(57)【要約】  本発明に係る電気化学装置内で電気化学変換を生成するシステム及び方法は、電気化学装置に接続した電力コンバータ、例えば共振回路と、電力コンバータに接続したトリガー回路とを備える。トリガー回路は、電力コンバータをトリガーし、電気化学装置を流れる正極性電流パルスを生成して、電気化学装置内で電気化学変換を引き起こすパルス発生器を具備する。【選択図】      図１ａ
2007527683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学装置の電気化学転換を生成するシステムであって、
前記電気化学装置に接続可能な電力コンバータと、
前記電力コンバータに接続可能なトリガー回路で、前記電力コンバータをトリガーし、前記電気化学装置を流れる正極性パルス電流を生成して前記電気化学装置内での電気化学変換を引き起こすパルス発生器を有する前記トリガー回路とを備える、ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記電気化学装置は電池である、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記電気化学装置は一次電池、例えば乾電池である、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記電気化学装置は二次電池、例えば鉛蓄電池である、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記電気化学装置は電気メッキ装置である、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記電力コンバータは５０乃至１０００マイクロ秒程度の持続期間を有するパルス電流を生成するよう構成した、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記パルス電流はほぼ一定のパルス幅を有し、該パルス幅を前記電力コンバータにより制御する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記パルス電流は２４時間の期間に亙り利用可能な電池容量を完全充電又は放電するのに必要な電流（Ｃ２０電荷）の大きさの１００倍程度の大きさを有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気化学装置は１ミリ秒乃至１０ミリ秒程度の整定時間を有し、１対１０程度乃至１対２００程度のデューティサイクルを生成する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電力コンバータは１以上の直列共振回路として接続可能な１以上のコイル／コンデンサ対の組み合わせを有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記電力コンバータは低インピーダンスを有する、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記電力コンバータは２以上の直列共振回路を並列形成する少なくとも二つのコイル及び少なくとも二つのコンデンサを備え、前記コイル内の電流を一方向とし、前記コンデンサ内の電流を双方向とするよう配置した、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも二つのコイルの巻線は単一コア上に巻回した、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記コア上に第１のさらなる巻線を配置して逓降トランスを形成した、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記さらなる巻線は整流ダイオードを介して前記電気化学装置へ一方向電流パルスを供給する構成とした、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記コア上に配置されて消磁巻線を形成する第２のさらなる巻線をさらに備える、請求項１４又は１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記トリガー回路は前記電力コンバータに接続可能な数個のサイリスタに対し駆動電流パルスを生成するパルス発生器を備え、該パルス発生器が前記（一又は複数の）共振回路の構成要素間で切り替えることで該（一又は複数の）共振回路の充放電を制御する、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記電力コンバータはそこを流れる電流が前記発振周期の第２半期で反転して（一又は複数の）前記サイリスタをオフさせるよう配置した、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記システムはさらに第２の電力コンバータに接続可能な第２のパルス発生器を備え、該第２のコンバータを前記電気化学装置へ接続可能として前記第１の電力コンバータが生成する正極性電流パルス間に負極性電流パルスを生成し、前記正極性パルスが原因で前記電気化学装置内に生成されるガス量を低減する、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記（一又は複数の）負極性電流パルスはエネルギ成分を有し、前記（一又は複数の）正極性電流パルスはエネルギ成分を有し、前記（一又は複数の）負極性電流パルスの前記エネルギ成分は前記（一又は複数の）正極性電流パルスの前記エネルギ成分未満である、請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
