JPH10510416A

JPH10510416A - 蓄電池または電池の急速充電を行う方法およびその装置

Info

Publication number: JPH10510416A
Application number: JP8517506A
Authority: JP
Inventors: サーケス，マチール; ヤンゼン，ロベルト
Original assignee: ネーデルランドセ・オルガニザテイエ・フール・テゲパスト−ナトウールベテンシヤツペリーク・オンデルツエク・テイエヌオー
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1998-10-06
Also published as: AU3995895A; WO1996018231A1; EP0796518A1; NL1000568C2; NL1000568A1

Abstract

(57)【要約】比較的強い充電電流を蓄電池に供給し、充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧を測定して充電中の充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧の変化を追跡し、蓄電池が完全にまたは実質的に完全に充電された時点を決定し、この時点において充電を停止するかまたは少なくとも充電電流を著しく減少させ、この目的に対し、急速充電を停止する時点を決定するために充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧を種々の時点において逐次的に測定し、種々の時間に亙って得られた少なくとも３個の最後のＮ個の測定データを用い、充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧の上昇または低下Ｒをを使用して時間に亙って計算する蓄電池または電池の充電を行う方法。

Description

【発明の詳細な説明】蓄電池または電池の急速充電を行う方法およびその装置本発明は蓄電池または電池の急速充電法並びにその装置に関する。特に本発明は電池または蓄電池を強い充電電流で充電を行うことに関し何ら特定の構造を必要としないで、出来るだけ強い充電電流を使用して電池または蓄電池を充電する方法に関する。さらに詳細には、本発明は強い充電電流を用いて充電を行う際、蓄電池または電池の充電の程度を決定し、この決定に基づいて例えばいわゆる細流充電を行うために急速充電を停止させるようにする方法に関する。本明細書において蓄電池または電池という言葉は、電気化学的方法により電荷を貯蔵し得る任意の型の要素、例えばＮｉＣｄまたはＮｉＭＨ電池であると定義されるが、通常送電に用いられるような電力輸送用の大型蓄電池をも包含するものとする。以下の説明において、蓄電池という言葉が使用されるが、これは電池の意味でも使用されることは明らかであろう。蓄電池を再充電する場合、例えば蓄電池の内部における熱の発生または圧力の増加のために損傷する危険がある。このような危険は充電電流が大きくなると増大する。或る期間内で完全にまたは実質的に完全に充電された蓄電池に対し、強電流を用いて充電を続けるのは特に有害である。他方、強電流を用いた過充電に対し総称をあまり受けない特殊な蓄電池を用いこの問題を解決しようとすることも試みられて来たが、このような方法には非常にコストがかかる。また一方では、通常の廉価な蓄電池に対しては弱い許容充電電流が規定されているが、その結果として充電時間を例えば１時間以内に制限することは出来なくなる。他方、充電電流を出来るだけ大きくした場合、即ち充電時間を出来るだけ短縮した場合に起きる蓄電池の損傷の危険を出来るだけ抑制するための種々の充電方法が開発されて来た。１９８９年１２月７日のＥＤＮ、１８０〜１８６頁に記載された論文、「急速充電電池、携帯用の装置に役立てるための調節回路をもった装置系」にはこの点に関する総説が述べられている。実際には主としていわゆるΔＵ法が使用されている。この目的に対しては、充電中において蓄電池の電圧を監視する。蓄電池が完全に充電された最高の値に達するためには徐々に電圧は増加するが、その後充電を継続すると電圧は低下する。ドイツ特許Ａ−３３３４８５１号においては、時系列における種々の時点において充電電流を短時間遮断することにより、強電流を用いる急速充電を終わらせる時点を決定する方法および装置が記載されている。