DE102017213451A1 - Energiespeichervorrichtung, Verfahren zur Steuerung einer Energiespeichervorrichtung und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Eine Energiespeichervorrichtung weist mehrere Energiespeichereinrichtungen, einen Schalter, der in einem stromführenden Pfad zu den mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehen ist, eine Spannungserfassungseinheit, die entsprechend Spannungen der Energiespeichereinrichtungen erfasst, und eine Steuereinheit auf. Die Steuereinheit steuert ein Tastverhältnis des Schalters derart, dass ein Erreichen einer oberen Grenzspannung für die Spannungen der Energiespeichereinrichtungen während des Ladens verhindert oder verzögert wird.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung.
  • HINTERGRUND
  • Eine Energiespeichereinrichtung ist mit Schaltern, etwa einem Relais oder einem Halbleiterschaltelement, versehen, um die Sicherheit zu erhöhen. Der Schalter verhindert, dass eine Energiespeichereinrichtung in einen tief entladenen Zustand oder einen überladenen Zustand gerät. Eine derartige Energiespeichereinrichtung wird beispielsweise als Energiequelle für ein Fahrzeug verwendet und ist ausgebildet, mittels einer Lichtmaschine des Fahrzeugs geladen zu werden. JP 2014-166020 A beschreibt, dass eine von einer Lichtmaschine erzeugte Spannung von einem Spannungswandler schrittweise herabgesetzt wird, um einen Verbraucher, etwa einer Energiespeichervorrichtung, elektrische Leistung zuzuführen.
  • ÜBERBLICK
  • Energiespeichereinrichtungen, die eine zusammengefügte Batterie bzw. eine Verbundbatterie bilden, unterscheiden sich in der Spannung. Es wird vorzugsweise verhindert, dass die Energiespeichereinrichtungen überladen werden. Eine Lichtmaschine oder ein Ladegerät, die bzw. das in einem Fahrzeug montiert ist, erhält gegebenenfalls keine Information über Energiespeichereinrichtungen aus einer Energiespeichervorrichtung. Die Lichtmaschine oder das Ladegerät, die bzw. das in dem Fahrzeug montiert ist, kann eine kostengünstige Einheit sein und hat gegebenenfalls keine Ladesteuerfunktion. Daher muss eine Energiespeichervorrichtung die Funktion haben, den Ladestrom einzustellen, wodurch die Überspannung der Energiespeichereinrichtungen, die eine Verbundbatterie bilden, unabhängig von der Leistungsfähigkeit einer Lichtmaschine oder dergleichen verhindert oder verzögert wird. Die Energiespeichervorrichtung muss die Überspannung der Energiespeichereinrichtungen selbst dann verhindern, wenn eine Lichtmaschine oder dergleichen, die in einem Fahrzeug montiert ist, keine Information über die Energiespeichereinrichtungen aus der Energiespeichervorrichtung erhält.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladestrom innerhalb einer Energiespeichervorrichtung einzustellen, wodurch eine Überspannung der Energiespeichervorrichtung verhindert oder verzögert wird.
  • Eine Energiespeichervorrichtung, die gemäß der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, umfasst mehrere Energiespeichereinrichtungen, einen in einem stromführenden Pfad zu den mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehenen Schalter, eine Spannungserfassungseinheit, die jeweilige Spannungen der Energiespeichereinrichtungen erfasst, und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit schaltet bzw. steuert ein Tastverhältnis des Schalters derart, dass verhindert oder verzögert wird, dass die Spannungen der Energiespeichereinrichtungen eine obere Grenzspannung während des Ladens erreichen.
  • Ein Verfahren zum Steuern einer Energiespeichervorrichtung, das in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, umfasst das Schalten bzw. Steuern eines Tastverhältnisses eines Schalters, der in einem stromführenden Pfad zu mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehen ist, die in der Energiespeichervorrichtung enthalten sind, derart, dass verhindert oder verzögert wird, dass Spannungen der Energiespeichereinrichtungen eine obere Grenzspannung während des Ladens erreichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Seitenansicht eines Fahrzeugs, in der die Ausführungsform 1 verwendet wird.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie.
  • 3 ist eine perspektivische Aufrissansicht der Batterie.
  • 4 ist ein Schaltbild der Batterie.
  • 5 ist ein Graph, der eine SOC-OCV-Charakteristik einer Sekundärbatterie zeigt.
  • 6 ist ein Schaltbild von Entladeschaltungen.
  • 7 ist ein Flussdiagramm einer Ladestromsteuerung.
  • 8 ist ein Graph, der eine Ladecharakteristik der Sekundärbatterie zeigt.
  • 9 ist ein Diagramm, das eine Abhängigkeit zwischen der höchsten Spannung der Sekundärbatterie und dem Tastverhältnis eines Halbleiterschalters in der Ausführungsform 2 zeigt.
  • 10 ist ein Schaltbild einer in einer Ausführungsform 3 verwendeten Batterie.
  • 11 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines Vorgangs zur Reduzierung der Ausgangsleistung zeigt.
  • 12 ist ein Graph, der den Übergang einer Ausgangsspannung Vs einer Lichtmaschine zeigt, wenn der Halbleiterschalter während des Ladens geschaltet wird.
  • 13 ist ein Schaltbild einer Batterie in einer weiteren Ausführungsform.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Energiespeichervorrichtung umfasst mehrere Energiespeichereinrichtungen, einen in einem stromführenden Pfad zu mehreren Leistungseinrichtungen vorgesehenen Schalter, eine Spannungserfassungseinheit, die jeweilige Spannungen der Leistungsspeichereinrichtungen erfasst, und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit schaltet bzw. steuert ein Tastverhältnis des Schalters derart, dass verhindert oder verzögert wird, dass die Spannungen der Energiespeichereinrichtungen während des Ladens eine obere Grenzspannung erreichen.
  • Ein Verfahren zur Steuerung einer Energiespeichervorrichtung, das in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, umfasst das Schalten bzw. Steuern eines Tastverhältnisses eines Schalters, der in einem stromführenden Pfad zu mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehen ist, die in der Energiespeichervorrichtung enthalten sind, um zu verhindern oder zu verzögern, dass die Energiespeichereinrichtungen während des Ladens eine obere Grenzspannung erreichen.
  • Gemäß der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Energiespeichervorrichtung kann die Energiespeichervorrichtung den Ladestrom durch Umschalten bzw. Steuern des Tastverhältnisses unabhängig schalten. Die Energiespeichervorrichtung kann verhindern oder verzögern, dass die Energiespeichereinrichtungen eine obere Grenzspannung erreichen, wobei dies unabhängig von dem Leistungsvermögen einer Lichtmaschine oder dergleichen erfolgt, selbst wenn die Lichtmaschine oder dergleichen, die in einem Fahrzeug montiert ist, keine Information über die Spannungen der jeweiligen Energiespeichereinrichtungen aus der Energiespeichervorrichtung erhält.
  • Zunächst wird eine allgemeine Beschreibung einer in vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung nachfolgend angegeben.
  • Die Energiespeichervorrichtung umfasst mehrere Energiespeichereinrichtungen, einen in einem stromführenden Pfad zu mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehenen Schalter, eine Spannungserfassungseinheit, die jeweilige Spannungen der Energiespeichereinrichtungen erfasst, und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit steuert ein Tastverhältnis zwischen einer Einschaltzeit und Ausschaltzeit des Schalters derart, dass die Spannungen der Energiespeichereinrichtungen eine obere Grenzspannung nicht überschreiten. Mit diesem Aufbau kann die Energiespeichervorrichtung unabhängig den Ladestrom schalten, indem das Tastverhältnis unabhängig vom Leistungsverhalten einer Lichtmaschine oder dergleichen geschaltet bzw. gesteuert wird. Selbst wenn die Lichtmaschine oder dergleichen, die in einem Fahrzeug montiert ist, keine Information über die Spannungen der jeweiligen Energiespeichereinrichtungen aus der Energiespeichervorrichtung erhält, kann die Energiespeichervorrichtung verhindern, dass die Energiespeichereinrichtungen die obere Grenzspannung überschreiten, oder sie kann das Erreichen der oberen Grenzspannung der Energiespeichereinrichtungen verzögern.
