JP2015201915A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で充電リレーの閉成に伴なう突入電流の発生を抑制する。
【解決手段】車両１００は、外部電源５００から充電することが可能に構成されたバッテリ１１０を含む。車両１００は、インレット１７０と、充電回路２１０と、充電リレー１６０と、コンデンサＣ２と、車両ＥＣＵ３００とを備える。充電回路２１０は、インレット１７０から供給される電圧をバッテリ１１０を充電することが可能な電圧に変換する。充電リレー１６０は、充電回路２１０とバッテリ１６０との間の電力の供給と停止とを切換えるために設けられる。車両ＥＣＵ３００は、外部電源５００がインレット１７０に接続され、かつ充電リレー１６０の接続要求があった場合に、充電リレー１６０の閉成に先立って充電回路２１０を駆動してコンデンサＣ２を充電し、コンデンサ電圧とバッテリ電圧との差が所定値よりも小さくなった場合に、充電リレー１６０を閉成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両に関し、より特定的には、車両外部から供給される電圧を蓄電装置を充電することが可能な電圧に変換する充電回路および充電リレーを備えた車両に関する。

たとえば電気自動車またはプラグインハイブリッド車など、車両搭載のバッテリを車両外部から充電することが可能に構成された車両が知られている。これらの車両には、車両外部から供給される電圧をバッテリを充電することが可能な電圧に変換する充電回路と、充電回路からの出力電圧を平滑化するコンデンサと、コンデンサとバッテリとの間に電気的に接続された充電リレーとを備えるものがある。

上記の構成を有する車両では、バッテリを充電する際に充電リレーが閉成される。このとき、バッテリの電圧がコンデンサの電圧よりも高く、かつバッテリの電圧とコンデンサの電圧との電位差が比較的大きい場合には、充電リレーの閉成に伴ないバッテリからコンデンサに突入電流が流入し、コンデンサが破壊されるおそれがある。そのため、このような突入電流を抑制するための対策が提案されている。

たとえば特開２０１３−０３０３５１号公報（特許文献１）に開示された充電装置は、逆流防止用のダイオードを含む。このダイオードにより、バッテリからの突入電流を抑制することができる（たとえば図２および段落［００６０］参照）。

特開２０１３−３０３５１号公報 特開２００９−７１８９８号公報

しかしながら、特許文献１に開示の充電装置では、突入電流を抑制するために新たな部材（逆流防止用ダイオード）の追加が必要となる。そのため、部材コストの上昇および重量の増加につながってしまう。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両外部から供給される電圧をバッテリを充電することが可能な電圧に変換する充電回路、コンデンサ、および充電リレーを備えた車両において、簡易な構成で充電リレーの閉成に伴なうバッテリからコンデンサへの突入電流を抑制することである。

本発明のある局面に従う車両は、車両外部の電源から充電することが可能に構成された蓄電装置を含む。車両は、外部接続部と、充電回路と、充電リレーと、コンデンサと、制御装置とを備える。外部接続部は、上記電源を接続するために設けられる。充電回路は、外部接続部から供給される電圧を蓄電装置を充電することが可能な電圧に変換する。充電リレーは、充電回路と蓄電装置との間の電力の供給と停止とを切換えるために設けられる。コンデンサは、充電回路の出力端子間に設けられる。制御装置は、充電回路および充電リレーを制御する。制御装置は、上記電源が外部接続部に接続され、かつ充電リレーの閉成要求があった場合に、充電リレーの閉成に先立って充電回路を駆動してコンデンサを充電し、コンデンサの電圧と蓄電装置の電圧との差が所定値よりも小さくなった場合に、充電リレーを閉成する。

