JP2010273412A

JP2010273412A - 二次電池の充電制御装置

Info

Publication number: JP2010273412A
Application number: JP2009121633A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shigekari; 武志茂刈
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】電池負荷の使用可能範囲の制限を緩和するに二次電池の充電制御装置を提供する。
【解決手段】主たる負荷４と、これより相対的に負荷電力量が小さい従たる負荷６，７とに電力を供給する二次電池１の充電を制御するものであって、前記二次電池の電圧Ｖが、前記二次電池への充電を禁止する第１の電圧閾値Ｖ１より高い第２の電圧閾値Ｖ３より低く、前記第２の電圧閾値Ｖ３より低い第３の電圧閾値Ｖ２より高い場合は、前記主たる負荷４への電力供給を停止するとともに、前記従たる負荷７への電力供給と前記二次電池１への充電を許可する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電制御装置に関するものである。

二次電池を充電制御する汎用的な充電装置において、満充電されたときの端子間電圧で定義される充電終止電圧と、電池容量を使い切ったときの端子間電圧で定義される放電終止電圧に対し、充電終止電圧よりも高い充電上限電圧と放電終止電圧よりも低い充電下限電圧との間を充電範囲として設定し、充電下限電圧より低い電圧になると二次電池への充電を禁止するものが知られている（特許文献１の段落００４４〜００４８及び図２）。

特開２００７−１０４７９０号公報

ところで、産業車両を含む電気自動車などにおいては、二次電池電源からの電力は、車両動力源となる駆動系モータ以外に、ヘッドライトなどの灯火類、インストルメントパネルなどに設けられる計器類、その他の電装系装置（以下、これらを総称して補機系ともいう。）や、車両コントロールユニットＥＣＵなどの制御機器にも供給される。

そのため、上記従来技術のように放電終止電圧に達したら駆動系及び補機系への電力の供給を遮断するように設定すると、充電下限電圧までの残容量により比較的負荷が小さい補機類を作動することができるにも拘らず、これを制限してしまうという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、電池負荷の使用可能範囲の制限を緩和する二次電池の充電制御装置を提供することである。

本発明は、二次電池への充電を禁止する第１の電圧閾値と、主たる負荷への放電を停止する前記第１の電圧閾値よりも高い第２の電圧閾値との間に、前記主たる負荷よりも負荷電力量が相対的に小さい従たる負荷への放電を停止する第３の電力閾値を設定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、負荷電力量が相対的に大きい主たる負荷については第２の電圧閾値以下になったときに放電を停止する一方で、負荷電力量が相対的に小さい従たる負荷については第３の電圧閾値以下になったときに放電を停止する。換言すれば、第２の電圧閾値とこれより低い第３の電圧閾値との間において、従たる負荷に対しては放電を停止しないので、従たる負荷の使用可能範囲についてその制限を緩和することができる。

本発明の一実施の形態を適用した組電池システムを示すブロック図である。図１のバッテリコントローラに設定される電圧閾値Ｖ１〜Ｖ４を説明するためのグラフである。図１のバッテリコントローラで実行される充電制御手順を示すフローチャートである。図１のバッテリコントローラによる作用を説明するためのグラフである。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態を適用した組電池システムを示すブロック図であり、以下、産業車両を含む電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される駆動系交流モータ４を主たる電池負荷とし、ヘッドライトなどの灯火類、インストルメントパネルなどに設けられる計器類その他の電装系装置（以下、これらを総称して補機類７ともいう。）、ＥＣＵなどの制御機器６を従たる電池負荷とした例について説明する。

なお、本例においては車両コントローラ６も従たる負荷として電力供給の停止対象としたが、再始動に備えるために車両コントローラ６に補助バッテリを設け、組電池１からの電力供給が遮断されたときに当該補助バッテリによって暫定的に作動可能としてもよい。また、従たる負荷は車両コントローラ６及び補機類７以外の電気機器を含んでもよく、このうちの一部であってもよい。

同図に示す組電池１は、複数の単電池１ａ〜１ｄを直列に接続し、その両極に電力供給線２を介して電力変換装置であるインバータ５を接続したものである。組電池１から供給される直流電流は、インバータ５により交流電流に変換されて、駆動系交流モータ４に供給され、当該駆動系交流モータ４を駆動する。

