JP2016195501A - 充電制御装置、及び充電制御方法 - Google Patents

充電制御装置、及び充電制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを効率よく充電可能な充電制御装置、及び充電制御方法を提供する。
【解決手段】DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上でバッテリーを充電可能となるバッテリーの充電率の上限値と下限値とを取得する取得部と、バッテリーの電圧を検出することで、バッテリーの充電率を検出する検出部と、検出部により検出された充電率が取得部により取得された下限値以下となった場合に、予め定められた一定の電力でバッテリーを充電するようにDCDCコンバータを制御し、バッテリーの充電中に充電率が取得部により取得された上限値以上となった場合に、DCDCコンバータを停止するように制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、充電制御装置、及び充電制御方法に関する。
近年の車両の消費電力の増加に伴い、12Vのバッテリー(鉛電池)の負荷が大きくなっている。この対策として、12Vより高電圧(例えば48V)の高電圧バッテリーを搭載し、消費電力の大きいHVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning)や電動パワステ(EPS:Electric Power Steering)といった機器を接続する高電圧バッテリーを有するシステム(以下、「高電圧系システム」という)が検討されている。
この高電圧系システムには、上記高電圧バッテリーの他に高電圧バッテリーを充電するための回生機器や、エンジンをアシストしたりするための機器が一般的に設けられている。上述したHVACなど消費電力の大きい機器は、高電圧バッテリーに接続されるため、12Vのバッテリーへの負荷は、一時的に発生するピーク時を除いては小さいものとなる。
また、高電圧系システムにおいて、12Vのバッテリーの充電は、DCDCコンバータを介して高電圧バッテリーから行われるが、DCDCコンバータを介して充電を行う場合、低負荷領域でのDCDCコンバータの変換効率は低い効率となっている(例えば、特許文献1参照)。
図13(A)は、DCDCコンバータの出力(W)と効率を示すグラフである。図13(A)のグラフは、横軸が電力を示し、縦軸が効率を示している。このグラフに示されるように、電力が低い領域での変換効率は非常に低いものとなっている。
特開2014−45633号公報
そのため、従来のように、12Vのバッテリーの電圧を一定に保つ充電制御では、DCDCコンバータの変換効率が低い領域での電力により充電が行われることになるため、多くのエネルギー損失が発生するという問題点があった。図13(B)は、12Vのバッテリーの電圧を一定に保つ充電制御での時間と充電率(SOC)を示すグラフである。
図13(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸が充電率を示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力を示している。また、実線はDCDCコンバータの出力を示し、破線は充電率を示している。図13(B)に示されるように、充電率を一定に保つ充電制御では、DCDCコンバータの変換効率が低い電力で充電される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを効率よく充電可能な充電制御装置、及び充電制御方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の充電制御装置は、DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを充電する充電制御装置であって、前記DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上で前記バッテリーを充電可能となる前記バッテリーの充電率の上限値と下限値とを取得する取得部と、前記バッテリーの電圧を検出することで、前記バッテリーの充電率を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記充電率が前記取得部により取得された前記下限値以下となった場合に、予め定められた一定の電力で前記バッテリーを充電するように前記DCDCコンバータを制御し、前記バッテリーの充電中に前記充電率が前記取得部により取得された前記上限値以上となった場合に、前記DCDCコンバータを停止するように制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
また、本発明の他の充電制御装置は、前記制御部は、前記バッテリーの充電中に前記充電率が減少する場合には、電力を増加させるように前記DCDCコンバータを制御することを特徴とする。
また、本発明の他の充電制御装置は、前記DCDCコンバータは、他のバッテリーから出力された電力を電力変換した電力で前記バッテリーを充電し、前記制御部は、前記他のバッテリーの充電率が予め定められた目標充電率以下の状態で前記バッテリーを充電する場合には、前記バッテリーの電圧を一定の電圧とするように前記DCDCコンバータを制御することを特徴とする。
また、本発明の他の充電制御装置は、前記DCDCコンバータにより降圧された電力、昇圧された電力、または昇降圧されていない電力で前記バッテリーを充電することを特徴とする。
また、本発明の他の充電制御装置は、前記上限値、及び下限値は、前記バッテリーの温度、前記制御部により制御が開始されたときの充電率、及び当該充電制御装置が車両の前記バッテリーの充電を制御する場合には前記車両の状態のいずれかに応じて、前記DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上となる範囲内で定まることを特徴とする。
