JP7467185B2

JP7467185B2 - 充電装置

Info

Publication number: JP7467185B2
Application number: JP2020050279A
Authority: JP
Inventors: 典行阿部; 喜夫小島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2024-04-15
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: US20210296924A1; CN113492683B; CN113492683A; DE102021106612A1; JP2021151131A

Description

本発明は、太陽電池が発電した電力により蓄電器に充電する充電装置に関する。

近年、太陽電池が発電した電力により蓄電器を充電する太陽電池充電システムが種々提案されている。例えば、特許文献１には、走行用電動機に電力を供給する主バッテリと、太陽電池と、太陽電池が発電した電力を昇圧する昇圧コンバータとを備え、太陽電池が発電した電力を昇圧コンバータによって昇圧することで主バッテリを充電するようにした技術が記載されている。

特開２０１４－２１７１６７号公報

太陽電池の出力電圧が、バッテリの出力電圧よりも低い場合がある。このような場合、特許文献１のように、太陽電池が発電した電力によりバッテリを充電するためには昇圧が必要となる。しかしながら、この昇圧時の昇圧比を大きくすると、昇圧時の電力損失が増大する。その一方、バッテリの出力電圧を低くすると、太陽電池が発電した電力によりバッテリを充電する際の昇圧比を小さくでき、昇圧時の電力損失を低減できる。しかしながら、バッテリの出力電圧を低くすると、必要な電力をバッテリから出力させることが難しくなる。これらのことから、従来技術にあっては、バッテリからの電力の出力を確保しつつ、太陽電池が発電した電力によりバッテリを効率よく充電する点について、改善の余地があった。

本発明は、バッテリからの電力の出力を確保しつつ、太陽電池が発電した電力によりバッテリを効率よく充電することが可能な充電装置を提供する。

本発明は、
複数のセルが直列に接続されたバッテリを搭載する車両において該バッテリを充電する充電装置であって、
前記複数のセルは、少なくとも一つのセルを含む複数のセルユニットを構成し、
前記充電装置は、
太陽電池と、
前記太陽電池が発電した電力を前記複数のセルユニットにおける各セルユニットに対し選択的に供給可能な充電回路と、
制御部と、
を備え、
前記充電回路は、前記複数のセルユニットと同数の電力調整部を有し、
前記同数の電力調整部の各々は、前記太陽電池と前記各セルユニットとの間に設けられ、前記太陽電池が発電する電力が最大となるように調整した電力を前記各セルユニットに供給し、
前記制御部は、前記各セルユニット同士の電圧が等しくなるように、前記各セルユニットに対応する前記電力調整部を制御する。

本発明の充電装置によれば、バッテリからの電力の出力を確保しつつ、太陽電池が発電した電力によりバッテリを効率よく充電することができる。

本発明の第1実施形態の充電装置を示すブロック図である。単セルのセルユニットで構成されるバッテリを示すブロック図である。本発明の第２実施形態の充電装置を示すブロック図である。

以下、本発明の充電装置の各実施形態を、添付図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態の充電装置について図１及び図２を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、第１実施形態の充電装置１は、太陽電池２と、副電力回路３（充電回路の一例）と、制御部４と、を備える。充電装置１は、太陽電池２が発電した電力を後述のバッテリ１０１に充電する装置である。充電装置１は、例えば、太陽電池２をルーフやボンネット等に設けたＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）等の車両に搭載される。

バッテリ１０１は、主電力回路１００に接続され、主電力回路１００に設けられた車両の駆動用モータ１０３（電動機の一例）を駆動するためのバッテリである。バッテリ１０１は、複数のバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１～Ｎ）が電気的に直列に接続されるように隣り合うバッテリセルユニットの端子同士が接続されて構成される。第１実施形態において、各バッテリセルユニットＣＵｎは、単一のバッテリセルＣＥで構成されている（図２参照）。バッテリ１０１は、例えば、複数のバッテリセル（バッテリセルユニット）と複数の絶縁プレートを交互に積層したセル積層体として構成されている。バッテリ１０１は、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の数［Ｖ］程度の出力電圧を有する各種バッテリセルが百～数百個程度接続されてなる出力電圧が数百［Ｖ］程度の高出力バッテリである。本実施形態のバッテリ１０１は、３［Ｖ］程度のバッテリセル（バッテリセルユニット）が１００個程度接続されて、出力電圧が３００［Ｖ］程度となるように構成されている。各バッテリセルユニットＣＵｎの出力電圧（充電電圧）は、図示を省略するバッテリセンサにより検出されて制御部４に送られる。

