JP2007166698A - 充電式電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の二次電池および急速充電が可能な二次電池を備え、長時間の機器の駆動を可能にすると共に、短時間の充電で使用可能な状態にすることができる充電式電源装置を提供する。
【解決手段】１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池と、この二次電池に比べて高容量の第２の二次電池と、前記急速充電可能な第１の二次電池を優先的に放電して電気を取り出し、かつ前記第１の二次電池を優先的に充電する充電・放電制御器とを備えたことを特徴とする充電式電源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機器に内蔵された充電式電源装置の改良に関する。

携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ、電動アシスト自転車から電動自動二輪車に至るまで、充電式電源装置は欠くことのできないものになっている。これら機器に使用されている充電式電源装置としては、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池などが主流となっており、高エネルギー密度を生かした大容量電池で、長時間の機器駆動を可能にしている。

しかしながら、これら通常の二次電池は急速充電ができない。例えばニッケル水素二次電池では、急速充電を行うと発熱が生じて、内圧上昇により安全性が損なわれたり、熱による性能低下を起こしたりする。また、リチウムイオン二次電池でも、急速充電すると負極の炭素材に金属リチウムが析出し、容量の低下や安全性の低下を招く。したがって、これら通常の二次電池は放電が進んで電気を取り出せない状態での対応性が劣る問題があった。

このようなことから、特許文献１には急速充電が可能な非水電解質二次電池が開示されている。この二次電池を充電式電源装置として用いることによって、放電が進んで電気を取り出せない状態において短時間の充電で満充電状態にでき、電気を取り出すことができる。

しかしながら、急速充電が可能な非水電解質二次電池は通常の非水電解質二次電池に比べて容量が小さいために、搭載される機器の種類によっては頻繁な充電を必要とする。

したがって、従来の高容量の非水電解質二次電池や急速充電が可能な非水電解質二次電池は一長一短があり、例えば急な外出先でデジタルカメラを使用する際にそれに搭載された電源装置を十分な容量で常に満充電状態にしようとしても対応できない問題がある。
特開２００５−１２３１８３

本発明は、大容量の二次電池および急速充電が可能な二次電池を備え、長時間の機器の駆動を可能にすると共に、短時間の充電で使用可能な状態にすることができる充電式電源装置を提供することを目的とする。

本発明によると、１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池と、
前記二次電池に比べて高容量の第２の二次電池と、
前記急速充電可能な第１の二次電池を優先的に放電して電気を取り出し、かつ前記第１の二次電池を優先的に充電する充電・放電制御器と
を備えたことを特徴とする充電式電源装置が提供される。

本発明は、大容量の二次電池および急速充電が可能な二次電池を備え、長時間の機器の駆動を可能にすると共に、短時間の充電で使用可能な状態にでき、急な外出等においてユーザが安心して機器の使用を可能にした充電式電源装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係る充電式電源装置を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る充電式電源装置を示す概略図である。実施形態に係る充電式電源装置１１は、ＡＣ電源２１が接続され、かつ機器２２に接続されている。

前記充電式電源装置１は、１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池Ｂ１と、この二次電池Ｂ１に比べて高容量の第２の二次電池Ｂ２と、前記第１、第２の二次電池Ｂ１，Ｂ２が接続され、各二次電池Ｂ１，Ｂ２に対する充電・放電の制御をなすと共に前記ＡＣ電源２１および機器２２に接続される充電・放電制御器１２とを備えている。

ここで、『Ｃ』は充放電率を表す単位であり、完全放電から完全充電（または完全充電から完全放電）までを定電流充電した場合に計算上１時間で行えるレートを１Ｃとして表現する。１／１０時間の場合、１０Ｃと表現する。したがって、例えば１０Ｃ充電とは、１Ｃ充電の１０倍の電流が必要になる。

前記充電・放電制御器１２は、各二次電池Ｂ１，Ｂ２に対する充電時において電池選択、充電制御、電圧変換（ＡＣ／ＤＣ）を行う機能を有し、放電時において電池選択、電圧変換（ＤＣ／ＤＣ）を行う機能を有する。

