JPH11509078A

JPH11509078A - バッテリ充電処理の制御および終了

Info

Publication number: JPH11509078A
Application number: JP9505949A
Authority: JP
Inventors: エム．ポドラツハンスキー、ユーリー; ツェンター，ボリス
Original assignee: アドヴァンストチャージャーテクノロジーインコーポレイテッド
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1999-08-03
Also published as: AU6459796A; CN1078397C; NO980111D0; BR9609599A; NO980111L; MX9800293A; KR19990028876A; EA000240B1; AU710799B2; IL122821A0; WO1997003489A1; NZ312602A; CA2226411A1; CN1190499A; EA199800053A1; EP0846361A1; EP0846361A4

Abstract

(57)【要約】バッテリ充電処理を調整し、できるだけ速くバッテリを充電しながら、バッテリの過熱または損傷を避ける方法および装置。本方法は、平均充電電流を供給する充電パルス（Ｃ１）を印加し、第１の減極パルス（Ｄ１）を印加し、第１の停止周期（ＤＷ１）の間待機し、電圧（Ｖ１）を第１の停止周期内の所定の点で測定し、第２の減極パルス（Ｄ２）を印加し、第２の停止周期（ＤＷ２）の間待機し、電圧（Ｖ２）を第２の停止周期内の所定の点で測定し、電圧（Ｖ１）と電圧（Ｖ２）の差を判定し、その差が所定量を越える場合は平均充電電流を小さくする。また、本発明は、バッテリの水が不足しているかどうかを判定する。

Description

【発明の詳細な説明】バッテリ充電処理の制御および終了技術分野本発明はバッテリ充電器に関し、特に、バッテリ充電処理の制御および充電処理の終了の方法および装置に関する。発明の背景バッテリ充電方法およびバッテリ充電処理の終了時間決定方法はいくつかある。これらの方法はすべて同じ問題を抱える。すなわち、これらはバッテリを過充電してしまう。バッテリが過充電された場合、酸素が陽極に発生する。次に、この酸素は陰極で消費され、バッテリが加熱する。過充電によってバッテリ損傷が起こるおそれは多くの充電技術の通常の手順である。バッテリ製造者は、このことをある程度考慮して、余分な陰極材料を備えるバッテリを設計する。しかしながら、過充電は陰極を不可逆的に消費し、いったん余分な材料が消費されると、それ以後の過充電は電荷蓄積に用いられる陰極量を減らすので、バッテリ容量は減少する。特に直流充電を用いる過充電の公知の影響は、バッテリ電圧が低下することである。多くの場合、このバッテリ電圧の低下を−ΔＶまたは負ΔＶと言う。充電状態の判定方法の１つとして、−ΔＶの発生を検出し、−ΔＶの発生時に充電処理を終了させる方法がある。しかしながら、この方法では、過剰な酸素が陽極で発生して陰極で消費されるときに−ΔＶが発生するので、バッテリ寿命が短くなる。その結果、この方法によって、バッテリ温度が上昇するとともに、バッテリ内部の圧力が高くなる。充電処理終了時を決定する別の方法は、電流パルスをバッテリに流し各充電パルスの後に放電パルスを加えてバッテリを充電する場合に用いられてきた。この方法では、放電パルス時の平均放電電流に応じて、または、前の充電パルス時にバッテリに供給されたエネルギと比較した放電パルスによって除去されたエネルギ比に応じて、充電処理を終了する。しかしながら、放電電圧値とバッテリ充電状態との間に強い関係はない。充電処理を終了させる別の方法は、充電開始後の所定の時間に充電パルス間のバッテリ端子電圧を抽出する。別の方法は、充電電流が加えられているときバッテリ電圧を測定し、放電電流が加えられているときバッテリ電圧を測定する。２つの電圧測定値を比較し、これらの電圧に所定の差がある場合に充電処理を終了させる。しかしながら、充電されるバッテリの種類および充電されるバッテリの容量にしたがって所定の差を選択しなければならない。さらに、この方法は、バッテリの充電状態を正確に判定しないので、過充電と同時に発生する酸素を防がない。その理由は、バッテリを高速の充電速度で充電し、長い放電パルスがある場合、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）またはニッケル−金属水素（ＮｉＭＨ）バッテリが加熱し、充電電圧の振幅がバッテリ温度の変化によって変化するからである。このため、バッテリ状態の判定をわずかに誤ってもバッテリの損傷を引き起こし得るので、この方法は大型バッテリを高速で充電する場合は正確ではない。問題をさらに複雑にすることに、バッテリ特性は充電サイクル時に変化し、バッテリ毎に異なる。充電サイクルを制御する別の方法は「無抵抗電圧」の読み取りを用いる。バッテリの無負荷（「無抵抗」）端子電圧を充電パルス終了後に測定する。この電圧を基準電圧と比較し、充電電流を決定する。基準電圧は、例えば、周囲温度、内部温度、内圧、充電電流、または充電電流値の変化に左右される。しかしながら、無抵抗電圧の測定は、バッテリのすべてのセルが平衡モードのときに行わなければならない。平衡状態でない場合、開路電圧の電圧測定は前の充電パルス終了から経過した時間によって異なる可能性がある。