JP2016523072A - 多相電気設備のための相選択 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、電気機器(72)を差し込むための複数のソケット(4) を備えた設備に電力を供給するための多相回路網を平衡化する方法に関し、この方法では、相セレクタ(5) がソケット毎に、多相電圧を供給するためのシステム(3) とソケットとの間に配置されており、ソケットに給電するための指令信号(C) を遮断する。給電指令を単相の機器の内の１つから受信するとき、機器に電力を供給するために負荷が最も小さい相を選択し、負荷が最も小さい相の評価をシステムの上流側で行う。

Description

本開示は一般に電気設備に関し、より具体的には三相電力の供給を受ける設備に関する。本発明の用途の一例が電気自動車充電設備に関する。

本出願人の文献である国際公開第2012／110472号パンフレットは、多相回路網における負荷平衡化デバイスを開示しており、負荷平衡化デバイスは、ある相から別の相に負荷を切り替えるためにインバータによって生成される単相電圧を使用する。この単相電圧はまず第１の相と同期し、その後、他の相と同期するまで徐々に相シフトされる。

独国特許出願公開第102011078047号明細書

単相の負荷に供給される電力の損失を避けることを目的とする相選択システムが更に知られている。このために、相セレクタが様々な相の電圧値をモニタし、単相の負荷によって使用される相の電圧が閾値より低くなる場合に多相回路網の別の相に切り替える。しかしながら、このような相セレクタは一般に、相間の不均衡を増大させることになる。

電気自動車のバッテリを充電するための設備では、複数の充電ステーションが多相回路網（典型的には三相回路網）から電力を供給されることが一般的である。電気自動車の充電器は一般に単相であり、様々な相に接続される負荷の平衡化という課題を引き起こす。

欧州特許出願公開第0556754 号明細書の文献は、相の負荷を測定するための回路を使用した相セレクタを備えた電力分配システムについて記載している。

独国特許出願公開第102011078047号明細書及び米国特許出願公開第2013／062970号明細書の文献は、様々な相の負荷を測定する相セレクタについて記載している。

相平衡化、つまり多相回路網の様々な相に対する平衡化された負荷分散と適合する、多相回路網における相選択システムを有することが望ましい。

電気自動車充電設備と適合するような相セレクタを設けることが更に望ましい。

実施形態の目的は、通常用いられる相セレクタの欠点の全て又は一部を克服する相セレクタを提供することである。

実施形態の別の目的は、単相の機器及び三相の機器と適合する解決法を提供することである。

これら及び他の目的の全て又は一部を達成するために、電気機器を接続するための複数のソケットを備えた設備に電力を供給するための多相回路網を平衡化する方法が提供され、該方法では、
前記ソケット毎に、相セレクタが、多相電圧供給システムと前記ソケットとの間に配置されており、前記ソケットに給電するための制御信号を遮断し、
単相の機器に給電するための制御信号を受信するとき、該機器に電力を供給するために負荷が最も小さい相を選択し、該負荷が最も小さい相の評価を前記多相電圧供給システムの上流側で行う。

実施形態によれば、前記相セレクタは夫々、該相セレクタが関連付けられた前記ソケットに給電するための制御信号を遮断する。

実施形態によれば、給電するための前記制御信号を、相選択の後に前記ソケットに送信する。

実施形態によれば、負荷が最も小さい相を選択するための制御信号を、前記多相電圧供給システムによって前記相セレクタに送信する。

実施形態によれば、負荷が最も小さい相の評価を、前記相セレクタの上流側で異なる相からサンプリングされた電流を測定することにより行う。

実施形態は、上記の相選択方法を実行することができる相セレクタを更に提供する。

実施形態によれば、前記相セレクタは、
多相電力の供給を受けるように構成された第１の端子と、
電気機器に電力を供給するためのソケットに接続されるように構成された第２の端子と、
前記第１の端子を前記第２の端子に接続するための１組のスイッチと、
該スイッチを制御するための制御回路と
を備えている。