また、本発明の充電制御方法は、DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを充電する充電制御方法であって、前記DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上で前記バッテリーを充電可能となる前記バッテリーの充電率の上限値と下限値とを取得する取得ステップと、前記バッテリーの電圧を検出することで、前記バッテリーの充電率を検出する検出ステップと、前記検出ステップにより検出された前記充電率が前記取得ステップにより取得された前記下限値以下となった場合に、予め定められた一定の電力で前記バッテリーを充電するように前記DCDCコンバータを制御し、前記バッテリーの充電中に前記充電率が前記取得ステップにより取得された前記上限値以上となった場合に、前記DCDCコンバータを停止するように制御する制御ステップとを備えたことを特徴とする。
以上説明したように、この発明によれば、DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを効率よく充電可能な充電制御装置、及び充電制御方法を提供することができる。
この発明の第1実施形態による高電圧系システムを搭載した車両の電気的構成を示す図である。 図2(A)は、充電制御装置おける制御内容でのDCDCコンバータの出力、バッテリーの負荷、及びSOCを示すグラフであり、図2(B)は、従来の制御方法によるSOC、変換効率、及びバッテリーの負荷を示すグラフである。 充電制御装置おける制御処理手順を示したフローチャートである。 図4(A)は、定電圧充電による損失と、定点出力充電による損失とを示すグラフであり、定電圧充電による累積損失と、定点出力充電による累積損失とを示すグラフである。 バッテリーの負荷を乱数でシミュレートしたときの各データを示すグラフである。 バッテリーの負荷を乱数でシミュレートしたときの各データを示すグラフである。 上限値を95%、下限値を90%としたときの各データを示すグラフである。 上限値を95%、下限値を86%としたときの各データを示すグラフである。 この発明の第2実施形態による高電圧系システムを搭載した車両の電気的構成を示す図である。 第1実施形態による制御とSOC_Bとの関係を示すグラフである。 制御部おける制御処理手順を示したフローチャートである。 第2実施形態による制御結果を示すグラフである。 図13(A)は、従来の制御方法におけるDCDCコンバータの出力と効率を示すグラフであり、図13(B)は、12Vのバッテリーの電圧を一定に保つ充電制御での時間とSOCを示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態による充電制御装置について図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1は、この発明の第1実施形態による充電制御装置10を含む高電圧系システム100を搭載した車両の電気的構成を示す図である。
図1において、実線は電源ケーブル、破線はグランドケーブルを示している。高電圧系システム100は、充電制御装置10、DCDCコンバータ11、12Vのバッテリー12、12Vのパワーネット13、インバータ14、ブースター15、ジャンクションボックス16、12Vより高電圧(例えば48V)の高電圧バッテリーであるバッテリー18、パワーネット17、モーター/発電機19、エンジン20、変速機21、及び駆動輪22で構成される。
充電制御装置10は、DCDCコンバータ11と信号線で接続し、DCDCコンバータ11を制御することで、DCDCコンバータ11により電力変換された電力でバッテリー12を充電する。また、充電制御装置10は、バッテリー12の電圧を検出し、この電圧からバッテリー12の充電率(以下、「SOC」という)を検出する。
DCDCコンバータ11は、充電制御装置10と信号線で接続し、充電制御装置10により制御される。また、DCDCコンバータ11は、バッテリー18とジャンクションボックス16を介して接続し、またバッテリー12とも接続しており、12V系と高電圧系の電力変換を行う。
バッテリー12は、例えば鉛蓄電池であり、DCDCコンバータ11と接続するとともに、12Vのパワーネット13に電力を供給する。また、バッテリー12は、DCDCコンバータ11を介して、バッテリー18の電力により充電される。パワーネット13は、12Vで稼働するメータや各種マイコンなどの電装品である。
ブースター15は、高電圧系の電圧を増幅し、インバータ14に出力する。インバータ14は、モーター/発電機19に電力を供給し、エンジン20をアシストする。また、モーター/発電機19は、エンジン20のアシストを行ったり、エンジン20の回転により発電を行う(なお、アシスト及び発電のいずれも行わないこともある)。エンジン20は、変速機21を介して駆動輪22を駆動する。
バッテリー18は、例えばリチウムイオン電池であり、ジャンクションボックス16を介してDCDCコンバータ11と接続し、バッテリー12を充電する。また、バッテリー18は、パワーネット17に電力を供給する。パワーネット17は、バッテリー18から供給される電力で稼働する電装品であり、例えば例えばHVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning)、電動パワステ(EPS:Electric Power Steering)、ワイパー、照明、ナビゲーションなど、消費電力の大きい電装品である。
図2(A)は、充電制御装置10により制御されたDCDCコンバータ11の出力、バッテリー12の負荷、及びSOCを示すグラフである。図2(A)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力とバッテリー12の負荷を示している。また、実線はバッテリー12の負荷を示し、破線はDCDCコンバータの出力を示し、一点鎖線はSOCを示している。
