JP4246399B2 - 電池セルの維持充電のシステム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
関 連 出 願
本出願は１９９９年３月１７日出願の“リチウムイオンセルの維持充電（Maintenance Charging of Lithium Ion Cells）”という名称の米国仮特許出願シリアル番号第６０／１２４，７２６号の優先権に関し、その優先権を主張しており、ここで、その開示全体を参照によって組み込む。
【０００２】
背 景
本発明は電池の充電に関し、特に、リチウム−イオンやリチウム−ポリマ電池セルのようなリチウムベースの電池セルの維持充電に関する。
【０００３】
例えば、移動電話、ラップトップコンピュータ、ビデオカメラなどのような携帯型電子機器は、電力を機器に供給するために１つ以上の電池セルを必要とする。電池セルには限られた充電期間があり、定期的に外部の充電器に接続して再充電されねばならないことが良く知られている。外部充電器は安全にかつ効率的な方法で電池セルを再充電するロジック命令を含んでいても良い。或いは、その電子機器は、電池セルの充電過程を制御してその電池セルが、電池をそのままつけた電子機器全体を適当な電源に接続することによって再充電されるために、ロジック命令を含んでいても良い。そのロジック命令は汎用プロセッサで動作するソフトウェアで実現されても良いし、或いは、アプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）に常駐しても良い。
【０００４】
いくつかのタイプの電池セルが現在のところ、携帯型電子機器に対して利用可能であり、これらにはニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）、ニッケル金属水素（ＮｉＭＨ）、リチウム−イオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）が含まれている。リチウム−イオンは、通常、正の電極（例えば、カソード）としてリチウム酸化金属化合物を、そして、炭素ベースの負の電極（例えば、アノード）を用いる比較的新しい技術である。電池の充電と放電とは、カソードとアノードとの間のリチウムイオンの移動と、ドーピングとディドーピングによる電子の交換によって発生する。これらの電子が、電子機器に電力を供給するのに用いられる電流を表すものである。リチウムイオン電池のシステムは、ニッケルをベースとする電池システムにまさる多くの利点をもっている。例えば、リチウムイオン電池のシステムは重量当りはるかに高いエネルギー密度をもつ。従って、リチウムイオン電池システムはニッケルをベースとする電池システムに比べてはるかに軽量で長寿命である。加えて、リチウムイオン電池システムではセルメモリ効果（即ち、その電池が最も最近に充電されたその充電レベルを越えての充電に抵抗する電池セルの傾向）がない。
【０００５】
たいていのリチウムイオン電池セルの充電器は、まずその充電器が定電流で動作し、それから定電圧で充電を終了するという２つのフェーズの充電過程を用いている。この過程は“定電流−定電圧”（“ＣＣ−ＣＶ”）充電として言及される。その充電過程の第１のフェーズでは、そのセルがその最大電圧に近づくまで、定電流がリチウムイオン電池に印加される。第２のフェーズでは、その電池が満充電されるまで、満充電セルの電圧に等しい定電圧がその電池に印加される。
例えば、米国特許第５，２３７，２５９号は定電圧電源による２次電池の充電方法を開示している。第１の充電工程では、その２次電池は、その電池が所定の電圧レベルに達するまで充電される。第２の充電工程では、その電池は所定の時間充電され、そうすると充電が終了する。もし、電池電圧が最大電圧Ｖ_pから所定の電圧Ｖ_tまで降下するなら、その最大電圧Ｖ_pまで電池を回復させるために、その電池が所定の時間充電される。
欧州特許公開公報（EP-A）０５７９９４６号は、主電力充電器（１）と負荷（３）との間の２つのワイヤ線に接続された再充電可能な電池（２）を開示している。時限緩和（timed relaxation）フェーズが、充電或いは放電電流を測定する電流計（５）に接続されたフィードバック調整器（４）により、その動作中に導入される。動作フェーズはタイマ（６）により制御され、その結果、充電電流は、例えば、５日間、好適には毎月の間隔で、ゼロに落とされる。Ｄ２は連続的な循環的な動作或いは引き伸ばされた過充電における容量の徐々な損失が回避されることを主張している。
国際特許公開公報（ＷＯＡ）９８１２７９１号は移動電話の電池の急速充電を可能にするシステムと方法を含むポータブル電話を記載している。
