JP2012213290A - 補機バッテリ充電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】メインバッテリの他に車両に搭載される補機バッテリの充電に伴うメインバッテリの消費電力を抑えることが可能な補機バッテリ充電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】互いに直列接続されるモジュール５−１〜５−ｎを備えるメインバッテリ４１と、外部発電機２と、外部発電機２と補機バッテリ４３との間に設けられるＭＯＳＦＥＴ１３と、モジュール７−ｎの出力電圧がプラス入力端子に入力され、ＭＯＳＦＥＴ１３にかかる電圧がマイナス入力端子に入力され、出力端子がＭＯＳＦＥＴ１３のゲート端子に接続されるオペアンプ１２と、外部発電機２とＭＯＳＦＥＴ１３との間に設けられるスイッチ１４と、補機バッテリ４３の充電時、スイッチ１４をオンさせて外部発電機２からＭＯＳＦＥＴ１３を介して補機バッテリ４３に電流を流すＥＣＵ５とを備えて補機バッテリ充電装置１を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、メインバッテリの他に車両に搭載される補機バッテリを充電するための補機バッテリ充電装置に関する。
図４は、既存の補機バッテリ充電装置を示す図である。
図４に示す補機バッテリ充電装置４０は、ハイブリット車や電気自動車などの車両に搭載され、メインバッテリ４１と、メインバッテリ４１の出力電圧を降圧して、補機バッテリ４３を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ４２とを備える。
メインバッテリ４１は、モータ／発電機４４へ電力を供給する。
補機バッテリ４３は、モータ／発電機４４の駆動を制御する制御回路やカーナビゲーションシステムなどの電子機器に電力を供給するバッテリであり消費電力が少なくない。そのため、補機バッテリ４３の充電に伴うメインバッテリ４１の消費電力の増大が懸念される。
また、メインバッテリ４１は、出力電圧を高めるために、複数の二次電池が直列接続されて構成されるが、各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきをできるだけ無くして全体の劣化を抑える必要がある。
そこで、メインバッテリ４１の各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきをできるだけ無くすために、図４に示す既存の補機バッテリ充電装置４０では、各二次電池のそれぞれの出力電圧を均等化する電池監視セルバランス回路４５と、電池監視セルバランス回路４５の動作を制御するＥＣＵ４６とを備えている。
例えば、各二次電池のそれぞれの出力電圧の均等化を行う手法（以下、セルバランスという）として、各二次電池をそれぞれトランスを介して充放電させて、各二次電池の出力電圧を平均化する、いわゆる、アクティブ方式のセルバランスがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３３９８６５号公報
本発明は、メインバッテリの他に車両に搭載される補機バッテリの充電に伴うメインバッテリの消費電力を抑えることが可能な補機バッテリ充電装置を提供することを目的とする。
本発明の補機バッテリ充電装置は、互いに直列接続される第１及び第２の二次電池を備えるメインバッテリと、外部発電機と、前記外部発電機と補機バッテリとの間に設けられるトランジスタと、前記第２の二次電池の出力電圧がプラス入力端子に入力され、前記トランジスタにかかる電圧がマイナス入力端子に入力され、出力端子が前記トランジスタの制御入力端子に接続されるオペアンプと、前記外部発電機と前記トランジスタとの間に設けられる第１のスイッチと、前記補機バッテリの充電時、前記第１のスイッチをオンさせて前記外部発電機から前記トランジスタを介して前記補機バッテリに電流を流す制御回路とを備える。
これにより、メインバッテリから供給される電力により補機バッテリを充電する必要がないため、補機バッテリの充電に伴うメインバッテリの消費電力を抑えることができる。
また、上記補機バッテリ充電装置は、前記外部発電機に接続される第１のコイルと、前記第１の二次電池に接続される第２のコイルと、前記第２の二次電池に接続される第３のコイルとを備えるトランスと、前記第１のコイルと前記外部発電機との間に設けられる第２のスイッチとを備え、前記制御回路は、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の均等化時、前記第２のスイッチをオン、オフさせて、前記第１〜第３のコイルを互いに電磁結合させるように構成してもよい。
これにより、外部発電機から供給される電力によりメインバッテリの各二次電池をそれぞれ充電することができ、メインバッテリの各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えることができる。