前記充電・放電制御器１２は、前記１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池Ｂ１を優先的に放電する機能を有する。これを図２の放電フロー図を参照して以下に説明する。

・放電指令により１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池Ｂ１の電圧を測定し、残容量Ｃ１を検知する＜ステップＳ１＞。

・第１の二次電池Ｂ１の残容量Ｃ１が閾値容量ＴＨ１より大きいか＜ステップ２＞。

・ステップ２においてＹＥＳの場合、第１の二次電池Ｂ１を放電する＜ステップ３＞。

・第１の二次電池Ｂ１の残容量Ｃ１が閾値容量ＴＨ１より大きい間は、ステップ２，３を経由して放電を続行する＜ステップ４＞。

・ステップ４での第１の二次電池Ｂ１の放電において、その残容量Ｃ１が閾値容量ＴＨ１に達したとき（ステップ２でＮＯ）、第２の二次電池Ｂ２の電圧を測定し、残容量Ｃ２を検知する＜ステップ５＞。

・第２の二次電池Ｂ２の残容量Ｃ２が閾値容量ＴＨ２より大きいか＜ステップ６＞。

・ステップ６においてＹＥＳの場合、第２の二次電池Ｂ２を放電する＜ステップ７＞。

・第２の二次電池Ｂ２の残容量Ｃ２が閾値容量ＴＨ２より大きい間は、ステップ６，７を経由して放電を続行する＜ステップ８＞。

・ステップ８での第２の二次電池Ｂ２において、その残容量Ｃ２が閾値容量ＴＨ２に達したとき（ステップ６でＮＯ）、放電を終了する。

また前記充電・放電制御器１２は、前記１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池Ｂ１を優先的に充電する機能を有する。これを図３の充電フロー図を参照して以下に説明する。

・充電指令により１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池Ｂ１の電圧を測定し、残容量Ｃ１を検知する＜ステップＳ１＞。

・第１の二次電池Ｂ１の残容量Ｃ１が満充電状態か＜ステップ２＞。

・ステップ２においてＮＯの場合、ＡＣ電源２１から充電・放電制御器１２の電圧変換（ＡＣ／ＤＣ）を経由して第１の二次電池Ｂ１を急速充電する＜ステップ３＞。

・ステップ３での第１の二次電池Ｂ１の急速充電において、その二次電池Ｂ１の容量が満充電状態になったとき、第２の二次電池Ｂ２の電圧を計測し、残容量Ｃ２を検知する＜ステップ４＞。

・第２の二次電池Ｂ２の残容量Ｃ２が満充電状態か＜ステップ５＞。

・ステップ５においてＮＯの場合、ＡＣ電源２１から充電・放電制御器１２の電圧変換（ＡＣ／ＤＣ）を経由して第２の二次電池Ｂ２を通常充電する＜ステップ６＞。

・ステップ６での第２の二次電池Ｂ２の通常充電において、その容量が満充電状態になったとき、充電を終了する。

なお、前記第１、第２の二次電池Ｂ１，Ｂ２の充電において、第１の二次電池Ｂ１および第２の二次電池Ｂ２をこの順序で逐次充電する場合を説明したが、前記ステップ１〜３およびステップ４〜６を平行して行い、２つの二次電池Ｂ１，Ｂ２を同時に充電してもよい。

前記第１、第２の二次電池Ｂ１，Ｂ２は、例えば図４に示すアルミニウムラミネートフィルムからなる外装部材を有する薄型電池が用いられる。なお、図４中の３１はセパレータを挟んで正極および負極を重ね、渦巻状に捲回した後プレス成形した扁平状電極群と電解液を収納した外装部材である。３２は、一端が前記正極に接続され、他端が外装部材３１の一側面から延出された正極端子である。３３は、一端が前記負極に接続され、他端が外装部材３１の一側面から延出された負極端子である。

