JP2013236490A

JP2013236490A - 電気自動車の直流充電方法

Info

Publication number: JP2013236490A
Application number: JP2012107900A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kataoka; 義範片岡
Original assignee: NIPPON TEKUMO KK
Current assignee: NIPPON TEKUMO KK
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-11-21

Abstract

【課題】電気自動車間でのバッテリ充電が可能で、かつ再生可能エネルギーにより発電された直流電力を、交流電力に変換することなく、直接、普通充電用の充電口からバッテリに充電可能な電気自動車の直流充電方法を提供する。
【解決手段】電気自動車のボディに有する普通充電用の充電口から外部電源の直流電力を入力し、これを整流器による整流後、ＤＣ／ＤＣコンバータを利用して充電に必要な電圧に変換し、電気自動車のバッテリに充電する。これにより、電気自動車間でのバッテリ充電が可能で、かつ再生可能エネルギーにより発電された直流電力を、交流電力に変換することなく、直接、普通充電用の充電口からバッテリに充電することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は電気自動車の直流充電方法、詳しくは電気自動車に搭載されたバッテリを、普通充電用の充電口から入力された直流電力により充電する電気自動車の直流充電方法に関する。

近年、地球温暖化対策の一環として、化石燃料で走行するエンジン搭載車から排出される炭酸ガスの排出量の規制が厳しくなっている。この影響を受け、走行中にＣＯ_２を排出しない電気自動車が注目され、実用化が促進されている。このような電気自動車は、車載されたバッテリ（蓄電器）への充電が必須となる。
そのバッテリを充電するため、電気自動車には、普通充電と呼ばれるＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの家庭用の商用電源を入力し、車載された充電回路により充電に適した直流電力に変換し充電する方法と、急速充電と呼ばれる外部急速充電器によって充電に適した直流電力に変換し直接充電する方法との２つの方法が利用できるように、ＡＣ１００Ｖ用とＡＣ２００Ｖ用の２つの普通充電用充電口と１つの急速充電用充電口が設けられている。

このうち、普通充電方法では、例えば特許文献１に記載されているように、前記普通充電用の充電口に家庭用の充電ケーブルが接続され、ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの交流電力がこの充電口から整流器に入力され、ここで交流電力から直流電力に整流された後、力率改善（ＰＦＣ）回路によって力率が改善される。こうして力率改善された直流電力は、その後、ＤＣ／ＤＣコンバータにより充電に必要な電圧に変換されてバッテリに充電される。車両走行時には、バッテリに充電された直流電力で電動モータを駆動して駆動タイヤを回転させ、電気自動車を走行させていた。

特開２０１１−２５０５９８号公報

ところで、電気自動車の場合、走行中にバッテリの充電切れ（以下、電欠）を起こし、路上での停車を余儀なくされることが起こり得る。この事態に対処するため、近年、ガソリンスタンドなどに配備された急速充電装置と同一のものを搭載した移動式急速充電車が開発されている。移動式急速充電車は、現場到着後、電欠車の急速充電用の充電口に充電ケーブルの先端の充電コネクタを接続し、急速充電装置が発生させた高電圧、大電流の直流電力を、電欠車のバッテリに急速充電していた。このように、充電施設がない環境で電気自動車が電欠した場合には、電気自動車が通過して行く道路の路肩で、急速充電車の到着を待つしかなった。

また、近年では、環境対策として、太陽光、風力、地熱、バイオマスなどを利用した再生可能エネルギーの社会導入が世界レベルで促進されている。また、一般住宅などでも数ｋＷの小型の太陽光発電装置や、小型の風力発電機の導入が進められている。これらの発電装置により得られた電力は直流であるため、利用時にはインバータにより交流電力に変換後、電力会社の配電線に接続して消費されている。このとき、発電量が消費量を上回れば、交流電力として電力会社に売電されるか、夜間時や非常時のために、直流電力で家庭用バッテリに蓄電されている。
仮に、家庭用バッテリに蓄電された直流電力を電気自動車に充電するとしたなら、いったんインバータにより交流電力に変換し、その後、交流電力を電気自動車の普通充電用の充電口から普通充電の回路に入力する方法のみしか、現在の技術常識では想定することができない。