本実施形態では、まずDCDCコンバータ11の変換効率が予め定められた変換効率以上でバッテリー12を充電可能となるバッテリー12のSOCの上限値と下限値とを取得する。そして、SOCが下限値以下となった場合に、予め定められた一定の電力でバッテリー12を充電するようにDCDCコンバータ11を制御し、バッテリー12の充電中にSOCが上限値以上となった場合に、DCDCコンバータ11を停止するように制御する。以下の説明では、予め定められた一定の電力でバッテリー12を充電することを「定点出力充電」と表現する。
図2(A)の場合、SOCの下限値を90%、上限値95%としている。この上限値と下限値は、DCDCコンバータ11の変換効率が予め定められた変換効率以上でバッテリーを充電可能となるバッテリーのSOCの上限値と下限値であり、DCDCコンバータ11の特性や実験などにより予め定めておく。本実施形態では、DCDCコンバータ11の変換効率が95%以上となるように定めており、そのときのDCDCコンバータ11の出力は1500Wである。すなわち、予め定められた一定の電力は1500Wとなっている。
図2(A)のグラフに示されるように、充電制御装置10は、バッテリー12のSOCが95%から90%まで低下していく間は、充電を行わない。そして、充電制御装置10は、バッテリー12のSOCが90%になると、DCDCコンバータ11の出力を1500Wにして充電を開始するように制御する。
その後、充電制御装置10は、バッテリー12のSOCが95%になると、DCDCコンバータ11の出力を0Wにして、充電を停止するように制御する。以下、同様に制御される。このように、SOCが下限値より高い場合には、DCDCコンバータ11から電力は出力されず、バッテリー12から電力が出力されることになる。このとき放電量は、大きくないことと、鉛蓄電池は放電量が小さい場合に高効率であるので、バッテリー12から出力する電力の損失は極めて少ないと考えられる。
図2(B)は、従来の制御方法でのSOC、変換効率、及びバッテリー12の負荷を示すグラフである。なお、従来の制御方法とはバッテリーのSOCを一定に保つ充電制御方法であり、以下では、定電圧充電と表現する。図2(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOC及び変換効率を示し、右の横軸がバッテリー12の負荷を示している。また、実線はバッテリー12の負荷を示し、破線は変換効率を示し、一点鎖線はSOCを示している。
図2(B)に示されるように、従来の制御内容では、変換効率が95%を下回っていることが多いため、非効率であることが分かる。本実施形態における制御と比較した具体的なデータについては後述する。
図3は、充電制御装置10おける制御処理手順を示したフローチャートである。図3において、充電制御装置10は、図2で説明した上限値Uと下限値Lとを取得する(ステップS101)。次いで、充電制御装置10は、バッテリー12の電圧を検出することで、SOCを検出する(ステップS102)。そして、充電制御装置10は、検出したSOCをPに代入する。このPは、1つ前に検出されたSOCを記憶するための変数であり、最新のSOCを比較するために用いられる。
充電制御装置10は、cに0を代入する(ステップS104)。このcは、SOCが連続で低下した回数をカウントするためのカウンタである。次いで、充電制御装置10は、SOCが上限値U未満か否か判定する(ステップS105)。SOCが上限値U未満の場合には(ステップS105;YES)、充電制御装置10は、SOCがP未満か否か判定する(ステップS106)。SOCがP未満の場合には(ステップS106;YES)、充電制御装置10は、cを1増分する(ステップS107)。このように、最新のSOCが1つ前に検出されたSOCであるP未満である場合には、SOCが減少したことがカウントされる。
そして、充電制御装置10は、cがTより大きいか否か判定する(ステップS108)。このTは、DCDCコンバータ11の出力を増加させるか否かを判定するための閾値である。最新のSOCが1つ前に検出されたSOCであるP未満となった連続回数がTを超えると、本実施形態では、DCDCコンバータ11の出力を増加させる。
cがTより大きい場合には(ステップS108;YES)、充電制御装置10は、DCDCコンバータ11の出力を増加させる(ステップS109)。次いで、充電制御装置10は、PにSOC代入して(ステップS110)、再びSOCを検出し(ステップS111)、ステップS105に戻る。
ステップS106に戻り、SOCがP以上の場合には(ステップS106;NO)、充電制御装置10は、cに0を代入して(ステップS113)、充電制御装置10は、定点出力充電を行い(ステップS114)、上記ステップS110に進む。また、ステップS108でcがT以下の場合には(ステップS108;NO)、充電制御装置10は、定点出力充電を行い(ステップS114)、上記ステップS110に進む。
ステップS105に戻り、SOCが上限値U以上の場合には(ステップS105;NO)、充電制御装置10は、cに0を代入して(ステップS115)、DCDCコンバータ11の出力を停止する(ステップS116)。これにより充電が停止される。次いで、充電制御装置10は、バッテリー12の電圧を検出することで、SOCを検出する(ステップS117)。
次いで、充電制御装置10は、PにSOC代入して(ステップS118)、SOCが下限値Lより大きいか否か判定する(ステップS119)。SOCが下限値Lより大きい場合には(ステップS119;YES)、充電制御装置10は、ステップS115に戻る。SOCが下限値L以下の場合には(ステップS119;NO)、充電制御装置10は、ステップS105に戻る。
このフローチャートは、バッテリー12の充電中にSOCが減少する場合に、電力を増加させるようにDCDCコンバータ11を制御する一例として、充電中にSOCが連続して減少した回数が閾値Tより大きくなった場合に出力を増加させているが、例えば充電中に検出されたSOCが下限値以下となった回数に応じて出力を増加させてもよい。また、DCDCコンバータ11から出力を段階的に最大出力まで増加させてもよい。さらに、閾値Tは、例えば10回など、実験により定めたり、ユーザにより設定可能としてもよい。
