JP2016195501A - 充電制御装置、及び充電制御方法 - Google Patents
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Abstract
【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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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。
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。
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)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)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(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)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)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)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(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)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)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)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。
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)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)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)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(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)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)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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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