(57)【要約】  バッテリ充電方法およびシステムを提供する。バッテリ充電方法は、少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電し、バッテリ（２２２）を第２電圧において第２時間期間充電し、第２時間期間の終了時にバッテリの充電状態を判定し、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたってバッテリを充電したか否か判定を行い、総充電時間が第３時間未満である場合、バッテリを第１電圧で第１時間期間充電し、更にバッテリを第２電圧で第２時間期間充電するステップを繰り返すことから成る。バッテリ充電システム（２１１）は、電流源と、カットオフ電圧コントローラ／タイマと、少なくとも１つのバッテリと、電圧／電流レギュレータのそれぞれと、電流をバッテリから逸らせるシステム電圧／電流レギュレータ（２１７）とを備えている。
2005513980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのバッテリを充電する方法であって、
少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電するステップと、
前記少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電するステップと、
前記第２時間期間の終了時に、前記少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定するステップと、
前記第２時間期間の前記終了時に前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって前記少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、前記総充電時間が前記第３時間未満である場合、前記少なくとも１つのバッテリを前記第１電圧で前記第１時間期間充電するステップと、前記バッテリを前記第２電圧で前記第２時間期間充電するステップとを繰り返すステップと、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、若しくは、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記総充電時間が前記第３時間期間以上である場合、前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、
から成る方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記少なくとも１つのバッテリを充電するために必要な総時間は、前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で除算した値にほぼ等しい、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図のほぼ第２プラトーにおける電圧にほぼ等しい、方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図のほぼ第２プラトーにおける電圧にほぼ等しい、方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の鋭く上昇する曲線の前にある第２プラトーにおける電圧にほぼ等しい、方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記第２電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の第２プラトーよりも僅かに高い電圧にほぼ等しい、方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記第２電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の鋭く上昇する曲線の屈折部における第２プラトーよりも僅かに高い電圧にほぼ等しい、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記第１時間期間は、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を除算して係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数が０．０２および０．０６の間である、方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、前記第２時間期間は、前記第１時間期間に係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数は３×１０−５および３×１０−３の間である、方法。
【請求項１０】
少なくとも１つのバッテリを充電する方法であって、
少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電するステップと、
前記少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電するステップと、
前記第２時間期間の終了時に、前記少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定するステップと、
前記第２時間期間の前記終了時に前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって前記少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、前記総充電時間が前記第３時間未満である場合、前記少なくとも１つのバッテリを前記第１電圧で前記第１時間期間充電し、更に前記バッテリを前記第２電圧で前記第２時間期間充電するステップを繰り返すステップと、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、前記少なくとも１つのバッテリを第３電圧に設定し、その後前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、若しくは、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記総充電時間が前記第３時間以上である場合、前記少なくとも１つのバッテリを第３電圧に設定し、その後前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、
から成る方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、第３電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の第１プラトーおよび第２プラトー間の電圧にほぼ等しい、方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、前記少なくとも１つのバッテリを充電する前記方法の前記ステップを、カットオフ電圧コントローラ／タイマによって制御する、方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、前記カットオフ電圧コントローラ／タイマがマイクロコントローラである、方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、前記少なくとも１つのバッテリを充電する前記方法の前記ステップをマイクロコントローラによって制御する、方法。
【請求項１５】
少なくとも１つのバッテリを充電する方法であって、
少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電するステップと、
前記少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電するステップと、
前記第２時間期間の終了時に、前記少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定するステップと、
前記第２時間期間の前記終了時に前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって前記少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、前記総充電時間が前記第３時間未満である場合、前記少なくとも１つのバッテリを前記第１電圧で前記第１時間期間充電し、更に前記バッテリを前記第２電圧で前記第２時間期間充電するステップを繰り返すステップと、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、若しくは、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記総充電時間が前記第３時間以上である場合、前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、
から成り、
前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図のほぼ第２プラトーにおける電圧にほぼ等しく、
前記第２電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の第２プラトーよりも僅かに高い電圧にほぼ等しく、
前記第１時間期間は、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を除算して係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数が０．０２および０．０６の間であり、
前記第２時間期間は、前記第１時間期間に係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数は３×１０−５および３×１０−３の間であり、
前記少なくとも１つのバッテリを充電するために必要な総時間は、前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で除算した値にほぼ等しい、方法。
