(57)【要約】電池充電器は互いに直列接続された複数の電池部分（２０４〜２１４）を充電する。各電池部分（２０４〜２１４）は少なくとも１つのセルからなる。電池充電器は電池部分充電器（１００）を備え、電池部分充電器出力は、電池部分充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源（２３４）に対して電気的にフローティング状態にある。電池部分充電器（１００）は、複数の電池部分（２０４〜２１４）のうち、対応する１つの電池部分に並列接続されるように構成される。さらに、電池充電器は電池部分充電器（１００）を制御するコントローラ（２３２）を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列接続された複数のセルを充電する電池充電器において、
各セル充電器の出力が、セル充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にあり、各セル充電器が前記複数のセルのうち、対応する１つのセルに並列接続されるように構成される複数のセル充電器と、
前記複数のセル充電器に接続されて前記複数のセル充電器を制御するコントローラと、を備える電池充電器。
【請求項２】
前記セル充電器は、出力サイクルにおいて前記対応する１つのセルに定電流を供給するように構成されている、請求項１に記載の電池充電器。
【請求項３】
前記コントローラは、前記複数のセルに接続されるように構成される複数のセル電圧モニタを有し、前記複数のセル電圧モニタは、複数のセルに接続されたときに、前記複数のセルの個別セル電圧を監視する、請求項１に記載の電池充電器。
【請求項４】
前記セル充電器出力は、前記ＤＣ電源から電気的に絶縁するための変圧器出力を有する、請求項１に記載の電池充電器。
【請求項５】
前記セル充電器は、
前記変圧器出力に磁気結合されて前記変圧器出力を励起する変圧器入力と、
前記変圧器入力に電気接続されて前記変圧器を励磁する発生器と、
を有する、請求項４に記載の電池充電器。
【請求項６】
さらに、前記セル充電器は、前記変圧器出力に直列接続されて出力サイクルにおいて直流出力を供給するダイオードを有する、請求項４に記載の電池充電器。
【請求項７】
少なくとも１つのセルからなる各電池部分が互いに直列接続された複数の電池部分を充電する電池充電器において、
各電池部分充電器の出力が、電池部分充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にあり、各電池部分充電器が前記複数の電池部分のうち、対応する１つの電池部分に並列接続されるように構成される複数の電池部分充電器と、
前記複数の電池部分充電器に接続されて前記複数の電池部分充電器を制御するコントローラと、
を備える電池充電器。
【請求項８】
前記電池部分充電器は、出力サイクルにおいて前記対応する１つの電池部分に定電流を供給するように構成されている、請求項７に記載の電池充電器。
【請求項９】
前記コントローラは、前記複数の電池部分に接続されるように構成される複数の電池部分電圧モニタを有し、前記複数の電池部分電圧モニタは、前記複数の電池部分に接続されるに接続されたときに、前記複数の電池部分の個別電池部分電圧を監視する、請求項７に記載の電池充電器。
【請求項１０】
前記電池部分充電器出力は、前記ＤＣ電源から電気的に絶縁するための変圧器出力を有する、請求項７に記載の電池充電器。
【請求項１１】
前記電池部分充電器は、
前記変圧器出力に磁気結合されて前記変圧器出力を励起する変圧器入力と、
前記変圧器入力に電気接続されて前記変圧器を励磁する発生器と、
を有する請求項１０に記載の電池充電器。
【請求項１２】
さらに、前記電池部分充電器は、前記変圧器出力に直列接続されて出力サイクルにおいて直流出力を供給するダイオードを有する、請求項１０に記載の電池充電器。
【請求項１３】
互いに直列接続された複数のセルを充電する電池充電器用セル充電器において、
セル充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にある出力を有し、
前記セル充電器は前記複数のセルのうち、対応する１つのセルに並列接続されるように構成され、
前記セル充電器を制御するコントローラとインタフェースするコントローラインタフェースを有する、セル充電器。
【請求項１４】
前記セル充電器は、出力サイクルにおいて前記対応する１つのセルに定電流を供給するように構成されている、請求項１３に記載のセル充電器。
【請求項１５】
前記出力は、前記ＤＣ電源から電気的に絶縁するための変圧器出力を有する、請求項１３に記載のセル充電器。
【請求項１６】
さらに、
前記変圧器出力に磁気結合されて前記変圧器出力を励起する変圧器入力と、
前記変圧器入力に電気接続されて前記変圧器を励磁する発生器と、
を有する、請求項１５に記載のセル充電器。
