JP4049959B2 - バッテリ充電方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリへの充電方法に係わり、特に、充電時間の短縮化及びバッテリの寿命劣化抑制に有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、車両走行用の動力源としてエンジンの他にモータを備えたハイブリッド車や、車両走行用の動力源としてモータのみを備えた電気自動車が知られている。
これらの車両は、バッテリからの電力供給によりモータを駆動するものであるから、放電によりバッテリ残容量が減ると、バッテリへの充電が必要となる。
【0003】
放電したバッテリを充電するに当たっては、バッテリ保護の観点から定格容量の10分の1(0.1C)で10時間程度の充電を行うことが推奨されており、バッテリの急速充電は、バッテリの劣化,及び寿命の低下につながるため、あまり行われていなかった。
特に電気自動車においては、夜間電力で充電しておき、翌日に使用するような使い方が多い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、夜間に急に車両を使いたい場合や、走行後に再充電してまた走行する(走行距離を伸ばす)ためには、バッテリの急速充電が求められる。
かかる場合に、充電電流をむやみに大きくすると、バッテリの発熱により充電中に許容温度(バッテリが痛まない上限温度)に至ってしまうので、充電電流はむやみに大きくできない。許容温度を超えてしまうと、充電効率が低下して実質的な充電が行われないばかりか、過充電反応によりバッテリ温度が急上昇してバッテリ寿命に悪影響を及ぼすことになるからである。
【0005】
この対策として、バッテリ充電中に冷却装置(空冷ファン等)によりバッテリを冷却することも考えられるが、冷却能力が十分でないので充電による発熱を十分放熱できず、充電電流にはおのずと限界がある。
また、充電中に許容温度に至った場合は、図8に示すように、充電を一時停止して温度が下がるのを待ってから再充電するといった工程を何度も繰り返すことになり、充電時間がかえって延長されてしまう場合がある。
このように、充電時間が長くなると装置の使用に待ち時間が発生し、利便性が損なわれるという問題も生じる。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バッテリの寿命劣化を抑制しつつ、充電時間の短縮化を図ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願発明のバッテリの充電方法は、充電開始時のバッテリ温度(Tinit)を検出し、充電中のバッテリ温度の上限値(Tmax)を設定し、充電開始時のバッテリ温度と前記バッテリ温度の上限値の差をバッテリ温度上昇余裕(ΔT=T max −T init )とし、前記バッテリの残容量に基づいて充電すべき電流量(目標充電容量ΔSOC=SOC end −SOC init )を求め、前記バッテリ温度上昇余裕と前記充電すべき電流量により、単位充電量あたりの許容可能な温度上昇値であるバッテリ温度上昇の上限値(ΔT/ΔSOC)を決定し、前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲内の定電流で前記バッテリを充電することを特徴とする。
請求項2に記載した発明は、前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲内は、バッテリ冷却手段(自然冷風+ファン5)によるバッテリ温度降下分を考慮していることを特徴とする。
請求項3に記載した発明は、前記充電すべき電流量は充電開始時と充電完了時の残容量の差(SOC end −SOC init )により求めることを特徴とする。
請求項4に記載した発明は、前記バッテリ充電方法は車両に適用され、請求項3に記載の前記充電完了時の残容量は外部からの入力により決定されることを特徴とする。
