(57)【要約】【課題】  充電中にＳＯＣが上昇した状態でも、電解液の成層化を抑制し、かつ過度の温度上昇を抑制することが可能な充電装置を提供する。【解決手段】  充電回路が、蓄電装置に充電電流を供給する。電圧センサが、蓄電装置の端子間電圧を測定する。制御装置が、電圧センサの測定結果に基づいて、蓄電装置でのガッシングの発生を検出する。ガッシングの発生が検出されると、充電回路を制御して充電電流を低下させる。【選択図】  図２
2015171230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置に充電電流を供給する充電回路と、
前記蓄電装置の端子間電圧を測定する電圧センサと、
前記電圧センサの測定結果に基づいて、前記蓄電装置でのガッシングの発生が検出されると、前記充電回路を制御して充電電流を低下させる制御装置と
を有する充電装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記ガッシングが発生しているときの充電電流の目標値の時間変化を記憶しており、前記ガッシングの発生が検出されると、充電電流が前記目標値になるように前記充電回路を制御する請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記充電電流の前記目標値は、時間の経過とともに、階段状に低下する請求項２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記充電電流の前記目標値は、充電による発熱量よりも、自然放熱による放熱量の方が大きく、前記蓄電装置の温度が低下するように決定されている請求項２または３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記蓄電装置の劣化度を算出し、前記蓄電装置の劣化度に応じて、前記ガッシングの発生を検出する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の充電装置。
【請求項６】
蓄電装置への充電を開始する工程と、
前記蓄電装置の端子間電圧を測定し、測定結果に基づいて、前記蓄電装置でのガッシングの発生を検出する工程と、
前記ガッシングの発生が検出された場合には、充電電流を低下させて充電を継続する工程と
を有する蓄電装置の充電方法。
【請求項７】
前記ガッシングの発生が検出された後には、充電による発熱量が、自然放熱量より小さい条件を満たすように、充電電流が設定されている請求項６に記載の蓄電装置の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電時にガッシング状態を生じさせて、電解液の成層化を抑制する充電装置、及び蓄電装置の充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動フォークリフト等の電動車両においては、車両を使用しない夜間に充電が行われる。特許文献１に開示された充電方法では、作業終了後に満充電状態まで充電を行い、翌日の作業開始時刻の直前に補充電を開始する。補充電を行うことにより、満充電状態になった時点から、作業開始時点までの間に自己放電によって低下した充電量が補充される。これにより、蓄電装置が満充電の状態で作業を開始することができる。
【０００３】
従来の準定電圧充電方式では、充電中の蓄電装置の電圧の変動に伴い、電流が変化する。充電初期は、蓄電装置の電圧が低いため充電電流が大きく、充電終期には蓄電装置の電圧が上昇し、充電電流が小さくなる。また、多段定電流充電方式では、充電電流を時間の経過とともに階段状に低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２７１１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
充電状態（ＳＯＣ）が増加するに従って、充電電圧も上昇する。ＳＯＣが１２０％に近づくと、充電電圧の上昇が頭打ちになる。電解液の温度も、ＳＯＣが増加するに従って、徐々に上昇し、ＳＯＣが約９０％を超えると、温度の上昇が急峻になる。この温度上昇は、充電反応に加えて水の電気分解が生じるためである。水の電気分解によって発生する水素ガスと酸素ガスとが電解液を撹拌するため、電解液の成層化を抑制することができる。ところが、ガッシング状態での過度の充電は、過度の温度上昇、電解液の減少、電極の腐食、活物質の脱落等の原因になる。
【０００６】
