JP2011239559A - 電気自動車の充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電気自動車の充電装置は、１台で１車両を充電する機能で設計されており、同時に複数の車両を充電することができないという問題があった。また、従来の技術による充電器を複数台設置する方法によると、設置のためのスペース、初期コストおよび運用コストの負担が大きくなり、設備の利用率が悪いという課題があった。
【解決手段】複数の直流電源ユニットと、車両に接続する複数の送電手段と、これらを接続するマトリックススイッチャを設け、１つの直流電源ユニットが複数の送電手段に接続しないようにして、複数の直流電源ユニットを任意の車両に割り当てて並列運転するように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車に搭載された蓄電池を充電する充電装置に係り、特に複数台の車両を同時に充電する技術に関する。

一般的な充電装置は、交流電源から交流電力を取込み、整流機能を有する直流電源ユニットにより直流電力に変換する。制御部が出力電流及び電圧を制御し、定電流定電圧方式等の充電方式によって車両の蓄電池を充電する。一般的な電気自動車用充電装置の実施例として、車載蓄電池に充電を行う直流電源の充電器と、充電器と前記車載蓄電池とを接続するコネクタと、充電器とコネクタとの間に逆方向の通電を遮断するダイオードとを備え、前記充電器は、複数台の充電器ユニットを並列接続して構成されるシステムが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
また、１台の充電装置あたり複数の充電端末を用意し、複数の車両で充電の予約を行って予約スケジュールに基づき給電する車両を順次切替えて充電を行う方式が提案されている。（例えば、特許文献２参照）
また、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する１台の整流器と、前記整流器を直流電源とし二次電池を充電する直流電力を得る複数の充電器と、前記複数の充電器のうち運転指定された充電器を時分割的に充電制御する制御装置とを備えたことを特徴とする充電装置が提案されている。（例えば、特許文献３参照）

特許文献１に示す一般的な充電装置は、直流電源の充電器構成の如何に関わらず車載蓄電池と接続するコネクタが１つであり、1台の車両だけに充電電流を供給することができる。そのため、複数の車両を同時に充電するためには充電装置を複数台設置する。

特許文献２に示す充電装置は、電動車両の蓄電池に電力を供給する電力供給手段と、充電指示情報を入力可能とする情報入力手段、情報表示手段、および利用者から料金を回収する料金回収手段を有する充電端末機と、記憶装置と演算装置を有し、前記情報入力手段から入力された充電指示情報を記憶し、充電開始予定時間、充電終了予定時間および充電料金を含む充電予約情報を計算し、前記電力供給手段の使用可能時間を設定する制御部と、を備えた電動車両の充電システムで、前記電力供給手段が該急速充電器と切替スイッチを介して電力線で接続された複数のコネクタを含んで構成される。前記制御部が使用可能時間に基づきスケジューリングを行うことにより、充電装置は１台であるが利用者の待ち時間を最小限に抑えることが可能となることを効果として示している。

特許文献３に示す充電装置は、複数台の充電器の共通の直流電源として１台の整流器を設け、複数の各充電器のうち設定された充電器を時分割的に充電制御するようにしたため、複数台の負荷を同時充電でき、しかも整流器は１台の充電器を連続運転するのと同等の電力変換容量を持つもので済むという特徴が示されている。

特開２００９−２６１２３０ 特開２０１０−２８９１３ 特開平５−３３６６７３

特許文献１に示した一般的な充電器では、充電装置が１台の車両に占有されるため同時に複数車両を充電することができないという課題がある。また、蓄電池の充電電流が充電時間の経過につれて減少する特性を示すため、充電器の最大供給電流に満たない状態で運転する時間が長く、設備の利用率が悪いという課題がある。この充電器を複数台設置する方法によると、同時に複数車両への充電は可能になるが、設置のためのスペース、初期コストおよび運用コストの負担が大きくなるという課題が生じる。

また、特許文献２に示した複数充電端末で予約スケジュールにしたがって順次切り替えて充電する方法によると、一般的な充電器を複数台設置する方法に比べて、設置のためのスペース、初期コストおよび運用コストの負担軽減には寄与するが、充電装置は１台であり、同時に複数車両を充電しないため、根本的な充電時間の短縮には寄与しない。複数の車両を所有して日に複数回の充電を繰り返しながら車両の運行によるサービスを提供する業態では車両の滞留時間が長くなるという事業採算上からも受け入れられない課題がある。

