JP6088840B2

JP6088840B2 - 充放電システム

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Publication number: JP6088840B2
Application number: JP2013029169A
Authority: JP
Inventors: 慎介瀧野
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: JP2014157778A

Description

本発明は、二次電池を充電又は放電する充放電システムに関するものである。

従来の充放電システムとして、特許文献１には、二次電池を大電流で充電する際に、通電及び休止を繰り返すことで間欠的な通電を行うシステムが開示されている。

特開２０１１−６６００３号公報

特許文献１に開示されているような二次電池は、放電時の使用温度範囲と充電時の使用温度範囲が異なっているものが多い。例えば、放電時の使用温度範囲は−２０℃〜６０℃であり、充電時の使用温度範囲は０℃〜４５℃である。この場合において、０℃よりも低い低温環境下では、二次電池を充電すると二次電池は著しく劣化してしまう。

このため、低温環境下で二次電池を充電するときは、二次電池の温度が充電時の使用温度範囲に上昇するまで二次電池の充電を待機しなければならない。そのため、低温環境下では早期に二次電池を使用することは困難であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、低温時に二次電池を早期に使用可能にすることを目的とする。

本発明は、放電時の使用温度範囲の下限値である放電下限値が、充電時の使用温度範囲の下限値である充電下限値よりも低い二次電池と、前記二次電池の温度を検出する検出部と、前記二次電池から、前記二次電池の自己発熱に必要な電流を放電させる放電抵抗器と、前記放電抵抗器と前記二次電池との間を接続又は遮断する抵抗器側切替器と、前記検出部により検出される二次電池の温度が前記充電下限値よりも低い場合には、前記抵抗器側切替器を制御して前記二次電池の温度が前記充電下限値に達するまで前記二次電池から前記放電抵抗器へ前記電流を放電させる制御部と、を備え、前記検出部は、さらに前記二次電池の残容量を検出するとともに、前記制御部は、前記二次電池の温度が前記充電下限値よりも低い場合において、前記二次電池の残容量が、前記二次電池の発熱特性によって定められた暖機閾値よりも高い場合には、前記抵抗器側切替器を遮断状態にして前記放電抵抗器への放電を停止することを特徴とする。

本発明では、充電下限値よりも低い低温環境下で二次電池を起動したときに、二次電池の放電よる自己発熱によって、二次電池を充電時の使用温度範囲まで上昇させる期間を短縮することができる。したがって、低温時に二次電池を早期に充電可能な状態にすることができる。

本発明の実施形態に係る充放電システムを示すブロック図である。充放電システムのバッテリー制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る充放電システム１について説明する。

充放電システム１は、例えば、建設機械に搭載され、バッテリーの充電又は放電を制御するものである。

充放電システム１は、バッテリー１０と、発電機又は電動機として動作する電動モーター４０と、バッテリー１０の充電時に電動モーター４０からの電力を交流から直流に変換し、放電時にバッテリー１０の電力を直流から交流に変換するインバーター３０と、を備える。

さらに充放電システム１は、インバーター３０とバッテリー１０とを接続又は遮断するインバーター側切替器２０と、バッテリー１０の充放電状態を検出するバッテリー状態検出部１１と、充放電状態に応じてインバーター側切替器２０を制御する制御部１００と、を備える。

バッテリー１０は、例えば、定格容量１０Ａｈ（アンペアアワー）の二次電池である。バッテリー１０は充電と放電が可能な多数のセルを有し、各セルは直列に接続されている。バッテリー１０は、本実施形態では公称電圧が１０Ｖ（ボルト）のリチウムバッテリーである。

バッテリー１０については、充電時の使用温度範囲と放電時の使用温度範囲とが定められている。充電時及び放電時の使用温度範囲外でバッテリー１０を使用した場合、バッテリー１０の劣化を早め、破損や変形の原因になる恐れがある。

