JP5648581B2 - リチウムイオン電池を搭載した電動カート及び電動カート用リチウムイオン電池の充電方法 - Google Patents
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Description
図1に示すように、本実施の形態のゴルフカート(電動カート)1は、主に、複数のセルが接続されてなるリチウムイオン電池3と、制御部5と、電動モータ7と、駆動信号を出力するアクセルであるアクセルペダル9と、制動用機械ブレーキ装置11とから構成されている。リチウムイオン電池3には複数のセルの端子間電圧を個々に検出するセル電圧検出部4が備えられている。図1においては、セル電圧検出部4の検出線の一部を簡略化して示してある。また図1において、制御部5の入出力部については、複数の入出力部がある場合でも図示の簡略化のために代表して1つの入出力部だけを示してある。複数のセルの端子間電圧を個々に検出するセル電圧検出部4の演算部は制御部5内のマイクロコンピュータ17によって実現されている。セル電圧検出部4が検出する複数のセル電圧は、制御部5のセル電圧入力部51に入力される。またリチウムイオン電池3の一端と制御部5の充電端子部52と充放電端子部53との間には、切り替え回路を構成するリレー15が配置されている。またリチウムイオン電池3の他端と制御部5の入力端子部54との間には、放電電流を検出する電流検出器13が配置されている。電流検出器13の一対の出力部は、制御部5の電流入力部55に接続されている。
リチウムイオン電池3の充放電時の電流値は、電流検出部13で電圧値に変換されて制御部5に入力されている。一方、リチウムイオン電池の複数のセルの端子間電圧は、そのまま制御部5に入力されている。これらの電圧値は、制御部5内に内蔵されている図示しないA/D変換器を通して、デジタル信号に変換された後、マイクロコンピュータ17に入力されて演算処理に使用する。
運転者がアクセルペダル9を踏み込むと、速度指令がモータ制御部19に入力される。モータ制御部19は、速度指令に応じてインバータ動作を行って電動モータ7に対して駆動電流を出力する。アクセルペダル9が離されると、速度指令がゼロとなり、モータ制御部19は電動モータ7から回生される回生電流をリチウムイオン電池3へ回生するためのコンバータ動作を行う。リチウムイオン電池3から電動モータ7に直流電流が供給されて電動モータ7が回転すると、図示しないクラッチ、車軸を介して駆動力を走行用のタイヤに伝達し、ゴルフカート1が走行を開始する。
一般的なゴルフカートの運用パターンは、次の通りである。
図2を用いて、本実施の形態におけるゴルフカート1の制動制御を説明する。本実施の形態では、ゴルフカート1のアクセルペダル9が離されているか否かによって制限速度が切り換わるように設定されている(ステップST1)。アクセルペダル9を離すことによって速度指令が0になると、ゴルフカート1が停止するように制限速度が0[km/h]に設定され(ステップST2)、アクセルペダル9が踏み込まれている場合には走行時の制限速度が20[km/h]に設定される(ステップST3)。アクセルペダル9が離されたときには、当然にして速度指令は0[km/h]であり、ゴルフカート1が停止するまで回生状態は継続される。またアクセルペダル9が操作されている状態で、ゴルフカート1の速度が制限速度を超える場合は、典型的には、坂道を下っている場合である。したがってこのときには、ゴルフカートが走行中でも、回生状態が発生することになる。そこでいずれの場合であっても、実際の速度が制限速度(0[km/h]または20[km/h])を超えていると(ステップST4)、リチウムイオン電池3の各セルの電圧を測定し(ステップST5)、そのうち最大の電圧を示したセルの電圧を最大セル電圧Vb[V]として(ステップST6)、閾値電圧Vref[V](本実施の形態ではVref=4.15[V])と比較を行う(ステップST7)。最大セル電圧Vb[V]が、閾値電圧Vref[V]に達しない場合には、電動モータ7の最大電流以下(例えば、100[A])になるように電動モータ7を制御し、機械ブレーキをかけないで回生ブレーキだけで制動を行う(ステップST8)。最大セル電圧Vb[V]が閾値電圧Vref[V]を超えている場合には、リチウムイオン電池が過充電にならないようにするために回生電流を減少させる。