(57)【要約】鉛蓄電池の寿命を有利に延長するように鉛蓄電池を充電する方法が説明される。充電プロセスの終了が、印加される充電電圧の第１の導関数（ｄｖ／ｄｔ）と第２の導関数（ｄ２ｖ／ｄｔ２）との評価に基づいている。充電基準として第１の導関数（ｄｖ／ｄｔ）と第２の導関数（ｄ２ｖ／ｄｔ２）とを使用することによって、電池から以前に取り除かれたアンペア時の正確な量を計算に入れる過充電の量が電池に印加される。本発明の充電プロセスを実行する充電器構成も説明される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディープサイクル鉛蓄電池を充電する方法であって、
こうした電池に充電エネルギーを印加することと、
充電プロセスにおける９８％充電点を識別することと、
アンペア時を単位として供給される充電を監視することと、
前記電池を完全充電のほぼ１１０％に過充電するように印加されるべき残りの充電エネルギーを求めることと、
前記電池に前記残りの充電エネルギーを印加することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記９８％充電点を求める段階は、
「印加された充電電圧」対「時間」の変化の速度（ｄｖ／ｄｔ）が最大値である時点を求めることと、
時間に対する電圧の加速度（ｄ2ｖ／ｄｔ2）がゼロである時点を求めることと、
を含む、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記残りの充電エネルギーを求める段階は、
０．９８と、前記電池の充電容量の９８％に前記電池を充電するために印加される前記充電エネルギーとの積を、所望の過充電のパーセント値に等しい小数で割り算すること、
を含む、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記残りの充電エネルギーを印加する段階は、さらに、
充電エネルギーの印加の終了の前に電池セル電圧を監視することと、
「充電電圧」対「時間」の変化の速度（ｄＶ／ｄｔ）がゼロであるまで前記充電プロセスを延長することと、
を含む、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記充電プロセスを延長する段階は、さらに、予め決められた時間が超えられると直ぐに前記充電を終了させることを含む、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記予め決められた時間が約１６時間である、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
開回路電池電圧を監視する段階と、
前記開回路電圧が所望レベルよりも低下する場合に充電を開始する段階と、
をさらに含む、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
最も最近の充電シーケンス以来の予め決められた時間の後に充電を開始する段階をさらに含む、ディープサイクル鉛蓄電池を充電する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
開放型ディープサイクル鉛蓄電池を充電する方法であって、選択された充電プロファイルにしたがってこうした電池に充電エネルギーを印加する段階と、前記電池の状態が前記電池の完全充電状態に対する既知の関係を有する前記プロセス中の時点を識別し、および、前記プロセスの開始からその時点までに前記電池に供給される充電エネルギーの第１の量を求める段階と、前記第１の量に関係付けられている選択された量だけ前記電池が過充電されることを引き起こすために前記電池に印加される時に適切である更なる充電エネルギーの第２の量を求める段階と、前記第２の量の充電エネルギーを前記電池に印加する段階と、を含む方法。
【請求項１０】
開放型ディープサイクル鉛蓄電池を充電する方法であって、
こうした電池に充電エネルギーを印加する段階と、
前記電池に供給される量とそのｄｖ／ｄｔおよびｄ2ｖ／ｄｔ2の様相とに関して、ｄｖ／ｄｔが最大でありかつｄ2ｖ／ｄｔ2＝０である前記プロセス中の時点における前記電池に供給される充電エネルギーの量に関する情報を使用することによって、前記充電エネルギーを監視し、および、前記量に関係付けられている予め決められた度合いに前記電池を過充電するために適切な前記量に対して付加される設定された量の充電エネルギーをその時点を超えて求めて前記電池に供給する段階と、
を含む方法。
【請求項１１】
開放型ディープサイクル鉛蓄電池を充電する方法であって、
前記電池の初期充電不足量に等しい量の充電エネルギーをこうした電池に印加する段階と、
前記充電不足量の選択されたパーセント値として予め決められた度合いに前記電池を過充電するために適切な充電エネルギーのさらに別の増分を前記電池に印加する段階と、
を含む方法。
【請求項１２】
ディープサイクル鉛蓄電池を充電する電池充電装置であって、
直流電流源と、
電圧計と、
電流計と、
タイマと、
ｄｖ／ｄｔ測定回路と、
ｄ2ｖ／ｄｔ2測定回路と、
を備える電池充電装置。
【請求項１３】
前記直流電流源と前記電流計と前記タイマと前記ｄｖ／ｄｔ測定回路と前記ｄ2ｖ／ｄｔ2測定回路とに接続されている制御装置を含み、前記制御装置は、電池がおおむね完全充電の設定されたパーセント値にある電池再充電事象中の時点を求めるように、および、関係ＱS／ｐ＝ＱD／（１＋ｘ2）からＱDの値を求めるように構成されており、ここでＱSは、前記再充電事象の開始から前記電池が前記完全充電の設定されたパーセント値をおおむね有する時点までの時間期間中に前記電池に供給される充電エネルギーのアンペア時であり、ｐは前記設定されたパーセント値に等しい小数であり、ｘは、過充電量として前記電池に供給されるべき補充充電の所望のパーセント値の量に等しい小数であり、および、ＱDは、前記過充電の量に達するために前記再充電事象の開始から前記電池に供給されるべきアンペア時である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ｐの値がおおむね０．９８である、請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
ｘは約０．０８から約０．１２の範囲内である、請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
ディープサイクル鉛蓄電池を充電する装置であって、電圧測定装置と、電流測定装置と、タイマと、この装置によって充電されている電池が、完全充電かまたはそれよりも少ない状態である予め決められた充電状態を電池が有する充電事象中の時点に何時あるかを判定するように、および、その充電事象中のその時点に前記電池に供給される充電エネルギーの量の選択されたパーセント値だけ前記電池を過充電するのに有効な充電エネルギーの量の、その時点を超えた前記電池に対する印加を求めて制御するように動作する機構と、を含む組合せを具備することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開放型ディープサイクル鉛蓄電池の再充電プロセスの終了を制御する方法に関する。さらに特に、本発明は、最も最近の先行の電池充電事象の後に放電されたエネルギーの量に直接的に関係付けられている再充電エネルギーの量をこうした電池に供給する手順に関する。本発明は、さらに、こうした手順を具体化する装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル鉄電池、リチウム電池、銀カドミウム電池、および、ディープサイクル鉛蓄電池のような様々な異なる種類の再充電可能な蓄電池が知られている。ディープサイクル鉛蓄電池は、例えば従来の自動車に使用されている電池のようなＳＬＩ（始動（starting）、照明（lighting）、点火（ignition））鉛蓄電池とは異なっている。ＳＬＩ電池は、大幅な充電と再充電との反復サイクルに耐えるように設計も構成もされておらず、したがって本発明の意味では再充電可能な電池ではない。
【０００３】
