JP2010521948A - Adaptive charging apparatus and method - Google Patents
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Abstract
少なくとも1つの充電式電気化学セルを備える充電式電池(12)を充電する方法を開示する。この方法は、少なくとも1つの電池の電気的特性を測定する工程と、この測定した少なくとも1つの電気的特性に基づいて電池に印加する充電電流を決定する工程とを含む。 A method of charging a rechargeable battery (12) comprising at least one rechargeable electrochemical cell is disclosed. The method includes measuring electrical characteristics of at least one battery and determining a charging current to be applied to the battery based on the measured at least one electrical characteristic.
Description
従来の充電器では、電気的、機械的又はデジタル信号技術によって充電する電池の種類が決定され、それによって印加する適切な充電形式が決定される。例えば、一部の技術は、電池内蔵のIDレジスタを使用し、この値によって、この特定の電池に印加される充電パラメーターが決定される。コネクタの極性キーの位置又は特定のコネクタピンの位置を使用するなどの機械的技術も使用され、異なる充電パラメーターを必要とする種々の電池モデルが区別される。例えば、スマートバッテリSMBus標準は、シリアルデータ通信インターフェースを使用して充電パラメーターを充電装置に伝達する。上記の方法には、電池電源端子を超えた位置にある追加接続点、又は蓄積されたエネルギーを携帯用装置に供給するという基本的な電池機能には必要ない一部の機械的追加機能が必要である。 In conventional chargers, the type of battery to be charged is determined by electrical, mechanical or digital signal technology, thereby determining the appropriate type of charge to apply. For example, some technologies use a battery built-in ID register, which determines the charging parameters applied to this particular battery. Mechanical techniques such as using the polarity key position of the connector or the position of a specific connector pin are also used to distinguish different battery models that require different charging parameters. For example, the Smart Battery SMBus standard uses a serial data communication interface to communicate charging parameters to the charging device. The above method requires additional connection points beyond the battery power terminal, or some mechanical additional functions that are not necessary for the basic battery function of supplying stored energy to a portable device. It is.
スマートバッテリ標準、例えばSMBus標準の場合、充電器と電池との間にスマートインターフェースを実装するには、電気回路及び少なくとも2個の追加コネクタピンが必要であり、これによって電池の原価、複雑性、及び寸法が増大する。 In the case of a smart battery standard, such as the SMBus standard, an electrical circuit and at least two additional connector pins are required to implement a smart interface between the charger and the battery, which reduces the cost, complexity, And the dimensions increase.
1つの態様では、少なくとも1つの充電式電気化学セルを備える充電式電池を充電する方法を開示する。この方法は、少なくとも1つの電池の電気的特性を測定する工程と、この測定した少なくとも1つの電気的特性に基づいて電池に印加する充電電流を決定する工程とを含む。 In one aspect, a method for charging a rechargeable battery comprising at least one rechargeable electrochemical cell is disclosed. The method includes measuring electrical characteristics of at least one battery and determining a charging current to be applied to the battery based on the measured at least one electrical characteristic.
実施形態は、以下の1つ以上を含んでよい。 Embodiments may include one or more of the following.
方法は、決定された充電電流を電池に印加する工程を含んでよい。方法は、決定された充電電流に従って電池に印加する電流を調整する工程を更に含んでよい。 The method may include applying the determined charging current to the battery. The method may further include adjusting a current applied to the battery according to the determined charging current.
少なくとも1つの電気的特性を測定する工程は、初回時点での電池への電流の印加に対して電池の端子間の電圧を測定する工程と、それ以降の時点での電池への電流の印加に対して電池の端子間の電圧を測定する工程とを含んでよい。少なくとも1つの電気的特性を測定する工程は、初回時点で印加される電流とそれ以降の時点で印加される電流との差異で除した、初回時点で測定される電圧とそれ以降の時点で測定される電圧との差異に基づいて、定常状態充電抵抗を算定する工程を含んでよい。 The step of measuring at least one electrical characteristic includes the step of measuring the voltage between the terminals of the battery with respect to the application of current to the battery at the first time and the application of current to the battery at the subsequent time. Measuring the voltage between the terminals of the battery. The step of measuring at least one electrical characteristic is measured at the voltage measured at the first time point and the subsequent time point divided by the difference between the current applied at the first time point and the current applied at the subsequent time point. Calculating a steady state charging resistance based on the difference from the applied voltage.
充電電流を決定する工程は、測定されたパラメーターに関する複数個の値のうちの対応する1つに関連付けられている複数の充電電力値を格納するルックアップテーブルにアクセスする工程と、少なくともある程度は算定された値に基づいてルックアップテーブル内に格納されている複数の充電電流値の1つを選択する工程とを含んでよい。測定されたパラメーターは、電池の定常状態充電抵抗を示してよい。 Determining the charging current includes accessing a look-up table that stores a plurality of charging power values associated with a corresponding one of the plurality of values for the measured parameter, and calculating at least in part. Selecting one of a plurality of charging current values stored in the lookup table based on the determined values. The measured parameter may indicate the steady state charge resistance of the battery.
方法は、電池の端子間の電圧を定期的に測定する工程と、電池の端子間で測定された電圧が所定の電圧に達すると、電池に印加される充電電力を調整して電池の端子間の電圧が所定の電圧値に維持されるようにする工程とを更に含んでよい。 The method includes the steps of periodically measuring the voltage between the battery terminals, and adjusting the charging power applied to the battery when the voltage measured between the battery terminals reaches a predetermined voltage. And maintaining the voltage at a predetermined voltage value.