前記電力コンバータは共振回路を備える、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
電気化学装置内で電気化学変換を生成する方法であって、
電力コンバータをトリガーし、前記電気機械装置を流れる正極性電流パルスを生成して前記電気化学変換を生成する、ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のシステム内で電気化学変換を生成する、方法。
【請求項２４】
添付図面に示した実施形態等の任意の一実施形態を参照して実質的に明細書に記載した電気化学装置内で電気化学変換を生成する、システム。
【請求項２５】
添付図面に示した実施形態等の任意の一実施形態を参照して実質的に明細書に記載した電気化学装置内で電気化学変換を生成する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池充電分野に係り、より一般的にはあらゆる電気化学変換技術、例えば電気メッキに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉛蓄電池充電方法は定電流・定電圧充電アルゴリズムを用いており、それにより電池は端子電圧がプリセット限界に達するまで定電流を供給され、一定電圧に達した後も充電は継続する。従って、完全再充電に多くの時間を要したり、或いはこのプロセスの速度を上げるのに大量の電解質を犠牲にすることになる。対照的に、パルス充電技法の使用は、電池寿命に影響を及ぼすことなく完全再充電に要する時間を著しく低減することを示してきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のパルス充電方式は、１００ｍｓ〜３００ｍｓ（「オフ」）整定時間が続く通常は１００ｍｓ台の充電（「オン」）時間のパルス電流レシオを利用する。しかしながら、電荷の受け入れは電池内の緩速（拡散）プロセスであることが判っている。それ故、過度のガス発生を回避すべく、充電時間に比べより長い整定時間が特に電池が完全充電に近いときに要求される。さらにまた、充電速度は平均的充電電流に比例する。かくして、パルス充電を長い整定時間に好都合なデューティ、例えばパルス「オン」時間の１０倍をもって電池に適用した場合、そのときは充電速度は低く、通常の少量充電を上回る顕著な効果は全く得られないことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記を極めるものであり、ここではパルス電流オン時間を電池の利用可能な容量を完全充電（或いは完全放電）する２４時間期間に対する電流の充電（又は放電）速度である標準的なＣ２０充電電流レベルの１００倍台の大きさでもって５０〜１００マイクロ秒台（すなわち、１０００倍短く）とする。整定時間は、１対１０〜１対２００台のパルスデューティ・レシオをもたらす１〜１０ｍｓ台とすることができる。
【０００５】
これらの非常に短く大きな電流パルスを達成する上での課題に、典型的に共振技術を使用する本発明を具現した電力電子コンバータにより対処する。
【０００６】
本発明の目的は、電池充電用に適当なパルス波形を生成することになる電力コンバータを提供することにある。
【０００７】
従って、本発明は上述のパルス波形を生成可能とする電力電子接続形態を提供する。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、電気化学装置内での電気化学変換を生成するシステムが提供され、それは
電気化学装置に接続可能な電力コンバータと、
電力コンバータに接続可能なトリガー回路で、電力コンバータをトリガーし、電気化学装置を流れる正極性パルス電流を生成して電気化学装置内での電気化学変換を引き起こすパルス発生器を備える前記トリガー回路とを備える。
【０００９】
好ましくは、電気化学装置は電池か、一次電池、例えば乾電池か、二次電池、例えば鉛蓄電池か、電気メッキ装置である。
【００１０】
好適な実施形態では、共振回路は５０マイクロ秒程度乃至１０００マイクロ秒程度の持続期間を有する電流パルスを生成する。好ましくは、電流パルスはほぼ一定のパルス幅を有し、このパルス幅を電力コンバータにより制御する。
【００１１】
好適な実施形態では、電流パルスは２４時間に亙り利用可能な電池容量を完全充電又は放電するのに必要な電流（Ｃ２０電荷）の大きさの１００倍程度の大きさを有する。
【００１２】
好ましくは、電気化学装置はほぼ１乃至１０ミリ秒程度の整定時間を有し、１対１０程度〜１対２００程度のデューティサイクルを生成する。
【００１３】
好適な実施形態では、電力コンバータは好ましくは低インピーダンスである１以上の直列共振回路として接続可能な１以上のコイル／コンデンサ対の組み合わせを備える。
【００１４】
好ましくは、電力コンバータは少なくとも二つのコイルと少なくとも二つのコンデンサを備え、コイル内の電流は一方向に、コンデンサ内の電流は双方向となるよう配置した２以上の直列共振回路を並列形成してある。
【００１５】
好ましくは、少なくとも二つのコイルの巻線は単一コア上に巻回する。
【００１６】
好ましくは、第１のさらなる巻線をコア上に配置し、逓降トランスを形成してある。このさらなる巻線は、整流ダイオードを介して電気化学装置へ一方向電流パルスを供給するよう配置することができる。
【００１７】
好適な実施形態ではさらに、コア上に配置されて消磁巻線を形成する第２のさらなる巻線を備える。
【００１８】
好ましくは、トリガー回路は（一又は複数の）電力コンバータに接続可能な数個のサイリスタに対し駆動電流パルスを生成するパルス発生器を備え、このパルス発生器が電力コンバータの構成要素間の切り替えにより電力コンバータの充放電を制御する。電力コンバータは、そこを流れる電流を発振周期の第２半期で反転させてサイリスタをオフするよう配置することができる。
