WO2012124487A1

WO2012124487A1 - バッテリ充電制御装置

Info

Publication number: WO2012124487A1
Application number: PCT/JP2012/055206
Authority: WO
Inventors: 敦史 ▲高▼野; 一彦沖野; 山本　直樹; 真介樋口; 崇飯森; 力曽我; 隻人長倉
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-09-20
Also published as: CN103098339B; KR101456400B1; EP2685596A4; JP5732930B2; JP2012191782A; EP2685596B1; US9136727B2; EP2685596A1; CN103098339A; US20130147424A1; KR20130054361A

Abstract

　バッテリ加温中である場合（Ｓ12）、バッテリ加温開始時のバッテリ蓄電状態をバッテリ保持容量SOCholdとし（Ｓ14,Ｓ15）、SOCがSOCholdに保たれるようバッテリへの充電電力を制御する。タイマ充電予約時刻中である場合（Ｓ11）、SOCが満充電状態SOCfullとなるようバッテリへの充電電力を制御する（Ｓ16）。加温開始直後にヒーター消費電力の急増でSOCが一時的に悪化する傾向にあっても、SOC＝SOCholdの保持により、タイマ予約充電時刻中にSOCを狙い通り満充電状態にすることができ、安価な深夜電力を用いた充電割合を最大限に高めてランニングコストを抑制することができる。

Description

バッテリ充電制御装置

　本発明は、充電時刻を指定可能なバッテリと、所定条件の成立時にバッテリの充電電力系を経由した電力で作動される電力負荷とを具えたシステムに用いる、バッテリ充電制御装置に関するものである。

　このようなバッテリおよび電力負荷を具えたシステムとしては、例えば特許文献1に記載のように、電動車両のバッテリと、これを不使用時に加温して温度調節するヒーターとからなるバッテリ暖機装置がある。

　電動車両に搭載したバッテリは、寒冷地で用いることが想定され、不使用中にバッテリ電解液が凍結することがある。
　バッテリは温度低下すると、蓄電状態SOCが低下するわけではないが、内部抵抗の増大によりバッテリに対する入出力可能電力が低下し、バッテリ電解液が凍結すると、バッテリの入出力可能電力が遂には0になって、バッテリを走行エネルギー源とする電動車両の場合は走行不能に陥る。

　そこで、バッテリの入出力可能電力がかかる不都合を生ずる状態になるまで温度低下する前に、ヒーターでバッテリを加温して温度調節するバッテリ温度制御装置が必要である。

　特許文献1に記載のバッテリ暖機装置は、例えばこのよう目的でバッテリをヒーターにより加温して温度調節するに際し、これを以下のごとくに遂行する。
　つまり、バッテリ温度が設定温度未満に低下した時、ヒーターを作動させてバッテリを加温するが、この際さらに、バッテリ蓄電状態が所定値未満であれば、バッテリへの充電をも併せて行い、充電により発生する熱によってもバッテリを加温しようとするものである。

　しかし特許文献1記載の技術では、バッテリ温度が設定温度未満に低下した時、バッテリ蓄電状態が所定値未満であると、バッテリへの充電をも併せて行うものであるため、この時、バッテリ温度が設定温度未満である限りにおいて、バッテリ蓄電状態が所定値以上になるまで、バッテリが継続的に充電されることとなる。

　ところでバッテリの充電は、安価な深夜電力を用いて充電するのが、ランニングコストを抑える意味合いにおいて好ましく、例えばこのような要求に鑑み、或いは出発時刻に満充電となるよう、バッテリの充電時刻を指定可能にするのが有利である。

　かようにバッテリの充電時刻が指定可能である車両に上記特許文献1のバッテリ暖機装置を用いた場合、以下のような問題を生ずる。
　つまり特許文献1の装置では前記した通り、バッテリ温度が設定温度未満に低下し、且つ、バッテリ蓄電状態が所定値未満であるとき、バッテリ蓄電状態が増大するようバッテリへの充電を行うものであるため、当該バッテリ蓄電状態を増大させるためのバッテリ充電が上記の充電指定時刻以外に行われてしまう。

　かように充電指定時刻以外の時刻にバッテリ蓄電状態を増大させるためのバッテリへの充電が行われると、例えば安価な深夜電力を用いたバッテリの充電が行われなくなったり、少なくとも、充電量のうちの相当に大きな充電量が深夜電力以外の高価な電力により賄われ、ランニングコストが高くなるという問題を生ずる。

特開２０００－０４０５３６号公報

　本発明は、充電指定時刻以外はできるだけ、バッテリ蓄電状態を増大させるためのバッテリ充電が抑制されるようにして、例えば上記のようなランニングコストに関する問題を回避し得るようにしたバッテリ充電制御装置を提供することを目的とする。

