(57)【要約】【課題】従来よりも充電器を占有する時間を短縮しつつ、直列に接続される複数の電池セルの充電率の差を低減する。【解決手段】複数の電池セルを直列接続してなる電池モジュールと、スイッチング素子及び抵抗が直列接続してなると共に電池セル各々に設けられる放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧センサとを具備する電池システムであって、充電時に、複数の電池セルのうち、上限電圧に達する電池セルが現れた場合、充電を停止し、上限電圧よりも低い値に設定された電圧しきい値を超える電圧の電池セルを、放電回路のスイッチング素子をオン状態にすることによって、電圧しきい値まで放電させる制御手段を具備する。【選択図】図１
2015192461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルを直列接続してなる電池モジュールと、スイッチング素子及び抵抗が直列接続してなると共に電池セル各々に設けられる放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧センサとを具備する電池システムであって、
充電時に、上限電圧に達する電池セルが現れた場合、充電を停止し、前記上限電圧よりも低い値に設定された電圧しきい値を超える電圧の電池セルを、前記放電回路のスイッチング素子をオン状態にすることによって、前記電圧しきい値まで放電させる充電制御手段を具備することを特徴とする電池システム。
【請求項２】
前記充電制御手段は、前記電池セルの電圧が前記電圧しきい値を超えるか否かを判定する前に、前記上限電圧よりも低い値に設定された固定値である第１しきい値と、複数の電池セルの電圧に基づく平均値あるいは中央値である第２しきい値とを比較し、前記第１しきい値と前記第２しきい値との大きい方を前記電圧しきい値として採用することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記充電制御手段は、充電を停止後、前記電圧センサによる検出結果に基づいて各電池セルの電圧変化率を求め、該電圧変化率が予め設定されたしきい値を下回った状態となった電池セルに対して、前記電圧しきい値を超えるか否かの判定を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電池システム。
【請求項４】
前記充電制御手段は、充電を停止してから所定の時間が経過した後に、全ての電池セルに対して、前記電圧しきい値を超えるか否か判定することを特徴とする請求項１または２に記載の電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、直列接続された電池セルから構成される電池モジュールを充電する場合、まずＣＣ（Constant Current）充電により、一定の電流値で全ての電池セルを充電し、複数の電池セルのうち、上限電圧まで達した電池セルが現れると、ＣＶ（Constant Voltage）充電に移行して、上限電圧まで達した電池セルへの供給電力をバイパス回路によって放電しつつ、上限電圧に達していない電池セルを上限電圧まで充電することが行われている。例えば、下記特許文献１には、上記技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３１１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、ＣＣ充電の後に、ＣＶ充電を行っているため、ＣＶ充電を行う時間分だけ、充電に用いられる充電器を占有する時間が長くなってしまう。例えば、複数台のフォークリフトを充電する場合、１台のフォークリフトの充電が完了する毎に充電器を付け替えて充電を行っているが、ＣＶ充電によって、１台のフォークリフトに要する充電時間が長くなってしまうため、充電器の付け替えを行う作業担当者が、待つ時間が長くなっていた。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも充電器を占有する時間を短縮しつつ、直列に接続される複数の電池セルの充電率の差を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、複数の電池セルを直列接続してなる電池モジュールと、スイッチング素子及び抵抗が直列接続してなると共に電池セル各々に設けられる放電回路と、各電池セルの電圧を検出する電圧センサとを具備する電池システムであって、充電時に、複数の電池セルのうち、上限電圧に達する電池セルが現れた場合、充電を停止し、前記上限電圧よりも低い値に設定された電圧しきい値を超える電圧の電池セルを、前記放電回路のスイッチング素子をオン状態にすることによって、前記電圧しきい値まで放電させる充電制御手段を具備する、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記充電制御手段は、前記電池セルの電圧が前記電圧しきい値を超えるか否かを判定する前に、前記上限電圧よりも低い値に設定された固定値である第１しきい値と、複数の電池セルの電圧に基づく平均値あるいは中央値である第２しきい値とを比較し、前記第１しきい値と前記第２しきい値との大きい方を前記電圧しきい値として採用する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記充電制御手段は、充電を停止後、前記電圧センサによる検出結果