JPH06509697A - 再充電可能な電池を特に急速に充電するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 再充電可能な電池を特に急速に充電するための方法この発明は、請求項求肥ｌ記 載位概念に該当する方法と　ｌｉ方法を実行させるための回路方式とに関する。

公知の充電装置は、前もって定電圧もしくは定電流のいずれかの方式を選定し、 これらに対応した充電電流もしくは電圧を設定すると言う方式で動作する。そし ていわゆる定電圧充電方式では、電池に一定の充電電圧を印加するので、最初は 掻めて大きな電流が流れるが、充電の進行に伴ってこれが次第に小さくなる。し かし充電終期に電池が過熱状聾にならないようにするには、充電電流をそれ相応 に抑制しなければならないので、電池を完全充電するまでの時間が極めて長くな る。またいわゆる定電流充電方式においては、電池起因する電圧降下分とを合計 したものであり、充電電流をカットした時点においては　ｉｔ池がまだ完全には 充電されていない。しかし更に充電を進めると、電池が温度上昇して傷められる 。従ってこのような理由から、市販の公知の充電装置では、充電電流が２アンペ ア程度に制限され、所要充電時間が１２ないし２４時間にもなる。

しかし、電池をこれより１に短時間１例えば１時間程度で充電する。いわゆる急 速充１！装置も存在し２完全放電済の電池を比較的大電流で充電させることが実 用化されているが。

これは主として内部抵抗の低いＮＩ　Ｃｄｉ！池用である。しかしこの場合にも 、大きな充電ｉｉ流が適時遮断されなかったら、過充電による著しい温度上昇に 起因してガスが発生し。

１！池が破裂したり、そうでなくても寿命が短縮される恐れが生じる。

特に上記のようなセ速充１に装置では、充電電流を巨期遮断すると所定充電容量 が実現されなくなるため、適切な遮断時点ないし充！１！圧を検知することが問 題となる。そこでこの遮断時へ判定基準として２充電時間、温度、端子電圧が挙 げられる。無電流状態での電池電圧を最も正確に測定する方法が、端子電圧測定 法である。このことが公知の充１！装！では、短時間の充電休止期間に電圧を測 定することによって実現されている。また、一定の！ｆｉパルスで電池に充電電 流を供給し、これらの電流パルスの休止期間中に端子電圧を測定しながら監視す ることも公知である。

デルタＶ方法と名付けられたこの公知の方法では、セル電圧がｉｉ　１ｔｔｌ　 Ａ度によって大きく左右され、温度が上がるとセル電圧が低下すると言う特質が 利用されている。そしてこの公知の方法では、充電時間の短縮と所要の温度上昇 とを実現させて電圧降下量ΔＶを把迩可能とするため、ＩＦシい温度上昇には敢 えて目をつぶらざるを得ない。しかしこの結果。

通電よりも大きな電流と高い温度で電池を充電した場合、前記電圧降下が早期に 発生し。

電池がフル充電されなくなることが欠点となる。しかも過熱によるガス発生によ り、電池の寿命が著しく短縮される。

この種の他の公知の方法では、充電終期の急峻な電圧上昇が判定基準に利用され るが。

この場合、充電電流がカットされずに次第に引下げられるので、充電終期の温度 上昇が効果的に防止される。このような方法によれば、電池をいたわりながら充 電が実行されるので、何サイクルにも及ぶ長寿命が保証されるようになる。この 場合、１．２Ａｈ電池に対する最低所要充電時間は、１０分間と言われている。

しかも−ｌＯ℃から＋６０℃までの１度範囲で充電可能である。

この発明の目的は、ガス発生を惹起させる恐れのある有害な温度上昇を避けなが ら、より短い充電時間を実現させ、かつより広い温度範囲での充電を可能とする 新規な充電方法を提供することである。そして充電装置を、市販のあらゆるタイ プやサイズの電池のほか、主として自動車用バッテリーの急速充電用としても、 一般的に広（使用可能としようとするものである。

この発明も、電池に定電流パルス状の充電電流を供給する充電方式を原点とした ものであるが、この場合、電流パルスの休止期間ごとに電池の端子電圧を測定し 、これが所定の最大遮断電圧に到達したら、許容値を超える電池の温度上昇やガ ス発生が発生しないように、充電電流を引下げる。

この発明に基づく方法は、大きさの異なる幾つかの充電電流を用意し、その時々 の電池このことは２前記充電電流値を、当該電池の電気化学起電力カーブ内の一 つの電池特性領域に割りつけることにより、当該領域の上限を超過したら、その ときの充電電流をカットするとともに、必要に応じて隣の領域を活かす一方、当 該領域の下限を下回った場合には、その時々の充電電流を再投入すること（ヒス テレシス形成）により、達成される。電流や電圧をカットする公知の充電方法や 充電装置とは異なり、この発明による充電プロセスにおいては、大きさの異なる 電圧、ｉｉ流が供給されるので、当該期間中の過大な温度上昇やガス発生が必然 的に抑制される。

この発明の他の特徴によれば、充電プロセスに際し　まだ完全には充電されてい ない電池で通ｔ＋Ｖ受けられるパルス休止期間ごとの電気化学起電力の低下が、 パルス休止期間中に目的をもって実行される放電プロセスによって促進される。

すなわち、このパルス休止期間中の短時間放電により、実際の起電力がより速や かに実現されるようになる。しかもこのような措置により、−役に「メモリー効 果ｊと称される電池内での各電池固層の結晶生成が防止される。この効果は、電 池の蓄電容量ならびに使用可能サイクル数が向上されるにつれ２注目されるよう になった。

この発明に基づく方法によれば、充電所要時間を５ないし７分間に短縮可能なこ とが実証さ第１ている。しかも−２０’Ｃから＋８０℃までの温度範囲にも適用 可能となる。

殆ど瞬間的に充電、測定、修正が実行されるため、橿めて大きな電流で初期充電 されるにもかかわらず、電池が優しくいたわれながら充電される。また充電電流 が電池に完全に吸収されて熱に変換されないため、充電効率も極めて高くなる。