実施形態によれば、前記制御回路は、前記多相電圧供給システムと前記ソケットに接続されたコンタクタとの制御接続を中断する。

実施形態は、
多相電圧を供給するためのシステムと、
機器に電力を供給するための複数のソケットと、
前記システムと各ソケットとの間に設けられた相セレクタと
を備えていることを特徴とする多相電力供給設備を更に提供する。

実施形態によれば、給電するためのコンタクタが、前記相セレクタ夫々と、該相セレクタが関連付けられた前記ソケットとの間に配置されている。

本発明の前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。

より具体的に述べられる本実施形態が適用されるタイプの電気自動車充電設備の例を非常に概略的に示す図である。 三相構成の三相ソケットの例を示す図である。 相セレクタの実施形態を非常に簡略的に示す図である。 図３のタイプの相セレクタを相セレクタの環境で非常に概略的に示す図である。 図３及び４の相セレクタを更に詳細に示すブロック図である。 図４の相セレクタの動作を示すタイミング図である。 単相ソケットに適した代替の相セレクタを概略的に示すブロック図である。 相セレクタを使用した相平衡化システムの実施形態を示す図である。 図８の変形例を示す図である。

同一の要素は、様々な図面において同一の参照番号で示されている。明瞭化のために、述べられる本実施形態の理解に有用な要素のみが示され詳述されている。特に、多相電力を供給するための要素は詳述されておらず、述べられている本実施形態は通常用いられる要素と適合する。更に、複数の充電ステーションを備えた電気自動車充電システムへの適用では、サイズ設定を最適化し、且つ充電設置に電力を供給する電力システムの使用の契約上の制約及び技術的な制約を順守するための様々な充電ステーションの管理も詳述されておらず、述べられている本実施形態は、通常の管理プロセスとここでも再度適合する。

図１は、電気自動車充電設備の例を概略的に示す。このような設備は、充電される電気自動車が駐車するように構成された複数の駐車場12を装備している。各駐車場12は、多くの場合規格化されたソケット4 を有する充電ステーション2 を装備しており、ソケット4 は、（図１には示されていない）電気自動車の充電ケーブルのプラグを受けるように構成されている。

電力が、システム3 から接続部31を介して様々な充電ステーション2 に分配される。システム3 は多相（典型的には三相）電力分配システムに（接続部32を介して）接続されており、多相電力分配システムから電力をサンプリングする。システム3 は、多相電力分配システム以外の他の電源から電力を受けてもよい。他の電源として、例えば光起電力設備（例えば駐車場12を覆う遮蔽部16の屋根に備えられた光起電力パネル14）であってもよく、風力発電設備又は水力発電設備であってもよい。

実際、電気自動車のバッテリを充電したい場合、ユーザは、電気自動車の充電ケーブルのプラグを充電ステーション2 のソケット4 に差し込む。ソケット及びプラグは一般に、電力供給導体だけでなく電気自動車及びシステム3 間の通信接続部をも有している（変形例として、通信接続部は無線接続部であってもよい）。通信接続部は、電気自動車の充電ステーションへの適切な接続を確認するために使用され、電気自動車の充電電力を調整するために使用されてもよい。

ソケット4 は多くの場合三相ソケットである（特に、光起電力パネルからの発電は三相インバータを用いて行われ、光起電力設備は、多くの場合三相電力分配システムに接続される）。しかしながら、ほとんどの電気自動車は単相充電器を備えているため、単相充電器をソケット4 に接続するプラグは、中性導体、接地導体及び一又は複数の制御線に加えて単相導体を有している。単相充電器を備えた自動車の場合、ソケットの端子B1（図２参照）に接続された導体のみが使用される。

設備での相平衡化は通常、充電ステーション2 のソケット4 の端子B1を、時にはシステム3 からの相導体L1に接続し、時にはシステム3 からの相導体L2に接続し、時にはシステム3 からの相導体L3に接続することにより静的に行われる。

図２は、規格化されたソケット4 の例を簡略化して示す。ここで挙げられた例は、単相及び三相両方のタイプ「ＥＶプラグ・アライアンスのタイプ３」（EV plug alliance type 3）のソケットである。３つのソケット4₁，4₂及び4₃が図２に示されている。各ソケット4_i（図２ではｉが１〜３の範囲内である）は、３つの端子B1，B2及びB3と、中性端子BNと、接地端子BTと、一又は複数（示された例では２つ）の通信端子BC1 及びBC2 とを有している。

