JP2010541526A - 複数の電池を伴う回路配列 - Google Patents

Abstract

回路配列が開示される。この回路配列には、複数の充電式電池（１２ａ〜１２ｃ）（このそれぞれに少なくとも１つの充電可能電気化学セルがある）、及びその複数の電池に接続された通電部品（１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜ｂ）が含まれ、これら複数の電池が充電されているときにはこれら複数の電池が直列の電気回路配列になり、これら複数の電池が放電しているときにはこれら複数の電池が並列の電気回路配列になるようになっている。

Description

充電式電池に対する電力は、充電電圧と充電電流の積（すなわちＰ＝ＩＶ）として計算される。したがって、比較的低い充電電圧で高い充電電流を供給すること、又は、比較的高い充電電圧で低い充電電流を供給することのいずれかにより、特定のレベルの充電電力を達成することができる。

一般に、充電式電池を「急速充電」するには、高電流がその充電式電池に印加される。充電式電池を充電するのに高電流を使用するには、比較的低電流を出力する充電器に比べて、高電流を取り扱うために比較的大型で比較的高価な部品（例えば半導体、インダクタ、コンデンサなど）を必要とする。電池の側では、高い充電電流を扱うために必要な保護回路（例えばヒューズ、ポリマー熱カットオフ（ＰＴＣ）ヒューズ、及び／又は電子的保護回路基板など）が高価になり、しばしば実用化が困難になる。更に、高い充電電流を使用して電池を充電するには、伝導体の溶融及びその他の変形を防ぐため、充電器と電池との間のインタフェースを物理的に大きいサイズにする必要がある。これによりインタフェースが嵩高になり、ポータブルなデバイスには適さなくなる。

電池の「急速充電」は、別の方法として、より低い電流で、高い充電電圧を電池に印加することにより達成することが可能である。しかしながらこの条件では、高い電圧が弱められることになり（例えば、バックコンバータなどのステップダウンＤＣ／ＤＣコンバータを用いることにより）、これにより効率損失（通常５〜２０％）、設定ドレイン電流、高コストが生じることになり、更にステップダウンコンバータを組み込むために物理的な嵩が増えることになる。

１つの態様において、１つの回路配列が開示される。この回路配列には、複数の充電式電池（それぞれに少なくとも１つの充電可能電気化学セルがある）、及びその複数の電池に接続された通電部品が含まれ、これら複数の電池が充電されているときにはこれら複数の電池が直列の電気回路配列になり、これら複数の電池が放電しているときにはこれら複数の電池が並列の電気回路配列になるようになっている。

実施形態は、次のうちの１つ以上を包含し得る。

この複数の電池は、充電されるときに、１５分間以内でその複数の電池の充電容量の約９０％の充電レベルに達するよう構成され得る。

前記通電部品に、複数の電池のうち２つの間に直列に接続された少なくとも１つのダイオードが含まれ、これにより、その複数の電池が充電されるとき、その少なくとも１つのダイオードが、複数の電池を通る充電電流を１つの電気経路方向に流すようにし、これによりその複数の電池が直列配列になる。この少なくとも１つのダイオードは、複数の電池のうち１つの陰極と、複数の電池のうちこれに続く１つの電池の陽極との間を接続され得る。

この回路配列は更に、負荷に電力を供給するための電気的端子を含み得る。この電気的端子は、電気的端子から複数の電池のそれぞれへの各電気経路（この経路は他の電池を通り抜けない）において複数の電池に接続され得る。この電気的端子は、複数の電池のうち１つ以上に直接接続して、この端子から、複数の電池のうち１つ以上の電池への対応する電気経路に、通電部品が存在しないようにすることができる。複数の電池のうち１つ以上が負荷に対して電力を供給しているとき、その複数の電池のうち少なくとも１つが、その複数の電池のうち１つ以上に対して、電力を供給し得る。

別の態様において、１つの電池が開示される。この電池は、複数の充電可能電気化学セルと、その複数の電気化学セルを接続する通電部品とを有し、複数の電気化学セルが充電されているときにはこれら複数の電気化学セルが直列の電気回路配列になり、これら複数の電気化学セルが放電しているときにはこれら複数の電気化学セルが並列の電気回路配列になるようになっている。

この電池の実施形態は、回路配列に関する上記の特徴のうち任意のものに対応する任意の特徴を含み得る。

更に１つの態様において、複数の充電式電池を充電する１つの充電装置が開示される。この装置には、出力電力を供給するための電源変換モジュール、及び特定の充電速度に対応する電流レベルを決定するために構成されたコントローラが含まれ、この電流レベルは複数の充電式電池の充電容量に基づいて決定され、その決定された電流レベルに実質的に等しい充電電流で複数の充電式電池に供給するための出力電力をもたらす。

実施形態は、次のうちの１つ以上を包含し得る。

このコントローラは更に、複数の充電式電池及び通電部品を含む配列において、ひとたび達したらそれが維持される交差電圧レベルを決定するよう構成することができ、その通電部品は、複数の充電式電池を直列の電気回路配列に接続し得る。交差電圧を決定するために、コントローラは、複数の充電式電池の各最大電圧と、その複数の充電式電池を直列の電気回路配列に接続している通電部品に対する電圧との総和を計算するよう構成することができる。

電流レベルを決定するよう構成されたコントローラは、複数の充電式電池に印加されたときに、その複数の充電式電池の充電容量の少なくとも９０％の充電レベルが１５分間以内に達成されるような、急速充電の充電速度に対応する電流レベルを決定するよう構成され得る。

