JP2011205747A - バッテリ充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源の出力を小さく制限しながら負荷バッテリを速やかに充電する。
【解決手段】外部接続された負荷バッテリＬＢを充電するためのバッテリ充電装置であって、放電可能な併設バッテリ１と、外部接続された商用電源ＡＣの電力でもって、併設バッテリ１を第一充電電流で充電可能な第一充電回路２０と、第一充電回路２０で充電された併設バッテリ１の電力でもって、負荷バッテリＬＢを第一充電電流よりも大きな第二充電電流で充電可能な第二充電回路３０とを備え、第一充電回路２０が、併設バッテリ１及び第二充電回路３０に給電可能に接続されている。これにより、充電回路の切り替え作業が不要で、切替のためのスイッチング素子等を不要として信頼性、安定性を高めると共に、併設バッテリ１を用いて商用電源ＡＣよりも短時間に負荷バッテリＬＢを充電できる利点が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両に搭載されて車両を走行させるモータに電力を供給する走行用バッテリ等の負荷バッテリを商用電源で充電するための充電装置に関する。

モータで走行する電気自動車、あるいはモータとエンジンの両方で走行するハイブリッドカー等の自動車の普及に伴い、その走行用バッテリを充電するための充電器が必要となっている。特に近年は、プラグインハイブリッドカーや電気自動車のような、搭載する電池数がハイブリッドカーよりも相当大きい、すなわち電気容量の大きい走行用バッテリを備える車両の要求が高まっているため、充電器の容量や充電能力もこれに応じて必然的に大きくなる。このような大容量の走行用バッテリを、家庭用の商用電源で充電しようとすれば、相応の時間がかかってしまうという問題がある。それは、商用電源で使用できる最大電力に制限を受けるからである。例えば、２００Ｖの単相の商用電源においては、使用できる最大電力が約５ｋＷに制限される。このため、例えば２４ｋＷｈの走行用バッテリを搭載した電気自動車を商用電源で充電しようとすれば、最大電力約５ｋＷでも充電に約５時間を必要とする。この弊害を避けるために、商用電源で充電される併設バッテリも設け、この併設バッテリで走行用バッテリを急速充電する充電装置が開発されている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載される充電装置は、図４に示すように、商用電源９０で充電される併設バッテリ９１と、この併設バッテリ９１を充電し、また併設バッテリ９１で走行用バッテリ９２を充電する充電回路９３と、併設バッテリ９１の商用電源９０による充電と、併設バッテリ９１の走行用バッテリ９２の充電とを切り替える切替スイッチ９４とを備えている。この充電装置は、商用電源９０で併設バッテリ９１を充電し、充電された併設バッテリ９１で走行用バッテリ９２を急速充電することができる。特に、併設バッテリ９１の容量を走行用バッテリ９２の容量以上とすることで、走行用バッテリ９２を速やかに急速充電できる。

特開平５−２０７６６８号公報

しかしながら、図４の充電装置は、併設バッテリ９１の充電と、これを放電して走行用バッテリ９２を充電する状態とを切替スイッチ９４で切り替えるため、併設バッテリ９１を充電しながら走行用バッテリ９２を充電できない。例えば、併設バッテリ９１を充電した後、切替スイッチ９４を切り替えて走行用バッテリ９２を充電する必要がある。この切り替え操作をユーザが行うとすると、併設バッテリ９１が充電されたことを確認して切り替える必要があり、確認作業と操作とが必要となって手間がかかる欠点がある。このような操作を、例えばタイマで自動的に行わせることもできるが、タイマでコントロールして走行用バッテリを充電するには、タイマが併設バッテリの充電と、放電を切り替えるタイミングを、併設バッテリと走行用バッテリの残容量から演算する必要があって、この演算が煩雑となる欠点がある。それは、併設バッテリが所定の容量まで充電される時間が、併設バッテリの残容量によって変化し、さらに走行用バッテリが併設バッテリから充電される時間も、走行用バッテリの残容量によって変化するからである。

したがって、併設バッテリの充電と放電を切り替える充電装置は、操作に手間がかかり、またタイマで自動的に操作する構造としても、タイマの設定時間の演算に手間がかかる欠点があって、簡単かつ容易に、しかもユーザが自動車に乗るときにすでに走行用バッテリを充電できるようにするのが難しいという問題があった。

加えて、切替スイッチがハードウェア的に必須となるが、切替のような機械的動作を伴う場合は経年劣化や信頼性の面で問題となる。特に電池容量の大きい併設バッテリを使用したり急速充電を行う場合は大電流が通電するため、大電流のスイッチングを機械的に行うことでアークや溶着の問題が生じ、接点の劣化やメンテナンス作業などを避けることができない。

本発明は、このような問題点を解決するために開発されたものである。本発明の主な目的は、商用電源の出力を小さく制限しながら負荷バッテリを速やかに充電できることに加えて、簡単な操作で負荷バッテリを充電して、便利に使用できるバッテリ充電装置を提供することにある。さらに本発明の他の目的は、併設バッテリと負荷バッテリの充電を切り替えることなく、両方のバッテリを便利に充電できるバッテリ充電装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係るバッテリ充電装置によれば、外部接続された負荷バッテリＬＢを充電するためのバッテリ充電装置であって、充放電可能な併設バッテリ１と、外部接続された商用電源ＡＣの電力でもって、前記併設バッテリ１を第一充電電流で充電可能な第一充電回路２０と、前記第一充電回路２０で充電された前記併設バッテリ１の電力でもって、負荷バッテリＬＢを前記第一充電電流よりも大きな第二充電電流で充電可能な第二充電回路３０と、を備え、前記第一充電回路２０が、前記併設バッテリ１及び第二充電回路３０に、給電可能に接続できる。これにより、充電回路の切り替え作業が不要で、切替のためのスイッチング素子等を不要として信頼性、安定性を高めると共に、併設バッテリを用いて商用電源よりも短時間に負荷バッテリを充電できる利点が得られる。特に商用電源の出力を小さく制限しながら負荷バッテリを速やかに充電でき、さらに切り替え操作無しで負荷バッテリを充電して、便利に充電できる。商用電源の出力を小さくして負荷バッテリを速やかに短時間で充電できるのは、商用電源で併設バッテリを充電して、併設バッテリで負荷バッテリを充電できるからである。

