WO2019026143A1 - 充電時間演算方法及び充電制御装置 - Google Patents

Abstract

温度センサを用いて、バッテリの温度を示すバッテリ温度とバッテリの周囲の温度を示すバッテリ周囲温度を検出し、電圧センサを用いて、前記バッテリの電圧を検出し、バッテリの電圧に基づきバッテリの充電状態を演算し、バッテリの電圧とバッテリの充電上限電圧に基づきバッテリの充電可能電力を演算し、充電可能電力及び充電器の出力可能電力を比較し、低い方の電力を第１充電電力として演算し、バッテリ温度及びバッテリ周囲温度、及び第１充電電力で充電する際の充電電流に基づき、バッテリ温度が所定の制限温度に達するタイミングを、第１タイミングとして演算し、バッテリ温度に応じて制限される第２充電電力を演算し、充電電力、充電状態、バッテリ温度、及びバッテリの充電時間の対応関係を示すマップを参照し、第１タイミングに達する時のバッテリの状態及び第２充電電力に基づき、第１タイミングより後の充電時間を第２充電時間として演算し、第１タイミングに達するまでの第１充電時間に第２充電時間を加えた時間を、充電時間として演算する。

Description

充電時間演算方法及び充電制御装置

　本発明は、充電時間演算方法及び充電制御装置に関するものである。

　残充電時間を演算する方法として、電池の端子電圧と温度から、最大電池容量及び満充電電圧に達するまでの電池容量と端子電圧との関係を示す電圧－電池容量関係情報を参照することによりＳＯＣを求め、ＳＯＣと現時点から満充電に要する時間との関係を示すマップを用いて、残充電時間を求める方法が知られている（特許文献１）。

特開２０１１－９１８７９号公報

　しかしながら、充電時間の演算精度が低いという問題がある。

　本発明が解決しようとする課題は、充電時間の演算精度を高めた充電時間演算方法及び充電制御装置を提供することである。

　本発明は、バッテリ温度及びバッテリ周囲温度、及び第１充電電力で充電する際の充電電流に基づき、バッテリ温度が所定の制限温度に達するタイミングを第１タイミングとして演算し、マップを参照し、第１タイミングに達する時のバッテリの状態及び第２充電電力に基づき、第１タイミングより後の充電時間を第２充電時間として演算し、第１タイミングに達するまでの第１充電時間に第２充電時間を加えた時間を、バッテリの総充電時間として演算することによって上記課題を解決する。

　本発明によれば、充電時間の演算精度が高まるという効果を奏する。

図１は、本実施形態に係る充電システムのブロック図である。 図２は、バッテリに含まれるセルの最高電圧と、入力可能電力との対応関係を説明するためのグラフである。 図３は、図１のコントローラのブロック図である。 図４は、バッテリ温度、ＳＯＣ、充電電力、及び充電時間の対応関係を示すマップを説明するための図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る充電システムのブロック図である。本実施形態に係る充電システムは、電気自動車、プラグインハイブリッド車両の車両等に搭載のバッテリを充電するシステムである。なお、充電システムは、車両に限らず、バッテリを備えた他の装置に搭載されてもよい。

　本実施形態に係る充電システムは、バッテリ２０、電源３０、及び充電制御装置１００を備えている。充電制御装置１００は、バッテリ２０の状態を管理し、電源３０から入力される電力を制御し、バッテリ２０に充電電力を制御することで、バッテリ２０の充電を制御する。また、充電制御装置１００はバッテリ２０の充電時間を演算する。充電制御装置１００は、コントローラ１０、充電器１１、電圧センサ１２、電流センサ１３、及び温度センサ１４、１５を有している。

　コントローラ１０は、電圧センサ１２、電流センサ１３、及び温度センサ１４、１５の検出値を取得し、充電器１１から出力されるバッテリ２０への充電電力を制御する。なお以下の記載では、コントローラ１０による充電器１１からバッテリ２０への充電電力の充電制御を、単にコントローラ１０による充電制御とも記載する。コントローラ１０は、バッテリ２０への充電電力を制御する充電制御機能と、バッテリ２０の充電時間（充電開始から終了までの充電時間であり、総充電時間とも記載する）を演算する充電時間演算機能を有している。コントローラ１０は、ＣＰＵ、メモリ等を有している。メモリには、バッテリ２０に含まれる、充電制御機能及び充電時間演算機能などの各種機能を発揮するためのプログラムが記憶されている。そして、ＣＰＵは、メモリに記録された各種プログラムを実行するためのハードウェアである。ＣＰＵは、プログラムを実行することで、各種機能を発揮する。コントローラ１０は、バッテリ２０の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ　оｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を演算することでバッテリ２０の状態を管理する。コントローラ１０は、バッテリ２０の充電モードに応じて、バッテリ２０の充電時間を演算する。コントローラ１０で算出された充電時間は例えば電気自動車、プラグインハイブリッド車両の車両等であれば、インストルメントパネル等の車両のユーザーが視認可能な位置に設けられた表示装置４０に表示する。なお、算出した充電時間（充電開始から充電終了までの時間）から充電開始からの経過時間を減算した時間を、現在から充電終了までの時間（残充電時間）として表示装置４０に表示してもよい。

