WO2013008614A1

WO2013008614A1 - 蓄電池管理ユニット

Info

Publication number: WO2013008614A1
Application number: PCT/JP2012/066226
Authority: WO
Inventors: 岩▲崎▼　利哉
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2013-01-17
Also published as: US20130314053A1; JPWO2013008614A1

Abstract

　充電システム（１０）は、複数の蓄電池（１２）で構成される組電池（１４）と、スイッチ部（１６）と、充電制御部（１８）と、蓄電池管理ユニット（２０）を含んで構成される。蓄電池管理ユニット（２０）は、充電制御部（１８）の制御によって定電流充電が行なわれている組電池（１４）の端子間電圧（Ｖ_B）を取得する電圧取得部（２２）と、取得された組電池（１４）の端子間電圧（Ｖ_B）が、予め定めた閾値切替電圧（Ｖ₀）となったときに、充電制御部（１８）に対し定電流充電から定電圧充電に切替えることを促す切替コマンドを送信する送信処理部（２４）を備える。

Description

蓄電池管理ユニット

　本発明は、蓄電池の端子間電圧を監視できる蓄電池管理ユニットに係り、特に、蓄電池の充電の際に蓄電池の端子間電圧を監視できる蓄電池管理ユニットに関する。

　蓄電池は充放電可能な２次電池であるが、その蓄電能力をできるだけ利用するには、充電限界まで充電して、その最大限まで充電された電力を放電して用いることが好ましい。充電限界まで充電することを満充電とすると、できるだけ短時間で満充電する充電方法が好ましい。

　例えば、特許文献１には、蓄電池の充電方法として、電流設定値に従って定電流充電し、電池電圧が電圧設定値に到達した時点で、定電圧充電に切替える方法が用いられることが述べられている。

特開２００２－１５２９８４号公報

　特許文献１に述べられている方法を用いると、最初に適当な定電流充電を行い、満充電に近い閾値切替電圧まで充電された時点で、その閾値切替電圧に電圧を保持する定電圧充電に切替える。切替は、蓄電池に供給される充電電流を制御する充電制御部で行われるので、閾値切替電圧は、充電制御部側の蓄電池の電圧と比較するものとすることが便利である。

　ところが、例えば、充電制御部と蓄電池との間にスイッチ等の素子が配置される場合を考えると、そのスイッチ等の素子において、無視できない電圧降下が生じることがある。すなわち、そのスイッチのオン抵抗が小さい抵抗値であっても、定電流充電の際の電流が大電流であると、スイッチ等の素子に大電流が流れることで、無視できない電圧降下が生じる。したがって、充電制御部側のスイッチ等の素子の電圧を用いて、これを閾値切替電圧と比較して定電圧充電に切替えるものとすると、蓄電池の端子間電圧は閾値切替電圧にまだ余裕がある状態の切替タイミングとなり、満充電にする時間が余計にかかることになる。

　本発明の目的は、定電流充電から定電圧充電に切替えるタイミングを適切なものとできる蓄電池管理ユニットを提供することである。

　本発明に係る蓄電池管理ユニットは、充電制御部の制御によって定電流充電が行なわれている蓄電池の端子間電圧を取得する電圧取得部と、取得された蓄電池の端子間電圧が、予め定めた閾値切替電圧となったときに、充電制御部に対し定電流充電から定電圧充電に切替えることを促す切替コマンドを送信する送信処理部と、を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、定電流充電から定電圧充電に切替えるタイミングを適切なものとできる。

本発明に係る実施の形態における蓄電池管理ユニットが用いられる充電システムの構成を説明する図である。定電流充電から定電圧充電に切替える様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態における蓄電池管理ユニットを用いるときの充電手順を示すフローチャートである。図３とは別の充電手順を示すフローチャートである。

　以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、蓄電池としてリチウムイオン電池を説明するが、これ以外の蓄電池であってもよい。例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等であってもよい。以下では、適当な端子間電圧、適当な充電容量を得るために、複数の蓄電池を直列接続した組電池を充電するものとして説明するが、勿論１つの蓄電池を充電するものとしてもよい。また、組電池として、複数の蓄電池を並列接続して構成するものとしてもよく、複数の蓄電池を直並列接続して構成するものとしてもよい。以下で述べる組電池の端子間電圧、蓄電池の端子間電圧は説明のための例示であって、組電池の仕様に応じ、適宜変更が可能である。

