JP5447029B2 - Ｄｃｄｃコンバータの制御方法、および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両における主電池から供給される電力の電圧を補機用電池の充電電圧に変換して、補機用電池に充電を行うＤＣＤＣコンバータの制御方法に関する。

電気自動車、あるいはハイブリッド車など走行用に電動機を備えた車両（以下、「電動車両」と呼ぶ。）では、電動機に電力を供給する主電池に加え、電動車両の補機類に電力を供給する補機用電池を搭載することがある。そしてかかる電動車両では、主電池の電圧をＤＣＤＣコンバータで降圧して、補機用電池に充電することがある。（特許文献１ 特開２００７−２８８０３号公報）ＤＣＤＣコンバータは通常、所定の電流量で効率が最大となる特性を有し、最大の効率から外れた領域で使用すると、エネルギーにロスが生じ、好ましくなかった。

一方電池への充電電力は、充電の進行に伴い変動する。したがって単に電池とＤＣＤＣコンバータとを接続させただけでは、電池への充電電力が、ＤＣＤＣコンバータの変換効率が最も良好となる電流値とは通常ならない。そこで従来はＤＣＤＣコンバータを間欠的に作動させ、電池への充電電力が、ＤＣＤＣコンバータの変換効率が良好となる電流値となるようにしていた。

一方ＤＣＤＣコンバータを間欠運転させて長時間電池に充電を行うと、電池の極板に劣化を生じさせ、電池寿命を短縮させることがある。そこで、ＤＣＤＣコンバータの間欠作動を、電池の劣化に応じて適宜停止させ、連続した充電動作に切り換える必要があった。特許第３１７５６１７号には、補機バッテリの劣化を検出する検出手段を備えたハイブリッド自動車の発明が記載されている。

特開２００７−２８８０３号公報 特許第３１７５６１７号明細書

しかしながら、補機用電池の劣化を検出するには、所定の検査装置を別途必要とし、構成が複雑となり、コストがかかるという問題がある。そこで、通常電動車両には補機用電池の充電状態を検出する検出手段が備えられていなかった。

したがって従来は、ＤＣＤＣコンバータの間欠運転を連続運転に切り換える切換時期を、補機用電池の劣化状態に応じて適切に設定することができず、間欠充電により補機用電池の劣化を早めてしまうおそれがあった。

本願発明は、上記課題を解決し、簡易な構成で、電力変換に伴うエネルギーロスが少なく、かつ補機用電池の劣化を進行させないＤＣＤＣコンバータを用いた補機用電池の充電方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、電動車両のＤＣＤＣコンバータを用いた補機用電池の充電方法を次のように構成した。

電動車両は、走行用の電動機と、補機類に電力を供給する補機用電池と、走行用の電動機と補機用電池に電力を供給する主電池とを搭載している。また電動車両は、ＤＣＤＣコンバータを備え、主電池から補機用電池へ供給される電力の電圧をＤＣＤＣコンバータで降下させ、補機用電池へ充電を行う。

ＤＣＤＣコンバータは、制御装置に接続されている。ＤＣＤＣコンバータは、制御装置により、補機用電池への充電動作を連続的に行う連続運転と、間欠的に行う間欠運転とに切り替えられる。間欠運転は、所定時間ＤＣＤＣコンバータを作動させた後、ＤＣＤＣコンバータの作動を所定の時間停止させ、そして再び作動を開始させるこという。

ＤＣＤＣコンバータの間欠運転は、充電電力がＤＣＤＣコンバータの変換効率が最も高くなる電流域で行うように設定する。具体的には、ＤＣＤＣコンバータの作動時間と作動停止時間、すなわち補機用電池への充電実施時間と充電停止時間を適宜選択し、ＤＣＤＣコンバータから補機用電池に流れる電力が、ＤＣＤＣコンバータの変換効率が最も良好な値となるようにする。

そして制御装置は、補機用電池が劣化していると判断されたときは、ＤＣＤＣコンバータを、間欠運転から連続運転に切り替え、連続した電力を補機用電池に供給して充電を行う。尚、間欠充電を行うという場合、電池に電圧がかけられ実際電流が流れている状態のみでなく、充電が行われていない間も含めていう。したがって間欠充電中とは、実際に充電を行っていない時間帯を含めた全体をいう。

