JP4269871B2 - バッテリー充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリー充電装置に係り、特に、充電電流の制御が可能なバッテリー充電装置に関する。

電池の充電方法において、電池の状態に応じて充電電流を最適化することにより、電池性能を低下させることなく、電池を短時間に満充電できる。従来から、電池温度を監視しながら電池に対して充電を行い、電池温度が設定上限値に達した場合に充電電流を下げる或いは停止する方法が一般的に知られている（例えば、特許文献１等を参照）。
特開２００２−１０５１３号公報（[0026]段落など）

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、電池温度が所定温度に達すると、電池の充電を停止するようにしていた。したがって、充電が停止された直後にその電力を使用しようとした場合に、電池温度が高くなっているために、電池保護のために電池からの放電電力を制限する制御が働いてしまい、充電が停止された直後では電池の十分な性能が得られない。

本発明の特徴は、バッテリーと、このバッテリーを冷却する冷却装置と、充電コントローラとを有するバッテリー充電装置において、充電コントローラが冷却装置による冷却性能とバッテリーの温度とに基いてバッテリーの充電を制御することを要旨とする。

本発明によれば、充電時間を短くし、且つ充電後直ぐに放電可能なバッテリー充電装置を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係るバッテリー充電システムは、バッテリー充電装置１２と、バッテリー充電装置１２に接続された充電器４とを有する。バッテリー充電装置１２は、電気を蓄えるバッテリー２と、バッテリー２を冷却する冷却装置の一例としての冷却ＦＡＮ３と、バッテリー２の温度（＝Ｔｂ）を測定するバッテリー温度測定部の一例としてのバッテリー用サーミスタ７と、外気温度（＝Ｔ）を測定する外気温度測定部の一例としての外気用サーミスタ８と、充電器４からバッテリー２へ流れる充電電流を測定する電流センサ５と、バッテリー２の両端に接続された電圧センサ６と、冷却ＦＡＮ３の冷却性能（＝△Ｔ１）に基いてバッテリー２の充電を制御する充電コントローラ１とを有する。

バッテリー充電装置１２は、通常、車両などに搭載されている。充電器４は、車両などの外部に配置され、バッテリー充電装置１２、即ちバッテリー２に対して着脱自在である。バッテリー２に充電が必要な場合、バッテリー充電装置１２を充電器４に接続することにより、本発明の実施の形態に係るバッテリー充電システムが実現される。

充電器４は電流センサ５を介してバッテリー２の一方の電極に接続されている。バッテリー２の他方の電極は接地されている。充電器４からバッテリー２へと充電電流が流れることにより、充電器４は、バッテリー２を充電する。電流センサ５は充電電流を測定する。電圧センサ６は、バッテリー２の両端の電位差を測定する。電流センサ５、電圧センサ６、バッテリー用サーミスタ７及び外気用サーミスタ８は、それぞれ充電コントローラ１に接続され、充電コントローラ１は、電流センサ５、電圧センサ６、バッテリー用サーミスタ７及び外気用サーミスタ８を介して、バッテリー２を流れる電流、バッテリー２の電圧、バッテリー２の温度、外気温度を監視する。また、充電コントローラ１は、充電器４に接続され、充電器４の作動／停止及び充電電流を制御する。

充電コントローラ１は、バッテリーの温度、外気温度、及び冷却ＦＡＮ３の冷却能力（＝Ｗ）に基いて冷却性能（＝△Ｔ１）を算出する冷却性能算出部９と、冷却ＦＡＮ３によるバッテリー２の温度変化と充電によるバッテリー２の温度変化に基いて、バッテリー２への充電電流を演算する充電電流演算部１０と、冷却装置３によるバッテリー２の温度変化と充電によるバッテリー２の温度変化より充電時間を演算する充電時間演算部１１とを有する。充電電流演算部１０は、充電時間演算部１１が演算した充電時間に基いて、バッテリー２への充電電流を演算する。

冷却性能演算部９は、冷却ＦＡＮ３を回した場合の冷却能力（＝Ｗ）から冷却性能（＝△Ｔ１）を演算する。なお、冷却性能は、バッテリー２の充電開始前の初期温度から充電終了時の制御温度（＝Ｔｅ）までの平均性能を示す。換言すれば、冷却性能演算部９は、外気温度、バッテリー温度、及び冷却ＦＡＮ３による冷却能力から、冷却ＦＡＮ３が回転している状態でバッテリー２を充電した際に、冷却ＦＡＮ３が回転することによってどれだけバッテリー温度が変化するかを求める。バッテリー温度Ｔｂが充電終了時の制御温度Ｔｅよりも小さい場合（Ｔｅ＞Ｔｂ）、冷却性能（△Ｔ１−１）は、（１）式から求められる。バッテリー温度Ｔｂが充電終了時の制御温度Ｔｅよりも大きい場合（Ｔｅ＜Ｔｂ）、冷却性能（△Ｔ１−２）は、（２）式から求められる。

