(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再充電可能な鉛酸バッテリを充電するための装置において、
バッテリを充電するための充電電流と、過充電電流をもたらすために充電電流に加えられる過充電電流増分とを発生させる発生器手段と、
前記発生器手段を制御する制御器手段であって、
（ａ）再充電中に再充電可能な鉛酸バッテリの充電受入れ能力又は充電状態の少なくとも１つを決定するための帰還手段と、
（ｂ）バッテリの充電受入れ能力を上回る過充電電流を決定するための過充電命令手段と、
（ｃ）充電電流および過充電電流増分が供給されるように発生器を制御するための電流制御手段であって充電中にバッテリに過充電電流が送出されるように動作可能な電流制御手段とを含む制御器手段であって、前記鉛酸バッテリの電解液中に前記過充電電流を過充電パルスとして印加することにより発生する気体によって当該電解液を攪拌するようにする制御器手段と、
を含む装置。
【請求項２】
過充電命令手段が、過充電の所要時間と過充電を行う時を決定するよう動作可能であり、
電流制御手段が、過充電を行う時にその過充電の所要時間だけバッテリに過充電電流が送出されるよう動作可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
過充電を行う時が、鉛酸バッテリの充電状態が６０％に達した後になるように決定される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
過充電の所要時間が２分の１分から５分の間であり、過充電電流が、バッテリ容量の５分の１未満でありかつバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ鉛酸バッテリの充電受入れ能力を上回る、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
過充電命令手段が、過充電を行う複数の時と、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流と、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間とを決定し、
過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間が、２分の１分から５分の間であり、
過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流が、過充電を行う時に、バッテリ容量の５分の１未満でありかつバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ鉛酸バッテリの充電受入れ能力を上回る、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
過充電を行う複数の時が、バッテリの充電状態が少なくとも６０％になった後であってバッテリの充電状態が１００％になる前である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間が経過した後、発生器手段が、充電電流が元に戻る前に関連する電圧安定化間隔にわたって関連する電圧安定化電流がバッテリに供給されるよう動作可能であり、過充電を行うそれぞれの時に関連する電圧安定化電流がバッテリ容量の１０分の１未満である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
過充電を行うそれぞれの時に関連する電圧安定化間隔が少なくとも５秒である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
バッテリの充電中に送出される過充電全体が、再充電中にバッテリに提供される充電全体の５％未満である、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
バッテリの内部温度を決定するための温度感知手段をさらに含み、過充電命令手段が、バッテリの内部温度に応じて過充電電流を調節するよう動作可能である、請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
再充電可能な鉛酸バッテリを再充電する方法であって、
（ａ）バッテリを充電するための充電電流を発生させるステップと、
（ｂ）充電電流をバッテリに供給するステップと、
（ｃ）再充電可能な鉛酸バッテリの充電受入れ能力又は充電状態の少なくとも１つを決定するステップと、
（ｄ）バッテリの充電受入れ能力を上回る過充電電流を決定するステップと、
（ｅ）過充電電流を得るために充電電流に加えられる過充電電流増分を決定するステップと、
（ｆ）ステップ（ｂ）の間、過充電電流増分をバッテリに供給し、電流制御手段が、充電中に過充電電流をバッテリに送出するよう動作可能であるステップであって、前記鉛酸バッテリの電解液中に前記過充電電流を過充電パルスとして印加することにより発生する気体によって当該電解液を攪拌するようにするステップとを含む方法。
【請求項１２】
過充電の所要時間および過充電を行う時を決定し、
過充電電流が、過充電を行う時に過充電の所要時間だけバッテリに供給される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
過充電を行う時が、鉛酸バッテリの充電状態が６０％に達した後である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
過充電の所要時間が２分の１分から５分の間であり、過充電電流が、バッテリ容量の５分の１未満でありかつバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ鉛酸バッテリの充電受入れ能力を上回る、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
過充電を行う複数の時と、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流と、過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間とを決定し、
過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間が、２分の１分から５分の間であり、
過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電電流が、過充電を行う時に、バッテリ容量の５分の１未満でありかつバッテリ容量の２０分の１を超えた量だけ鉛酸バッテリの充電受入れ能力を上回る、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
過充電を行う複数の時が、バッテリの充電状態が少なくとも６０％になった後であってバッテリの充電状態が１００％になる前である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
過充電を行うそれぞれの時に関連する過充電所要時間が経過した後、関連する電圧安定化電流が、充電電流が元に戻る前に関連する電圧安定化間隔にわたってバッテリに送出され、過充電を行うそれぞれの時に関連する電圧安定化電流がバッテリ容量の１０分の１未満である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
過充電を行うそれぞれの時に関連する電圧安定化間隔が少なくとも５秒である請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
バッテリの充電中に送出される過充電全体が、再充電中にバッテリにもたらされる充電全体の５％未満である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
