(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するときに、上記二次電池への充電開始時の充電電流を、充電電流を抑制しないときの充電開始時の充電電流に対する抑制率に基づいて抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させるように制御する電流制御装置を備えた二次電池の充電制御装置。
【請求項２】
ＤＣ／ＤＣコンバータを備えたものであって、上記発電機から上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記二次電池に充電するものであり、
上記電流制御装置は、上記二次電池に並列に接続される負荷インピーダンス装置及び直列に接続される負荷インピーダンス装置の少なくとも一方を有するものであって、上記負荷インピーダンス装置のインピーダンスを制御することによって上記充電開始時の充電電流を抑制するとともに、上記抑制率を減少させるものである請求項１に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項３】
上記負荷インピーダンス装置は、コンデンサ及び抵抗の少なくとも一方と開閉装置とを有するものであり、
上記電流制御装置は、上記開閉装置を開閉制御することにより上記負荷インピーダンス装置のインピーダンスを制御するものである請求項２に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項４】
上記電流制御装置は、計時装置を有するものであって、上記計時装置にて上記充電開始時からの経過時間を測定し上記経過時間に応じて上記開閉装置を開閉制御することにより上記負荷インピーダンス装置のインピーダンスを制御するものである請求項３に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項５】
入力側コンデンサを有するＤＣ／ＤＣコンバータを備えたものであって、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記発電機から上記二次電池に充電されるものであり、
上記電流制御装置は、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御することによって上記充電開始時の充電電流を抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させるように制御し、上記抑制率を制御している期間中上記入力側コンデンサに上記回生電力の一部を蓄えるものである請求項１に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項６】
上記電流制御装置は、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することにより上記入力側コンデンサに蓄えられた上記回生電力を上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記二次電池に充電するものである請求項５に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項７】
上記電流制御装置は、抵抗とこの抵抗に直列に接続された開閉装置とを有し、上記抵抗が上記開閉装置を介して上記二次電池に並列に接続されるものであって、上記二次電池への充電開始時に上記開閉装置を閉路することにより上記抵抗を上記二次電池と並列に接続し、時間の経過とともに上記開閉装置を開閉制御することにより上記抵抗への通電時間を減らし、上記抑制率を減少させるように制御するものである請求項６に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項８】
上記電流制御装置は、上記二次電池の劣化を検出する劣化検出装置を有するものであって、上記劣化の程度に応じて上記抑制率を減少させる速さを調整するものである請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項９】
上記電流制御装置は、上記二次電池の温度を検出する温度検出装置を有するものであって、上記温度に応じて上記抑制率を減少させる速さを調整するものである請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の二次電池の充電制御装置。
【請求項１０】
運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するときに、上記二次電池への充電開始時の充電電流を、充電電流を抑制しないときの充電開始時の充電電流に対する抑制率に基づいて抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させる二次電池の充電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二次電池の充電制御装置及び充電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の二次電池としてのバッテリの充電制御装置及び充電制御方法としては、車両の走行中にブレーキをかけた場合、機械ブレーキによる制動がかかるとともに、エンジンに連結されたモータジェネレータを発電機として動作させ、電気ブレーキとして、電力変換回路を通じてＤＣ／ＤＣコンバータに回生電流が流れて、バッテリ及びコンデンサに回生電力が貯蔵されるものにおいて、バッテリ充電電力を回生当初からほぼ一定の値としたものがある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
