JP2011229344A - 急速充電方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば電気自動車（ＥＶ）３０に搭載された充電対象外部蓄電池の充電残量がどの程度であっても、適切な充電電圧による急速充電を可能とする。
【解決手段】充電用内部電池１０から外部蓄電池に充電する際に、緩衝抵抗１２の抵抗値を、過大な充電電流が流れない初期値として充電を開始し、充電開始後、充電電流Ｉ１を計測して、計測された充電電流Ｉ１が所定値Ｉｓ以下に低下した場合は、緩衝抵抗１２の抵抗値を、過大な充電電流が流れない範囲で順次引き下げていく。
【選択図】図２

Description

本発明は、急速充電方法及び装置に係り、特に、充電装置側にキャパシタ等による高出力密度電池を設け、電気自動車（以下ＥＶ）側に搭載された車載蓄電池等外部蓄電池に急速充電する際に用いるのに好適な、充電対象外部蓄電池の充電残量がどの程度であっても、適切な充電電圧による急速充電が可能な急速充電方法及び装置に関する。

充電装置側にキャパシタ等による高出力密度電池（以下、内部電池と称する）を設け、電位差による大電流を用いてＥＶ側に搭載された車載蓄電池等外部蓄電池（以下、例としてＥＶ側電池とも称する）に急速充電する技術が考えられている。

ここで、内部電池の電圧に対してＥＶ側電池の電池残量は一定ではないため、途中に電圧を変換する装置を用いずに内部電池とＥＶ側電池とを直接接続する場合、どの程度残量があるかにより、次のような課題がある。
ａ．ＥＶ側電池がほとんど空の場合：この状態で最も急速充電ができるように内部電池の電圧を設定するが、充電装置との電位差が大きすぎるため、接続した瞬間に大きな電流が流れ、ＥＶ側電池の寿命劣化等の可能性があるとともに、発熱、発火の危険がある。そこまでいかなくとも、大電流に耐える使用部品の選定等、ＥＶ側の対策が必要になる。
ｂ．ＥＶ側電池が中間レベルの充電量の場合：充電装置との電位差が少なく、充電速度が低下する可能性がある。
ｃ．ＥＶ側電池が満充電に近い場合：極端な場合、充電装置の電位の方が低くなり、ＥＶ側電池から電流が逆流する場合がある。

上記の課題に対応するため、従来の装置では一般に、直流電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバーター）を用いて充電装置の出力電圧が適切になるように制御を行っている。しかし、この直流電圧変換装置により充電装置全体のコストが高くなるという課題があった。

一方、特許文献１には、出力用キャパシタバンクと調整用キャパシタバンクを設け、前者の電圧計測結果を元に後者の接続を切り替えることにより、負荷に供給する電圧を一定あるいはある変動範囲内に収めるようにした直列切換式キャパシタ電源装置が提案されている。

特開２０００−１５２４９５号公報

しかしながら、特許文献１の記載の技術は、負荷に供給する電圧を一定あるいはある変動範囲内に収めることを目的にしており、ＥＶ側電池残量に応じて充電電圧を変えることはできなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、充電対象外部蓄電池の充電残量がどの程度であっても、適切な充電電流による急速充電を可能とすることを目的とする。

本発明は、充電用内部電池から外部蓄電池に充電する際に、緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない初期値として充電を開始し、充電開始後、充電電流を計測して、計測された充電電流が所定値以下に低下した場合は、緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない範囲で順次引き下げていくことにより、前記目的を達成したものである。

ここで、前記緩衝抵抗の抵抗値の初期値を、緩衝抵抗の最大値とすることができる。

あるいは、前記緩衝抵抗の抵抗値の初期値を、外部蓄電池の充電残量に関する情報に基づいて設定することができる。

本発明は、又、充電用内部電池から外部蓄電池に充電するための急速充電装置において、抵抗値が可変の緩衝抵抗と、該緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない初期値とする手段と、計測された充電電流が所定値以下に低下した場合は、緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない範囲で順次引き下げていく手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記緩衝抵抗を、並列接続された、抵抗値が互いに異なる複数の抵抗で構成し、該複数の抵抗のいずれかを選択することにより、充電電流を可変とすることができる。

あるいは、前記緩衝抵抗を、直列接続された複数の抵抗で構成し、該複数の抵抗の少なくとも一部を短絡することにより、充電電流を可変とすることができる。

あるいは、前記緩衝抵抗を、抵抗値を連続的に変化できる１台のスライダックで構成することができる。

本発明によれば、充電対象外部蓄電池の充電残量がどの程度であっても、高価な直流電圧変換装置を用いることなく、適切な充電電流による急速充電が可能となる。これにより、
ａ．急速充電時の過電流による外部蓄電池の劣化
ｂ．電流不十分による充電速度低下
ｃ．電圧不足による外部蓄電池からの逆流
を防ぎつつ、ＥＶ電池等に急速充電を行うことができる。