任意には例として、三相を意味する（システム3 からの）回路網の相導体L1、相導体L2及び相導体L3が、ソケット4₁用の端子B1，B2及びB3と、ソケット4₂用の端子B2，B3及びB1と、ソケット4₃用の端子B3，B1及びB2とに夫々接続される。このような構成は一般に、静的な平衡化の場合に提供される構成である。従って、３台の自動車が、端子B1に対向する相ピンを有する単相プラグによって差し込まれて同一の電力を同時にサンプリングする場合、相が平衡化される。

しかしながら、この理想的な場合は実際には生じず、相間の充電不均衡が観察され得る。

更に、相の数が３の倍数ではない（例えば、図１の例ではソケットが４つある）と即座に、相を静的にも平衡化することが不可能である。

図３は、相平衡化のためにシステム3 及び各ソケット4_i間に配置されるように構成された相セレクタ5 の実施形態を簡略化して示す。

相セレクタ5 は入力端子ブロック52を有しており、入力端子ブロック52は、多相回路網（例えば、三相回路網）の異なる相に接続されるように構成された３つの端子521 ，522 及び523 を有している。例えば、これらの端子は図１のシステム3 に接続される。入力端子ブロック52は、三相電源の中性端子と接続されるように構成された端子524 と、制御信号を送信するように構成された少なくとも１つの端子526 とを更に有している。

相セレクタ5 は出力端子ブロック54を更に有しており、出力端子ブロック54は、この例では、多相電源の相をソケット4 に与えるように構成された３つの端子541 ，542 及び543 と、中性端子544 と、制御信号を送信するための少なくとも１つの端子546 とを有している。

出力側では、出力端子ブロック54が、充電ステーション2 のソケット4 に直接又は（図３には示されていない）コンタクタを介して接続されるように構成されている。コンタクタの機能は、端子546 から送信される制御信号の制御下で一組の端子541 〜544 をソケット4 に接続することである。以下に示されるように、コンタクタの機能は実際の相セレクタ5 によって実現されてもよい。

実際、相セレクタ5 の上流側部分及び下流側部分は、相セレクタ5 から独立して接地T に接続されているか、又は示されている例のように入力端子ブロック52及び出力端子ブロック54夫々の端子528 及び端子548 を介して接続されている。

図４は、相セレクタ5 の例を相セレクタ5 の環境で示す。この例では、相セレクタ5 の入力端子ブロック52がシステム3 （図１）に直接接続されている。変形例として、制御信号C が別の回路に送信されてもよい。出力端子ブロック54は、相セレクタ5 と相セレクタ用のソケット4 との間の中間のコンタクタ6 に接続されている。バッテリ74のために単相充電器72を有する自動車7 の場合を仮定する。そのため、単相充電器72はプラグ76を介してソケット4 に接続される。プラグ76は、ソケット4 の端子BC1 及び端子BC2 を夫々接続するように構成された２つのピン766 及びピン767 と、ソケット4 の端子B1及び端子BNを夫々接続するように構成された２つのピン761 及びピン764 と、ソケット4 の端子BTを接続するように構成された接地ピン768 とを有している。単相充電器の例では、ソケット4 の端子B2及び端子B3は単相充電器72に接続されない。二相充電器又は三相充電器の場合、ソケット4 の端子B2及び端子B3を電気自動車の充電器に接続するために、ソケット4 の端子B2及び端子B3を接続するための１本又は２本の更なるピンがプラグ76に設けられる。

コンタクタ6 は、出力端子ブロック54の出力側における信号C'の制御下で、出力端子ブロック54の端子541 〜544 をソケット4 の端子B1，B2，B3及びBNに夫々接続するスイッチ61〜64を制御すべく機能する。

述べられる本実施形態では、相セレクタ5 の機能は、出力端子ブロック54の端子541 のために、ひいてはソケット4 の端子B1のために負荷が最も小さい相を選択することにより、入力端子ブロック52から出力端子ブロック54に三相を分岐することである。

