JP2865870B2 - 電池充電器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は電池充電器に関し、具体的には、蓄電池また
はセルを充電する回路に関する。本発明の回路と方法に
より充電可能な電池やセルの充電圧値は、１または1.5
ボルトに満たない極めて低い電圧から12または24ボルト
から最高数百ボルトにわたり、その容量は、数百ミリア
ンペア時といった極めて低いものから数百から数千アン
ペア時といった値にわたっている。本発明は、上記のも
のに対応できる回路および方法を提供するものであり、
こうした回路では、蓄電池またはセルにおくる充電電流
率は10Cないし15Cまたはそれ以上の範囲であるし、細流
充電に調整も可能である。

発明の背景 本発明の出願人は、1989年４月12日に公告されたEPO
公告第0311460号に相当する1988年10月６日出願の現在
審査中の米国特許出願第07/253703号の出願人である。
この関連出願では、電池充電器が即座に電池のアンペア
時の容量より大きいアンペア率で、言い換えれば、ICよ
り大きい率で電流を充電中の蓄電池またはセルに遅れる
ことが主な特色となっている。したがって、蓄電池また
はセルは急速に充電可能である。

この従来発明の他の特色は、充電中の蓄電池またはセ
ルの内部の抵抗自由電圧（開放電圧）を検出し、該当蓄
電池またはセルからは独立している予め選択された基準
電圧とその検出電圧を比較する手段の存在である。言い
換えれば、特定の型や定格の蓄電池やセルのように、基
準電圧が事前に選択され充電器回路内で生成されている
のである。（充電する蓄電池またはセルの状態、定格お
よび型を事前に知っていれば、基準電圧はスイッチ設定
などにより事前選択が可能である）。抵抗自由電圧は、
蓄電池に送られた充電電圧が止った時点において内部で
生成された基準電圧と比較される。

この従来発明には、充電中の蓄電池またはセルの内部
抵抗自由電圧が予め選択された基準電圧を越えると、充
電電流を減らしてそれによりその蓄電池またはセルの充
電率を下げて、基準電圧に等しい値に内部の抵抗自由電
圧を維持する手段が備えてある。言い換えれば、充電中
の蓄電池またはセルの内部抵抗自由電圧が基準電圧をか
ろうじて越える場合、このことは蓄電池またはセルに送
られた充電電流率が高くなり過ぎており、充電力の配電
率、すなわち、充電電流が低下することを示している。

本発明は、上記に参照された米国出願中でEPOで公告
された特許明細書に記載された回路と同様なものであ
る。というのは、どんな種類の不本意な過充電をも防げ
るように、充電プロセスの制御力を高めるのが望ましい
場合であるか抵抗自由端末電圧と比較されている基準電
圧を制御するのが重要である場合かが判定されるからで
ある。過充電が発生する環境とは、たとえば、蓄電池ま
たはセルの内部が高温である場合であり、充電器の動作
環境温度が高い場合ですら過充電は発生する。さらに、
再充電中の蓄電池またはセルの抵抗自由端末電圧だけで
なく充電率を監視するのが重要となる場合もある。これ
は、ある充電状態の開始が不本意な過充電状態の発生を
示しているからである。

再充電は極めて多くの多様な蓄電池またはセルに実施
できる。しかし、共通の状態と型の蓄電池としては、家
庭用玩具や機器で使用されているニッケルカドニウム電
池があげられる。特に、ニッケルカドニウム電池は再充
電可能ハンドツールやビデオカムコーダのような製品に
おいてかなり使用されている。他の蓄電池（セルの場合
もある）は鉛電池である。ポータブルラジカセでは極め
て小型のものが使われ、フォークリフトトラック、ゴル
フカート、電気自動車などでは大型のものが使われてい
る。こうした鉛電池の電圧は、（単一セルに対して）２
ボルトから数百ボルトを越えるものにわたり、その容量
は数分の１のアンペア時から数百アンペア時にわたる。
特に大型電池を導入する場合には、明らかに、高速充電
方法で電流を充電するのが望ましいし、充電定格が5Cな
いし10Cまたは15Cにわたる場合には、充電電流は数百ま
たは数千アンペアにわたる。

充電は、蓄電池またはセルが充電電流を受け取る機能
を備えているときに発生することに注意すべきである。
言い換えれば、充電電流と充電中の電池またはセルの充
電状態の関数として充電が発生する。充電回路から充電
中の蓄電池またはセルに電流を流すには、充電回路は、
充電するセルまたは電池の残留電圧より高い端末電圧を
備えてなければならない。したがって、これらの２つの
電圧の差分が、「過電圧」または「分極」としばしば呼
ばれる駆動電圧であり、その電圧は制御可能である。し
かし、セル電圧または電池電圧が端末抵抗自由電圧であ
ることに注意すべきである。すなわち、その電圧とは、
電池またはセルへの充電電流の流れが止められる。充電
過程のある時点における充電中の蓄電池またはセルの端
末電圧である。これにより、充電回路または充電中の電
池またはセル内のどこにおいても抵抗によるすべての電
圧損失が除去され、したがって、電気化学電池またはセ
ルの電圧を正確に示すことになる。しかし、さらに注意
すべきことは、時間依存電気化学効果による電池内で発
生する内部変化を排除するために、充電電流の流れが止
った後むしろすぐに、抵抗自由端末電圧の判定が下され
ることである。すなわち、重要なことは安定した抵抗自
由端末電圧を検出することである。当然のことながら、
こうした電圧は、ニッケルカドニウムや鉛などの様々な
セルまたは電池毎に異なっている。ニッケルカドニウム
では、新しく充電されたセルの抵抗自由端末電圧は約1.
38ボルトであり、ほぼ放電されたセルのそれは約1.19ボ
ルトであり、だいたいその電圧は約1.2ボルトぐらいで
ある。鉛電池では、抵抗自由端末電圧は約1.90ボルトか
ら約2.45ボルトにわたる。

本発明の目的の１つは、以下により詳細に説明するよ
うに、電池またはセルないのいかなる温度上昇も、充電
動作の熱力学と電池またはセルの内部抵抗だけによるも
のであり、セルに発生する過充電電気化学処理によるも
のではないように確実にすることである。したがって、
この目的の当然に結果として、本発明の基づく電池充電
器は従来のものより効率がよくなる。

この目的は達成するためには、充電回路は、充電サイ
クルにおける電池またはセルの過充電の発生のある時点
を判定可能でなければならない。言い換えれば、充電回
路は、電池またはセルの瞬時の機能を判定して、充電電
流を受け取り充電電流の配電率を調整できなければなら
ない。こうした特性を具体化するに、本発明の充電回路
は、ニッケルカドニウム電池またはセルには特に顕著で
あるまだ放電されてない場合にそうした電池又はセルの
充電率が遅い場合には特にメモリ特性を取り除くように
なってしまう。これまで、ハンドヘルドツールやカムコ
ーダのユーザには特に、電池の完全放電により動作が止
るまで装置を動かし続けたり、１日の終わりに、再充電
の前に放電を確実にするために電池を装置から取り外し
強制放電させなければならなかった。

さらに、たとえばニッケルカドニウム式の電池やセル
が比較的低速度で充電されるときには、電池内で短絡が
発生しやすいが、電池が高速で充電されるときには、短
絡の可能性は低くなる。当然のことながら、ほとんどす
べての場合に、本発明による電池充電器は、電池または
セルが受け取ることができるなら、高い初期充電電流を
おくる。その結果、ニッケルカドニウム電池またはセル
の場合には、本発明の電池充電器を一貫して使用する
と、セルの寿命、すなわち、電池またはセルの再充電回
数が２、３倍に増加するようになる。

すなわち、本発明の電池充電器は、部分的に放電され
た電池やセルに極めてわずかな充電エネルギーを損傷を
与えることなく供給できる。したがって、こうした電池
を使用する装置の設計者が最終的には現在より容量の小
さい電池を使用するようそうした装置を設計できるの
で、その結果、装置の製造コストも販売コストも低下す
ることになる。鉛電池またはセルのような電池にいっぱ
いに充電可能なので、過放電が回避され、したがって、
過放電による電池の寿命の低下も回避されることにな
る。さらに、本発明は極めて短い時間で電池を再充電可
能なので、重複電池または待機電池が不必要になるし、
電池を再充電するのにかなり長い時間電池駆動装置をと
めておく必要もなくなる。

上記の電池の代表的なものはゴルフカートである。通
常、ゴルフカートには６ボルト電池が６個積まれてお
り、各電池の容量は約134アンペア時である。

こうした電池の値段は約400ドルで総重量は約200キロ
グラムである。ゴルフのプレイヤーがゴルフカートを次
のプレイヤーのために元の位置に戻し、次のプレイヤー
が約15または20分カートを使用しない場合には、それぞ
れ約70アンペア時の容量の12ボルト電池を３つカートに
備えればよい。これは本発明の電池充電器を使えば約15
または20分で再充電可能なためである。このように電池
を装着すると、コストは約200ドルになるし、重さは約1
00キログラムとなる。さらに、もっと軽いゴルフカート
も設計可能である。そうすれば、カートの行動範囲が広
がったり、電池の重量が軽くなるのでそのコストが下が
ることになる。

他の代表的な例は、コードレス、すなわち、ハンドヘ
ルド式バッテリ駆動式ハンドツールである。こうしたツ
ールの製造者は、駆動時間を長くするためにバッテリパ
ックを大きくし続けており、バッテリパックを重く大き
くするほど、ツールそのものもかさばるようになり重く
なる。バッテリ駆動式ハンドヘルドパワーツールの意図
は小型で取り扱いと操作が容易であることなので、バッ
テリパックを重くしたりかさばらしたりすることは、こ
うしたツールの当初の開発意図に反することになる。こ
れに対して、本発明による電池充電器を用いると、ハン
ドヘルド式バッテリ駆動式ツールの設計者や製造者は、
一層小さなバッテリを備え、そのため取り扱いがはるか
に容易になったツールを提供できることになる。仕事の
合間のようなときにバッテリパックを極めて迅速に再充
電できるので、値段が下がるので特に貿易に携わるよう
な人は安価に入手できるようになるし、さらに使いやす
くなる。

さらに他の環境は、ハンドヘルド式ポータブル電話や
ポータブル口述録音器のようなものである。本願はそう
した装置に基づいて立案されたものである。こうした機
器、−−全体的にはポータブルオーディオ装置で、特に
録音機能を備えたもの−−を駆動するバッテリには、録
音モード、再生モードまたはテープの急速な巻戻しなど
に応じて様々な電流需要がある。

さらに注意すべきことは、他の代替実施例では、以下
に説明するように、後述するように更なる他の実施例に
おいて、充電中の電池またはセルの内部電圧を判定し
て、その判定値に応じて充電動作を変えたり終了したり
できる手段が備えられている。

本出願人は、以下に示す従来例に特定の関心を向けて
いる。この従来例は、数多くの特許と１つの刊行物から
構成され、ともかくも電池の充電に関わるものである。
しかし、この従来技術は、充電中の蓄電池またはセルの
抵抗自由端末電圧の関数により制御が実施される電池充
電には関わっていない。

