JP2013048552A - リン酸鉄リチウム超急速電池充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウム系２次電池を４〜６分間で容量の９０〜９５％まで充電するように構成された充電器を提供する。
【解決手段】充電式電池１２を充電するための充電器１０は、前記電池が、４〜６分の充電期間内で到達する所定の充電量を有するように、前記充電式電池に印加する電流レベルを割り出し、割り出された前記電流レベル程度を実質的に有する充電電流を電池に印加して、前記特定の期間と実質的に等しい充電期間が経過した後、前記充電電流を止める。
【選択図】図１Ａ

Description

充電式電池は典型的には、例えば４．２Ｖの交差電圧を有する定電圧／定電流ＣＶ／ＣＣ）電源によって充電される。まず、交差点（例えば４．２Ｖ）に達するまで、定電流を用いて（すなわちＣＣモードで）電池を充電し、この交差点において、充電式電池の端子における電圧を実質的に交差電圧近辺に保つために、充電器が定電圧モードに切り替える。９０〜１００％の容量を達成するのに要する充電期間は、典型的には２〜４時間であり、そのうちＣＣ段階は、１Ｃの充電レート（すなわち、１時間で１つの電池を充電することになる充電電流レベルに対応する充電レート）では、約４０分である。一般的に、ＣＣ段階の終了時には、充電式電池は、その電池の充電容量の６０〜７０％の充電レベルを達成する。充電プロセスのＣＶ段階は一般に、完了するのに１〜３時間かかる。この時間の間、充電電流レベルは低下し、典型的には、充電プロセスが終了するときまでに、０．１Ｃの充電レートに対応するレベルに達する。

充電式電池を充電することの便宜性を制限する１つの要因は、充電器及び／又は電池のオーバーヒートを引き起こす危険性である。このようなオーバーヒートは、充電器及び／又は電池を傷めると共に、更には安全上のリスクをもたらすことがある。この結果、従来の充電器は、約１Ｃの充電レートに対応する充電電流を印加するように設計される。オーバーヒートする状況から保護するために、場合によっては、温度センサーを用いて充電器及び／又は電池の温度をモニタリングし、それによって、オーバーヒートする状況を検出した場合に、充電器が、是正又は予防措置を取る（例えば、電池の温度が、例えば４５℃の安全限界を超えた場合に、充電電流を止める）ことができるようにする。

充電式電池を約４〜６分で容量の約９０〜９５％まで充電するように構成された充電器を開示する。

１つの態様では、充電式電池を充電する方法は、充電式電池が、４〜６分の充電期間内で達成する所定の充電量を有するように、充電式電池に印加する電流レベルを割り出す工程と、割り出された電流レベル程度を実質的に有する充電電流を電池に印加する工程と、特定の期間と実質的に等しい期間が経過した後に、充電電流を止める工程とを含む。

以下は、この態様の範囲内の実施形態である。

上記の方法は、充電式電池の端子間の電圧を、所定の電圧レベルに保つために、充電式電池の端子における所定の電圧レベルが達成された後、充電電流を周期的に調節する工程を含む。上記の方法は、充電式電池の端子における所定の電圧レベルが達成されたら、出力表示装置を作動させる工程を含む。セルの所定の充電量は、充電式電池の充電容量の少なくとも８０％であり、この場合の充電期間は約３〜４分である。充電式電池の所定の充電量は、充電式電池の充電容量の少なくとも９０％であり、この場合の充電期間は約５分である。上記の方法は、充電式電池の温度をモニタリングすることなく充電電流を印加する工程を含む。充電電流の印加工程は、変圧器部分を有する電力変換モジュールによって供給される電流を調節する工程を含む。電力変換モジュールによって供給される電流の調節作業は、変圧器部分の動作を調節する工程を含む。充電式電池に印加する電流レベルを割り出す工程は、充電式リン酸鉄リチウム系電池に印加する電流レベルを割り出すことを含む。

更なる態様では、１つ以上の充電式電池を充電するための充電装置は、１つ以上の充電式電池を収容するためのレセプタクルであって、１つ以上の充電式電池の各端子に結合するように構成された電気接点を有するレセプタブルと、１つ以上の充電式電池が、４〜６分の充電時間内で到達する所定の充電量を有するように、１つ以上の充電式電池に印加する電流レベルを割り出すことと、割り出された電流レベル程度を実質的に有する充電電流を１つ以上の充電式電池に印加することと、特定の期間と実質的に等しい充電時間が経過した後に、充電電流を止めることとを行うように構成されたコントローラとを有する。

