JP5808474B2 - 充放電システム - Google Patents

Description

本発明は充放電システムに関する。

近年、電気自動車の普及に伴い、電気自動車に搭載された蓄電池への充電を行うと共に、蓄電池に蓄えられた電力を宅内負荷(エアコン、冷蔵庫など)に供給する充放電装置が注目されている（例えば下記特許文献１）。

充放電装置に接続された充放電ケーブルには電気自動車のコネクタ接続口に脱着可能な充放電コネクタ（以下「コネクタ」と称する）が設けられ、電気自動車に搭載された蓄電池は、このコネクタを介して充放電装置と電気的に接続される。ただし、蓄電池の電圧は数百ボルトにも達するため、通電中にコネクタの電極などに人が触れた場合に感電を引き起こす虞がある。そこで、充放電装置と電気自動車内の車両コントローラとの間では、コネクタ接続口にコネクタが接続された際に所定の通信が行われ、安全の確認がされた後に充放電が行われる。さらにコネクタには機械的なロック機構(コネクタ抜け防止機構)が設けられており、例えば充放電装置において充放電開始の操作が行われたとき、充放電装置からのロックアクチュエータ駆動信号（ロック機構を動作させる信号）がコネクタに伝送されることでコネクタに設けられたロック機構が働き、コネクタ接続口とコネクタとの機械的な接続状態が保持される。

特開２０１２−３４５０６号公報

ただし、蓄電池と充放電装置との間で充放電が行われている最中に電気自動車が走行を開始したような場合、コネクタが外れ或いは充放電ケーブルが切れた状態となり、蓄電池と充放電装置との電気的接続が解除される可能性がある。なお、以下の説明では蓄電池と充放電装置との電気的接続が解除された状態を「断線等」と称する。断線等が生じた場合、速やかに充放電を停止して操作者の安全を確保する必要があるため、上記特許文献１に代表される従来技術は、充放電装置内の電力変換部(インバータやコンバータ)の制御部に対して異常検出信号を送信することで、電力変換部の動作をハードウェア的に停止させる異常検出部を有する。この異常検出部には、断線等を検出する断線検出要素だけでなく、充放電装置において発生した断線等以外の要因（過電流、過電圧等など）に起因する異常を検出する異常検出要素などが含まれている。また、電力変換部には、異常が検出された場合に電力変換部の動作を停止させる保護機能が設けられており、異常検出信号が入力されてから保護機能がクリアされるまで、電力変換部の動作は停止される。しかしながら、電力変換部は、異常検出信号が断線等に起因するものであるのかそれ以外の要因に起因するものであるかを区別することができない。そのため、実際には例えば過電流などの異常が発生しているにも拘わらず、制御部からのクリア信号によって電力変換部の保護機能がクリアされた場合、過電流によって電力変換部が壊れてしまう可能性がある。

一方、コネクタには、コネクタのロック機構を動作させるソレノイドが設けられ、充放電装置には、このソレノイドへの給電を行うスイッチが設けられている。例えば充放電が開始されるときには制御部からのＯＮ信号によりスイッチがＯＮ（ＣＬＯＳＥ）となり、ソレノイドへの給電が行われ、充放電が停止されているときには制御部からのＯＦＦ信号によりスイッチがＯＦＦ（ＯＰＥＮ）となり、ソレノイドへの給電が停止される。従って、コネクタが電気自動車に接続され、かつ、充放電が停止されているような場合、コネクタのソレノイドにはソレノイド駆動電源が供給されないため、コネクタに設けられたラッチが動作することはない。ここで、コネクタには、ラッチと連動する連動スイッチが設けられており、連動スイッチは、一端がソレノイドに接続され他端が断線検出要素の入力端に接続されており、ソレノイドに電源が供給されていないときにはＯＦＦ（ＯＰＥＮ）となる。そのため、充放電が停止されているような場合、ラッチが働かないため、連動スイッチもＯＰＥＮ（ＣＬＯＳＥ）となり、断線検出要素の入力端には基準電圧よりも低い電圧が印加される。従って、断線検出要素では、断線等が発生していると判断され、制御部および電力変換部に対して異常検出信号が出力される。このようにコネクタが電気自動車に接続され、かつ、電気自動車との充放電が停止しているにも拘わらず、電力変換部には異常検出信号が出力され、異常検出信号を受信した電力変換部では保護機能が働き、保護機能がクリアされるまで起動することができない。

このように、上記特許文献１に代表される従来技術は、過電流などの異常が発生した場合における電力変換部の破損の防止と、充放電が行われていないときにおける電力変換部の保護機能の不要な動作の防止とを両立させることができず、更なる信頼性の向上を図るというニーズに対応することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、更なる信頼性の向上を図ることが可能な充放電システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の充放電システムは、系統電源と電気自動車が有する蓄電池との間に介在し前記蓄電池の充放電を行う充放電システムであって、充放電装置と、前記蓄電池と前記充放電装置とを電気的に接続する充放電コネクタと、一端が前記充放電コネクタに接続され、他端が前記充放電装置に接続された充放電ケーブルと、を備え、前記充放電装置は、交流電力が入力された場合にはＡＣ／ＤＣ変換器として動作し、前記蓄電池からの直流電力が入力された場合にはＤＣ／ＡＣ変換器として動作する電力変換部と、前記電力変換部の動作を制御する制御部と、前記蓄電池と前記充放電装置との電気的接続が解除されたことを検出し、かつ、前記制御部から出力される、前記充放電コネクタのロック機構を動作させるソレノイドへ給電させる信号が入力された際に、前記充放電コネクタが前記蓄電池から抜けたことまたは断線が生じたことを示す異常を検出する異常検出部と、を備え、前記ロック機構は、前記制御部から出力される、前記ソレノイドへ給電させる信号により、前記電気自動車に設けられたコネクタ接続口と前記充放電コネクタとの機械的な接続状態を保持する。

