JP3043808B2 - 再充電可能な電池を特に急速に充電するための方法 - Google Patents

再充電可能な電池を特に急速に充電するための方法

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JP3043808B2 JP04510430A JP51043092A JP3043808B2 JP 3043808 B2 JP3043808 B2 JP 3043808B2 JP 04510430 A JP04510430 A JP 04510430A JP 51043092 A JP51043092 A JP 51043092A JP 3043808 B2 JP3043808 B2 JP 3043808B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、再充電可能な電池、主として自動車用バ
ッテリーを、これに定電流パルス形態の充電電流を供給
することにより、急速に充電するための方法であって、
電流パルス休止期間ごとに電池の端子電圧を測定し、こ
れがカットオフすべき最大電圧に達したら、電池が許容
限度を超えて温度上昇したりガスを発生したりしないよ
うに充電電流を引下げる方法と、該方法を実行させるた
めの回路装置に関する。
背景技術 公知の充電装置は、前もって定電圧もしくは定電流の
いずれかの方法を選定し、これらに対応した充電電流も
しくは電圧を設定すると言う方式で動作する。そしてい
わゆる定電圧充電方式では、電池に一定の充電電圧を印
加するので、最初は極めて大きな電流が流れるが、充電
の進行に伴ってこれが次第に小さくなる。しかし充電終
期に電池が過熱状態にならないようにするには、充電電
流をそれ相応に抑制しなければならないので、電池を完
全充電するまでの時間が極めて長くなる。また、いわゆ
る定電流充電方式においては、電池にそれ相応に高い充
電電圧を印加しながら定電流を供給し、電池が最大電圧
に達したら、この充電電流をカットする。ただしこの最
大電圧は、電気化学起電力と電池の内部抵抗に起因する
電圧降下分とを合計したものであり、充電電流をカット
した時点においては、電池がまだ完全には充電されてい
ない。しかし更に充電を進めると、電池が温度上昇して
傷められる。従って、このような理由から、市販の公知
の充電装置では、充電電流が２アンペア程度に制限さ
れ、所要充電時間が12ないし24時間にもなる。
しかし、電池をこれより遥に短時間、例えば１時間程
度で充電する、いわゆる急速充電装置も存在し、完全放
電済の電池を比較的大電流で充電させることが実用化さ
れているが、これは主として内部抵抗の低いNi Cd電池
用である。しかし、この場合にも、大きな充電電流が適
時遮断されなかったら、過充電による著しい温度上昇に
起因してガスが発生し、電池が破裂したり、そうでなく
ても寿命が短縮される恐れが生じる。
特に上記のような急速充電装置では、充電電流を早期
遮断すると所定充電容量が実現されなくなるため、適切
な遮断時点ないし充電電圧を検知することが問題とな
る。そこでこの遮断時点判定基準として、充電時間、温
度、端子電圧が挙げられる。無電流状態での電池電圧を
最も正確に測定する方法が、端子電圧測定法である。こ
のことが公知の充電装置では、短時間の充電休止期間に
電圧を測定することによって実現されている。また、一
定の電流パルスで電池に充電電流を供給し、これらの電
流パルスの休止期間中に端子電圧を測定しながら監視す
ることも公知である。
デルタＶ方式と名付けられたこの公知の方法では、セ
ル電圧が電池温度によって大きく左右され、温度が上が
るとセル電圧が低下すると言う特質が利用されている。
そしてこの公知の方法では、充電時間の短縮と所要の温
度上昇とを実現させて電圧降下量ΔＶを把握可能とする
ため、著しい温度上昇には敢えて目をつぶらざるを得な
い。しかしこの結果、通常よりも大きな電流と高い温度
で電池を充電した場合、前記電圧降下が早期に発生し、
電池がフル充電されなくなることが欠点となる。しかも
過熱によるガス発生により、電池の寿命が著しく短縮さ
れる。
この種の他の公知の方法では、充電終期の急峻な電圧
上昇が判定基準に利用されるが、この場合、充電電流が
カットされずに次第に引下げられるので、充電終期の温
度上昇が効果的に防止される。このような方法によれ
ば、電池をいたわりながら電池が実行されるので、何サ
イクルにも及ぶ長寿命が保証されるようになる。この場
合、1.2Ah電池に対する最低所要充電時間は、10分間と
