JP5036556B2 - リチウムイオンまたはリチウムポリマーのバッテリをバランス充電するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、充電の分野に、または再充電可能なバッテリの充電に関し、その目的のために、充電する、あるいはリチウムイオンまたはリチウムポリマーのバッテリのセルを時間的にバランス充電するための方法を有する。

いくつかの構成セルを含んだバッテリの最適な充電は、直列の要素すなわちセルの数が大きいときは特に、解決が困難な問題を引き起こす。

リチウムイオンまたはリチウムポリマーのバッテリのケースでは、これらの問題に、異なる要素またはセルの充電の最適化、ならびに特に過熱または過電圧による過充電したケースでは、前記要素または前記セルの回復不能な劣化のリスクが加わる。

一方、直列にリチウムイオンまたはリチウムポリマーの要素を使用するバッテリでは、充電後の各要素またはセルのキャパシタンス性能が、同一でなく、これらの差が、当該バッテリの寿命の終了まで、充電および放電のサイクルからサイクルで増加することが、知られている。

他方、充電時、リチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリは、過充電されることができず、使用（放電）時、アンダーチャージされることもできないことが知られている。最大保持電圧値は、例としてだけであり限定する意味でなく、リチウムイオンまたはリチウムポリマーバッテリの直列の各要素の過充電では、４．２０ボルトであり、放電を停止させ、それによってバッテリの劣化が防止される保持電位は、２．７０ボルトである。

通常、各リチウムイオンまたはリチウムポリマーの要素またはセルに関して、要素またはセルの端子における電圧は、当該要素またはセルに蓄えられたキャパシタンスのイメージである。この電圧指標は、アンペア／時またはワット／時でのキャパシタンスの正確な値を与えないが、この電圧の測定時の当該要素のキャパシタンスのパーセンテージを与える。

添付図面の図１に、リチウムイオン要素の端子において、そのキャパシタンスに対する電圧の推移を表すカーブを示す（一定電流による放電カーブのケースでは、時間は、当該リチウムイオン要素に蓄えられたキャパシタンスのパーセンテージに比例し、０秒→９５％（４．１２９ボルト）、６．１５０秒→５０％（３．７６０ボルト）、および１２．３００秒→０％（３．６００ボルト）である）。このカーブのかなりの部分において、急に低下する前では、キャパシタンスは、実質的に線形であることに留意すべきである。リチウムイオン要素またはセルの充放電の動作を制御するために、動作は、実質的に線形部分において実施され、それによって電圧がキャパシタンスのイメージになることを肯定することが可能になる。

３つの前述の点で推移される指標が与えられた場合、直列の３つから４つよりも多いリチウムイオンまたはリチウムポリマーの要素から構成されたバッテリでは、バッテリの充電は、もっとも高く充電された要素が４．２０ボルトに到達したときに停止され、それとは反対に放電中では、放電は、もっとも小さいキャパシタンスの要素が２．７０ボルトの電圧に到達したときに停止され、それゆえ、バッテリのキャパシタンス全体を左右するのは、最小キャパシタンスを有した要素であることを確かめることができる。これによって、バッテリが多数の要素を直列で有するとき、バッテリの全てのキャパシタンスは使用されないというリスクが、実在することを理解することができる。というのは、バッテリの全キャパシタンスを限定するように決めるのは、最小容量の要素であるからである。さらに、この現象は、充電／放電サイクルが累積するにつれて、悪化する。

このバランスのとれていない充電の現象は、基本的に、バッテリの構成要素間のキャパシタンスおよび内部抵抗の差によって引き起こされ、これらの差は、リチウムイオンまたはリチウムポリマーの要素の製造品質の変動から生じる。

使用コストにとって極めて重要である、長期にわたってバッテリのキャパシタンスを最適化するために、充電を停止する前に、バッテリの全ての要素または全てのセルを再バランス化することによって、上記に述べた問題を克服することが必要である。このバランス化によって、それらのキャパシタンスがどうであれ、全ての要素の１００％の充電が可能になる。

技術の現状では、このバランス化は、１００％、すなわち、この要素が４．２０ボルトの電圧に到達するときまで充電されるように、要素の充電電流を誘導することによって、充電終了時に行われる。したがって、要素は、それら要素が４．２０ボルトに到達したとき、そのように停止され、したがって充電動作の終了時に要素すべての１００％の充電が、達成される。

しかし、充電の終了時における、この知られたバランス化技術は、著しい欠点を有する。

すなわち、これらのバランス化システムは、その結果生じる電流の散逸を可能にするために、かなりの大きさの抵抗が必要になり、これは、バランス化システムが、バッテリの要素が極めてアンバランスであるときに起きる、充電電流がさらにより多いときの動作に入るときに、ますますそうなる。

