JP5965390B2 - バイポーラ過電圧バッテリパルサー及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリのサイクル寿命及び容量を増加させるためのバイポーラ過電圧バッテリパルサー及び方法に関する。

再充電可能バッテリは、エネルギを蓄積し、このエネルギを電気デバイスの要求に基づいて電流放電時に送出する電気化学セルである。再充電可能バッテリは、バッテリを通して放電とは反対の方向に電流を強制印加することによって再充電することができる。

再充電可能バッテリにおいて一般的に遭遇する問題は、その後の再充電サイクルにわたるバッテリのエネルギ容量の損失であり、その結果、次の再充電サイクルまでのバッテリ使用時間量の低下がもたらされる。例えば、バッテリの最大エネルギ容量を保持する機能の損失は、バッテリが完全に放電し切っていない場合の使用期間に充電サイクルが続いた後にもたらされる可能性がある。最大エネルギ容量を保持する機能の損失は、浅い放電に充電サイクルが続く反復サイクルが存在する場合に悪化する可能性がある。バッテリの実質的に最大のエネルギ容量を保持する機能の損失の程度を低減し、更に充電サイクルの後の利用可能エネルギ容量の急激な劣化を阻止するために、製造業者は、バッテリを再充電する前に再充電可能バッテリを十分に放電させることを推奨している。

バッテリが最大充電容量を保持する機能のこの損失に寄与する可能性がある多くの現象が存在するが、アノード及びカソードのうちのいずれか一方又は両方において有効成分を再生させる機能の劣化が寄与ファクタである可能性があることは公知である。例えば、鉛酸バッテリの容量低下は、カソード及びカソードの活物質の性質における進行性の変化に関連し、この変化は、バッテリ寿命の短縮、並びにバッテリが容量を保持する機能の損失にも寄与することが報じられている。カソード及びアノードの面構造の初期状態は多孔性を有し、大量の活物質を周囲のバッテリ電解質に露出することを可能にする。バッテリが複数回の放電及び再充電サイクルを受ける時に、カソード及びアノードの面構造は、活物質とバッテリの電解質溶液との全体的な面接触を低減する集積結晶構造によって次第に形成されるようになる。

バッテリにおけるこれらの効果を低減するための従来技術における試みは、バッテリを再充電する前にバッテリが推奨作動レベルまで十分に放電し切ることを保証する段階を含むより優れたバッテリ充電サイクルに向けられている。従来技術における他のバッテリ充電器は、充電パターンを制御し、一部の場合には、バッテリを充電する期間にわたって弱い放電シーケンスを含む場合がある。例えば、Ｓａｇｅに付与された米国特許第５，６３３，５７４号明細書は、１０００ミリ秒の充電、２ミリ秒の充電休止、５ミリ秒の放電、及び１０ミリ秒の充電休止を含むシーケンスを反復可能に適用する段階を含むバッテリのための充電シーケンスが、バッテリが最大充電容量を保持する機能の損失の程度を低減することができることを開示している。Ｐｉｔｔｍａｎ他に付与された米国特許第５，９９８，９６８号明細書は、バッテリが完全に充電状態になるまで所定の充電シーケンスにおいてバッテリに対する放電、充電、及び休止期間を適用することを開示している。Ｉｍａｎａｇａに付与された米国特許第５，７７７，４５３号明細書は、充電シーケンス中に電圧パルスをバッテリに周期的に印加し、いずれの電圧も印加されない休止期間をそれに続ける更に別の充電シーケンス方式を表している。

複数回の充電サイクルにわたって繰り返されるバッテリが最大充電容量を保持する機能の損失は、バッテリ寿命の全体的な短縮に寄与する可能性もある。すなわち、バッテリが容量を保持する機能の損失は完全に不可逆的ではなく、バッテリ寿命にわたって累積的である場合があり、その結果、バッテリ寿命の全体的な低下がもたらされることは公知である。

充電サイクル中に、電極又はプレートは、負のイオンを正のプレートへ、正のイオンを負のプレートにイオンを引きつけ、それによってプレートへのイオンの更に別の移動が阻害される。バッテリが充電される時に高いインピーダンスが発生し、バッテリの高い抵抗がもたらされて充電状態になる。最終的に、充電の完了及びあらゆる過電圧の除去時に、アノード及びカソードにおいて平衡がもたらされることになり、それによって電極へのイオン移動速度は、電極から離れる同じタイプのイオンの移動速度と等しくなる。

式１で表すボルツマン方程式及び式２で表すネルンスト方程式は、電気化学系においてもたらされる熱力学平衡（安定状態）を電気化学溶液と電極の間に存在する電位差（Ｖ_se−Ｖ_me）に関してバルク電気化学溶液中のイオン密度Ｄ_seの電極の表層に存在する同じタイプのイオンの密度Ｄ_meに対する比を用いて表し、更にこの電位差（Ｖ_se−Ｖ_me）のこの比Ｄ_se／Ｄ_meへの相互依存性を表している。例えば、Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｇｅｒｔｈｓｅｎ及びＨｅｌｍｕｔ Ｖｏｇｅｌ著「Ｇｅｒｔｈｓｅｎ物理学（Ｇｅｒｔｈｓｅｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第１９版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン及びニューヨークを参照されたい。

ここで、以下の通りである。
ｑ＝電子電荷、クーロン
ｋ＝ボルツマン定数、ジュール／ケルビン
Ｔ＝絶対温度、ケルビン
Ｄ_se／Ｄ_me＝平衡時の電極の表層のイオン密度に対する電気化学溶液のイオン密度の比
（Ｖ_se−Ｖ_me）＝平衡時の電気化学溶液と電極の間の電位差、ボルト
平衡条件下では、系は安定し、すなわち、形成、成長、又は溶解又は相転移は発生しない。平衡時には、電極の表層内へのあらゆるイオン化学種の流束は、電極の表層から電気化学溶液中への等しい数の同じイオン化学種の流束によって補償されることになる。

全ての化学系において、平衡状態に変化する傾向が存在する。例えば、Ｊａｍｅｓ Ｅ．Ｂｒａｄｙ著「一般化学−原理及び構造（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、ニューヨークを参照されたい。既存の平衡が、例えば、電極における電位に変更を加えることによって外乱を受けた場合には、電極の表層のイオン密度に対する電気化学溶液のイオン密度の比は、新しい平衡条件が得られるまで変化することになる。系が新しい平衡条件に到達するのに必要な時間量として緩和時間を定義する。両方共に電解質溶液の性質である比誘電率を比導電率で割算することにより、イオン密度対時間の比でこの変化を特徴付ける緩和時定数を定義する。

相転移に好ましい条件、すなわち、電解質溶液からのイオンが電極の面上で放電するのに好ましい条件は、溶液が過飽和状態にあり、系がその平衡条件から逸脱する時に発生する。例えば、過飽和は、方程式（３）で表すように、電気化学溶液中のイオンの電位Ｖ_sが電極上の平衡電位Ｖ_meよりも大きい場合に発生する。

