JP7127559B2 - 充電制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、充電制御装置に関し、特に車両に搭載された蓄電装置に対する充電の制御を行なう充電制御装置に関する。

国際公開第２０１０／０８９８４３号（特許文献１）には、充電器に対して電力指令値を生成し、充電器の制御を行なう充電制御装置を備える車両の充電システムが開示されている。

国際公開第２０１０／０８９８４３号 特開２０１６－０２１８０５号公報

充電規格によっては、車両用の蓄電装置に充電を行なう充電器の応答速度について決められていないものがある。このため、充電スタンドによって、充電器の応答速度にばらつきがある。

この場合、応答速度が遅い充電器を使用しても蓄電装置に適切な充電を行なえるように、充電電流の制限値に対するマージンを、最も応答速度が遅い充電器を基準として充電制御装置を設計することが考えられる。しかし、一律にこのような構成とすると、応答速度が速い充電器を使用する場合に充電の所要時間が長くなり、急速充電に対する利便性が悪化する。

本開示の充電制御装置は、上記の課題を解決するものであって、その目的は、充電器の性能にばらつきがある場合にも各充電器に対して適切な充電制御を行なう充電制御装置を提供することである。

本開示は、車両用の蓄電装置に接続される充電器に対して要求する充電電流の指令値を送信する充電制御装置に関する。充電制御装置は、充電開始後に指令値を変動させ、指令値の変動に応答した充電器の出力変動との時間差を計測する処理と、蓄電装置の状態によって定められる上限充電量と、時間差によって定められる上限充電量からのマージンとを用いて、前記指令値を設定する処理とを実行する。

上記のような構成とすることによって、充電制御装置は、充電電流の指令値に対する充電器の制御遅れを検出し、その量に応じたマージンを算出する。このように構成することによって、急速充電スタンドで車両のバッテリを充電する際に、どのような急速充電スタンドでもバッテリに対して過充電とならないマージンを確保して指令値を算出できる。

本開示の充電制御装置によれば、充電器の性能にばらつきがある場合でもバッテリの保護を図りつつ、なるべく急速に充電するという利便性を得ることができる。

本実施の形態に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。 充電システムの構成をより詳細に示す図である。 本実施の形態に係る充電制御装置が実行する充電制御を説明するためのフローチャートである。 図３の制御を実行した場合の充電電流の指令値Ｉ＊と実際の充電電流Ｉｂの変化を示した図である。 充電制御の変形例を説明するための波形図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜充電システムの構成＞
図１は、本実施の形態に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、充電システム９は、あるユーザの車両１と、充電器３と、充電器３から延びる充電ケーブル４とを含む。

車両１は、たとえば、バッテリ１１（図２参照）が搭載された電気自動車である。車両１は、車両１と充電器３とが充電ケーブル４により電気的に接続された状態において、充電器３から供給される電力によりバッテリ１１を充電する「外部充電」が可能に構成されている。なお、車両１は、外部充電が可能に構成されていればよく、プラグインハイブリッド車または燃料電池自動車であってもよい。

充電器３は、たとえば公共の充電スタンド（充電スポットまたは充電ステーションとも呼ばれる）に設置されている。充電器３は、商用電源から供給される交流電源（たとえば３相２００Ｖの電源）を直流電力に変換し、その直流電力を車両１に供給する。

本実施の形態において、充電器３は、急速充電対応の充電器である。しかし、充電器３は、急速充電の充電規格に規定されていない特性、たとえば電力指令値に対する出力電力の応答速度にばらつきがある状況を想定する。

図２は、充電システム９の構成をより詳細に示す図である。図１および図２を参照して、車両１は、バッテリ１１と、監視ユニット１１１と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）１２１と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）１２２と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１２３と、動力伝達ギア１２４と、駆動輪１２５と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０とを備える。

バッテリ１１は、再充電可能な蓄電装置であり、リチウムイオン二次電池またはニッケル水素電池などの二次電池を含んで構成されている。バッテリ１１は、車両１の走行駆動力を生成するための電力をＰＣＵ１２２へ供給する。また、バッテリ１１は、モータジェネレータ１２３の回生制動により発電された電力により充電されたり、充電器３からの供給電力により充電されたりする。なお、バッテリ１１に代えて、電気二重層キャパシタ等のキャパシタを採用してもよい。

監視ユニット１１１は、バッテリ１１の状態を監視する。いずれも図示しないが、監視ユニット１１１は、電圧センサと、電流センサと、温度センサとを含む。電圧センサは、バッテリ１１の電圧Ｖｂを検出する。電流センサは、バッテリ１１に入出力される電流Ｉｂを検出する。温度センサは、バッテリ１１の温度を検出する。各センサは、その検出結果をＥＣＵ１０に出力する。ＥＣＵ１０は、各センサによる検出結果に基づいて、バッテリ１１のＳＯＣ（State Of Charge）を算出することができる。

