JP2010522533A - 電池検出を備える超高速電池充電器 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電する方法が開示されている。本方法は、充電式電池から受信された識別情報に基づいて、対応する電池容量を決定する工程と、電池が１５分以内の充電期間内で到達される所定の充電を達成するように、決定された対応する電池容量に基づいて、充電式電池に印加する充電電流レベルを決定する工程と、実質的に略決定された電流レベルを有する充電電流を電池に印加する工程と、を含む。

Description

リチウムイオン充電式電池は、定電流の供給源により充電され、続いて約４．２Ｖで定電圧から定電流へのクロスオーバーを伴う定電圧（ＣＣ／ＣＶ）により充電される（即ち充電動作は、電池の電圧が約４．２Ｖに到達するとき、定電流モードから定電圧モードに切り替わる）。かかる充電特性の供給源は、電子フィードバック機構により制御される。

所与の期間内で充電式電池を充電するには、また、誤った充電電流の印加による電池へ損傷を避けるには、充電デバイスの充電機構を注意深く正確に制御することが要求される。充電電流の正確な制御を促進するために、電池の電圧及び／又は電流の正確な測定が要求される。更に、電池は異なる容量を有し、異なるレベルの充電電流を必要とするため、所与の期間内で充電動作を完了させ、充電式電池及び／又は充電器の損傷を避けるために、電池容量に関する正確な情報が必要となる。

異なる充電式電池及び／又は異なる充電容量を所与の充電期間内（例えば、５分で９０％の容量を充電する）で充電することができる超高速充電器が開示されている。

１つの態様では、少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電する方法が開示されている。本方法は、充電式電池から受信された識別情報に基づいて、対応する電池容量を決定する工程と、電池が１５分以内の充電期間内で到達される所定の充電を達成するように、決定された対応する電池容量に基づいて、充電式電池に印加する充電電流レベルを決定する工程と、実質的に略決定された電流レベルを有する充電電流を電池に印加する工程と、を含む。

実施形態は、以下の１つ以上を含んでもよい。

対応する電池容量を決定する工程は、試験電流を充電式電池の識別抵抗器に印加する工程であって、識別抵抗器が対応する電池容量を表す工程と、識別抵抗器での識別電圧降下を測定する工程と、を含むことができる。

充電電流を決定する工程は、識別電圧降下に基づいて充電式電池に印加できるように、充電電流レベルに対応する値をルックアップテーブルから読み出す工程を含むことができる。

充電電流を決定する工程は、測定された識別電圧降下及び試験電流に基づいて、抵抗値を計算する工程と、計算された抵抗値に基づいて、充電式電池に印加されるべき充電電流レベルをルックアップテーブルから選択する工程と、を含むことができる。

本方法は、充電式電池の温度を決定する工程と、決定された温度に基づいて、充電電流を調整する工程と、を更に含むことができる。

本方法は、充電期間と実質的に等しい充電時間が経過した後に、充電電流を終了する工程を更に含むことができる。

電池の所定の充電は、電池の電池容量の少なくとも９０％であり、充電期間が約５分であることができる。

充電電流を印加する工程は、充電器デバイスの第１組の端子を介して、充電電流を充電式電池に印加する工程を含み、第１組の端子は電流を印加するように構成されている。本方法は、充電器デバイスの第２組の検出端子を介して、充電式電池の端子での電圧を監視する工程を更に含むことができ、第２組の端子は電圧を測定するように構成されている。

別の態様では、少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電する方法が公開されている。本方法は、充電器デバイスの第１組の充電端子を介して、充電電流を充電式電池に印加する工程であって、第１組の端子が電流を印加するように構成されている工程と、充電器デバイスの第２組の検出端子を介して、充電式電池の端子での電圧を監視する工程であって、第２組の端子が電圧を測定するように構成されている工程と、を含む。

上記の第１の方法の態様のように、他の方法の実施形態は、第１の方法の態様に関して上記で説明した特徴のいずれかに対応する任意の特徴を含むことができる。

更なる態様では、少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電するように構成された充電器デバイスが開示され、充電式電池は、充電式電池に関連する、対応する電池容量を表す識別情報を通信するように構成された電池識別機構を含む。デバイスは、充電式電池を受容するように構成された充電区画であって、充電式電池の各電池端子に連結されるように構成された充電端子と、充電式電池の電池識別機構と通信するように構成され、識別情報を受信するための電池識別読み取り機構と、を含む充電区画を含む。デバイスは、充電式電池の通信された識別情報に基づいて、対応する電池容量を決定するように構成され、電池が１５分以内の充電期間内に到達される所定の充電を達成するように、決定された対応する電池容量に基づいて、充電式電池に印加されるべき充電電流レベルを決定するように構成され、実質的に略決定された電流レベルを有する充電電流を充電式電池に印加するように構成されたコントローラを更に含む。

本方法の態様のように、デバイスの実施形態は、本方法の上記で説明した特徴の、並びに以下の特徴のいずれかに対応する任意の特徴を含むことができる。

デバイスは、充電式電池を含んでもよい。

しかし、別の態様では、少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電するように構成された充電器デバイスが開示されている。デバイスは、充電式電池を受容するように構成された充電区画を含み、充電区画は、充電式電池の各電池端子に電流を印加するように構成された第１組の充電端子と、充電式電池の電圧を測定するように構成された第２組の検出端子と、を含む。デバイスは、充電器デバイスの第１組の充電端子を介して、充電式電池に充電電流を印加し、第２組の検出端子を介して、充電式セルの端子間で電圧を監視するように構成されているコントローラを更に含む。

