JP6686766B2

JP6686766B2 - 充電器及び充電システム

Info

Publication number: JP6686766B2
Application number: JP2016146403A
Authority: JP
Inventors: 和寛新村; 慎司広瀬; 伊藤　智之; 智之伊藤; 宏昌吉澤; 量也山田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: JP2018019478A

Description

本発明は、充電器及び充電システムに関する。

従来から、例えば、ＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）やＰＨＶ（ＰｌｕｇｉｎＨｙｂｒｉｄＶｅｈｉｃｌｅ）などの車両には、走行用モータへの供給電力を蓄えるリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池が搭載されている。

二次電池を充電する技術として、例えば、特許文献１には、電力供給制御装置が開示されており、車両に搭載された電力供給制御装置は商用電源から車両への供給電力を制御し、車両に搭載された電池パック（二次電池）を充電している。一般的に充電器を用いて二次電池を充電する場合、定電流充電や定電流定電圧充電が行われ、二次電池の充電状態等に応じた充電電流値で充電が行われる。

特開２０１５−７０６６１号公報

ところで、二次電池を備える車両から充電器へ送信される充電電流の電流指令値に応じて、充電器から二次電池へ出力する充電電流を制御する充電器の場合、充電電流を制御して二次電池を充電する際に、充電電流の電流指令値が低い電流値から高い電流値に急変した場合、電流指令値に応じて充電電流値を急変させるとオーバーシュートが発生しやすい。一般的に、充電電流の出力の時間的変化率を小さくすることでオーバーシュートを抑制することができる。しかし、充電電流の出力の時間的変化率を小さくすると、二次電池に流れる充電電流値が電流指令値に到達するのに時間を要するため、充電時間が長くなってしまう。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、オーバーシュートの発生を抑制し、かつ充電時間を短縮することができる充電器及び充電システムを提供することにある。

上記目的を達成するための充電器は、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して車両に搭載された蓄電装置に前記直流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段を制御する制御部と、を備える充電器であって、前記制御部は、前記車両から一定時間毎に送信される電流指令値を受信する通信手段と、前記電流指令値の今回値と前回値の差を算出し、予め定められた閾値との大小関係を比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記今回値と前回値の差が予め定められた閾値以上の場合は、前記電力変換手段から前記二次電池へ供給する充電電流の出力を第１の時間的変化率となるように設定し、前記今回値と前回値の差が前記閾値未満の場合は、前記充電電流の出力を前記第１の時間的変化率よりも大きな第２の時間的変化率となるように設定する設定手段と、を備えることを特徴とする。

これによれば、電流指令値が急変し、電流指令値の今回値と前回値の差が予め定められた閾値以上の場合、オーバーシュートが発生しやすい状況となるが、蓄電装置へ供給する充電電流の出力は第１の時間的変化率となるように制御される。その結果、蓄電装置へ供給される充電電流値は電流指令値に向かって緩やかに変化するため、オーバーシュートの発生を抑制できる。また、電流指令値の変化が小さく、電流指令値の今回値と前回値の差が予め定められた閾値未満の場合、蓄電装置へ供給される充電電流値が電流指令値に向かって緩やかに変化すると充電時間が長くなる状況となるが、充電電流の出力は第１の時間的変化率よりも大きな第２の時間的変化率となるように制御される。その結果、蓄電装置へ供給される充電電流値が電流指令値に向かって素早く変化するため、充電時間を短縮することができる。

また、充電器において、前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率は、固定値であることが好ましい。
また、充電器において、前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率は可変であり、前記今回値と前回値の差が大きいほど前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率は小さくなるように変化することが好ましい。

また、充電器を備え、前記車両は、前記蓄電装置への前記充電電流を測定する電流測定手段と、前記電流測定手段により測定した前記蓄電装置への充電電流値と前記電流指令値の差が、予め定められた値よりも大きい場合、エラーと判定するエラー判定手段と、を備える充電システムであって、前記車両は、前記設定手段による前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率に基づいて、前記充電電流値が前記電流指令値に近づくように変化している期間の少なくとも一部期間は前記エラー判定手段によるエラー判定を行わせない、又はエラー判定結果を無効化する判定監視手段を備えることを特徴とすることが好ましい。