また、第２の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第一充電回路２０が、商用電源ＡＣの電力でもって前記併設バッテリ１を充電しながら、同時に負荷バッテリＬＢを充電可能に構成できる。これにより、商用電源を用いて併設バッテリと負荷バッテリとを同時に充電できる。また、併設バッテリの充電と負荷バッテリの充電を切り替えることなく、商用電源で併設バッテリと負荷バッテリの両方を充電でき、さらに併設バッテリが充電された状態では、併設バッテリで負荷バッテリを速やかに充電できる。加えて、併設バッテリのみならず、商用電源からの電力も負荷バッテリの充電に使用するため、結果として併設バッテリに必要な容量を低減でき、設備に要する費用の低コスト化も図られる。

さらに、第３の側面に係るバッテリ充電装置によれば、さらに前記第一充電回路２０が前記併設バッテリ１を充電する際の充電制御を行うバッテリ制御回路２２を備えており、前記バッテリ制御回路２２は、前記併設バッテリ１の状態に応じて充電電流及び充電時間を調整するよう制御できる。これにより、併設バッテリを適切な状態に充電して、所定の時間までに使用可能とできる。例えば負荷バッテリとして車両の走行バッテリを充電する場合、負荷バッテリの残容量から、併設バッテリ（及び必要に応じて商用電源）から、充電に要する時間を演算し、例えば翌朝の出勤時間である８時までに走行バッテリが満充電となるように充電開始時間を逆算し、これに応じて併設バッテリの充電を何時までに終える必要があるかを演算し、さらに深夜電力の時間帯に充電する場合は、深夜電力の時間を可能な限り使って低電流で充電することで、多くのユーザが一斉に短時間の大電流充電を行うことにより電力会社側にピーク電力の負荷を生じさせる事態を回避することができ、電気エネルギーの効率的な利用が図られる。

さらにまた、第４の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第二充電回路３０が前記負荷バッテリＬＢを充電する電力が、前記第一充電回路２０が併設バッテリ１を充電する電力の２倍以上であって１０倍以下とできる。これにより、商用電源の出力で直接に負荷バッテリを充電するのに比較して、１／２〜１／１０倍の時間で負荷バッテリを急速充電できる。

さらにまた、第５の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第一充電回路２０が前記併設バッテリ１を充電する電力が、２ｋＶＡ〜６ｋＶＡであって、前記第二充電回路３０が前記負荷バッテリＬＢを充電する電力が、２０ｋＶＡ以上とできる。これにより、商用電源の出力を好ましい範囲としながら、すなわち商用電源の電源ラインに流す電流を所定の範囲としながら、大容量の負荷バッテリを速やかに急速充電できる。

さらにまた、第６の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第一充電回路２０が、単相の商用電源ＡＣで前記併設バッテリ１を充電することができる。これにより、単相の商用電源を使用しながら、負荷バッテリを速やかに急速充電できる。

さらにまた、第７の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第一充電回路２０が、定電流特性を有する充電回路とできる。これにより、併設バッテリと負荷バッテリの両方を第一充電回路で安定して充電できる。特に、併設バッテリや負荷バッテリの残容量や電圧にかかわらず、第一充電回路でもって、その両方を好ましい充電電流で充電できる。また、商用電源ＡＣから電力を得つつ併設バッテリからも放電し第二充電回路に大きな電力を供給することができる。

さらにまた、第８の側面に係るバッテリ充電装置によれば、さらに商用電源ＡＣから前記第一充電回路２０を介して前記併設バッテリ１を充電するための第一伝送回線２１と、前記併設バッテリ１から前記第二充電回路３０を介して負荷バッテリＬＢを充電するための第二伝送回線３１と、を備えており、前記第二伝送回線３１が、前記第一伝送回線２１よりも大電力を伝送できる回線とできる。これにより、全ての伝送回線を大電力を移送するように設計することなく、特定範囲の伝送回線のみを大電力伝送できる状態としながら、大容量の負荷バッテリを速やかに急速充電でき、回路設計の簡素化、低コスト化を実現できる。

さらにまた、第９の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第一充電回路２０を用いた前記併設バッテリ１の充電を、商用電源ＡＣの夜間電力で行うことができる。これにより、安価な夜間電力を用いて夜間に併設バッテリを充電でき、翌朝までには充電できる上、電力コストも抑制でき、また電力会社側も夜間の余剰電力の有効利用が図られ、昼間のピーク電力量抑制にも寄与できる利点が得られる。

さらにまた、第１０の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記バッテリ制御回路２２が、前記併設バッテリ１の充電電力を、併設バッテリ１の残容量と深夜電力の時間帯で制御することができる。これにより、深夜電力を有効に利用して併設バッテリや負荷バッテリを充電できる。特に、深夜電力で併設バッテリや負荷バッテリを充電するときの単位時間の消費電力を最適に制限しながら、併設バッテリや負荷バッテリを充電できる。このことは、多数のユーザが深夜電力で併設バッテリや負荷バッテリを充電する状態で、深夜電力のピーク電力を制限して、深夜電力を供給できる時間帯に平均してバッテリを充電できる。

さらにまた、第１１の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記第一充電回路２０が、深夜電力で前記併設バッテリ１を充電するように設定してなる２４時間タイマ２４を備えることができる。これにより、ユーザが充電時間を設定することなく、深夜電力を有効に利用して併設バッテリや負荷バッテリを充電できる。

