JP2017108556A - 蓄電型充電装置及び充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑制しつつ、内蔵電池から充電対象電池への過電流の発生を防止できる蓄電型充電装置を提供する。
【解決手段】内蔵電池１１と、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ≦閾値である場合に、充電対象電池２１を内蔵電池１１を介して充電する制御ユニット１２とを備えて蓄電型充電装置１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電型充電装置及び充電制御方法に関する。

二次電池を急速充電するための充電装置の一類型として蓄電型充電装置がある。蓄電型充電装置では、系統電源から入力された交流電力はＡＣ／ＤＣ（Alternating Current / Direct Current）コンバータにより所定の直流電力に変換され、変換された直流電力は蓄電型充電装置内の二次電池（内蔵電池）に蓄電される。充電対象の二次電池（充電対象電池）が蓄電型充電装置に接続されると、内蔵電池に蓄えられた直流電力は充電対象電池に供給される。しかしながら、内蔵電池を介して充電対象電池が充電される場合に、内蔵電池と充電対象電池との電位差が大きいと、内蔵電池から充電対象電池への過電流が発生する。過電流の発生を防止する方法としては、内蔵電池からの出力電圧をＤＣ／ＤＣ（Direct Current / Direct Current）コンバータにより調整し、電圧値が調整された直流電力を充電対象電池に供給する方法が考えられる。

なお、関連する技術として、特許文献１〜４に記載の技術が知られている。

特開平５−１１１１７１号公報 特開２０１１−１６６９２９号公報 特開２０１１−１９３７１６号公報 特開２０１１−２２９３４４号公報

しかしながら、内蔵電池から充電対象電池への過電流の発生を防止するためにＤＣ／ＤＣコンバータが蓄電型充電装置に更に設けられると、蓄電型充電装置の製造コストが増加する。

本発明の一側面に係る目的は、製造コストを抑制しつつ、内蔵電池から充電対象電池への過電流の発生を防止できる蓄電型充電装置を提供することである。

本発明に係る一つの形態である蓄電型充電装置は、内蔵電池及び制御ユニットを含む。制御ユニットは、内蔵電池の電圧Ｖａと充電対象電池の電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ≦閾値である場合に、充電対象電池を内蔵電池を介して充電する。

一実施形態に従った蓄電型充電装置よれば、製造コストを抑制しつつ、内蔵電池から充電対象電池への過電流の発生を防止できる。

第１の実施形態に従った蓄電型充電装置と、関連する系統電源及び蓄電装置とを含む充電システムの構成例を示す図である。 第１の実施形態に従った充電制御方法の例示的な処理フローを示す図である。 第２の実施形態に従った蓄電型充電装置と、関連する系統電源及び蓄電装置とを含む充電システムの構成例を示す図である。 第２の実施形態に従った充電制御方法の例示的な処理フローを示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に従った蓄電型充電装置と、関連する系統電源及び蓄電装置とを含む充電システムの構成例を示す図である。図１に示す一例では、蓄電型充電装置１は、内蔵電池１１、制御ユニット１２、及びＡＣ／ＤＣコンバータ１３を含む。また、蓄電型充電装置１は、第１のスイッチ１４、第２のスイッチ１５、及び第３のスイッチ１６を更に含む。そして、蓄電型充電装置１は、第１の電圧センサ１７、第２の電圧センサ１８、及び充電装置側コネクタ１９を更に含む。また、蓄電装置２は、充電対象電池２１、電池制御ユニット２２、及び蓄電装置側コネクタ２３を含む。なお、蓄電装置２は、例えば、電気自動車、ハイブリットカー、及び電動フォークリフトといった車両に搭載及び接続されてもよい。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１３は、制御ユニット１２による制御に従って、系統電源３から入力された交流電圧を直流電圧に変換する。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３は、制御ユニット１２による制御に従って、変換された直流電圧を内蔵電池１１又は充電対象電池２１に対応する所定電圧に変換する機能をも有してもよい。ＡＣ／ＤＣコンバータ１３からの出力電圧は、制御ユニット１２により第１〜第３のスイッチ１４〜１６が夫々オン（閉）又はオフ（開）されることよって、内蔵電池１１及び／又は充電対象電池２１に供給される。