　充電器１１は、バッテリ２０と電源３０との間に接続されている。充電器１１は、電源３０に接続される。充電器１１は、電源３０から入力される電圧を、バッテリ２０の充電に適した電圧に変換して、変換された電圧を、バッテリ２０の充電電圧としてバッテリ２０に出力する。充電器１１は、電圧変換回路、スイッチ等を有している。

　電圧センサ１２はバッテリ２０の端子間電圧を検出するためのセンサである。バッテリ２０が複数の電池で構成されている場合には、電圧センサ１２は、複数の電池の各端子間電圧を検出する。電圧センサ１２は、バッテリ２０に含まれる各電池の端子間に接続されている。電流センサ１３は、バッテリ２０の充電電流を検出するためのセンサである。電流センサ１３は、充電器１１の出力とバッテリ２０との間に接続されている。

　温度センサ１４は、バッテリ２０自体の温度を検出するためのセンサである。温度センサ１４は、バッテリ２０に直接接触した状態で、バッテリ２０に設置されている。なお、温度センサ１４は、バッテリ２０を間接的に検出可能な位置に設置されてもよい。温度センサ１５は、バッテリ２０の周囲の温度（環境温度）を検出するためのセンサである。温度センサ１５は、バッテリ２０の外部に設置されている。

　バッテリ２０は、リチウムイオン電池等の二次電池（セル）を有している。二次電池は並列又は直列に接続されている。電源３０は、家庭用の交流電源等である。

　本実施形態において、一般家庭に設けられた交流電源を利用してバッテリ２０を充電する場合（例えば普通充電の場合）には、電源３０に含まれるコンセントと車両に設けられた充電器１１との間が充電ケーブルで電気的に接続されることで、充電器１１、バッテリ２０及び電源３０が電気的に接続される。屋外に設置された充電装置を利用してバッテリ２０を充電する場合（例えば急速充電の場合）には、充電器１１及び電源３０は外部の充電装置に含まれる構成となり、充電器１１の出力に接続される充電ケーブルを、バッテリ２０に電気的に接続することで、充電器１１、バッテリ２０及び電源３０が電気的に接続される。

　次に、コントローラ１０の充電制御機能について説明する。コントローラ１０は、バッテリの状態及びバッテリ２０の上限電圧に応じて充電器１１を制御して、バッテリ２０を充電する際の充電電力を制御する。

　コントローラ１０は、バッテリ２０の電圧と予め定めた上限電圧（例えばバッテリ２０が満充電となった場合の電圧）との差に基づいて充電可能電力を算出し、充電可能電力に基づいて充電器１１からバッテリ２０へ供給される充電電力を制御する。具体的には、充電器１１の出力可能な電力の最大値である出力可能電力がバッテリ２０の充電可能電力未満の場合は充電器１１の出力可能電力で定電力充電を行い、充電器１１の出力可能電力がバッテリ２０の充電可能電力以上の場合は充電可能電力で充電を行うように充電器１１を制御する。また、コントローラ１０はバッテリ２０の温度が予め定めた所定温度以上となった場合は充電器１１からバッテリ２０へ供給される充電電流を、バッテリ２０の温度に応じたバッテリ２０の温度上昇を抑制可能な電流値である制限充電電流に制限する。

　ここで通常、車両用の充電器１１の出力可能電力（例えば５０ｋＷ）に対して充電中のバッテリ２０の電圧変化（例えば２０Ｖ）は充分小さいため、充電器１１の出力可能電力で定電力充電を行っている際の電流変化は小さい。従って、充電器１１の出力可能電力での定電力充電は略ＣＣ充電（定電流充電）と言える。また、充電器１１の出力可能電力がバッテリ２０の充電可能電力以上となり、充電可能電力での充電を開始した際のバッテリ２０の電圧は既に、上限電圧に近い状態であり、その後のバッテリ２０の電圧変化は極小さい。従って、充電器１１の出力可能電力がバッテリ２０の充電可能電力以上となった後の充電可能電力での充電はＣＶ充電（定電圧充電）と言える。

　上述の通り、コントローラ１０によって実施される充電可能電力に基づく充電制御はＣＣ-ＣＶ充電と言える。このため、コントローラ１０は、ＣＣ充電モード、ＣＣ－ＣＶ充電モード及び温度切替充電モードを含んだ複数の充電モードを適宜切り替えて充電を実施してもよい。ＣＣ充電モードではＣＣ（ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ）方式（定電流方式）でバッテリ２０を充電する。ＣＣ（ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ）方式は、充電電流を一定にしてバッテリ２０を充電する方式である。ＣＣ－ＣＶ充電モードでは、バッテリ２０の充電可能電力に基づき、充電の途中で、ＣＣ方式からＣＶ（ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｖｏｌｔａｇｅ）方式（定電圧方式）に切り換えて、バッテリ２０を充電する。ＣＶ方式は、充電電圧を一定にしてバッテリ２０を充電する方式である。ＣＣ方式による充電後に、ＣＶ方式による充電に切り換える場合に、ＣＶ方式による充電では、充電電圧を一定に保ちつつ、充電電流を段階的に小さくして、目標ＳＯＣまでバッテリ２０を充電する。温度切替充電モードでは、バッテリ２０の温度が制限温度に達した後は、バッテリ温度に応じて充電電流を、バッテリ２０の温度上昇を抑制可能な電流値としての制限充電電流に制限して、制限充電電流でバッテリ２０を充電する。

