JP2007295707A - 移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機等の移動体にリチウムイオン電池及びそれの充電装置を搭載する場合に、充電装置の回路構成を可及的に簡素化する。
【解決手段】移動体に搭載されて、発電機５の発電電力を直流電力に変換する直流電源装置ＤＰからの供給電圧でリチウムイオン電池１を充電する移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置において、前記直流電源装置ＤＰから前記リチウムイオン電池１への充電経路に配置されて、前記リチウムイオン電池１への充電電流を通過させる入り状態と前記充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる半導体スイッチング素子ＳＳと、前記リチウムイオン電池１の電圧が設定電圧に達するに伴って、前記半導体スイッチング素子ＳＳを前記切り状態に切換え、その切り状態への切換え後、前記リチウムイオン電池の電圧のの低下に伴って、前記半導体スイッチング素子ＳＳを前記入り状態に切換える電池管理装置２とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機等の移動体に搭載されて、発電機の発電電力を直流電力に変換する直流電源装置からの供給電圧でリチウムイオン電池を充電する移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置に関する。

リチウムイオン電池に対する充電については、ニッカド電池等の他の二次電池に対する充電よりも精密な制御を要する。
リチウムイオン電池の充電装置としては、従来、下記特許文献１にも記載のような定電流／定電圧充電により行うのが一般的である。
すなわち、充電開始から電池電圧が設定電圧（例えば、４．２Ｖ等）に到達するまでは定電流にて電池を充電し、上記設定電圧に到達してからは定電圧充電に切換えて、電池が満充電となるまで充電する。
このような充電形式で充電することで、リチウムイオン電池を非常に高い充電状態（ＳＯＣ）まで充電することができる。
特開平１０−１３６５７９号公報

しかしながら、リチウムイオン電池のエネルギー密度の高さに着目して、リチウムイオン電池及びそれの充電装置を航空機等の移動体への搭載用途として考えた場合、上記のような定電流／定電圧充電を行う方式の回路構成では、大きな重量増加を招いてしまうことになる。
すなわち、定電流／定電圧充電を行う回路は、いわゆるスイッチング電源回路として構成することになるが、このような回路は一般的な電子機器用途としての見方ではそれほど大きな装置というわけではない。
ところが、少しでも搭載部品の軽量化が要求される航空機等の移動体搭載用途としては、移動体の発電機の発電電力によって電池を充電することになるこれらの回路が取り扱う電流は、数十アンペアあるいはそれ以上の大電流となり、各回路部品をそのような大電流を取り扱える部品で構成すると、上記の定電流／定電圧充電の充電回路の重量がかなり重くなってしまうのである。

現状では、例えば航空機搭載用の電池としてはニッカド電池を用いるのが一般的であるが、ニッカド電池の充電装置の回路構成は、ニッカド電池の充電制御の容易さから、極めて簡素な回路構成であり、ニッカド電池等に比較してリチウムイオン電池のエネルギー密度が高いことに着目して、従来のニッカド電池からの置き換えを検討しても、充電装置の重量増加によって電池自体による軽量化のメリットがかなり減殺されてしまう。
更に、上記の「重量」の観点以外に、回路部品の「数」として見ても、スイッチング電源回路は部品点数はそれほど極端には多いわけではないが、上記のニッカド電池の充電装置の部品点数に比較すればかなり多いものとなってしまう。
搭載機器の高度な信頼性を要求される航空機等の移動体では、信頼性向上のために部品点数の低減が至上命題であることから、部品点数の増加を極力回避することが要求される。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、航空機等の移動体にリチウムイオン電池及びそれの充電装置を搭載する場合に、充電装置の回路構成を可及的に簡素化する点にある。

本出願の第１の発明は、移動体に搭載されて、発電機の発電電力を直流電力に変換する直流電源装置からの供給電圧でリチウムイオン電池を充電する移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置において、前記直流電源装置から前記リチウムイオン電池への充電経路に配置されて、前記リチウムイオン電池への充電電流を通過させる入り状態と前記充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる半導体スイッチング素子と、前記リチウムイオン電池の電圧が設定電圧に達するに伴って、前記半導体スイッチング素子を前記切り状態に切換え、その切り状態への切換え後、前記リチウムイオン電池の電圧のの低下に伴って、前記半導体スイッチング素子を前記入り状態に切換える電池管理装置とが設けられている。

