JP2011019330A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＣ／ＤＣ変換部の損失を抑え、かつ、複数台に対して効率的に同時充電可能な大容量蓄電池搭載車両の充電装置を提供する。
【解決手段】複数台の大容量蓄電池搭載車両（１１−１７）のそれぞれの電池パック（２１−２７）をAC/DC変換部からの充電電力に対して多直列接続した状態にした中で、満充電となった任意の電池パックを前記多直列接続から切り離した状態に切り替える開閉器（８A1−８A７、８B1−８B7、８C1−８C７）を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電装置に関し、例えば複数の車両に搭載された電池パックに対して充電を行う場合に有効である。

リチウムイオン二次電池を搭載したハイブリッド自動車や電気自動車の開発が進められている。これらリチウムイオン二次電池を搭載した自動車向けの充電装置は、リチウムイオン二次電池の急速充電性を活かした充電装置の開発が要望される。

一方、フォークリフトなどの大容量蓄電池搭載車両においても、リチウムイオン二次電池を搭載した大容量蓄電池搭載車両が今後、普及していくものと考えられ、それに対応した充電装置が必要となる。

二次電池の充電器を開示した文献としては、特許文献１がある。この文献１では、複数の二次電池に対して、１つの充電器から充電電流をサイクリックに供給する技術を開示している。また複数の組電池に対して１つの充電器から充電する際の技術が特許文献２に開示されている。この文献２では、充電器に対して充電を行う場合と、充電器の余剰電力を放出する場合のスイッチ制御に関して開示している。

特開平１１−２８５１６０号公報 特開２００１−３０９５６３号公報

ところでフォークリフトなどの大容量蓄電池搭載車両の充電装置においては、限られた時間内で複数台の車両に対して充電を完了させることが求められている。例えば工場内で複数台の車両を昼休み時間に同時に充電することが考えられる。複数台の車両にそれぞれ独立した複数の充電装置を用意すると設備コストが増大する。

そこで１つの充電装置で複数台の車両を同時に充電できる工夫が必要となる。しかし、搭載蓄電池が大容量のため、短時間で充電するには充電電流が大きく、かつ、同時に複数台を充電するとなると、充電装置側の充電電流をその複数倍分だけ大電流としなければならない。また大電流を流すケーブルも大型化し、取り扱い及びコスト高となる。

さらに商用電源電力をＡＣ／ＤＣ変換して直流電流（つまり充電電流）を取り出す場合、その直流電流を大電流にせざるを得ず、ＡＣ／ＤＣ変換部の損失が大きく、効果的な充電方法とは言えない。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、出力電流が小さくて済み、接続ケーブルなども小型化でき、前述のＡＣ／ＤＣ変換部の損失も低減可能となる、複数台に対して効率的に同時充電可能な充電装置と車両の充電方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は複数の電池パックをAC/DC変換部からの充電電力に対して多直列接続した状態にした中で、任意の電池パックを前記多直列接続から切り離した状態に切り替える複数の開閉器とその制御部を有することを特徴とする。

本発明によると、AC/DC変換部の損失を軽減するのに有効である。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 本発明に係る装置の動作例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。まず、図１を用いて本発明の一実施例を説明する。ただし、以下に示す実施例は本発明の技術要素を具体化するための大容量蓄電池搭載車両の充電装置を例示するものであって、本発明は大容量電池搭載車両の充電装置を以下のものに特定するものではない。よって電池パックが必ずしも車両に搭載されて実施されるものに限定されない。

本実施例において１１〜１７は例えば大容量蓄電池搭載車両であり、それぞれが、電池パック２１〜２７を搭載している。大容量蓄電池搭載車両２３〜２６は、紙面の都合省略している。各電池パック２１〜２７は、それぞれ正電極端子３A1〜３A7、−電極端子３B1〜３B７を有する。各＋電極端子３A1〜３A7、負電極端子３B1〜３B７は、それぞれ大容量蓄電池搭載車両１１〜１７の充電ケーブル取合い正極端子４A1〜４A7、および充電ケーブル取合い負極端子４B1〜４B7と接続する。

５１〜５７は充電ケーブルであり、一方端は、充電装置６０に取り付けられており、それぞれの他方の先端はコネクタ５０A1〜５０A7を有し、大容量蓄電池搭載車両１１〜１７のコネクタ３１A1〜３１A７に対して着脱自在である。コネクタ５０A1〜５０A7がコネクタ３１A1〜３１A７に対して着脱自在となっているのは、この装置は、後述するように充電電流が小さくて済み、コネクタも小型で済むように構成されたからである。小型のコネクタを利用できることは、現存のコネクタを使用可能となり経費節減上でも有効である。

