JP2014515251A

JP2014515251A - 内部アキュムレータを備えた低コスト急速充電器及び方法

Info

Publication number: JP2014515251A
Application number: JP2014503918A
Authority: JP
Inventors: スチュアート、マイケル、デイビス
Original assignee: ザジレットカンパニー
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2012138673A2; CN103493329A; WO2012138673A3; US20120256583A1; EP2695278A2; BR112013023270A2

Abstract

少なくとも１つの再充電式電気化学セルに充電電流を供給して、約５〜１５分の範囲内で少なくとも１つの再充電式電気化学セルを充電し得る放電速度を有する、高放電速度の鉛酸電池の充電アキュムレータ装置（１４）を含む、少なくとも１つの再充電式電気化学セルと、鉛酸電池の高放電速度の充電アキュムレータ装置と並列に接続され、高放電速度の充電アキュムレータを高放電速度の充電アキュムレータの放電速度と比較して低い充電速度で再充電するように構成される充電器を備えた低速２００ｍＡ充電器（１２）と、アキュムレータと充電装置の出力端子との間に接続された直列抵抗器（１６）と、を備える、再充電式電池（２０）を充電するよう構成された、充電装置が開示される。

Description

ＬｉＦｅＰＯ_４電池は高い電力を供給し、また非常に高速での急速再充電が可能である。しかしながら、急速充電に必要な高電力レベルを維持するために、こうした電池用の充電器は、典型的に充電速度のより低い従来型の電池用の充電器と比較して、より大きくかつ高価である。この付随コストは、ＬｉＦｅＰＯ_４電池を急速充電するこれらの充電器に必要とされる、より大きくかつ高性能な部品のコストに起因する。

本発明の一態様では、少なくとも１つの再充電式電気化学セルを含む再充電式電池を充電する方法が開示される。この方法は、再充電式電気化学電池に充電電流を供給し得る放電速度を有する充電アキュムレータ装置から高速で再充電式電池を充電して、約５〜１５分の範囲内で再充電式電気化学セルを充電する工程と、充電アキュムレータを再充電する充電速度が、再充電式電池の充電速度と比較して低い、低充電速度の充電器を使用して、充電アキュムレータを再充電する工程と、を含む。

実施形態は、次のうちの１つ以上を包含してもよい。

充電アキュムレータが鉛酸電池である。充電アキュムレータが、再充電式電池の１度の充電で約１３％の放電深度に達する。低速充電器が２００ｍＡ充電器である。充電アキュムレータがスーパーキャパシタである。

他の実施形態では、アキュムレータは再充電可能なＮｉ−ＭＨ電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−Ｚｎ電池、Ｎｉ−Ｆｅ電池、Ａｇ_２Ｏ−Ｚｎ電池、ＡｇＯ−Ｚｎ電池、Ａｇ_２Ｏ−Ｃｄ電池、ＡｇＯ−Ｃｄ電池、Ａｇ_２Ｏ−ＭＨ電池、ＡｇＯ−ＭＨ電池、又はＬｉ−ＦｅＰＯ_４といった高速再充電式リチウム電池である。充電アキュムレータが確実に再充電式電池を非常に高速で再充電し得るために、充電アキュムレータは、再充電を意図する再充電式電池と比較して物理的により大きく、かつ実質的により高い定格エネルギー（ワット時）を収容することができる。

本発明の追加の態様では、充電装置は少なくとも１つの再充電式電気化学セルを備える再充電式電池を充電するように構成され、この装置は、少なくとも１つの再充電式電気化学セルに充電電流を供給し、約５〜１５分の範囲内で少なくとも１つの再充電式電気化学セルを充電し得る放電速度を有する充電アキュムレータ装置と、電気化学セルの充電速度と比較して低い充電速度で充電アキュムレータを再充電するように構成された、低充電速度の充電器と、を含む。

