JP7205489B2 - 充電制御装置、蓄電装置、充電方法 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電素子を充電する技術に関する。
車両のエンジン始動用電池として、鉛蓄電池に替えて、リチウムイオン二次電池(以下、LIB)が搭載されている。このメリットとしては、電池の長寿命化、及び回生充電の受入性の向上がある。鉛蓄電池とLIBでは、その特性の違いから、充電設定電圧が異なるため、それぞれ専用の充電器を使用する必要がある。鉛蓄電池との互換性を考慮して、外形や端子構造の共通化が行われている。しかしながら、鉛蓄電池と互換性を持たせると、鉛蓄電池用の充電器で充電がされるなど、想定した充電設定電圧とは異なる充電電圧で充電が行われる場合ある。下記の特許文献1には、電池に対する充電を制限するため充電経路上にダイオードを設ける点について、記載がある。
特開2008-199717号公報
車両のエンジン始動用電池のような大型のリチウムイオン二次電池は、充放電電流が大きく、通電経路上での電力損失が大きい。そのため、ダイオードなどの電圧降下素子が故障しないように、複数の電圧降下素子を並列接続して、1つの電圧降下素子に流れる電流を少なくする方法が考えられる。ところが、素子自体の特性のばらつきや温度特性により、複数の電圧降下素子を並列接続しても、そのうちの1つの電圧降下素子に、電流が集中して故障することが懸念される。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、電流集中により、充電中に電圧降下素子が故障することを抑制することを目的とする。
蓄電素子の充電を制御する充電制御装置であって、前記蓄電素子への充電経路であって、互いに並列に接続された複数の充電経路と、前記充電経路上において直列接続された電圧降下素子及びスイッチと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記スイッチの制御により、前記複数の充電経路のうち非通電となる充電経路を、充電中に切り換える。
これらの技術は、蓄電素子の充電方法に適用することが出来る。蓄電素子と充電制御装置とを含む、蓄電装置に適用することが出来る。蓄電システム、充電経路の切換プログラム、及びプログラムを記録した記録媒体等の種々の態様で実現することができる。
本構成では、充電中に電流が集中することで、電圧降下素子が故障することを抑制できる。
実施形態1における自動車の側面図 バッテリの斜視図 バッテリの分解斜視図 バッテリの電気的構成を示すブロック図 各FETのオン、オフの切り換えを示す図 充電経路の切り換えを示す図 充電経路の切り換えを示す図 充電経路の切換フロー 充電中における組電池の総電圧の推移を示す図 充電回路の比較例を示す図 ダイオードの順方向電圧の温度特性を示す図 実施形態2における充電経路の切換フロー 充電経路の他の実施形態を示すブロック図 充電経路の他の実施形態を示すブロック図 充電経路の切り換えを示す図 充電経路の他の実施形態を示すブロック図 各FETのオン、オフの切り換えを示す図 各FETのオン、オフの切り換えを示す図
蓄電素子の充電を制御する充電制御装置であって、前記蓄電素子への充電経路であって、互いに並列に接続された複数の充電経路と、前記充電経路上において直列接続された電圧降下素子及びスイッチと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記スイッチの制御により、前記複数の充電経路のうち非通電となる充電経路を、充電中に切り換える。
この構成では、充電経路に配置した電圧降下素子により、蓄電素子に対する充電電圧を下げることが出来る。しかも、複数の充電経路のうち、非通電となる充電経路を、充電中に切り換えるから、一部の充電経路に電流が集中して電圧降下素子が温度上昇することを抑制できる。そのため、電圧降下素子の故障を抑制することが可能であり、蓄電素子を安全に充電することが出来る。
前記電圧降下素子は、ダイオードでもよい。ダイオードは、温度が高い程、順方向電圧が低下する温度特性を有している。そのため、温度が上昇した1本のダイオードに電流が集中し易く、並列接続が困難である。本技術の適用により、1本のダイオードに電流が集中することを抑制できるので、ダイオードの故障を抑制することが出来る。
前記制御部は、前記充電経路の切り換えを、充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より高い場合に、実行してもよい。
この構成では、充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より高い場合に、充電電圧を下げることが出来る。そのため、蓄電素子を安全に充電することが出来る。
前記制御部は、設定時間に基づいて、前記充電経路の切り換えを行ってもよい。この構成では、充電経路を設定時間に基づいて切り換えるため、特定の充電経路に電流が偏って流れることを抑制できる。
前記制御部は、前記電圧降下素子の温度条件に基づいて、前記充電経路の切り換えを行ってもよい。この構成では、電圧降下素子の温度条件に従って、充電経路の切り換えを行う。そのため、環境温度や蓄電装置内の状況などによらず、電圧降下素子が異常発熱することを抑制できる。
前記制御部は、前記充電経路の切り換え制御中、前記充電経路間で前記スイッチが同時にオンする重複期間を有するように、前記充電経路の前記スイッチを制御してもよい。この構成では、充電経路を切り換える時に、複数のスイッチが同時にオフして、充電が停止することを抑制することが出来る。
