JP2023028822A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧アンバランスを抑制できる充電装置を開示する。【解決手段】充電装置［１２７］は、複数のコンバータユニット［１１６］と、複数のコンバータユニットが接続される入力ポートと複数の蓄電装置が接続される出力ポートとを有するマトリクススイッチ［１２０］と、コンバータユニットの出力電流およびマトリクススイッチを制御する制御ユニット［１２８］と、を備える。コンバータユニットは、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］と、キャパシタを介してＡＣ／ＤＣ変換回路に接続されるＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］とを有するコンバータセル［１０８］を備える。複数のＡＣ／ＤＣ変換回路の複数の交流入力端子は互いに直列に接続される。制御ユニットは、コンバータユニットの出力電流を所定値まで低減し、その後、マトリクススイッチにおける入力ポートと出力ポートとの間の接続状態を再構成する。【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、電気自動車用充電装置の大容量化により、中高圧絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータを備えた充電装置が適用されつつある。なお、以下、「電気自動車」（electric vehicle）は、「ＥＶ」と記載する。

中高圧絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータを備えた充電装置に関する従来技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１に記載の技術では、各々が絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータからなる複数台のコンバータセルの交流入力が互いに直列接続される。直列接続された交流入力は、変圧器を介することなく、高電圧の交流電源系統に直接、接続される。

各コンバータセルは、交流入力を有するＡＣ／ＤＣ変換回路と、ＡＣ／ＤＣ変換回路の直流側に接続される平滑キャパシタと、交流側がＡＣ／ＤＣ変換回路の直流側に接続されるＤＣ／ＡＣ変換回路と、一次巻線がＤＣ／ＡＣ変換回路の交流側に接続される高周波トランスと、交流側が高周波トランスの二次巻線に接続され、直流出力を有するＡＣ／ＤＣ変換回路とを備えている。

複数台のコンバータセルの直流出力は、切替器の複数の入力ポートに接続される。切替器においては、複数の入力ポートと複数の出力ポートの間に、開閉器がマトリクス状に接続される。このため、開閉器を操作することにより、各コンバータセルの直流出力が任意の出力ポートに接続される。各コンバータセルは、出力ポートに接続される負荷である電気自動車の蓄電池に直流電力を供給して、蓄電池を充電する。

国際公開第２０１９／２３４９８８号

上記従来技術では、複数の出力ポートにおける負荷の接続状態が変化すると、複数の平滑キャパシタの直流電圧にアンバランスが生じる。アンバランスが生じると、回路が故障する恐れがある。

そこで、本発明は、負荷の接続状態が変動しても、電圧アンバランスを抑制できる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、交流電力を入力し、かつ直流電力を出力する複数のコンバータユニットと、複数のコンバータユニット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マトリクススイッチと、複数のコンバータユニットの出力電流を制御するとともにマトリクススイッチにおける複数の開閉器を制御する制御ユニットと、を備える。複数のコンバータユニットの各々は、交流電力を入力するＡＣ／ＤＣ変換回路と、キャパシタを介してＡＣ／ＤＣ変換回路に接続されかつ直流電力を出力するＤＣ／ＤＣ変換回路とを有する、コンバータセルを備える。複数のＡＣ／ＤＣ変換回路の複数の交流入力端子は互いに直列に接続される。制御ユニットは、蓄電装置を出力ポートに接続するとき、もしくは蓄電装置を出力ポートから切り離すとき、複数のコンバータユニットの出力電流を所定値まで低減し、その後、制御ユニットは、マトリクススイッチにおける複数の入力ポートと複数の出力ポートとの間の接続状態を再構成する。

本発明によれば、電圧のアンバランスを抑制できる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の一実施形態である、電気自動車用充電装置の構成を示すブロック図である。 図２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］の一例を示す回路図である。 図３は、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］の他の例を示す回路図である。 図４は、ＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］の一例を示す回路図である。 図５は、制御ユニット［１２８］の構成を示すブロック図である。 図６は、制御ユニット［１２８］の動作を示すフローチャートである。 図７は、制御ユニット［１２８］の動作モード（I，II，III）の遷移を示すタイムチャートである。 図８は、ＥＶ［１２４］が搭載する蓄電池を充電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の一例を示す回路図である。 図９は、ＥＶ［１２４］が搭載する蓄電池を充電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の再構成例を示す回路図である。 図１０は、ＥＶ［１２４］が搭載する蓄電池を放電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の一例を示す回路図である。 図１１は、ＥＶ［１２４］が搭載する蓄電池を放電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の再構成例を示す回路図である。