さらに、この大きいパワー散逸は、その結果温度上昇を引き起こし、温度上昇は、誘導抵抗を集積したコンパクトなバッテリのケースでは、厄介なことになる。

さらに、充電動作の終了に向かって大きな充電電流を注入するにもかかわらず、バッテリは、充電状態の終了が達成されたとき、バランス化されないはずである。

さらにまた、リチウムイオンバッテリおよびリチウムポリマーバッテリは、それらの性質および貯蔵エネルギーのそれらの量を考慮すると、セルが最大レベルまで実際に充填されている充電の終了時に潜在的に危険なことがあることにも留意されたい。

したがって、電荷のないセルをバランス化するために、この条件およびこの状況において大きな充電電流を加えることは、当該要素の過熱を引き起こし、極端な場合、これらの要素が爆発することになることがある。

最後に、大きな充電電流を加えることにより、バッテリのセルの経時変化が加速され、それゆえその性能が低下する。

さらに、高パワー用途において、特に完全な再充電では、バッテリの充電時間が長く、極めて長くなることすらある。したがって、放電の２つの段階間の有効充電時間が、短すぎて充電動作を終了せず、したがって充電が中断される一方で、要素またはセルの間のアンバランスはなお補償されないことが、しばしば起こる（従来技術による、充電終了時にシステムのバランス化が存在するケース）。また、この現象の繰り返しによって、当該バッテリ性能が、急速に劣化させられる。

本発明は、その目的のため、言及した利点を有し、かつ現状技術に関して上で言及した欠点を克服する、最適化された充電のための解決策を提案する。

このために、本発明は、その目的のため、ｎ≧２であり、ｎ個のセルが、リチウムイオンまたはリチウムポリマーのバッテリを構成し、かつ直列に結合され、各セルが、並列に搭載された１つ以上の要素を備える、ｎ個のセルのバランス充電のための方法を有し、この方法は、各充電動作について、当該充電動作の開始に続く瞬間ｔ_１から、この充電動作の正常な終了または予測される中断まで、異なるセルの充電レベルの監視を連続的または周期的に実施するステップと、前記充電レベルの評価に応じて、異なる全てのセルに均等に給電すること、または異なるセルの充電電流レベルに応じて差異がつけられた方法でこれら異なるセルに給電することによって、前記異なるセルの前記充電レベルをバランス化することのいずれかを実施するステップとを含むことを特徴とする。

バッテリの異なるセルの中央充電が行われる瞬間ｔ_１は、製造業者によって固定されることができ、あるいは生産後に１回調節する結果とすること、または所望であれば使用者または訓練された人（専門の保全担当者）によって調節可能とされることができる。

瞬間ｔ_１が、充電動作の開始の瞬間ｔ_０に近くなると、異なるセルの充電のレベルが、迅速にバランス化および均等化され、したがって特に正常な終了の前に充電を中断する場合（充電の事故、誤作動、使用者による充電の故意の終了など）、重大な不均等が回避されることが極めて明らかである。

したがって、様々な考慮事項が与えられると、瞬間ｔ_１は、充電動作の開始に続いて、充電手段およびセルの試験をある回数の実施した直後に固定されることができる。

しかし、異なるセルが非常に類似した特徴を有するとき、および／または時間の制約が充電に必要ではないとき、瞬間ｔ_１は、バッテリのセルの理論的な最大充電時間の一部だけ瞬間ｔ_０から時間がずれ、それにより、異なるセルが最終的にバランス化される制御された給電段階、ならびに異なる連続する測定、評価、および差異をつけられた給電の動作のサイクル数を限定する。

最後に、瞬間ｔ_１は、バッテリが新しいとき、充電または再充電の開始の瞬間ｔ_０から比較的離れていることによって、およびバッテリの寿命の終了時にこの瞬間ｔ_０により近いことによって（一般的には、数百の充電／放電サイクル後）、バッテリの使用期間の過程において変化することも提供することができる。

したがって、高品質の新しいバッテリでは、それを構成する異なるセルは、一般的には、実質的に同様の特徴および特性を有する。

その結果、異なるセルの充電は、半バランス化方式で行われ、差異がつけられた給電によるわずかなバランス化のみが、充電の終了時に必要である。

しかし、バッテリが経時変化するにつれ、新しいときに実質的に同様のセルを有するバッテリでさえ、その特徴および特性が互いに実質的に異なり、充電中に補償またはバランス化がない場合、充電の終了時に大きく変動可能な充電レベルをもたらすセルになる。この場合、本発明によるバランス充電は、充電の早期段階に、実際的には充電または再充電動作の開始直後でさえ開始される。

したがって、所望であれば、たとえば各その後の充電動作で時間間隔ｔ_１−ｔ_０を短縮することによって、本発明によるバランス充電の瞬間ｔ_１の自動修正を提供することができ、それにより、ｔ_０とｔ_１の間の充電は、異なるセルの給電を制御およびおそらくは調節せずに、従来の方式で行うことができる。

