WO2015189983A1

WO2015189983A1 - 充電制御装置及び充電制御方法

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Publication number: WO2015189983A1
Application number: PCT/JP2014/065735
Authority: WO
Inventors: 土岐　吉正
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-17
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Abstract

　バッテリ３の充電を制御する充電制御装置において、電源から供給される交流電力を全波整流又は半波整流により整流し、整流された電力をバッテリの充電電力としてバッテリを充電する充電器２と、バッテリ３の状態を検出するセンサ４と、バッテリ３の制限電圧より低い電圧を、充電器２からバッテリ３に充電可能な充電上限電圧として設定し、充電器２を制御する制御手段とを備え、制御手段は、センサ４の検出値と充電上限電圧に基づいてバッテリ３に充電可能な電力を充電可能電力として管理し、充電可能電力に基づいて充電電力を制御し、充電電力が所定の閾値より高い場合には充電上限電圧を第１充電上限電圧に設定し、充電電力が所定の閾値より低い場合には充電上限電圧を第１充電上限電圧より高い第２充電上限電圧に設定する。

Description

充電制御装置及び充電制御方法

　本発明は、充電制御装置及び充電制御方法に関するものである。

　外部交流電源からの供給電力Ｐ_ＳＵＰを、充電許容電力Ｐ_ＬＩＭに制限して、バッテリの充電を行なっている状態において、ＰＷＭ制御によりパルス駆動するＰＴＣヒータの駆動要求がされた場合に、ＰＷＭ制御によって、ＰＴＣヒータの駆動電力は、一定の周期で変化（脈動）するため、バッテリの充電電力も変化する。このとき、ＰＴＣヒータの駆動電力が最大となっている部分においては、バッテリを放電状態にすることで、バッテリの充電電力が充電許容電力Ｐ_ＬＩＭを超えないような状態を保つバッテリ充電システムが開示されている（特許文献１）。

特開２０１２－１９６７８号公報

　上記の従来システムでは、ＰＴＣヒータで駆動する際、ＰＷＭ制御のスイッチング動作による脈動によってバッテリの充電電力が充電許容電力Ｐ_ＬＩＭを越えないようにバッテリを放電状態とすることにより、バッテリの電圧が充電上限電圧を越えないようにしている。また、ＰＷＭ制御のスイッチング動作による脈動の大きさが一定であることを前提として、バッテリの充電電力が充電許容電力Ｐ_ＬＩＭを超えないように制御している。

　一方、全波整流方式又は半波整流方式により交流電力を整流しつつバッテリを充電する充電システムにおいても、整流に伴って充電電力が脈動する。このような充電システムにおいて、上記従来システムのようにバッテリの充電電圧が充電上限電圧を越えないようにバッテリを放電状態とした場合には、充電電力に対して実際にバッテリに充電される電力が低下（充電効率が低下）し、結果として単位時間当たりのバッテリへ充電可能な電力量が少なくなってしまう。また、従来システムのように脈動の大きさが一定であることを前提としつつ、上記の充電システムにおいて、一定の大きさの脈動分だけバッテリの充電上限電圧を低く制限した場合には、実際の脈動の大きさに対して、バッテリの充電可能な電圧が低くなりすぎてしまう。そのため、バッテリの充電可能な電力量が少なくなってしまい、結果として充電完了時のバッテリに充電されている電力量が低下してしまう、という問題があった。

　本発明が解決しようとする課題は、全波整流方式又は半波整流方式により交流電力を整流しつつバッテリを充電するシステムにおいて、バッテリの充電可能な電力量を高めた充電制御装置及び充電方法を提供することである。

　本発明は、センサの検出値とバッテリの充電上限電圧に基づいてバッテリに充電可能な電力を充電可能電力として管理し、充電可能電力に基づいてバッテリの充電電力を制御し、充電電力が所定の閾値より高い場合には充電上限電圧を第１充電上限電圧に設定し、充電電力が当該所定の閾値より低い場合には充電上限電圧を第１充電上限電圧より高い第２充電上限電圧に設定することによって上記課題を解決する。

　本発明は、充電電力に含まれる脈動が小さくなると、充電上限電圧が高くなるため、バッテリの充電可能電力が大きくなり、充電効率を低下させることなくバッテリの充電可能な電力量を高めることができる。

本発明の実施形態に係る充電システムのブロック図である。図１の充電システムにおいて、バッテリの充電電力の脈動を説明するためのグラフである。図１の充電システムにおいて、バッテリの充電電圧の特性を説明するためのグラフである。図１のコントローラの制御手順を示すフローチャートである。図１の充電システムにおいて、バッテリの充電電圧と充電電流の推移を説明するためのグラフである。図１の充電システムにおいて、バッテリの充電電力と充電電圧の時間的な推移を示すグラフである。本発明の変形例に係る充電システムにおいて、バッテリの充電電圧と充電電流の推移を説明するためのグラフである。本発明の他の実施形態に係る充電システムにおいて、コントローラの制御手順を示すフローチャートである。本発明の他の実施形態に係る充電システムにおいて、バッテリの充電電力の時間的な推移を示すグラフである。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
　図１は本発明の実施形態に係る充電制御装置を含む充電システムのブロック図である。本実施形態に係る充電システムは、全波整流方式又は半波整流方式のインバータを用いた充電システムである。充電システムは、交流電源１と、充電器２と、バッテリ３と、センサ４と、コントローラ５とを備えている。

