JPWO2012043744A1 - 充電制御装置 - Google Patents
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Abstract
電池の必要蓄電量を維持する。センサS1により、電池202の電圧を検出する。制御回路200cは電池202への充電電流を定電流に制御する定電流充電制御と、電池202への充電電圧を定電圧に制御する定電圧充電制御を行うことができる。センサS1により検出した電池の電圧と、電圧設定値を比較し、その比較結果に基づき、電池電圧が電圧設定値に至るまでは定電流充電を行い、前記電圧設定値に至った後は定電圧充電を行うように制御する。そして、電圧設定値が変更可能である。
Description
本発明は、電池の充電を制御する充電制御装置に関する。
特許文献1−3には、系統電源からの電力を蓄電池に貯蔵しておき、必要なタイミングで蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して系統電源に接続されている負荷に供給する電源システムが記載されている。特に、特許文献3では、商用電源からの深夜電力によって、蓄電池を充電し、昼間などに蓄電池からの直流電力を交流電力に変換して、負荷に供給している。
ここで、蓄電池は使用によって劣化する。そして、劣化した場合には、蓄電池に求められる蓄電量が維持できなくなってしまう。早めに蓄電池を交換すればよいが、それは効率的ではなく、また環境的にも問題となる。
本発明は、電池の充電制御装置であって、前記電池の電圧を検出する電圧センサと、前記電池への充電電流を定電流に制御する定電流制御回路と、前記電池への充電電圧を定電圧に制御する定電圧制御回路と、前記電圧センサにより検出した電池の電圧と、電圧設定値を比較し、比較結果に基づき、電池の電圧が電圧設定値に至るまでは定電流充電を行い、前記電圧設定値に至った後は定電圧充電を行うように制御する制御回路と、前記電池の劣化を検出する劣化検出回路と、を含み、前記制御回路は、前記劣化検出回路で検出した電池の劣化が進むほど、前記電圧設定値を高く変更することを特徴とする。
また、前記劣化検出回路は、1回の充電における充電電流の積算値から、前記電池の劣化を検出することが好適である。
また、前記劣化検出回路は、充電時における前記電池の電圧から推定される前記電池の内部抵抗から、前記電池の劣化を検出することが好適である。
本発明によれば、電池の蓄電容量が変化しても、必要な蓄電量を維持することが可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態における電源システムは、図1に示すように、双方向電力変換部200、電池ユニット202、系統電源204及び制御部206を含んで構成される。双方向電力変換部200には、直流電源である電池ユニット202と交流の系統電源204とが接続される。また、系統電源204には負荷208が接続されており、負荷208に対して系統電源204から交流電力が供給される。さらに、負荷208には双方向電力変換部200を介して電池ユニット202が接続されており、電池ユニット202からの直流電力が双方向電力変換部200において交流電力に変換されて負荷208に供給される。
電池ユニット202は、二次電池である蓄電池を含んで構成される。電池ユニット202は、例えば、リチウムイオン電池などの蓄電池セルを直並列に接続して構成され、直流の開放電圧が200V程度のものが採用される。電池ユニット202は、例えば、リチウムイオン電池の蓄電池セルを24個並列に接続したものを、さらに直列に13組接続して構成された電池パックを複数含んで構成される。電池ユニット202は、例えば、電池パックを5個直列に接続した電池パック列を4個並列に接続して構成されるが、電池ユニットは1つの電池パックで構成してもよい。電池ユニット202には、電圧検知センサ、電流検知センサ及び温度検知センサが設けられ、電池ユニット202の出力電圧、充放電電流、温度を制御部206へ出力する。
系統電源204は、例えば、交流商用電源である。本実施の形態では、系統電源204は、単相200V交流電源とするが、これに限定されるものではない。
双方向電力変換部200は、上記のように、電池ユニット202から出力される直流電力を交流電力へ変換して負荷208へ供給すると共に、系統電源204からの交流電力を直流電力に変換して電池ユニット202の充電を行うために用いられる。
例えば、電力の使用が少ない深夜等において系統電源204からの交流電力によって電池ユニット202を充電し、昼間等の負荷208による電力消費が大きい期間において電池ユニット202から放電してその電力を系統電源204から供給される電力に重畳して負荷208に供給する。これにより、電力消費量の平均化を図ることができ、電力消費のピークの低減化を図ることができる。