また、初期値ｔ_１またはこの値の決定を可能にするパラメータを表示または固定して、新しいバッテリの使用の開始時、または製造業者によるバッテリの出荷前に試験を提供することもできる。

したがって、間隔ｔ_１−ｔ_０は、たとえば実際的には数秒から、バッテリ充電の理論的な全所要時間の１０分の数パーセントまで、変化することがある。

上で言及した方法のステップは、技術的に異なる２つの実施によって、２つの異なる方法で実施することができる。

したがって、本質的にアナログ技術に基づいた解決策を使用して、充電レベルの監視が、連続して実施され、最大と最小に充電されたセルの間の充電レベルの差が、瞬間ｔ_１の後、所定の閾値を越えるとすぐに、およびそうである限り、差異がつけられた給電が、実施される。

要求された充電レベルのこの平衡状態を確認するケースでは、変形実施形態として、信号のデジタル処理およびデジタル処理ユニットによる方法の管理を使用する好ましい解決策を使用して、充電レベルの監視が、繰り返される測定、および予め規定された時間の間に与えられる差異がつけられた給電によって実施される。

この第２の解決策によって、方法を実行するために必要な材料およびソフトウェア実装を共に簡単化することが可能になる。

この第２の解決策については、方法は、好ましくは、バッテリの各セルに次々と、バッテリの全充電時間のわずかな期間中順次に、当該セルの充電レベルを新たに評価することと、その後に、当該セルの充電レベルに応じて、およびバッテリの他のセルの全ての充電レベルに関して、均等にまたは差異がつけられて給電することとを含むシーケンスを起動するステップを含み、起動するステップが、すべての充電動作中、瞬間ｔ_１で始まる、繰り返しサイクルにしたがうものである。

本発明の有利な実施形態によれば、前記方法は、瞬間ｔ_１から、デジタル処理ユニットの管理下で少なくとも以下の動作の実行を含み、すなわち、
定期的な間隔で行われることが好ましい、エネルギー量を示すパラメータを測定することによって、各セルに蓄えられたエネルギー量を評価する動作と、
評価された異なるエネルギー量、または測定されたパラメータの異なる値を比較解析する動作と、
充電がもっとも遅れたセル、場合によっては、充電がもっとも進んだ１つ以上のセルを決定する動作と、
直列に搭載された異なるセルに均等な方法で、あるいは充電がもっとも遅れたセル以外のセル、またはもっとも進んだセルのレベルで前記電流のすべてまたはその一部を誘導することによって、充電がもっとも遅れたセル以外のセル、またはもっとも進んだセルには充電電流の限界を設けて、給電する動作と、
バッテリの充電終了状態、または故障（ｄｅｆａｕｔ）、機能異常、または許容閾値を越えたことの検出が得られるまで、異なる前記動作を連続的に繰り返す動作とである。

出願人の実験および研究によって、この連続的なバランス化方法が、バッテリを構成する要素またはセルすべてを、所与の充電の瞬間において同じパーセンテージで充電させ、したがってバッテリを構成する要素すべてについて、正常な充電の終了時に１００％の容量に到達させ、これは、それらセル自体のキャパシタンスに無関係であることが示された。

同様に、正常な終了前に充電動作を中断する場合、すべてのセルについて実質的に同一である充電レベルが保証される。

本発明は、非限定的な例としてのみ与えられ、添付概略図面を参照して説明される好ましい実施形態に関する以下の記述からよりよく理解される。

本発明は、その目的のため、リチウムイオンまたはリチウムポリマーのバッテリ２を構成し、直列に結合された、ｎ≧２であるｎ個のセル１を充電またはバランス充電するための方法を含み、各セル１は、並列に搭載された１つ以上の要素から構成される。

本発明の有利な実施形態によれば、この方法は、各充電動作に、デジタル処理ユニットの管理下で少なくとも以下の動作の実施を含み、これは、充電の始めの後の瞬間ｔ_１から実施され、すなわち、
定期的な間隔で行われることが好ましい、エネルギー量を示すパラメータを測定することによって、各セル１に蓄えられたエネルギー量を評価する動作と、
評価された異なるエネルギー量、または測定されたパラメータの異なる値を比較解析する動作と、
充電がもっとも遅れたセル１、場合によっては、充電がもっとも進んだ１つ以上のセル１を決定する動作と、
直列に搭載された異なるセル１に均等な方法で、あるいは充電がもっとも遅れたセル以外のセル１、または充電がもっとも進んだセル１には、充電電流の限界を設けて、これらのセルで、前記電流をすべてまたはその一部を誘導することによって、給電する動作と、
バッテリ２の充電終了状態、あるいは故障、機能異常、または許容閾値を越えたことの検出が得られるまで、異なる前記動作を連続的に繰り返す動作とである。

