JP4986806B2 - 充電装置及び充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、充電装置及び充電方法に関し、特に、複数の蓄電素子が直列に接続されて構成される組電池の充電装置及び充電方法に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車では、例えばリチウムイオン電池などの二次電池（蓄電素子）を複数直列に接続した組電池が用いられている。ここで、二次電池の長寿命化や電力の利用効率向上のためには各二次電池の電圧値が所定の範囲内に維持されるように使用することが重要である。しかしながら、内部抵抗や周囲温度などのばらつきにより各二次電池の電圧値にばらつきが生じるため、複数の二次電池が接続されて構成される組電池では、組電池全体の電圧値が管理／制御されるとともに、各二次電池の電圧値のばらつきを抑えるように各二次電池の電圧値が管理／制御（以下「均等化」ともいう）されている（例えば下記特許文献１参照）。
特開２００３−２８９６３０号公報

二次電池の均等化を行いつつ組電池を充電する場合、均等化回路に流すことができる電流値によって充電電流が制限されるため、充電時間が長くなるおそれがある。または、充電終了までに均等化が終わらないことが起こり得る。この傾向は、特に二次電池の電圧ばらつきが大きい場合や急速充電を行うときに顕著となる。ここで、均等化回路に流すことができる電流値をアップし、急速充電に適用しようとすると、均等化回路の大型化や高コスト化を招くこととなる。一方、二次電池の電圧を均等化した後に組電池を充電する場合、内部抵抗のばらつきなどに起因する充電特性のばらつきにより、充電終了時の各二次電池の電圧値が揃わないおそれがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、回路の大型化や高コスト化を招くことなく、急速充電時にも、組電池を構成する各蓄電素子の充電終了時の電圧ばらつきを低減することが可能な充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。

本発明に係る充電装置は、複数の蓄電素子が直列に接続されて構成される組電池の充電装置であって、蓄電素子それぞれの電圧値を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された各蓄電素子の充電中の電圧値変化に基づいて、各蓄電素子の充電特性を取得する充電特性取得手段と、予め設定されている充電終了時の目標充電状態、及び充電特性取得手段により取得された充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始時の目標充電状態を設定する充電開始状態設定手段と、充電開始状態設定手段により設定された充電開始時の目標充電状態に基づいて、各蓄電素子の充電状態を調節する充電状態調節手段と、充電状態調節手段により各蓄電素子の充電状態が調節された後、組電池の充電を実行する充電手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る充電方法は、複数の蓄電素子が直列に接続されて構成される組電池の充電方法であって、蓄電素子それぞれの電圧値を検出する電圧検出ステップと、電圧検出ステップにおいて検出された各蓄電素子の充電中の電圧値変化に基づいて、各蓄電素子の充電特性を取得する充電特性取得ステップと、予め設定されている充電終了時の目標充電状態、及び充電特性取得ステップにおいて取得された充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始時の目標充電状態を設定する充電開始状態設定ステップと、充電開始状態設定ステップにおいて設定された充電開始時の目標充電状態に基づいて、各蓄電素子の充電状態を調節する充電状態調節ステップと、充電状態調節ステップにおいて各蓄電素子の充電状態が調節された後、組電池の充電を実行する充電ステップとを備えることを特徴とする。

本発明に係る充電装置又は充電方法によれば、充電終了時の目標充電状態（以下「目標充電終了状態」ともいう）、及び充電中の電圧値変化から求められた各蓄電素子の充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始時の目標充電状態（以下「目標充電開始状態」ともいう）が設定されるとともに、設定された目標充電開始状態に基づいて各蓄電素子の充電状態が調節された後に組電池が充電される。すなわち、目標充電終了状態及び各蓄電素子の充電特性を考慮して、各蓄電素子の充電状態が予め（充電開始前に）調節される。そのため、充電終了時点において全ての蓄電素子の充電状態を目標充電終了状態に揃えることが可能となる。また、本発明に係る充電装置又は充電方法によれば、組電池の充電に先立ち各蓄電素子の充電状態の調節が独立して行われるため、回路の大型化や高コスト化を招くことなく急速充電にも対応することができる。

本発明に係る充電装置では、充電開始状態設定手段が、組電池の充電終了時に該組電池を構成する全ての蓄電素子の充電状態が充電終了時の目標充電状態と一致するように、充電開始時の目標充電状態を設定することが好ましい。