　交流電源１は、例えば家庭用の１００Ｖ又は２００Ｖの電源である。充電器２は、交流電源１から供給される交流電力を、全波整流又は半波整流により直流電力に整流する。また充電器２は、整流された直流電力をバッテリ３の充電電力としてバッテリ３に充電（出力）する。充電器２は、整流機能をもっており、インバータ等を有している。そして、コントローラ５から送信される制御信号に基づき、充電器２のインバータが駆動することで、充電器２からバッテリ３に充電される電圧及び電流が制御される。

　バッテリ３は、複数の二次電池を接続することで構成されている。センサ４はバッテリ３に接続されており、バッテリ３の状態を表す検出値として、バッテリ３の電流（端子電流）及び電圧（端子電圧）を検出する。センサ４の検出値はコントローラ５に出力される。

　コントローラ５は、センサ４の検出値に基づき、充電器２に含まれるインバータ等を制御することで、バッテリ３の充電を制御するコントローラである。具体的には、コントローラ５はセンサ４の検出値に基づいてバッテリへの充電電流及び充電電圧、すなわち充電電力の目標値を算出し、充電器２に含まれるインバータ等を制御することで、バッテリ３へ充電する充電電力の実効値（実行電力）が目標値となるように制御している。

　次に、図２を用いて、充電器２からバッテリ３に充電される充電電力について説明する。図２は交流電力を全波整流して出力した充電電力の実効電力と脈動成分との関係を示すグラフである。上記のとおり、充電器２は全波整流又は半波整流のインバータを用いている。そのため、充電器２の充電電力（充電器２から実際に出力される出力電力）に脈流が発生する。充電電力の脈流の大きさは、実効電力の大きさに比例する。

　図２（ａ）に示すように、実効電力をＡとした場合に、充電電力のピーク値（振幅に相当）は実効電力（Ａ）を√２倍した値で表される。また実効電力をＡより低いＢ（＜Ａ）とした場合には、充電電力のピーク値は実効電力（Ｂ）を√２倍した値で表される。図２に示すように、実効電力が低くなると、脈動の幅も小さくなる。なお、上記の通り、図２においては交流電力を全波整流して出力する充電電力に関してのみ記載したが、交流電力を半波整流して出力する場合においても同様に脈流が発生することは言うまでもない。但し、半波整流した充電電力においては、充電電力のピーク値は実効電力の２倍の値となる。本実施例においては、充電器２は交流電力を全波整流して出力するものとして説明し、交流電力を半波整流して出力する場合に関する説明は省略する。

　また脈動の周期は、交流電源１の商用周波数の２倍の周期となる。例えば、日本は、商用周波数が５０Ｈｚである地域と、商用周波数が６０Ｈｚである地域がある。商用周波数が５０Ｈｚである場合に、脈動の周期は１０ｍｓｅｃ（１００Ｈｚ）となり、商用周波数が６０Ｈｚである場合に、脈動の周期は８ｍｓｅｃ（１２０Ｈｚ）となる。

　次に、図３を用いて、バッテリ３の充電上限電圧と充電電力との関係について説明する。図３は、バッテリ３の充電電圧の特性を示すグラフであり、（ａ）は３ｋＷの実効電力でバッテリ３を充電した場合の特性を示し、（ｂ）、（ｃ）は１ｋＷの実効電力でバッテリ３を充電した場合の特性を示す。

　バッテリ３には、バッテリ３の劣化を防ぐために、制限電圧（Ｖ_Ｍ）が充電電圧の上限値として予め規定されている。制限電圧は、例えば、バッテリ３としてリチウムイオン電池を用いた場合には、リチウムの析出が開始する電圧等に基づいて決まる。

　図２に示したように、バッテリ３の充電電力には脈動が発生し、これに伴い充電電圧にも脈動が発生する。そして、バッテリ３の充電電圧のピーク値が、脈動により瞬間的に制限電圧を上回った場合には、電池の劣化がより早く進む可能性がある。そのため、バッテリ３の充電上限電圧（電圧制御における上限値）は、バッテリ３の制限電圧より脈動に相当する電圧分、低い電圧に設定されている。なお、バッテリ３の充電上限電圧は、脈動の電圧だけでなく、例えばセンサ４等の誤差等を含めた余裕代を考慮した上で、制限電圧より低い電圧値に設定されてもよい。

　ところで、本発明とは異なり、脈動の大きさ（振幅）が変化しない場合には、バッテリ３の充電上限電圧を固定値にしつつ、バッテリ３の電圧が充電上限電圧に達するまで充電できれば、十分な電力量を充電することができる。

　しかしながら、本発明のように、脈動の大きさが変化する場合には、バッテリ３の充電上限電圧を固定値にすると、バッテリ３の充電上限電圧に対して大きな制限が加わり、バッテリ３の充電電圧（充電完了した際のバッテリ電圧）が低くなってしまう。例えば、バッテリ３の充電が進むにつれて、充電電力を小さくする充電制御を想定する。充電が進むにつれて、バッテリ３の電圧は高くなるため、充電器２は充電電流を小さくすることで、バッテリ３の充電電力が小さくなる。そして、充電電力は小さくなるため、脈動は小さくなる。

　例えば、図３（ａ）に示すように、充電上限電圧をＶ_Ｌ１として、３ｋＷの充電電力（実効電力）で充電している場合には、脈動の大きさは大きい。またバッテリ３の充電電圧のピーク値は、ほぼ制限電圧（Ｖ_Ｍ）と等しい。図３（ａ）に示す状態から、充電電力（実効電力）を３ｋＷから１ｋＷに下げたとする。充電電力が小さくなった分、実効電力が低くなるため、脈動は小さくなる。