このコントローラは更に、指定された充電時間が経過した後、複数の充電式電池に供給される出力電力を停止するよう構成される。

更に別の態様において、１つの回路配列が開示される。この回路配列は、少なくとも１つの充電可能電気化学セルをそれぞれに含む複数の充電式電池、複数の双方向通電部品（その複数の双方向通電部品のうち最初のものが、複数の電池のうち１つの第一端子を、複数の電池のうちそれに続く電池の同じ端子に接続する）、及び複数の単方向通電部品（その複数の単方向通電部品のうち最初のものが、複数の電池のうち特定のものの第一端子と、複数の電池のうちそれに隣接する電池の反対の端子とを接続する）を含む。

実施形態は、次のうちの１つ以上を包含し得る。

充電中、この複数の電池は、効果的な直列の電気回路配置になり得る。

放電中、この複数の電池は、効果的な並列の電気回路配置になり得る。

この複数の電池は、充電されるときに、１５分間以内でその複数の電池の充電容量の約９０％の充電レベルに達するよう構成され得る。

複数の双方向通電部品には、少なくとも１つの抵抗が含まれ得る。複数の単方向通電部品には、少なくとも１つのダイオードが含まれ得る。

この回路配列は更に、負荷に電力を供給するための電気的端子を含み得る。この電気的端子は、電気的端子から複数の電池のそれぞれへの各電気経路（この経路は他の電池を通り抜けない）において複数の電池を接続し得る。

本明細書で記述されるこの配列、電池及び充電装置の利点は、ある操作モード（例えば充電）から別の操作モード（例えば負荷に電力を供給）へと配列が切り替わるときに変更する必要がない構成で、これら通電部品が接続されていることである。よって、トランジスタを作動させるコントローラや、電気回路経路を設定し直す手動スイッチなどの切り替え機構は、この配列では不要である。

本明細書に記述される配列のもう１つの利点は、特定の充電速度（例えば１２Ｃ）で複数の電池（又は電気化学セル）の直列配列を急速充電するのに必要な充電電流が、同じ特定の充電速度を用いて、単一の電池（そのエネルギー容量が、複数の電池配列のエネルギー容量総和に等しい）を充電するのに必要な充電電流レベルよりも低いことである。その結果、複数の充電式電池を直列に組み合わせて充電する充電操作は、同じ充電電流でより早くなるか、又は、同じ充電時間なら、複数の電池を配列した容量の総和に等しいエネルギー容量を有する単一の電池に必要なよりも、より低い電流を用いることになる。更に、複数の電池の配列において、充電器の実装と電池の保護回路に必要なハードウェアは、複数の電池の容量の総和に等しいエネルギー容量を有する単一の電池の場合よりも、より安価、かつ、より簡単になる。

本発明による１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴、目的及び利点は、説明、図面及び特許請求の範囲から明らかとなろう。

複数の電池を有する回路配列の、１つの例示的な実施形態の回路図。 図１の回路配列に対し充電する充電器の、１つの例示的な実施形態のブロック図。 図２の充電装置の回路図。 図２の充電器を使用して充電を行う手順の、１つの例示的な実施形態のフローチャート。

充電操作中には直列の電気的配列に接続され、電池が負荷に接続されている放電中には並列の電気的配列に接続される、充電式電池（又は電気化学電池）の配列が開示される。この種の二モード電池配列を実現するには、電池を接続するために、単方向性の通電部品（例えばダイオード）及び双方向性の通電部品（例えば抵抗）が使用される。本明細書で説明される直列／並列の電池配列は、中程度の充電電流を用いた超急速充電に適している。

図１は、複数の電池１２ａ〜ｃを有する電池配列１０で、それぞれが１つ以上の充電可能な電気化学セルを有している、１つの例示的な実施形態を示す。図１は、３つの電池を含む配列１０の実施形態を図示しているが、任意の数の電池（例えば３つを超える数の電池）をこの配列に含めることが可能であり、本明細書で記述されているこの３つの電池配置と同様の接続方法で、互いに接続することができる。電池１２ａ〜ｃは、円筒形電池、角柱形電池、ボタンセル電池などであり得る。図示されている配列を、複数の充電式電気化学セルを含む単一の電池の中に、内部的に実装することができる。よって、本明細書に提示されている説明は、それぞれ電気化学セルを備えた複数の電池の配置として行われるが、この説明はまた、単一の電池内にある複数の電気化学セルの配置にも適用可能である。

電池１２ａ〜ｃは、黒鉛アノード材料又はチタン酸リチウムアノード材料と、リチオ化リン酸鉄カソード材料とを有し、そのような材料に基づいて充電式電池の急速充電を可能にするように適合された、Ｌｉイオンセルを含む。そのように構成された電池ａ〜ｃは、適切な充電器によって充電した場合、１５分間以内にその電池（又はセル）の容量の少なくとも９０％の充電レベルに達するよう構成される。本明細書に記述される実施形態において、電気化学セルは、一次セルでも二次セルでもよい。一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。一次電池は、再充電するためのものではない。一次電池は、例えば、デヴィッド・リンデン（David Linden）著、「電池ハンドブック（Handbook of Batteries）」（マグローヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。一方、二次電気化学セルは、充電式セル又は充電式電池として後述されるものであり、例えば５０回、１００回など、多数回、再充電することができる。二次電池は、例えば、フォーク及びサルキンド（Falk & Salkind）著、「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、これらは全て本明細書に参照により組み込まれる。

