JP2011061947A - 充電制御装置及び充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充電の過不足を防ぐ充電制御装置を提供する。
【解決手段】
二次電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、二次電池の充電時間を測定する充電時間測定手段と、端子間電圧と所定の閾値電圧とを比較して二次電池への充電電力を制御する充電器１０２とを有し、充電器１０２は、充電時間測定手段により測定される充電時間に応じて、所定の閾値電圧を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、充電制御装置及び充電制御方法に関する。

二次電池の内部抵抗による電圧降下を加味して、二次電池の満充電電圧より高い閾値電圧を固定値として設定し、二次電池の端子間電圧が当該閾値電圧に達するまで充電することにより、充電時間を短縮する二次電池の充電方法が知られている（特許文献１）。

特開平６−３２５７９４号公報

しかしながら、二次電池の内部抵抗が低い場合、二次電池の開放電圧が満充電電圧より高くなり、二次電池が過充電になる可能性があり、逆に内部抵抗が高い場合、満充電までの時間が長くなる可能性があった。

そこで本発明は、二次電池の充電の過不足を防ぐ充電制御装置を提供する。

本発明は、充電時間に応じて、所定の閾値電圧を設定し、二次電池の端子間電圧と当該所定の閾値電圧とを比較して、充電電力を制御することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、充電時間に応じて、所定の閾値電圧を設定し、二次電池の端子間電圧と当該所定の閾値電圧とを比較して、充電電力を制御するため、二次電池の内部抵抗の大きさに応じて、当該所定の閾値電圧を設定することができ、その結果、二次電池の充電の過不足を防ぐことができる。

発明の実施形態に係る充電制御装置を含む強電システムのブロック図である。 図１に示す組電池の充電時間に対する内部抵抗の特性を示すグラフである。 図１に示す組電池の内部抵抗に対する電圧の特性を示すグラフである。 図１に示す組電池の電池温度に対する内部抵抗の特性を示すグラフである。 図１に示す強電システムにおける、制御手順を示すフローチャートである。 他の発明の実施形態に係る充電制御装置を含む強電システムのブロック図である。 図６に示す組電池の劣化度に対する内部抵抗の特性を示すグラフである。 図６に示す強電システムにおける、制御手順を示すフローチャートである。

以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
本発明の充電制御装置を含むシステムを、例えば電気車両に使用される場合を例として説明する。図１は、本発明の充電制御装置を含む強電システムのブロック図を示す。

図１に強電システムは、直列に接続された複数の二次電池の単電池１００を含む組電池１０１と、組電池１０１に充電電力を供給し組電池１０１を充電する充電器１０２と、組電池１０１の端子間電圧を検出する電圧センサ１０３と、充電器１０２から組電池１０１に供給される充電電流を検出する電流センサ１０４と、組電池１０１の温度を検出するサーミスタ１０５と、各単電池１００の電圧を検出するセルコントローラ１０６を有する。

組電池１０１の正極は、正極用強電ハーネス１０７を介して充電器１０２に接続され、組電池１０１の負極は、負極用強電ハーネス１０８を介して充電器１０２に接続される。各単電池１００は、セル電圧検出線１０９を介して、セルコントローラ１０６に接続される。充電器１０２は、電源ハーネス１１１を介して接続される電源プラグ１１２を、電源コンセント１１３に接続する。また充電器１０２は、組電池１の充電時間を測定するタイマ１１０を有する。電圧センサ１０３は、組電池３の両端子に接続され、当該センサにより検出される、組電池１０１の端子間電圧は、制御信号により充電器１０２へ送信される。また電流センサ１０４は、正極用強電ハーネス１０７に接続され、当該センサにより検出される、組電池１０１への入出力電流は、制御信号により充電器１０２へ送信される。

セルコントローラ１０６は、セル電圧検出線１０９を介して各単電池１００の電圧を検出し、検出電圧は制御信号により充電器１０２へ送信される。またセルコントローラ１０６は、単電池１００の端子間に接続される容量調整用抵抗（図示しない）を、スイッチング素子（図示しない）の制御により、導通させて、単電池１００の容量を調整する。

充電器１０２は、電圧センサ１０３及び電流センサ１０４からの信号を受信し、組電池１０１の総電圧、入出力電流を、所定のサンプリング周期でサンプリングする。また充電器１０２は、サーミスタからの信号に基づいて、組電池１０１の温度を検出する。また充電器１０２には、タイマー１１０が備え付けられ、当該タイマー１１０は、充電器１０２から組電池１０１に対して充電電流を供給する時点からの充電時間、または、充放電が切り替わる時点からの充電時間を検出する。