この方法はパルス充電法として知られており、該時系列における或る時点において蓄電池の電圧を測定し、しかる後二つの測定値の比較し、後で測定した蓄電池の電圧が最初に測定した値より低くなるか、または蓄電池の電圧の二つの測定値の差が予め決定された電圧差の閾値よりも低く成った場合、出来るだけ速やかに強電流の切り換えを行う方法である。ヨーロッパ特許明細書０５２２６９１号にも、ΔＵ法に基づいた方法が記載されており、その前書きにおいて（特に１〜４欄において）電気化学的な蓄電池を充電する際考慮しなければならない問題のさらに詳細な説明がなされている。従って、可能な最短の時間で蓄電池を完全に充電し、他方過充電による蓄電池の損傷の危険を起こさせずに使用寿命を出来るだけ長くする、即ち実際上蓄電池を再充電し得る回数を多くする信頼すべき方法が既に長い間に亙って望まれて来た。しかし現在までこれらの方法は上記の願望を適切に充たすものではないことが判っている。本発明においては、従来法に比べ、任意の型の蓄電池、特に通常の使用寿命に関し標準型の蓄電池を、出来るだけ短時間で、即ち出来るだけ強い充電電流を用い、且つ損傷の危険を伴わないで充電しようとする要望を出来るだけ充たし得る方法および装置が提供される。添付特許請求の範囲の請求項１に従えば、本発明においてはこの目的のために、いわゆる移動分割点法（ｓｈｉｆｔｉｎｇｓｅｇｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ）を使用し、充電電流、またはその電圧表現、或いは蓄電池の電圧の変化に基づき、蓄電池が完全にまたは実質的に完全に充電された時点を決定し、その時点においてかけられた比較的強い一定のまたはパルス化された電流を流すのを止め、例えば細流充電に切り換えるか、または比較的低い充電電流で充電を続けるようにする方法が提案される。この点に関し充電電流の「電圧表現」という言葉は、例えば充電電流の大きさが蓄電池と直列に配置された短絡抵抗の両端における電圧を測定することにより決定されることを示している。しかしこの方法が充電電流を決定し得る唯一の方法ではない。例えばいわゆるホール効果に基づいた非接触型の電流測定法も可能である。本発明においては驚くべきことに、蓄電池が完全に充電された時点を特に正確に且つ高信頼性をもって決定することができることが見出された。特にこの場合本発明方法の信頼性は重要である。何故なら蓄電池は平均して数十回ないし数百回、或いは数千回以上も再充電され、従ってどの蓄電池に対しても正しい時点において直ちに比較的強い電流を除去しなければならないからである。正確さおよび信頼性のために、本発明においては比較的強い一定のまたはパルス化された電流を出来るだけ長く保つことができ、従って最高の程度の充電を得るためその後低充電電流を用いて行う充電が不必要になるか、または極めて短時間しか必要とせず、その結果充電工程の期間をさらに短縮することができる。本発明に従えば、少なくとも３Ｃの一定のまたはパルス化された充電電流を用いる。このことはいわゆるペン・ライト型の蓄電池を約１０〜２０分以内で充電できることを意味する。この充電電流はまた、かなり弱い充電電流に対してだけしか製造業者による保証がなく、その結果充電時間が少なくとも２〜３時間、通常は約１４時間であるいわゆるアルカリ型の蓄電池、例えばＮｉＣｄ電池にも使用できる。本発明方法はパルス化されたまたは一定の充電電流を用いて充電する両方の場合に適している。パルス化された電流を用いて充電する方法自身は公知である。この点に関して蓄電池の電圧は充電電流のパルスが存在しない時点で測定される。パルス化された充電電流を用いる適切な充電法を選ぶことにより蓄電池の使用寿命を最適化しようとする試みに関しては種々の試行が行われて来た。この点に関しては、ＩＴＥ／ＪＥＣＰｒｅｓｓＩｎｃ．およびＩＢＡＩｎｃ．発行、ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＢａｔｔｅｒｉｅｓ＆ＢａｔｔｅｒｙＭａｔｅｒｉａｌｓ誌第１２巻（１９９３年）８８〜９３頁記載のＨ．Ｍｉｎ、Ｓ．Ｂａｎｇ、Ｙ．ＫｉｍおよびＨ．Ｋａｎｇの論文「再生の際の急速充電Ｎｉ／Ｃｄ電池におけるニッケル電極の老化」を参照されたい。しかし本発明においては驚くべきことに、実質的に一定の充電電流を用いて充電を行うと、充電にパルス化された充電電流を使用した場合に比べ、蓄電池の使用寿命回数、即ち合理的に蓄電池を充電できる回数が（著しく）増加することが見出された。