平衡時間は充電電流およびバッテリの質量移動能に左右される。また、無抵抗電圧測定の精度はバッテリの電解質濃度およびバッテリの経時にも左右される。電解質濃度はプレート表面の多孔構造によって変化するので、充電パルス終了後に行われるｍｓｅｃ単位の開路電圧測定は正確な測定結果を出さない。このため、バッテリの過熱または破壊が起こりうる。さらに、バッテリ同士の差、バッテリの種類の差および１つのバッテリにおいて充電サイクル時に生じる差がある。このため、適正な基準電圧の選択は困難であり、または非常に時間がかかる。バッテリ充電を高速で行ういずれの方法も、絶えず変化するバッテリのパラメータ、例えば、内部抵抗、分極抵抗、質量移動状態および温度を考慮しなければならない。通常、高速充電システムはテーパ電流を用い、過充電状態を回避するとともにガスの発生を回避する。米国特許５，３０７，０００号は、各充電パルス間に多数の放電パルスを用いることを開示し、セル毎に周辺電圧を発生させることおよび発熱させることなく、長時間にわたって高圧の充電パルス電流を用いてバッテリを高速で充電する。複数の減極パルスを用いない場合、バッテリの電圧は、特に充電パルス終了時に電極周辺の電解質濃度が急激に高くなるので、急速に上昇する。高速充電処理は、信頼性が高くかつ正確な充電制御および充電終了方法に基づかなければならない。従来の充電方法の中には、温度遮断によるもの、または、全種のバッテリに対して適切および／または均一でない他の方法によるもの、および、同種のバッテリ（鉛蓄電池、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ）の充電に用いる場合でもバッテリ容量の選択を必要とする方法によるものがある。他の従来の充電方法は電圧遮断によるものである。しかしながら、固定電圧閾値は、適正な電圧閾値がバッテリの状態、温度およびバッテリの以前の使用／充電歴によって変化するので、信頼性がない。従来技術において公知のように、バッテリの高速充電の好適な技術は、好ましくは充電／減極パルスをバッテリに連続的に加えることによって高圧の充電電流をバッテリに流す。充電処理が高速になるとともに瞬時充電電流が大きくなるにつれて、バッテリが完全に充電されたときおよび充電処理の終了または修正を行うのに最適なときを判定することが非常に困難になる。バッテリが完全に充電されたときを正確に把握しない場合、バッテリの過充電によって充電時間およびエネルギをともに浪費してしまう。しかしながら、上記のとおり、過充電によって、ガス発生、発熱およびバッテリ内圧の上昇を引き起こし、それによって、バッテリを損傷させたり、または、バッテリが突発的熱暴走状態になる可能性がある。充電電流が安定したとき、または、充電電流が定電圧充電モード時に徐々に低下した後上昇し始めたとき、バッテリを充電することは知られている。しかしながら、この方法では、バッテリが熱暴走状態に近づいたときに発生するバッテリの端子特性の変化に依存する。このため、バッテリが熱暴走状態に近づかずに、バッテリが充電されているかどうかを決定することが望ましい。充電電流を低下させ、充電時間を延長し、または、いくつかの選択基準、例えば、充電処理を行った時間量、バッテリに流した充電のアンペア時、またはバッテリの温度に基づいて初期の時点で高速充電処理を終了させることによって、ガス発生、発熱、熱暴走およびその他のバッテリ損傷の問題を避けることができる。しかしながら、これらの方法は充電処理を早期に終了させるので、バッテリが十分に充電されていない状態のままであったり、バッテリを完全に充電するために行うトリクル充電のような後続の方法に必要な時間が実質的に長くなる。また、充電時間または充電アンペア時を判定基準として用いると、高速充電処理をバッテリに適用する場合、完全に充電されたバッテリまたはほぼ完全に充電されたバッテリは、高圧の充電パルス電流を受容できないので、壊損が生じる。この場合、バッテリのガス発生および過熱はほとんど直ちに発生し始める。したがって、特に、高速充電処理時にバッテリの充電状態を正確に判定し、高速充電処理をできるだけ長く用いることによって、バッテリを完全充電状態またはほぼ完全充電状態にする一方で、バッテリに損傷が生じる前に高速充電処理を終了させる方法が必要とされる。さらに、高速充電処理時に、バッテリがほぼ充電状態になるような時点で、バッテリは全電流を充電パルスから受け入れることができない。このため、充電パルス時に送られた充電電流によってガス発生および発熱が生じる。しかしながら、バッテリは完全に充電されておらず、高速充電処理をより低い充電電流では行える余地があるので、この時点で高速充電処理を終了させるのは早すぎる。したがって、バッテリが充電されるにつれて高速充電処理を修正し、バッテリの高速充電を効率的に継続する方法が必要とされる。したがって、バッテリが充電されるにつれて高速充電処理を修正し、バッテリの高速充電を効率的に継続する方法が必要とされる。発明の概要本発明は、いつバッテリが充電されたかを正確に判定することに向けられている。これによって、高速充電処理をできるだけ長く用い、バッテリを十分に充電する一方、バッテリの過充電を回避する時点で高速充電処理を終了させ、充電時間およびエネルギの浪費およびバッテリ損傷を避けることができる。本発明において、バッテリの充電時間を判定するため、充電パルスをバッテリに加えた後、少なくとも２つの放電（減極）パルスをバッテリに加える。