JP2010522525A - 電池式装置のための充電方法 - Google Patents

Abstract

携帯用電子装置に使用する電池パックの電池の化学的性質が、充電を阻止された一次電池であるかどうか、または充電が可能な二次電池であるかどうかを判定するためのアルゴリズムを含む、電池充電制御システム。ルーチンは、一般的に、充電または放電中に実施される電圧および内部インピーダンス試験の組み合わせを含む、ある所定試験で該電池の端子電圧および温度を測定することによって、作動する。さらに、該携帯用電子装置の充電式電池パック内のセルバランスの欠落を検出および修正する方法が開示される。消耗寸前または完全に消耗した該電池パックの１つのセルまたは複数のセルが検出され、また放電／充電ルーチンが実行され、該電池のセルすべての最適な再充電を提供し、ひいては適正なセルバランスおよび最も効率的な電力使用を確保する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、携帯用電子装置に電力を提供するために使用される充電式電池の充電分野に関し、特に、充電される電池の化学構成を判定することによって、電池を安全かつ効率的に充電する方法に関する。

交換用セルを使用しまたそのセルの再充電が可能ないかなる携帯用電子装置においても、誤って一次セルを充電しようとする危険性を回避するためには、ユーザによって充電されるセルの電池化学的性質を確かめることが重要である。このようなセルの電池化学的性質を判定するための従来の技術においては、電池に適度な負荷を適用し、負荷の適用および／または除去における動的電圧変化を監視する方法を利用する、Ｈ．Ｎ．Ｂｅａｎらの米国特許第ＵＳ６，４０４，１６４号、「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ」等、多数の方法が存在する。この方法は、同様にＨ．Ｎ．Ｂｅａｎらの米国特許第ＵＳ６，４００，１２３号の「Ｂａｔｔｅｒｙ Ｆｕｅｌ Ｇａｕｇｉｎｇ ｕｓｉｎｇ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」に利用されている。Ｇ．Ｍｅｌｔｏｎらの米国特許第ＵＳ７，２５９，５３８号には、電池の化学的性質の判定を行う適応電池検査方法が開示されている。しかしながら、このような従来技術は、一般的に、試験される電池が良好な状態及び良好な充電状態にあり、装置に既に使用されていると想定しており、電池の化学的性質の判定は、通常これらの想定に基づいている。現実の状況では、たとえ充電式タイプでも、完全な容量を有する新しい電池から、ほとんど充電不可能な、または完全に消耗している古い電池まで、様々な状態の能力の電池が使用されている可能性がある。従来技術の多数の方法は、このような状況に対応していないので、試験される電池の一般的状況を考慮して、充電の適切性を判定するために、電池の化学的性質を判定する方法の必要性が存在する。

さらに、携帯型電子装置の充電式電池が２つ以上のセルを含む場合、過充電として知られる十分に充電したセルを流れる全充電電流は、そのセルの寿命を短くし、エネルギーを無駄にするので、すべてのセルが同様のレベルに消耗しており、かつセルの充電を始める前に、どのセルも他のセルよりはるかに消耗した状態にないこと、を確認することが重要である。したがって、このような携帯用電子装置の充電制御システムに適用可能な電池のバランスをとる手順の必要性が存在する。

本明細書の本項および他の項において言及された刊行物のそれぞれの開示内容は、それらを言及することによってそれぞれの全体が本明細書に組み入れられている。

米国特許第６，４０４，１６４号明細書 米国特許第６，４００，１２３号明細書 米国特許第７，２５９，５３８号明細書

本発明は、本発明の好適な実施形態に従って、電池の化学的性質を判定する新たな方法および特に、電池が安全に充電できるかどうかを判定できるように、電池が一次または二次であるかどうかを判定する新たな方法を提供することを目的とする。また、容量または充電状態のいずれかに関して、電池の状態の指標も提供する。本方法は、低および中の両レベルの電流など、多様な充電ルーチンの前後およびその間に端子電圧の測定の組み合わせによって動作する。本方法は、電池の充電または放電のいずれかを利用し、測定された端子電圧が予想されるセルの動作から知られている所定値に比較され、一次または二次であるかどうか、および良好または不良な状態であるかどうかに用いられる。電池のインピーダンス測定は、本発明の方法の重要な特徴である。インピーダンス測定は、一般的に、電池に電流を流すことにより、また電圧増加の値を電池の電流で除算すること、または電池の電流に対する電池の電圧反応の他の任意の関数のいずれかによって、実施される。

本発明は、本発明の他の好適な実施形態に従い、携帯用電子装置の充電式電池パック内のセルバランスの欠落を検出および修正する新たな方法の提供をも目的とする。消耗寸前または完全に消耗した１つのセルまたは複数のセルが検出され、および放電／充電ルーチンが実行され、電池のセルのすべての最適再充電のために、ひいては適正なセルバランスおよび最も効率的な電力使用の確保が提供される。

したがって、本発明の好適な実施形態に従って、電気化学電池の性質を判定する方法が提供され、該方法は、
（ａ）前記電池の初期電圧を測定するステップと、
（ｂ）初期の電圧に応じて、前記電池に流れる電流を生成することによって該電池の初期インピーダンスを測定し、電流に起因する電池の電圧変化を測定するステップと、
（ｃ）初期インピーダンスに応じて、
（ｉ）充電前電流を適用し、充電前電流の適用中に前記電池の電圧を周期的に測定するステップおよび
（ｉｉ）充電前電流の適用中の電圧に応じて、前記電池に流れる少なくとも１つの増加した電流を生成することによって、前記電池の少なくとも１回の内部インピーダンス測定を行い、前記少なくとも１つの増加した電流に起因する前記電池の電圧変化を測定するステップを実施するステップと、
（ｄ）測定した初期電圧、充電前電流の適用中に測定された前記電池の電圧、初期インピーダンスおよび内部インピーダンスのうちの１つを利用して電気化学電池の性質を判定するステップと、を含む。