に基づいて各電池セルの電圧変化率を求め、該電圧変化率が予め設定されたしきい値を下回った状態となった電池セルに対して、前記電圧しきい値を超えるか否かの判定を行う、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記充電制御手段は、充電を停止してから所定の時間が経過した後に、全ての電池セルに対して、前記電圧しきい値を超えるか否か判定する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、充電時に、複数の電池セルのうち、上限電圧に達する電池セルが現れた場合、充電を停止し、上限電圧よりも低い値に設定された電圧しきい値を超える電圧の電池セルを、放電回路のスイッチング素子をオン状態にすることによって、電圧しきい値まで放電させることによって、従来よりも充電器を占有する時間を短縮しつつ、直列に接続される複数の電池セルの充電率の差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態における電池セルＣ１〜Ｃ３の電圧及び充電率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る電池システムは、フォークリフト等の各種電動装置に搭載され、充電器Ｊに接続されて充電される際に、従来よりも外部の充電器Ｊを占有する時間を短縮しつつ、後述する内部の電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率の差を低減することが可能である。なお、上記充電器Ｊは、電池システムに対して着脱可能である。
【００１３】
本電池システムは、図１に示すように、接続端子Ｔ、電池セルＣ１〜Ｃｎ、放電回路Ｈ１〜Ｈｎ、電圧センサＤ１〜Ｄｎ、充電用スイッチング素子ＢＳ及びマイコンＭを備える。なお、充電用スイッチング素子ＢＳ及びマイコンＭは、本実施形態における充電制御手段を構成する。
【００１４】
接続端子Ｔは、本電池システムに充電器Ｊが装着された際に、該充電器Ｊに電気的に接続される端子である。
電池セルＣ１〜Ｃｎは、ｎ個のリチウムイオン電池等の蓄電池（二次電池）であり、直列に接続されて電池モジュールを構成する。また、直列に接続された電池セルＣ１〜Ｃｎのうち、一方の端に配置された電池セルＣ１は、その正極に、充電用スイッチング素子ＢＳを介して、接続端子Ｔが接続されている。
【００１５】
放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに設けられ、マイコンＭから入力される制御信号に基づいて電池セルＣ１〜Ｃｎを放電させるものである。このような放電回路Ｈ１〜Ｈｎは、図１に示すように、放電用スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎ及び抵抗器Ｒ１〜Ｒｎから構成されている。なお、各放電回路Ｈ１〜Ｈｎは同じ構成であるので、放電回路Ｈ１の放電用スイッチング素子ＡＳ１及び抵抗器Ｒ１についてのみ説明し、放電回路Ｈ２〜Ｈｎについては説明を省略する。
【００１６】
放電用スイッチング素子ＡＳ１は、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が電池セルＣ１の正極に接続され、コレクタ端子が抵抗器Ｒ１の一端に接続されている。このような放電用スイッチング素子ＡＳ１は、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、電池セルＣ１の電力を抵抗器Ｒ１に放電する。一方、放電用スイッチング素子ＡＳ１は、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、電池セルＣ１から抵抗器Ｒ１への放電を停止する。
【００１７】
また、放電用スイッチング素子ＡＳ１は、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。
【００１８】
抵抗器Ｒ１は、一端が放電用スイッチング素子ＡＳ１のコレクタ端子に接続され、他端が電池セルＣ１の負極に接続されている。このような抵抗器Ｒ１は、放電用スイッチング素子ＡＳ１がオン状態となると、電池セルＣ１から電力が入力され、該電力を熱エネルギーに変換する、つまり発熱する。
【００１９】
電圧センサＤ１〜Ｄｎは、各電池セルＣ１〜Ｃｎに設けられ、各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を検出し、検出した電圧値を示す検出信号をマイコンＭに出力する。
【００２０】
充電用スイッチング素子ＢＳは、例えば、バイポーラトランジスタであり、ベース端子がマイコンＭに接続され、エミッタ端子が接続端子Ｔに接続され、コレクタ端子が電池セルＣ１の正極に接続されている。このような充電用スイッチング素子ＢＳは、マイコンＭから電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されるとオン状態となって、充電器Ｊによる電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を開始する。一方、充電用スイッチング素子ＢＳは、電圧値がハイレベルである制御信号がベース端子に入力されないと、オフ状態となって、充電器Ｊによる電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を停止する。
【００２１】
