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課題
解決手段
概要
背景
従来より、ニッケル水素バッテリ等の二次電池を搭載するAGV(Automatic Guided Vehicle)等の電動車両が知られている。二次電池に蓄えた電力により動作する電動車両では、電力を消費したときには充電器等を接続して二次電池を充電する必要がある。充電器の多くは、電源端子とグランド側端子とを有しており、電源端子にバッテリの正極端子を接続し、グランド側端子に負極端子を接続して充電動作を実施する。
このような充電動作の際、充電器を接続する際の人為的なミスや、電動車両内部の電気的な配線ミス等により、バッテリの負極端子が充電器の電源端子に接続され、バッテリの正極端子が充電器のグランド側端子に接続されて、いわゆる逆接続が生じる可能性がある。このような逆接続の場合、バッテリから異常電流が流入して充電器に故障が発生するおそれがある。そこで、従来、バッテリから充電器への異常電流の流れ込みを防止する保護回路を設けた充電器が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
概要
逆接続時のトラブルを確実性高く回避できる充電システム及び充電方法を提供すること。充電システム1は、二次電池380に対する接続状態が正接か逆接かを検出する検出手段をなす極性判別回路141と、二次電池380を充電するための電気的な経路を開閉するスイッチ回路13と、を備え、スイッチ回路13は、極性判別回路141により正接の接続状態が検出された場合に、開放状態から閉成状態に切り替わる一方、極性判別回路141により逆接の接続状態が検出された場合には、開放状態を保持するように構成されている。
目的
効果
実績
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この技術が所属する分野
(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成
請求項1
二次電池の充電システムであって、二次電池に対する接続状態が正接か逆接かを判別する判別手段と、二次電池を充電するための電気的な経路を開閉するスイッチ手段と、を備え、該スイッチ手段は、前記判別手段により正接の接続状態であると判別された場合に、開放状態から閉成状態に切り替わる一方、前記判別手段により逆接の接続状態であると判別された場合には、開放状態を保持するように構成されている充電システム。
請求項2
請求項3
請求項1又は2において、前記二次電池はニッケル水素バッテリであり、当該二次電池を充電する際に供給する電流が一定となるように制御する定電流制御を実行する充電システム。
請求項4
請求項3において、前記定電流制御の実行中に二次電池を充電するための電流が所定の閾値以下となったときに充電を終了する充電システム。
請求項5
二次電池の充電方法であって、二次電池に対する充電装置の接続状態が正接か逆接かを判別し、正接の接続状態であると判別されたときに、二次電池を充電するための電気的な経路を開放状態から閉成状態に切り替える一方、逆接の接続状態であると判別されたときには、前記経路を開放状態のまま保持する二次電池の充電方法。
請求項6
請求項5において、前記二次電池はニッケル水素バッテリであり、当該二次電池を充電する際に供給する電流が一定となるように制御する定電流制御を実行する二次電池の充電方法。
技術分野
背景技術
0002
従来より、ニッケル水素バッテリ等の二次電池を搭載するAGV(Automatic Guided Vehicle)等の電動車両が知られている。二次電池に蓄えた電力により動作する電動車両では、電力を消費したときには充電器等を接続して二次電池を充電する必要がある。充電器の多くは、電源端子とグランド側端子とを有しており、電源端子にバッテリの正極端子を接続し、グランド側端子に負極端子を接続して充電動作を実施する。
0003
このような充電動作の際、充電器を接続する際の人為的なミスや、電動車両内部の電気的な配線ミス等により、バッテリの負極端子が充電器の電源端子に接続され、バッテリの正極端子が充電器のグランド側端子に接続されて、いわゆる逆接続が生じる可能性がある。このような逆接続の場合、バッテリから異常電流が流入して充電器に故障が発生するおそれがある。そこで、従来、バッテリから充電器への異常電流の流れ込みを防止する保護回路を設けた充電器が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
先行技術
0004