本発明のさらに他の好適な実施形態に従い、上記の方法においては、初期電圧が第１の所定電圧を上回る場合、電池は一次電池と見なされ、初期電圧が第２の所定電圧を下回る場合は、電池は使用不可と見なされる。さらに、初期インピーダンスが第１の所定インピーダンスを上回る場合、電池は一次電池と見なされ、初期インピーダンスが第２の所定インピーダンスを下回る場合、電池は二次電池と見なされる。さらに、初期インピーダンスが第１の所定インピーダンスと第２の所定インピーダンスとの間にある場合、充電前電流が適用されることが好ましい。本発明のさらなる好適な実施形態に従い、上記の方法においては、充電前電流の適用中に測定された電圧が、第１の所定電圧を超えて上昇する場合、電池は一次電池と見なされ、所定時間の終了時に、充電前電流の適用中に測定された電圧が第２と第１の所定電圧の間の第３の所定電圧を超えて上昇しない場合、電池は使用不可と見なされる。

本発明のさらに他の好適な実施形態に従い、上記したような方法がさらに提供され、初期内部インピーダンスが充電前電流の適用中に周期的に測定され、少なくとも１回の内部インピーダンスの測定結果が、第１の所定インピーダンスを上回ることが分かった場合、電池は一次電池と見なされ、少なくとも１回の内部インピーダンス測定結果が、第２の所定インピーダンスを下回ることが分かった場合、電池は二次電池と見なされる。

本発明のさらに好適な実施形態に従い、上記したような方法も提供され、初期インピーダンスは充電前電流の適用後に測定され、内部インピーダンスが第２の所定インピーダンスを上回ることが分かった場合、電池の充電が阻止され、内部インピーダンスが第２の所定インピーダンスを下回ることが分かった場合、電池は二次電池と見なされる。

上記の方法のいずれかにおいては、少なくとも１回の内部インピーダンス測定は、単一ポイントのインピーダンス測定、少なくとも１回増加した電流の１回の適用におけるインピーダンス測定平均、少なくとも１回増加した電流の１回の適用後の最終インピーダンス測定および複数回増加した電流のインピーダンス測定の組み合わせのいずれかを含むことが好ましい。さらに、増加した電流は、電池に充電電流を流すことによって、または、電池から電流を放電することによって、生成されることが好ましい。電池の少なくとも１回増加した電流は、順次増加する電流であることが好ましく、その場合、所定の電池電圧および所定の充電電流のいずれか１つに達するまで継続することが好ましい。

さらに好ましくは、充電前電流は電池の推奨充電電流の所定割合にすることができる。

上記の方法のいずれかにおいて、電池が一次電池、使用不可電池または完全に再充電された電池のいずれか１つであると判定される場合、電池の充電は阻止されるが、二次電池であると判定される場合、電池の充電が可能になる。

さらに、本発明の他の好適な実施形態に従い、電気化学セルの性質を判定する代替方法が提供され、該方法は、
（ａ）セルが電流を通さない間に該セルの初期電圧を測定するステップと、
（ｂ）初期電圧に応じて、前記セルの初期内部インピーダンスを測定するステップと、
（ｃ）初期インピーダンスに応じて、
（ｉ）前記セルの推奨充電電流の所定割合の充電前電流を適用して前記セルの電圧を周期的に測定するステップおよび
（ｉｉ）充電前ステップ中の前記セルの電圧に応じて、前記セル内に順次増加する電流を生成することによって前記セルの少なくとも１回の内部インピーダンス測定を行い、少なくとも１回の順次増加する電流が流れている間に前記セルの電圧を測定するステップを実施するステップと、
（ｄ）測定した電圧と内部インピーダンスのうち少なくとも１つを用いて、前記セルの化学性質を判定するステップと、を備える。

本発明のさらに他の好適な実施形態に従い、電気化学電池の性質を判定する方法がさらに提供され、該方法は、
（ａ）前記電池の初期電圧を測定するステップと、
（ｂ）初期電圧に応じて、
（ｉ）所定時間、前記電池の推奨される充電電流の所定割合の充電前電流を適用し、前記所定時間、前記電池の電圧を測定するステップおよび
（ｉｉ）前記電池に順次増加する電流を生成し、順次増加する電流の適用中、前記電池の電圧を測定するステップのうち１つを実施するステップと、
（ｃ）測定された電圧のうちの少なくとも１つを利用して前記電池の電気化学的性質を判定するステップと、を備える。

この方法に従い、初期電圧が第１の所定電圧を上回る場合、前記電池は一次電池と見なされ、初期電圧が第２の所定電圧を下回る場合、前記電池は使用不可と見なされる。さらに、充電前電流のステップは、初期電圧が第１の所定電圧と、第２の所定電圧未満の第３の所定電圧との間になる場合に適用されることが好ましい。充電前ステップの間、電圧が第４の所定値を超えて上昇しない場合、前記電池は使用不可と見なされる。

本発明のまた他の好適な実施形態に従い、本方法においては、順次増加する電流は、初期電圧が第３の所定電圧と第２の所定電圧との間になる場合に適用される。順次増加電流中に測定された電圧が、第１の所定電圧より大きい第５の所定電圧を超えて上昇する場合、前記電池は使用不可と見なされる。

本発明のさらに他の好適な実施形態に従い、上記のような方法がさらに提供され、順次増加する電流が流れる間に測定された電圧が利用されて前記電池の内部インピーダンスが判定され、内部インピーダンスが所定レベルよりも大きい場合は、前記電池は使用不可と見なされるが、内部インピーダンスが所定レベルよりも小さい場合は、前記電池は充電に適した二次電池であると見なされる。

上記の方法のいずれにおいても、順次増加する電流は、前記電池に順次増加充電電流を適用することによって、または、前記電池から順次増加充電電流を放電することによって、生成できることが好ましい。

最後に、本発明のさらに他の好適な実施形態に従い、複数のセルを備える充電式電池においてセル充電バランスを確保する方法が提供され、該方法は、
（ａ）前記電池のそれぞれのセルの充電状態を判定するステップと、
（ｂ）充電状態が少なくとも１つの他のセル充電状態よりもはるかに低い、少なくとも１つの不良セルを特定するステップと、
（ｃ）少なくとも１つの不良セルから、電池の一端に向けて位置するすべてのセルを放電するステップと、
（ｄ）少なくとも１つの不良セルから電池の一端に向けて位置するすべてのセルと共に少なくとも１つの不良セルを再充電するステップとを含む。

