JP5867195B2 - 二次電池の充電装置および二次電池の充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電制御に関する。

二次電池を充電する充電装置として、充電開始後に満充電状態を検知したら充電を停止し、予め設定した所定時間経過後に再び充電を行なう充電装置が知られている（例えば特許文献１）。このように、見かけ上の満充電状態を検知した後に所定時間充電を停止し、再び充電を行なうことにより、電池の実際の充電状態を満充電状態に近づけることができる。

特開２００５−１２４３４０号公報

特許文献１の充電装置のように、満充電状態を検知した後の充電を停止する時間（以下、充電停止時間という）を予め設定する構成では、適切な充電停止時間を設定することが難しい。そして、充電停止時間が短すぎると、二次電池の実際の充電状態を充分に満充電状態に近づけることができない。一方、充電停止時間が長すぎると、充電開始から再充電終了までの時間が無駄に長くなる。

そこで、本発明では適切な充電停止時間を設定し、効率良く二次電池を充電することを目的とする。

本発明の二次電池の充電装置は、二次電池に電力を供給する充電電源と、充電電源が二次電池を充電する際の充電電圧を検出する充電電圧検出手段と、充電電圧検出手段の検出値に基づいて算出した充電可能電力が予め設定した所定電力以下になった場合に満充電判定をする満充電判定手段を備える。また、満充電判定されるまで充電電源から二次電池へ電力を供給して充電を行ない、満充電判定されたら充電電源から二次電池への電力供給を停止し、電力供給の停止から分極の少なくとも一部を解消し得る所定時間経過したら充電を再開して再び満充電判定されるまで充電を行なう充電制御手段を備える。そして、二次電池の温度を検出する温度検出手段と、少なくとも満充電判定がされた際の二次電池の温度に基づいて、充電電源から二次電池への電力供給の停止から再開までの所定時間である停止時間を設定する停止時間設定手段とをさらに備え、停止時間設定手段は二次電池の温度が低いほど停止時間を長く設定する。

二次電池を充電する際に、二次電池内では分極が発生する。そして、分極による電圧によって、実際には充電可能な状態であっても見かけ上は満充電状態となることがある。そこで、充電を停止することによって、分極が解消して再度の充電が可能になるのを待ち、その後再度充電を行なうことによって二次電池の充電状態を実際の満充電状態により近い状態まで充電することができる。しかしながら、分極の解消に要する時間は一定ではないので、充電停止時間が短すぎると、分極が十分に解消していない状態で再充電することになり、再充電によって充電可能な電力が小さくなり、二次電池の実際の充電状態を充分に満充電状態に近づけることができない。一方、分極が解消するのに要する時間に対して充電停止時間が長すぎると、充電開始から再充電終了までの時間が無駄に長くなる。

本発明によれば、満充電判定された際の二次電池の温度が低いほど充電停止時間を長く設定する、すなわち、分極の解消に要する時間は二次電池の温度が低いほど長く、温度が高いほど短い傾向になるので、二次電池の温度に応じて充電停止時間を設定することにより、分極の解消に要する時間に対して適切な充電停止時間が設定されることとなり、効率良く二次電池を充電することができる。

図１は本実施形態の充電システムの構成図である。 図２は第１実施形態による充電制御ルーチンのフローチャートである。 図３は停止時間マップである。 図４は充電制御を実行した場合のタイムチャートである。 図５は第１実施形態による効果を説明するためのタイムチャートである。 図６は第２実施形態による充電制御ルーチンのフローチャートである。 図７は充電停止時間補正用の補正係数テーブルである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の実施形態による充電システムの構成図である。

充電システムは、バッテリ３と、バッテリ３に充電電力を供給する充電器２と、充電器２を制御するコントローラ１とを含んで構成される。さらに、充電器２からバッテリ３へ供給される充電電流を検出する電流センサ４と、バッテリ電圧を検出する電圧センサ５と、バッテリ３の温度を検出する温度センサ６を備える。

コントローラ１は、充電器２からバッテリ３へ充電される電力を、電流センサ４、電圧センサ５の検出値に基づいて算出し、算出した充電電力に基づく充電電力指令を充電器２に送出する。また、温度センサ６の検出値も読み込む。コントローラ１の内部構成については後述する。

