JP5037675B2 - 小型超高速電池充電器 - Google Patents

Description

充電式電池は、典型的に、交差電圧が例えば、４．２Ｖの一定電圧／一定電流ＣＶ／ＣＣ）の源によって充電される。最初に、電池は、交差点（例えば、４．２Ｖ）に達するまで、一定電流（すなわち、ＣＣモードで）を使用して充電され、この点で、充電器は、充電式電池の端子での電圧を実質的に約交差電圧に維持するために、一定電圧モードに切り替える。９０〜１００％容量を達成するために必要とされる充電期間は、典型的に２〜４時間であり、ＣＣ段階は、１Ｃ充電速度（すなわち、１時間で電池を充電する充電電流レベルに対応する充電速度）で約４０分間である。一般に、ＣＣ段階の終わりで、充電式電池は、電池の充電容量の６０〜７０％の充電レベルを達成する。一般に、充電プロセスのＣＶ段階は、完了するのに１〜３時間を要する。この時間中、充電電流レベルは減少し、典型的に、充電プロセスが完了されるまでに、０．１Ｃの充電速度に対応するレベルに達する。

従来の電池充電器は、典型的に、０．０６Ｗ／ｃｍ^３（１Ｗ／ｉｎ^３）〜０．２４Ｗ／ｃｍ^３（４Ｗ／ｉｎ^３）の体積出力電力密度（充電器によって出力される電力と中に充電器の回路が配置されるハウジングの体積の比として定義される）を有する。該体積出力電力密度は、充電器の回路によって占有される体積に影響を受ける。充電器の全体積に関与する一要因は、過熱状態を防ぐための熱監視素子（例えば、温度センサ）及び熱制御素子（例えば、ヒート・シンクコンポーネント）の充電器内への組み込みである。充電器の回路によって占有される全体積に関与する別の要因は、充電器の電力効率を改善するための、力率補正器（ＰＦＣ）モジュール等のモジュールの組み込みである。

一態様においては、充電器装置が開示される。充電器装置は、体積を画定するハウジングであって、３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を提供するための電力変換モジュールと、１つ以上の充電式電池に送られる電流レベルを決定し、決定された電流レベルに実質的に等しい充電電流で、出力電力を１つ以上の充電式電池に送らせるように構成されるコントローラと、を含む、ハウジングを備える。１つ以上の充電式電池に送られる出力電力と体積の比は、少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）に等しい。

実施形態は、次のうちの１つ以上を包含してもよい。

充電器装置は、例えば、力率補正器モジュール、出力コンデンサ、及び／又は二次ＤＣ−ＤＣ電圧変換器モジュールのうちの１つ以上のものが設けられなくてもよい。

コントローラは、１つ以上の電池が１５分間以下の充電時間内に所定の充電を達成するように、１つ以上の充電式電池に送られる電流レベルを決定するように構成されてもよい。１つ以上の電池の所定の充電は、１つ以上の充電式電池の充電容量の少なくとも８０％であってもよく、充電時間は、約３〜１５分間であってもよい。１つ以上の充電式電池の所定の充電は、１つ以上の電池の充電容量の約８０％であってもよく、充電時間は、約３〜４分間であってもよい。１つ以上の充電式電池の所定の充電は、１つ以上の電池の充電容量の少なくとも９０％〜９５％であってもよく、充電時間は、約５分間であってもよい。

コントローラは、特定の時間と実質的に等しい充電時間が経過した後、充電電流を停止するように更に構成されてもよい。

電力変換モジュールは、電圧変圧器を含んでもよい。装置は、電力変換モジュールによって出力される電流をコントローラに調節させるためのフィードバック制御機構を更に備えていてもよい。フィードバック制御機構は、電圧変圧器の動作を調節するように構成されてもよい。フィードバック制御機構は、１つ以上の充電式電池の電圧が所定の上限電圧レベルに達した後に、１つ以上の充電式電池のそれぞれの端子での電圧を、所定の上限電圧に維持するように構成されてもよい。

電流レベルを決定するように構成されるコントローラは、１つ以上のリン酸リチウム鉄系充電式電池に送られる電流レベルを決定するように構成されてもよい。

出力電力を１つ以上の充電式電池に送らせるように構成されるコントローラは、１つ以上の充電式電池の温度を監視することなく、出力電力を１つ以上の充電式電池に送らせるように構成されてもよい。

別の態様においては、１つ以上の充電式電池を充電するための方法が開示される。該方法は、１つ以上の充電式電池に送られる電流レベルを決定する工程と、決定された電流レベルに実質的に等しい充電電流で、１つ以上の電池に３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を送らせる工程と、を含み、出力電力は、体積を画定するハウジングを備える充電器装置によって提供される。出力電力と体積の比は、少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）に等しい。

該方法の実施形態は、装置について上記に説明されるような特徴のいずれかに対応する、いずれかの特徴を含んでもよい。例えば、充電器装置は、例えば、力率補正器モジュール、出力コンデンサ、及び／又は二次ＤＣ−ＤＣ電圧変換器モジュールのうちの１つ以上のものが設けられなくてもよい。該方法は、特定の時間に実質的に等しい充電時間が経過した後、充電電流を停止する工程を更に含んでもよい。