補機用電池の劣化判断は、次のように行う。間欠充電中において充電を停止させたときの補機用電池の電圧を検出し、その検出結果と閾値とを比較して行う。検出結果と閾値との比較には、補機用電池の電圧変化を所定時間積分した値を用いるのが好ましい。そして検出された値が閾値を下回った場合に、補機用電池が劣化していると判定する。したがって、補機用電池の負荷が大きい場合も、ＤＣＤＣコンバータの間欠運転を中止することが可能となる。

他の判断例としては、検出結果と閾値との比較を継続して行い、補機用電池の検出結果が閾値を超えた回数を計測し、計測回数が所定回数を超えた場合に、補機用電池が劣化していると判断し、ＤＣＤＣコンバータを間欠運転から連続運転に切り替える。

更に外部充電装置から主電池に充電を行っている時に、主電池から補機用電池に充電を行い、その補機用電池への充電に際して、補機用電池の状態を判断し、ＤＣＤＣコンバータを間欠運転から連続運転へ切り替える。

本発明にかかる、電動車両におけるＤＣＤＣコンバータを用いた補機用電池の充電方法によれば、補機用電池の劣化を検査する検査装置等を別途設けることなく、補機用電池の劣化状態に対応してＤＣＤＣコンバータによる間欠運転を連続運転に切り替えられる。これにより、主電池から補機用電池への充電を、高い変換効率で実施できるとともに、間欠充電による補機用電池の劣化を適切に抑制させることができる。

本発明にかかるＤＣＤＣコンバータの制御方法を搭載した電動車両の一実施形態を示す構成図である。 ＤＣＤＣコンバータの特性の一例を示すグラフである。 本発明にかかる制御方法の一例のフローチャートである。 充電中の電圧および電流値の変動を示すグラフである。

本発明にかかる、電動車両のＤＣＤＣコンバータの制御方法の一実施形態について説明する。
図１に電動車両１０を示す。電動車両１０は、主電池１２と、電動機１４とを備え、主電池１２の電力で電動機１４を駆動して走行する電動車両である。電動車両１０は、またインバータ１６と、補機用電池２０と、ＤＣＤＣコンバータ２２と、制御装置２４などを備えている。

主電池１２は、高電圧の電池であり、インバータ１６を介して電動機１４に接続している。主電池１２は、バッテリコントロールユニット１３を具え、制御装置２４からの指示に従い、電動機１４などに電力を供給する。電動機１４は、駆動機構３０を介して駆動輪３２に連結している。電動機１４は、供給された電力により駆動機構３０を介して駆動輪３２を駆動させたり、駆動輪３２からの回転を受けて発電する。

また主電池１２には、急速充電口２６と普通充電口２８が接続されている。急速充電口２６は、急速充電機（図示せず。）を接続させる接続口である。急速充電口２６は、電動車両１０の左側に設けられ、電圧変換器等を介することなく急速充電機を主電池１２に接続させる。

普通充電口２８は、家庭用の商用電源（交流１００Ｖ、あるいは２００Ｖ等）を接続させる接続口である。普通充電口２８は、電動車両１０の右側に設けられており、車載充電器３６とコンバータ３８を介して主電池１２に接続している。

補機用電池２０は、主として１２Ｖの電池である。補機用電池２０には、制御装置２４などが、また電動車両１０のヘッドライト４０、ホーン４２、ヒータ４４などの補機類がリレー４１、４３、４５を介して接続している。

また補機用電池２０には電圧検出器５０が設けられている。電圧検出器５０は、信号線を介して制御装置２４に接続してあり、補機用電池２０の電圧変動を検出して検出結果を制御装置２４に送出する。

ＤＣＤＣコンバータ２２は、主電池１２と補機用電池２０の間に設けられ、主電池１２から補機用電池２０へ供給される電力の電圧を補機用電池２０の充電電圧に降下させる。ＤＣＤＣコンバータ２２は、スイッチング回路と電圧変換部（いずれも図示せず。）とを具え、制御装置２４からスイッチング回路に作動信号が送られると作動し、主電池１２からの電力を、所定の電圧に降下して、出力する。

図２に、ＤＣＤＣコンバータ２２の特性を示す。図２は、左の縦軸がＤＣＤＣコンバータ２２の変換効率であり、横軸が出力電力である。また図２の右の縦軸は、電動車両１０における補機用電力の使用割合である。これから、通常の補機類の使用状態では、補機用電池２０への充電時にＤＣＤＣコンバータ２２が効率のよい領域で作動されないことがわかる。

制御装置２４は、主電池１２や電動機１４に信号線を介して接続し、運転者の要求に従って、電動車両１０を走行させる。また制御装置２４は、電動車両１０のメインスイッチがオンの状態になると、通常ＤＣＤＣコンバータ２２に作動信号を送り、補機用電池２０に充電を行う。

