(57)【要約】【課題】並列接続され特性ばらつきを持つ複数の電池をフル充電（満充電）するとともに、充電期間を短縮する。【解決手段】電池電圧または電池電流がフル充電状態の９５％程度の状態に達したｇ点の時点で、図のｃ点〜ｇ点で示すような多段定電圧充電方式から例えば定電流パルス充電方式へと切り替え、時系列的に電池を切り替えてそれぞれパルス充電を行なうことにより、特性ばらつきのある個々の電池のフル充電を行なうとともに、パルス充電領域における充電時間を従来よりも短縮させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列接続された複数の電池を一括して充放電する充放電方式において、
最終充電領域の初期段階では多段定電圧充電方式または多段定電流充電方式により充電電圧または充電電流を段階的に変化させて充電し、電池電圧または電池電流が満充電状態の約９５％程度の状態に達したら、多段定電圧充電方式または多段定電流充電方式から定電圧パルス充電方式または定電流パルス充電方式へと切り替え、電池を時系列的に切り替えてパルス充電を行ない、満充電に達した電池から順次充電を完了させることを特徴とする電池の充放電方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蓄電池を一次電源として、この蓄電池を充電する発電機を備えたシステム、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方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池充電には定電圧充電方式，定電流充電方式のほかにパルス充電方式も広く実用化されている。しかし、大容量電池を用いるシステムで充電量の少ない大電流充電領域でパルス充電方式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。そこで、大電流充電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、充電終期の小電流充電領域でパルス充電方式を行なうものとして、出願人は先に例えば特許文献１に示すものを出願している。
【０００３】
図４，図５に特許文献１に開示された充電方式を示す説明図である。
図４は定電流充電→定電流充電→定電圧パルス充電の例である。これは、前段の定電流充電動作において、電池電圧がＶＢｃに達したら定電流充電から定電圧パルス充電に切り替え、ｃ点から充電完了するｄ点までパルス充電を行なうものである。
図５は定電流充電→定電圧充電→定電流パルス充電の例を示す。これは、前段の定電圧充電動作において、電池電流がＩＢｃΣに達したら定電圧充電から定電流パルス充電に切り替え、ｃ点から充電完了するｆ点までパルス充電を行なうものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０８０３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記図４，図５の方式によれば、パルス充電に切り替えるｃ点では充電量がフル充電（満充電）状態よりもかなり低いため、時系列的切替えで行なうパルス充電方式では、満充電となるｄ点，ｆ点までの充電時間が長くなるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、パルス充電動作領域における充電時間を短縮することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、並列接続された複数の電池を一括して充放電する充放電方式において、
