JP2012034488A

JP2012034488A - 充電装置

Info

Publication number: JP2012034488A
Application number: JP2010171956A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Kubo; 守久保; Hiroyuki Uehashi; 浩之上橋; Tomoji Yamamoto; 友二山本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】急速充電が可能な充電装置を提供する。
【解決手段】充電装置１００において、整流回路１０は、商用電源を直流電源に変換する。二次電池２０（リチウムイオン電池など）は、整流回路１０により生成された直流電圧を充電する。当該充電装置１００は、充電すべき電気自動車に搭載された車載電池３２０に、整流回路１０により整流された商用電源から供給される電流と、二次電池２０から放電される電流との合成電流を供給可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、車載電池に充電するための充電装置に関する。

近年、電気自動車（以下、ＥＶと表記する）が普及しはじめ、ＥＶの車載電池に充電するための充電装置の設置が急務となっている。家庭に設置される充電装置は、ある程度時間をかけて充電することが許容されるが、業務用の充電装置や商業施設などロードサイドに設置される充電装置は、急速な充電が求められる。なお、本明細書ではプラグインハイブリッドカーもＥＶに含まれることとする。

特開２００８−１９９７８０号公報

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、急速充電が可能な充電装置を提供することにある。

本発明のある態様の充電装置は、商用電源を直流電源に変換する整流回路と、整流回路により生成された直流電圧を充電する二次電池と、を備える。当該充電装置が充電すべきＥＶに搭載された車載電池に、整流回路により整流された商用電源から供給される電流と、二次電池から放電される電流との合成電流を供給することができる。

本発明によれば、急速充電が可能な充電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る充電装置の設置例を示す図である。本発明の実施の形態に係る充電装置の構成を示す回路図である。図３（ａ）、（ｂ）は、内蔵蓄電池の急速充放電を説明するための図である。車載電池への急速充電を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る充電装置の動作例を示すフローチャートである。変形例１に係る充電装置の設置例を示す図である。変形例２に係る充電装置の設置例を示す図である。変形例２に係る充電装置の構成を示す回路図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る充電装置１００の設置例を示す図である。ここでは、充電装置１００が、既存のガソリンスタンド、コンビニエンスストア、ショッピングセンター、専用の充電ステーションなどの施設に設置されることを想定する。

充電装置１００には、商用電源（ＡＣ電源）から商用電力が供給される。以下、本明細書では２００Ｖの三相交流電圧が供給される例を説明する。ＥＶ３００には、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)および車載電池３２０が含まれる。車載電池３２０は二次電池であり、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などを用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池が用いられる例を説明する。

車載電池３２０に充電する場合、ＥＶ３００側のコネクタと充電装置１００側のコネクタとを接続して行う。その際、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信などを用いてＥＣＵ３１０と充電装置１００（具体的には、後述する制御部４０（図２参照）)との間で、制御信号をやりとりする。

ＣＡＮ通信では、まず充電装置１００が充電可能な状態にある場合、その旨を示す動作ステイタス情報をＥＣＵ３１０に送信する。ＥＣＵ３１０は動作ステイタス情報を受信すると、充電許可信号を充電装置１００に送信する。その際、ＥＣＵ３１０は各車載電池３２０の規格に沿った充電電流値を示す電流指令値を充電装置１００に送信する。その後、充電装置１００は車載電池３２０を充電するための直流電流を、当該車載電池３２０に出力する。

図２は、本発明の実施の形態に係る充電装置１００の構成を示す回路図である。充電装置１００は、主に、整流回路１０、二次電池２０、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する各種回路素子および制御部４０を備える。以下、本明細書では二次電池２０が充電装置１００内に設置されることに注目して、二次電池２０を内蔵蓄電池２０ｅという。以下、内蔵蓄電池２０ｅとしてリチウムイオン電池を用いる例を説明する。

