JP6424596B2 - 車両の充電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の充電制御装置に関するものである。

車両に二次電池等よりなる蓄電装置（バッテリ）を搭載し、その蓄電装置を車外の外部充電装置により充電する技術が実用化されている。また、寒冷地等において極低温の状況下でバッテリを充電する場合には、バッテリの内部抵抗が高いため、充電ロスが大きくなり、充電時間が長引く等の不都合が懸念される。そこで、極低温の状況下におけるバッテリ充電時に、バッテリの暖機を行う技術が提案されている。

例えば特許文献１に記載の技術では、外部充電装置によるバッテリの充電時に、通常充電と、通常充電よりも大きな発熱をバッテリにもたらす急速充電とを選択的に実施する構成において、バッテリの暖機開始時刻に急速充電を開始することにより、バッテリの暖機を行うようにしている。

特開２０１０−１１０１９６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、極低温中にバッテリの急速充電を実施することによりバッテリの劣化が進むことが懸念される。例えばリチウムイオン電池では、極低温の状況下で大電流の充電が継続されることにより、負極表面にリチウムが析出して劣化（容量の低下）が促進されることが懸念される。そのため、極低温中においてはバッテリの充電電流を制限する（絞る）ことが望ましい。

ただし、極低温の状況下において充電電流を制限すると、外部充電装置における電流供給の能力を制限することになる。そのため、外部充電装置からの電流供給が行われる場合における効率の低下が生じると考えられる。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、低温状態においても適切に蓄電装置の外部充電を実施することができる車両の充電制御装置を提供することにある。

本発明における車両の充電制御装置は、充放電可能な蓄電装置（１１）と、前記蓄電装置を加熱する加熱手段（２５）とを備え、車外の外部電源（４０）から供給される外部電流により前記蓄電装置に対する充電を実施する車両に適用される。そして、前記外部電源から前記車両に供給される供給電流を設定する第１設定手段と、前記蓄電装置の温度に基づいて、前記蓄電装置への充電電流を設定する第２設定手段と、前記第１設定手段により設定した供給電流から、前記第２設定手段により設定した充電電流を差し引いた残余電流を用いて、前記加熱手段の加熱による前記蓄電装置の暖機を実施する暖機制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、蓄電装置の温度に基づいて、蓄電装置への充電電流が設定される。これにより、極低温の状況下における充電電流の制限が可能となり、蓄電装置の劣化の抑制を図ることができる。また、外部電源から車両に供給される供給電流から、蓄電装置への充電電流を差し引いた残余電流を用いて、加熱手段の加熱による蓄電装置の暖機が実施される。この場合、蓄電装置への充電電流を制限したことにより残り分となった外部電源の電流を、蓄電装置の暖機に有効利用することで、外部電源の電流供給能力を制限されにくくして蓄電装置の充電を実施できる。その結果、低温状態においても適切に蓄電装置の外部充電を実施することができる。

車両の充電システムの全体を示す概略構成図。 バッテリ外部充電の処理手順を示すフローチャート。 バッテリ温度、ＳＯＣと充電制限電流との関係を示す図。 バッテリ外部充電をより具体的に説明するためのタイムチャート。

以下、本発明の充電制御装置を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、走行用の動力源としてエンジンと電動機とを備えるハイブリッド車両において車載バッテリを外部電力により充電する構成を例示し、図１にはその概略構成を示す。ただし、図１には、バッテリと、バッテリからの電力供給により駆動されるモータジェネレータとを主にして構成を記載しており、エンジンやその他構成については図示を省略している。

図１において、車両１０は、充放電可能な蓄電装置としてのバッテリ１１と、ＰＣＵ１２（Power Control Unit）と、モータジェネレータ１３と、ＰＭ−ＥＣＵ１４（ＰＭ：Power Management）と、電池監視ユニット１５と、ＳＭＲ１６（System Main Relay）とを備えている。バッテリ１１は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池により構成されている。バッテリ１１の出力電圧は２００Ｖ程度である。なお、蓄電装置を電気二重層キャパシタや、二次電池とキャパシタとの組み合わせによって構成することも可能である。バッテリ１１は、車室内又は車室近傍に設けられており、具体的には車室内におけるシート下部分や、床下部分、後部荷台部分等に設けられている。

