JP5678915B2 - バッテリ充電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ充電制御装置に関する。

従来、自動車等に搭載されるバッテリは、セルと呼ばれる単一の二次電池が複数直列に接続されて構成されており、所望する電圧に応じてセルを複数接続して電池モジュールが形成されている。

バッテリの充電は、例えばエンジンからの動力により発電するオルタネータによってエンジン運転中に充電がされる。また、近年、低公害や省エネルギの観点から普及してきた電気自動車においては、車両駆動用のモータからの回生エネルギを利用して充電がされる。

これらのバッテリの充電制御は、通常バッテリ充電制御装置によって行われる。このバッテリ充電制御装置は、主に複数のセルで構成されるバッテリ端子の端子間電圧を計測して、測定された電圧値に基づいてバッテリの残存容量を演算し、その残存容量が所定の範囲内に納まるようにバッテリの充放電を制御する。

バッテリ充電制御装置は、バッテリの電圧が所定の電圧を下回ってバッテリの残存容量が所定の範囲よりも低下したことを検出した場合には、バッテリに対して充電を行う。一方、バッテリの電圧が所定の電圧を上回ってバッテリの残存容量が所定の範囲に達したことを検出した場合には、バッテリの過充電を防止するために、充電を停止する。

ところで、充電対象のバッテリは上記の通り、複数のセルが直列接続されて構成されているため、いずれかのセルに内部短絡の不具合が発生すると、各セルの間に残存容量のバラツキが生じてしまう。また、いずれかのセルに内部短絡の不具合が発生すると、バッテリ全体の電圧が低下するが、この電圧低下が、内部短絡発生による電圧低下なのか、バッテリの容量不足による電圧降下なのかを端子間の電圧値の高低のみで区別することは難しい。

このため、もし内部短絡による電圧降下が発生している場合に充電を続けてしまうと、一部のセルを過充電してしまうという問題があった。

特許文献１（特開２０１０−２１８９７６）には、バッテリの電池モジュール内の短絡による異常を判定するために、バッテリの残容量がバッテリの放電を禁止すべき所定量以上のときには、バッテリの放電中において複数の電池モジュールのうちの任意の１つの電池モジュールの電圧と残余の電池モジュールの電圧との電圧差が所定電圧以上のときに電池モジュール内に短絡による異常が生じていると判定するバッテリの異常判定方法が記載されている。

特許文献２（特開２００６−０５０７８４）には、セルのばらつきに応じた充電状態の制御を行う組電池充電状態制御装置が記載されている。

特開２０１０−２１８９７６号公報 特開２００６−０５０７８４号公報

しかし、上記特許文献１に記載のバッテリの異常判定方法、及び、特許文献２に記載の充電状態制御装置では、各セルの電圧を別個に測定する測定手段が必要であり、測定部品点数の増加により、バッテリ充電制御装置のコストが上昇してしまうという不具合があった。また、バッテリ自体にも各セルの電圧を測定するための特別な構造が要求され、バッテリのコストが上昇してしまうという不具合があった。

そこで、本発明は、上記バッテリ充電制御装置における問題点に鑑みてなされたものであり、各セルの個別の電圧を測定しなくてもセルの内部短絡を検出して、バッテリの過充電を防止することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明におけるバッテリ充電制御装置は、直列接続される２以上の整数であるＮ個の二次電池のセルからなるバッテリのバッテリ電圧を測定して、測定されたバッテリ電圧に応じて、前記バッテリの充電電圧の指示を出力するバッテリ制御部と、前記バッテリ制御部からの前記指示に応じて、前記バッテリの充電電圧を調整して前記バッテリを充電する充電電圧調整部と、を備え、前記バッテリ制御部は、測定されたバッテリ電圧が第一の電圧値より低い場合には前記充電電圧調整部に充電電圧を（（Ｎ−１）／Ｎ）倍として指示して前記バッテリを所定の期間充電させ、所定の期間経過後に再度バッテリ電圧を測定し、測定されたバッテリ電圧が第二の電圧値より低い場合には、充電電圧を（（Ｎ−１）／Ｎ）倍として指示する。