特に電池に優しい充電を実現させるには、領域数を任意に増やし、高電ａ領域を 第１期ではなく、礪２期もしくは他の１所に分散させたり、あるいは完全に廃止 すればよい。これは、ソーラー電池による電池の充電に好適な筈である。

この発明の詳細とその他の特徴は、以下の説明ならびに副請求項記載の通りであ る。次にこの発明を、実施例の図面をｔ、照して更に詳細に説明する。

図１は、市販の再充電可能なＮｉ　Ｃｄｔ池の理論的電圧、電流カーブである。

図２は、この発明による方法を実行させるための回路方式のブロック結線図であ る。

図３は、充電初期での電池温度５０℃のときの実際の電圧、電流カーブである。

［Ｚ４は、充ＩＥ初期での電池１度Ｏ′Ｃのときの実際の電圧、電流カーブであ る。

図１に、市販の、あるＮｌＣｄ電池の典型的な充電カーブが示されている。図中 のＵ＝ｆ　バ）が電池の電気化学起電力カーブ　Ｉ＝ｆ（Ｕ）が連鎖パルス状の 充１！電流であるが、この図に示されているように、これには大きさの異なる３ 種類の定充電電流１１．１２および第３が用意されている。そしてこれら充電電 流それぞれの大きさは、充電対象電池に応じて選定されるので、完全放電済のバ ッテリーに対しては、充電初期に掻めて太きｔｉＩ流を流すことが可能となる。

実際にこの充電電流の最大値は、短絡電流にほぼ等しくなる。この実施例におい ては、＋１＝ｌＯＡ、１２−６Ａ、１３−４Ａである。これらの電流が、電池の 電気化学起電力カーブＵ＝ｆ　（ｔ）において、それぞれの最低電圧と最高電圧 とを目印に区分された三つの領域、すなわち第１期ないし第３期それぞれに割当 てられる。完全放電済電池では、第１期が実用上零の状態からスタートし、電圧 目標値Ｕ１で終わる。これに引き続き、Ｕｌと殆ど差がない電圧Ｕ２を下の目標 値とした第２期がスタートするが、詳細を後述するように、第１期からこの第２ 期に必ずしも常に完全移行されるわけではなく、第１期の電流１１とＮＩｚ期の 電流Ｉ２が交互に供給される第１移行期を経て段階的に行われる。これに関する 詳細は２図２を参照しながら後述する。

電圧が最大目標値Ｕ２ｂに達すると第２期が終了し、この期の電流Ｉ２がカット され。

補償充電電流■３が活かされる。この第３期は、電圧Ｕ３ａを下の目標値、Ｕ３ ｂを上の目標値とした領域である。ただし実際では、電流Ｉ２がカットされたあ との電池電圧測定値が、第３期の目標値Ｕ３ａを下回った場合にのみ、すなわち 電池がまだ完全には充電されていない場合にのみ、補償充電が行われる。そして この補償充電電流■３によって電圧が目標値Ｕ３ｂに達したら、充電電流■３が カットされるが、電池電圧が再び下の目標値Ｕ３ａに低下したら、これが再度投 入される。図中、電圧力ーブＵ−ｆ（ｔ）の第３期のダブルライン領域は、電圧 Ｕ３ａとＵ３ｂとによって電流Ｉ３がオン・オフされることにより形成されたヒ ステレシス形成プを意味する。電池電圧は１図１８ないし図１ｂに描かれている ように、この充電期間中に通電期間を次第に延ばしながら、Ｕ３ａとＵ３ｂとの 間を行き来する。また電流カーブＩ＝ｆ（Ｕ）のダブルライン領域は、後述する ように連鎖パルス充電電流■３がパルス幅制御されることにより、充電時間の経 過と共に、補償充電電流Ｉ３のオン期間が次第に短縮されることを意味するもの である。

充電電流Ｉ３が不足して電圧目標値Ｕ３ｂに達せず、電池がまだ十分には充電さ れていない場合には、目標値Ｕ２ａが達成される程度にまで電圧を引き下げるこ とにより、第２期の充電電ｍＩ２を再び活かし、電池をより大きな電流Ｉ２で充 電させればよい。そして目標値Ｕ２ｂが再度達成されたら、Ｒ通り、補償充電に 切り換える。そしてこのことを何亘も繰り返すとよい。このようなやり方によれ ば、第２期の中にも移行領域が形成されることになる。

第１移行期は、１！気化学起電力が、充電途中で目標値Ｕｌを目印にした第１期 終末期に違したあと、電池の充電不足に起因して再び目標値Ｕ１以下に低下した ため、充ｔｉｉｆｉ　＋２をカットして再１ｆＩｌを活かした場合に出現する。

そして１２よりも大きいＩｔによるパルスが連続されているうちに電池電圧が上 昇して目標値Ｕ１を超えたら、充電電流１１がカットされ、＋２が再度投入され る。そして次のパルス休止期間中に、再度電圧Ｕ１の低下が確認されたら、再び 前記プロセスが実行され、そしてパルス休止期間中に電池電圧がもはや目標値以 下には低下しなくなるまで、これが繰り返される。

この移行期間中は、充電電流パルスが、常に大きさを異にする二つの電流で合成 されるので２図１の移行期間に示されているように、充電電流の平均値が低下す る。

例えば中途半端にしか放電されていない電池を充電しようとする場合には、第１ 期を省略して第２期で充電開始される。また３例えば完全充電された電池をうつ かすしてこの発明に基づき動作する充電装置に接続した場合、殆ど瞬間的に第１ 期１１２期を飛び越し。

そのまま１３期に突入する。

発光ダイオードやその他の光学的表示装置を用い、冬期区分それぞれの目印とな る電圧Ｕ１．Ｕ２ａ、Ｕ３ａ、Ｕ３ｂ、Ｕ２ｂを表示装置にインプットすれば、 電池の充電状態を比較的容易に表示させることができる。

