JP2012019602A

JP2012019602A - 急速充電方法及び装置

Info

Publication number: JP2012019602A
Application number: JP2010155180A
Authority: JP
Inventors: Masato Imaizumi; 正人今泉; Takashi Imai; 尊史今井
Original assignee: JFE Engineering Corp; IKS Co Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp; IKS Co Ltd
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】外部蓄電池を充電するための充電用蓄電池の容量を減らして急速充電装置の費用を低減する。
【解決手段】外部蓄電池２０への充電が可能な蓄電池（急速充電用蓄電池１２、汎用蓄電池１４）を備えた急速充電装置１０を用いて外部蓄電池２０を充電する際に、前記蓄電池（急速充電用蓄電池１２、汎用蓄電池１４）に加えて、商用電源８を用いて充電する充電器（ＡＣ／ＤＣコンバータ１１）を、該蓄電池（急速充電用蓄電池１２、汎用蓄電池１４）と直列又は並列に接続して、外部蓄電池２０の充電に用いる。
【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の外部蓄電池に急速充電する際に用いるのに好適な、外部蓄電池を充電するための充電用蓄電池の容量を小さくして、急速充電装置の費用を低減することが可能な急速充電方法及び装置に関する。

充電装置側に電気２重層キャパシタやリチウムイオン蓄電池等の高出力密度電池を設け、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の外部蓄電池に急速充電する技術が考えられている。

例えば特許文献１には、常時は交流電源から整流器と充電器によって直流電力を得て設備用蓄電池を常時充電しておき、電気自動車等の負荷の二次電池からの充電要求時に蓄電池から該充電器によって直流電力を得ることで負荷の蓄電池を充電するようにして、設備用蓄電池の常時充電によって交流電源側に対する負荷の平滑化を図り、受電設備の小容量化及び送配電設備の効率良い利用を可能とすると共に、設備用蓄電池からは電気自動車等に対する急速充電によって短時間の手軽な充電サービスを得ることができるようにすること、及び、充電器を設備用蓄電池に対する常時充電と該蓄電池から電気自動車等の蓄電池への急速充電との制御に共用できるようにして、装置自体の設備効率を高めることが提案されている。

特開平５−２０７６６８号公報

しかしながら従来は、（１）設備用蓄電池が大容量で高価であり、（２）充電の早さが設備用蓄電池の放電性能及び充電器の性能により制限されるため、大容量且つ高性能な設備用蓄電池及び充電器が必要で更に高価となり、（３）低電流と大電流に対応した機能を有する充電器が必要であるため、充電器の高機能化により高価となる等の問題点を有していた。

このような問題点を解決するべく、図１に示す比較例の如く、設備用蓄電池を、外部蓄電池２０への急速充電が可能な急速充電用蓄電池１２と、汎用蓄電池１４の２段に分けて直列接続し、急速充電用蓄電池１２の出力電力に汎用蓄電池１４の出力電力を加算して、負荷となる外部蓄電池２０を急速充電すると共に、外部蓄電池２０を充電していないときに、商用電源８を電源とする共通のＡＣ／ＤＣコンバータ１１により、前記急速充電用蓄電池１２及び汎用蓄電池１４をそれぞれ補充電することが考えられる。

ここで、例えば外部蓄電池２０に充電するための電圧、電流を仮に４００Ｖ、１００Ａとする。急速充電用蓄電池１２の電圧が１００Ｖ、汎用蓄電池１４の電圧が３００Ｖとすると、両者を直列接続することにより、電圧は、外部蓄電池２０の充電に必要な４００Ｖになる。一方、電流は、直列接続であるから両者とも１００Ａである。従って、急速充電用蓄電池１２の必要容量は１００Ｖ×１００Ａ＝１０ＫＷ、汎用蓄電池１４の必要容量は３００Ｖ×１００Ａ＝３０ｋＷとなる。よって、特に高価な急速充電用蓄電池１２の容量は小さくできるが、汎用蓄電池１４の容量がかなり大きいものが必要になる。

即ち、急速な充放電が可能な蓄電池もしくはキャパシタ等が用いられ、高価である急速充電用蓄電池１２の電圧分担を１００Ｖに抑え、使用電池モジュール数を少なくして費用を抑えることができるが、一方、低価格で急速充放電ができないタイプを用いている汎用蓄電池１４に使用する電池モジュールの個数は多く必要であるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、外部蓄電池を充電するための充電用蓄電池の容量を小さくして、急速充電装置の費用を低減することを課題とする。