言われている。しかも−10℃から＋60℃までの温度範囲
で充電可能である。
上記とは異なる他の公知の充電方法では、充電プロセ
スコントロールのため、カットオフ判定基準として、充
電電流パルス持続期間中の電池の端子電圧変化が利用さ
れている。
この方式による方法（EP−A1−0034003）では、電池
にパルス状の充電電流が供給され、該パルスの休止期間
に電池の放電が実行されるが、これによって矩形波状の
電流パルスに対し、電流値が大と小の各区間を発生す
る。そして充電期間中、充電パルスの部分期間の所定時
間にわたって電池端子電圧変化を測定し、例えばこの電
圧変化量が所定限度を超過するなど、測定値が所定特性
から逸脱すると、充電プロセスが打ち切られる。すなわ
ち、充電パルスの各サイクルごとに電圧変化の測定が実
行される。例えば充電パルス立ち上がり直後と、その２
秒後にそれぞれ電池電圧を測定し、その差を求める。も
し電池が完全充電されているなら、その差が大きくな
る。この差を連続記録すると、このカーブの上昇傾向
が、完全充電直前には屈曲するので、これがカットオフ
判断の手掛かりになる。
しかしこの公知の方法は、測定装置が高価になるだけ
でなく、厳密に一定な電流パルスを必要とする。
また、DE−A1−3811371により、NiCd電池の充電とチ
ェックとを同時に行う方法が公知にされているが、この
場合にも、厳密に規定された一定のパルス状の充電電流
を電池に供給しなければならないが、この矩形状のパル
ス区間には、電流値の大きい区間と小さい区間が設けら
れている。そして電流パルス休止期間中の測定期間に比
較的短時間の放電を実行させるが、この場合、電流値の
大きな区間の開始時と、それから所定時間後に、それぞ
れ電池電圧を測定し、これら電圧測定値の差を充電プロ
セスコントロールに利用する。そして各測定期間中に、
異なる充放電状態の下での電池の内部抵抗を測定して個
々の値の相互関係を求めるとともに、相連続した各測定
期間での内部抵抗値とも比較する。これらの関係から電
池のさまざまな状態における一連の情報が得られるの
で、これを用いて充電プロセスをコントロールするとと
もに、当該電池がまだ継続使用可能か否かを判定するこ
とも可能となる、この公知の方法では、測定対象が電圧
の絶対値ではなく、充放電プロセスに起因した電池の電
圧変化が抽出される。
EP−0330981により、相手側電池の特性如何とは無関
係に、ガス圧が許容値を絶対に越えない充電方法が公知
にされているが、このことは、ガス発生電圧よりは低い
上限値に達したら、比較的大きな初期充電電流を、例え
ば補償充電電流程度にまで引下げ、これに伴い電池電圧
が低下して下限値に達するまで、この状態を持続させた
あと、若干低めの充電電流をフル投入する。そして充電
電流引下げ期間の累計が所定期間に達するまで、このよ
うな脈動的充電プロセスを繰り返した後、最低充電電流
による補償充電が所定時間だけ実行される。しかしこの
公知の方法では、充電電流パルスの繰り返し周波数が、
その時々の電池の充電状態との関係によって決定される
ため、充電時間がかなり長くなる。
ドイツ実用新案G9010972.4（ペルツ）により、一つの
電池充電装置が公知にされているが、この装置は、各瞬
間の充電状態検出用の計測、制御回路と目標値発信器と
を備えており、この目標値発信器が、各瞬間の充電状態
検出値に対して充電電流の目標値を割りつける。そして
パルスレギュレーターとしての充電電流調整器が、必要
に応じて可調整の、パルス幅とパルス休止期間とを設定
することにより、電流パルスの大きさがそれぞれ所定の
目標値に応じてコントロールされる。また前記制御回路
には、充電装置に接続された電池端子電圧の、前記測定
回路による測定値に対して少なくとも一つの上限値と一
つの下限値が設定されており、端子電圧がこの上限値に
達したら、これが下限値に再び低下するまで、制御回路
のロジックによって充電プロセスが中断される。またこ
の明細書により、各瞬間の充電状態の表示装置と誤極性
表示装置とを設けることも、公知である。
フランス特許FR2203198（ウェスチングハウス）によ
り、パルス休止期間中に電圧測定を実行することによっ
てその時々の充電状態を確認することが公知になってい
るが、この場合、その時々の充電状態が、前記電圧測定
値から直接把握されず、各パルス終期ごとに連続測定し
たそれぞれの電圧測定値の差を求めることにより、間接
的に把握される。そしてこれらの測定結果をコンピュー
タにインプットし、充電電流の継続、カットオフあるい
は修正が実行される。
EP−0181112（クリスティ）記載の充電方法では、電