また、本発明に係る充電方法では、充電開始状態設定ステップにおいて、組電池の充電終了時に該組電池を構成する全ての蓄電素子の充電状態が充電終了時の目標充電状態と一致するように、充電開始時の目標充電状態を設定することが好ましい。

このようにすれば、充電終了時点において全ての蓄電素子の充電状態を目標充電終了状態に確実に揃えることが可能となる。

本発明に係る充電装置では、充電開始状態設定手段が、充電終了時の目標電圧値、及び充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始時の目標電圧値を設定し、充電状態調節手段が、各蓄電素子の実電圧値と、充電開始時の目標電圧値とが一致するように各蓄電素子の補充電又は放電を行うことが好適である。

また、本発明に係る充電方法では、充電開始状態設定ステップにおいて、充電終了時の目標電圧値、及び充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始時の目標電圧値を設定し、充電状態調節ステップにおいて、各蓄電素子の実電圧値と、充電開始時の目標電圧値とが一致するように各蓄電素子の補充電又は放電を行うことが好適である。

この場合、充電終了時の目標電圧値（以下「目標充電終了電圧」ともいう）及び各蓄電素子の充電特性を考慮して、各蓄電素子の実電圧値と充電開始時の目標電圧値（以下「目標充電開始電圧」ともいう）とが一致するように、予め（充電開始前に）各蓄電素子の補充電又は放電が行われる。そのため、充電終了時点において全ての蓄電素子の電圧値を目標充電終了電圧に揃えることが可能となる。

一方、本発明に係る充電装置では、充電開始状態設定手段が、充電終了時の目標電圧値、及び充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始前の目標補充電量を設定し、充電状態調節手段が、目標補充電量に応じて、各蓄電素子の補充電又は放電を行う構成とすることも好ましい。

また、本発明に係る充電方法では、充電開始状態設定ステップにおいて、充電終了時の目標電圧値、及び充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始前の目標補充電量を設定し、充電状態調節ステップにおいて、目標補充電量に応じて、各蓄電素子の補充電又は放電を行う構成とすることも好ましい。

この場合、目標充電終了電圧及び各蓄電素子の充電特性を考慮し、予め（充電開始前に）各蓄電素子の目標補充電量に応じて補充電又は放電が行われる。そのため、充電終了時点において全ての蓄電素子の電圧値を目標充電終了電圧に揃えることが可能となる。

上記蓄電素子は、リチウムイオン電池であることが好適である。この場合、リチウムイオン電池の過充電を防止し、適切な電圧管理を行うことができるため、該リチウムイオン電池の劣化ばらつきを抑制することが可能となる。

本発明によれば、充電終了時の目標充電状態及び各蓄電素子の充電特性に基づいて、蓄電素子毎に充電開始時の目標充電状態を設定するとともに、設定された充電開始時の目標充電状態に基づいて、各蓄電素子の充電状態を調節した後に組電池の充電を実行する構成としたので、回路の大型化や高コスト化を招くことなく、急速充電時にも、組電池を構成する各蓄電素子の充電終了時の電圧ばらつきを低減することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１，図２を併せて用いて、実施形態に係る充電装置１の構成について説明する。図１は、充電装置１の全体構成を示す図である。また、図２は、充電装置１を構成する電子制御装置が有する電圧検出回路の構成を示す図である。

充電装置１は、複数の蓄電素子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４〜Ｂｎ−３，Ｂｎ−２，Ｂｎ−１，Ｂｎ（ただし、ｎは自然数である）が直列に接続されて構成された組電池１０を充電するものであり、より具体的には、組電池１０を構成する各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値が、充電終了時において、予め設定されている目標充電終了電圧（例えば４．２Ｖ）と一致するように組電池１０を充電するものである。

そのため、充電装置１は、主として、組電池１０を構成する複数の蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの中から電圧検出対象並びに補充電対象となる蓄電素子を選択するスイッチマトリックス１２、充電前に蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎを補充電するＤＣ−ＤＣコンバータ２０、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎが補充電された後に組電池１０を急速充電する充電器３０、及び、スイッチマトリックス１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０、充電器３０の制御を総合的に司る電子制御装置（以下「ＥＣＵ（Electric Control Unit）」という）４０を備えている。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、特許請求の範囲に記載された充電状態調節手段として機能し、充電器３０は、特許請求の範囲に記載された充電手段として機能する。

蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎとしては、リチウムイオン電池が好適に用いられる。ただし、リチウムイオン電池に代えて、ニッケルカドミウム電池などの充放電可能な二次電池、大容量コンデンサ（ウルトラキャパシタ）、複数の二次電池又は大容量コンデンサが並列に接続されて構成されたモジュール等を用いることもできる。

スイッチマトリックス１２は、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの中から電圧検出対象並びに補充電対象となる蓄電素子を選択するフォトリレーＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４〜Ｒｎ−２，Ｒｎ−１，Ｒｎ，Ｒｎ＋１を有している。

フォトリレーＲ１の一端は蓄電素子Ｂ１の−極に接続されており、他端は第２母線１６に接続されている。フォトリレーＲ２の一端は蓄電素子Ｂ１の＋極（蓄電素子Ｂ２の−極）に接続されており、他端は第１母線１４に接続されている。また、フォトリレーＲ３の一端は蓄電素子Ｂ２の＋極（蓄電素子Ｂ３の−極）に接続されており、他端は第２母線１６に接続されている。フォトリレーＲ４の一端は蓄電素子Ｂ３の＋極（蓄電素子Ｂ４の−極）に接続されており、他端は第１母線１４に接続されている。同様にして、フォトリレーＲｎの一端は蓄電素子Ｂｎ−１の＋極（蓄電素子Ｂｎの−極）に接続されており、他端は第１母線１４に接続されている。フォトリレーＲｎ＋１の一端は蓄電素子Ｂｎの＋極に接続されており、他端は第２母線１６に接続されている。

蓄電素子Ｂ１が電圧検出対象（又は補充電対象）として選択される場合には、フォトリレーＲ１及びフォトリレーＲ２がＯＮされる。また、蓄電素子Ｂ２が選択される場合にはフォトリレーＲ２及びフォトリレーＲ３がＯＮされる。同様に、蓄電素子Ｂｎが選択されるときにはフォトリレーＲｎ及びフォトリレーＲｎ＋１がＯＮされる。

第１母線１４はフォトリレーＲ１１を介して、第２母線１６はフォトリレーＲ１２を介してＥＣＵ４０の電圧検出部４２に接続されている。なお、電圧検出部４２の詳細は後述する。フォトリレーＲ１１，Ｒ１２は蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧検出を実行／停止する機能を有しており、選択された蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値を読み込む場合には、フォトリレーＲ１１及びフォトリレーＲ１２がＯＮされ、電圧値の読み込みを停止するときには、フォトリレーＲ１１及びフォトリレーＲ１２がＯＦＦされる。

すなわち、電圧検出対象の蓄電素子の両極に接続されているフォトリレー、及びフォトリレーＲ１１，Ｒ１２がＯＮされることにより、選択された蓄電素子の電圧が第１母線１４，第２母線１６上に出力され、第１母線１４，第２母線１６、フォトリレーＲ１１，Ｒ１２を介して電圧検出部４２に入力される。この動作を全ての蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎについて順次繰り返すことにより、全ての蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値がＥＣＵ４０に読み込まれる。なお、フォトリレーＲ１〜Ｒｎ＋１、及びフォトリレーＲ１１，Ｒ１２のＯＮ／ＯＦＦはＥＣＵ４０により制御される。

スイッチマトリックス１２は、電圧検出対象となる蓄電素子を選択する機能に加え、補充電対象となる蓄電素子を選択する機能も有している。第１母線１４，第２母線１６には、極性転換マトリックス２２を介して、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ２０が接続されている。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０には公知のものを使用することができる。

極性転換マトリックス２２は、４つのフォトリレーＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４により構成されており、第１母線１４，第２母線１６に出力される電圧の極性を切換える機能を有している。フォトリレーＲ２１，Ｒ２３の一端は第２母線１６に接続されており、フォトリレーＲ２１の他端はＤＣ−ＤＣコンバータ２０の＋端子に、フォトリレーＲ２３の他端はＤＣ−ＤＣコンバータ２０の−端子にそれぞれ接続されている。一方、フォトリレーＲ２２，Ｒ２４の一端は第１母線１４に接続されており、フォトリレーＲ２２の他端はＤＣ−ＤＣコンバータ２０の−端子に、フォトリレーＲ２４の他端はＤＣ−ＤＣコンバータ２０の＋端子にそれぞれ接続されている。なお、フォトリレーＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４のＯＮ／ＯＦＦもＥＣＵ４０により制御される。

