DE112018006195T5

DE112018006195T5 - Ladesteuervorrichtung, energiespeichervorrichtung und ladeverfahren

Info

Publication number: DE112018006195T5
Application number: DE112018006195.7T
Authority: DE
Inventors: Yuki Imanaka
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-08-27
Also published as: JPWO2019111872A1; WO2019111872A1; US11843274B2; JP7205489B2; US20200395780A1; CN111406355A

Abstract

Eine Ladesteuervorrichtung (50) steuert das Laden der Energiespeichereinrichtungen (B1 bis B4). Die Vorrichtung enthält eine Vielzahl von parallel verbundenen Ladepfaden (61A, 61B) für die Energiespeichereinrichtungen, ein Spannungsabfallelement (64A, 64B) und einen in Reihe damit verbundenen Schalter (65A, 65B) an jedem der Ladepfade und eine Steuereinheit (100). Die Steuereinheit (100) steuert die Schalter (65A, 65B) für das Schalten des Ladepfads aus der Vielzahl von Ladepfaden (61A, 61B), der während des Ladens nicht mit Strom versorgt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Laden einer Energiespeichereinrichtung.
STAND DER TECHNIK
Als eine Fahrzeugmotorstartbatterie ist eine Lithiumionen-Sekundärbatterie (nachfolgend als LIB abgekürzt) anstelle einer Bleisäurebatterie installiert. Dies bietet den Vorteil einer längeren Batterielebensdauer und eines verbesserten regenerativen Ladens. Wegen der verschiedenen Eigenschaften der Bleisäurebatterie und der LIB ist die Ladesollspannung verschieden, sodass jeweils ein dediziertes Ladegerät für die verschiedenen Batterien verwendet werden muss. Um eine Kompatibilität mit Bleisäurebatterien vorzusehen, wurden die Außenformen und die Anschlussaufbauten standardisiert. Wenn jedoch die LIB mit der Bleisäurebatterie kompatibel ist, kann ein Laden mit einer anderen Ladespannung als der angenommenen Ladesollspannung etwa durch ein Ladegerät für die Bleisäurebatterie durchgeführt werden. Das Patentdokument 1 beschreibt, dass eine Diode an dem Ladepfad vorgesehen ist, um das Laden zu der Batterie zu begrenzen.
DOKUMENT AUS DEM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: JP-A-2008-199717
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEMSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine große Lithiumionen-Sekundärbatterie wie etwa eine Fahrzeugmotorstartbatterie weist einen großen Lade-/Entladestrom und einen großen Energieverlust an dem Stromversorgungspfad auf. Deshalb ist ein Verfahren denkbar, in dem eine Vielzahl von Spannungsabfallelementen parallel verbunden sind, um den durch ein einzelnes Spannungsabfallelement fließenden Strom zu reduzieren und dadurch einen Ausfall in dem Spannungsabfallelement, das zum Beispiel eine Diode ist, zu verhindern. Aufgrund von Variationen in den Eigenschaften der Elemente und der Temperaturkennlinie kann sich jedoch auch dann, wenn eine Vielzahl von Spannungsabfallelementen parallel verbunden sind, ein Strom in einem der Spannungsabfallelemente konzentrieren und einen Ausfall verursachen. Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Umstände Bezug, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, einen durch eine Stromkonzentration verursachten Ausfall in einem Spannungsabfallelement während des Ladens zu unterdrücken.
PROBLEMLÖSUNG
Eine Ladesteuervorrichtung steuert das Laden einer Energiespeichereinrichtung. Die Ladesteuervorrichtung enthält eine Vielzahl von parallel verbundenen Ladepfaden für die Energiespeichereinrichtung, ein Spannungsabfallelement und einen in Reihe damit verbundenen Schalter an jedem der Ladepfade und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit steuert die Schalter, um den Ladepfad aus der Vielzahl von Ladepfaden, der während des Ladens nicht mit Strom versorgt wird, zu schalten.
Diese Techniken können auf ein Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung angewendet werden. Die Techniken können auf eine Energiespeichervorrichtung, die eine Energiespeichereinrichtung und eine Ladesteuervorrichtung enthält, angewendet werden. Die Techniken können in verschiedenen Formen wie etwa einem Energiespeichersystem, einem Ladepfad-Schaltprogramm und einem Aufzeichnungsmedium für das Aufzeichnen des Programms implementiert werden.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Mit dieser Konfiguration kann ein durch eine Stromkonzentration verursachter Ausfall in einem Spannungsabfallelement während des Ladens unterdrückt werden.
Figurenliste

1 ist eine Seitenansicht eines Automobils gemäß der ersten Ausführungsform.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Batterie.
4 ist ein Blockdiagramm, das die elektrische Konfiguration der Batterie zeigt.
5 ist ein Kurvendiagramm, das das EIN/AUS-Schalten jedes FET zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die das Schalten zwischen Ladepfaden zeigt.
7 ist eine schematische Ansicht, die das Schalten zwischen den Ladepfaden zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm für das Schalten zwischen den Ladepfaden.
9 ist ein Kurvendiagramm, das den Übergang der Gesamtspannung einer zusammengesetzten Batterie während des Ladens zeigt.
10 ist eine schematische Ansicht, die ein Vergleichsbeispiel einer Ladeschaltung zeigt.
11 ist ein Kurvendiagramm, das die Temperaturkennlinie der Vorwärtsspannung einer Diode zeigt.
12 ist ein Flussdiagramm für das Schalten zwischen den Ladepfaden gemäß einer zweiten Ausführungsform.
13 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform der Ladepfade zeigt.
14 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform der Ladepfade zeigt.
15 ist ein Kurvendiagramm, das das Schalten zwischen den Ladepfaden zeigt.
16 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform der Ladepfade zeigt.
17 ist ein Kurvendiagramm, das das EIN/AUS-Schalten jedes FET zeigt.
18 ist ein Kurvendiagramm, das das EIN/AUS-Schalten jedes FET zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Eine Ladesteuervorrichtung steuert das Laden einer Energiespeichereinrichtung. Die Ladesteuervorrichtung enthält eine Vielzahl von parallel verbundenen Ladepfaden für die Energiespeichereinrichtung, ein Spannungsabfallelement und einen in Reihe damit verbundenen Schalter an jedem der Ladepfade und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit steuert die Schalter, um den Ladepfad aus der Vielzahl von Ladepfaden, der während des Ladens nicht mit Strom versorgt wird, zu schalten.
Diese Konfiguration ermöglicht eine Verminderung der Ladespannung für die Energiespeichereinrichtung durch das in dem Ladepfad angeordnete Spannungsabfallelement. Außerdem wird innerhalb der Vielzahl von Ladepfaden der Ladepfad, der nicht mit Strom versorgt wird, während des Ladens geschaltet, sodass eine Stromkonzentration an einigen der Ladepfade und damit eine Temperaturerhöhung des Spannungsabfallelements verhindert werden kann. Dadurch kann ein Ausfall in dem Spannungsabfallelement unterdrückt werden und kann die Energiespeichereinrichtung sicher geladen werden.
Das Spannungsabfallelement kann eine Diode sein. Die Diode weist eine Temperaturkennlinie auf, bei der sich die Vorwärtsspannung vermindert, wenn sich die Temperatur erhöht. Deshalb neigt der Strom zu einer Konzentration an einer Diode, deren Temperatur angestiegen ist, wodurch eine parallele Verbindung erschwert wird. Durch das Anwenden dieser Technik kann eine Stromkonzentration an einer Diode verhindert werden und dementsprechend ein Ausfall in der Diode unterdrückt werden.
Die Steuereinheit kann zwischen den Ladepfaden schalten, wenn die Ladespannung oder die Spannung der Energiespeichereinrichtung höher als eine Sollspannung ist.
Diese Konfiguration ermöglicht eine Verminderung der Ladespannung, wenn die Ladespannung oder die Spannung der Energiespeichereinrichtung höher als die Sollspannung ist. Deshalb kann die Energiespeichereinrichtung sicher geladen werden.
Die Steuereinheit kann zwischen den Ladepfaden basierend auf einer festgelegten Zeit schalten. Weil bei dieser Konfiguration die Ladepfade basierend auf der festgelegten Zeit geschaltet werden, kann ein unregelmäßiger Stromfluss in einem spezifischen Ladepfad verhindert werden.