さらにまた、第１２の側面に係るバッテリ充電装置によれば、さらに前記併設バッテリ１を充電する電力源として、太陽電池を備えることができる。これにより、太陽電池の発電電力である自然エネルギーを有効に利用して、併設バッテリを充電できる。特に、太陽電池のエネルギーを併設バッテリに蓄えた上で負荷バッテリＬＢを充電できるので、太陽電池が発電するタイミングに負荷バッテリＬＢを充電しなくとも、太陽電池の自然エネルギーで負荷バッテリＬＢを充電でき、電力需要に応じた適切なタイミングで電力を得られるという利点が得られる。

さらにまた、第１３の側面に係るバッテリ充電装置によれば、さらに、前記太陽電池の充電電力を記憶する記憶計４６を備えることができる。これにより、太陽電池の発電電力を記録することで、太陽電池の発電をより有効に利用でき、また太陽電池による発電の利用を最適設計できる。

さらにまた、第１４の側面に係るバッテリ充電装置によれば、さらに、前記併設バッテリ１の電力を商用電源ＡＣ側に供給可能な放電制御回路を備えることができる。これにより、太陽電池で発電される電力をそのまま電力会社に売電するのみならず、一旦併設バッテリに蓄えた上で、電力重要が逼迫した時間帯に売電することで、ピーク電力の低減に寄与できる。すなわち負荷バッテリを充電するために設けている併設バッテリを、売電用の一時貯電バッテリとしても併用できる。

さらにまた、第１５の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記併設バッテリ１を、使用済みの負荷バッテリＬＢに含まれる二次電池を用いて構成できる。これにより、負荷バッテリとして使用できない電池であってもこれを廃棄することなく、有効に再利用できる。特に、負荷バッテリを構成する二次電池の寿命が尽きる十分前の段階で交換する必要のある負荷バッテリの場合は、未だ利用できる二次電池を有効利用することで、レアメタル等稀少資源の有効活用が図られ、コスト面、環境面において極めて有利となる。

さらにまた、第１６の側面に係るバッテリ充電装置によれば、併設バッテリ１が、互いに並列に接続してなる複数のバッテリブロック１０を備えることができる。これにより、並列に接続するバッテリブロックの個数を調整して、併設バッテリのトータル容量を調整できる。したがって、併設バッテリの容量を、負荷バッテリを急速充電するのに適切な容量に容易にできる。

さらにまた、第１７の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記併設バッテリ１が、複数のバッテリブロック１０を切り離し自在に接続することができる。これにより、バッテリブロックを切り離しできるので、特定のバッテリブロックが劣化して使用できなくなると、このバッテリブロックを簡単に切り離して便利に使用できる。特に、使用済みの負荷バッテリを併設バッテリとする装置は、併設バッテリが劣化することがあるので、使用できなくなったバッテリブロックを切り離して便利に使用できる。

さらにまた、第１８の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記併設バッテリ１を、リチウムイオン電池とできる。これにより、併設バッテリを小さく、軽くしつつ、負荷バッテリを急速充電できる容量を大きくできる。

さらにまた、第１９の側面に係るバッテリ充電装置によれば、前記負荷バッテリＬＢを、車両に搭載される走行用バッテリとできる。これにより、電気自動車やプラグインハイブリッドカーの走行用バッテリを家庭で効率よく充電できるシステムを安価に導入できる。

本発明の実施の形態１に係るバッテリ充電装置を示す模式図である。 図１の第一充電回路の回路例を示す回路図である。 実施の形態２に係るバッテリ充電装置を示す模式図である。 従来の充電装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのバッテリ充電装置を例示するものであって、本発明はバッテリ充電装置を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施の形態１）

図１〜図２に、本発明の実施の形態１に係るバッテリ充電装置を示す。これらの図において、図１はバッテリ充電装置１００を示す模式図、図２は図１の第一充電回路２０の回路例を示す回路図を、それぞれ示している。この例では、家庭用の商用電源ＡＣを用いて、併設バッテリ１を充電し、また外部接続された負荷バッテリＬＢを充電する電源システムを構築している。ここでは負荷バッテリＬＢとして、プラグインハイブリッドカーや電気自動車などの自動車ＥＶの走行用バッテリを充電する例を説明する。このバッテリ充電装置１００は、併設バッテリ１と、併設バッテリ１を商用電源ＡＣで充電する第一充電回路２０と、併設バッテリ１で負荷バッテリＬＢを充電する第二充電回路３０と、第一充電回路２０で併設バッテリ１を充電する際の制御を行うバッテリ制御回路２２とを備える。

また、商用電源ＡＣから第一充電回路２０を介して併設バッテリ１を充電するため、商用電源ＡＣから第一充電回路２０を介して併設バッテリ１までの間は第一伝送回線２１で接続されている。さらに併設バッテリ１から第二充電回路３０を介して負荷バッテリＬＢを充電するため、併設バッテリ１から第二充電回路３０を介して負荷バッテリＬＢまでの間は第二伝送回線３１で接続されている。
（第一充電回路２０）

第一充電回路２０は、商用電源ＡＣの電力でもって、併設バッテリ１を第一充電電流で充電する。このため図１のバッテリ充電装置１００は、第一充電回路２０が併設バッテリ１を充電する際の充電制御を、バッテリ制御回路２２で行う。この第一充電回路２０は、定電流特性を有する充電回路とする。特に、併設バッテリ１や負荷バッテリＬＢの残容量や電圧に拘わらず、第一充電回路２０でもって、その両方を好ましい充電電流で充電できる。
（バッテリ制御回路２２）

