(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリをパルス充電する回路構成であって、
所定のインダクタンスと出力端子のペアとを有する交流電源と、
交流端子と、充電すべきバッテリが接続される直流端子と、を有する整流器と、を備える、バッテリをパルス充電する回路構成において、
キャパシタと半導体スイッチとの並列構成をそれぞれが備えるペアのブリッジブランチであって、両方のブランチにおける前記半導体スイッチが関連する端子に対して同じ電極で接続されるよう、交流電源の前記出力端子と前記整流器の交流端子との間にそれぞれ接続されるブリッジブランチ、を備えることを特徴とする、バッテリをパルス充電する回路構成。
【請求項２】
前記整流器は全波整流器である請求項１に記載の回路構成。
【請求項３】
前記交流電源は、１次巻線および２次巻線を有する変圧器を備え、前記出力端子は、前記２次巻線の端子によって構成され、前記インダクタンスは、前記変圧器の２次巻線によって主として構成される請求項１に記載の回路構成。
【請求項４】
フィルタ回路を形成するＬＣ要素をさらに備える請求項１に記載の回路構成。
【請求項５】
交流電源に直列に接続され、交流の各フル期間から部分的な範囲のみ通すように制御されたパワーコントローラを備え、この部分領域のサイズは、アングル単位で表したときにフローイングアングルであり、前記パワーコントローラは、フローイングアングルを変更し、所定の限界内で前記バッテリに対する充電パワーを変更するよう対応する請求項１に記載の回路構成。
【請求項６】
少なくとも１つのさらなるキャパシタおよびスイッチを備え、それによって前記さらなるキャパシタは、前記ブリッジブランチの１つにおいてキャパシタに並列に接続することができる請求項１に記載の回路構成。
【請求項７】
前記ブリッジブランチにおける前記キャパシタのキャパシタンス値との相違は、多くて２００％までである請求項６に記載の回路構成。
【請求項８】
前記変圧器は、スイッチによってその少なくとも１つが選択可能である複数のタップポイントを有する巻線を有して、前記充電パワーの特性を調節する請求項３に記載の回路構成。
【請求項９】
同一の電圧に実質的に合わされた複数ペアのブリッジブランチを備え、該ペアは、充電パワーを調節するために並列に接続することができる請求項１に記載の回路構成。
【請求項１０】
前記半導体スイッチはダイオードである請求項１に記載の回路構成。
【請求項１１】
前記交流電源は、調節可能な周波数を有する請求項１に記載の回路構成。
【請求項１２】
請求項１に記載の回路構成によって生成された周期的な直流パルスによってバッテリをパルス充電する方法であって、各充電パルスは、増加セクションとそれに続く減少セクションとからなる方法において、
各充電パルスの前記増加セクションにおいては、前記回路構成のリアクティブ要素に格納されたエネルギーを印加することによって、各前記増加セクションは、前記増加セクションの最初に最高の増加率を有し、その後、前記増加セクションの終端まで増加率が連続的に減少し、
各充電パルスの前記減少セクションにおいては、前記リアクティブ要素によってエネルギーが取り除かれることによって、各前記減少セクションは、前記減少セクションの最初に最高の減少率を有し、その後、前記減少セクションの終端まで減少率が連続的に減少する、バッテリをパルス充電する方法。
【請求項１３】
急峻な変化は、このような程度までに少なくとも修正され、周期的に繰り返される生成された充電電流の微分係数は、ゼロもしくは、当該周期のそれぞれの２倍のゼロ近傍の値をとり、その後、その符号が変化し、急峻なジャンプを有する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
実際の充電の前に所与のタイプのバッテリが試験されて、これら充電電圧および電流の、バッテリに危害をもたらすことのない限界値が決定されるステップと、実際の充電プロセス中は、実際の電流および電圧値がこれら限界値内に維持されるステップと、を備える請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、全種類のバッテリに実用的に使うことができるバッテリの脈動充電（ｐｕｌｓａｔｅｄ  ｃｈａｒｇｉｎｇ）のための回路構成および方法に関する。