Die Steuereinheit kann zwischen den Ladepfaden basierend auf einer Temperaturbedingung für die Ladepfade schalten. In dieser Konfiguration wird der Ladepfad in Entsprechung zu einer Temperaturbedingung für das Spannungsabfallelement geschaltet. Dadurch kann eine anormale Wärmeerzeugung des Spannungsabfallelements unabhängig von der Umgebungstemperatur und der Situation in der Energiespeichervorrichtung unterdrückt werden.
Die Steuereinheit kann die Schalter in den Ladepfaden derart steuern, dass während der Schaltsteuerung der Ladepfade die Schalter in den Ladepfaden eine überlappende Periode, in der die Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind, aufweisen. Mit dieser Konfiguration kann verhindert werden, dass die Vielzahl von Schaltern gleichzeitig ausgeschaltet werden, wenn die Ladepfade geschaltet werden, um dadurch ein Stoppen des Ladens zu verhindern.
Wenigstens ein Ladepfad der parallel verbundenen Ladepfade kann zwei FETs aufweisen, die back-to-back verbunden sind und eingebaute parasitäre Dioden aufweisen. Bei dieser Konfiguration wird von den zwei back-to-back verbundenen FETs der FET auf einer Seite, dessen eingebaute parasitäre Diode in der Vorwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen ist, ausgeschaltet, während der FET auf der anderen Seite, dessen eingebaute parasitäre Diode in der Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen ist, eingeschaltet wird, sodass ein Fließen des Ladestroms in die Energiespeichereinrichtung über den FET und die parasitäre Diode auf der anderen Seite veranlasst wird. Auf diese Weise kann die parasitäre Diode als ein Spannungsabfallelement verwendet werden. Bei der back-to-back-Verbindung von zwei FETs sind die Drains der zwei FETs oder die Sources der zwei FETs miteinander verbunden. Ein FET ist ein Feldeffekttransistor.
Jeder der parallel verbundenen Ladepfade weist zwei FETs auf, die back-to-back verbunden sind und eingebaute parasitäre Dioden aufweisen. Die Steuereinheit kann eine Steuerung für das gleichzeitige Einschalten der zwei back-to-back verbundenen FETs in wenigstens einem der parallel verbundenen Ladepfade durchführen, wenn die Ladespannung oder die Spannung der Energiespeichereinrichtung niedriger als eine Sollspannung ist und kann, wenn die Ladespannung oder die Spannung der Energiespeichereinrichtung niedriger als eine Sollspannung ist, eine Steuerung zum Ausschalten der FETs auf einer Seite von den zwei in jedem der Ladepfade installierten und back-to-back-verbundenen FETs, in denen die eingebauten parasitären Dioden in einer Vorwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen sind, und zum Einschalten der FETs auf der anderen Seite, in denen die eingebauten parasitären Dioden in einer Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen sind, zu verschiedenen Zeiten zwischen den Ladepfaden durchführen. Wenn die Zeiten für das Einschalten verschieden sind, bedeutet dies, dass die Einschaltdauern nicht exakt übereinstimmen. Zum Beispiel werden die FETs alternierend eingeschaltet, sodass die Einschaltdauern nicht überlappen, oder werden die einzuschaltenden Schalter eingeschaltet, während die Einschaltdauern teilweise überlappen. Was also den FET auf der anderen Seite betrifft, dessen eingebaute parasitäre Diode in der Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen ist, führt die Steuereinheit, um ein Laden zu ermöglichen, eine Steuerung zum Einschalten wenigstens eines FET in jedem Ladepfad durch, um ein Ausschalten aller FETs zu verhindern. Weiterhin können die FETs derart gesteuert werden, dass die Einschaltdauern zwischen den verschiedenen Ladepfaden verschieden sind.
In dieser Konfiguration werden in jedem Ladepfad zwei back-to-back verbundene FETs gleichzeitig eingeschaltet, sodass der Ladestrom fließen kann, ohne durch die parasitären Dioden hindurchzugehen. Deshalb muss kein dedizierter Ladepfad für einen normalen Betrieb vorgesehen werden und ist die Schaltungskonfiguration einfach. Und wenn die Ladespannung oder die Spannung der Energiespeichereinrichtung höher als die Sollspannung ist, wird dafür gesorgt, dass der Ladestrom über die parasitäre Diode des FET fließt, während die Ladepfade geschaltet werden. Dadurch kann die Ladespannung der Energiespeichereinrichtung vermindert werden und kann ein Temperaturanstieg der parasitären Diode unterdrückt werden.
<ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM>
Beschreibung der Batterie
1 ist eine Seitenansicht eines Automobils. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Batterie. 4 ist ein Blockdiagramm, das die elektrische Konfiguration der Batterie zeigt.
Wie in 1 gezeigt, enthält ein Automobil 1 eine Batterie 20, die eine Energiespeichervorrichtung ist. Wie in 2 gezeigt, weist die Batterie 20 ein blockförmiges Batteriegehäuse 21 auf. In dem Batteriegehäuse 21 ist eine zusammengesetzte Batterie 30 aufgenommen, die eine Vielzahl von Sekundärbatterien B1 bis B4 und eine Steuerplatine 28 enthält.
Wie in 3 gezeigt, enthält das Batteriegehäuse 21 einen kastenförmigen Gehäusehauptkörper 23, der sich nach oben öffnet, ein Positionierungsglied 24, das die Vielzahl von Sekundärbatterien B1 bis B4 positioniert, und einen inneren Deckel 25 und einen oberen Deckel 26, die an dem oberen Teil des Gehäusehauptkörpers 23 montiert sind. In dem Gehäusehauptkörper 23 sind wie in 3 gezeigt eine Vielzahl von Zellenkammern 23A für das individuelle Aufnehmen der entsprechenden Sekundärbatterien B1 bis B4 nebeneinander in der X-Richtung vorgesehen.
Wie in 3 gezeigt, weist das Positionierungsglied 24 an seiner oberen Fläche eine Vielzahl von Sammelschienen 27 auf. Das Positionierungsglied 24 ist oberhalb der im den Gehäusehauptkörper 23 angeordneten Vielzahl von Sekundärbatterien B1 bis B4 angeordnet, um die Vielzahl von Sekundärbatterien B1 bis B4 zu positionieren und in Reihe über die Vielzahl von Sammelschienen 27 zu verbinden.
Der innere Deckel 25 weist eine im Wesentlichen rechteckige Form in einer Draufsicht wie in 2 gezeigt auf. An beiden Endteilen des inneren Deckels 25 in der X-Richtung sind ein Paar von Anschlussteilen 22P und 22N vorgesehen, mit denen ein Kabelbaumanschluss (nicht gezeigt) verbunden ist. Das Paar von Anschlussteilen 22P und 22N ist zum Beispiel aus einem Metall wie etwa einer Bleilegierung ausgebildet. Der Anschlussteil 22P ist ein Positivelektrodenanschlussteil, und der Anschlussteil 22N ist ein Negativelektrodenanschlussteil.
An der oberen Fläche des inneren Deckels 25 ist ein Aufnahmeteil 25A vorgesehen. Die Steuerplatine 28 ist in dem Aufnahmeteil 25A des inneren Deckels 25 aufgenommen. Wenn der innere Deckel 25 an dem Gehäusehauptkörper 23 angebracht wird, werden eine Sekundärbatterie B und die Steuerplatine 28 miteinander verbunden. Weiterhin wird der obere Deckel 26 an dem oberen Teil des inneren Deckels 25 montiert, um die obere Fläche des Aufnahmeteils 25A mit der darin aufgenommenen Steuerplatine 28 zu schließen.
Die elektrische Konfiguration der Batterie 20 wird im Folgenden mit Bezug auf 4 beschrieben. Die Batterie 20 ist ein 12V-System für das Starten des Motors und umfasst die zusammengesetzte Batterie 30, einen Stromsensor 41, einen Spannungsdetektor 45 und eine Ladesteuervorrichtung 50.