図２に１図１に示されている充電プロセスを実行させる回路方式のブロック結線 図が示されている。この図において、１が充電対象となる電池である。この電池 がその時々に必要とする充電電流は、終段増幅器２によってパルス化されるが、 この増幅器はトリガー３によってコントロールさね、一定の電流パルスを出力す る。ただしこのコントロールパルスの周波数は、電池をいたわりながら充電可能 とするため、高い値、すなわちｌＨｚから１Ｑｋ）Ｉｔの間に、また好ましくは 可調整に、設定される。そして各パルス持続期間とパルス休止期間との比は１例 えば５１と１００１の間、すなわちパルス持続期間がパルス休止期間の５ないし １００倍になるように設定可能である。１１頭に述べたように、この各パルス休 止期間ごとに、！池の充電状態を表すその時々の電気化学起電力が測定され、こ れが電圧実際値として、配線Ｌｌ経由で電池電圧メモリー４にインプットされ１ 次のパルス休止期間での新測定値がイノプツトされるまで、ここに保持される。

つまりこのメモリー４の内容は、ｔに最新状態に修正される。

またその時々の電流実際値も、上記と類似のやり方で配線し２を経由し、電流実 際値メモリー５にインプットされ２次の通電期間の新しい電流実際値がインプッ トされるまで。

ここに保持される。この電流実際値は、電流に比例した電圧を発生するシャント （分流器）を用いて把復され、これが電圧値として前記メモリー５にインプット される。前記電圧実際値メモリー４ならびに電流実際値メモリー５を、終段増幅 器２と同期動作させるため、トリガー３が前記各メモリー４と５を配線３経由で 、Ｎえば一方をパルス休止期間に。

また他方を通電期間中と、交互にコントロールする。そして電圧実際値メモリー ４の中に格納された電圧実際値が、配置１４経由でコンパレーター（比較器）６ にインプットされ、ここで目標値との照合が実行される。この方法に必要な電圧 、電流の各目標値はボックス７の中に格納されている。

いずれも電圧影響の電圧、電流各目標値は、主として単純な方法により、定電圧 を印加した分圧器から得られる。

電圧目標値がコンパレーター６にインプットされるが、このコンパレーターの個 数は。

検出される電圧の数と同数とし、これらすべてのコンパレーターに電圧目標値を 与える。

そして各コンパレーターそれぞれの出力をＲＳフリップ・フロツブコンビネーノ ｉノ９にインプットすることにより、第１ないし第３の各期が、二つのヒステレ シス２と３とを形成しながら確定される。

図」に示されている例によれば、一方のヒステレシス２が二つの電圧目標値Ｕ２ ａとＵ２ｂによって、また他方のヒステレシス３がＵ３ａとＵ３ｂによってそれ ぞれ形成されるが、この場合、電池の電気化学起電力が上昇したときには、Ｕ２ ａやＵ３ａからＵ２ｂやＵ３ｂへと、それぞれに対応した充電電流１２や１３が オンされるのに対し５電池起電力が低下したときには、Ｕ２ｂやＵ３ｂからＵ２ ａやＵ３ａへと、当該領域（第２期や第３期）にそれぞれ対応した充電電流１２ や＋３がオフされたままとなる。

各期それぞれに対応した電流目標値が、配線Ｌ５＆Ｉ由で制御論理回路８に伝達 される一方、これにはＲＳコンビネーンａン９のフリップ・７０ツブから主とし てデジタル方式の信号が与えられ、これによって現在どの期で動作中であるかが 知らされる。この制御論理回路８には冬期制御用のマルチプレクサ−が配属され ており、これによって第２期および第３期それぞれに対応した充電電流Ｉ２と１ ３とが適切にリンケージされる。従って制御論理回路８からは、ＩＫ池が当面必 要としている電流目標値がアウトプットされるようになり、これがインチグレー ター（積分器）１０にインプットされる。このインチグレーター１０が、電流目 標値メモリー５に格納されている電流目標値を、制御論理回路からインプットさ れたばかりの電流目標値と照合し、かつこれを修正する。

インチグレータ−１０が、電池が必要とする許容最大充電電流を、好ましくはマ ルチステップの終段増幅器を介してコントロールする。この終段増幅器２が２好 ましくは前置増幅器を介し、トリガー３によってパルスコントロールされるため 、これが移行期においては大きさの翼なる二つのｔＸ、例えば第１移行期では電 流１１と１２から合成した。正確ｆＬＩｌｔａパルスを生成する。ただしこの場 合、このパルスの持続期間の長さは、一定のままである。

この方法で動作する充１ｉＶＲｉ１１！は、さまざまなタイプの電池に容易にマ ツチフグ可能であり２実用に際しては、′１′！テノ／ジメーターまたはこれに 類したものを設定しさえすればよく、これこそ　ｒｔＩ極主鉢主体電方法」と言 える。

図３と４に、実測した電流・電圧力ーブが示されているが、これは、を池１度５ ０゛Ｃと０°Ｃの二つのケースについての電圧力ーブＵ−ｆ　（ｔ）と電流カー ブＩ＝ｆ　（Ｕ）の記録である。そしてここでも充電電流１１ないし＋３の大き さ、ならびに電圧目標値Ｕ１．　Ｕ２ａ、ＩＪ２ｂ、じ３ａ、Ｌ１３ｂそれぞれ の大きさが９図１と同一に設定されている。これらの図から分かるように１図３ のカーブは、充電時間が５分ないし７分である点を除き。

実際的に図１と同一である。

また図４に示されているように、１ｘ度の低下に伴い電池が受け入れる電流値が 低下するため、第１期は、短い第１移行期を経たあと、直ちに充電電流が１２の 第２期に移行される。そして最大電圧目標値１Ｊ２ｂに達したあと、電圧υ３ａ を維持するには補償充電用の充１ｗ流Ｉ３では不十分ｔｉので、充電電′ｆＬ＋ ２が再度投入され、第２移行期が現出した。

