(57)【要約】【課題】複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機が過負荷となることを防止する。【解決手段】並列に接続された複数の電池群１，２（Ｂ１，Ｂｍ）と、負荷１５，１７と、電池群の充電および負荷１５，１７へ電力を供給する原動機駆動発電機１２（Ｇ）と、充電制御回路＆電池状態監視装置３１とを設け、この充電制御回路＆電池状態監視装置３１により、電池電圧が所定の変動範囲内では原動機駆動発電機出力が定出力以内に収まるように制御して原動機１１が過負荷とならないようにし、電池電圧が所定の変動範囲外では発電機１２（Ｇ）の電圧または電流を制限して、発電機１２（Ｇ）が過電流，過電圧とならないようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機とを備え、前記複数の電池群の電圧が所定の変動範囲内では前記原動機駆動発電機の出力を一定値内に収まるように制御して原動機が過負荷とならないようにし、前記複数の電池群の電圧が変動範囲外では発電機の電流または電圧を制限して発電機が過電流，過電圧にならないように制御することを特徴とする電池の充放電制御方法。
【請求項２】
前記原動機駆動発電機が前記複数の電池群を充電しながら負荷へも電力を供給するに当たり、前記原動機駆動発電機の出力が設定値の範囲内のときは、発電機は複数の電池群を充電しながら負荷へ電力を供給し、負荷が増加したときは充電電流の設定を下げ充電電力を減らすことで負荷電力の不足分に充当し、さらに負荷が増加したときは、発電機は設定された電力を負荷に供給するとともに、複数の電池群を放電状態として負荷に電力を供給することにより、負荷への電力供給が不足しないようにすることを特徴とする請求項１に記載の電池の充放電制御方法。
【請求項３】
前記複数の電池群の充電に当たっては、定電圧充電，定電流充電またはパルス充電の少なくとも１つを選択して行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の電池の充放電制御方法。
【請求項４】
前記パルス充電では、各電池群に一定の順序でそれぞれパルスを割り当てて充電して行き、充電完了の状態に到達した電池群に対応する順位には別の電池群にパルスを割り当てて充電を継続し、前記発電機から供給される電流が断続しないようパルスシフト制御を行なうことにより、制御の安定化と電流断続によるノイズの発生を抑制することを特徴とする請求項３に記載の電池の充放電制御方法。
【請求項５】
ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機と、前記各電池群にそれぞれ直列に接続されたスイッチと、このスイッチをオン，オフ制御して前記複数の電池群の一括充電制御を行なう制御回路とを備え、
前記制御回路により、大電流充電領域では連続した定電圧または定電流で充電を行なうとともに、充電電流の小さい最終充電領域では各充電池群に一定の順序でそれぞれパルスを割り当てて充電するパルス充電を行ない、かつ、このパルス充電時には、充電完了の状態に達した電池群から順次充電を停止させることを特徴とする電池の充電制御装置。
【請求項６】
前記最終充電領域では定電流によるパルス充電を行ない、その充電電圧が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させることを特徴とする請求項５に記載の電池の充電制御装置。
【請求項７】
前記最終充電領域では定電圧によるパルス充電を行ない、その充電電流が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させることを特徴とする請求項５に記載の電池の充電制御装置。
【請求項８】
前記最終充電領域でのパルス充電は、各電池群に一定の順序でそれぞれパルスを割り当てて充電して行き、充電完了の状態に到達した電池群に対応する順位には別の電池群にパルスを割り当てて充電を継続し、前記発電機から供給される電流が断続しないようパルスシフト制御を行なうことにより、制御の安定化と電流断続によるノイズの発生を抑制することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の電池の充電制御装置。
【請求項９】
全ての電池群でパルス充電による充電が停止した後、補充電を行なうことを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の電池の充電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄電池を一次電源とし、蓄電池を充電する発電機を備えた電池システム、特に電気自動車や電気推進船舶などの動力機械に電力を供給するのに好適な電池の充放電制御方法および充電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄電池を一次電源とする大容量システムでは、従来から鉛蓄電池，アルカリ蓄電池が多用され、大容量単電池を２００〜３００個直列接続して群を成し、この電池群の２〜４群を並列接続するものが一般的である。また、近年は高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池の民生用途，産業用途への実用化が進んでいる。
【０００３】
