JPS6223529B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はニツケル−カドミウム電池やニツケル
−鉄電池等の蓄電池（二次電池）の充電方法に関
する。

（従来の技術） 従来の蓄電池の充電方法としては、例えば特開
昭49−15935号公報に開示のものがある。この充
電方法は充電中の電池の端子電圧をサンプリング
し、サンプリングされた端子電圧を順次比較し、
端子電圧の変化が急になる時、すなわち充電末期
を検出して充電電流の供給を停止するものであ
る。

また、別の従来例として、特開昭49−73634号
公報に開示のものがある。この充電方法は、時間
の関数としての充電電流の導関数が所定の正の値
をこえた時に、充電電流を制限するものである。

更に、別の従来例として、米国特許第3938021
号明細書に開示のものがある。この充電方法は、
電池の端子電圧が降下する時に充電電流の供給を
停止するものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記文献に開示の充電方法はい
ずれも、充電電流又は端子電圧の変化を監視して
充電末期を検出し、これが検出された時点で充電
電流を制限するものであつて、充電末期に至る過
程での充電電流又は端子電圧の変化に基づく充電
状態を把握するものではない。従つて、検出した
充電末期が本当に充電末期なのか、又は電池の種
類や異常等に起因して実際には電池が過充電又は
不足充電状態にあるにもかかわらず充電末期とし
て検出されたのかを判断することはできない。こ
のため、従来方法では、正確かつ安全にしかも高
速に充電を行うことは困難であつた。

従つて、本発明は上記従来の問題点を解決し、
電池が完全充電に達した時点を正確に識別し、か
つ、電池の不足充電又は過充電を生じさせずに安
全に充電を終了させる蓄電池の充電方法を提供す
ることを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は充電のための電気的エネルギーを蓄電
池へ供給しながら蓄電池の時間に対する電気的特
性の変化を監視し、電池の種類に固有の所定順序
で生ずる複数の変曲点が電気的特性上で存在する
かどうかを検出することにより蓄電池の充電状態
を解析し、解析した蓄電池の充電状態に応じて、
充電のための電気的エネルギーの供給を制御する
蓄電池の充電方法である。

（実施例） はじめに、本発明の原理を説明する。

本発明は、電池へ充電電流を印加し、充電中に
電池の電気化学的ポテンシヤルを示すパラメータ
を監視し、このパラメータの変化から電池の真の
充電状態を推定し、印加中の充電エネルギーを適
当に制御して電池を損うことなくできるだけ急速
に電池を完全充電状態に到達させる方法である。
本発明は電池の電気化学的ポテンシヤルが時間の
経過に伴ない、電池の種類に固有の非線形数値変
化を示し、しかもこの非線形数値変化には一定順
序で生ずる複数の変曲点が存在するという事実に
基づく。以下に詳述するように、放電済の通常の
ニツケル−カドミウム電池では、一般に定電流で
充電中の電池の電気化学的ポテンシヤル、すなわ
ちこの場合電池の端子電圧は２つの変曲点を示
し、その最初の変曲点ではdV／dtの傾斜の符号
（すなわち、d²V／dt²の符号）が負から正へ変化
し、次の変曲点では正から負へ変化する。従つ
て、充電中のニツケル−カドミウム電池の端子電
圧の変化を逐次監視し、上記２つの変曲点が上記
の順に現われたことが確認されると、充電は正常
に行われたとして、例えば２番目の変曲点を確認
した時点で充電電流の供給を停止又は低減する。
一方、例えば正から負へ変化する変曲点が最初に
現われたことが確認されたとき、又は負から正へ
変化する変曲点が所定時間内に確認できないとき
は、充電は異常であるとして、充電電流の供給を
中止する。

端子電圧−時間曲線 はじめに、ニツケル−カドミウム電池を例にと
り、上記端子電圧の変化を詳述する。

第１図は、ニツケル−カドミウム電池を定電流
で充電した場合の端子電圧を時間の関数としてプ
ロツトした典型的な曲線を示す図である。同図に
おいて、領域は、充電サイクル開始の初めに発
生する電圧変化の初期段階を示す。この領域で
は、電池の初期充電レベル、その充電又は放電履
歴等によつて電圧が相当に変動する。この領域の
形状には変化があり得るので、第１図では点線で
これを示す。

領域における情報は変化するから、通常は曲
線のこの部分を無視する。電池は一般に、充電の
最初の30秒ないし60秒の間に領域を完全に横切
り領域へ進入する。一般に、この領域での電圧
は充電当初の端子電圧から比較的急速に上昇す
る。尚、この領域で発生する短いピークは有害で
はない。

電池の充電が進むに従い、領域で示す曲線部
分へ進入する。領域は、電圧上昇が僅少又は無
上昇でかなりの時間継続する。この時間中に、充
電過程の内部化学変換の大部分を発生する。活性
物質の主要部分が変換を為し終えると、電池は完
全充電へ接近し始め、電圧は一層急速に上昇し始
める。電圧上昇率の減少から電圧上昇率の増大へ
の曲線上の変曲点Ａを、領域から領域への移
行を識別する点とする。

領域の特徴は比較的速い電圧上昇にあり、そ
れは活性材料がますます充電状態へ変換されるか
らである。電池が完全状態へさらに近づき、その
活性材料の90ないし95％程度が化学的に変換され
ると、酸素が発生し始める。これは内部圧力の増
大を生起させ、また素電池の温度上昇を起こす。
これらの現象のため、電池電圧の急速上昇は鈍化
し始め、曲線上に次の変曲点が発生する。この第
２変曲点は点Ｂであり、領域ととの間の移行
の識別点とされる。

領域においては、活性物質の最後の部分が完
全充電時の電池の化学組成に変換される。同時
に、既変換材料からの酸素発生のため、内圧の増
大と加熱とが電圧上昇率を鈍化させ、電圧は短時
間の間一定のピーク値で安定する。この点が領域
と領域との移行点とされる。

領域において充電が続行されると、電池の電
圧は加熱のため減少し始めるが、これは加えられ
たエネルギーが殆ど全て熱に変換され、電池電圧
の負温度係数が電圧を低下させるためである。こ
の領域で充電エネルギーの印加を継続すれば、い
ずれ電池損壊が生じる。

この曲線の相対的持続時間、各部の傾斜又は数
値は、電池の初期温度、電池の充電若しくは放電
履歴、特定の製造特性、及び素電池の個別特性な
どによつて変る。しかし、この曲線及びその各領
域の主要な特徴は、欠陥のない任意のニツケル−
カドミウム電池を相当に放電された状態から完全
に充電された状態へ一定の比較的大きな電流で充
電する場合においては、同一である。

変曲点解析 本発明による方法は、ニツケル−カドミウム電
池の場合においては、領域ととの間の変曲点
Ａの識別及びそれに続く領域ととの間の変曲
点Ｂの識別に基づき充電電流の供給を制御する。
本発明はこれら二つの変曲点を識別し、かつそれ
らの発生が正に上記順序であることを確認したと
きに、しかもそのときに於てのみ、電池充電電流
を打切るか又は必要に応じて微小電流を供給する
保全モードに移行する。この場合においてのみ、
電池はその温度、履歴若しくは個別素電池の特性
等に関係なく完全充電状態に到達したことが絶対
的に確認される。

ここで、変曲点の意味について説明する。ま
ず、第１図の領域は、完全に放電したニツケル
−カドミウム電池の場合、充電時間の大部分を占
めるとともに、電圧は領域の大部分の範囲にわ
たり比較的緩慢に上昇する。しかも、この場合、
電圧の上昇率（曲線の傾斜）は次第に低下して行
く。電池が完全充電に近づくと、電圧は再び若干
速い速度で上昇し始める。従つて、逐次減少を続
けてきた傾斜が再度増加し始める。これが変曲点
Ａであり、時間に関する電圧の二次微係数の符号
が負から正へ変化する点である。従つて、この符
号の最初の変化により、電池が完全充電状態へ近
づいていることを識別する。