米国特許第4,392,101号および第4,503,378号のような特許から、電池が完全充電状態にあるということ、または、電池が完全充電状態には達していないが完全充電状態に近い比較的予測可能な局面にあるということを示す仕方で電池の再充電中に変化する再充電可能電池の特定の特徴が、電池の種類に係わらずに存在するということが公知である。これらの特許と他の刊行物は、この特徴を監視するための、および、この特徴の特定の事象や条件や状態を検出し、電池充電プロセスを終了させるように、または、事前設定された時間にわたってもしくは事前設定された仕方で充電を継続させるようにこの検出を使用するための装置および方法を説明する。こうした事前設定された仕方は、典型的には、検出された事象の時点で使用されている充電プロセスとは異なる充電プロセスを使用する。こうした充電事象検出方法は変曲分析法（inflection analysis method）として知られているが、これは、この方法が、例えば充電プロセス中の、電池電圧または電池電流の変化を示す時間ベースの曲線における特定の変曲点の検出に基づいているからである。現在までに説明されている変曲分析は、大半の種類の再充電可能電池の再充電を制御する上で有効であるが、上述したような変曲分析は、電池電解質がゲルのような何らかの支持マトリックスの中に拘束されてはいない液体（典型的には硫酸）である開放型ディープサイクル鉛蓄電池の再充電を制御するのには、あまり適切には役立たないということが判明している。
【０００４】
開放型ディープサイクル鉛蓄電池は、ゴルフカー、フォークリフトトラック、および、シザーリフト車両のような電動車両のためのエネルギー源として広く使用されている。この鉛蓄電池は、さらに、病院や他の建物と施設とにおける無停電電源の中で使用され、および、光発電電力設備の構成要素として使用されている。上述したような変曲分析法が開放型ディープサイクル鉛蓄電池の再充電を制御するためにはあまり役立たない理由が、一例としての電気ゴルフカーのこうした電池の使用から理解されることが可能である。
【０００５】
電気ゴルフカーは、４個または６個等の開放型ディープサイクル鉛蓄電池の組によって給電される。どのゴルフコースにも、ゴルファーによって利用可能なこうしたゴルフカーの集団がある。この集団の中の個々のゴルフカーは、その集団の中の他のゴルフカーよりも古い電池を有することがある。特定のゴルフカーが他のゴルフカーよりも頻繁に使用されることがある。幾台かのゴルフカーが、日によって他のゴルフカーよりも長時間にわたって使用されることがある。幾台かのゴルフカーが、それを使用するゴルファーの状況や走行した地形の違いや他の理由に応じて、日によって他のゴルフカーよりも過酷な使用条件を被ることがある。さらに、ゴルフカー集団中のすべての電池が同一の製造業者からのものであり、かつ、同一の公称上の古さである場合にさえ、電池の性能と寿命に影響を与える可能性があり、および、重要なことであるが再充電プロセスに電池が応答する仕方に影響を与える可能性がある種類の、電池相互間の著しい差異がなお存在するということが知られている。したがって、その集団内のゴルフカーが再充電されることになっている１日の最後には、ゴルフカーごとに電池の放電状態の間に大きな差異がある可能性があり、したがって、電池がどのように充電される必要があるかに関してゴルフカーごとに当然の大きな差異がある可能性がある。集団全体にわたる均等な再充電手続きが、幾つかの電池が不十分にしか再充電されないこと、または、この方がさらに可能性が高いが、電池の大半が著しく過充電されることを引き起こすだろう。こうした電池の著しい過充電は電池寿命を低減させる。一般的に、ゴルフカー集団を再充電するために雇われている人間は、こうした著しい過充電の影響と、過充電が生じている時点を判定する方法とを理解していない。したがって、電気ゴルフカーで使用される電池が、著しい過充電を回避する装置およびプロセスによって再充電され、および、放電状態、古さ、製造上のばらつき等を原因とする電池相互間の差異を本来的に吸収し処理する仕方で再充電されることが望ましい。
【０００６】
ディープサイクル鉛蓄電池は、完全充電状態からの多量の放電と、放電状態から完全充電状態への再充電との反復サイクルに耐えるように設計されている。液体電解質を使用しない他種の再充電可能な電池に比較して、開放型ディープサイクル鉛蓄電池の液体酸電解質（liquid acid electrolyte）は、特定の電池、または、互いに組み合わされて繰り返し使用される少数の電池の特定の組が、再充電事象が開始される時点の電池の状態にその度合いが関係付けられている、制御された過充電を実現する仕方で再充電されることを必要とする特別な条件をもたらす。言い換えると、開放型ディープサイクル鉛蓄電池の効果的な再充電は、理想的には、電池の最も最近の先行デューティサイクル（最も最近の先行充電事象以来の使用期間）中に電池から取り除かれた（放電された）エネルギーの量によって決定される、制御された過充電を含まなければならない。この理由は、先行のデューティサイクルとそれに続く再充電事象との最中に液体電解質に生じるものに関係している。
【０００７】
鉛蓄電池のセルが放電すると、電解質中の酸イオンがセル電極に移動し、および、酸素原子がセルの活物質から電解質の中に移動し、電解質の水素イオンと共に水を形成する。したがって、電解質の酸が漸進的に希釈され、その比重がより高い開始比重から漸進的に１．０に近づく。セルが再充電される時には、そのイオン交換プロセスが、電解質の酸と活物質との再生を生じさせるために逆転させられる。電解質が、ゲルマトリックス中に存在している場合とは反対に、自由な液体としてセル中に存在している（すなわち、セルが開放型である）ならば、その再生された酸は、希薄な電解質よりも重いので、その生成時にセルの底に沈む。再充電プロセスが進行するにつれて、ますます高濃度になる再生された酸がセルの底に集まる。セルの活物質が完全に再生され終わった時点で、理論的にはセルはクーロンベースで完全に充電されている。しかし、このセルは、電解質の層状化のせいで、蓄積されたエネルギーを供給するために使用することには適した状態ではない。電解質はセル全体にわたって均一な酸性度になく、したがって、再生された酸電解質は、再生された活物質に対してその再生活物質の全面積にわたって均一に有効な接触状態にあるわけではない。セルがこの時点で放電することを求められる場合には、放電の電気化学的プロセスが、主として、電解質の酸が過剰に高濃度になっているセルの下部部分で生じることになる。セルは、所望のレベルでエネルギーを放出することがなく、および、セルの底部内の過剰に濃縮された酸が、隣接した活物質が過剰に早く劣化することを引き起こすことになる。この結果として、電池寿命を著しく短縮させる形でのセルの性能不足が生じる。
【０００８】
活物質の完全な再生的回復の直前に生じる鉛蓄電池セルの再充電プロセスの一部分において、再充電プロセスの通常の一部分として気体がセル内で発生する。この気体の気泡が電解質中を通ってセルの最上部に上昇し、このプロセスの中でセル内の電解質の循環（攪拌）を誘発する。しかし、再充電プロセスが活物質の完全な再生の時点で終了させられる場合には、生じている気体発生の量は、電解質を適切に攪拌してセル全体にわたって均一な酸濃度（均一な比重）を電解質にもたらすには不十分だろう。この理由から、開放型ディープサイクル鉛蓄電池の再充電プロセスを完全充電の時点を超えて継続すること、すなわち、再生された電解質の適切な攪拌を得るために一定の時間にわたって気体発生プロセスを延長することが一般的な慣習である。すなわち、セルは意図的に過充電される。
【０００９】
現在の慣習は、最大限の攪拌を必要とする１つまたは複数のセルの内の電解質を十分に攪拌するのに適切であるように設定された予め決められた量だけ、幾つかのセルを含むこうした電池を過充電することである。この過充電の予め決められた量の設定は、セルがその先行のデューティサイクル中に最大限に放電され終わっており、かつ、そのセルが古さと条件と温度とに関する特定の属性を有するという仮定に基づいている。しかし、電気ゴルフカー集団の運用の説明において上記で示したように、この仮定は、再充電を必要とする電池の大半に関しては適切ではない。この結果として、開放型ディープサイクル鉛蓄電池の再充電の最終段階において印加される過充電の量に関してこの仮定に依存することは、（大半ではなくとも）相当数のこうした電池が極めて大幅に過充電されることの原因となる。こうした電池の極めて大幅な過充電は、特に数回を超えて反復される場合に、こうした電池の有効寿命を著しく減少させる。
