JP3754239B2 - 電池の充放電制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、自動車のモーターを駆動するのに使用される電池の充放電制御方法に関し、とくに電池容量を検出しながら電池を充放電させる方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
二次電池は、満充電や過放電によって電気的な特性が急激に低下する。この弊害を解消して、電池を長く使用するためには、電池の容量を検出して過充電と過放電をさけて充放電する必要がある。
【0003】
本明細書において「電池容量」とは電池が放電できる残存容量または満充電できる最大充電容量を意味するものとする。
【0004】
電池の過充電と過放電を解消するために、電池容量を検出しながら充放電させる充放電方法が提案されている。この充放電方法は、好ましくは、満充電できる最大充電容量と、放電可能な残存容量の両方を検出して過充電と過放電を防止する。新しい電池の最大充電容量は規格容量である。しかしながら、電池の最大充電容量は、使用するにしたがって次第に小さくなる。残存容量が最大充電容量を越えるまで充電すると過充電になる。また、最大充電容量よりも多く放電させると過放電となる。
【0005】
放電している電池の残存容量は、充電電流の積算値から放電電流の積算値を減算して計算できる。電池の最大充電容量と残存容量が正確に演算できると仮定すれば、残存容量が最大充電容量になる前に充電を停止し、また、残存容量が0%となる前に放電を停止して過充電と過放電を防止できる。
【0006】
しかしながら、残存容量と最大充電容量の両方を、全く誤差のない状態で正確に演算するのは極めて難しい。充電電流と放電電流の積算値から電池の残存容量を計算する方法は、充放電を繰り返すと誤差が累積して次第に大きくなる。このため、演算された残存容量と電池の実際の残存容量とに差ができる。さらに、最大充電容量も常に一定でないので、最大充電容量も変化する。
【0007】
従来の充放電方法は、電池の残存容量の累積する誤差を少なくし、さらに、変化する最大充電容量を特定するために、電池を満充電し、あるいは完全に放電して容量校正をしている。このことを実現するためには、使用範囲から校正ポイント電圧になるまで継続して充電し、あるいは放電させる必要がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
校正ポイント電圧になるまで充電し、あるいは放電して電池容量を校正する従来の方法では、満充電あるいは完全放電させて、電池の容量校正をすることは可能であるが、校正のために充電し、あるいは放電させるときに、電池の使用状態が制限される欠点がある。たとえば、校正のために充電しているときには、電池から負荷に電力を供給できなくなる。また、校正のために放電しているときには、電池を充電できなくなる欠点がある。
【0009】
電池の充電と放電に制約を受けることは、あらゆる用途において、電池を理想的な状態で使用できなくする。たとえば、自動車用のモーターを駆動する電池の充放電方法においては、非常に困った弊害が発生する。自動車を加速するときに放電できない状態になると、走行用のモーターを駆動できなって、モーターによる加速が不可能となり、自動車の加速は著しく悪くなる。モーターを走行用に使用している自動車は、エンジンの効率をよくするために、ほとんど例外なく加速のときにモーターを回転させる。いいかえると、エンジンによる加速を制限して燃料効率を向上させるように設計しているので、モーターによる加速が期待できないと、極めて加速の悪い自動車となる。さらに、常時はモーターで加速できる自動車が、電池の容量校正をしているときに限ってモーターによる加速ができなくなるので、ドライバーはアクセルの操作を誤りやすく、交通安全の点においても決して好ましくはない。さらに、校正のために充電を制限している状態で自動車を減速すると、回生制動により発生する電力を電池の充電に有効に利用できなくなって、充電効率が悪くなる欠点もある。
【0010】
電池の校正を中止するとこの弊害は発生しないが、校正しないで使用される電池は過充電や過放電によって寿命が短くなる。自動車用のように多数の電池を使用する高価な組電池においては、いかにして寿命を長くできるかも極めて大切なことである。
【0011】
さらに、自動車用に限らず、あらゆる用途に使用される電池は、充電と放電が制約されると、便利に使用できなくなる欠点がある。
【0012】
本発明は、従来のこのような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池容量を校正して、充電や放電の制約される時間帯を最小に極減できる電池の充放電制御方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる。本発明の請求項1の電池の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると、放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をする。
