JP2020018051A - 車両の充電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の充電制御装置に関し、外部充電の待ち時間における待機電力を削減する。
【解決手段】外部電源２１による車両２０のバッテリー２２の充電に際し、充電ケーブル２３と車両２０との接続箇所よりも外部電源２１側に配される給電コントローラー５と、接続箇所よりも車両２０側に配される車載コントローラー６との間の通信を制御する充電制御装置に関する。充電制御装置には、通信に利用される信号が伝送される信号線１，抵抗器７，リレー８，リレーコントローラー９が設けられる。抵抗器７は、接続箇所よりも車両２０側の信号線１に介装される。リレー８は、接続箇所と抵抗器７との間で信号線１に介装される。リレーコントローラー９は、リレー８の開閉状態をあらかじめ設定された充電スケジュールに基づいて制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の外部充電に際し、外部電源側の給電コントローラーと車両側の車載コントローラーとの間の通信を制御する充電制御装置に関する。

従来、電気自動車やハイブリッド車両に搭載されたバッテリーを外部電源で充電するための手法の一つとして、低圧電力（100V，200Vなどの交流電力）を利用した普通充電が知られている。すなわち、高電圧の直流電流による急速充電とは異なり、比較的低電圧の交流電流を車載充電器（OBC，On-Board Charger）で直流に変換した上でゆっくりと充電する手法である。日本国内で市販されている電動車両の多くは、家庭用電源のコンセントと車両とを充電ケーブルで接続することで、バッテリーを充電できるようになっている。

上記の普通充電では、給電電圧や電流を制御するための給電コントローラーと車載コントローラーとの間で所定の信号が送受信され、接続状態が互いに確認される。車載コントローラーは車両に内蔵され、給電コントローラーは外部電源（充電ステーション，充電ポールなど）や充電ケーブルに付設されるCCID（充電回路遮断装置）に内蔵される。ここで、外部充電の開始時における通信手順を以下に例示する。

まず、給電コントローラーが車両との接続を検知して給電の準備を開始し、車両コントローラーからの給電指示を待機する。一方、車載コントローラーは外部電源との接続を検知して受電の準備を開始し、電力を受け入れる態勢が整ったら給電コントローラーに給電を指示する。その後、給電の指示を受けた給電コントローラーが給電を開始し、バッテリーを充電する。このような相互通信のための構造や通信プロトコルに関しては、IEC 61851-1，SAE J1772などに規格化されている（特許文献１，２参照）。

特開2016-171613号公報 特表2015-530063号公報

ところで、家庭用電源による普通充電では、車両のユーザーが充電スケジュール（充電の開始時刻や終了時刻）を指定するタイマー充電機能が利用されることがある。タイマー充電機能は、例えば深夜電力で充電したい場合や、他の家電製品が使用されていない時間帯に充電したい場合などに便利な機能である。一方、タイマー充電を開始する前には、家庭用電源と車両との間を充電ケーブルで接続しておく必要がある。つまり、給電コントローラーと車載コントローラーとが接続された状態が、充電の開始時刻まで維持される。これにより、待機中の消費電力（待機電力）が大きくなり、家庭用電源の電力料金がかさみやすいという課題がある。特に、就寝中にタイマー充電で外部充電するような場合には、充電ケーブルが接続されてから取り外されるまでの時間が長くなり、待機電力が浪費されうる。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、外部充電の待ち時間における待機電力を削減できるようにした車両の充電制御装置を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）ここで開示する車両の充電制御装置は、外部電源による車両のバッテリーの充電に際し、充電ケーブルと車両との接続箇所よりも前記外部電源側に配される給電コントローラーと前記接続箇所よりも前記車両側に配される車載コントローラーとの間の通信を制御するものである。本システムには、前記通信に利用される信号が伝送される信号線，抵抗器，リレー，リレーコントローラーが設けられる。前記抵抗器は、前記接続箇所よりも前記車両側の前記信号線に介装される。前記リレーは、前記接続箇所と前記抵抗器との間で前記信号線に介装される。前記リレーコントローラーは、前記リレーの開閉状態をあらかじめ設定された充電スケジュールに基づいて制御する。

（２）上記の構成において、直流電源と発振装置とスイッチとを備えることが好ましい。前記直流電源は、前記接続箇所よりも前記外部電源側において前記所定電圧の信号を生成する。前記発振装置は、前記所定電圧の信号のパルス幅を変調させつつ電圧値を正と負とに振動させたパルス幅変調信号を生成する。前記スイッチは、前記抵抗器による前記信号線の電圧の低下を検知して、前記信号線を前記直流電源から切断するとともに前記発振装置に接続する。

