(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
前記発電機に接続された、複数の二次電池から成る電池群と、
前記発電機から出力される電流を制御する制御部とを、備えており、
前記制御部は、
浮動充電中において計測された、複数の前記二次電池における単電池電圧のうち、最も高い電圧値である最高単電池電圧値を用い、比較電圧値と前記最高単電池電圧値との差分値に基づき、前記発電機から出力される電流を制御し、
前記比較電圧値は、定電流充電時における充電終止電圧、または所定の電圧で定電流充電を終了させたときの前記所定の電圧である、
二次電池充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機と二次電池とを含むシステムにおける、浮動充電中の発電機の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、リチウムイオン二次電池は、他の二次電池と比較すると、エネルギー密度が高く、小型化や軽量化が図れ、これらを要求している機器に利用される。その一方で、過充電すると、発熱が生じて高温になる。したがって、二次電池を含む充電制御システムにおいては、過充電を防止することが必要不可欠である。
【０００３】
発電機、二次電池群および電動機等で構成されるシステムにおいて、浮動充電時に行う発電機の制御に関する従来技術として、たとえば特許文献１が存在する。
【０００４】
特許文献１に係る技術では、浮動充電時には、発電機制御装置は、発電機電圧が電池電圧よりも若干高い値となるように、発電機に対して電圧制御を行なう。これにより、特許文献１に係る技術では、電池群に充電電流を流さないようにしており、過充電を防止している。
【０００５】
なお、過充電を防止した二次電池の充電方法に関する技術として、特許文献２が存在している。
【０００６】
特許文献２に係る技術では、充電電流が目標電流に近づくように電源を制御し、少なくとも１個の二次電池の電圧が所定値以上になった場合、目標電流を現在の値より小さな値に変更している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４３２０１号公報
【特許文献２】特開２００５−１５１６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
負荷変動に伴う発電機の制御応答や制御精度の点から充電電流が二次電池に流れこみ、その状態が断続的もしくは連続的に発生することで、過充電となる。特許文献１に係る技術では、浮動充電時における二次電池の過充電を防止している。ここで、特許文献１に係る技術では、当該過充電を防止するために、各二次電池列に対して、半導体スイッチ素子やダイオードなどが配設されている。
【０００９】
しかしながら、上記のような構成を採用した場合には、複数の半導体スイッチ素子および複数のダイオードの配設が必要となり、コスト高となり、システム全体の大型化となる。
【００１０】
また、特許文献１に係る技術では、制御のために、電流値および電圧値を検出する電気計器が必要である。しかしながら、当該電気計器では、計測誤差が生じる。たとえば、実際に二次電池に流れている充電電流が０Ａでない（多少の充電電流が流れている）にも関わらず、電気計器の検出結果が０Ａということもある。特許文献１では、電気計器の検出結果を用いて発電機の出力を制御しているので、上記の例示の誤差が生じた場合には、誤差分の充電電流によって意図しない充電等が発生する。このような状態が断続的もしくは連続的に発生することで、予期せぬ充電電流が二次電池に流れ込み、過充電状態となることもある。
【００１１】
そこで、本発明では、システム全体の小型化および低コスト化を図りつつ、浮動充電時における過充電を防止することができる、二次電池充電システム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】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明に係る二次電池充電システムは、発電機と、前記発電機に接続された、複数の二次電池から成る電池群と、前記発電機から出力される電流を制御する制御部とを、備えており、前記制御部は、浮動充電中において計測された、複数の前記二次電池における単電