これによれば、設定手段により設定された第１の時間的変化率又は第２の時間的変化率において、充電電流値が電流指令値に近づくように変化している期間の少なくとも一部期間は、判定監視手段はエラー判定手段によるエラー判定を行わせない、又はエラー判定結果を無効化する。そのため、エラー判定手段を備えた車両の蓄電装置を充電する場合であっても、電流指令値の今回値と前回値の差に応じて充電電流の出力の時間的変化率を制御する充電器を用いることができる。

本発明によれば、オーバーシュートの発生を抑制し、かつ充電時間を短縮することができる充電器及び充電システムを提供できる。

実施形態に係る蓄電システムの概略を示す構成図。実施形態の電流指令値の今回値と前回値の差と時間的変化率の関係を示す図。実施形態の充電器のコントローラにより実行される電力供給開始時の制御ルーチンの一例を示すフローチャート。第１の時間的変化率における時間と電流値との関係を示す図。第２の時間的変化率における時間と電流値との関係を示す図。第１及び第２の時間的変化率の別例を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、蓄電システム９は、充電器２０と、ＥＶ車両（電動輸送機器）４０と、を備える。ＥＶ車両４０には、蓄電装置としての二次電池４２、電流測定部４３、モータ４４、コントローラ４５等が搭載されている。

二次電池４２としては、リチウムイオン電池やニッケル水素二次電池等が用いられる。二次電池４２は、充電器２０から供給される充電電流により充電され、蓄えた電力を複数個（図１中では１個のみ図示）のモータ４４へ放電する。モータ４４は図示しない駆動輪に連結された駆動軸と接続しており、モータの回転を駆動軸に伝え駆動輪を回転させる。

充電器２０は、電力変換手段としての電力変換部２１と、電力変換部２１を制御する制御部としてのコントローラ２２と、を備える。充電器２０のコントローラ２２は、通信手段としての通信部２３と、不揮発メモリ２４と、比較手段としての比較部２５と、設定手段としての設定部２６と、を備える。

ＥＶ車両４０のコントローラ４５は、通信部４６と、不揮発メモリ４７と、計算部４８と、エラー判定手段としてのエラー判定部４９と、判定監視手段としての判定監視部５０と、を備える。

充電器２０は、電源ケーブル１１と、充電ケーブル３０と、を備える。充電ケーブル３０は、二次電池４２へ充電電流を供給するための電力線３１と、充電器２０のコントローラ２２とＥＶ車両４０のコントローラ４５との間で通信される通信信号を伝送する通信線３２と、を備える。通信線３２は、ＥＶ車両４０のコントローラ４５から充電器２０のコントローラ２２へ送信される信号を通信する第１の通信線３２ａと、充電器２０のコントローラ２２からＥＶ車両４０のコントローラ４５へ送信される信号を通信する第２の通信線３２ｂと、を備える。

充電ケーブル３０の先端部の充電コネクタ３３がＥＶ車両４０側のコネクタ４１に挿着される。充電器２０の電力変換部２１は、電源ケーブル１１を介して商用電源１０から供給される交流電力を直流電力へ変換し、電力線３１を介して二次電池４２に直流電力（充電電流）を供給する。電力変換部２１は、例えばＡＣ／ＤＣ回路等から構成される。充電器２０のコントローラ２２は、電力変換部２１から二次電池４２へ供給される充電電流の出力を制御する。

ＥＶ車両４０のコントローラ４５は、二次電池４２の充電状態やモータ４４への放電状態を監視する。ＥＶ車両４０の通信部４６は、一定時間毎（例えば、０．１秒毎等）に充電電流の電流指令値を第１の通信線３２ａを介して充電器２０の通信部２３へ送信する。電流測定部４３は、電力線３１を介して電力変換部２１から二次電池４２へ供給される充電電流を測定し、測定した充電電流値をＥＶ車両４０のコントローラ４５へ送信する。

充電器２０の通信部２３は、一定時間毎に第１の通信線３２ａを介してＥＶ車両４０の通信部４６から送信される充電電流の電流指令値を受信する。充電器２０の不揮発メモリ２４は、充電器２０の通信部２３が受信した充電電流の電流指令値を記憶する。

比較部２５は、充電電流の電流指令値の今回値Ｉｃ（ｎ）と、充電器２０の不揮発メモリ２４により記憶した充電電流の電流指令値の前回値Ｉｃ（ｎ−１）との差の絶対値｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜を算出し、予め定められた閾値Ｉｔｈとの大小関係を比較する。

