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技術 自動車車両の駆動モータの電源バッテリの充電方法

出願人 ルノーエス.ア.エス.
発明者 オリグチ,マサトマルシャル,カロリーヌ
出願日 2011年11月3日 (9年1ヶ月経過) 出願番号 2013-537135
公開日 2013年11月28日 (7年0ヶ月経過) 公開番号 2013-543366
状態 特許登録済
技術分野 車両の電気的な推進・制動 二次電池の保守(温度調整,ガス除去) 電池等の充放電回路
主要キーワード 冷却流体流量 電源用バッテリ 各方程式 固定出力 隔離状態 閑散期 公称出力 冷却出力
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この項目の情報は公開日時点(2013年11月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題・解決手段

バッテリ(10)の充電方法であって、(E1) − バッテリの最終充電状態(SOCend)および最終温度(Tend)を決定するステップと、(E2) − 最小時間で2つの最終値(SOCend、Tend)を達成するために必要な充電出力(Pch)および/または冷却出力(Pcool)を計算するステップとを含むことを特徴とする方法。

概要

背景

電気車両またはハイブリッド車両のような一部の自動車車両は、電気駆動モータ電源用バッテリを備えている。そうしたバッテリは、その使用の際に放電するため、定期的な充電を必要とする。

バッテリの充電方法は、たとえば特許文献1に記されている。しかし、その方法はあまり効果のあるものとなっていない。その一方で、バッテリ充電段階の合計時間は、電気車両の実際の開発における極めて重要なパラメータの1つである。さらに、バッテリの充電段階では、充電機能だけでなく、充電中発熱するバッテリの冷却機能も果たす特別な施設が必要とされる。冷却を行うことにより、バッテリの寿命を最適化することができるとともに、十分に低い温度のバッテリを顧客に提供することによって、顧客が走行中にバッテリの性能を最大限引き出せるようにすることができる。既存の充電方法の欠点は、その方法が最適化されていないところに由来する。とりわけ、バッテリの冷却管理はその充電管理から独立しており、そのため、充電は終了したにもかかわらず、バッテリの冷却を仕上げるためだけに充電段階が続くという状況が発生する。そのような場合、もっぱら冷却管理のために充電時間が長引くこととなり、それでは最適とは言えない。

概要

バッテリ(10)の充電方法であって、(E1) − バッテリの最終充電状態(SOCend)および最終温度(Tend)を決定するステップと、(E2) − 最小時間で2つの最終値(SOCend、Tend)を達成するために必要な充電出力(Pch)および/または冷却出力(Pcool)を計算するステップとを含むことを特徴とする方法。

目的

冷却を行うことにより、バッテリの寿命を最適化することができるとともに、十分に低い温度のバッテリを顧客に提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

バッテリ(10)の充電方法であって、(E1)−バッテリの最終充電状態(SOCend)および最終温度(Tend)を決定するステップと、(E2)−最小時間で2つの最終値(SOCend、Tend)を達成するために必要な充電出力(Pch)および/または冷却出力(Pcool)を、以下の方程式を考慮して計算するステップとを含むことを特徴とする方法。ただし、Tiniは時間の刻み毎のバッテリの温度(℃)、SOCiniはバッテリの充電状態SOC、Cpはバッテリの熱容量(Wh/K)、Ebatはバッテリのエネルギー(Wh)、Rthはバッテリと空気流の間の熱抵抗(K/W)、Rbatはバッテリの電気抵抗オーム)、Ubatはバッテリの電圧(V)、Unomはバッテリの公称電圧、Qbatはバッテリの電荷、Pcoolは充電中の冷却出力(W)、tchは残り充電時間(時間)、Pchは充電出力(W)、Pch,maxは最大充電出力(W)である。

請求項2

ステップ(E2)が、バッテリの最終充電状態(SOCend)と最終温度(Tend)をほぼ同時に達成することができる充電時間を定めることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項3