特開2009−118607号公報
発明が解決しようとする課題
0005
しかしながら、上記従来の保護回路を設けた充電器であっても次のような問題が残っている。すなわち、充電電流を供給する側の発電回路が起動していない状況であれば保護回路が有効に作用して逆接時の異常電流の流れ込みを防止できる一方、発電回路が起動している状態では保護回路が有効に動作せずに過大電流が充電器側に流れ込み、充電器の制御回路を構成する整流ダイオードや電子部品にトラブルが生じるおそれがあるという問題がある。
課題を解決するための手段
0007
本発明の一態様は、二次電池の充電システムであって、
二次電池に対する接続状態が正接か逆接かを判別する判別手段と、
二次電池を充電するための電気的な経路を開閉するスイッチ手段と、を備え、
該スイッチ手段は、前記判別手段により正接の接続状態であると判別された場合に、開放状態から閉成状態に切り替わる一方、
前記判別手段により逆接の接続状態であると判別された場合には、開放状態を保持する充電システムにある(請求項1)。
0008
本発明の一態様は、二次電池の充電方法であって、
二次電池に対する充電装置の接続状態が正接か逆接かを判別し、正接の接続状態であると判別されたときに、二次電池を充電するための電気的な経路を開放状態から閉成状態に切り替える一方、逆接の接続状態であると判別されたときには、前記経路を開放状態のまま保持する二次電池の充電方法にある(請求項5)。
発明の効果
0009
本発明の充電システム及び充電方法では、逆接続の場合、二次電池を充電するための電気的な経路が開放状態のまま保持される。そのため、逆接続が発生しても、二次電池側から電流が流れ込むことがない。したがって、本発明の充電システム及び充電方法によれば、逆接続時のトラブルを確実性高く回避できる。
図面の簡単な説明
0010
実施例1における、バッテリを搭載する無人牽引車と充電器との組合せを示す説明図。
実施例1における、搬送台車を連結する無人牽引車の斜視図。
実施例1における、充電システムのブロック図。
実施例1における、充電回路の説明図。
実施例1における、充電制御回路のブロック図。
実施例1における、充電動作の時間的な流れを示すタイムチャート図。
実施例1における、その他の充電回路の説明図。
参考例における、充電器のブロック図。
0011
本発明の充電システムは、充電前の二次電池の端子電圧を計測する計測手段を備え、該端子電圧が所定の閾値以上であることが充電動作の開始条件として設定されていることも良い(請求項2)。
二次電池の端子電圧が所定の閾値未満である場合には、二次電池に何らかのトラブルが生じている可能性がある。このような二次電池については、電気的な接続を回避すると良い。
0012
前記二次電池はニッケル水素バッテリであり、当該二次電池を充電する際に供給する電流が一定となるように制御する定電流制御を実行することも良い(請求項3、請求項6)。
ニッケル水素バッテリは、定電圧充電を行うと過充電に至り易いので、定電流制御での充電が好適である。定電流制御であれば、急速充電を安全性高く実行でき、充電に要する時間を短縮できる。
0013
前記定電流制御の実行中に二次電池を充電するための電流が所定の閾値以下となったときに充電を終了すると良い(請求項4)。
この場合には、過充電を確実性高く回避し、二次電池の性能劣化を防止できる。
0014
本発明の実施の形態につき、以下の実施例を用いて具体的に説明する。
(実施例1)
本例は、無人牽引車3が搭載するバッテリ(二次電池)380を充電する充電システム1に関する例である。この内容について、図1〜図7を参照して説明する。
0015
無人牽引車3は、図1及び図2のごとく、自在車輪48を備え自立可能な搬送台車4を連結し、搬送台車4が積載する部品などのワークを工場などの施設内で搬送するAGVである。無人牽引車3は、搬送台車4の下側に潜り込めるよう、高さ方向に薄く前後方向に長い低床式の車体30を備え、上面303の連結ピン34を介して搬送台車4に連結される。
0016
この無人牽引車3は、同軸配置された2本1組の駆動輪33を備えた駆動ユニット(図示略)を前後方向の2箇所に備え、車体30の後部に配置されたバッテリ380(図3参照。二次電池。)に蓄えた電力により動作する。バッテリ380への充電は、車体30の側面302に設けた充電端子38を利用して実施可能である。なお、本例のバッテリ380は、ニッケル水素バッテリである。
0017
充電端子38は、充電器10(図1参照。)から延設された電気コード101の先端の充電プラグ102を接続する端子であり、バッテリ380のプラス側に接続された正極端子38Pと、マイナス側に接続された負極端子38Mと、を備えている。この充電端子38に接続する充電プラグ102には、電源端子18Pとグランド側端子18G(図4参照。)が設けられている。
