JP2019213424A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の向上が可能な充電装置を提供する。【解決手段】充電装置は、複数の蓄電装置を充電するものであって、直流電力を出力する複数のコンバータセル（２０−１〜２０−Ｍ）と、複数のコンバータセルの複数の出力が接続される複数の入力ポート（２１−ｘ１〜２１−ｘＭ）と複数の蓄電装置が接続される複数の出力ポート（２１−ｙ１〜２１−ｙＭ）とを有する切替器（２１）と、切替器が、複数の入力ポートのいずれかを、複数の出力ポートのいずれかに接続するとき、複数の出力ポートのいずれかに接続される蓄電装置の電圧に応じて、複数の入力ポートのいずれかに接続されるコンバータセルの出力電圧を調整する制御装置（２２）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池などの蓄電装置に充電電力を供給する充電装置に関する。

近年、環境問題やエネルギ資源問題が注目される中、電気自動車やハイブリッド車やプラグインハイブリッド車（以下、「電気自動車」と総称する）のように、蓄電池の電力を駆動源として走行する自動車が普及しつつある。

電気自動車の普及に伴い、充電装置について、充電時間の短縮、設置場所の確保、稼働率の向上などが課題となっている。特に、都市部では設置場所の確保が難しい。例えば、設置場所として既設の駐車場が考えられるが、充電装置の設置スペースおよび作業スペースを含めた充電スペースとして利用できるスペースは制限される。

これに対し、特許文献１に記載される従来技術が知られている。本従来技術では、複数台の整流装置（ＡＣ／ＤＣ変換器）と複数台の充電スタンドの間に切替器が設けられる。この切替器によって、各充電スタンドに、充電メニュー（休息・中速・低速）に応じた台数の整流装置が接続される。これにより、充電装置の大型化を抑えつつ、稼働率を向上できる。

特開２０１２−７０４７９号公報

上記従来技術においては、切替器の構成および動作については必ずしも十分な配慮がなされていない。例えば、切替動作中に、切替器の端子に大きな電位差がかかる恐れや、大きな突入電流が流れる怖れがあり、充電装置として、実用上十分な信頼性を得ることが難しい。

そこで、本発明は、信頼性の向上が可能な充電装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による充電装置は、複数の蓄電装置を充電するものであって、直流電力を出力する複数のコンバータセルと、複数のコンバータセルの複数の出力が接続される複数の入力ポートと複数の蓄電装置が接続される複数の出力ポートとを有する切替器と、切替器が、複数の入力ポートのいずれかを、複数の出力ポートのいずれかに接続するとき、複数の出力ポートのいずれかに接続される蓄電装置の電圧に応じて、複数の入力ポートのいずれかに接続されるコンバータセルの出力電圧を調整する制御装置とを備える。

本発明によれば、充電装置の信頼性を向上できる。

本発明の実施形態である充電装置の概略構成を示す。 図１の充電装置における切替器の切替動作の一例を示す。 切替器の構成を示す回路図である。 切替器における開閉器の動作状態を示す。 切替器における開閉器の動作状態を示す。 切替器における開閉器の動作状態を示す。 切替器の変形例の構成を示す。 中央コントローラの演算部における処理動作を示すフローチャートである。 図６におけるコンバータ電圧処理の一例を示すフローチャートである。 中央コントローラの構成を示す機能ブロック図である。 充電装置の回路構成の一例を示す。 充電装置の回路構成の他の例を示す。 切替器と中継器の接続構成を示す。 切替器と中継器の接続構成を示す。 本実施形態の充電装置の設置形態の一例を示す。 コンバータセルにおける交直変換器の回路構成の変形例を示す。 ＤＣ／ＤＣコンバータ部の回路構成の変形例を示す。 ＤＣ／ＤＣコンバータ部の回路構成の変形例を示す。 ＤＣ／ＤＣコンバータ部の回路構成の変形例を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図１は、本発明の一実施形態である充電装置の概略構成を示す。なお、本実施形態の充電装置は、電気自動車に対して、蓄電池の蓄電エネルギを補充するための電力を供給する。

図１に示すように、充電装置は、交流または直流の電源系統２３から受電する電力を、電力変換回路を介して、電気自動車に搭載される蓄電池に充電する。ここで、電力変換回路は、受電電力を充電用の直流電力に変換するコンバータセル２０−１〜２０−Ｍ（Ｍ：自然数）と、切替器２１と、中継器３０−１〜３０−Ｍと、充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍで構成される。コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの電力変換動作、並びに切替器２１の切替動作は、中央コントローラ２２によって制御される。

切替器２１は、各コンバータセルを、中継器３０−１〜３０−Ｍの内の任意の中継器に接続する。図１において、切替器２１は、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍと中継器３０−１〜３０−Ｍとを、一対一で接続している。この場合、充電装置は、最大でＭ台の電気自動車３２−１〜３２−Ｍを同時に充電することができる。

充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍは、それぞれ電気自動車３２−１〜３２−Ｍの充電口に接続される。また、充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍは、それぞれ、充電用ケーブルを介して中継器３０−１〜３０−Ｍに接続される。

