JP2013126363A - 二次電池充放電装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の二次電池モジュールを有するアプリケーションにおいて、ユーザの使用用途・運用形態にあった充電モードの選択・設定を可能とする。
【解決手段】電池システムの通常運用後に記憶回路２３に保持されている過去の充放電履歴とユーザの入力設定情報とから演算回路２４を用いて予測計算して、次回運用に適する設定の予備充電モードを選択し、選択される予備充電モードに応じて充電制御回路２２のパラメータを設定し、設定した充電制御回路２２のパラメータで二次電池３１の予備充電をし、予備充電実行中の電池モニタ情報を受信し、予備充電終了後、予備充電の履歴情報を記憶回路２３に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数の二次電池モジュールそれぞれの充放電を行う充放電装置及びその制御方法に関する。

一般に、二次電池モジュールを有するアプリケーションでは、用途に応じて複数の二次電池モジュールが使用されることがある。例えば、ハイブリッドカー用の電池システムでは、走行用モータを駆動するための二次電池モジュールと電飾品用の二次電池モジュールが使用される。また、このような電池システムの中には、二次電池モジュール間で相互に充放電を行うための充放電経路（以下、相互充放電と呼称する。）を有する電池システムも存在する。

ところで、相互充放電は、システム能力（例えば、ハイブリッドカーの場合は走行能力等）に影響する二次電池の残量の低下を改善するための充電目的以外にも、低温環境下での出力低下を改善するための昇温目的で行われることがある。しかしながら、相互充放電に際して二次電池モジュールに対する充電率（ＳＯＣ： State Of Charge）が考慮されていない。このため、相互充放電動作を即座に実行したい場合に、各二次電池モジュールがいずれも満充電状態となっていると、過充電を防ぐためにいったん通常充放電経路で放電を行って電池残量に空きを作ることになり、時間的にも電力的にも無駄が生じてしまう。

特開２００３−９２８０５号公報 特開２００３−２５９５０８号公報 特開２００２−１７０５０号公報 特開２００７−７４８９７号公報

以上のように、従来の複数の二次電池モジュールを有するアプリケーションでは、相互充放電動作を即座に実行したい場合に、各二次電池モジュールが満充電状態となっていると、過充電を防ぐためにいったん放電を行って電池残量に空きを作る処理を行わなければならず、時間的にも電力的にも無駄が生じる。

本実施形態は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、複数の二次電池モジュール間で相互充放電動作を即座に実行したい場合に、不要な充放電を回避して、効率的な運用を実現することのできる二次電池充放電装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態に係る二次電池充放電装置は、複数の二次電池を有する電池システム内のそれぞれの二次電池の状態を監視して監視情報を通知する監視手段と、前記複数の二次電池に充電電流を供給すると共にその充電情報を通知する充電手段と、前記監視手段から通知される監視情報と前記充電手段から通知される充電情報に基づいて前記充電手段の充電動作を制御する充電制御手段と、指示に応じて前記複数の二次電池間で相互に充放電を実行する相互充放電手段と、前記相互充放電手段の充放電の実行を制御する相互充放電制御手段とを具備し、前記充電制御手段は、前記監視手段から通知される監視情報及び前記充電手段から通知される充電情報を履歴情報として保持する記憶手段と、前記記憶手段に保持される履歴情報から次回予備充電を予測する予測手段と、予め複数の充電条件に適する予備充電を実行する複数の予備充電モードを用意し、前記予測手段の予測結果とユーザの入力設定情報に応じて前記予備充電モードを設定し選択する選択手段とを具備し、前記電池システムの通常運用後に前記記憶手段に保持されている過去の充放電履歴とユーザの入力設定情報とから前記予測手段を用いて次回予備充電を予測して、前記選択手段で次回運用に適する設定の予備充電モードを選択し、前記充電手段により選択される予備充電モードに応じて充電処理を実行し、前記監視手段で得られる予備充電実行中の電池モニタ情報を受信し、前記予備充電終了後、予備充電の履歴情報を前記記憶手段に保持することとし、前記電池システムの通常運用前に前記記憶手段に保持されている前記二次電池の予備充電状態を確認し、相互充放電実行前の電池モニタ情報を受信し、その電池モニタ情報に基づいて前記二次電池間で相互充放電を実行し、前記相互充放電実行中の電池モニタ情報を受信し、前記相互充電終了後、前記相互充放電実行後の電池モニタ情報を受信し、前記相互充放電の履歴情報を前記記憶手段に保持する態様とする。