次に、双方向電力変換部200について説明する。図1に示すように、双方向電力変換部200は、昇降圧回路200a、インバータ回路200b及び制御回路200cを含んで構成される。双方向電力変換部200は、外部の制御部206と接続され、制御部206からの制御信号を受けた制御回路200cによって昇降圧回路200a及びインバータ回路200bが制御される。
昇降圧回路200aは、電池ユニット202から出力される電圧を昇圧してインバータ回路200bへ供給する機能と、インバータ回路200bから出力される電圧を降圧して電池ユニット202へ供給する機能と、を実現する。昇降圧回路200aは、コンデンサC1、インダクタL1及びスイッチング素子SW1,SW2を含んで構成される。
電池ユニット202の正側出力端に接続される正側ラインと、負側出力端に接続される負側ラインが昇降圧回路200aに接続される。この正負側ライン間には、コンデンサC1が接続されている。また、正側ラインは、コイルL1を介し、2つのスイッチング素子SW1,SW2の接続点に接続されている。ここで、スイッチング素子SW1,SW2は、それぞれN型のトランジスタと還流ダイオードの並列接続からなる。スイッチング素子SW1,SW2のトランジスタには例えばIGBTなど大電流を流すパワートランジスタが採用されオン時に正側(コレクタ)から負側(エミッタ)に電流を流し、還流ダイオードは負側(トランジスタのエミッタ側)から正側(トランジスタのコレクタ側)に電流を流す。なお、スイッチング素子SW1,SW2は、FETを用いて構成することも可能である。
スイッチング素子SW1は、そのコレクタがインバータ回路200bの正側母線に接続され、エミッタはスイッチング素子SW2のコレクタに接続される。スイッチング素子SW2のエミッタは負側ラインに接続される。そして、スイッチング素子SW1,SW2のゲートは、制御回路200cに接続され、制御回路200cがスイッチング素子SW1,SW2のトランジスタのオン/オフを制御する。すなわち、コイルL1、スイッチング素子SW1,SW2によりフルアームのDCコンバータが構成されており、制御回路200cによりスイッチング素子SW1をオフに維持し、スイッチング素子SW2をオン/オフ制御することによって、インバータ回路200bの正側母線側に電池ユニット202からの出力電圧を昇圧した直流電圧を得ることができる。また、スイッチング素子SW2をオフに維持し、スイッチング素子SW1のオン/オフ制御によってインバータ回路200bの正側母線の電圧を降圧した直流電圧を電池ユニット202の正側出力端に得ることが可能となる。
このとき、スイッチング素子SW1、SW2のオン/オフのデューティ比を制御して電圧を変えることによって、昇降圧回路200aの電池ユニット202からインバータ回路200bへ供給される電力及びインバータ回路200bから電池ユニット202へ供給される電力の電力移動を制御することができる。
具体的には、制御部206は、センサS4によって得られる系統電源204からの供給電力及び負荷208の必要電力の情報を受けて、これらの情報から電池ユニット202から負荷208へ供給する電力、すなわち電池ユニット202から系統電源204へ重畳する電力を求める。制御部206は、求められた電力が電池ユニット202から供給されるように指示する制御信号を制御回路200cへ出力する。制御回路200cは、センサS1によって電池ユニット202の電圧Vd及び充放電電流Idと、センサS2によって測定される中間電圧Vmとを受けて、これらの値及び制御部206から受けた制御信号に基づいて所望の電力移動となるようにスイッチング素子SW1、SW2のオン/オフのデューティ比を制御する。なお、スイッチング素子SW2のエミッタが接続されるインバータ回路200bの負側母線と、スイッチング素子SW1のコレクタが接続されるインバータ回路200bの正側母線の間には、コンデンサC2が接続され、正負母線間の電圧を平滑化している。このコンデンサC2の負側母線に対する端子電圧を中間電圧Vmとする。なお、スイッチング素子SW1とSW2との接続点の電圧がスイッチング素子SW1に並列に接続された環流ダイオードを介してコンデンサC2の正側母線に表われている。また、上述のように、センサS1は、電圧センサと、電流センサの両方の機能を有する。
一般的に、インバータ回路200bの正負母線間の中間電圧Vmは、電池ユニット202の出力電圧Vdに比べ高い電圧に制御される。ただし、電池ユニット202の電圧Vdが中間電圧Vmより高い場合には、中間電圧Vmから電池ユニット202側に昇圧して電力を供給できる昇降圧回路を設け、電力を輸送すればよい。