池に一定の充電電流パルスが供給されるが、この場合、
各パルス休止期間の終期ごとに端子電圧が検出される。
そして電流パルス休止期間中の放電プロセスを通じ、電
気化学起電力の低下を促進させることが可能である。こ
の公知の方法においても、主としてカットオフ判定基準
としての電圧の経時変化を把握したり計算するのに、や
はりコンピュータが使用される。
また、FR−Ａ−2274156により、補償充電運転中に、
電池電圧を上限値と下限値との間を上げ下げすることが
公知である。これと類似の上記EP−0330981記載の方法
においても、電池電圧が上限値に達したら、これがこの
上限値と下限値との間に維持される。
再充電可能なバッテリーシステムに関するEP−007444
4では、充放電プロセスが、マイクロプロセッサーの助
けをかりて、酸濃度（pH値）や温度等との関連の下にコ
ントロールされるが、この場合、一定の充放電パルスを
使用し、必要とする充電電流の程度に応じてこのパルス
速度を変化させる。
充電回路に関するUS 4,371,826（シェリー）では、
パルス幅変調した定電流パルス形態の充電電流が電池に
供給される。
方法、装置および回路方式に関するPCT/AT 89−0002
7（特表平３−500959号公報）では、過充電を防止する
ため、エネルギー供給をカットもしくは抑制する必要が
あるが、この場合、カットオフ判定基準として充電電流
と充電電圧それぞれの経時変化が利用され、これがコン
ピュータ回路によって検出、評価される。
マイクロプロセッサー制御の電池充電システムに関す
るUS4,710,694（サトフィン）では、大きさの異なる三
つの充電電流が用意され、これらが逐次投入される。そ
してマイクロプロセッサーにより、先ず極めて大きな充
電電流が短時間だけ、例えば電圧が特定値に達するか、
もしくは端子電圧変化率が、ｘを正数としたとき、x/10
0ボルト/hよりも小となるまで通電されたあと、第２充
電電流が、電圧変化率がx/100ボルト/hよりも小となる
まで継続通電される。そしてこれに引き続き、第３充電
電流が投入され、充電が打ち切られる。
WO−Ａ−84/00614（シュトゥベ）により公知された、
蓄電池のその時々の充電容量を監視する方法では、急速
充電を目的として、大きさの異なるパルス状充電電流に
よる複数の充電期が用意され、その第１充電期には、通
常の数倍にも達する極めて大きな充電電流が通電され
る。そして特定の切換電圧に達するか、もしくは温度が
設定値を越えるか、これら二つの条件の一つが満たされ
次第、第１期から第２期への切換が実行される。この第
２期は、所定時間が経過するか、もしくは特定の切換電
圧に達するか、あるいは充電対象電池の温度が特定値を
越えらた、直ちに打ち切られる。そしてこの第２期終了
後の補償充電のため、第３充電期には、時間間隔を広げ
た補償充電パルスが印加される。
発明の開示 この発明の目的は、ガス発生を惹起こさせる恐れのあ
る有害な温度上昇を避けながら、より短い充電時間を実
現させ、かつより広い温度範囲での充電を可能とする新
規な充電方法を提供することである。そして充電装置
を、市販のあらゆるタイプやサイズの電池や、主として
自動車用バッテリーの急速充電用としても、一般的に広
く使用可能しようとするものである。
この発明も、電池に定電流パルス状の充電電流を供給
する充電方式を原点としたものであるが、この場合電流
パルスの休止期間ごとに電池の端子電圧を測定し、これ
が所定の最大遮断電圧に到達したら充電電流を引き下げ
ることにより、許容値を越える電池の上昇温度やガス発
生を防止する。すなわち大きさの異なる幾つかの充電電
流を用意し、これをその時々の電池の充電状態に応じて
投入するが、この場合、大きさの異なるこれらの充電電
流を、電池の電気化学起電力カーブ内の電池特性領域そ
れぞれに割りつけ、起電力が当該領域の上限を超過した
ら、当該充電電流をカットオフするとともに、必要に応
じて隣の領域の充電電流を投入する。
この発明に基づく方法は、電気化学起電力カーブＵ＝
ｆ（ｔ）内で、それぞれの電流値が割りつけられる領域
を、上と下の各電圧目標値によって区分するとともに、
充電期での下の電圧目標値を、その直前領域の上の電圧
目標値に相当した値にすることにより、電流パルス休止
期間後の電池の電気化学起電力が、当該領域限界の一つ
を上回るか、もしくは、下回るたびに、当該、もしく
は、次の電流パルスの電流値を、その時々の担当領域
（第１期もしくは第２期）にマッチさせ、起電力が上の
領域限界に達したら、これが補償充電期（第３期）の下
