JP2006115571A - 電動車用リチウムイオン電池の充電方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 回生電流によって、走行中にリチウムイオン電池を充電する電動車の充電方式を提供する。
【解決手段】 電動車用リチウムイオン電池の一回目の充電量として、回生電流による充電によって、リチウムイオン電池の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達しないような少なめの充電量で充電をする。次に、電動車を走行させて、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）を測定する。そして、二回目以降の充電量として、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えない範囲の充電電圧で充電をする。なお、二回目以降の充電をした場合において、走行中に回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えた場合には、充電電圧を減少させて充電をする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回生電流を用いて走行する電動車用リチウムイオン電池の充電方式に関するものである。

リチウムイオン電池は、小型、軽量、高容量、高出力であるという特徴がある。したがって、リチウムイオン電池を電動車などのサイクル用途に使用することによって、鉛蓄電池等に比べて軽量化ができ、長距離の走行が可能となる。

しかしながら、過充電等によって、リチウムイオン電池の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超える値まで上昇をすると、発熱や発火をし、最悪の場合には火災に至る可能性がある。そこで、リチウムイオン電池の充電時等においては、過充電防止回路等によって、各種の充電制御がされている（例えば、特許文献１参照。）。

なお、図５に示されるようなゴルフカート6などの電動車が、下り斜面を走行するような場合には、電動機6の発電によるエネルギーをバッテリー24であるリチウムイオン電池に充電をするような回生電流による充電方式が一般的に行われている。なお、回生電流による充電方式を用いることによって、ゴルフカート6などの電動車用は、より長距離の走行が可能となる（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−１７０５９９号公報 特開２０００−３１２７３０号公報

ここで、電動車などのサイクル用途には、１００Ａｈ程度の容量のリチウムイオン電池を数十本程度直列に接続して、１００〜３００Ｖ程度で使用されている。そして、１００Ａｈ程度の容量のリチウムイオン電池を使用する場合において、充電器のコストや制御方式にもよるが、最大でも５０Ａ程度の電流値で充電がされている。

一方、上述した回生制動時における電流値は、電動車の走行速度によっては、２００Ａを超えるような場合もある。すなわち、回生時の充電電流は、充電器による充電電流の数倍〜１０倍程度にもなる。そこで、リチウムイオン電池を電動車などに使用をする場合には、回生電流時における充電電流によっても、電池電圧を一定値以内に抑える必要があり、安全性を考慮して、満充電状態まで充電をすることができないという問題点があった。その結果、小型、軽量、高容量、高出力であるというリチウムイオン電池の特徴を十分に発揮できないという問題点があった。

特に、リチウムイオン電池を電動式のゴルフカートに使用する場合には、以下の問題点があった。すなわち、ゴルフカートの車庫やクラブハウスは、通常、斜面の頂上付近に作られ、斜面の頂上付近で充電がされる。そして、通常のスタート地点は下り斜面であり、回生電流による充電がされるために、安全性を考慮して、あらかじめ充電量を抑える必要があった。加えて、ゴルフカートの走行条件は、ゴルフコースによってまちまちであるために、安全性を考慮して、満充電時の８０％程度までしか充電できないという問題点があった。

本発明の課題は、回生電流を用いる電動車用リチウムイオン電池において、最適な充電方式を提供することを目的としている。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、一回目の充電量として、回生電流による充電によって、リチウムイオン電池の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達しないような安全性を考慮した少なめの充電量を充電する。次に、実際に電動車を走行させて、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）を測定する。そして、二回目以降の充電量として、回生電流による電池電圧が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えない範囲で充電するようにした。さらに、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えたような場合には、その後の充電電圧を減少させて充電するようにした。

すなわち、請求項１の発明では、リチウムイオン電池の最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に以下の充電電圧で充電をするとともに、電動車の走行中には、回生電流により充電をする電動車用リチウムイオン電池の充電方式において、
前記電動車用リチウムイオン電池の一回目の充電量として、前記回生電流による充電によって、リチウムイオン電池の電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が前記最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達しない少なめの充電量を充電し、前記電動車走行させて、前記回生電流による前記電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）を測定し、二回目以降の充電量として、前記回生電流による前記電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、前記最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えない範囲の前記充電電圧で充電することを特徴とするものである。

請求項２の発明では、請求項１記載の発明において、二回目以降の充電をした場合において、前記回生電流による前記電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えている場合には、前記充電電圧を減少させることを特徴とするものである。

本発明を用いると、回生電流を用いて充電をする電動車用リチウムイオン電池において、回生電流が通常の充電電流よりも大きいような場合でも、最適な充電方式を提供することができる。

