JP2023163277A - マルチポート充電器、充電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】出力コンバータユニットの数を減らし、システム全体のコストを削減することができるマルチポート充電器を提供する。【解決手段】入力側に直列に接続された複数のコンバータユニットを有し、出力がDCバスに接続され、前記DCバスが第1の充電ポートに直接接続されるAC/DC/DCコンバータと、入力側で前記DCバスに接続され、出力が1つ以上のポートを有する第2の充電ポートに接続される複数の第1のDC/DCコンバータと、を備え、各コンバータユニットは、AC/DCコンバータおよび第2のDC/DCコンバータを含み、前記第2のDC/DCコンバータは、入力側と出力側との間が電気的に絶縁されており、前記AC/DC/DCコンバータに、AC電源または系統から電力が供給されることを特徴とする。【選択図】 図1
Description
本発明は、マルチポート充電器の回路構成及びその制御方法に関し、特に、双方向AC/DCコンバータを備えたマルチポート充電器に適用して有効な技術に関する。
電力網への再生可能エネルギー資源の急速な普及とEV(電気自動車)充電器の普及により、中電圧または高電圧AC/DC絶縁型コンバータは、高電圧AC電源と低電圧DCバスとの間の相互接続に徐々に普及しつつある。
AC/DCコンバータには様々な構成があるが、モジュラーセルタイプのAC/DC構成が最も一般的である。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には、「ソリッドステート変圧器のためのデュアル電圧及び電流ループ線形化制御と電圧平衡制御」が開示されている。
特許文献1のタイプの構成では、低電圧セルユニットからの出力を束ねて低電圧DCバスを形成し、別のDC/ACコンバータまたはDC/DCコンバータを使用して系統に連系したり、EVを充電したりする。
したがって、複数のEVを充電したり、複数の負荷を相互接続するには、複数のコンバータが必要である。また、システム全体のコストを削減するには、出力コンバータユニットの数を減らすことが不可欠である。
そこで、本発明の目的は、出力コンバータユニットの数を減らし、システム全体のコストを削減することができるマルチポート充電器及びその制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、入力側に直列に接続された複数のコンバータユニットを有し、出力がDCバスに接続され、前記DCバスが第1の充電ポートに直接接続されるAC/DC/DCコンバータと、入力側で前記DCバスに接続され、出力が1つ以上のポートを有する第2の充電ポートに接続される複数の第1のDC/DCコンバータと、を備え、各コンバータユニットは、AC/DCコンバータおよび第2のDC/DCコンバータを含み、前記第2のDC/DCコンバータは、入力側と出力側との間が電気的に絶縁されており、前記AC/DC/DCコンバータに、AC電源または系統から電力が供給されることを特徴とする。
また、本発明は、(a)すべての充電ポートに接続されているすべてのエネルギー貯蔵装置のSOC(充電状態)レベルおよび充電電流要件をチェックするステップ、(b)第1の充電ポートにおける充電電流要件を完了した後、第2の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置に利用可能な残りの充電電流を計算するステップ、(c)前記第1の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置を充電するステップ、(d)前記(c)ステップの後、前記第2の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置を若干の遅延を伴って充電するステップ、(e)任意の充電ポートの充電電流が一定レベル以下に低下しているかどうか、または充電ポートからエネルギー貯蔵装置を切り離す要求が受信されたかどうかをチェックするステップ、(f)前記(e)ステップで、いずれかの充電ポートの充電電流が一定レベルを下回るか、エネルギー貯蔵装置を切り離す要求が受信されると、基準電流または位相シフト角を低減し、所望のコンバータを停止するステップ、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、出力コンバータユニットの数を減らし、システム全体のコストを削減することができるマルチポート充電器及びその制御方法を実現することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
図1を参照して、本発明の実施例1に係るマルチポート充電器について説明する。
マルチポート充電器の実施例1の主要な構成を図1に示す。図1に示すように、本実施例は、主に、充電ポート(120,124)と、DC/DCコンバータ(126)と、電力変換システム(127)と、充電ポート(129)と、コントロールユニット(137)により構成される。
電力変換システム(127)は、主に、AC電源(100)と、スイッチ(138)と、AC/DC/DC変換システム(139)により構成される。