領域においては、電圧が完全充電状態へ接近
するにともない、電圧−時間曲線の傾斜は逐次増
大を続ける。完全充電点又はその近傍において、
領域と領域との間の移行が発生し、その移行
点において電圧傾斜の増大が終わり、領域の進
行に伴いその傾斜は逐次減少を続ける。ここで
も、電圧−時間曲線の二次微係数の符合の変化
（この場合、正から負）が起こる。領域におけ
るこの傾斜減少は、素電池内の活性材料がほとん
どすべて充電状態に変換されたこと、及びその後
電池へ進入するエネルギーは熱に変換され始めて
いることを示す。従つて、電圧−時間曲線の領域
の初期又は中間時点で充電を終了させることが
望ましい。

以上、ニツケル−カドミウム電池の充電過程に
おいては、電圧−時間曲線の二次微係数の符号が
負から正へ変化する変曲点Ａと、正から負へ変化
する変曲点Ｂとがこの順序で発生することを示し
た。このような変曲点は他の蓄電池、例えばニツ
ケル−鉄蓄電池（第１０図）、鉛蓄電池（第１１
図）、リチウム蓄電池（第１２図）、鉄−カドミウ
ム電池（第１３図）等の電圧−時間曲線にも同様
に観測される。また、電圧−時間曲線の他に、電
流−時間曲線（定電圧充電中に、時間の経過に対
して電流をプロツトした場合）でも同様な変曲点
が観測される（第１４図）。

以上、本発明の原理を説明した。本発明は上記
充電方法に加え、補助的な他の制御手法を併用し
て実施できる。以下、併用可能な制御手法につい
て説明する。

絶対電圧変化解析 これらの併用可能な技術の最初のものは、負の
電圧変化発生後ただちに電池への充電電流の印加
を中断させる方法である。第１図の曲線の観察か
ら明らかなように、正常な充電サイクル中には負
の電圧変化が発生する点はない。したがつて、負
の電圧変化が発生したときは、電池に欠陥がある
こと又はすでに完全に充電されて曲線の領域に
進入していることが示される。よつて、負の電圧
変化の発生直後に急速充電を中断させる手段を講
ずることが望ましい。

操作者の誤りにより完全に充電された電池に対
し急速充電が試みられた場合に、その急速充電を
阻止するために、絶対電圧の変化解析を利用する
こともできる。すなわち、完全に充電された電池
に大電流が加えられると、その電池は、領域，
，のすべてではなくとも大部分の領域を極め
て速やかに通過する。多くの場合、このことは通
常の放電済電池が領域を通過するに要する時間
が終らないうちに発生する。本発明では領域を
無視するために、充電サイクルの最初の30ないし
60秒間における変曲点を検索しないようにしてい
る。従つて、完全に充電した電池では、重要な変
曲点Ａ及びＢの少なくとも一方、おそらくは両方
が上記時間内に通過する。

したがつて、完全に充電された電池の監視が始
まるときには、その電池は領域を通過して領域
へ進入する。完全に充電された電池に対する充
電開始後短時間（たとえば１ないし３分）内に、
その電池は領域へ進入しその電圧は減少し始め
る。負の電圧変化が十分大きく、時間に関する電
圧関数がもはや単調ではない旨が検出されると、
急速充電を停止する。好ましくは、このとき充電
モードを以下に説明する保全モードへ移行する。
急速充電は短時間しか保持されないので、このシ
ーケンスにより電池に損傷が加えられることはな
い。尚、負の電圧変化による急速充電の停止に続
く保全充電モードの継続は、欠陥電池に対しても
有害なものとはならない。

電圧傾斜解析 これは、特定の電圧傾斜の発生時に充電を中止
させるものである。例えば、完全に充電された電
池を充電した場合、前述したように極めて短時間
に領域を通過して領域に進入する。従つて、
領域に進入したことを電圧傾斜値に基づき検出
することにより、充電を中止する。

電圧レベル解析 乾燥その他により損傷したニツケル−カドミウ
ム素電池のあるものについては、充電電流の印加
が、使用可能な素電池の通常の電圧を大幅に上ま
わるレベルへの電圧上昇を生起させる。従つて、
一定の電圧レベルが生起したときに充電を終了さ
せる。

時間解析 他の欠陥のある電池においては、大きな充電電
流の印加は、エネルギーの熱、酸素発生等への変
換のため不当に長時間継続される結果になる。こ
れらの場合には、素電池の欠陥が変曲点の発生を
阻害するので、最大時間によるしや断を使う。

上記の各解析において、負の電圧変化量、電圧
傾斜の負の変化量、到達した電圧の絶対レベル、
又は到達した最大時間として選択される正確な数
値は、特定の充電装置の使用対象である電池の種
類に基づいてあらかじめ定められる。尚、その
他、温度による制御等も補助的制御として併用で
きる。

補充電モード ニツケル−カドミウム電池の場合では、第１変
曲点発生後に生じる第２変曲点が確認された後、
以下に述べる二つの充電法のいずれかを行うこと
が好ましい。第１の方法は、電池内の可能活性材
料をすべて充電状態へ変換するために、比較的抵
い充電率で電池の種類と大きさに応じて一定時間
充電するものである。これにより、破壊を避けた
低充電率における電池の付加的な充電により電池
を完全充電することができる。上記一定時間はま
た、電池に対して長時間の過充電を行わないこと
を意味し、セパレータ等の内部構造に対して本来
的に破壊的である長時間過充電に伴う電池の内圧
及び内部温度の上昇を避けることを意味する。

過充電期間の終りに、ニツケル−カドミウム電
池を含むすべての電気化学的電池の内部自己放電
特性に対する補償用の補充電をすることが望まし
い。ニツケル−カドミウム電池は、保存温度及び
電池の特定の特性に応じて１ケ月に10％ないし30
％も自己放電することがある。これを補償するた
めの第２の方法は、毎日１回以上微少ないし中程
度の充電電流を短時間印加する方法である。好ま
しくは、充電率「Ｃ」（電池のアンペア時定格容
量と同一の充電電流値を示す充電率）で６時間ご
とに15秒ないし30秒充電する。これにより、電池
内部に重大な温度上昇又は圧力上昇を生起させる
ことなく電池のアンベア時で表わした典型的損失
率（loss rate）のほぼ２倍のエネルギーが与え
られる。特定の充電率及び特定の休止時間対充電
時間は広範囲にわたつて変化し得る。この方法
は、電池の自己放電で失われるエネルギーの計算
値又は測定値を置換するに過ぎない。

充電装置 第２図は、上記本発明の充電方法を実施するた
めの電子回路の主な要素を示すブロツク図であ
る。本実施例は本発明による変曲点監視による充
電制御と、前述した補助的制御を実施するもので
ある。

第２図における述電電流の流れは、通常の線路
電流源に接続可能な交流入力プラグ８に始まり、
交流入力を直流電圧に変換する電源１０に達す
る。充電電流はついで、抵抗制御電流増幅器１２
及び充電／試験切換器１４を経て、充電すべき電
池が接続される出力端子１５へ達する。もちろん
電源は、大形電池又は直流電源から操作されるコ
ンバータ等の他の直流電源であつてもよい。増幅
器１２は好ましくは標準形の直列通電電流調整器
とするが、他の形式の制御可能な電流増幅器でも
よい。充電／試験切換器１４は、電流増幅器１２
を電池へ接続して充電電流の増幅をさせるのが常
時位置であるが、以下に説明する試験モードの際
に使う試験位置も有する。

始動スイツチ１６は、操作シーケンスを開始さ
せるための瞬時接触スイツチをもつて構成され
る。このスイツチ１６は、マイクロコンピユータ
１８の入力ポートの一つに接続される。本発明の
好ましい実施例においては、このマイクロコンピ
ユータはIntelタイプ8048である。これはプログ
ラム記憶装置、レジスタ記憶装置、及び諸命令の
実行を制御する中央処理ユニツトを含む。タイプ
8048マイクロコンピユータの詳細は、米国カリフ
オルニア州サンタクララ在のインテル・コーポレ
ーシヨン発行の「マイクロコンピユータ使用者用
マニユアル」No.98−270Aと題する刊行物に記載
されている。