充電ケーブル５１〜５７内には正極側の給電ライン、及び負極側の給電ラインが存在する。また次に述べる制御信号ラインも存在する。ここで充電ケーブル５１〜５７は、それぞれ大容量蓄電池搭載車両２１〜２７の駐車位置に応じて長さが異なっていてもよいし、さらには、長さ調整が可能なように巻き取り装置により巻き取り、引き出しが可能なように構成されていてもよい。

大容量蓄電池搭載車両１１〜１７は、車両に搭載の電池パック２１〜２７内の各セルの状態（電圧、温度、充電状態（ＳＯＣ）など）を検出するバッテリー管理システム（ＢＭＳ）９１〜９７をそれぞれ設けている。ＢＭＳ９１〜９７からの情報は、充電ケーブル５１〜５７内の制御信号ラインを介して充電装置６０の接続部としての信号端子７C1−７C7を介してシステム制御部８０に送信される。

充電装置６０は、商用電源７０から交流電力を取り込み、AC/DC変換部６１にて直流電力を出力する。AC/DC変換部６１のプラス極出力端子は、正極用主開閉器９Aの入力側に接続され、マイナス極出力端子は、負極用主開閉器９Bの入力側に接続されている。

正極用主開閉器９Aの出力側は、正極用開閉器８Aに接続されると共に、直列接続されたバイパス用開閉器８C１〜８C７を有する正極多値分配回路１０Aに接続されている。また負極用主開閉器９Bの出力側は、負極多値分配回路１０Bに接続されている。バイパス用開閉器８C１〜８C７は、バイパス回路を構成している。

バイパス用開閉器８C1のプラス側とマイナス側の端子は、それぞれ正極用開閉器８A1と負極用開閉器８B1を介して、充電装置６０の接続部としての充電ケーブル取合い正極端子７A1と充電ケーブル取合い負極端子７B1に接続されている。同様にバイパス用開閉器８C2のプラス側とマイナス側の端子は、それぞれ正極用開閉器８A2と負極用開閉器８B2を介して、充電装置６０の接続部としての充電ケーブル取合い負極端子７A2と充電ケーブル取合い正極端子７B2に接続されている。また同様にバイパス用開閉器８C3〜８C7のプラス側とマイナス側の端子は、それぞれ対応する正極用開閉器８A3〜８A7と負極用開閉器８B2〜８B7を介して、充電装置６０の対応する充電ケーブル取合い正極端子７A3〜７A7と充電ケーブル取合い負極端子７B3〜７B7に接続されている。

充電装置６０から大容量蓄電池搭載車両１１−１７の各電池パック２１〜２７に充電が行われるときは、対応する充電装置６０の充電ケーブル取合い正極端子７A1〜７A7と車両の充電ケーブル取合い正極端子４A1〜４A7が充電ケーブル５１〜５７により接続され、充電ケーブル取合い負極端子７B1〜７B7と充電ケーブル取合い負極端子４B1〜４B7が充電ケーブル５１〜５７により接続される。

充電装置６０は制御部８０を有し、この制御部８０から車両に対する充電や充電停止のため車両の選択や切り離しなどを行うための開閉器を制御する開閉制御信号が出力される。また制御部８０には、BMSにより各電池パックの充電状況を測定した制御信号が先の制御信号ラインを介して取り込まれる。

上記の構成によると、大容量蓄電池搭載車両の各電池パックは充電装置と充電ケーブル５１〜５７を利用して多直列に接続可能である。充電装置６０では、商用電源７０からのＡＣ入力電源がＡＣ／ＤＣ変換部６１によりＤＣ電源に変換される。

充電モードでは、ＡＣ／ＤＣ変換部６１の二次側では、正極用主開閉器９Aがオン、負極用主開閉器９Bがオンに制御される。また、全大容量蓄電池搭載車両１１〜１７の電池パック２１〜２７が充電されるときは、制御部８０によりバイパス用開閉器８C1〜８C7は、オフに制御される。またこのときは正極用開閉器８A1〜８A7と負極用開閉器８B1〜８B2とがオンされる。これにより複数台車両の電池パック２１〜２７が多直列接続状態となり充電される。

