JP6229539B2 - 車両のバッテリ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車載バッテリの冷態時における外部充電を制御する車両のバッテリ制御装置に関する。
従来、電気自動車やハイブリッド自動車といった電動車両に搭載される車両駆動用のバッテリを、車両外部の電源で充電する技術が知られている。すなわち、家庭用電源を利用して電動車両のバッテリを充電するものである。このような電動車両では、充電ケーブルを用いて車載充電器と外部電源のコンセントとを接続することで、手軽にバッテリを充電することができる。
バッテリの性能は、使用環境の温度に応じて変動する。例えば、バッテリ温度が低温であるときにバッテリから取り出すことのできる電力は、常温のときよりも減少する。充電特性に関しても同様であり、バッテリ温度が低温であれば充電電流を大きくすることができない場合もある。そこで、バッテリに温度センサ，電気ヒータ，空調装置等を設けて、バッテリ温度が所定範囲内となるように制御しながら充電する技術が提案されている。
例えば、車両の冷寒始動時にバッテリ温度を検出し、そのバッテリ温度が所定温度よりも低い場合にバッテリの暖機を行い、バッテリ温度を上昇させてから充電を行うことが提案されている。バッテリの暖機手法としては、電気ヒータを作動させ、あるいはバッテリの充放電に伴って発生する熱を利用して、バッテリをその内部から昇温させることが考えられる（特許文献１参照）。
特開2000-040536号公報
しかしながら、例えばバッテリが氷点下を大幅に下回る極低温の状態では、上述の通り、バッテリの充放電特性が大きく低下する。そのため、バッテリの充放電に伴うジュール熱を利用してバッテリを昇温させる手法は、昇温時間が長引きやすいという課題がある。また、極低温環境下で充電を行うことでバッテリの劣化が進行しやすく、電池寿命が短縮するおそれが生じる。
一方、低温のバッテリを外部電源から電気的に切断し、電気ヒータのみを用いてバッテリを昇温させれば、このようなバッテリの劣化は防止される。しかしこの場合、外部電源から供給される電力（外部電力）の給電回路上からバッテリが切り離されることになるため、バッテリのバッファ効果（電圧変動の抑制効果）を利用することができなくなる。つまり、外部電力を直流低電圧の電力に変換するためのコンバータ，インバータ類が、外部電源の電圧変動の影響を直接的に被ることになり、動作不良を招くおそれがある。
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたものであり、バッテリ及びその充電回路上に設けられる接続機器の保護性を向上させる、車両のバッテリ制御装置を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
（１）ここで開示する車両のバッテリ制御装置は、車載のバッテリを外部電源から供給される電力で充電する充電器（例えばＯＢＣ，On Board Charger）と、前記バッテリを昇温させる加熱器（例えば電気ヒータ）と、バッテリ電力を降圧して前記加熱器に供給する降圧器（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ）とを具備する。本バッテリ制御装置は、前記バッテリを前記充電器で充電する前に前記降圧器を駆動し、前記バッテリ電力を前記加熱器に供給する降圧器制御部を備える。また、前記降圧器の作動後に前記充電器を駆動し、前記加熱器に供給される電力を前記バッテリ電力から前記外部電源の電力へと徐々に変化させる充電器制御部を備える。
（２）前記降圧器制御部は、バッテリ温度が所定温度未満のときに、前記降圧器を駆動して前記バッテリ電力を前記加熱器に供給することが好ましい。
すなわち、前記バッテリが低温であるときに前記外部電源を用いて前記バッテリを充電する際には、その充電前に前記降圧器を駆動し、引き続き前記充電器を駆動することが好ましい。その後、前記バッテリが暖まったら、前記外部電源から供給される電力で前記バッテリを充電することが好ましい。