バッテリ電圧は、第１の減極パルス後の停止（待機）時間の所定の点および第２の減極パルス後の停止時間の同様に対応する点で測定される。減極パルスは、バッテリの端子全体に負荷をかけることによって発生し、減極パルスの持続時間は、通常、充電パルスよりかなり短い。充電パルスを鉛蓄電池に印加すると、バッテリ溶液中の硫酸鉛は鉛、酸化鉛および電解イオンになる。鉛および酸化鉛はそれぞれの電極に堆積される。電解イオンは電極で形成され、電極を包囲する。これらの電解イオンは、電極の周囲のイオン濃度および溶液中のイオン濃度が異なるため、輸送現象によって分散される。バッテリがほとんど充電されていない場合、電解質濃度は低い。このため、電極の周囲に形成された電解イオンは溶液中に急速に分散される。しかしながら、バッテリがほぼ充電状態になった場合、濃度差が小さいため、イオンはゆっくり分散する。イオンが分散するまで、硫酸鉛は電極の近傍に移動することはできない。このため、イオンは電極の周囲に隔壁を形成し、電極が別の充電パルスを効率的に受容することを妨げる。さらに、充電処理によって転換できる溶液が少ない。いったんこれが生じると、バッテリに同量の充電電流を受容させるため、充電電圧を大きくしなければならない。しかしながら、充電電圧を大きくすると、バッテリ中の水が水素ガスおよび酸素ガスに解離してしまう。酸素ガスは溶液中に急速に再吸収される。しかしながら、水素ガスは非常にゆっくり吸収されるので、バッテリの内圧が上昇する。ガス抜けが起こると、水素ガスが減少するので、バッテリは水を失う。これが何度も起こると、バッテリが故障する。さらに、バッテリの充電に必要な高圧によって、バッテリの望ましくない加熱が生じ、過熱によってバッテリが故障してしまうかもしれない。本発明は、放電パルス後の停止周期時にバッテリの開路電圧を測定することによってバッテリの充電状態、すなわち、溶液中の電解質濃度を判定できることを開示する。ある停止周期と後続の停止周期の開路電圧がほぼ同じ場合、バッテリは過充電状態ではないので、充電電流を変更する必要はない。開路電圧がある停止周期から後続の停止周期に移行したとき減少した場合、バッテリは過充電状態またはバッテリが受容できる度合いより高い度合いで充電されているので、充電電流を小さくするか、または、充電処理を終了させなければならない。このため、バッテリが充電状態になると、充電電流をバッテリが効率的に受容するレベルに減らさなければならない。本発明では、第２の電圧測定値が第１の電圧測定値とほぼ同じである限り、バッテリが効率的に充電を受けていると判定し、充電電流を変更する必要はない。また、本発明では、第２の電圧測定値が第１の電圧測定値より所定の電圧差（ ΔＶ）だけ小さい場合、バッテリがほぼ充電状態であると判定し、充電電流を減少させなければならない。このように、本発明は高速充電処理においてバッテリの充電状態を正確に判定し、充電処理を制御または終了し、バッテリ損傷を防ぐ。したがって、本発明の目的は、異なる停止周期間のバッテリ電圧を比較して、バッテリの充電状態をより正確に判定する方法を提供することである。本発明はバッテリの充電方法を提供する。本方法は、平均充電電流を供給する充電パルスを印加するステップと、第１の減極パルスを印加するステップと、第１の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の所定の点で測定するステップと、第２の減極パルスを印加するステップと、第２の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の前記所定の点で測定するステップと、前記第１の停止周期内の前記所定の点の前記電圧と前記第２の停止周期内の前記所定の点の前記電圧との差を判定するステップと、この差の量および極性にしたがって前記平均充電電流を変更するステップとからなる。本発明の一側面において、前記差が特定の範囲内の場合、前記充電パルスを印加するステップと、前記第１および第２の減極パルスを印加するステップと、前記第１および第２の停止周期の間待機するステップと、前記第１および第２の停止周期内の前記電圧を測定するステップとを繰り返す。本発明の別の側面において、前記充電パルスは充電パルス持続時間を有し、前記平均充電電流を変更する前記ステップは前記充電パルス持続時間を変更する。本発明の別の側面において、前記充電パルスは充電パルス電流振幅を有し、前記平均充電電流を変更する前記ステップは前記充電パルス電流振幅を変更する。本発明の別の側面において、前記充電パルスは充電パルス繰り返し率を有し、前記平均充電電流を変更する前記ステップは前記充電パルス繰り返し率を変更する。本発明の別の側面において、減極パルスは、それぞれ、減極パルス電流振幅を有し、前記方法は、さらに、前記平均充電電流が変更された場合、前記減極パルス電流振幅を変更する。本発明の別の側面において、減極パルスは、それぞれ、減極パルス持続時間を有し、前記方法は、さらに、前記平均充電電流が変更された場合、前記減極パルス持続時間を変更する。本発明の別の側面において、いくつかの前記減極パルスが各前記充電パルスに続き、前記方法は、さらに、前記平均充電電流が変更された場合、前記減極パルスの数を変更する。また、本発明はパルス充電処理によるバッテリ充電方法を提供する。