(57)【要約】  少なくとも１つの再充電可能セルを有する再充電可能電池を充電する技法を説明する。電池充電器は、定電流を印加して、再充電可能セルを充電するとともに、再充電可能セルの電圧の値を周期的に測定する。再充電可能セルを充電するのに必要な期間にわたり、電圧の値をトラッキングして、電圧の測定値が、再充電可能セルの交差電圧の値に実質的に等しくなるようにする。トラッキングした期間に基づき選択したものである第２の期間にわたり、交差電圧に実質的に等しい定電圧を印加する。充電時間の第２の期間の経過後、充電を終了する。
2014523731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの再充電可能セルを有する再充電可能電池を充電する方法であって、
電池充電器によって定電流を印加して、前記少なくとも１つの再充電可能セルを充電する工程と、
コントローラ装置によって、前記再充電可能セルの電圧の値を周期的に測定する工程と、
前記コントローラ装置によって、前記再充電可能セルを充電するのに必要な期間をトラッキングして、前記再充電可能セルの電圧の前記測定値が、前記再充電可能セルの交差電圧の値に実質的に等しくなるようにする工程と、
前記トラッキングした期間に基づき選択したものである第２の期間にわたり、前記交差電圧に実質的に等しい定電圧を印加する工程と、
充電時間の前記第２の期間の経過後、前記充電器によって充電電流を停止する工程と、を備える、方法。
【請求項２】
前記再充電可能電池の端子において前記交差電圧に達したら、充電電流を周期的に調節して、前記再充電可能電池の端子間の電圧を前記交差電圧に保つ工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記再充電可能電池の端子において前記交差電圧に達したときに、出力表示装置を起動させる工程を更に備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記トラッキングした時間を用いて、前記コントローラ装置によって、前記第２の充電期間を定め、マイクロコントローラ装置によってアクセス可能なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されたテーブルにアクセスして、前記第２の期間の値を提供する工程を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記再充電可能電池の交差電圧が、チタン酸リチウムアノード材料及びリチウム化リン酸鉄カソード材料の場合には約３．８Ｖ、コバルト酸リチウムアノード材料の場合には４．２Ｖに相当する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記再充電可能電池の温度をモニタリングせずに充電電流の印加を行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
電力変換モジュールによって供給される電流の調整工程が、電圧変換部の動作を調整することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記再充電可能電池が、再充電可能なリン酸鉄リチウム系電池である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記充電電流の印加工程が、電圧変換部を有する電力変換モジュールから供給される電流を調整することを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記電池が、第１の電池タイプの第１の電池であり、前記方法が、
複数の異なる充電状態、電池ケミストリと電池構造との少なくとも１つの追加的な異なる組み合わせ、及び対応する少なくとも１つの追加的な異なる電池タイプに合わせて、充電及びトラッキング工程を繰り返す工程と、
記憶回路中の少なくとも１つの追加的なテーブルを供給する工程であって、前記少なくとも１つの追加的なテーブルが、前記少なくとも１つの追加的な電池タイプの定電流モードでの充電時間を定電圧モードでの充電時間に関連付けるものである、工程と、を更に備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
１つ以上の再充電可能電池を充電する充電装置であって、
１つ以上の再充電可能電池を受容する収容部であって、前記１つ以上の再充電可能電池の各端子と接続するように構成された電気接点を有する、収容部と、
コントローラであって、
前記充電器によって定電流を印加して、再充電可能セルを充電し、
前記再充電可能セルの電圧の値を測定し、
前記再充電可能セルを充電するのに必要な時間をトラッキングして、前記電圧測定値が、前記電池の交差電圧に実質的に等しくなるようにし、
トラッキングした時間に従って選択したものである第２の期間にわたり、実質的に前記交差電圧である定電圧を印加しトラッキングした時間に従って選択したものである、充電時間の前記第２の期間の経過後、充電電流を停止するように構成された、コントローラと、
を備える、装置。
【請求項１２】
前記コントローラが、
前記再充電可能電池の端子において所定の電圧レベルに達したら、充電電流を周期的に調節して、前記再充電可能電池の端子間の電圧を前記所定の電圧レベルに保つように更に構成されている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コントローラが、
前記再充電可能電池の端子において前記所定の電圧レベルに達したときに、出力表示装置を起動させるように更に構成されている、請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記コントローラが、
前記トラッキングした時間を用いて、前記第２の充電期間の値を選択し、前記コントローラによってアクセス可能なコンピュータ読み取り可能な記憶装置に格納されたテーブルにアクセスして、前記第２の期間の値を検索するように更に構成されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
電力変換モジュールを更に備え、前記電力変換モジュールが変圧器を含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
