JP2018011382A

JP2018011382A - 充電制御装置

Info

Publication number: JP2018011382A
Application number: JP2016136891A
Authority: JP
Inventors: 欣之介板橋; Kinnosuke Itabashi
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】バッテリの満充電後速やかにセルの充電率を精度よく算出できる充電制御装置を提供する。【解決手段】複数のセル６を有するバッテリ５に充電電圧を印加して充電電流を流す充電制御装置１において、各セル６の端子電圧を測定する電圧センサ１２と、端子電圧に基づいて、充電電圧及び充電電流の少なくとも一方を制御する制御部２０とを備え、制御部２０は、複数のセル６の少なくとも１つのセル６の端子電圧が端子電圧閾値以上となるまで、充電電流が所定電流以上となる電圧を充電電圧とし、複数のセル６の少なくとも１つのセル６の端子電圧が端子電圧閾値以上となった後、バッテリ５の総電圧を充電電圧とし、バッテリ５の総電圧を充電電圧とした場合における各セル６の端子電圧に基づいて各セル６の充電率を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、充電制御装置に関する。

複数のセルを備えるバッテリを満充電する際、各セルの電圧のばらつきが大きくなることがある。この場合、各セルが均等に満充電されることは難しい。そこで、バッテリの満充電後に各セルの電圧を均等にするように制御するセルバランス制御を実行する制御装置が知られている（例えば特許文献１等）。セルバランス制御は、各セルの開回路電圧又は充電率に基づいて行われる。

特開２０１４−１７９９７号公報

ところが、各セルの開回路電圧及び充電率をバッテリの満充電後すぐに精度よく算出することは、以下の理由により難しい。

セルへの充電電圧の印加により、セル内の活物質の濃度分布は、偏りを生じる。活物質の濃度分布により、セルは分極状態となる。セルの分極状態は、活物質の拡散過程における移動により解消される。よって、セルの分極状態の解消には時間がかかる。セルが分極状態となっている場合、セルの内部抵抗は分極状態の影響を受けたものとなる。つまり、セルの分極状態が解消するまでは、セルの開回路電圧及び充電率を精度よく算出することは難しい。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、バッテリの満充電後速やかにセルの充電率を精度よく算出できる充電制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る充電制御装置は、
複数のセルを有するバッテリに充電電圧を印加して充電電流を流す充電制御装置において、
前記各セルの端子電圧を測定する電圧センサと、
前記端子電圧に基づいて、前記充電電圧及び前記充電電流の少なくとも一方を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記複数のセルの少なくとも１つのセルの端子電圧が端子電圧閾値以上となるまで、前記充電電流が所定電流以上となる電圧を前記充電電圧とし、
前記複数のセルの少なくとも１つのセルの端子電圧が端子電圧閾値以上となった後、前記バッテリの総電圧を前記充電電圧とし、前記バッテリの総電圧を前記充電電圧とした場合における前記各セルの端子電圧に基づいて前記各セルの充電率を算出する。

上記課題を解決するために、本発明の第２の観点に係る充電制御装置は、
前記制御部は、前記各セルの充電率の最低充電率に近づけるように、前記各セルに並列に接続される放電抵抗を用いて前記各セルを放電させるセルバランス制御を実行する。

上記課題を解決するために、本発明の第３の観点に係る充電制御装置は、
前記制御部は、前記セルバランス制御を実行した後、前記充電電流が前記所定電流以上となる電圧を前記充電電圧とする。

本発明の第１の観点に係る充電制御装置によれば、バッテリの満充電後速やかにセルの充電率を精度よく算出できる。

本発明の第２の観点に係る充電制御装置によれば、複数のセルの充電率を最低充電率に近づける調整を速やかに実行できる。

本発明の第３の観点に係る充電制御装置によれば、複数のセル全ての充電率をより均等に１００％に近づけることができる。

一実施形態に係る充電制御装置のブロック図である。一実施形態に係るバッテリの充電方法のフローチャートである。一実施形態に係るバッテリの充電方法のフローチャートである。充電時のセル端子電圧の変動の一例を示すグラフである。

（実施形態）
以下、一実施形態に係る充電制御装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［機能ブロック］
図１に示されるように、充電制御装置１は、電源１０と、電圧センサ１２と、バイパススイッチ１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）と、制御部２０と、記憶部２２とを備える。

