JP2014054143A - 電源装置、充電方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に組電池温度を上昇させることができ、且つ、安全に劣化を促進することなく充電ができるので、加熱用ヒータを具備する必要もなく、低温でも十分な充電状態が得られる電源装置を提供する。
【解決手段】直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電圧充電を行わせる定電圧充電手段と、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が任意の目標温度に達したか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記任意の目標温度に達したと判定した場合、前記外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、電源装置、充電方法及びプログラムに関する。

従来、電気自動車において、駆動用の電源として組電池装置を搭載しているものが知られている。ここで、組電池装置の一態様として、直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と当該組電池を監視する組電池監視回路（ＶＴＭ：Voltage Temperature Monitoring）とを備えた組電池モジュールを複数用い、これらの組電池モジュールの二次電池セルを全て直列接続するとともに、各組電池モジュールを管理する電池管理装置（ＢＭＵ：Battery Management Unit）を設け、この電池管理装置により組電池モジュール全体の電池パックにより供給可能な電力の電圧であるパック電圧およびパック電流及び組電池モジュールが有する二次電池セル毎の電圧であるセル電圧等を管理している。

ところで、電池モジュールを構成している二次電池セルの充電容量は、電池温度に依存しており、特に低温になるほど内部抵抗値が上昇して充電可能な容量が小さくなる（充電可能領域が狭くなる）為、寒冷地や冬季では実効的な容量が低下する問題があった。

そこで、従来においては、二次電池の温度を上昇させて外気温度の影響を低減する技術が開示されている。

特開２００９−１３１４１６号公報 特開２０１０−１０７９７４号公報

従来の充電方法では、寒冷地や冬季であっても充電容量をある程度確保できるものとなっているが、エネルギー密度の低下や充電放電（エネルギー）効率の低下が課題となっている。

実施形態の電源装置は、直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電圧充電を行わせる定電圧充電手段と、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が任意の目標温度に達したか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記任意の目標温度に達したと判定した場合、前記外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、を備える。

実施形態の電源装置は、直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、前記複数の二次電池セル毎の電圧を検出する電圧検出部と、外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、前記電圧検出部により検出された前記複数の二次電池セルのそれぞれの電圧に基づいて満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか否かを判別するとともに、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が極大値に到達したか否かを判定する判定手段と、前記満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか、あるいは温度が極大値に到達していると前記判定手段によって判定した場合に、前記定電流充電手段による定電流充電の電流値を下げる電流値変更手段と、を備える。

図１は、第１の実施形態にかかる電源装置を備えた車両の模式図である。 図２は、組電池監視回路の機能ブロックを示す図である。 図３は、電池管理装置の全体ブロックを示す図である。 図４は、充電処理にかかる機能構成を示すブロック図である。 図５は、充電処理の流れを概略的に示すフローチャートである。 図６は、充電時における組電池電圧、組電池電流及び二次電池セル電圧の変化を説明する図である。 図７は、終止電圧テーブルの一例を示すグラフである。 図８は、第２の実施形態にかかる充電処理にかかる機能構成を示すブロック図である。 図９は、充電処理の流れを概略的に示すフローチャートである。 図１０は、充電時における組電池電圧、組電池電流及び二次電池セル電圧の変化を説明する図である。

［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態にかかる組電池モジュールを有する二次電池装置及び当該二次電池装置を備えた車両について図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態にかかる電源装置を備えた車両の模式図である。なお、図１においては、車両１００、車両１００への電源装置の搭載箇所及び車両１００の駆動モータなどは概略的に示している。

電源装置は、複数の組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）が互いに直列接続されて構成される。ここで、組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）は、それぞれ独立して着脱することが可能であり、メンテナンス等において、別の組電池モジュールと交換することができる。組電池モジュール１０１（１）は、組電池１１を有する。組電池モジュール１０１（２）は、組電池１２を有する。また、組電池モジュール１０１（３）は、組電池１３を有する。また、組電池モジュール１０１（４）は、組電池１４を有する。

図２は、本実施形態にかかる組電池監視回路（ＶＴＭ：Voltage Temperature Monitoring）の機能ブロックを示す図である。

組電池１１〜１４は、同一構成を有しており、図２（ａ）に示すように、それぞれ直列接続された複数の二次電池セルＣＬを有している。複数の二次電池セルＣＬのそれぞれには、当該複数の二次電池セルＣＬ間の電圧ばらつきを抑制する均等化処理（セルバランス処理）を行うために、並列に放電回路１５が接続されている。なお、本実施形態においては、例えば、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）を負極に用いていて満充電電圧が約２．６−２．８Ｖである二次電池セルＣＬを１２個直列接続した組電池１１〜１４を適用している。

放電回路１５は、図２（ｂ）に示すように、放電電流（放電電力）を消費して、二次電池セルＣＬの電圧を低下させるための放電抵抗ＲＤと、放電抵抗ＲＤに直列に接続され、スイッチ制御信号ＣＳＷに基づいてオン／オフ制御され対応する二次電池セルＣＬの放電を行わせるための放電スイッチＳＷと、を備えている。

