JP5267050B2 - バッテリ残量モニタシステム - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ残量のモニタする技術に係り、特にプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）などの車両バッテリの残量モニタの技術に関する。

従来、ＰＨＶ、ＥＶなどの車両は、充電用の電源プラグをコンセントに差込むと充電を開始する仕組みとなっており、できるだけ短時間で充電を完了させるために、満充電になるまでは充電系統から取り出し得る最大の一定電流で充電することが一般的に行なわれている。ところが、車載バッテリの充電時には時間がかかり、車載バッテリ残量が０に近い状態から満充電までには、通常数時間を要している。
そのため車両利用者は、バッテリ残量を車外で確認したいという要求がある。

特許文献１によれば、燃料電池と電気２重層キャパシタが並列に接続され電力供給を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池および電気２重層キャパシタの電圧を昇圧して電力を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力経路上に出力スイッチを設けた。制御ＩＣが、出力スイッチを制御することによって出力電力をオン／オフできるようなっている。燃料電池の燃料切れや燃料電池の異常があった場合には、制御ＩＣは、出力スイッチを制御し、出力電力を断続的に変化させる。これによって、携帯電子機器としての携帯電話に接続して使用する場合、携帯電話の充電指示ランプの点滅状態で燃料切れまたは燃料電池異常を利用者が認識することができ、コストを抑え、エネルギー密度を向上させながら、電池残量などの内部状態を認識できる電源装置が提案されている。

特許文献２によれば、電気自動車の充電器を制御するコントローラに関するもので、充電する際、充電状況を室内にて監視できることが提案されている。即ち、バッテリの充電状況を制御する車載コントローラと、バッテリと接続される充電器と、充電器に接続された室内コントローラと、から成り、充電中の異常も室内コントローラに出力される構成
となっている。しかし、室内コントローラから充電器は専用の通信線が必要である。
特許文献３によれば、電気自動車側に設けられた第１の通信システム部と、電気自動車に充電用の電力を供給する電力供給側に設けられた第２の通信システム部とが、電力供給側から電気自動車に充電用の電力を供給するための電力供給線を介して通信するようにし、屋内に設置された情報機器と、電気自動車に搭載された情報機器との間の通信を行うための通信システムの構築を簡単にする提案がされている。

しかしながら、車載バッテリの残量を知るためには、車両側のバッテリコントローラと通信する必要があり、充電用の電源ケーブルのほかに、車両と充電コンセント間に新たに通信用装置を追加する必要がある。これにより車両コストが上がりＰＨＶが更に高価格になるという問題がある。
特開２００６−３１４１５６号公報 特開平９−２３３７２０号公報 特開２００４−２２２１７６号公報

上記のような実情に鑑みてなされたものであり、充電用ケーブルを使用してバッテリ残量をモニタするバッテリ残量モニタ装置を提供することを目的とする。

態様のひとつである車両に搭載されたバッテリの残量を監視するバッテリ残量モニタシステムは、充電コントローラ、電流モニタ装置、充電用電力線から構成される。
充電コントローラは、前記バッテリの残量を検出して前記残量に対応するバッテリ充電状態情報を算出して、系統電流を制御する。電流モニタ装置は、電流センサにより前記系統電流を監視し、前記系統電流から前記バッテリ充電状態情報を検出して前記バッテリの残量を算出し、前記バッテリの残量を表示する。充電用電力線は、前記充電コントローラと前記電流モニタ装置とを接続する。

また、前記充電コントローラは、前記バッテリの残量を検出するバッテリ残量検出部と、前記バッテリ充電状態情報に対応して系統電流を制御する制御部と、前記制御部からの指示により前記系統電流の遮断と導通の切り替えを行う電流開閉部と、前記バッテリを充電するための整流部に設けられ、前記制御部からの指示によりバッテリ充電電流量を可変するインピーダンス可変部と、を備える。

また、前記電流モニタ装置は、前記系統電流から前記バッテリ充電状態情報を検出する前記電流センサと、前記バッテリ充電状態情報に対応する前記バッテリの残量を算出するバッテリ残量計算部と、前記バッテリ残量計算部が算出した前記バッテリの残量を表示するバッテリ残量表示部と、を備える。

