JP2013031249A - バッテリ装置の充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池容量が小さいバッテリが一部にあっても、ＳＯＣが減りにくく、電力を無駄に捨てることがないバッテリ装置の充電システムを提供する。
【解決手段】バッテリＢ₁〜Ｂ₃を直列に接続したバッテリ装置１０の充電を制御するバッテリ装置の充電システムであって、バッテリＢ₁〜Ｂ₃同士を直列に接続するスイッチＳａ₁〜Ｓａ₃と、バッテリＢ₁〜Ｂ₃をバイパスするバイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₁〜Ｓｂ₃と、バッテリＢ₁〜Ｂ₃の状態を検出し、検出した状態に応じて、スイッチＳａ₁〜Ｓａ₃、Ｓｂ₁〜Ｓｂ₃を制御するＥＣＵ２０とを備え、ＥＣＵ２０は、検出したバッテリＢ₁〜Ｂ₃の状態に基づき、充電を避けるバッテリを選定し、当該バッテリに対するスイッチＳａ₁〜Ｓａ₃をオフとし、スイッチＳｂ₁〜Ｓｂ₃をオンとして、当該バッテリをバイパスして、他のバッテリに充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ装置の充電システムに関する。

モータのみで走行する電気自動車（ＥＶ）やモータ及びエンジンで走行するハイブリッド車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）等の電動車両には、蓄電池（二次電池；以降、バッテリと呼ぶ。）を複数直列に接続した駆動用のバッテリ装置が搭載されている。駆動用のバッテリ装置においては、充電状態を監視しており、バッテリの保護のため、満充電状態において回生を行わないように、制限をかけている。

特許第３７６７４３９号公報 特許第３４０９４５８号公報

バッテリ装置のバッテリは、経年変化（充放電サイクルの繰り返し等）により劣化していき、その電池容量が減少していくが、各々のバッテリの温度等の違いにより、電池容量減少の度合いは異なり、一様ではない。そして、劣化の大きい、つまり、電池容量が小さくなったバッテリは、充電時に電圧が上がりやすい性質がある。そのため、バッテリ装置内に他より劣化の大きいバッテリが一部でもあると、他のバッテリが満充電状態でなくても、劣化の大きいバッテリが満充電状態となり、回生の制限がかかってしまい、その結果、車両の航続距離（外部からの電気や燃料の補給無しに走行する距離）が短くなってしまう。又、満充電状態となると、回生の制限がかかるため、ブレーキを踏んだときの回生量が一定ではなかった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、電池容量が小さいバッテリが満充電状態であっても、充電を可能とし、回生量を一定にすることができるバッテリ装置の充電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るバッテリ装置の充電システムは、
複数のバッテリを直列に接続したバッテリ装置において、当該バッテリ装置の充電を制御するバッテリ装置の充電システムであって、
各バッテリ同士を直列に接続する第１のスイッチと、
各バッテリをバイパスするバイパス線に接続する第２のスイッチと、
各バッテリの状態を検出し、検出した状態に応じて、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、検出した各バッテリの状態に基づき、充電を避けるバッテリを選定し、当該バッテリに対する前記第１のスイッチをオフとし、当該バッテリに対する前記第２のスイッチをオンとすることにより、当該バッテリをバイパスして、他のバッテリに充電することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るバッテリ装置の充電システムは、
上記第１の発明に記載のバッテリ装置の充電システムにおいて、
各バッテリのいずれか一方の極側に前記第１のスイッチを設けると共に、
１つの前記バッテリと１つの前記第１のスイッチを間に挟むように、前記第２のスイッチを各々配置して、前記バイパス線と接続したことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るバッテリ装置の充電システムは、
上記第１又は第２の発明に記載のバッテリ装置の充電システムにおいて、
前記制御手段は、
各バッテリの温度及び電圧を検出すると共に、使用時における各バッテリの電圧の変化を検出し、検出した各バッテリの電圧に基づき、各バッテリの充電率を算出すると共に、使用時における各バッテリの電圧の変化に基づき、各バッテリの電池容量を算出し、前記温度、前記充電率及び前記電池容量の条件下において、入力される充電電流値を充電できないバッテリを、充電を避けるバッテリとして選定することを特徴とする。