また、特許文献３に示した共通の整流器１台と複数の充電器を設けて時分割的に充電制御する方法によると、同時に複数の車両を充電できるようになるが、充電器は同時充電する車両の台数分が必要であり、各充電器の最大電流容量は直流電源の整流器の電流容量と等しい容量が必要となる。このため、同時充電する車両の台数が多い場合には、この構成ではコストが高くなるという課題がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、同時に複数車両を充電することができないという事態を回避することと、充電器の利用率が悪くなるという事態を抑制して、且つ低コストでこれらの課題を解決すること目的とする。

第１の発明は、電流制御が可能で且つ並列運転可能な複数の直流電源ユニットと、車両に接続して電流を供給するための複数の送電手段と、車両毎で充電開始と充電停止の操作を行う操作手段と、直流電源ユニットの複数の出力電路を複数の送電手段の任意の電路に割り当てるマトリックススイッチャと、直流電源ユニットの出力電流の大きさを個々に制御する電流制御手段と、マトリックススイッチャを制御するスイッチ制御手段を設け、スイッチ制御手段は、１台の直流電源ユニットが送電手段の２つ以上の電路に接続しないようにマトリックススイッチャを制御し、電流制御手段は、スイッチ制御手段が割り当てた直流電源ユニットを並列運転して合計出力電流が車両の蓄電池の充電に必要な電流値となるように制御するようにした。

第２の発明は、第１の発明において、充電の処理に必要な情報をそれぞれの車両との間で交換するための情報通信手段を備え、情報通信手段は、蓄電池に供給する充電電流の指示値と充電完了通知を任意の車両から取得するようにし、電流制御手段は、当該車両に割り当てられた直流電源ユニットの合計出力電流が指示値の電流になるように制御して充電完了通知を取得するまで充電電流を車両の指示に従って変化させながら供給するようにした。

第３の発明は、第２の発明において、電流制御手段は、任意の車両に割り当てられた１台以上の直流電源ユニットの中から指示値の電流を供給するに必要な最少台数のユニットを選択し、余剰となるユニットは停止状態になるようにして、選択した各ユニットが同一電流の出力になるように維持しながら合計出力電流が前記指示値に等しくなるように制御するようにした。

第４の発明は、第２の発明において、直流電源ユニットは、定電流源回路で構成して複数の直流電源ユニットが異なる電流を出力しながら並列運転できるようにし、電流制御手段は、任意の車両に割り当てられた1台以上の電源ユニットの中から指示値の電流を供給するに必要な最少台数のユニットを選択し、その中の１台のユニットだけが最大出力に満たない出力で運転し、他のユニットは最大出力運転状態を維持し、余剰となるユニットは停止状態にして、合計出力電流が指示値に等しくなるように制御するようにした。

第５の発明は、第３または第４の発明において、スイッチ制御手段は、電流制御手段の制御の過程において停止状態になった直流電源ユニットをその都度に送電手段から切り離すように制御するようにした。

第６の発明は、第５の発明において、電流制御手段は、任意の車両に割り当てられた１台以上の直流電源ユニットの合計最大出力電流よりも指示値の電流が大きい場合にスイッチ制御手段へユニット不足状態であることを示す信号を通知するようにし、スイッチ制御手段は、ユニット不足状態の信号を受信したら、余剰として切り離されている直流電源ユニットの存在を調べ、これが存在すれば当該車両の送電手段に接続するようにした。

第７の発明は、第５の発明または第６の発明において、情報通信手段が取得した充電電流の指示値、スイッチ制御手段が割り当てた直流電源ユニットの電流容量、およびその両者の比からなる電流供給利用率を計算して操作員に報知する報知手段と、操作員が意図して任意の車両に供給可能な最大電流容量を制限できるように送電手段毎に割り振る直流電源ユニットの最大容量を設定する設定手段を備えるようにした。

以上詳細に説明したように、本発明の充電装置によれば、マトリックススイッチャによって複数の車両に1台以上の直流電源ユニットを任意に割り当てて充電することが可能になるので、同時に複数車両を充電することができないという事態を回避し充電装置の利用率の向上を図ることができる。

また、１台で構成した大容量の直流電源ユニットを使用する標準的な充電装置に比べて、小容量化した複数の直流電源ユニットを並列運転して充電電流を得るようにし、任意の車両に割り当てられた1台以上の直流電源ユニットの中から指示値の電流容量の供給に必要な最少台数で運転するように制御することにより、蓄電池の充電電流特性が時間経過とともに減少する傾向のために生じる直流電源ユニットの余剰電流容量を小さくでき、停止したユニットを他の車両の充電に利用できるので充電装置としての利用率が悪くなるという事態を抑制し、利用率の向上を図ることができる。