図１に更に示すように、図１の３電池実施形態においては、電池１２ａ〜ｃは互いに、抵抗１４ａ〜ｄ及びダイオード１６ａ〜ｂを含む通電部品を介して、電気的に接続されている。ダイオード１６ａ〜ｂは、電流を一方向だけに流すようにし（すなわち順方向バイアス電圧がダイオードに印加されたときに、単方向性）抵抗はいずれの方向にも電流を流す。通電部品１４ａ〜ｄ及び１６ａ〜ｂは、充電器（例えば図２に示す充電器４０）が充電電流を配列１０に印加するときに電池１２ａ〜ｃが直列電気回路配列に接続され、かつ、電池１２ａ〜ｃが負荷３０（例えば、携帯電話、携帯情報端末、懐中電灯など）に対して電力電流を供給するために放電しているとき、電池１２ａ〜ｃが並列電気回路配列に接続されるような、一般に変更不能な構成に配列されている。

具体的に、第一のダイオード１６ａは、電池１２ａの陰極と電池１２ｂの陽極とを接続し、第二のダイオード１６ｂは、電池１２ｂの陰極と電池１２ｃの陽極とを接続している。抵抗１４ａ〜ｂは電池の各陽極同士を接続し、抵抗１４ｃ〜ｄは電池の各陰極を電気的に接続している。抵抗１４ａ〜ｄは、充電器４０が充電端子２０ａ及び２０ｂに電圧を印加したときに、その充電器４０から供給される対応する充電電流が、電池１２ａ、ダイオード６ａ、電池１２ｂ、ダイオード１６ｂ、電池１２ｃの経路で画定される直列電気経路（充電電流の流れは、矢印１８ａ〜ｇを用いて図示されている）を主に流れるようにするための、十分な抵抗値を有している。

換言すれば、電池１２ａ〜ｃのいずれか１つと、ダイオード１６ａ及び１６ｂのうちいずれか１つとを合わせた有効抵抗は、これらダイオード及び電池の間を接続している抵抗１４ａ〜ｄのうち対応するもの１つの抵抗値よりも明らかに低くなっており、これにより、充電器４０が端子２０ａ〜ｂを経由して電流を供給するときに、抵抗１４ａ〜ｄのいずれにも流れる電流はほとんどない。別の言い方をすると、抵抗１４ａ〜ｄのいずれか、例えば１４ａの抵抗値Ｒは、十分に高いため、この抵抗を通る電流は、電池充電電流よりも（then）はるかに小さくなる。抵抗１４ａに対する電圧Ｖ_Ｒは、電池１２ａとダイオード１６ａを合わせたものに対する電圧に等しく（すなわちＶ_Ｒ＝Ｉ_抵抗Ｒ＝Ｖ_{電池１２ａ}＋Ｖ_{順方向１６ａ}）、これは、高い抵抗値によって、一定ＩＲ値に対する抵抗電流が小さくなることを意味する。

電池を直列配列にするには、第一の端子セットに対する充電電圧を高くする必要がある（配列内の電池数Ｎに、各電池の充電電圧Ｖ_電池を掛けた値に対応）が、同時に、必要な充電電流は、複数の電池全体の容量に等しいエネルギー容量を有する単一電池に同じ充電速度で充電するのに必要な電流よりも小さくて済む。

更に図に示すように、負荷３０は、電池配列１０の出力端子２２ａ及び２２ｂを介して電池配列１０に電気的に接続されている。端子２２ａ及び２２ｂは、電池１２ａ〜ｃのうち１つ又は複数に、電気的に直接接続している。すなわち、端子と、１つ又は複数の電池との間には、通電部品は介在しない。端子２２ａ及び２２ｂは、１つ又は複数の通電部品を介して、少なくとも１つの電池１２ａ〜ｃに接続されている。図１に示されている実施形態において、配列１０の出力端子２２ａ〜ｂは、中間の電池（ここでは電池１２ｂ）に電気的に直接接続されており、よって、負荷３０が配列１０に電気的に接続されているとき、電池１２ｂは、その電池が有する電池電圧Ｖ_電池で負荷３０に対して電力を供給する（すなわち、典型的なリチウムイオン電池では３．０〜４．２Ｖ）（リチウムイオン電池は例えば、従来型のＬｉイオンセルの陰極は炭素製、陽極は金属酸化物製であり、電解質はリチウム塩の有機溶媒溶液である）。いくつかの実施形態において、例えば鉛酸電池、ＮｉＣｄ電池、ＮｉＭＨ電池など、他のタイプの電池に対応したさまざまな電池電圧を用いることができる。

配列１０における他の電池（例えば電池１２ａ及び１２ｃ）は、抵抗（電池１２ａに対しては１４ａ及び１４ｃ、電池１２ｂに対しては抵抗１４ｂ及び１４ｄ）を介して端子２２ａ及び２２ｂに電気接続されており、これら電池が、電力消費負荷３０によって電力が奪われている電池１２ｂの充電レベルを補うための電力を供給する。よって、出力端子２２ａ及び２２ｂに直接接続されていない電池は、中間の電池１２の充電レベルが下がったときにこれを充電するのに用いられる充電貯蔵となる。

電池１２ａ〜ｃがフル充電状態であり、実質的に等しい電圧レベルを出力しているとき、各電池を接続している抵抗部品での電位差は、通常ほとんどないか又はゼロであるため、これら電池間に流れる電流はほとんどないか又はゼロである（例えば、ある抵抗（例えば抵抗１４ａ）の一方の端子での電圧は、その端子の他方の端子での電圧とほぼ同じであるため、その抵抗に対する電位差はほぼ０Ｖとなる）。配列１０が負荷３０に電力を供給し始めると、負荷３０が電池１２ｂから実質的に電流を消費し（この電池１２ｂは端子２２ａ及び２２ｂを介して電気的に直接接続されている）、電池１２ｂから出力される電圧は、電池の充電レベルが減少するにつれて、ある点から低下し始める。その結果、各電池１２ａ〜ｃの間にある抵抗に対するそれぞれの電位差はゼロではなくなり、したがって、その抵抗に電流が流れることになる（例えば、特定の抵抗について、その抵抗に対する電位差を抵抗値で割った値に等しいレベルの電流が、その抵抗を流れることになる）。負荷３０に電力供給している中間の電池によって出力されている電圧の減少の結果としてその抵抗を流れる電流は、電池１２ｂに供給され、よって、電池１２ｂの充電レベルが増加する結果になる。