バッテリ充電電力が回生当初からほぼ一定の値であれば、バッテリ電圧はキャパシタ電圧ほど大きく変化しないので、バッテリ電流としては、ほぼ一定になると考えられる。これは、バッテリの充電電流がバッテリの許容値以下になるようにするとの配慮からなされている。このように、バッテリの充電電流は回生当初からほぼ一定値とした上で、充電電流の許容上限値を超えないように充電制御されている。これは一般にバッテリ電流一定制御と呼ばれ一般的な充電制御方法となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００４／０６６４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のバッテリの充電制御装置は以上のように構成されているので、回生時にバッテリには回生初期から許容最大充電電流が流されていた。しかし、バッテリは化学反応による蓄電デバイスであり、いきなり許容最大電流で充電しようとしても、拡散律速があり、正常な反応では充電しきれずに、副反応が起こってバッテリの劣化を促進し、サイクル寿命の低下を招くおそれがあった。また、コンデンサが満充電になっている場合には、コンデンサにて発電電力を吸収できず、バッテリへの充電電力を軽減できないという問題があった。バッテリへの充電電力を軽減できないと、バッテリの劣化を促進するおそれがある。【０００６】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から充電される二次電池のサイクル寿命の延長を図ることのできる二次電池の充電制御装置を得ること及び充電制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る二次電池の充電制御装置は、運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するときに、上記二次電池への充電開始時の充電電流を、充電電流を抑制しないときの充電開始時の充電電流に対する抑制率に基づいて抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させるように制御する電流制御装置を備えたものである。
【０００８】
また、この発明に係る二次電池の充電制御方法は、運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するときに、上記二次電池への充電開始時の充電電流を、充電電流を抑制しないときの充電開始時の充電電流に対する抑制率に基づいて抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させるものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る二次電池の充電制御装置においては、運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するときに、上記二次電池への充電開始時の充電電流を、充電電流を抑制しないときの充電開始時の充電電流に対する抑制率に基づいて抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させるように制御する電流制御装置を備えたものであるので、二次電池のサイクル寿命の延長を図ることができる。
【００１０】
また、この発明に係る二次電池の充電制御方法においては、運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するときに、上記二次電池への充電開始時の充電電流を、充電電流を抑制しないときの充電開始時の充電電流に対する抑制率に基づいて抑制するとともに、時間の経過とともに上記抑制率を減少させるものであるので、二次電池のサイクル寿命の延長を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１であるバッテリの充電制御装置の構成を示す回路図である。
【図２】図１のバッテリの充電制御装置の動作を説明するための説明図である。
【図３】リチウムイオン電池のサイクル寿命に関する試験結果を示す特性図である。
【図４】実施の形態２であるバッテリの充電制御装置の構成を示す回路図である。
【図５】実施の形態３であるバッテリの充電制御装置の構成を示す回路図である。
【図６】図５のバッテリの充電制御装置の動作を説明するための説明図である。
【図７】実施の形態４であるバッテリの充電制御装置の構成を示す回路図である。
【図８】図７のバッテリの充電制御装置の動作を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１〜図３は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１はバッテリの充電制御装置の構成を示す回路図、図２はバッテリの充電制御装置の動作を説明するための説明図、図３はリチウムイオン電池のサイクル寿命に関する試験結果を示す特性図である。本発明は、発明者らがバッテリ（二次電池）としてリチウムイオン電池を用いた場合に、リチウムイオン電池への初期充電電流（詳細は後述）を抑制するだけで、立ち上がり後（抑制がなくなった後）の電流自体をそれほど制限しなくても、リチウムイオン電池のサイクル寿命が１．５倍以上に延びることを発見したことを契機としてなされたものである。なお、発明者らの試験結果によれば、リチウムイオン電池の放電における初期の放電電流（立ち上がりの電流）を抑制してもリチウムイオン電池のサイクル寿命の延長効果はそれほど顕著ではなかった。
【００１３】
ここで、本願において用いる用語を次のように定義する。抑制率γとは、バッテリの充電電流を抑制したときのバッテリの充電電流Ｊ１（以下、単に電流Ｊ１という）と抑制しないときの充電電流Ｊ２（以下、単に電流Ｊ２という）との比率（Ｊ１／Ｊ２）×１００（％）をいう。なお、リチウムイオン電池は一般に充電の初期には定電流充電が行われるが、上記電流Ｊ２は、バッテリの種類、充電のパターン、頻度等に応じて、かつ以下の実施の形態に述べるような短時間の充電を頻繁に繰り返す用途において大きなサイクル寿命の低下を招かない値に設定される。電池の充電抑制時間とは、バッテリの充電電流を抑制したときの、バッテリを電源に接続して充電を開始してから抑制率γが時間の経過とともに減少し０％になるまでの時間をいう。充電開始時抑制率γ０とは、バッテリの充電電流を抑制をしたときのバッテリを電源に接続した直後の充電開始時の充電電流Ｊ１０（以下、単に電流Ｊ１０という）と抑制をしないときの充電開始時の充電電流Ｊ２０（以下、単に電流Ｊ２０という、電流Ｊ２とほぼ等しい）との比率（Ｊ１０／Ｊ２０）×１００（％）をいう。
