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公開番号2020078227
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200521
出願番号2019165394
出願日20190911
発明の名称充電制御装置、蓄電装置、充電制御方法
出願人株式会社GSユアサ
代理人特許業務法人暁合同特許事務所
主分類H02J 7/10 20060101AFI20200424BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電析の発生を抑制しつつ、電流指令値の振動を抑制する。
【解決手段】蓄電素子の充電制御装置は、電流制限特性により規定される電流制限値を超えないように、蓄電素子の充電電流の電流指令値を算出する算出部を備える。電流制限特性は、蓄電素子の電圧が、CV充電時のCV電圧より低い、第1電圧以下の第1領域では、電流制限値が一定であり、蓄電素子の電圧が、第1電圧からCV電圧までの第2領域では、電圧が高い程、電流制限値が減少する。算出部は、第2領域の電流指令値を、電流制限特性により規定される電流制限値と過去の電流指令値とに基づいて、電流制限値に対して遅れを有する値に算出する。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
蓄電素子の充電制御装置であって、
電流制限特性により規定される電流制限値を超えないように、前記蓄電素子の充電電流の電流指令値を算出する算出部を備え、
前記電流制限特性は、
前記蓄電素子の電圧が、CV充電時のCV電圧より低い、第1電圧以下の第1領域では、電流制限値が一定であり、
前記蓄電素子の電圧が、前記第1電圧から前記CV電圧までの第2領域では、電圧が高い程、電流制限値が減少し、
前記算出部は、前記第2領域の電流指令値を、前記電流制限特性により規定される電流制限値と過去の電流指令値とに基づいて、前記電流制限値に対して遅れを有する値に算出する、充電制御装置。
続きを表示(約 780 文字)【請求項2】
請求項1に記載の充電制御装置であって、
前記第2領域において、前記電流制限値は直線で変化する、充電制御装置。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の充電制御装置であって、
前記算出部は、前記電流制限値と過去の電流指令値を、比率を用いて重み付けして加算することにより、前記蓄電素子に対する充電電流の電流指令値を決定する、充電制御装置。
【請求項4】
請求項3に記載の充電制御装置であって、
前記比率は、前記蓄電素子のOCV−SOC相関を示すOCV曲線のうち、前記第2領域に対応した電圧帯のカーブの大きさにより異なる、充電制御装置。
【請求項5】
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の充電制御装置であって、
前記電流制限特性は、前記蓄電素子の温度ごとに設けられている、充電制御装置。
【請求項6】
蓄電素子と、
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の充電制御装置とを備える、蓄電装置。
【請求項7】
蓄電素子の充電制御方法であって、
電流制限特性により規定される電流制限値を超えないように、前記蓄電素子の充電電流の電流指令値を算出する算出ステップを有し、
前記電流制限特性は、
前記蓄電素子の電圧が、CV充電時のCV電圧より低い、第1電圧以下の第1領域では、電流制限値が一定であり、
前記蓄電素子の電圧が、前記第1電圧から前記CV電圧までの第2領域では、電圧が高い程、電流制限値が減少し、
前記算出ステップでは、前記第2領域の電流指令値を、前記電流制限特性により規定される電流制限値と過去の電流指令値とに基づいて、前記電流制限値に対して遅れを有する値に算出する、充電制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電素子の充電方法に関する。
続きを表示(約 8,400 文字)【背景技術】
【0002】
蓄電素子の充電方法としてCCCV充電がある。CCCV充電は、蓄電素子の電圧がCV電圧となるまで定電流で充電し、その後、二次電池を定電圧で充電する方法である。下記特許文献1には、CC充電からCV充電への切り換えの際に、蓄電素子の電圧をCV電圧に精度よく一致させることを目的として、CC充電とCV充電との間に、充電電流を減少させながら充電を行う領域を設ける点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特許第5525862号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