（３）前記充電器制御部が、前記バッテリの放電状態を維持しつつ前記外部電源から供給される電力で前記加熱器を作動させることが好ましい。
例えば、前記バッテリの放電電流が正の所定値以上となるように、前記充電器の出力電流及び出力電圧を制御することが好ましい。
（４）前記充電器制御部は、前記バッテリの放電状態における放電電流の大きさを、少なくとも前記充電器における出力電流の変動を吸収する大きさに制御することが好ましい。
例えば、前記放電電流の大きさを、前記充電器における出力電流の変化量よりも大きな値とすることが好ましい。
（５）前記充電器制御部は、前記降圧器制御部が前記降圧器を所定時間作動させた後に、前記バッテリ電力から前記外部電源の電力への切り換えを開始することが好ましい。
上記の所定時間は、例えば前記降圧器の動作が安定するのに要する時間に基づいて設定されることが好ましい。
開示の車両のバッテリ制御装置によれば、加熱器に供給される電力をバッテリ電力から外部電源の電力へと徐々に変化させることで、バッテリ保護性を向上させることができる。
実施形態に係るバッテリ制御装置が適用された車両の模式的な側面図である。 図１の車両に内蔵された電気回路を模式的に示す回路図である。 バッテリの昇温に係る制御手順を説明するためのフローチャートである。 （Ａ）は充電ガンの差し込み状態を示すグラフ、（Ｂ）はコンタクタの断接状態を示すグラフ、（Ｃ）はＤＣ／ＤＣコンバータの作動状態を示すグラフ、（Ｄ）はＯＢＣの作動状態を示すグラフ、（Ｅ）はＯＢＣの出力電流を示すグラフ、（Ｆ）はバッテリの充放電電流を示すグラフである。
図面を参照して、実施形態としての車両のバッテリ制御装置について説明する。なお、以下に示す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とともに、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可能である。
［１．装置］
本実施形態のバッテリ制御装置は、図１に示す車両１０に適用される。この車両１０はバッテリ２の電力で走行用モータを駆動する電気自動車又はハイブリッド自動車であり、バッテリ２が内蔵された電池パック１を搭載する。バッテリ２は、走行用モータで発生する回生電力での充電だけでなく、外部電源を利用した充電が可能である。例えば、充電ケーブル９の一端に設けられる充電ガン９Ａを車体側面のコネクタに接続し、他端を家庭用コンセント１６に接続することで、バッテリ２の充電が開始される。外部電源から入力される交流電力は、ＯＢＣ７（On Board Charger，充電器）で直流電力に変換されてバッテリ２に蓄電される。
この車両１０には、バッテリ２の電力を降圧して各種電装品へと供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ６（降圧器，以下、ＤＣＤＣ６と表記する）が搭載される。ここでは、数百[V]のバッテリ電圧が十数[V]程度に降圧される。ＤＣＤＣ６，ＯＢＣ７の動作は電子制御装置８で制御される。また、電池パック１には、バッテリ２を昇温させるための電気ヒータ４（加熱器）が内蔵される。
バッテリ２に接続された電気回路を図２に示す。バッテリ２とＯＢＣ７との間を接続する高圧回路５には、コンタクタ３が介装される。コンタクタ３は、高圧回路５を断接するリレーとして機能する常時励磁式の電磁開閉器であり、電子制御装置８から伝達される制御信号を受けて閉鎖状態に制御され、回路が接続される。一方、制御信号のない状態では開放状態に制御され、回路が切断される。
ＤＣＤＣ６は、コンタクタ３とＯＢＣ７との間の高圧回路５に接続される。ＤＣＤＣ６で生成される低圧の電力は、電気ヒータ４，補機バッテリ１２，空調装置１３，車載制御装置１４等が介装される低圧回路１１に送給される。電気ヒータ４とＤＣＤＣ６との間の低圧回路１１には、電気ヒータ４への給電をオン／オフするためのヒータスイッチ１７が介装される。ヒータスイッチ１７の断接状態は、電子制御装置８で制御される。また、電池パック１の内部には、バッテリ２の温度を取得する温度センサ１５が設けられる。ここで取得されたバッテリ温度の情報は、電子制御装置８に伝達される。
