JPH08500238A

JPH08500238A - バッテリ充電方法および充電装置

Info

Publication number: JPH08500238A
Application number: JP6507621A
Authority: JP
Inventors: アレクサンダーエテル，ビクター; ホエルケック，ヤン; ケイ．ノル，ジリ; ブイ．ソルティス，ジョセフ; ダグラス，チャールズ
Original assignee: Vale Canada Ltd
Current assignee: Vale Canada Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1996-01-09
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: ATE165191T1; CA2144332C; DE69318029T2; AU4555193A; JP2771331B2; PL172473B1; AU670447B2; WO1994007292A1; PL309289A1; US5477125A; SK31895A3; DE69318029D1; EP0659304A1; CA2144332A1; CZ59495A3; EP0659304B1

Abstract

(57)【要約】各バッテリの構造または温度とは無関係に充電プロセスを自動的に制御するバッテリ充電器が提供される。充電ブロセスの制御は、充電電流を周期的に遮断し、電流遮断後に定められた時間間隔中にバッテリの開放電圧を測定し、この開放電圧を基準電圧と比較することによって実施される。各再充電操作者が初期の一定時間中に時間に対する開放電圧の変動を分析して、過充電の始まりを表わす二、三の特徴点を位置決めすることによって、基準電圧が自動的に特定される。充電電流が必要に応じて低減されるので、開放電圧が基準電圧を超えることなくまた顕著な過充電が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】バッテリ充電方法および充電装置発明の背景本発明は再充電型バッテリおよび電池の改良型充電装置に関するものである。さらに詳しくは、バッテリの過充電および過充電に伴なう効果、例えばバッテリの過熱またはサイクル寿命の短縮などを生じることなくバッテリを非常に迅速にまた「穏やかに」充電することのできる改良型バッテリ充電装置に関するものである。特に本発明は、自動的に基準電圧を特定し従って過電圧を避けるように充電サイクルを制御することのできる改良型バッテリ充電装置に関するものである。充電プロセスの制御は、充電電流を周期的に遮断し、電流遮断後に定められた時間間隔においてバッテリの開放電圧（無抵抗電圧， resistance free volt age）Ｖ₀を特定し、この開放電圧Ｖ₀を過充電反応開始を特徴づける基準電圧Ｖ_REFと比較することによって実施される。開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_REFを超えないように必要に応じて充電電流を低下させる。過充電反応の開始の基準電圧特性は、一定電流の充電期間中に二、三の特徴的なデータ点（特徴データ点）の開放電圧Ｖ₀を特定することによって特定される。これらの特徴データ点は、開放電圧Ｖ₀を時間ｔに関連づける充電曲線上に配置され得る。第２図において、これらの特徴点は、（１）第１次導関数ｄＶｏ／ｄｔが極小値をとる場所の充電曲線Ｖ₀（ｔ）の第１屈折点Ｉ（１）、（２）同様に、第２次導関数曲線ｄ²Ｖ₀／ｄｔ²が極大値をとる箇所に対応する第１次導関数曲線（ｄＶ₀／ｄｔ）の屈折点として識別される充電曲線の極大曲率点Ｋ、（３）第１次導関数ｄＶ₀／ｄｔが極大値をとる箇所に対応する充電曲線の第２屈折点Ｉ（２）である。適当な基準電圧Ｖ_REFは前記特徴点のいずれか１つの関数、または２若しくは２以上の特徴点の重みづけ平均として選定される。例えば、基準電圧Ｖ_REFはＶＩ（１）の値を数パーセント増大することにより、あるいはＶｋまたはＶＩ（２）の値を数パーセント減少せることによって算出することができる。本発明に関する再充電型バッテリまたは電池は、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル−金属ハロゲン化物（ＮｉＭｅＨ）、鉛−酸を使用する型のまたはその他の化学的なバッテリまたは電池である。これらは、シェーバ、コードレス電動工具、ポータブル電話、コンピュータ、オモチャなどの小型器具から、フォークリフト・トラック、ゴルフカート、および電気自動車まで各種用途に使用される。電気自動車における信頼度の増大が期待されるに従って、道路上のその「充電スタンド」にける迅速な再充電によってその限定された走行キロ数を延長する必要があるので、この種の自動車の迅速かつ「機能的（intelligent）」充電が特に重要な要請となっている。電気自動車を家庭の充電箇所でゆっくりと再充電する場合でも、現在使用されている多くの充電法に見られるようなバッテリ寿命を短縮させる過充電を避けることが充電器にとって重要である。電気自動車のバッテリは相当大きな投資であり、従って機能的充電器によってバッテリの寿命を延長することが経済性の観点から必要であろう。