△Ｔ１−１＝Ｗ×（Ｔｂ−Ｔ）＋Ｗ×（Ｔｅ−Ｔｂ）／２ ・・・（１）
△Ｔ１−２＝Ｗ×（Ｔｂ−Ｔ）−Ｗ×（Ｔｅ−Ｔｂ）／２ ・・・（２）
充電コントローラ１は、電圧センサ６及び電流センサ５が測定したバッテリ−２の両端の電圧及びバッテリー２を流れる電流からバッテリー２の容量（＝Ｅ）とバッテリー２の内部抵抗（＝ｒ）を演算する。なお、充電コントローラ１は、複数時点で検出した電圧、電流を回帰演算し、回帰直線を得る。この回帰直線で、電流＝０の時の電圧を予め記憶しているマップに照らし合わせてバッテリー２の容量（ＳＯＣ）を求める。また得られた回帰直線の傾きから内部抵抗を求める。

充電時間演算部１１は、バッテリー２の容量Ｅ及び内部抵抗ｒから、（３）式を用いて、バッテリー２に充電した時のバッテリー２の発熱温度、即ちバッテリー２を充電することにより発熱した際のバッテリー２の温度変化（＝△Ｔ２）を演算する。

Σ△Ｔ２＝（（（Ｅmax−Ｅ）／Ｖ）＾２）×ｒ ・・・（３）
ここで、Ｅmaxは満充電容量（ＳＯＣ＝１００％）、Ｅは現在のバッテリー２の容量、Ｖは現在のバッテリー２の電圧をそれぞれ示す。充電時間演算部１１は、この演算値から、（４）式又は（５）式を用いて充電に要する時間（充電時間：ｔ）を求める。バッテリー温度Ｔｂが充電終了時の制御温度Ｔｅよりも小さい場合（Ｔｅ＞Ｔｂ）、充電時間（＝ｔ）は、（４）式から求められる。バッテリー温度Ｔｂが充電終了時の制御温度Ｔｅよりも大きい場合（Ｔｅ＜Ｔｂ）、充電時間（＝ｔ）は、（５）式から求められる。充電電流演算部１０は、充電時間ｔから、（６）式を用いて充電終了時の制御温度（＝Ｔｅ）にて充電終了を迎える為の充電電流（＝Ｉ）を求める。

ｔ＝Σ△Ｔ２／△Ｔ１−１ ・・・（４）
ｔ＝Σ△Ｔ２／△Ｔ１−２ ・・・（５）
Ｉ＝（（Ｅmax−Ｅ）／Ｖ）／ｔ ・・・（６）
（４）式及び（５）式は、バッテリー２の充電により生じる温度変化を冷却ＦＡＮ３の回転による温度変化、即ち冷却による温度変化で割っている。即ち、（４）式及び（５）式は、充電した場合の温度変化（傾き）を求めていることになり、温度変化（傾き）は時間に比例している。別の言い方をすると、ある充電のための電力が必要だとすると、温度変化の傾きはその充電電力を得るためにどれだけ時間が必要であるかを示すことになる。（６）式に示すように、バッテリー２の容量をバッテリー２の電圧及び充電時間で割ることで、充電電流Ｉが求められる。

充電電流演算部１０は、（６）式から求められる充電電流Ｉの演算値を元に図２に示す「電流テーブル値」で充電電流を決定する。ここで、（６）式から求められる充電電流Ｉの演算値は、図２に示す表における「演算電流値」に相当する。図２に示す表に基き、充電コントローラ１は、充電器４に対し充電電力を要求する。これに対して、バッテリー２の充電期間において、バッテリー２の温度は、初期温度から、予め設定した充電終了時の制御温度Ｔｅに向かって変化する。

このように、充電コントローラ１は、外気温度とバッテリー温度差を予め計算し、冷却ＦＡＮ３を回転させることによる冷却性能と、充電電流によるバッテリー２の温度上昇熱量とを演算して充電終了時のバッテリー２温度を放電理想温度に調整する機能を有する。