【００１０】
上述の説明は、電池の再充電プロセスを制御するための変曲分析方法の従来の説明が、開放型ディープサイクル鉛蓄電池の再充電に適用される場合にどれほど不十分であるかを理解するための基礎を提供する。
【００１１】
米国特許第4,392,101号は、再充電可能な電池の再充電の制御における変曲分析の使用の初期の説明である。この特許は、再充電可能な電池が再充電プロセスに大まかに類似している応答特性を一般的に有するということを教示する。この特許は、電池の電圧または電流が例えば再充電中の時間に対比してグラフの形でプロットされる場合に、その結果としての電圧／時間曲線または電流／時間曲線が大まかな類似性を有するだろうということを教示する。充電プロセスの開始後に、電池セルを画定するために使用される個々の材料には無関係に、これらの曲線は、グラフの線がその湾曲を反転させる、すなわち、変曲させられる、少なくとも１対の変曲点を示すだろう。これら変曲点が、印加された充電エネルギーに対する電池の反応の様々な段階を示しすなわち表すということと、各々のセルのタイプに関して、この変曲が、電池が完全充電状態に達する前に、または、完全充電状態に達する時点で、充電プロセス中の比較的に予測可能な時点で生じるということが明らかにされている。変曲点の発生が予測可能であることは、一般的に、電池の実際電圧、個々のセルの特性、個別の充電履歴、または、実際の周囲温度条件といった要因によっては影響されない（これらの要因に無関係に生じる）ということが明らかにされている。この特許は、監視されている電池特性（電圧または電流）の時間に対する第１または第２の導関数の状態または特徴を観察することによって、変曲点が識別可能であるということを明らかにする。さらに明確に述べると、この特許は、第２の導関数のグラフが充電プロセス中に少なくとも２回はゼロ軸を横断し（この導関数の符号が、正から負に、または、これとは逆に変化し）、および、その導関数の第２のゼロ軸横断が、電池が完全充電状態に達する時に生じるか、または、完全充電が得られる直前のわずかな時間期間中に生じるだろうということを教示する。しかし、その特許は、鉛蓄電池の例では、電圧の第２の時間ベースの導関数がどの時点で完全充電に関して生じるかを説明することを試みていない。その特許の主要な説明は、その導関数の第２のゼロ軸横断が検出された時点から予め決められた時間を経過した後に再充電が終了させられるニッケルカドミウム電池に関するものである。ニッケルカドミウム電池は、化学プロセスの一部分として存在している可変濃度の電解質を使用せず、したがって、こうした電池は、過充電処理から何の利益も得ないか、または、過充電処理を全く必要としない。
【００１２】
米国特許第4,503,378号が、変曲分析による再充電の制御をニッケル亜鉛電池に適用し、および、このタイプの電池の場合に、再充電が、時間に対する電池電圧の第２の導関数の符号変化（ゼロ軸横断）の第２の事例の発生時に終了させられることになるということを開示する。さらに、この特許は、第２の導関数が正から負にゼロ軸を横断するのと同時に、時間に対する電池電圧の第１の導関数の値が最大値すなわちピーク値にあり、この事実が、第２の導関数のゼロ横断が確認されることを可能にすると述べている。
【００１３】
「電圧変曲点を検出することによって１５分以内で電池を安全に充電する」という表題の記事がＥＤＭ  Ｍａｇａｚｉｎｅの１９９４年９月１日号に掲載された。この記事は主としてニッケルカドミウム電池の高速充電に焦点を当てている。この記事は、変曲分析が鉛蓄電池にも当てはまると注釈している。この関連において、この記事は、「鉛蓄電池では、第２のｄＶ／ｄｔ変曲が、電池が完全充電に達する前の予測可能な時間期間において生じるが、電池のアンペア時の容量定格から、完全充電を得るために必要とされる増分充電の持続時間を容易に導き出すことが可能である。」と述べている。この記述は、電池の真の再充電の必要性という点から見て極めて大幅に過充電することなしに、どのようにして開放型ディープサイクル鉛蓄電池を効率的に確実にかつ効果的に充電するかという問題の解決に対しては、少なくとも２つの理由から寄与しない。第１に、鉛蓄電池のＡｈｒ（アンペア時）容量定格は、工学的な情報から正確に求めることが可能な精確な値ではない。むしろ、このアンペア時容量定格は、マーケティング上の目標や保証方針等の要因のような製造業者に特有のビジネス上の要因の結果として、製造業者が電池のモデルまたはタイプに割り当てる値である。電池の「アンペア時」容量定格は、その種類またはタイプの平均的な電池の、おそらくは明記されていない条件下における、予想可能な性能に関する製造業者の言明であるにすぎない。この「アンペア時」容量定格は、特定のデューティサイクルの完了後の特定の電池の充電の必要性、すなわち、再充電事象を受ける前の電池の放電の深さに対して、確実な関係を持たない。第２に、この「アンペア時」容量定格は、電池自体以外のソースから得られることが必要とされている値である。必要とされているものは、電池の放電状態を示しており、かつ、再生電解質を適切に攪拌するのに必要な量だけ電池を過充電するために使用可能である、電池自体から導き出された情報を使用して、開放型ディープサイクル鉛蓄電池を充電する方法である。
【００１４】
上述の特許とＥＤＮ  Ｍａｇａｚｉｎｅの記事は両方とも、再充電プロセスが開始される前の電池放電の状態を考慮していない。これらは、放電状態に関する情報がその電池の再充電を制御するためにどのように使用可能であるかについての知識を与えない。しかし、これらの説明とは別に、常に電池と共に移動する一体型の電流計（アンペア時メータ）を、ゴルフカー内の電池のような電池に物理的に取り付けることが知られている。電池が電池デューティサイクル後に充電器に接続されると、最も最近のデューティサイクル中に電池から取り除かれたアンペア時の値を「オンボード」アンペア時メータがその充電器に通信することができるように、そのアンペア時メータが充電器に接続される。その情報は、電解質中で十分な攪拌を生じさせることが発見されている所望の係数（例えば１．１０すなわち１１０％）をアンペア時の測定値に乗算することによって電池に供給されるべき総充電を計算する計算／制御装置に充電器内において送られる。その次に、充電器内の計算／制御装置は、充電器によって電池に戻されるアンペア時を監視する。充電の戻り（charge return）に関する計算値に達すると、計算／制御装置は充電プロセスを終了させるように充電器に指示する。このアプローチは効果的であるが、電池に関連付けられているアンペア時メータから充電器にデータを通信することによる複雑さの増大という欠点を有する。このアプローチは、さらに、電池環境内での使用に耐えるように特別な構造にされなければならない電池自体の専用アンペア時メータを各々の電池または電池の各運用セットに装備するために、費用が増大するという欠点も有する。このアプローチは変曲分析とは無関係であり、この分野において明らかな実際的な問題点を有する。
【００１５】
したがって、どれか１つまたは小グループの開放型ディープサイクル鉛蓄電池を極めて大幅に過充電することなしに開放型ディープサイクル鉛蓄電池を適切に再充電するために、電池技術の知識をわずかしか持たないか全く持たない人間によって効果的に効率的にかつ確実に使用されることが可能な装置および手順を使用できることが必要とされているということが明らかである。こうした装置および手順は、この必要性を満たすために、１つの電池または限定された小グループの電池の実際の再充電と電解質攪拌との必要性に効果的に対処し、かつ、これに適合しなければならない。術語「限定された小グループ」は、おそらくは同一の古さであり、同一の使用履歴を有し、および、グループとして最も最近に再充電を受けた時点と問題の再充電事象との間の時間期間中に同一のデューティサイクルを共有しているであろう、特定の電気ゴルフカー内に設置された幾つかの電池のような幾つかの電池を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述の説明に照らして、本発明は、開放型ディープサイクル鉛蓄電池が実際の再充電要件と最小過充電プロセスとの点から個別にまたは限定された小グループの形で再充電可能である手順と装置とを提供するために、当業ではこれまで解決されていない問題状況に対処する。本発明は、新規の計算／制御装置を含む充電器のための、電池または電池セットの必要に対して各々の電池充電事象をカスタマイズする新しい仕方の変曲分析原理を適用する。この利益と利点は、電池の製造方法と使用方法とにおける変更を全く必要とせずに、効果的かつ確実に提供され実現される。修理整備担当者は充電器を電池に接続することと電池から取り外すことだけしか必要とされない。再充電要件に関する情報は、電池に取り付けられたアンペア時メータに依存することなしに、充電プロセスの過程中に電池自体から充電器によって得られる。すなわち、充電器は、再充電プロセスが開始される前の電池の放電状態を知らないし、それを知る必要もない。本発明は電池自体を最大限に保護すると共に、電池寿命の延長を実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
