JP2014207723A - バッテリ充電システム及びバッテリ充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より短い充電時間で、より高い充電容量が得られるバッテリ充電システムを提供する。【解決手段】バッテリ充電システムは、電源１８の出力電力により充電されるバッテリ１０と、電源１８又はバッテリ１０の出力電力で駆動し、バッテリ１０を加熱可能な加熱手段１２と、バッテリ１０の温度を検出する温度検出手段２０と、充電制御及び加熱手段１２の制御を行なう制御手段１４、１６を備える。制御手段１４、１６は、バッテリ１０の充電開始後にバッテリ１０の充電状態が現在のバッテリ温度における満充電状態になったら充電を停止し、充電停止後にバッテリ１０の出力電力を用いて加熱手段１２を駆動してバッテリ１０を加熱し、加熱後に充電を再開してバッテリ１０が再び満充電状態になるまで充電を実行する。【選択図】図３

Description

本発明は、バッテリの充電システム及び充電方法に関する。

電気自動車やハイブリッド車両といった、いわゆる電動車のバッテリとして、リチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。このような二次電池は、低温時には充電容量が減少する。また、リチウムイオン電池の場合は、リチウム電析を防止するための制御を実行することで充電電力が制限され、充電に時間を要する。これらの原因によって、低温時には、常温時と同じ満充電状態にすることができずに航続距離が短くなることがある。

特許文献１には、航続距離を確保するために、バッテリ温度が低い場合には、充電中にバッテリへの充電を一時停止して、バッテリ加熱用のヒータを稼働させてバッテリ温度を上昇させることが開示されている。

特開２０１１−２３８４２８

しかしながら、上記文献に開示されているようにヒータを用いてバッテリ外部からバッテリを加熱すると、バッテリの内部温度（反応界面温度）が上昇するまでに時間を要するので、短時間で充電容量を増大させることは困難である。また、バッテリ内部まで加熱しようとすると、加熱に時間を要するため充電時間が長くなってしまう。

そこで本発明では、より短い充電時間で、より高い充電容量が得られるバッテリ充電システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、充放電可能であって電源の出力電力により充電されるバッテリと、電源又はバッテリの出力電力で駆動し、前記バッテリを加熱可能な加熱手段と、バッテリの温度を検出する温度検出手段と、バッテリの充電制御及び加熱手段の制御を実行する制御手段とを備えるバッテリ充電システムが提供される。このバッテリ充電システムでは、制御手段が、バッテリの充電開始後に現在のバッテリ温度における満充電状態になったら充電を停止し、充電停止後にバッテリの出力電力を用いて加熱手段を駆動してバッテリを加熱し、加熱後に充電を再開してバッテリが再び満充電状態になるまで充電を実行する。

上記態様によれば、バッテリヒータの稼働にバッテリの電力を用いるので、バッテリの内部と外部が同時に上昇する。したがって、より短い時間で、より高い充電容量が得られる。

図１は、本発明を適用するシステムの構成図である。 図２は、第１実施形態のバッテリ加熱制御ルーチンを示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態のバッテリ加熱制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。 図４は、第２実施形態のバッテリ加熱制御ルーチンを示すフローチャートである。 図５は、第２実施形態のバッテリ加熱制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態を適用するシステムの構成図である。

この充電システムは、電動車に用いるバッテリ１０を充電するものである。なお、ここでいう電動車とは、電動モータにより走行する電気自動車や、電動モータと内燃機関とを併用して走行するハイブリッド車両のように、車両の駆動源としてバッテリ１０の電力で駆動する電動モータを備える車両である。

そして、本充電システムは、バッテリ１０と、バッテリ１０を加熱するためのバッテリヒータ１２と、バッテリ１０及びバッテリヒータ１２に電力を供給する電源としての充電器１８と、を備える。

また、バッテリ温度を検出する温度センサ２０、バッテリ１０の充電電流を検出する電流センサ２２、バッテリ１０の電圧（以下、バッテリ電圧ともいう）を検出する電圧センサ２４を備える。

そして、後述する充電制御を実行するバッテリコントローラ１４、バッテリヒータ１２の稼働を制御するヒータコントローラ１６を備える。これらのコントローラ１４、１６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。また、各コントローラ１４、１６を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

