(57)【要約】電源モジュールを用いてバッテリを充電するバッテリ充電器および方法であって、バッテリ（３０）が直列に接続された複数のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）を有する。バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）は、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電され、充電サイクルは、個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が定義可能な充電状態に達するまで、あるいは給電が中断するまで何回でも繰り返される。本発明は、特に電気自動車のバッテリ（３０）を充電する方法およびシステムに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源モジュール（１０）を用いてバッテリを充電する方法であって、バッテリ（３０）は、直列に接続された複数のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）を有し、
バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が、定義可能な期間の間に、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電され、
個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が定義可能な充電状態に達するまで、あるいは電源モジュール（１０）による給電が中止されるまで、充電サイクルが何回でも繰り返されることを特徴とする方法。
【請求項２】
充電サイクルの間に、１個のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）から次のバッテリ・ブロックへの充電切換が自動的に行われることを特徴とする請求項１に記載のバッテリの充電方法。
【請求項３】
充電サイクルの間に、１個のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）から次のバッテリ・ブロックへの充電切換が電子的に行われることを特徴とする請求項２に記載のバッテリの充電方法。
【請求項４】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、３０〜３００秒間行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項５】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、容量全体の２４０分の１〜１２分の１に相当することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項６】
バッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）ごとに、充電電流が２個の電子スイッチ（４０／４１）を用いて導通と遮断とを切り換えられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項７】
電子スイッチ（４０／４１）が、少なくとも１つのＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを有することを特徴とする請求項６に記載のバッテリの充電方法。
【請求項８】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、電子スイッチ（４０／４１）および／または電源モジュール（１０）の機能を制御することを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項９】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、充電されるバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の少なくとも電圧および／または温度を測定し、測定データに基づき充電サイクルを制御することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項１０】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、予め定義可能な充電特性を取得した時に充電サイクルが終了するようにプログラムされることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項１１】
直列に接続された複数のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）を有するバッテリを充電するバッテリ充電器であって、バッテリ充電器は電源モジュール（１０）を有し、
バッテリ充電器が切換スイッチを有し、その切換スイッチを用いて、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が、定義可能な期間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電可能および／または再充電可能であり、
バッテリ充電器が制御装置（２０）を有し、その制御装置を用いて、個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が定義可能な充電状態に達するまで、充電サイクルが何回でも繰り返されるようにプログラムできることを特徴とするバッテリ充電器。
【請求項１２】
バッテリ充電器が自動切換スイッチを有し、その自動切換スイッチを用いて、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電可能および／または再充電可能であることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリ充電器。
【請求項１３】
バッテリ充電器が電子切換スイッチを有し、その電子切換スイッチを用いて、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電可能および／または再充電可能であることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリ充電器。