デバイスの実施形態は、本方法及びデバイスの上記で説明した特徴のいずれかに対応する任意の特徴を含んでもよい。

更なる態様では、充電装置が開示されている。装置は、少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を含み、充電式電池は、充電式電池に関連する、対応する電池容量を表す識別情報を通信するように構成された電池識別機構を有する。装置は、充電式電池を受容するように構成された充電区域を更に含み、充電区画は、充電式電池の各端子に連結されるように構成された充電端子と、充電式電池の電池識別機構と通信するように構成され、識別情報を受信するための電池識別読み取り機構と、を含む。装置は、充電式電池の識別情報に基づいて、対応する電池容量を決定するように構成され、電池が１５分以内の充電期間内に到達される所定の充電を達成するように、決定された対応する電池容量に基づいて、充電式電池に印加されるべき充電電流レベルを決定するように構成され、実質的に略決定された電流レベルを有する充電電流を電池に印加するように構成されたコントローラを更に含む。

装置の実施形態は、本方法及びデバイスの上記で説明した特徴のいずれかに対応する任意の特徴を含んでもよい。

更なる態様では、ドッキングステーションシステムが開示されている。ドッキングシステムは、少なくとも１つの充電式電池を有する、電池で動作可能なデバイスを受容するように構成された充電区画を含み、充電区画は、電池で動作可能なデバイスの各接続部に接続するための接続部と、電池で動作可能なデバイスの識別機構と通信するように構成された識別読み取り機構と、少なくとも１つの充電式電池に関連する電池容量を表す識別情報を通信するように構成された識別機構と、を含む。ドッキングステーションシステムは、通信された識別情報に基づいて、対応する電池容量を決定するように構成され、少なくとも１つの充電式電池が１５分以内の充電期間内に到達される所定の充電を達成するように、決定された対応する電池容量に基づいて、電池で動作可能なデバイスの、少なくとも１つの充電式電池に印加されるべき充電電流レベルを決定するように構成されたコントローラを更に含む。

ドッキングステーションシステムの実施形態は、本方法、デバイス、装置の上記で説明した特徴のいずれかに対応する任意の特徴、並びに以下の特徴を含んでもよい。

本システムは、電池で動作可能なデバイスを更に含んでもよい。電池で動作可能なデバイスには、例えば携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルカメラ、オーディオデバイス及び／又はマルチメディア機器の１つが挙げられる。

本発明の１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。

充電器及び電池を含む充電装置の代表的な実施形態のブロック図。 図１に示される充電器の代表的な実施形態のブロック図。 図２の充電器の代表的な回路の回路図。 ＡＣ／ＤＣ切り換え装置の代表的な実施形態。 充電手順の代表的な実施形態のフローチャート。 電池で動作可能なデバイスを受容するドッキングステーションの代表的な実施形態。

図１は、少なくとも１つの電気化学セルを有する電池１２を充電するように構成された充電器１０を示す。電池１２は、二次セル（若しくは電池）又は一次セルであってもよい。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図する。一次電池は、再充電を意図しない。一次電池は、例えば、デヴィッド・リンデン（David Linden）の「電池ハンドブック（Handbook of Batteries）」（マグロー−ヒル（McGraw-Hill）、１９９５年、第２版）に記載されている。二次電気化学電池は、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、二次セルには、比較的頑丈なセパレータ、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などが包含されることがある。二次セルは、セルの中で生じ得る膨張などの変化に適応する設計にすることもできる。二次セルは、例えば、フォーク・アンド・サルキンド（Falk & Salkind）の「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年）、米国特許第３４５，１２４号及び仏国特許第１６４，６８１号に記載されており、これらを全て本明細書に参照により組み込む。本明細書で記載されている実施形態では、電池１２は二次又は充電式電池である。

いくつかの実施形態では、充電式電池１２は、黒鉛状のアノード材料又はチタン酸リチウムアノード材料、及びかかる材料に基づいて、充電式電池の高速充電を可能にするように適合されたリチオ化リン酸鉄カソード材料を有するリチウムイオンセルを含む。充電器１０は、例えば円筒形電池、角柱電池、ボタンセル電池などを含む、異なるタイプの電池を充電するように更に構成されてもよい。

電池１２は、充電端子１４ａ及び１４ｂが電気的及び機械的に電池１２の端子１８ａ及び１８ｂにそれぞれ連結し、検出端子１６ａ及び１６ｂが電気的及び機械的に電池１２の検出端子２０ａ及び２０にそれぞれ連結するように、充電器１０の充電区画内に受容される。いくつかの実施形態では、端子１８ａ、１８ｂ、２０ａ及び２０は、充電器１０の充電区画内に位置する各端子１４ａ、１４ｂ、１６ａ及び１６ｂと係合する形態で接続されるように適合されたピンである。充電器１０は、電池１２に印加されるべき適切な充電電流を決定し、端子１４ａ及び１４ｂを通るその充電電流を、電池１２の端子１８及び１８を介して電池１２に印加する。端子１６ａ及び１６ｂに電気的に連結された電圧センサは、端子２０及び２０ｂでの電圧（電池１２の端子１８ａ及び１８ｂでの電圧に対応する）を測定する。測定された電圧に基づいて、充電器１０は、電池１２に印加される充電電圧及び／又は電流に必要な調整を行って、充電器１０が電池１２の特定の充電プロファイル（例えば、１５分未満内に８０〜９０％の充電容量を達成する）に従って電池１２の充電動作を完了することができるようにする。充電器１０はまた、いくつかの実施形態では、充電器１０の充電端子１４ａ及び１４ｂに接続されている１つ以上の電流センサを含んでもよい。図１は単一の電池１２を示すが、充電器１０は追加の充電式電池を受容し、充電するように適合されてもよい。更に、充電器１０は、円筒形電池、角柱電池、コイン又はボタン電池などを含む、異なる電池タイプを受容し充電するように構成されてもよい。