方法は、充電電流を定期的に調整して、電池の端子間の所定の電圧レベルが指定期間内に達成されるようにする工程を更に含んでよい。充電電流を定期的に調整する工程は、電池の端子における昇圧速度を決定する工程と、決定された昇圧速度に基づき、予測子修正子計算法を用いて充電電力を算定する工程とを含んでよい。予測子修正子計算法は、カルマン(Kalman)フィルタに基づいてよい。 The method may further include the step of periodically adjusting the charging current such that a predetermined voltage level between the terminals of the battery is achieved within a specified period. The step of periodically adjusting the charging current includes a step of determining a boosting speed at the battery terminal, and a step of calculating charging power using a predictor corrector calculation method based on the determined boosting speed. Good. The predictor corrector calculation method may be based on a Kalman filter.
別の態様では、少なくとも1つの充電式電気化学セルを備える充電式電池を充電するように構成される充電装置を開示する。この装置は、電池を収容するように構成されている充電区画(この充電区画は、電池の対応する端子に結合されるように構成される電気接点を有する)及びコントローラを備える。このコントローラは、電池の少なくとも1つの電気的特性を測定するように構成されるとともに、この測定した少なくとも1つの電気的特性に基づいて電池に印加する充電電流を決定するように構成される。 In another aspect, a charging device configured to charge a rechargeable battery comprising at least one rechargeable electrochemical cell is disclosed. The apparatus includes a charging compartment configured to receive a battery (the charging compartment having electrical contacts configured to be coupled to corresponding terminals of the battery) and a controller. The controller is configured to measure at least one electrical characteristic of the battery and is configured to determine a charging current to be applied to the battery based on the measured at least one electrical characteristic.
方法の態様と同様に、装置の実施形態は、方法に関する上記の任意の特徴に対応する任意の特徴、並びに以下の1つ以上を含んでよい。 Similar to method aspects, an apparatus embodiment may include any feature corresponding to any of the features described above for the method, as well as one or more of the following.
コントローラは、プロセッサベースのマイクロコントローラを備えてよい。 The controller may comprise a processor-based microcontroller.
装置は、充電式電池を更に備えてよい。充電式電池は、リン酸鉄リチウム充電式電池を備えてよい。 The device may further comprise a rechargeable battery. The rechargeable battery may comprise a lithium iron phosphate rechargeable battery.
1つ以上の上記の態様は、以下の利点を1つ以上含んでよい。 One or more of the above aspects may include one or more of the following advantages.
充電器は、充電式電池又はセルの内部充電抵抗の動的測定に基づいて、充電式セルが特定の化学的性質を有する充電式電池又はセルに対する正しい充電電流を適応的に決定し、この充電抵抗に基づいて充電速度を調整して、可能な限り短時間で、又は特定の目標時間内にフル充電又はほぼフル充電を達成する。この方法は、異なる電池容量及び速度性能を有する各種の電池又はセルの充電を意図する汎用充電器に有用である。本明細書に記載の装置及び方法を用いることによって、特定の電池は、充電電流の決定を可能にするための専用の電気接点を必要とせず、また、機械装置で最大許容充電電流を決定する必要もない。本明細書に記載の装置及び方法を用いることによって、単一の充電装置を使用して、多くの異なる寸法のセル及び/又は電池を急速充電でき、特定の種類の電池に関する予備知識は不要であり、充電する電池又はセルに電気的、化学的又は熱的損傷を与えるリスクは最小である。 The charger adaptively determines the correct charging current for a rechargeable battery or cell that has a specific chemistry based on a dynamic measurement of the internal charge resistance of the rechargeable battery or cell, and this charge. The charging rate is adjusted based on the resistance to achieve full or nearly full charge in the shortest possible time or within a specified target time. This method is useful for general purpose chargers intended to charge a variety of batteries or cells having different battery capacities and speed performance. By using the devices and methods described herein, certain batteries do not require dedicated electrical contacts to allow determination of the charging current, and determine the maximum allowable charging current at the mechanical device. There is no need. By using the devices and methods described herein, a single charging device can be used to quickly charge many different sized cells and / or batteries without the need for prior knowledge of specific types of batteries. Yes, the risk of electrical, chemical or thermal damage to the battery or cell being charged is minimal.
本発明の他の特徴及び利点は、それらの説明及び特許請求の範囲から明らかとなる。 Other features and advantages of the invention will be apparent from the description and the claims.
電池の種類及び/又は容量に関する予備知識を必要とせずに、充電式電池を充電するために充電電流を測定、印加及び制御するように構成される充電器を開示する。充電器は、携帯電話、MP3プレーヤー及びデジタルカメラなど多くの最新携帯式消費者家電製品で使用される電池を含む、各種の寸法の電池を充電するのにとりわけ有用であるが、これらに限定されない。開示する充電器は、電池電極の1つとしてリン酸鉄リチウム又は類似のリン酸系層間化合物を用いるものなど急速充電性能を有するリチウムイオン電池、並びにリチウムイオン電池、並びに鉛酸電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル亜鉛電池、及び銀亜鉛電池を含む、多くの異なる種類の充電式電池で使用できる。開示する充電器は、更に、例えば、円筒形電池、角柱形電池、ボタン電池などを含む、異なる種類の電池を充電するように構成できる。 Disclosed is a charger configured to measure, apply, and control charging current to charge a rechargeable battery without requiring prior knowledge of battery type and / or capacity. The charger is particularly useful for charging batteries of various sizes, including but not limited to batteries used in many modern portable consumer electronics products such as cell phones, MP3 players and digital cameras. . Disclosed chargers include lithium ion batteries, lithium ion batteries, lead acid batteries, nickel hydride batteries having rapid charging performance such as those using lithium iron phosphate or a similar phosphate-based intercalation compound as one of the battery electrodes Can be used in many different types of rechargeable batteries, including nickel cadmium batteries, nickel zinc batteries, and silver zinc batteries. The disclosed charger can be further configured to charge different types of batteries, including, for example, cylindrical batteries, prismatic batteries, button batteries, and the like.
