JP6311616B2

JP6311616B2 - 充電電流制御装置及び充電電流制御方法

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Publication number: JP6311616B2
Application number: JP2015004853A
Authority: JP
Inventors: 順一波多野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: JP2016131452A

Description

本発明は、電池に流れる充電電流の制御に関する。

電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車など、電動モータの動力を利用して走行する車両の普及に伴い、車両に搭載される電池に流れる充電電流を制御するための技術の向上が図られている。

充電電流の制御方法として、例えば、定電流定電圧充電制御がある。この定電流定電圧充電制御では、充電開始から電池の電圧が目標電圧になるまでの間において、定格電流になるように充電電流が制御され（定電流充電制御）、その後、電池の電圧が目標電圧になってから充電電流が終了電流になるまでの間において、徐々に減少するように充電電流が制御される（定電圧充電制御）。

電池の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始する場合、このような充電電流の制御方法では、定電流充電制御が始まってから電池に分極（主に、電気化学的分極）が生じる。そして、定電流充電制御から定電圧充電制御へ移行した後も、この分極による電池の電圧の上昇を充電電流の減少により抑えられない場合、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、電池の電圧が目標電圧を超えてしまう。電池の電圧が目標電圧を超えることは、例えば、電池の劣化の原因になる。

図６（ｂ）で、定電流充電制御時に充電電流が一定でなく上昇しているのは、充電開始してから定格電流になるように充電電流を増加させているからである。また、充電電流が定格電流になる前に定電圧充電制御へ移行しているのは、電池の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始したため、充電電流が定格電流になる前に電圧が目標電圧になり定電圧充電制御へ移行したからである。

なお、定電流充電制御時に定格電流になるように充電電流を増加させる構成に限らず、充電開始後から充電電流が定格電流であってもよい。また、充電開始時の電池の電圧によっては、充電電流が定格電流になってから定電圧充電制御へ移行することもある。

関連した技術として、例えば、分極の補正値が加算された電圧を終電圧とし、この終電圧に至るまで定電流で充電を制御するものがある。例えば、特許文献１参照。
また、関連した他の技術として、例えば、充電終了時の蓄電装置の閉回路電圧から、分極による電圧降下量を減算することにより、充電終了時の蓄電装置の開回路電圧を算出するものがある。例えば、特許文献２参照。

また、関連した他の技術として、例えば、バッテリを構成する複数のバッテリ構成部材における分極特性を考慮して分極起電圧を算出するものがある。例えば、特許文献３参照。

特開２００４−１１１１５６号公報特開２０１４−０９２４３１号公報特開２００３−０６８３７０号公報

本発明は、定電流充電制御から定電圧充電制御への移行後における電池の電圧上昇を抑えることを目的とする。

実施形態の充電電流制御装置は、定電流定電圧充電制御時に電池に流れる充電電流を制御する充電電流制御装置であって、電池の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出される電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する制御部とを備える。

制御部は、定電流充電制御時、電圧検出部により検出される電圧が、目標電圧から予測分極電圧を減算した補正目標電圧に到達すると、充電電流の上昇を停止させる。

本発明によれば、定電流充電制御から定電圧充電制御への移行後における電池の電圧上昇を抑えることができる。

実施形態の充電電流制御装置を含む蓄電装置の一例を示す図である。定電流定電圧充電制御時の制御部の動作の一例を示すフローチャートである。定電流制御時の制御部の動作の一例を示すフローチャートである。電池の電圧や充電電流の変化の一例を示す図である。記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。電池の電圧や充電電流の変化の一例を示す図である。

図１は、実施形態の充電電流制御装置を含む蓄電装置の一例を示す図である。
図１に示す蓄電装置１は、例えば、電池パックであり、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車など、電動モータの動力を利用して走行する車両２に搭載される。

また、蓄電装置１は、電池１１、電圧検出部１２、電流検出部１３、記憶部１４、及び制御部１５を備える。なお、記憶部１４は、制御部１５内に設けられてもよい。また、充電電流制御装置は、例えば、電圧検出部１２、電流検出部１３、及び制御部１５のうち、少なくとも電圧検出部１２及び制御部１５を備えて構成される。

電池１１は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池などの二次電池であり、車両２に搭載される走行用の電動モータや電装部品などに電力を供給する。なお、電池１１は、直列接続される複数の二次電池や並列接続される複数の二次電池により構成されてもよい。

電圧検出部１２は、例えば、電圧計であり、電池１１の電圧を検出する。
電流検出部１３は、例えば、電流計であり、電池１１に流れる充電電流を検出する。
記憶部１４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）であり、後述する定電流定電圧充電制御（ＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage）充電制御）を実行するためのプログラムや各種情報を記憶する。