0018
充電器10を利用してバッテリ380を充電するに当っては、充電プラグ102の電源端子18Pを無人牽引車3側の正極端子38Pに接続し、グランド側端子18Gを負極端子38Mに接続する必要がある。なお、無人牽引車3では、充電端子38に対する充電プラグ102の接続構造について、電源端子18Pが負極端子38Mに接触し、グランド側端子18Gが正極端子38Pに接触する逆接続(逆接の接続状態)を機械的に防止するための図示しないフェールセーフ構造を設けることで安全性を向上している。
0019
次に、上記の充電器10を含む本例の充電システム1が採用する電気的な回路構成について説明する。
まず、本例の充電システム1の基本構成について、図3のブロック図を参照して説明する。充電システム1では、バッテリ380を充電するための電力を供給する充電用電源部12と、バッテリ380との間に、初期状態が開放状態であるスイッチ回路(スイッチ手段)13が介設されている。
0020
このスイッチ回路13は、初期状態の開放状態ではバッテリ380を充電器10から電気的に切り離す一方、閉成状態への切り替わりに応じてバッテリ380に対して充電器10を電気的に接続する回路である。スイッチ回路13は、接続極性を判別する極性判別回路(判別手段)141等を含む制御部14が出力する充電回路閉成信号に応じて閉成状態に切り替わる。
0021
次に、充電器10の回路構成を示す図4を参照して上記の内容を詳しく説明する。充電器10の回路は、制御部14を中心として構成されている。制御部14は、上記の極性判別回路141のほか、電圧測定回路(計測手段)142、差動増幅回路143、誤差増幅回路144、充電終了判定回路145等を含めて構成されている。この制御部14には、充電用電源部12、フォトカプラ171、172、スイッチ回路13を構成するNチャンネルMOS−FET131などが接続されている。
0022
充電器10の回路構成では、正接続(正接の接続状態)の場合にバッテリ380の負極端子38Mに接続されるグランド側端子18Gと、GND(グランド)との間に、NチャンネルMOS−FET131を利用したスイッチ回路13が介設されている。また、正接続のときバッテリ380の正極端子38Pと接続される電源端子18Pと、グランド側端子18Gとの間には、LED電流制限抵抗170を共用する2つのフォトカプラ171、172が介設されている。第1のフォトカプラ171は、正接続でONに切り替わり、制御部14に正接続検出信号を入力するフォトカプラである。第2のフォトカプラ172は、逆接続でONに切り替わり、制御部14に逆接続検出信号を入力するフォトカプラである。
0023
制御部14は、正接続検出信号の入力を受けた場合にのみ、充電回路閉成信号を出力してNチャンネルMOS−FET131によるスイッチ回路13を閉成状態に切り替える。スイッチ回路13が閉成状態に切り替わると、グランド側端子18GがGND接地し、充電用電源部12によるバッテリ380への充電電流の供給が可能な状態になる。
0024
このように充電システム1では、バッテリ380の電圧により上記第1のフォトカプラ171がONに切り替わり、スイッチ回路13が開放状態から閉成状態に切り替えられて充電可能な状態となる。一方、バッテリ380が接続されていない状態や、バッテリ380が逆接続の状態では、スイッチ回路13が開放状態のまま保持される。スイッチ回路13が開放状態の場合には、充電器10側の回路がバッテリ380から電気的に切り離され、バッテリ380の電流が充電器10側に流れ込むことがない。
0025
スイッチ回路13が閉成状態のとき、電源端子18Pの電圧が分圧回路175により分圧されて電圧信号として制御部14に入力される。制御部14の電圧測定回路142は、この電圧信号を利用してバッテリ380の電圧を計測する。制御部14は、バッテリ380の電圧が所定の閾値(本例では18.0V)以上であって、かつ、所定の充電目標電圧(本例では27.2V。所定の閾値)以下の場合に、電流制御信号を出力して充電用電源部12を起動する。充電用電源部12は、電源端子18Pの電圧が予め設定された充電目標電圧に到達するまで、電流センサ11による電流信号のフィードバック制御による定電流制御により駆動される。
0026
次に、(1)充電動作中の充電器10で実行される垂下型定電流制御、(2)充電動作の終了時点を判定する充電終了判定、について説明する。
(1)垂下型定電流制御