本発明の実施形態によれば、各セルの個別の電圧を測定しなくてもセルの内部短絡を検出して、バッテリの過充電を防止することが可能となる。これにより、充電制御装置、及びバッテリのコスト上昇を抑えることができる。

本発明のバッテリ充電制御装置の構成を説明したブロック図である。 バッテリの内部構造を説明した図である。 電圧調整装置の構成の詳細を説明したブロック図である。 バッテリ充電制御装置の動作を説明したフローチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明のバッテリ充電制御装置の構成を説明したブロック図を示す一例である。

図１において、バッテリ充電制御装置１は、電圧調整装置２０、バッテリ制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備え、バッテリ１０、電気負荷６０が接続される。

バッテリ制御ＥＣＵ３０はバッテリ１０の端子間電圧を常時測定する。また、バッテリ制御ＥＣＵ３０は、電圧調整装置２０に対して充電電圧指示を出力する。

電圧調整装置２０は、バッテリ制御ＥＣＵ３０からの充電電圧指示により、バッテリ１０、及び電気負荷６０に所定の電圧にて直流出力を供給する。

接続される電気負荷６０は、例えば前照灯、空調装置、電気自動車における車両駆動用のモータ等である。

図２は、バッテリ１０の内部構造を説明した図の一例である。

図２においては、バッテリ１０は二次電池であるセル（Ｍ１〜Ｍ６）が６つ直列に接続されて構成されている。このセルの数は所望する電圧に応じて選択される。例えば、単位セルの公称電圧が２［Ｖ］である場合、６つのセルを直列に接続すると、バッテリの端子間の公称電圧は２［Ｖ］＊６＝１２［Ｖ］となる。電圧測定はバッテリ１０の端子間電圧を測定することにより行われる。

一般的にバッテリの端子間電圧は無負荷状態では、満充電に近い状態で公称電圧よりやや高めの電圧値を示し、公称電圧が１２［Ｖ］のバッテリにおいては、１２．８［Ｖ］程度の電圧となる。このため、公称電圧が１２［Ｖ］のバッテリを満充電するための充電電圧は、１２．８［Ｖ］よりも高く設定する必要がある。

ここで充電電圧が１２．８［Ｖ］に近いと充電に多くの時間を要する一方、充電電圧が高過ぎると発熱や水素ガスの発生等の副反応も大きくなる。このため、副反応を押さえつつバッテリを充電する電圧を通常充電電圧として設定している。この充電電圧は、例えば、１３．８［Ｖ］〜１６．５［Ｖ］程度に設定する。なお、バッテリの充電を行うオルタネータの発電電圧は、エンジン回転数によって変動するが、ここでは１５［Ｖ］を通常充電電圧とする。

バッテリは満充電になると、それ以上に供給された電気エネルギは、副反応にのみに使用される過充電状態となる。過充電はバッテリの電極等にダメージを与えてバッテリの寿命を短くしてしまう。

バッテリ１０の放電が進んだ場合には端子間電圧は公称電圧より低い電圧値を示す。通常は、端子間電圧が回復するまで通常充電電圧により充電が継続される。

一方、バッテリは各セル（Ｍ１〜Ｍ６）の内部に正極と負極とからなる極板を有しており、この極板の腐食や剥離、あるは不純物の混入により内部短絡が発生した場合においてもバッテリの容量が低下して、端子間電圧が低くなる。バッテリ１０の端子間電圧が低い原因は上記の通り、過放電である場合と内部短絡の場合とが想定される。

次に、図１における電圧調整装置２０の構成を図３によって説明する。

図３は、電圧調整装置２０の構成の詳細を説明したブロック図の一例である。

図３（ａ）は、電圧調整装置２０がＤＣ−ＤＣコンバータ２０ａの場合の実施形態である。

図３（ａ）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０ａは、入力された直流をスイッチング素子にてスイッチングしてＤＣ−ＤＣの電圧変換を行う。この時にスイッチング周波数を高くすると実効電圧が上昇して直流出力の電圧が上昇し、スイッチング周波数を低くすると実効電圧が低下して直流出力の電圧が降下する。このスイッチング周波数は図１のバッテリ制御ＥＣＵ３０からの充電電圧指示によって決定される。