用語の厳密な使用においては、「電池」という用語は２つ以上のセルの集合を定義するが、現在の普通の使用においては、電池という用語は、単一のセルを記述するためにもほぼ一般的に使用されている。したがって、この使用は、電池の化学的性質の判定に関する本明細書の実施形態においても採用されるので、電池という用語もこのように要求される。本発明の実施形態の上記方法は、したがって、個別のセル、または、２つ以上のセルを備える電池の両方に適用されること、およびこれらの実施形態または請求されているように、一般的な用語「電池」の使用によって、本発明が制限されるものではないことが理解されよう。

本発明は、添付の図面を参照しての以下の詳細な説明により、さらに充分に理解し評価されるであろう。
充電を受けようとしている電池が再充電可能であるか一次タイプであるかを検出する本発明の電力管理システムの作動に際し、その第１の好ましい方法を示すフローチャートである。 は、電池の化学性質をさらに効果的に判定するように、プロセス中に電池のインピーダンス測定を多数回行う可能性を含むことによって、図１の方法を拡張する、第２の好ましい方法を示すフローチャート（その１）である。 は、電池の化学性質をさらに効果的に判定するように、プロセス中に電池のインピーダンス測定を多数回行う可能性を含むことによって、図１の方法を拡張する、第２の好ましい方法を示すフローチャート（その２）である。 は、電池の化学性質をさらに効果的に判定するように、プロセス中に電池のインピーダンス測定を多数回行う可能性を含むことによって、図１の方法を拡張する、第２の好ましい方法を示すフローチャート（その３）である。 本発明のセルバランスアルゴリズムで使用するために配線された電池の内部接続を模式的に示す図である。

図１および図２Ａ〜図２Ｃを参照するに、これらの図は本発明の電力管理充電制御システムによる好ましいルーチンを示すフローチャートであり、前記ルーチンにより、本発明の前記電力管理充電システムは、電池が充電器の充電電流の流れを阻止する一次電池であるかあるいは充電可能な二次電池であるかを判定するように動作する。これらのアルゴリズムは、電池化学アルゴリズムまたは電池検出アルゴリズムと呼ばれ、一般的には、一定の所定充電試験において端子電圧および温度を測定することによって、動作する。図１に示されたアルゴリズムは、さらに簡単な好ましい例で、および図２Ａ〜図２Ｃのアルゴリズムは、図１のアルゴリズムの拡張であり、反復ステップが繰り返される可能性が高い。

フローチャートの手順、および特に一般的な使用のためにさらに一般的な値にするために、すべての測定値は、２．５Ａｈの容量を有するＡＡ（単３）サイズの単一セルで使用するための手順として与えられる。しかしながら、これは、本発明の方法の限定ではなく、多数の与えられる例に対して適切な電圧および電流値の使用によって、任意のタイプまたはサイズの電池の使用にも同様に適用できることが理解されよう。

図１および図２Ａ〜図２Ｃでは、以下の省略形が使用される。
Ｖ_ＡＡ＝ＡＡ電池の電圧
Ｉ_ＡＡ＝ＡＡ電池の充電電流または放電電流
Ｒ_ＡＡ＝ＡＡ電池のインピーダンス

ここで第１の好適な実施形態を参照すると、図１のフローチャートに示されているように、ステップ１０においては、充電または放電の電流がない状態で電池に温度試験が実施される。ＡＡ電池の温度が推奨範囲、民生用では典型的には０℃から４０℃の外にあると検出された場合、温度が推奨範囲になるまで、充電が不可であり、試験は実施されない。これは、温度の周期的チェックによって判定される。

ステップ１１において、初期の電圧スクリーニング試験が、ここでも充電／放電電流のない状態でＡＡ電池に実施される。これによって、電池の開回路電圧が効果的にチェックされる。
１．Ｖ_ＡＡ＞１．５Ｖの場合、ＡＡ電池は確実に一次で、充電は不可能になる。
２．１．０Ｖ＜Ｖ_ＡＡ＜１．４Ｖの場合、ＡＡ電池は一次または再充電可能の場合があるので、以下のステップ２０の正常充電試験が実施される。
３．０．４Ｖ＜Ｖ_ＡＡ＜１．０Ｖの場合、ＡＡ電池は、非常に消耗した一次または二次セル、または破損した一次または二次セルのいずれかであると想定されるので、これらの可能性の違いを明らかにするために、以下のステップ１４から１８の充電前処理が実施される。
４．Ｖ_ＡＡ＜０．４Ｖの場合、セルは破損していると見なすことができるので、充電は不可能になる。

充電前処理は、充電可能である何らかの兆候を示した破損セルと、アルカリのような一次またはＮｉＭＨのような二次であるかに関わらず正常なセルとを区別することを意図している。ＡＡ電池のための前記充電前処理は、以下のように実施される。
１．ステップ１２において、ＡＡ電池は、この例で使用されるＡＡサイズのセルの推奨充電電流と比較すると低い電流で充電され、典型的には、Ｉ_ＡＡ＝８０ｍＡ、つまり約０．０３Ｃの電流で、Ｖ_ＡＡが監視される。
２．ステップ１３で示されているように、Ｖ_ＡＡ＞１．１５の場合、ＡＡ電池は充電前処理に合格したと結論付けられ、ステップ１５の正常充電試験が実施される。良好な状態の一次と二次両方のセルがこのステップ１３に合格するが、一次セルは、後のステップ１６の正常充電手順において排除される。Ｖ_ＡＡ＜１．１５Ｖの場合、Ｖ_ＡＡ＞１．１５Ｖになるまで、充電前処理が継続される。
３．ステップ１４に示されているように、Ｖ_ＡＡが２０分以内に１．１５Ｖを超えて上昇しない場合、電池は破損していると結論付けられ、充電前処理が停止され、充電は不可能になる。