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、電気自動車用の充電装置の構成を示すブロック図である。

充電装置［１２７］は、三相四線式のＡＣ電源［１００］から、三相リアクトル［１０２］を介して三相ＡＣ電力を入力する複数（ｍ台）のコンバータ部１１６を有する。「ｍ」は２以上の整数である。各コンバータ部１１６は、ＡＣ電源［１００］の一相から単相ＡＣ電力を入力するコンバータセル［１０８］を三相分（すなわち３台）有する。各コンバータセル［１０８］は、単相ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］と、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］が出力するＤＣ電力を、電圧が異なるＤＣ電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］とからなる。ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］のＤＣ出力端子とＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］のＤＣ入力端子は、ＤＣバス［１１０，１１１］によって接続される。

複数（ｍ台）のコンバータ部［１１６］において、各コンバータ部［１１６］が備える三相分（三台）のコンバータセル［１０８］の内の一相分のＡＣ入力が、互いに直列に接続される。すなわち、複数（ｍ個）のＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］の各々のＡＣ入力端子［１０３，１０４］が、互いに直列に接続される。ＡＣ入力端子の直列接続の一端および他端［１０６］は、それぞれ、ＡＣ電源［１００］の一相（例えば、Ｕ相）およびＡＣ電源［１００］の中性点Ｎに接続される。これにより、コンバータセル［１０８］の入力を、変圧器を介することなく、高電圧（例えば、６．６ｋＶや１１ｋＶ）のＡＣ電源［１００］に直接接続することができる。

各コンバータユニット［１１６］が備える三相分（三台）のコンバータセル［１０８］のＤＣ出力は、互いに並列に接続される。すなわち、三相分（三台）のＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］のＤＣ出力端子［１１３，１１４］が並列に接続される。これにより、各コンバータユニット［１１６］のＤＣ出力が構成される。

マトリクススイッチ［１２０］は、複数（ｍ個）の入力ポートと複数（ｎ個）の出力ポートを有する。マトリクススイッチ［１２０］は、複数（ｍ個）の入力ポートと複数（ｎ個）の出力ポートとの間に、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置される、ｍ×ｎ個の開閉器を有する。複数（ｍ台）のコンバータユニット［１１６］の各ＤＣ出力は、複数（ｍ個）の入力ポートの内の異なる入力ポートに、ＤＣバス［１１５］を介して接続される。これら開閉器を操作することにより、各入力ポートと任意の出力ポートとが電気的に接続される。

なお、マトリクススイッチ［１２０］における開閉器としては、電磁式や電子式の開閉器が適用される。

マトリクススイッチ［１２０］の複数（ｎ個）の出力ポートの各々は、接続ケーブル［１２１］を介して、ＥＶ用充電ポート［１２２］（充電スタンド）に電気的に接続される。複数（ｎ台）のＥＶ用充電ポート［１２２］（充電スタンド）の各々には、充電用ケーブル［１２５］を介してＥＶ［１２４］が接続される。

マトリクススイッチ［１２０］が操作されて、複数（ｍ台）のコンバータユニット［１１６］のいずれかのＤＣ出力が接続されると、コンバータユニット［１１６］が出力するＤＣ電力が、ＥＶ［１２４］が搭載する蓄電池に充電される。マトリクススイッチ［１２０］における複数の開閉器を制御することによって、コンバータユニット［１１６］のＤＣ出力が、ＥＶに接続されたり、ＥＶとの接続が解除されたりする。また、マトリクススイッチ［１２０］の開閉制御により、高速充電などの場合に、複数（例えば、２台）のコンバータユニット［１１６］のＤＣ出力を、一台のＥＶに接続することができる。

制御ユニット［１２８］は、充電装置［１２７］における電圧および電流情報［１２９］、電圧もしくは電流基準値［１３１］、および複数（ｎ台）のＥＶ用充電ポート［１２２］（充電スタンド）すなわち充電ポート群［１３２］からのＥＶ側情報［１３３］に基づいて、マトリクススイッチ［１２０］の開閉制御や、各コンバータセル［１０８］のＤＣ出力電力制御のための、マトリクススイッチ［１２０］および各コンバータセル［１０８］に対する駆動信号［１３０］を生成する。

本実施形態において、電圧および電流情報［１２９］は、各コンバータセル［１０８］におけるＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］とＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］とを接続するＤＣバス電圧［１１７］と、各コンバータユニット［１１６］のＤＣ出力［１１５］における電圧および電流［１１８］である。電圧および電流情報［１２９］は、それぞれ電圧センサおよび電流センサによって検出される。