上述の態様は、次の利点の１つ以上を含んでもよい。小型充電器は、一般に３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を提供するように構成され、少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）の体積出力電力密度を有する。充電器は、断続的に、及び／又は短い継続時間（例えば、５分間）動作するように構成され、従来の充電器で多くの場合に使用される素子／モジュールが実装されておらず、したがって比較的高い体積出力電力密度を達成する充電器を可能にする。例えば、本明細書に開示される充電器は、より小さなヒート・シンク素子が実装される、並びに／又は熱監視及び制御モジュールを含まない。また、充電器は、力率補正器モジュールが実装されなくてもよい。本明細書に開示される小型充電器は、充電器装置によって出力される拍動電流／電圧のフィルタリングを可能にする内部電気容量を有する電池を充電するように構成されるため、いくつかの実施形態においては、該充電器装置に、比較的小さなコンデンサを実装することができる（又は更にはこれらのコンデンサの１つ以上を含まなくてもよい）。いくつかの実施形態においては、本明細書に記載される充電器は、充電式電池を、約４〜６分間で約９０〜９５％の容量充電をすることができる。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付図及び以下の説明で明らかにする。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになる。

充電器の例示的な実施形態のブロックダイアグラム。 可変のタイミングを有する実施形態を表すフローチャート。 図１の充電器によって実行される充電手順の例示的な実施形態のフローチャート。 図１の充電器を使用する、１Ａｈリチウムイオン電池の充電電圧及び充電電流の挙動を示すグラフ。 図１の充電器を使用する、１Ａｈリチウムイオン電池の充電電圧及び充電電流の挙動を示すグラフ。

電気化学セルは、一次セル又は二次セルであることが可能である。一次電気化学セルとは、１度だけ、例えば完全に消費されるまで放電され、その後廃棄されることを意味する。一次セルは、再充電されることを意図しない。一次セルは、例えば、デヴィッド・リンデン（David Linden）の電池ハンドブック（Handbook of Batteries）（マグローヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５年）に記載されている。一方で、二次電気化学セルは、以下で再充電性セル又は電池とも呼ばれるものであり、例えば５０回、１００回など、多数回、再充電することができる。二次セルは、例えば、フォーク・アンド・サルキンド（Falk & Salkind）の「アルカリ蓄電池（Alkaline Storage Batteries）」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社（John Wiley & Sons, Inc.）、１９６９年、米国特許第３４５，１２４号、及びフランス特許第１６４，６８１号（French Patent No. 164,681）に記載されており、これらはすべて本明細書に参考として組み込まれる。

図１を参照すると、リン酸リチウム鉄の化学的性質に基づく、少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池１２を充電するように構成される充電器１０が示される。該電池（二次電池と称される場合がある）は、いくつかの実施形態においては、該材料に基づく充電式電池を高速再充電できるように適合された、チタン酸リチウムアノード材料及びリチオ化リン酸鉄カソード材料を有するセルを含む。リン酸リチウム鉄の化学的性質は、低内部抵抗（Ｒ）を有する。該電池の内部抵抗から生じる熱放散は、Ｉ^２Ｒ（式中、Ｉは、電池に印加される充電電流である）に比例する。リン酸リチウム鉄の化学的性質に基づく電池の低内部抵抗のため、該電池は、高充電電流を受け入れることができる。

したがって、リン酸リチウム鉄電池等の低内部抵抗電池を使用して、電池を、一定電流（ＣＣ）モードで、３〜４分間で約８０％容量充電することができ、約５分間で約９０〜９５％の容量充電をすることができる。以下で明らかとなるように、リン酸リチウム鉄の化学的性質に基づく電池を充電するために大充電電流を使用することは、一般に５分間以内に９０〜９５％の充電容量を達成する電池をもたらし、このため、充電器は、その時間が経過した後、電池の充電若しくは電圧レベルを決定するためのいかなる確認も実行することなく、又は熱監視及び／若しくは熱制御動作を実行することなく、充電動作を停止するように構成される。充電器は、タイマーを使用して充電期間を測定し、タイマーが所定の充電時間、例えば、５分間に達すると、充電動作を停止してもよい。図１は、充電器１０に接続された単一電池１２を示すが、充電器１０は、それに接続される追加電池を有するように構成されてもよい。更に、充電器１０は、円筒形電池、角柱形電池、コイン形又はボタン形電池等を含む、異なる電池の種類を受容し、充電するように構成されてもよい。

充電器１０は、充電動作が開始すると、一定充電電流で、一般に３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を電池１２に提供するように構成される。電池に一定電流が供給されている（すなわち、充電器が一定電流、又はＣＣモードで動作している）期間中、電池１２の電圧は増加する。充電器は、電池の電圧が、例えば、３．８Ｖの所定の上限電圧（この上限電圧は、交差電圧と称される場合がある）に達すると、残りの充電期間にわたって電池の電圧をこの上限電圧に維持するように構成される。電池１２に所定の交差値に実質的に等しい一定電圧が印加されている期間中、充電器１０は、一定電圧、又はＣＶモードで動作していると考えられる。

いくつかの実施形態においては、充電動作の開始から所定の時間、例えば５分間が経過した後、充電動作は終了する。充電器は、比較的短い時間内で充電動作を無条件に終了するように構成され、その間、電池及び／又は充電器１０の温度の大幅な上昇が見込まれないため、いくつかの実施形態においては、電池１２及び／又は充電器１０の温度を監視する必要がない。したがって、熱監視及び制御動作が実行されず、そのためこれらの動作を実施するための素子及びモジュールが使用されない、又は縮小化される実施形態においては、充電器１０は、より物理的に小型であり、回路は単純化される。