以下は、この態様の範囲内の実施形態である。

１つ以上の電池の所定の充電量は、１つ以上のセルの充電容量の少なくとも８０％であり、この場合の充電期間は約３〜１５分である。１つ以上の充電式電池の所定の充電量は、１つ以上の電池の充電容量の約８０％であり、この場合の充電期間は約３〜４分である。１つ以上の充電式電池の所定の充電量は、１つ以上の電池の充電容量の少なくとも９０％〜９５％であり、この場合の指定充電期間は約５分である。上記の装置は電力変換モジュールを備え、この電力変換モジュールは変圧器を備える。上記の装置は、コントローラに、電力変換モジュールによって出力された電流を調節させるために、フィードバック制御機構を備える。このフィードバック制御機構は、変圧器の動作を調節するように構成される。フィードバック制御機構は、１つ以上の充電式電池における電圧が、所定の上限電圧レベルを達成した後に、１つ以上の充電式電池の端子における電圧を、所定の上限電圧に保つように構成される。上記の装置は、出力表示装置と共に、充電式電池の端子における所定の電圧レベルが達成されたら、出力表示装置を作動させるように構成されたコントローラを備える。上記の装置は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタベースの同期整流器を備える。コントローラは、１つ以上のリン酸鉄リチウム系充電式電池に印加する電流レベルを割り出すように構成される。コントローラとしては、プロセッサベースのマイクロコントローラが挙げられる。充電電流を印加するように構成されたコントローラは、１つ以上の充電式電池の温度をモニタリングすることなく、充電電流を印加するように構成される。

更なる態様では、充電装置は、１つ以上の充電式電池の各端子に結合するように構成された電気接点と、充電動作が開始されたら、１つ以上の充電電池に一定の充電電流を印加することによって１つ以上の電池を充電すると共に、１つ以上の電池の電圧が、所定の上限電圧が達成されたら、１つ以上の電池で一定の電圧を保つ回路と、この回路を制御するように構成されたコントローラとを備え、このコントローラは、回路に、４〜６分の充電期間にわたって電池を充電させて、その後に電池の充電を終了させるように構成されている。

更なる態様では、充電装置は、１つ以上の充電式電池の各端子に結合するように構成された電気接点と、電池内に存在する充電量を測定し、充電電流を印加する期間を割り出し、充電動作が開始されたら、割り出された充電期間にわたって１つ以上の充電式電池に充電電流を印加することによって、１つ以上の電池を充電する回路とを備える。

１つ以上の態様は、以下の利点の１つ以上を提供し得る。

例えばリン酸鉄リチウム電池の比較的低い内部抵抗を利用して、定電流（ＣＣ）モードで容量の約８０％まで３〜４分で電池を充電できると共に、５分で容量の約９０〜９５％まで充電できる。充電器は、電池の充電若しくは電圧レベルを割り出すためのいずれかのチェックを行うか、又は、熱モニタリング及び／又は熱制御動作を行う必要なく、割り出された期間又は指定期間が経過した後に充電動作を終了させるように構成される。この構成は、必要とされる回路、必要とされる熱ヒートシンクなどを最小限に抑えるため、充電器のコスト及び寸法が軽減される。

本発明の１以上の実施形態の詳細を、添付図及び以下の説明で明らかにする。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになる。

充電器の代表的な実施形態のブロック図。 可変タイミングを有する実施形態を示すフローチャート。 図１Ａの充電器によって行われる充電手順の代表的な実施形態のフローチャート。 図１Ａの充電器を用いる１Ａｈのリチウムイオン電池に関する充電電圧の挙動を示すグラフ。 図１Ａの充電器を用いる１Ａｈのリチウムイオン電池に関する充電電流の挙動を示すグラフ。

電気化学セルは、一次セル又は二次セルであることができる。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。一次セルは、再充電を意図されない。一次セルは、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）」（マグローヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。その一方、以下で充電式セル又は電池とも呼ばれる二次電気化学セルは、何度も、例えば５０回、１００回などでも再充電できる。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。

図１Ａを参照すると、リン酸鉄リチウムの化学的性質に基づく充電式電気化学を少なくとも１つ有する充電式電池１２を充電するように構成された充電器１０が示されている。このような電池（場合によっては二次電池と呼ばれる）は、いくつかの実施形態では、チタン酸リチウムのアノード材料と、リチウム化リン酸鉄に基づく充電式電池の高速充電を可能にするように適合されたリチウム化リン酸鉄のカソード材料とを有するセルを備える。リン酸鉄リチウムの化学的性質は、低い内部抵抗（Ｒ）を有する。このような電池の内部抵抗の結果生じる熱放散は、ＩＲ^２（Ｉは、電池に印加される充電電流である）に比例する。リン酸鉄リチウムの化学的性質に基づく電池の低い内部抵抗のために、このような電池は、高い充電電流に対応できる。