手順に関して、本発明は鉛蓄電池を充電するための方法を提供する。この方法は、充電プロセスの実行中に電池電圧を監視することと、充電時間を記録することと、アンペア時を単位として電池に供給される電荷を監視することとを含む。この方法は、さらに、完全充電状態に対する既知の関係を有する充電状態を電池が有する充電プロセス中の時点を判定することと、充電プロセスの開始と電池が完全充電される時点との間に供給可能なエネルギーの所望の部分に等しい、完全充電時点を超えて電池に供給可能な充電エネルギーの量を決定することとを含む。
【００１８】
本発明の構造的側面に関して、本発明は、鉛蓄電池、好ましくはディープサイクル鉛蓄電池を充電する充電器を提供する。この充電器は、直流電流源と、電圧計と、電流計と、タイマと、ｄｖ／ｄｔ測定回路と、ｄ2ｖ／ｄｔ2測定回路とを含む。
【００１９】
さらに明確に述べると、この充電器は、さらに、直流電流源と電流計と電圧計とタイマとｄｖ／ｄｔ測定回路とｄ2ｖ／ｄｔ2測定回路とに接続されている制御装置を含む。この制御装置は、電池が大体において完全充電状態の予め決められたパーセント値にある電池再充電事象中の時点を求めるように、および、関係（ＱS／ｐ）＝［ＱD／（１＋ｘ）］からＱDの値を求めるように構成され、この関係において、ＱSは、充電事象の開始からｄ2ｖ／ｄｔ2＝０かつｄｖ／ｄｔが最大値である時点までの時間期間中に電池に供給される充電エネルギーのアンペア時であり、ｐは、ｄ２v／ｄｔ2＝０である時に電池に供給される補充充電のパーセント値に等しい小数であり、ｘは、過充電量として電池に供給されるべき補充充電の所望のパーセント値量に等しい小数であり、および、ＱDは、過充電量に達するために充電事象の開始時から電池に供給されるべきアンペア時である。完全充電の予め決められたパーセント値が９８％ならば、ｐ＝０．９８である。
【００２０】
本発明のこれらの特徴および利点と他の特徴および利点とが、添付図面を参照して理解される以下の詳細な説明からより適切に理解されるだろう。
【００２１】
用語の解説
完全充電ＱF：
電池が完全充電容量にあり、かつ、充電エネルギーの連続印加が電極または電極活物質に対して有益な効果を全く持たない電池の状態
初期充電状態Ｑi：
電池の再充電事象または再充電プロセスの開始時点において電池が有する残存充電量
補充充電ＱR：
電池を完全充電状態に戻すために、初期充電状態を有する電池によって吸収される、アンペア時を単位として測定される充電エネルギーの量。ＱR＝ＧF−Ｑi
充電不足量：
電池の完全充電と初期充電状態との間の差。これは補充充電ＱRに等しい。
過充電ＱO：
再充電事象または再充電プロセスの終了まで、電池が完全充電を得た後に再充電事象または再充電プロセスの過程中に電池に供給される、アンペア時を単位として測定された充電エネルギーの量。これは、その次のデューティサイクル中の良好な性能のために電池をコンディショニングするために電池に供給される余分のエネルギーである。本発明の実施においては、過充電の大きさは補充充電の大きさに直接的に関係付けられる。
デューティサイクル：
電池が完全充電され終わった後に、その電池が中に配置されているか接続されている物品の使用中にその電池がエネルギーを供給する期間。デューティサイクルの終わりにおける電池の充電が、後続の電池の再充電事象または再充電プロセス中のその電池の初期充電状態である。
クーロン充電ＱC：
対象となるあらゆる時点において電池が有する充電量。
供給充電ＱD：
電池の再充電事象または再充電プロセスの開始と終了との間の時間期間中に電池に供給されるエネルギーのアンペア時。本発明の実施においては、これは補充アンペア時と過充電アンペア時との組合せであり、すなわち、ＱD＝ＱR＋ＱOである。
信号充電ＱS：
再充電プロセスの開始において始まり、電池充電レベルが完全充電に対して明確な関係を有することを示す検出可能な条件をその電池がその電池の特定の電気化学のために有する再充電プロセス中のより後の時点において終わる時間期間の期間中に、電池に供給されるアンペア時単位で測定された電荷の量。鉛蓄電池の電気化学に関係する本発明の文脈においては、その検出可能な条件は、電池電圧の第１の時間ベースの導関数の最大値と共に共存する電池電圧の第２の時間ベースの導関数のゼロ値である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１Ａは、典型的な充電サイクル中の時間に対してグラフ化された、従来の鉄共振型充電器によって充電されている鉛蓄電池の端子における電圧と電流の様相のグラフである。このグラフ化された様相は電圧と、電流と、時間に対する電圧の第１および第２の導関数とである。こうした充電特性は、典型的には、鉛蓄電池を鉄共振型電池充電器で充電するときに観察される。鉄共振型充電器は、典型的には、電流１２８と電圧１０１が電池充電事象中に変化する仕方を記述する曲線の明確な形状を与える変圧器／整流器回路を含む。充電サイクルを実現する際に、充電サイクルの持続時間と、再充電エネルギーが電池に与えられる速度とが、電池に戻される充電量を決定する。開放型鉛蓄電池を完全充電するために、使用される典型的な方法は、電池に流れ込む充電電流が大きく減少した状態にその電池が達した後にも、その電池に充電し続けること、すなわち、過充電することである。
【００２３】
直前のデューティサイクル中に鉛蓄電池から取り除かれたアンペア時の固定パーセント値にその鉛蓄電池の過充電を制御することが、典型的には、電池の寿命を著しく増大させる傾向がある。過充電パラメータは、典型的には、当業者に公知の様々な基準に基づいて選択される。このように先行のデューティサイクル中に取り除かれたアンペア時の固定パーセント値に充電される電池は、電池の総充電容量の固定パーセント値として設定された量の過充電を充電毎に受ける類似の電池よりも長い有効寿命を有するだろう。したがって、再充電開始時の初期電池放電状態の知識と使用は、最適な形で電池に供給される過充電の量の決定に役立つ。
【００２４】
鉛蓄電池の充電中の電圧応答１０１が図１Ａに時間の関数として示されている。測定された電圧は、充電サイクル中の様々な時点における電池の両端子間の電圧である。印加された充電電流１２８の特定の値に応答した電池の各充電サイクルに関する特有の電圧応答１０１が、その電池の温度と、通常は電池の古さの関数である内部条件とに応じて変化する。電池の温度と古さは両方とも、典型的な充電装置によっては認識されない。したがって、充電器に接続された電池の充電不足量を判断するための基礎は、確実な形で電圧の絶対値に基づいていることはないだろう。
【００２５】
電池の充電不足量のアンペア時の判定は、より確実性が高い形で開放型鉛蓄電池の特有の電圧−時間特性に基づいている。使用されることが好ましいこの特有の電圧−時間特性（図１Ａを参照されたい）は、時間の関数としての電圧Ｖ（ｔ）（曲線１０１）と、時間に対する電圧の変化の速度ｄｖ／ｄｔ（曲線１０４）と、時間に対する電圧の加速度ｄ2ｖ／ｄｔ2（曲線１０６）である。
【００２６】
電池の両外部端子の間で測定される電池電圧Ｖ（ｔ）（図１Ａの曲線１２８）は、印加される充電電流Ｉ（ｔ）に応答して充電サイクル中に変化する。充電中の電池の両端子間の電圧と、電池の中に流れ込む充電電流は、充電サイクル中に通常は変化する電池の内部抵抗と逆起電力（開回路電圧）とに関係付けられている。
【００２７】