  • Wenn gemäß einem Aspekt der in den vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung die höchste Spannung der Energiespeichereinrichtungen einen Schwellenwert übersteigt, dann wird der Schalter so gesteuert, dass er in einem Schaltzustand bzw. geschalteten Zustand ist, in welchem der Schalter abwechselnd mit einer vorbestimmten Periode eingeschaltet und ausgeschaltet wird. Mit diesem Aufbau wird der Schalter so gesteuert, dass der in dem geschalteten Zustand ist, wenn die höchste Spannung der Energiespeichereinrichtungen den Schwellenwert übersteigt. Daher ist es möglich, den nachfolgenden Spannungsanstieg aller Energiespeichereinrichtungen einschließlich der einen, die eine hohe Spannung aufweist, zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der in den vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung legt ferner die Steuereinheit das Tastverhältnis des Schalters so fest, dass es kleiner ist, wenn die höchste Spannung der Energiespeichereinrichtung ansteigt. Mit diesem Aufbau wird der Ladestrom bei Anstieg der höchsten Spannung der Energiespeichereinrichtung reduziert. Daher ist es möglich, den Spannungsanstieg der Energiespeichereinrichtungen weiter zu reduzieren und das Erreichen der oberen Grenzspannung der Energiespeichereinrichtungen zu verzögern.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Energiespeichervorrichtung, die in den vorliegenden Ausführungsformen offenbart ist, ist der Schwellenwert ein numerischer Wert zwischen der oberen Grenzspannung und einer Spannung, die durch Teilen einer Soll-Ladespannung, die ein Soll-Ladewert der Gesamtspannung der Energiespeichereinrichtungen ist, durch die Anzahl der Energiespeichereinrichtungen erhalten wird. Wenn bei diesem Aufbau die Energiespeichereinrichtungen gleiche Spannung haben, können die Energiespeichereinrichtungen bis zu der Soll-Ladespannung ohne die Schaltsteuerung geladen werden. Das heißt, die Energiespeichereinrichtungen können geladen werden, ohne dass der Ladestrom reduziert wird, und daher wird die Ladegeschwindigkeit nicht verringert. Wenn die höchste Spannung der Energiespeichereinrichtungen den Schwellenwert übersteigt, wird die Schaltsteuerung ausgeführt. Daher ist es möglich, den nachfolgenden Spannungsanstieg der Energiespeichereinrichtungen zu unterdrücken bzw. zu reduzieren und zu verhindern oder zu verzögern, dass die Energiespeichereinrichtungen die obere Grenzspannung erreichen.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der in den vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung umfasst die Energiespeichervorrichtung ferner mehrere Entladeschaltungen, die parallel zu den Energiespeichereinrichtungen geschaltet sind und die Energiespeichereinrichtungen entladen. Wenn die höchste Spannung der Energiespeichereinrichtungen den Schwellenwert übersteigt, während die Entladeschaltungen im Betrieb sind, steuert die Steuereinheit den Schalter so, dass er gleichzeitig in dem geschalteten Zustand ist, wobei ein Spannungsausgleichsprozess durch die Entladeschaltungen ausgeführt wird. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den Spannungsanstieg der Energiespeichereinrichtungen zu reduzieren, während die Spannungen der Energiespeichereinrichtungen ausgeglichen werden.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der in den vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung sind ferner die Energiespeichereinrichtungen Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis. Da eine Lithiumionen-Sekundärbatterie auf Eisenphosphatbasis einen abrupten Anstieg in der OCV bei Änderung des SOC am Ende des Ladens zeigt, erreicht eine spezielle Sekundärbatterie leicht eine obere Grenzspannung und der Spannungsanstieg kann unterdrückt werden, indem die vorliegende Technik auf Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis angewendet wird, sodass es möglich ist zu verhindern, dass eine spezielle Lithiumionen-Sekundärbatterie die obere Grenzspannung am Ende des Ladevorgangs erreicht, oder es ist möglich, das Erreichen der oberen Grenzspannung durch eine spezielle Lithiumionen-Sekundärbatterie zu verzögern.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der in den vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung ist ferner der Schalter ein FET mit einer parasitären Diode, deren Durchlassrichtung eine Entladerichtung ist. Durch Abschalten des FET kann bei diesem Aufbau das Laden abgeschaltet werden und das Entladen kann fortgesetzt werden.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der in den vorliegenden Ausführungsformen offenbarten Energiespeichervorrichtung schaltet die Steuereinheit den Schalter ein, wenn die Spannung zwischen externen Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung eine vorgegebene Spannung übersteigt, nachdem die Steuereinheit den Schalter ausgeschaltet hat. Bei diesem Aufbau fließt der Ladestrom durch Einschalten des Schalters, sodass es möglich ist, den Spannungsanstieg eines Fahrzeuggenerators zu unterdrücken.
  • [Ausführungsform 1]
  • Mit Verweis auf 1 bis 8 wird Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1. Beschreibung der Batterie
  • 1 ist eine Seitenansicht eines Fahrzeugs; 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie; und 3 ist eine perspektivische Aufrissansicht der Batterie.
  • Wie in 1 gezeigt, weist ein Fahrzeug 1 eine elektronische Steuereinrichtung 13, eine Lichtmaschine 15 und eine Batterie 20 auf. Obwohl in 1 nicht gezeigt, ist das Fahrzeug 1 mit einem Fahrzeugverbraucher 10, etwa einer Klimaanlage und einem Scheinwerfer versehen, wobei der Verbraucher nicht die elektronische Steuereinrichtung 13 ist. Die Batterie 20 entspricht einer ”Energiespeichervorrichtung”, und die Lichtmaschine bzw. der Generator 15 entspricht einem ”Fahrzeuggenerator”.
  • Die Batterie 20 führt den Fahrzeugverbraucher 10 einschließlich der elektronischen Steuereinrichtung 13 elektrische Leistung zu und ist mit der Lichtmaschine 15, die von der elektronischen Steuereinrichtung 13 gesteuert ist, verbunden. Die Lichtmaschine 15 weist eine Justiereinheit (nicht gezeigt) auf, die eine Ausgangsspannung einstellt und wird mit einer Rückkopplungssteuerung so betrieben, dass eine Ausgangsspannung konstant bleibt. Daher wird in diesem Beispiel die Batterie 20 durch die Lichtmaschine 15 mit konstanter Spannung geladen. Die Lichtmaschine 15 ist nicht auf das Beispiel der vorliegenden Ausführungsform beschränkt, und kann beispielsweise eine Lichtmaschine mit hohem Leistungsvermögen mit einer Ausgangsspannungeinstellfunktion oder einer Pulsladefunktion sein. Ferner kann die Lichtmaschine 15 eine einfache Lichtmaschine sein, die lediglich entsprechend dem Fahren eines Fahrzeugs elektrische Leistung erzeugt.
