JP2017139869A - 電池パック - Google Patents

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俊雄 小田切
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Yusuke Tsutsui
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Abstract

【課題】電池パックと情報のやりとりができない充電器により電池パック内の電池が充電される場合であっても、電池の劣化を抑えつつ、電池の電圧を可能な限り目標電圧に近づける。【解決手段】充電終了時の電池Bの目標電圧、及び、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と電池Bが劣化する直前の電池Bの電圧である劣化限界電圧との対応関係を記憶部5に記憶し、監視部4により検出される電圧が、目標電圧、並びに、電流検出部2により検出される電流及び温度検出部3により検出される温度に対応する劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。【選択図】図1

Description

本発明は、電池パックに関する。
電動フォークリフトなど、電動モータの動力を利用して駆動する車両の普及に伴い、車両に搭載される電池パック内の電池の充電を制御するための技術の向上が図られている。例えば、特許文献1及び特許文献2参照。
例えば、電池の劣化を抑えつつ、電池の電圧が可能な限り目標電圧に近づくように電池の充電を制御する場合、通常時、電池の電圧が目標電圧に近づくように電池パックから充電器へ電流指令値が送られ、電池の電圧、電池に流れる電流、及び電池の温度などにより電池が劣化する直前になると、電池パックから充電器へ充電停止指示が送られる。
特表2013−509851号公報 特開2009−022078号公報
しかしながら、電池パックと情報のやりとりができない充電器により電池パック内の電池が充電される場合、電池の電圧が目標電圧に近づいたときや電池が劣化する直前になったときに、充電器から電池パックへの電流を止めて充電を停止させることができないため、電池の劣化を抑えつつ、電池の電圧を可能な限り目標電圧に近づけるという充電制御を行うことができない。
そこで、本発明の一側面に係る目的は、電池パックと情報のやりとりができない充電器により電池パック内の電池が充電される場合であっても、電池の劣化を抑えつつ、電池の電圧を可能な限り目標電圧に近づけることが可能な電池パックを提供することを目的とする。
本発明に係る一つの形態である電池パックは、遮断部と、電流検出部と、温度検出部と、電圧検出部と、記憶部と、制御部とを備える。
遮断部は、電池に流れる電流を遮断する。
電流検出部は、電池に流れる電流を検出する。
温度検出部は、電池の温度を検出する。
電圧検出部は、電池の電圧を検出する。
記憶部は、充電終了時の電池の目標電圧、及び、電池に流れる電流と電池の温度と電池が劣化する直前の電池の電圧である劣化限界電圧との対応関係を記憶する。
制御部は、電圧検出部により検出される電圧が、目標電圧、並びに、電流検出部により検出される電流及び温度検出部により検出される温度に対応する劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、遮断部の動作を制御することにより電池に流れる電流を遮断させる。
本発明によれば、電池パックと情報のやりとりができない充電器により電池パック内の電池が充電される場合であっても、電池の劣化を抑えつつ、電池の電圧を可能な限り目標電圧に近づけることができる。
実施形態の電池パックの一例を示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図1は、実施形態の電池パックの一例を示す図である。
図1に示す電池パック1は、電池Bと、スイッチSW(遮断部)と、コネクタCと、電流検出部2と、温度検出部3と、監視部4(電圧検出部)と、記憶部5と、制御部6とを備えている。なお、電池パック1は、電動フォークリフトなど、電動モータの動力を利用して駆動する車両に搭載されるものとする。また、コネクタCが充電器7(例えば、鉛電池用の充電器)に接続され、かつ、スイッチSWがオンしているとき、充電器7から電池パック1へ電力が供給されると、電池Bが充電され、電池Bの電圧が上昇するものとする。
電池Bは、例えば、直列接続される複数の電池セル(例えば、リチウムイオン電池)により構成されている。なお、電池Bは、1つの電池セルにより構成されてもよい。
スイッチSWは、例えば、電磁式リレーまたは半導体リレー(例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor))により構成され、電池Bのマイナス端子に接続されている。なお、スイッチSWは、電池Bのプラス端子に接続されていてもよい。電池Bの充電中、スイッチSWがオンからオフになると、電池Bに流れる電流が遮断され、電池Bの充電が停止するものとする。
電流検出部2は、例えば、シャント抵抗やカレントトランスにより構成され、電池Bに流れる電流を検出する。
温度検出部3は、例えば、サーミスタにより構成され、電池Bの温度を検出する。
監視部4は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やプログラマブルディバイス(FPGA(Field Programmable Gate Array)またはPLD(Programmable Logic Device))により構成されている。また、監視部4は、制御部6から送られてくる指示により、スイッチSWのオン、オフを制御する。また、監視部4は、電池Bの電圧を検出する。例えば、監視部4は、電池Bを構成する各電池セルの電圧のうち、最も高い電圧を電池Bの電圧として検出する。また、監視部4は、その検出した電圧、電流検出部2により検出された電流、及び温度検出部3により検出された温度などを示す情報を制御部6に送る。
記憶部5は、例えば、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)などにより構成され、後述する、充電終了時の電池Bの目標電圧や電池Bが劣化する直前の電池Bの電圧である劣化限界電圧などを記憶する。
制御部6は、例えば、CPUやプログラマブルディバイスにより構成され、コネクタCが充電器7に接続されたと判断すると、電池Bの充電制御を行う。例えば、制御部6は、コネクタCに設けられる不図示のスイッチが充電器7側のコネクタにより押下されたことを検知すると、コネクタCが充電器7に接続されたと判断する。また、例えば、制御部6は、コネクタCに設けられる信号線に送信している所定の信号を、充電器7側のコネクタに設けられる信号線を介して受信すると、コネクタCが充電器7に接続されたと判断する。
図2は、電池Bの充電制御時の制御部6の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図2に示す動作は、制御タイミング毎に繰り返し行われるものとする。
まず、制御部6は、監視部4から送られてくる情報と記憶部5に記憶されている情報により閾値Vthを設定し(S21)、監視部4から送られてくる情報に示される電圧が閾値Vth以上であるか否かを判断する(S22)。
次に、制御部6は、監視部4により検出される電圧が閾値Vthよりも小さいと判断すると(S22:No)、充電を継続させ、監視部4により検出される電圧が閾値Vth以上であると判断すると(S22:Yes)、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させ、電池Bの充電を停止させる(S23)。
図3は、記憶部5に記憶される情報の一例を示す図である。
図3(a)に示す情報には、充電終了時の電池Bの目標電圧(実線A)、並びに、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と電池Bが劣化する直前の電池Bの電圧である劣化限界電圧との対応関係(破線A〜C)が示されている。なお、図3(a)に示す情報には、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と劣化限界電圧との対応関係が3つ示されているが、その対応関係の数は限定されない。