本実施形態に係る二次電池充放電装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る二次電池充放電装置の処理の流れを示すフローチャートである。 本実施形態の予備充電ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 本実施形態の相互充放電ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る二次電池充放電装置の構成を示すブロック図である。図１に示す二次電池充放電装置は、発電機１０で発電された電力を充電器部２０に送り、この充電器部２０によって二次電池モジュール格納部３０に格納されているＡ，Ｂ系統それぞれの二次電池モジュール（以下、個々の二次電池モジュールを単に二次電池と呼称する）を充電する構成となっている。

二次電池モジュール格納部３０は、二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂと、これらの二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂの状態を監視して電池温度・充放電時間・ＳＯＣ等を含む監視情報を発する監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂを備える。二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂは、電池システムとしてそれぞれ負荷（Ａ，Ｂ）４０ａ，４０ｂに対する電力源となる。

一方、充電器部２０は、発電機１０で発電される電力を受け取って二次電池モジュール格納部３０の二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂに充電電流を供給する充電回路２１と、この充電回路２１による充電動作を制御する充電制御回路２２とを備える。充電回路２１は、充電状況を充電制御回路２２に逐次通知する。充電制御回路２２は、二次電池モジュール格納部３０の監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂから通知される監視情報と充電回路２１からの充電状況に基づいて充電回路２１の充電動作を制御する。

加えて、二次電池モジュール格納部３０は、二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂで相互充放電を可能とするための相互充放電回路３３を備える。また、充電制御回路２２は二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂ間での相互充放電を制御する相互充放電制御回路２２１を備える。尚、相互充放電回路３３及び相互充放電制御回路２２１は、必ずしも図１に示す位置に配置する必要はなく、共に二次電池モジュール格納部３０に配置する、あるいは充電制御回路２２に配置するようにしてもよい。

更に、充電器部２０には、監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂから通知される監視情報、充電回路２１から通知される充電状況を履歴情報として保持するための記憶回路２３、それらの履歴情報から予備充電モードでの予測計算を行う演算回路２４、ユーザにより充電モードの設定・選択を行うモード選択回路２５が付加される。記憶回路２３には、例えば、運用開始前後の温度・相互充放電の充放電電流・充放電終了までの所要時間等が過去の履歴として記憶される。演算回路２４では、記憶回路２３に記憶された履歴情報とユーザの入力設定による次回運用時の予想温度等の入力設定情報とから、相互充放電の所要時間や所要時間を短縮するための充放電電流を予測計算する。この予測計算結果は、次回の充放電に適用され、適宜表示出力される。

尚、予測計算の精度については、事前試験結果等をプリセットすることや、運用経験を重ねて学習能力を向上させることで対応する。

次に、本実施形態の処理の流れについて、図２乃至図４を参照して説明する。

図２は、本実施形態に係る二次電池充放電装置の処理の流れを示すフローチャートである。この処理では、二次電池充放電装置の起動後において、通常運用（ステップＳ２）として二次電池（Ａ，Ｂ）に対して行われる通常充放電経路（充電回路２１から二次電池（Ａ，Ｂ）への充電経路、及び二次電池（Ａ，Ｂ）から負荷（Ａ，Ｂ）への放電経路を指す）による充放電動作の前後で、必要に応じた前処理（ステップＳ１）または後処理（ステップＳ３）を行う。前処理は、電池システムを含め運用可能かどうか各構成品の自己点検を行う、上位制御装置（図示せず）からの制御に対して監視項目を通知する、等の処理である。後処理は、上位制御装置からの制御に対して監視項目を通知する、保存前に電池システムを保存に適した充電状態にするために充電する、等の処理である。