【００１４】
ここで、発明者らによって得られたリチウムイオン電池のサイクル寿命に関する試験結果を図３により説明する。自動車の走行モードパターンの１つである『ＪＣ０８モード』の負荷を与えて、リチウムイオン電池への初期充電電流の抑制の有無によるリチウムイオン電池の容量維持率の変化を恒温槽で調べた。５０Ａｈの容量のリチウムイオン電池６セルを直列接続した６セル直列リチウムイオン電池に対して、温度１８０Ｆで、正規化内部抵抗（内部抵抗Ωと静電容量Ｆの積、ΩＦ値）が０．１ΩＦ級の耐電圧２．７Ｖの電気二重層キャパシタ３セルを直列に接続した３セル直列キャパシタを充電の初期のみ直列に挿入した場合で、『ＪＣ０８モード』（２０分／サイクル）を１０００回繰り返した。恒温槽温度ｔｃを−１５℃、０℃、２５℃、４０℃の４通りで試験し、恒温槽温度ｔｃを横軸に、１０００回後の容量維持率αを縦軸にして示したものが折線Ｇである。この場合、電流Ｊ２０を供試６セル直列リチウムイオン電池の容量５０Ａｈの２倍（１００Ａ，２Ｃ）とし、電流Ｊ１０を約５０Ａ、充電開始時抑制率γ０を約５０％に設定し、抑制率γは充電開始後指数関数的に減少し抑制時間約２〜６秒経過後にほぼ０％となり定常状態の電流Ｊ２になる条件下で試験を行った。
【００１５】
また、同じ容量のリチウムイオン電池６セルを直列接続した６セル直列リチウムイオン電池に対して３セル直列キャパシタを介することなく最初から一定の電流（電流Ｊ２）で充電した場合で、同一温度条件で１０００回後の容量維持率αを示したものが折線Ｈである。６セル直列リチウムイオン電池の容量は定格電圧の範囲で１００％の充放電を行うことで調べ、試験開始前のそれぞれの初期の容量を１００％とした。一般に、容量は８０％もしくは７０％を下回った場合に寿命末期と判断されている。
【００１６】
試験結果は、いずれの温度でも、３セル直列キャパシタを充電の初期のみ直列に挿入して初期充電電流の抑制を行った場合（折線Ｇ）の方が、容量維持率αが高く保たれ、サイクル寿命劣化が大きく改善されることが判明した。また、２５℃に比べて、−１５℃、０℃、４０℃での劣化（容量維持率αの低下）が大きく、２５℃よりも低温もしくは高温側で、特に０℃以下あるいは４０℃以上の過酷温度域で、初期充電電流の抑制の効果が大きいことがわかった。
【００１７】
従って、放電よりも充電による劣化が大きく、充電時でも、充電の初期に劣化が大きいことが明らかになった。これは、充電の初期では、リチウムイオンが黒鉛粒子を覆うＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を通過するときの拡散抵抗が大きく、急速な充電電流に対しては拡散律速を起こして、負極とセパレータの隙間などに金属リチウムとして析出してしまうためと考えられる。
【００１８】
一般に考えられている金属リチウムの析出メカニズムでは、負極とセパレータの隙間などに微量析出した金属リチウムの周囲にはいずれ新たなＳＥＩが形成され安定化するため、次の副反応は別の場所で起こる。金属リチウムの析出が起こると、反応できるリチウムイオンが少なくなり容量の低下、すなわち不可逆な劣化になる。
【００１９】
一方、一旦充電電流が流れ始めると、温度が上昇し、イオン伝導抵抗が下がるので、黒鉛粒子を覆うＳＥＩの拡散律速が生じる充電電流値が急速に上昇する。すなわち、大きな充電電流を流しても、副反応による劣化が起こりにくくなる。
【００２０】
これまでのリチウムイオン電池の充電電流の上限は、公知の、単純な矩形波のサイクル寿命劣化データによって求められたものであった。しかし、発明者らの試験結果により、矩形波状の充電電流の初期のみすなわち充電の初期のみ秒単位の時間（せいぜい１０秒程度）の間抑制すれば、サイクル寿命劣化に支配的であった因子を取り去ることができ、最終的な定常状態の充電電流の上限自体をアップしてもサイクル寿命に大きなダメージを与えないことが明らかになった。なお、本願発明のように運動エネルギーを回生電力として回生する発電機から二次電池に充電するものではないが、二次電池の充電電流値を連続的に大きくしながら充電開始電圧から充電終了電圧に向けて例えば５時間程度かけて充電を行うことにより、二次電池の長寿命化を図るものが提案されている（例えば、特開２００７−１４１４９３号公報参照）が、本願のような運動エネルギーを回生電力として回生する用途に適用することはできないし、また適用する必要もない。運動エネルギーの回生、特に車両における運動エネルギーの回生を数時間に亘って連続的に行うことは現実的にはないし、また充電の初期のみせいぜい１０秒程度の間抑制すれば充分にサイクル寿命の延長を図ることができるからである。
【００２１】
一方、放電の場合には、拡散抵抗によって律速になると、過電圧によってセル電圧自体が下がる自己防衛機能を持っているので、副反応を起こすリスクは少ない。セル電圧低下の原因としては、内部抵抗による電圧降下（ｉＲ損）（抵抗過電圧）と、拡散律速による過電圧（拡散過電圧）とが考えられる。しかし充電の場合には、無理やり電力が投入されるので、そのエネルギーの行き場所がなく、電圧も高くなるので、副反応を起こさざるを得なくなる。これが、発明者らの試験結果によって明らかになったメカニズムである。
【００２２】
このような挙動は、リチウムイオン電池に限られるものではなく、化学反応をともなう二次電池、例えば、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、ナトリウム硫黄電池などに共通であると考えられる。
【００２３】
以下、上記知見に基づく本発明の二次電池の充電制御装置及び充電制御方法の好適な実施の形態につき具体的に説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る二次電池の充電制御装置の構成を示す回路図である。図１において、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、上アームスイッチとしてのスイッチング素子（Ｓ１）３１、下アームスイッチとしてのスイッチング素子（Ｓ２）３２、出力側インピーダンス装置としてのリアクトル（Ｌ１）３３、平滑コンデンサ（ＣＤＣ）３４によって構成されている。スイッチング素子３１及びスイッチング素子３２として、ＭＯＳＦＥＴが用いられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、一次側母線３５及び電力変換装置６を介して、モータジェネレータ７に接続されている。電力変換装置６は、後述のバッテリ１の直流電力を三相の交流電力に変換してモータジェネレータ７を駆動する、あるいはモータジェネレータ７の発電した交流電力を直流電力に変換してバッテリ１を充電する。モータジェネレータ７は、車両としての自動車に搭載され自動車のエンジン８に連結されている。