【請求項１７】
さらに、前記変圧器出力に直列接続されて出力サイクルにおいて直流出力を供給するダイオードを有する、請求項１５に記載のセル充電器。
【請求項１８】
少なくとも１つのセルからなる各電池部分が互いに直列接続された複数の電池部分を充電する電池充電器用電池部分充電器において、
前記電池部分充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にある出力を有し、
前記電池部分充電器は前記複数の電池部分のうち、対応する１つの電池部分に並列接続されるように構成され、
前記電池部分充電器を制御するコントローラとインタフェースするコントローラインタフェースを有する、
電池部分充電器。
【請求項１９】
前記電池部分充電器は、出力サイクルにおいて前記対応する１つの電池部分に定電流を供給するように構成されている、請求項１８に記載の電池部分充電器。
【請求項２０】
前記出力は、前記ＤＣ電源から電気的に絶縁するための変圧器出力を有する、請求項１８に記載の電池部分充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して電池充電器に関し、特に、互いに直列接続された複数のセルを充電する電池充電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、所期の電池全電圧を得るために、個々のセルまたは部分を複数個、直列に接続したもので構成されることが多い。例えばリチウムイオン電池などのような種類の電池の場合、電池全体をバルク充電する際に、個々のセルが異なる速度で充電される可能性がある。いったん、最初にいずれかのセルが完全に充電されると、過充電防止のため、バルク充電動作を停止しなければならない。その結果、他の個々のセルが完全な充電に達しない状態で終わることになる。
【０００３】
また、ある種のアプリケーションでは、動作に２以上の電源電圧を必要とする回路が使用される場合がある。この種のアプリケーションでは、各部分を直列接続した全電池部分から与えられる電池全電圧を回路の一部で使用する一方で、電池部分の一部を、回路の他の部分で低電圧用電源として使用する。このため、この種のアプリケーションでは、電池の部分にが非対称な負荷を生じる結果、電池のある部分が他の部分より多く消費されることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、求められているものは、電池を過充電することなく、全ての個別セルまたは電池各部を全能力まで用いる電池充電器である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面は、互いに直列接続された複数のセルを充電する電池充電器である。電池充電器は複数のセル充電器を備え、各セル充電器の出力は、セル充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にある。セル充電器は、複数のセルのうち、対応する１つのセルに並列接続されるように構成される。さらに、電池充電器は複数のセル充電器に接続されて複数のセル充電器を制御するコントローラを備える。
【０００６】
本発明の別の側面は、互いに直列接続された複数の電池部分（各電池部分は少なくとも１つのセルからなる）を充電する電池充電器である。電池充電器は複数の電池部分充電器を備え、各電池部分充電器の出力は、電池部分充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にある。電池部分充電器は、複数の電池部分のうち、対応する１つの電池部分に並列接続されるように構成される。さらに、電池充電器は複数の電池部分充電器に接続されて複数の電池部分充電器を制御するコントローラを備える。
【０００７】
本発明の第３の側面は、互いに直列接続された複数のセルを充電する電池充電器用セル充電器である。セル充電器は、セル充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にある出力を備える。セル充電器は、複数のセルのうち、対応する１つのセルに並列接続されるように構成される。さらに、セル充電器はセル充電器を制御するコントローラとインタフェースするコントローラインタフェースを備える。
【０００８】