リチウムイオン電池は一般に、定電流と定電圧を組み合わせた技法によって充電する。リチウムイオン電池は、最初に、電池電圧が指定の電圧値、典型的には交差電圧と呼ばれる電圧に達するまで、定電流で充電する。この電圧に達したら、充電器は一定の充電電圧を保ち、それに伴い電流が漸減する。充電器は、充電終止電流値（典型的には、ＣＣレート電流の５〜１０％に相当する電流）に達するまで、充電を継続することになる。通常、充電器は、電圧及び電流の調整に関する許容度を小さく保つための充電回路を必要とする。このタイプの充電に対応するために、一般に電流検出回路を用いる。しかしながら、電流の検出により、大幅にコストが増える（例えば、従来から使われているような、電流を検出する精密なシャント抵抗器、及び低電圧信号を増幅するための演算増幅器）。
【０００２】
再充電可能電池を充電する便宜性を制限する１つの要因は、充電器及び／又は電池のオーバーヒートの危険性である。このようなオーバーヒートは、充電器及び／又は電池を損傷する場合があるとともに、安全上のリスクを発生させる場合がある。この結果、従来の充電器は、約１Ｃの充電レートに対応する充電電流を印加するように設計される。オーバーヒートする状況から保護するために、場合によっては、温度センサを用いて充電器及び／又は電池の温度をモニタリングし、それによって、オーバーヒートする状況を検出した場合に、充電器が、是正又は予防措置を取る（例えば、電池の温度が、例えば４５℃の安全限界を超えた場合に、充電電流を止める）ことができるようにする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
再充電可能電池を充電するとともに、正確にＣＶモード充電を終了させるように構成された充電器を開示する。いくつかの電池ケミストリタイプにおいては、充電は、１５分未満、典型的には約４〜６分で約９０〜９５％の容量まで行うことができる。
【０００４】
１つの態様では、少なくとも１つの再充電可能セルを有する再充電可能電池を充電する方法は、電池充電器によって定電流を印加して、その少なくとも１つの再充電可能セルを充電する工程と、コントローラ装置によって、再充電可能セルの電圧の値を周期的に測定する工程と、コントローラ装置によって、再充電可能セルを充電するのに必要な期間をトラッキングして、再充電可能セルの電圧の測定値が、その再充電可能セルの交差電圧の値に実質的に等しくなるようにする工程と、トラッキングした期間に基づき選択したものである第２の期間にわたり、交差電圧に実質的に等しい定電圧を印加する工程と、充電時間の第２の期間の経過後、充電器によって充電電流を停止する工程と、を含む。
【０００５】
以下は、この態様の範囲内の実施形態である。
【０００６】
上記の方法は、再充電可能電池の端子において交差電圧に達したら、充電電流を周期的に調節して、再充電可能電池の端子間の電圧を交差電圧に保つ工程を含む。上記の方法は、再充電可能電池の端子において交差電圧に達したときに、出力表示装置を起動させる工程を含む。上記の方法は、トラッキングした時間を用いて、コントローラ装置によって、第２の充電期間を定め、マイクロコントローラ装置によってアクセス可能なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されたテーブルにアクセスして、その第２の期間の値を提供する工程を含む。再充電可能電池の交差電圧は、チタン酸リチウムアノード材料及びリチウム化リン酸鉄カソード材料の場合には約３．８Ｖ、コバルト酸リチウムアノード材料の場合には４．２Ｖに相当する。充電電流の印加は、再充電可能電池の温度をモニタリングせずに行う。電力変換モジュールによって供給される電流の調節工程は、電圧変換部の動作を調節することを含む。上記の再充電可能電池は、再充電可能なリン酸鉄リチウム系電池である。充電電流の印加工程は、電圧変換部を有する電力変換モジュールから供給される電流を調整することを含む。
【０００７】
更なる態様では、電池充電器の製造方法は、初期充電状態の電池に定電流を印加することによって、その電池を定電流モードで充電する工程と、電池が、その交差電圧に達するようにさせるのに必要な時間をトラッキングする工程と、電池が満充電又は実質的に満充電になるまで、定電圧モードで交差電圧にて電池を充電する工程と、電池が満充電又は実質的に満充電になるようにさせるのに必要な時間をトラッキングする工程と、複数の異なる充電状態に合わせて、上記の充電工程とトラッキング工程を繰り返す工程と、コントローラ及び付随の記憶回路を備える充電回路を作製する工程と、記憶回路にテーブルを格納する工程であって、そのテーブルが、定電流モードにおける充電時間を定電圧モードにおける充電時間に関連付けるものである工程と、を含む。
【０００８】
以下は、この態様の範囲内の実施形態である。
【０００９】
上記の電池は、第１の電池タイプの第１の電池であり、上記の方法は、複数の異なる充電状態、電池ケミストリと電池構造との少なくとも１つの追加的な異なる組み合わせ、及び対応する少なくとも１つの追加的な異なる電池タイプに合わせて、充電及びトラッキング工程を繰り返す工程と、記憶回路の少なくとも１つの追加的なテーブルを供給する工程であって、その少なくとも１つの追加的なテーブルが、少なくとも１つの追加的な電池タイプの定電流モードでの充電時間を定電圧モードでの充電時間に関連付けるものである工程と、を含む。
【００１０】
更なる態様では、１つ以上の再充電可能電池を充電するための充電装置であり、その装置は、１つ以上の再充電可能電池を受容する収容部であって、１つ以上の再充電可能電池の各端子と接続するように構成された電気接点を有する、収容部と、コントローラと、を備える。このコントローラは、充電器によって定電流を印加して、再充電可能セルを充電し、再充電可能セルの電圧の値を測定し、再充電可能セルを充電するのに必要な時間をトラッキングして、電圧測定値が、電池の交差電圧に実質的に等しくなるようにし、トラッキングした期間に従って選択したものである第２の期間にわたり、実質的に交差電圧である定電圧を印加しトラッキングした時間に従って選択したものである、充電時間の第２の期間の経過後、充電電流を停止するように構成されている。
【００１１】
以下は、この態様の範囲内の実施形態である。
【００１２】
