JP6409746B2 - バッテリ充電システム - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ充電システムに係り、特に、外部電力で充電可能且つ昇温手段で昇温可能な車載バッテリ充電システムの改良に関する。

車両が寒冷地で使用される場合に、車両のバッテリの電解液が極低温の環境下で凍結すると、電力がバッテリからモータに供給できなくなって車両が走行できなくなる。この問題を回避するため、特許文献１に記載されている電気自動車のバッテリ充電システムでは、外部電力充電手段のプラグが車両に接続されて外部電力でバッテリを充電する状態で、バッテリからの電力でヒータを駆動し、バッテリの電解液の凍結を防止している。上記バッテリ充電システムでは、コントローラは、バッテリの充電状態値がヒータでの電力消費で満充電の充電状態値よりも小さくなったと判断すると、バッテリの充電制御を行ってバッテリを満充電にするようにしている。

特開２０１２−１９１７８５号公報

ところで、バッテリの充電が満充電になると携帯電話等でユーザに満充電を通知することがある。この場合に、上記特許文献１のシステムでは、バッテリの昇温制御中にバッテリが満充電になる度に充電完了がユーザに繰り返し通知されることになるのでユーザが混乱を招く。

本発明の目的は、バッテリの昇温中に充電完了がユーザに繰り返し通知されることがないバッテリ充電システムを提供するものである。

本発明に係るバッテリ充電システムは、車載バッテリに外部から充電する外部電力充電手段と、バッテリの充電状態を検出する充電状態値検出手段と、バッテリの充電状態値が満充電閾値に到達したときに充電完了を通知する満充電通知手段と、バッテリの電力によりバッテリを昇温する昇温手段と、前記各手段を制御するコントローラと、を備え、コントローラは、満充電閾値より低い補充電停止値および補充電停止値よりも低い補充電開始値を記憶し、充電完了後の昇温制御中、バッテリの充電状態値が補充電開始値まで低下したときに補充電を開始し、バッテリの充電状態値が補充電停止値に到達したときに補充電を停止することを特徴とする。

本発明によれば、バッテリの充電が完了して満充電通知手段によって充電完了が通知された後でのバッテリの補充電制御では、補充電はバッテリの充電状態値が満充電閾値より低い補充電停止値に到達したときに停止する。したがって、充電完了が通知された後の昇温制御中では補充電によるバッテリ充電状態値がユーザに充電完了を通知する満充電閾値まで上昇することがなく、ユーザが繰り返しバッテリの充電完了の通知を受けて混乱することがない。

本発明の一実施形態のバッテリ充電システムを含む車両システムの概略構成図である。 （ａ）は、バッテリが満充電になるようにバッテリを充電するときの制御の一例について説明する図であり、（ｂ）は、バッテリが一度満充電の状態に至ってからの補充電制御の一例を説明する図である。 比較例の充電システムでの制御を説明するためのタイムチャートである。 一実施形態の充電システムで実行可能な制御の一例のフローチャートである。 バッテリ満充電後の補充電制御の一例を表す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態のバッテリ充電システム５０を含む車両システムの概略構成図である。

このバッテリ充電システム（以下、単に充電システムという）５０は、バッテリ２を家庭等のコンセントからの電力で充電する電気自動車、又はバッテリを家庭等のコンセントからの電力で充電できるプラグインハイブリッドカーに好適に適用できる。この充電システム５０は、外部電力充電手段としての充電器１、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、低圧電源７、昇温手段としてのヒータ８、コントローラ９、満充電通知手段としての通知部１０、充電状態値検出手段としての蓄電状態検出センサ１１、及びバッテリ温度センサ１２を備える。

充電器１は、外部電源１５に接続されたプラグ１５ａが差し込まれる充電口１ａを有する。充電器１は、外部電源１５からの交流電力を充電用の直流電力に変換する機能を有し、リレースイッチ１６を介してバッテリ２に接続される。バッテリ２は、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池で構成され、端子間電圧が例えば２００ボルト程度の高圧バッテリである。

リレースイッチ１６は、コントローラ９からの信号によって開閉制御され、リレースイッチ１６が閉じている状態で、外部電源１５からの交流電力が、充電器１で直流電力に変換された後、バッテリ２に充電される。

車両を走行させる駆動源であるモータ５は、インバータ３、及びリレースイッチ１７を介してバッテリ２の出力側端子に接続される。モータ５は三相同期型電動機で好適に構成されることができ、この場合インバータ３は三相交流電力をモータ５に供給する。リレースイッチ１７は、コントローラ９からの信号によって開閉制御され、リレースイッチ１７が閉じている状態で、バッテリ２からの直流電力は、インバータ３により交流電力に変換され、その後モータ５に供給される。交流電力が供給されたモータ５が駆動することによって車両が走行する。