設定部２６は、比較部２５の比較結果に基づいて、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値Ｉｔｈ以上の場合（｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜≧Ｉｔｈ）は、充電電流の出力を第１の時間的変化率となるように設定し、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値Ｉｔｈ未満の場合（｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜＜Ｉｔｈ）は、充電電流の出力を第１の時間的変化率より大きな第２の時間的変化率となるように設定する。そして、充電器２０のコントローラ２２は、設定部２６により設定された充電電流の出力の時間的変化率に基づいて、電力変換部２１を制御して二次電池４２へ供給する充電電流の出力を調整する。

図２に、比較部２５により算出した電流指令値の今回値と前回値との差｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜と、設定部２６により設定した充電電流の時間的変化率の関係を示す。図２では、予め定められた閾値Ｉｔｈを５０［Ａ］、第１の時間的変化率を１０［Ａ／ｓｅｃ］、第２の時間的変化率を１００［Ａ／ｓｅｃ］としている。設定部２６は、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値Ｉｔｈ未満の場合（｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜＜５０）は充電電流の出力を第２の時間的変化率１００［Ａ／ｓｅｃ］となるように設定し、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値Ｉｔｈ以上の場合（｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜≧５０）は、充電電流の出力を第１の時間的変化率１０［Ａ／ｓｅｃ］となるように設定する。この時、第１及び第２の時間的変化率は固定値である。

次に、作用について説明する。
図３に充電器２０のコントローラ２２が実行する処理を示す。充電が開始されると、図３の処理が開始される。そして、充電器２０の不揮発メモリ２４は、充電器２０の通信部２３によりＥＶ車両４０の通信部４６から一定時間毎に受信した充電電流の電流指令値の前回値Ｉｃ（ｎ−１）を記憶する（Ｓ５１）。

充電器２０の通信部２３は、ＥＶ車両４０の通信部４６から一定時間毎に充電電流の電流指令値の今回値Ｉｃ（ｎ）を受信する（Ｓ５２）。
比較部２５は、充電電流の電流指令値の今回値Ｉｃ（ｎ）と前回値Ｉｃ（ｎ−１）の差の絶対値｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜が予め定められた閾値Ｉｔｈ以上であるか否か判定する（Ｓ５３）。

前述のステップＳ５３で充電電流の電流指令値の今回値と前回値の差｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜が閾値Ｉｔｈ以上の場合（Ｓ５３でＹＥＳの場合）、設定部２６は、充電電流の出力を第１の時間的変化率に設定する（Ｓ５４）。一方、電流指令値の今回値と前回値の差｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜が閾値Ｉｔｈ未満の場合（Ｓ５３でＮＯの場合）、設定部２６は、充電電流の出力を第２の時間的変化率に設定する（Ｓ５５）。

図４には、第１の時間的変化率における時間と電流値との関係を示し、図５には、第２の時間的変化率における時間と電流値との関係を示す。図４では、第１の時間的変化率を１０［Ａ／ｓｅｃ］としている。図５では、第２の時間的変化率を１００［Ａ／ｓｅｃ］としている。図４，５中の二点鎖線は充電電流の電流指令値を示し、実線は電流測定部４３で測定される充電電流値を示す。図４におけるｔ１は、充電が開始した時点であり、ｔ１以降に充電電流値が増加する。ｔ３は、充電電流値が充電電流の電流指令値に到達した時点である。

図４に示すように、充電電流の電流指令値が低い電流値から高い電流値に急変した場合は、オーバーシュートが発生しやすい状況（図４で一点鎖線で示す）となるが、充電電流の出力（図４で実線で示す）は第１の時間的変化率となるように設定される。すると、充電電流値は充電電流の電流指令値まで緩やかに上昇するため、オーバーシュートの発生を抑制できる。

一方、図５に示すように、充電電流の電流指令値の変化が小さい場合は、図５において一点鎖線で示すように、充電電流値を充電電流の電流指令値まで緩やかに上昇させると充電時間が長くなってしまうが、充電電流の出力（図５で実線で示す）は第１の時間的変化率よりも大きな第２の時間的変化率となるように設定される。すると、充電電流値は充電電流の電流指令値まで素早く上昇するため、充電時間を短縮することができる。

図１において、ＥＶ車両４０の不揮発メモリ４７は、ＥＶ車両４０の通信部４６が充電器２０の通信部２３へ一定時間毎に送信する充電電流の電流指令値を記憶する。計算部４８は、ＥＶ車両４０の不揮発メモリ４７が記憶した充電電流の電流指令値と、電流測定部４３により測定した充電電流値の差を算出する。