図１に更に示されるように、いくつかの実施形態においては、充電器１０は、例えば、フィードバック制御機構（該構成は、主−副電圧／電流調節と称される）を使用して、電流／電圧調節が充電器の電力変換部分（例えば、図１に示される電力変換モジュール１６）に対して直接実行されるように、実装される。言い換えれば、制御機構は、切り替え周波数又は電力変換モジュール１６のパルス持続時間を調節し、したがって変換器の出力電圧／電流を調節する。したがって、このような実施形態においては、充電器１０は、多段電圧変換（例えば、ＡＣ／ＤＣ変換段階、その後に例えば、降圧型変換器回路が続く）を含まず、結果として、充電器１０は、一般に多段電力変換回路では持続される電力損失を減少することができる。例えば、主−副電圧／電流制御を導入することによって、電力効率（例えば、最終的に電力変換回路の出力に供給される入力電力の比率）は、典型的に８０〜９０％である。その一方、２段電力変換回路は、一般に、段階あたり８０〜９０％の効率に達し、したがって２段階電力変換回路の全体の電力効率は、一般に６０〜８０％である。電力効率におけるこれらの損失は、電力変換段階における熱放散を呈する。

充電器１０は、８５Ｖ〜２６５Ｖかつ５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの定格の電力を提供する電源等のＡＣ電力電源に電気的に結合される整流器モジュール１４を含んでもよい。フィルタリング動作（例えば、リップルの平滑化）を実行するためのコンデンサ１５（リザーバコンデンサと称される場合がある）が、整流器に結合されてもよい。充電式電池が内部電気容量を有するため、電池自体が、実行されるフィルタリング動作の一部を促進する。したがって、いくつかの実施形態においては、電池１２が、コンデンサ１５とともにフィルタリング動作を実行するのに十分な電気容量を有するため、コンデンサ１５（及び／又はコンデンサ２８）の寸法を縮小することができる。

変圧器１８と、変圧器１８の動作の調整を助長するための変圧器制御ユニット２０と、を含む、電力変換モジュール１６が、整流器モジュール１４に結合される。いくつかの実施形態においては、電力変換モジュール１６は、切り替え装置変換器として実装され、電力変換モジュール１６をオン及びオフに切り替えることによって電力変換モジュール１６の出力での所望の電圧レベルを達成する。切り替え装置がオンの間、電力変換モジュール１６の出力に電圧が提供され、オフの期間中、電力変換モジュール１６の出力端子に電圧は提供されない。該切り替え装置変換器は、いくつかの実施形態においては、切り替え動作を実行するために、別個のトランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ）を使用して、又は好適な集積回路（ＩＣ）を使用して実装されてもよい。

電力変換モジュール１６に結合された整流器モジュール１４を使用することによって、充電器１０への入力に提供されるＡＣ電力が、充電式電池を充電するのに好適な低Ｄ．Ｃ．電圧（例えば、約３．７〜４．２ＶレベルのＤＣ電圧）に変換される。

いくつかの実施形態においては、自動車のＤＣ電力源等の外部ＤＣ電力電源を、充電式電池を充電するのに好適なＤＣ電力レベルに変換するために、追加のＤＣ−ＤＣ変換器１９が電力変換モジュール１６に組み込まれる。例えば、いくつかの実施形態においては、自動車のＤＣ電力源は、約１１Ｖ〜１４．４ＶのＤＣ電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器１９は、該電圧レベルを好適な電圧レベルに変換する。追加されるＤＣ−ＤＣ変換器は、１．２Ｖ〜約２４ＶのＤＣ電力電源を受け入れるように構成することができる。したがって、いくつかの実施形態においては、ＤＣ−ＤＣ変換器は、例えば、１．２Ｖの電圧を、３．７〜４．２ボルトのＤＣ充電電圧に増加する、アップ変換器であり、一方、外部ＤＣ電力電源が４．２Ｖを上回る電圧を有する実施形態においては、変換器はダウン変換器である。

コンデンサ２８に対して直列に、電池出力に対して並列に接続されるダイオード２６を含む整流器／フィルタ回路２４が、電力変換モジュール１６の出力に電気的に結合される。いくつかの実施形態においては、ダイオード２６の代わりに、ＭＯＳＦＥＴ系同期整流回路が使用されてもよい。整流器／フィルタ回路２４は、電力変換モジュール１６の出力での電流／電圧リップルを減少させ、２６の熱を放散するように構成される。また、フィルタ回路２４は、オフ期間中、電力変換モジュール１６の出力に電流が提供されていない場合に、コンデンサ２８内に蓄積されたエネルギーを電池１２に放電するように構成される。したがって、オンの間に電力変換モジュール１６によって提供される電流、及び電力変換モジュール１６のオフの間にコンデンサ２８によって提供される電流は、電池１２に印加される所望の平均充電電流に実質的に等しい実効電流をもたらす。ダイオード２６は、コンデンサ２８によって放電される電流が、電力変換モジュール１６ではなく、電池１２に送られるように接続される。

