(57)【要約】本願発明は、二次電池を高速充電するための方法及び前記方法を実施するための装置に関する。高速充電は、DC電源電圧を脈動電圧に変換することによって達成される。前記脈動電圧は、充電されるべき前記二次電池に送られる。前記脈動電圧は、約100マイクロ秒から10マイクロ秒の間の中断期間を伴い、約10マイクロ秒の時間間隔で前記電池に送電される。
2005530476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ)AC供給電圧UACを、その電圧が充電されるべき二次電池の公称電圧の約２倍に等しいDC電圧UDCに変換する段階と、
ｂ)電流パルスのピークが充電されるべき前記二次電池の容量の30倍から40倍となるように、前記段階で得られた前記DC電圧UDCをパルス期間T1と中断期間T2を伴う脈動電圧UPに変換する段階と、
ｃ)前記脈動電圧UPのパルス間での前記中断期間T2が充電されるべき電池内の電圧に依存し、充電されるべき前記二次電池に前記脈動電圧UPを送る段階と、
ｄ)少なくとも１回、前記二次電池の充電を測定する段階と
を具備することを特徴とする二次電池を高速充電する方法。
【請求項２】
前記第１の段階によって得られた前記DC電圧UDCの高さは、180％から220％の間を変動し、かつ、好ましくは充電されるべき前記二次電池の前記公称電圧の190％から210％との間を変動することを特徴とする請求項１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項３】
前記二次電池が空の場合、前記脈動DC電圧UPの前記パルス期間T1は、約10マイクロ秒であり、かつ、前記中断期間T2は約100マイクロ秒であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項４】
前記二次電池の充電によって、前記中断期間T2は連続的に約10マイクロ秒ずつ増加することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項５】
前記二次電池が空の場合、前記第２の段階によって得られた前記脈動電圧UPのパルス周波数は、1kHzから15kHzの間、好ましくは5kHzから10kHzの間を変動することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項６】
前記二次電池が空の場合、前記パルス期間T1と前記中断期間T2の割合が1:5から1:10まで、好ましくは1:8まで変動することを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項７】
ａ)前記二次電池の充電の際に前記時間T4での各測定の間の期間T3においての中断を第１発生器で発生する段階と、
ｂ)前記中断T3を第２発生器に送る段階と、
ｃ)前記第２発生器において時間T5の実際の測定パルスを発生する段階と、
ｄ)前記期間T3の間、前記二次電池の高速充電を停止する段階と、
ｅ)前記第２発生器から、T5の継続期間内で短絡されるデジタルスイッチまで前記パルスを送る段階と、
ｆ)前記期間T3の前記二次電池の開放端子電圧を、前記脈動パルス内で、かつ、それの終わり近くで測定する段階と
を具備することを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１の充電方法によって充電されるべき二次電池の開放端子電圧を測定する方法。
【請求項８】
前記二次電池の充電のブレークアップの前記期間T3は約0.1秒であり、２つの続く測定間で前記期間T4は約10秒であることを特徴とする請求項７に記載の充電されるべき二次電池の開放端子電圧を測定する方法。
【請求項９】
前記二次電池の前記開放端子電圧の測定の前記期間T5は約0.01秒であることを特徴とする請求項７に記載の充電されるべき二次電池の開放端子電圧を測定する方法。
【請求項１０】
入力が前記AC供給電圧(UAC)に接続されたAC/DC変換器(1)と、前記変換器(1)と直列に接続され、かつ、２つの続くパルス間の前記中断T2を伴う期間T1の脈動電圧(UP)を発生するパルス発生器(2)とを備え、
前記変換器は、DC電圧(UDC)をその出力端に供給し、
前記パルス生成器(2)の前記出力端は、好ましくは0.1以下のできるだけ低い抵抗を有する経路を介して、充電されるべき二次電池(3)と直列に接続され、かつ、前記二次電池(3)の前記開放端子の測定増幅器(4)及び制御部(5)と並列に接続され、
