JP2014060833A - 充放電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統から電力供給を受ける需要家において、単相２００Ｖと単相１００Ｖとの双方を利用可能にする充放電システムを提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態の充放電システム１０は、蓄電装置４０から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部１８と、電力変換部１８の交流出力端子対のうちの一方１８ａに直列に接続された第１のスイッチ素子１１と、電力変換部１８の交流出力端子対のうちの他方１８ｂに直列に接続された第２のスイッチ素子１２と、電力変換部１８の交流出力端子対１８ａ，１８ｂ間に直列に接続された第１及び第２の容量素子１６，１７と、一端が第１及び第２の容量素子１６，１７の間の接続配線Ｎ１に接続され、他端が接地電位を有する第３のスイッチ素子１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統から電力供給を受ける需要家（例えば、住宅）における電力によって蓄電装置（例えば、バッテリ）を充電すると共に、当該蓄電装置に蓄えられた電力を当該需要家へ放電する充放電システムに関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの電動車両が実用化されている。この種の電動車両では、電力系統から住宅に供給された商用電力を用いて車載のバッテリを充電可能になっている。例えば、単純な充電ケーブルを用いて、住宅の電源コンセントと車両の充電口とを直接接続することにより充電を行ったり（モード１充電）、コントロールパイロット機能や、感電に対する保護機能（漏電遮断器）を有するＣＣＩＤ（Charge Circuit Interrupt Device）付き充電ケーブルを用いて、住宅の電源コンセントと車両の充電口とを接続することにより充電制御を行ったり（モード２充電）、住宅側に固定設置された充電スタンドであって、コントロールパイロット機能や、感電に対する保護機能（漏電遮断器）を有する充電スタンド（Electric Vehicle Supply Equipment：ＥＶＳＥ）を用いて、充電制御を行ったりする（モード３充電）。

近年、車載のバッテリを住宅の電源として利用することが期待されており、車載のバッテリに蓄えられた電力を上記した充電ケーブル又は充電スタンドを介して放電可能にすることが要望されている。すなわち、充電と放電との双方化が可能な充放電システムを車両に搭載することが要望されている。特許文献１には、この種の充放電システムとして双方向ＤＣ／ＡＣインバータが開示されている。

特開２００９−３３８００号公報

ところで、電力系統は単相３線式（変圧器の単相二次側の中間点からの線であって接地された中性線と、変圧器の単相二次側の両端の端子からの線であって、接地電位を基準として正負に１００Ｖずつ振幅する単相２００Ｖの２本の電圧線）であり、電力系統から電力供給を受ける住宅では、分電盤を介して、電圧線間の単相２００Ｖと、電圧線と中性線との間の単相１００Ｖとの双方を利用している。

この点に関し、特許文献１に開示の双方向ＤＣ／ＡＣインバータでは、単相１００Ｖに代えて単相２００Ｖを出力可能としているが、この単相２００Ｖを住宅の電力線に供給した場合、単相２００Ｖと中性線電位との相対関係が不定であり、電圧線と中性線との間の電圧を単相１００Ｖとして利用できない。

また、上記した充電ケーブル又は充電スタンドでは、電力線と、電力線／中性線との単相２線式であり、この充電ケーブル又は充電スタンドを利用して単相２００Ｖを住宅の電力線に供給する場合、住宅の中性線電位は、分電盤を介した電力系統において接地電位に決定されることとなる。

ここで、車載のバッテリを住宅の電源として利用したい場面としては、電力系統又は分電盤に異常が発生して、住宅内に商用電力が供給されないときが考えられるが、この場合に上記した充電ケーブル又は充電スタンドを利用して単相２００Ｖを住宅の電力線に供給しても、住宅の中性線電位が不定となり、電圧線と中性線との間の電圧を単相１００Ｖとして利用できない。