ここで、例えばいずれかの車両の電池パックがBMSからの情報により満充電状態になったと制御部８０が判断すると、制御部８０は、対応するバイパス用開閉器をオンし、また制御部８０は対応する正極用開閉器、負極用開閉器をオフする。このような制御により満充電状態になったと判断される電池パックは、次々と切り離すことができる。

したがって、正極用開閉器８A1〜８A7と負極用開閉器８B1〜８B2とバイパス用開閉器８C1〜８C7とは、複数台の電池パックの多直列接続を維持した中で、任意の大容量電池搭載車両の電池パック毎に多直列接続から切り離すことが可能である。

また切り離された電池パックを搭載している車両を、充電装置６０から離脱させ、別の充電が必要な電池パックを搭載している車両を充電装置６０に接続することが可能である。つまり次々と、充電完了した電池パックと充電が必要な電池パックとを入れ替えることも可能である。このように切り離された充電ケーブルに対して、別の車両の電池パックが接続された場合は、制御部８０に対して、その接続ターミナルを指定したリセット信号を与えることで多直列接続の状態を再構築することができる。このように制御部８０は各電池パックに対する充電実行・開放ロジックを有する。

なお電池パックを接続した接続部の近くには、赤、青を発行するLEDランプが設けられ、充電中は赤が発光し、満充電と判断された電池パックを接続した接続部のLEDランプは、赤から緑に切り替えられるようにしてもよい。

このように構成された本実施の形態においては、ｎ台の大容量蓄電池搭載車両の電池パックを充電装置に対して多直列にした接続が可能となり、第１乃至第ｎの電池パックに対して、同時に充電が可能となる。

例えば、この実施例の場合、電池パックの電池電圧を４８Ｖ、電池容量を２４０Ａｈとした場合、充電装置側のＤＣ出力電圧を４８Ｖ×７台＝３３６Ｖであるから例えばＤＣ４００Ｖ級で、１時間あたり２４０Ａの充電電流で充電が可能となる。

この実施例とは異なる方法として多並列により１時間で７台分を充電するとなると、２４０Ａ×７台＝１６８０Ａと大電流となる。また、時分割的に１時間で７台分を充電するとなると、１台あたり７Ｃ（１Ｃ＝２４０Ａ）で充電する必要があり、２４０Ａ×７Ｃ＝１６８０Ａと大電流となる。

本実施の形態によれば、ＤＣ出力部の電圧を高くし（多直列された複数の電池パックの数に比例）、出力電流を小さく設定（1つの電池パックの電池容量分）できる。

また満充電状態になったと判断される電池パックが、切り離された場合、AC/DC変換部６１の変換出力電圧は、低減しても構わない。つまり1つの電池パックが切り離されたとすると、上記の例では、４８Ｖ×６台＝２８８Ｖとなり、７台のときより低い電圧でもよい。このためAC/DC変換部６１の変換動作を制御して、出力を抑圧すればＡＣ／ＤＣ変換部６１の変換損失を低減するのに有効である。これにより、上記車両と上記充電装置を有する事業者は電力変換損失を抑えることができるため、電力会社からの電力料金も節約できる。

また充電ケーブル５１〜５７に対して大電流（先の例は１６８０A）を流すのに比べて、小さい電流（先の例は２４０A）でよいことから、充電ケーブル５１〜５７も線径の小さいものでよく、経費の面でも有利であり、取り扱いの面でも優れている。

上記したように本装置及び方法は、正極用開閉器８A1〜８A7と負極用開閉器８B1〜８B7とバイパス用開閉器８C1〜８C7を制御部８０で制御し、各大容量蓄電池搭載車両の電池パックの電池残量の違いによらず、それぞれの電池パックを満充電することが可能となる。例えば、電池残量の多い電池パックと、少し多い電池パックと、少ない電池パックの３つが充電装置６０に接続された場合、充電装置６０は各電池パックのうち満充電電圧に達した電池パックが検出された場合、当該の電池パックに対応する正極用開閉器と負極用開閉器を開放し、バイパス用開閉器を投入することで、他の電池パックに充電を行いそれぞれの電池パックを満充電にすることが出来る。

また本発明の装置において、充電装置６０に非常用開閉器１２０と非常用開閉器１１９と非常用分配回路と非常用負荷分配開閉器１２１A,１２１Bを設け、非常用設備１２２に対して、上記充電装置６０に接続された例えば車両の電池パックを非常電源として非常用設備１２２に供給することが出来る。