複数台（Ｍ台）のコンバータセル２０−１〜２０−Ｍの電源系統２３側入力が互いに直列接続される。これにより、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍは、変圧器を介することなく、高電圧（例えば、６．６ｋＶや１１ｋＶなど）の電源系統２３に直接、接続される。このように、充電装置の受電部において変圧器が用いられないので、受電部を含む充電装置を小型化できる。また、後述するように（図９、図１０）、各コンバータセルは、半導体スイッチング素子と高周波トランスを備える電力変換回路（例えば、ＳＳＴ（Solid State Transformer））を備える。これにより、各コンバータセルを小型化できる。

なお、電源系統２３としては、例えば、商用交流電源、太陽光発電システム、風力発電システム、直流配電系統などが用いられる。

電源系統２３からの電力は、Ｍ台のコンバータセル２０−１〜２０−Ｍで受電される。前述のように、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの電源系統２３側入力が互いに直列接続されているので、電源系統の電圧は各コンバータセルで分圧される。このため、電源系統２３からの電力が各コンバータセルで分担される。コンバータセル２０−１〜２０−Ｍで分担される電力は、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍを介して、切替器２１に入力される。

切替器２１は、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍが出力する充電用直流電力がそれぞれ入力される、Ｍ個の入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭを有する。また、切替器２１は、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭに入力される電力を出力するＭ個の出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭを有する。切替器２１を操作することによって、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭの各々は、出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭの内の任意の出力ポートに接続される。すなわち、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭに入力される各電力は、出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭの内の任意の出力ポートから出力することができる。なお、切替器２１の内部構成については後述する（図３〜５）。

出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭから出力される充電用電力は、それぞれ中継器３０−１〜３０−Ｍを介して、電気自動車３２−１〜３２−Ｍに供給される。中継器３０−１〜３０−Ｍは、切替器２１と電気自動車３２−１〜３２−Ｍとの間で、充電用電力供給用の電力線を中継する。従って、充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍは、それぞれ、中継器３０−１〜３０−Ｍを介して、電力線によって、それぞれ、切替器２１の出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭに接続される。また、中継器３０−１〜３０−Ｍは、中央コントローラ２２と電気自動車３２−１〜３２−Ｍとの間で、車両通信路信号線３３を中継する。

中継器３０−１〜３０−Ｍの各々は、いわゆる充電スタンドを構成する。なお、図示してはいないが、中継器の３０−１〜３０−Ｍの各々は、充電スタンドとして利用者もしくは操作者の利便性を向上するために、充電時間、充電料金、蓄電池の残容量などの情報を表示するインジケータを備えてもよい。

中継器３０−１〜３０−Ｍには、それぞれ充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍが接続される。電気自動車に搭載される蓄電池を充電する場合、充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍは、それぞれ電気自動車３２−１〜３２−Ｍの充電口に接続される。

電気自動車３２−１〜３２−Ｍは、充電コネクタ３１−１〜３１−Ｍを介して充電装置から電力を受電する。また、電気自動車３２−１〜３２−Ｍは、車両通信路信号線３３を介して、充電装置における中央コントローラ２２との間で、種々の情報を送受信する。例えば、車両通信路信号線３３を介して、電気自動車に搭載される蓄電池の充電状態、並びに、充電電圧、充電電力、充電電流などの充電制御指令情報が、電気自動車から中央コントローラ２２へ送信される。また、車両通信路信号線３３を介して、充電装置側の要求が、中央コントローラ２２から電気自動車に送信される。

中央コントローラ２２は、車両通信路信号線３３を介して取得される各種情報、コンバータ制御信号線３５を介して取得される各コンバータセルの動作状態に関する情報、センサ信号線３６を介して取得される電源系統２３からの入力電圧および入力電流に関する情報に基づいて、各コンバータセルや切替器２１および各中継器に対する制御指令を作成する。各コンバータセル、切替器および各中継器に対する制御指令は、それぞれ、コンバータ制御信号線３５、切替制御信号線３４および車両通信路信号線３３を介して、送信される。

なお、電源系統２３からの入力電圧および入力電流は、それぞれ電圧センサ２４ａおよび電流センサ２４ｂによって検出される。

図２は、図１の充電装置における切替器２１の切替動作の一例を示す。なお、切替器２１の状態は、図１の状態から図２の状態に遷移したとする。

図２に示すように、コンバータセル２０−２が接続される中継器３０−２を用いた電気自動車３２−２の充電が完了し、中継器３０−２は使用されていない。ここで、電気自動車３２−１については、急速充電が要求されているため、切替器２１は、コンバータセル２０−２が接続されている入力ポート２１−ｘ２の接続先を、電気自動車３２−１に搭載される蓄電池の充電に使用する中継器３０−１に接続される出力ポート２１−１に切り替える。これにより、電気自動車３２−１に搭載される蓄電池は２台のコンバータセル（２０−１および２０−２）によって充電されるので、充電時間が短縮される。

なお、急速充電時のほか、各コンバータセルの負荷平準化のために、切替器２１を動作させてもよい。

次に、切替器２１の構成および動作について具体的に説明する。

図３は、切替器２１の構成を示す回路図である。

図３に示すように、切替器２１は、Ｍ台（Ｍ：２以上の自然数）のコンバータセルが接続される接続端子となるＭ個の入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭと、Ｍ台の中継器が接続される接続端子となるＭ個の出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭを有する。なお、本実施形態では、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍ（図１）は、それぞれ入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭに接続され、中継器３０−１〜３０−Ｍ（図１）は、それぞれ出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭに接続される。すなわち、Ｍ台のコンバータセルは、Ｍ個の入力ポートに一対一で接続され、Ｍ台の中継器は、Ｍ個の出力ポートに一対一で接続される。