上記構成により、充電時に、充電コンセント側で車載バッテリの充電量をモニタすることができる。また、標準の装備と充電用のバッテリケーブル線（＋、−、アース）の他に新たな通信用の装置を追加せず、低コストで実現することができる。

充電用ケーブルを使用して家側で車載バッテリ残量をモニタすることができる。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
図１は、ＰＨＶ車両１に充電を行なう場合の構成を示した図である。ＰＨＶ車両１は、バッテリ２、充電コントローラ３を備えている。

バッテリ２への充電は、電線５（例えば、送電線）から家４に配置された分電盤６を介し、屋内配線７を経由してコンセント８に電力が供給され、このコンセント８に挿入されたプラグ９、充電プラグ１０を介して充電コントローラ３により行なわれる。

バッテリ残量のモニタは、電流センサ１２、バッテリ残量計算部１３、バッテリ残量表示部１４により行なわれる。充電コントローラ３により生成された後述するバッテリ充電状態情報に従い充電ケーブル１１に流れる電流を制御する。その電流を電流センサ１２により監視し、その監視結果からバッテリ充電状態情報を解析してバッテリ残量を算出する。その後、その算出結果をバッテリ残量表示部１４に通知する。

なお、バッテリ残量計算部１３で算出したバッテリ充電状態情報を、電力線通信（ＰＬＣ）もしくは無線通信などの手段により家４の中に送信し、家４の中でバッテリ充電状態をモニタできるようにしてもよい。また、上記充電電流は直流でもよいし交流でもよい。

なお、車両側であって、ＡＣ／ＤＣ変換（整流・平滑）後の直流電流を充電電流という。また、家側から車へ充電ケーブルにて供給する商用ＡＣ電流（ＡＣ１００Ｖ、ＡＣ２００Ｖなど）を系統電流という。

図２は、充電コントローラ３と電流モニタ装置２６の構成を示すブロック図である。
充電コントローラ３は、制御部２１、バッテリ残量検出部２２、整流部２３、電流開閉部２４を備えている。

制御部２１は、ＣＰＵやプログラマブルデバイスとメモリで構成され、充電コントローラ３の各部を制御するとともに、充電開始指令により電流開閉部２４、インピーダンス可変部２５の制御を開始する。また制御部２１は、メモリに記憶されているバッテリ残量に対応した電流制御表に基づいてインピーダンス可変部２５に指令を出して一定周期ごとに充電電流を制御する。

バッテリ残量検出部２２は、バッテリ２の電圧などからバッテリ残量を算出する。なお、バッテリ残量検出部２２の機能は制御部２１に設けてもよい。
電流モニタ装置２６は、バッテリ残量計算部１３、バッテリ残量表示部１４を備えている。

バッテリ残量計算部１３は、例えば、電流／電圧変換器（Ｉ／Ｖ変換器）とアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）と、時間を算出するＣＰＵと、メモリを備え、電流センサ１２で検出した電流値をアナログ／ディジタル変換器で変換する。その後、変換した電流値に基づいて、メモリに記憶されている制御部２１に記憶されているものと同じ電流制限表により上記ＣＰＵがバッテリ残量を算出する。

バッテリ残量表示部１４は、バッテリ残量計算部１３から出力されたディジタルデータをバッテリ残量として表示する。
（電流遮断時間可変方式）
電流遮断時間可変方式について説明する。

図３に示す電流低減時間可変テーブルは、制御部２１とバッテリ残量計算部１３が備えるメモリに格納されている。電流低減時間可変テーブルは、「バッテリ残量」「低減時間」（バッテリ充電状態情報）のデータを有している。例えば、「バッテリ残量」にはバッテリ２の満充電時を１００％とし、残量がないときを０％として、１０段階でバッテリ残量を示す。「低減時間」は「バッテリ残量」の１０段階に対応するように電流開閉部２４を制御する時間が格納されている。電流開閉部２４を遮断器とした場合には、遮断器のオフ時間（遮断時間）が格納されている。図３の例では「バッテリ残量」が「０」％であれば「低減時間」は「１Δｔ」秒、「バッテリ残量」が「１０」％であれば「低減時間」は「２Δｔ」秒・・・「バッテリ残量」が「１００」％であれば「低減時間」は「１１Δｔ」秒になっている。例えば、Δｔは０．１秒とする。