池電圧のうち、最も高い電圧値である最高単電池電圧値を用い、比較電圧値と前記最高単電池電圧値との差分値に基づき、前記発電機から出力される電流を制御し、前記比較電圧値は、定電流充電時における充電終止電圧、または所定の電圧で定電流充電を終了させたときの前記所定の電圧である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る二次電池充電システムは、発電機と、前記発電機に接続された、複数の二次電池から成る電池群と、前記発電機から出力される電流を制御する制御部とを、備えており、前記制御部は、浮動充電中において計測された、複数の前記二次電池における単電池電圧のうち、最も高い電圧値である最高単電池電圧値を用い、比較電圧値と前記最高単電池電圧値との差分値に基づき、前記発電機から出力される電流を制御し、前記比較電圧値は、定電流充電時における充電終止電圧、または所定の電圧で定電流充電を終了させたときの前記所定の電圧である。
【００１４】
したがって、負荷変動に伴う発電機の制御応答、制御精度および測定誤差があっても、電池群の充電状態あるいは放電状態を正確に判断でき、測定結果と実際との間に生じる誤差に対して、補正をかけることができる。よって、本発明に係る二次電池充電システムでは、浮動充電中における電池群に対する過充電を防止することができ、満充電状態を維持できる。
【００１５】
また、本実施の形態に係る二次電池充電システムでは、浮動充電中における電池群に対する過充電を防止するために、各電池列に対して半導体スイッチ素子等を配設するのではなく、最高単電池電圧値を用いた演算を利用している。したがって、システム全外の小型化および低コスト化実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係る二次電池充電システムの構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００１８】
＜実施の形態＞
図１は、本実施の形態に係る二次電池充電システムの構成を示す回路図である。
【００１９】
図１に示すように、二次電池充電システムは、充電制御装置１０１、電池計測装置２０１および主回路１０から構成されている。
【００２０】
充電制御装置１０１は、界磁用交流電源１０２と、整流器１０３と、制御素子１０４と、通信回路１０５と、充電制御回路１０６と、電機子電流制御回路１０７と、電機子電圧制御回路１０８と、界磁電流制御回路１０９とパルス発生器１１０とを有する。
【００２１】
界磁用交流電源１０２は、界磁巻線３０２の電源として設けられ、整流器１０３は、界磁巻線用の電源としてあらかじめ直流の電源を用意できる場合は、不要である。制御素子１０４は、パルス発生器１１０からのパルス信号で、界磁電流を高速でＯＮまたはＯＦＦさせて必要な界磁巻線用の電力を得るための素子であり、サイリスタやトランジスタ等を用いればよい。
【００２２】
通信回路１０５は、電池計測装置２０２から充電制御に必要な単電池電圧等の電池の情報を受信する。通信方法としてはシリアル通信、パラレル通信もしくはイーサネット（登録商標）通信等の通信もしくはアナログ信号による通信でもよいが、通信速度が速い通信方法が好適である。
【００２３】
充電制御回路１０６は、シーケンス制御を行う回路であり、定電流充電及び浮動充電において、制御の段階を進めていくとともに、電機子電流の電流設定値を演算する。
【００２４】
電機子電流制御回路１０７と、電機子電圧制御回路１０８と、界磁電流制御回路１０９とは、計測信号に基づいて、フィードバック制御を行う回路である。
【００２５】
電機子電流制御回路１０７は、電機子電流計測器３０３によって計測された電機子電流のフィードバック制御を行う回路である。電機子電圧制御回路１０８は、電機子電圧計測器３０５によって計測された電機子電圧のフィードバック制御を行う回路である。界磁電流制御回路１０９は、界磁電流計測器３０１によって計測された界磁電流のフィードバック制御を行う回路である。これらの回路１０７，１０８，１０９を組み合わせることで、カスケード制御を行い、充電制御回路１０６にて演算した電機子電流の設定値に応じて界磁巻線３０２の電流を制御し、発電機３０４の電機子電流を好適に制御する。
【００２６】
パルス発生器１１０は、界磁電流制御回路１０９からの指令に応じて、制御素子１０４をＯＮさせる時間とＯＦＦさせるタイミングとを演算し、パルス信号を制御素子１０４へ伝達する。