出力端子への電池の接続により自動作動させる
ことができる始動スイツチ１６が作動されると、
マイクロコンピユータはまず、増幅器１２を介し
て全充電電流を通常30秒ないし60秒である一定時
間だけ電池へ印加することを指示し、これにより
電池をして第１図の領域を通過させる。サブＣ
サイズ（sub−Ｃ size）のニツケル−カドミウ
ム電池に対する好ましい時間は40秒である。この
電力印加は全定格電流でなされるが、それは、こ
のような短時間だけこの程度の電力を印加しても
欠陥電池若しくは完全に充電された電池さえも重
大な損傷を受けることがないからである。電力の
印加は、コンピユータが適正な電流制御抵抗器２
０を選択することによつて制御され、その抵抗器
を介して入力信号が電流増幅器１２へ加えられ
る。上記一定時間が経過した後、マイクロコンピ
ユータ１８はアナログ−デイジタル変換器２２を
使つて電池の電圧を確認する。好ましくは、変換
器２２は逐次近似形であり、マイクロコンピユー
タ１８が発生する逐次近似電池電圧デイジタル数
値を現実の電池電圧と比較することにより、接近
した近似値を得る形式のものが望ましい。次い
で、この情報をマイクロコンピユータ１８にフイ
ードバツクする。その時、マイクロコンピユータ
１８はそのプログラムを遂行して上記方法に従つ
た電池の充電を行なう。

電池種類選択回路２は、各種の大きさと種類の
電池を処理するために、計算機に記憶された複数
個のプログラムから与えられた種類の電池に対す
る特定プログラムを選択する。この選択は操作者
が行なうか、又は、電池自体に設けた特定形式の
端子などのある種の識別手段により自動的に行な
われる。

充電装置は好ましくは、温度しや断回路２６を
も有する。この回路の目的は、周囲温度が異常に
高いか又は異常に低く電池又は充電回路自体に損
傷が起こり得る場合に充電を阻止するにある。

リセツト回路２８は、電力が充電装置に加えら
れたとき又は電力がしや断されたときに、マイク
ロコンピユータの全プログラムを遅滞なく時刻零
にリセツトする。このリセツトは、コンピユータ
がそのプログラムの誤つた点から開始された場合
に起こり得る予測不能な充電効果を防止するもの
である。

最後に、操作者表示回路３０は、操作者にとつ
て適切な情報の通信をする。消費者が使う簡単な
充電装置の場合には、この表示回路は充電が進行
中であることを表示する光のみでもよい。訓練さ
れた技術者が使う複雑な充電装置の場合には、そ
の技術者にとつて電池の状態を評価するのに有用
な各種情報をこの表示回路３０が表示する。

第３図及び第４図は、第２図のブロツク図の具
体的回路図を示す。第２図に示した各ブロツク要
素を、第３及び４図では対応符号を付した点線枠
で示す。

両図に示した具体例において、符号８は電源接
続用の従来構造の経路プラグである。電源１０
は、変圧器T₁及びダイオードD₁−D₄からなる全
波ブリツジを有する。このブリツジの出力は直流
約20ボルトであり、増幅器１２及び切換器１４を
介して電池へ加えられる。このブリツジの出力の
一部は、R₁，D₅及びC₁からなるフイルタ及び電
圧調整器IC₁へ加えられる。回路の他の部分で使
われる25ボルト及び５ボルトの被調整電圧が、表
示のある出力端子から取出される。

抵抗制御電流増幅器１２は、第４図に示す電流
制御抵抗器２０を介してマイクロコンピユータ１
８からの出力に従つて動作する。その内部プログ
ラムによれば、抵抗器R₂₉，R₃₀，R₃₁のうちの１
抵抗器を介して回路を閉じることにより計算機が
電流レベルを選択する。これは、演算増幅器IC_2b
の入力を制御し、その入力は、R₁₈及びR₁₇の並列
抵抗と選ばれた電流制御抵抗器とからなる分圧器
の中間点から取出される。増幅器IC_2bの出力は、
分流抵抗器R₅の両端間に発生する電圧と比較さ
れる。その差による誤差信号は、演算増幅器IC_2a
によつて増幅されたのちドライバトランジスタ
Q₃に印加される。Q₃の出力は電流制御トランジ
スタQ₁及びQ₂に加えられ、スイツチＳ_1cを介し
て電池に加えられるべき極めて安定な定電流を発
生する。

たとえば電池が接続されていないなどの理由に
より電池へ向う出力電流が選択した電流レベルに
達し得ない場合には、トランジスタQ₃が完全に
オンとなり、このトランジスタが比較増幅器IC_3a
を介して計算機へ信号を送り、それが充電装置を
しや断する。

始動スイツチ１６は瞬時の押しボタンスイツチ
からなり、このスイツチは操作者制御形か又は、
電池ソケツト埋込み形とし、電池へ信号を送り充
電サイクルが開始されるべきことを表示する。こ
のことはまた、電池電圧の存在又は電流の流れに
対する監視によつても達成される。

電池種類選択回路２４は、複数個の選択スイツ
チS₃，S₄からなり、操作者は特定電池に適する特
定の計算機プログラムをこれらのスイツチにより
選択する。ダイオードD₇ないしD₁₀は、計算機保
護のために設けられる。この選択は、図示回路の
替りに、異なる種類の電池を接続すべき異なる個
別端子の組を使用することにより自動化すること
も可能である。さらに、充電装置を単一種類の電
池に対してのみ使用する場合には、選択回路２４
を完全に省略してもよい。

温度しや断回路２６は、一定の許容範囲外の温
度における操作を防止するための安全回路であ
る。図示実施例においては、抵抗器R₃₆とサーミ
スタTH₁とからなる分圧器の中間点における電圧
が比較増幅器IC_3bの両側に対する入力を制御す
る。高温（たとえば125〓、すなわち51.7℃）の
場合には、サーミスタTH₁の抵抗値が低くそれが
増幅器IC_3bの正側に対する電圧入力を低減し、低
温（たとえば25〓、すなわち−3.9℃）の場合に
は、サーミスタTH₁の抵抗値が高くそれが増幅器
IC_3bの負側における電圧を増大させる。両極端の
場合に増幅器IC_3bの出力信号が低下し、それによ
りコンピユータは充電を中断するように指示され
る。

変換器回路２２において、電池は分圧器R₄／
R₆₇の両端へ入力信号を与え、それが演算増幅器
IC_2dにより増幅される。抵抗器R₆₄，R₆₅及びR₆₆
ならびにコンデンサC₉及びC₁₀は、演算増幅器
IC_2dの出力に接続されたフイルタを構成し、その
信号は比較増幅器IC_3cの１入力として使われる。

同時に、比較増幅器IC_3cの他方の入力信号が、
並列抵抗R₅₂及びR₅₃とコンピユータによつて選択
される抵抗梯子R₄₃−R₅₀の２進化組合わせ
（binary coded combination）とで構成される分
圧器から演算増幅器IC_2cを介して与えられる。抵
抗梯子R₄₄−R₅₀の各抵抗器は列の中の先行抵抗器
の抵抗値の２倍の抵抗値をもつ。コンピユータ
は、以下に説明するプログラムの命令のもとにあ
つて、たとえば抵抗器R₄₃のみをターンオン
（turn on）することにより初期最小値を選択す
る。これにより演算増幅器IC_2cの入出力端子間に
電圧が発生し、その電圧が比較増幅器IC_3cにおい
て電池からの信号と比較される。計算機から供給
されるこの最小電圧が電池電圧と同一又は電池電
圧より大でない場合には、コンピユータによつて
逐次増大した値が試みられ、整合が得られる迄続
けられる。この情報が増幅器IC_3cからコンピユー
タへ送り還され、コンピユータは比較回路へ最後
に送つた入力を電池電圧とする。

符号２８はリセツト回路を示す。この回路にお
いて、比較増幅器IC_3dが25ボルト電源からの信号
を増幅し、かつそれを５ボルトの基準と比較す
る。停電又は操作者による充電装置のプラグ引外
し等による充電装置の電源喪失時に発生するよう
に、25ボルト信号がほぼ10ボルト以下に低下した
場合には、比較増幅器の出力信号の指示によりコ
ンピユータはそのプログラム関数のすべてを初期
状態へ復帰させる。即ち、新しい充電サイクルの
開始時に使われるべき状態に復帰させる。この事
態は、停電により電力が正常入力から零へ低下し
た場合又は充電装置を電源へ最初に接続したとき
に電力が零からその正常レベルへ立上がる場合に
発生する。いずれの場合にも、コンピユータがそ
のサイクルの不確定なある中間点からその記憶装
置内に不適当な情報を貯えたまま操作サイクルを
開始するのを確実に防止する意味においてこの回
路は有用である。

