JP2009525022A - スーパーウェーブを用いたバッテリ充電 - Google Patents

Abstract

【解決手段】振幅及び周波数で変調された電流を用いて、再充電可能なバッテリを充電する装置及び方法が開示されている。
【選択図】図１

Description

この特許出願は、２００６年１月２５日に出願された米国仮特許出願第６０/７６２,３５０号の利益を主張する。当該仮特許出願の全体は、引用を以て本明細書の一部となる。

再充電可能なバッテリが充電されて容量が満たされるのには、又は、再充電可能なバッテリがその容量近くまで充電されるのには、通常、幾らかの時間を必要とする。また、通常、幾らかのサイクルの後に、再充電可能なバッテリはもはや充電できなくなる。

入力される電流が増加すると、充電時間は、通常減少する。しかしながら、入力される電流が過剰に増加すると、又は、少なくともある閾値を超えてしまうと、通常、バッテリ寿命のサイクル数も、おまけに減少してしまう。

故に、本発明の目的は、バッテリの充電時間を低減する一方で、バッテリのライフサイクルの標準的な回数を維持、または、更に増加させることである。

本発明によれば、再充電可能なバッテリを充電する方法がもたらされる。本発明の方法は、「スーパーウェーブ」、つまり振幅及び周波数で変調された電力をバッテリに与える工程と、充電中、充電プロセスの第１特性パラメータをモニターする工程と、少なくとも第１特性パラメータを、その第１特性パラメータに対応しており、バッテリが完全に充電された状態を表すリファレンスパラメータの記録された集合と比較する工程と、その比較に基づいて、リファレンスパラメータの記録された集合の１つを選択する工程と、少なくとも第１特性パラメータが、リファレンスパラメータの記録された集合のその１つに達する、又はその１つを超えた場合に、充電プロセスを終了する工程とを含んでいる。

[スーパーウェーブ]
本発明は、バッテリの充電時間を低減する一方で、少なくとも、そのバッテリのライフサイクルの標準的な回数を十分に維持する。本発明の好ましい実施例では、バッテリは、電流(電気的な)パルスを与えることで充電されてよい。しかしながら、それらパルスの振幅と継続時間(duration)のパターンは一定ではなく、パルスの振幅、パルスの継続時間、及びパルス間の間隔は、スーパーウェーブとしてバッテリをより効率的に充電する。

このパルスパターンは、１９９４年３月/４月発行の"Ｃｙｃｌｅｓ" Ｊｏｕｒｎａｌに掲載されたＩｒｖｉｎｇ Ｉ.Ｄａｒｄｉｋの論文「Ｔｈｅ Ｇｒｅａｔ Ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｅ」にて発展した理論で説明されるスーパーウェーブの作用に基づいている。この論文は、引用を以て本明細書の一部となる。

自然界では、波の振幅成分と周波数成分の変化は、独立しておらず、互いに異なっているが、同時に同一のものであってよく、２つの異なる階層的レベルを同時に示している。波の周波数が大きくなると、同時に新しい波のパターンが生じる。全ての波は、より小さい波と変化する周波数とを組み込んでおり、ある波は、その他の波なしでは存在できない。

全ての波は、より小さい波を必然的に組み込んでよく、より大きい波に含まれてもよい。故に、振幅が大きく、周波数が低い大きな波の各々は、より周波数が高く、振幅が小さい小さな波で変調され得る。スーパーウェーブを起こすことは、お互いの中に複数の波が起こる継続的な過程であってよい。

(Ｄａｒｄｉｋの論文の図を変更した)図１は、スーパーウェーブが起こる現象を模式的に示している。図１は、例えば、低周波数の大きな波(110)が、より小さな波(120)(130)で変調される模様を示している。小さな波(120)(130)の周波数は、(大きな波(110)の周波数と比較して)かなり大きい。周波数がより高いその他の波が大きな波(110)を変調してもよいが、それらは、明確に図示されてはいない。

「ウェービングウェーブ(waving wave)」又は「スーパーウェーブ」型の信号を生成するアルゴリズムは、比較的簡単である。キャリアの振動は特別扱いされてよく、以下のように記載される。
Ｆ₀(ｔ)＝Ａ₀ｓｉｎ²(ω₀ｔ＋φ₀) (１).
このようなキャリア振動の例は、図２に示されており、ここで、Ａ₀＝１、ω₀＝１、φ₀＝０である。振幅変調を重畳した結果、キャリア振動は以下の形になる。
Ｆ₁(ｔ)＝Ａ₀ｓｉｎ²(ω₀ｔ)(１＋Ａ₁ｓｉｎ²(ω₁ｔ)) (２).