また、上述したフローチャートに示されるように、本実施形態では、バッテリー12の負荷が瞬間的に増大しても、それには影響を受けることなく、充放電を制御するようになっている。
なお、本実施形態では、バッテリー12は、DCDCコンバータ11により降圧された電力により充電されるが、昇圧された電力、または昇降圧されていない電力で充電されてもよい。
さらに、上限値及び下限値を、バッテリー12の温度、充電制御装置10により制御が開始されたときのSOC、及び車両の状態、のいずれかに応じて、DCDCコンバータ11の変換効率が予め定められた変換効率以上(本実施形態では95%)となる範囲内で定めるようにしてもよい。
例えば、バッテリー12の温度が低い場合や、車両の状態がバッテリー12の負荷が高い状態などは、下限値や上限値を通常と比較して大きい値としてもよい。また、充電制御装置10により制御が開始されたときのSOCに応じて、上限値と下限値とを定めるようにしてもよい。
図4(A)は、定電圧充電による損失と、定点出力充電による損失とを示すグラフである。図4(A)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が損失を示している。また、実線は定電圧充電による損失を示し、破線は定点出力充電による損失を示している。
図4(A)に示されるように、定電圧充電では、常に約35W以上の損失が発生しているが、定点出力充電では、損失が0Wとなっている期間が長いことが分かる。
図4(B)は、定電圧充電による累積損失と、定点出力充電による累積損失とを示すグラフである。図4(B)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が累積損失を示している。また、実線は定電圧充電による累積損失を示し、破線は定点出力充電による累積損失を示している。
図4(B)に示されるように、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。
図5は、バッテリー12の負荷を乱数でシミュレートしたときの各データを示すグラフである。
図5(A)は、定電圧充電によるSOCとDCDCコンバータの出力を示すグラフである。図5(A)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力を示している。また、実線はDCDCコンバータの出力を示し、破線はSOCを示している。図5(A)に示されるように、電圧を一定に保つ充電制御では、DCDCコンバータの変換効率が低い電力でも充電されるようになっている。
図5(B)は、定点出力充電によるDCDCコンバータ12の出力、バッテリー12の負荷、及びSOCを示すグラフである。図5(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータ11の出力とバッテリー12の負荷を示している。また、実線はバッテリー12の負荷を示し、破線はDCDCコンバータ11の出力を示し、一点鎖線はSOCを示している。
図5(B)に示されるように、SOCが上限値(95%)以上の場合には、DCDCコンバータ11から電力は出力されず、バッテリー12から電力が出力されることになる。このとき放電量は、大きくないことと、鉛蓄電池は放電量が小さい場合に高効率であるので、バッテリー12から出力する電力の損失は極めて少ないと考えられる。また、SOCが下限値(90%)以下の場合には、DCDCコンバータ11から電力が出力し、バッテリー12に充電される。
図5(C)は、定電圧充電による損失と、定点出力充電による損失とを示すグラフである。図5(C)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が損失を示している。また、実線は定電圧充電による損失を示し、破線は定点出力充電による損失を示している。
図5(C)に示されるように、定電圧充電では、常に約35W以上の損失が発生しているが、定点出力充電では、損失が0Wとなっている期間が長いことが分かる。
図5(D)は、定電圧充電による累積損失と、定点出力充電による累積損失とを示すグラフである。図5(D)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が累積損失を示している。また、実線は定電圧充電による累積損失を示し、破線は定点出力充電による累積損失を示している。
図5(D)に示されるように、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。具体的には、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失よりも約1954Wsだけ少ないものとなっている。
図6は、バッテリー12の負荷を乱数でシミュレートしたときの各データを示すグラフである。図6での乱数は、図5での乱数とは異なる。
図6(A)は、定電圧充電によるSOCとDCDCコンバータの出力を示すグラフである。図6(A)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力を示している。また、実線はDCDCコンバータの出力を示し、破線はSOCを示している。図6(A)に示されるように、定電圧充電では、DCDCコンバータの変換効率が低い電力でも充電されるようになっている。
図6(B)は、定点出力充電によるDCDCコンバータ11の出力、バッテリー12の負荷、及びSOCを示すグラフである。図6(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力とバッテリー12の負荷を示している。また、実線はバッテリー12の負荷を示し、破線はDCDCコンバータの出力を示し、一点鎖線はSOCを示している。
図6(B)に示されるように、SOCが上限値(95%)以上の場合には、DCDCコンバータ11から電力は出力されず、バッテリー12から電力が出力されることになる。このとき放電量は、大きくないことと、鉛蓄電池は放電量が小さい場合に高効率であるので、バッテリー12から出力する電力の損失は極めて少ないと考えられる。また、SOCが下限値(90%)以下の場合には、DCDCコンバータ11から電力が出力し、バッテリー12に充電される。