更に、電力変換効率面のメリットとして、任意の車両の充電において、指示値の電流値に対して直流電源ユニットの出力電流容量が不足状態のときに、他の車両の充電過程で余剰として切り離された直流電源ユニットを当該車両の送電手段に自動的に接続して電流供給を増加することにより、充電装置全体の容量が許す範囲で複数車両の充電を最短時間で完了することができる。

更に、直流電源ユニットの接続および切断が必ずそのユニットの停止中に行われるため、マトリックススイッチャの接点は、接続時および切断時の電流遮断能力が不要となり、高価なスイッチ素子を使用する必要がないので装置の小型化と低コスト化が可能である。また、直流電源ユニットの容量は、充電装置全体の容量を充電可能な車両台数で按分した容量にすることができ、特許文献３に示した充電器のように装置全体の容量を必要としないため同時充電する車両の台数が多い場合にも低コストで実現できる。

更に、報知器で車両毎の最大電流容量、充電電流、および百分率電流供給利用率の値を表示することにより、充電の緊急度に照らし合わせて車両への直流電源ユニットの割り当てが適切であるかを操作員が判断できるようにする。直流電源ユニットが故障状態となった場合は、その直流電源ユニットを除外するように報知すれば、設定器により回路選択から除くことも可能となる。報知器操作員が必要と判断すれば優先度の低い車両の充電を中止して緊急度の高い車両へ直流電源ユニットを追加するように割り当てて充電電流を増加し、充電時間を短縮することが可能になる。加えて、設定器で車両毎の最大電流容量を定義できるため、充電の緊急度に応じて車両への充電電流容量を事前に調整して同時に充電できるようになる。

本発明の構成を説明する機能ブロック図

本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明は、例えば図１に示すように構成された充電装置１に適用されるが、直流電源ユニットと送電手段の数量については任意に構成することができる。

この充電装置１は、電流制御が可能で且つ並列運転が可能な例えば充電装置全体の総供給電流の１／３の容量の３台の直流電源ユニット２ａ，２ｂ，２ｃがそれぞれ出力電路に接続され、出力電路は３×３接点からなるマトリクススイッチャ４を介して送電手段３ａ，３ｂ，３ｃと接続されて３台の電気自動車１１に接続されている。このマトリクススイッチャ４は、有接点形式、無接点形式のいずれで構成してよい。
電気自動車１１は、送電手段３から蓄電池の充電電流の供給を受け、車両の通信機能により充電電流の指示値と充電完了のタイミングを充電装置１の情報通信器８に通知する。

操作器４は、任意の車両に充電開始の操作を行ってその指令をスイッチ制御器７に通知する。スイッチ制御器７は、当該車両１１に直流電源ユニット２を割り当てるためにマトリックススイッチャ４を切り替えてから電流制御器６に電流供給開始の指令を通知する。

例えば車両１１ａに充電を開始する場合には、スイッチ制御器７は送電手段３ａに接続するマトリックススイッチャの５ａ，５ｂ，５ｃの接点中から次のルールに従って接点を選択してオンする。スイッチ制御器７は、１台の直流電源ユニット２が１台の車両だけに電流を供給するように、当該ユニットに接続される３つの接点のうちの複数が同時にオンにならないようにする。本例の場合は、直流電源ユニット２ａに接続する縦方向の接点５ａ，５ｄ，５ｇがすべてオフの状態であれば接点５ａをオンし、同様に直流電源ユニット２ｂと２ｃについても縦方向の３つの接点がすべてオフであれば接点５ｂまたは５ｃをオンする。

車両毎の充電電流の指示値は情報通信器８で取得して電流制御器６に通知される。電流制御器６は、当該車両の電流指示値になるように、当該車両に割り当てられた直流電源ユニット２の中から次のルールに従って必要なユニットを決定する。例えば車両１１ａに充電を行うために３台の直流電源ユニット２ａ，２ｂ，２ｃが割り当てられている場合で説明すると、まず、指示値の電流の供給に必要な最少台数を求めるために、指示値の電流値を１台の直流電源ユニット２の最大出力電流値で除算して小数点以下を切り上げた値を算出する。この値が必要な最少台数となり、割り当てられているユニット２ａ、２ｂ、２ｃの中でアルファベット順に台数分を選択し、余剰のユニットを停止状態にする。