最終充電領域の初期段階では多段定電圧充電方式または多段定電流充電方式により充電電圧または充電電流を段階的に変化させて充電し、電池電圧または電池電流が満充電状態の約９５％程度の状態に達したら、多段定電圧充電方式または多段定電流充電方式から定電圧パルス充電方式または定電流パルス充電方式へと切り替え、電池を時系列的に切り替えてパルス充電を行ない、満充電に達した電池から順次充電を完了させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、特性ばらつきを持つ複数の電池をフル充電しながら、パルス充電動作領域における充電時間を従来よりも大幅に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１はこの発明の実施の形態を説明する説明図、図２はこの発明の他の実施の形態を説明する説明図である。
すなわち、この発明は図４または図５に示す従来の定電圧パルスまたは定電流パルス充電方式に代えて、図１または図２のような多段定電圧充電→定電圧パルス充電方式または多段定電流充電→定電流パルス充電方式を実施するものである。
【０００９】
まず、図１の動作について、図３を参照しながら説明する。
なお、図３はこの発明が実施される充放電システムを示す構成図で、１〜２は電池（Ｂ１〜Ｂｎ）、３〜４は機械式接点スイッチ、５〜６は半導体スイッチ、７〜８はダイオード、９〜１０，１４，１９，２３（ＳＨ１〜ＳＨｎ，ＳＨＢ，ＳＨＧ）は電流検出器、１１〜１３，２１（ＶＤ１〜ＶＤｎ，ＶＤＢ，ＶＤＧ）は電圧検出器、１５，２０，２４，２７，２９〜３１，３５（ＳＷＢ，ＳＷＧＨ，ＳＷＬＨ，ＳＷＭＨ，ＳＷＣ〜ＳＷＦ，ＳＷＧ）はスイッチ、１６は発電機（Ｇ）、１７は発電機界磁（Ｇｆ）、２２は補機動力系統（Ｌ）、２５は推進電動機（Ｍ）、２８は電池充放電＆状態監視制御装置、３２は電圧設定器、３３は電流設定器、３４は発電機制御装置、３６は信号を示す。
【００１０】
すなわち、図３に示す充放電システムは電池１〜２（Ｂ１〜Ｂｎ）、発電機１６（Ｇ）、補機動力系統２２（Ｌ）および推進電動機２５（Ｍ）などから構成され、発電機１６は電池１〜２を充電するだけでなく、補機動力系統２２や推進電動機２５へも電力を供給する。なお、電池１〜２はここでは単体で示しているが、実際は複数個の単電池が直列に接続されてなる電池群の構成となっている。
【００１１】
図１では、前段の定電流充電動作において、電池電圧ＶＢがＶＢｃに到達したことを、図３に示す電池充放電＆状態監視制御回路２８の電池電圧検出器１３（ＶＤＢ）で検出したら、電池充放電＆状態監視制御回路２８はこれを判定し、発電機制御を定電流制御から定電圧制御へ切り替える切替え指令、ＶＢｃを電圧設定値とする電圧設定値指令を信号３６を介して発電機制御装置３４に与える。この指令で定電圧制御された発電機電圧により、電池の定電圧充電を行なう。なお、上記の定電圧充電を開始する電池電圧条件、すなわちｃ点の電池電圧ＶＢｃは、例えば満充電状態の約７０％程度の状態に相当する電池電圧値とする。
【００１２】
充電が進行して充電電流ＩＢΣがＩＢｄΣに到達したことを電池電流検出器１４（ＳＨＢ）が検出すると、電池充放電＆状態監視制御回路２８は、その設定プログラムに従って、電池充放電＆状態監視制御回路２８内に設けられた設定値テーブルに格納されている上記充電電流値ＩＢｄΣに対応する次のステップの電圧設定値ＶＢｄを発電機電圧設定値ＶＢｄとし、この電圧設定値ＶＢｄを信号３６を介して発電機制御装置３４に与え、ＶＢｄを電圧設定値とする発電機定電圧制御により電池を定電圧充電する。
充電時間の経過とともに充電電流ＩＢΣがＩＢｅΣに到達したら発電機電圧をＶＢｅとし、ＩＢｆΣに到達したら発電機電圧をＶＢｆ…のように順次電圧を上昇させ、ＩＢｇΣに到達したことを電池充放電＆状態監視制御回路２８が判定したら、定電圧充電モードから定電圧パルス充電モードに切り替える。
【００１３】