図1は、適応充電器10のレセプタクル又は区画(図示せず)に収容される、1つ以上の電気化学セルを有する電池12の電気的特性を少なくとも1つ測定する及び/又は決定するように構成される、適応充電器10を示す。電池12は、二次セル(若しくは電池)又は1次セル(若しくは電池)であることができる。1次電気化学セルとは、1度だけ、例えば、完全に消費されるまで放電され、その後廃棄されることを意味する。1次セルは、再充電を意図されない。1次セルは、例えば、デヴィッド・リンデン(David Linden)、「電池ハンドブック(Handbook of Batteries)」(マックグローヒル(McGraw-Hill)、第2版、1995年)に記載されている。二次電気化学電池は多数回、例えば、50回を超えて、100回を超えて、又はそれより多くの回数再充電することができる。場合によっては、二次電池類には、比較的頑丈なセパレータ、例えば、多くの層を有するセパレータ及び/又は比較的厚いセパレータを含むことができる。二次セルは又、セルの中で生じ得る膨張のような変化に適応する設計にすることができる。二次電池は、例えば、フォーク・アンド・サルキンド(Falk & Salkind)の「アルカリ蓄電池(Alkaline Storage Batteries)」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社(John Wiley & Sons, Inc.)、1969年、米国特許第345,124号、及びフランス特許第164,681号に記載されており、これらをすべて本明細書に参考として組み込む。本明細書に記載の実施形態において、電池12は二次電池、又は充電式電池である。
FIG. 1 illustrates measuring and / or determining at least one electrical characteristic of a
充電器10は、電力変換モジュール11に結合される。電力変換モジュール11は、96V〜220V及び50Hz〜60Hzの定格で電力を供給する電源などの外部AC電源に電気的に結合され、外部から供給されたAC電力を充電式電池の充電に好適なレベルのDC電力(例えば、約3.8〜4.2VのDC電力レベル)に変換するAC−DC電力変換器13を備える。AC−DC電力変換器13は、第1の電圧で入力電力を受け取り、その電力を低い電圧に変換させるように構成されるAD−DC切り換え装置として実装されてもよい。AD−DC切り換え装置装置40の例示的実施形態は、図3に示されている。幾つかの実施形態では、DC−DC電力変換器15が、車のDC電源などの外部DC電源を充電式電池の充電に好適なDC電源レベルに変換するように構成される電力変換モジュール11に組み込まれ、使用されてよい。例えば、幾つかの実施形態では、車のDC電源は約12VのDC電力を供給することができ、DC−DC変圧器15は、この電力レベルを好適な電力レベルに変換する。幾つかの実施形態では、AC−DC変換器13はDC−DC変圧器に結合されており、それによって、充電式電池の充電に好適なDC電源を供給するように構成されるカスケード接続変圧器を形成する。他の電力変換構成が使用されてもよい。
The
幾つかの実施形態では、DC充電電源(DC−DCバック変換器として実装されてよいDC−DC変換器15など)は使用されず、その代わりにAC−DC電力変換器13の電流及び/又は電圧を直接制御することによって、電流及び/又は電圧出力が充電式電池又はセルの充電に必要なレベルに調節される。図2について以下で詳述されるように、電流フィードバックルールは、スイッチSW1(図2では14c)のデューティサイクルを制御するが、出力電圧は、所定の定電圧閾値(交差電圧とも呼ばれる)を下回る。出力電圧が交差電圧と等しい又はそれを超える場合、電流制御フィードバックが無効になり、電圧フィードバックブロックが作動する。次に、電圧フィードバックブロックがスイッチSW1のデューティサイクルを制御して一定の電圧出力を供給する。フィードバック機構が実装されている場合、電流フィードバックブロックによって、電流検出レジスタ39(図2にもR1として図示してある)を通した電圧降下が、一定の電流設定値でレジスタ39を通した電圧降下にほぼ等しい基準電圧と比較される。同様に、充電機構が定電圧モードで動作している場合、電圧フィードバック機構によって、電池の端子電圧が、交差電圧値にほぼ等しい基準電圧と比較される。
In some embodiments, a DC charging power source (such as DC-
適応充電器10は、電池12の測定された電気的特性に基づいて、充電式電池12に印加する充電電流を決定する。測定された電気的特性の値は、充電器10によって充電される電池の充電速度性能を示すので、コントローラ14が、電池12に印加する充電電流レベルを決定できる。例えば、リン酸鉄リチウム電気化学セルに基づく電池は、一般に、充電動作中に低い内部充電抵抗を示す。充電抵抗は充電プロセス中に上昇するが、一般に充電状態の上昇に伴って上昇する。したがって、電池の内部抵抗及び充電速度は、電池の充電状態を示すことができる。他の種類の電池は、一般に異なる充電抵抗によって特徴付けられる。したがって、充電する電池の充電抵抗を決定することによって電池の種類を確認することができ、その電池の種類に適切な充電電流が供給される。
The
幾つかの実施形態では、電池12の特定の電池の化学的性質を識別する識別機構が使用されてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、識別機構は電池に結合されているIDレジスタを備えており、その抵抗値が電池の化学的性質を示す。したがって、このような実施形態では、充電器10は、IDレジスタの抵抗を測定することによって、電池12の化学的性質を識別できる。無線自動識別(RFID)装置が電池の化学的性質などを示す電気的信号を充電器10に伝達するRFID技術に基づく機構など、その他の種類の化学的性質識別機構が用いられてもよい。他の好適な識別機構としては、例えば、シリアルデータ通信インターフェースを介して、例えは電池の化学的性質を示す識別データを充電器10に伝達するスマートバッテリSMBus標準など、シリアル通信技術を実装して、電池を識別する機構が挙げられる。識別機構を使用して電池の関連情報を伝達する充電器及び/又は電池の例示的実施形態に関する詳細な説明は、例えば、「電池検出子を備える超急速電池充電器(Ultra Fast Battery Charger with Battery Sensing)」という表題の同時特許出願に記載されており、この内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。