充電器２は、コントローラ１からの充電電力指令に基づいた充電電力をバッテリ３に供給する。

バッテリ３は、例えば電動車の駆動モータを駆動するための電力源として用いられるリチウムイオンバッテリ等の二次電池であり、充電器２から供給される充電電力によって充電される。

電流センサ４、電圧センサ５、及び温度センサ６の検出値はコントローラ１に読み込まれる。

次に、コントローラ１の内部構成について説明する。なお、各構成部での演算内容については、図２のフローチャートを参照して説明する。

コントローラ１は、充電可能電力算出部１１、充電電力指令部１０、タイマ１２、及び停止時間設定部１３を含んで構成されている。

充電可能電力算出部１１は、電流センサ４及び電圧センサ５の検出値を読み込み、これらに基づいて充電可能電力を算出する。充電可能電力とは、満充電状態になるまでにバッテリ３に充電し得る電力を意味する。

充電電力指令部１０は、充電可能電力算出部１１で算出された充電可能電力に基づいた充電電力指令を充電器２へ送出する。また、充電電力指令部１０は、充電可能電力算出部１１で算出された充電可能電力が予め設定した所定電力以下となった場合に、満充電状態であると判断し、充電を停止、つまり充電電力指令をゼロ[ｋＷ]にする。さらに、満充電状態であると判断した場合は、停止時間設定部１３へ充電停止時間を設定させるための指令（以下、停止時間設定指令という）を送出する。停止時間設定指令を送出したら、後述するタイマ１２のカウント値を読み込み、カウント値がゼロになった時点で、充電可能電力に基づく充電電力指令の充電器２への送出を再開し、いわゆる追い充電を行なう。

停止時間設定部１３は、充電電力指令部１０からの停止時間設定指令を受けたら、バッテリ温度に応じた停止時間を算出し、算出した停止時間をタイマ１２に設定する。なお、詳細は後述するが、バッテリ温度に応じた停止時間はバッテリ温度が低いほど長くなる時間である。

タイマ１２は、停止時間設定部１３により停止時間が設定されたら、カウントダウン（カウント値を所定時間毎に減少する処理）を開始する。ただし、カウント値の最小値はゼロとする。

図２は、コントローラ１が実行する充電制御ルーチンのフローチャートである。

ステップＳ１０で、コントローラ１は充電可能電力を演算する。より詳細には、充電可能電力算出部１１で電流センサ４の検出値及び電圧センサ５の検出値に基づいて充電可能電力を演算し、この充電可能電力を充電電力指令部１０へ送出し、充電電力指令部１０が充電器２へ充電電力指令を送出する。

ここで、充電可能電力の演算方法の一例を説明する。まず、予め定めておいた満充電電圧と電圧センサ５の検出値との偏差、つまり、満充電状態までの電圧上昇代△Ｖを算出する。次に、電圧上昇代△Ｖと予め測定しておいたバッテリ３の抵抗Ｒとを用いて、満充電状態までの電流上昇代△Ｉを算出する。そして、電圧上昇代△Ｖと電流上昇代△Ｉから満充電状態になるまでの電力上昇代、つまり充電可能電力を算出することができる。

ステップＳ２０で、コントローラ１は充電電力指令部１０にて満充電状態か否かの判定を行なう。具体的には、充電可能電力が予め定めた所定電力以下になった場合に、満充電状態であると判定する（以下、この判定を「満充電判定」という）。所定電力は、本ステップでの判定の目的からすればゼロ[ｋＷ]に設定してもよいが、各センサ４、５の検出誤差等により充電可能電力がゼロまで減少せず、満充電状態であると判定されないおそれがある。そこで、各センサ４、５の誤差があっても満充電状態であると判定できるような、ほぼゼロ[ｋＷ]に近い値を設定する。

