JP2017099203A - 車載充電器及びそれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の充電損失を抑制する充電器及びその制御手法を提供する。【解決手段】充電器の制御部は、蓄電池電圧又は充電量の値と、次回走行開始予定時刻の情報を取得し、充電開始時の電流において、第１所定電流値である電流モードと当該所定電流値より小さい電流である第２所定電流値である第２モードと、のいずれか一方を選択して充電を実行する【選択図】図３

Description

本発明は、電気自動車に搭載される高電圧のバッテリに、外部電源から充電を行う装置及びその制御手法に関する。

近年、地球環境保全への意識の高まりから、電気自動車やプラグインハイブリッド車の普及が進みつつある。これらの車には、走行時にモータへ電力供給するメインバッテリが搭載される。このメインバッテリを商用の交流電源から充電するとき，より少ない電力で安全に充電するためには，商用電源とメインバッテリとを絶縁する機能を備えた充電装置が必要になる。この充電装置は、高い変換効率が求められる。また蓄電池は、長い航続距離を保証するために大容量化と、長期間の使用に耐えうる長寿命化が求められる。さらに充電の手法によって、蓄電池の劣化が促進される可能性があるため、劣化を抑制するような充電手法が求められる。

特許文献１には，充電方法による蓄電池の寿命劣化については、特に長期間放置されるような状況において充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を満充電（１００％）とせず、低めに設定することや、その際に深夜など電気料金が安価に設定されている時間帯を中心に充電を実施する手法が開示されている。

特開２０１２−１８６９０６号公報

電気自動車（ＥＶ）あるいはプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）といった電動車両では、メインバッテリに用いられる二次電池は、一定の走行距離を保証するためにも高いエネルギー密度が要求され、現在ではリチウムイオンを利用した二次電池が広く用いられている。走行距離を長くするためには、走行に関係するエネルギーの変換効率を高める他、メインバッテリのエネルギー容量を大きくすることが必要となる。同時に長期の使用においてもエネルギー密度の劣化が過度に進行しない、高い信頼性が要求される。

実使用においては、従来の燃料補給に相当する充電の所要時間が大きな課題となっている。現在販売されている車両の多くは１０〜２０ｋＷｈ程度の蓄電池を搭載しており、例えば容量が２０ｋＷｈの蓄電池の場合、フル充電に要する時間は、近年設置数が増えつつある出力２０ｋＷ程度の急速充電器を用いておよそ１時間である。一方、車両本体に搭載されている出力３ｋＷ程度の充電器ではおよそ６時間を要することになる。これは、従来の自動車がガソリンや軽油を数分で給油可能な点と比べて大きなデメリットであり、蓄電池容量に由来する航続距離とあわせて、電気自動車の普及を妨げる要因の一つとなっている。

このため、充電器の出力増が検討されているが、出力が増加すると新たな問題が浮上する。蓄電池として用いられる二次電池は、それぞれ温度や電流によって値が変化する内部抵抗成分を有しており、放電或いは充電を始めると内部抵抗起因の損失が発生する。例えば同条件で満充電とした単位セルの異なる電流値による放電特性としては、電流の増加に伴って内部抵抗部での電圧降下によって端子電圧が低下し、最終的に出力として得られるエネルギー総量も低下してしまう。充電時について考えると、大電流で充電する場合には発生する損失も増えるため、満充電により多くのエネルギーを要することになる。即ち、
充電時間の短縮のために充電器の出力を上げると、損失増加により充電効率が低下する可能性がある。

また、ここで発生する損失はその多くが熱に変換され、蓄電池の温度上昇を招く。損失が大きい場合には温度上昇も増加して蓄電池が高温となりやすい。特にリチウムイオン電池の推奨動作温度としては４５℃以下とする例があるなど他の構成部品よりも低いため、内部損失による温度上昇は長期的な寿命を考慮すると問題である。

上記のような充電出力を増加することによる内部損失の増加とそれに伴う発熱を抑制するような制御の詳細について、特許文献１では開示されていない。一般家庭における自動車の利用について考えると、統計的に一日の中で走行時間は限られており、使用せず駐車している時間の方が長いことが明らかになっている。従って、移動中のエネルギー補充のために長時間待機するのは問題であるが、長い不使用時間の範囲内であれば、充電速度は優先度としては低下する。

本発明の目的は，充電中の蓄電池の内部抵抗による損失とそれに伴う発熱を抑制して総合的な充電効率の向上をはかると共に、長期的には蓄電池の劣化を抑えて長寿命化をはかり、かつ実使用時に充電の待機時間が必要以上に発生しないような充電制御装置を提供する。

前記目的を達成するために本発明に係る充電制御装置は，蓄電池の電圧と次回走行開始予定時刻に関わる情報に基づいて、充電開始時の電流において、第１所定電流値である第１モードと、当該第１所定電流値より小さい電流である第２所定電流値である第２モードと、のいずれか一方を選択して充電を実行する。

本発明によれば，メインバッテリに電力を供給する充電器について、充電中に発生する損失を抑制して効率を向上させることができる。

本実施形態の充電器１と，その周辺の概略構成図である。 実施例１の充電時におけるＳＯＣと充電電力の経時変化を説明する図。 実施例１の充電時における制御フローを説明する図。 実施例１の次回走行開始予定時刻の入力手段について説明する図。 実施例２の充電時におけるＳＯＣと充電電力の経時変化を説明する図。 実施例２の充電時における制御フローを説明する図。 実施例３の充電時におけるＳＯＣと充電電力の経時変化を説明する図。 実施例３の充電時における制御フローを説明する図。 実施例４の蓄電池の内部抵抗とＳＯＣの関係を説明する図。 実施例４の充電時におけるＳＯＣと充電電力の経時変化を説明する図。 実施例５の充電時におけるＳＯＣと充電電力の経時変化を説明する図。 実施例５の充電時における制御フローを説明する図。 実施例１の蓄電池電圧とＳＯＣの関係を説明する図。 従来方式による充電時におけるＳＯＣと充電電力の経時変化を説明する図。