（３）また、第二抵抗器と第二スイッチとを備えることが好ましい。前記第二抵抗器は、前記接続箇所よりも前記車両側の前記信号線に接続され、前記パルス幅変調信号を受けて前記信号線の電圧を低下させる。前記第二スイッチは、前記第二抵抗器と前記信号線との接続状態を切り替える。

（４）また、ダイオードを備えることが好ましい。前記ダイオードは、前記接続箇所と前記抵抗器との間で前記信号線に介装され、前記パルス幅変調信号を前記外部電源側から前記車両側へ向かう方向に整流する。

充電ケーブルと車両とが接続された状態で浪費される電力をカットすることができ、外部充電の待ち時間における待機電力を削減することができる。また、車両と外部電源とが充電ケーブルで接続された状態であってもリレーが切断されているため、接続状態を非検出にすることができる。これにより、給電コントローラー及び車載コントローラーの消費電力や発熱を減少させることができ、外部充電に係る環境負荷を軽減することができる。

充電制御装置が適用された車両の構成を示す斜視図である。 充電制御装置の回路の構造を示す回路図である。 車載コントローラーでの制御内容を説明するためのフローチャートである。 給電コントローラーでの制御内容を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して実施形態としての車両の充電制御装置について説明する。本件の充電制御装置が適用される車両の種類としては、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両を挙げることができる。外部電源による充電が可能な車両であれば、本件の充電制御装置が適用可能である。したがって厳密にいえば、外部充電が可能なバッテリーを搭載したディーゼル車両，エンジン車両にも適用可能である。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．車両の構成］
充電制御装置が適用された車両２０を図１に示す。この車両２０には、外部電源からの電力供給を受けて充電されるバッテリー２２が搭載される。このバッテリー２２は、例えば走行用モーターを駆動するための電力を蓄える走行用バッテリーである。バッテリー２２の充電時には、図１に示すように、充電ポール２１（外部電源の一例）と車両２０とが充電ケーブル２３で接続される。あるいは、図１の吹き出し内に示すように、家庭用のコンセント１３（外部電源の一例）と車両２０とが充電ケーブル２３で接続される。充電ケーブル２３の端部には充電ガン２４が設けられ、その先端に配置されたコネクター１１が車両２０のインレット１２に差し込まれて接続される。

車両２０には、充電時の受電状態を制御するための車載コントローラー６が搭載される。車載コントローラー６は、少なくとも充電ケーブル２３と車両２０との接続箇所よりも車両２０側に配される。一方、充電時の給電状態は、給電コントローラー５で制御される。給電コントローラー５は、少なくとも充電ケーブル２３と車両２０との接続箇所よりも外部電源側に配される。例えば図１中に示すように、充電ポール２１に内蔵され、あるいは充電ケーブル２３の中途に取り付けられたCCID２５（充電回路遮断装置）に内蔵される。本件の充電制御装置は、外部電源によるバッテリー２２の充電に際し、給電コントローラー５と車載コントローラー６との間の通信を制御する機能を持つ。

［２．回路の構成］
図２は、バッテリー２２の普通充電で用いられる普通充電回路の構成を示す回路図である。図中に示すCP（Control Pilot）及びPP（Proximity Pilot）は、給電コントローラー５と車載コントローラー６との通信時に利用される信号伝達ラインである。以下、前者を信号線１と呼び、後者を第二信号線２と呼ぶ。信号線１は、給電コントローラー５と車載コントローラー６とが互いの状態を確認するための信号をやり取りするための導線である。一方、第二信号線２は、コネクター１１がインレット１２に接続されたことを車載コントローラー６が把握するために用いられる。図中のGND（Ground）は保護接地用の接地線３であり、PWR（Power）はバッテリー２２への電力供給用の動力線４である。

