(57)【要約】      （修正有）【課題】大電流充電を可能とし、急速充電できる充電器を提供する。【解決手段】充電器内蔵型電池１０は、可変抵抗器３３により充電器の入力電流の最大値を変更設定できる電流調節回路３０を備え、充電器の出力電圧・電流の値を制御する回路を廃することにより小型・軽量・安価とした充電器２０および該充電器と電池ユニット５０とを一体的に実装する。【選択図】図１
2018057260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池用の充電器であって、
商用の交流電源を入力とし、
該充電器の使用者が、該充電器の外部からの操作によって該充電器を構成する一個の回路要素の特性値を変更することにより、該充電器への入力電流の最大値を変更設定できる電流調節回路と、
入力された交流電流を直流電流に整流する整流回路
を備え、
かつ、該充電器の充電対象とする電池の特性に合わせるために充電器出力の電圧値および／または電流値を所定の値または範囲に制限するための回路は備えない
ことを特徴とする充電器。
【請求項２】
請求項１の充電器を該充電器の充電対象とする電池と一体的に実装した、充電器内蔵型電池
【請求項３】
請求項１に記載の充電器であって、負極活物質にチタン酸リチウムを含むリチウムイオン二次電池用の充電器。
【請求項４】
請求項３の充電器を該充電器の充電対象とする電池と一体的に実装した、充電器内蔵型電池
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池およびその充電器に関するものである。特に、回路を簡素化した充電器と、その充電器を利用した充電器内蔵型電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（１）背景１：大電流充電できる電池の出現
近年、負極活物質にチタン酸リチウム（ＬＴＯ）という物質を採用したリチウムイオン電池が実用化されている。例えば、非特許文献２には、負極活物質にＬＴＯを用いたリチウムイオン電池が報告されている。非特許文献３は、非特許文献２の技術に基づいて市場に提供されているDr. Ozawa（登録商標）リチウムイオン電池の仕様書である。非特許文献４には、やはりＬＴＯを主要材料とする負極活物質を採用したリチウムイオン電池が報告されている。
【０００３】
このような負極活物質にＬＴＯを含むリチウムイオン電池（以下ではＬＴＯ電池と略記）は、従来では考えられない大電流による急速な充放電が可能である。
【０００４】
ここで、電池の充放電電流の大きさは、一般に「Ｃ」（Ｃレートと呼ばれる）」という単位で示される。その電池の全容量を１時間で充放電できる電流値が１Ｃである。例えば、容量が２Ａｈ（アンペアアワー）の電池を２Ａで充電するとき、その電流値は１Ｃである。
【０００５】
従来のリチウムイオン電池では、充電電流は１Ｃ以下とするものが普通であり、２Ｃ、３Ｃの電流で充電すると、発熱・発煙・発火を伴うことが多かった。これに対してＬＴＯ電池は、例えば非特許文献２および非特許文献４では、１０Ｃ以上の電流による急速充電を行うことが可能であることが報告されている。１０Ｃ以上の電流で充電ができるということは、全容量を数分程度で充電できることを意味し、従来にない急速充電を実現することになる。
【０００６】
このような大電流による急速充電ができる二次電池は、携帯型の電気機器やＥＶ（電気自動車等）において強く求められており、市場ニーズが大きい。このため、今後さらに充電電流が大電流化された製品が開発され普及すると見込まれており、それに対応して、大電流充電ができる充電器が求められている。
【０００７】
（２）背景２：充電器の簡素化
従来の二次電池においては、充電する電池に過電圧が付加されたり過充電が行われると、電池内部の電極や電解液等を損傷するなど、電池寿命や安全上の問題を生ずることが多かった。例えば、一般のリチウムイオン電池を過充電したときには、負極に金属リチウムが析出してデンドライトを形成し、電極間ショートに至ることがある。
【０００８】
