JP3228097B2 - 充電システム及び電気自動車 - Google Patents

充電システム及び電気自動車

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気負荷に接続さ
れるバッテリの充電システムに係り、特に急速充電およ
び充電器の小型化を実現できる充電システム及びそれを
用いた電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的にバッテリを急速充電するには充
電と休止とを短い時間間隔で繰り返しながら充電する
と、バッテリに負担をかけずに大電流による充電が可能
になることが広く知られている。
【０００３】また、米国特許第5,003,244号“BATTERY C
HARGER FOR CHARGING A PLURALITYOF BATTERIES" の明
細書には、複数個のバッテリを充電するために複数個の
充電器を割り当て、各バッテリ組毎の充電電圧を均等に
保ち、過充電保護を行うことが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述のパルス充電方式
は、バッテリに大電流を流すことで全体の充電時間を短
縮するものであるが、充電休止期間が存在するので、そ
の期間の補償のため瞬時的に大電流を流す必要が生じ
る。従って、この方式の実現のためには大電流を供給で
きる充電器と、大電流を流すことのできる電気回路が必
須になるが、一般に電流量が増えるほど充電器や電気回
路は大きく重くなるので充電回路は大型化するといった
問題がある。
【０００５】本発明の目的は、充電回路の大型化を伴わ
ずに急速充電を行える充電装置を提供するにある。
【０００６】本発明の他の目的は、充電回路の大型化を
伴わずに急速充電を行える充電装置を備えた電気自動車
を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、電気負荷に
駆動エネルギーを供給すると共に、電気的に接続された
複数組のバッテリのそれぞれに、外部電源から供給され
た電力を充電する複数個の充電装置を備えた充電システ
ムにおいて、充電装置のそれぞれに、バッテリへの充電
を休止する休止モード運転機能と、バッテリから電力を
放出する放電モード運転機能の少なくとも一方を有する
充電制御手段を備え、この充電制御手段によって、所定
時間毎に充電モード，休止モード，放電モードの３状態
のうち、充電モードを含む少なくとも２つ以上の状態を
繰り返しながら複数組のバッテリを充電させると共に、
少なくとも１組のバッテリを放電させた後休止させるよ
うにバッテリ相互間の制御を行うことにより達成され
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を電気自動
車駆動用充電装置について図面を参照しながら説明す
る。
【０００９】図１は、本発明における電気自動車及びそ
の充電システムの概略を示す。図において１０は電気自
動車で、車輪駆動用モータ１１と、該モータを駆動する
インバータ１２と、駆動源となるバッテリ組１３と、該
バッテリを充電する充電装置１４と、該充電装置に昇圧
して電力を供給する変圧手段１５と、該変圧器に１次電
流を供給する外部交流電源１６とを備えている。
【００１０】前記充電装置１４は、後記する充電制御手
段によって制御されると共に、変圧手段１５との切離し
を行う切替回路１７と、整流回路１８と、充電電圧を制
御する充電電圧制御回路１９と、放電電圧制御回路２０
から構成されている。２１は電流センサ、２２は電圧検
出手段、２３は充電制御手段、２４は時変信号発生手
段、２５は周波数変換手段である。
【００１１】電気自動車１０はモータ１１の動力により
駆動される。バッテリ組１３より得られる直流電力はイ
ンバータ１２により電力変換されることによりモータ１
１が利用可能な電力形態となる。なお、本実施例では、
バッテリ組１３をバッテリ数個の直列接続として構成
し、バッテリ組１３の個数を４個としているが、バッテ
リ組１３の個数は何個であっても、また、接続方式は直