本方法は、充電パルスを印加し、第１の減極パルスを印加し、第１の停止周期の間待機し、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の所定の点で測定し、第２の減極パルスを印加し、第２の停止周期の間待機し、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の前記所定の点で測定し、前記第１の停止周期内の前記所定の点の前記電圧と前記第２の停止周期内の前記所定の点の前記電圧との差を判定し、前記差が所定の閾値を越える場合に前記パルス充電処理を終了させる。また、本発明はバッテリ状態判定方法を提供する。本方法は、充電パルスを前記バッテリに印加し、第１の減極パルスを前記バッテリに印加し、第１の停止周期の間待機し、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第１の所定の点で測定し、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第２の所定の点で測定し、第２の減極パルスを前記バッテリに印加し、第２の停止周期の間待機し、前記第１の所定の点の前記電圧と前記第２の所定の点の前記電圧との差を判定し、前記差が所定の閾値を超える場合、水を前記バッテリに追加するように指示する。また、本発明はバッテリ充電処理の終了方法を提供する。本方法は、充電パルスを前記バッテリに印加し、第１の減極パルスを前記バッテリに印加し、第１の停止周期の間待機し、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第１の所定の点で測定し、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第２の所定の点で測定し、第２の減極パルスを前記バッテリに印加し、第２の停止周期の間待機し、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の第１の所定の点で測定し、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の第２の所定の点で測定し、前記第１の停止周期内の前記第１の所定の点の前記電圧と前記第１の停止周期内の前記第２の所定の点の前記電圧との第１の差を判定し、前記第２の停止周期内の前記第１の所定の点の前記電圧と前記第２の停止周期内の前記第２の所定の点の前記電圧との第２の差を判定し、前記第１の差が所定の閾値を超えるとともに前記第２の差が前記所定の閾値を超える場合、前記充電処理を終了させる。本発明の他の目的、特徴および利点は、図面および請求の範囲とともに以下の好適な実施の形態の説明を読むことで明らかになるであろう。図面の簡単な説明図１は、本発明で用いられるバッテリ充電回路のブロック図である。図２Ａ〜図２Ｂは、バッテリ充電処理を示す波形および異なる停止周期で取った電圧測定値の比較によるバッテリの充電状態判定方法を示す。図３は、バッテリの充電状態を判定する処理を示すフローチャートである。図４は、バッテリ充電処理を示す波形およびバッテリ状態の判定方法を示す。図５は、バッテリの状態を判定する処理を示す図３のフローチャートの変形例を示す。実施の形態図面に戻ると、図１は、本発明で用いられるバッテリ充電回路のブロック図である。バッテリ充電／放電回路１０は、キーパッド１２、コントローラ１３、ディスプレイ１４、充電回路１５、放電（減極）回路１６および電流監視回路２０を備える。キーパッド１２がコントローラ１３の「Ｋ」入力に接続されることによって、ユーザはバッテリの種類（鉛蓄電池、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ等）のような特定のパラメータおよび公称バッテリ電圧または直列セル数のような他の関連情報を入力することができる。キーパッド１２はキーボード、ダイヤルパッド、スイッチ列または他の情報入力装置でもよい。ユーザの操作を簡単にするため、複数のバッテリの種類に対するパラメータをコントローラ１３に予めプログラムしてもよい。この場合、ユーザはモデル番号のようなバッテリの種類を簡単に入力し、コントローラ１３はそのバッテリの種類に適したパラメータを自動的に用いる。ディスプレイ１４はコントローラ１３の「Ｓ」出力に接続され、操作者に対して情報、選択、パラメータ等を表示し、操作者に対して可聴／可視警報または警告を発する。コントローラ１３の「Ｃ」出力は充電回路１５に接続されている。充電回路１５は充電電流をバッテリ１１に供給する。用途にしたがって、充電回路１５はコントローラ１３によって構成され、定電圧源または定電流源として作動する。コントローラ１３の「Ｄ」出力は放電（減極）回路１６に接続され、コントローラ１３によって構成され、定減極電流をバッテリ１１に供給し、選択負荷をバッテリ１１にかけ、または低圧または逆電圧をバッテリ１１に印加する。回路１５および１６が供給するパルスのパルス幅はコントローラ１３によって制御される。充電回路１５および放電回路１６の出力は導線２１を介してバッテリ１１の正端子に接続されている。バッテリ１１の負端子は電流監視抵抗器２０を介して回路接地に接続されている。したがって、バッテリ１１に流入する電流またはバッテリ１１から流出する電流は、導線２２の電流監視抵抗器２０全体の電圧を測定することによって判定される。したがって、電流監視抵抗器２０は電流モニタおよび電流リミッタとして機能する。