

バッテリー充電器、再充電器、または単に充電器[ 1 ] [ 2 ]は、電流を流すことで電気バッテリーにエネルギーを蓄える装置です。充電プロトコル(電圧と電流、充電時間、充電完了時の処理)は、充電するバッテリーのサイズと種類によって異なります。バッテリーの種類によっては、完全に充電された後でも過充電に対する耐性が高く、定電圧源または定電流源に接続することで再充電できます(バッテリーの種類によって異なります)。
このタイプの簡易充電器は、充電サイクルの終了時に手動で取り外す必要があります。他の種類の電池は、充電完了時にタイマーを使用して電源を切断します。他の種類の電池は、過充電、損傷(容量低下、寿命低下)、過熱、さらには爆発に耐えられません。充電器には、温度または電圧検知回路とマイクロプロセッサコントローラが搭載されており、充電電流と電圧を安全に調整し、充電状態を判定し、充電終了時に電源を切断します。充電器は、電線のインピーダンスを補正するために、電流に比例して出力電圧を上昇させる場合があります。[ 3 ]
トリクル充電器は比較的微量の電流を流すだけであり、長期間使用されていないバッテリーの自己放電を抑えるのに十分な電流にすぎません。バッテリーの種類によってはトリクル充電に耐えられないものがあり、そうしようとすると損傷する可能性があります。リチウムイオンバッテリーは、無期限のトリクル充電には対応していません。[ 4 ]低速バッテリー充電器では、充電が完了するまでに数時間かかる場合があります。高速充電器ではほとんどの容量をはるかに速く回復できますが、高速充電器は一部のバッテリーの種類が耐えられる以上の性能を持つ場合があります。このようなバッテリーでは、バッテリーを過酷な使用から保護するために、バッテリーを積極的に監視する必要があります。[ 5 ]電気自動車には理想的には高速充電器が必要です。一般の人がアクセスできるように、このような充電器の設置とその配布サポートは、提案されている電気自動車の導入における課題です。
充電率と放電率は、 CまたはCレートで示されることが多く、これは電池の容量に対する充電または放電率の指標です。Cレートは、充電電流または放電電流を電池の蓄電容量で割った値として定義されます。明示的に示されることはめったにありませんが、Cレートの単位はh −1です。これは、充電電流または放電電流と同じ単位で、単位時間に電流を掛けた値で電池の蓄電容量を表すことと同じです。Cレートは負の値になることはないため、充電プロセスを表すのか放電プロセスを表すのかは文脈によって異なります。[ 6 ]
例えば、容量500mAhのバッテリーの場合、放電電流5000mA(つまり5A)はCレート10Cに相当し、この電流で1時間で10個のバッテリーを放電できることを意味します。同様に、同じバッテリーを充電する電流250mAはCレートC/2に相当し、この電流で1時間でバッテリーの充電状態が50%増加することを意味します。[ 7 ]
バッテリーに電流を流すと、電流値にほぼ比例した内部熱が発生します(バッテリーの現在の充電状態、状態/履歴なども要因となります)。充電プロセスが吸熱性の場合( Ni-Cdバッテリーの場合はこれに該当し、ニッケル水素バッテリーの充電は発熱性です)、充電プロセスによって最初はバッテリーが冷却されますが、完全に充電されると冷却効果がなくなり、セルが加熱されます。10 °C(18 °F)の温度上昇を検出することは、充電を停止するタイミングを判断する1つの方法です。[ 8 ]通常よりも高いCレートに対応できるように作られたバッテリーセルは、発熱の増加に対応する必要があります。
しかし、高C定格はエンドユーザーにとって魅力的です。なぜなら、そのようなバッテリーはより速く充電でき、使用時により高い電流出力を生成できるからです。高C定格では通常、充電器は過充電とセルの損傷を防ぐために、端子電圧や温度などのバッテリーパラメータを注意深く監視する必要があります。[ 6 ]このような高充電レートは、特定の種類のバッテリーでのみ可能です。他の種類のバッテリーは損傷したり、過熱したり、発火したりする恐れがあります。中には爆発するバッテリーもあります。 [ 9 ]例えば、自動車のSLI(始動、照明、点火)鉛蓄電池には、爆発の危険性がいくつか伴います。

簡易充電器は、充電中のバッテリーに一定のDC電源またはパルスDC電源を供給することで機能します。簡易充電器は通常、充電時間やバッテリーの充電量に応じて出力を変化させません。このシンプルさは簡易充電器の低価格化につながりますが、それにはトレードオフがあります。一般的に、慎重に設計された簡易充電器は、より低い(つまりより安全な)充電レートに設定されているため、バッテリーの充電に時間がかかります。それでも、簡易充電器に長時間放置すると、多くのバッテリーが過充電によって劣化または破損します。これらの充電器は、バッテリーに定電圧または定電流を供給できるという点でも異なります。