充電器１０は、異なる容量を持つ電池を充電するように構成されている。充電器は、充電器１０に接続されている充電式電池１２の容量を決定する。電池１２の所定の充電（例えば９０％容量）が、例えば約５分以内に到達されるように、決定された電池容量に基づいて、充電器１０は、充電式電池１２に印加されるべき電流レベルを決定する。この充電性能を達成するために、約１０〜１５Ｃに相当する充電電流が必要とされている（１Ｃは、特定の充電式電池が１時間で充電されることになる充電電流に相当する充電率であり、１２Ｃの充電率は、特定の電池を５分（即ち１時間の１／１２）で充電する電流レベルに相当する）。

充電器は、異なる容量を持つ電池を充電するように構成されているため、電池１２の容量は、可能性のある複数の容量の１つであり得、異なるレベルの充電電流が、電池１２の容量に従って印加される。典型的に、電池の容量は５０ｍＡｈ〜３Ａｈの範囲であり、「Ａｈ」は電池容量アンペア時の単位である。他の容量に対応することができる。したがって、例えば、１２Ｃの充電率（即ち約５分で）で、５００ｍＡｈ容量電池を最大容量の９０％超過まで充電するために、約６Ａの充電電流が必要とされる（即ち６Ａ×１／１２時間＝５００ｍＡｈ）。一方、１２Ｃの充電率の７００ｍＡｈ電池を充電するのに、約８．５Ａの充電電流が必要とされる。

充電器１０は、（ａ）電池１２が、所定の期間内にその所定の充電レベルに充電されるのを確実にするために、（ｂ）電池の電圧が所定の上限電圧を超えないのを確実にするために、及び／又は（ｃ）電圧上昇率（即ち電池１２の充電端子での電圧が、充電動作が進むにつれて上昇する率）が、規定の充電プロファイルに従う（例えば、充電動作の最初の１分間に特定の率で上昇する）のを確実にするために、電池１２に印加される電圧及び／又は電流を制御することなど、充電プロセスを制御するように更に構成される。

充電プロセスの制御は、電池１２の端子での電圧の監視を必要とする。したがって、電池１２に印加される電圧及び／又は電流に必要な調整を実行するために、電池１２の端子での電圧の正確な測定が必要とされる。しかしながら、充電器の充電端子は無視できない抵抗を有するので、電圧検出が充電器の充電端子に連結している状況では、測定された電圧降下は、充電器の充電端子の抵抗がもたらす、充電器１０の充電端子での電圧降下を含むであろう。その結果、充電器の充電端子に直接接続されている電圧検出を含む充電器は、ある程度の測定エラーをもたらし得る。

したがって、電圧測定の誤差の影響を低減するために、充電器１０は１組の端子（即ち端子１４ａ及び１４ｂ）を使用して充電電流を印加し、別の専用の端子の組（即ち端子１６ａ及び１６ｂ）を使用して電池の電圧を測定する。充電器１０の２つの充電端子１４ａ及び１４ｂは、電池１２の対応する充電端子１８ａ及び１８ｂに連結するように適合され、充電器１０の２つの別の検出端子１６ａ及び１６ｂは、電池１２の対応する専用の検出端子２０ａ及び２０ｂに電気的に連結するように適合される。図１に示されているもののような、かかる４−端子構成は、ケルビン構成又はケルビン接続と呼ばれることがある。充電器１０の検出端子１６ａ及び１６ｂは、充電器１０の充電端子１４ａ及び１４ｂから電気的に分離され、よって、さもなければ２組の端子が互いに連結されるときに起こり得る電圧測定エラーを低減する。別の充電端子及び別の検出端子の使用により、充電プロセスを正確に制御できる。端子１８ａは検出端子２０ａと電気的に連通しており、同様に端子１８ｂは、検出端子２０ｂと電気的に連通しており、このように電圧フィードバックは電池１２の充電端子での電圧に対応する。

いくつかの実施形態では、充電器の充電区画内の追加の端子又はピンを使用して、電池容量、及び／又は電池１２に関する他の関連情報の決定を可能にすることができる。具体的には、充電器１０は、電池の容量、タイプ、モデル及び／又は充電式電池１２上で実行される充電動作と密接に関係するその他のデータを表す識別情報を充電器１０に供給するように構成された電池１２の識別機構に機械的かつ電気的に連結するように構成されたＩＤ検出端子２２を含む電池識別読み取り機構を含む。充電器１０は、識別機構と通信し、識別情報を受信するように構成されている。電池１２から受信された識別情報に基づいて、充電器１０は電池１２に印加する充電電流を決定する。

電池識別機構のかかる例の１つは、対応する電池、タイプ及び／又は電池１２のモデルを表す抵抗値を有する電池ＩＤ抵抗器２６である。ＩＤ抵抗器２６は、電池１２のケーシングの内部に配置されてもよく、又は電池１２の外部に配置されてもよい。図１に示される例では、ＩＤ抵抗器２６は、充電器１０の端子２２に機械的かつ電気的に連結するように適合されている専用の電池ＩＤ端子２４に電気的に連結している。

ＩＤ抵抗器２６は、電池１０の電力端子１８ｂ及び検出端子２０ｂと電気的に連結している。したがって、電流又は電圧を充電器１０の端子２２から電池１２のＩＤ端子２４に印加すると、電池１２の端子１８ｂと２４との間の閉じた電気経路が形成されて、ＩＤ抵抗器２６を通る電流の流れができる。電池の容量及び／又は識別を得るために、所定の試験電流、Ｉ_ｔｅｓｔが、充電器１０によりＩＤ端子２４を介してＩＤ抵抗器２６に印加される。ＩＤ抵抗器２６全体にわたる電圧降下Ｖ_Ｒ1は、端子２２に連結した充電器１０の電圧センサを使用して測定される。ＩＤ抵抗器２６で測定された電圧降下は、充電器１０に通信され、これが、測定された電圧を使ってＲ１＝Ｖ_Ｒ１／Ｉ_ｔｅｓｔによりＩＤ抵抗器２６の抵抗を計算する。