  • Wie in 2 gezeigt, hat die Batterie 20 ein behälterförmiges Batteriegehäuse 21. Eine zusammengesetzte Batterie bzw. Verbundbatterie 30, die aus mehreren Sekundärbatterien 31 aufgebaut ist, und eine Leiterplatte 28 sind in dem Batteriegehäuse 21 enthalten. In der folgenden Beschreibung mit Verweis auf 2 und 3 ist die vertikale Richtung des Batteriegehäuses 21 als eine Y-Richtung bezeichnet, wenn das Batteriegehäuse 21 horizontal auf einer Montagefläche ohne Neigung angeordnet ist; die Richtung entlang der Seite des Batteriegehäuses 21 wird als eine X-Richtung bezeichnet; und die Tiefenrichtung des Batteriegehäuses 21 wird als eine Z-Richtung bezeichnet.
  • Wie in 3 gezeigt, weist das Batteriegehäuse 21 einen behälterförmigen oben offenen Gehäusekörper 23, ein Positionierelement 24 zum Positionieren der Sekundärbatterien 31, einen Innendeckel 25, der auf dem Gehäusekörper 23 angebracht ist, und einen oberen Deckel 26 auf, der auf dem Innendeckel 25 angebracht ist. Wie in 3 gezeigt, hat der Gehäusekörper 23 mehrere Zellenfächer 23A, die entlang der X-Richtung angeordnet sind. Die Sekundärbatterien 31 sind entsprechend in den Zellenfächern 23A enthalten.
  • Wie in 3 gezeigt, sind mehrere Stromschienen 27 auf den oberen Flächen des Positionierelements 24 angeordnet. Durch Anordnung des Positionierelements 24 auf der Oberseite der Sekundärbatterien 31, die in dem Gehäusekörper 23 angeordnet sind, werden die Sekundärbatterien 31 in Position gehalten und werden durch die Stromschienen 27 in Reihe geschaltet.
  • Wie in 2 gezeigt, hat der Innendeckel 25 eine im Wesentlichen rechteckige Form in der Draufsicht und hat eine ungleichförmige Form mit unterschiedlichen Höhen entlang der Y-Richtung. Beide Enden des Innendeckels 25 entlang der X-Richtung sind mit einem Paar aus Anschlussteilen 22P und 22N versehen, die mit Kabelbäumen (nicht gezeigt) entsprechend verbunden sind. Die Anschlussteile 22P und 22N sind aus Metall, etwa einer Bleilegierung, hergestellt. Das Anschlussteil 22P ist ein positiver Anschluss, und das Anschlussteil 22N ist ein negativer Anschluss. Zu beachten ist, dass der positive Anschluss 22P und der negative Anschluss 22N Beispiele für ”externe Anschlüsse” sind.
  • Wie ferner in 3 gezeigt ist, kann der Innendeckel 25 die Leiterplatte 28 enthalten. Durch Befestigung des Innendeckels 25 an dem Gehäusekörper 23 werden die Sekundärbatterien 31 mit der Leiterplatte 28 verbunden.
  • 2. Elektrischer Aufbau der Batterie 20
  • 4 ist ein Schaltbild, das einen elektrischen Aufbau der Batterie 20 zeigt. Der Fahrzeugverbraucher 10 und die Lichtmaschine 15 sind über den positiven Anschluss 22P und den negativen Anschluss 22N, die externe Anschlüsse sind, mit der Batterie 20 verbunden. Die Batterie 20 umfasst die Verbundbatterie 30, einen Stromerfassungswiderstand 41, einen Temperatursensor 43, einen Halbleiterschalter Q1, Entladeschaltungen 45 und eine Verwaltungseinrichtung 50, die die Verbundbatterie 30 steuert bzw. verwaltet.
  • Die Verbundbatterie 30, der Stromerfassungswiderstand 41 und der Halbleiterschalter Q1 sind über einen stromführenden Pfad L in Reihe geschaltet. In dem vorliegenden Beispiel ist der Stromerfassungswiderstand 41 auf Seite der negativen Elektrode und der Halbleiterschalter Q1 ist auf Seite der positiven Elektrode angeordnet.
  • Die Verbundbatterie 30 ist aus mehreren (in dem vorliegenden Beispiel: vier) Lithiumionen-Sekundärbatterien 31 (ein Beispiel für ”Energiespeichereinrichtungen”) aufgebaut, die in Reihe geschaltet sind. Die Sekundärbatterien 31 sind beispielsweise Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis unter Anwendung von Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) als ein aktives Material für die positive Elektrode und Kohlenstoff (Graphit) als ein aktives Material für die negative Elektrode.
  • Die Lithiumionen-Sekundärbatterien auf ”Eisenphosphatbasis” bezeichnen Lithiumionen-Sekundärbatterien, wobei Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) als aktives Material für die positive Elektrode verwendet ist und anstelle von Kohlenstoff können Lithiumtitanat oder Silizium als aktives Material für die negative Elektrode verwendet werden. 5 zeigt die Charakteristik der SOC-OCV-Korrelation der Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis 31.
  • Wie in 5 gezeigt, haben die Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis 31 einen tiefen Ladebereich und einen hohen Ladebereich. Der tiefe Ladebereich zeigt einen relativ geringen Betrag an OCV-Änderung bei einem gewissen Betrag an SOC-Änderung, und der hohe Ladungsbereich hat einen relativ hohen Betrag an OCV-Änderung bei einem gewissen Betrag an SOC-Änderung. Insbesondere ist der Beginn des Ladens (d. h., das Ende des Entladens), wenn der SOC kleiner als 10% ist, ein Bereich mit hoher Änderung, in welchem die OCV sich relativ zu einem Betrag an SOC-Änderung schnell ändert. Ferner ist das Ende des Ladens, wenn der SOC 90% oder mehr beträgt (ein Anstiegsbereich F, der in 5 gezeigt ist), ebenfalls ein Bereich mit hoher Änderung, in welchem sich die OCV relativ zu einem Betrag an SOC-Änderung schnell ändert. In der Mitte des Ladens (d. h., in der Mitte des Entladens), wenn der SOC 10% oder höher, aber kleiner als 90% ist, ist ein flacher Bereich (ein Plateau), in welchem die OCV in Bezug auf den SOC im Wesentlichen konstant ist. Dabei steht SOC für den Ladezustand und OCV bezeichnet die Spannung ohne Belastung.
  • Der Stromerfassungswiderstand 41 funktioniert so, dass er den durch die Sekundärbatterien fließenden elektrischen Strom erfasst. Der Temperatursensor 43 ist ein Kontaktsensor oder ein kontaktloser Sensor und ist so aufgebaut, dass er die Temperatur [°C] der Sekundärbatterien 31 misst.
  • Der Stromerfassungswiderstand 41 und der Temperatursensor 43 sind mit der Verwaltungseinrichtung 50 durch eine Signalleitung elektrisch verbunden und Erfassungswerte des Stromerfassungswiderstands 41 und des Temperatursensors 43 sind so aufgebaut, dass sie von der Verwaltungseinrichtung 50 abgefragt werden können.
  • Der Halbleiterschalter Q1 ist ein N-Kanal-Feldeffekttransistor (FET). Das Drain des Halbleiterschalters Q1 ist mit dem positiven Anschluss 22P verbunden, und das Source ist mit der positiven Elektrode der Verbundbatterie 30 verbunden. Ein Treiber 47 ist mit dem Gate des Halbleiterschalters Q1 verbunden. Der Treiber 47 ist ausgebildet, aus einer Steuereinheit 70 ein Steuersignal zu empfangen. In Reaktion auf einen Befehl (ein Steuersignal) aus der Steuereinheit 70 arbeitet der Halbleiterschalter Q1 so, dass der stromführende Pfad L auf Seite der positiven Elektrode geöffnet/geschlossen wird.
