JP2021090276A

JP2021090276A - 充電システム

Info

Publication number: JP2021090276A
Application number: JP2019219459A
Authority: JP
Inventors: 剛史廣瀬; Takashi Hirose; 達大鈴木; Tatsuhiro Suzuki
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: JP7172969B2

Abstract

【課題】異常値が計測された場合に二次電池を目標値まで充電するのに要する時間を短縮できる充電システムを提供すること。【解決手段】充電システム１０は、二次電池１１を充電する並列接続された複数の充電装置１３と、充電装置１３による充電状態を監視する監視部１６と、充電装置１３の駆動を制御する制御部１８と、を有する。充電システム１０では、充電装置１３によって二次電池１１を充電中に監視部１６の計測値に異常値が計測された場合、その異常値が計測された時点から異常を確定するまでの期間の間に、制御部１８は、異常値を計測した充電装置１３の出力を下げながら、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は／及び、異常値が計測されることなく二次電池１１を充電している充電装置１３の出力を上げる。【選択図】図１

Description

本発明は、充電システムに関する。

例えば、電気自動車は、搭載された二次電池からの電力供給によって駆動される。二次電池は、電気自動車に搭載された充電システムによって充電される。
例えば、特許文献１の充電システムは、並列接続された複数の電源装置と、蓄電池に供給すべき充電電流の目標値を決定する充電監視回路と、オンされている電源装置のそれぞれの定格出力電流の総和が充電の目標値となるように、電源装置のそれぞれをオン又はオフさせる電源オンオフ制御回路と、を備える。

また、特許文献１の充電システムは、電源装置の出力電圧、出力電流、温度等を監視する電源監視回路を備え、電源監視回路は電源装置の状態を監視する。電源オンオフ制御回路は、蓄電池の充電の目標値となるように複数の電源装置についてオンオフを制御する。

特開２０１２−２９４８０号公報

ところで、充電システムにおいて、電源装置の異常、又は電源監視回路の異常により、電源監視回路の計測値が異常値になる場合がある。電源監視回路の計測値が異常値となった場合、異常値の原因が、電源装置の異常によるものなのか、電源監視回路の異常によるものなのかは特定できないため、電源オンオフ制御回路は、電源装置をオフさせる。このとき、電源装置のオフに伴う出力低下を補うため、未稼働の電源装置を起動させて充電することが考えられる。しかし、電源装置は、オンさせてから予め設定された出力に至るまでにはある程度の時間を要する。このため、電源装置をオフさせた後、未稼働の電源装置を起動させて充電する場合には、予め設定された出力に到達するまでに時間を要してしまい、蓄電池を目標値まで充電するまでに時間が掛かってしまう。

本発明の目的は、異常値が計測された場合に二次電池を目標値まで充電するのに要する時間を短縮できる充電システムを提供することにある。

上記問題点を解決するための充電システムは、二次電池を充電する並列接続された複数の充電装置と、前記充電装置を監視する監視部と、前記充電装置の駆動を制御する制御部と、を有する充電システムであって、前記充電装置によって前記二次電池を充電中に前記監視部の計測値に異常値が計測された場合、当該異常値が計測された時点から、前記充電装置による充電の異常を確定するまでの期間の間に、前記制御部は、前記異常値を計測した前記充電装置の出力を下げながら、未稼働の前記充電装置を起動させる、又は／及び、前記異常値が計測されることなく前記二次電池を充電している前記充電装置の出力を上げることを要旨とする。

これによれば、異常が確定してから、未稼働の充電装置を起動させる、又は／及び、異常値が計測されることなく二次電池を充電している充電装置の出力を上げる場合と比べると、予め設定された設定出力電力に早い段階で到達できる。その結果として、異常値が計測された場合であっても、二次電池を目標値まで充電するのに要する時間を短縮できる。

また、充電システムについて、前記制御部は、前記異常値が計測された時点から予め定めた第１所定期間が経過すると前記異常を確定し、前記異常値が計測された時点から、前記第１所定期間よりも短い第２所定期間が経過すると、前記異常値を計測した前記充電装置の出力を下げながら、未稼働の前記充電装置を起動させる、又は／及び、前記異常値が計測されることなく前記二次電池を充電している前記充電装置の出力を上げてもよい。