　この目的のため本発明によるバッテリ充電制御装置は、これを以下のように構成する。
　先ず本発明の前提となるバッテリ充電制御装置を説明するに、これは、充電時刻を指定して充電可能なバッテリと、該バッテリの充電電力系に接続され、所定条件の成立時に該充電電力系を経由した電力により作動される電力負荷とを具えたものである。

　本発明は、かかるバッテリ充電制御装置に対し、以下のような充電電力変更手段を設けた構成に特徴づけられる。
　この充電電力変更手段は、上記電力負荷が作動されている間、上記指定した充電時刻中か否かに応じて、バッテリへの充電電力を異ならせるものである。

　かかる本発明のバッテリ充電制御装置によれば、充電電力系を経由した電力により電力負荷が作動されている間、指定の充電時刻中か否かに応じて、バッテリへの充電電力を異ならせるため、指定の充電時刻中である時における充電電力および指定の充電時刻中でない時における充電電力の適切な設定により、充電指定時刻以外はバッテリ蓄電状態を増大させるためのバッテリ充電を抑制して、バッテリ蓄電状態を増大させるためのバッテリへの充電を主に充電指定時刻中に行わせることができ、充電時刻の指定意図、例えばランニングコストの低下を実現することができる。

本発明の一実施例になるバッテリ充電制御装置を、バッテリ温度調節装置と共に、これらの概略を示す制御システム図である。図1におけるコントローラが実行するバッテリ充電制御プログラムを示すフローチャートである。図2に示すバッテリ充電制御プログラムの動作タイムチャートである。図3におけるバッテリ加温開始時t1と、指定された充電終了時刻t3との間における時間軸を拡大して示す動作タイムチャートである。

　以下、本発明の実施の形態を、図示の実施例に基づき詳細に説明する。
　図1は、本発明の一実施例になるバッテリ充電制御装置の制御システム図で、本実施例では、このバッテリ充電制御装置を、電気自動車やハイブリッド車両など電動車両の走行に用いるメインバッテリ1を充電するためのものとする。
　またメインバッテリ1は、複数個の電池シェルを積層してユニット化した電池モジュールを多数個、1セットにして一体化した、走行用モータの駆動に供し得る大容量のバッテリとする。

　図1において、2は、バッテリ1の温度調節を行うためのヒーターで、本発明における電力負荷に相当し、このヒーター2は、上記の電池モジュールに対し、電池シェルの積層方向に沿うよう配置して、電池モジュールの直近に設け、バッテリ1を加温し得るものとする。

　図1において、3は、電動車両の走行駆動に用いる電動モータで、この電動モータ3は、インバータ4を介してバッテリ1に電気接続する。
　そして、インバータ4およびバッテリ1間の電路中にメインリレースイッチ5を挿置し、このメインリレースイッチ5は、電動車両の図示せざるイグニッションスイッチに連動して、同じく図示せざる駆動コントローラを介し開閉され、イグニッションスイッチのON時に閉じ、イグニッションスイッチのOFF時に開くものとする。

　イグニッションスイッチのONに連動してメインリレースイッチ5が閉じている間、バッテリ1からの直流電力は、インバータ4により直流→交流変換されると共に該インバータ4による制御下で電動モータ3に向け出力され、該モータ3の駆動により電動車両を走行させることができる。
　イグニッションスイッチのOFFに連動してメインリレースイッチ5が開いている場合、バッテリ1からの直流電力は電動モータ3に向かい得ず、該モータ3の停止により電動車両を停車状態に保つことができる。

　インバータ4の直流側とメインリレースイッチ5との間には充電器7を接続して設け、この充電器7を、充電スタンドや自宅に在るバッテリ充電設備の外部電源に接続するとき、図示せざる充電コントローラによりメインリレースイッチ5が閉じられ、バッテリ1を外部電源により充電することができる。

　上記の用に供されるバッテリ1の温度調節および充電制御を以下に説明する。
　上記した通りバッテリ1の温度調節を行い得るよう、電池モジュールの直近において電池シェルの積層方向に沿うよう設けたヒーター2は、図1に示すごとくインバータ4の直流側とメインリレースイッチ5との間に電気接続し、この接続部とヒーター2との間の電路中にヒータースイッチ8を挿置する。