並列に接続された各前記充電経路のうち、少なくとも1つの充電経路は、バックツーバック接続され、寄生ダイオードを内蔵する2つのFETを有してもよい。この構成では、バックツーバック接続された2つのFETのうち、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して順方向となる一方側のFETはオフし、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して逆方向となる他方側のFETはオンすることにより、充電電流が、他方側のFET、寄生ダイオードを通って蓄電素子に流れるので、寄生ダイオードを電圧降下素子として使用することが出来る。バックツーバック接続(back-to-back接続)とは、2つのFETを背中合わせに接続すること、すなわち、2つのFETのドレイン同士を接続すること、又はソース同士を接続することを意味する。FETは電界効果トランジスタである。
並列に接続された各前記充電経路は、バックツーバック接続され、寄生ダイオードを内蔵する2つのFETを有し、前記制御部は、充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より低い場合、並列に接続された各前記充電経路のうち、少なくとも1つの充電経路は、バックツーバック接続された2つのFETを同時にオンし、充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より高い場合、各前記充電経路に設置されバックツーバック接続された2つのFETのうち、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して順方向となる一方側のFETはオフし、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して逆方向となる他方側のFETは、前記充電経路間でオンするタイミングが異なるように制御してもよい。オンするタイミングが異なるとは、オンしている時間が完全に一致していないことを意図し、オンしている時間が重ならないように交互にオンする場合や、オンしている時間が一部重なりつつ、オンするスイッチが切り換わる場合を含む。要は、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して逆方向となる他方側のFETについて、充電を許容するため、全FETがオフする期間ができないように、制御部は、各充電経路のうち、少なくとも1つのFETはオンに制御する。更に、各充電経路間では、オンしている時間がずれているように、FETを制御すればよい。
この構成では、各充電経路において、バックツーバック接続された2つのFETを同時オンすることにより、寄生ダイオードを経由することなく充電電流を流すことが出来る。そのため、正常時の充電経路を専用に設ける必要がなく、回路構成がシンプルである。また、充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より高い場合には、充電経路を切り換えつつ、FETの寄生ダイードを介して充電電流を流すことで、寄生ダイオードの温度上昇を抑制しつつ、蓄電素子の充電電圧を降下させることが出来る。
<実施形態1>
1.バッテリの説明
図1は自動車の側面図、図2はバッテリの斜視図、図3はバッテリの分解斜視図、図4はバッテリの電気的構成を示すブロック図である。
自動車1は、図1に示すように、蓄電装置であるバッテリ20を備えている。バッテリ20は、図2に示すように、ブロック状の電池ケース21を有しており、電池ケース21内には、複数の二次電池B1~B4からなる組電池30や制御基板28が収容されている。
電池ケース21は、図3に示すように、上方に開口する箱型のケース本体23と、複数の二次電池B1~B4を位置決めする位置決め部材24と、ケース本体23の上部に装着される中蓋25と、上蓋26とを備えて構成されている。ケース本体23内には、図3に示すように、各二次電池B1~B4が個別に収容される複数のセル室23AがX方向に並んで設けられている。
位置決め部材24は、図3に示すように、複数のバスバー27が上面に配置されており、位置決め部材24がケース本体23内に配置された複数の二次電池B1~B4の上部に配置されることで、複数の二次電池B1~B4が、位置決めされると共に複数のバスバー27によって直列に接続されるようになっている。
中蓋25は、図2に示すように、平面視略矩形状をなしている。中蓋25のX方向両端部には、図示しないハーネス端子が接続される一対の端子部22P、22Nが設けられている。一対の端子部22P、22Nは、例えば鉛合金等の金属からなり、22Pが正極側端子部、22Nが負極側端子部である。
中蓋25の上面には、収容部25Aが設けられている。制御基板28は、中蓋25の収容部25Aの内部に収容されており、中蓋25がケース本体23に装着されることで、二次電池Bと制御基板28とが接続されるようになっている。また、上蓋26は、中蓋25の上部に装着され、制御基板28を収容した収容部25Aの上面を閉じるようになっている。
図4を参照して、バッテリ20の電気的構成を説明する。バッテリ20は、エンジン始動用の12V系であり、組電池30と、電流センサ41と、電圧検出部45と、充電制御装置50と、を有する。
組電池30は、直列接続された4つのリチウムイオン二次電池B1~B4から構成されている。リチウムイオン二次電池B1~B4は、本発明の「蓄電素子」の一例である。
電流センサ41は、電池ケース21の内部に設けられており、組電池30に流れる電流Iを検出する。電流センサ41は、信号線によって管理部100に電気的に接続されており、電流センサ41の出力は、管理部100に取り込まれる。
電圧検出部45は、電池ケース21の内部に設けられており、各リチウムイオン二次電池B1~B4の電池電圧V1~V4及び組電池30の総電圧Evを検出する。電圧検出部45は、信号線によって管理部100に電気的に接続されており、電圧検出部45の出力は、管理部100に取り込まれる。
Ev=V1+V2+V3+V4
充電制御装置50は、充電回路60と、管理部100とを備える。充電回路60は、第1充電経路61Aと第2充電経路61Bと、温度センサ67と、を備える。第1充電経路61Aと第2充電経路61Bは、組電池30の正極と、正極側端子部22Pの間にあって、互いに並列接続されている。