表示回路３０は、コンピユータが適正情報を操
作者へ通報するための表示装置を有する。図示の
ように好ましくは、表示装置に７セグメント表示
素子を２個設け、トランジスタQ₄及びQ₅により
従来技術のストロービング（strobeing）制御を
構成して８出力線を可能化することにより両表示
素子を制御する。または、表示装置を単一の表示
灯のみで構成してもよい。

最後に、符号１４は充電／試験切換器を示す。
正常時には、充電位置Ｓ_1b及びＳ_1cが電流制御増
幅器及び抵抗器網（第２図の１２及び２０）を接
続し、電源１０からの電流が位置Ｓ_1b、トランジ
スタQ₁及びQ₂、位置Ｓ_1cを介して電池へ供給さ
れ、抵抗器R₅を介して帰路が形成される。試験
位置においては、電池が、Ｓ_1bを介してトランジ
スタQ₁及びQ₂に、スイツチＳ_1cを介して抵抗器
R₂へそれぞれ接続され、抵抗器R₅を介して電池
へ還る。たとえばこれにより、充電装置を一定の
率における電池放電のために使うことが可能にな
り、適当なプログラムを使えば電池のアンペア時
容量を測定し表示することが可能になる。さらに
スイツチＳ_1aはマイクロコンピユータへ代替信号
を送り、それが電池の状態を試験しているときに
マイクロコンピユータが充電プログラム又は別の
放電プログラムへ進入するように命令する。

第３及び４図の実施例では、次の回路素子を使
用した。

R₁ 10オーム1/4ワツト R₂ .3オーム１ワツト R₃ １キロオーム1/4ワツト R₄ 100キロオーム R₅ .1オーム１ワツト R₆ 10オーム1/4ワツト R₇ 12オーム1/4ワツト R₈ 560オーム1/4ワツト R₉ 560オーム1/4ワツト R₁₀ 10キロオーム1/4ワツト R₁₁ Trimpot100キロオーム R₁₂ １キロオーム1/4ワツト R₁₃ 10キロオーム1/4ワツト R₁₄ 2.2キロオーム1/4ワツト R₁₅ １メグオーム1/4ワツト R₁₆ 8.2キロオーム1/4ワツト R₁₇ 10キロオーム1/4ワツト R₁₈ Trimpot100キロオーム R₁₉ 100キロオーム1/4ワツト R₂₀ 22キロオーム1/4ワツト R₂₁ 10キロオーム1/4ワツト R₂₂ 220キロオーム1/4ワツト R₂₃ 10キロオーム1/4ワツト R₂₄ 10キロオーム1/4ワツト R₂₅ 10キロオーム1/4ワツト R₂₆ 10キロオーム1/4ワツト R₂₇Trimpot3キロオーム R₂₈ 8.2キロオーム1/4ワツト R₂₉ 100キロオーム1/4ワツト R₃₀ 12キロオーム1/4ワツト R₃₁ 4.7キロオーム1/4ワツト R₃₂ 10キロオーム1/4ワツト R₃₃ １メグオーム1/4ワツト R₃₄ 33キロオーム1/4ワツト R₃₅ 22キロオーム1/4ワツト R₃₆ 4.7キロオーム1/4ワツト R₃₇ 22キロオーム1/4ワツト R₃₈ 33キロオーム1/4ワツト R₃₉ 680オーム1/4ワツト R₄₀ １キロオーム1/4ワツト R₄₁ １キロオーム1/4ワツト R₄₂ 1.8キロオーム1/4ワツト R₄₃ ５キロオーム1/4ワツト R₄₄ 10キロオーム1/4ワツト R₄₅ 20キロオーム1/4ワツト R₄₆ 40キロオーム1/4ワツト R₄₇ 80キロオーム1/4ワツト R₄₈ 160キロオーム1/4ワツト R₄₉ 320キロオーム1/4ワツト R₅₀ 640キロオーム1/4ワツト R₅₂ 270オーム1/4ワツト R₅₃ Trimpot3キロオーム R₅₄ 10キロオーム1/4ワツト R₅₅ 100キロオーム1/4ワツト R₅₆ 2.2キロオーム1/4ワツト R₅₇ 10キロオーム1/4ワツト R₅₈ 10キロオーム1/4ワツト R₅₉ 220キロオーム1/4ワツト R₆₀ 10キロオーム1/4ワツト R₆₁ 10キロオーム1/4ワツト R₆₂ １メグオーム1/4ワツト R₆₃ 10キロオーム1/4ワツト R₆₄ 47キロオーム1/4ワツト R₆₅ 33キロオーム1/4ワツト R₆₆ 22キロオーム1/4ワツト R₆₇ 100キロオーム1/4ワツト C₁ 1000μＦ 35ボルト C₂ 0.1μＦ 35ボルト C₃ 10μＦ 35ボルト C₄ １μＦ 35ボルト C₅ 0.1μＦ 35ボルト C₆ 20pF 35ボルト C₇ 10μＦ 35ボルト C₈ 0.1μＦ 35ボルト C₉ 10μＦ 35ボルト C₁₀ 10μＦ 35ボルト D₁ ３アンペア 50ボルト D₂ ３アンペア 50ボルト D₃ ３アンペア 50ボルト D₄ ３アンペア 50ボルト D₅ １アンペア 50ボルト D₆ ツエナーダイオード 5.6ボルト 1/2ワツト D₇ Type IN4148 0.1アンペア 50ボルト D₈ Type IN4148 0.1アンペア 50ボルト D₉ Type IN4148 0.1アンペア 50ボルト D₁₀ Type IN4148 0.1アンペア 50ボルト D₁₁ Type IN4148 0.1アンペア 50ボルト D₁₂ Type IN4148 0.1アンペア 50ボルト Q₁ PNP トランジスタ ３アンペア 40ボルト
タイプTIP−30 Q₂ NPN トランジスタ 15アンペア 40ボルト
タイプTIP−35 Q₃ NPN トランジスタ 0.5アンペア 40ボル
ト タイプMPS A05 Q₄ NPN トランジスタ 0.5アンペア 40ボル
ト タイプMPS A05 Q₅ NPN トランジスタ 0.5アンペア 40ボル
ト タイプMPS A05 IC₁ 電圧調整器 ５ボルト 0.5アンペア タイ
プ 78M05 IC₂ カツド（quad）演算増幅器 タイプ LM
324 IC₃ カツド（quad）比較器 タイプ MC 3302 IC₄ マイクロコンピユータ タイプ 8048 T₁ 変圧器 120/240ボルト AC入力 10−20ボルト AC出力 １−５
アンペア LED₁ ７セグメント光放出ダイオード表示共通カ
ソード LED₂ ７セグメント光放出ダイオード表示共通カ
ソード F₁ 低速ヒユーズ １アンペア F₂ ヒユーズ ５アンペア TH₁ サーミスタ RL28F1 S₁ スイツチ３段双投（３アンペア接点） S₂ スイツチ SPST N.O.瞬時 S₃ スイツチ SPST S₄ スイツチ SPST S₅ スイツチ SPST 流れ図、マイクロコンピユータの動作 第５ないし８図は、マイクロコンピユータ内で
遂行される基本的動作の流れ図を示す。この流れ
図は、添付付録Ｂのプログラムにその詳細を示す
プログラム作成ステツプをまとめたものである。

すでに指摘したように、電力が最初に充電装置
へ加えられると、リセツト回路２８がコンピユー
タのすべての動作を初期又は「リセツト」モード
に設定する。流れ図において、「始動」ブロツク
１１０は、第２図の始動スイツチ１６の閉成によ
りコンピユータへ始動信号が加えられることを示
す。その直後に、内部時間レジスタが０に設定さ
れる。このことはブロツク１１２によつて示され
る。第５ないし８図に示すプロセスのその後のス
テツプはマイクロコンピユータによつて遂行され
る。