本実施形態では、バッテリー１０の充電時の使用温度範囲に比べて放電時の使用温度範囲の方が広い。放電時の使用温度範囲は、−２０℃から６０℃であるのに対し、充電時の使用温度範囲は、氷点温度０℃から４５℃である。放電時の使用温度範囲の下限値（−２０℃）は、充電時の使用温度範囲の下限値（０℃）よりも低く、氷点下の温度である。以下、バッテリー１０の充電時の使用温度範囲の下限値を「充電下限温度」と称し、バッテリー１０の放電時の使用温度範囲の下限値を「放電下限温度」と称する。

バッテリー状態検出部１１は、バッテリー１０の温度、電圧、電流や、電池の残容量ＳＯＣ（State Of Charge）などの充放電状態を検出する。バッテリー状態検出部１１は、例えば、バッテリー１０に設けられた温度センサーからバッテリー温度を取得する。バッテリー状態検出部１１は、バッテリー温度、電圧、電流や、残容量ＳＯＣなどを示す状態情報を制御部１００に供給する。

制御部１００は、バッテリー状態検出部１１からの状態情報に基づいてインバーター側切替器２０と抵抗器側切替器１２０を切り替え、バッテリー１０の充電又は放電を制御する。

例えば、制御部１００は、電動モーター４０が発電機として動作する場合において、状態情報に示されるバッテリー温度が充電下限温度以上であるときに、インバーター側切替器２０を接続するとともに抵抗器側切替器１２０を切断する。これにより、電動モーター４０からインバーター３０を介してバッテリー１０が充電される。一方、制御部１００は、電動モーター４０が電動機として動作する場合において、バッテリー温度が充電下限温度以上であるときには、インバーター側切替器２０を接続状態に切り替えてバッテリー１０から、例えば１Ｃレートでインバーター３０に電流を放電する。

また、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低いときには、バッテリー状態検出部１１から充電要求を受け付けても、インバーター側切替器２０を遮断状態に維持してインバーター３０からバッテリー１０への充電を停止状態にする。

このように、充電下限温度よりも低い温度環境下でバッテリー１０を充電するときには、バッテリー温度が充電下限温度に上昇するまでバッテリー１０の充電を待機しなければならない。

一般的に充電下限温度よりも低い低温環境下ではバッテリーの内部抵抗は高くなるため、低温時にバッテリーを放電させるとバッテリー自身が発熱しやすくなる。そこで本発明では、バッテリー１０からインバーター３０への放電レートよりも大きな放電レートであってバッテリー１０の自己発熱に必要な放電レートにより、バッテリー１０から電流を放電させることで、バッテリー１０を早期に暖機する。

本発明の実施形態では、バッテリー１０を早期に暖機するため、放電抵抗器１１０と抵抗器側切替器１２０とが充放電システム１に設けられている。放電抵抗器１１０と抵抗器側切替器１２０は、互いに直列に接続され、バッテリー１０に対して並列に接続される。

放電抵抗器１１０は、バッテリー１０の暖機に必要な電流をバッテリー１０から放電させる抵抗器である。放電抵抗器１１０は、例えば、バッテリー１０の定格容量に対して２Ｃレート以上の電流を放電するための抵抗値を有する。なお、本実施形態では２Ｃレート以上の放電電流を「暖機電流」と称する。

本実施形態では、放電抵抗器１１０は、バッテリー１０の定格容量（１０Ａｈ）に対して２０Ａの暖機電流Ｉを放電するのに必要な０．５Ω（オーム）の抵抗値Ｒを有する。したがって、放電抵抗器１１０では２００Ｗ（ワット）の電力（Ｐ＝Ｉ²×Ｒ）が消費されることになるので、例えば、耐電力４００Ｗの抵抗器が用いられる。