例えば、実線Aは、満充電時の電池Bの閉回路電圧(Closed Circuit Voltage)に、電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧を示している。また、破線Aは、電池Bに電流Iaが流れているときの電池Bの温度と劣化限界電圧との対応関係を示している。また、破線Bは、電池Bに電流Ibが流れているときの電池Bの温度と劣化限界電圧との対応関係を示している。また、破線Cは、電池Bに電流Icが流れているときの電池Bの温度と劣化限界電圧との対応関係を示している。なお、電流Ia<電流Ib<電流Icとする。また、破線A〜Cは、電池Bの温度が低くなるほど劣化限界電圧が低くなることを示している。また、制御部6は、電池Bの充電開始直後の電池Bの電圧や電流の変化量を用いて、電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分を求めるように構成してもよい。
例えば、制御部6は、図3(a)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Iaが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Ta(実線Aと破線Aとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、実線Aに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(a)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Iaが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Ta以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Aに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(a)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Ibが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tb(実線Aと破線Bとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、実線Aに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(a)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Ibが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tb以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Bに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(a)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Icが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tc(実線Aと破線Cとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、実線Aに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(a)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Icが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tc以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Cに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。
そして、制御部6は、監視部4により検出される電圧が、その設定した閾値Vth以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。
すなわち、制御部6は、監視部4により検出される電圧が、満充電時の電池Bの目標電圧、並びに、電流検出部2により検出される電流及び温度検出部3により検出される温度に対応する劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。これにより、電池Bの劣化を抑えつつ、電池Bの電圧を可能な限り目標電圧に近づけることができる。
また、図3(b)に示す情報には、電池Bに流れる電流と充電終了時の電池Bの目標電圧との対応関係(実線A〜C)、並びに、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と電池Bが劣化する直前の電池Bの電圧である劣化限界電圧との対応関係(破線A〜C)が示されている。なお、図3(b)に示す情報には、電池Bに流れる電流と目標電圧との対応関係、及び、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と劣化限界電圧との対応関係がそれぞれ3つずつ示されているが、それら対応関係の数は限定されない。
例えば、実線Aは、電池Bに電流Iaが流れて満充電になったときの電池Bの閉回路電圧に、電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を示している。また、実線Bは、電池Bに電流Ibが流れて満充電になったときの電池Bの閉回路電圧に、電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を示している。また、実線Cは、電池Bに電流Icが流れて満充電になったときの電池Bの閉回路電圧に、電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を示している。なお、電流Ia<電流Ib<電流Icとする。また、図3(b)に示す破線A〜Cは、図3(a)に示す破線A〜Cと同様とする。
例えば、制御部6は、図3(b)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Iaが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Ta(実線Aと破線Aとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、実線Aに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(b)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Iaが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Ta以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Aに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(b)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Ibが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tb(実線Bと破線Bとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、実線Bに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(b)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Ibが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tb以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Bに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(b)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Icが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tc(実線Cと破線Cとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、実線Cに対応する電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(b)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Icが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tc以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Cに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。