実施形態は、次のうちの１つ以上を包含してもよい。

充電アキュムレータが鉛酸電池である。充電アキュムレータが再充電式セルの１度の充電で約１３％の放電深度に達する。低速充電器が２００ｍＡ充電器である。充電装置が高放電速度のアキュムレータに接続した保護回路を更に含む。保護回路はアキュムレータと充電器の出力端子との間で直列に接続された抵抗器を含む。アキュムレータは、低速充電器及び充電装置の出力端子と並列に接続される。アキュムレータは、低速充電器並びに充電装置の抵抗器及び出力端子と並列に接続される。

本発明の追加の態様では、少なくとも１つの再充電式電気化学セルを備える再充電式電池を充電するように構成された充電装置は、少なくとも１つの再充電式電気化学セルに充電電流を供給して、約５〜１５分の範囲内で少なくとも１つの再充電式電気化学セルを充電し得る放電速度を有する鉛酸電池又はその他の高放電速度のアキュムレータ装置と、鉛酸電池の高放電速度の充電アキュムレータ装置と並列に接続され、高放電速度の充電アキュムレーターを低い充電速度で再充電するよう構成された充電器を備える低速２００ｍＡ充電器と、アキュムレータと充電装置の出力端子との間に接続された直列抵抗器と、を含む。

本発明の他の態様も可能である。

１つ以上の上記の態様は、以下の利点を１つ以上含んでよい。

上記の構成では、ＬｉＦｅＰＯ_４電池を急速充電するために使用される従来型の充電器と比較して、コストを削減した充電器を提供することが可能である。例えば、ＬｉＦｅＰＯ_４電池の場合、このような電池を充電して約５〜１５分以内に充電を達成するために必要な電力（単位時間あたりの供給エネルギー）には、比較的高価な部品を有する充電器が必要である。

電源コンセントからＬｉＦｅＰＯ_４電池への充電の他にも、万一の停電の場合にＬｉＦｅＰＯ_４電池を使用できるように、充電器は数回の充電に相当するエネルギーを貯蔵する内部アキュムレータを組み込んでいる。こうした予備供給電力（a supply of reserve electrical power）は充電器自体の中（アキュムレータの中）に貯蔵され、例えば、こうした電池で携帯電話若しくは緊急用ラジオに電力を供給する場合、又はＬｉ−ｉｏｎ、Ｌｉ−Ｐｏｌｙｍｅｒ、Ｎｉ−ＭＨ型などの別の種類の再充電式電池で電力を供給する場合でも、緊急用にこうしたＬｉＦｅＰＯ_４電池を１回以上再充電することができる。

本発明の他の特徴及び利点は、それらの説明及び特許請求の範囲から明らかとなる。

アキュムレータを備えた充電器の代表的な実施形態のブロック図。代替的な保護回路を備えた充電器のブロック図。

図１に、高充電速度に対応した電池セル２０を充電する比較的低コストな高速充電器１０が示される。比較的低コストな高速充電器１０は、例えば、Ｌｉ−ＦｅＰＯ_４電池などの高電流及び高充電速度に耐え得る再充電式電池を充電し、例えば、約５〜１５分以内に充電が完了されるように構成され、かつ低コストな低充電速度充電器１２と、高速充電インタフェースとして機能し、かつ小型の低速充電器１２と外部電池２０との間に接続される内部再充電式セル又は電池（本書では「アキュムレータ」１４と称する）と、を含む。充電器１０の出力端子において、必要な直流充電電圧を提供する回路１６もまた含まれる。回路１６は任意の保護回路の他にも、充電器１０から再充電式電池２０へと必要な出力電圧を提供するために、必要に応じて電圧を降下又は上昇させる任意の回路を含む。このような１回路は、鉛酸電池とＬｉ−ＦｅＰＯ_４セルとの間で直列に配置された、一般に約．０５Ωから約０．５Ωの範囲内で、０．１Ωが典型値となる高ワット抵抗（high wattage resistor）、低抵抗（low resistance）を使用してＬｉ−ＦｅＰＯ_４セルへの突入電流を制限する。