ここで、例えば、蓄電素子Ｂ１に対して補充電を行う場合には、フォトリレーＲ１，Ｒ２がＯＮされるとともに、フォトリレーＲ２３，２４がＯＮ、フォトリレーＲ２１，２２がＯＦＦされることにより、蓄電素子Ｂ１の＋極とＤＣ−ＤＣコンバータ２０の＋端子とが接続され、蓄電素子Ｂ１の−極とＤＣ−ＤＣコンバータ２０の−端子とが接続される。また、例えば、蓄電素子Ｂ２に対して補充電を行う場合には、フォトリレーＲ２，Ｒ３がＯＮされるとともに、フォトリレーＲ２１，２２がＯＮ、フォトリレーＲ２３，２４がＯＦＦされることにより、蓄電素子Ｂ２の＋極とＤＣ−ＤＣコンバータ２０の＋端子とが接続され、蓄電素子Ｂ２の−極とＤＣ−ＤＣコンバータ２０の−端子とが接続される。このようにして、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎ毎に補充電が行われる。なお、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎへの補充電を行わないときには、フォトリレーＲ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４が全てＯＦＦされる。

組電池１０の両端（すなわち、蓄電素子Ｂ１の−極と蓄電素子Ｂｎの＋極）には、組電池１０を急速に充電する充電器３０が並列に接続されている。なお、充電器３０には公知の急速充電器を使用することができる。

ＥＣＵ４０は、演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、該ＣＰＵに各処理を実行させるためのプログラム等を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、演算結果などの各種データを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、フォトリレーＲ１〜Ｒｎ，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１〜Ｒ２４をＯＮ／ＯＦＦするドライバ回路等を有して構成されている。

このような構成により、ＥＣＵ４０には、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値を検出する電圧検出部４２、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電中の電圧値変化に基づいて、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性を取得する充電特性取得部４４、及び、予め設定されている目標充電終了電圧、並びに各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性に基づいて、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎ毎に目標充電開始電圧（又は目標補充電量）を設定する充電開始状態設定部４６が機能的に構築されている。ここで、電圧検出部４２は特許請求の範囲に記載された電圧検出手段として機能し、充電特性取得部４４は充電特性取得手段として機能する。また、充電開始状態設定部４６は、特許請求の範囲に記載された充電開始状態設定手段として機能する。

電圧検出部４２は、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値を検出する電圧検出回路を有しており、上述したように、フォトリレーＲ１〜ＲｎのＯＮ／ＯＦＦ状態を順次切換えることにより、選択された各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値を読み込む。ここで、電圧検出部４２が有する電圧検出回路の構成を図２に示す。中点タップ付パルストランス（以下、単に「パルストランス」という）ＰＴの一次側コイルの両端子は、それぞれ第１母線１４及び第２母線１６に接続されている。一方、パルストランスＰＴの二次側コイルの両端子は、それぞれダイオードＤ１及びダイオードＤ２を介してＡ／Ｄ変換器ＡＤの入力端子に接続されている。また、パルストランスＰＴの中点タップは、Ａ／Ｄ変換器ＡＤのＧＮＤ端子に接続されている。パルストランスＰＴを介して入力される蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧は、Ａ／Ｄ変換器ＡＤによってアナログ値からディジタル値に変換されて充電特性取得部４４に出力される。

充電特性取得部４４は、充電開始からの経過時間と蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値との関係に基づいて、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性を取得する。例えば、所定時間毎に電圧値を検出することにより、図３中に実線で示されるような電圧変化が充電中に検出された場合、該実線を近似式で近似することによって、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性を取得する。なお、近似アルゴリズムとしては、例えば、直線近似、指数近似、対数近似等の公知のアルゴリズムを用いることができる。なお、充電特性取得部４４で取得された各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性は、充電開始状態設定部４６に出力される。

充電開始状態設定部４６は、予め設定されている目標充電終了電圧（例えば４．２Ｖ）、及び充電特性取得部４４で取得された充電特性に基づいて、蓄電素子毎に目標充電開始電圧を設定する。すなわち、充電開始状態設定部４６は、組電池１０の充電終了時に該組電池１０を構成する全ての蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧値が目標充電終了電圧と一致するように、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎ毎に目標充電開始電圧を設定する。より具体的には、所定の時間率（例えば３Ｃ）で充電した場合に充電特性（近似式）から予測される充電終了電圧と、目標充電終了電圧との偏差を充電前の電圧値に加算した値が目標充電開始電圧として設定される。