抵抗器側切替器１２０は、制御部１００の制御に従って、放電抵抗器１１０とバッテリー１０との間を接続又は遮断する。例えば、抵抗器側切替器１２０は、制御部１００と接続される制御端子を有し、制御端子からＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの制御信号を受けると、放電抵抗器１１０とバッテリー１０とを接続する。一方、抵抗器側切替器１２０は、Ｌ（Ｌｏｗ）レベルの制御信号を受けると、放電抵抗器１１０とバッテリー１０の接続を遮断する。

制御部１００は、バッテリー状態検出部１１からの状態情報に基づいてインバーター側切替器２０とともに抵抗器側切替器１２０を切り替える。制御部１００は、バッテリー状態検出部１１から状態情報を受け付けると、状態情報に示されるバッテリー温度が充電下限温度よりも低いか否かを判断する。

制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度以上である場合には、抵抗器側切替器１２０の制御端子にＬレベルの制御信号を出力する。一方、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合には、抵抗器側切替器１２０の制御端子にＨレベルの制御信号を出力する。

また、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合において、バッテリー１０の残容量ＳＯＣに基づいて抵抗器側切替器１２０を遮断状態に切り替える。

例えば、制御部１００には、放電抵抗器１１０での放電レートによって定められた放電閾値が予め記録されている。すなわち、放電抵抗器１１０の放電レートが高い程、放電閾値は高くなる。本実施形態では、放電閾値は２０％に設定される。

そして制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合において、残容量ＳＯＣが放電閾値（２０％）以下である場合には、抵抗器側切替器１２０の制御端子にＬレベルの制御信号を出力する。

これにより、抵抗器側切替器１２０が強制的に遮断状態となり、バッテリー１０の残容量ＳＯＣが放電抵抗器１１０によって短期間に全て消費されてしまうことを防ぐことができる。このため、バッテリー１０が完全に放電してインバーター３０から電動モーター４０に必要最低限の電力を供給できくなることを回避できる。

また、制御部１００に記録される閾値として、放電閾値に加えて、バッテリー１０の放電による自己発熱特性によって定められた暖機閾値をさらに設けても良い。バッテリー１０では、氷点下において残容量ＳＯＣが大きい程、自己発熱量は小さくなる。放電抵抗器１１０へ２Ｃレートで放電する場合において残容量ＳＯＣが８０％であるときの発熱量は、インバーター３０へ１Ｃレートで放電するときの発熱量とほぼ同等である。そのため、本実施形態では暖機閾値は８０％に設定される。

そして制御部１００は、バッテリー温度が充電温度下限値よりも低い場合において、残容量ＳＯＣが暖機閾値（８０％）以上である場合には、抵抗器側切替器１２０の制御端子にＬレベルの制御信号を出力する。

これにより、抵抗器側切替器１２０が強制的に遮断状態となり、放電抵抗器１１０ではなくインバーター３０へ放電することが可能となるので、バッテリー１０の残容量ＳＯＣを放電抵抗器１１０で無駄に消費されることを回避できる。したがって、バッテリー１０を効率的に暖機することができる。

このように、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合、バッテリー１０の残容量ＳＯＣに応じて抵抗器側切替器１２０を遮断状態に切り替え、バッテリー１０から放電抵抗器１１０への放電を停止させてもよい。

また、バッテリー１０を放電する場合において、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度以上であるときは、抵抗器側切替器１２０を遮断状態に設定するとともにインバーター側切替器２０を接続状態に設定する。一方、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合には、抵抗器側切替器１２０を接続状態に切り替えるとともにインバーター側切替器２０を接続状態に切り替える。

具体的には、制御部１００は、バッテリー１０から電動モーター４０への放電要求を受けた場合において、バッテリー温度が充電下限温度以上であるときは、バッテリー１０を放電抵抗器１１０から遮断するとともに、バッテリー１０をインバーター３０に接続する。