AC/DC/DC変換システム(139)は、主に、インダクタンス(102)と、複数のAC/DC/DCコンバータ(108)からなる多数のセルユニットと、DCバス(117,118)により構成される。
AC/DC/DCコンバータ(108)の各々は、AC/DCコンバータ(109)と、DC/DCコンバータ(112)により構成される。
DC/DCコンバータ(126)は、DC/DCコンバータ(126a)及びDC/DCコンバータ(126n)を含む複数のDC/DCコンバータから構成される。
充電ポート(129)は、充電ポート(128a)及び充電ポート(128n)を含む複数の充電ポートから構成される。
AC電源(100)は、三相または単相AC電源である。インダクタンス(102)は、電源または系統側のインダクタンスである。
AC電源(100)とインダクタンス(102)の間において、スイッチ(ブレーカー)(138)は、AC電源(100)とインダクタンス(102)にそれぞれ接続されている。具体的には、スイッチ(ブレーカー)(138)は、端子(101)を介してインダクタンス(102)に接続されている。
AC/DC/DCコンバータ(108)は、直列に接続されてモジュラーコンバータを形成する。そして、AC/DC/DCコンバータ(108)は、端子(103)を介してインダクタンス(102)に接続される。
AC/DC/DCコンバータ(108)のセルユニットは、AC/DCコンバータ(109)とDC/DCコンバータ(112)から構成される。
端子(110)は正極端子、端子(111)は負極端子であり、AC/DCコンバータ(109)とDC/DCコンバータ(112)とを接続している。
端子(113)は正極端子、端子(114)は負極端子であり、DC/DCコンバータ(112)から出ている。
端子(104)と端子(105)は、カスケード接続されたAC/DCコンバータ(109)を接続する。
端子(106)は、AC/DCコンバータ(109)の負極端子である。AC/DCコンバータ(109)の三相からの端子(106)は纏められ、端子(107)を用いてAC電源(100)の中性点(N)に接続される。
端子(115)は端子(113)を互いに接続し、DCバス(117)に接続する共通のDCバスを形成する。同様に、端子(116)は端子(114)を互いに接続し、DCバス(118)に接続する共通のDCバスを形成する。
EV(122)は、接続ケーブル(121)を介して充電ポート(120)に接続される。
スイッチ(119)は、充電ポート(120)とDCバス(117,118)との間に配置された断路器である。同様に、別の充電ポート(124)は、スイッチ(123)を介してDCバス(117,118)に接続される。
DC/DCコンバータ(126a)~(126n)は、n個並列接続されてDC/DCコンバータ(126)を構成する。
DC/DCコンバータ(126)は、端子(125)を介して充電ポート(124)に接続される。
充電ポート(129)は、128aから128nまでの「n」個の充電ポートから構成される。そして、EV(131,133)は、接続ケーブル(130,132)を介して充電ポート(129)に接続される。
コントロールユニット(137)は、中央制御装置である。端子(136,139,141)を介してコンバータの出力電圧、電流、及びSOC(充電状態)レベルの情報を取得し、端子134から顧客またはオペレータの要求(リファレンス)を取得する。
コントロールユニット(137)からの出力は、制御信号(135,138,140)を介して電力変換システム(127)を制御する。
図1のマルチポート充電器の全体構成を分かりやすくするために、簡略化した構成を図2に示す。
電力変換システム(127)は、AC電源(100)と、スイッチ(ブレーカー)(138)、及びAC/DC/DC変換システム(139)により構成される。
EV(122)は、スイッチ(119)を介してAC/DC/DC変換システム(139)に接続される。そして、複数のEV(例えば、131,133)が、DC/DCコンバータ(126)及びスイッチ(123)を介して、AC/DC/DC変換システム(139)に接続される。
図3は、図1のマルチポート充電器の出力応答の一例を示す。
図3において、符号(120)は、充電ポート(120)における測定電圧であり、DCバス(117)とDCバス(118)の間のDCバス電圧を示している。符号(121)は、EV(122)の充電電流の測定値である。符号(126)は、DC/DCコンバータ(126)の位相シフト角である。
図3に示すように、充電ポート(120)での充電中にDCバス電圧(120)が増加した場合、位相シフト角を減少させることにより、入力電圧が増加し、DC/DCコンバータ(126)の出力電圧が減少する。そして、EV(122)が充電ポート(120)に接続すると、AC/DC/DCコンバータ(108)は、DCバス電圧を変更することにより電力の流れを直接制御する。
図4にAC/DCコンバータ(109)の構成例を示す。左図がフルブリッジ回路構成であり、右図がハーフブリッジ回路構成である。