【００２４】
電流制御装置４は、コンデンサとしてのキャパシタ（ＥＤＬＣ：電気二重層キャパシタ）１４、抵抗（Ｒ１）１５、抵抗（Ｒ２）１６、開閉装置としてのスイッチ回路（Ｓ４）２４、スイッチ回路（Ｓ５）２５、スイッチ回路（Ｓ６）２６、計時装置としてのプログラムタイマ４ａ、二次電池としてのバッテリ（ＬＩＢ：リチウムイオン電池）１の劣化の程度を検出する劣化検出装置４ｂ、バッテリ１の温度を検出する温度検出装置４ｃを有する。なお、キャパシタ１４、抵抗１５、抵抗１６が、この発明における負荷インピーダンス装置であり、バッテリ１に並列に接続される。
【００２５】
これら並列に接続されるバッテリ１、キャパシタ１４、抵抗１５，１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を構成するスイッチング素子３２の両端に出力側インピーダンス装置としてのリアクトル３３を介して接続されている。なお、スイッチ回路２３，２４，２５，２６は機械式リレーのような有接点の開閉器でもよいが、より少ないスイッチングロスで、より高速に制御するため、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子を用いてもよい。劣化検出装置４ｂは、公知のバッテリ容量の低下や内部抵抗の増大を検出することにより劣化を検出する（例えば、特開平８−２９３３２９号公報、特開平１１−３２９５１２号公報参照）。温度検出装置４ｃは、バッテリの代表温度として、例えばバッテリの容器やモジュールの温度を図示しない熱電対やサーミスタなどを用いて検出する。なお、図中には、電流や電圧の計測系や電圧平滑化のためのフィルター類（コンデンサとリアクトル）の記載は簡単のため省略されている。
【００２６】
次に動作について説明する。この実施の形態においては、充電開始時抑制率γ０は次のようになる。
γ０＝Ｊ１０／Ｊ２０
ここに、
Ｊ１０：スイッチ回路２３，２４，２５，２６を全て閉じてバッテリ１に充電電流を流した瞬間の電流（ピーク値）。
Ｊ２０：スイッチ回路２４，２５，２６を全て開放した状態でスイッチ回路２３を閉じてバッテリ１に充電電流を流した瞬間の電流（ピーク値）。
そして、この実施の形態では、充電開始時抑制率γ０が５０％にされている。
図１において、エンジン８を介して自動車の車輪に連結されたモータジェネレータ７が発電機として動作し自動車の運動エネルギーを回生電力として回収する場合、プログラムタイマ４ａは、まずスイッチ回路２３，２４，２５，２６を全て閉じる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、一次側母線３５の電圧を降圧して二次側母線３６に供給するが、リアクトル３３の電源側（スイッチング素子３２側）の電圧が一定になるようにスイッチング素子３１，３２が開閉制御される。これにより、モータジェネレータ７からの回生電力は、バッテリ１に供給されるとともに、キャパシタ１４への充電及び抵抗１５及び抵抗１６での電力消費に使用され、バッテリ１に流れる充電電流は抑制される。なお、リアクトル３３を介して接続される負荷インピーダンス装置のインピーダンスの大きさによりリアクトル３３における電圧降下値が変化する。
【００２７】
次に、バッテリ１のスイッチ回路２３は閉じたままで、プログラムタイマ４ａはスイッチ回路２５，２６を時間間隔を置いて順次開放し、さらに一定時間後キャパシタ１４のスイッチ回路２４を開放することでバッテリ１への充電電流の抑制率γを時間の経過とともに減少させることにより、バッテリ１への充電電流を段階的に増やすことができる。そして、最終的には抑制率γが０％となり、抑制をしないときの電流Ｊ２が流れるようになる。
【００２８】
スイッチ回路２４〜２６にＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子を用いた場合には、さらに細かい制御が可能になる。スイッチ回路２４，２５及びスイッチ回路２６の開閉制御によって、キャパシタ１４及び抵抗１５，１６をスイッチング素子３２の両端に並列に接続する時間を調整することにより、きめこまかな制御が可能になり、図２の充電電流の曲線Ａに示すような初期充電電流が時間ｔの経過とともに電流Ｊ１から電流Ｊ２へ滑らかに増加する充電電流特性を実現することができる。
【００２９】
この曲線Ａは、通常時に行われる望ましい充電電流曲線であり、およそ２秒程度で定常値に達する。すなわち、抑制率γは曲線Ｄのように５０％から指数関数的に減少し、およそ２秒程度で０％になる。なお、通常時とは、バッテリ１の劣化や、バッテリ１の温度が０℃以下になったり４０℃以上になるような過酷温度域にない状態の時をいう。このとき、バッテリ１への電流Ｊ２である矩形波Ｘと電流Ｊ１の曲線Ａとの差部分である左上部の電流部分Ｙ（ハッチング部分）は、キャパシタ１４や抵抗１５，１６に電流を流すことで吸収していることになる。なお、キャパシタ１４に吸収されたエネルギーは後で放電される。
【００３０】
バッテリ１の劣化が進んだ劣化時には、図２の曲線Ｂ（バッテリ劣化時）のようにキャパシタ１４、抵抗１５、抵抗１６の接続時間を上述の通常時よりも長くすることで、すなわち充電電流の抑制率γを減少させる速さを遅くすることで、抵抗１５，１６での電力消費やキャパシタ１４への充電によって消費する電力の発生電力に対する比率（以下、単に比率という）を増やす。なお、曲線Ｅはこのときの抑制率γの変化を示すものであり、抑制率５０％から指数関数的に減少し、約３秒で０％になる。充電抑制時間は約３秒である。
【００３１】