Die zusammengesetzte Batterie 30 enthält vier in Reihe verbundene Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4. Die Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 sind ein Beispiel für die „Energiespeichereinrichtung“ gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Stromsensor 41 ist in dem Batteriegehäuse 21 vorgesehen und erfasst einen durch die zusammengesetzte Batterie 30 fließenden Strom I. Der Stromsensor 41 ist elektrisch mit einer Verwaltungseinheit 100 über eine Signalleitung verbunden, wobei eine Ausgabe aus dem Stromsensor 41 durch die Verwaltungseinheit 100 erfasst wird.
Der Spannungsdetektor 45 ist in dem Batteriegehäuse 21 vorgesehen und erfasst Batteriespannungen V1 bis V4 der entsprechenden Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 und eine Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30. Der Spannungsdetektor 45 ist elektrisch mit einer Verwaltungseinheit 100 über eine Signalleitung verbunden, wobei eine Ausgabe aus dem Spannungsdetektor 45 durch die Verwaltungseinheit 100 erfasst wird. $Ev = V1 + V2 + V3 + V 4$
Die Ladesteuervorrichtung 50 enthält eine Ladeschaltung 60 und die Verwaltungseinheit 100. Die Ladeschaltung 60 enthält einen ersten Ladepfad 61A, einen zweiten Ladepfad 61B und einen Temperatursensor 67. Der erste Ladepfad 61A und der zweite Ladepfad 61B erstrecken sich zwischen der positiven Elektrode der zusammengesetzten Batterie 30 und dem positivelektrodenseitigen Anschlussteil 22P und sind parallel miteinander verbunden
Ein erster FET 63A und ein zweiter FET 65A sind in dem ersten Ladepfad 61A vorgesehen. Der erste FET 63A und der zweite FET 65A sind P-Kanal-Feldeffekttransistoren und sind back-to-back verbunden. Insbesondere weist der erste FET 63A eine Source auf, die mit der positiven Elektrode der zusammengesetzten Batterie 30 verbunden ist, und weist der zweite FET 65A eine Source auf, die mit dem positivelektrodenseitigen Anschlussteil 22P verbunden ist. Die Drains des ersten FET 63A und des zweiten FET 65A sind gemeinsam verbunden. Der erste FET 63A weist eine eingebaute parasitäre Diode 64A auf, und der zweite FET 65A weist eine eingebaute parasitäre Diode 66A auf. Die Vorwärtsrichtung der parasitären Diode 64A ist gleich der Laderichtung, und die Vorwärtsrichtung der parasitären Diode 66A ist gleich der Entladerichtung.
Ein erster FET 63B und ein zweiter FET 65B sind in dem zweiten Ladepfad 61B vorgesehen. Der erste FET 63B und der zweite FET 65B sind P-Kanal-Feldeffekttransistoren und sind back-to-back verbunden. Insbesondere weist der erste FET 63B eine Source auf, die mit der positiven Elektrode der zusammengesetzten Batterie 30 verbunden ist, und weist der zweite FET 65B eine Source auf, die mit dem positivelektrodenseitigen Anschlussteil 22P verbunden ist. Die Drains des ersten FET 63B und des zweiten FET 65B sind gemeinsam verbunden. Der erste FET 63B weist eine parasitäre Diode 64B auf, und der zweite FET 65B weist eine parasitäre Diode 66B auf. Die Vorwärtsrichtung der parasitären Diode 64B ist gleich der Laderichtung, und die Vorwärtsrichtung der parasitären Diode 66B ist gleich der Entladerichtung.
Der Temperatursensor 67 erfasst die Temperatur jedes der FETs 63A, 63B, 65A und 65B. Der Temperatursensor 67 ist elektrisch mit einer Verwaltungseinheit 100 über eine Signalleitung verbunden, und eine Ausgabe aus dem Temperatursensor 67 wird durch die Verwaltungseinheit 100 erfasst.
Die Verwaltungseinheit 100 umfasst eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 101, mit einer Rechenfunktion, einen ROM 103, einen Speicher 105 und eine Kommunikationseinheit 107 und ist auf der Steuerplatine 28 vorgesehen.
Die CPU 101 überwacht den durch die zusammengesetzte Batterie 30 fließenden Strom I basierend auf einer Ausgabe aus dem Stromsensor 41. Die CPU 101 überwacht die Spannungen V1 bis V4 der entsprechenden Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 und die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 basierend auf Ausgaben aus dem Spannungsdetektor 45. Weiterhin überwacht die CPU 101 die Temperatur jedes der FETs 63A, 65A, 63B und 65B basierend auf einer Ausgabe aus dem Temperatursensor 67.
Während des Ladens erfasst die CPU 101 die Größe der Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 und führt eine Schaltprozedur zum Schalten zwischen den Ladepfaden 61A und 61B für die zusammengesetzte Batterie 30 durch. Die CPU 101 entspricht der „Steuereinheit“ gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der ROM 103 speichert ein Programm für das Ausführen der Ladepfad-Schaltprozedur (S10 bis S50 von 8). Das Programm kann in einem Aufzeichnungsmedium wie etwa einer CD-ROM gespeichert und verbreitet werden. Das Programm kann auch über eine Telekommunikationseinheit distribuiert werden.
Die Kommunikationseinheit 107 ist für eine Kommunikation mit einer Fahrzeug-ECU (Electronic Control Unit) 150 in einem Automobil 1 vorgesehen. Nach der Montage in dem Fahrzeug wird die Kommunikationseinheit 107 über eine Signalleitung mit dem Fahrzeug 150 verbunden. Die Verwaltungseinheit 100 kann Informationen des Fahrzeugs wie etwa den Betriebszustand des Motors (gestoppt oder betrieben) von der Fahrzeug-ECU 150 empfangen.
Wie in 4 gezeigt, ist die Batterie 20 mit einem Startermotor 160 für das Starten des Motors, einer Fahrzeuglast wie etwa elektrischen Komponenten und einer Lichtmaschine 170 verbunden. Wenn die durch die Lichtmaschine 170 erzeugte Strommenge größer als der Stromverbrauch der Fahrzeuglast während des Motorbetriebs ist, wird die Batterie 20 durch die Lichtmaschine 170 geladen.
Wenn die durch die Lichtmaschine 170 erzeugte Strommenge kleiner als der Stromverbrauch der Fahrzeuglast ist, wird die Batterie 20 entladen, um die Unterversorgung zu decken. Wenn der Motor gestoppt ist, stoppt die Lichtmaschine 170 das Erzeugen von Strom. Deshalb befindet sich die Batterie 20 in einem Zustand, in dem die Stromversorgung gestoppt ist (in einem Zustand, in dem die Batterie nicht geladen ist), und in einem Zustand, in dem die Batterie nur für die Fahrzeuglast entladen wird.
Die Batterie 20 kann durch die Verbindung mit einem externen Ladegerät 180 außerhalb des Fahrzeugs zum Beispiel während des Parkens zusätzlich zu der im Fahrzeug montierten Lichtmaschine 170 geladen werden. Die Lichtmaschine 170 und das externe Ladegerät 180 außerhalb des Fahrzeugs sind Gleichstromausgaben.
Die Batterie 20 umfasst die Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4, den Stromsensor 41, den Spannungsdetektor 45 und die Ladesteuervorrichtung 50 und entspricht somit der „Energiespeichervorrichtung“ gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ladespannungssteuerung und Parallelverbindung von Dioden
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften weisen Bleisäurebatterien und Lithiumionen-Sekundärbatterien verschiedene Ladesollspannungen (Sollwerte der Ladespannungen) auf. Bei dem 12V-System liegt eine Ladesollspannung Eo für Bleisäurebatterien bei 14,8 V und liegt die Ladesollspannung Eo für Lithiumionen-Sekundärbatterien bei 14 V.
Wenn zum Beispiel die Batterie 20, die eine Lithiumionen-Sekundärbatterie als eine Energiespeichereinrichtung verwendet, durch ein externes Ladegerät für einen Bleisäurespeicher geladen wird, wird das Laden manchmal mit einer Spannung (14,8 V), die höher als die angenommene Ladesollspannung (14 V) ist, durchgeführt. Aus Sicherheitsgründen sollte die Ladespannung vorzugsweise nicht die Ladesollspannung Eo überschreiten.
