JP2009201282A

JP2009201282A - 車両用充電システム

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Publication number: JP2009201282A
Application number: JP2008041363A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Watanabe; 秀信渡辺; Koji Terada; 興司寺田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: JP5127501B2

Abstract

【課題】外部電源で駆動用電池及び補機電池を充電する際に、補機電池の容量不足を生じることなく、駆動用電池を極力迅速に充電する。
【解決手段】商用電源１６で駆動用電池２及び補機電池３を充電する際に、電圧センサ１１の検出電圧が所定電圧以上になり、かつ、電流センサ１０の検出電流が所定電流以上になるとき、すなわち、駆動用電池２の充電に必要な電力が大きくなる期間には、充電器６によって補機電池３の充電電流を制限し、駆動用電池２を短時間に迅速に充電する。しかも、前記駆動用電池優先期間を除くその他の期間には、補機電池３の充電電流の前記制限を行わないことにより、補機電池３を十分な電力で充電して容量不足に陥らにようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部電源を受電して車両の駆動用電池及び補機電池を充電する車両用充電システムに関し、詳しくは、充電性能の改善に関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）やプラグイン・ハイブリッド車（ＰＨＥＶ）等は、車両の走行モータを駆動する高電圧（例えば２８８Ｖ）大容量の駆動用電池及び、この駆動用電池の冷却ファン（電池冷却ファン）やランプ類等の車両の各種補機を駆動する低電圧（例えば１２Ｖ）の補機電池を備える。

これらの電池は、車両に搭載された車両用充電システムにより商用電源等の外部電源（主に交流電源）を用いて充電される。

具体的には、例えば商用電源のコンセント（アウトレット）に前記車両用充電システムの充電器のプラグが差し込まれ、充電器の直流変換（整流、平滑）及びレギュレータ制御により、高電圧大電流の直流出力が形成され、この直流出力で駆動用電源が充電される。この充電の制御はよく知られているように充電の進行にしたがって変化し、代表的な３段充電制御の場合、充電の進行に伴って定電流充電→定電圧充電→定電流充電に制御が３段に切り替わって変化する。また、前記充電器の出力は、充電器と別体のＤＣ／ＤＣコンバータ又は充電器に内蔵のＤＣ／ＤＣコンバータで降圧され、そのコンバータの低電圧出力で補機電池も充電される（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１７８２２８号公報（特許請求の範囲、段落［０００２］−［０００４］、［００１５］−［００１７］、図１、図２等）

前記従来の車両用充電システムにおいて、外部電源で駆動用電池及び補機電池を充電する際、充電器の時々刻々の最大出力電力は商用電源や充電器の能力の制約から決定される。また、駆動用電池の充電に用いられる最大電力（駆動用電池の充電可能な最大電力）は、電池の充電受け入れ能力にも制限されるが、充電受け入れ能力＞充電器の最大出力とすると、前記最大出力電力から補機電池の充電に用いられる電力を差し引いたものとなる。

そして、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、通常、その出力側の電圧・電流の監視に基づいて動作制御され、補機電池が要求する電力を補機電池に供給しようとする。そのため、前記駆動用電池の充電に用いられる最大電力は、充電器の最大出力電力から補機電池の充電に必要な電力を差し引いたものとなる。そのため、前記従来の車両用充電システムの場合、補機電池の充電状態（放電状態）に応じて駆動用電池の充電に用いられる電力が変化する。

したがって、充電の際に、補機電池が充電量の少ない状態であれば、補機電池の充電に多くの電力を使用するため、外部電源からの電力が補機電池に吸い取られ、駆動用電池の充電に十分な電力を確保できなくなり、駆動用電池の充電時間が長くなってしまう問題がある。

なお、駆動用電池の充電を優先し、駆動用電池の充電中に無条件に補機電池の充電を制限すると、補機電池の容量不足が発生し、補機電池の電力で動作する前記電池冷却ファンやランプ類の駆動電源、更には、車両制御ＥＣＵや充電器の制御電源が得られなくなり、車両の充電及び走行が共に不可能となる可能性がある。具体的に、駆動用電池の充電中は、電池温度が高温となり、冷却が必要となったときに、電力消費の大きな前記電池冷却ファンが動作するとともに充電器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、車両ＥＣＵ等が必ず動作するので、その間、補機電池は必ず放電する。そのため、駆動用電池の充電中に補機電池を全く充電しなければ、補機電池が容量不足の状態に陥り、上述したように車両の充電及び走行が共に不可能となる可能性がある。

