JP2016092943A - 充電制御装置および充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】定電流定電圧充電の定電圧充電において、電池を劣化させない閾値電圧を決定することである。
【解決手段】電池４の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、定電圧充電に用いる電池が劣化する限界を示す限界電圧以下の閾値電圧と、を関連付けた電池特性情報を記憶する記憶部８と、計測した電池４の温度と所定の電流とを取得し、電池特性情報を参照して、閾値電圧を決定する制御部３と、を備える充電制御装置１である。
【選択図】図１

Description

電池の充電を制御する充電制御装置および充電制御方法に関する。

電池の充電として、定電流充電をしたのち定電圧充電に切り替えて充電をする定電流定電圧充電が知られている。ところが、定電圧充電を終了する際に、充電器の制約条件により終止電流を完全に絞る（終止電流＝０Ａになるまで充電をする）ことができないと、目標とするＳＯＣ（State of Charge）に相当する目標電圧に到達したのちに、電池の内部抵抗による電圧降下が生じ、目標電圧まで充電ができないという問題がある。そこで、定電流定電圧充電のひとつとして、定電圧充電において電池に印加する定電圧を、内部抵抗による電圧降下分を見込んだ電圧だけ目標電圧より高い電圧（閾値電圧）にし、定電圧充電をすることが知られている。

関連する技術として、二次電池の端子間電圧と、所定の閾値電圧と、を比較して二次電池に流す充電電流を決める充電器において、二次電池の内部抵抗と充電に要する時間と温度とに応じて、所定の閾値電圧を決定する充電制御装置が知られている。例えば、特許文献１を参照。

また、関連する技術として、二次電池の温度を測定し、その温度に基づいて、充電を停止する電流値である満充電検出電流値を変更する、二次電池の充電制御方法が知られている。例えば、特許文献２を参照。

特開２０１１−０６１９４７号公報 特開２００２−０５８１７１号公報

しかしながら、定電流定電圧充電の定電圧充電において、終止電流と、電池の内部抵抗と、により決定した閾値電圧が、温度によっては電池の劣化につながる限界電圧に達することがある。

本発明の一側面に係る目的は、定電流定電圧充電の定電圧充電において、電池を劣化させない閾値電圧を決定することである。

本発明の態様のひとつである充電制御装置は、記憶部、制御部を有する。記憶部は、電池の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、定電圧充電に用いる電池が劣化する限界を示す限界電圧以下の閾値電圧と、を関連付けた電池特性情報を記憶する。制御部は、計測した電池の温度と所定の電流とを取得し、電池特性情報を参照して、閾値電圧を決定する。

また、本実施の他の態様のひとつである充電制御装置は、記憶部、制御部を有する。記憶部は、電池の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、定電圧充電に用いる仮閾値電圧と、を関連付けた仮閾値特性情報と、電池の温度と、電池が劣化する限界を示す限界電圧と、を関連付けた劣化限界情報と、を記憶する。

制御部は、計測した電池の温度と所定の電流とを取得し、仮閾値特性情報と劣化限界情報とを参照して、電池を劣化させない閾値電圧を決定する。
また、制御部は、計測した電池の温度と所定の電流とにより決まる仮閾値電圧と、限界電圧と、を比べ、閾値電圧が限界電圧以上である場合、限界電圧を閾値電圧とする。また、制御部は、仮閾値電圧が限界電圧未満である場合、仮閾値電圧を閾値電圧とする。