したがって、リン酸鉄リチウム電池のような低内部抵抗の電池を用いると、定電流（ＣＣ）モードで容量の約８０％の容量まで３〜４分で電池を充電できると共に、５分で容量の約９０〜９５％まで充電できる。以下で明らかにされているように、大きい充電電流を使って、リン酸鉄リチウムの化学的性質に基づく電池を充電すると、一般に、５分以内に充電容量の９０〜９５％を達成する電池が得られるため、充電器は、電池の充電若しくは電圧レベルを割り出すためのいずれかのチェックを行うか、又は、熱モニタリング及び／又は熱制御動作を行う必要なく、上記期間が経過した後に、充電動作を終了させるように設計される。充電器は、タイマーを用いて充電期間を測定して、タイマーが、予め指定された充電期間、例えば５分が達成されたら、充電動作を終了させてもよい。図１Ａは、充電器１０に接続された単一の電池１２を示しているが、充電器１０は、充電器１０に接続された追加の電池を有するように構成されてもよい。更には、充電器１０は、円筒形電池、角柱形電池、コイン又はボタン電池などを含む異なるタイプの電池を収容及び充電するように構成してもよい。

充電器１０は、充電動作が開始されたら、電池に一定の充電電流を印加するように設計されている。定電流が電池に供給される期間中（すなわち、定電流、つまりＣＣモードでの充電動作中）、電池１２の電圧は上昇する。電池の電圧が、例えば３．８Ｖの所定の上限電圧（この上限電圧は、場合によっては交差電圧と呼ばれる）が達成されたら、充電器は、残りの充電期間の間、電池の電圧を上限電圧に保つように構成されている。所定の交差値と実質的に等しい定電圧が、電池１２に印加される期間中、充電器１０は、定電圧（ＣＶ）モードで動作していると言われる。

充電動作の開始時から、所定の期間、例えば５分が経過した後、充電動作が終了する。充電器は、電池及び／又は充電器１０の温度の急上昇が発生する可能性が低い比較的短い期間内に、充電動作を無条件に終了させるように構成されているため、いくつかの実施形態では、電池１２及び／又は充電器１０の温度をモニタリングする必要はない。したがって、熱モニタリング及び制御動作が行われない実施形態では、充電器１０は、より物理的にコンパクトであり、回路は簡素化されている。

図１Ａに更に示されているように、いくつかの実施形態では、電流／電圧調節が、例えばフィードバック制御機構を用いて、充電器の電力変換部分（例えば、図１Ａに示されている電力変換モジュール１６）で直接行われるように（このような構成は、場合によっては、一次側電圧／電流調節と呼ばれる）、充電器１０を実装する。換言すれば、いくつかの実施形態では、制御機構が、電力変換モジュール１６のスイッチング周波数又はパルス幅を調節し、それによって、この変換器の出力電圧及び電流を調節する。したがって、このような実施形態では、充電器１０は、複数の電圧変換段階（例えば、ＡＣ／ＤＣ変換段階の後に、例えばバックコンバータ回路が続く）を含まず、その結果、充電器１０は、多段階式の電力変換回路で一般に発生する電力損失を減少させることができる。例えば、一次側電圧／電流制御を実施することによって、電力効率（例えば、電力変換回路の出力子に最終的に供給される入力電力のパーセンテージ）は典型的には、８０〜９０％の範囲内である。これに対して、二段階式の電力変換回路は一般的に、１段階あたり８０〜９０％の効率を達成するため、二段階式の電力変換回路の全体的な電力効率は一般的に、６０〜８０％の範囲内である。これらの電力効率損失は、電力変換段階における熱放散として表現される。

充電器１０は、８５Ｖ〜２６５Ｖ及び５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの定格で電力を供給する電源のようなＡＣ電源に電気結合する整流器モジュール１４を備える。いくつかの実施形態では、整流器モジュール１４は、ＭＯＳＦＥＴベースの同期整流回路を備える。コンデンサ１５は、電力変換モジュール１６のためのエネルギーを蓄積する。

整流器モジュール１４に結合しているのが、変圧器１８と、変圧器１８の動作の調節を容易にする変圧器制御ユニット２０とを備える電力変換モジュール１６である。いくつかの実施形態では、電力変換モジュール１６は、切り替え装置変換器として実装され、この変換器内では、電力変換モジュール１６の出力子における所望の電圧レベルは、電力変換モジュール１６のオン及びオフを切り替えることによって達成される。切り替え装置のオン期間中には、電圧は、電力変換モジュール１６の出力端子において供給され、オフ期間中には、電力変換モジュール１６の出力端子において電圧は供給されない。このような切り替え装置変換器は、いくつかの実施形態では、別個のトランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ）を用いて、又は、切り替え動作を行うのに適した集積回路（ＩＣ）を用いて実装してよい。

電力変換モジュール１６に結合された整流器モジュール１４を用いると、充電器１０の入力子において供給されるＡＣ電力が、充電式電池を充電するのに適した低いＤＣ電圧（例えば、約３．７〜４．２ＶのレベルのＤＣ電圧）に変換される。