図３に示される例では、充電前の電圧値が３．５（Ｖ）であり、時間率３Ｃで充電した場合に推定される充電終了電圧が４．０（Ｖ）であるため、目標充電終了電圧との偏差０．２（Ｖ）を充電前の電圧値３．５（Ｖ）に加算した値３．７（Ｖ）が目標充電開始電圧となる。なお、近似式を積分することにより求められる充電量と、目標充電終了電圧まで充電するために必要とされる充電量との偏差、すなわち充電終了時点で不足すると予測される充電量（図３中の斜線部の面積に相当）を目標補充電量として設定する構成としてもよい。

そして、ＥＣＵ４０は、フォトリレーＲ１〜Ｒｎ，Ｒ２１〜Ｒ２４、及びＤＣ−ＤＣコンバータ２０を駆動し、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧値が目標充電開始電圧と一致するように各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの補充電を行う。ここで、充電開始状態設定部４６において、目標充電開始電圧に代えて目標補充電量が設定された場合には、該目標補充電量に応じて蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎに対する補充電が行われる。なお、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎを補充電することに代えて、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎを放電することにより、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧値を目標充電開始電圧と一致させる構成としてもよい。補充電が終了した後、ＥＣＵ４０は、充電器３０を駆動し、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧が目標充電終了電圧と一致するまで組電池１０を充電する。

次に、図４を参照して充電装置１の動作及び充電方法について説明する。図４は、充電装置１による充電処理の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、主としてＥＣＵ４０によって行われるものであり、充電装置１の電源がオンされてからオフされるまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。

ステップＳ１００では、充電器３０が駆動され、組電池１０の充電が開始される。ここで、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧検出値を安定させるため、充電方式としてはＣＣ（定電流充電）が好ましい。

続くステップＳ１０２では、フォトリレーＲ１〜Ｒｎ＋１、及びフォトリレーＲ１１，Ｒ１２が駆動され、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値が順次検出される。なお、検出結果はメモリ（ＲＡＭ）に記憶される。そして、いずれかの蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値が予め定められている目標充電終了電圧と一致するまで充電が行われると、充電器３０の駆動が停止され、組電池１０の充電が終了する（ステップＳ１０４）。

組電池１０の充電が終了した後、ステップＳ１０６では、充電開始からの経過時間と蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値との関係に基づいて、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性（近似式）が取得される。取得された各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性（近似式）はメモリに記憶される（ステップＳ１０８）。

続いて、ステップＳ１１０では、組電池１０に接続されている電動モータ等の電気負荷に対する放電が開始される。組電池１０の放電が終了（ステップＳ１１２）した後、充電終了時の蓄電素子間の電圧偏差が所定のしきい値以上であるか否かについての判断が行われる（ステップＳ１１４）。ここで、電圧偏差がしきい値未満である場合には、補充電が行われることなく、ステップ１００に処理が移動し、再び組電池１０の充電が開始される。一方、電圧偏差がしきい値以上であるときには、ステップＳ１１６に処理が移行する。

ステップＳ１１６では、組電池１０の充電終了時に該組電池１０を構成する全ての蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧値が目標充電終了電圧と一致するように、予め設定されている目標充電終了電圧及びステップＳ１０６で取得された充電特性（近似式）に基づいて、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎ毎に目標充電開始電圧が設定される。より具体的には、所定の時間率で充電した場合に充電特性（近似式）から予測される充電終了電圧と、目標充電終了電圧との偏差を充電前の電圧値に加算した値が目標充電開始電圧として設定される。なお、ステップＳ１１６では、近似式を積分することにより求められる充電量と、目標充電終了電圧まで充電するために必要とされる充電量との偏差、すなわち充電終了時点で不足すると予測される充電量を目標補充電量として設定してもよい。

次に、ステップＳ１１８では、フォトリレーＲ１〜Ｒｎ＋１，Ｒ２１〜Ｒ２４、及びＤＣ−ＤＣコンバータ２０が駆動され、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧値がそれぞれの目標充電開始電圧と一致するまで蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎ毎に補充電が行われる。なお、ステップＳ１１６において、目標充電開始電圧に代えて目標補充電量が設定された場合、ステップＳ１１８，Ｓ１２０では、目標補充電量に応じて蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎに対する補充電が行われる。