請求項5に記載した発明は、前記バッテリ充電方法は車両に適用され、操作端末(パネル1)から充電電流値(I set )として入力された充電電流量が前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲内であるときは外部から入力された充電電流値で前記バッテリを充電し、入力された電流値が前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲外であるときは前記操作端末にエラーメッセージを表示することを特徴とする。
【0008】
この構成では、充電中にバッテリ温度(T)が上限値(Tmax)を越えることがないため、バッテリ冷却のための充電一時停止が不要になると共に、過充電反応による不要な温度上昇を起こすこともなくなる。
【0009】
上記の構成において、前記充電開始時のバッテリ温度(T init )と、充電電流によるバッテリの温度上昇特性(実施の形態では、図2の特性図)に基づいて、充電中のバッテリ温度(T)が前記バッテリ温度の上限値(T max )を越えないような最大のバッテリ充電電流、つまりバッテリ充電電流の最大値(I max )を決定し、該バッテリ充電電流の最大値(I max )を超えないようにバッテリ(4)を充電しているが、前記バッテリ充電電流の最大値(Imax)は、前記充電開始時のバッテリ温度(Tinit)と、充電開始時のバッテリ残容量(初期残容量SOCinit)と、前記バッテリ温度の上限値(Tmax)と、充電完了時のバッテリ残容量(目標残容量SOCend)とを用いて決定してもよい。
【0010】
この構成では、満充電(SOC=100%)まで充電する場合はもとより、とりあえず走行できる程度(例えば、SOC=50%)まで充電したい場合にも、適切なパラメータを用いて決定されたバッテリ充電電流の最大値(Imax)を超えないように充電を行い得るから、充電の一時停止及び過充電反応を有効に回避することが可能となる。
【0011】
具体的には、前記バッテリ充電電流の最大値は、充電開始時のバッテリ残容量(バッテリ4より検出される初期残容量SOCinit)と、充電完了時のバッテリ残容量(運転者によりパネル1で設定される目標残容量SOCend)に基づいてバッテリ(4)へ充電すべき電流量(目標充電容量ΔSOC=SOCend−SOCinit)を求め、前記充電開始時のバッテリ温度(Tinit)と前記バッテリ温度の上限値(Tmax)からバッテリ温度上昇余裕(ΔT=Tmax−Tinit)を求め、前記充電すべき電流量(ΔSOC)とバッテリ温度上昇余裕(ΔT)から、単位充電量当たりのバッテリ温度上昇の上限値(ΔT/ΔSOC)を求め、前記単位充電量当たりのバッテリ温度上昇の上限値(ΔT/ΔSOC)と、バッテリ冷却手段(自然冷却+ファン5)によるバッテリ温度降下分に基づいて(図2を用いてマップ検索することにより)決定する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
図6は、走行用の動力源としてモータを備えた車両がバッテリへの充電を行っている状態を示す外観図であり、図7は、充電器と車両との間に構成される回路図である。
これらの図中、符合1は操作用のパネルであり、運転者はこのパネル1を操作することにより、例えば「急速充電」,「ノーマル充電」,「タイマー充電」の中から任意の充電モードを選択できるようになっている。
【0013】
「急速充電」は、短時間で充電を済ませたい場合の充電モードであり、例えば、1C〜3C(定格容量の1〜3倍)の充電電流にて充電を行うものである。
「ノーマル充電」は、通常用いられる充電モードであり、例えば、0.1Cの充電電流にて約10時間かけて充電を行うものである。
「タイマー充電」は、深夜の低電気料金時や出発時間に合わせて充電を済ませたい場合に利用される充電モードである。
【0014】
ECU2は、パネル1,充電器3,バッテリ(BATT)4,ファン(FAN)5,モータ(MOT)6,パワードライブユニット(PDU)7と信号線を介して接続され、パネル1により運転者入力された充電モード,電圧センサ(図示略)により検出された充電容量,温度センサ(図示略)により検出されたバッテリ温度,電流センサ(図示略)により検出された充電電流のフィードバック,及び回転数センサ(図示略)により検出されたモータ回転数等の入力を受け取る一方で、パワードライブユニット7,ファン5,及び充電器3に制御指令を送り、これらの機器動作を制御する。
例えば、モータ6の駆動は、ECU2からの制御指令を受けてパワードライブユニット7により行われる。