ＰＣＵ１２は、バッテリ１１の蓄積電力をモータジェネレータ１３の駆動電力に変換するＤＣＤＣコンバータ２１及びインバータ２２と、インバータ２２の駆動を制御するＭＧ−ＥＣＵ２３とを有している。モータジェネレータ１３は、例えば永久磁石型の三相同期電動機により構成され、ＰＣＵ１２を介して供給されるバッテリ１１の電力により駆動される。車両１０の制動時には、モータジェネレータ１３が回生発電し、その発電電力によりバッテリ１１が充電される。

ＰＭ−ＥＣＵ１４及びＭＧ−ＥＣＵ２３は、ＣＰＵやメモリを有する周知の電子制御ユニットよりなり、メモリに記憶されたプログラムやマップ等に基づいて各種の演算処理を実施する。これら各ＥＣＵ１４，２３や後述するＰＬＧ−ＥＣＵ３１は、通信線を介して接続されており、相互に各種情報の通信が可能になっている。

電池監視ユニット１５は、各種のセンサによりバッテリ１１の状態（電圧や電流、温度等）を監視し、その監視結果をＰＭ−ＥＣＵ１４に出力する。電池監視ユニット１５は、少なくとも温度検出部１５ａを有しており、図示しないバッテリ温度センサによるバッテリ温度の検出結果を温度検出部１５ａからＰＭ−ＥＣＵ１４に出力する。

ＰＭ−ＥＣＵ１４は、車両１０の全体動作を制御する。例えば、ＰＭ−ＥＣＵ１４は、運転者による車両操作や車両状態等に基づいて、車両１０での要求駆動力を算出するとともに、その要求駆動力に基づき算出された制御指令をＭＧ−ＥＣＵ２３に出力する。ＭＧ−ＥＣＵ２３は、ＰＭ−ＥＣＵ１４からの制御指令に基づいて、モータジェネレータ１３の駆動を制御する。具体的には、モータジェネレータ１３の出力トルクがトルク指令値に一致するようにインバータ２２を制御する。また、ＰＭ−ＥＣＵ１４は、電池監視ユニット１５によるバッテリ１１の監視結果に基づいて、バッテリ１１の蓄電状態を示すＳＯＣ（State of Charge）を算出する。

ＳＭＲ１６は、バッテリ１１の正極端子側及び負極端子側にそれぞれ設けられたリレー回路を有しており、各リレー回路のオンオフ（開閉）はＰＭ−ＥＣＵ１４により制御される。ＳＭＲオフ時には、バッテリ１１とＰＣＵ１２とが電気的に遮断され、ＳＭＲオン時には、バッテリ１１とＰＣＵ１２とが電気的に導通される。

また、車両１０は、車室内の空調（暖房及び冷房）を実施するエアコン装置２５を備えている。エアコン装置２５は、電力の供給により駆動されて車室内の暖房を実施する暖房手段に相当する。エアコン装置２５は、図示しない電動コンプレッサを有しており、その電動コンプレッサに対して電力が供給されることでエアコン装置２５が駆動される。

上述のとおりバッテリ１１は車室内又は車室近傍に設けられており、エアコン装置２５により車室内の暖房が実施された場合には、その暖房の熱によりバッテリ１１の暖機（加熱）が可能となっている。

また、車両１０のバッテリ１１は、外部電源としての外部充電装置４０により充電可能となっている。車両１０は、バッテリ外部充電に関する構成として、外部充電動作を制御するためのＰＬＧ−ＥＣＵ３１と、充電経路に設けられた充電リレー３２と、充電電圧を検出する電圧センサ３３と、外部充電口としてのインレット３４とを備えている。充電ケーブルによりインレット３４に外部充電装置４０が接続された状態で、外部充電装置４０によるバッテリ１１の充電が実施される。インレット３４に充電ケーブルが接続された状態では、ＰＬＧ−ＥＣＵ３１と外部充電装置４０とが相互に通信可能となり、外部充電装置４０の側の情報をＰＬＧ−ＥＣＵ３１の側で入手できるようになっている。

ＰＬＧ−ＥＣＵ３１は、上述の各ＥＣＵと同様に、ＣＰＵやメモリを有する周知の電子制御ユニットよりなる。ＰＬＧ−ＥＣＵ３１は、外部充電装置４０による外部充電に際して、充電リレー３２をオン（閉鎖）する。このとき、充電リレー３２のオンに合わせてＰＭ−ＥＣＵ１４によりＳＭＲ１６がオンされることで、外部充電装置４０からバッテリ１１への充電経路が開通され、外部充電装置４０からの電力供給によりバッテリ１１の充電が実施される。

