JP5967204B2 - 二次電池の充電装置および二次電池の充電方法 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池の充電制御に関する。
二次電池の充電装置として、二次電池の温度や電圧に基づいて電池が満充電状態を検出し、満充電状態を検出したら充電を休止し、休止から所定時間経過後に充電を再開する、いわゆる追い充電を実施するものが知られている。このような追い充電をする充電装置として、JP2003−143770Aには、満充電検知時のピーク電圧を検出し、ピーク電圧が低いほど追い充電の繰り返し回数を増大させるものが開示されている。
しかしながら、上記文献のように追い充電の繰り返し回数を設定すると、二次電池の実際の充電状態を満充電状態に近づけることができない場合が生じ得るという問題がある。
そこで、本発明では、二次電池を満充電状態により近い状態まで近づけることができ、かつ無駄な追い充電の実行を回避し得る、適切な追い充電の繰り返し回数を設定することを目的とする。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の実施形態による充電システムの構成図である。
図1は本発明の実施形態による充電システムの構成図である。
充電システムは、バッテリ3と、バッテリ3に充電電力を供給する充電電源としての充電器2と、充電器2を制御するコントローラ1とを含んで構成される。さらに、充電器2からバッテリ3へ供給される充電電流を検出する充電電力検出手段としての電流センサ4と、バッテリ電圧を検出する充電電力検出手段としての電圧センサ5と、バッテリ3の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ6を備える。
コントローラ1は、充電器2からバッテリ3へ充電される電力を、電流センサ4、電圧センサ5の検出値に基づいて算出し、算出した充電電力に基づく充電電力指令を充電器2に送出する。また、温度センサ6の検出値も読み込む。コントローラ1の内部構成については後述する。
充電器2は、コントローラ1からの充電電力指令に基づいた充電電力をバッテリ3に供給する。
バッテリ3は、例えば電動車の駆動モータを駆動するための電力源として用いられるリチウムイオンバッテリ等の二次電池であり、充電器2から供給される充電電力によって充電される。
電流センサ4、電圧センサ5、及び温度センサ6の検出値はコントローラ1に読み込まれる。
次に、コントローラ1の内部構成について説明する。なお、各構成部での演算内容については、図2のフローチャートを参照して説明する。
コントローラ1は、充電可能電力算出部11と、満充電判定手段及び充電制御手段としての充電電力指令部10と、タイマ12と、カウンタ14と、満充電判定回数設定手段としての満充電判定回数設定部13と、を含んで構成されている。
充電可能電力算出部11は、電流センサ4及び電圧センサ5の検出値を読み込み、これらに基づいて充電可能電力を算出する。充電可能電力とは、バッテリ3の劣化を促進せずにバッテリ3に充電可能な電力の最大値であり、バッテリ3が受け入れ可能な電力である。この充電可能電力は、一般的には充電可能電力の他に、入力可能電力、最大充電可能電力または最大入力可能電力とも言われる。
充電電力指令部10は、充電可能電力算出部11で算出された充電可能電力に基づいた充電電力指令を充電器2へ送出する。また、充電電力指令部10は、充電可能電力算出部11で算出された充電可能電力が予め設定した所定電力以下となった場合に、満充電状態であると判断し、充電を停止、つまり充電電力指令をゼロ[kW]にする。さらに、満充電状態であると判断した場合は、満充電判定回数設定部13へ所定回数としての満充電判定回数を設定させるための指令(以下、満充電判定回数設定指令という)を送出する。停止時間設定指令を送出したら、後述するタイマ12のカウント値を読み込み、カウント値がゼロになった時点で、充電可能電力に基づく充電電力指令の充電器2への送出を再開し、いわゆる追い充電を行なう。タイマ12は、満充電判定後の停止時間が予め設定されており、カウントダウン(カウント値を所定時間毎に減少する処理)を開始する。ただし、カウント値の最小値はゼロとする。