【0015】
パワードライブユニット7には、モータ6と電気エネルギーの授受を行う高圧系のバッテリ4が接続されている。
バッテリ4は、例えば、複数のセルを直列に接続したモジュールを1単位として、更に複数個のモジュールを直列に接続して構成されるものであり、ファン5による強制冷却が可能となっている。
【0016】
バッテリ4への充電は、バッテリ4とパワードライブユニット7間から延びる車両側ケーブル11と、充電器3から延びる充電器側ケーブル12とをコネクタ13,14を介して接続させた状態で行う。
充電に際し、充電モードは上記3種類の中から選択可能であるが、以下では、本発明に直接関連する急速充電モードについて説明する。
【0017】
図1のフローチャートは、運転者が図7のパネル1にて急速充電モードを選択した場合の処理の流れを示している。
ステップS1では、運転者が図7のパネル1により、満充電(100%)まで充電したいのか、とりあえず走行できる程度(例えば、50%程度)まで充電したいのか等、目標残容量SOCendを使い方に応じて適宜入力する。
一般的には、満充電(100%)まで充電するので、その場合は入力を省略しても良い。また、急速充電モードを選択した場合は、充電電流Isetも入力する。
【0018】
ステップS2では、ECU2が充電開始時のバッテリ温度Tinit及び初期残容量SOCinitをバッテリ4から検出する。
ステップS3では、ステップS2で検出したバッテリ温度Tinitと、充電中のバッテリ温度Tの上限値Tmaxとが、「Tinit<Tmax」の条件を満たしているかを判定する。なお、バッテリ温度の上限値Tmaxとは、バッテリ4が痛まない上限温度のことをいい、バッテリ4の種類に応じて適宜設定され、メモリ(図示略)に記憶されている。
【0019】
ステップS3の判定結果が「No」である場合、処理はステップS4に進み、ECU2は、充電器3に充電を許可しない旨の制御指令を送る。
この状態から充電を開始してしまうと、バッテリ4を傷めてしまうからである。
ステップS3の判定結果が「Yes」である場合、処理はステップS5に進む。
ステップS5では、充電完了時(SOCが目標残容量SOCendになった時)に、バッテリ温度Tが上限値Tmaxになるような充電電流(バッテリ充電電流の最大値Imax)を求める。
【0020】
具体的には、充電時の許容温度上昇すなわちバッテリ温度上昇余裕ΔT(=Tmax−Tinit)を目標充電容量ΔSOC(=SOCend−SOCinit)で割り算することで、単位充電量(SOC1%)当たりのバッテリ温度上昇の上限値(ΔT/ΔSOC)を求め、該バッテリ温度上昇の上限値(ΔT/ΔSOC)に対応する充電電流を、図2のマップを検索することにより求める。
【0021】
図3は、ファン5による45(W)の冷却能力下で、完全放電のNi−MHバッテリを満充電させた場合のバッテリ温度上昇を示す図であり、図2のマップはこの図3により、各充電電流に対するSOC1%充電当たりのバッテリの温度上昇(ΔT/ΔSOC)を求めたものである。
【0022】
また、図2はファン5を45Wで作動させた場合の特性図であり、図4はファン5の作動の有無に対して、同測定した場合の特性図である。
これらの特性図は、ファン5の最大能力や運転状態(最大運転/弱運転等)に応じて、適宜補正することができる。
【0023】
ステップS5でバッテリ充電電流の最大値Imaxが決まると、ステップS6において、運転者はパネル1より充電電流値Isetを入力する。
次いで、ステップS7において、マップ検索により求めたバッテリ充電電流の最大値Imaxと、運転者によりパネル入力された充電電流値Isetとが、「Imax≧Iset」の条件を満たすかを判定する。
【0024】
ステップS7での判定結果が「No」である場合、処理はステップS8に進む。
このステップS8では、パネル1にエラーメッセージが表示等され、運転者に充電を継続するかどうかの判断を促す。
運転者の判断結果が「Yes」である場合、処理はステップS6に戻り、運転者は充電電流値Isetを再入力する。
他方、運転者の判断結果が「No」の場合、処理はステップS9に進み、ECU2は、充電器3に充電を許可しない旨の制御指令を送る。
【0025】
