JP2013090459A - 電気自動車用充電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気自動車用の充電装置であって、供給電圧の低下、ACDCコンバータの停止、供給電圧の回復、ACDCコンバータの再開というハンチング現象が長く繰り返されることを防止するとともに、一時的な電圧降下である場合には、充電動作を保持し、ハンチング現象が終わった後に充電を継続する。
【解決手段】充電装置10は、外部電源93が供給する交流電力を直流電力に変換してバッテリに出力するACDCコンバータ13と、ACDCコンバータ13を制御するコントローラ18を備える。コントローラ18は、ACDCコンバータ13が受ける外部電源電圧がACDCコンバータ13の駆動下限値を下回り再び回復するハンチング現象が繰り返された場合に、当該現象の繰り返し数をカウントし、カウント数が予め定められた回数閾値に達した場合には充電処理を終了する。
【選択図】図2
【解決手段】充電装置10は、外部電源93が供給する交流電力を直流電力に変換してバッテリに出力するACDCコンバータ13と、ACDCコンバータ13を制御するコントローラ18を備える。コントローラ18は、ACDCコンバータ13が受ける外部電源電圧がACDCコンバータ13の駆動下限値を下回り再び回復するハンチング現象が繰り返された場合に、当該現象の繰り返し数をカウントし、カウント数が予め定められた回数閾値に達した場合には充電処理を終了する。
【選択図】図2
Description
本発明は、外部の電源を使って車載のバッテリを充電する装置に関する。特に、電気自動車に搭載された、車輪駆動モータ用の高電圧大容量バッテリを充電する装置に関する。
外部電源の電力供給能力が十分でないと、充電装置の入力端に供給される電圧が下がり、充電装置が機能しなくなる場合がある。ここで、外部電源とは、典型的には、各家庭に供給されている商用電源である。例えば、コンセントと充電装置の間に長いケーブルが介在すると、ケーブルのインピーダンスの影響により電圧降下が生じる。供給される電圧が充電装置の駆動下限値を下回ると充電装置が機能しなくなる。そこで、例えば特許文献1には、電源からバッテリまでの充電経路のインピーダンスを推定し充電が正常に行われるか以下を判断する技術が提案されている。
外部電源の電力供給能力の不足(一例は、上述したように、電力供給能力がケーブルインピーダンスの増加に耐えられない場合)が原因で電圧降下が生じる場合、充電装置の入力端の電圧が充電装置(具体的にはACDCコンバータ)の駆動下限値を下回り次いで再び回復するハンチング現象が繰り返されることになる。ハンチング現象は詳しくは次の通りである。充電装置に供給される電圧がACDCコンバータの駆動下限値を下回るとACDCコンバータが停止する。ACDCコンバータが停止すると電流を引き込まなくなるので、充電装置入力端の電圧は回復する。電圧がACDCコンバータの駆動下限値を上回る程に回復すると、ACDCコンバータは再び作動する。ACDCコンバータが作動すると再び電圧降下が発生する。そのようなハンチングはずっと繰り返されるので、そのような場合には充電装置は動作を停止した方がよい。
他方、電圧降下が生じる原因はインピーダンスによるものだけではない。何らかの原因で一時的な電圧降下が生じることもある。電圧降下が一時的なものであってすぐに回復するのであれば、充電装置はそのまま待機し、電圧降下が収まった後に充電を継続する方がよい。本明細書が開示する技術は、供給電圧のハンチング現象が長く繰り返されることを防止するとともに、一時的な電圧降下(少数回のハンチング)である場合には、充電動作を保持し、電圧降下が収まった後に充電を継続する充電装置を提供する。
本明細書が開示する技術は、外部電源が供給する電力で車載のバッテリを充電する充電装置に具現化される。その充電装置は、外部電源が供給する交流電力を直流電力に変換してバッテリに出力するACDCコンバータと、ACDCコンバータを制御するコントローラを備える。コントローラは、ACDCコンバータが受ける外部電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値を下回り再び回復するハンチング現象が繰り返された場合に、当該現象の繰り返し数をカウントし、カウント数が予め定められた回数閾値に達した場合には充電処理を終了する。ここで、「ACDCコンバータが受ける外部電源電圧」とは、ACDCコンバータの入力端に加えられる外部電源電圧を意味する。また、「外部電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値を下回る」とは、外部電源と充電装置との間の電気的接続が遮断されることを含む。典型的にはEVSE(後述)の交流リレーが開放されることを含む。