  • Der Halbleiterschalter Q1 hat eine parasitäre Diode 37. Die Durchlassrichtung der parasitären Diode 37 ist eine Entladerichtung der Verbundbatterie 30. Wenn der Halbleiterschalter Q1 so gesteuert wird, dass ein Aus-Zustand beibehalten wird, wird der Ladestrom, der der Verbundbatterie 30 zugeführt wird, unterbrochen, aber der Entladestrom aus der Verbundbatterie 30 fließt durch die parasitäre Diode 37.
  • Die Entladeschaltungen 45 sind so vorgesehen, dass sie den Sekundärbatterien 31 entsprechen. Wie in 6 gezeigt, enthalten die Entladeschaltungen 45 jeweils einen Entladewiderstand R und einen Entladeschalter SW und sind jeweils parallel zu der jeweiligen Sekundärbatterie 31 geschaltet. Bei Empfang eines Befehls aus der Steuereinheit 70 schaltet die jeweilige Entladeschaltung 45 den Entladeschalter SW ein, wodurch die entsprechende Sekundärbatterie 31 individuell entladen wird.
  • Die Verwaltungseinrichtung 50 umfasst eine Spannungserfassungseinheit 61 und die Steuereinheit 70. Die Spannungserfassungseinheit 61 ist mit beiden Enden einer jeweiligen Sekundärbatterie 31 über eine Erfassungsleitung verbunden und ist so ausgebildet, dass sie die Spannung der jeweiligen Sekundärbatterie 31 und die Gesamtspannung der Verbundbatterie 30 misst.
  • Die Steuereinheit 70 weist eine zentrale Recheneinheit (CPU) 71, einen Speicher 73 und eine Kommunikationseinheit 75 auf. Die CPU 71 überwacht den elektrischen Strom, die Spannung und die Temperatur jeder Sekundärbatterie 31 aus Ausgangssignalen des Stromerfassungswiderstands 41, der Spannungserfassungseinheit 61 und des Temperatursensors 43. Ferner führt die Steuereinheit 70 einen Spannungsausgleichsprozess und eine Ladestromsteuerung aus, die nachfolgend beschrieben sind. Der Speicher 73 speichert Daten (beispielsweise Daten über eine erste Spannung, eine zweite Spannung, eine obere Grenzspannung, und dergleichen), die zur Ausführung des Spannungsausgleichsprozesses und der Ladestromsteuerung erforderlich sind.
  • Der Speicher 73 speichert darin Information zur Überwachung der Batterie 20. Der Speicher 73 speichert ferner darin Daten, die zum Ausführen des später beschriebenen Spannungsausgleichsprozesses und der Ladestromsteuerung für die Sekundärbatterien 31 erforderlich sind. Die Kommunikationseinheit 75 steht mit der in dem Fahrzeug 1 montierten elektronischen Steuereinrichtung 13 in Verbindung.
  • Die Verwaltungseinrichtung 50, der Halbleiterschalter Q1, die Entladeschaltungen 45 und der Stromerfassungswiderstand 41 sind auf der Leiterplatte 28 montiert und im Inneren der Batterie 20 vorgesehen. Der Temperatursensor 43 ist ebenfalls im Inneren der Batterie 20 vorgesehen.
  • Die Steuereinheit 70 kann die Ladung aus der Lichtmaschine 15 auf der Grundlage eines Erfassungswertes des Stromerfassungswiderstands 41 erfassen. Insbesondere kann die Steuereinheit 70 erkennen, ob ein Ladezustand oder ein Entladezustand vorliegt, abhängig davon, ob die in dem Stromerfassungswiderstand 41 erzeugte Spannung positiv oder negativ ist. Daneben kann die Ladung aus der Lichtmaschine 15 durch Kommunikation mit der elektronischen Steuereinrichtung 13 erkannt werden.
  • 3. Spannungsausgleichsprozess, der von den Entladeschaltungen 45 ausgeführt wird
  • Bei Erfassung der Ladung aus der Lichtmaschine 15 auf der Grundlage eines Erfassungswertes des Stromerfassungswiderstands 41 führt die Steuereinheit 70 einen Prozess aus, wonach eine Spannung der jeweiligen Sekundärbatterie 31, die von der Spannungserfassungseinheit 61 gemessen wird, mit der zweiten Spannung (3,5 V als Beispiel) verglichen wird. Die zweite Spannung ist ein Bestimmungswert zur Ermittlung, ob der Spannungsausgleichsprozess auszuführen ist oder nicht. Die Steuereinheit 70 aktiviert diejenigen Entladeschaltungen 45, die den Sekundärbatterien 31 zugeordnet sind, von denen die Spannungen die zweite Spannung übersteigen, und führt eine Widerstandsentladung der Sekundärbatterien 31 aus, deren Spannung die zweite Spannung übersteigt.
  • Folglich werden die Spannungen der jeweiligen Sekundärbatterien 31, die höhere Spannungen haben, reduziert, und die Spannungen der Sekundärbatterien 31 können ausgeglichen werden. Während die Spannungen ausgeglichen werden, wird dennoch das Laden fortgesetzt. Daher steigen die Spannungen der Sekundärbatterien 31 während des Ausgleichsvorgangs an. Wenn die Gesamtspannung der Verbundbatterie 30 eine Soll-Ladespannung (beispielsweise 14,4 V) erreicht, wird darüber eine Information von der Seite der Batterie 20 aus zu der elektronischen Steuereinrichtung 13 auf Seite des Fahrzeugs übermittelt. Daraufhin unterbricht die Lichtmaschine 15 die Leistungserzeugung in Reaktion auf einen Befehl aus der elektronischen Steuereinrichtung 13, und der Ladevorgang der Batterie 20 wird beendet. Anschließend wird der Ladeausgleichsvorgang entsprechend dem Ende des Ladevorgangs beendet.
  • In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Soll-Ladespannung der Verbundbatterie 30 14,4 V, und die Verbundbatterie 30 ist aus vier Sekundärbatterien 31 aufgebaut, die in Reihe geschaltet sind. Daher beträgt eine Spannung, die durch Teilen der Soll-Ladespannung durch vier erhalten wird, was der Anzahl an Zellen (der Anzahl an Energiespeichereinrichtungen) entspricht, d. h. eine Spannung einer einzigen Zelle, in die die Soll-Ladespannung umgewandelt wird, 3,6 V. Der Begriff ”Zelle” bedeutet hier eine einzelne Sekundärbatterie.
  • 4. Ladestromsteuerung
  • Wenn, wie zuvor beschrieben ist, die Spannung einer der Sekundärbatterien 31 die zweite Spannung (beispielsweise 3,5 V) übersteigt, wird der Spannungsausgleichsprozess durch die Entladeschaltungen 45 ausgeführt. Selbst wenn die Spannung unter den Sekundärbatterien 31 zu Beginn des Ladens unterschiedlich ist, kann der Spannungsunterschied während des Ladens reduziert werden.
  • Da die Lithiumionen-Sekundärbatterien 31 eine sich abrupt ändernde Spannungskurve am Ende des Ladens haben, wie in 5 gezeigt ist, kann gegebenenfalls der Spannungsausgleich, der von den Entladeschaltungen 45 ausgeführt wird, nicht mit dem Spannungsanstieg schritthalten, und die Spannung einer speziellen Sekundärbatterie 31 kann trotzdem ansteigen. Dies führt zu der Befürchtung, dass die spezielle Sekundärbatterie 31 die obere Grenzspannung (beispielsweise 4,0 V) übersteigt, die eine Grenze für die Anwendung ist und zu einer Überspannung führt.
  • Wenn daher die Steuereinheit 70 das Laden auf der Grundlage eines Erfassungswertes des Stromerfassungswiderstands 41 erkennt, führt die Steuereinheit 70 die Ladestromsteuerung (7) aus, nachdem das Laden erkannt worden ist, wodurch der Spannungsanstieg der Sekundärbatterien 31 reduziert und die Überspannung der Sekundärbatterien 31 vermieden wird.