列でも並列でも全く同様に構成できる。
【００１２】充電時、外部交流電源１６より得られた交
流電力は、変圧手段１５によりバッテリ組１３を充電す
るのに好適な電圧に変換される。変圧手段１５は、通常
単一一次入力端子，複数二次出力端子を有するトランス
によって実現される。変圧手段１５によって変圧された
電力は、充電装置１４によってバッテリ組１３を充電す
るのに適した電圧−電流に制御され、バッテリ組１３の
充電を行う。変圧手段１５と充電装置１４とは、切替回
路１７によって接続／切り離しされる。変圧手段１５か
ら出力された交流電力は整流回路１８により整流され、
充電電圧制御回路１９で充電に好適な電圧に変換され、
バッテリ組１３へ充電される。
【００１３】切替回路１７，充電電圧制御回路１９，放
電電圧制御回路２０は充電制御手段２３により制御され
る。また、充電制御手段２３は、バッテリ組１３の内部
状態をモニタするために、電流センサ２１および電圧検
出手段２２の出力を取り込んでいる。これらの信号は、
後述する定電圧充電または定電流充電を行う際に用いる
が、さらにバッテリ組１３の満充電状態を検出するため
にも用いられる。例えばバッテリ組１３はある電圧以上
になったときに満充電状態と判断される。バッテリ組１
３の満充電時には、充電制御手段２３は切替回路１７に
変圧手段１５との切り離しを指令する。
【００１４】ごく一般的に充電電圧制御回路１９は、バ
ッテリの充電状態に応じて定電圧充電または定電流充電
が行われる。定電圧充電のためには充電電圧制御回路１
９を例えばチョッピング制御すればよく、また定電流充
電のためには電流センサ２１の出力をフィードバックす
る電流制御系を構築し、一定電流を流すように充電電圧
を制御すればよい。これらの方法は放電電圧制御回路２
０の制御にも利用可能で、一般的なものを用いればたり
る。
【００１５】また、時変信号発生手段２４は充電装置１
４へ時間基準信号を送出する。バッテリ組１３への充電
は、所定時間毎に充電，放電，休止を繰り返しながら行
うので、充電装置１４は時間基準信号を必要とする。そ
のため、充電装置１４は時変信号発生手段２４を備えて
いる。
【００１６】なお、本実施例では、安全上切替回路１７
と充電電圧制御回路１９とを別回路で実現する方法を例
示したが、充電電圧制御回路１９が切替回路１７を兼ね
る構成としても差し支えない。
【００１７】本発明の構成上の特徴は、バッテリをいく
つかのまとまりに分割し、各バッテリ組を時分割により
順次切り替えて充電器側と接続することにある。この方
式を今後「時分割切替充電方式」と記す。
【００１８】周波数変換手段２５は、充電元の交流電源
の周波数を高い周波数に変換する働きを有する。一般的
に周波数が高いほどトランスは小型化できるため、本実
施例では一般のコンバータとインバータとを組み合わせ
た周波数変換手段２５を設けている。
【００１９】以下、図２，表１を用いて充電制御手段２
３の動作例について説明する。今、仮にバッテリへの充
電方法としてバープ充電と定電流充電とを組み合わせて
用いるとする。なお、バープ充電はパルス充電方式にお
いて充電から休止に切り替える瞬間に一瞬だけバッテリ
放電期間を設けることで充電効率を向上させる公知の充
電方式である。ここでバープ充電における充電期間と休
止期間とが等しく、放電期間は充電期間と比べて非常に
短く、放電電流の絶対値は充電電流の絶対値にほぼ等し
いとする。
【００２０】図２は上記の前提における時変信号発生手
段２４の発生信号の例である。ここでは、図２に示すよ
うに、２本のデジタル信号として実現している。それぞ
れをbit0，bit1とし、図３のようなパターンで信号を発
生する。この信号は、図１に示した４つの充電制御手段
２３−ａ〜ｄに出力される。表１に示したように、この
時変信号の変化に応じて状態にＩ〜IVと符号を付ける。
充電制御手段２３−ａ〜２３−ｄは、各状態に応じて表
１のように動作状態を変更する。
【００２１】
【表１】
【００２２】表１の動作によって、各バッテリ組には図
４に示したような電流が流れる。なおここでは時間を横