また制御装置２４は、ヘッドライト４０などが使用されているか否かを判定し、使用されていれば補機用電池２０に連続充電を行い、使用されていない場合には間欠充電を行う。

次に、補機用電池２０への連続充電と間欠充電について説明する。制御装置２４は、補機用電池２０への連続充電を選択すると、作動信号をＤＣＤＣコンバータ２２に連続して送り、電圧変換した主電池１２の直流電流を連続して補機用電池２０に供給させる。

一方間欠充電を選択すると、制御装置２４は断続した作動信号をＤＣＤＣコンバータ２２に送る。すると、ＤＣＤＣコンバータ２２は断続して作動し、作動している間は電圧変換された主電池１２の直流電流を補機用電池２０に供給して充電を行わせ、作動が停止している間は、補機用電池２０への充電を行わない。

更に制御装置２４は、補機用電池２０の状態に応じて間欠充電を連続充電に切り換える。次に、ＤＣＤＣコンバータ２２を間欠運転から連続運転に切り換える制御について、図３のフローチャートを用いて説明する。

制御装置２４は、主電池１２が、補機用電池２０を充電するに十分な状態と判断されると、ＤＣＤＣコンバータ２２を作動させて主電池１２から補機用電池２０に充電を開始させる。初期条件として、Ａを０とする（Ｓ−１００）。

制御装置２４は、補機類の使用状態等を検出し、使用状態等が、補機用電池２０への充電を間欠充電とするに必要な条件を満たしているか否かを判断する（Ｓ−１０２）。例えば補機類が所定以上に使用されていると判定されるなど、使用状態等が補機用電池２０の間欠充電を可能とする条件を満たしていないと判断されたとき、ＤＣＤＣコンバータ２２を連続運転させ、連続充電とする（Ｓ−１０４）。

ステップＳ１０２で、使用状態等がＤＣＤＣコンバータ２２を間欠運転させるに必要な条件を満たしていると判断されたら、制御装置２４は、ＤＣＤＣコンバータ２２に、所定の間隔で、作動信号を送出する。（Ｓ−１０６）。尚作動信号は、断続で送出するのではなく、断続すべき指令として送出してもよい。

これによりＤＣＤＣコンバータ２２は、間欠運転を行い（Ｓ−１０８）、補機用電池２０に間欠的に充電電力が供給される。また、条件のリセットとしてＳを０とする（Ｓ−１１０）。

図４に、ＤＣＤＣコンバータ２２を間欠運転させたときの、補機用電池２０の電圧および電流値の変動を示す。図４は、下段にＤＣＤＣコンバータ２２へのオンオフの作動信号、中段に補機用電池２０の電流値、上段に補機用電池２０の電圧値を示す。横軸は、時間である。

制御装置２４は、図４の下段に示すように、オン信号とオフ信号を交互に送出する。作動信号は間欠しており、下段に示すように０からｔ１まではオフであり、ｔ１からｔ２はオン、ｔ２からｔ３まではオフであり、ｔ３から再びオンとなっている。電流値は、補機用電池２０のプラス極からマイナス極に流れる方向を正とし、負は充電状態であることを示す。電圧は、補機用電池２０の電極間の電圧である。補機用電池２０には上述したように、電圧検出器５０が設けてあり、信号線を介して、電圧検出器５０の検出結果、つまり補機用電池２０の電極間の電圧が制御装置２４に送出される。

図４に示すように、０からｔ１までのＤＣＤＣコンバータ２２がオフの状態では、補機用電池２０に充電がなされていない。したがって、補機類の消費電力により、電流が正方向に流れる。

ｔ１で、ＤＣＤＣコンバータ２２の作動がオンされると、ＤＣＤＣコンバータ２２で所定値に降圧された電力が補機用電池２０に供給され、補機用電池２０に充電がなされる。補機用電池２０の電圧は上昇する。また電流値は、負の方向に最初に供給される。電流は、負の方向に最大になった後、ｔ２まで徐々に増加する（充電電流が減少する。）。

時間がｔ２になると、ＤＣＤＣコンバータ２２の作動は、オフになる。すると、電流値は補機類の消費電力に対応し、ほぼ一定の値となる。一方電圧は、ＤＣＤＣコンバータ２２の作動を停止させた瞬間から徐々に低下する。電圧の低下は、ＤＣＤＣコンバータ２２がオンになるｔ３まで連続する。ｔ３からは、ｔ１からの変化と同様となる。