リチウムイオン二次電池などの蓄電素子は、充電中に電析が起きる場合がある。電析は、リチウムなどの金属イオンが負極に析出する現象であり、負極電位の低下により発生することが知られている。
【0005】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、電析の発生を抑制しつつ電流指令値の振動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
蓄電素子の充電制御装置は、電流制限特性により規定される電流制限値を超えないように、前記蓄電素子の充電電流の電流指令値を算出する算出部を備え、前記電流制限特性は、前記蓄電素子の電圧が、CV充電時のCV電圧より低い、第1電圧以下の第1領域では、電流制限値が一定であり、前記蓄電素子の電圧が、前記第1電圧から前記CV電圧までの第2領域では、電圧が高い程、電流制限値が減少し、前記算出部は、前記第2領域の電流指令値を、前記電流制限特性により規定される電流制限値と過去の電流指令値とに基づいて、前記電流制限値に対して遅れを有する値に算出する。
【発明の効果】
【0007】
電析の発生を抑制しつつ、電流指令値の振動を抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【0008】
実施形態1について、バッテリと充電装置の電気的構成を示すブロック図
バッテリの分解斜視図
二次電池の平面図
図3AのA−A線断面図
CCCV充電時の電流波形と電圧波形
電流制限特性を示す図
SOC−OCVの相関性を示す図
電流制限特性を示す図
電流指令値の算出処理のフローチャート
バッテリの充電特性を示す図
電流指令値の算出処理のフローチャート
他の実施形態について、電流制限特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【0009】
蓄電素子の充電制御装置は、電流制限特性により規定される電流制限値を超えないように、前記蓄電素子の充電電流の電流指令値を算出する算出部を備え、前記電流制限特性は、前記蓄電素子の電圧が、CV充電時のCV電圧より低い、第1電圧以下の第1領域では、電流制限値が一定であり、前記蓄電素子の電圧が、前記第1電圧から前記CV電圧までの第2領域では、電圧が高い程、電流制限値が減少し、前記算出部は、前記第2領域の電流指令値を、前記電流制限特性により規定される電流制限値と過去の電流指令値とに基づいて、前記電流制限値に対して遅れを有する値に算出する。
【0010】
この方法では、第2領域において、電流制限値が減少するため、充電時、蓄電素子が第1電圧からCV電圧に上昇する間、充電電流が減少する。そのため、蓄電素子の電析を抑制することが出来る。この方法では、第2領域の電流指令値を、電流制限値に対して遅れた値としているので、電流指令値の変化を緩和できる。そのため、第2領域において、電流指令値の振動を抑制できる。また、電流指令値の振動を抑制することで、充電時の電流ノイズの発生を抑制できる。電流ノイズを抑制することで、電析の発生を抑制することが出来る。更に、充電電流のピークを抑えることが出来るので、充電装置の負荷を抑えることができる。充電装置が、電流値や電力値などの情報を表示する場合、表示値の振動を抑制でき、エンドユーザーが表示値を確認し易くなる。
【0011】
前記第2領域において、前記電流制限値は、直線で変化してもよい。この方法では、電流制限値が曲線で変化する場合に比べて、電流指令値の演算が容易に出来る。また、電流制限値が曲線で変化する場合に比べて、電流制限値に対して遅れた値に算出される電流指令値の変化を一定に近づけることが出来るため、電流指令値の振動を抑制できる。
【0012】
前記算出部は、前記電流制限値と過去の電流指令値を、比率を用いて重み付けして加算することにより、前記蓄電素子に対する充電電流の電流指令値を決定してもよい。この方法では、第1電圧からCV電圧までの間、電流指令値を、電流制限値に対して、緩やかに追従させることが出来る。
【0013】
前記比率は、前記蓄電素子のOCV−SOC相関を示すOCV曲線のうち、前記第2領域に対応した電圧帯のカーブの大きさにより異なっていてもよい。電流指令値の振動は、OCV曲線のカーブの大きさと相関がある。この方法では、OCV曲線のカーブの大きさにより、比率が異なるので、電流指令値の振動をより一層抑制することが出来る。
【0014】