信号線１に着目すると、コネクター１１とインレット１２との接続箇所よりも外部電源側は、給電コントローラー５に内蔵された制御装置１０に接続される。また、上記の接続箇所と制御装置１０との間からの分岐経路上には給電側抵抗器３１が介装され、その先にスイッチ１６が取り付けられる。スイッチ１６は、信号線１の信号源を切り替えるための切替装置である。ここでは、所定電圧の信号を生成する直流電源１４と、PWM信号（パルス幅変調信号）を生成する発振装置１５とのいずれかが選択される。直流電源１４は、例えば+12Vの定電圧信号を出力する。また、発振装置１５は+12Vから-12Vまでパルス状に変化するPWM信号を出力する。PWM信号とは、所定電圧の信号のパルス幅を変調させつつ電圧値を正と負とに振動させた信号である。

スイッチ１６の作動状態は、制御装置１０で制御される。制御装置１０は、コネクター１１とインレット１２とが接続されていない初期状態では、直流電源１４が信号線１に接続されるようにスイッチ１６を制御する。一方、コネクター１１とインレット１２との接続による信号線１の電圧変化を検出したとき（すなわち、コネクター１１とインレット１２との接続を検出したとき）には、スイッチ１６を切り替えて発振装置１５を信号線１に接続させる。このように、給電コントローラー５が車両２０との接続を検出するまでの間は、直流電源１４が信号線１に接続された状態となる。

信号線１のうち、コネクター１１とインレット１２との接続箇所よりも車両２０側は、車載コントローラー６に内蔵される制御装置９に接続される。インレット１２と制御装置９とを繋ぐ経路上には、リレー８とダイオード１９とが介装される。また、ダイオード１９よりも制御装置９側には、シグナルグラウンドに向かって二つの導線が分岐形成される。さらに、二つの分岐路の一方には抵抗器７が介装され、他方には第二抵抗器１７と第二スイッチ１８とが介装される。第二スイッチ１８は、第二抵抗器１７と信号線１との接続状態を切り替える機能を持つ。

抵抗器７は、コネクター１１とインレット１２とが接続されたときに、信号線１の電圧を変化させるものである。また、第二抵抗器１７は、受電の準備が完了したことを給電コントローラー５に伝えるためのものであり、第二スイッチ１８が接続されることによって信号線１の合成抵抗を増加させるよう機能する。第二スイッチ１８の作動状態は、制御装置９で制御される。制御装置９は、車両２０側における受電の準備が整っていない状態では、第二スイッチ１８を切断したままとする。一方、信号線１にPWM信号が伝達された状態で、車両２０側の受電の準備が整った状態になると、第二スイッチ１８を接続する。これにより信号線１の合成抵抗が変化し、給電コントローラー５側の制御装置１０で検出される電圧が変化する。したがって、第二抵抗器１７による電圧変化を検出することで、第二スイッチ１８のオンオフ状態を給電コントローラー５が把握することができる。

リレー８は、コネクター１１及びインレット１２の接続箇所と抵抗器７との間で信号線１上に介装される継電器である。リレー８を切断することで、コネクター１１とインレット１２とが接続された状態であっても、信号線１を切断したままにしておくことができる。リレー８の開閉状態は、制御装置９で制御される。本実施形態では、コネクター１１とインレット１２とが接続されている場合に、充電スケジュールに基づいてリレー８の開閉状態が制御される。

ダイオード１９は、コネクター１１及びインレット１２の接続箇所と抵抗器７との間で信号線１上に介装される整流器である。整流方向は、外部電源側から車両２０側へ向かう方向とされる。ダイオード１９を設けることで、発振装置１５から発振されるPWM信号のうち、整流方向の成分のみが制御装置９に伝達される。また、ダイオード１９よりも車両２０側に介装された抵抗器７及び第二抵抗器１７の合成抵抗は、整流方向の成分のみに影響を与えることになり、PWM信号のプラス方向への振動成分のみを低下させる（マイナス方向への振動成分に影響を与えない）ように機能する。

第二信号線２に関して、コネクター１１とインレット１２との接続箇所よりも車両２０側は、制御装置９に接続される。また、コネクター１１及びインレット１２の接続箇所と制御装置９との間の第二信号線２には、抵抗器３３を介して電源３２が接続される。電源３２の電圧は例えば+5V程度である。また、同じく第二信号線２には、抵抗器３４を介してシグナルグラウンドに向かう導線が分岐形成される。これにより、コネクター１１とインレット１２とが接続されていない状態では、第二信号線２の電圧が、抵抗器３３，３４の抵抗値に応じた値となる。