本実施形態では、二次電池装置は、４つの組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）を直列接続しているが、少なくとも一つの組電池モジュールを有していればよく、これに限定するものではない。

二次電池装置が備える複数の組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）のうち低電位側に接続された組電池モジュール１０１（１）の負極端子には、接続ライン３１の一方の端子が接続されている。接続ライン３１は、インバータ４０の負極入力端子に接続されている。

また、二次電池装置が備える複数の組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）のうち高電位側に接続された組電池モジュール１０１（４）の正極端子には、接続ライン３２の一方の端子が、スイッチ装置３３を介して接続されている。接続ライン３２の他方の端子は、インバータ４０の正極入力端子に接続されている。

スイッチ装置３３は、複数の組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）に直列接続され、複数の組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）の電気的な接続をオンまたはオフする。つまり、スイッチ装置３３は、オンすることにより、組電池１１〜１４間に電流を流す。本実施形態では、スイッチ装置３３は、組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）の組電池１１〜１４が有する二次電池セルＣＬの電力を負荷に供給する際にオンするメインスイッチＳＷＭ（図３参照）と、負荷へ流れ込む突入電流を防止するためのプリチャージスイッチＳＷＰ（図３参照）と、を含む。

より具体的には、車両２側の負荷（例えば、モータ４５など）と組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）をスイッチ装置３３に電気的に接続する際に、プリチャージスイッチＳＷＰをオンし、負荷との電位差が小さくなった後にメインスイッチＳＷＭをオンする。これにより、突入電流によるメインスイッチＳＷＭの溶着を防止する。プリチャージスイッチＳＷＰおよびメインスイッチＳＷＭは、リレー回路として構成されている。

インバータ４０は、印加された直流電圧をモータ駆動用の３相の交流（ＡＣ）の電圧に変換する。インバータ４０は、後述する電池管理装置（ＢＭＵ：Battery Management Unit）６０または車両１００の全体動作を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）７１からの制御信号に基づいて、交流の電圧への変換が制御される。インバータ４０の３相の出力端子は、モータ４５の各３相の入力端子に接続されている。モータ４５の駆動力（回転）は、例えば差動ギアユニットを介して、駆動輪ＷＲ，ＷＬに伝達される。

電池管理装置６０には、独立した外部電源７０が接続されている。外部電源７０は、例えば、車載アクセサリに電力を供給する定格１２Ｖの鉛蓄電池である。また、電池管理装置６０には、運転者などの操作入力に応答して車両全体の管理を行う電子制御装置７１も接続されている。

図１および図２に示したように、組電池モジュール１０１（１）は、組電池１１と、組電池監視回路（ＶＴＭ）２１と、を有している。組電池モジュール１０１（２）は、組電池１２と、組電池監視回路２２と、を有する。組電池モジュール１０１（３）は、組電池１３と、組電池監視回路２３と、を有する。組電池モジュール１０１（４）は、組電池１４と、組電池監視回路２４と、を有する。ここで、組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）は同様の構成である。したがって、以下の説明では、主として、組電池モジュール１０１（１）について説明する。

組電池監視回路２１は、コネクタ５１を介して電池管理装置６０と接続された第１通信部２１１と、組電池監視回路２２の第１通信部２１１と接続された第２通信部２１２と、を有している。また、組電池監視回路２２は、コネクタ５１を介して電池管理装置６０と接続されかつ組電池監視回路２１の第２通信部２１２と接続された第１通信部２１１と、組電池監視回路２３の第１通信部２１１と接続された第２通信部２１２と、を有している。また、組電池監視回路２３は、コネクタ５１を介して電池管理装置６０と接続されかつ組電池監視回路２２の第２通信部２１２と接続された第１通信部２１１と、組電池監視回路２４の第１通信部２１１と接続された第２通信部２１２と、を有している。また、組電池監視回路２４は、コネクタ５１を介して電池管理装置６０と接続されかつ組電池監視回路２３の第２通信部２１２と接続された第１通信部２１１と、組電池監視回路２４よりも高電位側に接続された組電池監視回路がある場合に当該組電池監視回路に接続された第２通信部２１２と、を有している。

なお、組電池監視回路２１，２２間の第１通信部２１１と第２通信部２１２とを接続し、かつ組電池監視回路２３，２４間の第１通信部２１１と第２通信部２１２とを接続することにより、組電池監視回路２１，２３の第１通信部２１１が、コネクタ５１を介して電池管理装置６０に接続されるようにしても良い。この場合、組電池監視回路２１，２２は互いの第１通信部２１１および第２通信部２１２を介して接続され双方向通信が可能であり、また組電池監視回路２３，２４も互いの第１通信部２１１および第２通信部２１２を介して接続され双方向通信が可能である。

より具体的には、組電池監視回路２１，２２を接続する場合、組電池監視回路２１の第１通信部２１１の情報入力出力端子は、コネクタ５１を介して電池管理装置６０に接続される。組電池監視回路２１の第２通信部２１２の情報入力出力端子は、組電池監視回路２２の第１通信部２１１の情報入力出力端子に接続される。