本発明の第４の側面は、互いに直列接続された複数の電池部分（各電池部分は少なくとも１つのセルからなる）を充電する電池充電器用電池部分充電器である。電池部分充電器は、電池部分充電器の電源として使用される直流（ＤＣ）電源に対して電気的にフローティング状態にある出力を備える。電池部分充電器は、複数の電池部分のうち、対応する１つの電池部分に並列接続されるように構成される。さらに、電池部分充電器は電池部分充電器を制御するコントローラとインタフェースをとるコントローラインタフェースを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１において、電気ブロック図は本発明に基づいた電池部分充電器１００の具体例を表している。電池部分充電器１００は、直流（ＤＣ）電源２３４（図２）からの電流を電池部分充電器１００に供給する直流（ＤＣ）電源入力ノード１０２を備える。さらに、電池部分充電器１００は変圧器を備え、この変圧器の一次巻線はＤＣ電源入力ノード１０２に接続されるとともに、変圧器一次巻線を励磁する発生器として機能するスイッチング素子１０６にも接続される。スイッチング素子１０６は、スイッチング素子１０６及び変圧器一次巻線に流れる電流を制御するコントローラインタフェースとして機能する制御ノード１０４を有する。スイッチング素子１０６は電流をＤＣ電源２３４に戻すためのコモンノード１０８に接続される。一実施形態において、スイッチング素子１０６は、ソースがコモンノード１０８に接続され、ゲートが制御ノード１０４に接続され、ドレインが変圧器一次巻線に接続されるＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成される。当然ながら、代替として、他の種類の素子でスイッチング素子１０６を構成してもよい。
【００１０】
さらに、変圧器は、変圧器一次巻線と相互結合する変圧器二次巻線１１２を有する。変圧器二次巻線１１２の一端はダイオード１１８を介して正充電出力１１６に接続され、他端は負充電出力１１４に接続される。変圧器出力は有効な電気的絶縁を果たし、これにより、複数の直列接続セルで構成される電池の他の部分に並列接続される他の同様な電池部分充電器と干渉することなく、正及び負充電出力１１６、１１４が同一電池の一部に並列接続される。
【００１１】
一実施形態において、コントローラ２３２（図２）は、電池部分充電器１００を制御するため、制御ノード１０４に制御信号を供給する。制御信号として、例えば、スイッチング素子１０６を「オン」するのに十分な電圧、例えば１０ボルトと０ボルト間で変化する、公称２５％デューティサイクルの矩形波が使用できる。したがって、コントローラ２３２は、制御信号のデューティサイクルを調整して温度やＤＣ電源電圧などの変数の変動を補償することにより、容易に所望の充電電流を維持することができる。調整が容易であることは、本発明に基づいた電池部分充電器１００のトポロジーの効果、利点である。
【００１２】
変圧器巻線及びダイオード１１８の極性は、スイッチング素子１０６がオンのときに、電流が変圧器一次巻線には流れるが変圧器二次巻線１１２には流れないような関係になっている。出力サイクルにおいてスイッチング素子１０６がオフになると、電池部分が接続されている限り、変圧器二次巻線１１２に略定電流が流れる。出力サイクルにおいて電池部分に送られるエネルギー量は、制御信号のパルス幅、及び変圧器一次巻線及び二次巻線１１０、１１２の磁気特性に依存する。４．１ボルトセルを充電する一実施形態において、変圧器一次インダクタンス１５０μＨ、変圧器二次インダクタンス１．８５μＨ、相互結合係数０．９９、ＤＣ電源電圧２８ボルトに対して、パルス幅２０マイクロ秒、周期４０マイクロ秒が使用された。勿論、充電アプリケーションの種類に応じて、様々な他の回路変数、電圧が使用可能である。
【００１３】
図２において、電気ブロック図は本発明に基づいた電池充電器の具体例を表している。電池充電器はＤＣ電源２３４に接続されるとともに、充電すべき複数の直列接続セル２０４〜２１４に接続される。直列接続セル２０４〜２１４は、好適には、出力ノード対２３８及び２４０に電池全電圧を出力する。電池充電器は複数の電池部分充電器１００を備え、各電池部分充電器１００の充電出力１１４、１１６は、各電池部分充電器１００のＤＣ電源入力ノード１０２に接続される電力出力ノード２３６から複数の電池部分充電器１００に電力を供給するのに使用されるＤＣ電源２３４に対して電気的にフローティング状態にある。さらに、電池部分充電器１００は、好適には、ＤＣ電源２３４とコモンノード１０８を共有する。各電池部分充電器１００は、複数のセル２０４〜２１４のうち、対応する１つのセルに充電出力１１４、１１６を介して並列接続されていて、コントローラ２３２からの要求時に定充電電流を当該セルに供給する。
【００１４】