バッテリを充電するのに、特に安い充電回路を使う場合は、交流電源電圧を整流した直流電圧が使われるが、この直流電圧は平滑ではなく、すなわち充電電流は整流電圧の脈動に従う。脈動電流で充電することは不利であることが知られており、充電プロセス中に限界値があるとき、実際に使われるバッテリはそれを超えられないという特徴がある。変動し脈動する電流での充電の特性は、平滑直流電流での充電の特性と顕著に異なるというわけではない。この特性は、例えばバッテリのサイクル寿命である。これは充放電サイクル数に対応するものであり、その範囲内ではバッテリ容量が初期容量の所定の割合（例えば６０％まで）以下まで減少しない。別の重要な特徴は、アンペアアワー単位で表される性能は、初めは高くサイクル数とともに減少するということである。蓄積能力は、フルのサイクル寿命中にバッテリによって伝達されるエネルギー全体の範囲を越えない。上述のバッテリの特徴に加えて、バッテリはフル充電状態を得るのに必要な時間、充放電プロセス中の温度上昇、バッテリから得ることができる電流のピーク値、さらには、メモリ効果の出現、そして突発的な短絡の可能性、によって特徴付けられる。
上記で列挙した個々の特性を改善しようとすると、他のパラメータのうちの１つもしくはそれより多くのものを悪くすることが避けられないということは、一般的に受け入れられる経験である。充電時間が減少すると、一般にサイクル寿命が減少し、信頼性が減少し、バッテリ性能を活用することもできない。
従来のバッテリ充電回路では、充電電流を生成する回路部は非常に似通っており、これらはライン変圧器の２次巻線に接続された全波整流器を備え、整流器の直流部分はバッテリ端子に接続されている。このような充電器で使用される電子回路は、充電プロセス中のバッテリのパラメータを監視するメインタスクを有しており、これに基づいて充電の終了時期が判定される。脈動電流で充電する場合、電源の内部抵抗が非常に低い場合問題が起こりやすい。これは、このような場合は、ほぼ一定のバッテリ電圧と充電電圧のピークとの間の相違が、バッテリが耐えることができないような非常に高い充電電流ピークにつながるかもしれないから、あるいは、充電電流の最適値を調節するのが非常に難しいからである。充電プロセス中、バッテリ電圧が増加し充電パラメータがそれに従って調節できなくなるという事実がこの問題をより困難にしている。この問題はまれに生じるものであり、なぜなら毎日の習慣で使われる電源が必要以上に高い内部抵抗値を有しており、この高い内部抵抗が高い充電電流ピーク値の形成を妨げるからである。この特性は、上記問題を抑制するという面からは好ましいものであるが、しかし同時に、バッテリは理想的な充電を得るのに一方で必要な電流および電圧値によっては充電されないので不利であるといえる。このことは、充電時間が長くなったり、メモリ効果が出現したり、寿命が減少したり、それゆえ、バッテリデザインで理論的に決定される値と比較してバッテリパラメータの値が好ましくなかったりということによって、明らかとなろう。
米国特許第４８７８００７号では、ニッケルカドミウムバッテリのパルス充電が提案されているが、ここではそれぞれ短い放電セクションが連続する充電パルス間に挿入される。この充電方法は、バッテリの内部化学プロセスの活性化をもたらし、その結果メモリ効果が減少し、さらに、既に性能が減少しているバッテリを再生することができる。実際のところ、提案された充電方法は、利用可能な充電方法よりもずっと良いものであるということが証明されているわけではない。なぜなら、急峻な充電パルスの使用は、バッテリの寿命を減少させ、さらには所望の充放電サイクルを実現することが困難であるからである。
もし従来の方法に比較してバッテリの充電を実質的に改良することを望むのであれば、もしこの目的を多少なりとも達成できるのであれば、バッテリに起こるプロセスは、より注意深く研究すべきである。なぜなら、この研究に基づいて、より良いパラメータを得るための手方を示す結論を導き出すことができるかもしれないからである。
