JP5912758B2 - 電動車両の充電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両の充電制御装置に関し、特に、電動車両の外部から電動車両内の蓄電池（バッテリ）を充電するための充電器に汎用性を持たせるのに好適な電動車両の充電制御装置に関する。

電動車両に搭載されるバッテリを電動車両外から充電するための充電器が知られる。特許文献１には、ＡＣプラグに接続される力率改善回路としてのＰＦＣ回路と、ＰＦＣ回路の出力側に接続されるコンバータと、コンバータの出力を制御するスイッチング手段としてのＦＥＴとを含む充電電力発生部を有する充電器を電動車両に接続するための充電カプラが提案されている。

特開２０１１−１３９５７２号公報

特許文献１に記載されている充電器は、車載バッテリの性能に合わせて充電電圧や充電電流を調整する機能を有しており、バッテリの性能に合わせて充電器は専用としている。したがって、充電電圧や性能の違いで充電器が専用化するのを防止して汎用性を持たせたいという課題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に対して、充電器の汎用化を可能にして車両と充電器間の接続を簡略化することができる電動車両の充電制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、車両用駆動源であるモータ（１８）の駆動制御および車載されるバッテリ（４）の充電制御を行うＰＤＵ（４５）を含む電力供給装置（１１）と、車外に設けられて充電カプラ（１３）によって前記電力供給装置（１１）に接続される充電器（１０）とからなる電動車両の充電制御装置において、前記充電器（１０）は、前記電力供給装置（１１）との接続判定のため、電流制限がなされた識別電圧を前記充電カプラ（１３）に印加する識別電圧印加手段と、前記識別電圧が予定電圧以下に降下したことを検出して充電電圧の出力を開始する接続検出手段（５５）とを含む制御部（１０３）を備え、車体側には、前記充電器（１０）から入力される電圧を前記バッテリの充電に適した電圧に降圧する充電電圧発生コンバータ（１１１）と、前記充電電圧発生コンバータ（１１１）の出力電圧を前記ＰＤＵ（４５）の駆動電圧に降圧する制御電圧発生コンバータ（１１２）と、前記ＰＤＵ（４５）からの指令によって前記充電電圧発生コンバータ（１１１）の出力を前記バッテリ（４）に接続するコンタクタ（８）とを備えている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記充電器（１０）は、最大出力電流未満では定電圧制御され、最大出力電流以上では出力電圧が降下する垂下特性を有する出力回路（１０２）を備えている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記ＰＤＵ（４５）は、前記充電器（１０）からの出力電圧を監視する電圧監視手段と、前記充電電圧発生コンバータ（１１１）の充電電流を制御する電流制御手段とを備え、前記電流制御手段が、前記出力電圧が定電圧を維持するように充電電流を制御するように構成される点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記ＰＤＵ（４５）は、前記充電器（１０）からの出力電圧を監視する電圧監視手段を備え、前記出力電圧が予め設定した充電許容電圧範囲にない場合はバッテリ（４）の充電を禁止する点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記ＰＤＵ（４５）は、前記充電器（１０）からの出力電圧を監視する電圧監視手段を備え、前記出力電圧が予め設定した充電許容電圧範囲にない場合は前記コンタクタ（８）をオフにしてバッテリ（４）の充電を禁止する点に第５の特徴がある。

また、本発明は、前記ＰＤＵ（４５）は、前記バッテリ（４）の満充電を検出する手段を備え、満充電が検出されたときに前記コンタクタ（８）をオフにするとともに、充電停止信号を出力して前記充電器（１０）側に通知する点に第６の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、車外に設けられる充電器を車体側と接続したときの電圧低下に基づいて車体側に対する充電器の接続が検出されて充電電圧の印加を開始でき、車体側の充電電圧発生コンバータは印加された電圧をバッテリの充電用に適した所定電圧に変換して出力するだけでよいので、充電器自体は、車両側専用のバッテリの充電電圧にかかわりなく、バッテリの充電電圧に幅広く対応できるという汎用性を有する。

第２、３の特徴を有する本発明によれば、充電電圧発生コンバータは、供給電圧が低下するまで電流を増大していき、供給電圧が低下し始めれば電流を低減するという簡単な構成によって、充電器の汎用性を確保することができる。