充電制御装置１は、バッテリ５に接続される。バッテリ５は、第１セル６ａと、第２セル６ｂと、第３セル６ｃとを備える。以下、第１セル６ａ、第２セル６ｂ及び第３セル６ｃのことをまとめて、単にセル６ともいう。セル６は、直列に接続される。図１において、バッテリ５が有するセル６の数は、３個であるが、２個以下であってもよいし、４個以上であってもよい。バッテリ５は、負極側の一端において接地されているが、陽極側の一端において接地されてもよい。

電源１０は、バッテリ５の両端に接続され、バッテリ５に対して充電電圧を印加して、充電電流を流す。電源１０は、バッテリ５の充電電流を一定の電流とする定電流モードと、バッテリ５の充電電圧を一定の電圧とする定電圧モードとを有す。電源１０は、定電流電源と定電圧電源とをそれぞれ別個に備えるように構成されてもよい。以下、定電流モード及び定電圧モードをそれぞれ、ＣＣ（ＣｏｎｓｔａｎｔＣｕｒｒｅｎｔ）モード及びＣＶ（ＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅ）モードともいう。ＣＣモードによる充電及びＣＶモードによる充電をそれぞれ、ＣＣ充電及びＣＶ充電ともいう。

電源１０は、バッテリ５の総電圧（各セル６の端子電圧の和）を測定する電圧計としても機能する。電源１０は、直列に接続される各セル６に流れる電流を測定する電流計としても機能する。電源１０は、電圧計又は電流計として機能しなくてもよい。この場合、電圧計及び電流計は、電源１０とバッテリ５とを接続する配線に別途設けられてもよい。

電源１０は、充電制御装置１の外部に別個の電源装置として設けられてもよい。この場合、電源１０は、充電制御装置１に有線又は無線により接続され、充電制御装置１により制御される。

電圧センサ１２は、各セル６の端子に接続され、各セル６の端子電圧を測定する。セル６の端子電圧は、セル６の開回路電圧（ＯＣＶ：ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）と、セル６の内部抵抗により生じる過電圧との和である。

バイパススイッチ１４（ＢＳＷ：ＢｉｐａｓｓＳＷｉｔｃｈ）は、電流を流すオン状態と電流を流さないオフ状態とを切り替えるスイッチ部と、セル６を放電させる際の負荷となる放電抵抗とを備える。バイパススイッチ１４は、各セル６に並列に接続される。図１において、例えば、バイパススイッチ１４ａがオン状態である場合、第１セル６ａは、バイパススイッチ１４ａの電気抵抗を負荷として放電する。このように、バイパススイッチ１４を用いてセル６が個別に放電されることにより、各セル６のＯＣＶのばらつきが小さくされうる。図１において、バイパススイッチ１４は、セル６が３個設けられていることに対応して３個設けられる。バイパススイッチ１４の数は、セル６の数に応じて適宜変更されうる。

制御部２０は、充電制御装置１の各構成部に有線又は無線の通信により接続され、各構成部に対して制御指示を出力し、各構成部から情報を取得する。例えば制御部２０は、電圧センサ１２から各セル６の端子電圧を取得し、該端子電圧に基づいて電源１０を制御する。制御部２０は、電源１０が流す充電電流、及び、電源１０が印加する充電電圧の少なくとも一方を制御する。制御部２０は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のプロセッサで構成されてもよい。

記憶部２２は、制御部２０に接続され、制御部２０から取得した情報を格納する。記憶部２２は、制御部２０のワーキングメモリとして機能してもよい。記憶部２２は、制御部２０で実行されるプログラムを格納してもよい。記憶部２２は、例えば、半導体メモリで構成されるが、これには限られない。記憶部２２は、磁気記憶媒体であってもよいし、他の記憶媒体であってもよい。記憶部２２は、制御部２０の一部として含まれてもよい。

［バッテリ充電方法］
図２及び図３に示されるフローチャートを参照して、本実施形態に係る充電制御装置１によるバッテリ５の充電方法について説明する。

図２を参照して、まず制御部２０は、バッテリ５をＣＣ充電する（ステップＳ１）。電源１０がバッテリ５に出力する充電電流の大きさは、適宜定められうる。制御部２０は、バッテリ５をＣＣ充電している間、バッテリ５の総電圧、又は各セル６の端子電圧を取得する。制御部２０は、例えば、バッテリ５の総電圧が総電圧閾値以上となったことを条件として、ＣＣ充電を終了する。制御部２０は、各セル６の端子電圧のうちの最大の端子電圧が端子電圧閾値以上となったことを条件として、ＣＣ充電を終了してもよい。総電圧閾値及び端子電圧閾値は、適宜定められうる値である。総電圧閾値及び端子電圧閾値は、例えば、各セル６に印加される電圧が各セル６にダメージを与えないように定められる。制御部２０は、例えば、別途算出される各セル６の充電率（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）に基づいて、ＣＣ充電を終了するか決定してもよい。制御部２０は、ＣＣ充電を終了した後、ステップＳ２に進む。