バッテリ２の充放電状態は、バッテリ電圧と高圧回路５の電圧との大小関係によって決定される。例えば、ＯＢＣ７がバッテリ電圧よりも高圧の電力を生成していれば、その電力がバッテリ２に充電される。一方、ＯＢＣ７で生成される電圧がバッテリ電圧よりも低圧であれば、バッテリ２は充電されない。
また、ＤＣＤＣ６の作動時であって、低圧回路１１上の各種電装品が負荷として作用する状態では、高圧回路５側の電力が低圧回路１１側で消費される。このときバッテリ２が充電中であれば、低圧回路１１での消費電力は、外部から入力された外部電源から供給される電力（外部電力）からバッテリ２の充電電力を減じたものに相当する。一方、バッテリ２が放電中であれば、低圧回路１１の消費電力は、ＯＢＣ７を経由して外部電源から供給される外部電力とバッテリ２の放電電力とを加算したものに相当する。電子制御装置８は、このような特性を踏まえて、ＯＢＣ７の出力の大きさを増減制御することで、低圧回路１１上の各種電装品を動作させつつ、バッテリ２の充放電状態も同時に制御する。
［２．制御］
電子制御装置８（バッテリ制御装置）は、バッテリ２の充放電に係る各種制御を司るコンピュータであり、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である。ここでは、バッテリ２に関する各種制御が実施され、バッテリ２の充電状態，バッテリ温度，高圧回路５の電流値，電圧値等が把握される。本実施形態では、極低温環境下でバッテリ２を外部充電する際に実施されるバッテリ昇温制御について説明する。
バッテリ昇温制御の開始条件は、充電ガン９Ａがコネクタに差し込まれ、外部電源からの給電が可能な状態であって、バッテリ温度が所定温度（例えば、氷点下〜−３０℃）未満であることである。バッテリ温度が所定温度以上である場合には、通常の外部充電（普通充電制御）が実施される。
バッテリ昇温制御では、外部電力，バッテリ電力の両方を使用して電気ヒータ４が駆動される。つまり、バッテリ２のバッファ効果を考慮して、バッテリ昇温制御の実施中はコンタクタ３の接続状態が維持される。また、極低温環境での充電による電池劣化を回避すべく、バッテリ２が常に放電状態となるように、高圧回路５の電圧が制御される。
一方、バッテリ２が暖まるまでの制御とはいえ、バッテリ電力が過度に消費されることは好ましくないため、バッテリ２の放電量が必要最小限の放電量となるようにＯＢＣ７の出力が制御される。ここでいう必要最小限の放電量とは、外部電源から入力される電流，電圧の変動や負荷変動に対するマージンが確保された放電量であり、例えば数十〜数百[W]以下の電力とされる。
また、バッテリ昇温制御の開始時における高圧回路５の電流，電圧が安定化するまでの時間的余裕を確保すべく、ＤＣＤＣ６が起動した後に（すなわち、電気ヒータ４を作動させ始めた後に）所定の時間をあけてＯＢＣ７を起動させる。これにより、ＤＣＤＣ６が起動した直後は、バッテリ電力のみで電気ヒータ４が駆動される。その後、所定の安定化時間が経過した後にＯＢＣ７が起動され、外部電力，バッテリ電力の両方が電気ヒータ４に供給される。
電気ヒータ４での消費電力に占める外部電力及びバッテリ電力のそれぞれの割合は、バッテリ電力が徐々に減少（漸減）し、外部電力が徐々に増加（漸増）するように制御される。ただし、バッテリ２の必要最小限の放電量は確保されるため、バッテリ電力の割合が０％になることはなく、外部電力の割合が１００％になることもない。
電子制御装置８には、バッテリ昇温制御を実施するための機能要素として、降圧器制御部８Ａ（ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部）と充電器制御部８Ｂ（ＯＢＣ制御部）とが設けられる。これらの要素は、電子回路（ハードウェア）によって実現してもよく、あるいはソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。