しかし、大容量システムへの適用を目的とする大容量リチウムイオン電池は研究・開発段階であり、将来動向は不明であるが、現段階では中小容量単電池を多数直並列に接続して実用化されるものと考えられている。
また、リチウムイオン電池はエネルギー密度が大きい利点を有する反面、過充電によって発火，爆発などの危険を伴うことが報告されていることから、その充電に際しては注意と厳密な監視・制御が必要となる。なお、従来からの鉛蓄電池またはアルカリ蓄電池では、充電終期に多量に発生する水素ガスに対し、ガス発生抑制のための監視・制御が必要である。
【０００４】
多数並列接続された電池群を一括充電する方法として、商用電源を利用するもの他原動機駆動発電機を利用するものがあるが（例えば、特許文献１，２参照）、負荷が増加した場合の運転が制限されるだけでなく、各電池群の特性バラツキによって生じる各電池群の充電バラツキにより、一部の電池群では充電不足、他の一部の電池群では過充電などの充電不揃い状態が発生する。特に、リチウムイオン電池群では、この充電不揃いによって生じる過充電によって発火，爆発発生のおそれがあり、この危険を回避するために厳重な充電監視，制御が必要となり、特性バラツキを持つ電池群を均等に充電することによって、電力利用効率の向上が望まれる。特に、このようなバラツキを抑制する従来例として、例えば特許文献３〜６に示すもの等がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−０３２９０１号公報（図１）
【特許文献２】
特開２００３−０５９４７４号公報（図６）
【特許文献３】
特開平０５−１３０７４３号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献４】
特開平０７−２０３６３４号公報（第３−７頁、図１）
【特許文献５】
特開平０７−３２２５１９号公報（第３−４頁、図３）
【特許文献６】
特開平１０−１７４３０５号公報（第４−５頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池充電には定電圧充電法，定電流充電法のほかにパルス充電方法も広く実用化されているが、大容量電池を用いたシステムにおいて、充電量の少ない大電流充電領域でパルス充電法を用いると、強力なノイズが発生し、システムを構成する機器，装置に重大な機能障害を与えることが指摘されている。しかるに上記いずれの従来例もこの点についての対策は何も施されていない。
したがって、この発明は、以上のような問題を解決すべくなされたもので、その課題は、負荷変動に対応して原動機駆動発電機が過負荷にならないよう制御しつつ負荷への供給電力が不足しないようにして、運転方法が制限されないようにするとともに、充電状態の不揃いによって生じる発火，爆発の危険を回避し、パルス充電によるノイズの発生を抑制することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機とを備え、前記複数の電池群の電圧が所定の変動範囲内では前記原動機駆動発電機の出力を一定値内に収まるように制御して原動機が過負荷とならないようにし、前記複数の電池群の電圧が変動範囲外では発電機の電流または電圧を制限して発電機が過電流，過電圧にならないように制御することを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１の発明においては、前記原動機駆動発電機が前記複数の電池群を充電しながら負荷へも電力を供給するに当たり、前記原動機駆動発電機の出力が設定値の範囲内のときは、発電機は複数の電池群を充電しながら負荷へ電力を供給し、負荷が増加したときは充電電流の設定を下げ充電電力を減らすことで負荷電力の不足分に充当し、さらに負荷が増加したときは、発電機は設定された電力を負荷に供給するとともに、複数の電池群を放電状態として負荷に電力を供給することにより、負荷への電力供給が不足しないようにすることができる（請求項２の発明）。
【０００９】
請求項１または２の発明においては、前記複数の電池群の充電に当たっては、定電圧充電，定電流充電またはパルス充電の少なくとも１つを選択して行なうことができ（請求項３の発明）、この請求項３の発明においては、前記パルス充電では、各電池群に一定の順序でそれぞれパルスを割り当てて充電して行き、充電完了の状態に到達した電池群に対応する順位には別の電池群にパルスを割り当てて充電を継続し、前記発電機から供給される電流が断続しないようパルスシフト制御を行なうことにより、制御の安定化と電流断続によるノイズの発生を抑制することができる（請求項４の発明）。
【００１０】
請求項５の発明では、ｎ（２以上の自然数）個の電池が直列に接続された電池群がｍ（２以上の自然数）群並列に接続されてなる複数の電池群と、電動機を含む負荷と、前記複数の電池群への充電および負荷への電力供給を行なう原動機駆動発電機と、前記各電池群にそれぞれ直列に接続されたスイッチと、このスイッチをオン，オフ制御して前記複数の電池群の一括充電制御を行なう制御回路とを備え、
前記制御回路により、大電流充電領域では連続した定電圧または定電流で充電を行なうとともに、充電電流の小さい最終充電領域では各充電池群に一定の順序でそれぞれパルスを割り当てて充電するパルス充電を行ない、かつ、このパルス充電時には、充電完了の状態に達した電池群から順次充電を停止させることを特徴とする。
【００１１】
