JP2012213291A

JP2012213291A - 補機バッテリ充電装置

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Publication number: JP2012213291A
Application number: JP2011077936A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kuraishi; 守倉石; Mitsugu Kobayashi; 貢小林
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-01
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: CN102738853A; CN102738853B; JP5187407B2; EP2506388A2; KR20120112072A

Abstract

【課題】メインバッテリを構成する複数の二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えつつ、体格の増大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】補機バッテリ４３の充電時、スイッチ８−ｎをオン、オフさせるとともに、スイッチ９をオフ、スイッチ１０、１１をそれぞれオンさせ、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧の均等化時、スイッチ８−１〜８−ｎをそれぞれオン、オフさせるとともに、スイッチ９、１０をそれぞれオン、スイッチ１１をオフさせる。
【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へ電力を供給するために比較的高い電圧を出力する必要がある。そのため、メインバッテリ４１の高電圧化に伴ってＤＣ／ＤＣコンバータ４２を構成するインダクタやコンデンサなどの部品が大型化するため、補機バッテリ充電装置４０の体格の増大が懸念される。

また、メインバッテリ４１は、高い出力電圧を実現するために、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、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、メインバッテリを構成する複数の二次電池のそれぞれの出力電圧のばらつきを抑えつつ、体格の増大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、第１のコイルと、前記第１の二次電池に接続される第２のコイルとを備える第１のトランスと、補機バッテリに接続される第３のコイルと、前記第２の二次電池に接続される第４のコイルとを備える第２のトランスと、前記第１の二次電池と前記第２のコイルとの間に設けられる第１のスイッチと、前記第２の二次電池と前記第４のコイルとの間に設けられる第２のスイッチと、前記第１のコイルと前記第３のコイルとの間に設けられる第３のスイッチと、前記第３のスイッチと前記第３のコイルとの接続点と、前記補機バッテリとの間に設けられる第４のスイッチと、前記第１のコイルに電圧を印加する電圧源と、前記補機バッテリの充電時、前記第３のスイッチをオフ、前記第４のスイッチをオンさせるとともに、前記第２のスイッチをオン、オフさせることにより、前記第３のコイルと前記補機バッテリとを電気的に接続させ、前記第１のコイルをオープン状態にさせるとともに、前記第３及び第４のコイルを互いに電磁結合させ、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３のスイッチをオン、前記第４のスイッチをオフさせるとともに、前記第１及び第２のスイッチをそれぞれオン、オフさせることにより、前記第１のコイルと前記第３のコイルとを電気的に接続させ、前記補機バッテリをオープン状態にさせるとともに、前記第１〜第４のコイルを互いに電磁結合させる制御回路とを備える。

これにより、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、メインバッテリの各二時電池のうちの一部の二次電池を使用して補機バッテリを充電することができるため、メインバッテリの出力電圧を降圧して補機バッテリを充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータを備える必要がなく、体格の増大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、オフさせるとともに、前記第３のスイッチをオフ、前記第４のスイッチをオンさせて、前記補機バッテリを充電した後、前記第１及び第２のスイッチをそれぞれオン、オフさせるとともに、前記第３のスイッチをオン、前記第４のスイッチをオフさせて、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うように構成してもよい。

また、前記制御回路は、前記第２の二次電池の充電時、前記第４のスイッチをそれぞれオン、オフさせるとともに、前記第２のスイッチをオン、前記第３のスイッチをオフさせて、前記第３及び第４のコイルを互いに電磁結合させるとともに、前記第３のコイルと前記補機バッテリとを電気的に接続させるように構成してもよい。

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を充電するための補機バッテリ充電装置において、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つつ、体格の増大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／充電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、メインバッテリ４１と、メインバッテリ４１を構成する互いに直列接続される複数の二次電池のそれぞれの出力電圧を均等化するとともに、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を使用して補機バッテリ４３（例えば、鉛蓄電池など）を充電する電池監視セルバランス／充電回路２と、電池監視セルバランス／充電回路２の動作を制御するＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）３（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一部の二次電池の全体の出力電圧は、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。また、補機バッテリ４３は、例えば、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装機器に電力を供給するものとする。

このように、本実施形態の補機バッテリ充電装置１は、電池監視セルバランス／充電回路２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。