また、充電用スイッチング素子ＢＳは、バイポーラトランジスタ以外にも、例えばＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。
【００２２】
マイコンＭは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップである。このマイコンＭは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより電池システムの全体動作を制御する。
【００２３】
詳細については後述するが、マイコンＭは、従来よりも外部の充電器Ｊを占有する時間を短縮しつつ、電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率の差を低減するように、上記演算制御プログラムや電圧センサＤ１〜Ｄｎによる検出結果に基づいて放電用スイッチング素子ＡＳ１や充電用スイッチング素子ＢＳのスイッチングを制御する。
【００２４】
次に、このように構成された本電池システムの動作について説明する。
本電池システムは、例えば、フォークリフトに搭載されている場合、各電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率が低減した状態となると、担当作業者によって、充電器Ｊが装着される。ここで、電池システムは、従来よりも外部の充電器Ｊを占有する時間を短縮しつつ、電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率の差を低減するために、以下の特徴的な動作を実行する。
【００２５】
まず、電池システムにおいて、マイコンＭは、電池セルＣ１〜Ｃｎが上限電圧を下回る場合には、充電用スイッチング素子ＢＳをオン状態にすることによって、充電器Ｊに電池セルＣ１〜Ｃｎへの充電を開始させる（図２のステップＳ１）。続いて、マイコンＭは、充電時に、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎのうち、上限電圧に達する電池セルＣ１〜Ｃｎが現れた場合、充電用スイッチング素子ＢＳをオフ状態にすることによって、充電を停止する（図２のステップＳ２）。なお、上限電圧については、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧の上限値として、予め設定されたものである。
【００２６】
そして、マイコンＭは、充電を停止後、上限電圧よりも低い値に設定された固定値である第１しきい値と、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧に基づく平均値あるいは中央値である第２しきい値とを比較し、第１しきい値と第２しきい値との大きい方を電圧しきい値として採用する（図２のステップＳ３）。続いて、マイコンＭは、電圧しきい値を超える電圧の電池セルＣ１〜Ｃｎを、放電回路Ｈ１〜Ｈｎの放電用スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎをオン状態にすることによって、電圧しきい値まで放電させる（図２のステップＳ４）。
【００２７】
つまり、マイコンＭは、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧が電圧しきい値を超えるか否かを判定する前に、第１しきい値と、第２しきい値とを比較し、第１しきい値と第２しきい値との大きい方を電圧しきい値として採用し、この電圧しきい値を基準に電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を判定し、判定結果に基づいて放電用スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎを制御して、電池セルＣ１〜Ｃｎに放電させる。
【００２８】
上記第１しきい値は、上述したように予め設定された固定値である。一方、上記第２しきい値は、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧に基づく相加平均値あるいは相乗平均値等の平均値あるいは中央値、つまり複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧に応じて浮動する値である。第１しきい値及び第２しきい値の大きい方を電圧しきい値として採用することによって、電池セルＣ１〜Ｃｎ間における最大電圧と最小電圧との差が大きい場合には、第１しきい値が採用され、電池セルＣ１〜Ｃｎ間における最大電圧と最小電圧との差が小さい場合には、第２しきい値が採用される。これによって、電池セルＣ１〜Ｃｎ間における最大電圧と最小電圧との差が小さい場合において、電池セルＣ１〜Ｃｎの放電量をできるだけ少なくすることができる。
【００２９】
例えば、電圧しきい値として第１しきい値を採用した場合、電池セルＣ１〜Ｃｎが、３つの電池セルＣ１〜Ｃ３であるとする。一般的に、電池セルＣ１〜Ｃ３の電圧と充電率との関係は、図３に示すようなグラフとなる。図３に示すように、充電率が低いエリアと充電率が高いエリアとでは、傾きが急峻、つまり、電圧の変化に応じて充電率が大きく変化する。一方、充電率が中間のエリアでは、傾きが緩やか、つまり、電圧の変化に応じて充電率の変化が小さくなる。
【００３０】