この発明によれば、更なる信頼性の向上を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係る充放電装置、電気自動車、系統電源、および宅内負荷の接続関係を模式的に表す図である。 図２は、充放電装置と充放電ケーブルとの接続関係を表す図である。 図３は、充放電コネクタの構造を表す図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る異常検出部の構成を示す図である。 図５は、図２に示される電力変換部および制御部の詳細を表す図である。 図６は、保護部の動作を説明するための図である。 図７は、従来の充放電装置の動作を説明するための第１の図である。 図８は、従来の充放電装置の動作を説明するための第２の図である。 図９は、従来の断線検出要素と本発明の実施の形態１の断線検出要素の動作を対比して説明するための図である。 図１０は、本発明の実施の形態１に係る充放電装置の変形例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態２に係る充放電装置の構成を示す図である。 図１２は、従来の充放電装置の構成を示す図である。 図１３は、従来の充放電装置の動作を説明するための第１のフローチャートである。 図１４は、従来の充放電装置の動作を説明するための第２のフローチャートである。 図１５は、本発明の実施の形態２にかかる充放電装置の動作を説明するための第１のフローチャートである。 図１６は、発明の実施の形態２にかかる充放電装置の動作を説明するための第２のフローチャートである。

以下に、本発明に係る充放電システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係る充放電装置１００、電気自動車（以下「自動車」）４、系統電源１、および宅内負荷２の接続関係を模式的に表す図であり、図２は、充放電装置１００と充放電ケーブル（以下「ケーブル」）１５との接続関係を表す図であり、図３は、充放電コネクタ（以下「コネクタ」）３の構造を表す図である。

図１において、自動車４には、図示しない走行用の蓄電池や車両コントローラなどが搭載されている。系統電源１は、開閉器８を介して宅内負荷２と電気的に接続されると共に、充放電装置１００と電気的に接続される。充放電装置１００にはケーブル１５の一端が接続され、ケーブル１５の他端には自動車４の筐体に設けられたコネクタ接続口（図示せず）に脱着可能なコネクタ３が設けられている。

自動車４内の蓄電池には、リチウムイオン電池が一般的に用いられるが、電池セル１個当たりの電圧が３〜４Ｖ程度であるため、複数の電池セルが直列に接続され、蓄電池両端の電圧は高圧化される。自動車４では、例えば３．７Ｖ／セルの電池セルが９６個直列に接続され、この場合の蓄電池両端の電圧は３５５．２Ｖに達する。なお、蓄電池の電池セル数は、車種に応じて走行距離などが異なるため、車種毎に異なり、また１セルあたりの電池もメーカごとに異なるため、蓄電池の電圧は２００〜４００Ｖとなる。このように高圧化された蓄電池は自動車４の筐体と絶縁された状態で搭載され、蓄電池の両端が筐体のアースに接続されていないフローティング状態となっている。

車両コントローラは、蓄電池に関する情報（例えば、電池電圧、充放電電流、電池容量、ＳＯＣ（充電状態：State of Charge）、温度など）を計測して充放電動作の監視を行い、蓄電池の充電許容量および放電許容量を超えないよう充放電装置１００との間で情報の通信を行うと共に、充放電装置１００への動作指令を出力する。また、車両コントローラは、必要に応じて充放電装置１００へ蓄電池に関する情報を伝達し、充放電装置１００からの情報も要求する。

なお、車両コントローラの電源としては自動車４に内蔵されている補機用バッテリーが使用され、補機用バッテリーは高圧の蓄電池から充電される。補機用バッテリーには一般的に端子電圧が１２Ｖや２４Ｖなどのバッテリーが用いられるが、これに限定されるものではない。また補機用バッテリーは、自動車４を走行させる高圧の蓄電池とは絶縁され、車両筐体に接地されている。なお、筐体と大地との間にはタイヤが介在するため、自動車４は、タイヤを介して接地され完全なアースがとれているとは言えないが、タイヤのインピーダンスが雷などの超高圧電位に対して相対的に低い値となるため雷の電流はタイヤを介して地面に放流される。また、エンジン車ではエンジンが発電機と接続されているため、補機用バッテリーはエンジン動作中にこの発電機によって充電されるものの、電気自動車には発電機が無いため、補機用バッテリーは高圧の蓄電池によって充電される。このとき蓄電池と補機用バッテリーの間には絶縁型降圧充電回路が挿入される。

図２において、充放電装置１００は、電力変換部１０、制御部１１、および異常検出部１２を有して構成されている。電力変換部１０にはケーブル１５内の電源線１３が接続され、電源線１３によって充放電装置１００と自動車４の蓄電池との間でおける充放電が行われる。制御部１１にはケーブル１５内の信号線群１４が接続され、信号線群１４によって制御部１１と車両コントローラとの間で所定の通信が行われる。

異常検出部１２は、断線等（コネクタ抜け或いはケーブル１５の断線など）を検出して断線等が生じていることを表す異常検出信号３０ａを出力する機能と、例えば過電流や過電圧などの異常（断線等以外の異常）を検出して断線等以外の異常が生じていることを表す異常検出信号３１ａを出力する機能とを有する。異常検出部１２の詳細に関しては後述する。

図３には、コネクタ３に設けられた端子群の一例が示され、コネクタ３には、例えば、電源線１３が接続される「給電（−）」端子および「給電（＋）」端子、信号線群１４が接続される「ＣＡＮ−Ｈ」端子、「ＣＡＮ−Ｌ」端子、「充電許可禁止」端子、「ロックアクチュエータ駆動信号」端子、その他のＩ／Ｏ信号を送受信するための端子などが設けられている。

「ＣＡＮ−Ｈ」端子と「ＣＡＮ−Ｌ」端子は、制御部１１が自動車４との間で必要なＣＡＮ（Controller Area Network）通信を行うための端子であり、ＣＡＮ通信により、例えば自動車４側の車両コントーラでは蓄電池の状態に応じて最適な充電電流が指定され、充放電装置１００では車両コントローラから送信される情報に従って直流電流の供給が行われる。また、コネクタ３には、機械的なコネクタ抜け防止機能であるロック機構５が設けられている。例えばロック機構５が働くことにより自動車４側のコネクタ接続口とコネクタ３との機械的な接続状態が保持される。ロック機構５の動作に関しては後述する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る異常検出部１２の構成を示す図である。異常検出部１２は、断線検出要素３０および異常検出要素３１を有して構成されている。断線検出要素３０は、制御部１１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄにより制御されるソレノイド駆動電源用のスイッチＳ１と、コンパレータ２０と、ＡＮＤ回路２１と、複数の抵抗器Ｒとを有している。