　コントローラ１０は、バッテリ２０の初期状態として、バッテリ２０の現在のＳＯＣ（以下、現在ＳＯＣとも称す）及びバッテリ２０の充電可能電力を演算する。コントローラ１０のメモリには、バッテリ２０の開放電圧（ＯＣＶ）とＳＯＣとの対応関係を示すマップ（電圧－ＳＯＣマップ）が記憶されている。コントローラ１０は、電圧－ＳＯＣマップを参照し、電圧センサ１２の検出電圧（開放電圧に相当）に対応するＳＯＣを、バッテリ２０の現在ＳＯＣとして演算する。なお、電圧－ＳＯＣマップで示される関係性は、バッテリ２０の劣化度により変わるため、コントローラ１０は、バッテリ２０の劣化度を演算しつつ、劣化度に応じて、電圧とＳＯＣの対応関係を補正した上で、現在ＳＯＣを演算してもよい。コントローラ１０は、例えば、電池出荷時の開放電圧と現在の開放電圧との比較、あるいは、内部抵抗の大きさに基づき劣化度を演算すればよい。

　充電可能電力は、バッテリ２０の充電の際、バッテリ２０の劣化の促進を抑制しながら充電できる最大の電力であって、充電器１１からバッテリ２０に入力可能な最大の入力電力である。バッテリ２０に対して入力可能な電力は、バッテリ２０の現在の電圧とバッテリの上限電圧との差で変わるため、充電可能電力は、バッテリ２０の現在の電圧とバッテリの上限電圧（充電上限電圧）との差から演算されてもよい。なお充電可能電力は一般的に、入力可能電力あるいは最大充電可能電力や最大入力可能電力とも言われ、本実施形態においては充電可能電力と記載する。コントローラ１０は、以下の要領で、充電可能電力を演算する。

　バッテリ２０には、バッテリ２０の性能に応じて、充電上限電圧がセル毎に設定されている。充電上限電圧は、バッテリ２０の劣化を防止するために、バッテリ２０を充電する際の、上限となる電圧である。充電上限電圧は、バッテリ２０を構成する電池（セル）の内部で、リチウムの析出が開始する電圧、または、リチウムの析出が開始する電圧よりも低い電圧が設定される。

　充電上限電圧は、バッテリ２０へ入力される充電電流、バッテリ温度、及び、バッテリ２０の内部抵抗に応じて、演算される。例えば、充電上限電圧は、バッテリ２０の充電電流が大きいほど低く演算され、バッテリ２０の充電電流が小さいほど高くなるように演算される。

　バッテリ２０が複数の電池により構成されている場合には、複数の電池の中で最も電圧が高い電池の電圧を、充電上限電圧に抑えなければならない。コントローラ１０は、各セルの電圧から、最も電圧が高いセルを特定する。充電可能電力演算部５５は、特定されたセルの電圧、当該セルの内部抵抗、セルの充電電流及び充電上限電圧に基づき、バッテリに入力可能な入力可能電流を演算する。

　入力可能電流は、最も高い端子電圧を有するセルの内部抵抗と、当該セルの充電上限電圧から演算される。セルの内部抵抗は、セルの端子電圧と、当該セルの充電電流から演算される。

　図２は、入力可能電流（Ｉ_ＭＡＸ）の演算方法を説明する図である。コントローラ１０は、最も高い端子電圧を有するセルの内部抵抗から、図２に示すように、当該セルの内部抵抗線Ｌ_Ｒを演算する。

　内部抵抗線Ｌ_Ｒは、最も高い端子電圧を有するセルについて、当該セルの充電電流と、当該セルの電圧との関係を示す直線である。なお、内部抵抗線Ｌ_Ｒは、例えばバッテリ２０の総内部抵抗及びバッテリ２０の開放電圧から演算することができる。バッテリ２０の総内部抵抗は、バッテリ２０に含まれる複数のセルの全体の抵抗値である。

　充電上限電圧線Ｌ_{Ｖ＿ＬＩＭ}は、バッテリ２０の充電電流と相関性を有している。そのため、充電上限電圧（充電上限電圧線Ｌ_{Ｖ＿ＬＩＭ}に相当）とバッテリ２０の充電電流との相関性をもつマップが、予めメモリに記録されている。

　図２に示す特性において、充電上限電圧線Ｌ_{Ｖ＿ＬＩＭ}と内部抵抗線Ｌ_Ｒとの交点における電流が、最も高い端子電圧を有するセルへの入力可能電流となる。これにより、入力可能電流が演算される。上述のとおり、内部抵抗はバッテリ２０の開放電圧から演算でき、開放電圧が低いほど内部抵抗は小さくなる。そして、図２の特性より、内部抵抗が低いほど、入力可能電流は高くなる。

