JP3471014B2 - 電池の充電方法とその装置 - Google Patents

電池の充電方法とその装置

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JP3471014B2 JP50578994A JP50578994A JP3471014B2 JP 3471014 B2 JP3471014 B2 JP 3471014B2 JP 50578994 A JP50578994 A JP 50578994A JP 50578994 A JP50578994 A JP 50578994A JP 3471014 B2 JP3471014 B2 JP 3471014B2
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Description

【発明の詳細な説明】 例えばNiCd電池のような再充電可能な電池を充電する
場合は、電池の端子電圧より高い電圧が電池の端子に印
加されその結果その電池に電流が流れる。この電流によ
って化学プロセスが始まり、そのプロセスによってエネ
ルギーが電池内に蓄積される。
電池が完全充電状態に到達すると、化学プロセスが停
止し、加えられるエネルギーは代わりに熱に変換され
る。電池は密閉容器として製作されているので電池内の
圧力が高まり、そのため化学的破壊が起こる。このこと
は電池の容量が減少することを意味し、そしてその容量
はこのような充電を何回も行うと容量が最終的に著しく
低下してしまう。それ故、最高に適切な方式で電池を利
用するには、電池が完全に充電されるだけでなく、熱の
発生が大きくなりすぎる前に充電が中断されることを保
証することが大切である。したがって、ほぼ最適の充電
を達成しおよび／または適正な時点で充電を中止するよ
うに充電プロセスを制御することが望ましい。充電プロ
セスのこのように正確な制御は、電池をできるだけ速や
かに充電したいときに特に重要である。
一般的な充電プロセスでは、電池の両端子間の電圧
は、電池が充電されるにつれて均一に上昇する。電池が
完全充電状態に近づくと、電圧は一層急激に上昇して完
全充電状態を示すピークに達する。次いで電池の電圧は
温度の上昇のため再び降下する。というのは電圧の温度
係数は負の値だからである。したがって充電電流は一般
に完全充電時に最小に低下し次いで上昇する。
本発明は、一対の端子を有する再充電可能な電池を充
電する方法であって；電池の端子を電源に接続し、充電
プロセスの少なくとも一つの特性パラメータの値および
／またはコースを、電池に充電するプロセスの少なくと
も一部分において調査し、前記の少なくとも一つの充電
パラメータの値および／またはコースを、各種のタイプ
の電池および／または異なる電池の条件に対する理想的
なまたは望ましい充電プロセスを示す記憶された参照パ
ラメータの対応する値および／またはコースと比較し、
前記の比較に基づいて参照パラメータの前記の記憶され
たパラメータの一つを選択し、次いで選択されたセット
の参照パラメータの一つ以上に基づいて電池を充電する
プロセスの少なくとも一部分を制御することからなる充
電方法を提供するものである。
本発明の第一態様によれば、第一の特性パラメータ
は、充電のプロセスの少なくとも一部分において、前記
の特性パラメータの第二のパラメータの予め決められた
望ましいコースが得られるように制御され、そして前記
第一パラメータは充電電流であり第二パラメータは充電
電圧である。
電池が初めて充電されるとき、または電池が長期間に
わたって充電されることなく貯蔵されていた場合、かよ
うな電池（以後“バージン電池”と呼ぶ）は直ちに通常
の完全充電電流を受け入れることができない。それ故
に、このようなバージン電池を充電するプロセスは、同
じタイプで同じ充電状態であるがバージン電池ではない
他の電池と同じ方式で制御することはできない。したが
って、電池がバージン電池であるか否かを知るために、
充電すべき電池を実際に充電する前に試験することが有
利であるが、この試験は、例えば比較的短いかもしくは
比較的長い期間、比較的低い充電電流を用いる個々の
“保護”プログラム（“nursing"programme）が必要で
ある。またバージンでない電池はある種の異常を示す。
それ故、他の態様によって本発明は、一対の端子を有
する再充電可能な電池を充電する方法であって；電子の
端子を電源に接続し、電池の端子に第一試験充電流を、
短い第一期間送ることによって、最初に電池の試験充電
を行い、該試験充電プロセスの少なくとも一部分におい
てまたはそのプロセスが終ったときに少なくとも一つの
試験パラメータの調査または測定を行い、続いて短い第
二期間、電池の試験放電を行い、該試験放電プロセスの
少なくとも一部分においてまたはそのプロセスが終った
ときに少なくとも一つの試験放電パラメータの調査また
は測定を行い、試験充電プロセスおよび／または試験放
電プロセスの前記調査または測定に基づいて少なくとも
一つの充電パラメータのコースまたは値を選択または決
定し、次いで前記の少なくとも一つの充電パラメータに
ついて選択したコースまたは値に実質的にしたがって、
電池を少なくとも部分的に充電することからなる方法を
提供するものである。
電池の試験充電は適切ないずれの方法でも行うことが
できる。例えば予め固定された試験充電電圧を、予め決
められた期間、電池の端子に印加してもよい。あるい
は、試験充電電圧は、予め決められた方式で徐々にまた
は段階的に上昇させてもよい。両方の場合、充電電流、
電池の温度および／または電池の内圧が、続けてまたは
電池および／または放電のプロセスの一つ以上の選択さ
れた時点で調査または測定される。
別の可能な方法は、充電電流を予め決められたレベル
に維持するように、または試験充電電流を予め決められ
た方式で徐々にもしくは段階的に上昇させるように試験
充電電圧を制御する方法である。後者の場合、充電電
圧、電池の温度および／または電池の内圧が調査もしく
は測定される。
試験充電および試験放電のプロセスを一回以上繰り返
すことが有利である。このようにプロセスを繰り返す
と、制御された試験パラメータ（充電電圧もしくは充電
電流）のコースを次の試験充電プロセスのために異なる
方法で選択することができる。
電池の温度および／または内圧が電池に対して有害な
作用をする値にならないように、比較的低い試験充電電
流を、例えば約0.2C/h（CmA×ｈは電池の容量である）
で電池に送ることが好ましい。
各試験充電期間は、次の実際の充電を行う期間に比べ
短いことが好ましい。例えば各試験充電は数秒間例えば
１秒もしくは２秒行う。
上記の試験に基づいて選択される保護プログラムに
は、電池の全充電プロセスとこれに続く放電プロセスお
よび新しい充電プロセスが含まれている。選択された保
護プログラムが、電池が完全に充電される前に中止され
る場合には電池はさらに充電されるが、そのさらに行わ
れる充電方法は、電池を充電するプロセスの少なくとも
一部分において充電プロセスの少なくとも一つの特性パ
ラメータの値および／またはコースを調査し、前記の少
なくとも一つの充電パラメータの値および／またはコー
スを、各種のタイプの電池および／または各種の電池の
条件に対する理想的なもしくは望ましい充電プロセスを
示す記憶された参照パラメータの対応する値および／ま
たはコースと比較し、前記比較に基づいて参照パラメー
タの前記の記憶されたセットの一つを選択し、次いで上
記の選択されたセットの一つ以上の参照パラメータに基
づいて電池の充電プロセスの少なくとも一部分を制御す
ることからなる方法である。
少数もしくは多数の経験的に決定されたパラメータ
（例えば参照パラメータの値が充電プロセスの開始以来
の経過期間に対してプロットされているドラフト）は、
例えばメモリのような電子記憶手段によって記憶するこ
とができる。再充電可能な電池を、実質的に劣化される
ことなしに迅速に充電したい場合は、理想的なもしくは
望ましい充電プロセスは主として、充電プロセスを開始
する前の電池の充電の状態によってきまる。それ故に、
記憶された参照パラメータのコースは、充電の開始状態
が異なる電池に対する理想的なまたは望ましい充電プロ
セスを示す。再充電すべき電池の充電状態が分かってい
るかまたは測定できる場合は、再充電すべき電池の実際
の充電状態に基も近い出発充電状態を有する参照コース
が選択され、その電池を充電するプロセスは、前記の少
なくとも一つのパラメータのコースを選択された参照コ
ースに近づけるよう制御することができ、その結果、電
池はいずれの時点でも過度に高い電圧もしくは充電電流
にまたは過度の加熱にさらされないよう保証することが
できる。
原則として、再充電すべき電池の充電状態は特定の測
定ステップで決定され、次いで同じかもしくは類似の充
電の出発状態に適用される対応する参照パラメータのコ
ースは、例えば適切なキーによって電子制御器に関連情
報を与えることによって選択することができる。しか
し、好ましい実施態様では、関連参照コースは電子制御