ステップ(E1)が、以下のパラメータ、−充電方法を使用する充電ステーションの状態、−充電方法を使用する充電器の状態、−再充電対象のバッテリの状態のすべてまたは一部に応じてバッテリの最終充電状態および最終温度を決定することを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項4

方程式が、バッテリの充電を開始する前に、および/またはバッテリ充電中のあらかじめ決められた時間枠に沿って解かれることを特徴とする、請求項1に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項5

冷却装置(3)の熱抵抗(Rth)が固定であること、およびステップ(E2)がその熱抵抗(Rth)の関数として充電出力を(Pch)を計算することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項6

充電出力が次式によって計算されることを特徴とする、請求項1および5に記載のバッテリ(10)の充電方法。ただし、Δ=B2−4AC

請求項7

充電ステーションおよび充電対象のバッテリに依存する最大充電出力(Pmax)を計算することを特徴とする、請求項6に記載のバッテリ充電方法(10)。

請求項8

冷却装置(3)の熱抵抗(Rth)が可変であること、およびステップ(E2)がその熱抵抗(Rth)を充電出力(Pch)の関数として計算することを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項9

熱抵抗(Rth)が次式によって計算されることを特徴とする、請求項1および8に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項10

温度と、充電状態と、バッテリの状態および充電装置への結果の通信特徴づける他の潜在的パラメータとを読み取るステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載のバッテリ(10)の充電方法。

請求項11

充電出力(Pch)を供給する充電装置(2)を備えるバッテリ用充電器であって、冷却出力(Pcool)を供給する冷却装置(3)と、バッテリの最終充電状態(SOCend)および最終温度(Tend)を受信する入力端(5)と、最小時間で2つの最終値(SOCend、Tend)を達成するために必要な充電出力(Pch)および/または冷却出力(Pcool)を計算する制御ユニット(4)とを備えることを特徴とするバッテリ用充電器。

請求項12

冷却装置(3)が、充電出力に応じて冷却出力を変化させるように、可変的な冷却流体の流量および/または温度を有することを特徴とする、請求項11に記載のバッテリ用充電器。

請求項13

請求項1から10のいずれか一項に記載の充電方法を使用する少なくとも1つの制御ユニット(4)を備えることを特徴とする自動車車両駆動モータ電源バッテリ管理ステーション

技術分野

0001

本発明は、特に電気自動車車両のバッテリ充電に適したバッテリの充電方法に関する。本発明は、その方法を使用するバッテリ充電器および再充電ステーションにも関する。

背景技術

0002

電気車両またはハイブリッド車両のような一部の自動車車両は、電気駆動モータ電源用バッテリを備えている。そうしたバッテリは、その使用の際に放電するため、定期的な充電を必要とする。

0003

バッテリの充電方法は、たとえば特許文献1に記されている。しかし、その方法はあまり効果のあるものとなっていない。その一方で、バッテリ充電段階の合計時間は、電気車両の実際の開発における極めて重要なパラメータの1つである。さらに、バッテリの充電段階では、充電機能だけでなく、充電中発熱するバッテリの冷却機能も果たす特別な施設が必要とされる。冷却を行うことにより、バッテリの寿命を最適化することができるとともに、十分に低い温度のバッテリを顧客に提供することによって、顧客が走行中にバッテリの性能を最大限引き出せるようにすることができる。既存の充電方法の欠点は、その方法が最適化されていないところに由来する。とりわけ、バッテリの冷却管理はその充電管理から独立しており、そのため、充電は終了したにもかかわらず、バッテリの冷却を仕上げるためだけに充電段階が続くという状況が発生する。そのような場合、もっぱら冷却管理のために充電時間が長引くこととなり、それでは最適とは言えない。