正常充電試験は以下のように実施される。
１．ステップ１５では、ＡＡ電池は、２５ｍＡのステップ（各ステップは０．５秒間）で、１０秒間にわたって、０から５００ｍＡすなわち０．２Ｃで、好ましくは増大する充電電流で充電される。２５ｍＡ増加するたびに、以下のチェックが実施される。
２．ステップ１６において、Ｖ_ＡＡ＞１．５Ｖの場合、ＡＡ電池は、破損または一次電池と推定されるので、充電は不可能になる。
３．ステップ１６において、Ｖ_ＡＡ＜１．５Ｖの場合、ステップ１７において、Ｖ_ＡＡにおける無充電電流値（no-charge-current value）からの増加（ΔＶ_ＡＡ）を検査することによって、電池のインピーダンスがチェックされる。インピーダンスは、ΔＶ_ＡＡ／Ｉ_ＡＡであり、Ｉ_ＡＡは測定時点の充電電流である。代替的におよび好ましくは、インピーダンスは、ステップあたりの電圧の順次増加を電圧ステップあたりの電流の順次増加で除算することにより与えられる。この計算されたインピーダンスが２００ｍΩより大きい場合、ＡＡ電池は破損または一次電池であると結論付けられるので、充電は不可能になる。
４．ＡＡ電池が、前の２つの測定のうちのいずれかで一次であることが示されずに、０から５００ｍＡの充電電流傾斜を見せる場合、ステップ１８において、ＡＡ電池は再充電可能であると結論付けられるので、充電が可能になる。

通常の充電中、ＡＡ電池は、一定の１．４Ａで充電されることが好ましい。図１に示された予備の電池検出アルゴリズムに加えて、電池の充電中に追加の試験が実施され、検出プロセスを確認すると共に、充電プロセスの安全性を確認する。
１．Ｖ_ＡＡ：１．６Ｖを上回る場合、電池は一次であると結論付けられるので、充電は停止される。
２．温度：６０℃を超えると、安全性の理由で充電は停止される。
３．電池が１５０分以内に充電終了に達しなかった場合、安全性の理由で充電は停止される。

以下は、適切な再充電可能な電池だけが充電されるように、本発明の方法に従って行われる安全性の予防措置の要約である。
１．充電および試験は、不適切な温度では不可能になる。
２．充電前に特別な試験が実行される。
（ｉ）電池の開回路電圧がチェックされる。
（ｉｉ）電池は電流の増加傾斜で充電されるが、絶対電圧に加えて内部インピーダンスが監視され、その特徴が再充電可能な特徴に適合すること、および一次電池ではないことが確認される。
３．充電前試験中：
（ｉ）電池の電圧は、上昇時に充電前試験が停止されるように監視され、ＡＡ電池は電池検出試験を受ける。
（ｉｉ）２０分間の時間制限が使用される。
４．充電中：
（ｉ）電子の電圧が監視され、特徴が再充電可能な特徴に適合し、一次電池ではないことを確認する。
（ｉｉ）電池の温度が監視され、不適切な充電を回避する。
（ｉｉｉ）１５０分間の時間制限が使用される。

図１に示されたアルゴリズムは、セルのインピーダンスを判定するために、所定のセル充電手順を使用する。しかしながら、これは、図１のアルゴリズムに類似のアルゴリズムにおいてセル放電を使用して容易に実施でき、手順の「正常充電試験」の放電ステップによって充電ステップを置換することを理解されたい。放電アルゴリズムでは、一部のステップの条件は、求められている放電電圧／電流特徴に合わせて修正する必要があってもよい。ステップ１６において、条件は、Ｖ_ＡＡが０．８Ｖ未満になると、電池が破損していると結論付けられ、充電が停止されて充電は不可能になる。

本発明のさらなる好適な実施形態に従い、セルの化学的性質検出のための複合アルゴリズムを使用することが可能で、充電と放電の両方のルーチンが使用される。

ここで、本発明のさらなる好適な実施形態に従い、電池の化学的性質を判定する他の方法を示す図２Ａ〜図２Ｃを参照する。図１に示された好ましい方法においては、電池が充電できるという判定は、ステップ２０から２６の最終の正常充電試験ステージの結果として取られる可能性があることに注意されたい。これは、電池のインピーダンスは、二次電池は一般的に一次電池よりも低いインピーダンスを有するという、性質の優れた試験である一般的見解と一致する。正常充電試験は、本質的には段階的インピーダンス試験であるので、図１の方法の経過中多くの時点で実施されるように、電池の出力電圧測定に加えて、電池の化学性質の判定のための図１の方法における適切な最終条件である。

しかしながら、内部電池インピーダンスが電池の化学的性質の良好な指標である場合、プロセス中に他のステージでインピーダンスを測定すること、およびその結果をより早期に利用することが利点となり得る。特に、インピーダンス試験は、前記充電前ステージの前、該充電前ステージの前に多数回または充電前ステージの経過中またはこれらの組み合わせでも実施できることが好ましい。代替としておよび好ましくは、インピーダンス測定およびその段階的充電増進は、他の好適な実施形態に従い、複数の段階的充電プロセスはしばしば電池の充電特性を向上させることが知られているので、２回以上実施することができる。この実施形態に従い、段階的インピーダンス測定の第１回目の結果を意図的に無視することが好ましく、２回目だけ、または以降のインピーダンス試験の一部またはすべての平均を、この方法の目的として、効果的な電池を判定する場合に使用することができる。

したがって、本発明のさらなる好適な実施形態に従い、測定ルーチンは、充電または放電であるかに拘わらず、電池のインピーダンスが判定のために使用され、このルーチンは、電池の化学的性質の判定プロセス中の多くの時点で任意に使用される。最も簡単なルーチンは、単に電流を典型的には推奨充電電流の一部の電流を短時間、典型的には約０．５秒間、電池に適用すること、および電流の適用の結果として、電池の電圧変化からインピーダンスを判定することである。このプロセスの別の、しかしさらに複雑な好適な実施形態は、図２Ａ〜図２Ｃのフローチャートに示される。