【請求項１６】
少なくとも１つのバッテリを充電する方法であって、
少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電するステップと、
前記少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電するステップと、
前記第２時間期間の終了時に、前記少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定するステップと、
前記第２時間期間の前記終了時に前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって前記少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、前記総充電時間が前記第３時間未満である場合、前記少なくとも１つのバッテリを前記第１電圧で前記第１時間期間充電し、更に前記バッテリを前記第２電圧で前記第２時間期間充電するステップを繰り返すステップと、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、前記少なくとも１つのバッテリを第３電圧に設定し、その後前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、若しくは、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記総充電時間が前記第３時間以上である場合、前記少なくとも１つのバッテリを第３電圧に設定し、その後前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、
から成り、
前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図のほぼ第２プラトーにおける電圧にほぼ等しく、
前記第２電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の第２プラトーよりも僅かに高い電圧にほぼ等しく、
前記第３電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの前記充電特性図の前記第１プラトーおよび前記第２プラトー間の電圧にほぼ等しく、
前記第１時間期間は、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を除算して係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数が０．０２および０．０６の間であり、
前記第２時間期間は、前記第１時間期間に係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数は３×１０−５および３×１０−３の間であり、
前記少なくとも１つのバッテリを充電するために必要な総時間は、前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で除算した値にほぼ等しい、方法。
【請求項１７】
バッテリ充電システムであって、
電流源と、
カットオフ電圧コントローラ／タイマと、
少なくとも１つのバッテリと、
前記バッテリの各前記それぞれに印加する電圧、および前記バッテリの各前記それぞれに供給する電流を規制する、電圧／電流レギュレータのそれぞれと、
前記カットオフ電圧コントローラ／タイマは、前記電圧／電流レギュレータによって、前記電圧を制御し、前記バッテリの各前記それぞれに印加する前記電圧の時間期間を制御し、
前記バッテリを通過する電流を検知し、前記検知電流を前記カットオフ電圧コントローラ／タイマに伝達する電流検知手段と、
電流を前記バッテリから逸らせるシステム電圧／電流レギュレータと、
を備えているバッテリ充電システム。
【請求項１８】
請求項１７記載のバッテリ充電システムにおいて、当該バッテリ充電システムは、前記少なくとも１つのバッテリを充電するプロセスのステップを実行する、バッテリ充電システム。
【請求項１９】
請求項１７記載のバッテリ充電システムにおいて、前記カットオフ電圧コントローラ／タイマは、前記少なくとも１つのバッテリを充電する前記プロセスのステップを制御する、バッテリ充電システム。
【請求項２０】
請求項１７記載のバッテリ充電システムにおいて、当該バッテリ充電システムは、前記少なくとも１つのバッテリを充電するプロセスのステップを実行し、該ステップが、
少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電するステップと、
前記少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電するステップと、
前記第２時間期間の終了時に、前記少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定するステップと、
前記第２時間期間の前記終了時に前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって前記少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、前記総充電時間が前記第３時間未満である場合、前記少なくとも１つのバッテリを前記第１電圧で前記第１時間期間充電し、更に前記バッテリを前記第２電圧で前記第２時間期間充電するステップを繰り返すステップと、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、若しくは、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記総充電時間が前記第３時間以上である場合、前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、
から成り、
前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図のほぼ第２プラトーにおける電圧にほぼ等しく、
前記第２電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の第２プラトーよりも僅かに高い電圧にほぼ等しく、
前記第１時間期間は、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を除算して係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数が０．０２および０．０６の間であり、
前記第２時間期間は、前記第１時間期間に係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数は３×１０−５および３×１０−３の間であり、
前記少なくとも１つのバッテリを充電するために必要な総時間は、前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で除算した値にほぼ等しい、バッテリ充電システム。
【請求項２１】
請求項１７記載のバッテリ充電システムにおいて、当該バッテリ充電システムは、前記少なくとも１つのバッテリを充電するプロセスのステップを実行し、該ステップが、
少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電するステップと、
前記少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電するステップと、
前記第２時間期間の終了時に、前記少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定するステップと、
前記第２時間期間の前記終了時に前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって前記少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、前記総充電時間が前記第３時間未満である場合、前記少なくとも１つのバッテリを前記第１電圧で前記第１時間期間充電し、更に前記バッテリを前記第２電圧で前記第２時間期間充電するステップを繰り返すステップと、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、前記少なくとも１つのバッテリを第３電圧に設定し、その後前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、若しくは、
前記第２時間期間の前記終了時において、前記総充電時間が前記第３時間以上である場合、前記少なくとも１つのバッテリを第３電圧に設定し、その後前記少なくとも１つのバッテリの充電を中止するステップと、
から成り、
前記第１電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図のほぼ第２プラトーにおける電圧にほぼ等しく、
前記第２電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの充電特性図の第２プラトーよりも僅かに高い電圧にほぼ等しく、
前記第３電圧は、前記少なくとも１つのバッテリの前記充電特性図の前記第１プラトーおよび前記第２プラトー間の電圧にほぼ等しく、
前記第１時間期間は、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を除算して係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数が０．０２および０．０６の間であり、
前記第２時間期間は、前記第１時間期間に係数を乗算した値にほぼ等しく、前記係数は３×１０−５および３×１０−３の間であり、
前記少なくとも１つのバッテリを充電するために必要な総時間は、前記少なくとも１つのバッテリのバッテリ容量を、前記少なくとも１つのバッテリに供給する充電電流で除算した値にほぼ等しい、バッテリ充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、バッテリ充電方法およびシステムに関し、更に特定すれば、バッテリの過充電を防止する充電方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の引用