コントローラは更に、再充電可能電池の端子において所定の電圧レベルに達したら、充電電流を周期的に調節して、再充電可能電池の端子間の電圧を所定の電圧レベルに保つように構成されている。コントローラは更に、再充電可能電池の端子において所定の電圧レベルに達したときに、出力表示装置を起動させるように構成されている。コントローラは更に、トラッキングした時間を用いて、第２の充電期間の値を選択し、そのコントローラによってアクセス可能なコンピュータ読み取り可能な記憶装置に格納されたテーブルにアクセスして、その第２の期間の値を検索するように構成されている。上記の充電装置は電力変換モジュールを備え、この電力変換モジュールは変圧器を含む。上記の充電装置は、電力変換モジュールが出力する電流をコントローラに調整させるフィードバック制御機構を備える。このフィードバック制御機構は、変圧器の動作を調節するように構成されている。フィードバック制御機構装置は、１つ以上の再充電可能電池の電圧が所定の上限電圧レベルに達したら、その１つ以上の電池の端子において電圧を所定の上限電圧に保つように構成されている。上記の充電装置は、出力表示装置と、再充電可能電池の端子において所定の電圧レベルに達したときに、出力表示装置を起動させるように構成されたコントローラと、を備える。上記の充電装置は、１つ以上のリン酸鉄リチウム系再充電可能電池を充電するように構成されている。
【００１３】
更なる態様では、電池充電器の制御用の、コンピュータ読み取り可能な記憶装置に常駐するコンピュータプログラムプロダクトであり、このコンピュータプログラムプロダクトは、充電装置内のコントローラによって、定電流を印加させて、再充電可能セルを所定の電圧の値まで充電させ、再充電可能セルの電圧を周期的に測定させ、再充電可能セルを充電するのに必要な期間をトラッキングさせて、再充電可能セルの電圧の測定値が、所定の電圧の値に実質的に等しくなるようにし、トラッキングした時間に従って選択したものである第２の期間にわたり、所定の電圧の値に実質的に等しい定電圧を印加させてトラッキングした期間に従って選択したものである、充電時間の第２の期間の経過後、充電電流を停止させる命令を含む。
【００１４】
以下は、この態様の範囲内の実施形態である。
【００１５】
上記のコンピュータプログラムプロダクトは、再充電可能電池の端子の電圧が所定のレベルに達したら、充電電流を周期的に調節して、再充電可能電池の端子間の電圧を所定の電圧レベルに保つ命令を含む。上記のコンピュータプログラムプロダクトは、トラッキングした時間を用いて、第２の充電期間を定め、コントローラ装置によってアクセス可能なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されたテーブルにアクセスして、その第２の期間の値を提供する命令を含む。
【００１６】
１つ以上の態様は、以下の利点の１つ以上を提供し得る。
【００１７】
例えばリン酸鉄リチウム電池は、その比較的低い内部抵抗により、短期間で充電することができる。本発明の充電器は、電池の充電又は電圧レベルを割り出すための何らかのチェックを行ったり、又は温度モニタリング及び／若しくは温度制御動作を行ったりする必要なしに、所定の期間の経過後、充電動作を正確に終了するように構成されている。定電圧充電モードの前の定電流充電モードの期間を測定することによって、充電器を定電圧充電モードにするまでの所要時間を推定することによって、Ｌｉイオン電池の充電を正確に終了させる。
【００１８】
この構成により、充電器内で必要とされる回路（電流検出回路及び電流フィードバック回路など）が最小限になる。加えて、熱ヒートシンクの必要性を軽減又は排除できる。これらの利点により、充電器のコスト及びサイズの両方を軽減できるようにする。これらの利点は、上記のような充電器回路のコスト及びサイズを軽減するうえに、より複雑な従来の充電器回路と同程度の性能特性を有する充電器回路を実現する形で提供される。Ｌｉイオン電池の充電を終了させる信頼性の高い技法を用いて、充電器における電流検出と制御を排除することによって、低コスト化を実現する。リチウムの化学性に基づく電池の性質により、急速充電は、１０Ｃ〜１５Ｃ以上の充電電流レート（１Ｃレートは１時間の充電レートである）ほどで実現できる。
【００１９】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を添付図面及び以下の説明に示す。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】充電器の例示的な実施形態のブロックダイアグラムである。
【図２】図１の充電器によって行われる充電手順の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図３】様々な初期充電状態における電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図４】初期充電状態（％）と電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
電気化学セルは、一次セル又は二次セルであることが可能である。一次電気化学セルとは、１度だけ、例えば、完全に消費されるまで放電され、その後廃棄されることを意図されている。一次電池は充電されることを目的としていない。一次セルは、例えば、Ｄａｖｉｄ  Ｌｉｎｄｅｎ，「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，２ｄ  ｅｄ．１９９５）に記載されている。一方で、二次電気化学セルは、以下で再充電可能セル又は電池とも呼ばれるものであり、例えば５０回、１００回など、多数回、再充電することができる。二次セルは、例えば、Ｆａｌｋ  ＆  Ｓａｌｋｉｎｄの「Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．１９６９年）、米国特許第３４５，１２４号及び仏国特許第１６４，６８１号に記載されており、これらは全て本明細書に参照により組み込まれる。
【００２２】
図１を参照すると、リン酸鉄リチウムの化学性に基づく充電式電気化学を少なくとも１つ有する再充電可能電池１２を充電するように構成された充電器１０が示されている。このような電池（二次電池と称される場合がある）は、いくつかの実施形態では、このような材料に基づく再充電可能電池を高速再充電できるように適合された、チタン酸リチウムアノード材料及びリチウム化リン酸鉄カソード材料を有するセルを含む。リン酸鉄リチウムの化学性は、低内部抵抗（Ｒ）を有する。このような電池の内部抵抗の結果生じる熱放散は、Ｉ２Ｒ（Ｉは、電池に印加される充電電流である）に比例する。リン酸鉄リチウムの化学性に基づく電池の低内部抵抗のため、このような電池は、高充電電流を受け入れることができる。