本発明によれば、当初から電池容量が小さい、又は、劣化により電池容量が小さくなったバッテリが満充電状態であっても、充電を避けるバッテリとして選定し、当該バッテリをバイパスするので、他のバッテリへの充電を可能とし、又、回生量を一定にすることができる。

本発明に係るバッテリ装置の充電システムを示す概略構成図である。 図１に示したバッテリ装置の充電システムにおける制御を説明するフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、図２に示した制御で用いるマップである。 図２に示した制御によるスイッチング（全直列）を示す図である。 図２に示した制御によるスイッチング（Ｂ₁バイパス）を示す図である。 図２に示した制御によるスイッチング（Ｂ₂バイパス）を示す図である。 図２に示した制御によるスイッチング（Ｂ₃バイパス）を示す図である。 図２に示した制御による効果を説明する図である。 図１に示したバッテリ装置の充電システムの変形例を示す概略構成図である。

以下、図１〜図９を参照して、本発明に係るバッテリ装置の充電システムの実施形態を説明する。なお、本発明に係るバッテリ装置の充電システムは、電気自動車に限らず、ハイブリッド車等の電動車両にも適用可能である。

（実施例１）
図１は、本実施例のバッテリ装置の充電システムを示す概略構成図であり、図２は、図１に示したバッテリ装置の充電システムにおける制御を説明するフローチャートであり、図３（ａ）、（ｂ）は、図２に示した制御で用いるマップであり、図４〜図７は、図２に示した制御によるスイッチング例のいくつかを示す図であり、図８は、図２に示した制御による効果を説明する図である。又、図９は、図１に示したバッテリ装置の充電システムの変形例を示す概略構成図である。

本実施例のバッテリ装置の充電システムは、複数のバッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃を有するバッテリ装置１０と、各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の監視を行うと共に、後述するスイッチの制御を行うＥＣＵ（Electronics Control Unit）２０とを有している。バッテリ装置１０には、回生電力を生成する回生システム３０が接続されており、ＥＣＵ２０は、充電電流値に応じて、後述するスイッチの制御を行い、バッテリ装置１０に対する充電を行うようにしている。回生システム３０は、電気自動車の場合には発電機（又は駆動用モータ兼発電機）等が該当する。なお、ここでは、説明を簡単にするため、バッテリを３つ図示しているが、実際のバッテリ装置は、多数のバッテリを有している。

バッテリ装置１０においては、各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃を直列に接続するため、スイッチＳａ₁、Ｓａ₂、Ｓａ₃（第１のスイッチ）を設けており、更に、各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃をバイパスするバイパス線ＢＬに接続するため、スイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂、Ｓｂ₃、Ｓｂ₄（第２のスイッチ）を設けている。

具体的には、図１に示すように、回生システム３０とバッテリＢ₁との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₁を設け、バッテリＢ₁−Ｂ₂間を直列に接続するスイッチＳａ₁とバッテリＢ₂との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₂を設け、バッテリＢ₂−Ｂ₃間を直列に接続するスイッチＳａ₂とバッテリＢ₃との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₃を設け、バッテリＢ₃−回生システム３０間を直列に接続するスイッチＳａ₃と回生システム３０との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₄を設けている。つまり、１つのバッテリと１つの第１のスイッチを間に挟むように、第２のスイッチを各々配置している。

なお、スイッチＳａ₁、Ｓａ₂、Ｓａ₃及びスイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂、Ｓｂ₃、Ｓｂ₄の接続構成については、図９に示す変形例のような構成でもよい。具体的には、図９においては、回生システム３０と回生システム３０−バッテリＢ₁間を直列に接続するスイッチＳａ₁との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₁を設け、バッテリＢ₁とバッテリＢ₁−Ｂ₂間を直列に接続するスイッチＳａ₂との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₂を設け、バッテリＢ₂とバッテリＢ₂−Ｂ₃間を直列に接続するスイッチＳａ₃との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₃を設け、バッテリＢ₃と回生システム３０との間に、バイパス線ＢＬに接続するスイッチＳｂ₄を設けている。ここでも、１つのバッテリと１つの第１のスイッチを間に挟むように、第２のスイッチを各々配置している。