整流回路１０は、ダイオードブリッジ回路で構成され、商用電源２００を直流電源に変換する。より具体的には、整流回路１０は、第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との第１直列回路、第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４との第２直列回路、および第５ダイオードＤ５と第６ダイオードＤ６との第３直列回路を含む。第１直列回路、第２直列回路および第３直列回路は、それぞれ高電位側の出力ラインと低電位側基準電圧ライン（以下、グラウンドを例に説明する）との間に並列に接続される。第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、第３ダイオードＤ３、第４ダイオードＤ４、第５ダイオードＤ５および第６ダイオードＤ６は、すべてグラウンドから当該出力ラインに向かって順方向に接続される。第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との間のノード、第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４との間のノード、および第５ダイオードＤ５と第６ダイオードＤ６との間のノードのそれぞれに、三相交流電圧のそれぞれが入力される。

整流回路１０の出力端子とグラウンドとの間に容量Ｃ１が接続され、上記出力ラインの電圧を平滑化する。整流回路１０の出力端子と二次電池２０の高電位側端子との間に、第１スイッチング素子Ｓ１および第１インダクタＬ１が、この順に直列に接続される。第１スイッチング素子Ｓ１と第１インダクタＬ１との間のノードと、グラウンドとの間に第２スイッチング素子が接続される。

整流回路１０の出力端子と、外部接続された車載電池３２０の高電位側端子との間に、第３スイッチング素子Ｓ３および第２インダクタＬ２が、この順で直列に接続される。二次電池２０および車載電池３２０の低電位側端子は、グラウンドに接続される。第３スイッチング素子Ｓ３と第２インダクタＬ２との間のノードと、グラウンドとの間に第７ダイオードＤ７が接続される。より具体的には、当該ノードに第７ダイオードＤ７のカソード端子が接続され、グラウンドにアノード端子が接続される。

第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２および第３スイッチング素子Ｓ３は、パワートランジスタまたはパワーＭＯＳＦＥＴなどで構成することができる。そのベースまたはゲートは、制御部４０からの制御信号を受ける。

制御部４０は、充電装置１００全体の制御およびＥＣＵ３１０との通信を行う。制御部４０は、第１スイッチング素子Ｓ１をＰＷＭ制御することにより、整流回路１０により生成された直流電力を、内蔵蓄電池２０ｅに充電させることができる。また、第１スイッチング素子Ｓ１をオフすることにより、この充電を停止させることができる。反対に、この状態から第１スイッチング素子Ｓ１をオフし、第２スイッチング素子Ｓ２をＰＷＭ制御することにより、内蔵蓄電池２０ｅから直流電力を放電させることができる。

このように構成される充電装置１００は、充電すべき車載電池３２０に、整流回路１０により整流された商用電源２００から供給される電流と、内蔵蓄電池２０ｅから放電される電流との合成電流を供給可能な構成である。

二次電池、とくにリチウムイオン電池は、充電量の推奨上限値および推奨下限値の範囲内での充放電が求められる。この範囲を超えて過充電や過放電を行うと、電池寿命を短縮する要因となる。当該充電量の推奨上限値および推奨下限値は、各電池の特性に応じて各電池メーカにより予め設定される。

また、リチウムイオン電池を安全に急速充電するには、電池電圧が所定の設定電圧まで上昇する間、定電流充電（ＣＣ充電）で急速に充電し、その設定電圧に到達すると定電圧充電（ＣＶ充電）で低速に充電する手法が一般に用いられている。制御部４０は、この急速充電を実行するために、ノードＡの電圧および／または電流を検出して、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のオン／オフおよびそれらのデューティ比を適宜制御する。放電の場合も基本的に同様である。ただし、定電圧放電に遷移する設定電圧の値は異なっていてもよい。