【００２７】
電池計測装置２０１は、通信回路２０２と、演算回路２０３と、単電池電流計測回路２０４と、単電池電圧計測回路２０５とを有する。
【００２８】
通信回路２０２は、演算回路２０３によって演算された電池の情報を、通信回路１０５に送信する。通信方法としてはシリアル通信、パラレル通信もしくはイーサネット通信等の通信もしくはアナログ信号による通信でもよいが、通信速度が速い通信方法が好適である。
【００２９】
単電池電流計測回路２０４は、電池群４０１において、並列接続された単電池における、各電池列に流れる電流を計測する回路である。また、単電池電圧計測回路２０５は、電池群４０１の各単電池（二次電池）４０２の電圧を全て計測する回路である。
【００３０】
演算回路２０３は、単電池電流計測回路２０４から入力された単電池電流を合算し、電池群４０１に流れ込む充電電流または、流れ出す放電電流を演算する。また、演算回路２０３は、単電池電圧計測回路２０５から入力された単電池電圧のうち、最も高い単電池電圧（最高単電池電圧値）を抽出する。
【００３１】
主回路１０の構成は、システムによって様々な構成が可能である。図１に示す一例として、主回路１０は、界磁電流計測器３０１と、界磁巻線３０２と、電機子電流計測器３０３と、発電機３０４と、電機子電圧計測器３０５と、補機３０６と、電動機３０７と、複数の単電池電流計測器３０８と、電池群４０１とで構成されている。ここで、主回路１０において、発電機３０４、補機３０６、電動機３０７、および電池群４０１は、並列接続されている。
【００３２】
電池群４０１において、構成・接続および単電池（二次電池）４０２の数は、システムに応じて任意に選択できる。図１の例では、電池群４０１は、複数の電池列が並列に接続されることにより、構成されている。各電池列では、複数の単電池（二次電池）４０２が直列接続されている。
【００３３】
単電池電流計測器３０８は、電池群４０１において、並列接続された電池列毎に配設されている。そして、単電池電流計測器３０８は、各電池列に流れる電流を計測し、当該計測結果を単電池電流計測回路２０４に対して出力する。
【００３４】
界磁電流計測器３０１は、発電機３０４の界磁巻線３０２の電流を計測するための機器である。電機子電流計測器３０３は、発電機３０４の電機子の電流を計測する機器である。電機子電圧計測器３０５は、発電機３０４の電機子の電圧を計測する機器である。ここで、界磁巻線３０２においては、電源の供給方法について様々な方法があるが、ここでは一例として界磁巻線３０２として、別電源を設けた他励式による電源供給とする。
【００３５】
発電機３０４は、電動機３０７および補機３０６へ電力を供給するとともに、電池群４０１が満充電状態でないときは、電池群４０１への充電も行う。電動機３０７は、発電機３０４によって発電された電力、もしくは、発電機３０４から電力が供給されないときは、電池群４０１からの電力を用いて、当該発電機３０４に接続された機械を駆動させる。補機３０６は、主回路１０を稼働するために必要な付属機器である。
【００３６】
次に、本実施の形態に係る二次電池充電システムの動作について説明する。
【００３７】
まず、電池群４０１に対する充電は、以下のように実施される。
【００３８】
定電流充電中において、単電池電圧計測回路２０５の測定結果（つまり、電池群４０１を構成する各二次電池４０２の単電池電圧）のうち、いずれか１つの単電池電圧が、予め設定されている、充電終止電圧もしくは所定の電圧に到達したとする。すると、充電制御回路１０６は、現在の充電電流設定値を小さくし、当該小さくした充電電流設定値に基づいて、各制御回路１０７〜１１０を制御し、発電機３０４から出力される充電電流を小さくして、定電流充電を継続する。その後、電池群４０１を構成する各二次電池４０２において、いずれか１つの単電池電圧が充電終止電圧もしくは所定の電圧に到達する度に、充電電流設定値を小さくし、定電流充電を継続する動作を繰り返す。
【００３９】
ここで、初期の充電電流設定値および当該充電電流設定値を小さくする幅は、充電制御回路１０６において予め設定されている。
【００４０】
なお、上記定電流充電中の発電機３０４は、電動機３０７と、補機３０６と、電池群４０１に電力を供給するため、発電機３０４の電流設定値を次式によって演算する。
【００４１】