　図３（ｂ）に示すように、脈動が小さくなった分、充電電圧のピーク値が小さくなっているが、充電上限電圧がＶ_Ｌ１で固定されているため、充電電圧を高めることができない。また、充電電圧のピーク値と制限電圧との間には、大きな電圧差が生じている。そのため、脈動が小さくなった分、充電電圧を高くすることができるが、バッテリ３の充電電圧は、充電上限電圧がＶ_Ｌ１に制限されるため、実際のバッテリ３の充電電圧は制限電圧（Ｖ_Ｍ）に対して大きな制限を受けることになる。そして、バッテリ３の充電電圧が高くならない分、バッテリ３に充電される電力量が減少する。また、バッテリ３の充電電圧が低いため、充電時間が長くなってしまう。

　一方、図３（ｃ）に示すように、脈動が小さくなった分、充電上限電圧がＶ_Ｌ１からＶ_Ｌ２に高くなった場合には、バッテリ３の充電電圧が充電上限電圧（Ｖ_Ｌ２＞Ｖ_Ｌ１）になるまで、バッテリ３は充電される。また、バッテリ３の充電電圧のピーク値は制限電圧（Ｖ_Ｍ）以下に抑えられる。

　コントローラ５は、充電電力の脈動の大きさに応じて充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）を高めることで、バッテリ３に充電可能な電力を高めつつ、バッテリ３を充電している。以下、図４～図６を用いて、コントローラ５の制御について説明する。図４は、コントローラ５の制御手順を示すフローチャートである。

　図５は、バッテリ３の充電電圧と充電電流の推移を説明するためのグラフである。図５において、グラフａは充電の推移に対してバッテリ３の充電電圧及び充電電流の推移を表したグラフである。バッテリ３の充電電圧及び充電電流は、充電の推移に対して、グラフａ上を進む。グラフｂは充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）を示し、グラフｃは制限電圧（Ｖ_Ｍ）を示し、グラフｄ_１～ｄ_３は、充電器２からバッテリ３に充電される充電電力の等価電力線を示している。充電電力は、グラフｄ_１から、グラフｄ_２、グラフｄ_３の順に小さくなる。

　図６（ａ）はバッテリ３の充電電力の推移を説明するためのグラフであり、（ｂ）はバッテリ３の充電電圧の推移を説明するためのグラフである。図６（ａ）において、グラフａはバッテリ３の充電可能電力を示し、グラフｂはバッテリ３の実際の充電電圧（端子電圧）を示すグラフである。図６（ｂ）において、グラフａは制限電圧（Ｖ_Ｍ）を示し、グラフｂは充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）を示す。

　また図５、６に示す時間（ｔ_１～ｔ_４）とバッテリの状態（Ｐ_１～Ｐ_４）はそれぞれ対応しており、充電の推移に対して、時間は、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、及びｔ_４の順に進む。

　バッテリ３の充電が開始すると、ステップＳ１にて、コントローラ５は、センサ４を用いてバッテリ３の充電電流及び充電電圧を検出しつつ、バッテリ３の検出値及び充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）に基づいて、バッテリ３の充電可能電力を算出する。充電可能電力は、バッテリ３の現在の電圧から充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）までに必要な充電電力である。

　ここで、充電開始の時間をｔ_１として、時間（ｔ_１）でバッテリ３の状態（初期状態）をＰ_１とする。バッテリ３の状態（Ｐ_１）は、図５の点（Ｐ_１）で表される。バッテリ３の状態がＰ_１のときに、充電器２の最大充電電力（グラフｄ_１に相当）でバッテリ３を充電すると、バッテリ３の充電電圧はＶ_１となり、バッテリ３の充電電流はＩ_１となる。

　充電可能電力は、バッテリ３の状態（Ｐ_１）においてセンサ４で検出されたバッテリ３の電圧、電流、及びバッテリ３の内部抵抗、及び充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）から算出される。なお、充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）の初期値は、制限電圧（Ｖ_Ｍ）から充電器２の最大充電電力における電圧振幅（正確には、最大充電電力における電圧振幅に計測誤差等の余裕代を考慮した値）を減算した電圧値であるＶ_３とする。また、内部抵抗は、例えばバッテリ３の電流の変化量に対する、バッテリ３の電圧の変化量の比から算出してもよい。まず、バッテリの電圧が、状態（Ｐ_１）から充電上限電圧（Ｖ_３）に達する迄に流せる電流の増加分（ΔＩ）は、充電上限電圧（Ｖ_３）と現在の電圧（Ｖ_１）との電圧差（ΔＶ）からバッテリ３の内部抵抗を除することで算出される（ΔＩ＝（Ｖ_３－Ｖ_１）／Ｒ）。また、現在のバッテリ３の電流（Ｉ_１）に対して、状態（Ｐ_１）から充電上限電圧（Ｖ_３）に達する迄に流せる電流（Ｉ_１’）は、電流（Ｉ_１）に増加分（ΔＩ）を加算することで算出される（Ｉ_１’＝Ｉ_１＋ΔＩ）。そして、充電可能電力は、電流（Ｉ_１’）に充電上限電圧（Ｖ_３）を乗ずることで算出される。コントローラ５は上記の算出方法で、バッテリ３の現在の状態における充電可能電力を算出する。

　ステップＳ２にて、コントローラ５は、バッテリ３の充電可能電力と充電器２の最大充電電力とを比較する。充電器２の最大充電電力は、交流電源１の供給電力と充電器２の性能に応じて決まる電力であって、充電器２からバッテリ３に対して充電可能な（出力可能な）最大の電力である。バッテリ３の充電可能電力が充電器２の最大充電電力より大きい場合には、バッテリ３の状態は、充電器２の最大充電電力よりも大きい充電電力で充電可能な状態であるが、充電器２の最大充電電力に制限される。