また、ＰＬＧ−ＥＣＵ３１は、エアコン装置２５の駆動を制御する機能を有しており、バッテリ１１の極低温状態（例えば０℃未満）でバッテリ外部充電が行われる場合に、エアコン装置２５の暖房を実施するようにしている。

外部充電装置４０は、直流電力を車両１０側に供給するＤＣ充電器であり、電流供給能力としての最大供給電流があらかじめ規定されている。また、車両１０側からの指定電流を受け付けることで、その指定電流での電流供給も可能となっている。

また本実施形態では、寒冷地などにおいて極低温の状況下で外部充電装置４０からの供給電流によりバッテリ１１を充電する場合に、バッテリ１１の充電電流を制限するとともに、充電電流の制限より生じる外部充電装置４０の残余電流を用いて、バッテリ１１の暖機を実施することとしている。以下、その詳細を説明する。

図２は、バッテリ外部充電の処理手順を示すフローチャートであり、本処理は、充電開始の条件成立に伴いＰＬＧ−ＥＣＵ３１により実施される。

図２において、ステップＳ１１では、外部充電装置４０から車両１０に供給される外部供給電流Ｉａを設定する。具体的には、外部充電装置４０においてあらかじめ規定された最大供給電流と、車両１０側で指定した指定電流とのうち小さい方を外部供給電流Ｉａとして設定する。指定電流は、例えば車種や電源系の仕様により定まる電流である。充電の都度ユーザが指定する電流値を指定電流とすることも可能である。

その後、ステップＳ１２では、バッテリ温度が所定値Ｋ１未満であるか否かを判定する。所定値Ｋ１は、バッテリ１１が所定の低温状態であることを判定するためのしきい値であり、例えば０℃である。また、ステップＳ１３では、バッテリ１１のＳＯＣが所定値Ｋ２未満であるか否かを判定する。所定値Ｋ２は、バッテリ１１が満充電状態に近い状態になっていること、すなわち必要充電量が残り僅かであることを判定するためのしきい値であり、例えば７０％である。

そして、ステップＳ１２，Ｓ１３が共にＹＥＳであれば、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１２，Ｓ１３のいずれかがＮＯであれば、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１４では、バッテリ温度とバッテリ１１のＳＯＣとに基づいて、バッテリ充電に用いられる充電電流を制限すべく、充電電流の制限値である充電制限電流Ｉｂを算出する。このとき、例えば図３に示す関係を用い、バッテリ温度が低いほど、充電制限電流Ｉｂを小さくする（電流制限を大きくする）。また、ＳＯＣが大きいほど、充電制限電流Ｉｂを小さくする（電流制限を大きくする）。

なお、バッテリ温度とバッテリ１１のＳＯＣとに基づいて、外部供給電流Ｉａに対する制限係数（＝０〜１）を設定し、外部供給電流Ｉａに制限係数を乗算することで、充電制限電流Ｉｂを算出することも可能である。

その後、ステップＳ１５では、エアコン装置２５による暖房を実施する旨を決定し、続くステップＳ１６では、エアコン装置２５を駆動させるためのエアコン使用電流Ｉｃを設定する。この場合、エアコン使用電流Ｉｃは、ステップＳ１１で設定した外部供給電流Ｉａから、ステップＳ１４で算出した充電制限電流Ｉｂを減算することで求められる（Ｉｃ＝Ｉａ−Ｉｂ）。

続くステップＳ１７では、エアコン装置２５の運転条件（すなわち暖房の実施態様）を設定する。具体的には、運転条件として、エアコン設定温度やエアコン風量を設定する。この場合、エアコン使用電流Ｉｃに基づいてエアコン運転条件を設定するとよく、例えばエアコン使用電流Ｉｃが大きいほど、エアコン設定温度を高くする、又はエアコン風量を多くするとよい。ステップＳ１８では、エアコン装置２５に対して、暖房を実施する旨の制御指令を出力する。

また、ステップＳ１９では、エアコン装置２５による暖房中であるか否かを判定する。暖房中であれば、ステップＳ２０に進んでエアコン装置２５の駆動を停止する。

ステップＳ１８，Ｓ２０の実施後、又はステップＳ１９がＮＯの場合はステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、バッテリ１１のＳＯＣが満充電の値になったか否かを判定し、満充電でなければステップＳ１２に戻り、満充電であれば、今回のバッテリ外部充電を終了する。

