JPH07502857A - 再充電可能な電池を充電する方法と装置 - 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充電する方法と装置本発明は、エネルギーの電源を電池に接 続される再充電可能な電池を充電する方法に関する。充電プロセスの１以上の特 性的なパラメーターを充電中同時的に測定され、選択的に計算され、かつこれら のパラメーターを参考値と比較する。本発明はまたその方法を実施する装置に関 する。

例えば、ＮｉＣｄ電池のような再充電可能な電池を充電する場合、電池の端子電 圧より大きな電圧を電池の端子に印加し、それによって電池に電流が流れる。こ の電流によって、エネルギーを電池に蓄積する化学的なプロセスを開始する。

電池か完全に充電した状態になると、化学的なプロセスは停止し、代わって追加 したエネルギーは熱に変換されるであろう。

電池は封印した容器として構成され、電池内部の圧力は上昇し、化学的な破壊か 生じる。これは、電池の容量は減少し、数回このような充電を行うと容量は最終 的にはがなり減少することになりうろことを意味する。電池をできる限り最高の やり方で使用するためには、あまり大きな熱量が発生しない内に充電を中断する ことにより電池を完全に充電することが重要である。したかって問題は、適切な 時期に出来る限り正確に充電を中断することである。

電池の充電の時間はできるだけ短くしておくのが望ましいということがよ（ある 。このことは、使用する充ｉｔ流を次第に大きくして使用することになる。この ため、いっそう熱を発生する事になるため、適切な時期に充電を中断することか 一層重要である。

典型的な充電の手順においては、電池を充電すると電池の電圧は均一に上昇する 。電池が完全充電状態に近づくと、電圧は、完全な充電状態を示すピークへ急速 に増加する。すると温度上昇のために電圧は再び降下する。なぜなら、電圧の温 度係数か負になるからである。したがって、充電電流か完全充電時に、最小値に 減少し、再び増加するのが典型である。

この技術には、適切な時期に充電を中断することによって、最適の充電を保証す るための方法かいくつかある。しかし、正確さに欠けていることかわかる。もし 充電の中断か遅れると、上述のように、結果的に熱を発生し、機械的な破壊が起 こる。

充電の中断か早すぎる場合には、電池は十分に充電されない。

公知の方法のひとつに、電池温度を測定し、温度上昇か見られる場合は、充電を 中断することからなる方法かある。しかし、温度上昇か大きいために測定てきる 場合には、手遅れになる場合かしばしばある。しかも温度を十分正確に測定する ということは、一層困難である。なぜなら大気の温度は変化する可能性かあるか らである。例えば、自動車電話の電池を冬に冷え切った自動車から取り外し、室 温の中に置かれた充電器に取り付ける場合に当てはまることである。

別の公知の方法は、電池の電圧を測定し、電圧が所定の水準になると充電を中断 することである。しかしこの電圧はたとえ同じタイプの電池であっても、電池に よりいくらか異なっていることがよくある。しかも一層電圧に依存しているため に、充電を中断する電圧を決定することは非常に困難である。

同じように、充電電流を測定することができ、同じ観察がここでも当てはまる。

公知の充電器の多（は、固定時間によっており、その時間を過ぎると、充電をそ のまま中断するようになっている。しかしこれは不適当な方法である。なぜなら 、電池が完全に又はごく部分的に放電されているのか、事前に分からないからで あり、必要な充電時間は、このことに大きく依存するからである。この点は充電 する前に、電池を完全に放電することによって解決することが出来る。しかしそ のために、エネルギーを浪費するばかりでなく、かなりの時間もかかる。そして 電池によって必要な充電時間が大いに異なっている。

もっと進んだ方法では電圧の変化（あるいは電流の変化）を時間の関数として測 定することで、すなわち、曲線の傾斜か時間の関数としての電圧を示すことにな る。例えば、米国特許第４．０５２．６５６号では、電池が完全充電状態である ピークに対応して、傾斜がゼロであるポイントを見いだす方法を開示している。

しかしそのポイントを正確に決定することは困難である。なぜならそのポイント では曲線かまさしく平坦になっているからである。そして他の問題点は、傾斜か ゼロになる曲線上のポイントは他にも存在する場合があり、充電の中断が早ずぎ ることになるという点である。

したがって米国特許第４．７４７．８５４号では、いつ電圧曲線が参考値を越え ることにより負の傾斜になるときを相応して検知している。上述したような観察 はここでも当てはまるが、この時点で電池はある程度、充電過剰になっており、 そのため電池に破損が生じる場合がある。

また米国特許第４．３８８．５８２号では、電圧曲線の傾斜を測定し、曲線の傾 斜か上昇から減少に変化するポイントを見いだしている。これは一層信頼できる 方法である。なぜなら、電池が充電過剰になることがめったにないからである。

しかし他方では、問題となるポイントの位置は大きく異なる場合があり、充電が あまりにも早く終了するため、完全充電容量の一部しか充電されないということ になる。さらに、例えば、充電電流や電圧供給が充電中に変化すると、測定を間 違うという危険をはらんでいる。

上述した方法をいくつか組み合わせて使用することも知られている。したかって 、例えば、米国特許第４．６３９．６５５号では、４つの充電停止の基準に基づ いている。すなわち、電圧の限界、所定の時間制限、電圧曲線の計算による上昇 と同様に電圧曲線の傾斜かゼロになるポイントである。充電はこれらの基準のう ちひとつ満足すれば停止する。上述した時間制限は、充電を開始した後、最初の 電圧を測定し、それを基にして短いあるいは長い充電時間、例えば１時間あるい は、１．７５時間を選択する。その利点は、いくつかの事項が最初から電池の放 電状態や電池の内部のセルの数あることである。しかしこれも電池の充電過剰の 危険を伴ういささか不正確な方法である。

本発明は、電池が充電過剰により電池を機械的に破壊するという危険性がなく完 全に充電される最適な時間に電池の充電を終了する方法を提供する。

このことは、本発明では測定した、あるいは計算したパラメーターを公知の径値 と比較することに応じて、いつでも、残りの充電時間を決定することができ、そ れゆえに、その停止時に応じて充電を中断できる、充電プロセスの停止可能な時 間を決定することができる。