特定の時点において、電池の内部抵抗が、電池の電解質中に配置されている電池のセル構造を構成する一連の導電性要素によって決定される。充電サイクルの開始時に、すなわち、ｔ＝０（図１Ａの点１１６を参照されたい）において、初期電池電圧Ｖiは開回路電圧である。充電サイクルの開始時には、充電器によって供給される電流は、典型的には、充電サイクル中のその最高値Ｉi（点１２６）にある。
【００２８】
典型的な充電プロセス中は、電池電圧１０１は最初は低い値Ｖiにあり、急速に中間の電圧に上昇して、この中間の電圧から一定の時間期間にわたってゆっくりと上昇し続け、その後に、次第に傾きを増大させながら再び急速に上昇し、最後には最終的な完全充電電圧Ｖtに達する。電池が充電されるにつれて、充電プロセス中に発生させられる熱と、電解質の比重の増大とのために、電池の逆起電力が大きくなる。電池が充電されるにつれて、充電器によって供給される電流１２８が、電池電圧１０１が電池インピーダンスの増大に伴って増大するのに応じて減少する。
【００２９】
充電の最終段階では、与えられたエネルギーに応答して電解質が分解することに応じて、水素気体と酸素気体の電解生成によって電池の逆起電力のさらなる増大が引き起こされる。この現象は「ガス放出」と呼ばれている。電池が完全充電状態に近づいて、この状態に達する時に、ガス放出が起こり、その電池の構成要素は再生の形で再充電エネルギーを受け入れることができなくなる。ガス放出プロセスが安定化すると、電池の両端子間の電圧が本質的に一定不変の状態のままとなり、その最終値に近づく。
【００３０】
充電の最終段階では、電解質攪拌効果のために、電池端子電圧１０１のわずかな増大が見られる。この電解質攪拌効果は、ガス放出プロセスによって引き起こされる。この攪拌効果は、電池内の一連のセルの各セルの中の電解質が実質的に均質になること、すなわち、均一な比重（酸濃度）になることを引き起こし、各セル内の電池逆起電力を安定させる。多くの場合、所望の充電プロセスを実現するために電池の内部構造と充電プロセスとを考慮に入れる電池充電システムを設計することが望ましい。
【００３１】
電池充電器は、様々なタイプの回路設計を使用して構成される。充電器の回路設計は強磁性技術およびスイッチング技術を含む。電池充電器の回路設計に適合した「プロファイル」または「アルゴリズム」と呼ばれる１つまたは複数の充電プロセスを提供するために、様々なタイプの電池充電器も設計されている。さらに、プロファイルは、電池寿命を延長する試みとして充電中の電池内の内部変化を利用するために選択されることが多い。
【００３２】
ｄｖ／ｄｔ＝０に合わせられた終了方式を有する充電器は、典型的には、電池から以前に取り出された電荷の１１８％から１２４％を供給する。
【００３３】
続けて図１Ａを参照すると、時間に対する電圧の第１の導関数１０４と第２の導関数１０６が、電池の所望の充電要件に関する追加の情報を提供する。さらに、第１と第２の電圧導関数は、容易に検出される明確な状態の遷移を与える。この第１と第２の導関数によって提供される情報は、個々の電池に特有の信頼性の高い基準を提供し、したがって充電プロファイルがその特定の電池に合わせて調整されることも可能である。電圧応答１０１曲線の第１の導関数１０４と第２の導関数１０６との選択された様相に電池の充電プロセスを基づかせることによって、特定の充電事象中における特定の電池に適合した過充電量を与えるために電池の固有かつ個別の充電要件を計算に入れる充電プロセスが実現できる。
【００３４】
図１Ａでは、従来の鉄共振型充電プロセスによって制御される充電サイクルを受ける開放型ディープサイクル鉛蓄電池の一例の電圧特性Ｖ（ｔ）が、曲線１０１によって示されている。充電サイクルの終わりには、電圧曲線１０１とその第１の導関数（ｄｖ／ｄｔ）１０４と第２の導関数（ｄ2ｖ／ｄｔ2）１０６との間の相互関係が、電池が完全充電状態に匹敵する特定の状態にある時点の有用な表示を提供することが可能である。開放型鉛蓄電池に関するこの特定の状態とは、電池が完全充電の約９８％にある状態である。図１Ａでは、この状態はグラフの水平な時間基線上の点１０８によって示されている。
【００３５】
電圧曲線１０１では、電圧は充電サイクルの終わりまで時間経過に応じて増大する。充電サイクルの終了の前に、この電圧曲線は頭打ちになって減少するまで急速に上昇する。この急速な増大の最中に、曲線１０１は、電圧が加速を止めて減速し始める変曲点１１５を有する。Ｖ（ｔ）の第１の導関数をプロットする対応する曲線１０４では、Ｖ（ｔ）の第１の導関数の最大値１１４が、Ｖ（ｔ）の変曲点１１５の発生と同時に生じる。電圧曲線１０１の第１の導関数（ｄＶ／ｄｔ）は再びピークに上昇することはない。ｄＶ／ｄｔのこの最大値１１４は、電圧変曲点１１５の場合よりも正確な９８％充電点１０８の表示を与える。
【００３６】
鉄共振型充電を受ける鉛蓄電池の第１の導関数（ｄｖ／ｄｔ）における変化、すなわち、「電圧」対「時間」の変化の速度を表す曲線１０４は、２つの応答ピークを有する曲線１０６によって特徴付けられている。最初に、第１の導関数１０４は、急激に変化する電池電圧に対応する高い値を有する。その次に、変化が小さい期間を電圧曲線１０１が通過するときに、電池電圧の変化の速度の曲線１０４が減少する。変化の速度の小さな値の後に、１１４でピークに達してから低下する変化の速度の第２の急激な減少が続く。ピーク１１４は電圧曲線１０１の変曲点１１５に対応し、この変曲点において最大の傾きが測定される。電圧が最も急速に変化している「電圧」対「時間」曲線１０１における変曲点１１５は、第１の導関数の曲線１０４上に対応する最大値１１４を有する。第１の導関数が最大値に達した後に、電圧１０１の変化速度１０４が減少する。
【００３７】
鉄共振型充電を受ける鉛蓄電池の「電圧」対「時間」関数の第２の導関数（ｄ2ｖ／ｄｔ2）が曲線１０６によって示されている。この第２の導関数は曲線１０４の変化の速度を表し、一方、この曲線１０４は電圧変化の速度を表す。したがって、曲線１０６は、電池端子に加えられる電圧の値が電池充電プロセス中にどのように加速したり減速したりするかを表す。第２の導関数１０６から分かるように、第１の導関数の曲線１０４が上述の最大値１１４のようなその曲線の傾きが瞬間的にゼロに等しい点に達するときに、第２の導関数はゼロである。
【００３８】
第１の導関数が最大値に達しかつ第２の導関数がゼロの値を有する時間上の点が、電池から以前に取り出されたアンペア時の９８％がその電池に戻され終わった時間上の点１０８を非常に正確に識別する。正値から負値への第２の導関数（ｄ2ｖ／ｄｔ2）の急激な変化は、第１の導関数の値における漸進的変化よりも容易に識別される。
【００３９】
曲線１０６上の点１０８は、この特徴が個々の電池の初期放電状態と古さと温度との特性に関係しているので、異なる電池において異なる時間（ｔ）に発生する。しかし、点１０８は、印加された電流１２８のほぼ全部が気体を発生させるのために使用されている充電プロセス中の時点に相当する。この時点は本発明の実施において信号として使用され、および、当該の再充電事象の開始から測定された、その点において電池に戻され終わっている充電が、信号充電ＱSと呼ばれる。ＱSの大きさと電池完全充電ＱFに対するその関係との知識が、所望の過充電量ＱOと共に、供給可能な（供給される）総充電ＱDが求められることを可能にし、および、これにしたがって充電プロセスが制御されることを可能にする。電池が８０°Ｆにおける開放型鉛蓄電池である場合には、ＱS＝０．９８ＱFである。電池が何らかの他の温度である場合には、ＱS対ＱFの関係は異なっている可能性があるが、電池温度が室温よりも著しく低い温度ではないならば、関係ＱS＝０．９８ＱFの使用が実行可能であり、かつ、大きな改善をもたらすことが発見されている。
【００４０】
電池に供給される充電はアンペア時（「amp-hours」）単位で測定されることが可能である。１アンペア時は、１アンペア電流によって１時間で電池に供給される充電の量である。したがって、アンペア時単位で指定された充電容量を有する完全に放電された電池は、１アンペアの充電電流において、容量に対する完全充電状態または完全充電の所望の部分に電池を戻すために、その指定されたアンペア時容量に等しい時間数を要するだろう。
【００４１】