　そのため、コントローラ５は、充電器２の最大充電電力を充電器２から出力する充電電力の実効値として充電器２を制御する（ステップＳ３）。具体的には、充電器２からバッテリへ供給される充電電力（実効電力）が充電器２の最大充電電力となるように、定電力でバッテリ３の充電制御を行う。バッテリ３の充電が進むと、バッテリ３の電圧が上昇する。そのため、コントローラ５は、バッテリ３の電圧の上昇に伴い、バッテリ３の充電電流を徐々に小さくしつつ、バッテリ３への充電電力が充電器２の最大充電電力となるように、充電器２を制御する。

　そして、ステップＳ１からステップＳ３の制御フローを繰り返すことで、充電器２の最大充電電力に基づく定電力の充電制御が行われる。ステップＳ１からステップＳ３のまでの制御ループによる充電制御について、図５、６を用いて説明する。

　バッテリ３の充電電力は図５のグラフｄ_１に示す等価電力線上であり、状態（Ｐ_１）から状態（Ｐ_２）に推移する。充電が進むにつれて、バッテリ３の電圧は高くなっているため、バッテリ３の充電電流はＩ_２に絞られる。また、充電上限電圧（Ｖ_３）に達するまで流せる電流はＩ_１’よりも小さくなり、状態（Ｐ_２）ではＩ_２’となる。電流（Ｉ_２’）は、バッテリ３の電流（Ｉ_２）に対して、状態（Ｐ_２）から充電上限電圧（Ｖ_３）に達する迄に流せる電流である。そして、充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）は一定値（Ｖ_３）で固定されている。そのため、充電が進むにつれて、バッテリ３の充電可能電力は小さくなる。

　そして、図６（ａ）に示すように、状態（Ｐ_１）から状態（Ｐ_２）までは、バッテリ３の充電電力は充電器２の最大充電電力（Ｐｃ）の一定値で推移する。また、バッテリ３の充電電力は充電器２の最大充電電力であるため、充電電力の脈動は大きい。充電が進むにつれて、バッテリ３の充電電圧は高くなっているが、充電電圧は、充電上限電圧（Ｖ_３）に対して、十分に低い値になっている。そのため、図６（ｂ）に示すように、充電電圧のピーク値は充電上限電圧（Ｖ_３）以下に抑えられている。

　なお、状態（Ｐ_１）から状態（Ｐ_２）まで推移する際の充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）について、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の最大充電電力より大きい場合には、バッテリ３の充電電力は充電器２の最大充電電力に制限される。また、バッテリ３の充電電圧は、バッテリ３の制限電圧（Ｖ_Ｍ）よりも十分に低くなっている。そして、図６（ｂ）に示すように、充電電力の脈動により、バッテリ３の電圧にリップル（脈動）が発生しても、電圧のピーク値は制限電圧（Ｖ_Ｍ）を超えない。そのため、充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）をＶ_３の固定値にしている。

　図４に戻り、充電に伴い、充電可能電力が小さくなり、充電可能電力が最大電力以下になると、ステップＳ４に進む。ステップＳ４にて、コントローラ５はバッテリ３の充電上限電圧を上げて、充電上限電圧をＶ_３よりも高い電圧に設定する。新たに設定される充電上限電圧は、脈動分の電圧を制限電圧（Ｖ_Ｍ）から差し引いた電圧である。脈動分の電圧は、充電器２からバッテリ３に充電される充電電力とバッテリ３の内部抵抗から算出される。コントローラ５は、バッテリ３の状態と、充電器２の充電電力を管理しているため、脈動分の電圧も算出できる。なお、脈動分の電圧は充電電力及び内部抵抗に対する電圧脈動の大きさ（電圧振幅の大きさ）を実験等によって予めマップ等に記憶しておき、算出する充電電力からマップを参照して算出すれば良い。また、バッテリ３の内部抵抗は充電時間程度の短時間では大きくは変化しないため、充電中はバッテリ３の内部抵抗を一定値とし、脈動分の電圧は充電電力のみに基づいて算出しても良い。そして、コントローラ５は、制限電圧（Ｖ_Ｍ）から脈動分の電圧を差し引くことで、設定すべき充電上限電圧を算出する。

　バッテリ３の充電が進み、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の最大充電電力以下になると、バッテリ３の充電電力は、充電の推移に伴って低くなる。そして、上記に示したとおり、バッテリ３の充電電力が低くなると、充電電力の脈動も小さくなる。そのため、制限電圧（Ｖ_Ｍ）から差し引かれる脈動分の電圧も小さくなり、充電上限電圧が高くなる。また、脈動分の電圧は、充電電力の変化に応じて変化するため、本例では、充電上限電圧も可変な値としている。

　ステップＳ５にて、コントローラ５は充電可能電力を算出する。充電可能電力の算出方法はステップＳ１と同様である。このとき、充電上限電圧はＶ_３よりも高い電圧になっているため、バッテリ３の充電可能電力は大きくなる。