　ヒータースイッチ8の開閉は、バッテリ1の温度調節および充電制御を司るコントローラ9により、リレー駆動回路6を介して制御する。
　このコントローラ9は更に、メインリレースイッチ5がイグニッションスイッチのOFFに連動して開かれている間、および、メインリレースイッチ5が充電器7の外部電源への接続に連動して閉じられている間、当該メインリレースイッチ5をも、リレー駆動回路6を介して開閉制御するものとする。

　なおコントローラ9は、メインリレースイッチ5がイグニッションスイッチのOFFに連動して開かれている間、ヒータースイッチ8の「閉」に同期してメインリレースイッチ5をも閉じてヒーター2を附勢（ON）し、ヒータースイッチ8の「開」に同期してメインリレースイッチ5をも開いてヒーター2を滅勢（OFF）するものとする。

　またコントローラ9は、メインリレースイッチ5が充電器7の外部電源への接続に連動して閉じられている間、ヒータースイッチ8が「閉」状態であることを条件に、メインリレースイッチ5を開閉制御して、本発明が狙いとする後述のバッテリ充電制御を行い、またヒータースイッチ8が「開」である場合は、メインリレースイッチ5を開いて、バッテリ充電を行わないものとする。

　コントローラ9には、ヒータースイッチ8およびメインリレースイッチ5の上記閉開を介したヒーター2のON,OFF制御（バッテリ温度調節のON,OFF）、およびバッテリ1の充電制御を行うために、バッテリ1の蓄電状態SOCを検出するバッテリ蓄電状態検出センサ11からの信号と　バッテリ1の温度Tbatを検出するバッテリ温度センサ12からの信号と、車両の使用者がバッテリ1の充電開始時刻および充電終了時刻間におけるバッテリ充電時刻を指令する時に操作する充電時刻指令器13からの信号とを入力する。

　なお充電時刻指令器13は、安価な深夜電力を用いたバッテリ1の満充電によりランニングコストを抑えたり、出発時刻に丁度バッテリ1が満充電になって走行距離が最長になるようにするなどのために、車両の使用者がバッテリ充電時刻を指令するためのものである。

　コントローラ9は、これら入力情報を基に図示せざる制御プログラムを実行してバッテリ温度調節を行うと共に、図2に示す制御プログラムを実行して、バッテリ1の充電制御を以下の要領で行う。

　先ず、イグニッションスイッチOFF（メインリレースイッチ5の「開」）により、電動モータ3（インバータ4）から切り離されて不使用状態となっているバッテリ1の温度調節を概略説明する。
　不使用状態のバッテリ1は、特に厳寒地において電解液の凍結により入出力可能電力が0となり、走行不能になることから、適宜ヒーター2を作動させてバッテリ1を加温し、温度調節する必要がある。
　このため、イグニッションスイッチOFF中は、バッテリ温度Tbatが図3に例示する加温開始温度Tbat_start（例えば-17℃程未満か、また同じく図3に例示する加温終了温度Tbat_stop（例えば-10℃）以上か否かをチェックする。

　バッテリ温度Tbatが加温開始温度Tbat_start未満（Tbat<Tbat_start）に低下する図3の瞬時t1以前においては、差し当たってバッテリ電解液の凍結が心配ないから、コントローラ9はヒータースイッチ8およびメインリレースイッチ5を開くことにより、ヒーター2をOFFにしてバッテリ1の加温を行わない。

　バッテリ温度Tbatが加温開始温度Tbat_start未満（Tbat<Tbat_start）となる図3のt1に、コントローラ9はヒータースイッチ8およびメインリレースイッチ5を閉じることにより、ヒーター2をONにしてバッテリ1の加温を行う。

　その後はコントローラ9が、上記時間隔の経過ごとに、バッテリ温度Tbatが加温終了温度Tbat_stop以上になったか否かをチェックし、図3の瞬時t1以降におけるごとくTbat≧Tbat_stopにならない間、コントローラ9は引き続きヒータースイッチ8およびメインリレースイッチ5の「閉」により、ヒーター2をONにしてバッテリ1の加温を継続する。

　そしてTbat≧Tbat_stopになるとき、コントローラ9はヒータースイッチ8およびメインリレースイッチ5の「開」により、ヒーター2をOFFにしてバッテリ1の加温を終了する。

　以上のサイクルの繰り返しにより、バッテリ1はTbat<Tbat_stopのままにされることがなく、電解液が凍結して走行不能になるのを防止することができる。
　また、Tbat≧Tbat_stopになるとき、ヒーター2をOFFにしてバッテリ1の加温を終了するため、不要なヒーター2のONで電力が無駄に消費されるのを防止することができる。