　そして、充電可能電力演算部５５は、バッテリ２０の充電上限電圧に入力可能電流（Ｉ_ＭＡＸ）を乗じることで、充電可能電力を演算することができる。これにより、コントローラ１０は、バッテリ２０の電圧とバッテリ２０の充電上限電圧に基づき、バッテリ２０の充電可能電力を演算する。コントローラ１０は、バッテリ２０の充電中も、充電可能電力を演算している。なお、充電可能電力の演算方法は、上記以外の方法であってもよい。

　コントローラ１０は、バッテリ２０の充電可能電力及び充電器１１の出力可能電力に応じて、充電モードを切り替える。充電器１１の出力可能電力は、充電器１１から出力可能な最大の出力電力を示しており、充電器１１の定格電力に相当する。すなわち、出力可能電力は充電器１１の能力に応じて予め設定されている値であり、充電器１１の出力電力は、この出力可能電力以下に制限されている。充電器１１には、出力可能電力が高い急速充電器と、急速充電器よりも出力可能電力が低い普通充電器がある。コントローラ５０は、ケーブル等により、充電器１１とバッテリ２０との間の接続を確認すると、充電器１１から送信される信号を受信し、充電器１１の出力可能電力を取得する。

　コントローラ１０は、バッテリ２０の充電可能電力と充電器１１の出力可能電力を比較し、バッテリ２０の充電可能電力が充電器１１の出力可能電力より高い場合には、充電器１１の出力可能電力をバッテリ２０の充電電力に設定する。そして、コントローラ１０は、バッテリ２０への充電電力が演算された充電電力で一定に保たれるようにバッテリ２０を充電する。なおここで、上述の通り充電器１１の出力可能電力でのバッテリ２０の充電は略ＣＣ方式での充電と言えるため、以下では便宜上ＣＣ方式と記載する。

　バッテリの充電可能電力が充電器１１の出力可能電力より高くなった状態が、充電開始から充電終了まで保たれる場合には、コントローラ１０はＣＣ方式のみでバッテリ２０を充電する。例えば、ユーザが満充電よりも低いＳＯＣを目標値に設定し、普通充電器でバッテリ２０を充電する場合には、バッテリ２０が目標ＳＯＣまで充電したとしても、バッテリの充電可能電力は充電器１１の出力可能電力より高いままである。このような充電では、コントローラ１０はＣＣ方式のみでバッテリ２０を充電する。

　コントローラ１０は、バッテリ２０の充電可能電力が充電器の出力可能電力より低い場合には、バッテリ２０の充電可能電力をバッテリ２０の充電電力に設定する。ここで、バッテリ２０の充電可能電力が充電器の出力可能電力より低い場合とはバッテリの電圧が略上限電圧に近い状態であるため、バッテリ２０の電圧を略一定に保ちながら充電を行う事となる。すなわち、コントローラ１０は、バッテリ２０の電圧を略一定に保ちつつ、バッテリ２０の充電電流を時間の経過と共に減少させる充電が実施する。このため、このバッテリ２０の充電可能電力での充電を以下では便宜上ＣＶ方式と記載する。

　例えば、ユーザが満充電に近いＳＯＣを目標ＳＯＣに設定し、充電器でバッテリ２０を充電する場合には、バッテリ２０の充電開始時は、バッテリ２０の充電可能電力が充電器の出力可能電力より高い。まずコントローラ１０はＣＣ方式でバッテリ２０を充電する。バッテリ２０の電圧は徐々に高くなり、バッテリ２０の充電可能電力は低くなる。そして、バッテリ２０の充電可能電力が充電器の出力可能電力より低くなると、コントローラ１０は、バッテリ２０の充電モードをＣＣ方式からＣＶ方式に切り換える。コントローラ１０は、バッテリ２０のＳＯＣが目標ＳＯＣに達するまで、ＣＶ方式でバッテリ２０を充電する。

　充電中、バッテリ２０が高温状態になることを防ぐために、制限温度が設定されている。制限温度は、予め設定された温度閾値である。コントローラ１０は、充電中、温度センサ１４を用いてバッテリ２０の温度を管理している。コントローラ１０は、温度センサ１４により検出された温度と制限温度とを比較する。温度センサ１４の検出温度が制限温度より低い場合には、コントローラ１０は、ＣＣ方式でバッテリ２０を充電する。一方、温度センサ１４の検出温度が制限温度以上である場合には、コントローラ１０は、バッテリ２０の温度上昇を抑制可能な電流値である制限充電電流でバッテリ２０を充電する。例えば、バッテリ２０の周囲温度が高い環境下でバッテリ２０を充電する場合には、バッテリ２０の温度は充電中も高くなるため、バッテリ２０の温度が制限温度に達しやすい状態になる。このような環境下でバッテリ２０を充電する場合には、コントローラ１０は、ＣＣ方式でバッテリ２０の充電を開始し、バッテリ２０の温度が制限温度に達した時点で、充電電力を制限することによる充電電流の制限を開始する。そして、コントローラ１０は、バッテリ２０のＳＯＣが目標ＳＯＣに達するまで、制限した充電電力で充電する。なお、この充電電流の制限は例えば充電電力を、バッテリ２０の温度が高くなるほど小さくなる１以下の係数をバッテリ２０の温度が制限温度に達した時点の充電電力に乗算した電力に制限する事によって実施することができる。この場合、バッテリ２０の温度が高くなるほど充電電流（制限充電電流）は小さい値に制限されるため、充電電流はバッテリ２０の温度が上昇しない電流値となる。充電電流の制限方法は上記に限らず、充電電流を予め定められたバッテリ２０の温度上昇を防止する程度の充分小さな電流値に制限してもよい。