第1充電経路61Aには、第1FET63Aと第2FET65Aが設けられている。第1FET63Aと第2FET65Aは、Pチャンネルの電界効果トランジスタであり、バックツーバック接続(back-to-back接続)されている。具体的には、第1FET63Aは、ソースを組電池30の正極に接続し、第2FET65Aは、ソースを正極側端子部22Pに接続している。第1FET63Aと第2FET65Aのドレインは共通接続されている。第1FET63Aは寄生ダイオード64Aを内蔵しており、第2FET65Aは寄生ダイオード66Aを内蔵している。寄生ダイオード64Aは、順方向が充電方向と同一であり、寄生ダイオード66Aは、順方向が放電方向と同一である。
第2充電経路61Bには、第1FET63Bと第2FET65Bが設けられている。第1FET63Bと第2FET65Bは、Pチャンネルの電界効果トランジスタであり、バックツーバック接続されている。具体的には、第1FET63Bは、ソースを組電池30の正極に接続し、第2FET65Bは、ソースを正極側端子部22Pに接続している。第1FET63Bと第2FET65Bのドレインは共通接続されている。第1FET63Bは寄生ダイオード64Bを有しており、第2FET65Bは寄生ダイオード66Bを有している。寄生ダイオード64Bは、順方向が充電方向と同一であり、寄生ダイオード66Bは、順方向が放電方向と同一である。
温度センサ67は、各FET63A、63B、65A、65Bの温度を検出する。温度センサ67は、信号線によって管理部100に電気的に接続されており、温度センサ67の出力は、管理部100に取り込まれる。
管理部100は、演算機能を有するCPU(中央演算処理装置)101、ROM103、メモリ105、通信部107など備えており、制御基板28上に設けられている。
CPU101は、電流センサ41の出力に基づいて、組電池30に流れる電流Iを監視する。電圧検出部45の出力に基づいて、各リチウムイオン二次電池B1~B4の電圧V1~V4及び組電池30の総電圧Evを監視する。また、温度センサ67の出力に基づいて、各FET63A、65A、63B、65Bの温度を監視する。
CPU101は、充電中、組電池30の総電圧Evの大きさを検出して、組電池30に対する充電経路61A、61Bを切り換える切換フローを実行する。CPU101は本発明の「制御部」に相当する。
ROM103には、充電経路の切換フロー(図8に示すS10~S50)を実行するためのプログラムが記憶されている。プログラムはCD-ROM等の記録媒体に記憶して譲渡等することが出来る。プログラムは電気通信回線を介して配信することが出来る。
通信部107は、自動車1に搭載された車両ECU(Electronic Control Unit:電子制御ユニット)150との通信用として設けられている。車両への搭載後、通信部107は、信号線により、車両ECU150と接続されている。管理部100は、エンジンの動作状態(停止や駆動)など車両に関する情報を、車両ECU150から受信できる。
図4に示すように、バッテリ20には、エンジン始動用のセルモータ160や電装品などの車両負荷や、オルタネータ170が接続されている。エンジン駆動中、オルタネータ170の発電量が車両負荷の電力消費より大きい場合、バッテリ20はオルタネータ170による充電される。
オルタネータ170の発電量が車両負荷の電力消費より小さい場合、バッテリ20は、その不足分を補うため、放電する。エンジン停止中は、オルタネータ160は発電を停止する。そのため、バッテリ20は電力供給が停止した状態(充電されない状態)であり、車両負荷に対して放電のみ行う状態となる。
バッテリ20は、車載のオルタネータ170以外に、駐車中等に車両外の外部充電器180を接続することにより、充電することが出来る。オルタネータ170、車両外の外部充電器180は、ともにDC出力である。
バッテリ20は、リチウムイオン二次電池B1~B4と、電流センサ41、電圧検出部45、充電制御装置50と、を備えていることから、本発明の「蓄電装置」に相当する。
2.充電電圧の制御とダイオードの並列接続
鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池は、特性の違いから、充電設定電圧(充電電圧の設定値)が異なっており、12V系の場合、鉛蓄電池用の充電設定電圧Eoは14.8V、リチウムイオン二次電池用の充電設定電圧Eoは14Vである。
例えば、蓄電素子にリチウムイオン二次電池を用いたバッテリ20を、鉛蓄電用の外部充電器で充電した時など、想定した充電設定電圧(14V)よりも高い電圧(14.8V)で充電が行われる場合ある。安全上の理由から、充電電圧は、充電設定電圧Eoを超えないことが好ましい。
そのため、組電池30の総電圧Evが、想定した充電設定電圧Eoを超える場合には、図10に示すように、充電経路Lに設けたダイオードDによる電圧降下を用いて、充電電圧を低下させることが考えられる。充電経路上での電力損失によりダイオードDが発熱して故障することを抑えるため、複数のダイオードDを並列に接続して電流を分流させる方法が考えられる。図10では、D1~D3の3つのダイオードを並列に接続している。
ダイオードDは、図11に示すように、温度が高くなる程、順方向電圧Vfが低下する特性を有している。
ダイオードDは、個体差や放電性能にばらつきがあることから、並列に接続されたダイオードD1~D3は、充電中の温度上昇にばらつきがある。温度が上昇したダイオードDほど、順方向電圧Vfが低下して電流が流れ易くなる。そのため、複数のダイオードD1~D3を並列に接続しても、温度上昇した一部のダイオードDに電流が集中して、そのダイオードDが故障してしまう。
そこで、CPU101は、充電中において、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより大きい場合、図5に示すように、第1充電経路61AのFET63Aと第2充電経路61BのFET63Bを、オフに制御する。更に、CPU101は、第1充電経路61AのFET65Aに対して、オン信号(FETをオンに制御する信号)を所定の制御周期Tsで入力する一方、第2充電経路61BのFET65Bに対して、オン信号を半周期分ずらして入力する。オン信号の入力により、各FET65A、65Bは、制御周期Tsの半周期分ずつ、交互にオンする。