ＳＭＲ１２１は、バッテリ１１とＰＣＵ１２２との間に電気的に接続されている。ＳＭＲ１２１の閉成／開放は、ＥＣＵ１０からの指令に応じて制御される。

ＰＣＵ１２２は、ＥＣＵ１０からの指令に従って、バッテリ１１とモータジェネレータ１２３との間で電力変換を行なう電力変換装置である。ＰＣＵ１２２は、バッテリ１１から電力を受けてモータジェネレータ１２３を駆動するインバータと、インバータに供給される直流電圧のレベルを調整するコンバータ（いずれも図示せず）等とを含んで構成されている。

モータジェネレータ１２３は、交流電動機である。モータジェネレータ１２３は、ＰＣＵ１２２に含まれるインバータによって駆動され、駆動軸を回転させる。モータジェネレータ１２３が出力するトルクが動力伝達ギア１２４を介して駆動輪１２５に伝達され、それにより車両１が走行する。また、モータジェネレータ１２３は、車両の制動時には駆動輪１２５の回転力を受けて発電する。モータジェネレータ１２３によって発電された電力は、ＰＣＵ１２２を通じてバッテリ１１に充電される。

車両１は、急速充電のための構成として、充電リレー１３１と、電力線ＰＬ，ＧＬと、インレット１３５とをさらに備える。

充電器３は、制御装置３０と電力供給部３１とを含む。充電ケーブルは、電力線４２と通信線４３と、コネクタ４１とを含む。

バッテリ１１の急速充電時には、充電ケーブル４のコネクタ４１がインレット１３５に連結される。そして、充電器３からの電力が充電ケーブル４内の電力線４２を通じて車両１に供給され、電力線ＰＬ，ＧＬを通じて充電リレー１３１へと伝送される。

充電リレー１３１およびＳＭＲ１２１は、バッテリ１１とインレット１３５との間に電気的に接続されている。充電リレー１３１が閉成され、かつ、ＳＭＲ１２１が閉成されると、インレット１３５とバッテリ１１との間での電力伝送が可能な状態となる。

ＥＣＵ１０は、ナビゲーションシステム１４等とＣＡＮ（Controller Area Network）などの有線の車載ネットワーク１６により互いに接続され、相互に通信が可能に構成されている。また、車両１と充電器３とが充電ケーブル４により接続された状態において、ＥＣＵ１０は、充電ケーブル４内の通信線４３および車載ネットワーク１６を介して充電器３の制御装置３０とも双方向通信が可能に構成される。

ナビゲーションシステム１４は、人工衛星からの電波に基づいて車両１の現在地を特定するＧＰＳ受信機１４１を含む。ナビゲーションシステム１４は、ＧＰＳ受信機１４１により車両１の現在地の位置情報（ＧＰＳ情報）を取得し、取得された位置情報を用いて車両１の各種ナビゲーション処理を実行する。

ナビゲーションシステム１４は、タッチパネル付ディスプレイ（以下、「ナビ画面」とも記載する）１４２をさらに含む。ナビ画面１４２は、ユーザによる様々な操作を受け付ける。また、ナビ画面１４２は、車両１の現在地を道路地図上に重ね合せて表示したり、ＥＣＵ１０からの情報を表示したりする。ナビ画面１４２は、急速充電に関する情報を車両１のユーザに提供可能に構成されている。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、メモリ１０２と、各種信号を入出力するための入出力ポート（図示せず）と等を含んで構成されている。ＥＣＵ１０は、車両１が所望の状態となるように車両１内の各機器（ＳＭＲ１２１、ＰＣＵ１２２、および充電リレー１３１など）を制御する。ＥＣＵ１０は、本開示に係る「充電制御装置」に相当する。

＜充電規格＞
急速充電においては、従来の充電（いわゆる普通充電）とは異なる充電規格（新規格）が採用される。このような規格の一種に、車両側から要求する充電電流の指令値を充電器３に送信し、充電器３が要求された電力を出力するように規定されているものがある。

しかし、充電器３が指令値を受けてから、その指令値に対応する電流を出力するまでの応答速度については、規定されていない場合がある。このため、充電スタンドのメーカーによって、充電器３の応答速度にばらつきがある。