前記測定増幅器は、２つの続く測定パルス間の前記期間T3と前記中断期間T5の測定パルスを生成することを特徴とする請求項１から９のうちいずれか１に記載の方法によって二次電池を高速充電する装置。
【請求項１１】
前記二次電池(3)の前記開放端子電圧の測定増幅器(4)は、２つの続く測定間の前記時間T4内に前記期間T3の前記二次電池の充電を中断する発生器(6)によって構成され、
前記中断は、測定時間間隔内で、かつ、前記期間T3による前記二次電池の充電のブレークアップの終わり近くで、前記二次電池の前記開放端子電圧の実際の読み出し時間T5をその出力として生成する前記第２発生器(7)に送られ、
前記時間T5は、前記測定時間間隔の前記期間T3よりも実質的に短く、
前記測定増幅器はさらに、前記第２発生器(7)だけでなく、経路(4a)を介して前記電池(3)に接続されるデジタルスイッチ(8)と、アナログメモリ(9)と、比較器(10)とから構成され、
前記比較器(10)は、経路(4b)を介して前記パルス発生器(2)に接続され、
前記第１発生器(6)は、前記経路(4b)を介して前記パルス発生器(2)に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池を高速充電する装置。
【請求項１２】
前記中断期間T4は、約10秒であり、前記測定パルス期間T３は、0.1秒であり、かつ、前記読み出し時間は約0.01秒であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の二次電池を高速充電するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池を高速充電(fast-charging)するための方法及び前記方法を実施するための装置に関し、特に、二次電池(secondary battery)の種類とは関係なく、二次電池を高速充電するための方法に関し、前記二次電池は、交流(alternating)及びその他の主要電源(main supply)それぞれからの電力によって充電される。
【背景技術】
【０００２】
前記二次電池を充電するための前記方法及び/又は装置は公知であり、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載されている。公知のあらゆる解決策の主な問題は、前記二次電池、特に、鉛電池の充電時間が相対的に長いことにある。前記二次電池を高速充電するための解決策もあるが、これらの解決策によると、２回又は３回の繰り返し充電後、電池が全体的に破損及び使い物にならなくなる。
【特許文献１】欧州特許出願公開第0665626号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第0865141号明細書
【特許文献３】英国特許出願公開第2050721号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第3863129号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、既知の解決策の欠点を取り除き、かつ、二次電池の種類に関係なく二次電池を高速充電可能な、二次電池を高速充電する方法を提供することである。
【０００４】
本発明の他の目的は、それ自体の充電中に二次電池の充電を測定するための方法を提供することである。
【０００５】
本発明のさらに別の目的は、二次電池の高速及び確実で多様な(multiple)充電、かつ、それ自体の充電中に前記電池の前記充電の測定が可能な装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の前述の目的及び他の目的は、AC供給電圧をDC電圧に変換する段階と、前記段階で得られた前記DC電圧を脈動電圧(pulsating voltage)に変換する段階と、前記脈動電圧を充電されるべき二次電池に送る(transmit)段階と、少なくとも１回、前記二次電池の充電を測定する段階とを具備する二次電池の高速充電方法により達成される。
【０００７】
前記二次電池を高速充電するために必要とされるDC電圧の総量は、充電されるべき前記二次電池の前記電圧及びセル数によって決まる。ここで、前記第１段階によって得られた前記DC電圧は、充電されるべき前記二次電池の公称電圧(nominal voltage)の約２倍である。前記DC電圧は、充電期間中には充電されていない状態を維持するが、それは全充電過程中、実質的に変わらない状態のままであり、かつ、充電されるべき前記二次電池の容量の30倍から40倍に等しい充電電流のピーク値を決定することになる。充電されるべき前記二次電池の電圧は、充電過程中、測定増幅器により測定され、かつ、前記電池のプリセット電圧値と比較される。
