DE112012003131T5

DE112012003131T5 - Ladesteuerungsvorrichtung und Ladesteuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE112012003131T5
Application number: DE112012003131.8T
Authority: DE
Inventors: Kenro Mitsuda; Daigo Takemura; Masaki Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-04-10
Also published as: JP5597310B2; JPWO2013015244A1; US20140111145A1; WO2013015244A1; CN103620911B; CN103620911A; US9520736B2

Abstract

In einer Konstellation, in der ein Motor-Generator (7), der mit einem Antriebsmotor (8) gekoppelt ist, als ein elektrischer Generator betrieben wird, um kinetische Energie eines Fahrzeugs als Leistung zurückzugewinnen, schließt während eines Anfangszeitraums des Ladens einer Batterie (1) ein Programm-Zeitgeber (4A) alle Schalteinrichtungen (23 bis 26), so dass die Rückgewinnungsleistung von dem Motor-Generator (7) zum Laden des Kondensators (14) und zum Umsetzen in Widerständen (15) und (16) verwendet wird, wobei ein Ladestrom, der in die Batterie (1) zu Beginn des Ladens hineinfließt, unterdrückt wird. Dann werden die Schalteinrichtungen (26 und 25) nacheinander geöffnet, während die Schalteinrichtung (23) im geschlossenen Zustand belassen wird. Schließlich wird die Schalteinrichtung (24) des Kondensators (14) geöffnet, so dass die Unterdrückungsrate des Ladestroms für die Batterie (1) allmählich herabgesetzt wird, um den Ladestrom auf einen nicht-unterdrückten Ladestrom zu erhöhen. Folglich wird eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Batterie erzielt, die von dem elektrischen Generator geladen wird, der kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladesteuerungsvorrichtung sowie ein Ladesteuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie.
Stand der Technik
Bei manchen herkömmlichen Ladesteuerungsvorrichtungen und Ladesteuerungsverfahren für eine Batterie, die als Sekundärbatterie dient, gilt Folgendes: Wenn während der Fahrt eines Fahrzeugs gebremst wird, so wird das Fahrzeug mittels einer mechanischen Bremse gebremst, und ein Motor-Generator, der mit einem Antriebsmotor verbunden ist, wird als elektrischer Generator betrieben und dient als elektrische Bremse, so dass ein Rückgewinnungsstrom über eine Energie-Umwandlungsschaltung in einen DC-/DC-Umsetzer fließt, so dass Rückgewinnungsenergie in der Batterie und in einem Kondensator gespeichert wird. In diesem Fall kann die Batterie-Ladeleistung im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten werden, und zwar vom Beginn der Rückgewinnung an (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
Falls die Batterie-Ladeleistung vom Beginn der Rückgewinnung an im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird, schwankt die Batteriespannung nicht so stark wie die Kondensatorspannung. Daher wird angenommen, dass der Batteriestrom im wesentlichen konstant wird. Eine solche Steuerung wird wegen der Überlegung vorgenommen, den Ladestrom für die Batterie gleich groß wie oder kleiner als den für die Batterie zulässigen Wert zu machen.
Wenn der Ladestrom für die Batterie vom Beginn der Rückgewinnung an im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird, dann wird folglich eine Ladesteuerung derart durchgeführt, dass der Ladestrom seinen zulässigen oberen Grenzwert nicht überschreitet. Dies wird im allgemeinen als Steuerung für konstanten Batteriestrom bezeichnet und stellt ein allgemein bekanntes Ladesteuerungsverfahren dar.
Liste zum Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Internationale Veröffentlichung WO 2004/066472

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Wenn die herkömmliche Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie wie oben beschrieben aufgebaut ist, fließt bei der Rückgewinnung der zulässige maximale Ladestrom in die Batterie hinein, und zwar vom Beginn der Rückgewinnung an. Da die Batterie eine elektrische Speichereinrichtung unter Verwendung einer chemischen Reaktion darstellt, gilt jedoch Folgendes: Sogar dann, wenn versucht wird, die Batterie abrupt mit dem zulässigen maximalen Strom ganz von Anfang an zu laden, wird infolge einer Diffusionsbegrenzung die Batterie nicht vollständig mit ihrer Primärreaktion geladen, und es tritt eine Sekundärreaktion auf, die eine Verschlechterung der Batterie begünstigt, so dass möglicherweise die Zyklus-Lebensdauer verringert wird.
Für den Fall, dass der Kondensator vollständig geladen ist, kann außerdem die erzeugte Energie nicht von dem Kondensator aufgenommen werden. Daher ergibt sich ein dahingehendes Problem, dass die Ladeleistung für die Batterie nicht verringert werden kann. Falls die Ladeleistung für die Batterie nicht verringert werden kann, wird möglicherweise eine Verschlechterung der Batterie begünstigt.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie anzugeben, mit welcher eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer einer Sekundärbatterie erreicht werden kann, welche von einem elektrischen Generator geladen wird, welcher kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches Ladesteuerungsverfahren anzugeben.
Lösung der Probleme
Eine Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Strom-Steuerungseinrichtung auf, um die folgenden Vorgänge durchzuführen: Während des Ladevorganges für eine Sekundärbatterie von einem elektrischen Generator, welcher kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt, wird eine derartige Steuerung vorgenommen, dass der Ladestrom für die Sekundärbatterie unterdrückt wird, und zwar vom Beginn des Ladevorganges an und auf eine vorab festgelegte Unterdrückungsrate in Bezug auf den Ladestrom zu Beginn des Ladens für den Fall, dass der Ladestrom nicht unterdrückt wird, und dass die Unterdrückungsrate im Zeitverlauf verringert wird.
Außerdem weist ein Ladesteuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Schritte auf: Während des Ladevorganges für eine Sekundärbatterie von einem elektrischen Generator, welcher kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt, wird der Ladestrom für die Sekundärbatterie unterdrückt, und zwar vom Beginn des Ladevorganges an und auf eine vorab festgelegte Unterdrückungsrate in Bezug auf den Ladestrom zu Beginn des Ladens für den Fall, dass der Ladestrom nicht unterdrückt wird, und die Unterdrückungsrate wird im Zeitverlauf verringert.
Wirkung der Erfindung
Die Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Strom-Steuerungseinrichtung auf, um die folgenden Vorgänge durchzuführen: Während des Ladevorganges für eine Sekundärbatterie aus einem elektrischen Generator, welcher kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt, wird eine derartige Steuerung vorgenommen, dass der Ladestrom für die Sekundärbatterie unterdrückt wird, und zwar vom Beginn des Ladevorganges an und auf eine vorab festgelegte Unterdrückungsrate in Bezug auf den Ladestrom zu Beginn des Ladens für den Fall, dass der Ladestrom nicht unterdrückt wird, und dass die Unterdrückungsrate im Zeitverlauf verringert wird. Daher erzielt die Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Sekundärbatterie.
Außerdem weist das Ladesteuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Schritte auf: Während des Ladevorganges für eine Sekundärbatterie von einem elektrischen Generator, welcher kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt, wird der Ladestrom für die Sekundärbatterie unterdrückt, und zwar vom Beginn des Ladevorganges an und auf eine vorab festgelegte Unterdrückungsrate in Bezug auf den Ladestrom zu Beginn des Ladens für den Fall, dass der Ladestrom nicht unterdrückt wird, und die Unterdrückungsrate wird im Zeitverlauf verringert. Daher erreicht das Ladesteuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Sekundärbatterie.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs der in 1 gezeigten Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie.
3 ein Kennliniendiagramm, das das Ergebnis einer Untersuchung zeigt, die relevant für die Zyklus-Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie ist.
4 ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
5 ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie gemäß Ausführungsform 3 zeigt.
6 ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs der in 5 gezeigten Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie.
7 ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie gemäß Ausführungsform 4 zeigt.
8 ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs der in 7 gezeigten Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsform 1
1 bis 3 zeigen Ausführungsform 1 zum Ausführen der vorliegenden Erfindung. 1 ist ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie zeigt. 2 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs der Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie. 3 ist ein Kennliniendiagramm, das das Ergebnis einer Untersuchung zeigt, die relevant für die Zyklus-Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie ist.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage folgender Erkenntnisse der Erfinder gemacht: Für den Fall, dass eine Lithium-Ionen-Batterie als Batterie (Sekundärbatterie) verwendet wird, kann lediglich durch das Unterdrücken des Ladestroms (später ausführlicher beschrieben) für die Lithium-Ionen-Batterie die Zyklus-Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie auf das 1,5-fache oder mehr verlängert werden, und zwar sogar dann, wenn der Strom nach dem Anstieg (nachdem die Unterdrückung beendet wurde) nicht so stark begrenzt wird.
Es sei angemerkt, dass gemäß einem Ergebnis der Untersuchung der Erfinder beim Entladen der Lithium-Ionen-Batterie sogar dann, wenn der anfängliche Entladestrom (Strom beim Anstieg) unterdrückt wird, eine dahingehende Wirkung, dass sich die Zyklus-Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie verlängert, nicht sehr bemerkenswert ist.