図３は、図２の後処理工程（ステップＳ３）として、通常充放電経路により電池システムの運用が終了した状態を起点として、そこから本装置の電源を落とすまでの処理工程で行う予備充電ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、後処理工程が開始されると、電池システムの通常運用後に記憶回路２３に保持されている過去の充放電履歴とユーザの入力設定情報とから、演算回路２４によって予備充電モードでの次の充放電処理が予測計算される。この予測計算に基づいて、次回運用に適する予備充電モードを選択する（ステップＳ３１）。予備充電モードには、充電終了目標とするＳＯＣ（例えば二次電池Ａ３１ａを６０％、二次電池Ｂ３１ｂを４０％、等）を決めて充電を行う固定モード、前回の設定内容を引き継ぐ継続モード、各種条件（例えば、保存期間や次回起動時の周辺温度等の予測値）を個別に設定できる設定モード等の複数のモードを有する。ステップＳ３１で設定モードが選択された場合には、設定モードのパラメータとして使用予定時期、優先条件等を設定する（ステップＳ３２，Ｓ３３）。使用予定時期には、放置期間もしくはカレンダ日付指定、温度予想値の次回使用想定条件等があり、充電優先条件として、前回設定内容優先、充電電流抑制優先、充電時間短縮優先等がある。

予備充電モードの選択が終了した場合には、選択したモードに従って充電制御回路２２のパラメータを設定し、設定した充電制御回路２２のパラメータで二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂの予備充電を実行する（ステップＳ３４）。その際、監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂで得られる予備充電実行中の二次電池３１ａ，３１ｂの温度、電圧、ＳＯＣ推定値等の監視情報を受信する（ステップＳ３５）。以後、予備充電終了条件に該当するまで電池モニタ情報を収集し（ステップＳ３６）、条件に該当した時点で予備充電を終了する（ステップＳ３７）。予備充電終了後、予備充電の履歴情報を記憶回路２３に保持して（ステップＳ３８）、予備充電ルーチンを終了する。

ここで、記憶回路２３に保持する予備充電履歴には、今回の予備充電で選択した予備充電モード、設定モード選択時にステップＳ３３で設定した各パラメータ、予備充電開始時と終了時の電池温度、予備充電での電池温度上昇分、予備充電実施時の電流積算値、予備充電回数（累積回数）を含める。

すなわち、図３に示す予備充電ルーチン開始時は、電池システムの通常運用終了直後であることから電池残量は低下し、ＳＯＣが低い値を示すものと考えられる。このような状態においては、特に次回運用までの保存期間が長期化する場合、自己放電により過放電状態となり、二次電池３１ａ，３１ｂの故障を引き起こすことが考えられるため、二次電池の保存に適したＳＯＣまで充電して保存することが望まれる。しかし、例えば翌日の常温環境下で次回運用する場合は、二次電池を十分使用できるように満充電に近い状態にしておくことが望まれる。

そこで本実施形態では、その問題を回避するために、次回運用を想定して、予め想定別に二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂを充電する複数の予備充電モードを用意する。具体的には、充電終了目標とするＳＯＣ（例えば二次電池（Ａ）３１ａを６０％、二次電池（Ｂ）３１ｂを４０％等）を決めて充電を行う固定モード、前回設定内容を引き継ぐ継続モード、例えば、保存期間や次回起動時の周辺温度等の予測値等の各種条件を個別に設定する設定モード等の複数のモードを用意する。これらのモードを用意しておくことで、ユーザが状況に応じた選択を行うことが可能となる。

