JP2010239710A - 充電制御システム、電池パック、車両、および充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電池に蓄えられている電気エネルギを効率的に利用すること。
【解決手段】直列接続された複数の電池の充電を制御する充電制御システムは、エネルギ変換部と、充電残量取得部と、充電電池選択部と、選択充電回路とを備える。エネルギ変換部は、機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換する。充電残量取得部は、直列接続された複数の電池のそれぞれの充電残量を示す値を取得する。充電電池選択部は、複数の電池のうちで他の電池より充電残量が少ない電池を充電対象電池として選択する。選択充電回路は、電気エネルギを用いて、充電対象電池を選択的に充電する。
【選択図】図４

Description

本発明は、充電制御システム、電池パック、車両、および充電制御方法に関する。

特許文献１には、モータ駆動用の複数の電池を搭載した電気自動車が記載されている。

特開平０６−０４６５０８号公報

しかしながら、従来技術では、複数の電池の特性がそれぞれ異なるので、複数の電池の充電残量にばらつきが生じる。特に、車両においては、車両の走行する地域の温度状況、車両内の配置位置によって異なる温度状況、衝撃、など、様々な環境下におかれるので、複数の電池の劣化の差が出やすく、複数の電池の充電残量にばらつきが生じやすい。複数の電池の充電残量にばらつきが生じた場合、複数の電池の内部抵抗値が大きくなるので、複数の電池に蓄えられている電気エネルギを効率的に利用することができない。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、充電制御システムであって、機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換部と、直列接続された複数の電池のそれぞれの充電残量を示す値を取得する充電残量取得部と、複数の電池のうちで他の電池より充電残量が少ない電池を充電対象電池として選択する充電電池選択部と、電気エネルギを用いて、充電対象電池を選択的に充電する選択充電回路とを備える。

上記充電制御システムにおいて、充電残量取得部は、複数の電池のそれぞれの充電残量を示す値として、複数の電池のそれぞれの内部抵抗値を測定してもよく、充電電池選択部は、複数の電池のうちで他の電池より内部抵抗値が大きい電池を充電対象電池として選択してもよい。

上記充電制御システムにおいて、複数の電池は、リチウムイオン電池であってもよい。

本発明の第２の態様においては、電池パックであって、複数の電池と、上記充電制御システムとを備える。

本発明の第３の態様においては、車両であって、上記電池パックと、電池パックに蓄えられている電気エネルギにより駆動されるモータとを備える。

上記車両において、エネルギ変換部は、機械エネルギであるモータの回転運動エネルギを、電気エネルギに変換するダイナモ発電機であってもよい。

上記車両において、エネルギ変換部は、自然エネルギである太陽エネルギを電気エネルギに変換する太陽発電機であってもよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

電気自動車１００の構成の一例を示す。 電気自動車１００の構成の他の一例を示す。 電気自動車１００の構成の他の一例を示す。 電気自動車１００の構成のさらに他の一例を示す。 電池１２０の特性の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、電気自動車１００の構成の一例を示す。以降、車両の一例としての電気自動車１００の構成の一例を説明する。

電気自動車１００は、電池パック１１０、インバータ１１２、およびモータ１１４を備える。電池パック１１０は、複数の電池１２０が直列に接続されている第１電池群を含む。電池１２０は、セルであってもよく、電池モジュールであってもよい。インバータ１１２は、電池パック１１０から供給される電気エネルギの電流を直流から交流に変換する。インバータ１１２は、変換された電気エネルギをモータ１１４に供給する。モータ１１４は、電気自動車１００の車輪を駆動する。

電池パック１１０は、充電制御システム１３０をさらに含む。充電制御システム１３０は、ＩＣなどの電子回路によって実現される。充電制御システム１３０は、充電残量取得部１３２、充電電池選択部１３４、放電電池選択部１３６、および選択充電回路１３８を備える。