Wenn also die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die angenommene Ladesollspannung Eo überschreitet, kann die Ladespannung unter Verwendung des Spannungsabfalleffekts einer Diode D, die in einem Ladepfad L wie in 10 gezeigt vorgesehen ist, vermindert werden. Um zu verhindern, dass die Diode D Wärme erzeugt und aufgrund eines Stromverlusts an dem Ladepfad ausfällt, können eine Vielzahl von Dioden D parallel verbunden sein, um den Strom zu teilen. In 10 sind drei Dioden D1 bis D3 parallel verbunden.
Wie in 11 gezeigt, weist die Diode D eine Kennlinie auf, bei der sich eine Vorwärtsspannung Vf vermindert, wenn sich die Temperatur erhöht.
Weil die Dioden D individuelle Differenzen und Variationen in der Entladeperformanz aufweisen, weisen die parallel verbundenen Dioden D1 bis D3 Variationen im Temperaturanstieg während des Ladens auf. In der Diode D, deren Temperatur sich stärker erhöht als diejenigen der anderen Dioden, vermindert sich die Vorwärtsspannung Vf mehr, sodass ein Strom einfach fließen kann. Also auch wenn eine Vielzahl von Dioden D1 bis D3 parallel verbunden sind, konzentriert sich der Strom an einigen der Dioden D, deren Temperaturen angestiegen sind, und fallen diese Dioden D aus.
Wenn also die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo während des Ladens ist, führt die CPU 101 eine Steuerung zum Ausschalten des FET 63A in dem ersten Ladepfad 61A und des FET 63B in dem zweiten Ladepfad 61B wie in 5 gezeigt durch. Weiterhin gibt die CPU 101 ein EIN-Signal (ein Signal zum Steuern des Einschaltens des FET) zu dem FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A mit einem vorbestimmten Steuerzyklus Ts durch, während ein EIN-Signal zu dem FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B mit einem um einen halben Zyklus verschobenen Zyklus eingegeben wird. Das Eingeben von EIN-Signalen zu den entsprechenden FETs 65A und 65B schaltet diese alternierend für jeden Halbzyklus des Steuerzyklus Ts ein.
Daraus resultiert, dass die zwei Ladepfade 61A und 61B zwischen dem Stromversorgungszustand und dem nicht-Stromversorgungszustand nach jeweils einem halben Zyklus Ts/2 des Steuerzyklus Ts geschaltet werden. Wie in 6 gezeigt, fließt der Ladestrom zu der zusammengesetzten Batterie 30 alternierend in den Ladepfaden 61A und 61B, sodass, wenn der Ladestrom in einem Ladepfad (zum Beispiel 61A) fließt, der andere Ladepfad (zum Beispiel 61B) nicht mit Strom versorgt wird. Der Halbzyklus Ts/2 entspricht der „festgelegten Zeit“ gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dadurch wird ein Spannungsabfall aufgrund der parasitären Diode 64A oder 64B unabhängig davon, ob der Ladestrom in dem ersten Ladepfad 61A oder dem zweiten Ladepfad 61B fließt, verursacht. Deshalb kann die Ladespannung für die zusammengesetzte Batterie 30 vermindert werden.
Weil der Ladestrom alternierend durch die zwei Ladepfade 61A und 61B fließt, konzentriert sich der Strom nicht an einer der parasitären Dioden 64A und 64B. Dadurch kann ein Ausfall in den parasitären Dioden 64A und 64B verhindert werden.
8 zeigt eine Ladepfad-Schaltprozedur, die durch die CPU 101 ausgeführt wird. Die Schaltprozedur umfasst fünf Schritte S10 bis S50 und wird ausgeführt, wenn die CPU 101 das Laden der zusammengesetzten Batterie 30 erfasst. Ob die Batterie geladen wird oder nicht, kann basierend auf dem durch den Stromsensor 41 erfassten Strom bestimmt werden.
Eine Ladepfad-Schaltoperation wird mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben in dem die Batterie 20 durch das externe Ladegerät 180 für einen Bleisäurespeicher geladen wird. Die Ladespannung des externen Ladegeräts 180 beträgt 14,8 V.
Wenn die CPU 101 das Laden durch das externe Ladegerät 180 erfasst, erhält die CPU 101 die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 von einer Ausgabe aus dem Spannungsdetektor 45 (S10).
Die CPU 101 vergleicht dann die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 mit der Ladesollspannung Eo und bestimmt, ob die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 gleich oder kleiner als die Ladesollspannung Eo ist (S20). Die Ladesollspannung E0 beträgt 14 V.
9 ist ein Kurvendiagramm, das eine Änderung in der Spannung der zusammengesetzten Batterie nach dem Start des Ladens zeigt. Wie in 9 gezeigt, ist zu der Zeit t0 unmittelbar nach dem Starten des Ladens die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 kleiner als 14 V, sodass JA in Schritt S20 erhalten wird.
Wenn JA in Schritt S20 erhalten wird, führt die CPU 101 eine Steuerung zum Einschalten aller FETs 63A, 65A, 63B und 65B in dem ersten Ladepfad 61A und dem zweiten Ladepfad 61B durch. Deshalb verzweigt wie in 7 gezeigt ein Ladestrom von dem externen Ladegerät 180 und fließt in die zwei Ladepfade 61A und 61B, um die zusammengesetzte Batterie 30 zu laden (S30). Anschließend bestimmt die CPU 101, ob das Laden abgeschlossen ist (S40). Wenn das Laden nicht abgeschlossen ist, kehrt der Prozess zu Schritt S10 zurück.
Nach dem Start des Ladens wird die zusammengesetzte Batterie 30 durch den Ladestrom, der verzweigt und in die zwei Ladepfade 61A und 61B fließt, geladen und steigt die Gesamtspannung Ev. Wenn alle FETs eingeschaltet sind, fließt kein Strom in den parasitären Dioden 64 und 66, sodass ein Laden ohne eine Verminderung der Ladespannung durchgeführt wird.
Wenn die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Ladesollspannung Eo erreicht (Zeit T1 in 9), wird NEIN in Schritt S20 erhalten.
Wenn NEIN in S20 erhalten wird, führt die CPU 101 eine Steuerung zum Ausschalten des FET 63A in dem ersten Ladepfad 61A und des FET 63B in dem zweiten Ladepfad 61B durch. Der FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A und der FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B werden derart gesteuert, dass sie alternierend ein- und ausgeschaltet werden.
Daraus resultiert, dass während der Periode T1 und nachdem die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Ladesollspannung Eo erreicht, wie in 6 gezeigt der Ladestrom alternierend von dem externen Ladegerät 180 zu den zwei Ladepfaden 61A und 61B fließt, um die zusammengesetzte Batterie 30 zu laden, bis das Laden abgeschlossen ist (S40).
Das Laden der zusammengesetzten Batterie 30 endet, wenn die Ladeendbedingung erfüllt wird, d.h. der Wert des Ladestroms einen vorbestimmten Wert oder weniger annimmt oder eine Obergrenzspannung Em erreicht.
Dadurch wird ein Spannungsabfall aufgrund der parasitären Diode 64A oder 64B unabhängig davon, ob der Ladestrom in dem ersten Ladepfad 61A oder dem zweiten Ladepfad 61B fließt, in einer Periode T1 nachdem die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Ladesollspannung Eo erreicht, verursacht.
Wenn also die Ladespannung (Ausgangsspannung) des externen Ladegeräts 180 höher als die Ladesollspannung Eo ist, kann die Ladespannung durch die parasitären Dioden 64A und 64B vermindert werden, um die zusammengesetzte Batterie 30 zu laden.
9 zeigt den Übergang der Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 während des Ladens. Die „durchgezogene Linie“ gibt den Übergang der Spannung an, wenn die Steuerung für das Vermindern der Ladespannung ausgeführt wird. Und die „Strichlinie“ gibt den Übergang der Spannung an, wenn die Steuerung für das Vermindern der Ladespannung nicht ausgeführt wird. Die Obergrenzspannung Em von 9 ist die Obergrenzspannung (die Spannung, bei der das Laden gestoppt wird) der zusammengesetzten Batterie 30. Die Obergrenzspannung Em ist ein Wert, der höher als die Ladesollspannung von 14 V und niedriger als die Ladespannung von 14,8 V des externen Ladegeräts 18 ist und zum Beispiel 14,5 V beträgt.