この場合「機能的充電器」とは、任意の再充電型バッテリの容量を自動的に特定し、顕著な過充電なしで極大飽和状態に達するように充電サイクルを制御する機能を有する充電器を言う。バッテリの充電は、通常、電流（例えば定電流）を制御しながらまたしばしば電圧（例えば極大電圧）も制御しながらバッテリを通して電流を流す段階を含む。充電プロセスそのものの充電率を制御する必要があるが、制御のために最も重要なファクタはバッテリが完全に充電された時に充電プロセスを停止させることにある。完全充電からの継続充電は望ましくないむだな過充電反応を生じる。通気された電池中の過充電反応は電気分解と水の損失を生じ水を交換しなければならなず、他方密封された電池においては、過充電反応によって生じたガスの再結合反応が放熱反応であるので、圧力と熱とを生じる。理想的には、過充電反応は高い電圧を必要とするので、単に充電電圧を一定値に制限することによって防止される。不幸にして、この簡単なアプローチは二、三の型の電池、例えば鉛−酸電池、および密封型Ｌｉイオン電池についてのみ部分的に奏功する。過充電反応生成物を再結合する可能性のある密封電池（例えばＮｉＣｄ電池）は、生成ガスの圧力が低くまた発生熱が容易に消失される程度に低い低充電率に際しては通常過電圧を許容するであろう。バッテリが完全充電された時に電解質成分が失われていなければ、充電プロセスを停止する必要性はさほど大きくない。しかし、低充電率でも充電を継続すれば電池の寿命を短縮させることが多い。急速充電、例えば１時間以内の充電は、通気された電池についても密封された電池についてもさらに大きな挑戦である。第１の問題点は、極板中の電荷分布率および平衡率が制限されているので、電気化学的に影響されやすい活性物質部分が完全充電されて過充電反応を生じるが、他の活性物質部分がまだ完全充電されていない結果となる。第１図に示す一般的充電許容曲線は、この問題点が電流の増大によって重大になることを示す。すなわち高い充電率においては、過充電反応が完全充電の低い部分において表われはじめる。過充電区域においては、充電反応の電流効率が低下しており、クーロン（coulumbic）エネルギーの大部分が過充電反応に消費されている。このような状態で充電プロセスを完了するには、過充電反応を一定率で十分長時間許容しなければならない。実際にこのような場合がしばしばである。その結果、急速充電ＮｉＣｄは過充電期間中の過度の圧力形成を防止するためさらに強く触媒反応させられる。このような限られた過充電期間を使用するアプローチは、中程度の充電率（１−６時間）のために開発された簡単な充電テクノロジーを使用することができるので一般に使用されている。しかし高率充電中のバッテリの急速過熱を避けることができない。他の問題点は、特に低温において、再結合触媒が効果的でない時に安全圧を超え電池通気を生じる可能性があることである。急速充電／過充電プロセスを所望の点で終結する方法は第２図の充電電圧曲線によって最もよく示されている。活性物質、Ｎｉ（ＯＨ）₂とＮｉＯ（ＯＨ）の還元された形と酸化された形をそれぞれＭredとＭ_0Xで示す。電圧曲線Ｖｏ／ｔの第１図部分Ａは、Ｍ_0Xの最初の発生により強く放電された電池の初期急速電圧上昇を示し、次に主充電期間中の平坦な電圧プロファイルを示し、この平坦プロファイルにおいては両方の活性物質の十分量のＭ_0XとＭｒｅｄとが存在する。充電曲線の第２部分Ｂは第１屈折点Ｉ（１）から始まり、初期過充電反応の開始と漸進的増大とによる電圧上昇を示す。部分Ｃは屈折点Ｉ（２）に始まり、この部分においては過充電反応が支配的になる。この曲線は最大曲率Ｋにおいて分離し、従って部分Ｃは通気電池Ｃｖと密封電池Ｃｓとの間で相違している。通気電池の場合、電圧曲線はＣｖにおいて初期過充電反応に対応して最終的に台地状（plateau）に平坦化する。再結合を伴なう密封電池の場合、第１屈折点Ｉ（１）から過充電反応が顕著な温度上昇を示し、第２屈折点Ｉ（２）からさらに顕著となる。電池電圧が負の温度係数を有するなら（例えばＮｉＣｄバッテリ）、充電曲線のこの部分Ｃｓにおいて急速な温度上昇の故に台地状ではなくピークＰが生じる。密封ＮｉＣｄバッテリの通常の充電制御システムは電圧ピークの検出後に充電電流を停止することに基づいている。真のピークと電圧読みノイズとを区別するため、ある程度のオーバラン、例えば１０ｍＶが必要である。この「負のデルタＶ」法は約１時間の充電率にとって有効である。もちろん、この方法は過充電によって生じる過熱効果に依存しているので、この方法によれば顕著な過充電は避けがたい。より複雑な方法は充電プロセスを停止するために第２屈折点Ｉ（２）を使用する。この方法は充電時間を１５分に短縮することができる。この場合にも屈折点のある程度のオーバランが必要であって、過充電は完全には防止されない。前記両方の方法は充電を高充電率で終結させるために第１図における充電／過充電境界線を横切ることに依存しており、バッテリのある程度の不必要な有害な加熱を生じる。多くのバッテリは熱力学的また不可逆的熱効果の故に放電中に加熱を生じるが、充電中の追加加熱がヘビーデューティ使用中のバッテリの急速な過熱を生じる。