図３は、例えば、基本信号Ｆ₀(ｔ)の振幅変調を示しており、ここで、ｎ₁(＝ω₁/ω₀)＝５、Ａ₁＝１である。第２変調レベルと第３変調レベルは、同様な手順を含んでおり、以下のように記される。
Ｆ₂(ｔ)＝Ａ₀ｓｉｎ²(ω₀ｔ)(１＋Ａ₁ｓｉｎ²(ω₁ｔ)(１＋Ａ₂ｓｉｎ²(ω₂ｔ))) (３).
Ｆ₃(ｔ)＝Ａ₀ｓｉｎ²(ω₀ｔ)(１＋Ａ₁ｓｉｎ²(ω₁ｔ)(１＋Ａ₂ｓｉｎ²(ω₂ｔ)(１＋Ａ₃ｓｉｎ²(ω₃ｔ)))) (４).
変調されたこれらの信号は、例えば、図４及び図５に夫々示されている。

さらに、このような振幅変調信号は、周波数変調で変調され得る。このような場合、周波数変調のパラメータは、変調された信号の最大周波数が最大振幅のレンジと一致すると共に、変調された信号の最小周波数が最小振幅のレンジと一致するように選択され得る。周波数変調の手順は、周波数変調の手順のように何度も繰り返されて、ハイレベルの変調が構築されてもよい。

本発明の幾つかの実施例では、マルチレベルのアルゴリズムが、「スーパーウェーブ」の生成に適用されてよい。本発明の幾つかの実施例に適用され得る「スーパーウェーブ」変調された信号の典型的な形状は、例えば、図６に示されている。

「スーパーウェーブ」の作用は、以前より様々な用途に用いられてきた。これらの用途は、米国特許出願第１０/１６１,１５８号、第１０/７３８,９１０号、第１０/９１６,８４６号及び第１１/０６１,９１７号に説明されている。これらの出願は、引用を以て本明細書の一部となる。

それにもかかわらず、今日まで、「スーパーウェーブ」の作用は、バッテリ充電技術に適用されてこなかった。本発明は、スーパーウェーブ現象をバッテリの充電に応用する。さらに、本発明は、フィードバック機構を与える。このフィードバック機構によって、充電勾配(charging gradient)が、例えば、時間分の電圧又は温度(即ち、ｄＶ/ｄｔ又はｄＴ/dt)が決定されてもよい。充電勾配に基づいて、スーパーウェーブを起こす１又は複数のパラメータは、必要に応じて修正されてよい。

充電におけるスーパーウェーブは、充電効率を顕著に改善することに着目すべきである。情報フィードバックループを用いて充電効率を更に高めることで、バッテリのライフサイクルの数を減少させるさせることなく、また、さらに増加させつつ、充電時間を顕著に減少させることができる。

[バッテリ]
「スーパーウェーブ」パターンのバッテリ充電への利用は、一例として、ニッケル水素(ＮｉＭＨ)バッテリについて説明されるが、本発明は、この特別なタイプのバッテリのタイプに限定されることはない。エネルギー密度が高いことと、有毒な金属を含まなくともよいことから、ＮｉＭＨバッテリは、携帯電話、ラップトップコンピュータ及びデジタルカメラなどの様々な用途に使用されるが、これらに限定されない。一方で、このタイプのバッテリの耐用年数には、一般に限界があって、何度も繰り返して使用される場合には、特に負荷電流が高い場合に制限され、バッテリの性能は、２００から３００回使用された後に低下し始める。

様々なテストが本発明について行われた。再充電可能であって、２５００ｍＡｈの定格容量を有するＡＡタイプのＮｉＭＨ「ＧＰ」２５００バッテリが使用された。充電−放電サイクルを開始する前に、テストされるバッテリと参考用のバッテリは、一般的なバッテリスマートのラクロスＢＣ−９００チャージャーでリフレッシュされた。