なお、閾値電圧は目標電圧より高い電圧である。

実施の態様によれば、定電流定電圧充電の定電圧充電において、電池を劣化させない閾値電圧を決定することができる。

図１は、充電制御装置の一実施例を示す図である。 図２は、定電流定電圧充電をした場合の電流と電圧の関係を示す図である。 図３は、実施形態１の充電制御装置の動作の一実施例を示すフロー図である。 図４は、温度と終止電流と閾値電圧との関係を示した図である。 図５は、電池特性情報のデータ構造の一実施例を示した図である。 図６は、実施形態２の充電制御装置の動作の一実施例を示すフロー図である。 図７は、仮閾値特性情報と劣化限界情報のデータ構造の一実施例を示した図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細に説明する。
実施形態１について説明する。
図１は、充電制御装置の一実施例を示す図である。図１に示す充電制御装置１は例えば電池パックである。本例において充電制御装置１は、一つ以上の電池４を有する組電池２、充電制御装置１を制御する制御部３、電池４の電圧を計測する電圧計５、組電池２に流れる電流を計測する電流計６、組電池２または電池４の温度または周辺温度などを計測する温度計７、を有している。電池４はリチウムイオン電池などの二次電池、または、蓄電素子などである。

制御部３は定電流定電圧充電（ＣＣＣＶ（Constant Current, Constant Voltage）充電）などの制御を行う。制御部３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）を用いた回路が考えられ、制御部３の内部または外部に備えられている記憶部８に記憶されている充電制御装置１の各部を制御するプログラムを読み出して実行する。なお、本例においては制御部３を用いて説明をするが、制御部３が実行する制御を、例えば車両に搭載されている一つ以上のＥＣＵ（Electronic Control Unit）などに行わせてもよい。

記憶部８はＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリで、パラメータ値、変数値などのデータを記憶してもよいし、実行時のワークエリアとして用いてもよい。なお、記憶部８は制御部３と別に設けてもよい。

ＣＣＣＶ充電の動作について説明する。
図２は、定電流定電圧充電（ＣＣＣＶ充電）をした場合の電流と電圧の関係を示す図である。縦軸には電流と電圧を示し、横軸には時間が示されている。

図２の時間ｔ０から時間ｔ１の期間では電池４に対して定電流充電（ＣＣ充電）を行う。ＣＣ充電では、電池４の電圧が閾値電圧Ｖ１になるまで、組電池２に定電流Ｉ１を流す。閾値電圧Ｖ１は目標電圧Ｖ２より高い電圧で、電池４の劣化状態に応じて決定された電圧である。電池４の劣化状態は電池４の内部抵抗に応じて決まる。ここで、目標電圧は、満充電電圧または設定した目標値が示すＳＯＣに相当する電圧で、充電後の電池４において内部抵抗による電圧降下がなく、分極も解消された状態の電圧である。

図２の時間ｔ１から時間ｔ２の期間では電池４に対して定電圧充電（ＣＶ充電）を行う。電池４に定電圧（＝閾値電圧Ｖ１）を印加し、電流計６を用いて計測した組電池２に流れる計測電流が制約条件により決まる電流以上の終止電流Ｉ２（所定の電流）になると（時間ｔ２）、ＣＶ充電を終了する。

図２の時間ｔ２から時間ｔ３の期間では、電池４の内部抵抗による電圧降下（ＩＲドロップ）と分極などが解消し、電池４の電圧が目標電圧Ｖ２になる。
制御部３の動作について説明する。

図３は、実施形態１の充電制御装置の動作の一実施例を示すフロー図である。ステップＳ１では制御部３が電池４の温度と終止電流（所定の電流）とを取得する。
ステップＳ２では制御部３が閾値電圧決定処理をする。閾値電圧決定処理は、取得した電池４の温度と終止電流とを用いて、電池特性情報を参照し、閾値電圧を決定する。電池特性情報は、予め実験またはシミュレーションにより、電池４の温度と、ＣＣＣＶ充電においてＣＶ充電を終了する終止電流と、電池４が劣化する限界を示す限界電圧以下の閾値電圧と、の関連を求め、これら温度と終止電流と限界電圧以下の閾値電圧とを関連付けた情報である。