バッテリ充電時の動作について説明する。
まず、充電ケーブル１１により車両１と電流モニタ装置２６を接続すると充電開始指令が制御部２１に通知される。

次に、充電開始指令を制御部２１が取得すると電流開閉部２４を充電可能な状態にする。例えば、遮断器を導通状態にする。
次に、制御部２１は、バッテリ残量検出部２２からバッテリ２の残量を得て充電電流を遮断する時間（バッテリ充電状態情報）を決め、一定周期Ｔごとに電流開閉部２４を制御する。

充電電流を電流センサ１２でモニタしているバッテリ残量計算部１３は、充電電流が遮断した時間を測定し、予め決められた図３に示す電流低減時間可変テーブルを検索して残量を選択してバッテリ残量表示部１４に通知する。

図４に示す図は縦軸を充電電流Ｉｃ、横軸を時間にし、充電開始から充電完了までを示した図である（交流である系統電流を電流センサにて検出・整流してＤＣ電流に変換した波形を示した図）。一定周期Ｔ（ｔ１、ｔ２・・・ｔｍ＋２）ごとにバッテリ充電状態情報に対応して電流を制御している。例えば、Ｔは１０分とする。

図５の方式１に電流遮断時間可変を行う場合の例を示し説明する。充電コントローラ３は、バッテリ残量が８０％のときは電流遮断時間可変テーブルの８０％に対応する低減時間（電流遮断時間可変方式では充電電流を遮断した時間）９Δｔを選択し、充電電流遮断時間９Δｔが遮断された充電電流を生成する。

バッテリ残量計算部１３は、９Δｔの充電電流遮断時間をその充電電流から検出し、９Δｔに対応するバッテリ残量を、電流低減時間可変テーブルから選択する。その後、バッテリ残量が８０％であることを利用者に知らせる。同様にバッテリ残量が２０％のときは３Δｔを検出して、３Δｔに対応するバッテリ残量を電流低減時間可変テーブルから選択する。
（電流低減時間可変方式）
電流低減時間可変方式の充電時の動作について説明する。

まず、電流遮断時間可変方式と同じように充電ケーブル１１により車両１と電流モニタ装置２６を接続する。
次に、充電開始指令が制御部２１に伝えられると制御部２１は電流開閉部２４を充電可能な状態にする。例えば、遮断器を導通状態にする。

次に、制御部２１は、バッテリ残量検出部２２からバッテリ残量を得て充電電流を低減する時間（バッテリ充電状態情報）を決め、一定周期Ｔごとにインピーダンス可変部２５を制御して電流を低減させる。

充電電流を電流センサ１２によりモニタしているバッテリ残量計算部１３は、充電電流が低減した時間（バッテリ充電状態情報）を測定し、予め決められた図３に示す電流低減時間可変テーブルから残量を計算してバッテリ残量表示部１４に通知する。

図５の方式２に電流低減時間可変を行う場合の例を示し説明する。制御部２１はインピーダンス可変部２５を調整して、バッテリ残量が８０％のときには９Δｔの期間、充電電流を低減する。例えば、予め設定された電流値（０．６Ｉｍａｘ：充電電流の最大値の６０％）になるようにインピーダンス可変部２５を調整して電流値を低減させる。

バッテリ残量計算部１３は充電電流が９Δｔの期間電流が低減されている時間を充電電流から検出して、９Δｔに対応するバッテリ残量を電流低減時間可変テーブルから選択する。同様にバッテリ残量が２０％のときは３Δｔの期間電流が低減されている時間を検出して、３Δｔに対応するバッテリ残量を電流低減時間可変テーブルから選択する。
（電流三角波低減時間可変方式）
電流三角波低減時間可変方式の充電時の動作について説明する。

