JP3573927B2 - Battery unit charging method and device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル−水素電池等の二次電池を充電するための充電方法及び装置に関し、特に充電中の二次電池を最適な冷却力で強制冷却することにより、充電末期の電池温度が所定の限界値を超えることを確実に防止した充電方法及び装置を提供することである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車等の電動車両やＡＶ機器の直流電源として、ニッケル−水素電池等の二次電池を複数個、直列或いは並列に組み合わせてなる組電池が用いられており、組電池を充電するときは、専用の充電装置が用いられる。例えばニッケル−水素電池の充電においては、一定の充電電流を所定時間だけ供給することによって、満充電状態まで充電が行なわれる。
【０００３】
一般に二次電池は充放電に伴って発熱し、特にニッケル−水素電池においては充電中の温度上昇が著しく、電池温度が限界値を超えると、充電反応が殆ど進まなくなるため、充電中に組電池を送風ファンによって強制的に冷却することが行なわれている。
この際、送風ファンの消費電力を出来るだけ小さく抑えるため、二次電池に温度センサーを取り付けて、充電中の電池温度を監視し、電池温度が上昇するにつれて、送風ファンの風量を段階的に増加させる制御方法が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の充電制御方式においては、特に大電流による急速充電時に、そのときの電池温度に応じたファン風量を設定したとしても、送風による冷却効果には時間的な遅れが伴うため、電池温度が急激に上昇して、限界値を超える虞れがあった。電池温度が限界値を超えると、充電が強制的に停止されるため、満充電状態まで充電を行なうことが出来ない。
本発明の目的は、電池温度を所定の限界値よりも低く抑えた状態で、満充電状態まで効率的に充電を施すことが出来る電池ユニットの充電方法及び装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る電池ユニットの充電方法は、電池ユニットに対する冷却の度合いをパラメータとして充電完了時点における電池温度を推定し、該電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却の度合いを導出し、これによって得られた冷却の度合いを基準として電池ユニットを冷却しつつ、電池ユニットを充電することを特徴とする。
【０００６】
充電による各二次電池の温度上昇率は、電池の単位時間当たりの発熱量、強制冷却の度合い（単位時間当たりの冷却量）、電池の熱伝達率、電池の熱容量、及び電池の表面積によって決定される。ここで、電池の単位時間当たりの発熱量、電池の熱伝達率、電池の熱容量、及び電池の表面積は、電池の仕様や充電の条件によって決まる既知の値であるから、電池温度の時間的な変化（電池温度特性）は、強制冷却の度合いをパラメータとして、計算で求めることが可能である。又、充電の条件から、充電に必要な時間も計算で求めることが可能である。
従って、冷却の度合いを特定すれば、充電が完了する時点（充電末期）の電池温度を推定することが出来る。この結果から、充電末期温度が所定の限界値を越えることのない、最適（最小）値としての冷却の度合いを求めることが出来る。
尚、組電池の場合、その熱伝達率は、例えば各電池の熱伝達率の平均値として決定することが出来る。
【０００７】
上記本発明の充電方法では、先ず、充電末期温度が所定の限界値を越えることのない冷却の度合いを求めた後、その冷却の度合いを電池ユニットに対する冷却力に設定して、電池ユニットを冷却しつつ、充電を施す。
この結果、充電中の電池温度は電池温度特性に沿って上昇し、電池の充電末期温度が所定の限界値を超える虞れはない。然も、冷却のための消費電力は最小限に抑えられる。
【０００８】
本発明に係る充電装置は、電池ユニットを外部から強制冷却する冷却手段と、冷却手段の出力を調整する冷却調整手段とを具え、冷却調整手段は、冷却手段の出力をパラメータとして充電完了時点における電池温度を推定することによって、該電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却手段の出力を導出し、その結果を冷却手段に最適出力として設定する。
【０００９】
上記本発明の充電装置においては、冷却調整手段によって冷却手段に最適出力が設定されることによって、冷却手段はこの最適出力で運転され、電池ユニットが強制冷却されつつ、充電が施される。
【００１０】
具体的構成において、冷却調整手段は、
電池ユニットが設置された環境の温度を測定する環境温度測定手段と、
電池ユニットの温度を測定する電池温度測定手段と、
測定された環境温度及び電池温度に基づき、冷却手段の出力をパラメータ、充電時間を変数として充電中の電池温度の変化を表わす電池温度特性を導出する第１演算処理手段と、
導出された電池温度特性に基づいて、充電が完了する時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却手段の出力を導出し、その結果を冷却手段に最適出力として設定する第２演算処理手段
とを具えている。
【００１１】
該具体的構成においては、充電開始時における環境温度と電池温度の測定値が第１演算処理手段による電池温度特性の導出に供されて、電池温度の時間変化が、冷却手段の出力をパラメータとして算出される。その結果に基づいて、第２演算処理手段は、電池の充電末期温度を推定し、該推定温度が所定の限界値を超えることのない冷却手段の出力を導出する。
【００１２】
又、具体的構成において、冷却手段は、電池ユニットへ向けて設置された送風ファンである。第１演算処理手段は、予め設定されているファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係に基づき、特定のファン風量における熱伝達率を導出し、その結果に基づいて電池温度特性を導出する。第２演算処理手段は、第１演算処理手段が電池温度特性を導出する際に特定されるべきファン風量を一定量ずつ変化させつつ、充電完了時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない冷却手段の出力を検索する。