例えば非常時になったとする。またこのとき、電池パック２１〜２７の全てが直列接続されているものとする（バイパス用開閉器８C１−８C７がオフ、正極用開閉器８A1〜８A7と負極用開閉器８B1〜８B7はオン）。この状態から、非常用開閉器１１９がオフ、非常用開閉器１２０がオン、非常用負荷分配開閉器１２１A,１２１Bがオンに制御される。

これにより、非常用設備１２２に対して、ケーブル１００を介して、例えば４８V×７台＝３３６Ｖの電圧を供給することができる。

なお、非常時に必ずしも７台の車両が存在し、各電池パックが充電装置６０に接続されているとは限らない。このような場合は、制御部８０は電池パックが接続されているターミナルを認識しており、存在する電池パックを多直列接続状態にして給電を行うようにする。また非常時に使用する非常時ボタン８０１が充電装置６０に設けられるか、あるいは、信号線で接続されて充電装置６０から離れた位置に設けられている。停電などの非常時には、管理者が上記の非常時ボタン８０１を押すことで、制御部６０が非常事態を認識し、上記した給電処理を実行する。これにより、上記車両を有する事業者は近隣社会に貢献できる。非常用設備としては店の照明、病院の電源、消化設備、空調設備などがある。

なお上記の説明において開閉器という用語を用いたが、スイッチと称してもよいことは勿論である。

上記したようにこの発明は、複数（W）の電池パックがAC/DC変換部からの充電電力に対して多直列に接続が可能となり、複数の電池パックに対して、同時に充電が可能となる。多並列により１時間でW台分を充電するとなると、(Y1×W)Ａの大電流が必要となるが、本発明のように電池パックの電池電圧をX１（Ｖ）、電池容量をY1（Ａｈ）とした場合、充電装置側のＤＣ出力電圧を（X１×W）Ｖとし、１時間あたりY1（Ａ）の小さい充電電流で充電が可能となる。そしてケーブルも小型化可能となり、また満充電状態の電池パックが切り離される毎にWが少なくなるためDC出力電圧は低く変更設定してもよい。

本発明は、ハイブリッド自動車、電気自動車そしてフォークリフトなどの電動車に適用可能である。

１１〜１７・・・大容量蓄電池搭載車両、２１〜２７・・・電池パック、６０・・・充電装置、６１・・・AC/DC変換部、７０・・・商用電源、８０・・・制御部、１００・・・通信ケーブル、１２２・・・非常用負荷。

Claims (5)

1. 第１乃至第ｎの電池パックの正極端子と負極端子に対応する第１乃至第ｎの正極用と負極用接続部と、
   前記第１乃至第ｎの正極用と負極用接続部にそれぞれ一方の端子が接続された第１乃至第ｎの正極用及び負極用開閉器と、
   それぞれが前記第１乃至第ｎの正極用及び負極用開閉器の他方の端子の1組の端子間を短絡と開放を切り換え可能な第１乃至第ｎのバイパス用開閉器を有するバイパス回路と、
   正極側出力端子と負極側出力端子を有するAC/DC変換部と、
   前記AC/DC変換部の正極側出力端子と前記第１の正極用開閉器の他方の端子間を開閉する正極用主開閉器と、
   前記AC/DC変換部の負極側出力端子と第ｎの前記負極用開閉器の他方の端子間を開閉する負極用主開閉器と、
   前記第１乃至第ｎの電池パックの各バッテリー管理システムからの制御信号に基づいて前記第１乃至第ｎの正負極用開閉器及び第１乃至第ｎバイパス用開閉器を制御し、前記複数の電池パックを多直列接続した充電状態から、満充電と判断される電池パックを前記多直列接続から切り離した状態にする制御部を有したことを特徴とする充電装置。
2. 前記接続部とこの接続部に対応する前記電池パックとの間は、充電用ラインと前記制御信号のための制御信号ラインとを有した充電ケーブルで接続されることを特徴とする請求項１記載の充電装置。
3. さらに非常用設備接続部と、その切り替えを行う非常用開閉器を有し、前記制御部により前記非常用開閉器を制御し、前記接続部に接続された前記電池パックの電力を前記非常用設備接続部に供給可能としたことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
4. 前記電池パックの電力が前記非常用設備接続部に供給されているときは、前記正極用主開閉器、前記負極用主開閉器がオフされて前記AC/DC変換部が切り離された状態となることを特徴とする請求項３記載の充電装置。
5. 前記第１乃至第ｎの電池パックは、それぞれ異なる車両に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の充電装置。

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