JP2023058771A - 車両の充電制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンタクタを閉じた状態でヒータを駆動する場合であっても、バッテリの放電及び過充電を抑制する。【解決手段】バッテリ3と負荷部7とが外部充電設備5から給電される車載充電器6にコンタクタ8を介して並列接続された車両1の充電制御装置10は、設定部11と取得部12と制御部13とを含む。設定部11は、コンタクタ8が閉じた状態で負荷部7のヒータ7Aを駆動してバッテリ3を温調する温調制御において、外部充電設備5へ要求する電流の要求値Irを0に設定する。取得部12は、設定部11により要求値Irが0に設定されている状態で、バッテリ3から負荷部7へ流れる電流の放電値Idを取得する。制御部13は、要求値Irを0から取得部12で取得された放電値Idまで段階的に増加させる。【選択図】図1

Description

本件は、外部充電設備から給電可能なバッテリをヒータで温調する温調制御が実施される車両の充電制御装置に関する。
従来、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両に搭載される駆動用バッテリとして、リチウムイオン電池やニッケル水素電池が知られている。このようなバッテリは、極低温環境下における充放電により劣化が促進されることが知られている。
これに対し、バッテリの温度が所定温度未満のときは、バッテリと電力供給装置(外部充電設備)との間のコンタクタをオフ(開)としたうえで、電力供給装置からの電力でヒータを駆動することによりバッテリを所定温度以上まで温めてから、バッテリを充電するシステムが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2015-47027号公報
ところで、高電圧の電力を扱う上記のようなシステムでは、フェールセーフの観点から、外部充電設備からの給電中にバッテリのコンタクタを常に閉じておくことが求められる場合がある。このようにコンタクタを閉じた状態に保持しつつ、バッテリの温調用のヒータを駆動する場合には、バッテリからヒータへの放電によりバッテリの充電容量の低下を招く虞や、外部充電設備からバッテリへの更なる給電によりバッテリの過充電を招く虞がある。
本件は、上記のような課題に鑑み創案されたものであり、コンタクタを閉じた状態でヒータを駆動する場合であっても、バッテリの放電及び過充電を抑制することを目的の一つとする。
本件は上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現できる。
本適用例に係る車両の充電制御装置は、バッテリと前記バッテリの温調用のヒータを含む負荷部とが、外部充電設備から給電される車載充電器にコンタクタを介して並列接続された車両の充電制御装置であって、前記コンタクタが閉じた状態で前記ヒータを駆動して前記バッテリを温調する温調制御において、前記外部充電設備へ要求する電流の要求値を0に設定する設定部と、前記設定部により前記要求値が0に設定されている状態で、前記バッテリから前記負荷部へ流れる電流の放電値を取得する取得部と、前記要求値を0から前記取得部で取得された前記放電値まで段階的に増加させる制御部と、を含む。
上記のように、コンタクタが閉じた状態でヒータを駆動する温調制御において、外部充電設備に対する要求値を0に設定しながらバッテリの放電値を取得することにより、コンタクタが閉じた状態のままで、負荷部の駆動に必要な電流値に相当する放電値を取得できる。したがって、フェールセーフの観点から温調制御中にコンタクタを常に閉じておくことが求められる場合であっても、コンタクタや他のスイッチを開いたり負荷部の電路に電流センサを追加したりすることなく、負荷部の駆動に必要な電流値を取得できる。これにより、制御構成の複雑化や装置コストの増大を抑制できる。