そこで、本発明は、電力系統から電力供給を受ける需要家において、単相２００Ｖと単相１００Ｖとの双方を利用可能にする充放電システムを提供することを目的とする。

本発明の充放電システムは、電力系統から電力供給を受ける需要家における電力によって蓄電装置を充電すると共に、当該蓄電装置に蓄えられた電力を当該需要家へ放電する充放電システムであって、蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、電力変換部の交流出力端子対のうちの一方に直列に接続された第１のスイッチ素子と、電力変換部の交流出力端子対のうちの他方に直列に接続された第２のスイッチ素子と、電力変換部の交流出力端子対間に直列に接続された第１及び第２の容量素子と、一端が第１及び第２の容量素子の間の接続配線に接続され、他端が接地電位を有する第３のスイッチ素子とを備える。

この充放電システムによれば、第１及び第２のスイッチ素子をオン状態とし、電力変換部が単相２００Ｖを生成する場合に、第３のスイッチ素子をオン状態とすることにより、第１及び第２の容量素子の間の電位を接地電位とすることができる。その結果、この充放電システムによれば、電力系統から供給される単相２００Ｖと同様に、接地電位を基準として正負に１００Ｖずつ振幅する単相２００Ｖを生成することができる。したがって、この充放電システムによれば、電力系統から電力供給を受ける需要家において、電圧線間の単相２００Ｖと、電圧線と中性線との間の単相１００Ｖとの双方を利用可能にすることができる。

上記した充放電システムは、一端が電力変換部の交流出力端子対のうちの一方又は他方に電気的に接続され、他端が接地電位を有する第４のスイッチ素子を更に備える形態であってもよい。

この構成によれば、第１及び第２のスイッチ素子をオン状態とし、電力変換部が単相１００Ｖを生成する場合に、第３のスイッチ素子をオフ状態とするとともに第４のスイッチ素子をオン状態とすることにより、接地電位を基準とした単相１００Ｖを生成することができる。これにより、例えば、需要家に電力供給を行わない場合に、車室内の電源コンセント等に単相１００Ｖを供給することができる。

また、上記した充放電システムは、電力変換部の交流出力端子対と補助コンセントとの間に電気的に直列に接続された第５のスイッチ素子を更に備える形態であってもよい。

この構成によれば、電力変換部が単相２００Ｖを生成する場合に、第５のスイッチ素子をオフ状態とすることにより、例えば、車室内の電源コンセント等といった補助コンセントに単相２００Ｖを供給して、この補助コンセントに接続された電気機器を破損することを防止することができる。なお、電力変換部が単相１００Ｖを生成する場合には、第５のスイッチ素子をオン状態とすることにより、補助コンセントに単相１００Ｖを供給することができる。

本発明によれば、上記した充電ケーブル又は充電スタンドを利用して、電力系統から電力供給を受ける需要家へ蓄電装置に蓄えられた電力を放電する場合に、需要家において単相２００Ｖと単相１００Ｖとの双方を利用可能にすることができる。

本発明の一実施形態に係る充放電システム、及び、充電スタンド（ＥＶＳＥ）を用いたＨｔｏＶ充電の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る充放電システム、及び、ＣＣＩＤ付き充電ケーブルを用いたＨｔｏＶ充電の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の一実施形態に係る充放電システム、及び、充電スタンド（ＥＶＳＥ）を用いたＨｔｏＶ充電の一例を示す図である。この充放電システム１０は、電力系統２０から住宅（需要家）３０に供給される商用電力を用いて車載バッテリ４０を充電すると共に、車載バッテリ４０に蓄えられた電力を住宅３０へ放電するものである。本実施形態では、住宅３０側に固定配置された充電スタンド（Electric Vehicle Supply Equipment：ＥＶＳＥ）５０を用いて車載バッテリ４０の充電を行う。