ここで、組電池１０１の内部抵抗、組電池１０１の温度及び組電池１０１の充電電圧について、説明する。図２は組電池１０１の充電時間に対する内部抵抗の特性を、図３は、組電池１０１の内部抵抗に対する電圧の特性を、図４は、組電池１０１の電池温度に対する内部抵抗の特性を示すグラフである。組電池１０１の内部抵抗は、図２に示すように、充電が開始される時点から又は充放電が切り替わる時点から、充電時間と共に上昇する特性を有している（例えば、特公開２００８−８９４４７を参照）。そして、図３に示すように、組電池１０１の内部抵抗が高くなると、組電池１０１の開放電圧が一定の状態であっても、組電池１０１の端子間電圧が高くなる特性を有している。また、組電池１０１の内部抵抗は温度依存性を有しており、図４に示すように、組電池１０１の内部抵抗は、温度に上昇に伴って、減少する特性を有している。

充電器１０２には、充電の対象となる電池に関する上記特性が、パラメータとして予め設定されており、充電器１０２は、タイマー１１０により計測される充電時間から組電池１０１の内部抵抗を推定し、当該充電時間に応じて閾値電圧を設定する。また充電器１０２は、温度センサ１０５により検出される温度により当該閾値電圧を補正する。そして、組電池１０１の検出電圧が当該閾値電圧に達した場合、充電器１０２から組電池１０１へ供給される充電電力を下げる。

以下、図５を用いて、本例の充電制御装置の制御手順を説明する。図５は、本例の充電制御装置の制御手順を示すフローチャートである。

組電池１０１が充電器１０２に接続され、充電が開始されると、タイマー１１０は、充電開始時からの経過時間である、充電時間ｔを計測する（ステップＳ１）。次に、ステップＳ２にて、充電器１０２は、サーモメータ１０５により検出される組電池１０１の検出温度を検出する。

ステップＳ３にて、充電器１０２は、予め設定されている所定の時間ｔｃと、ステップＳ１にて計測される充電時間ｔを比較する。当該所定の時間ｔｃは、組電池１の電池の特性に応じて、予め設定されている値であって、充電時間ｔが当該所定の時間ｔｃを経過しているか否かによって、後述する通り、充電器１０２により推定される、組電池１０１の内部抵抗の抵抗値が異なる。

そして、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより小さい場合、ステップＳ４１にて、充電器１０２は閾値電圧Ｖｃを電圧閾値Ｖ１として設定する。ここで、閾値電圧Ｖｃについて、組電池１０１の端子間電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｃに達するまでは、充電器１０２は、組電池１０１を定充電電流で充電し、端子間電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｃに達すると、充電器１０２は、充電電流を小さくし、組電池１０１を充電する。そのため、閾値電圧Ｖｃは充電電流の制御モードを変更するための閾値となる電圧を示す。また電圧閾値Ｖｃは、閾値電圧Ｖ１又は閾値電圧Ｖ２に設定され、閾値電圧Ｖ２は、閾値電圧Ｖ１より高い。

閾値電圧Ｖ１は、組電池１の満充電電圧Ｖ_０と、組電池１０１の内部抵抗により電圧降下分を加えた電圧である。満充電電圧Ｖ_０は、組電池１０１が満充電の状態の電圧であり、組電池１０１に含まれる単電池１００の設計時の設定により定まる電圧である。組電池１０１の内部抵抗は、図２を参照して、充電時間に伴って変化する特性を有しているため、本例の充電器１０２は、充電時間ｔが所定の時間ｔｃを経過している否かによって、推定される内部抵抗の大きさを変える。充電時間ｔが所定の充電時間ｔｃより長い場合、内部抵抗ｒ２が推定され、充電時間ｔが所定の充電時間ｔｃより短い場合、内部抵抗ｒ１が推定される。内部抵抗ｒ２は、内部抵抗ｒ１より大きい。

また、図４に示すように、内部抵抗は、温度依存性を有しているため、充電器１０２は、温度に応じて変化する温度補正係数αを内部抵抗に乗じることにより、内部抵抗を補正する。組電池１０１の温度が高い場合、内部抵抗は低くなり、組電池１０１の温度が低い場合、内部抵抗は高くなる（図４参照）。そのため、例えば、閾値温度を予め設定し、充電器１０１に格納し、充電器１０２は、ステップＳ２にて検出される検出温度が当該閾値温度より高い場合、補正値α１を抽出し、検出温度が当該閾値温度より低い場合、補正値α２を抽出し、温度補正係数とする。ただし、補正値α１は、補正値α２より小さい。

