JP2011091889A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】満充電を精度よく判定すると共に効率よく体格が小さな充電装置とする。
【解決手段】蓄電容量ＳＯＣが満充電近傍の閾値Ｓｒｅｆ以上に至るまでは交流電力を直流電力に変換してバッテリを充電するためのスイッチング素子であるトランジスタを小さな周波数ＳＦ１でスイッチングすると共に大きな電力Ｗｂ１でバッテリを充電し、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至った以降は大きな周波数ＳＦ２でトランジスタをスイッチングすると共に小さな電力Ｗｂ２でバッテリを充電する。これにより、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至るまでは充電電流Ｉｂには比較的大きな電流脈動（リップル）が生じるものの、電力変換効率を高くすることができ、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至った以降は電力変換効率は低くなるものの充電電流Ｉｂには小さな電流脈動（リップル）しか生じさせないため、満充電をより適正に判定することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、充電装置に関し、詳しくは、交流電力を用いて二次電池を充電する充電装置に関する。

従来、この種の充電装置としては、二次電池が満充電に近づくにつれて充電電流を徐々に小さくするものやセル電圧が予め設定された最大設定電圧を超えたときに充電電力を低下させるものなどが提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。これらの充電装置は、上述の制御により二次電池の過充電を抑止すると共に二次電池の充電をできる限り満充電に近い状態にしようとしている。

特開平１０−２４１７４６号公報 特開２００９−４４９４６号公報

スイッチング素子のスイッチングにより交流電力を直流電力に変換して二次電池を充電する充電装置では、スイッチング素子のスイッチングによる電流脈動（リップル）が生じるため、適正に二次電池の満充電を判定するためには、高いスイッチング周波数により充電するか電流脈動を低減する効果の大きなフィルタを用いる必要があるが、高いスイッチング周波数を用いて充電すると、スイッチング損失が大きくなってしまい、電流脈動を低減する効果の大きなフィルタを用いると、充電装置の重量や体格が大きくなってしまう。

本発明の充電装置は、満充電を精度よく判定すると共に効率よく体格が小さな装置とすることを主目的とする。

本発明の充電装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

交流電力を用いて二次電池を充電する充電装置であって、
スイッチング素子のスイッチングにより交流電力を直流電力に変換して前記二次電池に供給する電力変換供給手段と、
前記二次電池を充電するときの充電電流を検出する充電電流検出手段と、
前記二次電池を充電するときの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出された充電電流および／または前記検出された電圧に基づいて前記二次電池の状態が満充電近傍の状態として予め設定された所定状態に至っていないと判定されるときには第１の周波数以下の周波数による前記スイッチング素子のスイッチングによって交流電力が直流電力に変換されると共に第１の電力以上の電力で前記二次電池が充電されるよう前記電力変換供給手段を制御し、前記二次電池の状態が前記所定状態に至っていると判定されるときには前記第１の周波数より大きな第２の周波数以上の周波数による前記スイッチング素子のスイッチングによって交流電力が直流電力に変換されると共に前記第１の電力未満の電力で前記二次電池が充電されるよう前記電力変換供給手段を制御する制御手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の充電装置では、二次電池を充電するときの充電電流や二次電池を充電するときの電圧に基づいて二次電池の状態が満充電近傍の状態として予め設定された所定状態に至っていないと判定されるときには第１の周波数以下の周波数によるスイッチング素子のスイッチングによって交流電力が直流電力に変換されると共に第１の電力以上の電力で二次電池が充電されるよう電力変換供給手段を制御し、二次電池の状態が所定状態に至っていると判定されるときには第１の周波数より大きな第２の周波数以上の周波数によるスイッチング素子のスイッチングによって交流電力が直流電力に変換されると共に第１の電力未満の電力で二次電池が充電されるよう電力変換供給手段を制御する。即ち、二次電池が満充電近傍の所定状態に至るまでは第１の周波数以下の比較的低い周波数を用いて二次電池を充電することにより、スイッチング損失を低減して効率よく二次電池を充電することができ、二次電池が満充電近傍の所定状態に至った以降は第２の周波数以上の比較的高い周波数を用いて二次電池を充電することにより、電流脈動を抑制して二次電池の満充電を精度よく判定することができる。しかも、スイッチングの周波数を変更するだけなので装置の重量や体格は大きくならない。これらの結果、満充電を精度よく判定すると共に効率よく体格が小さな装置とすることができる。

