JP4008754B2 - バッテリー充電方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、再充電可能なバッテリーを充電する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯用の動力工具並びにキッチン及び家庭用器具に用いられるコードレス電源のいくつかの長所によって、広範囲の大きさのパワーパック又はバッテリーパック、すなわち収容された電池の集合体が改善されてきた。これらの電池には、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、リチウム又は鉛−酸蓄電池等が含まれる。
【０００３】
図１及び図２を参照すると、典型的なバッテリーパック１０が充電器２０に接続される。バッテリーパック１０は、バッテリーパック１０の電圧及び蓄電容量を特定する直列に接続された複数のバッテリーセル１１を有する。バッテリーパック１０は３つのバッテリー接点、すなわち第１バッテリー接点１２、第２バッテリー接点１４及び第３バッテリー接点１３を有する。バッテリー接点１２は、バッテリーパック１０のＢ＋（陽）端子である。バッテリー接点１４は、Ｂ−（陰／共通）端子である。バッテリー接点１３は、Ｓ（検出）端子である。バッテリー接点１２及び１４は、充電器２０（好ましくは、後に説明する電流供給源２２）から送られる、バッテリーパック１０を充電するための充電電流を受電する。
【０００４】
図２に示されるように、バッテリーセル１１は、バッテリー接点１２と１４との間に接続される。さらに、負の温度係数（ＮＴＣ）を有するレジスター又はサーミスターＲ_Tのような温度感知装置１５は、典型的にはバッテリー接点１３と１４との間に接続される。温度感知装置は、バッテリー温度を監視するために、セル１１に極めて接近することが好ましい。キャパシター等のような他の構成要素又は回路は、バッテリー温度を表示する信号を提供するために使用されることができる。
【０００５】
充電器２０は、陽端子（Ｂ＋）１６及び陰端子（Ｂ−）１７を有するコントローラー２１を具備することが好ましく、陽端子及び陰端子は、バッテリー接点１２及び１４をそれぞれ介してバッテリーパック１０に接続される。陽端子は、コントローラー１２がバッテリー電圧を検出できるように、入力部、好ましくはアナログ／デジタル入力部として作用することもできる。さらに、コントローラー２１は、他の入力部Ｔ、好ましくはアナログ／デジタル入力部を有することができ、入力部Ｔは、第３バッテリー接点１３（Ｓ）を介して温度感知装置１５に接続される。このことにより、コントローラー２１がバッテリー温度を監視することが可能になる。コントローラー２１は、充電の制御及び操作の監視を行うためのマイクロプロセッサー２３を有する。コントローラー２１は、バッテリーパック１０に電流を与える電流供給源２２を制御することができる。この電流は、迅速な充電電流及び均等化電流の少なくとも一方となり得る。電流供給源２２は、コントローラー２１内に組み込むことができる。
【０００６】
図３を参照すると、充電操作中は、バッテリーの温度及び電圧が変化する。例えば、バッテリーが充電されているときは、バッテリー温度は低下する。次にバッテリーが完全に充電されると、バッテリー温度は急に上昇する。しかし、仮にバッテリーが完全に充電されたときに充電操作が停止されないときは、バッテリーは過充電される場合があって、故に温度上昇により損傷を受ける。従って、バッテリー温度又はバッテリー電圧は、通常は充電完了状態を示すものとして監視される。
【０００７】
電圧監視手段の中でも特に、米国特許４，３８８，５８２号及び４，３９２，１０１号に記載されているＳａａｒの２変曲点終了方法は、バッテリーの充電が完了したことの検出に好ましい。他の電圧監視方法としては、より典型的には（１）マイナスデルタ電圧方法、（２）ピーク検出方法及び（３）電圧勾配検出方法が採用される。マイナスデルタ電圧方法においては、バッテリーピーク電圧のサンプルが記憶されて直前の電圧と比較される。直前の電圧が、通常は記憶されたピーク値の０．５％〜１．０％（すなわちＮｉＣｄバッテリーに対してはセル当たり約１０〜２０ミリボルト）だけ設定値より低くなったときに、充電終了操作が行われる。
【０００８】
ピーク検出方法は、マイナスデルタ電圧方法をより新しくしたものである。基本的には、より正確な計器を使用することによって設定値がピーク値により近く設定されることを除けば、同じ方法が用いられる。
【０００９】
もう１つの電圧監視方法は、勾配検出方法である。この方法によると、電圧ピークＢは、電圧カーブＶの勾配すなわち電圧変化速度（ｄＶ／ｄｔ）を計算することにより検出される。電圧変化速度が０又は負になったときに、充電終了操作が行われる。
【００１０】
