JP2011205758A - 充電装置 - Google Patents

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洋祐 大伴
Itaru Seta
至 瀬田
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Abstract

【課題】充電時の安全性を確保しつつ、バッテリの充電を継続させる。
【解決手段】外部電源(ＡＣ１００Ｖ)を用いて電気自動車のバッテリを充電する際には、電気自動車と外部電源とが充電ケーブルを介して接続される。この充電時には、外部電源からの入力電圧Ｖｉが９５Ｖ以上であるか否かが判定される(ステップＳ１)。入力電圧Ｖｉが９５Ｖを下回る場合、つまり充電ケーブルでの電圧の落ち込みが大きい場合には、充電ケーブルにおける配線抵抗の増大が懸念されるため、バッテリに対する出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘが引き下げられる(ステップＳ１４，Ｓ１６，Ｓ１７)。これにより、外部電源から取り込まれる電力を制限することができ、充電ケーブルの過度な発熱を抑制して安全性を確保することが可能となる。また、配線抵抗の増大が懸念される場合には、出力電力Ｐｏを制限するようにしたので、バッテリの充電を継続することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、外部電源に接続して使用される充電装置に関する。
近年、動力源として電動モータを備える電気自動車の開発が進められている。この電気自動車には、バッテリ等の蓄電デバイスが搭載されるとともに充電装置が搭載されており、外部電源と電気自動車とを充電ケーブルを介して接続することで、外部電源による蓄電デバイスの充電が可能となっている。また、動力源としてエンジンおよび電動モータを備えるハイブリッド型の電気自動車においても、外部電源を用いて蓄電デバイスを充電可能とした所謂プラグイン方式の車両が開発されている(例えば、特許文献１参照)。
特開２００９−２２０６１号公報
ところで、電気自動車に搭載される蓄電デバイスは低抵抗かつ大容量であることが多く、充電時には外部電源から大きな電流が供給されることになる。このため、外部電源に接続される充電ケーブルとしては、充電ケーブルにおける過度な発熱を防止する観点から、配線抵抗の小さな充電ケーブルを用いることが必要である。しかしながら、利用者によっては外部電源にコードリール等を介して充電ケーブルを接続することも考えられ、このような行為は入力側の配線抵抗を高める要因となっていた。このため、従来の充電装置においては、充電ケーブルにおける過度な温度上昇が認められた場合には、安全性を確保する観点から充電を停止させることが一般的であった。しかしながら、電気自動車に搭載される蓄電デバイスの充電には時間を要することから、単に充電を停止させてしまうことは蓄電デバイスの充電不足を招いて電気自動車の利便性を損なう要因となっていた。
本発明の目的は、充電時の安全性を確保しつつ、蓄電デバイスを充電することにある。
本発明の充電装置は、外部電源に接続して使用され、前記外部電源を用いて蓄電デバイスを充電する充電装置であって、前記外部電源から入力される入力電圧を検出する電圧検出手段と、前記入力電圧が所定の下限値を下回る場合に、前記蓄電デバイスに向けて出力される出力電力の上限値を引き下げる電力制御手段とを有することを特徴とする。
本発明の充電装置は、前記電力制御手段は、前記入力電圧が所定時間を超えて前記下限値を上回る場合に、前記出力電力の前記上限値を引き上げることを特徴とする。
本発明の充電装置は、前記蓄電デバイスは、電気自動車に搭載される蓄電デバイスであることを特徴とする。
本発明によれば、外部電源からの入力電圧が下限値を下回る場合に、蓄電デバイスに対する出力電力の上限値を引き下げている。これにより、入力側の配線抵抗の上昇が疑われる状況において、外部電源から取り込まれる入力電力を引き下げることができるため、入力側における発熱を抑制しつつ蓄電デバイスの充電を継続することが可能となる。
