JP2020178451A

JP2020178451A - 電動車両の充電システム

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Publication number: JP2020178451A
Application number: JP2019079350A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　大介; Daisuke Sato; 大介佐藤; 泰城岩田; Taijo Iwata
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-10-29

Abstract

【課題】電動車両の電池の劣化を抑制することができる電動車両の充電システムを提供する。【解決手段】充電制御装置３０は、電動車両１００，１０１，１０２，１０３，１０４の電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる充電電力にて電動車両１００，１０１，１０２，１０３，１０４の稼働開始時刻に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻を決定し、充電開始時刻から電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる電力にて充電するように充電装置２０，２１，２２，２３，２４に指示する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両の充電システムに関するものである。

特許文献１に開示の充放電制御装置においては、電動車両の使用の開始が予定される使用開始予定時刻を、電動車両のバッテリを満充電状態にするための充電を終了すべき充電終了目標時刻に設定するとともに、充電終了目標時刻に基づいてバッテリの満充電状態にするための充電を開始すべき満充電開始時刻を設定する。

特開２０１４−８７２３６号公報

ところで、一般的に電池は温度が高いほど劣化が大きく、電池温度が高くなる高電力充電を行うと電池劣化が大きくなる。また、ＳＯＣが高い状態が長期間継続されると電池の劣化が大きくなる。

本発明の目的は、電動車両の電池の劣化を抑制することができる電動車両の充電システムを提供することにある。

上記課題を解決するための電動車両の充電システムは、電動車両の電池に充電電力を供給する充電装置と、前記充電装置を制御して前記電池の充電を制御する充電制御装置と、を備え、前記充電制御装置は、前記電動車両の電池の温度の上昇を抑制できる充電電力にて前記電動車両の稼働開始時刻に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻を決定し、充電開始時刻から前記電池の温度の上昇を抑制できる電力にて充電するように前記充電装置に指示することを要旨とする。

これによれば、電動車両の電池の温度の上昇を抑制できる充電電力にて電動車両の稼働開始時刻に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻が決定されて、充電開始時刻から電池の温度の上昇を抑制できる電力にて充電が行われるので、電池の温度の上昇と高いＳＯＣでの期間が抑制されることによって電動車両の電池の劣化を抑制することができる。

また、電動車両の充電システムにおいて、充電電力に対する前記電池の温度上昇の関係についてのデータを記憶した記憶装置を更に備え、前記充電制御装置は、前記データを基に前記電池の温度の上昇を抑制できる充電電力を算出するとよい。

また、電動車両の充電システムにおいて、前記充電制御装置は、前記目標ＳＯＣを、前記電動車両の稼働予定時間から算出するとよい。

本発明によれば、電動車両の電池の劣化を抑制することができる。

電動車両の充電システムの構成図。充電の際の充電電力を示すタイムチャート。充電の際のＳＯＣの推移を示すタイムチャート。電池の充電回数に対する実容量の変化を示す特性図。電池の放置期間に対する容量劣化度の変化を示す特性図。充電電力に対する電池温度上昇の関係を示す図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電動車両の充電システム１０は、充電装置２０，２１，２２，２３，２４と、充電制御装置３０と、記憶装置としての上位制御装置４０とを備える。上位制御装置４０としてサーバを挙げることができる。

電動車両としてのバッテリフォークリフト１００に電池（二次電池）１００ａが搭載されている。電動車両としてのバッテリフォークリフト１０１に電池（二次電池）１０１ａが搭載されている。電動車両としてのバッテリフォークリフト１０２に電池（二次電池）１０２ａが搭載されている。電動車両としてのバッテリフォークリフト１０３に電池（二次電池）１０３ａが搭載されている。電動車両としてのバッテリフォークリフト１０４に電池（二次電池）１０４ａが搭載されている。電池（二次電池）１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａとして、例えばリチウム電池が用いられる。

バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４は、工場で荷の搬送等に使用される。複数台の充電装置２０，２１，２２，２３，２４は工場内での充電ステーションに配置されている。

電動車両の充電システム１０は、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａを充電するためのものである。充電装置２０，２１，２２，２３，２４は、それぞれ、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４とコネクタを用いて接続することができる。そして、充電装置２０，２１，２２，２３，２４にバッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４が接続されると、充電装置２０，２１，２２，２３，２４は、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａに充電電力を供給して充電することができる。なお、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４は同じ機種であり、電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａも同じ電池である。