上記構成によれば、車両外部の電源が外部接続部に接続され、かつ充電リレーが開放された状態において、充電回路が駆動される。これにより、充電回路からの出力電力でコンデンサが充電され、コンデンサの電圧が上昇するので、コンデンサの電圧と蓄電装置の電圧との電位差が減少する。そして、この電位差が所定値よりも小さくなった場合、すなわちコンデンサの電圧が蓄電装置の電圧の近くまで上昇した状態で、充電リレーが閉成される。これにより、充電リレーの閉成に伴なう蓄電装置からコンデンサへの突入電流を抑制することができる。この場合、新たな部材の追加は必要ないので、簡易な構成で突入電流を抑制することができる。

本発明によれば、車両外部から供給される電圧を蓄電装置に充電可能な電圧に変換する充電回路、コンデンサ、および充電リレーを備えた車両において、簡易な構成で充電リレーの閉成に伴なうバッテリからコンデンサへの突入電流を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る車両を含む充電システムの構成を概略的に示す全体ブロック図である。 図１に示す充電装置の構成の一例を説明するための図である。 本実施の形態における突入電流抑制制御の概要を説明するためのタイムチャートである。 本実施の形態における突入電流抑制制御処理を説明するためのフローチャートである。

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返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両を含む充電システムの構成を概略的に示す全体ブロック図である。図１を参照して、充電システム１０は、電気自動車である車両１００と、交流電源である外部電源（たとえば商用電源）５００とを含んで構成される。

車両１００は、バッテリ１１０と、ＳＭＲ（System Main Relay）１１５と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ１３０（ＭＧ）と、動力伝達ギア１４０と、駆動輪１５０と、車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００とを備える。

バッテリ１１０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。バッテリ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。バッテリ１１０はＰＣＵ１２０に電気的に接続される。そして、バッテリ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、バッテリ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。

バッテリ１１０には、バッテリ１１０の電圧（以下、バッテリ電圧とも称する）ＶＢを検出するための電圧センサ（図示せず）が設けられる。検出されたバッテリ電圧ＶＢは、車両ＥＣＵ３００へ出力される。

ＳＭＲ１１５は、車両ＥＣＵ３００からの制御指令ＳＥ１に基づいて、バッテリ１１０とＰＣＵ１２０との間での電力の供給と停止とを切換える。

ＰＣＵ１２０は、コンバータ、インバータ（いずれも図示せず）などを含む。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、バッテリ電圧ＶＢ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（いずれも図示せず）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によってバッテリ１１０の充電電力に変換される。

車両１００は、外部電源５００からの電力によってバッテリ１１０を充電するための構成として、インレット（外部接続部）１７０と、充電装置２００と、充電リレー１６０（ＣＨＲ）とをさらに備える。

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。コネクタ４１０が接続されると、コネクタ４１０は接続信号ＣＮＣＴを車両ＥＣＵ３００へ出力する。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。

充電装置２００は、インレット１７０に電気的に接続される。また、充電装置２００は、充電リレー１６０を介してバッテリ１１０に電気的に接続される。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バッテリ１１０の充電電力に変換する。

充電リレー１６０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とバッテリ１１０との間の電力の供給と停止とを切換える。

車両ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、記憶装置と、入出力バッファ（いずれも図示せず）とを含み、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。

図２は、図１に示す充電装置２００の構成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、充電回路２１０と、コンデンサＣ２と、電圧センサ２２０と、充電ＥＣＵ２５０とを含む。充電回路２１０は、力率改善回路（Power Factor Correction：ＰＦＣ）２１１と、コンデンサＣ１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２とを含む。

ＰＦＣ２１２は、外部電源５００からの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。コンデンサＣ１は、ＰＦＣ２１２から出力される直流電圧の変動を低減する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２は、ＰＦＣ２１１から出力された直流電圧を所望の電圧の直流電圧に変換する。

なお、ＰＦＣおよびＤＣ／ＤＣコンバータ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。また、外部電源５００が直流電源の場合には、ＰＦＣ２１２およびコンデンサＣ１の一部または全部が省略される場合がある。