典型的に採用される温度監視方法は、（１）絶対温度による終了方法及び（２）温度変化速度（勾配）による終了方法である。絶対温度終了方法は、バッテリーの充電が完了したときに発生する温度上昇に依存する。この方法においては、バッテリー温度が予め定めた温度以上、すなわち予め定めた温度に到達又は予め定めた温度を超えたときに、充電操作が停止される。
【００１１】
温度変化速度（勾配）終了方法は、充電操作中に、時間軸に対するバッテリー温度の勾配すなわち温度変化速度（ｄＴ／ｄｔ）を監視する必要がある。温度変化速度が予め定めた速度以上になったときに、充電終了操作が行われる。換言すれば、トリップポイント以上になったときに充電終了操作が行われる。
【００１２】
図１及び図２を参照すると、充電器２０は、同様の部分には同様の参照符号を付された異なるバッテリーパック１０、１０’、１０’’を受容することができる。バッテリーパック１０、１０’、１０’’は、類似であるがいくつかの点で異なる。第１に、バッテリーパック１０、１０’はともに、セル１１を冷却する充電器ファン２４から送風される空気を受ける。バッテリーパック１０においては、空気流が温度感知に影響しないように、温度感知装置１５は、カバー及び空気流の外側への配置の少なくとも一方がなされる。一方、バッテリーパック１０’は、温度感知装置１５はカバーされていないか又は空気流内に配置されているため、空気流が温度感知に影響する。バッテリーパック１０’’は、充電器ファン２４から送風される空気を受けない。従って、温度感知装置１５は送風空気に影響され得ない。
【００１３】
図４は、図３に示されるバッテリーパック１０、１０’’の温度／電圧カーブに対して、バッテリーパック１０’が充電されているときの温度／電圧カーブＴ及びＶをそれぞれ示したものである。図３及び図４の温度カーブＴを比較すると、バッテリーパック１０’の温度カーブは、滑らかでなく、多くのピーク及び谷があることが明らかである。これは、空気流が感知温度に影響しているからである。しかし、このようなピーク及び谷を有することにより、バッテリーパック１０’の充電が完了する前に、温度変化速度による終了方式（スキーム）によって充電終了操作が行われてしまう可能性がある。換言すると、バッテリーパック１０’は、空気流によって充電が不十分になる場合がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、バッテリー充電が不十分にならないようにする充電方法及び監視方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に従って、再充電可能なバッテリーを充電する方法が示される。充電方法は、バッテリーパックへ電流を供給すること、第１及び第２バッテリー温度を感知すること、第１及び第２バッテリー温度の間の第１温度変化速度を特定すること、第３バッテリー温度を感知すること、第２及び第３バッテリー温度の間の第２温度変化速度を特定すること、並びに、第１温度変化速度が予め定めた第１閾値以上でありかつ第２温度変化速度が予め定めた第２閾値以上である場合は、温度基準方式に基づく充電終了操作を不能にすることを有する。
【００１６】
本願明細書にはまた、バッテリーパックへ電流を供給すること、第１及び第２バッテリー温度を感知すること、第１及び第２バッテリー温度の間の第１温度変化速度を特定すること、第３バッテリー温度を感知すること、第２及び第３バッテリー温度の間の第２温度変化速度を特定すること、並びに、第１温度変化速度が予め定めた第１閾値以下でありかつ第２温度変化速度が予め定めた第２閾値以下である場合は、温度基準方式に基づく充電終了操作を不能にすることを有するバッテリー充電方法が開示されている。
【００１７】
本発明のさらなる特徴及び利点は、添付図面及び以降の詳細な説明により記載されかつ明らかになるであろう。
【００１８】
添付図面は、本発明の好適な実施形態を、その原理の実際の適用例に従って示したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
同様の部分には同様の参照符号を用いた添付図面を参照して、本発明を以下に説明する。Ｓａａｒの米国特許４，３８８，５８２号及び４，３９２，１０１号の全ての教示を、本願明細書にて参考として引用する。
【００２０】
当業者は、以下に開示された方法は、好ましくはコントローラー２１及びプロセッサー２３の少なくとも一方によって、図１及び図２に示される充電器２０を具備できることが理解できるであろう。換言すれば、当業者は、以下の説明が異なるステップを実行するコントローラー２１に言及するものであっても、そのようなステップは、プロセッサー２３又は充電器２０の他のいかなる回路によっても実行され得ることが理解できるであろう。
【００２１】