また、本実施形態において、ＥＶ側情報［１３３］は、ＥＶの蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）に関するＳＯＣ情報［１２３］、充電スピード（低速、中速、急速）などのユーザ設定情報、ＥＶ用充電ポート（充電スタンド）［１２２］へのＥＶの接続・非接続に関するＥＶ接続情報を含む。ＳＯＣ情報［１２３］は、充電用ケーブル［１２５］が備える通信線と、ＥＶ用充電ポート（充電スタンド）［１２２］とを介して、制御ユニット［１２８］へ送信される。ユーザ設定情報は、ＥＶ用充電ポート（充電スタンド）［１２２］のスイッチ装置やボタン操作によって設定される。ＥＶ接続情報はＥＶ用充電ポート（充電スタンド）［１２２］によって検出される。ユーザ設定情報およびＥＶ接続情報は、ＥＶ用充電ポート（充電スタンド）［１２２］によって制御ユニット［１２８］へ送信される。

図２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］の一例を示す回路図である。

図２に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］は、半導体スイッチング素子（図２では、ＩＧＢＴ）とダイオードが逆並列に接続された半導体装置［２００］が用いられる単相フルブリッジ回路と、単相フルブリッジ回路に並列に接続されるＤＣリンクキャパシタ［２０１］とからなる。各ハーフブリッジ回路における２個の半導体装置［２００］の直列接続点をＡＣ入力［１０３，１０４］とする。二つのハーフブリッジ回路並びにＤＣリンクキャパシタ［２０１］の並列接続点が、ＤＣ出力として、ＤＣバス［１１０，１１１］に接続される。

ＡＣ入力端子［１０３，１０４］に入力されるＡＣ電力が、ダイオードにより整流されて、ＤＣ電力に変換される。ＤＣ電力は、ＤＣリンクキャパシタ［２０１］を充電するとともに、ＤＣバス［１１０，１１１］に出力される。

ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］は、半導体スイッチング素子により、ＤＣバス［１１０，１１１］に入力されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換してＡＣ入力［１０３，１０４］から出力できる。すなわち、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］は双方向電力変換回路として動作できる。

図３は、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］の他の例を示す回路図である。

図３に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］は、半導体スイッチング素子（図３では、ＩＧＢＴ）とダイオードが逆並列に接続された半導体装置［２００］が用いられるハーフブリッジ回路と、ＤＣリンクキャパシタ［２０１，２０２］の直列接続回路との、並列接続からなる。ハーフブリッジ回路における２個の半導体装置［２００］の直列接続点、および二つのＤＣリンクキャパシタ［２０１］の直列接続点を、それぞれ、ＡＣ入力［１０３，１０４］とする。ハーフブリッジ回路の両端、すなわちＤＣリンクキャパシタ［２０１，２０２］の直列接続回路の両端が、ＤＣとして、ＤＣバス［２０１，２０２］に接続される。

ＡＣ入力［１０３，１０４］に入力されるＡＣ電力が、ダイオードにより整流されて、ＤＣ電力に変換される。ＤＣ電力は、ＡＣ入力電圧の極性に応じて、ＤＣリンクキャパシタ［２０１，２０２］を交互に充電する。

図３に示すＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］は、半導体スイッチング素子により、ＤＣ出力端子［１１０，１１１］に入力されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換してＡＣ入力端子［１０３，１０４］から出力できる。すなわち、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］は双方向電力変換回路として動作できる。

図４は、ＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］の一例を示す回路図である。

図４に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］は、絶縁型であり、ＤＣ／ＡＣ変換回路［３００］と、高周波トランス［３１０］を介してＤＣ／ＡＣ変換回路［３００］に接続されるＡＣ／ＤＣ変換回路［４００］とを有する。

ＤＣ／ＡＣ変換回路［３００］は、半導体スイッチング素子（図４では、ＩＧＢＴ）とダイオードが逆並列に接続された半導体装置［３０１］が用いられる単相フルブリッジ回路と、単相フルブリッジ回路に並列に接続される一次側キャパシタ［３１１］とからなる。

二つのハーフブリッジ回路並びに一次側キャパシタ［３１１］の並列接続点が、ＤＣ入力として、ＤＣバス［１１０，１１１］に接続される。各ハーフブリッジ回路における２個の半導体装置［３０１］の直列接続点が、ＡＣ出力として、高周波トランス［３１０］の一次巻線［３０５］にリアクトル［３０３］を介して接続される。

ＡＣ／ＤＣ変換回路［４００］は、半導体スイッチング素子（図４では、ＩＧＢＴ）とダイオードが逆並列に接続された半導体装置［３１２］が用いられる単相フルブリッジ回路と、単相フルブリッジ回路に並列に接続される二次側キャパシタ［３１３］とからなる。

各ハーフブリッジ回路における２個の半導体装置［３１２］の直列接続点が、ＡＣ入力として、高周波トランス［３１０］の二次巻線［３０８］に接続される。二つのハーフブリッジ回路並びに一次側キャパシタ［２０１］の並列接続点が、ＤＣ出力として、ＤＣバス［１１３，１１４］に接続される。