さらに、切替器２１は、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭと、出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭとの間に、いわばＭ行Ｍ列のマトリクス状に接続されるＭ^２個の開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＭを有する。これにより、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭの内の任意の入力ポートから、出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭの内の任意の出力ポートに、入力ポートに接続されるコンバータセルの出力電力を送ることができる。すなわち、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍ（図１）の内の任意のコンバータセルの出力電力を、中継器３０−１〜３０−Ｍ（図１）の内の任意の中継器に送ることができる。

なお、各開閉器は、機械式開閉器および電子式開閉器のいずれでもよい。たとえば開閉器として、メカニカルリレー、半導体リレー、半導体バルブ、半導体スイッチなどが適用できる。また、各開閉器は、開閉動作に伴うサージを吸収するスナバ回路などを内蔵していてもよい。

図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、切替器２１における開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＭの動作状態を示す。

図４ａに示す開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＭの動作状態は、図１における切替器２１の動作状態に相当する。

図４ａに示すように、開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＭの内、開閉器２１−ｓｋｋ（ｋ＝１〜Ｍ）が投入され、他の開閉器は開放されている。これにより、前述の図１に示すように、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭが、それぞれ出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＭに接続される。

図４ｂに示す開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＭの動作状態は、図１における切替器２１の動作状態から図２における切替器２１の動作状態への遷移状態に相当する。

図４ｂに示すように、電気自動車３２−２に搭載される蓄電池の充電を終了するために、入力ポート２１−ｘ２と出力ポート２１−ｙ２の間に接続される開閉器２１−ｓ２２が開放される。

図４ｃに示す開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＭの動作状態は、図２における切替器２１の動作状態に相当する。

図４ｃに示すように、急速充電の要求に応じて入力ポート２１−ｘ２を出力ポート２１−ｙ１に接続するように、入力ポート２１−ｘ２と出力ポート２１−ｙ１の間に接続される開閉器２１−ｓ２１が投入される。

図５は、本実施形態における切替器の変形例の構成を示す。

図５に示すように、本変形例においては、入力ポートの個数と出力ポートの個数が異なっている。このため、切替器２１は、入力ポート２１−ｘ１〜２１−ｘＭと、出力ポート２１−ｙ１〜２１−ｙＮとの間に（Ｍ，Ｎ：２以上の自然数、Ｍ≠Ｎ）、いわばＭ行Ｎ列のマトリクス状に接続されるＭ×Ｎ個の開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＮを有する。本変形例は、例えば、コンバータセルの台数（Ｍ）を中継器の台数（Ｎ）よりも大きくして、コンバータセルの台数に冗長性を持たせて、充電装置の信頼性を向上する場合に適用される。

上述の切替器における各開閉器は、切替制御信号線３４（図１）を介して中央コントローラ２２（図１）から送信される制御指令によって、投入および開放が制御される。そこで、以下、中央コントローラ２２の構成および動作について説明する。

図８は、中央コントローラ２２の構成を示す機能ブロック図である。

図８に示すように、中央コントローラ２２は、所定のプログラムを実行することによりコンバータセル２０−１〜２０−Ｍや切替器２１などに対する制御指令を作成する演算部２２ｅと、外部装置との通信インターフェース（３３〜３６）と、を備える。通信インターフェースである、コンバータ通信送受信端２２ａ、切替指令送信端２２ｂ、車両通信送受信端２２ｃおよびセンサ信号受信端２２ｄには、それぞれ、コンバータ制御信号線３５、切替制御信号線３４、車両通信信号線３３およびセンサ信号線３６が接続される。なお、演算部２２ｅは、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなどの演算処理装置によって構成される。

演算部２２ｅは、各コンバータセルからコンバータ制御信号線３５を介して送信される各コンバータセルの動作状態に関する情報を、コンバータ通信送受信端２２ａを介して取得する。また、演算部２２ｅは、電気自動車から車両通信信号線３３を介して送信される蓄電池およびその充電状態に関する情報（電圧、電力、電流、容量）や電気自動車側で算出される充電制御指令情報（充電電圧、充電電力、充電電流）、並びに、電気自動車もしくは中継器（充電スタンド）から車両通信信号線３３を介して送信される急速充電の要求を、車両通信送受信端２２ｃを介して取得する。さらに、演算部２２ｅは、電圧センサ２４ａおよび電流センサ２４ｂ（図１）からセンサ信号線３６を介して送信される電源系統からの入力電圧および入力電流に関する情報を、センサ信号受信端２２ｄを介して取得する。

演算部２２ｅは、取得された情報に基づいて、切替器２１に対する制御指令を作成して、切替指令送信端２２ｂを介して、切替制御信号線３４へ送出する。また、演算部２２ｅは、取得された情報に基づいて、各コンバータセルに対する制御指令を作成して、コンバータ通信送受信端２２ａを介して、コンバータ制御信号線３５へ送出する。

