JP6439421B2 - 充電電流制御装置及び充電電流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池に流れる充電電流の制御に関する。

電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車など、電動モータの動力を利用して走行する車両の普及に伴い、車両に搭載される電池に流れる充電電流を制御するための技術の向上が図られている。

充電電流の制御方法として、例えば、定電流定電圧充電制御がある。この定電流定電圧充電制御では、充電開始から電池の電圧が目標電圧になるまでの間において、所定電流になるように充電電流が制御され（定電流充電制御）、その後、電池の電圧が目標電圧になってから充電電流が終了電流になるまでの間において、徐々に減少するように充電電流が制御される（定電圧充電制御）。

電池の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始する場合、このような充電電流の制御方法では、定電流充電制御が始まってから電池に分極（主に、電気化学的分極）が生じる。そして、定電流充電制御から定電圧充電制御へ移行した後も、この分極による電池の電圧の上昇を充電電流の減少により抑えられない場合、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、電池の電圧が目標電圧を超えてしまう。電池の電圧が目標電圧を超えることは、例えば、電池の劣化の原因になる。

図９（ｂ）で、定電流充電制御時に充電電流が一定でなく上昇しているのは、充電開始してから所定電流になるように充電電流を増加させているからである。また、充電電流が所定電流になる前に定電圧充電制御へ移行しているのは、電池の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始したため、充電電流が所定電流になる前に電圧が目標電圧になり定電圧充電制御へ移行したからである。

なお、定電流充電制御時に所定電流になるように充電電流を増加させる構成に限らず、充電開始後から充電電流が所定電流であってもよい。また、充電開始時の電池の電圧によっては、充電電流が所定電流になってから定電圧充電制御へ移行することもある。

関連した技術として、例えば、定電圧充電制御時、電池の電圧が目標電圧を超えないように、電池に直列接続されるスイッチング素子のオン抵抗を増加させて、電池に印加される電圧を低下させるものがある。例えば、特許文献１参照。

また、関連した技術として、例えば、間欠動作の充電休止時毎に、電池の電圧から分極電圧を測定し、その分極電圧の２階時間微分が正から負になったときに、充電電流を減少させるものがある。例えば、特許文献２参照。

特開２００９−１２３５６０号公報 特開２０１３−２４０１５３号公報

本発明は、定電流充電制御から定電圧充電制御への移行後における電池の電圧の上昇を抑えることを目的とする。

実施形態の充電電流制御装置は、定電流定電圧充電制御時に電池に流れる充電電流を制御する充電電流制御装置であって、電池の電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部により検出される電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する制御部とを備える。

制御部は、定電圧充電制御時、充電電流が減少中に電圧検出部により検出される電圧が上昇すると、充電電流の減少幅を大きくする。
また、制御部は、定電圧充電制御時、電圧検出部により検出される電圧が目標電圧を超え、電圧検出部により検出される電圧と目標電圧との電圧差が所定値以上になると、充電電流の減少幅を大きくする。

本発明によれば、定電流充電制御から定電圧充電制御への移行後における電池の電圧の上昇を抑えることができる。

実施形態の充電電流制御装置を含む蓄電装置の一例を示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 第１実施例における制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は電圧検出部により検出される電圧の変化の一例を示す図であり、（ｂ）は充電電流の変化の一例を示す図である。 第１実施例における記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。 第２実施例における制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は電圧検出部により検出される電圧の変化の一例を示す図であり、（ｂ）は充電電流の変化の一例を示す図である。 第２実施例における記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。 （ａ）は電池の電圧の変化の一例を示す図であり、（ｂ）は充電電流の変化の一例を示す図である。

図１は、実施形態の充電電流制御装置を含む蓄電装置の一例を示す図である。
図１に示す蓄電装置１は、例えば、電池パックであり、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車など、電動モータの動力を利用して走行する車両２に搭載される。

また、蓄電装置１は、電池１１、電圧検出部１２、電流検出部１３、記憶部１４、及び制御部１５を備える。なお、充電電流制御装置は、例えば、電圧検出部１２及び制御部１５を備えて構成される。

電池１１は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池などの二次電池であり、車両２に搭載される走行用の電動モータや電装部品などに電力を供給する。なお、電池１１は、直列接続される複数の二次電池や並列接続される複数の二次電池により構成されてもよい。

電圧検出部１２は、例えば、電圧計であり、電池１１の電圧を検出する。
電流検出部１３は、例えば、電流計であり、電池１１に流れる充電電流を検出する。
記憶部１４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）であり、後述する定電流定電圧充電制御（ＣＣＣＶ充電制御）を実行するためのプログラムや各種情報を記憶する。