【００１３】
該具体的構成においては、送風ファンから電池ユニットへ冷風が供給されて、電池ユニットが冷却される。ここで、ファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係は予め実験的に求められている。そこで、第１演算処理手段は、該関係に基づいて、特定のファン風量における熱伝達率を導出する。その後、第２演算処理手段は、第１演算処理手段による電池温度特性の導出に必要なファン風量を一定量ずつ変化させつつ、第１演算処理手段によって導出された電池温度特性に基づいて充電完了時点における電池温度を推定し、該電池温度が所定の限界値を越えることのない最少のファン風量を決定する。
【００１４】
更に具体的構成において、冷却調整手段は、第１演算処理手段によって導出された電池温度特性に対する電池温度の偏差に応じて、冷却手段の出力を微調整する微調整手段を具えている。
【００１５】
該具体的構成においては、電池温度測定手段によって充電中の電池温度が測定され、該測定値の電池温度特性に対する偏差が零となる様に、冷却手段の出力が微調整され、この結果、電池温度は、電池温度特性に沿って精度良く変化して、電池末期温度が正確に調整される。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る充電方法及び装置によれば、電池の充電末期温度が限界値を越えることのない最適な冷却力によって、効率的に充電を施すことが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をニッケル−水素電池の組電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図２は、本発明を実施すべき電池ユニット（１）の外観を表わしており、複数のニッケル−水素二次電池（２）が相互間に所定の隙間をあけた状態で並べられ、この状態でフレーム（３）により一体に保持されると共に、夫々のプラス端子及びマイナス端子が互いに直列に接続されている。又、フレーム（３）には、これら複数の二次電池（２）を強制冷却するための複数の送風ファン（４）が取り付けられている。
【００１８】
電池ユニット（１）のプラス端子（１４）及びマイナス端子（１５）には、図１に示す本発明の充電装置が接続される。
該充電装置は、交流電源（１３）から供給されるＡＣ１００Ｖの交流電力を直流電力に変換して出力する充電回路（１２）を具え、該充電回路（１２）からの直流電力が、電池ユニット（１）へ充電用電力として供給されると共に、マイクロコンピュータからなる制御回路（１１）とＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）へ動作電源として供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）のプラス及びマイナスの出力端は、前記の各送風ファン（４）を駆動すべきモータ（４１）へ接続されている。
【００１９】
電池ユニット（１）には、複数の二次電池（２）の代表点の温度を測定するための電池温度センサー（５）が貼り付けられている。又、電池ユニット（１）の近傍には、電池ユニット（１）が設置された環境の温度（外気温度）を測定するための環境温度センサー（６）が配置されている。温度センサー（５）（６）としては、熱電対やサーミスタを採用することが出来る。
両温度センサー（５）（６）は増幅器（７）（８）を介して温度検出回路（９）と接続され、これによって電池温度及び環境温度が検出される。
温度検出回路（９）の出力端は制御回路（１１）へ接続され、電池温度及び環境温度の検出データが制御回路（１１）へ供給される。
【００２０】
上記電池ユニット（１）の充電装置においては、後述する制御回路（１１）の演算処理によって送風ファン（４）の最適ファン風量が決定され、該最適ファン風量によって各二次電池（２）が冷却されつつ、充電回路（１２）から電池ユニット（１）へ一定の充電電流が所定時間に亘って供給され、各二次電池（２）に充電が施される。
【００２１】
図３乃至図５は、制御回路（１１）の演算処理手続きを表わしている。
先ず図３のステップＳ１では、予め１或いは複数種類の充電速度に応じて設定されている充電電流値から、選択された充電速度に応じた充電電流値を取り込む。次にステップＳ２では、取り込まれた充電電流値に基づいて、満充電に必要な充電時間ｔｅを算出すると共に、二次電池の単位時間当たりの発熱量Ｑを算出する。
【００２２】
続いてステップＳ３にて、環境温度センサー（６）及び電池温度センサー（５）から環境温度Ｔｏ及び電池温度（初期温度）Ｔを取り込んだ後、ステップＳ４にて、最適ファン風量を決定する。
【００２３】
図４は、最適ファン風量を決定するための手続きを表わしており、ステップＳ４１では、先ずファン風量を０に設定した上で、ステップＳ４２にて、各電池の熱伝達率を導出する。
熱伝達率の導出においては、図６に示す如く、電池ユニットを構成する各電池の熱伝達率とファン風量との関係が予め実験的に求められ、関数化されており、電池毎に特定のファン風量Ｗにおける熱伝達率Ｕｉを導出することが出来る。尚、ここで熱伝達率とは、対流熱伝達の他、熱輻射による熱伝達等も含めた総括伝熱係数或いは熱貫流率を意味しているが、実質的には、強制対流熱伝達率と考えることが出来る。
【００２４】
次に、図４のステップＳ４３では、下記数１に基づいて電池温度曲線を推定する。ここで、Ｃは電池１個の熱容量、Ｔは電池温度、ｔは充電時間、Ｑは電池１個の単位時間当たりの発熱量、Ｕは電池の熱伝達率、Ａは電池１個の表面積、Ｔｏは環境温度である。
【００２５】
【数１】
Ｃ×ｄＴ／ｄｔ＝Ｑ−ＵＡ（Ｔ−Ｔｏ）
【００２６】
数１は、電池１個当たりについて、単位時間当たりに電池に蓄えられる熱量（左辺）が、電池の発熱量（右辺第１項）と冷却量の差に等しいこと（熱力学第１法則）を表わしている。