降圧器制御部８Ａは、バッテリ温度が所定温度未満のときに、ＤＣＤＣ６を駆動してバッテリ電力で電気ヒータ４を駆動する機能を持つ。つまり、ＤＣＤＣ６はバッテリ２がＯＢＣ７で充電される前に駆動される。電気ヒータ４は、ＤＣＤＣ６を介して低圧回路１１に電力が供給された状態で、ヒータスイッチ１７が接続されることで作動を開始する。バッテリ温度が所定温度以上であるときには、ＤＣＤＣ６を停止させてもよいが、代わりにヒータスイッチ１７を切断し、空調装置１３，車載制御装置１４等への電力供給を継続させてもよい。
充電器制御部８Ｂは、ＤＣＤＣ６の作動後にＯＢＣ７を駆動し、電気ヒータ４に供給される電力をバッテリ電力から外部電力へと徐々に切り換えてゆく（徐々に変化させる）機能を持つ。電力の切り換えは、ＯＢＣ７の出力電圧，出力電流を増減させることで実現される。ＯＢＣ７の出力電圧は、少なくともバッテリ電圧を超えないように制御される。これにより、バッテリ２の放電状態が維持され、外部電力及びバッテリ電力の両方が電気ヒータ４に供給される状態となる。
ＯＢＣ７の起動開始のタイミングは、少なくともＤＣＤＣ６を所定時間作動させた後とされる。ここでいう所定時間は、ＤＣＤＣ６の動作が安定化するのに要する時間であり、例えば数秒〜数十秒である。
バッテリ２の放電電流の大きさは、少なくともＯＢＣ７の出力電流の変動を吸収しうる値以上の大きさに設定される。ＯＢＣ７の出力電流は、外部電源から導入される電圧変動の影響を受けて変動し、あるいは、ＤＣＤＣ６を介して低圧回路１１で消費される電力変動の影響で変動する場合がある。このような出力電流の変動を吸収すべく、バッテリ２の放電電流は、ＯＢＣ７の出力電流の変化量よりも大きな値とされる。
なお、バッテリ温度が所定温度以上であるとき、充電器制御部８Ｂは外部電力でバッテリ２を充電する普通充電制御を実施する。
図３は、バッテリ昇温制御の手順を例示するフローチャートである。ステップＡ１で車両１０のコネクタに充電ガン９Ａが差し込まれたか否かが判定され、ステップＡ２でバッテリ温度が所定温度未満であるか否かが判定される。これらのバッテリ昇温制御の開始条件が成立すると、コンタクタ３が接続され（ステップＡ３）、次いでＤＣＤＣ６が起動する（ステップＡ４）。
その後、所定時間が経過すると（ステップＡ５）、ＯＢＣ７が起動し（ステップＡ６）、バッテリ２の出力（放電電流）が徐々に減少するように、ＯＢＣ７の出力が制御される（ステップＡ７）。このとき、バッテリ２の出力が減少するに連れてＯＢＣ７の出力は徐々に増加し、電気ヒータ４の駆動電力の負担がバッテリ２から外部電源へと推移する。
ステップＡ８では、バッテリ２の放電電流が所定値以下になったか否かが判定され、この条件が成立した時点で電気ヒータ４の駆動電力の負担割合が固定される。これにより、バッテリ２の放電電流が維持されるとともに、ＯＢＣ７の出力も維持される（ステップＡ９）。その後、バッテリ温度が所定温度以上になると（ステップＡ１０）、ヒータスイッチ１７が切断されてバッテリ２の普通充電制御が開始される（ステップＡ１１）。
図４（Ａ）〜（Ｆ）は、バッテリ昇温制御の実施時における制御状態を説明するためのタイムチャートである。充電ガン９Ａがコネクタに差し込まれた時刻t1にバッテリ温度が所定温度未満であれば、バッテリ昇温制御が開始される。この場合、例えば時刻t1の直後にコンタクタ３が接続され、追ってＤＣＤＣ６が時刻t2に起動する。なお、ＤＣＤＣ６の起動タイミングはコンタクタ３の接続前であってもよい。
一方、ＯＢＣ７の起動は、ＤＣＤＣ６の起動開始時刻である時刻t2から所定時間Tが経過した時刻t3となる。時刻t2から時刻t3までの間に、ＤＣＤＣ６の動作が安定化する。したがって、時刻t3に外部電力が高圧回路５内に導入されたとしても、低圧回路１１側に供給される電力が不安定になることはない。