バッテリの内部温度を決定すること、およびバッテリの内部温度に応じて過充電電流を調節することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリの充電に関し、より詳細には、充電中の電解質成層化を改善するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バッテリは、電子を一方の物質から他方の物質に移動させることを含む酸化還元電気化学反応によって、活性物質が持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。鉛酸バッテリは、バッテリの最も一般的な種類の１つである。そのようなバッテリは、正および負の鉛の電極と、これらの電極間にある硫酸（Ｈ２ＳＯ４）および水の混合物とを含む。硫酸は、正極と負極の間の媒質を伝わる電流ならびに電極での電気化学反応における活性物質を提供する。
【０００３】
バッテリの放電中、鉛（Ｐｂ）が酸化してＰｂ２＋になることにより負極が形成される。（Ｐｂ⇒Ｐｂ２＋＋２ｅ−）
完全反応は、
Ｐｂ＋Ｈ２ＳＯ４⇒ＰｂＳＯ４↓＋２Ｈ＋＋２ｅ−
である。
【０００４】
同時に、以下の反応によりＰｂ４＋を還元してＰｂ２＋にすることによって正極が形成される。（Ｐｂ４＋＋２ｅ−⇒Ｐｂ２＋）
完全反応は、
ＰｂＯ２＋Ｈ２ＳＯ４＋２Ｈ＋＋２ｅ−⇒ＰｂＳＯ４↓＋２Ｈ２Ｏ
である。
【０００５】
鉛酸バッテリが放電するにつれ、鉛（Ｐｂ）と二酸化鉛（ＰｂＯ２）は硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）に変換される。生成した水（２Ｈ２Ｏ）と消費された硫酸（Ｈ２ＳＯ４）は電解液を希釈し、より低い密度の読取り値が放電したバッテリで観察される。
【０００６】
鉛酸バッテリは、広く２つのクラスに分類される充電器、すなわち単純な充電器と閉ループまたは帰還充電器に分類される充電器を使用して、再充電することができる。単純な充電器は、ある時間間隔にわたって低レベルの充電電流をバッテリに送出する。この電流レベルは、過充電によって損なわれないように選択される。一方、帰還充電器は、充電サイクル中の充電電流の大きさを制御するために、バッテリの状態を監視する。充電サイクルは、高電流段階と調整段階からなる。高電流段階では、バッテリを急速に充電するために、帰還充電器によって高充電電流がバッテリに印加される。帰還電流充電器は、バッテリの状態を監視し続け、バッテリの充電状態が回復するにつれて充電電流を低下させる。
【０００７】
室温では、硫酸の密度が１８３４ｋｇ／ｍ３であり、これは水の密度（１０００ｋｇ／ｍ３）の１．８倍を超えるものである。このような密度の差があると、硫酸の密度が比較的高いことにより水中を下に向かって沈降するようになるので、再充電中、特に再充電が高速で行われる場合に問題が生じる可能性がある。この問題は、再充電中に生じる化学反応について調べることによって、より詳細に見ることができる。この反応のいくつかの生成物の傍に示される下向きの矢印は、これらの生成物が極板上に堆積することを示す。
【０００８】
鉛酸バッテリを充電すると、以下の反応に基づいて両方の電極で硫酸が生成される。
正極では、
ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ⇒ＰｂＯ２↓＋Ｈ２ＳＯ４＋２Ｈ＋＋２ｅ−
負極では、
ＰｂＳＯ４＋２Ｈ＋＋２ｅ−⇒Ｐｂ↓＋Ｈ２ＳＯ４
【０００９】
硫酸の濃度が正極および負極付近で上昇するにつれ、酸がより高い密度になって電極の下の方へと流れ、その結果、セルの底部での酸濃度が上昇する。この問題は、成層化と呼ばれる。
【００１０】
バッテリ電圧は酸濃度に依存する。したがって、底部があまり充電されない状態で、上昇する平衡電圧に耐えかつ充電反応を引き起こすために、成層化セルの底部付近ではより高い電圧が必要とされる。問題が正されない場合、電極底部での条件は各充電サイクルが行われるたびに次第に悪くなる。最終的に、このセルの容量は、不可逆的に低下することになる。
【００１１】
従来技術では、各充電サイクルの終わりに１０〜２０％という低率で過充電を行うことによって、この問題に対処してきた。電子流（電流）の速度が主充電反応の速度を上回ると、未使用の電子が不可逆的な副反応（水の電解）に関与し始める。
【００１２】
正極での反応は、
２Ｈ２Ｏ⇒Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
である。
負極での反応は、
４Ｈ＋＋４ｅ−⇒２Ｈ２
である。
【００１３】
電流と分解した水の量との関係は、ファラデー定数（９６４８５Ａｓまたは２６．８Ａｈに相当）を使用して評価することができる。電解反応で交換された電子の数は２であるので、１モル重量の水（１８ｇ）を分解するのに５３．６Ａｈが必要とされる。このため、１Ａｈの過充電電流によって水０．３３６ｇが分解し、標準状態で０．６８リットルの気体が生成される（摂氏２５度および標準大気圧で）。水の分解によって生成した気体（Ｈ２およびＯ２）はこの系内を上昇し、下から上に向かって液体の混合運動を引き起こし、成層化を改善する。気体の混合運動の強さは、気体発生または過充電の速度によって制御される。
【００１４】
各充電サイクルの終わりに１０〜２０％という低率で過充電を行う溶液には、時間がかかるという欠点があり、それによって急速再充電の利益が大きく打ち消される。また、過充電の速度が速いと電極を腐食させる傾向があり、それによってバッテリの耐用寿命が短縮される。これらの作用は、より高い温度で悪化する。
【００１５】
したがって、成層化を回避しながらバッテリを急速に再充電するための方法および装置が望まれている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一態様の目的は、改善されたバッテリ充電器を提供することである。
本発明の一態様によれば、バッテリ充電用の充電電流を発生させる発生器手段と、この発生器手段を制御するための制御器手段とを有するバッテリ充電器が提供される。発生器手段は、過充電電流を得るため充電電流に加えられる過充電電流増分を発生させるように動作可能である。制御器手段は、再充電中に再充電可能な鉛酸バッテリの充電受入れ能力および充電状態の少なくとも１つを決定するための帰還手段と、バッテリの充電受入れ能力を上回る過充電電流を決定するための過充電命令手段と、充電電流および過充電電流増分が供給されるよう発生器を制御するための電流制御手段とを含む。電流制御手段は、充電中に過充電電流がバッテリに送出されるよう動作可能である。
【００１７】
過充電命令手段は、過充電の所要時間と過充電を行う時を決定するよう動作可能であり、電流制御手段は、過充電を行う時にその過充電の所要時間だけバッテリに過充電電流が送出されるよう動作可能であることが好ましい。
【００１８】
本発明の別の態様の一目的は、再充電可能な鉛酸バッテリを再充電するための、改善された方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のこの態様によれば、再充電可能な鉛酸バッテリを再充電する方法が提供される。この方法は、（ａ）バッテリを充電するための充電電流を発生させるステップと、（ｂ）充電電流をバッテリに供給するステップと、（ｃ）再充電可能な鉛酸バッテリの充電受入れ能力と充電状態の少なくとも１つを決定するステップと、（ｄ）バッテリの充電受入れ能力を上回る過充電電流を決定するステップと、（ｅ）過充電電流を得るために充電電流に加えられる過充電電流増分を決定するステップと、（ｆ）ステップｂの間、過充電電流増分をバッテリに供給し、電流制御手段が、充電中に過充電電流をバッテリに送出するよう動作可能であるステップとを含む。
【００２０】
この方法は、過充電の所要時間および過充電を行う時も決定することが好ましい。過充電電流は、過充電を行う時に過充電の所要時間だけバッテリに供給される。
【００２１】