Die in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Begriffe werden hier wie folgt definiert:
Eine Unterdrückungsrate γ bezieht sich auf eine Rate ((J1/J2) × 100 (%)) des Ladestroms J1 (nachstehend einfach als Strom J1 bezeichnet) für die Batterie für den Fall, dass der Ladestrom für die Batterie unterdrückt wird, und zwar in Bezug auf den Ladestrom J2 (nachstehend einfach als Strom J2 bezeichnet) für die Batterie für den Fall, in welchem der Ladestrom für die Batterie nicht unterdrückt wird.
Es sei angemerkt, dass die Lithium-Ionen-Batterie grundsätzlich mit einem konstanten Strom während des Anfangszeitraums des Ladens geladen wird. Der Strom J2 wird auf einen Wert gesetzt, der keine große Verringerung der Zyklus-Lebensdauer beim Gebrauch bewirkt, wobei ein kurzzeitiges Laden oft wiederholt durchgeführt wird, wie es in der nachstehenden Ausführungsform beschrieben ist, und zwar gemäß der Art der Batterie, dem Lademuster und der Ladefrequenz und dergleichen.
Die Ladeunterdrückungszeit für die Batterie bezieht sich dann, wenn der Ladestrom für die Batterie unterdrückt wird, auf eine Zeit, bis die Unterdrückungsrate γ im Zeitverlauf auf 0% absinkt, und zwar von dem Zeitpunkt an, wenn die Batterie an eine Stromversorgung angeschlossen und deren Laden begonnen wird.
Eine Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 bezieht sich auf eine Rate ((J10/J20) × 100 (%)) des Ladestroms J10 (nachstehend einfach als Strom J10 bezeichnet) von dem Beginn des Ladens an, unmittelbar, nachdem die Batterie an die Stromversorgung angeschlossen wird, für den Fall, in welchem der Ladestrom für die Batterie unterdrückt wird, und zwar in Bezug auf den Ladestrom J20 (nachstehend einfach als Strom J20 bezeichnet, der fast gleich groß wie der Strom J2 ist), beim Beginn des Ladens für den Fall, in welchem der Ladestrom für die Batterie nicht unterdrückt wird.
Unter Bezugnahme auf 3 wird das Ergebnis der Untersuchung beschrieben, das für die Zyklus-Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie relevant ist und von den Erfindern ermittelt worden ist. Unter Belastung in einem „JC08-Modus”, welcher einen der Bewegungsmodus-Muster für Automobile darstellt, wurde die Veränderung der Kapazitäts-Verweilrate der Lithium-Ionen-Batterie zwischen dem Fall untersucht, in welchem der Anfangs-Ladestrom für die Lithium-Ionen-Batterie unterdrückt wird, und dem Fall, in welchem keine solche Unterdrückung vorgenommen wird, und zwar in einem Konstanttemperatur-Bad.
Für den Fall, dass eine Lithium-Ionen-Batterie mit sechs Zellen in Reihenschaltung, die aus sechs in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen mit jeweils einer Kapazität von 50 Ah aufgebaut ist, ein Kondensator mit drei Zellen in Reihenschaltung, der aus drei in Reihe geschalteten elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren mit jeweils einem normierten Innenwiderstand (Produkt des Innenwiderstands Ω und der elektrostatischen Kapazität F, ΩF-Wert) der 0,1 ΩF-Klasse und einer Stehspannung von 2,7 V bei der Temperatur von 180°F in Reihe lediglich während des Anfangszeitraums des Ladens zwischengeschaltet wird, wird der „JC08-Modus” (20 Minuten/Zyklus) 1000 Mal wiederholt.
Die Untersuchung wurde durchgeführt für vier Konstanttemperatur-Bad-Temperaturen tc von –15°C, 0°C, 25 °C und 40°C. Eines ihrer Ergebnisse ist mit einer Polygonzug-Linie G dargestellt, bei welcher die horizontale Achse die Konstanttemperatur-Bad-Temperatur tc darstellt, und bei welcher die vertikale Achse die Kapazitäts-Verweilrate α nach 1000 Wiederholungen anzeigt. In diesem Fall wurde die Untersuchung unter der Bedingung durchgeführt, dass der Strom J20 zweimal so hoch (100 A, 2C) wie die Kapazität 50 Ah der Lithium-Ionen-Batterie mit sechs Zellen in Reihenschaltung, die untersucht werden soll.
Der Strom J10 wurde ungefähr auf 50 A gesetzt. Die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 wurde auf ungefähr 50% gesetzt. Die Unterdrückungsrate γ wurde exponentiell vom Beginn des Ladens an verringert, und nachdem ungefähr 2 bis 6 Sekunden der Unterdrückungsrate vergangen waren, wurde die Unterdrückungsrate γ fast 0%, so dass der Ladestrom zum Strom J2 im stationären Zustand wurde.
Für den Fall, dass eine Lithium-Ionen-Batterie mit sechs Zellen in Reihenschaltung, die aus sechs in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen mit der gleichen Kapazität aufgebaut ist, mit einem konstanten Strom (Strom J2) ganz von Beginn an nicht über die Kondensatoren mit drei in Reihe geschalteten Zellen geladen wird, ist die Kapazitäts-Verweilrate α nach 1000 Wiederholungen bei der gleichen Temperaturbedingung mit einer Polygonzug-Linie H dargestellt.
Die Kapazitäten der Lithium-Ionen-Batterien mit sechs in Reihe geschalteten Zellen wurden gemessen, indem sie in einem Nennspannungsbereich zu 100% geladen und entladen wurden. Die jeweiligen Anfangskapazitäten vor dem Beginn der Untersuchung wurden als 100% definiert. Grundsätzlich wurde der Fall, dass die Kapazität weniger als 80% oder 70% geworden ist, als das Ende der Lebensdauer angenommen.
Als ein Ergebnis der Untersuchung wurde herausgefunden, dass bei jeder Temperatur für den Fall (Polygonzug-Linie G), in welchem der Kondensator mit drei Zellen in Reihenschaltung lediglich während des Anfangszeitraums des Ladens in Reihe zwischengeschaltet wurde, um den Anfangs-Ladestrom zu unterdrücken, die Kapazitäts-Verweilrate α auf einem höheren Wert gehalten wurde, und dass die Verschlechterung der Zyklus-Lebensdauer wesentlich verringert wurde.
Außerdem wurde im Vergleich zum Fall mit 25°C Folgendes herausgefunden: Die Verschlechterung (Verringerung der Kapazitäts-Verweilrate α) war groß in den Fällen mit –15°C, 0°C, und 40°C. Das heißt, auf den Seiten einer niedrigeren Temperatur oder einer höheren Temperatur als 25°C und insbesondere in einem rauen Temperaturbereich gleich oder kleiner 0°C bzw. gleich oder größer 40°C war die Wirkung infolge der Unterdrückung des Anfangs-Ladestroms groß.
Daher wurde herausgefunden, dass die Verschlechterung infolge des Ladens größer ist als die Verschlechterung infolge des Entladens. Ferner war bei einem solchen Ladevorgang die Verschlechterung während des Anfangszeitraums des Ladens größer. Es wird angenommen, dass dies darauf beruht, dass während des Anfangszeitraums des Ladens der Diffusionswiderstand – wenn Lithium-Ionen durch eine SEI (Fest-Elektrolyt-Grenzschicht, Solid Electrolyte Interface) hindurchgehen, die ein Graphitpartikel bedeckt – groß ist. Daher tritt bei einem Schnell-Ladestrom eine Diffusionsbegrenzung auf, und die Lithium-Ionen fallen als metallisches Lithium aus, und zwar in einem Spalt zwischen der negativen Elektrode und einem Trennelement und dergleichen.
Gemäß einem grundsätzlich anerkannten Ausfällungsmechanismus für metallisches Lithium gilt Folgendes: Eine neue SEI wird im Zeitverlauf um eine kleine Menge von metallischem Lithium in einem Spalt zwischen der negativen Elektrode und dem Trennelement oder dergleichen ausgebildet. Dadurch wird dessen Aufenthaltsort stabilisiert. Daher tritt die nächste Sekundärreaktion an einem anderen Ort auf. Wenn solch eine Ausfällung von metallischem Lithium aufgetreten ist, verringert sich die Anzahl von Lithium-Ionen, die reagieren können. Dies führt zu einer Abnahme der Kapazität, d. h. zu einer irreversiblen Verschlechterung.
Andererseits gilt Folgendes: Sobald ein Ladestrom zu fließen beginnt, steigt die Temperatur an, und der Ionen-Leitwiderstand verringert sich. Daher steigt der Wert des Ladestroms rapide an, der die Diffusionsbegrenzung in der SEI bewirkt, die das Graphitpartikel bedeckt. Das heißt, selbst wenn ein großer Ladestrom fließt, tritt eine Verschlechterung infolge einer Sekundärreaktion mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf.
Herkömmlicherweise wird der obere Grenzwert des Ladestroms für eine Lithium-Ionen-Batterie auf der Basis der Daten einer bekannten Verschlechterung der Zyklus-Lebensdauer ermittelt, und zwar unter Verwendung einer einfachen Rechteckwelle. Als eines der Ergebnisse der Erfinder wurde jedoch herausgefunden, dass dann, wenn der Rechteckwellen-Ladestrom lediglich während des Anfangszeitraums des Ladens unterdrückt wird, d. h. für einige Sekunden (längstens ungefähr 10 Sekunden), ein Faktor, der die Verschlechterung der Zyklus-Lebensdauer dominiert, beseitigt werden kann.