本発明は、外部蓄電池への充電が可能な蓄電池を備えた急速充電装置を用いて外部蓄電池を充電する際に、前記蓄電池に加えて、商用電源を用いて充電する充電器を、該蓄電池と直列又は並列に接続し、外部蓄電池の充電に用いるようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記充電器として、前記蓄電池を補充電するための充電器を用いることができる。

又、前記蓄電池として、外部蓄電池への急速充電が可能な急速充電用蓄電池と、該急速充電用蓄電池と直列接続された汎用蓄電池を用いることができる。

又、前記充電器が、前記急速充電用蓄電池と汎用蓄電池の両者を、それぞれ補充電可能とすることができる。

又、前記充電器が、外部蓄電池への充電時に、前記急速充電用蓄電池又は汎用蓄電池のいずれか一方の代わりに、又は、前記急速充電用蓄電池及び汎用蓄電池の両者と共に、外部蓄電池を充電するようにすることができる。

本発明は、又、外部蓄電池への充電が可能な蓄電池と、外部蓄電池への充電時に、該蓄電池と直列又は並列に接続される、商用電源を用いて充電する充電器と、を備えたことを特徴とする急速充電装置を提供するものである。

ここで、前記充電器を、前記蓄電池を補充電するための充電器とし、外部蓄電池への充電時に、該充電器を外部蓄電池に接続するための切換手段を備えることができる。

又、前記蓄電池が、外部蓄電池への急速充電が可能な急速充電用蓄電池と、該急速充電用蓄電池と直列接続された汎用蓄電池とを含むことができる。

本発明によれば、外部蓄電池を充電するための充電用蓄電池の容量を小さくして、急速充電装置の費用を低減することができる。

急速充電装置の比較例の構成を示すブロック図本発明の第１実施形態の基本構成を示すブロック図第１実施形態の詳細構成を示す回路図同じく制御の手順を示す流れ図同じく汎用蓄電池補充電時の回路を示す回路図同じく急速充電用蓄電池補充電時の回路を示す回路図同じく外部蓄電池急速充電時の回路を示す回路図同じく急速充電用蓄電池非使用充電時の回路を示す図本発明の第２実施形態の基本構成を示すブロック図同じく第３実施形態の基本構成を示すブロック図

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。

図１に示した比較例は、放電後の蓄電池１２、１４を再充電（補充電とも称する）するためにＡＣ／ＤＣコンバータ１１を有している。比較例では、このコンバータ１１は蓄電池の補充電のためにのみ使用されるものであった。

しかし、急速充電装置１０を用いて外部蓄電池２０を急速充電する動作を行っている間、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は不使用の状態になっている。そこで、本発明の第１実施形態では、図２に基本構成を示す如く、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１を汎用蓄電池１４と並列に接続し、両者を同時に外部蓄電池２０の急速充電に使用することにより、汎用蓄電池１４の設備容量を削減することができるようにしている。

図２においても、図１と同様に設備容量の数値例を記入しており、図１では、図２と比較して、汎用蓄電池１４の容量を３０ｋＷから３００Ｖ×５０Ａ＝１５ｋＷに削減することが可能である。なお、これらの数値は一例であり、必要あるいは入手可能な設備容量に応じて自由に選択可能である。

第１実施形態の具体的な構成を図３に示す。

本実施形態の急速充電装置１０は、図１に示した比較例と同様の、外部蓄電池２０への急速充電が可能な急速充電用蓄電池１２と、該急速充電用蓄電池１２と直列接続された汎用蓄電池１４と、該汎用蓄電池１４を商用電源８を用いて補充電するための充電器であるＡＣ／ＤＣコンバータ１１と、外部蓄電池２０への充電時に、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ１１を外部蓄電池２０に接続して、外部蓄電池２０を充電するための切換手段であるスイッチＳ１〜Ｓ４及び急速充電装置１０を外部蓄電池２０に接続するためのスイッチＳ５と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１に流れる電流を検出するための電流計Ｉ１と、汎用蓄電池１４に流れる電流を検出するための電流計Ｉ２と、急速充電用蓄電池１２の電圧を検出するための電圧計Ｖ１と、汎用蓄電池１４の電圧を検出するための電圧計Ｖ２と、前記電流計Ｉ１、Ｉ２、電圧計Ｖ１、Ｖ２の出力に基づいて前記スイッチＳ１〜Ｓ５を制御する監視制御装置１６と、を備えている。

