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公開番号2020115715
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200730
出願番号2019006196
出願日20190117
発明の名称車両および車両の制御方法
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人特許業務法人深見特許事務所
主分類H02J 7/04 20060101AFI20200703BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】充電時間をできるだけ短くしつつ、外部充電に伴う電力損失を低減する。
【解決手段】車両1は、車両外部に設けられた充電器2から供給される電力により充電することが可能に構成されたバッテリ14と、バッテリ14を冷却するように構成された空調・冷却システム15とを備える。ECU10は、充電開始時から所定の充電完了条件が成立するまでの充電期間を通じて一定である定電流Iconstの充電条件下でバッテリ14が充電されるように、バッテリ14の充電動作を制御する。ECU10は、充電に伴うバッテリ14の発熱量と空調・冷却システム15によるバッテリ14の冷却量とに基づき、充電完了条件の成立時における電池温度TBが上限温度ULとなるように充電条件を設定する。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
車両外部に設けられた外部電源から供給される電力により充電することが可能に構成された蓄電装置と、
前記蓄電装置を冷却するように構成された冷却装置と、
充電開始時から所定の充電完了条件が成立するまでの充電期間を通じて定電流または定電力の充電条件下で前記蓄電装置が充電されるように、前記蓄電装置の充電動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、充電に伴う前記蓄電装置の発熱量と前記冷却装置による前記蓄電装置の冷却量とに基づき、前記充電完了条件の成立時における前記蓄電装置の温度が上限温度となるように前記充電条件を設定する、車両。
続きを表示(約 880 文字)【請求項2】
前記制御装置は、前記外部電源から出力可能な最大電力に対応する最大電流よりも小さく、かつ、前記蓄電装置の発熱量と冷却量とが釣り合って前記蓄電装置の温度上昇を抑制可能な抑制電流よりも大きくなるように前記充電条件を設定する、請求項1に記載の車両。
【請求項3】
前記制御装置は、前記外部電源から出力可能な最大電力よりも小さく、かつ、前記蓄電装置の発熱量と冷却量とが釣り合って前記蓄電装置の温度上昇を抑制可能な抑制電力よりも大きくなるように前記充電条件を設定する、請求項1に記載の車両。
【請求項4】
前記冷却装置は、前記蓄電装置の冷却に加えて、前記車両の車室内の空調運転を行うことも可能に構成され、
前記制御装置は、前記冷却装置の空調非運転時には、前記冷却装置の空調運転時と比べて、前記蓄電装置の冷却量を大きく算出することによって前記定電流または前記定電力を大きく設定する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両。
【請求項5】
前記車両は、前記車両のユーザが選択可能な複数の充電モードを有し、
前記制御装置は、前記ユーザにより選択された充電モードに応じて前記上限温度を変更する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の車両。
【請求項6】
車両の制御方法であって、
前記車両は、車両外部から供給される電力により車載の蓄電装置を充電することが可能に構成されるとともに、冷却装置により前記蓄電装置を冷却することが可能に構成され、
前記車両の制御方法は、
充電開始時から所定の充電完了条件が成立するまでの充電期間を通じて定電流または定電力の充電条件下で前記蓄電装置が充電されるように、前記蓄電装置の充電動作を制御するステップと、
充電に伴う前記蓄電装置の発熱量と前記冷却装置による前記蓄電装置の冷却量とに基づき、前記充電完了条件の成立時における前記蓄電装置の温度が上限温度となるように前記充電条件を設定するステップとを含む、車両の制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、車両および車両の制御方法に関し、より特定的には、車両外部から供給される電力により車載の蓄電装置を充電する技術に関する。
続きを表示(約 9,400 文字)【背景技術】
【0002】
近年、プラグインハイブリッド車および電気自動車等が市販されている。これらの車両は、車両外部から供給される電力により車載の蓄電装置を充電する「外部充電」が可能に構成されている。
【0003】
今後、車載の蓄電装置の容量が増大することが予想されている。これにより、車両のEV走行距離(蓄電装置に蓄えられた電力により車両が走行可能な距離)を延ばすことができる。その一方で、蓄電装置の容量増大に伴い充電時間が過度に長くなると、ユーザの利便性が低下し得る。よって、充電時間を短縮すべく、従来の充電電力(たとえば数十kW)よりも大電力(たとえば数百kW)での外部充電が検討されている。従来の充電は「普通充電」とも称され、大電力での充電は「急速充電」とも称される。
