JP2013051846A - 電気車両用充電装置及び電気車両用充電システム - Google Patents

電気車両用充電装置及び電気車両用充電システム Download PDF

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Abstract

【課題】電気車両の種類に関わらず、ブレーカのトリップを回避しつつ充電電流を適切な値に調整する。
【解決手段】信号処理部10がパイロット信号のデューティ比を変更する場合、信号電圧をゼロボルトにすることでパイロット信号を一旦停止した後に、パイロット信号を変更したデューティ比で送信する。而して、パイロット信号が一旦停止された場合、全消費電流が定格電流を超える時間は信号処理部10がパイロット信号を停止するまでに要する時間のみとなり、電気自動車200における処理時間の影響を受けない。故に、電気自動車200の種類に関わらず、主幹ブレーカ40のトリップを回避しつつ充電電流を適切な値に調整することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車などの電気車両に充電するための電気車両用充電装置及び電気車両用充電システムに関する。
従来例として、例えば、特許文献１に記載されている充電装置がある。この充電装置は、バッテリ式フォークリフトを充電するためのものであり、ブレーカを介して工場内の設備電源に接続された電源コンセントに接続される電源コードを有している。また、充電装置には通信機能が搭載されており、設備電源に接続する他の充電装置との間で通信線を介して充電状態に関する情報を送受している。
この従来例では、設備電源に繋がれる充電装置全体で用いることが可能な電流値であるトータル電流制限値を任意の電流値に設定し、この値を基に各充電装置で使用する電流は各々の充電装置が自動的に、他の充電装置の充電状況を確認したうえで設定するようになっている。このため、電気車両(バッテリ式フォークリフト)の充電時に充電装置で消費される電力が、充電装置に電源供給を行う設備電源の電源容量を考慮することなく、適切に設定される。故に、使用者は、設備電源の電源容量を増設することなく、また電源に繋がれる充電装置で使用中の電流量を気にすることなく、電気車両への充電を良好に行うことが可能となる。
特開２００３−３３３７０６号公報
ところで、ブレーカは、通常、過負荷電流(＜短絡電流)が流れると直ちにトリップ(引き外し動作)するのではなく、過負荷電流が継続して所定時間(引き外し動作時間)以上流れ続けた場合にトリップするように構成されている。したがって、特許文献１記載の従来例のように、トータルの電流値が常時制限値を越えないように制御することは、ブレーカをトリップさせないための必須条件ではない。
つまり、引き外し動作時間未満であれば、過負荷電流が流れてもブレーカはトリップしないので、過負荷電流が流れた時点から引き外し動作時間が経過するまでに充電電流を減らせば、ブレーカのトリップを回避することができる。
しかしながら、電気自動車のように充電電流の制御を電気車両側で行う場合、充電装置が充電電流を減らすように電気車両に指示してから、実際に電気車両側で充電電流を減少させるまでに相当の遅延時間が生じる。しかも、この遅延時間は電気車両の種類(電気自動車の車種)毎に異なっている場合が多いので、あらゆる種類の電気車両に対して、ブレーカのトリップを回避するように充電電流を調整させることは非常に難しい。
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、電気車両の種類に関わらず、ブレーカのトリップを回避しつつ充電電流を適切な値に調整することを目的とする。
本発明の電気車両用充電装置は、ブレーカと電気車両との間に挿入され、前記電気車両に対して充電電流の上限値を指示する電気車両用充電装置において、前記電気車両との間で電圧信号によって前記上限値の情報を伝送する伝送手段と、前記ブレーカに流れる電流の電流値に応じて前記上限値を調整する調整手段とを備え、前記調整手段は、前記上限値を下げる場合、前記電圧信号を一旦停止した後に、調整後の前記上限値の情報を前記伝送手段から前記電気車両に伝送することを特徴とする。
本発明の電気車両用充電システムは、前記電気車両用充電装置と、前記ブレーカに流れる電流を監視し、前記電流が前記ブレーカの定格電流を越えた場合に前記上限値を下げるように前記調整手段に指示する電力監視装置とを有することを特徴とする。
本発明の電気車両用充電装置及び電気車両用充電システムは、電気車両の種類に関わらず、ブレーカのトリップを回避しつつ充電電流を適切な値に調整することができるという効果がある。