前記１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池Ｂ１は、前述した特許文献１に示されるような例えばアルミニウムラミネートフィルムからなる外装部材のような容器と、この容器内に収容された非水電解質と、前記容器内に収納された正極と、前記容器内に収納され、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔よりなる負極集電体に平均粒子径が１μｍ以下の粒度分布を有するリチウムイオンを吸蔵・放出するチタン酸リチウムのような物質を負極活物質粒子として含む負極層が担持された負極とを備えた構造を有する。

第１の二次電池Ｂ１より高容量の第２の二次電池Ｂ２は、例えばアルミニウムラミネートフィルムからなる外装部材のような容器と、この容器内に収容された非水電解質と、前記容器内に収納された正極と、前記容器内に収納され、銅箔または銅合金箔よりなる負極集電体に炭素質材料からなる負極活物質を含む負極層が担持された負極とを備えた構造を有する。

以上説明した実施形態に係る充電式電源装置は、１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池と、この二次電池に比べて高容量の第２の二次電池と、前記急速充電可能な第１の二次電池を優先的に放電して電気を取り出し、かつ前記第１の二次電池を優先的に充電する充電・放電制御器とを備える。このような構成によれば、大容量の第２の二次電池を備えているため、長時間の機器の駆動を図ることができる。同時に、充電・放電制御器による１０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池を優先的に放電、充電を可能にすることによって、補充電の際に第１の二次電池の急速充電により短時間で使用可能な充電状態にできる。その結果、急な外出等においてユーザが携帯電話、デジタルカメラ等の機器を安心して使用することができる。

さらに、充電式電源装置の残容量が殆どない空の状態から第１の二次電池に急速充電できるために、この充電式電源装置に接続された機器を短時間で使用可能な状態にできる。

なお、実施形態の充電式電源装置では急速充電が可能な二次電池および大容量の二次電池をそれぞれ１つ組み込んだ構成にしたが、それぞれに二次電池を２つ以上組み込んでもよい。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

始めに、１）急速充電可能な二次電池Ｂ１の組み立て、２）この二次電池Ｂ１より高容量の二次電池Ｂ２の組み立てを説明する。

１）急速充電可能な二次電池Ｂ１の組み立て
＜負極の作製＞
活物質として、平均粒子径０．８μｍでＬｉ吸蔵電位が１．５５Ｖ(vs.Li/Li⁺)のチタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）粉末と、導電剤として平均粒子径０．４μｍの炭素粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で９０：７：３となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散してスラリーを調製した。

なお、活物質の粒子径の測定には、レーザー回折式粒度分布測定装置（島津製作所株式会社 型番ＳＡＬＤ−３００）を用いた。まず、ビーカー等に試料約０．１ｇを入れた後、界面活性剤と１〜２ｍＬの蒸留水を添加して十分に攪拌し、攪拌水槽に注入した。２秒間隔で、６４回光強度分布を測定し、粒度分布データを解析し、累積度数分布が５０％の粒径（Ｄ５０）を平均粒子径とした。

次いで、厚さ１０μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）を負極集電体に前記スラリーを塗布し、乾燥した後、プレスを施すことにより電極密度２．４ｇ／ｃｍ³の負極を作製した。

＜正極の作製＞
活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）と、導電材として黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で８７：８：５となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散させてスラリーを調製した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）にスラリーを塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度３．５ｇ／ｃｍ³の正極を作製した。

＜薄型二次電池の組み立て＞
容器（外装部材）の形成材料として、厚さが０．１ｍｍのアルミニウム含有ラミネートフィルムを用意した。このアルミニウム含有ラミネートフィルムのアルミニウム層は、膜厚約０．０３ｍｍであった。アルミニウム層を補強する樹脂には、ポリプロピレンを使用した。このラミネートフィルムを熱融着で貼り合わせることにより、容器（外装部材）を得た。

