JP2006304516A - バッテリ充電制御装置及びバッテリ充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電時における電解液の成層化を確実に抑制する。
【解決手段】バッテリ３の放電時に放電電流値を積算して、その積算値に基づき放電１回あたりの放電深度を算出し、算出した放電深度に基づいて、バッテリ３の充電時における充電電流制限値を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、充放電可能なバッテリの充電動作を制御するバッテリ充電制御装置及びバッテリ充電制御方法に関する。

従来、車両等においては、負荷に供給する電力を発電する発電機の他にバッテリを併設する電力供給システムが搭載されている。かかる電力供給システムにおいては、発電機によって発電された電力を負荷に供給するとともに、余剰電力をバッテリに供給することにより、当該バッテリを充電し、負荷の必要電力が増加した場合には、不足電力を当該バッテリから負荷に供給している。これにより、電力供給システムにおいては、発電機による発電電力の有効利用を図っている。

ところで、このような車両等における電力供給システムで用いられるバッテリは、通常、電極が挿入された電槽上部に、外部機器と電気的に接続するための接続端子が設けられることが多く、これにともない、各電極の集電部も、必然的に電槽上部に設けられることになる。そのため、バッテリにおいては、電極の形状が電槽の高さ方向に寸法を有するものである場合には、集電部近傍の電極上部の方が電極下部よりも相対的に電気反応が生じやすい状態となり、その結果、放電レベルによっては、電極上部と電極下部との間で電解液の濃度差が発生することになる。

さらに、この種のバッテリにおいては、充電時には、放電時とは逆に電極上部が積極的に充電されることになり、電極下部に対して相対的に電流密度が大きくなる。そのため、電解液として硫酸を用いている場合には、高濃度の硫酸イオンが生成されることになる。ここで、高濃度の硫酸イオンは、拡散係数が小さく、また、比重が大きい。したがって、電極上部で生成された高濃度の硫酸イオンが重力によって電槽内において下方向に沈降していき、電解液の濃度差が発生することになる。

このようなバッテリにおける電極上部と電極下部との間で電解液の濃度差が発生する現象は、成層化と称される。バッテリにおいては、かかる成層化が進行し、電極上部と電極下部との間で硫酸イオンの濃度差が定常的に生じた場合には、電極下部の硫酸鉛化等が促進され、容量低下等の劣化を招来するという問題があった。

そこで、このような問題を解決するために、特許文献１に記載された技術が提案されている。具体的には、この特許文献１には、バッテリの成層化を改善するために、過充電電流を印加して電解液を攪拌させる技術が開示されている。
特開２００３−２４３０３９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来の技術においては、過充電そのものの行為により、電解液の分解反応等が生じ、却ってバッテリの劣化を促進させてしまう可能性があった。また、この従来の技術においては、バッテリの容量、電解液の温度、充電状態及び劣化状態に応じて過充電電流値が大きく変動することから、成層化を確実に解消するのは困難であった。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、充電時における電解液の成層化を確実に抑制することができるバッテリ充電制御装置及びバッテリ充電制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、前記目的を達成するために、バッテリの放電時における放電電流値を積算してその積算値に基づいて、放電１回あたりの放電深度を算出し、算出した放電深度に基づいて、バッテリの充電時における充電電流制限値を決定する。これにより、バッテリの電極表面における電流密度分布の偏りが抑制され、高濃度の硫酸イオンの析出が低減される。

本発明によれば、バッテリの電極表面における電流密度分布の偏りを抑制し、高濃度の硫酸イオンの析出を低減することができるので、拡散係数が小さく比重が大きい硫酸イオンが重力によって電槽内において下方向に沈降するのを低減することができ、充電時における電解液の成層化の抑制を確実に図ることができる。

以下、本発明を適用したバッテリ充電制御装置の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態のバッテリ充電制御装置は、車両等に搭載されるバッテリの充電動作を制御するものである。本件出願人は、バッテリの充電電流に制限を設けることにより、電極表面における電流密度分布の偏りを抑制することができることを見出した。このバッテリ充電制御装置は、このような知見に基づいて実現されるものであり、放電時の成層化要因である放電電流値を考慮し、充電前の放電１回あたりの放電深度（Depth Of Discharge；ＤＯＤ）に基づいて充電電流制限値を決定することにより、充電時における電解液の成層化を抑制するものである。

具体的には、本実施形態のバッテリ充電制御装置は、発電機１の発電動作を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１を備える。このＥＣＵ１１は、電流センサ２から供給されるセンサ信号に基づいてバッテリ３の充放電電流値を検出する電流検出回路１２と、図示しないＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換器によってディジタル値に変換されたバッテリ３の充放電電流値に基づいて所定の演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１３とを有する。ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ１３の制御のもとで、電流センサ２から供給されるセンサ信号と、イグニッションスイッチ４から供給されるイグニッション信号とに基づいて、発電機１の発電動作を制御する。

