(57)【要約】  内部集積電圧コンバータモジュールを有する電池が開示される。電池は、内部ボアを有する少なくとも１つの電気化学セル、少なくとも１つの電気化学セルと電気的に結合し、内部ボアの一部分内に配置され、少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように設計された電圧コンバータモジュール、前記電圧コンバータに電気的に結合する端子対、及び前記端子対のうちの１つの端子と少なくとも１つの電気化学セルとの間で結合され、外部電源から印加される充電電流を少なくとも１つの電気化学セルに導くバイパス回路を備えている。
2010522963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電気化学セルであって、それを貫通する内部ボアを有する前記少なくとも１つの電気化学セルと、
前記少なくとも１つの電気化学セルに電気的に結合し、前記内部ボアの一部分内に配置される電圧コンバータモジュールであって、前記少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように構成された前記電圧コンバータモジュールと、
前記電圧コンバータと電気的に結合する端子対と、
外部電源から前記少なくとも１つの電気化学セルに印加される充電電流を導くために、前記端子対のうちの１つの端子と前記少なくとも１つの電気化学セルとの間に結合されたバイパス回路と、を含む電池。
【請求項２】
少なくとも１つの電気化学セルと、
前記少なくとも１つの電気化学セルと電気的に結合し、前記少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように構成された電圧コンバータモジュールと、
前記少なくとも１つの電気化学セル及び前記電圧コンバータを収容する電池ケースと、
前記電圧コンバータと電気的に結合する端子対と、
外部電源から前記少なくとも１つの電気化学セルに印加される充電電流を導くために、前記端子対のうちの１つの端子と前記少なくとも１つの電気化学セルとの間に結合されたバイパス回路と、を含む電池。
【請求項３】
前記バイパス回路が、前記印加された充電電流の実質的に全てを前記電極に導くように構成される、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項４】
前記バイパス回路が、前記端子対のうちの少なくとも１つと接続し、前記電極のうちの少なくとも１つと更に接続するダイオードを備える、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項５】
前記ダイオードが、ツェナーダイオード及びショットキーダイオードのうちの１つである、請求項４に記載の電池。
【請求項６】
前記電圧コンバータモジュールは、前記充電電流が前記端子対に印加される際に無効となるように構成された集積回路を備える、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項７】
前記集積回路を無効とする信号を発生するように構成された機構を更に含む、請求項６に記載の電池。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電気化学セルが、１５分以内で、少なくとも１つの電気化学セルの容量の少なくとも９０％の充電レベルまで充電されるように構成される、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項９】
前記少なくとも１つの電気化学セルが、リン酸鉄リチウムセルを備える、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項１０】
前記電圧コンバータモジュールが、
電気スイッチング素子、及び
前記電気スイッチング素子に電気的に結合し、電圧ステップダウン変換動作及び電圧ステップアップ変換動作のうちの１つを引き起こすために、前記電気スイッチング素子を制御するように構成されたコントローラ、を含む、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項１１】
少なくとも１つの電気化学セルと、前記少なくとも１つの電気化学セルと電気的に結合し、前記少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように構成された電圧コンバータモジュール、及び、前記第２の電圧が供給される端子対、を収容する電池ケースを有する再充電式電池を充電する方法であって、前記方法は、
充電電流を外部電源から前記端子対を通じて印加する工程と、
前記充電電流が前記電圧コンバータモジュールをバイパスするように、前記印加された充電電流をバイパス回路を通じて、前記少なくとも１つの電気化学セルと結合する電極に導く工程と、及び、
前記少なくとも１つの電気化学セルを前記充電電流で充電する工程と、を含む、方法。
【請求項１２】
前記充電電流を前記バイパス回路を通じて前記電極に導く工程が、前記印加された充電電流の実質的に全てを前記電極に導く工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
例えば、ＮｉＣａｄ、ＮｉＭＨ、アルカリ及び／又はＬｉＦｅＳ２などの化学物質に基づく市販の電気化学セル（例えば、ＡＡ、ＡＡＡ、Ｃ及びＤ電池における電気化学セル）は、１．４〜１．８Ｖの範囲内で開回路電圧（ＯＣＶ）を有している。電気化学セルの化学的性質、及びセルに接続された負荷によって生じるドレインに応じて、使用中の市販の電気化学セルにおける閉回路電圧（ＣＣＶ）は、通常１．８Ｖ〜０．９Ｖの範囲内である。したがって、一般的な消費者向けポータブル電池駆動可能な装置は、上記で特定された種類の化学物質を有する既製の電池によってもたらされる電圧／電力に見合う電圧レベルで動作するように設計されていることが多い。リチウム／ＭｎＯ２及びリチウムイオンの化学作用に基づく電池のような、高電圧の電気化学一次電池及び二次電池（即ち、再充電式電池）は、一般的に、低電圧の電池よりも高いエネルギー及び電力密度を有している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
例えば、電圧コンバータモジュールと内部集積化され、１．８Ｖを超える定格電圧を有する電気化学セルのような、少なくとも１つの高電圧電気化学セルを有する電池が開示される。電圧コンバータモジュールは、電気化学セルのカソード及びアノードカレントコレクタと結合される。電圧コンバータモジュール及び高電圧電気化学セルの他の構成要素は、例えば、標準的な円筒形ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、及びＤ電池、角形電池、ボタン電池などのような標準的な寸法の電池中に収容される。電圧コンバータモジュールは、少なくとも１つの電気化学セルによってもたらされる高電圧を、市販の電池駆動可能な装置と適合性がある、例えば、１．８Ｖ以下の低電圧まで減少させるか、若しくは、電気化学セルによってもたらされる電圧を更に高い電圧まで引き上げることができる。
【０００３】
内部集積化された電圧コンバータモジュールを有する電池は、一次又は二次高電圧電気化学セルを備えることができる。二次（即ち、再充電式）電気化学セルが使用される状況において、充電電流は、電池のケースに配置される追加電池端子、又は電池によってもたらされる電圧を出力するのに使用される同じ組の端子を介して印加され、この場合、バイパス機構は、その組の端子を介して印加された充電電流を電気化学セルの電極に導くのに使用される。
【０００４】
高電圧電気化学セルと電圧コンバータモジュールとを組み合わせることで、典型的には低電圧の標準電池を搭載した、電池駆動可能な装置の稼動時間が延長される。本明細書に記載される電池は、市販の標準電池によって示されることがある傾斜した放電曲線よりも、平坦な放電曲線を提供する。
【０００５】
１つの態様では、電池は、内部ボアを有する少なくとも１つの電気化学セル、少なくとも１つの電気化学セルと電気的に結合し、内部ボアの一部分内に配置され、少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように構成された電圧コンバータモジュール、電圧コンバータに電気的に結合する一組の端子、及び前記一組の端子のうちの１つの端子と少なくとも１つの電気化学セルとの間で結合され、外部電源から印加される充電電流を少なくとも１つの電気化学セルに導くバイパス回路を備えている。
【０００６】
以下の実施形態は、本態様の範囲内にある。
【０００７】
バイパス回路は、印加された充電電流の実質的に全てを電極に導くように構成されている。バイパス回路は、前記一組の端子の少なくとも１つに接続されたダイオードを備え、このダイオードは更に、電極の少なくとも１つに接続されている。ダイオードは、ツェナーダイオード及びショットキーダイオードのうちの１つである。電力コンバータモジュールは、充電電流が一組の端子に印加される際に、無効となるように構成された集積回路を備えている。
【０００８】