いくつかの実施形態では、車のＤＣ電力供給装置のような外部ＤＣ電源を、充電式電池を充電するのに適したＤＣ電力レベルに変換するために、追加のＤＣ−ＤＣ変換器１９を電力変換モジュール１６に組み込む。例えば、いくつかの実施形態では、車のＤＣ電力供給装置が、約１１Ｖ〜１４．４ＶのＤＣ電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器１９が、その電圧レベルを好適な電圧レベルに変換する。追加されたＤＣ−ＤＣ変換器は、１．２Ｖ〜約２４Ｖの範囲内のほぼ全てのＤＣ電力源に対応するように構成できる。したがって、いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣ変換器はアップコンバータであり、１．２Ｖの電圧を３．７〜４．２ボルトのＤＣ充電電圧に上昇させる一方で、４．２ボルトを超える電圧の用途では、この変換器はダウンコンバータである。

電気変換モジュール１６の出力子に電気結合しているのは、並列配置のコンデンサ２８に直列に接続されているダイオード２６と、レジスタ２９（Ｒ_ｓｈと表示されている）とを備えるフィルタ回路２４である。フィルタ回路２４は、電力変換モジュール１６の出力子における電流／電圧リップルを軽減させるように構成されている。フィルタ回路２４は、電力変換モジュール１６の出力子において電流が供給されないオフ期間中に、コンデンサ２８に蓄積されたエネルギーを電池１２に放出するようにも構成されている。したがって、電力変換モジュール１６のオン期間中に電力変換モジュール１６によって供給される電流、及び、電力変換モジュール１６のオフ期間中にコンデンサ２８によって供給される電流によって、電池１２に印加するのに望ましい充電電流と実質的に等しい実効電流が得られる。コンデンサ２８によって放電される電流が、電力変換モジュール１６の中ではなく、電池１２に送られるように、ダイオード２６を接続する。

電池１２に印加される電流及び／又は電圧レベルを制御するために、コントローラ３０を備えるフィードバック機構を用いて、電力変換モジュール１６のＤＣ出力電圧を調節する。電力変換モジュール１６は、充電電流が印加される経路となる充電器１０の出力端子（ひいては、電池１２の端子）に結合されている。コントローラ３０は、制御信号をコントローラ３０から受け取り、それに応じて、変圧器制御ユニット２０に供給されるパルス幅変調信号を発生させて、電力変換モジュール１６がその出力子において電圧を供給するようにする切り替え装置パルス幅変調（ＰＷＭ）制御ユニット３２に電気結合している。パルス幅変調信号が停止されたら、変圧器制御ユニット２０は、電圧が電力変換モジュール１６の出力端子から停止されるようにする。したがって、電流フィードバック電圧を設定値と比較して、切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２の動作を制御し、ひいては、電力変換モジュール１６の動作を制御することによって、コントローラ３０は、充電電流と実質的に等しい電流が、電池１２に印加されるようにする。コントローラ３０は更に、指定された期間又は所定の期間（例えば５分）が経過した後、充電電流を止めるように設計されている。

図１Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、（例えば電池の電圧を測定することによって）電池１２のおおよその既存充電レベルを割り出し（５１）、割り出されたおおよその既存充電レベルに基づき、充電電流を電池１２に印加すべき期間を割り出す（５３）ように構成してよい。割り出された充電レベルを、割り出された期間、電池に印加し、その後に、充電器が動作を停止させることになる。この実施形態は、既存電池充電量に従って充電期間を自動調節するフレキシブルタイマーを提供する。したがって、電池の充電量の初期状態に応じて、１分以下、又は、最大で約５分若しくは６分の期間にわたって、充電動作が行われる場合もある。

電池１２に印加される充電電流の割り出し作業は、少なくとも部分的に、充電器１０に配置されたユーザーインターフェース（図示せず）を通じて提供されるユーザー指定の入力データに基づいてもよい。このようなユーザーインターフェースとしては、例えば、スイッチ、ボタン、及び／又はノブを挙げてよく、ユーザーインターフェースを通じて、ユーザーは、例えば、再充電される電池の容量を指示してよい。これに加えて、いくつかの実施形態では、このインターフェースは、充電プロセスに密接に関係する他のパラメーター、例えば、充電期間（より長い、例えば１０〜１５分の充電期間が望まれる状況の場合）などをユーザーが指定できるように構成してもよい。用いる具体的な充電電流を割り出すには、ユーザー指定のパラメーター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、ユーザーが、最大容量５００ｍＡｈのリン酸鉄リチウム電池を再充電すると指定する場合、この指定された最大容量に対応する、ルックアップテーブル内のエントリが読み出されることになる。いくつかの実施形態では、演算技法を用いて、適切な充電電流を割り出してもよい。