また、組電池監視回路２３，２４を接続する場合、組電池監視回路２３の第１通信部２１１の情報入力出力端子は、コネクタ５１を介して電池管理装置６０に接続される。組電池監視回路２３の第２通信部２１２の情報入力出力端子は、組電池監視回路２４の第１通信部２１１の情報入力出力端子に接続される。

また、組電池監視回路２１〜２４は、さらに電圧検出部２１３、温度検出部２１４、均等化処理部２１５及び診断用回路２１６を備える。

電圧検出部２１３は、組電池１１を構成している複数の二次電池セルＣＬの二次電池セルＣＬ毎の電圧（以下、セル電圧とする）および組電池１１の正負極間電圧を検出する。言い換えると、電圧検出部２１３は、組電池１１を構成している複数の二次電池セルＣＬのそれぞれの端子間の電圧をセル電圧として検出する。そして、電圧検出部２１３は、検出した全てのセル電圧を表す電圧信号を、第１通信部２１１およびインタフェース回路６０４（図３参照）を介して電池管理装置６０に入力する。

温度検出部２１４は、組電池１１を構成している複数の二次電池セルＣＬの二次電池セルＣＬ毎または複数の二次電池セルＣＬの近傍の温度を検出する。そして、温度検出部２１４は、検出した温度を表す温度信号を、第１通信部２１１およびインタフェース回路６０４（図３参照）を介して電池管理装置６０に入力する。

均等化処理部２１５は、組電池１１を構成している複数の二次電池セルＣＬの電圧（蓄電容量）を均等化する均等化処理を行う。二次電池装置では、二次電池セルＣＬの充放電特性や温度のばらつきなどにより、組み合わされた二次電池セルＣＬ間の電圧（蓄電容量）が不均等となってくることが知られている。二次電池セルＣＬ間の電圧（蓄電容量）が不均等になることにより、二次電池装置としての機能を最大に発揮できる、すなわち、組電池１１〜１４の蓄電容量を最大限利用できる効率の良い充放電を行うことができなくなってくる。

均等化処理せずに電圧が他の二次電池セルＣＬと比較して高い二次電池セルＣＬが存在する状態で組電池に対して充電を行うと、電圧が低い二次電池セルＣＬが満充電状態にならないまま、電圧が高い二次電池セルＣＬが早く満充電状態となり、全体充電が完了することがある。そこで、充電を行うに際して、均等化処理部２１５が放電回路１５を制御して、二次電池セルＣＬ間の電圧を均等化処理する必要があるのである。

診断用回路２１６は、組電池モジュール１０１（１）の異常を通知する信号であって、予め設定された基本周波数で“Ｈ”レベルまたは“Ｌ”レベルに切り換わるパルス信号（脈動信号；矩形波信号）を出力する。

図３は、電池管理装置６０の全体ブロックを示す図である。電池管理装置６０は、図３に示すように、組電池１１〜１４に充放電される電流値を計測する電流検出回路６０２と、コネクタ５１を介して組電池監視回路２１〜２４の第１通信部２１１と接続されたインタフェース回路６０４と、組電池監視回路２１〜２４の診断用回路２１６から入力された脈動信号および制御回路ＣＴＲから送信されたアラート信号を受信しかつ組電池モジュール１０１（１）〜１０１（４）および電池管理装置６０における異常を表すアラート信号を出力するアラートシグナルプロセッサ６０５と、外部電源７０から電源電圧の電力が供給される電源供給管理部６０６と、スイッチ駆動回路６０８と、メモリ６０７と、二次電池装置の動作を制御する制御回路（ＭＰＵ：Micro Processing Unit）ＣＴＲと、を備えている。

メモリ６０７は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）である。メモリ６０７は、制御回路ＣＴＲの動作を規定するプログラムが記録されている。

組電池監視回路２１〜２４からインタフェース回路６０４には、電圧検出部２１３から入力された電圧信号、温度検出部２１４から入力された温度信号、診断用回路２１６から入力された脈動信号が、コネクタ５１を介して供給される。インタフェース回路６０４から組電池監視回路２１〜２４には、制御回路ＣＴＲから送信された各種信号（例えば、ロジック信号など）がコネクタ５１を介して入力される。

インタフェース回路６０４は、電圧検出部２１３から入力された電圧信号、温度検出部２１４から入力された温度信号等を双方向シリアル通信により制御回路ＣＴＲに供給し、診断用回路２１６から入力された脈動信号をアラートシグナルプロセッサ６０５に供給する。

アラートシグナルプロセッサ６０５は、インタフェース回路６０４から供給された脈動信号および制御回路ＣＴＲから供給されたアラート信号が正常か異常かを判断する。脈動信号または制御回路ＣＴＲから供給されたアラート信号が正常である場合には、アラートシグナルプロセッサ６０５は、予め設定された周波数で“Ｈ”レベルまたは“Ｌ”レベルに切り換わるアラート信号を出力する。脈動信号または制御回路ＣＴＲから供給されたアラート信号が“Ｈ”レベルに切り換わったままである場合には、アラートシグナルプロセッサ６０５は、例えば、正常時の“Ｌ”レベルのアラート信号を“Ｈ”レベルのアラート信号として出力する。