電池は更に、無効となる集積回路をもたらす信号を発生するように構成された機構を含む。少なくとも１つの電気化学セルは、１５分以下で、少なくとも１つの電気化学セルの容量の少なくとも９０％の充電レベルまで充電されるように構成される。少なくとも１つの電気化学セルは、リン酸鉄リチウムセルを含む。電圧コンバータモジュールは、電子スイッチング素子、電子スイッチング素子と電気的に結合するコントローラを備え、このコントローラは、電圧ステップダウン型変換作動及び電圧ステップアップ型変換作動のうちの１つをもたらす電子スイッチング素子を制御するように構成されている。
【０００９】
更なる態様では、電池は、少なくとも１つの電気化学セル、少なくとも１つの電気化学セルと電気的に結合し、少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように構成された電圧コンバータモジュール、少なくとも１つの電気化学セル及び電圧コンバータを収容する電池ケース、電圧コンバータに電気的に結合された一組の端子、並びに一組の端子のうちの１つの端子と少なくとも１つの電気化学セルとを結合し、外部電源から供給される充電電流を少なくとも１つの電気化学セルに導くバイパス回路、を備えている。
【００１０】
以下の実施形態は、本態様の範囲内にある。
【００１１】
バイパス回路は、供給された充電電流の実質的に全てを電極に導くように構成されている。バイパス回路は、一組の端子の少なくとも１つに接続されたダイオードを備え、このダイオードは更に、電極の少なくとも１つに接続されている。ダイオードは、ツェナーダイオード及びショットキーダイオードのうちの１つである。電圧コンバータモジュールは、充電電流が一組の端子に印加される際に無効となるように構成されている集積回路を備えている。
【００１２】
電池は更に、集積回路を無効にする信号を発生するように構成された機構を含む。少なくとも１つの電気化学セルは、１５分以下で、少なくとも１つの電気化学セルの容量の少なくとも９０％の充電レベルまで充電されるように構成される。少なくとも１つの電気化学セルは、リン酸鉄リチウムセルを含む。電圧コンバータモジュールは、電子スイッチング素子、電子スイッチング素子と電気的に結合されたコントローラを備え、コントローラは、ステップダウン変換及びステップアップ変換動作のうちの１つをもたらす電子スイッチング素子を制御するように構成されている。
【００１３】
更なる他の態様では、少なくとも１つの電気化学セル、少なくとも１つの電気化学セルと電気的に結合し、少なくとも１つの電気化学セルによって生成された第１の電圧を第２の異なる電圧に変換するように構成された電圧コンバータモジュール、及び、第２の電圧が供給される端子対を収容する電池ケースを有する再充電式電池の充電方法は、一組の端子を介して充電電流を外部電源から印加する工程、充電電流が電圧コンバータモジュールをバイパスするように、印加された充電電流を、バイパス回路を通じて少なくとも１つの電気化学セルと結合した電極に導く工程及び、少なくとも１つの電気化学セルを充電電流で充電する工程、を含む。
【００１４】
本態様の範囲内における実施形態では、印加された充電電流を、バイパス回路を通じて電極に導く工程は、印加された充電電流の実質的に全てを電極に導く工程を含む。
【００１５】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付図及び以下の説明で明らかにする。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】集積電圧コンバータモジュールを備える電池の断面図。
【図１Ｂ】図１Ａの断面図の一部分における拡大図。
【図１Ｃ】図１Ａの断面図の一部分における拡大図。
【図１Ｄ】図１Ａ〜１Ｃに示される電池に印加され得る充電プロファイルの代表的な実施形態。
【図２】図１Ａ〜Ｃに示される電池の内部構成のブロック図。
【図３】図１及び図２の電圧コンバータにおける物理的な配置の代表的な実施形態の断面図。
【図４】図３の電圧コンバータモジュールのブロック図。
【図５】図４の電圧コンバータモジュールの回路図。
【図６】ＬＴＣ３４１１集積回路を使用して実装した電圧コンバータモジュールの代表的な実施形態の回路図。
【図７】図１Ａ〜Ｃの電池の電気化学セルによって生成された内部電圧を、電池駆動可能な装置に印加される外部電圧に変換する手順の代表的な実施形態のフローチャート。
【図８Ａ】集積電圧コンバータを備える再充電式電池の代表的な実施形態における内部構成のブロック図。
【図８Ｂ】集積電圧コンバータを備える再充電式電池のその他の代表的な実施形態における内部構成のブロック図。
【図９】図８Ａの再充電式電池に結合する充電装置の代表的な実施形態のブロック図。
【図１０】図８Ａの再充電式電池を再充電する充電手順の代表的な実施形態のフローチャート。
【図１１】ブースト構成集積電圧コンバータを備える電池の回路図。
【図１２】バック／ブーストコンバータの代表的な実施形態の回路図。
【図１３】集積電圧コンバータ及びバイパス回路を備える再充電式電池の代表的な実施形態の回路図。
【図１４】集積電圧コンバータ及びバイパス回路を備える再充電式電池のその他の代表的な実施形態の回路図。
【図１５】順方向モードにおいて、図１４の回路を駆動することで生成される電流波形の代表的な実施形態のグラフ。
【図１６】図１４の再充電式電池の回路図であって、オーバーライドモードにおいて動作する電池。
【図１７】オーバーライドモードにおける図１６の回路の動作を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１Ａを参照すると、「ＡＡ電池」に相当する一般的な従来型の外部構成を有する電池１０が示されている。電池１０は、少なくとも１つの高圧電気化学セル及び内部電圧コンバータ４０を内蔵している（例えば、図２に示されている）。電池１０は、二次セル（又は電池）又は一次セル（電池）であり得る。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味する。一次電池は、再充電を意図されていない。一次電池は、例えば、デヴィッド・リンデン（David Linden）著、「電池ハンドブック（Handbook of Batteries）」（マグロー−ヒル（McGraw-Hill）、第２版、１９９５）に記載されている。二次電気化学セルは多数回、例えば５０回を超えて、１００回を超えて、又はそれより多くの回数再充電することができる。場合によって、二次電池には、比較的頑丈なセパレータ類、例えば、多数の層を有するセパレータ及び／又は比較的厚いセパレータが包含されることがある。二次セルはまた、セルの中で生じ得る膨張のような変化に適応する設計にすることができる。二次電池は、例えば、フォーク・アンド・サルキンド（Falk & Salkind）著、「アルカリ蓄電池（Alkaline Storage Batteries）」（ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社（John Wiley & Sons, Inc.）、１９６９；米国特許第３４５，１２４号；及びフランス特許第１６４，６８１号に記載されており、これらは全て本明細書に参照として組み込まれる。
【００１８】
いくつかの実施形態、及び以下でより詳細に記載されるように、電池１０は、黒鉛アノード材料又はチタン酸リチウムアノード材料、及び再充電式電池の充電を早めることができるように構成されたリン酸鉄リチウムカソード材料を有する再充電式（又は二次）Ｌｉイオン電気化学セル（例えば、１５分以内で電池の充電容量の約８０〜９０％の充電レベルを達成することが可能である電池）である。更には、図１Ａは円筒形ＡＡ電池を示しているが、内部電圧コンバータは、他の種類の円筒形電池、並びに角形電池、ボタンセル電池などと組み合わせることができる。電池１０には、電池１０の少なくとも１つの電気化学セルを構成する巻回電極及びセパレータスタックジェリーロール１４が配置されている電池ケース１２を備える。ジェリーロールは、典型的には、負極リードと電気的に接触するアノード、正極リードと電気的に接触するカソード、セパレータ、及び電解質を含んでいる。アノード、カソード、セパレータ、及び電解質は、ハウジング内に収容されている。電解質は、１つ以上の溶媒及び溶媒系に少なくとも部分的に溶解した塩を含む。
【００１９】
図１Ａ〜Ｃに示される実施形態では、ジェリーロール１４は、ジェリーロール１４の長手方向に沿って延びる中央内部ボア１５、及びその内部に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータ４０の電気回路を収容するコンバータハウジング１６を画定する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、電池１０の電気化学セルによって生成された第１の電圧を、使用される電池１０を備えた電池駆動可能な装置に提供される所望の第２の電圧に変換するように構成されている。いくつかの実施形態では、コンバータハウジング１６は、末端部が封止された中空の円筒形チューブであり、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ回路を受容するように構成されている。
【００２０】