シンプルなAC電源のバッテリー充電器は、設計・製造コストが低いため、通常、他の種類のバッテリー充電器よりもリップル電流とリップル電圧が はるかに高くなります。一般的に、リップル電流がバッテリーメーカーの推奨レベル内であれば、リップル電圧も推奨レベルをはるかに下回ります。一般的な12V 100Ah VRLAバッテリーの最大リップル電流は5アンペアです。リップル電流が過大でない限り(バッテリーメーカー推奨レベルの3~4倍を超えない限り)、リップル充電されたVRLAバッテリーの予想寿命は、定常DC充電されたバッテリーの寿命の3%以内です。[ 10 ]
急速充電器は制御回路を利用して、バッテリー内のセルを損傷することなく急速充電します。制御回路はバッテリー(通常はセルごと)に内蔵することも、外部充電ユニットに内蔵することも、あるいは両方に分散させることもできます。ほとんどの急速充電器には、セルの温度を安全なレベルに保つための冷却ファンが付いています。ほとんどの急速充電器は、特別な制御回路を持たない標準的なニッケル水素セルを使用する場合、標準的な夜間充電器としても機能します
充電時間を短縮し、連続充電を可能にするため、インテリジェント充電器はバッテリーの充電状態と状態を検知し、3段階充電方式を採用します。以下の説明では、25℃(77℉)の密閉型鉛蓄電池を想定しています。第1段階は「バルク吸収」と呼ばれ、充電電流は高く一定に保たれ、充電器の容量によって制限されます。バッテリーの電圧がガス放出電圧(セルあたり2.22ボルト)に達すると、充電器は第2段階に切り替わり、電圧は一定に保たれます(セルあたり2.40ボルト)。供給電流は維持された電圧で減少し、電流が0.005C未満になると、充電器は第3段階に入り、充電器の出力はセルあたり2.25ボルトで一定に保たれます。第3段階では、充電電流は0.005Cと非常に小さく、この電圧でバッテリーは満充電を維持し、自己放電を補償することができます。
誘導充電器は、電磁誘導を利用してバッテリーを充電します。充電ステーションは、誘導結合を介して電磁エネルギーを電気機器に送り、電気機器はエネルギーをバッテリーに蓄えます。これは、充電器とバッテリーの間に金属接点を必要とせずに実現されます。誘導充電器は、電動歯ブラシやバスルームで使用されるその他の機器によく使用されています。電気接点がないため、感電の危険はありません。現在では、携帯電話の充電にも使用されています

スマート充電器はバッテリーの状態に応じて充電パラメータを調整できますが、「ダム」充電器は一定の電圧を印加し、場合によっては固定抵抗を介して一定電圧を供給します。スマート充電器は、コンピューターチップを内蔵し、バッテリーの状態についてスマート充電器とデジタル通信を行うスマートバッテリーとは混同しないでください。スマートバッテリーにはスマート充電器が必要です。一部のスマート充電器は、内部に電子機器が一切搭載されていない「ダム」バッテリーも充電できます。
スマート充電器の出力電流はバッテリーの状態によって異なります。インテリジェント充電器は、バッテリーの電圧、温度、充電時間を監視して最適な充電電流を決定したり、充電を終了したりします。Ni -CdバッテリーとNi-MHバッテリーの場合、充電プロセス中にバッテリーの電圧はゆっくりと上昇し、完全に充電されます。その後、温度上昇により電圧が低下しますが、インテリジェント充電器はこれをバッテリーが完全に充電されたと判断します。このような充電器は、電圧の変化を監視するという意味で、ΔV(デルタV)充電器、または「デルタピーク」充電器と呼ばれることがよくあります。
このため、インテリジェント充電器であってもバッテリーが完全に充電されていることを検知せず充電を継続し、結果として過充電になる可能性があります。多くのインテリジェント充電器は、過充電を防ぐために様々なカットオフシステムを採用しています。一般的なスマート充電器は、1時間以内に最大容量の約85%まで急速充電し、その後トリクル充電に切り替えます。トリクル充電では、バッテリーを最大容量まで充電するのに数時間かかります。[ 11 ]

いくつかの企業が、歩行などの人間の動作から得られるエネルギーを利用してバッテリーを充電するデバイスの開発に着手しています。例えば、トレモント・エレクトリック社製のデバイスは、2つのバネの間に磁石を挟み、上下に動かすことでバッテリーを充電します。しかし、このような製品はまだ商業的に大きな成功を収めていません。[ 12 ]