また、本実施形態の補機バッテリ充電装置１は、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を使用して補機バッテリ４３を充電する構成であるため、図４に示す既存の補機バッテリ充電装置４０のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を備える必要がなく、体格の増大を抑えることができる。

図２は、電池監視セルバランス／充電回路２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４（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５（モジュール５−１（第１の二次電池）、モジュール５−２（第１の二次電池）、・・・、モジュール５−ｎ−１（第１の二次電池）、及びモジュール５−ｎ（第２の二次電池））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５を構成する電池セル４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／充電回路２は、トランス６（第１のトランス）と、トランス７（第２のトランス）と、ｎ個のスイッチ８（スイッチ８−１（第１のスイッチ）、スイッチ８−２（第１のスイッチ）、・・・、スイッチ８−ｎ−１（第１のスイッチ）、及びスイッチ８−ｎ（第２のスイッチ））と、スイッチ９（第３のスイッチ）と、スイッチ１０と、スイッチ１１（第４のスイッチ）と、電圧源１２とを備える。

トランス６は、１次コイル１３（第１のコイル）と、モジュール５−１〜５−ｎのうちモジュール５−ｎ以外のモジュール５−１〜５−ｎ−１にそれぞれ並列接続される複数の２次コイル１４（２次コイル１４−１、２次コイル１４−２、・・・、及び２次コイル１４−ｎ−１）（第２のコイル）とを備える。

トランス７は、補機バッテリ４３に接続される１次コイル１５（第３のコイル）と、モジュール５−ｎに接続される２次コイル１６（第４のコイル）とを備える。
スイッチ８−１はモジュール５−１と２次コイル１４−１との間に設けられ、スイッチ８−２はモジュール５−２と２次コイル１４−２との間に設けられ、・・・、スイッチ８−ｎ−１はモジュール５−ｎ−１と２次コイル１４−ｎ−１との間に設けられ、スイッチ８−ｎはモジュール５−ｎと２次コイル１６との間に設けられている。

スイッチ９は、トランス６の１次コイル１３とトランス７の１次コイル１５との間に設けられる。
スイッチ１０は、１次コイル１５とグランド（例えば、車両のボディなどに接続される仮想的なグランド）との間に設けられている。

スイッチ１１は、スイッチ９と１次コイル１５との接続点と、補機バッテリ４３との間に設けられている。
なお、１次コイル１３の巻線数と、２次コイル１４−１〜１４−ｎ−１のそれぞれの巻線数の合計との比を１：１とし、２次コイル１４−１〜１４−ｎ−１のそれぞれの巻線数と、２次コイル１６の巻線数との比を１：１とし、１次コイル１５の巻線数と、２次コイル１６の巻線数との比を１：１とする。

電圧源１２は、例えば、図２に示すように、メインバッテリ４１の出力端子がオペアンプ１７のプラス入力端子に入力され、オペアンプ１７の出力端子が抵抗１８を介してオペアンプ１７のマイナス入力端子に入力されるとともに、１次コイル１３に接続されるボルテージフォロア回路により構成されてもよい。このように電圧源１２を構成することにより、メインバッテリ４１の出力電圧（例えば、２００Ｖ）とほぼ同じ電圧を１次コイル１３に印加することができる。

スイッチ９〜１１は、それぞれ、例えば、リレーやＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＩＥＬＤＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子により構成される。スイッチ９はＥＣＵ３から出力される制御信号ＳＳ１によりオン、オフし、スイッチ１０はＥＣＵ３から出力される制御信号ＳＳ２によりオン、オフし、スイッチ１１はＥＣＵ３から出力される制御信号ＳＳ３によりオン、オフする。スイッチ９がオフからオンになると、１次コイル１３と１次コイル１５とが電気的に接続される。また、スイッチ１０がオフからオンになると、１次コイル１５とグランドとが電気的に接続される。また、スイッチ１１がオフからオンになると、スイッチ９と１次コイル１５との接続点と、補機バッテリ４３とが電気的に接続される。そのため、スイッチ９〜１１がそれぞれオフすると、１次コイル１３、１５及び補機バッテリ４３がそれぞれオープン状態になる。また、スイッチ９がオフし、スイッチ１０、１１がそれぞれオンすると、１次コイル１３がオープン状態になり、１次コイル１５と補機バッテリ４３とが電気的に接続される。また、スイッチ９、１０がそれぞれオンし、スイッチ１１がオフすると、１次コイル１３と１次コイル１５とが電気的に接続されるとともに、１次コイル１５とグランドとが電気的に接続され、補機バッテリ４３がオープン状態になる。