一方、制御部１００は、電動モーター４０への放電要求を受けた場合において、バッテリー温度が充電下限温度よりも低いときは、バッテリー１０に放電抵抗器１１０を接続するとともに、バッテリー１０からインバーター３０を遮断する。そして制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度まで昇温したときは、バッテリー１０から放電抵抗器１１０を遮断するとともに、バッテリー１０をインバーター３０に接続する。

また、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い低温環境下において、制御部１００は、状態情報に示された残容量ＳＯＣが低温閾値よりも低下したときは、抵抗器側切替器１２０及びインバーター側切替器２０をそれぞれ遮断状態に設定してバッテリー１０の放電を停止する。

これにより、低温環境下でのバッテリー１０の内部抵抗値の増大に伴う電動モーター４０への放電による劣化を回避できる。本実施形態では低温閾値は１０％に設定される。なお、低温閾値と放電閾値は同時に設定される。低温閾値は、低温環境下でのバッテリー１０の内部抵抗値によって定まるものであるのに対し、放電閾値は、放電抵抗器１１０への放電レートに応じて定まるものである。例えば、放電閾値は、放電抵抗器１１０への放電レートが大きいほど低温閾値よりも高くなり、放電抵抗器１１０への放電レートが小さいほど放電閾値は低温閾値よりも低くなる。

本実施形態では、低温閾値（１０％）が放電閾値（２０％）よりも低いため、放電抵抗器１１０へ放電するときには、例えば低温閾値の代わりに放電閾値が設定される。また、低温時にインバーター３０へ放電するときには低温閾値が設定される。なお、低温閾値は、制御部１００に予め記録される。

制御部１００は、放電抵抗器１１０でバッテリー１０を放電してからバッテリー温度が充電下限温度まで上昇したときには、抵抗器側切替器１２０を制御して放電抵抗器１１０をバッテリー１０から遮断する。そして制御部１００は、インバーター側切替器２０を制御してバッテリー１０をインバーター３０に接続する。

すなわち、インバーター側切替器２０は、インバーター３０にバッテリー１０を放電する場合において、バッテリー温度が充電下限温度よりも低いときはインバーター３０とバッテリー１０とを遮断する。そしてインバーター側切替器２０は、バッテリー温度が充電下限温度まで昇温したときにインバーター３０とバッテリー１０とを接続する。

このように制御部１００は、インバーター３０への放電要求があっても、バッテリー温度が、放電下限温度よりも高く、充電下限温度よりも低いときは、放電抵抗器１１０への放電を優先して、バッテリー１０を充電時の使用温度範囲まで早期に暖機させる。なお、放電下限温度とは、上述のとおり、バッテリー１０の放電時の使用温度範囲の下限値である。

これにより、バッテリー１０の充電と放電とが交互に切り替えられる状況においては、電動モーター４０に放電するよりも放電抵抗器１１０で放電させる方が暖機に要する時間を短縮できるので、早期にバッテリー１０への充電が可能となる。このため、効率的にバッテリー１０を使用することができる。

なお、バッテリー温度が充電時又は放電時の使用温度範囲の上限値を超えた場合には、バッテリー１０の劣化を防ぐために、抵抗器側切替器１２０及びインバーター側切替器２０をそれぞれ遮断状態にするのが好ましい。

図２は、充放電システム１のバッテリー制御方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ９１０において、充放電システム１を搭載した建設機械のイグニッションキーがＯＮに設定され、充放電システム１が起動する。

ステップＳ９２０においてバッテリー状態検出部１１は、バッテリー１０に設けられた温度センサーからバッテリー温度Ｔｂを取得し、バッテリー１０の電圧と電流に基づいて充電容量の残容量ＳＯＣを検出する。そしてバッテリー状態検出部１１は、バッテリー温度Ｔｂや残容量ＳＯＣなどを示す状態情報を制御部１００に供給する。

ステップＳ９３０において制御部１００は、バッテリー状態検出部１１から状態情報を受け付けると、状態情報に示されたバッテリー温度Ｔｂが、充電下限温度Ｔｈよりも低いか否かを判断する。