このようなバッテリ充電制御装置においては、発電機１の発電電力が当該発電機１の出力端子回路に接続された電装負荷５に供給されるとともに、その余剰電力がバッテリ３に供給される。バッテリ３は、ＥＣＵ１１の制御のもとで、余剰電力によって充電され、電装負荷５の必要電力が増加した場合には、不足電力を電装負荷５に供給する。なお、電装負荷５の個数は特に限定されるものではなく、車両に搭載されるものにあっては、例えば、灯火系バルブ、ウィンドウシールドの曇りを晴らす熱線、及びモータ等が電装負荷５として挙げられる。

以上のような構成を有する本実施形態のバッテリ充電制御装置においては、ＥＣＵ１１の制御のもとで、バッテリ３の放電電流値を積算して放電１回あたりの放電深度を算出し、算出した放電深度に基づいて、放電深度と充電電流制限値との対応関係を記載したテーブルを参照してバッテリ３の充電時における充電電流制限値を決定する。具体的には、本実施形態のバッテリ充電制御装置においては、図２に示すような一連の手順にしたがって充電電流制限値を決定する。

まず、ＥＣＵ１１は、図２に示すように、ステップＳ１において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、イグニッションスイッチ４から供給されるイグニッション信号に基づいて、当該イグニッションスイッチ４の状態を判定する。ここで、ＥＣＵ１１は、イグニッションスイッチ４がオフ状態からオン状態となった旨を判定すると、ステップＳ２において、電流センサ２から供給されるセンサ信号に基づいて、電流検出回路１２によってバッテリ３の電流値Ｉｂを検出する。

そして、ＥＣＵ１１は、ステップＳ３において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、バッテリ３の状態が放電中であるか否かを判定する。ここでは、バッテリ３が充電時である場合には、電流値Ｉｂが正値となり、バッテリ３が放電時である場合には、電流値Ｉｂが負値となるものとしている。したがって、ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ１３の制御のもとで、電流値Ｉｂが負値であると判定した場合には、放電中であると判定する。ＥＣＵ１１は、バッテリ３の状態が放電中でないと判定した場合には、ステップＳ２からの処理を繰り返す一方で、放電中であると判定した場合には、ステップＳ４へと処理を移行する。

続いて、ＥＣＵ１１は、ステップＳ４において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、電流値Ｉｂ、すなわち、バッテリ３の放電電流値の積算を開始し、ステップＳ５において、バッテリ３が放電状態から充電状態へと切り替わったか否かを判定する。ここで、ＥＣＵ１１は、バッテリ３が放電状態のままであると判定した場合には、ステップＳ４における放電電流値の積算を継続する一方で、充電状態へと切り替わったと判定した場合には、ステップＳ６へと処理を移行する。すなわち、ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ１３の制御のもとで、バッテリ３が放電状態から充電状態へと切り替わるまでの間の放電電流値を積算する。

ＥＣＵ１１は、このようにしてバッテリ３が充電状態へと切り替わるまでの放電時における放電電流値を積算すると、ステップＳ６において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、放電電流値の積算値と放電時間とに基づいて平均放電電流値を算出するとともに、ステップＳ７において、放電１回あたりの総放電積算量を算出する。さらに、ＥＣＵ１１は、ステップＳ８において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、ステップＳ７にて算出した総放電積算量と設定されているバッテリ３の容量とに基づいて、放電深度（＝総放電積算量／バッテリ３の容量×１００）を算出する。

そして、ＥＣＵ１１は、ステップＳ９において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等に予め格納している所定のテーブルを参照し、ステップＳ８にて算出した放電深度とステップＳ６にて算出した平均放電電流値とに基づいて、バッテリ３の充電時における充電電流制限値を決定する。具体的には、このテーブルは、例えば図３に示すように、平均放電電流値（Ｉｄｃ）をパラメータとしたときにおける放電深度に対する最適な充電電流制限値の対応関係を示すものであり、予め実験等によって設定されたものである。このように、最適な充電電流制限値は、通常、放電深度が大きくなるほど低下し、ある放電深度以上では一定値となる傾向がある。したがって、ＥＣＵ１１は、このテーブルに基づいて、放電深度に応じた最適な充電電流制限値を決定することができる。また、充電電流制限値は、図３に示すテーブルから、同じ放電深度であっても、平均放電電流値が大きくなるほど小さくなることがわかる。したがって、ＥＣＵ１１は、ステップＳ６にて算出した平均放電電流値に基づいて、放電深度に応じた充電電流制限値を補正するのが望ましい。バッテリ充電制御装置においては、このような平均放電電流値をパラメータとしたときにおける放電深度に対する充電電流制限値の関係を、バッテリ３の特性に応じて予め求めておき、この関係をＥＣＵ１１によって参照可能なテーブルとして図示しないＲＯＭ等に格納しておけばよい。