前記電流制限特性は、前記蓄電素子の温度ごとに設けられていてもよい。蓄電素子の温度に応じた電流制限特性を使用することで、蓄電素子の温度に関係なく、電析を抑制することが出来る。
【0015】
<実施形態1>
1.バッテリ50と充電装置10の説明
図1は、バッテリ50と充電装置10の電気的構成を示すブロック図である。バッテリ50は、電流遮断装置53と、複数の二次電池62からなる組電池60と、電流計測抵抗54と、管理装置100と、温度センサ115と、を備える。二次電池62は蓄電素子の一例である。二次電池62は、一例として、リチウムイオン二次電池である。
【0016】
電流遮断装置53、電流計測抵抗54及び組電池60は、パワーライン55P、55Nを介して、直列に接続されている。パワーライン55Pは、正極の外部端子51と組電池60の正極とを接続するパワーラインである。パワーライン55Nは、負極の外部端子52と組電池60の負極とを接続するパワーラインである。電流遮断装置53と電流計測抵抗54は組電池60の正極側に位置し、正極側のパワーライン55Pに設けられている。
【0017】
電流遮断装置53は、リレーなどの有接点スイッチ(機械式)やFETやトランジスタなどの半導体スイッチにより構成することが出来る。電流遮断装置53をOPENすることで、バッテリ50の電流を遮断することが出来る。
【0018】
電流計測抵抗54は、組電池60の電流I[A]に応じた電圧を発生する。電流計測抵抗54の両端電圧の極性(正負)から放電と充電を判別できる。温度センサ115は、接触式あるいは非接触式で、組電池60の温度T[℃]を計測する。
【0019】
管理装置100は、回路基板ユニット65に設けられている。管理装置100は、電圧検出回路110と、処理部120と、電源回路130と、を備える。電圧検出回路110は、信号線によって、各リチウムイオン二次電池62の両端にそれぞれ接続され、各リチウムイオン二次電池62のセル電圧V及び組電池60の総電圧を計測する。組電池60の総電圧は直列に接続された複数のリチウムイオン二次電池62の合計電圧である。
【0020】
処理部120は、演算機能を有するCPU121と、記憶部であるメモリ123と、を含む。処理部120は、電流計測抵抗54、電圧検出回路110、温度センサ115の出力から、組電池60の電流I、各リチウムイオン二次電池62の電圧V、組電池60の総電圧及び温度Tを監視する。処理部120は、バッテリ50の充電制御機能を有しており、後述する電流低減領域H2において充電電流の電流指令値Ioを算出する算出処理を行う。処理部120は本発明の「算出部」の一例、管理装置は本発明の「充電制御装置」の一例である。
【0021】
メモリ123は、フラッシュメモリやEEPROM等の不揮発性の記憶媒体である。メモリ123には、組電池60の状態を監視するための監視プログラム、及び監視プログラムの実行に必要なデータが記憶されている。
【0022】
メモリ123には、充電電流の電流指令値Ioを算出する算出プログラム及び算出プログラムの実行に必要なデータ(図5に示す電流制限特性や過去の電流指令値など)が記憶されている。算出プログラムは、CD−ROM等の記録媒体に書き込むことが出来る。
【0023】
充電装置10は、電流検出抵抗11と、充電回路13と、CPU15とを備え、バッテリ50の外部端子51、52に接続されている。CPU15は、充電回路13を介して、充電電流の大きさを制御する。電流検出抵抗11は、充電電流を検出するために設けられている。
【0024】
バッテリ50は、図2に示すように、収容体71を備える。収容体71は、合成樹脂材料からなる本体73と蓋体74とを備えている。本体73は有底筒状である。本体73は、底面部75と、4つの側面部76とを備えている。4つの側面部76によって上端部分に上方開口部77が形成されている。
【0025】
収容体71は、組電池60と回路基板ユニット65を収容する。組電池60は、複数のリチウムイオン二次電池62を有する。回路基板ユニット65は、組電池60の上部に配置されている。
【0026】
蓋体74は、本体73の上方開口部77を閉鎖する。蓋体74の周囲には外周壁78が設けられている。蓋体74は、平面視略T字形の突出部79を有する。蓋体74の前部のうち、一方の隅部に正極の外部端子51が固定され、他方の隅部に負極の外部端子52が固定されている。
【0027】
図3A及び図3Bに示すように、リチウムイオン二次電池62は、直方体形状のケース82内に電極体83を非水電解質と共に収容したものである。ケース82は、ケース本体84と、その上方の開口部を閉鎖する蓋85とを有している。
【0028】
