JP2010259321A - バッテリー充電器およびバッテリーを充電する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のバッテリーパックを損傷させることなく最大電力出力で動作するバッテリー充電器を提供する。
【解決手段】制御装置３は、少なくとも、充電されるバッテリー１０の端子における電圧および電流を測定し、バッテリー１０における電力を計算し、計算された電力と、ＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力とを比較し、バッテリー１０に供給される充電電流を比較の結果に基づいて調整するための信号をＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に送るようにされており、本バッテリー充電器は、最大出力電力で動作する一方で、小型のバッテリーパックが損傷することが回避される。バッテリーの温度も測定することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリーを充電するバッテリー充電器であって、ＡＣ／ＤＣ電源手段と、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御ＤＣ／ＤＣコンバータと、ＡＣ／ＤＣ電源手段およびＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されている制御装置と、を備えているバッテリー充電器、に関する。

バッテリー充電器は、２つの異なるオプションに従って設計することができる。第１のオプションによると、起こりうる障害あるいは充電プロセスの効率を考慮することなく、決まった数のバッテリーセルを充電するとき、低コストの設計を達成することができる。

第２のオプションによると、セルパッケージが固有の仕様にカスタマイズされており、異なるセル数に対して充電パラメータが異なる場合に信号を使用して自身を識別しなければならないとき、さまざまな種類のバッテリーセルを対象とする極めて高度な充電を設計することができる。したがって、ＯＥＭ（Original Equipment Manufacturers）のバッテリーあるいは標準的なバッテリーは、この用途から除外される。

極めて高度なタイプのバッテリー設計の場合、バッテリー充電器は、少数のセルの損傷を回避する目的で低い効率でのみ動作することができ、その一方で、多数のセルを十分な電力によって充電しなければならない。

図１は、標準的なバッテリー充電器の主たる機能を示している。このような標準的なバッテリー充電器はＡＣ／ＤＣ電源を備えており、このＡＣ／ＤＣ電源は、標準的な電源と同じ機能、すなわち、必要なエネルギを供給するための機能と、安全性の要件を満たすための機能とを有する。ＡＣ／ＤＣ電源は、充電するバッテリーに直接接続される充電管理モジュールに接続されている。フィードバックループによって、バッテリーから充電管理モジュールにフィードバックを提供することができる。

充電プロセスの間、バッテリー充電器の電力消費量は一定ではないため、ＡＣ／ＤＣ電源は、プロセス全体にわたり、より効率的な高電力段において動作することはできない。充電プロセスは、一般には、低い電圧範囲において開始され、充電中にバッテリーの電圧レベルが上昇したとき、より多くの電力が要求される。

バッテリー充電器は、特許文献１から公知である。この特許に開示されているバッテリー充電器は、２つの機能を有するマイクロプロセッサを備えている。このマイクロプロセッサは、バッテリー充電回路の充電特性を制御するのみならず、調整回路を制御することによってバッテリー充電器の電力出力も制御する。マイクロプロセッサは、（バッテリーセルに供給される）充電電流と、セルにおける電圧、およびオプションとしてセルの温度とを検出する。マイクロプロセッサは調整器を制御し、調整回路のパルス幅を決定する目的で、（バッテリーセルに供給される）総充電電流の値を使用する。

マイクロプロセッサは、調整器のデューティサイクルを制御する目的で、調整器の出力電流を使用する。出力電流が所定のしきい値よりも大きいときにはデューティサイクルを小さくし、充電電流が所定の値よりも小さいときにはデューティサイクルを大きくする。

したがって、特許文献１に開示されているバッテリー充電器は、電流に基づいて充電プロセスを制御する充電制御回路を備えており、あらかじめ定義されているしきい値電圧に達した後、遡及的に電流を調整するように設計されている。その動作原理は、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電手順に依存しており、この手順では、最初の段階において一定の電流によってバッテリーが充電され、その電流値は、初期充電電流が制限されるようにバッテリー充電器によって制限される。充電器における所望の終止電圧（final voltage）に達した時点で、電流制御モードから電圧制御モードに切り替わり、定電圧下での第２の充電段階が開始され、したがって、バッテリーの充電量が増大するにつれて充電電流が自動的に減少する。特許文献１には、一般的なプロセッサによる、充電およびＤＣ／ＤＣ出力の一般的な制御について開示されている。

したがって、小型のバッテリーパックの損傷を回避しながらバッテリー充電器からの最大電力出力が得られるように、関連する充電パラメータを動的に適合させることのできるバッテリー充電器のニーズが存在する。