In some embodiments, an identification mechanism that identifies the specific battery chemistry of
コントローラ14は、充電器10に接続される電池の種類を識別するために使用される電気的特性の測定を含む、充電器10の動作を制御し、電池12に印加する充電電流及び/又は充電特性(例えば、充電期間、充電電流の調整及び/又は特定時点における電圧など)を決定するように構成される。
The
コントローラ14は、電池12で実行される充電動作を制御し、後述のように動作を制御するように構成されるプロセッサ装置16を備える。プロセッサ装置16は、マイクロチップテクノロジー社(Microchip Technology Inc.)のPIC18F1320マイクロコントローラなど任意の種類の計算装置及び/又は処理装置でよい。充電器10の実行に使用されるプロセッサ装置16は、プロセッサベースの装置の一般的な動作を可能にするコンピュータの命令を含むソフトウェア、並びに測定した少なくとも1つの充電式電池12の電気的特性に基づいて、充電器に接続されている電池12で充電動作を実行するための実行プログラムを格納するように構成される、揮発性及び/又は不揮発性メモリ素子を備えることができる。この実施例では、プロセッサ16は、電池の電圧及び/又は電流の値を示す(後述の)センサーからコントローラ14への信号を受信するアナログデジタル変換器(ADC)20を備える。幾つかの実施形態では、コントローラ14は、本明細書に記載の制御装置の処理機能の一部又はすべてを実行するデジタル信号プロセッサ(DSP)を備えてもよい。
The
コントローラ14は、デジタルアナログ変換器(DAC)22及び/又はプロセッサ装置16によって生成されるデジタル信号を受信し、それに応じて、充電器10のバック変換器26などの切り換え回路を調節する電気的信号を生成するパルス幅変調器(PWM)24を更に備える。
The
コントローラ14は、コントローラ14によって電池12の端子に印加されたテスト電流又は電圧に応じて生成された、電池12の電流及び/又は電圧に対応する1つ以上の入力信号をISENSE端子(図2の端子14a)及び/又はVSENSE端子(図2の端子14b)を介して受信する。したがって、コントローラ14によって受信される信号は、その後、電池12に印加する適切な充電電流を決定するために使用される。コントローラ14は、例えば、電池の温度を含む、他のデータを受信してもよく、このような追加データも、電池の充電方法を決定するために使用されてもよい。このような追加データは、適切なセンサー又はプローブを使用して検出及び/又は収集されてよい。
The
図2は、2個のバイポーラトランジスタ(BJT)28及び30、並びに電力変換モジュール11がバック変換器26と電気的に連通しているときにエネルギーを蓄積し、電力変換モジュール11がバック変換器26から電気的に隔離されている間はエネルギーを電流として放出するインダクタ32を備えるバック変換器26を示す。図2に示されるバック変換器26は、エネルギー貯蔵素子としても用いられ、電圧リップルを減少させるように機能するコンデンサ34も備える。
2 stores energy when the two bipolar transistors (BJT) 28 and 30 and the
電力変換モジュール11から電池12に送られた電力は、トランジスタ28及び30のベースに印加される電圧レベルを制御することによって調節される。具体的には、電力変換モジュール11からの電力を電池12の端子に印加させるために、コントローラ14の端子14C(SW1)からの動作電気信号がトランジスタ28のベースに印加され、電力変換モジュール11からトランジスタ28及び電池12への電流フローが発生する。
The power sent from the
トランジスタ28のベースに印加される動作信号が停止すると、電力変換モジュール11からの電流フローが停止し、インダクタ32がそこに蓄積されているエネルギーから電流を供給する。トランジスタ28のオフ期間には、コントローラ14の端子14d(SW2)によって第2の動作信号がトランジスタ30のベースに印加され、(トランジスタ28のオン期間にインダクタ32及び/又はコンデンサ34に蓄積されたエネルギーを使用して)電池12を通るインダクタからの電流フローが可能になる。
When the operation signal applied to the base of the transistor 28 stops, the current flow from the
トランジスタのオン期間、又はデューティサイクルは、最初、0%デューティサイクルから上昇する一方で、コントローラ又はフィードバックループは、出力電流及び電圧を測定する。決定された充電電流が達成されると、フィードバック制御ループは、例えば、比例積分微分機構、又はPID機構を使用する閉ループ線状フィードバックスキームを使用して、トランジスタのデューティサイクルを管理する。充電器の電圧出力、又は電池の端子電圧が交差電圧に到達したら、類似の制御機構を使用してトランジスタのデューティサイクルを制御してよい。 While the transistor on-period, or duty cycle, initially rises from 0% duty cycle, the controller or feedback loop measures the output current and voltage. Once the determined charging current is achieved, the feedback control loop manages the transistor duty cycle using, for example, a proportional-integral-derivative mechanism, or a closed-loop linear feedback scheme using a PID mechanism. A similar control mechanism may be used to control the transistor duty cycle once the voltage output of the charger, or the terminal voltage of the battery, has reached a crossover voltage.
