JP2009207253A

JP2009207253A - バッテリ充電システム及びバッテリ充電方法

Info

Publication number: JP2009207253A
Application number: JP2008045837A
Authority: JP
Inventors: Izumi Masuda; 泉増田
Original assignee: Autech Japan Inc
Current assignee: Nissan Motorsports and Customizing Co Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】複数のバッテリを素早く充電することが可能なバッテリ充電システム及びバッテリ充電方法を提供すること。
【解決手段】複数のバッテリをCC-CV方式により充電する際、検出された開放電圧が最も低い第１バッテリから充電を開始し、該第１バッテリの電圧が、第１バッテリの開放電圧の次に低い第２バッテリの開放電圧に到達したときは、第１バッテリと第２バッテリとを並列に接続して同時に充電することとした。
【選択図】図２

Description

本発明は複数のバッテリを充電する充電システム及び充電方法に関する。

従来、複数のバッテリを充電する技術として特許文献１に記載の技術が開示されている。この公報には、充電容量の大きなバッテリを所定容量に到達するまで優先的に充電し、このバッテリが所定容量に到達したときは次のバッテリを並列に接続して同時に両バッテリを充電する。
特開平９−９７６２９号公報

ここで、バッテリの容量は、バッテリの充電電圧，充電電流，バッテリ温度といった複数のパラメータによって演算されるものであり、バッテリ容量の演算が複雑になるとともに推定精度が高いとは言えない。上記特許文献１に記載の技術では、充電中のバッテリ容量を常時監視して次のバッテリの充電タイミングを決定しているため演算負荷が高く、精度良く充電を行えない。また、上記精度の問題は、バッテリ容量が同じ場合であっても、バッテリ間で電圧が異なる場合も想定され、電圧の低いバッテリ側に急激に電流が流れ込むおそれがある。

また、充電開始時は一定電流で充電し（以下、CC充電）、所定の条件が成立したときは一定電圧で充電する（以下、CV充電）CC-CV方式により充電する場合、一定の充電容量に到達するまでの間にCC充電からCV充電に切り換えられた状態で充電される場合がある。

CC方式では高い電流値を維持できるため素早い充電が可能であるが、CV方式では電流値が制限されるため充電速度が低下する。すなわち、所定の充電容量に到達するまでの間に充電速度の低い充電方法が行われることで、全体のバッテリを満充電するのに時間がかかってしまうという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、複数のバッテリを素早く充電することが可能なバッテリ充電システム及びバッテリ充電方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、複数のバッテリをCC-CV方式により充電する際、検出された開放電圧が最も低い第１バッテリから充電を開始し、該第１バッテリの電圧が、第１バッテリの次に開放電圧の低い第２バッテリの開放電圧に到達したときは、第１バッテリと第２バッテリとを並列に接続して同時に充電することとした。

ここで、開放電圧とは、バッテリとの間で電力のやりとりを行っていない状態における電圧である。この開放電圧はバッテリ容量との因果関係が強く、また、他のパラメータによる影響を受けにくい値であるため、複雑な演算をせずともバッテリ容量の推定が容易である。

この開放電圧が最も低い第１バッテリからCC充電により充電を開始する。第１バッテリの電圧が第２バッテリの開放電圧に到達すると、両バッテリを並列に接続する。両バッテリの電圧は等しいことから一方のバッテリから他方のバッテリに急激に電流が流れ込むようなことがない。よって、ダイオード等の逆流防止手段を備える必要が無く、回路の簡素化及び素子による電圧降下に伴う効率の悪化を抑制できる。

また、第１バッテリの充電容量ではなく、第１バッテリの電圧が第２バッテリの開放電圧に到達した時点で並列に接続するため、第１バッテリがCC充電を行っている状態で第２バッテリと並列に接続でき、CC充電のまま両バッテリを充電できる。よって、充電速度を確保することが可能となり、複数のバッテリを素早く充電することができる。

以下、本発明の最良の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明のバッテリ充電システムを表す概略図である。実施例１のバッテリ充電システムは電気自動車に搭載されたバッテリを充電するものである。この電気自動車は、家庭用電源V1から充電する所謂プラグイン電気自動車である。車両には、車載充電器１と、この車載充電器と接続され充電時のバッテリの接続状態を制御するコントロールユニット２と、コントロールユニット２と電気的に接続された３つのバッテリB1〜B3を有する。

車載充電器１は、家庭用電源V1から一定電流を供給するCC充電部１ａと、一定電圧を供給するCV充電部１ｂと、所定の条件に基づいてCC充電部１ａとCV充電部１ｂとの切り換えを指令する切換指令部１ｃと、切換指令部１ｃからの信号に基づいてコントロールユニット２に供給する電力を切り換える切換部１ｄを有する。また、CC充電部１ａ及びCV充電部１ｂ内にはインバータが備えられ、交流を直流に変換して充電を実行する。