図6(C)は、定電圧充電による損失と、定点出力充電による損失とを示すグラフである。図6(C)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が損失を示している。また、実線は定電圧充電による損失を示し、破線は定点出力充電による損失を示している。
図6(C)に示されるように、定電圧充電では、常に約35W以上の損失が発生しているが、定点出力充電では、損失が0Wとなっている期間が長いことが分かる。
図6(D)は、定電圧充電による累積損失と、定点出力充電による累積損失とを示す図である。図6(D)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が累積損失を示している。また、実線は定電圧充電による累積損失を示し、破線は定点出力充電による累積損失を示している。
図6(D)に示されるように、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。具体的には、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失よりも約1822Wsだけ少ないものとなっている。
以上説明した図5、図6に示されるように、いずれの場合も、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。図5、図6では、バッテリー12の負荷を乱数でシミュレートしたときの各データについて説明したが、次に上限値及び下限値を変更した場合の各データについて説明する。
図7は、上限値を95%、下限値を90%としたときの各データを示すグラフである。
図7(A)は、定電圧充電でのSOCとDCDCコンバータの出力を示すグラフである。図7(A)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力を示している。また、実線はDCDCコンバータの出力を示し、破線はSOCを示している。図7(A)に示されるように、定電圧充電では、DCDCコンバータの変換効率が低い電力でも充電されるようになっている。
図7(B)は、定点出力充電でのDCDCコンバータ11の出力、バッテリー12の負荷、及びSOCを示すグラフである。図7(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータ11の出力とバッテリー12の負荷を示している。また、実線はバッテリー12の負荷を示し、破線はDCDCコンバータ11の出力を示し、一点鎖線はSOCを示している。
図7(B)に示されるように、SOCが上限値(95%)以上の場合には、DCDCコンバータ11から電力は出力されず、バッテリー12から電力が出力されることになる。このとき放電量は、大きくないことと、鉛蓄電池は放電量が小さい場合に高効率であるので、バッテリー12から出力する電力の損失は極めて少ないと考えられる。また、SOCが下限値(90%)以下の場合には、DCDCコンバータ11から電力が出力し、バッテリー12に充電される。
図7(C)は、定電圧充電による損失と、定点出力充電による損失とを示すグラフである。図7(C)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が損失を示している。また、実線は定電圧充電による損失を示し、破線は定点出力充電による損失を示している。
図7(C)に示されるように、定電圧充電では、常に約35W以上の損失が発生しているが、定点出力充電では、損失が0Wとなっている期間が長いことが分かる。
図7(D)は、定電圧充電による累積損失と、定点出力充電による累積損失とを示すグラフである。図7(D)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が累積損失を示している。また、実線は定電圧充電による累積損失を示し、破線は定点出力充電による累積損失を示している。
図7(D)に示されるように、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。具体的には、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失よりも約1954Wsだけ少ないものとなっている。
図8は、上限値を95%、下限値を86%としたときの各データを示すグラフである。バッテリー12の負荷は、図7と同じものとしており、上限値及び下限値を変更した場合の影響も比較できるようになっている。
図8(A)は、定電圧充電でのSOCとDCDCコンバータの出力を示すグラフである。図8(A)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータの出力を示している。また、実線はDCDCコンバータの出力を示し、破線はSOCを示している。図8(A)に示されるように、電圧を一定に保つ充電制御では、DCDCコンバータの変換効率が低い電力でも充電されるようになっている。
図8(B)は、定点出力充電でのDCDCコンバータ11の出力、バッテリー12の負荷、及びSOCを示すグラフである。図8(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸がDCDCコンバータ11の出力とバッテリー12の負荷を示している。また、実線はバッテリー12の負荷を示し、破線はDCDCコンバータ11の出力を示し、一点鎖線はSOCを示している。
図8(B)に示されるように、上限値と下限値で定まる範囲が図7の場合と比較して広くなっているため、図7の場合と比較して、充電時間、及び放電時間のいずれも長くなっていることが分かる。また、SOCが上限値(95%)以上の場合には、DCDCコンバータ11から電力は出力されず、バッテリー12から電力が出力されることになる。このとき放電量は、大きくないことと、鉛蓄電池は放電量が小さい場合に高効率であるので、バッテリー12から出力する電力の損失は極めて少ないと考えられる。また、SOCが下限値(86%)以下の場合には、DCDCコンバータ11から電力が出力し、バッテリー12に充電される。
