JP5001444B1 - 車載用充電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】家屋等での充電中に、他の電気機器の使用が開始された際に、車載用充電器の入力電流を低減することにより、充電できなくなることを防ぐとともに、家屋等で他の電気機器の使用ができない状態を防ぐこと。
【解決手段】車載用充電装置１７０は、車両１６０の外部の電源１０１を用いて車両１６０に搭載された蓄電池１１５を充電する。充電器１１４は、蓄電池１１５を充電する。電圧測定部１１１は、充電器１１４における入力電流に対応する入力電圧を測定する。電流測定部１１２は、充電器１１４における入力電流Ｉｃを測定する。制御部１１３は、充電器１１４の入力電流Ｉｃを複数の値に変化させ、それぞれ変化させた際の入力電流Ｉｃと測定した入力電圧Ｖｃとの対応関係に従って、入力電圧Ｖｃが変化した際に入力電流Ｉｃを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自宅の電源を用いて電気自動車等の車両の動力源である蓄電池を充電する車載用充電装置に関する。
近年、電気自動車等の車両に搭載されている蓄電池を、家屋（自宅）の電源を用いて充電することが行われている。家屋の電源は、エアコン等の様々な電気機器にも電力を供給するので、使用する電気機器の数が増える等により、電源供給回路に流れる電流が過電流となる可能性がある。過電流となった場合には、電源供給回路が遮断されて電源から電気機器への電源の供給が停止して、全ての電気機器が一時的に使用できなくなる。
従来、家屋の電源供給回路に流れる電流が過電流になることを防ぐ方法として、受電電圧の低下に応じて電流量を抑制する電気機器システムが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の電気機器システムでは、電圧検出器で受電電圧の低下を検出した場合に、この低下に応じて電力変換器を制御してシステム全体の電流量を抑制する。
特開２００３−９２８２９号公報
しかしながら、特許文献１においては、使用中の他の電気機器の電流量を考慮せずに自身の電流量を抑制するので、システム全体で使用する電流が過電流となる場合には、電源供給回路が遮断されて全ての電気機器が一時的に使用できなくなるという問題がある。
本発明の目的は、家屋等での充電中に、他の電気機器の使用が開始された際に、車載用充電器の入力電流を低減することにより、充電できなくなることを防ぐことができるとともに、家屋等で他の電気機器の使用ができない状態を防ぐことができる車載用充電装置を提供することである。
本発明は、電気機器が接続され車両の外部にある電源を用いて、前記車両に搭載された蓄電池を充電する前記車両に搭載された車載用充電装置であって、前記蓄電池を充電するための前記電源から流入する入力電流値が可変である充電器と、前記充電器の入力電流値と前記充電器の前記電源側の入力電圧値とを測定する測定部と、前記充電器の入力電流値を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記充電器の入力電流値を複数の値に変化させ、それぞれ変化させた際の前記測定部により測定された入力電流値と、この入力電流値に対応する入力電圧値との対応関係を算出し、前記蓄電池の充電中に前記測定部が測定した入力電流値が変わらずに入力電圧値が変化した場合、前記対応関係に基づき変化前の入力電圧値になるように前記充電器の入力電流値を一段階で制御するものである。
本発明によれば、家屋等での充電中に、他の電気機器の使用が開始された際に、車載用充電器の入力電流を低減することにより、充電できなくなることを防ぐことができるとともに、家屋等で他の電気機器の使用ができない状態を防ぐことができる。
