JP2013030351A - 充電装置および車両、ならびに充電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部充電が可能な車両において、コストアップを抑制しつつ、外部充電時に適切に蓄電装置の昇温を行なう。
【解決手段】外部電源５００からの電力を用いて、車両１００に搭載された蓄電装置１１０を充電するための充電装置２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０と、制御部２５０とを備える。制御部２５０は、蓄電装置１１０の温度が低い場合に、充電装置２００の直流出力電流に交流電流波形を重畳させるような電流基準を生成し、この電流基準に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０に含まれるインバータ部２２１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動する。この充電装置２００の直流出力電流に重畳される交流電流波形により、蓄電装置１１０が昇温される。
【選択図】図２

Description

本発明は、充電装置および車両、ならびに充電装置の制御方法に関し、より特定的には、外部からの電力を用いて搭載された蓄電装置の充電が可能な車両における、充電動作実行中の蓄電装置の昇温制御に関する。

近年、環境に配慮した車両として、蓄電装置（たとえば二次電池やキャパシタなど）を搭載し、蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する車両が注目されている。このような車両には、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などが含まれる。そして、これらの車両に搭載される蓄電装置を発電効率の高い商用電源により充電する技術が提案されている。

ハイブリッド車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源（以下、単に「外部電源」とも称する。）からの電力を用いて車載の蓄電装置の充電（以下、単に「外部充電」とも称する。）が可能な車両が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源アウトレットと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源から蓄電装置の充電が可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド車」が知られている。これにより、ハイブリッド自動車の燃料消費効率を高めることが期待できる。

このような車両に用いられる二次電池などの蓄電装置は、電池温度によってその特性が変化することが一般に知られている。特に低温環境下においては、放電時の電力出力特性および充電時の電力入力特性が低下し得る。このような状態において、蓄電装置の充電を実行した場合には、充電時間が長くなったり、蓄電装置の劣化が促進されたりするおそれがある。

特開２０１１−０１５５４４号公報（特許文献１）は、蓄電装置を搭載した電動車両において、充電を実行する際に、蓄電装置の温度がしきい値未満である場合にはヒータを用いて蓄電装置を加熱し、蓄電装置の温度がしきい値以上になってから充電を開始する構成が開示される。

特開２０１０−２７２２４７号公報（特許文献２）は、ハイブリッド自動車において、蓄電装置の温度が低い場合には、積極的に蓄電装置の充放電を実行するような全体要求パワーを設定し、設定された要求パワーに基づいてモータを駆動することによって、充放電時の損失により蓄電装置を昇温する構成が開示される。

特開２０１１−０１５５４４号公報 特開２０１０−２７２２４７号公報 特開２０１０−２５７７２２号公報 特開２００８−１０９７５５号公報

上記の特開２０１０−２７２２４７号公報（特許文献２）の構成は、走行中の蓄電装置の昇温に関するものである、外部充電時において採用することができない。

また、特開２０１１−０１５５４４号公報（特許文献１）に開示された構成は、外部充電時にも実施可能ではあるものの、ヒータのような蓄電装置を昇温するための個別の機器が必要となる。そのため、コストアップにつながるおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、外部充電が可能な車両において、コストアップを抑制しつつ、外部充電時に適切に蓄電装置の昇温を行なうことである。

本発明による充電装置は、電力変換部と制御部とを備え、蓄電装置を充電する。電力変換部は、外部から供給される電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する。制御部は、充電装置から蓄電装置への直流出力電流に交流電流波形を重畳させるように電力変換部を制御する。

好ましくは、交流電流波形は、蓄電装置に関連する情報に応じて決定される。
好ましくは、蓄電装置に関連する情報は、蓄電装置の充電状態および蓄電装置の温度の少なくとも１つを含む。

好ましくは、交流電流波形は、三角波または正弦波を含む。
好ましくは、交流電流波形は、蓄電装置に関する情報に応じて、周波数および振幅が決定される。

好ましくは、充電装置は車両に搭載される。制御部は、蓄電装置に関する情報に基づいて交流電流波形を決定する。

好ましくは、蓄電装置は車両に搭載される。充電装置は、車両外部または車両内部のいずれかに設けられ、蓄電装置の充電が可能である。車両は、制御部と信号の授受が可能に構成された制御装置を含む。制御装置は、蓄電装置に関連する情報に基づいて、直流出力電流に重畳させる交流電流波形の波形情報を決定する。制御部は、制御装置から取得した波形情報に基づいて交流電流波形を決定し、直流出力電流に重畳させる。

好ましくは、制御部は、蓄電装置への出力電圧が予め定められた基準電圧を上回った場合は、直流出力電流への交流電流波形の重畳を停止する。

好ましくは、蓄電装置は車両に搭載される。充電装置は、車両外部または車両内部のいずれかに設けられ、蓄電装置の充電が可能である。車両は、制御部と信号の授受が可能に構成された制御装置を含む。制御部は、制御装置から基準電圧を取得する。

好ましくは、蓄電装置の温度が予め定められたしきい値を下回る場合は直流出力電流に交流電流波形が重畳され、蓄電装置の温度がしきい値を上回る場合は直流出力電流への交流電流波形の重畳が停止される。