最初の参照文献は、Karl Kordesch博士その他による
「電池用の正弦波制御式電流テスター（Sine Wave Cont
rolled Current Tester for Batteries）」、Journal o
f the Electrochemical Society,pages 480 to 483,Jun
e 1960である。この論文は、充電中の電池の抵抗自由端
末電圧の測定に関する最初の参照文献の１つであり、60
Hz電源駆動式のポータブル機器の使用を示唆しており、
抵抗自由端末電圧を直接メーターを介して読み取れ、と
もかくもその読取り結果を充電状態の判定や充電制御目
的のために使用できる。

抵抗自由充電を教示する最初の特許群の１つはCHASE
による1971年４月27日発行の米国特許第3576487号であ
る。この特許には、トグル式のマルチバイブレータの使
用が教唆されている。それによりパルス式充電電流が電
池に供給される。電流中断中に、電池の電圧が検出され
て基準電圧と比較される。検出された電池の電圧が所定
の値を越えると、充電動作が停止する。制御といえば、
主充電動作が終わったときに、細流充電が電池に流れ続
けられることだけである。

他の初期の特許は、MULLERSMANによる1970年９月29日
発行の米国特許第3531706号である。この特許には、パ
ルス式直流充電電流を配電する充電器が教唆してある。
この充電器は、充電中の密封セルの温度補償抵抗自由端
末電圧を検出する。その目的は、高充電率電流の密封セ
ルへの流れはそのセルがほぼ一杯になると充電器が止る
ことであり、可能なら密封セルユニット内に熱積算器を
備えることも重要である。電圧応答コントローラも備え
られている。その目的は、密封セルユニットの端末間の
電圧が所定の値に達すると充電機能を停止させることで
ある。

BROWNその他による1977年12月６日付けの米国特許第4
061956号には、直流電池充電器が教示されている。この
充電器は多くの２次機能を備えている。この機能によ
り、充電中の電池の状態が電池端末電圧と電池の温度を
示す信号から判定される。この米国特許では、電池の電
圧と温度の測定値により判定された電池の充電状態に関
連した事前選択充電プログラムに基づいて電池を充電す
るようにブースト信号が供給される。BROWNその他によ
る特許には、電池の特質とその装置方式に応じて、多様
な充電プログラムが考えられている。この特許はさらに
セルがショートしたかどうかを判定でき、ショートした
セルがあれば充電動作を終了又は停止するようになって
いる。

MACHARGによる1975年５月27日付けの米国特許第38864
28号と1976年10月19日付けの米国特許第3987353号に
は、電池充電器の制御式システムが開示されている。こ
れらの特許にある各電池充電器は、様々な電池で使用さ
れるが、特に鉛電池でも使用できるようになっている。
各特許では、充電電流がオフになる度に内部抵抗電圧降
下を引き出して、電池の開放回路端末電圧の減少率を微
分することにより制御信号が誘導される。次に、電圧は
この微分から誘導されて、充電電流の大きさを制御し
て、徐々に充電電流を減少させる。この特許はガス生成
現象に関わっており、開放端末電圧の減少率の有効微分
の結果としてガス生成が検出されることを記している。

他の関連特許としては、SAARその他による1983年６月
14日付けの米国特許第4388582号と1983年７月５日付け
の米国特許第4392101号があげられる。両特許とも、ニ
ッケルカドニウム電池や、特にハンドヘルド式ポータブ
ルツールで使用されているような類の電池のための迅速
な充電回路に関わっている。しかし、本特許は特に、電
池の充電特性または分布の分析と、１つまたは一連の特
定の値が判定されたときの事前選択基準に基づく充電特
性の調整に関するものである。充電中の電池が期待され
たような充電特性を示さない場合には、切離し機能も使
用できる。

発明の要約 本発明は、蓄電池およびセルを充電する複数の回路と
方法を提供するものである。これらの回路は様々な特定
の設計基準で設計されているので、本発明は温度補償を
備えており、電池の温度や充電受け取り機能の状態など
多くの要因に基づく様々な基準電圧が作成可能である。
多様でかつ極めて複雑なタイミング特色が準備されてい
る。本発明の他の特色は、充電中のバッテリパックの事
前設計条件により、そのバッテリパックの正確な特性、
したがってセルの数とバッテリパックに配電される充電
電圧が自動的に判定できる。本発明のさらに他の特色
は、充電サイクルの細密または詳細なさまざまな改良で
ある。こうした改良により、通常の検出動作では検出で
きないかもしれない熱暴走などの望ましくない副作用を
排除または阻止できる。

本発明は、充電電気エネルギ源が備えてある、蓄電池
およびセルを充電する回路を提供する。充電電気エネル
ギは蓄電池およびセルが接続されている回路の出力端上
に配電される。充電電気エネルギ源と蓄電池およびセル
間に、たとえば切換えインバータ型のパワーコントロー
ル回路が接続されており、配電する充電エネルギ量率、
すなわち、充電電流は、少なくとも１つの検出回路と制
御回路の制御下で調整される。検出回路は、蓄電池また
はセルの端末電圧を検出する手段を備えている。さらに
比較器手段が備えてあり、検出された端末電圧と基準電
圧を比較して、両電圧間に差があるときに比較器が出力
信号を供給する。充電回路の短期中断を制御するパルス
式タイミング信号も供給されている。このパルス式タイ
ミング信号は、比較器手段のラッチされた出力が制御回
路に配電されるようにラッチング手段も制御する。この
制御回路は、パルス式タイミング信号によるパルス状態
下で切換えインバータにより配電された電力のレベルを
制御するものである。検出された端末電圧と基準電圧間
に所定の関係がある場合、−−これは充電電流が中断さ
れたときに定まったものだが−−言い換えれば、充電中
の蓄電池またはセルの抵抗自由端末電圧と基準電圧の所
定の関係がある場合、制御された回路の動作が定められ
る。切換えインバータの切換え工程のデューティ比は、
ラッチング手段からの円滑化された出力により決定され
るので、充電エネルギーの配送率−−充電電流−−が制
御される。本発明の重要な特色によると、抵抗自由端末
電圧が比較される基準電圧は、充電中の蓄電池またはセ
ルの状態に応じていかなる時点でも変更可能である。

上記の記載より広く開示すると、切換えインバータ装
置はエネルギ源に直列接続されたパワーコントロール手
段と考えることができる。このパワーコントロール手段
は、充電回路の出力に接続されている蓄電池またはセル
に送れるエネルギの量の率−−充電電流−−は上記のよ
うに少なくとも１つの検出回路と制御回路の制御下で調
整できるように構成されている。簡略に言うと、以下に
より詳細に説明されるパワートランジスタとMOSFETとは
別の代表的なパワーコントローラとはシリコン制御式整
流器、線形調整器、切換え調整器、および切換え磁気増
幅器のことである。

充電中の蓄電池またはセルの状態には、−−それに応
じて基準電圧が変化する−−その温度または電池充電回
路の動作環境の温度が含まれている。その決定を下すた
めには、温度検出装置が備えられている。この温度検出
装置は、電池またはセルの内部温度または環境温度によ
り影響を受けるように取付けられているので、いかなる
場合も、電池またはセルの抵抗自由端末電圧と比較され
る基準電圧が温度検出装置の温度により数値的に調整さ
れる。

本発明は、何かの理由で温度検出装置が非活動状態に
なると、非活動温度検出装置により充電回路がオフにな
り、その結果安全動作が達成されるよう回路が構成され
ている。

さらに、本発明は、蓄電池またはセルに供給される充
電電流の値が基準電圧の値に影響を及ぼすようになる手
段を備えている。すなわち、充電中の電池またはセルの
充電受取り機能の状態は、それ自体、さらに、蓄電池ま
たはセルが充電される方式に影響を及ぼすことができ
る。

さらに、本発明は、充電中の蓄電池またはセルの内部
圧力を検出する手段も備えている。圧力検出手段は、所
定の条件において、充電中の蓄電池またはセルの圧力状
態が充電気の動作を制御して充電動作を変えたり終了さ
せたりするように、基準電圧（または以後に説明するよ
うに、検出された端末電圧）に影響を及ぼす。

代わりに、本発明の回路には、検出された端末電圧と
基準電圧を比較して両電圧間に差があるときに出力信号
を作成する比較器手段への入力がやや異なるように接続
されている。比較器からの出力信号はラッチング手段を
介して制御回路に送られて、切換えインバータの切換え
動作またはパワーコントローラの動作を制御する。した
がって、本発明は、検出された端末電圧の値が、充電中
の蓄電池またはセルの状況に応じて変化する基準電圧よ
りも、該蓄電池またはセルの状態に応じて変化するよう
に考えられてもいる。一般に、充電中の蓄電池またはセ
ルの状況に応じて到来する信号の数値効果は、それが通
常どおり基準電圧に適用される方式とは逆の方式で検出
された端末電圧信号に適用されることになり、充電中の
蓄電池またはセルの状況に応じてその基準電圧を変える
ことになる。

言うまでもなく、本発明は、適切な視覚表示器または
他の表示器を備えており、充電器の進行中の動作、その
状態または充電動作が終了されたかどうかを示す。

本発明は、蓄電池およびセルを充電する方法を備えて
いる。この方法は以下に示す工程から構成される。

（ａ）充電電流源から蓄電池またはセルが接続されてい
る出力端に充電電流を供給する工程と、 （ｂ）充電電流の流れを定期的に止めて充電中の電池ま
たはセルの抵抗自由端末電圧を判断して、検出された抵
抗自由電圧と充電中の蓄電池又はセルから独立した基準
電圧を比較する工程と、 （ｃ）所定の最高電流値または充電電流を受け取れる蓄
電池またはセルの能力のうち低いほうに基づいて、固定
された所定の時間、充電器の出力端に充電電流を送る工
程と、を含み、充電電流を受け取る蓄電池またはセルの
能力が所定の最高電流値より大きい場合には、充電電流
はその最高電流値で供給される。最初の固定期間の後、
蓄電池またはセルの検出された抵抗自由端末電圧が独立
基準電圧より小さい間は、充電電流は、最初の固定時間
の終わりに供給される場合には最高値での供給が続けら
れる。検出された抵抗自由電圧が独立基準電圧と同じ値
に到達した第１時点で第２の可変時間は終了する。同時
に、蓄電池またはセルに供給される充電電流は削減可能
であるが、充電電流の削減は、検出された抵抗自由電圧
と独立基準電圧が同じ値にある条件で行なわれる。言い
換えれば、充電電流は、充電中の蓄電池またはセルの充
電受入れ曲線に応じて削減される。

（ｄ）充電サイクルの最初から測定された第３の所定の
期間の後で、充電電流は、それが最高値である場合には
ゼロから所定の低充電電流の間の所定の値に減少するよ
うに充電サイクルの最初からタイマーを駆動する工程
と、 （ｅ）さらに、充電電流が減少し始める時点の後の第４
の所定の期間の終端に、充電電流がゼロから細流電流の
間の所定の値に強制的に減少するようにタイマーを駆動
する工程と、から成っている。

本発明の他の特色によると、充電中の蓄電池またはセ
ルは、電池の中の任意の１つのセルが故障しているかど
うかを判断するために継続的に監視される。故障したセ
ルが検出されると、充電動作は即時に止められて、警告
信号が出される。