【０００８】
充電パルス(charging pulse)のPWM変調は、前記電圧を調整するために用いられる。MOSFETトランジスタ上の損失がほとんどなく、それによってさらに効率的な高速充電になるので、固定期間(length)充電パルス及び可変期間の中断を伴う変調が特に有効であることが示されている。
【０００９】
前記第１段階により得られた前記DC電圧の高さは、充電されるべき前記二次電池の前記公称電圧の180％から220％の間、好ましくは、190％から210％の間を変動する。
【００１０】
前記二次電池が空の場合、前記第２段階により得られた前記脈動DC電圧のパルス期間は約10マイクロ秒であり、かつ、中断期間は約100マイクロ秒である。前記二次電池の充電に従って、前記中断期間は長くなり、かつ、充電過程の終わりには約10マイクロ秒になる。
【００１１】
さらに、前記第２の方法段階により得られた前記脈動電圧のパルス周波数は、1kHzから15kHzの間、好ましくは、5kHzから10kHzの間で変動することが、完全に空の二次電池の最適条件として示されている。5kHzより低い周波数は、前記二次電池のオーバーヒートを引き起こし、かつ、10kHzより高い周波数は、大半は充電されるべき電池のインピーダンスを増加させる。２つの続くパルス(the two subsequent pulse)間でのパルス継続期間(duration)と時間との間の比率は、1：5から1：10まで、好ましくは、1：8の範囲で変動する。
【００１２】
本発明による前記二次電池を高速充電するための方法は、あらかじめ形成された二次電池に対してのみ適用されうる。ということはつまり、初めは、前記充電パルスがそれらの通常の状態よりも約5％から10％長い本発明による方法によって二次電池は充電されるべきである。後の各高速充電は、上記したように実施される。前記二次電池の前記構成は、新品の二次電池だけでなく、すでに消耗した二次電池にも適用してもよいし、または、前記二次電池の構成は、それについての製品の一部を構成してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による方法を実施するための装置は、一例として、添付の図面を参照することによってさらに説明される。
【００１４】
図１の矩形点線内に、電池、特に二次電池を高速充電するための装置が図示されている。前記装置は、本質的には(per se)電池タイプに依存しないものである。前記装置は、入力側がAC供給電圧UACと接続され、かつ、その出力であるDC電圧UDCを供給する、AC電圧からDC電圧への変換器1を備える。前記変換器1によって供給された前記DC電圧UDCの値は、充電されるべき二次電池3の公称電圧の約２倍に等しい。前記変換器1は、２つの続くパルス間での期間T1と中断T2の脈動電圧UPを供給するパルス発生器2と直列に接続される。二次電池3が空の場合、前記DC電圧UPの前記パルス期間T1は、約10マイクロ秒であるが、一方、前記中断期間T2は、約100マイクロ秒である。ここでは、前記二次電池3の充電に基づいて、前記中断期間T2が前記二次電池3の充電のレベルによって決まり、かつ、連続的に約10ミリ秒ずつ増加する。前記パルス発生器2は、1kHzから15kHzの間で変動する一定の周波数で前記脈動電圧UPのパルスを発生する。前記周波数が5kHzから10kHzの間で変動する場合、それが特に好都合であることがわかる。さらに、前記二次電池の前記電圧及びセル数によって決まる前記DC電圧UDCは、以下に示すように定義されることがわかる。
【００１５】
例えば、２Ah(アンペアアワー)までの容量があるPb電池の場合
ＵDC＝２×ＵC×ＮC×1.25
例えば、２Ah以上の容量があるPb電池の場合
ＵDC＝２×ＵC×ＮC×0.9
ここで、UCはセルの前記電圧を、NCは電池内のセル数を表している。
【００１６】
前記パルス発生器2の出力は、充電されるべき前記二次電池3と直列に接続されている。一方、前記パルス発生器2の出力は、接続4a,4bによって、前記二次電池3の開放端子(open terminals)電圧を測定する測定増幅器4と並列に接続され、かつ、制御部5と並列に接続される。前記パルス発生器2と前記電池3との間の前記接続ができるだけ低い抵抗として提供されることは、非常に重要である。特に、前記抵抗が0.1オームより低い場合、満足な結果が得られる。一般的に言えば、本発明による前記装置内の各構成要素間の各接続は、有利には0.1オーム以下のできるだけ低い抵抗を有するべきである。