【0004】
たとえば特開2017−184353号公報(特許文献1)は、充電可能時間において急速充電と普通充電とを実施し、所定充電容量の充電を充電可能時間の終了時刻に完了することで電池の劣化の進行を遅らせる充電装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2017−184353号公報
特開2013−247726号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
一般に、蓄電装置には、外部充電時における使用温度範囲の上限である上限温度が定められる。急速充電では、普通充電と比べて、蓄電装置にて生じる電力損失(ジュール熱)が大きく、温度上昇が起こりやすい。そのため、急速充電に適合する車両には、蓄電装置を冷却するように構成された冷却装置の設置が想定されている。
【0007】
しかしながら、急速充電器と車両との組合せによっては、急速充電器から出力可能な最大電力(または最大電力に対応する最大電流)で急速充電を行うと、充電に伴う蓄電装置の発熱量が冷却装置による蓄電装置の冷却量を大きく上回る可能性がある。そのため、蓄電装置の温度上昇速度が過度に速くなり、蓄電装置のSOC(State Of Charge)が目標値に達するなどの充電完了条件が成立するのに先立ち、蓄電装置の温度が上限温度に至り得る。そうすると、蓄電装置を保護するための温度制限がかかり、蓄電装置への充電電流が最大電流よりも抑制される。その結果、蓄電装置のさらなる温度上昇は防止されるものの、充電時間が長くなってしまう。
【0008】
このように、充電時間の短縮を目的に蓄電装置への充電電流を最大電流に設定した場合、蓄電装置での電力損失が大きくなるとともに、充電電流の抑制により充電時間がむしろ長くなってしまう可能性がある。
【0009】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、充電時間をできるだけ短くしつつ、外部充電に伴う電力損失を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
(1)本開示のある局面に従う車両は、車両外部に設けられた外部電源から供給される電力により充電することが可能に構成された蓄電装置と、蓄電装置を冷却するように構成された冷却装置と、制御装置とを備える。制御装置は、充電開始時から所定の充電完了条件が成立するまでの充電期間を通じて定電流または定電力の充電条件下で蓄電装置が充電されるように、蓄電装置の充電動作を制御する。制御装置は、充電に伴う蓄電装置の発熱量と冷却装置による蓄電装置の冷却量とに基づき、充電完了条件の成立時における蓄電装置の温度が上限温度となるように充電条件を設定する。
【0011】
(2)制御装置は、外部電源から出力可能な最大電力に対応する最大電流よりも小さく、かつ、蓄電装置の発熱量と冷却量とが釣り合って蓄電装置の温度上昇を抑制可能な抑制電流よりも大きくなるように充電条件を設定する。
【0012】
(3)制御装置は、前記外部電源から出力可能な最大電力よりも小さく、かつ、蓄電装置の発熱量と冷却量とが釣り合って蓄電装置の温度上昇を抑制可能な抑制電力よりも大きくなるように充電条件を設定する。
【0013】
詳細は後述するが、上記(1)〜(3)の構成のように定電流での充電を行うことで、充電途中に蓄電装置への充電電流(電流を電力に読み替えてもよい。以下も同じ)を最大電流から抑制する場合(前述の温度制限が行われる場合)と比べて、蓄電装置の発熱量(充電時間中の合計発熱量)を低減可能である。また、上限温度までの蓄電装置の温度上昇を許容することで、温度制限が行われる場合や蓄電装置の温度を上限温度よりも低い温度範囲に維持する場合と比べて、充電時間を短縮可能である。したがって、上記(1)〜(3)の構成によれば、充電時間をできるだけ短くしつつ、充電に伴う電力損失を低減することができる。
【0014】
(4)冷却装置は、蓄電装置の冷却に加えて、車両の車室内の空調運転を行うことも可能に構成される。制御装置は、冷却装置の空調非運転時には、冷却装置の空調運転時と比べて、蓄電装置の冷却量を大きく算出することによって定電流または定電力を大きく設定する。
【0015】
冷却装置の空調運転時には、冷却装置の冷却能力(たとえば冷媒の流量)を車室内の空調用と蓄電装置の冷却用との間で分け合わなければならないのに対して、冷却装置の空調非運転時には、冷却装置の冷却能力を専ら蓄電装置の冷却に用いることができる。よって、冷却装置の空調非運転時には、冷却装置の空調運転時と比べて、冷却装置による蓄電装置の冷却能力が高い。上記(4)の構成によれば、冷却装置の空調非運転時には、冷房装置の冷却能力の増大を考慮した上で定電流を大きく算出することにより、充電時間をさらに短縮することができる。
【0016】