本発明の第１実施形態の構成を示す回路図 同じく制御手順を示す流れ図 同じく各部電圧、電流の時間的変化の様子を示すタイムチャート 本発明の第２実施形態の構成を示す回路図 本発明の第３実施形態の構成を示す回路図 本発明の変形例の概略を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る急速充電装置６の第１実施形態は、図１に示す如く、充電用内部電池１０と、電流制限用の、並列接続された抵抗値が異なる複数（図では３個）の抵抗Ｒ１〜Ｒ３でなる緩衝抵抗１２と、該緩衝抵抗１２の抵抗Ｒ１〜Ｒ３を切換えることにより充電電流を変更するための電流制御スイッチＳ１と、充電電流Ｉ１を計測するための電流計（Ａ）１４と、電源装置８による内部電池１０の充電（内部充電と称する）と外部蓄電池接続端子による外部蓄電池の充電（外部充電と称する）を切り換えるための充電制御スイッチＳ２と、前記電流計１４の出力に応じて、前記スイッチＳ１及びＳ２を切り換えるための監視制御装置２０と、を用いて構成されている。

前記緩衝抵抗１２の各抵抗Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値は、例えばＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３及び０（直結）とされ、予め計測して決定されている。なお、図１における抵抗Ｒ１０は、電流制御スイッチＳ１の切り替え時に瞬間的に負荷が解放になることを防止するためのものであり、十分大きな値とする。電流制御スイッチＳ１が瞬間的に開放となることがなければ、抵抗Ｒ１０は不要である。

前記内部電池１０は、予め充電制御スイッチＳ２を内部充電側に切り換えて、電源装置８により一定電圧で十分に充電されているものとする。

以下、図２を参照して、制御手順を説明する。

充電開始に当り、電流制御スイッチＳ１を先ず抵抗値が最大値Ｒ１の緩衝抵抗に接続し（ステップ１００）、充電制御スイッチＳ２を外部充電側にして急速充電を開始する（ステップ１０２）。

充電時の電流Ｉ１は、電流計１４により常時計測する（ステップ１０４）。

充電が進行するに伴い、ＥＶ側電池の電圧が上がり、充電電圧とＥＶ側電池の電位差が小さくなって、充電電流Ｉ１は徐々に減少する。そこで、充電電流Ｉ１を計測し、予め設定した値Ｉｓより小さくなった場合（ステップ１０６の判定結果Ｙｅｓ）、充電が進んで、これ以上効率的な充電ができなくなったことを意味するので、電流制御スイッチＳ１を切り替え、緩衝抵抗１２をＲ２に切り替える。ここでＲ２＜Ｒ１であるので、充電電流が再度増加して、急速充電が継続される。ここで、充電判定電流Ｉｓの値は、予め試験を行い設定することができる。

充電を継続し、電流が再度Ｉｓ以下になったらＲ３＜Ｒ２であるＲ３に切り替える（ステップ１０８）。同様に、再度電流がＩｓ以下になったら、緩衝抵抗を通さずに直結する。

緩衝抵抗をバイパスして直結で充電を行う場合は、それ以上緩衝抵抗を切り替えることはできないため、充電電流がＩｓ以下となっても時間とともに減少する。最終的に充電完了を判断するためには、充電電流Ｉ１が予め決定した電流値以下になったら充電完了と判断すればよく（ステップ１１０の判定結果Ｙｅｓ）、充電制御スイッチＳ２を切断して、急速充電を終了する（ステップ１１２）。

外部蓄電池がＥＶである場合には、ＥＶ側からの信号により充電完了を確認できるので、上記と同様に、充電制御スイッチＳ２を切断して、急速充電を終了する（ステップ１１２）。

このときの各部電圧、電流の時間的変化の様子を図３に示す。

終了判定の方法は、上記充電完了の他、３０％、５０％等を充電終了と決めてもよい。あらかじめメニュー等で選定し、監視制御装置２０に入力することにより実現できる。あるいは、充電時間を計測し、３分、５分等、一定時間で終了するものとしてもよい。いずれも監視制御装置２０に対してタッチパネルあるいは遠隔監視装置等から入力することで設定可能である。