同様に、バッテリ１が−１０℃や５０℃など過酷温度下にあるときは、図２の曲線Ｃ（過酷温度時）のようにキャパシタ１４、抵抗１５、抵抗１６の接続時間をバッテリ劣化時よりもさらに長くすることで充電抑制時間を長くし、すなわち充電電流の抑制率γを減少させる速さをさらに遅くすることで、抵抗１５，１６での電力消費やキャパシタ１４への充電によって消費する電力の比率をさらに増やす。なお、曲線Ｆはこのときの抑制率γの変化で５０％から指数関数的に減少し、約６秒で０％になる。充電抑制時間は約６秒である。
【００３２】
なお、抵抗１５，１６の抵抗値は同じ値でもよいが、異なる値の抵抗を用いることで、抵抗１５，１６の選択及び並列接続で３通りの抵抗値を選択することができインピーダンスの制御の幅が広がる。また、バッテリ１への充電電流は、図２に示した曲線Ａ〜Ｃのように円滑に変化させるものに限られるものではなく、この発明の目的を損なわない範囲で階段状等に変化させてもよいことはいうまでもない。
【００３３】
この実施の形態においては、過酷温度下においても図２の曲線Ｃのようにおよそ６秒程度で平坦値（最大値）に達するように制御しているが、バッテリ１への初期充電電流（抑制時充電電流Ｊ１）の増加の時間変化を緩やかにすればするほど、バッテリ１への初期充電ダメージが少なくなりサイクル劣化が抑制される。しかし、キャパシタ１４にその電力を一旦貯えその後バッテリ１へ充電するように迂回させる場合には、バッテリ１への初期充電電流の時間変化を緩やかにすればするほど、大容量のキャパシタ１４が必要になる。また、抵抗１５，１６にその電力を消費させ発熱させる場合には、バッテリ１への初期充電電流の時間変化を緩やかにすればするほど、充電抑制時間が長くなり、無駄に消費される電力が大きくなる。従って、バッテリ１のサイクル寿命の延長効果と二次電池の充電制御装置の費用や回収できる電力量等の兼ね合いにより決定することになる。
【００３４】
一般に、バッテリは、リチウムイオン電池に限らず、サイクル寿命やカレンダ寿命で、徐々に劣化し、バッテリへの初期充電ダメージに対する耐久性も弱くなる。従って、劣化の度合いに応じて、バッテリの劣化が大きくなるほど、バッテリに充電する際に、抵抗での電力消費やキャパシタへの充電によって消費する電力の比率を増やして、充電電流の抑制率γが減少する速さを遅くし、充電抑制時間を長くしバッテリの充電電流をより緩やかに増加させるように充電制御することが望ましい。
【００３５】
具体的には、バッテリの使用年月によって、充電抑制時間を長くしてバッテリへの初期充電電流の時間変化を緩やかにする度合いを徐々に増やしてもよいし、バッテリの劣化度合いを判定して、その程度に応じて、緩やかにする度合いすなわち充電抑制時間を制御することもできる。すなわち、バッテリの劣化の程度に応じて充電電流の抑制率γが減少する速さを調整してもよい。充電電流の抑制率γが減少する速さをバッテリの新品時から最大限に遅く設定すると、充電抑制時間が長くなり、抵抗で消費する電力ロスが多くなる。このため、キャパシタの使用時間や使用頻度の増大により、キャパシタ自体の劣化を多少なりとも招くことになるので、劣化の程度に応じて抑制率γが減少する速さを調整するのが望ましい。但し、いずれの場合も抑制率が０になるまでの時間は１０秒を越えない程度まで長くすれば充分である。バッテリの劣化は、上記劣化検出装置４ｂにより定量的に検知することができる。
【００３６】
発明者らは、リチウムイオン電池の作動温度が過酷温度域にある場合、すなわち０℃以下の場合、もしくは４０℃以上の場合に、本発明による初期充電電流抑制制御の効果が著しいことを発見した。バッテリが過酷温度域にある場合に、リチウムイオン電池のサイクル寿命が著しく低下することが一般的に知られており、そのメカニズムについては、理論的に以下のように考えられる。
【００３７】
バッテリの温度が０℃以下の場合、リチウムイオン電池の場合黒鉛粒子を覆うＳＥＩのリチウムイオンの拡散抵抗が著しく大きくなり、充電電流をより受け入れにくくなる。０℃以下の温度で、急速充電した場合に、リチウム金属のデンドライトが生じて負極、正極間を短絡し、発火事故に至るおそれがあることは広く知られている。本発明によれば、充電開始時の充電電流の抑制及びその後の抑制率γが減少する速さを制御することによってすなわち初期充電電流抑制制御によって、リチウムイオン電池を徐々に温めて充電電流を受け入れやすくできるので、サイクル寿命の延長効果がより大きくなることは明らかである。
【００３８】
また、４０℃以上の場合には、リチウムイオン電池では、正極において高電位により副反応が起こりやすくなり、サイクル寿命の著しい低下につながる。この場合にも、初期充電電流抑制制御によって、温度の急速な上昇を抑え、過渡的に高電位になることを防止して、副反応を起こしにくくすることができる。
【００３９】
従って、過酷温度域である０℃以下の場合もしくは４０℃以上の場合には、バッテリに充電する際に、抵抗での電力消費やキャパシタへの充電によって消費する電力の比率を増やして、初期充電電流抑制制御を強化しバッテリへの初期充電電流をより緩やかに増加させることが望ましい。すなわち、充電抑制時間を長くとり抑制率γを減少させる速さを遅くすることが望ましい。
【００４０】
バッテリの代表温度をモニターして、０℃以下の場合、もしくは４０℃以上の場合をトリガーにして、充電抑制時間を長くし、抵抗での電力消費やキャパシタへの充電によって消費する電力の比率を大幅に増やして、初期充電電流抑制制御を強化してもよいし、例えば２５℃を基準にして、２５℃から温度が下がるか上がるかで、その温度差に比例して抵抗での電力消費やキャパシタへの充電によって消費する電力の比率を増やして、初期充電電流抑制制御を強化してもよい。なお、バッテリの代表温度は、上記温度検出装置４ｃにより測定する。
【００４１】
また、実施の形態１では、バッテリ１、キャパシタ１４、抵抗１５及び抵抗１６を並列接続してこれらを開閉制御してインピーダンスを調整して充電開始時抑制率γ０を設定するとともにインピーダンスを変化させることによって抑制率γを変化させるものを示したが、バッテリ１とキャパシタ１４のみの並列接続、あるいは、バッテリ１と抵抗１５と抵抗１６との並列接続、あるいは、バッテリ１と抵抗１５のみとの並列接続等であって、これらを開閉制御することによって充電開始時抑制率γ０を設定するとともに抑制率γを変化させてもバッテリのサイクル寿命の延長について同様の効果が得られる。
【００４２】