具体例として、約５分以内におよそ１．８Ｗｈ／０．０８３ｈｒ．＝２１．６Ｗ、又は約６．０Ａの速度で充電が可能なＬｉ−ＦｅＰＯ_４電池に対しては、鉛酸電池が用いられる。代表的な鉛酸電池は、ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈ（ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈ（２７５１１５２^ｎｄＡｖｅ．ＲｅｄｍｏｎｄＷＡ９８０５２））から、様々な構成かつ２Ｖ、４Ｖ、６Ｖ、８Ｖなどの様々な電圧で入手することができる。１つのこのような鉛酸電池は６Ｖ、３．４Ａｈ、０．６９ｋｇ（１．５２ｌｂ）のＵＢ６３４型である。別の好適な型は、４Ｖ、４．５Ａｈ、０．６５ｋｇ（１．４３ｌｂ）のＵＢ４４５である。これらの電池は密封されている。つまりこれらの鉛酸電池は再充電すると圧縮ガスが再結合され、水を添加する必要がなくなる。電池は堅く密封されているため、電池は一般的に液漏れを起こさず、定期的に水で満たす必要もない。典型的に、電解液を固定化して酸の流動を除去する（eliminate free-flowing acid）ことで、これらの電池を密封する工程には、２通りの方法が使用される。１つの方法は、例えば、シリカ系ゲルなどのゲルを電解液に添加して電解液をゼラチン状に「固める」、ゲルセルの使用である。もう１つの方法は、高吸収性のガラスマットセパレータを各プレートの間に使用して液体電解質を貯留する、吸収ガラスマット（ＡＧＭ）の使用である。

Ｃ／５から３Ｃのアキュムレータの代表的な充電速度（ＬｉＦｅＰＯ_４蓄電池の充電速度として）又は（アキュムレータ側ではＣ／４０からＣ／２）は、一般的に入手可能な充電器に対応している。それに対し、アキュムレータの放電速度は約５Ｃから約３０Ｃ（ＬｉＦｅＰＯ_４蓄電池の場合）（２．５Ａから１５Ａ）となり、ＣはＡｈ（amp hrs）での充電容量である。

蓄電池の特定の１構成は、ＵＢ６３４型から１セルを除去して定格４Ｖ、３．４Ａｈの「ＵＢ６３４の２／３」型を提供するなど、製造者に３セル型を改造させるものである。この構成では、鉛酸電池のエネルギーは約１３．６Ｗｈ、又はＬｉ−ＦｅＰＯ_４セルを再充電したエネルギーの７．６倍となる。したがって、鉛酸セルは約１３％の放電深度（ＤＯＤ）の放電しか必要とせず、例えば、ＬｉＦｅＰＯ_４の場合、約１，０００〜２，０００サイクルの高いサイクル寿命がもたらされる（ＨａｗｋｅｒＥｎｅｒｇｙ製の密封された鉛酸「Ｄ」セルの公開データの推論）。（ＨａｗｋｅｒＰ．Ｏ．Ｂｏｘ８０８９４０４ＯｏｌｔｅｗａｈＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＤｒｉｖｅＯｏｌｔｅｗａｈ，ＴＮ３７３６３ＵＳＡ）。同様に、公開されたＨａｗｋｅｒ製「Ｄ」セルのデータから、１０Ａ（ａｐｘ．４０Ｗ）の放電速度は、電圧が３．６Ｖ未満に降下するまで、６分間持続可能であると予測できる。Ｈａｗｋｅｒ製セルの１００％充電までの典型的な再充電時間は、１時間である。したがって、ＵＢ６３４改造型の４Ｖ鉛酸電池は、６分間にわたり最大４Ｗｈ、すなわち角柱形のＬｉ−ＦｅＰＯ_４電池を完全に再充電するために必要な電力の２倍を供給できることになる。