電動車などのサイクル用途には、通常、１００Ａｈ程度の容量のリチウムイオン電池を数十本程度直列に接続して使用されている。以下に、本発明に係わる電動車用リチウムイオン電池の充電方式の一例として、バッテリー式のゴルフカート6に搭載されている６０Ｖ−９０Ａｈのリチウムイオン電池を使用した場合の実施例を用いて詳細に説明する（図１〜４）。

なお、図３はＡゴルフ場、図４はＢゴルフ場をゴルフカート6が走行した場合のリチウムイオン電池の走行距離（ｋｍ）と電池電圧（Ｖ）の関係である。図１，２は、本発明に係わるリチウムイオン電池の充電方式を用いた場合の充電特性である。図５は、実験に使用したバッテリー式ゴルフカートのブロック図である。

１．バッテリー式ゴルフカートの概要
図５に示すように、バッテリー式ゴルフカート（以下において、単にゴルフカート6と呼ぶ）は、搭載しているリチウムイオン電池1を放電することによって、操作パネル4、ゴルフカート本体6及び電動機7等に電力を供給して運転をするものである。

すなわち、ゴルフカートの運転時には継電器2をＯＮとした状態で、操作パネル4からの信号によってリレー5をリチウムイオン電池1の放電側に接続して、電動機7を回転させてゴルフカート本体6を走行させる。ただし、ゴルフカートが下り勾配を走行したような場合には、電動機７が発電し、リチウムイオン電池1に回生電流が流れて充電される。なお、継電器2は、何らかの原因によって回路が短絡をしたような場合において、回路を遮断するための装置である。

２．リチウムイオン電池の充放電電流及び電池電圧の測定
リチウムイオン電池1の充放電時の電流値は、電流検出器3で電圧値に変換されて充電器8に入力される。一方、リチウムイオン電池1の電圧値はそのまま充電器8に入力がされる。
そして、これらの電圧値は、充電器8に設置した増幅器9に入力して電圧の増幅又は減衰をさせた後に、図示されていないＡ／Ｄ変換器を通して、デジタル信号に変換された後、マイコン10に入力され、ＥＥＰＲＯＭ11に記憶される。

３．リチウムイオン電池の充電方式
次に、本発明を用いたリチウムイオン電池1の充電装置について、図５を用いて説明する。図５に示すように、商用電源12の交流電力を充電器8に供給して直流電力に変換し、該直流電力を用いてリチウムイオン電池1を充電するものである。

すなわち、継電器2をＯＮとした状態で、操作パネル4からの信号によりリレー5を充電側に接続して、充電器8からの直流電力をリチウムイオン電池1に供給して充電する。なお、リレー5の切替によって、ゴルフカート本体6や電動機7には、充電器8又はリチウムイオン電池1からの電力は供給されないために、ゴルフカート本体6が動きだすことはない。

ここで、リチウムイオン電池1に流れた充放電時の電流値は、電流検出器3で電圧値に変換される。そして、この電圧値を充電器8の内部に設置した増幅器9に入力して電圧増幅をした後、図示されていないＡ／Ｄ変換器を通して、デジタル信号に変換されてマイコン10に入力する。マイコン10では、前記電圧値を充電電流値に換算した後、充電時間と乗算して充電量とし、後述するそれぞれの充電電流ごとの充電量を積算した総充電量をＥＥＰＲＯＭ11に書き込んで記憶していく。

同様に、リチウムイオン電池1の充放電時の電圧値や、回生電流による充電時の電圧値も、電圧増幅又は減衰をされた後、図示されていないＡ／Ｄ変換器を通して、デジタル信号に変換されてマイコン10に入力されＥＥＰＲＯＭ11に記憶される。

次に、本発明に係わる電動車用リチウムイオン電池の充電方式について、ゴルフカートに用いた場合を一例として詳細に説明する。
１．走行時（放電時）におけるリチウムイオン電池の電圧測定（図３、４）
ゴルフカート6が走行を開始すると、登り勾配時にはリチウムイオン電池１から放電電流が流れ、下り勾配時にはリチウムイオン電池１に回生電流による充電電流が流れる。したがって、リチウムイオン電池１の電池電圧は、走行路の勾配によって大きく変化をすることになる。すなわち、それぞれのゴルフ場によって、起伏状況や走行速度等が異なるために、放電電流または、回生電流によってリチウムイオン電池の電圧変化には差が出ることになる（図３、４）。