　次に、コントローラ9が実行するバッテリ1の充電制御を、図2に基づき詳述する。
　図2の制御プログラムは、図3の瞬時t0におけるごとく充電器7を、充電スタンドや自宅に在るバッテリ充電設備の外部電源に接続したことで、メインリレースイッチ5が閉じられ、充電可能状態になった時から実行される。

　ステップＳ11においては、充電時刻指令器13によって指定された充電開始時刻および充電終了時刻間におけるタイマ充電予約時刻中か否かをチェックする。
　図3では、指定された充電開始時刻を瞬時t1の後のt3とし、また指定された充電終了時刻を瞬時t4として示した。

　ステップＳ11において今がタイマ充電予約時刻中（t3～t4）でないと判定する場合、ステップＳ12において、ヒータースイッチ8がON中か否かにより、バッテリ1が加温中か否かをチェックする。
　なお、図3の瞬時t0以降におけるように充電器接続状態では、充電器7からの電力が存在しているため、ヒータースイッチ8がONであれば、メインリレースイッチ5のON,OFFに関係なくヒーター2を作動させることができ、従ってステップＳ12では上記の通り、ヒータースイッチ8がON中か否かのみにより、バッテリ1が加温中か否かをチェックすることができる。

　図3の加温開始瞬時t1よりも前のようにバッテリ1が加温中でなければ、ステップＳ13において、メインリレースイッチ5の「OFF」によりバッテリ1の充電を、図4の加温開始瞬時t1以前におけるバッテリ充電電力Pchg＝０から明らかなように、禁止して行わないようにする。

　ステップＳ12でヒーター2のONによるバッテリ1の加温中と判定する場合、ステップＳ14において、当該加温の開始時（図3ではt1）に取得すべきバッテリ保持容量SOCholdを既に取得済みであるか否かをチェックする。
　未だバッテリ保持容量SOCholdを取得済みでなければ、ステップＳ15において加温開始時（図3ではt1）のバッテリ蓄電状態SOC(t1）をバッテリ保持容量SOCholdに設定した後、制御をステップＳ16に進め、既にステップＳ15の実行によりバッテリ保持容量SOCholdを取得済みであれば、このステップＳ15をスキップして、制御をステップＳ16に進める。

　ステップＳ16は、本発明における充電電力変更手段に相当するもので、このステップＳ16においては、バッテリ蓄電状態SOCがバッテリ保持容量SOCholdに保たれるようメインリレースイッチ5のON,OFFによりバッテリ1への充電電力Pchgを制御する。
　この制御は、SOC<SOCholdであれば、メインリレースイッチ5のONにより充電器7からバッテリ1へ充電電力を供給し、またSOC＝SOCholdになったら、メインリレースイッチ5のOFFにより充電器7からバッテリ1へ充電電力が供給されないようにすることで、実現可能である。

　かようにバッテリ蓄電状態SOCがバッテリ保持容量SOCholdに保たれるようバッテリ1への充電電力Pchgを制御する場合、以下のような効果が得られる。

　図4は、図3の加温開始時t1と、指定された充電開始時刻t3との間における時間軸を、図3よりも拡大して示すもので、瞬時t1の直後にヒーター消費電力Pheatが急増し、その分だけバッテリ蓄電状態SOCが、瞬時t1の直後におけるバッテリ電圧Vbatの実線で示す低下傾向から明らかなごとく一時的に悪化する。
　かかるバッテリ蓄電状態SOCの悪化を放置しておくと、図3のタイマ予約充電時刻t3～t4中にバッテリ蓄電状態SOCを狙い通り満充電状態にし得なくなり、安価な深夜電力を用いた充電割合が低下してランニングコストが高くなったり、瞬時t4の充電終了後における走行開始時にバッテリ1が満充電状態でなくて、走行距離が短くなるという問題を生ずる。

　ところで本実施例においてはステップＳ16で、バッテリ蓄電状態SOCがバッテリ保持容量SOCholdに保たれるようバッテリ1への充電電力Pchgを、図4の加温開始時t1の直後に図4に示すごとくに増大させるため、瞬時t1の直後においてもバッテリ電圧Vbatを波線で示すごとく、バッテリ保持容量SOChold相当のレベルに保つことができる。
　このため、図3のタイマ予約充電時刻t3～t4以外にバッテリ蓄電状態SOCを瞬時t1のレベルよりも増大させるバッテリ充電が行われることがなくて、図3のタイマ予約充電時刻t3～t4中にバッテリ蓄電状態SOCを狙い通り満充電状態にすることができ、安価な深夜電力を用いた充電割合を最大限に高めてランニングコストを抑制することができ、また瞬時t4の充電終了後における走行開始時に確実にバッテリ1を満充電状態にすることができ、走行距離を最大限が延長することができる。