したがって、トランジスタ28のオン期間中に電力変換モジュール11によって提供される電流、及びトランジスタのオフ期間中にインダクタ32が放電するときにインダクタ32によって提供される電流は、必要な充電電力にほぼ等しい実効電流となる。コントローラ14は、例えば、電流センサー38によって測定される、電池12を流れる電流の測定値及び/又は電圧センサー36によって測定される電池端子における電圧を定期的(例えば、0.1秒ごと)に受信する。この受信した測定電流及び/又は測定電圧に基づいて、コントローラ14はデューティサイクルを調整し、電池12を流れる電流が、コントローラ14によって決定された充電電流レベルにほぼ等しい値に収束するようにこの電流を調整する。したがって、バック変換器26は、電池12に供給される調整可能な電力レベルをもたらす調整可能なデューティサイクルで動作するように構成される。
Thus, the current provided by the
前述したように、追加センサーを電池12に結合し、コントローラ14に対応する信号を伝達してよい。例えば、電池の温度の測定値を提供するための温度センサー(例えば、サーミスタ)を電池12に結合してよい。サーミスタは、電池12の外部又は電池12の内部に配置できる。電池の温度を示す信号は、コントローラ14のポートの1つでコントローラ14によって受信される。コントローラ14は受信した信号から電池の温度を測定し、測定した温度に基づいて、実行すべき以降の任意の動作を決定する。例えば、測定した電池の温度は、コントローラ14に保存されている温度値と比較できる。測定した温度が許容温度の範囲外である場合、コントローラ14は充電動作を開始しないようにでき、充電動作が既に開始されている場合は、充電動作を終了することができ、又は適当に充電電流及び/若しくは電圧を低減することができる。幾つかの実施形態では、充電器10は、熱モニタリング機構及び/又は熱制御機構を用いない。
As described above, an additional sensor may be coupled to the
電池12に印加される充電電力を決定するために、コントローラ14は、電池12に結合され、電池12の端子間の電圧を測定するように構成される電圧センサー36及び充電式電池を流れる電流を測定するように構成される電流センサー38から電圧及び電流の測定値を受信する。幾つかの実施形態では、充電器10は、特定レベルの電流(例えば、4〜5Cに相当する電荷であって、1Cは、充電式電池を1時間で充電するのに必要な電流)を電池12の端子に印加させ、それによって、電池の端子において、電池の抵抗による特定の電圧降下をもたらす。検知される電圧は、続いてコントローラ14のVSENSE端子14bによって受容される。
In order to determine the charging power applied to the
幾つかの実施形態では、受信された入力信号が、例えば、閾値コンパレータを備えてよい専用充電コントローラ装置などアナログ論理処理素子(図示せず)を使用して処理されて、センサー36及び/又は38によって測定される電圧及び電流のレベルが決定される。 In some embodiments, the received input signal is processed using an analog logic processing element (not shown), such as a dedicated charge controller device, which may include a threshold comparator, for example, and sensors 36 and / or 38. The voltage and current levels measured by are determined.