エラー判定部４９は、計算部４８で算出した充電電流の電流指令値と充電電流値の差が予め定められた値よりも大きい場合、エラーと判定する。ＥＶ車両４０の通信部４６は、充電器２０の設定部２６により設定された充電電流の出力の時間的変化率を、充電器２０の通信部２３から第２の通信線３２ｂを介して受信する。判定監視部５０は、ＥＶ車両４０の通信部４６が受信した時間的変化率の結果に基づいて、図４に示すように、充電電流値（図４での実線）が充電電流の電流指令値（図４での二点鎖線）に近づくように変化している期間（図４での期間Ｔ１）の少なくとも一部期間（図４でのｔ２からｔ３までの期間Ｔ２）は、エラー判定部４９によるエラー判定を行わせない、又はエラー判定結果を無効化する。

判定監視部５０がエラー判定部４９によるエラー判定を無効化する場合についてより詳しく説明する。判定監視部５０は、電流指令値の今回値Ｉｃ（ｎ）と前回値Ｉｃ（ｎ−１）の差の絶対値｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜を充電電流の出力の時間的変化率で除算することにより、充電電流値が充電電流の電流指令値に近づくように変化している期間（期間Ｔ１）を求める。エラー判定部４９は、例えば、予め定められた値を３０［Ａ］とすると、図４における充電開始時点ｔ１から予め定めた一定期間Ｔ１０（例えば、充電器２０の通信部２３が充電開始時点ｔ１から最初に充電電流の電流指令値を受信するまでの時間等）が経過した時点ｔ２では、エラーと判定する。この時、判定監視部５０は、図４での横軸、即ち時系列において上記期間Ｔ１のうち前半の上記一定期間Ｔ１０が経過した後の期間Ｔ２においては、エラー判定部４９によるエラー判定結果を無効化する。

また、判定監視部５０がエラー判定部４９にエラー判定を行わせない場合についてより詳しく説明する。判定監視部５０は、上記の期間Ｔ２においてエラー判定部４９に判定禁止指令を出力する。判定禁止指令を受け取ったエラー判定部４９は、上記の期間Ｔ２においてエラー判定を行わない。

以上詳述した本実施形態によれば以下の優れた作用効果を奏する。
（１）充電器２０の通信部２３はＥＶ車両４０の通信部４６から一定時間毎に送信された充電電流の電流指令値を受信する。充電器２０の不揮発メモリ２４は、充電器２０の通信部２３により受信した充電電流の電流指令値を記憶する。比較部２５は、充電電流の電流指令値の今回値と充電器２０の不揮発メモリ２４により記憶した前回値の差と予め定められた閾値との大小関係を比較する。設定部２６は、比較部２５の比較結果に基づいて、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値以上の場合は、充電電流の出力を第１の時間的変化率となるように設定し、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値未満の場合は、充電電流の出力を第１の時間的変化率よりも大きな第２の時間的変化率となるように設定する。そのため、オーバーシュートの発生を抑制できる。

一方、充電電流の電流指令値の変化が小さい場合は、充電電流値を充電電流の電流指令値まで緩やかに上昇させると充電時間が長くなってしまうが、充電電流の出力は第１の時間的変化率よりも大きな第２の時間的変化率となるように設定される。そのため、二次電池４２の充電時間を短縮することができる。

（２）実施形態は、二次電池へ供給する充電電流の出力を充電器側で制御する。これに対して、車両側で二次電池へ供給する充電電流の出力を制御する場合、車両側での充電電流の出力の制御の仕方によっては、充電器が充電電流を制御する手段を備えていないと、充電器に過剰な電流が流れて充電器が故障する虞がある。そのため、車両側で充電電流の出力を制御する場合には、車両の二次電池を充電できる充電器は限りがあり、汎用性が低い。

一方、実施形態は、車両側がいかなる制御を行う、又は車両側が制御を行わない場合であっても、充電器側において二次電池へ供給する充電電流の出力を制御する。その結果、過剰な充電電流を二次電池に供給することがなく、充電器において過剰な充電電流が流れて充電器が故障することを抑制できる。そのため、充電器側で充電電流の出力を制御する場合には、充電器は多様な車両の充電に用いることができ、汎用性が高い。