図５は、相セレクタ5 の実施形態を更に詳細に示す簡略図である。この実施形態では、負荷が最も小さい相の識別が、各相の実効電圧を比較することによって行われる。負荷が最も小さい相を識別する他の方法を以下に述べる。９つのスイッチ551 〜559 が、作動中に端子521 〜523 の三相を端子541 〜543 の方に分岐するために、端子521 〜523 に接続された第１の（入力）端子と端子541 〜543 に接続された第２の（出力）端子とを有している。例えば、スイッチ551 ，スイッチ554 及びスイッチ557 の入力端子が端子521 に接続され、スイッチ552 ，スイッチ555 及びスイッチ558 の入力端子が端子522 に接続され、スイッチ553 ，スイッチ556 及びスイッチ559 の入力端子が端子523 に接続されている。出力端子ブロック54の側では、スイッチ551 〜553 の出力端子が端子541 に接続され、スイッチ554 〜556 の出力端子が端子542 に接続され、スイッチ557 〜559 の出力端子が端子543 に接続されている。スイッチ551 〜559 は個々に制御可能であり、好ましくは相セレクタ5 に含まれる制御回路56からの信号（信号562 ）を夫々受信する。示された例では、制御回路56は、相セレクタ5 の入力側における相夫々の電圧に関する情報を受信する。この機能は、スイッチ551 〜559 の上流側に設けられて、制御回路56に測定結果（信号575 ）を与える、好ましくは相セレクタ5 に含まれる電圧計571 ，572 及び573 (V) 又は他の電圧測定回路によって図５に記号を用いて示されている。更に制御回路56は、システム3 とソケット4 又はコンタクタとの通信を遮断して制御信号を処理するために、端子526 及び端子546 に接続された端子を有している。

電力の電気自動車への供給を開始させるための信号526 が、システム3 によって充電ステーション2 に送信される。

電気自動車のバッテリを充電すべく負荷が最も小さい相を選択する。このために、図５の例では、電圧が最も高い相、ひいては（上流側であっても）システム3 に接続された負荷がより少ない電力を取り出す相に相当する相が選択される。従って、相選択は相平衡化に関与する。

自動車が設備によって充電されるとき、数秒失うことは重要ではないという事実を利用している。言い換えれば、プラグ76のソケット4 への差込み又はその接続制御と電源電圧の供給との僅かな遅延が受け入れられ得る。この遅延は、相を測定して負荷が最も小さい相を選択するのに必要な時間に相当する。より一般的には、これは、電気機器を接続するソケットに与えられる相の順序を選択するのに必要な時間、ソケットに給電するための制御信号を遮断することを意味する。

図６のＡ及びＢは、相セレクタ5 の動作を示すタイミング図である。図６のＡは、コンタクタ6 を介したソケット4 への電力供給を開始させるためにシステム3 によって与えられる制御信号C の状態タイミング図である。図６のＢは、コンタクタ6 を制御するための、相セレクタ5 の出力側における信号C'の状態タイミング図である。簡単な形態では、スイッチ61〜64のオンを制御すべくシステム3 によってコンタクタ6 に与えられる制御信号C は、電圧ステップ（０又は１のデジタル信号）である。この例によれば、ソケット4 に電力を供給するための指示に相当する制御信号C の立上りエッジの（タイミングt0での）発生によって、相導体L1の相〜相導体L3の相の電圧レベルの測定を開始させる。変形例として、電圧を周期的に測定して、タイミングt0で最後の測定を考慮に入れる。測定が行われ（又は測定を考慮に入れて）、相セレクタ5 がスイッチ551 〜559 を適切に切り替えた場合、制御回路56は、コンタクタ6 を制御すべく信号C'を（タイミングt1で）高状態に切り替える。言い換えれば、制御回路56は、システム3 からの制御指令を遮断して、端子541 が接続される相が選択された後のみ、制御指令をコンタクタ6 に送信する。電圧レベルの測定を、順次に又は並行に行ってもよい。同様に、制御回路56によって行われる比較はアナログであってもデジタルであってもよい。実際、マイクロコントローラタイプの処理ユニット（μＣ）を使用することが好ましい。