図4に示すように、フルブリッジ構成は4つのパワースイッチ(200)からなり、ハーフブリッジ構成は2つのパワースイッチ(200)からなる。パワースイッチ(200)には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、SiC-MOSFETなどが用いられる。符号(201)及び(202)は、DCリンクコンデンサである。
端子(103,104)は、フルブリッジ構成の場合、直列接続されたパワースイッチ(200)の中間点に接続される。
ハーフブリッジ構成の場合、端子(103)は直列接続されたパワースイッチ(200)の中間点に接続され、端子(104)は直列接続されたコンデンサ(201,202)の中間点に接続される。
端子(110)は正のDCバス端子であり、端子(111)は負のDCバス端子である。
図5に高周波DC/DCコンバータ(112)の構成例を示す。
図5に示すように、高周波DC/DCコンバータ(112)は、高周波DC/DC絶縁コンバータである。
高周波DC/DCコンバータ(112)は、2つのフルブリッジDC/DCコンバータユニット(300)を有する。フルブリッジDC/DCコンバータユニット(300)の各々は、4つのパワースイッチ(301)と1つのDCリンクコンデンサ(311,312)で構成される。DCリンクコンデンサ(311)は一次側コンデンサであり、DCリンクコンデンサ(312)は二次側コンデンサである。
端子(302)は、コンバータレグの1つをインダクタ(303)に接続する。端子(304)は、インダクタ(303)を高周波トランス(310)に接続する。端子(306)は、コンバータレグの1つを高周波トランス(310)に接続する。高周波トランス(310)は、それぞれ1次側巻線(305)と2次側巻線(308)から構成される。
トランス2次側端子(307,309)は、高周波トランス(310)と2次側フルブリッジDC/DCコンバータユニット(300)とを接続する。コンバータの電力定格に基づいて、DC/DCコンバータユニットはハーフブリッジタイプとすることもできる。
図6を参照して、図1のマルチポート充電器を用いた充電方法の1つを説明する。図6に充電シーケンスのフローチャートを示す。
ステップS600において、充電動作を開始する。先ず、ステップS601において、すべての充電ポート(120,129)に接続されているすべてのEV(122,131,133)のSOCレベル及び充電電流要件のチェックを行う。
次に、ステップS602において、EV(122)の充電ポート(120)における充電電流の要件を完了した後、充電ポート(129)に接続されたEV(131,133)などのエネルギー貯蔵装置に利用可能な残りの充電電流を計算する。
次に、ステップS603において、EV(122)の充電ポート(120)で充電を開始する。
次に、ステップS604での若干の遅延を経て、ステップS605において、EV(131,133)の充電ポート(129(128a,128n))で充電を開始する。
次に、ステップS606において、いずれかの充電ポートにおける充電電流が一定のレベル未満に減少したか、またはEVを充電ポートから切り離す要求を受信したか否かをチェックする。例えば、DCバス電圧の下限値(閾値)は定格値の50%に設定される。
チェック結果が「Yes」の場合、ステップS608で、対応するコンバータをオフにする。より具体的には、基準電流または位相シフト角を低減し、目的のコンバータを停止する。そして、ステップS609において、EVは充電ポートから切り離される。ステップS609の後、充電シーケンスはステップS601に戻り、ステップS601以降の処理が繰り返される。
一方、チェック結果が「No」の場合、システムはステップS607において充電を継続する。
図7から図9を参照して、本実施例に係るEVの充電例を説明する。
図7は、マルチポート充電器による複数のEV(122,131,133)への充電の様子を示している。図8は、DC/DCコンバータを追加することなく、マルチポート充電器により複数のEVのうち単一のEV(122)に充電する様子を示している。図9は、DC/DCコンバータを追加することなく、マルチポート充電器により単一のEV(122)を除く複数のEV(131,133)に充電する様子を示している。
図7に示すように、AC電源100は、AC/DC/DC変換システム(139)及びDC/DCコンバータ(126)を介して、EV(122)等のエネルギー貯蔵装置及びEV(131,133)等のエネルギー貯蔵装置の両方に充電電力を供給する。
別の状況では、図8に示すように、AC電源100は、AC/DC/DC変換システム(139)を介して、EV(122)等のエネルギー貯蔵装置に充電電力を供給する。EV(131,133)等の他のエネルギー貯蔵装置は、スイッチ(123)によって切り離される。
また、他の状況では、図9に示すように、AC電源100は、AC/DC/DC変換システム(139)及びDC/DCコンバータ(126)を介して、EV(131,133)等のエネルギー貯蔵装置に充電電力を供給する。EV(122)等の他のエネルギー貯蔵装置は、スイッチ(119)によって切り離される。
上述したように、本発明のマルチポート充電器は、複数のAC/DC/DCコンバータユニットが直列接続されて構成される絶縁型AC/DC/DCコンバータである。AC/DC/DCコンバータの各ユニットは、単一セルユニットとみなされる。すべてのセルユニットからの出力は、共通のDCバスを形成するように一緒に接続される。