充電電圧指示は、例えば、０−５［Ｖ］等の所定の範囲内の電圧値で指示される。

充電電圧指示の電圧値に対応して直流出力の電圧値を直線的に変化させるようにスイッチング周波数を制御する場合は次のような制御となる。

５［Ｖ］の充電電圧指示に対しては、１５［Ｖ］の通常の直流出力とする。また、２．５［Ｖ］の充電電圧指示に対しては、１５＊１／２＝７．５［Ｖ］の直流出力とする。さらに、０［Ｖ］の充電電圧指示に対しては直流出力をせずに、充電を停止する制御を行う。

また、充電電圧指示は、複数の制御線の組み合わせによるビット値で指示しても良い。この場合、例えば２本の制御線では、ｏｎ／ｏｆｆの組み合わせにて、（００）、（０１）、（１０）、（１１）の４種類の電圧の指示が可能となる。

上記説明ではＤＣ−ＤＣコンバータ２０ａのスイッチング周波数によって直流出力の電圧値を変換する動作を説明したが、直流入力をそのまま直流出力できる場合は、直流入力の電圧値をスイッチングによる電圧調整なしにそのまま直流出力としても良い。この動作についても充電電圧指示によって指示できる。例えば、充電電圧指示が０［Ｖ］である場合に、先の例で充電停止とする代わりに、電圧変換無しでの直流入力そのままの直流出力としても良い。これにより、バッテリ制御ＥＣＵ３０、あるいは充電電圧指示を入力する制御線に何らかの異常が発生して充電電圧指示が入力されない場合であっても、通常のバッテリ充電が可能となる。また、スイッチング回路による無駄なエネルギの損出を防止することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０ａにはオルタネータ４０、あるいはモータ回生回路５０が接続される。オルタネータ４０やモータ回生回路５０は、直流入力の例示である。従って、図示しないこれら以外の直流入力であっても良い。また、オルタネータ４０、あるいはモータ回生回路５０のいずれか一方の入力でも良いし、両方からの入力でも良い。

オルタネータ４０は、図示しないエンジンからの回転力がプーリとベルトにて伝達されて発電する。この動力は、例えば電磁クラッチ等により回転力が伝達／遮断されるようにしても良い。オルタネータ４０は内部に交流発電回路、整流回路、さらには電圧を調整するＩＣレギュレータを内蔵する汎用のオルタネータが利用できる。

また、モータ回生回路５０は、電気自動車等に使用される車両駆動用のモータの回生エネルギを供給している。モータは回生運転を行うことにより、車両の運動エネルギを回生電力に変換する。この電力をバッテリに充電することにより省エネ運転が可能となる。電気自動車等に使用されるバッテリは、リチウムイオン電池等が使用されるが、本発明は充電電圧を設定できるので、様々な種類のバッテリで実施が可能である。

オルタネータ４０で発電された、あるいはモータ回生回路５０から回生された直流はＤＣ−ＤＣコンバータに入力されて、充電電圧指示に従って所定の電圧に変換されて直流出力として、図１のバッテリ１０や電気負荷６０に供給される。

オルタネータ４０やモータ回生回路５０からの直流入力は運転状態によってその電流や電圧が変化する。例えば、オルタネータはエンジンの回転数がアイドリング程度に低いと発電量が少なく、バッテリを充電するだけの十分な電力が供給されない。また、モータからの回生電力も、車両がモータによって制動される回生サイクルにならないと供給されない。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０ａは、オルタネータ４０等から入力される電圧をモニタして、電圧が低い場合には充電をしないようにしても良い。