急速充電終了後の本装置６は、次の使用の準備として、再度内部電池１０を充電しておく必要がある。この場合は本装置６にＥＶ側電池が接続されていない期間を利用して、監視制御装置２０からの指示により、充電制御スイッチＳ２を内部充電側に切り替え、図１の電源装置８より直流電圧を用いて充電を行う。

次に、本発明の第２実施形態を図４に示す。

図１に示した第１実施形態においては複数の緩衝抵抗Ｒ１〜Ｒ３を並列に設置し順次切り換える方式としたものを、本実施形態は、直列接続された複数（図では３個）の抵抗Ｒ１〜Ｒ３を、リレースイッチＳ１−１〜Ｓ１−３でオンオフするようにしたものである。

本実施形態におけるリレースイッチＳ１−１〜３の切り替えシーケンスを表１に示す。

Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３であり、表１の順に切り替えることにより全８通りの抵抗値を選択できる。従って、全てのリレースイッチＳ１−１〜３をオフにした時に、抵抗値最大（すなわち充電電流最少の設定）となる。

第１実施形態では、電流制御スイッチＳ１の切り替え時に瞬間的に負荷が解放されることを防止するために抵抗Ｒ１０を用いたが、本実施形態ではリレースイッチＳ１−１〜３のいずれの動作においても負荷が切り離されることがないため、Ｒ１０が不要となる。

なお、第１、第２実施形態では、抵抗の数が３個とされていたが、抵抗の数は３個に限定されず、２個以下又は４個以上であっても良い。

図５に示す第３実施形態は、固定抵抗を切り替える代わりに、スライダーＳＲの位置をずらすことで抵抗値を連続的に変化できるスライダックＶＲ１を用いたものである。固定抵抗を切り替える方式に比べ、抵抗値の最適値を使用できるため、装置全体の効率を最適化できる特長がある。この場合は電流Ｉ１を計測し、必要とされる電流値（設備の仕様上可能な最大電流値等により予め決定することができる）になるよう監視制御装置２０によりＶＲ１のスライダーＳＲの位置を変化させることが可能である。

なお、充電開始時点のＥＶ側電池の残量により、急速充電を行うための最適抵抗値は変化する。このため、充電を開始する時点での抵抗値を適切に選択する必要がある。図２のフローチャートに示す方法では、最初に抵抗最大値とし、電流Ｉ１を計測することにより順次抵抗を小さいものに切り替えていく方法を示したが、別の方法としては、図６に示す変形例の如く、ＥＶ側との通信により、ＥＶ３０が必要とする電流値のデータを受領し、その電流値となる抵抗値を選定する方法も可能である。

本発明の適用対象は、キャパシタによる高出力密度電池を用いた急速充電装置に限定されず、充電対象もＥＶ側電池に限定されない。

６…急速充電装置
８…電源装置
１０…充電用内部電池
１２…緩衝抵抗
１４…電流計
２０…監視制御装置
３０…電気自動車（ＥＶ）
Ｓ１…電流制御スイッチ
Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３…リレースイッチ
Ｓ２…充電制御スイッチ
ＶＲ１…スライダック
ＳＲ…スライダー

Claims (7)

1. 充電用内部電池から外部蓄電池に充電する際に、
   緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない初期値として充電を開始し、
   充電開始後、充電電流を計測して、
   計測された充電電流が所定値以下に低下した場合は、緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない範囲で順次引き下げていくことを特徴とする急速充電方法。
2. 前記緩衝抵抗の抵抗値の初期値を、緩衝抵抗の最大値とすることを特徴とする請求項１に記載の急速充電方法。
3. 前記緩衝抵抗の抵抗値の初期値を、外部蓄電池の充電残量に関する情報に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の急速充電方法。
4. 充電用内部電池から外部蓄電池に充電するための急速充電装置において、
   抵抗値が可変の緩衝抵抗と、
   該緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない初期値とする手段と、
   計測された充電電流が所定値以下に低下した場合は、緩衝抵抗の抵抗値を、過大な充電電流が流れない範囲で順次引き下げていく手段と、
   を備えたことを特徴とする急速充電装置。
5. 前記緩衝抵抗が、並列接続された、抵抗値が互いに異なる複数の抵抗で構成され、該複数の抵抗のいずれかを選択することにより、充電電流が可変とされていることを特徴とする請求項４に記載の急速充電装置。
6. 前記緩衝抵抗が、直列接続された複数の抵抗で構成され、該複数の抵抗の少なくとも一部を短絡することにより、充電電流が可変とされていることを特徴とする請求項４に記載の急速充電装置。
7. 前記緩衝抵抗が、抵抗値を連続的に変化できる１台のスライダックで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の急速充電装置。

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