好ましくは、電力変換部は、ＤＣ／ＤＣコンバータを含む、請求項１に記載の充電装置。

本発明による車両は、外部からの電源を用いて、搭載された蓄電装置の充電が可能な車両であって、外部から供給される電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力する充電装置と、充電装置を制御するための制御装置とを備える。制御装置は、充電装置から蓄電装置へ出力される直流出力電流に交流電流波形を重畳させるように充電装置を制御する。

本発明による充電装置の制御方法は、蓄電装置を充電するための充電装置についての制御方法であって、充電装置に含まれる電力変換部により、外部から供給される電力を直流電力に変換して蓄電装置に出力するステップと、充電装置から蓄電装置への直流出力電流に交流電流波形を重畳させるステップとを備える。

本発明によれば、外部充電が可能な車両において、コストアップを抑制しつつ、外部充電時に適切に蓄電装置の昇温を行なうことができる。

本発明の実施の形態に従う充電装置を搭載した車両の全体ブロック図である。 図１の充電装置の詳細を説明するための図である。 本実施の形態における昇温制御の概要を説明するための図である。 充電電流に重畳させる交流電流成分とＤＣ／ＤＣコンバータで生じるリプルとを比較を説明するための図である。 本実施の形態において、車両ＥＣＵおよび充電ＥＣＵにおいて実行される蓄電装置の昇温制御処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の他の実施の形態に従う充電装置が、車両の外部に設けられる場合の全体ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本実施の形態に従う車両１００を含む充電システム１０の全体ブロック図である。図１を参照して、車両１００は、蓄電装置１１０と、システムメインリレーＳＭＲ１１５と、駆動装置であるＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ１３０と、動力伝達ギア１４０と、駆動輪１５０と、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００とを備える。

蓄電装置１１０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置１１０は、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を含んで構成される。

蓄電装置１１０は、電力線ＰＬ１，ＮＬ１を介してＰＣＵ１２０に接続される。そして、蓄電装置１１０は、車両１００の駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ１２０に供給する。また、蓄電装置１１０は、モータジェネレータ１３０で発電された電力を蓄電する。蓄電装置１１０の出力はたとえば２００Ｖ程度である。

蓄電装置１１０には、いずれも図示しないが、蓄電装置１１０の電圧を検出するための電圧センサ、入出力電流を検出するための電流センサ、および蓄電装置１１０の温度を検出するための温度センサが設けられる。検出された電圧ＶＢ、電流ＩＢおよび温度ＴＢは、車両ＥＣＵ３００へ出力される。車両ＥＣＵ３００は、これらの検出値に基づいて、蓄電装置１１０のＳＯＣを演算する。

ＳＭＲ１１５に含まれるリレーは、蓄電装置１１０と電力線ＰＬ１，ＮＬ１との間に接続される。そして、ＳＭＲ１１５は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ１に基づいて、蓄電装置１１０とＰＣＵ１２０との間での電力の供給と遮断とを切換える。

ＰＣＵ１２０は、いずれも図示しないが、コンバータ、インバータなどが含まれる。コンバータは、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＣにより制御されて蓄電装置１１０からの電圧を変換する。インバータは、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩにより制御されて、コンバータで変換された電力を用いてモータジェネレータ１３０を駆動する。

モータジェネレータ１３０は交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。

モータジェネレータ１３０の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギア１４０を介して駆動輪１５０に伝達されて、車両１００を走行させる。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動動作時には、駆動輪１５０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、ＰＣＵ１２０によって蓄電装置１１０の充電電力に変換される。

なお、図１においては、モータジェネレータおよびインバータのペアが１つ設けられる構成が示されるが、モータジェネレータおよびインバータの数はこれに限定されない。２つより多くのモータジェネレータおよびインバータのペアが設けられる構成であってもよい。

なお、図１においては、車両１００が電気自動車である場合を例として説明するが、本実施の形態における車両１００は、車両駆動力発生用の電動機を搭載する車両を示すものであり、電気自動車の他に、エンジンおよび電動機により車両駆動力を発生するハイブリッド自動車や、燃料電池を搭載した燃料電池自動車などが含まれる。

ハイブリッド自動車である場合には、モータジェネレータ１３０は、動力伝達ギア１４０を介して図示しないエンジンにも結合される。そして、車両ＥＣＵ３００は、エンジンおよびモータジェネレータ１３０を協調的に動作させることによって、必要な車両駆動力が得られるようにする。この場合、エンジンの回転による発電電力を用いて、蓄電装置１１０を充電することも可能である。

車両１００は、外部電源５００からの電力によって蓄電装置１１０を充電するための構成として、さらに、インレット１７０と、充電装置２００と、充電リレーＣＨＲ１６０とを含む。

インレット１７０は、車両１００の外表面に設けられる。インレット１７０には、充電ケーブル４００のコネクタ４１０が接続される。そして、外部電源５００からの電力が、充電ケーブル４００を介して車両１００に伝達される。

充電ケーブル４００は、コネクタ４１０に加えて、外部電源５００のコンセント５１０に接続するためのプラグ４２０と、コネクタ４１０およびプラグ４２０とを電気的に結ぶ電線部４３０とを含む。また、図１には示さないが、電線部４３０には、外部電源５００からの電力の供給および遮断を切換えるための充電回路遮断装置（Charging Circuit Interrupt Device：ＣＣＩＤ）が含まれてもよい。