本願は、２件の同時係属中の出願に関連がある。一方の特許出願は、"Battery Charging System"（バッテリ充電システム）と題し、他方の特許出願は"Battery Charging Method and System"（バッテリ充電方法およびシステム）と題し、各々、発明者Michael CheikyおよびTe-Chien Flex Yangによるものであり、出願番号は未定で、各々２００１年１２月１４日に出願され、これらの内容はこの引用により本願にも含まれることとし、本願に関しては従来技術であるとは認められないものとする。
【０００３】
背景技術
電気エネルギを蓄積するための再充電可能バッテリ、およびバッテリを消耗した後にバッテリを充電し再度バッテリを充電状態にするバッテリ充電器は公知であり、珍しいものではない。通例では、バッテリは、完全なまたは部分的な消耗の後に充電するが、その際、エネルギをバッテリに送り込み、バッテリ内部の化学的プロセスを逆に行い、電圧をバッテリに印加し、電流をバッテリに流すことによって電荷を再生する。一般的な充電方法では、バッテリのバッテリ電圧よりも高い電源電圧を充電するバッテリに印加し、バッテリが追加の電流を受け入れるのを中止したときに充電を停止する。このような充電方法は、充電開始時におけるバッテリの充電状態を考慮しておらず、殆ど常にバッテリに有害な影響を及ぼす結果となり、性能低下およびバッテリの短寿命化を招く。
【０００４】
過充電を極力抑え、そうすることによってバッテリの性能を高め寿命を延ばすバッテリ充電方法が求められている。このバッテリ充電方法は、１つ以上のバッテリを同時に充電でき、バッテリの充電状態、即ち、バッテリがかなり充電されているか、またはほぼ完全に消耗したかについて、充電サイクル中の早い時期に評価し、このような充電状態に基づいてしかるべくバッテリを充電しなければならない。
【０００５】
バッテリは、一般に、２つ以上の直流電気セル(galvanic cell)から成る。異なる材料の２つの電極が、電気的に互いに隔離されているが、共通のイオン導通電解質内に置かれている。バッテリの過充電は、複雑で望ましくない副反作用に至る可能性があり、特にこれらは電解質の分解に関与する。後者は気体の生成を招く可能性があり、そのためにバッテリの内部インピーダンスが増大する。このようにバッテリ内部インピーダンスが増大したバッテリは、最適動作状態からすぐに逸脱する可能性がある。加えて、過充電は、樹脂状結晶の成長を助長し、このためにバッテリの短絡が生ずる。一方、現在ではバッテリに高電力密度化が増々要求されているので、過小充電はいずれの充電方式においても回避しなければならない。
【０００６】
銀系バッテリは、通例、高いエネルギ密度、即ち、高いエネルギ対重量および体積比、比較的高い電流ドレインでエネルギを送り出す能力、および高い信頼性を有しているので、今日のエネルギ蓄積および供給の要求を満たすばかりでなく、次世代技術に用いる有力な候補にもなっている。このように、過充電の悪影響を極力抑えたバッテリ充電方法およびシステムが求められている。
【０００７】
銀系バッテリの充電は、銀の２つの活性酸化状態(active oxidation state)を反映する２つのプラトー(plateau)によって特徴付けられる。最初のプラトーが現れるのは、銀を一価酸化銀（Ａｇ２Ｏ）に変換するときであり、２番目のプラトーは、二価銀（ＡｇＯ）の形成を反映する。充電の終末に向かうに連れて、通常最大容量の約９０％において、プラトーは急激に上昇する曲線に変形し、バッテリの過充電が始まる。このため、最大充電電圧および充電電流を制限するバッテリ充電方法およびシステムが必要となる。このバッテリ充電方法およびシステムは、バッテリの充電を徐々に減らして行き、過剰なエネルギを過度に速くバッテリに送り込まないようにすることによって、バッテリの損傷を防止しなければならない。バッテリを損傷するガス化(gassing)は最少に抑えなければならない。
【０００８】
銀系バッテリやその他の高インピーダンス・バッテリのように、洗練性および拡張性を高めたバッテリ・システムの出現により、過充電およびバッテリの損傷を防止する、一層進んだ充電方法およびシステムが求められるようになった。この要望は、特に、高いエネルギ密度を有し長期信頼性が求められる銀系バッテリおよびその他の高インピーダンス・バッテリにとっては一層重要となる。このようなバッテリは、航空機やその他の用途で用いられる場合があり、長期間にわたって交換を不要とするか、または最小限に抑える必要がある。したがって、このようなバッテリをその最大容量(capability)まで容易に充電しつつ、悪影響を最小限に抑えるか殆ど発生させず、このようなバッテリを最大限長寿命化するデバイスおよび方法が求められている。この充電方法およびシステムは、費用がかからず、製造および使用が容易であり、小型軽量であり、耐久性があり、長時間使え、信頼性があり、航空機や防衛の用途に使用可能でなければならない。
【０００９】
これまでにも様々なバッテリ充電方法およびシステムが知られている。しかしながら、これらバッテリ充電方法およびシステムには、前述の要望を満たすものはない。
分路レギュレータを用いた様々な充電方法およびシステムが開示されている。
【００１０】
米国特許第５，８２１，７３３号(Turnbull)および第５，７４７，９６４号(Turnbull)は、再充電バッテリ、およびセルの各々と並列に接続するように構成した複数の分路レギュレータを含む、多数の直列接続バッテリ・セルのバッテリ充電システムを開示する。充電中に各セルの電圧を監視する。あるセルが最大に充電されたときに、最大充電セルを避けて、過剰充電電流を分路し、残りのセルを引き続き充電することができる。
【００１１】
Turnbullは、この分路レギュレータの様々な実施形態を示している。Turnbullの実施形態の１つでは、Turnbullは各々バッテリ・セルと並列な分路レギュレータを単に示すに過ぎない。別の実施形態では、Turnbullは、分路レギュレータと電界効果トランジスタとを用い、そのドレインおよびソース端子を、各バッテリ・セル間で並列に接続する。各分路レギュレータは、電圧検知回路の制御下にあり、電圧検知回路は、バッテリ・セルの実際のセル電圧を検知し、それを基準電圧と比較する差動増幅器を、充電回路のいずれかの場所に含む。更に別の実施形態では、Turnbullは複数の隔離スイッチを用いてバッテリ・セルを充電回路から切断し、バッテリ充電器が使用されていないときに、バッテリ・セルがセルを放電するのを防止する。
【００１２】
米国特許第５，９８２，１４４号(Johnson et al)は、分路回路を有する再充電可能電源過充電保護回路を開示する。分路回路は、最大充電限度にまで充電したときに、電流を分路し、バッテリまたは一連のバッテリ・セルのバッテリ・セルを迂回させる。分路回路は、各バッテリ・セル間に接続した分路レギュレータを含む。
【００１３】
米国特許第６，０２５，６９６号(Lenhart et al)は、電圧または温度のような、バッテリ・セルの動作状態を検出するセンサと、リチウム・イオン・バッテリのバッテリ・セル間に接続したコントローラとを有するバッテリ・セル・バイパス・モジュールを開示する。コントローラは、導通モードに変化するように動作し、こうして電流を分路させバッテリ・セルを迂回させることができる。コントローラは、入力が所定値を超過する場合、電圧過剰出力信号を送信するように動作可能な電圧制限演算増幅器と、電流を迂回させる所定のゲート電圧を有するトランジスタとを含む。トランジスタは、電圧制限演算増幅器からの電圧過剰出力信号に応答して、バッテリ・セルを迂回するように電流を分路させる。
【００１４】
米国特許第４，７１９，４０１号(Altmejd)は、直列接続した一連のバッテリ・セルにおいて、各々、各セル間から分路したツエナー・ダイオードを開示する。
プラトーおよび変曲点を用いた様々な充電方法およびシステムが開示されている。
【００１５】
米国特許第５，６４２，０３１号(Brotto)は、充電状態を検出するバッテリ再充電システムを開示する。これは、初期状態において、充電するバッテリが既に完全充電状態にあるかまたはほぼ完全充電状態にあるか否か検出して、過充電を防止する。充電状態の検査を最初にバッテリに対して行う際、電流パルスを印加し、得られた電圧減衰特性を観察する。最初からほぼ完全に充電されていたバッテリは、さほど完全に充電されていないバッテリよりも、大きな電圧減衰を呈する。このバッテリ検査の初期状態の結果を用いてバッテリの充電を最良に終了させる方法を決定する。
【００１６】
米国特許第４，３９２，１０１号(Saar et al)および米国特許第４，３８８，５８２号(Saar et al)は、経時的なバッテリ特性変動の素描(profile)を分析することによって、高速にバッテリを充電する方法および装置を開示する。この特性は、バッテリが充電されるに連れて蓄積される化学的エネルギの変化を示す。この方法は、一連の特定の挙動(event)の発生について特性図を分析することから成り、特性図は、好ましくは、高速充電速度の適用を中断すべき時点を特定する１つ以上の変曲点を含む。別の分析方法では、制限時間値、電圧または電圧の傾き、あるいは蓄積エネルギのレベルの負方向への変化というような別の挙動の発生時に、充電電流を停止するかまたは制御する。経時的な特性変化を分析するには、好ましくは、特性の連続値を測定し、傾きを計算し、連続する傾きの値を比較して、変曲点および特性変化におけるその他の有意な挙動を識別する。これらの方法を実行する装置は、電源と、特性図を分析し電源を制御するマイクロコンピュータとを備えている。
【００１７】