尚、本実施例では、数１の熱伝達率Ｕとして、ステップＳ４２にて得られた各電池の熱伝達率Ｕｉの平均値を採用する。
【００２７】
数１において、電池の熱容量Ｃ、発熱量Ｑ、熱伝達率Ｕ、電池の表面積Ａは既知の値であり、環境温度Ｔｏ及び電池の初期温度は測定データとして得られるので、数１の微分方程式を解くことが可能であり、これによって、図７の如くファン風量をパラメータ（Ｗ０、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…）として、電池池温度Ｔの時間変化（電池温度曲線）を算出することが出来る。
【００２８】
図４のステップＳ４４では、電池温度曲線から充電末期温度Ｔｅを導出する。ここで、充電末期温度とは、満充電に必要な充電時間ｔｅが経過したときの電池温度である。
そして、ステップＳ４５にて、充電末期温度Ｔｅが所定の限界値Ｔｍａｘ（例えば４５℃）以下であるか否かを判断し、ノーの場合は、ステップＳ４６に移行して、ファン風量を所定の微小値ΔＷだけ増大させて、ステップＳ４２に戻り、同様に充電末期温度Ｔｅを導出して、所定の限界値Ｔｍａｘとの比較を繰り返す。
【００２９】
風量の増大によって、充電末期温度Ｔｅが所定の限界値Ｔｍａｘ以下となって、ステップＳ４５にてイエスと判断されたときは、ステップＳ４７に移行して、そのときのファン風量Ｗを出力する。
【００３０】
この結果、該ファン風量Ｗに応じた駆動制御信号が図１のＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）へ供給され、モータ（４１）の駆動電流が生成される。これによって、送風ファン（４）が回転駆動され、ファン風量Ｗが得られる。
その後、図３のステップＳ５にて、電池ユニット（１）に対する充電を開始した後、ステップＳ６にてファン風量の微調整を行なう。
【００３１】
図５は、ファン風量の微調整を行なうための手続きを表わしており、ステップＳ７１にて、環境温度Ｔｏ及び電池温度Ｔを取り込んだ後、ステップＳ７２にて、そのときのファン風量における電池温度曲線に基づいて、該電池温度曲線からの電池温度ＴのずれΔＴを算出する。
続いてステップＳ７３にて、温度のずれΔＴの絶対値が所定の限界値ΔＴｌｉｍｉｔを超えているか否かを判断し、ノーであればステップＳ７７に移行して、そのときのファン風量を維持する。
【００３２】
ステップＳ７３にてイエスと判断されたときは、ステップＳ７４に移行して、温度のずれΔＴが正の値であるか否かを判断し、正の値であるときはステップＳ７５にて風量Ｗを所定の微小量ΔＷ′だけ増大させる一方、負の値であるときはステップＳ７６にて風量Ｗを所定の微小量ΔＷ′だけ減小させた後、ステップＳ７７にて、ファン風量Ｗを出力する。
これによって、ファン風量が増減され、温度のずれΔＴに応じたファン風量の微調整が行なわれる。
【００３３】
次に、図３のステップＳ７にて、電池温度Ｔが所定の限界値Ｔｍａｘを超え、或いは所定の充電時間が経過した否かを判断し、ノーのときは、ステップＳ６に戻って、ファン風量の微調整を返す。
その後、ステップＳ７にてイエスと判断されたとき、ステップＳ８にて充電を終了するのである。
【００３４】
図８は、上記本発明の充電装置によって充電を行なったときの電池温度の変化（本発明電池）を、従来の温度制御方式による温度変化（比較用電池）と比較したものである。
本発明電池及び比較用電池ともに、電池ユニットとしては、１０個のニッケル−水素電池からなる組電池を構成した。電池ユニットの電圧は１２Ｖ、定格容量は１００Ａｈであって、充電率を２０Ａ（０．２Ｃ）に設定した。
尚、満充電に必要な充電時間としては、定格容量までの充電時間である５時間よりも３０分長く設定した。
【００３５】
本発明電池の充電においては、図５のファン風量の微調整は停止した状態で、図３及び図４の手続きを採用し、電池温度が４５℃を超えたとき、充電を停止した。一方、比較用電池の充電においては、電池温度が３５℃を超えたときにファン風量を増大させ、電池温度が４５℃を超えたとき、充電を停止した。
【００３６】
図８から明らかな様に、比較用電池においては、５時間が経過する以前に電池温度が４５℃を超え、電池は定格容量に達することなく、充電が強制停止されている。
これに対し、本発明電池においては、５時間３０分の充電によって電池温度は４５℃を超えることはなく、定格容量を超える１１０Ａｈまで充電された後、所定時間の経過によって充電が強制停止されている。
【００３７】
又、図９は、上記本発明の充電装置による充電方法において、図５のファン風量微調整を実行したときの電池温度の変化（本発明電池）を、ファン風量の微調整を停止したときの電池温度の変化（比較例電池；図８における本発明電池）と比較したものである。
図９から明らかな様に、比較例電池では、充電時間が５時間〜５時間３０分の期間に、電池温度が所定の限界値（４５℃）の近傍まで上昇しているが、本発明電池では、充電時間が５時間〜５時間３０分の期間においても、電池温度は４０℃以下に抑制されている。
【００３８】
上述の如く、本発明に係る充電装置によれば、最適なファン風量の設定によって、充電末期温度を所定の限界値よりも低く抑えつつ、電池ユニットを満充電状態まで効率的に充電することが出来る。
【００３９】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、電池ユニットが単一の二次電池から構成される場合は勿論のこと、複数の二次電池によって電池ユニットが構成される場合において、各二次電池に個別の送風ファンを設けた構成においても、本発明の充電制御方式を採用して、各送風ファンの風量を個別に調整することが可能である。
又、複数の二次電池毎に１台の送風ファンを設置して、各送風ファンの風量を個別に調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る充電装置の構成を表わすブロック図である。
【図２】電池ユニットの一部破断斜視図である。
【図３】本発明に係る充電制御手続きを表わすフローチャートである。