　以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

　図１は、蓄電池管理ユニット２０が用いられる充電システム１０の構成を示す図である。充電システム１０は、蓄電池１２を複数直列に接続した組電池１４と、スイッチ部１６と、充電制御部１８と、蓄電池管理ユニット２０を含んで構成される。充電システム１０は、蓄電池管理ユニット２０が取得する組電池１４の端子間電圧Ｖ_Bを用いて、組電池１４を適切に満充電するためのシステムである。

　組電池１４は、所望の端子間電圧Ｖ_Bと充電容量を得るために、複数の蓄電池１２を直列に接続して構成される。ここでは、蓄電池１２も、単位セルと呼ばれる端子間電圧が数Ｖのリチウムイオン単位蓄電池を、複数個直並列に接続したものを用いている。これによって、各蓄電池１２の端子間電圧を数１０Ｖとし、組電池１４の端子間電圧Ｖ_Bを２００Ｖから３００Ｖ程度としている。なお、組電池１４は、適当な端子間電圧と充電容量を得るために複数の蓄電池で構成したものであり、実質的には、これを１つの大容量の蓄電池と考えてもよい。

　スイッチ部１６は、組電池１４と充電制御部１８の間に直列に配置され、組電池１４と充電制御部１８との間を接続または遮断する機能を有する。かかるスイッチ部１６としては、大電流用のスイッチング素子を用いることができる。具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを用いることができる。リレー、遮断器等を用いることもできる。スイッチ部１６は、充電の間、基本的にはオンして接続状態とされ、過充電を防止する必要のあるとき等にオフして遮断状態とされる。スイッチ部１６の動作は、蓄電池管理ユニット２０によって制御される。

　充電制御部１８は、組電池１４を短時間で確実に満充電できるように、接続状態のスイッチ部１６を介して、組電池１４に供給される充電電流を制御する機能を有する。具体的には、充電の最初は、定電流充電を行うように、予め定めた一定電流を組電池１４に供給し、満充電に近くなったところで定電圧充電に切替える処理を行う。

　図２は、定電流充電から定電圧充電に切替える様子を示す説明図である。説明のための図であるので、ここでは、図１におけるスイッチ部１６の内部抵抗＝０で、組電池１４と充電制御部１８が直接的に接続されているものとする。

　図２では、横軸を共通の時間ｔにとった２つの図が示されている。１つの図は、縦軸が充電電流Ｉで、もう１つの図は、縦軸が組電池１４の端子間電圧Ｖである。ここで、時間ｔ₁までは小さな電流値で充電する。この期間の充電は、組電池１４の初期状態がほとんど充電されていない空充電のときに、いきなり大電流の定電流充電を実行することを避けるためのものである。

　時間ｔ₁において端子間電圧Ｖが適当な電圧に上昇すると、そこで、予め定めた定電流Ｉ₀で、定電流充電が開始する。定電流Ｉ₀の大きさは、短時間で満充電近くまで到達するように、かなりの大電流に設定される。時間ｔ₁以降の定電流充電では、充電電流はＩ₀の一定値に維持される。したがって、時間経過とともに、組電池１４は充電が進行し、端子間電圧Ｖが次第に上昇する。

　時間ｔ₂において、端子間電圧Ｖが予め定めた電圧Ｖ₀に到達すると、それ以後、端子間電圧が電圧Ｖ₀に維持される。したがって、電流Ｉは定電流Ｉ₀から次第に低下してゼロに近づく。この期間が定電圧充電である。時間ｔ₃で、電流Ｉがほぼゼロとなると、この時点を満充電とし、組電池１４に対する充電が終了する。

　実際にはスイッチ部１６が充電制御部１８と組電池１４との間に直列接続されるので、充電電流Ｉによって、スイッチ部１６の両端子間に電圧降下が発生する。そこで、定電圧充電に切替える電圧Ｖ₀を、スイッチ部１６の組電池１４側の端子間電圧Ｖ_Bと比較するか、スイッチ部１６の充電制御部１８側の端子間電圧Ｖ_Aと比較するかが問題となる。スイッチ部１６のオンのときのスイッチ部１６のところにおける内部抵抗、配線抵抗等を合わせた抵抗をＲとし、充電電流をＩとすると、Ｖ_A＝Ｖ_B＋ＩＲとなり、電圧降下量であるＩＲの分だけ、Ｖ_Aの方がＶ_Bより大きな値となる。