【００２３】
大きな充電電流を用いて、リン酸鉄リチウムの化学性に基づく電池を充電すると、一般に、電池は５分程度で９０〜９５％の充電容量に達する。充電器１０は、電池の充電又は電圧レベルを割り出すための何らかのチェックを行ったり、又は温度モニタリング及び／若しくは温度制御動作を行ったりする必要なしに、ある期間の経過後、充電動作を正確に終了するように構成されている。充電器１０は、ＣＣタイムカウンタ３７ａ及びＣＶタイムカウンタ３７ｂという２つのタイマーを用いて、２つの別個の充電期間の長さを測定する。電池を定電流で充電しながら、第１のタイマーであるＣＣタイムカウンタ３７ａを用いて、充電器１０が定電流モードである時間の長さを測定する。第２のタイマーであるＣＶタイムカウンタ３７ｂを用いて、充電器１０が定電圧モードである時間の長さを測定する。ＣＶ充電モードでは、ＣＶタイムカウンタはデクリメントされる。ＣＶタイムカウンタ３７ｂがゼロになったときに、充電器１０は、ＣＶ充電モードと全ての充電動作を終了させる。ＣＶタイムカウンタの初期値は、後述のように、第１の充電期間によって定められる所定の期間である。
【００２４】
図１は、充電器１０に接続された単一電池１２を示すが、充電器１０は、それに接続される追加電池を有するように構成されてもよい。更に、充電器１０は、円筒形電池、角柱形電池、コイン形又はボタン形電池等を含む、異なる電池の種類を受容し、充電するように構成されてもよい。
【００２５】
充電器１０は、定電圧を電池に印加するように構成されているのみならず、最大電力制限回路も用いる。最大電力制限回路は、ＡＣ電源充電器の場合、絶縁バリアの参照線側に配置されている。充電器は、充電動作が開始されると、電池電圧が交差電圧に達するまで、最大電力制限回路を用いて、実質的に定電流の調整を行う。定電流が電池に供給される期間（すなわち、充電器１０が定電流、つまりＣＣモードで動作している期間）は、電池１２の電圧は上昇する。充電器１０は、この電圧を測定し、充電器１０がＣＣ充電モードである時間の長さをトラッキングする。電池の電圧が所定の上限電圧、例えばチタン酸リチウムアノード材料及びリチウム化リン酸鉄カソード材料の場合には３．８Ｖ、コバルト酸リチウムの場合には４．２ｖ（この上限電圧は交差電圧と称する場合もある）に達すると、ＣＣタイムカウンタ３７ａが停止し、その値が保存される。充電器１０は、この後、残りの充電期間中、電池の電圧を上限電圧に保つように構成されている。残りの充電動作が行われる期間、すなわち、ＣＶ充電モードの期間は、充電器１０がＣＣモードで費やした、トラッキングした時間の値に基づき、事前に設定する。この残りの期間中には、充電器１０は、所定の交差電圧値に実質的に等しい定電圧を電池１２に印加する。このモードでは、充電器１０は、定電圧、つまりＣＶ充電モードで動作中ということになる。
【００２６】
ＣＶモードの期間として事前に設定した期間が経過したら、充電動作は、このＣＶモードを終了させる。充電器１０は、ＣＶモードの期間として事前に設定した期間（この期間中には、電池及び／又は充電器１０の温度が大幅に上昇する可能性が低い）の経過時に、充電動作を無条件に終了させるように構成されているので、いくつかの実施形態では、電池１２及び／又は充電器１０の温度をモニタリングする必要はない。したがって、熱モニタリング及び制御動作が行われない実施形態では、充電器１０は、より物理的にコンパクトであり、回路は簡素化されている。
【００２７】
図１に更に示されているように、いくつかの実施形態では、電流／電圧調節が、例えばフィードバック制御機構を用いて、充電器の電力変換部分（例えば、図１に示されている電力変換モジュール１６）で直接行われるように（このような構成は、場合によっては、一次側電圧／電流調節と呼ばれる）、充電器１０を実装する。換言すれば、制御機構は、電力変換モジュール１６のスイッチング周波数又はパルス持続期間を調整し、ひいては、変換器の出力電圧及び電流を調整する。したがって、このような実施形態では、充電器１０は、複数の電圧変換モード（例えばＡＣ／ＤＣ変換モードの後に、例えば降圧変換器回路が続くなど）を含まず、その結果、充電器１０は、マルチモード電力変換回路で一般に持続される電力損失を軽減できる。一次側電圧／電流の制御を行うことによって、電力効率（例えば、最終的に電力変換回路の出力に供給される入力電力の割合）は典型的には８０〜９０％の範囲になる。これに対し、２モード式電力変換回路は一般に、１つのモード当たり８０〜９０％の効率を達成するので、２モード式電力変換回路の全体的な電力効率は一般に、６０〜８０％の範囲となる。これらの電力効率損失は、電力変換モードにおける放熱として表される。
【００２８】
充電器１０は、定格値が８５Ｖ〜２６５Ｖ及び５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの電力を供給する電源のようなＡＣ電源と電気的に接続する整流モジュール１４を備える。整流モジュール１４は、ダイオードベースの全波ブリッジ整流器を含む。コンデンサ１５は、電力変換モジュール１６のためのエネルギーを蓄積する。整流モジュール１４と接続しているのは、変圧器１８と、変圧器１８の動作の調整を円滑にする変圧器制御ユニット２０と、を含む電力変換モジュール１６である。いくつかの実施形態では、電力変換モジュール１６は、切り替え装置変換器として実装され、電力変換モジュール１６をオン及びオフに切り替えることによって電力変換モジュール１６の出力での所望の電圧レベルを達成する。切り替え装置がオンの間、電力変換モジュール１６の出力に電圧が供給され、オフの期間中、電力変換モジュール１６の出力端子に電圧は供給されない。このような切り替え装置変換器は、別個のトランジスタ（例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタ）を用いるか、又は好適な集積回路（ＩＣ）を用いるかして実現して、切り替え動作を行う。
【００２９】
電力変換モジュール１６と接続する整流モジュール１４を用いると、入力において充電器１０に供給されるＡＣ電力が、再充電可能電池の充電に適した低いＤＣ電圧、例えば約３．７〜４．２ＶのレベルのＤＣ電圧に変換される。
【００３０】