【図４】最適ファン風量を決定するための手続きを表わすフローチャートである。
【図５】ファン風量の微調整手続きを表わすフローチャートである。
【図６】熱伝達率とファン風量の関係を表わすグラフである。
【図７】ファン風量をパラメータとして電池温度と充電時間の関係を表わすグラフである。
【図８】ファン風量の微調整を行なわない場合の温度変化を従来例と比較したグラフである。
【図９】ファン風量の微調整を行なった場合の温度変化をファン風量の微調整を行なわない場合と比較したグラフである。
【符号の説明】
（１） 電池ユニット
（２） 二次電池
（４） 送風ファン
（４１） モータ
（１１） 制御回路
（１２） 充電装置
（１３） 交流電源
（１４） プラス端子
（１５） マイナス端子
（５） 電池温度センサー
（６） 環境温度センサー
（９） 温度検出回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a charging method and an apparatus for charging a secondary battery such as a nickel-metal hydride battery, and more particularly, to a battery temperature at a final stage of charging by forcibly cooling a secondary battery during charging with an optimal cooling power. It is an object of the present invention to provide a charging method and a charging apparatus which surely prevent the exceeding of the limit value.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a DC power supply for electric vehicles such as electric vehicles and AV equipment, an assembled battery formed by combining a plurality of secondary batteries such as nickel-metal hydride batteries in series or in parallel has been used. , A dedicated charging device is used. For example, in charging a nickel-metal hydride battery, charging is performed to a fully charged state by supplying a constant charging current for a predetermined time.
[0003]
In general, secondary batteries generate heat as they are charged and discharged, and in particular, the temperature rise during charging is remarkable in nickel-metal hydride batteries, and when the battery temperature exceeds the limit value, the charging reaction hardly progresses. Is forcibly cooled by a blower fan.
At this time, in order to keep the power consumption of the blower fan as low as possible, a temperature sensor is attached to the secondary battery to monitor the battery temperature during charging, and the airflow of the blower fan increases stepwise as the battery temperature rises A control method is adopted to cause this.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional charging control method, even when a fan airflow is set according to the battery temperature at the time of rapid charging, particularly with a large current, the cooling effect of the air blowing has a time delay. May rise sharply and exceed the limit value. When the battery temperature exceeds the limit value, the charging is forcibly stopped, so that the charging cannot be performed to the fully charged state.
An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for charging a battery unit that can efficiently charge a battery to a fully charged state while keeping the battery temperature below a predetermined limit value.