次に、一例として本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の一態様によれば、再充電プロセス中の２〜３の異なる時間に電解質が混合されるよう、バッテリに、制御された短い過充電パルスを供給することによって、再充電中の鉛酸バッテリの非層化が改善される。電解質の混合は、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が６０〜１００％の間であるときにバッテリに過充電パルスを供給する場合が、最も効果的である。過充電パルスは、バッテリに供給される電流を、その充電電流からバッテリの充電受入れ能力（ＣＡＡ）を上回る過充電電流まで０．５分から５分かけて増大させることによって実行される。好ましい実施形態では、この手順を、例えばＳＯＣが６０％、８０％、９５％程度のときに、充電サイクル中に２回から３回繰り返す。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態によれば、充電方法は、１９９８年１０月８日に公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＣＡ９８／００３０８に開示されている方法に実質上従い、追加として、非層化機能が組み込まれる。この特許出願により教示されるように、鉛酸バッテリは、充電サイクル中に充電電流の大きさを制御するためバッテリの状態を監視する帰還充電器によって、素早く充電することができる。次に述べるように、本発明は、成層化を改善するための鉛酸バッテリの急速充電に適用される。
【００２４】
図１１を参照すると、本発明による充電方法を実施するためのバッテリ充電器１０のブロック図が示されている。このバッテリ充電器は、制御器１２と、ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４と、プログラマブル電源１６とを含む。
【００２５】
プログラマブル電源１６は、充電器１０に結合されたバッテリ２０を充電するために、符号１８で示される充電電流Ｉを発生させる。制御器１２は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２２を通してプログラマブル電源１６のアナログ入力に結合している。Ｄ／Ａ変換器２２は、バッテリ２０に印加される充電電流Ｉの相対レベルを表すアナログ制御信号出力を、電源に供給する。アナログ入力は、Ｄ／Ａ変換器２２から、０〜１０ＶＤＣの範囲の制御電圧信号を受信する。制御電圧信号は、プログラマブル電源１６のフルスケール出力電流容量の０％から１００％までの範囲を表す。
【００２６】
プログラマブル電源１６は、制御器１２の出力ポートおよび入力ポートにそれぞれ結合されたバッファ付きデジタル入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースも含む。プログラマブル電源１６は、充電電流Ｉのオン／オフを設定するために、また障害状態をクリアするために、制御器１２から送出されたデジタル制御信号を受信する。電源１６は、デジタル入力信号を制御器１２から受信して、それにより瞬時に遮断を行って出力充電電流Ｉを０％にすることが好ましい。またプログラマブル電源１６は制御器１２にデジタル信号を出力して、ステータスおよび障害状態、例えば温度過昇やＤＣバス電圧が高すぎること、ＤＣバス電圧が低すぎることを示す。当業者なら、プログラマブル電源１６の実施について熟知しているであろう。
【００２７】
制御器１２は、本発明による充電プログラムおよび成層化制御方法を実行するよう適切にプログラムされたマイクロプロセッサまたはプロセッサ・ボードを含む。充電プロセスは、ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４を通して入力されるパラメータによって構成される。ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４は、バッテリ・タイプ用の充電パラメータを入力するために、ディスプレイおよびキーボード、またはキーパッドを含むことが好ましい。ユーザ・インターフェースおよび電源制御パネル１４は、ある特定の既知のタイプのバッテリに関連付けられたバッテリ・パラメータ識別子を読み取るための入力デバイスを含んでもよい。米国特許第５，５４８，２００号に記載されるように、複数のユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネルを図１１のバッテリ充電器に組み込むことによって、いくつかのバッテリを同じ充電ステーションに割り当てることが可能になる。
【００２８】
制御器１２は、ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４を使用して、バッテリ充電ステータス、充電システム・ステータス・インジケータ、障害状態および診断情報を表示する。この表示パネルは、バッテリ充電プロセスを開始／停止するための、またバッテリ２０を充電器１０に接続して充電パラメータを入力するようユーザに指示を与えるプロンプト／メッセージを表示するための、入力キーも含む。
【００２９】
上述のように、充電器１０は帰還充電システムとして動作する。図１１に示されるように、充電器１０は、バッテリ２０の様々なパラメータを監視するためのセンサを含む。センサは、充電電流センサ２６、バッテリ電圧センサ２８、バッテリ圧力センサ３０、バッテリ温度センサ３２、およびバッテリ電解質センサ４２を含む。これらのセンサ２６、２８、３０、３２、および４２は、アナログ・プロセス測定回路を含み、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器および制御器３４を介して制御器１２のそれぞれの入力ポートに結合されている。
【００３０】
充電電流センサ２６は充電電流Ｉを監視するものであり、信号を処理するために不可抵抗器およびアナログ増幅器（図示せず）に接続されたスイスのＬＥＭ  Ｓ．Ａ．から入手可能なＬＥＭモジュールＬＴ５００などの電流変換器を使用して実施される。このようなアナログ回路の実施は、当業者に知られているであろう。
【００３１】
バッテリ電圧センサ２８はバッテリ２０の出力電圧を監視するものであり、好ましくは、例えばオプトカプラ（図示せず）によって得られた電気的な分離を有するスケーラブル信号処理増幅器（図示せず）を含む。
【００３２】
バッテリ圧力センサ３０はバッテリ２０の内部圧力を監視するものであり、Ｏｍｅｇａ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｉｎｃ．から入手可能なＰＸ３０２モデルなどの適切な圧力変換器を使用して実施される。
【００３３】
バッテリ電解質レベル・センサ４２は、バッテリ内の電解液のレベルを監視する。このレベルが低すぎる場合、この情報はＡ／Ｄ変換器３４を介してバッテリ給水システム制御器４４に伝達され、水の供給４６および給水システム４８を制御してバッテリに水を追加する。
【００３４】
バッテリ温度センサ３２はバッテリ２０の内部温度を監視するものであり、バッテリ２０の外壁に接触するよう配置される固相熱センサを使用して実施される。適切な温度センサは、ＣＡ、Ｓａｎｔａ  ＣｌａｒａのＮａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒから入手可能なＬＭ３３５Ａ固相デバイスである。温度センサ３２は、温度センサ３２からの出力信号を処理するためのアナログ処理増幅器（図示せず）を含むことができる。センサ２６〜３２および４２からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器および制御器３４に供給されデジタル化されて、制御器１２により入力される。Ａ／Ｄ変換器および制御器３４は、高速１２ビット変換器を含むことが好ましい。
【００３５】
制御器１２によって読み取られたＡ／Ｄ変換器および制御器３４からのデジタル化信号は、ユーザによって入力されたバッテリおよび充電パラメータと併せてバッテリ充電プログラムおよび方法により利用される。入力に応答して、バッテリ充電器１０用のプロセス制御プログラムがプルグラマブル電源１５用の制御コマンドを計算し、更新する。プロセス制御プログラムは、プログラマブル電源１６のステータスおよび動作も監視し続ける。何らかの障害が検出された場合、バッテリ充電プログラムは充電サイクルを終了し、すなわち電源１６をオフにして、ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４とＬＥＤステータス・インジケータ３６に打切りまたは障害ステータスであることを表示する。具体的には、赤色ＬＥＤステータス・インジケータが「オン」のときは障害が生じたことを示す。コハク色のＬＥＤが「オン」のときは、ステーションが、接続されているバッテリを充電していることを示す。緑色ＬＥＤが「オン」のときは、ステーションが待機中であり、または充電を開始できる状態にあり、または充電が終了したことを示す。応急処置が必要な場合は、応急処置が必要であるという警告をユーザに発するために、音声インジケータ３８を使用する。バッテリ充電プログラムおよび方法で具体化された処理ステップについて、図１〜１０を参照しながら以下に詳細に述べる。