判定の結果、満充電判定された場合はステップＳ３０の処理を実行し、満充電判定されなかった場合は再びステップＳ１０の処理を実行する。

なお、満充電判定は、あくまでも充電可能電力が所定電力以下になったという判定であり、実際にバッテリ３が満充電状態になったという判定ではない。

ステップＳ３０で、コントローラ１は、停止時間設定部１３にて満充電判定後の充電停止時間を設定する。停止時間設定部１３は、温度センサ６の検出値を読み込み、予め記憶しておいた停止時間マップを参照することで停止時間を決定し、決定した設定時間をタイマ１２に設定するとともに、タイマ１２のカウントダウンを開始させる。停止時間マップは、例えば図３に示すように、バッテリ温度が低くなるほど長い停止時間が設定されるようになっている。これは、バッテリ温度が低いほど、分極が解消するまでの時間が長くなるという特性に基づく。例えば、リチウムイオン電池の場合、分極は拡散物質であるリチウムイオンの拡散により生じる濃度差に起因しており、バッテリ温度が低いほど電解液の粘度が高くなって濃度差の解消に時間を要する。したがって、バッテリ温度が低いほど充電時間を長く設定することで、充電を再開するまでに分極が十分に解消される。

なお、停止時間マップはバッテリ温度が低いほど長い停止時間が設定されるという条件を満たしていれば、図３に限られるものではない。例えば、温度領域を複数の区間に分割し、区間毎に停止時間を設定してもよい。

ステップＳ４０で、コントローラ１は充電電力指令部１０内に備えられている満充電判定回数カウンタの値を参照し、満充電判定回数が予め定めた規定回数以上となったか否かを判定する。規定回数は任意に設定し得るが、例えば５回程度に設定する。規定回数未満であればステップＳ５０の処理を実行し、所定回数以上であればカウンタ値をゼロにリセットして充電を完了する。

ステップＳ５０で、コントローラ１は満充電判定回数カウンタの値をインクリメントする。満充電判定回数カウンタは、ステップＳ４０でカウンタ値が規定回数以上であると判定されるまでは、ステップＳ２０で満充電判定される度にカウンタ値をインクリメントする。

ステップＳ６０で、コントローラ１は充電電力指令部１０にて充電電力指令値をゼロ[ｋＷ]として充電器２へ送信し、充電を停止させる。

ステップＳ７０で、コントローラ１は充電電力指令部１０にて充電停止時間が経過したか否かを判定する。具体的には、タイマ１２のカウンタ値がゼロになったか否かを判定する。充電停止時間が経過した場合は追い充電のために再びステップＳ１０の処理を実行し、充電停止時間が経過していない場合は再びステップＳ６０の処理を実行する。

上述したように、満充電判定された時点のバッテリ温度が低いほど長い充電停止時間を設定し、満充電判定回数が規定回数となるまで追い充電を繰り返し行い、バッテリ３の充電状態を真の満充電状態に近づける。

図４は、上記の充電制御を実行した場合のタイムチャートである。

充電を開始すると、徐々にバッテリ電圧が上昇する。なお、充電可能電力はタイミングＴ１まで一定値となっている。これは、演算ではより大きな充電可能電力が算出されているが、充電器２の供給能力の上限であるＰ１で制限しているためである。

バッテリ電圧が満充電電圧に近づいたタイミングＴ１から充電可能電力は低下し始め、満充電か否かの判定用に設定した所定値であるＰ２以下になったタイミングＴ２で、満充電判定がなされて充電が一旦停止する。そして、充電停止時間経過後のタイミングＴ３から、追い充電を開始する。これ以降、満充電判定が規定回数以上になるまで、同様に充電の停止、再開を繰り返す。

図５は、バッテリ３に充電される電力量のタイムチャートである。図中の実線は、本実施形態の充電制御を実行した場合を示している。比較例として、充電停止時間がバッテリ温度によらず一定の場合を破線で示している。なお、バッテリ温度は、例えばゼロ[℃]付近とする。

充電開始から最初の満充電判定であるタイミングＴ１までは、本実施形態と比較例は同様に電力量が増大し、充電を停止する。バッテリ温度に応じて充電停止時間を設定する本実施形態がタイミングＴ３で充電を再開するのに対し、バッテリ温度によらず充電停止時間が一定な比較例では、タイミングＴ３より早いタイミングＴ２で追い充電を開始している。

２回目の満充電判定時の電力量を比較すると、本実施形態ではＰ３まで増大しているのに対し、比較例ではそれより低いＰ２までしか増大していない。これは、本実施形態ではバッテリ温度に応じて分極が十分に解消し得る充電停止時間を設定するのに対し、比較例ではバッテリ温度によらず充電停止時間が一定なため、分極が十分に解消しない状態で充電を再開することになるためである。二回目の満充電判定以降も同様の傾向は続く。