図３を参照して、図１に示したバッテリー充電システムによるバッテリー充電方法を説明する。

（イ）先ずＳ０１段階において、充電コントローラ１は、充電前に外気用サーミスタ８及びバッテリー用サーミスタ７を介して外気温度（＝Ｔ）とバッテリー温度（＝Ｔｂ）をそれぞれ測定する。

（ロ）Ｓ０２段階において、充電コントローラ１は、バッテリー温度が所定の充電許可温度以下であるか否かを判断する。バッテリー温度が所定の充電許可温度以下である場合（Ｓ０２段階でＹＥＳの場合）Ｓ０４段階に進む。一方、バッテリー温度が所定の充電許可温度以下でない場合（Ｓ０２段階でＮＯの場合）Ｓ０３段階に進み、冷却ＦＡＮ３を動作させて、バッテリー２の冷却を開始する。そして、バッテリー温度が所定の充電許可温度以下になるまで、Ｓ０１〜Ｓ０３段階のループを繰り返し実施する。

（ハ）Ｓ０４段階において、充電コントローラ１は、バッテリー用サーミスタ７を介してバッテリー温度が所定の冷却ＦＡＮ回転許可温度以上であるか否かを判断する。バッテリー温度が所定の冷却ＦＡＮ回転許可温度以上である場合（Ｓ０４段階でＹＥＳの場合）Ｓ０８段階に進む。一方、バッテリー温度が所定の冷却ＦＡＮ回転許可温度以上でない場合（Ｓ０４段階でＮＯの場合）Ｓ０５段階に進み、充電コントローラ１は、バッテリー２が満充電であるか否かを判断する。バッテリー２が満充電である場合（Ｓ０５段階でＹＥＳの場合）Ｓ１６段階に進む。一方、バッテリー２が満充電でない場合（Ｓ０５段階でＮＯの場合）Ｓ０６段階に進み、充電コントローラ１は、充電器４に対して、充電ＭＡＸ、即ち最大電流量にてバッテリー２の充電を開始することを指示する。そして、充電コントローラ１は、バッテリー用サーミスタ７を介してバッテリー２の温度測定を継続して行い、Ｓ０４段階に戻る。バッテリー温度が冷却ＦＡＮ回転許可温度以上になるか（Ｓ０４にてＹＥＳ）、或いは満充電になる（Ｓ０５にてＹＥＳ）まで、Ｓ０４〜Ｓ０７のループを繰り返し実施する。

（ニ）Ｓ０８段階において、充電コントローラ１は、充電電流の演算を開始する。先ず、Ｓ０９段階で、外気用サーミスタ８を介して外気温度を測定し、Ｓ１０段階で、バッテリー２の状態を演算する。即ち、充電コントローラ１は、上述したように、冷却ＦＡＮ３の回転による温度変化（△Ｔ１）、バッテリー２の充電により生じる温度変化（△Ｔ２）、充電時間（ｔ）、及び充電電流（Ｉ）を演算する。

（ホ）そして、充電コントローラ１は、必要に応じて、Ｓ１１段階で充電器４に対してバッテリー２を充電することを要求し、Ｓ１２段階で冷却ＦＡＮ３の回転を要求する。そして、Ｓ１３段階で、充電コントローラ１は、バッテリー２が満充電であるか否かを判断し、満充電になるまでＳ１４段階でバッテリー２の電圧・電流・温度を監視する。

（へ）バッテリー２が満充電になった後（Ｓ１３段階でＹＥＳ）、充電コントローラ１は、Ｓ１５段階で冷却ＦＡＮ３の回転停止を要求し、Ｓ１６段階で充電器４に対して充電停止を要求する。以上の手順を経て、バッテリー２は、充電器４によって充電される。

なお、充電電流の演算を開始してから冷却ＦＡＮ３の回転停止を要求するまで（Ｓ０８段階〜Ｓ１５段階）の間、充電器４が充電を行っている際には冷却ＦＡＮ３は回転していることになる。