バッテリ制御回路２２は、併設バッテリ１及び第一充電回路２０と接続されている。このバッテリ制御回路２２は、併設バッテリ１の各バッテリブロック１０の状態を監視し、制御信号を第一充電回路２０に送出する。第一充電回路２０は、バッテリ制御回路２２の制御信号に基づいて、第一充電電流を調整する。バッテリ制御回路２２は、例えばバッテリブロック１０の残容量を演算するため電圧を検出する。あるいは、温度センサで電池温度を検出し、バッテリブロック１０の過放電を防止する。なおバッテリ制御回路２２は、図１の例では第一充電回路２０と個別に設けているが、この構成に限らず、例えば第一充電回路にバッテリ制御回路を組み込むこともできる。
（第二充電回路３０）

一方、第二充電回路３０は、第一充電回路２０で充電された併設バッテリ１の電力でもって、負荷バッテリＬＢを第二充電電流で充電する。第二充電電流は、第一充電電流よりも大電流に設定する。これにより、低電流で時間をかけて充電された併設バッテリ１を用いて、大電流で短時間に負荷バッテリＬＢを充電できる。すなわち第二充電回路３０は急速充電器を構成する。

第二充電回路３０が負荷バッテリＬＢを充電する電力は、好ましくは第一充電回路２０が併設バッテリ１を充電する電力の２倍以上であって１０倍以下、例えば５倍程度とする。これにより、商用電源ＡＣの出力で負荷バッテリＬＢを直接充電するのに比較して、１／２〜１／１０程度の時間で負荷バッテリＬＢを急速充電できる。例えば、第一充電回路２０が併設バッテリ１を充電する電力を２ｋＶＡ〜６ｋＶＡとし、第二充電回路３０が負荷バッテリＬＢを充電する電力を２０ｋＶＡ以上とする。このように商用電源ＡＣの出力を好ましい範囲に、すなわち商用電源ＡＣの電源ラインに流す電流を所定の範囲にしながら、大容量の負荷バッテリＬＢを速やかに急速充電できる。例えば、第一充電回路２０の充電電力を５ｋＷとし、第二充電回路３０の充電電力を２５ｋＷとすれば、２４ｋＷｈの走行用バッテリを充電するのに、商用電源ＡＣから第一充電回路２０で直接充電する場合は５時間かかるところ、第二充電回路３０であれば１時間以内に充電できる。このようにして、第二充電回路３０は併設バッテリ１を用いて、短時間で負荷バッテリＬＢの充電、いわゆる急速充電が可能である。また商用電源ＡＣの消費電力を小さく抑えることができ、コストを抑制できる。

また、このように第一充電回路２０の充電電力と第二充電回路３０の充電電力とが異なるため、伝送回線も異なる仕様とできる。すなわち、商用電源ＡＣから第一充電回路２０を介して併設バッテリ１を充電するための第一伝送回線２１よりも、併設バッテリ１から第二充電回路３０を介して負荷バッテリＬＢを充電するための第二伝送回線３１を、大電力を伝送できる回線としている。このようにして、全ての伝送回線を大電力を移送するように設計することなく、特定範囲の伝送回線のみを大電力伝送できる状態とすることで、回路設計の簡素化、低コスト化を実現できる。通常であれば、大電力の充電回路は、商用電源からの受電設備から大きな線径の接続を必要とするため、設置場所を占有すると共に、配線設備の引き回しに自由度が少ないという問題もある。これに対して本実施の形態では、この太い線径が必要とされる部分は、併設バッテリ１から負荷バッテリＬＢまでの間のみであるため、併設バッテリ無しの充電設備と比較して、配線設備の引き回しの自由度が高くなるという利点が得られる。
（併設バッテリ１と負荷バッテリＬＢの同時充電）

さらに第一充電回路２０は、図１に示すように併設バッテリ１及び第二充電回路３０に、常時給電可能に接続されている。これにより、第一充電回路２０は、商用電源ＡＣの電力でもって併設バッテリ１を充電しながら、同時に負荷バッテリＬＢを充電することも可能となる。このように商用電源ＡＣで併設バッテリ１と負荷バッテリＬＢとを同時に充電できることは、短時間での充電が可能となることに加え、従来のように併設バッテリ１の満充電を待ってから負荷バッテリＬＢの充電に切り替える切替作業を不要とでき、作業の簡素化が図られる。また、併設バッテリ１の充電と負荷バッテリＬＢの充電を切り替える切替スイッチも不要とでき、回路構成上も有利となる。特に大電流を流す充電回路の切替スイッチは、機械的な切替作業の際にアークや溶着の問題が生じ、信頼性の面で不利となるところ、このような切替スイッチを排除することができれば信頼性の向上にも繋がる。

また、例えば深夜電力で負荷バッテリＬＢを充電する状態にあっては、併設バッテリ１を充電しながら負荷バッテリＬＢも一緒に充電できる。このため、夜間に負荷バッテリＬＢの充電を行うようセットすることで、翌朝には負荷バッテリＬＢを充電して、車両を走行できる状態にできる。従来の充電装置のように、併設バッテリ１を充電した後、併設バッテリ１で負荷バッテリＬＢを充電する状態に切り替える必要がなく、深夜電力を有効に利用して、翌朝には負荷バッテリＬＢを充電状態にできる。この状態で充電される負荷バッテリＬＢや併設バッテリ１は、充電を開始する状態で残容量を演算して充電状態をコントロールする必要がなく、深夜電力で併設バッテリ１と負荷バッテリＬＢの両方を充電する状態にセットして、両方を好ましい状態に充電できる。
（併設バッテリ１）

併設バッテリ１は、複数のバッテリブロック１０を互いに並列に接続して構成される。このようにブロック状に構成したバッテリブロック１０を複数連結する構成とすることで、バッテリブロック１０を接続する個数で併設バッテリ１のトータル容量を調整でき、負荷バッテリＬＢの容量に応じて急速充電に適切な容量に容易に設定できる。例えば、容量が比較的少ない軽自動車級の走行バッテリを充電する場合は、電池数を減らすことで導入コストを必要数に制限できる。また充電時間に比較的余裕があるユーザの場合も、商用電源から取り出す電力を多く設定でき、この場合でも電池数を減らすことができるため、導入コストを低減できる。このように、併設バッテリ１の並列数を、ユーザのニーズに応じて可変とできる。
（バッテリブロック１０）