まず、電流遮断時間可変方式、電流低減時間可変方式と同様、充電ケーブル１１により車両１と電流モニタ装置２６を接続する。
次に、充電開始指令が制御部２１に伝えられると制御部２１は電流開閉部２４を充電可能な状態にする。例えば、遮断器を導通状態にする。

次に、制御部２１は、バッテリ残量検出部２２からバッテリ残量を得て充電電流を低減する時間（バッテリ充電状態情報）を決め、一定周期Ｔごとに電流開閉部２４とインピーダンス可変部２５を制御して電流を低減させる。

充電電流を電流センサ１２によりモニタしているバッテリ残量計算部１３は、充電電流が低減した時間（バッテリ充電状態情報）を測定し、予め決められた図３に示す電流低減時間可変テーブルに基づいて残量を計算してバッテリ残量表示部１４に通知する。

図５の方式３に電流三角波低減時間可変を行う場合の例を示し説明する。充電コントローラ３は、バッテリ残量が８０％のときは電流低減時間可変テーブルに基づいて９Δｔを選択し、インピーダンス可変部２５は９Δｔの期間徐々に充電電流を低減する。

同様にバッテリ残量が２０％のときは電流低減時間可変テーブルに基づいて３Δｔを選択し、インピーダンス可変部２５は３Δｔの期間徐々に充電電流を低減する。
次に、バッテリ残量計算部１３は、上記９Δｔまたは３Δｔの期間充電電流が徐々に低減された時間を充電電流から検出して、９Δｔまたは３Δｔに対応するバッテリ残量を電流低減時間可変テーブルから選択する。

なお、低減時の三角波状に電流波形を形成する傾きは図５の方式３では直線で示されているが特に限定するものではなく、多項式で表される傾きになってもよい。
（電流低減量可変方式）
電流低減量可変方式について説明する。

図６に電流低減量可変を行なうときに用いる電流低減量可変テーブルを示す。電流低減量可変テーブルは、制御部２１およびバッテリ残量計算部１３のメモリに格納されている。電流低減時間可変テーブルは、「バッテリ残量」「低減率」（バッテリ充電状態情報）のデータを有している。例えば、「バッテリ残量」にはバッテリ２の満充電時を１００％とし、残量がないときを０％として、１０段階でバッテリの残量を示している。「低減率」には、インピーダンス可変部２５を制御するための「バッテリ残量」の１０段階に対応する充電電流の低減割合（充電電流の最大値に対する充電電流の低減率）が格納されている。図６の例では「バッテリ残量」が「０」％であれば「低減率」は「５」％、「バッテリ残量割合」が「１０」％であれば「低減率」は「１０」％・・・「バッテリ残量」が「１００」％であれば「低減率」は「５５」％になっている。

充電時の動作について説明する。
まず、充電ケーブル１１により車両１と電流モニタ装置２６を接続する。
次に、車側で充電開始指令が制御部２１に伝えられると、制御部２１は電流開閉部２４を充電可能な状態にする。例えば、遮断器を導通状態にする。

次に、制御部２１は、バッテリ残量検出部２２からバッテリ残量を得て充電電流を低減する量（率）（バッテリ充電状態情報）を決め、一定周期Ｔごとにインピーダンス可変部２５を制御する。

家側の電流モニタ装置は充電電流を電流センサによりモニタしているバッテリ残量計算部１３は、充電電流が低減した量（率）（バッテリ充電状態情報）を測定し、予め決められた図６に示す電流低減量可変テーブルから残量を計算してバッテリ残量表示部１４に通知する。

図８の方式４に電流低減量可変を行う場合の例を示し説明する。バッテリ残量が８０％のときは、充電コントローラ３により充電電流をΔｔの間、４５％低減させる。
バッテリ残量計算部１３は、Δｔの間充電電流が４５％低減している箇所を検出して、４５％低減に対応するバッテリ残量を電流低減量可変テーブルから選択する。同様にバッテリ残量が２０％のときはΔｔの間、充電電流１５％に対応するバッテリ残量を電流低減量可変テーブルから選択する。
（電流低減コード可変方式）
電流低減コード可変方式について説明する。