図６は、中央コントローラ２２の演算部２２ｅにおける処理動作を示すフローチャートである。

演算部２２ｅは、処理を開始すると（ステップＦ０）、まず、取得される情報、例えば、急速充電の要求、充電完了情報、コンバータセルの負荷均等化の要求などに基づいて、切替器の開閉状態を変更するかを判定する（ステップＦ１）。変更する場合（ステップＦ１のＹＥＳ）、ステップＦ２に進み、変更しない場合（ステップＦ１のＮＯ）、ステップＦ１が再度実行される。

なお、ステップＦ１において、演算部２２ｅは、切替器の開閉状態を変更すると判定する場合に、さらに、充電装置の性能仕様や動作状態に基づいて、急速充電などの要求に応じられるか否かを判定してもよい。応じられる場合、ステップＦ２に進み、応じられない場合、ステップＦ１が再度実行される。

ステップＦ２において、演算部２２ｅは、取得される情報に基づいて、開放する切替器が有るかを判定する。ここで、開放する切替器とは、切替器２１において各入力ポートに接続される切替器部の内、いずれの出力ポートにも接続されずに、開放されている切替器部を意味する。すなわち、本実施形態では、開放する切替器は、一つの入力ポートに接続される複数個の開閉器（例えば、図３における開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓ１Ｍ）からなる切替部であって、複数の開閉器が全て開放されている切替器部である。判定の結果、開放する切替器が有る場合（ステップＦ２のＹＥＳ）、次にステップＦ３が実行され、開放する切替器が無い場合（ステップＦ２のＮＯ）、次にステップＦ４が実行される。

ステップＦ３において、演算部２２ｅは、開放すると判定された切替器部を開放する制御指令を作成して、切替器２１へ送信する。これにより、切替器部の開放が実行される。ステップＦ３実行後、次に、ステップＦ４が実行される。

ステップＦ４において、演算部２２ｅは、取得される情報に基づいて、投入する切替器が有るかを判定する。ここで、投入する切替器とは、切替器２１において各入力ポートに接続される切替器部の内、いずれかの出力ポートに接続される切替器部を意味する。すなわち、本実施形態では、投入する切替器は、一つの入力ポートに接続される複数個の開閉器（例えば、図３における開閉器２１−ｓ１１〜２１−ｓ１Ｍ）からなる切替部であって、いずれか一つの開閉器が開じている切替器部である。判定の結果、投入する切替器が有る場合（ステップＦ４のＹＥＳ）、次にステップＦ６が実行され、投入する切替器が無い場合（ステップＦ４のＮＯ）、演算部２２ｅは処理を終了する（ステップＦ８）。

ステップＦ６において、演算部２２ｅは、取得される情報に基づいて、ステップＦ４で投入すると判定された切替器部の開閉器の入力側電圧と出力側電圧の差が所定値以内かを判定する。判定の結果、所定値以内である場合（ステップＦ６のＹＥＳ）、次にステップＦ７が実行され、所定値を超えている場合（ステップＦ６のＮＯ）、次にステップＦ５が実行される。なお、開閉器の入力側の電圧に関する情報は、例えば、コンバータ制御信号線３５を介してコンバータセルから送信されるコンバータセルの出力電圧に関する情報に基づいて取得される。また、開閉器の出力側の電圧に関する情報は、例えば、車両通信信号線３３を介して電気自動車３２−２から送信される蓄電池の電圧に関する情報に基づいて取得される。

ステップＦ５において、演算部２２ｅはコンバータ電圧制御処理を実行する。すなわち、演算部２２ｅは、入力側電圧と出力側電圧の差が低減するように、投入すると判定された開閉器に接続されるコンバータセルに対する制御指令を作成して、このコンバータセルへ送信する。これにより、コンバータセルの出力電圧が調整される。ステップＦ５が実行された後、ステップＦ６が再度実行される。従って、入力側電圧と出力側電圧の差が所定値以内となるまで、ステップＦ６およびステップＦ５が繰り返し実行される。

ステップＦ７において、演算部２２ｅは、投入すると判定された切替器部（開閉器）を投入する制御指令を作成して、切替器２１へ送信する。これにより、入力側電圧と出力側電圧の差が所定値以内である状態で、切替器部の投入が実行される。これにより、充電装置や蓄電池に過大な突入電流が流れることが防止できる。ステップＦ７が実行されると、演算部２２ｅは、一連の処理を終了する。

なお、演算部２２ｅは、充電装置の稼動中、図６に示す一連の処理を繰り返し実行する。

図６に示す処理の具体例として、切替器２１の動作状態が、図１の状態から図２の状態に遷移する場合、すなわち切替器２１における各開閉器の開閉状態が図４ａ、図４ｂ、図４ｃの状態の順に遷移する場合について説明する。なお、以下の説明においては、図１、図２、図４ａ〜４ｃ、図８を適宜参照する。

まず、ステップＦ１では、切替器２１の動作状態が、図１の状態から図２の状態に遷移するので、演算部２２ｅは、切替器の開閉状態を変更すると判定し（ステップＦ１のＹＥＳ）、次にステップＦ２を実行する。

ステップＦ２において、演算部２２ｅは、図１の切替器の状態では図４ａに示すように投入されている開閉器２１−ｓ２２が、電気自動車３２−２への充電終了に伴い開放されるため、開放する切替器が有ると判定し（ステップＦ２のＹＥＳ）、次にステップＦ３を実行する。