以下、図４を参照して、実際に動作する場合の制御方法について説明する。

装置始動時、図３に示す初期設定を行う（ステップＳ１００）。これにより、各蓄電池１２、１４は接続が切り離される。

続いて、汎用蓄電池１４が補充電が必要かどうかを判定し（ステップＳ１０２）、必要であれば補充電を行う。具体的には、汎用蓄電池１４の端子解放時の電圧Ｖ２を計測し、予め設定された、補充電が必要かどうかを判定するための端子電圧（補充電必要電圧と称する）Ｖ２ｓより小さいかどうかを判定する（ステップＳ１０２）。Ｖ２がＶ２ｓ未満であった場合（ステップＳ１０２の判定結果Ｙｅｓ）は、図５に示す如く、スイッチＳ３をＯＮとして、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１による汎用蓄電池１４の補充電を行う（ステップＳ１０４）。ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電流は、予め決定された、汎用蓄電池１４の補充電に適した電流特性に従って、監視制御装置１６の指示により補充電が行われる。補充電の終了判定は、補充電時の電流Ｉ２を計測する。Ｉ２は補充電の進行とともに徐々に低下するので、Ｉ２が予め決定されたＩ２ｓ未満まで低下したら終了と判定し（ステップＳ１０６の判定結果Ｙｅｓ）、スイッチＳ３をＯＦＦとして、図３に示した初期状態に戻す（ステップＳ１０８）。

次に、急速充電用蓄電池１２の補充電の必要性を判定する。上記と同様に、急速充電用蓄電池１２の端子解放時の電圧Ｖ１を計測し（ステップＳ１１０）、Ｖ１が予め設定された補充電必要電圧Ｖ１ｓ未満であった場合は補充電を行い、Ｖ１ｓ以上であれば補充電を行わない。

具体的には、急速充電用蓄電池１２の電圧Ｖ１が設定電圧Ｖ１ｓより小さいと判定されるとき（ステップＳ１１０の判定結果Ｙｅｓ）は、ステップＳ１１２に進み、外部蓄電池２０が接続されているか否かを判定する（ステップＳ１１２）。ここで、外部蓄電池２０の接続の有無は、端子部分の接続の有無、ＣＡＮ通信等の通信手段等により判定する。あるいは、スイッチＳ５を開いた段階で、外部蓄電池２０を接続する端子電圧を計測（電圧計は図示せず）し、この電圧が予め決定された電圧以上であることを判定基準とすることもできる。

これらの方法により外部蓄電池２０が接続されていないと判定された時には、ステップＳ１１４に進み、図６に示すごとく、スイッチＳ１、Ｓ２を切換え、スイッチＳ４をＯＮとして、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１による急速充電用蓄電池１２の充電を行う（ステップＳ１１４）。ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１は、急速充電用蓄電池１２に適した電流となるように制御を行う。急速充電用蓄電池１２に適した電流の特性は、予め決定し、監視制御装置１６にプログラムしておく。

補充電の終了判定は、補充電時の電流Ｉ１を計測する（ステップＳ１１６）。Ｉ１は補充電の進行とともに徐々に低下するので、Ｉ１が予め決定されたＩ１ｓ未満まで低下したら終了と判定し（ステップＳ１１６の判定結果Ｙｅｓ）、スイッチＳ１、Ｓ２を切換え、スイッチＳ４をＯＦＦとして、図３に示した初期状態に戻す（ステップＳ１１８）。

なお、これらの補充電は、各蓄電池１２、１４の放電の程度により実施の必要性が決まるものであり、毎回実施する必要はない。全体の監視制御装置１６により各電池の解放時の電圧Ｖ１、Ｖ２を計測することにより、補充電の必要性が判断され、負荷である外部蓄電池２０に対する充電動作を行わない期間を利用して補充電を実施するものとする。

一方、ステップＳ１０２、１１０の判定結果がいずれも否で、汎用蓄電池１４及び急速充電用蓄電池１２が共に充分充電されていると判定されるときには、ステップＳ１２０で、ステップＳ１１２と同様の方法により、外部蓄電池２０が接続されているか否かを判定する。

ステップＳ１２０の判定結果が正である場合には、ステップＳ１２２に進み、図７に示す如く、スイッチＳ３、Ｓ４をＯＮとして、急速充電を行う。この際、汎用蓄電池１４だけでなく、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１による外部蓄電池２０への充電も行われるので、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１の容量分だけ、汎用蓄電池１４の容量を小さくすることができる。