  • Nach dem Beginn des Ladens durch die Lichtmaschine 15 misst die Spannungserfassungseinheit 61 kontinuierlich die entsprechenden Spannungen der Sekundärbatterien 31 und die Gesamtspannung der Verbundbatterie 30 (S10).
  • Die Steuereinheit 70 vergleicht die gemessenen Spannungen der Sekundärbatterien 31 und erfasst eine höchste Spannung Vm (S20) und führt einen Vorgang zum Vergleichen der höchsten Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 mit der ersten Spannung aus (S30). Dabei ist die erste Spannung beispielsweise 3,7 V und wird als ein numerischer Wert zwischen 3,6 V, d. h., der durch das Teilen der Soll-Ladespannung der Verbundbatterie 30 durch die Anzahl der Zellen ermittelten Spannung, und 4,0 V festgelegt, d. h., der oberen Grenzspannung der Sekundärbatterien 31. Die erste Spannung entspricht einem ”Schwellenwert”.
  • Wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 kleiner als die erste Spannung ist (JA für S30), dann steuert die Steuereinheit 70 den Halbleiterschalter Q1 durch den Treiber 47 so, dass er eingeschaltet bleibt (S50).
  • In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Schaltfrequenz des Halbleiterschalters Q1 100 Hz bis mehrere kHz, und der Begriff ”im eingeschalteten Zustand bleiben” bedeutet, dass der Halbleiterschalter Q1 in einem Zustand gehalten wird, in welchem das Tastverhältnis 100% beträgt für eine Zeitdauer, die größer ist als die Schaltperiode des Halbleiterschalters Q1 (beispielsweise mindestens einige Perioden oder mehr).
  • Das heißt, wenn der Unterschied in der Spannung unter den Sekundärbatterien 31 gering ist und die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 kleiner als die erste Spannung ist, wird der Halbleiterschalter Q1 im eingeschalteten Zustand gehalten, und die Ladung der Batterie 20 geht in einem Zustand weiter, in welchem der Halbleiterschalter Q1 in einem leitenden Zustand ist. Wenn dann die Gesamtspannung der Verbundbatterie 30 die Soll-Ladespannung (beispielsweise 14,4 V) erreicht, beendet die Lichtmaschine 15 die Leistungserzeugung und die Ladung der Batterie 20 wird damit beendet. Damit ist die Ladestromsteuerung abgeschlossen (JA für S80).
  • Wenn andererseits der Unterschied der Spannungen unter den Sekundärbatterien 31 groß ist und die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 die erste Spannung während des Ladens übersteigt (NEIN für S30), dann führt die Steuereinheit 70 einen Prozess aus, wonach die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 mit der oberen Grenzspannung verglichen wird (S40).
  • Wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 kleiner als die obere Grenzspannung ist (JA für S40), dann steuert die Steuereinheit 70 über den Treiber 47 den Halbleiterschalter Q1 so, dass der leitende Zustand beendet wird, in welchem der Halbleiterschalter Q1 in einem eingeschalteten Zustand bleibt (ein Tastverhältnis Dy beträgt 100%) und so dass er in einen geschalteten Zustand übergeht, in welchem der Halbleiterschalter Q1 abwechselnd mit vorbestimmter Periode eingeschaltet und ausgeschaltet wird (S60). Im Weiteren wird das Steuern des Halbleiterschalters Q1 derart, dass dieser in einen geschalteten Zustand übergeht, als eine Schaltsteuerung bezeichnet.
  • Wenn der Halbleiterschalter Q1 auf die Schaltsteuerung umgeschaltet wird, wird der in die Sekundärbatterien 31 eingeprägte Ladestrom reduziert. Insbesondere wird in dem vorliegenden Beispiel das Tastverhältnis Dy des Halbleiterschalters Q1 auf 50% festgelegt, und somit wird der den Sekundärbatterien 31 eingeprägte Ladestrom auf ungefähr 50% des Stroms vor dem Schalten reduziert. Dy = Tein/(Tein + Taus) (1)
  • Tein bezeichnet die Einschaltdauer des Halbleiterschalters Q1, und Taus bezeichnet eine Ausschaltdauer des Halbleiterschalters Q1.
  • Daher kann der Spannungsanstieg der Sekundärbatterien 31 reduziert werden, und die Rate des Spannungsanstiegs der Sekundärbatterien 31 wird reduziert. Daher holt der Spannungsausgleichsvorgang, der von den Entladeschaltungen 45 ausgeführt wird, den Spannungsanstieg ein, und die Spannungsschwankungen in den Sekundärbatterien 31 werden klein. Daher ist es möglich, die Ladung auszuführen, während dennoch ein Anstieg der Spannung einer speziellen Sekundärbatterie 31 reduziert wird.
  • Wenn dann die Gesamtspannung der Verbundbatterie 30 die Soll-Ladespannung (beispielsweise 14,4 V) erreicht hat, beendet die Lichtmaschine 15 die Leistungserzeugung, und das Laden der Batterie 20 wird dadurch beendet. Damit wird die Ladestromsteuerung ebenfalls beendet (JA für S80).
  • Wenn die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 ausgeführt wird, um einen Betrag an Ladung zu verringern, und dennoch die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 die obere Grenzspannung übersteigt (NEIN für S40), dann steuert die Steuereinheit 70 den Halbleiterschalter Q1 durch den Treiber 47 so, dass er in einem ausgeschalteten Zustand bleibt (S70).
  • Dabei bedeutet der Begriff ”in einem ausgeschalteten Zustand bleibt”, dass ein Zustand, in welchem das Tastverhältnis 0% ist, für eine Zeitdauer fortgesetzt wird, die länger als die Schaltperiode des Halbleiterschalters Q1 ist (beispielsweise mindestens einige Perioden oder mehr), und der Halbleiterschalter Q1 in einem ausgeschalteten Zustand ist (ein Zustand, in welchem der Strompfad nicht geschlossen ist). Folglich wird das Laden der Sekundärbatterien 31 unterbrochen und daher ist es möglich zu vermeiden, dass die Sekundärbatterien 31 die obere Grenzspannung überschreiten und eine Überspannung erhalten.
  • 8 zeigt eine Ladecharakteristik (T-V) der Verbundbatterie, wenn sie mit einer vorbestimmten Rate geladen wird, wobei die horizontale Achse die Zeit t bezeichnet, und die vertikale Achse die Spannung V der Sekundärbatterie (einer einzigen Zelle) 31 bezeichnet. In einem Beispiel der 8 erreicht zum Zeitpunkt t1 die Spannung der Sekundärbatterie 31 die zweite Spannung (3,5 V); zum Zeitpunkt t2 erreicht die Spannung der Sekundärbatterie 31 die erste Spannung (3,7 V); und am Zeitpunkt t4 erreicht die Spannung der Sekundärbatterie 31 die obere Grenzspannung (4,0 V).
  • Folglich wird in dem Beispiel der 8 in einer Zeitdauer T1 nach dem Zeitpunkt t1 der Spannungsausgleichsvorgang durch die Entladeschaltung 45 ausgeführt, und anschließend werden in einer Zeitdauer T2 nach dem Zeitpunkt t2 der Spannungsausgleichsvorgang durch die Entladeschaltung 45 und die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 parallel ausgeführt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Spannung, die durch Teilen der Soll-Ladespannung der Verbundbatterie 30 durch die Anzahl an Zellen, d. h., durch vier, erhalten wird, ”3,6 V”. Ferner beträgt die erste Spannung als Schwelle für die Initiierung der Schaltsteuerung ”3,7 V”, und die zweite Spannung als Schwelle für die Initiierung der Ausführung des Spannungsausgleichsvorgangs beträgt ”3,5 V”. Das heißt, ”die erste Spannung” und ”die zweite Spannung” werden auf einen Wert nahe bei der ”Spannung, die durch Teilen der Soll-Ladespannung der Verbundbatterie 30 durch die Anzahl an Zellen (die Anzahl an Energiespeichereinrichtungen) erhalten wird”, festgelegt.