図４、図５を用いて電池特性情報の説明をする。
図４は、温度と終止電流と閾値電圧との関係を示した図である。図５は、電池特性情報のデータ構造の一実施例を示した図である。図４に示すグラフは、縦軸に閾値電圧を示し、横軸に温度（℃）を示している。図４の４０１は劣化限界線を示している。劣化限界線４０１は温度と電池４が劣化しはじめる電圧との関係を示している。また、図４の劣化限界線４０１は電池４が低温になるほど低電圧でも劣化することが示されている。図４の４０２は終止電流Ｉａにおける温度と閾値電圧との関係を示し、４０３は終止電流Ｉｂ（＜Ｉａ）における温度と閾値電圧との関係を示し、４０４は終止電流Ｉｃ（＜Ｉｂ）における温度と閾値電圧との関係を示している。

図５の電池特性情報５０１には、終止電流Ｉｂ（所定の電流）ごとに、温度と閾値電圧とを関連付けた情報が示されている。図５の例では、終止電流Ｉｂにおいて、温度が１９℃（ｔｅｍ１９）までは図４の劣化限界線４０１上の限界電圧を閾値電圧として用い、２０℃（ｔｅｍ２０）以降は図４の４０３上の電圧を閾値電圧として用いている。即ち、電池４の温度と終止電流Ｉ２とにより決まる電圧（＝Ｖｓ）と、電池４が劣化する限界を示す限界電圧（＝Ｖｇ）とを比べ、Ｖｓ≧Ｖｇのときは小さい電圧であるＶｇを閾値電圧とし、Ｖｓ＜Ｖｇのときは小さい電圧であるＶｓを閾値電圧とし、その閾値電圧が電池特性情報５０１に記憶されている。また図５の「終止電流」に関する情報を記憶する５０２には、終止電流が図４の４０３であることを示す「Ｉｂ」が記憶され、「温度」「閾値電圧」に関する情報を記憶する５０３には、温度を示す情報（「ｔｅｍ０」から「ｔｅｍ２７」など）と、閾値電圧を示す情報（「Ｖｌ０」から「Ｖｌ１９」、「Ｖｓ２０」から「Ｖｓ２７」など）と、が関連付けられ記憶されている。閾値電圧を示す情報である「Ｖｌ０」から「Ｖｌ１９」は図４の劣化限界線４０１上の限界電圧を示し、「Ｖｓ２０」から「Ｖｓ２７」は図４の４０３上の電圧を示している。

例えば、計測した電池４の温度１０℃と終止電流Ｉｂとを取得すると、電池特性情報５０１のうち「終止電流」が「Ｉｂ」における「温度」「閾値電圧」に関する情報が記憶される５０３を参照して、温度１０℃のときの閾値電圧を求める。温度１０℃の場合、図４の４０３上の電圧Ｖｓ１０は劣化限界線４０１上の限界電圧Ｖｌ１０より高い電圧なので、閾値電圧を限界電圧Ｖｌ１０とする。また、温度３０℃の場合、図４の４０３上の電圧Ｖｓ３０は劣化限界線４０１上の限界電圧Ｖｌ３０より低い電圧なので、閾値電圧を４０３上の電圧Ｖｓ３０とする。

ステップＳ３で制御部３は、今回のＣＶ充電で用いる閾値電圧を、ステップＳ２で求めた温度により限界電圧に達しない電圧に決定する。
実施態様１によれば、ＣＣＣＶ充電のＣＶ充電において、電池４を劣化させない閾値電圧を決定することができる。また、閾値電圧を目標電圧より高い電圧とすることで目標電圧までの充電時間を短縮することができる。なお、目標電圧は使用上限ＳＯＣに相当する電圧であってもよい。

実施形態２について説明する。
実施形態２では、計測した電池４の温度と終止電流（所定の電流）とを取得し、記憶部８に記憶されている終止電流ごとの仮閾値特性情報と劣化限界情報とを参照して、同じ温度における仮閾値電圧と限界電圧とを求める。続いて、求めた仮閾値電圧と限界電圧とを比べて、電池が劣化しない閾値電圧を決定する。