これによれば、異常値が計測された時点から第２所定期間が経過した時点で監視部によって異常値が計測されれば、その異常値の計測はノイズ等の影響ではなく、監視部又は充電装置の異常を原因とする場合である。このため、監視部又は充電装置の異常が生じたときに、未稼働の充電装置を起動させる、又は／及び、異常値が計測されることなく二次電池を充電している充電装置の出力を上げることができる。

本発明によれば、異常値が計測された場合に二次電池を目標値まで充電するのに要する時間を短縮できる。

充電システムの概略構成図。充電装置の出力と、時間と、計測値との関係を示すグラフ。別例の充電システムの概略構成図。

以下、充電システムを具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、車両は、充電システム１０と二次電池１１を備えている。車両としては、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等の乗用車、フォークリフトなどの産業車両等どのような種類のものであってもよい。二次電池１１は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、鉛電池等、どのような種類の二次電池を用いてもよい。

充電システム１０は、三つの充電装置１３とスイッチ回路１５とからなる電力供給装置１７と、充電制御装置１４とを備えている。
三つの充電装置１３の少なくとも一つは、交流電源１２から供給される交流電力を直流電力に変換して二次電池１１に供給し、二次電池１１を充電する。三つの充電装置１３は並列接続されている。三つの充電装置１３の定格出力は同じである。

充電制御装置１４は、マイクロコンピュータを主体として構成される。充電制御装置１４が実行する処理は、メモリに記憶された処理を、図示しないＣＰＵが実行することにより行われてもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理によって行われてもよい。スイッチ回路１５は、交流電源１２から各充電装置１３への電力の供給を制御する複数のスイッチからなる。

充電制御装置１４は、充電装置１３の監視部１６と、制御部１８と、計時部１９と、を備える。
監視部１６は、各充電装置１３の出力電圧を計測する電圧センサ１６ａと、各充電装置１３の出力電流を計測する電流センサ１６ｂと、各充電装置１３の温度を計測する温度センサ１６ｃとを有する。

電圧センサ１６ａは、各充電装置１３の入力電圧の値や出力電圧の値を定期的に計測し、計測値に関する情報を制御部１８に送信している。電流センサ１６ｂは、各充電装置１３の入力電流の値や出力電流の値を定期的に計測し、計測値に関する情報を制御部１８に送信している。温度センサ１６ｃは、各充電装置１３の温度を定期的に計測し、計測値に関する情報を制御部１８に送信している。

制御部１８は、電力供給装置１７の制御を行う。具体的には、スイッチ回路１５及び充電装置１３内の図示しないトランジスタのオンオフを制御する。また、制御部１８は、監視部１６の計測値に関する情報を受信すると、受信した情報に基づいてスイッチ回路１５及び充電装置１３内のトランジスタを制御する。つまり、制御部１８は、監視部１６による監視結果に基づいて電力供給装置１７の駆動を制御する。

電圧センサ１６ａ、電流センサ１６ｂ及び温度センサ１６ｃのいずれかに異常が生じた場合、異常の生じたセンサによって計測される計測値は異常値となる。また、二次電池１１を充電中の充電装置１３に異常が発生した場合にも、各センサ１６ａ〜１６ｃによって計測される計測値は異常値となる。各センサ１６ａ〜１６ｃの異常としては、故障、断線、オフセット異常などが挙げられ、充電装置１３の異常としては、故障が挙げられる。

各センサ１６ａ〜１６ｃによって計測される計測値が異常値であるか否かの判定は制御部１８によって行われる。制御部１８は、各センサ１６ａ〜１６ｃによって計測される計測値に関する情報を受信すると、受信した計測値が、予め定めた正常範囲内にあるか否かを判定して、正常範囲内にない計測値を計測した場合、異常であると判定する。なお、計測値の正常範囲は、充電装置１３の定格範囲内に設定されている。また、計測値の正常範囲は、制御部１８の図示しないメモリに記憶されている。なお、以下の説明では、正常範囲内にない計測値を異常値と記載する。