【請求項１４】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、３０〜３００秒間行われることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１５】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、容量全体の２４０分の１〜１２分の１に相当することを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１６】
バッテリ・ブロックごとに、充電電流が２個の電子スイッチ（４０／４１）を用いて導通と遮断とを切り換えられることを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１７】
電子スイッチ（４０／４１）が、少なくとも１つのＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを有することを特徴とする請求項１６に記載のバッテリ充電器。
【請求項１８】
バッテリ充電器の制御装置（２０）が、電子スイッチ（４０／４１）および／または電源モジュール（１０）の機能を制御するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする請求項１６または１７のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１９】
バッテリ充電器の制御装置（２０）が、充電されるバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の少なくとも電圧および／または温度を測定し、測定データに基づき充電サイクルを制御するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする請求項１１ないし１８のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項２０】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、予め定義可能な充電特性を取得した時に充電サイクルが終了するようにプログラムできることを特徴とする請求項１１ないし１９のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリが複数の直列接続されたバッテリ・ブロックを備えるところの、バッテリを電源モジュールを用いて充電するバッテリ充電器と方法とに関する。本発明は特に、中でも電気自動車のバッテリを充電する方法とシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
充電式バッテリと、それに対応する上記バッテリを充電する装置とは長年にわたり既知であり、最新技術である。今日利用可能なバッテリとバッテリ充電器はいまだにテクノロジーのあらゆる需要を満たすには程遠いが、多くの技術分野で幅広く適用されている。これらの分野の中には、宇宙開発技術や太陽エネルギー技術などのまさに特殊な分野でないものもある。たとえば、人間の監視なしで長時間機能しなければならない、ほぼ全てのモバイル機器やその他の機器においては、充電式バッテリが電気エネルギーの一時保管の中心となる。その代表的な適用領域は、太陽電池式測定機器またはその他のデータ収集装置、電気自動車、移動式無線装置などである。充電式バッテリはその名のとおり、定期的に充電しなければならない。充填に関しては、バッテリは通常、断続的に公共電力供給網に、太陽電池を用いるソーラー設備に、または化石燃料などの燃料で作動する発電機に接続される。
【０００３】
充電式バッテリの特殊な適用領域は、いわゆる電気自動車、すなわち電力で駆動する自動車である。２０世紀における自動車の大成功は、信じがたいほど道路に車が溢れる原因となった。このことは必然的に、化石原料をベースとする燃焼機関を備える自動車の否定的側面が、解決しがたい問題へと発展するという結果を導いた。これらの問題のうちで主だったものは、一酸化炭素や二酸化炭素などの汚染物質の排出と、天然資源である上記原料の供給の減少である。上記二酸化炭素などの「温室効果ガス」の排出は今日、科学者によって今後の地球上での人類の生存に対する最大の脅威の１つとみなされていると言ってよい。気候変動と海洋の水分平衡の不均衡とは、起こりうる悲惨なシナリオのうちわずか２つに過ぎない。にもかかわらず、前世紀に実現された機動性を手放そうとする人はほとんどいないようである。したがって、科学的研究の主要な目標の中には、そのジレンマと迫り来る大惨事から逃れる方法を見つけることを含めねばならない。電気自動車や電力による駆動に基づくその他の輸送手段は、上記の問題を解決するうえで近い将来、重要な役割を果たすであろう。
【０００４】
電気自動車の電気モータに動力を供給できるように、通常、電気自動車には必要な電気エネルギーを一時保管するためのバッテリが搭載されている。このような電気自動車の性能または効率は、バッテリの特徴と最適なバッテリ管理に大いに左右される。重要なパラメータは特に、バッテリのコストと重量、可能な再充電サイクル数、充電速度、取扱の簡易さ、廃棄性などである。様々なバッテリを用いた実験が示すように、概して鉛蓄電池（鉛−酸）は例えばニッケルカドミウム蓄電池やニッケル鉄蓄電池などのニッケル金属混合蓄電池と比べてエネルギー密度が低く、寿命が短い。残念ながら、エネルギー密度が高く、寿命が長いバッテリは極めて高額である。移動式無線機器などの電力消費の低い電気製品にとって、バッテリのコスト要因はさほど重要ではない。電気自動車などの多くの電力を必要とする装置の場合、バッテリのコスト要因は全く異なる局面をもたらす。したがって、バッテリの価格が、これらの分野では決定的な役割を果たし得る。それに関連する問題の１つは、特に充電技術におけるより適切なバッテリ管理によって、バッテリの寿命を延ばすことができるか否かである。
【０００５】
とりわけ高電力を必要とする装置には、直列に接続された個々のバッテリ・セルを有するバッテリが使用される。このような直列接続の蓄電池に対して、最新技術の充電器は、様々なバッテリ・ブロックから成るバッテリ列全体を、全電圧で充電する。それによって、充電器の電圧は、バッテリ列の充電電圧に一致する。しかし、このような充電方法は、個々のセル電圧と充電電流を制御することが困難である。この方法は、特に、充電が早過ぎる状態で終了したとき、バッテリ・セルの充電状態が異なるという欠点を有する。だが、電気自動車の使用において、充電プロセスのどの特定の瞬間でもバッテリの充電を中断できることがユーザにとっては一層望ましい場合が多い。上記充電システムにはさらに、個々のセルの電圧が、水素と酸素の増大した生成量を生じさせるほど高い値に達する可能性があるという欠点も備える。特に保守不要のバッテリでは、このことは水のロスを招く。その結果、鉛グリッドの上部に腐食が生じる（図５を参照）。この影響は早すぎる故障、すなわちセル寿命の短縮につながる。加えて、最新技術の充電方法では、最終的に個々のバッテリ・ブロックの過充電を起こして終了しないで、いわゆる充電終了状態を適正に判断することが難しい。このような過充電は、特定の種類の充電式バッテリに重大な損傷を引き起こし、その上にバッテリの寿命を大幅に低減させるおそれがある。