[0005]
[Means for solving the problem]
The method for charging a battery unit according to the present invention estimates the battery temperature at the time of completion of charging using the degree of cooling for the battery unit as a parameter, derives the degree of cooling such that the battery temperature does not exceed a predetermined limit value, The battery unit is charged while cooling the battery unit based on the degree of cooling obtained as a reference.
[0006]
The rate of temperature rise of each secondary battery due to charging is determined by the amount of heat generated per unit time of the battery, the degree of forced cooling (cooling amount per unit time), the heat transfer coefficient of the battery, the heat capacity of the battery, and the surface area of the battery Is done. Here, the calorific value per unit time of the battery, the heat transfer coefficient of the battery, the heat capacity of the battery, and the surface area of the battery are known values determined by the specifications and charging conditions of the battery. The change (battery temperature characteristic) can be obtained by calculation using the degree of forced cooling as a parameter. Also, the time required for charging can be calculated from the charging conditions.
Therefore, if the degree of cooling is specified, the battery temperature at the time when charging is completed (end of charging) can be estimated. From this result, it is possible to determine the degree of cooling as an optimal (minimum) value without the end-of-charge temperature exceeding a predetermined limit value.
In the case of an assembled battery, its heat transfer coefficient can be determined, for example, as an average value of the heat transfer coefficient of each battery.
[0007]
In the charging method of the present invention, first, the degree of cooling at which the end-of-charge temperature does not exceed the predetermined limit value is determined, and then the degree of cooling is set to the cooling power for the battery unit, and the battery unit is cooled. While charging.
As a result, the battery temperature during charging rises in accordance with the battery temperature characteristics, and there is no risk that the battery's final charging temperature will exceed a predetermined limit value. Of course, power consumption for cooling is minimized.
[0008]
The charging device according to the present invention includes a cooling unit that forcibly cools the battery unit from the outside and a cooling adjustment unit that adjusts an output of the cooling unit, and the cooling adjustment unit uses the output of the cooling unit as a parameter when charging is completed. By estimating the battery temperature, the output of the cooling means in which the battery temperature does not exceed the predetermined limit value is derived, and the result is set as the optimum output for the cooling means.
[0009]
In the above-described charging device of the present invention, by setting the optimum output to the cooling means by the cooling adjusting means, the cooling means is operated at the optimum output, and the battery unit is charged while being forcibly cooled.
[0010]
In a specific configuration, the cooling adjustment unit includes:
Environmental temperature measuring means for measuring the temperature of the environment in which the battery unit is installed,
Battery temperature measuring means for measuring the temperature of the battery unit;
First operation processing means for deriving a battery temperature characteristic representing a change in battery temperature during charging using the output of the cooling means as a parameter and the charging time as a variable based on the measured environmental temperature and battery temperature,
A second operation for deriving an output of the cooling means such that the battery temperature at the time of completion of charging does not exceed a predetermined limit value based on the derived battery temperature characteristics, and setting the result as an optimum output to the cooling means; Processing means.
[0011]
In this specific configuration, the measured values of the environmental temperature and the battery temperature at the start of charging are used for deriving the battery temperature characteristics by the first arithmetic processing means, and the time change of the battery temperature is determined by using the output of the cooling means as a parameter. Is calculated. Based on the result, the second arithmetic processing unit estimates the end-of-charge temperature of the battery, and derives the output of the cooling unit such that the estimated temperature does not exceed a predetermined limit value.
[0012]
In a specific configuration, the cooling unit is a blower fan installed toward the battery unit. The first arithmetic processing unit derives a heat transfer coefficient at a specific fan air flow based on a relationship between a preset fan air flow and a heat transfer coefficient of the battery unit, and derives a battery temperature characteristic based on the result. . The second arithmetic processing means determines whether the battery temperature at the time of charging completion exceeds a predetermined limit value while changing the fan air volume to be specified when the first arithmetic processing means derives the battery temperature characteristic by a fixed amount. Search for the output of no cooling means.
[0013]
In this specific configuration, cool air is supplied from the blower fan to the battery unit to cool the battery unit. Here, the relationship between the fan air volume and the heat transfer coefficient of the battery unit has been experimentally obtained in advance. Therefore, the first arithmetic processing unit derives a heat transfer coefficient at a specific fan air volume based on the relationship. Thereafter, the second arithmetic processing means changes the fan airflow required for deriving the battery temperature characteristics by the first arithmetic processing means by a fixed amount at a time, and completes charging based on the battery temperature characteristics derived by the first arithmetic processing means. The battery temperature at the time is estimated, and a minimum fan airflow at which the battery temperature does not exceed a predetermined limit value is determined.
[0014]
In a more specific configuration, the cooling adjusting means includes fine adjusting means for finely adjusting the output of the cooling means in accordance with the deviation of the battery temperature from the battery temperature characteristic derived by the first arithmetic processing means.