好ましくは、各セル１で測定され、各セル１に蓄えられたエネルギー量を評価するために使用されるパラメータは、当該セル１の端子における電圧であることである。

上記に示したように、程度が異なる給電限界を設けることができる場合には、充電電流の限界は、所望であれば、最小の充電されたセルに対する充電に先立ち全てのセルに影響を及ぼすことができる。

しかし、さらに、アクティブなバランス化段階を拡大するように、本発明は、好ましくは、もっとも進んだ充電状態（所与の部分期間ｎ中で）の１つ以上のセルだけが、充電の制限（続く部分期間ｎ＋１中で）を受けることを与える。したがって、その充電レベルが、最小に充電されたセルの充電レベルよりわずかに高いだけのセルは、それらの正常な充電が継続される。

一時的に充電の制限を受けるセルと、その制限を受けない（全充電時間の一部の時間の中）セルの間の識別は、たとえば、（最小に充電されたセルの値＋デルタ（Δ））による所与の閾値に対する、これらのセルの充電レベルの状況（値の点で）から、導き出すことができる。

さらに、瞬間ｔ_１からバッテリ充電の全ての間、最大に充電されたセルの充電電流を限定する戦略を採用することによって、前記充電の終了を待つ代わりに、本発明によれば、遅いバランス化のために、バッテリ２の過熱のどんなリスクも避けることが可能になり、充電の終了においてセル１の電圧がバランス化されることが保証される。

さらに、瞬間ｔ_１においてバランス化を開始することによって、および充電動作の次の全段階に沿ってその動作を続行することによって、バッテリが、瞬間ｔ_１の直後および連続する全充電段階中、すなわち正常な終了前に充電を中断するケースでさえも、実質的にバランス化されることを保証することが可能である。

本発明の好ましい特性によれば、充電がもっとも進んだセルの電流の誘導が、それぞれ前記セル１の１つに結合され、前記セル１の１つと並列に搭載された誘導回路４（各セル１に１つの回路４）によって、実施され、前記回路４は、それぞれスイッチング部材５を集積し、場合によっては、電気的エネルギー６を散逸させるための少なくとも１つの構成要素を集積し、それは、調整可能が所望なら、たとえば電気抵抗などである（図２、図３）。

スイッチング部材５は、たとえば、電磁石または電気継電器、バイポーラトランジスタ、あるいは電界効果を有したトランジスタなど、からなる群から選択することができる。

さらに、異なるセル１の充電のバランス化に関連したエネルギーの誘導が、すべての充電の期間の大部分、場合によってはほとんどにわたって割り当てられ、スイッチング部材５、ならびにスイッチング部材５と結合された散逸構成要素６は、最適化されることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、連続的にバランス化することによる充電は、より正確には、バッテリ２の充電すべてにわたり以下の動作を繰り返すことによって、瞬間ｔ_１から実行される。すなわち、
ａ）バッテリ２の全てのセル１を、それらセル１の端子における電圧を測定することによって、逐一精査する動作であって、これは、誘導またはバランス化の抵抗６が接続されない動作と、
ｂ）充電がもっとも遅れたセル１を検出する動作と、
ｃ）充電がもっとも遅れたまたは最小に充電されたセル１に対する、キャパシタンスの差の所定の閾値、たとえば、１０ｍＶの電圧差（ｄＶｓ）に対応した閾値より大きく過充電されたセル１を検出する動作と、
ｄ）閾値より大きく過充電されたことを検出された各セル１に、対応するバランス化抵抗６に個々に接続し、所定の連続した時間の間、たとえば２秒間、当該各セル１の充電電流をたとえば約１０％だけの減少を生じるようにさせる動作と、
ｅ）所定の連続した期間が経過した後、全てのセル１のバランス化抵抗６を切り離す動作と、
ｆ）セル１の電圧の安定化遅延の経過後、ステップａ）からｅ）までを繰り返す動作とである。

バッテリの充電は、このバッテリのセルのアセンブリの全充電電流の大きさが、所定の閾値、たとえば５０ｍＡより低くなったとき、通常停止される。

本発明を実施するための方法の例として、異なる誘導回路４のパワーが、以下の式から得られる値に近くなるように選択される。

ここで、
Ｐｓｄ ｍａｘは、散逸が最適化されたワットで表された最大パワーであり、
Ｖｍａｘ ｃｅｌｌは、充電中にセルの端子で測定された、ボルトで表された最大電圧であり、
％は、充電中埋め合わせすることが望ましい２つのセル間の最大間隔に対応する、パーセンテージで表された比であり、
ＡＨは、Ａｈ（アンペア時）で表されたバッテリの公称キャパシタンスであり、
Ｔｃは、時間で表されたバッテリ充電時間である。

