特許 7567981 充電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】充電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20160101AFI20241008BHJP

【ＦＩ】

H02J7/02 H

H02J7/02 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023080859

(22)【出願日】2023-05-16

【審査請求日】2023-05-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大沢 宗之

(72)【発明者】

【氏名】天間 勇樹

【審査官】杉田 恵一

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－０３０６６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９３０９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０７８９３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のバッテリーを接続可能な分電盤と、
前記分電盤に接続された充電器と、
前記分電盤内の回路を切り換え制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記分電盤に接続された前記複数のバッテリーから充電すべき２つ以上のバッテリーを優先順位に基づいて選択して直列に接続し、さらに前記充電器を接続して直列充電回路を形成するように、前記分電盤内の回路を切り換え制御する、
充電装置。

【請求項2】

前記充電器は定電力充電器と定電圧充電器を含み、
前記制御部は、前記選択された２つ以上のバッテリーのうち前記定電力充電器により所定の電圧まで充電されたバッテリーを前記直列充電回路から切り離して前記定電圧充電器に接続するように、前記分電盤内の回路を切り換え制御する、
請求項１に記載の充電装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記選択された２つ以上のバッテリー以外のバッテリーから選択されたバッテリーを、前記定電圧充電器に接続されたバッテリーではない残りのバッテリーと接続して新たに直列充電回路を形成する、
請求項２に記載の充電装置。

【請求項4】

前記制御部は、あらかじめ定められた基準に基づいて充電すべきバッテリーを選択して前記直列充電回路を形成する、
請求項１乃至３のいずれかに記載の充電装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記複数のバッテリーの電圧、電流、温度又は異常に関する情報を取得し、
前記取得した情報に基づいてバッテリーを選択して前記直列充電回路を形成する、
請求項１乃至３のいずれかに記載の充電装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記複数のバッテリーの電圧、電流、温度又は異常に関する情報を取得し、
前記取得した情報に基づいてバッテリーを選択して前記直列充電回路を形成する、
請求項４に記載の充電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複数のバッテリーに同時に充電を行う充電装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

複数のバッテリーを充電するには、図８に示すように、商用電源１１に接続された複数の充電器１２を用意してそれぞれにバッテリー１０を接続して充電する方法が考えられる。また、図９に示すように、分電盤１４に定電力充電器１３及び複数のバッテリー１０を接続し、分電盤１４内の回路を切り換えることにより定電力充電器１３とバッテリー１０を１対１で順次接続して充電する方法が考えられる（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２２－０７８９３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、図８の方法では、複数の充電器を用意するために費用がかかり、設備が大がかりになるという問題がある。また、図９の方法では、同時に一つのバッテリーしか充電できず、充電すべきバッテリーの数が多いと全てのバッテリーの充電が完了するまでに多大な時間がかかるという問題がある。また、両者とも、充電器の能力に対してバッテリーの充電能力が小さいと、充電器の能力を十分に生かせず効率が悪くなる。

【0005】

本開示の目的は、大掛かりな設備を必要とせずに複数のバッテリーを短時間で効率的に充電することが可能な充電装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するため、本開示に係る充電装置は、複数のバッテリーを接続可能な分電盤と、前記分電盤に接続された充電器と、前記分電盤内の回路を切り換え制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記分電盤に接続された前記複数のバッテリーから充電すべき２つ以上のバッテリーを優先順位に基づいて選択して直列に接続し、さらに前記充電器を接続して直列充電回路を形成するように、前記分電盤内の回路を切り換え制御する。

【0007】

また、本開示の充電装置は、前記充電器は定電力充電器と定電圧充電器を含み、前記制御部は、前記選択された２つ以上のバッテリーのうち前記定電力充電器により所定の電圧まで充電されたバッテリーを前記直列充電回路から切り離して前記定電圧充電器に接続するように、前記分電盤内の回路を切り換え制御する。

【0008】

また、本開示の充電装置は、前記制御部は、前記選択された２つ以上のバッテリー以外のバッテリーから選択されたバッテリーを、前記定電圧充電器に接続されたバッテリーではない残りのバッテリーと接続して新たに直列充電回路を形成する。

【0009】

また、本開示の充電装置は、前記制御部は、あらかじめ定められた基準に基づいて充電すべきバッテリーを選択して前記直列充電回路を形成する。

【0010】

また、本開示の充電装置は、前記制御部は、前記複数のバッテリーの電圧、電流、温度又は異常に関する情報を取得し、前記取得した情報に基づいてバッテリーを選択して前記直列充電回路を形成する。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、充電器の能力に応じて複数のバッテリーを選択して同時に充電するので、充電器の能力を十分に発揮して充電でき、かつ大掛かりな設備を必要とせずに複数のバッテリーを低コスト、短時間で効率的に充電できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の実施の形態に係る充電装置の概略を示す説明図である。