【００１９】
好適な実施形態では、システムはさらに第２の電力コンバータに接続可能な第２のパルス発生器を備え、第２の電力コンバータは電気化学装置に接続可能で、第１の電気コンバータが生成する正極性電流パルス間に負極性電流パルスを生成し、正極性電流パルスが原因で電気化学装置内に生成されるガス量を低減する。（一又は複数の）負極性電流パルスがエネルギ成分を有し、（一又は複数の）正極性電流パルスがエネルギ成分を有しており、（一又は複数の）負極性電流パルスのエネルギ成分は好ましくは（一又は複数の）正極性電流パルスのエネルギ成分未満としてある。
【００２０】
好ましくは、電力コンバータは共振回路を備える。
【００２１】
第２の態様によれば、電気化学装置を流れる正極性電流パルスを生成して電気化学変換を生成する電力コンバータのトリガーを含む電気化学装置内での電気化学変換を生成する方法が提供される。
【００２２】
好ましくは、電気化学変換の生成方法は前述のシステム内での電気化学変換の生成ステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の好適な実施形態を、ここで例を挙げ添付図面を参照して説明するものとする。
【００２４】
本発明の第１の好適な実施形態が、図１ａ〜図２ｆに図示してある。これらの図に示した回路は、４個の個別巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を有するトランスＴＸ１を備える。Ｌ１は巻線の各端部の二つのサイリスタＸ２，Ｘ３を介して直流電源に接続してある。Ｌ２は、二つのサイリスタＸ１，Ｘ４を介して直流電源に接続してある。Ｌ１とＬ２の巻線の第１の端部、例えば始端（アステリスク「＊」で指定）はコンデンサＣ１を介して互いに接続してあり、巻線Ｌ１とＬ２の他端は第２のコンデンサＣ２を介して互いに接続してある。サイリスタＸ１とＸ３のアノードは直流電源の正極端子に接続してあり、Ｘ２，Ｘ４のカソードは直流電源の負極端子に接続してある。サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のゲートは、従前のパルス発生器（図示せず）により制御する。サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のゲートの典型的な駆動パルスが、図１ｂに図示してある。ゲートパルス幅は使用する共振パルス幅に依存し、パルス反復周波数は動作パルス反復周波数に関連して変動することになる。パルス振幅Ｉｇａｔｅは、使用する具体的なサイリスタ種について設定しなければならない。
【００２５】
巻線Ｌ３の第１の端部、例えば始端はダイオードＤ１を介して充電対象電池の正極端子に接続してあり、巻線Ｌ３の他端は充電対象電池の負極端子に接続してある。巻線Ｌ４の第１の端部、例えば始端はダイオードＤ２のカソードに接続してあり、ダイオードＤ２のアノードは直流電源の負極端子に接続してある。巻線Ｌ４の他端は、直流電源の正極端子に接続してある。
【００２６】
図２ａ〜図２ｆは、図１ａに示した電力コンバータの動作モードを示す図である。特に、図２ａと図２ｂはその終期にコンデンサＣ１，Ｃ２が図２ｃに示した到達可能電圧へ充電される第１の周期内の累進的電流を示す図である。図２ｄ〜図２ｆは、他のサイリスタ対をスイッチングさせる次周期に関する対応状態を示す。
【００２７】
図１ａ〜図２ｆに示した好適な実施形態では、スイッチＸ１，Ｘ２が最初に閉成したときに、Ｌ１には先ず全電源電圧がかかる。二つのＬ−ＣアームＣ１，Ｌ１とＣ２，Ｌ２はこの周期にあっては並列であるため、両アームの動作は同一となることになる。Ｃ１とＬ１を流れる電流が増大（図２ａ参照）すると、Ｌ３内の電流が電池に供給され、この電池はＬ１とＬ２にかかる電圧が零となる直前に零となる。Ｌ１にかかる電圧が、零を通り次第に負となって低下すると、Ｌ１とＬ２内の電流もまた低下する。Ｌ３は先ずどんな電流の通過も停止し、何故なら電池電圧が巻線が供給する電圧よりも一旦大きくなると、コアは電池へ放電できなくなるが、それはＬ１，Ｌ２を介して放電し続け、消磁エネルギをＣ１，Ｃ２へ戻すからである。
【００２８】
万一コンバータが高インピーダンス負荷でもって動作したり全く負荷をもたずに動作した場合にコアを放電すべく消磁巻線（Ｌ４）を包含させてあり、何故ならこの場合に共振構成要素の両端に生成された高電圧がサイリスタだけでなくこれらの構成要素もまた或いは破壊することがあるからである。
【００２９】
次周期期間中、Ｘ３とＸ４の駆動時にＣ１とＬ２が一つの直列共振対を形成する。全電源電圧に加え、先の共振充電周期（図２ｄ〜図２ｆ参照）からＣ１にかかる残留電圧もまたＬ２の両端に存在する。Ｃ２とＬ１は、Ｃ１とＬ２に並列の別の共振対を形成する。こうして、各パルスの始端においてＬ１，Ｌ２にかかる電圧は電源電圧よりも遥かに大となる。サイリスタが対になって交互に切り替えられながら、動作はこうして継続する。
【００３０】
共振コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）を同値とすることは必須ではなく、何故ならパルス幅はそれらの個別の値にではなく、それらの容量和に依存するからである。同様に、二つの共振一次巻線は同一とする必要はないが、同一とした場合には動作は最適化される。トランスコアの巻線比は、パルス幅にも影響する一次インダクタンスを決定するだけでなく所望の正しい逓昇／逓降電圧及び電流をもたらすべく、各具体的な応用分野向けに設計してある。同様に、消磁コイル（Ｌ４）はコンバータが高インピーダンス負荷でもって動作できない場合は、コンバータの動作に対し何らの影響も及ぼすことなく省略でき、何故ならそれは万が一コンバータが高いインピーダンスで動作した場合に、共振構成要素にかかる電圧が危険レベルに増大して故障を引き起こさないようにすべく包含させたものであるからである。
