JP2018046618A - 充電システム及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】逆接続時のトラブルを確実性高く回避できる充電システム及び充電方法を提供すること。【解決手段】充電システム１は、二次電池３８０に対する接続状態が正接か逆接かを検出する検出手段をなす極性判別回路１４１と、二次電池３８０を充電するための電気的な経路を開閉するスイッチ回路１３と、を備え、スイッチ回路１３は、極性判別回路１４１により正接の接続状態が検出された場合に、開放状態から閉成状態に切り替わる一方、極性判別回路１４１により逆接の接続状態が検出された場合には、開放状態を保持するように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池を充電するための充電システムに関する。

従来より、ニッケル水素バッテリ等の二次電池を搭載するＡＧＶ（Automatic Guided Vehicle）等の電動車両が知られている。二次電池に蓄えた電力により動作する電動車両では、電力を消費したときには充電器等を接続して二次電池を充電する必要がある。充電器の多くは、電源端子とグランド側端子とを有しており、電源端子にバッテリの正極端子を接続し、グランド側端子に負極端子を接続して充電動作を実施する。

このような充電動作の際、充電器を接続する際の人為的なミスや、電動車両内部の電気的な配線ミス等により、バッテリの負極端子が充電器の電源端子に接続され、バッテリの正極端子が充電器のグランド側端子に接続されて、いわゆる逆接続が生じる可能性がある。このような逆接続の場合、バッテリから異常電流が流入して充電器に故障が発生するおそれがある。そこで、従来、バッテリから充電器への異常電流の流れ込みを防止する保護回路を設けた充電器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−１１８６０７号公報

しかしながら、上記従来の保護回路を設けた充電器であっても次のような問題が残っている。すなわち、充電電流を供給する側の発電回路が起動していない状況であれば保護回路が有効に作用して逆接時の異常電流の流れ込みを防止できる一方、発電回路が起動している状態では保護回路が有効に動作せずに過大電流が充電器側に流れ込み、充電器の制御回路を構成する整流ダイオードや電子部品にトラブルが生じるおそれがあるという問題がある。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、逆接続時のトラブルを確実性高く回避できる充電システム及び充電方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、二次電池の充電システムであって、
二次電池に対する接続状態が正接か逆接かを判別する判別手段と、
二次電池を充電するための電気的な経路を開閉するスイッチ手段と、を備え、
該スイッチ手段は、前記判別手段により正接の接続状態であると判別された場合に、開放状態から閉成状態に切り替わる一方、
前記判別手段により逆接の接続状態であると判別された場合には、開放状態を保持する充電システムにある（請求項１）。

本発明の一態様は、二次電池の充電方法であって、
二次電池に対する充電装置の接続状態が正接か逆接かを判別し、正接の接続状態であると判別されたときに、二次電池を充電するための電気的な経路を開放状態から閉成状態に切り替える一方、逆接の接続状態であると判別されたときには、前記経路を開放状態のまま保持する二次電池の充電方法にある（請求項５）。

本発明の充電システム及び充電方法では、逆接続の場合、二次電池を充電するための電気的な経路が開放状態のまま保持される。そのため、逆接続が発生しても、二次電池側から電流が流れ込むことがない。したがって、本発明の充電システム及び充電方法によれば、逆接続時のトラブルを確実性高く回避できる。

実施例１における、バッテリを搭載する無人牽引車と充電器との組合せを示す説明図。 実施例１における、搬送台車を連結する無人牽引車の斜視図。 実施例１における、充電システムのブロック図。 実施例１における、充電回路の説明図。 実施例１における、充電制御回路のブロック図。 実施例１における、充電動作の時間的な流れを示すタイムチャート図。 実施例１における、その他の充電回路の説明図。 参考例における、充電器のブロック図。

本発明の充電システムは、充電前の二次電池の端子電圧を計測する計測手段を備え、該端子電圧が所定の閾値以上であることが充電動作の開始条件として設定されていることも良い（請求項２）。
二次電池の端子電圧が所定の閾値未満である場合には、二次電池に何らかのトラブルが生じている可能性がある。このような二次電池については、電気的な接続を回避すると良い。

前記二次電池はニッケル水素バッテリであり、当該二次電池を充電する際に供給する電流が一定となるように制御する定電流制御を実行することも良い（請求項３、請求項６）。
ニッケル水素バッテリは、定電圧充電を行うと過充電に至り易いので、定電流制御での充電が好適である。定電流制御であれば、急速充電を安全性高く実行でき、充電に要する時間を短縮できる。