SaarおよびBrottoは、少なくとも４つの別個の領域に分離可能な電圧−時間曲線を示す。領域Ｉは、バッテリを最初に充電器に取り付け、充電を開始した直後における、充電シーケンスの開始を表す。充電シーケンスが領域Ｉを通過した後、充電曲線は、更に安定した領域ＩＩに入る。領域ＩＩは、一般に、充電シーケンスの中で最も長い領域であり、バッテリ自体内部における殆どの内部化学的変換によって特徴付けられる。このために、バッテリの電圧は領域ＩＩ全域では殆ど上昇せず、したがってこの領域は充電曲線におけるプラトー領域を表す。領域ＩＩの終了時に、曲線の変曲点があり、これは領域ＩＩから領域ＩＩＩへの遷移を表し、曲線の傾きが減少基調から増大基調に変化する点によって認められる。領域ＩＩＩは、バッテリ電圧が時間に対して急速に上昇する領域であり、したがって急速電圧上昇領域を表す。領域ＩＩＩによってバッテリ電圧がその最大充電状態まで上昇するに連れて、バッテリの内圧および温度も上昇する。バッテリ内部の温度および圧力の効果が広まると、バッテリ電圧の上昇が徐々に減少し始める。この漸減効果は、別の変曲点として認められ、電圧導関数曲線ｄＶ／ｄｔにおける鋭い降下によっても特徴付けられる。領域ＩＶは、後者の屈曲点に続く最大充電領域を表し、充電終了目標を含む。充電電圧は、非常に短い時間期間だけ、充電終了目標において安定する。したがって、充電が継続すると、バッテリ内部で更に加熱が進むことによって、バッテリの電圧が低下し、加えてバッテリに損傷を与える原因にもなり得る。
【００１８】
米国特許第６，２１５，３１２号(Hoenig et al)は、ＡｇＺｎバッテリを分析する方法および装置を開示する。これは、充電状態に対応する高および低電圧プラトー状態を有するバッテリのステータスを診断する。
他にも高速充電装置およびバッテリが開示されているが、その一部は複雑で入り組んでいる。
【００１９】
米国特許第５，３０７，０００号(Podrazhansky et al)は、充電および放電パルスのシーケンスを用いる方法および装置を開示する。放電パルスは、充電パルスの振幅(magnitude)とほぼ同じ振幅を有するが、充電パルスの期間よりはかなり短い期間を有することが好ましい。放電パルスは負方向スパイク(negative-going spike)を生じ、これを測定して、充電を停止するように促す。
【００２０】
米国特許第６，０９７，１７２号(Podrazhansky et al)は、放電パルス、次いで第１休止期間に続いて充電パルスを発生し、次いで第２休止期間に続いて別の放電パルスを発生する技法によって、バッテリを充電する装置および方法を開示する。第２休止期間の内選択したものの時間を延長し、バッテリの平衡を取り、バッテリの開放回路電圧を静定させ、バッテリの過充電状態を反映できるようにする。個別に延長した第２休止期間中に測定した開放回路電圧を比較することによって、小さな電圧低下を検出し、気体が発生し開放回路電圧に影響を及ぼすとき等、過充電状態を判定するために用いる。一旦過充電を検出したなら、バッテリの充電を停止する。米国特許第６，２３２，７５０号(Podrazhansky et al)も、二極波形を利用してバッテリの急速充電を行う、別のバッテリ充電器を開示している。
【００２１】
米国特許第５，２０４，６１１号(Nor et al)および米国特許第５，３９６，１６３号(Nor et al)は、実質的にバッテリまたはセルの電流を受け入れる能力を超えない速度で、制御した電流によって再充電可能バッテリおよびセルを高速充電する回路を開示する。充電電流が中断している間に、バッテリ・セルの無抵抗端子電圧を検出し、独立した基準電圧と比較して、基準電圧と検知した無抵抗端子電圧との間に差が存在するときの充電電流を制御する。
時間を充電における因子として用いた、様々な充電方法およびシステムが開示されている。
【００２２】
米国特許第６，１３７，２６８号(Mitchell et al)が開示するバッテリ充電システムでは、長い時間期間（秒単位）にわたって電流の平均を取り、最大平均充電レートを判定する。この長い時間期間で充電電流を積分して、１期間に対してプログラムした最大充電値に達した場合、固定した長い期間の残りの間電流を直ちに遮断する。
【００２３】
米国特許第６，２１５，２９１号(Mercer)は、バンドギャップ基準回路を有する制御回路を開示する。この回路は、放電したバッテリに高い一定充電電流を印加する時間長を最大限延長することによって、バッテリ充電システムの充電サイクル時間を最短化する。
他にも充電装置、バッテリ、および方法が開示されているものの、前述の要望を満たすものは未だない。
【００２４】
米国特許第５，１６６，５９６号(Goedken)は、可変量充電電流源を有するバッテリ充電器を開示する。米国特許第６，２２２，３４３号(Crisp et al)は、異なる種類のバッテリを充電可能なバッテリ充電器、バッテリの充電方法、およびバッテリ充電器を動作させるソフトウエア・プログラムを開示する。
【００２５】
米国特許第５，３８７，８５７号(Honda et al)、第５，４３８，２５０号(Retzlaff)、第５，９９４，８７８号(Ostergaard et al)、第６，０３７，７５１号(Klang)、第５，０８９，７６５号(Yamaguchi)、第４，１１３，９２１号(Goldstein et al)、第５，０４９，８０３号(Palanisamy)、第５，１６０，８８０号、第６，１２４，７００号(Nagai et al)、(palanisamy)、第４，７４５，３４９号(Palanisamy)、第５，７２１，６８８号(Bramwell)、第６，２５２，３７３号(Stefansson)、第５，２７０，６３５号(Hoffman et al)、第６，１０４，１６７号(Bertness et al)、第３，７０８，７３８号(Crawford et al)、英国特許第ＧＢ２１７８６０８Ａ号(Yu Zhiwei)および第８９２，９５４号(Wolff)、国際特許第ＷＯ００／１４８４８号(Simmonds)および第ＷＯ０１／４７０８６号(Gabehart et al)、フランス国特許第ＦＲ２６８３０９３−Ａ１号(Michelle et al)、およびヨーロッパ特許出願第ＥＰ１０７６３９７Ａ１号(Klang)は、各々、別の装置、バッテリ、および方法を開示するが、いずれも前述の要望を満たしていない。
【００２６】
前述の理由から、過充電の悪影響を極力抑え、したがってバッテリの高性能化および長寿命化を図ったバッテリ充電方法およびシステムが求められている。このバッテリ充電方法およびシステムは、１つ以上のバッテリを同時に充電可能であり、バッテリの充電状態、即ち、バッテリかなり充電されているか、またはほぼ完全に消耗したかについて、充電サイクル中の早い時期に評価し、このような充電状態に基づいてしかるべくバッテリを充電しなければならない。この充電方法およびシステムは、バッテリに印加する最大充電電圧および充電電流を制限しなければならず、バッテリの充電を徐々に減少させ、過剰なエネルギを過度に速くバッテリに送り込まないようにすることによって、バッテリに対する損傷を防止しなければならない。バッテリを損傷するガス化は、極力抑えなければならない。銀系バッテリやその他の高インピーダンス・バッテリのように、洗練性および拡張性を高めたバッテリ・システムの出現により、過充電およびバッテリの損傷を防止する、一層進んだ充電方法およびシステムが求められるようになった。この要望は、特に、高いエネルギ密度を有し長期信頼性が求められる銀系バッテリおよびその他の高インピーダンス・バッテリにとっては一層重要となる。このようなバッテリは、航空機やその他の用途で用いられる場合があり、長い時間期間にわたって交換を不要とするか、または最小限の交換で済まさなければならない。したがって、このようなバッテリをその最大容量(capability)まで容易に充電しつつ、悪影響を最小限に抑えるか殆ど発生させず、このようなバッテリを最大限長寿命化するデバイスおよび方法が求められている。この充電方法およびシステムは、費用がかからず、製造および使用が容易であり、小型軽量であり、耐久性があり、長時間使え、信頼性があり、航空機や防衛の用途に使用可能でなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、過充電の悪影響を極力抑えることによって、バッテリの高性能化および長寿命化を図ったバッテリ充電方法およびシステムに関する。このバッテリ充電方法およびシステムは、１つ以上のバッテリを同時に充電可能であり、バッテリの充電状態、即ち、バッテリがかなり充電されているか、またはほぼ完全に消耗したかについて、充電サイクル中の早い時期に評価し、このような充電状態に基づいてしかるべくバッテリを充電する。この充電方法およびシステムは、バッテリに印加する最大充電電圧および充電電流を制限し、バッテリの充電を徐々に減少させ、過剰なエネルギを過度に速くバッテリに送り込まないようにすることによって、バッテリに対する損傷を防止する。バッテリを損傷するガス化は、極力抑える。銀系バッテリやその他の高インピーダンス・バッテリのように、洗練性および拡張性を高めたバッテリ・システムの出現により、過充電およびバッテリの損傷を防止する、一層進んだ充電方法およびシステムが求められるようになった。この要望は、特に、高いエネルギ密度を有し長期信頼性が求められる銀系バッテリおよびその他の高インピーダンス・バッテリにとっては一層重要となる。このようなバッテリは、航空機やその他の用途で用いられる場合があり、長い時間期間にわたって交換を不要とするか、または最小限の交換で済ませるようにしなければならない。したがって、このようなバッテリをその最大容量(capability)まで容易に充電しつつ、悪影響を最小限に抑えるか殆ど発生させず、このようなバッテリを最大限長寿命化するデバイスおよび方法が求められている。本発明の充電方法およびシステムは、バッテリに印加する最大充電電圧および充電電流を制限し、バッテリの充電を徐々に減少させ、加えて費用がかからず、製造および使用が容易であり、小型軽量であり、耐久性があり、長時間使え、信頼性があり、航空機や防衛の用途に使用可能であり、前述の要望を満たすものである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の特徴を有するバッテリ充電方法は、少なくとも１つのバッテリを第１電圧において第１時間期間充電し、少なくとも１つのバッテリを第２電圧において第２時間期間充電し、第２時間期間の終了時に、少なくとも１つのバッテリの充電状態を判定し、第２時間期間の終了時に少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されていない場合、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたって少なくとも１つのバッテリを充電したか否か判定を行い、総充電時間が第３時間未満である場合、少なくとも１つのバッテリを第１電圧で第１時間期間充電し、バッテリを第２電圧で第２時間期間充電するステップを繰り返し、第２時間危難の終了時において、少なくとも１つのバッテリがほぼ完全に充電されている場合、少なくとも１つのバッテリの充電を中止するか、あるいは第２時間期間の終了時において、総充電時間が第３時間期間以上である場合、少なくとも１つのバッテリの充電を中止することから成る。