つまり、ＳＶＩＧ＝（ＰＶＩＧ−ＰＶＩＢ）＋ＳＶＩＢ、である。
【００４２】
ここで、ＳＶＩＧは、電機子電流設定値であり、充電制御回路１０６で演算され、制御値として出力される値である。ＰＶＩＧは、電機子電流計測値であり、電機子電流計測器３０３で検出され、充電制御回路１０６へと送信された電流値である。ＰＶＩＢは、充電電流計測値であり、各単電池電流計測器３０８の検出結果（各電流値）を演算回路２０３で合計し、電池計測装置２０１から充電制御回路１０６へ送信された値である、放電の時は負の値となる。そして、ＳＶＩＢは、充電電流設定値であり、定電流充電するときの電池群４０１に対する所定の充電電流であり、充電制御回路１０６において予め設定されている。
【００４３】
上式において、ＰＶＩＧ−ＰＶＩＢの項は負荷電流であり、電動機３０７および補機３０６に供給される電流を表している。本システムでは、電機子電流と電池群４０１の電流から負荷電流を間接的に求めている。しかしながら、主回路１０の構成によっては、直接的に負荷電流を計測し、当該計測値を充電制御回路１０６における演算（上式）において用いてもよい。
【００４４】
次に、充電電流設定値が定電流充電を終了させる所定の電流値より小さくなったとき、電池群４０１に対する定電流充電は終了する。そして、動作は、定電流充電から浮動充電へと移行する。ここで、浮動充電中において、発電機３０４は、電動機３０７および補機３０６にのみ電力を供給すればよく、電池群４０１へ電力の供給を行わない。したがって、浮動充電中においては、上式におけるＳＶＩＢは０Ａとする。
【００４５】
さて、理想的な制御ができれば、ＰＶＩＢは０Ａで制御ができ、電池群４０１を満充電状態に保つことが可能である。しかしながら、上記の通り、負荷変動に伴う発電機３０４の制御応答、制御精度および測定誤差によって、浮動充電中においても電池群４０１に対して電流が流れ込み、電池群４０１の過充電が発生することがある。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、充電制御装置１０１は、浮動充電中において計測された最高単電池電圧値を用いて、発電機３０４から出力される電流を制御する。つまり、浮動充電中の電機子電流設定値の演算において、充電終止電圧（もしくは所定の電圧）と、最高単電池電圧値とを用いる。ここで、最高単電池電圧値は、単電池電圧計測回路２０５の測定結果であり、複数の二次電池４０２における単電池電圧のうち、最も高い電圧値である。上記の通り、最高単電池電圧値は、単電池電圧計測回路２０５の測定結果である複数の単電池電圧の中から、演算回路２０３において抽出される。
【００４７】
二次電池４０２の充電量と単電池電圧とは関係があり、充電されて二次電池４０２の充電量が増えると、単電池電圧は上がり、放電されて二次電池４０２の充電量が減ると、単電池電圧は下がる。計測器から計測値に多少誤差等が生じても、単電池電圧を監視することで、充電傾向にあるか放電傾向にあるかを検出でき、その大きさに応じて電機子電流の設定に補正をかけることでより、浮動充電中における電池群４０１に対する過充電を防止する。
【００４８】
具体的には、浮動充電中には、充電制御回路１０６は、次の二つの式を用いて演算された電機子電流設定値を用いて、発電機３０４に対する出力電流の制御を行う。
【００４９】
つまり、ｅ（ｔ）＝ＳＶＶＢ−ＰＶＶＢ（ｔ）、である。
【００５０】
また、ＳＶＩＧ＝（ＰＶＩＧ−ＰＶＩＢ）＋ＫＰ｛ｅ（ｔ）＋１／Ｔｉ∫ｅ（ｔ）ｄｔ｝、である。ここで、積分は、浮動充電中の所定の時間ｔに関して計算される。つまり、積分計算において、下端は０であり、上端はｔである。また、ＳＶＩＧ、ＰＶＩＧ、ＰＶＩＢについて、上記と同じである。
【００５１】
また、ＳＶＶＢは、充電終止電圧また、所定の電圧で定電流充電を終了させたときは、当該所定の電圧である。ｔは、浮動充電経過時間であり、浮動充電を開始してからの経過時間である。ＰＶＶＢ（ｔ）は、最高単電池電圧値であり、演算回路２０３において抽出された、経過時間ｔにおける、電池群４０１のうち、最も高い単電池電圧の計測値であり、電池計測装置２０１から充電制御装置１０１へと送信される値である。なお、上記から分かるように、ｅ（ｔ）は、ＳＶＶＢとＰＶＶＢ（ｔ）との差であり、ｅ（ｔ）が正の値のときは、電池群４０１は放電状態であり、ｅ（ｔ）が負の値のときは、電池群４０１は充電状態である。