　ステップＳ６にて、コントローラ５は、バッテリ３の充電可能電力に基づいて充電器２を制御する。コントローラ５は、充電器２からバッテリ３に充電される充電電力の実効値が充電可能電力となるように、バッテリ３の充電制御を行う。ステップＳ７にて、コントローラ５は、バッテリの３の満充電を示す目標電圧と、センサ４の検出電圧とを比較し、バッテリ３の検出電圧が目標電圧より低い否かを判定する。バッテリ３の充電電圧が目標電圧より低い場合には、コントローラ５は、満充電状態ではないと判定し、ステップＳ４に戻る。そして、ステップＳ４からステップＳ７の制御フローを繰り返すことで、脈動の低下に応じて充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）が上昇することで、充電可能電力が大きくなり、充電可能電力に基づく充電制御が行われる。

　ステップＳ４からステップＳ７のまでの制御ループによる充電制御について、図５、６を用いて説明する。充電が進み、バッテリ３の充電可能電力が小さくなると、充電器２からバッテリ３に充電される電力（バッテリ３の充電電力）は小さくなる。そのため、図５に示すグラフにおいて、バッテリの状態は等価電力線（ｄ_１）を外れて、状態（Ｐ_３）、状態（Ｐ_４）へと順に推移する。

　充電が進むにつれて、バッテリ３の電圧は高くなっている。そのため、充電上限電圧（Ｖ_３）が固定値である場合には、バッテリ３の充電可能電力は小さくなる。一方、本発明では、充電が進むにつれて、充電上限電圧（Ｖ_３）が徐々に高くなっている。例えば、バッテリ３の状態がＰ_２からＰ_３に推移した場合に、充電上限電圧はＶ_３からＶ_３＿１に高くなっている。バッテリ３の状態（Ｐ_３）のとき、バッテリ３の充電電圧はＶ_２＿１であり、充電電流はＩ_２＿１である。また、充電上限電圧（Ｖ_３＿１）に達する迄に流せる電流はＩ_２＿１’となる。すなわち、充電上限電圧がＶ_３からＶ_３＿１に高くなることで、状態（Ｐ_３）の電圧（Ｖ_２＿１）と充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）との間の電圧差は、充電上限電圧をＶ_３の固定値とした場合と比べて、大きくなる。また、バッテリ３の状態（Ｐ_３）から充電上限電圧までに流せる電流も、充電上限電圧をＶ_３の固定値としたときと比べて、大きくなる。そのため、バッテリ３の充電可能電力は、充電上限電圧（Ｖ_３）を固定値にしたときと比べて大きくなる。

　さらに、バッテリ３の状態がＰ_３からＰ_４にした推移した場合も同様に、バッテリ３の充電可能電力は、充電上限電圧（Ｖ_３）を固定値にしたときと比べて大きくなる。

　図６（ａ）に示すように、バッテリ３の状態（Ｐ_２）以降では、バッテリ３の充電が進むにつれて、バッテリ３の充電電力は低くなる。充電電力の脈動も徐々に小さくなり、それに伴って電圧振幅（脈動）も小さくなる。充電が進むにつれて、バッテリ３の充電電圧は高くなり、充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）も高くなっているが、脈動が徐々に小さくなっている。そのため、図６（ｂ）に示すように、充電電圧のピーク値は充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）以下に抑えられている。

　すなわち、充電上限電圧がＶ_３に固定された場合には、バッテリ３の電圧が充電上限電圧（Ｖ_３）になるまでしか、バッテリ３は充電できない。一方、本発明において、コントローラ５は、バッテリ３の充電電力が充電器２の最大充電電力より高い場合には充電上限電圧をＶ_３に設定し、バッテリ３の充電電力が充電器２の最大充電電力より低い場合には充電上限電圧をＶ_３よりも高いＶ_３＿１、Ｖ_３＿２に設定する。充電終了時のバッテリ３の電圧がＶ_３よりも高くなるため、バッテリ３の充電可能な電力量を高めることができる。

　図４に戻り、ステップＳ７にて、バッテリ３の充電電圧が目標電圧以上である場合には、コントローラ５は、満充電状態であると判定し、ステップＳ８に進む。そして、コントローラ５は、充電器２の停止させることで、バッテリ３の充電を停止させ、本例の制御フローが終了する。

　上記のように、本発明において、コントローラ５は、センサ４の検出値とバッテリ３の充電上限電圧に基づいてバッテリ３の充電可能電力を管理しつつ、当該充電可能電力に基づいてバッテリ３の充電電力を制御する。そして、コントローラ５は、バッテリ３の充電電力が充電器２の最大充電電力より高い場合には、充電上限電圧をＶ_３に設定し、バッテリ３の充電電力が充電器２の最大充電電力より低い場合には、充電上限電圧をＶ_３よりも高い電圧に設定する。これにより、バッテリ３の充電電力が低くなり充電電力の脈動が小さくなると、充電上限電圧が高くなる。そのため、バッテリの充電可能電力が大きくなり、バッテリの充電可能な電力量を高めることができる。

　また本発明において、コントローラ５は、バッテリ３の充電電力が充電器２の最大充電電力より低い場合には、バッテリ３の充電が進むにつれて、充電上限電圧を高くする。バッテリ３の充電が進むと、バッテリ３の充電電力は絞られるため、脈動は徐々に小さくなる。そして、脈動の減少する幅と、充電上限電圧の上昇幅とを対応づけることで、徐々に小さくなる脈動幅の減少分が、充電可能電力の増加分に割り当てられる。これにより、バッテリ３の充電可能な電力量を高めることができる。