上記した、故障したセルの継続的監視活動の変更例と
して、監視動作は、上記の最初の固定期間より短い最初
の所定の期間で停止されるので、充電電流がその最高値
で出力端に供給される。このため、空またはほとんど放
電した電池が最初に充電器に接続される短い時間が、電
池内の故障したセルを監視する前の、電池のセル内の電
器化学反応の少なくとも最初のセットアップとなる。一
般に、故障セルの検査が止められた最初の期間は、電池
の型と容量と使用充電電流に応じた期間分継続し、その
時間は通常15秒から３分にわたる。

本発明によるセルに充電する方法のさらに他の変更例
では、上記のように工程（ｃ）の終了後、他の工程
（ｅ）が開始される。この工程では、充電電流の値が継
続的かつ定期的にサンプル化され、前のサンプリングで
充電電流の値と比較される。充電電流の増加が検出され
たり、検出された充電電流の定期的な値に応じて所定の
期間分検出される場合、他の制御が動きだして、他の制
御が動作して、充電電流が減り始める。この処理手順に
より効果的に熱暴走の可能性を排除できる。

さらに、充電電気が制御方式で細流電流またはゼロま
で削減される。

さらに細かい変更例としては、所定の期間内で少なく
とも所定量の電流の減少が検出されると、制御回路手段
が動作して、別の所定の期間に充電電流を異なる値に変
更する。すなわち、時間に対する充電電流特性の勾配を
制御することができる。

上記のさらに他の変更例では、所定の環境下では、細
流充電より大きい最終充電により蓄電池またはセルが完
全に充電されることになる。この場合、充電電流が減少
しはじめると、約0.5Cないし3Cの値の所定の最終充電電
流のレベルまで減少する。いつでも、その所定の最終充
電電流値の定電流充電期間が開始され、充電中の電池ま
たはセルの抵抗自由電圧の決定が継続される。

最終充電を終了させる方法もいくつか考えられてい
る。たとえば、充電サイクルの始めから測定された所定
の期間が終わる最初の時点かまたは検出された抵抗自由
電圧が独立基準電圧値より所定量高くなる場合のどちら
か早い時点で、最終充電を終了させる方法がある。さら
に、充電電流の増加が検出され、さらにその時点で充電
電流が最終充電の計画値または細流充電の計画値より高
い場合に、充電電流は最終充電値または細流充電値のど
ちらかに減少する。

本発明の他の実施例にはアンペア時カウンタが備えて
ある。こうした装置は、マイクロプロセッサと共に使用
され、選択された期間で電池またはセルに送られる総充
電を記録する。アンペア時カウンタは、マイクロプロセ
ッサを介してタイミング手段により調整され、ある時間
中に送られた総電流の事前選択値で最終充電を終了させ
る。

他の実施例は、時間に関する測定された抵抗自由電圧
の変更を検出する手段、通用はマイクロプロセッサ、を
備えている。特性変更点がいくつか検出されると、最終
充電の終了用の信号が出される。さらに、アンペア時カ
ンウタは、変更検出手段に関連して利用でき、ある特性
変更点の検出後に総電流の事前選択値を送って最終充電
を終える。

他の実施例は、第２の可変期間の終わりと第２の所定
の期間の始まりの間の時間差に関連して最終充電を設定
するものである。

本発明による方法のさらに他の実施例では、充電中の
蓄電池またはセルの内部圧力が検出できる。その検出動
作は、温度検出が基準電圧に影響を及ぼすのと同様に基
準電圧に影響を及ぼす。充電動作は、検出された蓄電池
またはセルの内部圧力が所定の変化を起こしたり蓄電池
またはセルの所定の絶対内部圧力に到達したときに、変
えられたり終了されたりする。

本発明のさらに他の実施例は、電流オフかつ無抵抗電
圧V_RFを測定する改良された方法を備えている。比較的
長い電流オフ期間、たとえば、50ないし100ミリ秒を利
用しその期間の終わり近くでV_RFを測定することによ
り、充電器の性能への個々のセルの悪影響を低下させる
ことができる。

図面の簡単な説明 上記の特色および他の機構や変更例を以下に詳細に記
載する。電池の充電に関する一般的な特色、その理論上
および支配的な局面、代表的な充電特徴、およびこうし
た特徴を達成する回路も説明される。したがって、以後
の説明は添付図面に添って展開される。

図１は、充電の状態の時間変化につれて、充電中の電
池またはセルの充電状態とともに充電電流、不充分な充
電帯域および過充電帯域の関連を示す電池の代表的な充
電受入れ曲線である。

図２は、1Cという比較的低い充電率で、代表的な小型
ニッケルカドニウムセルの放電、充電および過充電の熱
効果を示す。

図３は、本発明による極めて迅速に充電されたニッケ
ルカドニウムセルの代表的な電流、セル温度、および累
積充電特性を示す。

図４は、内部セル圧力への効果も示す、やや長い期間
で充電された幾分大きいセルの他の曲線の集合を示す。

図５は、本発明の充電器を用いてむしろヘビーデュー
ティー条件下で充電および放電中のセルの代表的な電流
および温度条件を示す。

図６は、図４のものと同様であるが、セルが低温で低
環境温度で充電されている曲線の集合を示す。

図７は、比較的短い時間で充電された高容量電池の代
表的な充電、温度おび電流特徴を示す他の曲線の集合を
示す。

図８は、本発明による代表的な充電器の回路である。

図９（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、時間と共に変化
する様々な基準電圧の効果および、充電中のセルまたは
電池の充電受入れ機能の状態に応じて充電電流を最高充
電電流以下に減少させる充電電流への様々な効果を示す
代表的な曲線である。

図10は、容量は異なるが、同じ最高電流で充電される
バッテリーパックの代表的な充電曲線集合である。

図11は、充電サイクルの始めから所定の期間が示され
ている、時間対充電電流の曲線である。

図12は、図11の期間を参照して、電池の充電中に発生
する様々な充電条件または障害条件を関連づける変化の
状態および条件の図である。

図13は、熱暴走の条件が発生する時間対充電電流の曲
線の集合を示す。

図14は、図11に参照された代表的な期間を参照して、
充電電流への強制充電制御を示す。

図15は、図14で示唆された様々な制御基準に基づく、
所定の期間に関する他の充電電流対時間条件を示す。

図16は、熱暴走が排除されるのに利用される他の基準
を示す他の順電電流対時間曲線を示す。

図17は、図11と同様な図であるが、最終充電状態、お
よび充電中の蓄電池またはセルの端末電圧および抵抗自
由電圧の相関を示す関連時間曲線を示す図である。

図18Aは、ＸブランドのAA NiCd電池に通電する5A（8
C）の500_msecの割り込み中に10秒毎に取られ（２分毎描
かれた）の３次元電圧減衰曲線の集合を示す。

図18Bは、15ミリ秒と495ミリ秒のカレントオフ時間対
経過充電時間の関数として電圧を示す図18Aの２次元例
である。

図19Aは、使用セルのブランドがＹである以外は図18A
と同様な図である。

図19Bは、カレントオフ時間対経過充電時間の関数と
して電圧を示す図19Aの２次元例を示す。

好ましい実施例の記載 図１を参照して、本発明の基本原理、および蓄電池ま
たはセルの充電特性と充電許諾特性を考えてみる。図１
には、電池またはセルの充電状態対充電電流の特性関係
が示してあり、図１から、電池への充電やそこからの放
電に応じて充電状態が変化することが理解できる。図中
の主曲線10は、電池がその充電状態の関数として受け取
ることができる、−−すなわち、充電電流から化学エネ
ルギへの蓄積−−最高充電電流を示している。この曲線
は図１を２つの領域に分割している。曲線10の下の領域
12は電池またはセルの充電に余裕がある領域であり、曲
線10の上の領域14は、充電中の電池またはセルが過充電
がである領域である。さらに図１における線16は、線18
と交差しており、線16と18から構成される曲線は、従来
からの通常の充電器に対する曲線と考えられており、こ
の充電器とは、特定の端末電圧に到達するまで一定の電
流で電池またはセルを充電するものであり、特定の電圧
とは電池またはセルの充電状態が一杯であることを表し
ている。その電圧に到達すると、定電流充電が終了し、
ゼロまたは細流充電に減少する。最終充電は20で示して
あり、線18を過ぎた（すなわち、線18により表された状
態の発生後の）曲線10の延長部分である。

100％の充電状態になるとは、充電中の電池またはセ
ルが、アンペア時測定でエネルギ蓄積容量の100％に達
したということである。しかし、充電状態とはその性質
からいって、放電動作開始時点の充電状態を判定するた
めにセルまたは電池を完全放電することで初めて測定で
きる特性である。他方、充電を受け取る電池またはセル
の機能は、その充電の状態の関数であり、その充電状態
を増大しようと受諾可能な値より高い電流が電池やセル
に供給されると、熱やガスが電池またはセル内でつくら
れる。曲線10より上だが曲線16、18より下の領域22は、
曲線16、18により示された充電条件の元で加熱が発生す
る条件領域を表す。

本発明による充電器は曲線16に応じて動作する。この
曲線16は、充電条件の状態に到達する曲線16が曲線10と
交差する時まで、10Cを維持する。10Cは図１に示す充電
電流レベリであるが、3C、4Cまたは最高20Cまでのどの
値でもかわまない。この時点で、充電電流が調整され
る。このことは以下により詳細に説明する。すなわち、
曲線10は充電受入れ曲線を表す。

充電電流が電池またはセルに供給されると、充電状態
が変化するにつれて、電池またはセル内の電気化学キャ
リアが１つづつ放電状態から充電状態に変換される。す
なわち、充電が進むにつれて、変換に利用可能なキャリ
アが少なくなり、電池又はセルの充電受入れ機能が低下
する。キャリアの密度が低下すると、電池またはセルは
ある線をこえる電流を受け入れる機能がなくなることに
なる場合に、充電電流がその線を越えるとその結果充電
の速度が低下するが、電極の電圧が電解レベルにあが
る。その結果、ガスや過熱が発生する。電池またはセル
の過充電が発生し、電池またはセルが損傷する。本発明
の充電回路は、そうした環境を、充電キャリアが到来充
電電流をもはや処理不可能でありキャリアの機能減少に
あうように到来電流を減らして到来充電電流を処理する
ときを認識することにより、克服しようとする。こうし
た特色は以下に説明される。

以下の説明は、特にニッケルカドニウムセルまたはハ
ンドヘルドパワーツール、カムコーダーなどで使用され
るそうした多くのセルから成る電池に向けられている。
セル毎に約1.2ボルトの平衡セル電圧では、ニッケルカ
ドニウムセルには約−4mV/Cの負の温度係数がある。上
記したように、セルはより高い充電器端末電圧で充電さ
れるので、充電器端末電圧と他のセル電圧の間の差が駆
動電圧となる。さらに、ニッケルカドニウムセル−−特
に焼結電極を持つセル−−を市場に出している産業界で
さえ、こうしたセルが最高10Cまでものの極めて高い高
放電率環境を調節できることを知っている。ちなみに推
奨充電率は普通わずか約0.1Cである。