図４は、図２の前処理工程、すなわち本装置を起動し、電池システムを通常充放電経路による通常運用を開始する直前までの処理工程で行う相互充放電ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、記憶回路２３に保持されている二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂの予備充電状態を確認（更に、二次電池の残量に空きを作る必要がある場合は放電を実施）し（ステップＳ１１）、相互充放電の実行前に監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂからの監視情報を受信し（ステップＳ１２）、相互充放電に伴う昇温時間を測定するための相互充放電用タイマーを起動し（ステップＳ１３）、二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂ間で相互充放電を開始する（ステップＳ１４）。相互充放電の実行中において、相互充放電終了条件に該当するまで、継続して監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂからの監視情報を受信する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。相互充放電終了条件に該当した場合には相互充電を終了し（ステップＳ１７）、その後、相互充放電用タイマーを停止し（ステップＳ１８）、相互充放電実行後の監視情報を受信し（ステップＳ１９）、相互充放電の温度上昇値、所要時間等の履歴情報を記憶回路２３に保持し（ステップＳ１１０）、相互充放電ルーチンを終了する。

図４に示した相互充放電ルーチンにおいて、相互充放電の実行前・実行中・実行後に受信する監視情報は、監視回路（Ａ，Ｂ）３２ａ，３２ｂで得られる二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂの温度、電圧、ＳＯＣ推定値等である。また、記憶回路２３には、相互充放電履歴として、相互充放電前の二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂの温度Ａ、相互充放電終了時の二次電池３１の温度Ｂ（昇温後の二次電池温度）、温度Ａと温度Ｂの差分（二次電池温度上昇分）、相互充放電終了時の相互充放電用タイマー値（昇温時間）、相互充放電回数（実施回数及び累積回数）を保持する。

すなわち、前回の後処理（図３に示す予備充電ルーチン）により、ある程度今回運用を想定して予備充電を行った状態になっているはずであるが、今回の運用内容が想定内容と大きく異なる場合は、必要に応じて予備充電処理を行う。運用条件に合わない場合（例えば、低温環境下で二次電池（Ａ，Ｂ）を使用したい場合、更に低温環境下で二次電池（Ａ，Ｂ）が共に満充電に近い場合、等）は、図４に示す流れで相互充放電を行うことで、二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂを昇温して低温による放電能力の低下を改善する。ここで、次回の相互充放電時の効率改善に向けて、相互充放電時の情報を監視・記憶する。これにより、例えば充放電電流や初期のＳＯＣ状態を変更することで、充放電時間の短縮化を実現することができる。

以上のように、本実施形態の二次電池充放電装置を用いて二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂの充電状態を管理することにより、相互充放電の所要時間を予測表示可能となり、また所要時間を短縮するための充放電電流を算出し実行することが可能となり、さらに次回の充放電に保持内容を適用することも可能となる。

また、予測計算の精度については、事前試験結果等をプリセットすることや、運用経験を重ねることで学習能力を向上させることができる。

尚、上記実施形態では、２つの二次電池（Ａ，Ｂ）３１ａ，３１ｂを有する電池システムの例を示したが、３つ以上の二次電池を有する電池システムにも適用可能である。また、複数の充電モードを持ち、ユーザの運用形態・使用環境に応じたモードの選択を可能とすることで、ユーザビリティを高めることが可能となる。また、更に大規模な電池システムへの拡張も期待することができる。例えば、駆動機構を有する装置、屋外・車載で使用するモータ等の駆動部、信号処理装置の制御部の電源及び充電器等に使用可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…発電機、２０…充電器部、２１…充電回路、２２…充電制御回路、２３…記憶回路、２４…演算回路、２５…モード選択回路、３０…二次電池モジュール格納部、３１ａ，３１ｂ…二次電池、３２ａ，３２ｂ…監視回路、３３…相互充放電回路、２２１…相互充放電制御回路、４０ａ，４０ｂ…負荷。

Claims (3)