そこで、発明者は鋭意研究の結果、家庭用の商用電源が入力される電気自動車の普通充電の回路構成を詳細に検討したところ、仮に交流電流に代えて直流電流をここに入力しても、バッテリへの充電が可能であることを発見した。すなわち、電気自動車の普通充電用の電気回路は、主に整流器とＤＣ／ＤＣコンバータとにより構成されている。そのため、この回路構成であれば、仮に直流電流を普通充電用の充電口から入力した場合でも、バッテリを充電できることを知見した。その結果、電力を援助してくれる電気自動車の急速充電用の充電口（端子）と、電欠車の普通充電口（端子）とを、例えばブースターケーブルなどで接続すれば、普通充電用の電気回路を利用して電気自動車間でのバッテリ充電が可能となり、かつ再生可能エネルギーを使用して発電された直流電力をインバータによって交流電力に変換しなくても、直接、普通充電用の充電口から普通充電用の電気回路に入力すればよいことを知見し、この発明を完成させた。

この発明は、電気自動車間でのバッテリ充電が可能で、かつ再生可能エネルギーなどにより発電された直流電力を交流電力に変換せず、直接、普通充電用の充電口からバッテリに充電することができる電気自動車の直流充電方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、電気自動車のボディに有する普通充電用の充電口から供給された外部電源の直流電力を整流器により整流し、その後、この整流された直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて充電に必要な電圧に変換して前記電気自動車のバッテリに充電する電気自動車の直流充電方法である。

請求項１に記載の発明によれば、外部電源の直流電力を、電気自動車のボディの普通充電用の充電口から整流器に入力し、ここで整流された直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータにより充電に必要な電圧に変換（昇圧または降圧）した後、電気自動車のバッテリに充電する。これにより、電気自動車間でのバッテリ充電が可能となり、かつ再生可能エネルギーなどによって発電された直流電力を交流電力に変換することなく、直接、普通充電用の充電口からバッテリに充電することができる。

電気自動車の車両の種類としては、例えば、大型自動車、中型自動車、普通自動車、大型特殊自動車、小型特殊自動車、大型自動二輪車、普通自動二輪車などが挙げられる。
また、電気自動車は、例えば、電動モータのみを搭載した車（ＥＶ）だけでなく、電動モータとエンジンとの両方を搭載したハイブリッド車（ＰＨＶ）でもよい。
外部電源としては、例えば、電気自動車のバッテリや太陽光電池、風力発電機、地熱発電機、バイオマス発電機などで発電されて蓄えられたバッテリの電源を採用することができる。外部電源の電圧は、ＤＣ２００Ｖ〜ＤＣ４００Ｖが望ましい。これは、太陽電池の出力電圧がＤＣ２００Ｖ程度であり、電気自動車のバッテリ電圧は、３００Ｖ程度を採用している車種が多いためである。
外部電源の電流は、電気自動車の普通充電仕様により決まるが、１５Ａ〜３０Ａである。

普通充電用の充電口の形成位置は任意である。例えば、ボディの前部または側部などでもよい。
充電回路の構成体としては、整流器、ＤＣ／ＤＣコンバータの他に、力率を改善する力率改善回路、整流回路に負荷を接続したとき、負荷端子間の脈動成分を抑制する平滑コンデンサなどを採用することができる。
整流器（ＡＣ／ＤＣコンバータ）の種類は任意であるが、最近ではシリコンダイオード４個で構成される単相ブリッジ整流器が一般的である。なお、単相ブリッジ整流の場合、４個の整流素子のうち、実際に直流電力が流れるのは２個の整流素子のみであるため、使用する整流素子には、それに対応した品質のものを採用する必要がある。
ＤＣ／ＤＣコンバータの種類は任意である。例えば、非絶縁型昇圧チョークコンバータ、非絶縁型降圧チョークコンバータ、絶縁型フォワードコンバータ（降圧）、絶縁型フライバックコンバータ（超高圧昇圧）、ハーフブリッジ型コンバータ、フルブリッジ型コンバータなどを採用することができる。
ＤＣ／ＤＣコンバータによる電圧変換後の電圧、すなわちバッテリに充電される直流電圧は、車載されているバッテリによって異なるが、バッテリ電圧の１．５倍程度である。