ＩＤ抵抗器２６に対応する計算された抵抗Ｒ１が使用されて、異なる複数の抵抗値に関するデータのそれぞれを保持するルックアップテーブルにアクセスする。かかるデータは、抵抗値、電池に印加する許容可能な充電電流値、及び／又は充電プロセスと密接に関係するその他の情報に関連する各電池容量を含んでもよい。あるいは、測定された電圧Ｖ_Ｒ１は、ルックアップテーブルにアクセスするのに使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、ＩＤ抵抗器２６は、変化する温度と共に抵抗が変わるサーミスタである。かかるＩＤサーミスタはこのように、充電されるべき電池のタイプの識別と、電池の温度の監視との両方に使用できる。充電器１０は、サーミスタの抵抗における変化に基づいて、電池の温度を決定する。例えば、電池の温度の決定は、ある所定のレベルの電流を印加することからもたらされる、サーミスタでの電圧を測定することにより、並びに測定された電圧、又は測定された電圧に基づいて計算された抵抗及び印加された電流を、特定の電池容量又はタイプに関して、測定された値を対応する温度に関係づけるルックアップテーブルに一致させることにより、実行される。安全でないと判断されるレベルに電池の温度が到達すると、充電器１０は、決定された温度に基づいて、充電電流を下げるか又は終了するかのいずれかで、電池の温度を下げる。いくつかの実施形態では、充電器１０は、温度制御機構及び／又は温度監視機構を実装しなくてもよく、したがって、かかる実施形態では、電池及び／又は充電器の温度決定の作業、並びにそれらへの反応は、実行されない。

その他のタイプの電池識別機構が採用されてもよい。好適な電池識別機構には、無線識別（ＲＦＩＤ）機構を挙げることができ、これは起動信号（例えば無線信号）に反応して、ＲＦＩＤデバイスが電池の容量、タイプ、電池の充電状況／健康状態等を表す電気信号を充電器１０に通信する。その他の好適な識別機構には、電池（例えば、スマートバッテリー（Smart Battery）ＳＭＢｕｓ規格）を識別して、充電器１０に通信されるべき電池の容量及び／又はタイプを表す識別データをシリアルデータ通信インターフェースを介してもたらす、シリアル通信技術を実行する機構が挙げられる。いくつかの実施形態では、充電電流の決定は、電池の容量及び／又はタイプを表す電池の電気的特性の少なくとも１つ（例えば電池のＤＣ充電抵抗）を測定することにより実行されてもよい。電池の測定された特性に基づいて、充電電流を適応的に決定する、代表的な充電器デバイスの詳細な記載が、同時に出願された特許出願である、名称「適応性のある充電器デバイス及び方法（Adaptive Charger Device and Method）」に提供されており、その内容を、その記載の全てを参考により本明細書に組み込む。

図１に更に示されているように、充電器１０は、ユーザーインターフェース３０を含む。ユーザーインターフェース３０は、充電器１０及び／又はそれに接続された電池１２に関して、ステータス情報をユーザーに提供する、ＬＥＤなどの出力デバイスを含む。ユーザーインターフェース３０は、充電器が作動し、外部電源（ＡＣ電力ポート２８を介して充電器１０に接続されるＡＣ電源など）に接続されるときに点灯される、例えば、青色のＬＥＤ ３２「充電器オン（Charger On）」を含む。ユーザーインターフェースは、充電器１０により対応できない電池が充電区画に挿入されたときに起動して定常な赤い照明を作り出す、例えば赤色のＬＥＤ ３４を含む。かかる電池には、例えば、ＩＤ抵抗器２６が、充電器１０が対応するように構成されていない容量又は電池タイプを表す値を有する、使い捨ての非充電式電池、又は充電式電池が挙げられる。赤色ＬＥＤ ３４は、不良品の電池が充電区画内に挿入されたときに点滅する赤い照明を作り出すように起動してもよい。例えば、初期の電圧レベルが、例えば２Ｖ未満である電池は破損している可能性があり、したがって充電器１０は、疑わしい破損した電池が取り外されるまで、充電動作を開始できない。赤色ＬＥＤは、充電器の動作に悪影響を与える及び／又は充電器若しくは電池を故障させる可能性のある障害状態を検出すると点灯してもよい。かかる障害状態には、電池の端子での異常な電圧レベルの検出、電池及び／又は充電器の過熱状態（例えば、６０℃を超える温度が検出された場合）などが挙げられる。電池を充電する過程に生じる障害状態を検出し、それに反応する、代表的な手順の詳細な記載は、同時に出願された特許出願である、名称「高速電池充電器デバイス及び方法（Fast Battery Charger Device and Method）」に提供されており、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ユーザーインターフェース３０は、充電器が、例えば６Ａの電流で電池１２を充電しているときに点灯する黄色ＬＥＤ ３６も含む。かかる充電電流は、充電器１０の充電区画内に設置された電池が５００ｍＡｈの容量を有し、６Ａの充電電流にて充電動作を約５分で完了させるということを示し得る。ユーザーインターフェース３０は、充電器が、例えば８．５Ａの電流で電池１２を充電しているときに点灯する緑色ＬＥＤ ３８も含む。かかる充電電流は、充電器１０の充電区画内に設置された電池が７００ｍＡｈの容量を有し、８．５Ａの充電電流にて充電動作をこれもやはり約５分で完了させることを示し得る。ユーザーインターフェース３０は、それぞれが異なる状態（例えば、異なる障害状態）、異なる電池容量などに対応できる追加のＬＥＤを含むことができる。更に、本明細書で記載された色及び／又は照明スキームは、異なる色が異なる電池容量又は異なる状態に対応できるように変更されてもよい。