スイッチＳ１は、一端が回路電源７に接続され、他端がコネクタ３内のソレノイド３ａとダイオード３ｂとの接続端に接続されている。スイッチＳ１には制御部１１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄが入力される。例えば自動車４との充放電が開始される場合、スイッチＳ１をＣＬＯＳＥにさせるＯＮ信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄ）が制御部１１から出力される。このＯＮ信号によりスイッチＳ１がＯＮとなり、回路電源７が信号線群１４を通じてコネクタ３に供給される。以下の説明では、コネクタ３に供給される電源をロックアクチュエータ駆動信号６と称する。

コンパレータ２０の一方の入力端（マイナス側入力端）には、分圧された入力電圧が印加され、コンパレータ２０の他方の入力端（プラス側入力端）には、基準電圧が印加される。コンパレータ２０の出力端は、ＡＮＤ回路２１の一方の入力端に接続されている。コンパレータ２０では、マイナス側入力端の電圧がプラス側入力端の電圧と比較され、マイナス側入力端の電圧がプラス側入力端の電圧よりも低いとき、コンパレータ２０の出力端がＨｉｇｈとなる。例えば、コネクタ３内のスイッチＳ２がＯＰＥＮとなり、コネクタ抜けが生じた場合、マイナス側入力端はＧＮＤ電位となり、マイナス側入力端の電圧がプラス側入力端の電圧よりも低くなる。そのため、コンパレータ２０の出力端がＨｉｇｈとなり、これが出力信号としてＡＮＤ回路２１に入力される。

ＡＮＤ回路２１には、コンパレータ２０の出力信号と制御部１１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄとが入力され、これらの信号のＡＮＤ条件が成立したとき、ＡＮＤ回路２１は、断線等が生じていることを表す異常検出信号３０ａを出力する。異常検出要素３１は、断線以外の異常を検出したとき、断線等以外の異常が生じていることを表す異常検出信号３１ａを出力する。

コネクタ３は、ダイオード３ｂと、一端がダイオード３ｂのカソードに接続された抵抗器３ｃと、一端がダイオード３ｂのアノードに接続され他端が抵抗器３ｃの他端に接続されたソレノイド３ａと、スイッチＳ２とを有している。スイッチＳ２は、前述したロック機構５と連動するスイッチであり、一端がソレノイド３ａと抵抗器３ｃとの接続端に接続され、他端が信号線群１４および抵抗器Ｒを介してコンパレータ２０のマイナス側入力端に接続されている。

以下、動作を説明する。例えばコネクタ抜けが生じていない状態で電気自動車との充放電が開始される場合の動作を説明する。例えば充放電装置１００において充放電開始の操作が行われたとき、制御部１１からはスイッチＳ１をＣＬＯＳＥにさせるＯＮ信号が出力され、スイッチＳ１にはこの信号が入力される。この信号によりスイッチＳ１はＯＮとなり、ロックアクチュエータ駆動信号６がソレノイド３ａに供給される。

このことによりロック機構５が働き、自動車４側のコネクタ接続口とコネクタ３との機械的な接続状態が保持され、充放電中におけるコネクタ抜けに起因する感電が防止される。また、ロック機構５に連動してスイッチＳ２がＯＮになり、コンパレータ２０のマイナス側入力端にはプラス側入力端に印加される電圧より高い電圧が印加され、コンパレータ２０の出力はＬｏｗとなる。従って、ＡＮＤ回路２１のＡＮＤ条件が成立しないため、異常検出信号３０ａは出力されない。

次に、自動車４との充放電が開始された後にコネクタ抜けが生じた場合の動作を説明する。自動車４との充放電が開始された後にコネクタ抜けが生じた場合、ソレノイド３ａおよびコンパレータ２０にはロックアクチュエータ駆動信号６が供給されなくなる。このとき、ソレノイド３ａの抵抗成分とコンパレータ２０のマイナス側入力端の抵抗器Ｒとの分圧比により、コンパレータ２０のマイナス側入力端に印加される電圧はプラス側入力端に印加される電圧より低くなり、コンパレータ２０の出力はＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。ＡＮＤ回路２１には制御部１１からのＯＮ信号も入力されているため、ＡＮＤ回路２１のＡＮＤ条件が成立し、ＡＮＤ回路２１からは異常検出信号３０ａが出力される。

この異常検出信号３０ａは、例えば制御部１１および電力変換部１０に入力され、異常検出信号３０ａが入力された制御部１１は、電力変換部１０に対する動作信号１１ａの出力を停止する。同様に、異常検出信号３０ａが入力された電力変換部１０は、後述する保護部１９から各電力変換部（１６、１７）への駆動信号１８ａの出力を停止する。この動作により、電力変換部１０の動作が停止され、充放電中にコネクタ抜けが生じた際の感電が防止される。

なお、図４では、ＡＮＤ回路２１からの異常検出信号３０ａが制御部１１と電力変換部１０の双方に入力されているが、これに限定されるものではない。電力変換部１０はハードウェアを構成されているが制御部１１はソフトウェアで構成されているため、制御部１１では離散的な制御が行われる。そのため、制御部１１では、異常検出信号３０ａが入力されてから動作信号１１ａを停止させるまでにタイムラグが生じるが、電力変換部１０では、そのようなタイムラグが生じることがない。

従って、異常検出信号３０ａを電力変換部１０のみに入力するように構成した場合、充放電装置１００の構成を簡素化することができると共に、電力変換部１０の動作を即座に停止させることができる。また、異常検出信号３０ａを制御部１１のみに入力するように構成した場合、制御部１１における若干のタイムラグが生じるものの充放電装置１００の製造コストの低減化を図ることができる。また、異常検出信号３０ａを制御部１１および電力変換部１０に入力するように構成した場合、電力変換部１０の動作を即座に停止させることができると共に信頼性を高めることが可能である。