さらに、電池充電器は、複数の電池部分充電器１００に接続されて複数の電池部分充電器１００を制御するコントローラ２３２を備える。コントローラ２３２は、好適には、複数のセル２０４〜２１４に接続されて複数のセル２０４〜２１４の電圧を検知する複数の電圧検知入力２３０を有する。さらに、コントローラ２３２は電圧モニタ２４２を有し、電圧モニタは複数の電圧検知入力２３０に接続されて複数のセルの各出力電圧を監視するともに、複数のコントローラ出力２１６〜２２６に接続される。コントローラ出力２１６〜２２６は、それぞれ、複数の電池部分充電器１００のうち、対応する１つの電池部分充電器に係る制御ノード１０４に接続され、電池部分充電器１００により充電される対応セル２０４〜２１４から検知した電圧に応じて、周知の方法で各電池部分充電器１００を制御する。コントローラ２３２の詳細な構造は、電池充電器が適用されるアプリケーションに依存する。大容量リチウムイオン電池に適したコントローラ２３２の好例が米国特許出願（代理人整理番号H0002567、名称「CELL BUFFER WITH BUILT-IN TEST（ビルトインテストを備えたセルバッファ）」、出願人William E. Ott 他、出願日２００２年７月１日）に開示されている。この米国特許出願は本件にリファレンスとして組み込まれる。
【００１５】
図２の電池充電器において、各「電池部分」は１個のセルで構成されているが、任意の１つの電池部分は複数のセルで構成されてもよいことは明らかである。事実、本発明に基づいた電池充電器は、各電池部分が互いに直列接続される構成において、単一セルからなる電池部分と複数セルからなる電池部分の混合体にも全く同様に適用可能である。このような混合体の場合、各電池部分充電器１００の電気的及び磁気的変数は、好適には、各電池部分充電器１００が充電する個々の電池部分の容量に応じて、適切なエネルギー量が送られるように配分、調整される。各電池部分が１個のセルで構成されるアプリケーションで使用される電池部分充電器１００は、本件において、「セル充電器」と呼ばれることがある。
【００１６】
図３において、電気ブロック図３００は、本発明に基づいた電池部分充電器１００を電磁妨害（ＥＭＩ）が除去、抑制されるように変更したものである。この電池部分充電器３００は、図１に示される電池部分充電器１００と似ており、基本的な相違は変更前の電池部分充電器１００から発生するＥＭＩを抑制するための通常の素子３０２〜３１０を付加した点である。素子３０２〜３１０は、ＥＭＩが問題になるようなアプリケーションで電池部分充電器１００が使用されるときに付加するとよい。素子３０２〜３１０の詳細な値はアプリケーション次第であり、当業者には十分に明らかであろう。
【００１７】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電池を過充電することなく、全ての個々のセルまたは電池部分を完全な充電可能な電池充電器が提供される。有益にも、電池充電器において使用される電池部分充電器は、複数の直列接続セルで構成される電池の他の部分に並列接続される、他の同様な電池部分充電器と干渉することなく、同一電池の一部に並列接続可能である。
【００１８】
以上の開示内容にから、本発明は様々な変更、変形が可能である。したがって、特許請求の範囲内において、前記記載以外の態様で本発明の実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に基づいた電池部分充電器の具体例を示す電気ブロック図である。
【図２】ＤＣ電源及び充電すべき複数の直列接続セルに接続される、本発明に基づいた電池充電器の具体例を示す電気ブロック図である。
【図３】ＥＭＩ抑制機能を備えるようにした、本発明に基づいた電池部分充電器の具体例を示す電気ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年2月23日(2005.2.23)
【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】
互いに直列接続された複数のセルを充電する電池充電器において、
各セル充電器の出力（１１４、１１６））が、セル充電器を電力供給する電源として使用される直流（ＤＣ）電源（２３４）に対して電気的に絶縁され、各セル充電器出力が前記複数のセル（２０４−２１４）の対応する１つのセルに並列接続されるように構成される複数のセル充電器（１００）と、
前記複数のセル充電器に接続されて前記複数のセル充電器を制御するコントローラ（２３２）と、を備え、
前記セル充電器出力は、前記ＤＣ電源（２３４）から電気的に絶縁するための変圧器出力（１１２）を有する、
電池充電器。
【請求項２】
前記コントローラは、前記複数のセルに接続されるように構成される複数のセル電圧モニタ（２４２）を有し、前記複数のセル電圧モニタは、複数のセルに接続されたときに、前記複数のセルの個別セル電圧を監視する、請求項１に記載の電池充電器。
【請求項３】
各前記セル充電器は、
前記変圧器出力（１１２）に磁気結合されて前記変圧器出力を励起する変圧器入力（１１０）と、
前記変圧器入力（１１０）に電気接続されて前記変圧器を励磁する発生器（１０６）と、
前記変圧器出力（１１２）に直列接続されて出力サイクルにおいて直流出力を供給するダイオード（１１８）と、
を含む、請求項１に記載の電池充電器。
【国際調査報告】
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