JP2017093041A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両に搭載された蓄電装置を車両外部の電源により充電するための車載用の充電装置において、車室内にユーザがいる場合に、電力変換部を保護しつつ、冷却ファンによる騒音を低減する。【解決手段】充電装置３００は、車両１に搭載されたバッテリ１５０を外部電源５００により充電するための車載用の充電装置である。充電装置３００は、外部電源５００から供給される交流電力を変換してバッテリ１５０に出力するＡＣ／ＤＣコンバータ３２０と、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を冷却可能に構成された冷却ファン３５０と、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０および冷却ファン３５０を制御する充電ＥＣＵ３７０とを備える。充電ＥＣＵ３７０は、車室内にユーザがいる場合には、冷却ファン３５０の回転速度Ｎｆを小さい値にし、かつ、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０からの出力電力上限値Ｐｏｕｔを小さい値にする。【選択図】図４

Description

本発明は充電装置に関し、より特定的には、車両に搭載された蓄電装置を車両外部の電源により充電するための車載用の充電装置に関する。

車両外部の電源（外部電源）から供給される電力を用いて、車両に搭載されたバッテリを充電する外部充電が可能に構成された車両が知られている。このような車両においては、外部電源から供給される電力を変換してバッテリに出力する電力変換部（たとえばＡＣ／ＤＣコンバータ）における発熱により、電力変換部の温度が上昇し得る。電力変換部の過度の温度上昇から電力変換部を保護するために、電力変換部を冷却することが考えられる。たとえば特開２０１５−６１３９１号公報（特許文献１）は、冷却ファンを用いてＡＣ／ＤＣ回路およびＤＣ／ＤＣ回路を冷却する構成を開示する。

特開２０１５−６１３９１号公報

上記のように、外部充電時に電力変換部の温度が上昇した場合には、電力変換部を保護するために、冷却ファンを用いて電力変換部の温度上昇を抑制することが望ましい。しかしながら、冷却ファンの回転速度を上昇させるに従って冷却ファンにより生じる騒音が大きくなるので、外部充電中の車室内にユーザがいる状態においては、ユーザの快適性が損なわれる可能性がある。その一方で、冷却ファンの回転速度を過度に小さい値に設定すると、電力変換部の温度上昇を抑制することができず、電力変換部を十分に保護できない可能性がある。

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、車両に搭載された蓄電装置を車両外部の電源により充電するための車載用の充電装置において、車室内にユーザがいる場合に、電力変換部を保護しつつ、冷却ファンによる騒音を低減することである。

本発明のある局面に従う充電装置は、車両に搭載された蓄電装置を車両外部の電源により充電するための車載用の充電装置である。充電装置は、上記電源から供給される電力を変換して蓄電装置に出力する電力変換部と、電力変換部を冷却可能に構成された冷却ファンと、電力変換部および冷却ファンを制御する制御部とを備える。制御部は、車両の室内にユーザがいる場合には、冷却ファンの回転速度を小さい値にし、かつ、電力変換部からの出力電力の上限値を小さい値にする。

単に冷却ファンの回転速度を小さい値に設定すると、冷却ファンによる騒音を低減することはできるものの、電力変換部の温度が低下しにくくなる。その結果、電力変換部の温度を許容温度範囲内に維持して電力変換部を保護することができなくなる可能性がある。上記構成によれば、電力変換部からの出力電力の上限値を小さい値に設定することにより、電力変換部における発熱が抑制される。これにより、冷却ファンの回転速度を小さい値に設定したとしても電力変換部の温度上昇を抑制することができる。したがって、電力変換部を保護しつつ、冷却ファンによる騒音を低減することができる。

本発明によれば、車両に搭載された蓄電装置を車両外部の電源により充電するための車載用の充電装置において、車室内にユーザがいる場合に、電力変換部を保護しつつ、冷却ファンによる騒音を低減することができる。

本実施の形態に係る充電装置を搭載した車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。 各外部充電モードについて、ＡＣ／ＤＣコンバータの温度と冷却ファンの回転速度との対応関係を示すマップの一例を示す図である。 各外部充電モードについて、ＡＣ／ＤＣコンバータの温度と充電装置からの出力電力上限値との対応関係を示すマップの一例を示す図である。 本実施の形態における外部充電制御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り返さない。

以下に示す実施の形態においては、本発明に係る充電装置が、外部充電が可能に構成されたハイブリッド車（いわゆるプラグインハイブリッド車）に搭載される構成例について説明する。しかし、本発明に係る充電装置が適用可能な車両は外部充電が可能であればこれに限定されるものではなく、エンジンを搭載しない電気自動車または燃料電池車であってもよい。