【００３１】
本発明の第１の好適な実施形態を具体化して図１ａ〜図２ｆに示した電力コンバータは、大振幅低電圧の電流パルスを生成するよう設計してある。それ故、便宜上、逓降トランスＴＸ１を用いる。一定のパルス幅が必要とされるため、選択したコンデンサ及びコイル値によりパルス幅を制御する場合は共振回路が選択される。直列共振回路技術には比較的低インピーダンスをもたせることができ、本発明を実施するシステムに望まれる大電流の生成を可能にする。このことはまた、サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４をして共振未満のスイッチング周波数にて展開される自然な集電のお陰で半導体スイッチとしての使用を可能にし、かくしてコンバータの制御を大幅に簡単化する利点を有する。
【００３２】
コストを低く抑え動作を簡単に保つため、二次側には高電流ショットキ型整流ダイオードを一つだけ含ませ、トランスの一次側の一方向電流が不可欠であることを目論む（増大した電池電圧での動作では、高効率を維持すべく同期整流器をショットキダイオードと置換する）。この要求を実現するため、二つのコイルＬ１，Ｌ２とコンデンサＣ１，Ｃ２（実際には２個の並列な直列共振回路）を用い、コイルＬ１，Ｌ２内の電流が一方向となるよう配置するが、コンデンサＣ１，Ｃ２内の電流は（図１ａに示す如く）双方向となる。両方のコイルＬ１，Ｌ２は対称性と簡単さと増大した効率の理由から同一としたので、両方のコイル巻線を同一コア上に含めることが好ましい。逓降トランスＴＸ１の磁気インダクタンスを共振インダクタンスとなるよう設計し、構成要素数を減らし、回路をさらに簡単化する。
【００３３】
回路が万一偶然に負荷無しで動作した場合の突発的な故障を防止するため、トランスには消磁巻線Ｌ４が含めてあり、このことでトランスは実質的にフォワード型コンバータとして構成される。また、この回路構成では、装置のｄｉ／ｄｔ（電流時間変化率）やｄｖ／ｄｔ（電圧時間変化率）定格を上回る問題は一切存在せず、電力半導体スイッチをスナバ無しにできることが見込める。
【００３４】
図３ａは、図１ａ〜図２ｆに示した電力コンバータが生成する典型的な電流パルスの波形を示す。．上述の電力コンバータが生成する大きな正極性充電電流パルス（図３ａの６００Ａピークを超える）は、巻線Ｌ３とダイオードＤ１を介して充電対象電池へ給送される。充電パルス間には、充電対象電池に接続した個別の従前のフライバック・コンバータにより負電流（放電）パルスが生成される。この文脈での使用に適した二つの従前の代替フライバック・コンバータ構成が、図３ｂ，３ｃに示してある。
【００３５】
図３ｂに示したフライバック・コンバータでは、トランスＴＸ１１の二次巻線の終端を直流電源の正極端子に接続してあり、巻線の始端はダイオードＤ１１のカソードに接続してあり、このダイオードのアノードは直流電源の負極端子に接続してある。トランスＴＸ１１の一次巻線の始端は、充電対象電池の正極端子に接続してある。一次巻線の終端は、電界効果トランジスタＭ１１のドレインに接続してある。電界効果トランジスタＭ１１のソースは、充電対象電池の負極端子に接続してある。電界効果トランジスタＭ１１のゲートは、パルス発生器（図示せず）により駆動される。
【００３６】
図３ｃに示す代替するフライバック・コンバータでは、トランスＴＸ１１の二次巻線の終端は直流電源の正極端子に接続してあり、巻線の始端はダイオードＤ１１のカソードに接続してあり、このダイオードのアノードは直流電源の負極端子に取り付けてある。トランスＴＸ１１は、二つの同一の一次巻線を有する。二つの一次巻線の始端は、充電対象電池の正極端子に接続してある。一次巻線の終端は電界効果トランジスタＭ１１，Ｍ１２のドレインにそれぞれ取り付けてあり、トランジスタのソースは充電対象電池の負極端子に接続してある。トランジスタＭ１１，Ｍ１２のゲートは、パルス発生器（図示せず）に接続してある。
【００３７】
図４乃至図９は、上述の図１ａ〜図２ｆに示したものに対する好適な代替実施形態を示す。図４の回路は、Ｈブリッジ構成に配置した４個の半導体（サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）周りに構築してある。Ｘ１のアノードは直流電源の正極端子に接続してあり、Ｘ１のカソードは中央タップ付きコイルＬ２の巻線の第１の端部に接続してある。Ｌ２の巻線の他端は、Ｘ４のアノードに接続してある。Ｘ４のカソードは、直流電源の陰極端子に接続してある。サイリスタＸ３，Ｘ２は、第２の中央タップ付きコイルＬ１と同様の仕方で接続してある。
【００３８】
Ｌ１の中央タップは、第１のコンデンサＣ１の一側に接続してある。コンデンサＣ１の他側は、トランスＴＸ１の一次巻線の一方の端子に接続してある。ＴＸ１の一次巻線の他端は、Ｌ２の中央タップに接続してある。
【００３９】
トランスＴＸ１の二次巻線は中央タップ付きであり、このタップを直流電源の負極側に接続してある。二次巻線の端部は、第１と第２のダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂのアノードに接続してある。ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂのカソードは合体させ、充電対象電池の正極端子に接続してある。充電対象電池の陰極端子は、直流電源の陰極端子に接続してある。さもなくば、二次巻線の中央タップと電池の負極端子を併せ接続し、電源とは切り離すことができる。
【００４０】