当然、他の装置を用いてバッテリ電流を判定してもよい。バッテリ電圧は、導線２１と回路接地との間の電圧を測定することによって監視される。電流監視抵抗器の影響は、導線２１と２２との間の電圧を測定するか、または、導線２２の電圧を導線２１の電圧から減じることによって除去される。導線２１および２２は、それぞれ、コントローラ１３の「Ｖ」および「Ｉ」入力に接続されている。充電回路１５を作動させ電流監視抵抗器２０の出力を監視することによって充電電流が流れているかどうかを判定し、放電回路１６を作動させ電流監視抵抗器２０の出力を監視することによって充電電流が流れているかどうかを判定し、回路１５および１６をともに作動させずに電圧を監視することによってバッテリがあるかどうかを判定する等によって、バッテリの有無を判定する。温度センサ２３はバッテリ１１の温度を監視し、コントローラ１３が充電パルスおよび減極パルスの振幅、数および持続時間および停止周期の持続時間を調整し、所望のバッテリ温度を維持できるようにする。温度センサ２３は、１つしか図示されていないが、各バッテリセルの電解質溶液に浸漬させ、バッテリの内部温度を正確に報知するのが好ましい。温度センサ２３はサーモスタット、サーミスタ、熱電対等でもよく、コントローラ１３の「Ｔ」入力に接続されている。コントローラ１３は、マイクロプロセッサと、少なくとも一部はコントローラ１３に対する作動指示を含むメモリと、タイマと、ＡＤ変換器とからなる。マイクロプロセッサに基づくコントローラを用いると、マイクロプロセッサは非常に高速に判定を行い、電圧および電流測定データを記憶し、平均化、比較およびピークの検出のようなデータ計算を行うことができるので有利である。タイマは分離しているかまたはマイクロプロセッサによって実行でき、このタイマを用い、充電パルス、減極パルスまたは停止周期の持続時間を制御するとともに、連続する減極パルス間または停止周期間の時間基準を与える。ＡＤ変換器は分離しているかまたはマイクロプロセッサによって実行でき、このＡＤ変換器を用い、電圧信号または電流信号をディジタルマイクロプロセッサが用いることができる形式に変換する。ディジタルコントローラは好適な実施の形態なのでこれを説明するが、アナログコントローラを用いて本発明を実施してもよい。図２Ａ〜図２Ｂは、バッテリ充電処理を示す波形およびバッテリの充電状態の判定方法を示す。充電状態は、異なる停止周期で取った電圧測定値を比較することによって判定される。電圧および電流の波形は充電処理を概略的に示し、この充電処理は１つ以上の充電パルスＣ１を印加し、次に停止周期ＣＷ１が続くのが好ましく、さらに、複数の減極パルスＤ１〜Ｄ３を印加し、減極パルスＤ１〜Ｄ３の後に、それぞれ、停止周期ＤＷ１〜ＤＷ３が続くのが好ましい。図の便宜を図るため、充電パルスおよび減極パルスを矩形として図示しているが、実際にはこのような場合は稀であることは明らかなので、本発明は矩形波形を含むが矩形波形に限定される訳ではないことを理解しなければならない。また、限定するのではなく、単に便宜上、充電パルスＣ１、Ｃ１’は同じパルス幅および同じ充電電流振幅ＩＡを有するように図示され、減極パルスＤ１〜Ｄ３は同じパルス幅および同じ放電電流振幅ＩＢを有するように図示されている。さらに、図示した減極パルスの数は単に便宜上のものであり、限定しているのではない。停止周期ＣＷ１およびＤＷ１〜ＤＷ３は、限定するのではなく、単に便宜上、同じ持続時間を有するように図示されている。コントローラ１３は、監視されたバッテリの充電状態の変化に基づいてこのような停止周期の持続時間を変更する。まず、異なる停止周期に取った電圧測定値の比較に関して、特定の電圧測定値Ｖ１およびＶ２は、図２Ａ〜図２Ｂにおいて電圧波形上に示されている。Ｖ１およびＶ２は、それぞれ、バッテリが停止周期ＤＷ１およびＤＷ２のときに開路構成である場合に取ったバッテリの出力電圧測定値である。第１の出力電圧測定値Ｖ１は、次の出力電圧測定値Ｖ２を次の停止周期ＤＷ２の同様に対応する点で取る限り、停止周期ＤＷ１の始め、中間、または終わりで測定できることが分かる。停止周期ＤＷ１〜ＤＷ３時の電圧レベルは、本発明によって測定されるとともに評価される。図２Ａにおいて、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２とほぼ同じであることが分かる。このように電圧がほぼ等しいことは、このバッテリが過充電されていないことを示す。したがって、充電電流ＩＡを調整する必要はない。図２Ｂにおいて、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも大きいことが分かる。図２ＢのＶ１とＶ２の差がセル当たり１０ｍＶ未満である場合は、充電電流ＩＡを調整する必要はない。しかしながら、図２ＢのＶ１とＶ２の差がセル当たり１０ｍＶを越える場合は、このようなＶ１からＶ２の電圧の減少はこのバッテリが過充電されていることを示す。これは、完全充電状態に達したバッテリに起因するか、または、バッテリが何らかの理由でＣ１の持続時間中に充電電流ＩＡを完全に受容できないことに起因する。したがって、差がセル当たり１０ｍＶ未満になるまで、充電電流ＩＡを低下させる必要がある。図３は、１つ以上の停止周期時に取った電圧測定値を比較することによってバッテリを充電するかどうかを決定するためのフローチャートである。ステップ３０１において、ユーザは、初期充電パラメータ、例えば、バッテリ電圧、またはバッテリのセルの数およびバッテリに対する放電定格（Ｃ）を設定する。