Nach dem Start des Ladens übersteigt bei t1 von 9 die Gesamtspannung der zusammengesetzten Batterie 30 die Ladesollspannung Eo. Wenn die Steuerung zum Vermindern der Ladespannung nicht ausgeführt wird, steigt danach die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30. Wenn zu der Zeit t2 die Gesamtspannung Ev die Obergrenzspannung Em erreicht, wird die Schutzoperation zum Herunterfahren der Ladeschaltung 60 (Ausschalten aller FETs um den Strom zu unterbrechen) durchgeführt, um das Laden zu stoppen.
Wenn die Steuerung zum Vermindern der Ladespannung durchgeführt wird, wird die Steuerung zum alternierenden Einschalten der zwei FETS 65A und 65B durchgeführt, um die Ladespannung für die zusammengesetzte Batterie EV von 14,8 V zu ungefähr 14,2 V zu Beginn der Zeit t1 von 9 zu vermindern, wenn die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Ladesollspannung Eo überschreitet. Dadurch kann verhindert werden, dass die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 zu der Obergrenzspannung von 14,5 V steigt und kann das Laden der zusammengesetzten Batterie 30 nach der Zeit t2 fortgesetzt werden.
Wenn wie weiter oben beschrieben während des Ladens durch das externe Ladegerät 180 die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher wird als die Ladesollspannung Eo, wird dafür gesorgt, dass ein Strom durch die parasitären Dioden 64A und 64B fließt, um die Ladespannung zu vermindern. Und wenn die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo während des Ladens durch die Lichtmaschine 170 wird, kann dafür gesorgt werden, dass ein Strom durch die parasitären Dioden 64A und 64B fließt, um die Ladespannung zu vermindern. Die Operation während des Ladens wurde vor allem oben beschrieben. Jedoch werden zum Zeitpunkt des Entladens vorzugsweise alle FETs 63A, 63B, 65A und 65B eingeschaltet, um den Entladestrom zu den zwei Ladepfaden 61A und 61B zu verzweigen.
Effekt
Wenn bei dieser Konfiguration die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo ist, kann die Ladespannung für die zusammengesetzte Batterie 30 durch die Ladeschaltung 60 in der Batterie vermindert werden. Dadurch wird die Sicherheit der Batterie 20 verbessert. Und weil der Ladestrom alternierend durch die zwei Ladepfade 61A und 61B fließt, konzentriert sich der Strom nicht an einer der parasitären Dioden 64A und 64B. Dadurch kann ein Ausfall in den parasitären Dioden 64A und 64B verhindert werden.
Weil bei dieser Konfiguration die Ladespannung des externen Ladegeräts 180 bei 14,8 V liegt und die Obergrenzspannung der zusammengesetzten Batterie 30 bei 14,5 liegt, wird die Ladespannung um 0,6 V durch die parasitären Dioden 64A und 64B vermindert, sodass die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 zu gleich oder kleiner als die Obergrenzspannung von 14,5 V vermindert werden kann. Die Spannungsabfallgröße der Ladespannung aufgrund eines Spannungsabfallelements wie etwa einer parasitären Diode ist vorzugsweise derart, dass die Ladespannung nach dem Abfall niedriger als die Obergrenzspannung Em ist, sodass die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Obergrenzspannung Em nicht überschreitet. Auch wenn die Ladespannung nach dem Abfall höher als die Obergrenzspannung ist, wird die Zeitdauer, bis die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Obergrenzspannung Em erreicht, verzögert im Vergleich zu einem Fall, in dem die Ladespannung nicht vermindert wird. Dies bietet den Vorteil einer entsprechenden Verlängerung der Ladezeit der zusammengesetzten Batterie 30.
Bei dieser Konfiguration werden die zwei Ladepfade 61A und 61B für jeden halben Zyklus Ts/2 geschaltet, d.h. für jede festgelegte Zeit, wodurch verhindert werden kann, dass der Ladestrom disproportional durch den spezifischen Ladepfad 61A oder 61B fließt. Dadurch kann ein Ausfall in den parasitären Dioden 64A und 64B verhindert werden.
Die Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 weisen einen höheren Innenwiderstand bei einer niedrigen Temperatur auf als andere Sekundärbatterien und neigen deshalb dazu, eine Überspannungsbedingung zu erreichen, wenn sie bei einer niedrigen Temperatur geladen werden. Als eine Maßnahme zum Beseitigen dieses Problems kann der Ladestrom unterdrückt werden. Wenn bei dieser Konfiguration die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo ist, wird einer Verminderung der Ladespannung gesteuert. Weil der Ladestrom durch die Verminderung der Ladespannung unterdrückt werden kann, kann verhindert werden, dass die Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 eine Überspannungsbedingung aufgrund des Ladens bei einer niedrigen Temperatur erreichen.
<Zweite Ausführungsform>
Wenn in der ersten Ausführungsform die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo ist, führt die CPU 101 eine Steuerung zum alternierenden Schalten zwischen den zwei Ladepfaden 61A und 61B zwischen dem Stromversorgungszustand und dem nicht-Stromversorgungszustand durch das alternierende Eingeben eines EIN-Signals (eines Signals für das Steuern des Einschaltens des FET) zu dem FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A und dem FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B, während das Signal um den halben Zyklus Ts/2 verschoben wird, durch.
Wenn in der zweiten Ausführungsform die Gesamtspannung Ev einer zusammengesetzten Batterie 30 höher als eine Ladesollspannung Eo ist, führt die CPU 101 eine Steuerung für das Schalten zwischen Ladepfaden 61A und 61B in Entsprechung zu Temperaturbedingungen für einen FET 63A und einen FET 63B und insbesondere einer Temperaturdifferenz durch. Die Temperaturinformationen der FETs 63A und 63B können durch einen Temperatursensor 67 erhalten werden.
12 ist ein Flussdiagramm für das Ändern der Pfadschaltsteuerung basierend auf einer Temperaturdifferenz. Wenn die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo ist, führt die CPU 101 eine Steuerung zum Ausschalten des FET 63A in einem ersten Ladepfad 61A und des FET 63B in einem zweiten Ladepfad 61B durch.
Außerdem führt die CPU 101 eine Steuerung zum Ausschalten eines FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A und eines FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B durch. Daraus resultiert, dass nur der erste Ladepfad 61A in den Stromversorgungszustand versetzt wird und die zusammengesetzte Batterie 30 über den ersten Ladepfad 61A (S100) geladen wird.
Die CPU 101 erhält eine Temperatur Ta des FET 63A in dem ersten Ladepfad 61A und eine Temperatur Tb des FET 63B in dem zweiten Ladepfad 61B aus Ausgaben von dem Temperatursensor 67, während das Laden unter Verwendung des ersten Ladepfads 61A durchgeführt wird.
Die CPU 101 berechnet dann eine Temperaturdifferenz Ta - Tb und vergleicht diese mit einem Schwellwert Th. Wenn die Temperaturdifferenz Ta - Tb kleiner als der Schwellwert Th ist, setzt die CPU 101 das Laden über den ersten Ladepfad 61A fort (S110: JA).
Wenn dagegen die Temperaturdifferenz Ta - Tb größer ist als der Schwellwert Th, schaltet die CPU 101 den Ladepfad von dem ersten Ladepfad 61A zu dem zweiten Ladepfad 61B und führt ein Laden durch (S120). Insbesondere schaltet die CPU 101 den Ladepfad durch das Schalten des FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A von ein zu aus und das Schalten des FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B von aus zu ein.
Nach dem Schalten zwischen dem Ladepfad berechnet die CPU 101 eine Temperaturdifferenz Tb - Ta aus einer Ausgabe von dem Temperatursensor 67 und vergleicht diese mit dem Schwellwert Th.
Wenn die Temperaturdifferenz Tb - Ta kleiner als der Schwellwert Th ist, setzt die CPU 101 das Laden über den zweiten Ladepfad 61B fort (S130: JA).
Wenn dagegen die Temperaturdifferenz Tb - Ta größer als der Schwellwert Th ist, schaltet die CPU 101 den Ladepfad von dem ersten Ladepfad 61A zu dem zweiten Ladepfad 61B und führt ein Laden durch (S100).
