JP2013021835A - 充電システム及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電電力の無駄を防止し、劣化の進行を抑制すること。
【解決手段】充電システム１０は、一つの態様において、組電池２と、充電器３と、制御部５とを有する。組電池２は、複数の蓄電池１が直列に接続されることで形成される。充電器３は、組電池２を形成する複数の蓄電池１各々を充電する。制御部５は、充電器３により充電される蓄電池１ごとの電圧値各々を監視し、満充電電圧となった蓄電池１があるとの監視結果が得られた場合に、充電器３から蓄電池１各々に供給する電力である充電電流を減少させるように充電器３を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電システム及び充電方法に関する。

交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電流を負荷に供給する整流器がある。例えば、整流器は、商用の交流電力を受け付け、４８Ｖなどの直流電力に変換した上で出力する。商用の交流電力が停電した場合でも負荷への給電を継続することを目的として、商用の交流電源が停電した際に、単電池と呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列に接続した組電池をバックアップ電源として用いるシステムもある。

図５は、従来の電源システムの一例を示す図である。図５に示すように、例えば、従来の電源システム４０は、整流器４７と、組電池４２とを有する。図５に示す例では、説明の便宜上、交流電源４４と、負荷４８とを併せて示した。整流器４７は、交流電源４４から出力される交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電流を負荷４８に供給する。組電池４２は、複数の単電池４１が直列に接続されて形成される。組電池４２は、整流器４７によって供給される直流電力により充電され、交流電源４４の停電時に負荷４８に直流電力を供給する。

ここで、交流電源４４が有効である場合には、整流器４７が直流電力を出力し、組電池４２を充電しながら負荷４８に電力を供給する。また、交流電源４４が停電した場合には、整流器４７は直流電力の出力を停止することになり、組電池４２が負荷４８に電力を供給する。

特開２００８−１４８４８５号公報 特開２００８−２１１９３５号公報 特開２００８−２７８６６８号公報

組電池４２は、直列に接続された蓄電池４１のうち、いずれか一つでも放電終止電圧となると、放電を停止する。また、最初に放電終止電圧に達する蓄電池４１は、最もＳＯＣが低かった蓄電池４１となる。この結果、図５に示すような電源システムでは、満充電の状態において何時間バックアップできるかを示すバックアップ能力は、組電池４２を形成する蓄電池４１のうち、最もＳＯＣ（State Of Charge）が低い蓄電池４１によって決定される。

ここで、偏った経年劣化や製造上のばらつき、使用環境の差などによって、組電池単位で充電した場合、組電池４２を形成する蓄電池４１各々間において、印加電圧がばらつくことがある。この場合、組電池４２の電圧が整流器４７の出力電圧と等しくなって充電が終了したとしても、蓄電池４１各々のＳＯＣは同一とはならず、ＳＯＣがばらつくことがある。つまり、組電池４２単位で充電を行うことで蓄電池４１各々においてＳＯＣがばらつく結果、組電池４２全体としてのバックアップ能力が低下することになる。

このことを踏まえ、蓄電池４１各々に充電器を接続することで、蓄電池４１全てを満充電（ＳＯＣ＝１００％）とする手法が考えられる。しかしながら、蓄電池４１全てを満充電とする手法では、充電電力が無駄になる場合や、組電池４２を形成する複数の蓄電池４１のうち、一部の蓄電池４１について劣化が促進される場合があるという課題がある。

この点について更に詳細に説明する。蓄電池４１各々のＳＯＣの上限値（ＳＯＨ：State of Health）は、異なる場合がある。例えば、各蓄電池４１のＳＯＨは、製造段階においてばらつきが生じ、組電池４２が形成された時点において既にばらつきが生じている。また、例えば、蓄電池４１各々のＳＯＨのばらつきは、蓄電池４１各々の劣化度合いが温度等の使用環境の差によって差が生じる結果、更に拡大することもある。この結果、蓄電池４１全てを満充電とする手法では、ＳＯＨが最も低い蓄電池４１が最初に放電を停止する結果、組電池４２のＳＯＣは、ＳＯＨが最も低い蓄電池４１によって決定される。

ここで、蓄電池４１各々のＳＯＣのうち、ＳＯＨが最も低い蓄電池４１のＳＯＨを超える部分については、組電池４２の放電時に放電されることなく放電が停止される。言い換えると、組電池４２を形成する蓄電池４１全てを満充電状態としたとしても、充電容量の一部は利用されることがなく、充電電力が無駄になる。また、蓄電池の種類によっては、満充電状態に置かれることで、蓄電池の劣化が促進されることもある。