満充電判定回数設定部13は、充電電力指令部10からの満充電判定回数設定指令を受けたら、バッテリ温度に応じた満充電判定回数を算出し、算出した満充電判定回数をカウンタ14に設定する。なお、詳細は後述するが、バッテリ温度に応じた満充電判定回数は、バッテリ温度が低いほど多くなる。
カウンタ14は、追い充電により満充電判定される度にカウンタ値をインクリメントする。このカウンタ値は初期値をゼロとし、追い充電により満充電判定される度にインクリメントされる値であり、追い充電開始からの満充電が判定された回数の積算値となる。充電電力指令部10は、カウンタ14のカウンタ値が設定された満充電判定回数に達したら、充電制御を終了する。
図2は、コントローラ1が実行する充電制御ルーチンのフローチャートである。
ステップS10で、コントローラ1は充電可能電力を演算する。より詳細には、充電可能電力算出部11で電流センサ4の検出値及び電圧センサ5の検出値に基づいて充電可能電力を演算し、この充電可能電力を充電電力指令部10へ送出し、充電電力指令部10が充電器2へ充電電力指令を送出する。
ここで、充電可能電力の演算方法の一例を説明する。まず、予め定めておいた満充電電圧と電圧センサ5の検出値との偏差、つまり、満充電電圧までの電圧上昇代△Vを算出する。次に、電圧上昇代△Vと予め測定しておいたバッテリ3の抵抗Rとを用いて、バッテリ3の電圧が満充電電圧となるまでの電流上昇代△Iを算出する。そして、電圧上昇代△Vと電流上昇代△Iから満充電電圧になるまでの電力上昇代、つまり充電可能電力を算出することができる。
ステップS20で、コントローラ1は充電電力指令部10にて満充電状態か否かの判定を行なう。具体的には、充電可能電力が予め定めた所定電力以下になった場合に、満充電状態であると判定する(以下、この判定を「満充電判定」という)。所定電力は、本ステップでの判定の目的からすればゼロ[kW]に設定してもよいが、各センサ4、5の検出誤差等により充電可能電力がゼロまで減少せず、満充電状態であると判定されないおそれがある。そこで、各センサ4、5の誤差があっても満充電状態であると判定できるような、ほぼゼロ[kW]に近い値を設定する。
判定の結果、満充電判定された場合はステップS30の処理を実行し、満充電判定されなかった場合は再びステップS10の処理を実行する。
なお、満充電判定は、あくまでも充電可能電力が所定電力以下になったという判定であり、実際にバッテリ3が満充電状態になった(負極のイオン吸蔵量が最大に達した)という判定ではない。
ステップS30でコントローラ1は、ステップS20の満充電判定は初回の満充電判定であるか否かを判定する。すなわち、カウンタ14のカウンタ値がゼロであるか否かを判定する。カウンタ14のカウンタ値がゼロである場合には、ステップS20の満充電判定は追い充電における満充電判定ではないと判定してステップS50へ進む。一方、カウンタ14のカウンタ値がゼロより大きい場合には、ステップS20の満充電判定は追い充電における満充電判定であると判定してステップS40へ進む。
ステップS40で、コントローラ1は、最初の満充電判定の後、充電制御終了までの満充電判定回数Nを設定する。すなわち、ここで設定する満充電判定回数Nは、追い充電を行なう回数である。ただし、満充電判定回数N+1を充電制御開始から充電制御終了までの満充電判定回数として設定することによって、追い充電を行なう回数をN回とすることも可能である。以下では、最初の満充電判定の後、充電制御終了までの追い充電を行なう回数として満充電判定回数Nを設定するものとして説明する。
満充電判定回数設定部13は、温度センサ6の検出値を読み込み、予め記憶しておいた満充電判定回数テーブルを参照することで満充電判定回数Nを決定し、決定した回数(満充電判定回数N)を設定するとともに、満充電が判定された回数をカウントする。満充電判定回数テーブルは、例えば図3に示すように、バッテリ温度が低くなるほど回数が多く設定されるようになっている。これは、バッテリ温度が低いほど、分極が解消するまでの時間が長くなるという特性に基づく。例えば、リチウムイオン電池の場合、分極は拡散物質であるリチウムイオンの拡散により生じる濃度差に起因しており、バッテリ温度が低いほど電解液の粘度が高くなって濃度差の解消に時間を要する。このため、充電停止中に分極が十分に解消されず、追い充電を行なうとすぐに見かけ上は満充電状態となってしまう。そこで、バッテリ温度が低いほど満充電判定回数を多く設定することで、真の満充電状態に近づけることができる。