バッテリ１０は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池のような二次電池である。本実施形態ではリチウムイオン電池を用いる。

充電器１８は、充電器１８が供給し得る最大の電力である充電器出力可能電力と、バッテリ１０の充電可能電力とに基づいてバッテリ１０へ供給する充電電力を決定し、バッテリ１０に電力（直流電流）を供給して充電を行なう。充電電力は、バッテリ１０の充電可能電力が充電器出力可能電力より大きければ充電器出力可能電力、そうでない場合は充電可能電力とする。つまり、バッテリ温度が低く充電可能電力が制限される等の条件下で、できるだけ大きな充電電力とする。なお、充電器１８は、車載型又は車外設置型のいずれでもよい。例えば、家庭用電源を用いる通常充電時には車載されたものを使用し、急速充電時には車外に設置された急速充電用充電器を使用する。また、充電器１８は充電状態（充電中か充電停止中か）をヒータコントローラ１６へ送る。ただし、充電器１８からバッテリコントローラ１４へ充電状態を送り、その充電状態をバッテリコントローラ１４からヒータコントローラ１６へ送られるようにしてもよい。

バッテリヒータ１２は、バッテリ１０から供給される電力によって稼働し、ヒータコントローラ１６の出力指令に応じてバッテリ１０を加熱する。バッテリヒータ１２は、例えばＰＴＣヒータのようにバッテリ１０に貼り付けてバッテリ１０を直接加熱するタイプでもよいし、空気または液体等の冷媒を加熱し、その冷媒を介してバッテリ１０を加熱するタイプでもよい。

温度センサ２０は、バッテリ１０の温度を測定するものであるが、ここではバッテリ１０とバッテリヒータ１２の間の雰囲気温度を測定することによってバッテリ１０の温度を測定するものとする。また、バッテリ１０が組電池の場合には、各セルまたは複数のセルを一群とするセル群毎に温度センサ２０を配置する。そして、複数の温度センサ２０の中で最も低い温度をバッテリ温度としてバッテリコントローラ１４及びヒータコントローラ１６へ送信する。最も低い温度をバッテリ温度とすることにより、後述する加熱制御の終了時点において、一部のセルの温度が上昇しておらず充電容量が小さくなるという事態を回避できる。

なお、バッテリ温度をバッテリコントローラ１４とヒータコントローラ１６とのうちの、いずれか一方のコントローラに送信し、そのバッテリ温度をコントローラ間で共有するようにしてもよい。

バッテリコントローラ１４は、電流センサ２２、電圧センサ２４、及び温度センサ２０の検出値を読み込む。また、バッテリコントローラ１４は、車両運行中に電圧と積算電流量に基づいて残容量を演算しており、走行終了時点での残容量を記憶しておく。そして、充電中にはセル電圧及び充電電流の積算値（積算電流）から公知の方法により残容量を推定する。これらの残容量の算出方法は公知であるので詳述しないが、充放電開始時のバッテリ１０の開放電圧からバッテリの残容量を検出し、充放電開始時からの充電電流または放電電流の積算値に応じた残容量の変化量を充放電開始時の残容量に加算することにより算出することができる。

また、バッテリコントローラ１４は、バッテリ１０の電圧に基づいて充電可能な電力（以下、充電可能電力という）を算出し、算出結果を充電器１８に送る。なお、バッテリの充電可能電力はバッテリ電圧が高いほど、すなわち残容量が大きいほど、小さくなることが知られているため、充電可能電力はバッテリ１０の電圧に基づいて算出することが可能である。ここで、バッテリ１０が複数のセル（単電池）を直列接続して形成された組電池である場合には、複数のセルには同一の充電電流が流れる。このため、バッテリ１０が複数のセルを直列接続して形成された組電池である場合にはバッテリ１０の充電可能電力は、各セルそれぞれの電圧値に基づいて算出される各セルの充電可能電流値のうちで最も小さい電流値に組電池の電圧を乗じた値となる。