回路によって自動的に選択される。
充電パラメータとしては、例えば電池端子間の電位
差、電池に供給される充電電流、電池槽の温度、このよ
うなパラメータの変化率、ならびにかようなパラメータ
および／または変化率の組合わせがある。
充電プロセスは、充電パラメータのコースを選択され
た参照パラメータコースに近づけることができる適切な
方式で制御できると解すべきである。しかし、好ましい
実施態様では、充電のプロセスは電池の端子間に加えら
れる電圧を制御することによって制御される。そしてそ
の電圧は、電池に送られる充電電流が充電プロセスの開
始時には比較的低いが好ましくはその充電電流が充電プ
ロセスを加速するため充電プロセスの次の大きな部分で
実質的に同じ最大値で維持されるように、制御されるこ
とが好ましい。
先に述べたように、参照パラメータの選択は電池の充
電状態によって決まる。このような充電状態は、一つ以
上の充電パラメータを測定するため、充電プロセスを開
始する前に電池に対し電圧を短時間加えることによって
求めることができる。電池が完全に充電されている場合
は充電プロセスは開始されない。電池が部分的に充電さ
れている場合は、かような情報は充電プロセスに対して
適切な参照パラメータを選択するのに使用することがで
きる。
充電プロセスの制御は、少なくとも一つ特性パラメー
タの値が単一もしくは複数の特定の予め決められた条件
を満たしたときに、残りの充電期間を決定することから
なり、次いでかような残りの期間が経過したとき充電プ
ロセスは中止される。本発明の方法の実施態様では、残
りの充電期間は、特性パラメータ例えば充電電圧、充電
電流、電池の温度または電池の内圧が予め決められた値
になったときに決定される。
充電プロセスが終りに近づくと電池槽の内部抵抗が上
昇し、その結果充電電流を予め決められた比較的高い値
に維持しなければならないときには充電電圧が上昇する
傾向がある。電圧が高すぎると電池槽内に有害な温度上
昇をもたらす。それ故に電池の端子間に加える電圧は予
め決められた最大値までに制限することが好ましく、充
電プロセスは、電圧が前記最大値に到達したときに始ま
って予め決められた残りの時間を経過したときに中止さ
れる。このことは、充電電圧は前記の予め決められた残
りの期間中はその最大値に保持することが好ましいこと
を意味し、そして電池槽の内部抵抗が上昇するにつれ
て、充電電流は通常この期間中徐々に低下し、この期間
は、その期間が経過したとき電池が実質的に完全に充電
されているよう選択することが好ましい。この予め決め
られた残りの期間は、好ましくは選択された参照コース
に関連しており、このことは、各参照パラメータのコー
スが、電池に印加すべき最大充電電圧に関する情報のみ
ならず充電期間の最後までかような最大電圧を維持しな
ければならない期間についての情報を有していることを
意味している。
上記のように、実際のパラメータのコースと比較され
る参照パラメータのコースは曲線もしくはグラフであ
り、そしてその比較プロセスは、設計認識回路（design
recognition circuitry）による設計認識法で実施する
ことができる。しかし本発明の好ましい実施態様では、
充電パラメータは充電中に、短い時間間隔で続けて測定
され、測定されたパラメータ値は参照パラメータのコー
スの対応する参照値と比較され、次いで関連する参照パ
ラメータのコースが上記の測定値と参照値の比較に基づ
いて選択される。この比較プロセスは充電プロセス中続
けて行われ、連続して行われる比較プロセスが、最初に
選択された参照パラメータのコースが実際の充電プロセ
スに最も近いコースでないことを示したときに、制御回
路もしくは制御装置が一つの参照パラメータのコースか
ら他の参照パラメータのコースにシフトする。
充電パラメータ値を参照値と比較する場合、充電経過
時間の関数としてのパラメータ値の変化率を、類似の参
照値と比較することが有利である。例えば充電経過時間
の関数としての充電電圧の変化率は、対応する参照値と
比較することができる。電池の内部抵抗または電位差を
検出可能にするため、電池の端子間の電位差を各々測定
する直前に短時間、充電電流を切断することができる。
パラメータ値が測定され、次いでパラメータ値の変化
率は均一な最初の時間間隔で求められ、変化率の各測定
は、第二の時間間隔で測定されたパラメータ値に基づい
て行われ、その第二の時間間隔は第一の時間間隔の何倍
かの時間である。パラメータ値はかなり頻繁に測定さ
れ、このことは、前記の第一の時間間隔が比較的短く、
例えば約10秒間であることを意味する。しかし変化率
は、数倍大きい時間間隔例えば90秒間での測定に基づい
ている方が好ましい。
変化率の測定は充電プロセスの開始時に開始すること
ができる。しかし変化率の測定は、特性パラメータの測
定値が予め決められた値を超えた後に最高に識別可能な
変化率が見られることが明らかな場合は、特性パラメー
タの測定値がその予め決められた値を超えるまで延期す
ることが有利である。
特別な実施態様には、参照値の数は限られており、そ
して充電プロセスの新しい停止時点は、単一もしくは複
数の関連するパラメータアが一つの参照値を想定すると
きにのみ決定される。その結果、最適の停止時点をやは
り正常にしかも充分正確に決定することができるより簡
単な方法が得られる。
上記のように、測定されるパラメータが電池の接続端
子間の電圧である場合、電圧を測定する前に、電池に対
する充電電流を短時間切断したとき一層正確な測定値が
得られる。その理由は、電池が直列の内部抵抗を有し、
そして充電電流は、電圧測定値には含めるべきではない
上記抵抗による電圧降下をもたらすからである。
特に、高充電電流を用いて高速充電法を行う場合は、
停止時点が近づくにつれて、充電電流を徐々に低下させ
ることが有利である。というのは最適停止時点を見つけ
ることが一層容易だからである。したがって充電は、例
えば、測定されるパラメータの一つが決定されたレベル
に到達するまで一定の高い充電電流（例えば電池の容量
がＣミリアンペア×時間の場合、約4Cミリアンペア）で
実施され、その後充電電流は徐々に低下させることがで
きる。
所望の充電電流を得るのに適切な方法は、パルス幅で
変調されて、所望の充電電流を与える一定電圧の電圧源
を用いる方法である。
充電プロセスに対して可能な中止時点を決定する処置
は、充電プロセスがその中止に近づくまで開始しない方
が有利である。したがって一層正確な処置をいつ開始す
べきであるかを決定するために、例えば電流もしくは電
圧を簡単に測定するような一層簡単な方法を用いること
ができる。
特定の実施態様では、上記の各時点に対する特性パラ
メータの各測定値が複数の中間測定値の平均値であるこ
とで測定値の精度が改善されている。したがってこれら
の測定値は例えば過度現象に対して敏感ではない。勿
論、同じ効果を、最後の測定以来経過した期間にわたっ
て当該パラメータを積分することによって得ることがで
きる。
追加の保護手段として、従来の技術に用いられている
いくつかの停止基準を採用することができる。例えば最
大充電期間は固定することができる。その場合、他の停
止規準にまだなっていない場合でも、どんなに遅くとも
この時点で充電は停止される。また、一つ以上の測定パ
ラメータに対して限界を設けて、これらのパラメータの
一つが特定の値を超えるかまたはその値より低下した場
合に充電を中止することも可能である。さらに、調査さ
れた前記の少なくとも一つの値またはコースが、記憶さ
れた参照パラメータの対応するコースもしくは値のいず
れかから大きく逸脱した場合に充電プロセスは中止され
る。
充電を中止した後、電池の充電状態を脈動電流によっ
て維持することが適切である。こうすることによって、
電池は、充電を中止してから長期にわたって充電器から
取り外さなくても常に完全に充電されているよう保証さ
れる。
記憶されている参照パラメータのコースは、１種の同
じタイプの電池に対して理想的なもしくは望ましい充電
プロセスを示すコースだけでなく、２種以上の異なるタ
イプの電池に対する複数の参照パラメータのコースも含
んでいる。このような場合、プロセスの最初のステップ
は、充電すべき電池のタイプを決定しそのタイプの電池
に関連する参照パラメータのコースを選択することであ
る。その後、そのプロセスは上記のように進行させるこ
とができる。
また本発明は、電池を電源に接続する接続手段；電池
を充電するプロセスの少なくとも一部分において充電プ
ロセスの少なくとも一つの特性パラメータの値および／
またはコースを調査する手段；異なるタイプの電池およ
び／または異なる電池条件に対する理想的なまたは望ま
しい充電プロセスを示す参照パラメータの複数の値およ
び／またはコースを記憶する記憶手段；前記の少なくと
も一つの充電パラメータの値および／またはコースを、
記憶された参照パラメータの値および／またはコースと
比較して、前記比較に基づいて、参照パラメータの前記
記憶されたセットの一つを選択する手段；および上記選
択されたセットの一つ以上の参照パラメータに基づい