以下，本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１〜図４及び図１３を用いて第１の実施様態について説明する。

図１は，本実施形態の充電器１と，その周辺の概略構成図である。充電器１は，制御部２と接続され動作に必要な信号をやりとりする。ここで制御部２は、充電器そのものの動作の他、充電時に必要な車両全体の制御をつかさどる機能を有する部位を示し、具体的には充電器のコントロールＩＣの他、車両制御のための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の一部或いは全体を含む。動作（充電）時には商用電源７につながるプラグ８を車両側の接続部９に差し込んで商用電源７と接続され、充電器１内で交流電圧を直流電圧に変換して常に接続されている蓄電池３に充電する。蓄電池３には状態をモニタするバッテリコントロールユニット（ＢＣＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４が接続され、充電量を示すＳＯＣ、電池電圧、温度、電流などの情報を定期的に発信するとともに、蓄電池３を構成する各単体セルのバランスを制御している。ＢＣＵ４及び制御部２とは車内の制御信号ネットワーク５で接続され、内部で信号の送受信が可能となっている。

さらに制御信号ネットワーク５には無線通信モジュール６が接続され、外部端末、例えば携帯電話やスマートテレフォンなどの携帯情報端末１０とも情報のやり取りが可能となっている。なお、第１の実施形態では、システムを最も簡略化可能な方法で説明する。

図２及び図３を用いて，本発明の充電時のおおまかな動作フローについて説明する。図２はいずれも横軸が時間で、縦軸は上段のグラフが充電中の電池電圧を、下段のグラフが充電電力の、それぞれ経時変化を示すグラフであり、図３は制御のフローチャートを示している。

運転者が走行を終えて後、制御部２は外部インターフェースを通じて運転者が入力する次回走行開始予定時刻Ｔｔｇｔを取得し、現在時刻から充電にあてられる充電時間Ｔｔｏｔａｌ［ｈ］を算出する。同時に、蓄電池３の電圧Ｖｂａｔから、大まかなＳＯＣを概算する。
ここで図１３は、縦軸が電池電圧、横軸が蓄電池３に蓄えられるエネルギー量を表す。蓄電池３の動作電圧は一定の範囲内となるように設定されるため、電圧範囲を設定すると、自動的に下限がＳＯＣ０％に相当し、上限がＳＯＣ１００％に相当する。このため、図１３は電池電圧ＶｂａｔとＳＯＣの特性を示すグラフとなっている。特性は蓄電池３によって差はあるが、図１３に示すように電圧とＳＯＣの関係は概ね線形性を有しているので、得られた電圧Ｖｂａｔから、搭載された蓄電池３の総電力量Ｐｂａｔに応じて、この時点で満充電に必要な充電電力Ｐｔｏｔａｌ［ｋＷｈ］が求められる。具体的には電池の特性に合わせた変換テーブルを用意しておき、電池電圧から変換するなどしてＰｔｏｔａｌを求める。ＰｔｏｔａｌとＴｔｏｔａｌから、充電時の平均出力は以下の（数１）から決定される。

Ｐａｖｅ＝Ｐｔｏｔａｌ／Ｔｔｏｔａｌ［ｋＷ］ （数１）
プラグ８の接続を確認後、時刻ｔ０に充電が開始され、充電が進むにつれ蓄電池３の端子電圧Ｖｂａｔが上昇する。目標とする上限電圧Ｖｍａｘに到達後は、充電を終了する。

なおこの時点では測定電圧Ｖｂａｔは内部抵抗損失による電圧降下分が含まれるため、実際には、Ｖｂａｔ＝Ｖｍａｘとなるよう充電電流を最小出力まで絞ってゆき、正味の電池電圧がＶｍａｘとなるよう、いわゆる定電圧充電を行うことが多い。以降ではこの定電圧充電を終端充電と呼び、設定電力による充電と区別するものとする。

なお、図２の下段の充電電力の経時変化を示すグラフの縦軸には、定格出力Ｐｃと下限出力Ｐｃｍとが示されている。定格出力Ｐｃは、その名の通り充電器１の定格出力を表しており、充電時の上限電力に相当する。一方下限出力Ｐｃｍであるが、終端充電の部分でより小さい電力での充電が行われているように、充電器１そのものの下限出力ではなく、意図的に設定された値である。一般的に充電器の変換効率は、出力が２０％前後を下回ると大きく低下する特性を示すことが多いので、下限出力Ｐｃｍには、高い変換効率を維持するためＰｃｍ＝０．２５×Ｐｃを設定するのが良い。
従って、後述するように演算値ＰａｖｅがＰｃｍ＜Ｐａｖｅ＜Ｐｃの関係を満たさない場合は、充電は上限或いは下限値によって実行されることとなる。

以上の動作のより詳細な手順を、図３のフローチャートを用いて説明する。充電器１の制御部２は
ステップＳ１０１で、バッテリ電圧を測定して、満充電に必要なおおよその充電量Ｐｔｏｔａｌ（ｋＷｈ）を概算する。

次に、ステップＳ１０２で、運転者が外部インターフェースを通じて次回の走行開始予定時刻を入力した時間を受信し、現在時刻から充電に充てられる充電時間Ｔｔｏｔａｌ（ｈ）を概算する。