急速充電が開始されると、充電の進行にともない外部蓄電池２０の電圧が上昇するので、急速充電を維持するための電圧を変更する必要がある。この方法は、例えば急速充電用蓄電池１２の電圧を変更する方法により行う（ステップＳ１３０）。充電に必要な電圧はＣＡＮ通信等の通信手段により外部蓄電池２０から要求を受け、その電圧に合わせることで行う。あるいは、充電電流Ｉ１＋Ｉ２を計測し、あらかじめ決定されている電流以下になったら電圧を上昇させる方法も可能である。なお、電圧調整の方法として、上述の方法の他に、汎用蓄電池１４の電圧を変更する方法も可能である。

また、充電の進行に従って、汎用蓄電池１４の電圧は徐々に低下するため、並列に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧をこれに合わせて変更する必要がある。このためには、定電圧定電流制御等の通常知られた方法を用いればよい。

次に、ステップＳ１１２の判定結果が正である場合、即ち、汎用蓄電池１４は容量が充分あるが、急速充電用蓄電池１２の残容量が不足している状態で、外部蓄電池２０が接続された場合、ステップＳ１２６に進み、図８に示すように、スイッチＳ１とＳ２を切換え、スイッチＳ３をＯＮとして、汎用蓄電池１４とＡＣ／ＤＣコンバータ１１が直列接続され、急速充電用蓄電池１２の代わりにＡＣ／ＤＣコンバータ１１を用いて外部蓄電池２０が充電されるようにする。この場合も図７の場合と同様、外部蓄電池２０の充電進行に合わせてＡＣ／ＤＣコンバータ１１の電圧を変更する（ステップＳ１３０）。この場合も図７同様に汎用蓄電池１４の電圧を変更する方法も可能である。

急速充電用蓄電池１２の補充電中、前述のように補充電終了判定のために、ステップＳ１１６で充電電流Ｉ１の大きさを判定するが、同時にステップＳ１１２で外部蓄電池２０の接続の有無を常時確認する。この理由は、急速充電用蓄電池１２の補充電中であっても、外部蓄電池２０が接続された場合（ステップＳ１１２の判定結果Ｙｅｓ）、直ちに図８に示した方法により外部蓄電池２０の充電を行う（ステップＳ１２６）ためである。

この場合、汎用蓄電池１４が流せる電流が図７の場合に比べて少ないため、充電速度は遅くなるが、急速充電用蓄電池１２が残容量不足により外部蓄電池２０に対する充電動作が実施不可能な状態であっても、充電動作が実施可能である。

図７、図８のいずれの方法によっても、外部蓄電池２０の充電が完了すれば（ステップＳ１３２の判定結果Ｙｅｓ）、装置全体の動作を終了し、スイッチＳ２を切断して（ステップＳ１３４）、最初の状態に戻す。改めて初期設定にて各蓄電池の補充電の必要性判断から開始する。

ステップＳ１３２で外部蓄電池２０の充電終了を判定する方法は、外部蓄電池側からＣＡＮ通信等による通信により判定する方法の他、Ｉ１＋Ｉ２により充電電流を計測し、Ｉ１＋Ｉ２が予め決められた値以下になる方法、充電が完了しない場合でも、あらかじめ充電時間を決定しておき、その時間が経過したら終了とする方法等が可能である。

以上説明した装置全体の制御は、図３等に示す監視制御装置１６にプログラムすることにより全自動で行うことができる。

本実施形態においては、急速充電用蓄電池１２の残容量が十分でなくても、図８に示す如く、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１を急速充電用蓄電池１２の代わりに用いて外部蓄電池２０を充電できるようにしているので、急速充電用蓄電池１２の補充電を待つことなく外部蓄電池２０を充電することができる。なお、図８の接続を行わず、急速充電用蓄電池１２の補充電が必要な場合には、外部蓄電池２０の充電を行わないようにすることも可能である。

次に、図９を参照して、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。本実施形態は、第１実施形態の急速充電用蓄電池１２の代わりに、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１８を汎用蓄電池１４と直列に接続して、外部蓄電池２０に接続するようにしたものである。

本実施形態においては、高価な急速充電用蓄電池を使用しないため、装置全体のコストを低く抑えることができる可能性がある。またＡＣ／ＤＣコンバータの仕様も、第１実施形態では、数値例によれば、出力電圧が１００Ｖから３００Ｖという広範囲の出力電圧を設定可能な仕様とする必要があったが、第２実施形態では、各々のＡＣ／ＤＣコンバータ１１、１８が独立しているために仕様が低減でき、低価格で実現できる可能性が高い。図９に記載した各設備の電圧電流容量は一例であるが、第１実施形態に比べて上述した小型化がなされていることがわかる。