米国特許第７，２２７，３３７号明細書

本発明の目的は、小型のバッテリーパックを損傷させることなく最大電力出力で動作するバッテリー充電器を提供することである。さらに、バッテリーを充電する対応する方法も要求される。この目的は、独立請求項の主題によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の実施形態によると、バッテリー充電器の制御装置は、少なくとも、充電されるバッテリーの端子における電圧および電流を測定し、測定された電圧および電流に基づいてバッテリーにおける電力を計算し、計算された電力と、ＡＣ／ＤＣ電源手段の公称最大電力とを比較し、バッテリーに供給される充電電流を比較の結果に基づいて調整するための信号をパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに送るようにされている。

このようなバッテリー充電器は、バッテリーのセルを損傷させることなく最大電力を出力することができ、これによって、バッテリー充電器が最も効率的なポイントにおいて動作することができるという技術的利点を提供する。さらには、バッテリーの充電時間を最小にすることができ、本バッテリー充電器は、各種の標準的なセルパッケージに適用することができる。さらには、充電要素が良好であるためバッテリーパッケージの寿命が延び、これによりバッテリーの廃棄が回避される。

本発明の好ましい実施形態によると、制御装置は、バッテリーの端子における電圧の変化もしくは電流の変化、またはその両方を測定するようにさらにされており、パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに送られる信号は、測定された電圧の変化もしくは電流の変化、またはその両方に関する情報を含んでいる。

本発明の好ましい実施形態によると、計算された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段の公称最大電力よりも小さい場合、制御装置は、バッテリーに供給される充電電流を増大させるようにパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに要求する信号を送るようにされており、計算された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段の公称最大電力よりも大きい場合、制御装置は、バッテリーに供給される充電電流を減少させるようにパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに要求する信号を送るようにされている。

これによって、バッテリーの反応が絶え間なく検出され、したがって、必要性に適合した電力がバッテリーセルに供給され、これによって、バッテリーセルの損傷が回避される。本発明によるバッテリー充電器は、たとえ一次側においてさらなる電力が利用可能であるときも、バッテリーセルが損傷しないように、抑制された電力において動作する。

本発明の実施形態によると、制御装置は、バッテリーの温度を測定し、バッテリーの測定された温度を、バッテリーに供給される充電電流を調整するための信号の中でパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに送るように、さらにされている。

本発明のさらに別の好ましい実施形態によると、制御装置は、バッテリーの温度変化を測定するようにさらにされており、パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに送られる信号は、バッテリーの測定された温度変化に関する情報を含んでいる。

本発明の別の実施形態は、バッテリーを充電する方法であって、制御装置をＡＣ／ＤＣ電源手段とパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータとに接続するステップと、少なくとも、充電されるバッテリーの端子における電圧および電流を測定するステップと、測定された電圧および電流に基づいてバッテリーの電力を計算するステップと、計算された電力と、ＡＣ／ＤＣ電源手段の公称最大電力とを比較するステップと、バッテリーに供給される充電電流を比較の結果に基づいて調整するための信号をパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータに送るステップと、を含んでいる方法、を提供する。

標準的なバッテリー充電器の主たる機能を示している。 本発明の実施形態によるバッテリー充電器の機能ブロックを示している。 本発明の実施形態による、バッテリーを充電する方法を図解した流れ図を示している。

以下では、本発明によるバッテリー充電器およびバッテリーを充電する方法について、図２および図３に関連して説明する。

図２は、本発明の実施形態によるバッテリー充電器の機能ブロックを示している。このバッテリー充電器は、ＡＣ／ＤＣ電源手段１と、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２とを備えており、これらは互いに接続されている。ＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、充電電流をバッテリー１０に供給する。

制御装置３は、ＡＣ／ＤＣ電源手段１とＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２とに接続されている。本発明によると、制御装置３は、バッテリー１０の端子の両端の電圧と、バッテリー１０の端子における電流とを測定する。次いで、制御装置３は、バッテリー１０における電力を、測定された電圧および電流に基づいて計算し、計算された電力と、ＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力とを比較する。次いで、制御装置３は、バッテリー１０に供給される充電電流を比較の結果に基づいて調整するための信号をＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に送る。

上記では、制御装置３が、バッテリー１０の端子の両端の電圧とバッテリー１０の端子における電流とを測定するものと説明したが、本発明はこれに限定されない。具体的には、本発明の好ましい実施形態によると、制御装置３は、電圧の変化および電流の変化（すなわち、電圧曲線および電流曲線それぞれの傾き）を測定し、電圧の変化および電流の変化に関する情報を含んでいる信号をＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に送るように、さらにされている。これによって、不適切に高い電力によってバッテリーが充電されている場合に、より迅速に応答することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、計算された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力よりも小さい場合、制御装置３は、バッテリー１０に供給される充電電流を増大させるようにＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に要求する信号を送る。計算された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力よりも大きい場合、制御装置３は、バッテリー１０に供給される充電電流を減少させるようにＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に要求する信号を送る。