　なお、コントローラ５は、バッテリ３の劣化度、バッテリ３の温度、バッテリ３のＳＯＣ等に応じて、充電可能電力を補正してもよい。バッテリ３の劣化度、温度、ＳＯＣ等により、バッテリ３の内部抵抗が高くなっている場合には、バッテリ３の電圧が充電上限電圧に達するまでに流せる電流値は小さくなるため、充電可能電力も小さくなる。そのため、例えば、コントローラ５は、バッテリ３の劣化度、温度、ＳＯＣ等に応じて内部抵抗を補正しつつ、内部抵抗が大きいほど充電可能電力が低くなるように、充電可能電力を算出する。なお、バッテリ３の温度は、温度センサにより検出すればよい。

　また、コントローラ５はバッテリ３の劣化度、温度、ＳＯＣ等に応じて充電上限電圧の上昇幅を補正してもよい。バッテリ３の劣化度、温度、ＳＯＣ等により、バッテリ３の内部抵抗が高くなっている場合には、充電電力の脈動の幅も大きくなる。そのため、例えば、コントローラ５は内部抵抗が大きいほど充電上限電圧の上昇幅を小さくするように、充電上限電圧を算出する。

　図５に示したように、バッテリ３の充電が進むにつれて、バッテリ３の充電電力が小さくなる。そして、本発明は、小さくなる充電電力に応じて充電上限電圧を高くしたが、バッテリ３の充電可能電力に応じて充電上限電圧を高くしてもよく、バッテリ３の充電電流に応じて充電上限電圧を高くしてもよく、バッテリ３の現在の電圧と制御電圧（Ｖ_Ｍ）との電圧差に応じて充電上限電圧を高くしてもよい。例えば、バッテリ３の充電可能電力に応じて充電上限電圧を設定する場合には、コントローラ５は、充電可能電力が低くなるほど充電上限電圧が高くなるように、充電上限電圧を設定すればよい。バッテリ３の充電電流、バッテリ３の現在の電圧と制御電圧（Ｖ_Ｍ）との電圧差についても、充電可能電力と同様に設定すればよい。

　なお、本発明は、充電器２の最大充電電力を閾値としつつ、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の最大充電電力より大きいか否かで充電上限電圧を変えたが、閾値は必ずしも充電器２の最大充電電力とする必要はない。例えば、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の最大充電電力よりも低い状態で、バッテリ３の充電電力（すなわち、バッテリ３の充電可能電力）が所定の電力閾値より高い場合には、コントローラ５は充電上限電圧をＶ_ｘに設定し、バッテリ３の充電電力が当該所定の電力閾値より低い場合には、コントローラ５は充電上限電圧をＶ_ｘより高いＶ_ｙに設定する。これにより、例えばバッテリ３の満充電時の容量が小さく、充電器２の最大充電電力では、バッテリ３の充電が開始できないときでも、本発明を適用できる。また、図５に示す状態（Ｐ_２）以降の充電制御において、バッテリ３の充電電力と閾値との比較に基づく、充電上限電圧の可変制御を行うことができる。

　なお、本発明は、定電圧充電制御又は定電流充電制御にも適用可能である。

　なお、本発明の変形例として、コントローラ５は、充電上限電圧を離散的に高くしてもよい。図７は変形例に係る充電制御装置において、バッテリ３の充電電圧と充電電流の推移を説明するためのグラフである。図７の各グラフａ～ｃ、グラフｄ_１～ｄ_３は、図５に示したグラフと同様である。

　コントローラ５は、初期値として充電上限電圧をＶ_３に設定する（バッテリ３の状態（Ｐ_１）に相当）。バッテリ３の充電が進み、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の第１電力閾値より低くなった場合に、コントローラ５は、充電上限電圧をＶ_３からＶ_３＿１に設定する。第１電力閾値は、予め設定された充電電力の閾値であって、充電器２の最大電力閾値以下の値に設定されている。なお、図７では、バッテリ３の充電可能電力が第１電力閾値であるとき、バッテリ３の充電電圧がＶ_２となる。また、充電上限電圧（Ｖ_３＿１）は充電上限電圧（Ｖ_３）より高い。

　バッテリ３の充電が進み、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の第２電力閾値より低くなった場合に、コントローラ５は、充電上限電圧をＶ_３＿１からＶ_３＿２に設定する。第２電力閾値は、第１電力閾値と同様に、予め設定された充電電力の閾値であって、第１電力閾値より低い値に設定されている。なお、図７では、バッテリ３の充電可能電力が第２電力閾値であるとき、バッテリ３の充電電圧がＶ_２＿１となる。また、充電上限電圧（Ｖ_３＿２）は充電上限電圧（Ｖ_３＿１）より高い。

　さらにバッテリ３の充電が進み、バッテリ３の充電可能電力が充電器２の第３電力閾値より低くなった場合に、コントローラ５は、充電上限電圧をＶ_３＿２からＶ_３＿３に設定する。第３電力閾値は、第１、第２電力閾値と同様に、予め設定された充電電力の閾値であって、第２電力閾値より低い値に設定されている。なお、図７では、バッテリ３の充電可能電力が第３電力閾値であるとき、バッテリ３の充電電圧がＶ_２＿２となる。また、充電上限電圧（Ｖ_３＿３）は充電上限電圧（Ｖ_３＿２）より高い。これにより、変形例は、バッテリ３の充電が進むにつれて、充電上限電圧（Ｖ_Ｌ）を離散的に高くすることで、バッテリの充電可能な電力量を高めることができる。

　上記のコントローラ５が本発明の制御手段に相当する。

《第２実施形態》
　本発明の他の実施形態に係る充電システムについて説明する。本例では上述した第１実施形態に対して、充電上限電圧を高い電圧に変更する際の、充電電力の制御が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。

　図８及び図９を用いて、コントローラ５の制御について説明する。図８は、コントローラ５の制御フローを示すフローチャートである。図９はバッテリ３の充電電力の時間的な推移を説明するためのグラフである。