いくつかの実施形態では、充電電流の割り出し作業は、例えば、電池の最大容量及び／又は電池のタイプを表すデータを提供する識別機構を用いて、充電器１０の充電区画内に置かれた電池の容量を識別することによって行ってよい。電池の容量を表す抵抗を有するＩＤレジスタの利用に基づく識別機構を備える代表的な充電装置の詳細な説明は、「電池検出子を備える超急速電池充電器（Ultra Fast Battery Charger with Battery Sensing）」という表題の同時出願特許に示されており、その内容の全体は、参考として本明細書に組み込まれる。

ユーザーインターフェースは、充電器１０を有効又は無効にするための入力素子（例えばスイッチ）も備えてよい。ユーザーインターフェースは、充電器及び／又は充電器に接続している電池１２に関してユーザーにステータス情報を提供するためのＬＥＤ、出力情報をユーザーに提供するように設計されたディスプレイ装置などのような出力表示装置も備えてもよい。例えば、ユーザーインターフェースは、充電器が定電流モードから定電圧モードに切り替わると点灯するＬＥＤを備えてよい。一般に、電池の電圧が交差点（例えば３．８〜４．２Ｖ）が達成されたとき、電池の充電量は典型的には、電池の充電容量の８０〜９０％であり、したがって、電池は実質的に使える状態である。点灯したＬＥＤは、電池が少なくとも８０〜９０％充電されたことをユーザーに示し、ユーザーが、電池をある程度すぐに使用する必要があり、充電動作が完全に終わるのを待ちたくない場合に、充電動作の完了前に電池を取り出す選択肢をユーザーに与える。

いくつかの実施形態では、ユーザーインターフェースは、例えば、追加の情報を提供するための追加の出力装置を更に備えてよい。例えば、ユーザーインターフェースは、過電圧などの障害状態の場合に点灯する赤色ＬＥＤを備えてよく、電池１２の充電動作が進行中であることを示すために、別のＬＥＤ、例えば黄色又は緑色ＬＥＤ装置を備えてよい。

図１Ａに示されているように、コントローラ３０は、電池１２で行われる充電動作を制御するように構成されたプロセッサ装置３４を備える。プロセッサ装置２６は、マイクロチップテクノロジー社（Microchip Technology Inc.）製のマイクロコントローラＰＩＣ１８Ｆ１３２０のようないずれかのタイプの演算及び／又は処理装置であってよい。コントローラ３０の実行時に用いられるプロセッサ装置３４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、充電器に接続された電池１２で充電動作（約５分で少なくとも９０％の充電容量を達成する充電動作を含む）を行う実行プログラムを格納するように構成された揮発性及び／又は不揮発性メモリ素子を備える。

プロセッサ３４は、複数のアナログ及びデジタル入力及び出力ラインを有するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３６を備える。Ａ／Ｄ変換器３６は、充電動作の調節及び制御を容易にするために、電池に結合されたセンサー（後述）から信号を受け取るように構成されている。いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、本明細書に記載されているように、制御装置の処理機能の一部又は全部を行うデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）も備えてもよい。

充電器の様々なモジュールは、整流器ユニット１４、変圧器制御ユニット２０、プロセッサ３４、及び切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２を含め、充電器１０の回路基板（図示せず）の上に配列されてもよい。

充電器１０は、電池１２が、例えば電池１２の充電容量の約８０％〜９５％まで約４〜６分で充電されるように、充電式電池１２に印加される充電電流を割り出す。本明細書に説明されているように、リン酸鉄リチウム電気化学セルに基づく電池は、比較的低い内部抵抗を有するため、比較的大きい充電電流、例えば１０Ｃ〜１５Ｃ程度で充電でき、１０Ｃの充電レートは、充電式電池を６分で充電する充電電流に相当し（１Ｃは、特定の充電式電池を１時間で充電するのに要する電流である）、１５Ｃの電流は、充電式電池を４分で充電するのに要する電流である。リン酸鉄リチウム電池の低い充電抵抗のために、著しい熱放散が回避されるため、このような電池は、電池の性能又は耐久性が悪影響を受けることなく、高い充電電流に耐えることができる。

トランジスタのオン期間、つまりデューティサイクルは最初、０％のデューティサイクルから上昇する一方で、コントローラ、つまりフィードバックループが出力電流及び電圧を測定する。割り出された充電電流に達すると、フィードバック制御ループは、閉ループ線形フィードバックスキームを用いて、例えば、比例−積分−微分すなわちＰＩＤ機構を用いて、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端子の電圧が交差電圧を達成したら、同様の制御機構を用いて、トランジスタのデューティサイクルを制御してもよい。