次に、コントローラ１３はバッテリに対する充電電流ＩＡおよび減極電流ＩＢを判定する。これは、好ましいように、ルックアップ表または等式に基づく。ステップ３０３において、コントローラ１３は電流振幅ＩＡの充電パルスＣ１をバッテリに印加し、次に停止周期ＣＷ１が続くのが好ましいが必ずしもそうとは限らず、次に、電流振幅ＩＢのバッテリに対する減極パルスＤ１をバッテリに印加する。コントローラ１３は所定の時間周期ＤＷ１の間待機し、バッテリの出力電圧Ｖ１を停止周期ＤＷ１の所定の点で測定する。次に、コントローラ１３は電流振幅ＩＢの別の減極パルスＤ２をバッテリに印加する。コントローラは再び所定の時間周期ＤＷ２の間待機し、バッテリの別の出力電圧Ｖ２を停止周期ＤＷ２の対応する所定の点で測定する。第１の出力電圧測定値Ｖ１は、次の出力電圧測定値Ｖ２を次の停止周期ＤＷ２において停止周期の始まりに対して同様に対応する点で取る限り、第１の停止周期ＤＷ１の始め、中間、または終わりで測定できることが分かる。判定３０９は、差（Ｖ１−Ｖ２）が最大差圧（ＶＤＭＡＸ）を越えるかどうかを試験する。そうでない場合、バッテリはまだ充電されていない状態であり、平均充電電流を調整する必要はない。この場合、コントローラ１３はステップ３１３に進む。ＶＤ＞ＶＤＭＡＸの場合は、バッテリは過充電されているか、または、バッテリが適宜受容できる度合いよりも高い度合いで充電されている。したがって、ステップ３１１では、コントローラ１３は平均充電電流を小さくする。次に、コントローラ１３はステップ３１３に進む。ステップ３１３では、コントローラ１３はパルス充電処理を終了させるかどうかを判定する。パルス充電サイクルはいくつかの異なる理由のいずれかによって終了される。例えば、ユーザが設定した充電時間が満了した場合、または、バッテリ温度が許容範囲外である場合、または、充電電流ＩＡの振幅がＣ／１０以下に減少した場合である。パルス充電処理を終了させる理由が生じた場合は、ステップ３１５において、コントローラ１３はパルス充電処理を終了させ、別の充電処理、例えば、充電電流がＣ／１０なので終了する場合は、トリクル充電に切り替える。または、例えば、時間満了または温度を許容できないので終了する場合は、コントローラ１３は充電処理を完全に中止する。また、充電処理の終了を操作者に可視的または可聴的に示す。ステップ３１３で、コントローラ１３がパルス充電処理を終了させる必要がないと判定した場合、コントローラ１３はステップ３０３に戻る。図４は、バッテリ充電処理を示す波形およびバッテリ状態の判定方法を示す。この手順においては、開路バッテリ電圧を停止周期の初めおよび終わりで測定する。限定するのではなく図の便宜を図るため、電圧は停止周期時にほぼ一定であるように図示されている。しかしながら、実際には、電圧は停止周期時に変動し、これは、特に鉛蓄電池およびＮｉＣｄバッテリの場合、バッテリの状態に関する情報を提供する。電圧が停止周期時に所定量を越える量だけ低下した場合（ＶＤ１＝Ｖ５−Ｖ６およびＶＤ１＞ＶＤ１ＭＡＸ）、電解質濃度は通常値を上回り、水をバッテリに追加しなければならない。可聴および可視警報を用いて操作者にこの状態を警告し、充電処理を自動的に終了させる。第１の停止周期ＤＷ１時にこの測定を行うのが好ましい。また、ある停止周期の始めおよび終わりの電圧測定値（それぞれ、Ｖ５およびＶ６）が所定量を越える量だけ異なり（ＶＤ１＝Ｖ５−Ｖ６およびＶＤ１＞ＶＤ２ＭＡＸ）、さらに、次の停止周期の始めおよび終わりの電圧測定値（それぞれ、Ｖ７およびＶ８またはＶ９およびＶ１０）が所定量を越える量だけ異なる（ＶＤ２＝Ｖ７−Ｖ８およびＶＤ２＞ＶＤ２ＭＡＸ）場合、これは、バッテリが充電を適切に受けていないことを示すので、充電処理を終了させなければならない。図５は、バッテリの状態を判定する処理の変形例を示すフローチャートである。図５の処理はステップ３０３の代わりにステップ５０３を行うこと以外は図３の処理と同じであり、判定５１３は判定３１３の終了ステップのいくつかを説明する。ステップ５１３においては、追加電圧測定値Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７およびＶ８を取り、電圧差ＶＤ１およびＶＤ２を判定する。判定５１３Ａにおいて、コントローラ１３は、電圧差ＶＤ１が所定の最大差ＶＤ１ＭＡＸを越えるかどうかを判定する。そうならば、ステップ５１３Ｂにおいて、コントローラ１３は警報を発し、水をバッテリに追加するように操作者に信号を送り、次に、充電処理を終了させるのが好ましい。そうでない場合、判定５１３Ｃにおいて、コントローラは、ＶＤ１が所定の最大値ＶＤ２ＭＡＸを越えるかどうか、そしてＶＤ２もまたＶＤ２ＭＡＸを越えるかどうかを判定する。両方の条件を満たす場合、コントローラ１３は充電処理を終了させる。また、コントローラ１３は操作者に終了を知らせる信号を送る。条件を満たさない場合、コントローラ１３はステップ５０３に戻る。本発明において、上記のように、ＩＡを調整するか、充電パルスの持続時間を調整するか、充電パルスの繰り返し率を調整するか、減極パルスの数または持続時間を調整するか、または、停止周期ＣＷ１、ＤＷ１、ＤＷ２等のうち１つ以上の持続時間を訓整することによって、充電電流を訓整する。充電電流を調整する場合、ＩＢを調整するか、減極パルスの持続時間を調整するか、または、各充電パルス間の減極パルス数を調整することによって、減極電流を同様に調整するのが好ましい。