請求項２に記載の発明は、直流用ヒューズが途中に接続された充電ケーブルを前記普通充電用の充電口に接続し、前記充電ケーブルを通して、前記外部電源の直流電力を前記普通充電用の充電口に入力する請求項１に記載の電気自動車の直流充電方法である。

請求項２に記載の発明によれば、外部電源の直流電力を普通充電用の充電口を通して充電回路に入力する。その際、一定値以上の過剰電流が充電回路を流れた場合には、発生する熱で溶けて回路を遮断する。このように、充電ケーブルの途中に直流用ヒューズを接続したため、電気自動車の普通充電系統の充電回路に接続された交流用ヒューズを、直流用ヒューズに交換する必要がない。

直流用ヒューズとしては、例えば、端子周辺を高耐熱・難燃性の物質で電気的に完全に絶縁してアーク放電を発生させない構造、ヒューズエレメントを高耐熱・難燃性の物質で封止して空間をなくしアーク放電の成長を許さない構造、高融点金属をアーク路の近傍に置いてアーク放電のエネルギーを奪い、アーク放電の低抵抗状態を高抵抗にしてしまう構造のものなど、アーク放電の抑制構造を有したものを採用することができる。
充電ケーブルでの直流用ヒューズの接続位置は任意である。一般的に、直流用ヒューズはヒューズボックスとして充電ケーブルに接続される。

請求項１に記載の発明によれば、電気自動車のボディに有する普通充電用の充電口から外部電源の直流電力を入力し、これを整流器による整流後、ＤＣ／ＤＣコンバータを利用して充電に必要な電圧に変換し、電気自動車のバッテリに充電する。これにより、電気自動車間でのバッテリ充電が可能で、かつ再生可能エネルギーなどにより発電された直流電力を、交流電力に変換することなく、直接、普通充電用の充電口からバッテリに充電することができる。

特に、請求項２に記載の発明によれば、外部電源の直流電力を普通充電用の充電口から充電回路に入力する際、一定値以上の過剰電流が充電回路を流れた場合には、発生する熱により充電ケーブルの直流用ヒューズが溶けて回路を遮断できる。このように、充電ケーブルの途中に直流用ヒューズを接続したため、電気自動車の普通充電の電気回路に接続された交流用ヒューズを、直流用ヒューズに交換する必要がない。

この発明の実施例１に係る電気自動車の直流充電方法が適用される電気自動車の充電回路図である。この発明の実施例１に係る電気自動車の直流充電方法を利用した太陽光電池からの直流電力を電気自動車に充電中の概略構成図である。図１の電気自動車の充電回路の一部を構成する力率改善回路の回路図である。この発明の実施例１の別の実施態様に係る電気自動車の直流充電方法を利用した電気自動車のバッテリ間での充電中の概略構成図である。この発明の実施例１の別の実施態様に係る電気自動車の直流充電方法を利用した電気自動車のバッテリ間での充電中を示す回路図である。この発明の実施例１の他の実施態様に係る電気自動車の直流充電方法において使用し、途中に直流用のヒューズボックスが接続された充電ケーブルの回路図である。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ここでは、住宅に設置された太陽光電池パネルから出力された直流電力を電源とし、かつ電気自動車として普通自動車タイプのものを例にとる。ただし、これに限定されない。

図１および図２において、１０はこの発明の実施例１に係る電気自動車の直流充電方法が適用される電気自動車１１の充電回路（電気回路）で、この充電回路１０は、住宅の屋根および駐車場の屋根に設置された太陽電池パネル１２により発生して、住宅用蓄電池（外部電源）１３に溜まった直流電力を、電気自動車１１のバッテリ１４に充電する充電器用電源装置に備えられている。