プロセスにおける次のステツプは、全時間レジ
スタに増分を与えることで、ブロツク１１４によ
り示される。プログラムは次にブロツク１１６へ
移り、ここで特定電池に対して設定された最大許
容時間と経過した時間とが比較される。その比較
が最大許容全時間の到来を示す場合には、シーケ
ンスがブロツク１１８へ進むが、このブロツク
は、充電電流のしや断又はその小電流への抵減を
含む充電サイクル中断に対する命令シーケンスの
遂行を示す。これはまた必要に応じ、時限
（timed）過充電モードへ、又は過充電
（surcharge）モードへ、又は補充電モードへの
移行も含む。

この第１回の通過の場合にそうであるように全
時間が許容限界に達しないときは、マイクロコン
ピユータがブロツク１２０へ進む。ここで、時間
レジスタを再び使いこのステツプシーケンスを通
過するのが初回であるか否か判断する。そうであ
る場合には、プログラムはステツプ１２２ないし
１２８の列へ移り、これらのステツプの指示によ
りコンピユータは所定のレジスタを適当にセツト
アツプし、プログラムの中で後刻使えるように準
備する。まず、ブロツク１１２に示すように、
FOで示されるフラグをクリアする。このフラグ
は、後で最初の変曲点即ち二次微係数の符合の変
化が発生したときにセツトされる。次いでプログ
ラムは、ステツプ１２４，１２６及び１２８へ進
む。図示したように、これらの各ステツプは特定
のレジスタ、即ち、「最小傾斜」、「最大傾斜」及
び「最大電圧合計」の各レジスタへの初期値の設
定を制御する。「最小傾斜」レジスタには大きな
数がセツトされるが、「最大傾斜」及び「最大電
圧合計」レジスタにはそれぞれ、たとえば−
10000などの大きな負の数がセツトされる。これ
らのレジスタの用途については以下に説明する。
その後、プログラムは「ループ２」と表示したブ
ロツク１３０へ移る。これは共通復帰位置であ
り、数個の異なるシーケンスがそれぞれ完了した
後にプログラムが再仕向けされる位置である。上
記の３レジスタのイニシヤライズが終了したこの
場合には、プログラムがブロツク１３０からブロ
ツク１３２へ進む。

ブロツク１３２では、図示した「２秒経過した
か」との問合せがなされる。ブロツク１３２及び
この問合せに関する消極的応答に対する閉ループ
１３３は共同で遅延回路を形成するに過ぎず、こ
の遅延回路は、ブロツク１１４によつて時間レジ
スタの増分が最後に加えられてから任意に２秒と
選んだ一定時間が経過する迄プログラムの進行を
阻止する。上記の各増分付与の後、２秒タイマが
再始動され、コンピユータが次のステツプ列を進
行する間にそれが作動する。そのステツプ列が終
つたとき、プログラムはブロツク１３０へ復帰
し、プログラムは２秒が経過する迄遅延ループで
保持される。時間レジスタがその後、増分だけ増
え、コンピユータは次のステツプ列へ進行する。

ついで、プログラムはさきに説明したループを
介して進行する。ブロツク１１６の問合せが上記
と同様に問われかつ答えられ、この場合には最大
許容時間が未だ経過していないから、プログラム
は直接にブロツク１２０へ進む。ブロツク１２０
の問合わせがされたときの答は、このシーケンス
を通過するのが２回目であるからノーである。こ
の点で、プログラムは第５図の位置１を介して第
６図の位置１従つてブロツク１３４へ進む。

この命令は電圧を読み「TEMPSUM」に記入
であり、第２図を参照してすでに説明したアナロ
グ−デイジタル変換器を動作させ、その結果であ
る電池電圧のデイジタル表示値をマイクロコンピ
ユータ内の記憶レジスタに貯える。このレジスタ
を「TEMPSUM」と呼ぶ。

プログラムシーケンスは次に、「DIFF＝
TEMPSUM−K₁」を計算と記したブロツク１３
６へ進む。

その後に、その差が負であるかを問合わせるブ
ロツク１３８が続く。その差が０又は０より大で
あるときは、コンピユータはステツプ１３９へ進
み充電を停止する。これは、ブロツク１１８につ
いてすでに説明したのと同一のステツプシーケン
スである。その差が負であるときは、答が然りで
ありプログラムはブロツク１４０へ進む。

ステツプ１３４，１３６，１３８の組は、要す
るに電池電圧の過大レベルに対する検査である。
従つて、充電される特定電池に対して欠陥がある
場合にのみ達するような過大電圧に相当する値に
定数K₁を設定する。よつて、レジスタ
「TEMPSUM」内の電圧値がK₁と等しいかこれを
超えるときは、電池に欠陥があるか又は充電装置
の一部に欠陥があるに違いないので、充電シーケ
ンスを直ちに停止しなければならない。たとえ
ば、ニツケル−カドミウム電池の場合、K₁は素
電池当り２ボルトとすることができる。通常の充
電においては、電池電圧に決してK₁に達しない
から、ステツプ１３８の問合わせに対する答は肯
定的でありプログラムはステツプ１４０へ進むの
が通常である。ステツプ１２８において、「最大
電圧合計」レジスタは初期の大きな負の数に設定
された。ステツプ１４０において、
「TEMPSUM」内容の数値と「最大電圧合計」内
容の数値とが比較される。「TEMPSUM」内容の
数値が「最大電圧合計」のそれよりも大であると
きは、「TEMPSUM」内容の数値が命令１４２に
より「最大電圧合計」レジスタ内に記入され、プ
ログラムはステツプ１４４へ進行する。そうでな
い場合には、「最大電圧合計」レジスタ内容の数
値を変えずに放置したままプログラムは直接にス
テツプ１４４へ進行する。

ステツプ１４４に於て、「TEMPSUM」内容と
「最大電圧合計」内容との間の数値差が、充電さ
れる電池に応じて予め設定された定数K₂と比較
される。プログラムステツプ１４０，１４２，１
４４の組合せによつてなされる試験は要するに、
電圧がすでに得られた最大値に比して与えられた
最小値以上に減少したか否かをみる検査である。
絶対電圧変化解析の項で説明したように、これが
発生したときは、電池がすでに最高充電レベルを
通過して第１図の領域へ進入しているか又は電
池に欠陥がある。したがつて、プログラムはブロ
ツク１４５へ進むように指示され、このステツプ
が充電過程をステツプ１１８及び１３９と同様に
して停止させる。

そうでない場合、即ち「TEMPSUM」内にあ
る電池電圧の最新値がすでに記録された最大値と
等しいか又はそれより大である場合には、電池が
領域ないしのどこかにあり充電を続けても安
全である。

K₂の値が小さな数値であることを指摘してお
く。その目的は、電子回路の諸値のドリフト又は
電池電圧の微小変化などによる派生的又は過渡的
誤差が充電シーケンスを中断させることを防止す
るにある。また注意すべきことに、この検査は、
電池電圧が若干不確定態様で変化する第１図の領
域に示すような初期期間において実施するのも
好ましい。それは、この領域であつてもK₂を越
える電池電圧の負の変化は電池の欠陥を示すから
である。ニツケル−カドミウム電池の場合、K₂
は素電池当り25ミリボルトとしてもよい。

充電過程の次の段階は、ブロツク１４６に示す
ように、傾斜算定をなすべきかの判断のため時間
を問合わせることである。これは要するに、上記
変曲点解析の開始であり、第５及び６図に関する
以下の説明から明らかなように、このプログラム
で使われる「傾斜算定」とは、第１図の曲線にお
ける変曲点検出用の一連のステツプを指す。

ステツプ１４６に示すように、傾斜算定は、
K₃秒で表わされる任意時刻から始めて毎分行な
われる。K₃は、電池が領域で示した初期段階
を通過する余裕として選んだ時間であり普通は30
秒と60秒との間にある。ニツケル−カドミウム電
池の場合、K₃は40秒とするのが好ましい。

プログラム進行中の最初の数回は、ステツプ１
４６の間に対する答はノーであり、プログラムは
図示のようにステツプ１３０へ帰る。従つて、全
時間レジスタがK₃の値と一致するまでは、プロ
グラムは単にコンピユータに指示して時間及び電
圧を監視させるのみであり、ステツプ１１６及び
１３４−１３８が遂行する検査によりいずれの与
えられた最大値も超過されないことを確認し、ま
たステツプ１４０−１４４において負の電圧降下
に対する電圧監視をする。全時間レジスタがいつ
たんK₃に達すると、ステツプ１４６の問合せに
対して肯定的回答が出され、プログラムは結合点
２を通過して第７図に示すステツプ列へ進入す
る。