電気自動車の構成を示す概略図である。 電気自動車の充電状況の一例を示す説明図である。 出力電力の上限値を切り換える電力制限処理の手順を示すフローチャートである。 電力制限処理の概要を示す説明図である。 (ａ)は上限値を１０００Ｗに設定したときの接続経路における発熱状況の一例を示す説明図であり、(ｂ)は上限値を６００Ｗに設定したときの接続経路における発熱状況の一例を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は電気自動車１０の構成を示す概略図である。この電気自動車１０には本発明の一実施の形態である充電装置１１が搭載されている。図１に示すように、電気自動車１０はモータジェネレータ１２を有しており、このモータジェネレータ１２は駆動軸１３を介して駆動輪１４に連結されている。また、電気自動車１０は蓄電デバイスとしてバッテリ１５を有しており、このバッテリ１５はインバータ１６を介してモータジェネレータ１２に接続されている。なお、バッテリ１５とインバータ１６とを接続する通電ライン１７，１８にはメインリレー１９が設けられている。
外部電源(例えばＡＣ１００Ｖ)２０を用いてバッテリ１５を充電するため、電気自動車１０には充電ケーブル２１を接続するための充電口２２が設けられている。また、電気自動車１０には、外部電源２０からの供給電力を充電電力に変換する充電装置１１が搭載されている。充電装置１１の入力側には入力ライン２３，２４を介して充電口２２が接続されており、充電装置１１の出力側には出力ライン２５，２６を介して通電ライン１７，１８が接続されている。また、充電装置１１は、整流回路、変圧器、スイッチング回路等によって構成される電力変換部２７を有しており、この電力変換部２７を経て低電圧の交流電流が高電圧の直流電流に変換されている。さらに、充電装置１１は、マイクロコンピュータ等によって構成される制御部２８を有しており、この制御部２８から出力される制御信号に基づき電力変換部２７は制御されている。また、充電装置１１には、入力ライン２３，２４の電圧を検出する電圧センサ３０、出力ライン２５，２６の電流を検出する電流センサ３１、出力ライン２５，２６の電圧を検出する電圧センサ３２が設けられている。そして、各センサ３０〜３２からの電圧信号や電流信号が制御部２８に対して送信される。
また、電気自動車１０には、インバータ１６を制御するモータ制御ユニット３３や、バッテリ１５を制御するバッテリ制御ユニット３４等が設けられている。さらに、電気自動車１０内には通信ネットワーク３５が構築されており、この通信ネットワーク３５を介して、充電装置１１、モータ制御ユニット３３、バッテリ制御ユニット３４等は相互に接続されている。
図２は電気自動車１０の充電状況の一例を示す説明図である。まず図１に示すように、電気自動車１０のバッテリ１５を充電する際には、外部電源２０と電気自動車１０とが充電ケーブル２１を介して接続される。ところで、外部電源２０と電気自動車１０とを接続する充電ケーブル２１としては、充電ケーブル２１における過度な発熱を防止する観点から、配線抵抗の小さな充電ケーブル２１を用いることが必要である。しかしながら、外部電源２０と電気自動車１０との間の接続経路４０については、所定の品質基準を満たした充電ケーブル２１が用いられるだけではなく、利用者によっては配線抵抗の大きな充電ケーブルを用いたり、図２に示すように、充電ケーブル２１に加えてコードリール４１を用いたりすることも考えられる。このように、外部電源２０と電気自動車１０との間の接続経路４０においては、極めて大きな配線抵抗を有することも想定されるため、接続経路４０における発熱状況を検出するとともに、この発熱状況に応じて充電を停止させることが必要であった。しかしながら、接続経路４０は様々なケーブル等によって構成されることから、接続経路４０の発熱状況を検出することは極めて困難であった。また、接続経路４０の発熱状況に応じて単に充電を停止させることは、バッテリ１５の充電不足を招いて電気自動車１０の利便性を損なう要因であった。
そこで、電力制御手段として機能する制御部２８は、外部電源２０から充電装置１１に入力される入力電圧Ｖｉに基づいて、充電装置１１からバッテリ１５に向けて出力される出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを切り換えることにより、バッテリ１５の充電を継続しつつ接続経路４０における過度な発熱を防止している。なお、制御部２８には電圧検出手段である電圧センサ３０から入力電圧Ｖｉが取り込まれている。また、制御部２８には、電流センサ３１から出力電流Ｉｏが取り込まれるとともに、電圧センサ３２から出力電圧Ｖｏが取り込まれており、これらの検出値に基づいて制御部２８は出力電力Ｐｏを算出する。また、以下の説明においては、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを、４００Ｗ、６００Ｗ、８００Ｗ、１０００Ｗの４段階に設定しているが、これに限られることはなく、上限値Ｐｍａｘを３段階以下に設定しても良く、上限値Ｐｍａｘを５段階以上に設定しても良い。