特性的なパラメーターには、例えば、電池の電圧あるいは充電電流がある。時間 の関数としてこれらのパラメーターを示す曲線について、曲線の一時的な見かけ と、充電を終了する最適な時間までの時間間隔との間には大きな相関関係がある ことは経験かられかる。曲線の一時的な見かけ測定すれば、まだどれだけ電池を 充電できるかを参考値と比較することにより比較的容易に決定することができる 。

発生した停止時間点の最初が生ずると、充電を停止するのが典型である。しかし 、一層精密な解決法を考えることもできる。

例えば、最後の計算された停止時間点をもっと重視することである。このように 、後の計算で間違いであると分かれば停止時間点を任意に無視することができる 。

前記の曲線の傾斜に対応して時間の関数としてのパラメーターの変化率を見いだ すことは特に好都合である。そしてこれは特定の時間に実際の数値を前の測定値 と比較して、変化率を計算できるようにするために、測定値を蓄積によりなされ る。

ある特定の具体例においては、限られた数の参考値しか存在しない。そして充電 プロセスの新しい停止時間点は、関連する１つ又は複数のパラメーターが参考値 のひとつを仮定したときに決定される。この結果手順がより簡素なものになり、 それにもかかわらず最適の停止時間点を通常正確に決定できる。

測定するパラメーターが、電池の接続端子両端の電圧である場合、電池に対する 電圧を測定する前に短期間に充電電流を中断すれば、より正確な測定値を得るこ とができる。その理由は、電池には内部直列抵抗かあり、充電電流によって電圧 測定に含めるへきではない内部抵抗両端で電圧降下を生じる。

特に高充電電流を使用する急速充電モードでは、停止時間点か接近するにつれて 、充電電流をゆっくり減少する方か好都合である。なぜなら、最適の停止時間点 を見いだすことが容易になるからである。このようにして、例えば、一定の高充 電電流で充電し、やがて測定パラメーターのひとつが所定のレベルになると、電 流を次第に減少することができる。

望ましい充電電流を得る好都合なやり方は、一定の電源を使用することである。

その一定の電源とは、望ましい充電電流を提供するように変調したパルス幅であ る。

充電プロセスについて可能な停止時間点を決定する手順は、充電プロセスが終了 に近付くまで開始しないということは、利点になる場合がよくある。こうして、 より正確な手順が開始される時を決定するため、電流、電圧の簡単な測定などの 場合に、一層簡単な方法を使用することができる。

ある特定の具体例では、上述の個々の時点についての特性的なパラメーターの測 定値が、複数の中間測定値の平均であるという点において、測定値の正確さが改 良されている。その利点は、例えば、測定値は過渡電流敏感でないという点であ る。問題のパラメーターを最後の測定から経過した期間の全体に渡り、積分する ことによって、同じ効果を得ることができるということは当然である。

従来技術で使用した停止基準のいくつかを、追加の安全手段として採用するのは 好都合な場合がある。このようにして、例えば最大充電時間を固定することがで きる。たとえその他の停止基準か示されていなくとも、遅（ともこの時点で、充 電を中断する。パラメーターの中のひとつが、特定の数値を越えたり、それ以下 になる場合には充電を終了するように、ひとつ以上の測定パラメーターの限界を 固定することもできる。

充電終了後は、脈動電流によって電池の充電状態を維持することが好都合な場合 がある。これによって、充電を終了してかなりの時間まで充電器から電池を取り 外していないとしても、電池はいつも完全に充電した状態になる。　同じように 、実際の充電を開始する前に、短時間電池に電圧を印加することが好都合な場合 がある。このように、特性的なパラメーターを測定することによって、電池のタ イプに間違いかなく、何らの誤りもなく充電器に取り付けているかということを 決めることができる。もしそのようになっていなければ、充電することはできな い。これにより、タイプの違う電池や、例えば、セルの向きが間違っているなど 欠陥のある電池を充電せずにすむ。

上述した方法による再充電可能な電池を充電する装置は、エネルギーの電源、前 記の特性的なパラメーターのひとつ以上を測定し、アナログ／デジタル交換器を 介して、その他の特性的なパラメーターを計算することができ、エネルギー源を 制御することができる制御部に測定の結果を供給することができる測定装置、測 定値、計算値、参考値を蓄積する蓄積回路からなることができる。さらに装置の 充電中に制御部によって、特性パラメーターを参考値と比較することができる。

前記の比較により装置か前記の時間点の中の各々及びいくつかについて、充電プ ロセス停止の可能な時間点を決定し、その装置がこうして生じた停止時間点によ り、充電を終了することができるという点において、望ましい効果が得られる。

装置の特に好都合な具体例は、特性パラメーターに対する実際の測定値を個々の 前記の時点に対する同じパラメーターの前の測定値と比較し、時間の関数として 関連するパラメーターを示す曲線の傾斜に対応して、時間の関数としてのパラメ ーターの変化率を決定するようになっている。前記の停止時間点は、変化率を参 考値と比較して決定する。

装置が電池の接続端子の両端の電圧を測定する場合、装置が電圧測定の前に短時 間、電池に充電電流を中断することかでき、それによって、電池の内部抵抗の両 端に生じる電圧降下を無視できるということは好都合である。

装置は電池に充電電流が、一定電圧を変調し受信した測定結果により装置の制御 部が制御するパルス幅で制御できるように構成できることは好都合である。

追加の安全手段として、装置は停止基準或いはその他の簡単な停止基準がある場 合には、充電を中断するようになっている場合がある。例えば、所定の充電時間 の上限を越えたり、測定パラメーターがある所定値を越えたり、その数値以下に なると、充電か中断する場合がある。

好都合な具体例において、装置はさらに脈動電流により充電を終了した後には、 電池の充電状態を維持するようになっている。これによって、充電のプロセスそ のものが終了した後もかなりの間、装置から電池を取り外していないとしても、 電池は完全に充電した状態であることは確実である。

別の具体例では、充電プロセスを開始し、特性パラメーターを測定する前に短時 間電圧を印加するようになっている。これらの測定値が一定の条件を満たした場 合にのみ、充電のプ０セスを開始する。これによって、タイプの違う電池や欠陥 のある電池に充電することは確実になくなる。

