JP2004527998A - 非液状電解質を伴う再充電可能バッテリを充電する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は例えばゲル状電解質を除く非液状電解質を有するとともに内部共振周波数を有している再充電可能バッテリを充電する方法に関する。充電工程中において、充電電流がバッテリに印加される。本発明はさらに非液状電解質を有するバッテリの充電方法を実行するための回路構成に関し、電源が電流測定装置を介してバッテリ端子に接続される。
【背景技術】
【0002】
数種の方法がバッテリの急速充電方法として知られており、充電電流が周期的に中断され、また充電の休止中短い放電または負荷が充電されるべきバッテリに付加される。これらの方法の目的は充電の持続時間をできる限り短縮し、貯蔵セルの適切な維持と形成によってバッテリの寿命を長くすることである。
【0003】
バッテリの電荷貯蔵容量はAh、アンペア時によって規定される。この値から、C5の値が時間=アンペア時/時によって容量を割り算することによって導出され、従ってC5は電流ディメンジョンを有することになる。バッテリの充電電流はC5に比例して決定される。例えば、55Ah容量を有するバッテリについては、C5=55Aである。バッテリの適切な充電電流はC5に比例して与えられ、例えば0.1・C5のように、従ってこの場合5.5Aである。以後の説明において、この規定に基づいて用語C5を使用する。
【0004】
米国特許第5,600,226号の明細書に、バッテリの制御及び成端方法が開示されている。この方法の工程において、電圧はバッテリの端子で周期的に測定され、前回のこのような測定の結果と比較され、これら二つの測定結果の差異に基づいてバッテリの充電状態レベルが決定される。この公知の解決法によれば、充電は周期的に中断され、また充電の休止中、測定は短い放電パルス後に実行される。最初の段階で充電は最終充電率よりも低く、この最終率の約20%で実行され、従って充電パルス幅が広くなることによって充電率が最終充電率まで高められる。この方法はバッテリが完全充電に達する時点で充電方法を全て終了する前に開発されてきた。バッテリの急速充電も達成される。
【0005】
同様の急速充電法が国際特許願第WO00/76050A1号に開示されているが、その解決法において二つの連続する放電パルスが充電インターバル毎に印加される。二つの連続する放電パルスのそれぞれの後に、測定が実行され再充電バッテリの状態に関するより正確なデータが収集される。
【0006】
本発明の目的は再充電可能バッテリを公知の方法よりも高速で充電が達成できる方法及び装置を提供することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
充電時間の短縮がバッテリ内部の充電電流に起因する化学的変換を遅延することによって制限されることは周知である。再充電可能バッテリのセル内において化学的変換の率を高くすることができれば、充電時間を短縮することができる。従って、本発明の目的はこのような充電方法を提供することであって、再充電可能バッテリのセル内の分子移動を加速するとともに、この方法により化学的変換に要する時間とバッテリを完全充電するのに要する時間を短縮することができる。
【0008】
再充電可能バッテリに印加され、これに要するパルス状充電電流の強度は充電パルスの周波数の関数であり、すなわち、再充電可能バッテリのインピーダンスが周波数に伴って変化することが理解される。充電パルス周波数を変えることによって、ピーク充電電流対バッテリの周波数が分かる。ピーク電流周波数はバッテリ毎に異なり、またその充電状態に左右される。本発明に基づく方法及びこの方法を実行する装置はこの認識に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
これまでに説明した本発明の目的は本発明に基づく方法によって達成され、その方法において充電工程が電流パルスで実行される少なくとも一つの充電インターバルを含んでおり、前記電流パルスの周波数が充電されるべき再充電可能バッテリの内部共振周波数に本質的に同じである。周期電流パルスのデューティファクタが1:10と10:1の間にあり、前記電流パルスのピーク電流が1・C5と7・C5の範囲にある。周期電流パルスのインターバルの持続時間が200msと1500msの間の範囲にあり、周期電流パルスの周波数が100Hzと10000Hzの範囲内にある。
【0010】