第７図において、プログラムは、マイクロコン
ピユータ内のさらに二つのレジスタ位置に係るス
テツプ１４８へ進む。その一方は「合計」であ
り、他方は「旧合計」である。ステツプ１４８に
おいて、レジスタ「合計」の内容はレジスタ「旧
合計」へ移され、「旧合計」レジスタの元の内容
は取消される。ブロツク１５０において、
「TEMPSUM」内の最新の読みの内容がレジスタ
「合計」へ移される。シーケンスはその後ブロツ
ク１５２へ進み、そこで時間がK₃秒に等しいか
否か検査する。そうある場合には、プログラムは
ループ２、即ちステツプ１３０へ復帰する。従つ
て、Ｔ＝K₃における第７図ステツプへの最初の
進入は、単に電圧の読みを「合計」レジスタに記
入するだけで、これは後に「旧合計」へ移され
る。傾斜算定は曲線上の少なくとも２点を必要と
し、従つて最初の算定は、先行電圧値が新電圧値
と比較できるように存在する時点即ち１分プラス
K₃秒になつて始めて可能である。もちろん、こ
れは傾斜の近似であり、厳密な算定ではない。

従つて、経過時間がK₃秒に等しいときは、シ
ーケンスはループ２、ブロツク３０へ復帰し、さ
らに１分間継続する。その後、経過時間がK₃と
整数分との和になつたときは、シーケンスがブロ
ツク１５４へ進み「合計」レジスタと「旧合計」
レジスタとの間の数値差が計算され「傾斜」レジ
スタに記入される。その後、シーケンスは、ブロ
ツク１５６へ進む。

ステツプ１５６では、ステツプ１２４で大きな
初期値に設定した「最小傾斜」レジスタを使う。
すなわち、「傾斜」内の数値を「最小傾斜」内の
数値から減算し、その結果が０に等しいか又は０
より大きいかについて検査する。「傾斜」レジス
タが、非常に大きな数でイニシヤライズされた
「最小傾斜」レジスタよりも小である場合には、
「傾斜」の数値が「最小傾斜」レジスタに記入さ
れる。即ち、各分ごとに、このプログラムシーケ
ンスを通過するときに、傾斜が算定され、新しい
傾斜の値がすでに得られた最小傾斜の読みより小
であるか否か検査する。そうである場合には、ブ
ロツク１５８において新しい傾斜が「最小傾斜」
レジスタに記入され、シーケンスはブロツク１６
０へ進む。最新の傾斜が最小傾斜よりも小でない
場合には、シーケンスはブロツク１６０へ進む。

ブロツク１６０では、算定されたばかりの傾斜
が、ブロツク１２６で非常に小さい数にイニシヤ
ライズされた「最大傾斜」レジスタから減算され
る。この差が０より小さく、「傾斜」レジスタ内
の新しい値が「最大傾斜」レジスタ内の先行数値
より大きいことが明らかになると、この傾斜の値
が「最大傾斜」レジスタ内に記入され旧い内容と
置き換えられる。これは、ブロツク１６２に於て
行なわれる。

ついで、シーケンスの流れはブロツク１６４に
達し、ここで、ステツプ１２２においてクリアさ
れたフラグFOが設定済であるか否かをみる検査
がなされる。この時点までには設定されていない
から、シーケンスは点３を経てブロツク１６６へ
進む。ブロツク１６６においては、最新の傾斜の
値が最小傾斜に比して一定の増分K₄だけ大きい
か否かをみる検査がなされる。K₄の値は、充電
装置が傾斜減少の終了とその増大を認めたと判断
する前に過渡効果を避けるため発生すべきである
とする正変化分の最小値を定義する。ニツケル−
カドミウム電池の場合、K₄の値は素電池当り15
ミリボルト／分としてもよい。これが一たん発生
すると、変曲点が近似的に認識され得る。

傾斜の値が「最小傾斜」の値に比してこの所要
増分だけ増加していないときは、シーケンスがル
ープ２即ちブロツク１３０へ復帰する。これは、
傾斜が減少を続けているか、又はたとえ増加して
も十分な増加でないことを意味する。最新の傾斜
が「最小傾斜」よりもK₄だけ大きくなつたとき
は、変曲点を通過したこと（又は、二次微係数の
符号が変わつたこと）が示されており、シーケン
スの流れはブロツク１６８へ向いそこでフラグ
FOを補充又は設定する。これは、第１図におい
て、領域への移行が完了したこと及び充電サイ
クルが完了に向けて順調に進行していることを意
味する。シーケンスはブロツク１６８からもブロ
ツク１３０へ復帰し上記過程を続行する。

この時点において、流れ図には示してないが、
通常は「最大傾斜」レジスタの内容を「傾斜」レ
ジスタ内の数値で置換するのが望ましい。これ
は、第１変曲後の増加した傾斜が第１変曲点にお
ける実際の傾斜と比較され、第１変曲点の傾斜よ
り若干大きくしかも保持され得る先行傾斜と比較
されるのではないようにするためである。

最後に、充電プロセスが十分な数のサイクルを
続行し、再びステツプ１６４へ到達する。今回
は、この問合せに対する応答は「然り」であり、
プログラムは第９図の接続点「更に
（FURTHER）」を通つて進行する。そこで、プ
ログラムはブロツク１７０へ進み、傾斜の値が検
査され、その値が「最大傾斜」レジスタの中の数
値に比してK₄とほぼ同一の数値である増分K₅だ
け小であるか否かが調べられる。これは、第１図
に示す領域から領域への移行に対する検査で
ある。傾斜が「最大傾斜」よりもK₅だけ小さい
場合には、充電サイクルがこの第２変曲点に到達
しており、充電サイクルは完了している。その
後、シーケンスはブロツク１７２へ進み、充電過
程が、ステツプ１１８に関して説明したのと同じ
態様で終了する。しかし、最新の傾斜が「最大傾
斜」に比して充分な増分だけ小さくない場合に
は、シーケンスがブロツク１３０へ復帰し、上記
の４充電方法解析の一つが充電シーケンスを停止
させるまでシーケンスが継続する。

このようにして、上記動作の流れは充電装置を
して上記解析方法を実施させ、適当な時間間隔で
検査を行なわせて、全経過時間の超過に対する時
間解析をさせ、損傷の可能性を示す素電池又は電
池の異常過電圧の検査をさせ、１時期から他の時
期への間の電圧の低下が充分大きく素電池又は電
池が領域にあることの検査をさせ、又は第１図
に示した二次微係数の符号の変化検査のような二
次微係数シーケンス検査により素電池又は電池が
領域から領域への移行を完了したことを示さ
せる。

電圧プロフイル解析 以上説明した本発明は、一般に「定電流」充電
装置として知られる充電方式を使つた場合に発生
する時間に関する電圧プロフイルを指向してい
る。この種の電圧変化は、現実には数種類の方法
により得ることができる。第１に、一定の不変充
電電流を電池に印加し時間に関する電圧変化を測
定することによりそれを得ることができる。この
方法では、充電装置の電源及び電流増幅器を適当
に選び、電池電圧が零と完全充電時における電池
電圧をわずかに上回る値との間の如何なる値であ
つても一定の電流レベルを保つ。電流レベルは、
充電効率、電源及び増幅器のコスト、完全に放電
された電池を完全に充電するに要する所望時間な
どの諸要因に基づいて選ばれる。一般に、サイズ
Ｃ又はサブＣのニツケル−カドミウム電池におい
ては、その電池のＣ率（Ｃ−rate）の約３倍の電
流が加えられる。電池のＣ率とは、そのアンペア
時容量の数値と等しいアンペア値の電流をいう。
3Cの電流は、電池を約20分で完全に充電する。

他の場合には、Ｃ又は5Cの充電率を使うこと
があり、これらはそれぞれ、放電された電池を約
１時間又は約12分間で完全に充電する。

第１図の電圧プロフイルを得るための第２の方
法は、充電電流をパルスとして印加し、電流が零
のときに電池の休止電圧（rest voltage）を測定
するものである。或る意味では、電圧測定を０ア
ンペアの「定」電流レベルでとつていることにな
る。時間に関する電圧プロフイルは第１図に示し
たものと数値的には異なるが形状が対応し、上記
と全く同一の解析方法を適用することができる。