この過飽和条件に対処するのに２つの可能性が存在する。１つの可能性は、電気化学溶液の電位を式（４）で表される平衡電位に維持しながら、平衡時の電極の電位Ｖ_meよりも負であるか又は低い電位Ｖ_mを電極上に印加することである。

平衡時の電極の電位と上述の状況下の電極の電位との間の差は、式（５）で表される電気化学過電位又は電気化学過電圧として公知である。

過飽和条件に対処する別の可能性は、電気化学溶液に対して平衡時の電気化学溶液の電位Ｖ_seよりも高い電位Ｖ_sを印加し、電極上の電位Ｖ_mをその平衡電位Ｖ_meに保つことによるものである。従って、過電圧の関連は、式（３）に表されるように調節される。

過飽和条件及び過電圧という２つの量は、安定した熱力学平衡状態からの逸脱の尺度と考えることができる。しかし、系が過飽和状態にあり、かつ過電圧が存在するということだけでは、相転移は必ずしも発生しない。より正確には、これらの条件は、相転移が発生する場合があるという確率を高める。例えば、Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｍｉｌｃｈｅｖ著「結晶電析−核生成及び成長の基礎（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ−Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｒｏｗｔｈ）」、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、ニューヨークを参照されたい。

米国特許第５，６３３，５７４号明細書 米国特許第５，９９８，９６８号明細書 米国特許第５，７７７，４５３号明細書

Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｇｅｒｔｈｓｅｎ及びＨｅｌｍｕｔ Ｖｏｇｅｌ著「Ｇｅｒｔｈｓｅｎ物理学（Ｇｅｒｔｈｓｅｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ）」、第１９版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、ベルリン及びニューヨーク Ｊａｍｅｓ Ｅ．Ｂｒａｄｙ著「一般化学−原理及び構造（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、ニューヨーク Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｍｉｌｃｈｅｖ著「結晶電析−核生成及び成長の基礎（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ−Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｒｏｗｔｈ）」、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、ニューヨーク

バッテリがエネルギを蓄積する機能の時間経過に関連付けられた失損を低減し、バッテリの全体の作動サイクル中に、すなわち、バッテリが充電されている期間以外であってもバッテリの全体寿命を延ばすように作動する装置及び方法に対する必要性が当業技術に残っている。

本発明は、バッテリのサイクル寿命及び容量を増加させるためのデバイス及び方法に関する。理論によって拘束されることを意図しないが、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサー及び技術は、バッテリの容量を維持し、かつバッテリの作動寿命を延長する。

一態様では、本発明は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成するパルス発生器と、正のパルス電圧を正のパルス電圧波形に変換する正のパルス電圧ドライバと、負のパルス電圧を負のパルス電圧波形に変換する負のパルス電圧ドライバと、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをバッテリの端子間に印加されるパルス電圧波形に融合するパルス電圧分配器とを含むバイポーラ過電圧バッテリパルサーを提供する。

本発明の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーのパルス発生器は、マイクロコントローラ内に構成される。本発明の別の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーのパルス発生器は、正のパルス電圧を発生させる正のパルス発生器と、負のパルス電圧を発生させる負のパルス発生器とを有する。本発明の更に別の実施形態では、パルス発生器は交替インバータスイッチを有し、パルス発生器はパルス電圧を発生させ、交替反転スイッチは、パルス電圧を処理して交互に通過パルス電圧と反転パルス電圧にし、通過パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちのいずれか一方であり、それに対して反転パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちの他方である。

本発明の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーの正のパルス電圧ドライバ及び負のパルス電圧ドライバの各々は、パルス成形器と、タイミング発生器とを有し、パルス成形器及びタイミング発生器は、パルス電圧をパルス電圧波形に変換するように構成される。

本発明のある一定の実施形態により、正の電圧増幅器及び負の電圧増幅器は、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形をそれぞれ増幅する。本発明のある一定の他の実施形態では、電圧増幅器は、パルス電圧波形を増幅する。

本発明の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーのパルス電圧波形は、前縁及び正のパルス振幅によって定義される少なくとも１つの正の電圧パルスと、それに続く後縁及び負のパルス振幅又は反転パルス振幅によって定義される少なくとも１つの負の電圧パルスとを有する。本発明のこの実施形態により、少なくとも１つの正の電圧パルスの前縁の立ち上がり時間及び少なくとも１つの負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間の各々は、バッテリの電解質溶液の緩和時間よりも短い。特に、前縁の立ち上がり時間及び後縁の立ち上がり時間は、緩和時間の約３分の１とすることができる。

本発明のある一定の実施形態では、少なくとも１つの正の電圧パルスの正のパルス振幅及び少なくとも１つの負の電圧パルスの負のパルス振幅は、バッテリ電圧よりも大きく、例えば、バッテリ電圧の少なくとも約２倍である。

本発明の実施形態では、パルス電圧波形のパルスサイクル周波数は、少なくとも１つの正の電圧パルスのパルス幅と少なくとも１つの負の電圧パルスのパルス幅とが重ならないようなものである。本発明の別の実施形態では、少なくとも１つの正の電圧パルスのパルス幅と少なくとも１つの負の電圧パルスのパルス幅の両方は、緩和時間よりも長い。

本発明の別の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、コントローラと、バッテリの電圧を測定する測定デバイスとを付加的に含む。本発明のこの実施形態により、コントローラは、バッテリの電圧を用いてバッテリの状態を識別し、バッテリの状態に基づいて、バイポーラ過電圧バッテリパルサーを作動させる。

本発明の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリは、鉛酸バッテリを処理するためのものである。本発明の別の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、他のタイプのバッテリ（すなわち、非鉛酸バッテリ）を処理することができる。

本発明のある一定の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリ内に直接統合される。

本発明の別の態様は、バッテリを処理する方法を提供する。本発明の実施形態では、バッテリを処理する方法は、バッテリのサイクル寿命を延ばし、バッテリが容量を保持する機能を高めるために、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを使用する段階を含む。

本発明の更に別の実施形態では、各々が本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを有する複数のバッテリを処理する方法は、いずれの一時点でも１つよりも多くないバイポーラ過電圧バッテリパルサーが過電圧を印加するようにバイポーラ過電圧バッテリパルサーの各々を制御する段階を含む。

本発明の実施形態では、バッテリを処理する方法は、単一の正のパルスを有する正のパルス電圧波形と単一の負のパルス又は反転パルスを有する負のパルス電圧波形とを準備する段階と、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをバッテリの端子間に交互に印加する段階とを含む。本発明のこの実施形態により、バッテリを処理する方法は、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをパルス電圧波形に融合し、その後に、この波形をバッテリの端子間に印加する段階を更に含むことができる。

本発明の別の実施形態では、単一の正のパルスは、前縁及び正のパルス振幅によって定義され、負のパルス又は反転パルスは、後縁及び負のパルス振幅によって定義される。本発明のある一定の実施形態では、前縁の立ち上がり時間及び後縁の立ち上がり時間の各々は、バッテリの電解質溶液の緩和時間よりも短い。