図２Ａ〜図２Ｃの好適な実施形態に示された特定の段階および測定は、本発明をインピーダンス測定の特定の順序および数に限定することを意味せず、図２Ａ〜図２Ｃは、一般的にこのような電池を充電するための安全な手順を判定するため、および特に電池の化学的性質を判定するため、少なくとも１回の電池出力電圧測定と、１回以上の電池内部インピーダンス測定の組み合わせを使用するための１つの例示的な手順に過ぎないことが理解されよう。

ここで、本発明の好適な実施形態に従い、図２Ａのルーチンに示されたインピーダンス測定を含む、フローチャートの本体を構成する図２Ｂ〜図２Ｃを初めに参照する。図１のより簡単な手順のように、ステップ２１において、電池の温度試験が実施され、充電または放電電流のない状態２０で、電池は充電前に試験を受ける。ＡＡ電池の温度が、民間用用途では典型的には０℃から４０℃の推奨範囲外であることが検出されると、温度が推奨範囲に入るまで、充電は不可能になり、試験は実施されない。これは、温度の周期的チェックによって判定される。

温度が所望の範囲内にある場合は、ステップ２２において、初期の電圧スクリーニング試験が、ここでも、充電／放電電流のない電池で実施される。これによって、電池の開回路電圧が効果的にチェックされる。図２Ａ〜図２Ｃの手順においては、図１の実施形態において使用された基準と比較すると、わずかに異なる好ましい基準が以下のように示されるが、基本原則は同様である。
１．Ｖ_ＡＡ＞１．５Ｖの場合、ＡＡ電池は一次と見なされて、充電は不可能になる。
２．Ｖ_ＡＡ＜０．４Ｖの場合、セルは破損と見なすことができると想定されるので、充電は不可能になる。
３．１．４Ｖ＜Ｖ_ＡＡ＜１．５Ｖの場合、ＡＡ電池は一次電池または完全に充電された二次電池であると見なされて、充電は不可能になる。
４．０．４Ｖ＜Ｖ_ＡＡ＜１．４Ｖの場合、ＡＡ電池は一次電池または再充電可能と見なされて、ステップ２３において、好ましくは図２Ａに示された好ましい手順によって、内部インピーダンスが測定される。

ここで、試験下の電池の内部インピーダンスＲ_ＡＡを判定するための好ましいルーチンを示す図２Ａを再び参照する。このルーチンは、「正常充電試験」の表題が付けられた本発明の図１のステップ１５〜１８で示されているルーチンに類似する。
１．ステップ２５において、ＡＡ電池は、好ましくは、０．５秒毎に２５ｍＡの段階で、合計１０秒の間に０から５００ｍＡつまり０．２Ｃまで増加する充電電流で充電される。２５ｍＡの増加のたびに、ステップ２６において電池のインピーダンスがチェックされる。
２．ステップ２６において、電池のインピーダンスは、充電なし電流値からのＶ_ＡＡにおける増加（ΔＶ_ＡＡ）を検査することによってチェックされる。インピーダンスＲ_ＡＡ＝ΔＶ_ＡＡ／Ｉ_ＡＡであり、Ｉ_ＡＡは測定時点の充電電流である。代替としておよび好ましくは、インピーダンスは、段階あたりの電圧の順次増加を電圧段階あたりの電流の順次増加で除算することにより与えられる。測定されるインピーダンスの値は、インピーダンスのレベルに基づいて判定が行われる必要がある手順において、後で使用するためにシステムメモリに保管することが好ましい。このような判定は、単一のインピーダンス測定またはインピーダンス測定の平均に基づいて、あるいは、選択されたインピーダンス測定またはシステム設計者によって選択される特定の条件によって判定される他の任意の組み合わせに基づいて、行うようにできることが好ましい。
３．ステップ２７において、手順は、電池電圧が１．６Ｖの好ましいレベルに達したかどうか、または、充電電流が５００ｍＡまで全体で好ましい充電電流の傾斜で至ったかどうかをチェックする。これらの条件のいずれも満たされない場合、制御はステップ２５に戻って、電流は別の２５ｍＡステップによって増加される。これらの条件のいずれかが満たされると、インピーダンス測定ルーチンは完了して、ステップ２８の制御は、図２Ｂのメインプロセスからステップ３０に戻る。

図２Ｂに戻ると、ステップ３０において、図２Ａのルーチンにおいて測定された初期インピーダンスが計算される。前述のように、このインピーダンスは、任意の単一の測定によって定めることができるが、より好ましくは、その終了まで、１つの完全な傾斜充電プロセスの最後で取得された結果によって定めることができる。ステップ３０において使用するためのインピーダンスの代替定義は、好ましくは、多くの充電傾斜後に取得された平均または１つ以上の充電傾斜ではあるが（第１の傾斜は真のインピーダンスには典型的ではない結果を生成する場合があること、その第１の傾斜上昇の条件効果後だけに、電池が真の作用を見せる場合があることから）第１の充電傾斜を除くことによって取得されたインピーダンスまたはシステム設計者が選択するインピーダンス測定の他の任意の組み合わせにしてもよい。ステップ３０の重要な面は、選ばれたインピーダンス測定は、電池が良好な再充電可能な電池であるかまたは一次電池であるという可能性についての初期測定と見なされるということである。したがって、この例示的な実施形態で使用されるレベルの好ましいセットに応じて、インピーダンスが１００ｍΩ未満の場合、電池は再充電可能であると想定され、図２Ｃのステップ４０において充電が可能になる。一方で、インピーダンスが２００ｍΩを超える場合、電池は破損または一次のいずれかであると想定され、充電は図２Ｃのステップ４１において使用不可になる。インピーダンスが１００から２００ｍΩの間である場合、確証はないが、電池は再充電可能である可能性が高いので、制御は図２Ｃに示された、ステップ３１から開始する充電前処理に渡される。