ステップＦ３において、演算部２２ｅは、開閉器２１−ｓ２２を開放する制御指令を作成して、切替指令送信端２２ｂを介して、切替器２１へ送信する。これにより、開閉器２１−ｓ２２の開放が実行され、切替器２１の状態は、図４ｂに示す状態となる。ステップＦ３実行後、演算部２２ｅは、次に、ステップＦ４を実行する。

ステップＦ４において、演算部２２ｅは、電気自動車３２−１や中継器３０−１からの急速充電要求などの情報に応じて、コンバータセル２０−１に加えて中継器３０−１に接続できる待機状態のコンバータセルとして、充電動作が完了し、入力ポート２１−ｘ２が開放されているコンバータセル２０−２を選択する。そして、演算部２２ｅは、コンバータセル２０−２を中継器３０−１に接続するためには、開閉器２１−ｓ２１の投入により入力ポート２１−ｘ２が出力ポート２１ｙ１に接続されるので、投入する切替器が有ると判定し（ステップＦ４のＹｅｓ）、次にステップＦ６を実行する。

ステップＦ６において、演算部２２ｅは、開閉器２１−ｓ２１の入力側すなわち入力ポート２１−ｘ２の電圧と、開閉器２１−ｓ２１の出力側すなわち出力ポート２１−ｙ１の電圧との差分、すなわち、開放されている入力ポート２１−ｘ２と出力ポート２１−ｙ１の間の電位差が、所定値以内であるかを判定する。この所定値は、開閉器２１−ｓ２１が投入されたときに蓄電池や充電装置に流れる突入電流が、許容値以内となるように設定される。なお、開閉器２１−ｓ２１の入力側の電圧に関する情報は、例えば、コンバータ制御信号線３５を介してコンバータセル２０−２から送信されるコンバータセル２０−２の出力電圧に関する情報に基づいて取得される。また、開閉器２１−ｓ２１の出力側の電圧に関する情報は、例えば、車両通信信号線３３を介して電気自動車３２−２から送信される蓄電池の電圧に関する情報に基づいて取得される。

通常、充電開始前においては、電気自動車の蓄電池は蓄電量が低下しているので、蓄電池の電圧と、充電装置の出力電圧は異なる。本例は、このような通常状態であり、ステップＳ６において、演算部２２ｅは、開閉器２１−ｓ２１の入力側電圧と、開閉器２１−ｓ２１の出力側電圧との差が所定値以内ではないと判定し（ステップＦ６のＮＯ）、次にステップＦ５を実行する。

ステップＦ５において、演算部２２ｅは、開閉器２１−ｓ２１の入力側電圧と開閉器２１−ｓ２１の出力側電圧の差が低減するように、すなわちコンバータセル２０−２の出力電圧と電気自動車３２−１の蓄電池の電圧との差が低減するように、コンバータセル２０−２に対する制御指令を作成して、コンバータ制御信号線３５を介してコンバータセル２０−２へ送信する。演算部２２ｅは、ステップＦ５を実行後、次に、ステップＦ６を再度実行する。

ステップＦ６を再実行すると、演算部２２ｅは、ステップＦ５により開閉器２１−ｓ２１の入力側電圧と開閉器２１−ｓ２１の出力側電圧の差が低減するようにコンバータセル２０−２の出力電圧が調整されるので、開閉器２１−ｓ２１の入力側電圧と、開閉器２１−ｓ２１の出力側電圧との差が所定値以内であると判定し（ステップＦ６のＹＥＳ）、次にステップＦ７を実行する。

ステップＦ７において、演算部２２ｅは、開閉器２１−ｓ２１を投入する制御指令を作成して、切替制御信号線３４を介して切替器２１へ送信する。これにより、開閉器２１−ｓ２１の入力側電圧と開閉器２１−ｓ２１の出力側電圧の差が所定値以内である状態で、すなわちコンバータセル２０−２の出力電圧と電気自動車３２−１の蓄電池の電圧との差が小さな状態で、開閉器２１−ｓ２１が投入される。従って、コンバータセル２０−２や、電気自動車３２−１の蓄電池に過大な突入電流が流れることが防止できる。なお、このとき、切替器２１の状態は、図４ｃに示す状態となる。

図７は、図６におけるコンバータ電圧処理（ステップＦ５）の一例を示すフローチャートである。なお、本例において、各コンバータセルは、後述するように（図９参照）、いわゆるＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータ部を備えている。なお、ＬＬＣ方式の場合、動作周波数が高くなると、出力電圧が下がる。

演算部２２ｅは、図６のステップＦ５において、上述のように、投入する開閉器（２１−ｓ２１）における入力側電圧と出力側電圧の差、すなわちコンバータセル（２０−２）の出力電圧と蓄電池（電気自動車３２−１に搭載）の電圧の差が所定値超えていると判定すると（ステップＦ６のＮＯ）、本図７のコンバータ電圧処理を開始する（ステップＦ５−０）。

まず、ステップＦ５−１において、演算部２２ｅは、開閉器において出力側電圧よりも入力側電圧が高いかを判定する。演算部２２ｅは、入力側電圧の方が高いと判定すると（ステップＦ５−１のＹＥＳ）、次にステップＦ５−２を実行し、入力側電圧の方が高くないと判定すると（ステップＦ５−１のＮＯ）、次にステップＦ５−３を実行する。