Ｈｅｖｅｓｉ博士、Ｉｍｒｅの著書、「Ｅｌｅｋｔｒｏｍｏｓｓａｇｔａｎ（英訳ではＴｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ：電気理論）」（Ｎｅｍｚｅｔｉ  Ｔａｎｋｏｎｙｖｋｉａｄｏにより出版、ブダペスト、１９９８、４２８〜４２９ページ）には、電解液中のイオンの動きについて記述されている。イオンは、電圧が印加されてから安定するまで有限の移動速度を有し、そしてこの速度は、確立された領域の強度に正比例するということが述べられている。この速度は、イオンの充電と、イオンの動きに抵抗する摩擦係数αとにも依存する。
本発明の主たる目的は、より好ましい充電状態を提供できる方法およびこの方法を実現する回路構成を提供することにあり、この結果、バッテリパラメータは従来の充電方法に比較して著しく改善されるであろう。
この目的を達成するために、上記で引用した文献に基づいて、電極の近傍での化学反応は、もう一方からのイオンがまだ到着しておらず、これらの存在がこの電極領域で発生するプロセスを邪魔することができないときに最もよく起こるということが想定される。この状態は、電界を確立する初期期間において、電極領域におけるイオンの平衡状態の形成が、短期間禁止されるときによく広がるものである。
この目的のために、この想定に基づいて、提供される回路構成は、
所定のインダクタンスを有する交流電源と、
キャパシタと、好適にはダイオードもしくはサイリスタである半導体スイッチ要素と、の並列構成をそれぞれが備えるペアのブリッジブランチであって、このブリッジには、電源の端子のそれぞれ１つが接続されることによって、両方のブランチの半導体素子が端子の関連する１つに同じ電極が接続されるブリッジブランチと、
ブリッジブランチの自由端が接続された交流端子と、充電すべきバッテリが接続される直流端子と、を有する整流器と、を備える。
この回路構成はとても単純なデザインではあるが、所望の充電状態を提供することができる。
好適な実施例では、整流器は全波整流器で構成される。
この回路構成では、交流電源は、変圧器を介してブリッジブランチに結合され、インダクタンスは、変圧器の２次巻線によって構築される。
出力パルスを修正するために、回路構成は、フィルタ回路として構成されるＬＣ要素をさらに備えてもよい。
別の好適な実施例は、充電パワーを調節するために、交流電源に直列に接続され、交流の各フル期間から部分的な範囲のみ通すように制御されたパワーコントローラを備え、この部分領域のサイズは、アングル単位で表したときにフローイングアングル（ｆｌｏｗｉｎｇ  ａｎｇｌｅ）であり、パワーコントローラは、フローイングアングルを変更し、所定の限界内でバッテリに対する充電パワーを変更するよう対応する。
充電パワーを制御する別の手法によれば、回路構成は少なくとも１つのキャパシタおよびスイッチをさらに備え、それによってさらなるキャパシタは、前述のブリッジブランチの１つにおいてキャパシタに並列に接続することができる。
もしブリッジブランチにおけるキャパシタのキャパシタンス値が２００％までも互いに違わないのであるならば好適である。
変圧器を使う場合、この変圧器がスイッチによってその少なくとも１つが選択可能である複数のタップポイントを有する巻線を有するならば、パワーを調節することができる。
充電パワーを調節する別の手法によれば、回路構成は、同一の電圧に実質的に合わされた複数ペアのブリッジブランチを備え、このペアは並列に接続することができる。
本発明のさらなる態様によれば、交流電源を使うことによってバッテリをパルス充電する方法が提供される。この方法は、リアクティブ要素に格納されたエネルギーを印加することによって充電パルスの増加部分を修正し、電源の増加率に比例したより大きな程度まで、これらの部分を増加させるステップと、電源の減少率に比例してより急速にパルスの減少部分を減少させるために増加部分を修正するステップと、によって特徴付けられる。
この場合、急峻な変化は、このような程度までに少なくとも修正され、周期的に繰り返される生成された充電電流の微分係数（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｑｕｏｔｉｅｎｔ）は、ゼロもしくは、当該周期のそれぞれの２倍のゼロ近傍の値をとり、その後、その符号が変化し、相当に急峻なジャンプを有する。