そして、ＥＣＵ２０は、各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の温度及び電圧を測定しており、測定した温度及び電圧、そして、回生システム３０から供給される充電電流値に応じて、図１、図９に示す構成のスイッチＳａ₁、Ｓａ₂、Ｓａ₃及びスイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂、Ｓｂ₃、Ｓｂ₄のスイッチングを行うことにより、全てのバッテリを直列に接続したり（後述の図４参照）、全てのバッテリの中から任意の１つ又は複数のバッテリをバイパスし、残りのバッテリを直列に接続したり（後述の図５〜図７）することができる。

次に、図２のフローチャート、図３（ａ）、（ｂ）のマップ、図４〜図７のスイッチング例を参照して、本実施例のバッテリ装置の充電システムにおける制御を説明する。なお、図３（ａ）は、ある電池容量のバッテリにおいて、温度及びＳＯＣの変化に対する許容充電電流値を示すマップであり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された各ＳＯＣの間の値を補間するためのマップである。

回生システム３０からバッテリ装置１０へ回生電力が入力される（ステップＳ１）。回生電力は、車両の制動時に発電機を作動させて生成している。このとき、バッテリ装置１０、ＥＣＵ２０又は回生システム３０のいずれかにおいて、回生電力の電流値、即ち、充電電流値を検出するようにしている。

各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の温度及び電圧を測定する（ステップＳ２〜Ｓ３）。

各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電池容量を算出する（ステップＳ４）。各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電池容量の算出は、例えば、直前又は直近の使用前後における各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電圧の変化から電池容量を算出する。より具体的には、直前又は直近の走行時において、走行に使用する前の各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電圧と走行に使用した後の各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電圧との変化から電池容量を算出する。一般的に、一定の電流を一定時間供給したときに電圧変化が大きいほど電池容量が小さいと算出することができる。なお、バッテリの電池容量の算出は、他の公知の方法を用いてもよい。

取得した各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電圧から各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃のＳＯＣを算出する（ステップＳ５）。

入力される充電電流値、取得した各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の温度及び算出した各バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の電池容量、ＳＯＣを用い、算出した電池容量に対応するマップ、即ち、図３（ａ）、（ｂ）に示すマップを選択し、当該マップに基づいて、スイッチングが必要なバッテリ、つまり、バイパスするバッテリを判定する（ステップＳ６）。図３（ａ）、（ｂ）に示すマップは、ある電池容量におけるマップであり、ＥＣＵ２０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すようなマップを、電池容量毎（例えば、電池容量の劣化率５％毎）に持っている。

図３（ａ）、（ｂ）に示す、ある電池容量におけるマップにおいて、例えば、入力される充電電流値が１０Ａであり、バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の温度が共に２５℃であり、バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃のＳＯＣが各々６０％、８０％、７０％である場合には、いずれのバッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃も１０Ａ以上の充電電流値が許容されているため、バイパスする必要があるバッテリはなく、後述するように、ステップＳ８において、図４に示す接続状態のスイッチングが行われる。

又、入力される充電電流値が２０Ａであり、バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃の温度が共に２５℃であり、バッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃のＳＯＣが各々６０％、８０％、７０％である場合には、バッテリＢ₂のみ２０Ａ以上の充電電流値が許容されていないため、バッテリＢ₂のみバイパスする必要があり、後述するように、ステップＳ８において、図６に示す接続状態のスイッチングが行われる。

現在のスイッチングの接続状態とステップＳ６で選定されたバッテリをバイパスするためのスイッチングの接続状態とを比較し、スイッチングを行う必要があるか判定する。スイッチングを行う必要があれば、つまり、両接続状態が異なっていれば、ステップＳ８へ進む。一方、スイッチングを行う必要がなければ、つまり、両接続状態が同じであれば、ステップＳ９へ進む（ステップＳ７）。