充電残量取得部１３２は、直列接続された複数の電池１２０のそれぞれの充電残量を示す値を取得する。たとえば、充電残量取得部１３２は、複数の電池１２０のそれぞれの、充電残量を示す値として、複数の電池１２０のそれぞれの内部抵抗値を取得してもよい。充電残量取得部１３２は、複数の電池１２０のそれぞれの、予め定められている電流の電気エネルギを出力する場合の内部抵抗値を取得してもよい。充電残量取得部１３２は、電池１２０の電圧および電流をそれぞれ検出し、検出した電圧および電流に基づいて、内部抵抗値を算出することにより、内部抵抗値を取得してもよい。充電残量取得部１３２は、複数の電池１２０のそれぞれの、充電残量を示す値として、複数の電池１２０のそれぞれの電圧を取得してもよい。

充電残量取得部１３２は、モータ１１４が車輪を駆動していないときに、又はモータ１１４の負荷が一定の電力量で駆動しているときに、複数の電池１２０のそれぞれの電流を検出してもよい。モータ１１４は時間変化に伴って回転数が変わるので、それに応じて電池パック１１０がモータ１１４に供給する電力量も変化してしまう。したがって、モータ１１４の回転数が時間とともに変わっているときに、電池１２０の電流を検出しても正確な電流を検出することができない。充電残量取得部１３２は、電池１２０に抵抗などの一定の負荷を接続させて電流を検出してよい。

充電電池選択部１３４は、複数の電池１２０のうち、充電対象電池を選択する。具体的には、充電電池選択部１３４は、充電残量取得部１３２が取得した充電残量を示す値に基づいて、複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より充電残量が少ない電池１２０を充電対象電池として選択する。たとえば、内部抵抗値が大きいほど充電残量が少ない場合には、充電電池選択部１３４は、複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より内部抵抗値が大きい電池１２０を充電対象電池として選択してもよい。

放電電池選択部１３６は、放電対象電池を選択する。具体的には、放電電池選択部１３６は、充電残量取得部１３２が取得した充電残量を示す値に基づいて、複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より充電残量が多い電池１２０を放電対象電池として選択する。たとえば、内部抵抗値が大きいほど充電残量が少ない場合には、放電電池選択部１３６は、複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より内部抵抗値が小さい電池１２０を放電対象電池として選択してもよい。

選択充電回路１３８は、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電する。選択充電回路１３８は、放電電池選択部１３６が選択した放電対象電池に蓄えられている電気エネルギを用いて、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電してもよい。選択充電回路１３８は、複数の電池１２０のそれぞれの内部抵抗値の和を小さくすべく、一の電池１２０に蓄えられている電気エネルギを用いて、他の電池１２０を充電してもよい。選択充電回路１３８は、複数の電池１２０の充電残量を均一に近づけるべく、一の電池１２０を含む複数の電池１２０に蓄えられている電気エネルギを用いて、他の電池を含む複数の電池を充電してもよい。

選択充電回路１３８は、複数の電池１２０のうちで最も充電残量が多い電池１２０の充電残量に合わせて、充電対象電池を選択的に充電してもよい。充電制御システム１３０は、充電残量がより少ない電池１２０から順に放電対象電池として選択し、選択した充電対象電池を選択的に充電することで、複数の電池１２０の充電残量の差を小さくしてもよい。

図２および図３は、電気自動車１００の構成の他の一例を示す。図２に示す電気自動車１００は、複数の電池１２０が直列に接続されている第２電池群をさらに備え、第１電池群と第２電池群とが並列に接続されている点で、図１に示した電気自動車１００と構成が異なる。一方、図３に示す電気自動車１００は、放電電池選択部１３６を備えずに、充電制御システム１３０が第２電池群の他の一例としての予備電池３００をさらに備える点で、図１に示した電気自動車１００と構成が異なる。

選択充電回路１３８は、複数の電池１２０を含む第１電池群と異なる第２電池群に含まれる少なくとも１つの電池に蓄えられている電気エネルギを用いて、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電してもよい。

たとえば、図２に示す電気自動車１００においては、選択充電回路１３８は、第２電池群に含まれている電池１２０に蓄えられている電気エネルギを用いて、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電してもよい。さらに、放電電池選択部１３６は、第２電池群に含まれる複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より充電残量が多い電池を放電対象電池として選択してもよい。この場合、選択充電回路１３８は、放電電池選択部１３６が選択した第２電池群に含まれる放電対象電池に蓄えられている電気エネルギを用いて、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電してもよい。