ヒータコントローラ１６は、充電状態とバッテリ温度に基づいて、バッテリヒータ１２を稼働するか否かを判断し、ヒータ出力制御信号をバッテリヒータ１２の出力制御回路に送る。バッテリヒータ１２を稼働するか否かの判断については後述する。

なお、バッテリコントローラ１４とヒータコントローラ１６は一体式であってもよい。そこで、以下の説明ではバッテリコントローラ１４とヒータコントローラ１６を一体として制御部１００とする。

図２は、制御部１００が実行するバッテリ加熱制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、充電が開始されたら実行する。以下、ステップにしたがって説明する。

ステップＳ１００で、制御部１００はバッテリ温度を検出する。

ステップＳ１１０で、制御部１００は現バッテリ温度における充電が完了したか否かを判定する。バッテリ１０の満充電状態でのバッテリ電圧はバッテリ温度に応じて変化するので、バッテリ温度とセル電圧との関係をマップ化する等しておき、読み込んだバッテリ温度に基づいて現温度における満充電状態のバッテリ電圧を算出する。そして、現温度における満充電状態のバッテリ電圧と現在のバッテリ電圧を比較する。そして、現在のバッテリ電圧が現在のバッテリ温度における満充電状態のバッテリ電圧（最大電圧）になっており、かつ充電電流が最小値になっていれば、現在の温度での満充電状態になって云えると判定してステップＳ１２０の処理を実行し、そうでない場合はステップＳ１００の処理に戻る。

なお、バッテリの電圧が現バッテリ温度での最大電圧になった、または充電電流が満充電と判定できる程度の小さな電流値となったら現バッテリ温度における充電が完了したと判定してもよい。

ステップＳ１２０で、制御部１００はバッテリ温度が加熱目標温度以上か否かを判定する。加熱目標温度は、バッテリ１０の本来の充電容量、つまり充電容量を使いきることができる温度（バッテリの満充電容量を、現在の劣化度に応じたバッテリの最大容量に近い値とすることが可能な温度）であり、バッテリ１０の温度特性に基づいて設定する。ここでは、例えば１５〜３０（℃）の間で設定する。

判定の結果、バッテリ温度が加熱目標温度以上の場合は、制御部１００はステップＳ１３０で充電完了か否かを判定し、完了であれば本ルーチンを終了し、完了でなければ完了するまでステップＳ１３０の処理を繰り返す。バッテリ温度が加熱目標温度より低い場合は、制御部１００はステップＳ１４０で充電を停止させる。

ステップＳ１５０で、制御部１００はバッテリヒータ１２をバッテリ１０の電力を用いて稼働させ、バッテリ１０の加熱を開始する。

制御部１００は、ステップＳ１６０でバッテリ温度を検出し、ステップＳ１７０でバッテリ温度が加熱目標温度以上か否かを判定する。判定の結果、バッテリ温度が加熱目標温度より低ければ制御部１００はステップＳ１６０の処理に戻る。一方、バッテリ温度が加熱目標温度以上であれば、制御部１００はステップＳ１８０でバッテリヒータ１２を停止して加熱を終了し、ステップＳ１９０で充電を再開させてステップＳ１１０の処理に戻る。

上記のように、本制御ルーチンでは、可能な範囲で出来るだけ大きな充電可能電力で充電を開始した後、現状のバッテリ温度での満充電状態になったら充電を停止し、バッテリ１０の電力によりバッテリヒータ１２を稼働させてバッテリ１０を加熱する。そして、バッテリ温度が加熱目標温度に達したら加熱を終了して充電を再開し、再び満充電状態になるまで充電を実行する。

図３は、上記制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

ここでは、充電器出力可能電力で定電力充電を開始し、バッテリ１０の充電可能電力が充電器１８の充電器出力可能電力以上の間は、充電器出力可能電力で充電を実行する。その後、バッテリ１０の充電が進むにつれて充電可能電力が減少して充電器出力可能電力未満となった後は、充電可能電力による充電に切り換える。なお、タイミングＴ１におけるバッテリ温度は、加熱目標温度より低い。

また、バッテリ電圧が現バッテリ温度での最大電圧（満充電状態の電圧）になり、かつ充電電流が最小値となったら、現バッテリ温度での満充電状態になったと判定するものとする。