完全充電ＱFを超えた指定された過充電量ＱOが、電池寿命の増大を実現するために選択される。一例としての実施形態では、この過充電量は補充充電ＱRの１０８％として選択される。すなわち、図１Ａでは、Ｘが、補充充電よりも８％多い充電が電池に供給され終わった時点であり、および、この電池に関する再充電事象が終了させられる時点である。
【００４２】
所望のコンディショニングを実現するために有効に電池に戻される充電量が、次の関係によって得られるだろう。
（指定された過充電％）（充電開始から完全充電の９８％までのアンペア時）＝（指定された過充電に達するための初期充電からのアンペア時）（９８％））。
上記で定義した術語を使用して別の形で表現すると、
ＱS／０．９８＝ＱD／（１＋ｘ）                    （式１）
ここでｘは、過充電量として電池に供給されるべき補充充電ＱRのパーセント値に等しい小数である。ｘの使用可能で好ましい値は０．１０である。
【００４３】
図１Ａの時間Ｔ、すなわち、点１１２が、電池が完全充電されている、すなわち、電池が充電レベルＱFを有する時間上の点である。充電量ＱSは、第２の導関数のゼロ横断を求めることから得られる。したがって、充電特性曲線の動的な様相の分析によってＱSが求められれば、再充電事象中に供給されるべき総充電ＱDが得られるだろう。
【００４４】
この液体電解質の気体攪拌によって所望の度合いのコンディショニングを得るために電池に供給されるべき過充電の量は、好ましくは約８％から約１２％の範囲内であり、最も好ましくは約１０％である。
【００４５】
図１Ｂと図１Ｃはそれぞれにカ氏８０度とカ氏１２２度における電池の充電プロファイルに関するグラフである。所望のあらゆるプロファイルが使用可能であるが、好ましいプロファイルは定電力プロファイル（constant power profile）である。これらのグラフの場合には、電池は、それぞれの充電事象の開始前に１３５アンペア時または１３６アンペア時を供給した。充電不足量の９８％または他のパーセント値が電池に戻され終わった時間上の点が、各グラフ上に記されている。カ氏１２２度の温度を有する高温の電池が、充電電圧の第２の導関数がゼロの値になる時よりも時間的に早く、０．９８ＱF信号点に達する。しかし、完全充電の９８％に対するｄ2ｖ／ｄｔ2＝０の発生における温度ベースのずれはわずかである。こうした非常に高温の電池に関してＱS＝０．９８ＱFを使用することが、そうでない場合に生じるであろう電池の過充電よりも著しく少ない電池の過充電を結果的に生じさせる。
【００４６】
図１Ｄと図１Ｅはそれぞれにカ氏８０度とカ氏４８度とにおける電池の充電プロファイルに関するグラフである。これらのグラフの場合には、電池は充電事象の開始前に８１アンペア時と８２アンペア時とを供給した。ＱC＝０．９８ＱRとＱC＝１．０９ＱRである時間上の点が各グラフに記されている。これらのグラフから分かるように、低温の電池の信号点は電圧曲線に沿って右にずれている。例えば、低温の電池は、充電電圧の第２の導関数がゼロの値である時間上の点において完全充電の９８％未満であるだろう。この低温の電池に関する電圧の第２の導関数がゼロの値であるときには、完全充電の８２％だけしか電池に戻されていない。こうした状況では、関係ＱS＝０．９８ＱFの使用は電池に対するある程度の充電不足量を生じさせるが、電池を著しく損なうことはない。典型的な工業用の温度範囲に関して、ｄ2ｖ／ｄｔ2＝０の時点において電池に戻される充電のパーセント値は、典型的には、その総充電容量ＱFの８４％から１０２％まで変化するだろう。
【００４７】
温度をプロセスに要因として含める（factor）簡単な方法が、温度を直接測定してプロセス中の要因としてそれを含むことである。しかし、電池の内部温度を測定するのに効果的である温度センサを追加することは高コストであり、向上した信頼性を有する低コストの充電システムを生産する上で望ましくない別のレベルの複雑性を典型的な充電システムに付加する。
【００４８】
図２が、鉛蓄電池のための充電プロセスの一例の流れ図である。電池の９８％充電点に対応する第１および第２の導関数の情報を求めて利用するために、適切な情報を求めるためのプロセスが実行される。こうしたプロセスは、例えば、電池充電システムを備えておりかつ好ましくは電池充電器の一部分であるコンピュータやマイクロプロセッサや他の制御装置を駆動するプログラム命令セットとして具体化される。この命令は揮発性または不揮発性メモリ内に記憶されるか、または、大容量記憶媒体上に記憶されることが可能である。
【００４９】
この充電プロセスの開始時には、充電プロセスを開始させるためにコマンドが始動される２０２。その次のステップ２０４では、タイマ回路が始動される。代案のプロセスでは、タイマ回路が、動作または動作シーケンスを計時するようにマイクロプロセッサに指示するために使用されるソフトウェアのようなソフトウェアの形で具体化されることが可能である。所望の電圧条件に達した時に経過時間が分かるように、時間がステップ２０６で記録される。その次に、電圧の第１の導関数と電圧の第２の導関数との監視がステップ２０８で起動される。第２の導関数の値がステップ２１０で評価される。第２の導関数がゼロに等しくない場合には、そのプロセスが、ステップ２０８において、第２の導関数を監視し続ける。第２の導関数がゼロに等しい場合には、そのプロセスはステップ２１２で行われる評価に進む。ステップ２１２では、電圧の第１の導関数が、その導関数が最大値に達しているかどうかを判定するために監視される。第１の導関数が最大値に達していない場合には、ステップ２０８においてその第１の導関数が続けて監視される。ステップ２１２でｄｖ／ｄｔが最大値であると判定される場合には、プロセスの流れが分岐してステップ２１４に進む。ステップ２１４では、完全充電の９８％に達するための測定された時間が適用され、および、追加の充電時間が、所望のパーセント値の過充電が電池に加えられるように計算される。ステップ２１４の実行は、ＱSを計算するために、および、上述の関係と、ｘ（過充電パーセント値）およびＱS／ＱFの所望の値を定義するプログラムパラメータとを使用してＱDを計算するために、タイマからの情報と、電池に供給された合計アンペア時に関する情報とを使用することを含む。
【００５０】
本発明の実施形態では、ステップ２１０、２１２で行われる評価は、その充電プロセスの結果に影響を与えることなしに相互交換されてもよい。さらに、一例としてのステップ２１２で行われる電圧の第１の導関数の最大値の判定が連続的に行われてもよく、または、当業者に公知のサンプリング方法を使用して行われてもよい。
【００５１】
充電サイクルの開始からｄ2ｖ／ｄｔ2＝０までの初期充電時間が求められ終わり、および、ステップ２１４で所望の過充電を与えるための追加の時間量が計算された後に、プロセス（ステップ２１６）は、所望の過充電を与えるための追加の時間量にわたって電池が充電されるようにする。追加の充電時間が経過し終わった後に、充電サイクルがステップ２１８で停止される。
【００５２】
本発明による電池再充電プロセスが終了されなければならない時点を判定するのに有用な関係は次の通りである。
ＱS  ＝  ＱD
.98    １＋X
ここで、ＱSとＱDは上記定義の通りであり（用語解説を参照されたい）、ｘは、電池の所望のコンディショニング（電解質攪拌）を得るために完全充電後に電池に加えられるべき補充充電ＱRのパーセント値に等しい小数である。
【００５３】
電池の完全充電が１０００であり、および、所望の過充電パーセント値が８％であると仮定する。電池が再充電事象の開始時に５０％放電されている場合には、ＱS＝０．９８（１０００−５００）＝４９０であり、したがってＱD＝５４０である。Ｑi＋ＱD＝５００＋５４０＝１０４０であり、したがって再充電事象の終了時における実際の過充電の量は４０である。
【００５４】
再充電が始まるときに容量の２５％（Ｑi＝２５０）である電池に同じ仮定を適用すると、ＱS＝０．９８（１０００−２５０）＝７３５、ＱD＝８１０、および、Ｑi＋ＱD＝２５０＋８１０＝１０６０であり、したがって供給される過充電は６０である。同様に、再充電が始まるときに電池が容量の７０％である場合には、ＱS＝０．９８（１０００−７００）＝２９４、ＱD＝３２４、および、Ｑi＋ＱD＝７００＋３２４＝１０２４であり、したがって供給される過充電は２４である。
【００５５】