そして、ステップS7の判定結果が「Yes」である場合には、処理はステップS10に進み、ECU2は、充電器3に充電を許可する旨の制御指令を送る。
すると、充電電流値Isetにてバッテリ4への充電が開始される。
充電開始後であっても、ECU2は、バッテリ温度T,該バッテリ温度Tの時間微分値dT/dt,及び充電容量SOCを監視している。
【0026】
すなわち、ステップS11において、ECU2は、充電中のバッテリ温度Tが上限値Tmaxに達したか、あるいはバッテリ温度Tの時間微分値dT/dtが所定の値(例えば、1.5)未満であるかを判定しており、そのうちいずれか一方の条件が成立する場合(ステップS11で「Yes」)には、充電器3に充電を停止する旨の制御指令を送り、充電を停止させる(ステップS12)。
【0027】
このように本実施の形態において、充電中にバッテリ温度Tの監視を行うのは、寿命劣化によりバッテリ特性が変化し、実際とマップデータとの間に乖離が生じてしまうと、充電電流値IsetがステップS5で決定したバッテリ充電電流の最大値Imax以下であっても、充電中にバッテリ温度Tが上限値Tmaxを超えることがあり、かかる場合にそのまま継続して充電を行うと、バッテリ寿命に悪影響を及ぼすことになるからである。
【0028】
また、充電中にバッテリ温度Tの時間微分値dT/dtの監視を行うのは、バッテリ温度Tが上限値Tmaxに達していなくても、既に残容量SOCが満充電の100%に達していることがあり、かかる場合にそのまま継続して充電を行うと、過充電によりバッテリ寿命に悪影響を及ぼすことになるからである。
【0029】
ステップS11において、バッテリ温度Tが上限値Tmax達していない場合(「No」)、処理はステップS13に進む。
ステップS13において、ECU2は、残容量SOCが充電制御値すなわち目標残容量SOCendに達したかを判定し、残容量SOCが目標残容量SOCendに達した場合(「Yes」)には、充電器3に充電を停止する旨の制御信号を送り、充電が完了する(ステップS14)。
他方、残容量SOCが目標残容量SOCendに達していない場合(ステップS14で「No」)、充電が継続して行われると共に、その間、ECU2はステップS11以降の処理を繰り返し行う。
【0030】
以上説明したように、本実施の形態によるバッテリ充電方法では、充電開始時のバッテリ温度Tinitとバッテリ温度の上限値Tmaxからバッテリ温度上昇余裕ΔT(=Tmax−Tinit)を求めると共に、充電開始時の初期残容量SOCinitと充電完了時の目標残容量SOCendからバッテリ4へ充電すべき目標充電容量ΔSOC(=SOCend−SOCinit)を求め、更に、これらバッテリ温度上昇余裕ΔTと目標充電容量ΔSOCからバッテリ温度上昇の上限値ΔT/ΔSOCを求め、該バッテリ温度上昇の上限値ΔT/ΔSOCに基づいてマップ検索を行うことにより、充電完了までの間にバッテリ温度Tが上限値Tmaxを越えないようなバッテリ充電電流の最大値Imaxを決定し、該最大値Imaxに基づいて運転者が設定した充電電流値Isetにて充電を行うようにしている(図5参照)。
【0031】
このように、本実施の形態によるバッテリ充電方法によれば、充電完了までの間にバッテリ温度Tが上限値Tmaxを越えることがなくなるから、バッテリ冷却のための充電一時停止が不要になると共に、過充電反応による不要な温度上昇も防止することができる。
よって、バッテリ寿命の劣化を抑制しつつ、充電時間を効果的に短縮化することが可能となる。
【0032】
特に、本実施の形態にあっては、充電中であっても、ステップS11でバッテリ温度T及びバッテリ温度Tの時間微分値dT/dtを監視しているため、寿命劣化によりバッテリ特性が変化したり、バッテリ温度Tが上限値Tmaxに達することなく満充電となっても、直ちに充電を緊急停止させることができるから(ステップS12)、バッテリ寿命に悪影響を及ぼす事態の発生を未然に防止することが可能である。
【0033】
なお、本実施の形態では、バッテリ温度上昇の上限値ΔT/ΔSOCを用いたマップ検索を行うことにより、バッテリ充電電流の最大値Imaxを求めているが、本発明はこれに限らず、充電開始時のバッテリ温度Tinit,バッテリ温度の上限値Tmax,充電開始時の初期残容量SOCinit,及び充電完了時の目標残容量SOCendをパラメータとした充電電流の算出式を作成しておき、この算出式を用いて充電中にバッテリ温度Tが上限値Tmaxを越えないようなバッテリ充電電流の最大値Imaxを決定しても良い。