これは本発明方法による移動分割点法により蓄電池が完全に充填された時点を決定する特殊な方法と一定充電電流を用いる方法が組み合わされた結果であると推定される。ヨーロッパ特許明細書０５２２６９１号には、一定充電電流を用いるが特に強い電流は用いない充電法が示唆されているが、この提案された方法を用いた場合、充電時間が著しく短縮される程度、並びに使用寿命回数の維持または改善の程度については記載されていない。さらに本発明に従えば、好適具体化例においては、蓄電池の充電電流または充電電圧の変化と共に蓄電池の温度の変化を監視し、例えば充電電流または充電電圧によって追跡できない環境による蓄電池の損傷を防ぐことができる。充電電流の切り換えを行う基準として充電電圧の変化と蓄電池の温度とを組み合わせて使用すること自身は公知であり、例えばＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＷＯＲＬＤ＋ＷＩＲＥＬＥＳＳＷＯＲＬＤ誌、１９９０年６月号５３２〜５３４頁記載の論文「超急速ＮｉＣｄ充電器」を参照されたい。さらに、蓄電池が予め定められた許容残留電荷量よりも高い残留電荷量ををもっている場合、本発明による充電を行う前に、通常の方法で蓄電池を放電させることができる。この方法でいわゆる記憶効果の発生を防ぐことができる。唯一の添付図面はＮ個の電池を同時に充電するための超急速充電器の模式図である。各蓄電池５に対し充電および放電回路２、３、Ｎが示されている。該回路２、３、Ｎはコントロール装置４の種々の入力および出力端に連結されている。ダイオード６、抵抗７、温度センサー８、Ａ／Ｄ変換器９、コントロール装置４を始動させるスイッチ１０、および一定充電電流を与える電源１１が各回路に備えられている。スイッチ１０の所で連続線は放電中のスイッチ１０の位置を示し、破線は充電中のスイッチ１０の位置を示す。電池５はそれ自身は公知の容易に取り外し得る方法で回路２、３、Ｎの中に挿入されている。時系列の各時点においてＡ／Ｄ変換器９により蓄電池５の電池の電圧を測定し、下記の式に基づいて強充電電流を切り換える時点を決定し得るようにコントロール装置４をどのようにプログラムしたら良いかは当業界の専門家にとっては明らかである。ここでＶ_mはＮ個の分割時点（ポイント・セグメント：ｐｏｉｎｔｓｅｇｍｅｎｔ）に対する測定された電池の電圧であり、予め定められた閾値よりもＲが低下したら直ぐに切り換えが行われる。個の配置を用いると、強充電電流が遮断された後電源１１によってかなり弱い電流、例えば０．１Ｃの電流が流し続けられるか、またはいわゆる細流充電へと切り換えを行うことができる。さらに超急速充電器１を一定の電圧を用いる充電に適応させる方法は当業界の専門家には明らかであろう。一定電圧を用いる充電（いわゆるＣＶ充電）によれば、或る与えられた充電電圧における充電電流は蓄電池によって決定される。従って充電電流は過充電を起こすこのない許容される最大充電電流に等しい。一定電圧を用いて蓄電池の充電を行う際、充電電流に対しては下降する曲線が測定される。しかし蓄電池が完全に充電されると直ぐに、充電電流の低下は上昇へと変化する。本発明に従えば、一定電圧を用いて充電を行う際の充電電流に対する下降部分と上昇部分との間の移り変わりは移動分割点法によって決定され、従って急速充電を止めるべき時点が決定される。一定電圧を用いて充電を行う場合、充電電流を可能な最大値に制限するように随時選択を行うことができる。この方法によれば、特に高い（高すぎる）初期充電電流が防止され、一方充電電流を最大値に制限しても時間の関数としての通常の充電電流の下降曲線には何の影響もなく、最終的には充電電流は上昇曲線へと転移する。下記６個の実施例により本発明をさらに詳細に例示する。実施例１容量が６００ｍＡ時で通常の急速充電時間が４時間以上のＡＡサイズのニッケル−カドミウム蓄電池を、充電電流３．０Ａに対応する一定充電電流５Ｃを用いて充電した。充電時間は１２分であった。充電容量は６００ｍＡ時であり、１．２Ａに対応する２Ｃで放電を行って際の測定した放電容量は５３０ｍＡ時であった。従って充電効率、即ち放電容量対充電容量の比は８８％である。充電中ニッケル−カドミウム蓄電池の外壁で測定した最高温度は３１℃に達した。従って４０℃に設定されていた温度に対する安全遮断装置は始動しなかった。