中央タップ付きコイル（Ｌ１，Ｌ２）はサイリスタが経験するｄｖ／ｄｔとｄｉ／ｄｔを制限し、かつ非導通サイリスタ対の完全なスイッチオフを保証するよう含めたものである。図４に示した回路の動作は図１ａ〜図２ｆに関連して説明したものに類似するが、図４の回路では、トランス／共振コイルＴＸ１はコアの双方向励磁を可能にすべく中央タップ付きの二次巻線でもって設計してあり、かくして効率は改善され、何故ならサイリスタの各スイッチングごとに電流パルスがオフとされ、換言すればスイッチング周期ごとに２個の電流パルスが存在する。
【００４１】
図５は、４つのサイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４とトランスＴＸ１と６個のダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄｓ１，Ｄｓ２，Ｄｓ３，Ｄｓ４と５個のコンデンサＣ１，Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３，Ｃｓ４と４個の抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３，Ｒｓ４を有する第２の好適な代替実施形態を示す。サイリスタＸ１のアノードは、直流電源の正極端子に接続してある。サイリスタＸ１のカソードは、サイリスタＸ４のアノードに接続してある。サイリスタＸ４のカソードは、直流電源の負極端子に接続してある。サイリスタＸ３、Ｘ２は、同様に接続してある。
【００４２】
Ｘ３のカソードはコンデンサＣ１に接続してあり、Ｃ１の他方の端子はトランスＴＸ１の一次巻線の一端に接続してある。トランスＴＸ１の一次巻線の他端は、サイリスタＸ１のカソードに接続してある。トランスＴＸ１の二次巻線は中央タップ付きとしてあり、このタップを直流電源の負極端子に接続してある。二次巻線の端部はダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂのアノードにそれぞれ接続してあり、Ｄ１ａとＤ１ｂのカソードは合体させ、充電対象電池の正極端子に接続してある。充電対象電池の陰極端子は、直流電源の陰極端子に接続してある。
【００４３】
ダイオードＤｓ１のアノードは電源の正極端子に接続してあり、抵抗Ｒｓ１はダイオードＤｓ１に並列接続してある。ダイオードＤｓ１のカソードはコンデンサＣｓ１の一方の端子に接続してあり、Ｃｓ１の他方の端子はサイリスタＸ１のカソードに接続してある。
【００４４】
Ｄｓ２，Ｒｓ２，Ｃｓ２を備える同様の回路網が、サイリスタＸ２の両端に接続してある。
【００４５】
さらにまた、Ｄｓ３，Ｒｓ３，Ｃｓ３を有する同様の回路網がサイリスタＸ３の両端に接続してあり、Ｄｓ４，Ｒｓ４，Ｃｓ４を有する同様の回路網がサイリスタＸ４の両端に接続してある。
【００４６】
図５に示す好適な実施形態は、しＬ１とＬ２を省き、従来の４個のスナバ（抵抗・コンデンサ・ダイオード回路網、例えばＲｓ１，Ｃｓ１，Ｄｓ１〜Ｒｓ４，Ｃｓ４，Ｄｓ４）でもって置換してある点を除き、図４に示した実施形態と同様である。このことは、依然としてサイリスタに対する満足のいく保護を提供する一方で、過大な電力損失を阻止する構成要素の念入りな選択を要求する。図５の回路の動作は、図示し図４を参照して前述したものと同一である。
【００４７】
他の好適な代替実施形態を、図６に示す。図６の回路は、Ｈブリッジ構成に配置した４個の電力半導体（サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）周りに構築してある。Ｘ１のアノードは直流電源の正極端子に接続してあり、Ｘ１のカソードは中央タップ付きコイルＬ２の巻線の第１の端部に接続してある。Ｌ２の巻線の他端は、Ｘ４のアノードに接続してある。Ｘ４のカソードは、直流電源の陰極端子に接続してある。サイリスタＸ３，Ｘ２は、同様の態様で第２の中央タップ付きコイルＬ１に接続してある。
【００４８】
Ｌ１の中央タップは、第１のコンデンサの一側に接続してある。コンデンサＣ１の他側は、トランスＴＸ１の一次巻線の一方の端子に接続してある。ＴＸ１の一次巻線の他端は、Ｌ２の中央タップに接続してある。
【００４９】
ＴＸ１の二次巻線は中央タップ付きであり、このタップが直流電源の負極側に接続してある。二次巻線の端部は、第１と第２のダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂのアノードに接続してある。ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂのカソードは合体し、充電対象電池の正極端子に接続してある。充電対象電池の負極端子は、直流電源の負極端子に接続してある。
【００５０】
抵抗Ｒ１はコンデンサＣ２に、さらに電源両端を結ぶ抵抗Ｒ２に直列に接続してある。Ｒ１とＣ２の接合部は、ダイオードＤ３，Ｄ４のカソードに接続してある。Ｒ２とＣ２の接合部は、ダイオードＤ４，Ｄ６のカソードに接続してある。Ｄ３のアノードは、Ｄ４のカソードとさらにコイルＬ１の中央タップにもまた接続してある。Ｄ５のアノードは、ダイオードＤ６のカソードとさらにコイルＬ２の中央タップにもまた接続してある。
【００５１】
中央タップ付きコイル（Ｌ１，Ｌ２）はサイリスタが経験するｄｖ／ｄｔとｄｉ／ｄｔを制限し、かつ非導通サイリスタ対の完全なスイッチオフを保証するよう含めたものである。
【００５２】
図６に示した実施形態は図５に示した実施形態に基づくものであるが、スナバはもたず、ブリッジ整流器とコンデンサと電源へ戻す「ブリーダ」抵抗とで出来たＬ−Ｃ共振回路網両端への「クランプ」の付加を含む。これが改善された性能をもたらすが、抵抗の大きさは使用する電源電圧に依存する。
【００５３】
コンデンサ内に流入する電力流を電源へ戻る電力流に整合させるには、Ｒ１とＲ２に適した値を得る必要がある。図６の回路の動作は、上述した図４に示すものとほぼ同一である。