ここで、図３は出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを切り換える電力制限処理の手順を示すフローチャートである。また、図４は電力制限処理の概要を示す説明図である。なお、図３に示す電力制限処理は、所定周期(例えば１００ｍｓｅｃ)毎に実行されている。図３に示すように、ステップＳ１では、接続経路４０における配線抵抗を判定するため、充電装置１１に対する入力電圧Ｖｉが下限値Ｖｍｉｎの９５Ｖ以上であるか否かが判定される。すなわち、入力電圧Ｖｉが９５Ｖ以上である場合には、接続経路４０における電圧の落ち込みが小さいことから、配線抵抗は所定の許容値を下回る正常状態であると判定される。一方、入力電圧Ｖｉが９５Ｖを下回る場合には、接続経路４０における電圧の落ち込みが大きいことから、配線抵抗が所定の許容値を上回る異常状態であると判定される。なお、入力電圧Ｖｉの下限値Ｖｍｉｎを９５Ｖに設定しているが、この値に限られることはない。
ステップＳ１において、入力電圧Ｖｉが９５Ｖ以上であると判定された場合には、入力電圧Ｖｉの落ち込みが小さな正常状態であることから、ステップＳ２から上限値Ｐｍａｘの引き上げについての判定が開始される。ステップＳ２では、現在の上限値Ｐｍａｘが最大の１０００Ｗであるか否かが判定される。ステップＳ２において、上限値Ｐｍａｘが１０００Ｗであると判定された場合には、１０００Ｗの上限値Ｐｍａｘを維持したままルーチンを抜ける。一方、ステップＳ２において、上限値Ｐｍａｘが１０００Ｗ以外であると判定された場合には、ステップＳ３に進み、正常カウンタＣＯＫのカウント処理が実行される。続くステップＳ４では、正常カウンタＣＯＫが所定値Ｃ１以下であるか否かが判定される。ステップＳ４において、正常カウンタＣＯＫが所定値Ｃ１以下であると判定された場合には、現在の上限値Ｐｍａｘを維持したままルーチンを抜ける。一方、ステップＳ４において、正常カウンタＣＯＫが所定値Ｃ１を超えたと判定された場合には、ステップＳ５に進み、正常カウンタＣＯＫのリセット処理が実行される。なお、所定値Ｃ１は１分間に相当するカウント数に設定されており、入力電圧Ｖｉが９５Ｖ以上となる正常状態が１分間に渡って継続された場合に、ステップＳ５に進むことが許可されている。
そして、ステップＳ５において、正常カウンタＣＯＫのリセット処理が実行されると、ステップＳ６に進み、現在の上限値Ｐｍａｘが４００Ｗであるか否かが判定される。ステップＳ６において、上限値Ｐｍａｘが４００Ｗであると判定された場合には、ステップＳ７に進み、上限値Ｐｍａｘが４００Ｗから６００Ｗに引き上げられてルーチンを抜ける。一方、ステップＳ６において、上限値Ｐｍａｘが４００Ｗ以外であると判定された場合には、ステップＳ８に進み、現在の上限値Ｐｍａｘが６００Ｗであるか否かが判定される。ステップＳ８において、上限値Ｐｍａｘが６００Ｗであると判定された場合には、ステップＳ９に進み、上限値Ｐｍａｘが６００Ｗから８００Ｗに引き上げられてルーチンを抜ける。一方、ステップＳ８において、上限値Ｐｍａｘが６００Ｗ以外であると判定された場合、すなわち現在の上限値Ｐｍａｘが８００Ｗである場合には、ステップＳ１０に進み、上限値Ｐｍａｘが８００Ｗから１０００Ｗに引き上げられてルーチンを抜ける。
一方、ステップＳ１において、入力電圧Ｖｉが９５Ｖ未満であると判定された場合には、入力電圧Ｖｉの落ち込みが大きな異常状態であることから、ステップＳ１１から上限値Ｐｍａｘの引き下げについての判定が開始される。ステップＳ１１では、異常カウンタＣＮＧのカウント処理が実行され、続くステップＳ１２では、異常カウンタＣＮＧが所定値Ｃ２未満であるか否かが判定される。ステップＳ１２において、異常カウンタＣＮＧが所定値Ｃ２未満であると判定された場合には、現在の上限値Ｐｍａｘを維持したままルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１２において、異常カウンタＣＮＧが所定値Ｃ２を超えたと判定された場合には、ステップＳ１３に進み、現在の上限値Ｐｍａｘが１０００Ｗであるか否かが判定される。なお、所定値Ｃ２としては例えば５が設定されており、入力電圧Ｖｉが９５Ｖ未満となる異常状態が５回検出された場合に、ステップＳ１３に進むことが許可されている。すなわち、電力制限処理の実行周期が１００ｍｓｅｃであった場合には、入力電圧Ｖｉが９５Ｖ未満となる異常状態が０．５秒間に渡って継続された場合に、ステップＳ１３に進むことになる。