別の側面では、本発明は、再充電可能な電池を充電する方法において、電源を電 池の一対の端子に接続すること、電池充電プロセスの少なくとも一部の間、少な くともひとつの充電パラメーターのコースを探索すること、前記の少なくともひ とつの充電パラメーターのコースを、電池充電の異なる開始状態について、理想 的あるいは望ましい電池充電のプロセスを示す多くの参考パラメーターのコース と比較すること、電池充電の実際の開始状態で、参考コースを選択する前記の少 なくともひとつのパラメーターが選択参考コースに近似するように電池充電プロ セスを制御することからなる方法を提供する。

（参考パラメーターの数値が充電プロセスの開始以来経過した時間に対してプロ ットされたドラフトなと）多いあるいは少ないは別として経験的に決定した参考 パラメーターのコースを例えば、メモリーなとの電子的な蓄積手段によって蓄積 することかできる。実質的に品質を徂なわずに再充電可能な同じ電池を急速充電 したい場合には、理想的あるいは望ましい充電プロセスは、主として、充電プロ セス開始前の電池の充電状態に依存する。従って蓄積した参考パラメーターのコ ースは電池充電のいろいろな開始状態について理想的あるいは望ましい充電プロ セスを示す。再充電する電池の充電状態が公知であったり、決定することができ る場合には、再充電する電池の実際の充電状態に最も近い開始状態を有する参考 コースを選択することかでき、電池の充電プロセスを、前記の少なくともひとつ のパラメーターが選択参考コースに近似するように制御して、確実に電池かいか なる時でも、不当に高い電圧や充電電流あるいは加熱下にさらされることはない 。

原則的に再充電する電池の充電状態は、特別な測定段階で決定することができる 。充電の同じあるいは類似した開始状態に適合する対応参考パラメーターのコー スは、例えば、適切なキーによって電子的な制御部に関連情報を提供して、選択 することかできる。しかしながら好適な具体例において、関連する参考コースは 電子的な制御回路により自動的に選択する。

例えば、充電パラメーターは電池にかかる電位、電池に供給する充電電流、電池 セルの温度、このようなパラメーターの変化率、このようなパラメーターおよび 変化率あるいはそのいずれかの組み合わせからことができる。

理解すべきことは、充電のプロセスを充電パラメーターのコースを選択参考パラ メーターのコースに近似させることによって、適切なやり方で制御することがで きる。しかし好適な具体例において、電池両端に供給する電圧を制御することに より充電プロセスを制御する。充電プロセスの最初の時期は、電池に供給する充 電電流が比較的低くなるように、電圧を制御することが好適であるが、充電プロ セスを加速化するような充電プロセスの後に続く大部分の期間は、実質的に同し 最大値に維持することが好適である。

充電プロセスが終わりに近付くと、電池セルの内部抵抗は増加し、充電電流を前 記の最大値に維持する場合には、充電電圧は増加する傾向かある。電圧高すぎる と、電池セルの内部で破壊的な温度上昇が発生する。したがって電池の両端に供 給する電圧を所定の最大値に限定するのが好適であり、電圧が最大値になる時に 開始する所定の期間が満たされることで、充電プロセスは終了する。したかって 、充電電圧は前記の所定の期間の間は、最大値に維持することか好適であり、電 池セルの内部抵抗が上昇する間は、充電電流はこの期間の間は次第に減少するの が普通であり、この期間は切れる時に、電池が実質的に十分に充電状態になるよ うに、選択する事が好適である。所定の期間が選択参考コースに関連し、個々の 参考パラメーターのコースが電池に供給する充電電圧の最大値に関する情報ばか りでなく、このような電圧最大値を充電期間の終わりに維持すべきである期間に ついての情報を含むことか好適である。上述したように、実際のパラメーターの コースと比較する参考パラメーターのコースは曲線やグラフである場合があり、 比較のプロセスは設計認識回路により設計認識技術によって実施することができ る。しかしこの好適具体例では、充電パラメーターは、充電の間容易に短い時間 間隔て測定でき、関連するパラメーターのコースは参考パラメーターのコースの 対応する参考値と比較し、関連するパラメーターのコースは、このような測定値 と参考値との比較を基として選択する。比較のプロセスは、充電のプロセスの間 容易に実施することができ、後に続く比較のプロセスで、最初に選択した参考パ ラメーターのコースが実際の充電プロセスに最も近いものでない場合には、制御 回路、制圓部はひとつの参考パラメーターのコースから別の参考パラメーターの コースにずれる。

充電パラメーターの数値を参考値と比較する場合、経過した充電期間の関数とし てのパラメーター数値の変化率を類似する参考値と比較することか好都合である 。例えば、経過した充電時間の関数としての充″１電圧の変化率は、対応する参 考値と比較することができる。電池の内部抵抗の自由電圧を検知できるようにす るためには、充電電流は、おのおのの電池端子の電位差を測定する前に、事前に 短時蒲中断することができる。

均一な１回目の時間間隔において、パラメーターの数値を測定することができ、 パラメーターの数値の変化率を決定することができる。それぞれの変化率決定は ２回目の時間間隔で測定したパラメーターの数値に基づいて行い、２回目の時間 間隔は１回目の時間間隔の倍数である。パラメーターの数値は、がなり頻繁に、 測定することができ、前記の１回目の時間間隔は、例えば約１０秒と比較的短い 。しかし変化率は、時間間隔が例えば、９０秒と数倍長くした測定を基にするこ とが好適である。

充電プロセスの開始とともに変化率を決定を始めることができる。しかし最も区 別できる変化率はパラメーターの所定値の後に見付かる事が明らかな場合には、 変化率の決定は、特性パラメーターの測定値が所定値を越えるまでは、延期する 方が存利な場合がある。

蓄積された参考パラメーターのコースは、ひとつあるいは、同じタイプの電池に とって理想的あるいは望ましい充電プロセスを示すコースばかりでなく、２つ以 上の異なったタイプの電池のそれぞれについての複数の参考パラメーターのコー スさえも含む。このような場合は、１回目のプロセスの段階は、充電する電池の タイプの決定とそのタイプの電池に関連する参考パラメーターのコースの選択で ある。その後、上記記載のようにプロセスは望みどおりに進行する。