  • Folglich werden am Ende des Ladens, wenn die Spannung der Verbundbatterie 30 in die Nähe der Soll-Ladespannung kommt, die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 und der Ladeausgleichsvorgang durch die Entladeschaltungen 45 parallel bzw. gleichzeitig ausgeführt. Daher ist es am Ende des Ladens möglich, den Spannungsanstieg einer speziellen Sekundärbatterie 31 zu reduzieren bzw. zu unterdrücken, während die Schwankungen der Spannung unter den Sekundärbatterien 31, die die Verbundbatterie 30 bilden, reduziert werden.
  • 5. Beschreibung vorteilhafter Wirkungen
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann die Batterie unabhängig den Ladestrom durch Steuern des Tastverhältnisses Dy schalten. Selbst wenn die Lichtmaschine 15, die in dem Fahrzeug 1 montiert ist, keine Information über die Spannungen der Sekundärbatterien 31 aus der Batterie 20 erhalten kann, oder auch unabhängig vom Leistungsvermögen der Lichtmaschine 15, kann daher auf Seite der Batterie 20 vermieden werden, dass eine spezielle Sekundärbatterie 31 mit hoher Spannung die obere Grenzspannung erreicht, oder das Erreichen der oberen Grenzspannung durch eine spezielle Sekundärbatterie 31 mit hoher Spannung kann verzögert werden.
  • Ferner werden der Spannungsausgleichsvorgang durch die Entladeschaltung 45 und die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 parallel ausgeführt, und es ist dadurch möglich, den Spannungsanstieg der Sekundärbatterien 31 zu reduzieren, während die Schwankungen der Spannung der Sekundärbatterien 31 reduziert werden. Daher ist es möglich zu vermeiden, dass eine spezielle Sekundärbatterie 31 mit hoher Spannung die obere Grenzspannung erreicht, oder es ist möglich, das Erreichen der oberen Grenzspannung durch eine spezielle Sekundärbatterie 31 mit hoher Spannung zu verzögern.
  • Wenn ferner in der vorliegenden Ausführungsform die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 die obere Grenzspannung übersteigt, wird der Halbleiterschalter Q1 so gesteuert, dass er in einem ausgeschalteten Zustand bleibt, und daher wird der der Batterie 20 zugeführte Ladestrom unterbrochen. Jedoch ist es möglich, dass Entladen über die parasitäre Diode 37 auszuführen, und selbst nach dem Unterbrechen des Ladens der Batterie 20 kann von der Batterie 20 elektrische Leistung an den Fahrzeugverbraucher 10 geliefert werden.
  • Da ferner die Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis 31 eine steile Spannungskurve am Ende des Ladens haben, erhöht sich die Spannung einer speziellen Sekundärbatterie 31 und kann gegebenenfalls die obere Grenzspannung überschreiten, wenn die Streuung der Kapazität größer als angenommen ist. In dieser Hinsicht wird in der vorliegenden Ausführungsform die Schaltsteuerung gleichzeitig mit dem Spannungsausgleichsprozess am Ende des Ladens ausgeführt, und daher ist es möglich zu vermeiden, dass eine spezielle Sekundärbatterie 31 die obere Grenzspannung übersteigt und eine Überspannung erhält, oder es möglich, das Erreichen der oberen Grenzspannung durch die spezielle Sekundärbatterie 31 zu verzögern.
  • Ferner wird die erste Spannung (3,7 V) auf einen numerischen Wert zwischen der Spannung (3,6 V), die durch Teilen der Soll-Ladespannung der Verbundbatterie 30 durch die Anzahl an Zellen erhalten wird, und der oberen Grenzspannung (4,0 V) festgelegt. Wenn die Sekundärbatterien 31 gleiche Spannung haben, wird daher die Schaltsteuerung nicht ausgeführt, und die Verbundbatterie 30 kann auf die Soll-Ladespannung aufgeladen werden. Das heißt, die Verbundbatterie 30 kann ohne Reduzierung des Ladestroms geladen werden, und daher wird die Ladegeschwindigkeit nicht reduziert.
  • Wenn andererseits die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 die erste Spannung (3,7 V) übersteigt, dann wird die Schaltsteuerung ausgeführt. Danach wird der Spannungsanstieg der Sekundärbatterien 31 reduziert, sodass es möglich ist zu vermeiden, dass eine spezielle Sekundärbatterie 31 mit hoher Spannung die obere Grenzspannung übersteigt, oder es möglich ist, das Erreichen der oberen Grenzspannung der speziellen Sekundärbatterie 31 zu verzögern.
  • [Ausführungsform 2]
  • Nachfolgend wird die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf 9 beschrieben.
  • In der Ausführungsform 1 ist ein Beispiel beschrieben, in welchem während der Schaltsteuerung das Tastverhältnis des Halbleiterschalters Q1 50% beträgt, wobei dies ein fester Wert ist. In der Ausführungsform 2 wird das Tastverhältnis Dy des Halbleiterschalters Q1 entsprechend der höchsten Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 geschaltet bzw. eingestellt.
  • Wie insbesondere in 9 gezeigt ist, beträgt das Tastverhältnis Dy des Halbleiterschalters Q1 50%, wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 3,7 V bis 3,8 V beträgt, wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 3,8 V bis 3,9 V beträgt, dann beträgt das Tastverhältnis Dy des Halbleiterschalters Q1 30%; und wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 3,9 V bis 4,0 V beträgt, dann beträgt das Tastverhältnis Dy des Halbleiterschalters Q1 10%.
  • Auf diese Weise wird das Tastverhältnis Dy des Halbleiterschalters Q1 so geschaltet bzw. gesteuert, dass es bei Anstieg der höchsten Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 größer wird. Daher nimmt der Betrag des Ladens ab, wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 sich der oberen Grenzspannung annähert. Daher wird die Rate des Spannungsanstiegs reduziert, und die Sekundärbatterien 31 erreichen die obere Grenzspannung nur mit geringerer Wahrscheinlichkeit.
  • [Ausführungsform 3]
  • Mit Verweis auf 10 bis 12 wird nachfolgend die Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 10 ist eine Blockansicht, die einen elektrischen Aufbau einer Batterie 120 in der Ausführungsform 3 zeigt. 11 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines Prozesses zur Reduzierung der Ausgangsleistung zeigt.
  • In der Ausführungsform 1 ist ein Beispiel beschrieben, in welchem der Halbleiterschalter Q1 von einem leitenden Zustand in einen geschalteten Zustand geschaltet wird, in welchem der Halbleiterschalter Q1 mit vorbestimmter Periode abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird, wenn die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 die erste Spannung (beispielsweise 3,7 V) während des Ladens überschreitet.
  • Wenn der Halbleiterschalter Q1 in die Schaltsteuerung während des Ladens versetzt wird, und der Halbleiterschalter Q1 ausgeschaltet ist, dann ist die Batterie 20 von der Lichtmaschine 15 getrennt. Daher wird die Last an der Lichtmaschine 15 aufgrund einer Belastung durch die Batterie reduziert, und daher steigt tendenziell die Ausgangsspannung an. Durch Einstellen des Erregerstroms, der in eine Erregerwicklung (nicht gezeigt) und dergleichen fließt, wird die Lichtmaschine 15 einer Rückkopplungssteuerung derart unterzogen, dass eine Ausgangsspannung konstant bleibt.