　ステップＳ１１～ステップＳ１３までの制御フローは、第１実施形態に係るステップＳ１～ステップＳ３までの制御フローと同様であるため説明を省略する。

　ステップＳ１４にて、コントローラ５は、充電器２からバッテリ３に充電される充電電力が充電可能電力となるように、充電器２を制御する。ステップＳ１５にて、コントローラ５は、バッテリ３の充電電力と電力閾値とを比較する。電力閾値は、充電上限電圧を変更するタイミングを充電電力で表す閾値であって、予め設定されている。バッテリ３の充電電力が電力閾値より高い場合には、ステップＳ１６にて、コントローラ５はバッテリ３の充電可能電力を算出しつつ、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１４～Ｓ１６の制御ループに相当する充電制御において、充電上限電圧は初期値（Ｖ_ｐ）に設定されたままである。

　バッテリ３の充電電力が電力閾値以下である場合には、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７にて、コントローラ５は、充電上限電圧を、Ｖ_ｐからＶ_ｓに変更する。充電上限電圧（Ｖ_ｓ）は初期値の充電上限電圧（Ｖ_ｐ）より高い。充電上限電圧の上昇幅は予め決まっている。ただし、ステップＳ１７の時点では、充電上限電圧は変更しても、充電電力は変えていない。

　ステップＳ１８にて、コントローラ５は、センサ４の検出値からバッテリ３の現在の状態を検出しつつ、現在のバッテリ３の状態（バッテリ３の現在の電圧）から充電上限電圧（Ｖ_ｓ）に達するまでに必要な充電可能電力を算出する。充電可能電力の算出方法は、ステップＳ１１の制御フローと同様である。なお、ステップＳ１８の制御フローで算出される充電可能電力を、便宜上、必要充電電力として称す。

　ステップＳ１９にて、コントローラ５は、必要充電電力と電力閾値とを比較する。電力閾値はステップＳ１５の制御フローで用いた電力閾値と同じ値である。必要充電電力が電力閾値より高い場合には、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０にて、コントローラ５は、バッテリ３の充電電力が電力閾値となるように、充電器２を制御する。すなわち、コントローラ５は、電力閾値の定電力でバッテリ３の充電を制御する。そして、ステップＳ１８に戻る。

　ステップＳ１４からステップＳ１６のまでの制御ループによる充電制御、及び、ステップＳ１８からステップＳ２０のまでの制御ループによる充電制御について、図９を用いて説明する。バッテリ３の充電可能電力が充電器２の最大充電電力（Ｐ_Ｍ）以下になると（図９の時間（ｔ_１）に相当）、バッテリ３の充電電力が絞られる。時間（ｔ_１）以降、バッテリ３の充電電力は、グラフａに示すように徐々に小さくなる。グラフａは、充電上限電圧（Ｖ_ｐ）に基づいて算出される充電可能電力を充電電力とした場合の充電電力の時間的な推移を示している。そして、時間（ｔ_２）で、バッテリ３の充電電力が電力閾値（Ｐ_ｔｈ）と等しくなる。ステップＳ１４からステップＳ１６までの制御ループによって推移する充電電力は、図９の時間ｔ_１からｔ_２までのグラフａに相当する。

　時間（ｔ_２）で、コントローラ５は、充電上限電圧をＶ_ｐからＶ_ｓに変更する（ステップＳ１７に相当）。図９において、Ｐ_１は時間（ｔ_２）のバッテリの状態を示している。Ｐ_１’は、時間（ｔ_２）で充電電力を必要充電電力に高くした場合のバッテリ３の仮想的な状態を示している。グラフｂは、充電上限電圧（Ｖ_ｓ）に基づいて算出される充電可能電力を充電電力とした場合の充電電力の時間的な推移を示している。

　充電上限電圧が高くなった場合、充電可能電力は瞬間的に大きくなる。このとき、充電電力も、充電可能電力に合わせて瞬間的に高くすると、充電電力の脈動も大きくなるため、充電電圧のピーク値が制限電圧（Ｖ_Ｍ）より瞬間的に高くなる可能性がある。そのため、本発明では、充電上限電圧を高くした時点（時間ｔ_２）では、充電電力を高くせずに、充電上限電圧の変更時の充電電力で、バッテリ３の充電を定電力で制御する。すなわち、バッテリ３の状態は、Ｐ_１からＰ_１’に遷移することはない。また充電電力は、電力閾値（Ｐ_ｔｈ）の一定値で推移する。

　充電電力（Ｐ_ｔｈ）の一定電力で充電を行うと、バッテリ３の電圧は上昇する。そのため、充電が進むにつれて、必要充電電力は徐々に低下する（図９のグラフｂを参照）。時間ｔ_２以降、コントローラ５は、必要充電電力と電力閾値のうち、低い方の電力を充電電力とする（以下、セレクトローとも称す）。そのため、時間ｔ_２から時間ｔ_３までの間、電力閾値が必要充電電力より低いため、コントローラ５は電力閾値をバッテリ３の充電電力とする。ステップＳ１８からステップＳ２０までの制御ループによって推移する充電電力は、図９の時間ｔ_１からｔ_２までのグラフａに相当する。

　充電電力は一定値であるが、必要充電電力は、バッテリ３の電圧の上昇に伴い低下する。そのため、時間（ｔ_３）で必要充電電力が電力閾値（Ｐ_ｔｈ）と等しくなる。すなわち、ステップ１９において、必要充電電力が電力閾値以下になるタイミングが、時間（ｔ_３）に相当する。