すなわち、従来のこの種の車載用充電システムにおいては、外部電源で駆動用電池及び補機電池を充電する際に、補機電池の容量不足を生じることなく、駆動用電池を極力迅速に充電することができない問題がある。

本発明は、外部電源で駆動用電池及び補機電池を充電する際に、補機電池の容量不足を生じることなく、駆動用電池を極力迅速に充電することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の車両用充電システムは、走行モータに給電する駆動用電池と、車載の補機に給電する補機電池と、外部電源を受電して前記駆動用電池及び前記補機電池に給電する充電手段とを備えた車両用充電システムであって、前記駆動用電池の充電電流及び充電電圧を検出する検出手段と、前記検出手段の検出電圧が所定電圧以上になり、かつ、前記検出手段の検出電流が所定電流以上になるときに、前記補機電池の充電電流を制限する補機充電制限手段とを備えたことを特徴としている（請求項１）。

本発明の車両用充電システムの場合、外部電源で駆動用電池及び補機電池を充電する際に、検出手段の検出電圧が所定電圧以上になり、かつ、検出電流が所定電流以上になるとき、すなわち、駆動用電池の充電に必要な電力が大きくなる期間（駆動用電池優先期間）には、補機充電制限手段によって補機電池の充電電流が制限され、駆動用電池の充電に十分な電力が確保される。そのため、駆動用電池の充電時間が補機電池の充電で長くならず、駆動用電池を短時間に迅速に充電できる。

また、前記駆動用電池優先期間を除くその他の期間には、補機充電制限手段による前記制限を行わないため、補機電池が十分な電力で充電される。そのため、前記電池冷却ファンの駆動等により充電中の補機電池の電力が消費されても、補機電池補機電池が容量不足に陥ることはない。

したがって、外部電源で駆動用電池及び補機電池を充電する際に、補機電池の容量不足を生じることなく、駆動用電池を極力迅速に充電することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、その一実施形態について、図１及び図２にしたがって詳述する。

図１は車両１に搭載された本実施形態の車両用充電システムのブロック図、図２は図１の駆動用電池の充電電圧、充電電流の時間変化の説明図である。

（構成）
図１において、車両１は例えばプラグイン・ハイブリッド車であり、走行用のモータ（図示せず）を駆動する高電圧（例えば２８８Ｖ）大出力の駆動用電池２及び例えば１２Ｖの補機電池３を備える。なお、駆動用電池２は例えばニッケル水素電池であり、補機電池は従来からの鉛蓄電池である。

駆動用電池２は電池冷却ファン２１が取り付けられ、このファン２１及び駆動用電池２の状態監視用の制御ＥＣＵＥ４は、他の補機類（図示せず）と同様、補機電池３の低電圧出力が駆動電源として給電されて動作する。

ところで、制御ＥＣＵ４は、マイクロコンピュータ等によって形成され、設定された制御プログラムを実行することにより、駆動用電池２を制御する電池制御ＥＣＵ、モータ駆動を制御するモータ制御ＥＣＵ、車両走行を制御する車両制御ＥＣＵのいずれか一つ又は全部の機能を備えた構成に形成されるが、本実施形態では、説明を簡単にする等のため、制御ＥＣＵ４は電池制御ＥＣＵの機能を単独で備えるものとする。

この場合、制御ＥＣＵ４は、駆動用電池２の状態監視に基づき、車両１の車内の制御通信ネットワーク（ＣＡＮ）５を通して後述する充電器６等に、時々刻々の電池冷却ファン２１のオン／オフの状態等をフラグで通知する。

つぎに、車両１には充電器６が搭載され、この充電器６は整流器や平滑回路等で構成された充電器機能部と、充電器６及び後述のＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作制御を行うコンピュータ構成の制御機能部とが設けられ、充電器６の正、負端子６ｐ、６ｎの高電圧大容量の直流出力は、給電線８ｐ、８ｎを介して駆動用電池２の正、負端子２ｐ、２ｎに給電される。