そして、充電器１０２において、閾値電圧が、閾値電圧（Ｖ１）＝満充電電圧（Ｖ_０）＋温度補正係数（α１）・内部抵抗（ｒ１）×充電電流により算出される。

一方、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより大きい場合、ステップＳ４２にて、充電器１０２は閾値電圧Ｖｃを電圧閾値Ｖ２として設定する。内部抵抗は、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより大きいため、内部抵抗ｒ２として推定される。また、充電器１０２は、温度に応じて変化する温度補正係数αを抽出する。そして閾値電圧は、閾値電圧（Ｖ２）＝満充電電圧（Ｖ_０）＋温度補正係数（α２）・内部抵抗（ｒ２）×充電電流により算出される。

次に、ステップＳ５にて、充電器１０２は、電圧センサ１０３から、現在の組電池の端子間電圧Ｖｓを検出する。ステップＳ６にて、充電器１０２は、端子間電圧Ｖｓと、ステップＳ４１又はＳ４２にて設定された閾値電圧Ｖｃとを比較する。

端子間電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｃより低い場合、充電器１０２は、現在の充電電流を維持しつつ充電を続け、ステップＳ１に戻り、上記ステップを繰り返す。一方、端子間電圧Ｖｓが閾値電圧Ｖｃより高い場合、充電器１０２は、現在の充電電流を絞り、組電池１０１への出力電流を小さくして充電する（ステップＳ８）。そして、組電池１０１へ供給される充電電流の大きさがゼロに近づき、組電池１０１が満充電状態になったと判断されると（ステップＳ８）、充電器１０２は、充電を終了する。

上記のように、本発明は、充電時間による内部抵抗の変化に着目し、本例の充電制御装置は、タイマー１１０により測定される充電時間に応じて、充電電力を制御する閾値である閾値電圧Ｖｃを設定する。これにより、本例は、組電池１０１の充電の過不足を防ぎつつ、充電時間の短縮化を図ることができる。

すなわち、本例は、組電池の内部抵抗の状態に応じて、内部抵抗の降下分に合わせた閾値電圧を設定する。これにより、本例は、組電池１０１の内部抵抗が低い場合、組電池１０１に対して過剰な電圧が加わることを抑制するため、組電池１０１の過充電を防ぐことができる。また組電池１０１の内部抵抗が高い場合、当該内部抵抗の降下分に合わせて、閾値電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を設定するため、組電池の充電が不足することを防ぎつつ、充電時間の短縮化を図ることができる。また、本例は、組電池１０１の内部抵抗を、直接、演算しなくても、内部抵抗の変化に応じて電圧閾値を変更させるため、制御部分の演算負荷の軽減させることができる。

また本発明において、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより長い場合に設定される閾値電圧Ｖ２が、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより短い場合に設定される閾値電圧Ｖ１より高くなるよう、閾値電圧が設定される。これにより、充電時間によって変化する内部抵抗の降下電圧の変動に対応させて、閾値電圧が設定されるため、組電池１０１の充電の過不足を防ぐことができる。

また本発明は、組電池１０１の温度を検出するサーミスタ１０５を有し、検出温度に応じて、閾値電圧を設定する。また、検出温度が所定の温度より高い場合に設定される閾値電圧が、検出温度が当該所定の温度より低い場合に設定される閾値電圧より低くなるよう、温度補正係数が設定される。これにより本例は、組電池１０１の温度状態に応じて、閾値電圧Ｖｃを補正するため、当該温度状態に適した閾値電圧を設定することができ、充電の過不足を防ぎつつ、充電時間の短縮を図ることができる。

なお、本発明は、所定の時間ｔｃを時間の閾値として用いて、閾値電圧Ｖ１またはＶ２を設定し、充電制御を行うが、時間の閾値は、必ずしも一つにする必要はなく複数であってもよく、また充電時間に連動する閾値電圧を設定してもよい。

また本例は、温度補正係数αを内部抵抗に乗ずることで閾値電圧を補正をするが、温度補正係数を加減算することのより、補正をして、閾値電圧Ｖｃを設定してもよい。

また、図２に示すように、組電池１０１の内部抵抗は、充電時間開始から徐々に上昇し、ある時点から飽和する特性を有している。ここで飽和する内部抵抗を飽和内部抵抗（ｒ_ｆ）とし、対応する時間を飽和時間（ｔ_ｆ）とする。そして、充電器１０１は、充電開始時から飽和時間ｔ_ｆまでは、充電時間ｔに対して閾値電圧Ｖｃを連動させて増加させる。そして、充電時間ｔが飽和時間ｔ_ｆに達してから、充電器１０２は、閾値電圧を固定させ維持する。