そして、ステップＳ１３において、上限値Ｐｍａｘが１０００Ｗであると判定された場合には、ステップＳ１４に進み、上限値Ｐｍａｘが１０００Ｗから８００Ｗに引き下げられてルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１３において、上限値Ｐｍａｘが１０００Ｗ以外であると判定された場合には、ステップＳ１５に進み、現在の上限値Ｐｍａｘが８００Ｗであるか否かが判定される。ステップＳ１５において、上限値Ｐｍａｘが８００Ｗであると判定された場合には、ステップＳ１６に進み、上限値Ｐｍａｘが８００Ｗから６００Ｗに引き下げられてルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１５において、上限値Ｐｍａｘが８００Ｗ以外であると判定された場合、すなわち現在の上限値Ｐｍａｘが６００Ｗである場合には、ステップＳ１７に進み、上限値Ｐｍａｘが６００Ｗから４００Ｗに引き下げられてルーチンを抜ける。
すなわち、図４に示すように、充電装置１１に対する入力電圧Ｖｉが９５Ｖ未満となる異常状態が５回検出された場合には、充電装置１１からバッテリ１５に出力される出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘが１段階引き下げられる。このように、接続経路４０における配線抵抗の上昇が疑われる異常状態においては、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを引き下げるようにしたので、接続経路４０を介して外部電源２０から取り込まれる電力を制限することができ、接続経路４０の発熱量を抑制することが可能となる。一方、充電装置１１に対する入力電圧Ｖｉが９５Ｖ以上となる正常状態が１分間に渡って継続された場合には、充電装置１１からバッテリ１５に出力される出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘが１段階引き上げられる。このように、接続経路４０における配線抵抗が小さな正常状態においては、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘが引き上げられることになる。
ここで、図５(ａ)は上限値Ｐｍａｘを１０００Ｗに設定したときの接続経路４０における発熱状況の一例を示す説明図であり、図５(ｂ)は上限値Ｐｍａｘを６００Ｗに設定したときの接続経路４０における発熱状況の一例を示す説明図である。なお、図５においては、理解を容易にするため充電装置１１の変換効率を１００％としている。図５(ａ)に示すように、バッテリ１５に対する出力電力Ｐｏが１０００Ｗ、すなわち外部電源２０から取り込まれる入力電力Ｐｉが１０００Ｗであり、充電装置１１に対する入力電圧Ｖｉが９０Ｖであった場合には、接続経路４０を流れる入力電流Ｉｉは約１１．１Ａ(＝１０００Ｗ／９０Ｖ)となる。このとき、接続経路４０の電圧降下量は１０Ｖ(＝１００Ｖ−９０Ｖ)であるため、接続経路４０の発熱量は約１１１Ｗ(＝１１．１Ａ×１０Ｖ)となる。この状態から、上限値Ｐｍａｘを６００Ｗに引き下げて出力電力Ｐｏを６００Ｗに制限した場合には、入力電力Ｐｉも６００Ｗに引き下げられるため、入力電圧Ｖｉが回復するとともに入力電流Ｉｉが低下することになる。このように、出力電力Ｐｏを６００Ｗに制限することにより、入力電圧Ｖｉが９６Ｖまで回復したと仮定すると、入力電流Ｉｉは約４．２Ａ(＝６００Ｗ／９６Ｖ)まで低下する。このとき、接続経路４０の電圧降下量は４Ｖ(＝１００Ｖ−９６Ｖ)であるため、接続経路４０の発熱量は約１６．８Ｗ(＝４．２Ａ×４Ｖ)まで引き下げられることになる。