内蔵電池１１及び充電対象電池２１は、二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタ等である。充電対象電池２１が内蔵電池１１を介して高速充電されるように、内蔵電池１１の容量は充電対象電池２１の容量よりも大きくてよい。なお、図１には、内蔵電池１１及び充電対象電池２１として１つの電池セルが夫々示されているが、内蔵電池１１及び充電対象電池２１は、任意の形式で相互に接続された複数の電池セルを夫々含んでもよい。

第１〜第３のスイッチ１４〜１６は、例えば、機械式スイッチ又は電子式スイッチである。第１のスイッチ１４は、第１の給電線Ｌ１と一端が接続し内蔵電池１１と他端が接続する第２の給電線Ｌ２上に設けられる。第２のスイッチ１５は、第１の給電線Ｌ１と一端が接続し内蔵電池１１と他端が接続する第３の給電線Ｌ３上に設けられる。第３のスイッチ１６は、第２の給電線Ｌ２の一端と第３の給電線Ｌ３の一端との間の第１の給電線Ｌ１上に設けられる。なお、第１の給電線Ｌ１の一端は充電対象電池２１と接続し、第１の給電線Ｌ１の他端はＡＣ／ＤＣコンバータ１３と接続する。

第１の電圧センサ１７は内蔵電池１１の端子電圧を測定する。本明細書において、内蔵電池１１の端子電圧を単に内蔵電池１１の電圧と記載する場合がある。第２の電圧センサ１８は充電対象電池２１の端子電圧を測定する。本明細書において、充電対象電池２１の端子電圧を単に充電対象電池２１の電圧と記載する場合がある。

制御ユニット１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）といったプロセッサ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、又はＰＬＤ（Programmable Logic Device）である。制御ユニット１２は、充電対象電池２１を充電するための制御情報を電池制御ユニット２２と送受信し、また、蓄電型充電装置１の動作全体を制御する。

例えば、制御ユニット１２は、第１のスイッチ１４をオンにし、第３のスイッチ１６をオフにして、内蔵電池１１がＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して充電されるように制御する。また、制御ユニット１２は、充電対象電池２１が内蔵電池１１及びＡＣ／ＤＣコンバータ１３の少なくとも一方を介して充電されるように制御する。充電対象電池２１に対する充電制御方法の具体例を図２を更に参照しながら以下に説明する。

図２は、第１の実施形態に従った充電制御方法の例示的な処理フローを示す図である。図２に示す一例では、充電対象電池２１はＣＣ（Constant Current）充電又はＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage）充電されるものと仮定する。図２に示す処理フローは、例えば、充電装置側コネクタ１９と蓄電装置側コネクタ２３とが接続され、充電対象電池２１に対する充電開始信号が制御ユニット１２から電池制御ユニット２２へ送信された後に開始される。

制御ユニット１２は、第１の電圧センサ１７により測定された内蔵電池１１の電圧Ｖａを取得する（Ｓ１）。また、制御ユニット１２は、第２のスイッチ１５及び第３のスイッチ１６をオフにし、第２の電圧センサ１８により測定された充電対象電池２１の電圧Ｖｂを取得する（Ｓ２）。さらに、制御ユニット１２は、充電対象電池２１の満充電電圧Ｖｆｃを電池制御ユニット２２から通信を通じて取得する（Ｓ３）。なお、実施例によっては、充電対象電池２１の電圧Ｖｂは蓄電装置２内で電池制御ユニット２２により取得されてもよく、制御ユニット１２は充電対象電池２１の電圧Ｖｂを電池制御ユニット２２から通信を通じて取得してもよい。

制御ユニット１２は、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞Ｖｂであるか否かを判定する（Ｓ４）。
Ｖａ≦Ｖｂであると判定する場合（Ｓ４で“ＮＯ”）、制御ユニット１２は、第１のスイッチ１４及び第２のスイッチ１５を夫々オフにし、第３のスイッチ１６をオンする。そして、制御ユニット１２は、充電対象電池２１をＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して満充電電圧Ｖｆｃまで充電する（Ｓ１４）。

ステップＳ１４において、第３のスイッチ１６がオンにされることで、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３と充電対象電池２１との間で第１の給電線Ｌ１が繋がる。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３から充電対象電池２１へ所定の充電電流が流れ、充電対象電池２１は満充電電圧Ｖｆｃまで充電される。また、第１のスイッチ１４がオフにされることで、例えば、Ｖａ≦Ｖｂの状態にある内蔵電池１１が充電対象電池２１に優先して充電されることが防止される。さらに、第２のスイッチ１５がオフにされることで、例えば、Ｖａ＜Ｖｂの状態にある充電対象電池２１から内蔵電池１１へ電流が逆流することが防止される。なお、電流の逆流防止のために、第２のスイッチ１５をオフにすることに代えて、第３の給電線Ｌ３上に逆流防止用のダイオードを設けてもよい。また、電流の逆流防止のために、内蔵電池１１の電池セルの直列数を充電対象電池２１の電池セルの直列数よりも多くし、常時Ｖａ＞Ｖｂになるように構成してもよい。