このため、充電器は従来、電池を損傷せずに効率よく充電するため、充電器の出力である充電電圧および／または充電電流の値を、電池の特性に合わせて所定の値または範囲に制御する機能を備えなくてはならなかった。
【０００９】
例えば、非特許文献１には、リチウムイオン電池の充電は定電圧定電流方式で行うべきことが記載されている。定電圧定電流方式とは、電池が定格電圧に達するまでは定電流で充電するが、定格電圧になった後は定電圧充電に移行し、充電電流が流れなくなるまで小電流で充電するものである。
【００１０】
しかしこのような充電器は、定電圧・定電流のための回路に加えて、電池が定格電圧に達したことを感知して定電流充電から定電圧充電に切り替える回路なども必要になるので、充電器の小型軽量化、低コスト化が困難である。また、定電圧充電時において充電電流は小電流となるため、フル充電までは長時間を要し、充電時間の短縮も課題である。
【００１１】
ところが上記のＬＴＯ電池は、過電圧や過充電に対して、従来のリチウムイオン電池に比べて格段の耐性を有することが知られている。したがって、ＬＴＯ電池のための充電器は、上記の定電圧定電流方式など充電電圧・電流を電池の特性に合わせて制御する機能は省略して、簡素化した回路にできる可能性がある。
【００１２】
（３）背景３：充電器内蔵型電池の需要
ところで、従来、充電器は充電対象の二次電池とは別の装置として実装されていて、充電の場合のみに電池に接続するものがほとんどである。もし充電器を二次電池自身に内蔵することができれば、充電のために充電器を別途用意する必要がないので、大変便利である。
従来、電池とあわせて充電器も内蔵する携帯機器は知られている（特許文献１）。このような機器は上記の便利さを実現するが、機器そのものに充電器を内蔵しなくてはならないので機器設計へのインパクトも大きく、特定の製品に限られている。
【００１３】
しかし、充電器を二次電池自身に内蔵することができれば、特定の機器に限らず広範な機器で利用ができる可能性がある。
従来、このように二次電池に充電器を内蔵することは、
（イ）充電器は一般にかさばって重いので、従来の電池の大きさには収まらず、電池およびその使用機器の小型化・携行性が困難になる。
（ロ）充電器のコストが電池のコストを上昇させる。
という問題があり実用性を欠くので、普及が困難であった。
【００１４】
したがって、上記（イ）（ロ）を解決する小型軽量で低コストの充電器を実現し、それを用いた実用性の高い充電器内蔵の二次電池が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００１-２７４７４４号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】福田京平著、「電池のすべてが一番わかる」、初版、技術評論社、２０１３年１０月２５日、p.124-125
【非特許文献２】小澤和典(Ozawa, K.) 、 “ハイパフォーマンス・リチウムイオンバッテリー・フォア・モーターサイクルズ (High Performance Lithium Ion Battery for Motorcycles)” 、 プロシーディングス、エルエルアイビーティーエー・シンポジウム、アドヴァンスト・オートモーティブ・バッテリー・コンフェランス・アジア (Proceedings, LLIBTA Symposium, Advanced Automotive Battery Conference Asia) 2014, (米国) 2014年5月, Session 3, 講演番号3
【非特許文献３】「Dr.Ozawa電池仕様書」、東通工株式会社、２０１５年７月１６日
【非特許文献４】小杉伸一郎、ほか2名、「安全性に優れた新型二次電池ＳＣｉＢ」、東芝レビュー、株式会社東芝、2008年、第６３巻、第2号、p.54-57
【非特許文献５】「実用電子回路ハンドブック  １」、第15版、ＣＱ出版社、昭和53年11月１日、p.４０１
【非特許文献６】山下勝己、“これだけは知っておきたいアナログ用語：トライアック“、[online]、2013年4月10日、ＥＤＮ  Ｊａｐａｎ、[2016年6月20日検索]、インターネット〈URL:http://ednjapan.com/edn/articles/1304/10/news024.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明が解決しようとする第1の課題は、大電流充電を可能とし、急速充電できる充電器を実現することである。