[0015]
In this specific configuration, the battery temperature during charging is measured by the battery temperature measuring unit, and the output of the cooling unit is finely adjusted so that the deviation of the measured value from the battery temperature characteristics becomes zero. The temperature changes with high accuracy in accordance with the battery temperature characteristics, and the battery final temperature is accurately adjusted.
[0016]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the charging method and apparatus which concern on this invention, charging can be performed efficiently by the optimal cooling power which the terminal charging temperature of a battery does not exceed a limit value.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to an assembled battery of a nickel-metal hydride battery will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows the appearance of a battery unit (1) in which the present invention is to be implemented. A plurality of nickel-hydrogen secondary batteries (2) are arranged with a predetermined gap therebetween. , And the plus terminal and the minus terminal are connected to each other in series while being integrally held by the frame (3). The frame (3) is provided with a plurality of blower fans (4) for forcibly cooling the plurality of secondary batteries (2).
[0018]
The charging device of the present invention shown in FIG. 1 is connected to the plus terminal (14) and the minus terminal (15) of the battery unit (1).
The charging device includes a charging circuit (12) that converts AC 100V AC power supplied from an AC power supply (13) into DC power and outputs the DC power. The DC power from the charging circuit (12) is supplied to a battery unit ( 1) is supplied as charging power, and is also supplied as an operating power supply to a control circuit (11) comprising a microcomputer and a DC / DC converter (10). The positive and negative output terminals of the DC / DC converter (10) are connected to a motor (41) for driving each of the blower fans (4).
[0019]
A battery temperature sensor (5) for measuring the temperature of a representative point of the plurality of secondary batteries (2) is attached to the battery unit (1). In addition, an environmental temperature sensor (6) for measuring the temperature (outside air temperature) of the environment in which the battery unit (1) is installed is arranged near the battery unit (1). As the temperature sensors (5) and (6), a thermocouple or a thermistor can be adopted.
Both temperature sensors (5) and (6) are connected to a temperature detection circuit (9) via amplifiers (7) and (8), and thereby the battery temperature and the environmental temperature are detected.
The output terminal of the temperature detection circuit (9) is connected to the control circuit (11), and the detection data of the battery temperature and the environmental temperature is supplied to the control circuit (11).
[0020]
In the charging device for the battery unit (1), the optimum fan airflow of the blower fan (4) is determined by the arithmetic processing of the control circuit (11) described later, and each of the secondary batteries (2) is cooled by the optimum fan airflow. At the same time, a constant charging current is supplied from the charging circuit (12) to the battery unit (1) for a predetermined time, and each of the secondary batteries (2) is charged.
[0021]
3 to 5 show the operation processing procedure of the control circuit (11).
First, in step S1 of FIG. 3, a charging current value corresponding to a selected charging speed is fetched from charging current values previously set according to one or a plurality of types of charging speeds. Next, in step S2, based on the captured charge current value, and calculates the charging time t e required for full charge, to calculate the calorific value Q per unit time of the rechargeable battery.
[0022]
Subsequently, in step S3, the environmental temperature To and the battery temperature (initial temperature) T are fetched from the environmental temperature sensor (6) and the battery temperature sensor (5), and in step S4, the optimal fan airflow is determined.
[0023]
FIG. 4 shows a procedure for determining the optimum fan air flow. In step S41, the fan air flow is first set to 0, and in step S42, the heat transfer coefficient of each battery is derived.
In the derivation of the heat transfer coefficient, as shown in FIG. 6, the relationship between the heat transfer coefficient of each battery constituting the battery unit and the fan air volume is experimentally obtained in advance and is made a function, and a specific function is determined for each battery. The heat transfer coefficient Ui at the fan airflow W can be derived. Here, the heat transfer coefficient means a total heat transfer coefficient or a heat transmission coefficient including heat transfer by heat radiation in addition to convection heat transfer. Can be considered.
[0024]
Next, in step S43 of FIG. 4, a battery temperature curve is estimated based on the following equation (1). Here, C is the heat capacity of one battery, T is the battery temperature, t is the charging time, Q is the amount of heat generated per unit time of one battery, U is the heat transfer coefficient of the battery, A is the surface area of one battery, To is the ambient temperature.
[0025]
(Equation 1)
C × dT / dt = Q-UA (T-To)
[0026]
In the present embodiment, an average value of the heat transfer coefficients Ui of the respective batteries obtained in step S42 is adopted as the heat transfer coefficient U of
[0027]
In
[0028]
In step S44 of FIG. 4, the terminal charging temperature Te is derived from the battery temperature curve. Here, the charging end temperature, a battery temperature at the charging time t e has passed required full charge.
Then, in step S45, it is determined whether or not the end-of-charge temperature Te is equal to or lower than a predetermined limit value Tmax (for example, 45 ° C.). After increasing by the value ΔW, the process returns to step S42, and similarly, the end-of-charge temperature Te is derived, and the comparison with the predetermined limit value Tmax is repeated.