工場分電盤５０は系統電源７０と接続されている。工場分電盤５０は系統電源７０からブレーカ５１を介して系統電力の供給を受ける。工場分電盤５０はブレーカ５２，５３，５４，５５を有する。工場分電盤５０はバッテリフォークリフト充電用分電盤６０とブレーカ５２を介して接続されている。工場分電盤５０は工場負荷８０とブレーカ５３を介して接続されている。工場分電盤５０は工場負荷８１とブレーカ５４を介して接続されている。工場分電盤５０は工場負荷８２とブレーカ５５を介して接続されている。

バッテリフォークリフト充電用分電盤６０はブレーカ６１，６２，６３，６４，６５を有する。バッテリフォークリフト充電用分電盤６０は充電装置２０とブレーカ６１を介して接続されている。バッテリフォークリフト充電用分電盤６０は充電装置２１とブレーカ６２を介して接続されている。バッテリフォークリフト充電用分電盤６０は充電装置２２とブレーカ６３を介して接続されている。バッテリフォークリフト充電用分電盤６０は充電装置２３とブレーカ６４を介して接続されている。バッテリフォークリフト充電用分電盤６０は充電装置２４とブレーカ６５を介して接続されている。

このように、充電装置２０，２１，２２，２３，２４は、バッテリフォークリフト充電用分電盤６０のブレーカ６１，６２，６３，６４，６５、工場分電盤５０のブレーカ５２及びブレーカ５１を介して系統電源７０と接続されている。

充電制御装置３０は、充電装置２０，２１，２２，２３，２４と通信線Ｌ１により接続されており、充電制御装置３０は、充電装置２０，２１，２２，２３，２４を制御して電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの充電を制御する。

上位制御装置（サーバ等）４０には、予め温度上昇がない（若しくは少ない）充電電力が記憶（登録）されている。また、上位制御装置（サーバ等）４０には、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の稼働計画が記憶（登録）されている。

充電制御装置３０は上位制御装置（サーバ等）４０と通信線Ｌ２により接続されており、充電制御装置３０は、上位制御装置（サーバ等）４０に記憶されたデータを基に電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる充電電力を算出する。また、充電制御装置３０は、上位制御装置（サーバ等）４０からの情報によりバッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の稼働計画を知り得る。これにより、充電制御装置３０は、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の稼働開始時刻、稼働終了時刻、稼働時間（稼働終了時刻−稼働開始時刻）が分かる。

各バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４は、電池のＳＯＣを検出しており、検出したＳＯＣは充電装置２０，２１，２２，２３，２４に充電の際の情報として送られる。

次に、作用について説明する。
図２、図３に示すように、例えばバッテリフォークリフト１００を充電装置２０にコネクタを用いて接続（コネクタ接続）した時刻ｔ１から、充電制御装置３０は、バッテリフォークリフトの電池の温度の上昇を抑制できる充電電力にてバッテリフォークリフトの稼働開始時刻ｔ３に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻ｔ２を決定する。

そして、充電制御装置３０は、充電開始時刻ｔ２から電池の温度の上昇を抑制できる電力にて充電するように充電装置２０に指示する。これにより、電池の温度の上昇と高いＳＯＣでの期間が抑制され、バッテリフォークリフトの電池の劣化が抑制される。

充電制御装置３０は、目標ＳＯＣを、バッテリフォークリフトの稼働予定時間から算出する。つまり、稼働計画に合わせて稼働時間が変わるので、例えば朝の８時から夕方の５時までといったようにバッテリフォークリフトの稼働予定時間に応じた目標ＳＯＣが算出される。具体的には、バッテリフォークリフトの稼働予定時間が長いほど目標ＳＯＣは大きくなる。

これら一連の充電動作について図２、図３、図４、図５を用いて具体的に説明する。
図２において横軸に時間をとり、縦軸に充電電力をとっている。
図２において、従来の充電では、コネクタ接続すると直ちに充電を開始し、ｔ１０のタイミングまで充電装置の定格充電電力（最大出力）で所定時間充電する。

これに対し本実施形態では、コネクタ接続すると直ちに充電を開始するのではなく、ｔ２のタイミングで充電を開始し、稼働開始時刻ｔ３において充電が完了するようにし、かつ、定格充電電力より小さな電池温度上昇を抑制できる充電電力で充電することとし、そのための充電開始時刻ｔ２を決定する。