ステップＦ５−２において、演算部２２ｅは、後述する交直変換器１２（図９参照）のスイッチング周波数、すなわちコンバータセル（２０−２）の動作周波数を所定量上げる制御指令を作成し、コンバータ制御信号線３５を介してコンバータセル（２０−２）に送信する。これにより、入力側電圧すなわちコンバータセル（２０−２）の出力電圧が減少し、開閉器（２１−ｓ２１）における入力側電圧と出力側電圧の差が低減する。

また、ステップＦ５−３において、演算部２２ｅは、後述する交直変換器１２（図９参照）のスイッチング周波数、すなわちコンバータセル（２０−２）の動作周波数を所定量下げる制御指令を作成し、コンバータ制御信号線３５を介してコンバータセル（２０−２）に送信する。これにより、入力側電圧すなわちコンバータセル（２０−２）の出力電圧が増加し、開閉器（２１−ｓ２１）における入力側電圧と出力側電圧の差が低減する。

ステップＦ５−２およびＦ５−３における、スイッチング周波数の増減量（前述の「所定量」）は、ＬＬＣ方式のコンバータセルの出力電圧の周波数特性に応じて、入力側電圧と出力側電圧の差が低減できるように適宜設定される。なお、ステップＦ５−２およびＦ５−３において、スイッチング周波数の増減量の大きさは、同じでもよいし、異なっていてもよい。

演算部２２ｅは、ステップＦ５−２もしくはステップＦ５−３を実行後、一連のコンバータ電圧処理を終了し（ステップＦ５−４）、前述の図６の処理におけるステップＦ６を再度実行する。

なお、図７の例では、ＬＬＣ方式のコンバータセルを周波数制御して出力電圧を調整しているが、これに限らず、コンバータセルの回路構成に応じて、位相シフト制御やＰＷＭデューティ制御などを適用してもよい。

次に、本実施形態の回路構成について説明する。

図９は、本実施形態の充電装置の回路構成の一例を示す。

Ｍ台のコンバータセル２０−１〜２０−Ｍは、一対の１次側端子（２５，２６）と、一対の２次側端子（（２７−１，２８−１）〜（２７−Ｍ，２８−Ｍ））と、交直変換器１１（第１の交直変換器（１次側変換器））と、交直変換器１２（第２の交直変換器（１次側変換器））と、交直変換器１３（第３の交直変換器（２次側変換器））と、高周波トランス１５と、平滑コンデンサ１７と、平滑コンデンサ１８−１〜１８−Ｍとを備える。

充電装置の入力部では、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの１次側端子２５，２６は、順次、互いに直列に接続され、このような入力部において、電源系統２３の電力が受電される。また、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの一対の２次側端子の内、高電位側の２次側端子（２７−１〜２７−Ｍ）は切替器２１に接続され、低電位側の２次側端子（２８−１〜２８−Ｍ）は切替器２１’に接続される。これにより、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの２次側の各電位を独立にすることができる。

なお、交直変換器１１の交流入力部と一対の１次側端子（２５，２６）との間には、フィルタリアクトル１９ａ，１９ｂが挿入される。

切替器２１および切替器２１’は、どちらも前述の図３または図５に示す構成を有する。一つのコンバータセル（例えば、２０−１）の一対の２次側端子（例えば、２７−１および２８−１）が接続される、切替器２１および切替器２１’の対応する入力ポート（例えば、２１−ｘ１および２１’−ｘ１）は、各入力ポートに接続される切替器２１および切替器２１’の対応する開閉器が連動して投入されることにより、切替器２１および切替器２１’の対応する出力ポート（（２１−ｙ１，２１’−ｙ１）〜（２１−ｙＮ，２１’−ｙＮ）：Ｎ＝Ｍの場合を含む）のいずれか（例えば、２１−ｙ１および２１’−ｙ１）に接続される。

１次側の交直変換器１１は、電源系統２３（図１）から受電する交流電力を直流電力に変換する。１次側の交直変換器１２は、交直変換器１１が出力する直流電力を交流電力に変換する。高周波トランス１５は、交直変換器１２が出力する交流電力を昇圧もしくは降圧して２次側へ伝送する。２次側の交直変換器１３は、高周波トランス１５の２次巻線１５ｂから出力される交流電力を直流電力に変換する。交直変換器１３が出力する直流電力が、電気自動車に搭載される蓄電池の充電に用いられる。

高周波トランス１５は、１次巻線１５ａに直列接続されるコンデンサを有し、このコンデンサと高周波トランス１５の１次側のインダクタンスにより共振回路が構成される。すなわち、交直変換器１２と高周波トランス１５と交直変換器１３は、いわゆるＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータを構成している。このため、上述のように、直流電力を交流電力に変換する交直変換器１２におけるスイッチング素子のスイッチング周波数を調整することによって、交直変換器１３の出力電圧すなわちコンバータセルの出力電圧を調整できる。また、ＬＬＣ方式によって、回路規模を大きくすることなく、コンバータセルの電力損失が低減できる。

高周波トランス１５の１次側のインダクタンスとして、高周波トランスの漏れインダクタンスを用いてもよい。この場合、意図的に漏れインダクタンスを発生させるように設計された高周波トランスを用いてもよい。

なお、高周波トランスは、磁性体コアに巻線が施される構成については、一般的なトランスと何ら変わりないが、高周波での使用に適するように、コアや巻線の構成が設計されたり、低損失の磁性体材料が使用されたりする。