また、予期しなかった驚きとして、この発明に基づき動作する充電装置にアルカ リ−次電池を接続したら、これが危険なく再充電されたのである。この現象に関 する詳細調査の結果、これまで充電不能とされてきた１例えばアルカリ・マンガ ン−次電池が５０回もの充放電に耐え、５０回目の充電後での蓄電容量が、定格 値の７５％にも達していた。しかしいずれにしても急速充電は不可能で、充電に は２ないし３時間を要した。またテスト結果によれば、水銀・酸化水銀や銀・酸 化銀等の各−次電池も、再充電可能であることが判明した。ただし当然のことな がら、これには充電装置を電池特性に合わせて調整する必要がある。

この発明による方法では、公知の急速充電装置に比べて回路装置のコストが若干 高くなるが、１！子部品や構成グループを合理的に集積して、最大限度までＩＣ 化するとよい。しかしこの方法は、橿端な短時間充電、電池を大事にする取扱、 繰り返し使用回数の向上。

あるいはメモリー効果の発生防止等が要求される場合にはお誂えむきなものとな る。

この装置への電池の誤接続（橿性の取り違え）を防止するには、装置の電圧・電 流源へのリード線の途中にスイッチングトランジスターを設けることにより、電 池の記憶が正しい場合にのみ、を源をオンさせればよい。周知のように、完全放 電済の電池でもなお０６ボルト程度の起電力が残存するので、これを適宜増幅す れば、入力回路の前記スイッチングトランジスターをコントロールさせることが できる。例えば電極間が短絡したような。

著しく損傷された電池には電圧が残存していないので、前記の保護回路でこれを 検知して表示可能であり、充電プロセスが実行されるようなことはない。

また電池を２例えば６０℃以上の高温で充電したいような場合には、装置に、電 池１度を監視する七ノサーを追加装備するとよい。

図中の符号の説明 図Ｉ　Ｕ＝充電電圧、Ｉ−充電電流、Ｃ＝容量２■＝第１移行期、■＝第２期、 ■＝第３期、■＝１０分のとき 図２．１子電池とノヤント２２−終段増幅器、３＝トリガー（１）１！〜１０ｋ ｌｌｚ可調整）。

４子電池電圧メモリー、６士目標値と実際値との比較用コンパレーター、７＝電 圧ならびに電流各目標値のための基準電源、９−ＲＳフリップ・７０ツブ（第２ 、第３冬期それぞれのヒステレシス用）、１０＝インテグレーターＦｌ（ｙ　２ Ｑ　４　ロ　ロ 〜　’ｉ　ｒｗ−）　Ｎ＝　飄　Ｎ ：ｂ　：）＋））：）　ゝ　Ｎ 補正１．７）写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成　５年１２月 　６０ １　特許出願の表示　ＰＣＴ、ＥＰ　９２．・０１２０６２　発明の名称　再充 電可能ｆ：電池を特に急速に充電するための方法３　特許出願人 住所（居所）　オーストリア　８０２０　グラーノニーゼンベルガーガノセ　３ ９ 氏名（名称）　エンシュトーレ　フォルシュンゲス−、エントヴイノクルングス ー　ウント フェアトリーブスゲス　エム　ヘーハー代表者　追って補充する （国籍）　オーストリア ４　代理人 住所（居所）　〒１０１東京都千代田区神田司町２−９　第１高田ビ）Ｌ　５　 Ｆ置　０３（３２９１）６２５１　ＦへＸ　０３（５２５９）７２８６５　補正 書の提出年月日　１９９３年　５月１２日６　添付書類の目録 果的に防止される。このような方法４：よｎ＋ｉ　電池をいたわり一から充電か 実行されるので、何サイクルにも及ぶ長寿命か保訂さｉするようになる、この場 合、１．２Ａｈ電池に対する最低所要充電時間は、１０分間と言われて、入る。

しかも−１０℃から＋６０”Ｃまでの温度範囲で充電可能である。

上記とは異なる他の公知の充電方法では、充電プロセスコントロールのため、カ ットオフ判定基準として、充電電流パルス持続期間中の電池の端子電圧変化が利 用されＣいる。

この方式による方法（ＥＰ−ＡＩ−００３４００３）では、電池にパルス状の充 電電流か供給され、該パルスの休止期間に電池の放電力＼実行されるが、これに よって矩形波状の電流パルスに、電流値か大と小の各区間か発生する。そして充 電期間中、充電パルスの部分期間の所定時間にわたって電池端子電圧変化をｆＲ す定し２例えばこの電圧変化ｉか所定限麿を超過するなど、測定値か所定特性か ら逸脱すると、充電プロセスか打ち切られる。すなわち充電パルス各す１′タル ごとに電圧変化の測定が実行される。例えば充電パルス立ち上かり直後と、その ２秒後にそれぞれ電池電圧を測定し、その差をめる、もし電池が完全充電されて いるなら、この差が太き（なる。この差を連続記録すると、このカーブの上昇傾 向か、完全充電直前には屈曲するので、これかカットオフ判断の手掛７Ｊｚつに なる。

しかしこの公知の方法は、測定装置か高価になるだけでなく、ｉ＝に一定な電流 パルスを必要とする。

また、ＤＥ−！〜ｌ−３８１１３７１により、Ｎｉ　ｃｄ電池の充電とチェック とを同時に行う方法が公知にされているか、こつ場合にも１Ｍ密に規定された一 定のパルス状の充電電流を電池に供給しなければならないか、この矩形状のパル ス区間には、ｉｉ流値の大きい区間と小さい区間か設けられる、そして電流パル ス休止期間中の測定期間に比較的短時間の放電を実行させるか、この場合、電流 値の大きな区間の開始時と、それから所定時間後に、それぞれ電池電圧を測定し 、これら電圧測定値の差を充電プロセスコノトロールニ利用する。そして各測定 期間中に、異なる充放電状善のトでの電池の内部抵抗を測定して個々の値の相互 関係をめるとともに、相連続した各測定期間での内部抵抗測定値とも比較する。