電池の再充電事象が始まる時に電池が非常に深く放電されている場合には、酸電解質の高度に希釈された状態のせいで酸電解質の比重が低い（１．００付近）ということが想起されるだろう。再充電が始まる時に電解質が希薄であればあるほど、完全充電時の電解質の密度の層状化が著しいだろうし、したがって、電池セル全体にわたって電解質を実質的に均質にすることによって電池を適正にコンディショニングするために、電解質がガス発生によって攪拌される必要が増すだろう。これとは逆に、電池の再充電事象が始まる時に電池が比較的浅く放電されている場合には、酸電解質はより高い開始比重を有し、完全充電時の密度の層状化がより小さく、および、電池を適切にコンディショニングするための電解質攪拌の必要性はより低いだろう。上述の例は、本発明が、適正なコンディショニングのために必要であると判定されておりかつ電池を極めて大幅に過充電しない量の過充電だけを、再充電される電池に供給するということを示す。電池の過充電の量は、再充電が始まる時の電池の放電状態の関数である。再充電プロセスが終了する時点は、電池自体から得られる情報から決定される。それは、図２−７に示されている電池再充電プロセスの特性である。
【００５６】
図３Ａと図３Ｂは、セル電圧を監視する充電プロセスの流れ図である。ステップ３０２−３１６がステップ２０２−２１６と同じであることが可能である。しかし、このプロセスでは、特定の最低条件が満たされなければ充電が終了させられない。一例としての実施形態では、セル電圧がこうした最低条件の１つである。ステップ３１８では、セル電圧が監視される。セル電圧が例えばセル１つ当たり２．４５ボルトに達すると、充電アルゴリズムがステップ３２０で終了させられる。この代わりに、他のセル電圧が他のタイプの電池のために使用されてもよい。
【００５７】
セル電圧がセル１つ当たり２．４５ボルトに達していない場合には、このプロセスが図３Ｂの文字Ａに分岐する。このプロセスでは、充電は、デフォルトとして、第１の導関数電圧がゼロになるまで充電プロセスを終了させない状態になる。したがって、充電はステップ３２２で継続する。充電中には、第１の導関数がステップ３２４で評価され続ける。第１の導関数がゼロに達する場合には、充電プロセスがステップ３２６で終了させられる。第１の導関数がゼロに達しない場合には、第１の導関数がゼロに達して充電プロセスが終了させられるまで、充電プロセスが続く。
【００５８】
図４Ａと図４Ｂは、所望の過充電を生じさせるためにセル電圧と充電時間とを監視する充電プロセスの流れ図である。このプロセスは、図３のプロセスの代案の実施形態である。図４Ａに示されているプロセスは図３Ａのプロセスと類似しており、ステップ４０２−４２６はステップ３０２−３２６と同じであることが可能である。しかし、このプロセスでは、充電は、特定の最低条件が満たされなければ終了させられない。セル電圧がこうした最低条件の１つであることが可能である。ステップ４１８では、セル電圧が監視される。
【００５９】
図４Ａと図４Ｂとに示されているプロセスは、特定の用途で望ましいと考えられるように、充電が特定の時間数の内に完了させられていない場合に充電サイクルを終了させるというさらに別の代替策を提供する。ここで説明している実施形態では、１６時間が完全充電を完了させるための最大時間数であると考えられている。この代案として、電池に対するダメージを防止するのに適した任意の時間期間が代わりに採用されてもよい。
【００６０】
図４Ｂを続けて参照すると、充電プロセスがステップ４２２で継続し、一方、第１の電圧導関数がステップ４２４で監視される。第１の導関数がゼロに達すると、充電プロセスがステップ４２６で終了させられる。第１の電圧導関数がゼロに達していない場合には、充電プロセスが、経過した充電時間を設定時間（この場合には１６時間）と比較する評価ステップ４２８に分岐する。一実施形態では、任意の適切な時間期間が設定時間として選択されてよい。
【００６１】
予め決められた充電時間を超えた場合には、警報信号または警報メッセージが視覚的に、音声によって、または、他の方法で、電池充電プロセスを担当しているか監視している係員に送られることが可能である（ステップ４３０）。このメッセージは、ゴルフカー集団内の各ゴルフカーの電池が同時に再充電されているときのように、存在している可能性がある他の充電器から当該の充電器を区別するために、当該の充電器の識別属性に関する情報を含むことが可能である。ステップ４３０における警報信号の発動時には、充電サイクルがステップ４３２で終了させられる。ステップ４２８において、予め決められた時間が未だ経過し終わっていない場合には、充電サイクルが継続する。
【００６２】
図５は、リフレッシュ充電を提供する充電プロセスの流れ図である。ステップ５０２−５１６がステップ４０２−４１６と同じであることが可能である。充電プロセスはステップ５１８で終了させられることが可能である。
【００６３】
電池がまだ充電器に接続されている状態で、ステップ５２０で電池の開回路電圧が監視される。電池の電圧が事前設定された最小値ＶMinよりも低下する場合には、充電プロセスが繰り返されることが引き起こされる。電圧ＶMinは、充電器が電池がその閾値よりも低下することを許可しない所望の低い方の電圧閾値を与えるために選択される。充電器は電池上の電荷をＶMinよりも高いように保つ。しかし、電池が低い電圧閾値ＶMinよりも高いままである限りは、充電プロセスは再開されず、充電プロセス全体がステップ５２２で停止させられる。ＶMinのために選択される値は、ユーザによって選択可能である許容可能な残存充電の量、または、その代案として、充電操作プログラムにおける事前設定値としてプログラミング可能な許容可能な残存充電の量に基づいている。
【００６４】
図６は、電池の充電終了時から経過した時間と電池の開回路電圧とを監視する充電プロセスの流れ図である。ステップ６０２−６１８はステップ５０２−５１８と同じであることが可能である。電池の充電終了時から経過した時間と電池の開回路電圧とを監視するこの充電プロセスでは、電池充電プロセスの終了時から経過した時間がステップ６２２で監視される。予め決められた量の時間が充電プロセスの終了時点から経過し終わっており、かつ、電池が充電器装置に接続され続けている場合には、充電プロセスが再開される。経過した時間が予め決められた量の時間を超えていない場合には、充電プロセスがステップ６２４に進む。開回路電圧がその予め決められた値ＶMinよりも低い場合には、充電が再開される。電池開回路電圧がＶMinよりも高いままである場合には、充電プロセスがステップ６２６で終了させられる。
【００６５】
代案のプロセスでは、開回路電圧が、充電プロセスの終了時点から経過した時間を評価する前に監視されることが可能である。さらに別の代案のプロセスでは、充電プロセスの終了時点からの時間が、電池の開回路電圧の監視と同時に監視されることが可能である。
【００６６】
図７は、様々な充電プロファイルの選択を可能にする本発明の一形態の流れ図である。ステップ７０２で充電プロセスが開始される。その次に、充電プロファイルが選択される７０４。採用可能な充電プロファイルは、定電位、変更された定電位、定電流、鉄および鉄共振（ferro and ferro resonant）、定電流−定電位−定電流（ＩＥＩ）、定電力−定電位−定電流（ＰＥＩ）、並びに、好ましくは定電力を含む。この異なるプロファイルを記述し定義する情報が、充電器の制御様相に関連して充電器内に含まれたアドレス可能メモリ内に格納されることが可能である。
【００６７】
充電プロファイルが選択され終わると、タイマ回路が初期値にセットされ、その選択されたプロファイルを使用する充電プロセスがステップ７０６で開始される。その次に、ステップ７０８で充電プロセスが経過時間を記録し始める。ステップ７１０において、充電プロセスは電圧の第１と第２の導関数を監視する。第２の導関数がゼロに等しく（ステップ７１２）かつ第１の導関数が最大値に達している（ステップ７１４）場合には、充電プロセスが継続する。第２の導関数がゼロに達しておらずかつ第１の導関数が最大値に達していない場合には、これらの値がその所望の値に達するまで、これらの値が連続的に監視される。
【００６８】