本発明の実施形態では、方法は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成する段階と、正のパルス電圧を正のパルス電圧波形に変換し、負のパルス電圧を負のパルス電圧波形に変換する段階と、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをパルス電圧波形に融合する段階と、パルス電圧波形をバッテリの端子間に印加する段階とを含む。

本発明の別の実施形態では、本方法は、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形を増幅する段階、又は本発明の別の実施形態では、融合された正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とを含むパルス電圧波形を増幅する段階を付加的に含むことができる。

本発明のある一定の実施形態では、本方法の生成する段階は、パルス電圧を発生させる段階と、パルス電圧を処理して交互に正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちのいずれか一方である通過パルス電圧と正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちの他方である反転パルス電圧にする段階とを含む。

本発明のある一定の実施形態では、本方法の変換する段階は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧をそれぞれ正のパルス電圧形状及び負のパルス電圧形状に成形する段階と、正のパルス電圧形状の分配及び負のパルス電圧形状の分配をそれぞれ時間調節して正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形にする段階とを含む。

他の態様及び実施形態は、添付図面と共に以下に続く説明の吟味によって明らかになるであろう。しかし、本発明は、具体的には添付の特許請求の範囲によって示している。

以上のように本発明を一般的な表現で説明した上で、次に、必ずしも正確な縮尺で作図したものではない添付図面を参照する。

本発明によりバッテリの端子間に印加される例示的な過電圧パルスサイクルを電気化学セル内のイオン密度比と比較するグラフ表現である。 本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーの実施形態を示すブロック図である。 本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーのマイクロコントローラの実施形態を表す電気回路図である。 本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーの電圧ドライバの実施形態を表す電気回路図である。 本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーの電圧増幅器及びパルス電圧分配器の実施形態を表す電気回路図である。 マイクロコントローラ、電圧ドライバ、及び電圧増幅器を含む本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーの実施形態を表す電気回路図である。 バッテリと統合された本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを示す実施形態の斜視図である。 対応する数のバッテリと統合された複数のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを有する本発明の実施形態を示すブロック図である。 本発明の実施形態に従って処理されたバッテリに対する放電時間をそのように処理されていないバッテリに対する放電時間に対して示すグラフ表現である。 本発明の実施形態に従って処理されたバッテリに対する放電時間対充電／放電サイクル数をそのように処理されていないバッテリに対する放電時間対充電／放電サイクル数と比較したグラフ表現である。

ここで、本発明の全部ではないが一部の実施形態を示す添付図面を参照して本発明を以下により完全に説明する。本発明の好ましい実施形態を説明することはできるが、本発明は、多くの異なる形態に実施することができ、本明細書に説明する実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。限定ではなく、これらの実施形態は、本発明の開示が徹底して完全なものになり、当業者に本発明の範囲を完全に伝達するように提供するものである。本発明の実施形態は、決して本発明を限定するものと解釈すべきではない。全体を通して類似の番号は、類似の要素を指す。

本明細書及び特許請求の範囲に使用する単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、状況が明確に別途指示しない限り、単数と複数の両方の指示物を含む。例えば、「バッテリ」と記した場合には、単一及び複数のそのようなバッテリが含まれる。

本明細書では、「先行する」又は「に続く」などのような相対用語を図に例示する１つの要素の別の要素に対する関係を説明するのに使用する場合があることは理解されるであろう。相対用語は、図に例示する要素の向きに加えて、要素の異なる向きを含むように意図したものであることは理解されるであろう。そのような用語は、本発明の１つ又は複数の要素の相対位置を説明するのに使用することができ、状況が明確に別途指示しない限り、限定的であるように意図したものではないことは理解されるであろう。

本明細書では、本発明の実施形態を本発明の理想的な実施形態の概略図である斜視図を含む様々な視点を参照して説明する。本発明が属する当業技術の技術者は理解されるように、本発明を実施するのに図に例示する形状からの変更又はこれらの形状に対する修正が予想されることになる。そのような変更及び／又は修正は、製造技術、設計要件などの結果とすることができ、本明細書では、そのような変更は、更に説明するように本発明の範囲にかつ以下に続く特許請求の範囲に含まれるように意図している。本発明の項目及び図に例示するそのそれぞれの構成要素は、項目の構成要素の厳密な形状を示すように意図したものではなく、更に本発明の範囲を限定するように意図したものではない。

本明細書では特定の用語を使用するが、これらの用語は、一般的で説明的な意味に使用するものであり、限定目的に使用するものではない。技術用語及び科学用語を含む本明細書に使用する全ての用語は、用語を別途定義していない限り、本発明が属する当業技術の技術者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されるもののような用語は、本発明が属する当業技術の技術者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有するものと解釈すべきであることは更に理解されるであろう。一般的に使用される辞書に定義されるもののような用語は、関連技術の関連における意味と本発明の開示の関連における意味とにおいて一貫した意味を有するものと解釈すべきであることも更に理解されるであろう。そのような一般的に使用される用語は、本明細書の開示内容が別途明示的に定義しない限り、理想的な意味又は過度に形式的な意味として解釈されることにはならない。

本明細書に説明する発明は、バイポーラ過電圧バッテリパルサーに関する。一般的に、バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成するパルス発生器と、正のパルス電圧及び負のパルス電圧を正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形に変換するパルス電圧ドライバと、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをバッテリの端子間に印加されるパルス電圧波形に融合するパルス電圧分配器と、任意的に、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形、又はパルス電圧波形を増幅することができる増幅器とで構成される。

本発明の実施形態では、パルス発生器は、マイクロコントローラ内に構成することができる。本発明の別の実施形態では、パルス発生器は、正のパルス発生器及び負のパルス発生器を含む。本発明の他の実施形態では、パルス発生器は、パルス電圧を処理して交互に正のパルス電圧と負のパルス電圧にする交替インバータスイッチを含むことができる。限定するように考えることなく、本発明のデバイスは、バッテリのサイクル寿命を延ばし、バッテリが容量を保持する機能を改善するのに特に有利である。

電圧パルスがバッテリセルの電極の間に印加された場合に、電気化学溶液と電極の間に電位変化がもたらされることになる。全ての化学系では、例えば、限定するように考えることなく、鉛酸バッテリでは、平衡状態に変化する傾向が存在する。

既存の平衡が、例えば、電極において電位に変更を加えることによって外乱を受けた場合には、電極の表層のイオン密度に対する電気化学溶液のイオン密度の比は、新しい平衡条件が得られるまで変化することになる。系が新しい平衡条件に到達するのに必要な時間量として緩和時間を定義する。両方共に電解質溶液の性質である比誘電率を比導電率で割算することにより、イオン密度対時間の比でこの変化を特徴付ける緩和時定数が定義される。

電気化学系にわたって印加される正の電圧パルスであるパルスタイプＡは、電圧パルスの開始エッジが、パルスが増大し始める頃の時間からパルスの最大ピークに達する頃の時間まで遷移するのに必要な時間量を意味するパルスの立ち上がり時間によって定義される。