【００２９】
本発明の特徴を有するバッテリ充電システムは、電流源と、カットオフ電圧コントローラ／タイマと、少なくとも１つのバッテリと、バッテリのそれぞれに印加する電圧、およびバッテリのそれぞれに供給する電流を規制する、電圧／電流レギュレータのそれぞれと、カットオフ電圧コントローラ／タイマは、電圧／電流レギュレータによって、電圧を制御し、バッテリのそれぞれに印加する電圧の時間期間を制御し、バッテリを通過する電流を検知し、検知電流をカットオフ電圧コントローラ／タイマに伝達する電流検知手段と、電流をバッテリから逸らせるシステム電圧／電流レギュレータとを備えている。
【００３０】
本発明のこれらおよびその他の特徴、態様、ならびに利点は、以下の説明、添付した特許請求の範囲、および添付図面を参照することにより、一層良く理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
これより、図面の図１から図９を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。種々の図面における同一要素は、同じ参照番号で識別することとする。
図１は、本発明のバッテリ充電方法１００のステップを示す。バッテリ充電方法１００は、ステップ１０１にて開始する。ステップ１０２において、充電するバッテリを第１時間期間第１電圧で充電する。次に、ステップ１０３において、充電するバッテリを第２時間期間第２電圧で充電する。第２時間期間の終了時に、ステップ１０４においてバッテリを評価して充電状態を判定する。即ち、バッテリがほぼ完全に充電されているか否か判定する。ステップ１０４において第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていないと判定した場合、ステップ１０５において、総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたってバッテリを充電したか否か判定を行う。ステップ１０４において第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていると判定した場合、バッテリの充電を中止し、バッテリ充電方法１００は、ステップ１０６において終了する。
【００３２】
ステップ１０５において、総充電時間が第３時間期間未満である場合、ステップ１０５において総充電時間が第３時間期間以上となるまで、ステップ１０２、１０３、１０４、および１０５を有する別の充電サイクル１０８を、必要に応じて繰り返すことができ、あるいはステップ１０４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定されるまで、ステップ１０２、１０３、および１０４を繰り返すことができる。
【００３３】
ステップ１０５において、総充電時間が第３時間期間を超過したか、またはこれに等しい場合、バッテリの充電を中止し、バッテリ充電方法１００はステップ１０６において終了する。
【００３４】
このように、バッテリを再度ステップ１０２において第１電圧で第１時間期間充電し、そしてステップ１０３において第２電圧で第２時間期間充電する。次いで、ステップ１０４において再度バッテリを評価して、充電状態を判定する。即ち、バッテリがほぼ完全に充電されたか否か判定を行う。ステップ１０４において、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていないと再度判定された場合、ステップ１０５において、総充電時間を再度評価し、第３時間以上の時間期間にわたってバッテリを充電したか否か判定を行い、ステップ１０４において、繰り返しの第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されたと判定した場合、バッテリの充電を中止し、バッテリ充電方法１００はステップ１０６において終了する。ステップ１０５において、総充電時間が再度第３時間期間未満である場合、ステップ１０４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定するまで、充電サイクル１０８を再度繰り返すことができ、あるいはステップ１０２、１０３、および１０４を繰り返すことができる。
【００３５】
ステップ１０２、１０３、１０４、および１０５を有する充電サイクル１０８は、充電時間が第３時間期間以上となるまで、および／またはステップ１０２および１０３を完了した後ステップ１０４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定するまで、必要な回数だけ繰り返せばよい。
【００３６】
図２は、本発明の代替のバッテリ充電方法１１０のステップを示す。これは、バッテリ充電方法１１０において、電流源を遮断する前に、バッテリを第３電圧に設定することを除いて、バッテリ充電方法１００とほぼ同一である。
【００３７】
バッテリ充電方法１１０は、ステップ１１１にて開始する。ステップ１１２において、充電するバッテリを第１電圧で第１時間期間充電する。次いで、ステップ１１３において、バッテリを第２電圧で第２時間期間充電する。ステップ１１４において、第２時間期間の終了時に、バッテリを評価して充電状態を判定する。即ち、バッテリがほぼ完全に充電されているか否か判定を行う。ステップ１１４において、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていないと判定した場合、ステップ１１５において、総充電時間を評価し、バッテリを第３時間期間以上の時間にわたって充電したか否か判定を行う。ステップ１１４において、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていると判定した場合、ステップ１１６においてバッテリを第３電圧に設定する。次いで、ステップ１１７においてバッテリの充電を中止する、即ち、電流源を遮断し、バッテリ充電方法１１０はステップ１１９において終了する。
【００３８】
ステップ１１５において、総充電時間が第３時間期間未満である場合、ステップ１１５において総充電時間が第３時間期間以上となるまで、必要に応じて、ステップ１１２、１１３、１１４、および１１５を有する別の充電サイクル１１８を繰り返すことができ、および／またはステップ１１４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定するまで、ステップ１１２、１１３、および１１４を繰り返すことができる。
【００３９】
ステップ１１５において、総充電時間が第３時間期間以上となった場合、ステップ１１６においてバッテリを第３電圧に設定する。次いで、ステップ１１７において、バッテリの充電を中止する、即ち、電流源を遮断し、ステップ１１９においてバッテリ充電方法１１０を終了する。
【００４０】
このように、ステップ１１２においてバッテリを再度第１電圧で第１時間期間充電し、ステップ１１３において再度第２電圧で第２時間期間充電することができる。次いで、ステップ１１４においてバッテリを再度評価して充電状態を判定する。即ち、バッテリがほぼ完全に充電されているか否か判定を行う。ステップ１１４において、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていないと再度判定した場合、ステップ１１５において総充電時間を再度評価し、バッテリを第３時間以上の時間期間にわたって充電したか否か判定を行い、ステップ１１４において、繰り返しの第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていると判定した場合、ステップ１１６においてバッテリを第３電圧に設定する。次いで、ステップ１１７において、バッテリの充電を中止する、即ち、電流源を遮断し、ステップ１１９においてバッテリ充電方法１１０を終了する。ステップ１１５において再度総充電時間が第３時間期間未満である場合、ステップ１１４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定するまで、充電サイクル１１８を再度繰り返すことができ、および／またはステップ１１２、１１３、および１１４を繰り返すこともできる。
【００４１】
ステップ１１２、１１３、１１４、および１１５を有する充電サイクル１１８は、充電時間が第３時間期間以上となるまで、および／またはステップ１１２および１１３を完了した後ステップ１１４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定するまで、必要な回数だけ繰り返すことができる。
【００４２】
図３は、銀系バッテリの典型的な充電特性図２０２を示し、銀の２つの活性酸化状態を反映する、充電中のバッテリ電圧を時間の関数として表している。銀系バッテリは、２カ所のプラトーを有するのが通例である。第１プラトー２０４は、「プラトー領域」と呼ばれ、銀が一価酸化銀（Ａｇ２Ｏ）に変形したときに現れ、通例では、バッテリ容量の１０％変化毎に、４％未満の電圧変化を有する。バッテリ内の銀は、「プラトー領域」において、一価酸化銀に変換する。更にバッテリを充電すると、バッテリは第２プラトー２０６に達する。これは、二価の銀種（ＡｇＯ）の形成を示す。充電の終焉に近づくに連れて、通常では最大容量の約９０％において、プラトーは鋭く立ち上がる曲線２０７に変形し、バッテリの過充電が始まる。バッテリの化学薬品やその他のパラメータによっては、別のプラトーも存在する場合がある。
【００４３】
本発明の教示に関連して、以下の経験的観察をその一部として紹介する。これらは、図１および図２に示した、本発明のバッテリ充電方法１００に適用可能である。これらの経験的観察は、特に銀系バッテリに関連がある。
【００４４】