次いで、正極に帯状の正極端子を電気的に接続すると共に、負極に帯状の負極端子を電気的に接続した。厚さ１２μｍのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータを正極に密着させて被覆した。セパレータで被覆された正極に負極を対向するように重ね、これらを渦巻状に捲回して電極群を作製した。この電極群をプレスして扁平状に成形した。容器（外装部材）に扁平状に成形した電極群を挿入した。

ＥＣとＧＢＬが体積比（ＥＣ：ＧＢＬ）で１：２の割合で混合された有機溶媒に、リチウム塩のＬｉＢＦ₄を１．５ｍｏｌ／Ｌ溶解させ、液状の非水電解質を調製した。得られた非水電解質を容器内に注液し、前述した図４に示す構造を有し、厚さ３．８ｍｍ、幅３５ｍｍ、長さ６２ｍｍの薄型の非水電解質二次電池Ｂ１を組み立てた。この二次電池Ｂ１は、容量が６００ｍＡｈで、満充電時電圧は２．８Ｖ、放電終止電圧１．５Ｖで使用できる。また、前記二次電池Ｂ１は１０Ｃ（６Ａ）を越える電流で急速充電することが可能で、例えば２０Ｃ（１２Ａ）で3分間充電することにより約８０％（約５００ｍＡｈ）まで充電することができる。

２）前記二次電池Ｂ１より高容量の二次電池Ｂ２の組み立て
＜負極の作製＞
活物質としてカーボン、集電体として銅箔を用いた以外、前記二次電池Ｂ１とほぼ同様な方法で負極を作製した。

＜正極の作製＞
活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）を使用し、前記二次電池Ｂ１とほぼ同様な方法で正極を作製した。

得られた負極および正極を用いて、前記二次電池Ｂ１とほぼ同様な方法で前述した図４に示す構造を有し、厚さ３．８ｍｍ、幅３５ｍｍ、長さ６２ｍｍの薄型の非水電解質二次電池Ｂ２を組み立てた。この二次電池Ｂ２は、容量が８５０ｍＡｈで、満充電時電圧が４．２Ｖ、放電終止電圧３．０Ｖで使用できる。また、この二次電池Ｂ２は、急速充電ができないため、通常の充電が１Ｃ（８５０ｍＡ）までで、満充電には２時間以上が必要であり３分間では約４０ｍＡｈしか充電されない。

（実施例１）
前述した方法で組み立てた急速充電可能な二次電池Ｂ１および高容量の二次電池Ｂ２を1個ずつ使用して前述した図１に示す充電式電源装置を構築した。

（比較例１）
前述した方法で組み立てた急速充電可能な二次電池Ｂ１を２個使用し、並列に接続して充電式電源装置を構築した。この電源装置にＡＣ電源を電圧変換器（ＡＣ／ＤＣ）を有する充電器を通して接続した。また、電源装置を電圧変換器（ＤＣ／ＤＣ）を通して機器に接続した。

（比較例２）
前述した方法で組み立てた高容量の二次電池Ｂ２を２個使用し、並列に接続して充電式電源装置を構築した。この電源装置にＡＣ電源を電圧変換器（ＡＣ／ＤＣ）を有する充電器を通して接続した。また、電源装置を電圧変換器（ＤＣ／ＤＣ）を通して機器に接続した。

得られた実施例１および比較例１，２の充電式電源装置について、以下に説明する試験１で充電、試験２で放電を行って特性を評価した。

＜試験１＞
各二次電池を放電終止電圧まで放電した状態とした後にそれぞれの充電式電源装置に３分間の充電を行った。

すなわち、実施例１は二次電池Ｂ１に対して２．８Ｖ−１２Ａの定電圧定電流にて３分間の充電（２０Ｃでの急速充電）、二次電池Ｂ２に対して４．２Ｖ−０．８５Ａの定電圧定電流にて３分間の充電（１Ｃでの通常の充電）を行った。