て、電池を充電するプロセスの少なくとも一部分を制御
する手段；からなる装置を提供するものである。
このような装置の作動は、例えばマイクロプロセッサ
または他の電子制御装置によって制御することができ、
またこれらの装置は、参照パラメータのコースもしくは
値を記憶するメモリを備えている。
さらに別の態様によって、本発明は、一対の電池端子
および電池についての情報が入っている情報手段を有す
る再充電可能な電池；ならびに一対の充電器端子、電池
の端子と充電器の端子とが電気伝導的に接触するように
電池と充電装置とを取り外し可能に相互接続する手段、
および電池の情報手段から情報を受け入れる情報受け入
れ手段を有する充電装置からなり；その結果、電池の充
電を前記情報に基づいて制御することができる電池シス
テムを提供するものである。この電子システムは、情報
受け入れ手段によって受け入れられた情報に基づいて充
電プロセスを制御する制御手段を備えていてもよい。
電池の情報手段は多少精巧なものである。最も簡単な
形態の情報手段は例えば電池が初めて充電されるときに
取り外され、不活性化されおよび／または破壊される指
示器を備えている。このような指示器が存在しているの
で、当該電池のタイプのバージン電池に対して適切な
“保護プログラム”にしたがって、電池を充電すべきで
あるということが制御手段に通報される。あるいはまた
はさらに、情報手段は、充電器の情報受け入れ手段が読
み取るかまたは検出できる情報コードをもっていてもよ
い。このような情報コードは、機械的、光学的、電磁的
および／または電子的な読み取り手段もしくは検出手段
によって読み取るかまたは検出することができ、そして
そのコードには、例えば電池のタイプ、容量、最大充電
電圧、最大充電電流、最高温度、最大内圧および／また
は他の特性についての情報が入っている。さらにその情
報手段は、あるいはまたは追加して電池の温度を検出す
る温度センサを備えていてもよい。
本発明の電池システムの好ましい実施態様では、温度
センサが検出する温度が低い場合、充電電流および／ま
たは充電電圧は最初上昇する。
また本発明は上記電池システムに用いる再充電可能な
電池に関し、前記電池は、一対の電池端子および対応す
る電池充電装置の適切な情報受け入れ手段で検出もしく
は読み取り可能な形態で電池情報が入っている情報手段
をもっている。
上記のように、情報手段はかなり簡単である。あるい
は情報手段は、電池の情報を記憶する電子メモリを備え
ていてもよい。この電池情報には、一つ以上の以前の充
電および放電のプロセスの情報および／または電池とそ
の個々の電池槽の現在の状態と条件についての情報が入
っている。したがって上記電池の情報手段は、電池の条
件について詳細に制御手段に通報し、次いでその制御手
段はこのような情報に基づいて充電プロセスを制御でき
る。このような充電は、上記の方法のいずれかによっ
て、または通常の充電方法によって制御することができ
る。その電池の情報には、例えば電池のタイプ、電池の
容量、電池のその外の仕様、電池の充電状態、各種電池
槽の条件、最後の充電プロセス、最後の放電プロセス、
最後の充電プロセスおよび／または放電プロセス以後に
経過した期間、充電パラメータのアルゴリズムおよび／
または電池の内圧についての情報が入っている。
電池の内圧および／または温度を調べるために、情報
手段は電池内に設けられた圧力および／または温度のセ
ンサを備えていてもよい。これらのセンサは、圧力およ
び／または温度についての情報が制御手段に伝達される
ように制御手段に連結されているかまたは連結すること
ができる。
制御手段は、好ましくは情報手段から受け入れる情報
に応答して、電池の個々の槽の充電を制御するよう構成
され、その結果、電池の槽は実質的に均一に充電される
よう保証される。
また本発明の電池は、直接読む取ることができる形態
でメモリからの情報を表示する電子表示器を備えている
と解すべきである。また本発明の電池は制御手段を備え
ているとみなされる。このことは充電装置が電池装置中
に含まれていないかまたは含まれていることを意味す
る。このような場合、電池は適切な電源に直接接続しな
ければならない。
通常、電池はいくつもの電池槽で構成され、情報手段
が、個々の電池槽についての情報例えば各電池槽の電圧
および／または温度の情報を得るために、電池はさらに
各電池槽の電圧を測定する手段および測定された電池槽
の値を情報手段に記憶させる手段をもっていてもよい。
上記の充電方法に関連して、当該電池のタイプについ
て参照パラメータのコースまたはセットが知られていて
かつ利用できることが前提条件である。本発明は参照パ
ラメータのこのようなコースまたはセットを提供する方
法を提供するものである。したがって本発明は、容量Ｃ
を有する再充電可能な電池を充電するプロセスを決定す
る方法であって；少なくとも一つの充電パラメータにつ
いて最大値を決定し、次いでその充電プロセスを、決定
された単一もしくは複数の最大値を超えないように制御
することからなる方法を提供するものである。
可能な最も短い充電期間内で電池を完全に充電するこ
とが通常望ましい。しかし電池槽内で起こる化学反応に
よって充電率は制限される。充電電流は、比較的低い場
合、充電電圧が上昇することによって電池の温度が上昇
することなく上昇し、そして電池の温度は、充電電流が
増大するときわずかであるが降下しさえする。しかし充
電電流が化学反応によって決まるその最大値に達した場
合、充電電圧がさらに高くなると、電池にとって有害な
電池温度および内圧の激しい上昇が起こる。本発明によ
れば、電池および／またはその槽について、温度、温度
差、内圧、充電電圧および／または端子電圧の最大値が
決定される。そして充電プロセスは、充電プロセス中に
単一もしくは複数の最大値を超えることがないように制
御しなければならない。
例えば、電池／電池槽の温度の最大値および／または
差、および／または電池／電池槽の内圧は、比較的低い
充電電流が特定の期間例えば約１時間または10時間もし
くは15時間まで電池に送られたときに得られる温度およ
び／または温度差および／または圧力として決定され
る。また充電電圧は、充電電流が、少なくとも充電プロ
セスの後の部分において実質的に一定に維持されるよう
に制御される。電池に送られる充電電流は、例えば0.05
〜0.3C/h、0.1〜0.3C/h好ましくは0.2〜0.25C/hである
〔C/hはいわゆるＣレート（Ｃ−rate）である〕。この
ことは、充電される電池の容量が例えばCmA・ｈである
場合、充電電流は0.05〜0.3CmA、0.1CmAおよび好ましく
は0.2〜0.25CmAであることを意味する。このような充電
電流は比較的低いので、電池を完全に充電するには3.3
〜10時間の充電時間を要する。
充電時間を一層短くするためには、充電期間の大きな
部分でより高い充電電流を使用する必要がある。充電電
圧および／または端子電圧の最大値は、比較的高い充電
電流が特定の期間電池に送られたときに得られる最大値
として決定される。このような比較的高い充電電流は例
えば0.75〜1.5C/hであり、好ましくは約1C/hである。こ
のような充電電流を用いる場合、電池を完全に充電する
のに必要な充電時間は0.67〜1.34時間である。
充電電流は、電池を部分的に充電するのに充分な期間
電池に送ってもよいし、しかし、電池が実質的に完全に
充電されるまで電池に充電電流を送り続けることが好ま
しい。
上記の最大パラメータの一つ以上を決定する場合、電
池は、低速で少なくとも部分的に充電し、次いで、さら
に充電する前に少なくとも一回放電させることが好まし
い。また、その比較的低い充電電流は、電池または電池
槽の温度のような前記の充電パラメータの少なくとも一
つが上昇するような長期間電池に送りそしてその外の必
須のパラメータの変化が全く検出されないことが一層好
ましい。
電池の容量の実際値は、電池メーカーが述べている容
量と異なっていることが多い。したがって本発明の一つ
の目的は、電池の容量の実際値を求める方法を提供する
ことである。この方法は、電池を前記の比較的遅い速度
で充電し、次いで電池が実質的に完全に充電されるまで
充電中に電池に送られた最初の充電電力の合計を計算も
しくは合計することによって、電池の容量を求めること
からなる方法である。電池が実質的に完全に充電される
時点は、パラメータ値のそれ以上の上昇が予め決められ
た期間に検出されなかった時点として決定される。前記
パラメータ値は例えば電池および／またはその槽の温度
および／または端子電圧である。
充電電圧または端子電圧の最大値を決定する場合、電
池の容量の測定された実際値に基づいたＣ−レートに実
質的に等しい充電電流で電池を充電することが好まし
い。さらに、電池もしくは電池槽の温度が前記の比較的
低い充電電流で充電中に測定された前記の最大温度差ま
で上昇した時点で測定された電池もしくは電池槽の端子
間の電圧として、電圧の最大値を決定することが好まし
い。また電池は、充電パラメータを測定するため、充電
