ
れたとされる。

【００６９】ステップ１２１で充電状態が終わりである
ことを踏まえ、ステップ１２３で充電手順の正常終了を
開始する。終了または等化充電（図５）が適用される場
合、充電の終わりは終了充電手順の終了に対応する。充
電手順の終わり（ステップ１２３）は、プログラマブル
電源１６（図１１）、すなわち充電電流Ｉ、およびその
他のハードウェア・デバイス規則的遮断を含み、その
後、通告メッセージがパネル１４に表示される。

【００７０】サイクルの終わりに達していない場合は充
電プロセスを継続し、ステップ１２５で安全性限界をチ
ェックする。ステップ１２５での安全性チェックによ
り、充電サイクルは確実に、定められた安全性限界の範
囲内でなお続行する。ステップ１２５でチェックされる
パラメータには、最大許容電圧Ｖ_ＭＡＸ、最小電圧Ｖ_Ｍ
_ＩＮ、最大許容バッテリ温度Ｔ_Ｍａｘ、最大許容クーロ
ン電荷Ｑ_Ｍａｘ、バッテリ内部抵抗Ｒ、およびバッテリ
圧力Ｐが含まれる。これらのパラメータの最大許容値
は、充電されるバッテリの電気化学特性に依存し、パラ
メータ・テーブルに都合よく記憶させることができる。

【００７１】ステップ１２５で安全性限界の１つを超え
た場合、ステップ１２７で障害状態が入力され、ステッ
プ１２９で充電サイクルが中止される。充電サイクルの
中止は表示パネル１４に示される。

【００７２】一方、安全性限界を超えない場合は充電サ
イクルが継続され、ステップ１３１でプロセス制御パラ
メータおよびデータを更新する。制御パラメータおよび
データは、バッテリに印加される充電電流の大きさおよ
び印加（すなわち変動）を制御する。次いでハードウェ
ア・デバイス、例えばプログラマブル電源１６を制御す
るために、制御パラメータを実時間制御モジュール２０
２に渡す。

【００７３】図２に戻って参照すると、充電制御プログ
ラムはステップ１３７で、過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およ
びＤ３に従う３つの過充電電流パルスの１つをバッテリ
２０に供給すべきかどうかチェックする。ステップ１３
７では、充電制御プログラム１０２により非層化手順７
００を呼び出す。非層化手順７００の機能は、短期間、
充電電流Ｉを周期的に増加させることである。

【００７４】非層化手順７００は、急速充電アルゴリズ
ムに組み込むことができる酸撹拌方法を提供する。鉛酸
バッテリ２０の急速再充電中２〜３回、制御された短い
過充電パルスを送ってバッテリ２０の電解質を混合す
る。混合は、ＳＯＣが６０％から１００％の間で実施す
ることが最も効果的である。過充電は、０．５〜５分
間、バッテリに供給された電流を増加させることによっ
て実施される。過充電パルスは、２〜２．５分間にわた
り送出することが好ましい。電解質の比重測定では、上
述の期間および強度の単一の過充電パルスによって電解
質を十分に混合できることが示された。この手順は、各
充電サイクル中、ＳＯＣがおよそ６０％、８０％、およ
び９５％で２〜３回繰り返すことが好ましい。あるい
は、充電電流がＣＡＡに基づいて調節される実施形態で
は、電流がある特定のパーセンテージＩ _ｍａｘ、例えば
５０％Ｉ_ｍａｘ、２０％Ｉ_ｍａｘ、および１０％Ｉ
_ｍａｘまで徐々に低下するときに、過充電パルスを送出
することができる。

【００７５】過充電パルスが送出された後、電流をバッ
テリ容量の１０分の１以下に低減させて、バッテリの電
圧を安定化させる。充電および放電中にバッテリ内で引
き電気化学反応の不均一な性質に起因して、バッテリの
電圧を安定化させる必要がある。具体的には、これらの
反応は典型的な場合、５つのステップで行われる。１．境界層を通して反応種を極板表面に拡散させる。２．反応物を極板表面に吸着させる。３．極板表面で化学反応を行う。４．固体生成物を極板結晶構造に組み込む。５．境界層を通して極板から反応生成物を拡散させる。