【００５４】
さらなる好適な代替実施形態が、図７に示してある。本実施形態では、電力充電器は４個のサイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４とダイオードＤ１とコンデンサＣ１とコイルＬ１とトランスＴＸ１とを含む。サイリスタＸ１のアノードは、電源の正極端子に接続してある。Ｘ１のカソードは、コンデンサＣ１の一方の端子とトランスＴＸ１の一次巻線の一方の端子に接続してある。トランスＴＸ１の一次巻線の他方の端子は、サイリスタＸ４のアノードに接続してある。サイリスタＸ４のカソードは、直流電源の負極端子に接続してある。サイリスタＸ３のアノードは、直流電源の正極端子に接続してある。サイリスタＸ３のカソードは、Ｃ１の他方の端子とコイルＬ１の一方の端子に接続してある。Ｌ１の他方の端子はサイリスタＸ２のアノードに接続してあり、サイリスタＸ２のカソードは直流電源の陰極端子に接続してある。
【００５５】
トランスＴＸ１の二次巻線の一方の端子はダイオードＤ１のアノードに接続してあり、ダイオードＤ１のカソードは充電対象電池の正極端子に接続してある。トランスＴＸ１の二次巻線の他方の端子は、充電対象電池の負極端子に接続してある。
【００５６】
構成要素数を低減するため、図７の回路は、トランスＴＸ１の一次巻線内にここでは一方向にのみ電流が存在し、一方向の二次電流を生ずる点で図６のものとは異なる。トランスＴＸ１に一方向電流を供給すべく、回路内のその位置は図７に示す如く変更してあるが、コンデンサＣ１の共振充電を維持するため、コイルＬ１を包含させ、交播する半周期、すなわち第２対のサイリスタの駆動時に導通させる。この回路は図１ａ乃至図６に示した先の変形例が提供することのできた数個の電流パルスの半分だけを供給することになる。
【００５７】
さらなる好適な代替実施形態が、図８に図示してある。図８の回路の動作は、上記し図７に示したものとほぼ同一である。図８の回路は、第２の共振コンデンサＣ２を包含させ、構成要素数をまさに増大させはするものの、回路対称性と共振構成要素の充電を改善してある点を除き、図７に関して前記したものと同じである。コンデンサＣ２は、サイリスタＸ４のアノードとサイリスタＸ２のアノードの間に接続してある。
【００５８】
さらなる代替実施形態が、図９に示してある。この回路は、３個の巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を有するトランスＴＸ１を備える。Ｌ１は二つのサイリスタＸ２，Ｘ３を介し、それぞれ巻線の各端を直流電源電圧に接続してある。Ｌ２は、二つのサイリスタＸ１，Ｘ４を介して直流電圧源に接続してある。巻線Ｌ１，Ｌ２の第１の端部、例えば始端はコンデンサＣ１を介して互いに接続してあり、巻線Ｌ１，Ｌ２の他端は第２のコンデンサＣ２を介して互いに接続してある。サイリスタＸ１，Ｘ３のアノードは直流電源の正極端子に接続してあり、Ｘ２，Ｘ４のカソードは直流電源の負極端子に接続してある。サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のゲートは、従前のパルス発生器（図示せず）により制御される。サイリスタＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のゲートに対する典型的な駆動パルスが、図１ｂに図示してある。図１ａに示した好適な実施形態に関して前述した如く、ゲートパルス幅は使用する共振パルスに依存し、パルス反復周波数は動作パルス反復周波数に関連して変化することになる。パルス振幅Ｉｇａｔｅは、使用するサイリスタの具体種について設定しなければならない。
【００５９】
巻線Ｌ３の第１の端部、例えば始端はダイオードＤ１を介して充電対象電池の正極端子に接続してあり、巻線Ｌ３の他端は充電対象電池の負極端子に接続してある。
【００６０】
図９の回路は、個別コイルＬ１が図９の回路内に存在しない点で図８に示したものとは異なる。このことは構成要素数の低減効果を有し、同一コア上に全てのコイルを含ませることで達成される。ここでも、電流パルスの数の２倍がスイッチング周期ごとに利用可能であり、何故なら電流パルスはサイリスタ対の各スイッチングごとに（図４の実施形態の如く）利用可能であるからである。しかしながら、しかるべき状況下では、二次整流ダイオードＤ１にかかる逆電圧は電源電圧が増大したときに（ダイオードに対する）危険レベルへ増大することが分かっている。これを防止するため、消磁巻線Ｌ４をＤ２と併せ図１ａに示す如く含ませることができ、何故なら負極性電圧は両方のコアが消磁され二次電流が停止した間にダイオードの両端に現れるだけであるからである。このことは、使用するダイオードがショットキ型である場合に問題となろう。この種ダイオードは低いフォワード電圧降下を有するが故に選択でき、そのことが高電流レベルにおいてより大レベルの効率を達成できるようにする。
【００６１】
図９の回路の動作は、上記し図１ａに示したものとほぼ同じである。
【００６２】
要は、本発明を実施する電力電子コンバータは好ましくは共振技法と非常に短い大振幅電流パルスを用いるものである。コンバータの使用時に、この種電流パルスが電解質或いは極板内のいずれかからアノード（又はカソード）上の化学的充電状態への被変換イオンの形態に影響を及ぼすことがある。形態変化は、充電電流レベルに依存する。低レベルの連続電流が極板上に付着する大きな結晶成長を促進するが、非常に短い大振幅の電流パルスはより小さな粒状成長しか促さない。このことは利点と見なされ、何故なら電池極板の粒状形態がより高いアンペア時容量を生み出すことになるからである。それ故、こうして充電された「乾」電池はその損失容量の一部を取り戻すことができる。