充電システム1による充電動作は、図5に例示する垂下型電流制御回路により実現される。この垂下型電流制御回路は、充電電流を計測する電流センサ11、電流センサ11が出力する電流信号を増幅する差動増幅回路143、定電流制御の目標電流値に対する差分(誤差)を増幅する誤差増幅回路144等を含めて構成されている。なお、本例の充電システム1では、定電流制御の目標電流値が100Aに設定されている。
0027
電流センサ11(図4及び図5)は、充電電流の大きさに応じた電圧の電流信号を発生する(図6(a))。差動増幅回路143は、電流センサ11が出力する電流信号を所定の増幅率で増幅する。誤差増幅回路144は、いわゆるエラーアンプと呼ばれる制御系分野で良く知られた回路であり、差動増幅回路143の出力電圧が表す計測電流値のうちの目標電流値に対する誤差分を増幅する。
0028
誤差増幅回路144の出力信号は、図6(b)のごとく電圧制御信号として充電用電源部12に入力される。定電圧出力電源である充電用電源部12は、誤差増幅回路144が出力する電圧制御信号により動作電圧を制御されて動作し、これにより充電電流を100A一定に保持するように制御される。具体的には同図(b)のごとく、充電電流が100Aを超えると充電電流を抑える下降制御が実施され、充電電流が100Aを下回ると充電電流を増やすための上昇制御が実施される。
0029
(2)充電終了判定
このような充電動作の進行に応じて、バッテリ380の端子電圧は図6(c)のように次第に上昇する。この端子電圧が充電目標電圧に到達すると(図6中の時点A)定電流制御を維持できなくなり、誤差増幅回路144の電圧制御信号の出力が停止される(同図(b))。この電圧制御信号は、充電用電源部12に入力されて定電流制御に利用されるほか、充電終了判定回路145にも入力される。充電終了判定回路145は、誤差増幅回路144の電圧制御信号の出力停止を判定すると、充電用電源部12に入力する電源制御信号をONからOFFに切り替える(同図(d))。充電用電源部12は、電源制御信号のOFFへの切替に応じて充電電流の出力を停止し、これにより充電動作が終了する。
0030
以上のように構成された充電システム1では、充電器10をバッテリ380に接続した際、電気的な経路を閉成状態に切り替える前に、まず、正接続状態であるか逆接続状態であるかが判別される。正接続状態であれば、スイッチ回路13を制御して電気的な経路を閉成状態に切り替えて充電を開始可能な状態を設定する。一方、逆接続状態であれば、バッテリ380に対して充電器10側の回路を電気的に接続しない。
0031
なお、例示した無人牽引車3の充電端子38と、充電器10の充電プラグ102と、の間には、上述の通り、人為的なミスによる逆接続を防止するためのフェールセーフ構造が設けられている。そのため、充電端子38に対する充電プラグ102の取付の向きが逆になるおそれはほとんどない。しかしながら、充電プラグ102に対する充電器10の内部配線や、充電端子38に対する無人牽引車3の内部配線等に間違いがあれば、電気的な逆接続が起こり得る。このような場合であっても、本例の充電システム1によれば逆接続によるトラブルを未然に回避できる。
0032
バッテリ380が逆接続された場合に充電動作を開始しない充電システム1であれば、充電を受ける無人牽引車3側の回路に、逆接続時の電流の流入を防止するためのダイオード等を設ける必要がない。逆接続対策のダイオードを廃止できれば、ダイオードの順方向電圧降下による電力的な損失を無くすることができる。この電力的な損失は充電電流が大きくなるほど拡大するため、大電力が必要な大規模な充電システムほど、逆接続対策のダイオードを廃止できる効果が顕著になる。
0033
充電システム1は、スイッチ回路13を閉成状態に設定した後、バッテリ380の端子電圧が所定の閾値以上であるか否かを判断し、所定の閾値以上であれば充電動作を開始する。一方、バッテリ380の端子電圧が所定の閾値未満の異常値であれば、何らかのトラブルが生じている可能性があると判断して充電動作を開始しない。これによりバッテリ380のトラブルの重症化を未然に回避でき、バッテリ380側のトラブルに起因して起こり得る充電器10側のトラブルを防止できる。
0034
充電動作を開始した後の充電システム1は、誤差増幅回路144の電圧制御信号の出力停止を判定することで、バッテリ380が満充電に近づき定電流制御を維持できなくなった状態を精度高く判定する。そして、充電器10は、誤差増幅回路144の電圧制御信号の出力停止に応じて、充電電流の供給を停止する。充電システム1は、このように充電電流の供給を停止して充電動作を終了することで、バッテリ380の過充電を確実性高く回避している。
