JP2013255324A - 車載充電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源２８によって主機バッテリＢｍを充電するに際し、降圧コンバータ１６によって補機バッテリＢａを充電したのでは、主機バッテリＢｍの充電率の上昇速度が低下する。
【解決手段】主機バッテリＢｍの充電処理として、端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに達する以前においては、主機バッテリＢｍの充電を優先させ、補機バッテリＢａの充電率が信頼性の低下を招くものでない限り、降圧コンバータ１６の出力をゼロとする。これに対し、端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに達すると、主機バッテリＢｍの充電電力Ｐｍを制限することで、内部抵抗のばらつきによる端子電圧Ｖｍのばらつきを低減しつつ、主機バッテリＢｍを満充電状態に移行させるとともに、補機バッテリＢａを充電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車載主機としての回転機に電気エネルギを供給する主機バッテリと、該主機バッテリよりもエネルギ蓄積量が小さい補機バッテリとを備え、車両の外部電源からの電力を前記主機バッテリおよび前記補機バッテリの双方に供給可能な車両に適用される車載充電制御装置に関する。

この種の制御装置としては、たとえば下記特許文献１に見られるように、主機バッテリの電圧を降圧して補機バッテリに印加するコンバータを備え、コンバータの出力電圧を、車両の停止時において主機バッテリが外部電源によって充電される場合の方が車両の走行時よりも高くするものも提案されている。これは、車両の走行に利用可能な電気エネルギを増大させるための設定である。

特開平７−７９５０５号公報

ところで、外部電源を用いて主機バッテリを充電する場合、主機バッテリの充電率が上昇することで、充電電力を低下させることが提案されている。これは、主機バッテリの内部抵抗による電圧降下のばらつき等に起因して充電終了条件に設けられるマージンが、充電電力が大きいほど大きくなること等に鑑みたものである。すなわち、充電初期には充電電力を大きくし、充電後期には、充電電力を小さくすることで、充電時間の短縮と最終的な充電量の増大との好適な両立を図ることを目的としたものである。

ただし、上記装置のように、外部電源による充電時にコンバータの出力電圧を大きくする場合、主機バッテリの充電初期において、外部電源の電力の一部が補機バッテリに供給されることから、主機バッテリの充電率の上昇速度が低下する。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、車載主機としての回転機に電気エネルギを供給する主機バッテリと、該主機バッテリよりもエネルギ蓄積量が小さい補機バッテリとを備え、車両の外部電源からの電力を前記主機バッテリおよび前記補機バッテリの双方に供給可能な車両に適用される新たな車載充電制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、車載主機としての回転機（１２）に電気エネルギを供給する主機バッテリ（Ｂｍ）と、該主機バッテリよりもエネルギ蓄積量が小さい補機バッテリ（Ｂａ）とを備え、車両の外部電源（２８）からの電力を前記主機バッテリおよび前記補機バッテリの双方に供給可能な車両に適用され、前記外部電源から前記主機バッテリへの充電に際し、前記主機バッテリの充電率が低い期間において高い期間と比較して前記補機バッテリへの充電を制限する制限手段（３０）を備えることを特徴とする。

主機バッテリの充電率が低い充電初期には、外部電源の電力を主機バッテリに全て供給可能である一方、充電率が高い充電後期には、外部電源の電力を主機バッテリに全て供給することができないことがある。この場合、充電初期において補機バッテリの充電を制限することで、主機バッテリの充電量を極力増大させることができる。そして、主機バッテリの充電電力が外部電源から供給可能な電力よりも小さくなる充電後期において外部電源の電力を補機バッテリに充電することで、充電時間を短縮することができる。

なお、本発明にかかる以下の代表的な実施形態に関する概念の拡張については、代表的な実施形態の後の「その他の実施形態」の欄に記載してある。

一実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる充電処理の手順を示す流れ図。 上記充電処理の一部の詳細を示す流れ図。 同実施形態にかかる効果を示すタイムチャート。 同実施形態にかかる効果を示すタイムチャート。

以下、本発明にかかる車載充電制御装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すモータジェネレータ１２は、車載主機であり、その回転子が図示しない駆動輪に機械的に連結されている。モータジェネレータ１２は、直流交流変換回路（インバータ１０）、およびシステムメインリレーＳＭＲを介して主機バッテリＢｍに接続されている。

