(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を有するバッテリを動的に細流充電する方法であって：
前記バッテリが所定の時間充電された後、前記バッテリに関する動的基準電圧であって、高速充電後にバッテリが維持する一定の細流充電速度である動的基準電圧を決定する段階；
前記動的基準電圧に基づいて電圧範囲を設定する段階；
所定の充電速度で前記バッテリを充電する段階；
前記バッテリの電圧を監視する段階；および
前記バッテリの電圧が前記電圧範囲外になった場合に前記バッテリの充電速度を調整する段階；
によって構成されることを特徴とするバッテリ動的細流充電方法。
【請求項２】
請求項１記載のバッテリ動的細流充電方法であって、電圧範囲を設定する前記段階が：
前記動的基準電圧を前記電圧範囲の上限閾値として用いる段階；および
前記動的基準電圧から所定の電圧量を減じて、前記電圧範囲の下限閾値を決定する段階；
から成る、ところのバッテリ動的細流充電方法。
【請求項３】
請求項１記載のバッテリ動的細流充電方法であって、前記動的基準電圧を決定する前記段階が：
前記バッテリが所定のレベルまで充電されたことを判定する段階；および
前記バッテリの電圧を複数回測定した結果得られた適切な電圧を前記動的基準電圧として用いる段階；
から成る、ところのバッテリ動的細流充電方法。
【請求項４】
請求項２記載のバッテリ動的細流充電方法であって、前記バッテリの充電速度を調整する前記段階が：
前記バッテリの電圧が前記上限閾値より高い場合に前記充電速度を下げる段階；および
前記バッテリの電圧が前記下限閾値より低い場合に前記充電速度を上げる段階；
から成る、ところのバッテリ動的細流充電方法。
【請求項５】
請求項３記載のバッテリ動的細流充電方法であって、前記バッテリが所定のレベルまで充電されたことを判定する前記段階が：
一定時間にわたる前記バッテリの温度変化が所定の値に等しいことを判定する段階；
から成る、ところのバッテリ動的細流充電方法。
【請求項６】
電圧を有するバッテリを細流充電するバッテリ・チャージャであって、前記バッテリを充電する充電手段と、前記充電手段に結合されたコントローラから成り、前記コントローラが：
前記バッテリの電圧を監視する監視手段；
前記バッテリが前記充電手段により所定の時間充電された後、前記バッテリの動的基準電圧であって、高速充電後にバッテリが維持する一定の細流充電速度である動的基準電圧を決定する手段；および
前記バッテリの前記動的基準電圧に基づいて電圧範囲を設定する手段；
によって構成され、
前記コントローラがさらに、前記バッテリの電圧が前記電圧範囲外になった場合に、前記充電手段により前記バッテリが充電される速度を調整する調整手段によってさらに構成される、ことを特徴とする細流充電バッテリ・チャージャ。
【請求項７】
請求項６記載の細流充電バッテリ・チャージャであって、
前記調整手段は、前記監視手段が前記バッテリの電圧が前記電圧範囲より低いと判定した場合に前記充電手段が前記バッテリを充電する速度を増大させ、前記監視手段が前記バッテリ電圧が前記電圧範囲より高いと判定した場合に前記充電手段が前記バッテリを充電する速度を減少させる、
ことを特徴とする細流充電バッテリ・チャージャ。
【請求項８】
請求項６記載の細流充電バッテリ・チャージャであって、
前記コントローラがさらに、電圧レベルを格納する格納手段によって構成され；かつ
電圧範囲を設定する前記手段が、前記電圧範囲の上限閾値レベルとして前記動的基準電圧を用いて、前記格納手段に格納された前記電圧レベルを前記動的基準電圧から減じて前記電圧範囲の下限閾値レベルを設定する；
ことを特徴とする、細流充電バッテリ・チャージャ。
【請求項９】
前記コントローラがマイクロプロセッサである、ところの請求項７記載の細流充電バッテリ・チャージャ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般にバッテリ・チャージャに関し、さらに詳しくは、動的適応充電速度（dynamically adaptive charge rate）を具備するに対応するバッテリ・チャージャに関する。
背景