ＤＣＤＣコンバータ２２の間欠運転における、オンとオフの時間配分、つまり補機用電池２０へ充電を行う時間と充電を停止させる時間は、これらの値に従ってＤＣＤＣコンバータを作動させて充電を行った場合に、充電電流が図２に示すＤＣＤＣコンバータ２２の変換効率が最も高くなる値となるように設定されている。

そして制御装置２４は、電圧検出器５０から送られてきた補機用電池２０の電圧変動を所定時間積分し、積分値Ｓを求める（Ｓ−１１２）。具体的には、ＤＣＤＣコンバータ２２の作動が停止し、充電が停止した直前での充電状態の、平均電圧Ｖａｖｅを求め、求められた平均電圧Ｖａｖｅと補機用電池２０への充電が停止されたときからの補機用電池２０の電圧Ｖとの差を、ｔ２から所定時間β積分する。図３のステップ１１２の式においては、α１をｔ２、α２をｔ２＋βとする。図４に、積分した範囲を斜線で示す。これは、時間内におけるエネルギー消費による補機用電池２０の分極緩和の値と考えられる。

そして、その積分値Ｓを閾値Ｓｓｔｄと比較する（Ｓ−１１４）。閾値Ｓｓｔｄは、予め設定された閾値（分極緩和の値）である。閾値Ｓｓｔｄは、補機用電池２０に応じて設定される。そして、閾値Ｓｓｔｄより積分値Ｓが小さい場合は、ステップ１０２に戻る。

一方、閾値Ｓｓｔｄより積分値Ｓが大きい場合は、Ａに１を加え（Ｓ−１１６）、超過回数Ａを計測する。計測されたＡを閾値Ａｓｔｄとを比較し（Ｓ−１１８）、Ａが閾値Ａｓｔｄより少なければ、ステップ１０２に戻る。

そして、Ａが閾値Ａｓｔｄより多いと判定されると、判定が誤差の範囲内ではないと判断して、補機用電池２０が劣化していると判定する（Ｓ−１２０）。そして、ＤＣＤＣコンバータ２２の間欠運転を停止させ、連続運転に切り換える（Ｓ−１２２）。ＤＣＤＣコンバータ２２の連続運転により、補機用電池２０へは充電電力が連続して供給される。

これにより、補機用電池２０に間欠的に充電がなされるので、ＤＣＤＣコンバータ２２を流れる電流量が増大し、ＤＣＤＣコンバータ２２を高い変換効率で作動させることができる。

そして間欠運転時の電圧降下の値から、補機用電池２０の性能が劣化していることが判別でき、それに基づいて間欠運転を停止し、連続運転に切り替える。これによりＤＣＤＣコンバータ２２は、主電池１２から電力を連続して所定電圧に降下させ、その電力を補機用電池２０に供給して充電を行う。したがって、補機用電池２０には、定常的に充電電力が供給され、断続的に充電電力が供給されることによる電極板の劣化などを発生させず、補機用電池２０の極板の劣化の進行を有効に防止できる。また、電圧値だけで判断でき、電流計を用いることなく制御できる。更に、制御装置２４に情報として入力されない機器、例えばシートヒータやデフロスタなどが使用された場合も、電圧低下の状態から使用を感知して連続充電に切り換えられ、補機用電池２０の過放電を防止できる。

尚、積分値Ｓと閾値Ｓｓｔｄとの比較結果を計測せず、閾値Ｓｓｔｄより積分値Ｓが大きいと判定された場合、直ちに間欠運転を連続運転に切り換えてもよい。また、積分値でなく、他の比較結果を用いて比較してもよい。

次に、他の例について説明する。急速充電口２６と普通充電口２８のいずれかに、外部電力線を接続し、主電池１２に充電を行う。その主電池１２に充電している際に、主電池１２から補機用電池２０にＤＣＤＣコンバータ２２を用いて充電を行わせる。そして補機用電池２０に行っている充電とともに、上述したと同様に補機用電池２０の電圧変動を検出し、ＤＣＤＣコンバータ２２の作動を切り換えることとする。

これによっても、効率よく補機用電池２０に充電できるとともに、補機用電池２０の極板の劣化を防止し、補機用電池２０の寿命低下を防ぐことができる。

尚、上記例は、電気自動車を例に説明したが、本発明は、内燃機関と電動機とを併設したハイブリッド車、その他の車両に用いてもよい。

本発明は、電動車両などにおいて、主電池から補機用電池に充電するＤＣＤＣコンバータの制御に用いることができる。

１０…電動車両
１２…主電池
１３…バッテリコントロールユニット
１４…電動機
１６…インバータ
２０…補機用電池
２２…ＤＣＤＣコンバータ
２４…制御装置
３０…駆動機構
５０…電圧検出器