このように、蓄電池４１を個々に充電することで、蓄電池４１各々を満充電状態にしたとしても、そもそも蓄電池４１各々にはＳＯＨのばらつきがある結果、充電電力が無駄になり、蓄電池４１の劣化が促進されることとなる。

開示の技術は、上述に鑑みてなされたものであって、充電電力の無駄を防止し、劣化の進行を抑制可能となる充電システム及び充電方法を提供することを目的とする。

開示する充電システムは、一つの態様において、組電池と、充電器と、制御部とを有する。組電池は、複数の蓄電池が直列に接続されることで形成される。充電器は、前記組電池を形成する前記複数の蓄電池各々を充電する。制御部は、前記充電器により充電される前記蓄電池ごとの電圧値各々を監視し、満充電電圧となった前記蓄電池があるとの監視結果が得られた場合に、前記充電器から前記蓄電池各々に供給する電力である充電電流を減少させるように前記充電器を制御する。

開示する充電システムの一つの態様によれば、充電電力の無駄を防止し、劣化の進行を抑制可能となるという効果を奏する。

図１は、実施例１における充電システムの構成の一例を示す図である。 図２は、実施例１における制御部による処理の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施例１における充電器による出力電力、蓄電池の電圧、組電池に対して供給される充電電流の時系列上における変化の一例を示す図である。 図４は、整流器を有する充電システムの構成の一例を示す図である。 図５は、従来の電源システムの一例を示す図である。

以下に、開示する充電システム及び充電方法の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施例により開示する発明が限定されるものではない。各実施例は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。

図１は、実施例１における充電システムの構成の一例を示す図である。図１に示す例では、説明の便宜上、交流電源４を併せて示した。図１に示すように、充電システム１０は、組電池２と、充電器３と、制御部５とを有する。

組電池２は、複数の蓄電池１が直列に接続されることで形成され、交流電源４の停電時に負荷に直流電力を供給する。例えば、蓄電池１は、リチウムイオン蓄電池（定格電圧３．７Ｖ、満充電電圧４．１Ｖ、定格容量２００Ａｈ）であり、組電池２は、１２個の蓄電池１が直列に接続されることで形成される。なお、以下では、蓄電池１がリチウムイオン蓄電池である場合を例として説明するが、これに限られるものではなく、任意の蓄電池であって良い。また、電圧値や電流値として記載した値は一例であり、これに限定されるものではなく、任意の値を用いて良い。なお、以下では、満充電電圧を「第１の電圧」「Ｖ１」とも記載する。

ここで、蓄電池１各々は、ＳＯＨ（State of Health）が異なる場合がある。例えば、蓄電池１各々間におけるＳＯＨのばたつきは、製造段階において生じる。また、例えば、蓄電池１各々間におけるＳＯＨのばたつきは、蓄電池１各々の劣化度合いが温度等の使用環境の差によって差が生じる結果、更に拡大する。

充電器３は、組電池２を形成する複数の蓄電池１各々を充電する。例えば、充電器３は、交流電源４から受けた交流電力を直流電力に変換して出力することで、組電池２を充電する。充電器３により組電池２に出力される電流である充電電流（垂下電流）は、例えば、最大４０Ａとなる。

制御部５は、充電器３により充電される蓄電池１ごとの電圧値各々を監視し、満充電電圧となった蓄電池１があるとの監視結果が得られた場合に、充電器３により蓄電池１各々に供給される電力である充電電力を減少させる。つまり、制御部５は、充電器３から蓄電池１各々に供給する電力である充電電流を減少させるように充電器３を制御する。例えば、制御部５は、蓄電池１各々の電圧を計測し、蓄電池１各々に出力する充電電流値（垂下電流値）を充電器３に指示することで、充電電力を減少させる。

なお、制御部５は、例えば、各種の処理手順などを規定したプログラムを記憶する内部メモリを有し、種々の処理を制御する。制御部５は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）などである。

図２は、実施例１における制御部による処理の一例を示すフローチャートである。なお、以下では、適宜図３を参照した上で、制御部５による処理の一例を説明する。図３は、
実施例１における充電器による出力電力、蓄電池の電圧、組電池に対して供給される充電電流の時系列上における変化の一例を示す図である。図３において、横軸は時間軸を示す。また、図３において、グラフ３１の縦軸は、充電器３による出力電力を示す。グラフ３２の縦軸は、蓄電池１の電圧を示す。グラフ３３の縦軸は、組電池２に対して供給される充電電流を示す。なお、グラフ３２においては、線各々が、それぞれ、複数ある蓄電池１各々の電圧各々に対応する。