これにより、2つの充電経路61A、61Bについて、通電状態と非通電状態が、制御周期Tsの半周期Ts/2ごとに入れ替わる。図6に示すように、組電池30への充電電流は、充電経路61A、61Bに対して交互に流れ、一方の充電経路(例えば、61A)に充電電流が流れている時には、もう一方の充電経路(例えば、61B)は非通電となる。半周期Ts/2が本発明の「設定時間」に相当する。
このようにすることで、第1充電経路61A、第2充電経路61Bのどちらに充電電流が流れている場合でも、寄生ダイオード64A、64Bによる電圧降下が生じる。そのため、組電池30に対する充電電圧を下げることが出来る。
2つの充電経路61A、61Bに交互に充電電流を流すので、寄生ダイオード64A、64Bのどちらかに電流が集中することはない。そのため、寄生ダイオード64A、64Bの故障を防止することが出来る。
図8は、CPU101により実行される充電経路の切換フローである。切換フローは、S10~S50の5つのステップから構成されており、CPU101が、組電池30に対する充電を検出した場合に実行される。充電の有無は、電流センサ41により検出される電流に基づいて判断することが出来る。
バッテリ20に対して、鉛蓄電用の外部充電器180により充電が行われる場合を例にとって、充電経路の切り換え動作を説明する。外部充電器180の充電電圧は、14.8Vである。
CPU101は、外部充電器180による充電を検出すると、電圧検出部45の出力から組電池30の総電圧Evを取得する(S10)。
次にCPU101は、組電池30の総電圧Evを充電設定電圧Eoと比較し、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eo以下か、判定する処理を行う(S20)。充電設定電圧Eoは14Vである。
図9は充電開始後の組電池の電圧変化を示すグラフである。図9に示すように、充電開始直後の時刻t0では、組電池30の総電圧Evは14V未満であることから、S20ではYES判定される。
S20でYES判定された場合、CPU101は、第1充電経路61Aと第2充電経路61Bに設けられた各FET63A、65A、63B、65Bを全てオンに制御する。これにより、図7に示すように、外部充電器180からの充電電流は、2つの充電経路61A、61Bに分岐して流れ、組電池30を充電する(S30)。その後、CPU101は充電完了か判定し(S40)、充電が完了していなければ、S10に戻る。
充電開始後、組電池30は、2つの充電経路61A、61Bに分岐して流れる充電電流により充電され、総電圧Evは上昇する。全FETをオンした状態では、寄生ダイオード64、66に電流は流れないことから、充電電圧を降下させずに、充電が行われる。
組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoに到達すると(図9の時刻t1)、S20の判定でNOとなる。
S20でNO判定された場合、CPU101は、第1充電経路61AのFET63Aと第2充電経路61BのFET63Bを、オフに制御する。第1充電経路61AのFET65Aと第2充電経路61BのFET65Bは、オンとオフが交互に入れ替わるように制御する。
これにより、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoに到達した以降の期間T1は、図6に示すように、外部充電器180から2つの充電経路61A、61Bに充電電流が交互に流れて、組電池30を充電完了まで充電する(S40)。
組電池30に対する充電は、充電電流の値が所定値以下になる又は上限電圧Emに達する等、充電終了条件が成立すると、終了する。
このようにすることで、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoに到達した以降の期間T1は、第1充電経路61A、第2充電経路61Bのどちらに充電電流が流れていても、寄生ダイオード64A、64Bによる電圧降下が生じる。
そのため、外部充電器180の充電電圧(出力電圧)が充電設定電圧Eoよりも高い場合に、充電電圧を寄生ダイオード64A、64Bで下げて、組電池30を充電することが出来る。
図9は、充電時における組電池30の総電圧Evの推移を示している。「実線」は、充電電圧を下げる制御を実行した時の推移、「破線」は、充電電圧を下げる制御を実行しない場合の推移である。図9に示す上限電圧Emは、組電池30の上限電圧(充電を停止する電圧)である。上限電圧Emは、充電設定電圧14Vよりも大きく、外部充電器180の充電電圧14.8Vより小さい値であり、一例として14.5Vである。
充電開始後、図9の時刻t1で、組電池30の総電圧Evが、充電設定電圧Eoを上回る。充電電圧を下げる制御を実行しない場合、その後、組電池30の総電圧Evは上昇し、更に、上限電圧Emに到達した時点t2で、充電回路60を遮断する保護動作(全FETをオフして電流を遮断)が働き、充電は停止する。
充電電圧を下げる制御を実行した場合、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoを上回る図9に示す時刻t1のタイミングで、2つのFET65A、65Bを交互にオンする制御が実行され、組電池Evに対する充電電圧は14.8Vから約14.2Vに下がる。そのため、組電池30の総電圧Evが上限電圧14.5Vまで上昇することを抑えることが可能であり、時刻t2以降、組電池30に対する充電を継続することが出来る。
上記では、外部充電器180による充電中に、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoよりも高くなった場合に、寄生ダイオード64A、64Bに電流を流して、充電電圧を下げた例を説明した。これ以外にも、オルタネータ170による充電中に、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoよりも高くなった場合に、寄生ダイオード64A、64Bに電流を流して、充電電圧を下げてもよい。上記では、主に充電中の説明を行ったが、放電時は、全FET63A、63B、65A、65Bをオンして、放電電流を、2つの充電経路61A、61Bに分岐して流すとよい。