【００３６】
過充電されることなく任意の所与の時間にバッテリが電流を受け取ることができる最大速度を、充電受入れ能力（ＣＡＡ）と呼ぶ。ＣＡＡは、充電ステータス、温度、バッテリの使用時間、および以前の充電履歴と関係がある。本発明の好ましい態様によれば、１９９８年１０月８日に公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＣＡ９８／００３０８により教示されるように、ＣＡＡと充電状態（ＳＯＣ）の両方を決定するために端子電圧プロフィルを使用する。しかし、ＣＡＡとＳＯＣを決定するその他の方法が当業者に周知であり、ＣＡＡおよびＳＯＣの決定に使用される特定の方法とは関係なく本発明をどのように実施することができるかが当業者に明らかにされよう。
【００３７】
図１を参照すると、本発明の実施形態によるバッテリ充電プログラムの構成が、ブロック図に示されている。バッテリ充電プログラム１００は、充電制御モジュール１０２と、ユーザ・インターフェース・モジュール１０４と、充電器出力モジュール１０６と、充電器入力モジュール１０８と、プロセス測定モジュール１１０とを含む。
【００３８】
充電制御モジュール１０２は、本発明によるバッテリの充電を制御するための方法ステップを含み、これについては以下により詳細に述べる。ユーザ・インターフェース・モジュール１０４は、ユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４（図１１）の操作を制御する機能を提供する。ユーザ・インターフェース・モジュール１０４は、充電制御モジュールで使用される充電制御パラメータにユーザが入力した入力を処理し、これについては以下により詳細に述べる。ユーザ・インターフェース・モジュール１０４は、充電プロセス中の充電制御モジュール１０２からのデータもプロセス出力としてまた診断情報１１６としてユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４に表示する。
【００３９】
充電器出力モジュール１０６は、充電制御モジュール１０２から送出された制御コマンドに応答して、プログラマブル電源１６の動作を制御する。充電器出力モジュール１０６は、デジタル制御信号をＤ／Ａ変換器２２に供給して、プログラマブル電源１６用の制御電圧信号を発生させる。充電器出力モジュール１０６は、プログラマブル電源１６を制御するために、デジタル出力信号、例えば充電電流のオン／オフや障害リセットなどの信号も発生させる。
【００４０】
充電器入力モジュール１０８は、プログラマブル電源１６から送出されたステータスおよび障害信号を受信する。ステータスおよび障害状態信号は制御器１２の入力ポートで受信され、充電制御モジュール１０２に送信されて処理が行われる。例えば、電源温度過昇状態に応答して、充電制御モジュール１０２はバッテリ２０の充電を打ち切り、充電器出力モジュール１０６を介して電源１６を遮断し、さらにユーザ・インターフェース・モジュール１０４によってユーザ・インターフェースおよび電源制御表示パネル１４に「打切りメッセージ」を表示する。
【００４１】
プロセス測定モジュール１１０は、充電電流センサ２６、バッテリ電圧センサ２８、バッテリ圧力センサ３０、およびバッテリ温度センサ３２（図１１）からの信号の入力を監視する。次いでこれらのセンサからのアナログ入力をＡ／Ｄ変換器３４によりデジタル化する。次いで以下により詳細に述べるように、センサから得られたデジタル化情報をメモリに記憶させて充電制御モジュール１０２により使用する。
【００４２】
次に図２を参照すると、本発明によるバッテリ充電器１０および充電制御モジュールの動作が示されている。
【００４３】
初めに、充電器１０がバッテリ識別子を読み取るための入力デバイスを含む場合は、充電制御器１０２がステップ１０３でバッテリ・タイプ識別子を読み取る。充電器１０がバッテリ・タイプ用の読取り装置を含まない場合は、ユーザがインターフェース１４を使用してバッテリ・タイプを入力するよう指示を与える。このバッテリ・タイプ情報を使用して、ステップ１０５で適切なパラメータ・テーブルを選択する。
【００４４】
端子電圧プロフィルおよびパラメータ・テーブルは、バッテリのタイプによって異なる。本発明のこの態様によれば、バッテリはグループＩとグループＩＩに分類される。グループＩのバッテリは、最も一般的なバッテリ・タイプを構成し、鉛酸バッテリおよびニッケルカドミウム・バッテリが含まれる。グループ１のバッテリは、図８に示されるように勾配がｄＶ／ｄｔの端子電圧プロフィルを有する。端子電圧プロフィルは、以下に述べるように、充電電流Ｉが遮断されまたは変化するときのバッテリの電圧と定義される。グループＩのバッテリの充電プロセスの開始時は（すなわちバッテリが放電され、実際の充電速度がバッテリの充電受入れ能力を下回る）、曲線１２０ａにより示されるように、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔがほとんど平らである。バッテリが充電されるにつれ、曲線１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄにより示されるように、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔが増大する。最終的に端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔは、曲線１２２により示されるように、その最大値に達する。端子電圧プロイフィルの最大勾配ｄＶ／ｄｔ、すなわち図８の曲線１２２は、バッテリの充電受入れ能力ＣＡＡに達しており、したがってバッテリの過熱および損傷を回避するために充電電流Ｉを低減させなければならないことを意味する。
【００４５】
グループＩＩのバッテリにはニッケル水素バッテリが含まれる。グループＩＩのバッテリは、図９の曲線によって示されるように勾配がｄＶ／ｄｔの端子電圧プロフィルを有する。バッテリが完全に放電される場合、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔ（すなわち電流変動間隔中に得られた）は、図９の曲線１２４ａによって示されるように最大勾配ｄＶ／ｄｔを示すことになる。バッテリが充電されるにつれ、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔ（例えば連続する電流変動間隔）は、図９の曲線１２４ｂ、１２４ｃ、および１２４ｄによって示されるように減少する。バッテリが充電されると、すなわち充電速度が充電受入れ能力に達すると、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔは、図９の曲線１２６によって示されるように０に近付く。
【００４６】
ステップ１０５で読み取られるパラメータ・テーブルは、特定のタイプのバッテリ、例えばニッケルカドミウムかまたは鉛酸（グループＩ）バッテリであるか、あるいはニッケル水素（グループＩＩ）バッテリかによって異なる。テーブルには、充電パラメータと、安全性限界と、入力／出力タイマに関するサンプリング速度および分解能であって、以下により詳細に述べるようなものを含むことが好ましい。充電器１０を考慮に入れた様々なバッテリに関するパラメータは、制御器１２によりアクセス可能な不揮発性メモリに記憶されることが好ましい。
【００４７】
図２に示されるように、チャージャ１０でのデータ収集処理およびコマンド転送制御をそれぞれ行う２つのモジュール２０１、２０２が存在する。データ収集モジュール２０１は、センサ２６〜３２（図１１）からのデータ入力を監視する。実時間プロセス・モジュール２０２は、デジタル制御信号および電流制御信号を（Ｄ／Ａ変換器２２を介して）、プログラマブル電源１６に出力する。