プロセスを開始する前に実質的に放電させることが好ま
しい。
電池がバージン電池の場合（このことはその電池が初
めて充電されることまたは最後の充電を行ってからかな
り長期間経過していることを意味する）、電池が確実に
“起動する”（これは電池槽内での化学反応が正常であ
ることを意味する）ことが大切である。このことは先に
説明した保護プログラムで達成できる。このようにし
て、電池はかなりゆっくりと少なくとも部分的に充電さ
れ、次いで前記の少なくとも一つの最大パラメータの最
大値を決定する前に少なくとも一回放電される。
先に述べた方式で得た最大値のセットは、先に述べた
充電方法に用いる参照値である。その外の参照値もしく
はパラメータは、他の充電パラメータを、決定された最
大充電パラメータを超えないように制御することによっ
て得ることができる。
先に述べたようにして得ることができる最大値および
／またはパラメータのセットは、制御された充電方法に
使用することができる。そして電池は、充電プロセスの
一部分において、実質的に一定の充電電流で充電され、
その実質的に一定の充電電流は、決定されたかまたは測
定された容量の値に基づいたＣレートの数倍であること
が好ましい。例えば最大値またはパラメータは電圧であ
ってもよい。その場合、電池または電池槽の端子間の電
圧が調査され、そして電池または電池槽の予め決められ
た最大端子間電圧に、時点Tmaxで到達したとき、その充
電プロセスは、充電プロセスの残りの期間中、電池もし
くは電池槽の電圧を実質的に一定に維持するよう制御さ
れる。電池が少なくとも２個の電池槽をもっている場
合、その電池の各種のパラメータもしくは電圧を調査
し、充電プロセスの残りの期間は、その電圧が最初に最
大電池槽端子間電圧に到達した電池槽の電圧に基づいて
制御される。充電プロセスは、他の充電パラメータ例え
ば電池もしくはその個々の槽の温度に基づいて制御する
ことができると解すべきである。
また、充電プロセスの残りの充電期間の中止時点は、
充電電流を調査することによって決定することが好まし
く、そして予め決められた期間中に、充電電流がそれ以
上低下しないことが検出された時、充電プロセスを中止
する。あるいは充電プロセスはTstopの時点で中止し、
残りの充電期間すなわちTstop−Tmaxは、電池または電
池槽の予め決められた最大電圧に到達したときの時点Tm
axで一般に決定される。残りの充電期間すなわちTstop
−Tmaxは、電池または電池槽の端子間電圧のコースと記
憶された参照電圧のコースとの比較に基づいて決定して
もよく、または残りの充電期間はTmaxの値によって決定
してもよい。
本発明の好ましい実施態様では、中止時点Tstopおよ
び残りの充電期間は、最大電圧に到達した時点Tmaxと、
記憶された時間の参照値および対応する残りの充電期間
との比較に基づいて決定される。
電池が運転に用いられる場合の放電について、本発明
は、少なくとも２個の電池槽を有する再充電可能な電池
の放電プロセスを制御する方法であって；電池の各電池
槽の電圧を調査し、次いで少なくとも一つの電池槽の電
圧が予め決められたしきい電圧まで降下したときに放電
プロセスを中止することからなる方法を提供するもので
ある。
本発明を以下の図面を参照してさらに説明する。
図１は、一定の充電電流で充電されているNiCd電池
の、電圧を時間の関数として示すグラフすなわち曲線で
ある。
図２は、図１の曲線の部分拡大図である。
図３は、NiCd電池を充電する制御されたプロセスの各
種の充電パラメータのコースを示すグラフである。
図４は、充電の６種の異なる開始状態の場合につい
て、充電時間の関数としてNiCd電池の電池電圧を示すグ
ラフである。
図５は、本発明の装置のブロック図である。
図６は、図５に示す装置の実施態様の回路図を示す。
図７は、図３に示したグラフに対応して、ある種の異
常がある電池について示すグラフである。
図８と図９はそれぞれ、バージン電池の充電プロセス
の開始時および完全に充電された電池の充電曲線を示す
線図である。
図10と11はそれぞれ、バージン電池の放電曲線および
完全に充電された電池の放電曲線を示す。
図12、は一定の低い充電電流で充電されている電池の
充電曲線および温度曲線を示す。
図13、14および15はそれぞれ、図12に示したのと同じ
電池を、異なる値の実質的に一定の充電電流で充電した
場合の充電電圧曲線および温度曲線を示す。
図16は、0.1C/hの範囲内の一定の低い充電電流で試験
充電を行った電池の充電電圧曲線と温度曲線を示す。
図17は、1C/hの範囲内の一定の充電電流で試験充電を
行った電池の充電電圧曲線と温度曲線を示す。
図18、19および20は、異なる値の充電電流で充電され
ているNiCd電池の充電電圧曲線、温度曲線および充電電
圧曲線を示す。なおその充電プロセスは、本発明の好ま
しい実施態様によって制御されている。
図21は、最初高い充電電流で充電されたニッケル金属
水素化物電池（Nickel Metal Hydride battery）の充電
電圧曲線、温度曲線および充電曲線を示す。
図22は、本発明の電池のブロック図である。
図23は、６個の電池槽を有し、一定電流で放電されて
いるNiCd電池の各電池槽の放電電圧曲線を示す。
図24は、６個の電池槽を有するNiCd電池に対して行っ
た本発明の制御された放電プロセスを示す。
図25は、６個の電池槽を有し、一定充電電流で充電さ
れたNiCd電池の各電池槽の充電電圧曲線と温度曲線を示
す。
図26、27および28図は、本発明の電池システムの各種
実施態様を示すブロック図である。
図１はNiCd電池の典型的な充電シーケンスを示す。こ
の曲線は、一定の充電電流を用い、時間の関数として電
池電圧を示す。曲線の全般的な形態はすべてのNiCd電池
について同じであるが、特定の電圧と時間の値は例えば
実際の充電電流によっておよび電池毎に変化する。
この曲線は、充電プロセスの各種段階を示す領域に分
割することができる。図１は、それぞれＡ、Ｂ、Ｃおよ
びＤの標識を付けた４領域を示す。
Ａ領域は充電プロセスの開始領域である。充電プロセ
スが開始されると、電圧は、充電を始める前の電池の充
電状態によっていくぶん変化する。したがって、この領
域における電圧はかなり不定であり、それ故、この領域
では適切な測定は通常行わない。
Ｂは実際の充電期間を示し、この期間では充電電流
が、化学的プロセスによって変換されてエネルギーとし
て電池内に蓄積される。この期間では、電池の電圧はご
くゆっくりと上昇する。領域Ｃでは、完全充電状態が近
づきそして電圧が一層急速に上昇し始める。期間Ｃの最
後には、電池の電池槽内に酸素が発生し始め、その結果
電池の圧力と温度が上昇する。このことは、この場合電
圧は温度係数が負数なので一層ゆっくり上昇することを
意味する。電池の電圧は、ＣとＤの領域間の遷移領域で
はそれ以上上昇せずに、その最高値すなわちピーク値に
到達する。
充電プロセスを領域Ｄにおいて続けると、電気とエネ
ルギーは一般に熱に変換されるので電池電圧は降下す
る。温度と圧力が上昇すると電池の破壊をもたらしその
結果電池の容量が低下する。したがって期間Ｄが始まる
時点で充電プロセスを中止することが有利である。
本発明は、電圧曲線が使用される充電電流および当該
電池の“充電履歴”に応答していくぶん変化しても、領
域Ａ、ＢおよびＣ内での各種の充電パラメータ値、例え
ば領域Ｃ内の特定の時点における電圧曲線の勾配および
当該時点から充電プロセスの最適中止時点までの時間差
の間に密接な相関関係があるということが試験によって
見出されたことに基づいている。
上記の相関関係に関する情報が電子回路に記憶されて
いると、所定の時点で電圧曲線の勾配を測定した後、ど
れ位の期間、電池の充電を続けるべきかしたがって充電
プロセスの最適中止時点を計算もしくは決定することは
比較的簡単である。この計算をいくつもの連続した時点
で実施すると、適切な中止時点に対して対応する数の提
案が得られる。図２は３回の測定を行った例を示す。残
りの充電期間ΔT1は時点T1で計算され、残りの充電期間
ΔT2は時点T2で計算され、および残りの充電期間ΔT3は
時点T3で計算される。この図２では三つの計算された中
止時点は正確に同じ時点に生じている。しかし実際に
は、計算された中止時点は、中止時点として得られるい
くつかの提案値にわずかな差が通常みられる。ここで述
べる本発明の実施態様では、計算された中止時点の最初
の一つの時点になったときに充電中止を決断する。マイ
クロプロセッサが下記の装置に組込まれているので、よ
り精巧な中止規準を想定することができる。したがって
例えば最後に計算された中止時点を重視することが可能
である。例えばその後の計算値がすべて特定の値のまわ
りに集まったならば最初に計算されたいくつかの値はす
てることができる。
上記のように、図１と２は、一定の充電電流を使用し
た場合の電池端子間の電圧を時間の関数として示す。一
定の充電電圧を用いて、充電電流を時間の関数としてプ