図３（ａ）、（ｂ）は、内蔵蓄電池２０ｅの急速充放電を説明するための図である。図３（ａ）は、商用電源２００から内蔵蓄電池２０ｅへ充電されるときのノードＡの電流の推移を示す。図３（ａ）では、時刻ｔ１で上記設定電圧に到達し、定電流充電が終了する。その後、定電圧充電に切り替えられ、時刻ｔ２で上記推奨上限値に到達し、充電が終了する。

図３（ｂ）は、内蔵蓄電池２０ｅから放電されるときのノードＡの電流の推移を示す。図３（ｂ）では、時刻ｔ３までは、商用電源からの電流を規定値以下に抑えるために、ある電流値で放電する。時刻ｔ３からは、車載電池３２０がＣＶ充電に切り替わり、充電電流が減少するため、内蔵蓄電池２０ｅからの放電電流も減少する。

図２に戻り、第１インダクタＬ１および第２スイッチング素子Ｓ２は昇圧回路を構成し、二次電池２０から放電される直流電圧を昇圧することができる。より具体的には、制御部４０は、第２スイッチング素子Ｓ２のベースまたはゲートに所定のＰＷＭ信号を入力し、このベースまたはゲートをオン／オフすることにより、当該直流電圧を昇圧することができる。その際、当該ＰＷＭ信号のオンのデューティ比を高く設定するほど、昇圧率を高くすることができる。

なお、当該昇圧回路の代わりに、または追加的に降圧回路を設けてもよい。すなわち、内蔵蓄電池２０ｅの放電経路に、内蔵蓄電池２０ｅから放電される直流電圧を、異なる直流電圧に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータを設ける。

第３スイッチング素子Ｓ３、第２インダクタＬ２および第７ダイオードＤ７は、降圧回路を構成し、車載電池３２０に印加する直流電圧を降圧することができる。より具体的には、制御部４０は、第３スイッチング素子Ｓ３のベースまたはゲートに所定のＰＷＭ信号を入力し、このベースまたはゲートをオン／オフすることにより、当該直流電圧を降圧することができる。その際、当該ＰＷＭ信号のオフのデューティ比を高く設定するほど、降圧率を高くすることができる。

本実施の形態に係る充電装置１００は、車載電池３２０を上述した内蔵蓄電池２０ｅと同様に、所定の設定電圧まで定電流充電し、その設定電圧到達後、定電圧充電することにより、安全に急速充電する。制御部４０は、この急速充電を実行するために、ノードＢの電圧および／または電流を検出して、第３スイッチング素子Ｓ３のオン／オフおよびそのデューティ比を適宜制御する。また、必要に応じて、第１スイッチング素子Ｓ１および／または第２スイッチング素子Ｓ２を制御する。

図４は、車載電池３２０への急速充電を説明するための図である。図４は充電装置１００から車載電池３２０に充電されるときのノードＢの電流の推移を示す。制御部４０は第１スイッチング素子Ｓ１をオンして、商用電源からの電流と内蔵蓄電池２０ｅからの電流の合成電流の車載電池３２０への定電流充電を開始する。車載電池３２０の所定の設定電圧に到達する時刻ｔ４で、定電圧充電に切り替え、時刻ｔ５で車載電池３２０の推奨上限値に到達し、充電を終了する。

図５は、本発明の実施の形態に係る充電装置１００の動作例を示すフローチャートである。制御部４０は、ＥＣＵ３１０から車載電池３２０の規格に沿った充電電流値（以下、規定電流値という）を伴う充電開始指示を受け付けない間（Ｓ１０のＮ）、商用電源から内蔵蓄電池２０ｅに充電が可能である。その期間、制御部４０は内蔵蓄電池２０ｅ内の充電量と、内蔵蓄電池２０ｅの充電量の推奨上限値とを比較する（Ｓ１１）。前者が後者を超えるとき（Ｓ１１のＮ）、充電せずにステップＳ１０に遷移する。前者が後者以下のとき（Ｓ１１のＹ）、商用電源から内蔵蓄電池２０ｅに充電する（Ｓ１２）。