ＥＣＵ１１は、このようにしてバッテリ３の充電時における充電電流制限値を決定すると、ＣＰＵ１３の制御のもとで、バッテリ３の充電電流が、決定した充電電流制限値を越えないように、発電機１の発電動作を制御する。そして、ＥＣＵ１１は、ステップＳ９において、ＣＰＵ１３の制御のもとで、イグニッションスイッチ４から供給されるイグニッション信号に基づいて、当該イグニッションスイッチ４がオン状態のままであると判定した場合には、ステップＳ２からの処理を繰り返す一方で、イグニッションスイッチ４がオフ状態となった旨を判定すると、一連の処理を終了する。すなわち、ＥＣＵ１１は、バッテリ３の充電電流制限値は状況に応じて変化することから、一旦、充電電流制限値を決定した後も、イグニッションスイッチ４がオフ状態となるまでは、バッテリ３の放電時における放電電流値の積算を継続して、放電１回毎に放電深度を再計算し、充電電流制限値を更新する。

本実施形態のバッテリ充電制御装置においては、ＥＣＵ１１の制御のもとで、このような一連の手順にしたがって充電電流制限値を決定し、発電機１の発電動作を制御する。

以上詳細に説明したように、本実施形態のバッテリ充電制御装置においては、ＥＣＵ１１の制御のもとで、バッテリ３の放電電流値の積算してその積算値に基づき放電１回あたりの放電深度を算出し、算出した放電深度に基づいて、当該バッテリ３の充電時における充電電流制限値を決定するようにしているので、バッテリ３の電極表面における電流密度分布の偏りが抑制され、高濃度の硫酸イオンの析出が低減されることになる。その結果、このバッテリ充電制御装置においては、拡散係数が小さく比重が大きい硫酸イオンが重力によって電槽内において下方向に沈降するのを低減することができ、充電時における電解液の成層化の抑制を確実に図ることができる。

また、このバッテリ充電制御装置においては、ＥＣＵ１１の制御のもとで、バッテリ３の放電電流値の積算値に基づいて平均放電電流値を算出し、算出した平均放電電流値に基づいて、放電深度に応じた充電電流制限値を補正することで以下のような利点が得られる。すなわち、バッテリ３においては、ハイレート放電の場合には、電極下部に比べて電極上部での放電反応が積極的に行われることから、電極上部における硫酸イオンの消費量が拡大し、電極下部との間で電解液の比重差が発生する場合があるが、ローレート放電の場合には、この放電時における電解液の成層化が少ない。したがって、バッテリ充電制御装置においては、算出した平均放電電流値が小さい場合には、充電電流制限値を大きくするような制御を行うことにより、低充電状態からの回復充電を迅速に行うことができる。

なお、以上説明したバッテリ充電制御装置は本発明の一適用例であり、本発明が以上の例に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば具体的なハードウェア構成などにおいて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用したバッテリ充電制御装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明を適用したバッテリ充電制御装置において、充電電流制限値を決定する際の一連の手順を示すフローチャートである。 平均放電電流値をパラメータとしたときにおける放電深度に対する充電電流制限値の関係を示す図である。

符号の説明

１ 発電機
２ 電流センサ
３ バッテリ
４ イグニッションスイッチ
５ 電装負荷
１１ ＥＣＵ
１２ 電流検出回路
１３ ＣＰＵ

Claims (4)

1. バッテリの充電動作を制御するバッテリ充電制御装置において、
   前記バッテリの放電電流値を積算する放電電流値積算手段と、
   前記放電電流値積算手段によって積算された放電電流積算値に基づいて、放電１回あたりの放電深度を算出する放電深度算出手段と、
   前記放電深度算出手段によって算出された放電深度に基づいて、前記バッテリの充電時における充電電流制限値を決定する充電電流制限値決定手段とを備えることを特徴とするバッテリ充電制御装置。
2. 前記放電電流値積算手段によって積算された放電電流積算値に基づいて平均放電電流値を算出する平均放電電流値算出手段を備え、
   前記充電電流制限値決定手段は、前記平均放電電流値算出手段によって算出された平均放電電流値に基づいて、前記放電深度算出手段によって算出された放電深度に応じた充電電流制限値を補正することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電制御装置。
3. 前記充電電流制限値決定手段は、予め設定した放電深度と最適充電電流制限値との対応関係を記載したテーブルを有し、当該テーブルを参照して前記バッテリの充電時における充電電流制限値を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリ充電制御装置。
4. バッテリの充電動作を制御するバッテリ充電制御方法において、
   前記バッテリの放電電流値を積算する放電電流値積算ステップと、
   前記放電電流値積算ステップで積算した放電電流値に基づいて、放電１回あたりの放電深度を算出する放電深度算出ステップと、
   前記放電深度算出ステップで算出した放電深度に基づいて、前記バッテリの充電時における充電電流制限値を決定する充電電流制限値決定ステップとを備えることを特徴とするバッテリ充電制御方法。

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