アラートシグナルプロセッサ６０５から出力されたアラート信号は、制御回路ＣＴＲ、スイッチ駆動回路６０８及びコネクタＣＮ２を介して接続された電子制御装置７１に供給される。

スイッチ駆動回路６０８は、制御回路ＣＴＲの制御により、スイッチ装置３３のプリチャージスイッチＳＷＰの動作を制御する信号Ｓ１と、メインスイッチＳＷＭの動作を制御する信号Ｓ２とを出力する。

信号Ｓ１，Ｓ２は、コネクタＣＮ１を介してスイッチ装置３３（図１参照）に供給される。プリチャージスイッチＳＷＰおよびメインスイッチＳＷＭは、信号Ｓ１，Ｓ２によってオンまたはオフするリレー回路である。

例えば、脈動信号が異常である場合には、制御回路ＣＴＲは、供給されたアラート信号により対応する組電池監視回路に異常があると判断し、スイッチ駆動回路６０８を制御して、プリチャージスイッチＳＷＰおよびメインスイッチＳＷＭをオフさせる。

電源供給管理部６０６は、電流検出回路６０２、アラートシグナルプロセッサ６０５、メモリ６０７及び制御回路ＣＴＲに電力を供給する。電源供給管理部６０６は、制御回路ＣＴＲへの電力の供給をオンまたはオフする切替回路６０６Ｓと、当該切替回路６０６Ｓに対して起動を指示するウェイクアップ信号を切替回路６０６Ｓに出力するタイマＴＭと、を備えている。

タイマＴＭには、外部電源７０により印加された１２Ｖの電源電圧がタイマＴＭの前段に配置されたＤＣ／ＤＣ変換回路ＣＡにより５Ｖの直流電圧に変換されて印加される。そして、タイマＴＭは、印加された５Ｖの直流電圧の電力により駆動して、切替回路６０６Ｓにウェイクアップ信号を出力する。切替回路６０６Ｓには、スタート信号ＳＴＡ、外部充電器信号ＣＨＧ及び制御回路ＣＴＲからの切替制御信号、タイマＴＭからのウェイクアップ信号及び外部電源７０からの電力が供給されている。

なお、タイマＴＭからのウェイクアップ信号は、設定された時間毎に“Ｈ”レベルとなる信号である。ウェイクアップ信号が“Ｈ”レベルとなるタイミングは制御回路ＣＴＲによって設定される。

ところで、電池管理装置６０には、コネクタＣＮ１を介して、電源電圧、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧが、外部電源７０、モータ４５の駆動を指示するスタートボタン（図示しない）が押下されたことを検知するスタート検知部（図示しない）及び外部充電器（図示しない）から供給されている。また、電池管理装置６０は、コネクタＣＮ２を介して、電子制御装置７１との間で信号の送信および受信を行っている。

スタート信号ＳＴＡは、スタート検知部（図示しない）によりスタートボタン（図示しない）が押下されたことが検知されると“Ｈ”レベルとなり、再度スタートボタン（図示しない）が押下されたことが検知されると“Ｌ”レベルとなる信号である。外部充電器信号ＣＨＧは、外部充電器が二次電池装置に接続されたら“Ｈ”レベルとなり、接続が解除されたら“Ｌ”レベルとなる信号である。ウェイクアップ信号、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧは、制御回路ＣＴＲにも供給されている。

なお、二次電池装置が車両以外の機器に搭載される場合には、スタート信号ＳＴＡは、二次電池装置が搭載された機器の電源オン操作が成された場合に“Ｈ”レベルとなり、電源オフ操作が成された場合には“Ｌ”レベルとなる信号となる。

スタート信号ＳＴＡ、外部充電器信号ＣＨＧ及びウェイクアップ信号のうち少なくとも１つが“Ｈ”レベルとなることにより、切替回路６０６Ｓは、外部電源７０から印加された電源電圧を内部のＤＣ／ＤＣ変換回路によって５Ｖの直流電圧に変換して、アラートシグナルプロセッサ６０５および制御回路ＣＴＲに印加する。

また、スタート信号ＳＴＡ、外部充電器信号ＣＨＧ及びウェイクアップ信号のうち少なくとも１つが“Ｈ”レベルとなることにより、切替回路６０６Ｓは、外部電源７０から供給された電源電圧を内部のＤＣ／ＤＣ変換回路によって所定の大きさの直流電圧に変換して、電流検出回路６０２に印加する。

制御回路ＣＴＲには、タイマＴＭからウェイクアップ信号が供給され、コネクタＣＮ１を介してスタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧが供給される。そのため、制御回路ＣＴＲは、切替回路６０６Ｓにより５Ｖの直流電圧が印加された場合に、供給された信号のうちいずれの信号が“Ｈ”レベルになったかを検出することにより、いずれの信号が“Ｈ”レベルになったことにより切替回路６０６Ｓがオンされたかを確認することができる。いずれの信号により電力が供給されたかを確認できたら、制御回路ＣＴＲは、切替制御信号をオンとし、切替回路６０６Ｓから電力が供給されている状態を維持させる。