【００４８】
実時間プロセス制御モジュール２０２のステップ２０３では、出力制御コマンドを出力するための時間基準が発生する。次に、ステップ２０５では、出力制御コマンドが適切なハードウェア・ドライバに送られる。図示されるように、実時間プロセス制御モジュール２０２と実時間データ収集モジュール２０１との間には、以下に述べるループバック・パス２０７も存在する。ループバック２０７は、以下に述べるように実時間データ収集モジュール２０１に「トリガ」を供給する。
【００４９】
図２を参照すると、ステップ２０９では、データ収集モジュール２０１が、データを入力するための、すなわちサンプリングするための時間基準を発生させる。サンプリング速度は、当業者に理解されるように、利用されている特定のハードウェアおよびプロセス制御のための所望の分解能によって異なる。例えば、６０マイクロ秒ごとに１回のサンプリングが充電器には適している。ステップ２１１では、データ収集モジュール２０１が、充電電流センサ２６（図１１）から電流の読取りＩ１、．．．、Ｉｎを、バッテリ電圧センサ２８から電圧の読取りＶ１、．．．、Ｖｎを、バッテリ圧力センサ３０からの圧力の読取りＰ１、．．．、Ｐｎを、バッテリ温度センサ３２から温度の読取りＴ１、．．．、Ｔｎを収集する（サンプリング速度で）。
【００５０】
ステップ２１３では、平均電圧Ｖａｖ、平均充電電流Ｉａｖ、クーロン電荷Ｑ、充電エネルギーＥ、および経過充電時間の各値を入力データから計算する。平均充電電流Ｉａｖおよび平均電圧Ｖａｖの値は、選択された期間にわたって計算される。例えば１秒である。クーロン電荷Ｑは充電電流Ｉ１、．．．、Ｉｎの値を積分することによって計算され、充電エネルギーＥは、平均電流Ｉａｖおよび平均電圧Ｖａｖから計算される。
【００５１】
ステップ２１１では、充電電流ＩＨｉの高い値、充電電流ＩＬＯＷの低い値、電圧ＶＨｉの高い値、電圧ＶＬＯＷの低い値に対応するデータも、実時間プロセス制御モジュール２０２からループバック・バス２０７に供給されたトリガと合わせて読み取られる。高充電電流ＩＨｉに関するトリガは、充電電流Ｉを高い値まで上昇させるためのプログラマブル電源１６への出力コマンドを含む。同様に、低充電電流ＩＬＯＷに関するトリガは、充電電流Ｉを低い値に低下させるための電源１６への出力コマンドを含む。高電圧ＶＨｉおよび低電圧ＶＬＯＷの値は、同様の手法で読み取られる。データ収集モジュール２０１で発生したデータはメモリに記憶されてさらに処理される。
【００５２】
図２を参照すると、充電サイクルの開始時に、ブロック１０７でステータスを「ＲＡＭＰ  ＵＰ（ランプアップ）」に設定する。ランプアップ・ステータスは、充電電流ＩがＨＩＧＨ（高）電流レベルまでランプアップしまたは増加することを意味する。次いで充電サイクルの高電流段階の間、バッテリの充電受入れ能力に達するまで、すなわち充電電流を調整してバッテリの充電が完了しまたは終了するまで、充電電流Ｉを高い値に維持する。
【００５３】
ステップ１０９では、「ランプアップ」ステータスをチェックする。充電器１０がＲＡＭＰ  ＵＰモードにある場合は、ステップ１１１でランプアップ手順３００を呼び出す。ランプアップで順３００の機能は充電電流Ｉを最大値ＩＭａｘまで増加させまたは上昇させることであり、特定のバッテリを充電することができる。最大電流ＩＭａｘは、都合よくパラメータ・テーブルに記憶される。ラップ・アップ手順３００を、図３により詳細に示す。
【００５４】
図３を参照すると、ランプアップ手順３００によって実行される第１のオペレーションは、充電されるバッテリの充電受入れ能力ＣＡＡを計算することである。ステップ３０１では、充電受入れ能力手順４００を呼び出すが、この充電受入れ能力手順４００を図６により詳細に示す。充電受入れ手順４００の機能は、バッテリの充電受入れ能力に達したかどうかを決定することである。バッテリの充電受入れ能力に達していない場合、バッテリの急速充電が続けられるように充電電流Ｉを増加させることができる。本発明のこの態様によれば、充電受入れ能力ＣＡＡは、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔ（図９および１０）から決定される。
【００５５】
図６に示されるように、充電受入れ能力手順４００は、初めにステップ４０１で動作モードをチェックし、すなわちより具体的には、そのモードがＲＥＧＵＬＡＴＥ（調整）であるかどうかをチェックする。動作モードが調整モードではない場合、充電器１０はＨＩＧＨ  ＣＵＲＲＥＮＴ（高電流）モードまたはランプアップ・モードにあり、次にそのバッテリ・タイプをステップ４０３でチェックする。上述のように、本発明による充電方法はグループＩのバッテリとグループＩＩのバッテリを区別し、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔを使用してバッテリの充電受入れ能力ＣＡＡを確認する。バッテリがグループＩＩのニッケル水素（ＮｉＭＨ）バッテリである場合、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔは、充電受入れ能力に達すると０に近付く（図９）。逆に、グループＩのバッテリについては、充電受入れ能力に達すると端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔが最大に達する（図８）。グループＩのバッテリでは、ステップ４０５で、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔｍａｘの最大値と現在の勾配ｄＶ／ｄｔとの差をとることによって充電受入れ能力ＣＡＡを計算する。勾配ｄＶ／ｄｔｍａｘの最大値は、都合よくパラメータ・テーブルに記憶される。バッテリが充電されるにつれ、最大勾配ｄＶ／ｄｔｍａｘと実際の勾配ｄＶ／ｄｔとの差が小さくなり、ステップ４０５でＣＡＡ＝０のときに充電受入れ能力に達する。
【００５６】
端子電圧プロフィルは、充電電流の変動間隔中に測定され、または充電電流Ｉおよび電流が遮断されないときのバッテリ内部抵抗を用いて端子電圧から計算される。図７に示されるように、充電電流Ｉが遮断されまたは変動すると、端子電圧は、２つの構成要素または段階、すなわち電圧ＶＲと電圧ＶＤを含む降下が生じる（図７の曲線によって表される）。電圧ＶＲは電圧変位であり、充電電流Ｉが変化したほぼ直後、すなわち図７のＴ１で示される時間に生じる。電圧変位ΔＶＲは、バッテリ内の抵抗損（例えばポストや極板、セル間配線などの抵抗損）によってほぼ完全に生じる。第２の構成要素は、端子電圧の電圧充電ΔＶＤを含む。電圧充電ΔＶＤは勾配ｄＶ／ｄｔを有し、また本発明のこの態様によれば、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔを利用して、バッテリの充電受入れ能力を決定する。
【００５７】
図６に戻り参照すると、グループＩＩのバッテリ、すなわちニッケル水素バッテリでは、ステップ４０７で充電受入れ能力ＣＡＡを計算する。本発明のこの態様によれば、端子電圧プロフィルの勾配ｄＶ／ｄｔは、バッテリが充電されると最小に近付く。ステップ４０７では、充電受入れ能力ＣＡＡを、端子電圧プロフィルの最小勾配ｄＶ／ｄｔＭＩＮと現在の勾配ｄＶ／ｄｔとの差として計算する。ＮｉＭＨバッテリでは、最小勾配ｄＶ／ｄｔＭＩＮと勾配ｄＶ／ｄｔとの差が０に近付く。
【００５８】
図６を参照すると、充電器がＬＯＷ  ＣＵＲＲＥＮＴ  ＭＯＤＥ（低電流モード）で動作する場合、すなわちステータス＝調整がＴＲＵＥ（真）である場合は、ステップ４０９でカウンタ・フラグ「ｎ」をチェックする。調整モードでは、充電電流Ｉを最適なレベルに維持するために充電受入れ能力ＣＡＡを監視する（カウンタ・フラグｎは、以下に述べるように調整手順によって設定する）。調整状態が開始した後のファースト・パスでは、フラグが１になり、手順４００はステップ４１５に進む。ステップ４１１では、パラメータＩ・ｄＶ／ｄＩを更新する。パラメータＩ・ｄＶ／ｄＩは、調整段階中の充電電流Ｉのステップ式変化と、電圧ｄＶで結果的に生じる変化を表す。充電電流Ｉのステップ式減少と端子電圧の変化ｄＶとの関係を、図１０に示す。計算を簡単にするために、充電電流Ｉを減少させるためのステップ・サイズはＩ／ｄＩが一定になるよう選択される。