ジェリーロール１４は、電池１０の正極導電端子２０と近接して配置された導電タブ１８、及び負極キャップ端子２４に近接して接続されたタブ２２、を介して、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ４０と結合する（電池１０によって生成された電圧／電流は、正極端子及び負極端子を通じて電池駆動可能な装置に印加される）。タブ１８及び２２は、それぞれ電池１０のカソード電極及びアノード電極に結合している。
【００２１】
図１Ｂ及び１Ｃを参照すると、２つの追加タブ、つまりタブ１９及び２３は、コンバータハウジング１６を、電池ケース１２、及び負極キャップ端子２４に近接して配置される安全ベントディスク２６に機械的に固定する。いくつかの実施形態では、タブ１９及び２３は、タブをケース１２及びディスク２６のそれぞれに溶接することによって、電池ケース１２及び／又はベントディスク２６に固定する。タブ１９及び２３はまた、電圧コンバータモジュール４０と端子２０及び２４のそれぞれとを電気的に結合するように構成されている。したがって、以下でより詳細に記載されるように、電圧コンバータモジュール４０によって変換された電流／電圧は、電池１０の外部端子２０及び２４に提供され、端子を備える電池駆動可能な装置は、電気的な接触が確立される。
【００２２】
電池１０は更に、円筒形電池ケース１２の末端部に配置された上部絶縁体２８及び底部絶縁体３０を含む。上部絶縁体２８及び底部絶縁体３０は、ジェリーロール１４からの漏れを防ぐ。電池１０はまた、電池１０の電気化学セルを構成するジェリーロールから負極キャップ２４を絶縁するための非導電性ポリマーシール３２、及び絶縁ワッシャ３４を備える。
【００２３】
負極端子キャップ２４の隣にＰＰＴＣ要素３６（正温度抵抗特性を持つポリマー要素）が配置される。電池１９はまた、外部の漂遊電流及び電荷から電池１０を絶縁するために、電池ケース１２の外側を覆う絶縁ラップ３８を備える。
【００２４】
一般的に、電池１０を製造するために、電圧コンバータモジュール（コンバータ４０など）は、ジェリーロール１４がマンドレルに巻きつけられた後、ジェリーロール１４の中央に配置される。ジェリーロール内に巻かれたカソード及びアノードからそれぞれ延びるタブ１８及び２２は、電圧コンバータモジュールに接続される。図１Ｂ及び１Ｃに示される、コンバータハウジング１６から延びるタブ１９及び２３は、電池ケース１２及びベントディスク２６に溶接されるか、ないしは別の方法で接着される。コンバータモジュール及びジェリーロールは、電池ケース内部にある。全ての接続部品を作成した後、ジェリーロール１４は電解質で充填され、圧着される。電池が組み立てられた時点で、電池は充電することが可能となる。
【００２５】
図１Ｄを参照すると、電池１０に印加され得る充電プロファイルが示されている。充電プロファイル（形成サイクルと呼ばれることもある）では、電池に印加される電位が漸進的かつ漸増的に増加している。特に、いくつかの実施形態では、電池に印加される電圧レベルは、例えば、１．５Ｖの初期値から３．２５Ｖの値まで２時間（１２０分）以上かけて上昇する。電池を初充電する（即ち、電池の製造後）ために、電池に印加する電圧を徐々に増加することで、電池１０の電気化学セルを損傷から保護し、電池を使用するときに電池１０から出力される電圧が、電気化学セルの初充電の大部分が枯渇するまで実質的に一定のままであるように、電池が充電されることが可能となる。
【００２６】
図２を参照すると、電池１０は、少なくとも１つの電気化学セル（例えば、ジェリーロール１４）と電気的に結合する内部カソード端子４２及びアノード端子４４を備える。ジェリーロール１４内で起こる電気化学的な相互作用によって、カソード４２及びアノード４４において内部の第１の電圧Ｖｉが形成され、次にそれが電圧コンバータ４０に提供される。内部の第１の電圧は、電池の化学特性に応じて変化し、１．８Ｖ〜４．４Ｖの範囲内の値を有し得る。内部の第１の電圧Ｖｉは、集積電圧コンバータモジュール４０に提供される。図１Ａに関して上記で説明されるように、集積電圧コンバータ４０は、電圧コンバータハウジング１６内に配置され、カソード４２及びアノード４４とそれぞれ結合するタブ１８及び２２を介して電気化学セルと電気的に接続される。以下で明らかにされるように、電圧コンバータモジュール４０は、内部電圧Ｖｉを、電池駆動可能な装置（例えば、懐中電灯、携帯電話、カメラなど）を動作するのに必要な外部の第２の電圧レベルＶｅに変換する。いくつかの実施形態では、外部の第２の電圧は、例えば１．２〜１．５Ｖの範囲内の電圧レベルを有する。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０はまた、カソード４２及びアノード４４において形成される電圧レベルを増加するように構成され得る。
【００２７】
いくつかの実施形態では、コンバータ４０は、内部電圧Ｖｉを、例えば電池ケース１２に配置されるユーザーインターフェースを介して提供される、ユーザー指定の入力に少なくとも部分的に基づく、外部電圧Ｖｅに変換する。このようなユーザーインターフェースとしては、例えば、ユーザーが電池駆動可能な装置において所望の電圧を示し得るスイッチなどが挙げられる。いくつかの実施形態では、外部電圧は、例えば、電池駆動可能な装置を動作するのに必要とされる電圧のデータを表示する電圧表示機構（例えば、ＩＤレジスタを使用する表示機構）を使用して、所望の外部電圧を特定することで決定され得る。無線ＩＣタグ（ＲＦＩＤ）技術に基づいた機構を含む、他の種類の電圧表示機構が採用されてもよい。
【００２８】
第２の外部電圧Ｖｅは、図１Ａ〜Ｃに示される正極端子キャップ２０及び負極端子キャップ２４にそれぞれ配置される外部端子４６及び４８に提供される。
【００２９】
図３は、図１Ａに示されるコンバータハウジング１６の線３−３に沿った断面図である。図示されるように、電圧コンバータモジュール４０の代表的な実施形態は、ハウジング１６の内壁５６によって画定され、コンバータハウジング１６の内部容積内に配置される。コンバータハウジング１６は、埋め込まれたエポキシ及びプラスチックシールを使用して密封されており、それによって任意の外部物質（例えば、電気化学セル及び／又は電解質）からコンバータの回路を保護することが可能となる。
【００３０】
議論されるように、典型的には、ジェリーロール系セルは、マンドレルの周りにジェリーロールの構成成分を巻きつけることで提供される。その結果、内部空隙、又はボア１５（図１Ａ〜Ｃに示される）が、ジェリーロール１４内に提供される。いくつかの実施形態では、内部ボア１５は、ジェリーロール１４の長手方向軸に沿って延びている。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の電気回路を収容するコンバータハウジング１６は、ボアの中に配置され、それによってボアの空間の少なくとも一部分を占めることが可能となる。コンバータハウジング１６をボア１５の中に配置することで、コンバータハウジング１６は、電池中で他には使用されないであろう空間を占める。この空間は一般的には使用されないので、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０を付加することで、電池ハウジングの寸法を増加させるか、若しくは電池ハウジングの構成を変更するか、ないしは別の方法で電池の充電容量を減少させることなく集積配列を提供する。それとは対照的に、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０がジェリーロールの空間の外部に配置される場合、ジェリーロールはより小さく作成される必要があり、それによって、電池において同様の寸法及び構成を維持するために、セル容量が減少する。更には、ジェリーロールをＤＣ−ＤＣコンバータ４０の電気回路を収容するコンバータハウジング１６に結合するタブ１８及び２２を介して、ジェリーロールから電流が引き出される（図１Ａ〜１Ｃ参照）。
【００３１】
電圧コンバータモジュールは、活性及び不活性な電子的構成要素が実装された２重層プリント回路基板（ＰＣＢ）５０を備えている。ＰＣＢ５０は、コンバータハウジング１６の内部に組み込まれている。図示されるように、いくつかの実施形態では、ＰＣＢ  ５０がコンバータハウジング１６の内壁５６にもたらされる張力によって所定位置に保持されるように、ＰＣＢ基板５０は、中空の円筒形コンバータハウジング１６の直径（例えば、３．５〜４．０ｍｍ）と実質的に同じ幅を有している。いくつかの実施形態では、取り付け機構が、ＰＣＢ基板５０をコンバータハウジング１６の内壁５６に固定するのに使用されてもよい。
【００３２】
ＰＣＢ基板５０の１つの表面上に、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０のコントローラ５２が配置される。コントローラ５２は、トランジスタのようなスイッチング素子を制御するように構成され、電池１０の外部端子４６及び４８で印加される、例えば、コントローラ５２などで決定されたレベルを有する外部電圧／電流をもたらす。いくつかの実施形態では、コントローラ５２はまた、スイッチング素子を備える（例えば、図５に示される）。図３で更に示されるように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０の実装に使用されるレジスタ、インダクタ、及び／又はコンデンサのような不活性構成要素５４ａ〜ｃが、ＰＣＢ基板５０の反対側に配置される。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ４０は、カソード４２及びアノード４４における内部電圧を電池の外部端子４６及び４８において所望の電圧レベルまで減少（又はステップダウン）させるように構成されたスイッチングバックＤＣ−ＤＣコンバータ回路を実装し得る。以下でより詳しく記載されるように、いくつかの実施形態では、ブースト構成コンバータ（即ち、ステップアップ回路）が実装され得る。