Wenn wie oben beschrieben in der zweiten Ausführungsform die Temperaturdifferenzen Ta - Tb und Tb - Ta zwischen den zwei FETs 63A und 63B größer als der Schwellwert Th werden, wird der Ladepfad geschaltet. Die Temperaturdifferenzen Ta - Tb und Tb - Ta zwischen den zwei FETs 63A und 63B können kleiner gehalten werden als der Schwellwert Th. Es kann verhindert werden, dass die Temperatur der parasitären Dioden 64A und 64B während des Ladens ansteigt und einen Ausfall in den FETs 63A und 63B verursacht. In dieser Konfiguration werden die Ladepfade 61A und 61B in Entsprechung zu den tatsächlichen Temperaturen der FETs 63A und 63B geschaltet. Dadurch kann eine anormale Wärmeerzeugung der als Spannungsabfallelemente verwendeten parasitären Dioden 64A und 64B unabhängig von der Umgebungstemperatur und der Situation in der Batterie verhindert werden.
<Andere Ausführungsformen>
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene und in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel sind auch die folgenden Ausführungsformen im Erfindungsumfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
(1) Die Energiespeichervorrichtung ist nicht auf die Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 beschränkt, wobei auch andere Typen von Sekundärbatterien verwendet werden können. Dabei kann es sich um Kondensatoren oder ähnliches handeln. Die ersten und zweiten Ausführungsformen verwenden eine Konfiguration, in der die Vielzahl von Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 in Reihe verbunden sind, wobei aber auch eine serielle/parallele Verbindung oder eine Einzelzellenkonfiguration verwendet werden kann.
In der vorstehenden Beschreibung wird die Batterie 20 für Automobile (vierrädrige Fahrzeuge) verwendet, wobei sie aber auch für Motorräder, Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verwendet werden kann. Außerdem wird die Batterie in der vorstehenden Beschreibung für das Starten des Motors verwendet, wobei sie aber auch als eine Hilfsbatterie verwendet werden kann. Die Verwendung der Batterie ist nicht auf ein Fahrzeug beschränkt, sondern kann zum Beispiel auf eine USV oder die Energiespeichervorrichtung eines Solarstromerzeugungssystems angewendet werden. Die an einem Motorrad montierte Batterie 20 muss keine Kommunikationsfunktion mit dem Motorrad aufweisen. Es wird angenommen, dass die Batterie 20 keine Kommunikationsfunktion aufweist. Auch wenn in diesem Fall die Ladespannung (Ausgangsspannung) der an dem Motorrad montierten Lichtmaschine 170 höher ist als die Ladesollspannung, kann keine Einstellung zum Vermindern der Ladespannung durch das Senden eines Befehls von der Batterie 20 zu der Lichtmaschine 170 durchgeführt werden. Die an dem Motorrad montierte Batterie 20 weist das Problem auf, dass die Batterie dazu neigt, mit einer Ladespannung, die höher als die Ladesollspannung ist, geladen zu werden. Das Anwenden der vorliegenden Technologie auf die an dem Motorrad montierte Batterie 20 kann die Ladespannung für die montierte Batterie 30 durch die Ladeschaltung 60 vermindern und dadurch verhindern, dass die montierte Batterie 30 eine Überspannung erreicht.
(2) In der ersten Ausführungsform vermindert die CPU 101, die die Steuereinheit ist, die Ladespannung für die zusammengesetzte Batterie 30 durch das Durchführen einer Steuerung zum Schalten zwischen den Ladepfaden 61A und 61B während des Ladens mit dem externen Ladegerät 180. Wenn die Ladespannung (Ausgangsspannung) der Lichtmaschine 170 höher als die Ladesollspannung ist, während das Automobil 1 fährt, kann die CPU 101 als die Steuereinheit die Ladespannung für die zusammengesetzte Batterie 30 vermindern, indem sie eine Steuerung zum Schalten zwischen den Ladepfaden 61A und 61B durchführt.
(3) Auch wenn die Ladespannung der Lichtmaschine 170 höher als die Ladesollspannung ist, muss die CPU 101, wenn die Zeitdauer, während welcher die Ladespannung höher als die Ladesollspannung ist, kürzer als eine vorbestimmte Zeit ist, keine Steuerung zum Vermindern der Ladespannung durch das Schalten zwischen den Ladepfaden 61A und 61B durchführen. Ein Schalten zwischen den Ladepfaden 61A und 61B kann unterdrückt werden, wenn die Ladespannung der Lichtmaschine 170 vorübergehend aufgrund eines regenerativen Ladens während einer Verlangsamung des Automobils 1 ansteigt. Die vorbestimmte Zeit ist zum Beispiel eine kurze Zeit von ungefähr 50 ms.
(4) Für die erste Ausführungsform wurde eine Konfiguration beschrieben, in der die Ladeschaltung 60 und die Verwaltungseinheit 100 in der Batterie 20 vorgesehen sind. Die Ladeschaltung 60 und die Verwaltungseinheit 100 müssen nicht notwendigerweise in der Batterie 20 installiert sein und können auch außerhalb der Batterie 20 installiert sein, solange sie an dem Fahrzeug montiert sind. Das heißt, dass die Batterie 20 nur aus den Lithiumionen-Sekundärbatterien B1 bis B4 und aus Sensoren zum Messen der Spannung und des Stroms bestehen kann, wobei die außerhalb der Batterie vorgesehene Verwaltungseinheit 100 Ausgaben von den Sensoren überwachen und zwischen den außerhalb der Batterie vorgesehenen Ladepfaden 61A und 61B schalten kann. Diese Technik kann also auch auf ein Energiespeichersystem angewendet werden, das die Energiespeichervorrichtung (die Batterie 20), die nur aus einer zusammengesetzten Batterie und aus Sensoren besteht, die Ladeschaltung 60, die außerhalb der Energiespeichervorrichtung angeordnet ist, und die Steuereinheit (die Verwaltungseinheit 100), die außerhalb der Energiespeichereinrichtung angeordnet ist, umfasst. Weiterhin wurde für die Ausführungsform eine Konfiguration beschrieben, in der die Ladeschaltung 60 auf der Positivelektrodenseite der zusammengesetzten Batterie 30 angeordnet ist. Die Ladeschaltung (eine Schaltung, in der Spannungsabfallelemente und Schalter an einer Vielzahl von Ladepfaden angeordnet sind) kann aber auch auf der Negativelektrodenseite angeordnet sein.
(5) In den ersten und zweiten Ausführungsformen wird die Ladespannung unter Verwendung der parasitären Dioden 64A und 64B der FETs 63A und 63B vermindert. Das Spannungsabfallelement kann ein beliebiges Element sein, das einen Spannungsabfall verursacht, wenn ein Strom fließt, und muss keine Diode sein. Insbesondere wenn Elemente verwendet werden, die jeweils einen Spannungsabfall verursachen und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen (je höher die Temperatur, desto kleiner der Widerstandswert), konzentriert sich der Strom, wenn die Elemente parallel verbunden sind, an einigen der Elemente, deren Temperatur angestiegen ist. Deshalb kann die vorliegende Technologie auch auf einen Fall angewendet werden, in dem eine Diode anstelle eines Elements mit einem negativen Temperaturkoeffizienten verwendet wird. Weil der Kollektor-Emitter des Transistors einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und die Sättigungsspannung bei ungefähr 0,3 V (Vce = 0,3 V) liegt, kann sie anstelle der Diode verwendet werden.
(6) In den ersten und zweiten Ausführungsformen sind die zwei back-to-back verbundenen FETs 63A und 65A in dem Ladepfad 61A angeordnet und sind die zwei back-to-back verbundenen FETs 63B und 65B in dem Ladepfad 61B angeordnet. Die FETs 63A und 63B können durch eine Diode (eine einzelne Einheit) ersetzt werden. Weiterhin können die FETs 65A und 65B Schalter sein und durch Bipolartransistoren oder ähnliches ersetzt werden.
(7) In der ersten Ausführungsform sind die zwei back-to-back verbundenen FETs 63A und 65A in dem Ladepfad 61A angeordnet und sind die zwei back-to-back verbundenen FETs 63B und 65B in dem Ladepfad 61B angeordnet. Außerdem sind die zwei back-to-back verbundenen FETs 63A und 65A in nur einem Ladepfad 61A angeordnet, und es können eine einzelne Diode und ein einzelner Schalter anstelle der zwei back-to-back verbundenen FETs 63B und 65B in dem anderen Ladepfad 61B angeordnet sein. Die back-to-back-Verbindung kann durchgeführt werden, um die Sources anstatt der Drains der FETs miteinander zu verbinden.