最適な充電パラメータを決定するため、実際の充電の前に所与のタイプのバッテリが試験されて、これら充電電圧および電流の、バッテリに危害をもたらすことのない限界値が決定されるならば好適であり、実際の充電プロセス中は、実際の電流および電圧値がこれら限界値内に維持される。
本発明による解決策は、もし充電パラメータが特定のバッテリのタイプの特性に従って調節されるならば、単純な回路で現在使われているバッテリの全タイプのパラメータを実質的に改善する。
本発明は、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例に関連して説明される。
図１の回路は、ライン変圧器Ｔｒの２次巻線に結合されたダイオードＤ１およびＤ２のペアと、このダイオードに並列に接続され、高品質かつ高キャパシタンスの電界コンデンサ（１００から２００μＦ）によって実現されるキャパシタＣ１およびＣ２と、を示す。回路の出力端子１および２は、図１ｂに示されるＧｒａｅｔｚ回路に構成され、充電すべきバッテリＢに接続される直流端子を有する全波整流器Ｇｒに通常どおり接続される。この回路の動作を知ることは、本発明の回路構成を理解するのに必要不可欠の役割を有している。図１ａは、出力端子１と２とが短絡したときの状況を示している。この場合、変圧器Ｔｒの２次巻線を直流が流れることができないことが一見してわかる。なぜなら、ダイオードＤ１およびＤ２は、互いに逆向きに接続され、これらのうちの１つが常にオフ状態にあるからである。キャパシタは、ＤＣの観点から言えばオープン回路を表している。このことから言えば、この基本回路において、整流器Ｇｒを介して出力端子１および２に結合されたバッテリＢの偶然短絡した回路でさえ、フルにリアクティブ負荷を負荷とする変圧器Ｔｒを害することはないことになる。
実際の使用では、図１の基本回路は、電圧ＵＢを有するバッテリＢとともに図１ｂに示される整流器によって補助される。変圧器Ｔｒの２次巻線において、正弦波交流電圧の実効電圧ＵＳは、電圧ＵＢと等しいかもしくはわずかに（約２０〜３０％だけ）高く、したがって、交流電圧のピークは、少なくとも４０％だけ高くなるであろう。もし初期状態が回路がエネルギーを格納していないときに試験されるならば、キャパシタＣ１およびＣ２は充電されない。もし電圧がゼロクロスで切り換えられるならば、そのときは初めは電流は流れず、この状態は、電圧Ｕ０の瞬時値がＵ０＝ＵＢ＋３ＵＤのしきい値に達するまで真であろう。ここでＵＤはダイオードの順方向電圧を示し、シリコンタイプのダイオードの場合一般的には０．６Ｖである。電流は、整流器Ｇｒの２つのダイオードを流れ、電流の流れの瞬間的な方向に等しい順方向を有するダイオードＤ１およびＤ２のうちの１つを流れる。ここで、これが初めはダイオードＤ２であると想定する。
上記の状態が満たされた後、交流はキャパシタＣ１の充電を開始し、そしてその充電電流はバッテリＢを充電する。キャパシタＣ１が大容量であり、かつ、バッテリＢの電圧が一定であり非常に低い内部抵抗を有するという観点から言えば、さらにキャパシタＣ１の２つのアームの電位差は増加し、電流は、急峻な増加で流れ始め、そしてキャパシタＣ１は充電されるであろう。交流電圧がピーク値に達したとき、キャパシタＣ１上の電圧は、ピーク値と上記のしきい値との差に等しくなるであろう。今、電流が減少し始めるが流れはストップしないであろう。なぜなら、２次巻線のインダクタンスは、高電流のために値Ｉ２Ｌに励起され、このエネルギーは、キャパシタＣ１の電圧をさらに増加させるからである。交流電圧が減少している間は、合計Ｕ０＋ＵＣ１に達し、このとき、電流の流れはストップし、キャパシタＣ１は、その電圧を維持する。のちに交流電圧はその符号が変化するが、バッテリＢを流れる電流は、全波整流されるために、逆転が回路の交流側で生じるにもかかわらず、充電方向を維持するであろう。キャパシタＣ２もまた充電され、しきい値の計算では電圧ＵＣ２も考慮されるので、この関係はより複雑なものとなろう。何周期か続くと平衡状態に達し、２つのキャパシタの電圧は、周期的かつ急峻に変化し、電流ＩＢは両方の半周期で突然増加し、その後、その増加はスローダウンして最大値の漸近に達し、最大値の後は、突然減少してその現象はスローダウンし、値ゼロに達する。