【００６３】
電池のガス発生は、比較的大きな整定時間を充電パルス間に生成できるようにすることで低減でき、ガス発生は充電パルスの前又は後のいずれかに生起する放電パルスの追加によりさらに低減することができる。放電パルスの振幅或いはより具体的は電流時間積は、充電パルスの電流充電積の一定パーセントである。充電と放電が、電解質に接触することのある標準的な水素基準電極に相対する鉛蓄電池のアノード電位に影響する。電池の充電がアノード電位を持ち上げるのに対し、放電はアノード電位を下げる。類似の効果は、カソードに見出すことができる。ガス発生はアノードが比較的高正極性電位を有する場合により生起する可能性があり、かくして放電パルスの追加が主充電器パルスの射出前（或いは後）に瞬間的にはアノード電位を下げ、かくしてガス発生の進行をさらに低減する。この放電パルスは、個別電力コンバータにより生成される。上記の如く、この電力コンバータはフライバック・コンバータに基づくものであり、それは放電エネルギを電池から電源へ戻して充電効率を維持することができる。他種のｄｃ−ｄｃコンバータを、放電機能用に用いることもできる。
【００６４】
本発明は特定の実施形態を参照して説明してきたが、当業者は本発明か逸脱することなく形態と細部における変形が可能であることを認識しよう。例えば、コンバータは半導体スイッチとしてサイリスタを使用するよう当初設計したが、万一これらの構成要素を他種のスイッチ、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）やＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）で置き換えたとしても、コンバータの動作は変わらない筈である。同様に、ショットキ・ダイオード（或いはダイオード）の使用が実行不能であろう電圧レベルでの動作では、本発明から逸脱することなく、同期整流器等を含む他の任意種の整流器で置換することもできる。トランスのコアは任意の適当な材料、例えば選択する種に応じて様々な空隙を有するラミネート加工した鉄や鉄粉末やフェライトで製作することができる。Ｌ１とＬ２により形成される共振インダクタンスは、回路動作に影響を及ぼすことなくトランスコア上に含まれない個別の一連のコイルを用いて形成することもできる。追加保護用のサイリスタにかかる過渡電圧抑圧器の追加もまた、電力コンバータの動作を変化させることはない。さらにまた、必要と見なされるのであれば、Ｘ１〜Ｘ４の両端に接続する逆平行ダイオードを追加保護用に含めることもできる。
【００６５】
電力コンバータは、主としてパルス電池充電用に使用するよう設計してある。しかしながら、それは同様の波形、例えばパルス電着を必要とする任意の状況に等しく良好に適用することもできる。
【００６６】
標準的電源に用いる適当な平滑構成要素を追加することで、この回路は本発明の電力コンバータから逸脱することなく、可変の調整された電流制御直流出力を生成するのに用いることさえできよう。
【００６７】
上記実施形態の大半は、ブリッジ半体構成においても等しく良好に動作しよう。
【００６８】
上記の好適な実施形態は、乾電池（亜鉛カーボン型）のパルス充電にも用いることができる。
【００６９】
標準のカーボン塩化亜鉛型の電池は、一次電池の一般的な分類の下にくる。一次電池は、それらの通常の寿命期間中に電子化学的に腐食するよう設計されている。腐食速度は、放電時に増大する。それらは再充電を意図していないが、二酸化マンガンの存在（すなわち、正極板）により電池は再利用向けにある程度まで復旧させることができる。
【００７０】
乾電池は再充電できるが蓄電池ほど効率的でないことは、公知である。乾電池を再充電する従前の技術は通常、交播電流成分を含む直流を用いて達成される連続的な充電／放電周期を活用する。このことは、各他方の半周期にて部分放電を可能にする整流バイパス抵抗付きの標準的な半波整流充電器を用いて達成することができる。
【００７１】
図１０は、乾電池を充電する一般的な回路を示す。トランスＴＸ２１の一次巻線は、交流電源に接続してある。トランスＴＸ２１の二次巻線の一端はダイオードＤ２１のアノードに接続してあり、可変抵抗ＶＲ２１の一端にも接続してある。可変抵抗ＶＲ２１の他方の端子はダイオードＤ２１のカソードに接続してあり、充電対象電池の正極端子にも接続してある。充電対象電池の負極端子は、トランスＴＸ２１の二次巻線の他端に接続してある。
【００７２】
動作時に、トランスＴＸ２１の出力はダイオードＤ２１により正極性半周期に整流され、ダイオードＤ２１のカソードの電圧が充電対象電池の正極端子の電圧を上回ると、電流が電池に流れ込み、電池を充電する。一部電流もまた、可変抵抗ＶＲ２１を通って流れることになる。負極性半周期では、逆バイアスされているためにダイオードＤ２１を介して一切電流は流れないが、可変抵抗ＶＲ２１を介して放電電流が電池から引き出される。放電電流は、トランスＴＸ２１の出力電圧と可変抵抗ＶＲ２１の値とにより決まる。
【００７３】
再充電電池は、かくして問題を伴うことがある。長引く充電は電解質の分解に通じ、ガスの堆積を招き、そのことが外部ケーシングの破裂を招くことがある。これらの問題を回避すべく、この種の充電に関する様々な制限には以下が含まれる。すなわち、充電電圧は１．７ボルト／電池を超えてはならず、充電電流は放電電流の２５〜７５％に置かねばならず、５０％電流が過充電期間の区切りとなる。しかしながら、充電パルスのそれよりも短い電流時間積をもった放電パルスが続く非常に短い持続期間に亙って印加した場合、充電中の最大電池電圧を超えることがあることは、出願人には分かっていた。この便益には、より高速の再充電と改善された電荷の受容とが含まれる。
【００７４】