さらに、各セル１の充電を正確で漸進的に調整するために、各セル１の端子における電圧が、対応する測定モジュール７’のアセンブリ７によって正確に測定され、その出力信号が、好ましくはデジタル化された後、デジタル処理ユニット３に送信され、このデジタル処理ユニット３は、次のサイクルで、モジュール７’によって供給された前記信号出力の相対的な推移に応じて、異なる誘導回路４のスイッチング部材５を制御する。

本発明の極めて有利な実施形態によれば、例として図４および図５を参照すると、瞬間ｔ_１から、この瞬間ｔ_１後の全充電動作中、各サイクルループで連続的に実施される、２つの動作半サイクルによって形成された周期的なループで、動作が繰り返される。第１の半サイクルは、次に示す動作、すなわち、異なるセル１の電圧を連続的な読み出す動作と、前のサイクルの充電がもっとも遅れたセル１に対する電圧差（ｄＶ）が閾値（ｄＶｓ）より大きい各セル１のバランス化抵抗６を、時間をオフセットして起動する動作との連続した実行を含む。第２の半サイクルは、次に示す動作、すなわち、異なるセル１のバランス化抵抗６を連続的に切り離す動作と、次のサイクルの第１の半サイクル中での異なるセル１の電圧を読み出す前に、異なるセル１の電圧の安定化の待つ動作とを含む。２つの半サイクルは、実質的に同様の、たとえば約２秒の持続期間を有することが好ましい。

２つの半サイクルの動作の周期的繰り返し（たとえば４秒のサイクル期間を有する）のため、瞬間ｔ_１からバッテリ２のすべての充電手順中、すなわち充電の終了事象または安全性情報の発生まで、すべてのセル１（およびこれら各全てのセルを含んだ１つ以上の要素）は、いつでも、キャパシタンスのばらつきが少なく（というのは、セル間に一定電荷が接続されるので）、最適な方法でそれらの最大性能を回復する。

さらに、本発明による方法によれば、充電の始めにおいて、セル１間の大きな充電差を受け入れることが可能になり、瞬間ｔ_１とバッテリ２の充電手順の終了の間の期間にわたって、「調整」またはバランス化が、割り当てられる。

第１の変形実施形態によれば、最大電圧を有したセル１の電圧と最小電圧を有したセル１の電圧との間の電圧差ｄＶが、第１の所定の閾値Ｖ１より大きい第２の所定の固定値Ｖ２、たとえば１００ｍＶより小さい場合、電圧差の閾値ｄＶｓが、第１の所定の固定値Ｖ１、たとえば１０ｍＶからなることを与えることができる。

さらに、それゆえ、最大電圧を有したセル１の電圧と最低電圧を有したセル１の電圧との間の電圧差ｄＶが、第２の所定の固定値Ｖ２、たとえば１００ｍＶより大きい場合、電圧差の閾値ｄＶｓが、前記第２の値Ｖ２より小さい第３の所定の固定値Ｖ３、たとえば３０ｍＶからなることを与えることもできる。

好ましくは、第３の所定の固定値Ｖ３が、前記所定の固定の第１の値Ｖ１より大きいことである。

第２の変形実施形態によれば、代替形態の形で、当該前のサイクル中に、最大電圧を有したセル１の電圧と最低電圧を有したセル１の電圧との間の電圧差ｄＶが、やはり第４の固定された所定の値Ｖ４、たとえば１０ｍＶより大きい場合、電圧差の閾値ｄＶｓが、前サイクル中に測定された、最大電圧を有したセル１の電圧と最低電圧を有したセル１の電圧との間の電圧差ｄＶの所与の一部に対応することを与えることができる。

有利には、２つの言及しかつ既に上記に述べた各変形実施形態では、異なるセル１の電圧の測定値が、電流誘導の抑制に続く所与の遅延時間、たとえば２秒後だけで毎回取られ、それによって前記セル１の端子における電圧の安定化が可能になる。

過電圧に曝される可能性からバッテリ２のセル１を守るために、そのフローチャートが、たとえば図４に示したそれに対応することができる、充電の管理プログラムが、充電の開始前に、充電の過程中、および終了時において一定数の試験の実施を含むことができる。

したがって、充電プロセスは、最初は充電動作の実行開始前に、バッテリ２を充電するためにバッテリ２に接続された充電器８の無負荷電圧Ｖｏの測定すること、および前記無負荷電圧Ｖｏが、（ｎ×各セル１の最大許容電圧Ｖｍａｘ）より大きい場合、実行可能な対応する警報および／またはメッセージの表示を起動することと共に、前記充電プロセスを停止することを含むことができる。

同様に、前記方法は、ループまたは次のサイクルを実行する前に、バッテリ２のセル１の少なくとも１つが、その端子において、最大許容電圧Ｖｍａｘ（たとえば、しかし限定する意味でなく、４．２３Ｖ）より大きい電圧を有するかどうかを確認すること、およびそれが肯定された場合、所望なら対応する警報および／またはメッセージの表示を起動することと共に、充電プロセスを中断することを含むことができる。