本発明の実施の形態における充電システムの構成を示す図 本発明の実施の形態における入力電圧と入力電流との関係を一次近似直線として求める方法における時間と入力電流との関係を示す図 本発明の実施の形態における一次近似直線を求める方法を示すフロー図 本発明の実施の形態における求めた一次近似直線における入力電圧と入力電流との関係を示す図 本発明の実施の形態における充電開始後における充電器の入力電流の制御方法を示すフロー図 本発明の実施の形態における充電開始後における充電器の入力電流を低下させる制御を示す図 本発明の実施の形態における充電開始後における充電器の入力電流を上昇させる制御を示す図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態）
＜充電システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る充電システム１００の構成を示す図である。
家屋１５０は、例えば車両１６０の所有者の自宅である。家屋１５０には、車両１６０の車載用充電装置１７０と接続するソケット１０５が備えられている。家屋１５０は、電源１０１より電源電流を供給する電源供給回路１８０を有する。家屋１５０には、電源供給回路１８０に過電流が流れた場合に、電源供給回路１８０を遮断するブレーカ盤１０６が備えられている。
車両１６０は、家屋１５０の宅内に供給される、例えば発電所から供給される電源１０１を用いて、ソケット１０５に接続された車載用充電装置１７０により、車両１６０に搭載している蓄電池１１５を充電する。車両１６０は、蓄電池１１５を駆動源として走行する電気自動車等である。
車載用充電装置１７０は、車両１６０に搭載されている蓄電池１１５を充電する。なお、車載用充電装置１７０の構成の詳細については、後述する。
電源供給回路１８０は、電源１０１と、電源１０１の出力インピーダンス１０２と、電源１０１と充電器１１４とを接続する配線のインピーダンス１０４と、から構成される。電源供給回路１８０は、電気機器１０３または車載用充電装置１７０に電源１０１より電源を供給するための回路である。
＜車載用充電装置の構成＞
車載用充電装置１７０は、電圧測定部１１１と、電流測定部１１２と、制御部１１３と、充電器１１４とを有する。
電圧測定部１１１は、充電器１１４の入力電圧を測定し、電圧測定値を制御部１１３へ出力する。
電流測定部１１２は、充電器１１４の入力電圧に対する充電器１１４の入力電流を測定し、電流測定値を制御部１１３へ出力する。
制御部１１３は、電圧測定部１１１から入力した複数の電圧測定値と、電流測定部１１２から入力した前記複数の電圧測定値に対応する複数の電流測定値との各々の関係を一次近似直線として求め、求めた値をテーブルとして記憶する。制御部１１３は、求めた一次近似直線のテーブルに従って充電器１１４の入力電流を制御する。なお、一次近似直線を求める方法、及び充電時における入力電流の制御方法については、後述する。
充電器１１４は、電源１０１を用いて、制御部１１３により制御された入力電流で蓄電池１１５を充電する。
＜一次近似直線を求める方法＞
図２は、入力電圧と入力電流との関係を一次近似直線として求める方法における時間と入力電流との関係を示す図である。図３は、本実施の形態における一次近似直線を求める方法を示すフロー図である。図４は、求めた一次近似直線における入力電圧と入力電流との関係を示す図である。
制御部１１３は、例えば充電開始前において一次近似直線を求める。