充電装置２００は、電力線ＡＣＬ１，ＡＣＬ２を介して、インレット１７０に接続される。また、充電装置２００は、電力線ＰＬ２，ＮＬ２によって、充電リレーＣＨＲ１６０を介して蓄電装置１１０に接続される。

充電装置２００は、車両ＥＣＵ３００からの情報に基づいて、インレット１７０から供給される交流電力を蓄電装置１１０の充電電力に変換する。また、充電装置２００は、車両ＥＣＵ３００からの情報に基づいて、直流の充電電流に交流電流波形を重畳させて蓄電装置１１０の昇温を行なう。この充電装置２００による蓄電装置１１０の昇温制御の詳細については後述する。

ＣＨＲ１６０は、車両ＥＣＵ３００からの制御指令ＳＥ２によって制御され、充電装置２００から蓄電装置１１０への電力の供給と停止とを切換える。

車両ＥＣＵ３００は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００および各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

車両ＥＣＵ３００は、蓄電装置１１０のＳＯＣや温度ＴＢ等に基づいて、蓄電装置１１０の昇温が必要であるか否かを判定する。そして、車両ＥＣＵ３００は、充電装置２００に対して、蓄電装置１１０の充電を行なう際の各種のパラメータを含む情報を伝達する。

車両ＥＣＵ３００は、たとえば、車両ＥＣＵ３００に含まれる蓄電装置１１０の内部インピーダンスマップに基づいて、昇温量を下げたい場合には振幅が小さく内部インピーダンスが低い周波数に設定し、昇温量を上げたい場合には振幅が大きく内部インピーダンスが高い周波数に設定する。

図２は、図１における充電装置２００の詳細の一例を説明するための図である。図２を参照して、充電装置２００は、ＡＣ／ＤＣ変換部２１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０と、出力部２３０と、制御部２５０とを含む。

ＡＣ／ＤＣ変換部２１０は、ＡＣフィルタ２１１と、突入電流防止回路２１２と、力率改善回路（Power Factor Correction：ＰＦＣ）２１３と、コンデンサＣ１とを含み、外部電源５００からの交流電力を直流電力に変換する。

ＡＣフィルタ２１１は、たとえば、リアクトルやコンデンサを含んで構成され、外部電源５００から入力される交流電力に含まれるノイズを除去する。

突入電流防止回路２１２は、電力線対にはそれぞれ、外部電源５００からの電力の供給と遮断とを切換えるためのリレーＲＹ１，ＲＹ２が設けられる。そして、直列接続されたリレーＲＹ３および抵抗Ｒ３が、上記の電力線対のうちのリレーＲＹ２に並列に接続される。充電装置２００の電源投入の際は、まず、リレーＲＹ２は開放状態のまま、リレーＲＹ１，ＲＹ３が閉成される。このとき、抵抗Ｒ３により一部の電流が消費されて、コンデンサＣ１に流れ込む電流を小さくできるので、コンデンサＣ１への突入電流を防止することができる。その後、コンデンサＣ１のプリチャージが完了すると、リレーＲＹ２が閉成され、それに引き続いてリレーＲＹ３が開放される。

ＰＦＣ２１３は、交流電力を直流電力に整流するとともに、出力される直流電流の交流成分を正弦波に近づけることによって力率を改善する。なお、ＰＦＣの詳細な回路構成は公知であるので、ここではその説明は行なわない。

コンデンサＣ１は、ＰＦＣ２１３の出力端子間に接続される。コンデンサＣ１は、ＰＦＣ２１３から出力される直流電圧の変動を低減する。

なお、外部電源５００が直流電源の場合には、ＡＣ／ＤＣ変換部２１０の一部またはすべてが省略される場合がある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０は、インバータ部２２１と、トランスＴＲ１と、整流部２２２と、チョークコイルＬ１と、コンデンサＣ２と、電流センサ２２３とを含み、ＡＣ／ＤＣ変換部２１０から出力された直流電圧を所望の電圧に変換する。

インバータ部２２１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を含む。インバータ部２２１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、制御部２５０に含まれるＰＷＭ生成部２５１からの制御信号ＰＷＤによって制御され、ＡＣ／ＤＣ変換部２１０から出力された直流電力を交流電力に変換してトランスＴＲ１の一次巻線に供給する。

トランスＴＲ１は、インバータ部２２１からの交流電圧を、一次巻線と二次巻線との巻線比に応じた電圧の交流電圧に変換する。

整流部２２２は、ダイオードブリッジを形成するダイオードＤ１〜Ｄ４を含む。整流部２２２は、トランスＴＲ１の二次巻線からの交流電力を整流して直流電力に変換する。

チョークコイルＬ１およびコンデンサＣ２は、整流部２２２の出力端子間に直列に接続される。チョークコイルＬ１およびコンデンサＣ２は、一緒になってＬＣフィルタを形成し、整流部２２２から出力される直流電流に含まれる、インバータ部２２１のスイッチングによって生じるリプル成分を除去する。そして、コンデンサＣ２の両端がＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０の出力端子に接続される。