【００３４】
図４を参照すると、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０が示されている。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０は、コントローラ５２を備えている。コントローラ５２は、バックコンバータ７０の動作を制御する制御信号を発生する、プロセッサ６０を備える。プロセッサ６０は、任意の種類の計算装置及び／又は処理装置であってもよい。一例としては、マイクロチップテクノロジー社（Microchip Technology Inc.）のＰＩＣ１８Ｆ１３２０マイクロコントローラがある。コントローラ５２の実装に使用されるプロセッサ装置６０は、プロセッサベースの装置の一般的な動作を可能にするコンピュータ命令、並びに電池１０のカソード電極及びアノード電極において形成される内部電圧を電池駆動可能な装置を動作するのに好適な電圧レベルに変換するための電圧制御動作を実行する実装プログラムを含むソフトウェアを保存するように構成された、揮発性及び／又は不揮発性メモリ構成要素、を含む。プロセッサ装置６０は、複数のアナログ及びデジタル入力線及び出力線を備えるアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ６２を含む。プロセッサ装置６０から発生したデジタル信号を受信し、デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ装置６４及び／又はＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０のバックコンバータ７０のようなスイッチング回路のデューティーサイクルを調節する応答電気信号を発生するパルス幅モジュレータ（ＰＷＭ）６６が、プロセッサ６０に組み込まれるか、又はプロセッサ６０に電気的に結合する。
【００３５】
図５を参照すると、バックコンバータ７０は、例えば、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ’ｓ）７２及び７４のような２つのトランジスタ、及び電池１０の電極がバックコンバータ７０と電気通信する際にエネルギーを貯蔵するインダクタ７６を備え、電池の電極がバックコンバータ７０から電気的に分離されている間、電流としてのエネルギーを放出する。バックコンバータ７０はまた、エネルギー貯蔵要素としても使用されるコンデンサ７８を備える。インダクタ７６及びコンデンサ７８は、バックコンバータ７０の出力におけるスイッチング電流及び電圧リップルを減少させる、出力フィルターとしても機能する。
【００３６】
外部端子４６及び４８に印加される電圧レベルは、トランジスタ７２及び７４のベースに印加される電圧レベルを制御することで調節される。電気化学セルからの電力を外部端子４６及び４８に印加させるために、コントローラ５２の端子５２ｄ（ＳＷ１）からの作動電気信号がトランジスタ７２のベースに印加され、電池１０の電気化学セルの電極４２及び４４からトランジスタ７２及び外部端子４６及び４８に電流が流れる。
【００３７】
トランジスタ７２のベースに印加される作動信号が除去される際、電気化学セルからの電流は停止し、インダクタ７６及び／又はコンデンサ７８は、それらの中に貯蔵されたエネルギーから電流を供給する。トランジスタ７２のオフ期間中、外部端子４６及び４８に（トランジスタ７２のオン期間中にインダクタ７６及び／又はコンデンサ７８中に貯蔵されるエネルギーを使用して）電流が流れるのを可能にするために、コントローラ５２の端子５２ｅ（ＳＷ２）によって、第２の作動信号がトランジスタ７４のベースに印加される。いくつかの実施形態では、整流ダイオードがトランジスタ７４の代わりに使用されている。
【００３８】
トランジスタのオン期間、又はデューティーサイクルは、最初に０％デューティー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。所望の外部電圧Ｖｅに到達すると、フィードバック制御ループは、例えば、比例−積分−微分、即ちＰＩＤ機構のような閉ループ線形フィードバック機構を使用してトランジスタデューティーサイクルを管理する。
【００３９】
したがって、トランジスタ７２のオン期間中に電池１０の電気化学セルによって提供される電圧／電流、及びトランジスタ７２のオフ期間中にインダクタ７２及び／又はコンデンサ７８の作動によってもたらされる電圧／電流は、所望の外部電圧レベルＶｅと実質的に同じ有効電圧レベルでもたらされるべきである。
【００４０】
いくつかの実施形態では、コントローラ５２は、例えば、コントローラ５２の端子５２ｂ（ＶＳＥＮＳＥと記される）を介して測定された値を通信する電圧センサー７１ａによって、周期的（例えば、０．１秒毎）に外部端子４６及び４８で測定された電圧の測定値を受信する。この受信した測定電圧に基づき、コントローラ５２は、デューティーサイクルを調整して、その電圧が所望の外部電圧Ｖｅと実質的に等しい値に収束するように、外部端子における外部電圧Ｖｅを調整する。したがって、バックコンバータ７０は、外部端子４６及び４８に印加される電圧レベルの調整をもたらす調整可能なデューティーサイクルで動作するように構成される。デューティーサイクルの調整は、電流センサー７１ｂを使用しても可能である。
【００４１】
電圧センサー及び／又は電流センサーに加えて、充電器１０は、電池１０のいずれかの他の属性を測定するように構成された他のセンサーを含んでもよい。例えば、電池１０は、電池１０が過熱する事象において、コントローラ５２が改善的又は予防的な動作を可能にするための温度センサー（例えば、サーミスタ系）を備えてもよい。
【００４２】
例えば、閾値比較器などを備え得る専用の充電コントローラ装置などのアナログ論理処理要素（図示せず）を使用して、受信した測定信号は処理され、電圧及び／又は電流センサーによって測定された電圧及び電流のレベルが決定される。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール４０は、回路のノイズレベルのような、背景因子によって引き起こされ得る不正確な測定値（例えば、電圧、温度などの不正確な測定値）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実行する、フィルター６１及び６３のような信号調整ブロックを含んでもよい。
【００４３】
ＤＣ−ＤＣバックコンバータの有効性は、少なくとも部分的に、ステップダウンレギュレータＩＣ及び外部負荷の選択によって変化する。一般的に、電池１０などの電池の有効性（例えば、電力変換回路の出力に最終的に送達される入力電力の割合）は、８５％〜９５％の範囲内である。
【００４４】
図６を参照すると、いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣバックコンバータは、ライナーテクノロジー社（Linear Technology Corp.）製のＬＴＣ３４１１コンバータ８０のような高性能な同期ステップダウンレギュレータを使用して実装され得る。ＬＴＣ３４１１チップは、スイッチングコントローラとスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）とを単一のパッケージ内で結合する。ＬＴＣ３４１１チップの利点は、比較的小さな寸法であることと効率的に動作することである。同様の機能を有する他の種類の市販の集積回路を含む、他の種類のバックコンバータが使用され得る。
【００４５】
図１１を参照すると、電池１６０（電池１０と同様）は、セル１６２及びブースト集積電圧コンバータ１６４を備える。電圧コンバータは、電池１６０の電気化学セルの電極で生成される内部電圧よりも高い出力電圧Ｖｅを生成する、ブースト構成内にある。電圧コンバータ１６４は、図５に示されるコントローラ５２と同様のコントローラ１６６を備え、マイクロプロセッサ装置及び／又はＤＳＰ装置を使用して同様に実装され得る。コントローラ１６６は、ブースト構成電圧コンバータ１６４の動作を調節するために、トランジスタ１６８及び１７０を作動させる電気制御信号を発生し、それによって端子１７６及び１７８における電池出力を調節することができる。
【００４６】
更に示されるように、インダクタ１７２は、トランジスタ１６８及び１７０と電池１６０の電気化学セル１６２のカソードとの間で接続される（それとは対照的に、例えば図５に示されるように、バックコンバータのステップダウン構成において、インダクタは、電池１０の出力端子４６とトランジスタとの間で接続される）。
【００４７】