次に、バッテリー２の温度、バッテリー２の充電状態、及び冷却ＦＡＮ３の動作状況の時間変化を、図４乃至図６を参照して説明する。

図４に示すように、バッテリー２を充電し始める時にバッテリー２の温度が充電許可温度よりも高い場合、充電コントローラ１は、冷却装置（冷却ＦＡＮ３）を作動させて、バッテリー２の温度を充電許可温度以下まで低下させてからバッテリー２を充電し始める。具体的には、Ｓ０２段階においてバッテリー２の温度が充電許可温度よりも高いと判断した充電コントローラ１は、Ｓ０３段階において、冷却ＦＡＮ３の回転を開始させる。この時充電はまだ開始されていないため、バッテリー２の温度は急激に低下する。その後、Ｓ０２段階においてバッテリー２の温度が充電許可温度以下になったと判断した充電コントローラ１は、Ｓ１０段階においてバッテリー２の状態（充電電流、充電時間など）を演算してから、充電器４に対してバッテリー２の充電の開始を指示し、冷却ＦＡＮ３の回転を継続する。この時の充電電流は、比較的小さく、充電によるバッテリー２の温度上昇率は、冷却による温度低下率よりも小さい。したがって、充電期間中にバッテリー２の温度は低下し、充電許可温度よりも低い充電終了時の制御温度にて充電終了を迎える。

図５に示すように、バッテリー２を充電し始める時にバッテリー２の温度が冷却装置作動許可温度（冷却ＦＡＮ回転許可温度）よりも低い場合、充電コントローラ１は、バッテリー２を強制的に充電し、バッテリー２の温度を冷却ＦＡＮ回転許可温度以上まで上昇させてから冷却装置（冷却ＦＡＮ３）を作動させる。具体的には、Ｓ０４段階においてバッテリー２の温度が冷却ＦＡＮ回転許可温度よりも低いと判断した充電コントローラ１は、Ｓ０６段階において、充電器４に対して最大電力で充電を開始させる。この時冷却ＦＡＮ３は回転していないため、バッテリー２の温度は急激に上昇する。その後、Ｓ０４段階においてバッテリー２の温度が冷却ＦＡＮ回転許可温度以上になったと判断した充電コントローラ１は、Ｓ１０段階においてバッテリー２の状態（充電電流、充電時間など）を演算して、充電器４に対してバッテリー２の充電電流を再設定し、冷却ＦＡＮ３の回転を開始させる。この時の充電電流は、比較的大きく、充電によるバッテリー２の温度上昇率は、冷却による温度低下率よりも大きい。したがって、充電期間中にバッテリー２の温度は上昇し、冷却ＦＡＮ回転許可温度よりも高い充電終了時の制御温度にて充電終了を迎える。

図６に示すように、バッテリー２を充電し始める時にバッテリー２の温度が充電許可温度よりも低く、冷却ＦＡＮ回転許可温度よりも高い場合、充電コントローラ１は、Ｓ１０段階においてバッテリー２の状態（充電電流、充電時間など）を演算してから、充電器４に対してバッテリー２の充電開始を指示し、冷却ＦＡＮ３に対して回転開始を指示する。この場合、バッテリー２の状態演算前のバッテリー２の強制的な充電或いは冷却ＦＡＮ３のみの動作などは行わない。また、図６に示した例では、充電開始時のバッテリー２の温度が充電終了時の制御温度よりも低い為、充電電流は比較的大きく、充電によるバッテリー２の温度上昇率は、冷却による温度低下率よりも大きい。したがって、充電期間中にバッテリー２の温度は上昇し、充電開始時のバッテリー２の温度よりも高い充電終了時の制御温度にて充電終了を迎える。

このように、充電電流演算部１０及び充電時間演算部１１を含む充電コントローラ１は、バッテリー２を充電し終わる時、即ち満充電になる時のバッテリー２の温度をバッテリー２が放電を行うのに理想的な温度になるように、充電電流及び充電時間を制御する。即ち、充電コントローラ１は、充電終了直後に放電を開始できるように、バッテリー温度と外気温度の２つの温度を検知し、予めバッテリー２の温度上昇を予測することで、初期段階からバッテリー２に適切な急速充電を行い極短時間に電池に対して十分な充電を完了させることができる。また、理想的な環境下での充電時間を短くするだけでなく、バッテリー２にとって悪条件下での充電時間を短くし、充電終了後のバッテリー温度を調整することにより充電後直ぐに放電可能となる。

また、バッテリー温度の上昇により充電を途中で停止することが無くなり、充電開始から充電終了までの充電時間を短くすることができる。

更に、充電終了後の電池温度を低く値に制御することで、その後の放電を直ぐに行うことができる。したがって、短時間で充電を完了させ、且つ充電開始から使用可能時間までのトータル時間を短くすることができる。

更に、短時間に充電を行うと同時に、充電終了後に電池温度を低く抑えることが出来るため、急速充電直後に何ら制限無くバッテリー２から放電を開始することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係るバッテリー充電装置は、バッテリー２と、バッテリー２を冷却する冷却ＦＡＮ３と、冷却ＦＡＮ３による冷却性能に基いてバッテリー２の充電を制御する充電コントローラ１とを有する。これにより、充電完了時に、バッテリー２が高温となっておらず、バッテリー２は充電終了後直ちに放電を行うことができる。