いくつかの実施形態では、自動車のＤＣ電力源等の外部ＤＣ電力電源を、再充電可能電池を充電するのに好適なＤＣ電力レベルに変換するために、追加のＤＣ−ＤＣ変換器１９が電力変換モジュール１６に組み込まれる。例えば、自動車のＤＣ電源は、約１１Ｖ〜１４．４ＶのＤＣ電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器１９は、その電圧レベルを好適な電圧レベルに変換する。加えるＤＣ−ＤＣ変換器は、様々な出力電圧、例えば１．２Ｖ〜約２４Ｖの範囲の電圧を有するＤＣ電力源を受け取るように構成できる。したがって、いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣ変換器はアップコンバータであり、１．２Ｖの電圧を３．７〜４．２ボルトのＤＣ充電電圧に上昇させる一方で、４．２ボルトを超える電圧の用途では、この変換器はダウンコンバータである。
【００３１】
電力変換モジュール１６の出力と電気的に接続するのは、コンデンサ２８と直列に接続されたダイオード２６を含むフィルタ回路２４である。フィルタ回路２４は、電力変換モジュール１６の出力における電流／電圧リップルを軽減させるように構成されている。また、フィルタ回路２４は、オフ期間中、電力変換モジュール１６の出力に電流が提供されていない場合に、コンデンサ２８内に蓄積されたエネルギーを電池１２に放電するように構成される。したがって、電力変換モジュール１６のオン期間中に電力変換モジュール１６によって供給される電流、及び、電力変換モジュール１６のオフ期間中にコンデンサ２８によって供給される電流によって、電池１２に印加するのに望ましい充電電流と実質的に等しい実効電流が得られる。ダイオード２６は、コンデンサ２８によって放電される電流が、電力変換モジュール１６ではなく、電池１２に送られるように接続される。
【００３２】
電池１２に印加される電流及び／又は電圧レベルを制御するために、フィードバック機構が搭載されている。フィードバック機構は、電力変換モジュール１６のＤＣ出力電圧を調整するコントローラ３０を含む。電力変換モジュール１６は、充電電流が印加される経路となる充電器１０の出力端子（ひいては、電池１２の端子）と接続されている。コントローラ３０は、制御信号をコントローラ３０から受け取り、それに応じて、変圧器制御ユニット２０に供給されるパルス幅変調信号を発生させて、電力変換モジュール１６がその出力において電圧を供給するようにする切り替え装置パルス幅変調（ＰＷＭ）制御ユニット３２と電気的に接続している。ＰＷＭ制御ユニット３２は、変換器の出力において供給される電力を最大電力閾値未満に制限して、定電流充電を有効にもたらす。一次側切り替えコントローラの例はＰＷＭ  ３８４５（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）である。ＰＷＭ制御ユニット３２が二次側の電流を制御する一方で、単に出力電圧をＣＶ値に調整する目的で、二次側回路がフィードバックを行う。セルの電圧がＣＶ値未満のとき、フィードバックが飽和状態になり、変換器回路は最大出力で動作し、入力及び出力電圧範囲にわたり、最大電流を、電池の許容できる範囲内に制限するように構成されている。電池電圧がＣＶ値に達したら、フィードバック信号が飽和状態から脱し、二次側充電回路が、典型的な充電器で見られるように、出力電圧を調整し始める。
【００３３】
コントローラ３０は、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサ、いずれもハードウェア、ソフトウェア、又はファームウェアに実装されたＣＣタイムカウンタ３７ａ及びＣＶタイムカウンタ３７ｂ、並びに、コントローラ又はプロセッサを制御するプログラムを格納する記憶装置、及びＡ／Ｄ変換器を含む。
【００３４】
パルス幅が変調された信号が取り出される際、変圧器制御ユニット２０は、電圧が電力変換モジュール１６の出力から取り出されるようにする。したがって、電流フィードバック電圧を事前に設定した値と比較して、切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２の動作を制御し、ひいては、電力変換モジュール１６の動作を制御することによって、コントローラ３０は、充電電流と実質的に等しい電流が、電池１２に印加されるようにする。定電流を電池に、ある期間にわたり印加する。この期間をトラッキングし、コントローラ３０によって、ＣＣタイムカウンタ３７ａを用いて記録する。電池の電圧の値が、交差値、例えば、電池ケミストリに応じて３．８又は４．２などに達したときに、コントローラは定電流モードから定電圧モードに変化する。コントローラ３０は、コントローラ３０と関連付けられている記憶装置に格納されたテーブルにアクセスするとともに、ＣＣタイムカウンタ３７ａから得たトラッキングされた期間の値を用いて、コントローラ３０によってＣＶタイムカウンタ３７ｂに取り込まれた第２の時間値にアクセスする。ＣＶ充電モードの間、ＣＶタイムカウンタ３７ｂが減少する。ＣＶタイムカウンタ３７ｂがゼロになったときに、定電圧充電モードが終了し、充電が完了する。あるいは、カウンタが減少するのではなく、ＣＶ充電モードの期間を他の方法（ＣＶ充電モードの期間が、テーブルからアクセスした値と等しくなる時点を割り出すなどの方法）でトラッキングすることもできる。
【００３５】
図２を参照すると、コントローラ３０は、以下のように、充電器１０の動作を制御するように構成されている。電池１２を充電器の充電部に配置した後、充電器１０は任意に、充電動作開始前に、特定の故障状態が存在するか調べてもよい（６２）。したがって、例えば、充電器１０は、電池１２の電圧を測定する。充電器１０は、電圧測定値Ｖ０が所定の範囲内（例えば、Ｖ０が２〜３．８Ｖ）であるか判断する。電圧測定値が所定の許容範囲でないと判断される場合には、その時点における条件下での充電動作は、危険又は不要となり、充電器１０は充電動作を開始させず、手順が終了する場合がある。
【００３６】
故障が存在しないか、故障プログラミングが提供されない場合には、充電器１０が様々な容量／ケミストリの様々なタイプの電池を受容するように適合されている場合、充電器１０は電池タイプを割り出す（６４）。充電器１０は、充電器１０の充電部に挿入された電池１２の容量及び／又はタイプを割り出す。
【００３７】