第４、第５の特徴を有する本発明によれば、充電器からの出力電圧がバッテリの充電許容電圧範囲から外れた場合には、充電を禁止し、具体的にはコンタクタの駆動が禁止されて充電が行われないので、バッテリは保護される。

第６の特徴を有する本発明によれば、充電停止タイミングを満充電か否かによって判断することができる。

本発明の一実施形態に係る充電制御装置を搭載した電動車両の側面図である。 本発明の一実施形態に係る充電制御装置の構成を示すブロック図である。 充電制御装置の動作を示すフローチャートである。 ＰＤＵの動作を示すフローチャートである。 充電器に設けられる制御部の機能を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る充電制御装置を備えた電動車両の左側面図である。電動車両１は低床フロアを有するスクータ型二輪車である。車体フレーム３は、ヘッドパイプ３１と、ヘッドパイプ３１に先端が接合されて後端が下方に延びている前フレーム部分３２と、前フレーム部分３２から車体幅方向左右にそれぞれ分岐して車体後方寄りに延びている一対のメインフレーム部分３３と、メインフレーム部分３３から車体上後方に延びているリヤフレーム部分３６とからなる。

ヘッドパイプ３１には、前輪WFを支持するフロントフォーク２が操舵自在に支持される。フロントフォーク２から上部に延長されてヘッドパイプ３１で支持されるステアリング軸４１の上部には、アクセルグリップを有するステアリングハンドル４６が連結される。 ヘッドパイプ３１の前部にはブラケット３７が結合され、このブラケット３７の前端部には、ヘッドライト２５が取り付けられ、ヘッドライト２５の上方にはブラケット３７で支持されるフロントキャリア２６が設けられる。

メインフレーム部分３３とリヤフレーム部分３６との中間領域に車体後方に向けて延在するブラケット３４が接合されており、ブラケット３４には車体幅方向に延在しているピボット軸３５が設けられる。ピボット軸３５は、車両駆動源としてのモータ１８および後輪車軸１９を備えるスイングアーム１７を上下揺動自在に支持する。モータ１８の出力は後輪車軸１９に伝達され、後輪車軸１９に支持された後輪WRを駆動する。後輪車軸１９を支持するハウジングの後端とリヤフレーム部分３６とは、リヤサスペンション２０によって連結される。

ブラケット３４には、停車中に車体を支持するサイドスタンド２４が設けられ、サイドスタンド２４は、サイドスタンド２４が所定位置に格納されているときに検出信号を出力するサイドスタンドスイッチ２８を有する。

メインフレーム部分３３には、複数のバッテリセルからなる高電圧（例えば７２ボルト定格）のメインバッテリ４が搭載され、メインバッテリ４の上部はカバー４０で覆われる。メインバッテリ４の前部には、空気導入パイプ３８が連結され、メインバッテリ４の後部には吸気ファン３９が設けられる。吸気ファン３９によって空気導入パイプ３８からメインバッテリ４に空気が導入され、導入された空気はメインバッテリ４を冷却した後、車体後方に排出される。空気導入パイプ３８には、図示しないエアクリーナを通して空気が導入される。

リヤフレーム部分３６の上にはメインバッテリ４を充電する充電器（後述）から延びる充電ケーブル４２のプラグ４３を結合することができるソケット４４が設けられる。リヤフレーム部分３６には、リヤキャリヤ２９やテールライト２７が設けられる。

左右一対のリヤフレーム部分３６の間には荷室５０が設けられ、荷室５０から下部に突出している荷室底部５１には、メインバッテリ４で充電される低電圧（例えば、１２ボルト定格）のサブバッテリ５が収容される。スイングアーム１７には、モータ１８を制御するパワー・ドライブ・ユニット（ＰＤＵ)４５が設けられる。

荷室５０の上には、荷室５０の蓋を兼用する運転者シート２１が設けられ、運転者シート２１には、運転者が着座したときに作動して着座信号を出力するシートスイッチ２２が設けられる。

図２は、充電制御装置の構成を示すブロック図である。充電制御装置は、充電器１０と、電動車両１側の電力供給装置１１と、充電器１０および電力供給装置１１を互いに接続する充電カプラ１３とからなる。電力供給装置１１はＰＤＵ４５によってモータ１８に供給する電力を制御するとともに、バッテリ４を充電するための回路を有する。充電カプラ１３は、充電器１０側に接続されるプラグ４３と車両側のソケット４４とからなる。充電器１０と電力供給装置１１とは、カプラ１３を通じて、電力線ＰＬ１およびＰＬ２と信号線ＳＬ１とで接続される。