【０００６】
科学文献では（たとえば、Ｐａｖｌｏｖ Ｄ．、Ｐｅｔｋｏｖａ Ｇ．、Ｄｉｍｉｔｒｏｖ Ｍ．、Ｓｈｉｏｍｉ Ｍ．、Ｔｓｕｂｏｔａ Ｍ．「急速充電が陽極鉛蓄電池プレートの寿命に及ぼす影響」、ジャーナル・オブ・パワー・ソース８７　２０００、３９〜５６ページを参照）、特定のバッテリの場合、高充電電流の使用によってサイクルオペレーションにおける寿命が向上することが長年にわたり知られている。このことは、我々がＨＴＡビール−ビエンヌ（Ｈｏｃｈｓｃｈｕｌｅ　ｆｕｒ　Ｔｅｃｈｎｉｋ　ｕｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｋｔｕｒ　Ｂｉｅｌ−Ｂｉｅｎｎｅ）（ビール−ビエンヌ技術建築大学）の試験装置で行った実験で確認できた（これに関しては、Ｍｉｅｉｒ−Ｅｎｇｅｌ、Ｋａｒｌ、ＶＥＢＩＬＡ「Ｖｅｒｂｅｓｓｅｒｕｎｇ　ｄｅｒ　Ｌｅｂｅｎｓｄａｕｅｒ　ｖｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｉｅｎ　ｍｉｔ　ｅｉｎｅｍ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｎ　Ｌａｄｅｇｅｒａｔ；（インテリジェント充電器を用いたバッテリ寿命の向上）」、ＨＴＡビール−ビエンヌ自動車機械学科の２０００年度年次報告を参照されたい）。とりわけ、充電器のコストが電力上昇とともに急上昇するという理由から、充電に高充電電圧を使用する利点を利用できない場合が多い。
【０００７】
【非特許文献１】
「急速充電が陽極鉛蓄電池プレートの寿命に及ぼす影響」、ジャーナル・オブ・パワー・ソース８７　２０００、３９〜５６ページ
【非特許文献２】
「インテリジェント充電器を用いたバッテリ寿命の向上」、ＨＴＡビール−ビエンヌ自動車機械学科の２０００年度年次報告
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の欠点を有していない、複数のバッテリ・ブロックを備えるバッテリの新しい充電方法およびシステムを提案することが本発明の目的である。特に、充電終了状態を正確に判断すること、より高い充電電圧を使用すること、充電サイクルを短縮すること、蓄電池の個々のバッテリ・セルの充電状態が大きく異なることなく、何時でも充電を中断することを可能とすべきである。同時に、上記バッテリ充電器のコストは、本発明によって手頃な範囲内にとどまるべきである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的は、独立クレームの構成要素を通じて、本発明により達成される。さらに、従属クレームと明細書から追加の有益な実施例が続く。
特にこれらの目的は、複数のバッテリ・ブロックを有するバッテリまたはそれぞれのバッテリ・セルが電源モジュールを用いて充電され、バッテリの個々のバッテリ・ブロックが充電サイクルごとに１回、定義可能な時間の間、１個ずつ順番に充電され、個々のバッテリ・ブロックが所定の充電状態に達するか、あるいは電源モジュールを介した給電が中断されるまで、充電サイクルが何度も繰り返されるという発明によって達成される。この変型実施例は、特に、バッテリを充電するのに、最新技術よりも高い充電電流を用いることができるという利点を備える。
【００１０】
さらに、充電終了状態をより正確に判断することができる。もう１つの利点は、比較的低い充電電流でも、充電サイクルが短縮されることである。バッテリの充電が早すぎる状態で中断された場合、複数回順番に充電することによって、個々のバッテリ・ブロックが予め定義可能な最大充電格差を超えないように確保される。すなわち、充電が早過ぎる状態で終了しても、どのバッテリ・ブロックもほぼ同じ充電状態にあるという追加の利点を生じる。さらなる利点は、特に、電源モジュールを１個のバッテリ・ブロックに合わせて設計するだけでよいことである。したがって、電源モジュールの製造コストを低減できる。それぞれのバッテリ・ブロックは個別に充電されるため、個々のバッテリ・ブロックの電圧と温度は上述のように、正確に監視し維持することができる。充電サイクルの一時休止の間、バッテリ・ブロックを冷却できる。さらなる利点として、上記の特徴と利点は、充電サイクル数を増やし、バッテリの寿命を延長するという結果をもたらす。
【００１１】
ある変型実施例では、１つのバッテリ・ブロックから次のバッテリ・ブロックへの切換は、切換スイッチを用いて充電サイクル間に自動的に行われる。切換は、たとえば電子的におよび／または電子的に制御される方法で行うことができる。この変型実施例は、特に、ユーザの助け無しに充電を行えるという利点を備える。
【００１２】
さらに別の変型実施例では、充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロックの充電は、３０〜３００秒間行われる。このことは、特に、充電が早過ぎる状態で終了する場合、バッテリ・ブロック間の充電の差が大きくなり過ぎないという利点を備える。さらに、このタイムスパンで、充電アンペア数とバッテリの加熱との割合を最適化することができる。したがって、あるバッテリ・ブロックは、たとえば他のバッテリ・ブロックの充電の間に十分冷却されるため、過熱によるバッテリの損傷は生じない。従来方法での充電の間に起こる、このバッテリまたはそれぞれのバッテリ・ブロックの過熱は、最新技術における主要な問題の１つである。
【００１３】
さらに別の変型実施例では、充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロックの充電は、容量全体の２４０分の１から１２分の１の容量に相当する。この変型実施例は、特に、前変型実施例と同じ利点を備える。
【００１４】
別の変型実施例では、バッテリ・ブロックごとに、充電電流が２個の電子スイッチを用いて導通と遮断とを切り換えられる。電子スイッチはたとえば、１又はそれ以上のＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを有することができる。この変型実施例は、特に、ＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを用いて、市場で入手可能な標準的な最先端部品が利用でき、費用効率の高い電子スイッチの設計が含まれるという利点を備える。
【００１５】