図５（Ａ）は、提示された方法の第１の実施形態に含まれる異なるステップのフローチャートである。第１ステップ（ＳＴ１）は、バッテリーパック１０に電流を流すことにより充電操作を開始するステップである。コントローラー２１は、その入力部を介して初期のバッテリーパック温度（ＴＥＭＰ１）を感知して、それを記憶する（ＳＴ２）ことができる。
【００２２】
続いてコントローラー２１は、バッテリー温度（ＴＥＭＰ２）を感知する（ＳＴ３）。次にコントローラー２１は、バッテリー温度（ＴＥＭＰ２）を初期のバッテリー温度ＴＥＭＰ１と比較して、その差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ１）と予め定めた閾値Ｘとの大小関係を判定する（ＳＴ４）。当業者は、コントローラー２１が温度変化速度の特定に有効であることが理解できるであろう。
【００２３】
ＮｉＣｄバッテリーにおける予め定めた閾値Ｘは、０以上のアナログ／デジタル計数（A/D counts）であることが好ましい。当業者は、アナログ／デジタル計数は、コントローラー２１のアナログ／デジタルコンバーターの分解能、ビット数及び変換範囲の少なくとも１つによって変わり得ることが理解できるであろう。それにも関わらず、コントローラー２１は、バッテリー温度が不変であるか又はＴＥＭＰ１とＴＥＭＰ２との間で上昇（図５（Ｂ）参照）したかをチェックしていることが、当業者には理解できるであろう。予め定めた閾値Ｘは、約０．０３８℃であることが好ましい。
【００２４】
ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ１との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ１）が閾値Ｘより低い場合は、コントローラー２１はＴＥＭＰ２をＴＥＭＰ１として記憶し（ＳＴ５）、新たなバッテリー温度ＴＥＭＰ２を感知する（ＳＴ３）。
【００２５】
ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ１との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ１）が閾値Ｘ以上、すなわち閾値Ｘに等しいか又は閾値Ｘを超えている場合は、コントローラー２１はバッテリー温度（ＴＥＭＰ３）を再び感知する（ＳＴ６）。コントローラー２１は、次にバッテリー温度ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３とを比較して、その差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ３）と予め定めた閾値Ｙとの大小関係を判定する（ＳＴ７）。当業者は、コントローラー２１が温度変化速度の特定に有効であることが理解できるであろう。
【００２６】
ＮｉＣｄバッテリーにおける予め定めた閾値Ｙは、１以上のアナログ／デジタル計数であることが好ましい。当業者には、コントローラー２１が、バッテリー温度が不変であるか又はＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３との間で下降（図５（Ｂ）参照）したかをチェックしていることが理解できるであろう。予め定めた閾値Ｙは、約０．０７７℃であることが好ましい。
【００２７】
ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ３）が閾値Ｙより低い場合は、コントローラー２１はＴＥＭＰ３をＴＥＭＰ１として記憶し（ＳＴ９）、新たなバッテリー温度ＴＥＭＰ２を感知する（ＳＴ３）。
【００２８】
ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ３）が閾値Ｙ以上、すなわち閾値Ｙに等しいか又は閾値Ｙを超えている場合は、コントローラー２１は、温度変化速度方式による終了操作を不能にする（ＳＴ１０）。選択的に、コントローラー２１は、絶対温度方法のような温度基準の他のいかなる充電方法も不能にすることができる。実際に、このような２重構造方式は、バッテリー温度が不変であるか又は連続的に上昇しているとき（すなわちバッテリーパックの充電が完了したときの典型的な温度カーブ（図３参照）であるとき）には、温度基準の充電終了方式が不能にされることを防止する。
【００２９】
比較ステップＳＴ４及びＳＴ７は、同じ結果を得るために、論理的に反対に定義されてもよいことが、当業者には理解できるであろう。換言すれば、コントローラー２１は、ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ１との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ１）が閾値Ｘ以上であるかどうかをチェックすると言うよりも、ＴＥＭＰ１とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ１−ＴＥＭＰ２）が予め定めた閾値Ｘ’以下であるか、すなわち閾値Ｘ’に等しいか又は閾値Ｘ’より低いかどうかをチェックできるのである。当業者は、閾値Ｘ’は閾値Ｘ以下となり得ることが理解できるであろう。