この充電器用電源装置の充電回路１０は、普通充電回路１５と急速充電回路１６とからなる。このうち、普通充電回路１５は、電気自動車１１のボディに有する普通充電用の充電口１７を通して入力された住宅用蓄電池１３からのＤＣ２００Ｖの直流電力、または、商用電源のＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの交流電力を整流器１８により整流し、その後、整流された直流電力を、充電コントローラ２１によって充電中のバッテリ電圧を監視しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を用いて充電に必要な電圧に変換した後、普通充電回路１５側に接続が切り換えられた回路切り換えスイッチ２０を経て、電気自動車１１のバッテリ１４に充電するものである。ここでは、ＡＣ２００Ｖが入力される側（図１では下側）の普通充電用の充電口１７が使用される。一方、急速充電回路１６は、外部急速充電器により発生したＤＣ２５０Ｖ〜ＤＣ４００Ｖの直流電力を、充電コントローラ２１によって充電中のバッテリ電圧を監視しながら、電気自動車１１のボディに有する急速充電用の充電口１７Ａから急速充電回路１６に入力し、その後、急速充電回路１６側に接続が切り換えられた回路切り換えスイッチ２０を経て、電気自動車１１のバッテリ１４に充電するものである。

次に、図１および図３を参照して、普通充電回路１５を詳細に説明する。
図１および図３に示すように、整流器１８は、入力電力（交流電力または直流電力）を整流する４個のダイオード２２をブリッジ型に組み合わせた整流回路を有している。また、整流器１８の入力側には、１個の直流用ヒューズ２３が接続されている。整流器１８の下流には、交流入力の場合に、入力電流波形が入力電圧波形と位相が一致した正弦波となるように力率改善する力率改善回路２４が接続されている。力率改善回路２４は、チョークコイル２５と、パルス信号に基づいて電気回路のオンオフ制御を行うスイッチング素子（電界効果トランジスタ）２６と、整流作用を有するダイオード５０と、連続的に充放電を繰り返す平滑コンデンサ２７とにより構成されている。また、チョークコイル２５は整流器１８の出力の一端に接続され、チョークコイル２５の下流にスイッチング素子２６のドレインと、ダイオード５０を経て平滑コンデンサ２７の一端が接続されている。
力率改善回路２４の下流には、電力変換を行う前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、力率改善回路２４から入力される電圧（ＤＣ２００Ｖ）を、バッテリ電圧監視を行う充電コントローラ２１からの指令で、充電に必要な電圧・電流に変換する電力変換器である。

次に、図１〜図３を参照して、この電気自動車１１の普通充電回路１５を利用して、住宅用蓄電池１３に貯まった直流電力を、電気自動車１１のバッテリ１４に充電する実施例１の電気自動車の直流充電方法を説明する。
図１および図２に示すように、住宅用蓄電池１３の出力部から延びた充電ケーブル２８の先端部に固定された充電コネクタ２９を、駐車場に停めた電気自動車１１のＡＣ２００Ｖ入力側の普通充電用の充電口１７に接続する。また、回路切り換えスイッチ２０を手動操作して、回路接続を普通充電回路１５側に切り換える。その後、住宅用蓄電池１３からＤＣ２８０Ｖ、ｍａｘ３０Ａの直流電力を、この普通充電用の充電口１７から普通充電回路１５に入力する（図１および図３）。これにより、普通充電回路１５に入力された直流電力は、整流器１８のブリッジ型に組み合わされた４個のダイオード２２のうち、２個のみを通過して整流される。

次に、整流後の直流電力は力率改善回路２４に入力され、ここでＣＰＵから出力された所定周波数のパルス信号に基づき、スイッチング素子２６に対して制御を行う。すなわち、スイッチング素子２６のスイッチング動作により、力率改善回路２４に入力されたＤＣ２８０ＶをＤＣ２００Ｖの直流電圧に変換する。さらに詳しくは、スイッチング素子２６をオンにすると、チョークコイル２５は流れ込む電流値に応じたエネルギーを蓄え、スイッチング素子２６をオフにすると、チョークコイル２５は電流を維持するために蓄積したエネルギーを放出し、平滑コンデンサ２７は電荷を充電する。また、スイッチング素子２６を再度オンにすると、チョークコイル２５は流れ込む電流に応じたエネルギーを蓄え、平滑コンデンサ２７は電荷を放電する。これにより、スイッチング素子２６がＣＰＵから入力されたパルス信号幅に応じてオンオフを繰り返すことで、力率改善回路２４はＤＣ２００Ｖの直流電圧を出力する。なお、ダイオード５０は、平滑コンデンサ２７に入力される直流電流に対して、逆流防止の役目を果たす。