これらの関係から電池のさまざまな状態における一連の情報か得られるので、こ れを用いて充電プロセスをコントロールするとともに、当該電池がまだ継続使用 可能が否かを判定することも可能となる。この公知の方法では、測定対象が電圧 の絶対値ではなく。

充放電プロセスに起因した電池の電圧変化が抽出される。

ＤＥ−Ａｌ−３８０６８６５により、相手側電池の特性如何とは無関係に、ガス 圧が許容値を絶対に超えない充電方法が公知にされているが、このことは、ガス 発生電圧よりは低ししヒ彫値向丞したら、比較的大きな初期充電電流を１例えば 補償充電電流程度會こまで引下げ　これに伴い電池電圧か低Ｆして下限値に達す るまで、この状態を持続させたあと若干低めの充電電流をフル投入する２、モし て充電電流引下げ期間の累計か所定時間に達するまで、このような、暇動的充電 プロでス含繰り返したあと、最低充電電流による補償充電か所定時間だけ実行さ れる。しかしこの公知の方法では、充１屯流パルスの繰り返し周波数か、モグ） 時々の電池の充電状態との関係によって決定されるため、充電時間かかなり長く なる。

ｉイノ実用新案Ｇ９０１０９７２．４　’ベルハにより２一つの電池充電装置か 公知にされているか、二の装置は　各瞬間の充電状り検出用の計測、制御回路と 目標値発信器とを備えており、この目標値発信器か、各−間の充電状恩検出値に 対して充電電流の目標値を９１りつける。そしてバルスレギュし一夕−としての 充電電流調整器か、必要に応して可調整の、パルス幅とパルス休止期間とを設定 することにより、電流パルスの大きさかそれぞれ所定の目ＢＡ値に応じてコント ロールされる。また前記制御回路には、充電装置に接続された電γ蝿子電圧の、 前記測定回路による測定値に対して少なくとも一つの上限値と一一）の下限値が 設定されており、端子電圧か二の上側直に達したら、これが下限値に再び低下す るまで、制御回路のロジックによって充電プロセスか中断される。またこの明細 書により、各瞬間の充電状態の表示装置と誤極性表示装置とを設けることも、公 知である。

フランス特許ＦＲ２２０３１９８！ウェスチングハウス）により、パルス休止期 間中に電圧測定を実行することによってその時々の充電状態を確認することが公 知にな１でいるか、この場合、その時々の充電状態か、前記電圧測定値から直接 把握されず、各パルス終期ごとに連続測定したそれぞれの電圧測定値の差をめる ことにより１間接的に把握される。そしてこれらの測定結果をコンピューターに １′シブツトし、充電電流の継続・カットてフあるいは修正が実行さｒＬ’５ｅ ＥＰ−０１８１１１２（クリステｒ）記載の充電方法では、電池に一定の充電電 流パルスか供給されるが、この場合、各パルス休止期間の終期ごとに端子電圧か 検出される。そして電流パルス休止期間中の放電プロセスを通し、電気化学起電 力の低下を促進させることが可能である。この公知の方法においても、主として カットオフ判定基準としての電圧の経時変化を把握したり計算するのに、やはり コンピューターが使用される。

また、ＦＲ−Ａ−２２７４１５６により、補償充電運転中に、電池電圧を上限値 と下限値との間を上６１丁げさせることか公知である。これと類似のＥＰ−０３ ３０９８１記歌のされるう 再充電可能なくノテリーシステムに関するＥＰ−００７４４４４では、充放電プ ロセスか　マイクロブツセ５サーの助けをかりて、酸濃度（ｐＨ値）や温度等と の関連の下にコノト一一ルされるが、この場合、一定の充放電パルスを使用し、 必要とする充電′＠流の程度に応してこのパルス速度を変化させる。

充電回路に関するＵＳ　４，３７１．８２６　（ノエリー）では、パルス幅変調 した定電流パルス形態の充電電流か電池に供給される。

方法、装置および回路方式に関−ｆるＰＣＴ／ＡＴ　８９１０００２７では、過 充電を防止するため　エネルギー供給を力！１・もしくは抑制する必要かめるが 、この場合、カットオフ判定基準として充電電流と充電電圧それぞれの経時変化 か利用さね、これかコンビニーター回路によって検出、評価される。

マイクロプロセッサール吻の電池充電システムに関するＵＳ４．７１０．６９４ 　Ｃガ１−フィン）では、大きさの異なる三つの充ｉｔ流か用意され、これらか 逐次投入される。そしてマイクロプロセッサ−により、先ず極めて大きな充電Ｔ ４流か短時間だけ９例えば電圧か特定値に達するか、もしくは端子電圧変化率が 、Ｘを正数としたとき　Ｘ／’ｔｏｏボルト／’ｈよりも小となるまで通電され たあと７第２充ｔｉ４流が、ｉ圧変化率かｘ／”　１００　ｆルト／ｈよりも小 となるまで継続通電される。そしてこれに引き続き、第３充電電流か投入され、 充電か打ち切られる。

ＷＯ−Ａ−８４１０Ｏ６１４Ｃンユトゥベ）により公知にされた。蓄電池のその 時々の充電容量を監視する方法では、急速充電を目的として、大きさの異なるパ ルス状充電電流による複数の充電期が用意され、その第１充電期には１通常の数 倍にも達する極めて大きな充電電流か通電されるうそして特定の切換電圧に達す るか７　もしくは温度が設定値を超えるか、これら二つの条件の一つか満たされ 次第、第１期から策２期への切換か実行される。この第２期は、所定時間か経過 するか、もしくは特定の切換電圧に達するか、あるいは充電対象電池の温度か特 定値を超えたら、１！ちに打ち切られる。そしてこの第２期終了後の補償充電の ため、第３充電期には１時間間隔を広げた補償充電パルスか印加すれろ。