更に示されるように、分流器２９（Ｒ_ｓｈとして示される）が、電池１２の端子の１つに結合される。分流器にわたる電圧降下が電池充電電流に比例するためである。したがって、分流器２９は、電池１２に印加される電流のレベルを測定するための電流センサとしての役割を果たす。したがって、分流器２９で測定される電流のレベルは、充電電流の制御（例えば充電器１０がＣＣモードで動作する際に、充電電流を実質的に一定レベルに維持する）を助長するために、充電器のフィードバック機構に提供することができる。

電池１２に送られる電力を制御するために、コントローラ３０を含むフィードバック機構を使用して、電力変換モジュール１６のＤＣ出力電圧を調節する。コントローラ３０は、コントローラ３０から制御信号を受信し、それに応じて、電力変換モジュール１６がその出力に電力を提供するために変圧器制御ユニット２０に提供されるパルス幅が変調された信号を生成する、切り替え装置パルス幅変調（Pulse Width Modulation）（ＰＷＭ）制御ユニット３２に電気的に連結される。パルス幅が変調された信号が取り出される際、変圧器制御ユニット２０は、電圧が電力変換モジュール１６の出力から取り出されるようにする。したがって、フィードバック機構の使用により、例えば、充電電流に実質的に等しい電流が電池１２に印加されるように、電池１２に印加される電流を調節することができる。

コントローラ３０は、指定の、又は所定の時間（例えば、５分間）が経過した後、充電電流を停止するように更に構成される。

いくつかの実施形態においては、充電電流の決定は、例えば、電池容量及び／又は電池の種類を表すデータを提供する識別機構を使用して、充電器１０に接続される電池（単数又は複数）の容量を識別することによって、実行されてもよい。電池の容量を表す抵抗を有するＩＤレジスタの使用に基づく識別機構を含む例示的な充電器装置の詳細な説明は、２００７年７月１１日に出願された米国特許出願整理番号第１１／７７６，２６１号、名称「電池検出を伴う超高速電池充電器（Ultra Fast Battery Charger with Battery Sensing）」に提供されており、その内容のすべてが本明細書に参考として組み込まれる。

また、電池１２に印加される充電電流の決定は、少なくとも部分的に、小型充電器１０上に配置されるユーザーインターフェース（図示せず）を介して提供される、ユーザー指定の入力に基づいてもよい。ユーザーインターフェースには、例えば、スイッチ、ボタン、及び／又はノブを挙げてもよく、それらを通じて、ユーザーは、例えば、再充電される電池の容量を示してもよい。更に、いくつかの実施形態においては、インターフェースは、例えば、充電期間（より長い充電期間、例えば、１０〜１５分間が望ましい状況において）等の充電プロセスに密接な関係がある他のパラメータを、ユーザーが指定できるように構成されてもよい。使用する具体的な充電電流を決定するために、ユーザー指定のパラメータに対応する好適な充電電流を示す検索表が利用される。例えば、ユーザーが５００ｍＡｈ容量のリン酸リチウム鉄電池が再充電されることを指定する場合、この指定された容量に対応する検索表の入力が取り出される。いくつかの実施形態では、適切な充電電流を決定するのに計算技術が使用されてもよい。

ユーザーインターフェースはまた、充電器１０を使用可能又は不能にする入力素子（例えば、スイッチ）を含んでもよい。また、ユーザーインターフェースは、充電器及び／又はそれに接続された電池１２に関する状態情報をユーザーに提供するためのＬＥＤ等の表示装置（図示せず）、出力情報をユーザーに提供するように構成されたディスプレイ装置等を含んでもよい。例えば、ユーザーインターフェースは、充電器が一定電流モードから一定電圧モードに切り替わる際に点灯するＬＥＤを含んでもよい。一般に、電池の電圧が交差点（例えば、３．８〜４．２Ｖ）に達する際、電池の充電は、典型的に電池の充電容量の８０〜９０％であり、したがって実質的に使用できる状態である。点灯したＬＥＤは、少なくとも例えば完全充電の８０〜９０％の範囲の値であることをユーザーに示唆し、ユーザーに、ユーザーがある即時利用に電池を必要とし、充電動作が完全に完了するのを待つことを希望しない場合、充電動作の完了の前に電池を取り外すという選択肢を与える。

いくつかの実施形態においては、ユーザーインターフェースは、例えば、追加の情報を提供するために、追加の出力装置を更に含んでもよい。例えば、ユーザーインターフェースは、過電圧等の障害状態の場合に点灯する赤色ＬＥＤを含んでもよく、また、別のＬＥＤ、例えば、電池１２の充電動作が進行していることを示す黄色又は緑色ＬＥＤ装置を含んでもよい。

更に図１に示されるように、コントローラ３０は、電池１２に対して実行される充電動作を制御するように構成されるプロセッサ装置３４を含む。プロセッサ装置２６は、マイクロチップ・テクノロジー社（Microchip Technology Inc.）製のＰＩＣ１８Ｆ１３２０マイクロコントローラ等、いずれかの計算及び／又は処理装置であってもよい。コントローラ３０の実装に使用されるプロセッサ装置３４は、プロセッサ系装置の一般的な動作を可能にするコンピュータ命令を含むソフトウェア、並びに充電器に接続される電池１２に対して、約５分間で少なくとも９０％の充電容量を達成するような充電動作を含む充電動作を実行するための実行プログラムを格納するように構成された揮発性及び／又は不揮発性記憶素子を含む。