図１は、本実施の形態に係る充電装置を搭載した車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。図１を参照して、車両１は、エンジン１００と、モータジェネレータ１０，２０と、動力分割機構３０と、駆動輪４０と、バッテリ１５０と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）１６０と、電力制御装置（ＰＣＵ：Power Control Unit）２００と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２５０と、充電装置３００とを備える。

エンジン１００は、たとえばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関である。モータジェネレータ１０およびモータジェネレータ２０の各々は、たとえば三相交流回転電機である。

モータジェネレータ１０は、動力分割機構３０を介してエンジン１００のクランク軸に連結される。モータジェネレータ１０は、エンジン１００を始動する際にバッテリ１５０の電力を用いてエンジン１００のクランク軸を回転させる。また、モータジェネレータ１０はエンジン１００の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ１０で発電された交流電力は、ＰＣＵ２００により直流電力に変換されてバッテリ１５０に充電される。なお、モータジェネレータ１０で発電された交流電力は、モータジェネレータ２０に供給される場合もある。

モータジェネレータ２０は、バッテリ１５０からの電力およびモータジェネレータ１０で発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動軸を回転させる。また、モータジェネレータ２０は、回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ２０で発電された交流電力は、ＰＣＵ２００により直流電力に変換されてバッテリ１５０に充電される。

動力分割機構３０は、たとえば遊星歯車機構であり、エンジン１００が発生させた動力を、駆動輪４０に伝達される動力と、モータジェネレータ１０に伝達される動力とに分割する。

バッテリ（蓄電装置）１５０は、充放電が可能に構成された直流電源であり、代表的にはリチウムイオン電池もしくはニッケル水素電池などの二次電池、または電気二重層キャパシタなどのキャパシタを含んで構成される。バッテリ１５０は、車両１の運転時には、車両１の駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ２００に供給する一方で、車両１の回生制動時には、モータジェネレータ１０またはモータジェネレータ２０によって発電された電力を蓄える。

ＳＭＲ１６０は、バッテリ１５０とＰＣＵ２００との間に電気的に接続される。ＳＭＲ１６０の閉成／開放は、ＥＣＵ２５０からの制御信号に応じて制御される。

ＰＣＵ２００は、バッテリ１５０から供給された直流電力を交流電力に変換して、モータジェネレータ１０およびモータジェネレータ２０に供給する。また、ＰＣＵ２００は、モータジェネレータ１０またはモータジェネレータ２０で発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ１５０に供給する。

ＥＣＵ２５０は、図示しない各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、車両１が所望の走行状態となるように各機器を制御する。

充電装置３００は、外部充電時に外部電源５００から充電ケーブル４００を介して供給される電力を用いてバッテリ１５０を充電する。充電装置３００は、インレット３１０と、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０と、充電リレー（ＣＨＲ：Charge Relay）３３０と、温度センサ３４０と、冷却ファン３５０と、ルームスイッチ３６０と、充電ＥＣＵ３７０とを備える。充電ケーブル４００は、プラグ４１０と、コネクタ４２０と、電線４３０とを含む。

外部電源５００は、典型的には商用交流電源を含んで構成される。外部充電時においては、充電ケーブル４００のプラグ４１０が外部電源５００のコンセント５１０に接続されるとともに、充電ケーブル４００のコネクタ４２０が車両１のインレット３１０に接続される。電線４３０は、プラグ４１０とコネクタ４２０とを電気的に接続する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０は、外部電源５００から供給される交流電力を直流電力に変換しバッテリ１５０に出力する。

ＣＨＲ３３０は、バッテリ１５０とＡＣ／ＤＣコンバータ３２０との間に電気的に接続される。ＣＨＲ３３０の閉成／開放は、充電ＥＣＵ３７０からの制御信号に応じて制御される。

温度センサ３４０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０の温度（以下「充電器温度」とも称する）Ｔｃを検出し、その検出結果を充電ＥＣＵ３７０に出力する。

冷却ファン３５０は、充電ＥＣＵ３７０からの制御信号に応答して回転駆動され、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０に送風する。これにより、外部充電時に発生したジュール熱によって温度上昇したＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を冷却することができる。より具体的には、冷却ファン３５０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御可能なモータ（図示せず）を含んで構成される。充電ＥＣＵ３７０は、ＰＷＭ制御信号のデューティを調整することによって、冷却ファン３５０の回転速度（以下「ファン回転速度」とも称する）Ｎｆを目標値に制御する。