双方向無線機バッテリを充電するために用いられるバッテリ・チャージャは、通常は、一定の時間、高速の充電速度で再充電可能バッテリを充電し、バッテリがチャージャ内にある間は、より低速の充電速度（細流充電速度）に戻る。チャージャは、バッテリの温度変化が所定の時間にわたり一定の温度変化（△Ｔ）に到達したことを判定すると、細流充電速度に戻る。これは、この特定の時点でバッテリがほぼフル充電されているので、バッテリが過熱することを防ぐために行われる。高速充電速度から細流速度モードにいつ戻るかを決定するために、従来技術によるチャージャが用いた第２の方法は、バッテリの電圧を監視して、所定の電圧傾斜（△Ｖ）に到達すると細流速度モードに戻る方法である。
第１図には、従来の技術によるバッテリ充電ルーチンが示される。ステップ102で、バッテリがチャージャに挿入される。次に、ステップ104で、チャージャは、当技術では周知の方法でバッテリの容量に対応する容量抵抗（Rc）の抵抗を感知することにより、バッテリの充電容量を決定する。容量抵抗（Rc）は、バッテリ自身の中にある。また、これもバッテリ内部にあるサーミスタの抵抗を感知する（抵抗により生じた電圧を判定することにより）ことにより、バッテリの温度が感知される。ステップ104で得られた測定値が満足の行くものであると判定されると、充電シーケンスがイネーブルになる。測定された値が所定のパラメータ内にない場合、チャージャはステップ108に進み、ここで不良状態を表示する。チャージャのユーザには、チャージャ上にある不良状態発光ダイオード（LED）を点灯することによって、その不良状態が通知される。
ステップ110で、高速充電シーケンスが開始される。ステップ112で、チャージャはバッテリの△Ｔ（温度傾斜）を監視し、高速充電速度を中断すべきか否かを判定する。△Ｔの変化を監視する代わりに、チャージャは△Ｖの変化を監視して、バッテリが充電されたことを示す傾斜が△Ｖについて負の値になるまで待機することもある。チャージャにより判定されたバッテリの△Ｔが所定の値に達すると、高速充電シーケンスが停止されて、バッテリの過熱を防ぐ。次にチャージャは、ステップ114で細流充電モードに置かれる。細流モードでは、チャージャは約C/10ないしC/20の速度で充電される。ただし「Ｃ」はバッテリの容量である。たとえば、バッテリがC/10の充電速度において1000ミリアンペア時（maH）の容量を有するとすると、チャージャは100maの電流を用いてバッテリを充電する。
従来の技術によるチャージャは、ユーザがバッテリを充電する際に無線機をオンにしてバッテリに付けたままにすると、問題を起こす。これは、特に無線機／チャージャの組み合せをデスク・トップ基地局として使用し、チャージャ内の無線機で送信するユーザに当てはまる。このような特殊なケースでは、細流充電モードでバッテリに入る電荷量が、スタンバイ・モードにある無線機によって使われる電荷量より少なくなる。無線機がメッセージの受信を開始したり、あるいは無線機がまだチャージャ内にあるのに送信するために用いると、バッテリ電荷の消耗速度（depletion rate）は悪化する。これによって、ユーザは、バッテリが所定の時間の間チャージャ内にあったので充電されていると思うが、実際には何らかの条件によりバッテリが最初にチャージャに挿入されたときよりも消耗している場合に問題が起こる。最悪の場合は、バッテリが前述した条件下に充分に長い間放置されると、バッテリが完全に放電されてしまうのに、チャージャはユーザに対してバッテリがフル充電状態であると知らせることがある。
表１は、バッテリがチャージャ内にあっても完全に放電される時間の長さを異なる条件下に関して示したものである。表１では、無線機送信条件では、充電中のバッテリに付属された無線機は2.1アンペアを消費し、受信中には電流消費は210ミリアンペアになり、スタンバイ中には電流消費は70ミリアンペアになると想定する。パート（ａ）は、無線機が時間の５％を送信し、５％を受信し、90％はスタンバイ・モードにあることを前提とする。パート（ｂ）と（ｃ）は、異なる比率を前提とする。表１に提示されるデータからわかるように、チャージャがバッテリをほぼフル充電状態に置く高速充電モードが完了しても、オンにされた無線機がバッテリに付属される場合は、バッテリの電荷消耗が起こる。たとえば、バッテリが1200maHの容量を持ち、5/5/90の動作デューティ・サイクルがその無線機に想定される場合、55maの細流充電速度でも約9.6時間でバッテリは完全に消耗される。