本発明の目的は、充電中にＳＯＣが上昇した状態でも、電解液の成層化を抑制し、かつ過度の温度上昇を抑制することが可能な充電装置、及び蓄電装置の充電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
蓄電装置に充電電流を供給する充電回路と、
前記蓄電装置の端子間電圧を測定する電圧センサと、
前記電圧センサの測定結果に基づいて、前記蓄電装置でのガッシングの発生が検出されると、前記充電回路を制御して充電電流を低下させる制御装置と
を有する充電装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
蓄電装置への充電を開始する工程と、
前記蓄電装置の端子間電圧を測定し、測定結果に基づいて、前記蓄電装置でのガッシングの発生を検出する工程と、
前記ガッシングの発生が検出された場合には、充電電流を低下させて充電を継続する工
程と
を有する蓄電装置の充電方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
ガッシングが発生しているときに、充電電流を低下させることにより、蓄電装置の過度の温度上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは、実施例による充電装置、及びこの充電装置で充電される電動車両のブロック図であり、図１Ｂは、電動車両の例として示されるフォークリフトの側面図である。
【図２】図２Ａは、実施例による充電装置の制御装置のブロック図であり、図２Ｂは、充電電流目標値記憶部に記憶されている内容の一例を示す図表である。
【図３】図３Ａは、準定電圧充電方式によって充電を行った場合の充電電圧、充電電流、及び蓄電装置の電解液温度上昇幅の時間変化の測定結果を示すグラフであり、図３Ｂは、実施例による充電方法によって充電を行った場合の充電電圧、充電電流、及び蓄電装置の電解液温度上昇幅の時間変化の測定結果を示すグラフである。
【図４】図４は、ガッシング状態になった後も０．０５Ｃの充電電流を継続させた場合と、ガッシング状態になった時点で充電電流を０．０５Ｃから０．０４Ｃに減少させた場合との、蓄電装置の電解液の温度の時間変化の測定結果を示すグラフである。
【図５】図５は、他の実施例による充電装置に用いられる制御装置のブロック図である。
【図６】図６は、劣化が生じている蓄電装置及び劣化が生じていない蓄電装置の、充電期間中の電圧、電流の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａに、実施例による充電装置２０、及びこの充電装置２０で充電される電動車両３０のブロック図を示す。電動車両３０の例として、電動フォークリフト、電動無人搬送車（ＡＧＶ）、電動清掃ロボット等が挙げられる。
【００１２】
充電装置２０は、充電回路２１、制御装置２２、ＡＣコネクタ２３、ＤＣコネクタ２４、電圧センサ２５、及び電流センサ２６を含む。電動車両３０は、蓄電装置３１、ＤＣコネクタ３２、リレー３３、及び電気負荷３５を含む。充電装置２０のＡＣコネクタ２３が商用電源１５に接続され、ＤＣコネクタ２４が、電動車両３０のＤＣコネクタ３２に接続される。蓄電装置３１には、充電終期にガッシング状態を利用して電解液の比重の均一化（成層化の防止）を行う二次電池、例えば鉛蓄電池等が用いられる。ここで、「ガッシング状態」とは、充電終期に電解液中の水が電気分解し、酸素ガスや水素ガスが発生する状態を意味する。
【００１３】
商用電源１５からＡＣコネクタ２３に電力、例えば三相交流電力が供給される。充電回路２１は、リレー、変圧器、整流器等を含み、交流電流を直流電流に変換する。充電回路２１から出力された直流電流（充電電流）がＤＣコネクタ２４、及び電動車両３０のＤＣコネクタ３２を経由して、蓄電装置３１に供給される。電圧センサ２５が、蓄電装置３１の端子間電圧を測定する。電流センサ２６が、蓄電装置３１の充電電流を測定する。電圧センサ２５及び電流センサ２６による測定結果が、制御装置２２に入力される。制御装置２２は、電圧センサ２５及び電流センサ２６による測定結果に基づいて、充電回路２１を制御する。
【００１４】
電動車両３０の運転時に、電動車両３０に搭載された蓄電装置３１からリレー３３を介して電気負荷３５に電力が供給される。蓄電装置３１の充電時には、リレー３３はオフに
される。
【００１５】
