JP2007124750A - 電池の充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池に内圧を検出するセンサーを設けることなく、また内圧を検出するために専用の配線を設けることなく、電池の内圧上昇を防止しながら電池を充電して、製造コストを低減し、さらにメンテナンスを簡単にする。
【解決手段】電池の充電制御方法は、充電している電池の電圧と充電電流を検出して、充電電流と電圧から電池の内圧を検出する。充電制御方法は、電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を充電電流に基づいて特定し、充電している電池電圧が内圧上昇電圧を越えて充電される内圧上昇充電において、充電電流と時間を積算し、この積算値から電池の内圧を演算し、演算された電池の内圧で電池の充電状態をコントロールする。
【選択図】図５

Description

本発明は、電池の充電を制御する方法に関し、とくに車両に搭載されて車両を走行させるモーターの電源に使用される電池の充電を制御するのに適している電池の充電を制御する方法に関する。

車両を走行させるモーターに電力を供給する電源は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。この電源の電池は、モーターを駆動するときに放電され、ブレーキによる回生制動で充電され、またハイブリッドカーにあってはエンジンで発電機を回転して充電される。電池は、残容量が少なくなると充電され、また過充電しないように充電されて使用される。充電される電池は、充電の条件によっては、内部でガスが発生して内圧が上昇する。電池は内圧が異常に高くなると破裂することがあるので、安全弁を設けている。安全弁は、電池の内圧が設定圧力よりも高くなると開弁する。開弁する安全弁は、ガスや電解液等を内部から排出して、内圧上昇を防止して破壊しないようにする。安全弁は、開弁して外装缶の破裂を防止するが、これが開弁すると、電解液等を排出して電池としての電気特性が低下し、ひいては寿命を早めることになる。したがって、電池は、内圧が異常に上昇しないように充電をコントロールして安全弁の開弁を防止することが望ましい。

このことを実現するには、電池の内圧を検出する必要がある。検出された内圧に基づいて、充電電流をコントロールする必要があるからである。電池の内圧を検出するために、歪計を設ける技術が、特許文献１に記載される。
特表２００４−５１７４４０号公報

電池に歪計を設けて内圧を検出し、検出された内圧で電池の充電電流をコントロールして内圧が上昇しないように充電できる。ただ、この方法によると、電池に内圧を検出する歪計を設ける必要があって電池の構造が複雑になる。このため、電池の製造コストが高くなる。また、電池の内部で歪計が所定の体積を専有するので、外形に対する容量が小さくなる欠点もある。さらに、歪計に接続したリード線を電池の外部に互いに絶縁して引き出す必要があり、この構造もさらに複雑となる。また、電池の外部に引き出されたリード線は、電池の内圧を検出して充電をコントロールする制御回路に接続する必要があり、配線が複雑になる欠点もある。また電池から引き出されたリード線は、断線したりショートする等の故障の原因となる。このため、製造とメンテナンスに手間がかかる欠点がある。

本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池に内圧を検出するセンサーを設けることなく、また内圧を検出するために専用の配線を設けることなく、電池の内圧上昇を防止しながら電池を充電して、製造コストを低減し、さらにメンテナンスを簡単にできる電池の充電制御方法を提供することにある。

本発明の請求項１の電池の充電制御方法は、充電している電池の電圧と充電電流を検出して、充電電流と電圧から電池の内圧を検出する。充電制御方法は、電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を充電電流に基づいて特定し、充電している電池電圧が内圧上昇電圧を越えて充電される内圧上昇充電において、充電電流と時間を積算し、この積算値から電池の内圧を演算し、演算された電池の内圧で電池の充電状態をコントロールする。

本発明の請求項２の電池の充電制御方法は、充電している電池の温度と電圧と充電電流を検出して、電池温度と充電電流と電圧から電池の内圧を検出する。充電制御方法は、電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を温度と充電電流に基づいて特定し、充電している電池電圧が内圧上昇電圧を越えて充電される内圧上昇充電において、充電電流と時間を積算し、この積算値から電池の内圧を演算し、演算された電池の内圧で電池の充電状態をコントロールする。

本発明の電池の充電制御方法は、安全弁を備える電池の内圧を演算して検出し、演算された電池の内圧が安全弁の開弁圧よりも低くなるように、電池の充電状態をコントロールすることができる。

本発明の電池の充電制御方法は、電流と電圧から内圧上昇電圧を特定する内圧上昇電圧特定関数を検出し、充電している電池の電圧と電流を内圧上昇特定関数に比較し、電圧が内圧上昇電圧よりも高いときに、内圧上昇充電として、充電電流と時間を積算することができる。