ロットすると対応する典型的な曲線が得られ、充電プロ
セスにおける上記の段階を示す再現可能な曲線が、充電
電流も充電電圧も一定に維持されなくても得られる。こ
れらの曲線は先に述べたのと類似の方式で使用すること
ができることは分かるであろう。
他の種類の電池には、外観が異なる対応する曲線が得
られる。それら曲線のいくつかには、実際の測定時点と
最適の残りの充電時間との相関関係は、当該時点におけ
る曲線の勾配と必ずしも関連していないが、曲線の他の
パラメータ例えば関連時点における絶対電圧と関連があ
る。
本発明の実施態様では電圧曲線の勾配は続けて例えば
1/10秒毎に測定される。各測定値に対して、残りの充電
期間したがって中止時点に対する新しい提案値が計算さ
れる。そしてプロセッサは、この値を他の値とともに記
憶するか、または充電プロセスをいつ中止すべきかをよ
り精密に計算する場合に組込むことができる。
他の実施態様では、限定した数の、曲線の勾配に対す
る参照値を予め記憶させる。各々測定したときに、曲線
の実際の勾配を参照値と比較し、その勾配が一つの参照
値を超えた時のみプロセッサは新しい中止時点を計算す
る。このようにしてプロセッサの計算時間が節約され、
その結果は多くの場合、充分に満足すべきものである。
上記のように、図１と２の曲線は一定の充電電流を用
いて提供される。しかし、別の可能な方法は、電圧の測
定を行うたび毎に短時間充電電流を中断する方法であ
る。この方法によって全く一致した曲線が得られるが、
その絶対電圧値は，その曲線が、電池の内部抵抗を通過
する充電電流によってもたらされる電圧降下を含まない
ので、わずかに低くなっている。この内部抵抗は一般に
充電シーケンスの最後で増大するので、これの関与なし
の電圧の測定値は電池の状態の一層正確な尺度になる。
先に述べたように、充電電流が全充電操作中、たとえ
ば一定に維持されなくても再現性がある曲線が得られ
る。したがって本発明の原理は、充電が最初に、一定の
高電流で行われ、次いでこの電流を、充電操作が終る時
点に向かって低下させる充電法と充分に組合わせること
ができる。充電プロセスの最後の部分においてより低い
充電電流を用いることによって、全充電時間を顕著に短
くすることなしに、最適の中止時点を一層正確に決定す
ることができる。この方法は、充電プロセスの最初の部
分におけるごく簡単な電圧測定の実施と組合わすことが
できる。電圧が予め決められた値に到達したとき、充電
電流を低下させ、次いで曲線の勾配の測定を先に述べた
のと同様にして開始する。勿論、充電電流を一つの電圧
値で低下させ次いで他の電圧値で曲線の勾配の測定を開
始することもできる。
図３はNiCd電池を充電する場合、本発明の方法の実施
態様にしたがって得られた典型的な充電曲線を示す。こ
の電圧曲線は、最適の充電電流曲線と最適の電池温度曲
線を得るために、電池に印加される電圧が本発明にした
がって制御された場合の電池の電圧を時間の関数として
示す。この電池電圧曲線は、図１に類似した充電プロセ
スの各種の段階を示す領域に分割することができる。図
３はそれぞれＡ、Ｂ、ＣおよびＤの標識を付けた４領域
を示す。
Ａ領域は充電プロセスの開始領域である。この領域で
は、印加される電圧は、電池に送られる充電電流が比較
的低くなるように制御される。
Ｂ領域は、充電電流が電池内で変換されてエネルギー
として蓄積される実際の充電期間を示す。この領域で
は、印加される電圧は、充電電流が実質的に同じ最大値
（関連する電池の種類によって決定される）に維持され
るように制御され、そして電池の端子間の電圧はごくゆ
っくり上昇する。
Ｃ領域では、電池はその完全充電の状態に近づき、そ
して最大充電電流を維持するため電池の端子間の電圧
は、予め決められた最大値Vmaxに到達するまで一層迅速
に上昇し始める。なお最大値Vmaxは、電池の異なるタイ
プによって異なっており、例えば先に述べたようにして
決定することができる。
Ｄ領域では、印加される電圧は、電池端子間の測定電
圧が最大限界値Vmaxに実質的に維持されるように制御さ
れる。ＣとＤの領域では、電池槽の内部抵抗が増大する
ので、Ｄ領域のように電池電圧が一定の場合、得られる
充電電流は低下する。領域Ｄでは電池の電圧が一定値に
維持されるので、発生する温度上昇は比較的低い。した
がって充電電流によって電池槽に対して起こる破壊作用
が最小限にとどめられる。
Vmaxに到達した時、時点Tmaxより前に、残りの充電期
間が決定される。Tmaxの時点で始まるかような残りの充
電期間が経過したときその充電プロセスは中止される。
電池に送られる充電電流は、一定電圧の電圧源を変調す
るパルス幅で制御される。
図３に示す電圧曲線は、ほとんど無負荷のNiCd電池の
充電プロセスを示す。図４は、同じ電池を、異なる出発
充電で充電する異なるコースを示す、六つの類似の電圧
曲線V1〜V6を示す。曲線V1はほぼ完全に充電されている
場合の電池の充電プロセスを示し、そして曲線V6はほと
んど完全に放電されている場合の電池の充電プロセスを
示す。図４は、最大電圧Vmaxを得るのに必要な充電期間
が、電池の充電開始時の充電状態が低いと増大すること
を示している。また、Vmaxに到達してから充電プロセス
が中止されるまでの期間である“残りの充電期間”は電
池の充電開始時の充電状態が低いと増大するということ
も図４から分かる。
電池の充電開始時の複数の異なる充電条件に対する当
該タイプの電池の理想的なもしくは望ましい参照電圧曲
線についての情報は電子メモリ内に記憶させることがで
きる。実際の電圧曲線のコース例えば該曲線の勾配を記
憶された参照値と比較することによって、関連する参照
電圧曲線およびそれに相関する“残りの充電期間”を決
定することができる。
電圧曲線の勾配は、例えば充電プロセス中に1/10秒毎
に続けて測定することができる。各測定値について記憶
された参照勾配と比較して、“残りの充電期間”に対す
る新しい提案が決定される。測定された電池の電圧が記
憶された最大電圧Vmaxに到達すると、“残りの充電期
間”の決定は取り消され、最後に決定された“残りの充
電期間”の値が使用される。
図３と４に示すタイプの充電曲線が得られる本発明の
方法の他の実施態様では、電圧曲線の勾配に対する限ら
れた数の参照値が予め記憶される。各測定時に、曲線の
実際の勾配をその参照値と比較し、その勾配が参照値の
一つを超えたときのみ新しい“残りの充電期間”値が決
定される。
図３と４に示す曲線に対応する曲線は他のタイプの電
池にも得られる。これらの曲線は外観が異なっているか
もしれず、それらのいくつかについては、電圧Vmaxに到
達する時間と最適な残りの充電期間との相関関係は、当
該電圧曲線の勾配と必ずしも関連がなく、関連する時点
での絶対電圧のような曲線の他のパラメータと関連があ
る。測定され記憶されるパラメータが多ければ多いほ
ど、最適の残りの充電期間を決定するため、より精密な
決定を行うことができる。
図３と４に示すタイプの充電曲線が得られる本発明の
方法のその外の実施態様では、最大電圧値Vmaxに到達し
たときに電圧曲線の勾配を測定するとともに固定した時
間に電池の電圧を測定する。この実施態様では、その電
圧値を電圧曲線の勾配とともに、最適の残りの充電期間
を一層精密に決定する際に組み込むことができる。
図３と４に示す電圧曲線は、電池が充電されていると
きに電池の端子間の電圧を測定することによってプロッ
トした。しかし、別の可能な方法は、電圧を測定する各
時点に充電電流を短時間中断する方法である。この方法
で全く類似した曲線が得られるが、その曲線は、電池の
内部抵抗を通過する充電電流によってもたらされる電圧
降下を含んでいないので絶対電圧はわずかに低くなって
いる。この内部抵抗は一般に充電シーケンスの最後に増
大するので、この関与なしの電圧測定値は、電池の状態
の一層正確な尺度になる。
上記の実施態様では、曲線勾配は次のようにして測定
される。各測定時点ですなわち例えば1/10秒毎に電池の
電圧を測定し、次いでこの電圧値を電子プロセッサが記
憶回路に記憶する。次いでプロセッサは、この丁度測定
された値と、例えば90秒前に測定された値との差を計算
し、次いでこの差は当該時点の曲線の勾配の尺度として
利用される。この方式によって、例えば90秒間の期間に
わたって測定された勾配の新しい値が10秒間毎に得られ
る。
電圧の測定値が遷移現象などに影響されることがない
ように、電圧は好ましくは、前記の各測定時点の間に、
一層多数回例えば100回測定される。これらの中間測定
値は各々プロセッサに記憶され、次いで実際の測定時点
で、プロセッサは、最後の測定時間から実施されてきた
100回の中間測定の測定値の平均値を計算する。
充電プロセスが上記のように中止されたとき、電池が
充電器内に残されている場合は電池の保守充電が行われ
る。この保守充電は、電流パルスを時間間隔をおいて電
池を通過させて行われる。これらの電流パルスとその時
間間隔は、他の方法では起こる電池の自己放電を補償す
るように適応している。そのパルスは例えば持続時間が