4.効果説明
本構成では、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより高い場合に、組電池30に対する充電電圧を、バッテリ内部の充電回路60で、下げることが出来る。そのため、バッテリ20の安全性が高まる。しかも、2つの充電経路61A、61Bに交互に充電電流を流すので、寄生ダイオード64A、64Bのどちらかに電流が集中することはない。そのため、寄生ダイオード64A、64Bの故障を抑制することが出来る。
本構成では、外部充電器180の充電電圧が14.8V、組電池30の上限電圧が14.5Vであることから、寄生ダイオード64A、64Bで充電電圧を0.6V降下させることで、組電池30の総電圧Evを上限電圧14.5V以下に抑えることが出来た。寄生ダイオード等の電圧降下素子による充電電圧の電圧降下量は、組電池30の総電圧Evが上限電圧Emを超えないように、降下後の充電電圧が上限電圧Emよりも小さいことが望ましいが、仮に、降下後の充電電圧が上限電圧よりも高い場合でも、充電電圧を下げない場合に比べて、組電池30の総電圧Evが上限電圧Emに達するまでの期間が遅くなるので、その分、組電池30の充電時間が長くなるというメリットがある。
本構成では、2つの充電経路61A、61Bを、半周期Ts/2ごと、つまり設定時間ごとに切り換えるため、特定の充電経路61A、61Bに、充電電流が偏って流れることを抑制できる。そのため、寄生ダイオード64A、64Bの故障を抑制することが出来る。
リチウムイオン二次電池B1~B4は、他の二次電池と比較して、低温時の内部抵抗が高いことから、低温時に充電を行うと、過電圧に至り易いという課題があり、その対策として、充電電流を絞ることが考えられる。本構成では、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより高い場合に、充電電圧を下げる制御を行う。充電電圧を下げることで、充電電流を絞ることが出来るため、低温時の充電により、リチウムイオン二次電池B1~B4が過電圧に至ることを抑制することが出来る。
<実施形態2>
実施形態1では、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより高い場合、CPU101が、第1充電経路61AのFET65Aと第2充電経路61BのFET65Bに対して、オン信号(FETをオンに制御する信号)を半周期Ts/2分ずらして交互に入力し、2つの充電経路61A、61Bの通電、非通電を交互に切り換える制御をした。
実施形態2では、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより高い場合に、CPU101が、FET63AとFET63Bの温度条件、具体的には温度差に応じて、充電経路61A、61Bを切り換える制御を行う。各FET63A、63Bの温度情報は、温度センサ67により、取得できる。
図12は、温度差に基づく充電経路の切換制御のフローチャートである。CPU101は、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより高い場合、第1充電経路61AのFET63Aと第2充電経路61BのFET63Bをオフに制御する。
更に、CPU101は、第1充電経路61AのFET65Aはオンに制御し、第2充電経路61BのFET65Bはオフに制御する。これにより、第1充電経路61Aのみ通電状態となり、組電池30は、第1充電経路61Aにて充電される(S100)。
CPU101は、第1充電経路61Aを使用して充電を行う期間、温度センサ67の出力から第1充電経路61AのFET63Aの温度Taと第2充電経路61BのFET63Bの温度Tbを取得する。
そして、温度差Ta-Tbを算出して、閾値Thと比較する処理を行う。温度差Ta-Tbが閾値Thより小さい場合、CPU101は、第1充電経路61Aによる充電を継続する(S110:YES)。
一方、温度差Ta-Tbが閾値Thより大きい場合、CPU101は、充電経路を第1充電経路61Aから第2充電経路61Bに切り換えて充電を行う(S120)。具体的には、第1充電経路61AのFET65Aをオンからオフに切り換え、第2充電経路61BのFET65Bをオフからオンに切り換えることにより、充電経路を切り換える。
そして、CPU101は、充電経路の切換後、温度センサ67の出力から温度差Tb-Taを算出して、閾値Thと比較する処理を行う。
温度差Tb-Taが閾値Thより小さい場合、CPU101は、第2充電経路61Bによる充電を継続する(S130:YES)。
一方、温度差Tb-Taが閾値Thより大きい場合、CPU101は、充電経路を第1充電経路61Aから第2充電経路61Bに切り換えて充電を行う(S100)。
このように、実施形態2では、2つのFET63A、63Bの温度差Ta-Tb、Tb-Taが閾値Thよりも大きくなると、充電経路を切り換える。2つのFET63A、63Bの温度差Ta-Tb、Tb-Taを、閾値Thよりも小さい状態に保つことが出来る。充電中に、寄生ダイオード64Aや64Bが温度上昇して、FET63AやFET63Bが故障することを抑制できる。この構成では、FET63A、63Bの実際の温度に従って、充電経路61A、61Bの切り換えを行う。そのため、環境温度やバッテリ内の状況などによらず、電圧降下素子である寄生ダイオード64A、64Bが異常発熱することを抑制できる。
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)蓄電素子は、リチウムイオン二次電池B1~B4に限らず、他の二次電池でもよい。キャパシタ等でもよい。実施形態1、2では、リチウムイオン二次電池B1~B4を複数直列に接続した形態を例示したが、直並列の接続や単セルの構成であってもよい。
