JP5741385B2

JP5741385B2 - バッテリの充電システム

Info

Publication number: JP5741385B2
Application number: JP2011243395A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木野村; 朋行水野; 悦也堀内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: JP2013099233A

Description

本発明は、バッテリの充電システムに関し、特に、バッテリから別のバッテリへ電力を供給する技術に関する。

従来より、電動モータからの駆動力で走行する電気自動車およびハイブリッド車が知られている。一般的に、電気自動車には、電動モータに供給する電力を蓄えるバッテリが搭載されている。バッテリは、たとえば充電ステーションおよび自宅などにおいて、電気自動車の外部から供給される電力により充電される。別の充電方式として、特開２０１０−２５２５２０号公報は、一方の車両のバッテリから他方の車両のバッテリに電力を供給することを開示する。

特開２０１０−２５２５２０号公報

しかしながら、特開２０１０−２５２５２０号公報においては、１つのバッテリから他の１つのバッテリに電力を供給する場合のみを想定し、複数のバッテリから他のバッテリに電力を供給する場合は想定されていない。

本発明の目的は、複数のバッテリから他のバッテリに電力を好適に供給することである。

ある実施例において、バッテリの充電システムは、３つ以上の複数の双方向コンバータと、複数の双方向コンバータを制御する制御装置とを備える。制御装置は、複数の双方向コンバータの夫々に接続されたバッテリのうち、余剰の電力量が大きいバッテリから優先的に、特定のバッテリに電力を供給させ、電力を放電したバッテリの余剰の電力量と、充電中でない他のバッテリの余剰の電力量との差がしきい値以下になると、余剰の電力量の差がしきい値以下の複数のバッテリから、特定のバッテリに電力を供給させるように、複数の双方向コンバータを制御する。

この構成によると、電力量の余裕が大きいバッテリから優先的に放電し、その後、複数のバッテリから放電することによって、電源となるバッテリの残存容量を平準化できる。そのため、バッテリ間の残存容量の差異を低減できる。その結果、複数のバッテリから他のバッテリに電力を好適に供給できる。

別の実施例において、特定のバッテリは、各双方向コンバータに接続されたバッテリのうち、残存容量が最も低いバッテリである。

この構成によると、電力が消費されたバッテリの残存容量を優先的に回復できる。
さらに別の実施例において、特定のバッテリは、各双方向コンバータに接続されたバッテリのうち、電力量の不足量が最も大きいバッテリである。

この構成によると、電力が消費されたバッテリの残存容量を優先的に回復できる。
さらに別の実施例において、特定のバッテリは、各双方向コンバータに接続されたバッテリの中から利用者によって指定されたバッテリである。

この構成によると、例えば利用者が使用したいと希望するバッテリの残存容量を優先的に回復できる。

さらに別の実施例において、充電システムは、複数の双方向コンバータを迂回して、特定のバッテリと余剰の電力量が最も大きいバッテリとを直接接続し、余剰の電力量が最も大きいバッテリから特定のバッテリへ電力を供給する迂回回路をさらに備える。制御装置は、特定のバッテリの型式と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの型式とが同じである場合、または、特定のバッテリの仕様と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの仕様とが同じである場合に、迂回回路に、複数の双方向コンバータを迂回して、特定のバッテリと余剰の電力量が最も大きいバッテリとを直接接続させる。

この構成によると、双方向コンバータで電力を損失せずに、特定のバッテリを充電できる。

電気自動車を示す概略構成図である。電気自動車の電気システムを示す図である。充電システムを示す図である。商用電源が利用可能である場合の充電システムを示す図である。商用電源が利用不可である場合、または商用電源を利用しない場合の充電システムを示す図である。２つのバッテリから１つのバッテリに電力を供給する場合の充電システムを示す図である。充電器を迂回して２つのバッテリを直接接続した状態の充電システムを示す図である。コントローラが実行する処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、電気自動車には、電動モータ１００と、バッテリ１１０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２０とが搭載される。電気自動車は、電動モータ１００からの駆動力により走行する。すなわち、電動モータ１００が駆動源として電気自動車に搭載される。

電動モータ１００は、たとえば、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを備える、三相交流回転電機である。電動モータ１００は、バッテリ１１０に蓄えられた電力により駆動する。電動モータ１００の駆動力は、駆動輪１３０に伝えられる。