各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの実電圧値が目標充電開始電圧と一致することにより補充電が終了（ステップＳ１２０）した後、ステップＳ１００に処理が移動し、再び組電池１０の充電が開始される。そして、上述したように、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値が目標充電終了電圧と一致するまで組電池１０の充電が行われる。その後、上述したステップＳ１００〜Ｓ１２０が繰り返して実行される。

ここで、蓄電素子の補充電を行わずに組電池を充電したときの各蓄電素子の充電特性及び目標補充電量の一例を図５に示す。この例では、いずれかの蓄電素子の電圧値が４．１５（Ｖ）となるまで時間率３Ｃで組電池の定電流充電を行った。図５の上部に示されるように、蓄電素子の補充電を行っていない場合、充電開始時の電圧値が揃っているにもかかわらず、充電終了時における各蓄電素子の電圧値にばらつきが生じている。また、図５の下部に示される目標補充電量は、２０秒毎に各蓄電素子の充電特性を直線近似して近似式を得るとともに、この近似式から求められる蓄電素子の最大電圧値と同じ電圧値とするために必要な充電量をプロットしたものである。このようにして取得された充電終了時点での各蓄電素子の目標補充電量（すなわち、目標充電終了電圧に対する目標補充電量）は、０．００（Ａｈ）、約０．０５５（Ａｈ）、約０．０９１（Ａｈ）であった。

次に、図５に示された目標補充電量だけ各蓄電素子に補充電を行った後に組電池を充電したときの充電結果を図６に示す。ここでは、２００ｍＡの定電流で各蓄電素子に対して補充電を行った。すなわち、目標補充電量が０．０５５（Ａｈ）である蓄電素子に対しては、０．０５５／０．２×３６００＝９９０秒間、補充電を行った。また、目標補充電量が０．０９１（Ａｈ）である蓄電素子に対しては、０．０９１／０．２×３６００＝１６３８秒間、補充電を行った。このように組電池の充電前に補充電を行った場合には、充電終了時点において全ての蓄電素子の電圧値が４．１５Ｖ（目標充電終了電圧）で揃った。以上のことから、本実施形態の有効性が確認された。

本実施形態によれば、目標充電終了電圧、及び充電中の電圧値変化から求められた各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性に基づいて、蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎ毎に目標充電開始電圧（又は目標補充電量）が設定されるとともに、設定された目標充電開始電圧（又は目標補充電量）に基づいて各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値（又は充電量）が調節された後に組電池１０が充電される。すなわち、目標充電終了状態及び各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの充電特性を考慮して、各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値（又は充電量）が組電池１０の充電開始前に調節される。そのため、充電終了時点において全ての蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値を目標充電終了電圧に揃えることが可能となる。また、本実施形態によれば、組電池１０の充電に先立ち各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧値（又は充電量）の調節が独立して行われるため、回路の大型化や高コスト化を招くことなく急速充電にも対応することができる。

以上のように、本実施形態によれば、回路の大型化や高コスト化を招くことなく、急速充電にも、組電池１０を構成する各蓄電素子Ｂ１〜Ｂｎの電圧ばらつきを低減することが可能となるため、組電池１０の寿命向上が図られる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、極性転換マトリックス２２を用いて第１母線１４，第２母線１６に出力される電圧の極性を切換えたが、ＥＣＵ４０からの制御信号により出力極性が切換えられる絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより第１母線１４，第２母線１６に出力される電圧の極性を切換える構成とすることもできる。

また、上記実施形態では、スイッチング素子としてフォトリレーを用いたが、フォトリレーに代えて、例えば、トランジスタやＦＥＴなどの半導体スイッチング素子や機械式リレー等を用いることもできる。

実施形態に係る充電装置の全体構成を示す図である。 実施形態に係る充電装置を構成する電子制御装置が有する電圧検出回路の構成を示す図である。 蓄電素子の充電特性の取得方法、及び補充電方法を説明するための図である。 実施形態に係る充電装置による充電処理の処理手順を示すフローチャートである。 蓄電素子の補充電を行わずに組電池を充電したときの各蓄電素子の充電特性及び目標補充電量の一例を示すグラフである。 蓄電素子の補充電を行った後に組電池を充電したときの充電結果の一例を示すグラフである。