上記請求項５の発明においては、前記最終充電領域では定電流によるパルス充電を行ない、その充電電圧が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させることができ（請求項６の発明）、または、前記最終充電領域では定電圧によるパルス充電を行ない、その充電電流が予め設定した値に到達した電池群から順次充電を停止させることができる（請求項７の発明）。
請求項５〜７のいずれかの発明においては、前記最終充電領域でのパルス充電は、各電池群に一定の順序でそれぞれパルスを割り当てて充電して行き、充電完了の状態に到達した電池群に対応する順位には別の電池群にパルスを割り当てて充電を継続し、前記発電機から供給される電流が断続しないようパルスシフト制御を行なうことにより、制御の安定化と電流断続によるノイズの発生を抑制することができ（請求項８の発明）、請求項５〜８のいずれかの発明においては、全ての電池群でパルス充電による充電が停止した後、補充電を行なうことができる（請求項９の発明）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
同図において、１，２は電池（Ｂ１，Ｂｍ）、３，４は半導体スイッチ（Ｑ１，Ｑｍ）とダイオード（Ｄ１，Ｄｍ）との逆並列回路からなるスイッチ回路、５，６，９，１３，１６，１８は電流検出器、７，８，１０，１４は電圧検出器、１１は発電機の駆動用原電動機（ＤＥ）、１２は発電機（Ｇ）、１５は補機（Ｌ）、１７は推進電動機（Ｍ）、１９はプログラム設定装置、２０はパルス充電スイッチ（ＳＷＰ）、２１は充電切替スイッチ（ＳＷＣ）、２２は補充電スイッチ（ＳＷＨ）、２３は発電機出力設定器（ＶＲＰ）、２４は電圧設定器（ＶＲＶ）、２５は電流設定器（ＶＲＩ）、２６〜３０は演算部、３１は充電制御回路＆電池状態監視装置、３２は充電制御切替スイッチ（ＳＷｖｃ）、３３，３４，３５は増幅器（Ａ１，Ａ２，Ａ３）、３６は発電機励磁装置（ＥＸ）である。
すなわち、この発明による電池の充放電制御システムは、電池１，２（Ｂ１，Ｂｍ）、発電機１２（Ｇ）、補機１５（Ｌ）および推進電動機１７（Ｍ）などから構成され、発電機１２は電池１，２を充電するだけでなく、補機１５や推進電動機１７へも電力を供給する。なお、電池１，２は単体として示しているが、実際は複数個が直列に接続される構成となっている。
【００１３】
このようなシステムの代表的な充電動作を図２に示すが、その動作概要は以下の通りである。
図２（ａ）は、発電機１２により電池１，２を充電するだけの動作である。
図２（ｂ）は、発電機１２により電池１，２を充電しながら補機１５と推進電動機１７へ電力を供給する動作である。
図２（ｃ）は図２（ｂ）において、負荷である補機１５と推進電動機１７の電力が増加したとき、発電機１２と電池１，２の両方から電力を供給する動作である。
【００１４】
図３に代表的な充電方法を示す。
図３（ａ）〜（ｃ）は従来から用いられている一般的な充電方法例を示し、全充電期間を連続した電圧または電流で充電する方法である。
図３（ｄ）〜（ｉ）はこの発明による充電方法を示し、従来の充電方法に加えて、最終充電領域ではパルス充電法を用いる方法である。
すなわち、大容量機器で構成されるシステムでは大容量電池が用いられ、大充電電流領域においてパルス充電法を用いると強力なノイズが発生し、システムを構成する機器，装置に重大な機能障害を与えることになる。したがって、大充電電流領域では、ノイズ発生がない連続した電圧、または電流で充電し、充電終期の小充電電流領域でパルス充電法にて充電を行ない、ノイズ発生を抑制しつつ、並列接続された各電池群の特性バラツキによって生じる充電バラツキをなくすことを目的とする充電を行なうものである。
【００１５】
ここで、発電機が電池を充電しながら負荷である補機および推進電動機へ給電する運転モードにおいて（図２（ｂ）がこれに該当）、負荷電力が変動したとき、発電機が過負荷にならないよう発電機定出力制御を行ないつつ、充電電力を調整しながら負荷へ電力を供給する動作について、図１，図４を参照して説明する。
定電流充電モードにおける発電機制御
この場合、図１の充電制御回路＆電池状態監視装置３１からの指令により、スイッチ３２（ＳＷｖｃ）は電流制御側に切替えられる。これにより、充電制御回路＆電池状態監視装置３１からの出力信号ＩＢｓはスイッチ３２を通り、フィードバック信号である電池電流検出器９（ＳＨＢ）の検出信号ＩＢｉと、ｋ２点で突き合わされる発電機電流制御ループによって制御される。図１で発電機１２（Ｇ）を駆動する原動機はディーゼルエンジン１１（ＤＥ）が一般的であり、定出力特性を持つディーゼルエンジンは過負荷になるとエンジンが停止する、いわゆるエンストが発生することになる。したがって、いかなる負荷状態であっても、エンジン出力が定格出力以内に保持されるよう、エンジン駆動発電機の出力ＰＧが一定となるように制御する必要がある。
【００１６】
すなわち、図４（ａ）に示す電池電圧ＶＢの電圧変動がＬ１〜Ｈの範囲では、発電機出力ＰＧが一定となるよう発電機電流がＩＧｓｐ（太線参照）を越えないように制御する。また、Ｌ１〜Ｌ２の範囲は電池電圧ＶＢがＬ１よりさらに低下した領域であるが、この範囲でも電池充電が可能となるよう発電機最大電流をＩＧｍａｘとして、発電機の過電流保護を行なう。つまり、この範囲では発電機電流はＩＧｍａｘに制限されるが、電池電圧が低下するので、両者の積（ＩＧｍａｘ×ＶＧ≒ＩＧｍａｘ×ＶＢ）である発電機出力は小さくなって発電機出力＝原動機出力は低下するので、過負荷とはならない。