　ここで、スイッチ部１６の充電制御部１８側の端子間電圧Ｖ_Aは、充電制御部１８にとって容易に取得することができる電圧である。そこで端子間電圧Ｖ_Aを用いて、これをＶ₀と比較して、Ｖ_AがＶ₀に到達したタイミングで定電圧充電に切替えることが、充電制御部１８にとって便利である。しかし、この場合、組電池１４の実際の端子間電圧Ｖ_BがＶ₀に到達する手前で定電圧充電に切り替わることになる。したがって、Ｖ_BがＶ₀に到達したタイミングで定電圧充電に切替える場合と比較すると、組電池１４が満充電となる時間ｔ₃が遅くなる。これが、本発明によって解決しようとする課題である。

　そこで、蓄電池管理ユニット２０は、端子間電圧Ｖ_Bを取得する電圧取得部２２と、取得された端子間電圧Ｖ_Bが、予め定めた閾値切替電圧となったときに、充電制御部１８に対し定電流充電から定電圧充電に切替えることを促す切替コマンドを送信する送信処理部２４を備える。閾値切替電圧としては、組電池１４が過充電とならない限度である充電上限電圧から予め定めた余裕電圧の分だけ低くした電圧を用いることができる。図２の説明と合わせるため、以下では、閾値切替電圧をＶ₀として説明を続ける。

　また、蓄電池管理ユニット２０は、充電停止処理部２６を備える。充電停止処理部２６は、切替コマンドの送信から予め定めた所定期間内に、切替コマンドを受け取った旨の確認信号を充電制御部１８から受信しないときに、スイッチ部１６をオフさせる機能を有する。例えば、蓄電池管理ユニット２０が切替コマンドを送信しても、充電制御部１８が定電圧充電に切替えることが遅れると、組電池１４が過充電となる恐れがある。そのような場合に、充電停止処理部２６の機能によってスイッチ部１６をオフさせることができる。

　また、蓄電池管理ユニット２０は、較正用電圧送信処理部２８を有する。較正用電圧送信処理部２８は、端子間電圧Ｖ_Bを取得し、充電制御部１８が取得できる端子間電圧Ｖ_Aとの間の電圧差の較正を行うための較正用電圧を生成し、充電制御部１８に送信する機能を有する。端子間電圧Ｖ_Aを端子間電圧Ｖ_Bに較正するには、上記の関係式から、Ｖ_B＝Ｖ_A－ＩＲとすればよい。Ｒは電流、電圧、温度等に関しあまり変化しないときは、較正用電圧は、充電開始のときの端子間電圧Ｖ_Bを用いることができる。このようにすることで、充電制御部１８は、充電開始の直後から、較正された端子間電圧を算出することができる。

　そこで、充電制御部１８は、較正された端子間電圧を用いて適切に定電圧充電に切替えることができる。例えば、切替コマンドが誤って送信されない場合、切替コマンドの送信が他の割込処理等で遅れた場合、あるいは、充電制御部１８の内部の処理の関係で、切替コマンドを受信してからの処理に時間がかかった場合においても、充電制御部１８は適切に定電圧充電に切替えることができるようになる。

　かかる蓄電池管理ユニット２０は、適当な性能のコンピュータで構成できる。具体的には、適当な処理速度と適当な記憶容量を有する組込型のマイクロプロセッサで構成される。適当な処理速度、適当な記憶容量とは、例えば、やはりコンピュータで構成される充電制御部１８の処理速度よりも低速で、小規模の記憶容量とすることができる。また、蓄電池管理ユニット２０の各機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、充電プログラムを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現してもよい。

　上記構成の作用、特に、蓄電池管理ユニット２０の各機能について、図３、図４を用いてさらに説明する。図３、図４は、充電手順を示すフローチャートである。図３は、蓄電池管理ユニット２０の機能のうち、較正用電圧送信処理部２８の機能を用いない場合についてのフローチャート、図４は、較正用電圧送信処理部２８の機能を併用する場合についてのフローチャートである。

