JP3042124U - アルカリ乾電池の充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異なるサイズのアルカリ乾電池に対して障害
を与える温度上昇をもたらすことなしに、常に適正充電
を行うことが可能であるアルカリ乾電池の充電装置を提
供することを課題とする。 【解決手段】 アルカリ乾電池に対する充電の際の電池
電圧および／または充電電流を制御可能な充電回路と、
該充電回路の出力を検出する検出部と、該検出部による
検出結果を基礎として演算することにより被充電アルカ
リ乾電池の状態を監視し、該監視結果により前記充電回
路の制御を行う演算・制御部と、異なるサイズのアルカ
リ乾電池に対して同時充電を不可能にする電池収納部を
具備するアルカリ乾電池の充電装置である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、アルカリ乾電池の新規な充電方法を実施するためのアルカリ乾電池 の充電装置に関する。

【０００２】 近年、携帯式または移動式の各種電気・電子機器類、例えば携帯電話、ノート パソコンその他情報処理機器、ハンディターミナル、ビデオカメラ、充電式電動 工具、小形掃除機、各種運搬機器等多方面において広く普及し、駆動源としての 電池が不可欠となっている。

【０００３】 このような電池には、周知のように、ただ一度の放電のみ可能とされる一次電 池と、多数回にわたる充電および放電が可能な二次電池とが存在する。

【０００４】 マンガン乾電池やアルカリ乾電池として広く使用されている一次電池は、国際 的にも規格化されており、手軽に入手でき使用できる利点があるが、完全な消耗 品であるため不経済である。

【０００５】 このような二次電池を小形に形成した、小形シール鉛電池、ニッケル−カドミ ウム（Ni−Cd）電池、ニッケル−水素（NiMH）電池、リチウムイオン（Li）電池 等が広く採用されつついる。しかし、これら二次電池は高価である上、その寿命 も有限である。

【０００６】

【従来の技術】

二酸化マンガンを正極とし、亜鉛を負極とするアルカリ乾電池は、通常は充電 できない一次電池として製作されている。ところが、二酸化マンガン正極のアル カリ電解液中における挙動は、水酸化ニッケルに近いため、充電が行える可能性 がある。しかし、亜鉛負極の特性から満足に充電を行うことはできなかった。

【０００７】 殊に、乾電池充電器と称して、アルカリ乾電池はもとよりマンガン乾電池をも 充電可能としているものも国内外で散見されるが、充電に長時間を要する上、マ ンガン乾電池に対しては異常発熱を伴う等の問題を包含している。

【０００８】 従来の充電方法では、乾電池の電圧を基準として、所定値に回復するまで充電 電流を流し続けるものであった。しかし、アルカリ乾電池は、本来の二次電池と は異なり、単に電流を流すことのみによって充電できるものではない。つまり、 アルカリ乾電池も本来的には一次電池であり、直前の使用終止にいたるまでの履 歴や最終の電圧・容量状態により、回復の特性が全く異なったものとなる。

【０００９】 換言すれば、アルカリ乾電池をニッケル−カドミウム電池のような二次電池と 同様の回復特性が期待できないものも存在する。このようなアルカリ乾電池に対 して高めの電圧を印加して充電を行おうとしても、初期の電圧を回復することが できないばかりでなく、液漏れや加熱による破裂の危険性さえあることが識者や 製造者から指摘されている。

【００１０】 さらに、この種のアルカリ乾電池は、製造者による性能差が大きく、電気的特 性が大幅に異なるものが存在する。例えば、図１０（Ａ）、（Ｂ）の電池電圧− 時間曲線に示すように、電極間に電圧を印加した直後から電池電圧が上昇するも の（図（Ａ））や、電圧上昇に長時間を要するもの（図（Ｂ））がある。なお、 このような特性の差異は、製造者の違いのみでなく、それまでの使用履歴や最終 状態によっても大幅に異なったものとなる。