前述したように、ハンチング現象は、典型的には、ACDCコンバータが受ける外部電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値よりも低下し、それによってACDCコンバータが停止し、それによって外部電源電圧が駆動下限値よりも上昇し、それによってACDCコンバータが再開するサイクルである。そのようなサイクルが繰り返された場合に、コントローラはそのサイクルの繰り返し数をカウントし、カウント数が予め定められた回数閾値に達した場合に充電処理を終了する。
回数閾値には、例えば10回が設定される。即ち、上記の充電装置は、電圧の降下と回復のサイクルが10回未満であれば、充電を再開するが、サイクルが10回繰り返されると自身を終了し、それ以上にハンチング現象が起こらないようにする。本明細書が開示する充電装置は、一時的な電圧降下であればバッテリへの充電を継続することができ、その一方で、電源の電力供給能力不足が原因でハンチングが長く繰り返されることは防止する。
電気自動車(ハイブリッド車含む)用の充電インターフェイスは、SAE(Society of Automotive Engineers:米国自動車技術者協会)のJ1772で規格化されている。その規格によると、外部電源と充電装置(ACDCコンバータ)の間に接続されるEVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)と呼ばれるデバイスが定義されている。EVSEは、外部電源が供給可能な電流容量を自動車伝える信号出力や、自動車が離れたときに電力供給を停止するインターロック機構を備えたデバイスである。また、SAE−J1772は、EVSEと充電装置との間の通信プロトコルを規定しており、通信線の一つにパイロット信号と呼ばれる信号がある。パイロット信号は、EVSEから充電装置へ向けて、外部電源が供給可能な電流容量を伝える。別言すれば、パイロット信号は、外部電源が供給可能な電流容量を表す。なお、パイロット信号を伝える通信線は、双方向通信が可能であるように規定されており、充電装置からEVSEへ、電力供給開始を指令することもできる。その意味では、パイロット信号線は、コントロールパイロット線と呼ばれている。
本明細書が開示する充電装置のコントローラも、上記SAE−J1772の規格に準拠していることが好ましい。その場合、コントローラは、EVSEが出力するパイロット信号に基づいて、外部電源の電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値よりも低下したことを検知することができる。
カウント数が予め定められた回数閾値に達し、充電装置が終了したことのログ(記録)が残っていると後のメンテナンスに有用である。そこで、充電装置のコントローラは、カウント数が予め定められた回数閾値に達したことを不揮発メモリに記憶しておくのがよい。
図面を参照して実施例の電気自動車100を説明する。図1に、電気自動車100の充電系の模式図を示す。図2に充電系のブロック図を示す。ここで、充電系とは、外部電源からバッテリまでの電力の流れを規定するデバイス群を意味する。なお、図1と図2は、本発明の説明に必要なデバイスのみを示しており、電気自動車が有する全てのデバイスを示してはいないことに留意されたい。
図1を参照して充電系の概要を説明する。電気自動車100は、モータ3によって走行する1モータの自動車である。電気自動車100は、高出力大容量のバッテリ4を搭載しており、そのバッテリ4の直流電力をインバータ2が交流電力に変換し、モータ3へ供給する。バッテリ4は、車両減速時の運動エネルギを利用した回生電力によって充電することもできるが、外部電源(商用100V電源93)から充電することもできる。
外部電源93からの充電は、EVSE8を通して行う。EVSE8は、家庭用の交流100Vコンセント92にプラグ91を差し込み、外部電源93から電力を取得する。なお、図2ではコンセント92とプラグ91の図示は省略している。EVSE8からはケーブル7が伸びており、その先端に充電プラグ6が取り付けられている。充電プラグ6を車両100のコネクタ5に差し込み、EVSE8を介して外部電源93から車両100へ電力を供給する。電気自動車100には外部電源93が供給する交流電力を直流電力に変換してバッテリに出力する充電装置10が備えられている。
