JPH03500959A - 蓄電池を充電するための方法および回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 蓄電池を充電するための方法および回路〔発明の分野〕 適当な方法および回路により特別なノウハウまたは操作を知らないユーザーが未 知の充電状態から最小の時間で蓄電池を充電し、長期間にわたって容量を維持で きるようにしなければならない。

本特許出願は過充電とならないよう保護し、かつ充電状態と無関係な作用により 生じた誤動作を防止するため蓄電池を充電中にエネルギーの供給を制御するため の発明を述べるものである。

〔発明の背景〕

誤まった取扱いに対処する操作（ドイツ特許出願第３４０８６５７号の極性反転 ）とは別に、蓄電池が過充電により破壊されないように保護するためのいくつか の方法および回路がこれまでにも提案されている。

文献（例えば、ｌ５ＢＮ３−７８８３−０１４２−２）から所定値（例えば、充 電電圧、電流、温度または勾配、充電量の終了３点）でエネルギー供給をしゃ断 することは信頼性のある規準ではないことは周知である。従って、充電電流また は電圧の傾向のうちのある特徴を利用することが提案されている。

例えば、空になった電池は、開始時の定電流充電（ＣＣＣ）時に電圧が低下し、 完全充電までに増加し、その後再び増加するという傾向を示し、特徴のある最大 値が生じる。最終の電圧低下は、過熱および圧力により生じるもので、オープン 電池では生じない。

（電流依存）電圧が最終値に達するが、この最終値は連続的にエネルギーを供給 しても最大値を更に上昇するものではない、。

完全充電時で限界値が発生することに関する同様の説明が、電池の内部抵抗の傾 向および定電圧充電（ＣＶＣ）時の充電電流の傾向にてあてはまる。

これらの事実は周知であるが、これらの事実には適当な理由付けがされていない 。

ＣＣＣでは、蓄電池の電圧がある程度低下すると、充電電流を切り（−ｄＶ法） 　、ＣＶＣでは電流が最小値を通過して所定レベル（米国特許出願第３８８９１ ７２号）まで増加する（フランス特許出願第１４８９９５７号）と、充電電流を 切ると言われている。

これらの方法の欠点は、蓄電池が過充電されることおよびオーブン電池又は漏え い電流のあるセルでは効果がないということである。

欧州特許第１８１１１２号は、ＣＣＣで過充電を防止するための電圧曲線の転換 点を開示している。この点では蓄電池は完全に充電されず、完全充電された電池 では効果は生じない。

米国特許第４７１０６９４号には電圧の傾きが所定値になったときＣＣＣを終了 する鉛−酸蓄電池用充電器が記載されている。

完全充電に達するには、時間制御された充電工程が更に必要である。この傾きは 、電池の数および容量に依存しているので、この原則は、あるタイプおよび寸法 の半空状態の電池にしか適用できない。

フランス特許出願第２２０３１９８号は、鉛−酸蓄電池用の充電方法を開示して いる。充電電流は、測定サイクルの期間中しゃ断され、測定された電圧が先のサ イクルで測定された電圧以下になったとき充電を終了する。この特徴は、完全充 電の電池で生じるが、完全放電の蓄電池または温度または電流が変化したときで も生しる。充電期間は、充電サイクルの中断により大幅に長くなっている。

先に述べたすべての方法の欠点は、充電を終了するための規準が、一つの特徴に おける異なる作用を要点としてとらえ、これら作用が充電状態に基づくものであ るかまたは他の影響が生じたものかどうかを区別できないことである。

〔発明の概要〕 新規な本発明は、簡単な測定結果（例えば、ターミナル電圧）を充電状態の判断 に使用せず、蓄電池の等価回路図に基づき蓄電池のターミナル電圧および充電電 流の傾向から蓄電池の内部電圧および内部電圧に関連するパラメータ（Ｓ）を誘 導し、更に処理する点で既知の原理と異なる。