【００１８】
本発明が解決しようとする第２の課題は、ＬＴＯ電池のためには不要な機能を除去し簡素化した充電器を実現することである。
【００１９】
本発明が解決しようとする第３の課題は、上記により小型軽量で低コスト化された充電器を利用して、充電器内蔵の電池を実現することである。
【００２０】
これらの三課題を一挙に解決するものとして、本発明は、従来の充電器が有していた充電電圧・電流を電池の特性に合わせて制御する機能をすべて除去し、商用電源を整流しただけの直流電圧をそのまま、電圧・電流を制限することなく電池に供給する充電器を提供する。なおこのとき、対象とする電池の充電電圧の最大定格は商用電源を整流しただけの直流電圧以上でなくてはならないが、後述するように、そのようなＬＴＯ電池は利用可能である。
【００２１】
上記の充電池では、充電器が出力する電流は制限されていないので、電池が吸収できる限りの目いっぱいの電流で充電することが可能になるから、第1の課題が解決される。また、充電電圧・電流を制御する機能は、一般に、変圧器や定電圧・定電流回路などを含み、充電器の体積・重量・コストを増加させる主な要因となっているから、このこれらの回路素子を除去することにより第２の課題が解決される。そして、それにより第３の課題も解決される。
【００２２】
しかしそのような充電器は、新たに、以下に記す第４の課題を有することになる。
【００２３】
それは、本充電器の対象とするＬＴＯ電池は吸収できる充電電流が大きいので、電池が吸収する限りに無制限に充電電流を流すと、充電器への入力電流が電力供給設備の能力を越え、設備の毀損などを生じてしまう恐れがあり、その対策が必要となることである。
【００２４】
この点を具体例で説明すると、例えば、近い将来、１２Ｖ、２０Ａｈの容量を有し、２０Ｃの電流で充電できる電池が製品化されることが考えられる。これを充電する場合、充電器の出力電流は２０ｘ２０＝４００Ａになるので、充電器入力が１００Ｖ商用電源であれば、充電器への入力電流は、およそ、（４００ｘ１２）／１００≒５０Ａ程度が必要となる。しかし、一般の家庭やオフィスでの１００Ｖ商用電源の契約電流はせいぜい２０〜６０Ａ程度であるから、充電器に５０Ａを流すことは、それ単独で、あるいは他の電気機器の使用と合わせると、契約電流を越えて給電ブレーカの遮断等に至ってしまう恐れが大きい。または、宅内の給電系統において、ケーブルや接続器具の発熱・発火などの可能性もある。
【００２５】
したがって第４の課題の解決のためには、充電器への入力電流が充電器を使用する電力供給設備の能力の範囲に収まるようにできる機能を設け、その範囲で電池が吸収できる限りの最大の電流を供給できるようにしなくてはならない。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明による充電器は、従来の充電器が備えていたところの、充電電圧および／または充電電流の値を、電池の特性に合わせて所定の値または範囲に制御する機能を除去し、回路を簡素化する。
【００２７】
また、本発明による充電器は、商用の交流電源を入力とするが、該充電器の使用者が該充電器の外部からの操作によって該充電器を構成する一個の回路要素の特性値を変更することにより該充電器への入力電流の最大値を変更設定できる電流調節回路を備える。
【００２８】
本発明は、該充電器とその充電対象とする電池とを一体的に実装する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、充電器の入力電流が電力供給設備の能力に合わせた範囲で抑えられるので、安心して充電ができる。そして、その範囲において、電池が吸収できる限りの電流が電池に供給されるので、大電流で二次電池の充電ができ、充電時間の短縮効果がある。
【００３０】
また、本発明による充電器は、定電圧定電流方式などの充電電圧・電流の値を電池の特性に合わせて制御する機能を備えないので、小型軽量で低コストの充電器が実現できる。