　図2のステップＳ11で今が、充電開始時刻t3（図3参照）および充電終了時刻t4（図3参照）間におけるタイマ充電予約時刻中と判定する場合、制御をステップＳ17に進める。
　このステップＳ17は本発明における充電電力変更手段に相当するもので、バッテリ蓄電状態SOCが満充電状態SOCfullとなるようメインリレースイッチ5のON,OFFによりバッテリ1への充電電力Pchgを制御する。
　この制御は、SOC<SOCfullであれば、メインリレースイッチ5のONにより充電器7からバッテリ1へ充電電力を供給し、またSOC＝SOCfullになったら、メインリレースイッチ5のOFFにより充電器7からバッテリ1へ充電電力が供給されないようにすることで、実現可能である。

　かようにタイマ充電予約時刻中t3～t4にバッテリ蓄電状態SOCが満充電状態SOCfullとなるようバッテリ1への充電を行う場合、タイマ充電予約時刻の指定意図を確実に達成することができ、当該満充電のために消費される電力を全て、安価な深夜電力で賄うこととなって、ランニングコストを抑制することができる。

　上記した本実施例のバッテリ充電制御装置によれば、図3，4に示すように、
瞬時t1以降のヒーター2（電力負荷）の作動によるバッテリ1の加温中、今がタイマ充電予約時刻（t3～t4）であるか否かに応じ、今がタイマ充電予約時刻（t3～t4）でなければ、バッテリ蓄電状態SOCが、加温開始時t1のバッテリ蓄電状態SOC（t1）であるバッテリ保持容量SOCholdに保たれるようバッテリ1への充電電力Pchgを制御するため、図4に示すごとく加温開始時t1の直後にヒーター消費電力Pheatが急増し、その分だけバッテリ蓄電状態SOCが、瞬時t1の直後におけるバッテリ電圧Vbatの実線で示す低下傾向から明らかなごとく一時的に悪化する傾向にあっても、瞬時t1の直後におけるバッテリ電圧Vbatを波線で示すごとく、バッテリ保持容量SOChold相当のレベルに保つことができる。

　従って、図3のタイマ予約充電時刻t3～t4以外にバッテリ蓄電状態SOCを瞬時t1のレベルよりも増大させるバッテリ充電が行われることがなくて、その後における図3のタイマ予約充電時刻t3～t4中にバッテリ蓄電状態SOCを狙い通り満充電状態にすることができ、安価な深夜電力を用いた充電割合を最大限に高めてランニングコストを抑制することができ、また瞬時t4の充電終了後における走行開始時に確実にバッテリ1を満充電状態にすることができ、走行距離を最大限が延長することができる。

　また、今がタイマ充電予約時刻（t3～t4）である場合は、バッテリ蓄電状態SOCが満充電状態SOCfullにされるようバッテリ1への充電電力Pchgを制御するため、当該満充電のために消費される電力を全て、安価な深夜電力で賄うこととなって、ランニングコストを抑制することができる。

Claims

　充電時刻を指定して充電可能なバッテリと、該バッテリの充電電力系に接続され、所定条件の成立時に該充電電力系を経由した電力により作動される電力負荷とを具えたバッテリ充電制御装置において、
　前記電力負荷が作動されている間、前記指定した充電時刻中か否かに応じて、前記バッテリへの充電電力を異ならせる充電電力変更手段を設けたバッテリ充電制御装置。
　請求項1に記載のバッテリ充電制御装置において、
　前記充電電力変更手段は、前記指定した充電時刻中か否かに応じ、前記バッテリへの充電電力を、満充電可能な満充電用充電電力と、満充電よりも小さな所定のバッテリ蓄電状態に保持するための蓄電状態保持用充電電力との間で切り替えるものであるバッテリ充電制御装置。
　請求項2に記載のバッテリ充電制御装置において、
　前記充電電力変更手段は、前記指定した充電時刻中でない間、バッテリへの充電電力を前記蓄電状態保持用充電電力とし、前記指定した充電時刻中である間、バッテリへの充電電力を前記満充電用充電電力とするものであるバッテリ充電制御装置。
　請求項2または3に記載のバッテリ充電制御装置において、
　前記蓄電状態保持用充電電力は、前記電力負荷が作動を開始した時のバッテリ蓄電状態にバッテリを保つのに必要な充電電力であるバッテリ充電制御装置。
　請求項1～4のいずれか1項に記載のバッテリ充電制御装置において、
　前記電力負荷は、バッテリを所定温度未満になるときに加温して温度調節するヒーターであるバッテリ充電制御装置。