前記定電流制御の実行中に二次電池を充電するための電流が所定の閾値以下となったときに充電を終了すると良い（請求項４）。
この場合には、過充電を確実性高く回避し、二次電池の性能劣化を防止できる。

本発明の実施の形態につき、以下の実施例を用いて具体的に説明する。
（実施例１）
本例は、無人牽引車３が搭載するバッテリ（二次電池）３８０を充電する充電システム１に関する例である。この内容について、図１〜図７を参照して説明する。

無人牽引車３は、図１及び図２のごとく、自在車輪４８を備え自立可能な搬送台車４を連結し、搬送台車４が積載する部品などのワークを工場などの施設内で搬送するＡＧＶである。無人牽引車３は、搬送台車４の下側に潜り込めるよう、高さ方向に薄く前後方向に長い低床式の車体３０を備え、上面３０３の連結ピン３４を介して搬送台車４に連結される。

この無人牽引車３は、同軸配置された２本１組の駆動輪３３を備えた駆動ユニット（図示略）を前後方向の２箇所に備え、車体３０の後部に配置されたバッテリ３８０（図３参照。二次電池。）に蓄えた電力により動作する。バッテリ３８０への充電は、車体３０の側面３０２に設けた充電端子３８を利用して実施可能である。なお、本例のバッテリ３８０は、ニッケル水素バッテリである。

充電端子３８は、充電器１０（図１参照。）から延設された電気コード１０１の先端の充電プラグ１０２を接続する端子であり、バッテリ３８０のプラス側に接続された正極端子３８Ｐと、マイナス側に接続された負極端子３８Ｍと、を備えている。この充電端子３８に接続する充電プラグ１０２には、電源端子１８Ｐとグランド側端子１８Ｇ（図４参照。）が設けられている。

充電器１０を利用してバッテリ３８０を充電するに当っては、充電プラグ１０２の電源端子１８Ｐを無人牽引車３側の正極端子３８Ｐに接続し、グランド側端子１８Ｇを負極端子３８Ｍに接続する必要がある。なお、無人牽引車３では、充電端子３８に対する充電プラグ１０２の接続構造について、電源端子１８Ｐが負極端子３８Ｍに接触し、グランド側端子１８Ｇが正極端子３８Ｐに接触する逆接続（逆接の接続状態）を機械的に防止するための図示しないフェールセーフ構造を設けることで安全性を向上している。

次に、上記の充電器１０を含む本例の充電システム１が採用する電気的な回路構成について説明する。
まず、本例の充電システム１の基本構成について、図３のブロック図を参照して説明する。充電システム１では、バッテリ３８０を充電するための電力を供給する充電用電源部１２と、バッテリ３８０との間に、初期状態が開放状態であるスイッチ回路（スイッチ手段）１３が介設されている。

このスイッチ回路１３は、初期状態の開放状態ではバッテリ３８０を充電器１０から電気的に切り離す一方、閉成状態への切り替わりに応じてバッテリ３８０に対して充電器１０を電気的に接続する回路である。スイッチ回路１３は、接続極性を判別する極性判別回路（判別手段）１４１等を含む制御部１４が出力する充電回路閉成信号に応じて閉成状態に切り替わる。

次に、充電器１０の回路構成を示す図４を参照して上記の内容を詳しく説明する。充電器１０の回路は、制御部１４を中心として構成されている。制御部１４は、上記の極性判別回路１４１のほか、電圧測定回路（計測手段）１４２、差動増幅回路１４３、誤差増幅回路１４４、充電終了判定回路１４５等を含めて構成されている。この制御部１４には、充電用電源部１２、フォトカプラ１７１、１７２、スイッチ回路１３を構成するＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３１などが接続されている。

充電器１０の回路構成では、正接続（正接の接続状態）の場合にバッテリ３８０の負極端子３８Ｍに接続されるグランド側端子１８Ｇと、ＧＮＤ（グランド）との間に、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３１を利用したスイッチ回路１３が介設されている。また、正接続のときバッテリ３８０の正極端子３８Ｐと接続される電源端子１８Ｐと、グランド側端子１８Ｇとの間には、ＬＥＤ電流制限抵抗１７０を共用する２つのフォトカプラ１７１、１７２が介設されている。第１のフォトカプラ１７１は、正接続でＯＮに切り替わり、制御部１４に正接続検出信号を入力するフォトカプラである。第２のフォトカプラ１７２は、逆接続でＯＮに切り替わり、制御部１４に逆接続検出信号を入力するフォトカプラである。