したがってステップ４１１では、電圧の変化ｄＶのみ測定すればよい。次にステップ４１３では、充電受入れ能力ＣＡＡを、最初の読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）１と現在の読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）ｎとの差として計算する。最初の読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）１は、ＣＡＡが０の状態、すなわちバッテリ充電受入れ能力に達した状態に対応する。ステップ４１３で計算された充電受入れ能力の値が０ではない場合、それはバッテリが完全に充電されていないことを意味し、設定点を高めることができる。カウンタ・フラグｎが真（すなわちステップ４０９でｎ＝１）である場合、充電受入れ能力ＣＡＡはステップ４１５で０に設定されてバッテリが充電されたことが示され、読取り（Ｉ・ｄＶ／ｄＩ）１はステップ４１７で更新される。次いで制御は、ステップ４１９で呼出し手順に戻る。
【００５９】
図３のランプアップ手順３００に戻って参照すると、この手順３００は、ステップ３０３で、充電受入れ能力ＣＡＡが０より大きいかどうかチェックする。ＣＡＡが０より大きい場合、バッテリは完全に充電されず、充電電流Ｉをさらに増大させまたはランプアップさせる。ステップ３０５では、充電電流Ｉを漸進的に増加させる。ステップ３０７では、充電電流Ｉの設定値を最大許容電流設定値Ｉｍａｘ（パラメータ・テーブルに記憶されている）と比較する。充電電流Ｉが最大値に達した場合、充電器１０が高電流で動作していることを示すためにステップ３０９でステータス・フラグをＨＩＧＨ（高）に設定し、したがって充電電流Ｉのランプアップが終了する。ステップ３１１では、ランプアップ手順３００が充電器制御１００に戻る。
【００６０】
図３に示されるように、充電受入れ能力ＣＡＡが０以下である場合、ランプアップ手順３００はステップ３１３で、充電受入れ能力ＣＡＡが０に等しいかどうかチェックする。充電受入れ能力ＣＡＡが０に等しくない場合、すなわち負である場合はバッテリの充電受入れ能力を上回り、したがってステップ３１５で充電電流Ｉを低下させる。充電受入れ能力ＣＡＡが０の場合（または最大充電電流に達していない場合−上述のステップ３０７）、ランプアップ機能３００はステップ３１７で、端子（例えば抵抗なし）電圧Ｖｒｆ（すなわち充電電流Ｉの変動中に得られたもの）の読取を設定電圧ＳＶｒｅｆと比較する。電圧の読取りＶｒｆが設定電圧ＳＶｒｅｆを超えた場合はランプアップ・オペラーションを終了させるべきであり、またステップ３１９でステータス・フラグを「調整」に設定し、ステップ３２１カウンタ・フラグ「ｎ」を０に設定して、調整段階が開始したことが示されるようにする（カウンタ・フラグ「ｎ」は、上述のように充電受入れ手順４００によって使用される）。端子電圧Ｖｒｆが依然として設定電圧ＳＶｒｅｆ未満である場合、ランプアップ手順３００はステップ３２３で、充電電流Ｉをランプアップするための時間が経過したかどうかをチェックする。例えば、所定時間内にランプアップ電流に達していない場合は障害が生じる可能性があり、そのような状態であることを示すフラグを立てるべきである。次いでランプアップ手順３００は、ステップ３１１で呼出し手順に戻る。
【００６１】
図２に戻って参照すると、充電制御プログラム１０２はステップ１１３で、ステータスがＨＩＧＨ（高）に設定されたかどうかをチェックする。ステータスは、上述のように、最大充電電流Ｉｍａｘに達したときにランプアップ手順３００によってＨＩＧＨ（高）に設定される。ステータスがＨＩＧＨ（高）である場合、充電制御プログラム１００はステップ１１５で高電流制御手順５００を呼び出す。図４を参照すると、充電電流Ｉが最大値Ｉｍａｘまでランプアップされると、高電流制御手順５００が充電電流Ｉを制御する。図４に示されるように、最初のオペレーションは、ステップ５０１で端子電圧Ｖｒｆの値を更新することを含む。端子電圧Ｖｒｆは、ステップ５０１で、電圧Ｖ、電流Ｉ、および抵抗Ｒ用のデータ収集モジュール２０１により得られた電流値に基づいて更新される。端子または抵抗なしの電圧は、以下の式に従って計算され、
【数１】
0004827115.tif 000002
抵抗Ｒは以下の式に従って計算される。
【数２】
0004827115.tif 000003
【００６２】
電圧および電流の読取りは、充電電流Ｉが遮断されまたは変化したときに行われる。本発明においては、充電電流Ｉの変動によって、バッテリの端子、すなわち抵抗のない電圧Ｖｒｆを計算するために、電圧および電流パラメータを測定するウィンドウが得られる。充電電流Ｉの変動は、制御器１２およびプログラマブル電源１６（図１１）によって調整される。電流Ｉの適切な変動には、ステップ式変化（例えば電流がオフにされ、０以外の値まで減少しまたは増加する）、ランプ変化、正弦変化、指数変化、対数変化が含まれる。
【００６３】
次にステップ５０３では、高電流制御手順５００が、端子電圧Ｖｒｆの値が設定電圧ＳＶｒｅｆ未満であるかどうかをチェックする。電圧Ｖｒｆが設定電圧ＳＶｒｅｆ未満である場合、ステップ５０５でバッテリの充電受入れ能力ＣＡＡを更新する。バッテリの充電受入れ能力ＣＡＡは、図６を参照しながら述べたように計算される。充電受入れ電圧ＣＡＡが０より大きい場合（ステップ５０７）、バッテリはより多くの充電電流を得ることができ、したがって設定基準電圧ＳＶｒｅｆはステップ５０９で増加する。本発明のこの態様によれば、設定電圧ＳＶｒｅｆは、バッテリの充電受入れ能力ＣＡＡを使用して最適に調節される。
【００６４】
安全点検として、ステップ５０９で調節された設定電圧ＳＶｒｅｆと最大設定設定基準電圧（ＳＶｒｅｆ）ＭＡＸとをステップ５１１で比較する。最大設定電圧（ＳＶｒｅｆ）ＭＡＸに達した場合、さらに充電を行うとバッテリに損傷を与える可能性があるので、ステップ５１３で充電ステータスをＲＥＧＵＬＡＴＥ（調整）に設定する。同様に、充電受入れ能力ＣＡＡが０以下である場合（ステップ５０７）、ステップ５１３で充電ステータスをＲＥＧＵＬＡＴＥ（調整）に設定する。次にステップ５１５で、カウンタ・フラグ「ｎ」を０にリセットし、高電流制御手順は充電制御モジュール１０２に戻る（ステップ５１７）。
【００６５】
図２に戻って参照すると、次に充電制御プログラム１０２は、ステップ１１７で、ステータスが調整動作に設定されたかどうかをチェックする（上述のように、高電流制御手順５００はステータスをＲＥＧＵＬＡＴＥ（調整）に設定する）。ステップ１１９では、充電電流調整手順を充電制御プログラム１０２により呼び出す。充電電流調整手順６００の機能は、バッテリの充電を終了しまたは完了するために充電電流Ｉを調整することである。
【００６６】
図５を参照すると、電流調整手順６００がより詳細に示されている。ステップ６０１では、調整手順６０１が、データ収集モジュール２０１（図２）によって得られた電圧、電流、および抵抗の読取りを使用して、端子、すなわち抵抗のない電圧Ｖｒｆに対する電流値を計算する。次にステップ６０３では、更新された端子電圧Ｖｒｆを設定電圧ＳＶｒｅｆと比較する。電圧が設定電圧ＳＶｒｅｆより大きい場合、電流調整手順６００はステップ６０５で、等化オペレーションを実行するかどうかを確認する。等化オペレーションは、高い充電電流Ｉで充電サイクルの終わりにバッテリを過充電することを含む。この高い充電電流の目的は、バッテリ・パック内の全てのセルを完全に充電することである。等化オペレーションは、典型的な場合、バッテリ・パックの充電サイクルが５０回行われるごとに１回実行される。等化オペレーションを実行する場合、ステップ６０７で充電電流Ｉを等化電流値Ｉｅｑと比較する。充電電流Ｉが所定の等化電流Ｉｅｑ未満の場合、ステップ６０９で充電電流Ｉを等化値Ｉｅｑに設定し、ステップ６１１で充電ステータスをＥＱＵＡＬＩＺＥ（等化）に設定する。次いで調整手順６００は、ステップ６１３で充電制御プログラム１０２に戻る。