机に取り付けるペダル式携帯電話充電器が開発され、空港、鉄道駅、大学などの公共スペースに設置されています。この充電器は、複数の大陸の多くの国に設置されています。[ 13 ]
一部の充電器はパルス技術を採用しており、一連の電気パルスをバッテリーに供給します。直流パルスは、立ち上がり時間、パルス幅、パルス繰り返し率(周波数)、振幅が厳密に制御されています。この技術は、自動車用バッテリーや制御弁式バッテリーなど、あらゆるサイズと種類のバッテリーで使用できます。[ 14 ]パルス充電では、バッテリーを過熱させることなく、瞬間的に高い電圧が印加されます。鉛蓄電池では、このパルス充電により硫酸鉛の結晶が分解され、バッテリーの寿命が大幅に延びます。[ 15 ]
いくつかの種類のパルス充電器は特許を取得しており[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] 、オープンソースハードウェアのものもあります。充電器の中には、最初に接続したときにパルスを用いて現在のバッテリー状態を確認し、急速充電時には定電流充電を使用し、その後パルスモードでトリクル充電を行うものもあります。[ 19 ]一部の充電器は「負パルス充電」(「リフレックス充電」または「バープ充電」とも呼ばれます)を使用します。これらの充電器は、正電流パルスと短時間の負電流パルスの両方を使用します。負パルス充電が通常のパルス充電よりも効果的であるという明確な証拠はありません。

ソーラー充電器は光エネルギーを低電圧の直流電流に変換します。通常は持ち運び可能ですが、固定設置も可能です。固定設置型ソーラー充電器はソーラーパネルとも呼ばれます。これらは多くの場合、制御回路とインターフェース回路を介して電力網に接続されますが、ポータブル型ソーラー充電器はオフグリッド(車、ボート、RVなど)で使用されます。
ポータブルソーラー充電器は太陽光からのみ電力を得ますが、日没時などの低照度時でも充電可能です。ポータブルソーラー充電器はトリクル充電に使用されることが多いですが、バッテリーを完全に充電できるものもあります。
タイマー充電器の出力は、所定の時間経過後に停止します。タイマー充電器は、1990年代後半に低容量の民生用Ni-Cdセルを充電するために、大容量Ni-Cdセル用の最も一般的な充電器でした。多くの場合、タイマー充電器とバッテリーのセットがバンドルされて購入され、充電時間はバッテリーごとに設定されていました。低容量のバッテリーを充電すると過充電になり、高容量のバッテリーをタイマー充電すると最大容量に達しませんでした。タイマー式充電器には、完全に放電されていないバッテリーを充電すると過充電になるという欠点もありました。[ 20 ]
トリクル充電器は通常、低電流(通常5~1,500mA)です。一般的に小容量バッテリー(2~30Ah)の充電に使用されます。また、車やボートの大容量バッテリー(30Ah以上)のメンテナンスにも使用されます。より大規模な用途では、バッテリー充電器の電流はトリクル電流を供給するのに十分な量です。トリクル充電器の技術によっては、バッテリーに無期限に接続したままにすることができます。一部のバッテリーの種類はトリクル充電に適していません。例えば、ほとんどのリチウムイオンバッテリーは安全にトリクル充電できず、火災や爆発を引き起こす可能性があります
最も高度な充電器は、重要な用途(軍用または航空用バッテリーなど)に使用されます。これらの高耐久性自動「インテリジェント充電」システムは、バッテリーメーカーが指定した複雑な充電サイクルをプログラムできます。最高の充電器はユニバーサル(つまり、あらゆる種類のバッテリーを充電可能)で、自動容量テストおよび分析機能を備えています


ユニバーサルシリアルバス(USB)仕様は5ボルトの電力を供給するため、 USBケーブルを用いてデバイスを電源に接続することが可能となります。この方式を採用した製品には、携帯電話、ポータブルデジタルオーディオプレーヤー、タブレットPC用の充電器などがあります。これらは、USBに完全準拠した周辺機器の場合もあれば、制御されていないシンプルな充電器の場合もあります。 「USB(充電式)バッテリー」と呼ばれる別のタイプの USB 充電器は、リチウムイオン充電式バッテリー、電圧コンバーター、USB コネクタとともに、標準バッテリー(1.5 V AA、C、D、および 9 V ブロック)のケースに取り付けられています。
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DC を AC に変換せずに、1 つのバッテリーを別のバッテリーで充電するために使用されます。