制御部１１３は、所定の時間間隔で順次入力電流Ｉｃを変化させ、そのタイミング毎に入力電圧Ｖｃの測定値を取得する。例えば、制御部１１３は、図２に示すように、入力電流Ｉｃを「０」、「１／４Ｉｃｍａｘ」、「２／４Ｉｃｍａｘ」、「３／４Ｉｃｍａｘ」、「Ｉｃｍａｘ」の順に順次変化させ、各々の入力電圧Ｖｃの測定値を取得する。そして、取得した入力電流Ｉｃと入力電圧Ｖｃとを対応させて、テーブルとして記憶する。
具体的には、図３より、まず、電圧測定部１１１は、入力電流Ｉｃ＝０に対応する入力電圧Ｖｃを測定する（ステップＳＴ３０１）。
次に、電圧測定部１１１は、入力電流Ｉｃ＝１／４Ｉｃｍａｘに対応する入力電圧Ｖｃを測定する（ステップＳＴ３０２）。
次に、電圧測定部１１１は、入力電流Ｉｃ＝２／４Ｉｃｍａｘに対応する入力電圧Ｖｃを測定する（ステップＳＴ３０３）。
次に、電圧測定部１１１は、入力電流Ｉｃ＝３／４Ｉｃｍａｘに対応する入力電圧Ｖｃを測定する（ステップＳＴ３０４）。
次に、電圧測定部１１１は、入力電流Ｉｃ＝Ｉｃｍａｘに対応する入力電圧Ｖｃを測定する（ステップＳＴ３０５）。
次に、制御部１１３は、ステップＳＴ３０１〜ステップＳＴ３０４の入力電流Ｉｃ及び入力電圧Ｖｃを各々取得し、取得した入力電流Ｉｃと入力電圧Ｖｃとの関係を、最小２乗法を用いて一次近似直線として求める（ステップＳＴ３０６）。
次に、制御部１１３は、一次近似直線を求める際に用いた最小２乗法の誤差が一定値以下であるか否かを判定する（ステップＳＴ３０７）。
最小２乗法の誤差が閾値以下である場合には（ステップＳＴ３０７：ＹＥＳ）、制御部１１３は、ステップＳＴ３０６において求めた一次近似直線を確定し（ステップＳＴ３０８）、処理を終了する。
一方、最小２乗法の誤差が閾値より大きい場合には（ステップＳＴ３０７：ＮＯ）、制御部１１３は、ステップＳＴ３０１〜ステップＳＴ３０６の処理を繰り返す。
上記の方法により、制御部１１３は、変化させた各入力電流Ｉｃの値と、各入力電流Ｉｃに対する各入力電圧Ｖｃの測定値との関係を、図４に示す一次近似直線＃３０１として求める。なお、一次近似直線＃３０１を求める方法は、最小２乗法に限らず、最小２乗法以外の方法を用いることができる。
一次近似直線＃３０１の傾きは、電源１０１の出力インピーダンスＺＰと、電源１０１と充電器１１４との間の配線のインピーダンスＺＬとを合成した合成インピーダンスＺｓ（Ｚｓ＝ＺＰ＋ＺＬ）になる。
＜充電時における充電器の入力電流の制御方法＞
車載用充電装置１７０の充電中に、家屋１５０側の電気機器１０３の電力使用量が増加し、充電器１１４への入力電圧が低下した場合の制御は、以下のように行われる。
図５は、充電開始後における充電器１１４の入力電流の制御方法を示すフロー図である。図６は、充電開始後における充電器１１４の入力電流を低下させる制御を示す図である。図７は、充電開始後における充電器１１４の入力電流を上昇させる制御を示す図である。
図６において、Ｖｃ１は低下前の入力電圧であり、Ｖｃ２は低下後の入力電圧であり、Ｉｃ１は低下前の入力電流であり、Ｉｃ２は低下後の入力電流である。ΔＶｃｒは電気機器１０３に流れる負荷電流Ｉｄの増加による電圧低下である。ΔＩｃｒは制御部１１３の制御により低下される電流である。Ｖｋｒは一次近似直線＃３０１と縦軸との交点における入力電圧Ｖｃの値である。
図７において、Ｖｃ３は上昇前の入力電圧であり、Ｖｃ４は上昇後の入力電圧であり、Ｉｃ３は上昇後の入力電流であり、Ｉｃ４は上昇前の入力電流である。ΔＶｃｓは電気機器１０３に流れる負荷電流Ｉｄの減少による電圧上昇である。ΔＩｃｓは制御部１１３の制御により上昇される電流である。Ｖｋｓは一次近似直線＃３０１と縦軸との交点における入力電圧Ｖｃの値である。
制御部１１３は、充電開始後において、予め求めておいた一次近似直線＃３０１を用いて、充電器１１４の入力電流を制御する。