図２に示すように、充電器３による蓄電池１各々の充電が開始されると、制御部５は、充電器３の出力電流（垂下電流）を４０Ａ（Ｉ１）とする（ステップＳ１０１）。すなわち、充電開始当初においては、蓄電池１各々が未充電状態にあり、４０Ａ（Ｉ１）の充電電流があっても組電池２の電圧が低いため、制御部５は、充電器３が垂下して４０Ａ（Ｉ１）の一定電流による充電を行うように制御する。

ここで、図３の「０」から「ｔ１」に示すように、充電が進行するに従って、蓄電池１各々の電圧は上昇し、充電器３の出力電圧も上昇する。ここで、上述したように、蓄電池１各々のＳＯＨは、異なる。この結果、図３の「０」から「ｔ１」に示すように、複数ある蓄電池１各々間にあるＳＯＨばらつきが、電圧差となって現れ、蓄電池１各々間の電圧差が維持されたまま、蓄電池１各々の電圧が上昇する。

ここで、制御部５は、充電中、蓄電池１各々の電圧値を監視し、各蓄電池１の電圧値のうち最大値をＶ１と比較する（ステップＳ１０２）。つまり、制御部５は、複数ある蓄電池１各々のうち、満充電電圧以上となった蓄電池１の有無を判定する。なお、上述したように、個々の蓄電池１各々の電圧値の上限値は異なることを踏まえ、制御部５は、蓄電池１ごとの最大値と比較する。

ここで、制御部５は、最大値がＶ１未満であると判定した場合には（ステップＳ１０２否定）、ステップＳ１０２の判定処理を繰り返す。なお、制御部５によりステップＳ１０２の判定処理が繰り返されている間、充電電流Ｉ１による充電が継続されることとなる。

一方、制御部５は、最大値がＶ１以上となったと判定した場合には（ステップＳ１０２肯定）、充電器３により出力される出力電流を０．１Ａ（ΔＩ）低下させる（ステップＳ１０３）。つまり、制御部５は、満充電電圧となった蓄電池１があるとの監視結果が得られた場合に、充電器３により蓄電池１各々に供給される電力である充電電力を減少させる。

その後、制御部５は、組電池２の充電電流が予め設定された最低値となっているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、例えば、予め設定された充電電流が「０．５Ａ」である場合には、制御部５は、組電池２の充電電流が「０．５Ａ」以下であると判定した場合には（ステップＳ１０４肯定）、充電を終了させる。一方、制御部５は、組電池２の充電電流が「０．５Ａ」以下でないと判定した場合には（ステップＳ１０４否定）、ステップＳ１０２に戻り、処理を繰り返す。

すなわち、図３の「ｔ１」〜「ｔ２」に示すように、制御部５によって充電電流が調整される結果、組電池２のうち最も高い電圧の蓄電池１の電圧がＶ１に維持されたまま、充電電流が徐々に減少しながらも充電が進行し、予め設定された最低値に充電電流が達したときに、充電終了となる。

なお、図２に示す例では、制御部５が、蓄電池１のうちいずれかの電圧値が最大値となった場合に、充電電流を徐々に減少させながら充電をしばらく進行させた上で、充電終了とする場合を例に示したが、これに限定されるものではない。例えば、制御部５は、蓄電池１のうちいずれかの電圧値が最大値となった場合に、すぐに充電を終了させても良い。

また、制御部５は、上述したステップＳ１０３にて用いる蓄電池１ごとの電圧値の最大値として、急速充電において充電可能となる電圧の最大値を満充電電圧として用いても良い。蓄電池１を急速に充電する急速充電においては、経験則上、蓄電池１は１００％充電されるわけではない。例えば、蓄電池１は、８０％〜９０％充電されるに留まる場合がある。この場合、急速充電の後に、充電電流の大きさを急速充電時と比較して減少した上で充電を継続することで、充電率を向上させることが可能となる場合がある。このことを踏まえ、例えば、制御部５は、蓄電池１各々の急速充電を開始した後に、急速充電において充電可能となる電圧の最大値を満充電電圧を用いて図２におけるステップＳ１０３を実行し、その後、充電電流を減少した上で充電をしばらく継続することで、急速充電を用いながら、蓄電池１各々の充電率を高めることが可能となる。