上記と同じプロフイルを得るための第３の方法
は、循環的に変化するが平均値は一定である電流
を印加するものである。測定した電圧を同様な期
間について平均するならば、電流の循環的変化が
補償され、得られる電圧プロフイルは第１図に示
したものと正に同一形状となり、同一の解析手法
をこの場合にも使える。

上記と同じプロフイルを得るための第４の方法
は、電流の変動を許容するが、電圧測定を電流が
一定の予定レベルに等しいときにのみ行なうもの
で、この場合にもすでに説明した諸方法と同一の
結果が得られる。

上記のすべての場合に、与えられた電池に対す
る電圧プロフイルは一般的に同一形状をとる。本
明細書で説明する新規な解析方法は、プロフイル
の形状のみの関数でありその現実の数値の関数で
はないから、この方法を上記充電技術のいずれに
も適用することができる。便宜上、上記諸方法の
すべてを「電圧プロフイル」なる共通の呼び名で
呼ぶ。

他の電池対に対する電圧プロフイル解析の適用 第１０ないし１３図に異なる数種類の電池の特
定例に対する各種電圧プロフイルを示すが、これ
らはすべて上記「定電流」法を使つて得られたも
のである。とくに、第１０図は、ニツケル−鉄電
池の場合に得られる典型的なプロフイルである。
注意すべきことに、この曲線の一般的外観は第１
図のものに類似であり、とくに電池が完全充電に
近づくに伴い変曲点A′及びB′が現われる。した
がつて、ニツケル−カドミウム電池について以上
説明したのと全く同一の技術がニツケル−鉄電池
に対しても適用できる。相違点としては、諸定数
を特定電池のニーズに応じて選択しなければなら
ない点のみであり、その内部構造、受容可能な電
流レベル、素電池の数及び対応する最大電圧、損
傷なしに受容できる最長時間及び最大電圧を考慮
すべきである。また、電圧プロフイルにおける変
動スケールが小さいので、ニツケル−カドミウム
電池の場合に真であつた分解能よりも高い分解能
を有する電圧測定装置が必要になる。しかし、原
理的には充電方法が実質上同一である。

第１１図は、典型的な鉛酸電池の充電曲線を示
す。再度であるが、第１図に関して説明した５領
域が典型的鉛酸電池プロフイルの場合にも繰返え
されることが認められ、同様な変曲線A″及び
B″が発生している。相違点は、全体的電圧変動
がより大きいこと及び領域における変化率がよ
り大きいことのみである。しかし、諸領域が同一
でありかつ変曲点のシーケンスが同一であるか
ら、ニツケル−カドミウム電池及びニツケル−鉄
電池に関して上記に説明したのと基本的に同一の
方法を鉛酸電池に対しても適用することが可能で
ある。

しかし、鉛酸電池の完全な（100％）充電は第
２変曲点に到達したのち過充電を付加すると得や
すいことが見出されている。これは鉛酸電池の内
部的化学構造によるもので、エネルギーの最終的
付加がニツケル−カドミウム電池の場合よりも低
い速度で発生するためである。従つて、鉛酸電池
に対する最適充電方法は、上記の変曲点解析法を
適用し、かつ、領域ととの間の第２変曲点が
識別されたときに、マイクロコンピユータに指示
して充電率を中間レベルへ移すのである。この中
間レベルを一定時間だけ印加する。

一般に、鉛酸電池の構造は、急速充電モードに
おいて約Ｃ又は2Cの一定電流を許容する。選択
される過充電率は一般に全充電率の約半分であ
る。所定時間の長さは、電池の全容量の25％を過
充電率で電池へ加えるに要する時間を算定するこ
とにより求める。その時間の終りに、電池充電装
置は自動的に、完全充電モードを終了しかつ単に
自己放電の補償をする補充電モードサイクルを開
始する。

第１２図は、硫化鉄電極を有するリチウム電池
に対する充電曲線を示す。この場合には、変曲点
が充電サイクルの可成り早い時期に発生し、第２
変曲点の後の電圧プロフイルには識別すべき特徴
がほとんどない。この電圧プロフイルの故に、従
来技術だけではこの種の電池に対して信頼できる
急速充電装置を提供することが極めて困難であつ
た。本発明によれば、変曲点を非常に正確に決定
することができる。これは電池が容量の約45％に
あることを示す。従つて、この種類のリチウム電
池に対する充電プログラムは、上記と同一の変曲
点決定方式を使い、それに計時シーケンスを組合
わせる電池をこのような充電装置へ取付けたとき
は、タイマを始動させかつ全電池容量の約55％を
電池へ付加するに十分な時間が経過したときに全
充電率を中断するように整定する。この期間中に
変曲点に遭遇しない場合には、タイマのみでその
期間の終りに充電装置をしや断する。これは、す
でに可成り完全充電近くの充電状態にあるにもか
かわらず充電操作を受けている電池に対処するも
のである。

しかし、その期間完了前に変曲点に遭遇した場
合には、たんにタイマを再始動すれば足りる。こ
れにより、放電されるか又は部分放電された電池
が最初に完全充電を受けることを確実にする。

第１３図は、銀−カドミウム電池に対する電圧
プロフイルを示す。この場合には、単に２個の隣
接変曲点を検出するだけでは不十分であり、完全
に放電された電池に対するエネルギーの付加は完
全充電状態に達する迄に４個の隣接変曲点を発生
させる。

この電池を完全に充電するためには、変曲点解
析法とすでに説明した代替的充電中断モードとの
組合が使用できる。すなわち、充電装置を適当に
構成し、充電過程にある電池が完全放電から完全
充電への全サイクルを完了したことの表示であ
る。４個の連続変曲点を求め、これが発生したと
きに、充電装置は急速充電電流の印加を終了す
る。しかし、この終了モードのみでは十分でな
い。さらに、この装置は、各変曲点を測定したの
ち全電圧を予定の値と比較するように指示され
る。変曲点に達したときに電圧が予定レベルより
高い場合には、充電プログラム開始時に電池が完
全には放電されていなかつたこと及びこの時点で
電池は完全に充電されたことが知られる。したが
つて、充電率一杯の電流の印加は中断される。要
するにこの方式はすでに完全若しくは部分的に充
電されたにも拘らずなお充電を受ける電池及び完
全に放電した電池の両者を取扱うことが可能であ
り、この装置は、従来の充電技術の有害な影響を
伴うことなく電池を正確に完全充電容量まで充電
することができる。

もちろん、第１０ないし１３図を参照して説明
した電池充電方法及び装置を実施するに当つて
は、付加的な安全対策を施し、著るしい過充電を
防止するとともに電池又は充電装置に欠陥がある
ときは装置をしや断すべきであり、必要に応じ
て、最大全時間の限界、最高電圧の限界、負の電
圧変化、負傾斜の限界等を含める。

電流プロフイル解析 本発明の上記説明は、「定電流」の条件下で電
池の充電状態を測定する場合に適する電池解析法
にもとづいている。しかし、「定電圧」モードで
電池を充電することも可能であり、時間の経過に
伴う電流変化を測定し、時間に対する電流変化の
プロフイルに対して同様な変曲点解析法を適用す
ることができる。この技術は、充電装置が電池へ
印加すべき一定電圧の選択を含み、その電圧は、
充電効率、コスト、及び放電された電池を完全に
充電するに要する時間等の諸パラメータに関して
上記定電流充電装置と同様な適正電流を充電時間
の大部分にわたり電池へ印加できるように選択さ
れる。再度指摘するならば、この定電圧印加法
は、時間に対する電流の変化を示す曲線に対して
既知の予測可能な形状を与える。

ところで、「定電圧」なる表現は、現実の電圧
が充電期間中一定である方式、電圧が予定値であ
る時にのみ電流を測定する方式、又は脈動印加電
圧が一定の平均値を有しかつ測定された電流が対
応して平均化される方式に対してひとしく適用さ
れる。これらの諸方式はすべて、同一形状でしか
も上記と同一の変曲点解析による処理が可能であ
る時間対電流曲線を与えるので、ここではこのプ
ロフイルを「電流プロフイル」と呼ぶ。