電流センサ２２３は、チョークコイルＬ１を流れる電流を検出し、制御部２５０へ出力する。制御部２５０においては、電流センサ２２３で検出された電流を用いて、出力電流のフィードバック制御が行なわれる。

出力部２３０は、ダイオードＤ２０と、出力リレーＲＹ２０と、電圧センサ２３１とを含む。

出力リレーＲＹ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０の出力端子と充電装置２００の出力端子とに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０で変換された出力電力の、充電装置外部への出力と遮断とを切換える。

ダイオードＤ２０は、逆流防止用のダイオードであり、正側の電力線において、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０の出力端子から出力リレーＲＹ２０へ向かう方向を順方向として介挿される。

電圧センサ２３１は、充電装置２００の出力端子間に接続され、充電装置２００から出力される直流電圧ＶＤＣを検出する。そして、電圧センサ２３１は、その検出値を制御部２５０へ出力する。制御部２５０は、電圧センサ２３１で検出された電圧を用いて、出力電圧のフィードバック制御を行なう。

充電装置２００の出力端子は、上述のようにＣＨＲ１６０を介して蓄電装置１１０へ接続される。

制御部２５０は、ＰＷＭ生成部２５１と、電流比較部２５２と、加算部２５３と、充電ＥＣＵ２５５と、記憶部２５６と、通信部２５７と、電流基準部ＣＳ１，ＣＳ２と、リレーＲＹ１０とを含む。

電流比較部２５２は、電流基準部ＣＳ１，ＣＳ２から定まる電流基準値と、電流センサ２２３からの電流出力値とを比較する。そして、電流比較部２５２は、その偏差に所定のゲインを掛け合わせて、インバータ部２２１への指令値を演算し、ＰＷＭ生成部２５１へ出力する。

ＰＷＭ生成部は、電流比較部２５２からの指令値を受け、この指令値と、予め定められた搬送波とを比較することにより、インバータ部２２１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するためのパルス幅変調（Power Width Modulation：ＰＷＭ）信号である制御信号ＰＷＤを生成する。

電流基準部ＣＳ１は、充電ＥＣＵ２５５からの制御信号ＲＥＦにより制御され、充電装置２００の直流出力電流の目標値（以下、「直流電流基準」とも称する。）を生成する。電流基準部ＣＳ１で生成された目標値は、加算部２５３に出力される。

電流基準部ＣＳ２は、充電ＥＣＵ２５５からの制御信号ＷＡＶにより制御され、電流基準部ＣＳ１により生成された直流電流基準に重畳させる交流電流成分の目標値（以下、「交流電流基準」とも称する。）を生成する。電流基準部ＣＳ２は、充電ＥＣＵ２５５からの制御信号ＷＡＶに従って、正弦波，三角波などの交流電流波形の種類、波形の振幅、および波形の周波数等を設定する。電流基準部ＣＳ２により生成された交流電流基準は、リレーＲＹ１０を介して加算部２５３に出力される。なお、電流基準部ＣＳ２により生成される交流電流波形の周波数は、およそ数ｋＨｚのオーダに設定されることが好ましい。

リレーＲＹ１０は、充電ＥＣＵ２５５からの制御信号ＳＥ１０により制御され、電流基準部ＣＳ２からの交流電流基準の、加算部２５３への出力と停止とを切換える。リレーＲＹ１０は、後述するように、外部充電時に蓄電装置１１０の昇温が必要である場合に閉成され、電流基準部ＣＳ２により生成された交流電流基準を電流基準部ＣＳ１からの直流電流基準に重畳させる。

加算部２５３は、電流基準部ＣＳ１，ＣＳ２からの直流電流基準および交流電流基準を加算して得られた電流基準値を、電流比較部２５２へ出力する。

通信部２５７は、車両ＥＣＵ３００に含まれる通信部３１０と信号の授受が可能に構成される。通信部２５７は、車両ＥＣＵ３００の通信部３１０から、充電電圧および充電電流の目標値Ｖｒｅｆ，Ｉｒｅｆ、蓄電装置１１０の昇温を実行するか否かを示す信号ＭＯＤ、および、電流基準部ＣＳ２で生成される交流電流波形のパターンＰＴＮなどの情報を受ける。また、通信部２５７は、車両ＥＣＵ３００からの各種信号に対する応答信号を充電ＥＣＵ２５５から受け、その応答信号を車両ＥＣＵ３００へ出力する。

充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００からの充電電流の目標値Ｉｒｅｆに基づいて、電流基準部ＣＳ１の直流電流基準を設定するための制御信号ＲＥＦを生成する。また、充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００から受けた波形パターンを示す信号ＰＴＮに基づいて、記憶部２５６から予め定められた波形データＷＡＶを取得し、電流基準部ＣＳ２へ出力する。

充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００からの充電電圧の目標値Ｖｒｅｆと、電圧センサ２３１で検出される出力電圧ＶＤＣとを比較して、交流電流基準の重畳の終了を判定する。さらに、充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００からの蓄電装置１１０の昇温を実行するか否かを示す信号に基づいてリレーＲＹ１０を制御する。