【0014】
本発明の請求項2の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると、放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が充電校正領域よりも小さい設定値になるまで充電を停止する。
【0015】
本発明の請求項3の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると、充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電させて、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をする。
【0016】
本発明の請求項4の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると、充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が放電校正領域よりも大きい設定値になるまで放電を停止する。
【0017】
本発明の請求項5の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると、充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると、放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をする。
【0018】
本発明の請求項6の充放電制御方法は、電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると、充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に電池の容量校正をし、その後、残存容量が充電校正領域よりも小さくて、放電校正領域よりも大きい設定値になるまで放電を停止し、電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると、放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が充電校正領域よりも小さくて、放電校正領域よりも大きい設定値になるまで充電を停止する。
【0019】
本発明の請求項7の充放電制御方法は、充電電流と放電電流を積算して、電池の残存容量が充電校正領域または放電校正領域となったと判定する。
【0020】
さらに、本発明の請求項8の充放電制御方法は、充電校正ポイント電圧を、満充電された電池電圧よりも低く設定し、請求項9の充放電制御方法は、放電校正ポイント電圧を、完全放電された電池電圧よりも高く設定している。
【0021】
本発明の請求項10の充放電制御方法は、充電校正領域を満充電された電池電圧よりも低く、あるいは最大充電容量よりも小さい領域に設定している。
【0022】
本発明の請求項11の充放電制御方法は、放電校正領域を完全放電された電池電圧よりも高く、あるいは、残存容量が0よりも大きい領域に設定している。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の充放電制御方法を例示するものであって、本発明は電池の充放電制御方法を以下に特定しない。
【0024】
本発明の電池の充放電制御方法に使用される充放電制御回路のブロック図を図1に示す。この図の充放電制御回路は、自動車のモーターを駆動する電池の充放電回路を示している。この図の充放電回路は、電池1に充放電制御容量検出回路2を介して、負荷3であるモーターと充電機4である発電機を接続している。負荷3であるモーターは、電池1で直接に駆動され、あるいはインバーター等の制御回路を介して駆動される。図はモーターと発電機とを分離している。ただ、モーターを発電機に併用することもできる。
【0025】
充放電制御容量検出回路2は、電池1に流れる充電電流と放電電流を検出する電流検出回路と、電池電圧を検出する電圧検出回路と、電池の温度を検出する温度センサーとを接続している。充放電制御容量検出回路2は、電池1の温度を温度センサーで検出して、電池1の温度が設定温度よりも高くなると、電池1の充電や放電を中断させる。
【0026】
充放電制御容量検出回路2は、電池1の放電電流と充電電流と電池電圧から残存容量と最大充電容量を演算し、演算した残存容量と最大充電容量と電池電圧から電池の充放電を制御する。充放電制御容量検出回路2が、電池1の充放電を制御する方法の概略を図2に示す。この図において横軸は時間軸で、縦軸は電池1の残存容量である。さらに、この図の上限のラインは最大充電容量である、電池が100%に満充電された状態を示し、下限のラインは電池の残存容量が0%になって完全に放電された状態を示している。充電校正領域は、最大充電容量よりも小さい領域に設定され、放電校正領域は残存容量が0%になった値よりも大きい領域に設定している。