銀系バッテリを充電するために必要な総時間は、Ｔｔｏｔａｌ＝Ｃ／ＩＣで定義することができる。ここで、Ｃはバッテリの容量、ＩＣＣはバッテリに供給する充電電流の値である。総時間Ｔｔｏｔａｌは、例えば、少なくとも１つの第１時間期間Ｔ１、および少なくとも１つの第２時間期間Ｔ２のような時間期間を有するものとして定義することができ、第１時間期間Ｔ１および第２時間期間Ｔ２の間少なくとも１回以上バッテリに充電を行う。第１時間期間Ｔ１は、第１電圧での充電の開始からの時間期間として定義することができる。第２時間期間Ｔ２は、第１時間期間Ｔ１の終了時からの、第２電圧で充電する時間期間として定義することができる。したがって、バッテリを充電するために要する総時間Ｔｔｏｔａｌは、第１時間期間Ｔ１および第２時間期間Ｔ２の和の定数倍となり、ｋを１以上の定数と定義すると、総時間Ｔｔｏｔａｌ＝ｋ（Ｔ１＋Ｔ２）となる。
【００４５】
以上の経験的観察および本発明の教示に加えて、バッテリの充電を最適化することができる。
１）通例では、充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の前に、ほぼ第２プラトーにおける電圧である電圧Ｖ２（２０８）にほぼ等しい第１電圧で第１時間期間Ｔ１だけ充電する。時間期間Ｔ１は、Ｔ１＝ξ*Ｃ／ＩＣと定義され、０．０２＜ξ＜０．０６である。
【００４６】
２）通例では、充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の屈折点(knee)において、第２プラトーよりも僅かに高い電圧である電圧Ｖ３（２０９）にほぼ等しい第２の電圧で第２時間期間Ｔ２だけ充電する。時間期間Ｔ２は、Ｔ２＝β*Ｃ／ＩＣと定義され、３×１０−５＜β＜３×１０−３である。
【００４７】
以上の経験的観察および本発明の教示に加えて、充電特性図２０２の第１プラトー２０４と第２プラトー２０６との間の電圧である電圧Ｖ１（２１０）とほぼ等しい第３電圧にバッテリを設定し、その後バッテリの充電を中止することによって、バッテリの充電を更に改良することができる。
【００４８】
このように、本発明のバッテリ充電方法１００および１１０は、先に開示した値を用いることによって銀亜鉛バッテリに対する最適化および改良を行うことができる。
本発明のバッテリ充電方法１００および１１０のステップは、カットオフ電圧コントローラによって制御することができる。カットオフ電圧コントローラは、マイクロコントローラ、コンピュータ、またはその他の適したデバイスとすればよい。
【００４９】
図４は、本発明の一実施形態、即ち、先に引用した２００１年１２月に出願され、出願番号が未定の発明者Michael CheikyおよびTe-Chien Flex Yangによる、"Battery Charging System"（バッテリ充電システム）と題する同時係属中の出願のバッテリ充電システム４００とは異なる、バッテリ充電システム２１１のブロック図を示す。即ち、本発明のバッテリ充電システム２１１は、抵抗器ＲＳ（２１３）とすればよい電流検知手段２１２と、電流検知手段２１２からマイクロコントローラとすればよいカットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５への検知電流入力２１４と、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６とを有する。本発明のバッテリ充電システム２１１の各プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７は、制御１電圧入力２１８、制御２電圧入力２１９、およびカットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５から得ることができる電圧基準入力ＶＣＣ（２２０）を有することができる。
【００５０】
本発明のバッテリ充電システム２１１は、バッテリＢ１（２２２）の各々に印加する電圧を規制し、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７を用いることによって、適切な電圧でバッテリＢ１（２２２）の各々に供給する電流を規制し、整形し、分路するが、直列であり、バッテリＢ１（２２２）をバッテリ充電システム２１１から切断することはない。
【００５１】
バッテリ充電システム２１１は、複数のカットオフ電圧を有することができ、これらは、規制するために選択したプラトーの数、および充電するバッテリＢ１（２２２）の種類に応じて、制御１電圧入力２１８、制御２電圧入力２１９、および電圧基準入力ＶＣＣ（２２０）に入力することができる。バッテリＢ１（２２２）は、同一および／または異なる特性を有する、同一および／または異なる種類のバッテリでもよい。したがって、バッテリＢ１（２２２）は、同一および／または異なる電気的特性、化学的特性、および／または物理的特性を有することができる。バッテリ充電システム２１１は、充電すべき複数のバッテリＢ１（２２２）と、複数のプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７を有することができる。
【００５２】
タイマ制御型スイッチＳ１（２２５）は、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５によって制御することができ、電流源ＩＣ（２２６）、複数の直列のバッテリＢ１（２２２）、および複数の直列のプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７と直列である。プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７のそれぞれ各１つは、バッテリＢ１（２２２）のそれぞれ各１つの間で、バッテリＢ１（２２２）のそれぞれ各１つに印加する電圧および供給する電流を規制する。プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々を個々にプログラムすると、種々の充電方法およびプロセスを受け入れることもできる。
【００５３】
電流検知手段２１２は、バッテリ群Ｂ１（２２２）と直列であり、直列であるバッテリ群Ｂ１（２２２）を通過する検知電流ＩＳ２２８を検知する。抵抗器ＲＳ（２１３）とすればよい電流検知手段２１２間に発生する検知電圧ＶＳ（２２７）を、検知電流入力２１４として、電流検知手段２１２から、マイクロコントローラとすればよいカットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５に伝達する。検知電流ＩＳ２２８は、電流源ＩＣ（２２６）からバッテリＢ１（２２２）を通過する電流の尺度となる。カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は、検知電流入力２１４を用いて、バッテリＢ１（２２２）の充電状態およびその他のバッテリ特性を判定し、バッテリ充電システム２１１の動作を制御することができる。
【００５４】
バッテリＢ１（２２２）が完全充電に近づくと、電流は、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を通って分路し、バッテリＢ１（２２２）から逸れ、こうしてバッテリＢ１（２２２）を過充電する可能性を極力抑える。
【００５５】
図５は、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の典型的な１つを示すが、他にも適したプログラマブル電圧／電流レギュレータがあればそれを用いることができる。プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７は、制御１電圧入力２１８、制御２電圧入力２１９、電圧基準入力ＶＣＣ（２２０）として示す複数のカットオフ電圧入力と、光アイソレータとを有する。光アイソレータＵ６０（２３６）およびＵ６２（２３８）は、図５に示されている。カットオフ電圧の数は、単に追加の光アイソレータを付加し、抵抗器およびポテンショメータを付随させ、これらに応じてプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７を較正することによって増加させることができる。プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々のカットオフ電圧の数は、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々において用いられている光アイソレータの数よりも１つ多い。
【００５６】
制御１電圧入力２１８における電圧と電圧基準入力ＶＣＣ（２１９）との間の電圧差から生じる電流は、制限抵抗器Ｒ５（２４０）を通過して光アイソレータＵ６０（２３６）を活性化し、その結果ポテンショメータ抵抗器Ｒ３（２４２）がポテンショメータ抵抗器Ｒ２（２４６）の上側部分２４４と並列となる。ポテンショメータ抵抗器Ｒ３（２４２）は、抵抗器Ｒ２（２４６）の上側部分２４４の抵抗と比較すると、大きい抵抗を有する。可調節バンドギャップ電圧基準ダイオードＵ１（２６０）に結合される実効抵抗が低下するので、可調節バンドギャップ電圧基準ダイオードＵ１（２６０）のツエナー基準電圧ＶＲＥＦ（２６２）にオフセットを与える。同様に、制御２電圧入力２１９における電圧と電圧基準入力ＶＣＣ（２１９）との間の電圧差から生ずる電流が、制限抵抗器Ｒ６（２６４）を通過して光アイソレータＵ６２（２３８）を活性化し、その結果ポテンショメータ抵抗器Ｒ４（２７６）がポテンショメータ抵抗器Ｒ２（２４６）の下側部分２４４と並列となる。ポテンショメータ抵抗器Ｒ４（２７６）は、抵抗器Ｒ２（２４６）の下側部分２４４の抵抗と比較すると、大きな抵抗を有する。可調節バンドギャップ電圧基準ダイオードＵ１（２６０）に結合される実効抵抗が低下するので、可調節バンドギャップ電圧基準ダイオードＵ１（２６０）のツエナー基準電圧ＶＲＥＦ（２６２）にオフセットを与える。したがって、制御１電圧入力２１８および制御２電圧入力２１９における電圧の値に応じて、バッテリ充電システム２１１では３つのカットオフ電圧を用いることができる。
【００５７】