プロセッサ３４は、複数のアナログ及びデジタル入力並びに出力ラインを有するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３６を含む。Ａ／Ｄ変換器３６は、充電動作の調節及び制御を助長するために、電池に結合されたセンサ（以下に記載）から信号を受信するように構成される。また、いくつかの実施形態においては、コントローラ３０は、本明細書に記載されるように、制御装置の処理機能のいくつか又は全てを実行するために、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含んでもよい。

いくつかの実施形態においては、コントローラ３０は、アナログコントローラ実装を含んでもよい。このような実施形態においては、アナログコントローラのプローブは、分流器２９の端子に結合される。プローブは、分流器２９での電流及び／又は電圧レベルに関する情報をコントローラに提供し、これに基づいて、電池２９に印加される充電電流を制御することができる。

整流器ユニット１４、変圧器制御ユニット２０、プロセッサ３４、及び切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２を含む充電器の様々なモジュールは、充電器１０の回路基板（図示せず）上に配置されてもよい。

いくつかの実施形態においては、充電器１０は、電池１２が、例えば、約４〜６分間で電池１２の約８０％〜９５％の充電容量が充電されるように、充電式電池１２に印加される充電電流を決定する。本明細書に説明されるように、リン酸リチウム鉄電気化学セルに基づく電池は、比較的低い内部抵抗を有し、したがって、例えば、１０Ｃ〜１５Ｃ（１Ｃは、特定の充電式電池を１時間で充電するのに必要とされる電流に対応し、したがって１５Ｃの充電速度は、充電式電池を４分間で充電するのに必要とされる電流に対応し、１０Ｃの充電速度は、６分間で充電式電池を充電するのに必要とされる電流に対応する）と同程度の比較的大きな充電電流で充電することができる。リン酸リチウム鉄電池の充電抵抗が低いことにより、著しい熱放散が回避され、したがって、そのような電池は、電池の性能又は耐久性に悪影響を及ぼすことなく、高い充電電流に耐えることができる。

決定された平均電流に実質的に等しい充電電流で出力電力を電池１２に送らせるために、電力変換モジュール１６のオンの間、又はデューティーサイクルは、電池１２に印加される充電電流（分流器２９での電流／電圧測定値に基づいて決定される）が決定された電流の値に実質的に等しいレベルに達するまで調整される。具体的に、いくつかの実施形態においては、コントローラ３０は、例えば、分流器２９で測定される、電池１２を通って流れる電流の測定値を周期的に（例えば、０．１秒毎に）受信する。この受信される測定電流に基づき、電流が充電電流レベルに実質的に等しい値に収束するように、電池１２を通って流れる電流を調整するために、デューティーサイクルの調整が行われる。

また、充電器１０は、充電器１０の充電端子に電気的に結合される電池電圧センサ（例えば、センサ４０及び４２）を含んでもよい。電圧センサは、特に充電プロセスの一定電圧段階中、電池１２の端子の電圧を周期的に（例えば、０．１秒毎に）測定する。これらの周期的な電圧測定は、ＣＶ段階中に電池１２の端子に印加される電圧が実質的に一定レベル（例えば、所定の上限電圧）となるように、一定電圧（ＣＶ）段階中に電力変換モジュール１６によって提供される電圧を制御できるようにする。

また、センサ２９、４０、及び４２によって測定される電流／電圧は、充電動作の終了を必要とする、又は充電動作が開始されない障害状態が存在するかを判断するために使用されてもよい。例えば、コントローラ３０は、電池１２の端子で電圧センサ４０及び４２によって測定された電圧が、電池１２の電圧レベルの所定の範囲内（例えば、２〜３．８Ｖ）であるかを判断する。測定値が電圧範囲の下限値を下回る場合、これは、電池に不具合があることを示している可能性がある。測定値が範囲の上限値を上回る場合、これは、電池が既に十分に充電されており、したがって更なる充電は不要であり、電池を損傷する恐れがあることを示している場合がある。したがって、測定電圧が予め定められた範囲内にない場合、障害状態が存在していると見なされる。

充電器は、分流器２９を介した電流測定に関して類似の判断を行ってもよく、測定電流が所定の電流範囲外である場合、障害状態が存在していると見なされ、結果として充電動作が開始されない、又は終了されてもよい。

いくつかの実施形態においては、受信された測定信号は、センサ２９及び／又は４０並びに４２によって測定された電圧のレベル及び電流レベルを判断するために、例えば、閾値比較器を含んでもよい、専用充電コントローラ装置等のアナログ論理処理素子（図示せず）を使用して処理される。また、充電器１０は、回路レベルのノイズ等の外部要因によって引き起こされ得る不正確な測定（例えば、電圧、電流等の不正確な測定）を防止するために、アナログ及び／又はデジタル入力信号に対して信号のフィルタリング及び処理を実行するための信号調整ブロック（図示せず）を含んでもよい。

いくつかの実施形態においては、コントローラ３０は、電池１２の端子で電圧を周期的に測定することによって、電圧増加率を監視し、ある指定の電圧上昇時間内に所定の上限電圧に達するように、電池１２に印加される充電電流を調整するように構成される。測定された電圧増加率に基づいて、充電電流レベルは、指定された電圧上昇期間内に所定の上限電圧に達するように、充電電流を増加又は減少するように調節される。充電電流レベルの調整は、例えば、カルマンフィルタ（Kalman filter）を使用する予測−修正技術に従って実行される。所定の上限電圧を達成するための電流への調節を決定するために、他の手法が使用されてもよい。