動作において、コントローラ１６６は、ＳＷ１と記されたコントローラ１６６のポートを通じてトランジスタ１６８のベースに印加される作動信号を発生する。結果として、接地端子１７８への電気経路が形成される。トランジスタ１６８は、トランジスタを通じて電流が流れるように電気で作動されるが、電流はインダクタ１７２にも流れるので、それによって、電荷がインダクタ１７２に貯蔵される。コントローラ１６６は、トランジスタ１６８のベースを作動する信号を中断する際、トランジスタ１６８の作動中に達成されるインダクタ１７２の定常状態条件が阻害され、それによって外部端子１７６（トランジスタ１７０若しくはダイオード１７１のいずれかを通じて）に向かって電流が流れる。インダクタの定常状態条件における阻害によって、インダクタの電流レベルが降下し、その結果、以下の関係により、インダクタの電圧が上昇する。
【数１】
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【００４８】
したがって、トランジスタ１６８を通じて電流が流れる間に確立される定常状態の電流の流れの阻害によって、インダクタにおける電圧は上昇し、それによって端子１７６、１７８における電圧は同様に上昇する。
【００４９】
トランジスタ１６８の作動によって生成される電圧波形によって、一般的にリップルされるインダクタ１７２の定常状態条件が変更される。したがって、端子１７６において実質的に一定な電圧レベルが印加されるように、電圧波形を平滑化するために、図示されるように、コンデンサ１７４のようなその他のエネルギー貯蔵素子が外部端子１７６及び１７８に接続されている。
【００５０】
ブースト構成電圧コンバータ１６４は、トランジスタ１６８のデューティーサイクルを調整する（例えば、トランジスタ１６８のベースに印加される作動信号の期間）フィードバック機構を備えている。デューティーサイクルを調整することで、電池１６０の端子１７６における電圧が、所望の外部出力電圧Ｖｅに収束する。
【００５１】
図１２を参照すると、バック／ブースト電圧コンバータとして作動する電池１８０の集積電圧コンバータモジュール１８２が示されている。換言すれば、電圧コンバータモジュールは、１つのモードにおいては、コンバータがステップダウンコンバータとして作動し（バックコンバータとして回路を構成することにより）、もう１つのモードにおいては、コンバータがステップアップコンバータとして作動する（ブーストコンバータとして回路を構成することにより）ような、２つの異なるモードで作動することが可能である。トランジスタ１８６及び１８８を作動させることによって、コンバータを１つのモード又はもう１つのモードに変換することができる。特に、トランジスタ１８６が常にオン状態である（即ち、デューティーサイクルが１００％である）ように、トランジスタ１８６のベースを作動することによって、コンバータ１８２の回路は、図１１に示されるように、回路と同様に作動するブーストコンバータとして構成される。
【００５２】
特に、トランジスタ１８８は、周期的にオン状態とオフ状態に作動され、それによってトランジスタ１８６と１８８との間を接続するインダクタ１９０の定常状態が阻害され、図１１に示されるブーストコンバータに関して記載されるのと同じ方法で、外部出力端子１９２において印加される電圧が上昇する。
【００５３】
電圧コンバータモジュールをステップダウンモードで動作させるために、トランジスタ１８８は、常にオフ（即ち、０％のデューティーサイクルを有する）に作動され、トランジスタ１８６は、周期的にインダクタ１９０に電流が断続的に流れるように作動される。このように作動される際、電圧コンバータモジュールは、図５に示されるバックコンバータの作動と同じ方法で作動するステップダウンコンバータとして構成される。
【００５４】
図７を参照すると、電池１０の電気化学セルによって生成した内部電圧を、電池駆動可能な装置に印加される外部電圧に変換する代表的な手順９０が示されている。電池１０の少なくとも１つの電気化学セルによって生成される電圧は、カソード４２及びアノード４４に結合されたコンバータ４０の端子に印加される。電気化学セルによって生成された電力は電源にも使用され、それによってコンバータ４０が動作させる。電圧コンバータ４０は、電池１０の外部端子４６及び４８に印加される外部電圧Ｖｅを決定する（９２）。いくつかの実施形態では、外部電圧は予め定められており、電圧コンバータ４０は、内部電圧Ｖｉを予め定められた値（例えば、特に、１．２〜１．５Ｖの範囲内の電圧レベル）に変換させる。いくつかの実施形態では、外部可変電圧レベルは、コンバータ４０によって発生され得る。本明細書で説明されるように、かかる実施形態では、コンバータ４０は、電池ケース１２に配置されたユーザーインターフェースから所望の外部電圧に関する情報を受信するか、ないしは別の方法で、通信機構（例えば、ＲＦＩＦ技術に基づいた機構）から通信した情報を受信し、受信した情報に基づいて出力される、電圧Ｖｅを決定し得る。
【００５５】
電池１０の外部端子４６及び４８に印加される外部電圧を決定し、コンバータは、バックコンバータ又はブーストコンバータのようなＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ回路を調節して、外部端子４６及び４８に印加される決定された外部電圧Ｖｅと実質的に等しい定電圧をもたらす（９４）。上記で説明されるように、決定された外部電圧レベルは、スイッチング素子（例えば、バックコンバータ７０の場合のトランジスタ７２）に印加されるデューティーサイクル信号を発生し、所望の外部電圧と実質的に等しい電圧を端子４６及び４８に印加するのに使用される。スイッチング素子のオン期間中の電気化学セルからの重畳電流、及びスイッチング素子のオフ期間中のバックコンバータ７０のエネルギー貯蔵素子から放出される電流によって、所望の外部電圧Ｖｅと実質的に等しい実効電圧がもたらされる。
【００５６】
上述されるように、いくつかの実施形態では、集積電圧コンバータモジュールを有する電池は、例えば、リン酸鉄リチウム電気化学セルを備える再充電式電池のような再充電式電池であり、１５分未満で電池の容量の８０〜９０％の充電レベルまで再充電されるように構成されている。いくつかの実施形態では、電池は、活性物質としてＬｉＦｅＰＯ４を有するカソード、炭素アノード、セパレータ及び電解質を備えている。かかる実施形態では、カソードは結合剤を備えてもよい。カソードの厚さは、電池のデザインと、必要とされる性能特性によって変化する。電極（カソード及びアノード）は、基材を提供し、この基材の両面に適した材料、例えば、アノード用には炭素を、及びカソード用には結合剤と導電性炭素と活物質との混合物をコーティングすることによって製造することができる。リン酸鉄リチウムの化学作用に基づいた再充電式電池の代表的な実施形態が、「リチウムイオン二次電池（Lithium Ion Secondary Batteries）」という題目の米国特許出願第１１／８２７，３６６号に記載されており、その全てが参照として本明細書に組み込まれる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、再充電式電池１００は、４．４Ｖ〜１．８Ｖの作動電圧範囲及び３００Ｗｈ／Ｌを超えるエネルギー密度を有するリチウムイオン電池のような高エネルギー密度電気化学系である。
【００５８】
図８Ａを参照すると、代表的な再充電式電池１００が充電器１１０と接続されて示されている。電池１００は、電池１０と同様の構成であるが（図１Ａ〜Ｃ及び図２）、電気的にカソード１０４と結合した少なくとも１つの追加外部充電電池端子１０２を備え、これは電池１００の集積ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータをバイパスする。外部電池端子は、再充電式電池１００の電池ケース（図１Ａに示される電池ケースと同様）の外部表面に配置される接触表面（図示せず）を含む。電池１００が、充電器１１０の充電区画（図示せず）内に受容される場合、充電器の端子の１つは外部充電電池端子１０２に機械的及び電気的に結合し、もう１つの充電器の端子は、電池を電池駆動可能な装置に接続するのにも使用される外部端子１０６と機械的及び電気的に結合する。アノード１０８は、電圧コンバータ１０９と接続されている。そのように接続される際、充電器１１０は、動作において、電池１００の電気化学セルの充電レベルを満たすために、電池を通じて充電端子１０２に充電電流を印加する。高速充電動作を実行する（例えば、１５分未満で再充電式電池の充電容量の９０％を達成する）ように構成された実施形態を含む、充電器１１０の代表的な実施形態は、例えば、「高速電池充電装置及び方法（Fast Battery Charger Device and Method）」という題目の米国特許出願第１１／７７６，０２１号、「電池を自動的にロード／アンロードする機構を備える電池充電器（Battery Charger with Mechanism to Automatically Load and Unload Batteries）」という題目の同第１１／７７５，９７９号、及び、「ポータブルエネルギー貯蔵及び充電装置（“Portable Energy Storage and Charging Device）」という題目の同第１１／７７５，９９５号に記載されており、これらの内容の全てが参照として本明細書に組み込まれる。
【００５９】