インバータ回路200bは、スイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6を含んで構成される。スイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6は、それぞれN型のトランジスタと還流ダイオードの並列接続からなる。スイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6のトランジスタには例えばIGBTなど大電流を流すパワートランジスタが採用されオン時に正側(コレクタ)から負側(エミッタ)に電流を流し、還流ダイオードは負側(トランジスタのエミッタ側)から正側(トランジスタのコレクタ側)に電流を流す。スイッチング素子SW3及びSW5はインバータ回路200bの上アームを構成し、スイッチング素子SW4及びSW6はインバータ回路200bの下アームを構成する。これらのスイッチング素子SW4〜SW6は、スイッチング素子SW1,SW2と同様にFETを用いて構成してもよい。
すなわち、インバータ回路200bの正負母線間には、スイッチング素子SW3及びSW4の直列接続およびスイッチング素子SW5及びSW6の直列接続の2本のアームが接続される。スイッチング素子SW3,SW5のコレクタが正側母線にそれぞれ接続され、エミッタがスイッチング素子SW4,SW6のコレクタに接続される。また、スイッチング素子SW4,SW6のエミッタは、負極母線に接続される。このようにして、スイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6により単相のインバータ回路200bが構成されている。
また、スイッチング素子SW3,SW4の接続点は、コイルL2を介し、系統電源204の一端に接続される交流出力端になっており、スイッチング素子SW5,SW6の接続点は、コイルL3を介し、系統電源204の他端に接続される交流出力端になっている。また、コイルL2およびコイルL3の交流出力端側間には、コンデンサC3が接続されている。コイルL2,L3及びコンデンサC3は、インバータ回路200bの交流電流に生じる高周波成分の除去と、交流電流の位相を交流電圧の位相に近づける機能のために必要となる。
スイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6は、制御回路200cによってオン/オフ制御される。スイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6のオン/オフ制御によって、電池ユニット202の放電時、すなわち電池ユニット202から負荷208へ電力を供給する期間においては昇降圧回路200aから供給される直流電力がインバータ回路200bによって交流電力に変換されて負荷208へ供給される。具体的には、スイッチング素子SW3,SW6をオン及びスイッチング素子SW4,SW5をオフにすることでコイルL2側の交流出力端が正となる出力が得られ、スイッチング素子SW3,SW6をオフ及びスイッチング素子SW4,SW5をオンにすることでコイルL3側の交流出力端が正となる出力が得られる。ここで、制御回路200cは、センサS3によって測定されるインバータ回路200bへの入力電圧Va及び入出力電流Iaを受けて、これらの信号からゼロクロス点を検出して系統電源204から負荷208へ供給される電力の電圧位相と同期した交流電力がインバータ回路200bから出力されるようにスイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6のオン/オフのデューティを制御する。
これにより、負荷208へ系統電源204及び電池ユニット202の両方から交流電力を供給することが可能になる。
このような双方向電力変換システムにおいて、充電時にはインバータ回路200bのスイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6は総てオフとしてスイッチング素子SW3,SW4,SW5及びSW6に含まれる環流ダイオードのブリッジ回路の作用のみによって系統電源204からの交流電力を整流して昇降圧回路200aへ供給する。
そして、昇降圧回路200aでは、下側のスイッチング素子SW2をオフに固定しておき、スイッチング素子SW1をPWM制御することで、充電電流を制御して、電池ユニット202の充電を行う。
なお、系統電源204は、200Vの単相交流であり、そのピーク電圧は280V程度である。従って、系統電源204側からの供給電流が電池ユニット202の充電電流より大きければ、中間電圧Vmは280V程度に落ち着く。そこで、スイッチング素子SW1をオンすることで、電池ユニット202を充電することができる。
電池ユニット202への充電は、図2に示すように、電池ユニット202の電圧Vdが所定値Vthとなるまで定電流モード(CCモード)で行う。このCCモードでの充電は、上述のように、スイッチング素子SW1をPWM制御することで行うが、電池ユニット202の充電電流Idの検出値を監視しながら、制御回路200cが定電流に制御する(定電流制御回路)。次に、充電時における電池ユニット202の電圧が所定値Vthに到達すると、制御回路200cが制御部206の指示に応じて充電モードを定電圧モード(CVモード)に切り替える。このCVモードでは、電池ユニット202の電圧Vdを監視しつつ、Vdが一定という条件で制御回路200cがスイッチング素子SW1をPWM制御する(定電圧制御回路)。そして、CVモードにおいて、充電電流が所定の低電流値Iendになったことをもって、充電を終了する。このため、定電圧充電の終了時の電圧Vdがほぼ電池ユニット202の電圧となる。