先行技術

0004

米国特許出願公開第2009/0309546号明細書

0005

そのため、バッテリ充電方法の改善に対するニーズが存在しており、本発明は自動車車両の駆動用バッテリの充電段階の最適化に関するものである。

0006

より具体的には、本発明の目的の1つは、満足できるだけの最終充電状態および最終温度を達成しながら、バッテリの充電時間を最適化することにある。

0007

そこで、本発明は、バッテリの充電方法であって、
(E1) − バッテリの最終充電状態(SOCend)および最終温度(Tend)を決定するステップと、
(E2) − 最小時間で2つの最終値(SOCend、Tend)を達成するために必要な充電出力(Pch)および/または冷却出力(Pcool)を計算するステップと
を含むことを特徴とする方法に基づく。

0008

ステップ(E2)は、バッテリの最終充電状態(SOCend)と最終温度(Tend)をほぼ同時に達成することができる充電時間を定めることができる。

0009

ステップ(E1)は、以下のパラメータ、
−充電方法を使用する充電ステーションの状態、
− 充電方法を使用する充電器の状態、
−再充電対象のバッテリの状態
のすべてまたは一部に応じてバッテリの最終充電状態および最終温度を決定することを含むことができる。

0010

ステップ(E2)では以下の方程式を考慮することができる。

ただし、
Tiniは時間刻み毎のバッテリの温度(℃)、
SOCiniはバッテリの充電状態SOC、
Cpはバッテリの熱容量(Wh/K)、
Ebatはバッテリのエネルギー(Wh)、
Rthはバッテリと空気流の間の熱抵抗(K/W)、
Rbatはバッテリの電気抵抗オーム)、
Ubatはバッテリの電圧(V)、
Unomはバッテリの公称電圧
Qbatはバッテリの電荷
Pcoolは充電中の冷却出力(W)、
tchは残り充電時間(時間)、
Pchは充電出力(W)、
Pch,maxは最大充電出力(W)である。

0011

これらの方程式は、バッテリの充電を開始する前に、および/またはバッテリ充電中のあらかじめ決められた時間枠に沿って解くことができる。

0012

冷却装置の熱抵抗(Rth)は固定とすることができ、ステップ(E2)はその熱抵抗(Rth)の関数として充電出力を(Pch)を計算することができる。

0013

充電出力は次式によって計算することができる。

ただし、

0014

このバッテリの充電方法は、充電ステーションおよび充電対象のバッテリに依存する最大充電出力(Pmax)をさらに計算することができる。

0015

冷却装置の熱抵抗(Rth)は可変とすることができ、ステップ(E2)はその熱抵抗(Rth)を充電出力(Pch)の関数として計算することができる。

0016

熱抵抗(Rth)は次式によって計算することができる。

0017

このバッテリの充電方法は、温度と、充電状態と、バッテリの状態および充電装置への結果の通信特徴づける他の潜在的パラメータとを読み取るステップをさらに含むことができる。

0018

本発明はまた、充電出力(Pch)を供給する充電装置を備えるバッテリ用充電器であって、冷却出力(Pcool)を供給する冷却装置と、バッテリの最終充電状態(SOCend)および最終温度(Tend)を受信する入力端と、最小時間で2つの最終値(SOCend、Tend)を達成するために必要な充電出力(Pch)および/または冷却出力(Pcool)を計算する制御ユニットとを備えることを特徴とするバッテリ用充電器に関する。

0019

冷却装置は、充電出力に応じて冷却出力を変化させるように、冷却流体の可変的な流量および/または温度を有することができる。

0020

最後に、本発明は、前述の充電方法を使用する少なくとも1つの制御ユニットを備えることを特徴とする自動車車両駆動モータ電源バッテリ管理ステーションにも関する。

0021

本発明の前述の目的、特徴および利点については、本発明の1つの実施形態におけるバッテリ充電器を模式的に示した添付の図面と関連づけて非限定的になされる具体的な実施形態に関する以下の説明の中で詳細に述べる。

図面の簡単な説明

0022

図1は、本発明の1つの実施形態による充電器1であって、充電出力Pchを供給する充電装置2と、バッテリ10に対して冷却出力Pcoolを供給する冷却装置3とを備える充電器1を模式的に表わしたものである。