交直変換器１１〜１３の各々は、Ｈブリッジ状に接続される４個のスイッチング素子と、これらスイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードすなわちＦＷＤ（Free Wheeling Diode）を有している。なお、本実施形態では、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。なお、ＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの他の半導体スイッチング素子を適用してもよい。

ここで、交直変換器１１および１３は、スイッチング素子を備えているので、ダイオードによる整流動作に加え、スイッチング素子により交流側における力率が改善されるとともに高調波を低減できる。なお、交直変換器１１〜１３は、Ｈブリッジ状に接続されるスイッチング素子を備えているので、双方向に電力変換が可能である。従って、本実施形態の充電装置は、電気自動車に搭載される蓄電池に蓄電される電力を、電源系統２３（図１）に供給することができる。

高周波トランス１５は、１次巻線１５ａと２次巻線１５ｂとの間で、所定の周波数で電力を伝送する。交直変換器１２および１３が高周波トランス１５との間には、高周波電流が流れる。ここで、高周波とは、１００Ｈｚ以上の周波数である。好ましくは、１ｋＨｚ以上、もしくは１０ｋＨｚ以上の周波数を採用される。これにより、コンバータセルを小型化することができる。

図１０は、本実施形態の充電装置の回路構成の他の例を示す。

図１０に示すように、本回路構成例においては、図９に示す回路構成例とは異なり、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの２次側出力端子は共通電位部に接続される。これにより、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの一対の２次側端子の内、高電位側の２次側端子のみが切替器に接続される。このため、充電装置を小型化できる。

図１１ａ並びに図１１ｂは、切替器と中継器の接続構成を示す。なお、図１１ａおよび図１１ｂにおいては、それぞれ、図９および図１０に示す回路構成が適用される。

図１１ａに示すように、図９に示す回路構成が適用される場合、中継器３０−１〜３０−Ｎの高電位側端子および低電位側端子は、それぞれ、切替器２１の出力ポートおよび切替器２１’の出力ポートに接続される。これにより、複数の電気自動車を互いに絶縁して充電することができる。

また、図１１ｂに示すように、図９に示す回路構成が適用される場合、中継器３０−１〜３０−Ｎの高電位側端子および低電位側端子の内、高電位側端子のみが切替器２１の出力ポートに接続され、低電位側端子は、コンバータセルと同じ共通電位部に接続される。

なお、本実施形態において、中央コントローラ２２は、上述の切替器などの制御に加えて、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの入力電圧（コンバータセルの端子２５，２６の電圧）が均等化するように、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍを制御してもよい。この場合、中央コントローラ２２は、電圧センサ２４ａ（図１）によって検出される電源系統２３の電圧値、および各コンバータセルの入力側に設けられる電圧センサ（図示せず）によって検出されるコンバータセル２０−１〜２０−Ｍの入力電圧値に基づいて、制御を実行する。例えば、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの入力電圧値が、電源系統２３の電圧値の１／Ｍになるように制御される。本制御によれば、コンバータセル２０−１〜２０−Ｍの電源系統２３側入力が互いに直列接続されているため各コンバータセルの入力側には同じ電流がながれるので、各コンバータセルの入力電力を均等化できる。これにより、各コンバータセルの電力負担が均等化されるので、充電装置の信頼性が向上する。

図１２は、本実施形態の充電装置の設置形態の一例を示す。

図１２に示すように、ビル内の駐車場の駐車スペースに４台の中継器３０−１〜３０−４（充電スタンド）が設置されている。図中では、中継器３０−２に接続される充電コネクタ３１−２が、駐車中の電気自動車３２−２の充電口に装着され、電気自動車３２−２が充電中である。また、切替器２１およびコンバータセル２０−１〜２０−４は、個別に筺体に格納され、天井部の隙間に設置されている。

本実施形態では、受電部におけるトランスが不要であり、また各コンバータセルが小型化できるので、充電装置の主回路部を、狭隘な空きスペースに設置できる。従って、駐車場において、駐車スペースを損なうことなく、充電装置を設置することができる。また、本実施形態では、通常充電や急速充電などの様々な充電メニーに対応できるので、電気自動車の利用者にとって使い勝手が向上する。

図１３は、コンバータセルにおける交直変換器の回路構成の変形例を示す。

本変形例では、交流電力を直流電力に変換する交直変換器、例えば、図９における交直変換器１３が、図１３に示すように、整流素子Ｄ_１〜Ｄ_４からなるＨブリッジ回路によって構成される。これにより、コンバータセルを小型化することができる。

なお、図１３において、整流素子Ｄ_１〜Ｄ_４は、半導体ダイオードであるが、半導体材料はＳｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体でもよい。

図１４ａ〜１４ｃは、コンバータセルの主回路におけるＤＣ／ＤＣコンバータ部の回路構成の変形例を示す。

図１４ａの変形例では、図９，１０の回路構成と同様に、交直変換器１２と、高周波トランス１５の１次巻線１５ａとの間にコンデンサ５１が挿入されるが、さらに交直変換器１３と、高周波トランスの２次巻線１５ｂとの間にもコンデンサ５２が挿入されている。