また、前記制御回路は、前記メインバッテリが使用されていないとき、前記第２のスイッチをオン、オフさせて、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の均等化を行った後、前記第１のスイッチをオンさせて、前記補機バッテリの充電を行うように構成してもよい。
これにより、補機バッテリの充電時に補機バッテリにかかる電圧をさらに安定させることができる。
本発明によれば、メインバッテリの他に車両に搭載される補機バッテリの充電に伴うメインバッテリの消費電力を抑えることができる。
本発明の実施形態の補機バッテリ充電装置を示す図である。 本実施形態の電池監視セルバランス回路の一例を示す図である。 各スイッチのオン、オフのタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。 既存の補機バッテリ充電装置を示す図である。
図１は、本発明の実施形態の補機バッテリ充電装置を示す図である。なお、図４に示す既存の補機バッテリ充電装置４０の構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図１に示す補機バッテリ充電装置１は、互いに直列接続される複数の二次電池により構成されるメインバッテリ４１と、外部発電機２と、メインバッテリ４１の各二次電池のそれぞれの出力電圧を均等化する電池監視セルバランス回路３と、メインバッテリ４１の各二次電池のうちの一部の二次電池の出力電圧（基準電圧）を使用して外部発電機２から供給される電力により補機バッテリ４３（例えば、鉛蓄電池など）を充電する充電回路４と、電池監視セルバランス回路３や充電回路４の動作を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５（制御回路）とを備える。なお、本実施形態の補機バッテリ充電装置１は、ハイブリット車、電気自動車、又はフォークリフトなどの車両に搭載されるものとする。また、補機バッテリ４３の充電に使用される基準電圧は、満充電時の補機バッテリ４３の電圧と同じくらいの電圧（例えば、１２Ｖ）に設定されるものとする。
このように、本実施形態の補機バッテリ充電装置１は、外部発電機２から供給される電力により補機バッテリ４３を充電する構成であり、図４に示す既存の補機バッテリ充電装置４０のように、メインバッテリ４１から供給される電力により補機バッテリ４３を充電しないため、補機バッテリ４３の充電に伴うメインバッテリ４１の消費電力を抑えることができる。
また、本実施形態の補機バッテリ充電装置１は、電池監視セルバランス回路３を備えているため、メインバッテリ４１の各二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えることができる。
図２は、電池監視セルバランス回路３や充電回路４の一例を示す図である。なお、メインバッテリ４１は、互いに直列接続される３つの電池セル６（例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次充電池などの二次電池）で構成されるｎ個のモジュール７（モジュール７−１〜モジュール７−ｎ）が互いに直列接続されて構成されるものとする。なお、１つのモジュール７を構成する電池セル６の個数は３個に限定されない。
図２に示す電池監視セルバランス回路３は、外部発電機２に接続される１次コイル８と、各モジュール７にそれぞれ並列接続されるｎ個の２次コイル９（２次コイル９−１〜２次コイル９−ｎ）とを備えて構成されるトランス１０と、外部発電機２と１次コイル８との間に設けられるスイッチ１１（第２のスイッチ）とを備える。なお、１次コイル８の巻線数と、各２次コイル９のそれぞれの巻線数の合計との比を１：１とする。
スイッチ１１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子により構成される。スイッチ１１はＥＣＵ５から出力される制御信号Ｓ１によりオン、オフする。制御信号Ｓ１のデューティは、例えば、５０％とする。
モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧の均等化時（セルバランス時）、スイッチ１１をオン、オフする。すると、１次コイル８に交流電流が流れて、１次コイル８及び２次コイル９−１〜９−ｎが互いに電磁結合する。このとき、例えば、２次コイル９−１の電圧がモジュール７−１の出力電圧よりも高いと、２次コイル９−１からモジュール７−１へ電流が流れて、モジュール７−１が充電される。そして、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧が均等になると、例えば、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧が下限の閾値Ｖｍｉｎ以上、かつ、上限の閾値Ｖｍａｘ以下になると、スイッチ１１をオフさせる。これにより、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧を均等化することができる。