ＤＣ／ＡＣ変換回路［３００］は、半導体スイッチング素子により、ＤＣバス［１１０，１１１］から入力するＤＣ電力を、ＡＣ電力に変換して、高周波トランス［３１０］の一次巻線［３０５］に出力する。高周波トランス［３１０］は、一次巻線［３０５］で受けたＡＣ電力を、ＡＣ電圧を降圧もしくは昇圧して、二次巻線［３０８］に出力する。

ＡＣ入力端子［１０３，１０４］に入力されるＡＣ電力が、ダイオードにより整流されて、ＤＣ電力に変換される。ＤＣ電力は、ＤＣリンクキャパシタ［２０１］を充電するとともに、ＤＣバス［１１０，１１１］に出力される。

ＡＣ／ＤＣ変換回路［４００］は、二次巻線［３０８］から入力するＡＣ電力をダイオードにより整流して、ＤＣ電力に変換する。ＤＣ電力は、二次側キャパシタ［３１３］を充電するとともに、ＤＣバス［１１０，１１１］ヘ出力される。

ＡＣ／ＤＣ変換回路［４００］は、半導体スイッチング素子により、ＤＣバス［１１０，１１１］から入力されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換できる。ＤＣ／ＡＣ変換回路［３００］は、高周波トランス［３１０］を介してＡＣ／ＤＣ変換回路［４００］から入力されるＡＣ電力を、ダイオードによりＤＣ電力に変換できる。なわち、ＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］は双方向電力変換回路として動作できる。

図５は、制御ユニット［１２８］の構成を示すブロック図である。

図５に示すように、第１制御部［４０１］と第２制御部［４０２］とからなる。

第１制御部［４０１］は、電圧もしくは電流基準値［１３１］とＥＶ側情報［１３３］（ＳＯＣ，ユーザ設定情報）に基づいて、コンバータセル［１２８］の出力電流指令［４００］と、マトリクススイッチ［１２０］における各開閉器の開閉状態（ＯＮ，ＯＦＦ）を設定するマトリクススイッチ制御指令［４０３］を作成する。

第２制御部［４０２］は、第１制御部［４０１］よって作成される出力電流指令［４００］および出力電流指令［４００］、並びに充電装置［１２７］における電圧および電流情報［１２９］に基づいて、コンバータセル［１０８］およびマトリクススイッチ［１２０］に対する駆動信号［１３０］を作成する。例えば、駆動信号［１３０］は、マトリクススイッチ［１２０］における開閉器へのオン・オフ駆動信号、並びにコンバータセル［１０８］における半導体スイッチング素子へのゲート駆動信号である。

図６は、制御ユニット［１２８］の動作を示すフローチャートである。なお、制御ユニット［１２８］は、マイクロコンピュータなどのコンピュータシステムを有し、コンピュータシステムが所定のプログラムを実行することにより、制御動作を行う。

ステップＳ０で、制御ユニット［１２８］は、制御動作を開始する。

次に、ステップＳ１において、制御ユニット［１２８］は、ＥＶ側情報［１３３］に基づいて、複数（ｎ台）のＥＶ用充電ポート［１２２］（充電スタンド）におけるＥＶの接続状態を検査する。

次に、ステップＳ２において、制御ユニット［１２８］は、ＥＶ側情報［１３３］に基づいて、ＥＶ用充電ポート［１２２］（充電スタンド）に接続されたＥＶが要する充電電力を、確認もしくは算出する。

次に、ステップＳ３において、制御ユニット［１２８］は、ＥＶ側情報［１３３］に基づいて、マトリクススイッチにおける、複数（ｍ個）の入力ポート（コンバータユニット［１１６］側）と複数（ｎ個）の出力ポート（ＥＶ用充電ポート［１２２］側）との間の接続構成を設定する。すなわち、制御ユニット［１２８］は、第一制御部［４０１］（図２）を用いて、マトリクススイッチ制御指令［４０３］を作成する。

次に、ステップＳ４において、制御ユニット［１２８］は、高電圧（ＨＶ）側キャパシタ、すなわちＤＣバス［１１０，１１１］に接続されるＤＣリンクキャパシタ［２０１］（図２）もしくは一次側キャパシタ［２０１］（図４）において、許容される最大電圧およびリップルのピーク・ピーク値、すなわち許容電圧変動範囲と、ステップＳ２の実行結果に応じて各コンバータセル［１０８］に要求される出力電力に基づいて、個々のＥＶに対する充電電流の範囲、すなわち最大値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}）、最小値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍｉｎ}）および平均値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ａｖｇ}（＝（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}＋Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍｉｎ}）／２））を算出する。