制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルなディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）であり、ＣＣＣＶ充電制御を実行する。制御部１５は、ＣＣＣＶ充電制御時、所定時間経過毎に電流指令値を求め、その求めた電流指令値を充電器３の制御部３１に送信する。制御部３１は、電流指令値を受信すると、その電流指令値に応じた充電電流が電池１１に流れるように、電力供給部３２の出力電流を制御する。また、蓄電装置１の制御部１５は、電池１１の充電が終了したと判断すると、充電終了指示を制御部３１に送信する。制御部３１は、充電終了指示を受信すると、電力供給部３２の動作を停止し電力供給部３２から電池１１への電力供給を停止させる。

図２は、ＣＣＣＶ充電制御時の制御部１５の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部１５は、充電開始指示が入力されると、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧（例えば、満充電に対応する電圧）に到達するまで定電流充電制御（ＣＣ充電制御）を継続して実行する（Ｓ２１、Ｓ２２：Ｎｏ）。このとき、制御部１５は、充電開始してから充電電流が定格電流になるように充電電流を増加させる。

次に、制御部１５は、電圧Ｖが目標電圧に到達すると（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、ＣＣ充電制御から定電圧充電制御（ＣＶ充電制御）に移行し、充電電流を徐々に減少させる。そして、制御部１５は、ＣＶ充電制御に移行した後、電圧Ｖが目標電圧になり、かつ、電流検出部１３により検出される充電電流Ｉが終了電流になるまでＣＶ充電制御を継続して実行する（Ｓ２３、Ｓ２４：Ｎｏ）。

そして、制御部１５は、電圧Ｖが目標電圧になり、かつ、充電電流Ｉが終了電流になると（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、充電終了指示を充電器３の制御部３１に送信する（Ｓ２５）。
図３は、ＣＣ充電制御時の制御部１５の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図３に示すフローチャートは、ＣＣ充電制御時間（例えば、１［秒］）経過毎に繰り返し実行されるものとする。

まず、制御部１５は、上昇停止フラグがオンしているか否かを判断する（Ｓ３１）。
次に、制御部１５は、上昇停止フラグがオンしていないと判断すると（Ｓ３１：Ｎｏ）、予測分極電圧を求め（Ｓ３２）、補正目標電圧を求める（Ｓ３３）。例えば、制御部１５は、図４（ａ）に示すような充電電流と予測分極電圧とが対応付けられている情報を参照して、電流検出部１３により検出される充電電流Ｉに対応する予測分極電圧を求める。この情報は、例えば、実験などによって予め求められ、記憶部１４に記憶されているものとする。また、この情報には、例えば、ＣＣ充電制御時、充電電流の上昇が停止してから所定時間Ｔ経過するまでの間に電池１１に継続して流れる一定の充電電流と、充電電流の上昇が停止してから所定時間Ｔ経過するまでの間に上記一定の充電電流が電池１１に継続して流れるときの電池１１の電圧の変化幅である予測分極電圧との対応関係が示されている。図４（ａ）に示す情報の例では、上記一定の充電電流が大きくなる程、その一定の充電電流に対応する予測分極電圧も大きくなるような充電電流と予測分極電圧との対応関係が示されている。また、制御部１５は、目標電圧から予測分極電圧を減算することにより補正目標電圧を求める。

図３において、次に、制御部１５は、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが補正目標電圧になったか否かや電流検出部１３により検出される充電電流Ｉが定格電流になったか否かを判断する（Ｓ３４）。

次に、制御部１５は、電圧Ｖが補正目標電圧になっていないと判断するとともに、充電電流Ｉが定格電流になっていないと判断すると（Ｓ３４：Ｎｏ）、充電電流を上昇させる（Ｓ３５）。例えば、制御部１５は、電流指令値に所定値を加算し、その加算後の電流指令値を充電器３の制御部３１へ送信することにより、充電電流を上昇させる。

また、制御部１５は、電圧Ｖが補正目標電圧になったと判断すると、又は、充電電流Ｉが定格電流になったと判断すると（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、充電電流の上昇を停止させ（Ｓ３６）、そのときの電流指令値を記憶部１４に記憶し（Ｓ３７）、上昇停止フラグをオンする（Ｓ３８）。例えば、制御部１５は、電流指令値に所定値を加算しないまま、その電流指令値を充電器３の制御部３１へ送信することにより、充電電流の上昇を停止させる。なお、上昇停止フラグがオンしているか否かの情報は記憶部１４に記憶されてもよい。

また、制御部１５は、上昇停止フラグがオンしていると判断すると（Ｓ３１：Ｙｅｓ）、記憶部１４に記憶した電流指令値により充電電流を一定にさせる（Ｓ３９）。例えば、記憶部１４に記憶した電流指令値（充電電流の上昇を停止させたときの電流指令値）を充電器３の制御部３１に送信することにより、充電電流を一定にさせる。