実施例

0023

本発明の考え方は、最適な時間で所期の値を達成できるように充電出力および/または冷却出力の計算が行われる充電方法をその基礎としている。

0024

装置は、この先で説明する本発明による充電方法を使用する制御ユニット4をさらに備える。この制御ユニットは、最適な出力値PchおよびPcoolを決定するなどの目的で、計算機を含むことができるソフトウェア手段および/またはハードウェア手段を備える。そのため、充電器1は、バッテリの所期の最終温度Tendおよび所望の最終充電状態SOCendを入力端5に受け取る。装置は、温度Tbatおよびバッテリ充電状態SOCbatの読取り手段(図示せず)をさらに備え、値は通信手段6によって制御ユニット4に伝送される。これらの測定は、最初に充電段階が始まる前に行うことができ、次いで、場合により、充電中に充電終了を決定するために行うことができる。有利な実施形態によれば、これらの測定は繰り返し周期的に行って、この先で詳述するように、それを充電段階の調節の基準とすることができる。通信手段6は、バッテリの状態を特徴づける追加的なデータ、たとえば電気抵抗(直接、または電圧と電流を介して)、許容最大充電出力、利用可能なエネルギーなどをバッテリ10が制御ユニット4に伝送することも可能にする。これらのデータを読み取ることにより、デバイス4にあらかじめ蓄えられた基準データをリアルタイム読取り値で置き換えて計算することができる。

0025

制御ユニット4は、指令値に当たる所望の最終値、バッテリの初期状態、さらにはバッテリの固有パラメータおよび冷却装置の特徴に応じて、最適な出力PchおよびPcoolの計算を行う。そこで、制御ユニット4は、バッテリ熱抵抗Rthの情報(潜在的には、ステーションで利用可能な流量レンジの関数としてのマッピング)およびバッテリ熱容量の情報を蓄える。

0026

たとえば、最終充電SOCendの指令値が100%であり、冷却流体流量が一定で、たとえば5℃の空気流とバッテリ(ここでは隔離状態と考える)の間の熱抵抗が一定であることを特徴とする冷却システムの場合、制御ユニット4は以下の各方程式を解くことができる。

0027

上記方程式は、充電出力Pchを未知数とした2次多項式として、次式のように書くことができる。

0028

以下のように定義して、この方程式を解く。
Δ = B2 − 4AC

0029

結局、充電出力について採用される最終値は、上記連立方程式を解くことによって与えられる値がバッテリおよび充電器によって許容される充電出力の最大値未満である場合にはその解であり、それ以外の場合はその最大値の方である。

ただし、
Tiniは時間刻み毎のバッテリの温度(℃)、
SOCiniはバッテリの充電状態SOC、
Cpはバッテリの熱容量(Wh/K)、
Ebatはバッテリのエネルギー(Wh)、
Rthはバッテリと空気流の間の熱抵抗(K/W)、
Rbatはバッテリの電気抵抗(オーム)、
Ubatはバッテリの電圧(V)、
Unomはバッテリの公称電圧、
Qbatはバッテリの電荷、
Pcoolは充電中の冷却出力(W)、
tchは残り充電時間(時間)、
Pchは充電出力(W)、
Pch,maxは最大充電出力(W)である。

0030

方程式(1)、(3)および(4)は、バッテリの冷却装置3によって行われる熱交換を特徴づけるものであり、方程式(2)は充電装置2によって行われるバッテリの充電を特徴づけるものである。