電流制御器６は、上述のルールで決定した直流電源ユニット２のそれぞれの出力電流を次のルールに従って決定し、各ユニットの出力電流の大きさを制御して並列運転する。第３の発明では、指示値の電流値を上記最少台数で均等に按分した値を各ユニットの電流値とする。第４の発明では、指示値が第１の直流電源ユニット２ａの最大電流未満であればこのユニットだけで指示値の電流を供給するようにし、そうでない場合にはこのユニットを最大出力電流にして、第２の直流電源ユニット２ｂでその不足分を賄うようにする。以下このように、指示値の電流の供給に必要なユニット台数の範囲内で各ユニットの電流値を設定し、１台だけが最大出力電流に満たない出力で運転してそれ以外のユニットは最大出力電流で運転するようにする。
直流電源ユニットの電流制御方式について、上述のように異なる２つのルールからなる方式を示したが、蓄電池の充電特性の相違や直流電流ユニットの電力変換効率特性によってその何れかを選択できる。第３の発明の方式は、定電流定電圧型の充電特性に適し、第４の発明の方式は、定電流型の充電特性に適する。また、直流電源ユニットの電力変換効率が出力電流値によって非直線的に変化する特性を有する場合には、複数のユニットで電流を供給すると電流値によっては第３の発明の方式と第４の発明の方式で総合効率の値に差異が生じることになる。ユニットにおける電力変換効率の対出力電流特性が既知であるならば、供給すべき出力電流値が決定した時点で両方式における複数ユニットの総合電力変換効率を求めることができ、効率が良い方式を選択することができる。

一般的に蓄電池の充電電流特性は、時間経過とともに充電電流が減少する特性を示すために、上述のルールに従って直流電源ユニット２の必要な台数と各ユニットの出力電流を決定しながら充電を実施すると、充電が進むにつれて停止する直流電源ユニット２が生じ、最終的に１台のユニットだけで電流を供給するようになる。蓄電池が満充電に近くなると車両１１から充電完了通知が通知され、情報通信器８がこれを受信して電流制御器６に通知する。

電流制御器６は、操作器４で充電停止の操作を行ったとき、または情報通信器８から充電完了を通知されたときに、当該車両１１に割り当てられている運転中の直流電源ユニット２の出力を停止して充電を完了する。また、電流制御器６は、充電途中に直流電源ユニット２が停止したらスイッチ制御器７に停止したユニットを通知する。スイッチ制御器７は、その通知を受けてマトリックススイッチャ５の該当する接点をオフにする。

本発明では、車両１１が指示する電流値の最大値、直流電源ユニット２の台数と最大出力電流値、マトリックススイッチャ５の接点回路数、および送電手段３の回路数は特に定めない。そのため、車両からの電流指示値に対し、選択した直流電源ユニット２の合計最大出力電流値が小さくなる可能性がある。このような場合、本発明では上述のルールに従うと、選択された直流電源ユニット２は最大出力電流を供給することになる。他の車両への充電が進行して余剰の直流電源ユニット２が生じたときには、充電電流が不足している車両に余剰の直流電源ユニット２を接続し、充電途中に充電電流を増加することが可能である。

第６の発明では、電流制御器６は、任意の車両１１に割り当てられた1台以上の直流電源ユニット２の合計最大出力電流よりも指示値の電流が大きい場合に、スイッチ制御器７へユニット不足状態を示す信号を通知する。スイッチ制御器７は、ユニット不足状態の信号を受信したら、どの送電手段３からも切り離されている余剰の直流電源ユニット２の存在を調べ、これが存在すれば当該車両の送電手段３に接続するようにマトリックススイッチャ５の当該接点をオンするように制御する。これにより直流電源ユニット２の自動的な最適配分が可能となり、充電装置全体の容量が許す範囲で複数車両の充電を最短時間で完了することができる。

また、車両１１が充電開始前に充電装置１から最大出力電流値の情報を取得し、その電流値の範囲で最適な充電電流特性を計算して電流指示値を充電装置１に通知する方法を採用する場合がある。この場合には、上述したルールによる処理の過程で、車両に割り当てた直流電源ユニット２の合計最大出力電流値が判明するため、充電開始時に情報通信器８でこの情報を車両１１に通知する。このような車両では、充電装置１の最大出力電流容量の範囲内で充電電流の指示値を算出するため、蓄電池が本来充電可能な電流値よりも小さい値を充電装置１に要求することがある。この場合、充電装置の最大出力電流で一定時間充電が継続される。このとき余剰の直流電源ユニット２が存在すれば、一旦充電を打ち切ってから充電をもう一度開始して余剰のユニットを加えて充電をやり直すことができる。蓄電池が本来充電可能な電流値に比べて充電装置１からの電流値が小さいときに、車両１１がこの情報を充電器に通知することができれば、充電装置１は、上述の一旦充電を打ち切ってから充電をもう一度開始する処理を自動で行う。