以上のように、この実施の形態によれば、二次電池のサイクル寿命の延長を図ることができる。また、キャパシタ（コンデンサ）１４が満充電になっている場合であっても、抵抗１５，１６にて、発電電力を吸収できるので、バッテリへの充電電力を軽減でき、バッテリの劣化を抑制できる。
【００４３】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２である二次電池の充電制御装置の構成を示す回路図である。図４において、電流制御装置５はコンデンサとしてのキャパシタ（ＥＬＬＣ）４４と抵抗（Ｒ３）４５と、開閉装置としての双投のスイッチ回路（Ｓ８）５４、スイッチ回路（Ｓ９）５５と、計時装置としてのプログラムタイマ５ａとを有する。バッテリ１とキャパシタ４４と抵抗４５とが双投のスイッチ回路５３，５４，５５により直列に接続可能にされるとともに、直列に接続されたバッテリ１とキャパシタ４４と抵抗４５とがＤＣ／ＤＣコンバータ３のスイッチング素子３２の両端にリアクトル３３を介して接続されるように構成されている。なお、スイッチ回路５３，５４，５５はリレー回路のようなものでもよいが、より少ないスイッチングロスで、より高速に制御するため、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子を用いることもできる。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。なお、キャパシタ４４、抵抗４５がこの発明における負荷インピーダンス装置であり、バッテリ１に直列に接続される。
【００４４】
バッテリ１への充電開始に際し、プログラムタイマ５ａは、スイッチ回路５３，５４，５５を全て上側に閉じる。これにより、バッテリ１に直列にキャパシタ４４と抵抗４５とが直列に接続され、キャパシタ４４及び抵抗４５を介してバッテリ１がＤＣ／ＤＣコンバータ３に接続される。キャパシタ４４への充電及び抵抗４５での電力消費（電圧降下）により、バッテリ１に印加される電圧が低下し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３からバッテリ１へ流入する充電電流が制限される。
【００４５】
次に、バッテリ１を投入してから所定時間経過後、プログラムタイマ５ａはスイッチ回路５３を上側に閉じた状態のままで、スイッチ回路５４を下側に切り換え、バッテリ１と抵抗４５とが直列に接続されるようにする。さらに、一定の時間経過後スイッチ回路５５を下側に閉じてＤＣ／ＤＣコンバータ３からバッテリ１へ直接充電されるようにする。この場合、バッテリ１を投入した直後の抑制率すなわち充電開始時抑制率γ０を、実施の形態１と同様に５０％にしている。また、抑制率γが減少する速さもほぼ同様にしている。
【００４６】
スイッチ回路５３，５４，５５にＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子を用いた場合には、さらに細かい制御が可能になる。スイッチ回路５３，５４とスイッチ回路５４との切り換えによって、バッテリ１にキャパシタ４４及び抵抗４５を直列に接続する時間を調整し、最終的にはバッテリ１がスイッチング素子３２の両端にリアクトル３３を介して接続されるようにすることで、実施の形態１と同様にバッテリ１の初期充電電流を制御することができる。
【００４７】
バッテリの劣化時あるいは過酷温度時には、キャパシタ４４と抵抗４５の接続時間を長くすることで、抵抗４５での電力消費やキャパシタ４４への充電によって消費する電力の比率を増やして、図２の曲線Ｂや曲線Ｃのように充電電流抑制制御時間を長くすることによりサイクル寿命の延命を図ることができる。
【００４８】
この実施の形態では、バッテリ１とキャパシタ４４と抵抗４５とを直列に接続した場合を示したが、バッテリ１とキャパシタ４４との直列接続、あるいは、バッテリ１と抵抗４５との直列接続であってもよく、バッテリ１のサイクル寿命の延長について同様の効果が得られる。さらに、実施の形態１と実施の形態２とを組み合わせて、キャパシタ及び抵抗の直列接続と並列接続とを複合化してもよく、いずれの場合にも、バッテリのサイクル寿命の延長について同様の効果が得られる。
【００４９】
以上においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によらず内部インピーダンスあるいは線路のインピーダンスが低い電源や発電機から充電される場合は、リアクトル３３の代わりに、抵抗などのインピーダンス装置を介してキャパシタ１４、抵抗１５，１６が接続されるようにするとよい。あるいは、特にインピーダンス装置を介さずに、実施の形態２のようにキャパシタ４４、抵抗４５がバッテリ１と直列に挿入されるように構成するとよい。
【００５０】
なお、以上の実施の形態１や２のように、電源としてのモータジェネレータ７から車両の運動エネルギーをＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して回収しバッテリ１を充電する場合、発電されるエネルギーの量もそれほど多くないので、この実施の形態のようにインピーダンス装置としてのリアクトル３３を介してキャパシタ１４、抵抗１５，１６を接続して制御すれば、リアクトル３３による電圧降下がバッテリ１の電流Ｊ１０を含む初期充電電流の抑制に効果的に作用する。
【００５１】
実施の形態３．
図５及び図６は、この発明の実施の形態３を示すものであり、図５は二次電池の充電制御装置の構成を示す回路図、図６はバッテリの充電制御装置の動作を説明するための説明図である。図５の回路図において、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３は、平滑コンデンサを兼ねる入力側コンデンサ６４を有する。入力側コンデンサ６４としては、図１の平滑コンデンサ３４よりも容量及び耐電圧がかなり大きいものが使用されている。スイッチ回路２３とバッテリ１との直列回路が二次側母線３６を介してＤＣ／ＤＣコンバータ６３に接続されている。また、電流制御装置９は、プログラムタイマ９ａを有する。プログラムタイマ９ａは、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３２並びにスイッチ回路２３を制御する。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００５２】