給電線８ｐにはスタートキーの操作に連動してモータの駆動中及び充電中にオンするリレースイッチ９が介在する。また、給電線８ｐのリレースイッチ９よりも駆動用電池２寄りに電流センサ１０が取り付けられ、駆動用電池２の正、負端子２ｐ、２ｎ間の電圧を検出する電圧センサ１１が設けられている。電流センサ１０、電圧センサ１１は本発明の検出手段を形成し、駆動用電池２の時々刻々の充電電流及び充電電圧を検出して検出出力を充電器６に出力する。

充電器６の正、負端子６ｐ、６ｎの前記直流出力は、給電線１２ｐ、１２ｎを介してＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力側の正、負端子７１ｐ、７１ｎにも給電される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、高電圧の入力側を１次側、低電圧の出力側を２次側とすると、充電器６からの直流入力を１次側でＰＷＭ制御で断続し、この断続で形成された交流電力を絶縁トランスを介して２次側に伝え、２次側で整流して低電圧の直流に変化し、この低電圧の直流を出力側の正、負端子７２ｐ、７２ｎから給電線１３ｐ、１３ｎを通って補機電池３の正、負端子３ｐ、３ｎに給電する。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、２次側の電圧及び電流の検出機能を内蔵し、これらの検出結果に基づき、基本的には、補機電池３が満充電状態に保持されるように１次側のＰＷＭ制御を行う。なお、充電通は補機電池３の充電電力が給電線１３ｐ、１３ｎを通って少なくとも電池冷却ファン２１の正、負端子２１ｐ、２１ｎ及び制御ＥＣＵ４の正、負端子４ｐ、４ｎに給電される。

充電器６の前記制御機能部は本発明の補機充電制限手段を形成し、この補機充電制限手段は、電圧センサ１１の検出電圧が所定電圧（高負荷判定電圧）Ｖα以上になり、かつ、電流センサ１０の検出電流が所定電流（高負荷判定電流）Ｉα以上になるとき、すなわち、駆動用電池２の充電に必要な電力が大きくなるとき（後述の駆動用電池優先期間）に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７に補機電池３の充電電流の制限を指令し、この指令に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は２次側の電流検出に基づく１次側のＰＷＭ制御のデューティー比のフィードバック制御により補機電池３に給電する充電電流を設定された後述の第１の制限値（基準制限値）Ｉ１に制限する。制限値Ｉ１は、例えば、駆動用電源２の充電中に補機電池３の充放容量が性能維持等に必要な最小容量に維持される電流値であり、実験等に基づいて設定される。

充電器６の前記制御機能部は、本実施例の場合、さらにつぎに説明する補機電地３の充電制限の抑制手段も備える。すなわち、電池冷却ファン２１の高駆動中など、とくに補機電池３の負荷が大きい場合には、駆動用電池２の充電中に補機電池３の充電電流を第１の制限値Ｉ１にまで低くしてしまうと、補機電池３が容量不足に陥る可能性がある。

そして、補機電池３の容量不足が発生すると、充電器６、電池冷却ファン２１、制御ＥＣＵ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ７等の補機類の電源が得られなくなり、自車１の充電及び走行共に不可能となる可能性がある。そのため、前記抑制手段は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の前記２次側の電圧及び電流の検出機能の検出結果及び、図示省略した補機電池３の電流センサ１０、電圧センサ１１の電流、電圧の検出結果等に基づき、補機電池３の充放電の収支、具体的には電流収支（満充電状態で充放電電流が０なら収支０）又は充電容量の収支（容量の増減変化がなければ収支０）を監視し、補機充電制限手段の充電制限によって補機電池３の充放電の収支が崩れ、補機電池３が充電容量不足になると判断すると、補機電池３の充電電流の制限緩和をＤＣ／ＤＣコンバータ７に指令し、そのＰＷＭ制御の電流目標値を第１の制限値Ｉ１から第２の制限値（通常制限値）Ｉ２に引き上げ、補機電池３の充電電流の制限を抑制（緩和）する。制限値Ｉ２は、例えば、標準的な通常の負荷状態で補機電池３の充放電収支が０になる電流値であり、実験等によって設定される。

また、駆動用電池２の充電の全期間において、補機電池３の充電電流を第１の制限値Ｉ１に制限する駆動用電池優先期間を除く期間には、補機電池３の充電電流を制限しなくてもよいが、本実施形態の場合、駆動用電池２の充電期間を少しでも短くするため、充電器６の前記制御機能部により、補機電池３の充電電流を前記第２の制限値Ｉ２に制限する。