本発明は再充電可能な電池を充電する装置において、電池を電源を接続する接続 手段、電池充電プロセスの間少なくとも一部の充電パラメーターのコースを探索 する手段、電池充電のいろいろな開始状態について電池充電の理想的あるいは望 ましいプロセスを示す複数の参考パラメーターのコースを蓄積するための蓄積手 段、前記の少なくともひとつの充電パラメーターのコースを蓄積手段で蓄積した 参考パラメーターと比較し、電池充電の開始状態に類似する充電開始の状態で、 参考のコースを選択する手段、前記の少なくともひとつのパラメーターを選択し たパラメーターのコースに近似するように電池充電プロセスを制御する手段から なる装置を提供する。

このような装置の操作は、例えば、マイクロプロセッサ−やその他の電子制御回 路によって制御することができる。その回路は、参考のパラメーターのコースを 蓄積するメモリーからなる場合かある。

本発明を図面にしたがってさらに詳細に説明する。

図１は一定の電流で充電したＮｉＣｄ電池について、時間の関数として電圧を示 す曲線である。

図２は図１の曲線の一部を示す。

図３はＮｉＣｄ１池の決まった充電コースの曲線を表す。

図４は充電の６つの異なった開始状態について時間の関数としてのＮｉＣｄ電池 の電池電圧を示す。

図５は本発明による装置のブロック図である。

図６はＵＡ５の装置の具体例の回路図を示す。

図１はＮｉＣｄ電池の典型的な充電の手順を示す。曲線は充電電流が一定である 場合に、時間の関数としての電池電圧を示す。曲線の形状は、すべてのＮｉＣｄ 電池について同じであるが、具体的な電圧や時間の数値は例えば、実際の充１１ 流や電池によって異なっている。曲線は充電プロセスの様々な段階を表す領域に 分割することができる。図はそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ。

Ｄで記する４つの領域を示す。

八で記する領域は、充電プロセスの開始を構成している。充電プロセスが始まる と、電圧は充電開始前の電池の充電状態によっていくらか翼なっている場合があ る。この領域の電圧はこのようにどちらかと言えば決まっていないため、この領 域では正式な測定は通常なされない。

Ｂは充電電流を上述したような化学的反応により電池の中に蓄積されたエネルギ ーに変換する。この期間、電池の電圧はゆっくりとしか上昇しない。領域Ｃでは 、電池はまさに完全な充電状態に近付き、電圧はより急速に上昇し始める。領域 Ｃの終わりには、酸素が発生し始め、電池内部の圧力が上昇し、温度が上昇する 。このため負の温度係数のために電圧の上昇は再び緩やかになる。領域ＣとＤと の間の過渡期には電池の電圧がさらに上昇しないことを意味し、そのために最高 値に達したのである。

充電プロセスが領域りで継続する場合、電気エネルギーが概して熱に変換される ので、電池の電圧は降下する。温度と圧力が上昇した結果、容量が減少した電池 か機械的に破壊されることになる。したがって、領域りの始めには、充電プロセ スを中断すべきである。

本発明は使用する充ｔ′ＩＬ流や問題の電池の使用年数に応じて、曲線がいくら か異なることがあるとしても、領域Ｃにおけるある特定の瞬間における曲線の傾 斜、問題の瞬間から充電プロセスの停止の最適の瞬間までの時間間隔など、領域 Ａ、Ｂ、Ｃの内部でのさまざまな充電パラメーター数値との間には、親密な相関 関係があることがテストから判明したという事実に基づいている。

その相関関係の情報を一例を下記に示す電子回路に蓄積する場合、ある特定の瞬 間に曲線の傾斜を測定した後、その電池にはどれくらいの時間充電すべきか、充 電プロセスを停止する最適の時間点はいつかということを計算し決定することは 比較的容易である。このような計算を、数回連続して行うと、最適停止時間点の 提案かそれに対応する数はと得ることになる。図２は３つの測定を行った場合の 一例を示す。Ｔ１という時間点においてデルタＴ１という残りの充電時間点を計 算する。Ｔ２という時点で、デルタＴ２の残りの充電時間点を計算し、Ｔ３とい う時間点で、デルタＴ３の残りの充電時間を計算する。この図において、３つの 計算で得た停止時間点かちょうど同し瞬間で一致している。しかし実際には、計 算で得た停止時間点は、わずかに異なっており、停止時間点について、論理的に 必然な数の提案が示される。ここで記載する本発明の具体例では、計算で得た停 止時間点の最初の時間点が来ると充電プロセスを停止すると決められている。下 記に記載する装置には、マイクロプロセッサ−を搭載しているために、より精密 な停止の基準を考えることができる。このようにして、例えば、計算で得た停止 時間点の最後の時間点をより重視することもできる。後に続く数がすべである特 定の数値の周辺に集まっている場合には、最初に計算した数をいくつか無視する ことも可能である。

図１と２は、上述したように、一定した充電電流を使用した場合の時間の関数と しての電池の電圧を示す。充電電流を、一定した充電電圧を印加した場合の時間 の関数としてプロットする場合には、対応する典型的な曲線を生じることになる 。そしてたとえ充電電流も充電電圧も一定していなくとも、充電プロセスにおけ る上記の段階を示す再生可能な曲線を得ることになる。これらの曲線は上述した のと同じようなやり方で使用できるということかわかる。

その池のタイプの電池については、その電池に応じて見かけの異なった曲線を得 るようになる。それらの電池の中には、測定の上での停止時間点や最適の充電残 り時間が、問題の曲線の傾斜とは必ずしも関連がないが、例えば、問題の瞬間に おける絶対的な電圧など、曲線のその他のパラメーターとは関連している。

本発明の具体例は、電圧曲線の傾斜を例えば、毎１０秒ごとなどと容易に計算す ることからなっている。個々の測定において、残りの充電時間、それによる停止 時間点の新しい提案を計算する。プロセッサーは、この新しい提案の数値をその 他の数値ともに計算する。あるいは、プロセッサーは、この数値を、いつ充電プ ロセスを停止するかというより精密な計算の中に取り込む。

別の具体例は、曲線の傾斜について、限られた数の参考値を予め蓄積することか らなっている。個々の測定の中で、曲線の実際の傾斜を参考値と比較し、傾斜か 参考値のひとつより大きくなった時、プロセッサーは、新しい停止時間点を計算 する。