制御部４０は内蔵蓄電池２０ｅ内の充電量が上記推奨上限値に到達し、充電を終了すべきとき（Ｓ１３のＹ）、充電を停止し（Ｓ１４）、ステップＳ１０に遷移する。充電を終了すべきでないとき（Ｓ１３のＮ）、そのままステップＳ１０に遷移する。

制御部４０は、上記規定電流値を伴う充電開始指示を受け付けたとき（Ｓ１０のＹ）、内蔵蓄電池２０ｅ内の充電量と、内蔵蓄電池２０ｅの充電量の推奨下限値とを比較する（Ｓ１５）。前者が後者未満の場合（Ｓ１５のＮ）、制御部４０は、内蔵蓄電池２０ｅから放電させず、整流回路１０により整流された商用電源２００から供給される電流のみを車載電池３２０に供給する（Ｓ１９）。その際、商用電源２００から供給される電流の限度値（上限電流値）を供給することが好ましい。

内蔵蓄電池２０ｅ内の充電量が、上記推奨下限値以上の場合（Ｓ１５のＹ）、制御部４０は上記規定電流値から、整流回路１０により整流された商用電源２００から供給される電流（上限電流値であることが好ましい）を減算した値に相当する放電電流（ａ）を算出する（Ｓ１６）。そして、制御部４０は第２スイッチング素子Ｓ２のＰＷＭ信号を制御して、この放電電流（ａ）を内蔵蓄電池２０ｅから放電させる（Ｓ１７）。

制御部４０は上記放電電流（ａ）と商用電源２００から供給される電流の合成電流（上記規定電流に相当する）で、車載電池３２０を充電する（Ｓ１８）。ステップＳ１８またはステップＳ１９の充電により、当該ＥＶ３００に搭載された車載電池３２０の充電量が推奨上限値に到達し、充電を終了すべきとき（Ｓ２０のＹ）、充電を停止する（Ｓ２１）。充電を終了すべきでないとき（Ｓ２０のＮ）、そのままステップＳ１０に遷移する。充電装置１００の電源がオフされると（Ｓ２２のＹ）、以上の充電処理を終了する。充電装置１００の電源がオフされない間（Ｓ２２のＮ）、ステップＳ１０に遷移し、以上の充電処理を継続する。

以上説明したように本実施の形態によれば、商用電源２００からの電流と内蔵蓄電池２０ｅからの電流の合成電流で、車載電池３２０に充電することができるため、より急速な充電が可能となる。また、ＥＣＵ３１０から規定電流値を取得し、内蔵蓄電池２０ｅからの放電量を調整することにより、規定電流値を遵守した最大の電流値で充電することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図６は、変形例１に係る充電装置１００の設置例を示す図である。変形例１では、太陽電池５００およびパワーコンディショナ５５０が追加的に設置される。太陽電池５００は太陽光が射している期間、発電し、その発電電力をパワーコンディショナ５５０に出力する。パワーコンディショナ５５０は主に、太陽電池５００により発電された直流電力を交流電力に変換し、商用電源系統に出力する。この交流電力は内蔵蓄電池２０ｅに充電することができる。変形例１によれば、電気料金を安くすることができる。

図７は、変形例２に係る充電装置１００の設置例を示す図である。変形例２では、商用電源系統に負荷６００が接続されている。上述した実施の形態では、充電装置１００は業務用の施設に設置される例を説明した。業務用に使用される場合であっても、コンビニエンスストアやショッピングセンターなどの店舗に設置される場合、業務用の負荷６００（たとえば、空調機、冷凍機など）と充電装置１００とが同じ商用電源系統から電源供給を受けることになる。充電装置１００が家庭用に設置される場合も、家庭用の負荷６００（白物家電機器、ＡＶ機器など）と充電装置１００とが同じ商用電源系統から電源供給を受けることになる。もちろん、充電装置１００用に専用の商用電源系統を設置してもよい。