符号の説明

１・充電装置、１０・組電池、１２・スイッチマトリックス、２０・ＤＣ−ＤＣコンバータ、２２・極性転換マトリックス、３０・充電器、４０・ＥＣＵ、４２・電圧検出部、４４・充電特性取得部、４６・充電開始状態設定部、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂｎ−３，Ｂｎ−２，Ｂｎ−１，Ｂｎ・蓄電素子、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒｎ−２，Ｒｎ−１，Ｒｎ，Ｒｎ＋１・フォトリレー、Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４・フォトリレー。

Claims (10)

1. 複数の蓄電素子が直列に接続されて構成される組電池の充電装置であって、
   前記蓄電素子それぞれの電圧値を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された各蓄電素子の充電中の電圧値変化に基づいて、各蓄電素子の充電特性を取得する充電特性取得手段と、
   予め設定されている充電終了時の目標充電状態、及び前記充電特性取得手段により取得された充電特性に基づいて、前記蓄電素子毎に充電開始時の目標充電状態を設定する充電開始状態設定手段と、
   前記充電開始状態設定手段により設定された充電開始時の目標充電状態に基づいて、前記各蓄電素子の充電状態を調節する充電状態調節手段と、
   前記充電状態調節手段により前記各蓄電素子の充電状態が調節された後、前記組電池の充電を実行する充電手段と、を備えることを特徴とする充電装置。
2. 前記充電開始状態設定手段は、前記組電池の充電終了時に該組電池を構成する全ての蓄電素子の充電状態が充電終了時の目標充電状態と一致するように、充電開始時の目標充電状態を設定することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記充電開始状態設定手段は、充電終了時の目標電圧値、及び前記充電特性に基づいて、前記蓄電素子毎に充電開始時の目標電圧値を設定し、
   前記充電状態調節手段は、前記各蓄電素子の実電圧値と、充電開始時の目標電圧値とが一致するように前記各蓄電素子の補充電又は放電を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の充電装置。
4. 前記充電開始状態設定手段は、充電終了時の目標電圧値、及び前記充電特性に基づいて、前記蓄電素子毎に充電開始前の目標補充電量を設定し、
   前記充電状態調節手段は、前記目標補充電量に応じて、前記各蓄電素子の補充電又は放電を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の充電装置。
5. 前記蓄電素子は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の充電装置。
6. 複数の蓄電素子が直列に接続されて構成される組電池の充電方法であって、
   前記蓄電素子それぞれの電圧値を検出する電圧検出ステップと、
   前記電圧検出ステップにおいて検出された各蓄電素子の充電中の電圧値変化に基づいて、各蓄電素子の充電特性を取得する充電特性取得ステップと、
   予め設定されている充電終了時の目標充電状態、及び前記充電特性取得ステップにおいて取得された充電特性に基づいて、前記蓄電素子毎に充電開始時の目標充電状態を設定する充電開始状態設定ステップと、
   前記充電開始状態設定ステップにおいて設定された充電開始時の目標充電状態に基づいて、前記各蓄電素子の充電状態を調節する充電状態調節ステップと、
   前記充電状態調節ステップにおいて前記各蓄電素子の充電状態が調節された後、前記組電池の充電を実行する充電ステップと、を備えることを特徴とする充電方法。
7. 前記充電開始状態設定ステップは、前記組電池の充電終了時に該組電池を構成する全ての蓄電素子の充電状態が充電終了時の目標充電状態と一致するように、充電開始時の目標充電状態を設定することを特徴とする請求項６に記載の充電方法。
8. 前記充電開始状態設定ステップは、充電終了時の目標電圧値、及び前記充電特性に基づいて、前記蓄電素子毎に充電開始時の目標電圧値を設定し、
   前記充電状態調節ステップは、前記各蓄電素子の実電圧値と、充電開始時の目標電圧値とが一致するように前記各蓄電素子の補充電又は放電を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の充電方法。
9. 前記充電開始状態設定ステップは、充電終了時の目標電圧値、及び前記充電特性に基づいて、前記蓄電素子毎に充電開始前の目標補充電量を設定し、
   前記充電状態調節ステップは、前記目標補充電量に応じて、前記各蓄電素子の補充電又は放電を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の充電方法。
10. 前記蓄電素子は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の充電方法。

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