軸、各バッテリ毎に流す電流を充電方向を正として縦軸
にとってある。また各バッテリ組毎の充電電流はＩとお
いた。
【００２３】図４では、バッテリ組１から４が順次充電
と放電を繰り返す。各バッテリの休止期間は時間軸に対
して均等に分散され、常にいずれか一組のバッテリが休
止または放電状態となっている。この充電パターンを全
て統合すると、一瞬の放電期間をのぞいてはバッテリ全
体としてほぼ２Ｉの充電電流を流し込むことになる。
【００２４】本発明の利点を述べるため、比較対象とし
て時分割切替充電を行わない従来方式の定電流バープ充
電の電流波形を図５に併記した。（ａ）が本発明による
全体充電電流波形、（ｂ）が従来方式による全体充電電
流波形である。一般にバッテリの充電量は、バッテリ充
電効率を１００％をすると∫ｉ ｄｔ （ｉ：充電電流，
ｔ：時間）で表される。今、図５（ａ）の充電方式で、
充電が完了するまでに要する時間をＴとする。放電期間
は短いため、放電で放出される電力を無視すると、バッ
テリ全体からみた充電電流は２Ｉとなり、全充電電力量
は２ＩＴである。このとき従来のようにバッテリ全体を
ひとまとめにしてバープ充電を行った場合には図５
（ｂ）のような充電電流が流れる。なお、このときも充
電期間と休止期間の時間比率は１対１と仮定している。
この場合Ｔ時間で充電を完了させるためには、瞬間的に
は４Ｉの充電電流を流す必要があることが容易にわか
る。
【００２５】このような時間的に大きく変動する電流を
流すためには、インダクタンスまたはコンデンサを回路
中に挿入するという方法も考えられるが、電気自動車と
いった大電流を扱う対象では、挿入インダクタンスやコ
ンデンサが大きくなりすぎるため一般乗用車用として不
向きである。そのためバープ充電やパルス充電はこれま
で充分な容量を有する充電器を必要としていた。
【００２６】一般に充電器容量や回路は電流量が増える
ほど大きく重くなるため、電気自動車及び充電器の小型
軽量化のためには電流量の少ない本発明の方式が有利で
あることがわかる。
【００２７】なお、ここでは、本発明の有効性を簡単に
説明するために、単純なバープ充電方式と定電流充電方
式を本発明による時分割切替充電方式と組み合わせて用
いたが、より複雑な充電制御を採用している場合におい
ても本発明の時分割切替充電方式の方が従来方式より小
型化の面で有利である。時分割切替充電方式ではバッテ
リをいくつかに分割し、あるバッテリの充電休止期間に
他のバッテリに充電を行うため、バッテリ全体としての
充電休止期間はない。そのため本方式ではバッテリ全部
をまとめてパルス充電を行う場合と比較して瞬時充電電
流が必ず小さくなり、充電時間を同一に設計するならば
時分割切替充電方式を用いた方が充電器体格を小さくで
きる。
【００２８】以上、バープ充電方式を用いた時分割切替
充電方式について説明したが、構成を簡単にするために
充電時に瞬間放電期間を省略したパルス充電方式でも全
く同様に時分割切替充電を行うことができる。また、充
電制御手段２３は、電圧検出手段２２の出力を用いるこ
とによって定電圧制御などの手法を用いることも容易で
ある。
【００２９】以上述べたように、本発明の実施例による
時分割切替充電方式は充電器の体格を大きくすることな
しに、急速充電に適したバルス充電やバープ充電を実現
することができ、電気自動車の小型軽量化と急速充電と
を同時に実現できる。
【００３０】この発明による時分割切替充電方法によれ
ば、上記の特徴を生かした有効な燃料電池搭載電気自動
車を構成することができる。本発明の実施例による燃料
電池搭載電気自動車の構成を図６に示す。
【００３１】ここで、３１は燃料電池、３２は直交流電
力変換手段である。燃料電池３１の電力は直交流電力変
換手段３２によって交流電力に変換され、変圧手段１５
に送られ、バッテリ充電可能な電圧に変換される。変圧
手段１５は本実施例の場合１次巻線と、絶縁した４個の
２次巻線を持つトランスによって実現される。変圧手段
１５の出力は充電装置１４に送られ、充電に好適な電
圧，電流パターンに変換され、バッテリ組１３を充電す
る。
【００３２】ここで、燃料電池の出力電圧は２０Ｖ，電