所望の導関数値に達すると、所望の過充電のための追加の充電時間がステップ７１６で計算され、電池が所望の過充電を得るために追加の充電時間にわたって充電される（ステップ７１８）。この追加の充電時間は、以前に選択された充電プロファイルまたは別の充電プロファイルを使用してもよい。所望の過充電のための追加の充電時間が経過し終わると、充電プロセスがステップ７２０で終了させられる。
【００６９】
図８は、充電制御アルゴリズム装置ＩＣと、適切にプログラミングされたマイクロプロセッサのような「測定／計算／制御装置」（ＭＣＣＤ）とを使用する、電池充電システムの一例のブロック図である。整流器８０４に対する交流入力８０２が、充電プロセス制御装置集積回路８０８を通して電池８１０に印加される充電電流を所望の電圧において発生させる。この充電プロセス制御装置集積回路８０８は、電池８１０に対する充電エネルギーの印加を制御する。
【００７０】
充電制御装置ＩＣ  ８０８は、１つまたは複数の充電プロファイルまたは充電プロセスを含む充電信号を印加するために、ＭＣＣＤと共に機能する。図２から図７に示されているプロセスの１つまたは複数を実施するための命令がＭＣＣＤ  ８０６内に記憶されることが可能である。典型的には、この記憶は、充電プロセスを記述する１組のプログラム命令をＭＣＣＤ内にロードすることによって実現される。この代案として、充電プロセスは、集積回路８０８の特徴と機能とを含むことが可能な専用の充電プロセス制御集積回路の形に統合されてもよい。
【００７１】
図９は、電池を充電するための本発明の充電プロセスの１つまたは複数を実施することが可能な電池充電システムのブロック図である。交流入力９０２がリレー９１２によって制御される。リップル成分を有する直流電圧を生じさせるために、交流電力が整流器９０４に供給される。電圧調整器９０６が直流電圧の変動を減少させる。調整された直流電圧が、リレー９１４の接点を通して電池９１６に所望の電流と電圧を供給するために、従来通りに構成された電流制限装置９１０と共に働く従来通りに構成された直列通過素子（series pass element）９０８に印加される。電池に印加される電流は従来通りの電流計９１８によって監視される。この電流計は導体内を流れる電流の瞬間値を監視する。代案の構成では、従来の平均電流計が、導体を通過する平均電荷を表示するために使用されることが可能である。さらに別の代案の構成では、従来の総合電流計が、導体を通過する総電荷の表示を与えるために使用されることが可能である。電池の両端子間の電圧が電圧計９２０によって監視される。電流計と電圧計とから得られた情報がＭＣＣＤ  ８０６に与えられることが可能である。
【００７２】
電池９１６の両端子間の電圧は、さらに、電圧の第１の導関数を計算する微分器回路９２２にも供給される。こうした回路は、９３０に示されているように従来通りに構成されていることが可能である。微分器は、典型的には、微分器を構成するように当業者に公知の通りに接続されている演算増幅器Ａと抵抗器ＲとコンデンサＣとを備える。電圧Ｖiが微分器の入力に印加される。信号出力ＶOは−ＲＣ（ｄＶ／ｄｔ）に等しい。
【００７３】
第１の導関数回路９２２の出力がピーク検出器９２８に送り込まれる。最大の第１の導関数の信号が検出されると、その表示がＭＣＣＤ  ８０６に与えられる。第１の導関数の処理回路の出力は、第２の導関数の処理回路９２４にも供給される。この回路は単純に９２２の回路の複製である。第２の導関数の回路９２４の出力がゼロ横断検出器９２６に送り込まれる。ゼロ横断検出器は、電圧が正から負へ変化し必然的にゼロボルトの値を通過する時のような信号極性の遷移を検出する回路である。図１の電圧曲線１０１における変曲点１１５の検出に対応するゼロ横断の検出が求められる。ゼロ横断検出の表示がＭＣＣＤ  ８０６に与えられる。本発明の実施形態を含むプロセスの制御によって、ＭＣＣＤは充電電流と充電電圧とがリレー９１４を通して印加されるようにその充電電流と充電電圧とを送り出す。ＭＣＣＤは、さらに、リレー９１２によって交流入力の動作を制御することもできる。
【００７４】
図９に示されている充電システムの構成要素が共通の充電器ハウジングの中に収容されていることが好ましい。充電器は、一般的に、電池、または、電池が中に配置されている物品（例えばゴルフカー）から分離していることが可能であり、一般的に分離している。しかし、必要に応じて、充電システムの構成要素の一部または全部が、例えばゴルフカーの要素のような要素として電池に物理的に付随させられることが可能である。
【００７５】
本発明が、電池寿命を低減させるほど電池を過剰に充電することなしに電池を効果的に充電する仕方でディープサイクルタイプの開放型鉛蓄電池を充電するための装置と手順を提供するということが理解されるだろう。この電池は、電池の最も最近の先行デューティサイクルの完了の後に電池を完全充電状態にするのに必要とされる充電エネルギーの選択されたパーセント値である量だけ過充電される。本発明の実施において実現される再充電事象は、本質的に、電池の古さと、充電の有効性と効率とに影響を与える電池内部特性とのような要因を考慮し計算に入れる。
【００７６】
本発明が電池の再充電に関して上記で説明されてきたが、本発明が、電気ゴルフカーもしくは何らかの他の電動車両または装置において必要となる可能性がある１組の電池の再充電、または、例えば、光起電力システムと共に使用される１組の電池の再充電にも適用されるということが理解されるだろう。
【００７７】
本発明の好ましい具体例および形態と他の具体例および形態との上述の説明が、本発明が有利に実現または使用されることが可能な装置または手順のすべての形態のカタログとしてではなく、一例として示されてきた。本発明が関わる分野の専門家は、上述の装置およびプロセスの変形と変更とが本発明の範囲から逸脱することなしに有益に使用されることが可能であるということを理解するだろう。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】典型的な充電サイクル中の時間に対してグラフ化された、従来の鉄共振型充電器を用いて充電される鉛蓄電池の端子における電圧と電流の様相のグラフである。
【図１Ｂ】約１３５アンペア時のデューティサイクル放電の後の、カ氏８０度における同様の電池の充電プロファイルに関するグラフである。
【図１Ｃ】約１３５アンペア時のデューティサイクル放電の後の、カ氏１２２度における同様の電池の充電プロファイルに関するグラフである。
【図１Ｄ】約８１アンペア時のデューティサイクル放電の後の、カ氏８０度における同様の電池の充電プロファイルに関するグラフである。
【図１Ｅ】約８１アンペア時のデューティサイクル放電の後の、カ氏４８度における同様の電池の充電プロファイルに関するグラフである。
【図２】開放型ディープサイクル鉛蓄電池に関する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図３Ａ】セル電圧を監視する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図３Ｂ】セル電圧を監視する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図４Ａ】セル電圧と充電時間を監視する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図４Ｂ】セル電圧と充電時間を監視する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図５】リフレッシュ充電を実現する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図６】充電終了時からの経過時間と電池開回路電圧とを監視する充電プロセスの実施形態の流れ図である。
【図７】様々な充電プロファイルの選択を可能にする本発明の実施形態の流れ図である。
【図８】充電プロセス制御装置ＩＣと測定／計算／制御装置（「ＭＣＣＤ」）とを使用する電池充電システムの実施形態のシステムブロック図である。
【図９】電池を充電するために本発明のプロセスの実施形態を使用する電池充電器の実施形態のブロック図である。
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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