この方法の利点は再充電可能バッテリの共振周波数におけるパルスで充電がなされたときに、多様な通常の充電電流が相当な熱消散とバッテリを損傷することなしに印加することができ、一方で集中的な内部分子移動がセル内で達成され、結果的に化学変換とバッテリの充電が相当加速されることになるという事実からなる。
【0011】
本発明に基づく方法の好ましい実施形態によれば、充電が周期電流パルスからなる充電インターバルに続いて、連続する充電電流からなるインターバルで実行される充電の持続時間が200msと1500msの間の範囲にあり、周期電流パルスをう充電インターバルが再度印加される。前記連続充電電流からなるインターバルが1・C5と7・C5の電流強度範囲内で実行される。
【0012】
この実施形態の利点は電流パルスによる充電工程中、バッテリが集中的充電を許容するように実質上準備され、これによって集中的充電が連続充電電流で適用できることである。
【0013】
本発明に基づく方法のさらなる好ましい実施形態において、連続電流を伴う充電インターバルと周期的電流パルスを伴う次の充電インターバルとの間に第1緩和インターバルが挿入され、ここでは充電電流が再充電可能バッテリに印加されない。第1緩和インターバルの持続時間は1500ms以下である。
【0014】
この別の実施形態の利点は第1緩和インターバル中、化学的変換がさらに高められ、これによって周期的電流パルスによる次の充電がセル内の分子移動を再度効果的に達成させることである。
【0015】
第1緩和インターバル内で、第1放電インターバルが印加されるが、この持続時間は50ms以下である。この放電インターバルが再充電可能バッテリの充電能力に有利に影響する。
【0016】
さらに好ましい実施形態によれば、周期的電流パルスからなる充電インターバルと連続電流からなる続いて印加されるインターバルとの間に第2緩和インターバルが挿入され、ここでは充電電流が再充電可能バッテリに印加されない。第2緩和インターバルの持続時間は1500ms以下である。第2緩和周期内で、第2放電インターバルが印加され、その持続時間は50ms以下である。
【0017】
本発明に基づく方法を実行する装置において、充電されるべきバッテリは内部共振周波数を有するとともに電流測定装置を介して電源が再充電可能バッテリの端子に接続されている。本発明によれば、電流測定装置に付加してバッテリ端子の一つと電源間に制御電流発生器が挿入され、その制御入力に制御信号が制御回路によって印加され、電流発生器を介して再充電可能バッテリの端子に印加される充電電流の強度が前記制御信号によって制御される。
【0018】
本発明による装置の好ましい実施形態によれば、制御回路が再充電可能バッテリの内部共振周波数に対応する周波数を有する方形パルスを提供し、前記方形パルスが制御電流発生器の制御入力に印加され、前記電流発生器が方形パルス・スペース中、充電電流を中断し、またパルス中電流発生器を介して流れる充電電流を1・C5と7・C5の間の値に制御する。充電されるべきバッテリの内部共振周波数に対応する周波数を有する方形パルスのデューティファクタが1:10と10:1の範囲である。
【0019】
他の好ましい実施形態によれば、電流測定装置の出力が制御ユニットに接続され、電流測定装置によって提供されたフィードバック信号を基準にして制御ユニットが電流発生器による充電電流の強度を制御する。
【0020】
電流測定装置がホール発生器によって、または抵抗器による簡単に実行され、その出力信号が抵抗器の両端に出現する。
【0021】
本発明による放電インターバルを実行するために、充電されるべき再充電可能バッテリの端子と並列に少なくとも一つの放電回路が接続され、この放電回路が抵抗器と制御スイッチの直列構成からなる。従って、前記被制御スイッチの制御入力に、放電インターバルに対応してパルスを導出する制御ユニットの出力が接続される。
【0022】
制御スイッチは公知の高速操作で、好ましくは半導体装置例えばFETによって実行される。
【0023】
本発明による方法を適用する再充電可能バッテリの充電はその完全充電状態まで続行される。充電状態の状況、感知、表示は本発明の目的ではなく、この目的としては数種の他の解決法が周知である。
【0024】