これにより、本例は、内部抵抗が飽和する充電時間に応じて、閾値電圧Ｖｃを設定するため、飽和内部抵抗ｒ_ｆより高い内部抵抗が推定されない。そのため、充電時間を短縮化しつつ、過充電のおそれがある電圧が閾値電圧として設定されないため、組電池１０１の過充電を防ぐことができる。

なお、本例は、充電開始時から飽和時間ｔ_ｆまで、充電時間ｔに対して閾値電圧Ｖｃを連動させて増加させるが、段階的な大きさをもつ閾値電圧を設定し、充電を制御してもよい。

また、本例は、端子間電圧Ｖｓが所定の閾値電圧Ｖｃ達した場合、組電池１０１への充電電流を小さくする。これにより、内部抵抗と充電電流の積による電圧上昇を抑えることができ、精度よく満充電まで充電させることができる。

なお、本例は、電圧センサ１０３により組電池１０１の端子間電圧を検出し、上記制御を行うが、セルコントローラ１０６により検出される単電池１００の検出電圧を用いて、上記制御を行ってもよい。

また、本例は、充電時間により組電池１０１の内部抵抗を推定するが、内部抵抗を直接測定して、閾値電圧を設定し、充電電力を制御してもよい。これにより、精精度よく満充電まで充電させることができ、充電の過不足を防ぐことができる。

なお、本例は、充電器１０２により組電池１０１を充電させるため充電電源を、コンセント１１３とするが、例えば車両に搭載されるモータの回生充電を発生電源としてもよい。また本システムは、組電池１０１をから取り外して、他の組電池１０１に取り替えることも可能である。

なお、本例の電圧センサ１０３は「電圧検出手段」に相当し、タイマー１１０が「充電時間測定手段」に、サーミスタ１０５が「温度検出手段」に相当する。

《第２実施形態》
図６は、発明の他の実施形態に係る充電制御装置を含む強電システムのブロック図である。本例は上述した第１実施形態に対して、サーミスタ１０５の代わりに、劣化度測定部２０１を有する点が異なる。これ以外の構成で上述した第１実施形態と同じ構成は、その記載を援用する。

図６に示すように、充電器１０２は劣化度測定部２０１を有し、劣化度測定部２０１は、電圧センサ１０３により検出電圧、電流センサ１０４により検出電流に基づいて、劣化度を測定する。

劣化度は、例えば、ある所定のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）における、初期の（劣化前の）電池容量に対する現在の（劣化後の）電池容量の割合により算出される。初期の電池容量は、組電池１０１に含まれる単電池の設計段階で予め定められている。また劣化後の電池容量は、充電開始時からある時点までの積算電流値を算出することで求めることができる。そして、図７に示すように、組電池１０１は劣化が進むと、内部抵抗が上昇する特性を有している。図７は、組電池１０１の劣化度に対する内部抵抗の特性を示すグラフである。

次に、図８を用いて、本例の充電制御装置の制御手順を説明する。図８は、本例の充電制御装置の制御手順を示すフローチャートである。本例の充電制御装置において、ステップＳ１、ステップＳ３、ステップＳ５〜ステップＳ９の制御工程は、第１実施形態に係る充電制御装置の制御工程と同様のため、説明は省略し、異なる制御ステップについて、以下に説明する。

ステップＳ２１にて、充電器１０１は、劣化度測定部２０１により、充電時間ｔにおける劣化度を測定する。そして、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより小さい場合、ステップＳ２４１にて、充電器１０２は閾値電圧Ｖｃを電圧閾値Ｖ１として設定する。

図７に示すように、内部抵抗は、劣化度に依存するため、充電器１０２は、劣化度に応じて変化する劣化度補正係数βを内部抵抗に乗じることにより、内部抵抗を補正する。組電池１０１の劣化度が高い場合、内部抵抗は高くなり、組電池１０１の劣化度が低い場合、内部抵抗は低くなる（図４参照）。そのため、例えば、閾値劣化度を予め設定し、充電器１０１に格納し、充電器１０２は、ステップＳ２１にて測定される劣化度が当該閾値劣化度より高い場合、補正値β１を抽出し、劣化度が当該閾値劣化度より低い場合、劣化度補正係数β２を抽出し、劣化度補正係数とする。ただし、補正値β１は、補正値β２より大きい。