図７に電流低減コード可変を行なうときに用いる電流低減コード可変テーブルを示す。電流低減コード可変テーブルは、制御部２１とバッテリ残量計算部１３のメモリに格納されている。電流低減コード可変テーブルは、「バッテリ残量」「通信用コード」（バッテリ充電状態情報）のデータを有している。例えば、「バッテリ残量」にはバッテリ２の満充電時を１００％とし、残量がないときを０％として、１０段階でバッテリの残量を示している。「通信用コード」は「バッテリ残量」の１０段階に対応するように電流開閉部２４またはインピーダンス可変部２５を制御する時間が格納され、通信コードは遮断または低減を行なうタイミングを示すコードである。

電流開閉部２４により、バッテリ残量に対応した「通信用コード」を発生させるために充電電流を制御するきは、例えば、電流開閉部２４が遮断器をオン／オフして行なう。遮断器をｎΔｔごとにオン／オフして「通信用コード」を発生させるために充電電流を制御する。

また、インピーダンス可変部２５により「通信用コード」を発生させるために充電電流を制御するときは、インピーダンス可変部２５を調整してｎΔｔごとに予め設定した電流値まで充電電流を低減させて「通信用コード」を発生させるために充電電流を制御する。

図７の例では「バッテリ残量」が「０」％であれば「通信用コード」は「１００００」、「バッテリ残量」が「１０」％であれば「通信用コード」は「１０００１」・・・「バッテリ残量」が「１００」％であれば「通信用コード」は「１１０１０」になっている。

なお、先頭の１ビットはスタートビットである。
充電時の動作について説明する。
まず、充電ケーブル１１により車両１と電流モニタ装置２６を接続する。

次に、充電開始指令が充電コントローラ３に伝えられると制御部２１は電流開閉部２４を充電可能な状態にする。例えば、遮断器を導通状態にする。
次に、制御部２１は、バッテリ残量検出部２２からバッテリ残量を得て充電電流を遮断または低減する時間を決め、一定周期Ｔごとに電流開閉部２４またはインピーダンス可変部２５を制御する。

充電電流を電流センサ１２によりモニタしているバッテリ残量計算部１３は、充電電流が低減した時間を測定し、予め決められた図７に示す電流低減量可変テーブルから残量を計算してバッテリ残量表示部１４に通知する。

図８の方式５に電流低減コード可変を行う場合の例を示し説明する。図８では一定期間Δｔごとに「通信用コード」が「１」であれば充電電流を遮断または低減し、「０」のとき充電電流はＩｍａｘになるように制御している。

充電コントローラ３は、バッテリ残量が８０％のときは充電電流を制御して通信コード「１１０００」を送る。
バッテリ残量計算部１３は、充電電流から通信コード「１１０００」を検出し、検出した通信コードを電流低減量可変テーブルから検索して対応するバッテリ残量を選択する。同様にバッテリ残量が２０％のときは通信コード「１００１０」をバッテリ残量計算部１３が検出して、通信コード「１００１０」に対応するバッテリ残量を電流低減量可変テーブルから選択する。

なお、バッテリ充電状態情報にはバッテリの残量のコードとともにバッテリ充電時間をコード化してもよい。
上記構成により、車両側に新たな通信用の装置を必要とせず、ＰＨＶまたはＥＶ車両の充電用ケーブルのみを使用して、充電コンセント側で車載バッテリの残量をモニタすることができる。

また、バッテリ残量の他に、所要充電時間も情報としてモニタすることができる。
さらに、車両側には標準の装備と充電用のバッテリケーブル線（＋、−、アース）の他に新たな通信用の装置を追加せず、低コストで実現できる。

なお、充電の開始時にのみ、前記バッテリ充電状態情報を家側に伝え、以後は系統電流を予め設定された時間監視して、監視期間に検出した電流値を用いて積算して、積算した結果に基づいて前記バッテリ残量を推定することもできる。