次に、ステップＳ１０３で、平均出力電力Ｐａｖｅ＝Ｐｔｏｔａｌ／Ｔｔｏｔａｌ（ｋＷ）を演算する。演算後は、ステップＳ１０４で、Ｐａｖｅが充電器１の定格出力Ｐｃを超えていないか、さらにステップＳ１０６で出力が低下しすぎていないか確認する。Ｐａｖｅ＞Ｐｃの場合は、ステップＳ１０５に移行し、定格以上の出力で充電は行えないので充電出力ｐをＰｃに設定する。また、下限出力として設定した任意のＰｃｍに対して、Ｐａｖｅ＜Ｐｃｍの場合は、ステップＳ１０６からステップＳ１０７に移行し、充電出力ｐをＰｃｍに設定する。その他の場合は、ステップＳ１０８でＰａｖｅを充電出力ｐに設定する。

つまり、充電出力ｐを定格であるＰｃを出力するＳ１０５において第１所定電流値を流す第１モードと定義し、充電出力ｐを定格であるＰｃよりも小さい電力を出力するＳ１０７及びＳ１０８において当該第１所定電流値より小さい電流を流す第２モードと定義し、これら２つのモードを蓄電池１の電圧と次回走行開始予定時刻に関わる情報に基づいて選択している。

または、充電出力ｐを定格であるＰｃよりも小さいが下限出力Ｐｃｍより大きい電力を出力するＳ１０８において第１所定電流値を流す第１モードと定義し、下限出力Ｐｃｍを出力するＳ１０７において当該第１所定電流値より小さい電流を流す第２モードと定義し、これら２つのモードを蓄電池の電圧と次回走行開始予定時刻に関わる情報に基づいて選択している。

充電電力ｐを設定後は、ステップＳ１０９で設定電力での充電を行う。具体的には、適時蓄電池電圧Ｖｂａｔを検出し、設定電力ｐから目標となる充電電流ｉｃを以下の（数２）によって決定する。

ｉｃ＝p／Ｖｂａｔ （数２）
その後は目標値にフィードバック制御しながら充電を行い、続くステップＳ１１０で停止条件となる蓄電池電圧Ｖｂａｔが最大電圧Ｖｍａｘに到達するのを検出するまで、充電処理を繰り返す。

次にステップＳ１１１で、本実施例中で終端充電と称する、いわゆる定電圧充電を行う。これは、Ｓ１１０で目標電圧到達を検出した時点では、測定電圧Ｖｂａｔは内部抵抗損失による電圧降下分が含まれるため、実際には、Ｖｂａｔ＝Ｖｍａｘとなるよう充電電流を最小出力まで絞ってゆき、正味の電池電圧がＶｍａｘとするためである。なおこのときの最小出力とは前述のＰｃｍとは異なり、充電器１の最小出力を意味する。終端充電の電流が低下し、蓄電池３の電圧がＶｂａｔに一致したところで、フローチャートは終わり、充電は完了となる。この終端充電はＶｍａｘ到達時の状態によって相応の時間Ｔｅを要するが、図２下段の充電電力のプロファイルから、充電電力が小さい方がＴｅがより短時間で充電完了となることが容易に推定できる。

このように定格以下の出力で充電を行うため、充電中の内部抵抗成分による損失を低減し、発熱を抑制することが出来る。長期的には、損失由来の発熱による劣化を遅らせて蓄電池３の長寿命化を図ることが可能となる。

ここで、次回走行開始予定時刻の入力手段について説明する。

運転席前方、各種メータ類が並ぶインスツルメンタルパネル或いはコンソールパネル周辺に設けられた部分で入力しても良い。この場合は、走行を終えて車両を停止した際に、運転者が次回走行予定時刻を入力しやすいというメリットがある。

同様な例として、普及著しいナビゲーションシステムに組み込まれたアプリケーションとして、車両停止時に入力を要求する手順を取ることも有効である。多くのナビゲーションシステムはタッチパネルでの操作が可能なため、新たに表示部や操作ボタン等を配置する必要がないという点もメリットである。

これらの手段では、停車時に次回走行開始予定時刻を入力すると、表示部に充電の実行確認要求が表示される。この場合は、確認後に運転者又は補助者が車外に出て充電スタンドからの充電プラグ８を接続部９に挿入する手順が考えられる。

この他、図１の構成に示したように、無線通信モジュール６が装備されている場合は、スマートフォンなどの携帯型情報端末１０を通じて次回走行予定時刻を入力し、車内の信号ネットワーク５を介して制御部２に入力する手順をとってもよい。

さらに、無線通信モジュール６を介したネットワークがインターネットに接続されていれば、家庭内その他でインターネットに接続されたパーソナルコンピュータから入力してもよい。この他、太陽光発電や地上設置型の蓄電池と組み合わせたいわゆるＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が導入されている場合には、蓄電池３の接続はそのネットワークへの接続でもあるので、それらＥＭＳのコントローラからの入力を行ってもよい。

このような車外のネットワークからの時刻入力の場合、入力者は車内にいるとは限らず、車両は停止済みである場合が多いと想定される。この場合は、充電プラグ８を接続部９に挿入するのが、時刻入力前である場合と入力後である場合のいずれも考えられるが、最終的に充電が開始される前に接続されていれば、前後はどちらでも良い。図３のフローチャートに明記していないのはそのためである。