そこで、最初にゴルフコースを走行する場合、すなわち、一回目の充電時には満充電時の充電量よりも少ない値、例えば、満充電時の８０％程度の充電量にまで充電をするようにした。
（１）満充電時の充電量の約８０％を充電した後に、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）を記憶する。
（２）ゴルフカート6は、ゴルフコースの走行を開始する。
（３）その後に、リチウムイオン電池１の電池電圧がピークとなる値、すなわち、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）をＥＥＰＲＯＭ11に記憶する。
（４）そして、マイコン10は、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）と、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）とを比較する。
（５）走行直前の電池電圧（Ｖ_０）よりも、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）が高い場合には、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）と走行直前の電池電圧（Ｖ_０）との差を、電圧上昇値（Ｖ_Ｐ−Ｖ_０）としてＥＥＰＲＯＭ11に記憶する。
（６）一方、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）よりも、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）が低い場合には、電圧上昇値（０：ゼロ）として記憶する。

例えば、図３に示すようなＡゴルフ場では、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）に対し、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）が高いために、電圧上昇値（Ｖ_Ｐ−Ｖ_０）として記憶する。Ａゴルフ場では、走行直後に急な下り坂があるためである。

一方、図４に示すようなＢゴルフ場では、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）に対し、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）が低いために、電圧上昇値（０）として記憶する。Ｂゴルフ場では、走行直後に急な下り坂がないためである。
２．リチウムイオン電池の充電制御方式（図１、２）
本発明に係わるリチウムイオン電池1の充電制御方式を図１及び図２を用いて説明する。なお、本実施例では定電流で充電をし、リチウムイオン電池1の電池電圧が次第に上昇して、定められた値（Ｖ_ｆ又はＶ_ａ）にまで上昇をすると、電流値を徐々に減らしながら充電をする、いわゆる多段充電方式を用いるようにした。

上述したように、充電時における直列に接続されたそれぞれのリチウムイオン電池の電池電圧が一定値以上にまで上昇すると、発熱や発火をし、最悪の場合には火災に至る可能性があるためである。そこで、この一定値を最大電池電圧（Ｖ_ｆ）、例えば、安全性を考慮して、４．１Ｖ／セルと規定する。

走行直後に急な下り坂があるようなＡゴルフ場では、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）よりも、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）が高くなる。そこで、Ａゴルフ場のような場合には、充電時に最大電池電圧（Ｖ_ｆ）よりも低い値（Ｖ_ａ＝Ｖ_ｆ−（Ｖ_Ｐ−Ｖ_０））、例えば、電池電圧が４．０５Ｖ／セルに達すると、電流値を徐々に減らしながら充電をする、いわゆる多段充電方式を用いるようにした（図１）。すなわち、Ａゴルフ場のような場合には、リチウムイオン電池1は満充電されることはない。

一方、走行直後に急な下り坂がないＢゴルフ場では、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）よりも、電池電圧のピーク値（Ｖ_Ｐ）が高くなることはない。そこで、充電時の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）、例えば、４．１Ｖ／セルに達すると、電流値を徐々に減らしながら充電をする、いわゆる多段充電方式を用いるようにした（図２）。すなわち、Ｂゴルフ場のような場合には、リチウムイオン電池1は満充電に近い状態にまで充電がされることとなる。
（１）Ａゴルフ場で使用する場合のリチウムイオン電池の充電制御方式（図１）
Ａゴルフ場では、充電時の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）よりも低い値（Ｖ_ａ＝Ｖ_ｆ−（Ｖ_Ｐ−Ｖ_０））、例えば、４．０５Ｖ／セルに達すると、電流値を徐々に減らしながら充電をする、いわゆる多段充電方式を用いるようにした（図１）。

第１充電ステップとして１０Ａ充電モードに入り、比較的大きな定電流でリチウムイオン電池1を充電する。なお、充電の進行によって、リチウムイオン電池1の電圧は徐々に上昇する。

図１に示すように、リチウムイオン電池1の電圧は充電の進行とともに徐々に上昇して、前記した電圧（Ｖ_ａ＝Ｖ_ｆ−（Ｖ_Ｐ−Ｖ_０））、例えば、４．０５Ｖ／セルに達した場合には、第２充電ステップでの充電モードに移る。

第２充電ステップでは、５Ａの定電流でリチウムイオン電池1を充電する。そして、この５Ａ充電においても、リチウムイオン電池1の電圧は充電量の増加とともに徐々に上昇し、その電圧が前記した電圧（Ｖ_ａ）に達した場合には、後述する第３充電ステップでの充電モードに移る。

第３充電ステップでは、４Ａの定電流でリチウムイオン電池1を充電する。そして、４Ａ充電においても、リチウムイオン電池1の電圧は充電とともに徐々に上昇し、リチウムイオン電池1の電圧が前記した電圧（Ｖ_ａ）に達した場合には、後述する第４充電ステップでの充電モードに移る。