よって配列１０は、負荷に接続されたときに、個々の電池の電圧にほぼ等しい電圧で負荷に電力を供給し（例えば、電池１２ａ〜ｃの直列接続による総和電圧ではなく）、その負荷に電力供給している個々の電池の充電レベルを、並列電気回路配列で電気的に接続されている他の電池から充電するように、構成される。したがって配列１０は、電圧のバランスをとる機能を提供する。

配列１０の電池のうち少なくとも一部の充電は、負荷が直接接続されている電池が負荷に対して電力供給するためのエネルギーを消費するのと実質的に同時に実施することができる。

この電池配列は、複数の電池を直列電気配列で接続することにより、比較的低い充電電流を用いて複数の充電式電池を充電することを可能にする。このような配列に対応する充電電圧は、この配列の電池に対応する電圧と、これら電池を直列配列に接続している通電部品での電圧との総和に等しい。

例えば、図１に示すものと同様の配列において、電池１２ａ〜ｃが５００ｍＡｈのＬｉイオン電池（「Ａｈ」は電池容量の単位、アンペア時）で、ダイオード１６ａ及び１６ｂがショットキーダイオードである場合、充電速度１２Ｃ（充電速度１Ｃは、１時間に電池１つを充電するのに必要な電流に対応し、よって充電速度１２Ｃは、その電池を１／１２時間で充電するのに必要な充電電流となる）でこれら電池を充電するのに必要な充電電流は、約６Ａとなる（すなわち、６Ａ^＊１／１２時間＝５００ｍＡｈ）。端子２０ａ〜ｂに印加される充電電圧は約１３．４Ｖ（個々の電池１２ａ〜ｃが十分に高いレベル（例えば容量の９０％）まで充電されたときの電圧４．２Ｖを３倍し、これに、ショットキーダイオードが電流を流し始めるのに必要な順方向バイアス電圧０．４Ｖを２倍したものを加えた値）となり得る。個々の電池を充電した後、この配列に接続された負荷が例えば、１つの電池（例えば配列１０の電池１２ｂ）から電力を消費し、同時に他の電池（例えば１２ａ及び１２ｃ）が電池１２ｂの充電レベルを補充し得る。よって、負荷３０に供給することができる電力は、５００ｍＡｈの３倍、すなわち１５００ｍＡｈとなる。

これに対して、配列１０のように接続された５００ｍＡｈの電池３つを用いる代わりに、４．２Ｖの充電電圧を有する容量１５００ｍＡｈのＬｉイオン電池１つを有する充電式電池１つを用いた場合には、充電速度１２Ｃ（すなわち、１５００ｍＡｈの電池を約５分間で充電容量の９０％以上に充電する速度）を達成するのに必要な充電電流は、１８Ａとなり得る（１８Ａ×１／１２時間＝１５００ｍＡｈ）。

よって、特定の充電速度（例えば１２Ｃ）で単一の充電式電池を急速充電するのに必要な充電電流は、いくつかの充電式電池を直列に組み合わせたもの（合計のエネルギー容量が単一の充電式電池の容量に等しい）を同じ充電速度で充電するのに必要な充電電流レベルよりも高くなる。その結果、複数の充電式電池を直列に組み合わせたものを充電する充電操作の方がより安全であり、充電器の実装及び電池の保護回路に必要なハードウェアがより安価、かつ、より簡単になる。

いくつかの実施形態において、この電池は、放電中の負荷の高電流ピークに対応できるよう、負荷に直接接続される。装置の使用パターンに応じて、適切な充電平準化時間を可能にするよう、抵抗の値を選択することができる。例えば、より高い消費電流の装置では、より高いバランス電流が電池間を流れることができるよう、低い抵抗値が必要となり得る。

上述したように、図１に示されている配列１０は、１つ以上の充電可能電気化学セルをそれぞれ有している個別の複数の電池の配列を表わしているが、図１の配列は、個々の電池の内部に同様に実装することができる。換言すれば、充電式電池の内部的な電気配列は、単一の電池筐体内部に配置された複数の電気化学セルとすることができる。この状態において、単一の電池には二組の端子があり、そのうち第一組の端子は外部充電器から印加される充電電流を受け取るために構成された専用端子であり、もう一組は電池で動作する装置に対し電池電圧を出力するために構成された端子である。

充電電流が電池の第一組の端子から供給されると、電気化学セルの電気配列は、第一組の端子から見ると、直列の電気接続に対応している。図１の回路配列に関して説明したように、直列配列は、ダイオード及び／又は抵抗などの通電部品を用いることによって、この配列の実装が達成される。よって、充電電流が端子の第一組を介して供給されるとき、その充電電流は、電気化学セルを通り抜ける単一の流れとなり得る。電池内にある複数の電気化学セルの電気接続は、ある電気化学セルの陰極が、別の電気化学セルの陽極に接続される、という形になり得る。この状態において、充電器によって第一組の専用端子に印加された電圧は、電池の電気化学セルの電極での電圧と、その電気化学セルを接続している通電部品における電圧との総計に等しくなる。