太陽電池２は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する。太陽電池２は、太陽光を受光して発電する太陽電池セルを備え、例えば、パネル状に形成されている。太陽電池セルは、フォトダイオード等で構成されている。太陽電池セルは、必要な電圧を得るために複数の太陽電池セルが直列に接続されて太陽電池セルストリングを構成する。さらに、太陽電池セルは、必要な出力を得るために複数の太陽電池セルストリングが直列又は並列に接続されて太陽電池セルアレイとして構成されてもよい。太陽電池２は、複数設けられており、各太陽電池２が互いに並列に接続されている。本実施形態では、２０個程度の太陽電池２が設けられており、各太陽電池２の出力電圧は２４［Ｖ］程度である。

副電力回路３は、太陽電池２とバッテリ１０１との間に設けられている。副電力回路３は、太陽電池２が発電した電力をバッテリ１０１に充電するための充電回路である。副電力回路３は、バッテリ１０１を構成する複数のバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１～Ｎ）の各バッテリセルユニットＣＵｎに対して、太陽電池２の電力を選択的に供給することができるように構成されている。副電力回路３は、電圧センサ３１と、電流センサ３２と、電力調整部ＷＡｎ（ｎ＝１～Ｎ）と、を有する。

電圧センサ３１は、太陽電池２から電力調整部ＷＡｎに出力される電圧Ｖを検出する。検出された電圧Ｖの電圧情報は、制御部４に送られる。電流センサ３２は、太陽電池２から電力調整部ＷＡｎに流れる電流Ａを検出する。検出された電流Ａの電流情報は、制御部４に送られる。

電力調整部ＷＡｎは、太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵｎの充電状態に応じて調整し、調整された電力をバッテリセルユニットＣＵｎに供給する。電力調整部ＷＡｎは、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）付きのＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。

電力調整部ＷＡｎ（ｎ＝１～Ｎ）は、バッテリ１０１を構成するバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１～Ｎ）の各々に設けられている。電力調整部ＷＡｎは、バッテリセルユニットＣＵｎと同じ数設けられ、各電力調整部ＷＡｎの出力端子が各バッテリセルユニットＣＵｎの両端部にそれぞれ接続されている。すなわち、電力調整部ＷＡ１はバッテリセルユニットＣＵ１に接続されており、電力調整部ＷＡ２はバッテリセルユニットＣＵ２に接続されており、電力調整部ＷＡｎはバッテリセルユニットＣＵｎに接続されている。電力調整部ＷＡ１は太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵ１に供給し、電力調整部ＷＡ２は太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵ２に供給し、電力調整部ＷＡｎは太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵｎに供給する。各電力調整部と各バッテリセルユニットとの組み、例えば、電力調整部ＷＡ１とバッテリセルユニットＣＵ１の組み、電力調整部ＷＡ２とバッテリセルユニットＣＵ２との組み、および電力調整部ＷＡｎとバッテリセルユニットＣＵｎとの組みは、互いに独立した構成となっている。これにより、各電力調整部ＷＡｎ同士は、互いに絶縁された状態で設けられている。

電力調整部ＷＡｎは、ＭＰＰＴ機能により、太陽電池２の出力電力を最大化させるように電力調整部ＷＡｎの電圧を制御する。すなわち、電力調整部ＷＡｎは、バッテリセルユニットＣＵｎに出力する電力が最適動作点に追従するように、太陽電池２から出力された電力を調整する。