急速充電のさらに論理的なアプローチは過充電反応の生じはじめる点において充電率を低下させることであり、これは第１図に示される充電／過充電境界線に本質的に従がわなければならない。このようにして過充電反応が避けられ、圧力増大が非常に低くなり、電池は過充電反応の再結合メカニズムによって加熱しない。低内部抵抗を有するＮｉＣｄ電池は充電反応の吸熱性の故に冷却することもありうる。過充電の始まりを特定する１つの実際的方法は、充電電流の短時間かつ頻繁な中断中に開放（開回路）電圧Ｖ₀を測定し、これを過充電反応の始まりを代表する外部の予め選択された基準電圧と比較することに基づいている。検出された開放電圧Ｖ₀がこのプリセット値（温度に関して補正された値）に達した時、基準電圧が超過されないように電流が徐々に低減させられる。この方法は欧州特願第３１１，４６０号に記載されている。開放電圧Ｖ₀の読みに基づくこの電流「テーパリング（tapering）」法は一部の通気されたバッテリおよび密封バッテリについて非常によく適合する。低抵抗密封ＮｉＣｄバッテリは１０℃以下の温度上昇をもって５分の短時間で充電され、または温度低下を伴なって１５分以内に充電される。通常の鉛−酸バッテリは２０分以内に充電され、航空機始動用の通気ＮｉＣｄバッテリは１５分以内に充電される。しかし、この方法は前記の電圧曲線法と比較して大きな欠点を有する。すなわち、第１図の充電／過充電境界線にそって充電プロセスを制御するために使用される基準電圧がバッテリ中の電池数、温度およびある程度は電池構造に依存している。電池数およびその温度に対して基準電圧Ｖ_REFを設定することは特に困難ではないが、個々の電池の構造効果を基準電圧Ｖ_REF値に合体させるのはさらに複雑な作業である。発明の概要本発明の目的は、個々の電池の特性または温度とは無関係に作動することのできる「機能的」充電装置を提供することによってこれらの問題を解決するにある。従って、本発明による新規なバッテリ充電装置は、開放状態において各電流遮断の一定時間後に電池電圧をサンプリングし、開放状態で測定された充電曲線を編集し分析して、放電開始を特徴づける単数または複数の点の位置から適当な基準電圧Ｖ_REF値を特定する。この方法によって特定された基準電圧Ｖ_REFは自動的に電池の数、温度および構造を反映し、従って、個々のバッテリのパラメータを予め知らなくてもこの充電装置によってそのバッテリを再充電することができる。好ましい実施態様は必要な機能を調整し実行するマイクロプロセッサを含む。図面の簡単な説明第１図は、急速充電状態において再充電性バッテリの一般的充電を示すグラフである。第２図は、経過充電時間ｔに対する一般的温度曲線と充電曲線とを示すグラフである。第３Ａ図は、最初常温にあって８Ｃのレー卜（ｒａｔｅ）で５Ａの電流で充電される、ブランドＸの電池について、電流オフ期間中に１５ｍｓｅｃと４９５ｍｓｅｃにおいて測定された充電時間ｔに対する温度および無負荷電圧Ｖ₀を示すグラフである。第３Ｂ図は、第３Ａ図の１５ｍｓｅｃのＶ₀（ｔ）曲線の第１次および第２次導関数曲線のグラフである。第３Ｃ図は、第３Ａ図の条件下に電流オフ期間中に種々の時間ｔ₀において測定されたＶ₀の値のＶ₀（ｔ）曲線を示す三次元グラフである。第４図は、充電電流が２．５Ａ、充電レー卜（ｒａｔｅ）が４Ｃであること以外は第３Ａ図の場合と同様の条件であるグラフである。第５図は、初めの電池温度が約５３℃、充電電流が１０Ａであること以外は第３Ａ図の場合と同様であるグラフである。第６図は、電池ブランドＹを使用したこと以外は第３Ａ図と同様のグラフである。第７図は、電池ブランドＹを使用し充電率が４Ｃであること以外は第４図の場合と同様の条件であるグラフである。第８図は、電池ブランドＹを使用し初めの電池温度が約４９℃であったこと以外は第５図の場合と同様の条件であるグラフである。第９Ａ図は、電池ブランドＷを使用したこと以外は第３Ａ図の場合と同様の条件であるグラフである。第９Ｂ図は、第９Ａ図のＶ₀（ｔ）曲線の第１次および第２次導関数の曲線を示すグラフである。第１０図は、本発明の１つの実施態様の概略回路図である。第１１図は、常温におけるある特定のセルタイプについて本発明の充電装置によって得られた結果を示すグラフである。第１２図は、電池温度が高いこと以外は第１１図の場合と同様であるグラフである。第１３図は、常温において第２のセルタイプを有する本発明の充電装置によって得られた結果を示すグラフである。発明の詳細な説明すべてのデータは、この場合に簡略化のため電池Ｘ，Ｙ，Ｗと呼ばれる市販の電池を使用して得られた。第３Ａ図と第４図は、バッテリメーカＸによって製造されたＡＡサイズと６００ｍＡｈラベル容量を有する２つの密封ＮｉＣｄ電池使用し、それぞれ５Ａの電流（８Ｃレート）と２．５Ａ電流（４Ｃレー卜）によって充電して得られた充電データを示す。第５図はこれより高い約５３℃の温度で１０Ａ（８Ｃレー卜）で充電して得られた同一電池Ｘのデータを示す。第６図乃至第８図は他のメーカＹの電池によって得られた同様の充電データを示す。電池ＸとＹは工業用電池の範囲内における極端な例を示すために選定された。第３Ｃ図は第３Ａ図に使用された条件を使用し、１０秒ごとに繰り返される５００ｍｓｅｃに亘る長い電流オフ期間中にとられた個々の電圧（Ｖ₀の値）の全減衰曲線を示すグラフである。