図５は、図２に示される電力変換部１０および制御部１１の詳細を表す図である。電力変換部１０は、第２の電力変換部１６、第１の電力変換部１７、複数の保護部１９、および複数の駆動部１８を有して構成されている。

図５には、一例として、第１の電力変換部１７のスイッチング素子を制御するための１つの駆動部１８と、第２の電力変換部１６の一次側のスイッチング素子と二次側のスイッチング素子を個々に制御する２つの駆動部１８が示されている。また、各駆動部１８の出力側にはそれぞれ保護部１９が設けられている。

なお、図５では説明を簡単化するため、異常検出信号３０ａ、３１ａが制御部１１に入力され、動作信号１１ａ、保護クリア信号１１ｂ、および開閉信号１１ｃが制御部１１から出力されているが、制御部１１に入力される信号と制御部１１から出力されている信号は、これらに限定されるものではなく、制御部１１には、例えば図３に示される充電許可禁止信号、充電開始停止信号なども入力される。

第１の電力変換部１７は、ＡＣ／ＤＣ変換器またはＤＣ／ＡＣ変換器として動作する。第１の電力変換部１７がＡＣ／ＤＣ変換器として動作するとき、開閉器８を介して系統電源１から供給される交流電力が直流電力に変換されて第２の電力変換部１６に出力される。また、第１の電力変換部１７がＤＣ／ＡＣ変換器として動作するとき、第２の電力変換部１６からの直流電力が交流電力に変換されて開閉器８に出力される。

第２の電力変換部１６は、ＤＣ／ＤＣ変換器として動作し、第１の電力変換部１７からの直流電力が自動車４へ供給可能な電圧に変換され、自動車４からの直流電力が第１の電力変換部１７に入力可能な電圧に変換される。

各駆動部１８では、制御部１１からの動作信号１１ａにより、第１の電力変換部１７および第２の電力変換部１６のスイッチング素子を制御する駆動信号１８ａ（ＰＷＭゲートパルス）が生成される。

各保護部１９は、異常検出部１２からの異常検出信号３０ａまたは異常検出信号３１ａが入力されていないとき、駆動部１８からの駆動信号１８ａを各電力変換部（１６、１７）へ出力し、異常検出信号３０ａまたは異常検出信号３１ａが入力されたとき、各電力変換部（１６、１７）に対する駆動信号１８ａの出力を停止し、制御部１１からの保護クリア信号１１ｂが入力されるまでその状態を維持する。なお、図５では、保護部１９に過電流や過電流等が発生したことを表す信号１６ａが入力されているが、この信号１６ａは、異常検出部１２の異常検出要素３１に取り込むように構成してもよい。

なお、図５に示される第１の電力変換部１７は、４素子構成の単相インバータで構成されているが、６素子構成の三相インバータでも構わない。単相インバータの場合、単相２線出力となるが、三相インバータであれば単相３線出力もでき、三相電源にも応用可能である。また、図５に示される第２の電力変換部１６は、２つの単相インバータで構成されているが、第２の電力変換部１６の構成は、これに限定されるものではない。例えば、２つの三相インバータで第２の電力変換部１６を構成してもよく、このように構成する場合、絶縁トランスとしてはＹ−Ｙ結線、Ｙ−Δ結線、あるいはΔ−Δ結線のものが使用される。また、第２の電力変換部１６を単相インバータと三相インバータとを組み合わせて構成する場合、絶縁トランスにはスコット結線のものが用いられる。

また、図５に示される第２の電力変換部１６では、絶縁トランスの一次側と二次側との間で電位が異なるため、電力変換部１０には、単一の制御部１１からの動作信号１１ａを絶縁する目的で複数の駆動部１８が用いられているが、同等効果をもたらす構成であれば、図５に示される構成に限定されるものではない。

また、図５では、絶縁トランスが２つの単相インバータの間に設けられているが、絶縁トランスを第１の電力変換部１７の交流側に設けるように構成してもよい。このように構成した場合、絶縁トランスには電源周波数が入力されるため絶縁トランスが大型化するものの、第２の電力変換部１６が不要となるため、電力変換部１０で使用されるスイッチング素子の数が少なくなり、スイッチング損失の低減と信頼性の向上を図ることができる。また、２つの単相インバータが同一電位になるため、動作信号１１ａを絶縁するための駆動部１８などの削減でき、絶縁による信号伝達の遅れやバラツキを低減することでき、制御性の向上と駆動信号１８ａの周波数（キャリア周波数）の向上を図ることができる。

図６は、保護部１９の動作を説明するための図である。異常検出信号３０ａまたは異常検出信号３１ａが保護部１９に入力されていない場合、図６の左側に示されるように保護部１９はＯＦＦの状態である。このとき、各電力変換部（１６、１７）には、駆動信号１８ａが入力される。異常検出信号３０ａまたは異常検出信号３１ａが保護部１９に入力された場合、図６の中央に示されるように保護部１９はＯＮの状態となる。このとき各電力変換部（１６、１７）には駆動信号１８ａが入力されない状態となる。その後、制御部１１からの保護クリア信号１１ｂによって保護部１９の保護がクリアされたとき、図６の右側に示されるように保護部１９はＯＦＦ状態となる。従って各電力変換部（１６、１７）には、再び駆動信号１８ａが入力される。

図７は、従来の充放電装置１００’の動作を説明するための第１の図であり、図８は、従来の充放電装置１００’の動作を説明するための第２の図である。以下、図１〜６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。図７に示される充放電装置１００’には、図４に示される断線検出要素３０の代わりに断線検出要素３０’が設けられている。断線検出要素３０’には、図４に示されるＡＮＤ回路２１が設けられておらず、コンパレータ２０の出力が異常検出信号３０ａ’として制御部１１および電力変換部１０に入力される。

図８に示される表は、充放電装置１００’に設けられたスイッチＳ１およびスイッチＳ２と、コネクタ抜けの有無と、異常検出信号３０ａ’の出力の有無との関係が示されている。表の（１）において、充放電が行われていないときはスイッチＳ１がＯＦＦとなり、ソレノイド３ａにはロックアクチュエータ駆動信号６が供給されない。そのため、ロック機構５が働かずスイッチＳ２もＯＦＦとなる。従って、コンパレータ２０のマイナス側入力端に印加される電圧はプラス側入力端に印加される電圧より低いため、コンパレータ２０の出力はＨｉｇｈとなり、コンパレータ２０からは異常検出信号３０ａ’が出力される。