【００７６】バッテリに供給される電流を止めると、電
流によって推し進められる反応の全てがすぐに停止する
わけではない。具体的には、電流が止められた後、ステ
ップ１、２、および５が遅い速度で継続する。ステップ
３については、表面化学反応の電気化学的部分だけが、
電流を止めるとすぐに停止する。ステップ３の非電気化
学反応は、遅い速度で継続する。このため、過充電電流
が止められた後、反応の全てが元の状態に戻るまで少な
くとも５〜６０秒を見込んでおかなければならず、好ま
しくは充電の再開は、その期間だけ遅らせるべきであ
る。好ましい実施形態では、少なくとも５秒後、好まし
くは約３０秒後にＣＡＡの後をたどる充電電流まで電流
を増加させる。

【００７７】過充電パルスのタイミング、期間、および
大きさ、ならびに追随する電圧安定電流の期間および大
きさは、第１、第２、および第３の命令に関する過充電
命令Ｄ_１、Ｄ_２、およびＤ_３にそれぞれ明記されてい
る。好ましい実施形態による特定の急速再充電方法で
は、通常、充電電流Ｉ_Ｃが、充電サイクルの少なくとも
後半でバッテリ充電受入れＣＡＡに追随する。充電サイ
クルの前半では、充電器は、充電電流がＩ_Ｍａｘに設定
されるようにランプアップ・モードにある。Ｉ
_Ｍａ _ｘは、通常、バッテリ充電器１０が供給することの
できる最大電流になる。再充電サイクルの後半では、過
充電パルスが送出されるとバッテリ２０のＣＡＡがＩ
_Ｍａｘの下まで低下し、点Ｉ_ＣがＣＡＡに追随する。過
充電の３つの短い期間中、バッテリ２０に送出された電
流は、そのときのＣＡＡと、アンペア時を単位とするバ
ッテリ容量の５分の１から２０分の１までのアンペア数
の和に等しくなる（バッテリ容量の時間成分は、この計
算では無視すべきである）。第１、第２、および第３の
過充電期間中に送出される全電流を、それぞれＩ_Ｄ１、
Ｉ_Ｄ２、およびＩ_Ｄ３と表す。

【００７８】これらの過充電パルスは、充電器電流Ｉ_Ｃ
がＩ_ｍａｘになるので再充電のランプアップ・モード中
バッテリに供給されない。しかし、再充電中のこの点で
は、過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３がステップ７３
２、７３４、および７３６でそれぞれ使用可能になる。
ランプアップ・モードが終了した後、これらの過充電
は、ステップ７２０でバッテリ２０に対し連続的に実施
される。

【００７９】この方法によって実施される過充電の量
は、最小限に抑えられる。典型的な場合、それは戻って
きた全電荷の１％程度であり、標準的な方法で必要とさ
れる１０〜２０％の過充電よりも著しく低いものであ
る。実施される過充電全体は、戻ってきた全電荷の５％
を超えるべきではない。過充電の実施に必要とされる時
間は、何時間から何分にまで短縮される。

【００８０】図１２を参照すると、非層化手順７００は
ステップ７０２で、バッテリ２０がバッテリ充電器１０
に接続されているかどうかを照会する。バッテリ２０が
バッテリ充電器１０に接続されていない場合、ステップ
７０２は「ノー」という答を送り返し、非層化手順はス
テップ７０４に進んで過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およびＤ
３を使用不可能にする。次いで非層化手順７００は、ス
テップ７０６で充電制御プログラムに戻る。

【００８１】非層化手順７００がステップ７０２でイエ
スという答を送り返した場合、この手順は次にステップ
７０８に進んでバッテリ・パラメータをチェックする。
次いで手順７００は、ステップ７１０で、バッテリ２０
の充電ステータスをチェックする。ステップ７１２で
は、非層化手順７００は、充電器１０がランプアップ・
モードにあるかどうかを照会する。充電器１０がランプ
アップ・モードにある場合、この非層化手順は次にステ
ップ７２４に進む。このステップでは、充電電流が決定
される。次いでステップ７２６は、充電電流が第１の過
充電電流Ｉ_Ｄ１を上回るかどうかについて照会する。充
電電流Ｉ_ＣがＩ_Ｄ１よりも大きい場合、非層化手順は次
にステップ７３２に進み、Ｄ１が使用可能になる。充電
電流Ｉ_ＣがＩ_Ｄ１以下の場合、非層化手順７００はステ
ップ７２８に進む。ステップ７２８では、手順７００
が、充電電流Ｉ_Ｃが第２の過充電電流Ｉ_Ｄ２より大きい
かどうかチェックする。ステップ７２８がイエスという
答を送り返した場合、非層化手順７００はステップ７３
４に進み、過充電パルス命令Ｄ２を使用可能にする。充
電電流Ｉ_Ｃが過充電パルスＩ_Ｄ２以下の場合、非層化手
順７００はステップ７３０に進む。ステップ７３０で
は、充電電流が第３の過充電パルスＩ_Ｄ３を上回る場合
にイエスという答を送り返し、そうでない場合はノーと
いう答を送り返す。Ｉ_ＣがＩ_Ｄ３より大きい場合、非層
化手順７００はステップ７３６に進み、過充電命令Ｄ３
を使用可能にする。次いで非層化手順はステップ７３８
で、充電制御プログラム１０２に戻る。