CC充電部１ａには、電流値を第１所定値で一定電流とする通常レート制御と、第１所定値よりも大きな第２所定値で一定電流とするハイレート制御とを備え、バッテリ温度等が低く、大きな電流を供給可能と判断されるときは、ハイレート制御により充電する。一方、バッテリ温度等が高く、大きな電流を供給できないと判断されるときは通常レート制御により充電する。

切換指令部１ｃは、CC充電部１ａから一定電流を流しているときの電圧を監視し、この電圧の上昇勾配が所定値未満となったときは、CC充電部１ａからCV充電部１ｂに切り換える指令を出力する。尚、他の複数の条件に基づいて切り換えてもよい。これは、バッテリ自体の耐久性を考慮したものであり、一般的に行われる充電方式である。

コントロールユニット２は、各バッテリB1〜B3と接続する充電ポートと、車載充電器１との間を断接するスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃと、所定の条件に基づいて各スイッチング素子２ａ〜２ｃのON・OFFを切り換えるコントローラ２０を有する。

コントローラ２０は、各バッテリB1〜B3との間で通信線を介して接続されており、各バッテリB1〜B3の状態を検出可能に構成されている。また、コントローラ２０内には、バッテリ装着時の各バッテリB1〜B3の開放電圧を検出する開放電圧検出部２１と、検出された開放電圧を記憶する開放電圧記憶部２２と、記憶された開放電圧及び各バッテリB1〜B3の状態に基づいてスイッチング素子２ａ〜２ｃを制御する充電制御部２３とを有する。

バッテリB1〜B3は、複数のリチウムイオン型の薄型ラミネート電池が電気的に直列に接続されると共に、積層してバッテリパックを構成している。各バッテリB1〜B3内には、薄型ラミネート電池の各端子間電圧を検出するとともに、各バッテリB1〜B3の電圧を検出するバッテリコントローラBC1，BC2，BC3が内蔵されている。バッテリコントローラBC1，BC2，BC3は、薄型ラミネート電池自体の異常や充電状態に基づくこれら各情報を通信線L1，L2，L3を介してコントローラ２０に出力する。リチウムイオン電池は、開放電圧とバッテリSOCとの因果関係が強いため、開放電圧の情報における信頼性が高いものである。

図２は充電制御部２３において実行される充電制御処理を表すフローチャートである。尚、この制御処理とは独立して車載充電器１ではCC-CV充電が適宜実行さるものとする。

ステップS1では、開放電圧検出部２１により検出された各バッテリB1〜B3の開放電圧を取得する。

ステップS2では、開放電圧が最も低いバッテリ（以下、第１バッテリ）のスイッチング素子をONとし、充電を開始する。

ステップS3では、開放電圧記憶部２２に記憶された開放電圧情報に基づいて、第１バッテリの電圧が、第１バッテリの開放電圧の次に低いバッテリ（以下、第２バッテリ）の開放電圧よりも高いかどうかを判断し、高いと判断したときはステップS4に進み、それ以外のときは第１バッテリの充電を継続すべくステップS5に進む。

ステップS4では、第２バッテリのスイッチング素子をONとし、充電を開始する。尚、このとき、第１バッテリで行われている充電と同じ方式により充電が実行される。

ステップS5では、通信線Lを介して検出された情報に基づいてバッテリの充電が完了しているか否かを判断する。バッテリの充電が完了しているときは充電完了フラグをONにセットする。そして、充電中バッテリの充電完了フラグがONか否かを判断し、ONのときはステップS5に進み、それ以外のときはステップS6に進む。

ステップS6では、ONとなっているバッテリのスイッチング素子をOFFとし、充電が完了したバッテリの充電を停止する。

ステップS7では、全てのバッテリの充電完了フラグがONとなったか否かを判断し、全てがONのときはステップS8に進んで車載充電器１の作動を停止し、それ以外のときはステップS3に戻って充電を継続する。

次に、上記制御フローに基づく作用について説明する。ここで、実施例１の作用を説明するにあたり、効果を明確化するべく比較例と対比して説明する。図３は比較例の充電方法により充電した場合のタイムチャートである。尚、バッテリB1の充電容量（以下、SOC）が20％，開放電圧がVB1、バッテリB2のSOCが40％，開放電圧がVB2（＞VB1）、バッテリB3のSOCが60％，開放電圧がVB3（＞VB2）の状態で充電を開始する場合について説明する。