さらに、第２実施形態の特徴として、急速充電用蓄電池の残量不足による動作不能状態が発生せず、装置の稼働率を向上することができる。

次に、図１０を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、第１実施形態の急速充電用蓄電池１２と並列に第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１８を接続したものである。この場合には、急速充電用蓄電池１２の容量が第１実施形態に比べて小さくできると同時に、第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１８の出力容量が第２実施形態に比べて小さくできるという特徴がある。また、蓄電池残量低下時の補充電も、汎用蓄電池１４を第１のＡＣ／ＤＣコンバータ１１で実施すると同時に、急速充電用蓄電池１２を第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１８で補充電することができ、補充電の時間を短縮できる。

更に、（１）急速充電用蓄電池１２が残量不足の場合には、汎用蓄電池１４、第１のＡＣ／ＤＣコンバータ１１および第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１８を用いて、（２）汎用蓄電池１４が残量不足の場合には、急速充電用蓄電池１２、第１のＡＣ／ＤＣコンバータ１１および第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１８を用いて、充電速度は低下するものの外部蓄電池２０の充電を継続することができる。

又、（３）汎用蓄電池１４および急速充電用蓄電池１２がともに残量不足となった場合にも、第１および第２のＡＣ／ＤＣコンバータ１１、１８のみで外部蓄電池２０の充電が可能である。

なお、前記の各蓄電池、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力容量は一例であり、装置の負荷となる外部蓄電池の容量、装置に要求される稼働率等を考慮の上、最適な数値を選定することが可能である。また、各蓄電池、ＡＣ／ＤＣコンバータをユニット化し、設備の要求仕様の変更に合わせて必要に応じて増／減設することも可能である。更に、蓄電池の段数は２段に限定されず、１段又は３段以上であっても良く、外部蓄電池もＥＶ用の車載蓄電池に限定されない。又、充電器もＡＣ／ＤＣコンバータに限定されない。

８…商用電源
１０…急速充電装置
１１、１８…ＡＣ／ＤＣコンバータ（充電器）
１２…急速充電用蓄電池
１４…汎用蓄電池
１６…監視制御装置
２０…外部蓄電池
Ｓ１〜Ｓ５…スイッチ（切換手段）

Claims

外部蓄電池への充電が可能な蓄電池を備えた急速充電装置を用いて外部蓄電池を充電する際に、
前記蓄電池に加えて、商用電源を用いて充電する充電器を、該蓄電池と直列又は並列に接続して、外部蓄電池の充電に用いることを特徴とする急速充電方法。
前記充電器として、前記蓄電池を補充電するための充電器を用いることを特徴とする請求項１に記載の急速充電方法。
前記蓄電池として、外部蓄電池への急速充電が可能な急速充電用蓄電池と、該急速充電用蓄電池と直列接続された汎用蓄電池を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の急速充電方法。
前記充電器が、前記急速充電用蓄電池と汎用蓄電池の両者を、それぞれ補充電可能とされていることを特徴とする請求項３に記載の急速充電方法。
前記充電器が、外部蓄電池への充電時に、前記急速充電用蓄電池又は汎用蓄電池のいずれか一方の代わりに、又は、前記急速充電用蓄電池及び汎用蓄電池の両者と共に、外部蓄電池を充電するようにしたことを特徴とする請求項３又は４に記載の急速充電方法。
外部蓄電池への充電が可能な蓄電池と、
外部蓄電池への充電時に、該蓄電池と直列又は並列に接続される、商用電源を用いて充電する充電器と、
を備えたことを特徴とする急速充電装置。
前記充電器が、前記蓄電池を補充電するための充電器であり、
外部蓄電池への充電時に、該充電器を外部蓄電池に接続するための切換手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の急速充電装置。
前記蓄電池が、外部蓄電池への急速充電が可能な急速充電用蓄電池と、該急速充電用蓄電池と直列接続された汎用蓄電池とを含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の急速充電装置。
前記充電器が、前記急速充電用蓄電池と汎用蓄電池の両者を、それぞれ補充電可能とされていることを特徴とする請求項８に記載の急速充電装置。
前記充電器が、外部蓄電池への充電時に、前記急速充電用蓄電池又は汎用蓄電池のいずれか一方の代わりに、又は、前記急速充電用蓄電池及び汎用蓄電池の両者と共に、外部蓄電池を充電するようにされていることを特徴とする請求項８又は９に記載の急速充電装置。