なお、電流モニタ装置で受信したバッテリ充電状態情報をＰＬＣ若しくは無線通信等の手段により家の中に送信し、家の中でバッテリ充電状態情報をモニタ（表示）できるようにしてもよい。

なお、家側のコンセントと車両の充電口を接続するためのケーブルの途中に電流モニタＢＯＸ等を設けて、充電コントローラ等から送信されるバッテリ充電状態情報を受信して表示してもよい。

また、充電には交流だけでなく太陽電池などを用いて直流電流を用いて充電してもよい。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

車両に充電を行なう場合の構成を示した図である。 バッテリコントローラと電流モニタ部の構成を示すブロック図である。 電流遮断時間可変方式、電流低減時間可変方式、電流三角波低減時間可変方式で用いるテーブルを示す図である。 充電電流をバッテリ充電状態情報に従い制御したことを示す図である。 方式１〜３のバッテリ充電状態情報に従い制御した充電電流を示す図である。 電流低減量可変方式で用いるテーブルを示す図である。 電流低減コード可変方式で用いるテーブルを示す図である。 方式４、５のバッテリ充電状態情報に従い制御した充電電流を示す図である。

符号の説明

１ 車両
２ バッテリ
３ 充電コントローラ
４ 家
５ 電線
６ 分電盤
７ 屋内配線
８ コンセント
９ プラグ
１０ 充電プラグ
１１ 充電ケーブル
１２ 電流センサ
１３ バッテリ残量計算部
１４ バッテリ残量表示部
２１ 制御部
２２ バッテリ残量検出部
２３ 整流部
２４ 電流開閉部
２５ インピーダンス可変部
２６ 電流モニタ装置

Claims (6)

1. 車両に搭載されたバッテリの残量を監視するバッテリ残量モニタシステムであって、
   前記バッテリの残量を検出して前記残量に対応するバッテリ充電状態情報を算出して、系統電流を制御する充電コントローラと、
   電流センサにより前記系統電流を監視し、前記系統電流から前記バッテリ充電状態情報を検出して前記バッテリの残量を算出し、前記バッテリの残量を表示する電流モニタ装置と、
   前記充電コントローラと前記電流モニタ装置とを接続する充電用電力線と、を備え、
   前記充電コントローラは、
   前記バッテリの残量を検出するバッテリ残量検出部と、
   前記バッテリ充電状態情報に対応して系統電流を制御する制御部と、
   前記制御部からの指示により前記系統電流の遮断と導通の切り替えを行う電流開閉部と、
   前記バッテリを充電するための整流部に設けられ、前記制御部からの指示によりバッテリ充電電流量を可変するインピーダンス可変部と、
   を備えることを特徴とするバッテリ残量モニタシステム。
2. 前記電流モニタ装置は、
   前記車両へ供給される商用ＡＣ電流である前記系統電流から前記バッテリ充電状態情報を検出する前記電流センサと、
   前記バッテリ充電状態情報に対応する前記バッテリの残量を算出するバッテリ残量計算部と、
   前記バッテリ残量計算部が算出した前記バッテリの残量を表示するバッテリ残量表示部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ残量モニタシステム。
3. 前記バッテリ充電状態情報は、
   前記バッテリの残量に対応して前記電流開閉部または前記インピーダンス可変部を制御することにより、前記充電電流の低減量は一定にして前記充電電流の低減時間を可変する、または前記充電電流の低減量を徐々に増やして前記充電電流の低減時間を可変する、情報であることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリ残量モニタシステム。
4. 前記バッテリ充電状態情報は、
   前記バッテリの残量に対応して前記インピーダンス可変部を可変し、前記充電電流の低減時間は一定にして前記充電電流の低減量を可変する情報であることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリ残量モニタシステム。
5. 前記バッテリ充電状態情報は、
   前記バッテリの残量に対応して前記インピーダンス可変部を可変し、前記充電電流の低減時間は一定にして前記充電電流の低減コードを可変する情報であることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリ残量モニタシステム。
6. 前記バッテリ充電状態情報は一定の周期で生成され、前記バッテリ充電状態情報に対応する前記充電電流波形であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかひとつに記載のバッテリ残量モニタシステム。
   

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