まず、制御部１１３は、電圧測定部１１１から入力電圧Ｖｃの測定値を取得するとともに、電流測定部１１２から入力電流Ｉｃの測定値を取得する（ステップＳＴ５０１）。
次に、制御部１１３は、充電が必要であるか否かを判定する（ステップＳＴ５０２）。例えば、制御部１１３は、蓄電池１１５が満充電の状態である場合には充電が不要と判定し、蓄電池１１５が満充電の状態ではない場合には充電が必要と判定する。
充電が不要であると判定した場合には（ステップＳＴ５０２：ＮＯ）、制御部１１３は、処理を終了する。
一方、充電が必要であると判定した場合には（ステップＳＴ５０２：ＹＥＳ）、制御部１１３は、取得した入力電圧の測定値及び入力電流の測定値が一次近似直線＃３０１上にあるか否かを判定する（ステップＳＴ５０３）。
入力電圧が安定しており、一次近似直線＃３０１上にある場合には（ステップＳＴ５０３：ＹＥＳ）、充電器１１４の入力電流を調整しなくても電源供給回路１８０に流れる電流が過電流にならないので、制御部１１３は、ステップＳＴ５０２の処理に戻る。
一方、一次近似直線＃３０１上にない場合には（ステップＳＴ５０３：ＮＯ）、制御部１１３は、入力電圧Ｖｃが低下しているか否かを判定する（ステップＳＴ５０４）。
入力電圧Ｖｃが低下している場合には（ステップＳＴ５０４：ＹＥＳ）、制御部１１３は、一次近似直線＃３０１に従って、入力電流Ｉｃを低減するように充電器１１４を制御する（ステップＳＴ５０５）。
具体的には、図６より、入力電圧ＶｃがＶｃ１からＶｃ２に低下した際に、入力電流Ｉｃが一定であるとした場合において、一次近似直線＃３０１と同一の傾きでかつ低下後の入力電圧Ｖｃ２を通る制御用直線＃６０１を求める。制御部１１３は、求めた制御用直線＃６０１において低下前の入力電圧Ｖｃ１と略同一の入力電圧になるように、入力電流をＩｃ１から低下するように充電器１１４を制御する。ここで、入力電圧Ｖｃ１と略同一の入力電圧Ｖｃの範囲は、入力電圧Ｖｃ１以上、かつ入力電圧Ｖｃ１よりも所定量α（ただしα＞０）だけ大きい値以下（Ｖｃ１≦Ｖｃ≦（Ｖｃ１＋α））である。すなわち、低下前の入力電圧Ｖｃ１から所定量αだけ高い電圧となるような入力電流となるまで、入力電流をＩｃ１から低下させることを含む概念である。
一方、入力電圧Ｖｃが低下していない場合には（ステップＳＴ５０４：ＮＯ）、制御部１１３は、入力電流Ｉｃを増加するように充電器１１４を制御する（ステップＳＴ５０６）。
具体的には、図７より、入力電圧ＶｃがＶｃ３からＶｃ４に上昇した際に、入力電流Ｉｃが一定であるとした場合において、一次近似直線＃３０１と同一の傾きでかつ上昇後の入力電圧Ｖｃ４を通る制御用直線＃７０１を求める。制御部１１３は、求めた制御用直線＃７０１において上昇前の入力電圧Ｖｃ３と略同一の入力電圧になるように、入力電流をＩｃ４から上昇するように充電器１１４を制御する。ただし、制御部１１３は、この際、最大許容電流値Ｉｃｍａｘ以上にならないように制御を行う。ここで、入力電圧Ｖｃ３と略同一の入力電圧Ｖｃの範囲は、入力電圧Ｖｃ３以下、かつ入力電圧Ｖｃ３よりも所定量β（ただしβ＞０）だけ小さい値以上（Ｖｃ３≧Ｖｃ≧（Ｖｃ３−β））である。すなわち、上昇前の入力電圧Ｖｃ３から所定量βだけ低い電圧となるような入力電流となるまで、入力電流をＩｃ４から上昇させることを含む概念である。
なお、図５において、充電が必要であるか否かを判定するステップＳＴ５０２の処理を行い、充電が必要であると判定した後に、電圧測定部１１１から入力電圧Ｖｃの測定値を取得するとともに、電流測定部１１２から入力電流Ｉｃの測定値を取得するステップＳＴ５０１の処理を行うようにしてもよい。