第１ａ図は、蓄電池の簡略化された等価回路回を示す。電池電圧（Ｕｏ）に直列 な内部抵抗（Ｒｖ　十Ｒ１１）は、空の電池を特徴とするＲＶ分と完全充電され た蓄電池を示す内部抵抗Ｒｉｉから成る。回路の部品およびその挙動は、２つの 抵抗の中心に接続されＲｌｉおよびＵＯに並列なコンデンサＣにより、電流また は電圧変動分すなわちそれらの周波数レスポンスから識別できる。この場合、タ ーミナル電圧Ｕａよりもより正確に充電プロセスを示す内部電圧Ｕｉを計算でき る。

空電池の充電開始時にはＵｏは上昇し、Ｕｉは高抵抗蓄電池Ｒｖｉには影響され ず、はぼ一定値まで急速に低下するので、その結果ターミナル電圧Ｕａが低下す る。この効果だけでなく、充電回路Ｒ１（リード線、接点）の抵抗またはその変 化分は、他の充電プロセスで誤動作を起す。

電荷量が増加すると、ＲｉｉおよびＵｏが増加し、完全充電時には最大値に達す る。この最大値は、完全に充電された蓄電池を識別するので、蓄電池充電器を制 御する上で理想的な規準となる。

その理由は、この規準は電池の種類、数、容量、温度、寄生抵抗および他の影響 とは無関係であるからである。

抵抗（ａ　Ｒｉ　ｉおよび電圧（Ｕｉ）の変化は、測定可能な信号ＵａおよびＩ を変調し、これより本発明により完全充電状態での限界値を示すパラメータ（Ｓ ）を種々の多くの方法で抽出できる。

完全充電に達し、過充電を回避するために、ＲｉｉとよびＤｉに関連するパラメ ータ（Ｓ）が限界値に達したとき、まずエネルギー供給をスイッチオフするよう 、無害な最小レートまで減少することを推奨し、開示する。これにより、勾配ｄ Ｓ／ｄｔはゼロに接近する。

等価回路の成分を知れば、作動条件が（例えば、電流変動）変化した場合、まず ターミナル電圧の反応を考慮し、これと完全充電状態への到達とを区別すること ができる。

従って、充電電流も充電電圧も一定値に調節する必要はないので他のすべての方 法と更に区別される。

〔利　点〕

不完全充電または過充電を防止できるといったすでに述べた利点とは別に、限界 値を認識するために別のセンサを設ける必要もないし、２つの簡略なワイヤを蓄 電池に接続するだけで充分である。更に、異なる蓄電池に対し同じ回路を使用で きるし、製造時に較正点をセットする必要もない。

もう一つの利点は、コンスタント・コントロールスイッチが不要な為、蓄電池を 発電機に接続して充電する場合、特に太陽電池に接続したり、エネルギーの再生 に使用する場合大きな利点をもたらす。

〔技術的具体例〕

ある値からパラメータを計算し、限界値（最大値、最小値を認識する方法、回路 およびプログラム技術は、文献（アナログ、デジタル、コンピュータ）からすで に知られている。

これらの技術は、わずかに変化する低速の複雑な操作であるので、アナログイン ターフェースを備えたマイクロプロセッサを使用することが好ましい。基本的に は、限界値の認識、比較演算、エネルギースイフヂング操作と組み合わせて測定 値を処理するすべての回路を考慮する。これらの回路は、ディスクリート部品、 ハイブリッドまたはモノリシックＩＣのいずれでもよく、コンピュータデバイス （例えば、プロセスコントローラ、マイクロプロセッサ）のプログラムによりそ の機能を実行できる。

上記回路、部品の基本的機能および必要プログラム化技術も専門家には周知であ るが、蓄電池充電のための請求した制御のための本願は新規であり、自明ではな い。

〔実施例〕

１）第１ｂ図は、請求の範囲第１項から第９項による充電方法の一つの可能な実 施態様を示す。ここでは、電流および電圧計の測定値に依存した信号が計算回路 へ送られる。これら信号は、この計算回路で処理され、内部抵抗（Ｒｉｉ）また は内部電圧（Ｕｉ）に関連した副パラメータ値（Ｓ）が計算される。微分回路ま たは中間の記憶および減算回路または他の使用手段により、誘導値ｄ３／ｄ　ｔ を信号として得て比較器へ送られ、比較器はスイッチまたは他の手段と作動する ことにより供給エネルギーを無害な値に減じるよう主充電方法を終了する。