図２に示す電気自動車１００において、充電残量取得部１３２は、第１電池群に含まれる複数の電池１２０のそれぞれの充電残量を示す値として、第１電池群に含まれる複数の電池１２０のそれぞれの内部抵抗値を測定してもよい。この場合、充電電池選択部１３４は、第１電池群に含まれる複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より内部抵抗値が大きい電池を充電対象電池として選択してもよい。さらに、放電電池選択部１３６は、第２電池群に含まれる複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より内部抵抗値が小さい電池を放電対象電池として選択してもよい。

一方、図３に示す電気自動車１００においては、選択充電回路１３８は、予備電池３００に蓄えられている電気エネルギを用いて、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電してもよい。予備電池３００は、電池１２０の充電専用の電池であってもよく、他の電気系統用の電池であってもよい。たとえば、予備電池３００は、ライト、パワーウインドウ、電動シートなどの電装系統用として電気自動車１００に車両に設けられている補助電池などであってもよい。

図４は、電気自動車１００の構成のさらに他の一例を示す。図４に示す電気自動車１００は、放電電池選択部１３６を備えずに、充電制御システム１３０がエネルギ変換部４００をさらに備える点で、図１に示した電気自動車１００と構成が異なる。

エネルギ変換部４００は、機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換する。具体的には、エネルギ変換部４００は、太陽発電機４０２およびダイナモ発電機４０４を有する。太陽発電機４０２は、自然エネルギの一例としての太陽エネルギを電気エネルギに変換する。ダイナモ発電機４０４は、機械エネルギの一例としての回転エネルギを電気エネルギに変換する。たとえば、ダイナモ発電機４０４は、モータ１１４の回転運動エネルギを電気エネルギに変換する。エネルギ変換部４００は、振動、衝撃などの機械的エネルギを電気エネルギに変換する圧電素子、風力を電気エネルギに変換する風力発電機など、太陽発電機４０２およびダイナモ発電機４０４以外の装置によって、機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換してもよい。

図４に示す電気自動車１００においては、選択充電回路１３８は、エネルギ変換部４００によって変換された電気エネルギを用いて、充電電池選択部１３４が選択した充電対象電池を選択的に充電してもよい。

図５は、電池１２０の特性の一例を示す。図５は、電池１２０の充電残量と内部抵抗値との関係を示すグラフであって、縦軸は内部抵抗値を示し、横軸は、充電残量を示す。図５のグラフが示すように、電池１２０の充電残量がより小さくなるほど、電池１２０の内部抵抗の増加度が大きくなる。このため、充電残量が小さい電池１２０を充電して、当該電池１２０充電残量をより大きくすることで、複数の電池１２０の内部抵抗値の和をより小さくすることができる。また、充電残量が大きい電池１２０の蓄えられている電気エネルギを用いて、充電残量が小さい電池１２０を充電することで、当該電池１２０充電残量をより大きくした場合でも、複数の電池１２０の内部抵抗値の和をより小さくすることができる。

充電制御システム１３０は、様々なタイミングで、充電対象電池を選択的に充電してもよい。たとえば、充電制御システム１３０は、予め定められているサイクルで定期的に、充電対象電池を選択的に充電してもよい。また、充電制御システム１３０は、予め定められて得ている条件に合致するか否かを、予め定められているサイクルで定期的に判断し、合致すると判断した場合に、充電対象電池を選択的に充電してもよい。たとえば、充電制御システム１３０は、複数の電池１２０の充電残量の差が所定量以上となった場合に、充電対象電池を選択的に充電してもよい。また、充電制御システム１３０は、充電対象電池を選択的に充電することによる内部抵抗値の減少量または総和を定期的にシミュレーションし、減少量が所定量以上になると判断した場合、または総和が所定量以下になると判断した場合に、充電対象電池を選択的に充電してもよい。また、充電制御システム１３０は、電気自動車１００が予め定められている動作をおこなったタイミングで、充電対象電池を選択的に充電してもよい。たとえば、電気自動車１００の充電開始時、充電完了時、停車時、駐車時などのタイミングで、充電対象電池を選択的に充電してもよい。