【００１７】
前記二次電池の開放端子電圧を測定するための前記増幅器4は、(点線で囲まれている)図２を参照して詳細に説明される。第１パルス発生器6は、時間間隔(interval)、すなわち、２つの連続する測定間のそれぞれの期間T3と時間T4を用いてブレークアップ(break-up)を行う測定時間間隔と継続時間を発生する。ここで、２つの連続する測定時間間隔の間での前記時間間隔T4は、約10秒であるが、一方で、前記ブレークアップ時間間隔T3は約0.1秒持続する。前記時間間隔T3,T4は、(図４の斜線部分に示すように)測定時間間隔内で、かつ、前記期間T3での前記二次電池3の充電のブレークアップの終わり近くで、前記二次電池の開放端子電圧の実際の読み出し時間T5をその出力として生成する前記第２発生器7に送られる。前記時間T5は、前記測定時間間隔の前記期間T3よりも実質的に短く、かつ、約0.01秒である。前記時間T5内において前記第２発生器からの前記パルスは、デジタルスイッチ8を短絡させ(put into)、かつ、前記電流は、ある特定の場合にキャパシタであるアナログメモリ9に前記二次電池3から経路4aを介して流れる。前記アナログメモリ9は、前記電流の状態、すなわち前記電池の実際の開放端子電圧を記憶する。前記アナログメモリ9は、前記アナログメモリ9内の電圧と比較され、比較電圧が格納される比較器10と接続される。前記アナログメモリ9内の電圧が比較されるものと等しいか、またはそれ以上である場合、前記比較器は、前記二次電池3の充電をブレークアップするための信号を、経路4bを介して前記パルス発生器に送る。さもなければ、前記過程は、上記説明したように継続する。
【００１８】
２つの連続する測定時間間隔の間での前記時間間隔T4におけるパルスは、前記経路4bを介して、前記第１発生器6から結果として前記二次電池3の充電をブレークアップする前記パルス発生器2に送られる。前記比較器10からの充電中止は、前記第１発生器6のパルスに基づく中止とは全く独立している。前記二次電池3の充電開始そのものの時点で、それがまだ空な場合に、充電は前記第１発生器6によって中止される（switched off）。後に、前記二次電池3が充満すると、充電は、前記比較器10によって中止される（switched off）。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】充電装置を示すブロック図である。
【図２】二次電池の充電を測定する装置(unit)を示すブロック図である。
【図３】脈動電圧間隔の時間依存度の概略図である。
【図４】測定時間間隔の時間依存度の概略図である。
【符号の説明】
【００２０】
１    変換器
２    パルス発生器
３    二次電池
４    測定増幅器
５    制御部
６    第１パルス発生器
７    第２発生器
８    デジタルスイッチ
９    アナログメモリ
１０  比較器
【図１】
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【図２】
2005530476.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005530476.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月28日(2005.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ)AC供給電圧UACを、その電圧が充電されるべき二次電池の公称電圧の約２倍に等しいDC電圧UDCに変換する段階と、
ｂ)電流パルスのピークが充電されるべき前記二次電池の容量の30倍から40倍となるように、前記段階で得られた前記DC電圧UDCをパルス期間T1と中断期間T2を伴う脈動電圧UPに変換する段階と、
ｃ)前記脈動電圧UPのパルス間での前記中断期間T2が充電されるべき電池内の電圧に依存し、充電されるべき前記二次電池に前記脈動電圧UPを送る段階と、
ｄ)少なくとも１回、前記二次電池の充電を測定する段階と
を具備し、
前記ｄ)段階は、
i.    前記二次電池の充電の際に前記時間T4での各測定の間の期間T3においての中断を第１発生器で発生する段階と、
ii.   前記中断T3を第２発生器に送る段階と、
iii.  前記第２発生器において時間T5の実際の測定パルスを発生する段階と、