二次電池のような蓄電装置は、一般的に、寒冷地などにおいて低温環境下で蓄電装置の温度が低下すると、蓄電装置内部の化学反応が鈍化してしまい、出力特性および入力特性が低下してしまうことが知られている。このような蓄電装置の特性が低下した状態で充電を実行すると、たとえば、入力電力が制限されることによって充電時間が延びてしまったり、あるいは、低下された許容入力電力を超える電力で充電された場合には、蓄電装置の劣化が促進されてしまったりするおそれがある。

そこで、本実施の形態においては、蓄電装置の温度が低い場合には、充電動作の初期において、直流の充電電流に交流電流成分を重畳させ、交流電流成分による充電電流の変化によって生じる発熱によって蓄電装置を昇温させる昇温制御を実行する。このような昇温制御を行なうことによって、蓄電装置の特性を早期に良い状態にさせて、充電効率の向上および劣化の抑制を行なうことができる。

図３は、本実施の形態における昇温制御の概要を説明するための図である。図３においては、横軸に時間が示され、縦軸には蓄電装置の温度ＴＢ、および充電電流Ｉｏが示される。

図１および図３を参照して、時刻ｔ１において外部充電が開始される前において、蓄電装置１１０の温度ＴＢが、充電特性の良い状態であることを示すしきい値ＴＢ２よりも低い温度ＴＢ１である場合を考える。

この状態において、時刻ｔ１において蓄電装置１１０の充電が開始されると、蓄電装置１１０の温度ＴＢが温度ＴＢ２に到達する時刻ｔ２まで、充電装置２００は、図３中の曲線Ｗ１０にように、本来の充電電流の目標値であるＩｒｅｆに交流電流成分を重畳させる。

このように、交流電流成分が重畳されると、電流の増減に伴って、蓄電装置１１０の内部抵抗による損失によって発熱が生じる。これによって、蓄電装置１１０が昇温され、一定電流で充電を行なう場合（図３中のＷ２０）に比べて、蓄電装置１１０の温度ＴＢが充電特性の良い状態となる温度ＴＢ２に到達する時間が短縮される。

なお、このときに、充電電流に重畳させる交流電流成分の周波数は、数ｋＨｚのオーダに設定することが望ましい。

図４に示されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周波数Ｆ２は、可聴周波数域（約２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）を避け、かつ高効率化を図るために数十ｋＨｚに設定される場合が一般的である。そのため、数ｋＨｚ程度の交流電流成分を重畳しても、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０のトランスＴＲ１やチョークコイルＬ１は、電流変化に対して十分に応答可能である。すなわち、数ｋＨｚ程度の交流電流成分を重畳させることによって、高価な大電力部品を追加することなく、電流基準値の生成部分を変更するだけで蓄電装置１１０の昇温をすることができる。

図５は、本実施の形態において、車両ＥＣＵ３００および充電ＥＣＵ２５５で実行される、蓄電装置１１０の充電時における昇温制御処理を説明するためのフローチャートである。図５に示すフローチャートは、車両ＥＣＵ３００および充電ＥＣＵ２５５に予め格納されたプログラムを所定周期で実行することによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。

図２および図５を参照して、まずは、充電装置２００側の充電ＥＣＵ２５５での処理について説明する。

充電ＥＣＵ２５５は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、車両１００と外部電源５００とが接続されたか否かを判定する。車両１００と外部電源５００とが接続されていない場合（Ｓ１００にてＮＯ）は、充電動作が実行されないので、充電ＥＣＵ２５５は処理を終了する。

車両１００と外部電源５００とが接続されている場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）は、処理がＳ１１０に進められ、充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００からの車両情報ＩＮＦＯを受信する。

そして、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ１２０にて、車両情報ＩＮＦＯに含まれる蓄電装置１１０の昇温を実行するか否かを示す信号ＭＯＤに基づいて、交流電流波形を直流充電電流に重畳させる重畳モードであるか否かを判定する。

重畳モードである場合（Ｓ１２０にてＹＥＳ）は、処理がＳ１３０に進められて、充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００からの充電電流の目標Ｉｒｅｆに基づいて、電流基準部ＣＳ１の直流電流基準を設定するとともに、波形パターンを示す信号ＰＴＮに従って決定された波形データＷＡＶによって、電流基準部ＣＳ２の交流電流基準を設定する。そして、充電ＥＣＵ２５５は、リレーＲＹ１０を閉成する。

次に、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ１４０にて、異常検出のマスク処理を行なう。これは、交流電流波形を重畳させることによって、車両ＥＣＵ３００からの充電電流目標値Ｉｒｅｆとの実際に出力される充電電流との間に差異が生じてしまうおそれがあるので、それによって異常状態の誤検出が発生することを防止するためである。基本的には、車両ＥＣＵ３００にて直流および交流電流目標値を設定するため、充電ＥＣＵ２５５との電流差異は生じないが、交流波形の重畳によって、車両ＥＣＵ３００と充電ＥＣＵ２５５との各々の電流計測サンプリングなどの違いにより、差異が生じる可能性がある場合にマスク処理が行なわれる。マスク処理としては、異常の検出を停止する場合だけでなく、異常判定用のしきい値や判定時間を変更する場合も含まれる。