制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルなディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）であり、ＣＣＣＶ充電制御を実行する。制御部１５は、ＣＣＣＶ充電制御時、所定時間経過毎に充電電流指令値を充電器３の制御部３１に送信する。制御部３１は、充電電流指令値を受信すると、その充電電流指令値に応じた充電電流が電池１１に流れるように、電力供給部３２の出力電流を制御する。また、制御部１５は、電池１１の充電が終了したと判断すると、充電終了指示を制御部３１に送信する。制御部３１は、充電終了指示を受信すると、電力供給部３２の動作を停止し電力供給部３２から電池１１への電力供給を停止させる。

図２は、ＣＣＣＶ充電制御時の制御部１５の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部１５は、充電開始指示が入力されると、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧に到達するまで定電流充電制御（ＣＣ充電制御）を実行する（Ｓ２１、Ｓ２２：Ｎｏ）。

次に、制御部１５は、電圧Ｖが目標電圧（例えば満充電に対応する電圧）に到達すると（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、ＣＣ充電制御から定電圧充電制御（ＣＶ充電制御）に移行し、充電電流を徐々に減少させる。そして、ＣＶ充電制御に移行した後、電圧Ｖが目標電圧になり、かつ、充電電流が終了電流になるまでＣＶ充電制御を実行する（Ｓ２３、Ｓ２４：Ｎｏ）。

そして、制御部１５は、電圧Ｖが目標電圧を超え、かつ、充電電流が終了電流になると（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、充電終了指示を充電器３の制御部３１に送信する（Ｓ２５）。
＜第１実施例＞
図３は、第１実施例におけるＣＶ充電制御時の制御部１５の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図３に示すフローチャートは、ＣＶ充電制御時間（例えば、１［秒］）経過毎に繰り返し実行されるものとする。

制御部１５は、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが上昇していないと判断すると（Ｓ３１：Ｎｏ）、第１の減少幅（例えば、１［Ａ］）分、充電電流を減少させ（Ｓ３２）、電圧Ｖが上昇したと判断すると（Ｓ３１：Ｙｅｓ）、第１の減少幅よりも大きい第２の減少幅（例えば、２［Ａ］）分、充電電流を減少させる（Ｓ３３）。例えば、制御部１５は、今回のＣＶ充電制御時において電圧検出部１２により検出された電圧Ｖが前回のＣＶ充電制御時において電圧検出部１２により検出された電圧Ｖよりも大きい場合、電圧Ｖが上昇したと判断する。また、制御部１５は、充電電流指令値から第２の減少幅を減算することで、第２の減少幅分、充電電流を減少させる。

このように、第１実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、充電電流が減少中に電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが上昇すると、充電電流の減少幅を大きくするため、電圧Ｖが上昇していない場合に比べて、電圧Ｖが上昇している場合の単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができる。例えば、図４（ａ）に示すように、ＣＶ充電制御時、電圧Ｖが上昇していない期間ｔ２−ｔ３、期間ｔ４−ｔ５、期間ｔ６−ｔ７に比べて、電圧Ｖが上昇している期間ｔ１−ｔ２、期間ｔ３−ｔ４、期間ｔ５−ｔ６の充電電流の減少幅を大きくすることで、図４（ｂ）に示すように、電圧Ｖが上昇していない期間ｔ２−ｔ３、期間ｔ４−５、期間ｔ６−ｔ７に比べて、電圧Ｖが上昇している期間ｔ１−ｔ２、期間ｔ３−ｔ４、期間ｔ５−ｔ６の単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができる。

このように、第１実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが上昇しているときの単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができるため、その充電電流の減少幅分、分極や電池１１の内部抵抗による電池１１の電圧上昇の影響を抑えられ、ＣＶ充電制御時、単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）が常に一定である場合に比べて、電池１１の電圧の上昇を抑えることができる。これにより、電池１１の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始する場合であっても、ＣＣ充電制御からＣＶ充電制御への移行後、電池１１の電圧が目標電圧を超えることを抑えることができ、電池１１の電圧が目標電圧を超えることによる電池１１の劣化を抑えることができる。