充電器１０は、ＬｉＦｅＰＯ_４セルの１度の再充電でわずか約１３％ＤＯＤに達するアキュムレータを有するように構成される。充電器１２は、少なくとも約１時間（又はそれ以上）で鉛酸セルを再充電できるように構成される。こうした充電器１０は、例えば、２００ｍＡ充電器などの非常に小型の充電器を使用してアキュムレータを再充電する。２００ｍＡ充電器は３．４Ａｈの鉛酸電池を１７時間で完全に再充電することができる。Ｌｉ−ＦｅＰＯ_４の１度の再充電サイクル後に鉛酸電池を「フル充電」するためには約４００ｍＡｈしか必要とせず、充電に要する時間はわずか２時間である。

コスト面では鉛酸が最も経済的であるが、例えば、Ｎｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｆｅなどその他の種類のアキュムレータを鉛酸の代わりに使用してもよい。Ａ２セル／４Ｖ鉛酸電池も、Ｌｉ−ＦｅＰＯ_４セルをテーパー充電するのに一般的に使用されている３．８Ｖ電池の同等品（close match）であるために、好都合である。任意で、充電器及び／又はアキュムレータユニットは、充電器１２中の制御器（図示せず）に接続した低電力ＬＣＤディスプレイを使用して、それ自体の「充電状態」を表示することもできる。ディスプレイは、アキュムレータ１４の再充電可能サイクルの残数を表示するように構成することができる。

充電器１０は携帯型エネルギー供給源を提供するので、いかなる電源コンセントから離れた「移動中」にも、使用してＬｉ−ＦｅＰＯ_４電池を再充電することができる。電池を充電していない時、充電器１０は電源コンセントに接続してアキュムレータ１４を再充電する。この構成の充電器１０は、鉛酸系内部アキュムレータを使用していない急速充電器よりも、比較的寸法及び重量が増大する可能性があるものの、非常用の電力貯蔵機能、及びコスト削減の可能性を考慮すれば、増加する容積及び重量は許容し得るものである。主なコストは４Ｖ鉛酸電池にかかっており、例えば、３．４Ａｈの代わりに２．０Ａｈにするなど、電池容量の一部を犠牲にすることで、更なるコスト削減及び小型化が実現可能である。それでもなお、万一の停電の場合には、これは２回の急速充電サイクル、及び追加で１〜２回のより低速な再充電を提供する。

充電器１０は、携帯電話、ＭＰ３プレーヤー及びデジタルカメラなど、多くの最新型携帯式消費者家電製品で使用される電池セルを含む、様々な寸法の電池セルを充電するのにとりわけ有用である。開示された充電器１０は、例えば、リン酸鉄リチウムまたは類似のリン酸系層間化合物を電池電極の１つとして使用しているものといった、急速充電性能を有するリチウムイオン電池を含む様々な種類の再充電式電池に適用することが可能である。開示された充電器１０は、更に、例えば、円筒形電池、角柱形電池、ボタン電池などを含む、異なる種類の電池を充電するように構成してもよい。

アキュムレータ１４及び電池２０は二次セル（又は電池）である。一次電気化学セルは、１度のみ、例えば、完全に消費されるまで放電され、その後廃棄するように設計されているが、二次電気化学セルは何度も再充電することが可能である。

図２に、電圧及び電流状態を監視する回路２２、並びに内部アース接続（internal ground connection）を備えたエンハンスメント型ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２４を含む保護回路の代替的な構成が示される。外部電池の電圧が設定閾値に達して回路２２が過電圧状態を検出した場合、回路２２は、従来Ｌｉ−Ｉｏｎ電池パックに対してなされる方法と類似した方法で、ＭＯＳＦＥＴに充電を止めさせる。