0003547444.tif 000002
そのため、バッテリ電荷が前述のように消耗されても、所定の充電レベル内にバッテリを維持することのできるバッテリ・チャージャが必要になる。また、充電されるバッテリの個々の特性に基づいてバッテリをより良好に充電し、それによりバッテリの寿命を延ばす助けとなるバッテリ充電方法が必要になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の技術によるバッテリ・チャージャの動作の流れ図である。
第２図は、本発明によるバッテリ・チャージャの動作を示す流れ図である。
第３図は、本発明によるチャージャ・システムのブロック図である。
第４図は、本発明による充電中のバッテリのバッテリ電圧を示す曲線である。
好適な実施例の詳細説明
新規であると見なされる本発明の特徴を規定する請求項に仕様はまとめられるが、本発明は以下の説明と、添付の図面とにより、さらに良く理解されると考えられる。なお図面には同様の参照番号が付される。
第２図を参照して、本発明による通常のバッテリ充電シーケンスを示す流れ図が示される。第２図のステップ202〜214は、第１図に関して説明されたステップ102〜114と同様である。第１図に関して説明された充電ルーチンとは異なり、本発明ではチャージャが細流充電速度に入ると、ステップ216で、チャージャが充電されるバッテリの動的基準電圧（dynamic baseline voltage）と閾値限界（threshold limits）を決定する。本発明は所定の時間の間、バッテリのＢ＋電圧を監視して、動的基準電圧を計算する。
バッテリの動的細流充電基準電圧とは、フル充電されたときにバッテリが維持する一定の細流充電速度における電圧である。細流充電速度が一定の程度まで変更されると、この基準電圧は変わる。たとえば、C/10の細流充電速度において、基準電圧はC/20の細流充電速度より多少高い。これは、その特定のバッテリ・インピーダンスにより追加された電流が起こす追加の電圧降下によるものである。動的基準電圧のこの変化は、あまりに多くの細流充電電流がバッテリに印加されると、バッテリが過熱し始めて、基準電圧は実際には下がるので、一定の程度に制限される。動的基準電圧は、バッテリ・セルの経年変化によりバッテリの全寿命にわたって変化する。バッテリの動的基準電圧を計算する実際の方法は、後で詳細に説明する。充電されるバッテリの動的基準電圧を知ることにより、チャージャは、この電圧を超えてあまりに長い間バッテリを充電しないようにして、バッテリの過熱を防ぎ、それによりバッテリの損傷を防ぐ。
バッテリの動的基準電圧がチャージャによって判定されると、チャージャは上限としての基準電圧と、所定の電圧を基準電圧から減じることによる下限とから構成される電圧範囲（たとえば、0.6ボルト）を設定する。ステップ220で、チャージャは、バッテリＢ＋電圧が設定された基準電圧より上にある否か判定し、上にある場合はバッテリに対する細流充電速度を小さくする。バッテリの電圧が基準電圧より下にある場合は、ルーチンはステップ224に進む。ステップ224で、チャージャはバッテリ電圧が下限より低いか否かを判定する。バッテリ電圧が下限電圧より低い場合は、チャージャはステップ226でその細流充電速度を増大する。バッテリ独自の動的基準電圧を決定し、バッテリを維持する電圧範囲を設定することにより、バッテリは所定の充電率内に留まりながら、過大な電流で充電することにより過熱されないようにすることができる。各バッテリの基準電圧は、バッテリの年数やそれが経験した再充電回数などに基づいて独自に決定されるので、本発明は、ある方法で、バッテリの現在の動作条件に基づいてバッテリの充電シーケンスを調整し、より良い充電ルーチンを与える。
第３図を参照して、チャージャ302,無線機バッテリ306および無線機304からなるバッテリ充電システムが示される。無線機304は、バッテリ接触324,326をそれぞれ介して無線機バッテリ306に結合された正（Ｂ＋）と負（Ｂ−）のバッテリ端子を有する。バッテリ306は、バッテリ306の電圧および電流容量を決定する１つ以上のバッテリ・セル312を有する。バッテリ306の一部として、保護ダイオード322と、サーミスタ（Rt）310などのバッテリ温度インジケータと、容量抵抗（Rc）308などのバッテリ容量インジケータとがさらに含まれる。