制御部１４は、正接続検出信号の入力を受けた場合にのみ、充電回路閉成信号を出力してＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３１によるスイッチ回路１３を閉成状態に切り替える。スイッチ回路１３が閉成状態に切り替わると、グランド側端子１８ＧがＧＮＤ接地し、充電用電源部１２によるバッテリ３８０への充電電流の供給が可能な状態になる。

このように充電システム１では、バッテリ３８０の電圧により上記第１のフォトカプラ１７１がＯＮに切り替わり、スイッチ回路１３が開放状態から閉成状態に切り替えられて充電可能な状態となる。一方、バッテリ３８０が接続されていない状態や、バッテリ３８０が逆接続の状態では、スイッチ回路１３が開放状態のまま保持される。スイッチ回路１３が開放状態の場合には、充電器１０側の回路がバッテリ３８０から電気的に切り離され、バッテリ３８０の電流が充電器１０側に流れ込むことがない。

スイッチ回路１３が閉成状態のとき、電源端子１８Ｐの電圧が分圧回路１７５により分圧されて電圧信号として制御部１４に入力される。制御部１４の電圧測定回路１４２は、この電圧信号を利用してバッテリ３８０の電圧を計測する。制御部１４は、バッテリ３８０の電圧が所定の閾値（本例では１８．０Ｖ）以上であって、かつ、所定の充電目標電圧（本例では２７．２Ｖ。所定の閾値）以下の場合に、電流制御信号を出力して充電用電源部１２を起動する。充電用電源部１２は、電源端子１８Ｐの電圧が予め設定された充電目標電圧に到達するまで、電流センサ１１による電流信号のフィードバック制御による定電流制御により駆動される。

次に、（１）充電動作中の充電器１０で実行される垂下型定電流制御、（２）充電動作の終了時点を判定する充電終了判定、について説明する。
（１）垂下型定電流制御
充電システム１による充電動作は、図５に例示する垂下型電流制御回路により実現される。この垂下型電流制御回路は、充電電流を計測する電流センサ１１、電流センサ１１が出力する電流信号を増幅する差動増幅回路１４３、定電流制御の目標電流値に対する差分（誤差）を増幅する誤差増幅回路１４４等を含めて構成されている。なお、本例の充電システム１では、定電流制御の目標電流値が１００Ａに設定されている。

電流センサ１１（図４及び図５）は、充電電流の大きさに応じた電圧の電流信号を発生する（図６（ａ））。差動増幅回路１４３は、電流センサ１１が出力する電流信号を所定の増幅率で増幅する。誤差増幅回路１４４は、いわゆるエラーアンプと呼ばれる制御系分野で良く知られた回路であり、差動増幅回路１４３の出力電圧が表す計測電流値のうちの目標電流値に対する誤差分を増幅する。

誤差増幅回路１４４の出力信号は、図６（ｂ）のごとく電圧制御信号として充電用電源部１２に入力される。定電圧出力電源である充電用電源部１２は、誤差増幅回路１４４が出力する電圧制御信号により動作電圧を制御されて動作し、これにより充電電流を１００Ａ一定に保持するように制御される。具体的には同図（ｂ）のごとく、充電電流が１００Ａを超えると充電電流を抑える下降制御が実施され、充電電流が１００Ａを下回ると充電電流を増やすための上昇制御が実施される。

（２）充電終了判定
このような充電動作の進行に応じて、バッテリ３８０の端子電圧は図６（ｃ）のように次第に上昇する。この端子電圧が充電目標電圧に到達すると（図６中の時点Ａ）定電流制御を維持できなくなり、誤差増幅回路１４４の電圧制御信号の出力が停止される（同図（ｂ））。この電圧制御信号は、充電用電源部１２に入力されて定電流制御に利用されるほか、充電終了判定回路１４５にも入力される。充電終了判定回路１４５は、誤差増幅回路１４４の電圧制御信号の出力停止を判定すると、充電用電源部１２に入力する電源制御信号をＯＮからＯＦＦに切り替える（同図（ｄ））。充電用電源部１２は、電源制御信号のＯＦＦへの切替に応じて充電電流の出力を停止し、これにより充電動作が終了する。