ＯＢＣ７の出力は、電気ヒータ４に供給される電力がバッテリ電力から外部電力へと徐々に切り換えられるように制御される。例えば、時刻t3の時点ではＯＢＣ７の出力電流値がゼロであり、時間が経過するに連れて徐々に増加する。このとき、ＯＢＣ７の出力電圧はバッテリ２の電圧よりも低圧とされる。このような電力負担の漸次的な変更により、バッテリ２の放電電流が緩慢に減少する。
時刻t4にバッテリ２の放電電流が所定値B1になると、その時点のＯＢＣ７の出力が維持され、バッテリ２の放電電流も所定値B1に維持される。所定値B1は、ＯＢＣ７の出力電流の変化量よりも大きな値であるから、仮に外部電源の電圧変動が生じたとしても、バッテリ２の放電電流値が負（すなわち、充電電流値が正）になることはない。
例えば、図４（Ｆ）中に太実線で示す放電電流の目標値に対して、細実線で示す実電流値は、目標値を中心として上下に変化（振動）する。しかし、上記のバッテリ昇温制御では所定値B1が放電電流の目標値の下限となるため、バッテリ２の実電流値がゼロを下回ることはなく、常にバッテリ２の放電状態が維持される。
［３．効果］
（１）上記のバッテリ昇温制御では、電気ヒータ４に供給される電力をバッテリ電力から外部電力へと徐々に変化させるバッテリ昇温制御が実施される。これにより、微小な電圧変動によって外部電力がバッテリ２側に充電されてしまうことを防止でき、バッテリ２の保護性を向上させることができる。つまり、バッテリ温度を昇温させつつ、充電による内部短絡のリスク発生を回避でき、バッテリ保護性を向上させることができる。
また、電気ヒータ４に供給される電力をバッテリ電力から外部電力へと徐々に変化させることで、バッテリ電力の過度な消費を避けつつ、外部電力でバッテリ２を昇温させることができる。つまり、バッテリ２の早期昇温をはかることができ、延いては低温環境化での適切なバッテリ暖機，充電を行うことができる。さらに、バッテリ２のバッファ効果を利用して高圧回路５内の電圧変動を吸収することができ、ＤＣＤＣ６，ＯＢＣ７の保護性を向上させることができる。
（２）上記のバッテリ昇温制御では、バッテリ２の放電状態を維持したまま、外部電力で電気ヒータ４が駆動される。つまり、バッテリ２の放電量が漸減するように制御されるだけでなく、少なくとも放電量が正の所定値以上となるように、その値が制御される。このような制御も、微小な電圧変動によるバッテリ２の充電を防止するのに貢献する。したがって、バッテリ保護性を向上させることができる。
（３）上記のバッテリ昇温制御では、バッテリ２の放電状態における放電電流の大きさが、少なくともＯＢＣ７の出力電流の変動を吸収する大きさ（所定値B1以上）に設定される。これにより、バッテリ２への充電電流の流入を確実に防止することができ、バッテリ２への意図しない充電を防止することができる。したがって、バッテリ保護性を向上させることができる。
（４）上記のバッテリ昇温制御では、図４（Ｃ），（Ｄ）に示すように、ＤＣＤＣ６の作動時間として所定時間Tが経過したことを確認した後にＯＢＣ７が起動し、バッテリ電力から外部電力への電力の切り換えが開始される。ＤＣＤＣ６の起動直後の作動時間（所定時間T）を確保することで、ＤＣＤＣ６の動作を安定させることができ、低圧回路１１に供給される電力の変動を抑制することができる。また、低圧回路１１で消費される電力の変動が安定化することから、高圧回路５の電流変動，電圧変動も抑制することができる。したがって、バッテリ２，ＤＣＤＣ６，ＯＢＣ７の保護性を向上させることができる。
（５）上記のバッテリ昇温制御の開始条件には、バッテリ温度が所定温度未満であることが含まれており、バッテリ２が十分に暖まっている状態では電気ヒータ４が停止する。また、空調装置１３，車載制御装置１４等を作動させる必要がなければ、ＤＣＤＣ６が停止する。この場合、外部電力の全てをバッテリ２に供給することができ、外部電力を無駄なく使用してバッテリ２を充電することができる。