図４は、外部充電装置４０によるバッテリ充電をより具体的に説明するためのタイムチャートである。なお、バッテリ外部充電時におけるエアコン駆動の条件には、温度条件とＳＯＣ条件とがあるが、ここでは説明の便宜上、温度条件のみを示している。

図４では、タイミングｔ１で外部充電装置４０による車両１０への電力供給が開始される。このとき、バッテリ温度が所定値Ｋ１未満であるため、バッテリ１１の充電電流が制限される。つまり、バッテリ温度とバッテリ１１のＳＯＣとに基づいて充電制限電流Ｉｂが算出されるとともに、外部供給電流Ｉａから充電制限電流Ｉｂを差し引いてエアコン使用電流Ｉｃが算出される。そして、充電制限電流Ｉｂによりバッテリ１１が充電され、エアコン使用電流Ｉｃによりエアコン装置２５の車室内暖房が実施される。このとき、ＰＬＧ−ＥＣＵ３１によって、エアコン装置２５の駆動電流がエアコン使用電流Ｉｃに調整された状態で、エアコン装置２５が駆動される。これにより、外部供給電流Ｉａのうちバッテリ１１への充電電力が充電制限電流Ｉｂに制限される。

車室内暖房の実施によりバッテリ温度が徐々に上昇する。この場合、バッテリ温度の上昇に伴い充電制限電流Ｉｂが増加側に徐々に更新されるとともに、充電制限電流Ｉｂの増加変化に応じてエアコン使用電流Ｉｃが徐々に減少する。

その後、タイミングｔ２では、バッテリ温度が所定値Ｋ１に到達することで、充電電流の制限が解除される。また、エアコン装置２５の駆動が停止される。つまり、タイミングｔ２以降、外部供給電流Ｉａがそのままバッテリ１１に供給され（Ｉｂ＝Ｉａとなり）、外部供給電流Ｉａによる通常充電が実施される。

その後、バッテリ１１の充電がさらに進み、タイミングｔ３でＳＯＣが満充電の値に到達する。これにより、バッテリ１１の充電が完了し、外部充電装置４０の電力供給が停止される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

バッテリ１１の温度に基づいて、バッテリ１１への充電制限電流Ｉｂを設定するようにした。これにより、極低温の状況下における充電電流の制限が可能となり、バッテリ１１の劣化の抑制を図ることができる。また、外部充電装置４０から車両１０に供給される外部供給電流Ｉａから、充電制限電流Ｉｂを差し引いた残余電流（エアコン使用電流Ｉｃ）を用いて、エアコン装置２５の暖房によるバッテリ１１の暖機を実施するようにした。この場合、外部充電装置４０の電流供給能力を制限することなくバッテリ１１の充電を実施できる。その結果、低温状態においても適切にバッテリ１１の外部充電を実施することができる。

極低温の状況下におけるバッテリ充電時に、バッテリ温度が徐々に上昇するのにつれて充電制限電流Ｉｂを徐々に大きくし、それに伴いエアコン使用電流Ｉｃを徐々に小さくするようにした。これにより、バッテリ１１の暖機が進むのに合わせて、充電制限電流Ｉｂとエアコン使用電流Ｉｃとのバランスを変えつつ、バッテリ１１の充電及び暖機を適正に実施できる。

バッテリ１１の温度に加え、ＳＯＣを考慮して充電制限電流Ｉｂを設定する構成としたため、バッテリ１１に対してどれほど充電電流を供給する必要があるかを考慮した上で、充電電流の制限を実施できる。

バッテリ１１の暖機を実施する場合に、外部供給電流Ｉａの一部を用いてエアコン装置２５による車室内暖房を実施する構成とした。この場合、エアコン装置２５を用いることで、バッテリ暖機専用の加熱装置を設ける必要が無くなる。ゆえに、コストアップを招くこと無くバッテリ１１の暖機を実施できる。