　図３において、充電が開始（Ｓ１０）すると、端子間電圧Ｖ_Bの取得が行われる（Ｓ１２）。この工程は、蓄電池管理ユニット２０の電圧取得部２２の機能によって実行される。このとき、充電制御部１８では、図２で説明した定電流充電の制御が実行されている。
　端子間電圧Ｖ_Bの取得は、次のように行われる。すなわち、組電池１４において、各蓄電池１２の端子間電圧が図示されていない電圧検出器にて検出され、蓄電池管理ユニット２０に伝送される。蓄電池管理ユニット２０は、伝送されてきた各蓄電池１２の端子間電圧を加算して、組電池１４としての端子間電圧Ｖ_Bを算出して取得する。

　なお、蓄電池管理ユニット２０は、組電池１４を構成する蓄電池１２の端子間電圧を取得する他に、図示されていない温度検出器で検出される蓄電池１２の温度の取得、図示されていない電流検出器によって検出される組電池１４を流れる電流を取得する管理機能を有する。取得された電圧、温度、電流は、組電池１４の充放電制御に役立てるために、図示されていない監視部に送信される。

　図３において、端子間電圧Ｖ_Bが取得されると、閾値切替電圧Ｖ₀と比較される（Ｓ１４）。Ｖ_BがＶ₀となるまではＳ１２に戻り、端子間電圧Ｖ_Bの取得が継続する。その間、充電制御部１８では、定電流充電の制御が継続される。そして、Ｖ_BがＶ₀に到達すると、定電圧充電に切替えるタイミングであることを示すＣＶコマンドが充電制御部１８に送信される（Ｓ１６）。したがって、ＣＶコマンドは、充電制御部１８に対し、定電流充電から定電圧充電に切替える処理を行わせることを内容とする切替コマンドである。この工程は、蓄電池管理ユニット２０の送信処理部２４の機能によって実行される。

　次に、ＣＶコマンド送信後、予め定めた所定期間内に、充電制御部１８からコマンド受領確認信号を受信したか否かが判断される（Ｓ１８）。所定期間の長さは、定電流充電が継続しても組電池１４が過充電とならない限度で設定される。Ｓ１８の判断が肯定されるときは、充電制御部１８において、定電流充電制御から定電圧充電制御に切替えられるので、一連の処理がこれで終了する。

　所定期間内に充電制御部１８からのコマンド受領確認信号が受信されずにＳ１８の判断が否定されると、組電池１４の過充電を防止するため、スイッチ部１６に対しオフ指令が出される（Ｓ２０）。これにより、充電制御部１８と組電池１４との間が遮断され、充電停止処理とされる。この工程は、蓄電池管理ユニット２０の充電停止処理部２６の機能によって実行される。

　図４は、図３の手順に加え、蓄電池管理ユニット２０の較正用電圧送信処理部２８の機能を併用するときの様子を説明するフローチャートである。図４において、実線枠で示される工程は、図３と同様な工程で、蓄電池管理ユニット２０によって実行される工程である。一方、破線枠で囲まれた工程は、充電制御部１８によって実行される工程である。

　ここでは、充電開始（Ｓ１０)の後で、較正用Ｖ_Bの取得が行われる（Ｓ２２）。較正用Ｖ_Bの取得は、Ｓ１２のＶ_B取得と同様に組電池１４の端子間電圧Ｖ_Bを取得することであるが、取得されたＶ_BはＶ₀と比較されるために用いられるのではなく、充電制御部１８において、端子間電圧Ｖ_Aを較正するために用いられる。したがって、Ｓ２２の工程は、端子間電圧Ｖ_BがＶ₀に到達する前に実行される必要がある。好ましくは、Ｓ１０の直後に行われることがよい。

　Ｓ２２の後、取得された較正用Ｖ_Bが充電制御部１８に送信される（Ｓ２４）。この工程は、蓄電池管理ユニット２０の較正用電圧送信処理部２８の機能によって実行される。そして、蓄電池管理ユニット２０が行う処理は、このＳ２４で終了する。これ以後は、較正用Ｖ_Bを受信した充電制御部１８によって処理が行われる。

　充電制御部１８では、較正用Ｖ_Bを受信したタイミングにおける端子間電圧を取得して、これを較正用Ｖ_Aとする。そして、較正用Ｖ_Bと較正用Ｖ_Aとを用いて、較正用電圧差Ｖ_Cを算出する（Ｓ２６）。ここで、較正用電圧差Ｖ_Cは、Ｖ_C＝（較正用Ｖ_A－較正用Ｖ_B）で算出される。