図１Ｂに、電動車両３０の例として、フォークリフトの側面図を示す。このフォークリフトは、車体後方に重りを搭載することにより車体のバランスをとるように構成された所謂カウンタバランス型フォークリフトである。運転者が運転席１０に着座して、レバー等の操作器１４を操作する。運転席１０よりも前方に前輪１２が配置され、運転席１０よりも後方に後輪１３が配置されている。前輪１２は駆動用の車輪であり、後輪１３は操舵用の車輪である。運転席１０の前方に配置されたフォーク１１が、荷物を昇降させる。車体に、充電装置２０（図１Ａ）に接続するためのＤＣコネクタ３２が設けられている。さらに、車体に蓄電装置３１が搭載されている。電気負荷３５（図１Ａ）は、前輪１２を駆動する走行用電動モータ、及びフォーク１１を昇降させる昇降用電動モータに相当する。
【００１６】
充電装置２０（図１Ａ）を、フォークリフトに搭載してもよい。この場合には、ＡＣコネクタ２３（図１Ａ）がフォークリフトに設けられる。フォークリフトのＡＣコネクタ２３が、商用電源１５（図１Ａ）に接続される。
【００１７】
図２Ａに、制御装置２２（図１Ａ）のブロック図を示す。制御装置２２は、ガッシング状態検出ブロック４０、電圧判定値記憶部４１、非ガッシング時充電指令ブロック４２、ガッシング時充電指令ブロック４３、充電電流目標値記憶部４４、及び充電指令選択部４５を含む。電圧判定値記憶部４１には、蓄電装置３１（図１Ａ）でガッシングが始まる電圧（ガッシング電圧）が、電圧判定値として記憶されている。
【００１８】
電圧センサ２５で測定された蓄電装置３１（図１Ａ）の端子間電圧がガッシング状態検出ブロック４０に入力される。ガッシング状態検出ブロック４０は、蓄電装置３１の端子間と、電圧判定値記憶部４１に記憶されている電圧判定値（ガッシング電圧）とを比較する。蓄電装置３１の端子間電圧が電圧判定値以上である場合、ガッシング状態検出ブロック４０は、蓄電装置３１（図１Ａ）でガッシングが発生していると判定する。このように、ガッシング状態検出ブロック４０は、電圧センサ２５で測定された電圧に基づいて、蓄電装置３１でのガッシングの発生を検出する。
【００１９】
非ガッシング時充電指令ブロック４２は、充電回路２１に、非ガッシング時に適用される充電方式に基づく充電指令を出力する。非ガッシング時の充電方式として、例えば準定電圧充電方式、多段定電流充電方式等が採用される。
【００２０】
ガッシング時充電指令ブロック４３は、充電回路２１に、ガッシング時に適用される充電方式に基づく充電指令を出力する。具体的には、充電電流目標値記憶部４４に記憶されている充電電流目標値に等しい充電電流が流れるように、充電回路２１を制御する。充電電流目標値記憶部４４には、蓄電装置３１（図１Ａ）の端子間電圧がガッシング電圧に到達した時点からの経過時間と、充電電流目標値との関係が記憶されている。
【００２１】
図２Ｂに、充電電流目標値記憶部４４に記憶されている内容の一例を示す。図２Ｂに示した例では、蓄電装置３１の端子間電圧がガッシング電圧に到達した時点からの経過時間が、１時間未満、１〜２時間、２〜３時間、３〜４時間、４時間以上のときの充電電流目標値が、それぞれ０．０５Ｃ、０．０５Ｃ、０．０４Ｃ、０．０４Ｃ、０．０４Ｃである。ここで、単位「Ｃ」は、蓄電装置３１（図１Ａ）の電流容量に等しい電流値を表す。例えば、蓄電装置３１の電流容量が１００Ａｈｒである場合、１Ｃの充電電流は１００Ａに相当し、０．１Ｃの充電電流は１０Ａに相当する。
【００２２】
図３Ａに、準定電圧充電方式によって充電を行った場合の充電電圧、充電電流、及び電解液の温度上昇幅の測定結果を示す。横軸は充電開始時点からの経過時間を単位「時間」
で表す。縦軸は、充電開始時点からの温度上昇幅を単位「℃」で表し、充電電圧を単位「Ｖ」で表し、充電電流を単位「Ａ」で表す。図中の太い実線が充電電圧を示し、細い実線が充電電流を示し、破線が温度上昇幅を示す。
【００２３】
時間の経過とともに、充電電圧が徐々に上昇し、充電電流が徐々に減少し、温度上昇幅が大きくなる。時刻ｔ２の時点で充電が終了する。充電電圧が電圧判定値Ｖｊ０に達した時刻ｔ１から、蓄電装置３１（図１Ａ）がガッシング状態になる。時刻ｔ１からｔ２までのガッシング期間中に、蓄電装置３１の電解液の温度が急激に上昇している。
【００２４】
図３Ｂに、実施例による充電方法によって充電を行った場合の充電電圧、充電電流、及び蓄電装置の電解液温度上昇幅の時間変化の測定結果を示す。図３Ｂの横軸、縦軸は、図３Ａのものと同一である。また、図３Ａのグラフと同様に、図中の太い実線が充電電圧を示し、細い実線が充電電流を示し、破線が温度上昇幅を示す。
【００２５】