本発明による方法だけでなくこの方法を実行するための装置について以下に詳細に説明し、また典型的な実施形態を添付図面に示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明による最初の最も簡単で可能な好ましい方法を図1に示すことができる。グラフの水平軸上に時間t、垂直軸上に再充電可能バッテリの端子に印加される電流Iを描く。充電電流は充電されるべきバッテリの端子に充電回路を介して電源によって印加される。この電源はAC電力線電圧に接続された整流器であるが、高電圧を伴うバッテリまたは同様のものも使用することができる。この実施形態によれば、異なる充電インターバル、すなわち、連続充電電流を伴う充電インターバルであるインターバルeに続くパルス状充電インターバルであるインターバルaが充電電流に挿入される。
【0026】
インターバルaは充電電流パルスを構成する充電インターバルである。パルス・シリーズの周波数は再充電可能バッテリの内部共振周波数と実質上同じである。この共振周波数は実際には100と10000Hzの範囲にあるが、これより高い共振周波数を伴う再充電可能バッテリも知られている。パルスのデューティファクタ、すなわち、信号/ポーズ比は1:10から10:1の範囲内で選択することができる。インターバルaの持続時間は200msと1500msの範囲内が好ましい。この範囲内で、より正確な持続時間が再充電可能バッテリのタイプに従って経験的に決定される。
【0027】
インターバルaにおいて、Ip電流パルスの強度が1・C5と7・C5の範囲内で好都合であり、その値はそれぞれの再充電可能バッテリのタイプに従って経験的に決定される。
【0028】
インターバルaにおいて、再充電可能バッテリは比較的小さい電荷を吸収し、このインターバルのパルス・シリーズが電荷を吸収するための再充電可能バッテリのセルを実質的に準備する。インターバルaはインターバルeに追従され、その持続時間は200msと1500msの間であるのが好ましく、このインターバルの最適持続時間も再充電可能バッテリのタイプに従って経験的に決定される。インターバルe内で充電電流パルスIcの値は一定であり、またその値は1・C5と7・C5の範囲内で好都合である。
【0029】
インターバルaの持続時間及びインターバルeの持続時間だけでなくインターバルa内の最適電流パルスIp、インターバルe内の充電電流Icは一定であると考えることができる。これらの値は任意のタイプ再充電可能バッテリで変わることはない。
【0030】
図1から分かるように、上述したインターバルa及びインターバルeからなる部分が反復される。すなわち、インターバルeの後に、再びインターバルaが続き、次にインターバルeが続いている。この工程は再充電可能バッテリの充電が完全に達成されるまで、周期的に反復することができる。
【0031】
図2において、再充電可能バッテリの充電方法を示すバリエーションで、ここではインターバルa及びインターバルeからなる周期の後に緩和インターバルp1が続いている。p1中は充電電流は印加されない。この緩和インターバルp1中、再充電可能バッテリの内部化学変換がより効果的な充電アップテークを増進する。緩和インターバルp1の持続時間は実質的に非常に短く、好ましくは1500msであり、このインターバルの最適持続時間も再充電可能バッテリのタイプに従って経験的に決定する必要がある。緩和インターバルp1に続いて、周期電流パルスシリーズからなるインターバルaが再度続いている。インターバルa、e及びp1のシーケンスが周期的に反復される。この工程は再充電可能バッテリの充電が完全に達成されるまで反復することがでる。
【0032】
再充電可能バッテリの充電テークアップ容量は増大させることができ、緩和インターバルp1の持続時間中、短い放電インターバルgが挿入され、この持続時間はせいぜい50msである。この放電インターバルgはインターバルeの後せいぜい700ms遅れて印加される。放電は制限された−Id1電流で実行され、その強度はせいぜい7・C5である。
【0033】
図3において、本発明による方法のさらなる好ましい実施形態を示す。この方法は図2に示した方法とは異なり、電流パルス・シリーズからなるインターバルaと連続充電電流インターバルeとの間に第2緩和インターバルp2が挿入されている。緩和インターバルp2の持続時間は前記緩和インターバルp1と同じくらい任意に短くすることができるが、その持続時間は必ずしも同じでなくてもよい。緩和インターバルp2の最大持続時間も1500msである。第2緩和インターバルp2内に第2放電インターバルcが挿入される。その持続時間はせいぜい50msである。この放電インターバルcが電流パルスシリーズからなるインターバルaの後せいぜい700ms遅れて印加される。この放電は制限された−Id2電流で実行され、その強度はせいぜい7・C5である。
【0034】