その後、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ１５０に処理を進めて、車両ＥＣＵ３００から、重畳モードの終了判定を行なうための目標電圧Ｖｒｅｆを受信する。そして、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ１６０にて、電流基準部ＣＳ１の直流電流基準に電流基準部ＣＳ２の交流電流基準を重畳させた電流基準を用いて充電動作を開始し、蓄電装置１１０の昇温を実行する。

蓄電装置１１０の充電が開始されると、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ１７０にて、充電装置２００の出力電圧ＶＤＣが、重畳モードを終了する目標電圧Ｖｒｅｆに到達したか否かを判定する。

充電装置２００の出力電圧ＶＤＣが目標電圧Ｖｒｅｆに到達した場合（Ｓ１７０にてＹＥＳ）には、処理がＳ１７５に進められて、充電ＥＣＵ２５５は、出力電圧ＶＤＣが目標電圧Ｖｒｅｆに到達したことを示す信号ＣＭＰを車両ＥＣＵ３００へ出力し、その後Ｓ１９０に処理を進める。

充電装置２００の出力電圧ＶＤＣが目標電圧Ｖｒｅｆに到達していない場合（Ｓ１７０にてＮＯ）は、処理がＳ１８０に進められて、充電ＥＣＵ２５５は、車両ＥＣＵ３００から、重畳モードの終了を指示する信号ＭＯＤ＿ＥＮＤを受信したか否かを判定する。

信号ＭＯＤ＿ＥＮＤを受信していない場合（Ｓ１８０にてＮＯ）は、処理がＳ１７０に戻されて、充電ＥＣＵ２５５は、出力電圧がＶｒｅｆに到達するか、あるいは、信号ＭＯＤ＿ＥＮＤを受信するまで、重畳モードによる充電を継続する。

信号ＭＯＤ＿ＥＮＤを受信した場合（Ｓ１８０にてＹＥＳ）は、処理がＳ１９０に進められる。

Ｓ１９０においては、充電ＥＣＵ２５５は、昇温動作の終了処理を行なう。具体的には、充電ＥＣＵ２５５は、リレーＲＹ１０を開放するとともに、充電電流の目標値Ｉｒｅｆを、通常充電用の値に切換える。なお、重畳モードの場合における充電電流の目標値と、通常充電時の充電電流の目標値とは、同じ値に設定してもよいし、異なる値としてもよい。しかしながら、重畳モードで蓄電装置の昇温が必要な場合には、蓄電装置の特性が低下している可能性が高いので、重畳モードの場合における充電電流の目標値は、通常充電時の充電電流の目標値よりも低く設定されることがより好ましい。

また、Ｓ１９０において、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ１４０にて行なった異常検出のマスク処理を解除する。

充電ＥＣＵ２５５は、その後、Ｓ２００に処理を進めて、交流電流波形を重畳させない状態での充電（通常充電処理）を実行する。

そして、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ２１０にて車両ＥＣＵから、充電終了を示す信号ＣＨＧ＿ＥＮＤを受信したか、もしくは、車両１００と外部電源５００との接続は非接続とされたか否かを判定する。

ＣＨＧ＿ＥＮＤを受信した場合、もしくは、車両１００と外部電源５００とが非接続とされた場合（Ｓ２１０にてＹＥＳ）は、充電ＥＣＵ２５５は、蓄電装置１１０の充電が完了、あるいは、ユーザにより充電ケーブル４００が引抜かれて充電動作が中断されているので、充電装置２００からの充電電力の出力を停止して充電動作を終了する。

ＣＨＧ＿ＥＮＤを受信しておらず、かつ、車両１００と外部電源５００とが非接続となっていない場合（Ｓ２１０にてＹＥＳ）は、蓄電装置１１０の充電が完了しておらず、また、ユーザによる充電動作の中断もされていないので、充電ＥＣＵ２５５は、処理をＳ２００に戻して、通常充電による充電動作を継続する。

なお、Ｓ１２０において、重畳モードではないと判定された場合（Ｓ１２０にてＮＯ）は、Ｓ１３０〜Ｓ１９０までの処理がスキップされ、充電ＥＣＵ２５５は、Ｓ２００において通常充電処理を実行する。

次に、車両ＥＣＵ３００側の処理について説明する。車両ＥＣＵ３００は、Ｓ３００にて、車両１００と外部電源５００とが接続されたか否かを判定する。車両１００と外部電源５００とが接続されていない場合（Ｓ３００にてＮＯ）は、充電動作が実行されないので、車両ＥＣＵ３００は処理を終了する。

車両１００と外部電源５００とが接続されている場合（Ｓ３００にてＹＥＳ）は、処理がＳ３１０に進められて、次に車両ＥＣＵ３００は、重畳モードの開始条件が成立しているか否かを判定する。重畳モードの開始条件としては、たとえば、現在充電中ではないこと、ＳＯＣの状態から充電が必要であること、および蓄電装置１１０の温度ＴＢが所定の温度を下回っていることなどが含まれる。

重畳モードの開始条件が成立している場合（Ｓ３１０にてＹＥＳ）は、処理がＳ３２０に進められて、車両ＥＣＵ３００は、充電中に積極的に蓄電装置１１０を昇温させる重畳モードを選択する。そして、Ｓ３３０にて、車両ＥＣＵ３００は、車両情報ＩＮＦＯを充電ＥＣＵ２５５へ出力する。