図３において横軸に時間をとり、縦軸に電池のＳＯＣをとっている。
図３において、従来の充電では、コネクタ接続すると直ちに充電を開始し、ｔ１０のタイミングまで急速に充電する。即ち、ｔ１〜ｔ１０までのＳＯＣの変化の傾きは急である。そして、所定のＳＯＣになるｔ１０のタイミングで充電を終了する。

これに対し本実施形態では、コネクタ接続すると直ちに充電を開始するのではなく、稼働開始時刻ｔ３において充電が完了するようにｔ２のタイミングで充電を開始し、かつ、定格充電電力より小さな電池温度上昇を抑制できる充電電力で充電する。即ち、ｔ２〜ｔ３までのＳＯＣの変化の傾きは従来の充電に比べて緩やかである。そして、目標ＳＯＣになるｔ３で充電を終了する。

このようにすることにより、本実施形態では従来方式に比べ充電電力が小さい為、電池温度上昇を抑制できるとともに、高いＳＯＣとなっている期間が短くなり、高いＳＯＣでの期間の抑制を図ることができる。

図４において横軸に充電回数をとり、縦軸に電池の実容量をとって、充放電を繰り返すことによる実容量の低下具合を示している。電池温度が高い場合と、電池温度が低い場合の対比において、電池温度が低い方が実容量の低下（劣化）を抑制することができることが分かる。

このように、一般的なリチウム電池は電池温度が高い場合に、電池劣化が大きくなる傾向にある。
図５において横軸に放置期間をとり、縦軸に電池の容量劣化度をとっている。ＳＯＣが高い場合と、ＳＯＣが低い場合の対比において、ＳＯＣが低い方が容量劣化度が大きくなることを抑制することができることが分かる。

このように、一般的なリチウム電池は高充電量（ＳＯＣ）の状態で放置された場合に、電池劣化が大きくなる傾向にある。
本実施形態では電池劣化を抑えるべく、できるだけ充電電力を低く充電する。また、電池劣化を抑えるべく、高いＳＣＯでの期間を短くする。

そのために、本実施形態においては、予め稼働開始時刻ｔ３が決められている、または、予測できるバッテリフォークリフトにおいて、充電電力と充電時間を制御することで電池温度と電池ＳＯＣを制御し、電池劣化を抑制する。

具体的には、充電コネクタ接続時、電池温度の上昇を抑制できる充電電力にて、「次の車両稼働時刻までの充電時間」と図２に示す「充電量Ｑ」（充電開始前ＳＯＣと目標ＳＯＣから算出される充電量）から次の稼働開始（予定）時刻ｔ３に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻ｔ２を決定する。稼働開始時刻までの時間を活用して、充電電力（ＳＯＣの上昇速度）を上げないようにすることで電池温度の上昇を抑制する。これにより、例えば、電池温度を１℃低減することにより電池寿命を３％延ばすことができる。またこのように、充電開始時間を遅くして、高いＳＯＣでの期間を短くできるようにすることにより、例えば、ＳＯＣを１％低減することにより電池寿命を１．２％延ばすことができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電動車両の充電システム１０の構成として、電動車両としてのバッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａに充電電力を供給する充電装置２０，２１，２２，２３，２４と、充電装置２０，２１，２２，２３，２４を制御して電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの充電を制御する充電制御装置３０と、を備える。充電制御装置３０は、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる充電電力にてバッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の稼働開始時刻ｔ３に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻ｔ２を決定し、充電開始時刻ｔ２から電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる電力にて充電するように充電装置２０，２１，２２，２３，２４に指示する。これにより、電池の温度の上昇と高いＳＯＣでの期間が抑制されることによってバッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの劣化を抑制することができる。

（２）充電制御装置３０は、目標ＳＯＣを、バッテリフォークリフト１００，１０１，１０２，１０３，１０４の稼働予定時間から算出する。よって、バッテリフォークリフトの稼働予定時間に応じたＳＯＣとなるように充電することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 稼働開始（予定）時刻にちょうど目標ＳＯＣになれば、高いＳＯＣでの期間が短くなり好ましいが、稼働開始（予定）時刻より前に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻を決定しても良い。この場合も、コネクタ接続後すぐに充電を開始するより高いＳＯＣでの期間を短く出来る。