電気自動車の回生制動時には、駆動輪１３０により電動モータ１００が駆動され、電動モータ１００が発電機として作動する。これにより電動モータ１００は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。電動モータ１００により発電された電力は、バッテリ１１０に蓄えられる。

バッテリ１１０は、複数のバッテリセルを一体化したバッテリモジュールを、さらに複数直列に接続して構成された組電池である。バッテリ１１０の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。バッテリ１１０には、電動モータ１００の他、電気自動車の外部の電源から供給される電力が充電される。

なお、本実施の形態においては、一例として電気自動車を用いるが、内燃機関などのエンジンを搭載したハイブリッド車または航続距離拡張機能付電気自動車を用いてもよい。燃料電池を搭載した燃料電池車を用いてもよい。

ＥＣＵ１２０は、電動モータ１００およびバッテリ１１０などを制御する。本実施の形態において、ＥＣＵ１２０は、バッテリ１１０の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）［％］、バッテリ１１０の余剰の電力量［ｋＷｈ］、バッテリ１１０の電力量の不足分、バッテリ１１０の型式、バッテリ１１０の仕様などの種々の情報を算出および記憶する。

一例として、バッテリ１１０の残存容量は、バッテリ１１０の放電電力量および充電電力量などから周知の方法を用いて算出される。バッテリ１１０の余剰の電力量とは、バッテリ１１０の残存容量の予め定められた下限値と現在の残存容量との差または差を電力量に換算した値に相当する。バッテリ１１０の電力量の不足分とは、満充電時の残存容量と現在の残存容量との差または差を電力量に換算した値に相当する。

本実施の形態において、電気自動車には、さらに、通信装置１４０が搭載される。通信装置１４０は、後述する充電システムのコントローラと、無線および有線などの任意の通信方式で通信するために用いられる。通信装置１４０は、バッテリ１１０の電圧、バッテリ１１０の残存容量、バッテリ１１０の余剰の電力量、バッテリ１１０の電力量の不足分、バッテリ１１０の型式、バッテリ１１０の仕様などの種々の情報を、充電システムのコントローラに向けて送信する。

図２を参照して、電気自動車の電気システムについてさらに説明する。電気自動車には、コンバータ２００と、インバータ２１０とが設けられる。

コンバータ２００は、リアクトルと、二つのｎｐｎ型トランジスタと、二つダイオードとを含む。リアクトルは、各バッテリの正極側に一端が接続され、２つのｎｐｎ型トランジスタの接続点に他端が接続される。

２つのｎｐｎ型トランジスタは、直列に接続される。ｎｐｎ型トランジスタは、ＥＣＵ１２０により制御される。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードがそれぞれ接続される。

なお、ｎｐｎ型トランジスタとして、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。ｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いることができる。

バッテリ１１０から放電された電力を電動モータ１００に供給する際、電圧がコンバータ２００により昇圧される。逆に、電動モータ１００により発電された電力をバッテリ１１０に充電する際、電圧がコンバータ２００により降圧される。

インバータ２１０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは並列に接続される。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、それぞれ、直列に接続された２つのｎｐｎ型トランジスタを有する。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、電動モータ１００の各コイルの中性点とは異なる端部にそれぞれ接続される。

インバータ２１０は、バッテリ１１０から供給される直流電流を交流電流に変換し、電動モータ１００に供給する。また、インバータ２１０は、電動モータ１００により発電された交流電流を直流電流に変換する。コンバータ２００およびインバータ２１０は、ＥＣＵ１２０により制御される。

図３を参照して、バッテリを充電する充電ステーションについて説明する。充電ステーションには、ＡＣ／ＤＣ変換回路（双方向インバータ）４０２と、充電器（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ）４１０，４２０，４３０と、リレー４４０と、コントローラ４５０と、切替回路４６０とを備える充電システム４００が設けられる。図３においては、３つの充電器４１０，４２０，４３０を示すが、４つ以上の充電器を設けてもよい。また、リレーの数および構成は、図示するものに限定されない。

一例として、充電システム４００は、３台の車両のバッテリを接続可能であるように、３つのポート４７１，４７２，４７３が設けられる。なお、４台以上の車両のバッテリを接続可能であるように構成してもよい。充電システム４００には、車両に搭載されていないバッテリが接続可能であってもよい。充電システム４００、特に充電器４１０，４２０，４３０は、コントローラ４５０により制御される。

ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２は、単相ブリッジ回路から成る。ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２は、たとえば電力会社が所有する施設（発電所、変電所など）から供給された交流電力を直流電力に変換する。また、ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２は、コイルをリアクトルとして用いることにより電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路としても機能し得る。

充電器４１０，４２０，４３０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２とバッテリとの間に接続される。充電器４１０，４２０，４３０は、一例としてバッテリ１１４，１１６，１１８を充電するための電力を出力する。充電器４１０，４２０，４３０は、絶縁トランスを有する絶縁型充電器である。絶縁型の充電器を用いなくてもよい。バッテリ１１４，１１６，１１８は、車両に搭載されてもよく、特定の場所に設置されてもよい。

さらに、本実施の形態において、充電器４１０，４２０，４３０は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとしての機能を有するため、夫々の充電器４１０，４２０，４３０に接続されたバッテリ１１４，１１６，１１８から放電するように動作することも可能である。

リレー４４０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２と、充電器４１０，４２０，４３０との間に設けられる。リレー４４０を開くと、商用電源４７０と充電器４１０，４２０，４３０とが遮断される。

切替回路４６０は、リレー４６１，４６２，４６３と、迂回回路４６４とを含む。リレー４６１，４６２，４６３は、夫々、充電器４１０，４２０，４３０とバッテリ１１４，１１６，１１８との間に設けられる。リレー４６１が開くと、充電システム４００とバッテリ１１４とが遮断される。同様に、リレー４６２が開くと、充電システム４００とバッテリ１１６とが遮断され、リレー４６３が開くと、充電システム４００とバッテリ１１８とが遮断される。

迂回回路４６４は、複数の充電器４１０，４２０，４３０を迂回して、バッテリ同士を直接接続し、バッテリから他のバッテリへ電力を供給する。迂回回路４６４は、リレー４６５，４６６を含む。本実施の形態においては、リレー４６１，４６２，４６３とリレー４６５，４６６とを組み合わせることにより、直接接続するバッテリの組合せを選択可能である。

コントローラ４５０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２と、充電器４１０，４２０，４３０と、リレー４４０，４６１，４６２，４６３と、迂回回路４６４とを制御する。さらに、コントローラ４５０は、各車両に搭載された通信装置から、バッテリの電圧、バッテリの残存容量、バッテリの余剰の電力量、バッテリの電力量の不足分、バッテリの型式、バッテリの仕様などの種々の情報を受信する。

コントローラ４５０は、たとえば商用電源４７０が利用可能である場合は、図４に示すように、リレー４４０を閉じるとともに、リレー４６１，４６２，４６３の少なくともいずれか１つを閉じて、バッテリ１１４，１１６，１１８のうちの少なくともいずれか１つを充電するように、各充電器４１０，４２０，４３０を制御する。

一方、停電時または昼間などの予め定められた時間帯において、コントローラ４５０は、リレー４４０を開き、複数の充電器４１０，４２０，４３０の夫々に接続されたバッテリ１１４，１１６，１１８のうち、余剰の電力量が大きいバッテリから優先的に、残存容量が最も低いバッテリ、電力量の不足量が最も大きいバッテリまたは利用者によって指定されたバッテリに優先的に電力を供給させるように、複数の充電器４１０，４２０，４３０を制御する。停電が発生したか否かは、たとえばＡＣ／ＤＣ変換回路４０２の入力電圧がしきい値以下であるか否かに基づいてコントローラ４５０が判断する。

さらに、コントローラ４５０は、電力を放電したバッテリの余剰の電力量と、充電中でない他のバッテリの余剰の電力量との差がしきい値以下になると、余剰の電力量の差がしきい値以下の複数のバッテリから、充電対象の特定のバッテリに電力を供給させるように、複数の充電器４１０，４２０，４３０を制御する。しきい値は、「０」以上の所定の値として開発者により予め定められる。したがって、電力を放電したバッテリの余剰の電力量が、充電中でない他のバッテリの余剰の電力量と同じになると、余剰の電力量が同じ複数のバッテリから、充電対象の特定のバッテリに電力を供給させるように、複数の充電器４１０，４２０，４３０が制御される。

一例として、複数の充電器４１０，４２０，４３０の夫々に接続されたバッテリ１１４，１１６，１１８のうち、バッテリ１１８の余剰の電力量が最も大きいと想定する。また、バッテリ１１４，１１６，１１８のうち、バッテリ１１４の残存容量が最も低いと想定する。