航空機等の移動体に搭載される発電機の発電電力を直流電力に変換する前記直流電源装置は、比較的電圧変動が大きく、前記直流電源装置の発生電圧が最大電圧となっているときには、直流電源装置と電池との電圧の差が大きく、充電電流として大電流が流れることになる。
そのような大電流で充電される場合、リチウムイオン電池内の内部インピーダンスのために、充電が十分には進行していないにも拘わらず電池電圧が急速に上昇する。
その電圧上昇によって、電池電圧が前記設定電圧に達すると半導体スイッチング素子が切り状態となりリチウムイオン電池への充電電流が停止する。
充電電流が停止すると、上記のように電池への充電が十分ではないために電池電圧が低下することになる。
電池管理装置は、この電池電圧の低下を、例えば電池電圧の検出情報やあるいは充電電流を停止させてからの経過時間の計時情報等によって把握し、再び半導体スイッチング素子を入り状態に切換えて充電電流の供給を再開する。

この充電電流の供給の再開によって、リチウムイオン電池の電池電圧は再び上昇に転じて、前記設定電圧に達すると半導体スイッチング素子が充電電流の供給を停止させる。
以降、この動作を繰り返して行くことになる。
この電池電圧の上昇と下降との繰り返しのなかで、リチウムイオン電池の充電の程度を示すＳＯＣは徐々に上昇して行き、ある程度の時間が経過すると、リチウムイオン電池を実用上十分な程度に充電することができる。
このような充電過程で、機械式リレーに比較して高速に入り切りを切換えられ且つ高い頻度で切換え操作しても十分な信頼性を維持できる半導体スイッチング素子を使用して、直流電源装置からリチウムイオン電池への充電電流を高速且つ高頻度で入り切りすることで、比較的に短時間でリチウムイオン電池のＳＯＣを上昇させることができる。
しかもその入り切りの制御は、リチウムイオン電池の電圧が設定電圧を超えるか否かと、電池電圧が低下したことの特定だけで制御できるため、この入り切りを制御する電池管理装置の回路構成も極めて簡素なものとできる。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記リチウムイオン電池と直列に電流制限用の抵抗器が接続されている。
すなわち、上述のように、前記直流電源装置は電源電圧の変動が激しく、前記直流電源装置の発生電圧が最大電圧となっているときには、充電電流として大電流が流れてしまう。
充電電流が大電流であるほど、電池の内部インピーダンスによる電池電圧の上昇が大きく、このため、半導体スイッチング素子が充電電流を切り操作したときの電池電圧の降下も大きくなる。
このように半導体スイッチング素子による充電電流の入り切りに伴う電池電圧の変動が大きいということは、リチウムイオン電池が十分に充電されるまでに要する時間が長くなってしまうことを意味している。
そこで、リチウムイオン電池への充電電流を抑制するための抵抗器を備えることで、電池の内部インピーダンスによる電池電圧の上昇を抑制するのである。

又、本出願の第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加えて、前記リチウムイオン電池と直列で且つ充電電流の方向を順方向とするようにダイオードが接続されている。
すなわち、上記のようにリチウムイオン電池と直列に電流制限用の抵抗器を接続するか、あるいは、前記半導体スイッチング素子のＯＮ抵抗を利用する等して充電電流を抑制しても、前記直流電源装置の発生電圧自体は依然として高い電圧となり得るため、十分に充電電流を小さくすることが望まれる充電末期（満充電付近）においては、充電電流の抑制効果が十分ではない。
このような場合に、リチウムイオン電池と直列にダイオードを接続して、ダイオードの順電圧の電圧降下によって、実質的にリチウムイオン電池に作用する電圧を小さくすることで充電電流を抑制することができ、特に充電末期では、この充電電流の抑制が効果的に作用し、リチウムイオン電池をより満充電に近い状態にまで持っていける。
尚、このダイオードを複数個直列に接続することで、ダイオードによる電圧降下の程度は適宜に設定できる。

又、本出願の第４の発明は、上記第３の発明の構成に加えて、前記ダイオードと並列に、前記電池管理装置にて入り切りが制御されるスイッチ装置を含む電流経路が接続され、前記電池管理装置は、前記直流電源装置の電圧と前記リチウムイオン電池の電圧との差が小さくなったときに、前記スイッチ装置を切り状態から入り状態に切換えて、前記ダイオードに流れる電流を前記スイッチ装置を含む電流経路にバイパスさせるように構成されている。
すなわち、リチウムイオン電池と直列にダイオードを接続して、そのダイオードの順電圧による電圧降下で、前記直流電源装置とリチウムイオン電池との電圧差を吸収させる場合、前記直流電源装置の電圧が低くなったとき、あるいは、充電が進んでリチウムイオン電池の電圧が上昇したとき、両者の電圧の差が小さくなって、ダイオードの存在によって必要以上に充電電流を低下させ過ぎてしまう場合もある。