なお、第１実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが上昇したと判断すると、図５（ａ）に示す情報を参照して、今回のＣＶ充電制御時に電圧検出部１２により検出された電圧Ｖから前回のＣＶ充電制御時に電圧検出部１２により検出された電圧Ｖを減算した結果である変化量ΔＶ１に対応する減少幅を取得し、その取得した減少幅を上記第２の減少幅としてもよい。図５（ａ）に示す情報では、変化量ΔＶ１が大きくなる程、その変化量ΔＶ１に対応する減少幅も大きくなるため、変化量ΔＶ１が大きい程、すなわち、電池１１の電圧が上昇する程、第２の減少幅が大きくなる。これにより、ＣＶ充電制御時、電池１１の電圧の上昇をさらに抑えることができるため、電池１１の電圧が目標電圧を超えることをさらに抑えることができる。

また、第１実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが上昇したと判断すると、図５（ｂ）に示す情報を参照して、変化量ΔＶ１に対応するＣＶ充電制御時間を取得し、その取得したＣＶ充電制御時間経過毎に、図３に示すフローチャートを繰り返し実行するようにしてもよい。図５（ｂ）に示す情報では、変化量ΔＶ１が大きくなる程、その変化量ΔＶ１に対応するＣＶ充電制御時間が小さくなるため、変化量ΔＶ１が大きい程、単位時間あたりのＣＶ充電制御の実行回数が多くなる。これにより、ＣＶ充電制御時、電圧Ｖが上昇しているときの単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができるため、ＣＶ充電制御時、単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）が常に一定である場合に比べて、電池１１の電圧の上昇を抑えることができ、電池１１の電圧が目標電圧を超えることを抑えることができる。

また、第１実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが上昇したと判断すると、図５（ａ）に示す情報及び図５（ｂ）に示す情報を両方参照して、変化量ΔＶ１が大きい程、第２の減少幅を増加させるとともに、ＣＶ充電制御時間を減少させるようにしてもよい。

＜第２実施例＞
図６は、第２実施例におけるＣＶ充電制御時の制御部１５の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図６に示すフローチャートは、ＣＶ充電制御時間経過毎に行われるものとする。

制御部１５は、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧を超えていないと判断すると（Ｓ６１：Ｎｏ）、又は、電圧Ｖが目標電圧を超えているが電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上でないと判断すると（Ｓ６１：Ｙｅｓ、Ｓ６２：Ｎｏ）、第１の減少幅分、充電電流を減少させる（Ｓ６３）。

また、制御部１５は、電圧Ｖが目標電圧を超えていると判断し（Ｓ６１：Ｙｅｓ）、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であると判断すると（Ｓ６２：Ｙｅｓ）、第１の減少幅よりも大きい第２の減少幅分、充電電流を減少させる（Ｓ６３）。

このように、第２実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、充電電流が減少中に電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であると判断すると、充電電流の減少幅を大きくするため、電圧Ｖが目標電圧を超えていない場合や電圧Ｖが目標電圧を超えているが電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上でない場合に比べて、単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができる。例えば、図７（ａ）に示すように、ＣＶ充電制御時、電圧Ｖが目標電圧を超えていない期間ｔ９−ｔ１０、期間ｔ１１−ｔ１２に比べて、電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上である期間ｔ８−９、期間ｔ１０−１１の充電電流の減少幅を大きくすることで、図７（ｂ）に示すように、電圧Ｖが目標電圧を超えていない期間ｔ９−ｔ１０、期間ｔ１１−ｔ１２に比べて、電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上である期間ｔ８−ｔ９、期間ｔ１０−ｔ１１の単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができる。

このように、第２実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であるときの単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができるため、その充電電流の減少幅分、その充電電流の減少幅分、分極や電池１１の内部抵抗による電池１１の電圧上昇の影響を抑えられ、ＣＶ充電制御時、単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）が常に一定である場合に比べて、電池１１の電圧の上昇を抑えることができる。これにより、電池１１の電圧が満充電に対応する電圧に近い状態から充電開始する場合であっても、ＣＣ充電制御からＣＶ充電制御への移行後、電池１１の電圧が目標電圧を超えることを抑えることができ、電池１１の電圧が目標電圧を超えることによる電池１１の劣化を抑えることができる。

なお、第２実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であると判断すると、図８（ａ）に示す情報を参照して、電圧Ｖと目標電圧との電圧差ΔＶ２に対応する減少幅を取得し、その取得した減少幅を上記第２の減少幅としてもよい。図８（ａ）に示す情報では、電圧差ΔＶ２が大きくなる程、その電圧差ΔＶ２に対応する減少幅も大きくなるため、電圧差ΔＶ２が大きい程、すなわち、電池１１の電圧が上昇する程、第２の減少幅が大きくなる。これにより、ＣＶ充電制御時、電池１１の電圧の上昇をさらに抑えることができるため、電池１１の電圧が目標電圧を超えることをさらに抑えることができる。