パルスタイプＡの立ち上がり時間が電気化学系の緩和時間よりも短い場合には、電気化学系に過電圧条件が適用され、次に、イオン密度比は、新しく適用された電位差に基づいて式（１）のボルツマン分布則に従って緩和時間にわたって新しい値に変化することになる。電気化学系内に過電圧をもたらす正の電圧パルスは、電極の表層のイオン密度に対する電気化学溶液のイオン密度の比をそのような正の電圧パルスが除去されるまで増大させ、それによって電気化学系がその元の平衡状態に復帰するか又は緩和して戻ることが可能になる。

それとは逆に、正の電圧パルスであるパルスタイプＡの極性の逆の極性を有する負の電圧パルス又はパルスタイプＢを用いて過電圧条件を課すことができる。パルスタイプＢが印加されている時間にわたってイオン密度比は低下することになるが、パルスタイプＢが終了した後に、イオン密度比は、式（１）によるボルツマン分布を満たす値まで緩和して戻ることになる。負の電圧パルスにおける立ち上がり時間は、電圧パルスの後縁が、パルスの後縁が変化し始める頃の時間からパルスがもはや印加されない頃の時間まで遷移するのに必要とされる時間量を意味する。負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間が系の緩和時間よりも短い場合には、電気化学系に対して過電圧条件が課せられる。

類似の正の電圧パルス又はパルスタイプＡが高周波数で電気化学系に対して連続して印加される場合には、表層のイオン密度に対する電気化学溶液のイオン密度の比は、その平衡状態に復帰する機能の欠如の結果として、第２のパルスからより低い過電圧しか得られないということが見出されている。負の電圧パルスであるパルスタイプＢを２つの正の電圧パルスであるパルスタイプＡの間に含め、これらの電圧パルスの全てをバッテリの電極の間に交互に印加することにより、この「記憶効果」を回避することができることが更に見出されている。

理論によって拘束されることを意図しないが、パルスタイプＢの印加は、パルスタイプＡによってもたらされる効果を「リセット」するように機能し、その逆も同様であり、上述の「記憶効果」が出現することが阻止される。パルスが終了した後の「待ち時間」又は緩和時間を通して、パルスタイプＡ及びパルスタイプＢの周波数は、パルスの重ね合わせがないことを除いて増加させることができ、電気化学系が非平衡状態にある時間を延ばすことによって好ましい効果を同様に有することも見出されている。

正の電圧パルスの前縁及び負の電圧パルスの後縁のより短い立ち上がり時間は、バッテリに印加することができる過電圧の程度を高めることになる。バッテリに印加される過電圧は、同様により高い周波数のパルスを可能にすることになり、その結果、電気化学系が非平衡状態になる一層長い時間がもたらされる。

平衡条件の下では何も起こらず、すなわち、電気化学系の変化のいずれの正味の効果も存在しない。平衡を中断するために、電極と電極を取り囲むイオン「雲」の間に過電圧パルスを印加することにより、電気化学系に対して変化をもたらすことができる。それによってイオン雲に対して作用する強い電界の力を有する過電圧期間がもたらされ、このイオン雲は、増加した個数及びエネルギで電極に引き寄せられることになる。同時に、拡散力又はその結果として電極から引き離されるイオンは、この電気力よりも弱い。

より高い速度及びエネルギにより、反対の極性を有する付着イオンを有するイオンは、これらの付着イオンを失うことになり、その結果、自らの速度及びエネルギに増加がもたらされる。高エネルギイオン、例えば、分割された水分子からの正の水素イオンＨ₂ ⁺は、負の電極において発達している可能性があるあらゆる結晶構造を通じて侵入することができる。鉛酸バッテリにおける非限定的な例では、正の水素イオンは、負の電極において形成されている可能性があるあらゆる硫酸鉛ＰｂＳＯ₄結晶層に侵入することができ、硫酸Ｈ₂ＳＯ₄を形成することによってこの結晶層を溶解させることができ、それによって電気化学溶液が補充され、同時に電極に純粋な鉛が残る。

別の非限定的な例では、分割された水分子からの負の酸素イオンが、正の電極上に二酸化鉛ＰｂＯ₂を再構成するのに寄与することになる。理論によって限定されることを意図しないが、大きい既存の結晶を一層大きく構成するのに少ないエネルギしか必要とされず、従って、正の電極において、より多数の二酸化鉛を有して均一な結晶がもたらされることになる。従って、本発明によって課せられる状況の下では、新しい結晶の「生成速度」は、印加される過電圧の値により良好に呼応して比例的に増大する。

図１は、バッテリの端子間に印加される過電圧パルスサイクルを電気化学セル内のイオン密度の比に対して比較するグラフィック表現である。実線１０はバッテリの電圧を表し、曲線１２は、イオン密度比、及び電気化学セルに対して印加される過電圧状態１４、１６、１８を表している。正の電圧パルス及び負の電圧パルスの立ち上がり時間をＴ_rで表しており、それに対して緩和時定数をＴ_cで表している。

例えば、鉛酸バッテリでは、負の電極上の硫酸鉛結晶の成長及び正の電極上の二酸化鉛の数量低下は、バッテリの全体寿命の短縮をもたらす可能性がある。また、記憶効果の低下が過電圧の機会を増加させ、過電圧パルスの振幅の印加がバッテリの全体寿命を延長させる結果をもたらすことにもなることが更に見出されている。バッテリの電極の間にバッテリに対して過電圧条件を課す正の電圧パルスを繰返し印加し、それに続けてバッテリの電極の間に前の過電圧条件の効果を打ち消す類似の過電圧条件を課する負の電圧パルスを印加することにより、バッテリが受ける記憶効果が低下し、バッテリのサイクル寿命の延長及びバッテリが容量を保持する機能の増加を提供する。本発明のある一定の実施形態では、バッテリの寿命は、図７のサイクル寿命の延長によって示すように、１．７と２．２の間の倍数だけ延ばすことができる。例えば、本発明の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーによって実施されるもののような本発明の方法は、バッテリのサイクル寿命を本発明が適用されていない類似のバッテリと比較して約１０％ほども大きく延ばす。更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの寿命を約５０％ほども大きく延ばす。更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの寿命を約７０％ほども大きく延ばす。更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの寿命を約１２０％ほども大きく延ばす。更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの寿命を約２００％ほども大きく延ばす。更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの寿命を約２５０％ほども大きく延ばす。

本発明の他の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーによって実施されるもののような本発明の方法は、バッテリの容量を本発明が適用されていない類似のバッテリの保持容量よりも少なくとも約１０％だけ大きく保持する。本発明の更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの容量を本発明が適用されていない類似のバッテリの保持容量よりも少なくとも約５０％だけ大きく保持する。本発明の更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの容量を本発明が適用されていない類似のバッテリの保持容量よりも少なくとも約１００％だけ大きく保持する。本発明の更に別の実施形態では、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーは、バッテリの容量を本発明が適用されていない類似のバッテリの保持容量よりも少なくとも約１５０％だけ大きく保持する。