そして、マルチポート充電器は、EV(122,131,133)等の複数のエネルギー貯蔵装置を異なる充電速度で充電することができる。
そして、DC/DCコンバータ(126)は、可変DCバス電圧に基づいて出力電力を制御する。
共通のDCバスは、EVまたはエネルギー貯蔵装置に直接接続される。追加のDC/DCコンバータを使用して、共通DCバスを他のエネルギー貯蔵装置と共有することもできる。
コントローラーは、接続されているEVとEVが接続されている充電ポートの数をチェックする。充電電流要件に基づいて、DCバスバーに直接接続されているEVは、最初のコンバータによって充電され、残りの利用可能な電力は他のEVに送られる。
AC電源からDCバス電力が使用できない場合、EVは共通DCバスバーまたはDC/DCコンバータ自体を使用して電力を共有できる。
セルは、双方向コンバータユニットを用いて、電力を系統側にフィードバックすることもできる。
図10を参照して、本発明の実施例2に係るマルチポート充電器について説明する。図10は、本実施例のマルチポート充電器の簡略化した構成を示す。
本実施例では、実施例1とは異なるマルチポート充電器の使用方法について説明する。
図10に示すように、AC電源(100)は、スイッチ(ブレーカー)(138)によって切り離される。EV(122)で利用可能なエネルギーは、DC/DCコンバータ(127)を介して、充電電流として複数のEV(131,133)に放電される。
図11を参照して、本発明の実施例3に係るマルチポート充電器について説明する。図11は、本実施例のマルチポート充電器の簡略化した構成を示す。
本実施例では、実施例1とは異なるマルチポート充電器の使用方法について説明する。
図11に示すように、AC電源(100)は、スイッチ(ブレーカー)(138)によって切り離される。複数のEV(131,133)で利用可能なエネルギーは、DC/DCコンバータ(127)を介して、充電電流としてEV(122)に放電される。
図12を参照して、本発明の実施例4に係るマルチポート充電器について説明する。図12は、本実施例のマルチポート充電器の簡略化した構成を示す。
本実施例では、実施例1とは異なるマルチポート充電器の使用方法について説明する。
図12に示すように、EV(122,131,133)は、DC/DCコンバータ(126)及びAC/DC/DC変換システム(139)を介して、充電電流としてAC電源(100)に電力をフィードバックする。
図13を参照して、本発明の実施例5に係るマルチポート充電器について説明する。図13は、本実施例のマルチポート充電器の簡略化した構成を示す。
本実施例では、実施例1とは異なるマルチポート充電器の使用方法について説明する。
図13に示すように、EV(122)は、AC/DC/DC変換システム(139)を介して、AC電源(100)から電力を受け取る。DC/DCコンバータ(126)は、スイッチ(123)により切り離される。そして、EV(131,133)は、DC/DCコンバータ(126)を介して、互いに充電及び放電することができる。
なお、本発明は上記した実施例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、上記した実施例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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
100:AC電源
101,103,104,105,106,107,110,111,113,114,115,116,125,134,136,139,141,302,304,306,307,309:端子
102:インダクタンス
108:AC/DC/DCコンバータ
109:AC/DCコンバータ
112:高周波DC/DCコンバータ
117,118:DCバス
119,123:スイッチ
120,124,128a,128n,129:充電ポート
121,130,132:接続ケーブル
122,131,133:EV(電気自動車)
126,126a,126n:DC/DCコンバータ
127:電力変換システム
135,138,140:制御信号
137:コントロールユニット
138:スイッチ(ブレーカー)
139:AC/DC/DC変換システム
200,301:パワースイッチ
201,202,311,312:DCリンクコンデンサ
300:フルブリッジDC/DCコンバータユニット
303:インダクタ
305:1次側巻線
308:2次側巻線
310:高周波トランス。
101,103,104,105,106,107,110,111,113,114,115,116,125,134,136,139,141,302,304,306,307,309:端子
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108:AC/DC/DCコンバータ
109:AC/DCコンバータ
112:高周波DC/DCコンバータ
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126,126a,126n:DC/DCコンバータ