一方、第二組の端子を介して、電池で動作する装置に対して電池が電力を供給する場合、電気化学セルの電気配列は、第二組の端子から見ると、個々の電気化学セルの並列電気接続に対応している。電力は、第二組の端子に直接接続している電気化学セルから供給される（すなわち、セルから供給される電流は、通電部品（端子、ダイオードなど）を通る必要がない）。この状態において、第二組の端子に印加される電圧は、この第二組の端子に直接接続されている電気化学セルの電極で生成される電圧にほぼ等しい。他の、第二組の端子に直接接続していない電気化学セルは、電池で動作する装置に電力を供給している電気化学セルに電力を供給し、その電気化学セルが電力を供給する充電レベルまで効果的に補充を行い（「トップオフ充電」）、これにより、別の充電操作が必要になるまでの電気化学セルの使用時間を延ばすことになる。

電気化学セルが図１と同様に接続されている電池には、例えば、ジェリーロール状リン酸鉄リチウム電極を使用したものがある。このような電池の説明は例えば、米国特許出願第１１／７７６，３５０号「一体型電圧コンバータを有する電池（A Battery With Integrated Voltage Converter）」、及び米国特許出願第１１／８２７，３６６号「リチウムイオン二次電池（Lithium Ion Secondary Batteries）」（両方とも２００７年７月１１日に出願）に記載されており、これらの内容は参照により全体が本明細書に組み込まれる。

図２には、充電器４０の例示的な実施形態が示されている。充電器４０は、回路配列１０に電力を供給するよう構成されており、これにより配列１０の電池１２ａ〜ｃが充電される。充電器４０は、電池１２ａ〜ｃが配置される筐体１１（例えば、電池を入れて固定するチャンバを擁する携帯電話筐体など）の外部にある装置である場合があり、また充電器４０は、電池１２ａ〜ｃも支える同じ筐体内に配置される別のモジュールである場合もある。いくつかの実施形態において、充電器４０は、１５分以内に電池（例えばリン酸鉄リチウム電池）の充電容量の９０％以上の充電レベルを達成するような充電電流レベルでの電力を電池に供給するよう構成されている。

特に、前述のように、充電器が動作していて回路配列１０に電力を供給しているとき、所定の充電電流で配列に供給される電力は、配列の端子２０ａ〜ｂを介して印加される。配列１０の回路配列は、端子２０ａ〜ｂに電圧／電流が印加されたとき、端子２０ａ〜ｂから見ると、電池の直列配列に対応している。いくつかの実施形態において、充電器４０は、充電式電池１２ａ〜ｃに対する一定の充電電流を印加するよう構成されている。定電流が電池に供給される時間中（この時間中、充電器は、定電流又はＣＣモードで動作していると言われる）、電池１２ａ〜ｃの電圧は増加する。電池の合計電圧が所定の上限電圧、例えば１１．４Ｖ（充電式電池の典型的な交差電圧を３倍したものに対応）、又は、ダイオードに対する電圧降下を伴う１２．２Ｖに達したとき、充電器４０は、充電時間の残り時間、この値を有する定電圧を、電池１２ａ〜ｃの配列に対して印加するよう構成されている。所定の合計交差電圧値と実質的に等しい定電圧が、電池１２ａ〜ｃに印加される時間中、充電器４０は、定電圧（ＣＶ）モードで動作していると言われる。

充電器４０は、電源変換モジュール４２に接続されている。この電源変換モジュール４２には、ＡＣ／ＤＣコンバータ４４が含まれており、これは、充電器外部の交流電源（例えば、定格８５Ｖ〜２６５Ｖ及び５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの電力を供給する電源）に電気接続されており、交流電源を直流低電圧（例えば５〜２４Ｖ）に変換し、更に例えばこの直流低電圧を、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ４６に供給し、充電式電池の充電に適したレベルにする（例えば、図１に示すような直流電池配列における各リン酸鉄リチウム電池１つ当たり約３．７〜４．２Ｖの直流電圧。異なる化学物質の電池では、それぞれ異なる電圧レベルが必要となり得る）。

充電器４０はコントローラ５０を有しており、このコントローラ５０は、電池１２ａ〜ｃに印加される充電電流を決定し、その決定した充電電流に実質的に等しい電流を電池１２ａ〜ｃに印加し、指定された又は所定の時間が経過した後に充電電流を終了するように構成されている。コントローラ５０は、ひとたび所定の電池電圧又は充電レベルに達すると、充電電流を終了するように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、コントローラ５０はバックコンバータ６０を調節して、例えば１２Ｃの一定充電速度を適用し、約５分以内でその充電式電池が充電されるようにする。いくつかの実施形態において、バックコンバータ段階を使用する必要なしに、１段方式ＡＣ／ＤＣコンバータを使用することができる。

所定の最大充電電圧に達し、及び／又は例えば５分間の時間が経過するまでの間、特定の充電速度に対応する所定の充電電流が印加される。最大充電電圧に達すると、コントローラ５０は制御モードを変更し、いくつかの実施形態では、所定の充電時間、例えば５分間が終了するまで、定電圧を電池１２ａ〜ｃに印加する。

端子２０ａ〜ｂで、配列１０に対して印加される特定の充電速度に対応する電流レベルは、電池１２ａ〜ｃの充電容量に基づいて決定される。例えば、各電池が充電容量５００ｍＡｈ、最大電圧４．２Ｖを有するリン酸鉄リチウム電池である、３つの電池の配列について、これらの電池の直列配列を充電速度１２Ｃ（すなわち５分間以内）で充電するのに必要な電流レベルは、約６Ａである（５００ｍＡｈ／０．０８３３ｈ＝６Ａ）。いくつかの実施形態において、コントローラ５０はまた、交差電圧レベルを決定するよう構成され、この交差電圧は、端子２０ａ〜ｂにおいてひとたび達したらそのレベルが維持される。決定された交差電圧は、電池１２ａ〜ｃが通電部品（例えばダイオード１６ａ及び１６ｂ）を用いて直列電気配列で接続されるときの、配列１０の電圧に基づいて算出され得る。よって、例えば、最大電圧４．２Ｖのリン酸鉄リチウム電池３つと、順方向バイアス電圧各０．４Ｖのダイオード１６ａ及び１６ｂについて、コントローラ５０によって決定される交差電圧は１３．４Ｖとなり得る。