気自動車駆動系の電圧は３３６Ｖとしている。それぞれ
のバッテリ組１３は７個ずつ直列に接続され、８４Ｖの
バッテリ組が４個直列に接続される構成となっている。
【００３３】本実施例は、エネルギー源として電気自動
車１０内に燃料電池とバッテリとを搭載する電源ハイブ
リッド構成である。一般に燃料電池は単位重量当たりの
貯蔵エネルギー量は大きいが、瞬間的な電力変動への追
従が困難である。これは、燃料である水素と酸素がガス
形態で供給されるために、発電に必要な流量を瞬時的に
制御するのが困難であることに起因する。そのため燃料
電池のみを電気自動車の主電力供給源としては使いにく
い。逆にバッテリは瞬間的な電力変動への追従は燃料電
池と比較すれば容易であるものの、単位重量あたりの貯
蔵可能エネルギー量が低い。本実施例の構成例は、電力
の大部分は燃料電池に貯蔵し、常時燃料電池からの電力
をバッテリに充電する構成である。インバータへの電力
供給はバッテリを介して行うために、登坂，加速などで
急激に大電流が要求される場合でも対応可能である。
【００３４】以下、上記の燃料電池を用いたハイブリッ
ド電気自動車について、本発明による時分割切替充電方
式が有効であることを説明する。
【００３５】バッテリ組１３は電気自動車１０の運行に
よってエネルギーを消費する。バッテリ組１３は負荷の
少ない運航時に急速に充電する必要があるが、そのため
には前述のようなパルス充電やバープ充電が適してい
る。従来のようにバッテリをひとまとめにしてパルス充
電やバープ充電を行うと、図５（ｂ）で説明したように
充電電流が急激に変動する。しかし、燃料電池はこの充
電電流の急変に対応できないため、急速充電に有利とい
われるパルス充電やバープ充電を用いることが困難であ
る。
【００３６】しかし、本発明によれば、瞬時充電電流は
切替によって分散されるので、図５（ａ）で示したよう
にほぼ一定の充電電流となる。この特性は瞬間的な電力
変動に対応しにくい燃料電池のような電力貯蔵手段の欠
点を補うのに非常に都合がよい。
【００３７】以上、本発明を燃料電池搭載電気自動車に
用いる場合について説明したが、本発明による充電装置
をエンジン−電池ハイブリッド電気自動車に応用するこ
とも可能である。図７はエンジン−電池ハイブリッド自
動車に本発明を適用した一実施例である。
【００３８】ここで、３０はエンジン−電池ハイブリッ
ド電気自動車、３３はエンジン、３４は発電機である。
エンジン３３は発電機３４を回転し、電力を変圧手段１
５に出力する。
【００３９】本実施例のような構成においては、バッテ
リは加速，登坂などで一時的に大電力を必要とされる場
合の補助電力源として働く。自動車の小型化のために
は、バッテリの容量は必要最低限に押さえ、エンジンに
余力があるときに短時間で急速充電できる構成が望まし
い。
【００４０】また、一般的に熱機関は運転条件によって
効率や排出物の量などが大きく左右されるので、最高効
率動作点や、排出物最低点付近でほぼ一定速運転する事
が望ましい。
【００４１】なお、本実施例では、図１に示した周波数
変換手段２５を省略した構成としている。これは、エン
ジン発電機の交流周波数が高い場合を想定しているから
である。例えば内燃機関の常用回転域を６０００rpm と
し、発電機極対数が８の場合、発生周波数は８００Ｈｚ
となり、トランスは商用周波数(５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ)の
場合と比較して充分小さくできる。
【００４２】一方、もし回転数の少ない内燃機関を使用
した場合には、発生電力の周波数は商用周波数とさほど
変わらなくなり、トランスも大型化する。このような場
合には、周波数変換手段２５を設けることが充電器の小
型化のために有利となる。
【００４３】本発明の実施例によれば、バッテリの急速
充電に適したパルス充電やバープ充電を用いても電力変
動が非常に小さいためエンジンの運転条件もほぼ一定を
保つことができる。従って、適当な設計によって、充電
池重量が小さく効率も良いエンジン−電池ハイブリッド