　上記のように、コントローラ１０は、バッテリ２０の充電可能電力及びバッテリ２０の温度をそれぞれ管理しつつ、バッテリ２０の充電電力を制御している。すなわち、バッテリ２０の充電可能電力が充電器１１の出力可能電力より低くなる前に、バッテリ２０の温度が制限温度に達する場合には、コントローラ１０は、温度切替充電モードにより、ＣＣ方式からバッテリ２０の温度上昇を抑制する為の制限充電電流でバッテリ２０を充電する。一方、バッテリ２０の温度が制限温度より高くなる前に、バッテリ２０の充電可能電力が充電器１１の出力可能電力より低くなる場合には、コントローラ１０は、ＣＣ－ＣＶ充電モードにより、ＣＣ方式からＣＶ方式に切り替えて、バッテリ２０を充電する。ＣＶ方式による充電では、ＳＯＣの増加に伴って充電電力（充電電流）が減少していくため、結果的にバッテリ２０の温度上昇が抑制される。従って、バッテリ２０の温度が制限温度に達する前にＣＣ方式からＣＶ方式による充電に切り替わった場合には、バッテリ２０の温度が制限温度に達することは無い。これにより、本実施形態に係る充電システムでは、バッテリ２０の高温状態を防ぎつつ、バッテリ２０を充電する。

　コントローラ１０は、充電中、電流センサ１３を用いてバッテリ２０の充電電流を検出している。コントローラ１０は、検出された充電電流を積算することで、充電中のＳＯＣを演算する。そして、バッテリ２０の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣに達した場合に、コントローラ１０は、充電器１１からバッテリ２０への出力を停止して、バッテリ２０の充電を終了させる。

　次に、コントローラ１０の充電時間演算機能について、図３を用いて説明する。図３は、コントローラ１０の充電時間演算機能を説明するためのブロック図である。なお、図３の矢印は、主な制御フローの順序を示しているが、コントローラ１０は必ずしも、矢印に示す順序で制御フローを実行する必要はない。

　コントローラ１０は、予め設定された複数の目標ＳＯＣ毎に、充電時間を演算する。複数の目標ＳＯＣは、例えば、２５％、５０％、７５％、及び１００％である。コントローラ１０は、目標ＳＯＣに応じて充電制御モードを切り替えている。充電時間の演算方法は、充電制御モードに応じて異なる。そのため、コントローラ１０は、目標ＳＯＣまで充電する際の充電制御モード、複数の目標ＳＯＣ毎に決定し、決定された充電制御モードで充電した場合の充電時間を、複数の目標ＳＯＣ毎に演算している。コントローラ１０は、バッテリの充電が実際に開始される前に、以下に説明する方法にてバッテリ２０の現在ＳＯＣから目標ＳＯＣまでの充電時間を演算する。

　ステップＳ１にて、コントローラ１０は、バッテリ２０の充電開始時の状態を確認するために、電圧センサ１２を用いてバッテリ２０の電圧を検出し、温度センサ１４を用いてバッテリ２０の現在の温度を検出する（バッテリ状態の検出）。また、コントローラ１０は、温度センサ１５を用いて、バッテリ２０の周囲温度を検出する（バッテリ周囲温度の検出）。ステップＳ２にて、コントローラ１０は、充電制御機能と同様の方法により、バッテリ２０の現在の充電可能電力を演算する。ステップＳ３にて、コントローラ１０は、充電制御機能と同様の方法により、バッテリ２０の現在の開放電圧に基づき現在ＳＯＣを演算する。ステップＳ４にて、コントローラ１０は、バッテリ２０の現在の充電可能電力及び充電器１１の出力可能電力に基づき、バッテリの充電電流を演算する。

　ステップＳ５にて、コントローラ１０は、バッテリ２０の充電上限電圧（ＣＣ充電時における上限電圧）を演算する。図２に示すように、充電上限電圧は充電電流により変化する。コントローラ１０には、図２に示すマップが予め記憶されているため、コントローラ１０は、マップを参照しつつ、ステップＳ４で演算された充電電流に基づき、充電上限電圧を演算する。

　ステップＳ６にて、コントローラ１０は、バッテリ２０の充電可能電力が充電器の出力可能電力未満となるタイミング（以下、ＣＣＣＶ切替タイミングとも称する）を演算しつつ、ＣＣＣＶ切替タイミング時のＳＯＣ（以下、ＣＣＣＶ切替ＳＯＣとも称する）を演算する。充電中におけるバッテリの状態変化（状態の推移）は、バッテリ２０の特性及び充電器１１の出力特性より、充電開始前に把握できる。そのため、コントローラ１０は、ＣＣ方式による充電を行う場合に、バッテリ２０の充電開始時からのバッテリ電圧の上昇推移を演算し、演算されたバッテリ電圧と上限電圧とから、充電可能電力が充電器の出力可能電力未満になるタイミングを、ＣＣＣＶ切替タイミングとして演算する。