本発明の電池の充電制御方法は、電池が充電されない状態においては、時間が経過するにしたがって検出された内圧を所定の減少率で減少させることができる。内圧の減少率は、温度で変化させることができる。

本発明の電池の充電制御方法は、電池が充電され、かつ内圧上昇電圧を越えない状態においては、演算された電池の内圧は加算も減算もさせないようにすることができる。

本発明の電池の充電制御方法は、内圧上昇電圧を時間の関数として変化させることができる。

本発明の電池の充電制御方法は、電池の充放電電流から残容量を演算して、残容量と演算された内圧の加重平均値で充電スイッチをコントロールすると共に、残容量の値で、残容量と演算された内圧を加重平均する重み（ウェート）を変化させることができる。

本発明の電池の充電制御方法は、同時に充放電される複数の電池の電圧と充電電流を検出し、特定の電池電圧と充電電流から演算された内圧で全ての電池の充電電流をコントロールすることができる。

本発明の電池の充電制御方法は、同時に充放電される複数の電池の電圧と充電電流を検出し、各々の電池電圧と充電電流から各々の電池の内圧を演算し、演算された内圧から電池の寿命を判定することができる。

本発明の電池の充電制御方法は、内圧上昇電圧を越えて充電される充電電流と時間の積算値で、充放電の電流を積算して演算される残容量を補正することができる。

さらに、本発明の電池の充電制御方法は、電池を電動車両の駆動用電源とすることができる。さらに、本発明の電池の充電制御方法は、電池を電動車両の駆動用電源とすると共に、通常充電時もしくは過充電時にガス発生を伴う電池とすることができる。
ただし、本明細書において電動車両とは、モーターで走行する電気自動車等の車両だけでなく、モーターとエンジンの両方で走行するハイブリッドカー等を含む広い意味で使用する。

本発明は、電池に内圧を検出するセンサーを設けることなく、また内圧を検出するために専用の配線を設けることなく、電池の内圧上昇を防止しながら電池を充電できる特長がある。それは、本発明の充電制御方法が、充電している電池の電圧と充電電流から電池の内圧を検出し、あるいは、充電している電池の温度と電圧と充電電流から電池の内圧を検出するからである。本発明の充電制御方法は、電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を、充電電流に基づいて、あるいは温度と充電電流に基づいて特定し、充電している電池電圧が内圧上昇電圧を越えて充電される時間と充電電流を積算し、この積算値から電池の内圧を演算して電池の充電状態をコントロールする。この充電制御方法は、電池の電圧、電流、温度の測定によって電池の内圧を演算するので、従来のように、電池に内圧を検出するセンサーを設けたり、専用の配線を設けることなく、製造コストを低減し、さらにメンテナンスを簡単にして、電池の内圧上昇を防止しながら理想的に充電制御できる。

さらに、本発明の請求項１２の電池の充電制御方法は、充放電の電流を積算して演算される電池の残容量をより高い精度で演算できる特長がある。それは、この電流制御方法が、内圧上昇電圧を越えて充電される充電電流と時間の積算値で、電池の残容量を補正しているからである。通常、電池の残容量は充放電の電流を積算して演算されるが、電池の充電状態において、電池が満充電に近付くと、全ての充電電流が電池の充電に使用されず、充電電流のエネルギーが電池の内部でのガスの発生に消費され、この結果、充放電を繰り返すにしたがって残容量に誤差が生じる。これに対し、本発明の請求項１２の充電制御方法では、内圧上昇電圧を越えて充電される充電電流、すなわち電池内部でガスが発生する状態における充電電流と時間の積算値を検出し、この積算値で電池の残容量を補正するので、充電に使用されない電流による損失を考慮して、より高い精度で残容量を演算できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の充電制御方法を例示するものであって、本発明は電池の充電制御方法を以下の方法に特定しない。

図１は、本発明の方法で電池の充電を制御する回路図を示す。この回路図は、複数の電池１を直列に接続している。電池１の電圧と電流と温度は、制御ユニット２に検出される。制御ユニット２は、電池１の電圧を検出する電圧検出回路３と、電池１に流れる充放電の電流を検出する電流検出回路４と、電池１の温度を検出する温度検出回路５とを備えている。さらに、制御ユニット２は、検出された信号を演算して電池１の内圧を演算する演算回路６と、この演算回路６で演算された内圧で、充電電流をコントロールするための充電スイッチング回路８を制御する制御回路７を備える。