この発明の目的は、ガス発生を龍させる恐れのある有害な温度上昇を避けながら 、より短い充電時間を実現させ、かつより広い温度範囲での充電を可能とする新 規な充電方法を提供することである。そして充電装置を、重訳のあらゆるタイプ やサイズの電池や、主として自動車用バッテリーの急速充電用としても、一般的 に広く使用可能としようとするものである。

この発明も、電池に定電流パルス状の充電電流を供給する充電方式を原点とした ちのであるが、この場合、電流パルスの休止期間ごどに心地の端子電圧を測定し 、これが所定の最大遮断電圧に到達したら充電電流を引下げることにより、許容 値を超える電池の温度上昇やガス発生を防上する。すなわち大きさの異なる幾つ かの充電電流を用意し、これをその時々の電池の充電状態に応じて投入するか、 この場合、大きさの異なるこれらの充電電流を、Ｉ４池の電気化学起電力カーブ 内の電池特性領域それぞれに割りつけ、起電力が当該領域の上限を超過上なら、 当該充Ｔｉ電流を力７トオフするとともに、必要に応じて隣の領域の充電電流を 投入する。

この発明に基づく方法は、上の領域限界に達したら、それ以降の移行期において は、電池の充電電流を、第１期の電流値と第２期のそれとの中間の値にし、この 状態を、この充電電流の引下げに伴ってパルス休止期間後に低下した当該電池の 電気化学起電力か再び当該領域限界を超えるまで、持続させるとともに、これに 引き続く第２期においてはその充電電流を第２′Ｆ４流値に維持させ、この冨２ 期において上の領域限界（力ｙト才）電圧）に達したら、電気化学起電力カーブ 内に更なる領域限界を設定することにより、Ｎ償充電期の充電電流を徐々に引き 下げることを特徴とする。

このこ日ま、この発明に基づき、電気化学起電力カーブｔｒ＝ｒ＜ｔ）内で、そ れぞれの電流値か割りつけられる領域を、上と下の各電圧目標値によって区分す るとともに、充電期での下の電圧目標値を、主としてその直前領域の上の電圧目 標値に相当した値にすることにより、一つの１１ｔ流パルス後の電池の電気化学 起電力か、当該領域限界の一つを上回るかもしくは下回ると、当該もしくは次の 電流パルスの電流値を、その時々の当該領域（第１期もしくは第２期）にマツチ させること、起電力が上の領域限界に達したら、これか補償充電期（第３期）の 下の領域限界に違するまで１次の′ｉ４流パルスを抑制（カットオフ）すること 、および補償充電期（第３期）において、一つの電流パルス後に起電力か領域限 界（Ｕ３ａ、Ｕ３ｂ）を上回るか、もしくは下回るたびに、当該もしくは次の電 流パルスを抑制もしくは投入すること、により実現される。

電流と電圧をカットする公知の充電方法や充電装置とは異なり、この発明にＪる 充電プロセスにおいては、大きさの異なる電圧、電流か供給されるので、当該期 間中の過大な温度上昇やガス発生が必然的に抑制される。

この発明の他の特徴によれば、充電プロセスに際し、まだ完全には充電されて（ １なし・電池で通常見受けられるｌ々ルス体上期間ごとの電気化学起電力の低下 が　１＜）レス休止期間中に目的をもって実行される放電プロセスによって促進 される。ふなわち、このパルス休止期間中の短時間放電により、実際の起電力が より速やかに実現されるようになる。し力）もこのような？！置により、一般に 「メモリー効果１と称される電池内での各電池固有の結晶生成か防止される。ご の効果は、電池の蓄電容量ならびに使用可能サイクル数か向上されるにつれ、注 目されるようになった。

この発明に基つく方法によれば、充電所要時間を５ないし７分間に短縮可能なこ とか実証されている。しかも−２０℃から＋８０℃までの温度範回にも適用可能 となる３、殆と瞬間的に充電、測定、修正か実行されるため、極めて大きな電流 で初期充電されるにもかかわらず、電池か優しくいたわれながら充電される。ま た充電電流か電池に完全に吸収されて熱に変換されないため　充電効率も極めて 高くなる。

特に電池に優しい充電を実現させるには、領域数を任意に増やし、高電流領域を 第１期ではなく、第２期もしくは他の箇所に分散させたり、あるいは完全に廃止 すればよい。これは、ソーラー電池による電池の充電に好適な筈である。

補正−〔特許請求の範囲〕 〔請求項１〕　再充電可能な電池、主として自動車用バッテリーを、これに定電 流／ぐルス形態の充電電流を供給することにより、特に急速に充電するための方 法であって、電流ノくルス体止期間ごとに電池の端子電圧を測定し、これがカッ トオフすべき最大電圧に達したら充１！１４流を引下げることにより、電池か許 容限度を超えて１度上昇したりガスを発生したりしないようにするため、大きさ の異なる幾つかの充電電流を用意し、これらをその時々の電池の充電状態に応し て投入する。すなわち電池の電気化学起電力カーブＵ＝ｆ（ｔ）内の各電池特性 領域それぞれに前記充電電流を割りつけることにより、各領域の上限か超過され るたびに当該充電電流を遮断するとともに、必要に応じて隣の領域の充電を流を 投入する方法において、 当該領域の上限（Ｕｌ）に達したら、それ以降の移行期（Ｏｌ）においては充電 電流を第１期の電流値（１１）と第２期のそれとの中間の値にし、この状態を、 充電電流の引下げに伴いパルス休止期間後に低下した電池起電力が再び前記領域 限界（Ｕｌ）以上に上昇するまで、持続させたあと、第２期においては充電電流 を第２電流値（Ｉ２）に維持させ。

この第２期において当該領域の上限（Ｕ２）に達したら、電気化学起電力カーブ 内に更に領域限界（Ｕ３ａ、Ｕ３ｂ）を設定することにより、補償充電期（策３ 期）の充電を流を徐々に引き下げることを特徴とする方法。