15〜30秒で、続くパルス間の時間間隔は数時間である。
図５は本発明の装置の実施態様のブロック図を示す。
220Vの電圧が通常のプラグ１によってこの装置に加えら
れ、そしてその電圧は整流器のブロック２で9Vの直流電
圧に変換される。３は電流調整器を示し、この調整器は
充電すべき電池に端子４、５を通じて電流を送る。電池
からの電流は、端子５と地絡抵抗器６を通って整流回路
２に戻る。電流調整器３はプロセッサ７から制御ステー
ジ８を通じて制御される。プロセッサ７はアナログ／デ
ィジタル変換器９によって電流と電圧を測定することが
できる。充電電流は抵抗器６の両端間の電圧降下を測定
することによって測定され、一方電池の電圧は端子４と
５で測定した電圧間の差として知ることができる。プロ
セッサ７はさらに記憶回路10に接続され、この回路はi,
aで測定された電流と電圧の値および計算された中止時
点を記憶するのに用いられる。整流回路11は整流回路２
からの電圧9Vから直流電圧5Vを生成する。この5Vの電圧
は回路７、９および10に送るのに用いられる。電流整流
器３はパルス幅変調によって制御され、そしてプロセッ
サ７が所望の充電電流を常に電池に流す方式でパルス幅
を制御する。プロセッサは先に述べたように抵抗器６の
両端間の電圧降下を測定することによって充電電流を測
定する。所望により、プロセッサは電流パルス間の時間
間隔において電池の端子間の電圧を測定することができ
る。したがって、この電圧測定値は、電池の内部抵抗を
充電電流が通過することによって起こる電圧降下による
影響を受けない。
図６は図５に示す装置の実施態様の回路図である。図
５のブロックは破線で示し、図５に示したのと同じ参照
番号をつけてある。整流器のブロック２は、変圧器T1な
らびに４個のダイオードD1、D2、D3およびD4からなる整
流カップリングを備えている。このブロックからの出力
電圧は9Vの直流電圧であり、その一部が電流調整器３に
送られ、一部が調整回路11に送られる。電流調整器３は
トランジスタQ4を備え、プロセッサIC1の制御ステージ
８を通じて制御される。この制御ステージ８は抵抗器R
5、R6、R7およびR8とトランジスタQ3を備えている。プ
ロセッサの出力端子P1.1が高出力シグナルをもっている
場合、トランジスタQ3が抵抗器R7とR8を有する分圧器に
よって導電状態になる。したがって電流は分圧器R5とR6
を通じて流れ、これら分圧器はQ4を導電状態にし、その
結果電流が電池に送られる。プロセッサの出力端子P1.1
の出力が低いと、トランジスタQ3とトランジスタQ3は非
導電状態であるので電池に充電電流は送られない。
アナログ／ディジタル変換器９は、集積回路IC2、抵
抗器R2とR3および平滑コンデンサC4、C7を備えている。
電池の電圧と充電電流を示す測定電圧はそれぞれ集積回
路IC2内でディジタル情報に変換され、このディジタル
情報はさらにプロセッサの端子P1.2とP1.3に送られる。
この実施態様において、プロセッサの回路IC1はプロ
セッサ７と記憶回路10を備えている。さらにキャパシタ
C1、C2およびC3ならびにクリスタルX1がプロセッサに接
続されている。その他の点では、このプロセッサ回路の
作動機構は一般に従来どおりである。
調整回路11は、集積電圧調整器IC3とキャパシタC5とC
6を備えている。この回路は5Vの直流電圧を回路IC1とIC
2に送る。
上記回路は、充電電流を実質的に一定の値に維持する
ため電圧を制御したりもしくは実質的に一定の電圧を維
持するため電池を充電中に電流を制御しまたはこれらの
方法を併用したりすることを決定するのに使用される。
本願に記載されているようにして本発明によって再充
電可能な電池を充電する場合、充電プロセスは、予め決
められた最大電圧値Vmaxに到達したとき“残りの充電期
間”中に電池の端子間で測定される電圧が一定値に維持
されるように制御される。特定のタイプの電池のVmaxは
上記のようにして決定することができる。
しかしいくつかの電池は、このタイプの当該電池につ
いて決定された予め決められた値Vmaxには決して到達し
ない。このことは、これらの電池の各種の欠陥もしくは
異常が原因である。図７はこのような異常な電池の充電
曲線を示す。充電プロセスの第一期間では充電曲線は図
３に示したのと同じ正常なコースを進む。しかし電圧曲
線はVmaxより低い電圧V'で平らになる。したがって、充
電プロセスの中止時点は、充電電圧がVmaxに到達した時
点に基づいて決定できない。このような場合、最大充電
電圧は別の方法で決定することができる。例えば電池電
圧を予め決められた時間間隔で測定し、次いでその測定
値を比較する。測定された電池電圧が最後の継続的な測
定中に上昇せずそしてVmaxにはまだ到達しなかった場合
は、その最後に測定された電圧をこの電池の最大電圧V'
と定義し、残りの充電期間は、V'が最初に測定された時
点から開始して決定される。
図８はバージン電池を試験充電した際の典型的な第一
充電曲線を示し、図９は完全に充電された電池を試験充
電したときの対応する充電曲線を示す。電池を初めて充
電しなければならないとき、または電池を充電すること
なく長期間にわたって保管した後初めて充電しなければ
ならないときは、充電プロセス中、電池内で起こるはず
の化学反応は始まるのがかなり遅い。このような電池の
場合、上記の制御された高電流充電プロセスは使用でき
ない。このような“バージン電池”の場合、充電プロセ
スは、その電池が完全に充電されるのを保証するため、
電池に対して、比較的長期間にわたって、比較的低いほ
とんど一定の電流を送って行わねばならない。それ故、
実際の充電プロセスを開始する前に、その電池は試験充
電プログラムで充電され、次いで上記の通常の充電プロ
セスによって短時間充電される。しかし、この開始時の
充電電流は比較的低くなければならず例えば1C/hの範囲
内であり、次いで4C/hの範囲内でもよい高い値まで上昇
させる。なおC/hはいわゆるＣ−レートである。予め決
められた短い期間、例えば数秒間の後、または電池端子
間の電圧がVmaxに到達したとき、充電プロセスを中止す
る。その電池は比較的高い放電電流で放電される。図10
は図８に示すようにして充電されたバージン電池の放電
曲線を示すグラフである。図11は図９に示すようにして
充電された完全負荷電池の放電曲線を示すグラフであ
る。
図８は、バージン電池が非常に短い時間内で例えば10
秒間より短い時間で電池電圧Vmaxに到達することを示し
ている。しかしその電池が受け入れる充電電流は非常に
低い。その結果、図10に示すように、図８にしたがって
充電されたバージン電池は非常に短時間のうちに（この
実施例では１秒間未満のうちに）完全に放電される。電
池を試験充電に付したときに図８と10に類似の曲線が得
られた場合は、充電装置の制御システムはその電池をバ
ージン電池として処理するよう命令され、そしてそれに
続く充電プロセス中、電池が全容量まで充電されるま
で、比較的低いほとんど一定の例えば約0.2C/hの充電電
流が電池に送られる。
完全負荷電池を試験充電すると、その電池の端子間の
電圧は、図９に示すように、バージン電池と同じ期間内
にVmaxに到達する。しかしバージン電池に送られる充電
電流と異なり、完全負荷電池に送られる充電電流は極め
て迅速に増大する。試験中、完全負荷電池を放電させる
と、ほとんど一定の高い電流が試験期間中電池から流
れ、同時に電池電圧は図11に示すようにかなり一定であ
る。電池を試験充電に付したときに図９と11に示したの
と類似の曲線が得られた場合は、その充電システムは、
その電池を完全に充電された電池として処理するよう命
令される（これは充電プロセスが中止されることを意味
する）。
あるいは、電圧曲線の変化率を充電試験中および放電
試験中に測定してもよい。電圧曲線の測定された変化率
を参照値と比較することによって、電池の出発条件を計
算することができるので、充電プロセスは試験される電
池に対して選択することができる。必要に応じて、試験
プログラムには、所望の情報を得るため、いくつもの続
けて行う充電と放電の期間を設けてもよい。
電池に対して理想的な充電プロセスを選択するとき
は、充電される電池のタイプに対して一組の参照パラメ
ータをもっていることが必要である。したがって、新し
いタイプの電池に対して一組の参照パラメータを決定も
しくは選択する方法をもっていることが望ましい。
これらのパラメータとしては、電池電圧、充電電流と
放電電流、電池の内部温度と外側温度、および／または
電池槽内の化学反応がある。
最も重要なパラメータの一つは、電池が完全に充電さ
れたときの電池温度:Temp（100％）である。この時点か
らさらに充電を行うと電池の温度が上昇して電池が損傷
する。
電池内の直列抵抗で散逸する熱から大きな影響を受け
ることなく、未知のタイプの電池のTemp（100％）を測
定するために、電池は、比較的低いほとんど一定の充電
電流を用いて、電池を確実に、完全充電させるため比較
的長期間（数時間）充電する。その電池が充電されたと