の領域限界に達するまで、次の電流パルスを抑制（カッ
トオフ）し、そして、補償充電期（第３期）において、
当該電流パルス休止期間後に起電力が領域限界（U3a、U
3b）を上回るか、もしくは、下回るたびに、当該もしく
は次の電流パルスを抑制、もしくは、投入することを特
徴とする。
電流と電圧をカットする公知の充電方法や充電装置と
異なり、この発明による充電プロセスにおいては、大き
さの異なる電圧、電流が供給されるので、当該期間中の
過大な温度上昇やガス発生が必然的に抑制される。
この発明の他の特徴によれば、充電プロセスに際し、
まだ完全には充電されていない電池で通常見受けられる
パルス休止期間ごとの電気化学起電力の低下が、パルス
休止期間中に適切に実行される放電プロセスによって促
進される。例えば、10ないし10,000オーム程度の非誘導
性抵抗を接続することにより、電流パルス休止期間中の
放電プロセスを促進させる。言い換えれば、このパルス
休止期間中の短時間放電により、実際の起電力がより速
やかに実現されるようになる。しかもこのような措置に
より、一般に「メモリー効果」と称される電池内での各
電池固有の結晶生成が防止される。この効果は、電池の
蓄電容量ならびに使用可能サイクル数が向上されるにつ
れ、注目されるようになった。
この発明に基づく方法によれば、充電所要時間を５な
いし７分間に短縮可能なことが実証されている。しかも
−20℃から＋80℃までの温度範囲にも適用可能となる。
殆ど瞬間的に充電、測定、修正が実行されるため、極
めて大きな電流で初期充電されるにもかかわらず、電池
が優しくいたわられながら充電される。また充電電流が
電池に完全に吸収されて熱に変換されないため、充電効
率も極めて高くなる。
特に電池に優しい充電を実現させるには、領域数を任
意に増やし、高電流領域を第１期ではなく、第２期もし
くは他の箇所に分散させたり、あるいは完全に廃止すれ
ばよい。これはソーラー電池による電池の充電に好適な
筈である。
この発明の詳細とその他の特徴は、以下の説明ならび
に各請求項記載の通りである。次にこの発明を、実施例
の図面を参照して更に詳細に説明する。
図面の簡単な説明 図１は、市販の再充電可能なNi Cd電池の理論的電
圧、電流カーブである。
図２は、この発明による方法を実行させるための回路
方式のブロック結線図である。
図３は、充電初期での電池温度50℃のときの実際の電
圧、電流カーブである。
図４は、充電初期での電池温度０℃のときの実際の電
圧、電流カーブである。
発明を実施するための最良の形態 図１に、市販の、あるNi Cd電池の典型的な充電カー
ブが示されている。図中のＵ＝ｆ（ｔ）が電池の電気化
学起電力カーブ、Ｉ＝ｆ（Ｕ）が連鎖パルス状の充電電
流であるが、この図に示されているように、これには大
きさの異なる３種類の定充電電流I1、I2およびI3が用意
されている。そしてこれら充電電流それぞれの大きさ
は、充電対象電池に応じて選定されるので、完全放電済
のバッテリーに対しては、充電初期に極めて大きな電流
を流すことが可能となる。実際にこの充電電流の最大値
は、短絡電流にほぼ等しくなる。この実施例において
は、I1＝10A、I2＝6A、I3＝4Aである。これらの電流
が、電池の電気化学起電力カーブＵ＝ｆ（ｔ）におい
て、それぞれの最低電圧と最高電圧とを目印に区分され
た三つの領域、すなわち第１期ないし第３期それぞれに
割当てられる。完全放電済電池では、第１期が実用上零
の状態からスタートし、電圧目標値U1で終わる。これに
引き続き、U1と殆ど差がない電圧U2aを下の目標値とし
た第２期がスタートするが、詳細を後述するように、第
１期からこの第２期に必ずしも常に完全移行されるわけ
ではなく、第１期の電流I1と第２期の電流I2が交互に供
給される第１移行期を経て段階的に行われる。これに関
する詳細は、図２を参照しながら後述する。
電圧が最大目標値U2bに達すると第２期が終了し、こ
の期の電流I2がカットされ、補償充電電流I3が活かされ
る。この第３期は、電圧U3aを下の目標値、U3bを上の目
標値とした領域である。ただし実際では、電流I2がカッ
トされたあとの電池電圧測定値が、第３期の目標値U3a
を下回った場合にのみ、すなわち電池がまだ完全には充
電されていない場合にのみ、補償充電が行われる。そし
てその補償充電電流I3によって電圧が目標値U3bに達し
たら、充電電流I3がカットされるが、電池電圧が再び下
の目標値U3aに低下したら、これが再度投入される。図
中、電圧カーブＵ＝ｆ（ｔ）の第３期のダブルライン領