その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９では、力率改善回路２４から出力されたＤＣ２００Ｖの直流電圧を昇圧し、充電に必要な直流電圧に変換する。その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９から出力された直流電力は、電気自動車１１のバッテリ１４に充電される。
また、当然ながら普通充電回路１５は、ＡＣ１００Ｖ側またはＡＣ２００Ｖ側の普通充電用の充電口１７に、商用電源（ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖ）を入力して直流電力に変換し、これを電気自動車１１のバッテリ１４に充電することも可能である。

このように、実施例１では、普通充電用の充電口１７から住宅用蓄電池１３の直流電力を入力し、電気自動車１１のバッテリ１４に充電するようにしたため、太陽電池パネル１２からの再生可能エネルギーにより発電された直流電力を、交流電力に変換することなく、直接、普通充電用の充電口１７からバッテリ１４に充電することができる（風力発電機、地熱発電機、バイオマス発電機などで発電した直流電力も同じ）。これにより、装置コストを低減することができる。

また、図４および図５に示すように、実施例１の電気自動車の直流充電方法は、電力を援助する電気自動車１１Ａの急速充電用の充電口（端子）１７Ａと、電欠車（電気自動車）１１のＡＣ２００Ｖ入力側の普通充電口（端子）１７とを、充電ケーブル（ブースターケーブル）５１を用いて接続すれば、前記電力援助車１１Ａのバッテリ（外部電源）１４Ａから、電欠車１１の普通充電回路１５を利用し、電欠車１１のバッテリ１４への充電も可能となる。
また、この場合には、図６に示すように、充電ケーブル５１の途中に、直流用ヒューズ２３Ａを内蔵したヒューズボックス５２を接続するようにしてもよい。このようにすれば、住宅用蓄電池１３の直流電力を普通充電回路１５に入力する際において、一定値（ＤＣ１５Ａ）以上の過剰電流が普通充電回路１５に流れた場合には、発生する熱により充電ケーブル５１の直流用ヒューズ２３Ａが溶けて回路を遮断することができる。このように、充電ケーブル５１の途中に直流用ヒューズ２３Ａを接続するように構成した場合には、電気自動車１１の普通充電回路１５に接続された一般的な交流用ヒューズを、図１および図３に示す直流用ヒューズ２３に交換する必要がない。

なお、図５および図６において、符号２９Ａは、充電ケーブル５１の一端に連結され、かつ電力援助側の電気自動車１１Ａの急速充電用の充電口１７Ａに接続される充電コネクタである。符号２９Ｂは、充電ケーブル５１の他端に接続され、かつ電欠車１１の普通充電用の充電口１７に接続される充電コネクタである。符号５４，５５は、ヒューズボックス５２に内蔵され、かつ充電中であることを点灯により第三者に報知するＬＥＤである。符号５３は、そのＬＥＤ５４，５５の電流を制限する抵抗である。

この発明は、ハイブリッド車を含む電気自動車のバッテリを、普通充電回路に入力された直流電力により充電する技術として有用である。

１０電気自動車の充電回路（電気回路）、
１１電気自動車、
１３住宅用蓄電池（外部電源）、
１４バッテリ、
１４Ａバッテリ（外部電源）、
１７普通充電用の充電口、
１８整流器、
１９ＤＣ／ＤＣコンバータ、
２３，２３Ａ直流用ヒューズ、
５１充電ケーブル。

Claims

電気自動車のボディに有する普通充電用の充電口から供給された外部電源の直流電力を整流器により整流し、その後、この整流された直流電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて充電に必要な電圧に変換して前記電気自動車のバッテリに充電する電気自動車の直流充電方法。
直流用ヒューズが途中に接続された充電ケーブルを前記普通充電用の充電口に接続し、前記充電ケーブルを通して、前記外部電源の直流電力を前記普通充電用の充電口に入力する請求項１に記載の電気自動車の直流充電方法。