上記処理の一例として、０．６２アンペア時（Ｃ＝０．６２）定格の密封鉛蓄電池の場合、ＩＡは２．４Ａで１５０ｍｓｅｃ、ＩＢは５Ａで２ｍｓｅｃ、ＤＷ１およびＤＷ２は１２ｍｓｅｃ、充電パルスの繰り返し率（およそ２充電パルス／秒）は平均充電電流が０．７５Ａ（約１．２Ｃ）になる程度である。ＣＷ１は用いられているか、または、存在しない。この例では、平均充電電流が０．０６２３Ａ（０．１Ｃ）に低下したとき、パルス充電処理を終了する。別の例としては、５２アンペア時（Ｃ＝５２）定格の密封鉛蓄電池の場合、ＩＡは１００Ａ、ＩＢは２５０Ａ、充電パルスの持続時間は平均充電電流が６０Ａ（約１．２Ｃ）になる程度であり、平均充電電流が５．２Ａ（０．１Ｃ）に低下したとき、パルス充電処理を終了する。減極パルスの後の連続する停止周期に測定されたバッテリ出力電圧の比較は、従来技術より良好に充電状態を示す。その結果、この方法は、（１）バッテリを可能な限り高速で充電することができ、（２）連続充電または過充電に伴って生じるバッテリの加熱および損傷を避け、（３）バッテリを過充電することなく、充電処理を早期に終了または修正できる。ＤＷ１およびＤＷ２時に測定されたバッテリ電圧を用いることが好ましいが、本発明はこのことに限定されていない。バッテリ電圧は、充電パルスによって分離されていない２つの連続するまたは連続しない放電停止周期に測定してもよい。例えば、ＤＷ２およびＤＷ３を用いても、ＤＷ１およびＤＷ３を用いてもよい。さらに、減極パルスは同じ振幅を有しても、異なる振幅を有してもよい。同様に、減極パルスの持続時間は同じでも異なっていてもよい。さらに、停止周期の持続時間も同じでも異なっていてもよい。本発明について、特に、密封鉛蓄電池に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、他の種類のバッテリ、例えば、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ、ニッケル−鉄、ニッケル−亜鉛、銀−亜鉛、リチウム−金属酸化物、リチウムイオン−金属酸化物、非密封鉛蓄電池等に用いることができる。上記から、本発明がバッテリの過熱を引き起こさない様にバッテリを高速で充電する方法および装置を提供することが明らかである。また、上記から、本発明が、バッテリが損傷することなく許容可能な速度でバッテリを充電する方法および装置を提供することが明らかである。また、本発明は、水をバッテリに追加すべきかどうかを判定することを含む、バッテリの状態を判定する方法および装置を提供する。本発明の好適な実施の形態の上記説明を読めば、当業者は本発明に修正および変更を行うことができる。したがって、本発明の範囲は以下の請求の範囲によってのみ限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，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)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ツェンター，ボリスアメリカ合衆国 30092 ジョージア州ノークロスチェルシーパークレイン 6632スィー

Claims

【特許請求の範囲】１．バッテリ充電方法において、平均充電電流を供給する充電パルスを印加するステップと、第１の減極パルスを印加するステップと、第１の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の所定の点で測定するステップと、第２の減極パルスを印加するステップと、第２の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の前記所定の点で測定するステップと、前記第１の停止周期内の前記所定の点の前記電圧と前記第２の停止周期内の前記所定の点の前記電圧との差を判定するステップと、前記差が所定の閾値を越える場合、前記平均充電電流を小さくするステップとからなることを特徴とするバッテリ充電方法。２．前記充電パルスを印加するステップと、前記第１および第２の減極パルスを印加するステップと、前記第１および第２の停止周期の間待機するステップと、前記第１および第２の停止周期内の前記電圧を測定するステップとを繰り返すステップをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のバッテリ充電方法。３．バッテリ充電方法において、平均充電電流を供給する充電パルスを印加するステップと、第１の減極パルスを印加するステップと、第１の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の所定の点で測定するステップと、第２の減極パルスを印加するステップと、第２の停止周期の間待機するステップと、次の減極パルスを印加するステップと、次の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記次の停止周期内の前記所定の点で測定するステップと、前記第１の停止周期内の前記所定の点の前記電圧と前記次の停止周期内の前記所定の点の前記電圧との差を判定するステップと、前記差が所定の閾値を越える場合、前記平均充電電流を小さくするステップとからなることを特徴とするバッテリ充電方法。