き、実際、完全に充電されたか否かを試験するため比較
的長期間にわたって放電させる。完全に充電されていな
かったならば、新しい充電プロセスを高い充電電流で開
始する。完全に充電されたいたならば、新しい充電プロ
セスを同じ充電電流で開始するが、この場合、充電時間
は短くする。この充電プロセスを中止したとき電池は完
全に充電されたか否かを決定するため再び放電させる。
完全に充電されていたならば、同じ充電電流であるが充
電期間が一層短時間の新しい充電プロセスを開始する。
完全に充電されていなかったならば、同じ充電電流であ
るが充電期間が長い新しい充電プロセスを開始する。こ
れらの充電プロセスと放電プロセスは、最小充電時間:t
（100％）（電池が丁度完全に充電される時間）が見つ
けられるまで、同じ充電電流を用い新しい充電期間で続
ける。ｔ（100％）において電池の温度を測定すると、
このタイプの電池について所定の充電電流に対してTemp
（100％）を見だすことができる。ｔ（100％）において
電池の端子間の電圧を測定することによって、ｖ（100
％）の値を見つけることができる。図12は、比較的低い
充電電流を用いる典型的な充電プロセスの場合の電圧と
温度の値のコースを示す。図12において、充電電流は2C
/hであり、ポイント:Temp（100％）とＶ（100％）を図
に示した充電電圧と温度の曲線上に示す。
Temp（100％）の値を求める他の方法としては、充電
中に温度曲線の変化率を測定する方法などを利用できる
と解すべきである。
本発明で用いる他の重要なパラメータは、関連する電
池のタイプによって変化する、予め決められた最大電圧
Vmaxである。図３に示すような高速充電プロセスを用い
る場合、充電プロセスは次のように制御される。すなわ
ち、Vmaxに到達したとき残りの充電プロセス中、電圧は
実質的に一定の値に維持され、そしてVmaxに到達したと
きから出発して予め決められた期間経過したときに充電
プロセスに中止するよう制御される。
新しいタイプの電池のVmaxを決定するには、電池を、
上記実施例に用いられた充電電流よりわずかに高くほと
んど一定の充電電流で充電して温度:Temp（100％）を求
める。電圧曲線の変化率を測定して電池の温度と比較す
る。電圧の変化率がTemp（100％）においてプラスの場
合は、新しい充電プロセスをその前の電流よりわずかに
高い新しい充電電流で開始する。このプロセスは、Temp
（100％）において測定される電圧変化率がゼロになる
かまたはわずかにマイナスになるまで繰返される。この
方法は、図12に示したのと同じ電池を用いて、充電電流
が0.5C/hの場合を図13に示し、充電電流が1C/hの場合を
図14に示す。電圧の変化率が丁度ゼロになったかまたは
わずかにマイナスになった充電プロセスについて測定し
たＶ（100％）の値は、このタイプの電池のVmaxの値の
優れた尺度であるので、選択されるVmaxの値は、Ｖ（10
0％）のこの測定値にかなり近い値を選択すべきであ
る。他の方法もVmaxの値を決定するのに用いることがで
きる。
図15は、最大充電電流4C/hおよび図13に示すＶ（100
％）の測定値から決定した最大充電電圧Vmaxを用いて、
図12〜14に示したのと同じ電池に対して行った本発明の
制御された充電プロセスを示す。
ｔ（100％）、Temp（100％）およびＶ（100％）を上
記のように測定することによって、電圧、温度、電流お
よび充電時間の参照値を示す一組の参照パラメータを集
めることができる。これらの参照値はすべて、Vmaxを計
算する別の方法を含めて制御された充電プロセスに用い
られる充電特性パラメータを決定するのに使用できる。
本発明の他の実施態様によれば、制御された充電プロ
セスに用いられる参照パラメータは、第一の分析充電プ
ロセス次いで第二の分析充電プロセスを用いることによ
って、電池毎にまたは電池のタイプ毎に求めることがで
きる。電池がいくつもの電池槽で構成されている場合、
これらの分析充電プロセスは、その電池の各槽に対する
参照パラメータを決定するためにも用いることができ
る。
第一分析充電プロセスを図16に示す。この分析充電プ
ロセスにおいて、比較的低くほとんど一定の充電電流を
比較的長期間送り次いで電池温度および／または電池の
端子間電圧を調査することによって、最大電池充電温度
差ΔＴが測定される。この第一分析充電電流は、電池電
圧の実質的な増大が充電プロセスの最初の６時間に検出
されないように低くなければならい。しかしこの充電電
流は、充電を約10時間行った後電池電圧が確実に上昇す
るのに充分に高くなければならず、そして電池の容量の
正確な値は、第一分析充電プロセスが行われる時点では
分かっていないかもしれないが、充電電流は好ましくは
約0.1C/hでなければならない。第一分析充電電流の値が
選択されたがその電池の電圧の上記必要条件が満たされ
なかった場合は、第一分析充電電流の新しい値を選択し
なければならず次いでその分析充電プロセス全体を再び
開始する。その電池は、いかなる分析充電プロセスに付
す場合でもその前に完全に放電させることが好ましい。
第一分析充電電流の正しい値が選択されたならば、そ
の電池は数時間充電を行った後完全に充電され、電池の
それ以上の温度上昇は検出されない。したがって、最大
充電温度差ΔＴは、測定された電池の温度の最低値と最
高値を比較することによってその電池について求めるこ
とができる。またその電池が完全に充電された状態にな
った時は電池の電圧についてそれ以上の増大は全く検出
されないことに注目すべきである。電池の各槽に対して
温度センサを利用できれば、その結果、電池の各槽に対
して最大充電温度差を測定することができる。
本発明の他の態様によって、充電される電池の容量の
実際の値を求める方法が提供される。またこの方法は第
一分析充電プロセス中に次のようにして行われる。すな
わち、電池の温度および／または電圧の少なくとも二つ
の測定値を含む予め決められた期間に、電池の温度およ
び／または電池の電圧のそれ以上の増大が検出されなか
った時に、第一充電中止時点:t（容量）を測定すること
によって行われる。あるいは、ｔ（容量）は、電池の温
度および／または電池の電圧の変化が予め決められた期
間に予め決められたレベルより下方に低下した時点とし
て決定することができる。第一分析充電プロセス中、電
池に供給された電力を時点:t（容量）（電池が完全に充
電された時点に等しい）まで計算することによって、電
池の容量の実際の値を求めることができる。
第二の充電プロセスを図17に示す。この分析充電プロ
セス中に、最大電池端子間電圧が、第一分析充電プロセ
ス中に測定された電池の実際の容量値に基づいたＣ−レ
ートに等しい第二分析電流で電池にほとんど一定の第二
分析充電電流を送ることによって測定される。第二分析
充電プロセス中、端子間電圧および電池温度が調査さ
れ、そして電池の温度が第一分析充電プロセス中に測定
された最大電池充電温度差ΔＴによって電池温度が上昇
した時点で電池端子間で測定された値として、最大端子
電圧が決定される。端子間電圧を電池の各槽について調
査する場合、最大端子間電圧は、最大電池充電温度差に
おいて、または温度を各槽について個々に調査する場合
には電池槽の最大充電温度差において、電池の各槽に対
して同じ方法で測定することができる。
図18、19および20は、第一と第二の分析充電プロセス
中に得られた結果にしたがって充電プロセスが制御され
ている場合のNiCd電池の充電曲線を示す。したがって、
第一分析充電プロセス中に測定された実際の電池容量値
は、充電プロセスの最初の部分で電池に供給された充電
電流を測定するときに利用できる。図18、19および20で
は、この充電電流はそれぞれＣ−レートの２倍、３倍お
よび４倍に等しい。この充電プロセス中、電池端子間の
電圧が調査され、そして第二分析充電プロセス中に決定
された最大電池端子間電圧Vmaxに到達したとき、充電プ
ロセスは、電圧が残りの充電プロセス中一定に保持され
るように制御される。Vmaxに到達した時点Tmaxにおい
て、先に述べた考案にしたがって残りの充電期間が決定
され、この残りの充電期間が経過した時に充電プロセス
は中止される。
しかし、残りの充電期間はTmaxの値によって決定する
こともできる。そして好ましい実施態様では、残りの充
電期間は、Tmaxの値を、対応する残りの充電期間を含む
記憶された参照値と比較し、次いでTmaxの値に対応する
残りの充電期間を選択することによって決定される。
電池を充電する際、電池の温度および／または充電電
流が調査され、そして測定された温度の上昇が第一分析
充電プロセス中に測定された最大電池温度差に等しくな
ったとき充電プロセスは中止される。あるいは、残りの
充電期間中の予め決められた期間に、充電電流のそれ以
上の低下が検出されなかったときに、充電プロセスは中
止される。このことは、最初に非常に高い充電電流で充
電されるニッケル金属水素化物電池の充電曲線を示す図
21に示す。この場合Vmaxには非常に早く到達し、その充