Sogar dann, wenn die obere Grenze des Ladestroms im endgültig stationären Zustand erhöht wird, dann wird die Zyklus-Lebensdauer nicht sehr stark zum Negativen hin verändert. Es sei angemerkt, dass vorgeschlagen wird, die Sekundärbatterie für beispielsweise ungefähr fünf Stunden zu laden, während der Ladestrom für die Sekundärbatterie kontinuierlich von der Lade-Beginnspannung auf die Lade-Endspannung erhöht wird.
Dadurch wird eine Verlängerung der Lebensdauer des Sekundärbatterie erreicht (siehe z. B. Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2007-141 493 A ), obwohl sich diese Technik von dem Fall unterscheidet, in welchem die Sekundärbatterie von einem elektrischen Generator geladen wird, der kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Diese Technik kann jedoch nicht angewendet werden zu dem Zweck, wie bei der vorliegenden Erfindung kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückzugewinnen, oder sie braucht nicht zu einem solchen Zweck angewendet zu werden.
Dies ergibt sich daraus, dass das kontinuierliche Rückgewinnen kinetischer Energie über viele Stunden hinweg und insbesondere das Rückgewinnen kinetischer Energie eines Fahrzeugs nicht realistisch ist. Außerdem wird eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer in ausreichendem Maße erreicht, falls die Unterdrückung über ungefähr längstens 10 Sekunden hinweg nur während des Anfangszeitraums des Ladens durchgeführt wird.
Andererseits gilt für den Fall des Entladens Folgendes: Wegen einer Selbstschutz-Funktion, bei welcher sich die Zellenspannung infolge einer Überspannung verringert, wenn eine Diffusionsbegrenzung infolge des Diffusionswiderstands auftritt, ist das Risiko gering, eine Sekundärreaktion zu verursachen. Als ein Faktor der Verringerung der Zellenspannung ist Folgendes denkbar: ein Spannungsabfall (iR-Verlust) (Widerstands-Überspannung) infolge des Innenwiderstands sowie eine Überspannung (Diffusions-Überspannung) infolge der Diffusionsbegrenzung.
Im Falle des Ladens jedoch gilt Folgendes: Da zwingend eine Leistung angelegt wird, kann die Energie nirgendwo hin übertragen werden, und die Spannung steigt an, so dass ein Auftreten der Sekundärreaktion unvermeidlich ist. Der oben beschriebene Mechanismus wurde als Ergebnis der Untersuchungen der Erfinder herausgefunden.
Ein solches Verhalten ist nicht auf die Lithium-Ionen-Batterie beschränkt. Es wird vielmehr angenommen, dass es üblich ist bei den Sekundärbatterien, die eine chemische Reaktion aufweisen (z. B. eine Nickel-Hydrid-Batterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Blei-Säure-Batterie, eine Natrium-Schwefel-Batterie und dergleichen).
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Ladesteuerungsvorrichtung und des Ladesteuerungsverfahrens für eine Sekundärbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Basis der oben beschriebenen Erkenntnisse näher beschrieben. 1 ist ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Gemäß 1 weist ein bidirektionaler DC-/DC-Umsetzer 3 Folgendes auf: Eine Schalteinrichtung (S1) 31 als Schalter im oberen Zweig; eine Schalteinrichtung (S2) 32 als Schalter im unteren Zweig; eine Drosselspule (L1) 33 als Impedanzeinrichtung auf der Ausgangsseite; und einen Glättungskondensator (CDC) 34. Ein MOSFET wird als Schalteinrichtung 31 und als Schalteinrichtung 32 verwendet.
Der DC-/DC-Umsetzer 3 ist mit einem Motor-Generator 7 verbunden, und zwar über einen Bus 35 auf der Primärseite und über einen Energie-Umsetzer 6. Der Energie-Umsetzer 6 wandelt Gleichstrom einer Batterie 1, die später noch beschrieben wird, in Dreiphasen-Wechselstrom um, um einen Motor-Generator 7 anzutreiben. Alternativ wandelt er Wechselstrom, der von dem Motor-Generator 7 erzeugt worden ist, in Gleichstrom um, um die Batterie 1 zu laden. Der Motor-Generator 7 ist in einem Automobil vorgesehen, das als Fahrzeug dient, und er ist mit einem Antriebsmotor 8 eines Automobils gekoppelt.
Eine Strom-Steuerungseinrichtung 4 weist Folgendes auf: einen Kondensator (EDLC: electric double layer capacitor, elektrischer Doppelschicht-Kondensator) 14 als einen Kondensator; einen Widerstand (R1) 15; einen Widerstand (R2) 16; eine Schalt-Einrichtung (S4) 24, eine Schalt-Einrichtung (S5) 25 und eine Schalt-Einrichtung (S6) 26 als Öffnungs-/Schließeinrichtungen; einen Programm-Zeitgeber 4a als Zeitgebereinrichtung; einen Verschlechterungsdetektor 4b zum Detektieren des Grades der Verschlechterung der Batterie (LIB: Lithium-Ionen-Batterie) 1 als Sekundärbatterie; und einen Temperatur-Detektor 4c zum Detektieren der Temperatur der Batterie 1.
Es sei angemerkt, dass der Kondensator 14, der Widerstand 15 und der Widerstand 16 einer Lastimpedanz-Einrichtung der vorliegenden Erfindung entsprechen und in Parallelschaltung mit der Batterie 1 verbunden sind.
Die Batterie 1, der Kondensator 14 und die Widerstände 15 und 16, die in Parallelschaltung verbunden sind, sind mit beiden Enden der Schalteinrichtung 32 verbunden, die den DC-/DC-Umsetzer 3 bildet, und zwar über die Drosselspule 33 als Impedanzeinrichtung auf der Ausgangsseite. Es sei angemerkt, dass für die Schalt-Einrichtungen 23, 24, 25 und 26 eine Öffnungs-/Schließeinrichtung mit einem Kontaktpunkt, wie z. B. ein mechanisches Relais, verwendet werden kann. Alternativ kann eine Halbleiter-Schalteinrichtung wie z. B. ein MOSFET oder ein IGBT verwendet werden, um die Steuerung mit einer höheren Geschwindigkeit und kleineren Schaltverlusten durchzuführen.
Der Verschlechterungsdetektor 4b detektiert eine Verschlechterung, indem er eine Verringerung der Batteriekapazität und einen Anstieg des Innenwiderstands mit einem bekannten Verfahren ermittelt (siehe z. B. Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 8-293 329 A oder Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 11-329 512 A ).
Der Temperatur-Detektor 4c detektiert beispielsweise die Temperatur eines Behälters oder eines Moduls der Batterie als eine repräsentative Temperatur der Batterie, und zwar unter Verwendung eines Thermoelements, eines Thermistors oder dergleichen (nicht dargestellt). Es sei angemerkt, dass in der Zeichnung das Messsystem zum Messen von Strom oder Spannung und die Filterelemente (Kondensator und Drosselspule) zum Glätten der Spannung aus Gründen der Vereinfachung weggelassen sind.
Im Folgenden wird der Betrieb beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform verhält sich die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 wie nachstehend angegeben. γ0 = J10/J20
Hierbei sind:
J10 = der Strom (Spitzenwert) zu dem Zeitpunkt, in dem der Ladestrom an die Batterie 1 angelegt wird, wobei die Schalteinrichtungen 23, 24, 25 und 26 alle geschlossen sind; und
J20 = der Strom (Spitzenwert) zu dem Zeitpunkt, in dem der Ladestrom an die Batterie 1 angelegt wird, wobei die Schalteinrichtung 23 geschlossen ist und die Schalteinrichtungen 24, 25 und 26 alle geöffnet sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 auf einen Wert von 50% gesetzt.
In 1 gilt für den Fall, dass der Motor-Generator 7, der mit den Rädern des Automobils über den Antriebsmotor 8 gekoppelt ist, als elektrischer Generator arbeitet, um die kinetische Energie des Automobils als Rückgewinnungsleistung zu gewinnen, Folgendes: Zunächst schließt der Programm-Zeitgeber 4a alle Schalteinrichtungen 23, 24, 25 und 26.
Es sei angemerkt, dass der DC-/DC-Umsetzer 3 die Spannung des Bus 35 auf der Primärseite heruntersetzt und die sich ergebende Spannung an einen Bus 36 auf der Sekundärseite ausgibt, während die Schalteinrichtungen 31 und 32 einer Öffnungs-/Schließsteuerung unterzogen werden, so dass die Spannung auf Seiten der Spannungsversorgung (Seite der Schalteinrichtung 32) der Drosselspule 33 konstant wird.
Folglich wird die Rückgewinnungsleistung vom Motor-Generator 7 der Batterie 1 zugeführt, und sie wird auch zum Laden des Kondensators 14 und zum Energieverbrauch im Widerstand 15 und im Widerstand 16 verwendet. Dadurch wird der Ladestrom unterdrückt, der in die Batterie 1 hineinfließt. Es sei angemerkt, dass der Wert des Spannungsabfalls an der Drosselspule 33 schwankt, und zwar in Abhängigkeit von der Größe der Impedanz der Lastimpedanz-Einrichtung, die mittels der Drosselspule 33 verbunden ist.