また、要求値を0から上記のように取得した放電値まで増加させることで、要求値を負荷部の駆動に必要な電流値と一致させられる。これにより、外部充電設備から負荷部へ過不足なく電流を供給できる。したがって、バッテリから負荷部への放電と、外部充電設備からバッテリへの過充電とを共に抑制できる。さらに、0に設定した要求値を段階的に増加させることで、要求値の綿密な調整が可能となる。
よって、本適用例によれば、コンタクタを閉じた状態でヒータを駆動する場合であっても、バッテリの放電及び過充電を抑制できる。したがって、例えばバッテリの外部充電後の車両始動時に、バッテリを許容される温度域まで温めつつも、バッテリの充電容量を適切に確保できる。
本件によれば、コンタクタを閉じた状態でヒータを駆動する場合であっても、バッテリの放電及び過充電を抑制できる。
実施形態に係る車両の充電制御装置が適用された車両の模式的な構成図である。 温調制御が実施される場合の一例を説明するタイムチャートである。 図1の車両の充電制御装置における設定部及び取得部の処理を説明する模式図である。 図1の車両の充電制御装置における制御部の処理を説明する模式図である。 図1の車両の充電制御装置で実施される温調制御の手順を例示するフローチャートである。
図面を参照して、本件の実施形態(適用例)について説明する。この実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
[1.装置構成]
図1に示すように、本実施形態に係る車両の充電制御装置10は、電動モータ2により駆動される車両(電動車両)1に適用されている。ここでは、車両1がトラック(電動トラック)であるものとする。ただし、車両1は、トラックに限られず、バスや乗用車であってもよい。以下、「車両の充電制御装置10」を単に「制御装置10」ともいう。
電動モータ2は、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータ4を介してバッテリ(バッテリパック)3に接続されている。バッテリ3は、車両1に搭載された高電圧の二次電池(例えばリチウムイオン電池)であって、電動モータ2に電力を供給する。本実施形態では一つのバッテリ3を例示するが、車両1には複数のバッテリ3が搭載されてもよい。
インバータ4は、バッテリ3から出力される直流電力を交流電力に変換して電動モータ2に供給する。これに加えて、インバータ4は、電動モータ2から出力される交流電力を直流電力に変換してバッテリ3に供給してもよい。
車両1には、バッテリ1の温調用のヒータ7Aを含む負荷部7と、車両1の外部に設置された外部充電設備5から給電される車載充電器6とが設けられている。ヒータ7Aは、電動のヒータ(例えばPTCヒータ)であって、電源がオンされた場合に発熱し、バッテリ3を温める。本実施形態では、ヒータ7Aに加えて、電動の補機7Bを含む負荷部7を例示する。
車載充電器6は、外部充電設備5から供給された電力(外部電力)をバッテリ3に送電することでバッテリ3を充電(外部充電)する。また、車載充電器6は、負荷部7の電源がオンされている場合には、外部充電設備5から供給された電力を負荷部7に送電することで負荷部7を駆動する。
外部充電設備5は、車載充電器6と接続されている場合に、制御装置10から要求される要求値Irに応じた電流を車載充電器6に供給する。制御装置10から外部充電設備5への要求値Irの送信は、車載充電器6を介して有線で行なわれてもよいし、無線で行なわれてもよい。外部充電設備5による外部充電の方式としては、例えば、家庭用の100V又は200Vの普通充電,急速充電,非接触充電等を適用できる。
バッテリ3及び負荷部7は、コンタクタ8を介して車載充電器6と並列接続されている。本実施形態では、車載充電器6に対し、バッテリ3とヒータ7Aと補機7Bとの各々が並列接続された電気回路9を例示する。言い換えると、車載充電器6,バッテリ3,ヒータ7A及び補機7Bは、電気回路9において互いに並列接続されている。なお、ヒータ7A及び補機7Bの電路には、降圧用のDC/DCコンバータ(図示略)が設けられてもよい。