本発明のある一定の実施形態では、バッテリのサイクル寿命を延ばす、及び／又はバッテリが容量を保持することを可能にするためのパルスサイクルは、本明細書においてバイポーラ過電圧バッテリパルサーとして認識されるデバイス又は装置によってもたらすことができる。図２は、バイポーラ過電圧バッテリパルサー１の実施形態を示すブロック図である。本発明のこの例示的な実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサー１は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成するためのパルス発生器２０を含む。図２で表すこの例示的な実施形態では、パルス発生器２０は、マイクロコントローラ２２内に構成され、更にマイクロコントローラは、アナログ／デジタル（ＡＤ）コンバータ２４、電圧モニタ２６、及びオン／オフ制御論理２８を含む。任意的に、ステータスＬＥＤ３０は、マイクロコントローラ２２及び／又はパルス発生器２０のステータスを示すことができる。

図３Ａは、パルス発生器２０を実施するマイクロコントローラ２２を有するバイポーラ過電圧バッテリパルサー１の実施形態を表す電気回路図を示している。マイクロコントローラ２２は、この例示的な実施形態では、ＲＩＳＣアーキテクチャに基づく８ビットのマイクロコントローラである。マイクロコントローラ２２は、ＣＰＵと、作業レジスタと、フラッシュプログラムメモリ、ＥＥＰＲＯＭ、及び入力／出力バッファを含むことができるが必ずしもこれらに限定されない不揮発性メモリセグメントと、タイマ／カウンタと、発振器と、ＡＤＣチャンネルと、シリアルインタフェースと、ＡＤＣ変換と、割り込みとを限定なしに含むパルス発生器２０を構成及び実施する機能をサポートするのに必要なあらゆる数の特徴部を含むことができる。マイクロコントローラ２２へのデジタル電源電圧ＶＣＣは、５ボルト電源１００及び電源誘導子１０２によって供給される。アナログコンバータＡＤＣＣへのアナログ／デジタルコンバータ２４の電源電圧は、５ボルト電源１００と同じ電源とするか又は異なる５ボルト電源とすることができる５ボルト電源１０４及び２次誘導子１０６によって供給される。リセット入力１０８がポートＣ ＰＣ６に供給される。正のパルス電圧１１０は、マイクロコントローラ２２のＰＢ１において出力され、それに対して負のパルス電圧１１２は、マイクロコントローラ２２のＰＢ２において出力される。

本発明の別の実施形態では、パルス発生器２０は、電気回路配列を通じて正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成することができる。正のパルス電圧及び負のパルス電圧を発生させる上で、当業技術で公知であるパルス電圧を生成するためのあらゆる電子回路配列を使用することができる。

本発明の更に別の実施形態では、パルス発生器は、パルス電圧を発生させ、交替インバータスイッチは、このパルス電圧を処理して交互に通過パルス電圧と反転パルス電圧にする。通過パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧のいずれか一方であり、それに対して反転パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧の他方である。

図２に更に示すように、正のパルス電圧ドライバ３２は、正のパルス電圧を正のパルス電圧波形３４に変換する。同様に、負のパルス電圧ドライバ３６は、負のパルス電圧を負のパルス電圧波形３８に変換する。正のパルス電圧波形３４及び負のパルス電圧波形３８は、一般的にパルスサイクル周波数、パルス幅、パルス振幅、正のパルスの開始エッジの立ち上がり時間、及び負のパルスの後縁の立ち上がり時間それぞれによって定義される。

本発明のある一定の実施形態では、正のパルス電圧ドライバ３２及び負のパルス電圧ドライバ３６の各々は、正のパルス電圧波形３４及び負のパルス電圧波形３８を成形し、それに必要なタイミングを供給する。本発明の実施形態では、正のパルス電圧ドライバ３２及び負のパルス電圧ドライバ３６のいずれか又は両方は、パルス成形器及びタイミング発生器（図示せず）を含む。パルス成形器及びタイミング発生器は、パルス電圧をパルス電圧波形に変換するように構成される。

図３Ｂは、正のパルス電圧ドライバ３２及び負のパルス電圧ドライバ３６が集積回路１２２に実施されたバイポーラ過電圧バッテリパルサー１のパルス電圧ドライバ１２０の実施形態を表す電気回路図を示している。正の電圧パルス１１０及び負の電圧パルス１１２は、集積回路１２２の高圧ドライバ論理入力ＨＩＮ及び低圧ドライバ論理入力ＬＩＮにそれぞれ入力される。集積回路１２２は、電流が抵抗１２６によって制限される１２ボルト電源１２４によって給電される。集積回路１２２の高電圧区画に給電するのに、ダイオード１２８及びブートストラップコンデンサー１３０を含むブートストラップ回路が使用される。集積回路１２２によって出力ピンＯＵＴに浮動基準電圧１３２が供給される。正のパルス電圧波形１３４及び負のパルス電圧波形１３６は、高圧側ドライバ出力ＨＶＧ及び低圧側ドライバ出力ＬＶＧそれぞれにおいて集積回路２２から出力される。高圧力側及び低圧力側のドライバ出力の立ち上がり時間は、負荷キャパシタンスによって制御することができる。

本発明の他の実施形態により、正のパルス電圧ドライバと負のパルス電圧ドライバは、例えば、別々の集積回路等によって別々の構成に実施することができる。

図２に更に示すように、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形は、電源４４によって給電される正の電圧増幅器４０及び負の電圧増幅器４２を用いて増幅することができる。例えば、電源の電圧は、正のパルス電圧波形及び反転された負のパルス電圧波形がバッテリの電圧よりも大きいことを可能にするのに十分でなければならない。

信号が増幅された正のパルス電圧波形４６と負のパルス電圧波形４８は、パルス電圧分配器５０又はパルス電圧分配器回路によってパルス電圧波形５２に融合される。パルス電圧分配器５０は、正のパルス電圧波形４６と負のパルス電圧波形４８との組合せを表すパルス電圧波形５２をバッテリ５４の端子間に印加する。

図３Ｃは、例示的なバイポーラ過電圧バッテリパルサーの出力段１４０を表すバイポーラ過電圧バッテリパルサーの正の電圧増幅器４０、負の電圧増幅器４２、及びパルス電圧分配器５０の実施形態を表す電気回路図を示している。

本発明の別の実施形態では、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形を増幅する代わりに、パルス電圧波形５２自体を増幅することができる（図示せず）。本発明の更に別の実施形態では、正のパルス電圧ドライバ３２及び負のパルス電圧ドライバ３６は、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形の必要な電圧増幅を与えるように構成され、補助的な増幅は必要ではない。

図３Ｄは、正のパルス電圧及び負のパルス電圧をパルス電圧ドライバ１２０に供給するマイクロコントローラ２２を含む本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーの実施形態を表す電気回路図を示している。次に、パルス電圧ドライバ１２０は、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形をバイポーラ過電圧バッテリパルサーの出力段１４０に供給する。出力段１４０からの増幅されて組み合わされたパルス電圧波形は、バッテリの端子間に印加される。