さらに別の変型実施例では、マイクロプロセッサ付きの制御装置が、電子スイッチおよび／またはバッテリを充電する電源モジュールの機能を制御する。変型として、制御装置はマイクロプロセッサを備え、充電されているバッテリ・ブロックの少なくとも電圧および／または温度を測定し、測定データに基づき充電サイクルを制御することができる。さらに、マイクロプロセッサ付きの制御装置は、予め定義可能な充電特性に達すると充電サイクルが終了するようにプログラムすることができる。この変型実施例は、特に、バッテリの充電が自動的におよびユーザに制御可能な方法で制御できるという利点を備える。
【００１６】
本発明による方法に加え、本発明はこの方法を実行するためのシステムにも関連することを本明細書で述べておくべきである。さらに、本発明は電気自動車の充電式バッテリに限定されず、直列に接続される複数のバッテリブロックを有するバッテリについて、完全に全般的に関連する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
例を参照しつつ、本発明の変型実施例を以下説明する。実施例の例は、以下の添付図面によって示される。
図１に、発明を実現するのに用いることのできる構造を示す。この実施例では、バッテリを充電するバッテリ充電器が電源モジュール１０を有し、バッテリ３０が直列に接続された複数のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎを各ケースに有する。バッテリ３０は、たとえば鉛蓄電池（鉛−酸）、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル鉄蓄電池などのニッケル金属混合蓄電池、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）、プロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭ−ＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）などの燃料電池、スーパーキャパシタ（スーパーキャプス）および／またはウルトラキャパシタ（ウルトラキャプス）などであってもよい。
【００１８】
燃料電池をベースとするバッテリを用いる、たとえば自動車や電気自動車などのモバイル用途には、ＰＥＭ−ＦＣのような比較的運転温度の低いタイプの燃料電池が特に適している。しかし、本発明のバッテリ充電器は、複数のバッテリ・セルまたは互いに接続されたバッテリ・ブロックから成る充電式バッテリに全般的に関連する。電池３０の個々のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎは、スイッチ４０／４１を用いて、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電され、個々のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎが所定の充電状態に達するか、あるいは電源モジュール１０を介した給電が中断されるまで、充電サイクルが何度も繰り返される。定義可能な充電状態とは、充電が早過ぎる状態で中断できないという意味ではない。逆に、早すぎる状態での充電の中断の場合に、バッテリ３０の充電状態が単に異なって判断されると想定されるべきである。
【００１９】
バッテリ充電器では、切換を自動的におよび／または電子的におよび／または電子的に制御された方法で行うことができる。バッテリ・ブロックまたはそれぞれのバッテリ・セルごとの充電電流の導通と遮断との切換は、２つの電子スイッチ４０／４１を用いて達成できる。電子スイッチ４０／４１は、たとえば少なくとも１つのＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを含むことができる。それによってこのような変型実施例は、ＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタが簡単に入手しやすい、費用効率の比較的高い標準的なコンポーネントであるという利点を備える。
【００２０】
充電電流は、たとえば充電サイクルごとに３０〜３００秒の持続時間で、および／または充電サイクルごとに容量全体の２４０分の１〜１２分の１の容量で、バッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎに供給できる。ここに記載の実施例では、バッテリ３０は、たとえばそれぞれ１２Ｖのバッテリ・セル３１、３２、３３、…、３ｎを有する。充電電流はたとえば総計で０．５Ｃ以上に達し、充電時間は上記のように３０〜３００秒であった。充電電流は、たとえば公共電力供給網および／または太陽電池および／または化石燃料ベースの発電機などに接続される電源モジュール１０を介して供給することができる。電流の供給に応じて、電源モジュール１０はＡＣ／ＤＣコンバータを有することができる。充電プロセスは、たとえば、公共電力網への接続が中断される、またはバッテリが完全に充電されるまで続けられる。
【００２１】
電子的なおよび／または電子的に制御された切換は制御装置２０を用いて行われ、制御装置２０は１つ又はそれ以上のマイクロプロセッサおよび／または記憶モジュールを備えることができる。制御装置２０は電子スイッチ４０／４１および／または電源モジュール１０の機能を制御および監視する。したがって、たとえば、定義可能な充電特性に達すれば、制御装置２０を用いて充電サイクルを中止することができる。変型実施例では、制御装置が特に個々のバッテリ・ブロックおよび／またはバッテリの電圧および温度などの充電パラメータを、たとえば定期的に監視する。電圧調整は、望ましくはバッテリの温度に応じて行うことができる。電源モジュール１０、制御装置２０、スイッチ４０／４１間の電気接続には、たとえばリボン・ケーブルおよび／またはシングル・ケーブルを利用できる。測定信号の送信には、データバスが制御装置２０を、対応する測定装置に接続することができる。
【００２２】
図２に、本発明を実現するために用いることのできる構造を示す。本実施例は、図１による実施例と同じ特徴を備える。参照符号を含む図１の記載は、図２にも等しく適用される。図２に、実施例をより詳細に示す。充電器またはバッテリの充電方法の全般的な性質は限定されることなく、特に、電源モジュール１０、制御装置２０、スイッチ４０／４１の間の電気接続が、具体的に示されている。上述したように、電気接続はたとえばリボン・ケーブルおよび／またはシングル・ケーブルで達成できる。測定信号および／または制御信号の送信には、データバスが制御装置２０をそれぞれの測定装置またはそれぞれのスイッチ４０／４１に接続することができる。図２で、参照符号２１は測定線、すなわち制御装置２０と測定装置との接続を示し、それによって電圧および／または温度および／または詳細な充電状態のパラメータを測定する信号は、制御装置２０へ送信することができる。