本実施の形態では、最大セル電圧Vb[V]を充電上限電圧Vf[V]と比較し(ステップST9)、充電上限電圧Vf[V]に達しない場合には、回生電流が50[A]以下になるように、モータ制御部19のコンバータ機能が回生電流の回生を制御する。ただし、回生電流を減少させることで回生ブレーキを弱めることになるため、併せて、機械ブレーキを作動させ、制動のバランスをとるようにする(ステップST10)。最大セル電圧Vb[V]が充電上限電圧Vf[V]以上の場合には、回生電流がリチウムイオン電池3側に回生しないようにモータ制御部19のコンバータ機能が変換動作を停止する。その結果、機械ブレーキのみで制動を行う(ステップST11)。機械ブレーキを用いて制動を行う場合(ステップST10及びステップST11)には、ゴルフカート1が制限速度以下になるかを監視し(ステップST12)、制限速度以下にならない場合には、機械ブレーキの割合を増加させる(ステップST13)。その後、ゴルフカート1が停止するまで、ステップST1〜ステップST14を繰り返す(ステップST14)。本実施の形態では、5[ms]の間隔でステップST1〜ステップST14を繰り返している。ステップST14でゴルフカート1の停止が検出されると動作は終了する。アクセルペダル9が離されていない状態では、ステップST14で、ゴルフカート1が停止することはないため、アクセルペダル9が離されない限り、常にステップST1へ戻ることになる。
本実施の形態では、充電電圧を第1の充電電圧(V1=4.13[V/セル])としている。しかしながら、走行コースの起伏の程度や長さに応じて、より適切な充電電圧で充電することが望ましい場合がある。特に、ゴルフカートの場合、多くの場合、走行するコースは共通しており、回生電流の発生傾向は共通することが多く、前回走行した際のデータに基づいて外部電源による充電電圧を変更すれば、より適切な充電電圧でリチウムイオン電池を充電できる。そこで、本実施の形態では、ゴルフカート1の走行時のリチウムイオン電池3のセルの端子間電圧を記憶する電圧記憶部33と、ゴルフカート1の走行時間と機械ブレーキの動作時間とを記憶する時間記憶部35を備えた記憶部31を備えており、記憶された情報に基づいて商用電源27で充電を開始する前に制御部5が充電器25の充電電圧を設定している。
Tm=(回生電流0[A]のときの機械ブレーキ動作時間×1.0)+(回生電流50[A]のときの機械ブレーキ動作時間×0.5)
で求まる(なお、回生電流100[A]のときは、機械ブレーキが作動していないので、算入していない。)。このようにして求まった動作時間Tm[s]がゴルフカート1の走行時間T[s]に対して所定の割合を超えている場合には(ステップST25)、第1の充電電圧よりも低い第3の充電電圧V3[V]に設定変更する(ステップST26)例えば、4.13[V]から0.02[V]を減じた4.11[V]を第3の充電電圧とする。機械ブレーキが作動している割合が増えているため、このようにすることで、回生ブレーキで制動を行う割合を増やすことができる。動作時間Tm[s]がゴルフカート1の走行時間T[s]に対して所定の割合を超えていない場合には、第1の充電電圧V1[V]が適切な値であったとして、改めて第1の充電電圧V1[V]を用いて充電を行う。充電電圧の判定は充電の度に行ってもよいし、希望する場合にのみ実行できるようにしておいてもよいのはもちろんである。
3 リチウムイオン電池
5 制御部
7 電動モータ
9 アクセルペダル
11 制動用機械ブレーキ装置
13 電流検出器
15 リレー
17 マイクロコンピュータ
19 モータ制御部
21 制動制御部
23 車速センサ
25 充電器
27 商用電源
29 操作パネル
31 記憶部
33 電圧記憶部
35 時間記憶部
Claims (10)
- 複数のセルが接続されてなるリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の前記セルの端子間電圧を個々に検出するセル電圧検出部と、
前記リチウムイオン電池を電源とする電動モータと、
前記電動モータを駆動する駆動信号を出力するアクセルと、
前記駆動信号を入力として前記電動モータにモータ電流を供給し且つ前記電動モータの回生時に回生電流を前記リチウムイオン電池に流すモータ制御部と、