この場合、図５に示すように、リレー４４０とリレー４６２とが開かれ、リレー４６１とリレー４６３とが閉じられる。その結果、バッテリ１１８とバッテリ１１４とが、充電器４１０と充電器４３０とを介して接続される。この状態において、充電器４３０は、バッテリ１１８から放電するようにコントローラ４５０によって制御される。充電器４１０は、バッテリ１１８から放電された電力をバッテリ１１４に供給するようにコントローラ４５０によって制御される。

バッテリ１１８の余剰の電力量と、バッテリ１１６の余剰の電力量との差がしきい値以下になるまで（例えば、バッテリ１１８の余剰の電力量が、バッテリ１１６の余剰の電力量と同じになるまで）低下すると、図６に示すように、さらに、リレー４６２が閉じられる。その結果、バッテリ１１６が、充電器４１０と充電器４２０とを介してバッテリ１１４に接続される。この状態において、充電器４３０は、バッテリ１１８から放電するようにコントローラ４５０によって制御されるとともに、充電器４２０は、バッテリ１１６から放電するようにコントローラ４５０によって制御される。充電器４１０は、バッテリ１１８およびバッテリ１１６から放電された電力をバッテリ１１４に供給するようにコントローラ４５０によって制御される。

バッテリ１１４の充電は、一例として、バッテリ１１４の残存容量が予め定められた目標値に到達するまで、あるいは、バッテリ１１８の残存容量もしくはバッテリ１１６の残存容量が所定の下限値に到達するまで継続される。

電力量の余裕が大きいバッテリ１１８から優先的に放電し、その後、複数のバッテリ１１６，１１８から放電することによって、電源となるバッテリ１１６，１１８の残存容量を平準化できる。そのため、バッテリ１１６とバッテリ１１８との間の残存容量の差異を低減できる。バッテリ１１６とバッテリ１１８の残存容量を平準化することで、停電時においてもバッテリ１１６およびバッテリ１１８の電力を同等に確保できる。したがって、バッテリ１１６を搭載した車両と、バッテリ１１８を搭載した車両との両方を走行可能な状態に維持できる。

また、コントローラ４５０は、充電対象となる特定のバッテリの型式と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの型式とが同じである場合、または、充電対象となる特定のバッテリの仕様と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの仕様とが同じである場合に、迂回回路４６４に、複数の充電器４１０，４２０，４３０を迂回して、充電対象となる特定のバッテリと余剰の電力量が最も大きいバッテリとを直接接続させる。

一例として、バッテリ１１８の余剰の電力量が最も大きく、バッテリ１１４の残存容量が最も低く、バッテリ１１４の型式とバッテリ１１８の型式とが同じであると想定する。この場合、図７に示すように、リレー４４０とリレー４６２とが開かれ、リレー４６１と、リレー４６３と、リレー４６５と、リレー４６６とが閉じられる。その結果、バッテリ１１８とバッテリ１１４とが、充電器４１０と充電器４３０とを迂回して直接接続される。これにより、バッテリ１１８からバッテリ１１４に自発的に電力が供給される。そのため、充電器４１０，４３０での電力損失を生じさせずに、バッテリ１１４を充電できる。

図８を参照して、本実施の形態においてコントローラ４５０が実行する処理について説明する。以下に説明する処理は、ソフトウェアにより実現してもよく、ハードウェアにより実現してもよく、ソフトウェアとハードウェアとの協働により実現してもよい。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、停電が発生したか、あるいは現在時刻が予め設定された時間帯に含まれるかが判断される。停電が発生した場合、または、現在時刻が予め設定された時間帯に含まれる場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、Ｓ１０２にて、ＡＣ／ＤＣ変換回路４０２と充電器４１０，４２０，４３０との間のリレー４４０が開かれる。

その後、Ｓ１０４にて、充電対象のバッテリが特定される。一例として、利用者がコントローラ４５０を操作することによってバッテリを指定した場合、指定されたバッテリが、充電対象のバッテリとして特定される。利用者がバッテリを指定しない場合、バッテリ残存容量が最も低いバッテリを充電対象のバッテリとして特定してもよく、電力量の不足量が最も大きいバッテリを充電対象のバッテリとして特定してもよい。