コンデンサＣ２は、充電回路２１０の出力端子Ｔｐ，Ｔｎ間に接続される。コンデンサＣ２は、充電回路２１０から出力される直流電圧の変動を低減する。

電圧センサ２２０は、コンデンサＣ２の端子間電圧（以下、コンデンサ電圧とも称する）ＶＣを検出し、その検出値を充電ＥＣＵ２５０へ出力する。

充電ＥＣＵ２５０は、電圧センサ２２０からの電圧検出値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２の制御信号ＰＷＤを生成する。また、充電ＥＣＵ２５０は、車両ＥＣＵ３００と信号の授受が可能に構成される通信部（図示せず）を含む。充電ＥＣＵ２５０は、電圧センサ２２０からのコンデンサ電圧ＶＣを車両ＥＣＵ３００へ出力する。

以上のような構成を有する車両１００において、バッテリ１１０を充電する際には、充電回路２１０が駆動されるとともに充電リレー１６０が閉成される。ここで、バッテリ電圧ＶＢがコンデンサ電圧ＶＣよりも高く、かつバッテリ電圧ＶＢとコンデンサ電圧ＶＣとの差が比較的大きい場合には、充電リレー１６０の閉成に伴ない、バッテリ１１０からコンデンサＣ２に突入電流ＩＲが流入するおそれがある。

特許文献１では、突入電流ＩＲ対策として、コンデンサＣ２とバッテリ１１０との間の正極側の電力線に、コンデンサＣ２からバッテリ１１０へ向かう方向を順方向としてダイオードが配置される（特許文献１の図２のダイオードＤ２０参照）。しかしながら、この対策では、ダイオードの追加が必要なため、部材コストが上昇するとともに重量が増加してしまう。

そこで、本実施の形態においては、充電ケーブル４００のコネクタ４１０がインレット１７０に接続され充電動作を実行する際に、充電リレー１６０の閉成に先立って充電回路２１０を駆動してコンデンサＣ２を充電する突入電流抑制制御を実行する。突入電流抑制制御においては、充電回路２１０からの出力電力によりコンデンサＣ２が充電され、コンデンサ電圧ＶＣとバッテリ電圧ＶＢとの電位差が減少した状態で、充電リレー１６０が閉成される。これにより、充電リレー１６０の閉成に伴なう突入電流ＩＲを抑制することができる。

さらに、本実施の形態によれば、新たな部材の追加が必要ないので、ダイオードを設けて逆流を防止する場合と比べて、より簡易な構成で突入電流ＩＲの発生を抑制することができる。その結果、部材コストを削減するとともに重量の増加を防止することができる。

図３は、本実施の形態における突入電流抑制制御の概要を説明するためのタイムチャートである。図２および図３を参照して、横軸は経過時間を表わし、縦軸はコンデンサ電圧ＶＣを表わす。

時刻ｔ１までは、充電ケーブル４００のコネクタ４１０はインレット１７０に接続されていない。また、充電リレー１６０は開放状態である。このとき、コンデンサ電圧ＶＣは、たとえばゼロである。ただし、コンデンサ電圧ＶＣの値はゼロより大きい値であってもよく、あるいは負値であってもよい。

時刻ｔ１において、充電ケーブル４００のコネクタ４１０がインレット１７０に接続される。

時刻ｔ２において、充電リレー１６０の閉成要求が生じる。しかし、充電リレー１６０は依然として開放状態に維持されたまま充電回路２１０が駆動され、充電回路２１０からの出力電力によりコンデンサＣ２が充電される。これによって、コンデンサ電圧ＶＣは上昇する。

なお、充電回路２１０から出力される電圧が急激に上昇すると、充電回路２１０からコンデンサＣ２に突入電流が流れる可能性がある。したがって、充電回路２１０からの出力電圧を緩やかに上昇させる充電回路出力ソフトスタートを実行することが好ましい。

時刻ｔ３において、コンデンサ電圧ＶＣが電圧（ＶＢ−α）に到達したこと、すなわちコンデンサ電圧ＶＣとバッテリ電圧ＶＢとの電位差ΔＶが所定値αよりも小さくなったことに応答して、充電リレー１６０が閉成される。ここで、所定値αは、コンデンサＣ２とバッテリ１１０との間の電位差ΔＶに起因する突入電流ＩＲが生じない程度に小さな値に定められている。これによって、充電リレー１６０の閉成に伴なうバッテリ１１０からコンデンサＣ２への突入電流ＩＲを抑制することができる。