なお、予め設定された充電電流の最低値を「第２の電流：Ｉ２」とも記載する。上述した説明では、第２の電流として「０．５Ａ」を用いる場合を例に示したが、これに限定されるものではなく、任意の値を用いて良い。

ここで、充電終了時点における蓄電池１各々について更に説明する。充電終了時点においては、蓄電池１のうち、図２におけるステップＳ１０２においてＶ１に達したと判定された蓄電池１については、満充電に達している。一方、図２におけるステップＳ１０２においてＶ１に達したと判定された蓄電池１以外の蓄電池１については、Ｖ１に達しておらず、満充電しているとは言えない。すなわち、Ｖ１に達したと判定された蓄電池１は、ＳＯＨが最も低い蓄電池１となり、この蓄電池１が組電池２のＳＯＣを支配することとなる。Ｖ１に達したと判定された蓄電池１は、他の蓄電池１と比較して早く満充電電圧となったことを示し、他の蓄電池１よりもＳＯＨが低いこととなるからである。

上述したように、実施例１によれば、組電池２と、充電器３とを有し、制御部５が、充電器３により充電される蓄電池１ごとの電圧値各々を監視し、満充電電圧となった蓄電池１があるとの監視結果が得られた場合に、充電器３により蓄電池１各々に供給される電力である充電電力を減少させる。

また、実施例１によれば、制御部５は、充電器３により供給される充電電流が所定値以下となった場合に、充電器３による充電を終了させる。この結果、充電電力の無駄を防止し、劣化の進行を抑制可能となる。

すなわち、充電終了時点においては、蓄電池１のうち、図２におけるステップＳ１０２においてＶ１に達したと判定された蓄電池１については、満充電に達している。一方、図２におけるステップＳ１０２においてＶ１に達したと判定された蓄電池１とは別の蓄電池１については、Ｖ１に達しておらず、満充電していない。ここで、Ｖ１に達したと判定された蓄電池１は、ＳＯＨが最も低い蓄電池１となり、この蓄電池１が組電池２のＳＯＣを支配することとなる。Ｖ１に達したと判定された蓄電池１は、他の蓄電池１と比較して早く満充電電圧となったことを示し、他の蓄電池１よりもＳＯＨが低いこととなるからである。

ここで、図２におけるステップＳ１０２において、Ｖ１に達したと判定された後に、Ｖ１に達したと判定された蓄電池１以外の蓄電池１について満充電にしたとしても、Ｖ１に達したと判定された後に充電された電力については、放電する際には、Ｖ１に達したと判定された蓄電池１の放電が終了した時点で放電が停止される結果、放電時に利用されない。このことを踏まえ、Ｖ１に達したと判定された後に、Ｖ１に達したと判定された蓄電池１以外の他の蓄電池１を充電することなく充電終了とする。この結果、充電電力の無駄を防止することが可能となる。また、Ｖ１に達したと判定された蓄電池１以外の蓄電池１について満充電としない結果、蓄電池の劣化を防止可能となる。

さて、これまで本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、その他の実施例にて実施されても良い。そこで、以下では、その他の実施例を示す。なお、以下では、上述した実施例と同様の点については、説明を適宜省略する。

［整流器］
上述した実施例では、充電器３により組電池２を充電する充電システムを例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、充電システムは、交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電流を供給する整流器を更に有し、交流電源が停電していない際に、整流器が、負荷に直流電流を供給しつつ、充電電力を組電池２に供給することで蓄電池１各々を充電しても良い。

図４は、整流器を有する充電システムの構成の一例を示す図である。図４に示す例では、説明の便宜上、負荷８を併せて示した。また、図４に示す例では、説明の便宜上、３つの制御部５と、３つの組電池２と、３つの充電器３と、３つのダイオード６とを有する場合を示したが、これに限定されるものではない。例えば、制御部５と組電池２と充電器３とダイオード６とは、それぞれ一つずつであっても良く、任意の数であって良い。

図４に示すように、充電システム２０は、整流器７とダイオード６とを更に有する。整流器７は、交流電源４から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電流を負荷８に供給する。図４に示す例では、複数の組電池２の出力は、整流器７と並列接続される。また、充電器３により組電池２を形成する蓄電池１各々を充電することを目的として、それぞれの組電池２の出力に放電方向にのみ電力を通すダイオード６を有する。