また、放電直後でバッテリー２の温度が高い場合、又はその他の要因によりバッテリー温度が高い状態で充電を開始するとバッテリー２に対して激しく劣化などのダメージを与えてしまう。これを防止する為に、本発明の実施の形態に係るバッテリー充電装置は、充電開始時にバッテリー温度が充電許可温度よりも高い場合には、冷却ＦＡＮ３を作動させて、バッテリー温度を充電許可温度まで低下させてから充電を開始する。これにより、高温状態のバッテリー２を充電しないので、発熱によるバッテリー２の劣化を防止できる。

更に、本発明の実施の形態に係るバッテリー充電装置は、充電開始時にバッテリー温度が冷却ＦＡＮ回転許可温度よりも低い場合には、バッテリー２を強制的に充電し、バッテリー温度を冷却ＦＡＮ回転許可温度以上まで上昇させてから、冷却ＦＡＮ３を作動させる。強制的な充電によりバッテリー温度が上昇するので、その後の冷却により充電効率良くバッテリー２を充電できる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係るバッテリー充電システムを示すブロック図である。 充電電流の演算値と制御値との関係を示すテーブル表である。 図１に示したバッテリー充電システムによるバッテリー充電の手順の一例を示すフローチャートである。 バッテリーを充電し始める時にバッテリーの温度が充電許可温度よりも高い場合のバッテリー温度、バッテリーの充電状態、及び冷却ＦＡＮの動作状況の時間変化を示すグラフである（高温時）。 バッテリーを充電し始める時にバッテリーの温度が冷却装置動作許可温度（冷却ＦＡＮ回転許可温度）よりも低い場合のバッテリー温度、バッテリーの充電状態、及び冷却ＦＡＮの動作状況の時間変化を示すグラフである（低温時）。 バッテリーを充電し始める時にバッテリーの温度が充電許可温度よりも低く、冷却ＦＡＮ回転許可温度よりも高い場合のバッテリー温度、バッテリーの充電状態、及び冷却ＦＡＮの動作状況の時間変化を示すグラフである（常温時）。

符号の説明

１ 充電コントローラ
２ バッテリー
３ 冷却装置としての冷却ＦＡＮ
４ 充電器
５ 電流センサ
６ 電圧センサ
７ バッテリー用サーミスタ
８ 外気用サーミスタ
９ 冷却性能算出部
１０ 充電電流演算部
１１ 充電時間演算部
１２ バッテリー充電装置

Claims (5)

1. バッテリーと、
   前記バッテリーを冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置による冷却性能と前記バッテリーの温度とに基いて、前記バッテリーの充電を制御する充電コントローラとを有し、
   前記充電コントローラは、前記バッテリーを充電し始める時に前記バッテリーの温度が充電許可温度よりも高い場合、前記冷却装置を作動させて、前記バッテリーの温度を前記充電許可温度以下まで低下させてから前記バッテリーを充電し始め、前記バッテリーを充電し始める時に前記バッテリーの温度が冷却装置作動許可温度よりも低い場合には、前記バッテリーを充電し、前記バッテリーの温度を前記冷却装置作動温度以上まで上昇させてから前記冷却装置を作動させる
   ことを特徴とするバッテリー充電装置。
2. 前記充電コントローラは、前記バッテリーの温度、外気温度、及び前記冷却装置の冷却能力に基いて前記冷却性能を算出する冷却性能算出部を有することを特徴とする請求項１記載のバッテリー充電装置。
3. 前記充電コントローラは、前記冷却装置による前記バッテリーの温度変化と、充電による前記バッテリーの温度変化に基いて、前記バッテリーへの充電電流を演算する充電電流演算部を有することを特徴とする請求項１又は２記載のバッテリー充電装置。
4. 前記充電コントローラは、前記冷却装置による前記バッテリーの温度変化と、充電による前記バッテリーの温度変化に基いて、充電時間を演算する充電時間演算部を更に有し、前記充電電流演算部は、前記充電時間に基いて、前記バッテリーへの充電電流を演算することを特徴とする請求項３記載のバッテリー充電装置。
5. 前記充電コントローラは、前記バッテリーを充電し終わる時の前記バッテリーの温度が前記バッテリーが放電するのに理想的な温度になるように、前記バッテリーの充電を制御することを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載のバッテリー充電装置。

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