[0029]
When the end-of-charge temperature Te becomes equal to or lower than the predetermined limit value Tmax due to the increase in the air volume, and the determination in step S45 is YES, the process proceeds to step S47 to output the fan air volume W at that time.
[0030]
As a result, a drive control signal corresponding to the fan airflow W is supplied to the DC / DC converter (10) in FIG. 1, and a drive current for the motor (41) is generated. Thus, the blower fan (4) is driven to rotate, and a fan airflow W is obtained.
Thereafter, charging of the battery unit (1) is started in step S5 in FIG. 3, and fine adjustment of the fan airflow is performed in step S6.
[0031]
FIG. 5 shows a procedure for finely adjusting the fan air volume. After the environmental temperature To and the battery temperature T are captured in step S71, the battery temperature curve at the fan air volume at that time is obtained in step S72. Is calculated from the battery temperature curve.
Subsequently, in step S73, it is determined whether or not the absolute value of the temperature deviation ΔT exceeds a predetermined limit value ΔTlimit. If no, the process proceeds to step S77 to maintain the fan airflow at that time.
[0032]
When the determination is YES in step S73, the process proceeds to step S74 to determine whether or not the temperature deviation ΔT is a positive value. If the temperature difference ΔT is a positive value, the flow rate W is determined in step S75. While the value is increased by the predetermined minute amount ΔW ′, if the value is a negative value, the air amount W is reduced by the predetermined minute amount ΔW ′ in step S76, and then the fan air amount W is output in step S77.
As a result, the fan airflow is increased or decreased, and the fan airflow is finely adjusted according to the temperature deviation ΔT.
[0033]
Next, in step S7 of FIG. 3, it is determined whether the battery temperature T has exceeded a predetermined limit value Tmax or a predetermined charging time has elapsed. Returns the tweak of.
Thereafter, when the determination is YES in step S7, the charging is terminated in step S8.
[0034]
FIG. 8 shows a comparison between a change in battery temperature (battery of the present invention) when charging is performed by the charging device of the present invention and a change in temperature (battery for comparison) by a conventional temperature control method.
For both the battery of the present invention and the battery for comparison, a battery pack composed of ten nickel-metal hydride batteries was configured as a battery unit. The voltage of the battery unit was 12 V, the rated capacity was 100 Ah, and the charging rate was set to 20 A (0.2 C).
The charging time required for full charging was set to be 30 minutes longer than the charging time up to the rated capacity of 5 hours.
[0035]
In charging the battery of the present invention, the procedure of FIGS. 3 and 4 was adopted in a state where the fine adjustment of the fan air volume in FIG. 5 was stopped, and the charging was stopped when the battery temperature exceeded 45 ° C. On the other hand, in charging the comparative battery, the fan airflow was increased when the battery temperature exceeded 35 ° C, and the charging was stopped when the battery temperature exceeded 45 ° C.
[0036]
As apparent from FIG. 8, in the comparative battery, the battery temperature exceeds 45 ° C. before 5 hours have elapsed, and the battery has been forcibly stopped charging without reaching the rated capacity.
In contrast, in the battery of the present invention, the battery temperature does not exceed 45 ° C. by charging for 5 hours and 30 minutes, and after being charged to 110 Ah exceeding the rated capacity, the charging is forcibly stopped after a predetermined time has elapsed. I have.
[0037]
FIG. 9 shows a change in battery temperature (battery of the present invention) when the fine adjustment of the fan air volume shown in FIG. 5 is performed in the charging method using the charging device of the present invention. This is a comparison with the change in battery temperature (comparative battery; battery of the present invention in FIG. 8).
As is clear from FIG. 9, in the comparative example battery, the battery temperature rose to near the predetermined limit value (45 ° C.) in the period of 5 hours to 5 hours and 30 minutes. In this example, the battery temperature is suppressed to 40 ° C. or less even during a period of 5 hours to 5 hours and 30 minutes.
[0038]
As described above, according to the charging device of the present invention, by setting the optimal fan air volume, it is possible to efficiently charge the battery unit to a fully charged state while keeping the end-of-charge temperature lower than a predetermined limit value. I can do it.
[0039]
The configuration of each part of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
For example, when the battery unit is composed of a single secondary battery, as well as in the case where the battery unit is composed of a plurality of secondary batteries, Also, it is possible to individually adjust the air volume of each blower fan by employing the charge control method of the present invention.
It is also possible to install one blower fan for each of a plurality of secondary batteries, and to individually adjust the air volume of each blower fan.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a charging device according to the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of a battery unit.
FIG. 3 is a flowchart showing a charge control procedure according to the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a procedure for determining an optimal fan air volume.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a fine adjustment procedure of a fan air volume.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a heat transfer coefficient and a fan air volume.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a battery temperature and a charging time using a fan airflow as a parameter.
FIG. 8 is a graph comparing a temperature change when a fine adjustment of a fan air volume is not performed with a conventional example.