リチウムイオン電池は一般に２００から１０００回の充電サイクルにわたる有用な寿命をもっている。その電池がその最大電圧まで満充電されるたびごとに、その電池の有用な寿命は短くなる。従って、その有用な寿命を短くする電池に満充電を行うことなく、その電池セルの容量の高い割合を維持するリチウムイオン電池セルを充電するシステムと方法について、この技術分野での必要がある。本発明は新しい充電技術を用いてこの必要を扱う。
【０００６】
加えて、移動電話を含む移動通信機器におけるリチウムをベースとした電池セルの利用により、いくつかの特別な設計について考慮する。
【０００７】
まず最初に、市場需要は、移動電話が物理的に非常にコンパクトであることを要求している。さらに、多くのユーザは高機能を電池の充電器に組み込むのに必要とされる付加的なコストに金銭を払いたくはない。現在のところ、多くの移動電話は、その電話に接続される電池を充電する電流と電圧とを規制するＡＳＩＣを含んでいる。従って、その電話の電池は、電池をそのままつけた移動電話全体を“ダム（dumb）”電源に接続することによって再充電され、その電話のＡＳＩＣにおけるロジック命令がその充電過程を制御する。電池が十分に充電されたとき、電話のスイッチがその電話を電源から切り離し充電過程を終了させる。この設計によって必要なスイッチは、移動電話の貴重な空間を消費する。
【０００８】
従って、高機能な充電器を必要とせず、高度に空間を効率的に利用できるリチウムイオン電池を充電するシステムと方法について、この技術分野ではさらなる必要がある。本発明は、移動電話で用いられるリチウムをベースとする電池セルの維持充電を可能とする新しい充電システムと技術とを利用する。
【０００９】
要 約
本発明は、充電セルについての新しい充電技術を提供することにより、前述の必要を扱う。本発明によれば、電池は、基準電圧Ｖ_Rに非常に近似した維持充電電圧（Ｖ_M）を印加することにより維持充電される。好ましくは、Ｖ_Rは自己放電による経時的な電池電圧の損失を反映する関数であり、そして、Ｖ_MはＶ_Rよりわずかに低くあるように選択される。都合の良いことであるが、電池は、上述したように、その電池の有用な寿命を短くする原因となる最大電圧レベルへの電池の充電を行うことなく、維持充電される。従って、本発明のシステムと方法は電池の有用な寿命期間に対して積極的に寄与する。
【００１０】
１つの側面からすれば、本発明は電池を充電する方法を有する。その方法は、その電池を所定の充電レベルにまで充電する工程と、第１の維持電圧をその電池に第１の所定時間、印加する工程とを有し、第１の維持電圧は所定の基準電圧未満であることを特徴とする。その電池が所定の電圧に達するまでその電池に定電流を印加し、それから、その電池が所定の充電レベルに達するまで定電圧を印加することにより、その電池を所定の充電レベルにまで充電しても良い。その発明はさらに、維持電圧が所定の基準電圧未満に留まるように、所定時間、その維持電圧を反復的に下げることを考えている。従って、本発明によれば、第２の維持電圧を電池に第２の所定時間、印加しても良く、その第２の維持電圧は所定の基準電圧未満である。
【００１１】
もう１つの側面からすれば、本発明は、移動通信機器であって、情報ストリームを搬送する電磁波信号を送受信する手段と、電力をその機器に提供する移動通信機器に接続可能な電池セルと、その電池セルに充電する充電コントローラとを有し、その充電コントローラはその電池セルを維持充電する手段と交信することを特徴とする移動通信機器を提供する。好適な実施形態では、その電池セルを維持充電する手段は、第１の所定時間、その電池セルに第１の所定の維持電圧を印加するロジックを有する。
【００１２】
さらにもう１つの側面からすれば、本発明は電池セルに充電する装置を提供する。その装置は、電流源と、タイマと、その電池セルを充電する充電コントローラと、第１の所定時間、その電池セルに第１の維持電圧を印加する維持充電コントローラとを有し、第１の維持電圧は、満充電状態において、その電池セルの電圧未満であることを特徴とする。
【００１３】
詳 細 な 説 明
当業者であれば、本発明が、例えば、移動電話や携帯型コンピュータを含む再充電可能な電池を用いる全ての機器に適用可能であることをすぐに認識するであろう。加えて、本発明は特に、リチウムイオン電池セルやリチウムポリマー電池セルに適用可能であるが、等しく他のタイプの電池セル（例えば、ニッケル−カドミウム、ニッケル金属水素）にも適用可能であることが認識されるであろう。しかしながら、限定というよりはむしろ、例示的な目的のため、次の検討では、本発明の適用として移動電話で用いられるリチウムイオン電池を維持充電することを図示する例が備えられる。
【００１４】