ユーザーインターフェース３０は、ユーザーに出力情報を提供するように構成された表示デバイスを含むことができる。例えば、疑いのある故障した電池又は不正な電池が充電区画に設置された状況では、ユーザーインターフェースは「不良品の電池」又は「不正電池」のメッセージを生じさせ、表示させるであろう。

ユーザーインターフェース３０は、ユーザーが、例えば充電期間及び／又は充電プロセスに関する他のタイプのパラメータを示すことができる、スイッチ、ボタン及び／又はノブを含み得るユーザー入力区域（図示せず）を更に含んでもよい。したがって、電池が約５分以内で少なくとも９０％充電されるようになる率以外の率で、ユーザーが電池を交換したい場合、ユーザーはインターフェース３０のユーザー入力区域を介して、そのように指定することができる。電池の識別（ユーザー入力区域により電池タイプ及び／又は容量を指定することによって、ＩＤ抵抗器などの識別機構を介して、又は他の電池決定スキームを介して決定され得る）に基づいて、充電器は、充電期間、並びに電池識別及び／又は容量に基づいて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ことができる。いくつかの実施形態では、計算技術を使って適切な充電電流を決定してもよい。ユーザーインターフェース３０のユーザー入力区域は、充電器１０を有効又は無効にするための入力要素（例えば、スイッチ）も含んでよい。

いくつかの実施形態では、充電器１０は、ソケット又はデバイス（例えば、充電式電池が、充電動作中に携帯電話の中に残される携帯電話）に設置された電池を充電するように適合されてもよい。かかる実施形態では、デバイスにはめ込まれた電池は、デバイスケース上に配置された、例えば５ピン端子に電気的に連結される。あるいは、かかる電池は、電池の短絡を避けるために、メス型コネクタに連結されてもよい。充電器はこれらの状況下で、ＡＣ又はＣＬＡ（１２Ｖの、自動車のタバコ用ライターアダプター）により電力供給され、はめ込まれた充電式電池を有するデバイスを受容するように構築された、ドッキングステーションを含むことができる。デバイスは係合構成でドッキングステーション内に設置される。ドッキングステーションはＩＤ確認を開始し、約５分でデバイスの電池を充電するように、電池容量（ＩＤ確認により決定される）に基づいて決定された、対応する充電電流を印加する。図６を参照すると、代表的なドッキングステーション１００、及びドッキングステーション１００と係合する構成で受容されるように構成されている携帯情報端末（ＰＤＡ）１０２など、電池で動作可能なデバイスが示されている。ドッキングステーションは、電池で動作可能なデバイス（この場合は、ＰＤＡ １０２）上に配置された接続部（これも図示せず）にそれぞれ連結している接続部１０４を含む。いくつかの実施形態では、電池で動作可能なデバイスは、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルカメラ、オーディオデバイス及びマルチメディア機器の１つを含む。いくつかの実施形態では、充電器１０は、充電器の接続部のアーク放電を防ぐために、充電電流を増大させてもよい。

図２は、充電器１０の代表的な実施形態の詳細を図示する。充電器１０は、８５Ｖ〜２６５Ｖ及び５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの定格で電力を供給する源など、充電器の外側にあるＡＣ電源に電気的に連結しているＡＣ−ＤＣコンバータ４２を含む電力変換モジュール４０を含み、そのＡＣ電力を低いＤＣ電圧（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変換器４４に送って、充電式電池を充電するのに適したレベルを供給する（例えば、上記のリチウムイオンセルにはＤＣ電圧は約３．７〜４．２Ｖの間のレベルのＤＣ電圧。その他のタイプのセルは、異なる電圧レベルを有してもよい。）ＡＣ−ＤＣコンバータ４２は、第１交流電圧での入力電力を受け入れ、それをより低いＤＣ定電圧に変換するように構成された、分離したＡＣ／ＤＣ切り換え装置として実装される。ＡＣ／ＤＣ切り換え装置７０の代表的な実施形態が、図４に示されている。ＡＣ−ＤＣコンバータ４２は、ＡＣ入力ラインとＤＣ出力との間のガルバニック絶縁を含んで、入力ＡＣ電流が、ＡＣ−ＤＣコンバータ４２のＤＣ出力区域に到達するのを防ぐ。

ＡＣ−ＤＣコンバータ４２は、実質的に定電圧のレベルがコンバータの出力で供給されるように、コンバータ４２のＤＣ出力電圧を制御するためのフィードバック機構（図示せず）も含んでよい。

いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ４４は、電力変換モジュール４０の中に組み込まれて、自動車のＤＣ電力供給などの外部ＤＣ電源を、充電式電池を充電するのに適したＤＣ電力レベルに変換する。例えば、自動車のＤＣ電力供給は、約１１．５〜１４．３ＶのＤＣ電力を供給し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４４は、その電力レベルを適した電力レベルに変換する。他の電力変換構成が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、電力変換モジュール４０は、充電器１０のハウジング内に配置されている。あるいは、電力変換モジュール４０は、充電器１０に電気的に接続されるように適合されている別のハウジング内に配置されてもよい。

充電器１０は、電池１２に印加する充電電流を決定し、決定された充電電流を電池１２に印加させる、コントローラ５０を含む。コントローラ５０はまた、規定の又は所定の期間が経過した後、充電電流を終了させる。コントローラ５０は、所定の電池電圧又は充電が到達した時点で、充電電流を終了させるように構成されることもできる。本明細書で記載されているように、充電電流の決定は、例えば、電池１２の容量及び／又はタイプを表すデータを通信する識別機構を使用して、充電器１０の充電区画内に設置された電池（複数可）の容量及び／又はタイプを識別することにより実行されてもよい。