図６は、実施形態２の充電制御装置の動作の一実施例を示すフロー図である。ステップＳ６０１では制御部３が電池４の温度と終止電流とを取得する。
ステップＳ６０２では制御部３が電池４の温度と終止電流とを用いて、仮閾値特性情報と劣化限界情報とを参照し、仮閾値電圧と限界電圧とを求める。

図４、図７を用いて実施形態２の仮閾値特性情報と劣化限界情報の説明をする。
図７は、仮閾値特性情報と劣化限界情報のデータ構造の一実施例を示した図である。図７の仮閾値特性情報７０３には、終止電流Ｉｂごとに、温度と仮閾値電圧とを関連付けた情報が示されている。即ち、仮閾値電圧は、電池４の温度と終止電流とにより決まる。図７の例では、終止電流Ｉｂに対応する図４の４０３上の電圧を仮閾値電圧として用いている。図７の劣化限界情報７０４には、温度と限界電圧とを関連付けた情報が示されている。図７の例では、図４に示した劣化限界線４０１上の限界電圧を用いている。また図７の「終止電流」に関する情報を記憶する７０２には、終止電流が図４の４０３に対応する「Ｉｂ」が記憶されている。「温度」「仮閾値電圧」に関する情報が記憶される仮閾値特性情報７０３には、温度を示す情報（「ｔｅｍ０」から「ｔｅｍ２７」など）と、仮閾値電圧を示す情報（「Ｖｓ０」から「Ｖｓ２７」など）と、が関連付けられ記憶されている。「温度」「限界電圧」に関する情報が記憶される劣化限界情報７０４には、温度を示す情報（「ｔｅｍ０」から「ｔｅｍ２７」など）と、限界電圧を示す情報（「Ｖｌ０」から「Ｖｌ２７」など）と、が関連付けられ記憶されている。

例えば、温度１０℃と終止電流Ｉｂとを取得すると、「終止電流」が「Ｉｂ」における「温度」「仮閾値電圧」に関する情報が記憶されている仮閾値特性情報７０３を参照して、温度１０℃のときの仮閾値電圧Ｖｓ１０を求める。また、「温度」「限界電圧」に関する情報が記憶されている劣化限界情報７０４を参照して、温度１０℃のときの限界電圧Ｖｌ１０を求める。

ステップＳ６０３では制御部３が仮閾値電圧≧限界電圧であるか否かを判定し、仮閾値電圧≧限界電圧である場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６０４に移行し、仮閾値電圧＜限界電圧である場合（Ｎｏ）にはステップＳ６０５に移行する。

ステップＳ６０４では、仮閾値電圧が限界電圧以上であるので、制御部３は今回のＣＶ充電で用いる閾値電圧を、ステップＳ６０２で求めた限界電圧にする。
ステップＳ６０５では、仮閾値電圧が限界電圧未満であるので、制御部３は今回のＣＶ充電で用いる閾値電圧を、ステップＳ６０２で求めた仮閾値電圧にする。

例えば、終止電流がＩｂで、温度１０℃の場合には、図４の４０３上の仮閾値電圧Ｖｓ１０は劣化限界線４０１上の限界電圧Ｖｌ１０より高い電圧なので、閾値電圧を限界電圧Ｖｌ１０にする。また、終止電流がＩｂで温度３０℃の場合には、図４の４０３上の仮閾値電圧Ｖｓ３０は劣化限界線４０１上の限界電圧Ｖｌ３０より低い電圧なので、現在の閾値電圧をステップＳ６０２で求めた仮閾値電圧Ｖｓ３０にする。

実施態様２によれば、ＣＣＣＶ充電のＣＶ充電において、電池４を劣化させない閾値電圧を決定することができる。また、閾値電圧を目標電圧より高い電圧とすることで目標電圧までの充電時間を短縮することができる。なお、目標電圧は使用上限ＳＯＣに相当する電圧であってもよい。

実施形態１、２に示した充電制御装置１および充電制御方法は、急速充電に用いてもよい。
また、本発明は、実施形態１、２に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