ここで、蓄電池は、使用によって劣化することが知られている。これは、材料の経年変化などによるが、充放電回数の増加、累積充放電量などが影響するといわれている。
一方、電池ユニット202からの電力を利用するシステムでは、電池ユニット202の蓄電量を一定の値であることを前提としている場合が多い。そこで、電池ユニット202の蓄電量をできるだけ一定にしたいという要求がある。
例えば、図3に示すように、蓄電量は蓄電池電圧に比例するが、電池が劣化すると同じ蓄電池電圧であっても蓄電量が小さくなる。そこで、劣化した電池では必要な蓄電量を保持する場合の蓄電池電圧が初期の蓄電池に比べ高くなる。
一方、充電終了時の電池ユニット202の電圧はCVモードにおける充電電圧Vdに応じたもの(基本的に同一)になる。従って、充電終了時の蓄電量は、劣化した電池ユニット202の方が、初期の電池ユニット202より小さくなってしまう。一方、上述のように必要な蓄電量は決まっており、充電終了時の蓄電量を必要量以上に維持したい。
そこで、本実施形態では、図4に示すように、蓄電池の劣化に伴い、定電圧充電の際の電圧Vthを初期のVth0に比べて高く変更する。そこで、CCモードによって、より高い電圧まで充電を行い、その後CVモードに移行して定電圧充電を行う。これによって、充電満了時の電池ユニット202の電圧は、定電圧充電の電圧Vdとなり、初期の電池ユニット202に対する定電圧充電の電圧Vd0に比べて高くなる。そこで、充電終了時の電池ユニット202の蓄電量を大きくすることができる。従って、定電圧充電時の電圧Vthを必要な蓄電量に対応した値に設定することで、常に必要な蓄電量を確保した充電を行うことができる。なお、必要な充電量を確保できなくなった電池ユニット202については、寿命と見なし、交換する。
ここで、電池ユニット202の蓄電池の劣化は、基本的に充電時の積算充電電流量によって検出することができる。例えば、初期充電時における完全放電(0%)から満充電(100%)までの蓄電池電圧と蓄電量の関係を記憶しておく。そして、充電の際の充電停止までの電流量を検出することで、蓄電容量の減少を検出することができる。蓄電量0%〜100%ではなく、5%〜95%などの蓄電池電圧と蓄電量の関係を記憶しておいてもよい。そして、充電を開始するときの蓄電池電圧を記憶しておき、蓄電池電圧Vthまでの充電量を検出することで、その時点での電池ユニット202の蓄電容量を検出することができ、これから電池の劣化を検出することが可能になる。なお、蓄電池の蓄電容量の検出については、各種の手法が提案されており、いずれの手法を採用してもよい。そして、蓄電容量の減少から電池ユニット202の劣化度を検出することができる。
また、電池ユニット202の蓄電池の劣化は、蓄電池の内部抵抗の増加を検知することによっても検出することができる。センサS1で測定される電池ユニット202の電圧は、電池ユニット202の内部抵抗の影響により、充電時には増加し、放電時には逆に減少するため、これを用いて蓄電池の内部抵抗の増加を検知することができる。より具体的には、充放電を行っている時にセンサS1により検出した電池ユニット202の電圧と、充放電を行っていない時にセンサS1により検出した電池ユニット202の電圧とを比較し、この差が大きくなるほど電池ユニット202の劣化が進んでいると判断する。
電池ユニット202の蓄電容量が減少した場合、蓄電容量の検出値に応じて計算でVthを求め、これを次回の充電時に使用する。Vthの計算は、例えば、蓄電池の内部抵抗=(充電を行っている時にセンサS1により検出した電池ユニット202の電圧―充電を行っていない時にセンサS1により検出した電池ユニット202の電圧)/充電電流により内部抵抗を求め、この内部抵抗を用いて、Vth(更新後)= Vth(更新前)+ 内部抵抗×K(所定の定数)により行うことができる。更にこのVthの計算式において、内部抵抗についても更新前との差を考慮するようにして、内部抵抗の差を所定の定数Lと乗じるようにしてもよい。
もしくは充電を行っている時にセンサS1により検出した電池ユニット202の電圧と充電を行っていない時にセンサS1により検出した電池ユニット202の電圧との差が所定の値以上となった場合、例えば、予め準備された前記電圧差とVthとの関係を示すテーブルを参照して、Vthを決定してもよい。
上述した電池の劣化検出は、制御回路200cが、センサS1により計測した電流値、電圧値に基づき行う。従って、制御回路200cが劣化検出回路として機能する。