そして、制御部6は、監視部4により検出される電圧が、その設定した閾値Vth以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。
すなわち、制御部6は、監視部4により検出される電圧が、電流検出部2により検出される電流に対応する目標電圧、並びに、電流検出部2により検出される電流及び温度検出部3により検出される温度に対応する劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。これにより、電池Bの劣化を抑えつつ、電池Bの電圧を可能な限り目標電圧に近づけることができる。また、図3(b)に示す情報により充電制御を行う場合では、電池Bに流れる電流に適した目標電圧により充電制御を行うことができるため、図3(a)に示す情報により充電制御を行う場合に比べて、充電制御の精度を向上させることができる。
また、図3(c)に示す情報には、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と充電終了時の電池Bの目標電圧との対応関係(実線A〜C)、並びに、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と電池Bが劣化する直前の電池Bの電圧である劣化限界電圧との対応関係(破線A〜C)が示されている。なお、図3(c)に示す情報には、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と目標電圧との対応関係、及び、電池Bに流れる電流と電池Bの温度と劣化限界電圧との対応関係がそれぞれ3つずつ示されているが、それら対応関係の数は限定されない。
例えば、実線Aは、電池Bに電流Iaが流れて満充電になったときの電池Bの閉回路電圧に電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)と、電池Bの温度との対応関係を示している。また、実線Bは、電池Bに電流Ibが流れて満充電になったときの電池Bの閉回路電圧に電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)と、電池Bの温度との対応関係を示している。また、実線Cは、電池Bに電流Icが流れて満充電になったときの電池Bの閉回路電圧に電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)と、電池Bの温度との対応関係を示している。なお、電流Ia<電流Ib<電流Icとする。また、図3(c)に示す破線A〜Cは、図3(a)や図3(b)に示す破線A〜Cと同様とする。また、図3(c)に示す実線A〜Cは、電池Bの温度が高くなる程、充電終了時の電池Bの目標電圧が低くなることを示している。
例えば、制御部6は、図3(c)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Iaが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Ta(実線Aと破線Aとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する実線Aに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(c)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Iaが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Ta以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Aに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(c)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Ibが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tb(実線Bと破線Bとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する実線Bに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(c)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Ibが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tb以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Bに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(c)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Icが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tc(実線Cと破線Cとが交差する点に対応する電池Bの温度)よりも大きいと、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する実線Cに示される電圧(充電終了時の電池Bの目標電圧)を閾値Vthとして設定する。また、制御部6は、図3(c)に示す情報により閾値Vthを設定する際、電池Bに電流Icが流れ、かつ、電池Bの温度が温度Tc以下であると、制御タイミング時の電池Bの温度に対応する破線Cに示される電圧(劣化限界電圧)を閾値Vthとして設定する。
そして、制御部6は、監視部4により検出される電圧が、その設定した閾値Vth以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。
すなわち、制御部6は、監視部4により検出される電圧が、電流検出部2により検出される電流及び温度検出部3により検出される温度に対応する目標電圧、並びに、電流検出部2により検出される電流及び温度検出部3により検出される温度に対応する劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、スイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させる。これにより、電池Bの劣化を抑えつつ、電池Bの電圧を可能な限り目標電圧に近づけることができる。また、図3(c)に示す情報により充電制御を行う場合では、電池Bに流れる電流や電池Bの温度に適した目標電圧により充電制御を行うことができるため、図3(a)に示す情報や図3(b)に示す情報により充電制御を行う場合に比べて、充電制御の精度を向上させることができる。
このように、実施形態の電池パック1では、電池Bの電圧が、充電終了時の電池Bの目標電圧、並びに、電池Bが劣化する直前の電池Bの電圧である劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、電池Bの充電を停止させているため、電池Bの劣化を抑えつつ、電池Bの電圧を可能な限り目標電圧に近づけることができる。また、実施形態の電池パック1では、電池パック1側に備えられるスイッチSWの動作を制御することにより電池Bに流れる電流を遮断させているため、電池パック1と情報のやりとりができない充電器7により電池Bが充電される場合であっても、電池Bの充電を停止させることができる。従って、実施形態の電池パック1によれば、電池パック1と情報のやりとりができない充電器7により電池Bが充電される場合であっても、電池Bの劣化を抑えつつ、電池Bの電圧を可能な限り目標電圧に近づけることができる。
また、実施形態の電池パック1では、満充電時の電池Bの閉回路電圧に電池Bの内部抵抗及び分極による電池Bの電圧の変動分が加えられた電圧を、充電終了時の電池Bの目標電圧としているため、満充電時の電池Bの閉回路電圧を、充電終了時の電池Bの目標電圧とする場合に比べて、充電終了後の電池Bの充電量を増やすことができる。
また、実施形態の電池パック1では、電池Bに流れる電流に応じて目標電圧や劣化限界電圧を変えて充電制御を行う構成であるため、出力電流が異なる様々な充電器7に対応することができる。
また、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 電池パック
2 電流検出部
3 温度検出部
4 監視部
5 記憶部
6 制御部
7 充電器