Ｖａ＞Ｖｂであると判定する場合（Ｓ４で“ＹＥＳ”）、制御ユニット１２は、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ≦閾値Ｖｔｈであるか否かを判定する（Ｓ５）。閾値Ｖｔｈは、内蔵電池１１から充電対象電池２１へ流れる電流の許容上限値に対応する電圧値であり、内蔵電池１１から充電対象電池２１へ過電流が流れることを防止するために予め設定される。

Ｖａ−Ｖｂ＞Ｖｔｈであると判定する場合（Ｓ５で“ＮＯ”）、制御ユニット１２は、第１のスイッチ１４及び第２のスイッチ１５を夫々オフにし、第３のスイッチ１６をオンにして、充電対象電池２１をＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して充電する（Ｓ６）。

ステップＳ６において第３のスイッチ１６がオンにされることで、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３と充電対象電池２１との間で第１の給電線Ｌ１が繋がり、充電対象電池２１はＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して充電される。また、第１のスイッチ１４がオフにされることで、内蔵電池１１が充電対象電池２１に優先して充電されることが防止される。さらに、第２のスイッチ１５がオフにされることで、内蔵電池１１から充電対象電池２１へ過電流が流れることが防止される。

制御ユニット１２は、内蔵電池１１の電圧Ｖａ及び充電対象電池２１の電圧Ｖｂを夫々再取得し（Ｓ７、Ｓ８）、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ≦Ｖｔｈであるか否かを再度判定する（Ｓ５）。

Ｖａ−Ｖｂ≦Ｖｔｈであると判定する場合（Ｓ５で“ＹＥＳ”）、制御ユニット１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３の動作を停止させ、第１のスイッチ１４及び第３のスイッチ１６、又は第２のスイッチ１５をオンにする。そして、制御ユニット１２は、充電対象電池２１を内蔵電池１１を介して充電する（Ｓ９）。なお、実施例によっては、制御ユニット１２は、第１のスイッチ１４及び第３のスイッチ１６を夫々オフにし、第２のスイッチ１５をオンにして、充電対象電池２１を内蔵電池１１を介して充電してもよい。

充電対象電池２１が内蔵電池１１を介して充電される結果、充電対象電池２１の電圧は上昇する一方で、内蔵電池１１の電圧は下降する。制御ユニット１２は、内蔵電池１１の電圧Ｖａ及び充電対象電池２１の電圧Ｖｂを夫々再取得し（Ｓ１０、Ｓ１１）、電圧Ｖｂが充電対象電池２１の満充電電圧Ｖｆｃであるか否かを判定する（Ｓ１２）。電圧Ｖｂが満充電電圧Ｖｆｃであると判定する場合（Ｓ１２で“ＹＥＳ”）、制御ユニット１２は、充電対象電池２１に対する充電を終了する。

電圧Ｖｂが満充電電圧Ｖｆｃ未満であると判定する場合（Ｓ１２で“ＮＯ”）、制御ユニット１２は、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶｂ＝Ｖａであるか否かを判定する（Ｓ１３）。

Ｖｂ＝Ｖａではないと判定する場合（Ｓ１３で“ＮＯ”）、制御ユニット１２は、ステップＳ９の処理に戻り、充電対象電池２１を内蔵電池１１を介して更に充電する。
Ｖｂ＝Ｖａであると判定する場合（Ｓ１３で“ＹＥＳ”）、制御ユニット１２は、第１のスイッチ１４及び第２のスイッチ１５を夫々オフにし、第３のスイッチ１６をオンにする。そして、制御ユニット１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３を動作させ、充電対象電池をＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して満充電電圧Ｖｆｃまで充電する（Ｓ１４）。

このように、第１の実施形態に従った蓄電型充電装置及び充電制御方法によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータが蓄電型充電装置１に設けられなくても、内蔵電池１１から充電対象電池２１への過電流の発生を防止できる。したがって、第１の実施形態に従った蓄電型充電装置及び充電制御方法によれば、蓄電型充電装置の製造コストを抑制しつつ、内蔵電池から充電対象電池への過電流の発生を防止できる。