＜入力電流Ｉｃ１を入力電流Ｉｃ２まで低下させる制御の具体例＞
電気機器１０３が停止している状態において、車載用充電装置１７０が電源１０１を用いて蓄電池１１５の充電を開始した後に、電気機器１０３が電源１０１から電源の供給を受けて動作を開始する場合を例に、図５を用いて説明する。
電気機器１０３の動作の開始による電圧低下ΔＶｃは、（１）式により求めることができる。
ΔＶｃ＝−ＺＰ＊ΔＩｄ （１）
ただし、Ｉｄは、電気機器１０３に流れる電流
ＺＰは、電源１０１の出力インピーダンス
制御部１１３は、入力電流Ｉｃを低下させて、（１）式より求められる電圧低下ΔＶｃによる影響を補償する。
ここで、入力電圧Ｖｃは、（２）式により求めることができる。
Ｖｃ＝Ｖｐ−ＺＰ（Ｉｃ＋Ｉｄ）−ＺＬ＊Ｉｃ （２）
ただし、Ｖｐは、電源１０１の電圧
Ｉｃは、ブレーカ盤１０６のＡ点（図１参照）から充電器１１４に流れる電流
Ｉｄは、電気機器１０３に流れる電流
ＺＰは、電源１０１の出力インピーダンス
ＺＬは、電源１０１と充電器１１４との間の配線のインピーダンス
（２）式を変形することにより、入力電圧Ｖｃは、（３）式になる。
Ｖｃ＝（Ｖｐ−ＺＰ＊Ｉｄ）−ＺＳ＊Ｉｃ （３）
ただし、Ｚｓは、ＺＰとＺＬとの合成インピーダンス
入力電流Ｉｃ＝０の場合のブレーカ盤１０６の出力電圧Ｖｋは、（４）式により求めることができる。
Ｖｋ＝Ｖｐ−ＺＰ＊Ｉｄ （４）
ただし、Ｖｐは、電源１０１の電圧
Ｉｄは、電気機器１０３に流れる電流
ＺＰは、電源１０１の出力インピーダンス
（４）式を（３）式に代入して（５）式が得られる。
Ｖｃ＝Ｖｋ−Ｚｓ＊Ｉｃ （５）
（５）式より、低下前の入力電圧Ｖｃ１及び低下後の入力電圧Ｖｃ２は、各々（６）式及び（７）式になる。
Ｖｃ１＝Ｖｋ−ＺＳ＊Ｉｃ１ （６）
Ｖｃ２＝Ｖｋ−ＺＳ＊Ｉｃ２ （７）
電圧低下ΔＶｃ＝Ｖｃ２−Ｖｃ１なので、（７）式から（６）式を減算することにより、電圧低下ΔＶｃは（８）式のようになる。
ΔＶｃ＝−ＺＳ＊ΔＩｃ （８）
（８）式を変形することにより（９）式を得ることができる。
ΔＩｃ＝−ΔＶｃ／ＺＳ （９）
従って、電圧低下ΔＶｃによる影響を補償する入力電流Ｉｃの低下量ΔＩｃは、（９）式により求めることができる。
ここで、（１）式を（９）式に代入することにより（１０）式が得られる。
ΔＩｄ＝−（ＺＳ／ＺＰ）＊ΔＩｃ （１０）
（１０）式より、（ＺＳ／ＺＰ）≧１なのでΔＩｃ≦ΔＩｄとなり、ΔＩｄの上昇に応じてΔＩｃの低下量を大きくすることができ、また、ΔＩｄの低下に応じてΔＩｃの上昇量を大きくすることができる。
＜本実施の形態の効果＞
このように、本実施の形態では、充電開始前において充電器の入力電圧と入力電流との関係を一次近似直線として求め、充電開始後において一次近似直線に従って充電器の入力電流を制御する。これにより、本実施の形態によれば、充電開始後に他の電気機器の使用が開始された際に、充電できなくなることを防ぐことができるとともに、一時的に他の電気機器の使用ができない状態を防ぐことができる。
また、本実施の形態によれば、充電中に他の電気機器の使用開始により入力電圧の低下が生じた際に、入力電圧の低下に応じて入力電流を低減させ、充電中に他の電気機器の使用停止により入力電圧の上昇が生じた際に、入力電圧の上昇に応じて入力電流を上昇させるので、充電に使用できる最大入力電流で充電することができる。
また、本実施の形態では、一次近似直線を求める際に用いた最小２乗法の誤差が大きい場合には再度一次近似直線を求め直す。これにより、本実施の形態によれば、一次近似直線を求める最中に他の電気機器が動作を開始または動作を停止して入力電圧が変化することに伴って、不正確な一次近似直線を求めることを回避することができる。