【００１７】
一方、電池電圧が上昇してＨに至れば、発電機電圧がＨを越えないように制限して発電機の過電圧保護を行なうが、この位置では発電機電圧はＨにされ、発電機電流はＩＧｍｉｎに制限されるので、発電機出力＝原動機出力は過負荷とはならない。
したがって、電池電圧ＶＢの変動範囲がＬ１〜Ｈにおいては、図１に示す発電機出力設定ＶＲｐ（２３）を出力設定値ＰＧとして、これを発電機電圧ＶＧｉ≒ＶＢｉで除した発電機電流指令値ＩＧｓｐ（＝ＰＧ÷ＶＧｉ）で発電機電流を制御すれば、電池電圧ＶＢが変動しても、発電機出力は常に設定値を越えないように制御され、原動機が過負荷になることはない。
【００１８】
以上、定出力特性を持つ原動機駆動発電機において、電池を充電しながら負荷である補機および推進電動機へ電力を供給する運転モードでは、通常は電池充電電力，補機電力および推進電動機電力の総和が発電機出力容量以内で運転される。ここで、電力の総和が発電機の定出力制御範囲以内であれば、発電機はいずれの機器へも電力を供給することができる。
ここで負荷が増加し、電力の総和が発電機設定出力制御範囲を越えると、発電機は定出力制御され、電池は設定された条件の充電電力で充電されているから、増加しようとする負荷電力は発電機設定出力を越えないように制限する必要がある。これは、例えば船舶用電気推進システムでは、プロペラ回転速度を下げ船速を下げるなどシステム運転を制限することを意味し、船舶運行に支障を来たすことになる。そこで、負荷が増加して発電機からの電力供給が不足状態になると、以下のようにしてシステム運転に支障を来たさないようにしている。
【００１９】
発電機は図４（ａ）に「出力一定範囲」として示す範囲、つまり電流最大ＩＧｍａｘ＝電池電圧Ｌ１点と、ＩＧｍｉｎ＝電池電圧Ｈ点との範囲内で制御される。ここで、図１に示す負荷電流ＩＬは補機電流ＩＡＸと推進電動機電流ＩＭとの和（ＩＬ＝ＩＡＸ＋ＩＭ）であり、ＩΣは負荷電流ＩＬと電池充電電流ＩＢとの和（ＩΣ＝ＩＬ＋ＩＢ）で、これは発電機出力電流ＩＧに等しい（ＩΣ＝ＩＧ）。いま、電池電圧がＬ１点（発電機出力電流の上限値ＩＧｍａｘ点）で、電池充電電流設定ＩＢｓで運転しているとき、図４（ｂ）に実線で示す負荷電流ＩＬがｃ０点から徐々に増加すると、電流ＩΣ（＝ＩＢｓ＋ＩＬ＝発電機出力電流ＩＧ）は点線で示す線上を増加し、ｃ１点（ＩΣ＝ｄ１点）を過ぎてｃ２点に到達すると、電流総和ＩΣはｄ２点となる。ｄ２点は発電機定格出力電流の最大値ＩＧｍａｘと一致する点であり、電池はａ２点の電流ＩＢｓで充電される。さらに、負荷電流ＩＬが増加してｃ２点を越えると、発電機は電流ＩＧｍａｘに制限されており、電流総和ＩΣが発電機電流ＩＧｍａｘに制限されるため、このままでは負荷への供給電力が不足することになる。そこで、負荷への供給電力の不足を解消するために、その不足電力分を電池から補うよう、不足電力に見合う電池充電電流設定ＩＢｓを下げて、電池の充電電力を減少させるよう動作させる。
【００２０】
その動作が、図１の演算部２６，２７，２８，２９および充電制御回路＆電池状態監視装置３１によって行なわれる。つまり、ｃ２点から負荷が徐々に増加すると、演算部２９は演算部２６で演算された発電機出力電流制限値ＩＧｓｐから、演算部２８で演算された電流総和ＩΣ値を引いてΔＩＢｓを求め、演算部３０および充電制御回路＆電池状態監視装置３１に演算結果を与える。ここで、演算部２９の演算結果ΔＩＢｓは、負にならないよう（≧０）にしておく。その結果、負荷の増加とともに演算部３０の演算結果ＩＢｓｓ＝ＩＢｓ−ΔＩＢｓは増加し、ＩＢｓｓと充電制御回路＆電池状態監視装置３１からの充電電流設定値ＩＢｓをｋ１点で突き合わせてＩＢｓｓｓ＝ＩＢｓ−ＩＢｓｓが求められ、このＩＢｓｓｓが電池充電電流設定値として用いられる。つまり、ＩΣが増加しΔＩＢｓが減少すると、ＩＢｓｓが増加してＩＢｓｓｓが減少、すなわち、電池充電電流設定値ＩＢｓｓｓが下がって充電電流が減少（＝充電電力が減少）し、負荷の不足電力が補われることになる。
【００２１】
なお、上記の制御において、増幅器３３（Ａ１）〜３５（Ａ３）などによる制御動作は次のように行なわれる。すなわち、上記のＩＢｓｓｓが電池充電電流設定値として用いられ、電池電流フィードバック信号ＩＢｉとｋ２点で突き合わされて電流制御ループが形成され、ｋ２点の出力が増幅器３３（Ａ１）へ入力される。増幅器３３（Ａ１）の出力信号は発電機電圧指令ＶＧｓＩであり、発電機電圧検出フィードバック信号ＶＧｉとｋ３点で突き合わされて発電機電圧制御ループが形成され、ｋ３点の出力が増幅器３４（Ａ２）へ入力される。増幅器３４（Ａ２）の出力信号は発電機電流設定値ＩＧｓであり、演算部２６の演算結果ＩＧｓｐ（発電機出力電流制限値）とｋ４点で突き合わされて発電機電流設定値ＩＧＩが得られ、このＩＧＩと発電機電流フィードバック信号ＩＧｉとがｋ５点で突き合わされて発電機電流制御ループが形成され、増幅器３５（Ａ３）および発電機励磁装置３６（ＥＸ）を介して発電機界磁電流ＩＧｆが調整されて、発電機出力電圧、すなわち発電機出力電流が制御される。
【００２２】
負荷がさらに増加してＩΣがｃ３点に到達すると、演算部２９でＩＧｓｐ＝ＩΣとなるためΔＩＢｓはゼロ、演算部３０ではＩＢｓｓ＝ＩＢｓ、ｋ１点の突き合わせ＋ＩＢｓ−ＩＢｓｓもゼロ、電池充電電流設定値ＩＢｓｓｓもゼロで、ｃ３点の負荷状態は発電機出力＝負荷電力の点となるから、発電機出力は全て負荷に供給され、電池充電電流，電力ともゼロとなる。