なお、停止時間マップはバッテリ温度が低いほど多い停止回数が設定されるという条件を満たしていれば、図3に限られるものではない。例えば、温度領域を複数の区間に分割し、区間毎に停止回数を設定してもよい。
ステップS50で、コントローラ1は満充電が判定された回数(すなわち、カウンタ14のカウンタ値)が、ステップS30で設定した満充電判定回数であるN回以上になったか否かを判定する。満充電が判定された回数がN回以上である場合にはカウンタ14のカウンタ値をゼロにリセットすると共に、充電電力指令部10にて充電電力指令値をゼロ[kW]として充電器2へ送信し、充電制御を終了する。
ステップS60で、コントローラ1は満充電が判定された回数を計数しているカウンタの値をインクリメントする。カウンタは、ステップS50でカウンタ値が規定回数以上であると判定されるまでは、ステップS20で満充電判定される度にカウンタ値をインクリメントする。
ステップS70で、コントローラ1は充電電力指令部10にて充電電力指令値をゼロ[kW]として充電器2へ送信し、充電を停止させる。
ステップS80で、コントローラ1は充電電力指令部10にて充電停止時間が経過したか否かを判定する。充電停止時間は予め設定しておいた時間であり、例えば数分程度とする。
上述したように、満充電判定された時点のバッテリ温度が低いほど多い充電停止回数(満充電判定回数Nであり、以下では充電停止回数とも記載する)を設定し、満充電の判定回数が充電停止回数となるまで追い充電を繰り返し行い、バッテリ3の充電状態を真の満充電状態に近づける。
図4は、上記の充電制御を実行した場合のタイムチャートである。
充電を開始すると、徐々にバッテリ電圧が上昇する。なお、充電可能電力はタイミングT1まで一定値となっている。これは、演算ではより大きな充電可能電力が算出されているが、充電器2の供給能力の上限であるP1で制限しているためである。
充電可能電力はバッテリ電圧が満充電電圧に近づいたタイミングT1から、算出される充電可能電力が充電器2の供給能力の上限であるP1を下回ることによって低下し始め、満充電か否かの判定用に設定した所定値であるP2以下になったタイミングT2で、満充電判定がなされて充電が一旦停止する。そして、充電停止時間経過後のタイミングT3から、追い充電を開始する。これ以降、満充電判定が充電停止回数N回になるまで、同様に充電の停止、再開を繰り返す。
図5は、バッテリ3に充電される電力量のタイムチャートである。比較例として、満充電判定回数がバッテリ温度によらず一定(2回)の場合についても示している。本実施形態も比較例も充電停止時間は予め設定した所定時間とする。
なお、真の満充電状態(真の満充電状態に近い状態を言い、以下では単に真の満充電状態という)における電力量はP24[kWh]とする。また、バッテリ温度は例えば−25[℃]付近とする。したがって、本実施形態では図3のテーブルに基づいて満充電判定回数が3回に設定される。つまり、本実施形態の追い充電回数が3回であるのに対して、比較例は追い充電回数が2回である。
本実施形態及び比較例は、いずれも電力量がP21[kWh]となったタイミングT21で最初の満充電判定をする。本実施形態では、ここで満充電判定回数Nを設定する。
本実施形態及び比較例のいずれも、充電停止時間が経過したタイミングT22で充電を再開し、電力量がP22[kWh]となったタイミングT23で満充電判定をし、満充電判定カウンタを1にする。そして、充電停止時間が経過したタイミングT24で充電を再開し、電力量がP23[kWh]となったタイミングT25で満充電判定をし、満充電判定カウンタを2にする。