そこで、このような場合のために、ダイオードと並列にバイパス用の電流経路を接続して、そのバイパス用の電流経路に備えるスイッチ装置を、入り状態としてダイオードに流れる電流をバイパス用の電流経路にバイパスさせるか、あるいは、切り状態としてそのバイパス用の電流経路を開放するかに切換え制御することで、ダイオードの順電圧による電圧降下を必要とするときは前記スイッチ装置を切り状態とし、ダイオードによる電圧降下が不要となったときには前記スイッチ装置を入り状態として、ダイオードではなくバイパス用の電流経路側に充電電流を流すようにする。

又、本出願の第５の発明は、上記第１〜第４のいずれかの発明の構成に加えて、前記リチウムイオン電池への充電経路の途中に、前記リチウムイオン電池への充電電流を通過させる入り状態と前記充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる機械式リレーが接続され、前記電池管理装置は、前記リチウムイオン電池の電圧が、前記半導体スイッチング素子の入り切りを切換えるための前記設定電圧よりも高い電圧に設定された非常停止用の設定電圧に達するに伴って、前記機械式リレーを前記切り状態とするように構成されている。

すなわち、充電制御のための半導体スイッチング素子に加えて、機械式リレーによってリチウムイオン電池への充電電流を入り切りできるようにしている。
但し、この機械式リレーは半導体スイッチング素子と異なり、リチウムイオン電池に適正に充電するための充電制御に用いるのではなく、半導体スイッチング素子に故障が発生した場合の充電電流の非常停止用として備えている。
半導体スイッチング素子の故障モードは一般に短絡モードであるので、半導体スイッチング素子に故障が発生した場合、リチウムイオン電池に対する充電電流が流れた状態のままで制御不能となってしまう。
このような場合に、機械式リレーによって充電電流を遮断できるようにすることで、リチウムイオン電池を的確に保護できる。
更に、この機械式リレーの制御についても、非常停止用の設定電圧との比較だけで入り切りを制御できるので、制御回路を可及的に簡素化できる。

上記第１の発明によれば、高速に入り切りを切換えられ且つ高い頻度で切換え操作しても十分な信頼性を維持できる半導体スイッチング素子を用いて、その半導体スイッチング素子にて充電電流を入り切りするだけの簡素な構成でリチウムイオン電池の充電を行うことができる。
しかもその入り切りの制御は、リチウムイオン電池の電圧が設定電圧を超えるか否かと、電池電圧が低下したことの特定だけで制御できるため、この入り切りを制御する電池管理装置の回路構成も極めて簡素なものとできる。
もって、航空機等の移動体にリチウムイオン電池及びそれの充電装置を搭載する場合に、充電装置の回路構成を可及的に簡素化できるに至った。

又、上記第２の発明によれば、リチウムイオン電池への充電電流を充電の初期から抑制するための抵抗器を備えることで、電池の内部インピーダンスによる電池電圧の上昇を抑制することができ、リチウムイオン電池への充電を迅速に進行させることができる。
又、上記第３の発明によれば、ダイオードの順電圧の電圧降下によって、実質的にリチウムイオン電池に作用する電圧を小さくすることで充電電流を抑制することができ、特に充電末期では、この充電電流の抑制が効果的に作用し、リチウムイオン電池をより満充電に近い状態にまで持っていける。

又、上記第４の発明によれば、前記スイッチ装置の入り切りを切換えることで、リチウムイオン電池の充電のために作用する電圧を的確に制御することができ、リチウムイオン電池の充電をより効率良く行うことができる。
又、上記第５の発明によれば、充電制御のための前記半導体スイッチング素子に故障が発生した場合でも、機械式リレーによって充電電流を遮断できるようにすることで、リチウムイオン電池を的確に保護できる。

以下、本発明の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置の実施の形態を、移動体の１例である航空機に搭載する場合について、図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
航空機に搭載されるリチウムイオン電池及びそれを充電するためのリチウムイオン電池充電装置を図１に概略的に示す。
本実施の形態で例示するリチウムイオン電池１は複数の単電池を直列に接続して構成され、そのリチウムイオン電池１と電池管理装置２とを組合わせた電池ユニットＢＵとして航空機に搭載される。
電池管理装置２は、リチウムイオン電池１を構成する各単電池の電圧測定と、詳しくは後述するが、その電圧測定結果に基づく充電電流の入り切りの制御行う。
リチウムイオン電池１を充電するためのリチウムイオン電池充電装置３（以下、単に「充電装置３」と称する）は、航空機内の直流電力供給用の母線（バスバー）４に接続して、この母線４からリチウムイオン電池１の充電電流を受入れる。