図の制御ユニット２は、電圧検出回路３でもって複数の電池１の電圧を検出する。電池１は、複数の素電池を直列に接続して電池モジュールとし、さらに複数の電池モジュールを直列に接続して出力電圧を高くしている。電圧検出回路３は、各々の電池モジュールの電圧を検出する。各々の電池モジュールの電圧を電圧検出回路３で検出する制御ユニット２は、各々の電池モジュールをひとつの単位として、電池１の内圧を検出できる。制御ユニットは、全ての電池をそれぞれ独立して検出して、各々の電池の内圧を独立して検出することができる。また、全電池電圧を検出して、全ての電池を１ブロックとして、電池の内圧を検出することもできる。

電流検出回路４は、電池１に流れる電流を検出する。複数の電池１を直列に接続するものは、全ての電池１に流れる電流が同じになる。したがって、直列に接続している電池１の電流を検出して、全電池の電流を検出できる。電池１に流れる電流は、電池１と直列に電流検出抵抗を接続し、この電流検出抵抗の両端の電圧で検出できる。電流検出抵抗の両端に誘導される電圧が、電流に比例するからである。また、電流検出抵抗の両端に誘導される電圧の正負の方向は、充電電流と放電電流で逆になるので、電圧の正負の方向で充電電流と放電電流を識別できる。

温度検出回路５は、電池１の表面に接触し、あるいは接近して電池に熱結合状態で配設している温度センサ１０で検出できる。温度センサ１０は、温度で電気抵抗が変化するサーミスタやＰＴＣである。ただ、温度センサには、電池温度を検出できる全てのもの、たとえば電池から輻射される赤外線を検出して、電池温度を検出する機構も使用できる。図の温度検出回路５は、ひとつの電池１を代表電池として温度を検出するが、各々の電池温度を検出し、あるいは各々の電池モジュールの温度を検出することもできる。各々の電池温度を検出する温度検出回路の制御ユニットは、各々の電池温度の平均値を電池温度とし、あるいは最高温度を電池の温度とし、あるいはまた、各々の電池温度を加重平均して電池温度とすることができる。

制御ユニット２は、演算された内圧が電池１の安全弁の開弁圧力よりも低くなるように充電スイッチング回路８を制御する。すなわち、制御ユニット２は、演算された内圧を充電制御内圧に比較し、演算された内圧が充電制御内圧よりも高くなると、充電を禁止する状態に充電スイッチング回路８を制御し、あるいは充電電流を小さくなるように制御する。充電制御内圧は、制御ユニット２のメモリ（図示せず）にあらかじめ記憶されている。

充電制御内圧は、電池１の充電を禁止する充電禁止内圧と、電池１の充電電流を所定の範囲に小さく制限する充電制限内圧とを設けることができる。充電禁止内圧は、電池１の充電を禁止する状態、すなわち充電電流を遮断する状態である。充電制限内圧は、電池１の充電電流を遮断しないが、充電電流を電池１の内圧が上昇しない程度の小さい電流に制限する状態である。充電制限内圧は、充電禁止内圧よりも低く設定される。充電制限内圧は、たとえば充電禁止内圧の３０〜８０％、好ましくは４０〜７０％とする。さらに、制御ユニット２は、複数の充電制限内圧を記憶して、演算された内圧が、記憶している大きい充電制限内圧よりも高くなるにしたがって、充電電流を小さく制御することもできる。この制御ユニット２は、演算された内圧が高くなるにしたがって、充電電流を小さくして、電池１の内圧上昇を防止できる。さらに、制御ユニット２は、演算された内圧から充電電流の最大値を特定する関数を記憶し、この関数に基づいて、電池１の充電を許容する電流の最大値を制御することもできる。

ただ、制御ユニット２は、充電制御内圧として充電禁止内圧のみを記憶し、演算された内圧が充電禁止内圧を越えると、充電を禁止するように制御することもできる。この制御ユニット２は、簡単な回路構成で、電池１の内圧を安全弁の開弁圧よりも低く保持して充電できる。

さらに、図の制御ユニット２は、電池１の残容量を演算する残容量検出回路９も備える。残容量検出回路９は、充放電の電流から電池１の残容量を演算する。制御ユニット２の制御回路７は、演算回路６で演算される電池１の内圧で充電スイッチング回路８を制御するが、演算回路６で演算される内圧と、残容量検出回路９で検出される残容量の両方で、充電スイッチング回路８を制御することもできる。