0031

方程式(5)は方程式(1)と(2)を連立させることで得られ、次いで、方程式(6)は方程式(5)、(3)および(4)を連立させることによって得られる。

0032

続いて、上記のように定められた充電出力の値から冷却出力Pcoolおよび充電時間tchを計算することは容易である。

0033

なお、前述の方程式は充電段階の開始前に解かれる。ただし、バッテリの温度および充電状態に関する実測結果を考慮に入れながら、充電中にあらかじめ決められた時間枠に沿って所与の時間刻みで方程式を解くことによって、充電出力および冷却出力を充電中に再調整するとともに、時間測定誤りに左右されないようにすることもできる。このように充電中に方程式を解く場合には、方程式(4)の公称出力Unomは、たとえば充電状態SOC、未充電量および現充電出力を関数とするマッピングから得られる平均電圧Uavgに置き換えられる。さらに、温度および充電状態の初期値は、瞬間tにおける測定値、または変形形態としてその推定値によって置き換えられる。このように充電中にこれらの方程式が使用されるときは、この方法は充電出力および冷却出力の調節を行うことによって所期の最終値、すなわち調節の指令値を達成する。

0034

所期の最終温度は、例えば利用可能なバッテリの在庫など、充電ステーションの特定の個別条件に依存するものであることができる。最終温度の値のマッピングはあらかじめ定めておくことができる。

0035

変形形態として、バッテリの冷却装置3は、冷却空気流の流量および/または温度を調整することによって可変熱抵抗を提供することができる。その場合、前述の方程式は、下式により、バッテリの充電出力に応じてそれぞれの瞬間に最適の熱抵抗を決定することができる。

0036

所望の熱抵抗の値を得るためには、冷熱源の温度または流量を変える。

0037

従って、充電出力は固定出力で、充電ステーションおよびバッテリによる制限に依存できる。その場合、冷却装置は、たとえば冷却空気の流量を変化させることにより、空気流量を関数とするRthのマッピングなどから計算した熱抵抗Rthの値を達成する。

0038

最後に、本発明による充電方法は、あらかじめ定めた最終的な充電状態および温度の値が最小時間で得られるようにバッテリの充電出力および冷却出力を計算することができる。とりわけ、この方法は、所期の充電よりも前またはそれと同時に所期の最終温度を達成することを保証する。それらの最終値はシステムのパラメータをなすものであり、バッテリの状態や充電ステーションの状態などによって様々な値を選ぶことができる。最終温度のマッピングは、充電器の動作(動作ピーク閑散期)を入力データで考慮できるようにするため、充電器に統合することができる。

0039

そのため、本発明によるバッテリの充電方法は、以下の基本ステップE1およびE2を含む。
E1 − バッテリの最終充電状態SOCendおよび最終温度Tendの決定。
E2 − 最適な時間で2つの最終値SOCendおよびTendを達成するための最適な充電出力Pchおよび/または冷却出力Pcoolの計算。

0040

本発明はまた、1つまたは複数の前述の充電器を使用するバッテリ充電ステーションにも関する。変形形態として、異なるバッテリ充電器の間で同じ制御ユニット4を共有することができよう。

0041

本発明について、自動車車両のバッテリの充電に即して説明した。なお、本発明は取外し可能なバッテリに対しても利用することが可能で、それによって、たとえば、空のバッテリを満充電バッテリと交換して、空のバッテリはその後、別途再充電することができる。そのような場合、ステーションでは、満充電バッテリおよび空のバッテリの在庫管理を行う必要があり、たとえば、満充電バッテリの在庫が少なくなったときに、最終充電状態および/または最終温度に対する要件を緩めて充電を加速するようにするなど、ステーションの在庫状況に応じて充電パラメータ適合させることができる。変形形態として、この充電方法は、自動車車両内に設置したバッテリで使用することができる。なお、本発明はあらゆるバッテリ充電に適用できるものであり、自動車分野に限定されるものではない。

0042

また、本発明の充電方法は、使用する冷却原理のいかんを問わず、あらゆる冷却装置に対応することができるものであり、あらゆる充電装置についてもそれは同様である。最後に、前述の方程式(1)から(4)は例として示したものであって、本発明の原理は、バッテリの充電および冷却を特徴づけるその他のあらゆる連立方程式に常に適用できる。

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