プロセッサーにとって、時間の計算はこのように節約され、その結果は多くの場 合満足出来るものである。

上述したように、図１と２の曲線は、一定した充電電流か印加されている。しか しその池の可能性としては、電圧を測定する度に充ｉｔ流を短時間中断すること である。このようにして完全に対応する曲線を得ることかできる。しかし電圧の 絶対的な数値はそれよりもわずかに低くなっている。なぜなら、曲線には、電池 の内部抵抗の両端に電流を充電することにより必然的に生じる電圧降下を含まな い。この内部抵抗は、充電の手順か終わりになると、上昇するのか典型になって いるため、この薇か役に立っているのは、電池の状態を一層正確に測定すること である。

上述したように、充電の全プロセスを通して充電電流が一定になっていないとし ても、再生可能な曲線を得ることかできる。

したかって本発明の原則は、充電を最初、一定した高電流で行う充電プロセスと よく組み合わせることかでき、高電流は充電プロセスの終わりには降下する。充 電プロセスの最後の期間に、低い充電電流を使用することで、最適の停止時間点 をより正確に決定することかできる。しかも充電時間全体をかなり削ることかで きる。このことは、充電プロセスの最初の期間の簡単な電圧測定と組み合わせる ことができる。電圧が所定値になると、充電電流を減少することがてき、上述し たように、曲線の傾斜の測定をすることかできる。充電電流をある電圧の数値で 減少させ、別の電圧の数値で曲線の傾斜の測定を開始することも可能であること は言うまでもない。

図３はＮｉＣｄ電池を充電する際、本発明による方法の具体例により得た典型的 な充電曲線を示す。曲線Ｖは、最適な充電電流曲線Ｃや最適な電池温度曲線Ｔを 得るために電池に供給する電圧を本発明により制御する際、電池の電圧を時間の 関数として示す。電池の電圧曲線Ｖは、図１に類似する充電プロセスのさまざま な段階を示す領域に分割することができる。図３はそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄで記 す４つの領域を示す。

Ａで記す領域は、充電プロセスの開始時期となっている。ここで供給電圧は、電 池に供給する充電電流が比較的低くなるように制御されている。

領域Ｂは充電電流が、電池の中の蓄積エネルギーに変換する実際の充電期間を示 す。ここで供給される電圧は、充電電流１か実質的に同じ最大値に維持されるよ うに制御する。その最大値は、使用する電池のタイプにより決定する。そして、 電池の電圧はゆっくりとしか上昇しない。

領域Ｃにおいて、電池は完全充電の状態に近付き、最大の充ｔｔ流を維持するた めに、電池の電圧はより急速に上昇し、やがては電池端子両端の電圧は、所定の 最大電圧Ｖｍａｘ（使用する電池のタイプで決まる）になる。

領域りにおいて、供給する電圧は、電池端子の測定電圧が、上限Ｖｒｎａｘに等 しくなるように制御する。領域ＣとＤにおいて、結果的に生じる電流は減少する 。電池の電圧は、領域りにおいて一定の電圧に維持されているため、結果的に生 じる温度上昇は比較的に少なく、最小値で電池セルに電流を充電することによっ て、破壊的な効果を保持している。

ＶｍａｘがＴｍａｘに遅れずに達すると、残りの充電時間が決定する。Ｔｍａｘ に始まるこのような残りの充電時間が始まると、充電プロセスは終了する。

電池に供給する充電電流は、一定した電源を変調するパルス幅で制御する。

図３に示す電圧曲線Ｖはほとんど充電していないＮ１Ｃｄｔ池を充電するプロセ スを示す。図４は開始充電の異なった同じ電池の異なった充電のコースを表す６ つの同じような電圧曲線Ｖｌ−Ｖ６を示す。曲線ｖ１はほとんど充電されている 電池の充電プロセスを示す。曲線ｖ６はほとんど放電した状態の電池の充電プロ セスを示す。図４は電池の充電の開始状態が降下する際、最大電圧Ｖｍａｘの上 昇を得るために必要な充電期間を示す。図４から、Ｖｍａｘ達成から充電プロセ スが終了するまでの“残りの充電時間“は、電池の充電開始状態の低下ともに、 増加することもわかっている。

電池の複数の異なった開始充電状態について、問題のタイプの電池に対する理想 的かつ望ましい電圧曲線は電子メモリーに蓄積する事が出来る。曲線の傾斜など 実際の電圧曲線のコースと、蓄積された参考値とを比較することにより、関連す る参考電圧曲線やそれに関連する“残りの充電時間”を決定することができる。

電圧曲線の傾斜は充電プロセスにおいて例えば、毎１０秒ごとなどと容易に測定 することができる。個々の測定について、蓄積した参考傾斜との比較をなし、゛ 残りの充電時間”についての新しい提案を決定する。電池の測定電圧が、蓄積さ れた最大電圧Ｖｍａｘになると、“残りの充電時間”の決定は削除され、最後に 決定された“残りの充電時間”の数値が使用される。

本発明による方法の別の具体例では、結果的に図３．４に示す充電曲線を生じる が、電圧曲線の傾斜についての限られた数の参考値を予め蓄積することあからな る。個々の測定において、曲線の実際の傾斜は、参考値と比較し、傾斜が参考値 のひとつを越えると、“残りの充電時間”の数値を決定する。

図３．４に示す曲線に対応する曲線は、その他のタイプの電池についても得るこ とができる。これらの曲線は、見かけは異なっているが、それらの中には、電圧 Ｖｍａｘになる時間と最適の残りの充電時間は、問題の電圧曲線の傾斜と必ずし も関連がないが、例えば関連する瞬間における絶対的電圧など曲線のその他のパ ラメーターに関連している。より多くのパラメーターを測定し、蓄積すればする ほど、最適の残りの充電時間を決定するため−Ｎ精密な決定を下すことができる 。

更に図３及び図４に示したタイプの本発明の具体例の方法は、最大電圧ＶｍａＸ に達したとき、電圧曲線の傾斜を測定すると共に固定時間に電池電圧を測定する ことを含む。この具体例で、電圧曲線の傾斜と共に電圧は最適の残りの充電時間 のより精巧な決定を具体化させる。