域は、電圧U3aとU3bとによって電流I3がオン・オフされ
ることにより形成されたヒステレシスループを意味す
る。電池電圧は、図1aないし図1bに描かれているよう
に、この充電期間中に通電期間を次第に延ばしながら、
U3aとU3bとの間を行き来する。また電流カーブＩ＝ｆ
（Ｕ）のダブルライン領域は、後述するように連鎖パル
ス充電電流I3がパルス幅制御されることにより、充電時
間の経過と共に、補償充電電流I3のオン期間が次第に短
縮されることを意味するものである。
充電電流I3が不足して電圧目標値U3bに達せず、電池
がまだ十分には充電されていない場合には、目標値U2a
が達成される程度にまで電圧を引き下げることにより、
第２期の充電電流I2を再び活かし、電池をより大きな電
流I2で充電させればよい。そして目標値U2bを再度達成
されたら、前通り、補償充電に切り換える。そしてこの
ことを何度も繰り返すとよい。このようなやり方によれ
ば、第２期の中にも移行領域が形成されることになる。
第１移行期は、電気化学起電力が、充電途中で目標値
U1を目印にした第１期終末期に達したあと、電池の充電
不足に起因して再び目標値U1以下に低下したため、充電
電流I2をカットして再度I1を活かした場合に出現する。
そしてI2よりも大きいI1によるパルスが連続されている
うちに電池電圧が上昇して目標値U1を超えたら、充電電
流I1がカットされ、I2が再度投入される。そして次のパ
ルス休止期間中に、再度電圧U1の低下が確認されたら、
再び前記プロセスが実行され、そしてパルス休止期間中
に電池電圧がもはや目標値以下には低下しなくなるま
で、これが繰り返される。
この移行期間中は、充電電流パルスが、常に大きさを
異にする二つの電流で合成されるので、図１の移行期間
に示されているように、充電電流の平均値が低下する。
例えば中途半端にしか放電されていない電池を充電し
ようとする場合には、第１期を省略して第２期で充電開
始される。また、例えば完全充電された電池をうっかり
してこの発明に基づき動作する充電装置に接続した場
合、殆ど瞬間的に第１期、第２期を飛び越し、そのまま
第３期に突入する。
発光ダイオードやその他の光学的表示装置を用い、各
期区分それぞれの目印となる電圧U1、U2a、U3a、U3b、U
2bを表示装置にインプットすれば、電池の充電状態を比
較的容易に表示させることができる。
図２に、図１に示されている充電プロセスを実行させ
る回路方式のブロック結線図が示されている。この図に
おいて、１が充電対象となる電池である。この電池がそ
の時々に必要とする充電電流は、例えば，多段方式に構
成された終段増幅器２によってパルス化されるが、この
増幅器はトリガー３によってコントロールされ、一定の
電流パルスを出力する。ただしこのコントロールパルス
の周波数は、電池をいたわりながら充電可能とするた
め、高い値、すなわち1Hzから10kHzまでの間に、また好
ましくは可調整に、設定される。そして各パルス持続期
間とパルス休止期間との比は、例えば5:1と100:1の間、
すなわちパルス持続期間がパルス休止期間の５ないし10
0倍になるように設定可能である。冒頭に述べたよう
に、この各パルス休止期間ごとに、電池の充電状態を表
すその時々の電気化学起電力が測定され、これが電圧実
際値として、配線L1経由で電池電圧メモリー４にインプ
ットされ、次のパルス休止期間での新測定値がインプッ
トされるまで、ここに保持される。つまりこのメモリー
４の内容は、常に最新状態に修正される。
またその時々の電流実際値も、上記と類似のやり方で
配線L2を経由し、電流実際値メモリー５にインプットさ
れ、次の通電期間の新しい電流実際値がインプットされ
るまで、ここに保持される。この電流実際値は、電流に
比例した電圧を発生するシャント（分流器）を用いて把
握され、これが電圧値として前記メモリー５にインプッ
トされる。前記電圧実際値メモリー４ならびに電流実際
値メモリー５を、終段増幅器２と同期動作させるため、
トリガー３が前記各メモリー４と５を配線L3経由で、例
えば一方をパルス休止期間に、また他方を通電期間中
と、交互にコントロールする。そして電圧実際値メモリ
ー４の中に格納された電圧実際値が、配線L4経由でコン
パレーター（比較器）６にインプットされ、ここで目標
値との照合が実行される。この方法に必要な電圧、電流
の各目標値はボックス７の中に格納されている。
いずれも電圧形態の電圧、電流各目標値は、主として
単純な方法により、定電圧を印加した分圧器から得られ
る。
電圧目標値がコンパレーター６にインプットされる