異なる数学的演算または技術的操作により、完全充電時に最大値を示す内部抵抗 値（Ｒｉｔ）の開示したような性質を特徴とする多数の異なるパラメータ（Ｓ） を得ることができる。ＳをＲ１ｉ自体、または等価相互コンダクタンス（１／Ｒ ４１）またはその結果体じる内部電圧Ｕｉ、または簡略化された等価回路図内で 作用するＲｉｉの性質に関連する別のパラメータで表示すればこのことは本発明 の基本的原理にとっては重要ではない。通常置換パラメータ値Ｓも、完全充電時 に極限値に接近するが、他の予想値により誘導値（Ｓ′）を計算することもでき る。かかるＲ４ｉ関連パラメータの操作は、本発明が同じ基本概念に依存してい るので、本発明にカバーされると考えられ、逆にＳ′からパラメータＳを計算す ることもできる。

蓄電池の等価回路図の部品またはそれらの性質（例えば、時定数）は充電電流の 変化から知ることができる。この電流変化は、充電プロセスと比較して短時間に 生じなければならなく、自然に（例えば発電機）より生じることもできるし、強 制的に生じさせることもできるし、少なくともスイッチオン時にはいつでも生じ る。

従って、充電回路内の電圧ロスまたは電流変化により生じる電圧変化を計算回路 内で考慮できる。

第１ｃ図は、別の可能な実施態様を示す。測定および制御のためアナログインタ ーフェースを備えたマイクロコンピュータを使用している。本例では、電流計は 、簡単な抵抗器Ｒｍと置換されている。抵抗器ＲｍＯ岡端では蓄電池用電圧（Ｕ ａ）および充電電流（Ｕｍ−Ｕａ）が得られ、サンプリングされ、これよりパラ メータＳが計算できる。Ｓの値を８１として記憶し、遅延時間Ｓ２の後に同じ方 法で８２を計算する。傾きｄＳ／ｄｔ（本例では（Ｓ２−３ｌ））がゼロに近付 くと、ＭＣはエネルギー源の制御、好ましくはスイッチオフにより充電を終了す る。

次の例では、先の例と同じようにＲ１ｉ関連パラメータを処理する限りエネルギ ー源を定電流源または定電圧源からも構成できる。

本例では、所定の値は回路には周知であるので、一定の所定値を測定する必要は ない。

もし、前述の電源が、階段状又は連続的に制御され、セソテングされるようプロ グラムされるならば、ＭＣ又は制御ロジックは、等価回路の構成部とその作用を 計算することに必要な前述のバリエーションを呼びこすことになる。

２）パルス状電流による充電蓄電池の充電を簡略にするために、ＡＣラインの電 圧を整流するとき生じるようなパルス状電流が用いられることが多い。パルス状 電流のような交流電流に重畳されたＤＣ電流を用いると、未公知の利点がある。

第２ａ、ｂ図は、パルス状交流成分（Ｕｗ、Ｉ　ｗ）と充電中の傾向を示す低速 の平均値（Ｕｇ、１ｇ）に対するに蓄電池電圧（Ｕａ）および充電電流■の時間 変化を示す。交流成分の周波数に比較した時定数（ＲＶｉ、Ｃ，Ｒ４１）は高い ので、充電回路の抵交流電圧の振幅および交流電流の振幅より計算できる。平均 充電電流ｒｇが変動するときは、時定数（Ｒｖ、Ｃ，Ｒ１１）の影響を考慮でき る。

上記のようにＲ１，Ｕｉおよびパラメータ（Ｓ）を計算するには、充電電流Ｉお よび蓄電池電圧（Ｕａ）のＤＣ成分（Ｕｇ、１ｇ）およびＡＣ成分（ｔＪｗ、Ｔ ｗ）を、適当な回路、例えばフィルタまたはパルス周期サンプリングまたはデジ タル計算ユニットにより誘導できる。

３）電流がゼロまたは最小値になった瞬間に整流することにより交流ライン電流 のパルス分を除けば、技術的を実施法を簡略化できる。充電回路Ｒ１では電圧の ロスがないので、この点で測定された電圧はＵｉとなる。

一定のｐＣ１流は不要であること、充電電流はスイッチングする必要がないこと およびＵｉに関連するパラメータを処理するという事実により他の方法に対する 定義がなされる。