ステップＳ１〜Ｓ３、及びステップＳ６０１〜Ｓ６０５の動作はＣＣ充電からＣＶ充電へ移行する前、例えば、ＣＣ充電において、目標電圧Ｖ２を超える直前に行うことが望ましい。

なお、閾値電圧は、計測した電池の温度と所定の電流と電池の内部抵抗とにより決定してもよい。また、仮閾値電圧も、計測した電池の温度と所定の電流と電池の内部抵抗とにより決定してもよい。例えば、図４の曲線４０１、４０２、４０３は内部抵抗により補正してもよい。

１ 充電制御装置、
２ 組電池、
３ 制御部、
４ 電池、
５ 電圧計、
６ 電流計、
７ 温度計、
８ 記憶部、

Claims (10)

1. 電池の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、前記定電圧充電に用いる前記電池が劣化する限界を示す限界電圧以下の閾値電圧と、を関連付けた電池特性情報を記憶する記憶部と、
   計測した電池の温度と前記所定の電流とを取得し、前記電池特性情報を参照して、閾値電圧を決定する制御部と、
   を備えることを特徴とする充電制御装置。
2. 電池の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、前記定電圧充電に用いる仮閾値電圧と、を関連付けた仮閾値特性情報と、前記電池の温度と、前記電池が劣化する限界を示す限界電圧と、を関連付けた劣化限界情報と、を記憶する記憶部と、
   計測した電池の温度と前記所定の電流とを取得し、前記仮閾値特性情報と前記劣化限界情報とを参照して、前記電池を劣化させない閾値電圧を決定する制御部と、
   を備えることを特徴とする充電制御装置。
3. 請求項２に記載の充電制御装置であって、
   前記制御部は、計測した前記電池の温度と前記所定の電流とにより決まる前記仮閾値電圧と前記限界電圧と、を比べ、前記仮閾値電圧が前記限界電圧以上である場合、前記限界電圧を前記閾値電圧とする、ことを特徴とする充電制御装置。
4. 請求項３に記載の充電制御装置であって、
   前記制御部は、前記仮閾値電圧が前記限界電圧未満である場合、前記仮閾値電圧を前記閾値電圧とする、ことを特徴とする充電制御装置。
5. 請求項３または４に記載の充電制御装置であって、
   計測した前記電池の温度と前記所定の電流と前記電池の内部抵抗とにより、前記閾値電圧を決定する、ことを特徴とする充電制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の充電制御装置であって、
   前記閾値電圧は目標電圧より高い電圧である、ことを特徴とする充電制御装置。
7. 電池の充電を制御する充電制御装置の充電制御方法であって、
   計測した電池の温度と前記所定の電流値とを取得し、
   記憶部に記憶されている、電池の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、前記定電圧充電に用いる前記電池が劣化する限界を示す限界電圧以下の閾値電圧と、を関連付けた電池特性情報を参照して、閾値電圧を決定する、
   ことを特徴とする充電制御方法。
8. 電池の充電を制御する充電制御装置の充電制御方法であって、
   計測した電池の温度と前記所定の電流値とを取得し、
   記憶部に記憶されている、前記電池の温度と、定電流定電圧充電において定電圧充電を終了する所定の電流と、前記定電圧充電に用いる仮閾値電圧と、を関連付けた仮閾値特性情報と、前記電池の温度と、前記電池が劣化する限界を示す限界電圧と、を関連付けた劣化限界情報と、を参照して、前記電池を劣化させない閾値電圧を決定する、
   ことを特徴とする充電制御方法。
9. 請求項８に記載の充電制御方法であって、
   計測した前記電池の温度と前記所定の電流とにより決まる前記仮閾値電圧と前記限界電圧と、を比べ、前記仮閾値電圧が前記限界電圧以上である場合、前記限界電圧を前記閾値電圧とする、ことを特徴とする充電制御方法。
10. 請求項９に記載の充電制御方法であって、
    前記仮閾値電圧が前記限界電圧未満である場合、前記仮閾値電圧を前記閾値電圧とする、ことを特徴とする充電制御方法。
    

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