なお、所定値αはゼロに設定してもよい。あるいは、所定値αは、図２に示す回路の各種パラメータ（たとえばコンデンサＣ２の容量、バッテリ電圧ＶＢなど）を考慮して、設計または実験により決定してもよい。

図４は、本実施の形態における突入電流抑制制御処理を説明するためのフローチャートである。図２および図４を参照して、このフローチャートは、所定の条件成立時あるいは所定の期間経過毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。なお、フローチャートの各ステップは、基本的には車両ＥＣＵ３００によるソフトウェア処理によって実現されるが、車両ＥＣＵ３００内に作製された電子回路によるハードウェア処理によって実現されてもよい。

ステップ（以下、単にＳと記載する）１０において、車両ＥＣＵ３００は、充電ケーブル４００のコネクタ４１０がインレット１７０に接続されているか否かを判定する。具体的には、車両ＥＣＵ３００は、充電ケーブル４００のコネクタ４１０から出力される接続信号ＣＮＣＴをインレット１７０経由で受けた場合に、充電ケーブル４００のコネクタ４１０がインレット１７０に接続されたと判定する。充電ケーブル４００が接続された場合（Ｓ１０においてＹＥＳ、図３の時刻ｔ１参照）、処理はＳ２０に進められる。

Ｓ２０において、車両ＥＣＵ３００は、充電リレー１６０の閉成要求があるか否かを判定する。たとえばタイマー充電の場合には、所定の充電開始時刻が到来した場合に充電リレー１６０の閉成要求が生じる。閉成要求が生じている場合（Ｓ２０においてＹＥＳ、図３の時刻ｔ２参照）、処理はＳ３０に進められる。

一方、充電ケーブル４００が接続されていない場合（Ｓ１０においてＮＯ）、あるいは充電リレー１６０の閉成要求が生じていない場合（Ｓ２０においてＮＯ）には、車両ＥＣＵ３００は以降の処理をスキップして、図４に示す一連の処理が終了する。

Ｓ３０において、車両ＥＣＵ３００は、充電回路２１０の駆動準備が完了したか否かを判定する。たとえば、車両ＥＣＵ３００は、充電ＥＣＵ２５０からコンデンサ電圧ＶＣを受けるとともに、バッテリ１１０の電圧センサからバッテリ電圧ＶＢを受けている場合に、充電回路２１０の駆動準備が完了していると判定することができる。充電回路２１０の駆動準備が完了している場合（Ｓ３０においてＹＥＳ）、処理はＳ４０に進められる。

一方、充電回路２１０の駆動準備が完了していない場合（Ｓ３０においてＮＯ）には、駆動準備が完了するまでＳ３０の処理が繰り返される。

Ｓ４０において、車両ＥＣＵ３００は、充電回路出力ソフトスタートを実行する。すなわち、車両ＥＣＵ３００は、充電リレー１６０が開放状態のまま、充電回路２１０からの出力電圧が緩やかに上昇するように充電回路２１０を駆動して、コンデンサＣ２を充電する。これにより、充電回路２１０からの出力電圧の急激な上昇に伴なう充電回路２１０からコンデンサＣ２への突入電流を抑制することができる。コンデンサＣ２が充電されるに従って、コンデンサ電圧ＶＣが上昇し、コンデンサ電圧ＶＣとバッテリ電圧ＶＢとの電位差ΔＶが次第に減少する。

Ｓ５０において、車両ＥＣＵ３００は、電位差ΔＶが所定値α未満となり、突入電流ＩＲが生じないレベルまでコンデンサＣ２が充電されたかを判定する。電位差ΔＶが所定値α以上の場合（Ｓ５０においてＮＯ）には、電位差ΔＶが所定値α未満になるまでＳ５０の処理が繰り返される。電位差ΔＶが所定値α未満の場合（Ｓ５０においてＹＥＳ、図３の時刻ｔ３参照）、車両ＥＣＵ３００は充電リレー１６０を閉成する（Ｓ６０）。これにより、充電回路２１０によるバッテリ１１０の充電が開始される。