チャージャ302は、チャージャ監視回路314で構成される。これはM68HC111xx系マイクロプロセッサまたは当技術で周知のその他のコントローラなどの周知のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラで構成することができる。マイクロプロセッサは、好ましくは、本発明による適切な制御ソフトウェアが常駐するRAM,ROMおよびEEPROMなどのオンボード記憶部を有する。チャージャ監視回路314は、バッテリ306に電流を提供してバッテリを充電するチャージャ制御回路316などの充電手段を制御する。チャージャ制御回路は、チャージャ監視回路314により示される電流量をバッテリ306に提供するプログラミング可能な電流源として機能する。チャージャ監視回路314によって、制御信号がバス332を介してチャージャ制御回路316に送信され、この制御信号はチャージャ制御回路316に対して線334を介してバッテリ306にどのくらいの電流を与えるべきかを知らせる。
チャージャ監視回路314は、３つのアナログ−デジタル（A/D）ポート318,328,330を有する。A/Dポート318は、Ｂ＋線上の電圧を監視するので、バッテリ電圧監視手段として機能する。A/Dポート328は、容量抵抗Rc308の抵抗を感知し、A/Dポート330はサーミスタRt310の抵抗を感知する。これは、バッテリが加熱のために充電を開始するサーミストの抵抗が変化するためである。A/Dポート328,330には、A/Dポート328,330の電圧レベルをそれぞれ判定することによりRc308およびRt310の抵抗が判定するために用いられる外部プルアップ抵抗が含まれる。
第４図は、本発明の適応細流充電シーケンスにより高速で充電され、その後維持される通常のバッテリのバッテリ電圧を示す。このグラフは、バッテリに印加される負荷により細流速度がどのように増大し（たとえば、無線機がバッテリ充電中にスケルチされない）、電圧が基準電圧に戻ると充電電流が減少してバッテリを基準電圧に維持して、バッテリを基準電圧以上に充電することによるバッテリの過熱を避ける方法を示す。期間402の間、バッテリ306はチャージャ302により高速充電（第１充電速度）される。シーケンス402の間、バッテリは通常、１時間当たりバッテリの容量である「Ｃ」の速度で充電される。（たとえば、1000maHバッテリは1000maで高速充電される）。
チャージャ監視回路314が、△Ｔ（バッテリ306の温度変化）が所定の比（好適な実施例では、この比か３分間に摂氏1.8度の変化に設定される）に到達したことを判定すると、時刻416で高速充電速度が終了され、細流充電速度（第２充電速度）が開始される。期間404で、バッテリの電圧は、一定の細流充電速度（高速速度より低い第２充電速度）において動的基準電圧418に下がる。期間406で、チャージャ監視回路314は、バッテリ306のＢ＋電圧を監視し、バッテリ306の動的基準電圧を判定する手段として機能して、バッテリの基準電圧を感知し、電圧レベルを格納する。A/Dポート318は、バッテリ306の電圧をデジタル語に変換し、好ましくは、この語のいくつかが一定の時間フレームにわたり監視回路314によってサンプリングされ、動的基準電圧の良好な読み取り値を得る。時間406は、監視回路314がバッテリのＢ＋線318のいくつかの読み取り値を得るのに充分な長さでなければならない。基準電圧を判定するための良好な時間は、約10秒である。しかし、バッテリが充電される間に無線機がオンのまま放置されるような環境やこの環境により無線機がスケルチしない場合には、基準電圧をより良く判定するためにはもっと長い期間が必要になることもある。バッテリ電圧の読み取り値をいくつか得ることにより、バッテリ306の実際の基準電圧を得るためのより良い保証が得られる。この基準電圧は、バッテリが全容量を維持するための理想的な基準電圧を表す。