(8) Wenn in der ersten Ausführungsform die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 gleich oder niedriger als die Ladesollspannung Eo ist, werden alle vier FETs 63A, 63B, 65A und 65B eingeschaltet, um eine Stromversorgung des ersten Ladepfads 61A und des zweiten Ladepfads 61B zu ermöglichen. Es können aber auch nur die FETs 63A und 65A in dem ersten Ladepfad 61A eingeschaltet werden, um eine Stromversorgung nur des ersten Ladepfads 61A zu ermöglichen.
(9) Für die ersten und zweiten Ausführungsformen wurde ein Fall beschrieben, in dem die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo ist, wobei dafür gesorgt wird, dass ein Strom durch die parasitären Dioden 64A und 64B der FETs 63A und 63B fließt, um die Ladespannung zu vermindern. Und wenn die Ladespannung (Ausgangsspannung) der Lichtmaschine 170 oder des externen Ladegeräts 180 höher als die Ladesollspannung Eo ist, kann dafür gesorgt werden, dass ein Strom durch die parasitären Dioden 64A und 64B der FETs 63A und 63B fließt, um die Ladespannung zu vermindern. Eine Ladespannung kann durch das Erfassen einer Potentialdifferenz zwischen dem Paar von Anschlussteilen 22P und 22N mit einem Sensor erhalten werden.
Wenn zuvor bekannt ist, dass ein Ladegerät mit einer Ladespannung, die höher als die Ladesollspannung Eo ist, verwendet wird, kann dafür gesorgt werden, dass Ströme durch die parasitären Dioden 64A und 64B der FETs 63A und 63B fließen, um die Ladespannung während des Ladens immer, d.h. unabhängig von der Größenbeziehung zwischen der Ladespannung und der Ladesollspannung Eo und der Größenbeziehung zwischen der Gesamtspannung Ev und der Ladesollspannung Eo, zu vermindern. In Abhängigkeit von dem Verwendungszweck und der Nutzungsumgebung kann dafür gesorgt werden, dass Ströme durch die parasitären Dioden 64A und 64B der FETs 63A und 63B fließen, um die Ladespannung immer zu vermindern. Die vorliegende Erfindung kann auf einen Fall angewendet werden, in dem eine Verschlechterung der zusammengesetzten Batterie 30 durch das Vermindern der Ladespannung verzögert werden soll oder die zusammengesetzte Batterie 30 mit einer Spannung unterhalb einer Sollspannung geladen werden soll.
(10) In den ersten und zweiten Ausführungsformen sind zwei Pfade, nämlich der erste Ladepfad 61A und der zweite Ladepfad 61B, als Ladepfade zu der zusammengesetzten Batterie 30 vorgesehen. Wenn die Ladespannung gleich oder niedriger als die Ladesollspannung Eo ist, wird ein Laden durch das Verzweigen eines Stroms in die zwei Ladepfade 61A und 61B durchgeführt. Und wenn die Ladespannung höher als die Ladesollspannung Eo ist, wird ein Laden durchgeführt, indem dafür gesorgt wird, dass ein Strom alternierend durch die zwei Ladepfade 61A und 61B fließt. Außerdem kann eine Batterie 300 wie in 13 gezeigt mit einem Ladepfad (Hauptpfad) Lo für die Verwendung, wenn die Ladespannung gleich oder niedriger als die Ladesollspannung Eo ist, und mit Ladepfaden (Nebenpfaden für einen Spannungsabfall) L1 und L2 für die Verwendung, wenn die Ladespannung höher als die Ladesollspannung Eo ist, versehen sein. Der Ladepfad Lo ist mit einem Schalter SWo wie etwa einem Relais versehen und weist kein Spannungsabfallelement wie etwa eine Diode auf. Der Ladepfad L1 und der Ladepfad L2 sind parallel mit dem Ladepfad Lo verbunden, der Ladepfad L1 ist mit einer Diode D1 und einem Schalter SW1 versehen und der Ladepfad L2 ist mit einer Diode D2 und einem Schalter SW2 versehen.
Wenn bei der Batterie 300 die Ladespannung gleich oder niedriger als die Ladesollspannung Eo ist, schaltet die Verwaltungseinheit 100 nur den Schalter SWo ein und schaltet die Schalter SW1 und SW2 aus. Wenn also die Ladespannung gleich oder niedriger als die Ladesollspannung Eo ist, wird nur der Ladepfad Lo ohne ein Spannungsabfallelement mit Strom versorgt und fließt ein Ladestrom von einem externen Ladegerät 180 durch den Ladepfad Lo, um eine zusammengesetzte Batterie 30 zu laden.
Wenn dagegen die Ladespannung höher als die Ladesollspannung Eo ist, schaltet die Verwaltungseinheit 100 den Schalter SWo aus und schaltet alternierend die Schalter SW1 und SW2 ein. Wenn also die Ladespannung höher als die Ladesollspannung Eo ist, wird der Ladepfad Lo zu dem nicht-Stromversorgungszustand versetzt und werden die Ladepfade L1 und L2 mit den Dioden D1 und D2 alternierend zu dem Stromversorgungszustand versetzt. Deshalb fließt ein Ladestrom von dem externen Ladegerät 180 alternierend durch die Ladepfade L1 und L2, um die zusammengesetzte Batterie 30 zu laden. Die Ladespannung kann durch den Spannungsabfall vermindert werden, der durch die in den Ladepfaden L1 und L2 angeordneten Dioden D1 und D2 vorgesehen wird.
(11) Wenn die Ladespannung höher als die Ladesollspannung Eo ist, können die Ladepfade zwei oder mehr parallele Pfade umfassen. Wie in 14 gezeigt, können vier Ladepfade L1 bis L4 parallel verbunden sein. Um zwischen den Ladepfaden L1 bis L4 zu schalten, kann der nicht mit Strom zu versorgende Ladepfad während des Ladens geschaltet werden. Zum Beispiel können wie in 15 gezeigt eine Vielzahl von mit Strom zu versorgenden Ladepfaden L1 bis L4 verschoben mit vorbestimmten Zeitintervallen geschaltet werden.
(12) Eine in 16 gezeigte Batterie 400 weist eine mit zwei Ladeschaltungen 460A und 460B versehene Konfiguration auf. Die Ladeschaltung 460A und die Ladeschaltung 460B unterscheiden sich durch die Anzahl von seriellen Dioden D, die in jedem der Ladepfade L1 und L2 angeordnet sind. In der Ladeschaltung 460A ist die Anzahl der seriellen Dioden gleich „1“. Im Gegensatz dazu ist in der Ladeschaltung 460B die Anzahl von seriellen Dioden gleich „3“. Wenn die Vorwärtsspannung der Diode D gleich 0,6 V ist, ist die Spannungsabfallgröße der Ladeschaltung 460A gleich 0,6 V, während die Spannungsabfallgröße der Ladeschaltung 460B gleich 0,6 × 3 ist. Die Batterie 400 weist den Vorteil auf, dass sie die Abfallgröße der Ladespannung ändern kann, indem sie zwischen den Ladeschaltungen 460A und 460B schaltet. Weiterhin kann die Ladeschaltung 460B ein anderes Spannungsabfallelement als eine Diode verwenden. Durch das Setzen der Spannungsabfallgröße der Ladeschaltung 460B zu einem Wert für einen Fall, in dem ein 24-V-System oder ein 48-V-System verbunden ist, kann die 12-V-Systembatterie 400 auch mit einem Ladegerät mit einer anderen Spannungsklasse als einem 12-V-System wie etwa einem 24-V- oder einem 48-V-System geladen werden.
(13) Wenn in der ersten Ausführungsform die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 höher als die Ladesollspannung Eo ist werden wie in 5 gezeigt der FET 63A in dem ersten Ladepfad 61A und der FET 63B in dem zweiten Ladepfad 61B für ein Ausschalten gesteuert, während der FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A und der FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B für ein alternierendes Ein- und Ausschalten nach jeweils einem halben Zyklus Ts/2 gesteuert werden. Zusätzlich dazu können die Einschaltzeiten der zwei FETs 65A und 65B in Entsprechung zu den Temperaturbedingungen für die Ladepfade 61A und 61B geändert werden. 17 zeigt, wie jeder FET ein- und ausgeschaltet wird, wenn die Temperatur Ta des FET 63A höher als die Temperatur Tb des FET 63B ist (Ta > Tb). Die CPU 101 setzt eine Einschaltzeit Ton1 des FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A, der eine hohe Temperatur aufweist, zu kürzer als eine Einschaltzeit Ton2 des FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B, der eine niedrige Temperatur aufweist.