各電流オフ期間中に、１０ｍｓｅｃ毎のｔ₀において、電圧減衰曲線がサンプリングされ、前後する１００ｍｓｅｃの間中も同様にサンプリングされる。第３Ａ図、第４図乃至第８図、および第９Ａ図において、電流遮断後にそれぞれ１５ｍｓｅｃおよび４９５ｍｓｅｃで採られた電圧サンプルが温度プロファィルと共に、開放電圧Ｖ₀プロファイル曲線としてプロットされた。温度プロファイル曲線は電池の外側面に接触する熱電対によって測定され、過充電による温度の傾斜上昇を示す。熱電対の外側装着の故に、温度曲線は過充電反応の開始より遅れる。第３Ａ図と第４図における電池Ｘの１５ｍｓｅｃＶ₀の電圧曲線を比較してみれば、第１屈折点が本質的に同一電圧１．４９−１．５０Ｖにおいて生じ、これはＶＩ（１）が充電レートとは無関係であることを示す。第６図と第７図のＹ電池について検討すれば、ＶＩ（１）が低くて１．４６−１．４７Ｖの範囲内にあること以外は同様の結論に達する。電池Ｘの場合に電圧プロファイル曲線全体が高くなり第１屈折点以後において分離が急激になることが明かである。電池Ｘ, ＹのＶＩ（１）間の差異、約３０ｍＶは欧州特願第３１１，４６０号の充電法を使用して得られたこれらの電池のデータと一致している。第５図と第８図のデータは１０Ａの電流で充電する前に約５０℃に予熱されたそれぞれ電池Ｘ，Ｙにおいて得られたデータである。この場合にも電池Ｘが１５ｍｓｅｃ曲線上の第１屈折点を電池Ｙよりも高い電圧において有するので同一の相対画像が見られ、この場合、ＮｉＣｄ電池の温度係数から予想されるように、両方の熱い電池は５０−１００ｍＶ低い屈折点電圧ＶＩ（１）を有する。またこれは前記の公知テクノロジーを使用した同一電池型の実験に対応している。これらのデータから明かなように、充電曲線の制御される部分の基準電圧Ｖ_RE _F を設定するために第１屈折点における開放電圧Ｖ₀の値を使用することができ、基準電圧Ｖ_REFの最適値を特定するために予めバッテリ電圧、温度および構造を知る必要はない。第１屈折点Ｉ（１）の位置を簡単に特定する１つの方法は、時間に対する電圧の第１次導関数上の極小値として特定することである。電圧サンプルの小浮動によって生じる不確定性を除去するため、通常は電気的または数学的フィルタ（輪転平均，rolling averages）を使用すること及び屈折点のある程度のオーバラン（第１次導関数曲線上の極小値の固定されたオーバラン）を許容することの必要がある。また、充電プロセスの所望の駆動力を必要に応じて変動できるように基準電圧Ｖ_REFの値を屈折点における測定値に対してある関係に設定することが可能である。１つの可能性は、基準電圧Ｖ_REFを第１屈折点における電圧読み値より固定したパーセントだけ高く設定するにある。他の可能性は、充電曲線上の次の特徴点、すなわち極大曲率点Ｋが検出されるまで充電を継続するにある。この点は、第２次導関数曲線ｄ²Ｖ／ｄｔ²が極大値となる所に第１次導関数曲線上の屈折点を配置することによって特定される。この場合、基準電圧Ｖ_REFが開放電圧Ｖ₀と等しく設定され、または開放電圧Ｖ₀に対して一定関係に、例えばＶｋ値の９８％に設定される。また、最大曲率点Ｋを超えて、すでにある程度の過充電が生じている第２屈折点Ｉ（２）が検出されるまで充電を継続することができる。この場合、基準電圧Ｖ_REFはＶＩ（２）の一定パーセント以下に設定される（例えばＶＩ（２）の９５％）。この点は第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔ上の極大値として位置決めされる。また、基準電圧Ｖ_REFの値を、これらの特徴的開放電圧ＶＩ（１）、ＶｋおよびＶＩ（２）のいずれかの関数として、例えばこれらの値の特定の重みづけ平均として設定することができる。前記の各実施例は、各電流遮断の１５ｍｓｅｃ後にサンプリングされた電圧から成る電圧プロファイル曲線を使用した。しかし、電流オフ期間中の他の定められた時間にサンプリングされた電圧サンプルを使用することも可能である。第３Ｃ図は電流オフ期間中に相異なる時間において連続的に発生した電圧プロファイル曲線を示す。また、電圧によって生じた抵抗の存在が充電プロセスの制御をより不正確にするが、電流遮断以外でまたはその前にサンプリングされた電圧サンプルでさえも使用することができる。開放電圧Ｖ₀充電曲線上の特徴点を確認し位置決めし、これらの点における特徴電圧を読取り、これらの点における開放電圧Ｖ₀の測定値にもとづいて基準電圧Ｖ_REFを設定し、開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_REFの値またはその下に留まるように電流を制御する機能は、マイクロプロセッサを使用することによって最も簡単に達成される。またマイクロプロセッサを使用すれば、種々の安全バックアップ機能、電流制御および遮断判定基準を追加することができる。これらは、バッテリパックの中にひどく不整合な電池が存在することによって屈折点が不明確な場合、またはバッテリパック中に過度に多数のバッテリが存在する場合（電気自動車のバッテリ）に重要である。これらの問題点は、より小数のバッテリグループをバッテリパックの中に使用し、また「最も弱いリンク」、すなわち、最初に過充電を開始する電池グループによる充電電流を制御することによって修正される。