ニッケルカドニウムセル内の充電反応は以下の通りで
ある。

注意すべきことは、約0.1Cの低い推奨充電率は上記の
充電反応には無関係であるが、ニッケルカドニウムセル
の正電極に発生する可能性がある以下に示す過充電反応
（３）、密封ニッケルカドニウムセルの負の電極で発生
する以下に示す過充電反応（４）と（５）、排気型ニッ
ケルカドニウムセルの負の電極で発生する以下に示す過
充電反応（６）には関係ある。こうした過充電反応は以
下の通りである。

密封セルが充電中には、過充電反応（３）の結果酸素
が発生して、セル内部に圧力が発生し、次いで、過充電
反応（４）と（５）に示してあるように発生した酸素の
消費反応を加速させる。しかし、たとえば、約0.1Cの低
充電率で、密封セル内の圧力は約１気圧であるが、わず
か1.0Cの充電率では、密封セル内の圧力は通常のセルで
10気圧を越え、酸素の再結合を高めるよう特別に設計さ
れた特別な高率セルでも５気圧を越える。したがって、
セルの主要な過充電条件が発生する前に充電電流が制御
または停止する場合に限って充電が迅速になる。さら
に、再結合反応は低温では遅くなるので、セル温度は約
40℃低下する場合、セル内の動作圧力は通常２倍にな
る。したがって、冷却電池では、セルの安全弁の開放が
主な弱点である。特に、本発明の回路と方法以外の方法
で冷却セルが迅速に充電されている場合にはセルから電
解液が失われることになる。

さらに、密封セルでは、過充電反応（３）、（４）お
よび（５）の結果、セル内でかなりの加熱が発生するこ
ととなる。他方、充電反応（１）と（２）の結果、約0.
06kcal/Ahの負の反応熱によりセルがわずかに冷却され
ることとなる。その負の反応熱は、セルの内部抵抗によ
りセル内の発熱により相殺されることもあればそうなら
ないこともある。さらに、セルの放電反応は通常、反応
（１）と（２）の負の反応熱対して逆の熱効果を示すも
のである。そのセルが断熱されている場合にも、極めて
低い充電率での充電反応により約10℃そのセルが冷却さ
れるが、以後の過充電期間にそのセルの温度は、そのセ
ルの完全充電状態の10％の容量毎に少なくとも20℃上昇
するようになる。これは図２に示してある。図２では、
充電、放電および過充電がすべて1Cの率で考慮されてい
る。曲線24では、１時間をわずかに越える放電時間にわ
たって10℃未満から30℃を越えるまで温度が上昇し、放
電の次の１時間で約25℃まで下がるが、次の30分以上の
過充電期間中に温度がかなり上昇する。

したがって、本発明は、図１と図２に示してある過充
電段階がセルの充電が完了する前ですら発生することを
十分に熟知している。しかし、高充電率では、セルの充
電受入れ機能が、充電状態がその全容量のわずか数分の
１になるときでさえ充電率より下に落ちるので、過充電
反応が、セルが完全充電される前に始まり、同程度の熱
および圧力が発生する。

大半の従来技術で記載されている充電方法には、充電
電流が、充電状態に関する情報が確保されているゼロ電
流間隙で分離された短い高エネルギーパルスに応じて供
給される。上記のように、その情報は、厳密には抵抗自
由端末電圧であり、またはMachargまたはMullersmanの
従来技術では、その情報はゼロ充電電流の間隙中の電圧
衰退の判断に関わる。過充電反応による熱はいくぶん除
去可能であるが、高電流の短パルスを送るのでセルに高
電圧降下を引き起し、それによりセルの内部の抵抗によ
る不可逆発熱が発生する。

それは、図１と図２に示すように、充電電流を過充電
条件が始めるレベルより低く制御するのが理想的である
ことを示している、というのは過圧力および過温度状態
が回避されるからである。本発明による回路は、わずが
数ミリ秒の電流遮断を利用しており、セル内の過充電圧
力の発生を検出できるので、充電電流を安全レベルに削
減して、過充電なしで可能なかぎり高い電流でセルを充
電できる。言い換えると、本発明による回路は、図１に
示すように、定電流曲線16が充電受入れ曲線10に交差し
た時点の後ではセルまたは電池の充電受入れ曲線に従っ
て動作する。

例として、図３を参照する。この図では、約650mAhの
容量を持つ半高のサブＣセルの充電、温度および電流特
性が示されている。曲線26に示す最初の電流は約３分間
約18Cで配電され、曲線28で示すように最初の５分間で
セルの充電の約90％が配電される。同時に、曲線30で
は、わずか10℃程度増加したセルの内部温度が示してあ
る。すなわちセルの内部温度はほぼ通常の室温である。

図４では、約1200mAhの容量を備えたサブＣセルの曲
線を示されている。しかし、充電曲線32、セル温度曲線
34および充電電流曲線36が、内部セルゲージ圧を示す曲
線38によりむすばれている。この充電は約4Cの電流率で
名目15分の充電なので、約12または13分で、電流が減り
始まり、充電はその規格容量の約90％となる。セル内で
発生した圧力の増分は無視できる程度だし、圧力の増分
は充電電流がゼロになったときから約18分で平坦になる
ことに注意すべきである。セル内の温度は、充電動作全
体にわたって極めてわずかに実際は減少することにな
る。

図５の目的は、充電特性が図４に示してあるような通
常のセルに対して、曲線40と42により通常の電流と温度
の条件をそれぞれ示すことである。しかし、本明細書で
は、充電電流はやや高く約5Cである。44で示すように放
電中は、セルの内部温度が増加するが、以後の充電サイ
クル46では、内部セル温度は減少する。したがって、熱
損失の組み合わさった電気化学冷却効果により、セルが
その後充電されるよう各放電期間中に発生した熱が除去
される。

図６を参照すると、図４のものと同様な他の曲線集合
が示してある。しかし、この場合、セルの温度は極めて
冷たくて、−15から−10℃程度である。この場合、セル
の充電受入れ機能が温度低下のため落ち込んでいるの
で、充電電流曲線52は、充電回路内の切換え電力源によ
り制限された約５アンペアの最高値まで到達することは
ない。充電、すなわち曲線56が増大するにつれて温度、
すなわち曲線54、は高くなっている。しかし、明らかな
ことだが、セルが温かくなりより高い電流を受け入れる
ことができるようになるので、そのセルの過充電は発生
しないし、温度は低下し始める。充電器は20分間オンと
なるが、ポイント60でオフとなる。次いで、すぐに再作
動させる。充電電流は、期待どおり曲線52に応じて低下
することに注意すべきである。セル内の圧力は全期間に
わたって増加し、充電動作は図６に示すように継続す
る。しかし、試してみた低いセル温度でのセル圧力の過
度かつ危険な増幅はないことは明白である。

最後に、様々なセルおよび電池に対する代表的な充電
曲線に関して、図７は、測定充電電流曲線62、充電曲線
64、および温度曲線66を示す。こうした曲線は、約200
アンペアの初期の充電率で充電されたニッケルカドニウ
ム航空機用電池の充電特性を示すものである。その種の
電池、すなわち焼却プレート構成の大型排気型ニッケル
カドニウム電池の容量は40Ahである。特に注意すべきこ
とは、曲線64に示すように、充電の約85％は10分で電池
に配電されたということである。さらに、室温で充電さ
れたそのバッテリーの内部温度は10℃未満しか上昇しな
かった。そのバッテリーの再充電が完了するのに30分も
かからなかった。

本発明の代表的な充電回路 図８は、以下で説明するように構成されたバッテリー
パックを備えた代表的な充電回路を示す。図示の回路は
非常に単純化してあり、必要不可欠な構成要素を示して
おり、実際の充電器の全構成要素を必ずしも示している
わけではない。さらに、本発明による可変基準電圧に影
響を及ぼし温度や充電電流などの要因に依存する回路の
追加部分が示してあるが、どんな充電器にもあるもので
はない。

要約すると、図８の回路は以下のとおりである。

電器エネルギ源70が備えてある。そのエネルギ源は、
115ボルトACまたは12ボルトDCなどである。115ボルトAC
が米国では標準的な家庭内電圧であり、12ボルトDCが標
準的自動電圧器なので、本発明の回路は通常の家庭内電
圧環境下で動作するよう構成されるか、さもなくば自動
車の喫煙ライターなどから動作可能に構成されることが
望ましい。出力端72には充電電気エネルギが送られる。
全体的に74で示されている蓄電池またはセルは出力端72
に接続されている。バックタイプ（buck type）の切換
えインバータ回路76はエネルギ源70に直列接続されてお
り、代表的な切換え装置はMOSFET Q1である。明らか
に、エネルギ量の率が出力端72と蓄電池またはセル74に
送られるので、充電電流は、切換えインバータ76を同通
または非道通状態に切り替えることにより調整できる。
その切換え制御自体は、パルス幅調整コントローラであ
る制御回路78の制御下にある。制御回路78は、以下に説
明されるように検出回路から供給される入力を受け入れ
る制御入力端でその入力に比例して制御される。便宜
上、増幅器86の出力端はコントローラ78に接続されてい
る。さらに、タイマ82から制御回路78のイネーブル入力
端80へ送られるタイミングパルスにより充電電流の短時
間遮断が制御される。

図１の回路における、電力、すなわち、充電電流を入
力端に送る部分の代替案として、明らかに、制御可能な
他の配電システムが利用できる。たとえば、切換えイン
バータ装置76にMOSFETが利用されているが、当分野で周
知のように他の電力装置により容易に代替可能である。
したがって、もっとも広い意味において、電力変換装置
はエネルギ源70と出力端72の間に直列に挿入されてい
る。こうした電力変換器装置の代表的な例は、バイポー
ラトランジスタ、シリコン制御型正流器、ゲートターン
オフサイリスタ、線形調整器、または切換え磁気増幅器
であり、多様な型のそうした要素を多様な構成で接続で
きる。

検出手段が蓄電池74の端末電圧を検出するのに備えて
ある。こうした検出手段には検出線88とそれに接続され
た抵抗器PSが含まれているので、比較器90の負の入力端
の信号が抵抗器R25にも接続されて接地型分圧器を形成
している。この信号は、電池またはセル74の検出端末電
圧の関数および等価となっている。比較器90の他の入力
は、充電回路内で生成される基準電圧であり、電池また
はセル74の端末電圧から独立している。基準電圧は線92
にみられ、分圧器ネットワークR31とP1から分離した回
路の較正中に最初に設定される。以後に注意すべきよう
に、しかし、線92上の基準電圧の値は、温度検出装置94
の有無に応じて、電池またはセル74または環境の温度の
補償により数値面で影響を及ぼされる。線92上の基準電
圧の値は、充電電流の値も、充電電流値により数値面で
影響を及ぼされる。全体的に96で示された温度補償回路
と全体的に98で示された充電電流補償回路がそれぞれジ
ャンパーJ1とJ2を介して接続されているので、それらの
出力値が接合部100で数値的に加算されている。