残容量検出回路９は、電池１を充放電させる電流を積算して残容量を演算する。電池電圧で残容量を補正し、また、電池１の内圧を検出する演算回路６の出力で演算する残容量を補正する。残容量は、充電容量から放電容量を減算して演算される。充電容量は充電電流を積算して演算され、放電容量は放電電流を積算して演算される。充放電の電流を積算値として演算される残容量は、充放電を繰り返すにしたがって誤差が発生する。全充電電流が電池の充電には使用されないために、充電効率を常に１００％にはできないからである。電池の充電効率は、電池が満充電に近い状態で次第に小さくなる。この状態になると電池の内圧も上昇する。満充電に近付くと、充電電流のエネルギーが、電池の内圧を上昇させるために消費され、いいかえると電池の内部でガスを発生させるために消費されるからである。

満充電に近い電池は、充電電流の一部を内部でガス発生に消費し、その残りが電池の充電に使用される。このことからすると、電池のガス発生が多くなる状態、言いかえると電池の内圧が上昇する状態において、充電電流のエネルギーは内圧に使用される割合が大きくなって、電池の充電に利用される割合が少なくなる。したがって、電池が内圧上昇電圧を越えて充電される充電電流と時間の積算値を検出し、この積算値が高くなると充電効率が低くなるように補正して、より正確に残容量を検出できる。

また、電池１の残容量は、電池電圧で補正することもできる。電池は、満充電されると最高電圧近傍となり、完全に放電されると最低電圧となるので、電池が最高電圧になると満充電されたとして残容量を１００％とし、また最低電圧になると完全に放電されたとして、残容量を０％と判定できるからである。

演算された内圧と残容量の両方で充電スイッチング回路８を制御する制御回路７は、電池１の残容量と、演算された内圧との加重平均値で充電スイッチング回路８を制御する。この制御ユニット２は、残容量の値で、残容量と、演算された内圧とを加重平均する重み（ウェート）を変化させる。図２は、残容量と演算された内圧との重み（ウェート）を示す図である。この図に示すように、残容量が所定量を超える大きい領域では、残容量の重み（ウェート）を大きくし、残容量が所定量に満たない小さい領域では、残容量の重み（ウェート）を小さくする。制御ユニット２は、演算された内圧と残容量の加重平均値を充電制御内圧に比較して、充電状態を制御する。

電池１は、充電スイッチング回路８を介して発電機１１と負荷１２のモーターが接続される。充電スイッチング回路８は、スイッチング素子やリレー等のスイッチで実現される。ただ、ハイブリッドカーは、インバータを介して発電機とモーターを電池に接続するので、インバータで充電スイッチング回路を実現する。インバータが、充電を禁止する状態に制御されて、電池の充電を禁止する状態、実質的には充電スイッチング回路をオフにする状態に制御できるからである。

電池１は、回生制動により、あるいはエンジンで回転される発電機１１で充電される。また、負荷１２であるモーターに電力を供給して放電される。

電池１は、特定の条件で充電されると、内部でガスが発生して内圧が上昇する。すなわち、本発明の充電制御方法は、通常充電時もしくは過充電時に、ガスの発生を伴う電池であれば特に電池種を問わない。この電池１は、内圧が設定圧力よりも高くなると、電池１に内蔵される安全弁が開弁して、ガスや電解液を排出するので、制御ユニット２は、安全弁が開弁しないように、充電スイッチング回路８を制御する。

制御ユニット２は、充電している電池１の温度と電圧と充電電流を検出して、充電電流と電圧から電池１の内圧を検出する。制御ユニット２が、電池１の温度と電圧と充電電流から、内圧を検出する原理を図３と図４に示す。

図３は、電池を所定の充電電流で充電するときに、電池の電圧と内圧が上昇するカーブを示すグラフである。この図は、横軸を電池電圧、縦軸を電池の内圧としている。この図は、電池を所定の電流で充電するとき、電池電圧が特定の電圧よりも高くなると、内圧が急激に上昇することを示す。この図において、電池の内圧が上昇を開始する電圧を内圧上昇電圧とする。

図４は、図３から作製されるもので、横軸を充電電流、縦軸を内圧上昇電圧とするグラフである。この図は、内圧上昇電圧を特定する内圧上昇電圧特定関数が、電流の関数として表すことができることを示す。この図は、内圧上昇電圧特定関数が電流の一次関数に近似することを示す。この図において、内圧上昇電圧特定関数Ａは電池温度を４０℃、内圧上昇電圧特定関数Ｂは電池温度を２０℃、内圧上昇電圧特定関数Ｃは電池温度を０℃とする内圧上昇電圧を示している。この図に示すように、電池の内圧上昇電圧は、温度により変化するので、温度を考慮して内圧を検出してより正確に電池の内圧を検出できる。ただ、電池の温度を常温として、温度を検出することなく、電池の内圧を検出することもできる。