〔請求項２〕　電気化学起電力カーブＵ＝ｆ　（ｔ）においてそれぞれに電流値 （１１，１２，１３）か割りつけられる各領域を、下限および上限の各電圧目標 値（０〜Ｕ１．　Ｕ２ａ＝Ｕ２　ｂ、Ｕ３　ａ−Ｕ３　ｂ）によって区分し、充 電期においては下限電圧目標値（Ｕ２ａ）を、主としてその直前領域の上限電圧 目標値（Ｕｌ）に相当した値にすることにより、当該電池の電気化学起電力が、 電流パルス休止期間後に各領域限界（Ｕｌ、Ｕ２ａ）の一つを上回るかもしくは 下回るたびに、当該もしくはそれ以降の電流パルスの１ｉＥｉ値を。

それぞれの担当領域（第１期もしくは藁２期）にマツチさせること、起電力か当 該領域上限（Ｕ２ｂ）に達したら、これが補償充電期（策３期）の当該領域下限 （ＬＴ３ａ）ｌこ達するまで１次の電流パルスを抑制（カント）すること、およ び当該電流ｌくルス休止期間後１こ起電力か領域限界（Ｕ３ａ、Ｕ３ｂ）を上回 るかもしくは下回るたびに、当該もしくはそれ以降の電流パルスを抑制もしくは 投入することを特徴とする請求項１記載の方法。

〔請求項３〕　充電プロセスに際し、まだ十分には充電されていない電池で通常 発生する電流パルス休止期間中の起電力低下を、電流パルス休止期間中に目的を もって放電させることにより、促進させることを特徴とする請求項工ないし２記 載の方法。

〔請求項４〕　主としてＩＯないし１０．０００オ一ム程度の非誘導性抵抗を接 続することにより、ＩＩ電流パルス休止期間中放電プロセスを促進させることを 特徴とする請求項３記載の方法。

〔請求項５〕　パルス休止期間の比か、主として５：１ないし１００：１の間に 選定可能であることを特徴とする請求項１ないし４記載の方法。

〔請求項６〕　初期充電電流の大きさが、主として当該電池の短絡電流にほぼ相 当した程度の大きさに選定されることを特徴とする請求項工ないし５記載の方法 。

〔請求項７〕　請求項１ないし６の一つまたは幾つかに記載の方法を実行させる ための回路方式であって、各電流パルス休止期間の終期ごとに電池（１）の電気 化学起電力を測定し、これを電圧実際値メモリー（４）の中に格納し、かつこれ を、各領域（第１期ないし第３期）それぞれに割当てられた電圧目標値（Ｕｌ、 Ｕ２ａ、Ｕ２ｂ、Ｕ３ａ、Ｕ３ｂ）と、コンパレーター（６）を介して照合する こと、コンパレーター（６）の出力端が、各電圧目標値を各領域（第１期ないし 第３期）それぞれに割りつけるＲＳフリップ・フロップコンビネーション（９） に接続されていること、および各領域（第１期ないし第３期）それぞれに割当て られる電流目標値（ＩＩないし１３）を、制御論理回路（８）を介してこれら各 領域それぞれに結び付けることにより、電圧目標値に対応した電流目標値を制御 論理回路（８）の出力端に出現させること、を特徴とする回路方良〔請求項８〕 　電圧目標値に対応して制御論理回路（８）からアウトプットされた電流目標値 が、電池に給電する終段増幅器（２）に、積分回路（ｌＯ）経由でインプットさ れ。

該積分回路が、電流実際値をそれぞれの電流目標値と比較し、かつ当該パルス持 続期間中にこの電流目標値を再設定することを特徴とする請求項７記載の回路方 式。

〔請求項９〕　パルスコントロールされた１［置の実際値が、パルス持続期間中 にシャントを介して測定され、かつこれか当該パルス持続期間を期限として電流 目標値メモリー（５）に格納されることを特徴とする請求項７および８記載の回 路方式。

Ｊ求項１０〕　大きさの異なる幾つかの充電電流（１１ないし１３）を出力する 。主として多段方式の終段増幅器（２）が、電圧実際値メモリー（４）ならびに 電流目標値メモ１＋−＜５＞と共に、トリガー（３）によって一括パルス制御さ れることを特徴とする請求項７ないし９記載の回路方式。