充電器１０は、整流器１０１と、力率改善回路としてのＰＦＣ回路１０２と、制御部１０３とを有する。整流器１０１は、フィルタ回路および整流回路を備え、ＡＣプラグ１５を通じて入力される商用交流電力系統からの電圧を直流に整流する。ＰＦＣ回路１０２は整流器１０１から入力される直流を昇圧して車両側の電力供給装置１１に供給する出力回路である。

マイクロコンピュータを備える制御部１０３はＰＦＣ回路１０２の出力電圧を常に監視し、設定電圧（例えば４００ボルト）を超えないように定電圧制御をする。制御部１０３には充電開始／停止スイッチ１０４が接続される。また、制御部１０３は、充電カプラ１０が接続されたことを示す接続検出信号に基づいて充電を開始したり、車両側から信号線ＳＬ１を通じて送信される充電停止信号に基づいて充電を停止したりする機能を有する。

電動車両１側の電力供給装置１１は、バッテリ管理ユニット（ＢＭＵ）７を有するメインバッテリ（以下、単に「バッテリ」という）４と、ＰＤＵ４５と、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１２とを有する。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１は、電力線ＰＬ１、ＰＬ２によって入力される電圧（ここでは、４００ボルトとする）をバッテリ４の充電電圧（７２ボルト）に降圧して出力する充電電圧発生コンバータである。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の出力側は、バッテリ４および第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１２に接続される。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１２は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１から出力される７２ボルトの直流をＰＤＵ４５等の制御電源用として使用できる低電圧（例えば、直流１２ボルト）に降圧する制御電圧発生コンバータである。

ＰＤＵ４５はマイクロコンピュータを備え、ＢＭＵ７との間で通信線ＣＬ１を介して通信（例えばＣＡＮ通信）をして、バッテリ４の充電状態（過充電情報等）や、これに応じたバッテリ４の制御情報を送受する。なお、ＰＤＵ４５と充電器１０の制御部１０３とは、信号線ＳＬ１で接続される。バッテリ４の直流出力電圧は、ＰＤＵ４５に設けられる図示しないインバータ回路を通じて３相交流電圧に変換され、車両駆動源であるモータ１８（図１参照）に入力される。バッテリ４に設けられるＢＭＵ７と第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１との間にはコンタクタ８が設けられる。ＰＤＵ４５はコンタクタ８のオン／オフ条件を判断し、ＢＭＵ７にオン／オフ信号を入力する。ＢＭＵ７はこのオン／オフ信号に応答してコンタクタ８を開閉する。ＰＤＵ４５とＢＭＵ７との間には通信線ＣＬ１とは別に補助電力線ＡＰＬを設けることができる。この補助電力線ＡＰＬを使ってバッテリ４からの電力をＢＭＵ７を経由してＰＤＵ４５に供給することができる。

充電制御装置の動作を図３のフローチャートを参照して説明する。図３は充電器１０および電力供給装置１１の動作を併せて示している。図３において、ステップＳ１では、ＡＣプラグ１５をＡＣコンセント（商用電力系統の出力部）に接続し、制御部１０３に接続される充電開始／停止スイッチ１０４をオンにして充電器１０を起動する。充電器１０を起動すると、充電器１０の制御部１０３は、充電カプラ１３のプラグ４３とソケット４４とが接続されたかどうかの検出（接続検出）を開始する。これにより充電器１０は待機モードになる。接続検出では、接続検出用に電流制限をかけた微弱な電圧（以下、「識別電圧」という）を充電器１０のＰＦＣ回路１０２から電力線ＰＬ１、ＰＬ２に出力し、制御部１０３はこの識別電圧が予め設定した接続検出閾値よりも低下したときに接続検出信号がローであると判断する。