さらに、この算出式に冷却能力や熱容量をパラメータとして加えてもよい。
【0034】
また、本実施の形態では、バッテリ4を完全放電から満充電にする場合について説明したが、本発明はこれに限らず、初期残容量SOCinitがゼロでない状態から充電を開始する場合や、目標残容量SOCendが必ずしも100%でなく、走行距離に見合う充電容量(例えば、50%)に設定される場合にも適用可能である。
【0035】
さらに、本発明は、電気自動車の他に、ハイブリッド車に搭載されているバッテリの充電においても使用できる。
また、車両以外のバッテリに適用することができることはもちろんである。
【0036】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のバッテリ充電方法によれば、充電完了までの間にバッテリ温度が上限値を越えることがないから、バッテリ冷却のための充電一時停止が不要になると共に、過充電反応による不要な温度上昇も防止することができる。
よって、バッテリ寿命の劣化を抑制しつつ、充電時間を効果的に短縮化することが可能となる。
【0037】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るバッテリ充電方法の一実施の形態を示すフローチャートである。
【図2】 ファンを45Wで作動させた場合の特性図である。
【図3】 図2のマップデータを作成するための基礎データの一例である。
【図4】 ファン作動有りとファン作動無しの場合の特性図である。
【図5】 バッテリを満充電に至るまで充電した場合の温度上昇と充電電流との関係を示す図である。
【図6】 バッテリへの充電を行っている状態を示す外観図である。
【図7】 充電器と車両との間に構成されている回路図である。
【図8】 バッテリ充電方法の一従来例により、バッテリを満充電に至るまで充電した場合の温度上昇と充電電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 パネル
2 ECU
3 充電器
4 バッテリ
5 ファン
6 モータ
Claims (5)
- 充電開始時のバッテリ温度を検出し、
充電中のバッテリ温度の上限値を設定し、
充電開始時のバッテリ温度と前記バッテリ温度の上限値の差をバッテリ温度上昇余裕とし、
前記バッテリの残容量に基づいて充電すべき電流量を求め、
前記バッテリ温度上昇余裕と前記充電すべき電流量により、単位充電量あたりの許容可能な温度上昇値であるバッテリ温度上昇の上限値を決定し、
前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲内の定電流で前記バッテリを充電することを特徴とするバッテリ充電方法。 - 前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲内は、バッテリ冷却手段によるバッテリ温度降下分を考慮していることを特徴とする請求項1記載のバッテリの充電方法。
- 前記充電すべき電流量は充電開始時と充電完了時の残容量の差により求めることを特徴とする請求項1又は2に記載のバッテリの充電方法。
- 前記バッテリ充電方法は車両に適用され、請求項3に記載の充電完了時の残容量は外部からの入力により決定されることを特徴とするバッテリの充電方法。
- 前記バッテリ充電方法は車両に適用され、操作端末から充電電流値として入力された充電電流量が前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲内であるときは外部から入力された充電電流値で前記バッテリを充電し、
入力された電流値が前記バッテリ温度上昇の上限値の範囲外であるときは前記操作端末にエラーメッセージを表示することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のバッテリの充電方法。
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