バッテリー充電器はバッテリーに接続することを想定しているため、電圧調整機能やDC電圧出力のフィルタリング機能が備わっていない場合があります。そうした方がコストが安くなります。電圧調整機能とフィルタリング機能の両方を備えたバッテリー充電器は、バッテリーエリミネーターと呼ばれることもあり ます
車両に使用される充電器には主に 2 つのタイプがあります。
自動車用バッテリー用の充電器には様々な定格があります。最大2アンペアの充電器は、駐車中の自動車バッテリーの充電維持や、園芸用トラクターなどの小型バッテリーの充電に使用できます。ドライバーは、自動車バッテリーのメンテナンスや、誤って放電してしまった自動車バッテリーの再充電のために、数アンペアから10アンペア、あるいは15アンペアの充電器を常備している場合があります。サービスステーションや商用ガレージには、1~2時間でバッテリーをフル充電できる大型充電器が設置されており、これらの充電器は、内燃機関のスターターを始動させるのに必要な数百アンペアの電流を短時間で供給できる場合が多くあります。
電気自動車用バッテリー充電器(ECS)には、様々なブランドと特性があります。これらの充電器の最大充電速度は1kWから22kWまで様々です。アルゴリズム充電曲線を使用するものもあれば、定電圧・定電流を使用するものもあります。エンドユーザーがCANポートを介してプログラムできるもの、最大電圧とアンペア数を調整するダイヤルを備えているもの、特定のバッテリーパック電圧、アンペア時間、化学組成にプリセットされているものもあります。価格は400ドルから4,500ドルです。10アンペア時間のバッテリーは、1アンペアの充電器で完全に放電した状態から完全に充電されるまでに15時間かかる可能性があります。これは、バッテリー容量の約1.5倍の電力が必要になるためです。公共のEV充電ステーションは、多くの場合6kW(40アンペア回路から208~240V ACのホスト電力)を供給しています。6kWは、1kWの夜間充電よりも約6倍速くEVを充電します急速充電では充電時間がさらに短縮され、利用可能なAC電源、バッテリーの種類、充電システムの種類によってのみ制限されます。[ 21 ]
オンボード EV 充電器 (AC 電源を DC 電源に変換して EV パックを充電) は次のようになります。
力率補正(PFC) 充電器は、プラグが供給できる最大電流に近づくことができるため、充電時間が短縮されます。
プロジェクト・ベター・プレイスは、2013年5月に破産申請するまで、 充電ステーションのネットワークを展開し、リースやクレジットを通じて車両のバッテリー費用を補助していました

韓国科学技術院(KAIST)の研究者たちは、オンライン電気自動車(OLEV)と呼ばれる電気輸送システムを開発しました。このシステムでは、車両は路面下のケーブルから誘導充電によって電力を供給されます。路面下に電源を設置し、車両自体がワイヤレスで電力を受け取ります。[ 22 ]


ほとんどの携帯電話充電器は、実際には充電器ではなく、携帯電話に内蔵されている充電回路に電源を供給する電源アダプターです。古い充電器はDCコネクタの形状や電圧が多岐にわたるため、そのほとんどが他社製の携帯電話、あるいは同一メーカーの異なる機種の携帯電話とは互換性がありません。
一部の高級モデルには複数のポートがあり、出力電流を示すディスプレイが装備されている。[ 23 ] Qualcomm Quick ChargeやMediaTek Pump Expressなどの充電パラメータの通信プロトコルをサポートするモデルもある。12V自動車補助電源コンセント用の充電器は、互換性を確保するために最大24Vまたは32V DCの入力電圧をサポートする場合があり、車両の電気システムの電流または電圧を監視するためのディスプレイが装備されていることもある。[ 24 ]
中国、欧州連合、その他の国々では、USB規格を使用した携帯電話充電器の国家規格を制定している。[ 25 ] 2009年6月、世界最大の携帯電話メーカー10社が、EUで販売されるすべてのデータ対応携帯電話向けに、microUSBを搭載した共通外部電源装置(EPS)の仕様を開発し、サポートするための覚書に署名した。 [ 26 ] 2009年10月22日、国際電気通信連合は、携帯電話用のユニバーサル充電器の標準をmicroUSBにすると発表した。[ 27 ]
通信、電力、およびコンピュータの無停電電源装置( UPS)施設には、主電源系統の停電時に重要な負荷を数時間維持するために、非常に大きなスタンバイバッテリーバンク(バッテリー室に設置)が備えられている場合があります。このような充電器は恒久的に設置されており、温度補償、さまざまなシステム障害に対する監視アラーム、そして多くの場合、冗長化された独立電源と冗長化された整流システムを備えています