次に、電池ユニット202の構成例を図5に示す。このように、電池ユニット202は、多数の電池セル10から構成されている。所定数の電池セルが並列接続されると共に、これが所定数直列接続されている。従って、電池セル10の直列接続の数に応じた出力電圧を有し、並列接続の数に応じた電流出力能力を有する。また、蓄電量は電池セル10の数による。
また、並列接続された電池セル10の行毎の両端は、保護回路12に接続されている。保護回路12は、各点の電圧から電池セル10の電圧および全体の電圧を監視し、過充電が起こりそうなときは、そのことについて信号を出力する。保護回路12には、マイクロプロセッサ14が接続され、このマイクロプロセッサ14は保護からの信号を受け入れると共に、電池ユニット202の出力電圧も入力される。また、マイクロプロセッサ14には、アイソレータ16が接続され、ここで電池パックの高電圧系と切り離してマイクロプロセッサ14が外部との信号のやり取りを行う。
また、電池ユニット202全体の電圧は電圧センサ18で検出され、電池ユニット202に流れる電流は電流センサ20で検出されて、マイクロプロセッサ14に供給される。なお、保護回路12内に設けられたものを利用してもよい。
このマイクロプロセッサ14は、その時の電流値、電圧値を出力できると共に、充電回数、累積充放電電流量、充電終了時電圧などを不揮発性メモリなどに記憶しており、これを出力することができる。
なお、図5に示した電池ユニット202は、出力電圧が40〜50Vのものでもよく、これを直列接続して、図1に示す電池ユニット202とすることが好適である。
図6には、電池ユニット202の充電時のフローチャートが示されている。このような制御は、制御部206が行う。
まず、タイマーなどの出力によって、充電時刻となったことを検知した場合には、制御部206が電池ユニット202の充電を開始する。
まず、電池ユニット202の電池劣化度を検出する(S11)。この劣化度の検出は、電池ユニット202から送られてくる蓄電容量などにより行う。そして、現在のCCモードからCVモードに切り換える電池ユニット202の電圧の所定値Vthが、劣化度に応じて適切であるかを判定する(S12)。この判定は、制御部206が持っている、劣化度と、図3の蓄電量と電圧の関係に応じて計算される所定値Vthの比較によって行われる。毎回、所定値Vthを設定してもよいが、ある程度の範囲に対し、所定値Vthを設定しておくことが好適である。
このS12の判定で、適正でないと判定した場合には、その時に適正なものに所定値Vthを更新する(S13)。S13でVthが更新された場合およびS12においてVthが適正であると判断された場合には、CCモード(定電流)での充電処理を行う(S14)。この定電流は、上述のように、昇降圧回路200aにおけるスイッチング素子SW1のPW制御によって行われる。
次に、電池ユニット202の充電電圧Vdが所定値Vthに至っているかを判定し(S15)、NOであればS14に戻り定電流充電を継続する。
S15において、YESであれば、定電圧充電(CVモード)に移行し、CVモード充電を行う(S16)。次に、このCVモードの充電において、充電電流が充電終了電流Iendに至っていないかを判定し(S17)、至っていない場合にはS16に戻り定電圧充電を継続する。一方、S17の判定において、充電終了と判定された場合には、充電処理を終了する。
なお、充電電圧Vdは、所定値以上の上昇することはできず、求められた充電電圧Vdが上限電圧になった場合には、電池ユニット202を交換する。
10 電池セル、12 保護回路、14 マイクロプロセッサ、16 アイソレータ、18 電圧センサ、20 電流センサ、200 双方向電力変換部、200a 昇降圧回路、200b インバータ回路、200c 制御回路、202 電池ユニット、204 系統電源、206 制御部、208 負荷。
Claims (3)
- 電池の充電制御装置であって、
前記電池の電圧を検出する電圧センサと、
前記電池への充電電流を定電流に制御する定電流制御回路と、
前記電池への充電電圧を定電圧に制御する定電圧制御回路と、
前記電圧センサにより検出した前記電池の電圧と、電圧設定値を比較し、比較結果に基づき、前記電池の電圧が前記電圧設定値に至るまでは定電流充電を行い、前記電圧設定値に至った後は定電圧充電を行うように制御する制御回路と、
前記電池の劣化を検出する劣化検出回路と、
を含み、
前記制御回路は、前記劣化検出回路で検出した電池の劣化が進むほど、前記電圧設定値を高く変更する充電制御装置。 - 請求項1に記載の充電制御装置において、
前記劣化検出回路は、1回の充電における充電電流の積算値から、前記電池の劣化を検出する充電制御装置。 - 請求項1に記載の充電制御装置において、
前記劣化検出回路は、充電時における前記電池の電圧から推定される前記電池の内部抵抗から、前記電池の劣化を検出する充電制御装置。
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