【００３１】
さらに本発明により、大きさ・重量・コストにおいて実用性が高い充電器内蔵型電池が実現できる。この電池は、充電の都度、充電器を用意したり充電器と電池とを接続する作業をしたりする必要がなく、充電作業が簡便となる。また充電器がないために充電ができない、という不便も解消される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態である実施例の充電器内蔵型電池の回路図である。
【図２】本発明の実施形態である実施例の充電対象とする電池ユニットの構成である。
【図３】本発明の実施形態である実施例の充電器の電流調節回路内部の各部の電圧波形である。
【図４】本発明の実施形態である実施例の充電器の平滑回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施形態である充電器内蔵型電池について、図１の実施例により説明する。
【００３４】
図１の充電器内蔵型電池１０は、充電器２０および電池ユニット５０より構成される。
【００３５】
充電器２０の入力電源は、電源プラグ１３から入力される商用の交流電源である。また、電源プラグ１３は電源線１４，１５により充電器２０の外面に設けられた電源入力端子１１，１２に接続されている。電源プラグ１３および電源線１４，１５は、電池１０に固定的に接続されていてもいいが、充電時のみ端子１１，１２に取り付けられるものでもよい。
【００３６】
充電器２０の直流出力は、出力端子２１，２２を介して充電対象の電池ユニット５０に入力される。電池ユニット５０の出力は電池１０の出力端子１６，１７に接続され、外部の電気機器に供される。
【００３７】
本実施例における電池ユニット５０は、図２に示すように、非特許文献３に示されているDr. Ozawa（登録商標）電池（型号ＴＯ−Ａ１）の８個を、電池５１から５８まで、直列に接続したものであるとする。しかし後述するように、本発明の適用される電池ユニットはこれに限るものではなく、また単一の電池であってもよい。
【００３８】
図１において、充電器２０は、電流調節回路３０および整流回路４０より構成される。電流調節回路３０としては、本実施形態ではトライアックを用いた位相制御回路を例として示している。この回路は公知のものであり、その詳細については非特許文献５および非特許文献６を参照されたい。
【００３９】
電流調節回路３０は、可変抵抗器３３、抵抗器３４、コンデンサ３５、トリガ・ダイオード３６、トライアック３７より構成されている。電流調節回路３０には電源プラグ１３から入力端子１１，１２を介して、商用交流が入力されている。図示されてはいないが、可変抵抗器３３のつまみは充電器２０の外部から回すことができるように構成されている。
【００４０】
整流回路４０は、整流用ダイオード４１、４２、４３、４４より構成されるダイオードブリッジを用いた全波整流回路を例として示している。これも公知の回路である。
【００４１】
以下においては、充電器２０の外部から可変抵抗器３３のつまみを操作することにより、電流調節回路３０において充電器の入力電流が容易に制御されることを、図３に示す電圧波形図により説明する。
【００４２】
以下においては、交流の位相を正弦波の角α（０≦α≦２π）で示す。
【００４３】
電源プラグ１３から入力される交流の波形を図３（ａ）に示す。入力位相αが０から一定値α１に至るまでは、トライアック３７は非導通状態であるので、抵抗器３３，３４を介してコンデンサ３５が充電される。
【００４４】
入力位相αがα1になると、コンデンサ３５の両端電圧がトリガ・ダイオード３６のブレークオーバ電圧に達する。これによりトリガ・ダイオード３６が一時的に導通状態になるので、トライアック３７のゲート端子へパルスを印加し（図３（ｂ））、トライアック３７は導通状態になり、入力交流をそのまま出力する。
【００４５】
位相αがπとなって入力電位が０Ｖに戻ると、トライアック３７はその性質上、再び非導通状態になる。位相αがπから2πの間も上記と同様の動作が行われる。
【００４６】