低圧電源７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してバッテリ２の出力側端子に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、バッテリ２から供給される直流電力を降圧して低圧電源７に供給する。ヒータ８は、バッテリ２を昇温させるために設けられ、リレースイッチ１８を介して低圧電源７の出力側端子に接続される。リレースイッチ１８は、コントローラ９からの信号によって開閉制御され、リレースイッチ１８が閉じている状態で、低圧電源７がヒータ８に直流電力を供給し、ヒータ８が駆動してバッテリ２が昇温される。

蓄電状態検出センサ１１は、バッテリ２に出入する電流に基づいてバッテリ充電状態値又はＳＯＣ（State Of Charge）を算出し、バッテリ充電状態値を表す信号をコントローラ９に出力する。バッテリ温度センサ１２は、バッテリ温度を検出し、バッテリ温度を表す信号をコントローラ９に出力する。通知部１０は、コントローラ９からバッテリ２が満充電になったことを表す信号を受けると、バッテリ２が満充電になったことを表す通知を行う。通知部１０は、例えば、車両内の表示部で構成することができ、あるいは、携帯電話やスマートフォン等の車両外にある表示部に信号を送信するための車両内の送信部で構成することもできる。

コントローラ９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１９及び記憶部２０を含み、記憶部２０には、バッテリ２の満充電を判定するための満充電閾値ＣＰ２、補充電開始値ＴＨ１及び補充電停止値ＴＨ２が記憶されている。補充電開始値ＴＨ１及び補充電停止値ＴＨ２については、後述の図２等を用いて後述する。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態の充電システム５０の概要について説明する。図２（ａ）は、バッテリ２が満充電になるようにバッテリ２を充電するときの制御の一例について説明する図であり、図２（ｂ）は、バッテリ２が一度満充電の状態に至ってからの昇温中の補充電制御の一例を説明する図である。

図２（ａ）において、ＣＰ２は、バッテリ２が満充電状態であると判定される満充電閾値である。また、ＣＰ１は、満充電閾値ＣＰ２よりも小さい値であり、バッテリ２の満充電制御中にヒータ８の駆動の停止を判定する昇温停止閾値である。

図２（ａ）に示す例では、バッテリ充電状態値が昇温停止閾値ＣＰ１よりも小さい状態から満充電制御が行われている。図２（ａ）に示す例では、バッテリ充電状態値が昇温停止閾値ＣＰ１になるまで、コントローラ９の制御によって、外部からの電力がバッテリ２に供給されると共に、バッテリ２の電力がヒータ８に供給される。このようにして、バッテリ２が充電されると共に、ヒータ８が駆動されてバッテリ２が暖められる。

その後、コントローラ９が、バッテリ充電状態値が昇温停止閾値ＣＰ１に到達したと判定すると、コントローラ９が、ヒータ８の駆動は停止するがバッテリ２の充電は継続する制御を実行する。これは、バッテリ２を満充電に近い状態から満充電状態にする際には、コントローラ９が精密な充電制御を行うのが好ましいからである。特に、ヒータ８の駆動は、コントローラの精密な充電制御を妨げるため、バッテリ充電状態値が昇温停止閾値ＣＰ１に到達すると、ヒータ８の駆動を停止し、コントローラ９の精密な充電制御によってバッテリ２の充電を行う。

その後、コントローラ９が蓄電状態検出センサ１１からの信号でバッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２に到達したと判定すると、コントローラ９が通知部１０に充電完了を通知させ、バッテリ２の充電を停止させ、ヒータ８を再駆動させる。ここで、通知部１０が車両内の送信部である場合、通知部１０に充電完了を通知させるとは、送信部に充電完了を表示させる信号を送信させることをいう。

次に、図２（ｂ）を用いて、バッテリ２が満充電状態に達した後からの制御の一例について説明する。図２（ｂ）において、ＴＨ２は、満充電閾値ＣＰ２より低い補充電停止値であり、ＴＨ１は、補充電停止値ＴＨ２よりも低い補充電開始値である。以下、充電システム５０の補充電制御の概要を説明しながら、補充電停止値ＴＨ２及び補充電開始値ＴＨ１の説明も合わせて行う。