また、組電池１からの電力は、車両を統括する車両コントローラ６および補機類７にも電力供給線２を介して供給される。

組電池１とインバータ５とを接続する電力供給線２にはリレースイッチ９が設けられ、また組電池１と車両コントローラ６及び補機類７とを接続する電力供給線２にはリレースイッチ１０が設けられている。これらリレースイッチ９，１０はそれぞれ独立して車両コントローラ６からの指令信号により開閉する。

本例において、主たる電池負荷である駆動系モータ４と従たる電池負荷である車両コントローラ６及び補機類７とは、その負荷電力量が相対的に大きく相違するものをいう。したがって、従たる電池負荷には、車両コントローラ６及び補機系７以外にも駆動系モータ４の負荷電力量が相対的に小さい電気機器も含まれる趣旨である。逆に主たる電池負荷には、駆動系モータ以外にも、車両コントローラ６や補機類７の負荷電力量が相対的に大きい電気機器も含まれる趣旨である。

一方、組電池１の電力供給線２には発電機を含む充電器８の入出力端子が接続され、車両コントローラ６からの指令信号を受けて組電池１に充電のための電力を供給する。なお、充電器８に代えて、駆動系交流モータ４を回生運転することで生じた電力を組電池１に充電してもよい。

なお、同図に示す組電池１によるモータ４の駆動システムは、本実施形態に係る充電制御装置を説明するための一例であって、本例のように複数の単電池１ａ〜１ｄを直列に接続して組電池１を構成する以外にも、複数の単電池を直列及び／又は並列に接続して組電池１を構成することもできる。また、組電池１による電力の供給対象が直流モータの場合はインバータ５に代えてＤＣ／ＤＣコンバータとすることができ、さらに電力の供給対象はモータ４以外の負荷とすることもできる。

本例のバッテリコントローラ３は、組電池１の各単電池１ａ〜１ｄの端子間電圧を検出する機能と、複数（本例では４つ）の電圧閾値を設定する機能と、検出された単電池の電圧と電圧閾値とを比較し、比較結果に応じた指令信号を出力する機能とを備えた、たとえばマイクロコンピュータから構成されている。

組電池１の各単電池１ａ〜１ｄの端子間電圧Ｖは所定のサンプリング間隔で検出され、バッテリコントローラ３のメモリ領域に一時的に記憶される。

バッテリコントローラ３には、図２に示すように、単電池の充電状態ＳＯＣ（State of Charge）が１００％である満充電のときの充電終止電圧Ｖ４と、これに対して充電状態ＳＯＣが０％である放電終止の電圧Ｖ２と、放電終止電圧Ｖ２よりも低く、それ以上電圧が降下すると充電しても再使用ができない充電可能下限電圧Ｖ１と、この充電可能下限電圧Ｖ１と放電終止電圧Ｖ２との間の電圧である補機停止電圧Ｖ３とが、４つの電圧閾値として設定されている。図２はバッテリコントローラ３に設定される電圧閾値Ｖ１〜Ｖ４を説明するためのグラフである。なお、ここで設定される電圧閾値Ｖ１は、構造上単電池が有する真の過放電閾値よりも大きい値に設定されることを前提としている。

そして、バッテリコントローラ３は、同図に示すように、検出された単電池の電圧Ｖが、充電終止電圧Ｖ４（ＳＯＣ＝１００％）と放電終止電圧Ｖ２（ＳＯＣ＝０％）との間であると判断した場合は、駆動系モータ４への放電（電力供給）、車両コントローラ６及び補機類７への放電（電力供給）および充電器８による組電池１への充電のいずれをも許可する指令信号を車両コントローラ６へ出力する。

これに対し、検出された単電池の電圧Ｖが、充電終止電圧Ｖ４（ＳＯＣ＝１００％）より高いと判断した場合は、過充電を防止するために充電禁止の指令信号を車両コントローラ６へ出力し、充電器８の稼動を禁止する。

また、検出された単電池の電圧Ｖが、充電可能下限電圧Ｖ１より低いと判断した場合は、単電池の破損を防止するために充電禁止の指令信号を車両コントローラ６へ出力し、充電器８の稼動を禁止する。同時に駆動系モータ４への放電停止および車両コントローラ６及び補機類７への放電停止の指令信号を車両コントローラ６へ出力し、リレースイッチ１０を開状態にする。