この他、図４に示すように充電プラグ８の接続部９の横に簡易表示窓１１と最低限の操作ボタン１２を設けておき、充電プラグ８を挿入することで表示窓１１がアクティブとなって時刻を入力するという手順も、充電時に必要なプラグ接続という行為に連動するため有効である。この場合は、プラグ接続部９にも車内の信号ネットワーク５が接続されていることになる。
このように、入力者の状況に応じて車両内外での複数の入力手段を講じることが望ましい。

なお充電方式については、非接触給電の研究開発が進められており、いずれ実用化して普及するかもしれない。その場合には充電プラグ８の接続部９への挿入（接続）の手続きが不要となり、次回走行開始予定時刻の入力と充電処理開始の確認を行えば、直ちに充電開始が可能となる。しかし上述の通り、本発明は充電プラグ８の接続と時刻入力の前後は問わないので、非接触給電方式の場合でも、出力を抑えた低損失充電が行えることはいうまでもない。

充電時間Ｔｔｏｔａｌの算出に当たっては、多少の尤度と、終端充電に要する時間を考慮して演算しても、本発明の本質に影響しないことはいうまでもない。即ち、あらかじめ終端充電に要する時間Ｔｅと尤度を見込んでＴｔｏｔａｌを算出し、平均出力電力Ｐａｖｅの演算を行っても、出力を抑制して充電池内部で発生する損失を抑制できる。

図１、図５及び図６を用いて第２の実施様態について説明する。

図５は、いずれも横軸は時間で、縦軸は上段のグラフが充電中のＳＯＣ、下段のグラフが充電電力の、それぞれ経時変化を示すグラフであり、図６は制御のフローチャートを示している。なおその他の構成については、概ね第１の実施様態と同じである。第２の実施様態では、充電電力Ｐｔｏｔａｌの導出にＢＣＵ４からの情報の一つであるＳＯＣを用いて充電精度を高め、より精密な充電制御を行う。

図５で、充電開始時のＳＯＣが５０％を大きく下回るおよそ１０％の場合に、次回走行予定時刻までに十分な余裕がある場合でも、本発明の低損失充電を行うことは可能である。しかしＳＯＣの上昇までには通常より時間がかかるため、当初の予定とは別に、緊急の要件が発生して急に走行する必要が生じた場合は、ＳＯＣが低下したままでは長い走行距離を期待できない。緊急の場合に備えて、ＳＯＣが一定値以上になるまでは損失の発生を犠牲にして定格出力Ｐｃでの充電を優先的に行い、ＳＯＣが一定の基準値に達してから、実施例１のように予定走行時刻までの時間を利用して低損失な充電制御を行う手順を示している。

図５の例では、初期のＳＯＣが約１０％まで低下しているため、基準値を一例として４０％とすれば、ＳＯＣ４０％となるまでは定格出力Ｐｃにて充電を行い、残りの時間で演算により求められた出力Ｐａｖｅによる充電を行い、最後に終端充電を行ってＳＯＣが１００％となるまでの充電を行う。

以上の動作のより詳細な手順を、図６のフローチャートを用いて説明する。充電器１の制御部２は
ステップＳ２０１で、運転者が外部インターフェースを通じて次回の走行開始予定時刻を入力した時間を受信する。

次にステップＳ２０２で、現在の充電量ＳＯＣ（％）を取得する。

次にステップＳ２０３で、取得したＳＯＣが基準値以下かどうかを判定し、基準値を下まわっている場合は、ステップＳ２０４に移行して、定格出力での充電を行う。即ち、定格電力Ｐｃと蓄電池電圧Ｖｂａｔとから目標となる充電電流ｉｃを算出し、この値となるようにフィードバック制御を行って充電を継続する。定期的にステップＳ２０２に戻り、ＳＯＣが基準値を超えるまでＳ２０４の定格充電を継続する。

基準値に到達後は、ステップＳ２０５に移行して、満充電に必要な充電量Ｐｔｏｔａｌ（ｋＷｈ）を演算する。ＳＯＣ（％）を取得しているので、搭載された蓄電池の総電力量Ｐｂａｔを用い（数３）から決定される。

Ｐｔｏｔａｌ＝Ｐｂａｔ×（１−ＳＯＣ／１００） （数３）
次に、ステップＳ２０６で現在時刻から充電に充てられる充電時間Ｔｔｏｔａｌ（ｈ）を概算する。

さらに、ステップＳ２０７で、平均出力電力Ｐａｖｅ＝Ｐｔｏｔａｌ／Ｔｔｏｔａｌ（ｋＷ）を演算する。演算後は、ステップＳ２０８で、Ｐａｖｅが充電器の定格出力Ｐｃを超えていないか判定し、Ｐａｖｅ＞ＰｃならばステップＳ２０９で充電電力ｐ＝Ｐｃの定格出力に設定する。超えていない場合は、ステップＳ２１０で出力が低下しすぎていないか判定し、Ｐａｖｅ＜ＰｃｍならばステップＳ２１１に移行し、充電出力ｐ＝Ｐｃｍの下限出力に設定する。その他の場合は、ステップＳ２１２で充電出力ｐ＝Ｐａｖｅに設定する。

充電電力ｐを設定後は、ステップＳ２１３で設定電力での充電を行う。具体的には、適時蓄電池電圧Ｖｂａｔを検出し、設定電力ｐから（数２）によって目標となる充電電流ｉｃを求め、目標値にフィードバック制御しながら充電を行う。