プログラムタイマ９ａは、回生電力が発生すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３のスイッチング素子３１とスイッチング素子３２とをスイッチング制御し、一次側母線３５の電圧を降圧して二次側母線３６に回生電力を供給し、バッテリ１に溜める。回生電力をバッテリ１に溜める際に、バッテリの充電電流Ｊｂ１が図６に示すように変化するようにスイッチング素子３１とスイッチング素子３２とをスイッチング制御することにより、バッテリ１への供給電圧である二次側母線３６の電圧を調整する。この実施の形態においても、図６の曲線Ｋのように充電開始時抑制率γ０を５０％（電流１５Ａ）に設定し、予め決められた時間ｔ１１において抑制率γが０となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６３のスイッチング素子３１とスイッチング素子３２とを開閉制御することによりバッテリ１への充電電流を抑制する。このとき、バッテリ１へ供給される電力を上回り余った回生電力はＤＣ／ＤＣコンバータ６３の一次側母線３５側の電圧を上げることによって一旦、入力側コンデンサ６４に蓄えられる。なお、図６において、左の縦軸は回生電流Ｊｒ１またはバッテリの充電電流Ｊｂ１の大きさであり、右の縦軸は抑制率γである。
【００５３】
さらに具体的に説明する。図６に、モータジェネレータ７に発生する回生電流Ｊｒ１、バッテリ１への充電電流Ｊｂ１の変化の様子を示す。プログラムタイマ９ａは、回生電力が発生しても、０．１秒（ｔ１１）程度は、スイッチング素子３１，３２を開閉制御して、二次側母線３６に供給する回生電力を制限する。この区間Ｔ１の間は、バッテリ充電電流Ｊｂ１は抑制時の充電電流に制御される。この区間Ｔ１の間にバッテリ１に充電されなかった回生電力Ｅは、次の式で表され、入力側コンデンサ６４に蓄えられる。
Ｅ＝（１／２）×（Ｃ×Ｖ）×（Ｃ×Ｖ）
ここに、Ｅ：入力側コンデンサ６４に蓄えられるエネルギー、Ｃ：入力側コンデンサ６４の静電容量、Ｖ：入力側コンデンサ６４の電圧）である。
【００５４】
結果として、入力側コンデンサ６４の電圧Ｖ、すなわち一次側母線３５の電圧が、例えば、１４Ｖから２００Ｖに急激に上昇することになる。一方、二次側母線３６の電圧は、徐々に上昇する。図６において、時間ｔ１１は回生電流Ｊｒ１とバッテリ１への充電電流Ｊｂ１とが一致した時間であり、図５では図示を省略しているが一次側母線３５と二次側母線３６の電流計によって判定する。時間ｔ１１を境に、入力側コンデンサ６４に蓄えられていた回生電力を、二次側母線３６側に供給しバッテリ１に充電する。具体的には、急激に上昇していた一次側母線３５の電圧を降圧して二次側母線３６に供給する。このとき、回生電力はまだ発生しているので、バッテリの充電電流Ｊｂ１は回生電流Ｊｒ１（非抑制時の充電電流Ｊ２に等しい）に入力側コンデンサ６４からの供給される電流を加えた形で流れ、徐々にバッテリ１に充電される。結果として、図６の領域Ｅ１１（区間Ｔ１）で入力側コンデンサ６４に蓄えられた回生電力が、領域Ｅ１２（区間Ｔ２）でバッテリ１に供給され、蓄積されることになる。
【００５５】
これにより、バッテリ１への充電電流Ｊｂ１は予め決められた充電特性に従って変化するように、すなわち充電開始時の充電電流が制限されるととも充電電流が急激に増加しないように制御されるので、サイクル寿命の延命効果が得られる。なお、時間ｔ１１以降は、発生している回生電流Ｊｒ１よりもバッテリへの充電電流Ｊｂ１の方が大きくなっており、計算上は抑制率はマイナスになる。ただし、バッテリの充電電流Ｊｂ１は予め決められた所定値を越えないように制御され、かつ時間経過とともに所定値から減少するので、サイクル寿命へは影響しない。
【００５６】
実施の形態１の場合と同様に、劣化検出装置４ｂや温度検出装置４ｃを用いて、バッテリ１の劣化が大きいほど、また、バッテリ１の温度が高温あるいは０℃近くの時に、初期充電電流抑制制御期間（区間Ｔ１）を長くすることにより、より効果的なサイクル寿命の延命効果が得られる。
【００５７】
なお、領域Ｅ２１で蓄えられる電気エネルギーは、入力側コンデンサ６４の静電容量Ｃと電圧Ｖに大きく依存し、静電容量が大きくかつ耐電圧が高い入力側コンデンサ６４を選択することが望ましい。耐電圧が高く（例えば５００Ｖ）、大容量のアルミ電解コンデンサを用いることが望ましいが、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を複数個直列にして用いてもよい。電気二重層キャパシタの場合は耐電圧が小さいが、容量が１０〜１０００Ｆと大容量のものがあり、直列に接続することにより大きなエネルギーを蓄えることが可能になる。ただし、瞬発性を要求されるので、キャパシタの瞬発性を示す指標としての正規化内部抵抗（ΩＦ値）が０．５ΩＦ以下のものを使用することが望ましい。
【００５８】
以上のように、この実施の形態によれば、回生電力を一時的に入力側コンデンサ６４に蓄積した後バッテリ１へ充電するので、より効果的にエネルギーを回収することができる。
【００５９】
実施の形態４．
図７及び図８は、この発明の実施の形態４を示すものであり、図７は二次電池の充電制御装置の構成を示す回路図、図８はバッテリの充電制御装置の動作を説明するための説明図である。図７の回路図において、バッテリ１に対して抵抗１５が開閉装置としてのスイッチ回路２５を介して並列に接続されている。また、電流制御装置１０はプログラムタイマ１０ａを有する。その他の構成については、図５に示した実施の形態３と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図８に、モータジェネレータ７に発生する回生電流Ｊｒ２、バッテリ１への充電電流Ｊｂ２の変化の様子を示す。プログラムタイマ１０ａは、図８において、回生電力が発生してから時間ｔ２１（例えば０．１秒程度）まで（区間Ｔ３）は、発生する回生電力のうち、抵抗１５に消費されずかつバッテリ１に充電されず余った回生電力は、実施の形態３と同様に入力側コンデンサ６４の電圧を上昇させることにより入力側コンデンサ６４に蓄えられる。時間ｔ２１まではスイッチ回路２３及びスイッチ回路２５は閉状態にあり、回生電力は抵抗１５での電力消費（発熱）及びバッテリ１への充電に費消され、余った回生電力は上述のように入力側コンデンサ６４に蓄えられる。