Während nachfolgend die Schalteinrichtung 23 für die Batterie 1 im geschlossenen Zustand belassen wird, öffnet der Programm-Zeitgeber 4a nacheinander die Schalteinrichtungen 25 und 26 mit einem bestimmten dazwischen eingefügten Zeitintervall, und dann – eine bestimmte Zeit später – öffnet er die Schalteinrichtung 24 für den Kondensator 14. Dadurch verringert er die Unterdrückungsrate γ des Ladestroms für die Batterie 1 im Zeitverlauf. Folglich kann der Ladestrom für die Batterie 1 allmählich heraufgesetzt werden. Dann wird die Unterdrückungsrate γ schließlich 0%, so dass der nicht-unterdrückte Strom J2 fließt.
Für den Fall, dass eine Halbleiter-Schalteinrichtung wie beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT für die Schalteinrichtungen 24 bis 26 verwendet wird, kann eine genauere Steuerung vorgenommen werden. Durch die Öffnungs-/Schließsteuerung für die Schalteinrichtungen 24 und 25 und die Schalteinrichtung 26 wird ein Zeitraum eingestellt, während dessen jeder von dem Kondensator 14 und den Widerständen 15 und 16 in Parallelschaltung mit beiden Enden der Schalteinrichtung 32 verbunden ist. Dadurch wird eine genauere Steuerung ermöglicht, und es wird eine Ladestrom-Kennlinie erreicht, bei welcher der Anfangs-Ladestrom sanft im Zeitverlauf t ansteigt, und zwar vom Strom J1 zum Strom J2, wie es mit einer Kurve A des Ladestroms in 2 gezeigt ist.
Die Kurve A ist eine wünschenswerte Ladestromkurve, die in einem Normalzustand erhalten wird, wobei der Ladestrom einen stationären Wert in ungefähr 2 Sekunden erreicht. Das heißt, die Unterdrückungsrate γ sinkt exponentiell von 50% auf 0% in ungefähr 2 Sekunden, wie es mit einer Kurve D dargestellt ist. Es sei angemerkt, dass sich der Normalzustand auf einen Zustand bezieht, in welchem keine Verschlechterung 1 der Batterie stattfindet, und in welchem kein rauer Temperaturbereich vorliegt, in welchem die Temperatur der Batterie 1 gleich oder geringer als 0°C ist bzw. gleich oder höher als 40°C ist.
Zu diesem Zeitpunkt wird ein Stromanteil Y (schraffierter Teil) oben links absorbiert, der ein Differenzbereich zwischen einer Rechteckwelle X, die der Strom J2 für die Batterie 1 ist, und der Kurve A des Stroms J1 ist, und zwar als ein Strom, der zum Kondensator 14 und zu den Widerständen 15 und 16 fließt. Es sei angemerkt, dass die in dem Kondensator 14 absorbierte Energie später entladen werden soll.
In einem verschlechterten Zustand, in welchem die Verschlechterung der Batterie 1 fortgeschritten ist, gilt – wie mit einer Kurve B (Batterie-Verschlechterungszustand) in 2 dargestellt ist – Folgendes: Die Verbindungszeiten des Kondensators 14, des Widerstands 15 und des Widerstands 16 werden derart verlängert, dass sie länger sind als in dem oben beschriebenen Normalzustand, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Unterdrückungsrate γ des Ladestroms herabgesetzt wird, wird verlangsamt.
Dadurch wird das Verhältnis des Energieverbrauchs (nachfolgend einfach als Verhältnis bezeichnet) in den Widerständen 15 und 16 und des Energieverbrauchs infolge des Ladens des Kondensators 14 in Hinblick auf die erzeugte Energie erhöht. Es sei angemerkt, dass eine Kurve E die Veränderung der Unterdrückungsrate γ für diesen Fall angibt, und dass die Unterdrückungsrate exponentiell von 50% auf 0% in ungefähr 3 Sekunden absinkt. Die Ladeunterdrückungszeit beträgt etwa 3 Sekunden.
Ähnlich gilt dann, wenn sich die Batterie 1 bei einer rauen Temperatur, wie z. B. –10°C oder 50°C befindet, wie es mit einer Kurve C (Zustand rauer Temperatur) in 2 dargestellt ist, Folgendes: Die Verbindungszeiten des Kondensators 14, des Widerstands 15 und des Widerstands 16 werden noch weiter als im Batterie-Verschlechterungszustand verlängert, um die Ladeunterdrückungszeit zu verlängern, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Unterdrückungsrate γ des Ladestroms herabgesetzt wird, wird noch weiter verlangsamt.
Dadurch wird das Verhältnis des Energieverbrauchs in den Widerständen 15 und 16 und des Energieverbrauchs infolge des Ladens des Kondensators 14 noch weiter erhöht. Es sei angemerkt, dass eine Kurve F die Veränderung der Unterdrückungsrate γ für diesen Fall anzeigt, und dass die Unterdrückungsrate exponentiell von 50% auf 0% in ungefähr 6 Sekunden absinkt. Die Ladeunterdrückungszeit beträgt etwa 6 Sekunden.
Es sei angemerkt, dass die Widerstandswerte der Widerstände 15 und 16 die gleichen Werte sein können. Wenn aber Widerstände mit unterschiedlichen Widerstandswerten verwendet werden, können drei Muster von Widerstandswerten ausgewählt werden, d. h. einer der Widerstände 15 und 16 oder eine Parallelschaltung dieser.
Dadurch wird eine große Vielfalt von Impedanzsteuerung erreicht. Außerdem ist der Ladestrom für die Batterie 1 nicht beschränkt auf eine sanfte Veränderung, wie sie in den Kurven A bis C in 2 dargestellt ist. Selbstverständlich kann der Ladestrom auf eine stufenförmige Weise oder dergleichen verändert werden, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird auch bei einer rauen Temperatur der Ladestrom derart gesteuert, dass er einen konstanten Wert (Maximalwert) annimmt, und zwar in etwa 6 Sekunden, wie es mit der Kurve C in 2 gezeigt ist. Falls hierbei eine zeitliche Veränderung des Anstiegs des Anfangs-Ladestroms (des unterdrückten Ladestroms J1) für die Batterie 1 noch weiter verlangsamt wird, kann eine Anfangs-Ladebeschädigung der Batterie 1 weiter herabgesetzt werden, und die Zyklus-Verschlechterung wird weiter unterbunden.
Für den Fall jedoch, dass die Energie zum Laden umgeleitet wird, so dass die Energie einmal im Kondensator 14 gespeichert wird und dann die Batterie 1 auflädt, gilt Folgendes: Falls eine zeitliche Veränderung des Anfangs-Ladestroms für die Batterie 1 weiter herabgesetzt wird, muss der Kondensator 14 eine größere Kapazität haben.
Für den Fall, dass die Widerstände 15 und 16 dazu veranlasst werden, die Leistung umzusetzen und Wärme zu erzeugen, gilt Folgendes: Da die zeitliche Veränderung des Anfangs-Ladestroms für die Batterie 1 weiter verlangsamt wird, wird die Ladeunterdrückungszeit länger, und es wird mehr Leistung auf verschwenderische Weise umgesetzt.
Daher wird die Bestimmung der zeitlichen Veränderung des Anfangs-Ladestroms für die Batterie auf der Basis des folgenden Gleichgewichts getroffen: der Wirkung, die Zyklus-Lebensdauer für die Batterie 1 zu verlängern, den Kosten der Ladesteuerungsvorrichtung für die Sekundärbatterie, der Energiemenge, die bezogen werden kann, und dergleichen.
Grundsätzlich verschlechtern sich Batterien – nicht bloß Lithium-Ionen-Batterien – allmählich infolge ihrer Zyklus-Lebensdauer und ihrer Gesamtlebensdauer, so dass der Widerstand gegen die Anfangs-Ladebeschädigung der Batterie abgeschwächt wird. Daher ist es wünschenswert, dass im Einklang mit dem Grad der Verschlechterung eine Ladesteuerung derart durchgeführt wird, dass – wenn die Verschlechterung der Batterie größer wird – das Verhältnis zwischen dem Energieverbrauch im Widerstand und dem Energieverbrauch infolge des Ladens des Kondensators beim Laden der Batterie weiter erhöht wird, um die Geschwindigkeit des Verringerns der Unterdrückungsrate γ des Ladestroms zu verlangsamen. Dadurch wird die Ladeunterdrückungszeit verlängert, um den Ladestrom für die Batterie noch allmählicher ansteigen zu lassen.
Insbesondere kann in Abhängigkeit von dem Zeitraum, während dessen die Batterie verwendet worden ist, die Ladeunterdrückungszeit verlängert werden, um allmählich den Grad der Verlangsamung der zeitlichen Veränderung des Anfangs-Ladestroms für die Batterie zu erhöhen. Alternativ kann der Verschlechterungsgrad der Batterie bestimmt werden, und gemäß dem Verschlechterungsgrad kann der Grad der Verlangsamung der zeitlichen Veränderung, d. h. die Ladeunterdrückungszeit, gesteuert werden.
Das heißt, gemäß dem Verschlechterungsgrad der Batterie kann die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ des Ladestroms eingestellt werden. Falls dann, wenn die Batterie neu ist, die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ des Ladestroms maximal verlangsamt wird, so wird die Ladeunterdrückungszeit verlängert, und der Leistungsverlust infolge der Umsetzung im Widerstand steigt an. Daher wird infolge der Zunahme der Betriebszeit und der Betriebsfrequenz des Kondensators die Verschlechterung des Kondensators in größerem oder kleinerem Maße verursacht.