各センサ１６ａ〜１６ｃが異常値を計測する場合としては、例えば、各センサ１６ａ〜１６ｃの異常によって、計測値が正常範囲の上限値を上回る場合や、断線等によって計測値が出力されず、正常範囲の下限値を下回る場合等がある。また、二次電池１１を充電中の充電装置１３に異常が生じた場合としては、例えば、充電装置１３からの出力がゼロとなり、電圧センサ１６ａ及び電流センサ１６ｂの計測値が正常範囲の下限値を下回る場合や、充電装置１３が異常発熱し、温度センサ１６ｃの計測値が正常範囲の上限値を上回る場合等がある。

ここで、各センサ１６ａ〜１６ｃや充電装置１３に異常が生じていないにも関わらず、ノイズ等の影響により、各センサ１６ａ〜１６ｃで異常値が計測される場合があるが、制御部１８は、各センサ１６ａ〜１６ｃや充電装置１３に異常が起きているのか、ノイズ等の影響により異常値が計測されたのかを確定できない。このため、異常値が計測された時点で、各センサ１６ａ〜１６ｃや充電装置１３に異常がある、と確定するのは好ましくない。そこで、本実施形態の充電システム１０では、異常値が計測された時点から、予め定めた所定時間が経過するまでの期間に、異常値が計測され続けた場合に異常であると確定している。

制御部１８は、異常値が計測された時点からの経過時間を計時部１９によって計測させ、計測した時間に関する情報を受信している。
図２に、充電装置１３の出力電力と、電流センサ１６ｂの計測値と、時間との関係を示す。なお、図２では、一つの充電装置１３を用いて二次電池１１の充電を行う場合を示す。また、図２の破線は、故障による異常の生じた充電装置１３の出力電力を示し、図２の実線は、例えば、電流センサ１６ｂの計測値を示す。なお、充電装置１３は、予め設定された「設定出力電力Ｗ」によって二次電池１１を充電するものとする。

図２の実線に示すように、異常値が計測された時点から計時部１９によって計測された時間が、予め定めた第２所定期間Ｔ２を経過した時点で異常値が計測されている場合、制御部１８は、各センサ１６ａ〜１６ｃのいずれかの異常、又は二次電池１１を充電中の充電装置１３の異常が生じている可能性が高いと判定する。なお、第２所定期間Ｔ２の長さは、各センサ１６ａ〜１６ｃの異常、又は二次電池１１を充電中の充電装置１３の異常が生じた場合に、異常と判定するのに必要な最短の長さに設定されている。

さらに、異常値が計測された時点から計時部１９によって計測された時間が、予め定めた第１所定期間Ｔ１が経過した時点で異常値が計測されている場合、制御部１８は、各センサ１６ａ〜１６ｃのいずれかの異常、又は二次電池１１を充電中の充電装置１３の異常を確定する。図２では異常確定と記載している。第１所定期間Ｔ１の長さは、第２所定期間Ｔ２より長い。言い換えると、第２所定期間Ｔ２の長さは、第１所定期間Ｔ１より短い。

充電システム１０において、異常値が計測された時点では、各センサ１６ａ〜１６ｃや充電装置１３に異常が起きているのか、ノイズ等の影響により異常値が計測されたのかを確定できない。しかしながら、各センサ１６ａ〜１６ｃや充電装置１３に異常がおきた場合には、異常のある充電装置１３による充電を継続するのは好ましくない。このため、制御部１８は、充電装置１３内のトランジスタを制御して、監視部１６により異常値の計測された充電装置１３の出力を徐々に下げていく。なお、本実施形態においては、充電装置１３における出力の減少率は一定として説明する。

しかし、一つの充電装置１３を用いて二次電池１１を充電している場合は、充電装置１３の出力を徐々に下げていくと、図２の破線に示すように、その充電装置１３の出力はゼロになり、二次電池１１の充電ができなくなってしまう。また、図示しないが、複数の充電装置１３を併用して二次電池１１を充電している場合は、異常値が計測された充電装置１３からの出力がゼロになり、電力供給装置１７の出力が低下してしまう。

そこで、監視部１６により異常値が計測された場合、一つの充電装置１３を用いている場合は、未稼働の充電装置１３を一つ起動させて二次電池１１の充電を行う。又は、複数の充電装置１３を併用していた場合は、異常値が計測されることなく二次電池１１を充電していた他の充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行う。