さらに、Ｓ１０６にて、優先的に放電するバッテリが特定される。一例として、余剰の電力量が最も大きいバッテリが特定される。その後、Ｓ１０８にて、充電対象となる特定のバッテリの型式と、優先的に放電されるバッテリの型式とが同じであるかが判断される。充電対象となる特定のバッテリの仕様と、優先的に放電されるバッテリの仕様とが同じであるかを判断してもよい。

充電対象となる特定のバッテリの型式と優先的に放電されるバッテリの型式とが同じ、または、充電対象となる特定のバッテリの仕様と優先的に放電されるバッテリの仕様とが同じであると（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、Ｓ１１０にて、充電器を迂回して、充電対象となる特定のバッテリと優先的に放電されるバッテリとが直接接続される。

その後、充電対象となる特定のバッテリの電圧と優先的に放電されるバッテリとが一致すると（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、Ｓ１０４にて、充電対象のバッテリが再び特定され、後続の処理が繰り返される。

充電対象となる特定のバッテリの型式と優先的に放電されるバッテリの型式とが異なる場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、Ｓ１１４にて、優先的に放電される、余剰の電力量が最も大きいバッテリから充電対象の特定のバッテリに電力を供給するように、複数の充電器４１０，４２０，４３０が制御される。

その後、電力を放電したバッテリの余剰の電力量と、充電中でない他のバッテリの余剰の電力量とがしきい値以下になると（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、Ｓ１１８にて、余剰の電力量の差がしきい値以下の複数のバッテリから、特定のバッテリに電力を供給させるように、複数の充電器４１０，４２０，４３０が制御される。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００電動モータ、１１０，１１４，１１６，１１８バッテリ、１４０通信装置、４００充電システム、４０２ＡＣ／ＤＣ変換回路、４１０，４２０，４３０充電器、４４０，４６１，４６２，４６３，４６５，４６６リレー、４５０コントローラ、４６０切替回路、４６４迂回回路、４７０商用電源、４７１，４７２，４７３ポート。

Claims

３つ以上の複数の双方向コンバータと、
前記複数の双方向コンバータを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記複数の双方向コンバータの夫々に接続されたバッテリのうち、余剰の電力量が大きいバッテリから優先的に、特定のバッテリに電力を供給させ、
電力を放電したバッテリの余剰の電力量と、充電中でない他のバッテリの余剰の電力量との差がしきい値以下になると、余剰の電力量の差が前記しきい値以下の複数のバッテリから、前記特定のバッテリに電力を供給させるように、前記複数の双方向コンバータを制御する、バッテリの充電システム。
前記特定のバッテリは、各前記双方向コンバータに接続されたバッテリのうち、残存容量が最も低いバッテリである、請求項１に記載のバッテリの充電システム。
前記特定のバッテリは、各前記双方向コンバータに接続されたバッテリのうち、電力量の不足量が最も大きいバッテリである、請求項１に記載のバッテリの充電システム。
前記特定のバッテリは、各前記双方向コンバータに接続されたバッテリの中から利用者によって指定されたバッテリである、請求項１に記載のバッテリの充電システム。
３つ以上の複数の双方向コンバータと、
前記複数の双方向コンバータを制御する制御装置と、
前記複数の双方向コンバータを迂回して、特定のバッテリと余剰の電力量が最も大きいバッテリとを直接接続し、余剰の電力量が最も大きいバッテリから前記特定のバッテリへ電力を供給する迂回回路とを備え、
前記制御装置は、
前記特定のバッテリの型式または仕様と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの型式または仕様とが同じであるか否かを判断し、
前記特定のバッテリの型式と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの型式とが同じである場合、または、前記特定のバッテリの仕様と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの仕様とが同じである場合に、前記迂回回路に前記複数の双方向コンバータを迂回して、前記特定のバッテリと余剰の電力量が最も大きいバッテリとを直接接続させ、
前記特定のバッテリの型式と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの型式とが異なる場合、または、前記特定のバッテリの仕様と、余剰の電力量が最も大きいバッテリの仕様とが異なる場合、前記複数の双方向コンバータの夫々に接続されたバッテリのうち、余剰の電力量が大きいバッテリから前記特定のバッテリに優先的に電力を供給させ、電力を放電したバッテリの余剰の電力量と、充電中でない他のバッテリの余剰の電力量との差がしきい値以下になると、余剰の電力量の差が前記しきい値以下の複数のバッテリから前記特定のバッテリに電力を供給させるように、前記複数の双方向コンバータを制御する、バッテリの充電システム。