スイッチ８−１〜８−ｎは、それぞれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子により構成され、ＥＣＵ３から出力される制御信号Ｓ１〜Ｓｎによりオン、オフする。制御信号Ｓ１〜Ｓｎのそれぞれのデューティは、例えば、５０％とする。

モジュール５−１〜５−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９、１０をそれぞれオン、スイッチ１１をオフするとともに、スイッチ８−１〜８−ｎをそれぞれオン、オフする。すると、１次コイル１３と１次コイル１５とが電気的に接続され、補機バッテリ４３がオープン状態になるとともに、２次コイル１４−１〜１４−ｎ−１及び２次コイル１６にそれぞれ交流電流が流れて、１次コイル１３、２次コイル１４−１〜１４−ｎ−１、１次コイル１５、及び２次コイル１６が互いに電磁結合する。このとき、例えば、２次コイル１６の電圧がモジュール５−ｎの出力電圧よりも高いと、２次コイル１６からモジュール５−ｎへ電流が流れて、モジュール５−ｎが充電される。また、例えば、２次コイル１４−１の電圧がモジュール５−１の出力電圧よりも低いと、モジュール５−１から２次コイル１４−１へ電流が流れて、モジュール５−１が放電される。そして、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの充放電により、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧が、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧の平均電圧に落ち着くと、すなわち、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧がほぼ同じ電圧になると、スイッチ８−１〜８−ｎをそれぞれオフさせてセルバランスを終了させる。これにより、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧を均等化することができる。

なお、セルバランス時、ＥＣＵ３において、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧を監視し、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧が上限の閾値Ｖｔｈ１（モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧の平均値よりも所定値高い値）よりも低く、かつ、下限の閾値Ｖｔｈ２（モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧の平均値よりも所定値低い値）よりも高くなるまで、スイッチ８−１〜８−ｎをそれぞれオン、オフさせてもよい。

図３は、スイッチ８−１〜８−ｎやスイッチ９〜１１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など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ＳＳ１〜ＳＳ３はそれぞれローレベルであり、スイッチ９〜１１はそれぞれオフしているものとする。

まず、ＥＣＵ３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ＳＳ１をローレベル、制御信号ＳＳ２、ＳＳ３をそれぞれハイレベルにする。すると、スイッチ９がオフ、スイッチ１０、１１がそれぞれオンして、１次コイル１５と補機バッテリ４３とが電気的に接続され、１次コイル１３がオープン状態になる。また、ＥＣＵ３は、制御信号Ｓ１〜Ｓｎ−１によりスイッチ８−１〜８−ｎ−１をそれぞれオフさせるとともに、制御信号Ｓｎによりスイッチ８−ｎをオン、オフさせる。すると、２次コイル１６に交流電流が流れて、トランス７の１次コイル１５及び２次コイル１６が互いに電磁結合する。このとき、１次コイル１５の電圧が補機バッテリ４３の電圧よりも高いと、１次コイル１５から補機バッテリ４３へ電流が流れて、補機バッテリ４３が充電される。なお、このときの制御信号Ｓｎの周波数は、１次コイル１５及び２次コイル１６のそれぞれのインダクタンスや所望な補機バッテリ４３の単位時間あたりの充電量に基づいて設定されてもよい。

そして、ＥＣＵ３は、監視していた補機バッテリ４３の電圧が満充電を示す電圧になると、制御信号ＳＳ１、ＳＳ２をそれぞれハイレベル、制御信号ＳＳ３をローレベルにする。すると、スイッチ９、１０がそれぞれオン、スイッチ１１がオフして、１次コイル１３と１次コイル１５とが接続され、補機バッテリ４３がオープン状態になる。また、ＥＣＵ３は、制御信号Ｓ１〜Ｓｎによりスイッチ８−１〜８−ｎをそれぞれオン、オフさせて、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧を均等化する。これにより、補機バッテリ４３の充電を行った後に、モジュール５−１〜５−ｎ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。