また、電力調整部ＷＡｎは、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電圧バランス機能により、太陽電池２から出力される電圧をバッテリセルユニットＣＵｎ側で必要とする所定の電圧に調整する。本実施形態において、電力調整部ＷＡｎは、太陽電池２から出力される電圧を３［Ｖ］程度に降圧する。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング素子及びダイオードなどにより構成されている。

制御部４は、電力調整部ＷＡｎの動作を制御する。制御部４には、バッテリ１０１を構成する各バッテリセルユニットＣＵｎのバッテリセンサや、各電力調整部ＷＡｎなどが電気的に接続されている。制御部４は、各バッテリセルユニットＣＵｎのバッテリセンサで検出される各バッテリセルユニットＣＵｎの出力電圧（充電電圧）に基づいて、各バッテリセルユニット同士の電圧が等しくなるように、各バッテリセルユニットＣＵｎに対応する電力調整部ＷＡｎを制御する。例えば、制御部４は、全バッテリセルユニットＣＵｎの平均充電量を算出し、算出された平均充電量よりも少ない充電量のバッテリセルユニットＣＵｎを検出する。制御部４は、検出された充電量の少ないバッテリセルユニットＣＵｎに太陽電池２の電力を優先して供給するように、そのバッテリセルユニットＣＵｎに対応する電力調整部ＷＡｎを選択的に制御する。

主電力回路１００は、バッテリ１０１に接続され、電力変換部１０２と、駆動用モータ１０３と、を備える。バッテリ１０１の構成及び機能は上述した通りである。電力変換部１０２は、バッテリ１０１から出力された直流電流を交流電流（例えば３相電流）に変換して駆動用モータ１０３へ供給する。駆動用モータ１０３は、車両を駆動するための駆動源として機能するモータである。

このようにバッテリ１０１は、単一のバッテリセルＣＥからなる複数のバッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１～Ｎ）を直列に接続して構成される。この構成によれば、バッテリ１０１の高出力を確保することができる。そして、太陽電池２と各バッテリセルユニットＣＵｎとの間に、各バッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１～Ｎ）に対応する電力調整部ＷＡｎ（ｎ＝１～Ｎ）をそれぞれ設けた。この構成によれば、太陽電池２が発電した電力によりバッテリ１０１を充電する際に、バッテリセルユニットＣＵｎ単位で充電できるので、バッテリ１０１を充電する際に必要となる充電電圧を低減できる。このため、太陽電池２の出力電圧を低くしても、太陽電池２の出力電圧を大きく昇圧することなく、バッテリ１０１を充電できる。すなわち、太陽電池２が発電した電力によりバッテリ１０１を充電する際の電力損失を抑制でき、太陽電池２が発電した電力によりバッテリ１０１を効率よく充電することを可能とする。

また、各電力調整部ＷＡｎが、太陽電池２の出力電圧を各バッテリセルユニットＣＵｎで必要とする電圧に制御し、太陽電池２の電力を各バッテリセルユニットＣＵｎに対し選択的に供給することができる。したがって、太陽電池２が発電した電力をバッテリ１０１に効率よく充電することができる。

また、電力調整部ＷＡｎのＭＰＰＴ機能により、太陽電池２が発電する電力を最大となるように制御することができるので、太陽電池２によって発電される電力量を増加させることができる。

また、各電力調整部ＷＡｎと各バッテリセルユニットＣＵｎとが各々一組となって互いに独立するように、バッテリセルユニットＣＵｎと同数の電力調整部ＷＡｎが設けられている。これにより、各電力調整部ＷＡｎ同士は、互いに絶縁した状態となるように構成される。このため、何らかの要因でいずれかの電力調整部ＷＡｎの機能に障害が発生し、バッテリ１０１から太陽電池２への電力の逆流が発生しても、障害が発生した電力調整部ＷＡｎに接続されるバッテリセルユニットＣＵｎ分の電圧しか太陽電池２にかからないようにできる。本実施形態では、各バッテリセルユニットＣＵｎの出力電圧は低電圧（例えば３［Ｖ］程度）であるので、太陽電池２にはこの３［Ｖ］程度の電圧のみがかかるように抑制できる。