さらに、内圧上昇電圧は、時間の関数として変化させることもできる。ここで言う時間とは、電池の寿命時間のことである。電池は、寿命初期に比較して寿命末期の方が内部においてガス発生しやすく、内圧上昇が起こりやすくなる。すなわち、電池の内圧上昇電圧は、電池寿命によっても変化する。したがって、制御ユニットは、メモリ（図示せず）に電池寿命に対応する変換表もしくは変換式を記憶して、時間の関数として内圧上昇電圧を変化させることができる。たとえば、制御ユニットは、寿命初期、寿命中期、寿命末期に対する変換率をテーブルに記憶し、電池の寿命に対応させて内圧上昇電圧を変化させることができる。この場合、寿命初期〜寿命中期、寿命中期〜寿命末期における変換率は、寿命初期、寿命中期、寿命末期に対応する変換率を直線的に補間して求めることができる。電池の寿命を判定する時間は、出荷してからのトータルの使用時間とすることができる。ただ、電池寿命を判定する時間は、充放電されたトータル時間とすることもできる。このように、内圧上昇電圧を時間の関数として変化させて求める方法は、より正確に電池の内圧を演算できる。

図４は、充電される電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を示すので、電池はこの内圧上昇電圧よりも高い電圧で充電されるときに、内圧が上昇し、内圧上昇電圧よりも低い電圧で充電されるときには、内圧が上昇しない。

電池の内圧が上昇する程度は、内圧上昇電圧を越えて充電される電池の充電電流の積算値により変化する。この積算値が大きくなるにしたがって、電池の内圧は次第に上昇する。図５は、この積算値により電池の内圧が上昇する状態を示すグラフである。この図は、横軸を時間とし、縦軸には、電池を充放電させる電流と、電池の電圧と、電池の内圧とを示している。この図において、曲線Ａは電池を充放電する電流を示し、曲線Ｂは電池の電圧を示し、曲線Ｃは、内圧上昇電圧を越えて充電される電流の積算値から演算される電池の内圧を示している。さらに、この図において、鎖線Ｄは、内圧上昇電圧を示している。電池の内圧は、内圧上昇電圧を越えて充電される電流の積算値と変換係数の積で演算される。変換係数は、内圧を検出する歪みゲージや圧力センサーを内蔵する電池内圧測定装置において、試作した電池の内圧を圧力センサーで検出すると共に、内圧上昇電圧を越えて充電される電流の積算値を検出し、検出された積算値と圧力センサーの検出圧力から特定される。充電制御内圧が数ＭＰａであるなら、変換係数は、たとえば１〜９×１０^−４ＭＰａ／Ａｓとする。

電池の内圧は、内圧上昇電圧を越えて充電されるときに次第に上昇し、電池の充電を停止し、あるいは放電するときには、次第に低下する。したがって、電池の充電を停止し、あるいは放電するときに、演算された内圧を次第に低下させる。

図６は、電池の内圧が低下する特性の一例を示す。電池は温度により、内圧が低下する割合が異なる。この図において、曲線Ａ、Ｂ、Ｃは、温度を−２０℃、０℃、５０℃とする電池の内圧が低下する内圧低下関数を示している。この図に示す内圧低下関数から、電池の内圧が低下する状態は、電池の温度と時間の関数として演算できる。電池の内圧が減少する割合は、電池の温度により変化するので、内圧低下関数は、電池の温度と、時間の関数となる。内圧低下関数は、現実の電池で測定して特定される。たとえば、電池の内圧低下関数（ｙ）は、以下の関数で近似して低下する。
ｙ＝ａ×Ｌｎ（ｔ＋ｂ）＋ｃ
ただし、この式において、ａ、ｂ、ｃは温度により特定される定数である。

図６に示すように、電池は温度で内圧の低下量が特定される。したがって、内圧上昇電圧を越えて充電される電流の積算値から演算される電池の内圧は、電池の充電を休止し、あるいは電池を放電させる状態（＝電池が充電されない状態）では、次第に低下される。内圧が低下する割合は、温度の関数として演算されるので、電池温度に基づいて内圧を低下させる。

以上の電池の充電制御方法は、民生用電池でよく使用される定電流充電や定電流−定電圧充電、定電力充電のみでなく、ハイブリッドカーで使用されるような急速大電流充放電を頻繁に繰り返し、電流値が可変なパルス充放電パターンにおいても使用できる。