図2を参照して充電系を詳しく説明する。なお、図2において、コネクタ5よりも右側が電気自動車100に搭載されたデバイスを表しており、充電プラグ6よりも左側は、車両の外部に相当する。EVSE8は、漏電検知器8a、交流リレー8b、及び、制御回路8cを備える。交流リレー8bは、外部電源93と車両100を接続したり切断するスイッチである。交流リレー8bは、制御回路8cによって制御される。漏電検知器8aが漏電と検知すると、制御回路8cは交流リレー8bを開放する。すなわち、外部電源93を充電装置10から切り離す。制御回路8cは、ケーブル7を介してパイロット信号を充電装置10に送る。図の「CPLT」は、コントロールパイロット信号線(以下、CPLT線)を示しており、この線を通じてパイロット信号が送られる。CPLT線は双方向通信が可能である。詳しくは後述する。
EVSE8から電力を受ける充電装置10は、ACDCコンバータ13と整流回路17を備える。EVSE8から供給された交流電力は、ACDCコンバータ13によって直流電力に変換される。例えば、ACDCコンバータ13は、入力される商用100V交流電力を、バッテリ4の電圧である直流300[V]に変換する。直流電力は、整流回路17によって整えられ、バッテリ4へ供給される。ACDCコンバータ13の入力側には交流電圧を計測する第1電圧センサ12が備えられており、ACDCコンバータ13の出力側には直流電圧を計測する第2電圧センサ15が備えられている。また、整流回路17の入力側と出力側にそれぞれ電流平滑化のためのコンデンサ14、16が接続されている。電圧センサ12、15のセンサデータは充電コントローラ18に送られる。充電コントローラ18は、電圧センサのセンサデータやCPLT信号に基づき、ACDCコンバータ13と整流回路17を制御する。ACDCコンバータ13は多数のスイッチング回路を備えており、充電コントローラ18はそれらスイッチング回路に対するスイッチング指令(PWM信号)を与える。別言すると、充電コントローラ18はACDCコンバータ13の作動と停止を切り換えることができる。例えば、デューティ比ゼロ(あるいはデューティ比1)のPWM信号を与えると、ACDCコンバータ13は出力ゼロを保持する。
充電コントローラ18はまた、CPLT線を介して、EVSE8に指令を与えることもできる(後述)。さらに、充電コントローラ18は、車両のシステムメインリレー31を制御したり、バッテリ4の充電状態(SOC:State Of Charge)や結果を不揮発性メモリ19に記憶させたりする。なお、システムメインリレー31とは、バッテリ4を電力系に接続したり切り離したりするスイッチである。
バッテリ4はシステムメインリレー31を介してインバータ2にも接続されている。インバータ2は昇圧回路2aと交流生成回路2bを備えており、モータコントローラ2cが、それらのデバイスが有するスイッチング回路へ指令(PWM信号)を与える。
パイロット信号のプロトコルを概説する。EVSE8(制御回路8c)は、外部電源93が接続されると、CPLT線の電位を電圧V3[V](典型的には12[V])に上げる。充電装置10(充電コントローラ18)は、CPLT線の電位を監視しており、電位が電圧V3[V]に上がったことを検知して、EVSE8から電力供給を受けられることを知る。充電コントローラ18は、受けることができる電流の値を知るために、CPLT線の電位を電圧V2[V](典型的には9[V])に下げる。EVSE8(制御回路8c)は、CPLT線の電位が電圧V2[V]に下がったことを検知すると、外部電源93の電圧と電流をチェックして供給可能な電流容量を特定し、充電コントローラ18へ伝える。具体的にはEVSE8は、CPLT線にパルス波を出力する。このとき、パルス波のデューティ比が供給可能電流容量を示す。充電装置10は、CPLT線のパルス波をモニタし、供給可能電流容量を知る。充電の準備が整ったら、充電装置10は、システムメインリレー31を閉じる(即ち、充電装置10とバッテリ4を接続する)とともに、CPLT線の電位を電圧V1[V](典型的には6[V])に下げる。CPLT線の電位を電圧V1[V]に下げることは、EVSE8に対して、給電開始を指示することを意味する。EVSE8は、CPLT線の電位が電圧V3[V]に下がったことを検知すると、交流リレー8bを閉じる。こうして、外部電源93と充電装置10が電気的に接続され、給電が開始される。パイロット信号のプロトコルは、SEA−J1772で規定されているので詳しくはそちらを参照されたい。
充電装置10のACDCコンバータ13が作動し、電流を引き込み始めるとACDCコンバータ13の入力端の電圧(外部電源電圧)が降下する。外部電源93の電力供給能力が低い場合、例えば、ケーブル7が長くてインピーダンスが高い場合、外部電源電圧は、ACDCコンバータ13の駆動下限値を下回ることがある。外部電源電圧が駆動下限値を下回ると、ACDCコンバータ13は予定された直流電力を出力できなくなり、停止する。ACDCコンバータ13が停止すると、電流の消費がなくなるので電圧降下が解消し、外部電源電圧は元に戻る。即ち、外部電源電圧が駆動下限値を上回る。そうすると再びACDCコンバータ13が作動開始するというハンチング現象が生じる。充電装置10の充電コントローラ18は、そのような場合に対処することができる。