図８は、変形例２に係る充電装置１００の構成を示す回路図である。図８に示す充電装置１００の構成は、図２に示す充電装置１００の構成に第４スイッチング素子Ｓ４が追加された構成である。第４スイッチング素子Ｓ４は整流回路１０の出力端子に直列に接続され、制御部４０は第４スイッチング素子Ｓ４をオフすることにより、整流回路１０の出力端子を後段素子と遮断することができる。すなわち、制御部４０は内蔵蓄電池２０ｅから放電される電流のみで、車載電池３２０を充電することができる。

電気料金は、最大ピーク電力値により決定される契約形態が一般的である。その契約形態の場合、そのピーク電力値を超えてしまうと電気料金が高くなる。そこで、制御部４０は負荷６００の消費電力を検出し、そのピーク電力値を超えると予測されるとき、第４スイッチング素子Ｓ４をオフすることにより、少なくとも車載電池３２０への充電による消費電力をカットすることができる。

また、深夜時間帯（東京電力株式会社では２３：００〜７：００）の電気料金は、それ以外の時間帯（７：００〜２３：００）と比較して、割引されていることが多い。制御部４０は電気料金が割引されている深夜時間帯を優先して、商用電源２００から内蔵蓄電池２０ｅに充電するよう制御してもよい。また、深夜時間帯以外の時間帯では、第４スイッチング素子Ｓ４をオフすることにより、可及的に内蔵蓄電池２０ｅから放電される電流で車載電池３２０に充電するよう制御してもよい。これらの場合、電気料金を安価にすることができる。とくに、家庭に設置される場合、ある程度の長時間充電が許容される場合があり、ユーザは、コストと充電時間のいずれを優先するか選択することができる。

また、二次電池２０は、充電装置１００に内蔵される形態に限るものではなく、外付けであってもよい。

１００充電装置、１０整流回路、２０二次電池、２０ｅ内蔵蓄電池、４０制御部、Ｄ１第１ダイオード、Ｄ２第２ダイオード、Ｄ３第３ダイオード、Ｄ４第４ダイオード、Ｄ５第５ダイオード、Ｄ６第６ダイオード、Ｄ７第７ダイオード、Ｃ１容量、Ｓ１第１スイッチング素子、Ｓ２第２スイッチング素子、Ｓ３第３スイッチング素子、Ｓ４第４スイッチング素子、Ｌ１第１インダクタ、Ｌ２第２インダクタ、２００商用電源、３００ＥＶ、３１０ＥＣＵ、３２０車載電池、５００太陽電池、５５０パワーコンディショナ、６００負荷。

Claims

商用電源を直流電源に変換する整流回路と、
前記整流回路により生成された直流電圧を充電する二次電池と、を備え、
当該充電装置が充電すべき電気自動車に搭載された車載電池に、前記整流回路により整流された商用電源から供給される電流と、前記二次電池から放電される電流との合成電流を供給可能なことを特徴とする充電装置。
前記二次電池から放電される直流電圧を異なる直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
前記電気自動車の制御装置から充電指示を受け付け、当該充電装置から前記車載電池への充電を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記制御装置から前記車載電池の規格に沿った充電電流値を伴う充電指示を受け付けた場合であって、前記二次電池の充電量が、設定された下限値以上の場合であるとき、前記充電電流値から、前記整流回路により整流された商用電源から供給される電流を減算した値に相当する電流を、前記二次電池から放電させることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
前記制御部は、前記二次電池の充電量が前記下限値未満の場合、前記二次電池から放電させず、前記整流回路により整流された商用電源から供給される電流を前記車載電池に供給することを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
前記車載電池はリチウムイオン電池であり、
当該電源装置は、前記リチウムイオン電池に所定の設定電圧まで定電流充電し、その設定電圧到達後、定電圧充電することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の充電装置。