電池１２ａ〜ｃに印加される充電電流はまた、少なくとも部分的に、例えば充電器４０の筐体（図示なし）上に配置されたユーザインタフェースを経由して供給されるユーザ指定の入力に基づいて決定することもできる。このようなユーザインタフェースには例えば、ユーザが充電するバッテリの、例えば容量を指定することができるような、スイッチ、ボタン、及び／又はノブが含まれ得る。更に、このインタフェースは、例えば充電時間などの充電プロセスに関係がある他のパラメータをユーザが指定するのに使用できるよう構成することができる。使用する特定の充電電流を決定するため、ユーザ指定のパラメータに対応する好適な充電電流を示す検索表にアクセスすることができる。

印加する充電電流の決定は、充電器７０の充電コンパートメントに置かれた電池の容量を識別することによって決定される。これは例えば、配列１０に含まれる電池の容量を表わすデータ、及び／又は電池タイプを表わすデータを提供する識別機構を用いることによって行われる。電池の容量を表わす抵抗を有するＩＤ抵抗の使用に基づく識別機構を含む例示的な充電器装置の詳細な説明は、２００７年７月１１日に出願された米国特許出願第１１／７７６，２６１号、名称「電池検出を伴う超高速電池充電器（Ultra Fast Battery Charger with Battery Sensing）」に記載されており、その内容のすべてが本明細書に参照として組み込まれる。

充電電流の決定は、複数の電池の容量及び／又はタイプ（例えば、電池の充電抵抗）を示す電池の電気特性のうちの少なくとも１つを測定することによって実施され得る。電池の、測定された特定に基づき、充電電流を適応的に決定する、代表的な充電装置の詳細な記載は、「適応充電装置及び方法（Adaptive Charger Device and Method）」という題目の米国特許出願第１１／７７５，９８７号（２００７年７月１１日出願）で提供され、その内容は全て、本明細書に参照により組み込まれる。

コントローラ５０には、配列１０の電池１２ａ〜ｃに対する充電操作を制御するよう構成された処理装置５２が含まれる。この処理装置５２は、任意のタイプの演算及び／又は処理装置であってよく、例えばマイクロチップ・テクノロジー社（Microchip Technology Inc.）のＰＩＣ１８Ｆ１３２０マイクロコントローラを用いることができる。コントローラ５０の実装に使用される処理装置５２には、処理系装置の一般的な操作を可能にするコンピュータ指示を含み、また充電器４０に接続された電池１２ａ〜ｃに対する充電操作（この充電操作には、１５分以内に電池１２ａ〜ｃの充電容量の９０％以上に達するような充電操作が含まれる）を実行する実装プログラムを含んだ、ソフトウェアを保存するよう構成された揮発性及び／又は不揮発性のメモリエレメントを包含する。プロセッサ装置５２は、複数のアナログ並びにデジタル入力及び出力線を有するアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ５４を包含する。コントローラ５０は、デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ装置５６、及び／又は、プロセッサ装置５２によって発生したデジタル信号を受信しそれに応答して充電器４０のバックコンバータ６０のようなスイッチング回路のデューティサイクルを調節する電気信号を発生するパルス幅モジュレータ（ＰＷＭ）５８も備える。

図３はバックコンバータ６０を示し、このバックコンバータ６０は、２つの、例えばバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）６２及び６４と、インダクタ６６とを有しており、このインダクタ６６は、電源変換モジュール４２がバックコンバータ６０と電気的に連係しているときにはエネルギーを蓄積し、電源変換モジュール４２がバックコンバータ６０から電気的に隔離されている期間にはそのエネルギーを電流として放出する。図３に示すバックコンバータ６０には、エネルギー貯蔵エレメントとしても用いられるコンデンサ６８も含まれている。インダクタ６６及びコンデンサ６８はまた、バックコンバータ６０の出力におけるスイッチング電流及び電圧脈動を低減するための出力フィルタとしてのはたらきも有する。バックコンバータ（例えば図３に示すバックコンバータ６０）の動作の詳細については、例えば、米国特許出願第１１／７７６，０２１号、「急速電池充電装置及び方法（Fast Battery Charger Device and Method）」（２００７年７月１１日出願）に記載されており、その内容は全て、本明細書に参照により組み込まれる。

一般に、決定された電流に実質的に等しい充電電流で出力電力を電池１２ａ〜ｃに供給するためには、電源変換モジュール４２がオンである期間（デューティーサイクル）は、電池１２に印加される充電電流が、決定された電流の値に実質的に等しいレベルに達するまで、トランジスタ６２のオン期間を調整することによって、調節される。

したがって、トランジスタ６２のオン期間の間に電源変換モジュール４２によって供給される電流と、トランジスタ６２のオフ期間の間にインダクタ６６及び／又はコンデンサ６８によって供給される電流とによって、必要な充電電流に実質的に等しい有効電流が得られるはずである。