線92の基準電圧と接合部102の検出端末電圧が異なっ
ているときは常に、比較器90への入力−−比較器80から
の出力信号が線104を介してラッチング手段106の制御入
力端に送られる。このラッチング手段106は便宜上Ｄタ
イプフリップフロップとして示されている。

ラッチング手段106からの制御出力が線108を介して送
られ、上記制御出力はさらに低速時定数を付与するよう
値を備えたネットワークR34、C14を介して増幅器86の入
力端末の１つに送られる。ネットワークC15、R40は、増
幅器86の出力端からその他の入力端への帰還ネットワー
クであり、高速時定数をもつ。一般に、コントローラ78
の速度は、20Khzないし30Khz（100Khzにわたるものもあ
る）の周波数で切換えインバータ回路76を動作させる程
度である。バック構成の切換えインバータ回路76はMOSF
ETスイッチQ1、ダイオードD2、およびインダクタL1から
構成される。

通常、イネーブル入力80の制御下で、切換えインバー
タ回路76が完全にオフになるのは、0.5ミリ秒から約20
ミリ秒の期間であるが、通常は、約１ないし３または５
ミリ秒の範囲である。フィルタコンデンサC6は切換えイ
ンバータ回路76の切換え周波数を濾過して、出力端72で
高周波数による不本意な効果が排除される。

明らかに、切換えインバータ装置76のデューティーサ
イクルは、その論理イネーブル信号80とその比例制御信
号84に基づいてコントローラ78により制御されている。

上記したように、制御信号入力84は増幅器84の出力か
ら影響をうける。充電電流検出回路98が動作可能なら、
その出力は、以下に説明するように充電電流の値により
影響を受ける。したがって、とにかく、コントローラ78
は充電電流の通過中ならどんなときも制御可能である。
ただし、充電回路の動作条件、充電電流の条件、蓄電池
またはセル74の検出端末電圧により左右される。こうし
た条件はすべてラッチング装置106の出力108により制御
される。その出力とは、接合部102の検出端末電圧と線9
2上の基準電圧の比較により判定された線104上の比較器
の出力の関数である。

記載の帰還回路の動作とは、充電電流がゼロより大き
いが最高電流未満の時の線形動作領域において、線104
上の比較器90の出力がラッチング手段106にラッチされ
る時点において接合部102で検出された電池の電圧が線9
2上の基準電圧の値に等しくなるように充電電流の値を
調整するような動作である。上記のように、線92上の基
準電圧は、回路96および／または98が動作していれば充
電電流の値および／または温度検出装置94の出力により
影響を及ぼされるし、それ以上に影響を及ぼされる場合
もある。

したがって、線110上のパルス式タイミング信号をコ
ントローラ78のイネーブル入力80やラッチング手段106
のクロック入力端に送って、タイマー82の制御下で切換
えインバータ76をオン−オフ制御することに注意すべき
である。言うまでもなく、クロックパルスは、入力端70
にも送られそれによりトリガーされる代替電流源の元で
の制御の結果、線110からの代わりに線112でも送られ
る。

受けた圧力に応じた可変抵抗を有する特別に取付けら
れた歪ゲージなどの圧力検出装置が充電中の蓄電池また
はセル内に取付けてある場合もある。それは95で示して
ありジャンパーJ3に接続されている。圧力検出装置95の
動作は、サーミスタ94の動作が接合部100で電圧に影響
を及ぼすのと極めて同じ方式で接合部100で電圧に影響
を及ぼす。

他の実施例では、回路96と98の出力は（圧力検出装置
RPの）それぞれ温度補償回路と充電電流補償回路であ
り、そうした出力は、線92上の基準電圧に数値的に影響
を及ぼすように接続される代わりに、接合部102で接続
されている。こうした接続は線114で示してある。この
場合、92上の基準電圧値はほぼ一定であるが、接合部10
2からの比較器90への他の入力は回路96および／または9
8の動作により数値面で影響を及ぼされる。一般に、別
のインバータ増幅器も線114に挿入することもあるの
で、回路96および／または98の出力の効果は接合部100
とは逆の方式で接合部102に数値として追加され、線92
上の基準電圧値に影響を及ぼす。

温度検出装置94と温度補償回路96の動作の結果として
温度補償の効果をこれから説明する。明らかに、温度補
償の１つの主要目的は熱暴走を回避することである。さ
らに、本発明の充電回路は、広い温度範囲にわたって動
作可能でなければならない。この温度範囲では、充電中
の充電器または電池またはその両方は通常−20℃ないし
＋50℃にわたる周囲温度となる。

温度検出装置94が備えてあり、サーミスタ、サーミス
タ以外の温度検出抵抗器、２端末温度検出能動装置、ま
たは多端末温度検出能動装置が利用されている。ともか
く、温度検出装置の出力は、その装置の温度の関数であ
り、その出力はその装置の温度に応じて変化する。その
装置の温度は、それが取付けられている方式に依存す
る。温度検出装置は、再充電回路または蓄電池またはセ
ルが置かれている環境に及ぼされているような方式で取
付けることができる。または、その温度が蓄電池または
セルの内部温度により影響を受ける方式で取付けられて
いる。前者の状態では、温度検出装置は、充電器のケー
スの外側の付近または蓄電池またはセルが置かれている
取付け構成付近の位置に取付けられているだけである。
後者の場合には、温度検出装置は、充電中の再充電セル
または電池のケースまたはシェルと緊密に接触するよう
に取付けられることになる。そのため、セルまたは電池
内の内部温度の変化は、そのケースまたはシェルの温度
に影響を及ぼす。この変化は温度検出装置により記され
るものである。

温度検出装置94はジャック116と118で物理的に取付け
られている。さらに、図８の回路では、ジャック118
は、温度検出装置が置かれている場合スイッチ120が開
いており、それがない場合閉じられているよう構成され
ている。とにかく、R20の値は、−10℃ないし＋60℃の
範囲にわたってR19とR20の接合部のほぼ線形の電圧出力
となる。R19の値を変えると、温度補正の大きさを調整
することができるので、その電池充電器がニッケルカド
ニウム、水素化ニッケルまたは鉛などの特定の型の電池
でのみ動作することが分かっていれば、R19の様々な値
が選ばれる。温度検出装置94が取り除かれてジャック11
8のスイッチ120が閉じられると、固定抵抗器R21は回路
に接続される。

N19で示された多の構成要素は、抵抗器R19やジャンパ
ーJ1に直列の回路に含まれている。その構成要素N19
は、複雑な、非線形出力を備えたネットワークまたは装
置であり、その装置の動作は温度検出装置94の動作に影
響を受けるので、とくに検出能力が高くなる温度領域が
いくつかある。

さらに、増幅器122が備えてある。増幅器122は抵抗器
R19、R20およびR21の同じ接合部からの入力を受け取
る。温度検出装置94を備えた回路が偶然開くと、増幅器
122は線124でRTO（温度センサー開）信号を生成する。
この線はORゲート109の入力端に進む。このORゲート109
は、その入力のどちかの信号によりLED126−−赤いLED
（発光ダイオード）−−が発光するように構成されてい
る。同時に、ORゲート109の出力端からの信号は、入力
端Ｒのラッチング装置106に送られ、それによりラッチ
ング装置が閉鎖され出力端72で他の充電電流を阻止す
る。

さらに注意すべきことは、第２の比較器91と第２のラ
ッチング装置またはフリップフロップ107が備えてある
ことである。比較器91への入力は電圧検出線88からのも
のと、基準電圧線92からの分圧器R30/R29を介したもの
である。比較器91の目的は、電池またはセル74の欠陥セ
ルの検出である。故障セル（すなわち電池のセル）があ
るため蓄電池またはセル74の検出抵抗自由端末電圧が減
る場合、抵抗自由電圧の検出値と基準電圧間の過度な差
が比較器91により表される。その場合、比較器の出力は
ラッチング装置すなわちフリップフロップ107に送られ
る。そのフリップフロップでは、線111上に低電圧出力
が発生する。線111上の低電圧出力はORゲート109の入力
端に送られる。その他の入力端は線124上のRTO信号を受
ける。上記のように、ORゲート109の一方の入力端の信
号によりLED136が発光し、同時に、閉鎖信号がラッチン
グ装置106の入力端Ｒに送られる。

関連する回路が特に示されているわけではないが、圧
力検出装置95の動作は温度検出装置94の動作のそれと極
めて同じであるのが明らかである。すなわち、圧力検出
装置95は、図示のように、ジャンパーJ3に接続されてい
るが、温度検出装置94におけるのと同様な回路を介して
接続でき、とにかく、圧力検出装置95の動作とそこから
の出力が接合部100（または、以下に記載するように、
接合部102）での電圧に影響を及ぼす、というのはその
圧力検出装置95は蓄電池またはセル74の内部圧力の影響
を受けるからである。

線92上の基準電圧（または接合部102の検出端末電圧
を表す信号）は、蓄電池またはセル74に送られる充電電
流の値により数値面で影響を及ぼされることに注意すべ
きである。これは回路98の機能である。

本明細書では、電流検出線128が出力端72の（この場
合の）負側から出ている。この負側の出力端は電流検出
分流器R5の正側にも接続され、さらに円滑フィルタR15
とコンデンサC18を介して増幅器130の入力端に接続され
る。増幅器130の利得はR16/R17の値により決定される。
増幅器130の出力端はR18とジャンパJ2を介して接合部10
0に接続される。上記で示唆したように、ある環境では
接合部102に接続される。とにかく、その極めて単純な
実施例では、増幅器130の出力は、蓄電池またはセル74
へ送られる、線128により検出された充電電流が所定の
範囲内にあるときにはその最高値からその最低値にスイ
ングするように構成される。たとえば、10アンペアの充
電器用の増幅器130の出力は、その充電電流が３アンペ
ア以上の時にその最高値にあり、その充電電流がゼロよ
り低いときにはその最低値にある。さらに、その出力
は、所定の範囲の電流値でほぼ線形にスイングする。

さらに注意すべきことは、ダイオードD14の存在であ
る。ダイオードD14には、接合部100（または上述のよう
に接合部102）の電圧より大きい増幅器130の出力電圧の
みに回路98の動作範囲を制限する効果がある。すなわ
ち、図８の回路に示す場合には、増幅器130は、充電電
流が３アンペア以下であり１アンペア以上の時のみ線92
上の基準電圧の線形制御を実行するようになる。このた
め、充電する蓄電池またはセルの型が特定の充電器回路
に対して指定されているといった広範で多様な再充電可
能セルや電池において適切な充電電流補正が可能にな
る。すなわち、抵抗やしきい値電圧など構成要素の特定
値が選択できる。

さらに、カウンタ132はタイマとして機能することに
注意すべきである。その機能とは、線92の電圧基準値が
低下する所定の充電帰還の終わりに信号を接合部100に
供給することである。これは、鉛電池に充電するときに
特に有益である。充電時には、充電回路の最初の迅速な
充電部分でやや高い初期電圧が発生し、その後低い浮動
充電電圧が続く。