コントローラ５０は、電池１２に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デバイス５２を含む。プロセッサデバイス５２は、マイクロチップテクノロジー社（Microchip Technology Inc.）からのＰＩＣ１８Ｆ１３２０マイクロコントローラなど、いかなるタイプの計算及び／又は処理デバイスであってもよい。コントローラ５０の実施に使用されるプロセッサデバイス５２には、プロセッサベースのデバイスの一般動作を可能にするためのコンピューター命令を含むソフトウェアを格納するように構成された揮発性メモリ及び／又は不揮発性メモリ要素、並びに、例えば、少なくとも９０％の充電容量を約５分で達成する充電動作、及び電池１２の容量及び／又はタイプを識別する、ないしは決定する動作を含む、充電器に接続されている電池１２に充電動作を実行する実行プログラムが含まれる。

プロセッサ５２には、複数のアナログ及びデジタルの入力ライン及び出力ラインを備えるアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ５４が含まれる。Ａ／Ｄコンバータ５４は、充電動作の調整及び制御を促進するために、充電器１０の検出端子１６ａ及び１６ｂに連結された電圧センサなど、電池１２に連結されたセンサからの信号を受信するように構成される。いくつかの実施形態では、コントローラ５０は、制御デバイスの処理機能のいくつか又は全てを実行するために、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含んでもよい。

コントローラ５０は、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータデバイス５６、及び／又はプロセッサデバイス５２により生成されたデジタル信号を受信し、それに応じて充電池１０のバックコンバータ６０などのスイッチング回路を制御する電気信号を生成するパルス幅変調器（ＰＭＷ）５８も含む。

いくつかの実施形態では、電池の端子（充電及び／又は検出）が、充電器１０のそれぞれの端子と電気的に連通しているように、充電器１０は、自動的に電池及び／又は充電区画を充電器１０上の第１のエントリー位置から第２の位置に動かす、自動取り付け／取り外し機構（図示せず）を含んでもよい。本明細書でその内容全体を参照により組み込む、同時に出願された特許出願名称「電池を自動的に取り付け及び取り外す機構を備えた電池充電器（Battery Charger with Mechanism to Automatically Load and Unload Batteries）」で開示されているように、充電動作の最後に、充電器１０は、自動取り付け／取り外し機構に電池を取り外させて、電池をその第２の位置からそのエントリー位置に動かす。

図３は、２つの、例えばバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）６２及び６４、並びに電力変換モジュール４０がバックコンバータ６０と電気的に連通しているときにエネルギーを格納し、電力変換モジュール４０がバックコンバータ６０から電気的に分離している期間中にそのエネルギーを電流として放電するインダクタ６６を含む、バックコンバータ６０を示す。図３に示されているバックコンバータ６０は、エネルギー貯蔵要素としても使用されるコンデンサ６８も含む。インダクタ６６及びコンデンサ６８は、バックコンバータ６０の出力でのスイッチング電流及び電圧リップルを減少させるための出力フィルタとしても機能する。

電力変換モジュール４０から電池１２に伝送された電力は、トランジスタ６２及び６４のべースに印加される電圧レベルを制御することにより調整される。電力変換モジュール４０からの電力を電池１２の端子１８ａ及び１８ｂに印加させるために、コントローラ５０の端子５０ｄ（ＳＷ１と印されている）からの動作電気信号がトランジスタ６２のベースに印加され、電力変換モジュール４０からトランジスタ６２及び電池１２への電流の流れとなる。

トランジスタ６２のベースに印加された動作信号が停止されると、電力変換モジュール４０からの電流の流れは停止し、インダクタ６６及び／又はコンデンサ６８はそ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６２のオフ期間の間、第２の動作信号がコントローラ５０の端子５０ｅ（ＳＷ２と印されている）によりトランジスタ６４のベースに印加されて、電池１２を通る電流の流れが（トランジスタ６２のオン期間の間にインダクタ６６及び／又はコンデンサ６８内で貯蔵されたエネルギーを使用して）可能になる。いくつかの実施形態では、トランジスタ６４の代わりに整流ダイオードが利用されるが、そのダイオードは、トランジスタ６４と似た機能性を供給する。

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間、トランジスタのオン期間、即ちデューティサイクルは、初めにデューティサイクル０％から上昇する。電池１２に印加されるべき決定された充電電流に到達すると、フィードバック制御ループは、閉ループリニアフィードバックスキーム（closed loop linear feedback scheme）、例えば、比例−積分−微分（proportional-integral-differential）、即ちＰＩＤメカニズムを使用して、トランジスタデューティサイクルを管理する。充電器電圧出力又は電池端子電圧がクロスオーバー電圧に到達すると、類似の制御機構を使用してトランジスタのデューティサイクルを制御してもよい。

したがって、トランジスタ６２のオン期間中に電力変換モジュール４０により供給される電流、並びにトランジスタ６２のオフ期間の間にインダクタ６６及び／又はコンデンサ６８により供給される電流は、必要とされる充電電流と実質的に等しい有効電流となるはずである。

いくつかの実施形態では、コントローラ５０は、例えば、コントローラ５０の端子５０ｃ（ＩＳＥＮＳＥと印されている）を介して測定された値を通信する電流センサにより測定された、電池１２を通って流れる電流の測定値を、定期的（例えば０．１秒毎）に受信する。この受信されて測定された電流に基づいて、コントローラ５０は、電流が充電電流レベルに実質的に等しい値に集束するように、デューティサイクルを調整して、電池１２を通って流れる電流を調整させる。したがって、バックコンバータ６０は、調整可能なデューティサイクルと動作するように構成されて、調整可能な電流レベルが電池１２に供給される。