設定器１０は、送電手段３に割り当てる直流電源ユニット２の最大電流容量を予め設定できる。スイッチ制御器７は、設定器１０に最大電流容量が設定されている場合、直流電源ユニット２を割り当てるための接点選択に係る上述のルールに、接続する直流電源ユニットの合計電流容量が最大電流容量の設定値を超過するときはそれ以上ユニットを接続しないという判断を加える。また、第６の発明で余剰の直流電源ユニット２を追加するときにも同様の判断を加える。このようにすることにより、操作員が意図して任意の車両に充電する最大電流を制限できるようになり、他の車両の充電に供する直流電流ユニット２を確保できる。

報知器９は、車両毎について、情報通信器８が取得した充電電流の指示値、スイッチ制御器７が割り当てた直流電源ユニットの出力電流容量、およびその両者の比からなる電流供給利用率を操作員に数値表示して報知する。

１ 充電装置
２ 直流電源ユニット
３ 送電手段
４ 操作器
５ マトリックススイッチャ
６ 電流制御器
７ スイッチ制御器
８ 情報通信器
９ 報知器
１０ 設定器
１１ 車両

Claims (7)

1. 電気自動車に搭載された蓄電池を充電する充電装置において、電流制御が可能で且つ並列運転可能な複数の直流電源ユニットと、車両に接続して電流を供給するための複数の送電手段と、車両毎で充電開始と充電停止の操作を行う操作手段と、前記直流電源ユニットの複数の出力電路を複数の前記送電手段の任意の電路に割り当てるマトリックススイッチャと、前記直流電源ユニットの出力電流の大きさを個々に制御する電流制御手段と、前記マトリックススイッチャを制御するスイッチ制御手段を備え、前記スイッチ制御手段は、１つの前記直流電源ユニットが前記送電手段の２つ以上の電路に接続しないように前記マトリックススイッチャを制御し、前記電流制御手段は、前記スイッチ制御手段が割り当てた前記直流電源ユニットを並列運転して合計出力電流を車両の蓄電池の充電に必要な電流とするように制御することを特徴とする充電装置。
2. 充電の処理に必要な情報をそれぞれの車両との間で交換するための情報通信手段を備え、前記情報通信手段は、蓄電池に供給する充電電流の指示値と充電完了通知を任意の車両から取得するようにし、前記電流制御手段は、当該車両に割り当てた前記直流電源ユニットの合計出力電流が指示値の電流になるように制御して充電完了通知を取得するまで充電電流を車両の指示に従って、変化させながら供給することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記電流制御手段は、任意の車両に割り当てられた1台以上の前記直流電源ユニットの中から前記指示値の電流を供給するために必要な最少台数のユニットを選択し、余剰となる前記直流電源ユニットを停止状態にして、選択した前記直流電流ユニットの合計出力電流が前記指示値と同一電流の出力になるよう各直流電流ユニットの出力電流を同一に維持しながら、合計出力電流が前記指示値に等しくなるように制御することを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 前記直流電源ユニットは、定電流源回路で構成して複数の前記直流電源ユニットが異なる電流を出力しながら並列運転できるようにし、前記電流制御手段は、任意の車両に割り当てられた1台以上の前記直流電源ユニットの中から指示値の電流を供給するに必要な最少台数の前記直流電源ユニットを選択し、その中の１台の直流電源ユニットだけが最大出力に満たない出力で運転し、他の直流電源ユニットは最大出力運転状態を維持し、余剰となる直流電源ユニットは停止状態にして、合計出力電流が前記指示値に等しくなるように制御することを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
5. 
   前記スイッチ制御手段は、前記電流制御手段の制御の過程において停止状態になった前記直流電源ユニットをその都度、前記送電手段の電路から前記マトリックススイッチャにより切り離すように制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の充電装置。
6. 前記電流制御手段は、任意の車両に割り当てられた1台以上の前記直流電源ユニットの合計最大出力電流よりも指示値の電流が大きい場合に、前記スイッチ制御手段へ直流電源ユニット不足状態であることを示す信号を通知し、前記スイッチ制御手段は、直流電源ユニット不足状態の信号を受信したら、余剰として切り離されている直流電源ユニットの存在を調べ、これが存在すれば当該車両の送電手段に接続することを特徴とする請求項５に記載の充電装置。
7. 前記情報通信手段が取得した充電に必要な電流の指示値、前記スイッチ制御手段が割り当てた前記直流電源ユニットの電流容量、およびその両者の比からなる電流供給利用率を計算して操作員に報知する報知手段と、操作員が意図して任意の車両に充電する最大電流容量を制限できるように前記送電手段毎に割り振る前記直流電源ユニットの最大容量を設定する設定手段を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の充電装置。