第４充電ステップでは、第３充電ステップよりもさらに少ない１Ａの定電流でリチウムイオン電池1を充電する。そして、第４充電ステップにおいてもリチウムイオン電池1の電圧は充電とともに徐々に上昇する。そして、リチウムイオン電池1の電圧が前記した電圧（Ｖ_ａ）に達した時に充電を完了する。
（２）Ｂゴルフ場で使用する場合のリチウムイオン電池の充電制御方式（図２）
Ｂゴルフ場では、充電時の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）、例えば、４．１Ｖ／セルに達すると、徐々に電流値を徐々に減らしながら充電をする、いわゆる多段充電方式を用いるようにした（図２）。

第１充電ステップとして１０Ａ充電モードに入り、比較的大きな定電流でリチウムイオン電池1を充電する。なお、充電の進行によって、リチウムイオン電池1の電圧は徐々に上昇する。

図２に示すように、リチウムイオン電池1の電圧は充電の進行とともに徐々に上昇して、前記した最大電池電圧（Ｖ_ｆ）、例えば、４．１Ｖ／セルに達した場合には、第２充電ステップでの充電モードに移る。

第２充電ステップでは、５Ａの定電流でリチウムイオン電池1を充電する。そして、この５Ａ充電においても、リチウムイオン電池1の電圧は充電量の増加とともに徐々に上昇し、その電圧が前記した最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達した場合には、後述する第３充電ステップでの充電モードに移る。

第３充電ステップでは、４Ａの定電流でリチウムイオン電池1を充電する。そして、４Ａ充電においても、リチウムイオン電池1の電圧は充電とともに徐々に上昇し、リチウムイオン電池1の電圧が前記した最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達した場合には、後述する第４充電ステップでの充電モードに移る。

第４充電ステップでは、第３充電ステップよりもさらに少ない１Ａの定電流でリチウムイオン電池1を充電する。そして、第４充電ステップにおいてもリチウムイオン電池1の電圧は充電とともに徐々に上昇する。そして、リチウムイオン電池1の電圧が前記した最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達した時に充電を完了する。

すなわち、電動車用リチウムイオン電池の一回目の充電量として、回生電流による充電によって、リチウムイオン電池の電池電圧が最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達しないような少なめの充電量を充電をする。次に、ゴルフカート6を走行させて、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）を測定し、二回目以降の充電量として、回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えない範囲の充電電圧で充電するようにした。

さらに、実際に二回目以降の走行をさせて回生電流による電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えたような場合には、その後の充電時の電圧（Ｖ_ｆ又はＶ_ａ）を減少させるようにした。例えば、図２において、Ｖ_ｆ＝４．１Ｖ／セルに達すると、徐々に電流値を徐々に減らしながら充電をする多段充電方式を用いていた場合には、Ｖ_ｆ＝４．０５Ｖ／セルに変更して、その後は充電をするようにした。

本発明を用いると、回生電流を用いて充電をするリチウムイオン電池において、走行条件が異なるために回生時の電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、走行直前の電池電圧（Ｖ_０）や最大電池電圧（Ｖ_ｆ）より高くなるような場合でも、最適な充電方式を提供することができる。

本発明に係わる充電方式は、走行中の回生電流によって、リチウムイオン電池を充電する方式の乗用ゴルフカートなどに用いることができる。

本発明に係わる充電方式をＡゴルフ場に用いた場合のリチウムイオン電池の充電カーブである。 本発明に係わる充電方式をＢゴルフ場に用いた場合のリチウムイオン電池の充電カーブである。 Ａゴルフ場でのリチウムイオン電池の放電カーブである。 Ｂゴルフ場でのリチウムイオン電池の放電カーブである。 本発明に係わる充電方式を用いたバッテリー式ゴルフカートのブロック図である。

符号の説明

１：リチウムイオン電池、２：継電器、４：操作パネル、５：リレー、６：ゴルフカート、
７：電動機、８：充電器、９：増幅器、１０：マイコン、１１：ＥＥＰＲＯＭ、
１２：商用電源

Claims (2)

1. リチウムイオン電池の最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に以下の充電電圧で充電をするとともに、電動車の走行中には、回生電流により充電をする電動車用リチウムイオン電池の充電方式において、
   前記電動車用リチウムイオン電池の一回目の充電量として、前記回生電流による充電によって、リチウムイオン電池の電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が前記最大電池電圧（Ｖ_ｆ）に達しない少なめの充電量を充電し、前記電動車走行させて、前記回生電流による前記電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）を測定し、二回目以降の充電量として、前記回生電流による前記電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、前記最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えない範囲の前記充電電圧で充電することを特徴とする電動車用リチウムイオン電池の充電方式。
2. 二回目以降の充電をした場合において、前記回生電流による前記電池電圧のピーク値（Ｖ_ｐ）が、最大電池電圧（Ｖ_ｆ）を超えている場合には、前記充電電圧を減少させることを特徴とする請求項１記載の電動車用リチウムイオン電池の充電方式。

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