電圧センサ及び／又は電流センサに加えて、充電器１０は、電池１２及び／又は充電器１０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を含んでよい。例えば、充電器１０は、電池１２に連結された温度センサ及び／又はコントローラ５０が上に配置されている回路基板を含んでもよい。記述したとおり、電池１２がサーミスタをＩＤ抵抗器２６として機能するために含む状況では、サーミスタは電池の温度を測定し、電池が過熱している可能性があるかどうかを判断するために使用される。充電器１０は、温度センサ（例えば、サーミスタベースのセンサ又は温度計）も含んで、上にコントローラ５０のモジュールが配置されている回路基板の温度を測定して、基板が過熱している（例えば基板の温度が６０℃を超える）場合に、コントローラ５０が補正又は予防処置を取ることができるようにしてもよい。危険動作状況を無効にするための補正及び／又は予防処置は、充電動作を終了すること、又は電池１２及び／又は充電器１０の温度を下げるために充電電流を減じることを含む。

いくつかの実施形態では、電圧及び／又は電流センサにより測定された電圧のレベル及び電流レベルを決定するために、例えば、閾値コンパレータを含んでもよい専用の充電制御デバイスなどのアナログロジック処理要素（図示せず）を使用して、受信され測定された信号が処理される。充電器１０は、アナログ及び／又はデジタル入力信号に信号フィルタリング及び処理を実施するために、フィルタ５１及び５３などの信号調整ブロックを更に含んで、回路レベルのノイズなど外部の要因により引き起こされ得る不正確な測定（例えば、電圧、温度などの不正確な測定）を防いでもよい。

上限に到達された時点で、コントローラ５０は、電池１２の端子における電圧を実質的に一定の所定の上限電圧（クロスオーバー電圧とも呼ばれる）付近で維持するように更に構成される。電池１２が、充電電流に実質的に等しい電流で充電されている間、電池の端子での電圧は上昇する。電池の端子での電圧が所定の上限電圧を超えないことを確実にするために（電池が過熱しないように、又はそうでなければ電池の動作若しくは期待される寿命に悪影響が与えられないように）、電圧センサを使って電池１２の端子での電圧が定期的（例えば０．１秒毎）に測定されて、所定の上限電圧がいつ到達されたかを判断する。測定された電圧は、端子５０ｂ（ＶＳＥＮＳＥと印されている）を介してコントローラ５０に通信される。電池１２の端子での電圧が所定の上限電圧に到達したとき、電流／電圧制御回路は、電池１２の端子で実質的に定電圧になるよう制御される。

いくつかの実施形態では、コントローラ５０は、定期的に電池１２の端子で電圧を測定することにより電圧上昇率を監視するように構成され、また所定の上限電圧がある指定された電圧上昇期間内に到達されるように、電池１２に印加された充電電流を調整するように構成されている。所定の上限電圧が、指定された電圧上昇期間内に到達されるように、測定された電圧上昇率に基づいて充電電流レベルが調整されて、充電電流が増大又は低減される。充電電流レベルの調整は、例えばカルマンフィルタ（Kalman filter）を使用する予測子修正子技法に従って、実行されてもよい。上限電圧を達成するための電流に対する調整を決定するその他の方法を使用してもよい。

図５は、充電器１０の充電区画に挿入された充電式電池１２を充電するための代表的な充電手順８０を図示する。充電区画内に設置されたとき、充電器１０の充電端子１４ａ及び１４は、電池１２の充電端子１８ａ及び１８ｂに電気的に連結され、充電器１０の検出端子１６ａ及び１６ｂは、電池１２の充電端子２０ａ及び２０ｂに電気的に連結される。本明細書で説明されているように、充電器１０の充電端子を介するよりも、充電器１０の専用の検出端子を介して、電池の電圧及び／又は電流を測定することにより、測定エラーの発生が減少し、したがって、充電器１０により実行される充電手順のより正確な制御がもたらされる。

所望により、充電器１０は、充電動作の開始前に、いずれかの障害状態が存在するかどうかを判断する。このように、充電器１０は、電池１２の温度及び電圧を測定する（８２）。充電器１０は、最初に測定された温度Ｔ_０及び電圧Ｖ_０が、所定の範囲内（例えば、Ｖ_０は２〜３．８Ｖ、温度Ｔ_０は６０℃未満）にあるかどうかを判断する（８４）。したがって、測定された温度及び／又は電圧が所定の許容範囲内にないと判断される状況では、現在の状況下での充電動作を安全でないものにし、充電器は充電動作を開始せず、手順８０は終了する。

測定された温度Ｔ_０及び電圧Ｖ_０が、それぞれの所定限界内である場合、充電器１０は、所定の値の試験電流Ｉ_ｔｅｓｔを電池１２のＩＤ抵抗器２６に印加する（８６）。ＩＤ抵抗器２６での得られた電圧降下Ｖ_Ｒ１は、充電器１０の端子２２に連結された電圧センサを使用して測定される。

電圧Ｖ_Ｒ１を測定して、ＩＤ抵抗器２６の抵抗が以下のように計算される（８８）。

計算された抵抗は、充電器１０に接続された電池１２を表し、したがって、電池の容量を表す。したがって、抵抗の計算された値が使用されて、電池１２に印加する充電電流を決定する（９０）。プロセッサ５０は、計算された抵抗値に関連する容量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。決定された容量が複数の充電電流エントリーに関連しているという状況では、ユーザーの所望の充電期間（例えば、ユーザーインターフェース３０の入力区域を使用して指定される）を使用して、ＩＤ抵抗器２６電池特性の計算された抵抗から識別された電池容量及び／又はタイプに関連する適切なエントリーを選択してもよい。一般に、５分の充電期間が使用される実施形態では、決定された電池容量を有する電池１２を５分で充電する充電電流値は、ルックアップテーブルから読み出される。例えば、ＩＤ抵抗器２６の計算された抵抗に基づいて、接続された電池が５００ｍＡｈの容量を有すると判断された場合、６Ａの充電電流を表す値は、ルックアップテーブルから読み出される。