が、このコンパレーターの個数は、検出される電圧の数
と同数とし、これらすべてのコンパーレーターに電圧目
標値を与える。そして各コンパレーターそれぞれの出力
をRSフリップ・フロップコンビネーション９にインプッ
トすることにより、第１ないし第３の各期が、二つのヒ
ステレシス２と３とを形成しながら確定される。
図１に示されている例によれば、一方のヒステレシス
２が二つの電圧目標値U2aとU2bとによって、また他方の
ヒステレシス３がU3aとU3bによってそれぞれ形成される
が、この場合、電池の電気化学起電力が上昇したときに
は、U2aやU3aからU2bやU3bへと、それぞれに対応した充
電電流I2やI3がオンされるのに対し、電池起電力が低下
したときには、U2bやU3bからU2aやU3aへと、当該領域
（第２期や第３期）にそれぞれ対応した充電電流I2やI3
がオフとされたままとなる。
各期それぞれに対応した電流目標値が、配線L5経由で
制御論理回路８に伝達される一方、これにはRSコンビネ
ーション９のフリップ・フロップから主としてデジタル
方式の信号が与えられ、これによって現在どの期で動作
中であるかが知らされる。この制御論理回路８には各期
制御用のマルチプレクサーが配属されており、これによ
って第２期および第３期それぞれに対応した充電電流I2
とI3とが適切にリンケージされる。従って制御論理回路
８からは、電池が当面必要としている電流目標値がアウ
トプットされるようになり、これがインテグレーター
（積分器）10にインプットされる。このインテグレータ
ー10が、電流目標値メモリー５に格納されている電流目
標値を、制御論理回路からインプットされたばかりの電
流目標値と照合し、かつこれを修正する。
インテグレーター10が、電池が必要とする許容最大充
電電流を、好ましくはマルチステップの終段増幅器を介
してコントロールする。この終段増幅器２が、好ましく
は前置増幅器を介し、トリガー３によってパルスコント
ロールされるため、これが移行期においては大きさの異
なる二つの電流、例えば第１移行期では電流I1とI2から
合成した、正確な電流パルスを生成する。ただしこの場
合、パルスの持続期間の長さは、一定のままである。
この方法で動作する充電装置は、さまざまなタイプの
電池に容易にマッチング可能であり、実際に際しては、
ポテンショメーターまたはこれに類したものを設定しさ
えすればよく、これこそ、『電極主体の充電方法』と言
える。
図３と４に、実測した電流・電圧カーブが示されてい
るが、これは、電池温度50℃と０℃の二つのケースにつ
いての電圧カーブＵ＝ｆ（ｔ）と電流カーブＩ＝ｆ
（Ｕ）の記録である。そしてここでも充電電流I1ないし
I3の大きさ、ならびに電圧目標値U1、U2a、U2b、U3a、U
3bそれぞれの大きさが、図１と同一に設定されている。
これらの図から分かるように、図３のカーブは、充電時
間が５分ないし７分である点を除き、実際的に図１と同
一である。
また図４に示されているように、温度の低下に伴い電
池が受け入れる電流値が低下するため、第１期は、短い
第１移行期を経たあと、直ちに充電電流がI2の第２期に
移行される。そして最大電圧目標値U2bに達したあと、
電圧U3aを維持するには補償充電用の充電電流I3では不
十分なので、充電電流I2が再度投入され、第２移行期が
現出した。また、予期しなかった驚きとして、この発明
に基づき動作する充電装置にアルカリ一次電池を接続し
たら、これが危険なく再充電されたのである。この現象
に関する詳細調査の結果、これまで充電不能とされてき
た、例えばアルカリ・マンガン一次電池が50回もの充放
電に耐え、50回目の充電後での蓄電容量が、定格値の75
％にも達していた。しかしいずれにしても急速充電は不
可能で、充電には２ないし３時間を要した。またテスト
結果によれば、水銀・酸化水銀や銀・酸化銀等の各一次
電池も、再充電可能であることが判明した。ただし当然
のことながら、これには充電装置を電池特性に合わせて
調整する必要がある。
この発明による方法では、公知の急速充電装置に比べ
て回路装置のコストが若干高くなるが、電子部品や構成
グループを合理的に集積して、最大限度までIC化すると
よい。しかしこの方法は、極端な短時間充電、電池を大
事にする取扱、繰り返し使用回数の向上、あるいはメモ
リー効果の発生防止等が要求される場合にはお誂えむき
なものとなる。
この装置への電池の誤接続（極性の取り違え）を防止
するには、装置の電圧・電流源へのリード線の途中にス
イッチングトランジスターを設けることにより、電池の