【００２３】
充電状態のパラメータは、充電される電池の個々のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎで直接測定される。参照符号２２は制御線、すなわちスイッチ４０／４１を切り換える制御命令を送信するための接続を示す。図２では、スイッチ４０／４１は別々に示され、参照符号４０は陽極接続の遮断のための、たとえばＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタなどの電子スイッチであり、参照符号４１は負極接続の遮断のための、たとえばＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタなどの電子スイッチである。図１および２に示される電源モジュール１０は、たとえばＶＩＣＯＲ社（ＶＩＣＯＲ製品ユーザガイド（２０００）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｖｉｃｒ．ｃｏｍを参照）の一般的に入手可能なコンポーネントを用いて製造することができる。可能な具体例の１つは、たとえば、ＶＩ−２６１−ＣＵ−ＢＭ　ＤＣ−ＤＣコンバータ（２００Ｗで入力：３００ＶＤＣ、出力：１２ＶＤＣ、温度範囲：−２５℃〜８５℃）およびＶＩ−Ｂ６１−ＣＵ−ＢＭブースタ・モジュール（１５０Ｗで入力：３００ＶＤＣ、出力：１２ＶＤＣ、温度範囲：−２５℃〜８５℃）とともにＶＩ−ＡＲＭ−Ｃ１２入力モジュール（最大７５０Ｗで入力：９０〜２６４ＶＤＣ、温度範囲：−２５℃〜８５℃）を用いて実現されるだろう。
【００２４】
しかし、当該技術の熟練者にとって、電源モジュール１０の製造がこの設計とその他の設計の両方において既知であるのと同様に、上記電源モジュール１０が最新技術に属することを指摘しておくべきである。上記のＶＩＣＯＲコンポーネントは、たとえば放熱器として、人の接触から守る筐体付きで構成してもよい。適切な構成で、電源モジュール１０は、たとえば冷却ベンチレータによって、冷却なしですませるべきである。電源モジュール１０の出力電圧は、たとえば電子制御装置２０によって監視し、入力電圧Ｖｉｎによって調節することができる。充電電流は入力電流Ｉｉｎによって制御することができる。
【００２５】
本実施例では、制御装置２０は４つのモジュール：任意で２３０Ｖ検出（後述）を伴う、個々のバッテリ・ブロックの温度と電圧を測定するモジュール、マイクロプロセッサ、出力モジュール、およびドライバ・モジュールを有する。それらのモジュールは、たとえば金属製の筐体に収容され、接続はリボン・ケーブルで行うことができる。別の実施例では、接続はたとえばバスシステムを介して行うことができる。バッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎでの温度測定は、たとえば温度センサによって行うことができる。最新技術による可能性の１つは、Ｓｉｅｍｅｎｓ社の温度センサＫＴＹ−１０の使用であろう。本実施例では、これはマイクロプロセッサの電圧源を直接提供されるため、測定値がマイクロプロセッサに直接提供可能であるという利点を備える。
【００２６】
ポテンショメータを用い、温度はそれに応じて校正することができる。同様に、さらにバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎでの温度を測定することが可能である。個々のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎの電圧測定は、プリント回路基板リレーで行うことができる。これらは、それぞれのバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎが充電されると直ちに、マイクロプロセッサによってオンに切り換えられる。プリント回路基板リレーの供給は、たとえば１２Ｖで行うことができる。
【００２７】
バッテリ３０が電気自動車で用いられる場合、電気自動車の基板電圧を用いることができる。１つかそれ以上のマイクロプロセッサの起動は、光学カプラーおよび／またはトランジスタを介して行い、電気ロックによって２つのプリント回路基板リレーが同時に切り換えられるのを防止することができる。本実施例では、測定値がバッファ増幅器を介して少なくとも１つのマイクロプロセッサに供給される。バッファ増幅器に至る前に、バッテリ・ブロックの電圧は、その電圧の０．２９４倍に低減させられる。したがって、マイクロプロセッサでは、５Ｖの電圧がバッテリ・ブロック３１、３２、３３、…、３ｎでの１７Ｖの電圧に相当する。電圧は、たとえばポテンショメータを用いて校正できる。本実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータがバッファ増幅器の入力に電圧を供給する。バッファ増幅器の出力は、マイクロプロセッサのＤＣ／ＤＣコンバータからの電圧が供給される。上記の２３０Ｖ検出は、たとえば電気自動車に配置されるバッテリ充電器が、公共電力供給網などの電源に接続しているかどうかを判断するために利用することができる。光学カプラーＨＰ　ＨＣＰ３７００を用いて交流を整流し、マイクロプロセッサのためにデジタル信号を生成することができる。
【００２８】
マイクロプロセッサは、通常マザーボードまたはプリント回路基板上に設置される。供給はＤＣ／ＤＣコンバータと５Ｖレギュレータを介して行うことができる。プログラムをコンピュータに入れるため、一般的なプログラミング言語の１つを用いることができる。１つのバッテリ・ブロックから次のバッテリ・ブロックへの切換の電子制御の間、切換はマイクロプロセッサによって制御される。本実施例におけるバッテリ・ブロックの充電時間は、好ましくは３０〜３００秒である。しかし、原則上はその他の時間も考えられる。好ましくはこのプロセス間に、充電電流の大きさと、他のバッテリ・ブロックの充電間の冷却段階に伴うバッテリ・ブロックの加熱との関係を最適化すべきである。
【００２９】
電源モジュール１０の上記電圧Ｖｉｎは、アナログ出力を介して生成することができる。充電端子電圧は、たとえばポテンショメータによって校正することができる。本実施例における出力電流の制御は、２個のデジタル出力を用いて達成されている。それによって２つの異なる電流を、たとえばＩフェーズ間に制御することができる。本実施例では、充電プロセス間のＩフェーズとＵフェーズが区別されている。Ｉフェーズ間は、それぞれのバッテリ・ブロックが、たとえば３０Ａの一定電流で、少なくとも０．５Ｃに達するまで充電される。このフェーズでは、３個のバッテリ・ブロックを有するバッテリの充電のために、図３に示されるように、バッテリ・ブロックが異なる電圧をとることができる。図３の時間軸ｔは分単位で時間を示す。一方、Ｕフェーズ間は、一定電圧で充電が行われる。それによって、現在バッテリ・ブロックは異なる電流を有する。同じく３個のバッテリ・ブロックを有するバッテリに関して、図４にＵフェーズが示される。図４でも、時間軸ｔは分単位で時間を示す。示される図では、たとえば、第３のバッテリ・ブロックの充電電流は、バッテリ・ブロック１および２の充電電流よりも明らかに高い。