電極体83は、詳細については図示しないが、銅箔からなる基材に活物質を塗布した負極要素と、アルミニウム箔からなる基材に活物質を塗布した正極要素との間に、多孔性の樹脂フィルムからなるセパレータを配置したものである。これらはいずれも帯状で、セパレータに対して負極要素と正極要素とを幅方向の反対側にそれぞれ位置をずらした状態で、ケース本体84に収容可能となるように扁平状に巻回されている。
【0029】
正極要素には正極集電体86を介して正極端子87が、負極要素には負極集電体88を介して負極端子89がそれぞれ接続されている。正極集電体86及び負極集電体88は、平板状の台座部90と、この台座部90から延びる脚部91とからなる。台座部90には貫通孔が形成されている。脚部91は正極要素又は負極要素に接続されている。正極端子87及び負極端子89は、端子本体部92と、その下面中心部分から下方に突出する軸部93とからなる。そのうち、正極端子87の端子本体部92と軸部93とは、アルミニウム(単一材料)によって一体成形されている。負極端子89においては、端子本体部92がアルミニウム製で、軸部93が銅製であり、これらを組み付けたものである。正極端子87及び負極端子89の端子本体部92は、蓋85の両端部に絶縁材料からなるガスケット94を介して配置され、このガスケット94から外方へ露出されている。
【0030】
蓋85は、圧力開放弁95を有している。圧力開放弁95は、図3Aに示すように、正極端子87と負極端子89の間に位置している。圧力開放弁95は、ケース82の内圧が制限値を超えた時に、開放して、ケース82の内圧を下げる。
【0031】
2.バッテリの充電制御
(A)電流制限特性と電析の抑制
図4は、CCCV充電時のリチウムイオン二次電池62の電流波形Iと電流波形Vを示している。CCCV充電は、リチウムイオン二次電池62がCV電圧に到達するまで定電流で充電し(CC充電)、その後、CV電圧で二次電池62を定電圧充電(CV充電)する方法である。
【0032】
CC領域の末期(CV領域への移行直前の領域)Fは、電圧が高く、かつ充電電流が大きいことから、リチウムイオン二次電池62に電析が起き易い。電析は、充電中に、リチウム金属が負極に析出する現象であり、負極電位の低下により発生することが知られている。
【0033】
図5は、最大セル電圧と電流制限値との関係を示す電流制限特性である。電流制限特性は、CC領域H1、電流低減領域H2、CV領域H3の3つの領域を設けており、各領域H1〜H3について、それぞれ電流制限値を定めている。最大セル電圧は、直列に接続された複数のリチウムイオン二次電池62の最大電圧である。図5に示す電流制限特性のデータはメモリ123に記憶されている。
【0034】
CC領域H1は、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧がVo〜Vsの領域である。CC領域H1は、、バッテリ50を定電流充電(CC充電)する領域である。電流低減領域H2は、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧がVs〜Vcの領域である。電流低減領域H2は、セル電圧上昇に伴って充電電流を低減させながらバッテリ50を充電する領域である。CV領域H3は、最大セル電圧がVc以上の領域である。CV領域H3は、最大セル電圧がCV電圧以上となった場合に、充電を一時停止する領域である。
【0035】
Voは、リチウムイオン二次電池62の最低電圧である。Vsは、Voより大きく、Vcより小さい第1電圧である。Vcは、電流制限領域H2とCV領域H3の繰り返しによる定電圧充電時(CV充電時)における、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧の制御目標電圧(CV電圧)である。処理部120は、電圧検出回路110の計測値(最高セル電圧)を、Vs、Vcと比較することで、充電中、バッテリ50が3つの領域H1〜H3のどこに位置しているのか、判断することが出来る。
【0036】
CC領域H1では、電流制限値は水平な直線M1により規定される。電流制限値は、最大セル電圧に関係なく一定であり、その値は、リチウムイオン二次電池62の最大許容電流(定格電流)Imaxである。CC領域H1は本発明の「第1領域」に相当する。
【0037】
処理部120は、バッテリ50の充電開始時に、メモリ123から図5の電流制限特性により規定される電流制限値Imaxのデータを読み出して充電装置10に送る。充電装置10は、処理部120から送信される電流制限値Imaxを超えない範囲で、充電装置10の出力電力の制約などに基づいて、充電電流の電流指令値Ioを決定し、バッテリ50をCC充電する。
【0038】