図8(C)は、定電圧充電による損失と、定点出力充電による損失とを示すグラフである。図8(C)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が損失を示している。また、実線は定電圧充電による損失を示し、破線は定点出力充電による損失を示している。
図8(C)に示されるように、定電圧充電では、常に約35W以上の損失が発生しているが、本実施形態に係る制御方法では、損失が0Wとなっている期間が長いことが分かる。
図8(D)は、定電圧充電による累積損失と、定点出力充電による累積損失とを示すグラフである。図8(D)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が累積損失を示している。また、実線は定電圧充電による累積損失を示し、破線は定点出力充電による累積損失を示している。
図8(D)に示されるように、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。具体的には、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失よりも約1903Wsだけ少ないものとなっている。
このように、上限値と下限値を変更した場合も、定点出力充電による累積損失は、定電圧充電による累積損失と比較して、非常に少ないことが分かる。さらに、図7、図8に示した結果からは、上限値と下限値で定まる範囲が狭い方が累積損失を小さくできることが分かる。
[第2実施形態]
第1実施形態では、充電を開始するSOCの下限値と充電を終了するSOCの上限値とを取得して、SOCが下限値以下となった場合に、DCDCコンバータ11によりバッテリー12の充電を開始し、SOCが上限値以上となった場合に、DCDCコンバータ11によるバッテリー12の充電を停止していた。
こうした第1実施形態による制御によれば、上述した各グラフに示されるデータにみられるように、効率よく充電可能となっているが、第2実施形態では車両全体の効率を向上させる制御について説明する。
図9は、この発明の第2実施形態による充電制御装置としての制御部252を含む高電圧系システム200を搭載した車両の電気的構成を示す図である。
図9において、高電圧系システム200は、DCDCコンバータ211、12Vより高電圧(例えば48V)の高電圧バッテリー218を含む高電圧バッテリーパック270、12Vの低電圧バッテリー212、低電圧負荷213、高電圧負荷217、モーター/インバータ219、エンジン220、車両MG_ECU260、通信部261、及び制御部262で構成される。
ここで、以下の説明で用いられる記号について予め説明しておく。まず、低電圧バッテリー212のSOCをSOC_A、高電圧バッテリー218のSOCをSOC_Bとする。また、低電圧バッテリー212のSOCの上限値をSOC_AU、下限値をSOC_AL、高電圧バッテリー218のSOCの上限値をSOC_BU、下限値をSOC_BLとする。さらに、高電圧バッテリー218のSOCの目標SOCをSOC_Tとする。
これらを踏まえ、以下高電圧系システム200について説明する。まず、DCDCコンバータ211は、高電圧バッテリーパック270及び低電圧バッテリー212と接続しており、12V系と高電圧系の電力変換を行う。また、DCDCコンバータ211は、制御部252、電圧検出部251、及び通信部250を含む。制御部252は、DCDCコンバータ11を制御することで、低電圧バッテリー212の充放電制御を行う。
また、制御部252は、電圧検出部251により検出された低電圧バッテリー212及び高電圧バッテリー218の電圧からSOC_A、SOC_Bを検出する。通信部250は、車両MG_ECU260の通信部261や、高電圧バッテリーパック270の通信部272と通信を行う。特に高電圧バッテリーパック270の通信部272からは、SOC_BU、SOC_BL、及びSOC_Tが通知される。
高電圧バッテリーパック270は、DCDCコンバータ211及びモーター/インバータ219と接続する。高電圧バッテリーパック270は、高電圧バッテリー218の電力をモーター/インバータ219に供給し、エンジン220をアシストする。また、モーター/インバータ219は、車両MG_ECU260からの指令により発電を行い、この発電により高電圧バッテリー218を充電する。
また、高電圧バッテリーパック270は、高電圧バッテリー218、制御部271、及び通信部272を含む。制御部271は、高電圧バッテリーパック270を制御する。高電圧バッテリー218は、例えばリチウムイオン電池であり、DCDCコンバータ211を介して、低電圧バッテリー212を充電する。
また、高電圧バッテリー218は、高電圧負荷217に電力を供給する。高電圧負荷217は、高バッテリー218から供給される電力で稼働する電装品であり、例えばHVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning)、電動パワステ(EPS:Electric Power Steering)、ワイパー、照明、ナビゲーションなど、消費電力の大きい電装品である。
通信部272は、車両MG_ECU260の通信部261や、DCDCコンバータ211の通信部250と通信を行う。特に通信部272は、上述したようにDCDCコンバータ211の通信部250へSOC_BU、SOC_BL、及びSOC_Tを通知する。
低電圧バッテリー212は、例えば鉛蓄電池であり、DCDCコンバータ211と接続するとともに、低電圧負荷213に電力を供給する。また、低電圧バッテリー212は、DCDCコンバータ211を介して、高電圧バッテリー218の電力により充電される。低電圧負荷213は、12Vで稼働するメータや各種マイコンなどの電装品である。