タイミングＴ１で充電を開始するとバッテリ電圧が上昇し、タイミングＴ２でバッテリ１０の充電可能電力が充電器出力可能電力未満となる。

その後、充電が進む、つまりバッテリ１０の残容量が増大するのに伴い、充電可能電力が減少して充電電流が低下し、充電電流が最小となるタイミングＴ３で現バッテリ温度での満充電状態であると判定する。なお、このタイミングＴ３におけるバッテリ電圧は、バッテリ温度が加熱目標温度よりも低いため、加熱目標温度における最大電圧よりも低い。その後、バッテリ１０の電力を用いてバッテリヒータ１２を稼働させてバッテリ１０の加熱を開始する。これによりバッテリ温度は上昇する。一方、バッテリ１０は放電状態になるので、バッテリ電圧は低下する。

タイミングＴ４でバッテリ温度が加熱目標温度まで上昇したら、加熱を終了する。このとき、バッテリ温度が加熱目標温度になることで、バッテリ１０の充電容量は増大している。

そして、加熱を終了したら充電を再開する。これにより、セル電圧は再び上昇する。そして、タイミングＴ５で再びバッテリ１０の充電可能電力が充電器出力可能電力未満となる。その後、充電可能電力による充電に切り換え、タイミングＴ６で充電電流が最小値となったら充電を完了する。このときの充電容量は、タイミングＴ３における充電容量よりも大きくなっている。なお、図３のタイミングチャートにおけるタイミングＴ１からＴ２、及びタイミングＴ４からＴ５の間は、充電器は充電器出力可能電力で定電力充電を行なっており、厳密にはバッテリ電圧の上昇とともに充電電流は減少する。しかし、充電電力はキロワット（ｋＷ）単位であるのに対し電圧の上昇代は数ボルト（Ｖ）であるため充電電流の変化は微小であり、タイミングチャートには電流の変化を表現していない。同様に、タイミングＴ２からＴ３及びタイミングＴ５からＴ６の間は、バッテリ１０の充電が進む（残容量が増加する）につれてバッテリ電圧が上昇するが、この間のバッテリ電圧変化はミリボルト（ｍＶ）単位の微小な変化であるので、電圧の変化を表現していない。

上記のようにバッテリ１０の電力を用いてバッテリヒータ１２を稼働させると、バッテリ１０はバッテリヒータ１２によって外部からも加熱されるだけでなく、放電することによって内部温度、つまりバッテリ内部の電極反応界面温度が上昇する。このようにバッテリ１０の内部と外部の温度が同時に上昇するので、より短い時間でバッテリ１０の内部まで温度上昇させることができる。さらに、バッテリ１０の内外の温度差が小さくなることで内部から外部への熱移動が抑制されるので、充電再開後も加熱によって増大した充電容量が維持される。このため、充電再開後はバッテリヒータ１２を稼働させる必要がなく、より大きな充電電力で充電できるので、より短い時間で満充電状態にできる。

さらに、現温度での満充電状態になった後で放電することにより、充電中に生じた分極の解消が促進されるので、充電可能容量をより速やかに増大させることができる。

したがって、本実施形態によれば、より短い時間で、より大きい充電容量の満充電状態にできる。

（第２実施形態）
現温度での満充電になったらいったん充電を停止して、バッテリ１０の電力を使用してバッテリバッテリヒータ１２を稼働させ、バッテリ温度が上昇したら充電を再開して再び満充電状態まで充電するという思想と、システムの構成は、第１実施形態と同様である。ただし、バッテリヒータ１２の稼働のさせ方が第１実施形態とは異なる。

図４は、本実施形態において制御部１００が実行するバッテリ加熱制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、充電が開始されたら実行する。なお、ここでの充電は、第１実施形態と同様に可能な範囲で出来るだけ大きな充電電力を供給して行う。以下、ステップにしたがって説明する。