(5)車両は、車両のユーザが選択可能な複数の充電モードを有する。制御装置は、ユーザにより選択された充電モードに応じて上限温度を変更する。
【0017】
蓄電装置の温度が高いほど蓄電装置の劣化が進行しやすいので、上限温度を相対的に低く設定すると、充電時間が長くなるものの、蓄電装置の劣化が進行しにくくなる。逆に、上限温度を相対的に高く設定すると、蓄電装置の劣化が進行しやすくなるものの、充電時間が短くなる。上記(4)の構成によれば、蓄電装置の劣化の進行度合いや充電時間の長さをユーザが選択することが可能になる。
【0018】
(6)本開示の他の局面に従う車両の制御方法において、当該車両は、車両外部から供給される電力により車載の蓄電装置を充電することが可能に構成されるとともに、冷却装置により蓄電装置を冷却することが可能に構成される。車両の制御方法は、第1および第2のステップを含む。第1のステップは、充電開始時から所定の充電完了条件が成立するまでの充電期間を通じて定電流または定電力の充電条件下で蓄電装置が充電されるように、蓄電装置の充電動作を制御するステップである。第2のステップは、充電に伴う蓄電装置の発熱量と冷却装置による蓄電装置の冷却量とに基づき、充電完了条件の成立時における蓄電装置の温度が上限温度となるように充電条件を設定するステップである。
【0019】
上記(6)の方法によれば、上記(1)の構成と同様に、充電時間をできるだけ短くしつつ、充電に伴う電力損失を低減することができる。
【発明の効果】
【0020】
本開示によれば、充電時間をできるだけ短くしつつ、外部充電に伴う電力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
本開示の実施の形態1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。
車両および充電器の構成を概略的に示すブロック図である。
冷却システムの構成の一例を模式的に示す図である。
比較例における外部充電制御の一例を示すタイムチャートである。
実施の形態1における外部充電制御の一例を示すタイムチャートである。
実施の形態1における外部充電制御を示すフローチャートである。
実施の形態1における定電流算出処理を示すフローチャートである。
実施の形態1の変形例における定電流算出処理を示すフローチャートである。
実施の形態2における外部充電制御を示すフローチャートである。
長寿命モードでの外部充電制御を示すフローチャートである。
時間短縮モードでの外部充電制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本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。
【0023】
[実施の形態1]
<充電システムの全体構成>
図1は、本開示の実施の形態1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100は、車両1と、充電器2と、充電ケーブル3と、サーバ4とを備える。図1には、充電器2による外部充電が車両1に対して実施される状況が示されている。外部充電時には、車両1と充電器2とが充電ケーブル3により電気的に接続される。
【0024】
車両1は、たとえば電気自動車である。ただし、車両1は、外部充電が可能に構成された車両であれば、たとえばプラグインハイブリッド車であってもよい。充電器2(本開示に係る「外部電源」に相当)は、たとえば公共の充電スタンド(充電ステーションとも呼ばれる)に設けられた急速充電器である。本実施の形態では、充電器2からの供給電力量(充電量)に応じた料金が発生する方式を主に想定する。なお、充電器2は、本開示に係る「外部電源」に相当する。
【0025】
サーバ4は、いずれも図示しないが、CPU(Central Processing Unit)と、メモリと、入出力ポートとを含む。サーバ4は、充電器2による外部充電の課金額を決定する。充電器2とサーバ4とは、無線での双方向通信が可能に構成されている。なお、サーバ4は、充電システム100に必須の構成ではない。
【0026】
図2は、車両1および充電器2の構成を概略的に示すブロック図である。図2を参照して、充電器2は、直流(DC:Direct Current)充電器であって、系統電源5からの供給電力(交流電力)を、車両1に搭載されたバッテリ14の充電電力(直流電力)に変換する。充電器2は、電力線ACLと、AC/DC変換器21と、電圧センサ22と、給電線PL0,NL0と、通信機23と、制御回路20とを含む。
【0027】
電力線ACLは、系統電源5に電気的に接続されている。電力線ACLは、系統電源5からの交流電力をAC/DC変換器21へ伝送する。
【0028】
AC/DC変換器21は、電力線ACL上の交流電力を、車両1に搭載されたバッテリ14を充電するための直流電力に変換する。AC/DC変換器21による電力変換は、力率改善のためのAC/DC変換と、電圧レベル調整のためのDC/DC変換との組み合わせによって実行されてもよい。AC/DC変換器21から出力された直流電力は、正極側の給電線PL0および負極側の給電線NL0によって供給される。
【0029】