比較例の充電方法は、SOCの大きなバッテリをSOC＝80％に到達するまで優先的に充電し、このバッテリがSOC＝80％に到達したときは次のバッテリを並列に接続して同時に両バッテリを充電する特許文献１に示すものとする。

時刻ｔ０において、充電開始時はバッテリB3が最もSOCが高いため、CC充電部１ａにより充電が開始される。

時刻ｔ１において、バッテリB3のSOCが所定電圧に到達すると、CC充電部１ａからCV充電部１ｂに切り換えられ、一定電圧が付与される。このとき、バッテリB3の電流値はCC充電部１ｂの一定電圧とバッテリB3の内部電圧との電位差に応じて減少する。

時刻ｔ２において、バッテリB3のSOCが80％に到達すると、このバッテリB3への充電が停止され、その後、次にSOCが高いバッテリB2の充電を開始する。このとき、同様にCC充電部１ａによる充電が開始される。

時刻ｔ３において、バッテリB2においても時刻ｔ１で説明したようにCC充電部１ａからCV充電部１ｂに切り換えられる。

時刻ｔ４においてバッテリB2のSOCが80％に到達すると、バッテリB2への充電が停止され、その後、バッテリB1の充電が開始される。このとき、同様にCC充電部１ａにより充電が開始され、時刻ｔ５においてCC充電部１ａからCV充電部１ｂに切り換えられる。

時刻ｔ５において、バッテリB1のSOCが80％に到達すると、全てのバッテリB1〜B3が並列に接続される。このとき、充電器側ではCV充電部１ｂが選択されていることから、同様に並列でCV充電が実行される。

上述のように、車載充電器１がCC-CV充電方法を実行している場合、１つのバッテリを充電しているときに、充電速度が十分に確保できないCV充電による充電時間が長くなる。よって、全体のバッテリを充電する場合には充電時間がかかってしまうという問題がある。

ここで、充電方法として、SOC＝80％に到達したとき、ではなく、CC充電部１ａからCV充電部１ｂに切り換えられるタイミングにおいて、次のバッテリの充電を開始する方法が考えられる。こうすれば、１つのバッテリを充電しているときに、CV充電部１ｂによる充電時間を抑制できるからである。

しかしながら、比較例のように、各バッテリのSOCに閾値を設けて切り換える構成を取っている場合、CC充電部１ａにおける電流値に応じたSOC閾値を設定する必要があり、制御が複雑化する。また、SOCの推定は複数の要因によってバラツキが大きいためタイミング良く切り換えられない。

また、ハイレート制御による充電を行う場合には、特にCV充電による充電時間が長くなってしまう。ここで、ハイレート制御時に不利になる理由について説明する。図４はハイレート制御による充電と通常レートによる充電とを対比したタイムチャートである。

通常レート制御では、例えば、SOC＝80％に到達するタイミングとCC充電部１ａからCV充電部１ｂに切り換えるタイミングとが一致するように設定しておくとする。この場合、ハイレート制御によって高い一定電流値を設定すると、充電速度は速くなるものの、バッテリの特性からバッテリ電圧の上昇勾配が早めに小さくなり、例えばSOC＝65％の段階でCC制御部１ａからCV制御部１ｂに切り換えられてしまう。よって、CV制御によって充電する時間が生じてしまう。

そこで、実施例１では、複数のバッテリをCC-CV方式により充電する際、検出された開放電圧が最も低い第１バッテリから充電を開始し、該第１バッテリの電圧が、第１バッテリの次に開放電圧の低い第２バッテリの開放電圧に到達したときは、第１バッテリと第２バッテリとを並列に接続して同時に充電することとした。

図５は実施例１の充電方法により充電した場合のタイムチャートである。バッテリB1の充電容量（以下、SOC）が20％，開放電圧がVB1、バッテリB2のSOCが40％，開放電圧がVB2（＞VB1）、バッテリB3のSOCが60％，開放電圧がVB3（＞VB2）の状態で充電を開始する場合について説明する。

実施例１の充電方法は、開放電圧の低い第１バッテリ（＝SOCの小さなバッテリ）を次に開放電圧が低い第２バッテリの開放電圧に到達するまで優先的に充電し、この第１バッテリが第２バッテリの開放電圧に到達したときは、第１バッテリと第２バッテリとを並列に接続して同時に両バッテリを充電する。