相セレクタ5 の存在及び行われる相選択は、三相プラグのソケット4 への接続に悪影響を及ぼさない。確かに、三相の自動車充電器の場合、ソケット4 が三相によって電力を供給されて、動作が維持される。電力を供給する端子B1に応じた相回転、つまり図２に関連して示された相回転の順守に適合するようにスイッチ551 〜559 を制御することが単に確認される。

実施形態によれば、相セレクタ5 は、システム3 とソケット4 に関連した様々なコンタクタ6 との間に配置されている。この実施形態では、設備の残り部分の修正が必要ではなく、相選択が相セレクタ5 によって完全に管理される。相セレクタ5 の介在は、システム3 及びコンタクタ6 にとって透明である。

実施形態によれば、相セレクタ5 のスイッチ551 〜559 がコンタクタ6 のスイッチ61〜63の役割を果たしてもよいという事実を利用している。相セレクタ5 では、中性接続を中断して制御回路56から制御可能にするために更なるスイッチ（不図示）が設けられている。このため、コンタクタ6 を抑えることが可能になり、ひいてはコンタクタ6 が不必要になる。

図７は、単相充電ステーションに適合した相セレクタ5'の代替的な実施形態を示す。簡略化のために、制御端子及び接地端子は図７に示されていない。入力端子ブロック52' は、前の図面の相セレクタ5 の入力端子ブロック52と同一である。しかしながら、出力端子ブロック54' の側には、単相端子549 が設けられており、単相ソケット（不図示）に接続されるように構成されている。相セレクタ5'の形成は、３つのスイッチ551 〜553 のみが必要であるという点で簡略化されている。

図８は、設備レベルでの一般的な電流消費を考慮した好ましい実施形態に係る設備を概略的に示す。この実施形態によれば、相セレクタ5 のレベルで相の電圧を測定する代わりに、システム3 によって、つまり設備全体によって相夫々から取り出される電流を表す情報を測定する。この動作は、システム3 の電子処理回路32（例えばマイクロコントローラμＣ）に測定結果を送信する電流計91，92及び93(A) によって示されている。システム3 は、負荷が最も小さい相の識別に関する信号を異なる相セレクタ5 の夫々のマイクロコントローラ56に送信する。この実施形態では、相セレクタが、相セレクタが関連付けられているソケットからの制御信号を遮断するとき、相セレクタは、相当する情報をシステム3 の電子処理回路32に送信して、設備の上流側で負荷が最も小さい相を推定し得る測定を開始させる。変形例として、電子処理回路32は恒久的に負荷が最も小さい相を（周期的に）推定して、その情報を相セレクタに送信する。この場合、各相セレクタは、ソケットから制御信号を受信するときその情報を得て、その後、相を適切な順序でソケットに与えることができる。

この実施形態の利点は、システム3 の上流側での起こり得る不均衡を考慮することなく、システム3 の下流側で電力消費を平衡化することができるということである。

図９は代替的な実施形態を概略的に示しており、代替的な実施形態によれば、充電ステーション2 に接続されるべき相を決定するために相セレクタ5 によって行われる測定は、関連したソケットの端子B1の電力供給導体でソケット4 のレベルで行われる（電流計24による）電流測定である。このため、様々な端子の夫々の電力消費を考慮することにより相平衡化が改善され得る。このために、様々な相セレクタの制御回路56は共に（接続部58を介して）通信する必要がある。各端子が電流計によって行われた電流測定の結果を（一又は複数の信号C'を送るバスとは異なるか、又は該バスと同一化された）通信バス26を通じて送信すると仮定すると、様々な測定結果を比較することにより負荷が最も小さい相を決定することが可能である。このような実施形態は、システム3 のレベルでの介在を必要としないが、ソケット4 のレベルで電流測定結果を有することを必要とする。実際、行われる測定に関する情報が作動を妨げずにサンプリングされてもよい場合、この実施形態は、このような電流測定デバイスがソケット4 のレベルに設けられている構成を利用してもよい。