この母線４には、航空機搭載の発電機５の発電電力を変圧整流器（ＴＲＵ）６にて直流電力に変換したものが供給され、この母線４を経由して航空機内の各種の電気機器へ直流電力を供給する。
従って、リチウムイオン電池１は、変圧整流器６により構成される直流電源装置ＤＰからの供給電圧で充電される。
変圧整流器６の出力電圧は例えば約３０Ｖであり、±５％程度の精度で出力電圧が比較的大きく変動する。

充電装置３は、変圧整流器６からリチウムイオン電池１への充電経路にリチウムイオン電池１と直列に配置されて、リチウムイオン電池１への充電電流を通過させる入り状態と充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる半導体スイッチング素子ＳＳであるＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタ１１と、トランジスタ１１と同じくリチウムイオン電池１の充電経路の途中においてリチウムイオン電池１と直列に接続されてリチウムイオン電池１への充電電流を通過させる入り状態と充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる機械式リレー１２とを主要部として構成される極めてシンプルな回路構成としてある。
トランジスタ１１及び機械式リレー１２の入り切りの制御は、電池ユニットＢＵに備えられている電池管理装置２が行う。もちろん、電池ユニットＢＵの電池管理装置２とは別個に、充電装置３専用の電池管理装置を備えてトランジスタ１１及び機械式リレー１２の入り切りを制御しても良い。

〔電池管理装置２による充電制御〕
電池管理装置２による充電制御は、トランジスタ１１に対する入り切りの制御によって行う。
機械式リレー１２は、通常の充電制御において入り切りを制御されるものではなく、通常の充電制御においては入り状態に維持され、トランジスタ１１が短絡故障を起こして適正に充電が行われなくなったときに切り状態に切換えられて、リチウムイオン電池１への充電電流を遮断する。

電池管理装置２のトランジスタ１１に対する入り切りの制御態様は、極めてシンプルであり、組電池としてのリチウムイオン電池１を構成する単電池のうちの最も電池電圧の高い単電池の電圧が、充電により上昇して設定電圧（Ｖｕ）に達するに伴って、トランジスタ１１を切り状態として充電電流を遮断し、その後、リチウムイオン電池１の電圧の低下に伴って再び入り状態に切換えてリチウムイオン電池１への充電電流の供給を再開する、という動作を繰り返す。
トランジスタ１１を入り状態から切り状態に切換える上記の設定電圧（Ｖｕ）は、例えば４．０３Ｖとする。

トランジスタ１１を切り状態とした後のリチウムイオン電池１の電圧の低下は、単電池の電圧測定による直接的な電圧情報と、トランジスタ１１を切り状態とした後の経過時間を電池管理装置２に内蔵されているタイマーによって計時した経過時間情報とによって把握する。
より具体的には、トランジスタ１１を切り状態から入り状態に切換えるための電圧「Ｖｏｎ」と、トランジスタ１１を切り状態から入り状態に切換えるための時間「Ｔｏｎ」とを設定しておき、リチウムイオン電池１の単電池の電圧が電圧「Ｖｏｎ」まで低下するか、あるいは、トランジスタ１１を切り状態としてからの経過時間が時間「Ｔｏｎ」に達したかの、いずれか一方の条件が満たされると、トランジスタ１１を切り状態から入り状態へ切換える。

もちろん、トランジスタ１１を切り状態とした後のリチウムイオン電池１の電圧の低下を、単電池の電圧測定による直接的な電圧情報、あるいは、トランジスタ１１を切り状態とした後の経過時間を電池管理装置２に内蔵されているタイマーによって計時した経過時間情報のいずれか一方のみによって把握するように構成しても良い。
尚、単電池の電圧測定による直接的な電圧情報のみによって、リチウムイオン電池１の電圧の低下を把握する場合は、上記電圧「Ｖｏｎ」を、充電の進行に伴って、より高い電圧に切換えていくようにしても良い。

〔充電経過の説明〕
次ぎに、上記構成によるリチウムイオン電池１の充電経過を、充電電圧の変化を示す図２及び図３によって説明する。
図２の曲線Ｐ１は、充電の進行に伴う、充電電圧と充電電流との関係を、説明の便宜上、トランジスタ１１を切り状態に切換えないものとして示している。
リチウムイオン電池１の充電電圧と充電電流とは、充電の進行に伴って、図２において「充電の進行」と標記する矢印の方向に、曲線Ｐ１上を移動していくことになる。
充電の開始から、充電の進行に伴って充電電流が減少し、充電電圧が徐々に上昇していく。
電池管理装置２は、上述の制御を行うとき、リチウムイオン電池１の充電電圧（厳密には、単電池の電圧）が電圧「Ｖｕ」に到達して、充電電流が「Ｉｏｆｆ」となったとき、トランジスタ１１を入り状態から切り状態へ切換えることになる。