電気自動車を構成することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、充電装置
のそれぞれに、バッテリへの充電を休止する休止モード
運転機能と、バッテリから電力を放出する放電モード運
転機能の少なくとも一方を有する充電制御手段を備え、
この充電制御手段によって、所定時間毎に充電モード，
休止モード，放電モードの３状態のうち充電モードを含
む少なくとも２つ以上の状態を繰り返しながら複数組の
バッテリを充電させると共に、少なくとも１組のバッテ
リを放電させた後休止させるようにバッテリ相互間の制
御を行うので、急速充電時の瞬時電流を抑えることがで
き、小形で、急速充電が可能な充電システムを提供する
ことができる。
【００４５】また、本発明によれば、小形で、急速充電
が可能な充電システムを提供することができるので、電
気自動車を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気自動車および充電装置の一実
施例を示す図である。
【図２】時変信号発生手段の出力例を示す概略図であ
る。
【図３】図２における時変信号出力波形図である。
【図４】本発明によるバッテリ充電電流の例を示す図で
ある。
【図５】本発明と従来手段によるバッテリ充電電流の比
較図である。
【図６】燃料電池搭載電気自動車の一実施例を示す図で
ある。
【図７】エンジン発電機搭載電気自動車の一実施例を示
す図である。
【符号の説明】
１０…電気自動車、１１…モータ、１３…バッテリ組、
１４…充電装置、１５…変圧手段、１６…外部交流電
源、２３…充電制御手段、２４…時変信号発生手段、３
１…燃料電池、３３…エンジン。
フロントページの続き (72)発明者 堀場 達雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平４−183230（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−31069（ＪＰ，Ａ) 米国特許5003244（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/14 H02J 7/34 - 7/36 B60L 11/18 H01M 10/44

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気負荷に駆動エネルギーを供給すると共
    に、電気的に接続された複数組のバッテリのそれぞれ
    に、外部電源から供給された電力を充電する複数個の充
    電装置を備え、前記充電装置のそれぞれは、バッテリへ
    の充電を休止する休止モード運転機能と、バッテリから
    電力を放出する放電モード運転機能の少なくとも一方を
    有する充電制御手段を備え、前記充電制御手段は、所定
    時間毎に充電モード，休止モード，放電モードの３状態
    のうち、充電モードを含む少なくとも２つ以上の状態を
    繰り返しながら前記複数組のバッテリを充電させると共
    に、少なくとも１組のバッテリを放電させた後休止させ
    るようにバッテリ相互間の制御を行うことを特徴とする
    充電システム。
  2. 【請求項２】請求項１に記載された充電システムにおい
    て、前記充電制御手段は、対応する組のバッテリの充電
    状態に応じてその充電量を制御することを特徴とする充
    電システム。
  3. 【請求項３】請求項１に記載された充電システムにおい
    て、前記充電装置は、前記外部電源に接続された１次巻
    線、及び絶縁された複数の２次巻線を有する変圧手段
    と、対応する組のバッテリに前記２次巻線の出力を独立
    に接続／切り放しができる切替手段とを備えていること
    を特徴とする充電システム。
  4. 【請求項４】請求項３に記載された充電システムにおい
    て、前記変圧手段は前記１次巻線側に周波数変換手段を
    備えていることを特徴とする充電システム。
  5. 【請求項５】電気的に接続された複数個のバッテリと、