　コントローラ１０は、充電開始時からＣＣＣＶ切替タイミングまでの、充電電流の積算値を求め、バッテリ２０の現在の充電容量に積算値を加算することで、ＣＣＣＶ切替タイミング時の充電容量を演算する。現在の充電容量は、バッテリ２０の現在のＳＯＣから演算される。そして、コントローラ１０は、ＣＣＣＶ切替タイミング時の充電容量をバッテリ２０の満充電容量で除算することで、ＣＣＣＶ切替ＳＯＣを演算する。

　ステップＳ７にて、コントローラ１０は、バッテリ２０の温度、バッテリ２０の周囲温度、ＣＣ方式による充電時の充電電流に基づき、制限温度到達時のタイミング（以下、制限温度タイミングとも称する）を演算する。制限温度タイミングは、充電により上昇するバッテリ温度が制限温度に達するタイミングである。制限温度は、バッテリ２０の特性に応じて予め設定されており、例えば５０℃に設定されている。

　具体的には、コントローラ１０は、下記式（１）を用いて、制限温度タイミングを演算する。
　［数１］
　Δｔ＝（Ｔ_ＬＩＭ－Ｔ_ｂ）／［｛Ｉ^２×Ｒ－Ｋ×（Ｔ_ａ－Ｔ_ｂ）｝／Ｑ_ｃ］　　（１）
　ただし、ｔは充電開始時から制限温度タイミングまでの時間を示し、Ｔ_ＬＩＭは制限温度を示し、Ｔ_ａはバッテリ２０の周囲温度を示し、Ｔ_ｂはバッテリ温度を示し、Ｉは充電電流を示し、Ｒはバッテリ２０の内部抵抗を示し、Ｋは放熱係数を示し、Ｑ_ｃは熱容量を示す。

　Ｔ_ＬＩＭ及びＫはバッテリ２０の性能により予め決まっている。Ｑ_ｃはバッテリ２０を構成するセルのパック構造等により決まっている。Ｔ_ａは温度センサ１５から取得され、Ｔ_ｂは温度センサ１４から取得される。Ｉは、ステップＳ４で演算されている。Ｒはバッテリ２０の劣化度等により演算により求められる。

　コントローラ１０は、式（１）に含まれるパラメータを、センサの検出値及び演算により取得し、式（１）により制限温度タイミングを演算する。

　ステップＳ８にて、コントローラ１０は、バッテリ温度が制限温度に達する時のＳＯＣ（以下、制限温度ＳＯＣとも称する）を演算する。具体的には、コントローラ１０は、充電開始時から制限温度タイミングまでの、充電電流の積算値を求め、バッテリ２０の現在の充電容量に積算値を加算することで、制限温度タイミング時の充電容量を演算する。コントローラ１０は、制限温度タイミング時の充電容量をバッテリ２０の満充電容量で除算することで、制限温度ＳＯＣを演算する。

　ステップＳ９にて、コントローラ１０は、図示しないメモリから、複数の目標ＳＯＣを取得する。

　ステップＳ１０にて、コントローラ１０は、目標ＳＯＣ、制限温度ＳＯＣ、及びＣＣＣＶ切替ＳＯＣを比較し、最も低いＳＯＣを特定する。例えば、制限温度ＳＯＣの演算結果が４５％であり、ＣＣＣＶ切替ＳＯＣの演算結果が６０％であると仮定する。目標ＳＯＣが２５％である場合には、最も低いＳＯＣは目標ＳＯＣとなり、目標ＳＯＣが５０％、７５％、又は１００％である場合には、最も低いＳＯＣは制限温度ＳＯＣとなる。

　コントローラ１０は、３種類のＳＯＣ（目標ＳＯＣ、制限温度ＳＯＣ、及びＣＣＣＶ切替ＳＯＣ）のうち、最も低いＳＯＣとして特定されたＳＯＣの種類に応じて、充電時間の演算方法を切り替える。ＣＣＣＶ切替ＳＯＣが最も低い場合には、コントローラ１０はステップＳ１１の演算処理にて充電時間を演算する。目標ＳＯＣが最も低い場合には、コントローラ１０はステップＳ１２の演算処理にて充電時間を演算する。制限温度ＳＯＣが最も低い場合には、コントローラ１０はステップＳ１３の演算処理にて充電時間を演算する。

　ステップＳ１１にて、コントローラ１０は、充電開始時のバッテリの温度、充電開始時のＳＯＣ、及び充電電力に基づき、バッテリ２０の充電時間を演算する。図４は、バッテリ温度、ＳＯＣ、充電電力、及び充電時間の対応関係を示すマップを説明するための図である。メモリには、図４に示すマップが予め記憶されている。図４に示すマップは、所定のＳＯＣまで充電する際の充電時間を表しており、マップは複数の目標ＳＯＣ毎に記憶されている。コントローラ１０は、目標ＳＯＣに対応するマップを選択し、選択されたマップを参照しつつ、充電開始時のバッテリ温度、ＳＯＣ、及び充電電力に対応する充電時間を演算する。