車両１は、外部充電時の制御モード（外部充電モード）として、「通常モード」および「室内モード」を有する。以下に説明するように、通常モードは、車室内（車両１の図示しない室内）にユーザがいない状態で外部充電を行なう制御モードである。室内モードは、車室内にユーザがいる状態で外部充電を行なう制御モードである。室内モードでは、外部電源５００から供給される電力を用いて、空調装置およびコンセントに接続された様々な電気機器（いずれも図示せず）を駆動することができる。

ルームスイッチ３６０は、車室内にいるユーザの操作を受け付ける。外部充電に際し、ルームスイッチ３６０がユーザによりオン操作された場合、ルームスイッチ３６０は、車室内にユーザがいることを示す信号を充電ＥＣＵ３７０に出力する。充電ＥＣＵ３７０は、上記信号に応答して、車両１の外部充電モードを室内モードに設定する。一方、充電ＥＣＵ３７０は、ルームスイッチ３６０がオフの場合には、車両１の外部充電モードを通常モードに設定する。

充電ＥＣＵ３７０は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、バッファとを含む。充電ＥＣＵ３７０は、メモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサからの信号を用いた演算処理を実行し、演算処理結果に応じた制御信号を出力する。なお、充電ＥＣＵ３７０の一部あるいは全部は、電子回路等のハードウェアにより演算処理を実行するように構成されてもよい。

充電ＥＣＵ３７０により実行される主要な制御として、冷却ファン３５０を用いたＡＣ／ＤＣコンバータ３２０の冷却制御と、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０からバッテリ１５０への出力電力の制御とが挙げられる。より具体的には、充電ＥＣＵ３７０は、所定のマップ（図２参照）に従って、充電器温度Ｔｃが許容温度範囲内に維持されるように冷却ファン３５０を制御する。また、充電ＥＣＵ３７０は、所定のマップ（図３参照）に従って、出力電力上限値Ｐｏｕｔを上回らない範囲の電力が出力されるようにＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を制御する。

以上のように構成された車両１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０での発熱により充電器温度Ｔｃが上昇すると、冷却ファン３５０を用いて充電器温度Ｔｃの過度の上昇を抑制することが求められる。しかしながら、車室内にユーザがいる状態でファン回転速度Ｎｆを過度に上昇させると、冷却ファン３５０により生じる騒音が大きくなり、ユーザの快適性が損なわれる可能性がある。そのため、充電ＥＣＵ３７０は、以下に説明するように、外部充電モードが通常モードか室内モードかに応じて、ファン回転速度Ｎｆを制御するためのマップを切り替える。

図２は、各外部充電モードについて、充電器温度Ｔｃとファン回転速度Ｎｆとの対応関係を示すマップの一例を示す図である。図２において、横軸は充電器温度Ｔｃを示し、縦軸はファン回転速度Ｎｆ（単位：ｒｐｍ）を示す。

通常モード時にはＮｎｏｒｍａｌに示すように、充電器温度ＴｃがＴ１以下の範囲ではファン回転速度ＮｆはＮ１にて一定に維持される。充電器温度ＴｃがＴ１を上回ると、充電器温度Ｔｃの上昇に伴い、ファン回転速度ＮｆはＮ１から最大値Ｎｍａｘまで単調に上昇する。

一方、室内モード時にはＮｒｏｏｍに示すように、充電器温度ＴｃがＴ１よりも高いＴ２以下の範囲において、ファン回転速度ＮｆはＮ１にて一定に維持される。つまり、充電器温度ＴｃがＴ１を上回っても充電器温度ＴｃがＴ２を上回るまではファン回転速度Ｎｆの上昇が抑制される。充電器温度ＴｃがＴ２を上回ると、充電器温度Ｔｃの上昇に伴い、ファン回転速度ＮｆはＮ１から最大値Ｎｍａｘまで単調に上昇する。

なお、図２において、温度Ｔ２は、出力電力上限値ＰｏｕｔをＰ１に制限した場合であっても、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０での発熱による充電器温度Ｔｃの上昇量の方が、ファン回転速度Ｎｆ＝Ｎ１での冷却による充電器温度Ｔｃの低下量よりも大きい温度である。

このように、室内モード時には、通常モード時と比べて、同一の充電器温度Ｔｃにおけるファン回転速度Ｎｆが小さい値（または同一の値）に設定される。これにより、充電器温度ＴｃがＴ１とＴ２との間の温度範囲において、冷却ファン３５０の回転駆動により生じる騒音を低減することができるので、ユーザの快適性を確保することができる。