また、制御回路ＣＴＲは、ウェイクアップ信号、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧを監視し、全ての信号が“Ｌ”レベルになると、切替制御信号を“Ｌ”レベルとし、切替回路６０６Ｓをオフさせる。したがって、制御回路ＣＴＲ、アラートシグナルプロセッサ６０５及び電流検出回路６０２への電力の供給が停止される。

制御回路ＣＴＲは、エネルギー偏差算出部６０１および放電時間換算部６０３を備える。エネルギー偏差算出部６０１は、電圧検出部２１３から入力された電圧信号を、第１通信部２１１およびインタフェース回路６０４を介して取り込むとともに、電流検出回路６０２から入力された電流信号を取り込む。

放電時間換算部６０３は、取り込まれた電圧信号が表すセル電圧が予め定めた特定電圧に到達するまでの到達時間と、取り込まれた電流信号が表す電流値とから二次電池セル間の容量差を算出し、算出した容量差および到達時間から、二次電池セルＣＬの残り容量を同じにするため（すなわち、均等化処理部２１５により均等化処理を行うため）の各二次電池セルＣＬの放電時間を算出する。

さらに、制御回路ＣＴＲは、組電池監視回路２１〜２４に動作を制御するための信号をインタフェース回路６０４に供給する。具体的には、制御回路ＣＴＲは、ウェイクアップ信号、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧのいずれかが“Ｈ”レベルとなっている場合、図示しない絶縁通信ＩＣを動作状態にすることを指示する動作命令をインタフェース回路６０４に入力する。

一方、制御回路ＣＴＲは、ウェイクアップ信号、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧの全ての信号が“Ｌ”レベルになった場合、インタフェース回路６０４への動作命令の入力を停止する。

本実施形態では、制御回路ＣＴＲは、ウェイクアップ信号、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧのいずれかが“Ｈ”レベルとなっている場合、“Ｈ”レベルに切り換わった動作信号をインタフェース回路６０４に入力することにより、インタフェース回路６０４に対して動作命令を入力する。

一方、制御回路ＣＴＲは、ウェイクアップ信号、スタート信号ＳＴＡ及び外部充電器信号ＣＨＧの全ての信号が“Ｌ”レベルになった場合、“Ｌ”レベルに切り換わった動作信号をインタフェース回路６０４に入力することにより、インタフェース回路６０４への動作命令の入力を停止する。

次に、制御回路ＣＴＲがメモリ６０７に記録されているプログラムに従って動作することで実行される充電処理について詳述する。概略的には、制御回路ＣＴＲは、電圧検出部２１３、温度検出部２１４、電流検出回路６０２からの各計測値を受け、充電条件を判断し、充電電流や充電電圧を制御する。なお、以下の説明においては、説明の簡略化のため、組電池１１を構成する二次電池セルＣＬが二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３の３個であり、各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３の満充電時の電圧が２．８Ｖ（組電池１１〜１４で満充電時８．４Ｖ）である場合を例として動作説明を行う。

ここで、図４は充電処理にかかる機能構成を示すブロック図、図５は充電処理の流れを概略的に示すフローチャート、図６は充電時における組電池電圧、組電池電流及び二次電池セル電圧の変化を説明する図である。

図４に示すように、制御回路ＣＴＲは、メモリ６０７に記録されているプログラムに従って動作することで、定電圧充電手段８１、判定手段８２、定電流充電手段８３として機能する。

定電圧充電手段８１は、外部充電器から供給される電力により組電池１１〜１４を構成する全ての二次電池セルＣＬにおいて許容されている満充電電圧よりも所定電圧だけ低い電圧となるように、定電圧充電を行わせる。

判定手段８２は、組電池１１を構成している複数の二次電池セルＣＬの二次電池セルＣＬ毎または複数の二次電池セルＣＬの近傍の温度について、任意の目標温度に達したか否かを温度検出部２１４の検出に応じて判定する。

定電流充電手段８３は、判定手段８２によって任意の目標温度に達したと判定した場合、外部充電器から供給される電力により組電池１１〜１４に対して定電流充電を行わせる。

次に、制御回路ＣＴＲによる充電処理について図５のフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。まず、制御回路ＣＴＲは、外部充電器信号ＣＨＧが“Ｈ”レベルとなったことを検出して充電コネクタＣＮ０の充電端子ＴＣ３に図示しない外部充電器の充電プラグが装着されたことを検出する。

これにより、制御回路ＣＴＲ（定電圧充電手段８１）は、プリチャージスイッチＳＷＰをオンさせ、充電コネクタＣＮ０の充電端子ＴＣ１，ＴＣ２を介して供給される電力により組電池１１〜１４の初期充電として一定電圧値で充電を行う定電圧充電（ＣＶ充電）を開始する（ステップＳ１）。