　ステップＳ１２にて、コントローラ１０は、充電開始時のＳＯＣから目標ＳＯＣまで充電するために必要な充電容量を、ＣＣ方式による充電時の充電電流で除算することで、充電時間を演算する。

　ステップＳ１３にて、コントローラ１０は、制限温度タイミングより前の充電時間（以下、第１充電時間とも称す）に、制限温度タイミング以降の充電時間（以下、第２充電時間とも称す）を加算することで、総充電時間を演算する。総充電時間は、バッテリ２０の現在ＳＯＣから目標ＳＯＣまでの充電時間である。第１充電時間は、制限温度タイミングで示される時間である。

　コントローラ１０は、図４に示すマップを用いて、第２充電時間を演算する。コントローラ１０は、バッテリ２０の充電開始時の周囲温度をマップ上のバッテリ温度に適用し、制限温度ＳＯＣをマップ上のＳＯＣに適用する。また、コントローラ１０は、充電器の出力可能電力をマップ上の充電電力に適用する。バッテリ２０の温度が制限温度に達した場合には、充電電力がバッテリ温度（制限温度に相当）に応じて制限される。なお、コントローラ１０は、充電電力の代わりに、制限温度タイミング時の充電電流を適用してもよい。充電電流を適用する際には、マップ上では、充電電力の代わりに充電電流で、充電時間との対応関係が示される。コントローラ１０は、図４に示すマップを参照し、バッテリ２０の周囲温度、制限温度ＳＯＣ、制限温度タイミングの時の充電電流に対応する充電時間を、第２充電時間として演算する。そして、コントローラ１０は、第１充電時間に第２充電時間を加算することで、総充電時間を演算する。

　ステップＳ１１～Ｓ１３の制御フローにより充電時間を終了した後、コントローラ１０は、ユーザにより指定された目標ＳＯＣに応じて、演算された充電時間のうち、指定された目標ＳＯＣに対応する充電時間を決定する。コントローラ１０は、バッテリ２０の充電開始後、カウントダウンで充電時間を減算することで、充電中の充電時間を演算する。

　上記のように、本実施形態に係る充電制御装置において、コントローラ１０は、バッテリ２０の現在の電圧に基づきバッテリのＳＯＣを演算し、バッテリ２０の電圧とバッテリ２０の充電上限電圧に基づき、バッテリの充電可能電力を演算する。コントローラ１０は、充電可能電力及び充電器１１の出力可能電力を比較し、低い方の電力を充電電力として演算し、バッテリ２０の温度及びバッテリ２０の周囲温度、及び充電電力で充電する際の充電電流に基づき、制限温度タイミングを演算する。また、コントローラ１０は、バッテリ温度に応じて制限される制限充電電力を演算する。コントローラ１０は、充電電力、充電状態、バッテリ温度、及び充電時間の対応関係を示すマップを参照し、制限温度タイミングに達する時のバッテリ２０の状態及び充電電力に基づき、制限温度タイミングより後の第２充電時間を演算する。そして、コントローラ１０は、制限温度タイミングに達するまでの第１充電時間に第２充電時間を加えた時間を、バッテリ２０の総充電時間とし演算する。これにより、充電時間の演算制度を高めることができる。

　本実施形態では、制限温度タイミングがＣＣＣＶ切替タイミングより早い場合に、第１充電時間及び第２充電時間をそれぞれ演算し、第１充電時間に第２充電時間を加算することで、総充電時間を演算している。

　制限温度タイミングがＣＣＣＶ切替タイミングより早い場合に、本実施形態と異なる充電時間の演算方法として、充電開始時のバッテリ状態（ＳＯＣ、バッテリ温度）と充電開始時の充電電力から、図４に示すマップを参照して充電時間を演算することも考えられる。言い換えると、制限温度タイミングとＣＣＣＶ切替タイミングを区別することなく、図４に示すマップを用いたマップ演算のみで充電時間を演算する方法も考えられる。しかしながら、例えば、高速走行と急速充電を短期間で繰り返した場合には、充電開始時の温度がバッテリ２０の周囲温度と比較して高くなっているため、図４に示すマップを用いたマップ演算で総充電時間を求めると、演算精度が低いという問題がある。すなわち、図４のマップに含まれる温度条件は、通常、バッテリ２０が長時間放置され、バッテリ２０の温度が安定し、バッテリ温度と周囲温度との間で大きな差がない状態を温度条件としている。そのため、マップで想定しているバッテリ２０の状態と、実際のバッテリ２０の状態が異なる場合には、演算精度が低くなってしまう。

　また、マップに含まれるパラメータに、バッテリ２０の周囲温度を追加することも考えられる。しかしながら、マップが複雑になるという問題がある。

　本実施形態では、バッテリの充電開始時から、バッテリ温度が制限温度に達するまでの時間を、バッテリ２０の発熱量、放熱量、パック熱容量、バッテリ温度、バッテリ２０の周囲温度、及び充電開始時の充電電流を含む関係式を用いて、充電開始時のバッテリ２０の状態に基づき、第１充電時間を演算する。そして、バッテリ２０の温度が制限温度に達したときのバッテリの状態及び制限充電電力に基づき、マップ演算により、第２充電時間を演算する。これにより、充電開始時に、バッテリの状態がマップ演算に適さない状態でも、充電時間の演算精度を高めることができる。