本発明の一実施例としての充電装置２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の電子制御ユニット３０により実行される充電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 バッテリ１４を充電しているときの蓄電容量ＳＯＣと充電電力Ｗｂとスイッチング周波数ＳＦと充電電流Ｉｂと充電損失の時間変化の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての充電装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の充電装置２０は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されて、外部電源（例えば、家庭用電源（ＡＣ１００Ｖ））１０からの電力を直流に変換して走行用の電力を供給する車載されたバッテリ（例えば、リチウムイオン二次電池など）１４を充電する充電装置として構成されており、外部電源１０のソケット１２に接続するプラグ２２と、外部電源１０からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換部２４と、交流直流変換部２４からの直流電力を平滑する平滑コンデンサＣ１と、交流直流変換部２４からの直流電力の電圧を変圧する電圧変圧部２６と、変圧後の直流電力を平滑する平滑コンデンサＣ２と、バッテリ１４との接続および接続の解除を行なうリレー２８と、バッテリ１４の端子間の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ４０と、バッテリ１４の充電電流Ｉｂを検出する電流センサ４２と、充電装置２０をコントロールする電子制御ユニット３０と、を備える。

交流直流変換部２４は、周知のＡＣ／ＤＣコンバータとして構成されており、電力ライン２３の正極母線２３ａと負極母線２３ｂに対して２個ずつペアで直列に接続された４つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、直列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４の接続点と外部電源１０とに介在するよう接続された２つのコイルＬ１，Ｌ２と、負極母線２３ｂ側のダイオードＤ２，Ｄ４に逆方向に並列接続された２つのトランジスタＴ２，Ｔ４と、によって構成されている。

電圧変圧部２６は、周知のＤＣ／ＤＣコンバータとして構成されており、正極母線２３ａと負極母線２３ｂに対してソース側およびシンク側となるよう２個ずつペアで直列に接続されたトランジスタＴ５〜Ｔ８と、トランジスタＴ５〜Ｔ８に逆方向に並列接続された４つのダイオードＤ５〜Ｄ８と、トランジスタＴ５〜Ｔ８の各ペアの接続点に一次側の端子が接続されたトランスＴＲと、トランスＴＲの二次側の端子に接続されてトランスＴＲで変圧された交流電力を整流する４つのダイオードＤ９〜Ｄ１２と、によって構成されている。

電子制御ユニット３０は、ＣＰＵ３２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ３２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ３４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ３６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット３０には、電圧センサ４０からのバッテリ１４の端子間の電圧Ｖｂや電流センサ４２からのバッテリ１４の充電電流Ｉｂなどが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット３０からは、リレー２８への駆動信号や、交流直流変換部２４のトランジスタＴ２，Ｔ４へのスイッチング信号，電圧変圧部２６のトランジスタＴ５〜Ｔ８へのスイッチング信号などが出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された実施例の充電装置２０の動作について説明する。図２は、実施例の充電装置２０によってバッテリ１４を充電するときに電子制御ユニット３０により実行される充電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、プラグ２２が外部電源１０のソケット１２に接続されると共にリレー２８がオンされてバッテリ１４の充電が開始されたときに実行される。

充電制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット３０は、まず、電流センサ４２からのバッテリ１４の充電電流Ｉｂや電圧センサ４０からのバッテリ１４の端子間の電圧Ｖｂを入力し（ステップＳ１００）、充電電流Ｉｂと電圧Ｖｂとに基づいてバッテリ１４に蓄電された容量の百分率としての蓄電容量ＳＯＣを計算する（ステップＳ１１０）。ここで、蓄電容量ＳＯＣは、充電開始時の蓄電容量ＳＯＣに対して充電電流Ｉｂを積算することによって計算するものとしたり、バッテリ１４の端子間の電圧Ｖｂによって換算したりするものなど、種々の手法により計算することができる。