このように、従来の充放電装置１００’では、充放電が行われていない場合にはロックアクチュエータ駆動信号６がソレノイド３ａに供給されないため、コネクタ３が接続されているにも係わらず異常検出信号３０ａ’が出力される。従って、異常検出信号３０ａ’によって電力変換部１０の保護部１９が働き、充放電を開始する操作が行われた場合でも、保護クリア信号１１ｂが出力されるまで各電力変換部（１６、１７）を起動することができない。

一方、電力変換部１０および制御部１１では、異常検出部１２’からの信号がコネクタ抜けに起因するものであるのか、その他の要因（過電流など）に起因するものであるのかを判別することができない。そのため、過電流などによって保護部１９が働いているにも係わらず、制御部１１において異常検出部１２’からの信号が断線を表す異常検出信号３０ａ’と判断されて保護クリア信号１１ｂが出力された場合には、電力変換部が壊れてしまう可能性がある。

本実施の形態１に係る充放電装置１００は、コンパレータ２０の出力信号と制御部１１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄとのＡＮＤ条件が成立したときのみ異常検出信号３０ａを出力するように構成されている。そのため、非充放電時、すなわちスイッチＳ１がＯＦＦのときには、異常検出信号３０ａが出力されることがない。従って、異常検出信号３１ａが出力されている場合を除いて、非充放電時には電力変換部１０の保護部１９が働くことがなく、充放電を開始する操作が行われたときには速やか各電力変換部（１６、１７）を起動させることができる。

表の（２）は、（１）のケースでコネクタ抜けが生じたときにおけるスイッチＳ１、スイッチＳ２、および異常検出信号３０ａ’の状態を表しており、コネクタ抜けが発生した場合には異常検出信号３０ａ’が出力される。

表の（３）は、非充放電時であるにも係わらず、例えばスイッチＳ２がＯＮからＯＦＦに戻らずにコンパレータ２０から異常検出信号３０ａ’が出力され続けているような状態を表している。この場合も（１）と同様に、ソレノイド３ａにはロックアクチュエータ駆動信号６が供給されないため、断線と判断されて異常検出信号３０ａ’が出力される。

表の（４）は、（３）のケースでコネクタ抜けが生じたときにおけるスイッチＳ１、スイッチＳ２、および異常検出信号３０ａ’の状態を表しているが、コネクタ抜けが生じた場合、（２）と同様に異常検出信号３０ａ’が出力される。

表の（５）〜（８）は、充放電時における従来の充放電装置１００’の動作を表しており、例えば（７）では、充放電時においてスイッチＳ２がＯＮ、かつ、コネクタ抜けが生じていないとき、異常検出信号３０ａの出力が停止される。以下、（５）、（６）、（８）の動作に関しては説明を割愛する。

図９は、従来の断線検出要素３０’と本発明の実施の形態１の断線検出要素３０の動作を対比して説明するための図である。図９（ａ）には従来の断線検出要素３０’から出力される異常検出信号３０ａ’とスイッチＳ１とコネクタ３との関係が示され、図９（ｂ）には断線検出要素３０から出力される異常検出信号３０ａとスイッチＳ１とコネクタ３との関係が示されている。

図９（ａ）において、従来の断線検出要素３０’では、コネクタ３が未接続、かつ、スイッチＳ１がＯＦＦのとき異常検出信号３０ａ’が出力され、その後、スイッチＳ１がＯＦＦからＯＮに変化したとき、異常検出信号３０ａ’の出力が停止される。一方、図９（ｂ）において、本実施の形態１の断線検出要素３０では、コネクタ３が未接続、かつ、スイッチＳ１がＯＦＦのとき、異常検出信号３０ａ’の出力が停止される。そして、スイッチＳ１がＯＦＦからＯＮに変化し、かつ、コネクタ抜けなどが生じたときに異常検出信号３０ａ’が出力される。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る充放電装置１００−１の変形例を示す図である。図４の充放電装置１００との相違点は、異常検出部１２の代わりに異常検出部１２−１が用いられている点であり、異常検出部１２−１は、断線検出要素３０（第１の異常検出要素）および異常検出要素３１（第２の異常検出要素）の他にもＯＲ回路２２を有している。ＯＲ回路２２には、ＡＮＤ回路２１からの異常検出信号３０ａと異常検出要素３１からの異常検出信号３１ａとが入力され、ＯＲ回路２２は、異常検出信号３０ａまたは異常検出信号３１ａを、制御部１１および電力変換部１０に出力する。具体的には、異常検出部１２−１は、蓄電池と充放電装置１００−１との電気的接続が解除されたことを検出し、かつ、電力変換部１０の動作開始を表す信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄ）が制御部１１から出力されたとき、電力変換部１０の動作を停止させる第１の異常検出信号（３０ａ）を出力する第１の異常検出要素（３０）と、第１の異常検出要素（３０）で検出される異常以外の異常（過電流など）を検出したとき、電力変換部１０の動作を停止させる第２の異常検出信号（３１ａ）を出力する第２の異常検出要素（３１）と、第１の異常検出要素（３０）からの第１の異常検出信号または第２の異常検出要素（３１）からの第２の異常検出信号を出力するＯＲ回路２２と、を備える。

本実施の形態１では、ＡＮＤ回路２１でＡＮＤ条件が成立したときのみ異常検出信号３０ａが出力されるため、コネクタ抜けが検出されたときのみ異常検出信号３０ａがＯＲ回路２２に入力される。異常検出信号３０ａ、３１ａが伝送される信号線を、２本から１本に減らした場合でも、ＯＲ回路２２から出力された異常検出信号３０ａまたは異常検出信号３１ａは、この信号線を介して制御部１１および電力変換部１０へ送信することができる。また、異常検出信号３０ａ、３１ａの信号線を２本から１本に減らすことで、図４に示される充放電装置１００に比べて回路構成が簡素化され、コスト低減と信頼性の向上とを図ることができる。