電池１２に印加されるべき充電電流を決定して、図３に示されているバックコンバータ６０などの電流／電圧制御回路が制御されて（９２）、電力変換モジュール４０からの電圧が充電式電池１２に定電流を供給する。説明したように、９０で計算された充電電流レベル値は、処理されてデューティサイクル信号を生成し、電池１２に印加されるべき充電電流に実質的に等しい電流を発生させる。コントローラの出力信号が、例えばバックコンバータ６０のトランジスタ６２に印加されて、電力変換モジュール４０からの電圧が電池１２に印加される。特定のデューティサイクルのオフ時間中に、電力変換モジュール４０は電池１２から切断され、インダクタ６６及び／又はコンデンサ６８内に貯蔵されたエネルギーは、電流として電池に放電される。電力変換モジュール４０から印加された、合わされた電流、及びインダクタ６６及び／又はコンデンサ６８から放電された電流は、決定された充電電流に実質的に等しい有効な電流となる。

電池１２が実質的に定電流で充電されている間、電池の端子での電圧は上昇する。電池の端子での電圧が、所定の上限電圧を超えないということを確実にするために、電池１２の端子での電圧が定期的（例えば０．１秒毎）に測定されて（９４）、所定の上限電圧がいつ到達されたかを判断する。電池１２の端子での電圧が所定の上限電圧に到達すると、定電圧レベルが電池１２の端子で作られるように、（例えば、トランジスタ６２及び６４の電気作動を介して）電流／電圧制御回路が制御される。

所望により、電圧上昇率は、定期的に測定されて（９６）、指定された電圧上昇期間内に所定の上限電圧に到達させる。測定された電圧上昇率に基づいて、所定の上限電圧が指定された電圧上昇期間内に到達されるように充電電流を増大させる又は低減させるために、（電流／電圧制御回路に印加される動作信号の、対応する調整と共に）充電電流レベルが調整される。

充電期間と実質的に等しい時間が経過した後に、決定された（９８）ように、電池１２に印加された充電電流は、（例えば、トランジスタ６２の電気動作を停止して電力変換モジュール４０から供給される電力を終了させることによって）終了する。充電手順は、電池１２の所定の上限電圧が到達された後、又は電池１２のある指定された充電レベルが到達された後に、特定の期間が終わった時点で終了する。

その他の実施形態
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が理解されるであろう。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。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電する方法であって、前記方法は、
   前記充電式電池から受信された識別情報に基づいて、対応する電池容量を決定する工程と、
   前記電池が１５分以内の充電期間内で到達される所定の充電を達成するように、前記決定された対応する電池容量に基づいて、前記充電式電池に印加する充電電流レベルを決定する工程と、
   実質的に略前記決定された電流レベルを有する充電電流を前記電池に印加する工程と、
   を含む、方法。
2. 前記対応する電池容量を決定する工程は、
   試験電流を前記充電式電池の識別抵抗器に印加する工程であって、前記識別抵抗器が前記対応する電池容量を表す工程と、
   前記識別抵抗器での識別電圧降下を測定する工程と、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記充電電流を決定する工程は、前記識別電圧降下に基づいて前記充電式電池に印加できるように、前記充電電流レベルに対応する値をルックアップテーブルから読み出す工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記充電電流を決定する工程は、
   前記測定された識別電圧降下及び前記試験電流に基づいて、抵抗値を計算する工程と、
   前記計算された抵抗値に基づいて、前記充電式電池に印加されるべき前記充電電流レベルをルックアップテーブルから選択する工程と、
   を含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記充電式電池の温度を決定する工程と、
   前記決定された温度に基づいて、前記充電電流を調整する工程と、
   を更に含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記充電期間と実質的に等しい充電時間が経過した後に、前記充電電流を終了する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記電池の前記所定の充電は、前記電池の前記電池容量の少なくとも９０％であり、前記充電期間が、約５分である、請求項１に記載の方法。
8. 前記充電電流を印加する工程は、充電器デバイスの第１組の端子を介して、充電電流を前記充電式電池に印加する工程を含み、前記第１組の端子は電流を印加するように構成されている、請求項１に記載の方法。
9. 少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電する方法であって、前記方法は、
   充電器デバイスの第１組の充電端子を介して、充電電流を前記充電式電池に印加する工程であって、前記第１組の端子が電流を印加するように構成されている工程と、
   前記充電器デバイスの第２組の検出端子を介して、前記充電式電池の端子での電圧を監視する工程であって、前記第２組の端子が電圧を測定するように構成されている工程と、
   を含む方法。
10. 少なくとも１つの充電式電気化学セルを有する充電式電池を充電するように構成された充電器デバイスであって、前記充電式電池は、前記充電式電池に関連する、対応する電池容量を表す識別情報を通信するように構成された電池識別機構を含み、前記デバイスは、
    前記充電式電池を受容するように構成された充電区画であって、
    前記充電式電池の各電池端子に連結されるように構成された充電端子と、
    前記充電式電池の前記電池識別機構と通信するように構成され、前記識別情報を受信するための電池識別読み取り機構と、
    を含む充電区画と、
    前記充電式電池の前記通信された識別情報に基づいて、前記対応する電池容量を決定するように構成され、
    前記電池が１５分以内の充電期間内に到達される所定の充電を達成するように、前記決定された対応する電池容量に基づいて、前記充電式電池に印加されるべき充電電流レベルを決定するように構成され、
    実質的に略前記決定された電流レベルを有する充電電流を前記充電式電池に印加するように構成されたコントローラと、
    を含む、充電器デバイス。

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