【００１１】 また、アルカリ乾電池における初期電圧は、製造技術や組成によって微妙に異 なるが、電圧の最終到達電圧も製造者によって異なる。充電・再使用を重ねると 回復電圧も漸減する。これを無視して所定電圧値まで充電を続けようとすると電 池を損傷するのみでなく前述のような問題を生ずることになる。

【００１２】 さらに、アルカリ乾電池の充電終止時期の制御には、通常の二次電池の充電制 御に採用される、例えば電池電圧降下検出法（図１１（Ａ）の電池電圧−時間曲 線において−ΔＶが所定値ｋ以上になった際に終止する方法）、電池の上昇温度 検出法（図１２（Ｂ）の電池電圧−時間曲線においてΔＴ／Δｔが所定値以上に なった際に終止する方法）等を適用することはできない。アルカリ乾電池にあっ ては、かかる現象の生ずる状態が必ずしも一定しないためである。

【００１３】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は、異なるサイズのアルカリ乾電池に対して障害を与える温度上昇をも たらすことなしに、常に適正充電を行うことが可能であるアルカリ乾電池の充電 装置を提供することを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

本考案の課題は、図１に示すように、充電の際の電池電圧および／または充電 電流を制御可能な充電回路１と、該充電回路１の出力を検出する検出部２と、該 検出部２による検出結果を基礎として演算することにより被充電アルカリ乾電池 Ｂの状態を監視し、該監視結果により前記充電回路１の制御を行う演算・制御部 ３と、を有しており、サイズの異なるアルカリ乾電池に対して充電を行うための 充電装置において、あるサイズのアルカリ乾電池が電池収納部に装入された際に 、異なるサイズのアルカリ乾電池への充電を自動的に不可能にする構造を具備す る充電装置によって解決される。

【００１５】 充電回路１は、図２（Ａ）のようなパルス電流を供給可能な回路とすることが できる。被充電電池Ｂの状態を正確に把握するために、パルス電流を供給する間 はもとより、休止期間においても被充電電池Ｂの電池電圧の検出を行う。このよ うな検出を行うのは、アルカリ乾電池の内部抵抗の変化が二次電池よりも大きく 、充電電流の供給期間のみの検出では誤差が生ずるためである。

【００１６】 したがって、充電電流の供給が中断された間に電圧が安定した際に検出するこ とにより当該時点におけるアルカリ乾電池の状態が正確に把握可能である点に着 目したものである。なお、図２（Ｂ）の拡大図のように、充電電流の休止期間に おいても複数回の検出を行うことにより、この場合の電圧変化状態から電池の消 耗度を判定することが可能となる。さらに、このような検出は付加的に放電を行 うことにより、より正確な状態観察を行うことができる。

【００１７】 制御にあたっては、このような検出方法と被充電アルカリ乾電池の充電特性の 相違を考慮した制御を行うことにより、アルカリ乾電池本来の性能を最大限に活 用するための充電が可能となる。その結果、被充電電池に対する過度の温度上昇 等の悪影響を排除しつつ急速充電を行うことができる。

【００１８】 本質的に一次電池として形成されたアルカリ乾電池の充放電サイクルによる劣 化は、ニッケル−カドミウム電池などの二次電池に比して大きい。そのため、常 に劣化の状態に合わせた充電終了操作を行う必要がある。かかる充電終了操作に 関しても制御部において決定される。

【００１９】 本考案に係る充電装置は、前記充電を自動的に不可能にする構造が共通電極の 移動により他サイズ電池への導電的接触を阻害することにより行われる構造であ ることを特徴とする。

【００２０】 また、前記充電を自動的に不可能にする構造が、共通電極を共有する電池収納 部を有し、あるサイズのアルカリ乾電池を装入することにより他サイズ電池の装 入が阻害される構造であることを特徴とする。

【００２１】 前記あるサイズのアルカリ乾電池を装入することにより他サイズ電池の装入を 阻害するための構造が、部分的に交差する電池収納溝として構成され、一方の電 池の一部分により他方の電池の装入を阻害することを特徴とする。