充電器10は、アナログ及び/又はデジタル入力信号で信号フィルタリング及び処理を実行し、回路レベルのノイズなど外部要因に起因し得る誤測定(例えば、電圧、温度の誤測定など)を防止するためのフィルタ35a及び35bなどの信号調整ブロックを備えてもよい。
The
コントローラ14は、電圧センサー36及び電流センサー38から受信したこれらの信号に基づいて、これらの測定した信号から、例えば、電池12の定常状態(DC)充電抵抗を算定することによって、電池を充電するために電池12の端子に印加する充電電流レベルを決定する。
The
詳細には、コントローラ14は、初回時点で第1のテスト電流入力I1を印加させる。印加された電流レベルI1に対して、電池12の端子において電圧V1が生じる。コントローラ14は、電池12を流れる電流I1が特定の期間維持されるようにし、それによって電池12が充電定常状態に達することができるようにする。幾つかの実施形態では、電池の電気化学セルを開路状態から定常状態の充電状態に移行させるのに一般的に必要な時間は、30〜60秒である。以降の時点(例えば、コントローラが電池12に電流I1を印加してから60秒後)では、コントローラが、電池12に別の電流レベルI2を印加させ、それによって電池12の端子において電圧V2が生じる。幾つかの実施形態では、印加される第1の電流レベルは、電池が1A時間の容量を有する場合に4Cの充電速度が4A電流に等しくなるように4Cに等しい電流レベル(即ち、15分で電池を充電する電流レベル)であってよく、一方第2の電流レベルI2は、5Cに等しいレベル(即ち、12分で電池を充電する電流レベル)であってよい。
Specifically, the
例えば、印加される電流レベルに対応する測定電圧を得ると、コントローラ14は、測定された閉路電圧差を印加された電流差で除することによって、即ち次の式を用いて、電池の充電抵抗を決定する。
第2の電圧は、電池12の定常状態(即ち、非過渡的)抵抗値が達成される期間を過ぎてから測定されるので、測定された充電抵抗は、定常状態(DC)充電抵抗と呼ばれることもある。
Since the second voltage is measured after the period of time when the steady state (ie, non-transient) resistance value of
幾つかの実施形態では、電池12の他の特性が測定及び処理されて、充電器10に接続されている電池の本質が決定され、それによって電池を充電するために電池に印加される充電電力が決定されてよい。
In some embodiments, other characteristics of the
コントローラ14は、算定された抵抗を使用して、算定された充電抵抗に対応する、好適な充電電流を示すルックアップテーブルにアクセスする。例えば、算定された充電抵抗が特定の電池の種類及び/又は容量を示す場合、ルックアップテーブル内の対応するエントリによって、この電池を充電するのに好適な充電電流が指定される。
The
幾つかの実施形態では、特定の電池の種類は、ルックアップテーブル内の複数のエントリに関連付けられ、それぞれのエントリが異なる充電速度に対応してよい。例えば、特定の電池の種類に関連付けられている1つのエントリは、電池の容量の約90%に等しい電池の充電レベルを約5分で達成する充電電流を指定できる。同一の電池の種類に関連付けられている別のエントリは、異なる充電速度、例えば、1時間で実質的に電池のフル容量まで電池を充電する速度に対応する充電電流を指定できる。特定の電池に関連付けられているルックアップテーブルの複数のエントリから適切なエントリを選択する場合、例えば、充電器の本体に配置されたスイッチ、ボタン及び/又はつまみを含むユーザーインターフェース(図示せず)を使用して、例えば、充電器10に提供されるユーザー指定の入力に基づいて行うことができる。
In some embodiments, a particular battery type may be associated with multiple entries in the lookup table, each entry corresponding to a different charge rate. For example, one entry associated with a particular battery type can specify a charging current that achieves a battery charge level in about 5 minutes equal to about 90% of the capacity of the battery. Another entry associated with the same battery type can specify a different charging rate, for example, a charging current corresponding to the rate of charging the battery to substantially full battery capacity in one hour. User interface (not shown) including, for example, switches, buttons and / or knobs located on the body of the charger when selecting an appropriate entry from a plurality of entries in a lookup table associated with a particular battery Can be used, for example, based on user-specified inputs provided to the
コントローラは、電池12の特定の充電レベルを決定して、電池12に印加する充電パラメーター(例えば、充電電流、及び充電期間)を決定するように構成されてもよい。例えば、コントローラは、印加する一連の電流レベルを生じさせ、電池の端子において与えられた電圧を測定できる。この一連の測定電圧を使用して、電池の種類並びにこの電池の充電レベル(例えば、電池に対するパーセンテージ容量単位)を決定できる。更に、選択された充電電流が印加される充電期間も決定できる。
The controller may be configured to determine a specific charge level of the
幾つかの実施形態では、電池12の決定された充電レベルは、決定された電池の種類に関連付けられているルックアップテーブル内の複数のエントリの1つを選択するために使用できる。例えば、電池12に充電電流が印加される充電期間が5分と指定され、電池が50%充電されていると決定された場合、指定された5分以内に電池の充電をほぼ100%まで達成する第1の充電電流が、このルックアップテーブルから選択されてよい。一方、電池12が20%しか充電されていない場合、指定された5分以内にほぼ100%の充電が達成されようにするために、このルックアップテーブルからより高い充電電流が選択されてよい。
In some embodiments, the determined charge level of
幾つかの実施形態では、電池12を充電するための充電期間及び/又は充電速度は、電池12の決定された充電レベルに基づいてよい。例えば、電池12が50%充電されていると決定された場合、電池12が、例えば、5分未満(例えば、3分)で少なくとも90%の充電レベルまで充電されるように、充電期間が決定されてよい。
In some embodiments, the charging period and / or charging rate for charging the
前述したように、充電器10は、所定の上限電圧(即ち、交差電圧)が達成されたら、電池12の端子における電圧をこの上限でほぼ一定に維持するモードで動作してもよい。詳細には、電池12が、電池の充電抵抗に基づいて決定された充電電流で実質的に充電されている間、電池の端子における電圧は上昇する。電池の端子における電圧が所定の上限電圧を超えないようにするために(電池が過熱しないように、又は電池の動作若しくは予想耐用期間が悪影響を受けないように)、センサー36を用いて電池12の端子における電圧が定期的(例えば、0.1秒ごと)に測定され、所定の上限電圧が達成される時期が決定される。電池12の端子における電圧が所定の上限電圧に達成されると、電流/電圧調整回路は、電池12の端子においてほぼ一定の電圧を生じさせるように制御される(このような動作を実行する装置は、定電流/定電圧(CC/CV)装置と呼ばれることもある)。