基準電圧または正常なＢ＋電圧が判定されると、好適な実施例における0.6ボルトからの標準電圧降下を基準から減じて、下限または最小充電閾値を決定する。電圧範囲を設定するこの手段は、好ましくは監視回路314内に格納された制御ソフトウェアを用いることにより監視回路314により実行される。基準電圧418が上限閾値となり、下限閾値420は基準電圧から所定の電圧を減ずることにより設定される。これにより、基準Ｂ＋電圧マイナス監視回路314の記憶部に好ましくは格納される所定の許容電圧降下（この例では0.6V）を用いることにより、チャージャは、好適な実施例においては全容量の95％以内に確実に維持することができる。減じられる電圧レベルの所定量は、所定の基準電圧に基づく可変量とすることも、あるいはすべてのバッテリに関して固定量（たとえば、0.6V）とすることもできる。チャージャが一種類の再充電可能バッテリしか充電しない場合は、下限閾値420を判定するために固定電圧を用いて行うことができる。
電圧範囲の下限電圧閾値を決定するために動的基準電圧から減じられる電圧量により、充電電流の変化が起こる前に、バッテリがフル充電状態からどのくらい離れるかを判定する。表２では、9.2ボルトのフル充電電圧を有するフル充電されたバッテリ（約900maHの容量）と、約60maでバッテリを細流充電し、372分間にバッテリを放電する205maの外部負荷を有するチャージャの実例で以下の点が明らかになる：
0003547444.tif 000003
上限閾値（動的電圧レベル）と下限閾値との間の電圧範囲が0.6ボルトに設定されると、本発明が電荷消耗を補償する前にバッテリは確実に最大５％を消耗する。電圧範囲が0.8ボルトに等しい場合、バッテリは確実に最大10％を消耗し、0.9ボルト範囲では、、バッテリはバッテリ・チャージャが本発明により充電電流を変更する前に、確実に最大15％を消耗する。電圧範囲の下限を設定するために用いられる電圧降下量は、用いられるバッテリの充電容量，バッテリのチャージャにより充電される間にバッテリに与えられる負荷，用いられる細流充電速度などを含む多くの要因に依存する。好ましくは、チャージャ監視回路はいくつかの電圧降下レベルを有し、Rc308の測定値、または複数の他の要因の任意のものにより決定されるバッテリの充電容量に基づいて１つを選択する。このようにして、チャージャはバッテリ容量などに基づき、さらにカストマイズすることができる。
部分408は、チャージャが提供するよりも多くの電流を消耗するバッテリに負荷が印加される時間中のバッテリの電圧を示す。期間410の間、チャージャ監視回路314は、ポート318を介してＢ＋線を監視することによりバッテリ306の電圧が下限閾値に到達したことを判定し、チャージャ制御回路316は監視回路314により送付される命令語によって、より多くの細流充電電流をバッテリ306に供給し始める。充電電流増加量は暫進的であり、バッテリの電圧が閾値より下がり続けると増大する。バッテリ306に供給される細流充電速度における充電量は、好ましくは期間408の電圧傾斜に依存する。これは、バッテリ306に提示される負荷を良好に表すので、監視回路314はバッテリの電荷消耗を充分に補償することができる。期間412の間、バッテリに印加された負荷が除去され、バッテリは失った電荷量を取り戻し始める。最後に期間414で、チャージャ監視回路314は、バッテリが上限閾値418（バッテリ基準電圧）に到達したことを判定し、チャージャはその標準細流充電速度を維持してバッテリをフル充電状態（battery topped−off）に保つ。
本発明の好適な実施例が図示および説明されたが、本発明はそれだけに限定されないことは明らかである。添付の請求項により定義された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、数多くの修正，変更，変形，置換および同等のものが当業者には可能であろう。
要約すると、本発明の充電法は、充電される各バッテリに関して異なる基準電圧を決定し、チャージャの細流充電速度がバッテリの状態に基づき最適な速度に動的に維持される。たとえば、本発明のチャージャは、その充電速度を削減してバッテリの過熱を防いだり、あるいはバッテリに対する充電速度を増大して、バッテリが充電される間にバッテリに付属される活動中の無線機がある場合にバッテリ電荷の損失を避けることができる。本発明は、充電中のバッテリの独自の基準電圧に基づく所定の電圧範囲内にバッテリ電圧を維持する。これにより、バッテリを過熱させずにその基準電圧近くに維持する充電法が得られる。
【図４】
0003547444.tif 000004
【図１】
0003547444.tif 000005
【図２】
0003547444.tif 000006
【図３】
0003547444.tif 000007