また、検出された単電池の電圧Ｖが、放電終止電圧Ｖ２より低いが、補機停止電圧Ｖ３より高いと判断した場合は、単電池の過放電を防止する一方で車両コントローラ６及び補機類７の使用可能範囲を拡大するために、駆動系モータ４への放電停止の指令信号と、車両コントローラ６及び補機類７への放電許可の指令信号を車両コントローラ６へ出力する。同時に充電器８による組電池１への充電許可の指令信号も車両コントローラ６へ出力する。

これに対し、検出された単電池の電圧Ｖが、充電可能下限電圧Ｖ１より高いが、補機停止電圧Ｖ３より低いと判断した場合は、単電池の過放電を防止するために、駆動系モータ４への放電停止と車両コントローラ６及び補機類７への放電停止の指令信号を車両コントローラ６へ出力する。同時に充電器８による組電池１への充電許可の指令信号を車両コントローラ６へ出力する。

ちなみに、放電停止電圧Ｖ２は充電状態ＳＯＣが０％のときの単電池の電圧であり、充電可能下限電圧は充電可能な最低電圧であるから、単電池の仕様によってほぼ一義的に定まる電圧閾値である。これに対し、補機停止電圧Ｖ３はＶ１＜Ｖ３＜Ｖ２を満たす電圧であればその具体的数値は限定されない電圧閾値である。

ただし、補機停止電圧Ｖ３を放電終止電圧Ｖ２に近似した値に設定すると、補機停止電圧Ｖ３と充電可能下限電圧Ｖ１との差が大きくなって、車両コントローラ６及び補機類７の暗電流ならびに単電池１ａ〜１ｄの自己放電による電圧降下の許容時間が長くなり、長時間の放置に対応することができる。逆に、補機停止電圧Ｖ３を充電可能下限電圧Ｖ１に近似した値に設定すると、放置時間が相対的に短くなるものの放電終止電圧Ｖ２と補機停止電圧Ｖ３との差が大きくなるので車両コントローラ６及び補機類７の使用可能範囲が拡大する。

こうした利点を利用し、たとえば車両コントローラ６からの指令信号をバッテリコントローラ３へ取り込むことにより、適宜の補機停止電圧Ｖ３に変更するようにしてもよい。

次に制御手順を説明する。

図３はバッテリコントローラ３で実行される主たる充電制御手順を示すフローチャートである。

まずステップＳ１では、各単電池１ａ〜１ｄの電圧を検出し、最低の電圧を検出電圧Ｖとする。またはこれに代えて、各単電池１ａ〜１ｄの平均電圧を検出電圧Ｖとしたり、組電池１全体の端子電圧を検出電圧Ｖとしたりしてもよい。

ステップＳ２では、ステップＳ１で取得された検出電圧Ｖとメモリ領域に設定された充電終止電圧Ｖ４とを比較し、検出電圧Ｖが充電終止電圧Ｖ４より高い場合はステップＳ３へ進み、充電禁止の指令信号を車両コントローラ６へ出力する。この充電禁止の指令信号を受信した車両コントローラ６は、充電器８による組電池１への充電処理を禁止する。これにより、組電池１への過充電を防止することができる。

ステップＳ２にて検出電圧ＶがＶ４以下である場合はステップＳ４へ進み、検出電圧Ｖと放電終止電圧Ｖ２とを比較する。このステップＳ４の比較の結果、検出電圧Ｖが放電終止電圧Ｖ２より高い場合はステップＳ５へ進み、駆動系モータ４への放電、車両コントローラ６及び補機類７への放電および充電器８による組電池１への充電のいずれをも許可する指令信号を車両コントローラ６へ出力する。これらの指令信号を受信した車両コントローラ６は、リレースイッチ９，１０を閉じる（既に閉じている場合はそれを維持する）とともに、必要に応じて充電器８による組電池１への充電処理も実行する。

ステップＳ４にて検出電圧Ｖが放電終止電圧Ｖ２以下であると判断された場合はステップＳ６へ進み、検出電圧Ｖと補機停止電圧Ｖ３とを比較する。このステップＳ６の判断の結果、検出電圧Ｖが補機停止電圧Ｖ３より高い場合はステップＳ７へ進み、駆動系モータ４への放電を停止する指令信号と、車両コントローラ６及び補機類７への放電を許可する指令信号と、充電器８による組電池１への充電を許可する指令信号を車両コントローラ６へ出力する。これらの指令信号を受信した車両コントローラ６は、リレースイッチ９を開いて駆動系モータ４への電力供給を遮断する一方、リレースイッチ１０を閉じる（既に閉じている場合はそれを維持する）とともに、必要に応じて充電器８による組電池１への充電処理も実行する。