図２に示す充電回路４は、オペアンプ１２と、ＭＯＳＦＥＴ１３と、スイッチ１４（第１のスイッチ）とを備える。なお、スイッチ１４は、例えば、リレーやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子により構成され、ＥＣＵ５から出力される制御信号Ｓ２によりオン、オフする。
すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１３は、外部発電機２と補機バッテリ４３との間に設けられている。また、スイッチ１４は、外部発電機２とＭＯＳＦＥＴ１３との間に設けられている。また、オペアンプ１２のプラス入力端子には基準電圧としてモジュール７−ｎの出力電圧が入力され、オペアンプ１２のマイナス入力端子にはＭＯＳＦＥＴ１３にかかる電圧が入力され、オペアンプ１２の出力端子がＭＯＳＦＥＴ１３のゲート端子（制御入力端子）に接続されている。また、オペアンプ１２のプラス端子とマイナス端子のイマジナリーショートにより基準電圧とほぼ同じ電圧（例えば、１２Ｖ）がＭＯＳＦＥＴ１３にかかる。また、ＭＯＳＦＥＴ１３のゲート端子にはＭＯＳＦＥＴ１３にかかる電圧よりも１Ｖ程度低い電圧がかかっており、ＭＯＳＦＥＴ１３がオンしている。このように、外部発電機２と補機バッテリ４３との間にＭＯＳＦＥＴ１３を設け、オペアンプ１２の出力電圧をＭＯＳＦＥＴ１３を介して負帰還させてレギュレータを構成しているため、オペアンプ１２及びＭＯＳＦＥＴ１３を介して補機バッテリ４３にモジュール７−ｎの出力電圧とほぼ同じ電圧をかけることができる。そのため、外部発電機２がソーラ発電機などにより構成され、外部発電機２の出力電圧が不安定であっても、比較的安定した電圧を補機バッテリ４３に常時かけることができる。
補機バッテリ４３の充電時、スイッチ１４がオンされ、外部発電機２とＭＯＳＦＥＴ１３とが電気的に接続されると、外部発電機２からＭＯＳＦＥＴ１３を介して補機バッテリ４３へ電流が流れて補機バッテリ４３が充電される。なお、外部発電機２の出力電圧は、基準電圧程度又はそれ以上の電圧になるように設定されているものとする。
図３は、スイッチ１１、１４のそれぞれのオン、オフのタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。なお、車両全体の制御を行う上位ＥＣＵから出力されるイグニッション信号ＩＧがハイレベルのとき、すなわち、車両の走行時などモータ／発電機４４によりメインバッテリ４１が使用されている状態のとき、制御信号Ｓ１、Ｓ２はそれぞれローレベルであり、スイッチ１１、１４はそれぞれオフしているものとする。
まず、ＥＣＵ５は、イグニッション信号ＩＧがハイレベルからローレベルになると、すなわち、車両の駐車時などメインバッテリ４１が使用されていない状態になると、制御信号Ｓ１によりスイッチ１１をオン、オフさせる。このように、制御信号Ｓ１によりスイッチ１１がオン、オフすることにより、外部発電機２から供給される電力によって１次コイル８に交流電流が流れ、１次コイル８及び２次コイル９−１〜９−ｎが互いに電磁結合する。このとき、例えば、モジュール７−１の出力電圧が２次コイル９−１にかかる電圧よりも高いと、モジュール７−１から２次コイル９−１に電流が流れて、モジュール７−１が放電する。また、モジュール７−２の出力電圧が２次コイル９−２にかかる電圧よりも低いと、２次コイル９−２からモジュール７−２に電流が流れて、モジュール７−２が充電する。このように、モジュール７−１〜７−ｎがそれぞれトランス１０を介して充放電することにより、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧が徐々にモジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧の平均値に近づいていく。これにより、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧を均等化させることができる。また、このとき、外部発電機２から供給される電力により、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧の平均値が上昇していく。なお、このとき、ＥＣＵ５は、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧を監視しているものとする。
次に、ＥＣＵ５は、モジュール７−１〜７−ｎのそれぞれの出力電圧が均等になると、スイッチ１１をオフさせてモジュール７−１〜７−ｎの充電を終了し、その後、補機バッテリ４３を充電する必要があると判断すると、例えば、補機バッテリ４３の電圧を監視しておき、補機バッテリ４３の電圧が閾値Ｖｔｈ１以下であると判断すると、スイッチ１４をオンさせて、補機バッテリ４３を充電する。このとき、例えば、補機バッテリ４３が満充電になるまで充電してもよいし、補機バッテリ４３が満充電になる少し前まで充電してもよい。