さらに負荷が増加すると、もはや発電機容量では負荷への供給電力が不足するので、電池から放電動作をして不足電力を補う。この負荷状態では、演算部２９（ΔＩＢｓ＝ＩＧｓｐ−ＩΣ≧０）の演算結果ΔＩＢｓ＝ゼロとなるので、充電制御回路＆電池状態監視装置３１はΔＩＢｓ＝ゼロを検知して、発電機制御を定電流制御から定電圧制御に切替える。すなわち、スイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電圧制御側に切替えるとともに、電池電圧検出器１０（ＶＤＢ）の検出値ＶＢｉ＝発電機電圧設定値ＶＧｓとする発電機電圧制御とする。
上記の発電機電圧制御では、発電機は変動する電池電圧に追従しながらの動作となり、発電機の出力は演算部２６の演算結果ＩＧｓｐにより突き合わせ点ｋ４点で電流が制限されて、変動する電池電圧に追従しながら発電機出力設定器２３（ＶＲｐ）の設定値ＰＧを越えないように制御されるので、電池電圧がどのように変動しようと発電機が過負荷となることはない。
当然電池は放電状態であり、放電状態が継続して電池電圧が徐々に低下しても、発電機は電池電圧に追従しながら発電機出力が設定値を越えないように制御される。
【００２３】
なお、上記の制御において、増幅器３４（Ａ２）〜３５（Ａ３）などによる制御動作は次のように行なわれる。すなわち、充電制御回路＆電池状態監視装置３１から出力される発電機電圧設定値ＶＧｓは発電機電圧検出フィードバック信号ＶＧｉとｋ３点で突き合わされて発電機電圧制御ループが形成され、ｋ３点の出力が増幅器３４（Ａ２）に入力される。増幅器３４（Ａ２）の出力信号は発電機電流設定値ＩＧｓであり、演算部２６の演算結果ＩＧｓｐ（発電機出力電流制限値）とｋ４点で突き合わされて発電機電流設定値ＩＧＩが得られ、このＩＧＩと発電機電流フィードバック信号ＩＧｉとがｋ５点で突き合わされて発電機電流制御ループが形成され、増幅器３５（Ａ３）および発電機励磁装置３６（ＥＸ）を介して発電機界磁電流ＩＧｆが調整されて、発電機出力電圧、すなわち発電機出力電流が制御される。
【００２４】
負荷が減少して演算部２９のΔＩＢｓが正に転じると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１はスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電流制御側に切替えるとともに、元の制御状態に自動的に戻るようになっている。
【００２５】
次に、定電圧充電モードにおける発電機制御について説明する。
図１の充電制御回路＆電池状態監視装置３１からの指令により、スイッチ３２（ＳＷｖｃ）は電圧制御側に切替えられる。これにより、充電制御回路＆電池状態監視装置３１からの出力信号ＶＧｓはスイッチ３２を通り、フィードバック信号である発電機電圧検出器１４（ＶＤＧ）の検出信号ＶＧｉと、ｋ３点で突き合わされる発電機電圧制御ループによって制御される。
発電機は上記定電流充電モードの場合と同じく、図４（ａ）の電池電圧がＬ１〜Ｈの範囲内の所定電圧に設定された電圧ＶＧｓで定電圧制御されるが、発電機出力ＰＧは演算部２６からの演算結果ＩＧｓｐにより、突き合わせｋ４点で発電機電流は制限されるから、発電機出力は設定器２３（ＶＲｐ）の設定値ＰＧを越えないように制御される。
【００２６】
図４（ａ）の電池電圧範囲がＬ１〜Ｈにおいて、電池充電電力と負荷への供給電力の和が発電機出力容量以下であれば、両者が要求する電力は発電機が供給する。
そして、負荷電力が増加すると、上記定電流充電モードの場合と同じく、演算部２９の演算結果ΔＩＢｓにより、充電制御回路＆電池状態監視装置３１はその電圧指令出力信号ＶＧｓを下げ、結果として電池の充電電流を下げ負荷へ不足電力を供給するようにする。負荷が増加して演算部２９の演算結果ΔＩＢｓがゼロとなる点は、図４（ｂ）に示すａ１〜ａ２点であり、この点は電池電圧ＶＢｉと発電機電圧ＶＧｓとが等しくなる点である。さらに負荷が増加し、演算部２９の演算結果ΔＩＢｓがゼロになると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１はΔＩＢｓ＝ゼロを検出して、発電機定電圧制御から電池電圧に追従する電圧制御へと切替え、電池電圧検出器１０（ＶＤＢ）の検出値ＶＢｉ＝発電機電圧設定値ＶＧｓと、フィードバック信号である発電機電圧の検出信号ＶＧｉをｋ３点で突き合わせる発電機電圧制御を行ない、電池電圧に追従しながら発電機は負荷へ電力を供給するとともに、不足電力は電池の放電電力で補うようにする。
【００２７】
すなわち、発電機は電池電圧に追従した発電機電圧制御動作となるが、発電機は演算部２６の演算結果ＩＧｓｐにより、突き合わせｋ４点で発電機電流が制限されるから、どのような電池電圧状態であっても、発電機出力設定器２３（ＶＲｐ）の設定値ＰＧを越えないように制御され、発電機が過負荷となることはない。
負荷が減少して演算部２９のΔＩＢｓが正に転じると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は電圧制御から設定された元の定電圧制御状態へ自動的に戻る。
【００２８】
次に、各種の充電方式について説明する。
図５は定電圧充電⇒定電流パルス充電方式の説明図である。