バッテリ20の用途は、自動車(自動四輪)用としたが、自動二輪、電気自動車、ハイブリッド電気自動車用でもよい。また、エンジン始動用としたが、補機用でもよい。車両に限定されるものではなく、例えば、UPSや太陽光発電システムの蓄電装置などに適用することも出来る。自動二輪に搭載されるバッテリ20は、自動二輪との通信機能がない場合がある。通信機能がない場合、自動二輪に搭載されたオルタネータ170の充電電圧(出力電圧)が充電設定電圧より高くても、バッテリ20からオルタネータ170に指令を送って、充電電圧を下げる調整を行うことができない。自動二輪に搭載されたバッテリ20は、充電設定電圧よりも高い充電電圧で充電されやすいという課題がある。自動二輪に搭載されたバッテリ20に、本技術を適用することで、組電池30に対する充電電圧を充電回路60で下げることが可能であり、組電池30が過電圧に至ることを抑制することが出来る。
(2)実施形態1において、制御部であるCPU101は、外部充電器180による充電中に、充電経路61A、61Bを切り換える制御を行って、組電池30に対する充電電圧を下げた。制御部であるCPU101は、自動車1の走行中、オルタネータ170の充電電圧(出力電圧)が充電設定電圧よりも高い場合、充電経路61A、61Bを切り換える制御を行って、組電池30に対する充電電圧を下げてもよい。
(3)オルタネータ170の充電電圧が充電設定電圧より高くても、充電電圧が充電設定電圧より高い期間が、所定時間よりも短い場合、CPU101は、充電経路61A、61Bを切り換えて、充電電圧を下げる制御を実行しなくてもよい。自動車1の減速に伴う回生充電により、オルタネータ170の充電電圧が一時的に上昇した場合に、充電経路61A、61Bが切り換わることを抑制できる。所定時間は、一例として、50msec程度の短時間である。
(4)実施形態1は、充電回路60と管理部100を、バッテリ20の内部に設けた構成を例示した。充電回路60と管理部100は、必ずしも、バッテリ20の内部に設置されている必要はなく、車載されていれば、バッテリ20の外部に設けられていてもよい。すなわち、バッテリ20は、リチウムイオン二次電池B1~B4と、電圧や電流を計測するセンサ類だけの構成とし、バッテリ外に設けた管理部100が、センサからの出力をモニタにて、バッテリ外に設けられた充電経路61A、61Bの切り換えを行うようにしてもよい。つまり、本技術は、組電池やセンサ類のみ含む蓄電装置(バッテリ20)と、蓄電装置の外部に位置する充電回路60と、蓄電装置の外部に位置する制御部(管理部100)と、を備えた、蓄電システムに適用することもできる。また、実施形態では、充電回路60を組電池30の正極側に配置した例を示した。充電回路(複数の充電経路上に電圧降下素子とスイッチを配置した回路)は、負極側に配置してもよい。
(5)実施形態1、2は、FET63A、63Bの寄生ダイオード64A、64Bを利用して充電電圧を降下した。電圧降下素子は、電流が流れた時に電圧降下を生じる素子であればよく、ダイオード以外でもよい。特に、電流が流れた時に電圧降下を生じる素子で、負の温度係数(温度が高い程、抵抗値が小)を有する素子の場合、並列接続すると、温度上昇した一部の素子に電流が集中する。従って、負の温度係数を有する素子をダイオードに代用させた場合に、本技術を適用するとよい。トランジスタのコレクタ-エミッタ間は、負の温度係数を有しており、約0.3V程度の飽和電圧(Vce=0.3V)を持つことから、ダイオードに代えて使用することが出来る。
(6)実施形態1、2は、充電経路61Aに対してバックツーバック接続した2つのFET63A、65Aを配置し、充電経路61Bに対してバックツーバック接続した2つのFET63B、65Bを配置した。FET63A、63Bは、ダイオード(単体)に置き換えることが出来る。また、FET65A、65Bはスイッチであればよく、バイポーラトランジスタ等に置き換えることが出来る。
(7)実施形態1では、充電経路61Aに対してバックツーバック接続した2つのFET63A、65Aを配置し、充電経路61Bに対してバックツーバック接続した2つのFET63B、65Bを配置した。これ以外にも、いずれ一方の充電経路61Aのみバックツーバック接続した2つのFET63A、65Aを配置し、他方の充電経路61Bはバックツーバック接続した2つのFET63B、65Bに代えて、単体のダイオードと、単体のスイッチを配置するようにしてもよい。バックツーバック接続はFETのドレイン同士を接続する方法以外に、ソース同士を接続するものであってもよい。
(8)実施形態1では、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eo以下の場合、4つのFET63A、63B、65A、65Bを全てオンして、第1充電経路61Aと第2充電経路61Bの双方を通電可能としたが、例えば、第1充電経路61AのFET63A、65Aだけをオンして、第1充電経路61Aのみ通電可能にしてもよい。
(9)実施形態1、2は、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoよりも高い場合に、FET63A、63Bの寄生ダイオード64A、64Bに電流を流して、充電電圧を下げた例を示した。これ以外に、オルタネータ170や外部充電器180の充電電圧(出力電圧)が、充電設定電圧Eoよりも高い場合に、FET63A、63Bの寄生ダイオード64A、64Bに電流を流して充電電圧を下げるようにしてもよい。充電電圧は、一対の端子部22P、22Nの電位差をセンサで検出して求めてもよい。
充電電圧が充電設定電圧Eoよりも高い充電器が使用されること予め分かっている場合には、充電電圧と充電設定電圧Eoの大小関係や、総電圧Evと充電設定電圧Eoの大小関係に依らず、充電中は、FET63A、63Bの寄生ダイオード64A、64Bに対して電流を流して充電電圧を常に下げるようにしてもよい。使用用途や使用環境によって、FET63A、63Bの寄生ダイオード64A、64Bに対して電流を流して充電電圧を常に下げるようにしてもよい。充電電圧を下げて組電池30の劣化を遅らせたいときや、設定よりも低電圧で組電池30を充電して使用する用途に適用することが可能である。