また、ＥＣＵ５は、補機バッテリ４３の充電時、外部発電機２の出力電圧がオペアンプ１２やＭＯＳＦＥＴ１３の耐圧を超えないように、外部発電機２の出力電圧が閾値Ｖｔｈ２以上になると、スイッチ１４をオフさせて外部発電機２と補機バッテリ４３とを切断するように構成してもよい。
また、補機バッテリ４３の充電時、外部発電機２の出力電圧がオペアンプ１２やＭＯＳＦＥＴ１３の耐圧を超えないように、互いに直列接続される複数のダイオードなどにより構成される保護回路を、スイッチ１４と、オペアンプ１２のマイナス端子及びＭＯＳＦＥＴ１３の接続点との間に設けるように構成してもよい。
このように、本実施形態の補機バッテリ充電装置１は、上述したように、外部発電機２と補機バッテリ４３との間に設けられるＭＯＳＦＥＴ１３と、モジュール７−ｎの出力電圧がプラス入力端子に入力され、自身の出力電圧がＭＯＳＦＥＴ１３を介して負帰還されるオペアンプ１２とから構成されるレギュレータを備えている。これにより、モジュール７−ｎの出力電圧とほぼ同じ電圧を補機バッテリ４３にかけることができるため、外部発電機２とＭＯＳＦＥＴ１３との間に設けられるスイッチ１４をオンすることにより外部発電機２から補機バッテリ４３へ電流を流して補機バッテリ４３を充電することができる。従って、メインバッテリ４１から供給される電力により補機バッテリ４３を充電する必要がないため、補機バッテリ４３の充電に伴うメインバッテリ４１の消費電力を抑えることができる。
また、本実施形態の補機バッテリ充電装置１では、セルバランスを行った後に、補機バッテリ４３を充電する構成であるため、さらに安定した電圧を補機バッテリ４３にかけることができる。
また、本実施形態の補機バッテリ充電装置１では、モジュール７−ｎからオペアンプ１２に電圧（基準電圧）が供給されるだけで、電力は供給されないため、補機バッテリ４３の充電に伴うメインバッテリ４１の電力消費を抑えることができる。
また、本実施形態の補機バッテリ充電装置１では、図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ４２を備える必要がないため、その分回路規模の低減を図ることができる。
なお、上記実施形態では、セルバランスを行った後に、補機バッテリ４３の充電を行う構成であるが、メインバッテリ４１が満充電になったとＥＣＵ５が判断した後に、補機バッテリ４３の充電を行うように構成してもよい。
また、上記実施形態において、ＭＯＳＦＥＴ１３の代わりに、バイポーラトランジスタを採用してもよい。
また、上記実施形態において、電池監視セルバランス回路３は省略してもよい。
１ 補機バッテリ充電装置
２ 外部発電機
３ 電池監視セルバランス回路
４ 充電回路
５ ＥＣＵ
６ 電池セル
７ モジュール
８ １次コイル
９ ２次コイル
１０ トランス
１１ スイッチ
１２ オペアンプ
１３ ＭＯＳＦＥＴ
１４ スイッチ
４０ 補機バッテリ充電装置
４１ メインバッテリ
４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４３ 補機バッテリ
４４ モータ／発電機
４５ 電池監視セルバランス回路
４６ ＥＣＵ

Claims (3)

  1. 互いに直列接続される第１及び第２の二次電池を備えるメインバッテリと、
    外部発電機と、
    前記外部発電機と補機バッテリとの間に設けられるトランジスタと、
    前記第２の二次電池の出力電圧がプラス入力端子に入力され、前記トランジスタにかかる電圧がマイナス入力端子に入力され、出力端子が前記トランジスタの制御入力端子に接続されるオペアンプと、
    前記外部発電機と前記トランジスタとの間に設けられる第１のスイッチと、
    前記補機バッテリの充電時、前記第１のスイッチをオンさせて前記外部発電機から前記トランジスタを介して前記補機バッテリに電流を流す制御回路と、
    を備える補機バッテリ充電装置。
  2. 請求項１に記載の補機バッテリ充電装置であって、
    前記外部発電機に接続される第１のコイルと、前記第１の二次電池に接続される第２のコイルと、前記第２の二次電池に接続される第３のコイルとを備えるトランスと、
    前記第１のコイルと前記外部発電機との間に設けられる第２のスイッチと、
    を備え、
    前記制御回路は、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の均等化時、前記第２のスイッチをオン、オフさせて、前記第１〜第３のコイルを互いに電磁結合させる
    ことを特徴とする補機バッテリ充電装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の補機バッテリ充電装置であって、
    前記制御回路は、前記メインバッテリが使用されていないとき、前記第２のスイッチをオン、オフさせて、前記第１及び第２の二次電池のそれぞれの出力電圧の均等化を行った後、前記第１のスイッチをオンさせて、前記補機バッテリの充電を行う
    ことを特徴とする補機バッテリ充電装置。
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