電池充放電＆状態監視制御回路２８は信号３６を介して発電機制御装置３４へ電圧指令値ＶＢｇを与え、各電池に接続された機械的接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）へはＯＦＦ（オフ）指令を、半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）へはＯＮ−ＯＦＦ（オン−オフ）指令を時系列的に与えて定電圧パルス充電を行なう。
ここで、リチウム電池の満充電電圧を４．１〜４．２Ｖ程度と仮定すれば、発電機は４．１〜４．２Ｖに相当する電圧指令値ＶＢｇの出力電圧で電池を充電し、電池回路に設けた個々の電流検出器９（ＳＨ１）〜１０（ＳＨｎ）で検出した充電電流ＩＢ１〜ＩＢｎが、予め設定した電流値ＩＢｈに到達したことを電池充放電＆状態監視制御回路２８が判定したら、該当する半導体スイッチ５〜６を順次ＯＦＦして充電を完了させる。
こうして、満充電状態に近い最終充電領域のｇ点（この点が満充電の約９５％程度）からパルス充電を行ない、特性ばらつきを持つ電池のフル（満）充電を行なうとともに、充電時間の短縮化を図るものである。なお、上記のｇ点、すなわち定電圧パルス充電を開始する点の充電電流条件であるＩＢｇΣは、例えば満充電状態の９０〜９５％の状態に相当する充電電流値とすることが好ましい。
【００１４】
また、図1で説明した多段定電圧充電→定電圧パルス充電方式の代わりに、ＩＢｇΣを電流設定値とする定電流充電動作において電池電圧ＶＢがＶＢｃに到達したことを検出した時点（ｃ点）で、ＶＢｃより３ステップ分高い電圧レベルのＶＢｆを電圧設定値とする定電圧充電動作に切替える方式、すなわち一段定電圧充電→定電圧パルス充電方式も考えられるが、このような一段定電圧充電→定電圧パルス充電方式では、ｃ点において電池電圧ＶＢがＶＢｃである電池１〜２に対してステップ的にいきなり高い充電電圧で充電することになるので、電池１〜２に過渡的に大きな充電電流が流れることにより電池１〜２に損傷を与える可能性があり、好ましくない。
【００１５】
これに対して、図１のようにＶＢｃ→ＶＢｄ→ＶＢｅ→ＶＢｆと多段状の定電圧充電を行なう多段定電圧充電→定電圧パルス充電方式では、充電電圧がステップ的に上昇するものの、その電圧上昇分が小さく抑えられているので、電池１〜２に過渡的に流れる充電電流も小さく、電池１〜２の損傷を防ぐことができ、好適である。そして、リチウム電池の場合は、鉛電池などに比べて内部抵抗が小さいことから、充電電圧のステップ的上昇により過渡的に流れる充電電流がより大きくなり、それにより電池が受ける損傷レベルも大きくなるので、リチウム電池を用いた電池システムにおいては、図１のような多段定電圧充電→定電圧パルス充電方式を適用することは特に好適である。
【００１６】
次に、図２の動作について、図３を参照して説明する。
この場合は、前段の定電圧充電動作において、充電電流ＩＢΣがＩＢｃΣに到達したことを、図３に示す電池充放電＆状態監視制御回路２８の電池電流検出器１４（ＳＨＢ）で検出したら、電池充放電＆状態監視制御回路２８はこれを判定し、発電機制御を定電圧制御から定電流制御へ切り替える切替え指令、およびＩＢｃΣを電流設定値とする電流設定値指令を信号３６を介して発電機制御装置３４に与える。この指令で定電流制御された発電機電流により、電池の定電流充電を行なう。なお、上記の定電流充電を開始する充電電流条件、すなわちｃ点の充電電流ＩＢｃΣは、例えば満充電状態の約７０％程度の状態に相当する充電電流値とする。
【００１７】
充電が進行して電池電圧ＶＢがＶＢｄに到達したことを電池電圧検出器１３（ＶＤＢ）が検出すると、電池充放電＆状態監視制御回路２８は、その設定プログラムに従って、電池充放電＆状態監視制御回路２８内に設けられた設定値テーブルに格納されている上記電池電圧値ＶＢｄに対応する次のステップの電流設定値ＩＢｄΣを発電機電流設定値ＩＢｄΣとし、この電流設定値ＩＢｄΣを信号３６を介して発電機制御装置３４に与え、ＩＢｄΣを電流設定値とする発電機定電流制御により電池を定電流充電する。