このように、制御部１５は、ＣＣ充電制御時において、上昇停止時の充電電流が継続して電池１１に流れるときの電池１１の電圧の変化幅である予測分極電圧を目標電圧から減算して補正目標電圧を求め、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが補正目標電圧に到達すると、充電電流の上昇を停止させている。これにより、例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ＣＣ充電制御時において、充電電流の停止後、分極により電池１１の電圧が上昇しても、電池１１の電圧を目標電圧以下に抑えることができる。そのため、電池１１の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始する場合であっても、ＣＣ充電制御時において、電池１１の電圧が目標電圧を超えず、ＣＣ充電制御からＣＶ充電制御への移行後、電池１１の電圧が目標電圧を超えないようにすることができる。従って、電池１１の電圧が目標電圧を超えることによる電池１１の劣化を抑えることができる。

なお、制御部１５は、例えば、図４（ｂ）に示すように、電池１１の所定の温度（５℃、２５℃、４５℃）毎に、充電電流と予測分極電圧とが対応付けられた情報を参照して、電流検出部１３により検出される充電電流Ｉに対応する予測分極電圧を求めてもよい。このように構成する場合、充電電流制御装置は、電池１１の温度を検出する温度検出部を備える。これにより、充電電流の変化だけでなく電池１１の温度の変化に伴って変動する予測分極電圧を精度良く求めることができるため、ＣＣ充電制御からＣＶ充電制御への移行後、電池１１の電圧の上昇をさらに抑えることができる。

また、制御部１５は、例えば、図４（ｃ）に示すように、電池１１の劣化度としての所定の容量維持率（１００［％］、５０［％］）毎に、充電電流と予測分極電圧とが対応付けられた情報を参照して、電流検出部１３により検出される充電電流Ｉに対応する予測分極電圧を求めてもよい。このように構成する場合、制御部１５は、電池１１の容量維持率を求める機能を有する。これにより、充電電流の変化だけでなく電池１１の容量維持率の変化に伴って変動する予測分極電圧を精度良く求めることができるため、ＣＣ充電制御からＣＶ充電制御への移行後、電池１１の電圧の上昇をさらに抑えることができる。

また、制御部１５は、例えば、図４（ｄ）に示すように、電池１１の劣化度としての所定の内部抵抗上昇率（１００［％］、２００［％］）毎に、充電電流と予測分極電圧とが対応付けられた情報を参照して、電流検出部１３により検出される充電電流Ｉに対応する予測分極電圧を求めてもよい。このように構成する場合、制御部１５は、電池１１の内部抵抗上昇率を求める機能を有する。これにより、充電電流の変化だけでなく電池１１の内部抵抗上昇率の変化に伴って変動する予測分極電圧を精度良く求めることができるため、ＣＣ充電制御からＣＶ充電制御への移行後、電池１１の電圧の上昇をさらに抑えることができる。

また、制御部１５は、電池１１の温度及び劣化度毎に、充電電流と予測分極電圧とが対応付けられた情報を参照して、電流検出部１３により検出される充電電流Ｉに対応する予測分極電圧を求めてもよい。

１蓄電装置
１１電池
１２電圧検出部
１３電流検出部
１４記憶部
１５制御部
２車両
３充電器
３１制御部
３２電力供給部

Claims

定電流定電圧充電制御時に電池に流れる充電電流を制御する充電電流制御装置であって、
前記電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部により検出される電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記定電流充電制御時、前記電圧検出部により検出される電圧が、前記目標電圧から予測分極電圧を減算した補正目標電圧に到達すると、前記充電電流の上昇を停止させる
ことを特徴とする充電電流制御装置。
請求項１に記載の充電電流制御装置であって、
前記予測分極電圧は、上昇停止時の前記充電電流が継続して前記電池に流れている間の前記電池の電圧の変化幅である
ことを特徴とする充電電流制御装置。
請求項１に記載の充電電流制御装置であって、
前記制御部は、前記定電流充電制御時、前記充電電流に基づいて、前記予測分極電圧を求める
ことを特徴とする充電電流制御装置。
請求項３に記載の充電電流制御装置であって、
前記制御部は、前記定電流充電制御時、さらに前記電池の温度及び前記電池の劣化度のうちの少なくとも１つに基づいて、前記予測分極電圧を求める
ことを特徴とする充電電流制御装置。
電圧検出部により検出される電池の電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する充電電流制御装置における充電電流制御方法であって、
前記充電電流制御装置は、前記定電流充電制御時に前記充電電流を上昇させているとき、前記電圧検出部により検出される電圧が、前記目標電圧から予測分極電圧を減算した補正目標電圧に到達すると、前記充電電流の上昇を停止させる
ことを特徴とする充電電流制御方法。