コンタクタ8は、車載充電器6からバッテリ3及び負荷部7(ヒータ7A及び補機7B)への電路を断接する。具体的にいえば、コンタクタ8が閉じた状態(オン状態)では車載充電器6からバッテリ3及び負荷部7への電路が接続され、コンタクタ8が開いた状態(オフ状態)では車載充電器6からバッテリ3及び負荷部7への電路が遮断される。
このように電気回路9において車載充電器6からの電路を断接するコンタクタ8は、外部充電設備5から車載充電器6への給電時は、高電圧の電力供給に対するフェールセーフの観点から、常に閉じた状態に保持される。なお、電気回路9には、図示しない抵抗器やヒューズ等の各種部品が更に設けられてもよい。
本実施形態では、車載充電器6からバッテリ3及び負荷部7へ流れる電流の方向を基準として、バッテリ3及び負荷部7よりも上流側と下流側との双方にコンタクタ8が配置された例を示す。すなわち、電気回路9には二つのコンタクタ8が設けられており、これらのコンタクタ8が共に開閉されることにより、車載充電器6からバッテリ3及び負荷部7への電路が断接される。ただし、電気回路9には少なくとも一つのコンタクタ8が設けられればよく、上記の二つのコンタクタ8のうちのいずれか一方が省略されてもよい。
制御装置10は、例えばマイクロプロセッサやROM,RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成された電子制御装置であり、車両1内の通信ライン網に接続されている。本実施形態の制御装置10は、ヒータ7Aを駆動してバッテリ3を温調する温調制御を実施する。
[2.制御構成]
温調制御は、例えば極低温環境下で車両1を始動する場合に、バッテリ3を許容される温度域(以下、「許容温域」といもいう)まで温める、いわゆるプレコンディショニングである。本実施形態では、外部充電設備5が車載充電器6に接続されており、コンタクタ8が閉じた状態で実施される温調制御について詳述する。このような温調制御が実施される場合としては、例えば、車両1のユーザが夜間に外部充電設備5でバッテリ3を充電し、外部充電設備5を接続したまま、極低温環境下で翌朝の指定時刻に車両1を始動させる場合が挙げられる。
詳細には図2に例示するように、ユーザは、車両1の使用終了時である時刻t0に、次の始動時刻である指定時刻txを設定する。そして、ユーザは、次の時刻t1に、例えば充電ガンを車両1の充電口に挿入することで、外部充電設備5を車載充電器6に電気的に接続する。これにより、外部充電設備5からバッテリ3への充電が開始される。
その後、時刻t2にバッテリ3の充電容量(SOC)が目標値(例えば満充電容量)まで到達すると、バッテリ3の充電が終了する。それから、車両1は、外部充電設備5が車載充電器6に接続されたまま(充電ガンが充電口に挿入されたまま)、スリープ状態となる。極低温環境下では、車両1のスリープ中にバッテリ3が許容温域よりも冷たくなる。
次いで、車両1は、指定時刻txよりも前の時刻t3に、温調制御のためにスリープ状態から復帰する。時刻t3には、外部充電設備5が車載充電器6に接続されていると共にコンタクタ8が閉じた状態のまま、温調制御が開始される。そして、指定時刻txには、温調制御によりバッテリ3が許容温度域まで温められ、温調制御が終了する。あとは、ユーザが、例えば充電ガンを充電口から抜去することで、外部充電設備5と車載充電器6との接続を解除する。これにより、車両1が使用可能となる。
図3,4に例示するように、ヒータ7Aを駆動する温調制御では、負荷部7において少なくともヒータ7Aの電源がオンされることに伴い、ヒータ7Aに電流が流れる。また、温調制御中に、負荷部7において補機7Bの電源もオンされる場合には、補機7Bにも電流が流れる。このように、負荷部7の電源がオンされる場合には、ヒータ7Aの駆動に必要な電流値Ihと、補機7Bの駆動に必要な電流値Iaとを足した電流値(Ih+Ia)が、負荷部7の駆動に必要となる。
なお、温調制御中は、例えばインバータ4の電源がオフされることで、外部充電設備5やバッテリ3からインバータ4への電路が遮断される。また、温調制御中に外部充電設備5から供給される電流の大きさは、制御装置10から外部充電設備5に要求する要求値Irに対応したものとなる。