ステップＳ９７０において制御部１００は、バッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈ以上である場合には、充放電システム１の起動後にバッテリー１０の充放電要求を受けているか否か確認する。充放電要求には、バッテリー１０から電動モーター４０への放電要求、又は、電動モーター４０からバッテリー１０への充電要求がある。

ステップＳ９８０において制御部１００は、充放電要求を受けた場合には、抵抗器側切替器１２０を遮断状態に設定するとともにインバーター側切替器２０を接続状態に設定し、インバーター３０を介してバッテリー１０の充電又は放電をする。そして制御部１００は、充放電要求を受けていない場合には、バッテリー制御方法を終了する。

一方、ステップＳ９４０において制御部１００は、バッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈよりも低い場合において、状態情報に示された残容量ＳＯＣが放電閾値、例えば２０％よりも大きいか否かを判断する。

ステップＳ９５０において制御部１００は、バッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈよりも低い場合において残容量ＳＯＣが放電閾値よりも大きいときは、さらに残容量ＳＯＣが暖機閾値、例えば８０％よりも小さいか否かを判断する。

ステップＳ９６０において制御部１００は、バッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈよりも低い低温環境下で、残容量ＳＯＣが、放電閾値（２０％）よりも大きく、かつ、暖機閾値（８０％）よりも小さい場合には、バッテリー１０を放電抵抗器１１０で放電する。

すなわち、制御部１００は、低温環境下で残容量ＳＯＣが放電閾値（２０％）から暖機閾値（８０％）までの範囲を超えないときは、抵抗器側切替器１２０を接続状態に設定するとともに、インバーター側切替器２０を遮断状態に設定する。これにより、バッテリー１０の暖機に必要な２Ｃレートでバッテリー１０から暖機電流が放電抵抗器１１０に放電される。そしてバッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈに上昇するまで、一連の処理手順ステップＳ９２０〜ステップＳ９６０を繰り返す。

ステップＳ９４０において制御部１００は、バッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈよりも低い場合において、残容量ＳＯＣが放電閾値（２０％）以下であるときは、抵抗器側切替器１２０を強制的に遮断状態に設定し、ステップＳ９７０に進む。

ステップＳ９５０において制御部１００は、バッテリー温度Ｔｂが充電下限温度Ｔｈよりも低い場合において、残容量ＳＯＣが暖機閾値（８０％）以上であるときは、抵抗器側切替器１２０を強制的に遮断状態に設定し、ステップＳ９７０に進む。

ステップＳ９８０において制御部１００は、バッテリー１０への充電要求を受けた場合には、充電時の使用温度範囲内でバッテリー１０を充電し、放電要求を受けた場合には、放電時の使用温度範囲内でバッテリー１０から電動モーター４０へ放電する。そして制御部１００によるバッテリー制御処理を終了する。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

充放電システム１では、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合には、抵抗器側切替器１２０を制御してバッテリー温度が充電下限温度に達するまでバッテリー１０から自己発熱に必要な放電電流を放電抵抗器１１０へ放電する。

これにより、バッテリー１０に放電電流が流れるため、バッテリー自体が発熱することにより、充電が可能な温度まで上昇するのに要する時間を短縮することができる。したがって、充電時の使用温度範囲よりも低い低温環境下で二次電池を充電可能な状態に早期にすることができる。

また、制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度よりも低い場合においては、バッテリー１０の残容量ＳＯＣに基づいて、抵抗器側切替器１２０を強制的に遮断状態にして放電抵抗器１１０への放電を停止する。

例えば、制御部１００は、バッテリー１０の残容量ＳＯＣが、放電抵抗器１１０での放電レートによって定められた放電閾値よりも低い場合には、抵抗器側切替器１２０を強制的に遮断状態にする。これにより、バッテリー１０の残容量ＳＯＣが放電抵抗器１１０によって短期間に全て消費されてしまうことを防ぐことができる。