本発明は、その目的のため、上記に述べた方法を実行するための装置も有し、装置の主な構成要素は、図２および図３に概略的に示される。

この装置は、本質的に、バッテリ２を形成する直列のセル１の１つにおける関連した電圧を測定し、かつこれらセル１の端子で電圧を測定するためのモジュール７’のアセンブリ７と、それぞれ対応するセル１の端子と並列に搭載され、かつ選択的に開放および閉鎖されるように構成された複数の誘導回路４と、電圧を測定するためのモジュール７’の前記アセンブリ７から測定信号を受け取り、かつ各誘導回路４の状態（閉鎖／開放）を制御する、方法をデジタルで処理しかつ管理するためのユニット３とから構成される。

モジュール７’は、たとえば、測定精度が少なくとも５０ｍＶである、演算増幅器を有する電圧の差動測定のための回路からなる。

好ましくは、各誘導回路４は、スイッチを形成するスイッチング部材５を含み、スイッチング部材の状態は、デジタル処理ユニット３によって制御され、場合によっては、電気エネルギーを散逸させるための少なくとも１つの構成要素６、たとえば１つ以上の抵抗などを含む。

添付図面の図３に示すように、本発明の好ましい実施形態によれば、電圧を測定するためのモジュール７’のアセンブリ７は、電圧を測定するための、それぞれバッテリ２のセル１に直接結合されたｎ個のアナログモジュール７’と、それらの入力が前記モジュール７’の出力に接続されたマルチプレクサ回路９と、その入力においてマルチプレクサ回路９の出力に接続され、その出力においてデジタル処理および管理ユニット３に接続されたアナログ／デジタル変換器回路１０とを含む。

好ましい応用に関し、本発明を限定することなく、図２および図３に示される装置は、望ましくは、自己内蔵型の電力ツールアセンブリに集積することができる。

これに関して、所望の場合、バッテリ２のセル１に個々に結合された誘導回路４は、使用することなく、バッテリ２の長期の保管に適合するレベルまでセル１の充電を調節するために使用されることもできることに留意すべきである。

もちろん、本発明は、述べられ、添付図面に示された実施形態に限定されない。修正が、本発明の保護範囲から逸脱することなく、特に様々な要素の構成について、または技術的な同等物の置き換えによってなお可能なままである。

リチウムイオン要素の端子において、そのキャパシタンスに対する電圧の推移を表すカーブを示す図である。 本発明の方法を実行するための装置の概略図である。 本発明の変形実施形態による、図２に示す装置のより詳細な図である。 本発明の一実施形態による方法の異なるステップを概略的に示すフローチャートである（このフローチャートでは、用語「要素」によって、要素またはセルは、いくつかの要素と並列であることを理解する必要がある）。 非限定的な例として、１２個のセルのバッテリについて、充電サイクル中に実施される、本発明の方法によるバランス化による動作を表すクロノグラムを示す図である。

Claims (22)