(10)実施形態1、2では、組電池30への充電経路として、第1充電経路61Aと第2充電経路61Bの2経路を設けた。そして、充電電圧が充電設定電圧Eo以下の場合は、2つの充電経路61A、61Bに電流を分岐して流して充電を行い、充電電圧が充電設定電圧Eoより大きい場合は、2つの充電経路61A、61Bに交互に電流を流して充電を行った。上記以外にも、図13に示す、バッテリ300のように、充電電圧が充電設定電圧Eo以下の場合に使用される充電経路(主経路)Loと、充電電圧が充電設定電圧Eoより大きい場合に使用される充電経路(電圧降下用のサブ経路)L1、L2を別々に設けるようにしてもよい。充電経路Loには、リレー等のスイッチSWoが設けられており、ダイオード等の電圧降下素子は設けられていない。充電経路L1と充電経路L2は、充電経路Loと並列に接続されており、充電経路L1には、ダイオードD1と、スイッチSW1が設けられ、充電経路L2には、ダイオードD2と、スイッチSW2が設けられている。
バッテリ300によれば、充電電圧が充電設定電圧Eo以下の場合、管理部100はスイッチSWoのみオンし、スイッチSW1、SW2はオフする。これにより、充電電圧が充電設定電圧Eo以下の場合、電圧降下素子を有さない充電経路Loのみ通電状態となり、外部充電器180からの充電電流は充電経路Loを流れて、組電池30を充電する。
一方、充電電圧が充電設定電圧Eoより大きい場合、管理部100は、スイッチSWoをオフし、スイッチSW1、SW2を交互にオンする。これにより、充電電圧が充電設定電圧Eoより大きい場合、充電経路Loは非通電状態となり、ダイオードD1、D2を有する充電経路L1、L2が交互に通電状態となる。そのため、外部充電器180からの充電電流は充電経路L1、L2を交互に流れて組電池30を充電する。各充電経路L1、L2に設けられたダイードD1、D2による電圧降下により、充電電圧を下げることが出来る。
(11)充電電圧が充電設定電圧Eoより大きい場合に使用される充電経路は、2並列以上であればよく、図14に示すように、充電経路L1~L4を4並列した構成でもよい。充電経路L1~L4の切り換えは、非通電となる充電経路が、充電中に切り換わればよく、例えば、図15に示すように、通電する複数の充電経路L1~L4を、所定の時間間隔で、ずらすように切り換えてもよい。
(12)図16に示す、バッテリ400は、2つの充電回路460A、460Bを設けた構成である。充電回路460Aと充電回路460Bは、充電経路L1、L2に配置したダイオードDの直列数が異なっており、充電回路460Aは直列数が「1」であるのに対して、充電回路460Bは直列数が「3」である。ダイオードDの順方向電圧を0.6Vとすると、充電回路460Aの電圧降下量は0.6Vであるのに対して、充電回路460Bの電圧降下量は0.6×3である。バッテリ400によれば、充電回路460A、460Bの切り換えにより、充電電圧の降下量を変更できるというメリットがある。また、充電回路460Bはダイオード以外の電圧降下素子を使用することも可能である。充電回路460Bの電圧降下量を、24V系や48V系の充電器が接続される場合を想定した数値にしておくことで、24V系や48V系など12系以外の電圧階級の充電器でも、12V系のバッテリ400を充電することが出来る。
(13)実施形態1では、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoより高い場合、図5に示すように、第1充電経路61AのFET63Aと第2充電経路61BのFET63Bをオフに制御し、第1充電経路61AのFET65Aと第2充電経路61BのFET65Bは、半周期Ts/2ごとに、オンとオフが交互に入れ替わるように制御した。これ以外にも、充電経路61A、61Bの温度条件に応じて、2つのFET65A、65Bをオンする時間を変更してもよい。図17は、FET63Aの温度TaがFET63Bの温度Tbより高い場合(Ta>Tb)の各FETのオン、オフを示しており、CPU101は、温度が高い第1充電経路61AのFET65Aのオン時間Ton1を、温度が低い第2充電経路61BのFET65Bのオン時間Ton2よりも短くする。
各FET65A、65Bのオン時間Ton1、Ton2は、FET63Aの温度Ta、FET63Bの温度Tbの大小に応じて変更され、FET63Aの温度TaがFET63Bの温度Tbよりも小さい場合(Ta<Tb)、温度が高い第2充電経路61BのFET65Bのオン時間Ton2を、温度が低い第1充電経路61AのFET65Aをオン時間Ton1より短くする。このようにすることで、高温側の充電経路が非通電となる時間が低温側の充電経路61Bが非通電となる時間より長くなることから、高温側の充電経路の発熱を抑え、低温側の充電経路との温度差を小さくすることが出来る。
(14)実施形態2では、FET63A、63Bの温度差により、充電経路の切り換える方法を示した。これ以外にも、2つのFET63A、63Bの一方が閾値温度に達した時に、充電経路を切り換えるようにしてもよい。
(15)実施形態1において、CPU101は、組電池30の総電圧Evが充電設定電圧Eoを超える場合、第1充電経路61AのFET65Aと第2充電経路61BのFET65Bを交互にオンして、2つの充電経路61A、61Bに充電電流を交互に流した。CPU101は、図18に示すように、充電経路61A、61Bの切り換え制御中、第1充電経路61AのFET65Aと第2充電経路61BのFET65Bが共にオンする重複期間Wを有するように、2つのFET65A、65Bを制御してもよい。重複期間Wを有することで、充電経路61A、61Bを切り換える時に、2つのFET65A、65Bが同時にオフして、充電が停止することを抑制することが出来る。重複期間Wを設けるには、制御周期Tsに対するFET65A、65Bのオン時間Tonの比率を50%より大きくするとよい。例えば、制御周期Tsに対するオン時間Tonの比率が60%である場合、制御周期Tsの10%を重複期間Wとすることが出来る。