この場合、図１のプログラム設定装置１９の充電切替スイッチ２１（ＳＷＣ）を「定電圧」、パルス充電スイッチ２０（ＳＷＰ）を「ＯＮ」、補充電を行なう場合は補充電スイッチ２２（ＳＷＨ）を「ＯＮ」に設定するとともに、図５に示す充電電圧ＶＢａに対応する発電機電圧を電圧設定器２４（ＶＲＶ）で設定すると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は切替え指令を出力して充電制御切替えスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電圧制御側に切替え、電圧指令値ＶＧｓを出力して定電圧充電動作を開始する。
このとき、発電機は電圧指令値ＶＧｓと電圧フィードバック信号ＶＧｉとをｋ３点で突き合わせる定電圧制御動作となるが、電圧設定器２４（ＶＲＶ）で充電電流ＩＢΣが所定値ＩＢａΣとなるように設定されると、以後、電池には連続した一定の電圧が供給される。充電開始後、充電電流ＩＢΣは時間経過とともに徐々に減少するが、ＩＢΣは各電池群充電電流の総和であり、図５に示すように各電池群の特性バラツキにより各電池群の充電電流バラツキが生じる。充電が進むと充電電流ＩＢΣはさらに減少するが、充電電流ＩＢΣがＩＢｂΣとなるｂ点での電池への供給電圧ＶＢｂは発電機定電圧制御による定電圧充電であるから、充電開始時の電圧ＶＢａと同じ電圧である。
【００２９】
そして、電池電流検出器９（ＳＨＢ）の検出電流が、予め設定したｂ点のＩＢｂΣに到達したことを充電制御回路＆電池状態監視装置３１が判定すると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は制御切替え指令を出力し、制御切替えスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電圧制御から電流制御側に切替えるとともに、電流指令値ＩＢｓを出力する。この電流指令値ＩＢｓとしては、次の３つのモードのいずれか１つから選択することができる。
（モード１）ｂ点に到達したときの各電池群の充電電流ＩＢｂ１，ＩＢｂ２…ＩＢｂｍを充電制御回路＆電池状態監視装置３１で記憶し、記憶された各電池群の電流を設定値ＩＢｓとして定電流パルス充電を行なう。
（モード２）充電制御回路＆電池状態監視装置３１で記憶された各電池群電流ＩＢｂ１，ＩＢｂ２…ＩＢｂｍの算術平均値を各電池群の充電電流設定値ＩＢｓとして定電流パルス充電を行なう。
（モード３）充電制御回路＆電池状態監視装置３１で記憶された各電池群電流のうち、最小値または最大値を各電池群の充電電流設定値ＩＢｓとして定電流パルス充電を行なう。
【００３０】
以上、いずれかのモードで選択された充電電流設定値ＩＢｓから演算されるＩＢｓｓｓと、電池電流検出器９（ＳＨＢ）で検出されたフィードバック信号ＩＢｉとを図１のｋ２点で突き合わせる発電機の定電流制御回路を形成するとともに、半導体スイッチ３（Ｑ１），４（Ｑｍ）へはＯＮ−ＯＦＦ指令を与えて定電流パルス充電動作を開始する。
定電流パルス充電での各電池群の充電状態は電池電圧によって監視され、充電時間の経過とともに電池電圧は上昇し、各電池群に設けられた電圧検出器７（ＶＤ１），８（ＶＤｍ）によって検出された電圧がＶＢｃに到達したことを充電制御回路＆電池状態監視装置３１が判定すると、対応する電池群の半導体スイッチにＯＦＦ指令を与えて充電を停止させる。当然、全ての電池群の半導体スイッチがＯＦＦしたことで充電は完了する（ｃ点参照）。また、補充電スイッチ２２（ＳＷＨ）が「ＯＮ」であれば、充電完了後に補充電動作を行なうが、定電流パルス充電領域ｂ点〜ｃ点で選択された上記充電電流設定モードによる補充電を行なうものとし、電池電圧がＶＢｃに到達した電池群から順次充電を停止して補充電を完了する。なお、補充電は定電圧パルス充電，連続定電圧充電または連続定電流充電のいずれによっても行なうことができる。
【００３１】
次に、図６を参照して、定電流充電⇒定電圧パルス充電方式について説明する。
この場合、図１のプログラム設定装置１９の充電切替スイッチ２１（ＳＷＣ）を「定電流」、パルス充電スイッチ２０（ＳＷＰ）を「ＯＮ」、補充電を行なう場合は補充電スイッチ２２（ＳＷＨ）を「ＯＮ」に設定するとともに、図６に示す充電電流ＩＢａΣを電流設定器２５（ＶＲＩ）で設定すると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は切替え指令を出力して充電制御切替えスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電流制御側に切替え、電流指令値ＩＢｓを出力して定電流充電動作を開始する。
このとき、発電機は電流指令値ＩＢｓから求められるＩＢｓｓｓと電流フィードバック信号ＩＢｉをｋ２点で突き合わせる定電流制御動作により、連続した一定電流が電池に供給される。図６に示す充電電流ＩＢａΣは各電池群充電電流の総和であり、各電池群の特性バラツキにより各電池群の充電電流バラツキが生じる。充電が進み、電池電圧ＶＢはａ点のＶＢａから徐々に上昇しｂ点のＶＢｂに到達するが、ｂ点の電池電流ＩＢｂΣは発電機定電流制御による定電流充電であるから、充電開始時の電流ＩＢａΣと同じ電流である。
そして、電池電圧検出器１０（ＶＤＢ）の検出電圧が、予め設定したｂ点のＶＢｂに到達したことを充電制御回路＆電池状態監視装置３１が判定すると、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は制御切替え指令を出力し、充電制御切替えスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電流制御から電圧制御側に切替えるとともに、充電制御回路＆電池状態監視装置３１が記憶した電流指令値電池電圧ＶＢｂを、発電機電圧制御設定値ＶＧｓとして出力する。