各バッテリブロック１０は、図１、図２に示すように、複数の組電池１１を直列に接続している。各組電池１１はさらに、充電可能な複数の二次電池セルを直列及び／又は並列に接続している。図１の例では、各バッテリブロック１０は出力４８Ｖの組電池１１を４個直列に接続して、ＤＣ１９２Ｖの出力を得ている。二次電池セルには、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などが好適に利用できる。特に、体積あたりの電気容量に優れたリチウムイオン二次電池が好ましい。またリチウムイオン二次電池は小型化に有利であり個人住宅に設置しやすいことに加え、直列セル数を合わせることで比較的新旧の電池を組電池セット単位で組み合わせやすいという利点もある。

さらに、併設バッテリ１として、使用済みの負荷バッテリＬＢを再利用することもできる。すなわち、使用済みの負荷バッテリＬＢに含まれる二次電池を組電池１１として組み込むこと。このため、負荷バッテリＬＢとしては使用できないバッテリであってもこれを廃棄することなく、有効利用できる。特に、負荷バッテリＬＢが走行用バッテリの場合は、車載用の安全基準を満たす等厳格な仕様が要求されるのに対して、併設バッテリ１は車両に搭載して走行するものでないため、そこまでの仕様が要求されない。このため、走行用バッテリとしては使用できない程度に実質容量が減少しても、併設バッテリ１としては依然として有効に使用できる。また、今後ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車が普及するにつれて、大量に発生する古い走行用バッテリの廃棄処理が問題となることが予想されるところ、未だ他の用途では十分に使用可能なこれら走行用バッテリの再利用を図ることができるメリットは大きい。
（ブロックスイッチ１２）

併設バッテリ１は、複数のバッテリブロック１０を切り離し自在に接続している。このため各バッテリブロック１０は、切り離し用のブロックスイッチ１２を設けている。バッテリブロック１０に含まれる組電池１１が劣化するなど、何らかの異常が生じた場合には、ブロックスイッチ１２をＯＦＦにして該当するバッテリブロック１０のみを併設バッテリ１から切り離すことができ、これにより残りのバッテリブロック１０を用いて動作を継続できる。特に、後述するように使用済みの負荷バッテリＬＢを併設バッテリ１とする装置は、一部の組電池１１が劣化することがあるので、使用できなくなったバッテリブロック１０のみを切り離して便利に使用できる。ブロックスイッチ１２のＯＮ／ＯＦＦ制御は、例えばバッテリ制御回路２２が行う。バッテリ制御回路２２は、バッテリブロック１０の電池温度や残容量等から、バッテリブロック１０の異常や寿命を判定して、該当するバッテリブロック１０の切り離しと、切り離しの発生を第一充電回路２０に告知する。このように、並列接続されたバッテリブロック１０の内、異常が発生した組電池１１を含むバッテリブロック１０のみを切り離し、他のバッテリブロック１０にて動作が継続できるよう構成することで、システムの稼働率（ＭＴＢＦ）を長くし、かつ動作中でも異常のあった電池のみ交換する機能を提供できる。
（深夜電力での充電）

第一充電回路２０を用いた併設バッテリ１の充電は、特に商用電源の夜間電力で行うことがこのましい。これにより、安価な夜間電力を用いて夜間に併設バッテリ１を充電でき、翌朝までには充電できる上、電力コストも抑制でき、また電力会社側も夜間の余剰電力の有効利用が図られ、昼間のピーク電力量抑制にも寄与できる利点が得られる。

また併設バッテリ１の充電電力は、併設バッテリ１の残容量と深夜電力の時間帯で制御する。すなわち、深夜電力で併設バッテリ１や負荷バッテリＬＢを充電するときの単位時間の消費電力を、残容量に応じて調整する。例えば、最大電流を用いて短時間で充電するのでなく、深夜電力の時間帯を有効に活用して、少ない電流でゆっくりと併設バッテリ１を充電し、また負荷バッテリＬＢも所定の時間までに満充電となるよう、残容量から充電時間を決定する。これにより、多数のユーザが深夜電力で併設バッテリ１や負荷バッテリＬＢを充電しようとしたとき深夜電力でピーク電力が生じる事態を抑制し、深夜電力を供給できる時間帯での電力会社側への負荷を平均化して、効率のよい電力供給が実現できる。このような充電制御は、バッテリ制御回路２２で行う。バッテリ制御回路２２は、併設バッテリ１の状態、例えば残容量やＳＯＣに応じて、充電電流及び充電時間を調整する。

また、第一充電回路２０で深夜電力で併設バッテリ１を充電する作業を、ユーザの手動でなく自動化するよう、２４時間タイマ２４を第一充電回路２０やバッテリ制御回路２２に設けてもよい。

このように、車載用の走行用バッテリを充電可能な充電設備を各家庭に設置することで、電気自動車やプラグインハイブリッドカーなど、充電を要するエコカーの普及にも寄与できる。また、急速充電器を各場所に多数設置する場合の発電、送配電システム等のインフラ拡充のための大規模な設備投資を抑制できる利点も得られる。