また、ステップＳ１２及びＳ１３に関する上述の説明から理解できるように、仮に、内蔵電池１１の電圧が充電対象電池２１の満充電電圧Ｖｆｃ未満であったとしても、充電対象電池２１の充電に内蔵電池１１が可及的に宛てられる。したがって、第１の実施形態に従った蓄電型充電装置及び充電制御方法によれば、系統電源からの出力電力を充電対象電池以外の他の負荷の駆動に可及的に宛てることができる。また、系統電源からの出力電力を充電対象電池以外の他の二次電池の充電に可及的に充てることができ、他の二次電池の充電時間を短縮できる。
＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態に従った蓄電型充電装置と、関連する系統電源及び蓄電装置とを含む充電システムの構成例を示す図である。図３において、図１に示した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号が付されている。図３に示すように、蓄電型充電装置１´は、蓄電型充電装置１に含まれる構成要素に加えて抵抗Ｒを更に含む。

図１に示す一例では、抵抗Ｒは第３の給電線Ｌ３上に設けられる。なお、実施例によっては、抵抗Ｒは第２の給電線上に設けられてもよい。
抵抗Ｒは、内蔵電池１１から充電対象電池２１へ過電流が流れることを防止するために設けられる。すなわち、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ＞Ｖｔｈである場合には、内蔵電池１１から充電対象電池２１への給電経路として抵抗Ｒを介した経路が選択される。この結果、内蔵電池１１の電圧Ｖａから抵抗Ｒにかかる電圧分だけ降下した電圧が充電対象電池２１に印加され、内蔵電池１１から充電対象電池２１への過電流が防止される。

しかしながら、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ≦Ｖｔｈである場合にも、内蔵電池１１と充電対象電池２１との間の給電経路上に抵抗Ｒが設けられることは充電ロスになる。そこで、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ≦Ｖｔｈある場合には、内蔵電池１１から充電対象電池２１への給電経路として抵抗Ｒを介さない経路が選択される。

図４は、第２の実施形態に従った充電制御方法の例示的な処理フローを示す図である。図４において、図２に示した処理と同様の処理には同様の参照符号が付されている。
図４に示すように、ステップＳ６の処理に代えてステップＳ６´の処理が実行される。すなわち、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ＞Ｖｔｈである場合（Ｓ５で“ＮＯ”）、制御ユニット１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３の動作を停止させ、第２のスイッチ１５をオンにし、第１のスイッチ１４をオフにする。なお、抵抗Ｒが第２の給電線Ｌ２上に設けられる実施例では、第１のスイッチ１４及び第３のスイッチ１６が夫々オンにされ、第２のスイッチ１５がオフにされる。

ステップＳ６´の処理の結果、内蔵電池１１から出力された充電電流は、抵抗Ｒを介して充電対象電池２１に入力する。したがって、第２の実施形態に従った充電制御方法によれば、内蔵電池の電圧Ｖａと充電対象電池の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ＞Ｖｔｈであっても、過電流を生じさせることなく、充電対象電池を内蔵電池を介して充電できる。

また、充電対象電池２１は、ステップＳ６ではＡＣ／ＤＣコンバータ１３を介して充電されるのに対して、ステップＳ６´では内蔵電池１１を介して充電される。したがって、第２の実施形態に従った蓄電型充電装置及び充電制御方法によれば、系統電源からの出力電力を充電対象電池以外の他の負荷の駆動に、より宛てることができる。また、系統電源からの出力電力を充電対象電池以外の他の二次電池の充電に、より充てることができ、他の二次電池の充電時間をより短縮できる。

次に、図４に示すように、ステップＳ９の処理に代えてステップＳ９´の処理が実行される。すなわち、内蔵電池１１の電圧Ｖａと充電対象電池２１の電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ≦Ｖｔｈである場合（Ｓ５で“ＹＥＳ”）、制御ユニット１２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３の動作を停止させる。また、制御ユニット１２は、第１のスイッチ１４及び第３のスイッチ１６を夫々オンにし、第２のスイッチ１５をオフにする。なお、抵抗Ｒが第２の給電線Ｌ２上に設けられる実施例では、第２のスイッチ１５がオンにされ、第１のスイッチ１４がオフにされる。