また、制御部４は、各バッテリセルユニットＣＵｎ同士の出力電圧（充電電圧）が略等しくなるように、各バッテリセルユニットＣＵｎに対応する電力調整部ＷＡｎを制御することができる。このため、各バッテリセルユニットＣＵｎの充電電圧がばらつくことによるバッテリ１０１の出力低下を抑制することができる。

また、バッテリ１０１は、該バッテリ１０１の電力を、車両を駆動する駆動用モータ１０３および該駆動用モータ１０３に電力を供給する電力変換部１０２を備える主電力回路１００に接続されているので、バッテリ１０１の電力により車両の駆動用モータ１０３を駆動することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態の充電装置１Ａについて図１及び図３を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態の充電装置１と同一の構成要素については同一の符号を付して説明を省略又は簡略化する。第１実施形態の充電装置１では、バッテリ１０１を構成する各バッテリセルユニットＣＵｎが単一のバッテリセルＣＥで形成されているのに対し、第２実施形態の充電装置１Ａでは、バッテリ１０１Ａを構成する各バッテリセルユニットＣＵＡｍ（ｍ＝１～Ｍ）が複数のバッテリセルＣＥを積層して一体化したバッテリモジュールとして形成されている。

図３に示すように、電力調整部ＷＡＡｍ（ｍ＝１～Ｍ）は、バッテリ１０１Ａを構成するバッテリセルユニットＣＵＡｍ（ｍ＝１～Ｍ）の各々に設けられている。電力調整部ＷＡＡｍは、バッテリセルユニットＣＵＡｍと同じ数設けられ、各電力調整部ＷＡＡｍの出力端子が各バッテリセルユニットＣＵｎの両端部にそれぞれ接続されている。すなわち、電力調整部ＷＡＡ１はバッテリセルユニットＣＵＡ１に接続されており、電力調整部ＷＡＡ２はバッテリセルユニットＣＵＡ２に接続されており、電力調整部ＷＡＡｍはバッテリセルユニットＣＵＡｍに接続されている。各電力調整部と各バッテリセルユニットとの組み、例えば、電力調整部ＷＡＡ１とバッテリセルユニットＣＵＡ１の組み、電力調整部ＷＡＡ２とバッテリセルユニットＣＵＡ２との組み、および電力調整部ＷＡＡｍとバッテリセルユニットＣＵＡｍとの組みは、互いに独立した構成となっている。これにより、各電力調整部ＷＡＡｍ同士は、互いに絶縁された状態で設けられている。各電力調整部ＷＡＡｍは、太陽電池２で発電された電力をバッテリセルユニットＣＵＡｍの充電状態に応じて調整し、調整された電力を対応する各バッテリセルユニットＣＵＡｍに供給する。

このような充電装置１Ａによれば、各バッテリセルユニットＣＵＡｍは、複数のバッテリセルＣＥが積層されたバッテリモジュールとして構成されているので、太陽電池２が発電した電力をバッテリモジュール単位で充電することができる。

なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、前述した実施形態では、バッテリ１０１（１０１Ａ）を構成する各バッテリセルユニットＣＵｎ（ＣＵＡｍ）に対して、１つの電力調整部ＷＡｎ（ＷＡＡｍ）を設けているが、２以上のｎ（ｍ）個（ただし、ｎ＜Ｎ（ｍ＜Ｍ）。ここで、Ｎ（Ｍ）はバッテリ１０１（１０１Ａ）を構成する全セルユニットの数）のバッテリセルユニットに対して、１つの電力調整部を設けるようにしてもよい