【００６７】
図５を参照すると、等化が選択されない場合（ステップ６０５）、または充電電流Ｉが等化電流を上回る場合（ステップ６０７）、カウンタ・フラグ「ｎ」を次に進める。次にステップ６１７では、設定電圧に達したので充電電流Ｉを漸進的に減少させる。ステップ６１９では、充電受入れ手順４００を呼び出すことによって充電受入れ能力ＣＡＡを計算する（図６を参照して述べたように）。ステップ６１７での充電電流Ｉのステップ式変化によって、勾配ｄＶ／ｄｔを決定するのに都合よい充電電流Ｉ変動がもたらされる。ステップ６１９で決定された充電受入れ能力ＣＡＡが０より大きい場合（ステップ６２１）、バッテリをさらに充電することができ、ステップ６２３で設定電圧ＳＶｒｅｆをチェックする。設定電圧ＳＶｒｅｆがすでに最大設定基準電圧（ＳＶｒｅｆ）ｍａｘにある場合、手順６００はステップ６１３で、その制御を充電制御プログラム１０２に戻す。一方、最大設定電圧（ＳＶｒｅｆ）ｍａｘに達していない場合、設定基準電圧ＳＶｒｅｆはステップ６２５で漸進的に増加し、制御が充電制御プログラム１０２に戻る。
【００６８】
図２に戻って参照すると、次にステップ１２１では、充電サイクルの終わりをチェックする。充電サイクルの終わりは、１つまたは複数の選択されたパラメータを見ることによって決定される。パラメータには、充電経過時間、クーロン電荷Ｑの値、充電電流を最小充電電流ＩＭＩＮと比較した値、およびバッテリ電圧ｄＶ／ｄｔの変化率が含まれる。例えば、バッテリに印加された充電電流が最小値ＩＭＩＮまで徐々に減少した場合、バッテリは充電されたとされ、すなわちさらなる充電を受け入れることができない。同様に、バッテリ電圧の変化率が本質的に０である場合、バッテリは充電されたとされる。
【００６９】
ステップ１２１で充電状態が終わりであることを踏まえ、ステップ１２３で充電手順の正常終了を開始する。終了または等化充電（図５）が適用される場合、充電の終わりは終了充電手順の終了に対応する。充電手順の終わり（ステップ１２３）は、プログラマブル電源１６（図１１）、すなわち充電電流Ｉ、およびその他のハードウェア・デバイス規則的遮断を含み、その後、通告メッセージがパネル１４に表示される。
【００７０】
サイクルの終わりに達していない場合は充電プロセスを継続し、ステップ１２５で安全性限界をチェックする。ステップ１２５での安全性チェックにより、充電サイクルは確実に、定められた安全性限界の範囲内でなお続行する。ステップ１２５でチェックされるパラメータには、最大許容電圧ＶＭＡＸ、最小電圧ＶＭＩＮ、最大許容バッテリ温度ＴＭａｘ、最大許容クーロン電荷ＱＭａｘ、バッテリ内部抵抗Ｒ、およびバッテリ圧力Ｐが含まれる。これらのパラメータの最大許容値は、充電されるバッテリの電気化学特性に依存し、パラメータ・テーブルに都合よく記憶させることができる。
【００７１】
ステップ１２５で安全性限界の１つを超えた場合、ステップ１２７で障害状態が入力され、ステップ１２９で充電サイクルが中止される。充電サイクルの中止は表示パネル１４に示される。
【００７２】
一方、安全性限界を超えない場合は充電サイクルが継続され、ステップ１３１でプロセス制御パラメータおよびデータを更新する。制御パラメータおよびデータは、バッテリに印加される充電電流の大きさおよび印加（すなわち変動）を制御する。次いでハードウェア・デバイス、例えばプログラマブル電源１６を制御するために、制御パラメータを実時間制御モジュール２０２に渡す。
【００７３】
図２に戻って参照すると、充電制御プログラムはステップ１３７で、過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３に従う３つの過充電電流パルスの１つをバッテリ２０に供給すべきかどうかチェックする。ステップ１３７では、充電制御プログラム１０２により非層化手順７００を呼び出す。非層化手順７００の機能は、短期間、充電電流Ｉを周期的に増加させることである。
【００７４】
非層化手順７００は、急速充電アルゴリズムに組み込むことができる酸撹拌方法を提供する。鉛酸バッテリ２０の急速再充電中２〜３回、制御された短い過充電パルスを送ってバッテリ２０の電解質を混合する。混合は、ＳＯＣが６０％から１００％の間で実施することが最も効果的である。過充電は、０．５〜５分間、バッテリに供給された電流を増加させることによって実施される。過充電パルスは、２〜２．５分間にわたり送出することが好ましい。電解質の比重測定では、上述の期間および強度の単一の過充電パルスによって電解質を十分に混合できることが示された。この手順は、各充電サイクル中、ＳＯＣがおよそ６０％、８０％、および９５％で２〜３回繰り返すことが好ましい。あるいは、充電電流がＣＡＡに基づいて調節される実施形態では、電流がある特定のパーセンテージＩｍａｘ、例えば５０％Ｉｍａｘ、２０％Ｉｍａｘ、および１０％Ｉｍａｘまで徐々に低下するときに、過充電パルスを送出することができる。
【００７５】
過充電パルスが送出された後、電流をバッテリ容量の１０分の１以下に低減させて、バッテリの電圧を安定化させる。充電および放電中にバッテリ内で引き電気化学反応の不均一な性質に起因して、バッテリの電圧を安定化させる必要がある。具体的には、これらの反応は典型的な場合、５つのステップで行われる。
１．境界層を通して反応種を極板表面に拡散させる。
２．反応物を極板表面に吸着させる。
３．極板表面で化学反応を行う。
４．固体生成物を極板結晶構造に組み込む。
５．境界層を通して極板から反応生成物を拡散させる。
【００７６】
バッテリに供給される電流を止めると、電流によって推し進められる反応の全てがすぐに停止するわけではない。具体的には、電流が止められた後、ステップ１、２、および５が遅い速度で継続する。ステップ３については、表面化学反応の電気化学的部分だけが、電流を止めるとすぐに停止する。ステップ３の非電気化学反応は、遅い速度で継続する。このため、過充電電流が止められた後、反応の全てが元の状態に戻るまで少なくとも５〜６０秒を見込んでおかなければならず、好ましくは充電の再開は、その期間だけ遅らせるべきである。好ましい実施形態では、少なくとも５秒後、好ましくは約３０秒後にＣＡＡの後をたどる充電電流まで電流を増加させる。
【００７７】
過充電パルスのタイミング、期間、および大きさ、ならびに追随する電圧安定電流の期間および大きさは、第１、第２、および第３の命令に関する過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３にそれぞれ明記されている。好ましい実施形態による特定の急速再充電方法では、通常、充電電流ＩＣが、充電サイクルの少なくとも後半でバッテリ充電受入れＣＡＡに追随する。充電サイクルの前半では、充電器は、充電電流がＩＭａｘに設定されるようにランプアップ・モードにある。ＩＭａｘは、通常、バッテリ充電器１０が供給することのできる最大電流になる。再充電サイクルの後半では、過充電パルスが送出されるとバッテリ２０のＣＡＡがＩＭａｘの下まで低下し、点ＩＣがＣＡＡに追随する。過充電の３つの短い期間中、バッテリ２０に送出された電流は、そのときのＣＡＡと、アンペア時を単位とするバッテリ容量の５分の１から２０分の１までのアンペア数の和に等しくなる（バッテリ容量の時間成分は、この計算では無視すべきである）。第１、第２、および第３の過充電期間中に送出される全電流を、それぞれＩＤ１、ＩＤ２、およびＩＤ３と表す。
【００７８】
これらの過充電パルスは、充電器電流ＩＣがＩｍａｘになるので再充電のランプアップ・モード中バッテリに供給されない。しかし、再充電中のこの点では、過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３がステップ７３２、７３４、および７３６でそれぞれ使用可能になる。ランプアップ・モードが終了した後、これらの過充電は、ステップ７２０でバッテリ２０に対し連続的に実施される。
【００７９】
この方法によって実施される過充電の量は、最小限に抑えられる。典型的な場合、それは戻ってきた全電荷の１％程度であり、標準的な方法で必要とされる１０〜２０％の過充電よりも著しく低いものである。実施される過充電全体は、戻ってきた全電荷の５％を超えるべきではない。過充電の実施に必要とされる時間は、何時間から何分にまで短縮される。