言及されるように、本明細書に記載される充電器は、電池、例えばリン酸リチウム鉄電池を、比較的短い間隔（例えば、５分間）にわたって充電するため、該充電器は、典型的に、動作の期間中に、著しい熱を生成しない。したがって、従来の充電器の動作を保護し、熱の生成による損傷及び危険な動作を防止するように構成される特定のモジュール並びに／又はコンポーネントは、充電器から排除されてもよい。例えば、充電器１０は、熱制御素子（例えば、ファン、ヒート・シンク素子、他の種類の制御モジュール等）を採用することなく、及び／又は熱監視素子（例えば、サーミスタ等の熱センサ）なく、構成されてもよい。

いくつかの実施形態においては、充電器装置１０は、例えば、切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２及び／又はダイオード２６によって生成される熱を放散するために、縮小寸法のヒート・シンク素子を実装することができる。充電器１０は、短時間で断続的に動作するため、充電器１０の実装に使用される切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット、ダイオード２６、及び／又はいずれかの他の熱生成コンポーネントのための縮小寸法のヒート・シンク素子を有する（又はヒート・シンクのない）充電器１０を動作させるほうが安全である。

更に、ヒート・シンク素子を使用しないことによって、あるいはヒート・シンク素子の物理的寸法を縮小させることによって（多くの場合、ヒート・シンク素子、及び他の種類のコンポーネントは、生成される熱を放散するために、大きな表面積を有するように構成される）、充電器装置１０の寸法要求が減少され、それにより充電器のハウジングの全体の寸法（例えば、体積）が縮小する。

充電器１０の寸法を縮小するために使用することができる更なる実装は、ダイオード２６の代わりにＭＯＳＦＥＴ系整流器を使用することである。同期ＭＯＳＦＥＴ系整流器は、ダイオード又はバイポーラトランジスタの実装と比較して、著しいレベルの熱を生成しない。したがって、ＭＯＳＦＥＴ系整流器を使用する場合、縮小寸法のヒート・シンク素子（ひいては縮小寸法の充電器）が使用されてもよい。

充電器１０の寸法（例えば、体積）を縮小することができる別の実装は、充電器１０の入力及び／又は出力電流／電圧に対するフィルタリング動作を実行するために使用されるコンデンサ（例えば、コンデンサ１５及び／又は２８）の寸法を縮小することである。特に、上述されるように、充電式リン酸リチウム鉄電池を含む電池は、これらの電池がそれらに印加される電流／電圧リップルを平滑化できるようにするのに十分に高い固有の内部電気容量を有し、それにより電池が危険な動作状態（例えば、電池のアノード電極のリチウム被着等の状態）を回避できるようにする。したがって、電池の内部電気容量は、電池が、そうでなければ従来の電力供給及び／又は電力変換モジュールの専用フィルタリング回路によって実行されなければならない、フィルタリング動作のいくつかを実行できるようにする。したがって、充電器装置１０の一実装においては、出力コンデンサ２８の電気容量値が減少される、あるいはコンデンサ２８が充電器装置１０の実装から除去される。コンデンサ２８の値を減少させる、又はそれを排除することによって、充電器のハウジングの体積の対応する縮小が達成され得る。

同様に、いくつかの実施形態においては、整流器１４に連結されるリザーバコンデンサ１５の電気容量値が減少されてもよい。

充電器の全体の物理的寸法（ひいては充電器装置回路を包含するハウジングの、体積を含む物理的寸法）を縮小させる別の配設は、充電器１０に力率補正器（ＰＦＣ）モジュールが含まれていない配設である。従来の充電器に使用される場合があるＰＦＣモジュールは、ＡＣ電流／電圧の電力高調波を排除するように構成され、一般に、コンデンサ、インダクタ、及び／又は追加の切り替え装置を含むフィルタを使用して実装される。従来の電力供給及び／又は電力変換モジュールは、電力効率を改善するために、それらの実装内にＰＦＣモジュールを組み込む場合がある。

しかしながら、充電器１０が断続的に、及び／又は短い継続時間で動作するため、充電器１０にＰＦＣモジュールを使用して達成され得る全体の電力効率は、一般に小さい。したがって、いくつかの実施形態においては、充電器装置１０は、ＰＦＣモジュールなしで実装される。ＰＦＣモジュール（コンデンサ、レジスタ、及び能動コンポーネント等のフィルタ素子を含む）を含まないことによって、充電器装置の全体の寸法要求を減少させることができる。

したがって、いくつかの実施形態においては、充電器装置１０は、例えば、ヒート・シンク素子、コンデンサ２８等の出力コンデンサ、及び／又はＰＦＣモジュールの１つ以上のものが設けられていないように実装される。更に、いくつかの実施形態においては、充電器１０は、縮小された、コンデンサ１５等のリザーバコンデンサが実装される。