図２の時間図で観測されるように、下方より見ると、増加セクションは凸状であり、減少セクションは凹状である。ここで、図ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅは値Ｕ１−２、ＵＣ１、ＵＣ２、ＩＣＨおよびｄＩ／ｄｔをそれぞれ示している。電流の変化は、図２ｅ上に示される微分係数の形でよく例示されており、充電動作の第２の微分係数となっている。この微分係数は、電流曲線の各漸近セクションの終端でその符号が変化し、その後は突然ジャンプする。この電流曲線の形状は、減少セクションによって示された急激な充電のフロントは、より急峻な減少セクションが続くので、バッテリの充電に著しく重要である。バッテリ電極における化学反応は、イオンの動きの初期部分においてのみ最適な環境の下で起こると既に想定したが、このことは急激な充放電電流を使うことが必要である。図示された単純な回路は、電流の変化は、急峻な坂であり、ここでは、変化（電流の第１の微分）の第２の微分係数が周期的に値ゼロとなり、そして突然ジャンプして符号が変わることが確実である。この特性は、おそらく本発明の最も重要な利点をもたらす。なぜなら、バッテリに生じる電気化学プロセスに対して理想的な環境を作り出すからである。
ここで述べたプロセスでは、バッテリの充電電流の重要な変化は、２次巻線のインダクタンスとキャパシタＣ１およびＣ２のキャパシタンスとの存在の影響が合わさっている。このプロセスは、バッテリの電圧に対して非常に敏感である。初めに、バッテリの電圧がまだ低いとき、交流電圧のピークとバッテリ電圧のピークとの差は高く、この差が、平方パワー関数（ｓｑｕａｒｅ  ｐｏｗｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）に従って２次巻線にエネルギーを格納する大電流を流し、このエネルギーは、静止の観点に従ってプロセスが終端をもつべきときプロセスは次に進む。充電プロセス中、バッテリ電圧は増加し、そしてこの差が小さくなり、この結果、電流は、その形状が維持されているにもかかわらず、次第に小さな振幅となる。これは図３のダイヤグラムに例示されているが、互いに常に高いバッテリ電圧で、電流の形状を示している。電流のフローイングアングルおよび、伝送変化量（曲線の下のエリアによって決定される）は、バッテリ電圧の増加に伴い急激に減少するであろう。この現象は非常に好ましい。なぜなら、部分的にもしくはほぼフルに充電されるバッテリは、充電プロセスの初めにおけるよりも実質的により低い充電電流を必要とするからである。しかし、電流の時間曲線は、プロセス全体を通じてその形状が維持されるであろう。
本発明は交流電圧の周波数に対しては敏感ではない点が実際的な利点であるが、５０もしくは６０Ｈｚの周波数を有する電源電圧は利用できないのはないが、しかしこれはもっと高い（乗り物の発電機の場合のように）ような適用の場合、それは動作したままであり、変化の急峻さはもっと高いものとなろう。この場合、それに加えて直列に接続された巻線のキャパシタおよびインダクタンスは、高い周波数に従って合わせられるであろう。
さらなる実質的な利点は、回路の単純さにある。なぜならば、非常に高い電流の流れる充電のメイン回路においては、電流波形のどのような従来の調節も困難なものであり、大型で高価な構成部品を使う必要があるだろうからである。
本発明による基本回路の場合、充電電流の波形を調整する数多くのやり方があり、また、充電パラメータ（充電電圧や充電電流など）を変更する数多くのやり方がある。以下にいつくかの例を示す。
図４においては、１つのブランチにスイッチＳが使われてキャパシタＣ３とそれに直列のインダクタンスＬ１とが挿入されている点で図１の回路とは異なる。スイッチＳを閉じることによって、より高い電流がより急激に変化に達することができる。スイッチＳが閉じられると、充電電流および充電電流の両方が変化する。
図５の回路では、変圧器Ｔｒの２次巻線は複数のタップポイントを有し、調節が、巻線の最も適当なサイズを選択することでなされる。この回路は、充電電流が実質的に同じのままであり、電圧の調節が必要であるならば主として好適である。