図３の曲線Ｑ１は、電池管理装置２が上記の制御態様で、トランジスタ１１の入り切りを切換え制御したときの、リチウムイオン電池１の充電電圧（厳密には、単電池の充電電圧）の時間変化を示している。
曲線Ｑ１では、充電を開始してから、リチウムイオン電池１の充電電圧が上昇し、電圧「Ｖｕ」に達した時点で、トランジスタ１１が切り状態に切換えられて充電電流が遮断されることで、充電電圧が低下し、充電電圧が上記の電圧「Ｖｏｎ」まで低下すると、トランジスタ１１が切り状態から入り状態へ切換えられて再び充電電圧が上昇し、充電電圧が電圧「Ｖｕ」に達した時点で、トランジスタ１１が再び切り状態に切換えられて充電電圧が低下する、という過程を繰り返すことを示している。

曲線Ｑ１において、１回目のトランジスタ１１が切り状態となっている期間を「Ｔ１」として示し、２回目のトランジスタ１１が切り状態となっている期間を「Ｔ２」として示しているが、充電の進行によってリチウムイオン電池１の内部インピーダンスによる電圧上昇の影響が相対的に小さくなり、Ｔ２＞Ｔ１となっている。
このまま充電を継続すると、充電電圧は「Ｖｏｎ」までは低下しなくなり、時間「Ｔｏｎ」の経過によって、トランジスタ１１が切り状態から入り状態へ切換えられることになって、リチウムイオン電池１の充電電圧が徐々に電圧「Ｖｕ」に収斂して行く。

上記のようにして電池管理装置２がトランジスタ１１の入り切りを制御してリチウムイオン電池１への充電電流を制御している状態では、機械式リレー１２は入り状態を維持しているが、リチウムイオン電池１の電圧（厳密には、単電池の電圧）が、トランジスタ１１を入り状態から切り状態へ切換えるための前記設定電圧（電圧「Ｖｕ」）よりも高い電圧に設定された非常停止用の設定電圧（例えば、４．３Ｖ）に達するに伴って、機械式リレー１２を入り状態から切り状態に切換えて充電電流を遮断させる。
リチウムイオン電池１を構成する単電池の電圧が４．３Ｖに達するような状況では、トランジスタ１１が短絡故障状態となって電池管理装置２の入り切り制御が不能となっているものと想定され、リチウムイオン電池１を保護するための緊急手段として機械式リレー１２を切り状態としているのである。

＜第２実施形態＞
本第２実施形態の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置を図４に概略的に示す。
図４は、上記第１実施形態の図１に対応するもので、充電装置３において、トランジスタ１１と機械式リレー１２との間に、例えば５ｍ（ミリ）Ω程度の抵抗器１３が接続されている点以外は、電池管理装置２の充電制御態様を含めて上記第１実施形態と共通であり、共通の構成要素には同一の符号を付して示している。
この抵抗器１３は、リチウムイオン電池１と直列に接続されており、電流制限用の抵抗として作用する。

〔充電経過の説明〕
次ぎに、本第２実施形態の構成によるリチウムイオン電池１の充電経過を、充電電圧の変化を示す図５及び図６によって説明する。図５及び図６は、夫々、上記第１実施形態における図２及び図３に対応している。
図５の曲線Ｐ２は、図４の回路による充電の進行に伴う、充電電圧と充電電流との関係を、説明の便宜上、トランジスタ１１を切り状態に切換えない場合ものとして示しており、比較のために、上記第１実施形態の図２の曲線Ｐ１を１点鎖線で併記している。
図５においても、リチウムイオン電池１の充電電圧と充電電流とは、充電の進行に伴って、図５において「充電の進行」と標記する矢印の方向に、曲線Ｐ２上を移動していくことになる。
本第２実施形態の充電装置３による曲線Ｐ２を曲線Ｐ１と比較すると、曲線Ｐ２は、抵抗器１３の存在によって、充電開始当初の充電電圧が低くなっている。