「スーパーウェーブ」充電の効果を検討するために、２対のバッテリを同時にテスト可能な４チャンネルの充電−放電用ワークステーションが組み立てられた。一方の対のバッテリは、「スーパーウェーブ」変調電流で充電され、他方の対のバッテリは、直流で充電された。装置の動作と、全てのチャンネルに関するデータ収集とは、ラボビューソフトウェアを用いて行われた。本発明に基づいてバッテリを充電−放電するテストを行う実験システムの設備(10)は、例えば、図７に示されている。システム(10)は、例えば、再充電可能なバッテリ(1)と、スイッチャ(2)と、電源(3)と、熱電対(4)と、データ収集カードを備えるパーソナルコンピュータ(5)と、電子的負荷(6)とを含んでいる。

ある実施例では、テストされる２つのバッテリは、コンピュータ(5)で生成されると共に、一定電流モードで２つの電源(3)で増幅された「スーパーウェーブ」変調電流で充電された。一方で、参考用の２つのバッテリ(1)は、２チャンネルの直流電源(3)で充電された。変調電流の平均値は、直流と同じにされた。

時間当たり定格容量「Ｃ」の０.１で、バッテリが安全に充電され得ることは、一般的に認められている。例えば、２５００ｍＡｈのセルは、その内部で、ダメージを与える内部熱を起こすことなく、２５０ｍＡで充電され得る。

それ故に、「スーパーウェーブ」変調された充電電流の利点を示すために、テスト用バッテリに加えて参考用バッテリについても、増加された０.２Ｃの平均電流が与えられて、充電が促進された。バッテリの寿命を短くすることなく、バッテリの充電率(charging rate)を高くすることが、本発明の目的である。全てのバッテリの放電は、別個の４つの電子的負荷(6)を用いて、直流で行われた。テスト用バッテリと参考用バッテリは、放電時に測定された容量の低下率について比較された。ワークステーション(10)は、フィードバック機構を用いて自動的に動作し、充電は、例えば、バッテリが完全に充電されて、所定の温度に達した場合に終了した。放電は、電圧が下がって所定の限界値に達すると終了した。この特別な実験において、充電ステージと放電ステージの両方について、最大の継続時間が、予め定められた第２の制限として選択された。

各半サイクル(つまり、充電及び放電フェーズ)の後に、電流がない０.５時間の停止時間が続いた。例えば、充電及び放電電流、電圧、バッテリ充電状態(ＳＯＣ)、バッテリ内部抵抗、及び温度を含む全てのデータが、ＤＡＱシステム(5)でモニターされ、記録された。

スーパーウェーブを用いて充電して、同じ充電時間を維持することで、バッテリの性能が著しく改善することが分かった。例えば、図８に示すように、「スーパーウェーブ」変調電流で充電されたテスト用バッテリの容量低下率(曲線１)は、直流で充電された参考用バッテリの容量低下率(曲線２)よりも４倍低かった。この実施例では、例えば、平均充電電流は約５００ｍＡであり、平均放電電流は、約４００ｍＡであった。

このようにして、「スーパーウェーブ」振幅及び周波数で変調された電流で充電されたバッテリの寿命は、従来の充電方法を用いた場合と比較して、顕著に長くなる。

本発明のもう一つの特徴は、例えば、充電率のようなフィードバックパラメータに応じて調整されるパラメータに関する。バッテリ充電状態(ＳＯＣ)検出器は、急速充電に関して、様々なタイプのバッテリを、様々な速度で、フォーマット、充電及び放電するのに効果的な手段であって、この点については、例えば、Ｒｅｉｐｕｒ等による米国特許第５,６８６,８１５号、Ｄｉｎｇ等による米国特許第６,０９４,０３３号、Ｋｏｅｎｃｋによる米国特許第６,０７５,３４２号に説明されている。これら文献の各々は、引用を以て本明細書の一部となる。