さらに、ラッチング回路106は線134上に出力を出し、
この線134はLED136に至る。LED136は緑LEDであり、その
機能は、電池充電回路が動作し充電電流が出力回路72を
介して供給されることを確認する視覚信号を供給するこ
とである。線134上の信号は、線108上の信号と相補的で
ある。たとえば、蓄電池またはセル74に継続的に充電電
流が流れるという状態や条件が設定されているので線10
8上の定信号が発生していると仮定する。その場合、線1
08は連続的に高レベルであり、線134への出力は連続的
に低レベルであるので、LED136が継続的に発光すること
になる。他方、出力の規制が始まるので、充電電流はパ
ワーコントローラまたは切換えインバータの調整により
低下し始めて、LED136の発光は不連続になる。他の回路
構成要素の適切な値を用いて時定数などを調整すると、
LED136は目に見える発光を始める。

図８の代表的な充電器回路の他の特色も説明する必要
がある。たとえば、電流検出線128が増幅器130だけでな
く増幅器86に至る。しかし、回路C15、R40の時定数が迅
速な時定数であり、R34、C14の時定数が低速な時定数で
ある。したがって、コントローラ78の動作−−上記のよ
うに通常はパルス幅調整コントローラ−−が、充電電流
が出力端72に流れて線128で検出されているどんなとき
にもラッチング回路106の出力により制御可能である。
しかし、その制御が従う条件の検出と制御は、比較器90
への入力とその出力の結果として、線92で数値面で影響
を受けている検出された抵抗自由端末電圧値または接合
部102における温度補正回路96、充電電流補償回路98ま
たは圧力検出装置95の出力に基づく。

より重要なのは、追加抵抗器RS1の構成である。この
構成は、蓄電池74の内部構造の統合部分として示されて
いる（単一セルが出力端72に接続されているときは無関
係である）。この構成により、電池74の端末電圧の結果
として、すなわち、直列または直列／並列構成に接続さ
れた電池のセルの数の結果として、線92上の基準電圧の
特定値が接合部102で突き合わせ可能になる手段が達成
される。特に、線92上の基準電圧の値が特定である、す
なわち、セル当たりの特定の基準電圧値であることが適
切である。したがって、充電回路が、直列に接続される
セルの数を判定してそれに応じて出力電圧を設定する手
段をそなえるのが適切である。

この問題は、本発明の充電回路がそれぞれが異なる電
圧を持つ多様なハンドヘルド式パワーツール用のバッテ
リーパックに充電するよう要請された結果として現われ
たものである。バッテリーパックは、数種の玩具、カム
コーダー、無線操縦型車両および船舶などに対する多様
な電圧をもつことも可能である。よくあることだが、バ
ッテリーパックの様々な端末電圧は、充電器のスイッチ
の設定を変更することで調整できる。ただし、スイッチ
が適切に設定されてないと、危険な過充電状態が発生す
る。

本発明によると、バッテリーパック内に抵抗器RS1を
備えていれば、出力端72に送られる必要のある電圧につ
いて適切な情報を充電回路に十分提供できる。しかし、
注意すべきことは、こうした電池充電器は内部に抵抗器
RS1を備えているが図８に実線で示されたようには電圧
検出線88を備えてないバッテリーパックに可変出力電圧
を供給するよう設計されている。むしろ、電圧検出線は
140でのように分断されており、線142で取り上げられ
る。抵抗器RS1は抵抗器PS（図８参照）と変えられる。
抵抗器RS1が使用されるときには抵抗器PSは取り除かな
ければならない。

したがって、バッテリーパック内の抵抗器RS1の値は
蓄電池74のセルの数の関数である。その意味すること
は、電圧降下がRS1とR25のストリングを介して発生する
ので、端末102の電圧は、上記で議論し熟考したよう
に、単一セル抵抗自由端末電圧とほぼ等価である。ｎ個
のセルを備えた電池では、抵抗器RS1の抵抗は抵抗器R25
の抵抗の（ｎ−１）倍に等しくなる。通常の市販抵抗器
で十分必要な電圧および抵抗ストリングを提供できる。
普通は、規挌値の約１％の抵抗精度をもつ準精密抵抗器
を利用する。線142になんだかの理由で障害が発生する
と、充電器は連続的に低電圧またはゼロ電圧を検出し、
以後で議論する他の特色に応じて、充電器は警告を発し
て非作動となる。

明らかに、図８の回路の動作は多くの要因に依存して
おり、検出されている蓄電池またはセルの特性、特に、
その内部温度、充電電流またはその内部圧力、または検
出されている特性の変化の結果として回路は精密制御さ
れる。特に、充電中の蓄電池またはセルの内部温度また
は内部圧力の変更が充電器の動作に影響を及ぼし、蓄電
池またはセル74に送られる充電電流を変えたり、充電動
作を終了させる。こうした変化は、検出中の蓄電池また
はセルの内部温度の所定の増分または検出中の内部圧力
の所定の増分の結果、さらには蓄電池またはセルの所定
の絶対温度または絶対内部圧力にも基づいているもので
ある。

図９（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、時間と共に変化
する様々な基準電圧の効果と、充電中の蓄電池またはセ
ルの充電受入れ機能の状態に応じて最高充電電流より低
い点から減少するモードの充電電流への可変基準電圧の
様々な効果を示すものである。図９（ａ）、９（ｂ）お
よび９（ｃ）はそれぞれ３曲線１組で示されている。主
曲線は、時間と共に充電電流の変化を示す曲線であり、
さらに、主曲線の他は、基準電圧の同一基準変更とその
充電電流との関係を示す曲線であり、第３の曲線は主曲
線の下であり、時間に応じて基準電圧の変化を示す。明
らかに、電流の規模は、主曲線とその側の曲線で同じで
あり、時間の規模は主曲線とその下の曲線で同じであ
る。

図９（ａ）は、充電電流曲線150、２つの曲線152と15
4を示す。曲線152と154は曲線152の電流対基準電圧の関
係と曲線154の時間対基準電圧の関係を示す。曲線150の
充電電流は定電流として始まり、156で示してある特定
の値に減っていく。156の時点で、曲線152と154の基準
電圧が158の別の値に到達するまで変化し始め、その時
点で曲線152と154の基準電圧がより低い値に達する。基
準電圧は156で示す充電電流値で不変であったら、充電
電流は160で示す曲線に継続的に従い続けることにな
る。基準電圧が158で示された充電電流値で採用された
レベルにあったとすれば、充電電流は曲線162に従った
ことになる。

他方で、図９（ｂ）は、増幅規130の利得が減少する
ので、線92への基準電圧の効果が、充電電流がその完全
値からゼロに変化するに連れて、その高値から低値に徐
々に変化する。すなわち、曲線164の充電電流は、充電
電流規制のような時間が始まるまで166で示す値で一定
である。その時点で、曲線168と170に示す基準電圧は減
少し始める。充電電流は、曲線170の基準電圧が減少し
始めるのと同時に、166で示す最高値から減少すること
に注意すべきである。

図９（ｃ）を参照すると、基準電圧の階段状の変化が
示されている。本図では、曲線174の充電電流は図９
（ａ）の曲線150で示唆されたのと同じ全体パターンに
従う、ただし174で示す特定の時点で、曲線176と178で
示す基準電圧の値が階段状に変化している点が異なる。
値180で示す特定の電流しきい値に充電電流が到達した
結果またはタイマが所定の充電期間を締め切った結果、
階段状変化は発生する。ブリップ182で示すように、基
準電圧の階段状変化は徐々に充電電流を不連続化する。
そうでなければ、充電電流の不連続性は図９（ｃ）に示
すように回復できる。とにかく、ブリップ182の後の充
電電流は図９（ａ）の曲線162と同様な下方の曲線にし
たがう。

明らかに、充電過程が継続するにつれて基準電圧の変
化は、かなり重要なものの１つであり、ニッケルカドニ
ウムセルの熱暴走の可能性を排除したり充電サイクルの
最適化に特に重要である。最適化の結果、エネルギー要
求が低くなり、そのためエネルギー高率が高くなる。最
適化自体は、過充電などの結果として蓄電池またはセル
への広範な有害損傷を排除することにつながる。

本発明の方法 本発明は、蓄電池やセルを充電中に最終充電を終了す
る方法をいくつか提供する。最初の２、３の工程はすべ
ての事象でほぼ同じで、以下の工程を含む。

（ａ）電源70などの電流源から充電電流を、蓄電池また
はセル74が接続されている出力端72に供給する工程と、 （ｂ）コントローラ78の動作の元で充電電流の流れを定
期的に遮断して、充電中の蓄電池またはセル74の抵抗自
由端末電圧を判定する工程と、を含み、抵抗自由端末電
圧は、充電電流の流れが止められている間に判定され
る。検出された抵抗自由電圧は比較器90で蓄電池または
セル74とは独立した基準電圧と比較される。

（ｃ）所定の固定時間に、所定の最高電流値または充電
電流を受け入れる蓄電池またはセル74の能力値のうち低
い値で充電電流を出力端72に供給する工程と、を含む。
したがって、蓄電池またはセル74では所定の最高電流値
よりも充電電流を受け入れる能力値が高い環境では、充
電電流は、充電器により許容された最高電流値と等しい
定数値で出力端72に送られる。

上記の最初の固定期間の後では、充電電流は、第２の
可変期間では最高値で出力端に送られ続ける。しかし、
その第２の可変期間は、蓄電池またはセル74の検出され
た抵抗自由電圧が独立基準電圧未満であるかぎり継続す
る。したがって、第２の可変期間は、検出された抵抗自
由電圧が独立基準電圧と同じ値に達した最初の時点で終
了する。その時点で、充電電流は、検出された抵抗自由
電圧と独立基準電圧が同じ値に維持されるように連続的
または階段状に減少するようになる。

この階段で選択的な処理手順がいくつか現われる。

第１の時点で、タイマは、充電サイクルの始めから測
定された第３の所定時間の後で、充電電流がそれが依然
としてその最高値にある場合には細流電流に減少するよ
うに充電サイクルの始めから動作される。さらに、タイ
マは、充電電流が減少し始める時点の後の第２の所定期
間の終わりに、充電電流はゼロから最高電流値より低い
所定の低充電電流に強制的に変えられるように充電サイ
クルの始めから作動させられる。その値は、以後説明さ
れるように細流充電または最終充電となる。

代わりに、第２の可変期間の後の期間中および充電電
流が減少している間、充電電流の値は、定期的に連続し
て標本化されて、少なくとも前の標本化での充電電流値
と比較される。この場合には、充電電流の増加が検出さ
れると、制御回路手段が動作して、充電電流が継続的に
減少することとなる。

上記を図示するために、図10、11および12を参照す
る。図10は、すべて同一の最高電流で充電されるが容量
は異なるバッテリーパックの代表的な充電曲線のセット
を示す。図11は、時間対充電電流を示す曲線であり、指
示された充電サイクルの始めから所定の期間区分をいく
つか備えてある。図12は、図11に示す期間を参照して、
電池の充電中に、様々な期間と発生しうる充電状態また
は発生しうる障害状態を関連づける状態図である。