【００８２】ステップ７１２に戻って参照すると、バッ
テリ充電器がこの時点でランプアップ・モードにない場
合は、非層化手順７００がステップ７１４に進む。手順
７００の特定の実行中、ステップ７１４を始めて通過す
るときに、カウンタｉを１に等しくなるよう設定する。
非層化手順７００は、次にステップ７１６に進み、ｉ番
目の過充電命令Ｄ_ｉを使用可能にする。非層化パルスＤ
_１、Ｄ_２、およびＤ_３の全ては、Ｉ_ｍａｘが過充電パル
スＩ_Ｄ１、Ｉ_Ｄ２、およびＩ_Ｄ３のそれぞれよりも大き
いならば、最初に使用可能にされる。しかし各過充電が
行われた後に、ステップ７２２でその過充電に関する特
定の過充電命令が使用不可能にされる。初めての実行で
Ｄ_１が使用可能になったとすると、非層化手順７００は
次にステップ７１８に進み、充電電流Ｉ_Ｃが過充電パル
スＩ_Ｄ１未満かどうか照会される。ステップ７１８がノ
ーという答を送り返した場合、非層化手順はステップ７
３８で呼出し手順に戻る。ステップ７１８がイエスとい
う答を送り返した場合、非層化手順７００は次にステッ
プ７１９に進む。ステップ７１９では、過充電電流を得
るために充電電流に加えられる過充電増分ΔＩは、基準
温度に対するバッテリの温度、バッテリのＳＯＣ、およ
びバッテリごとに異なる経験的定数に基づき調節され
る。具体的には、デフォルト過充電増分ΔＩ_０は、Ｉ
_Ｄ１をＣＡＡよりも所望の量だけ上昇させるのに十分な
充電増分となるよう最初に設定される。次いで実際の過
充電増分ΔＩを、示される式を使用してデフォルト過充
電増分ΔＩ _０から計算する。この式では、必要とされる
過充電の量がバッテリの温度によって変化するので、基
準温度Ｔ_０が実際のＴから差し引かれる。同様に、必要
とされる過充電の量は、バッテリのＳＯＣに応じて変化
する。好ましい実施形態では、基準温度Ｔ_０が摂氏２５
度であり、経験的定数ａ、ｂ、およびｃは以下のように
変化する（−１０≦ａ≦１０、−０．１≦ｂ≦０．１、
０≦ｃ≦１）。ステップ７１９の後、非層化手順７００
はステップ７２０に進む。ステップ７２０では、過充電
パルスＩ_Ｄ１がバッテリ２０に送出される。次いでステ
ップ７２２で、過充電命令Ｄ_１を使用不可能にする。ス
テップ７２２の後、非層化手順７００はステップ７３８
で呼出し手順に戻る。

【００８３】次に非層化手順７００が図２の充電方法の
ステップ１３７によって呼び出されると、第１の過充電
命令Ｄ_１が使用不可能にされる。このため、手順７００
がステップ７１６に達し、ｉがステップ７１４で１に等
しくなるよう設定されると、Ｄ_１は前もって使用不可能
にされているので、ステップ７１６は、「ノー」という
答を送り返す。手順７００はステップ７１４に戻り、そ
こでｉが２に等しくなるように設定され、次いでステッ
プ７１６は、Ｄ_２がまだ使用不可能にされていないの
で、「イエス」という答を送り返す。同様に、Ｄ_１およ
びＤ_２が使用不可能にされた後、手順７００はステップ
７１４および７１６に２回ループ・バックして、その
後、ステップ７１８に進んでＩ_ＣがＩ_Ｄ３よりも大きい
かどうか照会する。ステップ７１８がイエスという答を
送り返した場合、過充電増分ΔＩはステップ７１９で決
定され、過充電命令Ｄ３はステップ７２０で実行され、
次いでステップ７２２で使用不可能にされ、その後、手
順７００はステップ１３８で充電制御プログラム１０２
に戻る。この時点で、バッテリの再充電に関する非層化
機能が終了する。