第３図は、一つの可能な実施態様を示す。充電電流は、抵抗器ＲＶにより容易に 調節できる。適当な検出器により、単一パルスの最小値を使用して（Ｕｍ）　、 蓄電池電圧のリフプル分からＳを計算し、スイッチオフ認知論理回路へ送る。

４）　蓄電池内部電圧が所定値より下に留まれば、過充電時の冷却が回避される 。異なる内部抵抗値での電圧ロスは考慮されない程度に留まるので、通常の定電 圧充電は極めて通しているとは言えない。本発明によれば、蓄電池内部電圧（Ｕ ｉ）を測定し、この電圧をセント値と比較し、内部電圧Ｕｉがプリセフ）値に一 致するようにこの電圧を再調節すれば、このことが回避できる。

一つの可能な実施方法として、プログラマブル電流源、例えばスイッチングコン トローラが蓄電池に給電してもよい。蓄電池電圧（Ｕａ）を測定し、既知の電流 （ｒ　Ｉ）により蓄電池内部電圧を見出す。セフシ点から外れていれば、電流を 再調節する。

５）多くの場合、異なる容量の蓄電池は、最適な充電レートで充電することが好 ましい。一般に、ユーザーは容量を知り、これに対し充電電流を調節しなければ ならない。電池容量に対し充電電流を自動調節すると、次に本発明により、電流 制御により蓄電池内部電圧（ｄＵｉ／ｄｔ）を制御する。実際には、前記傾きの 偏差信号によりプログラマブル電流源を駆動し、上記のような回路により実施で きる。

６）　直列接続された蓄電池を定電圧充電する際には、電池の数に応じて予め充 電電圧をセントしなければならない。この場合自動調節することがより有利であ る。このような利点は、本発明によればまず開回路電圧を測定し、これより始め て、充電電圧を階段状に増加させるか、最小電流が発生するまで連続的に増加さ せる。

一つの可能な実施例では、電圧制御器からの電流（１）と所定値とをマイクロプ ロセッサが比較する。電流が所定値より小さければ、電圧制御器で電圧を高くす るよう調節する。電流が所定値に達すれば、この調節を終了し、充電電圧を所定 値に維持する。

７）通常充電回路は、多数の電子部品、素子およびコントローラを必要とし、こ れらは組立てなければならない。一つのケースに内蔵でき、よって小電力エレク トロニクスの新しい素子となるわずか数個の半導体素子を用いるだけで、本明細 書に示した方法、原理、回路変形例の多くを実現できる。

第４ａ図は、等価回路を示し、ｉ４ｂ図はハイブリッド技術による変形例を示す 。一つの基板、例えば測定および制御論理としテ働＜マイクロコンピュータ上に は、充電電流制御器とシテ働くパワートランジスタおよび内部電圧源Ｖ（ｌが設 けられ、これらが機能的に接続されている。電源および蓄電池を接続するには３ つの端子しか必要でない。例えば、充電状態を信号化するには更に接続すること もできる。回路全体は別の要素として一つのケースに内蔵できる。

第４Ｃ図には、別の実施例が示されている。全回路は、一つの半導体チップに集 積化され、３つのビンしか有しない標準的ケースに内蔵される。ここでも、別の 信号を表示できるよう所定の接続をすることもできる。

充電制御回路に加えて、一つの素子上に整流器、またスイッチし別の商略化がで きる。かかる素子は、４配線で実現できるので、この結果、バッテリー充電装置 （第４ｄ図）の製造が大幅に簡略蓄電池を再生するには、充放電を繰り返さなけ ればならない。

本発明によれば、この方法はコース制御装置（例えば、マイクロコンピュータが 、蓄電池を充電する手段の附勢と、次に所定の放電電圧に達するまでの放電回路 による放電を交互に繰り返すようにしてこの方法を自動化する。本発明の別の特 徴は、放電容量が増加するまで、この方法を何回も繰り返すことにある。放電容 量の増加は、例えば放電電流を測定し、時間積分するか、または所定放電電流で の放電時間を測定し、積分することにより評価できる。