【図2】本開示の実施の形態に係る充電装置の概略を示す説明図である。

【図3】本開示の実施の形態係る分電盤の内部の回路構成を示す説明図である。

【図4】本開示の実施の形態に係る分電盤の内部の回路構成を示す説明図である。

【図5】本開示の実施の形態に係る分電盤の内部の回路構成を示す説明図である。

【図6】本開示の実施の形態に係る充電装置のブロック図である。

【図7】本開示の実施の形態に係る充電のフローチャートである。

【図8】従来の充電装置を示す説明図である。

【図9】従来の充電装置を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面に基づいて本開示の一例である実施の形態を説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る充電装置にＮ個のバッテリー（ＢＡＴ１～ＢＡＴＮ）を接続し、そのうち３個のバッテリー（ＢＡＴ１～ＢＡＴ３）に定電力充電器２により充電している状態を表している。定電力充電器２は、バッテリーの電圧に応じて出力電流を調整し、所定の電力で充電可能な充電器である。定電力充電器２の最大出力は、例えば５０ｋＷ、各バッテリーの充電電圧は、例えばそれぞれ４００Ｖである。分電盤１の所定のコネクターに定電力充電器２及び定電圧充電器３並びに充電・放電制御システム５が接続されている。また、分電盤１のバッテリー用コネクターにはＮ個のバッテリー（ＢＡＴ１～ＢＡＴＮ）が接続されている。ここで、バッテリーは強電コネクター８及び弱電コネクター９を備えており、強電コネクター８は分電盤１側の強電コネクター６を介して各充電器に接続され、バッテリーの充電に利用される。また、弱電コネクター９は分電盤１側の弱電コネクター７を介して充電・放電制御システム５に接続されており、バッテリーの状態を監視するために利用される。それぞれのバッテリーの状態（電圧、電流、温度、異常等）の情報が常に充電・放電制御システム５に送られる。分電盤１のバッテリー用コネクターは、前記強電コネクター６と前記弱電コネクター７の２種類のコネクターを１組として適宜の組数が用意されている。分電盤１内の回路は後述するように、定電力充電器２と、分電盤１に接続されたバッテリー１０のうち任意に選択されたバッテリー１０とを直列に接続して充電するように、切り替え可能な構成となっている。

【0014】

充電・放電制御システム５は入力装置及び出力装置からなる入出力装置を備える。入力装置は、作業者が充電に必要な情報を入力する装置であり、具体的にはスイッチ、キーボード、タッチパネル等の適宜の装置から構成される。作業者は、入力装置を用いて複数のバッテリーに対する充電の順序、バッテリーの使用予定時期等、いずれのバッテリーから充電するかを判断するのに必要な情報等を入力する。出力装置は、充電が終了したことや各バッテリーに関する情報等を出力するものであり、ディスプレイ、プリンター、報知ランプ、スピーカー等の適宜の装置から構成される。

【0015】

図１に示すように、充電前の状態として、例えばバッテリー１は３１０Ｖ、バッテリー２は３５０Ｖ、バッテリー３は３４０Ｖ、バッテリー４は３１０Ｖであったとする。Ｎ個のバッテリーのうちいずれのバッテリーから充電するかは、いつまでに何個のバッテリーが必要か、どのバッテリーが必要かといった様々な条件により決定されるが、例えば、比較的電圧の高いバッテリー１～３を選択して直列に接続して直列充電回路を形成する。充電する際にはすべてのバッテリーに同一の電流が流れるので、充電電流を４０Ａとすると、バッテリー１に必要な電力は１２．４ｋＷ、バッテリー２に必要な電力は１４ｋＷ、バッテリー３に必要な電力は１３．６ｋＷであり、合計で４０ｋＷの電力で充電することとなる。充電電流の大きさは、合計の電力が定電力充電器２の最大出力以下かつバッテリーの許容入力最大電流値以下となる範囲で適宜設定される。

【0016】

充電が進むと各バッテリー１～３の電圧は上がるので、定電力充電器２は所定の出力となるように電流の大きさを適宜調整しながら充電する。充電が進んでバッテリー２の電圧が４００Ｖに達すると、バッテリー２を直列充電回路から切り離し、代わりにバッテリー４を接続する（図２）。このとき、バッテリー１は３６０Ｖ、バッテリー３は３９０Ｖ、バッテリー４は３１０Ｖであったとすると、３８Ａの電流で充電すれば、合計で約４０ｋＷの電力で充電を継続することとなる。直列充電回路から切り離されたバッテリー２は、４００Ｖの定電圧充電器３に接続して更に満充電となるまで充電する。