Claims (4)

  1. 電池に流れる電流を遮断する遮断部と、
    前記電池に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記電池の温度を検出する温度検出部と、
    前記電池の電圧を検出する電圧検出部と、
    充電終了時の前記電池の目標電圧、及び、前記電池に流れる電流と前記電池の温度と前記電池が劣化する直前の前記電池の電圧である劣化限界電圧との対応関係を記憶する記憶部と、
    前記電圧検出部により検出される電圧が、前記目標電圧、並びに、前記電流検出部により検出される電流及び前記温度検出部により検出される温度に対応する前記劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、前記遮断部の動作を制御することにより前記電池に流れる電流を遮断させる制御部と、
    を備えることを特徴とする電池パック。
  2. 請求項1に記載の電池パックであって、
    前記記憶部は、前記電池に流れる電流と前記目標電圧との対応関係を記憶し、
    前記制御部は、前記電圧検出部により検出される電圧が、前記電流検出部により検出される電流に対応する前記目標電圧、並びに、前記電流検出部により検出される電流及び前記温度検出部により検出される温度に対応する前記劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、前記遮断部の動作を制御することにより前記電池に流れる電流を遮断させる
    ことを特徴とする電池パック。
  3. 請求項1に記載の電池パックであって、
    前記記憶部は、前記電池に流れる電流と前記電池の温度と前記目標電圧との対応関係を記憶し、
    前記制御部は、前記電圧検出部により検出される電圧が、前記電流検出部により検出される電流及び前記温度検出部により検出される温度に対応する前記目標電圧、並びに、前記電流検出部により検出される電流及び前記温度検出部により検出される温度に対応する前記劣化限界電圧のうちの低い方の電圧以上になると、前記遮断部の動作を制御することにより前記電池に流れる電流を遮断させる
    ことを特徴とする電池パック。
  4. 請求項1に記載の電池パックであって、
    前記目標電圧は、前記電池の内部抵抗及び分極による前記電池の電圧の変動分が加算されている
    ことを特徴とする電池パック。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021114683A1 (zh) * 2019-12-09 2021-06-17 超威电源集团有限公司 一种充电器及其充电方法

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