【0027】
そして、充電校正ポイント電圧は充電校正領域の上限に、放電校正ポイント電圧は放電校正領域の下限に設定している。ただし、充電校正ポイント電圧と放電校正ポイント電圧は電圧値で設定しているので、充電校正領域と放電校正領域を電池の残存容量とする方法にあっては、充電校正ポイント電圧が充電校正領域の上限に一致し、また、放電校正ポイント電圧が放電校正領域の下限に必ずしも一致するとは限らない。
【0028】
電池の残存容量が約50%となる位置を設定値としている。
【0029】
電池は、太線で示す状態で充電と放電を繰り返す。電池が充電されるとき残存容量は上昇し、放電されると下向きに下降する。充電している電池の残存容量が充電校正領域に達すると、放電を停止して充電のみをするように制御して充電校正ポイント電圧になるまで充電して電池の容量校正をする。容量校正は、電池に充電できる最大充電容量を校正し、さらに、残存容量も校正する。
【0030】
たとえば、充電校正ポイント電圧を最大充電容量の70%に設定しているとき、電池電圧が充電校正ポイント電圧になると、演算している残存容量を70%に校正する。充電電流と放電電流から積算している残存容量は、70%の近傍にあっても常に70%に一致していない。誤差が累積しているからである。演算された残存容量が70%でなくても、電池電圧が充電校正ポイント電圧になると、残存容量を70%に校正する。残存容量が70%であることが校正されると、最大充電容量も校正できる。それは、残存容量を30%増加した値が電池の最大充電容量となるからである。
【0031】
充電校正ポイント電圧は必ずしも70%に設定しない。充電校正ポイント電圧をA%に設定しているとき、電池電圧がこの電圧まで上昇すると残存容量をA%に校正する。
【0032】
電池の容量校正をした後、残存容量が充電校正領域よりも小さい設定値になるまで充電を停止する。この状態で、電池は、残存容量がほぼ中央の約50%となり、その後充放電するのに最適な状態とする。
【0033】
その後、充電と放電を繰り返して、電池の残存容量が放電校正領域に達すると、充電を停止して放電のみをするように制御して放電校正ポイント電圧になるまで放電して電池の容量校正をする。
【0034】
たとえば、放電校正ポイント電圧を最大放電容量の30%に設定しているとき、電池電圧が放電校正ポイント電圧になると、演算している残存容量を30%に校正する。充電電流と放電電流から積算している残存容量は、30%の近傍にあっても常に30%に一致していない。誤差が累積しているからである。演算された残存容量が30%でなくても、電池電圧が放電校正ポイント電圧になると、残存容量を30%に校正する。
【0035】
放電校正ポイント電圧は必ずしも30%に設定しない。放電校正ポイント電圧をB%に設定しているとき、電池電圧がこの電圧まで降下すると残存容量をB%に校正する。
【0036】
さらに、70%のときの残存容量と30%のときの残存容量の差から電池の最大充電容量を演算できる。たとえば、充電電流と放電電流を積算した残存容量が、30%のときに325mAhで、70%のときに725mAhである電池は、最大充電容量の40%に相当する容量が400(725−325)mAhであることから、100%に相当する最大充電容量の1000mAhが演算できる。したがって、充電校正ポイント電圧と放電校正ポイント電圧になる毎に、充電電流と放電電流を積算した残存容量の差から、電池の最大充電容量を校正する。最大充電容量を校正した後は、校正された最大充電容量をその電池の最大充電容量として、その後の残存容量の%を演算する。
【0037】
電池の残存容量を%で表示する場合、電池の最大充電容量を100%として、充電電流と放電電流から積算した残存容量を%に変換する。
【0038】
図2は、電池容量を%で表示している。ただ、電池容量はAhで表示することもできる。たとえば、最大充電容量が1000mAhで、充電校正ポイント電圧を最大充電容量の70%とし、放電校正ポイント電圧を最大充電容量の30%としている電池は、充電校正ポイント電圧になったときに残存容量を700mAhに校正し、また、放電校正ポイント電圧になったときには、残存容量を300mAhに校正する。
【0039】
その後、充電校正ポイント電圧のときの残存容量と、放電校正ポイント電圧のきの残存容量から校正した最大充電容量が800mAhに減少した電池は、充電校正ポイント電圧になると残存容量を560mAh(800×0.7)に校正し、放電校正ポイント電圧になったときには残存容量を240mAh(800×0.3)に校正する。
【0040】
以上の電池の充放電制御方法は、充電校正領域になった電池を充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正し、また、放電校正領域になった電池を放電校正ポイント電圧まで放電して電池の容量校正をしている。この電池の充放電制御方法は、最も正確に容量校正できる。
【0041】