ここで、要求値Irが負荷部7の駆動に必要な電流値と同じ大きさ(Ir=Ih+Ia)に設定されれば、外部充電設備5から負荷部7に過不足なく電流が供給されることで、外部充電設備5から流れる電流のみによって負荷部7を駆動させられる。一方、要求値Irが負荷部7の駆動に必要な電流値よりも小さい場合(Ir<Ih+Ia)には、不足分の電流がバッテリ3から負荷部7へと流れるため、バッテリ3の放電が起こる。反対に、要求値Irが負荷部7の駆動に必要な電流よりも大きい場合(Ir>Ih+Ia)には、過剰分の電流がバッテリ3へと流れるため、バッテリ3の過充電を招く虞がある。
本実施形態の温調制御では、要求値Irが負荷部7の駆動に必要な電流値と一致する(Ir=Ih+Iaとなる)ように要求値Irを制御することで、上記のようなバッテリ3の放電及び過充電を抑制する。ただし、電気回路9には、負荷部7を流れる電流を測定する電流センサが設けられていないことから、負荷部7の駆動に必要な電流値(Ih+Ia)を直接的に検出することはできない。
このため、制御装置10では、まず、外部充電設備5から電流が供給されていない状態(要求値Irを0に設定した状態)でバッテリ3から負荷部7へ流れる電流の放電値Id(後述の基準放電値Ids)を取得する。そして、このように取得した放電値Idが負荷部7の駆動に必要な電流値である(Ids=Ih+Ia)と見做したうえで、要求値Irを制御する。
制御装置10は、温調制御を実施するための要素として、設定部11と取得部12と制御部13とを含む。ここでは、制御装置10の要素がいずれもソフトウェアで実現されるものとする。ただし、制御装置10の要素は、ハードウェア(電子回路)で実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとが併用されて実現されてもよい。
図3に示すように、設定部11は、コンタクタ8が閉じた状態でヒータ7Aを駆動してバッテリ3を温調する温調制御において、外部充電設備5へ要求する電流の要求値Irを0に設定する。これにより、設定部11は、コンタクタ8が閉じていることで外部充電設備5からバッテリ3及び負荷部7への電路が接続された状態であっても、外部充電設備5からバッテリ3及び負荷部7へ電流が流れないようにする。
取得部12は、設定部11により要求値Irが0に設定されている状態でバッテリ3から負荷部7へ流れる電流の放電値Idを取得する。以下、要求値Irが0に設定された状態で取得部12により取得される放電値Idを特に「基準放電値Ids」ともいう。外部充電設備5から電流が供給されない状態で負荷部7の電源がオンされた場合は、負荷部7の駆動に必要な電流がバッテリ3のみから負荷部7へ供給される。このため、要求値Irが0に設定された状態で取得部12により取得される基準放電値Idsは、負荷部7の駆動に必要な電流値に相当する(すなわち、Ir=0のときはId=Ih+Iaである)といえる。
本実施形態の取得部12は、要求値Irが0に設定されている場合だけでなく、温調制御中は随時、放電値Idを取得する。すなわち、取得部12は、要求値Irが0よりも大きく設定された状態(Ir>0)においても、放電値Idを取得する。なお、取得部12で取得される放電値Idは、例えば、バッテリ3内に設けられた図示しない電流センサで検出された値であってもよいし、公知の手法で算出又は推定された値であってもよい。
図4に示すように、制御部13は、外部充電設備5へ要求する電流の要求値Irを、設定部11で設定された0から取得部12で取得された基準放電値Idsまで段階的に増加させる。例えば、制御部13は、要求値Irを2[A]ずつ増加させていく。このような段階的な要求値Irの増加により、要求値Irの綿密な調整が可能となり、要求値Irが基準放電値Idsを大きく超えることが防止されやすくなる。