充電の開始から、充電の進行に伴って充電電流が減少し、充電電圧が徐々に上昇していく傾向は上記第１実施形態と同様であるが、この充電電流が上記第１実施形態よりも充電開始当初から小さくなっている。
電池管理装置２は、上記第１実施形態と同様の制御を行うとき、リチウムイオン電池１の充電電圧（厳密には、単電池の電圧）が電圧「Ｖｕ」に到達して、充電電流が「Ｉｏｆｆ」となったとき、トランジスタ１１を入り状態から切り状態へ切換えることになるが、この「Ｉｏｆｆ」の値が、上記第１実施形態よりも小さくなっている。
トランジスタ１１が切り状態へ切換えられるときの充電電流値が小さいということは、それだけリチウムイオン電池１の内部インピーダンスによる電圧上昇が小さいということであり、充電の程度がより進むことを意味する。

図６の曲線Ｑ２は、電池管理装置２が上記の制御態様で、トランジスタ１１の入り切りを切換え制御したときの、リチウムイオン電池１の充電電圧（厳密には、単電池の充電電圧）の時間変化を示したもので、上記第１実施形態の曲線Ｑ１に対応しており、参考として曲線Ｑ１も１点鎖線にて示している。
曲線Ｑ２でも、充電を開始してから、リチウムイオン電池１の充電電圧が上昇し、電圧「Ｖｕ」に達した時点で、トランジスタ１１が切り状態に切換えられて充電電流が遮断されることで充電電圧が低下し、充電電圧が低下すると、トランジスタ１１が切り状態から入り状態へ切換えられて再び充電電圧が上昇し、充電電圧が電圧「Ｖｕ」に達した時点で、トランジスタ１１が再び切り状態に切換えられて充電電圧が低下する、という過程を繰り返すことを示している。
但し、本第２実施形態の構成による曲線Ｑ２は、曲線Ｑ１に比べて、トランジスタ１１の入り切りの切換え周期が短く、充電電圧の変化が短時間で収斂している。
尚、本第２実施形態では、トランジスタ１１の切り状態から入り状態の切換えは、時間「Ｔｏｎ」の経過による切換えが主体となっており、その時間も短めに設定されている。

上記のようにして電池管理装置２がトランジスタ１１の入り切りを制御してリチウムイオン電池１への充電電流を制御している状態で、リチウムイオン電池１の電圧（厳密には、単電池の電圧）が、トランジスタ１１を入り状態から切り状態へ切換えるための前記設定電圧（電圧「Ｖｕ」）よりも高い電圧に設定された非常停止用の設定電圧（例えば、４．３Ｖ）に達するに伴って、機械式リレー１２を入り状態から切り状態に切換えて充電電流を遮断させるのも上記第１実施形態と同様である。

＜第３実施形態＞
本第３実施形態の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置を図７に概略的に示す。
図７は、上記第２実施形態の図４に対応するもので、充電装置３において、トランジスタ１１と抵抗器１３との間に、ダイオード１４が直列に複数個（具体的には、２個）接続されている点以外は、電池管理装置２の充電制御態様を含めて上記第２実施形態と共通であり、共通の構成要素には同一の符号を付して示している。
このダイオード１４は、リチウムイオン電池１と直列に、且つ、充電電流の方向を順方向とするように接続されており、変圧整流器６側の電圧とリチウムイオン電池１の電圧との差が大きいときに、それの順電圧によって電圧差を吸収する作用をする。

〔充電経過の説明〕
次ぎに、本第３実施形態の構成によるリチウムイオン電池１の充電経過を、充電電圧の変化を示す図８及び図９によって説明する。図８及び図９は、夫々、上記第２実施形態における図５及び図６に対応している。
図８の曲線Ｐ３は、図７の回路による充電の進行に伴う、充電電圧と充電電流との関係を、説明の便宜上、トランジスタ１１を切り状態に切換えない場合ものとして示しており、比較のために、上記第２実施形態の図５の曲線Ｐ２を１点鎖線で併記している。
図８においても、リチウムイオン電池１の充電電圧と充電電流とは、充電の進行に伴って、図８において「充電の進行」と標記する矢印の方向に、曲線Ｐ３上を移動していくことになる。
本第３実施形態の充電装置３による曲線Ｐ３を曲線Ｐ２と比較すると、曲線Ｐ３は、図４に示す充電装置３に更にダイオード１４を追加したことによって、充電開始当初の充電電圧が更に低くなっている。