［交換時期］
組電池２では、充放電を繰り返すことで、又は、経年変化により、蓄電池１が劣化する。このことを踏まえ、充電システムに対して、交換時期を判定する判定部を更に設けても良い。なお、判定部は、制御部５の一部として実現しても良く、制御部５とは別の部として搭載しても良い。

すなわち、充電終了時に電圧が満充電電圧Ｖ１に到達した蓄電池１は最もＳＯＨが低く、他の蓄電池１の電圧は満充電電圧Ｖ１に到達していないことからＳＯＨがより高いと考えられる。このことを踏まえ、充電終了時の満充電電圧Ｖ１に到達しなかった蓄電池１の電圧値に基づき、個々の蓄電池１の劣化度合いを推定しても良い。

例えば、判定部は、充電器３による充電終了時における蓄電池１ごとの電圧値各々を取得し、取得した電圧値各々の平均値が所定値を下回った場合に、満充電電圧となったとの監視結果が得られた蓄電池１について、交換対象であると判定しても良い。

より詳細な一例をあげて説明する。充電終了時において、１２個ある蓄電池１の電圧各々が、それぞれ、４．１Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．００Ｖ、４．００Ｖ、４．００Ｖである場合を用いて説明する。この場合、判定部は、電圧値各々の平均値「４．０４２Ｖ」を算出する。ここで、判定部は、例えば、予め設定された平均値の下限値を、算出した平均値が下回った場合には、最もＳＯＨが低下した蓄電池１が交換対象であると判定しても良い。例えば、判定部は、予め設定された下限値が「４．０５Ｖ」である場合には、電圧値各々の平均値「４．０４２Ｖ」を算出すると、上述した図２のステップＳ１０２にてＶ１に達したと判定した蓄電池１が交換対象であると判定する。

また、判定部は、充電器３による充電終了時における蓄電池１ごとの電圧値各々を取得し、取得した電圧値各々の平均値より所定の値以上低い電圧値が取得された蓄電池１について、交換対象であると判定しても良い。

より詳細な一例をあげて説明する。充電終了時において、１２個ある蓄電池１の電圧値各々が、それぞれ、４．１Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、４．０５Ｖ、３．９０Ｖである場合を用いて説明する。この場合、判定部は、電圧値各々の平均値「４．０４２Ｖ」を算出する。ここで、判定部は、例えば、予め閾値が設定された上で、算出した平均値から予め設定された閾値より低い電圧値を示した蓄電池１について、交換対象であると判定しても良い。

１ 蓄電池
２ 組電池
３ 充電器
４ 交流電源
５ 制御部
６ ダイオード
７ 整流器
８ 負荷
１０ 充電システム
２０ 充電システム

Claims (6)

1. 複数の蓄電池が直列に接続されることで形成される組電池と、
   前記組電池を形成する前記複数の蓄電池各々を充電する充電器と、
   前記充電器により充電される前記蓄電池ごとの電圧値各々を監視し、満充電電圧となった前記蓄電池があるとの監視結果が得られた場合に、前記充電器から前記蓄電池各々に供給する電力である充電電流を減少させるように前記充電器を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とする充電システム。
2. 前記制御部は、前記充電器により供給される前記充電電流が所定値以下となった場合に、該充電器による充電を終了させることを特徴とする請求項１に記載の充電システム。
3. 前記充電器による充電終了時における前記蓄電池ごとの電圧値各々を取得し、取得した該電圧値各々の平均値が所定値を下回った場合に、前記満充電電圧となったとの監視結果が得られた該蓄電池について、交換対象であると判定することを特徴とする判定部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の充電システム。
4. 前記充電器による充電終了時における前記蓄電池ごとの電圧値各々を取得し、取得した該電圧値各々の平均値より所定の値以上低い電圧値が取得された該蓄電池について、交換対象であると判定することを特徴とする判定部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の充電システム。
5. 交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電流を負荷に供給する整流器を更に備え、
   前記組電池は、前記交流電源の停電時に前記負荷に直流電力を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の充電システム。
6. 複数の蓄電池が直列に接続されることで形成される組電池と、前記組電池を形成する前記複数の蓄電池各々を充電する充電器とを有する充電システムで実行される充電方法であって、
   前記充電器により充電される前記蓄電池ごとの電圧値各々を監視する監視ステップと、
   前記監視ステップにより満充電電圧となった前記蓄電池があるとの監視結果が得られた場合に、前記充電器から前記蓄電池各々に供給する電力である充電電流を減少させるように前記充電器を制御する制御ステップと
   を含んだことを特徴とする充電方法。