Daher ist es wünschenswert, die Geschwindigkeit der Verlangsamung der Unterdrückungsrate γ gemäß dem Verschlechterungsgrad einzustellen. Es sei angemerkt, dass es jedenfalls ausreichend ist, die Zeitdauer bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Unterdrückungsrate 0 wird, auf ein Maß zu verlängern, das 10 Sekunden nicht übersteigt. Die Verschlechterung der Batterie kann quantitativ mit dem Verschlechterungsdetektor 4b detektiert werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass für den Fall, dass die Betriebstemperatur der Lithium-Ionen-Batterie in einem rauen Temperaturbereich liegt, d. h. gleich oder niedriger als 0°C bzw. gleich oder höher als 40°C ist, die Wirkung der Unterdrückungssteuerung des Anfangs-Ladestroms der vorliegenden Erfindung erheblich ist. Es ist grundsätzlich bekannt, dass für den Fall, dass sich die Batterie in einem rauen Temperaturbereich befindet, die Zyklus-Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie erheblich herabgesetzt wird. Dieser Mechanismus kann theoretisch wie folgt erklärt werden:
Wenn die Temperatur der Batterie gleich oder niedriger als 0°C ist, gilt für den Fall einer Lithium-Ionen-Batterie Folgendes: Der Diffusionswiderstand von Lithium-Ionen in der SEI, die ein Graphitpartikel bedecken, wird signifikant groß, und es wird schwieriger, den Ladestrom anzunehmen. Es ist wohlbekannt, dass dann, wenn die Batterie sehr schnell bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 0°C aufgeladen wird, ein Dendrit aus metallischem Lithium auftritt, welches einen Kurzschluss zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode bewirkt, was einen Brandunfall zur Folge haben kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Unterdrückung des Ladestroms beim Beginn des Ladens und die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ danach gesteuert, d. h. es wird eine Unterdrückungssteuerung des Anfangs-Ladestroms durchgeführt. Dadurch wird die Lithium-Ionen-Batterie allmählich erwärmt, und es wird ihr erleichtert, den Ladestrom anzunehmen. Daher ist es offensichtlich, dass sich die Wirkung, die Zyklus-Lebensdauer zu verlängern, weiter verbessert.
Außerdem gilt bei einer Temperatur gleich oder höher als 40°C im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie Folgendes: Es ist wahrscheinlich, dass eine Sekundärreaktion infolge eines hohen Potentials an der positiven Elektrode auftritt, was zu einer signifikanten Verringerung der Zyklus-Lebensdauer führt. Auch in diesem Fall wird durch die Unterdrückungssteuerung des Anfangs-Ladestroms ein sehr schneller Anstieg der Temperatur unterbunden, und es wird das übergangsweise Auftreten eines hohen Potentials unterbunden. Dadurch tritt eine Sekundärreaktion mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf.
Daher ist es bei einer Temperatur gleich oder niedriger als 0°C bzw. gleich oder höher als 40°C, d. h. in einem rauen Temperaturbereich, wünschenswert, dass beim Laden der Batterie das Verhältnis zwischen dem Energieverbrauch im Widerstand und dem Energieverbrauch infolge des Ladens des Kondensators erhöht wird, um die Unterdrückungssteuerung des Anfangs-Ladestroms zu verstärken, so dass der Anfangs-Ladestrom für die Batterie allmählicher erhöht wird. Das heißt, es ist wünschenswert, dass die Ladeunterdrückungszeit verlängert wird, um die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ zu verlangsamen.
Wenn eine repräsentative Temperatur der Batterie überwacht wird, wobei der Fall von 0°C oder niedriger bzw. der Fall von 40°C oder höher als Auslöser verwendet werden, kann die Ladeunterdrückungszeit verlängert werden, und das Verhältnis des Energieverbrauchs im Widerstand und des Energieverbrauchs infolge des Ladens des Kondensators können stark erhöht werden, um die Unterdrückungssteuerung des Anfangs-Ladestroms zu verstärken.
Alternativ kann auf der Basis der Abnahme oder Erhöhung von einer Referenztemperatur, z. B. 25°C, das Verhältnis des Energieverbrauchs im Widerstand und des Energieverbrauchs infolge des Ladens des Kondensators proportional zur Temperaturdifferenz erhöht werden, um die Unterdrückungssteuerung des Anfangs-Ladestroms zu verstärken. Es sei angemerkt, dass die repräsentative Temperatur der Batterie vom Temperatur-Detektor 4c gemessen wird.
In der Ausführungsform 1 wird folgender Fall gezeigt: Die Batterie 1, der Kondensator 14, der Widerstand 15 und der Widerstand 16 sind in Parallelschaltung verbunden, und es wird für diese eine Öffnungs-/Schließsteuerung durchgeführt. Dadurch wird die Impedanz eingestellt, um die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 einzustellen und die Impedanz zu verändern, um die Unterdrückungsrate γ zu verändern.
Stattdessen kann eine Parallelschaltung der Batterie 1 und nur des Kondensators 14, eine Parallelschaltung der Batterie 1, des Widerstands 15 und des Widerstands 16, eine Parallelschaltung der Batterie 1 und nur des Widerstands 15 oder dergleichen verwendet werden.
Wenn dann eine Öffnungs-/Schließsteuerung für diese durchgeführt wird, kann die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 eingestellt werden, und die Unterdrückungsrate γ kann verändert werden. Auch in diesem Fall wird die gleiche Wirkung der Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Batterie erzielt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Sekundärbatterie erreicht. Zusätzlich kann sogar für den Fall, dass der Kondensator 14 voll geladen ist, die erzeugte Energie von den Widerständen 15 und 16 aufgenommen werden. Dadurch kann die Ladeleistung für die Batterie verringert werden, und eine Verschlechterung der Batterie kann unterbunden werden.
Ausführungsform 2
4 ist ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß 4 weist eine Strom-Steuerungseinrichtung 5 Folgendes auf: einen Kondensator (ELLC) 44 als Kondensator, einen Widerstand (R3) 45, eine zweipolige Schalt-Einrichtung (S8) 54 und eine zweipolige Schalt-Einrichtung (S9) 55 als Öffnungs-/Schließeinrichtungen, und einen Programm-Zeitgeber 5a als Zeitgebereinrichtung.
Die Batterie 1, der Kondensator 44 und der Widerstand 45 können in Reihe geschaltet werden, und zwar mittels der zweipoligen Schalt-Einrichtungen 53, 54 und 55, und die Batterie 1, der Kondensator 44 und der Widerstand 45 sind dann, wenn sie in Reihe geschaltet sind, mit beiden Enden der Schalteinrichtung 32 des DC-/DC-Umsetzers 3 verbunden, und zwar mittels der Drosselspule 33. Es sei angemerkt, dass für die Schalteinrichtungen 53, 54 und 55 eine Relaisschaltung oder dergleichen verwendet werden kann, oder dass eine Halbleiter-Schalteinrichtung wie beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT verwendet werden kann, um eine Steuerung mit höherer Geschwindigkeit und kleineren Schaltverlusten durchzuführen.
Die anderen Komponenten sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 1, die in 1 gezeigt ist. Daher sind diese jeweiligen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird hier weggelassen. Es sei angemerkt, dass der Kondensator 44 und der Widerstand 45 einer Lastimpedanz-Einrichtung der vorliegenden Erfindung entsprechen, und dass sie mit der Batterie 1 in Reihe geschaltet sind.
Zu Beginn des Ladevorganges für die Batterie 1 schließt der Programm-Zeitgeber 5a alle Schalteinrichtungen 53, 54 und 55 zu den oberen Seiten. Folglich werden der Kondensator 44 und der Widerstand 45 in Reihe zur Batterie 1 geschaltet, so dass die Batterie 1 mit dem DC-/DC-Umsetzer 3 über den Kondensator 44 und den Widerstand 45 verbunden wird. Wegen des Ladens des Kondensators 44 und der Leistungsaufnahme (Spannungsabfall) im Widerstand 45 wird die an die Batterie 1 angelegten Spannung verringert, so dass der Ladestrom, der vom DC-/DC-Umsetzer 3 in die Batterie 1 fließt, begrenzt wird.
Nachdem eine vorab festgelegte Zeit vergangen ist, nachdem die Batterie 1 verbunden worden ist, schaltet als nächstes der Programm-Zeitgeber 5a die Schalteinrichtung 54 auf die untere Seite, während die Schalteinrichtung 53 in einem Zustand belassen wird, in welchem sie zur oberen Seite geschlossen ist, so dass die Batterie 1 und der Widerstand in Reihe geschaltet werden. Nachdem ferner eine bestimmte Zeit vergangen ist, schließt der Programm-Zeitgeber 5a die Schalteinrichtung 55 auf die untere Seite, so dass die Batterie 1 direkt aus dem DC-/DC-Umsetzer geladen wird.
In diesem Fall wird die Unterdrückungsrate, unmittelbar nachdem die Batterie 1 verbunden wird, d. h. die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 wie bei der Ausführungsform 1, auf 50% eingestellt. Außerdem wird die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ auf nahezu den gleichen Wert gesetzt.