ステップＳ２では接続検出信号がＬＯＷ（ロー）であるか否かを判断する。充電カプラ１３が接続されると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１内の内部負荷により電力線Ｌ１、Ｌ２間の電圧が降下して接続検出閾値以下に低下する。そこで、この電圧低下を検知して接続検出信号をＨＩＧＨ（ハイ）からローに変化させる。接続検出信号がローであったならばステップＳ３に進んで、制御部１０３からＰＦＣ回路１０２に出力開始指令が入力されて充電器１０は定格電圧の出力を開始する。ＰＦＣ回路１０２は定電圧制御され、最大能力以上の電流が流れると出力電圧は急激に低下する。

ステップＳ４では、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１が動作して出力が開始される。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１は充電器１０から給電された時点で自動的に起動し、ＰＦＣ回路１０２から入力される４００ボルトの直流電圧を７２ボルトの直流電圧に変換して出力する。ステップＳ５では、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１２が動作して出力が開始される。つまり、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１２は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１から入力される７２ボルトの直流電圧をＰＤＵ４５の制御電圧として適合する１２ボルトの直流電圧に変換して出力する。

ステップＳ６では、ＰＤＵ４５を起動する。ＰＤＵ４５は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１２から１２ボルトの制御電圧が入力されるとこの制御電圧によって起動される。

ステップＳ７では、ＰＤＵ４５が、ＢＭＵ７からバッテリの状態を読み出してバッテリ４の温度や電圧等が正常範囲であるか否かを判断する。バッテリ４の状態が正常範囲ならば、ステップＳ８に進み、ＰＤＵ４５はＭＢＵ７にコンタクタ８のオン信号を入力し、ＭＢＵ７はこれに応答してコンタクタ８をオンにする。コンタクタ８がオンになると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１からバッテリ４に充電電流が流れる。また、ＰＤＵ４５は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の入力電圧を監視する監視手段を有し、入力電圧が予定の上限値および下限値で規定される充電許容電圧範囲内にない場合は、コンタクタ８をオフにして充電を行わせないようにすることができる。

ステップＳ９では充電電流の制御が開始される。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１は充電電流を増大させていき、充電器１０の最大能力を超えると入力電圧が４００ボルトから降下するので、ＰＤＵ４５は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１の入力電圧が降下し始めたことによって充電器１０の最大出力を検出し、充電電流の増加を終了させる。充電電流の増加を停止させることで入力電圧が再び上昇し、充電電流の増加が再開される。この制御によってバッテリ４は最大の充電電流で充電される。

ステップＳ７が否定のときは、ステップＳ１０に進んで充電停止信号を送信する。ステップＳ１１では制御部１０３が充電停止信号を受信して充電器１０の出力を停止させる。充電器１０が出力を停止すると充電器１０は待機モードに移行する。

図４はＰＤＵ４５の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１０１では、充電電流指令値を初期値に設定する。ステップＳ１０２では、充電電流が電流指令値より小さいか否かを判断する。充電電流の方が充電電流指令値より小さい場合は、ステップＳ１０３に進んで第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１に電流の増加指令を出力する。ステップＳ１０４では、充電器１０の出力電圧が降下したか否かを判断する。

ステップＳ１０５では、充電を終了するか否かを判断する。これはバッテリ４の電圧に基づいて満充電を検出したときに肯定となる。ステップＳ１０５が肯定の判断ならば、ステップＳ１０６に進んで充電停止信号を信号線ＳＬ１に出力する。充電器１０の制御部１０３は、この充電停止信号に応答してＰＦＣ回路１０２の動作を停止させる。

図５は充電器１０と電力供給装置１１とが接続されたことを検出する接続検出部を含む充電制御装置の要部機能を示すブロック図である。図５において、ＰＦＣ回路１０２の出力端子には電流制限抵抗Ｒ１を介して識別電圧が印加されており、この出力端子に印加されている識別電圧が接続検出部５５によって監視される。カプラ１３が接続されると、電力供給装置１１内の第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１１１に電流が流れるので、識別電圧が降下する。接続検出部５５はこの電圧降下を検出して充電カプラ１３が接続されことを認識する。

車両側の電力供給装置１１において、信号線ＳＬ１はトランジスタＴｒを介して電力線ＰＬ１に接続されており、充電を終了する際には、ＰＤＵ４５がこのトランジスタＴｒをオンにする。制御部１０３の充電停止検出部５６は信号線ＳＬ１の電位を監視しており、ＰＤＵ４５から入力される充電停止信号によってトランジスタＴｒがオンになると信号線ＳＬ１の電圧が所定値に変化する。充電停止検出部５６は、信号線ＳＬ１のこの電圧変化を検出して充電停止信号の入力を認識し、ＰＦＣ回路１０２からの出力を停止させる。