本発明に係る電気車両用充電装置及び電気車両用充電システムの実施形態を示すブロック図及びシステム構成図である。 (ａ)，(ｂ)は同上における動作説明図である。 同上における電気車両用充電装置の基本的な充電動作を説明するためのタイムチャートである。 同上の別の動作説明図である。
以下、戸建の住宅に設置され、電力系統から供給される電力を利用して電気自動車に充電するための電気車両用充電装置(以下、充電装置と略す。)及びそのシステムに本発明の技術思想を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、電気車両は電気自動車に限定されず、例えば、従来技術で説明したようなバッテリ式フォークリフトなどであっても構わない。
図１に示すように、住宅には電力系統100から単相３線式の交流電力が住宅用分電盤(住宅盤)４を介して供給される。住宅盤４は１次側が電力系統100と接続される主幹ブレーカ40と、主幹ブレーカ40の２次側に分岐接続される複数の分岐ブレーカ41とを有している。ただし、主幹ブレーカ40の１次側にリミッタ(電流制限器)が挿入される場合もある。なお、図示は省略するが、各分岐ブレーカ41の２次側に屋内配線を介してコンセントや負荷(照明器具や電磁調理器、エアコンディショナなど)が接続される。
本実施形態の電気車両用充電システムは、図１に示すように充電装置１と電力監視装置２を有している。
電力監視装置２は、制御部20、電流計測部21、通信部22などを備える。電流計測部21は、主幹ブレーカ40の１次側に接続される３本の電灯線のうちの中性線以外の２本の電灯線に流れる電流をそれぞれ電流センサ210，211を用いて計測し、それぞれの計測値を制御部20に出力する。制御部20はマイクロコンピュータを主構成要素とし、電流計測部21で計測される電流値と主幹ブレーカ40の１次側電圧(入力電圧)の計測値(電圧値)とに基づいて、電力系統100から供給される電力(供給電力)の瞬時値や積算値などを演算している。また通信部22は充電装置１との間で通信を行うものであって、例えば、RS485規格に準拠したシリアル通信を行う。ただし、通信部22の通信方式はRS485規格に限定されるものではなく、電力線搬送通信や無線通信(例えば、小電力無線通信等)などであっても構わない。
充電装置１は、信号処理部10、零相変流器11、漏電検出部12、開閉部13、通信制御部14、充電ケーブル15、充電コネクタ16などを備える。また充電装置１は、電気自動車200の駐車スペース(車庫)に近い場所に設置され、住宅盤４の分岐ブレーカ41で分岐された分岐回路の一つ(図１では下段右端の分岐ブレーカ41)に接続される。充電ケーブル15は、電気自動車200への供給電流(充電電流)が流れる給電線150と、後述するパイロット信号が伝送される伝送線151とが絶縁シースで被覆されてなり、先端部分に充電コネクタ16が設けられている。充電コネクタ16は、電気自動車200の車体に設けられている差込口(インレット)に挿抜自在に差込接続される。そして、充電コネクタ16が差込口に差込接続されると、電力系統100から住宅盤４及び充電装置１を介した電力(充電電力)の供給と、充電装置１の信号処理部10と電気自動車200の充電用ECU(電子制御ユニット)との間のパイロット信号の伝送とが可能になる。
開閉部13は、分岐ブレーカ41から給電線150までの給電路に挿入される電磁リレー(図示せず)を有し、信号処理部10からの指示に応じて電磁リレーをオン・オフすることで前記給電路を開閉する。漏電検出部12は、給電路に流れる不平衡電流を零相変流器11で検出し、当該不平衡電流の検出レベルがしきい値を超えた場合に漏電が生じていると判断し、開閉部13を制御して給電路を開成させる。通信制御部14は、電力監視装置２の通信部22との間で通信(RS485規格のシリアル通信)を行う機能(通信機能)と、後述するように電気自動車200に供給される充電電流を調整する機能(調整機能)とを有している。このような通信制御部14は、マイクロコンピュータ及びシリアル通信用の集積回路などで構成される。なお、電力監視装置２では、充電装置１を介して電気自動車200に供給される電流(充電電流)を電流センサ212で計測している。
ここで、図３のタイムチャートを参照して充電装置１の基本的な充電動作を説明する。まず、時刻t0に充電コネクタ16が電気自動車200の差込口に接続されると、信号処理部10から所定の電圧V1(例えば、V1=12ボルト)が伝送線151に印加される。そして、伝送線151に印加される電圧がコントロールパイロット(CPLT)信号(以下、パイロット信号と略す。)の伝送媒体となり、その電圧レベル及びデューティ比に応じて、後述するように充電用ECUと信号処理部10との間で種々の情報が授受される。