なお、本実施形態においては、図６に示すように、制御回路ＣＴＲは、組電池１１〜１４の電圧が組電池１１〜１４を構成する全ての二次電池セルＣＬにおいて許容されている満充電電圧（最大電圧：例えば２．８Ｖ）の９０％（２．５２Ｖ）となるように、定電圧充電を行い、モジュール全体を加熱しつつ、最大電流値で充電をおこなう。このように組電池１１〜１４において許容されている満充電電圧の９０％（２．５２Ｖ）となるように定電圧充電を行うのは、満充電電圧で定電圧充電を行ってしまうと、個々の二次電池セルＣＬの特性によっては最大値以上の電圧がかかり劣化を招く虞があるためである。なお、満充電電圧は、用途（アプリケーション）ごとに設定される動作電圧範囲における最大電圧である。

なお、組電池１１〜１４において許容されている満充電電圧（最大電圧）よりも低い電圧の最低電圧（終止電圧）は、充電時の相対的な電流量とモジュール温度（充電終止温度）とに対応付けてテーブル化しておくことで決定することが可能である。ここで、図７は終止電圧テーブルの一例を示すグラフである。図７に示すように、充電時の相対的な電流量とモジュール温度（充電終止温度）とに対応付けて終止電圧が決定される。

図６に示すように、定電圧充電では基本的に充電電流は低下するが、組電池１１〜１４の発熱による内部抵抗値の低下と、充電による電圧上昇のバランスで、充電初期では充電電流の低下傾向は小さい。そして、図６に示すように、充電が進むと組電池１１〜１４の発熱により内部抵抗が低下し、結果として発熱量が減少するため、温度上昇速度は低下することになる。

このように組電池１１〜１４に対してまず定電圧充電を行うのは、低温の場合には二次電池セルＣＬの内部抵抗が高くなり、内部抵抗が高い領域が最も発熱しやすくなる為、この内部抵抗が高い領域でＣＶ充電を行って電池温度を上昇させれば内部抵抗値が低くなるためである。但し、過充電を防止するため、上述したように、満充電電圧よりも低い電圧（例えば、満充電電圧の９０％の電圧）を設定している。

次いで、制御回路ＣＴＲ（判定手段８２）は、定電圧充電を実行しつつ、組電池１１を構成している複数の二次電池セルＣＬの二次電池セルＣＬ毎または複数の二次電池セルＣＬの近傍の温度について、任意の目標温度に達したか否かを判定する（ステップＳ２）。例えば、任意の目標温度として、上昇温度△Ｔ=１８℃を予め設定しておく。

このように温度に上限値を設けるようにしたのは、組電池１１〜１４においては規定された最高使用温度を超えると劣化が加速するため、これを防止するためである。

次いで、制御回路ＣＴＲ（定電流充電手段８３）は、任意の目標温度に達したと判定すると（ステップＳ２のＹｅｓ）、最大電流値に比べて十分に低い一定の電流値で充電を行う定電流充電（ＣＣ充電）に移行する（ステップＳ３）。この結果、図６に示すように、組電池１１〜１４を構成している二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３の電圧（蓄電容量）は、徐々に増加することとなる。

このように任意の目標温度に達した場合に、定電圧充電（ＣＶ充電）から定電流充電（ＣＣ充電）に移行するようにしたのは、温度が極大値になった時（温度が下がってきた時）に、電流値が大きいと電圧ドロップが生じることになるからである。そこで、温度が一度上がると急激に温度が下がることはないので、本実施形態においては、任意の目標温度に達した場合に、定電流充電（ＣＣ充電）に移行して最大電流値に比べて十分に低い電流値にして内部抵抗のドロップ分を小さくするようにしたものである。

その後、制御回路ＣＴＲは、組電池監視回路２１の電圧検出部２１３により検出された各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３のそれぞれの電圧に基づいて、全二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３が満充電状態（本実施形態では、全二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３の電圧が満充電時電圧）となっているか否かを判別する（ステップＳ４）。

制御回路ＣＴＲは、全二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３が満充電状態（本実施形態では、各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３の電圧が２．８Ｖとなり、組電池１１の電圧が８．４Ｖとなった状態）ではないと判断すると（ステップＳ４のＮｏ）、最大電流値に比べて十分に低い電流値で定電流充電（ＣＣ充電）を継続する。

一方、制御回路ＣＴＲは、全二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３が満充電状態となっていると判断すると（ステップＳ４のＹｅｓ）、徐々に充電電流は低下し、やがて充電電流は流れなくなり、充電処理を終了する。

なお、定電圧充電（ＣＶ充電）から定電流充電（ＣＣ充電）に移行した際に、できるだけ温度が下がらないようにするために（温度を維持するために）、定電流充電においては、定電圧充電の際の電流値に比べて低い電流値を設定し、定電圧充電の際の電流値から当該設定した電流値へと少しずつ段階的に電流値を下げるようにしても良い。

ここで、表１は−１０℃の環境下における充電容量の改善効果を表したものである。

表１における標準充電は、−１０℃で１Ｃ充電（放電容量と同じ電流で１時間かけて充電）を行った場合の充電容量であり、これを基準充電容量（１００％）とし、本実施例および変形例の充電容量を比率で示す。