図３．４に示す電圧曲線は、電池の充電中に電池端子の電圧を測定することによ り、プロットされている。しかし、もうひとつの可能性は電圧を測定する度に、 短期間の間充電電流を中断することである。同じようなやり方で、全く同じ曲線 を得ることかてきる。しかし、電圧の絶対値は、わずかに低くなっている。それ は曲線が電池の内部抵抗の両端に電流を充電することで必然的に伴う電圧降下を 含まないためである。しかしこのような内部抵抗は、充電の手順の終わりには、 上昇するのか典型的であるため、このような負担部分を含まない電圧の測定は、 電池の状態について、より正確に測定することになる。

上述した具体例において、曲線の傾斜はつぎのようなやり方で測定する。個々の 測定時間点、すなわち例えば、毎１０秒ごとに、電池の電圧を測定し、電子プロ セッサーはその電圧の数値を蓄積回路に蓄積する。そしてプロセッサーは、ちょ うと測定したこの数値と、例えば９０秒前に測定値との間の差異を計算する。そ してこのような相違点は、問題の時点における曲線の傾斜の測定値として使用さ れる。同しように、例えば９０秒の間に測定した傾斜の新しい数値は、１０秒ご とに得られる。

電圧の測定か、過渡などによって影響を受けることを禁止するために、電圧はよ り頻繁に測定することが好適である。例えば前記の測定時間点の間で、１００回 測定するなどである。これらの中間的な測定値は、プロセッサーで、蓄積する。

そして実際の測定の時点において、最後の時点から測定した１００個の中間測定 値の平均をプロセッサーで計算する。

上述のように、充電プロセスを終了すると、電池を充電器に装着したままにして いると、電池の維持用の充電がされる場合がある。電流のパルスを断続的に電池 に流せば、そのような充電かできる。

こうした電流のパルスやパルス間の時間は、電池の自己放電を埋め合わせるもの である。このような埋め合わせがなければ、電池は自己放電したままである。例 えばこのパルスは１５−３０秒続き、パルス間の間隔は２．３時間である。

図５には本発明による装置の具体例のブロック図である。通常のプラグ１によっ て装置に２２０ボルトの電圧を印加する。

そして整流ブロック２において、電圧を９ボルトの直流に変換する。参照番号３ は端子４．５を介して充電する電池に電流を供給する電流調整器を示す。電池か らの電流は、端子５と抵抗器６を介して流れ、アースを介して整流回路２に戻る 。電流調整器３はプロセッサーからの制御ステージ８を介して制御される。プロ セッサー７は、アナログ／デジタル交換器９により、電流、電圧を測定すること ができる。充電電流は、抵抗器６の両端の電圧降下の測定することによって測定 するが、電池の電圧はそれぞれ端子４．５で測定する電圧差として得られる。プ ロセッサー７は、さらに蓄積回路１０に連結し、蓄積回路ｌＯは、計算による停 止時間点とともに、測定した電圧、電流の数値を蓄積するために使用される。調 整器回路１１は整流回路２からの９ボルトの電圧から５ボルトの直流電圧を生じ ている。

５ボルトの電圧は、回路７．９、ｌＯに供給するために使用する。電流調整器３ はパルス幅の変調により制御される。そしてプロセッサー７は、常に望ましい充 ′ＩＬ′ＩＬ流が、電池を流れるように、パルス幅を調整する。上述のように、 プロセッサーは、抵抗器６両端の電圧降下を測定することによってパルス幅を測 定する。望ましい場合には、プロセッサーは、電流パルス間で、電池両端の電圧 を測定する。充電電流のために電池の内部抵抗の両端に発生する電圧降下は、そ の電圧測定には影響しない。

図６は、図５の装置の具体例の回路図を示す。図５のブロックを破線で示し、図 ５と同じ参照番号をつける。整流器ブロック２は、変圧器Ｔ１と、４つのダイオ ードＤＩ、Ｄ２．Ｄ３゜Ｄ４の整流器接続子とからなる。整流器ブロックからの 出力電圧は直流９ポルトであり、一部は電流調整器３、一部は調整器回路１１に 送られる。電流調整器３は、トランジスターＱ４からなり、プロセッサーＩＣＩ からの制御ステージ８を介して制御される。制御ステージ８は、トランジスター Ｑ３と抵抗器Ｒ５、Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８からなる。プロセッサーの出力端子Ｐ１゜ １か高出力信号を示すと、トランジスターＱ３は、Ｒ７，Ｒ８からなる分圧器を 介して導電状態になる。ここで電流は、分圧器Ｒ５、Ｒ６を介して流れ、Ｑ４が 導電状態となり、それによって電流が電池に供給される。プロセッサーの出力端 子ＰＩ。

ｌが低い場合、トランジスターＱ３．トランジスターＱ４の両者が非導電状態で あり、充電電流は電池に供給されない。

アナログ／デジタル交換器９は、抵抗器Ｒ２，Ｒ３、平滑コンデンサーＣ４，Ｃ ７および集積回路ＩＣ２からなる。電池電圧および充電電流それぞれを示唆する 測定電圧は、集積回路ＩＣ２のなかのデジタル情報に変換され、このデジタル情 報はさらに、プロセッサーの端子Ｐ１．２．Ｐｉ、３に送られる。

本具体例において、プロセッサー回路ＩＣＩは、プロセッサー７と蓄積回路１０ とからなる。さらに結晶ＸＩとコンデンサーＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、ブ０セッサー に連結する。その他の点でも、このプロセッサーの操作モードは概して公知であ る。

調整器回路１Ｊは、コンデンサーＣ５，Ｃ６および集積電圧調整器ＩＣ３からな る。この回路により、直流電圧５ボルトを印加する。この電圧は回路ＩＣＩ、Ｉ Ｃ２に電圧を供給するために使用する。

電池に一定の電流を充電する間に電圧を測定したり、一定の電圧を印加する間に 電流を測定したり、あるいはその双方の組み合わせを使用するという決定がされ るとしても、ここで記述する回路は有用である。

回路構造の細かい点は、本発明の範囲で修正することかできることは言うまでも ない。例えば、その他のプロセッサーのタイプを使用することができる。例えば 、充電する電池のセルの数により決まるため、図５．６に示す以外の電圧を使用 することも可能である。