つぎに、充電器６の交流入力側には接続ケーブル１４が設けられている。このケーブル１４は、常時は車両１から取りはずされる等されて車両１の車内に格納され、充電時に車外に取り出される。そして充電時、車外に取り出されたケーブル１４の先端のプラグ１５が例えば住宅の外壁に設けられた商用電源１６のコンセント（アウトレット）１７に差し込まれるとともに、ケーブル１４の基部側が車両１の充電器６に接続されることにより、商用電源１６の例えば１００Ｖの交流が充電器６に給電される。

（動作）
ダッシュボードのメッセージ表示等に基づいて電池２、３の外部電源による充電を行う場合、停車状態の車両１からケーブル１４が引き出され、そのプラグ１５がコンセント１７に差し込まれて充電が開始される。

このとき、例えば１００Ｖ交流の商用電源１６が充電器６に受電され、充電器６は商用電源１６の整流、平滑等を行って例えば２８８Ｖ以上の高電圧大容量の直流出力を発生し、この直流出力が、オン状態のリレースイッチ９を介して駆動用電池２に給電され、駆動用電池２が充電される。

また、充電器６の前記直流出流出力はＤＣ／ＤＣコンバータ７にも給電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ７のＰＷＭ制御の電圧変換によって形成された低電圧の直流出力が補機電池３に給電されて補機電池３も充電される。このとき、駆動用電源２の充電を少しでも早く終了するため、本実施形態の場合、補機電池３の充電電流は少なくとも第２の制限値Ｉ２の電流に制限される。

なお、補機電池３の充電出力は駆動用電池２の電池冷却ファン２１、制御用ＥＣＵ４等の車内の各補機類に給電されるが、外部電源での充電中は、補機電池３の放電劣化を極力防止するため、本実施形態の場合、給電線１３ｐ、１３ｎのスイッチボックス（図示せず）の給電路選択等によって、補機電池３から給電される補機類が電池冷却ファン２１、制御用ＥＣＵ４等の充電に必要なものに制限される。

駆動用電池２の充電電圧は電圧センサ１１によって検出され、その充電電流は電流センサ１０によって検出される。それらの検出出力に基づき、充電器６の制御機能部は駆動用電池２の充電状態を把握する。また、充電器６の制御機能部は、制御ＥＣＵ４から受信したフラグの状態により、充電中の電池冷却ファン２１のオン／オフ等の負荷の駆動も把握することにより、補機電池３の負荷が大きくなりその充電容量が不足することを判断する。

つぎに、充電器６の充電制御について、図２を参照して説明する。

まず、充電器６による駆動用電池２の充電方式としては、周知の定電圧方式、定電流方式、それらを組み合わせた２段又は多段の方式がある。そして、充電器６の制御機能部は、駆動用電池２の特性等に応じた最も好ましい充電方式の充電制御を実行する。

そして、本実施形態においては、駆動用電池２の充電電圧、充電電流の検出又はタイマー制御に基づき、充電器６は、定電流充電→定電圧充電→定電流充電（押し込み充電）に順に充電方式を切り替える３段充電制御を実行するものとする。

すなわち、図２の時刻ｔｓの充電開始により充電器６は駆動用電池２に対して定電流制御の充電器として動作し、駆動用電池２は設定された定電流で充電される（図２の第１の定電流充電の期間）。このとき、駆動用電池２の充電電流は図２の破線ｉに示すように、所定電流Ｉα以上の一定電流になり、この一定電流の充電によって駆動用電池２の充電電圧は図２の一点破線ｖに示すように充電の進行にしたがって上昇し、充電電流と充電電圧の積の駆動用電池２の充電電力も増大する。

そして、図２のｔ１時に駆動用電池２の充電電圧が所定電圧Ｖαに上昇すると、このｔ１時から、充電の進行によって駆動用電池２の充電電流が所定値Ｉαに減少する同図のｔ２時までの期間、すなわち、電圧センサ１１の検出電圧が所定値Ｖα以上になり、かつ、電流センサ１０の検出電流が所定値Ｉα以上になる間、換言すれば、駆動用電池２の充電に必要な電力が大きくなる駆動用電池優先期間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７により駆動用電池３の充電電流が図２の第１の制限値Ｉ１に制限され、その分、駆動用電池３の充電電流が増加する。