その後、車両ＥＣＵ３００は、充電ＥＣＵ２５５と同様に、異常検出のマスク処理を行なう。車両ＥＣＵ３００においても、実際に蓄電装置１１０で受けた充電電流が充電電流の目標値Ｉｒｅｆに対応しているか否かを判定している場合があるので、そのような場合には、異常検出処理において誤検出が生じないようにマスク処理が実行される。

そして、車両ＥＣＵ３００は、重畳モードにおける充電装置２００の出力電圧の目標値Ｖｒｅｆを充電ＥＣＵ２５５へ出力する。これによって、充電ＥＣＵ２５５において、重畳モードによる蓄電装置１１０を昇温させながらの充電動作が開始される。

車両ＥＣＵ３００は、Ｓ３６０にて、蓄電装置１１０の温度ＴＢが上昇して目標温度まで到達したか否かを判定する。

蓄電装置１１０が目標温度まで到達した場合（Ｓ３６０にてＹＥＳ）は、処理がＳ３８０に進められて、車両ＥＣＵ３００は、重畳モードの終了指示信号ＭＯＤ＿ＥＮＤを充電ＥＣＵ２５５へ送信する。

蓄電装置１１０が目標温度に到達していない場合（Ｓ３６０にてＮＯ）は、処理がＳ３７０に進められて、車両ＥＣＵ３００は、充電装置２００の出力電圧が目標電圧に到達したことを示す信号ＣＭＰを、充電ＥＣＵ２５５から受信しているか否かを判定する。

目標電圧到達信号ＣＭＰを受信していない場合（Ｓ３７０にてＮＯ）は、処理がＳ３６０に戻され、蓄電装置１１０の温度ＴＢが目標温度に到達するか、あるいは充電装置２００の出力電圧が目標電圧に到達するまで、車両ＥＣＵ３００は重畳モードを継続する。

目標電圧到達信号ＣＭＰを受信した場合（Ｓ３７０にてＹＥＳ）は、処理がＳ３８０に進められて、車両ＥＣＵ３００は、重畳モードの終了指示信号ＭＯＤ＿ＥＮＤを充電ＥＣＵ２５５へ送信する。

Ｓ３８０の終了指示信号ＭＯＤ＿ＥＮＤに応答して、充電ＥＣＵ２５５は、重畳モードによる充電を停止して通常充電処理に移行する。そして、車両ＥＣＵ３００は、Ｓ３９０にて、充電を終了すべき状態であるか否かを判定する。具体的には、蓄電装置１１０のＳＯＣが満充電状態となったか、あるいは、ユーザにより充電ケーブル４００が強制的に非接続とされて充電動作が中断されたか否かが判定される。

充電を終了すべき状態ではない場合（Ｓ３９０にてＮＯ）は、処理がＳ３９０に戻されて、車両ＥＣＵ３００は、充電を終了すべき状態となるまで充電動作を継続する。

充電を終了すべき状態となった場合（Ｓ３９０にてＹＥＳ）は、処理がＳ４００に進められて、車両ＥＣＵ３００は、充電終了処理を行ない、充電ＥＣＵ２５５に充電終了指示ＣＨＧ＿ＥＮＤを送信する。

なお、Ｓ３１０において、重畳モードの開始条件が成立していない場合（Ｓ３１０にてＮＯ）は、処理がＳ３２５に進められ、蓄電装置１１０の昇温を行なわない通常モードが選択される。そして、処理がＳ３９０に進められる。Ｓ３９０以降の処理は上述と同様である。

以上のような処理に従って制御を行なうことによって、特別なハードウェア機器を追加することなく、外部充電の初期に、充電電流に交流電流波形を重畳させて、積極的に蓄電装置を昇温することができる。これによって、低温環境下において外部充電を行なう場合でも、早期に蓄電装置の入力特性（充電特性）が低下した状態を脱して、特性のよい状態で充電を行なうことができるので、充電時間を延長することなく、かつ蓄電装置の劣化を抑制することが可能となる。

なお、上述の実施の形態においては、充電装置２００側の制御を充電装置２００の制御部２５０で実行する場合を例として説明したが、たとえば、充電装置２００が、電力伝達系である図２におけるＡＣ／ＤＣ変換部２１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０、出力部２３０のみを有し、車両ＥＣＵ３００で制御部２５０に相当する制御を併せて実行するような構成とすることも可能である。この場合には、図５におけるフローチャートは、充電装置２００側の制御が車両１００側の制御に統合されたものに変形され得る。

あるいは、上記における車両ＥＣＵ３００の処理を、充電装置２００側の制御部２５０で実行するようにしてもよい。その場合には、制御部２５０は、蓄電装置１１０のＳＯＣおよび温度ＴＢを受け、これらに基づいて交流電流波形を決定する。

また、上述の実施の形態においては、車両１００が充電装置２００を搭載し、外部電源５００からの交流電力を車両１００において直流電力に変換する構成について説明したが、図６の充電システム１０Ａに示されるように、直流電力へ変換するための充電装置２００Ａが車両１００Ａの外部に設けられる構成とすることも可能である。