温調制御中の電気回路9では、要求値Irと放電値Idと負荷部7の駆動に必要な電流値(Ih+Ia)とが、下記の等式(1)を満たす。ここで、Ir,Ih,Iaはいずれも正の値である。また、Idは、バッテリ3の放電時に0よりも大きい値(Id>0)となり、バッテリ3の充電時に負の値(Id<0)となる。
Ir+Id=Ih+Ia ・・・(1)
等式(1)に示されるように、負荷部7の駆動に必要な電流値(Ih+Ia)が一定であると仮定すると、制御部13が要求値Irを増加させるときは、要求値Irの増加分だけ放電値Idが減少する。したがって、制御部13が要求値Irを0から基準放電値Idsまで増加させることに伴い、放電値Idは基準放電値Idsから0まで減少する。このように、制御部13は、要求値Irを増加させて放電値Idを0とすることで、外部充電設備5からの電流のみで負荷部7を駆動させるようにし、バッテリ3からの放電を抑制する。
本実施形態の制御部13は、取得部12で随時取得される放電値Idを参照して、放電値Idが0となる(Ir=Ih+Iaとなる)ように要求値Irを調整する。換言すれば、制御部13は、取得部12で取得される放電値Idをフィードバックしながら要求値Irを制御する。
ただし、負荷部7の駆動に必要な電流値は変動する場合があるとともに、外部充電設備5から供給される電流を厳密に一定の大きさに保つことは難しい。このため、制御部13は、放電値Idが正負の所定範囲内(例えば、-2[A]<Id<2[A])に収まるように要求値Irを制御してもよい。なお、放電値Idが負の値(Id<0)である場合は、等式(1)に示されるように、負荷部7の駆動に必要な電流値(Ih+Ia)よりも要求値Irが大きくなる(Ir>Ih+Ia)。この場合には、外部充電設備5からの電流が負荷部7だけでなくバッテリ3にも流れることで、バッテリ3が充電される。
[3.フローチャート]
図5は、温調制御の手順を例示するフローチャートである。このフローは、例えば外部充電設備5が車載充電器6に接続されていてバッテリ3が許容温域よりも冷たい場合に、制御装置10によって実施される。なお、フローの実行中は、外部充電設備5と車載充電器6とが常に接続されており、コンタクタ8が閉じた状態であるものとする。
図5に示すように、まず、設定部11が要求値Irを0に設定する(ステップS1)。続いて、負荷部7の電源がオンされた状態で、取得部12が基準放電値Idsを取得する(ステップS2)。このとき、要求値Irは0に設定されていることから、負荷部7には、外部充電設備5ではなくバッテリ3からの電流が流れている。したがって、ステップS2で取得される基準放電値Idsは、負荷部7の駆動に必要な電流値(Ih+Ia)に相当すると見做せる。なお、取得部12が基準放電値Idsを取得する処理は、極短時間(例えば1秒未満)で完了する。
次いで、制御部13が要求値Irを0から基準放電値Idsまで段階的に増加させる(ステップS3)。その後、制御部13は、要求値Irが基準放電値Idsと一致する(放電値Idが0となる)ように、要求値Irを制御する(ステップS4)。本実施形態のステップS3,S4では、取得部12が放電値Idを随時取得し、制御部13が取得部12で取得された放電値Idを参照しつつ、放電値Idが0となるように要求値Irをフィードバック制御する。そして、バッテリ3を許容温域まで温めたら(ステップS5)、フローを終了する。
[4.作用及び効果]
上記のとおり、制御装置10では、コンタクタ8が閉じた状態でヒータ7Aを駆動する温調制御において、外部充電設備5へ要求する電流の要求値Irを0に設定した状態でバッテリ3から負荷部7へ流れる電流の放電値Id(基準放電値Ids)を取得する。これにより、コンタクタ8が閉じた状態のままで、負荷部7の駆動に必要な電流値に相当する基準放電値Idsを取得できる。
したがって、フェールセーフの観点から温調制御中にコンタクタ8を常に閉じておくことが求められる場合であっても、コンタクタ8や他のスイッチを開いたり負荷部7の電路に電流センサを追加したりすることなく、負荷部7の駆動に必要な電流値を取得できる。これにより、制御構成の複雑化や装置コストの増大を抑制できる。