Claims (6)

1. 車両の補機類に供給する電力を蓄える補機用電池と、
   車両走行用の電動機に供給する電力と前記補機用電池に供給する電力を蓄える主電池と、
   前記主電池から前記補機用電池へ供給される電力の電圧を、前記補機用電池の充電電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、を搭載した電動車両において、
   前記ＤＣＤＣコンバータを、所定の間隔で、所定時間作動を停止させる間欠運転させて、前記補機用電池に間欠充電を行っているとき、充電を停止させたときの前記補機用電池の電圧降下を所定時間分積分し、求められた積分値と閾値とを比較し、
   前記補機用電池の求められた積分値が閾値より大きいと判断されたとき前記ＤＣＤＣコンバータの間欠運転を、連続運転に切り替えることを特徴としたＤＣＤＣコンバータの制御方法。
2. 車両の補機類に供給する電力を蓄える補機用電池と、
   車両走行用の電動機に供給する電力と前記補機用電池に供給する電力を蓄える主電池と、
   前記主電池から前記補機用電池へ供給される電力の電圧を、前記補機用電池の充電電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、を搭載した電動車両において、
   前記ＤＣＤＣコンバータを、所定の間隔で、所定時間作動を停止させる間欠運転させて、前記補機用電池に間欠充電を行っているとき、充電を停止させたときの前記補機用電池の電圧降下を所定時間分積分し、求められた積分値と閾値とを比較し、
   積分値が閾値を超えた回数を計測して、積分値が閾値を超えた回数が所定回数に達したとき前記ＤＣＤＣコンバータの間欠運転を、連続運転に切り替えることを特徴としたＤＣＤＣコンバータの制御方法。
3. 前記ＤＣＤＣコンバータの間欠運転は、前記ＤＣＤＣコンバータの電力変換特性が良好となる条件で行うことを特徴とした請求項１または２に記載のＤＣＤＣコンバータの制御方法。
4. 前記主電池は、外部充電装置に接続可能であり、
   前記ＤＣＤＣコンバータの間欠運転を連続運転に切り替える切り替えを、前記外部充電装置から前記主電池に充電を行っている主電池充電中に行うことを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣＤＣコンバータの制御方法。
5. 車両を走行させる走行用電動機と、車両の補機類に電力を供給する補機用電池と、前記走行用電動機と前記補機用電池に電力を供給する主電池と、前記主電池から前記補機用電池へ供給される電力の電圧を前記補機用電池の充電電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、を備えた電動車両において、
   前記ＤＣＤＣコンバータの高い変換効率で前記補機用電池に充電電流が流れるように、該ＤＣＤＣコンバータの充電動作に所定の停止間隔を形成し、
   かつ、前記所定の停止間隔を有する間欠充電動作中に充電を停止した時の前記補機用電池の電圧降下を所定時間分積分し、求められた積分値と閾値とを比較し、前記補機用電池の求められた積分値が閾値より大きいと判断したら、前記ＤＣＤＣコンバータの間欠充電動作を停止させ、該ＤＣＤＣコンバータによる前記補機用電池への充電を、連続した充電動作に切替える制御装置と、を備えて構成したことを特徴とする電動車両の制御装置。
6. 車両を走行させる走行用電動機と、車両の補機類に電力を供給する補機用電池と、前記走行用電動機と前記補機用電池に電力を供給する主電池と、前記主電池から前記補機用電池へ供給される電力の電圧を前記補機用電池の充電電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、を備えた電動車両において、
   前記ＤＣＤＣコンバータの高い変換効率で前記補機用電池に充電電流が流れるように、該ＤＣＤＣコンバータの充電動作に所定の停止間隔を形成し、
   かつ、前記所定の停止間隔を有する間欠充電動作中に充電を停止した時の前記補機用電池の電圧降下を所定時間分積分し、求められた積分値と閾値とを比較し、積分値が閾値を超えた回数を計測して、積分値が閾値を超えた回数が所定回数に達したとき、前記ＤＣＤＣコンバータの間欠充電動作を停止させ、該ＤＣＤＣコンバータによる前記補機用電池への充電を、連続した充電動作に切替える制御装置と、を備えて構成したことを特徴とする電動車両の制御装置。

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