時刻ｔ０において、充電開始時はバッテリB1が最も開放電圧が低いため、CC充電部１ａにより充電が開始される。

時刻ｔ１において、バッテリB1がCC充電部１ａにより充電している途中でバッテリB1の内部電圧がバッテリB2の開放電圧に到達すると、バッテリB1とバッテリB2とを並列に接続する。すると、バッテリB2にもCC充電部１ａから一定電流が流れ込み、充電速度が確保される。このとき、バッテリB1とバッテリB2とは電圧が等しいため、一方のバッテリから他方のバッテリに電流が流れ込むようなことがない。すなわち、ダイオード等の素子を設ける必要がない。

時刻ｔ２において、バッテリB2の内部電圧がバッテリB3の開放電圧に到達すると、バッテリB1〜バッテリB3は全て並列接続され、かつ、全てのバッテリにおいてCC充電部１ａから一定電流が流れ込む。

時刻ｔ３において、車載充電器１においてCC充電部１ａからCV充電部1bに切り換えられると、全てのバッテリがCV充電によって一定電圧が付与される。このとき、各バッテリの電流値はCC充電部１ｂの一定電圧と各バッテリの内部電圧との電位差に応じて減少する。

このように、実施例１の充電方法では、１つのバッテリを充電する際にCV充電が行われることがなく、また、複数のバッテリを並列に接続したときには、車載充電器１側において、必ずCC充電部１ａが選択されていることから、充電速度を確保することができるものである。

以上説明したように、実施例１にあっては下記に列挙する作用効果を得ることができる。

(1)充電開始時は一定電流で充電し、所定の条件が成立したときは一定電圧で充電する充電器（車載充電器１）と、複数のバッテリが装着される充電ポートを有し、各バッテリと前記充電器との接続状態を制御する充電制御手段（コントロールユニット２）と、バッテリ装着時の各バッテリの開放電圧を検出する開放電圧検出手段（開放電圧検出部２１）と、検出された開放電圧を記憶する開放電圧記憶手段（開放電圧記憶手段２２）と、検出された開放電圧が最も低い第１バッテリから充電を開始し、該第１バッテリの電圧が、前記開放電圧記憶手段に記憶された前記第１バッテリの開放電圧の次に低い第２バッテリの開放電圧に到達したときは、前記第１バッテリと前記第２バッテリとを並列に接続して同時に充電する充電制御部２３と、を備えた。

すなわちバッテリのSOCとは異なり、バッテリ容量との因果関係が強く、また、他のパラメータによる影響を受けにくい開放電圧を用いて制御するため、複雑な演算をせずともバッテリ容量の推定が容易である。

また、車載充電器１内に備えられたインバータの総合効率についても、低負荷での運転時間が短くなるため、効率を上げることができ、充電器を含めた総合電力消費を下げることができる。

実施例１のバッテリ充電システムを表す概略図である。実施例１の充電制御部において実行される充電制御処理を表すフローチャートである。比較例の充電方法により充電した場合のタイムチャートである。ハイレート制御による充電と通常レートによる充電とを対比したタイムチャートである。実施例１の充電方法により充電した場合のタイムチャートである。

符号の説明

１車載充電器
１ａ CC充電部
１ｂ CV充電部
１ｃ切換指令部
１ｄ切換部
２コントロールユニット
２０コントローラ
２１開放電圧検出部
２２開放電圧記憶部
２３充電制御部
２ａ，２ｂ，２ｃスイッチング素子
L1,L2,L3 通信線
B1,B2,B3 バッテリ

Claims

充電開始時は一定電流で充電し、所定の条件が成立したときは一定電圧で充電する充電器と、
複数のバッテリが装着される充電ポートを有し、各バッテリと前記充電器との接続状態を制御する充電制御手段と、
バッテリ装着時の各バッテリの開放電圧を検出する開放電圧検出手段と、
検出された開放電圧を記憶する開放電圧記憶手段と、
を有し、
前記充電制御手段は、検出された開放電圧が最も低い第１バッテリから充電を開始し、該第１バッテリの電圧が、前記開放電圧記憶手段に記憶された前記第１バッテリの開放電圧の次に低い第２バッテリの開放電圧に到達したときは、前記第１バッテリと前記第２バッテリとを並列に接続して同時に充電するコントローラと、
を備えたことを特徴とするバッテリ充電システム。
複数のバッテリに対し、充電開始時は一定電流で充電し、所定の条件が成立したときは一定電圧で充電する充電器を用いたバッテリ充電方法であって、
バッテリ装着時の各バッテリの開放電圧を検出し、
検出された開放電圧を記憶し、
検出された開放電圧が最も低い第１バッテリから充電を開始し、該第１バッテリの電圧が、前記開放電圧記憶手段に記憶された前記第１バッテリの開放電圧の次に低い第２バッテリの開放電圧に到達したときは、前記第１バッテリと前記第２バッテリとを並列に接続して同時に充電することを特徴とするバッテリ充電方法。