Für den Fall, dass eine Halbleiter-Schalteinrichtung, wie beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT für die Schalteinrichtungen 53, 54 und 55 verwendet wird, kann eine genauere Steuerung vorgenommen werden. Durch das Schalten zwischen den Schalteinrichtungen 53 und 54 und der Schalteinrichtung 54 wird ein Zeitraum, während dessen jeder von dem Kondensator 44 und dem Widerstand 45 in Reihe zu der Batterie 1 geschaltet wird, eingestellt. Schließlich wird die Batterie 1 mit beiden Enden der Schalteinrichtung 32 mittels der Drosselspule 33 verbunden. Folglich kann der Anfangs-Ladestrom für die Batterie 1 ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 gesteuert werden.
Für den Fall, dass die Batterie schlechter geworden ist oder eine raue Temperatur herrscht, wird die Verbindungszeit des Kondensators 44 und des Widerstands 45 verlängert, um das Verhältnis des Energieverbrauchs im Widerstand 45 und des Energieverbrauchs infolge des Ladens des Kondensators 44 zu vergrößern.
Folglich wird die Zeit der Unterdrückungssteuerung des Ladestroms verlängert, wie es mit der Kurve B oder der Kurve C in 2 dargestellt ist. Dadurch wird eine Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer erreicht.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Fall gezeigt, in welchem die Batterie 1, der Kondensator 44 und der Widerstand 45 in Reihe geschaltet sind. Stattdessen können eine Reihenschaltung der Batterie 1 und des Kondensators 44 oder eine Reihenschaltung der Batterie 1 und des Widerstands 45 verwendet werden. Dadurch wird die gleiche Wirkung der Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Batterie 1 erreicht.
Ferner können die Ausführungsform 1 und die Ausführungsform 2 kombiniert werden, so dass die Reihenschaltung und die Parallelschaltung des Kondensators und des Widerstands kombiniert werden können. In jedem Fall wird die gleiche Wirkung der Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Batterie erzielt.
Bei der obigen Darstellung gilt für den Fall, dass die Batterie aus einer Spannungsversorgung oder einem elektrischen Generator mit einem niedrigen Innenwiderstand oder einer niedrigen Impedanz des Leitungswegs ohne Verwendung des DC-/DC-Umsetzers 3 geladen wird, Folgendes: Der Kondensator 14 und die Widerstände 15 und 16 können über eine Impedanzeinrichtung, wie z. B. einen Widerstand, anstelle der Drosselspule 33 verbunden werden. Alternativ kann eine Impedanzeinrichtung nicht einzeln zwischengeschaltet sein, sondern der Kondensator 44 und der Widerstand 45 können in Reihenschaltung mit der Batterie 1 zwischengeschaltet sein, wie bei der Ausführungsform 2.
Es sei angemerkt, dass wie bei den obigen Ausführungsformen 1 und 2 für den Fall, dass die kinetische Energie eines Fahrzeugs aus dem Motor-Generator 7 als Spannungsversorgung über den DC-/DC-Umsetzer 3 bezogen wird, um die Batterie 1 zu laden, Folgendes gilt: Da die Menge der erzeugten Energie nicht so groß ist, trägt dann, wenn eine Steuerung durchgeführt wird, wobei der Kondensator 14 und die Widerstände 15 und 16 über die Drosselspule 33 als Impedanzeinrichtung wie in der vorliegenden Ausführungsform verbunden sind, ein Spannungsabfall wegen der Drosselspule 33 effektiv zur Unterdrückung des Anfangs-Ladestroms inklusive des Stroms J10 für die Batterie 1 bei.
Ausführungsform 3
5 und 6 zeigen Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. 5 ist ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie zeigt. 6 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs der Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie. Im Schaltdiagramm gemäß 5 weist ein DC-/DC-Umsetzer 63 einen Kondensator 64 auf der Eingangsseite auf, der auch als Glättungskondensator dient. Der Kondensator 64 auf der Eingangsseite hat eine wesentlich größere Kapazität und eine wesentlich höhere Stehspannung als der Glättungskondensator 34 in 1.
Eine Reihenschaltung aus der Schalteinrichtung 23 und der Batterie 1 ist an den DC-/DC-Umsetzer 63 über den Bus 36 auf der Sekundärseite angeschlossen. Außerdem weist eine Strom-Steuerungseinrichtung 9 einen Programm-Zeitgeber 9a auf. Der Programm-Zeitgeber 9a steuert die Schalteinrichtung 31 und die Schalteinrichtung 32 und die Schalteinrichtung 23. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 1, die in 1 gezeigt ist. Daher sind diese jeweiligen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
Wenn eine Rückgewinnungsleistung erzeugt wird, dann führt der Programm-Zeitgeber 9a eine Schaltsteuerung für die Schalteinrichtung 31 und die Schalteinrichtung 32 des DC/DC-Umsetzers 63 aus, um die Spannung vom Bus 35 auf der Primärseite herabzusetzen und die Rückgewinnungsleistung dem Bus 36 auf der Sekundärseite zuzuführen. Dadurch wird die Rückgewinnungsleistung in der Batterie 1 gespeichert. Um die Rückgewinnungsleistung in der Batterie 1 zu speichern, wird die Spannung des Bus 36 auf der Primärseite, welche die Versorgungsspannung für die Batterie 1 ist, eingestellt, und zwar durch eine Schaltsteuerung für die Schalteinrichtung 31 und die Schalteinrichtung 32, so dass sich ein Ladestrom Jb1 für die Batterie verändert, wie es in 6 gezeigt ist.
Außerdem wird in der vorliegenden Ausführungsform – wie mit einer Kurve K in 6 dargestellt – die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 auf 50% eingestellt (Strom 15 A). Die Schalteinrichtung 31 und die Schalteinrichtung 32 des DC-/DC-Umsetzers 63 werden einer Öffnungs-/Schließsteuerung unterzogen, so dass die Unterdrückungsrate γ zu einem vorab festgelegten Zeitpunkt t11 zu 0 wird. Dadurch wird der Ladestrom für die Batterie 1 unterdrückt.
Zu diesem Zeitpunkt wird weitere Rückgewinnungsleistung gespeichert, die die Leistung übersteigt, welche der Batterie 1 zugeführt werden soll, und zwar im Kondensator 64 auf der Eingangsseite, wenn einmal die Spannung des DC-/DC-Umsetzers 63 am Bus 35 auf der Primärseite erhöht wird. Es sei angemerkt, dass in 6 die vertikale Achse auf der linken Seite die Größe des Rückgewinnungsstroms Jr1 oder des Ladestroms Jb1 für die Batterie angibt, und dass die vertikale Achse auf der rechten Seite die Unterdrückungsrate γ angibt.
Eine ausführlichere Beschreibung wird nachstehend gegeben. 6 zeigt Änderungen des Rückgewinnungsstroms Jr1, der im Motor-Generator 7 erzeugt wird, und den Ladestrom Jb1 für die Batterie 1. Während ungefähr 0,1 Sekunden (t11), nachdem die Rückgewinnungsleistung erzeugt worden ist, führt der Programm-Zeitgeber 9a eine Öffnungs-/Schließsteuerung für die Schalteinrichtungen 31 und 32 durch, so dass die Rückgewinnungsleistung begrenzt wird, die an dem Bus 36 auf der Sekundärseite zugeführt wird.
Während dieses Intervalls T1 wird der Batterie-Ladestrom Jb1 so gesteuert, dass er ein unterdrückter Ladestrom ist. Die Rückgewinnungsleistung E, die nicht in der Batterie 1 während des Intervalls T1 gespeichert worden ist, wird durch die folgende Gleichung dargestellt und wird im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert. E = (1/2) × (C × V) × (C × V).
Hierbei gilt:
E Energie, die im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert ist;
C elektrostatische Kapazität des Kondensators 64 auf der Eingangsseite;
V Spannung des Kondensators 64 auf der Eingangsseite.
Im Ergebnis steigt die Spannung V des Kondensators 64 auf der Eingangsseite, d. h. die Spannung des Bus 35 auf der Primärseite, sehr schnell von beispielsweise 14 V auf 200 V an. Andererseits steigt die Spannung vom Bus 36 auf der Sekundärseite allmählich an. In 6 ist t11 der Zeitpunkt, wenn der Rückgewinnungsstrom Jr1 mit dem Ladestrom Jb1 für die Batterie 1 übereinstimmt.
Dieser wird mittels Strommessgeräten für den Bus 35 auf der Primärseite und den Bus 36 auf der Sekundärseite ermittelt, welche nicht in 5 gezeigt sind. Nach dem Zeitpunkt t11 wird die Rückgewinnungsleistung, die im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert ist, dem Bus 36 auf der Sekundärseite zugeführt, um die Batterie 1 zu laden.
Insbesondere wird die Spannung des Bus 35 auf der Primärseite, die sehr schnell angestiegen ist, heruntergesetzt und dem Bus 36 auf der Sekundärseite zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Rückgewinnungsleistung immer noch erzeugt. Daher fließt der Ladestrom Jb1 für die Batterie als ein Strom, der erhalten wird, indem der vom Kondensator 64 auf der Eingangsseite zugeführte Strom zum Rückgewinnungsstrom Jr1 addiert wird (gleich dem nicht-unterdrückten Ladestrom J2), um allmählich die Batterie 1 zu laden.