【００３０】
この構造によって、ここに記載の実施例は、最新技術よりも高い充電電流が、バッテリの充電に使用できるという利点を備える。それによって、充電終了状態もより正確に判断することができる。もう１つの利点は、比較的低い充電電流でも、充電サイクルを短縮できることである。バッテリの充電が早期に中断される場合に、複数回順番に充電することによって、個々のバッテリ・ブロックが予め定義可能な最大充電差を越えない、すなわち、早期の充電終了でもバッテリ・ブロックがほぼ同じ充電状態にあるように確保することができる。さらに、本実施例は、電源モジュールを１つのバッテリ・ブロック用に設計するだけでよいという利点を備える。したがって、電源モジュールの製造コストを低減することができる。それぞれのバッテリ・ブロックは個別に充電されるため、個々のバッテリ・ブロックの電圧と温度を正確に監視し、維持することができる。
【００３１】
充電サイクルの一時停止の間、バッテリ・ブロックを冷却することができる。さらなる利点として、上記の特徴と利点は、充電サイクルの数を増加し、バッテリの寿命を延ばす結果となる。それによって、バッテリの過熱や充電電流の低下などの最新技術の欠点を回避することができる。図５に、充電電流がバッテリ全体に印加される、従来の充電方法による充電後、充電サイクルを通じて損傷を負ったテスト・バッテリ（ＨＡＷＫＥＲ　ＧＥＮＥＳＩＳ３７　Ａｈ）の陽極を示す。テスト・バッテリの陽極は、グリッドの上部がひどく腐食している。この保守不要のバッテリのマイクロファイバーガラス・セパレータは比較的乾燥しており、そのことから、上記の最新技術の欠点が、多すぎる水のロスを招き、バッテリの腐食を促進してきたという結論を下すことができる。
【００３２】
本実施例では、マイクロプロセッサの出力信号が、位置的に分離されたドライバ・モジュールに中継される。電気自動車に関しては、たとえば、そのために備えられるリレーの閉鎖によってバッテリ充電器が作動するとすぐに、車両の駆動の制御を遮断することができる。このようにして、電気自動車が充電プラグを用いて公共電源網にまだ接続されている間、ドライバが車を走らせないように確保することができる。充電プロセスの終了を示すため、たとえばＮＰＮ小型信号トランジスタを使用することができる。このトランジスタは、充電が終了するとすぐに導通状態になり、それによって、外部信号を生成する。本実施例によって、それは表示されるバッテリ充電器の様々な動作状態に対して意味を成す。このようなバッテリ状態の例としては、バッテリ充電器が作動中に警告温度に達し（バッテリまたはバッテリ・ブロックが個々に高温すぎる）、充電サイクルまたは充電プロセスが終了する。
【００３３】
充電電流の最大値は、たとえばＩｉｎを介してリレーを用いて調節することができる。さらに、第２の充電電流が実施例において必要である場合、第２の充電電流もポテンショメータを用いて制御することができる。したがって、必要に応じて、第２のＩフェーズを生成できる。バッテリ・ブロックをオンにするためのプリント回路基板リレーは、たとえばドライバ・モジュールに組み込むことができる。それによって、それぞれのバッテリ・ブロックに対して、１個のリレーを陽極で切換スイッチ４０の制御のために、１個のリレーを負極で切換スイッチ４１の制御のために使用することができる。陽極および負極のために必要な制御電圧は、たとえばＤＣ／ＤＣコンバータによって生成することができる。
【００３４】
本実施例における電子スイッチ４０／４１には、ＦＥＴ−ＭＯＳ−ＦＥＴ（原文のままＭＯＳ−ＦＥＴ）トランジスタが使用される。このことは特に、電子スイッチの費用効率の高い設計にＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタが含まれ、その中で市場で入手可能な標準的な最新技術の構成要素が使用されるという利点を備える。しかし、スイッチ４０／４１には他の設計も考えられる。よって、たとえば、ＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタの代わりに、充電電流の切換を実現するため、他のいかなる半導体またはリレーをも使用することができる。ＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタは逆ダイオードも有するため、別の方法では個々のバッテリ・ブロックの位置的分離が確保できないので、１つのダイオードで効果を分断しなければならない。本実施例では、温度超過の場合に自動的にスイッチをオフにする温度ＦＥＴトランジスタが使用された。したがって、トランジスタが過熱しても、トランジスタの故障を招く可能性はない。制御信号の送信は、たとえばケーブルまたはデータバスを介して行うことができる。
【００３５】
バッテリごとのバッテリ・ブロックまたはバッテリ・セルの数は、上記バッテリを充電するための、本発明の装置によって限定されないと指摘することが重要である。したがって、多数のバッテリ・ブロックの場合、複数の充電器を並列して使用することが考えられる。それによって、本発明による方法と本発明による装置は、要望どおり、拡張可能で、拡大縮小可能で、任意のニーズに合わせて適合可能である。この利点自体、最新技術に発見することはできない。同様に、本実施例の詳細な説明にもかかわらず、明細書とクレームに開示される発明の主題は、示される技術的詳細によって多少なりとも制限されるものとはみなされないことをここに述べておくべきである。これに反して、本発明による主題は、互いに接続される１個かそれ以上のバッテリ・ブロックまたはバッテリ・セルを有するバッテリを充電するためのバッテリ充電器およびその方法に、完全に全般的に関係する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、複数のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、．．．、３ｎを有するバッテリ３０を充電するための、本発明による変型実施例のバッテリ充電器の構造を概略的に示すブロック図である。
【図２】
図２は、図１よりも詳細に、複数のバッテリ・ブロック３１、３２、３３、．．．、３ｎを有するバッテリ３０を充電するための、本発明による変型実施例のバッテリ充電器の構造を概略的に示す同様のブロック図である。