コネクター１１とインレット１２との接続箇所よりも外部電源側において、第二信号線２には抵抗器３５が介装され、その先が二股に分岐形成される。分岐した二つの導線のうち、一方は抵抗器３６を介してシグナルグラウンドに接続され、他方は第三スイッチ３７を介してシグナルグラウンドに接続される。第三スイッチ３７は、コネクター１１に付属する係合用のラッチに連動するスイッチである。これにより、コネクター１１とインレット１２とが接続された状態では、第二信号線２の電圧が、抵抗器３５，３６の抵抗値に応じて変化する。したがって、第二信号線２の電圧変化を検出することで、コネクター１１とインレット１２との接続状態を車載コントローラー６が把握することができる。

給電コントローラー５及び車載コントローラー６のそれぞれに内蔵される制御装置９，１０は、リレー８，スイッチ１６，第二スイッチ１８の開閉状態を制御するための電子制御装置（コンピューター）である。それぞれの制御装置９，１０には、プロセッサー（中央処理装置），メモリ（メインメモリ），記憶装置（ストレージ），インタフェース装置などが内蔵され、これらが内部バスを介して互いに接続されている。制御装置９，１０には公知のハードウェア構成を適用することが可能であり、詳細なハードウェア構成については説明を省略する。

制御装置９（リレーコントローラー）は、リレー８の開閉状態をあらかじめ設定された充電スケジュールに基づいて制御する機能を持つ。充電スケジュールには、充電の開始時刻と終了時刻とが設定される。例えば、深夜1時から朝5時までの期間がユーザーに設定された充電スケジュールであるとすれば、制御装置９は、深夜1時から朝5時までの4時間はリレー８を接続し、これ以外の時間ではリレー８を切断する。ただし、リレー８を接続するための他の必要条件を付加してもよい。例えば、コネクター１１とインレット１２との接続が検出されている場合に限って、リレー８を接続するようにしてもよい。つまり、深夜1時から朝5時までの期間内であっても、コネクター１１とインレット１２とが接続されていない状況下では、リレー８を切断したままとしてもよい。

［３．フローチャート］
図３は、車載コントローラー６の制御装置９での制御内容を説明するためのフローチャートである。まず、充電スケジュールや接続状態に関する情報が制御装置９で取得される（ステップＡ１）。続いて、信号線１が外部電源に接続されているか（コネクター１１とインレット１２とが接続されているか）否かが判定される（ステップＡ２）とともに、充電開始時刻になったか否かが判定される（ステップＡ３）。

ステップＡ２，Ａ３のいずれかが不成立であれば、リレー８の切断状態が維持される。したがって、給電コントローラー５の制御装置１０は、コネクター１１とインレット１２とが接続されていたとしても、その接続をまだ検出していない状態となる。一方、ステップＡ２，Ａ３の条件が成立すると、制御装置９がリレー８を接続する（ステップＡ４）。この時点で初めて、制御装置１０がコネクター１１とインレット１２との接続を検出する。

リレーが接続された後、制御装置９は給電コントローラー５側からPWM信号が伝達されたか否かが判定される（ステップＡ５）。この条件が成立すると、車両２０側の受電準備（車載充電器の起動やバッテリー２２の充電受入性の確認など）を開始し、その準備が完了したら第二スイッチ１８を接続することで応答する（ステップＡ６）。その後、給電コントローラー５が給電を開始するとともに、車載コントローラー６が受電を開始する（ステップＡ７）。

図４は、給電コントローラー５の制御装置１０での制御内容を説明するためのフローチャートである。まず、コネクター１１とインレット１２との接続状態が確認される（ステップＢ１）とともに、リレー８が接続されたか否かが判定される（ステップＢ２）。前述のステップＡ４でリレー８が接続されれば、信号線１の電圧が抵抗器７によって変化する。したがって制御装置１０は、信号線１の電圧変化に基づいてリレー８の接続状態を判断することができる。

リレー８が接続されると、外部電源側の給電準備（電圧や温度などの確認）を開始し、その準備が完了したらスイッチ１６で信号源を切り替える制御を実施する。これにより、発振装置１５から出力されるPWM信号が、信号線１に伝達される。その後、車両２０の車載コントローラー６からの応答が確認される（ステップＢ４）。ここでは、前述のステップＡ６に記載された応答を検出したか否かが判断され、応答を受け取ったら給電コントローラー５が給電を開始する。