図１４ｂの変形例では、交直変換器１２と１次巻線１５ａとの間、並びに交直変換器１３と２次巻線１５ｂとの間の内、交直変換器１３と２次巻線１５ｂとの間のみにコンデンサ５２が挿入される。

図１４ｃの変形例では、交直変換器１２と１次巻線１５ａとの間、並びに交直変換器１３と２次巻線１５ｂとの間において、コンデンサが挿入されない。

また、上記各実施形態に適用される高周波トランス１５は、意図的に漏れインダクタンスを発生させるように設計したものを用いてもよい。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、電気自動車に搭載される蓄電装置は、蓄電池のほか、キャパシタでもよい。

また、コンバータセルの主回路を構成するスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのほか、接合型バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、サイラトロン等の真空管素子を適用してもよい。また、スイッチング素子を構成する半導体材料は、Ｓｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体でもよい。

また、コンバータセルの主回路を構成する整流素子として、半導体ダイオードのほか、水銀整流器等の真空管素子を適用しても良い。また、整流素子を構成する半導体材料は、Ｓｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体でもよい。

１１，１２，１３ 交直変換器
１５ 高周波トランス
１５ａ １次巻線
１５ｂ ２次巻線
１７，１８−１〜１８−Ｍ 平滑コンデンサ
１９ａ〜１９ｂ フィルタリアクトル
２０−１〜２０−Ｍ コンバータセル
２１，２１’ 切替器
２１−ｘ１〜２１−ｘＭ，２１’−ｘ１〜２１’−ｘＭ 入力ポート
２１−ｙ１〜２１−ｙＭ，２１−ｙＮ 出力ポート
２１’−ｙ１〜２１’−ｙＭ，２１’−ｙＮ 出力ポート
２１−ｓ１１〜２１−ｓＭＮ 開閉器
２２ 中央コントローラ
２２ａ コンバータ通信送受信端
２２ｂ 切替指令送信端
２２ｃ 車両通信送受信端
２２ｄ センサ信号受信端
２２ｅ 演算部
２３ 電源系統
２４ａ 電圧センサ
２４ｂ 電流センサ
２５，２６ １次側端子
２７，２８ ２次側端子
３０−１〜３０−Ｍ 中継器
３１−１〜３１−Ｍ 充電コネクタ
３２−１〜３２−Ｍ 電気自動車
３３ 車両通信信号線
３４ 切替制御信号線
３５ コンバータ制御信号線
３６ センサ信号線

Claims (9)

1. 複数の蓄電装置を充電する充電装置において、
   直流電力を出力する複数のコンバータセルと、
   前記複数のコンバータセルの複数の出力が接続される複数の入力ポートと、前記複数の蓄電装置が接続される複数の出力ポートとを有する切替器と、
   前記切替器が、前記複数の入力ポートのいずれかを、前記複数の出力ポートのいずれかに接続するとき、前記複数の出力ポートのいずれかに接続される前記蓄電装置の電圧に応じて、前記複数の入力ポートのいずれかに接続される前記コンバータセルの出力電圧を調整する制御装置と、
   を備えることを特徴とする充電装置。
2. 請求項１に記載される充電装置において、
   前記コンバータセルの出力電圧と前記蓄電装置の電圧の差を低減するように、前記コンバータセルの出力電圧が調整されることを特徴とする充電装置。
3. 請求項１に記載される充電装置において、
   前記制御装置は、前記コンバータセルの出力電圧が前記蓄電装置の電圧よりも大きい場合、前記コンバータセルの出力電圧を低減し、前記コンバータセルの出力電圧が前記蓄電装置の電圧よりも小さい場合、前記コンバータセルの動作周波数を増大することを特徴とする充電装置。
4. 請求項１に記載される充電装置において、
   前記コンバータセルは、
   高周波トランスと、
   前記高周波トランスの１次側に接続される１次側電力変換器と、
   前記高周波トランスの２次側に接続され、前記出力ポートに出力が接続される２次側電力変換器と、
   を備えることを特徴とする充電装置。
5. 請求項４に記載される充電装置において、
   前記高周波トランスの１次巻線と、前記１次巻線に直列接続されるコンデンサとによって共振回路が構成されることを特徴とする充電装置。
6. 請求項４に記載される充電装置において、
   前記制御装置は、前記コンバータセルの出力電圧が前記蓄電装置の電圧よりも大きい場合、前記コンバータセルの動作周波数を増大し、前記コンバータセルの出力電圧が前記蓄電装置の電圧よりも小さい場合、前記コンバータセルの動作周波数を低減することを特徴とする充電装置。
7. 請求項１に記載される充電装置において、
   前記切替器は、
   前記コンバータセルの一対の２次側端子の内、高電位側が接続される第１の切替器と、
   前記コンバータセルの前記一対の２次側端子の内、低電位側が接続される第２の切替器と、
   を有することを特徴とする充電装置。
8. 請求項１に記載される充電装置において、
   前記コンバータセルの一対の２次側端子の内、高電位側は前記切替器に接続され、
   前記コンバータセルの前記一対の２次側端子の内、低電位側は共通電位部に接続される
   ことを特徴とする充電装置。
9. 請求項１に記載される充電装置において、
   前記切替器は、前記複数の入力ポートと、前記複数の出力ポートとの間に接続される複数の開閉器を備え、
   前記制御装置は、前記複数の開閉器の投入および開放を制御することを特徴とする充電装置。

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