【００３０】
同様に、コントローラー２１は、ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ３）が閾値Ｙ以上であるかどうかをチェックすると言うよりも、ＴＥＭＰ３とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ３−ＴＥＭＰ２）が予め定めた閾値Ｙ’以下であるか、すなわち閾値Ｙ’に等しいか又は閾値Ｙ’より低いかどうかをチェックできるのである。当業者は、閾値Ｙ’は閾値Ｙ以下となり得ることが理解できるであろう。
【００３１】
図６（Ａ）は、提示された方法の第２の実施形態に含まれる異なるステップのフローチャートであり、上述の実施形態から見出される教示がここに引用されている。第１ステップ（ＳＴ１１）は、バッテリーパック１０に電流を流すことにより充電操作を開始するステップである。コントローラー２１は、その入力部を介して初期のバッテリーパック温度（ＴＥＭＰ１）を感知して、それを記憶する（ＳＴ１２）ことができる。
【００３２】
続いてコントローラー２１は、バッテリー温度（ＴＥＭＰ２）を感知する（ＳＴ１３）。次にコントローラー２１は、バッテリー温度（ＴＥＭＰ１）をバッテリー温度ＴＥＭＰ２と比較して、その差（ＴＥＭＰ１−ＴＥＭＰ２）と予め定めた閾値Ｚとの大小関係を判定する（ＳＴ１４）。当業者は、コントローラー２１が温度変化速度の特定に有効であることが理解できるであろう。
【００３３】
ＮｉＣｄバッテリーにおける予め定めた閾値Ｚは、０以上のアナログ／デジタル計数であることが好ましい。コントローラー２１は、バッテリー温度が不変であるか又はＴＥＭＰ１とＴＥＭＰ２との間で下降（図６（Ｂ）参照）したかをチェックしていることが、当業者には理解できるであろう。予め定めた閾値Ｚは、約０．０３８℃であることが好ましい。
【００３４】
ＴＥＭＰ１とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ１−ＴＥＭＰ２）が閾値Ｚより低い場合は、コントローラー２１はＴＥＭＰ２をＴＥＭＰ１として記憶し（ＳＴ１５）、新たなバッテリー温度ＴＥＭＰ２を感知する（ＳＴ１３）。
【００３５】
ＴＥＭＰ１とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ１−ＴＥＭＰ２）が閾値Ｚ以上、すなわち閾値Ｚに等しいか又は閾値Ｚを超えている場合は、コントローラー２１はバッテリー温度（ＴＥＭＰ３）を再び感知する（ＳＴ１６）。コントローラー２１は、次にバッテリー温度ＴＥＭＰ３とＴＥＭＰ２とを比較して、その差（ＴＥＭＰ３−ＴＥＭＰ２）と予め定めた閾値Ａとの大小関係を判定する（ＳＴ１７）。当業者は、コントローラー２１が温度変化速度の特定に有効であることが理解できるであろう。
【００３６】
ＮｉＣｄバッテリーにおける予め定めた閾値Ａは、１以上のアナログ／デジタル計数であることが好ましい。当業者には、コントローラー２１が、バッテリー温度が不変であるか又はＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３との間で上昇（図６（Ｂ）参照）したかをチェックしていることが理解できるであろう。予め定めた閾値Ａは、約０．０７７℃であることが好ましい。
【００３７】
ＴＥＭＰ３とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ３−ＴＥＭＰ２）が閾値Ａより低い場合は、コントローラー２１はＴＥＭＰ３をＴＥＭＰ１として記憶し（ＳＴ１９）、新たなバッテリー温度ＴＥＭＰ２を感知する（ＳＴ１３）。
【００３８】
ＴＥＭＰ３とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ３−ＴＥＭＰ２）が閾値Ａ以上、すなわち閾値Ａに等しいか又は閾値Ａを超えている場合は、コントローラー２１は、温度変化速度方式による終了操作を不能にする（ＳＴ２０）。選択的に、コントローラー２１は、絶対温度方法のような温度基準の他のいかなる充電方法も不能にすることができる。実際に、このような２重構造方式は、バッテリー温度が不変であるか又は連続的に下降しているとき（すなわち充電操作開始時の典型的な温度カーブ（図３参照）であるとき）には、温度基準の充電終了方式が不能にされることを防止する。
【００３９】