いくつかの実施形態において、コントローラ５０は定期的に（例えば０．１秒ごとに）、電池１２ａ〜ｃを通って流れる電流の測定値を受け取る。この測定値は例えば、１つ又は両方の電池の測定値を、コントローラ５０の端子５０ｃ（ＩＳＥＮＳＥと記載）を経由して通信する、電流センサによって測定される。この受け取った測定電流値に基づき、コントローラ５０はデューティサイクルを調節して、電池１２ａ〜ｃを通って流れる電流の調整を行い、この電流が、充電電流レベルに実質的に等しい値に収束するようにする。このように、バックコンバータ６０は、電池１２ａ〜ｃに供給される調節可能な電流レベルをもたらす調節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。交差電圧が、ひとたび端子２０ａ〜ｂにおいて達成され、それが維持されると、コントローラ５０は、電池の電圧の測定値も定期的に受け取ることができる。

電圧センサ及び／又は電流センサの他にも、充電器４０には、電池１２ａ〜ｃ及び／又は充電器４０のその他の属性を測定するよう構成された他のセンサが含まれ得る。例えば、充電器４０の熱制御が必要な実施形態（例えば、１５分間を超える充電時間を有する充電器の場合）において、充電器４０には、電池１２ａ〜ｃ及び／又は回路板（充電器４０のモジュールがこの上に配置され得る）に接続された温度センサ（例えばサーミスタ）を含めることができる。

いくつかの実施形態において、充電器４０には、ＡＣ又はＣＬＡ（１２Ｖ ＤＣの自動車シガレットライターアダプタ）によって電源供給されるドッキングステーションを含めることができ、これは、電池１２ａ〜ｃが配置された、電池で動作する装置を支えるような構造にすることができる。電池で動作する装置は、ドッキングステーションに噛み合うような構造で配置される。

図４は、充電式電池１２ａ〜ｃを充電するための例示的な充電手順７０を示す。いくつかの実施形態において、電池１２ａ〜ｃは、電池で動作する装置の電池チャンバ内に配置され、この装置は電池１２ａ〜ｃによって電力を供給されるため、充電器４０は、例えば３ピンコネクタを有するハーネスインタフェースなどのインタフェース（図示なし）を介して電池１２ａ〜ｃに電気的に接続している。このような状態において、充電装置には、電池で動作する装置の筐体上にあるインタフェースに接続されているアダプタにつながるケーブル４３（図２に示されている）が含まれる。

最初に、充電器４０は、所望により、充電操作を開始する前に、特定の障害状態が存在するかどうかを判断することができる。よって例えば、充電器４０は端子２０ａ〜ｂの電圧を測定し（７２）、これは、電池１２ａ〜ｃの直列総和に対応した電圧となる。充電器４０は、測定電圧Ｖ_０が所定の範囲（例えば、３つの電池を含む配列で６〜１１．４Ｖ）であるかどうかを判定する（７４）（すなわち、配列１０内にある電池の数と、充電式電池の個々の電圧範囲（いくつかの実施形態においては２〜３．８Ｖ）とを掛けた値に対応する範囲）。測定電圧が所定の許容範囲内にないと判定された場合には、現在の状態における充電操作の実行は安全でないことになり、充電器はその充電操作を続行せず、手順７０は中止され得る。いくつかの実施形態において、充電器４０は、配列１０内の電池それぞれについて個々の電圧測定値を取得し得る。

充電器４０は、電池１２ａ〜ｃに印加される充電電流を決定する（７６）。いくつかの実施形態において、特定の充電速度に対応する充電電流レベルは、電池１２ａ〜ｃの充電容量に基づいて決定される。いくつかの実施形態において、充電電流は、電池１２ａ〜ｃが１５分間未満で充電容量の少なくとも９０％に達するように決定される。特に、いくつかの実施形態において、充電器４０は、約４〜６分間（充電速度１０〜１５Ｃに相当）で充電容量の９０％に達するように充電電流を決定する。

充電器４０が、別のタイプの電池及び／又は別の容量を有する電池を充電するよう適合される場合、この充電器４０は、電池１２ａ〜ｃの容量及び／又はタイプを決定することができる（７５）。いくつかの実施形態では、充電器４０は、電池１２ａ〜ｃの容量及び／又はタイプを表わすＩＤ抵抗の抵抗値を測定するように構成された識別機構を備える。これに加えて、及び／又は別の方法として、電池１２ａ〜ｃの容量及び／又はタイプは、例えば充電器４０の筐体上に配置されたユーザインタフェースを介して、充電器に通信することができる。充電器４０はこれにより、このデータに基づいて電池に印加される適切な充電電流を決定することができる。例えば、充電器４０が電池１２ａ〜ｃのＩＤ抵抗の抵抗値を決定する場合においては、充電器４０は、計算された抵抗に関する容量に対応する好適な充電電流を示す、充電器４０の記憶装置モジュールに格納された検索表にアクセスすることができる。

いくつかの実施形態において、交差電圧レベル（この交差電圧は、ひとたび達したら、端子２０ａ〜ｂにおいてそのレベルが維持される）も決定される。決定された交差電圧は、電池１２ａ〜ｃが通電部品（例えばダイオード１６ａ及び１６ｂ）を用いて直列電気配列で接続されるときの、配列１０の電圧に基づいて算出され得る。

電池１２ａ〜ｃに印加される充電電圧を決定するとき、充電操作の所定の期間を測定するよう設定されたタイマーが起動される（７８）。このタイマーは例えば、処理装置５２の専用タイマーモジュールであっても、また、処理装置５２の内部又は外部クロックによって測定される一定間隔刻みのカウンターであってもよい。

電源変換モジュール４２によって印加される電流／電圧は、決定された充電電流に実質的に等しい一定電流で、出力電力を充電式電池１２ａ〜ｃに供給するように制御される（８０）。電源変換モジュール４２から印加された、合わされた電流、及びインダクタ６６及び／又はコンデンサ６８から放電された電流は、決定された充電電流に実質的に等しい有効な電流となる。