制御部262は、車両MG_ECU260及び通信部261を制御する。車両MG_ECU260は、各種エンジン制御やモーター/インバータに出力指令を行うECU(Engine Control Unit)である。通信部261は、高電圧バッテリーパック270の通信部272や、DCDCコンバータ211の通信部250と通信を行う。
以上説明した構成において、第2実施形態では、他のバッテリーである高電圧バッテリー218のSOC_Bが予め定められた目標充電率(SOC_T)以下の状態で低電圧バッテリー212を充電する場合には、低電圧バッテリー212の電圧を一定の電圧とするようにDCDCコンバータ211を制御(定電圧充電となる制御)する。
図10は、第1実施形態による制御とSOC_Bとの関係を示すグラフである。図10(A)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸がSOCを示している。また、実線はSOC_Bを示し、破線はSOC_Tを示し、一点鎖線はSOC_BU(80%)とSOC_BL(40%)を示している。
また、図10(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸が低電圧バッテリー212の負荷とDCDCコンバータ211の出力を示している。また、実線はSOC_Aを示し、破線はDCDCコンバータ211の出力を示し、一点鎖線は低電圧バッテリー212の負荷を示している。
図10(B)に示されるように、第1実施形態の制御では、SOC_Aが下限値(90%)以下となった場合に、DCDCコンバータ211により低電圧バッテリー212の充電を開始し、SOC_Aが上限値(95%)以上となった場合に、DCDCコンバータ211による低電圧バッテリー212の充電を停止していた。
この場合、SOC_BがSOC_T以下となっている区間Xにおいても、DCDCコンバータ211は、低電圧バッテリー212の負荷より大きな電力を出力する。この場合、エンジン回転数や負荷などの車両走行条件によってはSOC_Bを回復するためにエンジン回生を行うことがある。このエンジン回生により、余分な燃料の噴射が必要となることから、車両全体としての効率が低下する可能性がある。そこで、第2実施形態ではSOC_Bによって定電圧充電及び定点出力充電を切り替える制御を行う。
図11は、制御部252おける制御処理手順を示したフローチャートである。図11において、制御部252は、SOC_AL、SOC_AU、SOC_BL、SOC_BU、及びSOC_Tを取得する(ステップS201)。次いで、制御部252は、低電圧バッテリー212及び高電圧バッテリー218の電圧を検出することで、SOC_A、SOC_Bを検出する(ステップS202)。そして、制御部252は、検出したSOC_AをPに代入する。このPは、1つ前に検出されたSOC_Aを記憶するための変数であり、最新のSOC_Aを比較するために用いられる。
制御部252は、cに0を代入する(ステップS204)。このcは、SOC_Aが連続で低下した回数をカウントするためのカウンタである。次いで、制御部252は、SOC_Aが上限値SOC_AU未満か否か判定する(ステップS205)。SOC_Aが上限値SOC_AU未満の場合には(ステップS205;YES)、制御部252は、SOC_AがP未満か否か判定する(ステップS206)。SOC_AがP未満の場合には(ステップS206;YES)、制御部252は、cを1増分する(ステップS207)。このように、最新のSOC_Aが1つ前に検出されたSOC_AであるP未満である場合には、SOC_Aが減少したことがカウントされる。
そして、制御部252は、cがTより大きいか否か判定する(ステップS208)。このTは、DCDCコンバータ211の出力を増加させるか否かを判定するための閾値である。最新のSOC_Aが1つ前に検出されたSOC_AであるP未満となった連続回数がTを超えると、本実施形態では、DCDCコンバータ211の出力を増加させる。
cがTより大きい場合には(ステップS208;YES)、制御部252は、DCDCコンバータ211の出力を増加させる(ステップS209)。次いで、制御部252は、PにSOC_A代入して(ステップS210)、再びSOC_A、SOC_Bを検出し(ステップS211)、ステップS205に戻る。
ステップS206に戻り、SOC_AがP以上の場合には(ステップS206;NO)、制御部252は、cに0を代入して(ステップS213)、ステップS214に進む。また、ステップS208でcがT以下の場合には(ステップS208;NO)、ステップS214に進む。
ステップS214では、SOC_B>SOC_Tか否か判定する(ステップS214)。すなわち、高電圧バッテリー218のSOCが高電圧バッテリー218の目標SOCより大きいか否か判定する。
SOC_BがSOC_Tより大きい場合(ステップS214;YES)、制御部252は、高電圧バッテリー218のSOCが高電圧バッテリー218の目標SOCより大きいため、第1実施形態と同じく定点出力充電を行い(ステップS220)、上記ステップS210に進む。
SOC_BがSOC_T以下の場合(ステップS214;NO)、制御部252は、エンジン回生による燃料噴射を回避するために、定電圧充電を行い(ステップS221)、ステップS210に進む。
ステップS205に戻り、SOC_Aが上限値SOC_AU以上の場合には(ステップS205;NO)、制御部252は、cに0を代入して(ステップS215)、DCDCコンバータ211の出力を停止する(ステップS216)。これにより充電が停止される。次いで、制御部252は、SOC_A、SOC_Bを検出する(ステップS217)。
次いで、制御部252は、PにSOC_A代入して(ステップS218)、SOC_Aが下限値SOC_ALより大きいか否か判定する(ステップS219)。SOC_Aが下限値Lより大きい場合には(ステップS219;YES)、制御部252は、ステップS215に戻る。SOC_Aが下限値L以下の場合には(ステップS219;NO)、制御部252は、ステップS205に戻る。
図12は、第2実施形態による制御結果を示すグラフである。図12(A)のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸がSOCを示している。また、実線はSOC_Bを示し、破線はSOC_Tを示し、一点鎖線はSOC_BU(80%)とSOC_BL(40%)を示している。