この場合、応答速度が遅い充電器３を使用してもバッテリ１１に適切な充電を行なえるように、最も応答速度が遅い充電器を基準としてＥＣＵ１０は充電電力の制限値Ｗｉｎから定まる電流に対するマージンを設けて充電電流の指令値を設定することが考えられる。しかし、一律にこのような構成とすると、応答速度が速い充電器を使用する場合に充電の所要時間が長くなり、急速充電に対する利便性が悪化する。このような場合に、急速充電を利用するユーザの利便性を向上させることが望ましい。

そこで、本実施の形態においては、充電器の性能にばらつきがある場合にも各充電器に対して適切な充電制御を行なうことができるように、ＥＣＵ１０が充電器３の応答速度を充電初期段階で測定し、測定結果に基づいて充電電流の指令値を決定する。より具体的には、ＥＣＵ１０は、車両用のバッテリ１１に接続される充電器３に対して要求する充電電流の指令値Ｉ＊を送信する。ＥＣＵ１０は、充電開始後に指令値Ｉ＊を変動させ、指令値Ｉ＊の変動に応答した充電器３からの充電電流Ｉｂの変動との時間差である反応時間ＴＲを計測する処理と、バッテリ１１の状態によって定められる上限充電量Ｗｉｎと、反応時間ＴＲによって定められる上限充電量Ｗｉｎに相当する電流値（Ｉ（Ｗｉｎ）＝Ｗｉｎ／Ｖｂ）からのマージンＭとに基づいて、指令値Ｉ＊を設定する処理とを実行する。

＜充電制御の説明＞
図３は、本実施の形態に係る充電制御装置が実行する充電制御を説明するためのフローチャートである。図４は、図３の制御を実行した場合の充電電流の指令値Ｉ＊と実際の充電電流Ｉｂの変化を示した図である。図４には縦軸に電流が示され、横軸に時間が示されている。電流は、ゼロより下方向が充電電流、上方向が放電電流となる。

まずステップＳ１において充電が開始される。するとＥＣＵ１０は、ステップＳ２において、充電制限値Ｗｉｎを超えない範囲で充電電流の指令値Ｉ＊を０から定常値Ｉ０まで次第に遷移させる（図４の時刻ｔ１～ｔ２）。充電器３は、指令値Ｉ＊に追従させるように車両に送電する充電電流Ｉｂを変化させる。ただし、応答速度がゼロではないので、指令値Ｉ＊に少し遅れて充電電流Ｉｂが変化する。このとき、ＥＣＵ１０は、どのような応答速度の充電器３が接続されているかはまだ分かっていない。

続いて、ＥＣＵ１０は、充電電流を数アンペア変化させることによって指令値を定常値Ｉ０からＩ１に変化させる。そしてステップＳ４において、充電電流の指令値Ｉ＊の変化から充電電流を測定する電流センサの検出値から求めた実際の充電電流Ｉｂまでの反応時間ＴＲを算出する。ＥＣＵ１０は、精度向上のため、指令値Ｉ＊の変化と充電電流Ｉｂの変化のタイミングの差である反応時間ＴＲを求めるチェックをＮ回（Ｎは自然数）実行する。ステップＳ５において、ＥＣＵ１０は、チェックがＮ回終了するまで、ステップＳ３およびステップＳ４の処理を繰り返す。図４の時刻ｔ３～ｔ４では、Ｎ＝３である場合が示されている。

Ｎ回のチェックが終了した場合（Ｓ５でＹＥＳ）、ＥＣＵ１０は、ステップＳ６において、過充電防止のマージンＭを決定する。ＥＣＵ１０は、複数回測定した反応時間ＴＲ１～ＴＲ３のうちの最悪値を反応時間ＴＲとする。そして、ＥＣＵ１０は、マージンＭを次式によって設定する。
Ｍ＝ＴＲ×ΔＷｉｎ／Ｖｂ
ここで、ΔＷｉｎ（ｋＷ／ｓｅｃ）は、ＥＣＵ１０で周知の方法で時々刻々と算出されているバッテリ１１に対する充電制限値Ｗｉｎの時間あたり変化量を示し、Ｖｂは、そのときのバッテリ１１の電圧を示す。充電制限値Ｗｉｎは、たとえば、電池電圧、ＳＯＣ、電池劣化度、温度などに基づいて算出される。

ステップＳ６において過充電防止のマージンＭが算出された後は、以降は、充電制限値Ｗｉｎに対してマージンＭを考慮した充電電流の指令値Ｉ＊が決定される。たとえば、以下の式に基づいて指令値Ｉ＊を設定することができる。
Ｉ＊＝Ｗｉｎ／Ｖｂ－Ｍ
図４では、時刻ｔ４において、バッテリ１１の充電が進行し、ＳＯＣがある値に達したことに応じて充電電流を絞る制御が実行されている。