次に、ステップＳ６において、制御ユニット［１２８］は、ユーザ設定情報（充電スピードなど）に対応する充電電流ユーザ設定値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}）が、ステップＳ４で算出した充電電流の範囲内（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍｉｎ}≦Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}≦Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}）であるかを判定する。なお、制御ユニット［１２８］は、ユーザ設定情報（充電スピードなど）に対応する充電電流ユーザ設定値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}）を、予め記憶している、ユーザ設定情報と充電電流ユーザ設定値との関係から抽出する（ステップＳ５）。

制御ユニット［１２８］は、充電電流ユーザ設定値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}）がステップＳ４で算出した充電電流の範囲内（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍｉｎ}≦Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}≦Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}）であると判定すると（ステップＳ６のＹｅｓ）、次に、ステップＳ７を実行する。また、制御ユニット［１２８］は、充電電流ユーザ設定値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}）がステップＳ４で算出した充電電流の範囲内（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍｉｎ}≦Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}≦Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}）にはないと判定すると（ステップＳ６のＮｏ）、次に、ステップＳ８を実行する。

ステップＳ７において、制御ユニット［１２８］は、充電電流の値を充電電流ユーザ設定値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｕｓｅｒ}）に設定する。

ステップＳ８において、制御ユニット［１２８］は、充電電流の値を平均値（Ｉ_{ｒｅｆ＿ａｖｇ}（＝（Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍａｘ}＋Ｉ_{ｒｅｆ＿ｍｉｎ}）／２））に設定する。

次に、ステップＳ９において、制御ユニット［１２８］は、ステップＳ７，Ｓ８に応じて、コンバータセル［１０８］に対して充電電流指令値を設定する。すなわち、制御ユニット［１２８］は、第１の制御部［４０１］（図２）を用いて、出力電流指令［４００］（図２）を生成する。

次に、ステップＳ１０において、制御ユニット［１２８］は、ＥＶ側情報［１３３］に基づいて、ＥＶ接続解除、または充電終了、もしくは他のＥＶの追加接続に関する要求の有無を判定する。制御ユニット［１２８］は、要求有と判定すると（ステップＳ１０のＹｅｓ）、次に、ステップＳ１１を実行する。また、制御ユニット［１２８］は、要求無と判定すると（ステップＳ１０のＮｏ）、ステップＳ４以降を再度実行する。

ステップＳ１１において、制御ユニット［１２８］は、充電装置［１２７］が用いている複数（ｍ台）のコンバータユニット［１１６］の各々の出力電流が低減するように、出力電流指令［４００］（図２）を変更する。このとき、制御ユニット［１２８］は、各コンバータユニット［１１６］において並列接続されている複数（三相分）のコンバータセル［１０８］を、各コンバータセル［１０８］の出力電流が低減されるように制御する。

本発明者の検討によれば、変更後の出力電流指令は、キャパシタ（図２，３における２０１，２０２、図４における３１１）が接続されるＤＣバス［１１０，１１１］の電圧のアンバランスが、ＤＣバス電圧の基準値（例えば、ＡＣ電源電圧／ｍ）の３０％未満となるように設定されることが好ましい。例えば、高電圧キャパシタ（図２，３における２０１，２０２、図４における３１１）電圧リプルが基準値の３０％未満に保たれるようにする。なお、変更後の出力電流指令は、零もしくは零に近い所定値でもよい。

次に、ステップＳ１２において、制御ユニット［１２８］は、ＥＶの新規接続や接続解除に伴い、マトリクススイッチにおける、複数（ｍ個）の入力ポート（コンバータユニット［１１６］側）と複数（ｎ個）の出力ポート（ＥＶ用充電ポート［１２２］側）との間の接続構成を再設定する。

次に、ステップＳ１３において、制御ユニット［１２８］は、所定の遅延時間の後、再度ステップＳ１以降を実行する。遅延時間は、ＥＶの新規接続や接続解除に伴うコンバータユニット［１１６］およびコンバータセル［１０８］における電圧・電流の過渡的な変動がおさまるのに要する時間（例えば、１μｓｅｃ以上）に設定される。

図６中のモードI，II，IIIについては、後述する。

図７は、制御ユニット［１２８］の動作モード（I，II，III）の遷移を示すタイムチャートである。

モードIは、図６のフローチャートにおけるステップＳ０～Ｓ９の動作に相当する。すなわち、モードIは、動作開始直後における、各コンバータセル［１０８］への充電電流指令値設定動作である。

モードIIは、図６のフローチャートにおけるステップＳ１０～Ｓ１３の動作に相当する。すなわち、動作モードIIは、ＥＶの接続状態を変化させるときに、各コンバータセル［１０８］の出力電流指令値を最小レベルに設定し、それからマトリクススイッチ［２００］における入出力ポートの接続状態を再構成する動作である。

モードIIIは、図６のフローチャートにおけるステップＳ１～Ｓ１９の動作に相当する。すなわち、動作モードIは、動作開始以降における、各コンバータセル［１０８］への充電電流指令値設定動作である。