図７と図８は、図１の制御ユニット２が、電池１の温度と電圧と充電電流から内圧を演算して充電スイッチング回路８をコントロールするフローチャートを示す。
図７のフローチャートは、以下のステップで電池１の充電電流をコントロールして、電池１の内圧を安全弁の開弁圧よりも低くコントロールする。
［ｎ＝１のステップ］
制御ユニット２は、このステップで電池１を充電しているかどうかを判定する。電池１を充電しているかどうかは、電流検出回路４でもって電池１に流れる電流の方向を検出して検出できる。

［ｎ＝２、３のステップ］
電池１を充電していないと判定されると、充電していない時間、すなわち電池１を放電している時間、または電池１の充電を休止している時間を検出して、電池１の内圧を低下させる。電池１の内圧が０のときは内圧を低下させない。電池１の内圧が低下する割合は、図６に示すように、電池温度により変化するので、このステップにおいて、あるいはこのステップの前のステップにおいて、電池１の温度が測定される。測定された電池１の温度から、電池１の内圧が時間と共に低下する割合を示す内圧低下関数に基づいて内圧の低下を演算する。内圧が低下する内圧低下関数は、予め現実の電池の内圧が低下する状態を測定して、制御ユニット２のメモリ（図示せず）に記憶される。電池１の内圧の低下は、内圧低下関数によらず、温度と時間から特定される内圧としてテーブルに記憶し、テーブルから内圧の低下を検出することもできる。

［ｎ＝４のステップ］
電池１が充電していると判定されると、このステップで充電している電池１の電圧が内圧上昇電圧よりも高いかどうかを判定する。内圧上昇電圧は、図３に示すように、電池１の温度と電流により変化する。したがって、制御ユニット２は、温度と電流を関数として内圧上昇電圧を演算するための内圧上昇電圧特定関数をメモリに記憶しており、この内圧上昇電圧特定関数から、電池１の電圧が内圧上昇電圧よりも高いかどうかを判定する。ただ、制御ユニットは、温度と電流から内圧上昇電圧を特定するテーブルをメモリに記憶し、このテーブルに基づいて、電池の電圧が内圧上昇電圧よりも高いかどうかを判定することもできる。
［ｎ＝５のステップ］
充電している電池１の電圧が内圧上昇電圧よりも高くない、言いかえると内圧上昇電圧以下であると、このステップにおいて充電電流を積算しない。

［ｎ＝６のステップ］
充電している電池１の電圧が内圧上昇電圧よりも高いと、このステップにおいて、内圧上昇電圧を越えて充電される電流と時間を積算する。すなわち、内圧上昇電圧を越えている時間と充電電流の積を演算する。演算された積算値は、前の積算値があればこれに加算される。
［ｎ＝７のステップ］
演算された積算値に変換係数を掛けて、すなわち積算値と変換係数の積から、電池の内圧を演算する。

［ｎ＝８のステップ］
演算された内圧を、充電禁止内圧に比較する。充電禁止内圧は、安全弁の開弁圧力よりも低く設定される圧力であって、あらかじめ制御ユニット２のメモリに記憶される。たとえば、充電禁止内圧は、安全弁の開弁圧力の３０〜９０％、好ましくは４０〜８０％、さらに好ましくは４０〜７０％に設定される。演算された内圧が充電禁止内圧よりも低いと、ｎ＝１のステップにループする。

このステップは、電池１の演算された内圧と残容量の両方から加重平均値を検出し、この加重平均値を充電制御内圧に比較することもできる。

［ｎ＝９のステップ］
演算された内圧、あるいは加重平均値が充電禁止内圧よりも高いと、制御ユニット２は、充電スイッチング回路８を、充電を禁止する状態とし、充電を休止して、放電のみできる状態とする。充電スイッチング回路８は、スイッチング素子やリレー等のスイッチとし、これをオフにして充電を禁止する状態にできる。ただ、ハイブリッドカーは、電池と発電機との間にインバータを接続しているので、このインバータを、充電を禁止する状態に制御して、電池の充電を休止する状態にできる。充電を禁止する状態のインバータは、充電電流を遮断するが、放電できるように制御される。

図８のフローチャートは、以下のステップで電池１の充電電流をコントロールして、電池１の内圧を安全弁の開弁圧よりも低くコントロールする。
［ｎ＝１のステップ］
制御ユニット２は、このステップで電池１を充電しているかどうかを判定する。電池１を充電しているかどうかは、電流検出回路４でもって電池１に流れる電流の方向を検出して検出できる。