＜本実施の形態の変形例＞
なお、上記の実施の形態において、充電器１１４の入力電流を一段階で低下または上昇させる制御を行ったが、本発明はこれに限らず、複数段階に分けて低下または上昇させるように制御してもよい。
また、上記の実施の形態において、充電開始前に一次近似直線を求め、充電開始後に一次近似直線に従って充電器の入力電流を制御したが、本発明はこれに限らず、充電開始後の所定のタイミングで一次近似直線を求めるようにしてもよい。
本発明にかかる車載用充電装置は、例えば自宅の電源を用いて電気自動車等の車両の動力源である蓄電池を充電するのに好適である。
１００ 充電システム
１０１ 電源
１０２ 出力インピーダンス
１０３ 電気機器
１０４ インピーダンス
１０５ ソケット
１０６ ブレーカ盤
１１１ 電圧測定部
１１２ 電流測定部
１１３ 制御部
１１４ 充電器
１１５ 蓄電池
１５０ 家屋
１６０ 車両
１７０ 車載用充電装置
１８０ 電源供給回路

Claims (5)

  1. 電気機器が接続され車両の外部にある電源を用いて、前記車両に搭載された蓄電池を充電する前記車両に搭載された車載用充電装置であって、
    前記蓄電池を充電するための前記電源から流入する入力電流値が可変である充電器と、
    前記充電器の入力電流値と前記充電器の前記電源側の入力電圧値とを測定する測定部と、
    前記充電器の入力電流値を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記充電器の入力電流値を複数の値に変化させ、それぞれ変化させた際の前記測定部により測定された入力電流値と、この入力電流値に対応する入力電圧値との対応関係を算出し、
    前記蓄電池の充電中に前記測定部が測定した入力電流値が変わらずに入力電圧値が変化した場合、前記対応関係に基づき変化前の入力電圧値になるように前記充電器の入力電流値を一段階で制御する、
    車載用充電装置。
  2. 前記制御部は、前記測定部により測定された入力電流値と入力電圧値との対応関係を一次近似直線として算出し、前記蓄電池の充電中に前記測定部が測定した入力電流値が変わらずに入力電圧値が変化した場合、前記一次近似直線と同じ傾きを持ち、前記測定部が測定した入力電流値と変化後の入力電圧値を通る制御用直線を求め、前記制御用直線上で変化前の入力電圧値になるように一段階で前記充電器の入力電流値を制御する、
    請求項１記載の車載用充電装置。
  3. 前記制御部は、前記蓄電池の充電中に前記測定部が測定した入力電流値が変わらずに入力電圧値が低下した場合、前記一次近似直線と同じ傾きを持ち、前記測定部が測定した入力電流値と低下後の入力電圧値を通る制御用直線を求め、前記制御用直線上で低下前の入力電圧値になるように一段階で前記充電器の入力電流値を低減させる制御を行い、
    前記蓄電池の充電中に前記測定部が測定した入力電流値が変わらずに入力電圧値が上昇した場合、前記一次近似直線と同じ傾きを持ち、前記測定部が測定した入力電流値と上昇後の入力電圧値を通る制御用直線を求め、前記制御用直線上で上昇前の入力電圧値になるように一段階で前記充電器の入力電流値を増加させる制御を行う、
    請求項２記載の車載用充電装置。
  4. 前記制御部は、最小２乗法により前記一次近似直線を求める請求項２記載の車載用充電装置。
  5. 前記制御部は、前記最小２乗法の誤差が閾値より大きい場合には、前記測定部により新たに測定した入力電流値と入力電圧値との対応関係を前記一次近似直線として再び求める請求項４記載の車載用充電装置。
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