主機バッテリＢｍは、車体に対して絶縁されている。詳しくは、主機バッテリＢｍの正極電位および負極電位の中央値が車体電位とされている。これは、たとえば主機バッテリＢｍの正極および負極間に一対の抵抗体を接続し、それら抵抗体の接続点を車体に接続することで実現することができる。ここで、抵抗体は、主機バッテリＢｍと車体との絶縁要求に応じた抵抗値に設定される。主機バッテリＢｍは、電池セルの直列接続体としての組電池である。ここで、電池セルとして、本実施形態では、リチウムイオン２次電池を想定している。

主機バッテリＢｍは、モータジェネレータ１２の電力供給源のみならず、空調装置１４の電力供給源となっている。すなわち、主機バッテリＢｍには、システムメインリレーＳＭＲを介して空調装置１４がインバータ１０と並列に接続されている。

また、主機バッテリＢｍには、システムメインリレーＳＭＲを介して、インバータ１０と並列に降圧コンバータ１６が接続されている。降圧コンバータ１６は、主機バッテリＢｍの端子電圧を降圧し、これを出力電圧Ｖｏｕｔとして、補機バッテリＢａに印加する。補機バッテリＢａは、通常使用時の端子電圧が主機バッテリＢｍよりも低いものである。また、補機バッテリＢａは、その基準電位（負極電位）が車体電位とされている。なお、補機バッテリＢａとしては、たとえば鉛蓄電池を用いればよい。

補機バッテリＢａには、低圧系の車載補機１８が並列接続されている。ちなみに、空調装置１４も車載補機であるが、本実施形態では、これを高電圧を印加可能なものに設計しており、主機バッテリＢｍを電力供給源とするものとした。

主機バッテリＢｍには、システムメインリレーＳＭＲおよびチャージ用リレーＣＨＲを介して、充電器２０が接続されている。充電器２０は、車両の外部とのインターフェースであるインレット２２に接続されている。インレット２２は、リレーとしての機能や漏電検出機能等を搭載したＣＣＩＤボックス２４を介してプラグ２６に接続されている。プラグ２６は、住宅内の電源２８に接続されるものである。電源２８は、住宅外の系統電源からの電力を車両に供給するための装置（外部電源）である。

制御装置３０は、主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍを検出する電圧センサ３２の検出値や、補機バッテリＢａの端子電圧Ｖａを検出する電圧センサ３４の検出値、さらには、補機バッテリＢａの充放電電流Ｉａを検出する電流センサ３６の検出値を入力とし、降圧コンバータ１６や充電器２０を操作する手段である。

図２に、制御装置３０の実行する処理の手順を示す。この処理は、制御装置３０によって、たとえば所定周期でくり返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、電源２８から車両に電力が供給されているか否か（充電制御中であるか否か）を判断する。そして充電制御中であると判断される場合、ステップＳ１２において、主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈ以上であるか否かを判断する。この処理は、主機バッテリＢｍの充電処理においてその充電電力を制限するか否かを判断するためのものである。すなわち、主機バッテリＢｍの充電電力が大きい場合、充電電流も大きくなることから、内部抵抗による電圧降下が大きくなる。この際、内部抵抗の個体差や温度によるばらつきに起因して、電圧降下量のばらつき自体も大きくなる。したがって、この場合には、主機バッテリＢｍの充電終了条件に対して大きなマージンを設けることとなり、ひいては、主機バッテリＢｍの充電完了時の充電率が低くなりやすい。このため、主機バッテリＢｍの充電率が上昇するまでは充電電力を制限せず、充電率が上昇することで、充電電力を制限することで、充電時間の短縮と、充電完了時の充電率の増大との好適な両立を図る。

ちなみに、電源２８の出力電力の最大値Ｐｍａｘ（たとえば「３ｋＷ」）は、急速充電器を備える充電ステーションの出力電力の最大値と比較して小さい。このため、主機バッテリＢｍの充電時において、主機バッテリＢｍを構成する電池セルの端子電圧を上限電圧以下とする旨の要求や、電池セルの充放電電流を許容範囲に納める旨の要求等によって、充電器２０の出力電力Ｐｂｃの大きさが可変とされることは略ない。このため、端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに満たない場合には、電源２８によって供給可能な最大電力で主機バッテリＢｍを充電することが可能である。