【００３２】
電圧設定値ＶＧｓと発電機電圧検出器１４（ＶＤＧ）で検出されたフィードバック信号ＶＧｉを、図１のｋ３点で突き合わせる発電機の定電圧制御回路を形成するとともに、半導体スイッチ３（Ｑ１），４（Ｑｍ）へはＯＮ−ＯＦＦ指令を与えて定電圧パルス充電動作を開始する。
定電圧パルス充電での各電池群の充電状態は充電電流によって監視され、充電時間の経過とともに電池電流は減少し、各電池群に設けられた電流検出器５（ＳＨ１），６（ＳＨｍ）によって検出される電流が、図６に示す設定電流ＩＢｃに到達したことを充電制御回路＆電池状態監視装置３１が判定すると、対応する電池群の半導体スイッチにＯＦＦ指令を与えて充電を停止させる。当然、全ての電池群の半導体スイッチがＯＦＦしたことで充電は完了する（ｃ点参照）。また、補充電スイッチ２２（ＳＷＨ）が「ＯＮ」であれば、充電完了後に補充電動作を行なうが、定電圧パルス充電領域ｂ点〜ｃ点で設定された電圧ＶＢｃにて補充電を行なうものとし、電池電流がＩＢｃに到達した電池群から順次充電を停止して補充電を完了する。なお、補充電は定電圧パルス充電，連続定電圧充電または連続定電流充電のいずれによっても行なうことができる。
【００３３】
図７に定電流充電⇒定電流充電⇒定電圧パルス充電方式の例を示す。
この充電方法は、上記図６で説明した定電流充電⇒定電圧パルス充電方式の定電流充電を２段階に分割して充電する以外は同じ動作となるので、説明は省略する。なお、大電流充電領域を２段階にするのは、大電流で一気に充電する、いわゆる急速充電に伴う電池に与えるストレスを緩和するためであり、大容量電池ではしばしば用いられる充電手法である。
【００３４】
図８に定電流充電⇒定電圧充電⇒定電流パルス充電方式の例を示す。
この充電方法は、上記図５で説明した定電圧充電⇒定電流パルス充電方式の前段に、定電流充電部を付加したほかは同じ動作となるので、説明は省略する。なお、大電流充電領域を２段階にするのは、大電流で一気に充電する、いわゆる急速充電に伴う電池に与えるストレスを緩和するためであり、大容量電池ではしばしば用いられる充電手法である。
【００３５】
次に、パルス充電と発電機制御との関連動作について、主として図９を参照して説明する。パルス充電に定電圧と定電流の場合があるが、まず、定電流パルス充電と発電機制御との関連動作を説明する。
定電流パルス充電と発電機制御との関連動作
図５で充電が完了した電池から順次充電を停止させるところまでは既に説明した通りである。その後は、充電プログラムの設定によって、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は制御切替え指令を出力し、充電制御切替えスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電流制御側に切替えるとともに、電流指令ＩＢｓを出力する。この定電流パルス充電モードでは、発電機励磁装置３６（ＥＸ）は電池電流設定信号ＩＢｓｓｓと、電池電流検出器９（ＳＨＢ）で検出した信号ＩＢｉをフィードバック信号としてｋ２点で突合わせる電池電流制御ループで制御される。そして、図５に示す定電流パルス充電領域では、電池群と直列に接続された半導体スイッチ３，４（Ｑ１，Ｑ２）を順次ＯＮ−ＯＦＦさせてパルス充電を行なうが、先に説明したように充電電流が設定値ＩＢｃに到達した電池から順次充電を停止させるようにする。
【００３６】
図９のタイムチャートにおいて、例えば１群電池が充電完了したとすると、次の充電サイクルで１群電池にＯＮパルス指令が発せられた瞬間、１群電池には充電電流が流れないので、図１に示すｋ２点で突合わせのフィードバック信号ＩＢｉがＯＦＦ状態となって、フィードバックＯＰＥＮによる定電流制御の暴走状態が発生する。この暴走状態は発電機電圧の異常過昇を誘発し、発電機が絶縁破壊をおこすことが予想されるだけでなく、付属機器・装置制御などへも重大な障害（絶縁破壊など）を与えることが予想される。したがって、図９のように充電完了した電池群によるパルス割れ（＝断続）が発生しないようパルスシフト（パルスを与える順番をずらす）制御を行なうことで、安定した発電機定電流制御を確保するとともに、ノイズが発生しないようにする。
【００３７】
次に、定電圧パルス充電と発電機制御との関連動作を説明する。
図６で充電が完了した電池から順次充電を停止させるところまでは既に説明した通りである。その後は、充電プログラムの設定によって、充電制御回路＆電池状態監視装置３１は制御切替え指令を出力し、充電制御切替えスイッチ３２（ＳＷｖｃ）を電圧制御側に切替え、電池電圧設定信号ＶＧｓを出力するとともに、定電圧パルス充電モードに切替える。
【００３８】
上記の定電圧パルス充電モードでは、発電機励磁装置３６（ＥＸ）は電池電圧設定信号ＶＧｓと発電機電圧検出器１４（ＶＤＧ）で検出したフィードバック信号ＶＧｉとをｋ３点で突合わせる発電機定電圧制御ループ制御される。
図６に示す定電圧パルス充電領域では、電池群と直列に接続された半導体スイッチ３，４（Ｑ１，Ｑ２）を順次ＯＮ−ＯＦＦさせてパルス充電を行なうが、先に説明したように充電電流が設定値ＩＢｃに到達した電池から順次充電を停止させる。