ヒート・シンク素子、出力コンデンサ、リザーバコンデンサ、及び／又はＰＦＣモジュールの１つ以上のものが設けられていない小型充電器装置の例示的な実装は、それぞれが３．３Ｖの公称電圧、及び１Ａｈの容量を有する充電リン酸リチウム鉄電池に、約５０Ｗの電力（３．６〜５Ｖ／１０〜１２．５Ａ）を出力するように構成することができる。（あるいは、いくつかの実装においては、充電器１０のリザーバコンデンサ及び出力コンデンサは、同程度の性能能力、例えば、約５０Ｗの出力電力の充電器装置で使用されるコンデンサと比較して、より小さな電気容量、ひいては寸法を有する。）出力５０Ｗの電力を出力するように構成される小型充電器装置では、充電器装置は、８１．９ｃｍ^３（５立方インチ（５ｉｎ^３））未満の体積内に収容することができる。したがって、特定の充電器装置出力電力と特定の充電器装置の回路を保持するハウジングの体積の比として定義される、体積出力電力密度は、例示的な小型充電器装置１０では、約５０Ｗ／５ｉｎ^３＝０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）である。

以下の表に示されるように、様々な性能能力の充電器（例えば、出力電力が３〜３００Ｗの範囲内である充電器）で同様の体積出力電力密が取得され得る。

したがって、これらの様々な充電器装置で達成することができる体積電力出力密度は、少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）である。

ここで図２を参照すると、いくつかの実施形態においては、コントローラ３０は、電池１２の概算の現在の充電レベルを決定し（例えば、電池の電圧を測定することによって）（５１）、決定される概算の現在の充電レベルに基づき、電池１２に充電電流が印加されるべき時間を決定する（５３）ように構成されてもよい。電池に、決定された充電レベルが決定された時間の間印加され、その後、充電器は動作を停止する。本実施形態は、現在の電池充電に従って充電時間を自動調整する、適応性のあるタイマーを提供する。したがって、充電動作は、電池の充電の初期状態により、電池がほぼ完全に充電されている場合は１分間以下、電池が実質的に放電されている場合は、最大例えば、約５〜６分間の期間にわたり行うことができる。

図３を参照すると、充電式電池１２を再充電するための充電手順６０の例示的な実施形態が示される。電池１２は、充電器１０の充電区画に受容されてもよく、又はいくつかの実施形態においては、充電器１０は、電池動作可能装置（例えば、携帯電話）内に収容される電池に電気的に結合されてもよい。最初に、充電器１０は、所望により、充電動作を開始する前に、特定の障害状態が存在するかどうかを判断してもよい。したがって、例えば、充電器１０は、電池１２の電圧を測定する（６２）。充電器１０は、測定された電圧Ｖ_０が所定の範囲内（例えば、Ｖ_０が２〜３．８Ｖである）であるかを判断する（６４）。測定された電圧が所定の許容範囲内ではなく、したがって現在の状況下で充電動作を行うことが危険であると判断される場合、充電器は、充電動作を続行せず、手順６０が終了されてもよい。

充電器１０は、電池１２に印加される充電電流を決定する（６６）。いくつかの実施形態においては、測定された充電電流は、電池１２が、約４〜６分間で少なくとも９０％の充電容量を達成する、充電電流である。

充電器１０が、異なる容量の異なる種類の電池を受容するように適合される場合、次いで充電器１０は、充電器１０の充電区画内に挿入される電池１２の容量及び／又は種類を判断してもよい（６５）。いくつかの実施形態においては、充電器１０は、電池１２の容量及び／又は種類を示す、電池１２に接続されたＩＤレジスタの抵抗を測定するように構成される、識別機構を含む。更に、及び／又は別の方法として、電池１２の容量及び／又は種類は、例えば、充電器１０の本体上に配置されるユーザーインターフェースを介して、充電器に伝達されてもよい。識別機構、ユーザーインターフェース、ないしは別の方法を介して通信されるデータは、したがって電池の容量及び／又は種類を示す。したがって充電器は、このデータに基づき、電池に印加する適切な充電電流を決定することができる。例えば、充電器１０が電池１２のＩＤレジスタの抵抗を計算する場合においては、充電器１０は、計算された抵抗に関する容量に対応する好適な充電電流を示す、充電器１０の記憶装置モジュールに格納された検索表にアクセスしてもよい。

電池１２に印加される充電電流が決定されると、充電動作の所定の時間を測定するように構成されたタイマーが開始される（６８）。タイマーは、例えば、プロセッサ３４の専用タイマーモジュールであってもよく、又は、プロセッサ３４の内部若しくは外部クロックによって測定される一定の時間間隔で増分されるカウンターであってもよい。

電力変換モジュール１６によって印加される電流／電圧は、決定された充電電流に実質的に等しい一定電流で、一般に３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を充電式電池１２に送らせるように制御される（７０）。充電器１０は、体積出力電力密度が少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）となるように電力を出力する。

説明されるように、充電器１０は、コントローラ３０と、電力変換モジュール１６の出力での電流／電圧を調整するように動作する切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２と、を含む主−副フィードバック機構を実装する。電力変換モジュール１６のオフの間（すなわち、モジュール１６の出力に電流／電圧が与えられていない場合）、コンデンサ２８内に蓄積されたエネルギーが、電池１２に電流として放電される。電力変換モジュール１６から印加される電流、及びコンデンサ２８から放電される電流を合わせた電流は、決定された充電電流に実質的に等しい実効電流をもたらす。

電池１２は、電池の端子での電圧が所定の上限電圧に達するまで、実質的に一定電流で充電される。したがって、所定の上限電圧（すなわち、交差電圧）に達したことを判断するために、電池１２に印加される電圧が周期的に測定される（７２）。電池１２の端子での電圧が所定の上限電圧、例えば、４．２Ｖに達した場合、電力変換モジュール１６は、電池１２の端子で維持される交差電圧レベルに実質的に等しい一定電圧レベルを有するように制御される（同様に７２）。