【００８４】本発明は、その精神または本質的な特徴か
ら逸脱することなく、その他の特定の形に具体化するこ
とができる。特に、非層化機能を、特定の急速再充電方
法について述べてきたが、非層化機能をその他の急速再
充電方法と有利に組み合わせることができることが、当
業者に理解されよう。さらに、記述された過充電方法
は、ある時間間隔で過充電電流を供給するために充電電
流を遮断することを含むが、充電中に過充電電流を連続
的に供給できることも当業者に理解されよう。したがっ
て、現在論じられている実施形態は、例示的なものであ
りそれに制限されないものとみなされ、本発明の範囲
は、前述の記述ではなく上述の特許請求の範囲によって
示され、したがって請求項の意味および柔軟性の範囲に
包含される全ての変更例が、その請求項に含まれるもの
とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による充電電流を調整するための方法
を、ブロック図の形で示す図である。

【図２】本発明による充電方法を示すフローチャートで
ある。

【図３】図２の充電方法に関するランプアップ機能を示
すフローチャートである。

【図４】図２の充電方法に関する高電流制御方法を示す
フローチャートである。

【図５】図２の充電方法に関する電流調整方法を示すフ
ローチャートである。

【図６】本発明による充電受入れ能力を決定するための
方法ステップを示すフローチャートである。

【図７】オーム抵抗電圧降下と、電解質集中境界層を通
ってイオンが移動することにより生じた電圧降下との関
係を示すグラフである。

【図８】バッテリの第１のクラスの電圧プロフィル特性
を示すグラフである。

【図９】バッテリの第２のクラスの電圧プロフィル特性
を示すグラフである。

【図１０】端子電圧プロフィルに基づく充電電流の制御
を示すグラフである。

【図１１】本発明による充電プロセスに適するバッテリ
充電器を示すブロック図である。

【図１２】図２の充電方法の非層化機能を示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１２制御器１４ユーザ・インターフェースおよび電源制御パネル１６プログラマブル電源２０バッテリ２２デジタル／アナログ変換器２６充電電流センサ２８バッテリ電圧センサ３０バッテリ圧力センサ３２バッテリ温度センサ３８ＬＥＤステータス・インジケータ４０音声インジケータ４２バッテリ電解質レベル・センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバートフィールドカナダエル６エッチ５エッチ３オンタリオ，オアクヴィレ，カラガンクレッセント 393 (72)発明者ロバートジー．ピッケリングカナダエル７ジェイ２エル７オンタリオ，アクトン，シックススラインナサッガウェイヤ 11201 Ｆターム(参考） 5H030 BB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】再充電可能な鉛酸バッテリを充電するた
めの装置において、バッテリを充電するための充電電流と、過充電電流をも
たらすために充電電流に加えられる過充電電流増分とを
発生させる発生器手段と、前記発生器手段を制御する制御器手段であって、（ａ）再充電中に再充電可能な鉛酸バッテリの充電受入
れ能力と充電状態の少なくとも１つを決定するための帰
還手段と、（ｂ）バッテリの充電受入れ能力を上回る過充電電流を
決定するための過充電命令手段と、（ｃ）充電電流および過充電電流増分が供給されるよう
に発生器を制御するための電流制御手段であって充電中
にバッテリに過充電電流が送出されるように動作可能な
電流制御手段とを含む制御器手段とを含む装置。
【請求項２】過充電命令手段が、過充電の所要時間と
過充電を行う時を決定するよう動作可能であり、電流制御手段が、過充電を行う時にその過充電の所要時
間だけバッテリに過充電電流が送出されるよう動作可能
である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】過充電を行う時が、鉛酸バッテリの充電
状態が６０％に達した後になるように決定される、請求
項２に記載の装置。
【請求項４】過充電の所要時間が２分の１分から５分
の間であり、過充電電流が、バッテリ容量の５分の１未
満でありかつバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ
鉛酸バッテリの充電受入れ能力を上回る、請求項２に記
載の装置。
【請求項５】過充電命令手段が、過充電を行う複数の
時と、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流
と、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時