温度（Ｃ）Ｆ　ｇ　８　♀　呂　８　♀　ＯＱつ 補正音の翻訳文提出書（訂正書面） （特許法第１８４条の７第４項） 平成５年８月１２日

Claims (51)

【特許請求の範囲】
1. １．エネルギーの電源を電池に接続し、充電中の連続した時点で充電プロセスの ひとつあるいは、それ以上の特性的なパラメーターを測定し、かつ任意に選択し て計算し、これらのパラメーターを参考値と比較することからなり、個々のある いはいくつかの測定時間点における前記の比較に応答して、残りの充電時間を決 定し、それによって充電プロセスの可能な停止時間点を決定し、得られた停止時 間点により充電を終了することを特徴とする再充電可能な電池を充電する方法。
2. ２．特性的なパラメーターの実測値を、前記個々の測定時点に対する同じパラメ ーターの予めの測定値と比較し、パラメーターの変化率を時間の関数として決定 し、前記の変化率を参考値と比較し、それに応答して前記の停止時間点を決定す ることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ３．限られた数の参考値を含み、特性パラメーターおよび／又は変化率が参考値 の中のひとつと仮定した時、充電プロセスの停止時間点を決定することを特徴と する請求項１あるいは２記載の方法。
4. ４．電池の接続端子の両端の電圧を充電中に測定され、その際電池の電圧を測定 する前に短期間電池に対する充電を中断することを特徴とする請求項１から３記 載の方法。
5. ５．充電期間の第一期に一定の充電用電流を供給し、充電が終了するまで、充電 電流を次第に減少させることを特徴とする請求項１から４記載の方法。
6. ６．電池に供給する充電電流を一定の電圧源を変調するパルス幅で制御すること を特徴とする請求項１から５記載の方法。
7. ７．特性的なパラメーターが所定値と仮定した時、充電プロセスの前記変化率お よび／又は可能な停止時間点の決定を開始することを特徴とする請求項１から６ 記載の方法。
8. ８．前記の個々の測定時間点に対する特性的なパラメーターの測定値が、前の測 定時間点から実施されている複数の測定値の平均であることを特徴とする請求項 １から７記載の方法。
9. ９．充電プロセスが開始して後、所定の期間を経ても、前記の停止時間点のひと つが存在しない場合は充電を停止することを特徴とする請求項１から８記載の方 法。
10. １０．測定したパラメーターのひとつが、複数の所定値の中からひとつと仮定す る場合は充電を終了することを特徴とする請求項１から９記載の方法。
11. １１．脈動電流により充電を終了した後には、電池の充電状態を維持することを 特徴とする請求項１から１０記載の方法。
12. １２．特性的なパラメーターが測定でき、その測定の結果から、充電のプロセス を開始するかどうかを決定できるように、充電プロセス開始に先立って電池に短 時間電圧を印加することを特徴とする請求項１から１１記載の方法。
13. １３．エネルギーの電源、充電プロセスのひとつあるいはそれ以上の特性パラメ ーターを測定し、測定結果をアナログ／デジタル交換器を介して他の特性パラメ ーターを計算しかつエネルギー源を制御しうる制御装置に供給しうる測定装置、 並びに測定値、計算値、参考値を蓄積することができる蓄積回路からなり、この 測定装置は充電中に連続する測定時間点で特性パラメーターと参考値とを比較す ることができる装置であり、前記の測定時間点の前記のどれか或いはいくつかの 比較に応答して、残りの充電時間そして可能な停止時間点を決定し、得られた停 止時間点により充電を終了することができることを特徴とする再充電可能な電池 を充電するための装置。
14. １４．前記の個々の測定時間点について、特性パラメーターに対する測定値と同 じパラメーターに対する予め測定値を比較し、それによってパラメーターの変化 率を時間の関数として決定し、変化率を参考値と比較することによって、前記の 停止時間点を決定するように適合されていることを特徴とする請求項１３記載の 装置。
15. １５．電池の接続端子両端の電圧を測定することができ、電池の電圧を測定する 前に、短時間電池に対する充電電流を中断することができることを特徴とする請 求項１３から１４記載の装置。
16. １６．電池に供給する充電電流を一定の電圧を変調することにより調整すること ができることを特徴とする請求項１３から１５記載の装置。
17. １７．前記の停止時間点のひとつが事前に生起されていなければ、充電プロセス の開始の後の所定の時間の後に充電を終了するように適合されていることを特徴 とする請求項１３から１６記載の装置。
18. １８．測定したパラメーターのひとつが、複数の所定値のひとつと仮定した場合 には、充電を終了するように適合されていることを特徴とする請求項１３から１ ７記載の装置。
19. １９．脈動電流によって充電終了後は、電池の充電状態を維持するように適合さ れている請求項１３から１８記載の装置。
20. ２０．充電プロセス開始の前に電池に電圧を短時間印加し、特性パラメーターを 測定し、測定の結果により充電プロセスを開始するかどうかを決定するように適 合されていることを特徴とする請求項１３から１９記載の方法。
21. ２１．電源を電池の端子に接続し、 電池充電のプロセスの少なくとも一部において、少なくともひとつの充電パラメ ーターのコースを探索し、前記の少なくともひとつの充電パラメーターのコース を電池充電の異なった開始状態について、電池充電の理想的あるいは望ましいプ ロセスを示す数多くの参考パラメーターのコースと比較し、 電池充電の実際の開始状態に類似する充電開始状態を有する参考コースを選択し 、 前記の少なくともひとつのパラメーターのコースを選択した参考コースに近似す るように電池充電のプロセスを制御する方法からなる一対の端子を有する再充電 可能な電池の充電方法。
22. ２２．前記の少なくともひとつの充電パラメーターを、電池端子両端の電位、電 池に供給する電気的充電電流、電池の温度、このようなパラメーターのいくつか の変化率、このようなバラメーターおよび／又は変化率の組み合わせからなるグ ループから選択することを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. ２３．充電プロセスを電池の両端に供給する電圧を制御することにより制御する ことからなる請求項２１あるいは２２記載の方法。
24. ２４．電池の両端に供給する電圧を、充電プロセスの大部分の間、実質的に同じ 最大の数値で、電池に供給する電気的充電電流を維持するように制御することか らなる請求項２３記載の方法。