これによって、バッテリーの反応が絶え間なく検出され、したがって、需要に適合する電力がバッテリーセルに供給され、これによって、バッテリーセルの損傷が回避される。本発明によるバッテリー充電器は、たとえ一次側においてさらなる電力が利用可能であるときも、バッテリーセルが損傷しないように、抑制された電力において動作する。

本発明の実施形態によると、制御装置３は、バッテリー１０の温度を測定し、バッテリー１０の測定された温度を、バッテリー１０に供給される充電電流を調整するための信号の中でパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に送るように、さらにされている。

本発明の好ましい実施形態によると、制御装置３は、バッテリー１０の温度を測定する。制御装置３は、バッテリーの温度に関するこの情報を使用して、ＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２によってバッテリー１０に供給される充電電流を調整することができる。

本発明のさらに別の実施形態によると、制御装置３は、バッテリー１０の温度変化を測定し、測定された温度変化に関する情報を含んでいる信号をＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２に送るようにされている。

本発明の実施形態によるバッテリー充電器においては、バッテリー充電器のすべての段階において電力消費量が均一になるように、充電電流が制御される。

したがって、動的な充電電流を得ることが可能である。各種のバッテリーセルパック（例えば、２〜１２セルのＮｉＭＨまたはＮｉＣｄバッテリーパック、１〜５のリチウムセル）に対応することができる。

充電プロセスのすべての段階における充電電流を最適化する処理を目的として、マイクロプロセッサを使用することができる。バッテリーの充電挙動および反応は、変動幅の小さい考慮事項であり、化学反応、経過年数、および特にバッテリーの充電履歴および保管履歴によってほとんど決まる。システムの安全性および安定性を維持するためには、充電管理においてこれらを考慮しなければならない。バッテリーの主要パラメータは、充電時間全体にわたり監視することが要求される。

電圧、電流、およびオプションとして温度の情報を、充電レベルに応じて動的に処理して、これらのデータから、各瞬間にバッテリーに供給するべき適正な大きさの電力の情報を得ることによって、「電力自動平衡化（Auto Power Balancing）」の機能を確立することができる。

市場における最新の充電器においてもマイクロプロセッサが一般的に使用されているが、ソフトウェアの主たる役割は、いずれの機種においても、バッテリーが満充電状態に達した時点で充電プロセスを遮断するための正しいタイミングを認識することである。充電電流が極めて安定的に調整されていれば、小さな電圧変動をより容易に感知できるはずである。電流レベルは、充電されるバッテリーの固有の最小容量にほぼ固定されている。

本発明によるバッテリー充電器は、ＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータを備えており、このコンバータは、測定されるバッテリーパラメータに応じて充電電流をリアルタイムで調整するために使用される。バッテリーの反応に問題がない場合、対象のバッテリーが何らかの異常な状態にならずに耐えられる範囲内で最大限に充電電流を増大させる。同時に、供給側の一次ＡＣ／ＤＣ段が、より高い効率的な動作ポイントにおいて駆動される。

制御装置は、バッテリーの電圧と、充電電流と、ＮＴＣが検出される場合にはバッテリーパックの温度とを、評価する。制御装置は、自動的にさらなるデータ処理を実行して、要求される出力電力を計算する。この計算の結果を、ＡＣ／ＤＣ部の公称最大電力と比較する。さらなるエネルギが依然として利用できる場合、制御装置は、最大出力電力に達するように、バッテリーの反応を考慮しながらＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータを調整する。

以下では、本発明の実施形態による、バッテリーを充電する方法について、図３に関連して詳しく説明する。

この方法は、ステップＳ０において開始してステップＳ１に進み、ＰＷＭ制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２が、初期設定値である小さい充電電流をバッテリー１０に供給する。

ステップＳ２においては、バッテリーの端子における充電電流およびバッテリー電圧を測定する。ステップＳ３においては、測定された電圧および電流に基づいて、総出力電力を計算する。次いで、ステップＳ４において、計算された電力をＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大出力電力と比較する。

測定された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力よりも小さい場合、ステップＳ５において、バッテリー１０に供給される充電電流を増大させる目的でＰＷＭ幅を大きくする。次にステップＳ２に戻り、バッテリー１０の端子における充電電流およびバッテリー電圧をもう一度測定する。次にステップＳ３およびステップＳ４を実行する。

測定された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力よりも大きい場合（ステップＳ４）、ステップＳ６において、バッテリー１０に供給される充電電流を減少させる目的でＰＷＭ幅を小さくする。次にステップＳ２に戻り、バッテリーの端子における充電電流および電圧を測定した後、ステップＳ３およびステップＳ４を実行する。