この場合、車両外部の充電装置２００Ａは、車両ＥＣＵ３００からの車両情報を、有線または無線通信により取得し、重畳モードの場合には、交流電流波形を重畳させた充電電流を充電ケーブル４００を介して車両へ伝達する。このような構成においても、図５に示した処理に従って制御を行なうことによって、充電中に蓄電装置１１０の昇温を行なうことが可能となる。

なお、本実施の形態における「ＡＣ／ＤＣ変換部２１０」および「ＤＣ／ＤＣコンバータ部２２０」は、本発明における「電力変換部」の一例である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１０Ａ 充電システム、１００，１００Ａ 車両、１１０ 蓄電装置、１１５ ＳＭＲ、１２０ ＰＣＵ、１３０ モータジェネレータ、１４０ 動力伝達ギア、１５０ 駆動輪、１７０ インレット、１６０ ＣＨＲ、２００，２００Ａ 充電装置、２１０ ＡＣ／ＤＣ変換部、２１１ ＡＣフィルタ、２１２ 突入電流防止回路、２１３ ＰＦＣ、２２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ部、２２１ インバータ部、２２２ 整流部、２２３ 電流センサ、２３０ 出力部、２３１ 電圧センサ、２５０ 制御部、２５１ ＰＷＭ生成部、２５２ 電流比較部、２５３ 加算部、２５５ 充電ＥＣＵ、２５６ 記憶部、２５７，３１０ 通信部、４００ 充電ケーブル、４１０ コネクタ、４２０ プラグ、４３０ 電線部、５００ 外部電源、５１０ コンセント、ＡＣＬ１，ＡＣＬ２，ＰＬ１，ＰＬ２，ＮＬ１，ＮＬ２ 電力線、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、ＣＳ１，ＣＳ２ 電流基準部、Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ２０ ダイオード、Ｌ１ チョークコイル、Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子、Ｒ３ 抵抗、ＲＹ１〜ＲＹ３，Ｒ１０，Ｒ２０ リレー、ＴＲ１ トランス。

Claims (13)

1. 蓄電装置を充電するための充電装置であって、
   外部から供給される電力を直流電力に変換して前記蓄電装置に出力する電力変換部と、
   前記充電装置から前記蓄電装置への直流出力電流に交流電流波形を重畳させるように前記電力変換部を制御する制御部とを備える、充電装置。
2. 前記交流電流波形は、前記蓄電装置に関連する情報に応じて決定される、請求項１に記載の充電装置。
3. 前記蓄電装置に関連する情報は、前記蓄電装置の充電状態および前記蓄電装置の温度の少なくとも１つを含む、請求項２に記載の充電装置。
4. 前記交流電流波形は、三角波または正弦波を含む、請求項２に記載の充電装置。
5. 前記交流電流波形は、前記蓄電装置に関する情報に応じて、周波数および振幅が決定される、請求項２に記載の充電装置。
6. 前記充電装置は車両に搭載され、
   前記制御部は、前記蓄電装置に関する情報に基づいて前記交流電流波形を決定する、請求項１に記載の充電装置。
7. 前記蓄電装置は車両に搭載され、
   前記充電装置は車両外部または車両内部のいずれかに設けられ、前記蓄電装置の充電が可能であり、
   前記車両は、前記制御部と信号の授受が可能に構成された制御装置を含み、
   前記制御装置は、前記蓄電装置に関連する情報に基づいて、前記直流出力電流に重畳させる前記交流電流波形の波形情報を決定し、
   前記制御部は、前記制御装置から取得した前記波形情報に基づいて前記交流電流波形を決定し、前記直流出力電流に重畳させる、請求項１に記載の充電装置。
8. 前記制御部は、前記蓄電装置への出力電圧が予め定められた基準電圧を上回った場合は、前記直流出力電流への前記交流電流波形の重畳を停止する、請求項１に記載の充電装置。
9. 前記蓄電装置は車両に搭載され、
   前記充電装置は車両外部または車両内部のいずれかに設けられ、前記蓄電装置の充電が可能であり、
   前記車両は、前記制御部と信号の授受が可能に構成された制御装置を含み、
   前記制御部は、前記制御装置から前記基準電圧を取得する、請求項８に記載の充電装置。
10. 前記蓄電装置の温度が予め定められたしきい値を下回る場合は前記直流出力電流に前記交流電流波形が重畳され、前記蓄電装置の温度が前記しきい値を上回る場合は前記直流出力電流への前記交流電流波形の重畳が停止される、請求項１に記載の充電装置。
11. 前記電力変換部は、ＤＣ／ＤＣコンバータを含む、請求項１に記載の充電装置。
12. 外部からの電源を用いて、搭載された蓄電装置の充電が可能な車両であって、
    外部から供給される電力を直流電力に変換して前記蓄電装置に出力する充電装置と、
    前記充電装置を制御するための制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記充電装置から前記蓄電装置へ出力される直流出力電流に交流電流波形を重畳させるように前記充電装置を制御する、車両。
13. 蓄電装置を充電するための充電装置の制御方法であって、
    前記充電装置に含まれる電力変換部により、外部から供給される電力を直流電力に変換して前記蓄電装置に出力するステップと、
    前記充電装置から前記蓄電装置への直流出力電流に交流電流波形を重畳させるステップとを備える、充電装置の制御方法。

Images