図６の回路では、同一の電圧および位相を有する複数の２次巻線を有する複数の独立した変圧器もしくは単一の大型変圧器が使われる。例示された３つの２次巻線の各１つには、図１に記述されたようなダイオードおよびキャパシタを有するブリッジブランチのうちの１つがそれぞれ接続される。２つの他の同類の回路は、サイリスタＴｈ１〜Ｔｈ４が適当な瞬間に点呼されたとき、負荷を接続することができる。変圧器の一方のブリッジブランチは共通であり、他方のブランチはそれ自身が制御されるサイリスタによって構成される。この回路構成によって、一定の充電電流を維持することによって電流値を変化することができる。
さらなる可能性が図７に示されており、ここでは、変圧器Ｔｒの１次巻線がパワー制御ユニットＳＫを介して接続されている。このユニットは、我々のＨＵ特許第２１０７２５号によって好適に実現されるが、これは、交流電源電圧からフローイングアングルの範囲に対応するセクションだけ通過するスイッチおよびパワー制御ユニットに関する。所与の範囲で、フローイングアングルは連続的に増加もしくは減少し、あるいは、その設定にしたがってフローイングアングルは一定値を取ることもできる。フローイングアングルの変更は、充電エネルギーの実効値を変更する。この制御ユニットによってとても細かい調節を得ることができる。
整流器の前に介在する上述の調節によって、充電のメインパラメータを調節するやり方が作られる。充電電流パルスの形状を調節することによって、あらゆるバッテリタイプについて、最も適切な充電状態が調節できる。充電についてのいくつかの例として、電流パルスの形状が示される。
図８は、整流器Ｇｒの出力と充電すべきバッテリＢとの間に接続されるローパスフィルタとして構成されたＬＣフィルタを示しており、これは、急峻なセクションをフラットにし、電流パルスの減少セクションの急峻さを低減するのに使うことができる。
変圧器と高キャパシタンスを有するキャパシタとを備える図９に示される回路は、同様なものであるがより表情豊かな影響を有する。
本発明によって実行される一連の長い実験の結果、一般的に受け入れられ得るタイプのあらゆる種類の再充電可能なバッテリに使うことが確かめられるが、換言すれば、ニッケルカドミウムバッテリの場合、自動車に使われる鉛酸バッテリ（ｌｅａｄ  ａｃｉｄ  ｂａｔｔｅｒｙ）で、あるいはリチウムおよびニッケル−金属ハイブリッドバッテリで、好ましい結果が得られる。より短い充電時間、増加したサイクル寿命、寿命以内での間の容量の安定値（すなわちサイクル数が増加しても容量はわずかに減少）、メモリ効果の出現、わずかな温度でのウォームアップ、および、たくさんの更なるバッテリパラメータの好ましい変更、の点自体でその有利さが証明される。これらの結果は著しいものである。なぜなら、以前の公知の方法では、バッテリの特性は、１つもしくはそれより多い他の特性を犠牲にしてのみなされるからである。これら全てのパラメータを同時に改良することが表れる利点は、概説した仮説を確証するものといえるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の基本回路の概略的な回路図である。
【図１ａ】  説明のための略図である。
【図１ｂ】  説明のための略図である。
【図２ａ】  図１の重要ポイントにおける時間図である。
【図２ｂ】  図１の重要ポイントにおける時間図である。
【図２ｃ】  図１の重要ポイントにおける時間図である。
【図２ｄ】  図１の重要ポイントにおける時間図である。
【図２ｅ】  図１の重要ポイントにおける時間図である。
【図３】  バッテリ電圧が減少する場合の電流パルスの変化を示す図である。
【図４】  充電パワーを変更する典型的なやり方を説明する図である。
【図５】  上記と同じ目的のためのさらなるやり方を説明する図である。
【図６】  充電パワーを変更する他の可能性を示す図である。
【図７】  位相分割のパワー制御の原理を説明する図である。
【図８】  充電パルスの形状を変更するやり方を示す図である。
【図９】  充電パルスの形状を変更するさらなるやり方を示す図である。
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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