比較ステップＳＴ１４及びＳＴ１７は、同じの結果を得るために、論理的に反対に定義されてもよいことが、当業者には理解できるであろう。換言すれば、コントローラー２１は、ＴＥＭＰ１とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ１−ＴＥＭＰ２）が閾値Ｚ以上であるかどうかをチェックすると言うよりも、ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ１との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ１）が予め定めた閾値Ｚ’以下であるか、すなわち閾値Ｚ’に等しいか又は閾値Ｚ’より低いかどうかをチェックできるのである。当業者は、閾値Ｚ’は閾値Ｚ以下となり得ることが理解できるであろう。
【００４０】
同様に、コントローラー２１は、ＴＥＭＰ３とＴＥＭＰ２との間の差（ＴＥＭＰ３−ＴＥＭＰ２）が閾値Ａ以上であるかどうかをチェックすると言うよりも、ＴＥＭＰ２とＴＥＭＰ３との間の差（ＴＥＭＰ２−ＴＥＭＰ３）が予め定めた閾値Ａ’以下であるか、すなわち閾値Ａ’に等しいか又は閾値Ａ’より低いかどうかをチェックできるのである。当業者は、閾値Ａ’は閾値Ａ以下となり得ることが理解できるであろう。
【００４１】
当業者は、異なる実施形態が、独立的に、連鎖的に又は同時に実行可能であることもまた理解できるであろう。
【００４２】
当業者は、本願明細書に開示された手段又はステップについて他の選択的又は付加的な発明を認めることができるであろう。しかし、これら付加的又は選択的な発明の全ては、本発明と等価とみなされるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】異なる種類のバッテリーパックを受容する充電器を示した図である。
【図２】バッテリー充電器の回路の概要図である。
【図３】空気流に影響されないバッテリーパックの電圧及び温度カーブを示すグラフである。
【図４】空気流に影響されるバッテリーパックの電圧及び温度カーブを示すグラフである。
【図５】（Ａ）本発明による充電操作の第１の実施形態のフローチャート、
（Ｂ）本発明による充電操作の第１の実施形態において、温度カーブの一部を示す図である。
【図６】（Ａ）本発明による充電操作の第２の実施形態のフローチャート、
（Ｂ）本発明による充電操作の第２の実施形態において、温度カーブの一部を示す図である。
【符号の説明】
１０…バッテリーパック
１５…温度感知装置
２０…充電器
２１…コントローラー
２４…ファン

Claims (12)

1. バッテリー充電方法であって、
   バッテリーに電流を供給するステップと、
   第１及び第２バッテリー温度を感知するステップと、
   前記第１及び第２バッテリー温度の間の第１温度変化速度を特定するステップと、
   第３バッテリー温度を感知するステップと、
   前記第２及び第３バッテリー温度の間の第２温度変化速度を特定するステップと、
   前記第１温度変化速度が予め定めた正の第１閾値以上でありかつ前記第２温度変化速度が予め定めた負の第２閾値以下であるときに、温度基準方式に基づく前記充電方法の終了操作を不能にするステップと、
   を有するバッテリー充電方法。
2. 前記バッテリーがサーミスターを有する請求項１に記載の方法。
3. 前記サーミスターが空気流の外側にある請求項２に記載の方法。
4. 前記サーミスターが空気流の内側にある請求項２に記載の方法。
5. 前記予め定めた第２閾値の絶対値が、前記予め定めた第１閾値の絶対値の約２倍の大きさである請求項１に記載の方法。
6. 前記温度基準方式が、温度変化速度終了方式又は絶対温度方式である請求項１に記載の方法。
7. バッテリー充電方法であって、
   バッテリーに電流を供給するステップと、
   第１及び第２バッテリー温度を感知するステップと、
   前記第１及び第２バッテリー温度の間の第１温度変化速度を特定するステップと、
   第３バッテリー温度を感知するステップと、
   前記第２及び第３バッテリー温度の間の第２温度変化速度を特定するステップと、
   前記第１温度変化速度が予め定めた負の第１閾値以下でありかつ前記第２温度変化速度が予め定めた正の第２閾値以上であるときに、温度基準方式に基づく前記充電方法の終了操作を不能にするステップと、
   を有するバッテリー充電方法。
8. 前記バッテリーがサーミスターを有する請求項７に記載の方法。
9. 前記サーミスターが空気流の外側にある請求項８に記載の方法。
10. 前記サーミスターが空気流の内側にある請求項８に記載の方法。
11. 前記予め定めた第２閾値の絶対値が、前記予め定めた第１閾値の絶対値の約２倍の大きさである請求項７に記載の方法。
12. 前記温度基準方式が、温度変化速度終了方式又は絶対温度方式である請求項７に記載の方法。

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