本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１）複数のセル（バッテリセルＣＥ）が直列に接続されたバッテリ（バッテリ１０１）を搭載する車両において該バッテリを充電する充電装置（充電装置１）であって、
前記複数のセルは、少なくとも一つのセルを含む複数のセルユニット（バッテリセルユニットＣＵｎ（ｎ＝１～Ｎ））を構成し、
前記充電装置は、
太陽電池（太陽電池２）と、
前記太陽電池が発電した電力を前記複数のセルユニットにおける各セルユニットに対し選択的に供給可能な充電回路（副電力回路３）と、
を備え、
前記充電回路には、
前記太陽電池と前記各セルユニットとの間に、前記太陽電池が発電した電力を調整し、前記調整された電力を前記各セルユニットに供給する電力調整部（電力調整部ＷＡｎ（ｎ＝１～Ｎ））が設けられる、充電装置。

（１）によれば、太陽電池が発電した電力を各セルユニットに供給可能な充電回路において、太陽電池と各セルユニットとの間に、太陽電池が発電した電力を調整して調整された電力を各セルユニットに供給する電力調整部が設けられる。これにより、複数のセルが直列に接続されたバッテリの出力を確保しつつ、太陽電池が発電した電力によりバッテリを充電する際に必要となる充電電圧を低減でき、太陽電池が発電した電力によりバッテリを効率よく充電することを可能にする。

（２）（１）に記載の充電装置であって、
前記各セルユニット同士の電圧が等しくなるように、前記各セルユニットに対応する前記電力調整部を制御する制御部（制御部４）をさらに備える、充電装置。

（２）によれば、各セルユニット同士の電圧が等しくなるように、各セルユニットに対応する電力調整部を制御する制御部を備えるので、各セルユニットの電圧がばらつくことによるバッテリの出力低下を抑制できる。

（３）（１）又は（２）に記載の充電装置であって、
前記電力調整部は、前記太陽電池が発電する電力が最大となるように制御する、充電装置。

（３）によれば、電力調整部が、太陽電池が発電する電力が最大となるように制御するので、太陽電池が発電する電力を増加させることができる。

（４）（１）～（３）のいずれかに記載の充電装置であって、
前記各セルユニットは、前記複数のセルが積層されたバッテリモジュールである、充電装置。

（４）によれば、各セルユニットが、複数のセルが積層されたバッテリモジュールであるので、バッテリモジュール単位で充電できる。

（５）（１）～（４）のいずれかに記載の充電装置であって、
前記バッテリは、該バッテリの電力を、前記車両を駆動する電動機（駆動用モータ１０３）に供給するための主電力回路（主電力回路１００）に接続される、充電装置。

（５）によれば、バッテリが、該バッテリの電力を、車両を駆動する電動機に供給するための主電力回路に接続されるので、バッテリの電力により電動機を駆動できる。

１，１Ａ充電装置
２太陽電池
３副電力回路（充電回路）
４制御部
１００主電力回路
１０１，１０１Ａバッテリ
１０３駆動用モータ（電動機）
ＣＥバッテリセル
ＣＵｎ，ＣＵＡｍバッテリセルユニット
ＷＡｎ，ＷＡＡｍ電力調整部

Claims

複数のセルが直列に接続されたバッテリを搭載する車両において該バッテリを充電する充電装置であって、
前記複数のセルは、少なくとも一つのセルを含む複数のセルユニットを構成し、
前記充電装置は、
太陽電池と、
前記太陽電池が発電した電力を前記複数のセルユニットにおける各セルユニットに対し選択的に供給可能な充電回路と、
制御部と、
を備え、
前記充電回路は、前記複数のセルユニットと同数の電力調整部を有し、
前記同数の電力調整部の各々は、前記太陽電池と前記各セルユニットとの間に設けられ、前記太陽電池が発電する電力が最大となるように調整した電力を前記各セルユニットに供給し、
前記制御部は、前記各セルユニット同士の電圧が等しくなるように、前記各セルユニットに対応する前記電力調整部を制御する、充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記各セルユニットは、複数の前記セルが積層されたバッテリモジュールである、充電装置。
請求項１又は２に記載の充電装置であって、
前記バッテリは、該バッテリの電力を、前記車両を駆動する電動機に供給するための主電力回路に接続される、充電装置。