また、制御部１００は、バッテリー１０の残容量ＳＯＣが、バッテリー１０の発熱特性によって定められた暖機閾値よりも高い場合には、抵抗器側切替器１２０を強制的に遮断状態にする。これにより、バッテリー１０からは放電抵抗器１１０ではなくインバーター３０へ放電することが可能となるので、バッテリー１０の残容量ＳＯＣを放電抵抗器１１０で無駄に消費されるのを回避できる。

また、本実施形態では、制御部１００は、バッテリー１０を放電する場合において、バッテリー温度が充電下限温度よりも低いときは、抵抗器側切替器１２０を接続状態に設定するとともにインバーター側切替器２０を遮断状態に設定する。そして制御部１００は、バッテリー温度が充電下限温度まで上昇したときに、抵抗器側切替器１２０を遮断状態に切り替えるとともにインバーター側切替器２０を接続状態に切り替える。

これにより、バッテリー１０の充電と放電とが交互に切り替えられる状況では、インバーター３０への放電に比べて放電抵抗器１１０で放電させる方が暖機に要する時間が短くなり、早期にバッテリー１０への充電が可能となるため、効率的にバッテリー１０を使用することができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、インバーター側切替器２０、抵抗器側切替器１２０としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のトランジスタや、リレーなどのようなスイッチング素子が用いられてもよい。

また、バッテリー温度の検出手法については、バッテリー１０の温度を直接検出しても良いし、バッテリー周囲の雰囲気や、バッテリーケース、バッテリー内部の基板温度などを介してバッテリー温度を間接的に検出してもよい。

１充放電システム
１０バッテリー
１１バッテリー状態検出部
２０インバーター側切替器
３０インバーター
４０電動モーター
１００制御部
１１０放電抵抗器
１２０抵抗器側切替器

Claims

放電時の使用温度範囲の下限値である放電下限値が、充電時の使用温度範囲の下限値である充電下限値よりも低い二次電池と、
前記二次電池の温度を検出する検出部と、
前記二次電池から、前記二次電池の自己発熱に必要な電流を放電させる放電抵抗器と、
前記放電抵抗器と前記二次電池との間を接続又は遮断する抵抗器側切替器と、
前記検出部により検出される二次電池の温度が前記充電下限値よりも低い場合には、前記抵抗器側切替器を制御して前記二次電池の温度が前記充電下限値に達するまで前記二次電池から前記放電抵抗器へ前記電流を放電させる制御部と、
を備え、
前記検出部は、さらに前記二次電池の残容量を検出するとともに、
前記制御部は、前記二次電池の温度が前記充電下限値よりも低い場合において、前記二次電池の残容量が、前記二次電池の発熱特性によって定められた暖機閾値よりも高い場合には、前記抵抗器側切替器を遮断状態にして前記放電抵抗器への放電を停止する、
ことを特徴とする充放電システム。
前記制御部は、前記二次電池の残容量が、前記放電抵抗器での放電レートによって定められた放電閾値よりも低い場合には、前記抵抗器側切替器を遮断状態にする、
請求項１に記載の充放電システム。
前記放電抵抗器と前記抵抗器側切替器は直列に接続されており、前記放電抵抗器及び前記抵抗器側切替器に対して並列に設けられ、前記二次電池の電力を直流から交流に変換するインバーターと、
前記インバーターと前記二次電池との間を接続又は遮断するインバーター側切替器と、を備え、
前記制御部は、前記二次電池を放電する場合において、前記二次電池の温度が前記充電下限値よりも低いときは前記抵抗器側切替器を接続するとともに前記インバーター側切替器を遮断し、前記二次電池の温度が前記充電下限値まで昇温したときに前記抵抗器側切替器を遮断するとともに前記インバーター側切替器を接続する、
請求項１又は請求項２に記載の充放電システム。