間とを決定し、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間
が、２分の１分から５分の間であり、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流が、過
充電を行う時に、バッテリ容量の５分の１未満でありか
つバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ鉛酸バッテ
リの充電受入れ能力を上回る、請求項２に記載の装置。
【請求項６】過充電を行う複数の時が、バッテリの充
電状態が少なくとも６０％になった後であってバッテリ
の充電状態が１００％になる前である、請求項５に記載
の装置。
【請求項７】過充電を行うそれぞれの時に関連する過
充電所要時間が経過した後、発生器手段が、充電電流が
元に戻る前に関連する電圧安定化間隔にわたって関連す
る電圧安定化電流がバッテリに供給されるよう動作可能
であり、過充電を行うそれぞれの時に関連する電圧安定
化電流がバッテリ容量の１０分の１未満である、請求項
６に記載の装置。
【請求項８】過充電を行うそれぞれの時に関連する電
圧安定化間隔が少なくとも５秒である請求項７に記載の
装置。
【請求項９】バッテリの充電中に送出される過充電全
体が、再充電中にバッテリに提供される充電全体の５％
未満である、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】バッテリの内部温度を決定するための
温度感知手段をさらに含み、過充電命令手段が、バッテ
リの内部温度に応じて過充電電流を調節するよう動作可
能である、請求項６に記載の装置。
【請求項１１】再充電可能な鉛酸バッテリを再充電す
る方法であって、（ａ）バッテリを充電するための充電電流を発生させる
ステップと、（ｂ）充電電流をバッテリに供給するステップと、（ｃ）再充電可能な鉛酸バッテリの充電受入れ能力と充
電状態の少なくとも１つを決定するステップと、（ｄ）バッテリの充電受入れ能力を上回る過充電電流を
決定するステップと、（ｅ）過充電電流を得るために充電電流に加えられる過
充電電流増分を決定するステップと、（ｆ）ステップ（ｂ）の間、過充電電流増分をバッテリ
に供給し、電流制御手段が、充電中に過充電電流をバッ
テリに送出するよう動作可能であるステップとを含む方
法。
【請求項１２】過充電の所要時間および過充電を行う
時を決定し、過充電電流が、過充電を行う時に過充電の所要時間だけ
バッテリに供給される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】過充電を行う時が、鉛酸バッテリの充
電状態が５０％に達した後である、請求項１２に記載の
方法。
【請求項１４】過充電の所要時間が２分の１分から５
分の間であり、過充電電流が、バッテリ容量の５分の１
未満でありかつバッテリ容量の２０分の１を超えた量だ
け鉛酸バッテリの充電受入れ能力を上回る、請求項１２
に記載の方法。
【請求項１５】過充電を行う複数の時と、過充電を行
うそれぞれの時に関連する過充電電流と、過充電を行う
それぞれの時に関連する過充電所要時間とを決定し、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間
が、２分の１分から５分の間であり、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流が、過
充電を行う時に、バッテリ容量の５分の１未満でありか
つバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ鉛酸バッテ
リの充電受入れ能力を上回る、請求項１２に記載の方
法。
【請求項１６】過充電を行う複数の時が、バッテリの
充電状態が少なくとも６０％になった後であってバッテ
リの充電状態が１００％になる前である、請求項１５に
記載の方法。
【請求項１７】過充電を行うそれぞれの時に関連する
過充電所要時間が経過した後、関連する電圧安定化電流
が、充電電流が元に戻る前に関連する電圧安定化間隔に
わたってバッテリに送出され、過充電を行うそれぞれの
時に関連する電圧安定化電流がバッテリ容量の１０分の
１未満である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】過充電を行うそれぞれの時に関連する
電圧安定化間隔が少なくとも５秒である請求項１７に記
載の方法。
【請求項１９】バッテリの充電中に送出される過充電
全体が、再充電中にバッテリにもたらされる充電全体の
５％未満である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】バッテリの内部温度を決定すること、
およびバッテリの内部温度に応じて過充電電流を調節す
ることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。