前述した図２（ａ）から明らかなように、バッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２に達すると、バッテリ２の充電が停止し、一方ヒータ８による昇温が再開される。この昇温はバッテリ２の電力を利用してヒータ８を駆動するため、バッテリ２の充電状態は順次低下し、この低下を補うために補充電が行われる。図２（ｂ）を参照して、バッテリ充電停止制御は、バッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２よりも小さい補充電開始値ＴＨ１に到達するまで継続される。コントローラ９は、バッテリ充電状態値が補充電開始値ＴＨ１に到達したと判定すると、ヒータ８を駆動する制御を継続しつつ、バッテリ２の充電を行う制御を実行する。補充電開始値ＴＨ１は、バッテリ充電状態値の下限閾値を意味する。補充電開始値ＴＨ１は、ヒータ８の駆動によってバッテリ充電状態値が大きく低下するのを防止するために設定される。

ヒータ８を駆動する制御を継続しつつバッテリ２の充電を行う制御は、コントローラ９が蓄電状態検出センサ１１からの信号でバッテリ充電状態値が補充電停止値ＴＨ２に到達したと判定するまで継続される。補充電停止値ＴＨ２は、バッテリ２が満充電状態になった後のバッテリ充電状態値の上限閾値を意味する。

コントローラ９は、バッテリ充電状態値が補充電停止値ＴＨ２に到達したと判定すると、バッテリ２の充電を停止する制御を行う。以下、バッテリ充電状態値が上限閾値である補充電停止値ＴＨ２になる状態と下限閾値である補充電開始値ＴＨ１となる状態とが交互に繰り返される制御が行われる。図２（ｂ）に示すように、この例では、補充電停止値ＴＨ２がバッテリ２の満充電制御中にヒータ８の駆動停止を判定する昇温停止閾値ＣＰ１に一致するが、補充電停止値ＴＨ２はバッテリ２の満充電制御中にヒータ８の駆動停止を判定する昇温停止閾値ＣＰ１と異なる値に設定されてもよい。

図３は、比較例の充電システムでの制御を説明するためのタイムチャートである。図３に示すように、比較例の充電システムでの制御では、バッテリが満充電に至った後でも補充電の補充電停止値ＴＨ２が、満充電閾値ＣＰ２から変動しない点が図２で説明した制御と異なる。

比較例の充電システムの制御では、バッテリが満充電状態になった後でもバッテリ充電状態値の上限閾値がバッテリの満充電閾値ＣＰ２に設定される。したがって、通知部によって充電完了が通知された後でのバッテリの補充電制御が、バッテリが満充電になるまで実行される。よって、バッテリが満充電になる状態が繰り返され、バッテリが満充電に至る度にユーザに満充電が繰り返し通知されてユーザが混乱を招く。

これに対し、図２に示す制御によれば、補充電時に、バッテリ充電状態値の上限閾値である補充電停止値ＴＨ２が満充電閾値ＣＰ２よりも低く設定される。したがって、通知部１０によって充電完了が通知された後でのバッテリ２の補充電制御では、補充電はバッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２より低い補充電停止値ＴＨ２に到達したときに停止する。よって、充電完了が通知された後では、バッテリ充電状態値がユーザに充電完了を通知する満充電閾値ＣＰ２まで上昇することがなく、ユーザが繰り返しバッテリの充電完了の通知を受けて混乱することがない。

図４は、充電システム５０で実行可能な制御の一例のフローチャートである。

ユーザが、外部電源１５のプラグ１５ａを充電器１の充電口１ａに接続すると、ステップＳ１でコントローラ９がバッテリ温度センサ１２からの信号に基づいて、バッテリ温度Ｔｂが温度Ｔ１以下か否かを判定する。ここで、温度Ｔ１は、例えば、バッテリ２に含まれる電解液が凍結を開始する温度（例えば、−３０℃）よりも所定の温度（例えば、５℃〜２０℃の範囲の温度）高い温度に設定されるのが好ましい。

ステップＳ１で否定判定されると制御がエンドになる。他方、ステップＳ１で肯定判定されるとステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、コントローラ９がバッテリ２の充電を停止する制御及びヒータ８を駆動する制御を行って、バッテリ２を充電せずにヒータ８でバッテリ２を暖めた後、ステップＳ３に移行する。ステップＳ２でヒータ８を駆動する理由は、バッテリ２が低温であるのでバッテリ２の電解液が凍結しないようにバッテリ２をすぐに暖める方が好ましいからである。