実施例１では、充電容量が１２５％に上昇した。また、変形例として、はじめの定電圧充電ステップでの電圧値を組電池１１〜１４が許容する最大電圧の９５％、９８％にした結果を、変形例１および変形例２に示す。それぞれの充電容量は、１３０％、１３３％であった。

上述した本実施例および変形例において、組電池を構成する全ての二次電池セルにおいて許容されている満充電電圧（最大電圧）以下で、安全性を損なうことなく、且つ、環境温度の影響を低減した充電が可能であることが確認された。

このように、第１の実施形態によれば、まず最初に、組電池を構成する全ての二次電池セルにおいて許容される満充電電圧（最大電圧）以下の定電圧充電を行うことで、特に低温時において内部抵抗値が高い領域で発熱させて温度を上昇させ、任意の目標温度に達した場合に、最大電流値に比べて十分に低い一定の電流値で充電を行う定電流充電に移行して満充電状態にすることで、効率的に組電池温度を上昇させることができ、且つ、安全に劣化を促進することなく充電ができるので、加熱用ヒータを具備する必要もなく、低温でも十分な充電状態が得られる。

［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態にかかる組電池モジュールを有する二次電池装置及び当該二次電池装置を備えた車両について説明する。なお、前述した第１の実施形態と同じ部分は同じ符号で示し説明も省略する。

ここで、図８は第２の実施形態にかかる充電処理にかかる機能構成を示すブロック図、図９は第２の実施形態にかかる充電処理の流れを概略的に示すフローチャート、図１０は充電時における組電池電圧、組電池電流及び二次電池セル電圧の変化を説明する図である。

図８に示すように、制御回路ＣＴＲは、メモリ６０７に記録されているプログラムに従って動作することで、定電流充電手段９１、判定手段９２、電流値変更手段９３として機能する。

定電流充電手段９１は、外部充電器から供給される電力により組電池１１〜１４に対して定電流充電を行わせる。

判定手段９２は、組電池監視回路２１の電圧検出部２１３により検出された各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３のそれぞれの電圧に基づいて、第１電圧Ｖ１（＝本実施形態では、満充電時電圧２．８Ｖ）に至った二次電池セルが存在するか否かを判別するとともに、温度検出部２１４の検出に応じて各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３または各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３の近傍の温度が極大値に到達したか否かを判定する。

電流値変更手段９３は、満充電電圧に至った二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３が存在するか、あるいは温度が極大値に到達していると判定手段９２によって判定した場合に、定電流充電手段９１による定電流充電の電流値を下げる。

次に、制御回路ＣＴＲによる充電処理について図９のフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。まず、制御回路ＣＴＲは、外部充電器信号ＣＨＧが“Ｈ”レベルとなったことを検出して充電コネクタＣＮ０に図示しない外部充電器の充電プラグが装着されたことを検出する。

これにより、制御回路ＣＴＲ（定電流充電手段９１）は、プリチャージスイッチＳＷＰをオンさせ、充電コネクタＣＮ０の充電端子ＴＣ１，ＴＣ２を介して供給される電力により組電池１１〜１４の初期充電として一定電流値で充電を行う定電流充電（ＣＣ充電）を開始する（ステップＳ１１）。なお、本実施形態においては、制御回路ＣＴＲは、まず、組電池１１〜１４を構成する全ての二次電池セルＣＬにおいて許容されている最大電流値で定電流充電を行い、モジュール全体を加熱する。

図１０に示すように、定電流充電では、最大電流値での充電が進むと組電池１１〜１４を構成する全ての二次電池セルＣＬが発熱することにより二次電池セルＣＬの温度が上昇する。

次いで、制御回路ＣＴＲ（判定手段９２）は、定電流充電を実行しつつ、組電池監視回路２１の電圧検出部２１３により検出された各二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３のそれぞれの電圧に基づいて、第１電圧Ｖ１（＝本実施形態では、満充電時電圧２．８Ｖ）に至った二次電池セルが存在するか否かを判別するとともに（ステップＳ１２）、温度が極大値に到達したか否かを判別する（ステップＳ１３）。

第１電圧Ｖ１に至った二次電池セルが存在せず（ステップＳ１２のＮｏ）、かつ、温度が極大値に到達していない場合には（ステップＳ１３のＮｏ）、制御回路ＣＴＲは、最大電流値での定電流充電（ＣＣ充電）を継続する。

一方、第１電圧Ｖ１に至った二次電池セルが存在する場合には（ステップＳ１２のＹｅｓ）、制御回路ＣＴＲ（電流値変更手段９３）は、最大電流値から電流値を下げて定電流充電（ＣＣ充電）を実行する（ステップＳ１４）。

また、発熱により二次電池セルＣＬの内部抵抗値が低下し、結果として発熱量が減少するために温度上昇速度は低下し、温度が極大値に到達している場合には（ステップＳ１３のＹｅｓ）、制御回路ＣＴＲは、最大電流値から電流値を下げて定電流充電（ＣＣ充電）を実行する（ステップＳ１４）。