図３（ｂ）は、電圧調整装置２０がオルタネータ２０ｂの場合の実施形態である。

図３（ｂ）において、オルタネータ２０ｂは、発電・整流部２０１、ＩＣレギュレータ２０２を備える。

ここで、オルタネータ２０ｂと、図３（ａ）で説明したオルタネータ４０との差異を説明する。オルタネータ内部に、交流発電回路、整流回路、さらには電圧を調整するＩＣレギュレータを内蔵しているのは両者同じである。しかし、オルタネータ４０のＩＣレギュレータが出力電圧を規定の範囲内に保つように電圧制御を行うのに対して、オルタネータ２０ｂのＩＣレギュレータ２０２はバッテリ制御ＥＣＵ３０から入力される充電電圧指示に従ってスイッチング周波数を変えて指定された出力電圧とする点で動作が異なる。つまり、ＩＣレギュレータ２０２は、発電・清流部２０１からの直流入力の電圧を、所望の電圧に変換して直流出力とする機能において、図３（ａ）で説明したＤＣ−ＤＣコンバータ２０ａと同じ機能を備えることになる。図３（ｂ）の実施形態では、直流−直流変換の機能を一つにまとめることにより、図３（ａ）の実施形態に比べて部品点数の削減が可能となり、コストが低減できる。
［バッテリの過充電の防止］
次に本発明におけるバッテリの過充電防止の具体的な方法について説明する。

バッテリの充電は、前述の通り、過電圧による発熱や水素ガス発生等の副反応を押さえつつ満充電を得るために、満充電の電圧よりやや高めの充電電圧で充電がされる。この電圧を「通常充電電圧Ｖａ」とする。

セルに内部短絡などの不具合が発生するとその充電容量が減少するため、通常充電電圧で充電すると過充電となってしまう。

そこで、本発明は、バッテリのセル数をＮとしたときに、過充電を防止するために（Ｎ−１）セル分の充電電圧でバッテリの充電を行う。この充電電圧を「過充電防止電圧Ｖｂ」とする。

過充電防止電圧Ｖｂは、以下の式で求められる。

Ｖｂ＝Ｖａ＊（Ｎ−１）／Ｎ・・・・・・（１）
例えば、公称電圧が１２Ｖのバッテリの通常充電電圧Ｖａを１５［Ｖ］とすると、セル数が６のバッテリの場合、過充電防止電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝１５＊（６−１）／６＝１２．５［Ｖ］
となる。

次に、上記で説明した過充電防止電圧Ｖｂによるバッテリ充電制御装置１の制御動作を図４のフローチャートに基づき説明する。

図４は、バッテリ充電制御装置の動作を説明したフローチャートの一例である。

図４において、先ず、バッテリ制御ＥＣＵ３０は充電前のバッテリ電圧（Ｖ１）の電圧測定を行う（Ｓ１１）。

次に、測定電圧Ｖ１が１０［Ｖ］未満かを判断する（Ｓ１２）。

ここで、公称電圧が１２［Ｖ］のバッテリにおいて、測定電圧が１０［Ｖ］未満であるということは、過放電の状態であるか、あるいは、セルの内部短絡等による容量低下である可能性がある。

Ｓ１２にて、Ｖ１が１０［Ｖ］以上である場合には、バッテリ制御ＥＣＵ３０は、電圧調整装置２０に対して、充電電圧を通常充電電圧Ｖａに設定するように充電電圧指示を出力する（Ｓ１４）。本実施例では、Ｖａ＝１５［Ｖ］としている。

また、Ｖａについて、図３（ａ）、及び図3（ｂ）で説明した直流入力が公称電圧の１２［V］よりも高い場合には、電圧調整装置２０は、充電電圧指示に対応して直流入力の電圧変換無しにそのまま直流出力とすることもできる。つまり、Ｖａは固定値であっても変動値であっても良い。

Ｓ１２にて、Ｖ１が１０［Ｖ］未満である場合には、充電電圧を過充電防止電圧Ｖｂに設定する。本実施例では、Ｖａ＝１５［Ｖ］の時には、上記（１）式の計算の通り、Ｖｂ＝１２．５［Ｖ］である。

次に、一定時間が経過したかを判断して（Ｓ１５）、Ｓ１３又はＳ１４にて設定した充電電圧にて一定時間バッテリ１０の充電を行う。この充電時間は、バッテリが過放電状態から回復する程度の時間が設定される。充電時間は固定の時間でも良いし、Ｖ１の値に基づき、電圧が低い場合には充電時間を長くし、あるいは電圧が高い場合に充電時間を短くするような可変の時間でも良い。

一定時間経過後、バッテリ制御ＥＣＵ３０は、電圧調整装置２０に対して、充電電圧指示により、充電の一旦停止を指示して（Ｓ１６）、再度バッテリの電圧測定を行う（Ｓ１７）。ここで再度測定された電圧をＶ２とする。