したがって、電力変換モジュール１６のオン期間中に電力変換モジュール１６によって供給される電流、及び、電力変換モジュール１６のオフ期間中にコンデンサ２８によって供給される電流によって、所要充電電流と実質的に等しい実効電流が得られるはずである。

いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、例えば電流センサー４０によって測定された、電池１２の中を流れる電流の測定値を周期的に（例えば０．１秒おきに）受け取る。この受け取った電流測定値に基づき、コントローラ３０は、電子１２の中を流れる電流が調節されるようにデューティサイクルを調節して、この電流が、充電電流レベルと実質的に等しい値に収束するようにする。電流センサー４０は、充電プロセスの定電流段階中における電池の電流を周期的に測定して、電池１２に印加される充電電流が実質的に一定のレベルになるように、電力変換モジュール１６によって供給される電流をコントローラが調節できるようにする目的でも用いてよい。

充電器１０は、充電器１０の充電端子に電気結合されている電圧センサー４２も備える。この電圧センサーは、特に充電プロセスの定電圧段階中に、電池１２の端子における電圧を周期的に（例えば０．１秒おきに）測定する。これらの周期的な電圧測定値によって、コントローラ３０は、定電圧（ＣＶ）段階中に、電力変換モジュール１６によって供給される電圧を制御して、ＣＶ段階中に電池１２の端子において印加される電圧が、実質的に一定のレベル（例えば所定の上限電圧）になるようにするのが可能になる。

センサー４０及び４２によって測定された電流／電圧を用いて、充電動作を止めるか又は充電動作を開始しないようにする必要がある障害状態が存在するか否かを判断してよい。例えば、コントローラ３０は、電池１２の端子において電圧センサー４２によって測定された電圧が、電池１２の電圧レベルの所定の範囲内（例えば２〜３．８Ｖ）であるか否かを判断する。測定値が、この範囲の下限電圧よりも低い場合には、電池に欠陥があることを示している場合がある。測定値が、この範囲の上限よりも高い場合には、電池がすでにフル充電されているため、それ以上の充電は不要であり、それ以上充電すると電池を損傷させる場合があることを示している場合がある。したがって、測定された電圧が、所定の範囲内にない場合には、障害状態が存在しているとみなされる。

充電器は、電流センサー４０を介して測定された電流に関しても、同様の判断を行ってもよく、測定された電流が、所定の電流範囲外である場合には、障害状態が存在しているとみなされることがあるため、充電動作を開始しないようにするか、又は、充電動作を止めることになる。

いくつかの実施形態では、例えば閾値コンパレータを含むことのある専用の充電コントローラ装置のようなアナログ論理処理素子（図示せず）を用いて、受け取った測定信号を処理して、センサー４０及び／又は４２によって測定された電圧のレベル及び電流レベルを割り出す。充電器１０は、回路レベルのノイズのような外部要因によって引き起こされる場合のある誤測定（例えば、電圧、温度などの誤測定）を防ぐために、アナログ及び／又はデジタル入力信号上で信号のフィルタリング及び処理を行う信号処理ブロック（図示せず）も備えてもよい。

いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、電池１２の端子における電圧を周期的に測定することによって、昇圧速度をモニタリングし、電池１２に印加される充電電流を調節して、ある指定された昇圧期間内に、所定の上限電圧に達するように構成されている。測定された昇圧速度に基づき、充電電流レベルを調節して、充電電流を増大又は低下させて、指定された昇圧期間内に、所定の上限電圧に達するようにする。充電電流レベルの調節は、例えば、カルマンフィルタを用いる予測子修正子法に従って行う。電流の調節値を割り出して、所定の上限電圧を達成するためのその他の方法を用いてもよい。

本明細書に記載の充電器は、比較的短い期間（例えば５分）で、電池、例えばリン酸鉄リチウム電池を充電するため、このような充電器は一般に、動作期間中に、大きな熱を発生させることはない。したがって、従来の充電器の動作を保護して、熱の発生による損傷及び危険な動作を防ぐように構成された特定のモジュール及び／又はコンポーネントを、充電器から排除することができる。例えば、充電器１０は、熱制御コンポーネント（例えば、ファン、ヒートシンク要素、追加の制御モジュールなど）を用いずに、及び／又は、熱モニタリングコンポーネント（例えば、サーミスタのような熱センサー）なしに構築してもよい。

更には、本明細書に記載の充電器の短い動作期間のために、充電器の様々なコンポーネントの物理的寸法（発生した熱を放散させるために大きい表面積を有するように構成されることが多い）は、従来の充電器で用いられるコンポーネントよりも小さい場合がある。したがって、寸法が小さくなったこのようなコンポーネントは、より小さい寸法のハウジングに適合でき、その結果、従来の充電装置の物理的寸法よりも概ね小さい物理的寸法を有する充電装置が得られる。