バッテリ充電システム２１１の必要性に応じて、カットオフ電圧は、時間の関数として変化するようにプログラムすることができ、あるいは他の命令の結果として変化させることができ、固定値を有することもでき、手作業で変化させることもできる。例えば、カットオフ電圧は、充電特性図２０２の第１プラトー２０４と第２プラトー２０６との間の電圧Ｖ１（２１０）、通例では充電特性２０２の鋭く上昇する曲線２０７の手前にある、ほぼ第２プラトーにおける電圧Ｖ２（２０８）、および／または通例では充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の屈折部にある第２プラトーよりも僅かに高い電圧Ｖ３（２０９）に設定することができる。あるいは、バッテリ充電システム２１１のプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々の制御１電圧入力２１８における電圧、および制御２電圧入力２１９における電圧は、バッテリ充電システム２１１の必要性および充電するバッテリＢ１（２２２）の種類によっては、異なるカットオフ電圧に設定することもできる。
【００５８】
図６は、典型的なシステム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を示すが、他にも適したプログラマブル電圧／電流レギュレータがあればそれを用いてもよい。システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６は、抵抗器Ｒ１１（２８０）、ポテンショメータＲ２１（２８２）、トランジスタＱ１１（２８４）、および可調節バンドギャップ電圧基準ダイオードＵ１１（２８６）を有する。電流ＩＣＣ２８８は、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を通じて分路し、バッテリＢ１（２２２）から逸れ、こうしてバッテリＢ１（２２２）を過充電する可能性を極力抑える。電圧ＶＥ（２９０）は、直列なバッテリＢ１（２２２）および電流検知手段２１２間の電圧である。
【００５９】
図５に示すプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７、および図６に示すシステム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６は、２００１年１２月に出願され出願番号は未定の、発明者Michael CheikyおよびTe-Chien Felix Yangによる、"Battery Charging System"（バッテリ充電システム）と題する同時係属中の出願に開示されている。しかしながら、他にも適した電圧／電流レギュレータがあればそれを用いてもよく、ここでは以下に手短にその概要を述べる。これは、本発明の種々の教示の理解に役立つであろう。
【００６０】
前述の本発明の経験的観察および教示の他に、バッテリ充電を更に改良するには、
バッテリＢ１（２２２）が完全に充電されてきたなら、電流を分路してバッテリＢ１（２２２）から逸らせ、電圧ＶＥ（２９０）がＶＥ＜＝μ*Ｖ３＋η*（ＩＣ）ｍａｘ*ＲＳとして定義されるようにする。ここで、μは充電するバッテリＢ１（２２２）の数、（ＩＣ）ｍａｘは、バッテリＢ１（２２２）を完全に消耗させたときの充電電流、ＲＳは抵抗器ＲＳ（２１３）の値、そしてηは経験的に決めた値で、０．５０＜η＜０．７０の間である。
【００６１】
バッテリＢ１（２２２）が完全充電に近づく前に、抵抗ＲＳ（２１３）間の検知電圧ＶＳ（２２７）は、ほぼ電流源ＩＣ（２２６）からの電源電流の積となる。即ち、ＶＳ＝ＩＣ*ＲＳとなる。
【００６２】
ここで再度図４〜図６を参照すると、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々は、それぞれのバッテリＢ１（２２２）を充電することができる電圧、即ち、カットオフ電圧を制限し、バッテリＢ１（２２２）が完全電流に近づくと、電流はシステム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を通って分路し、バッテリＢ１（２２２）から逸れるので、バッテリＢ１（２２２）の過充電の可能性は一層極小化する。
【００６３】
プログラマブル電圧／電流レギュレータを通例設定する電圧、即ち、カットオフ電圧を図２に示す。
電圧Ｖ１（２１０）は、例えば、充電特性図２０２の第１プラトー２０４および第２プラトー２０６間の電圧とすることができる。銀亜鉛バッテリでは、電圧Ｖ１（２１０）の範囲は、通例では、１．８６から１．９０ボルトであり、好ましくは１．８７ボルトである。銀カドミウム・バッテリでは、電圧Ｖ１（２１０）の範囲は、通例では、１．４１から１．４３ボルトであるが、他に適した値があればそれを用いてもよい。
【００６４】
例えば、電圧Ｖ２（２０８）は、例えば、通例充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の前にある第２プラトーにおける電圧程度とすることができる。銀亜鉛バッテリでは、電圧Ｖ２（２０８）の範囲は、１．９５から２．０３ボルトであり、好ましくは、１．９７から１．９８ボルトであるが、他に適した値があればそれを用いてもよい。銀カドミウム・バッテリでは、電圧Ｖ２（２０８）の範囲は、１．４５から１．５５ボルト、好ましくは１．５０ボルトとするとよいが、他に適した値があればそれを用いてもよい。
【００６５】
電圧Ｖ３（２０９）は、例えば、通例では充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の屈折部にあたる、第２プラトーよりも僅かに高い電圧とすることができる。銀亜鉛バッテリでは、電圧Ｖ３（２０９）の範囲は２．０３から２．１０ボルトであり、好ましくは２．０８ボルトであるが、他に適した値があればそれを用いてもよい。銀カドミウム・バッテリでは、電圧Ｖ３（２０９）の範囲は、１．５５から１．６５ボルトとするとよいが、他に適した値があればそれを用いてもよい。
【００６６】
図７は、３つのカットオフ電圧と共に用いるための図４および図５のプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々を較正する方法４００、即ち、制御１電圧入力２１８、制御２電圧入力２１９、および電圧基準入力ＶＣＣ（２２０）を較正する方法のステップを示す。
【００６７】
プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々を較正する方法４００は、ステップ４０１にて開始する。タイマ制御スイッチＳ１（２２５）をオンに設定することによって、バッテリ充電システム２１１内のバッテリＢ１（２２２）に電流を流し込む（ステップ４０２）。次いで、制御１電圧入力（２１８）における電圧を、例えば、電圧ＶＣＣに設定し（ステップ４０３）、制御２電圧入力（２１９）を、例えば、接地に設定し（ステップ４０４）、次いで、ポテンショメータＲ２（２４６）を調節して中間レベルのカットオフ電圧を得て、これにバッテリＢ１（２２２）を接続する（ステップ４０５）。次に、制御１電圧入力（２１８）における電圧を再度電圧ＶＣＣに設定し（ステップ４０６）、更に制御２電圧入力を再度接地に設定し（ステップ４０７）、ポテンショメータ抵抗器Ｒ３（２４２）を調節して低カットオフ電圧を得て、これにバッテリＢ１（２２２）を接続する（ステップ４０８）。次に、制御１電圧入力（２１８）を再度電圧ＶＣＣに設定し（ステップ４０９）、更に制御２電圧入力（２１９）を再度接地に設定し（ステップ４１０）、ポテンショメータ抵抗器Ｒ４（２７６）を調節して高カットオフ電圧を得て、これにバッテリＢ１（２２２）を接続する（ステップ４１１）。プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々を較正する方法は、ステップ４１２にて終了し、その後バッテリＢ１１（２７２）を電圧／電流レギュレータ２１７のそれぞれに接続することができる。
【００６８】
尚、前述の代わりにステップ４０３および４０４を逆の順序実行してもよく、あるいはほぼ同時に実行してもよいことを注記しておく。同様に、ステップ４０６および４０７も、前述の代わりに、逆の順序で実行してもよく、あるいはほぼ同時に実行してもよく、更にステップ４０９および４１０も、前述の代わりに、逆の順序で実行してもよく、あるいはほぼ同時に実行してもよい。
【００６９】
システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を較正するには、電流源ＩＣ（２２６）をオフに切り換え、タイマ制御スイッチＳ１（２２５）を開き、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６をバッテリ充電システム２１１から切断し、電流ＩＣＣ２８８をシステム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６に供給し、抵抗器Ｒ１１（２８０）を調節して、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６の出力に電圧ＶＥ（２９０）を得るようにすればよい。次いで、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６の較正完了時に、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を再度バッテリ充電システム２１１に接続する。
【００７０】
前述のように、一旦図７のプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７を較正する方法４００、即ち、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々の制御１電圧入力（２１８）、制御２電圧入力（２１９）、電圧基準入力ＶＣＣ（２２０）の較正が完了し、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６の較正が完了したなら、後に概要を説明するステップにしたがって、図１、図２、および図８に示すように、バッテリＢ１（２２２）を充電することができる。
【００７１】