コントローラ３０は定電流充電モードとなる。コントローラは、第１のタイマー（ＣＣタイムカウンタ３７ａ、図１）を起動し（６６）、充電器１０が定電流モードで費やす時間をこのタイマーがトラッキングし、電池を所定の定電流で充電する（６８）。コントローラ３０は、電池の電圧を測定することによって、電池１２のその時点のおおよその充電レベルを割り出す。電圧測定値（Ｖ）が、特定の電池ケミストリ用の交差電圧（ＶＣＯ）と等しくなったら（７０）、コントローラ３０はＣＣタイムカウンタ３７ａを停止させ、ＣＣモードを終了させる（７２）。交差電圧と等しくなければ、電圧測定値（Ｖ）が交差電圧（ＶＣＯ）と等しくなる（７０）まで、コントローラは、定電流モードで電池を充電し続ける（６８）。
【００３８】
電圧測定値（Ｖ）が交差電圧（ＶＣＯ）と等しくなり、それにより、ＣＣモードが終了したときに、コントローラ３０は、ＣＣタイムカウンタ３７ａの値を用いて、ＣＶタイムカウンタ３７ｂを起動させる時間の値にアクセスする（７４）。ＣＶタイムカウンタ３７ｂ用のこの時間値がＣＶタイムカウンタ３７ｂに取り込まれ（７６）、コントローラ３０は、ある期間にわたり、電池を交差電圧で充電し（７８）、ＣＶタイムカウンタ３７ｂは減少する（７９）。ＣＶタイムカウンタ３７ｂの値がゼロになったときに（８０）、コントローラは、ＣＶモードを終了させ、それにより、電池の充電を終了させる（８２）。この時点で、コントローラは、充電器１０の終了（充電サイクルの完了）の表示を生成できる（８４）。
【００３９】
様々な値のＣＣ期間におけるＣＶタイムカウンタ３７ｂの初期値は、電池ケミストリ構造を慎重に特徴付けることによって実験的に求める。初期充電状態（ＳＯＣ）の低い電池ほど、定電圧モードにおいて多くの時間を費やして、消失エネルギーを相殺する。すなわち、ＣＶモードで費やされる時間は、（図３に示されているように）初期ＳＯＣに反比例する。例えば、ＳＯＣ  ０％の電池のようなＬｉＦｅＰＯ電池の１つのタイプは、約６０秒間ＣＣモードであり、２４０秒間ＣＶモードであることができる一方で、ＳＯＣ  ２０％の電池は、約２５秒間ＣＣモードであり、１８０秒間ＣＶモードであることができる。ＳＯＣ  ５０％以上の電池では、ＣＣモードにはならない可能性があり、充電器１０は、初期（充電状態）の測定後、直接ＣＶモードに移行する。電池を満充電するために定電圧モードで費やされる時間は、電池の初期ＳＯＣに左右される。更に、電池の電圧は、図４に示されているように、電池の初期充電状態（ＳＯＣ）によって変化する。当然ながら、おそらくは、電池のケミストリ、及びおそらく電池の細かい構造に応じて、他の期間も可能である。
【００４０】
一連の電池タイプ（電池ケミストリと、いくつかの実施形態では、細かい構造との組み合わせ）の各電池に関して、様々な初期ＳＯＣの一連の電池タイプの様々なタイプ１つ１つについて、電圧と充電時間との関係を示す複数のプロファイルを記録する。電池ケミストリに関する様々な試みと知識を通じて、各タイプに対して一連の値をもたらす。例えば、各タイプに対するこれらの値を例えばプログラム内のテーブルの形でコントローラにプログラムし、上述のように、これらの値をコントローラが使用して、ＣＶモードを適切に終了させる。充電器１０が、様々な電池タイプを充電するように構成されている場合、様々なテーブルを搭載することができる。
【００４１】
各電池タイプ（充電器１０が、様々な電池タイプを取り扱うように構成されている場合）に対して、対応するテーブルが存在する。充電器１０が単一の電池タイプのためのものである場合には、単一のテーブルを用いる。
【００４２】
【表１】
2014523731.tif 000003
【００４３】
レベルの数（テーブルの行）は、電池タイプの特徴を示す、ＳＯＣと電圧との関係の形状（図４）を考慮しつつ、所望又は必要とされる精度によって決まる。いくつかの実施形態では、コントローラをプログラムして、様々な電池タイプを充電するようにでき、ＣＶモードに費やされる時間の決定は、例えば、電池タイプを表すデータを提供する識別機構を用いて、充電器１０の充電部（図示せず）に配置された電池タイプを識別することによって行う。続いて、このタイプ識別を用いて、コントローラにプログラムした複数のテーブルから適切なテーブルを選択することになる。
【００４４】
電池の容量を表す抵抗を有するＩＤ抵抗器の使用に基づく識別機構を含む例示的な充電器１０装置の詳細な説明は、「Ｕｌｔｒａ  Ｆａｓｔ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｃｈａｒｇｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｅｎｓｉｎｇ」という名称の同時係属特許出願（シリアル番号第１１／７７６，２６１号、２００７年７月１１日提出、Ｊｏｒｄａｎ  Ｔ．Ｂｏｕｒｉｌｋｏｖら）に示されており、その内容は参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。代替的な識別機構は、「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｗｉｒｅ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｐａｃｋ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の同時係属出願（シリアル番号第１２／９８１，７３７号、２０１０年１２月３０日提出、Ｅｌｉｋ  Ｄｖｏｒｋｉｎら）に記載されており、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００４５】
ユーザーインターフェースはまた、充電器１０を使用可能又は不能にする入力素子（例えば、スイッチ）を含んでもよい。ユーザーインターフェースは、充電器１０及び／又は充電器１０に接続された電池１２に関するステータス情報をユーザーに提供するための、ＬＥＤの表示装置のような出力表示装置、出力情報をユーザーに提供するように構成されたディスプレイ装置なども含んでよい。例えば、ユーザーインターフェースは、充電器１０が定電流モードから定電圧モードに切り替わると点灯するＬＥＤを含んでよい。一般に、電池の電圧が交差点（例えば３．８〜４．２Ｖ）に達したときに、電池の充電量は典型的には、電池の充電容量の８０〜９０％であり、したがって、電池は実質的に使える状態である。点灯したＬＥＤは、電池が少なくとも８０〜９０％充電されたことをユーザーに示し、ユーザーが、電池をある程度すぐに使用する必要があり、充電動作が完全に終わるのを待ちたくない場合に、充電動作の完了前に電池を取り出す選択肢をユーザーに与える。