亜鉛カーボン型の乾電池のパルス充電の有効性を評価すべく、実験を行なった。３個の未使用（ＰＪ９９６型）１１アンペア時６ボルト電池（同一の製造バッチ）を２時間に亙り同一の一連の１Ａ（公称）の放電電流でもって放電させた。放電曲線が、図１１に示してある。（それぞれ「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」と名付けた）３個の電池を、以下に供した。電池Ａには一切電荷を与えず、自然に復旧させた。電池Ｂには０．７５Ａ平均のパルス充電電流を３時間に亙り与え、ここでパルス振幅は２５Ａピーク８５μｓ持続期間とした。電池Ｃには、０．７５Ａで３時間の一定の直流充電電流を与えた。
【００７５】
再充電期間中の各電池ごとの端子電圧を示すグラフが、図１２に示してある。電池Ａは、一定速度の回復を示す。電池Ｃは端子電圧の急速な上昇を示し、７．３ボルトのピーク電圧への上昇後に、残りの充電期間中６．５ボルトへ整定降圧する。電池Ｂもまた端子電圧の急速な上昇を示し、ピーク電圧は７．１ボルトの低電圧であり、５分間は早く生成する。さらにまた、充電が進行するにつれ端子電圧は電池Ｃと同様に６．５ボルトへ降圧するが、この電圧は電池Ａと同じ速度でもって昇圧を持続する。
【００７６】
３日後、端子電圧は以下の通りであった。
電池Ａ：５．９２ボルト  電池Ｂ：６．０３ボルト  電池Ｃ：５．９０ボルト
【００７７】
電池を再度放電させ、どれ位の電荷を電池Ｂ，Ｃが取得したかを立証する。一定の反復数の充電／放電周期の後、計測された各電池に関する被測定アンペア時容量は、以下の通りであった。
電池Ａ：８．０アンペア時  電池Ｂ：１０．７アンペア時  電池Ｃ：９．５アンペア時
【００７８】
上記の実験から、非常に短い大振幅のパルスを用いた乾電池のパルス充電により乾電池は定電流充電によるよりも効果的に回復できるようになると結論付けることができる。図１〜図９に示し上記に説明した本発明の好適な実施形態は、それ故に亜鉛カーボン型の乾電池の充電に適したものとなる。
〔図面の簡単な説明〕
【００７９】
〔図１ａ〕本発明の一実施形態になるコンバータの構成の回路図である。
〔図１ｂ〕一般的なゲート駆動パルスを示す対時間ゲート電流のグラフである。
〔図２ａ〕本発明の一実施形態になるコンバータの動作モードを示す回路図である。
〔図２ｂ〕本発明の一実施形態になるコンバータの動作モードを示す回路図である。
〔図２ｃ〕本発明の一実施形態になるコンバータの動作モードを示す回路図である。
〔図２ｄ〕本発明の一実施形態になるコンバータの動作モードを示す回路図である。
〔図２ｅ〕本発明の一実施形態になるコンバータの動作モードを示す回路図である。
〔図２ｆ〕本発明の一実施形態になるコンバータの動作モードを示す回路図である。
〔図３ａ〕一般的な電池電流波形の図である。
〔図３ｂ〕従来のフライバック・コンバータの回路図である。
〔図３ｃ〕トランス上に二重二次巻線を有する従来の代替フライバック・コンバータの回路図である。
〔図４〕本発明の第１の代替実施形態の回路図である。
〔図５〕本発明の第２の代替実施形態の回路図である。
〔図６〕本発明の第３の代替実施形態の回路図である。
〔図７〕本発明の第４の代替実施形態の回路図である。
〔図８〕本発明の第５の代替実施形態の回路図である。
〔図９〕本発明の第６の代替実施形態の回路図である。
〔図１０〕乾電池を充電する従来回路を示す回路図である。
〔図１１〕亜鉛カーボン乾電池の放電を示すグラフである。
〔図１２〕亜鉛カーボン乾電池の充電を示すグラフである。
〔符号の説明〕
【００８０】
ＴＸ１，ＴＸ１１，ＴＸ２１  トランス
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４      サイリスタ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４      コイル
Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄｓ１〜Ｄｓ４，Ｄ１１，Ｄ２１      ダイオード
Ｃ１，Ｃ２，Ｃｓ１〜Ｃｓ４  コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒｓ１〜Ｒｓ４  抵抗
ＶＲ２１                    可変抵抗
Ｍ１１，Ｍ１２            電界効果トランジスタ
2007527683.tif 000003
2007527683.tif 000004
【図２】
2007527683.tif 000005
【図２】
2007527683.tif 000006
【図２】
2007527683.tif 000007
2007527683.tif 000008
2007527683.tif 000009
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【図４】
2007527683.tif 000011
【図５】
2007527683.tif 000012
【図６】
2007527683.tif 000013
【図７】
2007527683.tif 000014
【図８】
2007527683.tif 000015
【図９】
2007527683.tif 000016
【図１０】
2007527683.tif 000017
【図１１】
2007527683.tif 000018
【図１２】
2007527683.tif 000019
【国際調査報告】
2007527683.tif 000020
2007527683.tif 000021
2007527683.tif 000022
2007527683.tif 000023
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