【００２２】 前記あるサイズのアルカリ乾電池を装入することにより他サイズ電池の装入を 阻害するための構造が、両電池収納溝に跨がる揺動子として構成され、一方の電 池の装入に伴う該揺動子の上昇によって他方の電池の装入を阻害することを特徴 とする。

【００２３】

【考案の実施の形態】

以下、本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置について詳述する。図３は図１ に示した充電回路と同様の構成を示すものであり、検出部１２において被充電電 池の電池電圧並びに充電電流の状態を検出する構成を示すものである。

【００２４】 端子電圧検出部Ｖは、充電回路１１に接続された被充電電池Ｂの端子電圧を測 定するものである。例えば図２（Ａ）のようなパルス状電圧が印加される場合に は、作動期間はもとより、休止期間にある際にも１〜数回にわたり検出を実行可 能なものである。

【００２５】 充電電流検出部Ｉは、パルス状電圧の印加に応じて被充電電池の両端子間に通 流する電流の状態を測定するものである。このように充電電流を検出することに より被充電電池の状態、充電開始時の残容量、充電進行時の状態変化、充電終了 時期を判定するための情報等を検出することができる。

【００２６】 図４は被充電電池の電池電圧−時間曲線を示すもので、充電開始後比較的短時 間に電圧が上昇するタイプのアルカリ乾電池の充電操作例を示すものである。被 充電電池が良好な状態にある場合には、破線で示したＡ点において充電を終了す べきものである。

【００２７】 しかし、性能の劣化している被充電電池の場合は、Ｘ点においてほぼ飽和状態 となり、これ以上充電を継続しても実線のようにＢ点にいたる経過をたどる。こ の場合に、Ａ点の最終電圧を目標として充電を継続しても到達することはなく、 むしろ被充電電池の劣化を早め、極端な場合には、過熱により再使用不能な損傷 を被ることがある。このように、充電の間最終到達電圧となることが検出された Ｂ点を制御部において新たな目標電圧とし、充電回路１１の制御を行うものであ る。

【００２８】 なお、この新たな目標電圧Ｂ点は、被充電電池の状態に対応して適宜変化する 。すなわち、被充電電池の新旧や使用履歴等によって電池電圧−時間特性にも微 妙な差異が生ずることがあり、かかる差異を勘案しつつ制御を行うことができる 。充電期間中このような制御が行われる結果、最終的な電池電圧は最新の目標Ｂ 点に到達する。

【００２９】 図５は、このような制御を行うための制御部１３の基本機能を示すものである 。この制御部１３においては、例えば、単位時間あたりの電圧変化、現在電圧、 休止期間中の電圧変化、内部抵抗の変化（＝端子電圧／充電電流）等を基礎とし て、充電回路１１に対して充電終止電圧、充電電流、休止期間等の制御を行うも のである。この場合の制御は、簡易に採用可能なフィードバック法またはやや複 雑な制御を要するもののフィードフォワード法のいずれでも採用することができ る。

【００３０】 このような制御における電池電圧対時間・充電電流対時間曲線は、図６のよう になる。実線で示した端子電圧ＶＢの時間変化に対して、充電電流Ｉは破線で示 したようになり、充電終了時期には充電電流がほぼ零となる。

【００３１】 上述のような被充電電池の違いによる充電状態は、充電開始時からの変化を逐 次参酌して制御することもでき、また予め代表的なパターンを記憶しておき、そ れに従って、制御することもできる。また、制御部１３内に記憶手段を内蔵せし め、学習することができるように構成することもできる。この際、例えば製造者 による特性の差異を加味するための情報記憶部を設け、充電にあたって読み出す ように構成することもできる。

【００３２】 二次電池充電の場合とアルカリ乾電池充電の場合との間には大きな差異がある 。二次電池は本来的に繰り返し充電を行うものであるため、複数の電池であって も充放電の状況は類似したものとなる。これに対してアルカリ乾電池の場合には 、利用可能回数も制限され、かつ放電状態もそれぞれの電池の使用履歴によって かなり異なったものとなる。