［ｎ＝２、３のステップ］
電池１を充電していないと判定されると、充電していない時間、すなわち電池１を放電している時間、または電池１の充電を休止している時間を検出して、電池１の内圧を低下させる。電池１の内圧が０のときは内圧を低下させない。電池１の内圧の低下は、前述のように、測定された電池１の温度から、電池１の内圧が時間と共に低下する割合を示す内圧低下関数に基づいて演算する。電池１の内圧の低下は、内圧低下関数によらず、温度と時間から特定される内圧として記憶されるテーブルから検出することもできる。

［ｎ＝４、５のステップ］
電池１が充電していると判定されると、ｎ＝４ステップで、充電している電池の電圧、充電電流、温度を検出する。さらに、ｎ＝５のステップにおいて、検出した電池電圧、充電電流、温度から０Ａ時の電圧Ｘを演算する。
内圧上昇電圧と充電電流の関係は、図４に示すように、温度によって勾配が決定される一次関数として表すことができる。すなわち、温度が検出されると、内圧上昇電圧と充電電流の関係を特定する一次関数の勾配を求めることができる。制御ユニット２は、温度から内圧上昇電圧と充電電流の関係を示す一次関数の勾配を特定する関数またはテーブルをメモリに記憶し、この関数またはテーブルに基づいて、検出した温度から内圧上昇電圧と充電電流の関係を特定する一次関数の勾配を特定する。
勾配が決定された一次関数に検出された電池電圧と充電電流とを代入して、この一次関数の切片を演算する。図４に示すグラフは、横軸を充電電流としているので、演算される切片の値は、０Ａ時の電圧に相当する。以上のようにして、検出した電池電圧、充電電流、温度から０Ａ時の電圧Ｘを演算する。

［ｎ＝６のステップ］
ｎ＝５のステップで求めた０Ａ時の電圧Ｘが、０Ａ時の内圧上昇電圧よりも高いかどうかを判定する。０Ａ時の内圧上昇電圧は、制御ユニット２のメモリに記憶される、温度と電流の関数である内圧上昇電圧特定関数から求めることができる。ただ、制御ユニットは、０Ａ時の内圧上昇電圧を温度と電流から特定するテーブルをメモリに記憶し、このテーブルに基づいて、０Ａ時の電圧が、０Ａ時の内圧上昇電圧よりも高いかどうかを判定することもできる。
［ｎ＝７のステップ］
０Ａ時の電圧Ｘが０Ａ時の内圧上昇電圧よりも高くない、言いかえると０Ａ時の内圧上昇電圧以下であると、このステップにおいて充電電流を積算しない。

［ｎ＝８のステップ］
充電している電池１の０Ａ時の電圧Ｘが０Ａ時の内圧上昇電圧よりも高いと、このステップにおいて、内圧上昇電圧を越えて充電される電流と時間を積算する。すなわち、内圧上昇電圧を越えている時間と充電電流の積を演算する。演算された積算値は、前の積算値があればこれに加算される。
［ｎ＝９のステップ］
演算された積算値に変換係数を掛けて、すなわち積算値と変換係数の積から、電池の内圧を演算する。

［ｎ＝１０のステップ］
演算された内圧を、充電禁止内圧に比較する。充電禁止内圧は、安全弁の開弁圧力よりも低く設定される圧力であって、あらかじめ制御ユニット２のメモリに記憶される。たとえば、充電禁止内圧は、安全弁の開弁圧力の３０〜９０％、好ましくは４０〜８０％、さらに好ましくは４０〜７０％に設定される。演算された内圧が充電禁止内圧よりも低いと、ｎ＝１のステップにループする。

このステップは、電池１の演算された内圧と残容量の両方から加重平均値を検出し、この加重平均値を充電制御内圧に比較することもできる。

［ｎ＝１１のステップ］
演算された内圧、あるいは加重平均値が充電禁止内圧よりも高いと、制御ユニット２は充電スイッチング回路８を充電を禁止する状態とし、充電を休止して、放電のみできる状態とする。充電スイッチング回路８は、スイッチング素子やリレー等のスイッチとし、これをオフにして充電を禁止する状態にできる。ただ、ハイブリッドカーは、電池と発電機との間にインバータを接続しているので、このインバータを充電を禁止する状態に制御して、電池の充電を休止する状態にできる。充電を禁止する状態のインバータは、充電電流を遮断するが、放電できるように制御される。

以上の電池の充電制御方法は、各々の電池モジュール単位で電池の内圧を演算し、あるいは各々の電池単位で内圧を演算し、演算された最高の内圧を充電制御内圧に比較し、最高内圧が充電制御内圧よりも高くなると、電池の充電を禁止し、あるいは充電電流を小さくするように制御する。また、全ての電池を１ブロックとして電池の内圧を演算して検出し、演算された内圧を充電制御内圧に比較して充電電流を制御することもできる。