1. 複数の二次電池を有する電池システム内のそれぞれの二次電池の状態を監視して監視情報を通知する監視手段と、
   前記複数の二次電池に充電電流を供給すると共にその充電情報を通知する充電手段と、
   前記監視手段から通知される監視情報と前記充電手段から通知される充電情報に基づいて前記充電手段の充電動作を制御する充電制御手段と、
   指示に応じて前記複数の二次電池間で相互に充放電を実行する相互充放電手段と、
   前記相互充放電手段の充放電の実行を制御する相互充放電制御手段と
   を具備し、
   前記充電制御手段は、
   前記監視手段から通知される監視情報及び前記充電手段から通知される充電情報を履歴情報として保持する記憶手段と、
   前記記憶手段に保持される履歴情報から次回予備充電を予測する予測手段と、
   予め複数の充電条件に適する予備充電を実行する複数の予備充電モードを用意し、前記予測手段の予測結果とユーザの入力設定情報に応じて前記予備充電モードを設定し選択する選択手段と、
   を具備し、
   前記電池システムの通常運用後に前記記憶手段に保持されている過去の充放電履歴とユーザの入力設定情報とから前記予測手段を用いて次回予備充電を予測して、前記選択手段で次回運用に適する設定の予備充電モードを選択し、前記充電手段により選択される予備充電モードに応じて充電処理を実行し、前記監視手段で得られる予備充電実行中の電池モニタ情報を受信し、前記予備充電終了後、予備充電の履歴情報を前記記憶手段に保持することとし、
   前記電池システムの通常運用前に前記記憶手段に保持されている前記二次電池の予備充電状態を確認し、相互充放電実行前の電池モニタ情報を受信し、その電池モニタ情報に基づいて前記二次電池間で相互充放電を実行し、前記相互充放電実行中の電池モニタ情報を受信し、前記相互充電終了後、前記相互充放電実行後の電池モニタ情報を受信し、前記相互充放電の履歴情報を前記記憶手段に保持すること
   を特徴とする二次電池充放電装置。
2. 前記充電制御手段は、前記電池システムの通常運用前の相互充放電の際に、その相互充放電開始に伴って相互充放電用タイマーを起動し、前記二次電池間での相互充放電を実行し、前記相互充電終了後、相互充放電用タイマーを停止することで昇温時間を測定し、前記相互充放電の履歴情報として前記記憶手段に保持することを特徴とする請求項１記載の二次電池充放電装置。
3. 複数の負荷に電力を供給する電池システムの複数の二次電池それぞれの状態を監視して監視情報を通知し、
   前記複数の二次電池に充電電流を供給すると共にその充電情報を通知し、
   前記通知される監視情報と前記充電手段から通知される充電情報に基づいて前記充電動作を制御し、
   指示に応じて前記複数の二次電池間で相互に充放電を実行し、
   前記相互充放電の充放電処理を制御する二次電池充放電方法であって、
   前記監視によって通知される監視情報及び前記充電時に通知される充電情報を履歴情報として保持し、
   前記保持される履歴情報から次回予備充電を予測し、
   予め複数の充電条件に適する予備充電を実行する複数の予備充電モードを用意し、前記予測処理の予測結果とユーザの入力設定情報に応じて前記予備充電モードを設定し選択するようにし、
   前記電池システムの通常運用後に前記保持されている過去の充放電履歴とユーザの入力設定情報とから次回予備充電を予測して、次回運用に適する設定の予備充電モードを選択し、前記充電時に選択される予備充電モードに応じて充電処理を実行し、前記監視で得られる予備充電実行中の電池モニタ情報を受信し、前記予備充電終了後、予備充電の履歴情報を保持することとし、
   前記電池システムの通常運用前に前記保持されている前記二次電池の予備充電状態を確認し、相互充放電実行前の電池モニタ情報を受信し、その電池モニタ情報に基づいて前記二次電池間で相互充放電を実行し、前記相互充放電実行中の電池モニタ情報を受信し、前記相互充電終了後、前記相互充放電実行後の電池モニタ情報を受信し、前記相互充放電の履歴情報を前記記憶手段に保持すること
   を特徴とする二次電池充放電制御方法。

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