ステップＳ６で選定されたバッテリをバイパスするためのスイッチングを行う（ステップＳ８）。

ステップＳ８でスイッチングを行った後、実質的にバッテリ装置１０への回生（充電）が実施されることになる（ステップＳ９）。又、充電中である場合には、ステップＳ８でのスイッチングにより、一時的に充電が停止するが、その後、引き続き充電を行うことになる。

回生を継続するかどうか、つまり、回生システム３０からバッテリ装置１０への充電電力の入力が継続しているかどうか確認し、回生を継続する場合にはステップＳ２へ戻り、回生を継続しない場合には、一連の制御を終了する（ステップＳ１０）。

ここで、ステップＳ８でのスイッチングのいくつかの例を、図４〜図７を参照して、説明する。

図４は、入力される充電電流値に対して、バイパスする必要があるバッテリはないと判定された場合であり、スイッチＳａ₁、Ｓａ₂、Ｓａ₃を全てオン状態とし、スイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂、Ｓｂ₃、Ｓｂ₄を全てオフ状態とすることにより、全てのバッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃が直列に接続されて、Ｃ１で示す充電経路により、回生システム３０からバッテリ装置１０の全てのバッテリＢ₁、Ｂ₂、Ｂ₃へ充電されることになる。

又、図５は、入力される充電電流値に対して、バッテリＢ₁のみバイパスする必要があると判定された場合であり、バッテリＢ₁のみをバイパスするために、スイッチＳａ₁をオフ状態とする一方、スイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂をオン状態としている。バッテリＢ₂、Ｂ₃は直列接続状態を維持するので、スイッチＳａ₂、Ｓａ₃をオン状態とし、スイッチＳｂ₃、Ｓｂ₄をオフ状態としている。このような接続状態により、バッテリＢ₁がバイパスされ、バッテリＢ₂、Ｂ₃が直列に接続されて、Ｃ２で示す充電経路により、回生システム３０からバッテリ装置１０のバッテリＢ₂、Ｂ₃へ充電されることになる。

又、図６は、入力される充電電流値に対して、バッテリＢ₂のみバイパスする必要があると判定された場合であり、バッテリＢ₂のみをバイパスするために、スイッチＳａ₂をオフ状態とする一方、スイッチＳｂ₂、Ｓｂ₃をオン状態としている。バッテリＢ₁、Ｂ₃は直列接続状態を維持するので、スイッチＳａ₁、Ｓａ₃をオン状態とし、スイッチＳｂ₁、Ｓｂ₄をオフ状態としている。このような接続状態により、バッテリＢ₂がバイパスされ、バッテリＢ₁、Ｂ₃が直列に接続されて、Ｃ３で示す充電経路により、回生システム３０からバッテリ装置１０のバッテリＢ₁、Ｂ₃へ充電されることになる。

又、図７は、入力される充電電流値に対して、バッテリＢ₃のみバイパスする必要があると判定された場合であり、バッテリＢ₃のみをバイパスするために、スイッチＳａ₃をオフ状態とする一方、スイッチＳｂ₃、Ｓｂ₄をオン状態としている。バッテリＢ₁、Ｂ₂は直列接続状態を維持するので、スイッチＳａ₁、Ｓａ₂をオン状態とし、スイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂をオフ状態としている。このような接続状態により、バッテリＢ₃がバイパスされ、バッテリＢ₁、Ｂ₂が直列に接続されて、Ｃ４で示す充電経路により、回生システム３０からバッテリ装置１０のバッテリＢ₁、Ｂ₂へ充電されることになる。

図５〜図７に示したように、バッテリの周囲に配置したスイッチにおいて、当該バッテリを直列に接続するための第１のスイッチをオフ状態とし、第１のスイッチと共に当該バッテリを間に挟むように配置してバイパス線ＢＬと接続した２つの第２のスイッチをオン状態とすることにより、所望のバッテリを直列接続からバイパスすることができる。