  • Wenn jedoch die Ansprechgeschwindigkeit der Rückkopplungssteuerung gering ist, überschreitet eine Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 eine eingestellte Spannung Vt, wodurch es Bedenken gibt, dass einem weiteren Fahrzeugverbraucher (etwa der elektronischen Steuereinrichtung 13), der mit der Lichtmaschine 15 verbunden ist, eine hohe Spannung zugeführt wird. Dabei ist die eingestellte Spannung Vt beispielsweise eine untere Grenze eines geeigneten Bereichs (eines akzeptablen Bereichs) der Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15.
  • Daher ist, wie in 10 gezeigt ist, die Batterie 120 in der Ausführungsform 3 mit einer Spannungserfassungseinheit 65 versehen, die eine Zwischenanschlussspannung bzw. eine Spannung zwischen Anschlüssen Vs zwischen dem positiven Anschluss 22P und dem negativen Anschluss 22N misst, um die Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 zu erfassen.
  • Wenn dann die Zwischenanschlussspannung Vs eine vorgegebene Spannung übersteigt, während die Schaltsteuerung ausgeführt wird, dann führt die Steuereinheit 70 den Vorgang zur Reduzierung der Ausgangsspannung aus, um die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 15 zu verringern.
  • Wenn, wie insbesondere in 11 gezeigt ist, die Steuereinheit 70 den Halbleiterschalter Q1 ausschaltet, misst die Spannungserfassungseinheit 65 die Zwischenanschlussspannung Vs (S110, S120).
  • Anschließend führt die Steuereinheit 70 einen Vorgang zum Vergleichen der Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 mit der vorgegebenen Spannung Vt aus (S130). Wenn die Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 gleich oder höher als die vorgegebene Spannung Vt ist, dann schaltet die Steuereinheit 70 den Halbleiterschalter Q1 vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand (S140: der Vorgang zur Reduzierung der Ausgangsspannung).
  • Wenn der Halbleiterschalter Q1 eingeschaltet ist, sind die Lichtmaschine 15 und die Batterie 120 in einem leitenden Zustand, und der Ladestrom fließt aus der Lichtmaschine 15 in die Batterie 120. Das heißt, eine von der Lichtmaschine 15 erzeugte überschüssige elektrische Leistung wird für das Laden der Batterie 120 verwendet, und daher wird die Belastung für die Lichtmaschine 15 verringert, sodass die Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 reduziert werden kann. Daher ist es möglich, das Auftreten einer hohen Spannung an einem weiteren Fahrzeugverbraucher (etwa der elektronischen Steuereinrichtung 13), der mit der Lichtmaschine 15 verbunden ist, zu vermeiden. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Vorgang zur Reduzierung der Ausgangsspannung ausgeführt, während die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 ausgeführt wird.
  • 12 ist eine Signalform der Ausgangsspannung (der Anschlussspannung) Vs der Lichtmaschine 15, wenn der Halbleiterschalter Q1 von einem leitenden Zustand, in welchem der Halbleiterschalter Q1 in einem eingeschalteten Zustand gehalten wird, auf die Schaltsteuerung umgeschaltet wird, in der der Halbleiterschalter Q1 mit vorbestimmter Periode abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird, wobei dies zum Zeitpunkt t2 erfolgt, da die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 während des Ladens die erste Spannung übersteigt.
  • Wie in 12 gezeigt ist, wird unmittelbar nach Umschalten des Halbleiterschalters Q1 auf die Schaltsteuerung (unmittelbar nach dem Zeitpunkt t2) die Batterie 120 von der Lichtmaschine 15 getrennt, und dadurch steigt die Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 steil an, und erreicht dann die vorgegebene Spannung Vt zum Zeitpunkt t3.
  • Danach schaltet die Steuereinheit 70 den Halbleiterschalter Q1 vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand, und daher wird ein Überschuss an elektrischer Leistung, die von der Lichtmaschine 15 erzeugt wird, für das Laden der Batterie 120 verwendet, sodass die Spannungslast an der Lichtmaschine 15 reduziert wird. Daher kann die Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 reduziert werden.
  • Danach wird der Halbleiterschalter Q1 mit einer vorbestimmten Periode T abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Daher steigt jedes Mal, wenn der Halbleiterschalter Q1 vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird, die Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 an. Jedoch holt die Rückkopplungssteuerung den Spannungsanstieg ein, und der Spitzenwert der Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 nimmt allmählich ab. In einem Beispiel der 12 wird in der zweiten und den nachfolgenden Perioden der Spitzenwert der Ausgangsspannung Vs der Lichtmaschine 15 kleiner gehalten als die vorgegebene Spannung Vt. Daher wird in der zweiten Periode und in den nachfolgenden Perioden der Halbleiterschalter Q1 mit einem Tastverhältnis von 50% betrieben. Das Tastverhältnis ist nur in der ersten Periode 50% oder größer.
  • [Andere Ausführungsformen]
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und die begleitenden Zeichnungen beschränkt. Beispielsweise sind die folgenden Ausführungsformen ebenfalls im technischen Bereich der vorliegenden Erfindung mit eingeschlossen.
    • (1) In der Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in welchem die Batterie 20 in einem Automobil montiert ist. Jedoch ist die Verwendung der Batterie 20 nicht auf Automobile beschränkt, und sie kann beispielsweise in Motorrädern verwendet werden. Ferner kann die Batterie 20 für andere Zwecke, etwa eine USV, verwendet werden. Ferner muss eine Ladeeinheit nicht immer ein Fahrzeuggenerator, etwa eine Lichtmaschine sein, sondern kann ein spezielles fahrzeugexternes Ladegerät sein.
    • (2) In der Ausführungsform 1 wird der Halbleiterschalter Q1 als ein Beispiel eines Schalters vorgesehen. Es kann jedoch anstelle des Halbleiterschalters Q1 auch ein Relais verwendet werden. Selbst im Falle der Verwendung eines Halbleiterschalters, können ferner Elemente, die keine FET sind, etwa Leistungstransistoren, verwendet werden.
    • (3) In der Ausführungsform 1 wird ein Beispiel beschrieben, in welchem die Verbundbatterie 30 aus vier in Reihe geschalteten Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis 31 aufgebaut ist. Selbstverständlich kann die Anzahl der verbundenen Sekundärbatterien 31 größer als vier sein.
    • (4) In der Ausführungsform 1, sind die Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis 31 als ein Beispiel von Energiespeichereinrichtungen vorgesehen. Jedoch kann beispielsweise auch eine Lithiumionen-Sekundärbatterien mit drei Stoffen verwendet werden. Dabei ist die Lithiumionen-Sekundärbatterie mit drei Stoffen eine Zelle, in der Lithium mit Metalloxid verwendet wird, das Elemente aus Co, Mn und Ni als aktives Material der positiven Elektrode und Graphit oder Kohlenstoff als aktives Material der negativen Elektrode enthält. Ferner können die Energiespeichereinrichtungen andere Sekundärbatterien, etwa eine Blei-Säure-Batterie oder ein Kondensator sein.
    • (5) In der Ausführungsform 1 wird ein Aufbau verwendet, in welchem der den Sekundärbatterien 31 zugeführte Ladestrom durch Schalten des Halbleiterschalters Q1 von einem Zustand, in welchem der Halbleiterschalter Q1 in einem eingeschalteten Zustand gehalten wird (das Tastverhältnis beträgt 100%), auf die Schaltsteuerung umgeschaltet wird (das Tastverhältnis beträgt 50%). Im Gegensatz dazu kann beispielsweise, wie in 13 gezeigt ist, eine Abwärtswandlerschaltung in der Batterie vorgesehen sein, um die Funktion eines Herabsetzens der Ladespannung hinzuzufügen.