第１屈折点が不明確な場合に不測の過充電が生じる。電池ブランドＷに関する第９Ａ図に図示のように、これらの電池が十分に発達していない「サドル」を有すること、別言すれば、第９Ｂ図に図示のように第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔ上に明確な極小値または極大値を有しないことを観察すればこのようなケースが予測される。しかしこの場合、これらの電池は第９Ｂ図に見られるように第２次導関数曲線ｄ²Ｖ／ｄｔ²上の極大値として検出される最大曲率点Ｋにおいて前記曲線上に屈折点を有することを観察して過充電を避けることができる。また、この点の位置は過充電の第１開始点に対応する。一般に高い内部抵抗を有する電池、すなわち急速充電中に過度に加熱される電池は不十分に発達した「サドル形状」を有する。またＮｉＭｅＨ電池はＮｉＣｄ電池、鉛−酸電池およびその他の電池よりも少なく発達した「サドル形状」を有する。従って、電荷曲線上の屈折点が曲線形状の故に不明確である場合、基準電圧Ｖ_REFを設定するための第２の「フェイルセーフ」評価基準としてＶKを使用することが望ましい。もちろん、不測の過充電を防止するために使用される他の多くのバックアップ評価基準が存在する。これらの評価基準は温度上昇、Ｖ₀増大、第２屈折点へのあるパーセントだけ到着若しくは超過、またはバッテリの相異なる部分において測定された値の比較に基づいている。上述した説明は密封型ＮｉＣｄ電池に集中したのであるが、本発明の方法は「サドル型」充電曲線を示すその他の再充電型電池についても利用できる。第１０図は、本発明による好ましい実施態様の概略回路図である。再充電型電池またはバッテリは、電流測定用分路抵抗器、電流遮断用リレーおよび温度センサと共に電源に接続される。この回路の動作を実行しモニタするため、データ取得／リレー制御コンピュータシステム、例えばマイクロプロセッサが使用される。第１０図の回路ダイヤグラムによるマイクロプロセッサを使用して２つのテストが実行された。単なる電源を使用する代わりに、出願人は現存のバッテリ充電器、この場合にはカナダ、オンタリオ、ミシサウガのノルビック・テクノロジーから入手される５アンペア Minitー放電圧Ｖ₀を各リレーの開放の１０ｍｓｅｃ後に測定した。このリレーは回路を１０秒ごとに５００ｍｓｅｃの間開くように設定された。充電中、開放電圧Ｖ₀ 値がマイクロプロセッサによってモニタされ、このマイクロプロセッサはこれらのデータを充電プロセスの制御のために使用した。それぞれ常温の場合（第１１図）と高温の場合（第１２図）について、ＹブランドＡＡ型再充電可能電池を使用したテスト結果を示すグラフを表示する。第１３図はＸブランドＡＡ型再充電可能電池を使用した第１１図と同様のテスト結果を示す。充電操作の開始時に、ダミーの初期基準電圧Ｖ_REF（ｉ）は初期充電操作を全力で動作させるため故意に高く設定された。初充電中に、第３Ａ図について述べたように、マイクロプロセッサが前記のように開放電圧Ｖ₀に対する値をモニタし、充電開始後の経過時間ｔに対して開放電圧Ｖ₀の第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔ上の極小点Ｉ（１）を特定するためにこれらのデータを処理した。第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔ上の極小値を安全に同定するため、基準電圧Ｖ_REFの変化をトリガする前に０．０４ｍＶ／ｓのオーバランを許した。基準電圧Ｖ_REF はトリガ点（点Ｚ）における開放電圧Ｖ₀の１０２％として算出された。この場合、マイクロプロセッサは調整された基準電圧Ｖ_REFの値を点Ｉ（１）における開放電圧Ｖ₀の値として設定し、この基準電圧に合体された電流制御システムに対して電送した。第１１図乃至第１３図において両方のバッテリブランドについて、基準電圧Ｖ_REF(a) の値はグラフの点Ｚに設定される。本発明の充電回路は自動的に各電池の性質に対応して基準電圧Ｖ_REF(a)の値を設定し、この場合には類似温度のテスト（第１１図および第１３図）のブランドＸ電池について基準電圧Ｖ_REF(a)を約３０ｍＶだけ少し高く設定した。これは、これらのブランドの公知の値と一致する。同様に、本発明の充電回路は高温Ｙブランド電池（第１２図）について基準電圧Ｖ_REF(a) を約５０ｍＶ低く設定した。これは、ＮｉＣｄ電池の基準電圧Ｖ_RE _F の公知の温度依存関係と一致する。一度基準電圧Ｖ_REF(a)が点Ｚに設定されると、充電回路は前記のように開放電圧Ｖ₀をモニタしつづけ、開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_REFを超えることのないように充電電流を制御する。点Ｚにおいて、調整された電流は急速に下降し、次に、マィクロプロセッサからの命令に従って次第に減少（tapering off）する。その結果、電池は第１１図乃至第１３図に図示のように、顕著な過充電を示すことなく、急速に、しかし、穏やかに飽和状態まで充電される。また良好な温度制御が実施されることは明かであり、これは一般に現在のテクノロジーを使用した型の電池の充電の場合には深刻な問題点である。