1. ｎ≧２であり、ｎ個のセルが、リチウムイオンまたはリチウムポリマーのバッテリを構成し、直列に結合され、各セルが、並列に搭載された１つ以上の要素を備える、ｎ個のセルのバランス充電のための方法であって、各充電動作について、当該充電動作の開始に続く瞬間（ｔ_１）から、当該充電動作の正常な終了または予測される中断まで、セルの端子における電圧測定により決定される異なるセルの充電レベルの監視を連続的または周期的に実施するステップと、前記充電電流レベルの事前評価に応じて、全てのセルに均等に給電すること、または、前記セルの充電の電流レベルに応じて差異が付けられた方式で異なるセルに給電して前記異なるセルの前記充電レベルを、それぞれ結合される誘導回路の接続により充電電流レベルの全部または一部を誘導することによってバランス化することのいずれかを実施するステップとからなる方法において、
   バッテリの全充電時間のわずかな部分の間に逐次連続してバッテリのセル毎に、当該セルの充電レベルを新しく評価することと、その後に、当該セルの充電レベルに応じて、バッテリの他のセルの全ての充電レベルに対して、均等に、または差異が付けられて給電することとを含むシーケンスを起動するステップを含み、該起動するステップが、瞬間（ｔ_１）から以降の充電動作全体にわたる繰り返しサイクルにしたがい、前記瞬間（ｔ _１ ）が、バッテリの使用期間の過程において変化することを特徴とする方法。
2. バッテリの使用期間の過程において、バランス充電開始の瞬間（ｔ_１）の自動修正を行うことからなることを特徴とする、請求項１に記載のバランス充電方法。
3. 瞬間（ｔ_１）の自動修正は、（ｔ_０）が、バッテリの充電または再充電の開始の瞬間であるとき、各々の新たな充電動作で時間間隔（ｔ_１−ｔ_０）を短縮することからなることを特徴とする、請求項２に記載のバランス充電方法。
4. 新しいバッテリの使用の開始時、または製造業者によるバッテリの出荷前にテストを実施することからなり、このテストによって、瞬間（ｔ_１）の初期値、または、この初期値を決定可能にするパラメータを、表示または固定可能であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のバランス充電方法。
5. デジタル処理ユニット（３）の管理下において、瞬間ｔ_１から、少なくとも以下の動作の実行を含み、すなわち、
   定期的な間隔で行われることが好ましい、エネルギー量を示すパラメータを測定することによって、各セル（１）に蓄えられたエネルギー量を評価する動作と、
   評価された異なるエネルギー量、またはセル（１）毎に測定されたパラメータの異なる値を比較解析する動作と、
   充電がもっとも遅れたセル（１）、場合によっては、充電がもっとも進んだ１つ以上のセル（１）を決定する動作と、
   直列に搭載された異なるセル（１）に均等な方法で、あるいは充電がもっとも遅れたセル以外のセル（１）または充電がもっとも進んだ１つ以上のセルのレベルで充電電流のすべてまたはその一部を誘導することによって、充電がもっとも遅れたセル以外のセル（１）または充電がもっとも進んだ１つ以上のセルに充電電流の限界を設けて、給電する動作と、
   異なる前記動作を連続的に繰り返し、バッテリ（２）の充電の終了状態、あるいは故障、機能異常、または許容閾値を越えたことの検出を得る動作との実行を含むことを特徴とする、請求項１から４いずれか一項に記載の方法。
6. 充電がもっとも進んだ１つ以上のセルの電流の誘導が、誘導回路（４）によって実施され、各誘導回路（４）が、前記セル（１）の１つと並列に搭載されて結合され、各前記誘導回路（４）が、スイッチング部材（５）と、場合によっては、調整可能が所望なら、たとえば電気抵抗などエネルギーを散逸させるための少なくとも１つの構成要素（６）とを集積することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 連続的なバランス化による充電が、より正確には、
   ａ）誘導またはバランス化抵抗（６）が接続されることなく、バッテリ（２）の全てのセル（１）を、セル（１）の端子における電圧を測定することによって、逐一精査する動作と、
   ｂ）充電がもっとも遅れたセル（１）を検出する動作と、
   ｃ）最小に充電された、またはもっとも遅れたセル（１）に対し、容量差の所定の閾値（ｄＶｓ）、たとえば１０ｍＶの電圧差に対応する値より高く過充電されたセル（１）を検出する動作と、
   ｄ）閾値より高く過充電されたことを検出された各セル（１）を対応するバランス化抵抗（６）に個々に接続し、所定の連続した期間、たとえば２秒間、当該各セル（１）への充電電流がたとえば約１０％だけ減少するようにさせる動作と、
   ｅ）所定の連続した期間が経過した後、全てのセル（１）のバランス化抵抗（６）を切り離す動作と、
   ｆ）セル（１）の電圧の安定化遅延の経過後、動作ａ）からｅ）までを再び実施する動作とを、瞬間ｔ_１から実施し、バッテリ（２）の充電過程中、前記動作を繰り返すことを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. バッテリ（２）の充電が、通常、バッテリ（２）のセル（１）のアセンブリの充電全体の電流の大きさが、所定の閾値、たとえば５０ｍＡより小さくなると、停止されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 各セル（１）の端子における電圧が、対応する測定モジュール（７’）のアセンブリ（７）によって正確に測定され、測定モジュール（７’）の出力信号が、好ましくはデジタル化された後、デジタル処理ユニット（３）に送信され、デジタル処理ユニットユニット（３）が、次のサイクルで、測定モジュール（７’）によって提供される前記出力信号の相対的な推移に応じて、異なる誘導回路（４）のスイッチング部材（５）を制御することを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
10. 動作が、瞬間ｔ_１からすべての充電動作中、各サイクルループにおいて連続的に実施される２つの動作半サイクルから形成された周期的ループとして、繰り返され、
    第１の半サイクルが、
    異なるセル（１）の電圧を連続的に読み出す動作と、
    前のサイクルのもっとも遅れたセルに対する電圧差（ｄＶ）が、閾値（ｄＶｓ）より高い各セル（１）に、時間をオフセットしてバランス化抵抗（６）を起動する動作とを連続して実行することを含み、
    第２の半サイクルが、
    異なるセル（１）のバランス化抵抗（６）を連続的に切り離す動作と、
    異なるセル（１）の電圧の安定化を、次のサイクルの第１の半サイクル中、異なるセル（１）の電圧の読み出しまで待つ動作とを含み、
    ２つの半サイクルが、好ましくは実質的に同様の期間、たとえば約２秒間の期間を有することを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
11. 最大電圧を有するセル（１）の電圧と最小電圧を有するセル（１）の電圧との間の電圧差（ｄＶ）が、第１の所定の閾値（Ｖ１）より高い第２の所定の固定値（Ｖ２）、たとえば１００ｍＶより低い場合、電圧差の閾値（ｄＶｓ）が、第１の所定の固定値（Ｖ１）、たとえば１０ｍＶからなることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 最大電圧を有するセル（１）の電圧と最低電圧を有したセル（１）の電圧との間の電圧差（ｄＶ）が、第２の所定の固定値（Ｖ２）、たとえば１００ｍＶより高い場合、電圧差の閾値（ｄＶｓ）が、前記第２の所定の固有値（Ｖ２）より低い第３の所定の固定値（Ｖ３）、たとえば３０ｍＶからなることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 第３の所定の固定値（Ｖ３）が、前記第１の所定の固定値（Ｖ１）より大きいことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. サイクルが行われている間、電圧差（ｄＶ）が、第４の所定の固定値（Ｖ４）、たとえば１０ｍＶよりなお高い場合、電圧差の閾値（ｄＶｓ）が、最大電圧を有するセル（１）の電圧と最低電圧を有するセル（１）の電圧との間の、前のサイクル中で測定された電圧差（ｄＶ）の所与の一部に対応することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
15. 異なるセル（１）の電圧測定が、電流誘導の抑制の後、所与の遅延、たとえば２秒の経過後だけ実施され、それによって前記セル（１）の端子における電圧の安定化が可能になることを特徴とする、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 異なる誘導回路（４）のパワーが、次の式、
    