極性が正しい場合にのみ、電源をオンさせればよい。周
知のように、完全放電済の電池でもなお0.6ボルト程度
の起電力が残存するので、これを適宜増幅すれば、入力
回路の前記スイッチングトランジスターをコントロール
させることができる。例えば、電極間が短絡したよう
な、著しく損傷された電池には電圧が残存していないの
で、前記の保護回路でこれを検知して表示可能であり、
充電プロセスが実行されるようなことはない。
また電池を、例えば、60℃以上の高温で充電したいよ
うな場合には、装置に、電池温度を監視するセンサーを
追加装備するとよい。
図中の符号の説明 図1:U＝充電電圧、Ｉ＝充電電流、Ｃ＝容量、１＝第１
移行期、２＝第２期、３＝第３期、４＝10分のとき 図2:1＝電池とシャント、２＝終段増幅器、３＝トリガ
ー（1Hz〜10kHz可調整）、４＝電池電圧メモリー、６＝
目標値と実際値との比較的コンパレーター、７＝電圧な
らびに電流各目標値のための基準電源、９＝RSフリップ
・フロップ（第２、第３各期それぞれのヒステレシス
用）、10＝インテグレーター
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−100543（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−8537（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−83172（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−166830（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−221539（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−213428（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−103125（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−37674（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−183232（ＪＰ，Ａ) 特公 昭50−25136（ＪＰ，Ｂ１) 特表 平１−503512（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−500959（ＪＰ，Ａ) 米国特許3487284（ＵＳ，Ａ) 米国特許4146830（ＵＳ，Ａ) 米国特許4609860（ＵＳ，Ａ) 米国特許4710694（ＵＳ，Ａ) 米国特許4728306（ＵＳ，Ａ) 米国特許5148096（ＵＳ，Ａ) ***国実用新案公開9010972（ＤＥ, Ｕ１) 欧州特許出願公開34003（ＥＰ，Ａ１) 欧州特許出願公開74444（ＥＰ，Ａ１) 欧州特許出願公開330981（ＥＰ，Ａ ２) 欧州特許出願公開385145（ＥＰ，Ａ ２) 国際公開84／614（ＷＯ，Ａ１) 国際公開90／12441（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 10/42 - 10/48 H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 ＰＣＩ（ＤＩＡＬＯＧ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】再充電可能な電池に定電流パルス形態の充
    電電流を供給することにより、急速に充電するための方
    法であって、電流パルス休止期間ごとに電池の端子電圧
    を測定し、これがカットオフすべき最大電圧に達したら
    充電電流を引下げることにより、電流が許容限度を超え
    て温度上昇したりガスを発生したりしないようにするた
    め、電池の電気化学起電力カーブＵ＝ｆ（ｔ）内の各電
    池特性領域のそれぞれに割りつける大きさの異なる幾つ
    かの充電電流を用意し、これらをその時々の電池の充電
    状態に応じて投入することにより、各領域の上限が超過
    されるたびに当該充電電流を遮断するとともに、必要に
    応じて隣の領域の充電電流を投入する方法において、 電気化学起電力カーブＵ＝ｆ（ｔ）においてそれぞれに
    電流値（I1、I2、I3）が割りつけられる各領域を、下限
    および上限の各電圧目標値（０〜U1、U2a〜U2b、U3a〜U