電力系統２０は単相３線式であり、変圧器の単相二次側の両端にそれぞれ接続された２つの電圧線Ｌ１，Ｌ２と、変圧器の単相二次側の中間点に接続されると共に接地電位を有する中性線Ｎとからなる。これにより、２つの電圧線Ｌ１，Ｌ２間に単相２００Ｖを供給すると共に、電圧線Ｌ１と中性線Ｎとの間、及び、電圧線Ｌ２と中性線Ｎとの間に単相１００Ｖを供給することができる。電力系統２０の電圧線Ｌ１，Ｌ２及び中性線Ｎは、分電盤３１を介して住宅３０内に配線される。

住宅３０内では、２つの電圧線Ｌ１，Ｌ２間に配線用遮断器（ＭＣＣＢ）３２を介して単相２００Ｖ用家電３３が接続されると共に、電圧線Ｌ１と中性線Ｎとの間、及び、電圧線Ｌ２と中性線Ｎとの間にＭＣＣＢ３２を介して単相１００Ｖ用家電３４，３５が接続されている。また、２つの電圧線Ｌ１，Ｌ２及び中性線Ｎは、充電スタンド５０に配線されている。

充電スタンド５０は、充電ケーブル５１によって車両の充電口６０に接続可能になっている。本実施形態では、充電ケーブル５１と充電口６０とを接続すると、電力線Ｌ１、電力線／中性線Ｌ２／Ｎ、保護接地Ｅ、及び、２つの制御信号ＣＰＬＴ，ＰＩＳＷのための５つの配線がそれぞれ接続されることとなる。なお、図１では、これらの５つの配線のうちの一部の配線のみが記載されている。また、保護接地Ｅは、充電スタンド５０において接地されている。

また、充電スタンド５０は、漏電遮断器（ＥＬＣＢ）５２、配線用遮断器（ＭＣＣＢ）５３、及び、制御部５４を備えている。制御部５４は、コントロールパイロット機能を有し、上記した制御信号ＣＰＬＴ，ＰＩＳＷ、すなわち、コントロールパイロット信号ＣＰＬＴ及びケーブル接続信号ＰＩＳＷに基づいて、充電ケーブルの接続状態や車両への電力供給の可否等を判断し、ＭＣＣＢ５３を制御する。また、制御部５４は、充電スタンド５０の電流を監視し、ＥＬＣＢ５２を制御する。

本実施形態では、充電ケーブル５１では電力線Ｌ２と中性線Ｎとが結合されている。そのため、制御部５４は、単相２００Ｖ充電時には、電力線Ｌ１，Ｌ２におけるＭＣＣＢをオン状態とするとともに中性線ＮにおけるＭＣＣＢをオフ状態とし、一方、単相１００Ｖ充電時には、電力線Ｌ１及び中性線ＮにおけるＭＣＣＢをオン状態とするとともに電力線Ｌ２におけるＭＣＣＢをオフ状態とする。

次に、本実施形態の充放電システム１０について説明する。充放電システム１０は、第１〜第５のスイッチ素子１１〜１５と、第１〜第２の容量素子１６，１７と、電力変換部１８と、制御部１９とを備える。

第１のスイッチ素子１１は、充電口６０からの電力線Ｌ１と電力変換部１８の第１入出力端子対（交流出力端子対）の一方１８ａとの間に直列に接続されており、第２のスイッチ素子１２は、充電口６０からの電力線Ｌ２／Ｎと電力変換部１８の第１入出力端子対の他方１８ｂとの間に直列に接続されている。

電力変換部１８は、第１入出力端子対１８ａ，１８ｂに供給される交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を第２入出力端子対（直流入出力端子対）１８ｃ，１８ｄに接続されるバッテリ４０に供給する。また、電力変換部１８は、バッテリ４０に蓄えられた直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第１入出力端子対１８ａ，１８ｂへ出力する。これらの電力変換部１８の動作は、制御部１９によって制御される。

ここで、車両に搭載される高圧バッテリの接地電位はフローティング電位であり、車両外部の充電スタンド５０と車載バッテリ４０とを絶縁する必要がある。そのため、電力変換部１８は、トランス等を用いて第１入出力端子対１８ａ，１８ｂと第２入出力端子対１８ｃ，１８ｄとの間を絶縁している。