ステップＳ１２において否定判断される場合、ステップＳ１６において、補機バッテリＢａの充電率（図中、ＳＯＣ（Ｂａ）と表記）が閾値ＳａＬ１以上であるか否かを判断する。ここで、閾値ＳａＬ１は、補機バッテリＢａの信頼性を維持可能な充電率の下限値にマージンを持たせたものである。ステップＳ１６において否定判断される場合、ステップＳ２０において、降圧コンバータ１６を通常の出力とする制御がなされている旨を示すフラグＦの値について、それが１であるか否かを判断する。そして、ステップＳ２０において否定判断される場合、ステップＳ２４において、補機バッテリＢａの充電率が下限値ＳａＬ２以下であるか否かを判断する。ここで、下限値ＳａＬ２は、閾値ＳａＬ１よりも小さい。特に本実施形態では、補機バッテリＢａの信頼性を維持できる下限値とする。この処理は、降圧コンバータ１６を通常の出力状態として補機バッテリＢａを充電するか否かについて、これを判断するためのものである。

そして、ステップＳ２４において否定判断される場合、ステップＳ２８に移行し、補機バッテリＢａの充放電電流Ｉａをゼロにフィードバック制御する。この処理は、補機バッテリＢａの信頼性の低下を回避しつつも、主機バッテリＢｍの充電電力を極力大きくするためのものである。図３に、ステップＳ２８の処理の詳細を示す。

図示されるように、この一連の処理では、まずステップＳ３０において、電流センサ３６によって検出される充放電電流Ｉａを取得する。続くステップＳ３２においては、降圧コンバータ１６の出力電圧Ｖｏｕｔの指令値Ｖｏｕｔ＊を、補機バッテリＢａの端子電圧Ｖａに、充放電電流Ｉａをゼロにフィードバック制御するための操作量を加えたものとする。本実施形態では、操作量を、ゼロから充放電電流Ｉａ（充電側が正）を減算した値を入力とする比例要素および積分要素の出力同士の和とする。なお、ステップＳ３２の処理が完了することで、先の図２に示したステップＳ２８の処理が完了する。なお、ステップＳ２８の処理は、本実施形態において制限手段を構成する。

これに対し、上記ステップＳ２４において肯定判断される場合、ステップＳ２６においてフラグＦを１とする。そして、ステップＳ２６の処理が完了する場合や、ステップＳ２０において肯定判断される場合には、ステップＳ２２において、降圧コンバータ１６の出力を通常の出力状態とする。詳しくは、降圧コンバータ１６の出力電圧を通常時の出力電圧（たとえば１３．５Ｖ）とする。この処理は、ステップＳ２８の処理によっては、補機バッテリＢａの充電率を、信頼性を維持可能な充電率とすることができない場合に、補機バッテリＢａを充電するためのものである。

一方、ステップＳ１６において肯定判断される場合、ステップＳ１８において、降圧コンバータ１６の出力を停止させるとともに、フラグＦを０とする。ここで、降圧コンバータ１６の出力を停止させる処理は、スイッチング素子の駆動を停止する処理であってもよく、また出力電圧Ｖｏｕｔを補機バッテリＢａの端子電圧Ｖａ以下の値（たとえば１０Ｖ）とする処理であってもよい。これは、主機バッテリＢｍの充電時間を極力短縮するための設定である。すなわち、端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに達しない場合、充電器２０の出力電力Ｐｂｃの全てを主機バッテリＢｍに充電可能である。このため、この期間において補機バッテリＢａを充電する場合には、主機バッテリＢｍの充電期間が伸張することとなる。なお、ステップＳ１８の処理は、本実施形態において制限手段を構成する。

また、上記ステップＳ１２において肯定判断される場合、ステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４においては、降圧コンバータ１６の出力を最大とする。詳しくは、降圧コンバータ１６の出力電圧を最大値（たとえば、１４．５Ｖ）とする。すなわち、主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈ以上となる場合、主機バッテリＢｍの充電電力を低減させるため、充電器２０の出力電力Ｐｂｃの最大値よりも主機バッテリＢｍの充電電力Ｐｍの方が小さくなる。このため、充電器２０の供給可能な電力を補機バッテリＢａに極力充電すべく、降圧コンバータ１６の出力を最大とする。