FIG. 9 is a graph comparing a temperature change when the fan airflow is finely adjusted with a case where the fan airflow is not finely adjusted.
[Explanation of symbols]
(1) Battery unit (2) Secondary battery (4) Blower fan (41) Motor (11) Control circuit (12) Charging device (13) AC power supply (14) Positive terminal (15) Negative terminal (5) Battery temperature Sensor (6) Environmental temperature sensor (9) Temperature detection circuit
Claims (3)
電池ユニットが設置された環境の温度と、電池ユニットの温度を測定し、測定された環境温度及び電池温度に基づき、送風ファンの出力をパラメータ、充電時間を変数として充電中の電池温度の変化を表わす電池温度特性を導出する第１演算処理と、
導出された電池温度特性に基づいて、充電が完了する時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を導出し、その結果を送風ファンに最適出力として設定する第２演算処理
とを有し、
第１演算処理では、予め設定されている送風ファンのファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係に基づき、特定のファン風量における熱伝達率を導出し、その結果に基づいて電池温度特性を導出し、第２演算処理では、第１演算処理によって電池温度特性が導出される際に特定されるべきファン風量を一定量ずつ変化させつつ、充電完了時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を検索し、その結果を送風ファンに最適出力として設定して、電池ユニットを冷却しつつ、電池ユニットを充電することを特徴とする電池ユニットの充電方法。A charging method for charging a battery unit while forcibly cooling a battery unit composed of an aggregate of one or more secondary batteries by a blower fan ,
Measure the temperature of the environment where the battery unit is installed and the temperature of the battery unit.Based on the measured environmental temperature and battery temperature, change the battery temperature during charging using the output of the blower fan as a parameter and the charging time as a variable. A first calculation process for deriving a battery temperature characteristic to be represented;
Based on the derived battery temperature characteristics, a second operation for deriving an output of the blower fan at which the battery temperature at the time of completion of charging does not exceed a predetermined limit value, and setting the result as an optimum output for the blower fan processing
And having
In the first calculation process, a heat transfer coefficient at a specific fan airflow is derived based on a relationship between a preset fan airflow of the blower fan and a heat transfer coefficient of the battery unit, and the battery temperature characteristic is determined based on the result. In the second calculation process, the battery temperature at the time of completion of charging exceeds a predetermined limit value while changing the fan air volume to be specified when the battery temperature characteristics are derived by the first calculation process by a fixed amount. A method for charging a battery unit, comprising: searching for an output of a blower fan that does not cause a problem, setting the result as an optimum output for the blower fan, and charging the battery unit while cooling the battery unit.
電池ユニットが設置された環境の温度を測定する環境温度測定手段と、
電池ユニットの温度を測定する電池温度測定手段と、
測定された環境温度及び電池温度に基づき、送風ファンの出力をパラメータ、充電時間を変数として充電中の電池温度の変化を表わす電池温度特性を導出する第１演算処理手段と、
導出された電池温度特性に基づいて、充電が完了する時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を導出し、その結果を送付ファンに最適出力として設定する第２演算処理手段
とを具え、
第１演算処理手段は、予め設定されている送風ファンのファン風量と電池ユニットの熱伝達率との関係に基づき、特定のファン風量における熱伝達率を導出し、その結果に基づいて電池温度特性を導出し、第２演算処理手段は、第１演算処理手段が電池温度特性を導出する際に特定されるべきファン風量を一定量ずつ変化させつつ、充電完了時点における電池温度が所定の限界値を越えることのない送風ファンの出力を検索し、その結果を送風ファンに最適出力として設定することを特徴とする電池ユニットの充電装置。A charging device for charging a battery unit comprising an aggregate of one or more secondary batteries, comprising: a blower fan for forcibly cooling the battery unit from the outside; and cooling adjusting means for adjusting an output of the blower fan , Cooling adjustment means,
Environmental temperature measuring means for measuring the temperature of the environment in which the battery unit is installed,
Battery temperature measuring means for measuring the temperature of the battery unit;
First arithmetic processing means for deriving a battery temperature characteristic representing a change in battery temperature during charging using the output of the blower fan as a parameter and the charging time as a variable based on the measured environmental temperature and battery temperature,
Based on the derived battery temperature characteristics, a second operation for deriving the output of the blower fan at which the battery temperature at the time of completion of charging does not exceed a predetermined limit value, and setting the result as the optimum output for the sending fan Processing means
With
The first arithmetic processing means derives a heat transfer coefficient at a specific fan air flow based on a preset relationship between a fan air flow of the blower fan and a heat transfer coefficient of the battery unit, and based on the result, determines a battery temperature characteristic. And the second arithmetic processing means changes the fan air volume to be specified when the first arithmetic processing means derives the battery temperature characteristic by a fixed amount, and sets the battery temperature at the time of completion of charging to a predetermined limit value. A battery unit charging device characterized by searching for the output of a blower fan that does not exceed the limit , and setting the result as the optimum output for the blower fan .
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