前述した例に関して説明した方法は再充電可能バッテリの完全充電時間を必ずしも適用しなくてもよい。再充電可能バッテリの連続充電電流が電流パルス・シリーズからなるインターバルaによるか、またはそれぞれ図1から3に示したインターバルaからhすなわちp1、p2によって中断されたとしても充電時間は効果的に短縮することができる。
【0035】
再充電可能バッテリが完全にあるいはかなり放電しておれば、連続充電はこのような場合に充電工程の初期において望ましいことである。このようなバッテリでは、ほとんど共振現象はない。このような場合において、再充電可能バッテリは少なくともこのような充電レベルまで連続充電によって充電され、ここで再充電可能バッテリの内部共振が検出でき、またこのレベルから図1から3に示した方法を効果的に適用することができる。しかし、連続使用中の再充電可能バッテリは通常このような深いレベルまで放電されることはない。
【0036】
本発明による方法を実行する本発明によるバッテリ充電装置の回路図を図4に示す。再充電可能バッテリ1に印加される充電電流は電源2または高電圧を伴う他の再充電可能バッテリ、あるいは制御電流発生器3を介する同様のものによって印加される。電流発生器3と再充電可能バッテリ1間に電流測定装置4が挿入される。再充電可能バッテリ1の両端子間に並列に被制御付加ユニットが接続されている。このユニットは抵抗器7と被制御スイッチ6の直列構成からなり、後者は例えばFETまたはトランジスタあるいは他の高速作動被制御スイッチ要素のような半導体スイッチ装置が好ましい。被制御スイッチ6の制御入力は制御回路5の出力Icd1に接続されている。
【0037】
図1から3による方法は制御回路5、例えばプログラム可能関数発生器によって実行される。従って、制御回路5の制御入力Ivは電流発生器3の制御入力に接続される。周期電流パルス・シリーズからなる充電インターバル中、前記制御出力Ivは充電されるべき再充電可能バッテリ1の内部共振周波数と同一の周波数を有する方形パルスを提供し、その振幅はパルスIpの強度に比例する。この方形パルスはパルス中電流発生器3をオープンし、電流パルスIpを再充電可能バッテリ1に印加する。方形パルスの振幅は電流測定ユニット4を介して印加される充電電流パルスIpに比例する。
【0038】
図4に示した本発明の好ましい実施形態によれば、再充電可能バッテリ1の正端子が制御ユニット5の電圧測定入力Umに接続されている。電流測定装置4の出力は制御回路5の電流測定入力Imに接続されている。
【0039】
電流測定装置4は公知のホール発生器のような公知の電流計とすることができるが、図4に概略的に示したその両端に現れる電圧が再充電可能バッテリ1に流れる充電電流に比例する簡単な抵抗器も利用できる。さらに他の公知の電流測定要素がこの目的で利用できる。例として示すとともに図4に描写した電流測定抵抗器に印加される電圧は電圧測定入力Um及び制御ユニット5の電流測定入力Imである。この電圧によって制御ユニット5が制御出力Ivに現れる方形パルスの振幅を制御する。
【0040】
制御出力Ivに現れる方形パルスの周波数は制御ユニットの関数発生器上に設定することができ、もしバッテリ充電器が再充電可能バッテリの任意のタイプに利用されると、決められた周波数に設定される。経験によれば、方形パルスのデューティファクタは1:10と10:1の範囲内で変化することになり、これは再充電可能バッテリのタイプに従って経験的により正確に決定することができる。
【0041】
制御ユニット5の関数発生器は、図3に示した緩和インターバルp1または緩和インターバルp2だけでなく同様の方法でインターバルeを提供する。インターバルeの間、出力Ivで連続信号が現われる一方で緩和インターバルp1及びp2の間、休止状態にある電流発生器3はまったく充電電流を送り出さない。
【0042】
本発明による方法にある間、緩和インターバルp1及びp2中、任意に適用可能な放電インターバルc及びgが抵抗器7及び被制御スイッチ6からなる直列放電回路ないし負荷回路によってそれぞれ実行される。この目的のために、制御ユニット5が出力Icd1を介してパルスを好ましくは上述した関数発生器によって生成された被制御スイッチ6の制御入力に供給される。前記パルスの持続時間はインターバルc及びgの持続時間にそれぞれ対応している。前記パルスの結果、スイッチ6が閉され、また抵抗器7によって決定された放電電流及びバッテリ1の電圧がパルスの持続時間に再充電可能バッテリ1に印加される。
【0043】