図１により、バッテリの端子間に印加される正の電圧パルス及び負の電圧パルスをＴ_rで表している。イオン密度比が平衡状態に緩和して戻るのに必要な時間を定義する緩和時定数をＴ_cで表している。正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス幅をＴ_wで表している。正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間をＴ_a-bと定義する。パルスサイクル周波数の逆数である周期をＴ_a-aで表している。正のパルス電圧ドライバ３２及び負のパルス電圧ドライバ３６は、正のパルス電圧波形３４及び負のパルス電圧波形３８を生成するように構成され、正のパルスの開始エッジの立ち上がり時間及び負のパルスの後縁の立ち上がり時間は、電気化学セルの緩和時定数よりも短い。本発明のある一定の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時定数の３／４であるように構成される。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時定数の１／２であるように構成される。本発明の更に別の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時定数の１／３であるように構成される。本発明のある一定の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時定数の１／４であるように構成される。本発明のある一定の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時定数の１／８であるように構成される。本発明のある一定の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時定数の１／１０であるように構成される。本発明の他の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジの立ち上がり時間と負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間とは異なるが、各々は、緩和時定数よりも短いように構成される。

本発明の他の実施形態では、正のパルスの開始エッジの立ち上がり時間及び負のパルスの後縁の立ち上がり時間は、電気化学セルの緩和時間よりも短い。本発明のある一定の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時間の１／２であるように構成される。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時間の１／３であるように構成される。本発明の更に別の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時間の１／４であるように構成される。本発明のある一定の他の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時間の１／８であるように構成される。本発明の更に他の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジ及び負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間は、最大で緩和時間の１／１０であるように構成される。本発明の他の実施形態では、正の電圧パルスの開始エッジの立ち上がり時間と負の電圧パルスの後縁の立ち上がり時間とは異なるが、緩和時間よりも短いように構成される。

本発明の実施形態では、パルスサイクル周波数は最大にされるが、正のパルス電圧波形のパルスと負のパルス電圧波形のパルスとの重ね合わせを許容する程まで高くてはならない。本発明のある一定の実施形態では、パルスサイクル周波数は、約３０ｋＨｚから約１００ｋＨｚまでの範囲にわたり、約１０マイクロ秒から約３５マイクロ秒までの周期を与える。

本発明の実施形態では、パルス持続時間は緩和時間よりも大きい。本発明の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも５倍である。本発明の別の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも１０倍である。本発明の更に別の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも２０倍である。本発明の更に別の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも３０倍である。本発明の更に別の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも４０倍である。本発明の更に別の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも５０倍である。本発明の更に別の実施形態により、パルス持続時間は緩和時間の少なくとも１００倍である。

正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間は、周期の数分の１である。本発明の実施形態では、正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間量は、正のパルス電圧波形のパルスと負のパルス電圧波形のパルスの間にいずれの重ね合わせも存在しないように選択される。本発明の実施形態により、正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間は、周期の少なくとも１／４である。本発明の別の実施形態により、正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間は、周期の少なくとも１／３である。本発明の更に別の実施形態により、正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間は、周期の少なくとも１／２である。本発明の更に別の実施形態により、正のパルスの開始エッジと負のパルスの開始エッジの間の時間は、周期の少なくとも３／４である。

過電圧を得るために、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、バッテリ電圧を超過すべきである。本発明の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、バッテリ電圧よりも少なくとも約１０％大きい。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、少なくとも約２０％大きい。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、少なくとも約５０％大きい。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、少なくとも約１００％大きい。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、少なくとも約１５０％大きい。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、少なくとも約２００％大きい。

本発明のある一定の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、バッテリ電圧よりも約７５％から約１２５％大きい範囲にある。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、バッテリ電圧よりも約８０％から約１２０％大きい範囲にある。本発明の別の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、バッテリ電圧よりも約９０％から約１１０％大きい範囲にある。本発明の更に他の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅は、バッテリ電圧のもの約２倍である。

本発明ある一定の実施形態では、正の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅と負の電圧パルス波形のパルスのパルス振幅とは同じではない。本発明の更に他の実施形態では、正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルス持続時間及びパルス振幅は各々調節され、バッテリに印加される過電圧の最大可能限度及び／又はバッテリのサイクル寿命の最大延長を与える。

本発明の実施形態では、測定デバイスは、バッテリ電圧を供給し、バイポーラ過電圧バッテリパルサーによって供給される正の電圧パルス波形及び負の電圧パルス波形のパルス振幅をリセットするように構成されたコントローラに測定フィードバックを供給し、望ましい過電圧量又は望ましい過電圧範囲が得られる。

本発明のある一定の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、コントローラと、バッテリの電圧の測定値を供給する測定デバイスとを含むことができる。バッテリの電圧の測定値は、バッテリの状態を識別して判断するためにコントローラによって使用することができる。例えば、バッテリ電圧がある一定の値よりも低い時には、コントローラは、バッテリが充電状態にあることを識別するように論理的に構成することができる。バッテリ電圧がある一定の値を超過した時には、コントローラは、バッテリが充足状態にあることを識別するように論理的に構成することができる。他の状態識別は、バッテリ電圧だけではなく、バッテリ電圧の変化の方向及び／又は速度に基づいて構成することができる。例えば、バッテリの温度のような他の測定値を状態判断に組み込むことができる。コントローラは、バッテリ電圧及び／又は他の測定値に基づいてコントローラが識別したバッテリ状態に基づいて、バイポーラ過電圧バッテリパルサーを作動又は停止させるように構成することができる。

バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、特定のバッテリと直接統合されない独立型デバイスとすることができる。本発明の他の実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーをバッテリ内に統合することができる。図４は、バッテリと統合されたバイポーラ過電圧バッテリパルサーを示す本発明の実施形態の斜視図を示している。本発明のこの例示的な実施形態は、鉛酸バッテリ２００の構造内に適合するように設計されたバイポーラバッテリ過電圧パルサー１を示している。バイポーラ過電圧バッテリパルサー１は、例えば、プラスチックアロイのような障壁の使用によって鉛酸バッテリ２００の電解質から遮断される。この例示的な実施形態では、バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、正のバッテリ端子２０２及び負のバッテリ端子２０４と内部で接続される。

この例示的な実施形態は、鉛酸バッテリ２００と統合されたバイポーラ過電圧バッテリパルサー１を明らかにしているが、バイポーラ過電圧バッテリパルサーの使用は、このタイプのバッテリに限定されない。それとは逆に、バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、他のタイプの再充電可能バッテリと併用及び／又は統合することができる。本発明の実施形態では、本発明の方法及びデバイスは、鉛酸バッテリを処理することができる。