【００８０】
図１２を参照すると、非層化手順７００はステップ７０２で、バッテリ２０がバッテリ充電器１０に接続されているかどうかを照会する。バッテリ２０がバッテリ充電器１０に接続されていない場合、ステップ７０２は「ノー」という答を送り返し、非層化手順はステップ７０４に進んで過充電命令Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３を使用不可能にする。次いで非層化手順７００は、ステップ７０６で充電制御プログラムに戻る。
【００８１】
非層化手順７００がステップ７０２でイエスという答を送り返した場合、この手順は次にステップ７０８に進んでバッテリ・パラメータをチェックする。次いで手順７００は、ステップ７１０で、バッテリ２０の充電ステータスをチェックする。ステップ７１２では、非層化手順７００は、充電器１０がランプアップ・モードにあるかどうかを照会する。充電器１０がランプアップ・モードにある場合、この非層化手順は次にステップ７２４に進む。このステップでは、充電電流が決定される。次いでステップ７２６は、充電電流が第１の過充電電流ＩＤ１を上回るかどうかについて照会する。充電電流ＩＣがＩＤ１よりも大きい場合、非層化手順は次にステップ７３２に進み、Ｄ１が使用可能になる。充電電流ＩＣがＩＤ１以下の場合、非層化手順７００はステップ７２８に進む。ステップ７２８では、手順７００が、充電電流ＩＣが第２の過充電電流ＩＤ２より大きいかどうかチェックする。ステップ７２８がイエスという答を送り返した場合、非層化手順７００はステップ７３４に進み、過充電パルス命令Ｄ２を使用可能にする。充電電流ＩＣが過充電パルスＩＤ２以下の場合、非層化手順７００はステップ７３０に進む。ステップ７３０では、充電電流が第３の過充電パルスＩＤ３を上回る場合にイエスという答を送り返し、そうでない場合はノーという答を送り返す。ＩＣがＩＤ３より大きい場合、非層化手順７００はステップ７３６に進み、過充電命令Ｄ３を使用可能にする。次いで非層化手順はステップ７３８で、充電制御プログラム１０２に戻る。
【００８２】
ステップ７１２に戻って参照すると、バッテリ充電器がこの時点でランプアップ・モードにない場合は、非層化手順７００がステップ７１４に進む。手順７００の特定の実行中、ステップ７１４を始めて通過するときに、カウンタｉを１に等しくなるよう設定する。非層化手順７００は、次にステップ７１６に進み、ｉ番目の過充電命令Ｄｉを使用可能にする。非層化パルスＤ１、Ｄ２、およびＤ３の全ては、Ｉｍａｘが過充電パルスＩＤ１、ＩＤ２、およびＩＤ３のそれぞれよりも大きいならば、最初に使用可能にされる。しかし各過充電が行われた後に、ステップ７２２でその過充電に関する特定の過充電命令が使用不可能にされる。初めての実行でＤ１が使用可能になったとすると、非層化手順７００は次にステップ７１８に進み、充電電流ＩＣが過充電パルスＩＤ１未満かどうか照会される。ステップ７１８がノーという答を送り返した場合、非層化手順はステップ７３８で呼出し手順に戻る。ステップ７１８がイエスという答を送り返した場合、非層化手順７００は次にステップ７１９に進む。ステップ７１９では、過充電電流を得るために充電電流に加えられる過充電増分ΔＩは、基準温度に対するバッテリの温度、バッテリのＳＯＣ、およびバッテリごとに異なる経験的定数に基づき調節される。具体的には、デフォルト過充電増分ΔＩ０は、ＩＤ１をＣＡＡよりも所望の量だけ上昇させるのに十分な充電増分となるよう最初に設定される。次いで実際の過充電増分ΔＩを、示される式を使用してデフォルト過充電増分ΔＩ０から計算する。この式では、必要とされる過充電の量がバッテリの温度によって変化するので、基準温度Ｔ０が実際のＴから差し引かれる。同様に、必要とされる過充電の量は、バッテリのＳＯＣに応じて変化する。好ましい実施形態では、基準温度Ｔ０が摂氏２５度であり、経験的定数ａ、ｂ、およびｃは以下のように変化する（−１０≦ａ≦１０、−０．１≦ｂ≦０．１、０≦ｃ≦１）。ステップ７１９の後、非層化手順７００はステップ７２０に進む。ステップ７２０では、過充電パルスＩＤ１がバッテリ２０に送出される。次いでステップ７２２で、過充電命令Ｄ１を使用不可能にする。ステップ７２２の後、非層化手順７００はステップ７３８で呼出し手順に戻る。
【００８３】
次に非層化手順７００が図２の充電方法のステップ１３７によって呼び出されると、第１の過充電命令Ｄ１が使用不可能にされる。このため、手順７００がステップ７１６に達し、ｉがステップ７１４で１に等しくなるよう設定されると、Ｄ１は前もって使用不可能にされているので、ステップ７１６は、「ノー」という答を送り返す。手順７００はステップ７１４に戻り、そこでｉが２に等しくなるように設定され、次いでステップ７１６は、Ｄ２がまだ使用不可能にされていないので、「イエス」という答を送り返す。同様に、Ｄ１およびＤ２が使用不可能にされた後、手順７００はステップ７１４および７１６に２回ループ・バックして、その後、ステップ７１８に進んでＩＣがＩＤ３よりも大きいかどうか照会する。ステップ７１８がイエスという答を送り返した場合、過充電増分ΔＩはステップ７１９で決定され、過充電命令Ｄ３はステップ７２０で実行され、次いでステップ７２２で使用不可能にされ、その後、手順７００はステップ１３８で充電制御プログラム１０２に戻る。この時点で、バッテリの再充電に関する非層化機能が終了する。
【００８４】
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、その他の特定の形に具体化することができる。特に、非層化機能を、特定の急速再充電方法について述べてきたが、非層化機能をその他の急速再充電方法と有利に組み合わせることができることが、当業者に理解されよう。さらに、記述された過充電方法は、ある時間間隔で過充電電流を供給するために充電電流を遮断することを含むが、充電中に過充電電流を連続的に供給できることも当業者に理解されよう。したがって、現在論じられている実施形態は、例示的なものでありそれに制限されないものとみなされ、本発明の範囲は、前述の記述ではなく上述の特許請求の範囲によって示され、したがって請求項の意味および柔軟性の範囲に包含される全ての変更例が、その請求項に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による充電電流を調整するための方法を、ブロック図の形で示す図である。
【図２】本発明による充電方法を示すフローチャートである。
【図３】図２の充電方法に関するランプアップ機能を示すフローチャートである。
【図４】図２の充電方法に関する高電流制御方法を示すフローチャートである。
【図５】図２の充電方法に関する電流調整方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明による充電受入れ能力を決定するための方法ステップを示すフローチャートである。
【図７】オーム抵抗電圧降下と、電解質集中境界層を通ってイオンが移動することにより生じた電圧降下との関係を示すグラフである。
【図８】バッテリの第１のクラスの電圧プロフィル特性を示すグラフである。
【図９】バッテリの第２のクラスの電圧プロフィル特性を示すグラフである。
【図１０】端子電圧プロフィルに基づく充電電流の制御を示すグラフである。
【図１１】本発明による充電プロセスに適するバッテリ充電器を示すブロック図である。
【図１２】図２の充電方法の非層化機能を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１２  制御器
１４  ユーザ・インターフェースおよび電源制御パネル
１６  プログラマブル電源
２０  バッテリ
２２  デジタル／アナログ変換器
２６  充電電流センサ
２８  バッテリ電圧センサ
３０  バッテリ圧力センサ
３２  バッテリ温度センサ
３８  ＬＥＤステータス・インジケータ
４０  音声インジケータ
４２  バッテリ電解質レベル・センサ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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