    外部電源と、１次巻線及び絶縁された複数の２次巻線を
    有する変圧手段を介して前記外部電源から供給された電
    力を前記バッテリのそれぞれに充電する複数個の充電装
    置と、前記バッテリのエネルギーにより車体を駆動する
    モータとを備え、前記充電装置は、バッテリに充電する
    方向に電流を流し込む充電モード運転機能を有すると共
    に、バッテリへの充電を休止する休止モード運転機能及
    びバッテリから電力を放出する放電モード運転機能の少
    なくとも一方を有する充電制御手段を備え、前記充電制
    御手段は、所定時間毎に充電モード，休止モード，放電
    モードの３状態のうち、充電モードを含む少なくとも２
    つ以上の状態を繰り返しながら前記複数組のバッテリを
    充電させると共に、少なくとも１組のバッテリを放電さ
    せた後休止させるようにバッテリ相互間の制御を行うこ
    とを特徴とする電気自動車。
  6. 【請求項６】電気的に接続された複数個のバッテリと、
    燃料電池と、前記燃料電池から供給された電力を前記バ
    ッテリのそれぞれに充電する複数個の充電装置と、前記
    バッテリのエネルギーにより車体を駆動するモータとを
    備え、前記充電装置は、バッテリに充電する方向に電流
    を流し込む充電モード運転機能を有すると共に、バッテ
    リへの充電を休止する休止モード運転機能及びバッテリ
    から電力を放出する放電モード運転機能の少なくとも一
    方を有する充電制御手段を備え、前記充電制御手段は、
    所定時間毎に充電モード，休止モード，放電モードの３
    状態のうち、充電モードを含む少なくとも２つ以上の状
    態を繰り返しながら前記複数組のバッテリを充電させる
    と共に、少なくとも１組のバッテリを放電させた後休止
    させるようにバッテリ相互間の制御を行うことを特徴と
    する電気自動車。
  7. 【請求項７】請求項５又は６に記載された電気自動車に
    おいて、前記充電制御手段は、対応する組のバッテリの
    充電状態を検知し、この検知した充電状態に応じて対応
    する組のバッテリの充電量を制御することを特徴とする
    電気自動車。
  8. 【請求項８】請求項６に記載された電気自動車におい
    て、前記充電装置は、前記燃料電池に接続された１次巻
    線、及び絶縁された複数の２次巻線を有する変圧手段
    と、対応する組のバッテリに前記２次巻線の出力を独立
    に接続／切り放しができる切替手段とを備えていること
    を特徴とする電気自動車。
  9. 【請求項９】電気的に接続された複数個のバッテリと、
    エンジン発電機と、前記エンジン発電機から供給された
    電力を前記バッテリのそれぞれに充電する複数個の充電
    装置と、前記バッテリのエネルギーにより車体を駆動す
    るモータとを備え、前記充電装置は、バッテリに充電す
    る方向に電流を流し込む充電モード運転機能を有すると
    共に、バッテリへの充電を休止する休止モード運転機能
    及びバッテリから電力を放出する放電モード運転機能の
    少なくとも一方を有する充電制御手段を備え、前記充電
    制御手段は、所定時間毎に充電モード，休止モード，放
    電モードの３状態のうち、充電モードを含む少なくとも
    ２つ以上の状態を繰り返しながら前記複数組のバッテリ
    を充電させると共に、少なくとも１組のバッテリを放電
    させた後休止させるようにバッテリ相互間の制御を行う
    ことを特徴とする電気自動車。
  10. 【請求項１０】請求項９に記載された電気自動車におい
    て、前記充電制御手段は、対応する組のバッテリの充電
    状態を検知し、この検知した充電状態に応じて対応する
    組のバッテリの充電量を制御することを特徴とする電気
    自動車。
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