図２は、充電器１０の充電区画内に置かれた充電式電池１２を再充電するための充電手順５０の代表的な実施形態を示している。電池１２を充電器の充電区画内に置いた後、任意に、充電器１０は、充電動作が始まる前に、特定の障害状態が存在しないかを判断してよい。つまり、例えば、充電器１０は、電池１２の電圧を測定する（５２）。充電器１０は、測定された電圧Ｖ_０が、所定の範囲内にあるか（例えばＶ_０が２〜３．８Ｖであるか）を判断する（５４）。測定された電圧が、所定の許容範囲内にないと判断され、現在の条件下での充電動作が危険である状況では、充電器は、充電動作を開始せず、手順５０は終了する場合がある。

充電器１０は、電池１２が約４〜６分で、充電容量の少なくとも９０％を達成するように、電池１２に印加される充電電流を割り出す（５６）。充電器１０が、１つのタイプのみの特定の容量の電池（例えば、容量５００ｍＡｈのリン酸鉄リチウム電池）を収容及び充電するように構成されている場合には、充電器は、このタイプの電池に対応する予め指定された充電電流を電池１２に印加する（例えば、６Ａの充電電流ならば、５００ｍＡｈの電池を約５分以内で充電することになる）。

充電器１０が、異なるタイプの異なる最大容量の電池を収容するように構成されている場合には、充電器１０は、充電器１０の充電区画の中に挿入された電池１２の最大容量及び／又はタイプを割り出してよい（５５）。いくつかの実施形態では、充電器１０は、電池１２に接続されたＩＤレジスタの抵抗であって、電池１２の最大容量及び／又はタイプを表す抵抗を測定するように設計された識別機構を備える。これに加えて及び／又はこれの代わりに、例えば充電器１０の本体に配置されたユーザーインターフェースを介して、電池１２の容量及び／又はタイプを充電器に伝達してもよい。したがって、識別機構、ユーザーインターフェースなどを介して伝達されたデータは、電池の容量及び／又はタイプを表す。このため、充電器は、このデータに基づき、電池に印加する適切な充電電流を割り出すことができる。例えば、充電器１０が、電池１２のＩＤレジスタの抵抗を演算する状況では、充電器１０は、充電器１０のメモリ格納モジュール上に格納されたルックアップテーブルであって、演算された抵抗に関連付けられる最大容量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してよい。

電池１２に印加される充電電流を割り出したら、予め指定された充電動作期間を測定するように構成されたタイマーが始動する（５８）。このタイマーは、例えば、プロセッサ３４の専用タイマーモジュールであってもよく、あるいは、プロセッサ３４の内部又は外部クロックによって測定される一定の時間間隔で増えるカウンタであってよい。

割り出された充電電流と実質的に等しい定電流が、充電式電池１２に印加されるように、電力変換モジュール１６によって印加される電流／電圧を制御する（６０）。説明したように、充電器１０は、コントローラ３０及び切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２を備える一次側フィードバック機構を実装し、この一次側フィードバック機構は、電力変換モジュール１６の出力子における電流／電圧を調節する働きをする。電力変換モジュール１６のオフ時間中（すなわち、電力変換モジュール１６の出力子における電流／電圧が流されないとき）、コンデンサ２８に蓄積されたエネルギーが電流として電池１２に放出される。電力変換モジュール１６から印加される電流と、コンデンサ２８から放電される電流とを組み合わせる結果、割り出された充電電流と実質的に等しい実効電流が得られる。

電池の端子における電圧が、所定の上限電圧に達するまでは、電池１２は、実質的に一定の電流によって充電される。このため、所定の電圧限界（すなわち、交差電圧）にいつ達するかを判断するために、電池１２に印加される電圧を周期的に測定する（６２）。電池１２の端子における電圧が、所定の上限電圧、例えば４．２Ｖを達成したら、電池１２の端子で維持される交差電圧レベルと実質的に等しい定電圧レベルを有するように、電力変換モジュール１６を制御する（これも６２で行う）。

これに加えて、充電器１０のユーザーインターフェース上のＬＥＤが点灯して、交差電圧点が達成されたこと、すなわち、電池が適切に動作するほど十分に充電されたことを示してもよい。ユーザーは、すぐに電池を使いたい場合、この時点で電池１２を取り出してよい。

指定された昇圧期間内に、所定の上限電圧に達するように、昇圧速度を周期的に測定してよい（動作は図２には示されていない）。測定された昇圧速度に基づき、充電電流レベルを調節して（更に、これに対応して、電流／電圧調節回路に送られる動作信号を調節して）、充電電流を増大又は低下させて、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する。

充電期間と実質的に等しい期間が経過した後、６４で判断されたように、（例えば、切り替え装置ＰＷＭ制御モジュール３２及び／又は変圧器制御ユニット２０を用いて、電力変換モジュール１６の電気駆動を止めることによって、）電池１２に印加される充電電流を止める。電池１２の所定の上限電圧が達成されてから、又は、電池１２のある指定された充電レベルが達成されてから特定の期間が経過した時点で、充電手順を終了させる。

