JP5752581B2 - 高速充電システム - Google Patents

Description

本発明は、充電池に対して高速に充電を行うことができる高速充電システムに関するものである。

充電池は、多くの電気機器および電気装置などに使用されている。また、充電池に対する高速充電が要求されており、充電池に対する高速充電を可能とする先行文献として、たとえば特許文献１が存在する。

特許文献１に係る高速充電装置では、各需要家の電源設備容量に負担をかけずに、被高速充電電池を高速充電している。当該高速充電装置は、需要家の電源設備と被高速充電電池との間に配設されている。当該高速充電装置は、高速充電電池、充電制御部および充電電流制御部を備えている。

ここで、充電制御部は、電源設備の交流電力を直流電力に変換し、高速充電電池への充電を低電流で充電制御している。また、充電電流制御部は、高速充電電池に蓄電された電力を、所要の充電電流で制御しつつ被高速充電電池へ充電している。

つまり、特許文献１に係る技術では、被高速充電電池とは別に充電用の高速充電電池を備えている。そして、当該特許文献１に係る技術では、当該高速充電電池に蓄電された電力を、所要の充電電流で制御しつつ被高速充電電池に充電させることにより、充電の高速化を図っている。

特開２００９−７７５５０号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術の場合には、被高速充電電池への高速充電のためには、余分な高速充電池と、当該高速充電池への充電を制御する充電制御部などが必要となる。したがって、特許文献１に係る技術では、システム導入のために、広い設置スペースが必要となり、またイニシャルコストが高くなり、さらにはエネルギーロスが大きくなる等の問題点を有していた。

そこで、本発明は、広い設置スペースを必要とせず、イニシャルコストの低減を図ることができ、小さいエネルギーロスにより、充電池への高速充電を達成することができる、高速充電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の高速充電システムは、充電が可能な充電池部と、発電を行い、当該発電した電力を前記充電池部に対して充電電流として出力する電力発電部と、前記電力発電部から出力される前記充電電流の制御を行う充電制御部とを、備えており、前記充電制御部は、（Ａ）前記電力発電部の連続定格電流値を超える前記充電電流を、前記電力発電部に出力させる第一の制御を行い、（Ｂ）前記第一の制御の後、前記電力発電部の前記連続定格電流値以下の前記充電電流を、前記電力発電部に出力させる第二の制御を行い、前記充電制御部は、前記（Ａ）において、（Ａ−１）前記充電電流が前記連続定格電流値を超えたとき、前記充電電流に関する電流２乗時間積を、計算し、（Ａ−２）前記電流２乗時間積の時間に関する累積値が、前記電力発電部の定格電流２乗時間積値を超えたか否を判断し、（Ａ−３）前記（Ａ−２）において、前記累積値が前記定格電流２乗時間積値を超えたとき、前記第一の制御を終了し、前記充電制御部は、（Ｃ）前記第二の制御開始から、予め設定された冷却期間経過後、前記第一の制御を再開する。

本発明の請求項１に記載の高速充電システムは、充電が可能な充電池部と、発電を行い、当該発電した電力を前記充電池部に対して充電電流として出力する電力発電部と、前記電力発電部から出力される前記充電電流の制御を行う充電制御部とを、備えており、前記充電制御部は、（Ａ）前記電力発電部の連続定格電流値を超える前記充電電流を、前記電力発電部に出力させる第一の制御を行い、（Ｂ）前記第一の制御の後、前記電力発電部の前記連続定格電流値以下の前記充電電流を、前記電力発電部に出力させる第二の制御を行う。

このように、本発明に係る高速充電システムでは、一時的に大きな値の充電電流で充電池部への充電を行っているので、充電池部に対する充電処理の高速化を図ることができる。つまり、当該高速充電システムでは、より短時間で、充電池部を満充電にすることができる。

しかも、本発明に係る高速充電システムでは、余分な充電池および当該余分な充電池への充電を制御する制御部等が必要でない。つまり、当該高速充電システムでは、電力発電部から直接、充電池部への充電を行っている。したがって、広い設置スペースを必要とせず、イニシャルコストの低減を図ることができ、小さいエネルギーロスにより、充電池部３に対する充電が可能となる。