図１は本発明の特徴に従うリチウムイオン電池セルを充電する方法１００を描写したフローチャート図を示している。図１において、ステップ１１０では、定電流が電池セルに印加される一方、その電池セルへ流れ込む電力の電圧は変化することが許されている。電池セルへと流れる定電流の大きさは本発明には厳格なものではなく、ＡＳＩＣで実施される充電コントローラによって調整されても良い。リチウムイオン電池充電システムは一般には電池セルに、例えば、０．１ｃから１．０ｃの間にわたる定電流を加えるように設計されており、Ｃとはセル容量である（例えば、５００ｍＡｈのセルは５４０のＣ−レート（rate）をもつ）。電流量は、例えば、温度のような動作条件に応じて調整されても良い。ステップ１２０では、充電コントローラは電池セルの電圧を監視し、そして、その電池セルの電圧が所定の閾値に達したとき、その充電コントローラはその動作モードを変更して電池セルの最大電圧におおよそ等しい定電圧を印加する（ステップ１３０）。このフェーズでは、充電コントローラはセルへの電流の流れを監視する。電池セルに流れる電流が所定の閾値未満であるとき（ステップ１４０）、その電池セルは満充電であると考えても良い。当業者であれば、ステップ１１０から１４０をリチウムイオン電池セルについてのＣＣ−ＣＶ充電ルーチンの変形として認識するであろう。従来のＣＣ−ＣＶ充電ルーチンはステップ１４０の後、その充電過程を終了する。これとは反対に、本発明は電池セルが十分に充電された後、維持充電ルーチン１５０を開始する。
【００１５】
維持充電ルーチン２００の１つの代表的な実施形態は図２に図示されている。図２において、ステップ２２０では、充電コントローラは、第１の所定時間、電池セルに対して、第１の維持電圧（Ｖ_m,1）を印加するように指示される。Ｖ_m,1は、好ましくは、所定の基準電圧Ｖ_refよりもわずかに小さいように選択される。好適な実施形態では、Ｖ_refは第１の期間、電池セルについて予期される電圧レベルに対応している。第１の期間が過ぎると（ステップ２２０）、充電コントローラは、第２の所定時間、電池セルに対して、第２の維持電圧（Ｖ_m,2）を印加するように指示される。Ｖ_m,2は、好ましくは、電圧Ｖ_m,1よりもわずかに小さく、また、第２の期間、電池セルについて予期される電圧レベルよりもわずかに小さい。その第２の期間の終了後（ステップ２４０）、その充電コントローラは充電ルーチン１００を開始してＣＣ−ＣＶ充電ルーチンを開始するように指示される。
【００１６】
図３は、図１〜２で呈示された方法に従って、代表的なリチウムイオン電池セルへの維持充電を描写するグラフを示している。ボルトが垂直（例えば、“Ｙ”）軸にプロットされ、時間が時の単位で水平（例えば、“Ｘ”）軸にプロットされている。電池セルの電圧はプロット３１０で示され、電池セルに印加される電圧はプロット３２０で示されている。図３に描写された実施形態では、電池セルは、図１に描写されたＣＣ−ＣＶ充電方法を用いて４．２Ｖに充電される。プロット３１０で示されているように、電池セルの電圧レベルは、自己放電曲線としても言及され、最初は急速に、その後ははるかに緩やかに減衰する対数的な曲線に従う。図３に描写された実施形態では、充電コントローラは６０時間、電池セルに４．１５ＶのＶ_m,1、その後、２００時間、４．１０ＶのＶ_m,2を印加するよう指示される。図３に描写されたグラフは特に、リチウムイオン電池セルの維持充電に適している。
【００１７】
図２〜３は２つの離散した維持電圧（Ｖm,1，Ｖm,2）が２つの別々の期間に電池セルに印加されるという本発明の１つの実施形態を図示している。本発明は、所定の期間、自己放電曲線に基づいて、その期間に電池に予期される電圧レベルよりわずかに小さい維持電圧を電池セルに印加することにより電池セルへの維持充電を行うことを考えていることが認識されよう。当業者であれば、多くの期間が電池の自己放電曲線の傾きとハードウェアによる制限（例えば、充電コントローラの電圧出力感度）に基づいて選択されることが認識されよう。最も単純な実施形態では、本発明は維持充電全期間の間、その電池セルに単一の維持電圧を印加する。より複雑な実施形態では、ハードウェアによる制限がないと仮定すれば、本発明は維持充電期間を無限に短い時間に区分けして電池セルの自己放電曲線をよく近似する滑らかな曲線に従うことになる。
【００１８】
電池セルの自己放電曲線は実験的に測定されても良い。しかしながら、多くの電池ベンダーはこの情報を公開している。維持充電ルーチンの適切なパラメータが電池セルの自己放電曲線と電子機器に用いられている充電コントローラの能力とを調べることにより決定されても良い。
【００１９】
図４は本発明に従って使用されるのに適切な移動電話のアセンブリ４００の斜視図を示している。電話４１０は機器を内蔵する前面シェル４１２とベースシェル４１８とを含む。シェル、カバー、フレーム要素という用語はこの開示を通して互いに置き換え可能なものとして用いられる。前面シェル４１２は表示画面ウィンドウ４１４、複数のキー孔４１６をもつキーパッドエリアを含む。内部の構成要素（不図示）は一般にプリント回路基板、キーパッドアセンブリを含み、これらは前面シェル４１２とベースシェル４１８との間に包み込まれる。移動電話アセンブリの例示的な例はここで参照により組み込まれる次の文書、即ち、米国特許第５，８６７，７７２号、及び第５，８３８，７８９号に開示されている。電話４１０のプリント回路基板は、数ある中で、マイクロプロセッサ、及び付随メモリを含み、また、電池セル充電過程を制御するＡＳＩＣを含む。