所望により、充電器１０のユーザーインターフェース上のＬＥＤが点灯し、交差電圧点に達し、したがって電池が正常に動作するのに十分に充電されたことを示してもよい。ユーザーが電池を即座に使用することを望む場合、その時点でユーザーは、電池１２を取り外してもよい。

指定の電圧上昇時間内に所定の上限電圧に達するように、電圧増加率が周期的に測定されてもよい（図３に動作は図示せず）。測定された電圧増加率に基づき、指定の電圧上昇期間内に所定の上限電圧に達するように充電電流を増加又は減少させるために、充電電流レベルが調整される（電流／電圧調節回路に加えられる動作信号に対応する調整を用いて）。

充電時間に実質的に等しい時間が経過した後、７４で決定されるように、電池１２に印加される充電電流が停止される（例えば、切り替え装置ＰＷＭ制御モジュール３２及び／又は変圧器制御ユニット２０を使用して、電気的動作電力変換モジュール１６を停止することによって）。充電手順は、電池１２の所定の上限電圧に達した後、又は電池１２のいくつかの指定の充電レベルに達した後、特定の時間経過時に終了する。

図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、図１に示される種類の充電器を使用して、４．２Ｖ ＣＶ／１２Ａ ＣＣで５分間充電した１Ａｈリン酸リチウム鉄電池の例示的な充電電圧及び充電電流の挙動を図示する。図４Ｂに示されるように、充電動作が開始すると、約１２Ａの一定電流が電池に印加される。１２Ａの充電電流では、１Ａｈ電池は、約５分間で完全に充電された状態になる（実質的に完全に消耗されている場合）（１Ａｈ／１２Ａ＝０．０８３３ｈ＝５分間）。

説明されるように、充電器１０は、実質的に一定の電流が生じ、電池１２に印加されるように構成され、したがって、電流の波動（グラフに見られるスパイクによって示されるような）に応じて、充電器は、平均充電電流が約１２Ａに一定に維持されるようにする。充電電流が最初に印加される際、充電器及び／又は電池１２の充電端子での電圧は、約３．７Ｖである。電圧は増加し始め、約３分間後に４．２Ｖの平均レベルに達する（図４Ａに示されるように）。その後、充電端子での電圧は、該レベルに維持される。

他の実施形態
本発明の多くの実施形態が記載されてきた。しかしながら本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく様々な改変が行われてもよいことは理解されるであろう。例えば、充電器は、電子装置、例えば、携帯電話、コンピュータ、個人用デジタル補助装置等で使用されるドッキングステーションに結合する、又はその中に埋め込むことができる。したがって他の実施形態は次の特許請求の範囲に包含されるものである。

Claims (10)

1. １つ以上の充電式電池を充電するための充電器装置であって、１５７．３ｃｍ ^３ （９．６ｉｎ ^３ ）未満の体積を画定するハウジングを備え、該ハウジングが、
   ３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を提供するための電力変換モジュールと、
   該１つ以上の充電式電池に送られる電流レベルを決定し、該決定された電流レベルと実質的に等しい充電電流で、該出力電力を該１つ以上の充電式電池に送らせるように構成されるコントローラと、を備え、
   該１つ以上の充電式電池に送られる充電器装置の出力電力と充電器装置の体積の比が、少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）に等しい、充電器装置。
2. 前記充電器装置に、力率補正器モジュール、出力コンデンサ、及び二次ＤＣ−ＤＣ電圧変換器モジュールのうちの１つ以上のものが設けられていない、請求項１に記載の装置。
3. 前記コントローラが、前記１つ以上の電池が１５分間以下の充電時間内に所定の充電を達成するように、該１つ以上の充電式電池に送られる前記電流レベルを決定するように構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記コントローラが、特定の時間と実質的に等しい充電時間が経過した後、前記充電電流を停止するように更に構成される、請求項１に記載の装置。
5. 前記電力変換モジュールが、電圧変圧器を含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記装置が、前記電力変換モジュールによって出力される電流を前記コントローラに調節させるためのフィードバック制御機構を更に備えている、請求項５に記載の装置。
7. 前記電流レベルを決定するように構成される前記コントローラが、１つ以上のリン酸リチウム鉄系充電式電池に送られる前記電流レベルを決定するように構成される、請求項１に記載の装置。
8. １つ以上の充電式電池を充電するための方法であって、
   該１つ以上の充電式電池に送られる電流レベルを決定する工程と、
   該決定された電流レベルに実質的に等しい充電電流で、３〜３００Ｗの範囲内の出力電力を該１つ以上の電池に送る工程であって、該出力電力は、１５７．３ｃｍ ^３ （９．６ｉｎ ^３ ）未満の体積を画定するハウジングを有する充電器装置によって提供される、工程と、を備え、充電器装置の出力電力と充電器装置の体積の比は、少なくとも０．６１Ｗ／ｃｍ^３（１０Ｗ／ｉｎ^３）に等しい、方法。
9. 前記充電器装置に、力率補正器モジュール、出力コンデンサ、及び二次ＤＣ−ＤＣ電圧変換器モジュールのうちの１つ以上のものが設けられていない、請求項８に記載の方法。
10. 特定の時間に実質的に等しい充電時間が経過した後、
    前記充電電流を停止する工程を更に含む、請求項８に記載の方法。

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