図８Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、再充電式電池１００は、アノード１０８と直接電気的に結合する第２充電端子１０３を備えている。したがって、電池１００が、例えば充電器１１０のような充電区画内に受容される際、充電器の端子は、充電器の端子１０２及び１０３と電気的及び機械的に結合し、カソード１０４及びアノード１０８を通る閉電気経路が達成される。充電端子１０３は、例えば、負極キャップ（図１Ａに示される負極キャップ２４と同様）付近のような電池ケースの外部表面上に配置される接触表面（図示せず）を備えている。したがって、図８Ｂに示される再充電式電池１００の実施形態では、再充電式電池は、ジェリーロール中の充電を補充するために、充電器１１０から印加される充電電流を受信し、カソード及びアノードに導くように構成される専用の充電端子、及び外部電圧Ｖｅを印加するのに使用される別の専用の外部端子１０２及び１０６の対を有する。
【００６０】
いくつかの実施形態では、充電電流を電池１００の電気化学セルに再充電するために、別の専用の端子対は使用されない。かかる実施形態、及び以下でより詳細に記載されるように、充電電流は、電池の外部端子に印加される（即ち、図８Ａに示される端子１０５及び１０６のような端子であって、この端子を通じて電池から生成され、集積電圧コンバータによって変換された電圧は、電池駆動可能な装置に印加される）。このような状態において、電圧コンバータは、例えば、図１３におけるダイオード２１８（Ｄ２と記される）などとして実装されるバイパス回路２１６を含んでもよく、外部端子から受信した充電電流をカソード及びアノードに導く。
【００６１】
図９を参照すると、充電器１１０は、充電動作の開始において一定の充電電流を電池に印加するように構成される。定電流が電池に送達される（即ち、定常電流、又はＣＣモードで充電器が作動する）期間中、再充電式電池１００の電圧は上昇する。電池１００の電圧が、例えば３．８Ｖの所定の上限電圧（この上限電圧は、クロスオーバー電圧と呼ばれることがある）まで到達する際、充電器１１０は、残りの充電期間において、電池の電圧をその上限電圧で保持するように構成されている。所定のクロスオーバー値と実質的に等しい定電圧が電池１００に印加される期間中、充電器１１０は、定電圧、又はＣＶモードにおいて作動するといわれる。
【００６２】
充電器１１０は、電力変換モジュール１１２と結合される。いくつかの実施形態では、電力変換モジュール１１２は、充電器１１０中に組み込まれ、それによって充電器１１０のハウジングに配置される。電力変換モジュール１１２は、充電器の外側に、８５Ｖ〜２６５Ｖ及び５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの定格で電力を供給する源のような、ＡＣ電源と電気的に結合されるＡＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール１１４を備え、ＡＣ電力を低ＤＣ電力（例えば５〜２４Ｖ）に変換し、例えばこの低いＤＣ電圧を例えばＤＣ−ＤＣ電圧コンバータモジュール１１６に供給し、再充電式電池において好適なレベル（例えば、リン酸鉄リチウム電気化学セルを有する再充電式電池において、約３．７〜４．２ＶのレベルにおけるＤＣ電圧）を提供する。その他の種類のセルは、１．８〜４．４Ｖの範囲内の電圧レベルのような異なる電圧レベルを有してもよい。）
充電器１１０は更に、再充電式電池１００に印加される充電電流を決定し、決定された充電電流と実質的に等しい電流を電池１００に印加し、例えば５〜１５分の特定又は所定の時間が経過した後、充電電流を停止させるように構成されたコントローラ１２０を備えている。所定の電池の電圧又は充電レベルに到達すると、コントローラ１２０も、充電動作を停止するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ１２０は、バックコンバータ１３０が１２Ｃの一定の充電率で印加するのを調節する（即ち、１Ｃは電池を１時間で充電するのに必要とされる電流に対応した充電率であり、１２Ｃは、約１／１２時間（即ち５分）で特定の電池を充電するのに必要とされる充電率）。このような充電率１２Ｃは、所定の最大充電電圧に到達するか、５分間が過ぎるまで印加される。最大充電電圧に到達すると、コントローラ１２０は制御モードを変更し、所定の充電時間（例えば５分）が過ぎるまで定電圧を電池１００に印加する。
【００６３】
いくつかの実施形態では、再充電式電池１００に印加される充電電流は、少なくとも部分的に、例えば充電器１１０のハウジング（図示せず）に配置されるユーザーインターフェースを介して提供されるユーザーに特定の入力に基づいて決定し得る。このようなユーザーインターフェースとしては、ユーザーが、再充電される電池の容量、充電期間、などの充電動作と関わりのある設定を表示し得る、例えば、スイッチ、ボタン及び／又はノブが挙げられる。使用する特定の充電電流を決定するためには、ユーザーに特定の設定／パラメータに対応する好適な充電電流を示すルックアップテーブルにアクセスする。
【００６４】
いくつかの実施形態では、充電電流は、例えば、電池容量及び／又は電池の種類のデータ見本を提供する同定機構を使用して、充電器１１０の充電区画中に配置される再充電式電池１００の容量を同定することで決定されてよい。電池の容量の抵抗見本を有するＩＤレジスタの使用に基づいた同定機構を含む、代表的な充電装置の詳細な記載は、「電池センサーを備える超高速電池充電器（Ultra Fast Battery Charger with Battery Sensing）」という題目の米国特許出願第１１／７７６，２６１号で提供され、この内容の全てが本明細書に参照として組み込まれる。いくつかの実施形態では、充電電流は、電池の容量及び／又は種類（例えば、電池のＤＣ充電抵抗）を示す電池の電気特性のうち少なくとも１つを測定することで決定され得る。電池の、測定された特定に基づき、充電電流を適応的に決定する、代表的な充電装置の詳細な記載は、「適応充電装置及び方法（Adaptive Charger Device and Method）」という題目の米国特許出願第１１／７７５，９８７号で提供され、その内容は全て、本明細書に参照として組み込まれる。
【００６５】
コントローラ１２０は、電池１００で実行さ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１２２を備えている。コンバータ４０のプロセッサ装置６０と同様に、プロセッサ装置１２２は、マイクロチップテクノロジー社（Microchip Technology Inc.）のＰＩＣ１８Ｆ１３２０マイクロコントローラのような任意の種類の演算及び／又は処理デバイスであってもよい。コントローラ１２０の実装に使用されるプロセッサ装置１２２は、プロセッサベースの装置の一般的な動作を可能にするコンピュータ命令、並びに、１５分未満で少なくとも充電容量の９０％を達成する電池１００をもたらすような充電動作を含む、充電器１１０に結合する電池１００上で充電動作を実行する実装プログラムを含むソフトウェアを保存するように構成された、揮発性及び／又は不揮発性メモリ構成要素を含む。プロセッサ装置１２２は、複数のアナログ及びデジタル入力線及び出力線を備えるアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１２４を含む。コントローラ１２０は、デジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ装置１２６、プロセッサ装置１２２によって発生したデジタル信号を受信し、それに応答して、充電器１１０のバックコンバータ１３０のようなスイッチング回路のデューティーサイクルを調節する電気信号を発生するパルス幅モジュレータ（ＰＷＭ）１２８も備える。
【００６６】
バックコンバータ１３０は、コンバータ４０のバックコンバータ７０と同じであり、バックコンバータ７０と同じ方法で作動するように構成されている。したがって、バックコンバータ１３０は、例えば、端子１０２及び１０６を介して電源変換モジュール１１２によって供給された電流／電圧を、電池１００に印加させるように電気的に作動される、トランジスタ（図示せず）などのスイッチング素子を備えている。バックコンバータ１３０が、エネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵要素（例えば、コンデンサ及び／又はインダクタ）も備える際、コンバータのスイッチング素子のオン期間中、電流はバックコンバータに送達される。スイッチング素子によって、電力変換モジュール１１２から送達された電流が電池１００からカットオフされる際、エネルギー貯蔵要素中のエネルギーは、再充電式電池１００中に放出される。スイッチング素子のオン期間中に印加された電流から生じた電流及びスイッチング素子のオフ期間中にエネルギー貯蔵要素から放出された電流は、再充電式電池１００に印加される所望の充電電流と実質的に等しい。
【００６７】