緩和インターバルp1及びp2にある場合において、インターバルc及びg中の−Id1及び−Id2放電電流は異なり、被制御スイッチ6’及び抵抗器7’からなるさらなる負荷回路が再充電可能バッテリ1の端子に並列に接続される。被制御スイッチ6’の入力が制御ユニット5の出力Icd2に接続される。負荷回路は二つの異なる抵抗器7及び7’からなり異なる放電電流−Id1及び−Id2を再充電可能バッテリ1に供給する。
【0044】
制御ユニット5は充電に先立って試験が再充電可能バッテリ1に対して実行できるような方法で完成できる。この試験結果は記憶でき、また充電工程は記憶データに基づいて実行することができる。例えば、最初の試験周期において、制御ユニット5の関数発生器が100Hzと10000Hz間の連続して変動する動揺周波数を有する方形パルスを提供し、その振幅は充電中に使用される方形パルスの振幅よりも相当低く、例えば0.1・C5の値を有している。この理由のために、図4に示すように電源2と電流測定装置4間に被制御スイッチ8と抵抗器9の直列構成が挿入されている。被制御スイッチ8の制御入力は制御ユニット5の出力Itに接続されている。
【0045】
試験操作の目的で、低い測定電流パルス・シリーズを印加させなければならず、周波数が変化したときに例えそれが共振周波数であっても再充電可能バッテリに印加される測定充電電流が飽和電流に達しない。この電流は抵抗器9によって設定することができる。
【0046】
電圧測定入力Umと電流測定入力Im間に現われる電流測定装置4によって測定される動揺周波数を有する試験充電電流に比例する電圧は方形パルスの瞬時周波数における再充電可能被試験バッテリの内部抵抗に比例する。この測定充電電流パルス・シリーズは再充電可能被試験バッテリの共振周波数であるパルス周波数の関数としてピーク値を有している。
【0047】
もちろん、電流発生器3、スイッチ8及び抵抗器9は単一回路としても一体化することができ、この場合再充電可能バッテリの試験工程及び充電工程両者を実行することができる。
【0048】
本発明による方法はリチウム−イオン、NiCd、NiMH及びゲル電解質(SLA)を伴う鉛蓄電池のような非液状電解質を有する再充電可能バッテリの充電に使用することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1】本発明の最も簡単な方法による時間の関数として充電電流を描いたグラフである。
【図2】本発明の第2の好ましい方法による時間の関数として充電電流を描いたグラフである。
【図3】本発明の第3の好ましい方法による時間の関数として充電電流を描いたグラフである。
【図4】本発明による方法を実行するための装置の概略回路図である。
Claims (22)
- 非液状電解質を伴い内部共振周波数を有するとともに充電中充電電流が電源によって供給される再充電可能バッテリの端子に印加される再充電可能バッテリを充電する方法であって、充電工程が電流パルス(Ip)で実行される少なくとも一つの充電インターバル(a)を含んでおり、前記電流パルスの周波数が充電されるべき再充電可能バッテリ(1)の内部共振周波数と本質的に等しいことを特徴とする非液状電解質を伴う再充電可能バッテリを充電する方法。
- 周期電流パルス(Ip)のデューティファクタが1:10と10:1の間であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電流パルス(Ip)のピーク電流が1・C5と7・C5の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 周期電流パルス(Ip)のインターバル(a)の持続時間が200msと1500msの間の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 周期電流パルス(Ip)の周波数が100Hzと10000Hzの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 周期電流パルス(Ip)からなる充電インターバル(a)に続いて、連続する充電電流(Ic)からなるインターバル(e)で実行される充電の持続時間が200msと1500msの間の範囲にあり、周期電流パルス(Ip)伴う充電インターバル(a)が再度印加されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記連続充電電流(Ic)からなるインターバル(e)が1・C5と7・C5の電流強度範囲内で実行されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 