なお、上記ステップＳ１４，Ｓ１８，Ｓ２２，Ｓ２８の処理が完了する場合や、ステップＳ１０において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。

図４に、本実施形態の効果を、充電初期において主機バッテリＢｍと補機バッテリＢａとの双方を充電する比較例と対比して示す。

図示されるように、比較例では、主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに達する以前においても、主機バッテリＢｍの充電処理と平行して補機バッテリＢａの充電処理がなされるため、主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに到達するまでに要する時間が本実施形態と比較して長くなる。主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに達した後は、主機バッテリＢｍの充電電力Ｐｍが低減されるため、この際の主機バッテリＢｍの充電速度は、本実施形態と比較例とで相違がない。このため、本実施形態では、比較例と比べて、主機バッテリＢｍの充電処理に要する時間を短縮することができる。

図５に、本実施形態にかかる別の効果を示す。

図示されるように、本実施形態では、補機バッテリＢａの充電率が閾値ＳａＬ１以下となることで、補機バッテリＢａの信頼性を維持すべく、補機バッテリＢａの充放電電流Ｉａをゼロにフィードバック制御する処理がなされる。このため、補機バッテリＢａの信頼性の低下を回避しつつも、主機バッテリＢｍの充電電力を極力大きくすることができる。

なお、補機バッテリＢａの充放電電流Ｉａをゼロにフィードバック制御することで、補機バッテリＢａの充電率が本来なら変化しないはずである。しかし、電流センサ３６に誤差がある場合等にあっては、ゼロにフィードバック制御しているつもりが、僅かな放電状態に制御されるおそれがあり、この場合、図に示すように、補機バッテリＢａの充電率が下限値ＳａＬ２まで低下する。この場合には、補機バッテリＢａを充電することで、補機バッテリＢａの信頼性の低下を確実に回避する。

以下、本実施形態の効果のいくつかを記載する。

（１）電源２８の電力を主機バッテリＢｍに充電するに際し、充電率が低い充電初期において、補機バッテリＢａへの充電を制限した。これにより、主機バッテリＢｍの充電時間を短縮することができる。

（２）補機バッテリＢａの充電率が閾値ＳａＬ１以上である場合、降圧コンバータ１６の出力を停止させた。これにより、主機バッテリＢｍの充電電力を極力大きくすることができる。

（３）主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈに達しない期間において、補機バッテリＢａの充電率が閾値ＳａＬ１未満となることで、補機バッテリＢａの充放電電流Ｉａをゼロにフィードバック制御した。これにより、補機バッテリＢａの信頼性の低下を回避しつつも主機バッテリＢｍの充電電力Ｐｍを極力大きくすることができる。

（４）補機バッテリＢａの充電率が下限値ＳａＬ２以下となることで、補機バッテリＢａを充電した。これにより、補機バッテリＢａの信頼性の低下を確実に回避することができる。

（５）主機バッテリＢｍの端子電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｍｔｈ以上となることで、補機バッテリＢａの出力電圧Ｖｏｕｔを最大値とした。これにより、補機バッテリＢａの充電率を極力高い値とすることができる。

（６）住宅内に搭載される電源２８から主機バッテリＢｍへの充電初期において、補機バッテリＢａに供給する電力を制限した。電源２８は、充電ステーションが備える急速充電装置と比較して、出力電力が小さいため、主機バッテリＢｍを所望の時間内に充電するうえでは、その充電初期において電源２８の出力電力の最大値Ｐｍａｘで充電することが望ましい。このため、補機バッテリＢａの充電を制限することが特に有効である。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「主機バッテリＢｍの充電率の判断について」
端子電圧Ｖｍと閾値電圧Ｖｍｔｈとの比較に基づき、充電率が規定値以上であるか否かを判断するものに限らず、充電率の算出値と規定値とを直接比較してもよい。

「充放電電流のゼロＦＢ制御について」
充放電電流をゼロにフィードバック制御するための操作量としては、比例要素および積分要素の出力同士の和とするものに限らない。たとえば比例要素の出力としてもよく、また比例要素、積分要素および微分要素の各出力同士の和とするものであってもよい。