第１に、図10を参照すると、代表的な曲線のセットが
示してある。本図では、600mAhないし2500mAhにわたる
バッテリーパックの様々な容量が示してある。各曲線は
本発明による回路および方法により充電されると仮定さ
れており、190で示すように約7.5アンペアがそのピーク
電流である。曲線192は2000mAhの容量をもつバッテリー
パックに対応し、曲線198は2500mAhの容量をもつバッテ
リーパックに対応する。こうした曲線はあきらかに外観
に類似点がある。しかし、こうした曲線は、約1800mAh
ないし2500mAhの容量をもつバッテリーパックでは、理
想的な条件の元では、固定期間は20分で十分であること
も示している。500mAhないし600mAhさらに約1000mAhま
たは1200mAhの容量を持つバッテリーパックではもっと
長い期間が必要となる。明らかなことだが、最善の実施
は、できるだけ速やかに充電サイクルを終了させて、熱
暴走を排除し、バッテリーパックが充電されたことをユ
ーザに知らせることである。

したがって、サイクルの長さを可変にすることが提案
されている。サイクルは、検出された抵抗自由電圧が独
立基準電圧に等しいときの条件下でのバッテリーパック
の充電電流の受入れ機能によりその長さが判定される定
電流の期間から構成される。そのサイクルは８ないし10
分続く。

しかし、図11に詳細が示されている。第１に、期間T1
は固定期間であり、時点t₂で終端する。曲線200に示す
ように充電電流が期間T1（本発明の目的から、期間T4を
含むと考えられている）でその最高値に上昇すると認め
られており、上記のように、もし電池がその値で電流を
受け取れれば所定の最高電流値に到達する。そうだと仮
定すると、第２可変期間T2の継続中は、検出された抵抗
自由電圧が独立基準電圧未満であるかぎり最高値で充電
電流が配電されることになる。T2は時点t₃で終わる。そ
の後、充電電流は、上記のように、検出された抵抗自由
電圧と独立基準電圧が同じ値になるように202に示すよ
うに減少するようになる。

上記の最初の選択例では、所定の期間T3の終わりに、
時点t₁で，充電電流が204で示されているようにその最
高値にある場合、充電電流が206で示されているように
細流電流に減少するように充電サイクルの始めからタイ
マが動作する。

しかし、同時に、所定期間分t₃の後に位置する時点t₄
で発生する第４の所定期間の終端で、充電電流が曲線20
2に従っているなら、そのとき、充電電流は強制的に所
定値に変えられることになる。その値は０または細流電
流であるかまたは、以後で説明するように最終充電電流
である。

上記で説明したように他の選択工程（ｃ）は、図13を
参照して以下により詳細に説明される。

さらに、本発明の方法は、充電中の蓄電池またはセル
の内部圧力の監視のことを考慮している。したがって、
充電中の蓄電池またはセルの内部温度または内部圧力に
所定の増加がみられたり、充電中の蓄電池またはセルの
所定の絶対内部温度または所定の絶対圧力に到達するよ
うな条件が発生すると充電器の動作を変えたり充電を終
了したりできる。

充電サイクルが継続中の期間では、蓄電池またはセル
が継続して監視されて、充電中の電池のセルまたは少な
くとも１つのセルが故障しているかどうかを判定する。
その監視は、検出された抵抗自由電圧の判定と検出され
た抵抗自由電圧がその前の値から突然変化したかどうか
の判定により実行される。その判定は上記のように比較
器91で下される。明示障害セル信号を送るような他の手
段も備えることができる。とにかく、障害のあるセルが
どんな方法によってでも検出されると、明らかに、障害
が発生したことになり、充電電流は瞬時に停止され、警
告信号がその効果に対して発行される。

しかし、障害のあるセルの検査が第１の所定の期間T4
の間阻止されるのが適切である。この期間は第１の固定
期間T1より短い。このためセルまたは電池が直接充電器
に接続されているとそこに電気化学沈殿が発生する。セ
ルまたは電池が冷たいかまたは深く放電されている場合
には特にそうである。

今度は図12を参照する。最高電流が7.5アンペアであ
る充電器に特に意図された複数の値が示してある。これ
らの値は、図10に関連して説明されたように、600mAhか
ら2500mAhにわたる容量を備えたバッテリーパックに充
電するよう意図されている。電力が210で示されたオフ
状況から投入されると、212における事前検査期間T4が3
7秒間現われる。次いで、充電器は期間T1の状況に進
み、150秒間に相当する時間t₂で、214で示す期間T1が終
了する。障害が検出されると、線216に示してあるよう
に、218におけるような警告状況に入り、充電サイクル
が終了する。しかし、充電器自体はオフになり、220で
示すように手動操作が必要となる。

事象の通常コースでは、期間T2に入り、600mAhないし
1000mAhの範囲の容量を備えたニッケルカドニウムで
は、最高充電電流は約7.5アンペアであり、抵抗自由充
電電圧はセル当たり1.3ないし1.5ボルトの範囲であり、
期間T2は、充電サイクルの始めから約８または10分に満
たない時間t₃で終了する。2000mAhないし2500mAhの範囲
の容量および上記したような同様の充電電流と充電電圧
値を備えたニッケルカドニウム電池またはセルでは、期
間T2は充電サイクルの開始以来15または20分に満たない
時間t₃で終端する。期間T2は220で示してある。時間t₃
では、いくつかの選択子が発生可能である。障害が検出
されると、警告状況218に入る。完全充電電流が配電さ
れるかぎり、言い換えれば、検出された抵抗自由電圧が
基準電圧に満たないかぎり222で示してある可変期間T2
は発生する。検出された抵抗自由電圧と基準電圧が等し
い場合その期間は終了する。次いで、充電電流は図11か
らの曲線202、図12の状況224に従い、時間t₄で終了す
る。しかし、時間t₁において、226におけるような期間T
3の終端で、充電電流が204におけるような最高値に依然
としてあれば、その電流は即時に206におけるような細
流値に減少する。次いで、時間t₄の後で、ポケットベル
の段階228に到達した。この段階では、音響警告が鳴っ
て、ユーザに充電が完了したことを警告する。同様に、
線230で示すように、サイクルの始めから1200秒の終わ
りに、電流がその最高値にある場合、ポケットベル段階
228に到達する。

図13では、他の特色が説明される。本図では、１組の
充電電流曲線が示してあり、その１つは熱暴走が発生す
るときの状態を示す。曲線240と242は時間に応じた充電
電流の通常の減少が発生する条件を示す。しかし、蓄電
池またはセルの温度が増加する場合、充電電流が上記の
方式で曲線244に従う。この場合、基準電圧に等しい検
出された端末自由電圧の条件が適応可能でさえあれば、
充電電流は再び増加し始める。

図14は、熱暴走が排除される選択子を示す。充電電流
の減少期間では、充電電流の値は定期的かつ継続的に標
本化されて、少なくとも以前の標本化での充電電流の値
と比較される。たとえばディジタル式制御標本化回路ま
たは「谷間検出器（Valley Detector）」と特に指定さ
れた電流値の最初の導関数の値を監視する単純なアナロ
グ回路により、これは実施できる。

曲線246の場合のように、充電電流の増加が検出され
ると、制御回路手段が引き継ぎ、248で示すように充電
電流が継続的に減り始める。充電電流が250で示す値で
継続可能なら、熱暴走は排除されるが、高残留電流が蓄
電池またはセルに供給さる。これは不必要である。同様
に、充電電流は、曲線252と254に示された制御方式で減
少し、こうした曲線の傾斜は恣意的に選択される。しか
し、充電電流は、充電中の特別または特定の電池または
セルの期待された充電受入れ曲線に多かれ少なかれ近似
する。さらに、図11の変形である図15を参照すると、充
電中の特定の電池またはセルで、充電の受入れ状態に許
諾可能な範囲の短時間で到達されると判定されると、曲
線262におけるよりもむしろ曲線260における強制電流削
減が選択される。

今度は図16を参照すると、熱暴走を排除する特定の基
準が図示されている。本図では、曲線264で示すような
充電電流は266で示してあるようないわゆる電流の谷間
に到達するようになる。しかし、しかしΔＩに示され26
8で示された所定の大きさの電流の増分が検出される場
合、その時点で、電流が270に示す細流充電に減少させ
られる。代わりに、充電電流がゼロに減少させられる。

最後に、蓄電池またはセルの最終電流の概念は図17を
参照して説明される。

注意しなければならないのは、最終充電電流が細流電
流に減少する場合蓄電池またはセルは絶対に100％完全
充電されることはない環境が発生することである。理論
的には、単一セル−−ロール電極をもつ高率ニッケルカ
ドミウムなどのセル−−は互いに並列に並べられた限ら
れた数のセルと考えられている。本質的には、これは、
電流接続が形成されている電極部分から離れた電極間の
電圧は電流接続が形成された地点−−そこは抵抗自由端
末電圧が検出されたのと同じ地点−−の電極間電圧より
やや異なることを意味している。しかし、約0.5Cと3Cの
間の電流値で最終充電を供給すると、電池またはセルを
短時間にその充電容量の100％まで充電することになる
ことが分かる。これは、ベント（vent）型鉛電池の場合
特にあてはまり、その電池には電池のセルに入れて電極
を覆うだけの実質的な容量の自由電解液がある。

本発明は、充電サイクルの終わり付近の時点で、充電
中の蓄電池またはセルに送られる所定の最終電流値を備
えている。その時点は、充電電流が所定の最終充電の値
に到達する瞬時として判定される。次いで、所定の最終
充電電流値での定電流充電の次の充電期間が開始され
る。最終充電如何の最終点を判定するために様々な方法
が熟考されている。

こうした方法の１つは、充電サイクルの始めから測定
された所定の期間が終了したことを判定するか、または
充電中の蓄電池またはセルの検出された抵抗自由電圧が
所定の量分、独立基準電圧値以上に増加したときを判定
することによるものである。図17を参照してこれを説明
する。

図17の主要部分は図11の複製であり、同じ指示と参照
番号がふられている。しかし、同じ時間目盛りにおける
端末電圧および抵抗自由電圧の相互関係もあることに注
意すべきである。曲線280は、時点t₃まで端末自由電圧
は上昇する。その時点t₃から、282に示すように端末自
由電圧はほぼ一定である。セルの端末電圧284は時点t₃
まで抵抗自由電圧と共に上昇し、セルの電流は200にお
けるように一定であるために286で示すようにそうした
電圧間の差は時間t₃まで一定であることに注意すべきで
ある。次に、曲線202で示してあるように、電流は減少
し、そのためにセルの端末電圧は288におけるように減
少する。電流202は290で示される最終充電値に減少しそ
の値と交差するので、最終充電電流値での新しい定電流
充電が開始される。抵抗自由電圧は、充電中の電池また
はセルに依存しているが充電サイクルの終端付近にある
時間間隔が経過するまでずっと一定であり、抵抗自由電
圧と端末電圧は292と294で示すように再び上昇し始める
ことに注意すべきである。再び、こうした電圧の差は一
定であるが絶対値では小さくなっているが、それは最終
充電電流が初期最高充電電流より低いからである。抵抗
自由電圧が296で示す値分上昇すると、最終充電電流が
端末される。そうでない場合、298で示す別の所定の時
間間隔t_OFFに到達するまで抵抗自由電圧が曲線292に従
わない場合には最終充電電流が継続する。