これにより、主たる電池負荷である駆動系モータ４への電力供給は遮断されて過放電が抑制される一方で、従たる電池負荷である車両コントローラ６及び補機類７への電力供給は維持されるので、車両は走行できないもののヘッドライトやオーディオなどは必要に応じて使用することができる。

一方、ステップＳ６の判断の結果、検出電圧Ｖが補機停止電圧Ｖ３以下の場合はステップＳ８へ進み、補機類７側へのリレースイッチ１０が再投入（開成→閉成）されたか否かを車両コントローラ６の信号により判断する。

このステップＳ８の判断の結果、リレースイッチ１０が再投入されたのではなく開状態がそのまま維持されている場合はステップＳ９へ進み、車両コントローラ６によりリレースイッチ１０を開いて車両コントローラ６及び補機類７への電力供給を遮断する。このリレースイッチ１０の開成操作によって車両コントローラ６及び補機類７への電力供給がハードウェアにより遮断されるので確実性が高くなる。なお、ステップＳ９のリレースイッチ１０の開成操作に代えて、ステップＳ１１と同じように駆動系モータ４への放電停止、車両コントローラ６及び補機類７への放電停止、および充電器８による組電池１への充電許可の指令信号を車両コントローラ６へ出力してもよい。

図４は、以上のステップＳ１からステップＳ９までの制御による作用を説明するためのグラフである。制御開始当初の検出電圧Ｖが充電終止電圧Ｖ４と放電終止電圧Ｖ２との間にあり、ここから放電を開始するものとする。この状態ではステップＳ５のとおり、駆動系モータ４、車両コントローラ６及び補機類７のいずれに対しても放電が許可され、また充電器８による組電池１への充電も必要に応じて実行することができる。

組電池１からの放電が行われ、組電池１の検出電圧Ｖが放電終止電圧Ｖ２に達すると（時間ｔ１）、ステップ７に示すようにリレースイッチ９を開くことなどで駆動系モータ４への電力供給を停止する。ただし、車両コントローラ６及び補機類７への電力供給は、検出電圧Ｖが補機停止電圧Ｖ３に達するまで、すなわち時間ｔ２まで継続して行われる。

仮に検出電圧Ｖが放電終止電圧Ｖ２に達したときに駆動系モータ４に加えて車両コントローラ６及び補機類７への電力供給も停止したとすると、この時間ｔ１〜ｔ２の間については、電池負荷が比較的小さい車両コントローラ６及び補機類７の作動も制限され、利便性が損なわれることになるが、本例の制御によればそのような制限が緩和されるので利便性が向上する。

さらに放電が行われて検出電圧Ｖが補機停止電圧Ｖ３に達したら、ステップ９に示すようにリレースイッチ１０を開くなどして車両コントローラ６及び補機類７への電力供給も遮断する。これにより補機類７の消し忘れや車両コントローラ６及び補機類７の暗電流または組電池１の自己放電によって、知らぬ間に検出電圧Ｖが充電可能下限電圧Ｖ１に達してしまうこと（同図に二点鎖線で示す）が防止され、その結果、組電池１の再使用が可能となる。

なお、ステップＳ９にてリレースイッチ１０を開いたのち、車両コントローラ６の指示等によって再度リレースイッチ１０が閉じた場合は、ステップＳ８からステップＳ１０へ進み、検出電圧Ｖと充電可能下限電圧Ｖ１及び補機停止電圧Ｖ３とを比較する。このステップＳ１０の判断の結果、検出電圧Ｖが充電可能下限電圧Ｖ１より高く補機停止電圧Ｖ３より低い場合はステップＳ１１へ進み、駆動系モータ４、車両コントローラ６、補機類７への電力供給は停止するものの、充電器８による組電池１への充電操作は許可する。なおこの場合、車両コントローラ６については補助バッテリにより動作するものとする。

また、ステップＳ１０の判断の結果、検出電圧Ｖが充電可能下限電圧Ｖ１以下の場合はステップＳ１２へ進み、駆動系モータ４、車両コントローラ、補機類７への電力供給に加え、充電器８による組電池１への充電操作も禁止する。