続くステップＳ２１４で停止条件となる蓄電池電圧Ｖｂａｔが最大電圧Ｖｍａｘに到達するのを検出するまで、充電処理を繰り返す。

次にステップＳ２１５で、終端充電すなわち、いわゆる定電圧充電を行う。これは、Ｓ２１４で目標電圧到達を検出した時点では、測定電圧Ｖｂａｔは内部抵抗損失による電圧降下分が含まれるため、実際には、Ｖｂａｔ＝Ｖｍａｘとなるよう充電電流を最小出力まで絞ってゆき、正味の電池電圧がＶｍａｘとするためである。なおこのときの最小出力とは前述のＰｃｍとは異なり、充電器１が実際に出力可能な最小出力を意味する。終端充電の電流が低下し、蓄電池３の電圧がＶｂａｔに一致したところで、充電は完了となる。

以上の手順により、ＳＯＣが大きく低下して走行可能距離が短い場合にも、急な走行に備えつつ低損失充電を行うことができる。

図７及び図８を用いて第３の実施様態について説明する。

図７は、いずれも横軸は時間を示し、縦軸は上段のグラフが充電中のＳＯＣ、下段のグラフは充電電力の、それぞれ経時変化を示すグラフであり、図８は制御のフローチャートを示している。なおその他の構成については、第１及び第２の実施様態と同じである。第１の実施様態では定格より小さい一定出力での、第２の実施様態では定格出力から定格より小さい一定出力へと移行する例での充電手法を示した。

第３の実施様態ではさらに出力電力を変更する場合の手法について示す。次回走行開始予定時刻入力とＳＯＣの取得の後、必要な総充電電力Ｐｔｏｔａｌと総充電時間Ｔｔｏｔａｌを算出後、おおよその充電パターンを先に設定する。図７の例でもＳＯＣが１０％と非常に低下しているので、第１の充電期間として、充電電力Ｐ１、充電時間Ｔ１，目標ＳＯＣ１として４０％とし、第２の充電期間として充電電力Ｐ２，充電期間Ｔ２、目標ＳＯＣ２として７０％、第３の充電期間として充電電力Ｐ３，充電期間Ｔ３，目標ＳＯＣ３として１００％即ち最大電圧とする。

例えば蓄電池３の総電力量が２０ｋＷｈ、搭載する充電器１の定格出力が３ｋＷの電気自動車において、充電開始時のＳＯＣが１０％であるとき、定格出力であればおよそ６時間で充電は完了する状況で、本発明の低損失充電を適用する場合について考える。ここで、次回の走行までに十分な時間（Ｔｔｏｔａｌ＝２０ｈ）があるとする。充電パターンとして、緊急時に備えてＳＯＣ４０％までは定格充電を行い、以降は出力を定格の１／２にしてペースを少し落としてＳＯＣ７０％まで、残る時間で９５％までとする。なお、最後の５％は終端充電分とする。

ここで、第１の充電パターンとしてＳＯＣ４０％までは、充電量Ｐ１＝６ｋＷｈ、充電時間Ｔ１＝２ｈ、目標ＳＯＣ１＝４０％、第２の充電パターンとしてＳＯＣ７０％までは、充電量Ｐ２＝６ｋＷｈ、充電時間Ｔ２＝４ｈ、目標ＳＯＣ２＝７０％、第３の充電パターンとしてＳＯＣ９５％までは、充電量Ｐ３＝５ｋＷｈ、充電時間Ｔ３＝１４ｈ、目標ＳＯＣ２＝９５％、のような３段階の充電パターンを容易に設定できる。

その後、充電期間１として設定したパラメータでの充電を行う。この場合は、短時間でＳＯＣ４０％に到達するため定格電力Ｐｃでの充電を行うよう、Ｐｃ＝Ｐ１／Ｔ１となるパラメータを設定することになる。ＳＯＣが４０％に到達後は、図８のフローチャートに示されるように最後の充電パターンかどうかを判定し、最後ではないので再び充電パターン２のパラメータを呼び出して充電期間２へと移行する。定格よりは小さいＰａｖｅ＝Ｐ２／Ｔ２で求められる出力での低損失充電を、目標とするＳＯＣ７０％到達まで行う。

その後は同様にして充電期間３に移行し、目標電圧（最大電圧）に到達した時点で判定処理を行い、最後の充電パターンのためこのルーチンを抜け出し、終端充電へと移行する。なおこの例ではＴ３に余裕があるため（数４）となり、充電期間３における充電電力は下限出力Ｐｃｍに設定される。

Ｐａｖｅ＝Ｐ３／Ｔ３＜Ｐｃｍ （数４）
このため、充電時間はパターン設定時に設定したＴ３（＝１４ｈ）よりも短い約７時間で充電期間３を終了し、さらに終端充電を完了した時点では次回走行予定時間よりも７時間程度早い可能性がある。

このように、緊急時の走行距離が確保できることを考慮しながら、ここでは、充電パターンとして３段階に出力が変更される例を示した。充電後半の充電期間３には下限出力Ｐｃｍによる充電を行うことにより、内部抵抗による損失を低減するだけではなく、さらに充電器１の変換効率が高い領域で充電を行うことが出来るため、総合的な効率を高めることが出来る。
状況に応じて、より多段での変更パターンを設定することも可能であるし、その場合にも本発明の効果が得られることはいうまでもない。

以上の動作のより詳細な手順を、図８のフローチャートを用いて説明する。充電器１の制御部２はステップＳ３０１で、運転者が外部インターフェースを通じて次回の走行開始予定時刻Ｔｔｇｔの入力を受信する。