図17のV_RF曲線には、（最初の上昇280の後の）292で
の代表的な第２上昇が示され、その後の電圧プラトー29
7aまたは電圧ピーク295aが続く。292での電圧曲線の上
昇は、屈折点292aにより特徴付けられる。その屈折点か
ら、電圧上昇率は減少し始める。言い換えれば、屈折点
292aでは、時間に関するV_RFの導関数が最高値となる。
同様に、電圧プラトー297aと電圧ピーク295aが配置され
ている。こうした動作を実行するため、請求された装置
は、時点ｔでのV_RFの値などデータをコンパイルする手
段および屈折点、電圧ピークまたは電圧プラトーを突き
止めるようデータを処理する手段を含む。好ましい実施
例は、データをコンパイルし処理し、誘導関数曲線を計
算し上記の最高値を突き止めることで特徴的な変化をみ
つけるマイクロプロセッサを備えることになる。次い
で、電池充電器は、特徴点の少なくとも１つが突き止め
られたときに最終充電を終了させる。

代わりに、検出された抵抗自由電圧に関する２つの他
の事前条件は、最終充電電流を終了させる基準としても
判定される。こうした事前条件とは、図17の295で示す
ような方式または検出された抵抗自由電圧がもはや増加
を続けることはなく297で示すように一定である場合、
抵抗自由電圧の減少が始まる判定である。こうした他の
例の一方ならびに抵抗自由電圧が所定量分増加するとき
の上記の条件において、最終充電電流が終了し、それに
より充電中の蓄電池またはセルの明確な過充電状態を回
避できる。

他の実施例では、状態器はアンペア時（Ah）カウンタ
を装備している。カウンタは、選択された期間中に電池
またはセルに送られた総充電を記録することになる。カ
ウンタはマイクロプロセッサを介して調整されて、設定
時間中に送られた事前選択総電流値に到達するとき最終
充電を終了させる。

たとえば、電池製造者は、飽和または最終充電の総Ah
充電を指示している。次いで、マイクロプロセッサは、
図11に示してあるように、t_ONまたはt₄から測定されたA
h値で設定される。マイクロプロセッサは信号を送っ
て、最終充電を終了する。

さらに、Ahカウンタはマイクロプロセッサと整合さ
れ、上記の電圧ピークまたはプラトー点から送られた総
充電を測定する。この方法は、排気型鉛電池の充電に使
用するときに特に有益である。

本発明のさらに他の実施例は、時点t₄−t₃およびt_OFF
−t₄間の関係に基づいている。図11を参照すると、T3の
減少電流充電の期間、すなわち、t₄−t₃は、電池の構成
と条件、基準電圧の事前選択値および電池温度に依存し
ていることが分かる。さらに、T3曲線区分のさらに険し
い傾斜、すなわちより短いT3時間区分を備えた電池には
比較的短い最終充電が必要であることが分かっている。
傾斜の小さい曲線を備えた電池では、比較的長い最終充
電が必要である。特定の例では、充電器が初期の高率充
電電流の約20％に等しい最終電流で設定された場合、最
終時間t_OFF−t₄が広範なセル容量にわたってt₄−t₃にほ
ぼ等しく設定されて時に良好な結果が獲得されることが
判明している。通常は、２つの時間区分の異なる比率
は、初期および最終電流の異なる比率および電池のこと
なるクラスなど異なる条件で使用される。したがって、
マイクロプロセッサは、時間t₄−t₃を記録するタイミン
グ手段と共に利用され、終了時間をその関数として設定
する。

明らかに、図17に示すような最終充電電流の方法と導
入は、300で示すような充電電流が増加傾向を示す場合
でも課される。

電流中断中の抵抗自由電圧を測定する改良型方法を含
む実施例をこれから説明する。欧州特許出願番号311460
号に記載の充電方法は、基準電圧V_REFの所定の定数値を
使用してさほど大きな過充電を引き起こすことなくでき
るだけ最高率に近い充電を可能にする。多くの場合、所
与の電池に相応しい値を選択し、温度補償を利用して、
周囲とは異なる温度での適切な値の使用を保証する。た
とえば、バッテリーパックは必要は情報を含み、それぞ
れセルの数が異なっているパックに正確にV_REFを設定す
る。

しかし、同じサイズのセルでも様々な製造者により作
られているので、小さな相異がある。その結果、V_REFに
関して要求がやや異なることになる。このことは密封Ni
Cdセルで特に重要である。密封NiCdセルは負の電極の設
計でやや異なっているので酸素でカドニウムに再結合す
る能力が異なっている。酸素の再結合により正の電極が
減極されるので、充電回路が開いた後でセル電圧が減少
することになる。図18Aと19Aは、２つの異なる製造者に
より製造されＸおよびＹと指定される市販のAA NiCdセ
ルを通過する5A（8C）充電電流の500ミリ秒中断中に（1
0秒毎に取られるが２分毎に描かれる）電圧減衰曲線の
集合を示す。過充電反応が発生する前に描かれた初期の
減衰曲線を観察すると、どちらのセルにも、電圧のIR部
分および極めて短い時定数による電気減衰減少に対応す
る初期の急激な下降があることが分かる。各500ミリ秒
の減衰曲線の残りの部分はかなり平坦で、活動領内の充
電平衡のような、かなり長い時定数による処理に対応す
るものである。

最初の４分後に描かれた減衰曲線を考えてみると、こ
の曲線は充電反応に平行して発生する過充電反応の増大
レベルを反映するもので、中間の長さの時定数による第
３率処理が現われており、電圧減衰期間の前半中に曲が
り大半が発生している。これは、過充電反応による酸素
生産の増加により引き起こされており、カレント−オン
期間中に電位がかなり増加する。カレント−オフ期間中
には、酸素が消費（再結合）され、電位は、再結合反応
と同じくらい迅速に低下する。酸素消費／再結合率は、
電極のニッケルまたは他の触媒により飛躍的に変えられ
るので、セル設計に基づいてセル毎に異なる。

図18AのセルＸは、酸素消費の比較的貧弱な触媒作用
を示しており、したがって、図19Aの一層強い触媒作用
を受けたセルＹと比較すると、減衰曲線の初期の部分で
のかなりの電位の増加を示すことになる。その結果、セ
ルＸは、やや高いV_REFが充電され、セルＹと同じくらい
小さな過充電（たとえば、総電流の３％）しか発生しな
い。逆に、同じV_REFがどちらのセルでも使用されるの
で、セルＸは最適率より低い率で充電されるかまたはセ
ルＹは極めて迅速に充電され、かなりの過充電が発生す
る。

以前に、短いカレント−オフ期間が使用され、抵抗自
由電圧が電流の遮断後数ミリ秒で標本化された。セル設
計の差の問題はカレント−オフ期間を延長することでか
なり抑えられるので、抵抗自由電圧は、初期酸素減衰が
完了した後で、すなわち、各電流遮断の後の100ないし5
00ミリ秒で標本化できる。これは図18Bと19Bを比較する
ことで明確に現われ、電流遮断後の長短期間で標本化さ
れた抵抗自由電圧が表されている。15ミリ秒間隔で描か
れた対応する曲線間には大きな差があるが、495ミリ秒
間隔で描かれた対応する曲線間の差はそれほどでもな
い。

したがって、従来の充電システムの性能は、50ないし
1000ミリ秒および好ましくは100ないし500ミリ秒で標本
化された抵抗自由電圧を用いるとかなり改良され、セル
の設計が充電器の性能に及ぼす影響はかなり抑えられ
る。

好ましい実施例では、上記のことは、本出願に記載さ
れた充電器のいくつかの実施例の１つのある要素として
組み込まれている。

明らかなことだが、本発明の方法および回路は、適切
なソリッドステート装置の使用を採用することで実施で
きる。たとえば、プログラム式論理アレイ、マイクロコ
ントローラ、単一チップマイクロコンピュータまたはア
プリケーション特定統合回路は回路の動作を制御して、
代わりの制御と可変基準電圧制御を可能にする。ただ
し、可変基準電圧の値は、充電中の蓄電池またはセルの
内部温度または内部圧力などの特性の関数である。すな
わち、上記の図９ないし図17に特に説明してあるよう
に、様々な充電特性は、すぐ前に記したようなソリッド
ステート装置を採用することにより実施できる。

蓄電池およびセルの高速充電動作を実行する代表的な
回路や様々な代替実施例を記載してきた。多くの異なる
が関連した方法はすべて本発明の回路の動作の方式に関
わっており、こうした方法も記載されてきた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ソルティス，ジョセフ ブイ. カナダ国オンタリオ州、オウクビル、サ ード、ライン、246 (72)発明者 エテル，ビクター アレクサンダー カナダ国オンタリオ州、ミシソーガ、ワ ッディング、クレッセント、2356 (56)参考文献 特開 平１−194828（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−135336（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/36

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）電流源から蓄電池またはセルが接続
   される出力端に充電電流を供給する手段と、 （ｂ）充電電流の前記出力端への流れを定期的に遮断
   し、前記充電電流の流れが遮断されたときに充電中の蓄
   電池またはセルの抵抗自由端末電圧を判定し、検出され
   た抵抗自由電圧と充電中の蓄電池またはセルから独立し
   た基準電圧と比較する手段と、 （ｃ）第１の所定の固定期間では、所定の最高電流値ま
   たは内部温度の実質的な上昇なしに前記蓄電池またはセ
   ルが受け入れる電流のどちらか小さいほうの値で、前記
   充電電流が前記出力端に供給され、 前記第１の固定期間の後で、充電中の蓄電池またはセル
   の前記検出された抵抗自由電圧が前記独立基準電圧未満
   である限り存在している第２の可変期間の前記最高値で
   前記充電電流が前記出力端に継続的に供給され、前記検
   出された抵抗自由電圧が前記独立基準電圧と同じ値に到
   達する第１の時点で前記第２の可変期間が終了し、前記
   検出された抵抗自由電圧が前記独立基準電圧を越えない
   ように前記充電電流が減少するようになり、 （ｄ）（１）前記充電サイクルの始めからの第３の所定
   期間の後で、前記充電電流は、充電電流が前記最高値に
   ある場合にゼロから所定の低充電電流までの所定の値に
   減少し、（２）充電電流が減少し始める時点の後の第４
   の所定の期間の終わりに、ゼロから前記所定の最高電流
   値未満の所定の低い充電電流までの最終充電電流の所定
   値に、前記充電電流が強制的に変えられるように充電サ
   イクルの始めから動作するタイミング手段と、 （ｅ）前記最終充電を終了させる手段と、を備え、 前記工程（ｅ）の手段はタイミング手段を含んでおり、
   前記最終充電は、第４の期間の始めから測定された第５
   の所定の期間の終わりで終了し、前記第５の期間は前記
   第２の期間の終わりと前記第４の期間の始めの間の差の
   関数であることを特徴とする蓄電池およびセルを充電す
   る充電器。
2. 【請求項２】工程（ｅ）の手段は、工程（ｄ）（１）で
   時間に関して抵抗自由電圧の変化を検出する手段を含
   み、前記検出する手段が過充電の始まりに特徴的な抵抗
   自由電圧の変化を検出するときに前記最終充電が終了す
   る請求項１記載の充電器。