充電用ECUは、電圧V1のパイロット信号を検知すると、パイロット信号の電圧レベルをV1からV2(例えば、V2=９ボルト)に降圧する(時刻t1〜t2)。信号処理部10は、パイロット信号がV1からV2に低下したことを検出すると、所定周波数(例えば１キロヘルツ)のパルス状のパイロット信号を出力する(時刻t2〜)。当該パイロット信号の信号レベルは±V1であるが、上限レベルはV2に降圧されている。パイロット信号のデューティ比は、充電電流の上限値(充電装置１の電流容量)を示し、充電装置１毎に予め設定されている。例えば、電流容量が12アンペアの場合にはデューティ比が20％、電流容量が30アンペアの場合にはデューティ比が50％に設定される。充電用ECUは、パイロット信号のデューティ比を検知して電流容量を認識すると、パイロット信号の電圧レベルをV2からV3(例えば、６Ｖ)に降圧する(時刻t3)。信号処理部10は、パイロット信号の信号レベルがV2からV3に低下したことを検知すると、開閉部13を閉成して充電電力の供給を開始する。
充電用ECUは電流容量に基づいて蓄電池の充電レベルを目標レベルまで充電するための電流値(≦電流容量)を設定し、電気自動車200に搭載されている充電器(図示せず)に充電指令を出力する。充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する(時刻t3〜)。充電用ECUは、蓄電池の充電レベルが目標レベルに達すると、充電器に充電終了指令を出力して蓄電池への充電を終了し、パイロット信号の電圧レベルをV3からV2に復帰させる(時刻t4)。充電器は、充電終了指令を受信すると蓄電池の充電を終了する。
信号処理部10は、パイロット信号がV3からV2に変化したことを検出すると、開閉部13を開成して交流電力の供給を停止する。充電用ECUは、パイロット信号の電圧レベルを当初のV1に復帰させる(時刻t5)。信号処理部10は、パイロット信号の電圧レベルがV1に復帰すると、所定周波数の発振を停止してパイロット信号の電圧レベルをV1に維持して待機状態に戻る(時刻t6)。
上述のように充電装置１は、電気自動車200への充電電力の供給を入切するとともに電気自動車200の充電用ECUに対して充電電流の上限値を指示することで電気自動車200に搭載されている蓄電池の充電を制御している。
ところで、電気自動車200の充電には、通常、十数アンペア〜数十アンペア程度の大きな充電電流が必要とされる。一方、通常の住宅では、主幹ブレーカ40(リミッタが設置されている場合はリミッタと主幹ブレーカ40)の定格電流が30アンペア〜60アンペア程度に設定されている。したがって、電磁調理器やエアコンディショナのように消費電流の大きい負荷機器が使用されているときに電気自動車200を充電する場合、充電装置１に予め設定されている上限値まで充電電流が流れると、主幹ブレーカ40やリミッタがトリップしてしまう虞がある。
そこで電力監視装置２の制御部20は、主幹ブレーカ40に流れる電流(全消費電流)が定格電流を超えた場合、充電電流の上限値を、現在の充電電流の電流値から全消費電流と定格電流の差を差し引いた電流値とする指令(調整指令)を通信部22から送信させる。なお、全消費電流は、充電電流と負荷機器の消費電流(負荷消費電流)の総和である。ただし、制御部20は、電流計測部21で計測される充電電流(電流センサ212で検出される電流)がほぼゼロとみなせる場合、電気自動車200で充電が行われていないと判断して上限値の調整指令の通知を行わない。
充電装置１においては、電力監視装置２から送信される前記調整指令を受信した通信制御部14が、信号処理部10に対して充電電流の上限値を調整指令で指示された上限値以下とするように指示する。そして、信号処理部10は通信制御部14からの指示を受けると、パイロット信号のデューティ比を減少させる。例えば、充電ケーブル15の電流容量が20アンペアである場合、当初50％であったデューティ比が40％〜20％に減少され、結果的に充電電流の上限値が当初の20アンペアよりも低い値(例えば、10アンペア)に調整されることになる。
電気自動車200の充電用ECUは、調整後の上限値に基づいて再度充電電流の電流値を設定して充電器に充電指令を出力する。当該充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した新たな電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する。その結果、電気自動車200に供給される充電電流が減少するので、全消費電流が主幹ブレーカ40の定格電流を超えてしまうことが回避できる。