充電器３の応答速度が遅い場合には、マージンＭは大きく設定されるので、Ｗｉｎがゼロに近づく場合に、充電電流の指令値Ｉ＊はＷｉｎに相当する電流値からさらに大きく制限される。このため、充電終了までの時間が長くなる。一方、充電器３の応答速度が速い場合には、マージンＭは小さく設定されるので、充電電流の指令値Ｉ＊はＷｉｎに相当する電流値からあまり制限されない。このため、充電終了までの時間が短くなる。このように、充電器３の特性に合わせた充電制御が実行されるので、性能の良い充電器を使用する場合の充電時間が短縮される。

図５は、充電制御の変形例を説明するための波形図である。図５に示す例では、充電開始時点ｔ１からスタンドの応答性能をテストしている。たとえば、時刻ｔ１において指令値Ｉ＊を増加させると、それに追従して充電電流Ｉｂが変化を開始するまでの反応時間ＴＲ１１が測定される。時刻ｔ１１～ｔ１２において、階段状に指令値Ｉ＊を変化させ、変化させるごとに複数回反応時間を測定し、最悪値を反応時間ＴＲとすれば良い。なお、テストを行なうタイミングは、充電開始時点に限らずいつ行なっても良い。

さらに、充電器３の反応時間ＴＲ以外にも、電流が変化してから安定までの時間すなわち、充電ケーブルおよびバッテリ等によって定まる時定数τを考慮し、ＴＲ＋τに対応するようにマージンＭを定めても良い。マージンＭが定まったら、ＳＯＣが増加してｔ１３においてＷｉｎがより制限された場合に、マージンＭとＷｉｎとを考慮して指令値Ｉ＊が設定される。

なお、他のパラメータとして、反応時間ＴＲ、時定数τ以外にも出力電流のオーバーシュート量をマージンＭまたは指令値Ｉ＊の設定に考慮してもよい。たとえば、電流オーバーシュート量が大きい充電器の場合には、指令値Ｉ＊の変化は小さめにするなどが考えられる。

また、急速充電スタンドの応答性能のスペックを市場情報としてＤＣＭ（Data Communication Module）等を用いて収集し、スタンドとのＣＡＮ通信またはＧＰＳによるスタンドの位置情報から、スタンドに配置されている充電器３の機種を割り出して、割り出した機種に対応するマージンＭを設定しても良い。

以上説明したように、本実施の形態に係る充電制御装置は、充電電流の指令値Ｉ＊に対する充電器の制御遅れを検出し、その量に応じたマージンＭを算出するように構成される。このように構成することによって、急速充電スタンドで車両のバッテリを充電する際に、どのような急速充電スタンドでもバッテリに対して過充電とならないマージンＭを確保して指令値Ｉ＊を算出できる。

本実施の形態に係る充電制御装置によれば、それぞれの充電器に合わせたマージンＭの設定によって、充電器の性能にばらつきが有る場合でもバッテリの保護を図りつつ、なるべく急速に充電するという利便性を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、３ 充電器、４ 充電ケーブル、９ 充電システム、１０ ＥＣＵ、１１ バッテリ、１４ ナビゲーションシステム、１６ 車載ネットワーク、３０ 制御装置、３１ 電力供給部、４１ コネクタ、４２，ＧＬ，ＰＬ 電力線、４３ 通信線、１０２ メモリ、１１１ 監視ユニット、１２１ ＳＭＲ、１２２ ＰＣＵ、１２３ モータジェネレータ、１２４ 動力伝達ギア、１２５ 駆動輪、１３１ 充電リレー、１３５ インレット、１４１ 受信機、１４２ ナビ画面。

Claims (1)

1. 車両用の蓄電装置に接続される充電器に対して要求する充電電流の指令値を送信する充電制御装置であって、
   充電開始後に前記指令値を変動させ、前記指令値の変動に応答した前記充電器の出力変動との時間差を計測する処理と、
   前記蓄電装置の状態によって定められる上限充電量と、前記時間差によって定められる前記上限充電量からのマージンとを用いて、前記指令値を設定する処理とを実行し、
   複数回測定した前記時間差のうちの最悪値を反応時間ＴＲとし、
   前記蓄電装置に対する充電制限値をＷｉｎとし、
   前記蓄電装置に対する充電制限値の時間あたり変化量をΔＷｉｎとし、
   蓄電装置の電圧をＶｂとし、
   前記マージンをＭとし、
   前記指令値をＩ＊とすると、
   前記マージンは、Ｍ＝ＴＲ×ΔＷｉｎ／Ｖｂにより設定され、
   前記指令値は、Ｉ＊＝Ｗｉｎ／Ｖｂ－Ｍにより設定される、充電制御装置。

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