充電開始時点では、充電指令選択部４５（図２Ａ）により、非ガッシング時充電指令ブロック４２が選択されている。非ガッシング時充電指令ブロック４２は、例えば定電流充電方式に基づく充電指令を、充電回路２１に与える。充電開始時点から時刻ｔ３までの期間は、５Ａの充電電流で定電流充電が行われる。
【００２６】
時刻ｔ３において、電圧センサ２５（図１Ａ）による電圧の測定値が電圧判定値Ｖｊ０に到達する。ガッシング状態検出ブロック４０は、蓄電装置３１（図１Ａ）の端子間電圧が電圧判定値Ｖｊ０に到達したことを検知すると、充電指令選択部４５にガッシング時充電指令ブロック４３を選択させる。
【００２７】
時刻ｔ３以降は、ガッシング時充電指令ブロック４３から充電回路２１に充電指令が送出され、ガッシング時の充電方式に基づいて充電が行われる。図２Ｂに示されているように、時刻ｔ３からｔ４までの２時間は、０．０５Ｃの充電電流で充電が行われ、時刻ｔ４からｔ５までの３時間は、０．０４Ｃの充電電流で充電が行われる。０．０５Ｃ及び０．０４Ｃの充電電流は、時刻ｔ３までの定電流充電方式が適用されていた期間の充電電流より小さい。さらに、図３Ａに示した準定電圧充電方式が適用されていたときのガッシング状態での充電電流より小さい。
【００２８】
ガッシング状態の時には、充電による発熱量が、自然放熱量より小さくなるように、充電電流が設定されている。このため、時刻ｔ３からｔ５までのガッシング状態の期間は、温度が徐々に低下する。時刻ｔ５において、充電が終了する。
【００２９】
図３Ａと図３Ｂとを比較すると、実施例による充電装置を用いて充電すると、一般的な準定電圧充電方式を適用して充電する場合に比べて、蓄電装置３１（図１Ａ）の電解液の温度の最高到達温度が低いことがわかる。このため、実施例による充電装置を用いることにより、蓄電装置３１の劣化を抑制することができる。これは、ガッシング状態になったことが検出された後、充電電流を減少させたことによる。
【００３０】
また、ガッシング状態になった後も、少ない充電電流を流すため、電解液が撹拌される。これにより、電解液の成層化を防止することができる。
【００３１】
図３Ｂでは、充電開始から、ガッシング状態に達する時刻ｔ３までの期間に、定電流充電方式を採用したが、その他の充電方式を採用してもよい。例えば、準定電圧充電方式、定電流定電圧充電方式、多段定電流充電方式等を採用してもよい。いずれの場合にも、蓄電装置３１（図１Ａ）の端子間電圧がガッシング電圧に到達した後は、充電電流を、その時点の充電電流より小さくする。これにより、蓄電装置３１（図１Ａ）の過度の温度上昇
を抑制することができる。温度上昇を抑制する十分な効果を得るために、蓄電装置３１（図１Ａ）の端子間電圧がガッシング電圧に到達した時点で、充電電流を、その時点の充電電流の１／２以下にすることが好ましい。
【００３２】
図３Ｂに示した例では、時刻ｔ４において、充電電流を、０．０５Ｃから０．０４Ｃまで減少させている。次に、図４を参照して、充電電流を減少させる効果について説明する。
【００３３】
図４に、時刻ｔ４以降も０．０５Ｃの充電電流を継続させた場合と、時刻ｔ４において充電電流を０．０５Ｃから０．０４Ｃに減少させた場合との、蓄電装置３１（図１Ａ）の電解液の温度の測定結果を示す。図４において、実線が、時刻ｔ４において充電電流を０．０５Ｃから０．０４Ｃに減少させた場合の温度上昇幅を示し、破線が、時刻ｔ４以降も０．０５Ｃの充電電流を維持した場合の温度上昇幅を示す。図４に示した測定結果では、時刻ｔ３からｔ４までの期間で、実線と破線との温度上昇幅が一致していないが、この差は、測定条件のばらつきの範囲内である。
【００３４】
時刻ｔ３からｔ４までの期間は、時間の経過とともに温度が徐々に低下する。時刻ｔ４以降も０．０５Ｃの充電電流を維持した場合には、温度が上昇に転ずる。これは、自然放熱量より発熱量の方が大きいためである。時刻ｔ６において、充電を終了すると、温度が低下し始める。
【００３５】
時刻ｔ４において、充電電流を０．０５Ｃから０．０４Ｃに減少させると、時刻ｔ４以降も、温度が時間の経過とともに低下する。これは、充電による発熱量が自然放熱量より小さいためである。このように、ガッシング状態のときの充電電流は、充電による発熱量が自然放熱量より小さくなるように設定することが好ましい。この充電電流の大きさは、実際に、種々の充電電流で評価実験を行うことにより、決定することができる。
【００３６】
図３Ｂでは、ガッシング状態が開始された時点から充電終了までの期間に、時刻ｔ３及びｔ４において充電電流を低下させた。充電電流を階段状に低下させる回数は、２回に限らない。３回以上、充電電流を階段状に低下させてもよい。
【００３７】