この電力変換部１８の第１入出力端子対１８ａ，１８ｂ間には、第１及び第２の容量素子１６，１７が直列に接続されている。第１の容量素子１６と第２の容量素子１７との間の接続配線Ｎ１は第３のスイッチ素子１３の一端に接続されており、第３のスイッチ素子１３の他端は接地電位を有している。なお、第１の容量素子１６と第２の容量素子１７とは同一のものが好ましい。

また、電力変換部１８の第１入出力端子対の他方１８ｂには、第２のスイッチ素子１２を介して、第４のスイッチ素子１４の一端が接続されており、第４のスイッチ素子１４の他端は接地電位を有している。

また、電力変換部１８の第１入出力端子対１８ａ，１８ｂは、第１及び第２のスイッチ素子１１，１２、並びに第５のスイッチ素子１５を介して、車両に搭載される電源コンセント（補助コンセント）７０に接続されている。

なお、第４のスイッチ素子１４の一端は、第２のスイッチ素子１２を介さずに電力変換部１８の第１入出力端子対の他方１８ｂに直接接続されてもよいし、第５のスイッチ素子１５は、第１及び第２のスイッチ素子１１，１２を介さずに電力変換部１８の第１入出力端子対１８ａ，１８ｂに直接接続されてもよい。

また、本実施形態では、第３のスイッチ素子１３の他端及び第４のスイッチ素子１４の他端は、充電口６０の保護接地Ｅ、すなわち充電スタンド５０の接地電位を有する。また、車両の筐体も、充電口６０の保護接地Ｅ、すなわち充電スタンド５０の接地電位を有する。

また、本実施形態では、第１〜第５のスイッチ素子１１〜１５としてリレーが適用される。なお、第１〜第５のスイッチ素子１１〜１５は、リレーに限定されることなく、様々なスイッチ素子が適用可能である。第１〜第５のスイッチ素子１１〜１５の導通状態は、制御部１９によって制御される。

次に、充放電システム１０の動作を説明する。
（充電）（Home to Vehicle：ＨｔｏＶ）

バッテリ充電時、まず、充電スタンド５０の充電ケーブル５１が車両の充電口６０に接続されると、充電スタンド５０側では、制御部５４によって、コントロールパイロット信号ＣＰＬＴ及びケーブル接続信号ＰＩＳＷに基づいて、充電ケーブルの接続状態や車両への電力供給の可否等を判断し、ＭＣＣＢ５３をオン状態とする。この際、制御部５４は、単相２００Ｖ充電時には、電力線Ｌ１，Ｌ２におけるＭＣＣＢをオン状態とし、一方、単相１００Ｖ充電時には、電力線Ｌ１及び中性線ＮにおけるＭＣＣＢをオン状態とする。

次に、充放電システム１０側では、制御部１９によって、電力線Ｌ１，Ｌ２／Ｎ間の電圧及び位相を検出し、第１及び第２のスイッチ素子１１，１２をオン状態とするとともに、電力変換部１８のスイッチング制御を行う。その際、第３〜第５のスイッチ素子１３〜１５はオフ状態である。また、制御部１９は、充電電圧に応じて、すなわち、単相２００Ｖ／１００Ｖに応じて電力変換部１８のスイッチング制御を調整する。
（放電１）（Vehicle to Home：ＶｔｏＨ）

バッテリ放電時、充電スタンド５０の充電ケーブル５１が車両の充電口６０に接続されると、充電スタンド５０側では、制御部５４によって、コントロールパイロット信号ＣＰＬＴ及びケーブル接続信号ＰＩＳＷに基づいて、充電ケーブルの接続状態や住宅への電力供給の可否等を判断し、ＭＣＣＢ５３をオン状態とする。この際、制御部５４は、住宅へ単相２００Ｖを供給するために、電力線Ｌ１，Ｌ２におけるＭＣＣＢをオン状態とする。