電圧センサ22は、給電線PL0と給電線NL0との間に電気的に接続されている。電圧センサ22は、給電線PL0と給電線NL0との間の電圧を検出し、その検出結果を制御回路20に出力する。
【0030】
通信機23は、サーバ4(図1参照)との無線通信が可能に構成されている。通信機23は、充電器2とサーバ4との間で外部充電の課金額を決定するための各種情報(充電量または充電時間など)を通信する。
【0031】
制御回路20は、CPUと、メモリと、入出力ポート(いずれも図示せず)とを含んで構成されている。制御回路20は、電圧センサ22により検出された電圧、車両1からの信号、ならびに、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、AC/DC変換器21による電力変換動作を制御する。また、制御回路20は、充電器2とサーバ4との間の通信が実現されるように通信機23を制御する。
【0032】
車両1は、インレット11と、充電線PL1,NL1と、電圧センサ121と、電流センサ122と、充電リレー131,132と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)133,134と、バッテリ14と、空調・冷却システム15と、電力線PL2,NL2と、PCU(Power Control Unit)161と、モータジェネレータ162と、動力伝達ギヤ163と、駆動輪164と、外気温度センサ17と、操作部18と、ECU(Electronic Control Unit)10とを備える。
【0033】
インレット(充電ポート)11は、嵌合等の機械的な連結を伴って充電ケーブル3のコネクタ31を挿入することが可能に構成されている。コネクタ31の挿入に伴い、給電線PL0とインレット11の正極側の接点との間の電気的な接続が確保されるとともに、給電線NL0とインレット11の負極側の接点との間の電気的な接続が確保される。また、インレット11とコネクタ31とが充電ケーブル3により接続されることで、車両1のECU10と充電器2の制御回路20とがCAN(Controller Area Network)等の通信規格に従う通信またはアナログ制御線を介したアナログ信号による通信により、各種信号、指令および情報(データ)を相互に送受信することが可能になる。
【0034】
電圧センサ121は、充電リレー131,132よりもインレット11側において、充電線PL1と充電線NL1との間に電気的に接続されている。電圧センサ121は、充電線PL1と充電線NL1との間の直流電圧を検出し、その検出結果をECU10に出力する。電流センサ122は、充電線PL1に設けられている。電流センサ122は、充電線PL1を流れる電流を検出し、その検出結果をECU10に出力する。ECU10は、電圧センサ121および電流センサ122による検出結果に基づき、充電器2からの供給電力(バッテリ14の充電量)を算出することもできる。
【0035】
充電リレー131は充電線PL1に接続され、充電リレー132は充電線NL1に接続されている。充電リレー131,132の閉成/開放は、ECU10からの指令に応じて制御される。充電リレー131,132が閉成され、かつSMR133,134が閉成されると、インレット11とバッテリ14との間での電力伝送が可能な状態となる。
【0036】
バッテリ14は、車両1の駆動力を発生させるための電力を供給する。また、バッテリ14は、モータジェネレータ162により発電された電力を蓄える。バッテリ14は、複数のセル140を含んで構成された組電池である。各セル140は、リチウムイオン二次電池またはニッケル水素二次電池等の二次電池である。本実施の形態では組電池の内部構成を問わないので、以下ではセル140については特に言及せず、単にバッテリ14と記載する。なお、バッテリ14は、本開示に係る「蓄電装置」に相当する。バッテリ14に代えて、電気二重層キャパシタなどのキャパシタを用いてもよい。
【0037】
バッテリ14の正極は、SMR133を経由してノードND1に電気的に接続されている。ノードND1は、充電線PL1および電力線PL2に電気的に接続されている。同様に、バッテリ14の負極は、SMR134を経由してノードND2に電気的に接続されている。ノードND2は、充電線NL1および電力線NL2に電気的に接続されている。SMR133,134の閉成/開放は、ECU10からの指令に応じて制御される。
【0038】
バッテリ14には、電圧センサ141と、電流センサ142と、電池温度センサ143とが設けられている。電圧センサ141は、バッテリ14の電圧VBを検出する。電流センサ142は、バッテリ14に入出力される電流IBを検出する。電池温度センサ143は、バッテリ14の温度TB(以下、「電池温度TB」とも記載する)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、電圧センサ141および/または電流センサ142による検出結果に基づいて、バッテリ14のSOCを算出することができる。また、ECU10は、電池温度センサ143による検出結果に基づいて、バッテリ14が過熱状態(後述する上限温度ULを超える状態)に至ったか否かを判定することができる。