しかし、未稼働の充電装置１３は、起動されてから予め設定された設定出力電力Ｗを出力できるまである程度の時間を要する。また、充電装置１３の出力を上げるのにもある程度の時間を要する。

そこで、本実施形態では、監視部１６により異常値が計測された時点から異常が確定するまでの期間、本実施形態では、異常が生じた時点から第１所定期間Ｔ１が経過するまでの期間の間に、一つの充電装置１３を用いている場合は、未稼働の充電装置１３を一つ起動させて二次電池１１の充電を行う。又は、複数の充電装置１３を併用していた場合は、異常値が計測されることなく二次電池１１を充電していた他の充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行う。よって、電力供給装置１７は、異常が確定してから、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた他の充電装置１３の出力を上げる場合よりも早い段階で設定出力電力Ｗを出力できるようになる。

図２の２点鎖線に、監視部１６により異常値が計測された時点から第１所定期間Ｔ１が経過し、異常が確定してから、未稼働の他の充電装置１３を起動させて二次電池１１を充電する場合を示している。図２の１点鎖線に示すように、第２所定期間Ｔ２の経過時点から他の充電装置１３を出力させる場合の方が早い段階で設定出力電力Ｗに到達している。

なお、本実施形態では、充電装置１３の出力の上昇率は一定として説明をする。
ここで、例を挙げて説明する。
一つの充電装置１３により、３ｋＷの設定出力電力Ｗで充電を行っていた場合、監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点において、制御部１８は、異常値を計測した充電装置１３の出力を下げる。同時に、未稼働の一つの充電装置１３を起動させ、出力を３ｋＷに向けて徐々に上げていく。若しくは、未稼働の二つの充電装置１３を起動させ、二つの充電装置１３それぞれに１．５ｋＷずつ出力させるよう徐々に出力を上げていく。

また、二つの充電装置１３を併用し、１．５ｋＷずつ出力させ、合計３ｋＷの設定出力電力Ｗで充電を行っていた場合、監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点において、制御部１８は、異常値を計測した一方の充電装置１３の出力を下げる。同時に、他方の充電装置１３の出力を１．５ｋＷから３ｋＷに向けて徐々に上げていく。

さらに、三つの充電装置１３を併用し、１ｋＷずつ出力させ、合計３ｋＷの設定出力電力Ｗで充電を行っていた場合、監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点において、制御部１８は、異常値を計測した一つの充電装置１３の出力を下げる。同時に、残りの二つの充電装置１３の出力を１ｋＷから１．５ｋＷに向けて徐々に上げていく。

したがって、異常が確定してから他の充電装置１３を出力させる場合と比べると、電力供給装置１７からの出力が低下する時間を短くすることができる。そして、二次電池１１の容量が予め設定された目標値に到達すると、制御部１８は二次電池１１の充電を停止させる。

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）充電制御装置１４の制御部１８は、監視部１６により異常値が計測された時点から異常が確定するまでの期間に、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行う。このため、電力供給装置１７は、異常が確定する前から、未稼働の充電装置１３、又は併用していた充電装置１３による充電を開始できる。よって、異常が確定した充電装置１３をオフさせてから、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行う場合と比べると、充電の目標値まで二次電池１１を充電するのに要する時間を短縮できる。

（２）また、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行うのと並行して、異常値を計測した充電装置１３の出力を低下させていく。このため、電力供給装置１７の出力が二次電池１１の定格を超えることをなくして充電できる。

（３）監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点で異常値が計測されていれば、その異常値の計測はノイズ等の影響ではなく、各センサ１６ａ〜１６ｃのいずれかの異常、又は二次電池１１を充電中の充電装置１３の異常を原因としたものである。よって、監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点で、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げる制御を行うことで、ノイズ等の影響で異常値を計測した場合に充電装置１３の制御が行われることを排除できる。