各々の電池単位又は電池モジュール単位で電池の内圧を検出する方法は、演算された内圧から電池の寿命を判定することができる。それは、寿命が尽きて電気特性の低下した電池は、他の電池に比較して内圧が上昇しやすいので、寿命の尽きた電池は、同じ電流で充放電されても、演算された内圧が充電制御内圧を越える確率が高くなるからである。したがって、特定の期間において特定の回数以上、演算された内圧が充電制御内圧を越える電池や電池モジュールは、寿命が尽きたと判定できる。

本発明の一実施例にかかる電池の充電制御方法で電池の充電を制御する回路の一例を示す回路図である。 制御回路が充電スイッチング回路を制御する重みを示す図である。 電池電圧と内圧上昇の特性を示すグラフである。 充電電流と内圧上昇電圧の特性を示すグラフである。 内圧上昇電圧を越えて充電される電池の内圧が上昇する状態を示すグラフである。 電池の内圧が低下する特性を示すグラフである。 電池の温度と電圧と充電電流から内圧を演算して電池の充電を制御する一例を示すフローチャートである。 電池の温度と電圧と充電電流から内圧を演算して電池の充電を制御する他の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…制御ユニット
３…電圧検出回路
４…電流検出回路
５…温度検出回路
６…演算回路
７…制御回路
８…充電スイッチング回路
９…残容量検出回路
１０…温度センサ
１１…発電機
１２…負荷R

Claims (14)

1. 充電している電池の電圧と充電電流を検出して、充電電流と電圧から電池の内圧を検出する方法であって、
   電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を充電電流に基づいて特定し、充電している電池電圧が内圧上昇電圧を越えて充電される内圧上昇充電において、充電電流と時間を積算し、この積算値から電池の内圧を演算し、演算された電池の内圧で電池の充電状態をコントロールする電池の充電制御方法。
2. 充電している電池の温度と電圧と充電電流を検出して、電池温度と充電電流と電圧から電池の内圧を検出する方法であって、
   電池の内圧が上昇を開始する内圧上昇電圧を温度と充電電流に基づいて特定し、充電している電池電圧が内圧上昇電圧を越えて充電される内圧上昇充電において、充電電流と時間を積算し、この積算値から電池の内圧を演算し、演算された電池の内圧で電池の充電状態をコントロールする電池の充電制御方法。
3. 安全弁を備える電池の内圧を演算して検出すると共に、演算された電池の内圧が安全弁の開弁圧よりも低くなるように、電池の充電状態をコントロールする請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
4. 電流と電圧から内圧上昇電圧を特定する内圧上昇電圧特定関数を検出し、充電している電池の電圧と電流を内圧上昇特定関数に比較し、電圧が内圧上昇電圧よりも高いときに、内圧上昇充電として、充電電流と時間を積算する請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
5. 電池が充電されない状態においては、時間が経過するにしたがって検出された内圧を所定の減少率で減少させる請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
6. 内圧の減少率を温度で変化させる請求項５に記載される電池の充電制御方法。
7. 電池が充電され、かつ内圧上昇電圧を越えない状態においては、演算された電池の内圧は加算も減算もさせない請求項１または２に記載される電池の充電制御方法。
8. 内圧上昇電圧を時間の関数として変化させる請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
9. 電池の充放電電流から残容量を演算して、残容量と演算された内圧の加重平均値で充電スイッチをコントロールすると共に、残容量の値で、残容量と演算された内圧を加重平均する重み（ウェート）を変化させる請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
10. 同時に充放電される複数の電池の電圧と充電電流を検出し、特定の電池電圧と充電電流から演算された内圧で全ての電池の充電電流をコントロールする請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
11. 同時に充放電される複数の電池の電圧と充電電流を検出し、各々の電池電圧と充電電流から各々の電池の内圧を演算し、演算された内圧から電池の寿命を判定する請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
12. 内圧上昇電圧を越えて充電される充電電流と時間の積算値で、充放電の電流を積算して演算される残容量を補正する請求項１又は２に記載される電池の充電制御方法。
13. 電池が電動車両の駆動用電源である請求項１ないし１２のいずれかに記載される電池の充電制御方法。
14. 電池が電動車両の駆動用電源であって、通常充電時もしくは過充電時にガス発生を伴う電池である請求項１ないし１２のいずれかに記載される電池の充電制御方法。
    

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