４．前記充電パルスは充電パルス持続時間を有し、前記平均充電電流を小さくする前記ステップは前記充電パルス持続時間を短くすることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。５．前記充電パルスは充電パルス電流振幅を有し、前記平均充電電流を小さくする前記ステップは前記充電パルス電流振幅を小さくすることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。６．前記充電パルスは充電パルス繰り返し率を有し、前記平均充電電流を小さくする前記ステップは前記充電パルス繰り返し率を小さくすることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。７．前記減極パルスは、それぞれ、減極パルス電流振幅を有し、前記方法は、さらに、前記平均充電電流が小さくなった場合、前記減極パルス電流振幅を小さくするステップからなることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。８．前記減極パルスは、それぞれ、減極パルス持続時間を有し、前記方法は、さらに、前記平均充電電流が小さくなった場合、前記減極パルス持続時間を短くするステップからなることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。９．いくつかの前記減極パルスが各前記充電パルスに続き、前記方法は、さらに、前記平均充電電流が小さくなった場合、前記多数の減極パルスの数を減少させるステップからなることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。１０．前記減極パルスは、それぞれ、減極パルス持続時間を有し、前記平均充電電流を小さくする前記ステップは前記減極パルス持続時間を長くすることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。１１．前記停止周期は、それぞれ、停止周期持続時間を有し、前記平均充電電流を小さくする前記ステップは前記停止周期持続時間を長くすることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。１２．前記充電パルスの各々の後にいくつかの減極パルスが続き、前記平均充電電流を小さくする前記ステップは前記減極パルスの数を増加させることを特徴とする請求項１または３記載のバッテリ充電方法。１３．パルス充電処理によるバッテリ充電方法において、充電パルスを印加するステップと、第１の減極パルスを印加するステップと、第１の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の所定の点で測定するステップと、第２の減極パルスを印加するステップと、第２の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の前記所定の点で測定するステップと、前記第１の停止周期内の前記所定の点の前記電圧と前記第２の停止周期内の前記所定の点の前記電圧との差を判定するステップと、前記差が所定の閾値を越える場合、前記パルス充電処理を終了させるステップとからなることを特徴とするバッテリ充電方法。１４．バッテリ状態判定方法において、充電パルスを前記バッテリに印加するステップと、第１の減極パルスを前記バッテリに印加するステップと、第１の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第１の所定の点で測定するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第２の所定の点で測定するステップと、第２の減極パルスを前記バッテリに印加するステップと、第２の停止周期の間待機するステップと、前記第１の所定の点の前記電圧と前記第２の所定の点の前記電圧との差を判定するステップと、前記差が所定の閾値を超える場合、水を前記バッテリに追加するように指示するステップとからなることを特徴とするバッテリ状態判定方法。１５．バッテリ充電処理の終了方法において、充電パルスを前記バッテリに印加するステップと、第１の減極パルスを前記バッテリに印加するステップと、第１の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第１の所定の点で測定するステップと、前記バッテリの電圧を前記第１の停止周期内の第２の所定の点で測定するステップと、第２の減極パルスを前記バッテリに印加するステップと、第２の停止周期の間待機するステップと、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の第１の所定の点で測定するステップと、前記バッテリの電圧を前記第２の停止周期内の第２の所定の点で測定するステップと、前記第１の停止周期内の前記第１の所定の点の前記電圧と前記第１の停止周期内の前記第２の所定の点の前記電圧との第１の差を判定するステップと、前記第２の停止周期内の前記第１の所定の点の前記電圧と前記第２の停止周期内の前記第２の所定の点の前記電圧との第２の差を判定するステップと、前記第１の差が所定の閾値を超えるとともに前記第２の差が前記所定の閾値を超える場合、前記充電処理を終了させるステップとからなることを特徴とするバッテリ充電処理終了方法。