以上のように構成された充電システム１では、充電器１０をバッテリ３８０に接続した際、電気的な経路を閉成状態に切り替える前に、まず、正接続状態であるか逆接続状態であるかが判別される。正接続状態であれば、スイッチ回路１３を制御して電気的な経路を閉成状態に切り替えて充電を開始可能な状態を設定する。一方、逆接続状態であれば、バッテリ３８０に対して充電器１０側の回路を電気的に接続しない。

なお、例示した無人牽引車３の充電端子３８と、充電器１０の充電プラグ１０２と、の間には、上述の通り、人為的なミスによる逆接続を防止するためのフェールセーフ構造が設けられている。そのため、充電端子３８に対する充電プラグ１０２の取付の向きが逆になるおそれはほとんどない。しかしながら、充電プラグ１０２に対する充電器１０の内部配線や、充電端子３８に対する無人牽引車３の内部配線等に間違いがあれば、電気的な逆接続が起こり得る。このような場合であっても、本例の充電システム１によれば逆接続によるトラブルを未然に回避できる。

バッテリ３８０が逆接続された場合に充電動作を開始しない充電システム１であれば、充電を受ける無人牽引車３側の回路に、逆接続時の電流の流入を防止するためのダイオード等を設ける必要がない。逆接続対策のダイオードを廃止できれば、ダイオードの順方向電圧降下による電力的な損失を無くすることができる。この電力的な損失は充電電流が大きくなるほど拡大するため、大電力が必要な大規模な充電システムほど、逆接続対策のダイオードを廃止できる効果が顕著になる。

充電システム１は、スイッチ回路１３を閉成状態に設定した後、バッテリ３８０の端子電圧が所定の閾値以上であるか否かを判断し、所定の閾値以上であれば充電動作を開始する。一方、バッテリ３８０の端子電圧が所定の閾値未満の異常値であれば、何らかのトラブルが生じている可能性があると判断して充電動作を開始しない。これによりバッテリ３８０のトラブルの重症化を未然に回避でき、バッテリ３８０側のトラブルに起因して起こり得る充電器１０側のトラブルを防止できる。

充電動作を開始した後の充電システム１は、誤差増幅回路１４４の電圧制御信号の出力停止を判定することで、バッテリ３８０が満充電に近づき定電流制御を維持できなくなった状態を精度高く判定する。そして、充電器１０は、誤差増幅回路１４４の電圧制御信号の出力停止に応じて、充電電流の供給を停止する。充電システム１は、このように充電電流の供給を停止して充電動作を終了することで、バッテリ３８０の過充電を確実性高く回避している。

このように本例の充電システム１によれば、バッテリ３８０に対して充電器１０を逆接続した場合であっても充電器１０にバッテリ３８０の過大電流が流入することがなく、充電器側の電気的なトラブルやバッテリ３８０の劣化等が発生するおそれが少なくなっている。さらに、この充電システム１では、定電流充電で設定電圧に達して定電流制御を維持できなくなった時点で充電電流の供給を停止するため、バッテリ３８０に過充電が生じるおそれも少ない。

一般的に、ニッケル水素バッテリであるバッテリ３８０は、定電圧充電を行うと過充電に至りやすく温度上昇や破損に至る可能性が高い。このような温度上昇や破損のおそれは、低電流状態でも起こり易いため、注意が必要である。ニッケル水素バッテリについては、過充電させないことが劣化の防止に有効である。

本例の充電システム１は、定電流制御による充電電流をバッテリ３８０に供給して充電を実施し、定電流制御を維持できなくなったときに充電電流の供給を停止する。この充電システム１は、バッテリ３８０の過充電が発生するおそれが少ないシステムであり、ニッケル水素バッテリの充電に好適である。この充電システム１によれば、過充電のおそれが少なく、例えば５Ｃ（１２分で充電完了）程度の急速充電も可能である。

なお、本例では、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３１を利用したスイッチ回路１３を例示しているが、ＰチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴを利用してスイッチ回路を構成しても良い。図７のごとく、電磁開閉器（コンタクタ）１３２を利用したスイッチ回路１３を採用しても良い。図４に例示のスイッチ回路１３では、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ１３１のＯＮ抵抗が問題となる場合がある一方、図７の電磁開閉器１３２を利用したスイッチ回路１３であればＯＮ抵抗が問題となるおそれがない。