【００３３】 例えば、ラジオ用電池、テープレコーダやＣＤプレーヤのようなモータ駆動用 電池、ランプ用電池等によってその放電状態は大幅に異なる。そのため、一つの 充電回路によって並列充電を行う場合には、循環電流による不均衡充電の問題や 過熱等が生ずる危険があるため、少なくとも規格の異なるアルカリ乾電池が同時 に接続されないような配慮が必要となる。

【００３４】 このような事情を考慮した取扱説明書を添付しても、多くの利用者にその趣旨 を徹底させることは難しい。そこで、アルカリ乾電池用充電装置の電極構造を、 少なくとも規格（サイズ）違いのアルカリ乾電池、例えば単１形と単３形あるい は単３形と単４形とが機械的に同時に挿入されずまたは電気的に接続されないよ うな構造が要求される。図７（Ａ）、（Ｂ）は、このような目的を達成するため の構造の一例を示すものである。

【００３５】 図７（Ａ）は、電池収納部２０の構成例を示すもので、例えば単１形電池と単 ２形電池、あるいは単３形電池と単４形電池のように電池サイズおよび電池容量 の異なる複数のアルカリ乾電池に共用可能な充電装置に適用するものである。

【００３６】 電池サイズの異なる複数種の電池の負電極２１および２２は、それぞれの長さ を考慮して各電池を挿入可能な電池収納部の一端側に段違いとなるように配設さ れる。これらは図示していない充電回路の負極（−）へ電気的に接続される。

【００３７】 充電のための正電極２３は、大サイズ用電極２３Ａと小サイズ用電極２３Ｂと が一体化されており、図下端の２３Ｃにおいて固定されており、弾性材の撓みに よって大サイズ電池用正電極２３Ａ部分が両頭矢印２３Ｄのように変位可能に形 成されている。この正電極２３は図示していない充電回路の正極（＋）へ電気的 に接続される。

【００３８】 このような電池収納部２０に、図７（Ｂ）のように小サイズの被充電乾電池を 挿入すると、負電極２２と正電極２３Ｂとに接触する。この場合、大サイズ用の 正電極２３Ａは、矢印２３Ｄのように外方に変位する。この状態で大サイズの被 充電乾電池を破線のように同時に挿入しても、正電極２３Ａとの間に間隙ｄが生 ずるため電気的に接続されることはなく、大小サイズのアルカリ乾電池が並列に 接続されることは防止される。なお、大サイズの被充電アルカリ乾電池のみを挿 入する場合は、負電極２１と正電極２３Ａとの間に確実に接触し、充電が行われ る。この場合、この電池収納部２０には小サイズの被充電乾電池を挿入すること は不可能となる。

【００３９】 図７のように電極材料自体の撓みを利用する構造にあっては、経年変化によっ て弾力に変化が生じ、特に大サイズ乾電池側の正電極２３Ａの接触抵抗が増大す ることがある。図８（Ａ）、（Ｂ）は、このような問題点を解決するための構造 の例を示すものである。

【００４０】 この構造では電池収納部３０の形状を、大小各電池を挿入する際に両者が部分 的に重畳するような構造にするものである。図８（Ａ）の実施例では、大サイズ 用の正電極３１、小サイズ用の正電極３２と共通の負電極３３とを備えている。 各電極３１、３２および３３はそれぞれ充電回路の＋、−へ接続されている。な お、本実施例では、共通電極３３は、大小の乾電池に適する部分３３Ａおよび３ ３Ｂから構成される。

【００４１】 図８（Ｂ）は、小サイズのアルカリ乾電池を実線のように装入した状態を示す ものである。この場合、大サイズのアルカリ乾電池を装入しようとしても破線の ように重畳させなければならないため、両者の同時装入は必然的に防止される。 当初破線のような大サイズの被充電乾電池を装入した場合にも、その後の小サイ ズのアルカリ乾電池の装入は確実に防止される。

【００４２】 なお、図８では上下に（立体的に）変位せしめた状態で図示しているが、平面 において変位せしめてもよい。また若干傾斜させるように構成することも任意で ある。これらのいずれが相応しいかは、電池収納部および充電回路を含めた充電 装置全体の横幅を小さくするか厚みを小さくするか等を勘案して適宜選定するこ とができる。