またこのバッテリ充電装置１００は、従来の充電装置に比しても、多くの利点を有する。従来の充電装置は、例えば図４に示すように、併設バッテリの充電と、これを放電して走行用バッテリを充電する状態とを切替スイッチで切り替えるため、併設バッテリを充電しながら走行用バッテリを充電できず、また切替スイッチが必要となる。現実の使用状態において、併設バッテリは深夜電力で充電されるのが、発電所側においても、またユーザ側においても好ましい。発電所は、深夜に発電機を完全に停止できず、電力を有効に利用できない状態にあっても発電している。深夜電力による併設バッテリの充電は、この有効利用されない発電電力を有効に使用できる。また、ユーザは安価な深夜電力で充電できることから低コストに併設バッテリを充電できる。このため、深夜電力で併設バッテリを充電し、充電された併設バッテリで走行用バッテリを充電することで、走行用バッテリを速やかに充電でき、また充電するために電力料金を安くできる。ただ、深夜電力で併設バッテリを充電し、その後切り替えて併設バッテリで走行用バッテリを充電する充電装置は、併設バッテリを充電しながら走行用バッテリを充電できず、また走行用バッテリの充電と放電を切り替える作業が必要となる。この操作をユーザが行うとなると、併設バッテリが充電されたことを確認して切り替える必要があって、操作に手間がかかる。また、このような切り替え操作を、例えばタイマでコントロールすることも考えられるが、切替タイミングは併設バッテリと走行用バッテリの残容量から演算しなければならず、正確な演算が複雑になる。これに対して実施の形態１のバッテリ充電装置１００では、上述の通り切替作業が不要で併設バッテリ１と負荷バッテリＬＢを充電でき、また深夜電力での充電に際しても、併設バッテリ１や負荷バッテリＬＢの残容量に応じて最適な充電時間に自動設定できるため、翌朝の所定の時間までには負荷バッテリＬＢを使用可能とできる。

なお、上記の例では一般家庭に設置する例を説明したが、これに限らず、充電インフラとしてガソリンスタンドや官公庁などに設置することも可能であることはいうまでもない。また、商用電源ＡＣとして家庭用の単相交流１００Ｖ又は２００Ｖ電源を用いる例に限られず、三相交流なども利用可能である。

次に図１の第一充電回路２０の具体的な回路例を、図２に示す。この例では、第一充電回路２０はトランス２８で絶縁した絶縁型の、電圧型電流制御方式としている。この第一充電回路２０は、商用電源ＡＣをブリッジ回路２５で整流し、コンデンサ２６で平滑化して、逆方向に並列接続したスイッチング素子２７を介してトランス２８の一次側に接続している。スイッチング素子２７はトランジスタやＦＥＴ等で構成され、これらスイッチング素子２７のＯＮ／ＯＦＦによってデューティを調整する。一方で二次側は、ブリッジ回路２９で整流して、インダクタ２３とコンデンサ３３で整流した後出力している。出力側は第二充電回路３０と併設バッテリ１にそれぞれ接続されている。この第一充電回路２０は、トランス２８の一次側のスイッチング素子２７によりデューティを変化させて、第一充電電流の値を調整する。ここでは、第一充電電流を最大５ｋＷとしている。

また、併設バッテリ１を充電する方式に電流制御型を採用することで、商用電源ＡＣの系統電力と併設バッテリ１の電力を相互に供給できる利点も得られる。具体的には、例えば直流電圧がＤＣ２００Ｖであるとして、２５ｋＷ（＝１２５Ａ）の充電出力として供給するために、商用電源ＡＣから５ｋＷ、併設バッテリ１から２０ｋＷを取り出すとした場合、商用電源ＡＣから２５Ａ（＝５ｋＷ／２００Ｖ）、併設バッテリ１から１００Ａ（＝２０ｋＷ／２００Ｖ）を取ることとなる。この場合、商用電源ＡＣからの第一充電回路２０が２５Ａの固定出力であるため、これ以上は供給されず、自動的に併設バッテリ１からは残りの１００Ａを放電する動作が可能となる。また電流出力型は通常、ダイオードにて逆流が阻止されるため、併設バッテリ１と併設しても問題無いという利点も得られる。
（実施の形態２）

上記の例では、充電用の電力源として商用電源のみを用いた例を示したが、本発明は上記構成に限らず、商用電源に代えて、若しくはこれに加えて他の電力源を付加することもできる。例えば、太陽電池等の自然エネルギーを使用した電力源や、燃料電池、発電機などを利用できる。図３に、実施の形態２に係るバッテリ充電装置２００を用いた電源システムを示す。この図において、実施の形態１とほぼ同じ部材は同じ符号を付して詳細説明を省略する。ここでは、太陽電池を設置して家庭内負荷ＨＬを駆動したり、電力会社に売電する家庭用の電源システムに、併設バッテリ１を組み合わせることで、車両の走行用バッテリなどの負荷バッテリＬＢや併設バッテリ１の充電に太陽電池の電力を利用したり、あるいは併設バッテリ１に貯えた電力で家庭内負荷ＨＬを駆動したり、売電を行うシステムについて説明する。

図３では、太陽電池アレイ４１と、太陽電池アレイ４１で発電された電力を変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２で変換された電力系統及び商用電源ＡＣの電力系統を統合するための系統連携インバータ４３と、系統連携インバータ４３を制御するシステムコントローラ４４と、システムコントローラ４４に制御されて、系統連携インバータ４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４２の電力で併設バッテリ１を充電する充放電コントローラ４５と、併設バッテリ１と、第二充電回路３０と、バッテリ制御回路２２とを備える。この例では、システムコントローラ４４と充放電コントローラ４５とで第一充電回路を構成する。

太陽電池アレイ４１は複数台を設置可能であり、設置台数に応じて出力を調整できる。またＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、太陽電池アレイ４１の電流、電圧又は開放端電圧に応じて効率よく電力を取り出すため、最大電力点追尾（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracker）を行う。系統連携インバータ４３は、商用電源ＡＣの電力系統と、太陽電池の電力系統（ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力）を連携し、統合あるいは切り替えるための双方向回路であり、システムコントローラ４４によって制御される。ここでは、統合された電力系統がＤＣ３６０Ｖとなるように制御される。