フィードバック制御としては、補機バッテリＢａの充放電電流Ｉａがゼロよりも大きい（充電される）場合に出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を低下させ、ゼロよりも小さい（放電される）場合に出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を上昇させるものに限らない。たとえば、ゼロよりも小さい（放電される）場合に限って出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を変化させるものであってもよい。

フィードバック操作量としては、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊に限らない。たとえば降圧コンバータ１６を構成するスイッチング素子のオン・オフ操作の１周期に対するオン時間の時比率を直接の操作対象としてもよい。

「制限手段について」
たとえば、充放電電流Ｉａをゼロよりも大きい規定値（充電側の値）にフィードバック制御する制限を行ない、この規定値に十分なマージンを含めることで、補機バッテリＢａの充電の制限処理として、このフィードバック制御のみを行ってもよい。

「制限の解除について」
出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊を最大値とするものに限らない。たとえば、補機バッテリＢａの充電率に応じて可変としてもよい。

「外部電源について」
住宅内に搭載される電源に限らず、たとえば充電ステーションの電源装置であってもよい。この場合であっても、たとえば充電ステーションにおいて複数の車両に充電電力が供給される状況下、１台当たりの充電電力が制限される場合、充電ステーションから供給される最大電力で主機バッテリＢｍを充電することができる状況下、その電力の一部が補機バッテリＢａに供給されることで充電時間の伸長を招きうると考えられる。そしてこの場合、補機バッテリＢａへの充電を制限する処理を行なうことは有効である。

「補機用充電手段について」
主機バッテリおよび外部電源間の電気経路に入力端子が接続される降圧コンバータ１６に限らない。たとえば、外部電源の電力を充電する経路として、主機バッテリＢｍの充電経路と補機バッテリＢａの充電経路とが互いに共通部分を持たないようにし、外部電源の電力を補機バッテリＢａのみに充電する専用の充電器を備えてもよい。

「そのほか」
主機バッテリＢｍが車体に対して絶縁されたものに限らない。たとえば大電流を出力可能とするかわりに端子電圧を低下させることで、負極電位を車体電位としてもよい。この際、降圧コンバータ１６を非絶縁型のコンバータとしてもよい。

１２…モータジェネレータ（回転機の一実施形態）、３０…制御装置、Ｂｍ…主機バッテリ、Ｂａ…補機バッテリ。

Claims (6)

1. 車載主機としての回転機（１２）に電気エネルギを供給する主機バッテリ（Ｂｍ）と、該主機バッテリよりもエネルギ蓄積量が小さい補機バッテリ（Ｂａ）とを備え、車両の外部電源（２８）からの電力を前記主機バッテリおよび前記補機バッテリの双方に供給可能な車両に適用され、
   前記外部電源から前記主機バッテリへの充電に際し、前記主機バッテリの充電率が低い期間において高い期間と比較して前記補機バッテリへの充電を制限する制限手段（３０）を備えることを特徴とする車載充電制御装置。
2. 前記外部電源から前記車両に供給される電力を前記補機バッテリに充電する補機用充電手段（１６）を備え、
   前記制限手段は、前記主機バッテリの充電率が低い期間において、前記補機バッテリの充電率が閾値以上であることを条件に、前記補機用充電手段の出力を停止することで前記制限する処理を行なうことを特徴とする請求項１記載の車載充電制御装置。
3. 前記制限手段は、前記主機バッテリの充電率が低い期間において、前記補機バッテリの充電率が閾値未満となることを条件に、前記補機バッテリの充放電電流量をゼロに制御すべく前記補機用充電手段を操作することを特徴とする請求項２記載の車載充電制御装置。
4. 前記制限手段は、前記主機バッテリの充電率が低い期間において、前記補機バッテリの充電率が前記閾値よりも低い下限値以下となる場合、前記補機バッテリに充電すべく前記補機用充電手段を操作することを特徴とする請求項２または３記載の車載充電制御装置。
5. 前記主機バッテリの充電率が上昇することで前記制限手段による制限が解除される場合、前記補機用充電手段の出力を許容最大値に設定することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の車載充電制御装置。
6. 前記外部電源は、住宅内に搭載される電源であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の車載充電制御装置。

Images