上記のトライアックのオンオフ動作により、トライアック３７の出力部３９には、図３（ｃ）に示す正弦波の一部の交流電圧が発生する。これを整流回路４０にて全波整流すると、充電器本体２０の出力端子２１、２２には、図３（ｄ）の直流電圧が発生する。（なお、図３（ｄ）の直流電圧波形は充電器２０に負荷が接続されていない場合の波形であり、電池ユニット５０が接続されている状態では異なるものとなる。）
【００４７】
ここで、α１は、抵抗器３３，３４の抵抗値とコンデンサ３５の容量より定められる。即ち、可変抵抗器３３の抵抗を大きくすると充電電流は少なくなって結線部３８の電位上昇は緩やかになり、α１は大きくなる。同様に、可変抵抗器３３の抵抗を小さくすれば結線部３８の電位上昇は急になってα１は小さくなる。
【００４８】
以上により、可変抵抗器３３によりα１を任意に定めることができ、これによってトライアック３７が導通状態となる期間を加減できることを明らかにした。
【００４９】
充電器２０の入力には常に図３（ａ）に示す正弦波の電圧が付与されているが、実際に入力電流が流れ得るのはトライアック３７が導通している期間だけである。よって、トライアック３７が導通状態となる期間を加減すれば、充電器２０に入力される電流を制限することができる。このため、可変抵抗器３３によりα１を適切に調整することにより、充電器２０に入力される電流が制御できる。
【００５０】
ここで、正確にいえば、電流調節回路３０は、トライアック３７が導通している期間内では充電器に入力される電流は制御していないのであるが、商用交流の１サイクルの中でトライアック３７が導通している期間の長さを加減するので、１サイクルにおける平均入力電流を制御できる。電力設備の安全性にかかわるのは平均入力電流であるから、電流調節回路３０は、電力供給設備の保護のため該充電器への入力電流の最大値を制御する、という所与の目的を果たしている。
【００５１】
以上により、電流調整回路３０において充電器の入力電流を可変抵抗器３３により制限できる仕組みを説明した。
【００５２】
なお、充電器２０には、その出力に平滑回路を挿入し、充電器出力を平滑化することが望ましい。例えば図４に示す平滑回路６０を用いる。平滑回路６０にはコンデンサ６３が内蔵され、その端子６１，６２をそれぞれ充電器２０の出力端子２１、２２に接続する。この平滑回路は既知の技術であるので、その機能等は省略する。
【００５３】
次に、本実施例においては商用交流の一部を整流をして電池ユニット５０に直接付加しており、その電圧値については制御をしていない。このことも充電器２０の小型軽量・低コスト化に貢献しているのであるが、このとき電池ユニット５０は、商用交流を整流したままの直流電圧に耐えるものである必要がある。
【００５４】
本実施例の電池ユニット５０を構成する電池５１ないし５８は、非特許文献３に示したDr.Ozawa電池（登録商標）であるとした。これは負極活物質にＬＴＯを含むリチウムイオン電池であって、充電電圧の最大定格は１６．８Ｖである。電池ユニット５０は、このDr.Ozawa電池を8個直列に接続して構成しているので、電池ユニット５０の充電電圧の最大定格は１６．８ｘ８＝１３４．４Ｖとなる。
【００５５】
一方、本実施例の充電器２０の出力は、商用交流であるから、その最大電圧値は１００ｘ√２＝１４１Ｖである。実際には損失等があるのでこの値は下回るが、最大電圧値が最大定格１３４．４Ｖを上回ってしまう恐れは多分にある。しかし冒頭に記したように、負極活物質にＬＴＯを含むリチウムイオン電池は過電圧に耐性を有しており、上記Dr.Ozawa電池でも、上記の範囲では電池には問題を生じないことが知られている。
【００５６】
したがって本実施例では、商用交流を格別の電圧制御をすることなく電池ユニット５０に付加することができた。
【００５７】
以上において、充電器２０が、充電器の平均入力電流を充電器の使用する電力供給設備の能力にあわせて制限しながら、その制限の範囲では充電電流には一切制限を加えず、また充電電圧については商用交流を格別の電圧制御をすることなく、電池の吸収するままの大電流で充電できるものであることが明らかになった。
【００５８】