追い充電の回数が2回に設定されている比較例ではここで充電を終了するので、真の満充電状態での電力量P24[kWh]よりも少ない電力量P23で充電が終了する。これに対して、本実施形態は追い充電回数が3回なので、充電停止時間が経過したタイミングT26で充電を再開し、3回目の満充電判定がされるタイミングT27まで充電を行なう。これにより充電電力量はP24[kWh]となり、真の満充電状態にすることができる。
なお、比較例の予め設定された追い充電の回数が3回であれば、本実施形態と同様に真の満充電状態にすることができる。しかし、バッテリ温度が例えば10[℃]や20[℃]の場合には、既に真の満充電状態になった後も無駄に追い充電を行なうこととなる。これに対してバッテリ温度に応じて追い充電の回数を設定する本実施形態では、バッテリ温度が高ければ追い充電の回数が少なくなるので、このような無駄な追い充電を行なうこともない。
以上のように本実施形態によれば、次の効果が得られる。
二次電池は内部で分極が発生することによって、充電可能な状態であっても見かけ上は満充電状態となる場合がある。そこで、満充電状態検出後に充電を所定時間休止することで分極の解消を待ち、追い充電を行なう。ところが、二次電池の温度が低くなると、分極の解消速度が遅くなり、1回の追い充電で充電可能な電力量が少なくなるので、例えば上記特許文献1のようにピーク電圧に応じて設定した繰り返し回数では、十分な電力を充電できないおそれがある。一方、二次電池の温度が低い場合でも満充電状態にできるような繰り返し回数を設定すると、二次電池の温度が常温の場合に無駄に追い充電を行なうこととなる。
本実施形態によれば、少なくとも満充電判定がされた際のバッテリ温度に基づいて満充電判定回数Nを設定する満充電判定回数設定部13を備え、満充電判定回数設定部13は、バッテリ温度が低いほど満充電判定回数Nを多く設定する。これにより、追い充電の繰り返し回数をバッテリ温度に応じた適切な回数にすることができるので、真の満充電状態にし、かつ無駄な追い充電の実施を回避することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態では、第1実施形態の制御に加え、さらに、満充電判定後の充電停止時間を、満充電判定時のバッテリ温度に応じて設定する。
第2実施形態では、第1実施形態の制御に加え、さらに、満充電判定後の充電停止時間を、満充電判定時のバッテリ温度に応じて設定する。
図6は、第2実施形態の充電システムの構成図である。基本的には第1実施形態と同様であるが、満充電判定回数設定部13が、満充電判定回数だけでなく満充電判定後の充電停止時間も算出する。設定された充電停止時間はタイマ12に設定される点で相違する。
図7は、第2実施形態でコントローラ1が実行する充電制御ルーチンのフローチャートである。コントローラ1は、第1実施形態ではバッテリ温度に応じて満充電判定回数Nを設定したが、第2実施形態では満充電判定回数Nに加え、さらに充電停止時間もバッテリ温度に応じて設定する。ここでは、第1実施形態との相違点について説明する。
ステップS110、S120、S130は、図2のステップS10、S20、S30と同様なので説明を省略する。
ステップS140で、コントローラ1は図2のステップS40と同様の手順によりバッテリ温度に応じた満充電判定回数Nを設定し、さらに、バッテリ温度に応じて充電停止時間も設定する。
ここで設定する満充電判定回数Nは、バッテリ温度が低いほど多くなる点では第1実施形態と同様であるが、バッテリ温度が低くなるほど、第1実施形態に比べて少なくなる。これについては後述する。
充電停止時間は、温度センサ6の検出値を読み込み、予め記憶しておいた停止時間マップを参照することで停止時間を決定し、決定した設定時間をタイマ12に設定するとともに、タイマ12のカウントダウンを開始させる。停止時間マップは、例えば図8に示すように、バッテリ温度が低くなるほど長い停止時間が設定されるようになっている。これは、バッテリ温度が低いほど、分極が解消するまでの時間が長くなるという特性に基づく。例えば、リチウムイオン電池の場合、分極は拡散物質であるリチウムイオンの拡散により生じる濃度差に起因しており、バッテリ温度が低いほど電解液の粘度が高くなって濃度差の解消に時間を要する。したがって、バッテリ温度が低いほど充電停止時間を長く設定することで、充電を再開するまでに分極が十分に解消される。