このように、本実施形態の補機バッテリ充電装置１では、電池監視セルバランス／充電回路２に備えられるスイッチ８−ｎやスイッチ９〜１１のそれぞれのオン、オフを制御することにより、メインバッテリ４１の各モジュール５−１〜５−ｎのうちの一部のモジュール５―ｎを使用して補機バッテリ４３を充電することができる。

なお、上記実施形態では、補機バッテリ４３の充電を行った後に、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧の均等化を行う構成であるが、モジュール５−１〜５−ｎのそれぞれの出力電圧の均等化を行った後に、補機バッテリ４３の充電を行うように構成してもよい。このように構成することで、安定したモジュール５−ｎの出力電圧により補機バッテリ４３の充電を行うことができる。

また、上記実施形態では、スイッチ９をオフ、スイッチ１０、１１をそれぞれオンするとともに、スイッチ８−ｎをオン、オフさせて補機バッテリ４３を充電する構成であるが、スイッチ９をオフ、スイッチ８−ｎ及びスイッチ１１をそれぞれオンするとともに、スイッチ１０をオン、オフさせることにより、補機バッテリ４３からトランス７を介してモジュール５−ｎに供給してモジュール５−ｎの充電を行うように構成してもよい。なお、このときにモジュール５−ｎに充電される電力は、セルバランスを行うことによって他のモジュール５に分配することができる。また、スイッチ９をオフ、スイッチ８−ｎ及びスイッチ１０をそれぞれオンするとともに、スイッチ１１をオン、オフさせて、モジュール５−ｎ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、スイッチ８は、モジュール５のマイナス端子と２次コイル１４、１６との間に設けられているが、モジュール５のプラス端子と２次コイル１４、１６との間に設けられてもよい。

１補機バッテリ充電装置
２電池監視セルバランス／充電回路
３ＥＣＵ
４電池セル
５モジュール
６、７トランス
８〜１１スイッチ
１２電圧源
１３、１５１次コイル
１４、１６２次コイル
１７オペアンプ
１８抵抗
４０補機バッテリ充電装置
４１メインバッテリ
４２ＤＣ／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
４６ＥＣＵ

Claims

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、
第１のコイルと、前記第１の二次電池に接続される第２のコイルとを備える第１のトランスと、
補機バッテリに接続される第３のコイルと、前記第２の二次電池に接続される第４のコイルとを備える第２のトランスと、
前記第１の二次電池と前記第２のコイルとの間に設けられる第１のスイッチと、
前記第２の二次電池と前記第４のコイルとの間に設けられる第２のスイッチと、
前記第１のコイルと前記第３のコイルとの間に設けられる第３のスイッチと、
前記第３のスイッチと前記第３のコイルとの接続点と、前記補機バッテリとの間に設けられる第４のスイッチと、
前記第１のコイルに電圧を印加する電圧源と、
前記補機バッテリの充電時、前記第３のスイッチをオフ、前記第４のスイッチをオンさせるとともに、前記第２のスイッチをオン、オフさせることにより、前記第３のコイルと前記補機バッテリとを電気的に接続させ、前記第１のコイルをオープン状態にさせるとともに、前記第３及び第４のコイルを互いに電磁結合させ、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３のスイッチをオン、前記第４のスイッチをオフさせるとともに、前記第１及び第２のスイッチをそれぞれオン、オフさせることにより、前記第１のコイルと前記第３のコイルとを電気的に接続させ、前記補機バッテリをオープン状態にさせるとともに、前記第１〜第４のコイルを互いに電磁結合させる制御回路と、
を備える補機バッテリ充電装置。
請求項１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、オフさせるとともに、前記第３のスイッチをオフ、前記第４のスイッチをオンさせて、前記補機バッテリを充電した後、前記第１及び第２のスイッチをそれぞれオン、オフさせるとともに、前記第３のスイッチをオン、前記第４のスイッチをオフさせて、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う
ことを特徴とする補機バッテリ充電装置。
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、前記第２の二次電池の充電時、前記第４のスイッチをそれぞれオン、オフさせるとともに、前記第２のスイッチをオン、前記第３のスイッチをオフさせて、前記第３及び第４のコイルを互いに電磁結合させるとともに、前記第３のコイルと前記補機バッテリとを電気的に接続させる
ことを特徴とする補機バッテリ充電装置。