実施例２容量が６００ｍＡ時で通常の急速充電時間が４時間以上のＡＡサイズのニッケル−カドミウム蓄電池に対し使用寿命回数試験を行った。この試験では、１回毎に一定充電電流２．４Ａに対応する４Ｃで充電を行い、放電電流１．２Ａに対応する２Ｃで放電を行った。この試験によれば、４６６回後、放電容量は６０２．３ｍＡ時から５９４．７ｍＡ時に低下した。これは１．３％の容量低下に相当する。従って放電容量がもとの容量の８０％になる回数として定義される使用寿命回数は、Ｃ／１０またはそれ以下の低いパルス電流を用いて通常の充電法を行った場合よりも大きかった。実施例３容量が６００ｍＡ時で通常の急速充電時間が４時間以上のＡＡサイズのニッケル−カドミウム蓄電池に対し使用寿命回数試験を行った。この試験では、１回毎に一定充電電流３．０Ａに対応する５Ｃで充電を行い、放電電流１．２Ａに対応する２Ｃで放電を行った（放電電圧が０．５Ｖになるまで（１００％の放電が行われるまで））。充電中蓄電池の外壁で測定した最高温度は温度に対する安全遮断装置の設定温度４０℃を越えることはなかった。この試験によれば、１０３７回後、放電容量は５４０ｍＡ時から４３２ｍＡ時に低下した。従って使用寿命回数はＣ／１０以下で充電を行った場合と同等である。実施例４容量が６００ｍＡ時で通常の急速充電時間が４時間以上のＡＡサイズのニッケル−カドミウム蓄電池に対し使用寿命回数試験を行った。この試験では、１回毎にパルス充電電流２．４Ａに対応する４Ｃで充電を行い（充電パルス持続時間１．４秒の後で充電電流が存在しない時間０．０８８秒が続く繰り返し）、放電電流１．２Ａに対応する２Ｃで放電を行った。この試験によれば、３９９回後に放電容量は５９０ｍＡ時から５４６ｍＡ時に低下することが示された。従って１回当たりの低下率（平均）は０．０２％であり、これは実施例２の場合の放電容量の低下率０．００３％よりかなり大きい。実施例５通常の容量が６００ｍＡ時で通常の充電時間が１６時間のＡＡサイズの充電可能なＮｉＣｄ電池を、製造業者の指示に従って最初充電し、通常の方法で３回１６時間放電した後、一定電圧１．８５Ｖで充電（ＣＶ充電）する。初期値約９．５Ａ（これは１６Ｃで充電することに相当）で開始された充電電流は低下し、６分後に最低値に達した後上昇した。充電時間５分間に亙って充電電流を積分し、充電容量として６３０ｍＡ時を得た。放電容量は５６０ｍＡ時であり、従って放電効率（放電容量対充電容量の比）は８８．９％であった。実施例６通常の容量が６００ｍＡ時で通常の充電時間が１６時間のＡＡサイズの充電可能なＮｉＣｄ電池を、製造業者の指示に従って最初充電し、通常の方法で３回１６時間放電した後、一定電圧１．７０Ｖで充電（ＣＶ充電）する。初期値約７Ａ（これは１２Ｃで充電することに相当）で開始された充電電流は低下し、６分後に最低値に達した後上昇した。充電時間５分間に亙って充電電流を積分し、充電容量として６００ｍＡ時を得た。放電容量は５６０ｍＡ時であり、従って放電効率は９６．７％であった。実施例５および６の方法で充電を行った使用寿命回数の実験によれば、１４〜１６時間に亙り通常の方法で充電を行った場合に比べ、使用寿命回数の低下は認められなかった。従って実施例５および６によれば、本発明によるＣＶ充電の場合、急速充電を適応できない蓄電池に対しても５〜６分の非常に短い充電時間が得られ、しかも蓄電池の使用寿命に悪影響を及ぼすことはない。本発明方法によれば電池は僅かしか加熱されない。従って温度は熱的安全遮断装置の設定温度（４５℃）よりも十分に低い値に留まっている。高い充電効率と、極めて短い充電時間および低い発熱量とが組み合わされ、本発明のＣＶ充電法を驚異的なものにしている。実施例１〜４において、電圧の上昇Ｒは常に等しい時間間隔で逐次的に測定された７個の蓄電池の電圧から計算された。移動分割点法を使用すれば、電圧の上昇は次式で計算することができる。Ｒ＝−３Ｖ₁−２Ｖ₂−Ｖ₃＋Ｖ₅＋２Ｖ₆＋３Ｖ₇ 実施例５および６に対しては、それぞれの場合電流の低下Ｒは等しい時間間隔で逐次的に測定された７つの逐次的な充電電流から計算される。移動分割点法を使用すれば、電圧の上昇は次式で計算することができる。Ｒ＝−３Ｖ₁−２Ｖ₂−Ｖ₃＋Ｖ₅＋２Ｖ₆＋３Ｖ₇ 実施例１〜６のすべてに対し下記の条件が適用される。Ｒが０以下の値に達したら、急速充電を直ちに止め、充電時間および充電効率を決定した。