ここで、上述した上限電圧がＸボルトであり、対応する充電率が１００％である場合に、電池セルＣ１が１００％まで充電され、電池セルＣ２が９０％まで充電され、電池セルＣ３が８０％まで充電されたとすると、電池セルＣ１の電圧が、上限電圧Ｘボルトに達するので、電池セルＣ１〜Ｃ３に対する充電が停止される。
【００３１】
そして、マイコンＭは、充電を停止後、上限電圧Ｘボルトよりも低い値に設定された電圧しきい値Ｙボルトを超えるか否か判定する。例えば、電圧しきい値Ｙボルトは、充電率が９３％に対応するものとする。
【００３２】
なお、マイコンＭは、充電を停止後、電池セルＣ１〜Ｃ３に設けられた電圧センサＤ１〜Ｄ３による検出結果に基づいて各電池セルＣ１〜Ｃ３の電圧変化率ｄＶ/ｄｓを求め、該電圧変化率ｄＶ/ｄｓが予め設定されたしきい値を下回った状態となった電池セルＣ１〜Ｃ３に対して、上述した電圧しきい値Ｙボルトを超えるか否かの判定を行う。つまり、マイコンＭは、電池セルＣ１〜Ｃ３の電圧が、充電停止直後の過電圧状態から落ち着いた状態になったら、電圧しきい値Ｙボルトを超えるか否かの判定を行う。
【００３３】
そして、マイコンＭは、電圧しきい値Ｙボルトを超える電圧の電池セルＣ１を、放電回路Ｈ１の放電用スイッチング素子ＡＳ１をオン状態にすることによって、電圧しきい値Ｙボルトまで放電させる。この結果、電池セルＣ１の充電率が９３％、電池セルＣ２の充電率が９０％、電池セルＣ３の充電率が８０％となる。
【００３４】
そして、電池システムが使用され、電池セルＣ１〜Ｃ３の充電率の差が維持されたまま放電されると、次の充電時には、電池セルＣ１の充電率が１００％、電池セルＣ２の充電率が９７％、電池セルＣ３の充電率が８７％まで充電された後に、放電回路Ｈ１、Ｈ２の放電用スイッチング素子ＡＳ１、ＡＳ２をオン状態にすることによって、電池セルＣ１及び電池セルＣ２が充電率９３％まで放電される。この結果、電池セルＣ１〜Ｃ３お互いの充電率の差をさらに縮小することができる。
【００３５】
このような本実施形態によれば、充電時に、複数の電池セルＣ１〜Ｃｎのうち、上限電圧に達する電池セルＣ１〜Ｃｎが現れた場合、充電を停止し、上限電圧よりも低い値に設定された電圧しきい値を超える電圧の電池セルＣ１〜Ｃｎを、放電回路Ｈ１〜Ｈｎの放電用スイッチング素子ＡＳ１〜ＡＳｎをオン状態にすることによって、電圧しきい値まで放電させることによって、従来よりも充電器Ｊを占有する時間を短縮しつつ、直列に接続される複数の電池セルＣ１〜Ｃｎの充電率の差を低減することができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、第１しきい値及び第２しきい値の大きい方を電圧しきい値として採用することによって、電池セルＣ１〜Ｃｎ間における最大電圧と最小電圧との差が大きい場合には、第１しきい値を採用し、電池セルＣ１〜Ｃｎ間における最大電圧と最小電圧との差が小さい場合には、第２しきい値を採用するので、電池セルＣ１〜Ｃｎ間における最大電圧と最小電圧との差が小さい場合において、電池セルＣ１〜Ｃｎの放電量をできるだけ少なくすることができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、充電を停止後、電圧センサＤ１〜Ｄｎによる検出結果に基づいて各電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧変化率を求め、該電圧変化率が予め設定されたしきい値を下回った状態となった電池セルＣ１〜Ｃｎに対して、電圧しきい値を超えるか否かの判定を行う、つまり、過充電状態となった電池セルＣ１〜Ｃｎを放電させて、過充電状態を解消させた上で、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧の判定処理を行うので、より正確に電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を判定することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）本実施形態は、フォークリフト以外の電動装置に搭載されてもよい。
【００３９】
（２）本実施形態において、マイコンＭは、充電を停止後、電圧変化率ｄＶ/ｄｓが予め設定されたしきい値を下回った状態となった電池セルＣ１〜Ｃ３に対して、電圧しきい値Ｙボルトを超えるか否かの判定を行っているが、本発明はこれに限定されない。例えば、マイコンＭは、充電を停止してから所定の時間が経過した後に、全ての電池セルＣ１〜Ｃ３に対して、電圧しきい値を超えるか否か判定するようにしてもよい。本実施形態によれば、充電を停止してから所定の時間が経過した後に、全ての電池セルＣ１〜Ｃ３に対して、電圧しきい値を超えるか否か判定する、つまり、充電直後の活性化している状態でなく、安定した状態で、電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧の判定処理を行うので、より正確に電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を判定することができる。
【符号の説明】
【００４０】
Ｔ  接続端子
Ｃ１〜Ｃｎ  電池セル
Ｈ１〜Ｈｎ  放電回路
Ｄ１〜Ｄｎ  電圧センサ
ＢＳ  充電用スイッチング素子
Ｍ  マイコン
Ｊ  充電器
ＡＳ１〜ＡＳｎ  放電用スイッチング素子
Ｒ１〜Ｒｎ  抵抗器
【図１】
2015192461.tif 000003
【図２】
2015192461.tif 000004
【図３】
2015192461.tif 000005