【0039】
空調・冷却システム15は、ECU10からの指令に従って車室内の空調を行う。空調・冷却システム15では、ユーザ操作により設定された温度(設定温度)T
set
に車室内温度T
cab
が近付くように車室内の空調が行われる。また、空調・冷却システム15は、ECU10からの指令に従ってバッテリ14を冷却することも可能に構成されている。空調・冷却システム15の詳細な構成については図3にて説明する。
【0040】
PCU161は、電力線PL2,NL2とモータジェネレータ162との間に電気的に接続されている。PCU161は、コンバータおよびインバータ(いずれも図示せず)を含んで構成され、ECU10からの指令に従ってモータジェネレータ162を駆動する。
【0041】
モータジェネレータ162は、交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。モータジェネレータ162の出力トルクは、動力伝達ギヤ163を通じて駆動輪164に伝達され、車両1を走行させる。また、モータジェネレータ162は、車両1の制動動作時には、駆動輪164の回転力によって発電することができる。モータジェネレータ162による発電電力は、PCU161によってバッテリ14の充電電力に変換される。
【0042】
外気温度センサ17は、車両1の外気温度TAを検出し、その検出結果をECU10に出力する。
【0043】
操作部18は、スイッチおよびタッチパネル付ディスプレイなどを含んで構成され、車室内の空調および外部充電のための各種ユーザ操作を受け付ける。ユーザは、操作部18を操作することにより、空調・冷却システム15の設定温度T
set
を入力することができる。また、ユーザは、操作部18を操作することにより、外部充電を完了するバッテリ14のSOC(後述するSOCの目標値TAG)、外部充電の終了時刻、外部充電の課金額などを入力することができる。なお、外部充電に関するユーザ操作は、操作部18に代えて、ユーザの携帯端末(スマートホンなど)により行われてもよいし、充電器2に設けられた操作ボタン等により行われてもよい。
【0044】
ECU10は、制御回路20と同様に、CPU101と、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)などのメモリ102と、入出力ポート(図示せず)とを含んで構成されている。ECU10は、各センサ等からの信号に応じて、車両1が所望の状態となるように機器類を制御する。ECU10により実行される主要な制御として、充電器2から供給される電力により車載のバッテリ14を充電する外部充電制御が挙げられる。外部充電制御は、車両1のECU10と充電器2の制御回路20との間で充電ケーブル3を介して相互に信号、指令および情報を送受信することにより進められる。外部充電制御については後に詳細に説明する。
【0045】
<空調・冷却システムの構成>
図3は、空調・冷却システム15の構成の一例を模式的に示す図である。図3を参照して、本実施の形態における空調・冷却システム15は、ヒートポンプシステムであって、圧縮機61と、熱交換器62と、気液分離器63と、流量調整弁64と、熱交換器65と、膨張弁66と、熱交換器67と、これらの機器間を連通する冷媒通路71〜77とを含む。
【0046】
圧縮機61は、冷媒通路77と冷媒通路71との間に設けられている。圧縮機61は、熱交換器67から流入する冷媒ガスを断熱的に圧縮し、高温高圧の気相冷媒を冷媒通路71に吐出する。
【0047】
熱交換器62は、冷媒通路71と冷媒通路72との間に設けられている。熱交換器62は、圧縮機61により圧縮された過熱状態の気相冷媒を等圧的に外部に放熱させる。熱交換器62から流出する冷媒は、飽和液と飽和蒸気とが混合した気液二相状態の湿り蒸気の状態にあり、冷媒通路72を通って気液分離器63へ供給される。
【0048】
気液分離器63は、冷媒通路72と冷媒通路73との間に設けられている。気液分離器63は、熱交換器62から流入する気液二相状態の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。この気相冷媒は、冷媒通路73を流通して流量調整弁64に至る。
【0049】
流量調整弁64は、冷媒通路73と冷媒通路74との間に設けられている。流量調整弁64は、その開度を変化させることで、冷媒通路73を流れる冷媒の圧力損失を増減させる。これにより、冷媒通路73を流れる冷媒の流量と、バッテリ14の冷却系8(後述)を流れる冷媒の流量とが調節される。
【0050】
熱交換器65は、冷媒通路74と冷媒通路75との間に設けられている。熱交換器65は、冷媒通路74を流れる冷媒(後述するように、バッテリ14との熱交換により一部気化して湿り蒸気となった冷媒)を外気との熱交換により冷却する。これにより、冷媒は、再度凝縮し、冷媒通路75を経由して膨張弁66に供給される。
(【0051】以降は省略されています)

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