　図８に戻り、ステップ１９にて、必要充電電力が電力閾値以下になると、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１にて、コントローラ５は、必要充電電力がバッテリ３の充電電力となるように、充電器２を制御する。ステップＳ２２にて、コントローラ５は、バッテリ３が満充電状態になったか否かを判定する。

　バッテリ３が満充電状態でない場合には、ステップＳ２３にて、コントローラ５はバッテリ３の必要充電電力（充電上限電圧Ｖ_ｓに基づく充電可能電力）を算出しつつ、ステップＳ２１に戻る。バッテリ３が満充電状態である場合には、コントローラ５は、充電器２の停止させることでバッテリ３の充電を停止させ（ステップＳ２４）、本例の制御フローが終了する。

　図９に示すように、時間（ｔ_３）以降、必要充電電力は電力閾値より低くなっているため、充電電力が必要充電電力となるように充電制御を行っても、充電電圧のピーク値は制限電圧（Ｖ_Ｍ）を超えない。また、変更後の充電上限電圧に基づいて充電可能電力が算出され、充電電力が充電可能電力となるように充電制御が行われるため、バッテリ３の電圧が高くなる。これにより、バッテリ３の充電可能な電力量を高めることができる。

　上記のように、本発明において、コントローラ５は、センサ４検出値と充電上限電圧（Ｖ_ｓ）に基づき、現在のバッテリ３の状態から充電上限電圧（Ｖ_ｓ）に達するまでに必要な充電可能電力（必要充電電力）を算出する。そして、コントローラ５は、充電電力が所定の電力閾値（Ｐ_ｔｈ）以下である場合には、電力閾値（Ｐ_ｔｈ）と必要充電電力のうち低い方の電力をバッテリ３の充電電力とする。これにより、充電上限電圧が高い値に設定された場合に、充電電圧のピーク値を制限電圧（Ｖ_Ｍ）以下に抑制できる。

　なお、本発明において、時間（ｔ_２）以降、充電電力として設定可能な一定の電力値は電力閾値（Ｐ_ｔｈ）よりも低い電力値でもよい。また、図８に制御フローのうち、ステップＳ１９、ステップＳ２０、及びステップＳ２１の制御フローが、時間ｔ_２以降のセレクトローの制御に相当する。

　なお、本発明は、充電上限電圧の可変を１段階としたが、１段階に限らず複数にしてもよい。

　上記の充電上限電圧（Ｖ_ｐ）が第１充電上限電圧に相当し、充電上限電圧（Ｖ_ｓ）が第２充電上限電圧に相当する。

１…交流電源
２…充電器
３…バッテリ
４…センサ
５…コントローラ

Claims

バッテリの充電を制御する充電制御装置において、
　電源から供給される交流電力を全波整流又は半波整流により整流し、整流された電力を前記バッテリの充電電力として前記バッテリを充電する充電器と、
　前記バッテリに供給される電圧及び電流を、前記バッテリの状態として検出するセンサと、
　前記バッテリの制限電圧より低い電圧を、前記充電器から前記バッテリに充電可能な充電上限電圧として設定し、前記充電器を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
　前記センサの検出値と前記充電上限電圧に基づいて前記バッテリに充電可能な電力を充電可能電力として管理し、
　前記充電可能電力に基づいて前記充電電力を制御し、
　前記充電電力が所定の閾値より高い場合には前記充電上限電圧を第１充電上限電圧に設定し、
　前記充電電力が前記所定の閾値より低い場合には前記充電上限電圧を前記第１充電上限電圧より高い第２充電上限電圧に設定する
ことを特徴とする充電制御装置。
請求項１記載の充電制御装置において、
前記制御手段は、
　前記充電電力が前記所定の閾値より低い場合には、前記バッテリの充電が進むにつれて、前記充電上限電圧を高くする
ことを特徴とする充電制御装置。
請求項１又は２記載の充電制御装置において、
前記制御手段は、
　前記充電電力が前記所定の閾値より低い場合には前記充電上限電圧を離散的に高くする
ことを特徴とする充電制御装置。
請求項１～３のいずれか一項に記載の充電制御装置において、
前記制御手段は、
　前記検出値と前記第２充電上限電圧に基づき、現在の前記バッテリの状態から前記第２充電上限電圧に達するまでに必要な前記充電可能電力を、必要充電電力として算出し、
前記制御手段は、
　前記充電電力が前記所定の閾値以下である場合には、前記所定の閾値以下の一定電力と前記必要充電電力のうち低い方の電力を前記充電電力とする
ことを特徴とする充電制御装置。
　電源とバッテリとの間に接続された充電器を用いて、前記電源から供給される交流電力を全波整流又は半波整流により整流しつつ、整流された電力を前記バッテリの充電電力として前記バッテリを充電し、
　前記バッテリに接続されたセンサにより、前記バッテリに供給される電圧及び電流を前記バッテリの状態を検出し、
　前記バッテリの制限電圧より低い電圧を、前記充電器から前記バッテリに充電可能な充電上限電圧として設定し、
　前記センサの検出値と前記充電上限電圧に基づいて前記バッテリを充電可能な電力を充電可能電力として管理しつつ、前記充電可能電力に基づいて前記充電電力を制御し、
　前記充電電力が所定の閾値より高い場合には前記充電上限電圧を第１充電上限電圧に設定し、
　前記充電電力が前記所定の閾値より低い場合には前記充電上限電圧を前記第１充電上限電圧より高い第２充電上限電圧に設定する
充電制御方法。