その結果、本実施形態では真の満充電電力量であるＰ４にタイミングＴ４で到達するのに対し、比較例ではそれより遅いタイミングＴ５で到達している。このように、満充電判定後に充電を一旦停止し、充電停止時間経過後に追い充電を行なう充電制御において、バッテリ温度が低いほど充電停止時間を長く設定することによって、効率良く二次電池の充電を行なうことができる。

上述した第１実施形態の効果についてまとめると、次のようになる。

バッテリ３の温度を検出する温度センサ６と、少なくとも満充電判定がされた際のバッテリ温度に基づいて充電停止時間を設定する停止時間設定部１３を備え、バッテリ温度が低いほど充電停止時間を長く設定する。これにより、バッテリ温度が低いために分極が解消するまでの時間が長い状況ほど充電停止時間が長くなり、追い充電により充電される電力量が増大するので、効率良く充電を行なうことができる。

満充電判定回数が予め設定した規定回数になったら充電を終了するので、追い充電を無駄に繰り返すことがない。

（第２実施形態）
第２実施形態の充電システムは、満充電判定後に充電を停止し、バッテリ温度に基づいて設定した充電停止時間が経過したら追い充電を行なうという構成は第１実施形態と同様であるが、満充電判定の回数に基づいて充電停止時間を補正する点で第１実施形態と異なる。

図６は、第２実施形態でコントローラ１が行う充電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図２のフローチャートとの相違点は、ステップＳ５０で満充電判定回数をカウントした後に、充電判定回数に応じて充電停止時間を補正するステップＳ５５を実行する部分と、ステップＳ７５で補正後の充電停止時間が経過したか否かを判定する部分である。以下、上記の相違点について説明する。

ステップＳ５５で、コントローラ１はステップＳ３０で設定した充電停止時間を、満充電判定回数が多くなるほど短くするよう補正する。具体的には、第１実施形態と同様にステップＳ３０で設定した充電停止時間に対し、満充電判定回数が多くなるほど小さくなる１以下の補正係数αを乗算する。補正係数αは、満充電判定回数カウンタの値に基づいて、例えば予め実験等により求めた図７に示すテーブルを参照して決定する。

追い充電では、バッテリ電圧が満充電電圧に近いため満充電判定前に比べて充電電流が小さくなり、分極による拡散物質の濃度差がつきにくい。つまり、満充電判定後の充電停止中にバッテリ電圧が低下しにくい。このため、満充電判定回数が多くなるほど分極の影響は小さくなり、分極が解消するのを待つための充電停止時間を短くすることができる。そこで、満充電回数が多くなるほど小さくなる１以下の値である補正係数αを、バッテリ温度に応じて設定した充電停止時間に乗算し、満充電判定回数が多くなるほど充電停止時間を短くして、必要以上に長い充電停止時間が設定されることを防止する。これにより、第１実施形態に比較して、更に適切な充電停止時間を設定することができ、充電時間が必要以上に長くなることを防止することができる。

なお、図７のテーブルの満充電判定回数と補正係数αとの関係は、実験等により充電停止してからの分極の解消の程度を調べ、これに基づいて設定する。また、図７では満充電判定回数が４回以上になると、補正係数αは変化せずに固定値となっている。これにより、満充電判定回数が多くなった場合に充電停止時間が極端に短くなることがなく、追い充電自体は実施することができる。

ステップＳ７５は、タイマ１２のカウンタ値がゼロになったか否かで充電停止時間が経過したか否かを判定するという内容はステップＳ７０と同じである。ただし、カウントダウン開始時のカウント値が異なる。

以上のように、第２実施形態では、満充電判定回数が多くなるほど充電停止時間を短くするよう補正するので、第１実施形態よりもさらに効率良く二次電池の充電を行なうことができる。

また、満充電判定回数が所定回数になったら、それ以降は満充電判定回数が所定回数になった時点の充電停止時間を保持するので、充電定時間が必要以上に短くなることがなく、追い充電を実施することができる。

なお、充電方法や満充電判定方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。充電電力指令部１０から出力される充電電力指令に代えて、充電可能電力算出部１１で算出された充電可能電力に基づく充電電流指令を出力するようにしてもよい。例えば、充電電力指令部１０が、充電可能電力算出部１１で算出された充電可能電力をバッテリ電圧で除算した値を、充電電流指令として送出する構成が考えられる。