次にステップＳ３０２で、ＢＣＵ４から現在の充電量ＳＯＣ（％）を取得する。図７の場合、１０％となる。

次にステップＳ３０３で、満充電に必要な充電量Ｐｔｏｔａｌ（ｋＷｈ）を演算する。ＳＯＣ（％）を取得しているので、搭載された蓄電池３の総電力量Ｐｂａｔにより上述した（数３）により高い精度で求められ、Ｐｂａｔが２０ｋＷｈ、ＳＯＣが１０％であることから、Ｐｔｏｔａｌは１８ｋＷｈと算出される。

次に、ステップＳ３０４で現在時刻から充電に充てられる充電時間Ｔｔｏｔａｌ（ｈ）を概算する。一日近く乗る予定がないため、終端充電時間等のマージンを除いて、Ｔｔｏｔａｌは２０ｈと概算される。

次に、ステップＳ３０５で充電量と充電時間から、満充電までのおおよその充電パターンを設定する。上述のように、蓄電池３の総電力量が２０ｋＷｈ、搭載する充電器１の定格出力が３ｋＷの電気自動車において、充電開始時（ｔ０）のＳＯＣが１０％、総充電時間（Ｔｔｏｔａｌ＝２０）の場合、
第１の充電パターン：Ｐ１＝６ｋＷｈ、Ｔ１＝２ｈ、ＳＯＣ１＝４０％
第２の充電パターン：Ｐ２＝６ｋＷｈ、Ｔ２＝４ｈ、ＳＯＣ２＝７０％
第３の充電パターン：Ｐ３＝５ｋＷｈ、Ｔ３＝１４ｈ、ＳＯＣ２＝９５％
を設定する。

次にステップＳ３０６で設定した充電パターンを呼び出し、ステップＳ３０７で平均出力電力Ｐａｖｅの演算を行う。最初の第１の充電パターンであれば、（数５）となるから、Ｓ３０８〜Ｓ３１０までの確認処理でｐ＝３ｋＷと設定し、ステップＳ３１１での充電プロセスに移行する。

Ｐａｖｅ＝Ｐ１／Ｔ１＝３ｋＷ（＝Ｐｃ） （数５）
なお、充電パターンの設定時に定格以下の出力となるようパターン配分を行っているため、Ｓ３０８以下では下限出力のみのチェックとしている。（数２）からｉｃ＝３０００／Ｖｂａｔを目標値にステップＳ３１２でＳＯＣがＳＯＣ１＝４０％に到達するまで充電を継続し、到達後はステップＳ３１３でステップＳ３０７に戻って充電パターン２を呼び出し、一連の処理で今度はＳＯＣがＳＯＣ２＝７０％となるまで充電を継続する。同様に充電パターン３を終えると、ステップＳ３１３からステップＳ３１４へと移行して終端充電を行い、完了となる。

なお実際の処理に際しては、充電パターンの切り替わり時、即ちステップＳ３１３からＳ３０７に移行に際しては、少し早めに次のパターン設定値を読み込んで、目標電流が連続的に切り替わるような制御を行うことがより現実的である。また、切り替わる際の値が大きい場合には、一定のスルーレート内に収まるよう、目標電流を段階的に変化させることが考えられる。こうした細かい処理を行うことは、図８のフローチャートで説明してきたことに本質的に影響せず、本発明の効果が失われないのはいうまでもない。

図９及び図１０を用いて、本発明の第４の実施形態について説明する。
図９は一般的なリチウムイオン蓄電池３のＳＯＣに対する内部抵抗の特性を示すグラフで、図１０は、横軸はいずれも時間、縦軸は上段のグラフが充電中のＳＯＣ、下段のグラフが充電電力、の経時変化を示すグラフである。この他、制御のフローチャートは図８と同じであり、その他の構成は実施例２と同じである。

図９のグラフが示すように、一般に蓄電池３の内部抵抗はＳＯＣの低下につれて増加する傾向にある。即ち同じ充電電流に対してはＳＯＣが低い充電初期の方が内部抵抗による損失が大きく、充電が進むとＳＯＣが増加する一方、内部抵抗の値は低下するため、損失も小さくなる。

そこで図１０には、内部抵抗の損失が比較的均一になるような充電パターンとして、５段階に充電電力を変化させて、徐々に増加する場合の例を示した。各段階の充電電力量Ｐ１〜Ｐ５が均一になるように、充電時間Ｔ１〜Ｔ５と目標ＳＯＣ１〜ＳＯＣ５を概算して設定する。その後は、図８に示した制御フローに従って充電電力を変動させると、ＳＯＣは図１０上段のグラフに示すようになだらかに増加してゆくことになる。

このように充電電力を制御することで、蓄電池３の内部抵抗成分で発生する損失を抑制して充電を行うことが出来る。なお、ＢＣＵ４が出力している温度情報を用い、さらに充電パターンの刻み幅を細かくしてゆけば、内部抵抗損失がほぼ一定となるように制御することも可能である。

図１１および図１２を用いて、本発明の第５の実施形態について説明する。

図１１は、いずれも横軸は時間を示し、縦軸は上段のグラフが充電中のＳＯＣを、下段のグラフが充電電力の、それぞれ経時変化を示すグラフであり、図１２は制御のフローチャートを示している。その他の構成は第３の実施形態と同じである。

第５の実施様態では何らかの事情により、当初設定した充電パターンからずれが生じた場合や、途中で次回走行開始時刻が変更になった場合に対応する手法について示す。次回走行開始予定時刻入力とＳＯＣの取得の後、必要な総充電電力Ｐｔｏｔａｌと総充電時間Ｔｔｏｔａｌを算出後、おおよその充電パターンを先に設定する。図１１の例でもＳＯＣが１０％と非常に低下しているので、第１の充電期間として、充電電力Ｐ１、充電時間Ｔ１，目標ＳＯＣ１として４０％とし、第２の充電期間として充電電力Ｐ２，充電期間Ｔ２、目標ＳＯＣ２として８０％で充電完了とし、ＳＯＣ１００％となるまでの満充電は行わないものとする。