このように、本実施形態の充電制御システム１３０によれば、複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より充電残量が少ない充電対象電池を選択的に充電することで、複数の電池１２０の充電残量の差をより小さくできる。これにより、複数の電池１２０の内部抵抗値の和がより小さくなるので、複数の電池１２０に蓄えられている電気エネルギを効率的に利用することができる。

また、本実施形態の充電制御システム１３０によれば、複数の電池１２０のうちで他の電池１２０より充電残量が少ない電池１２０に蓄えられている電気エネルギを用いて、充電対象電池を選択的に充電することで、外部からの電気エネルギを用いることなく、簡易なシステム構成で、複数の電池１２０の充電残量の差をより小さくできる。

また、本実施形態の充電制御システム１３０によれば、第１電池群とは異なる第２電池群に蓄えられている電気エネルギを用いて、第１電池群に含まれる充電対象電池を選択的に充電することで、外部からの電気エネルギを用いることなく、かつ、モータ１１４の駆動に用いる第１電池群に蓄えられている電気エネルギを減少させることなく、第１電池群に含まれている複数の電池１２０の充電残量の差をより小さくできる。

また、本実施形態の充電制御システム１３０によれば、機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換して、これにより生成された電気エネルギを用いて、充電対象電池を選択的に充電することで、外部からの電気エネルギを用いることなく、かつ、モータ１１４の駆動に用いる複数の電池１２０に蓄えられている電気エネルギを減少させることなく、複数の電池１２０の充電残量の差をより小さくできる。

なお、本実施形態で説明した複数の電池１２０は、自然放電が少なく、複数の電池の充電残量の差が出やすいリチウムイオン電池であってもよい。この場合でも、本実施形態の充電制御システム１３０により、複数のリチウムイオン電池の充電残量の差をより小さくできる。本実施形態では、充電制御システム１３０を電気自動車１００に設けた例を説明したが、充電制御システム１３０を、複数の電池を備える他の装置、機器等に設けてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００ 電気自動車、１１０ 電池パック、１１２ インバータ、１１４ モータ、１２０ 電池、１３０ 充電制御システム、１３２ 充電残量取得部、１３４ 充電電池選択部、１３６ 放電電池選択部、１３８ 選択充電回路、３００ 予備電池、４００ エネルギ変換部、４０２ 太陽発電機、４０４ ダイナモ発電機

Claims (8)

1. 機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換部と、
   直列接続された複数の電池のそれぞれの充電残量を示す値を取得する充電残量取得部と、
   前記複数の電池のうちで他の電池より前記充電残量が少ない電池を充電対象電池として選択する充電電池選択部と、
   前記電気エネルギを用いて、前記充電対象電池を選択的に充電する選択充電回路と
   を備える充電制御システム。
2. 前記充電残量取得部は、前記複数の電池のそれぞれの前記充電残量を示す値として、前記複数の電池のそれぞれの内部抵抗値を測定し、
   前記充電電池選択部は、前記複数の電池のうちで他の電池より前記内部抵抗値が大きい電池を前記充電対象電池として選択する請求項１に記載の充電制御システム。
3. 前記複数の電池は、リチウムイオン電池である請求項１または２に記載の充電制御システム。
4. 前記複数の電池と、
   請求項１から３のいずれかに記載の充電制御システムと
   を備える電池パック。
5. 請求項４に記載の電池パックと、
   前記電池パックに蓄えられているエネルギにより駆動されるモータと
   を備える車両。
6. 前記エネルギ変換部は、前記機械エネルギである前記モータの回転運動エネルギを、前記電気エネルギに変換するダイナモ発電機である請求項５に記載の車両。
7. 前記エネルギ変換部は、前記自然エネルギである太陽エネルギを前記電気エネルギに変換する太陽発電機である請求項５に記載の車両。
8. 機械エネルギまたは自然エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換工程と、
   直列接続された複数の電池のそれぞれの充電残量を示す値を取得する充電残量取得工程と、
   前記複数の電池のうちで他の電池より前記充電残量が少ない電池を充電対象電池として選択する充電電池選択工程と、
   前記電気エネルギを用いて、前記充電対象電池を選択的に充電する選択充電工程と
   を備える充電制御方法。

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