また、図12(B)のグラフは、横軸が時間を示し、左の縦軸がSOCを示し、右の横軸が低電圧バッテリー212の負荷とDCDCコンバータ211と第1実施形態によるDCDCコンバータの出力を示している。また、実線はSOC_Aを示し、破線はDCDCコンバータ211の出力を示し、一点鎖線は低電圧バッテリー212の負荷を示し、二点鎖線は第1実施形態によるDCDCコンバータの出力を示している。
図12(B)に示されるように、第1実施形態の制御では、SOC_BがSOC_T以下となっている区間Xにおいて定点出力充電を行っていた。一方、第2実施形態の制御では、区間Xにおいて、定電圧充電を行う。
このように、第2実施形態によれば、SOC_BがSOC_T以下の場合には、定電圧充電を行うことにより、エンジン回生の発生を抑制でき、余分な燃料が噴射されることを回避できる。一方、SOC_BがSOC_Tより大きい場合には、定点出力充電を行うので、車両全体の効率を向上させることができる。
以上説明した実施形態のうち、第1実施形態では、DCDCコンバータ11と充電制御装置10はユニット化されていない例で説明し、第2実施形態では、DCDCコンバータ211と制御部252がユニット化されている例で説明したが、第1実施形態ではユニット化されていてもよいし、第2実施形態ではユニット化されていなくてもよい。
また、第2実施形態では、DCDCコンバータ211とユニット化された制御部252により制御を行う形態について説明したが、制御部262が制御部252、271を制御することにより第2実施形態を実現してもよい。この場合、制御部262は、DCDCコンバータ211から、SOC_A、SOC_Bが通知され、さらに高電圧バッテリーパック270からSOC_BU、SOC_BL、及びSOC_Tが通知されることとなる。そのうえで、図14に示した制御処理を行うことで、制御部262による充放電制御が可能となる。
また、上述した実施形態において、高電圧系の一例として48V系を例示したが、12Vより高電圧の電圧系であればよい。さらに、12Vや48Vに限らず、異なる2つの電圧の電圧系(例えば100V系と48V系)であれば本実施形態を適用できる。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
10 充電制御装置、11、211 DCDCコンバータ、12 バッテリー(12V)
18 バッテリー、100、200 高電圧系システム
218 高電圧バッテリー、251 電圧検出部、252 制御部

Claims (6)

  1. DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを充電する充電制御装置であって、
    前記DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上で前記バッテリーを充電可能となる前記バッテリーの充電率の上限値と下限値とを取得する取得部と、
    前記バッテリーの電圧を検出することで、前記バッテリーの充電率を検出する検出部と、
    前記検出部により検出された前記充電率が前記取得部により取得された前記下限値以下となった場合に、予め定められた一定の電力で前記バッテリーを充電するように前記DCDCコンバータを制御し、前記バッテリーの充電中に前記充電率が前記取得部により取得された前記上限値以上となった場合に、前記DCDCコンバータを停止するように制御する制御部と
    を備えたことを特徴とする充電制御装置。
  2. 前記制御部は、前記バッテリーの充電中に前記充電率が減少する場合には、電力を増加させるように前記DCDCコンバータを制御することを特徴とする請求項1記載の充電制御装置。
  3. 前記DCDCコンバータは、他のバッテリーから出力された電力を電力変換した電力で前記バッテリーを充電し、
    前記制御部は、前記他のバッテリーの充電率が予め定められた目標充電率以下の状態で前記バッテリーを充電する場合には、前記バッテリーの電圧を一定の電圧とするように前記DCDCコンバータを制御することを特徴とする請求項1記載の充電制御装置。
  4. 前記DCDCコンバータにより降圧された電力、昇圧された電力、または昇降圧されていない電力で前記バッテリーを充電することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の充電制御装置。
  5. 前記上限値、及び下限値は、前記バッテリーの温度、前記制御部により制御が開始されたときの充電率、及び当該充電制御装置が車両の前記バッテリーの充電を制御する場合には前記車両の状態のいずれかに応じて、前記DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上となる範囲内で定まることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の充電制御装置。
  6. DCDCコンバータにより電力変換された電力でバッテリーを充電する充電制御方法であって、
    前記DCDCコンバータの変換効率が予め定められた変換効率以上で前記バッテリーを充電可能となる前記バッテリーの充電率の上限値と下限値とを取得する取得ステップと、
    前記バッテリーの電圧を検出することで、前記バッテリーの充電率を検出する検出ステップと、
    前記検出ステップにより検出された前記充電率が前記取得ステップにより取得された前記下限値以下となった場合に、予め定められた一定の電力で前記バッテリーを充電するように前記DCDCコンバータを制御し、前記バッテリーの充電中に前記充電率が前記取得ステップにより取得された前記上限値以上となった場合に、前記DCDCコンバータを停止するように制御する制御ステップと
    を備えたことを特徴とする充電制御方法。
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