更に、充電の開始から、充電の進行に伴って充電電流が減少し、充電電圧が徐々に上昇していく傾向は上記第２実施形態と同様であるが、充電電流の減少に対する充電電圧の上昇の割合が上記第２実施形態の曲線Ｐ２よりも小さくなっている。
このため、電池管理装置２が上記第２実施形態と同様の制御を行うとき、リチウムイオン電池１の充電電圧（厳密には、単電池の電圧）が電圧「Ｖｕ」に到達したときの充電電流「Ｉｏｆｆ」の値が、上記第２実施形態よりも更に小さくなって、リチウムイオン電池１の内部インピーダンスによる電圧上昇が更に小さくなり、充電の程度がより一層進むことになる。
尚、曲線Ｑ３において、充電電流が極めて小さくなった領域（充電末期に相当）で急激に充電電圧が上昇しているが、これは、ダイオード１４の順方向の電流−電圧特性における電流の立ち上がり部分の形状に対応したものである。

図９の曲線Ｑ３は、電池管理装置２が上記の制御態様で、トランジスタ１１の入り切りを切換え制御したときの、リチウムイオン電池１の充電電圧（厳密には、単電池の充電電圧）の時間変化を示したもので、上記第２実施形態の曲線Ｑ２に対応しており、参考として曲線Ｑ２も１点鎖線にて示している。
曲線Ｑ３でも、充電を開始してから、リチウムイオン電池１の充電電圧が上昇し、電圧「Ｖｕ」に達した時点で、トランジスタ１１が切り状態に切換えられて充電電流が遮断されることで充電電圧が低下し、充電電圧が低下すると、トランジスタ１１が切り状態から入り状態へ切換えられて再び充電電圧が上昇し、充電電圧が電圧「Ｖｕ」に達した時点で、トランジスタ１１が再び切り状態に切換えられて充電電圧が低下する、という過程を繰り返すことを示している。
但し、本第２実施形態の構成による曲線Ｑ３は、曲線Ｑ２に比べて、充電電圧の変化が更に短時間で収斂している。

上記のようにして電池管理装置２がトランジスタ１１の入り切りを制御してリチウムイオン電池１への充電電流を制御している状態で、リチウムイオン電池１の電圧（厳密には、単電池の電圧）が、トランジスタ１１を入り状態から切り状態へ切換えるための前記設定電圧（電圧「Ｖｕ」）よりも高い電圧に設定された非常停止用の設定電圧（例えば、４．３Ｖ）に達するに伴って、機械式リレー１２を入り状態から切り状態に切換えて充電電流を遮断させるのも上記第２実施形態と同様である。

＜第４実施形態＞
本第４実施形態の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置を図１０に概略的に示す。
図１０は、上記第３実施形態の図７に対応するもので、充電装置３において、トランジスタ１１と抵抗器１３との間に直列に接続されている複数個のダイオード１４の個数を４個に増設し、各ダイオード１４と並列にＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを含む電流経路が接続されている。
それ以外の上記第３実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して示している。
このダイオード１４は、上記第３実施形態と同様に、リチウムイオン電池１と直列に、且つ、充電電流の方向を順方向とするように接続されており、変圧整流器６側の電圧とリチウムイオン電池１の電圧との差が大きいときに、それの順電圧によって電圧差を吸収する作用をする。

スイッチ装置ＳＷであるトランジスタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、電池管理装置２によって入り切りが切換えられ、入り状態では、ダイオード１４の両端を十分低いオン抵抗（すなわち、十分低いオン電圧）で接続することで実質的に短絡して、ダイオード１４に流れるはずの充電電流をトランジスタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを含む電流経路にバイパスし、ダイオード１４の順電圧による電圧降下を消滅させる。
一方、切り状態では、そのバイパスのための電流経路を開放して、ダイオード１４に充電電流が流れ、ダイオード１４による電圧降下を発生させる。

電池管理装置２は、母線４の電圧をモニタしており、変圧整流器６の電圧が変動するか、あるいは、リチウムイオン電池１の充電が進行すること等によって、変圧整流器６の電圧とリチウムイオン電池１の電圧との差が小さくなったときに、複数のトランジスタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを個別に切り状態から入り状態に切換えて、ダイオード１４に流れる電流をバイパスさせる。
電池管理装置２は、変圧整流器６の電圧とリチウムイオン電池１の電圧との差を複数段階に区分して、電圧差がいずれの区分に属するかによって何個のダイオード１４をバイパスさせるかを制御する。もちろん、電圧の差が大きい程、バイパスさせるダイオード１４の数が少なくなる関係としてある。