そして、充電器１０２において、閾値電圧が、閾値電圧（Ｖ１）＝満充電電圧（Ｖ_０）＋劣化度補正係数（β１）・内部抵抗（ｒ１）×充電電流により算出される。

一方、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより大きい場合、ステップＳ２４２にて、充電器１０２は閾値電圧Ｖｃを電圧閾値Ｖ２として設定する。内部抵抗は、充電時間ｔが所定の時間ｔｃより大きいため、内部抵抗ｒ２として推定される。また、充電器１０２は、劣化度に応じて変化する劣化度補正係数β２を抽出する。そして閾値電圧は、閾値電圧（Ｖ２）＝満充電電圧（Ｖ_０）＋劣化度補正係数（β２）・内部抵抗（ｒ２）×充電電流により算出される。

上記のように、本例は、組電池１０１の劣化度を測定する劣化度測定部２０１を有し、劣化度に応じて、閾値電圧を設定する。また、劣化度が所定の劣化度より高い場合に設定される閾値電圧が、劣化度が当該所定の劣化度より低い場合に設定される閾値電圧より高くなるよう、劣化度補正係数を設定する。これにより、組電池１の劣化状態に応じて、閾値電圧Ｖｃを補正するため、当該劣化状態に適した閾値電圧を設定することができ、充電の過不足を防ぎつつ、充電時間の短縮を図ることができる。

なお、本例は、劣化度補正係数βを内部抵抗に乗ずることで補正をするが、劣化度補正係数を加減算することにより、補正をして、閾値電圧Ｖｃを設定してもよい。

なお、本例の劣化度測定部２０１は「劣化度測定手段」に相当する。

１００…単電池
１０１…組電池
１０２…充電器
１０３…電圧センサ
１０４…電流センサ
１０５…サーミスタ
１０６…セルコントローラ
１０７…正極用ハーネス
１０８…負極用ハーネス
１０９…セル電圧検出線
１１０…タイマー
１１１…電源ハーネス
１１２…電源プラグ
１１３…コンセント
２０１…劣化度測定部

Claims (10)

1. 二次電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記二次電池の充電時間を測定する充電時間測定手段と、
   前記端子間電圧と所定の閾値電圧とを比較して前記二次電池への充電電力を制御する充電器とを有し、
   前記充電器は、
   前記充電時間測定手段により測定される前記充電時間に応じて、前記所定の閾値電圧を設定することを特徴とする
   充電制御装置。
2. 前記充電器は、
   前記充電時間が所定の時間より長い場合に設定される前記所定の閾値電圧を、前記充電時間が前記所定の時間より短い場合に設定される前記所定の閾値電圧より高くすることを特徴とする
   請求項１記載の充電制御装置。
3. 前記二次電池の温度を検出する温度検出手段をさらに有し、
   前記充電器は、前記温度検出手段より検出される温度に応じて、前記所定の閾値電圧を設定することを特徴とする
   請求項１または２記載の充電制御装置。
4. 前記充電器は、
   前記温度が所定の温度より高い場合に設定される前記所定の閾値電圧を、前記温度が前記所定の温度より低い場合に設定される前記所定の閾値電圧より低くすることを特徴とする
   請求項３記載の充電制御装置。
5. 前記二次電池の劣化度を測定する劣化度測定手段をさらに有し、
   前記充電器は、前記劣化度測定手段により測定される劣化度に応じて、前記所定の閾値電圧を設定する
   請求項１から４のいずれか一項に記載の充電制御装置。
6. 前記充電器は、
   前記劣化度が所定の劣化度より高い場合に設定される前記所定の閾値電圧を、前記劣化度が所定の劣化度より低い場合に設定される前記所定の閾値電圧より高くすることを特徴とする
   請求項５記載の充電制御装置。
7. 前記充電器は、前記二次電池の内部抵抗が飽和する前記充電時間に応じて、前記所定の閾値電圧を設定する
   請求項１〜６のいずれか一項に記載する充電制御装置。
8. 前記充電器は、前記端子間電圧が前記所定の閾値電圧に達した場合、前記二次電池への充電電流を小さくすることを特徴とする
   請求項１〜７のいずれか一項に記載する充電制御装置。
9. 二次電池の端子間電圧を測定するステップと、
   前記二次電池の充電時間を測定する充電時間測定ステップと、
   前記充電時間測定ステップにより測定される充電時間に応じて、所定の閾値電圧を設定するステップと、
   前記端子間電圧と前記所定の閾値電圧とを比較して、前記二次電池への充電電力を制御し、二次電池を充電するステップとを有する
   充電制御方法。
10. 二次電池の端子間電圧を測定するステップと、
    前記二次電池の内部抵抗を測定するステップと、
    前記内部抵抗に応じて、所定の閾値電圧を設定するステップと、
    前記端子間電圧と前記所定の閾値電圧とを比較して、前記二次電池への充電電力を制御し、前記二次電池を充電するステップとを有する
    充電制御方法。
    

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