【００２０】
１つの実施形態において、本発明の維持充電方法は、プリント回路基板に付随したメモリに格納され、プリント回路基板に付随したマイクロプロセッサで動作するロジック命令（例えば、ソフトウェア）を用いて実施されても良い。或いは、そのソフトウェアは電池充電器に組み込まれたプロセッサで実施されても良い。そのマイクロプロセッサで動作するソフトウェアは、移動電話４１０が電気的に電流源に接続され、充電サイクルを開示したときを検出する。そのソフトウェアはタイマをセットし、そして、電池セルが十分に充電されたとき、そのソフトウェアは充電コントローラに命令をだして、第１の所定期間、その電池セルにＶ_m,1を印加、それから、第２の所定期間、その電池セルにＶ_m,2を印加する。その時点で、満充電サイクルが再起動されても良い。ここで提供される説明に基づいて、そのようなコードを実現することは、当業者の能力の範囲内にあることである。
【００２１】
移動電話が電気的に電流源に接続されて用いられているとき、その電話は始めにＣＣ−ＣＶ充電アルゴリズムを用いてその全容量まで充電される。一度、満充電されたなら、維持充電アルゴリズムが開始される。その電話セルの電圧が充電コントローラによって印加される維持電圧より低くに決して降下しないなら、電荷は電池に流れ込むことはできない。従って、その充電器は電池セルに対しては“オフ”に見える。しかしながら、その電池セルの電圧が充電コントローラによって印加される維持電圧より低くに降下するなら、電流が電池の中に流れ込み、電池に維持充電を行う。
【００２２】
本発明は電池セルをその全容量まで充電する再充電技術によるいくつかの利点を提供している。第１に、本発明の技術は電池電圧を最大限にすることはないので、これらの技術は電池セルの長寿命化に貢献する。第２に、充電コントローラは充電電圧を電池セルの最大電圧（即ち、電池セルが満充電されるときの電圧レベル）よりも低いレベルに抑え、これにより電池セルへの電流の流れを止めるので、移動電話は電池セルへの電流の流れを遮断するスイッチを含む必要がない。これにより、移動電話のプリント回路基板の費用と空間が節約される。本発明はまた、移動電話を基地局に登録し、或いは／及び認証するために、その移動電話に必要な相対的に高電流を分配する、より高価な充電ユニットの必要性を排除している。満充電後には電池との切断を行うスイッチを用いる従来の充電技術は、その電話を登録し、或いは／及び認証するのに必要な電力を生み出す充電ユニットを必要とする。これは充電器のコストと複雑さを高める。本発明の充電技術を使用すれば、電池が切断される必要はない。それ故に、移動電話はその電力を充電器よりむしろ、電池から引き出すことができる。
【００２３】
図５は本発明を図示する模式的な回路図を示している。図５において、電源はその回路図のＡ点において入力電圧を印加する。その精密な入力電圧が本発明には重要なものではない。なお、たいていの商用電池充電器は最大６ＶのＤＣ電力を提供する。Ａ点とＢ点との間のＦＥＴ５２０は回路５１０によって制御されてＡからＢへの電力の流れを調整する。ＦＥＴ５２０は線形調整器として機能し、最大で０．５Ｗ〜０．７Ｗの電力を生み出すことができる。回路図のＣ点における電圧は電池電圧に対応している。回路５１０はＣ点における電圧を所定の時間間隔（例えば、毎秒１回）でサンプルする。ＢとＣの間の抵抗５３０によりその回路が電池セル５４０へと流れ込む電流を検出できる。負荷５５０は電子機器（例えば、移動電話）のＧＳＭ機能により電池５４０にかかる電気的な負荷を表している。
【００２４】
動作中、電流源はＡ点に供給される。回路５１０はＦＥＴ５２０を調整して、回路５１０が電池セルの満充電電圧に対応するＣ点における電圧を検出するまで、定電流を電池セル５４０に印加する。この時点において、回路５１０はＦＥＴ５２０を調整して、電池セルが満充電となるまで、定電圧を電池セル５４０に印加する。電池セル５４０が満充電となったとき、回路５４０はＦＥＴ５２０を調整して上述のように電池セル５４０に維持電圧を印加する。
【００２５】
上述した代表的な実施形態は、本発明を、限定的というよりはむしろ、全ての点において例示的であるように意図されている。従って、本発明は当業者によりここに含まれている説明から生じる詳細な実施形態において多くの態様が可能である。全てのそのような態様や変形は、請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲と精神の中にあると考えられる。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれらまた他の目的、特徴、及び利点は、添付図面に関連した詳細な説明を読むときに、当業者には容易に明らかとなるが、その図面は以下の通りである。