電池１２ａ〜ｃは、配列１０の端子２０ａ〜ｂにおける電圧が所定の上限電圧に達するまで、ほぼ定電流で充電される。このため、所定の上限電圧（すなわち、交差電圧）にいつ達するかを判断するために、端子２０ａ〜ｂに印加される電圧を周期的に測定する（８２）。配列１０の端子２０ａ〜ｂの電圧が、３つの電池を含む配列について所定の上限電圧、例えば１２．６Ｖ（ダイオードを含めると１３．４Ｖ）に達したとき、電源変換モジュール４２は、配列１０の端子２０ａ〜ｎで維持される交差電圧レベルにほぼ等しい定電圧レベルを有するよう制御される（これも８２）。

９４で決定される、充電時間に実質的に等しい時間が経過した後、配列１０（ひいては電池１２ａ〜ｃ）に印加される充電電流は中断される。充電手順は、電池１２ａ〜ｃの所定の上限電圧に達した後、又は電池１２ａ〜ｃのいくつかの指定の充電レベルに達した後、特定の時間が経過した時に終了する。

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修正が可能であることが理解されるであろう。例えば、任意の数の電池（又は電気化学セル）を、本明細書に記述されているように直列／並列配置に配列することができる。更に、非常に低いオン抵抗を有するＭＯＳＦＥＴトランジスタをダイオード（図１のダイオード１６ａ及び１６ｂなど）の代わりに使用することができる。このような実施形態において、ＭＯＳＦＥＴトランジスタが「オン」になったとき、充電式電池が直列に接続された電気経路が有効となる。放電中は、負荷がこの電池配列に接続され、ＭＯＳＦＥＴトランジスタは「オフ」となる。ＭＯＳＦＥＴトランジスタの利用により、ダイオードの順方向電圧による損失が排除される。また別に、ＭＯＳＦＥＴトランジスタのセットを用い、放電中にこのトランジスタを「オン」に、及び充電中に「オフ」にすることにより、抵抗に置き換えることができ、放電中に電池を並列に接続することになる。抵抗の代わりにＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用することによって、放電中の抵抗損失が排除される。ＭＯＳＦＥＴが使用される状態において、充電器は信号を生成し、この最初の状態では充電器が充電中であり、電池には、抵抗の代わりとなっているＭＯＳＦＥＴをオンにして電流を流すようにする信号を受信する端子があり、ダイオードの代わりとなっているＭＯＳＦＥＴはオフのままとなる。その他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの充電可能な電気化学セルをそれぞれに有する複数の充電式電池と、
   該複数の電池を接続する通電部品と、を含む回路配列であって、
   該複数の電池が充電されているときには該複数の電池が直列の電気回路配列になり、該複数の電池が放電しているときには該複数の電池が並列の電気回路配列になる、回路配列。
2. 前記複数の電池が、充電されるときに、１５分以内で該複数の電池の充電容量の約９０％の充電レベルに達するよう構成されている、請求項１に記載の配列。
3. 前記通電部品に、前記複数の電池のうち２つの間に直列に接続された少なくとも１つのダイオードが含まれ、これにより、該複数の電池が充電されるとき、該少なくとも１つのダイオードが、該複数の電池を通る充電電流を１つの電気経路方向に流すようにし、これにより該複数の電池が直列配列になる、請求項１に記載の配列。
4. 前記の少なくとも１つのダイオードが、前記複数の電池のうち１つの陰極と、該複数の電池のうちこれに続く１つの電池の陽極との間を接続する、請求項３に記載の配列。
5. 負荷への電力を供給するための電気的端子を更に含み、
   該電気的端子から前記複数の電池のそれぞれへの各電気経路が、該複数の電池の他の電池を通り抜けないよう、該複数の電池を電気的に接続する、請求項１に記載の配列。
6. 前記電気的端子が、前記複数の電池のうち１つ以上に直接接続して、該端子から、該複数の電池のうち１つ以上に対応する電気経路に、前記通電部品が存在しない、請求項５に記載の配列。
7. 前記複数の電池のうち１つ以上が前記負荷に対して電力を供給しているとき、該複数の電池のうち少なくとも１つが、該複数の電池のうち１つ以上に対して、電力を供給する、請求項５に記載の配列。
8. 複数の充電可能な電気化学セルと、
   該複数の電気化学セルを接続する通電部品と、を含み、
   該複数の電気化学セルが充電されているときには、該複数の電気化学セルが直列の電気回路配列になり、該複数の電気化学セルが放電しているときには該複数の電気化学セルが並列の電気回路配列になる、電池。
9. 複数の充電式電池を充電する充電装置であって、
   出力電力を供給するための電源変換モジュールと、
   特定の充電速度に対応する電流レベルを決定するために構成されたコントローラと、を含み、該電流レベルは該複数の充電式電池の充電容量に基づいて決定され、
   決定された該電流レベルに実質的に等しい充電電流で、該複数の充電式電池に供給するための出力電力をもたらす、充電装置。
10. 少なくとも１つの充電可能な電気化学セルをそれぞれに有する複数の充電式電池と、
    複数の双方向通電部品の最初のものが、該複数の電池のうち１つの第一端子を、該複数の電池のうちそれに続く電池の同様な端子に接続する、該複数の双方向通電部品と、
    複数の単方向通電部品の最初のものが、該複数の電池のうち特定のものの第一端子を、該複数の電池のうちそれに隣接する電池の反対の端子に接続する、該複数の単方向通電部品と、を含む、回路配列。

Images