異なる型の電池およびバッテリは基準電圧Ｖ_REFの温度係数の異なる値を有するので、相異なる温度の電池をこのパラメータによって設定する必要なく正確に充電することのできる本発明による充電回路の機能は当業界において大きな進歩である。例えば、本発明の装置は金属水化物電池またはＮｉＣｄ電池を、それぞれの電池の特性または性質を知る必要なく同様によく充電することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９４年９月２３日【補正内容】この方法は欧州特願第３１１，４６０号に記載され、この方法は電池およびバッテリを充電電流によって充電し、前記充電電流を周期的に遮断して定められた持続時間の電流オフ間隔を生じ、前記電流オフ間隔中に測定された電圧の開放電圧Ｖ₀成分をサンプリングし、過充電反応の始まりを代表する過充電基準電圧Ｖ_R _ef を選定し、また電池およびバッテリが十分に充電されるまで開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_Refを超えないように充電電流を変調することによって、電圧／時間誘導関数を使用して電池およびバッテリを再充電する方法と要約することができる。開放電圧Ｖ₀の読みに基づくこの電流「テーパリング（tapering）」法は一部の通気されたバッテリおよび密封バッテリについて非常によく適合する。低抵抗密封ＮｉＣｄバッテリは１０℃以下の温度上昇をもって５分の短時間で充電され、または温度低下を伴なって１５分以内に充電される。通常の鉛−酸バッテリは２０分以内に充電され、航空機始動用の通気ＮｉＣｄバッテリは１５分以内に充電される。しかし、この方法は前記の電圧曲線法と比較して大きな欠点を有する。すなわち、第１図の充電／過充電境界線にそって充電プロセスを制御するために使用される基準電圧がバッテリ中の電池数、温度およびある程度は電池構造に依存している。電池数およびその温度に対して基準電圧Ｖ_Refを設定することは特に困難ではないが、個々の電池の構造効果を基準電圧Ｖ_Ref値に合体させるのはさらに複雑な作業である。発明の概要本発明の目的は、個々の電池の特性または温度とは無関係に作動することのできる「機能的」充電装置を提供することによってこれらの問題を解決するにある。従って、本発明の方法は、（ａ）時間ｔに対して開放電圧Ｖ₀の値を収集（com piling）する段階と、（ｂ）開放電圧Ｖ₀の少なくとも第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔを作成してこの曲線上の第１次導関数特徴点を検出する段階と、（ｃ）前記第１次導関数の特徴点の少なくとも１つの関数として過充電基準電圧Ｖ_Refを選定する段階とを含むことを特徴とする。この方法によって特定された基準電圧Ｖ_Refは自動的に電池の数、温度および構造を反映し、従って個々のバッテリのパラメータを予め知らなくてもこの充電装置によってそのバッテリを再充電することができる。好ましい実施態様は必要機能を調整し実行するマイクロプロセッサを含む。図面の簡単な説明第１図は、急速充電状態において再充電性バッテリの一般的充電を示すグラフである。第２図は、経過充電時間ｔに対する一般的温度曲線と充電曲線とを示すグラフである。第３Ａ図は、最初常温にあって８Ｃのレート（ｒａｔｅ）で５Ａの電流で充電される、ブランドＸの電池について、電流オフ期間中に１５ｍｓｅｃと４９５ｍｓｅｃにおいて測定された充電時間ｔに対する温度および開放電圧Ｖ₀を示すグラフである。第３Ｂ図は、第３Ａ図の１５ｍｓｅｃのＶ₀（ｔ）曲線の第１次および第２次導関数曲線のグラフである。第３Ｃ図は、第３Ａ図の条件下に電流オフ期間中に種々の時間ｔ₀において測定されたＶ₀の値のＶ₀（ｔ）曲線を示す三次元グラフである。第４図は、充電電流が２．５Ａ、充電レー卜が４Ｃであること以外は第３Ａ図の場合と同様の条件であるグラフである。請求の範囲１．電池およびバッテリを充電電流によって充電し、前記充電電流を周期的に遮断して定められた持続時間の電流オフ間隔を生じ、前記電流オフ間隔中に測定された電圧の開放電圧Ｖ₀成分をサンプリングし、過充電反応の始まりを代表する過充電基準電圧Ｖ_Refを選定し、また電池およびバッテリが十分に充電されるまで開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_Refを超えないように充電電流を変調することによって、電圧／時間誘導関数を使用して電池およびバッテリを再充電する方法において、（ａ）時間ｔに対して開放電圧Ｖ₀の値を収集する段階と、（ｂ）開放電圧Ｖ₀の少なくとも第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔを作成してこの曲線上の第１次導関数の特徴点を検出する段階と、（ｃ）前記第１次導関数の特徴点の少なくとも１つの関数として過充電基準電圧Ｖ_Refを選定する段階とを含むことを特徴とする方法。２．開放電圧Ｖ₀の第２次導関数曲線ｄ^２Ｖｏ／ｄｔ^２を作成し、この曲線上の極大の第２次導関数の特徴点を検出する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。