なお、図１０に示される充放電装置１００−１は、図４に示される充放電装置１００と同様に、ＯＲ回路２２からの出力を電力変換部１０のみに入力するように構成してもよいし、ＯＲ回路２２からの出力を制御部１１のみに入力するように構成してもよし、ＯＲ回路２２からの出力を制御部１１および電力変換部１０に入力するように構成してもよい。すなわち、ＯＲ回路２２からの出力を電力変換部１０のみに入力するように構成した場合、充放電装置１００の構成を簡素化することができると共に、電力変換部１０の動作を即座に停止させることができる。また、ＯＲ回路２２からの出力を制御部１１のみに入力するように構成した場合、充放電装置１００の製造コストの低減化を図ることができる。また、ＯＲ回路２２からの出力を制御部１１および電力変換部１０に入力するように構成した場合、電力変換部１０の動作を即座に停止させることができると共に信頼性を高めることが可能である。

以上に説明したように、実施の形態１に係る充放電装置１００は、系統電源１と蓄電池（例えば自動車４に搭載されたもの）との間に介在し蓄電池の充放電を行う充放電装置１００であって、蓄電池と充放電装置１００とを電気的に接続するコネクタ３と、一端がコネクタ３に接続され、他端が充放電装置１００に接続されたケーブル１５と、第１の入出力端（図５参照）側から交流電力が入力された場合にはＡＣ／ＤＣ変換器として動作して第１の入出力端とは異なる第２の入出力端（図５参照）側に所望の直流電力を出力し、蓄電池からの直流電力が第２の入出力端側から入力された場合にはＤＣ／ＡＣ変換器として動作して第１の入出力端側から所望の交流電力を出力する電力変換部１０と、電力変換部１０の動作を制御する制御部１１と、蓄電池と充放電装置１００との電気的接続が解除されたことを検出し、かつ、電力変換部１０の動作開始を表す信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄ）が制御部１１から出力されたとき（すなわちＡＮＤ回路２１にコンパレータ２０からの出力と制御部１１からのＯＮ信号とが入力されたとき）、少なくとも制御部１１および電力変換部１０の何れかに電力変換部１０の動作を停止させる異常検出信号３０ａを出力する異常検出部１２と、を備えるように構成されている。この構成により、コネクタ抜けあるいはケーブル１５の断線が発生したときのみエラーが検出されるため、コネクタ３が外れ或いはケーブル１５が切れた状態のときのみ電力変換部１０の保護機能を停止させることができる。従って、コネクタ抜けおよび断線以外の異常が発生した場合における電力変換部１０の破損の防止と、電力変換部１０の保護機能の不要動作の防止とを、両立させることができる。その結果、充放電装置１００の破損や人の感電などを防止できるなど、信頼性の向上を図ることができる。

実施の形態２．
図５に示される第２の電力変換部１６は２つの単相インバータで構成されているため、充放電装置１００では各電力変換部（１６、１７）を駆動するために３つの駆動信号１８ａが必要である。一方、制御部１１を構成する一般的なマイコンは２出力程度が一般的である。そのため各電力変換部（１６、１７）を駆動するためには、２つ以上のマイコンが必要となる。さらに、２つのマイコン間には相互に情報を送受信するための通信用の信号線が必要になる。実施の形態２は、２つのマイコンが設けられた充放電装置１００−２の構成例であり、以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

図１１は、本発明の実施の形態２に係る充放電装置１００−２の構成を示す図である。図４の充放電装置１００との相違点は、制御部１１の代わりに２つの制御部（第１の制御部１１−１、第２の制御部１１−２）が用いられている点と、第１の制御部１１−１と第２の制御部１１−２が相互に通信可能に構成されている点と、断線検出要素３０からの異常検出信号３０ａと異常検出要素３１からの異常検出信号３１ａが各制御部にそれぞれ入力可能に構成されている点と、第１の制御部１１−１からの動作信号１１ａ−１と第２の制御部１１−２からの動作信号１１ａ−２とが電力変換部１０に入力されている点である。例えば、第１の制御部１１−１は、図５に示される第１の電力変換部１７を制御可能に設けられ、第２の制御部１１−２は、図５に示される第２の電力変換部１６を制御可能に設けられている。

図１２は、従来の充放電装置１００−２’の構成を示す図であり、図１１との相違点は、異常検出部１２−２の代わりに異常検出部１２−２’が用いられ、異常検出部１２−２’には、図７に示される異常検出部１２’と同様に断線検出要素３０’および異常検出要素３１が用いられ、断線検出要素３０’には、図１１に示されるＡＮＤ回路２１が用いられていない。

図１３は、従来の充放電装置１００−２’の動作を説明するための第１のフローチャートである。図１３には、従来の充放電装置１００−２’における第１の制御部１１−１と第２の制御部１１−２とで実行される処理が模式的に記されている。例えば充電開始の操作が行われた場合、第１の制御部１１−１は、通信線を通じて充電開始の指令（起動指令）を第２の制御部１１−２に通知し、さらに第１の制御部１１−１は、第２の制御部１１−２に対してＯＮ伺い（スイッチＳ１をＯＮにしてよいか否かの問い合わせ）を行う。ＯＮ伺いを受信した第２の制御部１１−２は、第１の制御部１１−１に対してスイッチＳ１のＯＮ許可を通知し、ＯＮ許可を受信した第１の制御部１１−１は、スイッチＳ１をＯＮにする。

このように従来の充放電装置１００−２’では、「ＯＮ伺い」が第２の制御部１１−２に通知されたとき、第２の制御部１１−２がスイッチＳ１の状態を把握することができ、第２の制御部１１−２は、そのあとに異常検出信号３０ａを受信した場合、断線等が生じていることを把握することができる。

ただし、図１３に示される処理では、第１の制御部１１−１と第２の制御部１１−２との間で何回かの通信を行う必要があるため、充放電操作が行われてからスイッチＳ１がＯＮされるまでの時間が長くなり、電力変換部１０の起動が遅くなる。なお、スイッチＳ１がＯＮにされた後に、充電停止の操作が行われた場合、第１の制御部１１−１は第２の制御部１１−２に対してスイッチＳ１をＯＦＦにしてよいか否かの問い合わせ（ＯＦＦ伺い）が行われるが、以下説明を割愛する。