ステップＳ３では、コントローラ９が蓄電状態検出センサ１１からの信号に基づいてバッテリ充電状態値が初期充電開始値ＴＨ３以下であるか否かを判定する。ステップＳ３で否定判定されると、ステップＳ２に戻って、再度ステップＳ２を実行する。他方、ステップＳ３で肯定判定されるとステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、コントローラ９がヒータ８を駆動する制御及びバッテリ２を充電する充電制御を行ってバッテリ充電状態値を上昇させた後、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、コントローラ９が蓄電状態検出センサ１１からの信号に基づいてバッテリ充電状態値がＣＰ１以上であるか否かを判定する。ＣＰ１はバッテリ２を満充電にするのにバッテリ２の充電のみでの精密な制御を行う必要があるか否かを判定する昇温停止閾値である。昇温停止閾値ＣＰ１は、初期充電開始値ＴＨ３よりも大きな値である。ステップＳ５で否定判定されると、ステップＳ４に戻って再度ステップＳ４を繰り返す。他方、ステップＳ５で肯定判定されるとステップＳ６に移行し、ステップＳ６でコントローラ９がヒータ８の駆動を停止させた状態でバッテリ２の精密な充電制御を行った後、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７ではコントローラ９が蓄電状態検出センサ１１からの信号に基づいてバッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２に到達したか否かを判定する。ステップＳ７で否定判定されると、ステップＳ６に戻ってステップＳ６を再度繰り返す。他方、ステップＳ７で肯定判定されるとステップＳ８に移行する。

ステップＳ８では、コントローラ９が、通知部１０にバッテリが充電完了であることを通知させ、バッテリの充電を停止させ、かつ、ヒータ８を駆動する。通知部１０でのバッテリ充電完了通知は、ユーザにバッテリの充電完了が伝わる通知であれば如何なる通知でもよく、表示や音声等によって実行されることができる。車両内にある表示部で通知を行う際、「バッテリの充電が完了しました」、「バッテリが満充電の状態になりました」といった文言等、バッテリ２の充電が完了したことを容易に理解できる文言が使用されると好ましい。また、通知部が車両内にある送信部で構成される場合、送信部にそれらの文言を車外の機器に報知させる信号を送信させると好ましい。ステップＳ８でコントローラ９がバッテリ２の充電停止制御及びヒータ８の駆動制御を行った後、ステップＳ９に移行する。

ステップＳ９において、コントローラ９は、蓄電状態検出センサ１１からの信号に基づいてヒータ８の駆動により減少したバッテリ充電状態値が下限閾値である補充電開始値ＴＨ１以下であるか否かを判定する。ステップＳ９で否定判定されると、ステップＳ１４に移行し、コントローラ９がヒータ８の駆動制御及びバッテリ２の充電停止制御を行った後、再度ステップＳ９を繰り返す。他方、ステップＳ９で肯定判定されると、ステップＳ１０に移行し、コントローラ９がヒータ８の駆動制御及びバッテリ２の充電制御を行った後、ステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１において、コントローラ９は、蓄電状態検出センサ１１からの信号に基づいてバッテリ充電状態値が補充電停止値ＴＨ２に到達したか否かを判定する。補充電停止値ＴＨ２は、満充電閾値ＣＰ２よりも小さい値である。ステップＳ１１で否定判定されると、再度ステップＳ１０を繰り返す。一方、ステップＳ１１で肯定判定されると、ステップＳ１２に移行し、コントローラ９がバッテリ２の充電停止制御及びヒータ８の駆動制御を行う。

ステップＳ１２に続いて実行されるステップＳ１３において、コントローラ９は、バッテリ温度センサ１２からの信号に基づいてバッテリ温度Ｔｂが温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。ステップＳ１３でバッテリ２が低温であるか否かを判定する温度Ｔ１は、ステップＳ１で用いた温度Ｔ１に一致させることができる。ステップＳ１３で肯定判定されて、バッテリ温度Ｔｂが、電解液が凍結しない温度まで上昇していないと判定されると、ステップＳ９以下の一連のステップが繰り返される。他方、ステップＳ１３で否定判定されて、バッテリ温度Ｔｂが、電解液が凍結しない温度まで上昇したと判定されると制御がエンドになる。

制御がエンドになった後、外部電源１５のプラグ１５ａが充電器１の充電口１ａから外されるまで、ステップＳ１が繰り返され、コントローラ９は、バッテリ温度センサ１２からの信号を受けてバッテリ温度Ｔｂが温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。そして、コントローラ９によって、バッテリ温度Ｔｂが温度Ｔ１以下であると判定されて、電解液が凍結する可能性がある温度まで低下したと判定されると、バッテリ昇温制御が開始されてステップＳ２以下が繰り返される。