また、分極が十分に解消された状態で追い充電することで、一回あたりの追い充電による充電電力量が多くなる。このため、真の満充電までに要する追い充電の回数を減らすことができる。ただし、バッテリ温度が高い状態では、低い状態に比べて分極解消に要する時間が短いので、充電停止時間を長くすることによる分極解消の効果が小さい。したがって、充電停止時間をバッテリ温度に応じて設定することで追い充電の回数を減らすことができるのは、バッテリ温度が低い領域に限られる。
なお、停止時間マップはバッテリ温度が低いほど長い停止時間が設定されるという条件を満たしていれば、図8に限られるものではない。例えば、温度領域を複数の区間に分割し、区間毎に停止時間を設定してもよい。
また、初回の満充電判定後に満充電判定回数と充電停止時間を設定したら、充電制御を終了するまで、その設定値を維持する。
ステップS150−S180は図2のステップS50−S80と同様なので説明を省略する。
上述したように、満充電判定された時点のバッテリ温度が低いほど満充電判定回数を多く、充電停止時間を長く設定して追い充電を繰り返し行い、バッテリ3の充電状態を真の満充電状態に近づける。
図9は、バッテリ3に充電される電力量のタイムチャートである。比較例として、第1実施形態の制御を行なった場合についても示している。なお、真の満充電状態における電力量はP35[kWh]とする。また、バッテリ温度は図5と同様に−25[℃]付近であり、第1実施形態では図3のテーブルに基づいて満充電判定回数が3回に設定され、第2実施形態では2回に設定されるものとする。
第1実施形態のチャートは、図5と同様であり、タイミングT31で最初の満充電判定をし、その後、追い充電を3回繰り返して、タイミングT41で真の満充電状態となっている。
これに対して、第2実施形態ではタイミングT31で最初の満充電判定をした後、タイミングT32より遅いタイミングT33まで充電を停止している。これにより分極の解消が進んだ状態で追い充電をすることとなり、1回目の追い充電で満充電判定されたときに電力量は、第1実施形態における一回目の追い充電終了時の電力量P32よりも大きいP33[kWh]となる。そして、2回目の追い充電を終了したタイミングT39で、電力量はP35[kWh]、つまり真の満充電状態となる。
上記のように、バッテリ温度が低いほど追い充電の回数を多く設定するのに加え、満充電判定後の充電停止時間をバッテリ温度が低いほど長く設定することにより、真の満充電状態になるまでの時間を短縮することができる。
なお、上記説明では、最初の満充電判定後に設定した満充電判定回数及び充電停止時間を制御終了まで維持するものとした。しかし、充電制御の効率をより高めるために、満充電判定をする度に充電停止時間を補正するようにしてもよい。例えば、追い充電では、バッテリ電圧が満充電電圧に近いため満充電判定前に比べて充電電流が小さくなり、分極による拡散物質の濃度差がつきにくい。つまり、満充電判定後の充電停止中にバッテリ電圧が低下しにくい。このため、満充電判定回数が多くなるほど分極の影響は小さくなり、分極が解消するのを待つための充電停止時間を短くすることができる。そこで、満充電判定回数が多くなるほど小さくなる1以下の値である補正係数αを、バッテリ温度に応じて設定した充電停止時間に乗算し、満充電判定回数が多くなるほど充電停止時間を短くして、必要以上に長い充電停止時間が設定されることを防止する。
補正係数αは、例えば図10に示すようなテーブルを作成しておき、これを読み込む。なお、図10では、補正係数αは満充電判定回数が1−4回までは満充電判定の度に徐々に小さくなるが、4回目以降は一定としている。4回目以降は一定としているのは、分極の影響が殆ど変化しなくなるからである。
また、満充電判定の度にバッテリ温度を読み込んで、そのバッテリ温度に基づいて満充電判定回数の見直しをしてもよい。追い充電中におけるバッテリ温度の上昇に対応した適切な満充電判定回数を設定することができる。