【００６１】
時間ｔ２１から回生電流Ｊｒ２とバッテリ１への充電電流Ｊｂ２とが一致する時間ｔ２２までの間（区間Ｔ４）は、スイッチ回路２５が開閉動作を繰り返して、抵抗１５への供給電流を制御し、徐々にスイッチ回路２５の閉時間の比率（デュティ比）を小さくしてバッテリ１への充電電流Ｊｂ２を増加させ、回生電流Ｊｒ２とバッテリ１への充電電流Ｊｂ２とが一致する時間ｔ２２では、スイッチ回路２５を開路する。なお、図８では、この区間Ｔ４のバッテリの充電電流Ｊｂ２が直線的に上昇しているとして図示しているが、実際には、スイッチングしているので脈動がある。しかし、図示していないがフィルター回路（リアクトルとコンデンサ）を追加することにより、その脈動の大きさを小さくすることができる。一方、バッテリ１側のスイッチ回路２３については、二次側母線３６の電圧が、バッテリ１の電圧よりも高ければ、回生電力が０となる時間ｔ２３までの間は常時閉状態であってもよい。
【００６２】
図８において、領域Ｅ２１（区間Ｔ３）では、回生電力は入力側コンデンサ６４に蓄えられ、領域Ｅ２２（区間Ｔ４）では、回生電力に加えて、入力側コンデンサ６４に蓄えられていた回生電力が、二次側母線３６側に供給され、抵抗１５での電力消費とバッテリ１の充電に用いられる。
【００６３】
これにより、抑制率γは、曲線Ｎで示されるように、バッテリ１への充電開始時において電流Ｊ２（１５０Ａ）の５０％（７５Ａ）に設定されており、時間の経過とともに減少し、時間ｔ２２において０となる。すなわち充電初期においては充電電流が急激に増加しないようにかつ所定値（この実施の形態では電流Ｊ２（１５０Ａ））を越えないように制御されるので、サイクル寿命への延命効果が得られる。実施の形態３の場合に比べて、大きな回生電力が予想される場合には、実施の形態４のように抵抗１５を付加して抑制率γのかさ上げを行い、入力側コンデンサ６４の容量の増大を避けるのが経済的である。
【００６４】
実施の形態１の場合と同様に、劣化検出装置４ｂや温度検出装置４ｃを用いて、バッテリ１の劣化が大きいほど、また、バッテリ１の温度が高温あるいは０℃近くの時に、初期充電電流抑制制御時間（区間Ｔ３＋Ｔ４）を長くすることにより、より効果的なサイクル寿命の延命効果が得られる。
【００６５】
さらに、実施の形態４では、１個の抵抗をバッテリ１に並列に接続した場合を示したが、実施の形態１や実施の形態２のように複数の抵抗を並列もしくは直列あるは直並列に接続してもよく、複数の抵抗にそれぞれ接続されたスイッチング素子の開閉制御により、実施の形態４に比べて、より細かく、より長時間の抑制率γの制御が可能になる。これにより、サイクル寿命への延命効果をさらに高めることが可能になる。
なお、実施の形態３の場合と同様に、領域Ｅ２１で蓄えられる電力エネルギーは、入力側コンデンサ６４の静電容量Ｃと電圧Ｖに大きく依存し、静電容量が大きく耐電圧が高い入力側コンデンサ６４を選択することが望ましい。電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）はこれに適しているが、大型のアルミ電解コンデンサを用いてもよい。
【００６６】
特に、電源としてのモータジェネレータ７から車両の運動エネルギーをＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して回収しバッテリ１を充電する場合、発電されるエネルギーはピーク値が高く短時間に発生し、かつ頻繁に回収が行われるので、以上で説明した実施の形態３や４のように、入力側コンデンサ６４に一時的に電力を貯え後で回収することにより一段と省エネルギーを図ることができる。もちろん、ＤＣ／ＤＣコンバータは降圧型のものに限られるものではなく昇圧型のものであっても同様の効果を奏する。
【００６７】
なお、上記では車両に搭載されたモータジェネレータ７により車両の運動エネルギーを電力として回収する場合について示したが、これに限られるものではなく、他の種類の発電機から充電されるものであっても同様の効果を奏する。
【００６８】
また、上記各実施の形態においては、バッテリはリチウムイオン電池である場合について示したが、リチウムイオン電池に限らず広く化学反応をともなうバッテリ、例えば、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、ナトリウム硫黄電池などにおいても同様の効果を奏する。特にサイクル寿命の短い鉛蓄電池に適用して効果的である。なお、充電開始時抑制率γ０及び抑制率γが減少する速さは、電池の種類や劣化の程度、電池の温度に応じて、電池の化学反応を阻害してサイクル寿命の大きな低下を招くことがないように決定する。例えばリチウムイオン電池の場合は、上記試験結果のように、充電開始時抑制率γ０を５０％、抑制率γの減少の速さは約６秒で抑制率γが０％になるように、すなわち充電抑制時間を約６秒に設定すれば効果的である。もちろん、これよりも抑制率γの減少速度を緩やかにしてもよいが、１０秒を越えない範囲で抑制すれば足りる。すなわち、バッテリ１のサイクル寿命の延長効果と二次電池の充電制御装置の費用や回収できるエネルギー量等の兼ね合いにより決定することになるが、１０秒を越えない範囲で抑制すればよい。
【００６９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、上述した各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形や省略をすることが可能である。
【図１】
0005597310.tif 000002
【図２】
0005597310.tif 000003
【図３】
0005597310.tif 000004
【図４】
0005597310.tif 000005
【図５】
0005597310.tif 000006
【図６】
0005597310.tif 000007
【図７】
0005597310.tif 000008
【図８】
0005597310.tif 000009