ここで、図２Ｂからのアルゴリズムが連続する図２Ｃを参照する。ステップ３１において、図１の実施形態において説明された充電前処理の例に類似した充電前処理が開始される。その手順と同様に、充電前処理は、充電可能である何らかの兆候を示した破損セルと、アルカリのような一次またはＮｉＭＨのような二次のいずれかの正常なセルとを区別するように意図されている。ＡＡ電池の充電前処理は以下のように実施される。
１．ステップ３１において、電池は、この例で使用されるＡＡサイズのセルの推奨充電電流と比較すると低い電流で充電される。ＩＡＡ＝８０ｍＡの電流つまり約０．０３Ｃが使用されることが好ましく、Ｖ_ＡＡが監視される。
２．ステップ３２で、Ｖ_ＡＡ＞１．５Ｖの場合、電池は一次電池であると想定され、ステップ４１において充電は不可能になる。この電池は、初期充電レベルが低いことから、ステップ２２において早期には検出されなかった可能性がある。
３．ステップ３３において、好ましくは図２Ａで説明されたルーチンに従って、セルの内部インピーダンスがチェックされ、インピーダンス測定の結果は、インピーダンスを確定するために使用される何らかの条件に応じて、ステップ３４においてチェックされる。
３．ステップ３４において、ステップ３０の初期インピーダンスチェックにおいて使用された判定と同じ判定が行われることが好ましい。このように、インピーダンスが１００ｍΩ未満の場合、電池は再充電可能であると想定され、ステップ４０において充電が可能になる。一方で、インピーダンスが２００ｍΩを超える場合、電池は破損または一次電池のいずれかであると想定され、ステップ４１において充電は不可能になる。インピーダンスが１００から２００ｍΩの場合、確証はないが、電池は再充電可能である可能性が高く、充電前試験がステップ３５で継続される。
４．ステップ３５において、充電前処理時間がチェックされて、充電前の所定の２０分に達していない場合は、制御はステップ３１に戻され、連続してインピーダンス試験が行われることを防ぐために好ましくは短時間の間隔をおいた後、充電前処理を継続する。所定の間隔でインピーダンスを試験することで十分である。
５．ステップ３６において、好ましい２０分の所定の充電前期間の最後で、電池端子電圧が測定され、Ｖ_ＡＡ＜１．１５Ｖの場合、電池は破損していると結論付けられ、充電前処理が停止され、ステップ４１で充電は不可能になる。一方で、Ｖ_ＡＡ＞１．１５Ｖである場合、ＡＡ電池は充電前試験に合格したと結論付けられ、制御はステップ３７に渡される。

充電前処理の終了までに、良好な状態の一次と二次両方のセルが、良好な状態の一次セルが充電には不適当であると示されずに、このステップに到達したという可能性がある。したがって、充電前試験に合格したどの電池も再充電に適していることを確認するために、メイン充電回路が可能になる前に、別のステップが必要である。この最後のステップは、ステップ３７において実施されるもう別のインピーダンス試験によって提供される。前の試験と同様に、このインピーダンス試験は、すべて図２Ａの実施形態において説明されているように、傾斜したルーチン、または傾斜したルーチンの選択した数または組み合わせのいずれか、または単一の試験の可能性さえある。

ステップ３８において、選択されたインピーダンス測定の値がチェックされ、Ｒ_ＡＡ＜１００ｍΩの場合、電池は再充電可能であると想定され、ステップ４０において充電が実施される。一方、Ｒ_ＡＡ＞１００ｍΩの場合、電池は事実上一次であると想定され、ステップ４１において充電は不可能になる。

図２Ａ〜図２Ｃの実施形態において説明された手順が図１とは異なる一態様は、この実施形態に従うインピーダンス測定が充電前処理前と充電前処理中の両方で実施できることである。これは、これらの早期のインピーダンスルーチンのうちの１つの手段によって、電池が良好な二次電池であると判定される場合、ステップ４０において正常な方式で電池を充電する指示は、したがって、図１の手順に従うよりも早期に提供できるという利点になり得る。統計的に、これは、電池の完全充電がもっと早く始められるので、顕著なユーザ利点である、充電前段階の短縮だけではなく、一次電池であると検出される前に一次電池がエネルギーを無駄にする充電前サイクルを期間全体で実行するという可能性を減少することにもなる。この実施形態は、特に、たとえば、どちらも同様なレベルのインピーダンスで充電前処理を開始することができる、アルカリセルと完全に消耗したＮｉＭＨセルとを区別するための利点がある。しかしながら、ＮｉＭＨセルは破損していない限り、充電前段階中のインピーダンス試験の実行は、一般的に、充電前が中間インピーダンス試験を行わずに実施された場合よりもずっと迅速に二次セルとしての検出を可能にするように、充電前段階の開始後すぐに復活するはずである。同様に、充電前段階の経過中、アルカリ電池のインピーダンスは一次セルのインピーダンスに向かう傾向があることがすぐに明らかになるので、充電前処理を完了まで継続する必要性も排除する。

追加の試験すべて、安全性予防措置および充電電流の代わりに適切な放電電流を使用する可能性は、図１の第１の好適な実施形態に関連して上記したように、図２Ａ〜図２Ｃのこの好適な実施形態にも適用されることを理解されたい。

本発明の多様な好適な実施形態に従う方法のすべての狙いは、充電下の電池の電池化学的性質を判定するためと、電池化学的性質が一次であるかまたは電池が破損していると判定されて充電がうまくできないまたはおそらく安全には充電できないと判定された場合に、充電機能の使用不可を命令すること、であることが強調される。したがって、本発明の多様な手順は、破損または充電には不適切であるとして拒否されない、潜在的に有用な電池がないことを確認するために、電池をチェックする絶対確実な方法ではないことが強調される。特性または特徴に応じて、本発明の方法を使用することによって、一部の潜在的に良好な電池は、充電には不適切であるとして拒否されることがあり得る。しかしながら、本発明の主な狙いは、一次または不適切な電池の充電を防止するためであり、高度の成功率で実行できると考えられる。