続いて、計算した蓄電容量ＳＯＣをバッテリ１４の満充電近傍の値として予め設定した閾値Ｓｒｅｆ（例えば、９５％など）と比較する（ステップＳ１２０）。蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ未満のときには、トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８のスイッチング周波数ＳＦに比較的小さな周波数ＳＦ１を設定すると共に（ステップＳ１３０）、充電電力Ｗｂとして比較的大きな電力Ｗｂ１を設定し（ステップＳ１４０）、設定したスイッチング周波数ＳＦでトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８がスイッチングされて設定した充電電力Ｗｂによってバッテリ１４が充電されるようトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチング制御し（ステップＳ１７０）、蓄電容量ＳＯＣをバッテリ１４の満充電を判定するために予め設定された閾値Ｓｆｕｌｌ（例えば、９９％など）と比較する（ステップＳ１８０）。いま、蓄電容量ＳＯＣが満充電近傍の閾値Ｓｒｅｆ未満のときを考えているので、蓄電容量ＳＯＣは閾値Ｓｆｕｌｌ未満であると判定され、ステップＳ１００の充電電流Ｉｂや電圧Ｖｂの入力処理に戻る。蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ未満の状態で継続しているときには、上述したステップＳ１００〜Ｓ１４０，Ｓ１７０，Ｓ１８０の処理を繰り返し実行する。即ち、バッテリ１４の充電により蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至るまで比較的小さな周波数ＳＦ１をスイッチング周波数ＳＦとしてトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８がスイッチングされて比較的大きな電力Ｗｂ１を充電電力Ｗｂとしてバッテリ１４を充電するのである。

バッテリ１４が充電されて蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至ると、トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８のスイッチング周波数ＳＦに周波数ＳＦ１に比して大きな周波数ＳＦ２を設定すると共に（ステップＳ１５０）、充電電力Ｗｂとして電力Ｗｂ１より小さな電力Ｗｂ２を設定し（ステップＳ１６０）、設定したスイッチング周波数ＳＦでトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８がスイッチングされて設定した充電電力Ｗｂによってバッテリ１４が充電されるようトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチング制御し（ステップＳ１７０）、蓄電容量ＳＯＣをバッテリ１４の満充電を判定するために予め設定された閾値Ｓｆｕｌｌと比較し（ステップＳ１８０）、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｆｕｌｌ未満のときにはステップＳ１００の充電電流Ｉｂや電圧Ｖｂの入力処理に戻り、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｆｕｌｌ以上に至ったときには、充電完了と判断し、リレー２８による接続を解除すると共にトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８のスイッチングを停止するなどの充電終了処理を行なって（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。

図３は、実施例の充電制御ルーチンによってバッテリ１４が充電されているときのバッテリ１４の蓄電容量ＳＯＣと充電電力Ｗｂとスイッチング周波数ＳＦと充電電流Ｉｂと電力変換効率の時間変化の一例を示す説明図である。図示するように、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ未満の間は、比較的小さな周波数ＳＦ１でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングすると共に比較的大きな電力Ｗｂ１でバッテリ１４を充電するから、充電電流Ｉｂには比較的大きな電流脈動（リップル）が生じるが、電力変換効率は高い。一方、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至ると、比較的大きな周波数ＳＦ２でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングすると共に比較的小さな電力Ｗｂ２でバッテリ１４を充電するから、電力変換効率は低くなるものの充電電流Ｉｂには比較的小さな電流脈動（リップル）しか生じないため、バッテリ１４の満充電をより適正に判定することができる。