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９６年１０月１８日【補正内容】８．− 連結端子を有し、蓄電池または電池に連結し得る充電装置（１１）、 − 該充電装置（１１）の第１の出力部と連結されたコントロール装置（４）、 − 該連結端子と充電装置との間にある測定点に入力部が連結され、蓄電池の電圧、充電電流または該充電電流の電圧表現を測定し、且つ該コントロール装置（４）の第２の出力部に連結されたコントロール入力部を含んでいる測定装置（９）、 − 入力部が該測定装置の出力部に連結された記憶装置、および − 該記憶装置に連結された演算装置から成り、蓄電池の充電の際、逐次的な測定が行われるように該コントロール装置が該測定装置を作動させ、該測定値は記憶装置に格納され、少なくとも３個の最後のＮ個の測定値から演算装置がＲの計算を行い、コントロール装置がＲを予め決められた閾値と比較して充電装置を制御しＲの値が該閾値より低下した場合充電電流を減少させるか停止させることを特徴とする請求項１〜７記載の方法により蓄電池または電池を充電する装置。

───────────────────────────────────────────────────── 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)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．比較的強い充電電流を蓄電池に供給し、充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧を測定して充電中の充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧の変化を追跡し、蓄電池が完全にまたは本質的に完全に充電された時点を決定し、この時点において充電を停止するかまたは少なくとも充電電流を著しく減少させ、この目的に対し、急速充電を停止する時点を決定するために充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧を種々の時点において逐次的に測定し、種々の時間に亙って得られた少なくとも３個の最後のＮ個の測定データを用い、充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧Ｒの上昇または低下Ｒを、式を使用して時間に亙って計算し、但し式中Ｖ_mはＮ個の分割時点における充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧の測定値であり、上記時点を決定する予め決められた閾値よりもＲが低下するまでこの操作を行い、充電電流、またはその電圧表現、または蓄電池の電圧は、充電電流が実質的に一定の場合か、または充電電流が短時間遮断されている場合のいずれかにおいて測定されることを特徴とする蓄電池または電池の充電を行う方法。２．Ｒに対する該予め決められた閾値は約０または負の値、好ましくは０．０５Ｖ、特に０．０１Ｖより小さい値であることを特徴とする請求項１記載の方法。３．Ｎは少なくとも５、好ましくは少なくとも７であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。４．蓄電池または電池の外壁の温度を測定し、該温度が約３５℃以上、好ましくは約４０℃以上になったら急速充電を中止することを特徴とする請求項１、２または３記載の方法。５．種々の蓄電池を同時に充電することを特徴とする請求項１〜４記載の方法。６．急速充電を行う前に、好ましくは一定放電電流を用い、特定の最低放電電圧に低下するまで少なくとも一つまたはすべての蓄電池の放電を行うことを特徴とする請求項１〜５記載の方法。７．少なくとも３Ｃ、好ましくは４Ｃ〜６Ｃの急速充電電流を使用することを特徴とする請求項１〜６記載の方法。８．時間決定機素、蓄電池の電圧を測定する機素、間隔をおいて充電電流または蓄電池の電圧の測定機素を逐次始動するスイッチ装置、時間をおいて測定された最後の少なくともＮ個の蓄電池の電圧の測定値を記録する記憶装置、該記憶装置に連結され少なくとも３の最後のＮ個の充電電流または蓄電池の電圧の測定値からＲの値を計算する計算装置、および該計算装置に連結されたＲの関数として急速充電回路を作動させるスイッチ機素が備えられていることを特徴とする請求項１〜７記載の方法を実施するための装置。