図４に示す例では、バッテリ充電状態値を補充電開始値ＴＨ１から補充電停止値ＴＨ２まで上昇させる際、バッテリ２の充電に加えてヒータ８を駆動する場合について説明した。しかし、バッテリ充電状態値を補充電開始値ＴＨ１から補充電停止値ＴＨ２まで上昇させる際、ヒータ８を駆動せずにバッテリ２を充電してもよい。また、この例では、バッテリ昇温制御が、バッテリ２の温度が所定温度より大きい場合に終了する例について説明したが、ステップＳ１及びＳ１３を省略して、バッテリ昇温制御は、バッテリ２の温度に無関係に外部電源のプラグ１５ａが充電口１ａから外されたときに終了してもよい。

図４に示す例によれば、ステップＳ７で肯定判定されてバッテリが一度、満充電状態になったと判定されると、その後においては、バッテリ充電状態値の上限閾値を示す補充電停止値ＴＨ２が満充電閾値ＣＰ２よりも小さく設定される。したがって、ヒータ８の駆動によって減少したバッテリ２の電力を補充するためにバッテリ２を充電させる際、バッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２に到達することがなく、ユーザに充電完了が繰り返し通知されることがない。

更には、バッテリ２を充電しない状態でのヒータ８の駆動によってバッテリ充電状態値が補充電開始値ＴＨ１まで低下すると、バッテリ２の補充電が実行されてバッテリ充電状態値が増大する。したがって、バッテリ充電状態値が満充電閾値ＣＰ２から大きく低下することもない。

尚、本発明は、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

例えば、図４に示す制御では、ステップＳ２でバッテリ２を充電せずにヒータ８を駆動する場合について説明した。しかし、ステップＳ１の前又は後に、バッテリ２の初期のバッテリ充電状態値を取得するステップを追加してもよい。そして、バッテリ２の初期のバッテリ充電状態値がバッテリ２を満充電にする際にバッテリ２の充電のみでの精密な制御が必要になる昇温停止閾値ＣＰ１以上か否かを判定してもよい。そして、初期のバッテリ充電状態値が昇温停止閾値ＣＰ１以上であると判定すると、ヒータ８を駆動させずにバッテリ２を充電してバッテリ２を満充電にし、それ以外の場合であると判定すると、バッテリ２を満充電にするためにヒータ８を駆動した状態でバッテリ２を充電するようにしてもよい。このようにして、初期の状態でバッテリ充電状態値が低下するのを防止してもよい。

また、制御がスタートしてから最初にヒータ駆動を行う時のバッテリ充電状態値に基づいて補充電開始値ＴＨ１及び補充電停止値ＴＨ２を設定してもよい。詳しくは、最初にヒータ駆動を行う時のバッテリ充電状態値がバッテリ２を満充電にする際にヒータの駆動を停止するか否かを判断する昇温停止閾値ＣＰ１より大きい場合に、補充電開始値ＴＨ１≦補充電停止値ＴＨ２＝ＣＰ１を満たすように、補充電開始値ＴＨ１及び補充電停止値ＴＨ２が設定されてもよい。

他方、最初にヒータ駆動を行う時のバッテリ充電状態値が上記ＣＰ１以下である場合に、図５、すなわち、バッテリ満充電後の補充電制御の一例を表す図に示すように、ＴＨ１≦上記最初にヒータ駆動を行う時のバッテリ充電状態値≦ＴＨ２≦ＣＰ１を満たすように補充電開始値ＴＨ１及び補充電停止値ＴＨ２が設定されてもよい。

このように補充電開始値ＴＨ１及び補充電停止値ＴＨ２が設定されると、バッテリ満充電後の補充電制御中でのバッテリ充電状態値が最初にヒータ駆動を行う時のバッテリ充電状態値から大幅に変化することがない。したがって、ユーザに安心感を与えることができて好ましい。

１ 充電器、２ バッテリ、８ ヒータ、９ コントローラ、１１ 蓄電状態検出センサ、５０ 充電システム、ＣＰ２ 満充電閾値、ＴＨ１ 補充電開始値、ＴＨ２ 補充電停止値。

Claims (1)

1. 車載バッテリに外部から充電する外部電力充電手段と、
   バッテリの充電状態を検出する充電状態値検出手段と、
   バッテリの充電状態値が満充電閾値に到達したときに充電完了を通知する満充電通知手段と、
   バッテリの電力によりバッテリを昇温する昇温手段と、
   前記各手段を制御するコントローラと、を備え、
   コントローラは、
   満充電閾値より低い補充電停止値および補充電停止値よりも低い補充電開始値を記憶し、
   充電完了後の昇温制御中、バッテリの充電状態値が補充電開始値まで低下したときに補充電を開始し、バッテリの充電状態値が補充電停止値に到達したときに補充電を停止することを特徴とするバッテリ充電システム。

Images