続いて制御部２０は、バッテリ５をＣＶ充電する（ステップＳ２）。電源１０がバッテリ５に印加する充電電圧は、バッテリ５の充電電流が所定電流以上となる電圧とされる。所定電流は、適宜定められうる値である。制御部２０は、バッテリ５をＣＶ充電している間、バッテリ５の充電電流、及び、各セル６の端子電圧を取得する。

続いて制御部２０は、バッテリ５の充電電流が所定電流未満となったか判定する（ステップＳ３）。バッテリ５の充電電流が所定電流未満となっていない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御部２０は、後述する図３のステップＳ１１に進む。

バッテリ５の充電電流が所定電流未満となった場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部２０は、各セル６の端子電圧を取得する（ステップＳ４）。その後、制御部２０は、バッテリ５のＣＶ充電を一旦終了する。

続いて制御部２０は、各セル６の端子電圧に基づいて各セル６のＳＯＣを算出する（ステップＳ５）。制御部２０は、セル６のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表すＳＯＣ−ＯＣＶ特性に基づいて、各セル６のＳＯＣを算出できる。つまり制御部２０は、セル６のＯＣＶに基づいて、セル６のＳＯＣを算出できる。

バッテリ５の充電電流が所定電流未満である場合、セル６で生じる過電圧は、端子電圧と比較して無視できる程度に低い。この場合、セル６の端子電圧とＯＣＶとが等しいとみなされうる。よって、ステップＳ４で取得された各セル６の端子電圧は、各セル６のＯＣＶとみなされうる。制御部２０は、ステップＳ５において、ステップＳ４で取得された各セル６の端子電圧に基づいて、セル６のＳＯＣを算出することができる。

ステップＳ５に続いて、制御部２０は、各セル６のＳＯＣのばらつきが所定範囲内であるか判定する（ステップＳ６）。所定範囲は、適宜定められうる。ＳＯＣのばらつきが所定範囲内である場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、各セル６は、均等に満充電されている。よって制御部２０は、図２のフローチャートの処理を終了する。

ＳＯＣのばらつきが所定範囲内でない場合（ステップＳ６：ＮＯ）、制御部２０は、セル６のＳＯＣのセルバランス制御を開始する（ステップＳ７）。制御部２０は、各セル６のＳＯＣを比較し、ＳＯＣの最低値（以下、最低充電率又は最低ＳＯＣともいう）を算出する。制御部２０は、他のセル６のＳＯＣを最低ＳＯＣに近づけるように、バイパススイッチ１４を用いて、他のセル６を放電させる。制御部２０は、各セル６のＳＯＣのばらつきが所定範囲内となるまで、セルバランス制御を続ける。制御部２０は、各セル６のＳＯＣのばらつきが所定範囲内となった後、ステップＳ２に戻って、バッテリ５のＣＶ充電を再開する。

図３を参照して、バッテリ５の充電電流が所定電流未満でない場合（図２のステップＳ３：ＮＯ）、制御部２０は、少なくとも１つのセル６の端子電圧が端子電圧閾値以上であるか判定する（ステップＳ１１）。

各セル６のＳＯＣが１００％に近づく際、各セル６の端子電圧は、例えば図４に示されるように変動する。図４において、横軸及び縦軸はそれぞれ、時刻及びセル端子電圧を示している。第１セル６ａ、第２セル６ｂ及び第３セル６ｃの端子電圧はそれぞれ、破線、実線及び一点鎖線で示されている。各セル６のＳＯＣは、バッテリ５に充電電圧が印加されることにより、時刻の経過とともに増加する。各セル６のＳＯＣの増加とともに、各セル６の端子電圧は高くなっている。各セル６の端子電圧は、ＳＯＣが１００％に近づく際に急激に高くなることがある。各セル６の端子電圧のばらつきも、ＳＯＣが１００％に近づく際に急激に大きくなることがある。