またシステムコントローラ４４は、バッテリ制御回路２２や系統連携インバータ４３、充放電コントローラ４５、第二充電回路３０等の情報に基づいて、系統連携インバータ４３を制御し、さらに充放電コントローラ４５を制御する。充放電コントローラ４５は、昇降圧回路であり、統合電力系統の電圧を降圧、調整して、併設バッテリ１を充電する。これにより、商用電源ＡＣに加え太陽電池で併設バッテリ１を充電し、さらに負荷バッテリＬＢを充電できる。加えて、例えば深夜電力で充電された併設バッテリ１を日中の家庭内負荷ＨＬの駆動に利用することもでき、電力効率が一層高められ、日中（特に真夏）の電力ピーク抑制にも寄与できる。また太陽電池で発電した電力をそのまま消費するのでなく、併設バッテリ１に貯えることができるため、売電以外にも、自らの使用のために貯えることができ、自らの電力需要に応じた最も有効な電力利用が図られる。加えて、停電時や災害時などのバックアップ電源としても利用できる。

このように、本実施の形態のバッテリ充電装置は大電力の直流回路を使用するため、太陽電池の発電電力と相性がよい。また通常の家庭では昼間に発電、蓄電し、帰宅後に車両を充電するという使用形態が想定されるところ、この形態では太陽光発電システムの発電時間中に車両の充電ができないことになる。これに対して上記構成であれば、日中の太陽電池発電による電力を併設バッテリに貯えておけるため、走行用バッテリの充電に必要な商用電源の電力消費量を低減させることができる。
（放電制御回路）

加えて系統連携インバータ４３は、併設バッテリ１の電力を商用電源ＡＣ側に供給可能な放電制御回路としても機能する。すなわち、併設バッテリ１の電圧を充放電コントローラ４５で昇圧して、電力会社に売電できる。これにより、太陽電池で発電される電力を、負荷バッテリＬＢを充電するために設けている併設バッテリ１に蓄え、太陽電池の発電電力を負荷バッテリＬＢの充電に使用しない状態では、これを商用電源ＡＣ側に供給して、他のユーザが使用する電力に有効に利用でき、いわゆるスマートグリッドを実現できる。また、深夜電力で充電された併設バッテリ１の電力を、消費電力が大きくなる昼間の電力ピーク時に商用電源ＡＣ側に供給することで、発電所の日中の発電電力を大きくすることなく、全てのユーザに必要な電力を供給できる。発電所の電力負荷は、真夏の昼間に最大となる。エアコンの電力消費が著しく大きくなるからである。発電所は、この電力ピークに耐えるように設計することが要求される。電力ピークとなる昼間に、併設バッテリ１に充電している電力を商用電源ＡＣに供給して、発電所のピーク電力を小さくできるなら、発電所の設備コストを低減できる。また、大出力の発電所の軽負荷運転は発電効率を低下させる原因となるので、発電所のピーク電力を小さくすることは、軽負荷運転を少なくできることから、発電効率を向上できる効果もある。特にバッテリ充電装置２００は、発電電力のピークを制限するために、専用のバッテリを設けるのでなく、負荷バッテリＬＢを急速充電するために設けている併設バッテリ１を利用するので、トータルの設備コストを低減しながら、発電所のピーク電力を制限できる。このように、太陽電池で発電される電力をそのまま電力会社に売電するのみならず、一旦併設バッテリ１に蓄えた上で、電力重要が逼迫した時間帯に売電することで、ピーク電力の低減に寄与でき、家庭内負荷で発生する負荷増減の平準化が図られることから、電力会社としてもメリットが大きい。また、家庭内負荷の平準化を行うことにより、受電電力の契約料を下げ、ユーザ側のコスト低減にも寄与できる。

さらにバッテリ制御回路２２は、併設バッテリ１の残容量が残っており、かつ負荷バッテリＬＢが満充電されていない場合には、負荷バッテリＬＢに電力を移すように制御することもできる。特に太陽電池の発電電力を併設バッテリ１へ充分充電させるために、太陽光発電を発電開始する前に併設バッテリ１を空にしておくことが好ましく、その電力の逃げ先を負荷バッテリＬＢとすると効率がよい。太陽電池の予測発電量が、併設バッテリ１の充電可能量（＝満充電容量−残量）に比べ大きい場合、その差分を併設バッテリ１から負荷バッテリＬＢに充電し、またその制御を行っても依然として併設バッテリ１、負荷バッテリＬＢの充電可能量があると予測される場合には、それぞれの電池に相応分を深夜電力で補充することもできる。また併設バッテリ１の残容量が十分にある場合、もしくは負荷バッテリＬＢの残容量が十分にある場合は、定常の充電時間において、商用電源からの深夜電力の充電電力を少なくすることで、深夜電力のピーク電力を低減することができる。
（記憶計４６）

また太陽電池の充電電力を記憶する記憶計４６を設けてもよい。太陽電池の発電電力を記録することで、太陽電池による電力利用の最適化に利用できる。記憶計４６は、例えばシステムコントローラ４４に含める。

太陽光発電（ソーラー発電）システムでは、将来、システムの設置促進のため、売電単価と買電単価が変動する可能性があり、売電単価が高く設定されることも起こり得る。この場合、ユーザは併設電池に充電するよりも電力を売った方が、コストメリットが発生することもある。ただ、車両を走行させるための電力は買電する必要がある。この場合においても、電力平準化を行うには、太陽光発電システムからの発電電力でどの程度併設バッテリ１を充電したかを記録することで、この電力分は売電に相当したとみなすことができる。

本発明に係るバッテリ充電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッドカー等の負荷バッテリを充電するための充電機器として好適に利用でき、一般家庭に設置したり、充電インフラとしてガソリンスタンドなどに設置する。またバッテリ充電装置を、スマートグリッドに対応させた家庭内の電力マネージメントを行うスマートエナジーシステムとしても利用できる。