図3を参照して、充電装置10(充電コントローラ18)が実行する充電処理を説明する。図3の処理は、ユーザが充電開始のスイッチを入れたとき、あるいは、ユーザがセットしたタイマが作動し、充電開始時刻が到来したときに開始される。なお、充電プラグ6の車両側コネクタ5への接続が、充電開始のスイッチとして機能する場合もある。即ち、充電プラグ6が車両側コネクタ5に接続されたときに図3の処理が開始されることもあり得る。
充電処理を開始すると、充電コントローラ18は、CPLT線を監視し、EVSE8の給電準備が整ったことを示すパイロット信号をチェックする。具体的には、CPLT線の電位が電圧V3[V]に上がったことを検知すると、充電コントローラ18は、EVSE8の給電準備が整ったことを知る。充電コントローラ18は、予め定められた時間だけ、CPLT線を監視し、その電位が電圧V3[V]に上がらなければ(S2:NO、S3:YES)、バッテリ4の充電を達成せずに充電処理を終える旨のエラーコードをメモリ19に書き込んで処理を終了する(S4)。メモリ19に記憶されたデータは、後に車両のメンテナンス時の情報として用いられる。メモリ19は、電力供給が停止してもデータを失わない不揮発性メモリである。エラーコードは、車両100の表示装置にも表示される。
CPLT線の電位が電圧V3[V]に上がったことを検知すると、充電コントローラ18は、CPLT線の電位を電圧V2[V](V3>V2)に下げる(S5)。前述したように、CPLT線の電位を電圧V2[V]に下げることは、EVSE8に対して、供給可能電流容量を示すパルス波の出力を要求することを意味する。CPLT線の電位が電圧V2[V]に下がったことに反応して、EVSE8は、デューディ比が供給可能電流容量を表すパルス波をCPLT線に出力する。充電コントローラ18は、パルス波によって示される供給可能電流容量を確認し、接続されているEVSE8からの給電を受けてバッテリ4を充電できるか否かをチェックする(S6)。充電可能と判断すると、充電コントローラ18は、CPLT線の電位を電圧V1[V](V2>V1)に下げる(S7)。前述したように、CPLT線の電位を電圧V1[V]に下げることは、EVSE8に対して、交流リレー8bを閉じること、即ち給電開始を要求することを意味する。
次いで充電コントローラ18は、システムメインリレー31を閉じるとともに、ACDCコンバータ13を駆動する(S8)。こうして充電が開始される。充電中、充電コントローラ18は、常に、CPLT線の電位が電圧V0[V](V1>V0)まで低下していないか監視する。EVSE8は、充電装置10へ供給する交流電圧(即ち外部電源電圧)を常に監視しており、外部電源電圧が予め定められた電圧閾値を下回ると、交流リレー8bを開き(外部電源93と充電装置10との接続を遮断し)、CPLT線の電位を電圧0V[V]まで下げる。ここで、「電圧閾値」は、ACDCコンバータ13が動作することのできる最低の電圧(駆動下限値)に相当する。
CPLT線の電圧がV0[V]に低下することなくバッテリ4が満充電に達したら(S10:YES)、充電コントローラ18は、CPLT線の電位を電圧V3[V]に上げて充電処理を終了する(S11)。CPLT線の電位を電圧V3[V]に上げることは、EVSE8に対して交流リレー8bの開放を要求することを意味する。EVSE8は、CPLT線の電位が電圧V3[V]に上がったことを検知すると、交流リレー8bを開放する。即ち、外部電源93と充電装置10との接続を切断する。ステップS11の処理が実行された場合は、充電が正常に終了した場合である。
交流リレー8bが開放されると、電力供給が遮断されるので、ACDCコンバータ13は動かなくなる。即ち、充電が停止する。充電中にCPLT線の電位が電圧V0に下がった場合(S9:YES)、充電コントローラ18は、自身のプログラム上に設定されたカウンタを一つ増加させる(S12)。このカウンタは、充電中に供給電力の遮断が生じた回数を示すものである。カウンタ(カウント数)が予め定められた回数閾値を下回っている場合(S13:NO)、充電コントローラ18は、ステップS2の処理に戻り、CPLT線の電位をモニタする。なお、このとき、ACDCコンバータ13は停止したままである。
電圧降下が外部電源の電力供給能力の不足にある場合には、交流リレー8bを開放して充電装置10との接続を遮断すると、外部電源電圧は回復する。EVSE8は、外部電源電圧が回復すると、充電可能と判断して再びPCLT線の電位を電圧V3[V]に上げる。そうすると、ステップS2の判断が「YES」となり、上記の説明と同様の処理が繰り返される。