さらにまた、充電電力指令部１０から出力される充電電力指令に代えて、充電可能電力算出部１１で算出された充電可能電力に基づく充電電圧指令を出力するようにしてもよい。例えば、充電可能電力算出部１１が予め定めた所定の満充電電圧とバッテリ電圧とに基づいて充電可能電力を算出し、充電可能電力が所定値以下となるまで、予め定めた一定の満充電電圧を充電電圧指令として送出する構成が考えられる。この場合、充電可能電力算出部によって算出される充電可能電力が所定値以下となった時点で満充電状態であると判定し、充電指令をゼロ[ｋＷ]とすればよい。なお、充電可能電力算出部１１は、バッテリ電圧が予め定めた所定の満充電電圧となった場合、またはバッテリ電圧と予め定めた所定の満充電電圧との偏差が所定値以下となった場合に、満充電状態であると判定してもよい。

上記のように、本発明の充電システムは、充電方法や満充電判定方法については限定されず、バッテリ３が満充電状態となるまで充電し、満充電状態となった後は所定時間充電を停止する構成であればよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ コントローラ
２ 充電器（充電電源）
３ バッテリ
４ 電流センサ（充電電力検出手段）
５ 電圧センサ（充電電力検出手段）
６ 温度センサ（温度検出手段）
１０ 充電電力指令部（満充電判定手段、充電制御手段）
１１ 充電可能電力算出部
１２ タイマ
１３ 停止時間設定部（停止時間設定手段）

Claims (5)

1. 二次電池を充電するための電力を出力可能な充電電源と、
   前記充電電源が前記二次電池を充電する際の充電電圧を検出する充電電圧検出手段と、
   充電電圧検出手段の検出値に基づいて算出した充電可能電力が予め設定した所定電力以下になった場合に満充電判定をする満充電判定手段と、
   前記満充電判定されるまで前記充電電源から前記二次電池へ電力を供給し、前記満充電判定されたら前記充電電源から前記二次電池への電力供給を停止し、電力供給の停止から分極の少なくとも一部を解消し得る所定時間経過したら電力供給を再開し、再び満充電判定されるまで電力供給を継続するという充電制御を行なう充電制御手段と、
   前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
   少なくとも前記満充電判定がされた際の前記温度検出手段の検出温度に基づいて、前記充電電源から前記二次電池への電力供給の停止から再開までの前記所定時間である停止時間を設定する停止時間設定手段と、
   を備え、
   前記停止時間設定手段は前記温度検出手段の検出温度が低いほど前記停止時間を長く設定することを特徴とする二次電池の充電装置。
2. 請求項１に記載の二次電池の充電装置において、
   前記充電制御手段は前記充電制御を予め設定した規定回数だけ繰り返し行う二次電池の充電装置。
3. 請求項１または２に記載の二次電池の充電装置において、
   前記満充電判定された回数が多いほど、前記停止時間設定手段によって設定された停止時間を減少補正する停止時間補正手段を備える二次電池の充電装置。
4. 請求項３に記載の二次電池の充電装置において、
   前記停止時間補正手段は、前記満充電判定の回数が所定回数になったら、それ以降は満充電判定の回数が所定回数になった時点の停止時間を保持する二次電池の充電装置。
5. 二次電池を充電するための電力を出力可能な充電電源によって前記二次電池が充電される際の充電電圧を検出する充電電圧検出工程と、
   前記充電電圧検出工程で検出された検出値に基づいて算出した充電可能電力が予め設定した所定電力以下になった場合に満充電判定をする満充電判定工程と、
   前記満充電判定されるまで前記充電電源から前記二次電池へ電力を供給し、前記満充電判定されたら前記充電電源から前記二次電池への電力供給を停止し、電力供給の停止から分極の少なくとも一部を解消し得る所定時間経過したら電力供給を再開し、再び満充電判定されるまで電力供給を継続するという充電制御を行なう充電制御工程と、
   を備える二次電池の充電方法において、
   前記二次電池の温度を検出する温度検出工程と、
   少なくとも前記満充電判定がされた際の前記温度検出工程における検出温度に基づいて、前記温度検出工程における検出温度が低いほど、前記充電電源から前記二次電池への電力供給の停止から再開までの前記所定時間である停止時間を長く設定する停止時間設定工程を更に備えることを特徴とする二次電池の充電方法。

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