以上説明した実施例の充電装置２０によれば、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至るまでは、比較的小さな周波数ＳＦ１でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングしてバッテリ１４を充電するから、充電電流Ｉｂには比較的大きな電流脈動（リップル）が生じるものの、バッテリ１４を充電する際の損失を小さくすることができる。また、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至った以降は、比較的大きな周波数ＳＦ２でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングするから、充電損失が大きくなるものの充電電流Ｉｂには比較的小さな電流脈動（リップル）しか生じないようにしてバッテリ１４の満充電をより適正に判定することができる。これらにより、充電装置２０の質量や体格を大きくすることなく、バッテリ１４の満充電をより適正に判定することができる。しかも、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至るまでは比較的大きな電力Ｗｂ１でバッテリ１４を充電し、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至った以降は比較的小さな電力Ｗｂ２でバッテリ１４を充電するから、バッテリ１４を迅速に充電することができると共にバッテリ１４を過充電することを抑制することができる。従って、実施例の充電装置２０では、満充電を精度よく判定すると共に効率よく体格が小さな装置とすることができる。

実施例の充電装置２０では、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至るまでは比較的小さな周波数ＳＦ１でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングすると共に比較的大きな電力Ｗｂ１でバッテリ１４を充電し、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至った以降は比較的大きな周波数ＳＦ２でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングすると共に比較的小さな電力Ｗｂ２でバッテリ１４を充電するものとしたが、蓄電容量ＳＯＣに対して２段階以上の閾値を設け、蓄電容量ＳＯＣが大きくなるに従って２段階以上の段階で周波数を大きくしてトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングするものとしてもよいし、連続的に蓄電容量ＳＯＣが大きくなるに従って大きくなる周波数でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングするものとしても構わない。

実施例の充電装置２０では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されたものとしたが、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されないものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、交流直流変換部２４と電圧変圧部２６とが「電力変換供給手段」に相当し、電流センサ４２が「充電電流検出手段」に相当し、電圧センサ４０が「電圧検出手段」に相当し、電圧センサ４０により検出された電圧Ｖｂと電流センサ４２により検出された充電電流Ｉｂに基づいて計算された蓄電容量ＳＯＣが満充電近傍として予め設定された閾値Ｓｒｅｆ未満のときには比較的小さな周波数ＳＦ１でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングすると共に比較的大きな電力Ｗｂ１でバッテリ１４を充電し、蓄電容量ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆ以上に至った以降は比較的大きな周波数ＳＦ２でトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチングすると共に比較的小さな電力Ｗｂ２でバッテリ１４を充電するよう交流直流変換部２４及び電圧変圧部２６のトランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８をスイッチング制御する図２の充電制御ルーチンを実行する電子制御ユニット３０が「制御手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、充電装置の製造産業などに利用可能である。

１０ 外部電源、１２ ソケット、１４ バッテリ、２０ 充電装置、２２ プラグ、２３ 電力ライン、２３ａ 正極母線、２３ｂ 負極母線、２４ 交流直流変換部、２６ 電圧変圧部、２８ リレー、３０ 電子制御ユニット、３２ ＣＰＵ、３４ ＲＯＭ、３６ ＲＡＭ、４０ 電圧センサ、４２ 電流センサ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１２ ダイオード、Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５〜Ｔ８ トランジスタ、ＴＲ トランス、Ｌ１，Ｌ２ コイル。

Claims (1)

1. 交流電力を用いて二次電池を充電する充電装置であって、
   スイッチング素子のスイッチングにより交流電力を直流電力に変換して前記二次電池に供給する電力変換供給手段と、
   前記二次電池を充電するときの充電電流を検出する充電電流検出手段と、
   前記二次電池を充電するときの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記検出された充電電流および／または前記検出された電圧に基づいて前記二次電池の状態が満充電近傍の状態として予め設定された所定状態に至っていないと判定されるときには第１の周波数以下の周波数による前記スイッチング素子のスイッチングによって前記交流電力が前記直流電力に変換されると共に第１の電力以上の電力で前記二次電池が充電されるよう前記電力変換供給手段を制御し、前記二次電池の状態が前記所定状態に至っていると判定されるときには前記第１の周波数より大きな第２の周波数以上の周波数による前記スイッチング素子のスイッチングによって前記交流電力が前記直流電力に変換されると共に前記第１の電力未満の電力で前記二次電池が充電されるよう前記電力変換供給手段を制御する制御手段と、
   を備える充電装置。

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