【0017】

本実施形態の充電装置には、充電・放電制御システム５が接続されている。充電・放電制御システム５は、分電盤１に接続されたバッテリーの弱電コネクター９を介して、各バッテリーのバッテリー管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）から電圧、電流、温度、異常等の各種情報を取得する。取得した情報と作業者が入力した情報に基づいて、各バッテリーを充電する順番や充電のタイミングを決定し、分電盤１内の回路の切り替えや定電力充電器２及び定電圧充電器３の出力の調整を行う。充電が終了したバッテリーがあると、充電・放電制御システム５は充電が終了した旨を表示装置等により作業者に知らせる。

【0018】

以上のように、分電盤１に接続されたＮ個のバッテリーの中からあらかじめ設定された優先順位等に基づいて充電すべきバッテリーを選択して直列に接続し、同時に充電を行うことにより、充電設備が大掛かりとならずに充電器の能力に応じて短時間で効率的な充電が可能となる。

【0019】

図３乃至図５は、分電盤１内の回路の詳細を示す。図３はＮ個のバッテリーに対していずれにも充電していない状態、図４はバッテリー１及び２を直列に接続して直列充電回路を形成し定電力充電器２で充電している状態、図５はバッテリー２の定電力充電器２による充電が終了し、直列充電回路から切り離して定電圧充電器３で充電するとともに、バッテリー３をバッテリー１に直列に接続して直列充電回路を新たに形成して定電力充電器２で充電している状態をそれぞれ表している。なお、図３から図５において、太い実線はバッテリーと定電力充電器２とを接続する配線を示し、細い実線はバッテリーと定電圧充電器３とを接続する配線を示している。また、破線は充電・放電制御システム５とバッテリー、定電力充電器２、定電圧充電器３のそれぞれとを接続する信号線を示すものである。

【0020】

定電力充電器２による充電は、対象となるバッテリーを直列に接続するように充電・放電制御システム５により回路中のリレーの開閉が制御される。図４では、リレー１－１、１－２、１－３、１－５を閉じ、リレー１－４を定電力充電器２側に接続し、リレー１－６、１－７を開くことにより、バッテリー１が定電力充電器２に接続される。バッテリー２もバッテリー１と同様に、リレー２－１、２－２、２－３、２－５を閉じ、リレー２－４を定電力充電器２側に接続し、リレー２－６、２－７を開くことにより、定電力充電器２に接続される。

【0021】

一方、リレー３－１、３－２、３－３、３－５、３－７を開き、リレー３－６を閉じることにより、バッテリー３は定電力充電器２及び定電圧充電器３のいずれにも接続されておらず、充電されていない。バッテリーＮもバッテリー３と同様に、いずれの充電器からも充電されていない。

【0022】

図５では、バッテリー１及びバッテリー３は、図４のバッテリー１及びバッテリー２と同様に、定電力充電器２に直列に接続されて充電されている。一方、リレー２－２、２－３、２－６、２－７を閉じ、リレー２－４を定電圧充電器３側に接続し、リレー２－１、２－５を開くことにより、バッテリー２は定電圧充電器３に接続される。

【0023】

以上のように、分電盤１内の回路を切り換えることにより、各バッテリーは定電力充電器２に直列に接続される状態、定電圧充電器３に並列に接続される状態、あるいはいずれの充電器にも接続されない状態、のいずれかの状態となるように制御される。

【0024】

図６は本実施の形態のシステム構成を示すブロック図である。バッテリー１０は、電池セル１３と、電池セル１３の状態を検出する各種センサ１４と、電池セル１３の安全等を管理するバッテリーマネジメントシステム（ＢＭＳ）１５とを備えている。なお、図６において実線の矢印は電力の流れを、破線の矢印は信号の流れを示している。電池セル１３は充電可能な二次電池であり、リチウムイオン電池等一般的に使用されているものが用いられる。各種センサ１４は電池セル１３の状態を検出するものであり、電圧、電流、温度、異常等を検出し、検出結果を信号としてＢＭＳ１５へ送る。ＢＭＳ１５は各種センサ１４から送られる信号に基づいてバッテリー１０の安全を確保するものであり、充電・放電制御システム５へバッテリー１０に関する情報を送信する。