以上により本実施形態では、第1実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。
少なくとも満充電判定時のバッテリ温度に基づいて充電停止時間を設定する停止時間設定部13をさらに備え、バッテリ温度が低いほど充電停止時間を長く設定するので、追い充電開始までに分極の解消が進み、より効率的に追い充電を行なうことができる。
充電停止時間を、満充電判定される度に減少補正するので、分極の解消度合に応じた充電停止時間とすることができ、より効率的な追い充電が可能となる。
上記減少補正において、満充電判定の回数が所定回数になったら、それ以降は満充電判定の回数が所定回数になった時点の停止時間を保持するので、上述した分極の影響が変化しなくなった後も適切な充電停止時間とすることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
本願は2012年8月20日に日本国特許庁に出願された特願2012−181793に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (5)
- 二次電池を充電するための電力を出力可能な充電電源と、
前記充電電源によって前記二次電池に充電される電力を検出する充電電力検出手段と、
前記充電電力検出手段の検出値に基づいて算出した充電可能電力が予め設定した所定電力以下になった場合に満充電判定をする満充電判定手段と、
前記満充電判定されるまで前記充電電源から前記二次電池へ電力を供給し、前記満充電判定されたら前記充電電源から前記二次電池への電力供給を停止し、電力供給の停止から所定時間経過したら電力供給を再開し、再び満充電判定されるまで電力供給を継続するという充電制御を、前記満充電が判定された回数が所定回数である満充電判定回数となるまで繰り返し行なう充電制御手段と、
前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
少なくとも前記満充電判定がされた際の前記温度検出手段の検出温度に基づいて前記満充電判定回数を設定する満充電判定回数設定手段と、
を備え、
前記満充電判定回数設定手段は、前記温度検出手段の検出温度が低いほど前記満充電判定回数を多く設定する二次電池の充電装置。 - 請求項1に記載の二次電池の充電装置において、
少なくとも前記満充電判定がされた際の前記温度検出手段の検出温度に基づいて前記電力供給を停止する時間を設定する停止時間設定手段をさらに備え、
前記停止時間設定手段は前記温度検出手段の検出温度が低いほど前記電力供給を停止する時間を長く設定する二次電池の充電装置。 - 請求項2に記載の二次電池の充電装置において、
前記停止時間設定手段によって設定された停止時間を、満充電判定される度に減少補正する停止時間補正手段をさらに備える二次電池の充電装置。 - 請求項3に記載の二次電池の充電装置において、
前記停止時間補正手段は、前記満充電判定の回数が所定回数になったら、それ以降は満充電判定の回数が所定回数になった時点の停止時間を保持する二次電池の充電装置。 - 二次電池を充電するための電力を出力可能な充電電源によって前記二次電池に充電される電力を検出する充電電力検出工程と、
前記充電電力検出工程の検出値に基づいて算出した充電可能電力が予め設定した所定電力以下になった場合に満充電判定をする満充電判定工程と、
前記満充電判定されるまで前記充電電源から前記二次電池へ電力を供給し、前記満充電判定されたら前記充電電源から前記二次電池への電力供給を停止し、電力供給の停止から所定時間経過したら電力供給を再開し、再び満充電判定されるまで電力供給を継続するという充電制御を、充電開始からの前記満充電の判定回数が所定回数となるまで繰り返し行なう充電制御工程と、
を備える二次電池の充電方法において、
前記二次電池の温度を検出する温度検出工程と、
少なくとも前記満充電判定がされた際の前記温度検出工程の検出温度に基づいて、前記温度検出工程の検出温度が低いほど前記所定回数を多く設定する満充電判定回数設定工程を更に備えることを特徴とする二次電池の充電方法。
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