１００、２００…バッテリ充電装置
１…併設バッテリ
１０…バッテリブロック
１１…組電池
１２…ブロックスイッチ
２０…第一充電回路
２１…第一伝送回線
２２…バッテリ制御回路
２３…インダクタ
２４…２４時間タイマ
２５…ブリッジ回路
２６…コンデンサ
２７…スイッチング素子
２８…トランス
２９…ブリッジ回路
３０…第二充電回路
３１…第二伝送回線
３３…コンデンサ
４１…太陽電池アレイ
４２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４３…系統連携インバータ
４４…システムコントローラ
４５…充放電コントローラ
４６…記憶計
９０…商用電源
９１…併設バッテリ
９２…走行用バッテリ
９３…充電回路
９４…切替スイッチ
ＥＶ…自動車
ＬＢ…負荷バッテリ
ＡＣ…商用電源
ＨＬ…家庭内負荷

Claims (19)

1. 外部接続された負荷バッテリ(LB)を充電するためのバッテリ充電装置であって、
   充放電可能な併設バッテリ(1)と、
   外部接続された商用電源(AC)の電力でもって、前記併設バッテリ(1)を第一充電電流で充電可能な第一充電回路(20)と、
   前記第一充電回路(20)で充電された前記併設バッテリ(1)の電力でもって、負荷バッテリ(LB)を前記第一充電電流よりも大きな第二充電電流で充電可能な第二充電回路と、
   を備え、
   前記第一充電回路(20)が、前記併設バッテリ(1)及び第二充電回路に、給電可能に接続されてなることを特徴とするバッテリ充電装置。
2. 請求項１に記載のバッテリ充電装置であって、
   前記第一充電回路(20)が、商用電源(AC)の電力でもって前記併設バッテリ(1)を充電しながら、同時に負荷バッテリ(LB)を充電可能に構成してなることを特徴とするバッテリ充電装置。
3. 請求項１又は２に記載のバッテリ充電装置であって、さらに、
   前記第一充電回路(20)が前記併設バッテリ(1)を充電する際の充電制御を行うバッテリ制御回路(22)を備えており、
   前記バッテリ制御回路(22)は、前記併設バッテリ(1)の状態に応じて充電電流及び充電時間を調整するよう制御してなることを特徴とするバッテリ充電装置。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
   前記第二充電回路が前記負荷バッテリ(LB)を充電する電力が、前記第一充電回路(20)が併設バッテリ(1)を充電する電力の２倍以上であって１０倍以下であることを特徴とするバッテリ充電装置。
5. 請求項４に記載のバッテリ充電装置であって、
   前記第一充電回路(20)が前記併設バッテリ(1)を充電する電力が、２ｋＶＡ〜６ｋＶＡであって、
   前記第二充電回路が前記負荷バッテリ(LB)を充電する電力が、２０ｋＶＡ以上であることを特徴とするバッテリ充電装置。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
   前記第一充電回路(20)が、単相の商用電源(AC)で前記併設バッテリ(1)を充電することを特徴とするバッテリ充電装置。
7. 請求項２から６のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
   前記第一充電回路(20)が、定電流特性を有する充電回路であることを特徴とするバッテリ充電装置。
8. 請求項１から７のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、さらに、
   商用電源(AC)から前記第一充電回路(20)を介して前記併設バッテリ(1)を充電するための第一伝送回線(21)と、
   前記併設バッテリ(1)から前記第二充電回路を介して負荷バッテリ(LB)を充電するための第二伝送回線(31)と、
   を備えており、
   前記第二伝送回線(31)が、前記第一伝送回線(21)よりも大電力を伝送できる回線であることを特徴とするバッテリ充電装置。
9. 請求項１から８のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
   前記第一充電回路(20)を用いた前記併設バッテリ(1)の充電を、商用電源(AC)の夜間電力で行うことを特徴とするバッテリ充電装置。
10. 請求項３から９のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
    前記バッテリ制御回路(22)が、前記併設バッテリ(1)の充電電力を、併設バッテリ(1)の残容量と深夜電力の時間帯で制御することを特徴とするバッテリ充電装置。
11. 請求項９又は１０に記載のバッテリ充電装置であって、
    前記第一充電回路(20)が、深夜電力で前記併設バッテリ(1)を充電するように設定してなる２４時間タイマ(24)を備えてなることを特徴とするバッテリ充電装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、さらに、
    前記併設バッテリ(1)を充電する電力源として、太陽電池を
    備えることを特徴とするバッテリ充電装置。
13. 請求項１２に記載のバッテリ充電装置であって、さらに、
    前記太陽電池の充電電力を記憶する記憶計(46)を
    備えることを特徴とするバッテリ充電装置。
14. 請求項１２又は１３に記載のバッテリ充電装置であって、さらに、
    前記併設バッテリ(1)の電力を商用電源(AC)側に供給可能な放電制御回路を
    備えることを特徴とするバッテリ充電装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
    前記併設バッテリ(1)が、使用済みの負荷バッテリ(LB)に含まれる二次電池を用いてなることを特徴とするバッテリ充電装置。
16. 請求項１から１５のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
    併設バッテリ(1)が、互いに並列に接続してなる複数のバッテリブロック(10)を備えることを特徴とするバッテリ充電装置。
17. 請求項１６に記載のバッテリ充電装置であって、
    前記併設バッテリ(1)が、複数のバッテリブロック(10)を切り離し自在に接続してなることを特徴とするバッテリ充電装置。
18. 請求項１から１７のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
    前記併設バッテリ(1)が、リチウムイオン電池であることを特徴とするバッテリ充電装置。
19. 請求項１から１８のいずれか一に記載のバッテリ充電装置であって、
    前記負荷バッテリ(LB)が、車両に搭載される走行用バッテリであることを特徴とするバッテリ充電装置。

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