○ 電池温度の上昇を抑制できうる最大の充電電力で、コネクタ接続した直後から充電しても目標ＳＯＣに達しない（充電量Ｑが大きく、稼働開始時刻までの時間が短い）場合、コネクタ接続した直後から充電し、稼働開始時刻にちょうど目標ＳＯＣになるような充電電力で充電すれば良い。この場合も高いＳＯＣでの期間を小さくし、電池温度も比較的低く抑えることができる。

○ 電池温度の上昇を抑制できる充電電力が、予め実験的に決まっていてもよい。
○ 電池温度の上昇を抑制できる充電電力が、温度上昇がない充電電力としてもよい。
つまり、充電時において充電制御装置３０は各バッテリフォークリフトの電池状態（ＳＯＣ、電池温度など）の情報を吸上げることができる。充電制御装置３０の上位にはデータを蓄積、解析する上位制御装置（サーバ等）４０があり、履歴を蓄積することができる。そして、上位制御装置（サーバ等）４０において、図６に示すように、過去の電池温度の上昇と充電電力履歴を記憶し、充電制御装置３０において電池温度上昇のない充電電力を算出する。なお、初期値して、電池の特性として、事前の検証や文献資料にて予め電池温度の上昇がない（若しくは少ない）充電電力を任意で設定する。

このようにして、上位制御装置（サーバ等）４０において、充電電力に対する電池の温度上昇の関係についてのデータ（図６参照）を記憶しておき、充電制御装置３０は、このデータを基に電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる充電電力を算出する。

図６を詳しく説明すると、横軸に充電電力をとり、縦軸に電池の温度上昇をとっている。充電電力が大きくなるにつれて電池温度は上昇する傾向にあるが、所定充電電力Ｂでは温度上昇はみられない。つまり、所定充電電力Ｂよりも少ない電力Ａでは温度上昇はみられないばかりか、所定充電電力Ｂまでは温度上昇しないので、この充電電力Ｂで充電すれば充電電力Ａで充電するよりも短い時間で充電を完了することができる。

そのために、過去の充電電力と電池温度上昇の履歴や電池仕様情報からＡ（図６参照）より充電電力を上げても電池温度の上昇がない場合は、充電電力を上げて図２を用いて説明したように確実に稼働開始時刻に充電が完了できるようにする。

このように、以下のような効果を得ることができる。
（３）充電電力に対する電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度上昇の関係についてのデータを記憶した記憶装置としての上位制御装置（サーバ等）４０を更に備え、充電制御装置３０は、データを基に電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａの温度の上昇を抑制できる充電電力を算出する。よって、電池温度の上昇を抑制しつつ、より大きい充電電力で充電できる。

○ 電池１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａとしてリチウム電池を例示したが、電池の種類は問わない。
○ 上位制御装置４０としてサーバを例示したが、サーバ以外の記憶装置を用いてもよい。

○ 電動車両としてのバッテリフォークリフトは図１では５台であったが、その数は問わない。
○ 充電装置は図１では５台であったが、その数は問わない。

○ 電動車両は、バッテリフォークリフトであったが、電動車両は、バッテリフォークリフト以外の産業車両でもよく、また、産業車両以外の車両、例えば電動タイプの乗用車でもよい。またバッテリフォークリフトは別の種類の機種でもよく、電池も異なる電池でもよい。

１０…電動車両の充電システム、２０，２１，２２，２３，２４…充電装置、３０…充電制御装置、４０…上位制御装置（サーバ等）、１００，１０１，１０２，１０３，１０４…電動車両、１００ａ，１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ…電池。

Claims

電動車両の電池に充電電力を供給する充電装置と、
前記充電装置を制御して前記電池の充電を制御する充電制御装置と、
を備え、
前記充電制御装置は、前記電動車両の電池の温度の上昇を抑制できる充電電力にて前記電動車両の稼働開始時刻に目標ＳＯＣになるように充電開始時刻を決定し、充電開始時刻から前記電池の温度の上昇を抑制できる電力にて充電するように前記充電装置に指示する
ことを特徴とする電動車両の充電システム。
充電電力に対する前記電池の温度上昇の関係についてのデータを記憶した記憶装置を更に備え、
前記充電制御装置は、前記データを基に前記電池の温度の上昇を抑制できる充電電力を算出することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の充電システム。
前記充電制御装置は、前記目標ＳＯＣを、前記電動車両の稼働予定時間から算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電動車両の充電システム。