図７に示すように、制御ユニット［１２８］は、動作開始時点（ｔ_０）でまず動作モードIにて動作する。ＥＶの接続状態の変化に関する要求があると（ｔ_１）、動作モードは、モードIIへ遷移する。

モードIIでは、図６（ステップＳ１３）に示すように、所定の遅延時間が設定される。したがって、モードIIの時間幅は遅延時間を含む一定値となる。

モードIIが終了すると（ｔ_２）、動作モードは、モードIIIへ遷移する。以後（ｔ_３以降）、動作モードは、モードIIとモードIIIを交互に繰り返す。

期間ｔ_０－ｔ_１の間、ＥＶ充電ポート１～ｍに接続されたＥＶが充電を開始し、バッテリー電圧が上昇する。ｔ_１の時点（モードIIの開始）で、ＥＶ充電ポート１は、ＥＶ充電ポート１でＥＶ充電を停止するコマンドを制御ユニット［１２８］から受け取る。したがって、コントロールユニット［１２８］は、安全なＥＶ切断のために、基準電流コマンドをすべてのコンバータユニット［１１６］に送ってゼロにする。ｔ_１－ｔ_２の間に、すべてのコンバータ電流はゼロに減少する。電流がゼロになった後、ＥＶはＥＶ充電ポート１から切り離されるが、それ以外のポートは接続されたままである。したがって、ＥＶ電圧は、ｔ_２－ｔ_３の間、接続ポートに反映される。この時間間隔の間、ＥＶ充電ポート１に接続されたコンバータユニット［１１６］は、ＥＶがまだマトリックススイッチ［１２０］で接続されている他の利用可能なポートの一つと再接続される。ｔ_３～ｔ_４の間、ＥＶ充電ポートｍと他のポートはコンバータユニット開始する。なお、ＥＶ充電ポート［１２２］の電圧波形と電流波形を示している。

次に、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の再構成の例について説明する。

図８は、ＥＶが搭載する蓄電池を充電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の一例を示す回路図である。図中、電力の伝送経路を矢印で示す。なお、以下で説明する図８に記載されるマトリクススイッチ［１２０］の構成は、図９～１１に記載されるマトリクススイッチ［１２０］も同様である。

マトリクススイッチ［１２０］は、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置される複数（ｍ×ｎ個）の開閉器［７００（１，１）～７００（ｍ，ｎ）］を有している。マトリクススイッチ［１２０］は、複数（ｍ台）のコンバータユニット［１１６］の複数（ｍ個）のＤＣ出力［１１５］が電気的に接続される複数（ｍ個）の入力ポート［１１５（１）～１１５（ｍ）］を有する。また、マトリクススイッチ［１２０］は、複数（台）のコンバータユニット［１１６］の複数（ｍ個）のＤＣ出力［１１５］が電気的に接続される複数（ｍ個）の入力ポート［１１５（１）～１１５（ｍ）］を有する。また、複数（ｎ個）の接続ケーブル［１２１］が電気的に接続される複数（ｎ個）の出力ポート［１２１（１）～１２１（ｎ）］を有する。

マトリクススイッチ［１２０］において、入力ポート［１１５（１）～１１５（ｍ）］は、それぞれバス［７０１（１）～７０１（ｍ）］に接続され、そして、出力ポート［１２１（１）～１２１（ｎ）］はバス［７０２（１）～７０２（ｎ）］に接続される。開閉器［７００（ｍ，ｎ）］は、バス［７０１（ｍ）］とバス［７０２（ｎ）］との間に接続される。

図８に示すように、ｎ台のＥＶ［１２４］が、出力ポート１２１（１），１２１（２），１２１（ｎ）に接続される。

出力ポート１２１（１）に接続されるＥＶ［１２４］には、入力ポート１１５（１）に接続されるコンバータユニット［１１６］の出力電力が、バス［７０１（１）］→開閉器［７００（１，１）］→バス［７０２（１）］という経路で、伝送される。これにより、出力ポート１２１（１）に接続されるＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池が充電される。

出力ポート１２１（２）に接続されるＥＶ［１２４］には、入力ポート１１５（２）に接続されるコンバータユニット［１１６］の出力電力が、バス［７０１（２）］→開閉器［７００（２，２）］→バス［７０２（２）］という経路で、伝送される。これにより、出力ポート１２１（２）に接続されるＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池が充電される。

出力ポート１２１（ｎ）に接続されるＥＶ［１２４］には、入力ポート１１５（ｍ）に接続されるコンバータユニット［１１６］の出力電力が、バス［７０１（ｍ）］→開閉器［７００（ｍ，ｎ）］→バス［７０２（ｎ）］という経路で、伝送される。これにより、出力ポート１２１（ｎ）に接続されるＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池が充電される。