この例では、CC領域H1での電流指令値Ioを充電装置10で決定しているが、管理装置100で決定し、充電装置10に通知するようにしてもよい。
【0039】
CC領域H1での充電により、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧が、第1電圧Vsまで上昇すると、電流低減領域H2に移行する。
【0040】
電流低減領域H2において、電流制限値は、図5中のA点とB点を結んだ右下がりの直線M2により規定される。電流制限値は、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧がVsからVcに変化する間に、最大許容電流Imaxから0に直線的に減少する。電流低減領域H2は本発明の「第2領域」に相当する。
【0041】
処理部120は、電流低減領域H2において、直線M2により定まる電流制限値を上限として、充電電流の電流指令値Ioを、制御周期tnで算出する。そして、処理部120は、算出した電流指令値Ioを充電装置10に送信する。充電装置10は、処理部120から送信される電流指令値Ioに基づいて充電電流を出力し、バッテリ50を充電する。
【0042】
電流低減領域H2内にて、最大セル電圧が高くなるほど、電流制限値を減少させることで、充電により、リチウムイオン二次電池62のセル電圧がCV電圧Vc付近まで上昇した時に、電析が発生することを抑制出来る。
【0043】
電流低減領域H2での充電により、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧がCV電圧Vcまで上昇すると、CV領域H3に移行する。CV領域H3は、本発明の「第3領域」に相当する。
【0044】
図5に示すように、CV領域H3における電流制限値は、0[A]である。そのため、CV領域H3への移行後、処理部120から充電装置10に対して、電流指令値は0[A]であることが通知される。充電装置10は、CV領域H3への移行後、バッテリ50の充電を一時停止する。充電が止まると、内部抵抗分による電圧上昇が無くなるため、リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧が、CV電圧Vcから下がり、電流低減領域H2に戻る。
【0045】
電流低減領域H2に戻ると、上記したように、処理部120は、直線M2により定まる電流制限値を上限として、電流指令値Ioを制御周期tnで算出する。そして、充電装置10は、処理部120から送信される電流指令値Ioに基づいてバッテリ50に充電電流を出力し、バッテリ50を充電する。リチウムイオン二次電池62の最大セル電圧が、CV電圧Vcに達すると、電流低減領域H2からCV領域H3に移行する。
【0046】
このように、電流低減領域H2での充電とCV領域H3での充電停止を繰り返すことで、最大セル電圧をCV電圧Vcに維持しつつ、バッテリ50を定電圧充電(CV充電)することが出来る。また、最大セル電圧が高いほど(CV電圧Vcに近いほど)、低い電流で充電されるので、CV充電中に電析が発生することを抑制できる。
【0047】
バッテリ50が満充電に近くなると、バッテリ50の充電電流は、次第に小さくなる。この例では、充電終了判定条件を一例として0.2Aとしており、充電電流が0.2A以下になると、充電を終了する。また、バッテリ50が満充電に近くなると、充電を停止しても、最大セル電圧がCV電圧Vcからほとんど低下しなくなり、充電停止状態が継続することになるので、充電停止状態が所定時間継続することを、充電終了条件としてもよい。
【0048】
(B)電流指令値の振動抑制
図6は、リチウムイオン二次電池62のOCV曲線である。SOC(state of charge:充電状態)は、下記の(1)で示されるように、二次電池62の実容量(available capacity)Caに対する残存容量Crの比率である。OCV(open circuit voltage:開放電圧)は、二次電池62の開放電圧である。
【0049】
SOC=(Cr/Ca)×100・・・・・・・・(1)
【0050】
OCV曲線X1は、SOCの変化量に対するOCVの変化量がほぼ平坦なプラトー領域を有している。プラトー領域とは、SOCの変化量に対するOCVの変化量が2[mV/%]以下の領域である。プラトー領域は、概ねSOCが31%から97%の範囲に位置している。SOCが31%以下の領域、97%以上の領域は、SOCの変化量に対するOCVの変化量が、プラトー領域よりも大きい高変化領域である。
(【0051】以降は省略されています)

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