【図１】 本発明に従う電池セルの充電方法の工程を図示したフローチャートである。
【図２】 本発明に従う電池セルの維持充電方法の工程を図示したフローチャートである。
【図３】 本発明に従う電池セルの維持充電方法の工程を図示したグラフである。
【図４】 本発明のいくつかの特徴に従った移動電話の斜視図である。
【図５】 本発明に従う回路図である。

Claims (12)

1. 電池の充電方法であって、
   （ａ）前記電池を所定の充電レベルにまで充電する工程と、
   （ｂ）第１の維持電圧を前記電池に第１の所定時間、印加する工程とを有し、
   前記第１の維持電圧は、前記第１の所定時間に前記電池に対して予期される電圧として定義される第１の基準電圧未満であり、
   前記第１の所定時間は、前記電池の電圧レベルが前記電池に関連する自己放電曲線の関数に従って急速に低下する初期の時間区間を含む時間として定められることを特徴とする方法。
2. 前記電池を所定の充電レベルにまで充電する工程はさらに、
   前記電池が所定の電圧に達するまで前記電池に定電流を印加し、それから、前記電池が所定の充電レベルに達するまで定電圧を印加する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電池は前記所定の充電レベルの４．２Ｖに充電され、
   前記第１の維持電圧である４．１５Ｖが前記第１の所定時間、前記電池に印加されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の所定時間は、約６０時間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. （ｃ）第２の維持電圧を前記電池に第２の所定時間、印加する工程をさらに有し、
   前記第２の維持電圧は、前記第２の所定時間に前記電池に対して予期される電圧として定義される第２の基準電圧未満であり、
   前記第２の所定時間は、前記電池の電圧レベルが前記電池に関連する自己放電曲線の関数に従ってより緩やかに低下する前記第１の所定時間に続く時間区間を含む時間として定められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記第２の所定時間は、約２００時間であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記印加する工程では、前記第１の所定時間を短い時間区間に区分けし該区分けされた時間区間毎に、前記自己放電曲線により近似される電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 電池セルに充電する装置であって、
   電流源と、
   タイマと、
   前記電池セルを充電する充電コントローラと、
   第１の所定時間、前記電池セルに第１の維持電圧を印加する維持充電コントローラとを有し、
   前記第１の維持電圧は、満充電状態において、前記第１の所定時間に前記電池セルに対して予期される電圧として定義される前記電池セルの第１の基準電圧未満であり、
   前記第１の所定時間は、前記電池セルの電圧レベルが前記電池セルに関連する自己放電曲線の関数に従って急速に低下する初期の時間区間を含む時間として定められることを特徴とする装置。
9. 前記維持充電コントローラはさらに、第２の所定時間、前記電池セルに第２の維持電圧を印加し、
   前記第２の維持電圧は、前記第２の所定時間に前記電池セルに対して予期される電圧として定義される第２の基準電圧未満であり、
   前記第２の所定時間は、前記電池セルの電圧レベルが前記電池セルに関連する自己放電曲線の関数に従ってより緩やかに低下する前記第１の所定時間に続く時間区間を含む時間として定められることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記電流源はＡＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記タイマ、前記充電コントローラ、及び、前記維持充電コントローラは、移動通信機器のプリント回路基板上にあることを特徴とする請求項８に記載の装置。
12. 前記維持充電コントローラは、前記第１の所定時間を短い時間区間に区分けし該区分けされた時間区間毎に、前記自己放電曲線により近似される電圧を印加することを特徴とする請求項８に記載の装置。

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