一方、バッテリ２が十分に暖まっていない状態では、バッテリ２を暖めるための電力をバッテリ２自身と外部電力との両方から調達することで、電気ヒータ４を確実に作動させつつバッテリ２の放電に由来するジュール熱を利用した昇温を図ることができ、バッテリ２が充電可能となるまでの時間を短縮することができる。また、図４（Ｂ）に示すように、バッテリ昇温制御中にコンタクタ３が切断されないため、バッテリ２のバッファ効果を利用してＤＣＤＣ６，ＯＢＣ７の動作を安定させることができる。
上述した実施形態に関わらず、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。本実施形態の各構成は、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てもよい。
上記のバッテリ昇温制御では、図４（Ｅ），（Ｆ）に示すように、ＯＢＣ７の出力電流値やバッテリ２の放電電流値が一定の勾配で変化するものを例示したが、これらの具体的な変化のさせ方はこれに限定されない。少なくとも、電気ヒータ４での消費電力に占めるバッテリ電力の割合が漸減するように、電気ヒータ４への電力を徐々に変化させればよい。
また、上記のバッテリ昇温制御では、電池パック１に内蔵された電気ヒータ４を用いてバッテリ２を昇温させるものを示したが、上記の電気ヒータ４に代えて（あるいは加えて）、車載の空調装置１３を用いてバッテリ２を昇温させてもよい。この場合、空調装置１３に供給される電力を、バッテリ電力から外部電力へと徐々に切り換える制御を実施すればよい。
また、バッテリ昇温制御の開始条件は上述のものに限定されない。例えば、バッテリ温度の大小に関わらず、外部充電を実施する前には一旦バッテリ昇温制御を開始することとしてもよいし、あるいは、車両１０のユーザの要求操作によりバッテリ昇温制御を開始することとしてもよい。少なくとも外部充電前にバッテリ昇温制御を開始することで、ＤＣＤＣ６，ＯＢＣ７の動作を安定させた状態でバッテリ２の外部充電を開始することができる。
２ バッテリ
４ 電気ヒータ（加熱器）
６ ＤＣＤＣ（降圧器，ＤＣ／ＤＣコンバータ）
７ ＯＢＣ（充電器）
８ 電子制御装置（バッテリ制御装置）
８Ａ 降圧器制御部
８Ｂ 充電器制御部
１０ 車両

Claims (5)

  1. 車載のバッテリを外部電源から供給される電力で充電する充電器と、前記バッテリを昇温させる加熱器と、バッテリ電力を降圧して前記加熱器に供給する降圧器とを具備する車両のバッテリ制御装置において、
    前記バッテリを前記充電器で充電する前に前記降圧器を駆動し、前記バッテリ電力を前記加熱器に供給する降圧器制御部と、
    前記降圧器の作動後に前記充電器を駆動し、前記加熱器に供給される電力を前記バッテリ電力から前記外部電源の電力へと徐々に変化させる充電器制御部と、
    を備えたことを特徴とする、車両のバッテリ制御装置。
  2. 前記降圧器制御部は、バッテリ温度が所定温度未満のときに、前記降圧器を駆動して前記バッテリ電力を前記加熱器に供給する
    を備えたことを特徴とする、請求項１記載の車両のバッテリ制御装置。
  3. 前記充電器制御部が、前記バッテリの放電状態を維持しつつ前記外部電源から供給される電力で前記加熱器を作動させる
    ことを特徴とする、請求項１又は２記載の車両のバッテリ制御装置。
  4. 前記充電器制御部は、前記バッテリの放電状態における放電電流の大きさを、少なくとも前記充電器における出力電流の変動を吸収する大きさに制御する
    ことを特徴とする、請求項３記載の車両のバッテリ制御装置。
  5. 前記充電器制御部は、前記降圧器制御部が前記降圧器を所定時間作動させた後に、前記バッテリ電力から前記外部電源の電力への切り換えを開始する
    ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の車両のバッテリ制御装置。
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