（３）ＥＶ車両４０は、エラー判定部４９、及び判定監視部５０を備える。エラー判定部４９は、充電電流の電流指令値と充電電流値の差が予め定められた値よりも大きい場合、エラーと判定する。判定監視部５０は、設定部２６が設定した第１及び第２の時間的変化率に基づいて、充電電流値が充電電流の電流指令値に近づくように変化している期間の少なくとも一部期間は、エラー判定部４９によるエラー判定を行わせない、又はエラー判定結果を無効化する。そのため、エラー判定部４９を備えるＥＶ車両４０の二次電池４２を充電する場合であっても、実施形態の充電器２０を用いることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
〇実施形態では、第１及び第２の時間的変化率は固定値であったが、第１及び第２の時間的変化率は可変であり、電流指令値の今回値と前回値の差が大きいほど第１及び第２の時間的変化率は小さくなるように変化してもよい。この場合、図６に示すように、第２の時間的変化率は、電流指令値の今回値と前回値の差が０の時に最大値となり、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値Ｉｔｈに近づくにつれて減少する。第１の時間的変化率は、電流指令値の今回値と前回値の差が閾値Ｉｔｈの時に最大値となり、電流指令値の今回値と前回値の差が大きくなるにつれて減少していく。この場合、実施形態と同様の効果を奏する。

〇実施形態では、判定監視部５０がエラー判定部４９にエラー判定を行わせない、又はエラー判定結果を無効化する期間は、図４での期間Ｔ２であったが、これに限ることはなく、充電電流値が充電電流の電流指令値に近づくように変化している期間の少なくとも一部期間であればよい。例えば、図４での一定期間Ｔ１０を短くすることにより図４でのｔ２の時点よりも早期時点から開始された期間であってもよく、例えば、充電電流値が充電電流の電流指令値に近づくように変化している全期間（期間Ｔ１）であってもよい。

〇実施形態では、車両はＥＶ車両４０であったが、これに限らず、例えばＰＨＶ等の車両であってもよい。
〇実施形態では、蓄電装置は二次電池であったが、これに限らず、電気化学キャパシタ等であってもよい。

○実施形態では、充電電流値が充電電流の電流指令値に近づくように変化している期間（期間Ｔ１）を｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜と充電電流の出力の時間的変化率とを用いて求めたが、これに限らず、｜Ｉｃ（ｎ）−Ｉｃ（ｎ−１）｜と期間Ｔ１とを関連付けたマップを用いてもよい。期間Ｔ１を求めるのは、ＥＶ車両４０のコントローラ４５（判定監視部５０）ではなく、充電器２０のコントローラ２２でもよい。この場合、ＥＶ車両４０の通信部４６は、充電器２０のコントローラ２２で求められた期間Ｔ１を、充電器２０の通信部２３から第２の通信線３２ｂを介して受信する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。

２０…充電器、２１…電力変換部、２２…コントローラ、２３…通信部、２５…比較部、２６…設定部、４０…ＥＶ車両、４２…二次電池

Claims

商用電源からの交流電力を直流電力に変換して車両に搭載された蓄電装置に前記直流電力を供給する電力変換手段と、
前記電力変換手段を制御する制御部と、を備える充電器であって、
前記制御部は、前記車両から一定時間毎に送信される電流指令値を受信する通信手段と、
前記電流指令値の今回値と前回値の差を算出し、予め定められた閾値との大小関係を比較する比較手段と、
前記比較手段の比較結果に基づいて、前記今回値と前回値の差が予め定められた閾値以上の場合は、前記電力変換手段から前記蓄電装置へ供給する充電電流の出力を第１の時間的変化率となるように設定し、前記今回値と前回値の差が前記閾値未満の場合は、前記充電電流の出力を前記第１の時間的変化率よりも大きな第２の時間的変化率となるように設定する設定手段と、
を備えることを特徴とする充電器。
前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率は、固定値であることを特徴とする請求項１に記載の充電器。
前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率は可変であり、前記今回値と前回値の差が大きいほど前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率は小さくなるように変化することを特徴とする請求項１に記載の充電器。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電器を備え、
前記車両は、前記蓄電装置への前記充電電流を測定する電流測定手段と、
前記電流測定手段により測定した前記蓄電装置への充電電流値と前記電流指令値の差が、予め定められた値よりも大きい場合、エラーと判定するエラー判定手段と、
を備える充電システムであって、
前記車両は、前記設定手段による前記第１の時間的変化率及び前記第２の時間的変化率に基づいて、前記充電電流値が前記電流指令値に近づくように変化している期間の少なくとも一部期間は前記エラー判定手段によるエラー判定を行わせない、又はエラー判定結果を無効化する判定監視手段を備えることを特徴とする充電システム。