計算された電力がＡＣ／ＤＣ電源手段１の公称最大電力に等しい場合（ステップＳ４）、プロセスはステップＳ７に進み、すなわち、電流レベルを修正せずそのままにする。次いで、プロセスはステップＳ８に進み、充電手順が終了したかをチェックする。終了していない場合、本方法はステップ２に戻り、ステップＳ３およびステップＳ４をもう一度実行する。充電プロセスが終了した場合、本方法は、充電プロセスの最後であるステップＳ９に進む。

充電手順の間、バッテリーにおける電圧の遷移を監視する。バッテリーの充電レベルが増大している間は、バッテリーの微分抵抗が増大し、バッテリーにおける電圧が上昇する。満充電に達した時点で、バッテリーに供給されるエネルギは化学的に結合せず、バッテリーが加熱される。バッテリーが加熱されている間、微分抵抗が減少し、充電電圧が下がる。この段階は、−ΔＵ充電手順（-ΔU charging procedure）である。充電電圧が下がって最大電圧に達する、または充電電圧の最大値に達した時点で（ピーク電圧の検出）、充電手順が終了する。

本発明の中心的な発想は、一次側において供給される電力を、バッテリーセルの数、バッテリーセルの温度反応および電圧反応の関数として、自動的にバランスさせることである。これにより、充電手順における過負荷からバッテリーセルを保護する一方で、最適な充電プロセスを保証する目的で、バッテリー充電器によって充電曲線を適合させることができる。この処理には、バッテリーセルにおける必要性に従って、供給されるエネルギを増大および減少させるステップが含まれる。満充電されたバッテリーセルを検出するための−ΔＵしきい値も動的であり（温度センサーが存在しない場合）、対応するしきい値電圧に自動的に適合化される。

Claims (7)

1. バッテリー（１０）を充電するバッテリー充電器であって、
   ＡＣ／ＤＣ電源手段（１）と、
   パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）と、
   前記ＡＣ／ＤＣ電源手段（１）および前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に接続されている制御装置（３）と、
   を備えており、前記制御装置（３）が、
   少なくとも、充電される前記バッテリー（１０）の端子における電圧および電流を測定し、
   測定された前記電圧および前記電流に基づいて前記バッテリー（１０）における電力を計算し、
   計算された前記電力と、前記ＡＣ／ＤＣ電源手段（１）の公称最大電力とを比較し、
   前記バッテリー（１０）に供給される充電電流を比較の結果に基づいて調整するための信号を前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に送る、
   ようにされている、
   バッテリー充電器。
2. 前記制御装置（３）が、前記バッテリー（１０）の前記端子における電圧の変化もしくは電流の変化、またはその両方を測定するようにさらにされており、前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に送られる前記信号が、測定された前記電圧の変化もしくは前記電流の変化、またはその両方に関する情報を含んでいる、請求項１に記載のバッテリー充電器。
3. 送られる前記信号がパルス幅変調信号である、請求項１または請求項２に記載のバッテリー充電器。
4. 前記制御装置（３）が、計算された前記電力が前記ＡＣ／ＤＣ電源手段（１）の前記公称最大電力よりも小さい場合、前記バッテリー（１０）に供給される前記充電電流を増大させるように前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に要求する信号を送るようにされており、計算された前記電力が前記ＡＣ／ＤＣ電源手段（１）の前記公称最大電力よりも大きい場合、前記バッテリー（１０）に供給される前記充電電流を減少させるように前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に要求する信号を送るようにされている、請求項１から請求項３のいずれかに記載のバッテリー充電器。
5. 前記制御装置（３）が、前記バッテリー（１０）の温度を測定し、前記バッテリーの測定された前記温度を、前記バッテリー（１０）に供給される前記充電電流を調整するための前記信号の中で前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に送るように、さらにされている、請求項１から請求項４のいずれかに記載のバッテリー充電器。
6. 前記制御装置（３）が、前記バッテリー（１０）の温度変化を測定するようにさらにされており、前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に送られる前記信号が、前記バッテリー（１０）の測定された前記温度変化に関する情報を含んでいる、請求項５に記載のバッテリー充電器。
7. バッテリー（１０）を充電する方法であって、
   制御装置（３）をＡＣ／ＤＣ電源手段（１）とパルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）とに接続するステップと、
   少なくとも、充電される前記バッテリー（１０）の端子における電圧および電流を測定するステップと、
   測定された前記電圧および前記電流に基づいて前記バッテリー（１０）における電力を計算するステップと、
   計算された前記電力と、前記ＡＣ／ＤＣ電源手段（１）の公称最大電力とを比較するステップと、
   前記バッテリー（１０）に供給される充電電流を比較の結果に基づいて調整するための信号を前記パルス幅変調制御ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に送るステップと、
   を含んでいる、方法。

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