本例では、バッテリとして、ニッケル水素バッテリを例示したが、他に、リチウムイオンバッテリ、ニッケルカドミウムバッテリや、液循環型など二次電池であれば良く、種類を問わず広く適用出来る。
バッテリで動作する装置としてＡＧＶを例示したが、他に、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）に代表される充電が必要な電気駆動の自動車や、福祉車両（シニアカー、電動車いす）、電動アシスト自転車であっても良く、更には電動工具を始めとする充電式の電気機器であっても良い。

（参考例）
実施例１の充電システムとの対比を目的として、従来タイプの充電器について図８を参照して説明する。
同図の充電器９０の回路は、充電対象のバッテリ３８０と充電用電源部９２との間に整流ダイオード９３が介在するように回路構成されている。充電用電源部９２は、スイッチング方式でＡＣ／ＤＣ変換を行った後、出力コイル９２０を介して充電電流を出力するように構成されている。

充電器９０の場合、その電源端子９８Ｐにバッテリ３８０の正極端子３８Ｐが接続され、グランド側端子９８Ｇにバッテリ３８０の負極端子３８Ｍが接続された場合、バッテリ３８０からの電流は整流ダイオード９３に阻止される為、充電器９０側の回路に過大電流が流入することがない。一方、充電器９０に対してバッテリ３８０が逆接続された場合には、バッテリ３８０からの電流が無制限に出力コイル９２０や整流ダイオード９３に流入し、何れかの部品が破損したり、バッテリ３８０の劣化が生じるおそれがある。

一方、充電器をバッテリに接続した際、まず、正接続状態であるか逆接続状態であるか等を判別する実施例１の充電システムであれば、逆接続の場合にはスイッチ回路を開放状態のままとして、バッテリに対して充電器を電気的に接続しない。そのため、逆接続状態が発生しても、バッテリからの電流により充電器に電気的なトラブルが発生するおそれがない。

以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。

１ 充電システム
１０ 充電器
１０２ 充電プラグ
１１ 電流センサ
１２ 充電用電源部
１３ スイッチ回路
１４ 制御部
１４１ 極性判別回路
１４２ 電圧測定回路
１４３ 差動増幅回路
１４４ 誤差増幅回路
１４５ 充電終了判定回路
１７１、１７２ フォトカプラ
１７５ 分圧回路
１８Ｐ 電源端子
１８Ｇ グランド側端子
３ 無人牽引車
３８ 充電端子
３８Ｐ 正極端子
３８Ｍ 負極端子
３８０ バッテリ
４ 搬送台車
９０ 充電器

Claims (6)

1. 二次電池の充電システムであって、
   二次電池に対する接続状態が正接か逆接かを判別する判別手段と、
   二次電池を充電するための電気的な経路を開閉するスイッチ手段と、を備え、
   該スイッチ手段は、前記判別手段により正接の接続状態であると判別された場合に、開放状態から閉成状態に切り替わる一方、
   前記判別手段により逆接の接続状態であると判別された場合には、開放状態を保持するように構成されている充電システム。
2. 請求項１において、充電前の二次電池の端子電圧を計測する計測手段を備え、該端子電圧が所定の閾値以上であることが充電動作の開始条件として設定されている充電システム。
3. 請求項１又は２において、前記二次電池はニッケル水素バッテリであり、当該二次電池を充電する際に供給する電流が一定となるように制御する定電流制御を実行する充電システム。
4. 請求項３において、前記定電流制御の実行中に二次電池を充電するための電流が所定の閾値以下となったときに充電を終了する充電システム。
5. 二次電池の充電方法であって、
   二次電池に対する充電装置の接続状態が正接か逆接かを判別し、正接の接続状態であると判別されたときに、二次電池を充電するための電気的な経路を開放状態から閉成状態に切り替える一方、逆接の接続状態であると判別されたときには、前記経路を開放状態のまま保持する二次電池の充電方法。
6. 請求項５において、前記二次電池はニッケル水素バッテリであり、当該二次電池を充電する際に供給する電流が一定となるように制御する定電流制御を実行する二次電池の充電方法。