述べられた本実施形態の利点は、多相回路網における相を選択して、多相回路網の相の平衡化に関与しながら負荷に電力を供給することができるということである。

述べられた本実施形態の別の利点は、自動車充電ステーションの電力管理システムと適合するということである。

より具体的には図４及び５の本実施形態における別の利点は、既存の充電システムを修正する必要がないということである。ソケット4 と多相電力供給システム3 との間に相セレクタ5 を配置するだけで十分である。特に、各ソケット4 が相セレクタを装備していることが好ましいが、ソケット4 の一部のみが相セレクタを装備することで既に有利である。

述べられた本実施形態の別の利点は、電力供給回路網からの電力のサンプリングを最適化するということである。

連続した電力供給を維持すべく給電される相切替システムとは異なり、述べられた本実施形態では、負荷に電力を供給する前に相を切り替えるように構成されていることを注目すべきである。

様々な実施形態が述べられている。様々な変更及び調整が当業者に想起される。特に、本発明は三相回路網に関連してより具体的に述べられているが、本発明はより一般的にあらゆる多相回路網に適用される。更に、本発明は自動車充電設備に関連してより具体的に述べられているが、負荷が最も小さい相を識別するのに必要な時間、サービスを提供するために（典型的には数ミリ秒の）僅かな遅延を受け入れてもよいあらゆる充電を対象とする相セレクタに、本発明はより一般的に適用される。更に、設備が一又は複数のシステムを装備してもよい。最後に、上記の本実施形態は１つのソケット当たり１つの相セレクタ5 が設けられている好ましい例に関連して述べられているが、同一の相セレクタの出力端子ブロックと並列に複数のソケット4 を接続することが依然として可能である。述べられた本実施形態の実際的な実施は、それ自体よくある回路及びツールを使用して上記に与えられた機能的な表示に基づいた当業者の技能の範囲内である。

本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる仏国特許出願第13／54796 号明細書の優先権を主張している。

Claims (10)

1. 電気機器(72)を接続するための複数のソケット(4) を備えた設備に電力を供給するための多相回路網を平衡化する方法であって、
   前記ソケット毎に、相セレクタ(5) が、多相電圧供給システム(3) と前記ソケットとの間に配置されており、前記ソケットに給電するための制御信号(C) を遮断し、
   単相の機器の内の１つに給電するための制御信号を受信するとき、該機器に電力を供給するために負荷が最も小さい相を選択し、該負荷が最も小さい相の評価を前記多相電圧供給システムの上流側で行うことを特徴とする方法。
2. 前記相セレクタ(5) は夫々、関連する前記ソケットに給電するための制御信号(C) を遮断することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 給電するための前記制御信号を、相選択の後に前記ソケットに送信することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 負荷が最も小さい相を選択するための制御信号を、前記多相電圧供給システムによって前記相セレクタに送信することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 負荷が最も小さい相の評価を、前記相セレクタ(5) の上流側で異なる相からサンプリングされた電流を測定する(91, 92, 93)ことにより行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法を実行することができる相セレクタ(5) 。
7. 多相電力の供給を受けるように構成された第１の端子(521, 522, 523) と、
   電気機器に電力を供給するためのソケット(4) に接続されるように構成された第２の端子(541, 542, 543)と、
   前記第１の端子を前記第２の端子に接続するための１組のスイッチ(551, 552, 553, 554, 555, 556, 557, 558, 559)と、
   該スイッチを制御するための制御回路(56)と
   を備えていることを特徴とする請求項６に記載の相セレクタ。
8. 前記制御回路(56)は、前記多相電圧供給システム(3) と前記ソケット(4) に接続されたコンタクタ(6) との制御接続を中断することを特徴とする請求項７に記載の相セレクタ。
9. 多相電圧を供給するためのシステム(3) と、
   機器に電力を供給するための複数のソケット(4) と、
   前記システムと各ソケットとの間に設けられた請求項６乃至８のいずれかに記載の相セレクタ(5) と
   を備えていることを特徴とする多相電力供給設備。
10. 給電するためのコンタクタ(6) が、前記相セレクタ(5) 夫々と、該相セレクタが関連付けられた前記ソケット(4) との間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の多相電力供給設備。

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