なお、最大電流値から電流値を下げる際には、できるだけ温度が下がらないようにするために（温度を維持するために）、図１０に示すように、電流値を最大電流値から低い電流値に少しずつ段階的に下げるようにしても良い。

その後、全二次電池セルＣＬ１〜ＣＬ３が満充電状態となっていることから、徐々に充電電流は低下し、やがて充電電流は流れなくなるので、制御回路ＣＴＲは、充電処理を終了する。

このように、第２の実施形態によれば、まず最初に、組電池１１〜１４を構成する全ての二次電池セルＣＬにおいて許容されている最大電流値で定電流充電を行うことで、特に低温時において内部抵抗値が高い領域で発熱させて温度を上昇させ、温度が極大値に到達したり、満充電時電圧に至った二次電池セルが存在するようになった場合、電流値を下げて満充電状態にすることで、効率的に組電池温度を上昇させることができ、且つ、安全に劣化を促進することなく充電ができるので、加熱用ヒータを具備する必要もなく、低温でも十分な充電状態が得られる。

本実施形態の電源装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

さらに、本実施形態の電源装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の電源装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１〜１４ 組電池
８１ 定電圧充電手段
８２ 判定手段
８３ 定電流充電手段
９１ 定電流充電手段
９２ 判定手段
９３ 電流値変更手段
２１３ 電圧検出部
２１４ 温度検出部
ＣＬ 二次電池セル

Claims (10)

1. 直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、
   前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、
   外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電圧充電を行わせる定電圧充電手段と、
   前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が任意の目標温度に達したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記任意の目標温度に達したと判定した場合、前記外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記定電圧充電手段は、用途ごとに設定される動作電圧範囲における最大電圧であって前記複数の二次電池セルの全てにおける満充電電圧よりも低く、かつ、前記温度検出部で検出される温度下で所定の電流量が得られる電圧で定電圧充電を行う、
   ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記定電流充電手段は、前記定電圧充電手段による定電圧充電の際の電流値に比べて低い電流値で定電流充電を行う、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記定電流充電手段は、前記定電圧充電手段による定電圧充電の際の電流値に比べて低い電流値を設定し、前記定電圧充電の際の電流値から当該設定した電流値へと電流値を段階的に下げながら定電流充電を行う、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
5. 直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、
   前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、
   前記複数の二次電池セル毎の電圧を検出する電圧検出部と、
   外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、
   前記電圧検出部により検出された前記複数の二次電池セルのそれぞれの電圧に基づいて満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか否かを判別するとともに、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が極大値に到達したか否かを判定する判定手段と、
   前記満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか、あるいは温度が極大値に到達していると前記判定手段によって判定した場合に、前記定電流充電手段による定電流充電の電流値を下げる電流値変更手段と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
6. 前記電流値変更手段は、前記定電流充電手段による定電流充電の際の電流値を段階的に下げる、
   ことを特徴とする請求項５記載の電源装置。
7. 直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、を備えた電源装置において実行される充電方法であって、
   定電圧充電手段が、外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電圧充電を行わせるステップと、
   判定手段が、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が任意の目標温度に達したか否かを判定するステップと、
   定電流充電手段が、前記判定手段によって前記任意の目標温度に達したと判定した場合、前記外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせるステップと、
   を含むことを特徴とする充電方法。
8. 直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、前記複数の二次電池セル毎の電圧を検出する電圧検出部と、を備えた電源装置において実行される充電方法であって、
   定電流充電手段が、外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせるステップと、
   判定手段が、前記電圧検出部により検出された前記複数の二次電池セルのそれぞれの電圧に基づいて満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか否かを判別するとともに、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が極大値に到達したか否かを判定するステップと、
   電流値変更手段が、前記満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか、あるいは温度が極大値に到達していると前記判定手段によって判定した場合に、前記定電流充電手段による定電流充電の電流値を下げるステップと、
   を含むことを特徴とする充電方法。
9. 直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、を備えた電源装置を制御するコンピュータを、
   外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電圧充電を行わせる定電圧充電手段と、
   前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が任意の目標温度に達したか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記任意の目標温度に達したと判定した場合、前記外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、
   として機能させるためのプログラム。
10. 直列接続された複数の二次電池セルを有する組電池と、前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度を検出する温度検出部と、前記複数の二次電池セル毎の電圧を検出する電圧検出部と、を備えた電源装置を制御するコンピュータを、
    外部充電器から供給される電力により前記組電池に対して定電流充電を行わせる定電流充電手段と、
    前記電圧検出部により検出された前記複数の二次電池セルのそれぞれの電圧に基づいて満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか否かを判別するとともに、前記温度検出部の検出に応じて前記複数の二次電池セルまたは前記複数の二次電池セルの近傍の温度が極大値に到達したか否かを判定する判定手段と、
    前記満充電電圧に至った前記二次電池セルが存在するか、あるいは温度が極大値に到達していると前記判定手段によって判定した場合に、前記定電流充電手段による定電流充電の電流値を下げる電流値変更手段と、
    として機能させるためのプログラム。

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