ただ、本発明の電池の充放電制御方法は、必ずしも充電校正領域になった電池を充電校正ポイント電圧まで充電し、あるいは放電校正領域になった電池を放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正する必要はなく、充電校正領域になった電池を充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正して、放電校正領域になった電池は放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正しない方法、あるいは、反対に放電校正領域になった電池は放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正するが、充電校正領域になった電池は充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正しない方法とすることもできる。
【0042】
たとえば、本発明の電池の充放電制御方法は、充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正した後、一定時間経過すると、電池を放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正することもできる。また、放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正した後、一定時間経過後に充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正することもできる。
【0043】
さらに、以上の電池の充放電制御方法は、充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正した後に設定値まで放電し、あるいは、放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正した後に設定値まで充電している。この充放電制御方法は、容量校正した後に電池を充放電できる理想的な状態に設定できる。ただ、本発明の電池の充放電制御方法は、充電校正ポイント電圧まで充電して容量校正し、あるいは、放電校正ポイント電圧まで放電して容量校正した後、自由に充放電させることもできる。
【0044】
充放電制御容量検出回路は、図3に示すフローチャートにしたがって、以下のようにして、電池の容量校正をしながら充放電を制御する。
【0045】
(1) 通常の充放電制御
[n=1のステップ]
充放電制御容量検出回路2は、残存容量が充電校正領域まで上昇したかどうかを判定する。充電校正領域まで上昇すると、(2)のサブルーチンにジャンプする。
[n=2のステップ]
残存容量が充電校正領域まで上昇していないと、充放電制御容量検出回路2は、残存容量が放電校正領域まで降下したかどうかを判定する。残存容量が放電校正領域まで低下すると(3)のステップにジャンプする。
[n=3のステップ]
残存容量が放電校正領域まで降下していないと、電池の充放電を通常の状態で制御する。すなわち、電池を放電させる必要があるときには放電させて、充電する必要があるときには充電する。その後、n=1〜3のステップのループして、充放電を制御する。
【0046】
(2)のサブルーチン
[n=4のステップ]
残存容量が充電校正領域まで上昇すると、電池の放電を禁止する。
[n=5のステップ]
その後、電池を充電する。
[n=6のステップ]
充電した後、電池電圧が充電校正ポイント電圧まで上昇したかどうかを判定し、電池電圧が充電校正ポイント電圧に上昇するまでn=5、6のステップをループする。
[n=7、8、9のステップ]
電池電圧が充電校正ポイント電圧まで上昇すると、放電の禁止を解除して電池の容量校正をし、その後充電を禁止する。
[n=10、11のステップ]
その後、電池を放電させた後、残存容量を設定値に比較して、残存容量が設定値になるまで、このステップする。
[n=12のステップ]
残存容量が設定値以下になると、充電禁止状態を解除して、(1)のn=1のステップにジャンプする。
【0047】
(3)のサブルーチン
[n=13のステップ]
残存容量が放電校正領域まで低下すると、電池の充電を禁止する。
[n=14のステップ]
その後、電池を放電させる。
[n=15のステップ]
放電させた後、電池電圧が放電校正ポイント電圧まで低下したかどうかを判定し、電池電圧が放電校正ポイント電圧に降下するまでn=14、15のステップをループする。
[n=16、17、18のステップ]
電池電圧が放電校正ポイント電圧まで低下すると、充電の禁止を解除して電池の容量校正をし、その後放電を禁止する。
[n=19、20のステップ]
その後、電池を充電した後、残存容量を設定値に比較して、残存容量が設定値になるまで、このステップをループする。
[n=21のステップ]
残存容量が設定値以上になると、放電禁止状態を解除して、(1)のn=1のステップにジャンプする。
【0048】
【発明の効果】