図１４は、従来の充放電装置１００−２’の動作を説明するための第２のフローチャートである。図１４のフローチャートは、スイッチＳ１のＯＮ許可を通知した第２の制御部１１−２が、何らかの要因によりＣＰＵリセットされた場合の動作を示している。この場合、第２の制御部１１−２では再びスイッチＳ１のＯＮ伺いを受信したか否かの処理が行われる。

ただし、この場合、スイッチＳ１からの「ＯＮ伺い」が第２の制御部１１−２に通知されないため、第１の制御部１１−１と第２の制御部１１−２との間の通信が所定時間経過後にタイムアウトとなり、この通信のタイムアウトによって停止処理が行われる。従って、停止処理が行われるまでの間でも電力変換部１０の動作は継続しているため、その間に過電流などの異常が発生した場合でも即座に電力変換部１０の動作を停止させることができず、仮にこの間にコネクタ抜けが生じた場合、操作者が感電する虞がある。

図１５は、本発明の実施の形態２にかかる充放電装置１００−２の動作を説明するための第１のフローチャートであり、図１３のフローチャートに対応したものである。実施の形態２にかかる充放電装置１００−２では、コンパレータ２０の出力信号と第１の制御部１１−１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄとのＡＮＤ条件が成立したとき、異常検出信号３０ａが各制御部に出力される。そのため、第１の制御部１１−１は、第２の制御部１１−２に対してスイッチＳ１のＯＮ伺いを通知する必要がなく、スイッチＳ１を動作させることができる。従って、充放電操作が行われてからスイッチＳ１がＯＮされるまでの時間を短縮することができ、即座に電力変換部１０の起動させることができる。

図１６は、発明の実施の形態２にかかる充放電装置１００−２の動作を説明するための第２のフローチャートであり、図１４のフローチャートに対応したものである。実施の形態２にかかる充放電装置１００−２では、コンパレータ２０の出力信号と制御部１１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄとのＡＮＤ条件が成立したとき、異常検出信号３０ａが各制御部に出力される。そのため、第１の制御部１１−１は、第２の制御部１１−２に対してスイッチＳ１のＯＮ伺いを通知する必要がなく、第２の制御部１１−２は、異常検出信号３０ａに基づいて速やかに電力変換部の停止処理を行うことができ、操作者の感電などを抑制することができる。

なお、実施の形態２では、第１の制御部１１−１からのＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄがスイッチＳ１とＡＮＤ回路２１に入力されるように構成されているが、第２の制御部１１−２からＯＮ／ＯＦＦ信号１１ｄが出力されるように構成してもよい。

また、実施の形態２では、ＡＮＤ回路２１の出力は、第１の制御部１１−１、第２の制御部１１−２、および電力変換部１０の全てに入力されているが、これに限定されるものではない。例えば、異常検出信号３０ａを電力変換部１０のみに入力するように構成した場合、充放電装置１００−２の構成を簡素化することができると共に、電力変換部１０の動作を即座に停止させることができる。また、異常検出信号３０ａを各制御部（１１−１、１１−２）のみに入力するように構成した場合、充放電装置１００−２の製造コストの低減化を図ることができる。また、異常検出信号３０ａを各制御部（１１−１、１１−２）および電力変換部１０に入力するように構成した場合、電力変換部１０の動作を即座に停止させることができると共に信頼性を高めることが可能である。

また、実施の形態２の充放電装置１００−２には、図１０に示したＯＲ回路２２を用いることも可能である。例えば、ＡＮＤ回路２１からの異常検出信号３０ａと異常検出要素３１からの異常検出信号３１ａとをＯＲ回路２２に入力し、このＯＲ回路２２の出力を、少なくとも第１の制御部１１−１、第２の制御部１１−２、および電力変換部１０の何れかに入力するように構成してもよい。このように構成した場合でも実施の形態１と同様に、充放電装置１００−２の大型化やコストアップを抑制することができる。

以上に説明したように、実施の形態２に係る充放電装置１００−２は、コネクタ３と、ケーブル１５と、第１の入出力端側から交流電力が入力された場合にはＡＣ／ＤＣ変換器として動作して前記第１の入出力端とは異なる第２の入出力端側に所望の直流電力を出力し、前記蓄電池からの直流電力が前記第２の入出力端側から入力された場合にはＤＣ／ＡＣ変換器として動作して前記第１の入出力端側から所望の交流電力を出力する第１の電力変換部１７と、第１の電力変換部１７からの直流電力を所望の値の直流電力に変換して前記第２の入出力端側に出力し、前記第２の入出力端側から入力された直流電力を所望の値の直流電力に変換して前記第１の電力変換部１７に出力する第２の電力変換部１６と、第１の電力変換部１７の動作を制御する第１の制御部１１−１と、第２の電力変換部１６の動作を制御する第２の制御部１１−２と、蓄電池と充放電装置１００−２との電気的接続が解除されたことを検出し、かつ、各電力変換部（１６、１７）の動作開始を表す信号が何れかの制御部（１１−１、１１−２）から出力されたとき、各制御部（１１−１、１１−２）および各電力変換部（１６、１７）の少なくとも何れかに、各電力変換部の動作を停止させる異常検出信号３０ａを出力する異常検出部１２−２と、を備えるように構成されている。この構成により、実施の形態１と同様の効果を得ることができる共に、電力変換部１０が２つのマイコンで制御される場合でも、充放電操作が行われたとき即座に電力変換部１０の起動させることができると共に、操作者の感電などを抑制することができる。

また、実施の形態１、２の充放電装置１００、１００−１、１００−２の用途は、電気自動車４に限定されるものではなく、電気自動車４の蓄電池以外の蓄電池にも適用可能であり、例えば、宅内負荷２−１〜２−４専用の電力蓄電装置などにも適用可能である。