［４．作用・効果］
（１）上述の実施形態では、コネクター１１とインレット１２との接続箇所と抵抗器７との間の信号線１にリレー８が介装され、その開閉状態が充電スケジュールに基づいて制御される。これにより、充電ケーブル２３と車両２０とが接続された状態（コネクター１１とインレット１２とが接続された状態）で浪費される電力をカットすることができ、外部充電の待ち時間における待機電力を削減することができる。

また、車両２０と外部電源とが充電ケーブル２３で接続された状態であってもリレー８が切断されているため、接続状態を非検出にすることができる。これにより、給電コントローラー５及び車載コントローラー６の消費電力や発熱を減少させることができ、外部電源側の消費電力だけでなく車両２０側の消費電力（車載バッテリーの電力消費量）をも削減することができる。したがって、外部充電に係る環境負荷を軽減することができる。

（２）上述の実施形態では、信号線１に所定電圧の信号を生成する直流電源１４とPWM信号（パルス幅変調信号）を生成する発振装置１５とが設けられ、これらの信号がスイッチ１６で切り替えられる。前者の信号は、コネクター１１とインレット１２との接続検知前に用いられ、後者の信号は接続検知後に用いられる。このように、充電ケーブル２３の接続検知において直流電源１４の信号を用いることで、接続の有無を精度よく検出することができる。また、接続検知後にはPWM信号を用いることで、実効電圧を容易に変更することが可能となり、信号自体に別の情報（例えば給電電流の情報など）を付加することが容易となる。

（３）上述の実施形態では、信号線１とシグナルグラウンドとを接続する経路上に第二抵抗器１７と第二スイッチ１８とが設けられる。第二スイッチ１８を接続することで、信号線１の合成抵抗を変化させることができ、受電の準備が完了したことを給電コントローラー５に容易に伝えることができる。
（４）また、図２に示すように、信号線１にダイオード１９を介装させることで、PWM信号の負成分を保持しつつ正成分を低下させることができ、適切な制御パイロット信号（CPLT信号）を生成することができる。また、SAE J1772の規格に準拠した通信回路を構成することができる。

［５．変形例］
上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、本実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

例えば、上述の実施形態では、車載コントローラー６に内蔵された制御装置９がリレーコントローラーとして機能しているが、リレーコントローラーとしての機能を別のコンピューターに担わせてもよい。別のコンピューターの具体例としては、各種の車載ECU（車両ECU，バッテリーECUなど）や給電コントローラー５の制御装置１０などが挙げられる。少なくとも、リレー８の開閉状態を充電スケジュールに基づいて制御する手段を設けることで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。

１ 信号線
２ 第二信号線
３ 接地線
４ 動力線
５ 給電コントローラー
６ 車載コントローラー
７ 抵抗器
８ リレー
９ 制御装置（リレーコントローラー）
１０ 制御装置

Claims (4)

1. 外部電源による車両のバッテリーの充電に際し、充電ケーブルと車両との接続箇所よりも前記外部電源側に配される給電コントローラーと前記接続箇所よりも前記車両側に配される車載コントローラーとの間の通信を制御する充電制御装置であって、
   前記通信に利用される信号が伝送される信号線と、
   前記接続箇所よりも前記車両側の前記信号線に介装された抵抗器と、
   前記接続箇所と前記抵抗器との間で前記信号線に介装されたリレーと、
   前記リレーの開閉状態をあらかじめ設定された充電スケジュールに基づいて制御するリレーコントローラーと、
   を備えることを特徴とする、車両の充電制御装置。
2. 前記接続箇所よりも前記外部電源側において所定電圧の信号を生成する直流電源と、
   前記所定電圧の信号のパルス幅を変調させつつ電圧値を正と負とに振動させたパルス幅変調信号を生成する発振装置と、
   前記抵抗器による前記信号線の電圧の低下を検知して、前記信号線を前記直流電源から切断するとともに前記発振装置に接続するスイッチと、
   を備えることを特徴とする、請求項１記載の車両の充電制御装置。
3. 前記接続箇所よりも前記車両側の前記信号線に接続され、前記パルス幅変調信号を受けて前記信号線の電圧を低下させる第二抵抗器と、
   前記第二抵抗器と前記信号線との接続状態を切り替える第二スイッチと、
   を備えることを特徴とする、請求項２記載の車両の充電制御装置。
4. 前記接続箇所と前記抵抗器との間で前記信号線に介装され、前記パルス幅変調信号を前記外部電源側から前記車両側へ向かう方向に整流するダイオード
   を備えることを特徴とする、請求項２または３に記載の車両の充電制御装置。

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