この充電器２０は、図１からわかるように９点の電子部品を含むのみであって、変圧器のような大型で高価な部品は含まないので、きわめて小型軽量で安価である。したがって、図１に示した充電器２０と電池ユニット５０とを一体的に実装した充電器内蔵型電池１０は、電池ユニット５０に比べて、大きさ・重量・コストの差は僅少である。よって、充電器２０が実現したことにより、実用性の高い充電器内蔵型電池が提供できた。
【００５９】
また、本実施例の充電器２０と電池ユニット５０とは一体化せずに、個々に単体として実装してもよい。この場合充電器２０は、小型軽量で安価な充電器として特長を有する。
【００６０】
なお、本実施例で電流調節回路３０としてトライアックによる位相制御回路を採用したのは、本回路は、回路の断続期間を調節することで平均流入電流を調節するので、無駄な発熱を生じることがないという利点があるからである。しかしこのような機能は、トライアックによる位相制御回路に限るものではなく、例えば、入力電流をいったんパルス化してパルス幅を調節する電子回路でも、同様に平均流入電流を調節することができる。したがって、このように入力電流を制御できる回路で部品点数や重量等を軽減したものに、本発明は同様に適用できる。
【００６１】
また、以上の本発明の説明においては、本発明は負極活物質にＬＴＯを含むリチウムイオン電池を対象とするものとし、特に実施例の電池ユニット５０を構成する電池５１ないし５８は非特許文献３に示したDr.Ozawa電池であるとしたが、本発明の適用はこれら電池に限るものではない。上記電池以外の電池であっても、大電流充電ができる電池であって、充電電圧・電流を電池の特性に合わせて格別に制御することが不要である電池であれば、本発明は同様に適用することができることは明らかである。
【符号の説明】
【００６２】
１０  充電器内蔵型電池
１１  電池１０の充電用電源入力端子
１２  電池１０の充電用電源入力端子
１３  電源プラグ
１４  給電線
１５  給電線
１６  電池１０の正極出力端子
１７  電池１０の負極出力端子
２０  充電器
２１  充電器の正極出力端子
２１  充電器のの負極出力端子
３０  電流調節回路
３１  入力電源線
３２  入力電源線
３３  可変抵抗器
３４  抵抗器
３５  コンデンサ
３６  トリガ・ダイオード
３７  トライアック
３８  結線部
３９  トライアック３７の出力部
４０  整流回路
４１  整流用ダイオード
４２  整流用ダイオード
４３  整流用ダイオード
４４  整流用ダイオード
５０  電池ユニット
５１  電池
５２  電池
５３  電池
５４  電池
５５  電池
５６  電池
５７  電池
５８  電池
６０  平滑回路
６１  端子
６２  端子
６３  コンデンサ
【図１】
2018057260.tif 000003
【図２】
2018057260.tif 000004
【図３】
2018057260.tif 000005
【図４】
2018057260.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月11日(2017.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
１０  充電器内蔵型電池
１１  電池１０の充電用電源入力端子
１２  電池１０の充電用電源入力端子
１３  電源プラグ
１４  給電線
１５  給電線
１６  電池１０の正極出力端子
１７  電池１０の負極出力端子
２０  充電器
２１  充電器の正極出力端子
２２  充電器の負極出力端子
３０  電流調節回路
３１  入力電源線
３２  入力電源線
３３  可変抵抗器
３４  抵抗器
３５  コンデンサ
３６  トリガ・ダイオード
３７  トライアック
３８  結線部
３９  トライアック３７の出力部
４０  整流回路
４１  整流用ダイオード
４２  整流用ダイオード
４３  整流用ダイオード
４４  整流用ダイオード
５０  電池ユニット
５１  電池
５２  電池
５３  電池
５４  電池
５５  電池
５６  電池
５７  電池
５８  電池
６０  平滑回路
６１  端子
６２  端子
６３  コンデンサ