また、本発明の実施の形態にかかる充放電装置は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略するなど、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、主に充放電装置に適用可能であり、特に、更なる信頼性の向上を図ることができる発明として有用である。

１ 系統電源、２ 宅内負荷、３ 充放電コネクタ、３ａ ソレノイド、３ｂ ダイオード、３ｃ 抵抗器、４ 電気自動車、５ ロック機構、６ ロックアクチュエータ駆動信号、７ 回路電源、８ 開閉器、１０ 電力変換部、１１ 制御部、１１−１ 第１の制御部、１１−２ 第２の制御部、１１ａ，１１ａ−１，１１ａ−２ 動作信号、１１ｂ 保護クリア信号、１１ｃ 開閉信号、１１ｄ ＯＮ／ＯＦＦ信号、１２，１２’，１２−１，１２−２，１２−２’ 異常検出部、１３ 電源線、１４ 信号線群、１５ 充放電ケーブル、１６ 第２の電力変換部、１６ａ 信号、１７ 第１の電力変換部、１８ 駆動部、１８ａ 駆動信号、１９ 保護部、２０ コンパレータ、２１ ＡＮＤ回路、２２ ＯＲ回路、３０，３０’ 断線検出要素（第１の異常検出要素）、３０ａ，３０ａ’ ，３１ａ 異常検出信号、３１ 異常検出要素（第２の異常検出要素）、１００，１００’，１００−１，１００−２，１００−２’ 充放電装置。

Claims (12)

1. 系統電源と電気自動車が有する蓄電池との間に介在し前記蓄電池の充放電を行う充放電システムであって、
   充放電装置と、
   前記蓄電池と前記充放電装置とを電気的に接続する充放電コネクタと、
   一端が前記充放電コネクタに接続され、他端が前記充放電装置に接続された充放電ケーブルと、を備え、
   前記充放電装置は、
   交流電力が入力された場合にはＡＣ／ＤＣ変換器として動作し、前記蓄電池からの直流電力が入力された場合にはＤＣ／ＡＣ変換器として動作する電力変換部と、
   前記電力変換部の動作を制御する制御部と、
   前記蓄電池と前記充放電装置との電気的接続が解除されたことを検出し、かつ、前記制御部から出力される、前記充放電コネクタのロック機構を動作させるソレノイドへ給電させる信号が入力された際に、前記充放電コネクタが前記蓄電池から抜けたことまたは断線が生じたことを示す異常を検出する異常検出部と、
   を備え、
   前記ロック機構は、前記制御部から出力される、前記ソレノイドへ給電させる信号により、前記電気自動車に設けられたコネクタ接続口と前記充放電コネクタとの機械的な接続状態を保持する充放電システム。
2. 前記異常検出部は、前記異常を異常検出信号として前記制御部および前記電力変換部の一方または双方に出力し、
   前記異常検出信号が入力された前記制御部および前記電力変換部の一方または双方は、前記電力変換部の動作を停止させる請求項１に記載の充放電システム。
3. 前記異常検出部は、前記制御部のみに前記異常検出信号を出力する請求項２に記載の充放電システム。
4. 前記異常検出部は、前記電力変換部のみに前記異常検出信号を出力する請求項２に記載の充放電システム。
5. 前記異常検出部は、前記制御部および前記電力変換部に前記異常検出信号を出力する請求項２に記載の充放電システム。
6. 前記異常検出部は、
   前記充放電コネクタが前記蓄電池から抜けたことまたは前記断線が生じたことを示す異常と、前記充放電装置において過電圧または過電流が生じたことを示す異常との何れかを、異常検出信号として前記制御部および前記電力変換部の一方または双方に出力する請求項２から請求項５の何れか１つに記載の充放電システム。
7. 系統電源と電気自動車が有する蓄電池との間に介在し前記蓄電池の充放電を行う充放電システムであって、
   充放電装置と、
   前記蓄電池と前記充放電装置とを電気的に接続する充放電コネクタと、
   一端が前記充放電コネクタに接続され、他端が前記充放電装置に接続された充放電ケーブルと、
   を備え、
   前記充放電装置は、
   交流電力が入力された場合にはＡＣ／ＤＣ変換器として動作し、直流電力が入力された場合にはＤＣ／ＡＣ変換器として動作する第１の電力変換部と、
   前記第１の電力変換部からの直流電力を所望の値の直流電力に変換し、前記蓄電池からの直流電力を所望の値の直流電力に変換する第２の電力変換部と、
   前記第１の電力変換部の動作を制御する第１の制御部と、
   前記第２の電力変換部の動作を制御する第２の制御部と、
   前記蓄電池と前記充放電装置との電気的接続が解除されたことを検出し、かつ、前記各制御部から出力される、前記充放電コネクタのロック機構を動作させるソレノイドへ給電させる信号が入力された際に、前記充放電コネクタが前記蓄電池から抜けたことまたは断線が生じたことを示す異常を検出する異常検出部と、
   を備え、
   前記ロック機構は、前記各制御部から出力される、前記ソレノイドへ給電させる信号により、前記電気自動車に設けられたコネクタ接続口と前記充放電コネクタとの機械的な接続状態を保持する充放電システム。
8. 前記異常検出部は、前記異常を異常検出信号として前記各制御部および前記各電力変換部の一方または双方に出力し、
   前記異常検出信号が入力された前記各制御部および前記各電力変換部の一方または双方は、前記電力変換部の動作を停止させる請求項７に記載の充放電システム。
9. 前記異常検出部は、前記各制御部のみに前記異常検出信号を出力する請求項８に記載の充放電システム。
10. 前記異常検出部は、前記各電力変換部のみに前記異常検出信号を出力する請求項８に記載の充放電システム。
11. 前記異常検出部は、前記各制御部および前記各電力変換部に前記異常検出信号を出力する請求項８に記載の充放電システム。
12. 前記異常検出部は、
    前記充放電コネクタが前記蓄電池から抜けたことまたは前記断線が生じたことを示す異常と、前記充放電装置において過電圧または過電流が生じたことを示す異常との何れかを、異常検出信号として前記各制御部および前記各電力変換部の一方または双方に出力する請求項８から請求項１１の何れか１つに記載の充放電システム。

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