さらに上記の方法は、一般的に、電池への適用に関して説明されたが、この用語は、セルまたは複数のセルの電池を含むとして理解されたい。マルチセル電池のために、または装置の「電池」を構成するようにユーザによって装置に挿入される多くのセルのために使用される場合、アルゴリズムのパラメータの値は、マルチセルの電池から予想される様々な電圧およびインピーダンスを考慮するように調整可能であるので、本方法は、完全にマルチセル電池の電池化学的性質を判定するために有用である。少数のセルを備える電池においては、電池の任意の個別のセルの化学的性質を判定する目的で、特に、電池のセルのいずれかが充電に適していない場合には充電を防止するために、本発明を実施することも可能であり得る。このような場合、異なるタイプのいくつかのセルの直列接続において単一のセルの効果を検出するように、平均化された条件を使用する必要性があるため、試験の感度は一般的に下がることになる。

ここで、本発明のさらに好適な実施形態に従って、セルバランスアルゴリズムを実行するように配線された、電子装置の電池の内部接続を模式的に示す図３を参照する。電池が２つ以上のセルから構成される場合、セルの充電を開始する前に、他に比べてはるかに消耗しているセルがないことを確認することが重要である。このようなアンバランスな状況は、たとえば、ユーザが別の装置で以前に使用していたセルのうちの１つを取り外して、ほとんど完全に消耗した状態で前記電池に戻した場合に発生する可能性がある。充電レベルが低いほうのセルがまだ充電されている間に、完全に充電されたセルに充電電流を流すことになるため、このような消耗またはほとんど消耗したセルは、はるかに高い充電状態にあるセルと共に充電してはならない。これによって、完全に充電されているセルの過充電となり、一般的にはそれらのセルを破損し、寿命を短縮するだけでなく、無駄である。セルバランスアルゴリズムは、それぞれのセルの充電状態を判定するために、それぞれのセルの端子電圧を別々に測定することによって動作する。代替としてそれぞれのセルの放電特徴は、放電中の電圧変化を測定することによって判定される。すべてのセルの測定で電池の一端を参照することは電子的により便利であるため、それぞれのセルの電圧は、好ましくは、積み重ねられたセルの一端からの電圧をそれぞれの測定で積み重ねられたセルの数を増加させながら、連続的に測定し、連続結果を減じることによって、決定され、測定された積み重ねに追加された最後のセルの電圧を取得する。全てのセルに、それが１つまたは２つ以上であろうと、部分的または全体的な消耗が検出されると、積み重ねられたセルの全体は、電池の一端に最も遠い位置にある消耗したあるいは部分的に消耗したセルから前記電池の一端まで放電され、これらセルのすべてが放電状態になる。こうして同等に放電されたセルの積み重ねは、電池全体のいずれのセルにも過充電を生じずに、再充電できるようになる。

図３の好ましい例で示された電池は、４つのセル５２、５３、５４および５５を含む。電池のセルのそれぞれは、セルバランスアルゴリズムを実行するために、端子の両方から充電制御および測定回路まで出力するリードを有する。これらの出力リードは、それぞれのセルの端子電圧を測定するためと、電池のセルのいずれか１つで積み重ねから電流を放電または充電するための接続を作るためとの両方に使用される。この好適な実施形態において、セル５２は電池の「ボトム」セルと呼ばれ、セル５５は電池の「トップ」セルと呼ばれるが、この命名は、アルゴリズムの動作を説明する場合の簡便性という理由だけで使用され、電池パックの物理的配向に関する有意性を有しないことを理解されたい。

セルバランスアルゴリズムの実行を図示するために、充電試験中または直接電圧測定によって、セル５４は、電池の他の３つのセルよりもかなり低い電荷を有することが明らかである例が使用される。消耗したセル５４を充電するためには、過充電を避けるように、充電電流が他の完全に充電されたセル５２、５３および５５を通過しないことが重要である。電池のボトム端を電池の共通の接続ポイントとして使用し、アルゴリズムは、消耗したセル５４の下に配置されているすべてのセル、つまり、セル５２および５２がまず完全に放電されるように手配する。これが実行されると、セル５２、５２および５４のすべては、同じような放電の状態になる。このような状況においては、セルのいずれにも過充電を発生させずに、同じような消耗の状態からすべてのセルの充電サイクルを実施することが可能である。これは、セル５２から５４までをまとめて完全充電の状態まで充電することによって実施される。

図３の実施形態は、消耗したセルから、いわゆるボトムセル５２のマイナス端子に向かってセルを放電しているが、アルゴリズムは、消耗セルからいわゆるトップセル９５のプラス端子に上に向けてのセルのすべてを放電することによって、同じく適用される可能性があることを理解されたい。このような場合、セル５４だけが放電され、再充電は、セル５４および５５だけに必要になる。

代替としておよび好ましくは、アルゴリズムは、必要なセルを放電および充電するために、消耗したセルに近い電池の一端を選択するように手配することができるが、これには、電池充電管理システムの制御回路に電池を適切に接続することが関与することになる。さらに好適な実施形態に従い、セルバランス手順は、積み重ねの他の任意のセルを放電および充電する必要なく、部分的または完全に消耗していることが分かる個別のセルだけで動作するように手配することができる。このような実施形態には、電池の一端に配置されていないセル内外への電流の制御を行う接続を可能にするより複雑な回路を伴うことになる。

当業者は、本発明が特に上記に図示および説明された内容によって限定されないことを理解されよう。むしろ、本発明の範囲は、上記で説明された多様な特徴の組み合わせと部分的組み合わせとの両方、ならびに、上記の説明を読むことによって当業者が気づくであろう、従来の技術にはない、これらへの変形および変更を含む。

Claims (26)