例えば蓄電池３の総電力量が２０ｋＷｈ、搭載する充電器１の定格出力が３ｋＷの電気自動車において、充電開始時のＳＯＣが１０％であるとき、定格出力であれば約４．７時間で充電は完了する状況で、本発明の低損失充電を適用する場合について考える。ここで、次回の走行までに十分な時間（Ｔｔｏｔａｌ＝８．５）があるとする。充電パターンとして、緊急時に備えてＳＯＣ４０％までは定格充電を行い、以降は本発明の低損失充電によりＳＯＣ８０％まで充電を行う。なおこの場合は上限電圧まで到達しないため、定電圧充電となる終端充電分は行わない。

当初設定する充電パターンとしては、第１の充電パターンとしてＳＯＣ４０％までは、充電量Ｐ１＝６ｋＷｈ、充電時間Ｔ１＝２ｈ、目標ＳＯＣ１＝４０％、第２の充電パターンとしてＳＯＣ８０％までは、充電量Ｐ２＝８ｋＷｈ、充電時間Ｔ２＝６．５ｈ、目標ＳＯＣ２＝８０％、のような２段階の充電パターン（点線）を設定できる。

その後、充電を開始したところ、当初はＳＯＣが低く、バッテリ電圧も低下しているため、定格出力を行うには充電器１の出力電流の上限を超えるため、しばらく定格以下での充電しか行えず、充電パターン１の完了はｔ１より遅れ、ｔ１’＝２．２ｈとなった。

このため、充電パターン２を読み出す際にＴ２＝６．３ｈに修正して出力電力ｐを算出し、充電を続行したが、さらに２ｈ経過したところ（ｔ＝ｔ２）で、次回走行予定時刻を２ｈ程早めることとなり、この時点でのＳＯＣが約５０．２％に達していたことから、新たに第３の充電パターンとして、充電量Ｐ３＝５．４ｋＷｈ、充電時間Ｔ３＝２．３ｈ、目標ＳＯＣ３＝８０％を再設定して充電を再開した。実際の充電時のプロファイルを図１１のグラフ中では、実線によって示している。時刻ｔ２＝４．２ｈの時点で新たに期間Ｔ３が設定され、時刻ｔ３までの期間内に８０％まで充電が行われて、充電を終了する様子が示されている。

以上の動作のより詳細な手順を、図１２のフローチャートを用いて説明する。充電器１の制御部２は、ステップＳ４０１で、運転者が外部インターフェースを通じて次回の走行開始予定時刻を入力した時間を受信する。

次にステップＳ４０２で、現在の充電量ＳＯＣ（％）を取得する。図１１の場合、１０％となる。

次にステップＳ４０３で、満充電に必要な充電量Ｐｔｏｔａｌ（ｋＷｈ）を演算する。
Ｐｂａｔが２０ｋＷｈ、ＳＯＣが１０％、充電完了ＳＯＣが８０％であることから、Ｐｔｏｔａｌは１４ｋＷｈと算出される。

次に、ステップＳ４０４で現在時刻から充電に充てられる充電時間Ｔｔｏｔａｌ（ｈ）を概算する。多少のマージンを除いて、Ｔｔｏｔａｌは８．５ｈと概算される。

次に、ステップＳ４０５で充電量と充電時間から、満充電までのおおよその充電パターンを設定する。

上述のように、
第１の充電パターン：Ｐ１＝６ｋＷｈ、Ｔ１＝２ｈ、ＳＯＣ１＝４０％
第２の充電パターン：Ｐ２＝８ｋＷｈ、Ｔ２＝６．５ｈ、ＳＯＣ２＝８０％
を設定する。

次にステップＳ４０６で設定した充電パターンを呼び出し、ステップＳ４０７として実施例３のステップＳ３０７〜Ｓ３１２までに相当する処理で充電電力ｐ＝３ｋＷと設定し、ステップＳ４０８での充電プロセスに移行する。（数２）よりｉｃ＝３０００／Ｖｂａｔを目標値に充電を行うが、当初はＶｂａｔが低下しているとｉｃが充電器の出力上限を超える場合がある。たとえばＶｂａｔが２５０Ｖであればｉｃは１２Ａとなるが、充電器１の出力電流上限が１０Ａであった場合はそれ以上の電流を出力できないため、Ｖｂａｔが３００Ｖに上昇するまでは定格電力未満での充電を行うこととなる。この結果、ステップＳ４１０でＳＯＣがＳＯＣ１＝４０％に到達して充電パターン１を終えるまでには当初設定したＴ１より時間を要し、仮に２．２ｈと０．２ｈかかった場合は、ステップＳ４１１でステップＳ４１２に移行して設定パターンとの比較を行い、修正が必要であればステップＳ４０５に移行して充電パターンの再設定をし、必要なければ直接ステップＳ４０６で充電パターン２を呼び出すことになる。ここでは、Ｔ１が超過しているため、Ｔ２を６．３ｈに修正し、一連の処理で今度はＳＯＣがＳＯＣ２＝８０％となるまでの電力に ｐ＝８／６．３＝１．２７ｋＷを設定して充電を継続する。

充電パターン２に移行して２ｈ経過したところで、走行開始予定時刻の見直しが行われ、２ｈ予定が早められるとする。充電処理はステップＳ４０８からＳ４１０を繰り返す処理を行っているので、ステップＳ４０９として見直しを確認する処理を追加し、確認された場合は、繰り返し処理を抜け出して、再びステップＳ４０１に戻り、充電電力を変更する。