検出器は、充電されるバッテリのＳＯＣを測定し、ＳＯＣの測定に基づいて最適な充電信号のプロファイルを選択してよい。充電プロセスの間、検出器は、充電信号について適切な波形を選択するために、バッテリのＳＯＣを絶えずモニターできる。充電信号は、スーパーウェーブであってよく、その振幅、パルス幅、及び/又は各充電パルスの周波数は、検出されたバッテリのＳＯＣに基づいて選択される。所定のバッテリパラメータには、特に、バッテリ端子間に亘る充電電圧ポテンシャルと、バッテリに供給される充電電流と、等価回路の容量及び抵抗と、電気化学的過充電(electrochemical overcharge)と、最大/最小バッテリ温度と、最大/最小バッテリ内部圧力とがあるが、これらに限定されない。これらのバッテリパラメータは、バッテリの充電プロセスの間、モニターされた値と比較されて、バッテリの損傷を避けるために、充電信号が制御される。検出されたバッテリのＳＯＣが１００％に達するまで、又は、充電のロジックが、充電プロセスが停止すべき旨を示すまで、充電プロセスは継続されてよい。

別の実施例では、システムは、バッテリの種類を自動的に特定すると共に、バッテリ端子電圧の増加をモニターして負荷電流のレベルを確認する一方で、充電電流を漸進的に増加させてもよい。バッテリ温度は、周囲の温度と関係づけられてもよく、適切な過電流値を適用すると共に、得られた任意の温度上昇を観測することで、バッテリの残りの充電のレベルが決定されてもよい。例えば、バッテリが比較的十分に放電していることが分かると、バッテリ温度をモニターする一方で、比較的高くて速い放電率が、安全に適用され得る。

図６に示すように、(本発明の範囲内でその他の波形が可能であって考慮されることは理解されるべきであるが)波形は、回路(図示せず)からのフィードバックに応答して入れ替えられて、例えば、連続的、半連続的、又周期的に、充電勾配が決定されてもよい。

上述した本発明の利益、及びその他の本発明の利益は、添付の図面と共に、発明を実施するための最良の形態を読むことでより適切に理解できるであろう。同様な参照符号は、同様な部分を示す。
図１は、本発明に基づくスーパーウェーブ現象の説明図である。 図２は、本発明に基づくマルチレベル変調振動のアルゴリズムを図示する。 図３は、本発明に基づくマルチレベル変調振動のアルゴリズムを図示する。 図４は、本発明に基づくマルチレベル変調振動のアルゴリズムを図示する。 図５は、本発明に基づくマルチレベル変調振動のアルゴリズムを図示する。 図６は、本発明に基づく典型的な「スーパーウェーブ」の充電パターンのチャートである。 図７は、直流と、本発明に基づいて「スーパーウェーブ」変調された電流とで、バッテリを充電及び放電するテストの実験用設備である。 図８は、本発明に基づいて「スーパーウェーブ」変調された電流で充電された試験バッテリと、直流で充電された試験バッテリとについて、容量低下率を示す。

Claims (5)

1. 再充電可能なバッテリを充電する方法において、
   振幅及び周波数「スーパーウェーブ」変調された電力をバッテリに与える工程と、
   充電中、充電プロセスの少なくとも第１特徴パラメータをモニターする工程と、
   少なくとも第１特徴パラメータを、それに対応しており、完全に充電されたバッテリ状態を表すリファレンスパラメータの記録されている集合と比較する工程と、
   上記の比較に基づいて、リファレンスパラメータの記録されている集合の１つを選択する工程と、
   少なくとも第１特徴パラメータが、リファレンスパラメータの記録されている集合の選択された１つに至ると、充電プロセスを終了する工程とを含む方法。
2. 第１特徴パラメータはバッテリ温度であって、第２特徴パラメータは平均電圧微分(average voltage derivative)である、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも第１特徴パラメータの測定値が、個々のパラメータに関した所定の値を超えると、充電プロセスが終了する、請求項１に記載の方法。
4. トリクル(trickle)「スーパーウェーブ」変調電流をバッテリに供給して、バッテリ充電を維持することで、充電プロセス終了後もバッテリの充電状態が維持される、請求項１に記載の方法。
5. バッテリを再充電する装置において、
   振幅及び周波数「スーパーウェーブ」変調電流を生成可能なプログラマブル又はプレプログラマブル電源と、
   充電中、充電プロセスの少なくとも１つの特徴パラメータをモニターする手段と、
   バッテリが完全に充電されたことを示す所定のパラメータを超えると、充電を終了する手段と、
   バッテリが完全に充電された後、トリクル「スーパーウェーブ」充電を与える手段とを備える装置。

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