電池１００に印加される電流／電圧を調節するために、充電器１１０は、例えば、コントローラ１２０を使用して実装されるフィードバック調節機構も備えている。フィードバック調節機構は、電池１００に印加される生じた電流が、コントローラ１２０によって決定された充電電流と実質的に等しくなるように、スイッチング素子を作動するデューティーサイクルを調節するのに使用される。例えば、いくつかの実施形態では、例えばコントローラ１２０に測定値を通信する電流センサー（図示せず）によって、測定されるような電池１００を流れる電流の測定値を周期的（例えば、０．１秒毎）に受信する。この受信した測定値に基づき、コントローラ１２０は、電流が充電電流レベルと実質的に等しい値に変換されるように電池１００を流れる電流を調節する、デューティーサイクルを調節する。
【００６８】
充電器１１０は、電圧センサー（図示せず）、並びに再充電式電池１００及び／又は充電器１１０のいずれかの他の特性を測定するように構成された他のセンサーを備えてもよい。例えば、充電器１１０及び／又は電池１００の熱制御が必要とされる（例えば、電池１００を充電する充電時間が１５分を超える際）実施形態では、充電器１１０は、電池１１０及び／又は充電器１１０の数々のモジュールが配置される回路基板に結合された温度センサー（例えば、サーミスタ）を備えてよい。
【００６９】
図１０を参照すると、再充電式電池１００を充電する代表的な充電手順１４０が示されている。電池は充電器に挿入され、ユーザーは、例えば充電器１１０のハウジング上に配置された「スタート」ボタンを押すことで充電サイクルを開始する。
【００７０】
所望により、充電手順を開始する前に、充電器１１０は特定の故障状態が存在するかどうかを判断する。例えば、充電器１１０は、電池１００の電圧Ｖ０を測定する（１４２）。充電器１１０は、測定された電圧が所定範囲（例えば、２〜３．８Ｖ）内にあるかどうかを判断する（１４４）。電池１００の測定された電圧Ｖ０が所定の条件を満たした範囲内にないと判断され、それによって、電流条件下での充電動作が危険になるような状況では、充電は、その充電動作に沿って進行せず、充電工程を終了し得る。このような状況下では、ユーザーに、ユーザーインターフェースを介して充電器１１０のハウジング上に問題の表示が提供され得る。
【００７１】
充電器１１０は、電池の種類、充電期間、電池の容量などを含む、充電工程に適切な情報に基づいて、電池１００を充電するために使用される、充電電流及び／又は充電期間を決定する（１４６）。例えば、充電器１１０は、１５分未満で充電容量の少なくとも９０％まで電池１００を充電する充電電流を決定するように構成されていてもよい。
【００７２】
所望により、充電器１１０は、充電器１１０の充電区画に配置される電池１００の容量及び／又は種類を決定し得る（１４５）。本明細書で説明されるように、充電電流を決定するのに使用される情報は、例えば、充電器１１０のハウジングに配置されるユーザーインターフェースを通じて提供され得る。加えて及び／又はあるいは、充電工程に関連する情報は、電池が特性（例えば、容量、種類）を示す充電器の情報を通信することが可能な同定機構を通じて、若しくは、電池の電気的特性（例えば、ＤＣ充電抵抗）を測定し、電池１００の種類及び／又は容量の測定値などに基づいて決定することで提供され得る。充電器１１０が、特定の容量を有する特定の種類の電池を受容するように構成されている場合、充電器１１０は、特定の電池及び容量に好適な所定の充電電流を使用する。充電電流を、異なる電池容量、電池の種類、充電期間などと関連付けたルックアップテーブルにアクセスすることで、充電電流の決定が実行され得る。
【００７３】
電池１００に、決定された充電電流を印加し、事前に指定された充電の動作期間を測定するように構成されたタイマーをスタートする（１４８）。タイマーは、例えば、プロセッサ１２２の専用のタイマーモジュールなどであってもよいか、又は、プロセッサ１２２の内部クロック又は外部クロックによって測定される標準時間間隔において増加するレジスタであってもよい。
【００７４】
例えば、バックコンバータ１３０のような電流／電圧調節回路は、定電流を、再充電式電池１００に印加されるために決定された電流と実質的に等しくさせるように制御される（１５０）。説明されるように、決定された充電電流は、バックコンバータ１３０のスイッチング素子１３０に印加されるデューティーサイクル信号を発生し、電流を電池１００に印加される充電電流と実質的に等しくさせるのに使用される。特定のデューティーサイクルのオフ期間中、電力変換モジュール１１２は電池１００からカットオフされ、バックコンバータ１３０（例えば、インダクタ及び／又はコンデンサ）のエネルギー貯蔵要素に貯蔵されたエネルギーは、電流として電池に放出される。電源変換モジュール１１２から印加された重畳電流、及びバックコンバータ１３０のエネルギー貯蔵要素から放出された電流は、決定された充電電流と実質的に等しい実効電流をもたらす。
【００７５】
いくつかの実施形態では、充電器１００は、ＣＣ／ＣＶ充電工程を実施する。したがって、かかる実施形態では、電池１００の端子における電圧は、所定の上限電圧（即ち、クロスオーバー電圧）にいつ到達するのかを測定するために、周期的（例えば、０．１秒毎）に測定される（１５２）。電池１００の電圧が所定の上限電圧に到達したら、クロスオーバー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流／電圧調節回路が制御され、電池１００の端子において維持する。
【００７６】
充電期間と実質的に等しい時間が経過したと判断された後（１５４）、あるいは、特定の電流レベル又は電圧レベルに到達した後（電池１００の周期的な測定によって判断され得るように）、電池１００に印加される充電電流が停止される。
【００７７】
上記で説明されるように、単一の外部端子対は、集積コンバータによって変換された電圧を受信し、受信した電圧を外部の電池作動可能な装置に印加し、及び、外部充電装置（例えば図９に示された充電器１１０）に印加された電圧を、電池を再充電する（電池が再充電式電池であるような状況において）のに導く双方に使用される。
【００７８】
図１３を参照すると、再充電式電池２００（例えば、Ｌｉイオン技術に基づく、図８Ａ、８Ｂ及び９に示される電池１００と同様の電気化学構造、特性、構成を有する）が示されている。電池２００は、電圧コンバータモジュール２０２によって変換された電圧を受信するように構成された端子対２１４ａ及び２１４ｂを備えている。電圧コンバータモジュール２０２の回路及び作動は、例えば図８Ｂに示される電圧コンバータモジュールと典型的には同様である。したがって、電圧コンバータモジュール２０２は、バックコンバータ回路（トランジスタ２０６及び２０８、インダクタ２１０及びコンデンサ２１２を備える）を制御する作動電気信号を発生するコントローラ２０４（例えば、マイクロプロセッサコントローラ）を備え、端子２１４ａ及び２１４ｂを通じて印加され、所望の外部電圧Ｖｅと実質的に等しい電圧が得られる。
【００７９】
電池２００は、バイパス回路２１６も備えている。１つの実装では、バイパス回路２１６は、ツェナー又はショットキーダイオード２１８を備え、対応する逆方向降伏電圧（即ち、逆電極においてダイオードに印加された際にダイオードが通電される電圧レベル）は、一般的に電池２００の電気化学セル２０１（例えば、ジェリーロール）によって生成された内部電圧Ｖｉより高い。したがって、電池が、電池駆動可能な装置に電力を供給する外部端子における電圧を出力するために作動している際、電圧コントローラモジュール２０２は、バックコンバータ回路を作動することで電気化学セル２０１によって生成された内部電圧Ｖｉを変換し、外部電圧Ｖｅと実質的に等しい電圧を端子２１４ａ及び２１４ｂにおいて出力させる。内部電圧Ｖｉが、ダイオード２１８の降伏電圧よりも低いので、ダイオード２１８には電流は流れず、外部端子２１４ａ及び２１４ｂにおいて出力される電圧Ｖｅは、内部電圧Ｖｉにおいて電圧コンバータモジュール２０２を作動することで生成される。
【００８０】
しかしながら、電池２００が再充電される際、端子２１４ａ及び２１４ｂは充電装置（図８Ａ、８Ｂ及び９に示される充電器１１０など）の充電端子に接続される。充電電流及び／又は電圧が、充電装置から電池２００に印加されるにつれて、ダイオード２１８は順方向バイアスされ、したがって充電電流がそれを通じて電気化学セル２０１のカソード及びアノード上に流れるのが可能となる。いくつかの実施形態では、電圧コンバータモジュール２０２は、作動電気信号がトランジスタ２０６及び２０８に導かれないようにポートＳＷ１及びＳＷ２を無効にし、電圧コンバータモジュール２０２を通じる端子２１４ａから電気化学セル２０１までの電気経路を無効化する。いくつかの実施形態では、電圧コンバータモジュール２０２を通じて導かれる充電電流を排除するために、外部電源（例えば、充電装置１１０）から印加された電流を検出し、電圧コンバータモジュールを無効にするのに電流センサー（図示せず）を使用する。
【００８１】