３．前記第１次および第２次導関数の特徴点が、ａ）第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極小値として位置決めされる第１屈折点Ｉ（１）、ｂ）第２次導関数曲線ｄ^２Ｖｏ／ｄｔ^２の極大値として位置決めされる最大曲率点ＫＮ、ｃ）第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極大値として位置決めされる第２屈折点Ｉ（２）、およびｄ）前記点の少なくとも２つの点の関数、からなるグループの中から選定される、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。４．電池およびバッテリを充電電流によって充電する手段と、前記電池およびバッテリの電圧／時間導関数を特定する手段と、前記充電電流を周期的に遮断して定められた持続時間の電流オフ間隔を生じる手段と、前記電流オフ間隔中に測定された電圧の開放電圧Ｖ₀成分をサンプリングする手段と、過充電反応の始まりを代表する過充電基準電圧Ｖ_Refを選定する手段と、電池およびバッテリが十分に充電されるまで開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_Refを超えないように充電電流を変調する手段とを含む再充電装置において、（ａ）時間ｔに対して開放電圧Ｖ₀の値を収集する手段と、（ｂ）開放電圧Ｖ₀の少なくとも第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔを作成してこの曲線上の第１次導関数の特徴点を検出する手段と、（ｃ）前記第１次導関数の特徴点の少なくとも１つの関数として過充電基準電圧Ｖ_Refを選定する段階と、を含む、ことを特徴とする再充電装置。５．開放電圧Ｖ₀の第２次導関数曲線ｄ^２Ｖｏ／ｄｔ^２を作成し、この曲線上の極大の第２次導関数の特徴点を検出する手段を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。６．第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極小値として位置決めされた第１屈折点Ｉ（１）を特定する手段を含む、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。７．第２次導関数曲線ｄ^２Ｖｏ／ｄｔ^２の極大値として位置決めされた極大曲率点Ｋを特定する手段を含む、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。８．第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極大値として位置決めされる第２屈折点Ｉ（２）を特定する手段を含む、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。９．第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極小値として位置決めされた第１屈折点Ｉ（１）を特定する手段と、第２次導関数曲線ｄ^２Ｖｏ／ｄｔ^２の極大値として位置決めされた極大曲率点Ｋを特定する手段と、第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極大値として位置決めされる第２屈折点Ｉ（２）を特定する手段と、基準電圧Ｖ_Refを得るように前記点の少なくとも２つを含む関数を生じる手段と、を含む、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。１０．マイクロプロセッサが基準電圧Ｖ_Refを算出するようになされた、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ (72)発明者ホエルケック，ヤンチェッコ国プラハ、４‐ハージェ、スランスケノ、695 (72)発明者ノル，ジリケイ. カナダ国オンタリオ州、オウクビル、パインハースト、ドライブ、318 (72)発明者ソルティス，ジョセフブイ. カナダ国オンタリオ州、オウクビル、サード、ライン、246 (72)発明者ダグラス，チャールズカナダ国オンタリオ州、ミシソーガ、バーセラ、クレッセント、2517

Claims

【特許請求の範囲】１．電池またはバッテリを一定の初期充電電流によって充電する段階と、前記充電電流を周期的に遮断して定められた持続時間の電流オフ間隔を生じさせる段階と、各電流オフ間隔中の定められた時間に開放電圧Ｖ₀をサンプリングする段階と、充電開始以後に経過した時間ｔに対して開放電圧Ｖ₀の値を収集する段階と、開放電圧Ｖ₀および時間ｔの収集された値を分析して過充電開始の１つまたは複数の特徴点を位置決めする段階と、前記特徴点の１つまたは複数の関数として過充電基準電圧Ｖ_REFを選定する段階と、開放電圧Ｖ₀が基準電圧Ｖ_REFを超えないように充電電流を周期的に調整して顕著な過充電を防止する段階とを含む、ことを特徴とする再充電型電池またはバッテリの充電方法。２．