    

    から得られる値に近づくように選択され、
    ここで、
    Ｐｓｄ ｍａｘは、散逸を最適化されたワットで表された最大パワーであり、
    Ｖｍａｘ ｃｅｌｌは、充電中にセルの端子で測定された、ボルトで表された最大電圧であり、
    ％は、充電中補償される２つのセル間の最大差に対応する、パーセンテージで表された比であり、
    ＡＨは、Ａｈ（アンペア時）で表された、バッテリの公称キャパシタンスであり、
    Ｔｃは、時間で表されたバッテリ充電時間である
    ことを特徴とする請求項６に記載の、または請求項６と組み合わされた請求項７から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 最初、充電動作実行を開始する前に、充電に関してバッテリ（２）に接続された充電器（８）の待機電圧（Ｖｏ）を測定するステップと、
    所望なら、前記待機電圧（Ｖｏ）が、ｎ×各セル（１）に関する最大許容電圧（Ｖｍａｘ）より高い場合、対応するアームおよび／またはメッセージの表示を起動することと共に、前記充電プロセスを停止するステップとを含むことを特徴とする、請求項５から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 次のループ実行前に、バッテリ（２）の少なくとも１つのセル（１）が、セル（１）の端子において、最大許容電圧（Ｖｍａｘ）より高い電圧を有するかどうか確認するステップと、
    最大許容電圧（Ｖｍａｘ）より高い電圧を有する場合、所望なら対応する警報および／またはメッセージの表示を起動することと共に、充電プロセスを中断するステップとを含むことを特徴とする、請求項１０から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法を実行するための装置であって、
    基本的に、バッテリを形成する直列のセルの１つにそれぞれ関連付けられた電圧を測定し、かつセルの端子において電圧を測定するためのモジュールのアセンブリと、
    それぞれ対応するセルの端子と並列に搭載され、かつ選択的に開放および閉鎖されるように構成された複数の誘導回路と、
    電圧の測定モジュールの前記アセンブリから測定信号を受け取り、かつ各誘導回路の状態（閉鎖／開放）を制御する、方法を管理するためのデジタル処理ユニットと、
    バッテリの各セルの制御されたバランス充電がその瞬間から介在する充電動作の開始に続く瞬間（ｔ１）の調整および／または設定手段とから構成されることを特徴とする装置。
20. 各誘導回路（４）が、
    状態が、デジタル処理ユニット（３）によって制御されるスイッチを形成する、スイッチング部材（５）と、
    場合によっては、電気エネルギーを散逸させるための少なくとも１つの構成要素（６）、たとえば１つ以上の抵抗などとを含むことを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
21. 電圧測定のためのモジュール（７’）のアセンブリ（７）が、
    それぞれバッテリ（２）のセル（１）と直接関連付けられた電圧を測定するためのｎ個のアナログモジュール（７’）と、
    入力が前記アナログモジュール（７’）の出力に接続されたマルチプレクサ回路（９）と、
    入力がマルチプレクサ回路（９）の出力に接続され、かつ出力がデジタル処理および管理ユニット（３）に接続された、アナログ／デジタル変換器回路（１０）とを含むことを特徴とする、請求項１９または２０に記載の装置。
22. 装置が、自己内蔵型のパワーツールのアセンブリに集積されることを特徴とする、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の装置。

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