【００３９】
図２（ａ）の充電モードの場合、図９のタイムチャートにおいて、例えば１群電池が充電完了したとすると、次の充電サイクルで１群電池にＯＮ指令が発せられた瞬間、１群電池には充電電流は流れず、図１に示すｋ５点で突合わせのフィードバック信号ＩＧｉがＯＦＦ状態となって、フィードバックＯＰＥＮによる定電圧制御ループ内の発電機電流制御ループの外乱を招き、その結果、電流外乱に伴う発電機電圧応答振動の発生が予想される。この電圧振動は電流振動となり、回路に接続された付属機器・装置制御などへノイズ障害を与えることが予想される。
したがって、図９のように充電完了した電池群によるパルス割れ（＝断続）が発生しないようパルスシフト制御を行なうことで、安定した発電機定電圧制御を確保するとともに、ノイズが発生しないようにする。
【００４０】
つまり、パルス充電においては、充電完了した電池群から順次半導体スイッチをＯＦＦして充電を停止するが、充電停止した電池群には充電電流が流れないため、定電流パルス充電モードでは、電池電流フィードバック信号ＯＦＦによる発電機定電流制御系の暴走が発生し、また、定電圧パルス充電モードでは、発電機電流フィードバック信号ＯＦＦによる発電機定電圧制御系の過渡応答変動により電圧振動に伴うノイズが発生するので、上述のようなパルスシフト制御によって連続した電流が流れるようにして制御の安定化を図り、ノイズ発生のない安定した定電流パルス充電または定電圧パルス充電を可能にするものである。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば、下記のような効果がもたらされる。
（１）原動機駆動発電機により電池の充電および負荷への電力供給を行なうに当たり、電池電圧が変動しても原動機駆動発電機の出力が設定された出力を越えないようにしたので、原動機駆動発電機が過負荷となるのが防止される。
（２）原動機駆動発電機により電池の充電および負荷への電力供給を行なう運転モードにおいて、発電機設定出力範囲内であれば、発電機は所定の充電方式で電池を充電するとともに負荷へも電力を供給し、負荷が増加したときは設定された充電電力を減らして不足の負荷電力を補い、さらに負荷が増加したときは、発電機は設定出力の範囲で負荷へ電力を供給するとともに、電池は放電状態として負荷へ電力を供給することで、負荷電力が不足しないようにすることができる。
（３）並列接続された多数の電池群を一括充電するに当たり、大電流充電領域ではノイズの発生がない連続した定電圧または定電流で充電を行ない、満充電量状態に近い小電流充電領域ではパルス充電を行ない、ノイズ発生のない安定したパルス充電制御によって電池群の充電バラツキをなくすことが可能となる。
【００４２】
（４）また、満充電量状態に近い最終充電領域においては、定電圧パルスまたは定電流パルス充電を用い、定電圧パルス充電方式の場合は充電電流を監視し、定電流パルス充電方式の場合は充電電圧を監視し、電流または電圧が予め設定した値に到達したら順次充電を停止して、各電池群の特性バラツキによる充電バラツキをなくす。
（５）定電流パルス充電方式においては、充電完了した電池群から充電を停止するが、充電完了した電池群には電流が流れない結果、電池電流検出信号がＯＦＦ状態となって、発電機定電流制御系の制御暴走が発生する。このため、パルスシフト制御により電流ＯＦＦ状態をなくして安定した定電流パルス充電制御を可能とする。
（６）定電圧パルス充電方式においては、充電完了した電池群から充電を停止するが、充電完了した電池群には電流が流れない結果、発電機電流検出信号がＯＦＦ状態となって、発電機定電圧制御の制御応答に伴う過渡電圧が発生しノイズ発生の一因となるおそれがあるため、パルスシフト制御により電流ＯＦＦ状態をなくしてノイズ発生がない安定した定電圧パルス充電制御を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図
【図２】図１における充電動作を説明するための説明図
【図３】図１における代表的な充電方法の説明図
【図４】図１の負荷変動時の充電動作説明図
【図５】定電圧充電⇒定電流パルス充電動作を説明する説明図
【図６】定電流充電⇒定電圧パルス充電動作を説明する説明図
【図７】定電流充電⇒定電流充電⇒定電圧パルス充電動作を説明する説明図
【図８】定電流充電⇒定電圧充電⇒定電流パルス充電動作を説明する説明図
【図９】パルス充電制御のタイムチャート
【符号の説明】
１，２…電池（Ｂ１，Ｂｍ）、３，４…スイッチ回路、５，６，９，１３，１６，１８…電流検出器、７，８，１０，１４…電圧検出器、１１…駆動用原動機（ＤＥ）、１２…発電機（Ｇ）、１５…補機（Ｌ）、１７…推進電動機（Ｍ）、１９…プログラム設定装置、２０…パルス充電スイッチ（ＳＷＰ）、２１…充電切替スイッチ（ＳＷＣ）、２２…補充電スイッチ（ＳＷＨ）、２３…発電機出力設定器（ＶＲＰ）、２４…電圧設定器（ＶＲＶ）、２５…電流設定器（ＶＲＩ）、２６〜３０…演算部、３１…充電制御回路＆電池状態監視装置、３２…充電制御切替スイッチ（ＳＷｖｃ）、３３，３４，３５…増幅器（Ａ１，Ａ２，Ａ３）、３６…発電機励磁装置（ＥＸ）。
【図１】
2005080318.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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