図４に示されるように、第１セル６ａの端子電圧は、時刻の経過とともに、第２セル６ｂ及び第３セル６ｃの端子電圧よりも高くなっている。各セル６の端子電圧にばらつきがある場合、バッテリ５の充電電流が所定電流未満となるまでに、例えば第１セル６ａの端子電圧だけが端子電圧閾値以上となることがある。この場合、バッテリ５に充電電流を流し続けることにより、第１セル６ａが過充電となるリスクがある。制御部２０は、各セル６の端子電圧を監視することにより、セル６が過充電となるリスクを低減することができる。

再び図３を参照して、全てのセル６の端子電圧が端子電圧閾値以上でない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、制御部２０は、図２のステップＳ２に戻って、バッテリ５のＣＶ充電を続ける。

少なくとも１つのセル６の端子電圧が端子電圧閾値以上である場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、制御部２０は、ステップＳ１１の判定が実行された時点（現時点）でのバッテリ５の総電圧をバッテリ５の充電電圧とする（ステップＳ１２）。

続いて制御部２０は、バッテリ５の総電圧をバッテリ５の充電電圧とした場合における各セル６の端子電圧を取得する（ステップＳ１３）。バッテリ５の総電圧をバッテリ５の充電電圧とした場合、バッテリ５に流れる充電電流は非常に小さくなり、所定電流未満となる。この場合、各セル６の過電圧は、端子電圧と比較して無視できる程度に十分小さくなる。よって、各セル６のＯＣＶは、端子電圧に等しいとみなされうる。その後、制御部２０は、バッテリ５のＣＶ充電を一旦終了する。

続いて制御部２０は、各セル６の端子電圧に基づいて各セル６のＳＯＣを算出する（ステップＳ１４）。ＳＯＣの算出方法は、図２のステップＳ５と同様である。

続いて制御部２０は、セル６のＳＯＣのセルバランス制御を開始する（ステップＳ１５）。セルバランス制御の方法は、図２のステップＳ７と同様である。制御部２０は、各セル６のＳＯＣのばらつきが所定範囲内となるまで、セルバランス制御を続ける。制御部２０は、各セル６のＳＯＣのばらつきが所定範囲内となった後、ステップＳ２に戻って、バッテリ５のＣＶ充電を再開する。

本実施形態に係る充電制御装置１は、バッテリ５の充電電流を所定電流未満として、各セル６の端子電圧を測定する。この場合、端子電圧は、ＯＣＶとみなされうる。これにより、充電制御装置１は、バッテリ５の満充電後速やかに各セル６のＳＯＣを精度よく算出できる。

本実施形態に係る充電制御装置１は、バッテリ５の満充電後速やかに算出した各セル６のＳＯＣに基づいてセルバランス制御を実行し、各セル６のＳＯＣを最低ＳＯＣに近づける調整を速やかに実行できる。

本実施形態に係る充電制御装置１は、セルバランス制御とＣＶ充電とを繰り返すことにより、各セル６のＳＯＣをより均等に１００％に近づけることができる。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正をおこなうことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部およびステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１充電制御装置
１０電源
１２電圧センサ
１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）バイパススイッチ（ＢＳＷ）
２０制御部
２２記憶部
５バッテリ
６（６ａ，６ｂ，６ｃ）セル

Claims

複数のセルを有するバッテリに充電電圧を印加して充電電流を流す充電制御装置において、
前記各セルの端子電圧を測定する電圧センサと、
前記端子電圧に基づいて、前記充電電圧及び前記充電電流の少なくとも一方を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記複数のセルの少なくとも１つのセルの端子電圧が端子電圧閾値以上となるまで、前記充電電流が所定電流以上となる電圧を前記充電電圧とし、
前記複数のセルの少なくとも１つのセルの端子電圧が端子電圧閾値以上となった後、前記バッテリの総電圧を前記充電電圧とし、前記バッテリの総電圧を前記充電電圧とした場合における前記各セルの端子電圧に基づいて前記各セルの充電率を算出する、充電制御装置。
請求項１に記載の充電制御装置において、
前記制御部は、前記各セルの充電率の最低充電率に近づけるように、前記各セルに並列に接続される放電抵抗を用いて前記各セルを放電させるセルバランス制御を実行する、充電制御装置。
請求項２に記載の充電制御装置において、
前記制御部は、前記セルバランス制御を実行した後、前記充電電流が前記所定電流以上となる電圧を前記充電電圧とする、充電制御装置。