例えば、リチウムイオン電池１の充電が進行して、変圧整流器６の電圧とリチウムイオン電池１の電圧との差が小さくなって行く場合を例示して、図１１に基づいて説明すると、充電開始当初は、電圧の差が大きく、図１１（ａ）に示すように、４個のトランジスタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを全て切り状態とし、４個のダイオード１４の全てに充電電流が流れるようにして、それらの順電圧による大きめの電圧降下を発生させる。
更に充電が進行して、電圧の差が小さくなると、図１１（ｂ）に示すように、２つトランジスタ１５ｂ，１５ｃを切り状態から入り状態に切換えて、夫々が対応するダイオード１４に流れる電流をバイパスする。
これによってダイオード１４の順電圧による電圧降下が小さくなって、充電電流が過度に低下するのを防止する。
この後、更に充電が進行すると、トランジスタ１５ｄを切り状態から入り状態に切換えて、バイパスさせるダイオード１４を増やし（図１１（ｃ）参照）、リチウムイオン電池１が満充電に達したときは、トランジスタ１１が入り状態から切り状態に切換えられる（図１１（ｄ）参照）。

＜その他の実施形態＞
以下、本発明のその他の実施形態を列記する。
（１）上記第３実施形態では、抵抗器１３及びダイオード１４の両方を備える場合を例示しているが、トランジスタ１１にオン抵抗が若干大きめのものを使用すること等によって、抵抗器１３の設置を省略しても良い。
（２）上記第３実施形態及び第４実施形態では、ダイオード１４を複数個直列に接続する場合を例示しているが、ダイオード１４は１個のみであっても良い。
（３）上記第４実施形態では、ダイオード１４に流れる電流をバイパスさせる電流経路を形成させるためのスイッチ装置ＳＷとしてＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを例示しているが、入り切りの切換え頻度はそれほど高くないので、機械式リレーをスイッチ装置ＳＷとして使用しても良い。

本発明の第１実施形態にかかる充電装置等の回路構成図 本発明の第１実施形態にかかる充電過程を説明するための図 本発明の第１実施形態にかかる充電過程を説明するための図 本発明の第２実施形態にかかる充電装置等の回路構成図 本発明の第２実施形態にかかる充電過程を説明するための図 本発明の第２実施形態にかかる充電過程を説明するための図 本発明の第３実施形態にかかる充電装置等の回路構成図 本発明の第３実施形態にかかる充電過程を説明するための図 本発明の第３実施形態にかかる充電過程を説明するための図 本発明の第４実施形態にかかる充電装置等の回路構成図 本発明の第４実施形態にかかるダイオードのバイパス状態の変化を説明する図

符号の説明

１ リチウムイオン電池
２ 電池管理装置
５ 発電機
１２ 機械式リレー
１３ 抵抗器
１４ ダイオード
ＤＰ 直流電源装置
ＳＳ 半導体スイッチング素子
ＳＷ スイッチ装置

Claims (5)

1. 移動体に搭載されて、発電機の発電電力を直流電力に変換する直流電源装置からの供給電圧でリチウムイオン電池を充電する移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置であって、
   前記直流電源装置から前記リチウムイオン電池への充電経路に配置されて、前記リチウムイオン電池への充電電流を通過させる入り状態と前記充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる半導体スイッチング素子と、
   前記リチウムイオン電池の電圧が設定電圧に達するに伴って、前記半導体スイッチング素子を前記切り状態に切換え、その切り状態への切換え後、前記リチウムイオン電池の電圧のの低下に伴って、前記半導体スイッチング素子を前記入り状態に切換える電池管理装置とが設けられている移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置。
2. 前記リチウムイオン電池と直列に電流制限用の抵抗器が接続されている請求項１記載の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置。
3. 前記リチウムイオン電池と直列で且つ充電電流の方向を順方向とするようにダイオードが接続されている請求項１又は２記載の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置。
4. 前記ダイオードと並列に、前記電池管理装置にて入り切りが制御されるスイッチ装置を含む電流経路が接続され、
   前記電池管理装置は、前記直流電源装置の電圧と前記リチウムイオン電池の電圧との差が小さくなったときに、前記スイッチ装置を切り状態から入り状態に切換えて、前記ダイオードに流れる電流を前記スイッチ装置を含む電流経路にバイパスさせるように構成されている請求項３記載の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置
5. 前記リチウムイオン電池への充電経路の途中に、前記リチウムイオン電池への充電電流を通過させる入り状態と前記充電電流を遮断する切り状態とに切換えられる機械式リレーが接続され、
   前記電池管理装置は、前記リチウムイオン電池の電圧が、前記半導体スイッチング素子の入り切りを切換えるための前記設定電圧よりも高い電圧に設定された非常停止用の設定電圧に達するに伴って、前記機械式リレーを前記切り状態とするように構成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の移動体搭載用のリチウムイオン電池充電装置。

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