図９は、ＥＶが搭載する蓄電池を充電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の再構成例を示す回路図である。図中、電力の伝送経路を矢印で示す。

マトリクススイッチにおける接続状態は、図８に示す接続状態から図９に示す接続状態に遷移する。

図８の接続状態において、出力ポート１２１（ｎ）に接続されるＥＶ［１２４］の切り離しの要求がある場合、前述のようにコンバータセル［１０８］の出力電流指令値が低減される。それから、マトリクススイッチの接続状態が再構成されて、図９の接続状態に遷移する。このため、ＤＣバス［１１０，１１１］の電圧アンバランスの大きさを抑制できる。

図９に示すように、３台のＥＶ［１２４］の内、図８において出力ポート［１２１（ｎ）］に接続されているＥＶ［１２４］が、出力ポート１２１（ｎ）から切り離される。このとき、開閉器［７００（ｍ，ｎ）］がオフする。

開閉器［７００（ｍ，ｎ）］のオフに伴い、出力ポート［１２１（ｎ）］に接続されているＥＶ［１２４］への電力伝送が遮断される。このとき、ＤＣバス［１１０，１１］の電圧のアンバランスが生じ得るが、各コンバータセル［１１６］の出力電流が低減されているため、電圧アンバランスの大きさが抑制される。

なお、本実施形態では、開閉器［７００（ｍ，２）］をオンすることにより、入力ポート［１１５（ｍ）］に接続されるコンバータユニット［１１６］の出力電力が、出力ポート［１２１（２）］への接続が維持されているＥＶ［１２４］へ充電される。すなわち、入力ポート［１１５（ｍ）］に接続されるコンバータユニット［１１６］の出力電力の伝送が継続する。これにより、出力ポート１２１（ｎ）からのＥＶ［１２４］の切り離しに伴うＤＣバス［１１０，１１］の電圧アンバランスの発生が抑制される。

図１０は、ＥＶが搭載する蓄電池を放電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の一例を示す回路図である。図中、電力の伝送経路を矢印で示す。

ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］およびＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］は共に双方向型の電力変換回路であるため、ＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池の充電および放電が可能である。

図１０に示すように、３台のＥＶ［１２４］が、出力ポート１２１（１），１２１（２），１２１（ｎ）に接続される。

出力ポート１２１（１）に接続されるＥＶ［１２４］の蓄電電力が、入力ポート１１５（１）に接続されるコンバータユニット［１１６］へ、バス［７０２（１）］→開閉器［７００（１，１）］→バス［７０１（１）］という経路で、伝送される。これにより、出力ポート１２１（１）に接続されるＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池が放電される。

出力ポート１２１（２）に接続されるＥＶ［１２４］の蓄電電力が、入力ポート１１５（２）に接続されるコンバータユニット［１１６］へ、バス［７０２（２）］→開閉器［７００（２，２）］→バス［７０１（２）］という経路で、伝送される。これにより、出力ポート１２１（２）に接続されるＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池が放電される。

出力ポート１２１（ｎ）に接続されるＥＶ［１２４］の蓄電電力は、入力ポート１１５（ｍ）に接続されるコンバータユニット［１１６］へ、バス［７０２（ｎ）］→開閉器［７００（ｍ，ｎ）］→バス［７０１（ｍ）］という経路で、伝送される。これにより、出力ポート１２１（ｎ）に接続されるＥＶ［１２４］に搭載される蓄電池が充電される。

図１１は、ＥＶが搭載する蓄電池を放電する場合における、マトリクススイッチ［１２０］における入出力ポートの接続状態の再構成例を示す回路図である。図中、電力の伝送経路を矢印で示す。

マトリクススイッチにおける接続状態は、図１０に示す接続状態から図１１に示す接続状態に遷移する。

図１０の接続状態において、出力ポート１２１（ｎ）に接続されるＥＶ［１２４］の切り離しの要求がある場合、前述のようにコンバータセル［１０８］の出力電流指令値が低減される。それから、マトリクススイッチの接続状態が再構成されて、図１０の接続状態に遷移する。このため、ＤＣバス［１１０，１１１］の電圧アンバランスの大きさを抑制できる。

図１１に示すように、３台のＥＶ［１２４］の内、図１０において出力ポート［１２１（ｎ）］に接続されているＥＶ［１２４］が、出力ポート１２１（ｎ）から切り離される。このとき、開閉器［７００（ｍ，ｎ）］がオフする。

開閉器［７００（ｍ，ｎ）］のオフに伴い、出力ポート［１２１（ｎ）］に接続されているＥＶ［１２４］からの電力伝送が遮断される。このとき、ＤＣバス［１１０，１１］の電圧のアンバランスが生じ得るが、各コンバータセル［１０８］の出力電流が低減されているため、電圧アンバランスの大きさが抑制される。