他の実施形態
本発明の多数の実施形態が記載されてきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な修正を行えることが理解されるであろう。例えば、充電アキュムレータはいわゆる「スーパーキャパシタ」、すなわち「電気二重層コンデンサ」などの他の種類の大容量かつ高速放電の構成部品を使用することができる。スーパーキャパシタについては、放電電圧が充電残量に基づいて変化するため、直流−直流コンバータ（例えば、再充電式セル前のスーパーキャパシタの出力端子部分にブースト型又はバックブースト型コンバータ）を設置することが望ましい。他の実施形態では、充電アキュムレータは、再充電式Ｎｉ−ＭＨ電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−Ｚｎ電池、Ｎｉ−Ｆｅ電池、Ａｇ_２Ｏ−Ｚｎ電池、ＡｇＯ−Ｚｎ電池、Ａｇ_２Ｏ−Ｃｄ電池、ＡｇＯ−Ｃｄ電池、Ａｇ_２Ｏ−ＭＨ電池、ＡｇＯ−ＭＨ電池、又はＬｉ−ＦｅＰＯ_４などの高速再充電式リチウム電池である。充電アキュムレータが確実に再充電式電池を非常に高速に再充電し得るために、充電アキュムレータは、再充電を意図する再充電式電池と比較して物理的により大きく、かつ実質的により高い定格エネルギー（ワット時）を収容してよい。

したがって、他の実施形態も以下の「特許請求の範囲」内にある。

Claims

少なくとも１つの再充電式電気化学セルを備える再充電式電池を充電する方法であって、
前記再充電式電気化学電池に充電電流を供給し得る放電速度を有する充電アキュムレータ装置から高速で前記再充電式電池を充電して、約５〜１５分の範囲内で前記再充電式電気化学セルを充電する工程と、
前記充電アキュムレータを再充電する充電速度が、前記再充電式電池の充電速度と比較して低い、低充電速度の充電器を使用して、前記充電アキュムレータを再充電する工程と、
を含む、方法。
前記充電アキュムレータが鉛酸電池である、請求項１に記載の方法。
前記充電アキュムレータが前記再充電式電池の１度の充電でおよそ１３％の放電深度に達する、請求項２に記載の方法。
前記低速充電器が２００ｍＡ充電器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
前記充電アキュムレータがスーパーキャパシタである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
少なくとも１つの再充電式電気化学セルを備える再充電式電池を充電するように構成された充電装置であって、
前記少なくとも１つの再充電式電気化学セルに充電電流を供給し、約５〜１５分の範囲内で前記少なくとも１つの再充電式電気化学セルを充電し得る放電速度を有する充電アキュムレータ装置と、
前記電気化学セルの充電速度と比較して低い充電速度で前記充電アキュムレータを再充電するよう構成された低充電速度の充電器と、
を備える、装置。
前記充電アキュムレータが鉛酸電池である、請求項６に記載の充電装置。
前記充電アキュムレータが前記再充電式セルの１度の充電で約１３％の放電深度に達する、請求項６又は７に記載の充電装置。
前記低速充電器が２００ｍＡ充電器である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の充電装置。
前記高放電速度のアキュムレータに接続した保護回路を更に備える、請求項６〜９のいずれか一項に記載の充電装置。
前記保護回路が、前記アキュムレータと前記充電器の出力端子との間で直列に接続された抵抗器を備える、請求項１０に記載の充電装置。
前記アキュムレータが、前記低速充電器及び前記充電装置の出力端子と並列に接続される、請求項６〜１１のいずれか一項に記載の充電装置。
前記アキュムレータが、前記低速充電器並びに前記充電装置の前記抵抗器及び出力端子と並列に接続される、請求項１１に記載の充電装置。
少なくとも１つの再充電式電気化学セルを備える再充電式電池を充電するように構成された充電装置であって、
前記少なくとも１つの再充電式電気化学セルに充電電流を供給して、約５〜１５分の範囲内で前記少なくとも１つの再充電式電気化学セルを充電し得る放電速度を有する充電アキュムレータ装置を提供する、高放電速度を有する鉛酸電池と、
前記鉛酸電池の高放電速度の充電アキュムレータ装置と並列に接続され、前記高放電速度の充電アキュムレータの放電速度と比較して低い充電速度で前記高放電速度の充電アキュムレータを再充電するよう構成された充電器を備える低速２００ｍＡ充電器と、
前記アキュムレータと前記充電装置の出力端子との間に接続された直列抵抗器と、を含む、装置。