Die Einschaltzeiten Ton1 und Ton2 der FETs 65A und 65B werden in Entsprechung zu der Temperatur Ta des FET 63A und der Temperatur Tb des FET 63B geändert. Wenn die Temperatur Ta des FET 63A niedriger ist als die Temperatur Tb des FET 63B (Ta < Tb), wird die Einschaltzeit Ton2 des FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B mit einer hohen Temperatur kürzer gesetzt als die Einschaltzeit Ton1 des FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A mit einer niedrigen Temperatur. Dadurch wird die Zeit, während welcher der Ladepfad mit einer höheren Temperatur nicht mit Strom versorgt wird, länger vorgesehen als die Zeit, während welcher der Ladepfad 61B mit einer niedrigeren Temperatur nicht mit Strom versorgt wird, wodurch eine Wärmeerzeugung in dem Ladepfad mit einer höheren Temperatur unterdrückt wird und die Temperaturdifferenz von dem Ladepfad mit einer niedrigeren Temperatur reduziert wird.
(14) Für die zweite Ausführungsform wurde ein Verfahren zum Schalten zwischen den Ladepfaden gemäß der Temperaturdifferenz zwischen den FETs 63A und 63B beschrieben. Alternativ dazu können die Ladepfade auch geschaltet werden, wenn einer der zwei FETs 63A und 63B eine Schwellwerttemperatur erreicht.
(15) Wenn in der ersten Ausführungsform die Gesamtspannung Ev der zusammengesetzten Batterie 30 die Ladesollspannung Eo überschreitet, schaltet die CPU 101 alternierend den FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A und den FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B ein, damit Ströme alternierend durch die zwei Ladepfade 61A und 61B fließen. Wie in 18 gezeigt, kann während der Schaltsteuerung der Ladepfade 61A und 61B die CPU 101 die zwei FETs 65A und 65B steuern, um eine überlappende Periode W sicherzustellen, in welcher der FET 65A in dem ersten Ladepfad 61A und der FET 65B in dem zweiten Ladepfad 61B eingeschaltet sind. Durch das Sicherstellen der überlappenden Periode W kann verhindert werden, dass die zwei FETs 65A und 65B gleichzeitig ausgeschaltet werden und das Laden gestoppt wird, wenn die Ladepfade 61A und 61B geschaltet werden. Um die überlappende Periode W vorzusehen, kann das Verhältnis einer Einschaltzeit Ton der FETs 65A und 65B zu dem Steuerzyklus Ts höher als 50% gesetzt werden. Wenn das Verhältnis zwischen der Zeit Ton und dem Steuerzyklus Ts zum Beispiel 60% beträgt, können 10% des Steuerzyklus Ts als die überlappende Periode W gesetzt werden.
(12) Die in den ersten und zweiten Ausführungsformen beschriebenen Techniken können in verschiedenen Formen implementiert werden, wie etwa als ein Ladepfad-Schaltprogramm für das Laden einer Energiespeichereinrichtung und als ein Aufzeichnungsmedium mit dem darauf aufgezeichneten Programm.
Ein Schaltprogram ist ein Ladepfad-Schaltprogramm zum Laden von Energiespeichereinrichtungen. Das Programm veranlasst einen Computer (eine Verwaltungseinheit 100) zum, in einer Konfiguration, in der die Vielzahl von Ladepfaden parallel verbunden sind und jeder Ladepfad mit einem Spannungsabfallelement und einem in Reihe damit verbundenen Schalter versehen ist, Durchführen einer Verarbeitung (S40) zum Steuern der Schalter für das Schalten eines Ladepfads aus der Vielzahl von Ladepfaden, der während des Ladens nicht mit Strom versorgt wird.
Bezugszeichenliste

20: Batterie (entspricht einer „Energiespeichervorrichtung“ gemäß der vorliegenden Erfindung
30: Zusammengesetzte Batterie
41: Stromsensor
45: Spannungsdetektor
50: Ladesteuervorrichtung
60: Ladeschaltung
61A: erster Ladepfad
61B: zweiter Ladepfad
63A, 65A: FET
64A, 66A: parasitäre Diode
63B, 65B: FET
64B, 66B: parasitäre Diode
100: Verwaltungseinheit
101: CPU (entspricht einer „Steuereinheit“ gemäß der vorliegenden Erfindung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008199717 A [0003]

Claims

Ladesteuervorrichtung, die das Laden einer Energiespeichereinrichtung steuert, wobei die Ladesteuervorrichtung umfasst: eine Vielzahl von parallel verbundenen Ladepfaden für die Energiespeichereinrichtung, ein Spannungsabfallelement und einen damit in Reihe verbundenen Schalter an jedem der Ladepfade, und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit die Schalter für das Schalten des Ladepfads aus der Vielzahl von Ladepfaden, der während des Ladens nicht mit Strom versorgt wird, steuert.
Ladesteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Spannungsabfallelement eine Diode ist.
Ladesteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit ein Schalten zwischen den Ladepfaden durchführt, wenn eine Ladespannung oder eine Spannung der Energiespeichereinrichtung höher als eine Sollspannung ist.
Ladesteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit zwischen den Ladepfaden basierend auf einer festgelegten Zeit schaltet.
Ladesteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit zwischen den Ladepfaden basierend auf einer Temperaturbedingung für das Spannungsabfallelement schaltet.
Ladesteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit zwischen den Ladepfaden derart schaltet, dass eine Zeit, während welcher der Ladepfad mit einer höheren Temperatur nicht mit Strom versorgt wird, länger ist als eine Zeit, während welcher der Ladepfad mit einer niedrigeren Temperatur nicht mit Strom versorgt wird.
Ladesteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinheit die Schalter in den Ladepfaden derart steuert, dass die Schalter in den Ladepfaden während der Schaltsteuerung der Ladepfade eine überlappende Periode aufweisen, in der die Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind.
Ladesteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens ein Ladepfad der parallel verbundenen Ladepfade zwei FETs aufweist, die back-to-back verbunden sind und eingebaute parasitäre Dioden aufweisen.
Ladesteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: jeder der parallel verbundenen Ladepfade zwei FETs aufweist, die back-to-back verbunden sind und eingebaute parasitäre Dioden aufweisen, die Steuereinheit eine Steuerung zum gleichzeitigen Einschalten der zwei back-to-back verbundenen FETs in wenigstens einem der parallel verbundenen Ladepfade aufweist, wenn eine Ladespannung oder eine Spannung der Energiespeichereinrichtung niedriger als eine Sollspannung ist, und die Steuereinheit eine Steuerung durchführt, wenn eine Ladespannung oder eine Spannung der Energiespeichereinrichtung höher als eine Sollspannung ist, zum: Ausschalten der FETs der zwei FETs, die in jedem der Ladepfade installiert und back-to-back verbunden sind, wobei die eingebauten parasitären Dioden in einer Vorwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen sind, und Einschalten der FETs der zwei FETs, die in jedem der Ladepfade installiert und back-to-back verbunden sind, wobei die eingebauten parasitären Dioden in einer Rückwärtsrichtung in Bezug auf die Laderichtung vorgesehen sind, zu verschiedenen Zeiten zwischen den Ladepfaden.
Energiespeichervorrichtung, umfassend: eine Energiespeichereinrichtung, und eine Ladesteuervorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 9.
Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung unter Verwendung einer Vielzahl von parallel verbundenen Ladepfaden, wobei die Ladepfade jeweils ein Spannungsabfallelement und einen in Reihe damit verbundenen Schalter enthalten, wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Schalter für das Schalten des Ladepfads der Vielzahl von Ladepfaden, die während des Ladens nicht mit Strom versorgt werden, während ein Laden mit einer Verminderung einer Ladespannung unter Verwendung der Spannungsabfallelemente durchgeführt wird.