エアコン使用電流Ｉｃの大きさに基づいて、エアコン装置２５の設定温度や風量といった暖房の実施態様を設定する構成にした。そのため、バッテリ温度が低温であり、暖機を特に必要とする場合に暖房を強くし、その後は暖房を弱くするといった制御を実現できる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・上記実施形態では、「Ｉａ＝Ｉｂ＋Ｉｃ」の関係が成立するようにして、外部供給電流Ｉａと充電制限電流Ｉｂとからエアコン使用電流Ｉｃを算出する構成としたが、これを変更し、「Ｉａ＞Ｉｂ＋Ｉｃ」が成立する関係で、エアコン使用電流Ｉｃを算出するようにしてもよい。

・極低温状態でのバッテリ外部充電時において、充電開始時に充電制限電流Ｉｂとエアコン使用電流Ｉｃとを設定し、その後、バッテリ温度がＫ１に到達するまでは一定のままにする構成でもよい。また、充電開始後においてＩｂ，Ｉｃを所定幅で段階的に変化させる構成であってもよい。

・極低温状態でのバッテリ外部充電時において、充電開始時に充電制限電流Ｉｂとエアコン使用電流Ｉｃとを設定し、その後、あらかじめ定めた所定時間が経過するまでの期間において、充電制限電流Ｉｂによるバッテリ１１への充電制限と、エアコン装置２５の暖房駆動とを実施する構成であってもよい。

・上記実施形態では、エアコン装置２５の暖房によりバッテリ１１を暖機する場合に、エアコン使用電流Ｉｃに応じて、エアコン装置２５の設定温度や風量といった暖房の実施態様を可変に設定する構成としたが、これを変更し、設定温度や風量を一定（例えばＭＡＸ値）にする構成でもよい。

・エアコン装置２５において、暖房風をバッテリ１１に直接供給するダクトを設けてもよい。この場合、暖房風を車室内に供給する経路と、バッテリ１１に供給する経路とを設けるとともに、経路切り替え手段を設けておき、極低温状態でのバッテリ外部充電時には、暖房風の経路をバッテリ側に切り替えるようにする。

・加熱手段は、エアコン装置２５（暖房手段）以外でもよい。例えば、バッテリ１１に電気ヒータを設け、外部充電装置４０からの供給電流により電気ヒータを駆動することで、バッテリ１１の暖機を実施する構成でもよい。

・外部電源を、車両１０に対して交流電力を供給するＡＣ充電装置として構成してもよい。この場合、車両１０では、ＡＣ充電装置からのＡＣ供給電力をＡＣ／ＤＣ変換した後、バッテリ１１に充電する。また、本発明を、電気自動車の車載バッテリを外部充電する技術として具体化することも可能である。

１０…車両、１１…バッテリ（蓄電装置）、２５…エアコン装置（加熱手段）、３１…ＰＬＧ−ＥＣＵ（第１設定手段、第２設定手段、暖機制御手段）、４０…外部充電装置（外部電源）。

Claims (4)

1. 充放電可能な蓄電装置（１１）と、前記蓄電装置を加熱する加熱手段（２５）とを備え、車外の外部電源（４０）から供給される外部電流により前記蓄電装置に対する充電を実施する車両に適用される充電制御装置（３１）であって、
   前記外部電源から前記車両に供給される供給電流を設定する第１設定手段と、
   前記蓄電装置の温度と前記蓄電装置の蓄電量とに基づいて、前記蓄電装置への充電電流を設定する第２設定手段と、
   前記第１設定手段により設定した供給電流から、前記第２設定手段により設定した充電電流を差し引いた残余電流を用いて、前記加熱手段の加熱による前記蓄電装置の暖機を実施する暖機制御手段と、
   を備え、
   前記第２設定手段は、前記蓄電装置の温度が低いほど前記充電電流を小さくし、かつ前記蓄電装置の蓄電量が多いほど前記充電電流を小さくすることを特徴とする車両の充電制御装置。
2. 前記第２設定手段は、前記蓄電装置の充電開始後において、前記蓄電装置の温度上昇に応じて前記充電電流を増加させる請求項１に記載の車両の充電制御装置。
3. 電力の供給により駆動されて車室内の暖房を実施する暖房手段（２５）を備え、前記蓄電装置が車室内又は車室近傍に設けられている車両に適用され、
   前記暖機制御手段は、前記暖房手段を前記加熱手段として用い、前記残余電流により前記暖房手段の暖房を実施する請求項１又は２に記載の車両の充電制御装置。
4. 前記暖機制御手段は、前記残余電流の大きさに基づいて、前記暖房手段による暖房の実施態様を設定する請求項３に記載の車両の充電制御装置。

Images