そして、この十分な充電電流の定電流充電で駆動用電池３が満充電近くまで迅速に充電され、駆動用電池２の充電電流が減少変化に転ずると、充電器６は定電圧充電の制御に移行する。この定電圧充電（図２の定電圧充電の期間）によって駆動用電池２の充電が更に進行し、その充電電流が前記ｔ２時に所定値Ｉαまで低下すると、補機電池３の充電電流の制限が図２の第２の制限値Ｉ２に緩和される。

さらに、補機電池３の充電電流が第２の制限値Ｉ２の状態で、駆動用電池２の定電圧充電が進み、その充電電流が極めて少ない定電流状態になると、充電器６は駆動用電池２が略満充電状態に充電されたことを認識し、いわゆる押し込みの定電流充電（図２の第２の定電流充電の期間）に移行する。このとき、充電器６は駆動用電池２の充電電圧を少し上げた状態で駆動用電池２をｔ３時までの一定期間（又は充電電圧が減少変化に転ずるまでの期間）定電流充電し、ｔ３時に駆動用電池２及び補機電池３の充電を終了（完了）する。なお、補機電池３は駆動用電池２より容量が小さく、駆動用電池２より早く充電が完了する。

そして、本実施形態の場合、駆動用電池２の充電に十分な電力が必要な図２の楕円で囲んだ駆動用電池優先期間（ｔ１時〜ｔ２時）に補機電池３の充電電流を制限することにより、駆動用電池２の充電に十分な電力が確保される。そのため、駆動用電池２の充電時間が補機電池３の充電で長くならず、駆動用電池２を短時間に迅速に充電できる。

また、補機電池３の充電については、前記駆動用電池優先期間を除くその他の期間には、補機電池３の充電電流を制限値Ｉ１には制限しないため、補機電池３も十分な電力で充電される。そのため、充電中に消費電力の大きな電池冷却ファン２１の駆動により補機電池３の電力が消費されても、補機電池３の容量不足が発生することもない。

ところで、駆動用電池優先期間（ｔ１時〜ｔ２時）に補機電池３の充電電流を第１の制限値Ｉ１に制限すると、補機電池３が充電容量不足になる可能性があるとき（例えば、補機電池３の充電量が少ない場合に電池冷却ファン２１等の負荷が駆動したとき）は、前記駆動用電池優先期間（ｔ１時〜ｔ２時）であっても補機電池３の充電電流は第２の制限値Ｉ２に維持され、補機電池３は十分な充電電流で充電され、このような場合にも充電容量不足に陥ることがない。

そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、第２の制限値Ｉ２の設定を省き、前記駆動用電池優先期間を全く期間は、補機電池３の充電電流の制限を行わないようにしてもよい。また、構成の簡素化等を図る場合、前記抑制手段を省いてもよい。

つぎに、所定値Ｖα、Ｉαや制限値Ｉ１、Ｉ２等は、回路設計条件や電池２、３の容量、特性等に基づいて適当に設定すればよい。また、充電器６の充電方式がどのようであっても、本発明を適用することができる。

さらに、装置の具体的な構成や配線は、前記実施形態の構成に限るものではない。そして、本発明の補機充電制限手段は、充電器５以外に設けてもよく、例えば制御ＥＣＵ４が充電器６の前記制御機能部の充電制御を、充電器６に代わって行う構成の場合には、制御ＥＣＵ４に設ければよい。

つぎに、駆動用電池２はニッケル水素電池に限るものではなく、補機電池３も鉛電池に限るものではない。加えて、外部電源は１００Ｖの商用電源以外の交流、直流の種々の電圧の電源であってよいのは勿論である。

そして、本発明は、駆動用電池２及び補機電池３を備える種々の構成のプラグイン・ハイブリッド車、電気自動車に適用することができる。

本発明の一実施形態のブロック図である。図１の駆動用電池の充電電圧、充電電流の時間変化の説明図である。

符号の説明

１車両
２駆動用電池
３補機電池
６充電器
７ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０電流センサ
１１電圧センサ
１６商用電源

Claims

走行モータに給電する駆動用電池と、
車載の補機に給電する補機電池と、
外部電源を受電して前記駆動用電池及び前記補機電池に給電する充電手段とを備えた車両用充電システムであって、
前記駆動用電池の充電電流及び充電電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出電圧が所定電圧以上になり、かつ、前記検出手段の検出電流が所定電流以上になるときに、前記補機電池の充電電流を制限する補機充電制限手段とを備えたことを特徴とする車両用充電システム。