0035
このように本例の充電システム1によれば、バッテリ380に対して充電器10を逆接続した場合であっても充電器10にバッテリ380の過大電流が流入することがなく、充電器側の電気的なトラブルやバッテリ380の劣化等が発生するおそれが少なくなっている。さらに、この充電システム1では、定電流充電で設定電圧に達して定電流制御を維持できなくなった時点で充電電流の供給を停止するため、バッテリ380に過充電が生じるおそれも少ない。
0036
一般的に、ニッケル水素バッテリであるバッテリ380は、定電圧充電を行うと過充電に至りやすく温度上昇や破損に至る可能性が高い。このような温度上昇や破損のおそれは、低電流状態でも起こり易いため、注意が必要である。ニッケル水素バッテリについては、過充電させないことが劣化の防止に有効である。
0037
本例の充電システム1は、定電流制御による充電電流をバッテリ380に供給して充電を実施し、定電流制御を維持できなくなったときに充電電流の供給を停止する。この充電システム1は、バッテリ380の過充電が発生するおそれが少ないシステムであり、ニッケル水素バッテリの充電に好適である。この充電システム1によれば、過充電のおそれが少なく、例えば5C(12分で充電完了)程度の急速充電も可能である。
0038
なお、本例では、NチャンネルMOS−FET131を利用したスイッチ回路13を例示しているが、PチャンネルMOS−FETを利用してスイッチ回路を構成しても良い。図7のごとく、電磁開閉器(コンタクタ)132を利用したスイッチ回路13を採用しても良い。図4に例示のスイッチ回路13では、NチャンネルMOS−FET131のON抵抗が問題となる場合がある一方、図7の電磁開閉器132を利用したスイッチ回路13であればON抵抗が問題となるおそれがない。
0039
本例では、バッテリとして、ニッケル水素バッテリを例示したが、他に、リチウムイオンバッテリ、ニッケルカドミウムバッテリや、液循環型など二次電池であれば良く、種類を問わず広く適用出来る。
バッテリで動作する装置としてAGVを例示したが、他に、EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug-in Hybrid Vehicle)に代表される充電が必要な電気駆動の自動車や、福祉車両(シニアカー、電動車いす)、電動アシスト自転車であっても良く、更には電動工具を始めとする充電式の電気機器であっても良い。
0040
(参考例)
実施例1の充電システムとの対比を目的として、従来タイプの充電器について図8を参照して説明する。
同図の充電器90の回路は、充電対象のバッテリ380と充電用電源部92との間に整流ダイオード93が介在するように回路構成されている。充電用電源部92は、スイッチング方式でAC/DC変換を行った後、出力コイル920を介して充電電流を出力するように構成されている。
0041
充電器90の場合、その電源端子98Pにバッテリ380の正極端子38Pが接続され、グランド側端子98Gにバッテリ380の負極端子38Mが接続された場合、バッテリ380からの電流は整流ダイオード93に阻止される為、充電器90側の回路に過大電流が流入することがない。一方、充電器90に対してバッテリ380が逆接続された場合には、バッテリ380からの電流が無制限に出力コイル920や整流ダイオード93に流入し、何れかの部品が破損したり、バッテリ380の劣化が生じるおそれがある。
0042
一方、充電器をバッテリに接続した際、まず、正接続状態であるか逆接続状態であるか等を判別する実施例1の充電システムであれば、逆接続の場合にはスイッチ回路を開放状態のままとして、バッテリに対して充電器を電気的に接続しない。そのため、逆接続状態が発生しても、バッテリからの電流により充電器に電気的なトラブルが発生するおそれがない。
実施例
0043
以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。
0044
1充電システム
10充電器
102充電プラグ
11電流センサ
12充電用電源部
13スイッチ回路
14 制御部
141極性判別回路
142電圧測定回路
143差動増幅回路
144誤差増幅回路
145充電終了判定回路
171、172フォトカプラ
175分圧回路
18P電源端子
18Gグランド側端子
3無人牽引車
38充電端子
38P正極端子
38M負極端子
380バッテリ
4搬送台車
90 充電器
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