本発明のデバイス及び方法が基づく現象は、鉛酸バッテリ以外の他のタイプのバッテリを処理するのに有利なものになり、この場合、これらのバッテリは、本発明のデバイス及び方法の適用により、これらのバッテリが保持することができたバッテリ容量の限度の改善、及びバッテリの全体寿命の改善を提供するように特徴付けられる。当然ながら、パルス仕様のみならず、これらの他のタイプのバッテリにおいて本発明のデバイス及び方法に関連する他のパラメータをこれらの他のタイプのバッテリに特定の材料の性質に適応させることができる。従って、本発明の別の実施形態では、本発明の方法及びデバイスは、他のタイプのバッテリ（すなわち、非鉛酸バッテリ）を処理することができる。本発明の方法及びデバイスを使用することができるタイプの非鉛酸バッテリの非限定的な例は、リチウムイオンバッテリ、リチウムポリマーバッテリ、硫酸リチウムバッテリ、チタン酸リチウムバッテリ、リン酸リチウム鉄バッテリ、薄膜再充電可能リチウムバッテリ、水素化ニッケル金属バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル亜鉛バッテリ、ニッケル鉄バッテリ、ニッケル水素バッテリ、再充電可能アルカリバッテリ、酸化銀バッテリ、ナトリウム硫黄バッテリ、バナジウム酸化還元バッテリ、及び本発明が適用される現時点で公知であるか又は将来発明されるあらゆる他のタイプの再充電可能バッテリを含む。

図５は、単一の電源又はバッテリパック内に複数のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを対応する数のバッテリと如何に統合することができるかを示すブロック図を用いて例示した本発明の実施形態である。バッテリパック３１０内のバッテリ３２０、３２２、３２４、３２６の各々は、対応するバイポーラ過電圧バッテリパルサー３１０、３１２、３１４、３１６を有する。バッテリパック３１０内のバッテリ３２０、３２２、３２４、３２６は、充電器３３０によって再充電される。バイポーラ過電圧バッテリパルサー３１０、３１２、３１４、３１６には、コントローラ３４０が装備される。コントローラ３４０は、バイポーラ過電圧バッテリパルサー３１０、３１２、３１４、３１６の各々をバッテリ３２０、３２２、３２４、３２６の作動期間にわたって作動させ、次に、停止させる段階を繰返し、いずれか１つの時点において１つよりも多いバイポーラ過電圧バッテリパルサー３１０、３１２、３１４、３１６を作動状態にすることによって高端子電圧がもたらされることがないことを保証する。

本発明の別の態様は、バッテリのサイクル寿命を延ばし、及び／又はバッテリが容量を保持することを可能にする方法を含む。本発明の実施形態は、本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを用いてバッテリを処理する方法を含む。

本発明の別の実施形態は、いずれか１つの時点においてバイポーラ過電圧バッテリパルサーのうちの１つよりも多いものが適用されないようにバイポーラ過電圧バッテリパルサーを制御する段階を含むバッテリパック内で各々が本発明のバイポーラ過電圧バッテリパルサーを有する複数のバッテリを処理する方法を提供する。

本発明の実施形態は、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形を準備する段階と、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをバッテリの端子間に交互に印加する段階とを含む方法が関わっている。この実施形態により、本方法は、更に、正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形とをパルス電圧波形に融合し、その後に、融合済み波形をバッテリの端子間に印加する段階を含む。本発明のある一定の実施形態では、正のパルス電圧波形は、単一の正のパルス電圧を有し、負のパルス電圧波形は、単一の負のパルス電圧を有する。

本発明の別の実施形態では、本方法は、更に、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形を増幅する段階を含む。本発明の更に別の実施形態では、本方法は、正のパルス電圧波形及び負のパルス電圧波形を増幅する段階に加えて又はその変わりに、パルス電圧波形を増幅する段階を含む。

本発明の別の実施形態では、本方法は、更に、パルス電圧を生成する段階を含む。更に、本発明のこの実施形態により、パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちのいずれか一方又はこれらの組合せを含むことができる。

本発明の別の実施形態では、パルス電圧を生成する段階は、パルス電圧を発生させる段階と、このパルス電圧を処理して交互に通過パルス電圧と反転パルス電圧にする段階とを含み、通過パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちのいずれか一方であり、反転パルス電圧は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧のうちの他方である。

本発明の別の実施形態では、パルス電圧を生成する段階は、正のパルス電圧及び負のパルス電圧をそれぞれ正のパルス電圧形状及び負のパルス電圧形状に成形する段階と、正のパルス電圧形状の分配と負のパルス電圧形状の分配を時間調節して正のパルス電圧波形と負のパルス電圧波形にする段階とを含む。

図６は、本発明の方法及び／又はデバイスに従って処理された鉛酸バッテリに対する放電する時間４００に対して、そのように処理されていない鉛酸バッテリに対する放電する時間４１０を示すグラフ表現を提供している。グラフが示すように、鉛酸バッテリを放電させるための時間量は、本発明の方法及び／又はデバイスを使用することによって約１５０％よりも大きく延長されており、高いバッテリ容量を実質的にもたらす。

図７は、本発明の方法及び／又はデバイスに従って処理された鉛酸バッテリに対する放電時間対充電／放電サイクル数４２０をそのように処理されていない鉛酸バッテリに対する放電時間対充電／放電サイクル数４３０と比較したグラフ表現を提供している。このグラフは、本発明の方法及び／又はデバイスに従って処理された鉛酸バッテリの全体寿命が、そのように処理されていない鉛酸バッテリと比較して約１．７と約２．２の間の倍数だけ延長されたことを示している。

これらの試験は、本発明のデバイス及び方法がサイクル寿命を延ばし、鉛酸バッテリの容量の保持を改善することにおいて有効であることを示すが、本発明の基礎を取り囲む理論は、本明細書に非限定的な例を提供した他の非鉛酸バッテリにも適用可能である。

本明細書の説明及び関係する図面に提供した本教示の利益を有する本発明が関連する当業者は、本明細書に説明する本発明の多くの修正及び他の実施形態を想起されるであろう。当業者には、本発明の広義の発明概念から逸脱することなく本明細書に説明する実施形態に変更を加えることができることが認められるであろう。従って、本発明は、開示した特定的な実施形態に限定されず、修正を添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲に含めるように意図したものであることが理解される。

２２ マイクロコントローラ
１２０ パルス電圧ドライバ
１４０ 出力段

Claims (24)