  • Eine Batterie 220, die in 13 gezeigt ist, weist eine Abwärtswandlerschaltung auf, die aus einer Induktivität Re und einem Halbleiterschalter Q2 aufgebaut ist. Die Induktivität Re und der Halbleiterschalter Q1 sind in Reihe geschaltet. Ein Ende der Induktivität Re ist mit dem Source des Halbleiterschalters Q1 verbunden, und das andere Ende ist mit der positiven Elektrode der Verbundbatterie verbunden. Ferner ist der Halbleiterschalter Q2 ein Feldeffekttransistor (FET). Das Source des Halbleiterschalters Q2 ist mit dem stromführenden Pfad auf Seite der negativen Elektrode verbunden, und das Drain ist mit einem Zwischenanschlusspunkt zwischen dem Halbleiterschalter Q1 und der Induktivität Re verbunden. Ein Treiber 48 wird mit dem Gate des Halbleiterschalters Q2 verbunden. Der Halbleiterschalter Q2 kann einer Ein/Aus-Steuerung mittels eines Befehls unterzogen werden, der aus der Steuereinheit 70 ausgegeben wird. Die Abwärtswandlerschaltung kann die Ladespannung herabsetzen, indem der Halbleiterschalter Q2 geschaltet wird, und sie kann den Ladestrom durch Schalten des Halbleiterschalters Q1 steuern.
    • (6) In der Ausführungsform 1 ist ein Beispiel beschrieben, in welchem der Spannungsausgleichsvorgang, der durch die Entladeschaltungen 45 an den Sekundärbatterien 31 ausgeführt wird, und die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 am Ende des Ladens gleichzeitig ausgeführt werden. Der Spannungsausgleichsvorgang, der von den Entladeschaltungen 45 ausgeführt wird, ist nicht unbedingt erforderlich, und es wird gegebenenfalls nur die Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 ausgeführt. Auch in diesem Falle kann durch Ausführen der Schaltsteuerung der Ladestrom auf Batterieseite reduziert werden. Daher ist es möglich, den Spannungsanstieg der Sekundärbatterien 31 zu verzögern, und es ist möglich, den Zeitpunkt für das Erreichen der oberen Grenzspannung durch die höchste Spannung Vm der Sekundärbatterien 31 zu verzögern. Daher kann die Zeitdauer, in der die Batterie 20 für das Laden von der Lichtmaschine 15 abgetrennt ist, als ein langer Zeitraum gewährleistet werden.
    • (7) In der Ausführungsform 3 ist ein Beispiel beschrieben, in welchem der Vorgang zur Reduzierung der Ausgangsspannung (11: S40) ausgeführt wird, während auch die Schaltsteuerung ausgeführt wird. Die Zeit zur Ausführung des Vorgangs zur Verringerung der Ausgangsspannung kann eine andere Zeit sein, während welcher die Schaltsteuerung ausgeführt wird, sofern dies geschieht, wenn der Halbleiterschalter Q1 vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird. Beispielsweise kann der Vorgang zur Verringerung der Ausgangsspannung ausgeführt werden, wenn der Halbleiterschalter Q1 von einem Zustand, in welchem der Halbleiterschalter Q1 in einem eingeschalteten Zustand gehalten wird, in einen ausgeschalteten Zustand umgeschaltet wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2014-166020 A [0002]

Claims (12)

  1. Eine Energiespeichervorrichtung, mit: mehreren Energiespeichereinrichtungen; einem Schalter, der in einem stromführenden Pfad zu den mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehen ist; einer Spannungserfassungseinheit, die jeweilige Spannungen der Energiespeichereinrichtungen erfasst; und einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit ein Tastverhältnis des Schalters so steuert, dass ein Erreichen einer oberen Grenzspannung der Spannungen der Energiespeichereinrichtungen während des Ladens verhindert oder verzögert wird.
  2. Die Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn eine höchste Spannung der mehreren Energiespeichereinrichtungen einen Schwellenwert übersteigt, der Schalter derart gesteuert ist, dass er in einen geschalteten Zustand eintritt, in welchem der Schalter mit vorbestimmter Periode abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird.
  3. Die Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit das Tastverhältnis des Schalters so festlegt, dass es bei höher werdender höchster Spannung der mehreren Energiespeichereinrichtungen kleiner wird.
  4. Die Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schwellenwert ein numerischer Wert zwischen der oberen Grenzspannung und einer Spannung ist, die durch Teilen einer Soll-Ladespannung, die der Soll-Ladewert einer Gesamtspannung der mehreren Energiespeichereinrichtungen ist, durch die Anzahl der Energiespeichereinrichtungen erhalten wird.
  5. Die Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner mehrere Entladeschaltungen aufweist, die parallel zu den mehreren Energiespeichereinrichtungen angeschlossen sind und die mehreren Energiespeichereinrichtungen entladen, wobei wenn die höchste Spannung der mehreren Energiespeichereinrichtungen den Schwellenwert übersteigt, während die mehreren Entladeschaltungen in Betrieb sind, die Steuereinheit den Schalter so steuert, dass er gleichzeitig mit der Ausführung eines Spannungsausgleichsvorgangs mittels der mehreren Entladeschaltungen in den geschalteten Zustand übergeht.
  6. Die Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mehreren Energiespeichereinrichtungen Lithiumionen-Sekundärbatterien auf Eisenphosphatbasis sind.
  7. Die Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schalter ein Feldeffekttransistor mit einer parasitären Diode ist, deren Durchlassrichtung eine Entladerichtung ist.
  8. Die Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei nach dem Ausschalten des Schalters, wenn eine Spannung zwischen externen Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung eine vorgegebene Spannung übersteigt, die Steuereinheit den Schalter von ausgeschaltet auf eingeschaltet umschaltet, um einen Ladestrom von einem an die externen Anschlüsse angeschlossenen Fahrzeuggenerator in die Energiespeichereinrichtung fließen zu lassen, und einen Vorgang zur Verringerung einer Ausgangsspannung ausführt, um eine Ausgangsspannung des Fahrzeuggenerators zu reduzieren.
  9. Ein Verfahren zum Steuern einer Energiespeichervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Steuern eines Tastverhältnisses eines Schalters, der in einem stromführenden Pfad zu mehreren Energiespeichereinrichtungen vorgesehen ist, die in der Energiespeichervorrichtung enthalten sind, derart, dass ein Erreichen einer oberen Spannungsgrenze von Spannungen der Energiespeichereinrichtungen während des Ladens verhindert oder verzögert wird.
  10. Ein Fahrzeug mit einer Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  11. Das Fahrzeug nach Anspruch 10, das ferner einen Fahrzeuggenerator aufweist, der mit externen Anschlüssen der Energiespeichervorrichtung verbunden ist, wobei wenn eine Spannung zwischen den externen Anschlüssen eine vorgegebene Spannung in einem Zustand übersteigt, in welchem der Schalter ausgeschaltet ist, die Steuereinheit die Energiespeichervorrichtung so steuert, dass der Schalter von ausgeschaltet auf eingeschaltet umgeschaltet wird, um einen Ladestrom von dem Fahrzeuggenerator in die Energiespeichervorrichtung fließen zu lassen, und einen Vorgang zur Reduzierung einer Ausgangsspannung ausführt, um eine Ausgangsspannung des Fahrzeuggenerators zu reduzieren.
  12. Das Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit der Energiespeichervorrichtung den Vorgang zur Reduzierung der Ausgangsspannung ausführt, während auch eine Schaltsteuerung zur Steuerung des Schalters ausgeführt wird, um in einen geschalteten Zustand einzutreten, in welchem der Schalter mit vorbestimmter Periode abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird.
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