なお、ガッシングが開始された時刻ｔ３から充電終了時刻まで、充電電流を一定にしてもよい。この場合、蓄電装置３１（図１Ａ）の電解液の温度が上昇に転じないように、充電電流の電流値を設定することが好ましい。
【００３８】
次に、図５及び図６を参照して、他の実施例について説明する。以下、図２Ａに示した実施例との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００３９】
図５に、他の実施例による充電装置に用いられる制御装置２２のブロック図を示す。電圧センサ２５（図１Ａ）及び電流センサ２６（図１Ａ）の測定結果が、劣化度算出ブロック４６に入力される。劣化度算出ブロック４６は、入力された電圧及び電流の測定結果に基づき、蓄電装置３１（図１Ａ）の劣化度を算出する。劣化度として、例えば蓄電装置３１の内部抵抗を採用することができる。蓄電装置３１の劣化が進むと、その内部抵抗が増加する。
【００４０】
蓄電装置３１の内部抵抗Ｒｉは、蓄電装置３１の開路電圧Ｖｏ、及び充電電流を流し始めた時の充電電流Ｉｃと端子間電圧Ｖｃとに基づいて、以下の式で算出することができる。
Ｒｉ＝（Ｖｃ−Ｖｏ）／Ｉｃ
【００４１】
電圧判定値修正ブロック４７が、劣化度算出ブロック４６で算出された劣化度に基づいて、電圧判定値記憶部４１に記憶されている電圧判定値を修正する。ガッシング状態検出ブロック４０が、電圧判定値修正ブロック４７で修正された電圧判定値、すなわち劣化度に対応する電圧判定値に基づいて、ガッシングの発生を検出する。その後の処理は、図２Ａに示した制御装置２２の処理と同一である。
【００４２】
図６に、蓄電装置３１の充電期間中の電圧、電流の変化を示す。図６に示した太い実線及び細い実線は、それぞれ蓄電装置３１の劣化が進んでいない場合の電圧及び電流を示す。これは、図３Ｂに示した電圧及び電流の変化と同一である。太い破線は、蓄電装置３１の劣化が進んでいる場合の電圧を示す。細い破線は、蓄電装置３１の劣化が進んでいても電圧判定値の修正を行わない場合の電流を示す。
【００４３】
電圧センサ２５による電圧の測定値は、蓄電装置３１の開路電圧と、内部抵抗Ｒｉによる電圧降下分との和で表される。蓄電装置３１（図１Ａ）の劣化が進んで内部抵抗Ｒｉが増加すると、内部抵抗Ｒｉによる電圧降下が大きくなるため、電圧センサ２５による電圧の測定値が、劣化が進んでいない場合の測定値より高くなる。その結果、蓄電装置３１の劣化が進んでいる場合には、時刻ｔ３よりも前の時刻ｔ６において、蓄電装置３１の端子間電圧が電圧判定値Ｖｊ０に到達する。
【００４４】
電圧判定値を修正しない場合には、時刻ｔ６の時点でガッシングが発生していると判定される。この時点で、充電電流を減少させると、蓄電装置３１が満充電状態にならない場合が生じる。図５に示した実施例では、電圧判定値修正ブロック４７が、蓄電装置３１の劣化度に応じて、電圧判定値をＶｊ０からＶｊ１に修正する。修正後の電圧判定値Ｖｊ１は、蓄電装置３１に劣化が生じていない場合に、蓄電装置３１の端子間電圧が電圧判定値Ｖｊ０に到達する時刻ｔ３の時点における蓄電装置３１の端子間電圧と等しくなるように設定される。これにより、劣化が進んでいても、蓄電装置３１でガッシングが発生しているか否かの判定制度を高めることができる。
【００４５】
このように、電圧判定値を修正することにより、蓄電装置３１に劣化が生じている場合にも、充電不足の発生を回避することができる。
【００４６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４７】
１０  運転席
１１  フォーク
１２  前輪
１３  後輪
１４  操作器
１５  商用電源
２０  充電装置
２１  充電回路
２２  制御装置
２３  ＡＣコネクタ
２４  ＤＣコネクタ
２５  電圧センサ
２６  電流センサ
３０  電動車両
３１  蓄電装置
３２  ＤＣコネクタ
３３  リレー
３５  電気負荷
４０  ガッシング状態検出ブロック
４１  電圧判定値記憶部
４２  非ガッシング時充電指令ブロック
４３  ガッシング時充電指令ブロック
４４  充電電流目標値記憶部
４５  充電指令選択部
４６  劣化度算出ブロック
４７  電圧判定値修正ブロック
【図１】
2015171230.tif 000003
【図２】
2015171230.tif 000004
【図３】
2015171230.tif 000005
【図４】
2015171230.tif 000006
【図５】
2015171230.tif 000007
【図６】
2015171230.tif 000008