充電時間の経過とともに電池電圧ＶＢがＶＢｅに到達したら発電機電流をＩＢｅΣとし、ＶＢｆに到達したら発電機電流をＩＢｆΣ…のように順次電流を低下させ、ＶＢｇに到達したことを電池充放電＆状態監視制御回路２８が判定したら（これが図２のｇ点で、満充電の約９５％程度とする）、定電流充電モードから定電流パルス充電モードに切り替える。なお、上記のｇ点、すなわち定電流パルス充電を開始する点の電池電圧条件であるＶＢｇは、例えば満充電状態の９０〜９５％の状態に相当する電池電圧値とすることが好ましい。
【００１８】
電池充放電＆状態監視制御回路２８は信号３６を介して発電機制御装置３４へ電流指令値ＩＢｇを与え、各電池に接続された機械的接点スイッチ３（ＳＷ１）〜４（ＳＷｎ）へはＯＦＦ指令を、半導体スイッチ５（Ｑ１）〜６（Ｑｎ）へはＯＮ−ＯＦＦ指令を時系列的に与えて定電流パルス充電を行なう。
ここで、リチウム電池の満充電電圧を４．１〜４．２Ｖ程度と仮定すれば、個々の電池回路に設けた電圧検出器１１（ＶＤ１）〜１２（ＶＤｎ）で検出した電圧が、４．１〜４．２Ｖ（ＶＢｈ）になったことを電池充放電＆状態監視制御回路２８が判定したら、該当する半導体スイッチ５〜６を順次ＯＦＦして充電を完了させる。
【００１９】
図１では最終充電領域のｇ点から定電圧パルス充電方式へ移行するようにしたが、定電流パルス充電方式へ移行するようにしても良く、また、図２の最終充電領域のｇ点から定電流パルス充電方式へ移行する代わりに、定電圧パルス充電方式へ移行するようにしても良いのは勿論である。
ところで、蓄電池を一次電源とする大容量システムでは各単電池には特性ばらつきが存在すると考えられ、また、この単電池を多数直並列接続して複数の電池群が並列接続された電池システムをなしたときは、当然に、電池群電圧にはばらつきが存在するものと考えられ、さらには温度変化によっても特性が変化する。
【００２０】
このような特性ばらつきを持つ複数の電池群を並列接続して一括充放電するような場合には、電池群相互間には大きな充放電電流差が生じることが予想される。複数の並列接続された電池群を一括充放電する場合における特性ばらつきに起因する劣化やダメージに対する保護対策として、充放電動作における個別電池群のばらつきによって充放電電流が許容値を超えたときには、該当する異常電池群の充電または放電を停止して電池群の保護を行なうことが必要となる。このような電池保護動作の詳細については、例えば特開２００５−１６８２５９号などに開示されており（先願として、特願２００５−２６６７７５号もある）、この発明においてもこれと同様に実施するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態を説明する説明図
【図２】この発明の他の実施の形態を説明する説明図
【図３】図１または図３を実施する充放電システムを示す構成図
【図４】図１に対応する従来の充電動作説明図
【図５】図２に対応する従来の充電動作説明図
【符号の説明】
【００２２】
１〜２（Ｂ１〜Ｂｎ）…蓄電池、３〜４（ＳＷ１〜ＳＷｎ）…機械式接点スイッチ、５〜６（Ｑ１〜Ｑｎ）…半導体スイッチ、７〜８（Ｄ１〜Ｄｎ）…ダイオード、９〜１０，１４，１９，２３（ＳＨ１〜ＳＨｎ，ＳＨＢ，ＳＨＧ）…電流検出器、１１〜１３，２１（ＶＤ１〜ＶＤｎ，ＶＤＢ，ＶＤＧ）…電圧検出器、１５，２０，２４，２７，２９〜３１，３５（ＳＷＢ，ＳＷＧＨ，ＳＷＬＨ，ＳＷＭＨ，ＳＷＣ〜ＳＷＦ，ＳＷＧ）…スイッチ、１６…発電機（Ｇ）、１７…発電機界磁（Ｇｆ）、２２…補機動力系統（Ｌ）、２５…推進電動機（Ｍ）、２８…電池充放電＆状態監視制御装置、３２…電圧設定器、３３…電流設定器、３４…発電機制御装置、３６…信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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