As described above, the
幾つかの実施形態では、コントローラ14は、電池12の端子における電圧を定期的に測定し、指定されたある昇圧期間内に所定の上限電圧が達成されるように、電池12に印加される充電電流を調整することによって、昇圧速度をモニターするように構成されてもよい。測定された昇圧速度に基づいて、充電電流レベルが調整され、指定された昇圧期間内に所定の上限電圧が達成されるように充電電流が増減される。例えば、カルマンフィルタを使用する予測子修正子法に従って、充電電流レベルの調整を行ってよい。詳細には、カルマンフィルタは、動的システムの内部状態を使用して、以前の励起又は入力に対するシステムの反応測定値に基づいてシステムの値を再帰的に予測する。カルマンフィルタ法は、測定値の不確実性及び予測された(モデル化された)システム反応における不確実性の両方を説明できる。したがって、運用においては、予測されたシステムの結果は、少なくとも部分的に、以前予測された測定値及び実際の測定値に基づいて新しい反応測定値を再帰的に修正するために使用される。これによって、カルマンフィルタは、予測されたシステム反応と実際の測定された反応との間の誤差を最小化しようとする。所定の上限電圧を達成するための電流に対する調整を決定するために他の方法が使用されてよい。
In some embodiments, the
図4は、充電式電池12を充電するための充電手順50の例示的実施形態を示す。所望により、充電器10の充電端子が電池12の端子と電気的に結合されるように、電池12を充電器10の充電区画に挿入した後で、コントローラ14は、開路温度及び電池12のセルの電圧を測定する(52)。コントローラは、当初測定された温度T0及び電圧V0が、所定の上限と下限との間にあるかどうかを決定する(54)。これらの上限及び下限は、コントローラ14で使用されるプロセッサベースの装置16の記憶モジュールで指定されてよい。測定された初期温度及び電圧が所定の許容範囲内ではないと決定された場合、したがって、現在の状態での充電動作の実行が安全でない場合、充電器は充電動作を続行せず、手順50を終了する。
FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of a charging
当初測定されたT0及び電圧V0が、所定の上限と下限との間であると決定された場合、コントローラ14は、2つの別個の時点で2種類の電流レベルI1及びI2を生じさせて電池12に印加し、電池12の少なくとも1つの電気的特性(例えば、電池の端子電圧)の測定及び/又は算定を容易にする(56)。測定された少なくとも1つの電気的特性は、充電器10に接続されている電池の種類をそれ自体が示すか、電池12に印加する充電電流の決定を可能にする誘導特性(例えば、定常状態充電抵抗)の決定を可能にする。測定電圧に基づいて充電抵抗が決定される実施形態では、コントローラ14は、印加電流I1及びI2に対応するそれぞれの電圧V1及びV2を決定する。他の種類の電気的特性(例えば、印加電圧に対応する測定電流)が測定されてよい。
If the initially measured T 0 and voltage V 0 are determined to be between a predetermined upper and lower limit, the
電圧V1及びV2を測定すると、次の式を使用して電池12に対応する充電抵抗を決定できる(58)。
算定された充電抵抗は、例えば、記憶モジュールに格納され、算定された充電抵抗に関する好適な充電電流を示すルックアップテーブルにアクセスすることによって、電池12に印加する充電電流を決定するのに使用される(60)。複数の充電電流エントリに関連付けられている電池の種類では、ユーザー指定の所望の充電期間を使用して、測定された電池の特性及び/又は算定された電池の特性から識別される電池の種類に関する適切なエントリを選択できる。これに加えて及び/又はこれの代わりに、充電電流を決定するために他の方法(例えば、コンピュータによる方法)も使用できる。
The calculated charging resistance is stored, for example, in a storage module and used to determine the charging current to be applied to the
所望により、接続されている電池12の特定の充電レベルを決定し、電池12に印加する充電パラメーター(例えば、充電電流、及び充電期間)を算定する(62)。前述したように、例えば、電池12に印加する一連の電流レベルを生じさせ、電池の端子において生じたそれぞれの電圧を測定することによって電池の充電レベルが決定される場合、電池の充電レベルを決定できる。充電パラメーター(例えば、充電電流及び充電期間)は、測定された充電レベル及び電池の種類に基づいて決定できる。
If desired, the specific charge level of the connected
電池12に印加する充電電流を決定すると、所望により充電期間、電流/電圧調整回路(図2に示すバック変換器26など)を制御して、電力変換モジュール11から電圧を生じさせ、充電式電池12に定電流をもたらす(64)。説明したように、60で算定された充電電力レベル値が処理され、充電電流にほぼ等しい電流を電池12に印加させるデューティサイクル信号が生成される。したがって、コントローラの出力信号は、例えば、バック変換器26のトランジスタ28に印加され、電力変換モジュール11からの電圧が電池12に印加される。特定のデューティサイクルのオフ期間には電力変換モジュール11が電池から切断され、インダクタ32及び/又はコンデンサ34に蓄積されたエネルギーは、電流として電池に放出される。電力変換モジュール11から印加された電流及びインダクタ32(及び/又はコンデンサ34)から放出された電流を合わせた電流によって、充電電流にほぼ等しい実効電流が得られる。
When the charging current to be applied to the
電池12は、実質的に定電流で充電されるが、電池の端子における電圧は上昇する。電池の端子における電圧が所定の上限電圧(交差電圧)を超えないようにするために、電池12の端子における電圧を定期的(例えば、0.1秒ごと)に測定し、所定の上限電圧が達成される時期を決定する(66)。電池12の端子における電圧が所定の上限電圧に達成されると、電力変換モジュール11が、電池12の端子における電圧レベルを一定にする電圧を印加するように、(例えば、トランジスタ28及び30の電気的作動によって)電流/電圧調整回路が制御される。
The
所望により、昇圧速度を定期的に測定して、指定昇圧期間内に所定の上限電圧が達成されるようにしてよい(68)。測定された昇圧速度に基づいて、(電流/電圧調整回路に印加される、対応する動作信号の調整により)充電電流レベルが調整され、指定昇圧期間内に所定の上限電圧が達成されるように充電電流を増減する。本明細書に記載したように、充電電流レベルの調整は、カルマンフィルタなどの予測子修正子法又は他の何らかの同類の方法に従って実行されてよい。 If desired, the boost rate may be measured periodically to achieve a predetermined upper limit voltage within a specified boost period (68). Based on the measured boost rate, the charge current level is adjusted (by adjusting the corresponding operating signal applied to the current / voltage regulator circuit) so that a predetermined upper limit voltage is achieved within the specified boost period. Increase or decrease the charging current. As described herein, adjustment of the charging current level may be performed according to a predictor corrector method such as a Kalman filter or some other similar method.