ブレーキ指令に基づいて動作状態となる制動用機械ブレーキ装置と、
前記回生電流を制御することにより得る回生ブレーキと前記ブレーキ指令を発生して前記制動用機械ブレーキ装置を動作状態にすることによる機械ブレーキとを併用する制動制御部とを備え、
前記モータ制御部が、前記アクセルから前記駆動信号が出力されていないときに前記回生電流を前記リチウムイオン電池に流すように構成されている電動カートであって、
前記制動制御部は、前記回生電流により充電される前記リチウムイオン電池の前記セルの端子間電圧が充電上限電圧よりも低い閾値電圧まで上昇したことを検知すると、前記回生電流を減少させて前記回生ブレーキを弱めるとともに前記ブレーキ指令を出力して前記機械ブレーキを併用し、
前記電動カートは、更に、前記リチウムイオン電池を外部電源により充電するための充電器と、前記電動カートの走行時の前記リチウムイオン電池の前記セルの端子間電圧を記憶する電圧記憶部とを備えており、
前記充電器は、充電電圧を設定する充電電圧設定部を備えており、前記充電電圧を前記閾値電圧よりも低い第1の充電電圧に設定してあり、前記電圧記憶部に記憶された前記電動カートの走行時の前記リチウムイオン電池の前記セルの端子間電圧のピーク電圧が前記充電上限電圧よりも低い場合には、前記充電電圧を、前記充電上限電圧よりも低く、且つ、前記第1の充電電圧よりも高い第2の充電電圧に設定変更することを特徴とする電動カート。 - 前記制動制御部は、前記セルの端子間電圧が前記閾値電圧まで上昇したことを検知すると、前記回生電流を1/2に減少させるように前記回生電流を制御することを特徴とする請求項1に記載の電動カート。
- 前記制動制御部は、前記リチウムイオン電池が前記閾値電圧まで充電されたことを検知すると、前記回生電流を減少させる割合に比例して前記ブレーキ指令を増大させることを特徴とする請求項1に記載の電動カート。
- 前記制動制御部は、前記リチウムイオン電池の前記セルが前記回生電流により前記充電上限電圧まで充電されたことを検知すると、前記回生電流が0になるように制御を行い、前記機械ブレーキのみで制動を行うように制御を行うことを特徴とする請求項1乃至3に記載のいずれか1項に記載の電動カート。
- 前記電動カートは、更に、前記電動カートの走行時間と、前記機械ブレーキの動作時間とを記憶する時間記憶部を備えており、
前記充電器は、前記電動カートの走行時間に対する前記機械ブレーキの動作時間が所定の割合を超える場合には、前記充電電圧を、前記第1の充電電圧よりも低い第3の充電電圧に設定変更することを特徴とする請求項1に記載の電動カート。 - 前記機械ブレーキの動作時間には、前記機械ブレーキが動作した時の回生電流の値に応じた重み付けがされていることを特徴とする請求項5に記載の電動カート。
- 請求項1に記載の電動カートに搭載したリチウムイオン電池を外部電源によって充電する方法であって、
前記充電電圧を前記閾値電圧よりも低い第1の充電電圧に設定し、前記リチウムイオン電池の充電を行うことを特徴とする電動カート用リチウムイオン電池の充電方法。 - 前記電圧記憶部に記憶された前記電動カートの走行時の前記リチウムイオン電池の端子間電圧のピーク電圧が前記充電上限電圧よりも低い場合には、前記充電電圧を、前記充電上限電圧よりも低く、且つ、前記第1の充電電圧よりも高い第2の充電電圧に設定変更し、前記リチウムイオン電池の充電を行うことを特徴とする請求項7に記載の電動カート用リチウムイオン電池の充電方法。
- 前記電動カートには、更に、前記電動カートの走行時間と、前記機械ブレーキの動作時間とを記憶する時間記憶部が備えられており、
前記電動カートの走行時間に対する前記機械ブレーキの動作時間が所定の割合を超える場合には、前記充電電圧を、前記第1の充電電圧よりも低い第3の充電電圧に設定変更し、前記リチウムイオン電池の充電を行うことを特徴とする請求項7に記載の電動カート用リチウムイオン電池の充電方法。 - 前記機械ブレーキの動作時間には、前記機械ブレーキが動作した時の回生電流の値に応じた重み付けがされていることを特徴とする請求項9に記載の電動カート用リチウムイオン電池の充電方法。
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