電圧降下が外部電源の電力供給能力の不足にある場合には、充電開始→電圧降下→交流リレー8b開放(ACDCコンバータ13停止)→電圧回復→充電再開のハンチングのサイクルが繰り返されることになる。その場合、ハンチングのサイクルが繰り返される毎にカウンタが一つ増加する(S12)。カウンタ(カウント数)が予め定められた回数閾値に達した場合(S13:YES)、充電コントローラ18は、異常終了(ハンチング繰り返し数が回数閾値に達したことによる終了)を示すエラーコードをメモリ19に書き込み、充電処理を終了する(S14)。
他方、外部電源の電力供給能力の不足に原因があるのではなく、他の何らかの要因で一時的に電圧降下が生じ、その後に電力供給が安定した場合には、1回あるいは数回の繰り返しの後、即ち、カウンタの値が回数閾値に達する前に、バッテリ4は満充電となり、正常に終了することができる。なお、図示を省略しているが、図3の処理が開始される際、あるいは、図3の処理を終了する際、ステップS12で用いるカウンタはゼロにクリアされる。
上記説明した実施例の留意点を述べる。実施例の充電コントローラ18は、EVSE8からのパイロット信号によって、外部電源電圧低下を検知した。充電コントローラ18は、パイロット信号によることなく、供給電圧の低下あるいは途絶によるACDCコンバータ13の作動停止によって、外部電源電圧の低下を検知してもよい。あるいは、充電コントローラは、電圧センサ12(図2参照)のセンサデータによって直接的に外部電源電圧の低下を検知してもよい。
実施例の車両は一つのモータを有する電気自動車であった。本明細書が開示する技術は、車輪駆動用のモータとエンジンを共に備えるいわゆるプラグイン−ハイブリッド車に適用することも可能である。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:インバータ
2a:昇圧回路
2b:インバータ回路
2c:モータコントローラ
3:モータ
4:バッテリ
5:コネクタ
6:充電プラグ
7:ケーブル
8a:漏電検知器
8b:交流リレー
8c:制御回路
10:充電装置
12、15:電圧センサ
13:ACDCコンバータ
14、16:コンデンサ
17:整流回路
18:充電コントローラ
19:メモリ
31:システムメインリレー
93:外部電源
100:電気自動車
2a:昇圧回路
2b:インバータ回路
2c:モータコントローラ
3:モータ
4:バッテリ
5:コネクタ
6:充電プラグ
7:ケーブル
8a:漏電検知器
8b:交流リレー
8c:制御回路
10:充電装置
12、15:電圧センサ
13:ACDCコンバータ
14、16:コンデンサ
17:整流回路
18:充電コントローラ
19:メモリ
31:システムメインリレー
93:外部電源
100:電気自動車
Claims (4)
- 車載バッテリを充電する充電装置であり、
外部電源が供給する交流電力を直流電力に変換してバッテリに出力するACDCコンバータと、
ACDCコンバータを制御するコントローラと、
を備えており、
ACDCコンバータが受ける外部電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値を下回り再び回復するハンチング現象が繰り返された場合に、コントローラは当該現象の繰り返し数をカウントし、カウント数が予め定められた回数閾値に達した場合に充電処理を終了することを特徴とする充電装置。 - コントローラは、ACDCコンバータが受ける外部電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値よりも低下し、それによってACDCコンバータが停止し、それによって外部電源電圧が前記駆動下限値よりも上昇し、それによってACDCコンバータが再開するサイクルが繰り返された場合に、当該サイクルの繰り返し数をカウントし、カウント数が予め定められた回数閾値に達した場合に充電処理を終了することを特徴とする請求項1に記載の充電装置。
- 外部電源とACDCコンバータの間にEVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)が接続されており、
前記コントローラは、EVSEが出力するパイロット信号に基づいて、外部電源の電源電圧がACDCコンバータの駆動下限値よりも低下したことを検知する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の充電装置。 - 前記コントローラは、カウント数が予め定められた回数閾値に達したことを不揮発性メモリに記憶することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の充電装置。
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