Im Ergebnis wird die Rückgewinnungsleistung, die im Kondensator 64 auf der Eingangsseite in einem Bereich E11 (Intervall T1) in 6 gespeichert worden ist, der Batterie 1 zugeführt und in ihr gespeichert, und zwar in einem Bereich E12 (Intervall T2).
Folglich wird der Ladestrom Jb1 für die Batterie 1 gesteuert, um sich gemäß einer vorab festgelegten Ladekennlinie zu ändern, d. h. so dass der Ladestrom zu Beginn des Ladens begrenzt wird und der Ladestrom nicht sehr schnell ansteigt. Dadurch wird eine dahingehende Wirkung erzielt, dass die Zyklus-Lebensdauer verlängert wird. Es sei angemerkt, dass nach dem Zeitpunkt t11 der Ladestrom Jb1 für die Batterie größer ist als der Rückgewinnungsstrom Jr1, der erzeugt wird.
Daher wird die Unterdrückungsrate als Minuswert berechnet. Der Ladestrom Jb1 für die Batterie wird jedoch so gesteuert, dass er einen vorab festgelegten Wert nicht übersteigt, und dass der Ladestrom Jb1 im Zeitverlauf von dem vorab festgelegten Wert wieder abnimmt. Daher wird die Zyklus-Lebensdauer nicht beeinflusst.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 gilt durch die Verwendung des Verschlechterungsdetektors 4b und des Temperatur-Detektors 4c Folgendes: Falls die Batterie 1 stärker verschlechtert ist, oder falls sich die Batterie 1 auf einer hohen Temperatur oder nahe 0°C befindet, wird der anfänglicher Steuerzeitraum für die Ladestrom-Unterdrückung (Intervall T1) stärker verlängert. Folglich wird eine größere Wirkung der Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer erzielt.
Es sei angemerkt, dass die elektrische Energie, die im Bereich E21 gespeichert ist, stark von der elektrostatischen Kapazität C und der Spannung V des Kondensators 64 auf der Eingangsseite abhängt. Es ist wünschenswert, den Kondensator 64 auf der Eingangsseite derart auszuwählen, dass er eine große elektrostatische Kapazität und eine hohe Stehspannung hat. Es ist wünschenswert, einen Aluminium-Elektrolytkondensator mit einer hohen Stehspannung (z. B. 500 V) und einer großen Kapazität zu verwenden.
Stattdessen kann auch eine Mehrzahl von elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) verwendet werden, die in Reihe geschaltet sind. Obwohl die Stehspannung des elektrischen Doppelschicht-Kondensators klein ist, haben manche elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren große Kapazitäten von 10 F bis 1000 F. Daher können die elektrischen Doppelschicht-Kondensatoren große Energiemengen speichern, wenn sie in Reihe geschaltet werden.
Wenn jedoch eine sofort wirksame Eigenschaft erforderlich ist, dann ist es wünschenswert, einen elektrischen Doppelschicht-Kondensator mit einem normierten Innenwiderstand (ΩF-Wert) von 0,5 ΩF oder kleiner als einen Indikator der sofort wirksamen Eigenschaft des Kondensators zu verwenden.
Wie oben beschrieben, gilt gemäß der vorliegenden Ausführungsform Folgendes: die Rückgewinnungsleistung wird temporär im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert und lädt dann die Batterie 1, so dass Energie effizienter bezogen werden kann.
Ausführungsform 4
7 und 8 zeigen Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. 7 ist ein Schaltdiagramm, das den Aufbau einer Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie zeigt. 8 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs der Ladesteuerungsvorrichtung für eine Batterie. Im Schaltdiagramm gemäß 7 ist der Widerstand 15 in Parallelschaltung mit der Batterie 1 verbunden, und zwar über die Schalteinrichtung 25, die als Öffnungs-/Schließeinrichtung dient.
Außerdem weist eine Strom-Steuerungseinrichtung 10 einen Programm-Zeitgeber 10a auf. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie bei der Ausführungsform 3, die in 5 gezeigt ist. Daher sind diese jeweiligen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
8 zeigt die Veränderungen des Rückgewinnungsstroms Jr2, der im Motor-Generator 7 erzeugt wird, und des Ladestroms Jb2 für die Batterie 1. Durch den Programm-Zeitgeber 10a gilt in 8 während eines Zeitraums (Intervall T3) bis zu einem Zeitpunkt t21 (z. B. ca. 0,1 Sekunden), nachdem die Rückgewinnungsleistung erzeugt worden ist, Folgendes: Ein zusätzlicher Teil der erzeugten Rückgewinnungsleistung, der nicht im Widerstand 15 umgesetzt worden ist und nicht in der Batterie 1 gespeichert worden ist, wird im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert, und zwar dadurch, dass die Spannung des Kondensators 64 auf der Eingangsseite wie bei der Ausführungsform 3 erhöht wird.
Bis zum Zeitpunkt t21 befinden sich die Schalteinrichtung 23 und die Schalteinrichtung 25 im geschlossenen Zustand, und die Rückgewinnungsleistung wird im Widerstand 15 umgesetzt (Wärmeerzeugung) und zum Laden der Batterie 1 verbraucht, während zusätzliche Rückgewinnungsleistung im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert wird, wie oben beschrieben.
Während eines Zeitraums (Intervall T4) vom Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t22, wenn der Rückgewinnungsstrom Jr2 mit dem Ladestrom Jb2 für die Batterie 1 übereinstimmt, gilt Folgendes: Die Schalteinrichtung 25 führt wiederholt einen Öffnungs-/Schließvorgang aus, um die Stromzufuhr zum Widerstand 15 zu steuern, während das Verhältnis (Tastverhältnis) der Zeit, die die Schalteinrichtung 25 geschlossen ist, allmählich gesenkt wird, um den Ladestrom Jb2 für die Batterie 1 zu vergrößern.
Zum Zeitpunkt t22, wenn der Rückgewinnungsstrom Jr2 mit dem Ladestrom Jb2 für die Batterie 1 übereinstimmt, wird dann die Schalteinrichtung 25 geöffnet. Es sei angemerkt, dass in 8 der Ladestrom Jb2 für die Batterie linear ansteigend im Intervall T4 dargestellt ist. In Wirklichkeit pulsiert der Ladestrom Jb2 jedoch infolge des Schaltens.
Obwohl nicht dargestellt, kann jedoch dann, wenn eine Filterschaltung (Drosselspule und Kondensator) hinzugefügt werden, die Stärke des Pulsierens verringert werden. Andererseits kann die Schalteinrichtung 23 auf Seiten der Batterie 1 dauerhaft im geschlossenen Zustand sein bis zu einem Zeitpunkt t23, wenn die Rückgewinnungsleistung 0 wird, solange die Spannung vom Bus 36 auf der Sekundärseite höher ist als die Spannung der Batterie 1.
In 8 wird in einem Bereich E21 (Intervall T3) Rückgewinnungsleistung im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert. Im Bereich E22 (Intervall T4) wird zusätzlich zu der erzeugten Rückgewinnungsleistung die im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeicherte Rückgewinnungsleistung dem Bus 36 auf der Sekundärseite zugeführt. Dann wird sie zur Leistungsumsetzung im Widerstand 15 und zum Laden der Batterie 1 verwendet.
Folglich gilt, wie mit einer Kurve N dargestellt, Folgendes: Die Unterdrückungsrate γ wird auf 50% (75 A) des Stroms J2 (150 A) gesetzt, und zwar zum Ladebeginn für die Batterie 1, und sie nimmt im Zeitverlauf ab, um zum Zeitpunkt t22 zu 0 zu werden. Das heißt, während eines Anfangszeitraums des Ladens wird der Ladestrom gesteuert, so dass er nicht sehr schnell ansteigt und nicht einen vorab festgelegten Wert übersteigt (in der vorliegenden Ausführungsform: Strom J2 (150 A)).
Dadurch wird eine dahingehende Wirkung erzielt, dass die Zyklus-Lebensdauer verlängert wird. Für den Fall, dass eine größere erzeugte Energie erwartet wird im Vergleich zu dem Fall der Ausführungsform 3, ist es ökonomisch sinnvoll, den Widerstand 15 hinzuzufügen, um die Unterdrückungsrate γ wie bei der Ausführungsform 4 zu erhöhen. Dadurch wird ein Anstieg der Kapazität des Kondensators 64 auf der Eingangsseite vermieden.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 gilt durch die Verwendung des Verschlechterungsdetektors 4b und des Temperatur-Detektors 4c Folgendes: Falls die Batterie 1 stärker verschlechtert ist, oder falls sich die Batterie 1 auf einer hohen Temperatur oder nahe 0°C befindet, wird der anfänglicher Steuerzeitraum für die Ladestrom-Unterdrückung (Intervalle T3 + T4) stärker verlängert. Folglich wird eine größere Wirkung der Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer erzielt.
Bei der Ausführungsform 4 ist der Fall gezeigt, in welchem ein einzelner Widerstand in Parallelschaltung mit der Batterie 1 verbunden ist. Stattdessen können wie bei der Ausführungsform 1 und der Ausführungsform 2 eine Mehrzahl von Widerständen in Parallelschaltung, Reihenschaltung, oder kombinierter Parallel- und Reihenschaltung verbunden sein.