一方、充放電システム１０側では、制御部１９によって、第１及び第２のスイッチ素子１１，１２をオン状態とするとともに、第３のスイッチ素子１３をオン状態として第１及び第２の容量素子１６，１７の間の電位、すなわち電力変換部１８の第１入出力端子対の中間の電位を接地電位とする。その際、第４及び第５のスイッチ素子１４，１５はオフ状態である。また、制御部１９は、単相２００Ｖを第１の入出力端子対に生成するように電力変換部１８のスイッチング制御を調節する。これにより、充放電システム１０は、電力系統から供給される単相２００Ｖと同様に、接地電位を基準として正負に１００Ｖずつ振幅する単相２００Ｖを生成することができる。
（放電２）（Vehicle to Vehicle：ＶｔｏＶ）

また、バッテリ放電時、充電スタンド５０の充電ケーブル５１が車両の充電口６０に接続されていない場合には、充放電システム１０側では、制御部１９によって、第１，第２及び第５のスイッチ素子１１，１２，１５をオン状態とするとともに、第４のスイッチ素子１４をオン状態として電力変換部１８の第１入出力端子対の他方の電位を接地電位とする。その際、第３のスイッチ素子１３はオフ状態である。また、制御部１９は、単相１００Ｖを第１の入出力端子対に生成するように電力変換部１８のスイッチング制御を調節する。これにより、充放電システム１０は、車両の電源コンセント７０に単相１００Ｖを供給することができる。

このように、本実施形態の充放電システム１０によれば、バッテリ放電時、第１及び第２のスイッチ素子１１，１２をオン状態とし、電力変換部１８が単相２００Ｖを生成する場合に、第３のスイッチ素子１３をオン状態とすることにより、第１及び第２の容量素子１６，１７の間の電位を接地電位とすることができる。その結果、本実施形態の充放電システム１０によれば、電力系統２０から供給される単相２００Ｖと同様に、接地電位を基準として正負に１００Ｖずつ振幅する単相２００Ｖを生成することができる。したがって、本実施形態の充放電システム１０によれば、電力系統２０から電力供給を受ける住宅３０において、電圧線Ｌ１，Ｌ２間の単相２００Ｖと、電圧線Ｌ１と中性線Ｎとの間又は電圧線Ｌ２と中性線Ｎとの間の単相１００Ｖとの双方を利用可能にすることができる。

また、本実施形態の充放電システム１０によれば、バッテリ放電時、第１及び第２のスイッチ素子１１，１２をオン状態とし、電力変換部１８が単相１００Ｖを生成する場合に、第３のスイッチ素子１３をオフ状態とするとともに第４及び第５のスイッチ素子１４，１５をオン状態とすることにより、接地電位を基準とした単相１００Ｖを生成することができる。これにより、例えば、住宅３０に電力供給を行わない場合に、車室内の電源コンセント７０に単相１００Ｖを供給することができる。

また、本実施形態の充放電システム１０によれば、電力変換部１８が単相２００Ｖを生成する場合に、第５のスイッチ素子１５をオフ状態とすることにより、例えば、車室内の電源コンセント７０に単相２００Ｖを供給して、電源コンセント７０に接続された電気機器を破損することを防止することができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、充電スタンド（ＥＶＳＥ）を用いたＨｔｏＶ充電に充放電システム１０を適用する一例を示したが、本実施形態の充放電システム１０は、ＣＣＩＤ付き充電ケーブルを用いたＨｔｏＶ充電にも適用可能である。

図２は、本発明の一実施形態に係る充放電システム、及び、ＣＣＩＤ付き充電ケーブルを用いたＨｔｏＶ充電の一例を示す図である。図２では、充電スタンド（ＥＶＳＥ）５０に代えてＣＣＩＤ（Charge Circuit Interrupt Device）付き充電ケーブル５０Ａを用いて車載バッテリ４０の充電を行う。