ニツケル−カドミウム電池の特定の場合の電流
プロフイルを第１４図に示す。実際この曲線は、
曲線が反転していることを除き、第１図の曲線と
全く同一の形状である。したがつて、このプロフ
イルに対して加えるべき変曲点解析法は、符号、
変化方向等に関する解析をすべて逆にすることを
除けば、第１図を参照して説明したものと全く同
一である。まず、第１図の領域における電圧上
昇に対応する態様で電流が減少する。その後、電
流が緩慢に減少する期間があり、その期間は通常
最も長い期間でありかつ電池に貯えられるエネル
ギーの主要増加が発生する期間である。これは第
１図の領域の電圧上昇に対応する。

この領域と電流急増を伴う次の領域との間で識
別すべき変曲点は、第１図の点Ａと同一の時点で
発生する。しかし、第１図の点Ａでは電圧の二次
微係数の符号が負から正へ変わるのを識別したの
に対し、この方式は電流の二次微係数の符号の正
から負への変化を識別する。同様に、この場合は
領域ととの間の変曲点は二次微係数の負から
正への点として識別するが、第１図の場合には正
から負への変化であつた。

このようにして、第１ないし９図を参照して説
明した変曲点解析法は、「電圧」の語を「電流」
に置換えかつ「増加」、「減少」、「正」、「負」等の
語をすべて反転することにより、定電圧の場合の
変曲点解析法に変換することができる。

同様に、第１０ないし１３図に示した各種電池
も定電圧技術により充電することができる。いず
れの場合にも、使用される一般的変曲点解析法は
すでに説明したものに対応する。

充電速度 本発明が与える主要な利益は、任意の正常な電
池、すなわち欠陥がない電池を比較的高速で充電
できる点にある。従来の電池充電技術の使用に当
つては、急速充電電流の適用を、使用中の不適正
しや断モードに適応した特殊電池に限定する必要
があつた。これは従来方法が適正時点で急速充電
電流を中断することができず、上記の各種障害が
発生したためである。これらの障害に耐えるよう
に設計された電池のみが使用可能であり、そのよ
うな電池であつても寿命短縮等の実害があつた。

これに対して、本発明による方法は電池へのエ
ネルギー印加を極めて精確に制御するので、従来
は低速法のみによる充電を考慮していた電池をも
急速充電することができる。

「細流充電」なる語は、12ないし24時間を要し
てのみ電池へ完全充電を与えるような充電速度に
ついて使われるのが普通である。したがつて、典
型的な細流充電装置は0.05Cと0.1Cとの間の電流
を加える。従来方法によれば、「急速充電」又は
「高速充電」なる語は一般に0.2C以上の速度に対
して用いられ、従つて５時間以内に電池を充電す
るものに対して用いられた。

すべての電池は、限られた時間であれば「急速
充電」レベルの電流を受容することができる。特
定の電池に対する上限は、その電池の電流受容能
力によつて支配され、詳しくはその内部及び外部
接続、その内部極板、及びその内部イオン移動時
間（ion transit time）により支配される。一般
に、このレベルは製作者によつて与えられる。た
とえば、ゼネラル・エレクトリツク社のサブＣサ
イズのニツケル−カドミウム電池は4Cの率の急
速充電電流を受容することができ、ゲーツエネル
ギープロダクツ社製の密封型鉛酸電池は0.3Cの
率の急速充電電流を受容することができる。

電池はこれらの急速充電電流を受容することが
できたにも拘らず、現在知られている充電装置は
急速充電電流を適時にしや断することができず、
構造的に急速充電電流を受容できる電池であつて
も細流充電率による充電のみに依らねばならなか
つた。一般に、５時間率（0.2C）以上の充電速
度は従来はすべて特殊電池設計を要した。

完全充電レベル決定における本発明の精度の故
に、この充電方法は、従来低速又は細流充電率の
みによつて充電可能であつた多くの電池に対して
急速充電電流の使用を可能にする。このことは、
現在入手できる再充電可能な電池対の主流を占め
るニツケル−カドミウム電池及び鉛酸電池の範ち
ゆうについて成立する。

すなわち、本方法は、現在消費者が使用してい
るニツケル−カドミウム電池のほとんどすべてに
対して１時間程度の時間内における再充電を可能
にする。ゲル型の鉛酸電池は約２時間程度の時間
内に充電可能であり、液体型のものはさらに速く
充電することができる。

一般に、本発明は高速の適用を可能にし、詳し
くは電池の0.2Cから定格電流受容レベルまでで
あり、本発明方式により充電される正常電池は完
全な充電を受け破壊されることがない。

終了モード ニツケル−カドミウム電池の場合には、上記の
変曲点解析が基本的に電池を100％まで充電す
る。したがつて、第２変曲点へ到達したときに充
電装置は補充電モードへ移行し、このモードでは
急速充電電流の短いパルスを周期的に印加して自
己放電に対する補償をする。たとえば、1Cの電
流を６時間ごとに15秒間印加する。必要に応じ、
他の保全サイクルを使つてもよい。

実用に際して電池を正確に第２変曲点まで反覆
充電することは、この変曲点が100％充電から数
分の一％下回る点で発生するためにわずかな可逆
劣化を生じさせる。この劣化は電池を補充電モー
ドにおくことにより回復され、又、操作者がたと
え放電しなくとも電池を随時充電することにより
回復される。これは、電圧を第１図の領域へわ
ずかに進めるので、第６図のブロツク１４５によ
るしや断が行なわれ、上記劣化を回復する。

このわずかな劣化の可能性をも完全に防止する
ためには、第２変曲点に到達したのち0.1Cの過
充電電流を数時間印加することができる。上記の
補充電サイクルはその後開始すればよい。

すでに述べたように、鉛酸電池の場合には、電
池の完全充電のために低速充電の期間か有用であ
る。その後、自己放電補償のため適当な補充電モ
ードを使う。他の電池対の場合には、必要に応じ
他の終了技術を使つてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、充電末
期に至る過程における電池の電気的特性を監視
し、電池の種類に固有の所定順序で生ずる複数変
曲点が確認されたか否かに応じて充電電流の供給
を制御することとしたため、正確かつ安全にしか
も高速に充電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ニツケル−カドミウム電池の充電サ
イクルにおける時間の関数としての電圧変化を示
すグラフ、第２図は、本発明による電池充電装置
の主要エレメントのブロツク図、第３図及び第４
図は、第２図のブロツク図を構成する本発明の一
実施例の図式的説明図、第５図、第６図、第７
図、第８図及び第９図は、第４図のマイクロコン
ピユータが遂行する操作シーケンスの図式的説明
図、第１０図、第１１図、第１２図及び第１３図
は、数種の異なる電池の充電サイクルにおける時
間の関数としての電圧変化を示すグラフ、第１４
図はニツケル−カドミウム電池の充電サイクルに
おける時間の関数としての電流変化を示すグラフ
である。 １０；電源、１２：抵抗制御電流増幅器、１
４；充電／試験切換器、１６；始動スイツチ、１
８；マイクロコンピユータ、２０；電流制御抵抗
器、２２；Ａ／Ｄ変換器、２４；電池種類選択回
路、２６；温度しや断回路、２８；リセツト回
路、３０；操作者表示回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 充電のための電気的エネルギーを蓄電池へ供
   給しながら、蓄電池の時間に対する電気的特性の
   変化を監視し、 蓄電池の種類に固有の所定順序で生ずる複数の
   変曲点が、監視した電気的特性上で存在するかど
   うかを検出することにより蓄電池の充電状態を解
   析し、 解析した蓄電池の充電状態に応じて、充電のた
   めの電気的エネルギーの供給を制限することを特
   徴とする蓄電池の充電方法。 ２ 前記変曲点は、前記蓄電池の時間に対する電
   気的特性の二次微係数の変化を算出することによ
   り決定されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の蓄電池の充電方法。 ３ 前記得られた当該蓄電池の電気的特性におい
   て、前記所定の順序で生ずる所定の変曲点の存在
   が確認された場合に正常な充電が行なわれたもの
   と判定して、蓄電池への電気的エネルギーの供給
   を停止し又は減少させることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の蓄電池の充電方法。