その一方で、ファン回転速度Ｎｆの上昇が抑制されることで、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０での発熱による充電器温度Ｔｃの上昇量に対して、冷却ファン３５０を用いた冷却による充電器温度Ｔｃの低下量が不十分になり得る。その結果、充電器温度Ｔｃの上昇が抑制されず、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を十分に保護できない可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、室内モード時には、通常モード時と比べて、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０からの出力電力上限値Ｐｏｕｔを小さい値（または同一の値）に設定する構成を採用する。

図３は、各外部充電モードについて、充電器温度ＴｃとＡＣ／ＤＣコンバータ３２０からの出力電力上限値Ｐｏｕｔとの対応関係を示すマップの一例を示す図である。図３において、横軸は充電器温度Ｔｃを示し、縦軸は出力電力上限値Ｐｏｕｔ（単位：ｋＷ）を示す。

通常モード時にはＰｎｏｒｍａｌに示すように、充電器温度ＴｃがＴ４以下の範囲では出力電力上限値Ｐｏｕｔは最大値Ｐｍａｘである。充電器温度ＴｃがＴ４を上回ると、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０の発熱による充電器温度Ｔｃの上昇量に対して、冷却ファン３５０の回転駆動による充電器温度Ｔｃの低下量が不十分になり、充電器温度Ｔｃを許容温度範囲内に維持することができない可能性がある。したがって、充電器温度ＴｃがＴ４以上になると、出力電力上限値Ｐｏｕｔの制限が強化される。すなわち、充電器温度Ｔｃの上昇に伴い、出力電力上限値ＰｏｕｔはＰｍａｘからＰ１まで単調に低下するように設定される。

これに対し、室内モード時にはＰｒｏｏｍに示すように、充電器温度ＴｃがＴ４よりも低いＴ３を上回った時点で出力電力上限値Ｐｏｕｔの制限が強化される。すなわち、充電器温度ＴｃがＴ３を上回ると、充電器温度Ｔｃの上昇に伴い、出力電力上限値ＰｏｕｔはＰｍａｘからＰ１まで単調に低下するように設定される。同一の充電器温度Ｔｃで比較した場合に、室内モード時の出力電力上限値Ｐｏｕｔは、通常モード時の出力電力上限値Ｐｏｕｔ以下に設定される。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０での発熱量が低減されるので、充電器温度Ｔｃの上昇を抑制することができる。したがって、図２にて説明したように室内モード時にファン回転速度Ｎｆを小さい値に設定したとしても、充電器温度Ｔｃを許容温度範囲内に維持し、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を適切に保護することができる。

なお、図３において、温度Ｔａは、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０の周囲温度が常温である場合に、出力電力上限値Ｐｏｕｔ＝Ｐ１でのＡＣ／ＤＣコンバータ３２０での発熱による充電器温度Ｔｃの上昇量と、ファン回転速度Ｎｆ＝Ｎ１での冷却による充電器温度Ｔｃの低下量とが釣り合う温度である。

また、図３に示すマップでは、通常モードおよび室内モードの両方で出力電力上限値ＰｏｕｔをＰ１まで低下させる例について説明した。しかし、出力電力上限値Ｐｏｕｔの低下の態様はこれに限定されるものではなく、室内モード時には出力電力上限値ＰｏｕｔをＰ１よりも小さい値に減少させてもよい。

図４は、本実施の形態における外部充電制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、所定の条件成立時または所定の制御周期毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。なお、図４に示すフローチャートの各ステップは、基本的には充電ＥＣＵ３７０によるソフトウェア処理によって実現されるが、充電ＥＣＵ３７０内に作製された専用のハードウェア（図示しない電子回路）によって実現されてもよい。

Ｓ１０において、充電ＥＣＵ３７０は、ＥＣＵ２５０から外部充電を開始すべき旨の指示があるか否かを判定する。ＥＣＵ２５０は、たとえば、車両１のインレット３１０に充電ケーブル４００のコネクタ４２０が接続されたことを示す接続信号（図示せず）を充電ケーブル４００から受けた場合に、充電ＥＣＵ３７０に外部充電の開始を指示する。外部充電の指示を受けていない場合（Ｓ１０においてＮＯ）、充電ＥＣＵ３７０は、以降処理をスキップして処理をメインルーチンへと戻す。外部充電の指示を受けた場合（Ｓ１０においてＹＥＳ）、充電ＥＣＵ３７０は処理をＳ２０に進める。