【図３】
図３は、充電中の個々のバッテリ・ブロックの電圧過程を概略的に示す測定図である。Ｉフェーズでは、一定電流が充電に用いられる。この充電フェーズの間、バッテリ・ブロックは同図に示されるように、異なる電圧をとることができる。
【図４】
図４は、充電中の個々のバッテリ・ブロックの電圧過程を概略的に示す測定図である。Ｕフェーズでは、電圧が固定値に設定される。この充電フェーズの間、バッテリ・ブロックは同図に示されるように、異なる電流をとることができる。
【図５】
図５は、寿命試験後の試験バッテリの陽極を示す。陽極はグリッド上部が激しく腐食しており、それは明らかに水のロスによって増大したものである。
【符号の説明】
１０　　電源モジュール
２０　　制御装置
３０　　バッテリ
３１、３２、３３、…、３ｎ　バッテリ・ブロック
４０／４１　スイッチ
【図１】
2004513600.tif 000003
【図２】
2004513600.tif 000004
【図３】
2004513600.tif 000005
【図４】
2004513600.tif 000006
【図５】
2004513600.tif 000007
【国際公開パンフレット】
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2004513600.tif 000009
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【手続補正書】
【提出日】平成14年5月28日(2002.5.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源モジュール（１０）を用いてバッテリを充電する方法であって、バッテリ（３０）は、直列に接続された複数のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）を有し、
Ｉフェーズにおいて、予め定義された電圧および／または温度に達するまで、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）が、一定の充電電流および可変の電圧で、定義可能な期間の間に、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電され、
Ｕフェーズにおいて、予め定義された電圧および／または温度に達した後、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）が、一定の電圧および可変の電流で、定義可能な期間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電され、
個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）が定義可能な充電状態および／または温度に達するまで、あるいは電源モジュール（１０）による給電が中止されるまで、充電サイクルが何回でも繰り返されることを特徴とする方法。
【請求項２】
充電サイクルの間に、１個のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）から次のバッテリ・ブロックへの充電切換が自動的に行われることを特徴とする請求項１に記載のバッテリの充電方法。
【請求項３】
充電サイクルの間に、１個のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）から次のバッテリ・ブロックへの充電切換が電子的に行われることを特徴とする請求項２に記載のバッテリの充電方法。
【請求項４】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、３０〜３００秒間行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項５】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、容量全体の２４０分の１〜１２分の１に相当することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項６】
バッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）ごとに、充電電流が２個の電子スイッチ（４０／４１）を用いて導通と遮断とを切り換えられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項７】
電子スイッチ（４０／４１）が、少なくとも１つのＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを有することを特徴とする請求項６に記載のバッテリの充電方法。
【請求項８】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、電子スイッチ（４０／４１）および／または電源モジュール（１０）の機能を制御することを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項９】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、予め定義可能な充電特性を取得した時に充電サイクルが終了するようにプログラムされることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のバッテリの充電方法。
【請求項１０】
直列に接続された複数のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）を有するバッテリを充電するバッテリ充電器であって、バッテリ充電器は電源モジュール（１０）を有し、
バッテリ充電器は、Ｉフェーズにおいて、予め定義された電圧および／または温度に達するまで、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）を、一定の充電電流および可変の電圧で、定義可能な期間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電できる手段を有し、
バッテリ充電器は、Ｕフェーズにおいて、予め定義された電圧および／または温度に達した後、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）を、一定の電圧および可変の電流で、定義可能な期間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電できる手段を有して、