このように、入力電圧Ｖｉが大きく低下することで接続経路４０における配線抵抗の上昇が疑われる場合には、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを引き下げるようにしている。これにより、外部電源２０から取り込まれる入力電力Ｐｉを制限することができ、接続経路４０における発熱量を引き下げることが可能となる。また、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘが引き下げられた場合であっても、入力電圧Ｖｉが正常範囲まで回復した場合には、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを引き上げるようにしている。これにより、外部電源２０に接続される他の電気負荷が原因となって入力電圧Ｖｉが一時的に低下した場合であっても、入力電圧Ｖｉの回復に合わせて出力電力Ｐｏを回復させることが可能となる。
前述したように、入力電圧Ｖｉに基づき上限値Ｐｍａｘを増減させるようにしたので、接続経路４０における過度な発熱を招くことのない範囲で、外部電源２０からの入力電力Ｐｉを最大限に確保することが可能となる。これにより、充電時の安全性を確保しつつバッテリ１５を早期に充電することができ、バッテリ１５の充電不足を回避して電気自動車１０の利便性を高めることが可能となる。さらに、上限値Ｐｍａｘを引き下げる際には、入力電圧Ｖｉの異常状態が所定回数(例えば５回)検出されただけで、素早く上限値Ｐｍａｘを引き下げるようにしている。一方、上限値Ｐｍａｘを引き下げる際には、入力電圧Ｖｉの正常状態が所定時間(例えば１分間)に渡って継続されたことを確認してから、慎重に上限値Ｐｍａｘを引き上げるようにしている。これにより、充電時の安全性を高めることが可能となる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを４００Ｗまで引き下げるようにしているが、これに限られることはなく、上限値Ｐｍａｘを０Ｗまで引き下げて充電を停止させても良い。また、出力電力Ｐｏの上限値Ｐｍａｘを予め設定しているが、これに限られることはなく、入力電圧Ｖｉに基づいて上限値Ｐｍａｘを算出しても良い。さらに、前述の説明では、入力電圧Ｖｉが低下する異常状態が５回検出された場合に、上限値Ｐｍａｘを引き下げるようにしているが、これに限られることはなく、異常状態が１回でも検出された場合に、上限値Ｐｍａｘを引き下げても良い。
また、図示する電気自動車１０は、駆動源としてモータジェネレータ１２のみを備えた電気自動車であるが、駆動源としてモータジェネレータおよびエンジンを備えたハイブリッド型の電気自動車であっても良い。さらに、充電装置１１を電気自動車１０に搭載しているが、これに限られることはなく、独立して設けられる充電装置に本発明を適用しても良い。さらに、蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等のバッテリ１５を用いているが、これに限られることはなく、蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタを用いても良い。さらに、充電装置１１は電気自動車１０のバッテリ１５を充電しているが、他の電気機器の蓄電デバイスを充電するための充電装置に本発明を適用しても良い。さらに、前述の説明では、外部電源２０としてＡＣ１００Ｖの商用電源を用いているが、これに限られることはなく、外部電源としてＡＣ２００Ｖの商用電源を用いても良い。また、外部電源として、ソーラーパネル、風力発電機、燃料電池、蓄電体等を用いても良い。
１０ 電気自動車
１１ 充電装置
１５ バッテリ(蓄電デバイス)
２０ 外部電源
２８ 制御部(電力制御手段)
３０ 電圧センサ(電圧検出手段)
Ｖｉ 入力電圧
Ｖｍｉｎ 下限値
Ｐｏ 出力電力
Ｐｍａｘ 上限値
Ｃ２ 所定値(所定時間)

Claims (3)

  1. 外部電源に接続して使用され、前記外部電源を用いて蓄電デバイスを充電する充電装置であって、
    前記外部電源から入力される入力電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記入力電圧が所定の下限値を下回る場合に、前記蓄電デバイスに向けて出力される出力電力の上限値を引き下げる電力制御手段とを有することを特徴とする充電装置。
  2. 請求項１記載の充電装置において、
    前記電力制御手段は、前記入力電圧が所定時間を超えて前記下限値を上回る場合に、前記出力電力の前記上限値を引き上げることを特徴とする充電装置。
  3. 請求項１または２記載の充電装置において、
    前記蓄電デバイスは、電気自動車に搭載される蓄電デバイスであることを特徴とする充電装置。
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