このように、本実施形態における充電制御装置によれば、充電器１０は充電カプラ１３に印加した識別電圧の降下に基づいて充電カプラ１３のプラグ４３とソケット４４の接続の有無を検出して充電を開始できる。また、充電器１０のＰＦＣ回路１０２はその出力限界までは定電圧を出力するので、ＰＤＵ４５は充電器１０からの出力電圧が降下するまでは充電電流を増加させることができる。したがって、充電器１０は最大出力でバッテリ４に充電電流を供給することができる。

１…電動車両、 ３…車体フレーム、 ４…メインバッテリ（バッテリ）、 ７…ＢＭＵ、 ８…コンタクタ、 １０…充電器、 １１…電力供給装置、 １３…充電カプラ、 １８…モータ、 ４３…プラグ、 ４４…ソケット、 ４５…ＰＤＵ、 ５５…接続検出部、 ５６…充電停止検出部、 １０２…ＰＦＣ回路、 １０３…制御部、 １１１…第１のＤＣ／ＤＣコンバータ（充電電圧発生コンバータ）、 １１２…第２のＤＣ／ＤＣコンバータ（制御電圧発生コンバータ）

Claims (6)

1. 車両用駆動源であるモータ（１８）の駆動制御および車載されるバッテリ（４）の充電制御を行うＰＤＵ（４５）を含む電力供給装置（１１）と、車外に設けられて充電カプラ（１３）によって前記電力供給装置（１１）に接続される充電器（１０）とからなる電動車両の充電制御装置において、
   前記充電器（１０）は、前記電力供給装置（１１）との接続判定のため、電流制限がなされた識別電圧を前記充電カプラ（１３）に印加する識別電圧印加手段と、前記識別電圧が予定電圧以下に降下したことを検出して充電電圧の出力を開始する接続検出手段（５５）とを含む制御部（１０３）を備え、
   車体側には、
   前記充電器（１０）から入力される電圧を前記バッテリの充電に適した電圧に降圧する充電電圧発生コンバータ（１１１）と、
   前記充電電圧発生コンバータ（１１１）の出力電圧を前記ＰＤＵ（４５）の駆動電圧に降圧する制御電圧発生コンバータ（１１２）と、
   前記ＰＤＵ（４５）からの指令によって前記充電電圧発生コンバータ（１１１）の出力を前記バッテリ（４）に接続するコンタクタ（８）とを備えていることを特徴とする電動車両の充電制御装置。
2. 前記充電器（１０）は、最大出力電流未満では定電圧制御され、最大出力電流以上では出力電圧が降下する垂下特性を有する出力回路（１０２）を備えていることを特徴とする請求項１記載の電動車両の充電制御装置。
3. 前記ＰＤＵ（４５）は、前記充電器（１０）からの出力電圧を監視する電圧監視手段と、前記充電電圧発生コンバータ（１１１）の充電電流を制御する電流制御手段とを備え、
   前記電流制御手段が、前記出力電圧が定電圧を維持するように充電電流を制御するように構成されることを特徴とする請求項２記載の電動車両の充電制御装置。
4. 前記ＰＤＵ（４５）は、前記充電器（１０）からの出力電圧を監視する電圧監視手段を備え、
   前記出力電圧が予め設定した充電許容電圧範囲にない場合はバッテリ（４）の充電を禁止することを特徴とする請求項１記載の電動車両の充電制御装置。
5. 前記ＰＤＵ（４５）は、前記充電器（１０）からの出力電圧を監視する電圧監視手段を備え、
   前記出力電圧が予め設定した充電許容電圧範囲にない場合は前記コンタクタ（８）をオフにしてバッテリ（４）の充電を禁止することを特徴とする請求項４記載の電動車両の充電制御装置。
6. 前記ＰＤＵ（４５）は、前記バッテリ（４）の満充電を検出する手段を備え、予め設定される充電許容電圧範囲の上限値を超えたときに前記コンタクタ（８）をオフにするとともに、充電停止信号を出力して前記充電器（１０）側に通知することを特徴とする請求項４記載の電動車両の充電制御装置。