1. 電気化学電池の性質を判定する方法であって、
   （ａ）前記電池の初期電圧を測定するステップと、
   （ｂ）前記初期の電圧に応じて、前記電池に流れる電流を生成することによって該電池の初期インピーダンスを測定し、前記電流に起因する前記電池の電圧変化を測定するステップと、
   （ｃ）前記初期インピーダンスに応じて、
   （ｉ）充電前電流を適用し、前記充電前電流の適用中に前記電池の電圧を周期的に測定するステップおよび
   （ｉｉ）前記充電前電流の適用中の前記電池の電圧に応じて、前記電池に流れる電流を少なくとも１回増加することによって、前記電池の内部インピーダンス判定を少なくとも１回行い、前記少なくとも１回の増加した電流に起因する前記電池の電圧変化を測定するステップを実施するステップと、
   （ｄ）前記測定した初期電圧、前記充電前電流の適用中に測定された前記電池の電圧、前記初期インピーダンスおよび前記内部インピーダンスのうちの少なくとも１つを利用して、前記電気化学電池の性質を判定するステップとを含む方法。
2. 前記初期電圧が第１の所定電圧を上回る場合、前記電池は一次電池と見なされ、前記初期電圧が第２の所定電圧を下回る場合、前記電池は使用不可と見なされる、請求項１に記載の方法。
3. 前記初期インピーダンスが第１の所定インピーダンスを上回る場合、前記電池は一次電池と見なされ、前記初期インピーダンスが第２の所定インピーダンスを下回る場合、前記電池は二次電池と見なされる、請求項１に記載の方法。
4. 前記充電前電流は、前記初期インピーダンスが前記第１の所定インピーダンスと前記第２の所定インピーダンスとの間にある場合に適用される、請求項３に記載の方法。
5. 前記充電前電流の適用中に測定された前記電圧が前記第１の所定電圧を超えて上昇する場合、前記電池は一次電池と見なされる、請求項２に記載の方法。
6. 前記所定時間の終了時、前記充電前電流の適用中に測定された前記電圧が、前記第２と第１の所定電圧との間の第３の所定電圧を超えて上昇しない場合、前記電池は使用不可と見なされる、請求項２に記載の方法。
7. 前記内部インピーダンスが前記充電前電流の適用中に周期的に測定され、前記内部インピーダンス測定のうちの少なくとも１つが第１の所定インピーダンスを上回ることが分かった場合、前記電池は一次電池と見なされ、前記内部インピーダンス測定のうちの少なくとも１つが第２の所定インピーダンスを下回ることが分かった場合、前記電池は二次電池と見なされる、請求項１に記載の方法。
8. 前記内部インピーダンスが前記充電前電流の適用後に測定され、前記内部インピーダンスが前記第２の所定インピーダンスを上回ることが分かった場合、前記電池の充電は阻止され、前記内部インピーダンスが前記第２の所定インピーダンスを下回ることが分かった場合、前記電池は二次電池と見なされる、請求項１に記載の方法。
9. 前記少なくとも１回の内部インピーダンス判定は、単一ポイントのインピーダンス測定、少なくとも１つの増加した電流の１回の印加のインピーダンス測定平均、少なくとも１つ増加した電流の１回の印加後の最終インピーダンス測定および複数の増加した電流からのインピーダンス測定の組み合わせのうちのいずれか１つを備える、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記増加した電流は、充電電流を前記電池に適用することによって生成される、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記増加した電流は、電流を前記電池から放電することによって生成される、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記電池で前記少なくとも１つの増加した電流は、電流を順次増加している、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記順次増加している電流は、所定の電池電圧および所定の充電電流のいずれか１つに到達するまで継続する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記充電前電流は、前記電池の推奨される充電電流の所定割合である、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記電池が、一次電池、使用不可電池または完全に再充電可能な電池のうちのいずれか１つであると判定される場合、前記電池の充電は阻止される、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記電池が二次電池であると判定される場合、前記電池の充電が可能になる、前述の請求項のいずれか一項に記載の方法。
17. 電気化学電池の性質を判定する方法であって、
    （ａ）前記電池の初期電圧を測定するステップと、
    （ｂ）前記初期電圧に応じて、
    （ｉ）所定時間、前記電池の推奨される充電電流の所定割合の充電前電流を適用し、前記所定時間、前記電池の電圧を測定するステップおよび
    （ｉｉ）前記電池に順次増加する電流を生成し、前記順次増加する電流の適用中、前記電池の電圧を測定するステップのうち１つを実施するステップと、
    （ｃ）前記測定された電圧のうちの少なくとも１つを利用して前記化学電池の性質を判定するステップとを含む方法。
18. 前記初期電圧が第１の所定電圧を超える場合、前記電池は一次電池と見なされ、前記初期電圧が第２の所定電圧を下回る場合、前記電池は使用不可と見なされる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記充電前電流ステップは、前記初期電圧が前記第１の所定電圧と、前記第２の所定電圧未満の第３の所定電圧との間にある場合に適用され、前記充電前電流ステップの間、前記電圧が第４の所定値を超えて上昇しない場合、前記電池は使用不可と見なされる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記順次増加する電流は、前記初期電圧が前記第３の所定電圧と前記第２の所定電圧との間にある場合に適用される、請求項１８に記載の方法。
21. 前記電流の順次増加中に測定される前記電圧が、前記第１の所定電圧より大きい第５の所定電圧を超えて上昇する場合、前記電池は使用不可と見なされる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記電流の順次増加中に測定される前記電圧を利用して、前記電池の内部インピーダンスを判定し、前記内部インピーダンスが所定レベルより大きい場合、前記電池は使用不可と見なされる、請求項２０に記載の方法。
23. 前記内部インピーダンスが前記所定レベル未満の場合、前記電池は充電に適した二次電池であると見なされる、請求項２０に記載の方法。
24. 前記順次増加している電流は、順次増加している充電電流を前記電池に適用することによって生成される、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記順次増加している電流は、順次増加している充電電流を前記電池から放電することによって生成される、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の方法。
26. 複数のセルを備える充電式電池においてセル充電バランスを確保する方法であって、
    前記電池のそれぞれのセルの充電状態を判定するステップと、
    充電状態が少なくとも１つの他のセルの充電状態よりも著しく低い少なくとも１つの不良セルを特定するステップと、
    前記少なくとも１つの不良セルから前記電池の一端に向けて位置するすべてのセルを放電するステップと、
    前記少なくとも１つの不良セルから前記電池の前記一端に向けて位置するすべてのセルと共に前記少なくとも１つの不良セルを再充電するステップとを含む方法。

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