【００４３】 図９（Ａ）、（Ｂ）は、さらに他の実施例を示すもので、電池収納部４０にお ける大小サイズの電池の挿入位置および電極はそれぞれ個別に形成されている。 大サイズ用電極４１、小サイズ用電極４２および共通電極４３があり、それぞれ 充電回路の＋、−に接続されている。

【００４４】 この実施例における大小異なるサイズのアルカリ乾電池の挿入の防止は、大小 いずれかの電池を装入する際にシーソーのような動作をする揺動子４４によって 確保される。

【００４５】 Ｂ−Ｂ’矢視図である図（Ｂ）に示すように、例えば右側の収納部に小サイズ のアルカリ乾電池４５を挿入すると、揺動子４４の右側電池台４４Ｂが強制的に 押下され、支点４４Ｃを基準として揺動子４４の左側電池台４４Ａが押し上げら れ、大サイズアルカリ乾電池の挿入を機械的に阻止することになる。左側に大サ イズの電池が挿入された場合には、右側への電池挿入が阻止される。その結果大 小異なるサイズのアルカリ乾電池の同時装入を防止することができる。

【００４６】

【考案の効果】

本考案の特徴１． 最適容量による充電が可能： 本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置においては、単１形〜単４形のような 電池サイズに適した充電が可能となる。従来技術にかかるこの種充電方法におい ては、電池サイズの大小にかかわらずほぼ同じ電流による充電が行われていた。 しかし、例えば単１形と単４形のアルカリ乾電池ではその容量が約１４倍異なる 。したがって電圧または充電電流のいずれか一方のみを基準とする方法では、小 さな容量の電池に対して無理な充電が行われ電池の劣化を早めることになる。こ れに対して、本考案にかかる充電装置では、電池の受入れ可能な最適電流を監視 しつつ充電を行うため、このような欠点が回避される。

【００４７】 本考案の特徴２． 高速充電が可能： 本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置においては、充電期間中にわたって被 充電電池の状態を総合的に監視し、常に適正充電を行うことが可能であるため、 電池が対応可能な最大電流を供給することができる。従来技術においては、消耗 している被充電電池に大電流を供給することは危険が伴うことから、比較的小電 流で充電を行っていた。したがって、充電時間が長引くことになり、例えば単３ の充電にも約１２時間を要していた。これに対し、本考案に係る充電装置におい ては、所要時間約２〜４時間で同程度に回復することが確認された。

【００４８】 本考案の特徴３． 安全性の確保： 本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置では、被充電電池の状態、例えば、劣 化度合いや残容量等を勘案しつつ自動的に充電量を決定するため充電電流を決定 する。したがって、電池の過充電が防止できる。また充電期間中にも異常が検出 され、安全性が確保される。従来技術においては、主として充電開始時にのみチ ェックを行っていた。さらに、被充電アルカリ乾電池の収納部の構造を配慮した ことにより、安全な充電が可能となった。

【００４９】 本考案の特徴４． 高い充電性能： 被充電電池に応じた充電目標を設定するため、電池に悪影響を及ぼすことがな い。一回あたりの充電量を最大限とすることにより、電池寿命を最大限活用する ことができることになり、資源の活用が図れることになる。

【００５０】 本考案に係る充電装置は、充電中においても充電電流、充電時間、最大電流な どのパラメータを変更し、被充電電池の状態に応じて、アルカリ乾電池の充電終 了時期を変化せしめる。

【００５１】 かかる制御を常時行っているため、電池の消耗度に応じて充電方法を変え、被 充電電池にとって常に最適な充電が行われる。したがって、電圧上昇特性の異な る電池であっても対応可能である。充電期間中における電池の状態変化が予測可 能であり、充電終止時期の予測も可能である。