定置型バッテリープラント用の充電器は、適切な電圧調整機能とフィルタリング機能、そして十分な電流容量を備えており、メンテナンスのためにバッテリーを取り外した状態でも、充電器が直流(DC)システム負荷に電力を供給します。充電器の容量は、システム負荷を維持し、完全に放電したバッテリーを例えば8時間以内、あるいはその他の時間間隔で再充電できるように規定されています。
適切に設計された充電器を使用することで、バッテリーはサイクル寿命を最大限に延ばすことができます。過剰な充電電流、長時間の過充電、または複数セルパックにおけるセルの逆挿入は、セルに損傷を与え、バッテリーの寿命を制限します
現代の携帯電話、ノートパソコン、タブレット端末、そしてほとんどの電気自動車は、リチウムイオン電池を使用しています。[ 28 ]これらの電池は、頻繁に充電することで最も長持ちします。セルを完全に放電すると容量は比較的早く低下しますが、このような電池のほとんどは、完全放電に近づいたことを感知して機器の使用を停止できる機器に使用されています。[ 6 ]充電後に保管する場合、リチウム電池セルは、40~50%しか充電されていない状態よりも、完全に充電されている状態の方が劣化が早くなります。すべての種類の電池と同様に、高温になると劣化も早くなります。
リチウムイオン電池の劣化は、多くの場合セルの酸化によって内部抵抗が増加することで発生します。これにより電池の効率が低下し、電池から引き出せる正味電流が減少します。[ 6 ]しかし、リチウムイオン電池が一定電圧以下に放電されると化学反応が発生し、再充電すると危険になります。そのため、現在多くの消費者向け製品に搭載されているリチウムイオン電池には、電圧が設定レベルを下回ると永久に動作を停止する「電子ヒューズ」が搭載されています。電子ヒューズ回路は電池から微量の電流を引き出します。つまり、ノートパソコンの電池を長期間充電せずに放置し、初期の充電状態が非常に低い場合、電池は永久に破壊される可能性があります。
ボート、RV、ATV、オートバイ、自動車、トラックなどの自動車には、鉛蓄電池が使用されています。これらのバッテリーは硫酸電解液を使用しており、一般的にメモリー効果を示さずに充放電できますが、時間の経過とともにサルフェーション(バッテリー内で鉛に硫酸塩の層を堆積させる化学反応)が発生します。通常、硫酸塩化したバッテリーは新しいバッテリーに交換し、古いものはリサイクルします。鉛蓄電池は、メンテナンス充電器を使用して「フロート充電」することで、大幅に寿命を延ばすことができます。これにより、バッテリーの充電量が100%を下回ることがなくなり、硫酸塩の形成を防ぎます。最良の結果を得るには、適切な温度補償フロート電圧を使用する必要があります。
近年、電気自動車(EV)、家電製品、そして持続可能なエネルギーシステムへの需要の高まりに対応するため、バッテリー充電技術は急速に革新を遂げています。現代の充電器は、リアルタイム監視、アダプティブ充電プロトコル、リモート管理、予測メンテナンスのためのモノのインターネット(IoT)接続機能を搭載することが多くなり、安全性と効率性を向上させています。[ 29 ] [ 30 ]
炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの半導体材料の進歩により、充電器のエネルギー変換と熱管理が改善されました。 [ 31 ]現在350kW以上を供給できる高出力DC急速充電器は、適切なEVバッテリーを30分以内に80%まで充電できます。[ 32 ]人工知能(AI)は、充電速度の最適化、バッテリーの状態の予測、使用可能時間の延長、エネルギー効率の最大化のために、バッテリー管理システムに統合されています。[ 33 ]
特に誘導結合および共振結合を介したワイヤレス充電は、範囲と効率の両面で成長し、デバイスや車両をケーブルなしで手軽に充電できるようになりました。大型車両向けのInductEVシステムなどの最近のブレークスルーは、公共交通機関や物流における高出力ワイヤレス充電の商業的実現可能性を実証しています。[ 34 ]
電気自動車とスマートデバイスの普及に牽引され、世界のバッテリー充電器市場は(2025年時点で)2035年まで大幅な成長が見込まれています。IoT、AI、適応機能を統合したスマート充電器は、世界中で従来のモデルを上回る導入が見込まれています。[ 35 ]
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