図１４を参照すると、バイパス回路を含む集積電圧コンバータモジュール２２２を備える電池２２０のその他の実施形態が示されている。電圧コンバータは、集積回路（ＩＣ）２２４を使用して実装される。本実施形態では、入力電圧を調節するために多くの制御機構及び活性スイッチング素子が単一のＩＣに実装され、電圧コンバータモジュールに必要とされる寸法を低減する。いくつかの実施形態では、ＩＣ  ２２４は、例えば、テキサスインスツルメント（Texas Instrument）社製のＴＰＳ６２０４２ステップダウンコンバータのようなコンバータ（いくつかの実施形態では、ステップアップコンバータが集積回路に実装されることも可能である）を実装するのに使用される。図示されるように、ＩＣ２２４は、出力ポート２２６ａ及び２２６ｂ（Ｖｉｎ１及びＶｉｎ２と記される）において、電池の電気化学セルの電極において形成された内部電圧Ｖｉを受信し、ポート２２６ａ及び２２６ｂを介して、ＩＣ  ２２４によって変換された、得られた電圧を出力する。
【００８２】
ＩＣ  ２２４は、ＩＣ  ２２４内に集積されたトランジスタ（図１３のトランジスタ２０６及び２０８と同様）を有している。ポート２２８ａ及び２２８ｂは、図１３のトランジスタ２０６と２０８とが一緒に接続される点と同じである。更に、ポート２２６ａ及び２２６ｂは、ＩＣ  ２２４が、変換される電源（Ｖｉｎ）とは異なる電圧／電力供給において作動することを可能とする。本実施形態では、ＩＣ電源及び変換における電源は同じである。
【００８３】
図示されているように、電圧コンバータモジュール２２２は、インダクタ２３０のような、ＩＣ  ２２４の電圧出力ポート２２８ａ及び２２８ｂと結合されるエネルギー貯蔵要素を更に備えている。インダクタ２３０も、レジスタ２３４を介してＩＣ  ２２４のフィードバックポート２３２（ＦＢと記される）、及び、電池２２０の外部出力端子２４０と結合される。したがって、ＩＣ  ２２４は、外部端子２４０において電圧Ｖｅを所望の出力電圧に変換するフィードバック機構を備える。いくつかの実施形態では、所望の出力電圧は予め定められており、調整は不可能であるが、いくつかの他の実施形態では、電池２２０は、ユーザーに望ましい数種の出力電圧レベルから１つを設定するために、例えば、プッシュピン（図示せず）などを含むユーザーインターフェースを含んでもよい。
【００８４】
更に図１４に示されるように、電圧コンバータモジュール２２２は、バイパス機構が、外部端子２４０を通じて充電電流を印加することで再充電式電池２２０の充電を可能にするダイオード２４２（例えば、ツェナーダイオード、ショットキーダイオードなど）も備える。したがって、図１３に示される電池２００と同様に、電池２２０は、電池２２０を再充電するために充電電流が印加される個別の端子対を必要としない。充電電流／電圧が電池の外部端子２４０を介して印加される際、印加された電圧は、ダイオードの閾値電圧（即ち、ダイオード２４２を通電させるのに必要な電圧）を超え、ダイオード２４２は充電電流を電極（例えば、端子２４４に結合する電極）に導かれて電池２２０が再充電される。ダイオード２４２は、一般的には電池２２０の電気化学セルによって生成される内部電圧Ｖｉよりも高い、対応する降伏電圧を有する。したがって、電池の電気化学セルによって生成された内部電圧は、一般的に、ダイオード１９６を介して端子１８３から電流を流すのに不十分である。
【００８５】
バイパス機構はまた、閾値電圧を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）のような、一般的に、電圧コンバータモジュールに出力された最大電圧よりも高い（即ち、内部電圧Ｖｉの変換によって生じる電圧Ｖｅよりも高い）ダイオード２４６を備える。したがって、ダイオード２４６は、充電装置（図示せず）のような外部電源からの電圧がダイオード２４６に印加される際にのみ通電する。ダイオード２４６は、３〜５Ｖの閾値電圧を有することができる。充電装置が、端子２４０を介して充電電流を印加する際、ダイオード２４６において生じた電圧はダイオードの閾値電圧を超え、それによって電流がダイオード２４６を流れることが可能となる。ダイオード２４６を通じて流れる電流は、トランジスタ２４８を作動させ、トランジスタ２４８を通じて電流を流す。ＩＣ  ２２４のイネーブルポート２５０における電圧は、ＩＣ  ２２４が無効となるレベルまで降下する。換言すれば、ダイオード２４６及びトランジスタ２４８を備える構成によって、充電電流が外部充電装置に印加される際にＩＣ  ２２４を無効とすることでバイパス（又はオーバーライド）モードを実装する機構が更に提供される。ダイオード２４６がＬＥＤである状況では、ダイオードは、電池が充電される際にユーザーに示されるためにも使用される。
【００８６】
図１５を参照すると、電池２２０は順方向モードで、電圧コンバータモジュール２２２は、ＩＣ  ２２４に実装される制御回路及びフィードバック機構、及びインダクタ２３０を使用して、電池の電気化学セルによって生成された内部電圧Ｖｉを変換する。図１５のインセット２５０に示されるように、生じた電流波形は、充電及び放電インダタ２３０によって生じたリップル効果を示すが、この電流リップルは、エネルギー貯蔵要素Ｃ２によって実質的に除去される。したがって、一般的には、電池２２０の端子２４０を通じて出力される最小電圧レベルは、電池２２０によって生成される最大電圧の１％以内である。順方向モードでは、外部電圧Ｖｅは、ダイオード２４６（図１４に示される）の閾値電圧よりも低く、したがって、ダイオード２４７はイネーブルポート２５０における電圧を降下させ、それによってＩＣ  ２２４が無効となる。
【００８７】
図１６を参照すると、オーバーライドモードでは、充電電流は、外部端子２４０を介して電池２２０に印加される。充電電流が電池２２０に印加される際の電圧は、ダイオード２４２の閾値電圧を超え、その結果、充電電流はダイオード２４２を介して実質的に導かれ、それによって、モジュール２２２の電圧変換回路をバイパス（例えば、ＩＣ  ２２４及びインダクタ２３０をバイパス）するのが可能となる。同様に、この電流はトランジスタ２４８を作動し、その結果、ＩＣ  ２２４のイネーブルポートにおける電圧レベルが降下し、ＩＣ  ２２４が無効となる。ＩＣ  ２２４を無効にすることで、電池２２０に高い充電電流が印加されることで引き起こされ得る損傷から集積回路が保護される。
【００８８】
図１７を参照すると、グラフ２６０に示されるように、端子２４９において外部充電装置から印加された電圧が、ダイオード２４６の閾値電圧（例えば、３．３Ｖ）及びトランジスタ２４８のベースエミッタ接合部における閾値電圧（例えば、０．６Ｖ）を超えると、ダイオード２４７を介して流れる電流レベル（図１５に示されるグラフ２６０におけるＩＤ）は、急激に上昇する。したがって、充電装置に提供される充電電流の一部は、ダイオード２４６を介して導かれる（又は、換言すれば漏れる）。したがって、ＩＣ無効機構が使用される場合に、図１４〜１７においては実装されるような回路構成では、外部充電装置によって印加される充電回路は、所望の充電率（例えば１２Ｃ）、及びダイオード２４６を介しての電流ＩＤ漏れにおいて電池２２０を充電するのに必要とされる実際の充電電流を含む。
【００８９】
実施例及び他の実施形態
以下を含む多くの種類の化学物質が、本明細書に記載の実施形態で使用されてもよい：
【表１】
2010522963.tif 000004
【００９０】
電圧コンバータは、１．２〜１．３Ｖの範囲内の低いレベルで作動するように合わせることが可能であり、それによって更に長い駆動時間がもたらされる。
【００９１】
以上、本発明の多くの実施形態を述べた。しかしながら、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく様々な修正が可能である点は理解されるであろう。例えば、実施形態は、ダウンコンバータを使用して電池からの第１の電圧を受信し、電池の端子における比較的低い第２の電圧を送達すると記載されているが、コンバータは、電池からの第１の電圧を受信し、電池の端子における比較的高い、第２の電圧を送達するアップコンバータとして構成することが可能である。したがって、他の実施形態は下記の特許請求の範囲の範疇にある。
【図１Ａ】
2010522963.tif 000005
【図１Ｂ】
2010522963.tif 000006
【図１Ｃ】
2010522963.tif 000007
【図１Ｅ】
2010522963.tif 000008
【図２】
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【図３】
2010522963.tif 000010
【図４】
2010522963.tif 000011
【図５】
2010522963.tif 000012
【図６】
2010522963.tif 000013
【図７】
2010522963.tif 000014
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2010522963.tif 000016
【図９】
2010522963.tif 000017
【図１０】
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【図１１】
2010522963.tif 000019
【図１２】
2010522963.tif 000020
【図１３】
2010522963.tif 000021
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2010522963.tif 000025
【国際調査報告】
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