ここで、再度図３を参照すると、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５によって制御することができるタイマ制御スイッチＳ１（２２５）は、電流源ＩＣ（２２６）、複数の直列なバッテリＢ１（２２２）、および複数の直列なプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７と直列となっている。バッテリＢ１（２２２）のそれぞれ１つずつの間にあるプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７のそれぞれは、バッテリＢ１（２２２）のそれぞれ各１つに印加される電圧および供給される電流を規制する。プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々を個々にプログラムすれば、種々の充電方法およびプロセスを受け入れることができる。したがって、当然認められるべきは、バッテリＢ１（２２２）の各々は同一および／または異なる種類でもよく、同一および／または異なる特性を有してもよく、同一および／または異なるカットオフ電圧および充電時間を用いて充電してもよいということである。
【００７２】
カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は、マイクロコントローラとするとよく、バッテリＢ１（２２２）を充電するのに要する時間を追跡し、タイマ制御スイッチＳ１（２２５）を制御し、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７に供給するカットオフ電圧よび電圧基準入力ＶＣＣ（２１９）を制御するために用いることができる。
【００７３】
本発明のバッテリ充電システム２１１は、少なくとも１つのバッテリを充電するプロセスのステップを実行することができる。図１、図２、および図８は、本発明のバッテリ充電方法１００のステップ、およびバッテリ充電方法１１０のステップを示す。バッテリ充電方法１００およびバッテリ充電方法１１０は、バッテリ充電システム２１１またはその他の適したバッテリ充電システムに適用される。バッテリ充電方法１００のステップの内、あるものは図８において更に詳細に、即ち、下位のステップに分割されており、これらは、バッテリ充電方法１００のステップおよび／またはバッテリ充電方法１００のステップに組み込むことができる。図８に示すステップの上位３桁の数値は、図１における同じ番号のステップと関連がある。
【００７４】
ここでも、バッテリ充電方法１００は同様にステップ１０１にて開始する。前述のようにプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々を較正し、システム・プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１６を較正した後、ステップ１０１−１においてカットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５をオンに切り換える。ステップ１０１−２において、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５を初期化する。カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は、プログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７の各々の制御１電圧入力２１８を、第１カットオフ電圧に設定する。第１カットオフ電圧は、通例充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の前にある第２プラトーにおける電圧にほぼ等しい電圧Ｖ２（２０８）である。また、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は、電圧基準入力ＶＣＣ（２１９）をプログラマブル電圧／電流レギュレータ２１７に設定し、初期化ステップ１０１−２の一部として、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５内部にあるタイマを起動する。次いで、ステップ１０１−３において、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は、タイマ制御スイッチＳ１（２２５）を閉じ、電流源ＩＣ（２２６）から電流を流し始め、ステップ１０１−４において、バッテリ充電システム２１１のバッテリＢ１（２２２）の充電を開始させる。充電を開始するのは、前述の本発明の教示に基づいて、第２カットオフ電圧Ｖ２（２０８）においてである。
【００７５】
ステップ１０２において、充電の開始から第１時間期間Ｔ１の間電圧Ｖ２（２０８）にほぼ等しい第１電圧に、バッテリＢ１（２２２）を充電する。電圧Ｖ２（２０８）は、通例充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の前にある第２プラトーにおける電圧にほぼ等しい。Ｔ１は、Ｔ１＝ξ*Ｃ／ＩＣであり、ここで、０．０２＜ξ＜０．０６である。
【００７６】
次いで、ステップ１０３において、時間期間Ｔ２の間電圧Ｖ３（２０９）にほぼ等しい第２電圧にバッテリＢ１（２２２）を充電する。電圧Ｖ３（２０９）は、通例充電特性図２０２の鋭く上昇する曲線２０７の屈折部にあたる、第２プラトーよりも僅かに高い電圧である。時間期間Ｔ２は、Ｔ２＝β*Ｃ／ＩＣと定義され、３×１０−５＜β＜３×１０−３である。第２時間期間の終了時に、ステップ１０４において、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５によってバッテリを評価し、充電状態、即ち、バッテリがほぼ完全に充電されたか否かについて判定を行う。この判定では、電流検知手段２１２からの検知電流入力２１４の値を評価する。検知電流入力２１４は、電流源ＩＣ（２２６）からバッテリＢ１（２２２）に流れ込む電流の尺度となる。カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は、検知電流入力２１４を用いて、バッテリＢ１（２２２）の充電状態およびその他のバッテリ特性を判定し、更にバッテリ充電システム２１１の動作を制御する。ステップ１０４において、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されていないと判定した場合、ステップ１０５において、カットオフ電圧コントローラ／タイマ２１５は総充電時間を評価して、第３時間期間以上の時間期間にわたってバッテリを充電し続けたか否か判定を行う。ステップ１０４において、第２時間期間の終了時にバッテリがほぼ完全に充電されたと判定した場合、ステップ１０６において、バッテリの充電を中止し、バッテリ充電方法１００を終了する。
【００７７】
ステップ１０５において、総充電時間が第３時間期間未満である場合、ステップ１０５において総充電時間が第３時間期間以上となるまで、ステップ１０２、１０３、１０４、および１０５を有する別の充電サイクル１０８を、必要に応じて繰り返すことができ、あるいはステップ１０４においてバッテリがほぼ完全に充電されたと判定するまで、ステップ１０２、１０３、および１０４を繰り返すことができる。
【００７８】
ステップ１０５において、総充電時間が第３時間期間以上となった場合、ステップ１０６において、バッテリの充電を中止し、バッテリ充電方法１００を終了する。
総充電時間Ｔｔｏｔａｌは、Ｔｔｏｔａｌ＝Ｃ／ＩＣＣであり、ここでＣはバッテリの容量、ＩＣＣはバッテリに供給する充電電流の値であり、第１時間期間Ｔ１および第２時間期間Ｔ２の和の定数倍である。ｋを１以上の定数と定義すると、総時間Ｔｔｏｔａｌ＝ｋ（Ｔ１＋Ｔ２）となる。
【００７９】
バッテリ充電方法１１０は、バッテリＢ１（２２２）を第３電圧Ｖ１（２１０）に設定することを除いて、バッテリ充電方法１００とほぼ同一である。第３電圧Ｖ１（２１０）は、図２に示すように、バッテリ充電方法１１０において電流源を遮断する前にあたる、充電特性図２０２の第１プラトー２０４および第２プラトー２０５間の電圧である。
【００８０】
図９は、ほぼ完全に充電してから開始した、特定の充電状態における典型的な銀亜鉛バッテリの実際のバッテリ充電特性図であり、本発明のバッテリ充電方法１００および本発明のバッテリ充電システム２１１を用いた充電の結果を示す。
【００８１】
このように、バッテリ充電システム２１１のバッテリの各々は、本発明のバッテリ充電方法１００を用いると、複数の電流源を使用する必要なく、個々に直列に充電することができる。通例、バッテリ・パックは複数のバッテリを直列に有する場合が多い。したがって、バッテリ・パック内のバッテリ全てを個々にそして独立して、それらそれぞれのカットオフ電圧に直列に充電することができ、バランスの取れたバッテリ・パックを確実に得ることができる。
【００８２】
以上本発明のある種の好適な形態を参照しながら、本発明について比較的詳しく説明したが、他の形態も可能である。したがって、添付した特許請求の範囲の精神および範囲は、この中に含まれる好適な形態の説明には限定されないこととする。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１は、本発明のバッテリ充電方法のステップを示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の代替のバッテリ充電方法のステップを示す概略図である。
【図３】図３は、バッテリ充電特性図を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明にしたがって構成したバッテリ充電システムのブロック図である。
【図５】図５は、本発明にしたがって構成したプログラマブル電圧／電流レギュレータの概略図である。
【図６】図６は、本発明にしたがって構成したシステム・プログラマブル電圧／電流レギュレータの概略図である。
【図７】図７は、図５のプログラマブル電圧／電流レギュレータを較正する方法のステップを示す概略図である。
【図８】図８は、図１の本発明のバッテリ充電方法のステップの詳細を示す概略図である。
【図９】図９は、特定の充電状態におけるバッテリの実際のバッテリ充電特性図を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【国際調査報告】
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