本発明の電池の充放電制御方法は、電池容量を校正するときに、充電や放電の制約される時間帯を最小に極減できる特長がある。それは、残存容量が充電校正領域まで上昇すると放電を停止して充電のみをするように制御して充電校正ポイント電圧になるまで充電して電池の容量校正し、あるいは、残存容量が放電校正領域まで降下すると充電を停止して放電のみをするように制御して放電校正ポイント電圧まで放電して電池の容量校正をするからである。
【0049】
以上の方法で容量校正をする本発明の充電制御方法は、容量校正を短時間で処理できるために、頻繁に容量校正をしてより正確に残存容量等を表示できる。また、より正確に容量校正できるので、電池の過充電や過放電を防止しながら、理想的な状態で充放電できる特長も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の電池の充放電制御方法に使用する充放電制御回路のブロック図
【図2】図1に示す充放電制御回路の充放電制御容量検出回路が電池の充放電を制御する状態を示す概略図
【図3】図1に示す充放電制御回路の充放電制御容量検出回路が電池の充放電を制御する状態を示すフローチャート図
【符号の説明】
1…電池
2…充放電制御容量検出回路
3…負荷
4…充電機
Claims (11)
- 電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる充電制御方法において、
電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をすることを特徴とする電池の充放電制御方法。 - 電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる充電制御方法において、
電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が充電校正領域よりも小さい設定値になるまで充電を停止することを特徴とする電池の充放電制御方法。 - 電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる充電制御方法において、
電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をすることを特徴とする電池の充放電制御方法。 - 電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる充電制御方法において、
電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が放電校正領域よりも大きい設定値になるまで放電を停止することを特徴とする電池の充放電制御方法。 - 電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる充電制御方法において、
電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、
電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をすることを特徴とする電池の充放電制御方法。 - 電流を積算した残存容量を検出しながら電池を充放電させる充電制御方法において、
電流を積算した残存容量が放電校正領域まで降下すると充電を停止して放電のみをするように制御して、放電校正領域の容量の下限となる容量に相当する放電校正ポイント電圧になるまで放電して、電流を積算した残存容量を、放電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が充電校正領域よりも小さくて、放電校正領域よりも大きい設定値になるまで放電を停止し、
電流を積算した残存容量が充電校正領域まで上昇すると放電を停止して充電のみをするように制御して、充電校正領域の容量の上限となる容量に相当する充電校正ポイント電圧になるまで充電して、電流を積算した残存容量を、充電校正ポイント電圧にて設定された容量に校正をし、その後、残存容量が充電校正領域よりも小さくて、放電校正領域よりも大きい設定値になるまで充電を停止することを特徴とする電池の充放電制御方法。 - 充電電流と放電電流を積算して、電池の残存容量が充電校正領域または放電校正領域となったと判定する請求項1〜6のいずれかに記載される電池の充放電制御方法。
- 充電校正ポイント電圧を、満充電された電池電圧よりも低く設定している請求項1、2、5、6のいずれかに記載される電池の充放電制御方法。
- 放電校正ポイント電圧を、完全放電された電池電圧よりも高く設定している請求項3〜6のいずれかに記載される電池の充放電制御方法。
- 充電校正領域が満充電された電池電圧よりも低く、あるいは最大充電容量よりも小さい領域に設定されている請求項1、2、5、6のいずれかに記載される電池の充放電制御方法。
- 放電校正領域が完全放電された電池電圧よりも高く、あるいは、残存容量が0よりも大きい領域に設定されている請求項3〜6のいずれかに記載される電池の充放電制御方法。
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