(57)【特許請求の範囲】
【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。
0005931892.tif 000011
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】
前記方程式が、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わた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（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から５のいずれか一項に記載のバッテリ（１０）の充電方法。
0005931892.tif 000012
ただし、
Δ  ＝  Ｂ２  −  ４ＡＣ
0005931892.tif 000013
【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（１０）の充電方法。
【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から８のいずれか一項に記載のバッテリ（１０）の充電方法。
0005931892.tif 000014
【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を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、請求項１から１０のいずれか一項に記載の充電方法を実行することで最小時間で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の電源バッテリの管理ステーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気自動車車両のバッテリの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、電気駆動用モータの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、充電中に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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３０９５４６号明細書
【発明の概要】
【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。
0005931892.tif 000002
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。
0005931892.tif 000003
ただし、
0005931892.tif 000004
【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。
0005931892.tif 000005
【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を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の電源バッテリの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】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。
【発明を実施するための形態】
【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の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。
0005931892.tif 000006
0005931892.tif 000007
【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。
0005931892.tif 000008
【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。
0005931892.tif 000009
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、時間測定の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。
0005931892.tif 000010
【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を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。
【図１】
0005931892.tif 000015