〔請求項１１）　電圧および電流の各目標値が、定電圧電源に接続された分圧器 （基準器７）の各タップから得られることを特徴とする請求項フないしｌＯ記載 の回路方式。

国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 〔請求項１〕再充電可能な電池，主として自動車用バッテリーを，これに定電流 パルス形態の充電電流を供給することにより，特に急速に充電するための方法で あって、電流パルス休止期間ごとに電池の端子電圧を測定し，これがカットオフ すべき最大電圧に達したら，電池が許容限度を超えて温度上昇したりガスを発生 したりしないように充電電流を引下げる方法において、 大きさの異なる幾つかの充電電流（１１ないし１３）を用意し，これを，電池の その時々の充電状態に応じて活かすこと、およびその時々の充電状態を，電池電 極での電気化学起電力を測定することにより，把握することを特徴とする方法。
2. 〔請求項２〕前記充電電流値（１１ないし１３）を，当該領域の上限（Ｕ１，Ｕ ２ｂ，Ｕ３ｂ）を超過したら，そのときの充電電流（１１，１２，１３）をカッ トするとともに必要に応じて隣の領域限界の充電電流の投入とその時々の充電電 流の再投入とを実行するように，当該電池の電気化学起電力カーブＵ＝ｆ（ｔ） 内の一つの電池特性領域に割りつけることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 〔請求項３〕各充電電流値が割りつけられるそれぞれの電圧領域が，当該領域で の充電実行に際して目立った電池の温度上昇やガス発生が決して生じないように 選定されることを特徴とする請求項１ないし２記載の方法。
4. 〔請求項４〕電気化学起電力カーブにおいて前記電流値の一つがそれぞれに割り つけられる領域が，上と下の各圧目標値によって区分され，この場合，下の電圧 目標値が，主としてその直前に通過した領域の上の電圧目標値に相当した値にさ れることを特徴とする請求項１ないし３記載の方法。
5. 〔請求項５〕充電プロセスに際し，まだ十分には充電されていない電池で通常発 生する電流パルス休止期間中の電気化学起電力の低下を，該休止期間中に殊更に 放電させることにより，促進させることを特徴とする請求項１ないし４記載の方 法。
6. 〔請求項６〕電流パルス休止期間中の放電プロセスを，１０ないし１０，０００ オーム程度の非誘導性抵抗を接続することにより，促進させることを特徴とする 請求項５記載の方法。
7. 〔請求項７〕パルス休止月間の比が，主として５：１ないし１００：１の間に選 定可能であることを特徴とする請求項１ないし６記載の方法。
8. 〔請求項８〕初期充電電流の大きさが，主として当該電池の短絡電流にほぼ相当 した程度の大きさに選定されることを特徴とする請求項１ないし７記載の方法。
9. 〔請求項９〕各領域内の電圧カーブが分割されることを特徴とする請求項１ない し８記載の方法。
10. 〔請求項１０〕第１充電電流（１１）に配属される電圧目標値（Ｕ１）が，電気 化学起電力カーブ（Ｕ＝ｆ（ｔ））の最初の領域の上限を表し，該日標値（Ｕ１ ）に達しても，許容限度を超える電池の温度上昇やガス発生が決して生じないよ うに選定されることを特徴とする請求項１ないし９記載の方法。
11. 〔請求項１１〕最初の充電電流（１１）に配属される上限電圧目標値（Ｕ１）が ，第２充電電流（１２）に対する第２領域の下限値（Ｕ２ａ）にほぼ等しくなる こと、第２充電電流（１２）に配属される上限電圧日標値（Ｕ２ｂ）を，好まし くは電池の許容最大特性値にすること、および電池の電気化学起電力がこの値に 達したら，第２充電電流（１２）をカットすることを特徴とする請求項９および １０記載の方法。
12. 〔請求項１２〕電流値を適宜低下させた第３充電電流（１３）を補償充電に使用 すること、この充電電流（１３）に，補償充電をオンさせるための下限電圧目標 値（Ｕ３ａ）とこれをカットさせるための上限電圧目標値（Ｕ３ｂ）とを配属し ，上限電圧目標値（Ｕ３ｂ）を第２領域の最大電圧目標値（Ｕ２ｂ）よりも小と し，また下限電圧目標値（Ｕ３ａ）を充電電流（１１）ならびに第２領域の下限 電圧目標値（Ｕ２ａ）よりも高くすることにより，電池電極での電気化学起電力 が下限電圧目標値（Ｕ３ａ）に低下したら，これが前記上限電圧目標値（Ｕ３ｂ ）にまで回復するまで補償充電を継続させることを特徴とする請求項９ないし１ １記載の方法。
13. 〔請求項１３〕電池が装置に誤接続された場合には，充電プロセスを実行させな い誤極性保護を備えていることを特徴とする請求項１ないし１２記載の方法。
14. 〔請求項１４〕主として装置の電源に，電池が正しい極性に接続された場合にし か通電させないようにコントロールする，例えばスイッチングトランジスター等 のスイッチング機構が接続されていることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 〔請求項１５〕スイッチング機構の前段に，完全放電済電池の残存電圧で動作す る始動ステップが投げられていることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 〔請求項１６〕電池の充電容量を検知かつ表示することを特徴とする請求項１な いし１５記載の方法。
17. 〔請求項１７〕電池監視を追加することにより，特別温度レンジ（例えば−２５ ℃ないし＋８０℃）においても電池が充電可能であることを特徴とする請求項１ ないし１６記載の方法。
18. 〔請求項１８〕請求項１ないし１７の一つまたは幾つかに記載の方法を実行させ るための回路方式であって、各電流パルス休止期間の終期ごとに電池（１）の電 気化学起電力を測定し，これを電圧実際値メモリー（４）の中に格納し，かつこ れを，各領域（第１期ないし第３期）それぞれに割当てられた電圧目標値（Ｕ１ ，Ｕ２ａ，Ｕ２ｂ，Ｕ３ａ，Ｕ３ｂ）と，コンパレーター（６）を介して照合す ること、コンパレーター（６）の出力端が各電圧目標値を各領域（第１期ないし 第３期）それぞれに割りつけるＲＳフリップ・フロツプコンビネーシヨン（９） に接続されていること、および各領域（第１期ないし第３期）それぞれに割当て られる電流目標値（１１ないし１３）を，制御論理回路（８）を介してこれら各 領域それぞれに結び付けることにより，電圧目標値に対応した電流目標値を制御 論理回路（８）の出力端に出現させること、を特徴とする回路方式。
19. 〔請求項１９〕電圧日標値に対応して制御論理回路（８）からアウトプットされ た電流目標値が，電池に給電する終段増幅器（２）に，積分回路（１０）経由で インプットされ該積分回路が，電流実際値をそれぞれの電流目標値と比較し，か つ当該パルス持続期間中にこの電流目標値を再設定することを特徴とする請求項 １８記載の回路方式。
20. 〔請求項２０〕パルス制御された電流実際値を，シャントを介してパルス持続期 間中に測定し，これを当該パルス持続期間を期限として電流実際値メモリー（５ ）に格納することを特徴とする請求項１８および１９記載の回路方式。
21. 〔請求項２１〕大きさの異なる幾つかの充電電流（１１ないし１３）を出力する ，主として多段方式の終段増幅器（２）が，電圧実際値メモリー（４）ならびに 電流目標値メモリー（５）と共に，トリガー（３）によって一括パルス制御され ることを特徴とする請求項１８ないし２０記載の回路方式。
22. 〔請求項２２〕電圧および電流の各目標値が，定電圧電源に接続された分圧器（ 基準器７）の各タップから得られることを特徴とする請求項１８ないし２１記載 の回路方式。
23. 〔請求項２３〕この亮明に該当する方法が，アルカリ一次電池の充電に応用され ることを特徴とする特に請求項１ないし２２記載の方法。