Ｓ１６にて充電を一旦停止するのは、前述の通り、オルタネータ４０等からの直流入力はエンジン回転数等により常に変動するために、電圧調整装置からの直流出力の影響を排除してバッテリの端子電圧を正確に測定するためである。

次に、Ｖ２が１１［Ｖ］以上であるか否かを判断する（Ｓ１８）。

前述の通り、公称電圧が１２［Ｖ］のバッテリの満充電における端子間電圧は１２．８［Ｖ］程度であるため、もし１つのセルが短絡した状態で他のセルが満充電の場合は、１２．８［Ｖ］＊５／６＝１０．７［Ｖ］程度の端子間電圧Ｖ２が測定されるはずである。したがって、Ｖ２が１１［Ｖ］以上である場合にはセルの内部短絡の発生はなく、過放電が原因の電圧低下であったことが推定される。その場合は、充電電圧を通常充電電圧Ｖａに設定する（Ｓ１９）。

一方、Ｓ１８にて、Ｖ２が１１［Ｖ］未満の場合はセルの内部短絡が推定される。この場合、充電電圧を過充電防止電圧Ｖｂに設定して（Ｓ２０）過充電を防止する。

なお、Ｓ２０にてセルの短絡が推定されて充電電圧が設定された場合には、バッテリ制御ＥＣＵは、図示しない自動車のインストルメント・パネルにバッテリ異常の警告を表示してもよい。

以上の説明においてはバッテリの温度の影響を考慮していないが、バッテリは温度が低いと電圧が低下する場合があるので、別途バッテリの温度を測定する手段を設けて、バッテリ温度により測定電圧の補正を行っても良い。

また、バッテリは使用状態によって劣化が進み、バッテリ容量も低下してくるため、Ｖ１、及びＶ２の測定、さらにはＶａ及びＶｂの設定は、それぞれを補正してバッテリの充電制御を行っても良い。

また、以上の説明では、一つのセルが内部短絡したかを検出して充電電圧を下げる場合を説明してきた。ここで、一つのセルの内部短絡を検出した場合に、次に、（Ｎ―２）セル分における電圧測定を行うことにより、２個のセルの内部短絡の検出が可能となる。その場合には、（Ｎ−２）セル分の充電電圧とすることで過充電の防止をさらに行うことができる。さらに、（Ｎ−ｎ）セル分における電圧測定により、ｎ個のセルの内部短絡の検出が可能となる。

なお、セルの内部が完全に短絡している場合には、上述の通り、そのセルは電圧０［Ｖ］になるとして扱ってきた。しかし、極板の剥離等の場合には、必ずしもそのセルの電圧が０［Ｖ］になるとは限らないため、その場合は、電圧の測定と電圧制御を、セル単位での電圧幅で行う代わりに、さらに小さな電圧幅で行うこともできる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ バッテリ充電制御装置
１０ バッテリ
２０ 電圧調整装置
２０ａ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２０ｂ オルタネータ
３０ バッテリ制御ＥＣＵ
４０ オルタネータ
５０ モータ回生回路
６０ 電気負荷
２０１ 発電・整流部
２０２ ＩＣレギュレータ

Claims (1)

1. 直列接続される２以上の整数であるＮ個の二次電池のセルからなるバッテリのバッテリ電圧を測定して、測定されたバッテリ電圧に応じて、前記バッテリの充電電圧の指示を出力するバッテリ制御部と、
   前記バッテリ制御部からの前記指示に応じて、前記バッテリの充電電圧を調整して前記バッテリを充電する充電電圧調整部と、を備え、
   前記バッテリ制御部は、測定されたバッテリ電圧が第一の電圧値より低い場合には前記充電電圧調整部に充電電圧を（（Ｎ−１）／Ｎ）倍として指示して前記バッテリを所定の期間充電させ、当該所定の期間経過後に再度バッテリ電圧を測定し、測定されたバッテリ電圧が第二の電圧値より低い場合には、充電電圧を（（Ｎ−１）／Ｎ）倍として指示するバッテリ充電制御装置。

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