ステップＳ９´の処理の結果、内蔵電池１１から出力された充電電流は、抵抗Ｒを介さずに充電対象電池２１に入力する。したがって、第２の実施形態に従った蓄電型充電装置及び充電制御方法によれば、過電流防止のために設けられた抵抗による充電ロスを生じさせることなく、充電対象電池を内蔵電池を介して充電できる。

本発明は、以上の実施の形態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。

１、１´ 蓄電型充電装置
１１ 内蔵電池
１２ 制御ユニット
１３ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１４ 第１のスイッチ
１５ 第２のスイッチ
１６ 第３のスイッチ
１７ 第１の電圧センサ
１８ 第２の電圧センサ
１９ 充電装置側コネクタ
Ｒ 抵抗
Ｌ１ 第１の給電線
Ｌ２ 第２の給電線
Ｌ３ 第３の給電線
２ 蓄電装置
２１ 充電対象電池
２２ 電池制御ユニット
２３ 蓄電装置側コネクタ
３ 系統電源
Ｖａ 内蔵電池の電圧
Ｖｂ 充電対象電池の電圧
Ｖｆｃ 充電対象電池の満充電電圧
Ｖｔｈ 閾値

Claims (6)

1. 内蔵電池と、
   前記内蔵電池の電圧Ｖａと充電対象電池の電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ≦閾値である場合に、前記充電対象電池を前記内蔵電池を介して充電する制御ユニットと
   を含む蓄電型充電装置。
2. 請求項１に記載の蓄電型充電装置であって、
   ＡＣ／ＤＣコンバータを更に含み、
   前記制御ユニットは、前記電圧Ｖａと前記電圧Ｖｂとの関係がＶａ≦ＶｂであるかＶａ−Ｖｂ＞閾値である場合に、前記充電対象電池を前記ＡＣ／ＤＣコンバータを介して充電する
   蓄電型充電装置。
3. 請求項２に記載の蓄電型充電装置であって、
   前記制御ユニットは、
   前記電圧Ｖａと前記電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ＞閾値である場合に、前記充電対象電池を前記ＡＣ／ＤＣコンバータを介して充電し、
   前記電圧Ｖａと前記電圧Ｖｂとの関係がＶａ−Ｖｂ≦閾値である場合に、前記充電対象電池を前記内蔵電池を介して更に充電し、
   前記電圧Ｖｂが前記充電対象電池の満充電電圧未満であって前記電圧Ｖａと前記電圧Ｖｂとの関係がＶｂ＝Ｖａである場合に、前記充電対象電池を前記ＡＣ／ＤＣコンバータを介して更に充電する
   蓄電型充電装置。
4. 請求項１に記載の蓄電型充電装置であって、
   前記充電対象電池と一端が接続する第１の給電線の他端と接続するＡＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１の給電線と一端が接続し前記内蔵電池と他端が接続する第２の給電線上に設けられた第１のスイッチと、
   前記第１の給電線と一端が接続し前記内蔵電池と他端が接続する第３の給電線上に設けられた第２のスイッチと、
   前記第２又は第３の給電線上に設けられた抵抗と
   を更に含み、
   前記制御ユニットは、
   前記電圧Ｖａと前記電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ＞閾値である場合に、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、前記抵抗が設けられた第２又は第３の給電線上の前記第１又は第２のスイッチをオンにし、前記抵抗が設けられていない第３又は第２の給電線上の前記第２又は第１のスイッチをオフにし、
   前記電圧Ｖａと前記電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ≦閾値である場合に、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、前記抵抗が設けられていない前記第３又は第２の給電線上の前記第２又は第１のスイッチをオンにし、前記抵抗が設けられた前記第２又は第３の給電線上の前記第１又は第２のスイッチをオフにする
   蓄電型充電装置。
5. 請求項４に記載の蓄電型充電装置であって、
   前記第２の給電線の前記一端と前記第３の給電線の前記一端との間の前記第１の給電線上に設けられた第３のスイッチを更に含み、
   前記制御ユニットは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータを介して前記内蔵電池を充電する場合に、前記第３のスイッチをオフにする
   蓄電型充電装置。
6. 内蔵電池の電圧Ｖａと充電対象電池の電圧Ｖｂとの関係がＶａ＞ＶｂであってＶａ−Ｖｂ≦閾値である場合に、前記充電対象電池を前記内蔵電池を介して充電すること
   を含む、蓄電型充電装置が実行する充電制御方法。

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