　また本実施形態では、ＣＣＣＶ切替タイミングを演算し、ＣＣＣＶ切替タイミングが制限温度タイミングより早い場合には、図４に示すマップを参照しつつ、充電開始時のバッテリ２０の状態及び充電開始時の充電電力に基づき、総充電時間を演算する。これにより、本実施形形態では、充電開始から充電終了まで、バッテリ温度が制限温度以下に抑えられる場合に、高い精度で充電時間を演算できる。

　また本実施形態では、制限温度タイミング時のＳＯＣ、バッテリ２０の周囲温度、及び制限充電電力に基づき、第２充電時間を演算する。これにより、充電時間の演算精度を高めることができる。

　また本実施形態では、バッテリの充電が実際に開始される前に、総充電時間を演算する。本実施形態おける充電時間の演算方法は、演算に必要なパラメータを、実際の充電よりも前に取得できるため、実際の充電開始前に充電時間を演算できる。

１０…コントローラ
１１…充電器
１２…電圧センサ
１３…電流センサ
１４、１５…温度センサ
２０…バッテリ
３０…電源
５０…コントローラ
１００…充電制御装置

Claims (5)

1. 　充電器からの充電電力によりバッテリを所定の目標充電状態まで充電するための総充電時間を演算する充電時間演算方法であって、
   　温度センサを用いて、前記バッテリの温度を示すバッテリ温度と前記バッテリの周囲の温度を示すバッテリ周囲温度を検出し、
   　電圧センサを用いて、前記バッテリの電圧を検出し、
   　前記バッテリの電圧に基づき前記バッテリの充電状態を演算し、
   　前記バッテリの電圧と前記バッテリの充電上限電圧に基づき、前記バッテリの充電可能電力を演算し、
   　前記充電可能電力及び前記充電器の出力可能電力を比較し、低い方の電力を第１充電電力として演算し、
   　前記バッテリ温度及び前記バッテリ周囲温度、及び前記第１充電電力で充電する際の充電電流に基づき、前記バッテリ温度が所定の制限温度に達するタイミングを、第１タイミングとして演算し、
   　前記バッテリ温度に応じて制限される第２充電電力を演算し、
   　前記充電電力、前記充電状態、前記バッテリ温度、及び前記バッテリの充電時間の対応関係を示すマップを参照し、前記第１タイミングに達する時の前記バッテリの状態及び前記第２充電電力に基づき、前記第１タイミングより後の充電時間を第２充電時間として演算し、
   　前記第１タイミングに達するまでの第１充電時間に前記第２充電時間を加えた時間を、前記充電時間として演算する充電時間演算方法。
2. 　前記バッテリの充電開始後に、前記充電可能電力が前記出力可能電力以下となる第２タイミングを演算し、
   　前記第２タイミングが前記第１タイミングよりも早い場合には、前記マップを参照しつつ、前記バッテリの充電開始時の前記バッテリの状態及び前記第１充電電力に基づき、前記総充電時間を演算する請求項１記載の充電時間演算方法。
3. 　前記第２充電時間の演算において、前記第１タイミングの時の前記充電状態、前記バッテリ周囲温度、及び、前記第２充電電力に基づき、前記第２充電時間を演算する請求項１又は２記載の充電時間演算方法。
4. 　前記バッテリの充電が実際に開始される前に、前記総充電時間を演算する請求項１～３のいずれか一項に記載の充電時間演算方法。
5. 　バッテリの温度を示すバッテリ温度と前記バッテリの周囲の温度を示すバッテリ周囲温度を検出する温度センサと、
   　前記バッテリの電圧を検出する電圧センサと、
   　前記バッテリに充電電力を出力する充電器と、
   　前記充電器を制御し、前記バッテリを所定の充電状態まで充電するための総充電時間を演算するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、
   　前記バッテリの電圧に基づき前記バッテリの充電状態を演算し、
   　前記バッテリの電圧と前記バッテリの充電上限電圧に基づき、前記バッテリの充電可能電力を演算し、
   　前記充電可能電力及び前記充電器の出力可能電力を比較し、低い方の電力を第１充電電力として設定し、
   　前記バッテリ温度及び前記バッテリ周囲温度、及び前記第１充電電力で充電する際の充電電流に基づき、前記バッテリ温度が所定の制限温度に達するタイミングを、第１タイミングとして演算し、
   　前記バッテリ温度に応じて制限される第２充電電力を設定し、
   　前記充電電力、前記充電状態、前記バッテリ温度、及び前記バッテリの充電時間の対応関係を示すマップを参照し、前記第１タイミングに達する時の前記バッテリの状態及び前記第２充電電力に基づき、前記第１タイミングより後の充電時間を第２充電時間として演算し、
   　前記第１タイミングに達するまでの第１充電時間に前記第２充電時間を加えた時間を、前記総充電時間として演算し、
   　前記総充電時間の演算後に、前記第１充電電力で前記バッテリを充電し、
   　前記第１充電電力による充電の後に、前記第２充電電力で前記バッテリを充電する充電制御装置。

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