開放電圧Ｖ₀および時間ｔについて収集された値を使用して、充電曲線Ｖ₀（ｔ）と第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔとを作成し、開放電圧Ｖ₀の値に対応するこれらの曲線上の点として前記特徴点を位置決めする、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。３．前記開放電圧Ｖ₀および時間ｔについて収集された値を使用して第２次導関数曲線ｄ²Ｖｏ／ｄｔ²を作成すること、を特徴とする請求項２に記載の方法。４．特徴点は、充電曲線Ｖ₀₍ｔ）上の下記の点から成るグループから選定されることを特徴とする請求項３に記載の方法：ａ）第１屈折点Ｉ（１）、ｂ）最大曲率点Ｋ、ｃ）第２屈折点Ｉ（２）、およびｄ）前記点のいずれか２つまたは３つ全部の関数。５．前記第１屈折点Ｉ（１）は前記第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極小値として位置決めされる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。６．前記最大曲率点Ｋは前記第２次導関数曲線ｄ²Ｖｏ／ｄｔ²上の極大値として位置決めされる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。７．前記第２屈折点Ｉ（２）は前記第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔ上の極大値として位置決めされる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。８．充電電流を受けて接続されたバッテリまたは電池に対してこの充電電流を伝達する手段と、充電電流を周期的に調整する手段と、充電電流を周期的に遮断して電流オフ間隔を生じる手段と、各電流オフ間隔中の定められた時間にバッテリまたは電池の前後の開放電圧Ｖ₀ を測定する手段と、充電開始以後に経過した時間ｔを測定する手段と、時間ｔにおいてサンプリングされた開放電圧Ｖ₀の値から成るデータを収集する手段と、前記データを分析して過充電の始まりを示す１つまたは複数の特徴点を位置決めする手段と、前記特徴点の関数として過充電基準電圧Ｖ_REFを算出する手段と、開放電圧Ｖ₀と基準電圧Ｖ_REFとを比較して比較値を生じる手段と、前記比較値に基づいた命令を組立てる段階と、前記命令を前記充電制御手段に通信する手段と、を含み、このようにして充電制御手段に通信された比較値に応答して充電電流が周期的に調整されて、顕著な過充電なしでバッテリまたは電池を充電する、ことを特徴とする再充電型バッテリまたは電池の充電回路。９．さらに、前記収集された開放電圧Ｖ₀と時間ｔの値を処理して充電曲線Ｖ₀（ｔ）と第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔとを作成する手段を含み、この際に開放電圧Ｖ₀に対応する前記曲線上の点として特徴点が位置決めされる、ことを特徴とする請求項８に記載の充電回路。１０．さらに、開放電圧Ｖ₀および時間ｔについて収集された値を処理して第２次導関数曲線ｄ²Ｖｏ／ｄｔ²を作成することを特徴とする請求項９に記載の回路。１１．ａ）第１屈折点Ｉ（１）、ｂ）最大曲率点Ｋ、ｃ）第２屈折点Ｉ（２）、およびｄ）前記点のいずれか２つまたは３つ全部の関数からなるグループから、充電曲線Ｖ₀（ｔ）上の特徴点を位置決めする手段を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の回路。１２．さらに、前記第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔの極小値として前記第１屈折点Ｉ（１）を位置決めする、ことを特徴とする請求項１１に記載の回路。１３．さらに、前記最大曲率点Ｋを前記第２次導関数曲線ｄ²Ｖｏ／ｄｔ²上の極大値として位置決めする、ことを特徴とする請求項１１に記載の回路。１４．さらに、前記第２屈折点Ｉ（２）を前記第１次導関数曲線ｄＶ₀／ｄｔ上の極大値として位置決めする、ことを特徴とする請求項１１に記載の回路。１５．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項８に記載の回路。１６．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の回路。１７．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の回路。１８．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の回路。１９．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項１２に記載の回路。２０．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項１３に記載の回路。２１．さらに、前記手段の１つまたは複数の操作を実行するマイクロプロセッサを含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の回路。