【００４６】
いくつかの実施形態では、ユーザーインターフェースは、例えば、追加の情報を提供するために、追加の出力装置を更に含んでもよい。例えば、ユーザーインターフェースは、過電圧等の障害状態の場合に点灯する赤色ＬＥＤを含んでもよく、また、別のＬＥＤ、例えば、電池１２の充電動作が進行していることを示す黄色又は緑色ＬＥＤ装置を含んでもよい。
【００４７】
上で示したとともに、図１に示されているように、コントローラ３０は、電池１２で行われる充電動作を制御するように構成されたプロセッサ装置３４を含む。プロセッサ装置２６は、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｃ．のマイクロコントローラＰＩＣ１８Ｆ１３２０のような、いずれかのタイプの演算及び／又は処理装置であってよい。コントローラ３０の実装に用いるプロセッサ装置３４は、このプロセッサベースの装置の一般的動作を可能にするコンピュータ命令を含むソフトウェアを格納するように構成された揮発性及び／又は不揮発性記憶素子、並びに、充電器１０に接続された電池１２で充電動作（約５分で少なくとも９０％の充電容量を達成させる充電動作などを含む）を実行するための実行プログラムを含む。
【００４８】
プロセッサ３４は、複数のアナログ及びデジタル入力並びに出力ラインを有するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３６を含む。Ａ／Ｄ変換器３６は、充電動作の調節及び制御を助長するために、電池と接続されたセンサ（以下に記載）から信号を受信するように構成されている。また、いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、本明細書に記載されるように、制御装置の処理機能のいくつか又は全てを実行するために、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含んでもよい。
【００４９】
整流器ユニット１４、変圧器制御ユニット２０、プロセッサ３４、及び切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２を含む充電器の様々なモジュールは、充電器１０の回路基板（図示せず）上に配置されてもよい。
【００５０】
充電器１０は、電池ケミストリに基づき、再充電可能電池１２に印加する充電電流を決定する。本明細書に説明されているように、リン酸鉄リチウム電気化学セルに基づく電池は、比較的低い内部抵抗を有するため、比較的大きい充電電流、例えば１０Ｃ〜１５Ｃ程度で充電でき、１０Ｃの充電レートは、充電式電池を６分で充電する充電電流に相当し（１Ｃは、特定の充電式電池を１時間で充電するのに要する電流である）、１５Ｃの電流は、充電式電池を４分で充電するのに要する電流である。リン酸リチウム鉄電池の充電抵抗が低いことにより、著しい熱放散が回避され、したがって、そのような電池は、電池の性能又は耐久性に悪影響を及ぼすことなく、高い充電電流に耐えることができる。
【００５１】
トランジスタのオン期間、又はデューティサイクルは、最初に０％デューティサイクルから立ち上がり、コントローラ又はフィードバックループが出力電流及び電圧を測定する。割り出された充電電流に達すると、フィードバック制御ループは、閉ループ線形フィードバックスキームを用いて、例えば、比例−積分−微分すなわちＰＩＤ機構を用いて、トランジスタのデューティサイクルを管理する。充電器１０の電圧出力、又は電池端子の電圧が交差電圧に達したら、類似の制御機構を用いて、トランジスタのデューティサイクルを制御してもよい。
【００５２】
したがって、電力変換モジュール１６のオン期間中に電力変換モジュール１６によって供給される電流、及び、電力変換モジュール１６のオフ期間中にコンデンサ２８によって供給される電流によって、所要充電電流と実質的に等しい実効電流が得られるはずである。
【００５３】
いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、電池１２を流れる電流の測定値（例えば電流センサ４０によって測定したもの）を周期的に（例えば０．１秒おきに）受信できる。この受け取った電流測定値に基づき、コントローラ３０は、電池１２を流れる電流が調節されるようにデューティサイクルを調節して、この電流が、充電電流レベルと実質的に等しい値に収束するようにする。
【００５４】
充電器１０は、充電器１０の充電端子と電気的に接続されている電圧センサ４２も備える。電圧センサは、電池１２の端子において電圧を周期的に（例えば０．１秒おきに）測定する。これらの周期的電圧測定値により、定電圧（ＣＶ）モード中に電池１２の端子で印加される電圧が実質的に一定のレベル（例えば所定の上限電圧）となるように、コントローラ３０が、ＣＶモード中に電力変換モジュール１６から供給される電圧を制御できるようになる。このＣＶモードは、値が減少するＣＶタイムカウンタ３７ｂに取り込まれた時間値に基づき終了する。
【００５５】
センサ４２によって測定される電流／電圧を用いて、充電動作を終了させるか又は充電動作を開始させない必要がある故障状態が存在するか判断してよい。例えば、コントローラ３０は、電池１２の端子において電圧センサ４２によって測定された電圧が、電池１２の電圧レベルの所定の範囲内（例えば２〜３．８Ｖ）であるか判断する。測定値が電圧範囲の下限値を下回る場合、これは、電池に不具合があることを示している可能性がある。測定値が範囲の上限値を上回る場合、これは、電池が既に十分に充電されており、したがって更なる充電は不要であり、電池を損傷する恐れがあることを示している場合がある。したがって、測定電圧が所定の範囲内にない場合、障害状態が存在していると見なされる。
【００５６】