電プロセスは、電池の端子間電圧がVmaxに一定に保持さ
れるよう制御され、その結果充電電流が低下し、次いで
充電電流のそれ以上の低下が全く検出されなくなったと
きに充電プロセスは中止される。
上記のように、電池はいくつもの電池槽を有してい
る。これらの槽は直列に接続され、そして得られる電池
電圧は電池内の電池槽の数によってきまる。しかし、電
池槽の特性は電池内の槽毎に異なっているので、電池の
放電と充電のプロセスをほぼ完全に制御するには、電池
の放電および／または充電を行っている間に個々の各槽
の電圧および／または温度を測定できると便利である。
したがって、本発明の態様で、少なくとも二つの電池槽
を有しかつ各電池槽の電圧を測定する手段を備えた電池
が提供される。本発明の電池はさらに測定された電池槽
の電圧を記憶する情報手段を備えていてもよい。そして
本発明の電池の好ましい実施態様では、各電池槽は温度
センサを備え、測定された温度は情報手段に記憶され
る。図22は本発明の電池の好ましい実施態様20のブロッ
ク図を示す。図22に示す電池20は、それぞれに温度セン
サ27〜32を備えた６個の電池槽21〜26、ならびにEEPROM
および／または各電池槽端子間の電圧および／または各
電池槽の温度を読み取るマイクロプロセッサのような情
報手段33を備えている。
特性は電池の各槽毎にばらついているので、放電中に
電池槽電圧の降下が最大である電池槽について放電プロ
セスを制御することが非常に重要である。このことを図
23と24に示すが、これらの図は６個の電池槽を有し一定
電流で放電されているNiCd電池の各電池槽の放電曲線を
示す。図23において、電池の全電圧は、電池槽の少なく
とも一つの電圧降下を比較的大きくして非常に高度に放
電させて電池の放電を中止するために用いられている。
その結果、この電池が続いて再充電されるときにこの電
池槽は完全には充電されず、電池の容量は低下する。こ
の現象は図24に示す放電プロセスによって回避できる。
すなわちこの場合、その放電プロセスは、電池槽電圧曲
線のうちの最初の一つが予め決められたレベルまで降下
したときに電池の放電が中止されるよう制御されてい
る。このレベルは0.8〜１ボルトの範囲内にある。
同様に、充電プロセス中、同時には最大電池槽電圧に
到達しない。このことは図25に示す。すなわち図25はNi
Cd電池の放電中の各電池槽の電池槽電圧曲線を示示す。
図25には、電池槽のなかの一つが他の電池槽より早く最
大電池槽電圧に到達したことが観察され、そして本発明
の好ましい実施態様では、充電プロセスの残りの充電期
間は、電池槽の電圧のうちの一つが最初に最大電池槽電
圧に到達した時点で、決定しなければならない。
図26、27および28に、本発明の電池システムの各種実
施態様のブロック図を示す。図26は、電池40がEEPROMの
ような情報手段41を有しそして充電装置42がマイクロプ
ロセッサのような制御装置43を有するシステムを示す。
しかし電池40の情報手段41は図27に示すようにマイクロ
プロセッサのような制御装置を備えていてもよい。図28
は、充電制御装置が電池40の情報手段41の中に入ってい
る実施態様を示し、この場合、電池40は、電池の情報手
段41によって制御される電源44に接続することだけが必
要である。
上記の第一および／または第二の分析充電プロセスは
本発明の電池と接続して用いられ、測定されたデータお
よびパラメータは測定されおよび／または電池の情報手
段内に記憶されると解すべきである。あるいは、データ
は、特性のパラメータを、これらのパラメータを記憶す
るメモリを備えた充電装置に送るコンピュータシステム
によって収集することができる。
また、上記本方法の方法は、ニッケルがカドミニウム
電池のような一種類の電池にのみ有効であるというわけ
ではなく、他の種類の再充電可能な電池例えばリチウム
電池およびニッケル金属水素化物電池にも利用できると
解すべきである。
フロントページの続き (72)発明者 レイプル，ジョン デンマーク、ディケィ―2930 クラムペ ンボルグ、ファブリチャス アレ 17 (72)発明者 ジュール−ハンセン，エベ デンマーク、ディケィ―3660 ステンレ ーゼ、ガンレスパーケン 31 合議体 審判長 沼沢 幸雄 審判官 吉水 純子 審判官 酒井 美知子 (56)参考文献 特開 平２−294231（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−59179（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−285522（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−277130（ＪＰ，Ａ) 米国特許4885523（ＵＳ，Ａ) 欧州公開124739（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 10/42 - 10/48 H02J 7/00 - 7/36

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つの再充電可能な電池槽、一
    対の電池端子、および情報コードの形で電池についての
    情報を入れる情報手段（41）を有する再充電可能な電池
    （40）と、 一対の充電器端子、電池の端子が充電器の端子と導電性
    接触を行うように電池と充電装置とを取り外し可能に相
    互に接続する手段および電池の情報手段（41）の情報コ
    ードを電子的に読み取るかあるいは検出する情報受け入
    れ手段を有し、かつ充電器の情報受け入れ手段によって
    読み取られあるいは検出される情報コードに基づいて充
    電プロセスを制御する制御手段（43）を備えた再充電可
    能な電池（40）を充電するための充電装置（42）とから
    なり、 前記情報コードが、電池（40）の最大充電電圧および／
    または最大充電電流に関する情報と、少なくとも１つの
    充電パラメータを決定あるいは選択するための少なくと
    も１つのプロセスに関する情報とを含むことを特徴とす
    る電池充電システム。
  2. 【請求項２】前記情報コードが電池の最大温度に関する
    情報をさらに含む請求項１に記載の電池充電システム。
  3. 【請求項３】前記情報コードが、電池のタイプおよび／
    または電池の容量に関する情報をさらに含む請求項１ま
    たは２に記載の電池充電システム。
  4. 【請求項４】前記情報手段（41）が、電池の情報を記憶
    する電子メモリを備えている請求項１〜３のいずれか１
    つに記載の電池充電システム。
  5. 【請求項５】前記情報手段（41）が、EEPROMを備えてい
    る請求項１〜４のいずれか１つに記載の電池充電システ
    ム。
  6. 【請求項６】前記充電装置（42）の制御手段（43）が、
    マイクロプロセッサを具備している請求項１〜５のいず
    れか１つに記載の電池充電システム。
  7. 【請求項７】前記再充電可能な電池（40）が、ニッケル
    カドミウム電池、ニッケル金属水素化物電池、あるいは
    リチウム電池である請求項１〜６のいずれか１つに記載
    の電池充電システム。
  8. 【請求項８】少なくとも１つの再充電可能な電池槽、一
    対の電池端子、および情報コードの形で電池の情報を有
    する情報手段（41）からなり、前記情報コードは対応す
    る電池充電装置（42）の情報受け入れ手段によって電子
    的に読み取りまたは検出されることのできる形態を有
    し、前記情報コードが、電池の最大充電電圧および／ま
    たは最大充電電流に関する情報と、少なくとも１つの充
    電パラメータを決定あるいは選択するための少なくとも
    １つのプロセスに関する情報とをさらに含む再充電可能
    な電池。
  9. 【請求項９】前記情報コードが、電池の最大温度に関す
    る情報をさらに含む請求項８に記載の再充電可能な電
    池。
  10. 【請求項１０】前記情報コードが、さらに電池のタイプ
    および／または電池の容量に関する情報を含む請求項８
    または９に記載の再充電可能な電池。
  11. 【請求項１１】前記情報手段が、電池の情報を記憶する
    電子メモリを備えている請求項８〜10のいずれか１つに
    記載の再充電可能な電池。
  12. 【請求項１２】前記情報手段が、EEPROMを備えている請
    求項８〜11のいずれか１つに記載の再充電可能な電池。
  13. 【請求項１３】前記再充電可能な電池（40）が、ニッケ
    ルカドミウム電池、ニッケル金属水素化物電池、あるい
    はリチウム電池である請求項８〜12のいずれか１つに記
    載の再充電可能な電池。
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