ここでは、充電時間Ｔｔｏｔａｌ＝２．３ｈとなり、新たに充電パターンを
第３の充電パターン：Ｐ３＝５．４６ｋＷｈ、Ｔ３＝２．３ｈ、ＳＯＣ３＝８０％
として追加し、かつステップＳ４０６で充電パターン３を呼び出して残りの充電を行う。

ステップＳ４１３では、定電圧充電に移行しないため、終端充電を行わずに充電を完了する。

以上、図１２のフローチャートにより、充電パターンに修正が必要となった場合や、途中で走行開始予定時刻が変更となった場合の対応について示した。

なお、走行開始予定時刻の変更検知（ステップＳ４０９）については、ステップＳ４０８からＳ４１０までの充電ループ内の処理として示したが、充電のスイッチング周期が数十ｋＨｚ以上に対し、任意時間の変更発生を検知することから実際の処理としては例えば１０回に１回というように、頻度を落として処理することも可能である。またそれ以外に、割り込み検出機能によって実装してもよい。またステップＳ４１０のＳＯＣ確認では、ＢＣＵ４からのＳＯＣ出力が数ｋＨｚ程度とスイッチング周期よりは低いため、ＳＯＣの値の取り込み頻度を低下させても問題ない。

さらに実際の処理に際しては、充電パターンの切り替わり時や修正時、現在の充電処理のバックグラウンドで次のパターン設定値を読み込んで、目標電流が連続的に切り替わるような制御を行うことがより現実的である。また、切り替わる際の値が大きい場合には、一定のスルーレート内に収まるよう、目標電流を段階的に変化させることが考えられる。こうした細かい処理を行うことは、図１２のフローチャートで説明してきたことに本質的に影響せず、本発明の効果が失われないのはいうまでもない。

この他、充電パターン１で当初の設定より充電時間を要したケースについて、充電器１の出力上限を理由に一時的に充電電力が低下する例を説明した。この他に想定されるケースとして、内部抵抗による損失によって、正味の充電電力が低下する場合にも、充電期間が設定値Ｔｎをオーバーする可能性がある。というのも、パターン設定時のラフな見積もりでは、定格出力と充電電力量から充電時間を決めており、内部抵抗による損失分は含まれていない。従って、特に電流量が多く、内部抵抗損失が大きいような場合には、充電時間が増える傾向にある。初期設定の充電パターンはあくまで目安であるので、本実施例で示したように、充電を進める中で、適宜修正を行うことが有効である。

以上の実施例１〜５で，充電器１は基本的に車載のいわゆる普通充電器を想定して説明を行ったが、急速充電の場合は充電電力（電流）の設定は伝送経路の定格に従って設定し充電を制御する点で、普通充電器の手順と本質的に変わらない。現状では急速充電器という名称の通り、なるべく短時間で充電を行うことが想定されるが、充電スタンドの稼働状況や利用者の予定によっては、想定される最短充電時間以上の時間を占有して、本発明の低損失充電を行うことも可能である。即ち、本発明の効果は必ずしも普通充電器に限定されるものではなく、急速充電器においても、低損失充電を実施し、蓄電池の長寿命化をはかることが出来る。

以上，実施例１〜５で説明したように，それぞれの実施形態で説明した充電手法に従えば、非走行時間を有効に活用して低損失な充電を行い、蓄電池での発熱を抑制すると共に、発生する熱による蓄電池の劣化を回避して長寿命化を図ることができる。

１…充電器、２…制御部、３…（車載）蓄電池、４…ＢＣＵ、５…制御信号ネットワーク、７…商用交流、８…接続プラグ、９…プラグ接続部、１０…携帯情報端末、
１１…表示部、１２…操作ボタン、

Claims (7)

1. 蓄電池の電圧と次回走行開始予定時刻に関わる情報に基づいて、充電開始時の電流において、第１所定電流値である第１モードと、当該第１所定電流値より小さい電流である第２所定電流値である第２モードと、のいずれか一方を選択して充電を実行する充電制御装置。
2. 請求項１に記載の充電制御装置において、
   充電開始時の電流は、電圧のかわりに充電状態値と次回走行開始予定時刻とに関わる情報に基づいて、前記第１モードと前記第２モードのいずれか一方を選択して充電を実行する充電制御装置。
3. 図６ 開始時のSOCのみ初期定格
   請求項１または２に記載の充電制御装置において、
   充電開始時における前記蓄電池の電圧値又は前記充電状態値が所定値に達していない場合、前記第１モードにより充電後に、前記第２モードに移行する充電制御装置。
4. 請求項１から３に記載のいずれかの充電制御装置において、
   前記第２モードの際に流れる電流の下限値は、充電器の変換効率が所定値よりも下回らない値に設定される充電制御装置。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの充電制御装置において、
   前記充電実行中に前記次回走行開始予定時刻が変更されたときは、当該変更時の前記蓄電池の電圧値又は前記充電状態値及び当該変更時の次回走行開始予定時刻に関わる情報に基づいて、前記第１モードと、前記第２モードと、のいずれか一方を選択して充電を実行する充電制御装置。
6. 請求項５に記載の充電制御装置において、
   前記充電実行中に前記次回走行開始予定時刻が変更されることに関する情報は、車外情報通信機器からの情報である充電制御装置。
7. 請求項１ないし６に記載のいずれかの充電制御装置を備えた車両において、
   給電プラグを差し込まれた後に受信した次回走行開始予定時刻に関する情報を前記充電制御装置に送信する車両。

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