充電器１０は、電流センサ４０を介して測定した電流に関して同様の判断を行ってもよく、電流測定値が所定の電流範囲外である場合、故障状態が存在すると見なしてよく、その結果、充電動作を開始させないか、又は終了させることになる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、例えば閾値比較部を含むことができる専用の充電コントローラ装置のようなアナログ論理処理素子（図示せず）を用いて、受信した測定信号を処理して、センサ４２によって測定された電圧及び電流レベルを決定する。充電器１０は、回路レベルのノイズのような外部要因によって引き起こされる場合のある誤測定（例えば、電圧、温度などの誤測定）を防ぐために、アナログ及び／又はデジタル入力信号上で信号のフィルタリング及び処理を行う信号処理ブロック（図示せず）も備えてもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態では、コントローラ３０は、電池１２の端子において電圧を周期的に測定することによって、電圧上昇率を監視し、ある指定の電圧上昇時間内に所定の上限電圧に達するように、電池１２に印加される充電電流を調整するように構成されている。測定された電圧増加率に基づいて、充電電流レベルは、指定された電圧上昇期間内に所定の上限電圧に達するように、充電電流を増加又は減少するように調節される。充電電流レベルの調整は、例えば、カルマンフィルタ（Kalman filter）を使用する予測−修正技術に従って実行される。所定の上限電圧を達成するための電流への調節を決定するために、他の手法が使用されてもよい。
【００５９】
本明細書に記載されている充電器１０は、比較的短い時間間隔（例えば５分）で、電池、例えばリン酸鉄リチウム電池を充電する。このような充電器は典型的には、短期間の動作中にあまり熱を発生させない。したがって、いくつかの実施形態では、従来の充電器の動作を保護して、発熱による損傷及び危険な動作を防ぐように構成された特定のモジュール及び／又はコンポーネントは、容量を削減できるか、又は、充電器１０から完全に排除できる。例えば、充電器１０は、熱制御コンポーネント（例えば、ファン、ヒートシンク要素、追加の制御モジュールなど）を用いずに、及び／又は、熱モニタリングコンポーネント（例えば、サーミスタのような熱センサ）なしに構築してもよい。
【００６０】
更に、本明細書に記載されている充電器１０の動作期間の短さから、充電器１０の様々なコンポーネント（発生した熱を放熱させるように、広い表面積を有するように構成される場合が多いコンポーネント）の物理的寸法は、従来の充電器で用いられるコンポーネントよりも小さくできる。したがって、このように寸法が小さくなったコンポーネントは、従来よりもサイズの小さいハウジングに適合できるので、その結果、従来の充電装置よりも概ね小さい物理的寸法を有する充電装置が得られる。
【００６１】
図３は、電池電圧とＣＶモード充電時間を予測するための時間との関係を示す例示的なグラフを示している。図３では、５種類のＳＯＣ値が示されている。実際には、特定の充電器のＣＶモードでの正確な充電時間を正確に見出すのに必要な精度によって、ＳＯＣ値はこれよりも多くなったり少なくなったりし得る。
【００６２】
図４は、電池の初期ＳＯＣと電圧との関係を示す例示的なグラフを示しており、特定の初期充電状態に対応する電池電圧が示されている。
【００６３】
電池タイプの判断
いくつかの実施形態では、充電器１０は、ＩＤ抵抗器の抵抗（この抵抗値は、電池１２の機構の容量及び／又はタイプを表す）を測定するように構成された識別機構を含み、この測定を行うことは、上述されている。これに加えて、及び／又はこの代わりに、例えば充電器１０の本体上に配置されたユーザーインターフェースを介して、電池１２の容量及び／又はタイプを充電器１０に伝達してよい。識別機構、ユーザーインターフェース、ないしは別の方法を介して通信されるデータは、したがって電池の容量及び／又はタイプを示す。したがって、充電器１０は、このデータに基づき、用いる適切な時間テーブルを判断できる。
【００６４】
電力変換モジュール１６によって印加される電流／電圧を制御して（６０）、再充電可能電池１２に定電流を印加させる。説明されるように、充電器１０は、コントローラ３０と、電力変換モジュール１６の出力での電流／電圧を調整するように動作する切り替え装置ＰＷＭ制御ユニット３２と、を含む主−副フィードバック機構を実装する。電力変換モジュール１６のオフの間（すなわち、モジュール１６の出力に電流／電圧が与えられていない場合）、コンデンサ２８内に蓄積されたエネルギーが、電池１２に電流として放電される。電力変換モジュール１６から印加される電流と、コンデンサ２８から放電される電流により、有効な一定の充電電流が得られる。
【００６５】
電池の端子において電圧が所定の上限電圧に達するまで、電池１２を実質的に一定の電流で充電する。したがって、電池１２の端子の電圧を周期的に測定して（６２）、所定の上限電圧（すなわち、交差電圧）に達した時点を判断する。電池１２の端子において電圧が所定の上限電圧、例えば４．２Ｖに達したときに、電池１２の端子で維持される交差電圧レベルと実質的に等しい定電圧レベルを有するように、電力変換モジュール１６を制御する（これも６２で行う）。
【００６６】
これに加えて、充電器１０のユーザーインターフェース上のＬＥＤが点灯して、交差電圧点に達したこと、すなわち、電池が適切に動作するほど十分に充電されたことを示してもよい。ユーザーが電池を即座に使用することを望む場合、その時点でユーザーは電池１２を取り外してもよい。
【００６７】
ＣＶタイムカウンタがゼロまで減少したら（ＣＶ充電時間に実質的に等しい）、（例えば、切り替え装置ＰＷＭ制御モジュール３２及び／又は変圧器制御ユニット２０を用いて、電力変換モジュール１６の電気的作動を停止することによって、）電池１２に印加される充電電流を停止する。
【００６８】
他の実施形態
本発明の多数の実施形態が記載されてきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な修正を行い得ることが理解されるであろう。例えば、充電器１０は、電子装置、例えば携帯電話、コンピュータ、個人用デジタル補助装置などとともに用いるドッキングステーションに付随させることも、その中に埋め込むこともできる。したがって、他の実施形態も以下の「特許請求の範囲」内である。
【図１】
2014523731.tif 000004
【図２】
2014523731.tif 000005
【図３】
2014523731.tif 000006
【図４】
2014523731.tif 000007
【国際調査報告】
2014523731.tif 000008
2014523731.tif 000009
2014523731.tif 000010