９）蓄電池充電装置は、種々の普遍的方法により使用することが予想される。充 放電回路の一般的装置により、蓄電池の機能および容量をテストでき、必要な場 合蓄電池を再生できる。充電容量または放電容量をディスプレイすることは、ユ ーザーには助けになる。

充電電流の自動調節は、キーボード、スイッチまたは他の手段により機能を選択 するだけで種々の蓄電池の最適な充電、テストまたは再生を専門家でない人でも できるようにする。

第５図は、可能な実施例の一つを示す。いずれも蓄電池に接続されている充電ま たは放電回路をキーの指令で、コールされた機能に従って作動できるようマイク ロプロセッサがプログラムされる。電流は、を流測定回路により永久的に記録さ れ、マイクロコンピュータで計算され、ディスプレイされる。

１０）同一タイプおよび寸法の蓄電池でも製造方法および製造日よりの経過年数 に応じて容量が異なり、直列接続した場合、蓄積電池容量は、最低容量の電池に より制限される。等しくない容量の蓄電池を完全放電すると、その結果電圧が反 転したり、最も低い容量の蓄電池に不可逆的な損傷が与えられる。一つの蓄電池 がスイッチオフされると、直列の全蓄電池を流れる電流が中断され、よって、他 の蓄電池の容量もなくなる。

本発明および第７図によれば、直列接続回路が閉じたままになるよう完全充電ま たは放電した直列接続された蓄電池から外れて電流をバイパスラインへ流れるよ うスイッチングするための回路ブレーカ−でなくて、切換スイッチが設けられる 。この切換スイッチは、蓄電池の充電状態に応じて作動する充電制御論理回路に より作動される。

前記回路が蓄電池の各々を保護し、別個の装置を形成しないとき、蓄電池の最も 簡単かつ信顧性の高い利用ができる。蓄電池および電子回路の寸法のため、蓄電 池の内部または補助部として（第８図）上記の制御用、保護用および充電用電子 回路を設置できることは言うまでもない。

いくつかの例、例えば多量の蓄電池を使用しなければならない場合、シングル・ セルのグループを保護すると良好（例えばコスト的に有効）である。第９図に実 施例を示す。

呵　庖　回踏 （Ｇ） 第１図 Ｆｉｇ、ｉｂ：　Ｖａｒｌａｕｆｓｋｕｒｖｅｎ（ｂ） 第１図 （ａ）　（ｂ） （Ｃ） 第２図 し Ｆｉｇ、２ｂ： 第３図 第５図 （ｂｌ 第６図 Ｆｘｇ、７： 国際調査報告 ｂｌｌｌ−，−ｖｌ−−１ｄ−鴫−−１−−−Ａｅｅ蟲−１，１．１−ｉ嘲、− １１ＩｙＰＣＴ／ＡＴ８９１０００２７国際調査報告 ＡＴ　８９０００２７ 国際調査報告 ＡＴ　８９０００２７ ＳＡ　２７２８９