なお、本実施形態では、開閉器［７００（ｍ，２）］をオンすることにより、出力ポート［１２１（２）］への接続が維持されているＥＶ［１２４］の蓄電電力が、入力ポート［１１５（ｍ）］に接続されているコンバータセル［１０８］へ放電される。すなわち、入力ポート［１１５（ｍ）］に接続されているコンバータセル［１０８］への電力の伝送が継続する。これにより、出力ポート１２１（ｎ）からのＥＶ［１２４］の切り離しに伴うＤＣバス［１１０，１１］の電圧のアンバランスの発生が抑制される。

なお、本発明は、他の実施態様が可能であり、様々な手段で実行または実施されるので、本発明は、添付図面に図示されている詳細な部分的構造および配置を適用するものに限定されないことを理解されたい。また、本明細書において用いられる語句または用語は、説明の目的で用いられるものであり、これらに限定するものではないことを理解されたい。

例えば、ＥＶ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。

例えば、ＡＣ／ＤＣ変換回路［１０９］やＤＣ／ＤＣ変換回路［１１２］を構成する半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴや接合形バイポーラトランジスタなどでもよい。また、半導体スイッチング素子やダイオードを構成する半導体材料は、Ｓｉに限らず、ＳｉＣやＧａＮなどのワイドギャップ半導体でもよい。

１００ ＡＣ電源
１０２ 三相リアクトル
１０３，１０４ ＡＣ入力端子
１０８ コンバータセル
１０９ ＡＣ／ＤＣ変換回路
１１０，１１１ ＤＣバス
１１２ ＤＣ／ＤＣ変換回路
１１３，１１４ ＤＣ出力端子
１１５ ＤＣバス
１２０ マトリクススイッチ
１２１ 接続ケーブル
１２２ ＥＶ用充電ポート（充電スタンド）
１２４ ＥＶ
１２５ 充電用ケーブル
１２７ 充電装置
１２８ 制御ユニット
１２９ 電圧および電流情報
１３０ 駆動信号
１３１ 電圧もしくは電流基準値
１３３ ＥＶ側情報
３１０ 高周波トランス
３００ ＤＣ／ＡＣ変換回路
４００ ＡＣ／ＤＣ変換回路

Claims (9)

1. 複数の蓄電装置を充電する充電装置において、
   交流電力を入力し、かつ直流電力を出力する複数のコンバータユニットと、
   前記複数のコンバータユニット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マトリクススイッチと、
   前記複数のコンバータユニットの出力電流を制御するとともに、前記マトリクススイッチにおける複数の開閉器を制御する制御ユニットと、
   を備え、
   前記複数のコンバータユニットの各々は、
   前記交流電力を入力するＡＣ／ＤＣ変換回路と、キャパシタを介して前記ＡＣ／ＤＣ変換回路に接続され、かつ前記直流電力を出力するＤＣ／ＤＣ変換回路とを有するコンバータセルを備え、
   複数の前記ＡＣ／ＤＣ変換回路の複数の交流入力端子は互いに直列に接続され、
   前記制御ユニットは、前記蓄電装置を前記出力ポートに接続するとき、もしくは前記蓄電装置を前記出力ポートから切り離すとき、前記複数のコンバータユニットの出力電流を所定値まで低減し、その後、前記制御ユニットは、前記マトリクススイッチにおける前記複数の入力ポートと前記複数の出力ポートとの間の接続状態を再構成することを特徴とする充電装置。
2. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記制御ユニットは、前記マトリクススイッチにおける前記複数の入力ポートと前記複数の出力ポートとの間の前記接続状態を再構成した後、前記複数のコンバータユニットの出力電流指令を設定することを特徴とする充電装置。
3. 請求項１に記載の充電装置において、
   高電圧キャパシタ電圧リプルが前記電圧の基準値の３０％未満に保たれることを特徴とする充電装置。
4. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記出力電流の前記所定値が零に低減され得ることを特徴とする充電装置。
5. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記制御ユニットは、前記マトリクススイッチにおける前記複数の入力ポートと前記複数の出力ポートとの間の前記接続状態を再構成してから所定の遅延時間後、前記複数のコンバータユニットの出力電流指令を設定することを特徴とする充電装置。
6. 請求項５に記載の充電装置において、
   前記所定の遅延時間は、１μｓｅｃ以上であることを特徴とする充電装置。
7. 請求項１に記載の充電装置において、
   複数のコンバータユニットの各々は、互いにＤＣ出力が並列に接続された複数の前記コンバータセルを備えることを特徴とする充電装置。
8. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記蓄電装置の充電スピードが設定できることを特徴とする充電装置。
9. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換回路および前記ＤＣ／ＤＣ変換回路は双方向型電力変換回路であることを特徴とする充電装置。

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