比較例１は、２並列の二次電池Ｂ１に対してそれぞれ２．８Ｖ−２４Ａの定電圧定電流にて３分間の充電（２０Ｃでの急速充電）を行った。

比較例２は、２並列の二次電池B２に対してそれぞれ４．２Ｖ−１．７Ａの定電圧定電流にて３分間の充電（１Ｃでの通常の充電）を行った。

この状態から、各充電式電源装置を１Ｗの定電力放電を行い、各充電式電源装置が放電終止電圧になるまでの時間を計測した。これらの結果を下記表１に示す。

＜試験２＞
各二次電池を放電終止電圧まで放電した状態とした後にそれぞれの充電式電源装置を満充電した。

すなわち、実施例１は二次電池Ｂ１に対して２．８Ｖ−１２Ａの定電圧定電流にて満充電（２０Ｃでの急速満充電）、二次電池Ｂ２に対して４．２Ｖ−０．８５Ａの定電圧定電流にて満充電（１Ｃでの通常の満充電）を行った。この満充電操作は、前述した図３に示す充電フローに従った。

比較例１は、２並列の二次電池Ｂ１に対してそれぞれ２．８Ｖ−２４Ａの定電圧定電流にて満充電（２０Ｃでの急速満充電）を行った。

比較例２は、２並列の二次電池B２に対してそれぞれ４．２Ｖ−１．７Ａの定電圧定電流にて満充電（１Ｃでの通常の満充電）を行った。

この状態から、各充電式電源装置を１Ｗの定電力放電を行い、各充電式電源装置が放電終止電圧になるまでの時間を計測した。これらの結果を下記表１に示す。

前記表１の試験１の結果によれば、比較例２の充電式電源装置（２並列の大容量の二次電池Ｂ２使用）は短時間の充電を行った場合、放電時間が非常に短くなることがわかる。

一方、比較例1の充電式電源装置（２並列の急速充電可能な二次電池Ｂ１使用）は急速充電を行った場合、比較例２の充電式電源装置は勿論のこと、実施例１の充電式電源装置に比べても長時間の放電が可能であり、急速充電を行うことに実用上の利点を見出すことができる。

しかしながら、比較例1の充電式電源装置は試験２の結果のように満充電を行った場合、放電時間が試験１の短時間充電と大差がなく、比較例２の充電式電源装置に比べると５０％程度の時間しか放電できなくなることがわかる。

これに対し、実施例１の充電式電源装置（急速充電可能な二次電池Ｂ１と大容量の二次電池Ｂ２使用）は試験１のような短時間充電において、放電時間が比較例1の充電式電源装置に比べて短くなるものの、試験２のような満充電時において放電時間が比較例１の充電式電源装置の２倍近くなり、かつ比較例２の充電式電源装置に対しても７０％以上の放電時間を確保でき、十分な実用上の利点、特性を備えていることがわかる。

以上のように、実施例１の充電式電源装置によれば急速充電が可能な二次電池Ｂ１および大容量の二次電池Ｂ２を備え、長時間の機器の駆動を可能にすると共に、短時間の充電で常に満充電状態にすることができ、ユーザが携帯電話、デジタルカメラ等の機器を安心して使用でき、かつ残容量が殆どない空の状態から第１の二次電池Ｂ１を急速充電できるため、機器を短時間で使用可能な状態にできる。

本発明の実施形態に係る充電式電源装置を示す概略図。 実施形態に係る充電式電源装置の放電時におけるフロー図。 実施形態に係る充電式電源装置の充電時におけるフロー図。 実施形態に係る充電式電源装置に組み込まれる二次電池を示す正面図。

符号の説明

１１…充電式電源装置、１２…充電・放電制御器、２１…ＡＣ電源、２２…機器、Ｂ１…急速充電が可能な第１の二次電池、Ｂ２…大容量の第２の二次電池、３１…外装部材、３２…正極端子、３３…負極端子。

Claims (1)

1. １０Ｃ以上で急速充電可能な第１の二次電池と、
   前記二次電池に比べて高容量の第２の二次電池と、
   前記急速充電可能な第１の二次電池を優先的に放電して電気を取り出し、かつ前記第１の二次電池を優先的に充電する充電・放電制御器と
   を備えたことを特徴とする充電式電源装置。

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