1. バイポーラ過電圧バッテリパルサーであって、
   正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成するように構成されたパルス発生器（２０）と、
   前記正のパルス電圧を正のパルス電圧波形（３４）に変換するように構成された正のパルス電圧ドライバ（３２）と、
   前記負のパルス電圧を負のパルス電圧波形（３８）に変換するように構成された負のパルス電圧ドライバ（３６）と、
   前記正のパルス電圧波形（３４）と前記負のパルス電圧波形（３８）をパルス電圧波形（５２）に融合し、かつ該パルス電圧波形をバッテリの端子間に印加するように構成されたパルス電圧分配器（５０）と、
   を含み、
   前記パルス電圧波形（５２）は、前縁及び正のパルス振幅を有する少なくとも１つの正の電圧パルスと、後縁及び負のパルス振幅を有するそれに続く少なくとも１つの負の電圧パルスとを含み、
   前記前縁の立ち上がり時間及び該後縁の立ち上がり時間の各々は、バッテリの電解質溶液の緩和時間よりも短い、
   ことを特徴とするバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
2. マイクロコントローラ（２２）を付加的に含み、
   前記パルス発生器（２０）は、前記マイクロコントローラ（２２）内に構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
3. 前記パルス発生器（２０）は、前記正のパルス電圧を発生させるように構成された正のパルス発生器と、前記負のパルス電圧を発生させるように構成された負のパルス発生器とを含むことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
4. 前記パルス発生器（２０）は、交替インバータスイッチを含み、
   前記交替インバータスイッチは、前記パルス電圧を処理して交互に通過パルス電圧と反転パルス電圧にし、
   前記通過パルス電圧は、前記正のパルス電圧及び前記負のパルス電圧のうちのいずれか一方であり、前記反転パルス電圧は、該正のパルス電圧及び該負のパルス電圧のうちの他方である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
5. 前記正のパルス電圧ドライバ及び前記負のパルス電圧ドライバの各々は、
   パルス成形器と、
   タイミング発生器と、
   を含み、
   前記パルス成形器及び前記タイミング発生器は、パルス電圧をパルス電圧波形に変換するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
6. 前記正のパルス電圧波形（３４）を増幅するように構成された正の電圧増幅器（４０）と、
   前記負のパルス電圧波形（３８）を増幅するように構成された負の電圧増幅器（４８）と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
7. 前記前縁の前記立ち上がり時間及び前記後縁の前記立ち上がり時間は、前記緩和時間の３分の１であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
8. 前記正のパルス振幅及び前記負のパルス振幅の各々は、前記バッテリの電圧よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
9. 前記正のパルス振幅及び前記負のパルス振幅の各々は、前記バッテリの前記電圧の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項８に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
10. 前記パルス電圧波形（５２）は、前記少なくとも１つの正の電圧パルスのパルス幅と前記少なくとも１つの負の電圧パルスのパルス幅とが重ならないようなパルスサイクル周波数を有することを特徴とする請求項９に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
11. 前記少なくとも１つの正の電圧パルスのパルス幅及び前記少なくとも１つの負の電圧パルスのパルス幅の各々が、前記緩和時間を超えることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
12. コントローラと、
    バッテリの電圧を測定するように構成された測定デバイスと、
    を付加的に含み、
    前記コントローラは、前記バッテリの前記電圧を用いて該バッテリの状態を識別するように構成され、
    前記コントローラは、前記バッテリの前記状態に基づいてバイポーラ過電圧バッテリパルサーを作動させるように構成される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
13. 前記バッテリは、鉛酸バッテリ及び非鉛酸バッテリのうちのいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
14. 前記パルス電圧波形を増幅するように構成された電圧増幅器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
15. 前記バッテリと統合されることを特徴とする請求項１４に記載のバイポーラ過電圧バッテリパルサー。
16. 各バッテリがバイポーラ過電圧バッテリパルサーを有するバッテリパックの複数のバッテリを処理する方法であって、
    いずれの一時点でも１つよりも多くないバイポーラ過電圧バッテリパルサーが過電圧を印加するように該バイポーラ過電圧バッテリパルサーを制御する段階、
    を含み、
    前記バイポーラ過電圧バッテリパルサーは、
    正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成するように構成されたパルス発生器と、
    前記正のパルス電圧を正のパルス電圧波形に変換するように構成された正のパルス電圧ドライバと、
    前記負のパルス電圧を負のパルス電圧波形に変換するように構成された負のパルス電圧ドライバと、
    前記正のパルス電圧波形と前記負のパルス電圧波形をパルス電圧波形に融合し、かつ該パルス電圧波形をバッテリの端子間に印加するように構成されたパルス電圧分配器と、
    前記正のパルス電圧波形を増幅するように構成された正の電圧増幅器と、
    前記負のパルス電圧波形を増幅するように構成された負の電圧増幅器と、
    を含み、
    前記正のパルス電圧波形は、前縁及び正のパルス振幅を含み、前記負のパルス電圧波形は、後縁及び負のパルス振幅を有し、該前縁の立ち上がり時間及び該後縁の立ち上がり時間の各々が、複数のバッテリの電解質溶液の緩和時間よりも短い、
    ことを特徴とする方法。
17. 単一の正のパルスを有する正のパルス電圧波形と単一の負のパルスを有する負のパルス電圧波形とを準備する段階と、
    前記正のパルス電圧波形と前記負のパルス電圧波形をバッテリの端子間に交互に印加する段階と、
    を含み、
    前記正のパルス電圧波形は、前縁及び正のパルス振幅を含み、前記負のパルス電圧波形は、後縁及び負のパルス振幅を有し、該前縁の立ち上がり時間及び該後縁の立ち上がり時間の各々が、前記バッテリの電解質溶液の緩和時間よりも短い、
    ことを特徴とする方法。
18. 前記正のパルス電圧波形と前記負のパルス電圧波形を前記バッテリの前記端子間に印加する前にパルス電圧波形に融合する段階を付加的に含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記正のパルス電圧波形と前記負のパルス電圧波形を鉛酸バッテリ及び非鉛酸バッテリのうちのいずれか一方の端子間に交互に印加する段階を特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 方法であって、
    正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成する段階と、
    前記正のパルス電圧を正のパルス電圧波形にかつ前記負のパルス電圧を負のパルス電圧波形に変換する段階と、
    前記正のパルス電圧波形と前記負のパルス電圧波形をパルス電圧波形に融合する段階と、
    前記パルス電圧波形をバッテリの端子間に印加する段階と、
    を含み、
    前記パルス電圧波形は、前縁及び正のパルス振幅を有する少なくとも１つの正の電圧パルスと、後縁及び負のパルス振幅を有するそれに続く少なくとも１つの負の電圧パルスとを含み、該前縁の立ち上がり時間及び該後縁の立ち上がり時間の各々が、前記バッテリの電解質溶液の緩和時間よりも短い、
    ことを特徴とする方法。
21. 前記正のパルス電圧波形、前記負のパルス電圧波形、及び前記パルス電圧波形のうちの少なくとも１つを増幅する段階を付加的に含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 正のパルス電圧及び負のパルス電圧を生成する段階は、
    パルス電圧を発生させる段階と、
    前記パルス電圧を処理して、交互に、前記正のパルス電圧及び前記負のパルス電圧のうちのいずれか一方である通過パルス電圧と該正のパルス電圧及び該負のパルス電圧のうちの他方である反転パルス電圧にする段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 前記正のパルス電圧を正のパルス電圧波形にかつ前記負のパルス電圧を負のパルス電圧波形に変換する段階は、
    前記正のパルス電圧及び前記負のパルス電圧をそれぞれ正のパルス電圧形状及び負のパルス電圧形状に成形する段階と、
    前記正のパルス電圧形状の分配及び前記負のパルス電圧形状の分配を時間調節し、それぞれ前記正のパルス電圧波形及び前記負のパルス電圧波形にする段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
24. 前記パルス電圧波形を鉛酸バッテリ及び非鉛酸バッテリのうちのいずれか一方の端子間に印加する段階を特徴とする請求項２０に記載の方法。

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