図５〜図７では、１つのバッテリのみをバイパスしたが、複数のバッテリをバイパスしたい場合、図５〜図７に示したスイッチングを、複数のバッテリに対して行うことで、複数のバッテリをバイパスすることができる。例えば、バッテリＢ₁とバッテリＢ₃をバイパスしたい場合、図５、図７を参照して説明すると、バッテリＢ₁を直列に接続するためのスイッチＳａ₁をオフ状態とし、バッテリＢ₁を間に挟むように配置してバイパス線ＢＬと接続した２つのスイッチＳｂ₁、Ｓｂ₂をオン状態とし、バッテリＢ₂を直列に接続するためのスイッチＳａ₂はオン状態とし、更に、バッテリＢ₃を直列に接続するためのスイッチＳａ₃をオフ状態とし、バッテリＢ₃を間に挟むように配置してバイパス線ＢＬと接続した２つのスイッチＳｂ₃、Ｓｂ₄をオン状態とすることで、バッテリＢ₁とバッテリＢ₃を直列接続からバイパスすることができる。

上述したように、本実施例では、入力される充電電流値以上の充電が不可能なバッテリを、充電を避けるバッテリとしてバイパスするようにしている。ここで、入力される充電電流値以上の充電が不可能なバッテリとは、他のバッテリと比較して電池容量が小さいバッテリのことであり、当初から（新品の状態において）電池容量が小さい場合や劣化により電池容量が小さくなってしまった場合も含まれる。

即ち、本実施例では、入力される充電電流値に応じて、電池容量の小さいバッテリをバイパスし、電池容量の大きいバッテリのみを使用するようにしている。従来は、電池容量の区別無く充電しており、電池容量の小さいバッテリが満充電状態になると回生自体の制限をかけていた。このような従来例と比較して、本実施例では、電池容量の小さいバッテリが満充電状態になると、電池容量の小さいバッテリをバイパスし、電池容量の大きいバッテリへ充電するので、電圧が増加しにくくなり、図８のグラフに示すように、実質的に充電可能な容量を増やすことができる。

又、電池容量の小さいバッテリが満充電状態になっても、その場合には、電池容量の小さいバッテリをバイパスし、電池容量の大きいバッテリへ充電しているので、回生自体を制限する必要は無くなり、その結果、回生量を一定にすることができる。

本発明に係るバッテリ装置の充電システムは、電気自動車やハイブリッド車等の電動車両に搭載された駆動用バッテリ装置に好適なものであるが、電動車両に限らず、バッテリ装置で駆動する機器等にも適用可能である。

１０ バッテリ装置
２０ ＥＣＵ（制御手段）
３０ 負荷
Ｂ₁〜Ｂ₃ バッテリ
ＢＬ バイパス線
Ｓａ₁〜Ｓａ₃ スイッチ（第１のスイッチ）
Ｓｂ₁〜Ｓｂ₃ スイッチ（第２のスイッチ）

Claims (3)

1. 複数のバッテリを直列に接続したバッテリ装置において、当該バッテリ装置の充電を制御するバッテリ装置の充電システムであって、
   各バッテリ同士を直列に接続する第１のスイッチと、
   各バッテリをバイパスするバイパス線に接続する第２のスイッチと、
   各バッテリの状態を検出し、検出した状態に応じて、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、検出した各バッテリの状態に基づき、充電を避けるバッテリを選定し、当該バッテリに対する前記第１のスイッチをオフとし、当該バッテリに対する前記第２のスイッチをオンとすることにより、当該バッテリをバイパスして、他のバッテリに充電することを特徴とするバッテリ装置の充電システム。
2. 請求項１に記載のバッテリ装置の充電システムにおいて、
   各バッテリのいずれか一方の極側に前記第１のスイッチを設けると共に、
   １つの前記バッテリと１つの前記第１のスイッチを間に挟むように、前記第２のスイッチを各々配置して、前記バイパス線と接続したことを特徴とするバッテリ装置の充電システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載のバッテリ装置の充電システムにおいて、
   前記制御手段は、
   各バッテリの温度及び電圧を検出すると共に、使用時における各バッテリの電圧の変化を検出し、検出した各バッテリの電圧に基づき、各バッテリの充電率を算出すると共に、使用時における各バッテリの電圧の変化に基づき、各バッテリの電池容量を算出し、前記温度、前記充電率及び前記電池容量の条件下において、入力される充電電流値を充電できないバッテリを、充電を避けるバッテリとして選定することを特徴とするバッテリ装置の充電システム。

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