　Ｖ_Cが求められると、充電制御部１８による端子間電圧Ｖ_Aの取得が行われる（Ｓ２８）。取得されたＶ_Aは、Ｖ_Cを用いて、Ｖ_B＝Ｖ_A－Ｖ_Cの関係式で較正することができる。構成されて算出されるＶ_Bは、Ｖ_Aから推定される組電池１４の端子間電圧である。この推定される組電池１４の端子間電圧を用いて、充電制御部１８の側で、組電池１４の端子間電圧Ｖ_BがＶ₀に到達するタイミングを推定できる。

　具体的には、取得したＶ_Aと、（Ｖ₀＋Ｖ_c）との比較が行われる（Ｓ３０）。これは、図３で説明したＳ１４において、Ｖ_BがＶ₀と比較されたことに対応する。したがって、Ｖ_Aが（Ｖ₀＋Ｖ_C）となるまではＳ２８に戻り、端子間電圧Ｖ_Aの取得が継続する。その間、充電制御部１８では、定電流充電の制御が継続される。そして、Ｖ_Aが（Ｖ₀＋Ｖ_C）に到達すると、定電圧充電に切替えるタイミングとなる。

　そこで、蓄電池管理ユニット２０から既にＣＶコマンドを受領済みかが判断される（Ｓ３２）。既にＣＶコマンドを受領済みであるときは、図３で説明したＳ１８に進み、以後は、蓄電池管理ユニット２０によって実行されるＳ１８，Ｓ２０の工程に進む。

　Ｓ３２の判断が否定されると、既に定電圧充電に切替えるタイミングに到達しているので、ＣＶコマンドを受領していなくても、定電流充電の制御から定電圧充電の制御に切替が行われる（Ｓ３４）。

　このように、蓄電池管理ユニット２０の較正用電圧送信処理部２８の機能を併用することで、何らかの理由でＣＶコマンドの受領が遅れても、定電圧充電の制御への切替を適切に実行することができる。すなわち、以上説明した本発明の実施の形態によれば、蓄電池管理ユニット２０は、充電制御部１８の制御によって定電流充電が行われている蓄電池の端子間電圧が、予め定めた閾値切替電圧となったときに、充電制御部１８に対し定電流充電から定電圧充電に切替えることを促す切替コマンドを送信する。これによって、仮に、充電制御部１８と蓄電池との間にスイッチ部１６等の素子が設けられても、そのスイッチ等の素子における電圧降下の影響をなくして、定電流充電から定電圧充電に切替えるタイミングを適切なものとできる。

　本発明に係る蓄電池管理ユニットは、蓄電池の充電制御に用いることができる。

　１０　充電システム、１２　蓄電池、１４　組電池、１６　スイッチ部、１８　充電制御部、２０　蓄電池管理ユニット、２２　電圧取得部、２４　送信処理部、２６　充電停止処理部、２８　較正用電圧送信処理部。

Claims

　充電制御部の制御によって定電流充電が行なわれている蓄電池の端子間電圧を取得する電圧取得部と、
　取得された蓄電池の端子間電圧が、予め定めた閾値切替電圧となったときに、充電制御部に対し定電流充電から定電圧充電に切替えることを促す切替コマンドを送信する送信処理部と、
　を備えることを特徴とする蓄電池管理ユニット。
　請求項１に記載の蓄電池管理ユニットにおいて、
　蓄電池の端子間電圧を取得し、充電制御部と蓄電池との間に設けられるスイッチ部の充電制御部側において取得される前記蓄電池の端子間電圧に前記スイッチ部における電圧降下量が加算された蓄電池電圧の較正を行うための較正用電圧を生成し、充電制御部に送信する較正用電圧送信処理部をさらに備えることを特徴とする蓄電池管理ユニット。
　請求項２に記載の蓄電池管理ユニットにおいて、
　切替コマンドの送信から予め定めた所定期間内に、切替コマンドを受け取った旨の確認信号を充電制御部から受信しないときは、前記スイッチ部をオフさせる充電停止処理部をさらに備えることを特徴とする蓄電池管理ユニット。