【0025】

充電・放電制御システム５は、入出力装置１６と、通信ユニット１７と、各種センサ１８と、制御ユニット１９とを備えている。入出力装置１６により、作業者が充電の優先順位等の情報を入力する。また、充電終了等の情報を作業者へ出力する。通信ユニット１７はＢＭＳ１５、定電力充電器２及び定電圧充電器３と通信するものである。各種センサ１８は電池セル１３の状態を検出するものであるが、バッテリー１０が各種センサ１４を備えている場合には必ずしも必要ではない。制御ユニット１９は入出力装置１６、通信ユニット１７および各種センサ１８からの情報に基づいて、分電盤１内のリレーを開閉制御するものである。また、制御ユニット１９は通信ユニット１７を介して定電力充電器２及び定電圧充電器３の動作を制御する。さらに、制御ユニット１７は充電が終了したバッテリー１０に関する情報を入出力装置１６へ送り、作業者へその旨を伝える。

【0026】

定電力充電器２及び定電圧充電器３は商用電源４からの電力を利用して、通信ユニット１７から送られてくる制御信号に基づいて分電盤１を介してバッテリー１０を充電する。さらに分電盤１を介して接続される他の外部負荷や系統２０へ電力を送る。

【0027】

分電盤１は制御ユニット１９からの信号に基づいて内部のリレーを開閉制御して所定の充電回路を形成するものである。

【0028】

図７は本実施の形態における充電の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、分電盤１にバッテリー１０が接続され、充電開始の指示があると、充電・放電制御システム５は各バッテリー１０の充電状態に関する情報、具体的にはバッテリー１０の電圧、電流、温度、異常等に関する情報を取得する。また、充電・放電制御システム５はいずれのバッテリー１０を先に充電するかの優先順位に関する情報を取得する。優先順位とは、例えば、電圧の低いものから充電する、電圧の高いものから充電する、先に分電盤１に接続されたものから充電する、といったもので、入出力装置１６から入力される等により予め充電・放電制御システム５に与えられている。そして、充電・放電制御システム５は、前記の各情報に基づいて、直列充電回路を構成するバッテリー１０を選択し、選択されたバッテリー１０及び定電力充電器２を直列に接続する。

【0029】

ステップ２では、定電力充電器２により直列充電回路に接続されたバッテリー１０に対して充電が開始される。充電・放電制御システム５は直列充電回路に接続されたバッテリー１０の電圧を常に監視して、定電力充電器２の出力が所定の大きさとなるよう、定電力充電器２の出力電流を制御する。

【0030】

ステップ３では、充電・放電制御システム５は電圧が上限電圧に達したバッテリー１０があるか否かを判断し、なければステップ２に戻りそのまま充電を継続する。一方、上限電圧に達したバッテリー１０がある場合には充電を停止する（ステップ４）。

【0031】

充電を停止した後、ステップ５に遷移する。ステップ５では、上限電圧に達したバッテリー１０を直列充電回路から切り離し、定電圧充電器３に接続して定電圧充電を行う。その後、ステップ６に遷移し、すべてのバッテリー１０に対する充電が終了していない場合には、ステップ１に戻り、直列充電回路に別のバッテリー１０を接続する等、再度直列充電回路を形成して定電力充電器２による充電を再開する。一方、すべてのバッテリー１０に対する充電が終了している場合には本フローは終了する。

【0032】

以上、本開示の実施の形態を具体例に基づいて説明したが、本開示は上記具体例に限定されない。例えば、本開示の分電盤内の回路構成は上記の例に限定されず、任意のバッテリー及び充電器を接続して直列充電回路を形成できればどのような回路構成のものでも構わない。また、直列充電回路を形成するバッテリーをどのように選択するかは、作業効率や消費電力等を考慮して当業者が適宜選択できることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本開示は、自動車等の各種装置に用いられるバッテリーの充電に好適に用いられる。

【符号の説明】

【0034】

１ 分電盤
２ 定電力充電器
３ 定電圧充電器
４、１１ 商用電源
５ 充電・放電制御システム
１０ バッテリー
１２ 充電器

【要約】

【課題】大掛かりな設備を必要とせずに複数のバッテリーを短時間で効率的に充電すること。
【解決手段】充電装置は、複数のバッテリーを同時に接続可能な分電盤と、前記分電盤に接続された充電器と、前記分電盤内の回路を切り換え制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記分電盤に接続された前記複数のバッテリーから２つ以上のバッテリーを選択して直列に接続し、さらに前記充電器を直列に接続して直列充電回路を形成するように、前記分電盤内の回路を切り換え制御する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】