しかしながら、従来技術で説明したように、充電装置１が充電電流を減らすように電気自動車200に指示してから、実際に電気自動車200側で充電電流を減少させるまでに相当の遅延時間が生じる。例えば、図２(ｂ)に示すように通信制御部14が調整指令を受信してからパイロット信号のデューティ比を変更するまでにT2時間を要し、電気自動車200がパイロット信号に応じて充電電流を減少させるまでにT3時間を要するとすれば、T1時間(=T2+T3)の遅延が生じる。その結果、主幹ブレーカ40には少なくともT1時間継続して過負荷電流が流れるので、遅延時間T1が引き外し動作時間を越えると主幹ブレーカ40がトリップしてしまう虞がある。しかも、電気自動車200の車種によってパイロット信号のデューティ比を変更するまでに要する時間T2が異なっている場合が多い。
そこで本実施形態では、調整指令に応じて信号処理部10がパイロット信号のデューティ比を変更する場合、信号電圧をゼロボルトにすることでパイロット信号を一旦停止した後(T5時間経過後)に、パイロット信号を変更したデューティ比で送信する(図２(ａ)参照)。電気自動車200の充電用ECUは、パイロット信号が停止すると直ちに充電器に充電を中止させ、T5時間経過後にパイロット信号を受信すると、調整後の上限値に基づいて再度充電電流の電流値を設定して充電器に充電指令を出力する。当該充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した新たな電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する。この場合、充電用ECUがパイロット信号を受信してから充電電流を再開するまでにT6時間を要する。
而して、上述のようにパイロット信号が一旦停止された場合、全消費電流が定格電流を超える時間は信号処理部10がパイロット信号を停止するまでに要する時間T4のみとなり、電気自動車200における処理時間T3の影響を受けない。故に、本実施形態の充電装置１によれば、電気自動車200の種類に関わらず、主幹ブレーカ40のトリップを回避しつつ充電電流を適切な値に調整することができる。
ところで、充電装置１から電気自動車200への充電を開始する際、充電電流の上限値が充電装置１の電流容量から決められた値(以下、基本上限値と呼ぶ。)に設定された場合、負荷消費電流の電流値によっては、充電開始直後に全消費電流が定格電流を超えてしまう虞がある。そこで、充電開始時においては、基本上限値よりも低い上限値から基本上限値まで徐々に上限値を上げるように、信号処理部10がパイロット信号のデューティ比を一定の比率で増加させることが好ましい(図４参照)。そして、上限値の上昇途中で全消費電流が定格電流を超えてしまった場合、信号処理部10は、電力監視装置２からの指示に応じて、上限値を下げるようにパイロット信号のデューティ比を調整する。
上述のようにブレーカと電気車両との間に挿入され、前記電気車両に対して充電電流の上限値を指示する電気車両用充電装置において、前記電気車両との間で電圧信号によって前記上限値の情報を伝送する伝送手段と、前記ブレーカに流れる電流の電流値に応じて前記上限値を調整する調整手段とを備え、前記調整手段は、充電開始時において前記上限値を徐々に上昇させることが好ましい。このようにすれば、充電開始時におけるブレーカ(主幹ブレーカ40)のトリップを確実に回避することができる。
１ 電気車両用充電装置
10 信号処理部(伝送手段、調整手段)
14 通信制御部(調整手段)
40 主幹ブレーカ(ブレーカ)
200 電気自動車(電気車両)

Claims (2)

  1. ブレーカと電気車両との間に挿入され、前記電気車両に対して充電電流の上限値を指示する電気車両用充電装置において、前記電気車両との間で電圧信号によって前記上限値の情報を伝送する伝送手段と、前記ブレーカに流れる電流の電流値に応じて前記上限値を調整する調整手段とを備え、前記調整手段は、前記上限値を下げる場合、前記電圧信号を一旦停止した後に、調整後の前記上限値の情報を前記伝送手段から前記電気車両に伝送することを特徴とする電気車両用充電装置。
  2. 請求項１の電気車両用充電装置と、前記ブレーカに流れる電流を監視し、前記電流が前記ブレーカの定格電流を越えた場合に前記上限値を下げるように前記調整手段に指示する電力監視装置とを有することを特徴とする電気車両用充電システム。
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