127:電力変換システム
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137:コントロールユニット
138:スイッチ(ブレーカー)
139:AC/DC/DC変換システム
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310:高周波トランス。
Claims (10)
- 入力側に直列に接続された複数のコンバータユニットを有し、出力がDCバスに接続され、前記DCバスが第1の充電ポートに直接接続されるAC/DC/DCコンバータと、
入力側で前記DCバスに接続され、出力が1つ以上のポートを有する第2の充電ポートに接続される複数の第1のDC/DCコンバータと、を備え、
各コンバータユニットは、AC/DCコンバータおよび第2のDC/DCコンバータを含み、前記第2のDC/DCコンバータは、入力側と出力側との間が電気的に絶縁されており、
前記AC/DC/DCコンバータに、AC電源または系統から電力が供給されることを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
エネルギー貯蔵装置が前記第1の充電ポートに接続されるとき、前記AC/DC/DCコンバータは、DCバス電圧を変更することで電力の流れを直接制御することを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
DCバス電圧の下限は、定格値の50%であることを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
前記マルチポート充電器は、異なる充電速度で複数のエネルギー貯蔵装置を充電することができることを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
前記第1のDC/DCコンバータは、可変DCバス電圧に基づいて出力電力を制御することを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
前記第1の充電ポートおよび前記第2の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置は、電力を電力系統にフィードバックするか、または相互に電力を供給することができることを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
前記第1の充電ポートおよび前記第2の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置は、相互に充電することができることを特徴とするマルチポート充電器。 - 請求項1に記載のマルチポート充電器であって、
前記第1の充電ポートおよび前記第2の充電ポートにエネルギー貯蔵装置が接続されており、前記エネルギー貯蔵装置の各々はEVであることを特徴とするマルチポート充電器。 - 以下のステップを含む充電方法;
(a)すべての充電ポートに接続されているすべてのエネルギー貯蔵装置のSOC(充電状態)レベルおよび充電電流要件をチェックするステップ、
(b)第1の充電ポートにおける充電電流要件を完了した後、第2の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置に利用可能な残りの充電電流を計算するステップ、
(c)前記第1の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置を充電するステップ、
(d)前記(c)ステップの後、前記第2の充電ポートに接続されたエネルギー貯蔵装置を若干の遅延を伴って充電するステップ、
(e)任意の充電ポートの充電電流が一定レベル以下に低下しているかどうか、または充電ポートからエネルギー貯蔵装置を切り離す要求が受信されたかどうかをチェックするステップ、
(f)前記(e)ステップで、いずれかの充電ポートの充電電流が一定レベルを下回るか、エネルギー貯蔵装置を切り離す要求が受信されると、基準電流または位相シフト角を低減し、所望のコンバータを停止するステップ。 - 請求項9に記載の充電方法であって、
前記(e)ステップにおいて、すべての充電ポートにおける充電電流が一定レベルを超えるか、エネルギー貯蔵装置を切り離す要求が受信されない場合、エネルギー貯蔵装置の充電を継続することを特徴とする充電方法。
Priority Applications (1)
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JP2022074051A JP2023163277A (ja) | 2022-04-28 | 2022-04-28 | マルチポート充電器、充電方法 |
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JP2022074051A Pending JP2023163277A (ja) | 2022-04-28 | 2022-04-28 | マルチポート充電器、充電方法 |
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