このように、本実施の形態によれば、充電ケーブル４００のコネクタ４１０がインレット１７０に接続され、かつ充電リレー１６０の閉成要求が生じた場合に、充電リレー１６０の閉成に先立って充電回路２１０を駆動してコンデンサＣ２を充電することによって、コンデンサ電圧ＶＣとバッテリ電圧ＶＢとの電位差ΔＶを減少させる。そして、電位差ΔＶが所定値αよりも小さくなった場合に、充電リレー１６０が閉成される。これにより、充電リレー１６０の閉成に伴なう突入電流ＩＲを抑制し、コンデンサＣ２を保護することができる。このとき、突入電流ＩＲ対策に新たな部材の追加が必要ないので、より簡易な構成で突入電流ＩＲを抑制する構成が実現でき、部材コストを削減するととともに重量の増加を防止することができる。

なお、本実施の形態では、車両が電気自動車である場合を例として説明したが、本実施の形態における車両は、バッテリを充電するための充電回路を搭載した車両を示すものであり、電気自動車の他に、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。

最後に、図１および図２を再び参照して本実施の形態について総括する。車両１００は、外部電源５００から充電することが可能に構成されたバッテリ１１０を含む。車両１００は、外部電源５００を接続するためのインレット１７０と、インレット１７０から供給される電圧をバッテリ１１０を充電することが可能な電圧に変換する充電回路２１０と、充電回路２１０とバッテリ１１０との間の電力の供給と停止とを切換えるための充電リレー１６０と、充電回路２１０の出力端子Ｔｐ，Ｔｎ間に設けられた充電回路２１０と、充電回路２１０および充電リレー１６０を制御する車両ＥＣＵ３００とを備える。車両ＥＣＵ３００は、外部電源５００がインレット１７０に接続され、かつ充電リレー１６０の閉成要求があった場合に、充電リレー１６０の閉成に先立って充電回路２１０を駆動してコンデンサＣ２を充電し、コンデンサ電圧ＶＣとバッテリ電圧ＶＢとの電位差ΔＶが所定値αよりも小さくなった場合に、充電リレー１６０を閉成する。

このようにすることによって、コンデンサ電圧ＶＣとバッテリ電圧ＶＢとの電位差ΔＶが小さい状態で充電リレー１６０が閉成されるので、バッテリ１１０からコンデンサＣ２への突入電流ＩＲを抑制することができる。

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。

１００ 車両、１１０ バッテリ、１２０ ＰＣＵ、１３０ モータジェネレータ、１４０ 動力伝達ギア、１５０ 駆動輪、１６０ 充電リレー、１７０ インレット、２００ 充電装置、２１０ 充電回路、２１１ ＰＦＣ、２１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｔｐ，Ｔｎ 端子、２２０ 電圧センサ、２５０ 充電ＥＣＵ、３００ 車両ＥＣＵ、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。

Claims (1)

1. 車両外部の電源から充電可能に構成された蓄電装置を含む車両であって、
   前記電源を接続するための外部接続部と、
   前記外部接続部から供給される電圧を前記蓄電装置を充電することが可能な電圧に変換する充電回路と、
   前記充電回路と前記蓄電装置との間の電力の供給と停止とを切換えるための充電リレーと、
   前記充電回路の出力端子間に設けられたコンデンサと、
   前記充電回路および前記充電リレーを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記電源が前記外部接続部に接続され、かつ前記充電リレーの閉成要求があった場合に、前記充電リレーの閉成に先立って前記充電回路を駆動して前記コンデンサを充電し、前記コンデンサの電圧と前記蓄電装置の電圧との差が所定値よりも小さくなった場合に、前記充電リレーを閉成する、車両。

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