ステップＳ２００−Ｓ２４０は図２のステップＳ１００−Ｓ１４０と同様なので説明を省略する。

ステップＳ２５０で、制御部１００は、現在のバッテリ温度と加熱目標温度の温度差、使用するバッテリ１０の発熱特性（バッテリ１０の内部抵抗等で、バッテリ１０自体が発熱する特性）、及び、熱容量等に基づいて必要セル発熱量を算出する。必要セル発熱量は、バッテリ１０の電力を用いてバッテリヒータ１２を稼働して、現在のバッテリ温度から加熱目標温度まで昇温する間に、バッテリ１０で発生する発熱量である。

ステップＳ２６０で、制御部１００はヒータ必要出力時間を算出する。ヒータ必要出力時間は、バッテリ１０に必要セル発熱量を発生させるために必要なバッテリヒータ１２の稼働時間であり、必要セル発熱量やバッテリヒータ１２の仕様に基づいて算出する。

ヒータ必要出力時間を算出したら、制御部１００はステップＳ２７０でバッテリヒータ１２を稼働させ、加熱時間のカウントを開始する。

ステップＳ２８０で、制御部１００は、加熱開始からヒータ必要出力時間が経過したか否かを判定する。制御部１００は、ヒータ必要出力時間が経過するまでステップＳ２８０の処理を繰り返し、経過したらステップＳ２９０の処理を実行する。

制御部１００は、ステップＳ２９０でバッテリヒータ１２を停止し、ステップＳ３００でバッテリ１０の充電を再開してステップＳ２００の処理に戻る。

上記のように、制御部１００は、バッテリヒータ１２を稼働させる時間を設定してバッテリ１０の加熱を実行し、設定した時間が経過したら加熱を終了して充電を再開する。

図５は、上記制御を実行した場合のタイミングチャートである。

タイミングＴ１からタイミングＴ３までは図３と同様なので説明を省略する。

タイミングＴ３でバッテリ１０の加熱を開始すると、加熱時間をカウントするカウンタの値が増大する。タイミングＴ４で加熱時間がヒータ必要出力時間になったら加熱を終了する。タイミングＴ４以降は図３と同様である。

以上のように、バッテリ温度が加熱目標温度に達したか否かをヒータ必要出力時間に基づいて判定してもよい。これによっても第１実施形態と同様に、より短い時間で、より大きい充電容量での満充電状態にすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ バッテリ
１２ バッテリヒータ（加熱手段）
１４ バッテリコントローラ（制御手段）
１６ ヒータコントローラ（制御手段）
１８ 充電器（電源）
２０ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (5)

1. 充放電可能であって電源の出力電力により充電されるバッテリと、
   前記電源又は前記バッテリの出力電力で駆動し、前記バッテリを加熱可能な加熱手段と、
   前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
   前記バッテリの充電制御及び前記加熱手段の制御を実行する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記バッテリの充電開始後に前記バッテリの充電状態が現在のバッテリ温度における満充電状態になったら充電を停止し、充電停止後に前記バッテリの出力電力を用いて前記加熱手段を駆動して前記バッテリを加熱し、加熱後に充電を再開して前記バッテリが再び満充電状態になるまで充電を実行するバッテリ充電システム。
2. 請求項１に記載のバッテリ充電システムにおいて、
   前記制御手段は、前記バッテリの温度が所定温度まで上昇したら前記加熱手段による加熱を終了するバッテリ充電システム。
3. 請求項１または２に記載のバッテリ充電システムにおいて、
   前記現在のバッテリ温度における満充電状態は、前記バッテリのセル電圧が現在のバッテリ温度における最大電圧となった状態であるバッテリ充電システム。
4. 請求項１に記載のバッテリ充電システムにおいて、
   前記現在のバッテリ温度における満充電状態は、現在のバッテリ温度における最大電圧であり、かつ、バッテリへの充電電流が最小電流となった状態であるバッテリ充電システム。
5. 充放電可能であって電源の出力電力により充電されるバッテリの充電を開始し、
   前記バッテリの温度を検出し、
   前記充電開始後に前記バッテリの充電状態が現在のバッテリ温度における満充電状態になったら充電を停止し、
   充電停止後に前記バッテリの出力電力を用いて加熱手段を駆動してバッテリの加熱を行ない、
   加熱後に充電を再開して前記バッテリが再び満充電状態になるまで充電を実行するバッテリ充電方法。

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