（４）監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点で、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行う。このため、第２所定期間Ｔ２の長さにより、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げるタイミングを調節でき、目標値にまで二次電池１１を充電するのに要する時間を調節しやすい。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 複数の充電装置１３のうちの全てではない複数の充電装置１３を併用して二次電池１１を充電するとともに、未稼働の充電装置１３が存在するとき、監視部１６により異常値が計測された場合、充電制御装置１４の制御部１８は、以下の制御を行ってもよい。監視部１６により異常値が計測された時点から異常が確定するまでの期間に、未稼働の充電装置１３を起動させるとともに、異常値が計測されることなく二次電池１１を充電している充電装置１３の出力を上げて二次電池１１の充電を行ってもよい。この場合、異常値を計測した充電装置１３の出力を下げる。なお、未稼働の充電装置１３を起動させるとともに、二次電池１１を充電中の充電装置１３の出力を上げる時点は、監視部１６により異常値が計測された時点から、異常値が計測される回数が予め定めた所定回数に到達した時点であってもよいし、監視部１６により異常値が計測された時点でもよい。さらには、未稼働の充電装置１３を起動させるとともに、二次電池１１を充電中の充電装置１３の出力を上げる時点は、監視部１６により異常値が計測された時点よりも後で、かつ第２所定期間Ｔ２が経過する前でもよいし、第２所定期間Ｔ２が経過した後で、かつ第１所定期間Ｔ１が経過する前でもよい。

○ 実施形態において、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げる時点は、監視部１６により異常値が計測された時点から異常が確定するまでの期間であれば、いつでもよい。例えば、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げる時点は、監視部１６により異常値が計測された時点でもよいし、監視部１６により異常値が計測された時点よりも後で、かつ第２所定期間Ｔ２が経過する前でもよいし、第２所定期間Ｔ２が経過した後で、かつ第１所定期間Ｔ１が経過する前でもよい。

○ 実施形態において、未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げる時点は、監視部１６により異常値が計測された時点から第２所定期間Ｔ２が経過した時点としたが、これに限らない。未稼働の充電装置１３を起動させる、又は併用していた充電装置１３の出力を上げる時点は、監視部１６により異常値が計測された時点から、異常値が計測される回数が予め定めた所定回数に到達した時点であってもよい。

○ 複数の充電装置１３のうちの全てではない複数の充電装置１３を併用して二次電池１１を充電している場合において、二次電池１１を充電中の充電装置１３のいずれかに異常が計測された場合は、異常を計測されることなく充電している他の充電装置１３の出力を上げるのではなく、未稼働の他の充電装置１３を起動させてもよい。この場合、二次電池１１を充電中の他の充電装置１３の出力はそのままとなる。

○ 充電システム１０は、車両に搭載されているとしたが、これに限定されず、充電スタンド等に内蔵されていてもよい。
○ 充電装置１３の数は、二つでもよいし、四つ以上でもよい。

○ 充電制御装置１４が監視部１６を備えていたが、これに限定されない。充電装置１３が監視部１６を備えていてもよい。
○ 図３に示すように、充電システム１０は、交流電源１２から供給される交流電力を、スイッチ２０のオンオフによって各充電装置１３に分配して供給してもよい。この場合、スイッチ２０は、充電制御装置１４が備えるスイッチ制御部２１によって制御される。その結果、スイッチ２０により、交流電源１２と接続される充電装置１３が選択的に切り換えられる。

Ｔ１…第１所定期間、Ｔ２…第２所定期間、１０…充電システム、１１…二次電池、１３…充電装置、１６…監視部、１８…制御部。

Claims

二次電池を充電する並列接続された複数の充電装置と、
前記充電装置を監視する監視部と、
前記充電装置の駆動を制御する制御部と、を有する充電システムであって、
前記充電装置によって前記二次電池を充電中に前記監視部の計測値に異常値が計測された場合、当該異常値が計測された時点から、前記充電装置による充電の異常を確定するまでの期間の間に、前記制御部は、前記異常値を計測した前記充電装置の出力を下げながら、未稼働の前記充電装置を起動させる、又は／及び、前記異常値が計測されることなく前記二次電池を充電している前記充電装置の出力を上げることを特徴とする充電システム。
前記制御部は、前記異常値が計測された時点から予め定めた第１所定期間が経過すると前記異常を確定し、前記異常値が計測された時点から、前記第１所定期間よりも短い第２所定期間が経過すると、前記異常値を計測した前記充電装置の出力を下げながら、未稼働の前記充電装置を起動させる、又は／及び、前記異常値が計測されることなく前記二次電池を充電している前記充電装置の出力を上げる請求項１に記載の充電システム。