(12)実施形態1、2で開示した技術は、蓄電素子を充電する充電経路の切換プログラム、及びそれらプログラムを記録した記録媒体等の種々の態様で実現することができる。
蓄電素子を充電する充電経路の切換プログラムであって、前記充電経路は、並列に複数が接続されており、各充電経路には直列接続された電圧降下素子及びスイッチが設けられた構成において、前記スイッチの制御により、複数の前記充電経路のうち非通電となる充電経路を、充電中に切り換える処理(S40)を、コンピュータ(管理部100)に実行させる、切換プログラム。
20 バッテリ(本発明の「蓄電装置」に相当する)
30 組電池
41 電流センサ
45 電圧検出部
50 充電制御装置
60 充電回路
61A 第1充電経路
61B 第2充電経路
63A、65A FET
64A、66A 寄生ダイオード
63B、65B FET
64B、66B 寄生ダイオード
100 管理部
101 CPU(本発明の「制御部」に相当する)

Claims (14)

  1. 蓄電素子の充電を制御する充電制御装置であって、
    前記蓄電素子への充電経路であって、互いに並列に接続された複数の充電経路と、
    前記充電経路上において直列接続された電圧降下素子及びスイッチと、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記スイッチの制御により、複数の前記充電経路内において、非通電となる充電経路を、充電中に切り換える充電制御装置。
  2. 請求項1に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、非通電となる充電経路を、複数の前記充電経路内において、交互又は順番に切り換える、充電制御装置。
  3. 請求項1又は請求項2記載の充電制御装置であって、
    前記電圧降下素子は、ダイオードであり、充電電圧を降下させる、充電制御装置。
  4. 請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、前記充電経路の切り換えを、充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より高い場合に、実行する、充電制御装置。
  5. 請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、設定時間に基づいて、前記充電経路の切り換えを行う、充電制御装置。
  6. 請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、前記電圧降下素子の温度条件に基づいて、前記充電経路の切り換えを行う、充電制御装置。
  7. 請求項1~請求項6のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、高温側の充電経路が非通電となる時間が低温側の充電経路が非通電となる時間より長くなるように、前記充電経路の切り換えを行う、充電制御装置。
  8. 請求項1~請求項7のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、前記充電経路の切り換え制御中、前記充電経路間で前記スイッチが同時にオンする重複期間を有するように、前記充電経路の前記スイッチを制御する、充電制御装置。
  9. 請求項1~請求項8のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    並列に接続された各前記充電経路のうち、少なくとも1つの充電経路は、バックツーバック接続され、寄生ダイオードを内蔵する2つのFETを有する、充電制御装置。
  10. 請求項9に記載の充電制御装置であって、
    前記制御部は、バックツーバック接続された前記2つのFETのうち、一方のFETをオン、他方のFETをオフして、充電電流を前記寄生ダイオードに流すことにより、充電電圧を降下させる、充電制御装置。
  11. 請求項1~請求項10のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    並列に接続された各前記充電経路は、バックツーバック接続され、寄生ダイオードを内蔵する2つのFETを有し、
    前記制御部は、
    充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より低い場合、並列に接続された各前記充電経路のうち、少なくとも1つの充電経路は、バックツーバック接続された2つのFETを同時にオンし、
    充電電圧又は前記蓄電素子の電圧が設定電圧より高い場合、各前記充電経路に設置されバックツーバック接続された2つのFETのうち、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して順方向となる一方側のFETはオフし、内蔵する寄生ダイオードが充電方向に対して逆方向となる他方側のFETは、前記充電経路間でオンするタイミングが異なるように制御する、充電制御装置。
  12. 請求項1~請求項11のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
    前記蓄電素子を有する1つの蓄電装置のみ充電を制御する、充電制御装置。
  13. 蓄電装置であって、
    蓄電素子と、
    請求項1~請求項12に記載の充電制御装置と、
    前記蓄電素子と前記充電制御装置を収容するケースと、を有する、蓄電装置。
  14. 並列に接続された複数の充電経路を用いた蓄電素子の充電方法であって、
    前記充電経路は、直列接続された電圧降下素子及びスイッチを有し、
    前記電圧降下素子により充電電圧を降下させて充電を行いつつ、前記スイッチの制御により、複数の前記充電経路内において、非通電となる充電経路を、充電中に切り換える充電方法。
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