また、要求値Irを上記のように取得した基準放電値Idsまで増加させることで、要求値Irを負荷部7の駆動に必要な電流値と一致させられるため、外部充電設備5から負荷部7へ過不足なく電流を供給することが可能となる。したがって、バッテリ3から負荷部7への放電と、外部充電設備5からバッテリ3への過充電とを共に抑制できる。さらに、0に設定した要求値Irを基準放電値Idsまで段階的に増加させることで、要求値Irの綿密な調整が可能となり、要求値Irが基準放電値Idsを大きく超えることを防止できる。
よって、制御装置10によれば、コンタクタ8を閉じた状態でヒータ7Aを駆動する場合であっても、バッテリ3の放電及び過充電を抑制できる。したがって、例えば図2に示したように、バッテリ3の外部充電後の指定時刻txに車両1を始動させるときに、バッテリ3を許容温域まで温めつつも、バッテリ3の充電容量を適切に確保できる。
また、要求値Irを増加させるときに、要求値Irの増加に伴って減少する放電値Idを取得し、取得した放電値Idが0となるようにフィードバック制御を行なえば、要求値Irをより精度よく負荷部7の駆動に必要な電流値と一致させられる。よって、バッテリ3の放電を一層抑制できる。
なお、基準放電値Idsの取得時から要求値Irが基準放電値Idsに達するまでの間は、バッテリ3から負荷部7へ電流が流れる(Id>0となる)ため、バッテリ3の充電容量が僅かに減少する。これに対し、温調制御中に、負荷部7の駆動に必要な電流値(Ih+Ia)よりも要求値Irをあえて大きく(Ir>Ih+Iaに)設定すれば、外部充電設備5から供給される電流で負荷部7を駆動させつつバッテリ3を充電できる。このため、上記のように僅かに減少したバッテリ3の充電容量を、目標値(例えば満充電容量)まで再び増加させられる。したがって、バッテリ3の充電容量をより適切に確保できる。
[5.変形例]
取得部12は、少なくとも基準放電値Idsを取得すればよく、要求値Irの増加中に放電値Idを随時取得する処理が省略されてもよい。取得部12が放電値Idを随時取得しない場合には、制御部13が要求値Irを増加させるときに放電値Idをフィードバックする制御も省略される。したがって、制御構成を簡素化できる。
制御部13は、温調制御中に、要求値Irが負荷部7の駆動に必要な電流値を超えないように(すなわち、Ir≦Ih+Ia,0≦Idとなるように)要求値Irを制御してもよい。このような制御によれば、温調制御中に外部充電設備5からバッテリ3へ電流が流れることを防止できる。このため、バッテリ3の過充電をより確実に防止できる。
温調制御では、負荷部7において、少なくともヒータ7Aの電源がオンされればよく、補機7Bの電源はオフとされていてもよい。なお、負荷部7は少なくともヒータ7Aを含んでいればよく、補機7Bが省略されてもよい。
1 車両
2 電動モータ
3 バッテリ
4 インバータ
5 外部充電設備
6 車載充電器
7 負荷部
7A ヒータ
7B 補機
8 コンタクタ
9 電気回路
10 充電制御装置
11 設定部
12 取得部
13 制御部
Ia 補機7Bの駆動に必要な電流値
Id 放電値
Ids 基準放電値
Ih ヒータ7Aの駆動に必要な電流値
Ir 要求値

Claims (1)

  1. バッテリと前記バッテリの温調用のヒータを含む負荷部とが、外部充電設備から給電される車載充電器にコンタクタを介して並列接続された車両の充電制御装置であって、
    前記コンタクタが閉じた状態で前記ヒータを駆動して前記バッテリを温調する温調制御において、前記外部充電設備へ要求する電流の要求値を0に設定する設定部と、
    前記設定部により前記要求値が0に設定されている状態で、前記バッテリから前記負荷部へ流れる電流の放電値を取得する取得部と、
    前記要求値を0から前記取得部で取得された前記放電値まで段階的に増加させる制御部と、を含む
    ことを特徴とする、車両の充電制御装置。
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