充電ケーブル５０Ａの一端は、住宅３０における電圧線Ｌ１，Ｌ２に配線された単相２００Ｖ用電源コンセント３０ａ、又は、電圧線Ｌ１と中性線Ｎとに配線された単相１００Ｖ用電源コンセント３０ｂに接続可能となっており、充電ケーブル５０Ａの他端は、車両の充電口６０に接続可能になっている。本実施形態でも、充電ケーブル５０Ａの他端と充電口６０とを接続すると、電力線Ｌ１、電力線／中性線Ｌ２／Ｎ、保護接地Ｅ、及び、２つの制御信号ＣＰＬＴ，ＰＩＳＷのための５つの配線がそれぞれ接続されることとなる。なお、図２でも、これらの５つの配線のうちの一部の配線のみが記載されている。また、保護接地Ｅは、ＥＶＳＥから充電ケーブル５０Ａを通して接地されることになる。

この充電ケーブル５０Ａは、ＣＣＩＤ、すなわち、漏電遮断器（ＥＬＣＢ）５２Ａ、配線用遮断器（ＭＣＣＢ）５３Ａ、及び、制御部５４Ａを備えている。制御部５４Ａは、上記した制御部５４と同様に、コントロールパイロット機能を有し、上記した制御信号ＣＰＬＴ，ＰＩＳＷ、すなわち、コントロールパイロット信号ＣＰＬＴ及びケーブル接続信号ＰＩＳＷに基づいて、充電ケーブルの接続状態や、車両又は住宅への電力供給の可否等を判断し、ＭＣＣＢ５３Ａを制御する。また、制御部５４Ａは、充電スタンド５０の電流を監視し、ＥＬＣＢ５２Ａを制御する。

この形態でも、充電ケーブル５０Ａでは電力線Ｌ２と中性線Ｎとが結合されている。そのため、単相２００Ｖ充電時には、充電ケーブル５０Ａの一端を住宅３０における単相２００Ｖ用電源コンセント３０ａに接続し、一方、単相１００Ｖ充電時には、住宅３０における単相１００Ｖ用電源コンセント３０ｂに接続する必要がある。

また、本実施形態では、車載バッテリ等の充放電を行う電動車両に搭載される充放電システムを例示したが、本発明の特徴は、電動車両に限らず、バッテリを備える装置全てに適用可能である。

また、上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…充放電システム、１１〜１５…第１〜第５のスイッチ素子、１６，１７…第１及び第２の容量素子、１８…電力変換部、１８ａ，１８ｂ…第１の入出力端子対（交流出力端子対）、１８ｃ，１８ｄ…第２の入出力端子対、１９…制御部、２０…電力系統、３０…住宅（需要家）、４０…バッテリ（蓄電装置）、５０…充電スタンド、５１…充電ケーブル、５４…制御部、５０Ａ…充電ケーブル、５４Ａ…制御部、６０…車両の充電口、７０…車両内の電源コンセント、Ｎ１…第１及び第２の容量素子の間の接続配線。

Claims (3)

1. 電力系統から電力供給を受ける需要家における電力によって蓄電装置を充電すると共に、当該蓄電装置に蓄えられた電力を当該需要家へ放電する充放電システムであって、
   前記蓄電装置から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、
   前記電力変換部の交流出力端子対のうちの一方に直列に接続された第１のスイッチ素子と、
   前記電力変換部の前記交流出力端子対のうちの他方に直列に接続された第２のスイッチ素子と、
   前記電力変換部の前記交流出力端子対間に直列に接続された第１及び第２の容量素子と、
   一端が前記第１及び第２の容量素子の間の接続配線に接続され、他端が接地電位を有する第３のスイッチ素子と
   を備える
   充放電システム。
2. 一端が前記電力変換部の前記交流出力端子対のうちの一方又は他方に電気的に接続され、他端が接地電位を有する第４のスイッチ素子を更に備える
   請求項１に記載の充放電システム。
3. 前記電力変換部の前記交流出力端子対と補助コンセントとの間に電気的に直列に接続された第５のスイッチ素子を更に備える
   請求項２に記載の充放電システム。

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