70で決定されるように、指定充電期間に実質的に等しい期間が経過すると、電池12に印加される充電電流は(例えば、トランジスタ28の電気的作動を停止させて、電力変換モジュール11から供給される電力を停止させることによって)停止される。充電手順は、電池12の所定の上限電圧が達成された後で、又は電池12の指定充電レベルが達成された後で、指定期間経過後に終了する。
When a period substantially equal to the specified charging period has elapsed, as determined at 70, the charging current applied to the
その他の実施形態
本発明の多数の実施形態を記載してきた。しかしながら本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく様々な改変が可能である点は理解されるであろう。したがって、他の実施形態は特許請求の範囲に包含されるものである。
Other Embodiments A number of embodiments of the invention have been described. However, it will be understood that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, other embodiments are within the scope of the claims.
Claims (10)
前記電池の少なくとも1つの電気的特性を測定する工程と、
前記測定された少なくとも1つの電気的特性に基づいて前記電池に印加する充電電流を決定する工程とを含む、方法。 A method of charging a rechargeable battery comprising at least one rechargeable electrochemical cell comprising:
Measuring at least one electrical characteristic of the battery;
Determining a charging current to be applied to the battery based on the measured at least one electrical characteristic.
初回時点での前記電池への電流の印加に対して前記電池の端子間の電圧を測定する工程と、
それ以降の時点での前記電池への電流の印加に対して前記電池の端子間の電圧を測定する工程とを含む、請求項1に記載の方法。 Measuring the at least one electrical characteristic comprises:
Measuring the voltage between the terminals of the battery with respect to the application of current to the battery at the initial time;
Measuring the voltage across the terminals of the battery with respect to the application of current to the battery at a later point in time.
前記初回時点で印加される電流とそれ以降の時点で印加される電流との差異で除した、前記初回時点で測定される電圧とそれ以降の時点で測定される電圧との差異に基づいて、定常状態充電抵抗を算定する工程を更に含む、請求項4に記載の方法。 Measuring the at least one electrical characteristic comprises:
Based on the difference between the voltage measured at the first time and the voltage measured at the later time divided by the difference between the current applied at the first time and the current applied at the later time, The method of claim 4, further comprising calculating a steady state charging resistance.
測定されたパラメーターに関する複数個の値のうちの対応する1つに関連付けられている複数の充電電流値を格納するルックアップテーブルにアクセスする工程と、
少なくとも部分的に、前記算定された値に基づいて、前記ルックアップテーブル内に格納されている前記複数の充電電流値の1つを選択する工程とを含む、請求項1に記載の方法。 Determining the charging current comprises:
Accessing a lookup table that stores a plurality of charging current values associated with a corresponding one of a plurality of values for a measured parameter;
Selecting at least in part one of the plurality of charging current values stored in the look-up table based on the calculated value.
前記電池の端子間の測定電圧が所定の電圧値に達すると、前記電池の端子間の電圧が前記所定の電圧値に維持されるように、前記電池に印加する前記充電電流を調整する工程とを更に含む、請求項1に記載の方法。 Periodically measuring the voltage between the terminals of the battery;
Adjusting the charging current applied to the battery so that the voltage between the terminals of the battery is maintained at the predetermined voltage value when the measured voltage between the terminals of the battery reaches a predetermined voltage value; The method of claim 1, further comprising:
前記電池の端子における昇圧速度を決定する工程と、
予測子修正子計算法を使用して、前記決定された昇圧速度に基づいて前記充電電流を算定する工程とを含む、請求項8に記載の方法。 The step of periodically adjusting the charging current comprises:
Determining a boosting rate at a terminal of the battery;
Using the predictor corrector calculation method to calculate the charging current based on the determined boost rate.
前記電池を受容するように構成されている充電区画であって、前記電池の対応する端子と結合されるように構成される電気接点を有する、充電区画と、
前記電池の少なくとも1つの電気的特性を測定するように構成されるとともに、
前記測定した少なくとも1つの電気的特性に基づいて前記電池に印加する充電電流を決定するように構成されるコントローラとを備える、装置。 A charging device configured to charge a rechargeable battery comprising at least one rechargeable electrochemical cell comprising:
A charging section configured to receive the battery, the charging section having electrical contacts configured to be coupled to corresponding terminals of the battery;
Configured to measure at least one electrical characteristic of the battery;
And a controller configured to determine a charging current to be applied to the battery based on the measured at least one electrical characteristic.
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