25. ２５．電池の両端に供給する電圧を所定の最大値に限定し、充電プロセスを、前 記の電圧が前記の最大値になった時に、所定の開始期間が切れることにより終了 さすことからなる請求項２１から２４のいずれかに記載の方法。
26. ２６．前記の所定の期間が、選択した参考コースに関連することからなる請求項 ２５記載の方法。
27. ２７．前記の少なくとも一つの充電パラメーターを、充電の間短い時間間隔で同 時的に測定し、測定したパラメーターの数値を参考パラメーターのコースの対応 する参考値と比較し、関連する参考パラメーターのコースをこのような測定数値 や参考値との比較に基づいて選択し、 前記の比較に基づいて充電の残り時間を決定し、前記の残り時間が満了した時に は、充電プロセスを終了することからなる請求項２１から２６のいずれかに記載 の方法。
28. ２８．経過した充電時間の関数としてのパラメーターの数値の変化率を類似する 参考値と比較することからなる請求項２７記載の方法。
29. ２９．電池端子の電位差の個々の測定の直前に短時間充電電流を中断することか らなる請求項２７あるいは２８記載の方法。
30. ３０．パラメーター数値を測定し、パラメーターの数値の変化率を均一な最初の 時間間隔で決定し、変化率を決定する度に、２回目の時間間隔で測定されたパラ メーターの数値を基にして個々の変化率を決定し、２回目の時間間隔が１回目の 時間間隔の倍数であることからなる請求項２７から２９のいずれかに記載の方法 。
31. ３１．電池に供給する充電電流を一定の電圧源を変調するパルス幅により制御す ることからなる請求項２１から３０のいずれかに記載の方法。
32. ３２．特性パラメーターの測定値が所定値を越える場合には、前記の変化率の決 定を開始することからなる請求項２１から３１のいずれかに記載の方法。
33. ３３．前記のパラメーター数値のそれぞれが、ある一定の期間の、複数の測定値 の平均値であることからなる請求項２７から３２のいずれかに記載の方法。
34. ３４．充電期間を所定の最大期間に限定することからなる請求項２１から３３の いずれかに記載の方法。
35. ３５．測定したパラメーターの数値のひとつが、それぞれのパラメーターに対す る所定値を越える場合には、充電プロセスを終了することからなる請求項２１か ら３４のいずれかに記載の方法。
36. ３６．脈動電流を電池の端子に供給することによって、充電プロセスを前記のよ うに終了した後、電池の充電状態を維持することからなる請求項２１から３５の いずれかに記載の方法。
37. ３７．電池を電気的電源に接続する接続手段、電池の充電プロセスの少なくとも 一部の間少なくともひとつの充電パラメーターのコースを探索する手段、電池の 充電の異なった開始状態について電池充電の理想的あるいは望ましいプロセスを 示す複数の参考パラメーターのコースを蓄積する蓄積手段、 前記の少なくともひとつの充電パラメーターを蓄積手段により蓄積した参考パラ メーターのコースと比較する手段、電池の充電開始状態に類似する充電開始状態 を有する参考コースを選択する手段、 前記の少なくともひとつのパラメーターが選択したパラメーターのコースに近似 するように、電池充電のプロセスを制御する手段からなる再充電可能な電池を充 電する装置。
38. ３８．制御手段が接続手段に供給する電圧を制御することにより電池の充電プロ セスを制御するように適合されていることからなる請求項３７記載の装置。
39. ３９．制御手段が、充電プロセスの大部分の間、実質的に同じ最大値で接続手段 に接続した電池に供給した充電電流を維持するように、接続手段に供給する電圧 を制御するよう適合されていることからなる請求項３２記載の装置。
40. ４０．制御手段が所定の最大値の接続手段に供給する電圧を限定し、参考コース に関連する所定の時間が比較及び選択手段により最終的に選択された時には充電 プロセスを終了し、前記の電圧最大値になった時には、開始するように適合され ていることからなる請求項２７から３９のいずれかに記載の装置。
41. ４１．探索手段が、前記の少なくともひとつの充電パラメーターの数値を充電の 間の短い間隔で容易に測定する手段からなり、比較手段が参考パラメーターのコ ースの対応する参考値で測定するパラメーターの数値を比較し、その比較を基に して関連する参考パラメーターのコースを選択するように適合させることからな る請求項３７から４０のいずれかに記載の装置。
42. ４２．比較手段がパラメーター数値の変化率を、類似する参考値で経過した充電 時間の関数として比較するように適合されていることからなる請求項４１に記載 の装置。
43. ４３．制御手段が電池の両端の個々の電位差のを測定する直前に、短時間、電池 に供給する充電電流を中断するように適合されていることからなる請求項４１あ るいは４２記載の装置。
44. ４４．測定手段が均一な１回目の時間間隔でパラメーターの数値を測定するよう に適合されており、探索手段がそれぞれ１回目の時間間隔の倍数である２回目の 時間間隔で測定されたパラメーターの数値を基にして変化率を決定するように適 合されていることからなる請求項４１から４３のいずれかに記載の装置。
45. ４５．制御手段が一定の電圧源を変調するパルス幅によって、電池に充電電流を 供給するように適合されていることからなる請求項３７から４４のいずれかに記 載の装置。
46. ４６．測定された特性的なパラメーターの数値が、所定値を越える時には、探索 手段が変化率の決定を開始するように適合されていることからなる請求項３７か ら４５のいずれかに記載の装置。
47. ４７．比較する前記のパラメーター数値のそれぞれが、ある一定の期間の複数の 測定値の平均値であることからなる請求項４１から４６のいずれかに記載の装置 。
48. ４８．制御手段が充電時間を所定の最大の期間に限定するように適合されている ことからなる請求項３７から４７のいずれかに記載の装置。
49. ４９．測定したパラメーターの数値のひとつがそれぞれのパラメーターに対する 所定値を越える場合には、制御手段が充電プロセスを終了するように適合されて いることからなる請求項３７から４８のいずれかに記載の装置。
50. ５０．充電プロセスを終了した後には、電池の充電状態を維持するように制御手 段が脈動電流を接続手段に供給するように適合されていることからなる請求項３ ７から４９のいずれかに記載の装置。
51. ５１．装置の操作を制御するマイクロプロセッサーからなる請求項３７から５０ のいずれかに記載の装置。