連続電流(Ic)を伴う充電インターバル(e)と周期電流パルス(Ip)を伴う次の充電インターバル(a)との間に第1緩和インターバル(p1)が挿入され、このインターバルで充電電流が再充電可能バッテリに印加されないことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 第1緩和インターバル(p1)の持続時間が1500ms以下であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 第1緩和インターバル(p1)内で第1放電インターバル(g)が適用され、その持続時間が50ms以下であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 周期電流パルス(Ip)からなる充電インターバル(a)と続いて適用される連続電流(Ic)からなるインターバル(e)との間に第2緩和インターバル(p2)が挿入され、このインターバルで充電電流が再充電可能バッテリに印加されないことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 第2緩和インターバル(p2)の持続時間が1500ms以下であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 第2緩和インターバル(p2)内で第2放電インターバル(c)が適用され、その持続時間が50ms以下であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 非液状電解質を伴い充電されるべき再充電可能バッテリ(1)が内部共振周波数を有するとともに電流測定装置(4)を介して電源(2)が再充電可能バッテリ(1)の端子に接続されている再充電可能バッテリを充電する装置であって、電流測定装置(4)に付加してバッテリ(1)端子の一つと電源(2)間に被制御電流発生器(3)が挿入され、その制御入力に制御信号が制御ユニット(5)によって印加され、電流発生器(3)を介して再充電可能バッテリ(1)の端子に印加される充電電流の強度が前記制御信号によって制御されることを特徴とする非液状電解質を伴う再充電可能バッテリを充電する装置。
- 制御回路(5)が再充電可能バッテリ(1)の内部共振周波数に対応する周波数を有する方形パルスを提供し、前記方形パルスが制御電流発生器(3)の制御入力に印加され、前記電流発生器(3)が方形パルス・スペース中、充電電流を中断し、またパルス中電流発生器(3)を介して流れる充電電流を1・C5と7・C5の間の値に制御することを特徴とする非液状電解質を伴う再充電可能バッテリ(1)を充電することを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 充電されるべきバッテリ(1)の内部共振周波数に対応する周波数を有する方形パルスのデューティファクタが1:10と10:1の間にあることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 電流測定装置(4)の出力が制御ユニット(5)に接続され、電流測定装置(4)によって提供されたフィードバック信号を基準にして制御ユニット(5)が電流発生器(3)による充電電流の強度を制御する請求項15に記載の装置。
- 電流測定装置(4)がホール発生器によって実行されることを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 電流測定装置(4)が抵抗器によって実行され、その出力信号が抵抗器の両端に出現することを特徴とする請求項17に記載の装置。
- 充電されるべき再充電可能バッテリ(1)の端子と並列に少なくとも一つの放電回路が接続され、この放電回路が抵抗器(7、7’)と被制御スイッチ(6、6’)の直列構成からなることを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記制御スイッチ(6)の制御入力に対して、放電インターバル(c,g)に対応してパルス(−id1,−id2)を導出する制御ユニット(5)の制御出力が接続されていることを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 制御スイッチ(6)がFETによって実行されることを特徴とする請求項20に記載の装置。
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