【００５２】 また、被充電電池に対して充電電流を供給するにあたって、電池電圧、充電電 流値等を単独に参照するのではなく、電圧の変化状態、充電電流を休止した際の 電圧・電流の変化、内部抵抗等を基礎として総合的に判断し、制御を行っている 。さらに所定電流値による充電ではなく、電池の状態に対応して充電電流を制御 し、必要であれば、休止に止まらず放電をも組み合わせて総合的に充電制御を行 うものである。その結果、アルカリ乾電池の残容量、電池電圧、電池容量の大小 、すなわち単１形から単４形までのように各容量の差異にもかかわらず高速、安 全でかつ十分な充電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置の構成
を示す概略ブロック図である。

【図２】本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置におけ
る電池電圧の時間変化を示す波形図（Ａ）及び電池電圧
・時間特性波形の部分拡大図（Ｂ）である。

【図３】本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置の構成
例を示すブロック図である。

【図４】本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置におけ
る電池電圧の時間変化を示す波形図である。

【図５】本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置におけ
る制御部の所要機能を示すブロック図である。

【図６】本考案に係るアルカリ乾電池の充電装置におけ
る電池電圧および充電電流の時間変化を示す波形図であ
る。

【図７】本考案に適する電池収納部および電極構造の第
１の実施例を示す側面図である。

【図８】本考案に適する電池収納部および電極構造の第
２の実施例を示す側面図である。

【図９】本考案に適する電池収納部および電極構造の第
３の実施例を示す側面図である。

【図１０】各種アルカリ乾電池の充電時の電池電圧の時
間変化を示す波形図である。

【図１１】従来技術にかかる充電方法における充電終止
時期決定の例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 充電回路 ２ 検出部 ３ 制御部（演算制御部） １１ 充電回路 １２ 検出部 １３ 制御部（演算・制御部） ２０ 電池収納部 ２１、２２、２３ 電極 ３０ 電池収納部 ３１、３２、３３ 電極 ４０ 電池収納部 ４１、４２、４３ 電極 ４４ 揺動子 ４４Ｃ 支点 Ｖ 電圧検出部 Ｉ 電流検出部 Ｂ 被充電アルカリ乾電池

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 増野 裕之 東京都新宿区新宿２−16−９ 株式会社ジ ェイエヌティ内

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 充電の際の電池電圧および／または充電
   電流を制御可能な充電回路と、該充電回路の出力を検出
   する検出部と、該検出部による検出結果を基礎として演
   算することにより被充電アルカリ乾電池の状態を監視
   し、該監視結果により前記充電回路の制御を行う演算・
   制御部と、を有し、サイズの異なるアルカリ乾電池に対
   して充電を行うための充電装置において、 サイズの異なるアルカリ乾電池が電池収納部に装入され
   た際に、他サイズのアルカリ乾電池に対する充電を自動
   的に不可能にする構造を具備することを特徴とするアル
   カリ乾電池の充電装置。
2. 【請求項２】 前記充電を自動的に不可能にする構造
   が、共通電極の移動により他サイズ電池への導電的接触
   を阻害することにより行われる構造であることを特徴と
   する請求項１に記載のアルカリ乾電池の充電装置。
3. 【請求項３】 前記充電を自動的に不可能にする構造
   が、共通電極を共有する電池収納部を有し、あるサイズ
   のアルカリ乾電池を装入することにより他サイズ電池の
   装入が阻害される構造であることを特徴とする請求項１
   に記載のアルカリ乾電池の充電装置。
4. 【請求項４】 前記あるサイズのアルカリ乾電池を装入
   することにより他サイズ電池の装入を阻害するための構
   造が、部分的に交差する電池収納溝として構成され、一
   方の電池の一部分により他方の電池の装入を阻害するこ
   とを特徴とする請求項３に記載のアルカリ乾電池の充電
   装置。
5. 【請求項５】 前記あるサイズのアルカリ乾電池を装入
   することにより他サイズ電池の装入を阻害するための構
   造が、両電池収納溝に跨がる揺動子として構成され、一
   方の電池の装入に伴う該揺動子の上昇によって他方の電
   池の装入を阻害することを特徴とする請求項３に記載の
   アルカリ乾電池の充電装置。