また、第２実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であると判断すると、図８（ｂ）に示す情報を参照して、電圧差ΔＶ２に対応するＣＶ充電制御時間を取得し、その取得したＣＶ充電制御時間経過毎に、図６に示すフローチャートを繰り返し実行するようにしてもよい。図８（ｂ）に示す情報では、電圧差ΔＶ２が大きくなる程、その電圧差ΔＶ２に対応するＣＶ充電制御時間が小さくなるため、電圧差ΔＶ２が大きい程、単位時間あたりのＣＶ充電制御の実行回数が多くなる。これにより、ＣＶ充電制御時、電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であるときの単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）を大きくすることができるため、ＣＶ充電制御時、単位時間あたりの充電電流の減少幅（減少レート）が常に一定である場合に比べて、電池１１の電圧の上昇を抑えることができ、電池１１の電圧が目標電圧を超えることを抑えることができる。

また、第２実施例における制御部１５は、ＣＶ充電制御時、電圧検出部１２により検出される電圧Ｖが目標電圧を超え、電圧Ｖと目標電圧との電圧差が所定値以上であると判断すると、図８（ａ）に示す情報及び図８（ｂ）に示す情報を両方参照して、電圧差ΔＶ２が大きい程、第２の減少幅を増加させるとともに、ＣＶ充電制御時間を減少させるようにしてもよい。

１ 蓄電装置
１１ 電池
１２ 電圧検出部
１３ 電流検出部
１４ 記憶部
１５ 制御部
２ 車両
３ 充電器
３１ 制御部
３２ 電力供給部

Claims (6)

1. 定電流定電圧充電制御時に電池に流れる充電電流を制御する充電電流制御装置であって、
   前記電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出される電圧が目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記定電圧充電制御時、
   前記電圧検出部により検出される電圧が上昇すると、前記充電電流の減少幅を大きくすることを定電圧充電制御時間ごとに繰り返し実行し、
   前記電圧検出部により検出される電圧が上昇するときのその電圧の変化量が大きいほど前記定電圧充電制御時間を小さくする
   ことを特徴とする充電電流制御装置。
2. 請求項１に記載の充電電流制御装置であって、
   前記制御部は、前記電圧検出部により検出される電圧の変化量が大きい程、前記充電電流の減少幅を大きくする
   ことを特徴とする充電電流制御装置。
3. 定電流定電圧充電制御時に電池に流れる充電電流を制御する充電電流制御装置であって、
   前記電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出される電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記定電圧充電制御時、
   前記電圧検出部により検出される電圧が前記目標電圧を超え、前記電圧検出部により検出される電圧と前記目標電圧との電圧差が所定値以上になると、前記充電電流の減少幅を大きくすることを定電圧充電制御時間ごとに繰り返し実行し、
   前記電圧差が大きいほど前記定電圧充電制御時間を小さくする
   ことを特徴とする充電電流制御装置。
4. 請求項３に記載の充電電流制御装置であって、
   前記制御部は、前記電圧差が大きい程、前記充電電流の減少幅を大きくする
   ことを特徴とする充電電流制御装置。
5. 電圧検出部により検出される電池の電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する充電電流制御装置における充電電流制御方法であって、
   前記充電電流制御装置は、前記定電圧充電制御時、
   前記充電電流が減少中に前記電圧検出部により検出される電圧が上昇すると、前記充電電流の減少幅を大きくすることを定電圧充電制御時間ごとに繰り返し実行し、
   前記電圧検出部により検出される電圧が上昇するときのその電圧の変化量が大きいほど前記定電圧充電制御時間を小さくする
   ことを特徴とする充電電流制御方法。
6. 電圧検出部により検出される電池の電圧が、目標電圧に到達すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に移行する充電電流制御装置における充電電流制御方法であって、
   前記充電電流制御装置は、前記定電圧充電制御時、
   前記電圧検出部により検出される電圧が前記目標電圧を超え、前記電圧検出部により検出される電圧と前記目標電圧との電圧差が所定値以上になると、前記充電電流の減少幅を大きくすることを定電圧充電制御時間ごとに繰り返し実行し、
   前記電圧差が大きいほど前記定電圧充電制御時間を小さくする
   ことを特徴とする充電電流制御方法。
   

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