    3b）によって区分し、 充電期においては下限電圧目標値（U2a）を、その直前
    領域の上限電圧目標値（U1）に相当した値にすることに
    より、当該電池の電気化学起電力が、電流パルス休止期
    間後に各領域限界（U1、U2a）の一つを上回るか、もし
    くは、下回るたびに、当該もしくはそれ以降の電流パル
    スの電流値を、それぞれの担当領域（第１期もしくは第
    ２期）にマッチさせ、 起電力が当該領域上限（U2b）に達したら、これが補償
    充電期（第３期）の当該領域下限（U3a）に達するま
    で、次の電流パルスを抑制（カット）し、そして、 当該電流パルス休止期間後に起電力が領域限界（U3a、U
    3b）を上回るか、もしくは、下回るたびに、当該もしく
    はそれ以降の電流パルスを抑制、もしくは、投入するこ
    とを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】充電プロセスに際し、電流パルス休止期間
    中に目的をもって放電させることによって、まだ十分に
    は充電されていない電池で通常発生する電流パルス休止
    期間中の起電力低下を促進させることを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  3. 【請求項３】10ないし10,000オーム程度の非誘導性抵抗
    を接続することにより、電流パルス休止期間中の放電プ
    ロセスを促進させることを特徴とする請求項２記載の方
    法。
  4. 【請求項４】パルス休止期間の比が、5:1ないし100:1の
    間に選定可能であることを特徴とする請求項１ないし３
    のうちのいずれかに記載の方法。
  5. 【請求項５】初期充電電流の大きさが、当該電池の短絡
    電流にほぼ相当した程度の大きさに選定されることを特
    徴とする請求項１ないし４のうちのいずれかに記載の方
    法。
  6. 【請求項６】請求項１ないし５の一つまたは幾つかに記
    載の方法を実行させるための回路装置であって、各電流
    パルス休止期間ごとに電池（１）の電気化学起電力を測
    定し、これを電圧実際値メモリー（４）の中に格納し、
    かつ、これを各領域（第１期ないし第３期）のそれぞれ
    に割当てられた電圧目標値（U1、U2a、U2b、U3a、U3b）
    と、コンパレーター（６）を介して照合し、 コンパレーター（６）の出力端が、各電圧目標値を各領
    域（第１期ないし第３期）のそれぞれに割りつけるRSフ
    リップ・フロップコンビネーション（９）に接続されて
    おり、そして、 各領域（第１期ないし第３期）のそれぞれに割当てられ
    る電流目標値（I1ないしI3）を、制御論理回路（８）を
    介してこれらの各領域のそれぞれに結び付けることによ
    り、電圧目標値に対応した電流目標値を制御論理回路
    （８）の出力端に出現させることを特徴とする回路装
    置。
  7. 【請求項７】電圧目標値に対応して制御論理回路（８）
    からアウトプットされた電流目標値が、電池に給電する
    終段増幅器（２）に、積分回路（10）経由でインプット
    され、該積分回路が、電流実際値をそれぞれの電流目標
    値と比較し、かつ当該パルス持続期間中にこの電流目標
    値を再設定することを特徴とする請求項６記載の回路装
    置。
  8. 【請求項８】パルスコントロールされた電流の実際値
    が、パルス持続期間中にシャントを介して測定され、か
    つこれが当該パルス持続期間を期限として電流目標値メ
    モリー（５）に格納されることを特徴とする請求項６又
    は７記載の回路装置。
  9. 【請求項９】大きさの異なる幾つかの充電電流（I1ない
    しI3）を出力する、多段方式の終段増幅器（２）が、電
    圧実際値メモリー（４）ならびに電流目標値メモリー
    （５）と共に、トリガー（３）によって一括パルス制御
    されることを特徴とする請求項６ないし８のうちのいず
    れかに記載の回路装置。
  10. 【請求項１０】電圧および電流の各目標値が、定電圧電
    源に接続された分圧器（基準器７）の各タップから得ら
    れることを特徴とする請求項６ないし９のうちのいずれ
    かに記載の回路装置。
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