バッテリ充電器が制御装置（２０）を有し、その制御装置を用いて、個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、．．．、３ｎ）が定義可能な充電状態および／または温度に達するまで、充電サイクルが何回でも繰り返されるようにプログラムできることを特徴とするバッテリ充電器。
【請求項１１】
バッテリ充電器が自動切換スイッチを有し、その自動切換スイッチを用いて、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電可能および／または再充電可能であることを特徴とする請求項１１に記載のバッテリ充電器。
【請求項１２】
バッテリ充電器が電子切換スイッチを有し、その電子切換スイッチを用いて、バッテリ（３０）の個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）が、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電可能および／または再充電可能であることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ充電器。
【請求項１３】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、３０〜３００秒間行われることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１４】
充電サイクルごとの個々のバッテリ・ブロック（３１、３２、３３、…、３ｎ）の充電が、容量全体の２４０分の１〜１２分の１に相当することを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１５】
バッテリ・ブロックごとに、充電電流が２個の電子スイッチ（４０／４１）を用いて導通と遮断とを切り換えられることを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１６】
電子スイッチ（４０／４１）が、少なくとも１つのＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを有することを特徴とする請求項１６に記載のバッテリ充電器。
【請求項１７】
バッテリ充電器の制御装置（２０）が、電子スイッチ（４０／４１）および／または電源モジュール（１０）の機能を制御するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする請求項１６または１７のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【請求項１８】
マイクロプロセッサを備える制御装置（２０）が、予め定義可能な充電特性を取得した時に充電サイクルが終了するようにプログラムできることを特徴とする請求項１１ないし１９のいずれかに記載のバッテリ充電器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
科学文献では（たとえば、Ｐａｖｌｏｖ Ｄ．、Ｐｅｔｋｏｖａ Ｇ．、Ｄｉｍｉｔｒｏｖ Ｍ．、Ｓｈｉｏｍｉ Ｍ．、Ｔｓｕｂｏｔａ Ｍ．「急速充電が陽極鉛蓄電池プレートの寿命に及ぼす影響」、ジャーナル・オブ・パワー・ソース８７　２０００、３９〜５６ページを参照）、特定のバッテリの場合、高充電電流の使用によってサイクルオペレーションにおける寿命が向上することが長年にわたり知られている。このことは、我々がＨＴＡビール−ビエンヌ（Ｈｏｃｈｓｃｈｕｌｅ　ｆｕｒ　Ｔｅｃｈｎｉｋ　ｕｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｋｔｕｒ　Ｂｉｅｌ−Ｂｉｅｎｎｅ）（ビール−ビエンヌ技術建築大学）の試験装置で行った実験で確認できた（これに関しては、Ｍｉｅｉｒ−Ｅｎｇｅｌ、Ｋａｒｌ、ＶＥＢＩＬＡ「Ｖｅｒｂｅｓｓｅｒｕｎｇ　ｄｅｒ　Ｌｅｂｅｎｓｄａｕｅｒ　ｖｏｎ　Ｂａｔｔｅｒｉｅｎ　ｍｉｔ　ｅｉｎｅｍ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｎ　Ｌａｄｅｇｅｒａｔ；（インテリジェント充電器を用いたバッテリ寿命の向上）」、ＨＴＡビール−ビエンヌ自動車機械学科の２０００年度年次報告を参照されたい）。とりわけ、充電器のコストが電力上昇とともに急上昇するという理由から、充電に高充電電圧を使用する利点を利用できない場合が多い。
Ｃｕｒｔｉｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｉｎｃ．の国際特許公報ＷＯ９８／０４０２５号は、上記の欠点の解決法を示すことを目的として、複数のバッテリ・ブロックを有するバッテリの充電方法を開示している。よってバッテリの充電中、個々のバッテリ・ブロックは、１個ずつ順番に充電され、従来の充電方法で用いられていたよりも高い充電電流（高率充電）が用いられる。しかし、この方法は、高電流を用いて個々のバッテリ・ブロックでどのようにして電圧を制御できるのか、開示していない。バッテリの長い寿命の決め手となるのはまさにこの点であるが、一方、とりわけ、こうした方法をうまく適用可能にするための決め手ともなる。前述のように、高く、制御されない電圧値または各々の充電状態は、水素と酸素の生産量を増加させる。とりわけ保守不用のバッテリでは、これは水のロスと電解質の分解を招く。それはグリッド腐食をおおいに増加させる。この影響はセルの寿命の短縮など、初期故障に結びつく。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【課題を解決するための手段】
特にこれらの目的は、複数のバッテリ・ブロックを有するバッテリまたはそれぞれのバッテリ・セルが電源モジュールを用いて充電され、Ｉフェーズにおいて、予め定義された電圧および／または温度に達するまで、バッテリの個々のバッテリ・ブロックが充電サイクルごとに１回、定義可能な時間の間、一定の充電電流および可変の電圧で、１個ずつ順番に充電され、Ｕフェーズにおいて、予め定義された電圧および／または温度に達した後、バッテリの個々のバッテリ・ブロックが、一定の電圧および可変の電流で、定義可能な時間の間、充電サイクルごとに１回、１個ずつ順番に充電され、個々のバッテリ・ブロックが所定の充電状態および／または温度に達するか、あるいは電源モジュールを介した給電が中断されるまで、充電サイクルが何度も繰り返されるという発明によって達成される。この変型実施例は、特に、バッテリを充電するのに、最新技術よりも高い充電電流を用いることができるという利点を備える。




【国際調査報告】
2004513600.tif 000033
2004513600.tif 000034
2004513600.tif 000035
2004513600.tif 000036