In diesem Fall kann durch die Öffnungs-/Schließsteuerung für die Schalteinrichtungen, die jeweils mit der Mehrzahl von Widerständen verbunden ist, eine Steuerung der Unterdrückungsrate γ durchgeführt werden, und zwar auf eine genauere Weise und während eines längeren Zeitraums als bei der Ausführungsform 4. Folglich wird die Wirkung, die Zyklus-Lebensdauer zu verlängern, weiter verstärkt.
Es sei angemerkt, dass bei der Ausführungsform 3 die elektrische Energie, die im Bereich E21 gespeichert ist, stark von der elektrostatischen Kapazität C und der Spannung V des Kondensators 64 auf der Eingangsseite abhängt. Es ist wünschenswert, den Kondensator 64 auf der Eingangsseite derart auszuwählen, dass er eine große elektrostatische Kapazität und eine hohe Stehspannung hat. Ein elektrischer Doppelschicht-Kondensator (EDLC) ist als ein solcher Kondensator geeignet. Alternativ kann ein großer Aluminium-Elektrolytkondensator verwendet werden.
Insbesondere gilt für den Fall, dass die kinetische Energie eines Fahrzeugs von dem Motor-Generator 7 als Spannungsversorgung über den DC-/DC-Umsetzer bezogen wird, um die Batterie zu laden, Folgendes: Die erzeugte Energie hat einen hohen Spitzenwert, tritt während innerhalb eines kurzen Zeitraums auf und wird häufig gewonnen. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen 3 und 4 gilt daher Folgendes:
Falls die Leistung temporär im Kondensator 64 auf der Eingangsseite gespeichert wird und später bezogen wird, kann mehr Energie eingespart werden. Selbstverständlich ist der DC-/DC-Umsetzer nicht auf einen vom Heruntersetz-Typ beschränkt, sondern kann auch vom Hochsetz-Typ sein. Auch in diesem Fall wird die gleiche Wirkung erzielt.
Vorstehend ist der Fall beschrieben, für welchen kinetische Energie eines Fahrzeugs als Leistung bezogen wird, indem der Motor-Generator 7 verwendet wird, der in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Auch für den Fall, dass die Batterie von einer anderen Art von elektrischem Generator geladen wird, ergibt sich die gleiche Wirkung.
In den obenstehenden Ausführungsformen ist der Fall gezeigt, in welchem die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist. Anstelle von einer Lithium-Ionen-Batterie kann jedoch sogar für die Fälle, in denen eine breite Vielfalt von Batterien mit chemischer Reaktion verwendet wird (z. B. eine Nickel-Hydrid-Batterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Blei-Säure-Batterie, eine Natrium-Schwefel-Batterie und dergleichen), die gleiche Wirkung erzielt werden.
Insbesondere ist die Verwendung bei einer Blei-Säure-Batterie wirksam, welche eine kurze Zyklus-Lebensdauer hat. Es sei angemerkt, dass die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 und die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ derart bestimmt wird, dass sie die chemische Reaktion der Batterie nicht hemmen und eine große Reduzierung der Zyklus-Lebensdauer bewirken, und zwar gemäß dem Typ, dem Verschlechterungsgrad und der Temperatur der Batterie.
Beispielsweise gilt für den Fall der Lithium-Ionen-Batterie, wie sie in dem obigen Untersuchungsergebnis gezeigt ist, Folgendes: Es ist wirkungsvoll, wenn die Ladebeginn-Unterdrückungsrate γ0 auf 50% gesetzt wird und die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ derart eingestellt wird, dass die Unterdrückungsrate γ zu 0% in etwa 6 Sekunden wird, d. h. die Ladeunterdrückungszeit wird auf ca. 6 Sekunden eingestellt.
Selbstverständlich kann die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate γ langsamer sein als die obige, es ist aber eine Unterdrückung innerhalb eines Zeitraums ausreichend, der 10 Sekunden nicht übersteigt. Das heißt, die Unterdrückung kann innerhalb eines Zeitraums durchgeführt werden, der 10 Sekunden nicht übersteigt und bestimmt wird auf der Basis des Gleichgewichts zwischen der Wirkung der Verlängerung der Zyklus-Lebensdauer der Batterie 1, den Kosten der Ladesteuerungsvorrichtung für die Sekundärbatterie, der Energiemenge, die bezogen werden kann, und dergleichen.
Es sei angemerkt, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die obigen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden können, oder dass jede der Ausführungsformen, wenn es angemessen ist, abgewandelt oder reduziert werden kann.

Claims

Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie, die eine Strom-Steuerungseinrichtung für folgende Steuerung aufweist: während des Ladevorganges für eine Sekundärbatterie aus einem elektrischen Generator, welcher kinetische Energie als Rückgewinnungsleistung zurückgewinnt, wird eine derartige Steuerung vorgenommen, dass der Ladestrom für die Sekundärbatterie unterdrückt wird, und zwar vom Beginn des Ladevorganges an und auf eine vorab festgelegte Unterdrückungsrate in Bezug auf den Ladestrom zu Beginn des Ladens für den Fall, dass der Ladestrom nicht unterdrückt wird, und dass die Unterdrückungsrate im Zeitverlauf verringert wird.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, welche einen DC-/DC-Umsetzer aufweist, so dass die Sekundärbatterie von dem elektrischen Generator über den DC-/DC-Umsetzer geladen wird, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung mindestens eine Einrichtung von einer Lastimpedanz-Einrichtung, die in Parallelschaltung mit der Sekundärbatterie verbunden ist, und einer Lastimpedanz-Einrichtung, die in Reihenschaltung mit der Sekundärbatterie verbunden ist, aufweist, und die die Impedanz der Lastimpedanz-Einrichtung steuert, so dass der Ladestrom zum Beginn des Ladens unterdrückt wird und die Unterdrückungsrate herabgesetzt wird.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 2, wobei die Lastimpedanz-Einrichtung mindestens eine Komponente von Kondensator und Widerstand aufweist sowie eine Öffnungs-/Schließsteuerung aufweist, und wobei die Strom-Steuerungseinrichtung eine Öffnungs-/Schließsteuerung für die Öffnungs-/Schließeinrichtung durchführt, so dass sie die Impedanz der Lastimpedanz-Einrichtung steuert.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 3, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung eine Zeitgebereinrichtung aufweist, eine seit dem Beginn des Ladens vergangenen Zeit mittels der Zeitgebereinrichtung misst, und eine Öffnungs-/Schließsteuerung für die Öffnungs-/Schließeinrichtung gemäß der vergangenen Zeitdauer durchführt, so dass sie die Impedanz der Lastimpedanz-Einrichtung steuert.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, welche einen DC-/DC-Umsetzer mit einem Kondensator auf der Eingangsseite aufweist, so dass die Sekundärbatterie von dem elektrischen Generator über den DC-/DC-Umsetzer geladen wird, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung die Ausgangsspannung des DC-/DC-Umsetzers steuert, so dass sie den Ladestrom zu Beginn des Ladens unterdrückt und die Unterdrückungsrate im Zeitverlauf herabsetzt, und wobei sie einen Teil der Rückgewinnungsleistung im Kondensator auf der Eingangsseite während eines Zeitraums speichert, in welchem die Unterdrückungsrate gesteuert wird.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 5, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung den DC-/DC-Umsetzer steuert, so dass sie über den DC-/DC-Umsetzer die Sekundärbatterie mit der Rückgewinnungsleistung lädt, die im Kondensator auf der Eingangsseite gespeichert ist.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 6, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung einen Widerstand und eine mit dem Widerstand in Reihe geschaltete Öffnungs-/Schließeinrichtung aufweist, wobei der Widerstand in Parallelschaltung mit der Sekundärbatterie über die Öffnungs-/Schließeinrichtung verbunden ist, und wobei die Strom-Steuerungseinrichtung eine Öffnungs-/Schließsteuerung durchführt, um die Öffnungs-/Schließeinrichtung zu Beginn des Ladens der Sekundärbatterie zu schließen, so dass sie den Widerstand parallel zur Sekundärbatterie schaltet und im Zeitverlauf die Zeit der Strombeaufschlagung des Widerstands durch die Öffnungs-/Schließsteuerung für die Öffnungs-/Schließeinrichtung herabsetzt, so dass sie die Unterdrückungsrate herabsetzt.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung einen Verschlechterungsdetektor zum Detektieren einer Verschlechterung der Sekundärbatterie aufweist, und wobei sie die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate in Abhängigkeit von dem Verschlechterungsgrad einstellt.
Ladesteuerungsvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strom-Steuerungseinrichtung einen Temperatur-Detektor zum Detektieren der Temperatur der Sekundärbatterie aufweist, und wobei sie die Geschwindigkeit des Herabsetzens der Unterdrückungsrate in Abhängigkeit von der Temperatur einstellt.
Ladesteuerungsverfahren für eine Sekundärbatterie, bei dem, während des Ladens einer Sekundärbatterie mit einem elektrischen Generator, der kinetische Energie als Rückgewinnungsenergie rückgewinnt, folgende Schritte durchgeführt werden: – Unterdrücken des Ladestroms für die Sekundärbatterie zu Beginn des Ladens auf eine vorab festgelegte Unterdrückungsrate in Bezug auf den Ladestrom vom Beginn des Ladens an für den Fall, in welchem der Ladestrom nicht unterdrückt wird, und – Herabsetzen der Unterdrückungsrate im Zeitverlauf.