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）充電中変化する充電電流（Ｉ）にて単一または直列接続された蓄電池を充 電、特にクイック充電する方法であって、充電電流（Ｉ）および蓄電池電圧（Ｕ ａ）を自動的に測定するか、またはその一方の値を既知の値に調節しながら、他 方の値だけを測定し、充電電流（Ｉ）および充電電圧（Ｕａ）の一時的経過から パラメータ（Ｓ）を誘導し、その勾配（ｄＳ／ｄｔ）を比較演算器へ送り、この 勾配が蓄電池の完全充電状態の基準値としてのパラメータ（Ｓ）の限界内で所定 最小値よりも小さくなったとき供給エネルギーをスイッチオフするかまたは過充 電を防止するよう減少し、内部抵抗値（Ｒｉｉ）または蓄電池電圧（Ｕｉ）に従 い、蓄電池等価回路図上にて電流−電圧変化からパラメータ（Ｓ）を計算し、そ の一時的経過を記録し、このパラメータ（ｄｓ／ｄｔ）の勾配を測定および制御 用信号に自動変換し、この信号を完全充電状態認知用参照演算器へ送ることを特 徴とする充電方法。
2. （２）蓄電池にパルス状にエネルギーを供給し、蓄電池およびリード線の内部抵 抗値（Ｒｖｉ）を計算できるようパルス成分をフィルタで除き、これよりパラメ ータ（Ｓ）およびその一時的経過を計算することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の方法。
3. （３）交流ライン電流を整流することによりパルス状の直流電流を発生し、電流 最小値における蓄電池電圧（Ｕａ）の経過を測定し、これよりパラメータ（Ｓ） を算出することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）充電電流（Ｉ）を調節することにより、蓄電池電圧（Ｕａ）、特に蓄電池 の内部電圧（Ｕｉ）を所定基準値に調節し、充電電流（Ｉ）の経過からパラメー タ（Ｓ）を計算することを特徴とする請求の範囲第１，２または３項に記載の方 法。
5. （５）充電電流を調節することにより制御ユニットが蓄電池電圧（Ｕａ）または 蓄電池内部電圧（Ｕｉ）の勾配（ｄＵ／ｄｔ）を与えられる基準値を入力しセッ トすることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
6. （６）制御ユニットは最小電流が生じるまで電源電圧を自動的に増加することを 特徴とする請求の範囲第１，２または３項に記載の方法。
7. （７）制御ユニットは、蓄電池容量を再生するよう蓄電池の充放電を自動的に繰 り返し、蓄電池容量が増加するだけ好ましくは繰り返すことを特徴とする請求の 範囲第１〜６項に記載の方法。
8. （８）直列接続された蓄電池を充電し、過充電または全放電または極性反転を防 止するためのスイッチング論理回路が蓄電池の充電状態に応じて切換スイッチを 作動させ、これにより電流をバイパスラインヘスイッチングすることにより蓄電 池を完全充電または放電時に直列接続から外すことを特徴とする請求項の範囲第 １，２または３項に記載の方法。
9. （９）充電中変化する充電電流（Ｉ）を供給するための手段と、充電電流（Ｉ） および蓄電池電圧（Ｕａ）を自動測定または両パラメータのうちの一方を調節し 、他方のパラメータを測定するための手段と、過充電を防止するためのエネルギ 供給をスイッチオフまたは減少させるための手段と、充電電流および蓄電池電圧 の時間経過からパラメータ（Ｓ）を誘導し、勾配（ｄＳ／ｄｔ）を基準演算器へ 送り、これによりパラメータ（Ｓ）の限度範囲内でこの勾配（ｄＳ／ｄｔ）が蓄 電池の完全充電状態の基準としての最小値よりも低くなったときエネルギー供給 をスイッチオフまたは減少させるスイッチオフー論理手段とから成り、請求の範 囲第１から８項のいずれかに記載の方法を実行するための回路において、スイッ チオフー論理手段では、計算回路により内部抵抗値（Ｒｉｉ）または蓄電池内部 電圧（Ｕｉ）によるパラメータ（Ｓ）を電流−電圧変化から計算し、このパラメ ータの勾配（ｄＳ／ｄｔ）を信号に変換し、完全充電状態を認識できるようこの 信号を比較演算器へ送ることを特徴とする回路。
10. （１０）マイクロプロセッサが前記スイッチオフー論理回路の機能を奏すること を特徴とする請求の範囲第９項に記載の回路。
11. （１１）全回路が単一要素（ｅｉｅｍｅｎｔ）を構成することを特徴とする請求 の範囲第９項または第１０項に記載の回路。
12. （１２）指令入力を通して蓄電池の充放電を能動化すること、蓄電池へ送られま たは蓄電池から引き出される電流またはエネルギー量を測定し、ディスプレイす ること、請求の範囲第７項に記載の方法により蓄電池を再生するための自動制御 ユニットが設けられていること、充電電流および／または蓄電池の電圧を特定の 蓄電池に自動的に調節することを特徴とする請求の範囲第９項記載の回路を備え た蓄電池充電器。
13. （１３）充電状態に応じて論理回路が切換スイッチを作動させ、これにより電流 をバイパスラインヘスイッチングして完全充電または放電または極性の反転した 蓄電池を直列接続から外すことを特徴とする請求の範囲第９項記載の回路。
14. （１４）一つの蓄電池または蓄電池パックに内蔵または接続されたことを特徴と する回路。
15. （１５）前記切換スイッチにより単一セルまたは単一セルのグループを直接接続 から外すことを特徴とする請求の範囲第１３項記載の回路。