Ｓ２０において、充電ＥＣＵ３７０は、車室内にユーザがいるか否かを判定する。車室内にユーザがいるか否かは、上述のようにルームスイッチ３６０のオン／オフにより判定することも可能であるし、車両１との無線通信機能を有するキー（いわゆるインテリジェントキー）が車室内にあるか否かにより判定することも可能である。

ルームスイッチ３６０がオフである場合（Ｓ２０においてＮＯ）、充電ＥＣＵ３７０は、車室内にユーザはいないとして、通常モードのファン回転速度マップ（図２のＮｎｏｒｍａｌ参照）を選択するとともに（Ｓ３０）、通常モードの出力電力制限マップ（図３のＰｎｏｒｍａｌ参照）を選択する（Ｓ４０）。そして、充電ＥＣＵ３７０は、ファン回転速度Ｎｆが、Ｎｎｏｒｍａｌ上での現在の充電器温度Ｔｃに対応する値になるように冷却ファン３５０を制御する。また、充電ＥＣＵ３７０は、出力電力上限値Ｐｏｕｔが、Ｎｒｏｏｍ上での現在の充電器温度Ｔｃに対応する値になるようにＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を制御する。

これに対し、ルームスイッチ３６０がオンである場合（Ｓ２０においてＹＥＳ）、充電ＥＣＵ３７０は、車室内にユーザがいるとして、室内モードのファン回転速度マップ（図２のＮｒｏｏｍ参照）を選択するとともに（Ｓ５０）、室内モードの出力電力制限マップ（図３のＰｒｏｏｍ参照）を選択する（Ｓ６０）。そして、充電ＥＣＵ３７０は、ファン回転速度Ｎｆが、Ｎｒｏｏｍ上での現在の充電器温度Ｔｃに対応する値になるように冷却ファン３５０を制御する。また、充電ＥＣＵ３７０は、出力電力上限値Ｐｏｕｔが、Ｐｒｏｏｍ上での現在の充電器温度Ｔｃに対応する値になるようにＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を制御する。Ｓ４０またはＳ６０の処理が終了すると、充電ＥＣＵ３７０は処理をメインルーチンへと戻す。

以上のように、本実施の形態によれば、車室内にユーザがいる場合には、車室内にユーザがいない場合と比べて、ファン回転速度Ｎｆが小さい値に設定され、かつ、出力電力上限値Ｐｏｕｔが小さい値に設定される。出力電力上限値Ｐｏｕｔを小さい値に設定することでＡＣ／ＤＣコンバータ３２０での発熱量が抑制されるので、ファン回転速度Ｎｆを小さい値に設定したとしても、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０の過度の温度上昇を防止することができる。したがって、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０を保護しつつ、冷却ファン３５０による騒音を低減することができる。

なお、本実施の形態において、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０が本発明に係る「電力変換部」に相当する。ただし、「電力変換部」の構成はこれに限定されるものではなく、ＡＣ／ＤＣコンバータ３２０により生成された直流電圧を昇圧または降圧するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに含んでもよい。

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、上記した実施の形態の説明ではなくて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。

１ 車両、１０，２０ モータジェネレータ、３０ 動力分割機構、４０ 駆動輪、１００ エンジン、１５０ バッテリ、１６０ システムメインリレー（ＳＭＲ）、２００ 電力制御装置（ＰＣＵ）、２５０ 電子制御装置（ＥＣＵ）、３００ 充電スイッチ、３１０ インレット、３２０ ＡＣ／ＤＣコンバータ、３３０ 充電リレー（ＣＨＲ）、３４０ 冷却ファン、３５０ 温度センサ、３６０ ルームスイッチ、３７０ 充電ＥＣＵ、４００ 充電ケーブル、４１０ プラグ、４２０ コネクタ、４３０ 電線、５００ 外部電源、５１０ コンセント。

Claims (1)

1. 車両に搭載された蓄電装置を車両外部の電源により充電するための車載用の充電装置であって、
   前記電源から供給される電力を変換して前記蓄電装置に出力する電力変換部と、
   前記電力変換部を冷却可能に構成された冷却ファンと、
   前記電力変換部および前記冷却ファンを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記車両の室内にユーザがいる場合には、前記車両の室内に前記ユーザがいない場合と比べて、前記冷却ファンの回転速度を小さい値にし、かつ、前記電力変換部からの出力電力の上限値を小さい値にする、充電装置。

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