図３Ａは、図１に示されているタイプの充電器を用いて、１Ａｈのリン酸鉄リチウム電池を４．２ＶのＣＶで５分充電した場合の代表的な充電電圧挙動を、図３Ｂは、図１に示されているタイプの充電器を用いて、１Ａｈのリン酸鉄リチウム電池を１２ＡのＣＣで５分充電した場合の代表的な充電電流挙動を示している。図３Ｂに示されているように、充電動作が開始されたら、約１２Ａの定電流が電池に印加される。１２Ａの充電電流では、１Ａｈの電池は、（実質的に完全に消耗していると仮定すると）約５分でフル充電される（１Ａｈ／１２Ａ＝０．０８３３時間＝５分）。

説明したように、充電器は、実質的に一定の電流を発生させて、その電流を電池１２に印加させるように構成されており、したがって、この電流の変動（グラフに現れているスパイクによって示されている）を受けて、充電器は、平均充電電流が約１２Ａで一定に保たれるようにすることになる。充電電流を最初に印加したとき、充電器及び／又は電池１２の充電端子における電圧は約３．７Ｖである。この電圧は上昇し始め、約３分後に４．２Ｖの平均レベルに到達する。その後、充電端子における電圧が、このレベルに保たれる。

その他の実施形態
以上、本発明の多くの実施形態を述べた。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。例えば、充電器は、電子装置、例えば携帯電話、コンピュータ、携帯情報端末などと共に用いられるドッキングステーションと関連付けるか、又はその内部に埋め込むことができる。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。

Claims (10)

1. 充電式電池を充電する方法であって、
   前記電池が、４〜６分の充電期間内で到達する所定の充電量を有するように、前記充電式電池に印加する電流レベルを割り出す工程と、
   割り出された前記電流レベル程度を実質的に有する充電電流を電池に印加する工程と、
   前記特定の期間と実質的に等しい充電期間が経過した後に、前記充電電流を止める工程と、を含む方法。
2. 前記充電式電池の端子間の電圧を、所定の電圧レベルに保つために、前記充電式電池の端子における前記所定の電圧レベルが達成された後に、前記充電電流を周期的に調節する工程
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記充電式電池の端子における前記所定の電圧レベルが達成されたら、出力表示装置を作動させる工程
   を更に含む、請求項２に記載の方法。
4. セルの前記所定の充電量が、前記充電式電池の充電容量の少なくとも８０％であり、前記充電期間が約３〜４分である、請求項１に記載の方法。
5. 前記充電式電池の前記所定の充電量が、前記充電式電池の充電容量の少なくとも９０％であり、前記充電期間が約５分である、請求項３に記載の方法。
6. 前記充電電流の印加工程が、前記充電式電池の温度をモニタリングすることなく行われる、請求項１に記載の方法。
7. 前記充電電流の印加工程が、変圧部分を有する電力変換モジュールによって供給される電流を調節する工程を含む、請求項１に記載の方法。
8. １つ以上の充電式電池を充電するための充電装置であって、
   １つ以上の充電式電池を収容するためのレセプタクルであって、前記レセプタクルが、前記１つ以上の充電式電池の各端子に結合するように構成された電気接点を有するレセプタクルと、
   前記１つ以上の電池が、４〜６分の充電期間内で到達する所定の充電量を有するように、前記１つ以上の充電式電池に印加する電流レベルを割り出すことと、
   割り出された前記電流レベル程度を実質的に有する充電電流を、前記１つ以上の充電式電池に印加することと、
   前記特定の期間と実質的に等しい充電期間が経過した後に、前記充電電流を止めることと、
   を行うように構成されたコントローラと、を備える装置。
9. １つ以上の充電式電池の各端子に結合するように構成された電気接点と、
   充電動作が開始されたら、前記１つ以上の充電電池に一定の充電電流を印加することによって前記１つ以上の電池を充電すると共に、前記１つ以上の電池の電圧が所定の上限電圧に達したら、前記１つ以上の電池上で一定の電圧を保つ回路と、
   前記回路を制御するように設計されたコントローラと、
   を備え、前記コントローラが、
   前記回路に、電池を４〜６分の充電期間、充電させて、その後に電池の充電を終了させるように構成される、充電装置。
10. １つ以上の充電式電池の各端子に結合するように構成された電気接点と、
    前記電池内の既存充電量を測定し、充電電流を印加する期間を割り出し、充電動作が開始されたら、割り出された前記充電期間にわたって、前記１つ以上の充電式電池に充電電流を印加することによって、前記１つ以上の電池を充電する回路と、
    を備える充電装置。

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