iv.   前記期間T3の間、前記二次電池の高速充電を停止する段階と、
v.    前記第２発生器から、T5の継続期間内で短絡されるデジタルスイッチまで前記パルスを送る段階と、
vi.   前記期間T3の前記二次電池の開放端子電圧を、前記脈動パルス内で、かつ、それの終わり近くで測定する段階と
を具備することを特徴とする二次電池を高速充電する方法。
【請求項２】
前記第１の段階によって得られた前記DC電圧UDCの高さは、180％から220％の間を変動し、かつ、好ましくは充電されるべき前記二次電池の前記公称電圧の190％から210％との間を変動することを特徴とする請求項１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項３】
前記二次電池が空の場合、前記脈動DC電圧UPの前記パルス期間T1は、約10マイクロ秒であり、かつ、前記中断期間T2は約100マイクロ秒であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項４】
前記二次電池の充電によって、前記中断期間T2は連続的に約10マイクロ秒ずつ増加することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項５】
前記二次電池が空の場合、前記第２の段階によって得られた前記脈動電圧UPのパルス周波数は、1kHzから15kHzの間、好ましくは5kHzから10kHzの間を変動することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項６】
前記二次電池が空の場合、前記パルス期間T1と前記中断期間T2の割合が1:5から1:10まで、好ましくは1:8まで変動することを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項７】
前記二次電池の充電のブレークアップの前記期間T3は約0.1秒であり、２つの続く測定間で前記期間T4は約10秒であることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項８】
前記二次電池の前記開放端子電圧の測定の前記期間T5は約0.01秒であることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１に記載の二次電池を高速充電する方法。
【請求項９】
入力が前記AC供給電圧(UAC)に接続されたAC/DC変換器(1)と、前記変換器(1)と直列に接続され、かつ、２つの続くパルス間の前記中断T2を伴う期間T1の脈動電圧(UP)を発生するパルス発生器(2)とを備え、
前記変換器は、DC電圧(UDC)をその出力端に供給し、
前記パルス生成器(2)の前記出力端は、好ましくは0.1以下のできるだけ低い抵抗を有する経路を介して、充電されるべき二次電池(3)と直列に接続され、かつ、前記二次電池(3)の前記開放端子の測定増幅器(4)及び制御部(5)と並列に接続され、
前記測定増幅器は、２つの続く測定パルス間の前記期間T3と前記中断期間T5の測定パルスを生成し、かつ、
前記二次電池(3)の前記開放端子電圧の測定増幅器(4)は、２つの続く測定間の前記時間T4内に前記期間T3の前記二次電池の充電を中断する発生器(6)によって構成され、
前記中断は、測定時間間隔内で、かつ、前記期間T3による前記二次電池の充電のブレークアップの終わり近くで、前記二次電池の前記開放端子電圧の実際の読み出し時間T5をその出力として生成する前記第２発生器(7)に送られ、
前記時間T5は、前記測定時間間隔の前記期間T3よりも実質的に短く、
前記測定増幅器はさらに、前記第２発生器(7)だけでなく、経路(4a)を介して前記電池(3)に接続されるデジタルスイッチ(8)と、アナログメモリ(9)と、比較器(10)とから構成され、
前記比較器(10)は、経路(4b)を介して前記パルス発生器(2)に接続され、
前記第１発生器(6)は、前記経路(4b)を介して前記パルス発生器(2)に接続されることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１に記載の方法によって二次電池を高速充電する装置。
【請求項１０】
前記中断期間T4は、約10秒であり、前記測定パルス期間T３は、0.1秒であり、かつ、前記読み出し時間は約0.01秒であることを特徴とする請求項９に記載の二次電池を高速充電するための装置。
【国際調査報告】
2005530476.tif 000007
2005530476.tif 000008