【００５２】
また、上式において、ＫＰは比例定数であり、ｅ（ｔ）に比例して入力値を変化させるための定数である。ここで、ＫＰは、当該充電制御回路１０６において予め設定されている。Ｔｉは積分時間であり、累積された偏差にもとづき、電機子電流の設定値をあげるための時間定数である。
【００５３】
充電制御回路１０６において、浮動充電中に上記演算を行い、演算結果を用いて、回路１０７〜１１０を介して、発電機３０４の出力電流を制御する。
【００５４】
上記演算では、ＳＶＩＧ＝（ＰＶＩＧ−ＰＶＩＢ）＋ＫＰ｛ｅ（ｔ）＋１／Ｔｉ∫ｅ（ｔ）ｄｔ｝において、（ＰＶＩＧ−ＰＶＩＢ）の項に、測定誤差等から多少誤差等が生じても、ＫＰ｛ｅ（ｔ）＋１／Ｔｉ∫ｅ（ｔ）ｄｔ｝の項において、電池群４０１を構成する各二次電池４０２の単電池電圧を監視しながら、電機子電流の設定値に補正をかけることができる。
【００５５】
上記演算では、時間ｔにおけるｅ（ｔ）（＝ＳＶＶＢ−ＰＶＶＢ（ｔ））による比例制御となる。したがって、（ＳＶＶＢ−ＰＶＶＢ（ｔ））が大きいときは、上記補正が強くかかり、（ＳＶＶＢ−ＰＶＶＢ（ｔ））が小さいときは、上記補正が弱くかかる。また、積分項は残留偏差をなくすための項であり、演算においては、偏差が既に累積されていると演算開始とともに、瞬時に大きな補正がかかってしまう。したがって、浮動充電を開始するたびにリセットを行うか、もしくは浮動充電以外の時は０とする方がよい。
【００５６】
比例定数ＫＰおよび積分時間Ｔｉは、システムを稼働した上での調整が必要である。しかしながら、電池の仕様である、満充電状態における電池の容量と、単電池の電圧と充電量の特性と、電池群の単電池の数量とが分かれば、単電池電圧の変化に伴う、補正すべき充電電流及び放電電流は概ね見当がつく。
【００５７】
本実施の形態に係る二次電池充電システムでは、浮動充電は、電池群４０１に流れ込む充電電流及び電池群４０１から流れ出す放電電流を０Ａにし、電池群４０１を満充電状態に保持しつつ、発電機３０４は、負荷３０７および補機３０６に電力を供給する。
【００５８】
上記のように、本実施の形態に係る二次電池充電システムでは、浮動充電中において計測された最高単電池電圧値を利用して、発電機３０４から出力される電流を制御している。具体的には、負荷３０７および補機３０６に供給する電流を充電制御回路１０６にて演算するとき、単電池電圧の充電終止電圧もしくは所定の電圧の値と浮動充電中の電池群４０１の最高単電池電圧値を、発電機３０４の電機子電流の設定値の演算に用いる。
【００５９】
したがって、負荷変動に伴う発電機３０４の制御応答、制御精度および測定誤差があっても、電池群４０１の充電状態あるいは放電状態を正確に判断でき、上記演算により、測定結果と実際との間に生じる誤差に対して、補正をかけることができる。よって、本実施の形態に係る二次電池充電システムでは、浮動充電中における電池群４０１に対する過充電を防止することができ、満充電状態を維持できる。
【００６０】
なお、最高単電池電圧値を有する二次電池４０２が、浮動充電開始時および浮動充電時において、異なる二次電池４０２になったとしても、本発明に係る制御方法では、電池群４０１に対する過充電は防止できる。
【００６１】
また、本実施の形態に係る二次電池充電システムでは、浮動充電中における電池群４０１に対する過充電を防止するために、各電池列に対して半導体スイッチ素子等を配設するのではなく、最高単電池電圧値を用いた演算を利用している。したがって、システム全外の小型化および低コスト化実現される。
【符号の説明】
【００６２】
１０  主回路
１０１  充電制御装置
１０２  界磁用交流電源
１０３  整流器
１０４  制御素子
１０５  通信回路（充電制御装置側）
１０６  充電制御回路
１０７  電機子電流制御回路
１０８  電機子電圧制御回路
１０９  界磁電流制御回路
１１０  パルス発生器
２０１  電池計測装置
２０２  通信回路（電池計測装置側）
２０３  演算回路
２０４  単電池電流計測回路
２０５  単電池電圧計測回路
３０１  界磁電流計測器
３０２  界磁巻線
３０３  電機子電流計測器
３０４  発電機
３０５  電機子電圧計測器
３０６  補機
３０７  電動機
３０８  単電池電流計測器
４０１  電池群
４０２  単電池（二次電池）
【図１】
0006261522.tif 000002