なお、上記駆動系モータ４が本発明に係る主たる負荷に相当し、上記車両コントローラ６及び補機類７が本発明に係る従たる負荷に相当し、上記バッテリコントローラ３が本発明に係る電圧検出手段、閾値設定手段、制御手段及び入力手段に相当し、上記リレースイッチ１０が本発明に係る電力入切スイッチに相当する。また、上記充電可能下限電圧Ｖ１が本発明に係る第１の電圧閾値に相当し、上記放電終止電圧Ｖ２が本発明の第２の電圧閾値に相当し、上記補機停止電圧Ｖ３が本発明に係る第３の電圧閾値に相当し、上記充電終止電圧Ｖ４が本発明に係る第４の電圧閾値に相当する。

１…組電池
１ａ〜１ｄ…単電池
２…電力供給線
３…バッテリコントローラ
４…モータ
５…インバータ
６…車両コントローラ
７…補機類
８…充電器
９，１０…リレースイッチ
Ｖ１…充電可能下限電圧（第１の電圧閾値）
Ｖ２…放電終止電圧（第２の電圧閾値）
Ｖ３…補機停止電圧（第３の電圧閾値）
Ｖ４…充電終止電圧（第４の電圧閾値）

Claims

主たる負荷と、これより相対的に負荷電力量が小さい従たる負荷とに電力を供給する二次電池の充電を制御する制御装置であって、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記二次電池への充電を禁止する第１の電圧閾値と、前記第１の電圧閾値より高い値であって前記主たる負荷への電力供給を停止する第２の電圧閾値と、前記第１の電圧閾値より高く前記第２の電圧閾値より低い値であって前記従たる負荷への電力供給を停止する第３の電圧閾値とを設定する閾値設定手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧と、前記閾値設定手段に設定された第１の電圧閾値、前記第２の電圧閾値及び前記第３の電圧閾値とを比較し、前記検出された電圧が前記第２の電圧閾値より低く前記第３の電圧閾値より高い場合は、前記主たる負荷への電力供給を停止する指令信号、前記従たる負荷への電力供給を許可する指令信号および前記二次電池への充電を許可する指令信号を出力する制御手段と、を備える二次電池の充電制御装置。
請求項１に記載の二次電池の充電制御装置において、
前記主たる負荷及び前記従たる負荷を放置する放置時間を入力する入力手段を備え、
前記設定手段は、前記入力手段に入力された放置時間が長いほど前記第３の電圧閾値を前記第１の電圧閾値より前記第２の電圧閾値に近似する値に設定する二次電池の充電制御装置。
請求項１又は２に記載の二次電池の充電制御装置において、
前記制御手段は、前記検出された電圧が前記第３の電圧閾値より低く前記第１の電圧閾値より高い場合は、前記主たる負荷への電力供給を停止する指令信号、前記従たる負荷への電力供給を停止する指令信号および前記二次電池への充電を許可する指令信号を出力する二次電池の充電制御装置。
請求項３に記載の二次電池の充電制御装置において、
前記二次電池と前記従たる負荷との間の電力供給線に電力入切スイッチを備え、
前記制御手段は、前記電力入切スイッチを開放する指令信号を出力する二次電池の充電制御装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次電池の充電制御装置において、
前記制御手段は、前記検出された電圧が前記第１の電圧閾値より低い場合は、前記主たる負荷への電力供給を停止する指令信号、前記従たる負荷への電力供給を停止する指令信号および前記二次電池への充電を禁止する指令信号を出力する二次電池の充電制御装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の二次電池の充電制御装置において、
前記設定手段は、前記第２の電圧閾値より高い値であって前記二次電池への充電を禁止する第４の電圧閾値を設定し、
前記制御手段は、前記検出された電圧が前記第４の電圧閾値より低く前記第３の電圧閾値より高い場合は、前記主たる負荷への電力供給を許可する指令信号、前記従たる負荷への電力供給を許可する指令信号および前記二次電池への充電を許可する指令信号を出力する二次電池の充電制御装置。
主たる負荷と、これより相対的に負荷電力量が小さい従たる負荷とに電力を供給する二次電池の充電を制御する方法であって、
前記二次電池の電圧が、前記二次電池への充電を禁止する第１の電圧閾値より高い第２の電圧閾値より低く、前記第２の電圧閾値より低い第３の電圧閾値より高い場合は、前記主たる負荷への電力供給を停止するとともに、前記従たる負荷への電力供給と前記二次電池への充電を許可することを特徴とする二次電池の充電制御方法。