実施の形態１に係る高速充電システム１００の概略構成を示すブロック図である。 電力発電部１における、連続定格特性および短時間定格特性を例示する図である。 実施の形態１に係る高速充電システム１００の動作を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態１に係る高速充電システム１００の動作を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態１に係る高速充電システム１００の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る高速充電システム１００の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る高速充電システム１００の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る高速充電システム１００の動作を説明するためのフローチャートである。 高速充電モードおよび通常充電モードにおける、充電電流の理想的な変化の様子を示す図である。 高速充電モードおよび通常充電モードにおける、充電電流の実際の変化の様子を示す図である。 実施の形態２に係る高速充電システムの動作を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態２に係る高速充電システムの動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２に係る高速充電システムの動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３に係る高速充電システムの動作を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態３に係る高速充電システムの動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３に係る高速充電システムの動作を説明するためのフローチャートである。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
本実施の形態に係る高速充電システム１００の概略構成を示すブロック図を、図１に示す。

図１に示すように、高速充電システム１００は、電力発電部１と充電制御部２と充電池部３とを備えている。

図１に示すように、電力発電部１は、電力配線５を介して充電池部３に接続されている。ここで、当該電力配線５には、遮断器４が配設されている。また、電力発電部１は、配線６を介して充電制御部２に接続されている。また、充電制御部２は、配線７を介して、遮断器４と充電池部３との間の電力配線５に接続されている。また、充電制御部２は、配線８を介して、電力発電部１と遮断器４との間の電力配線５に接続されている。さらに、充電制御部２は、配線９を介して遮断器４に接続されている。

電力発電部１は、電力の発電を行い、当該発電した電力を外部へと出力する。当該電力発電部１は、図１に示すように、発電機１１、励磁機１２および整流器１３が配設されている。

発電機１１は、機械エネルギーから電気エネルギーへの変換を利用して、交流電力の発電を行う。ここで、当該発電機１１の発電電圧は、励磁機１２における励磁電流を調整することにより、変化する。

励磁機１２は、配線６に接続されており、当該配線６を介して充電制御部２から励磁電流を調整・出力され、結果として、発電機１１からの出力電圧が制御される。

整流器１３は、発電機１１から出力される交流電力を直流電力に変換する。当該整流器１３は、電力配線５を介して充電池部３に接続されている。したがって、整流器１３は、変換後の直流電力を、充電電流として、充電池部３に対して出力する。

本発明に係る電力発電部１は、連続定格範囲内での使用と、連続定格を超える範囲での短期間使用とを実施する。より具体的には、本発明に係る電力発電部１は、通常充電モードでは、連続定格の範囲内での運転を行い、高速充電モードでは、連続定格を超える範囲（たとえば、連続定格を超え、短時間定格の範囲内）での運転を行う。

ここで、電力発電部１を連続的に使用し続けることを前提とした定格が、連続定格である。これに対して、電力発電部１を短時間（たとえば、３０分や１時間）だけ使用することを前提とした定格が、短時間定格である。

連続定格の範囲内で電力発電部１を使用した場合には、本規格で定める温度以下で当該電力発電部１を異常なく長時間に渡り使用し続けることができる。一方、短時間定格の範囲内で電力発電部１を使用した場合には、指定された短時間なら異常なく、本規格で定める温度を超えない過負荷状態での当該電力発電部１の使用が可能となる。ここで、連続定格を超える電力発電部１の運転を、過負荷状態での運転であると把握できる。

図２は、電力発電部１の性能つまり、電力発電部１における連続定格および短時間定格を説明するための図である。

図２における、電圧Ｖ１以下電圧Ｖ２以上の範囲において、充電池部３が使用される。したがって、当該充電池部３に対して、発電・出力電圧が電圧Ｖ１以下電圧Ｖ２以上の範囲において、電力発電部１が使用される。

図２における実線が、連続定格特性を示しており、当該実線より左側の範囲以内おいて、電力発電部１を異常なく長時間連続的使用することができる。また、図２における一点鎖線が、短時間定格特性を示しており、前記実線から当該一点鎖線までの範囲おいて、電力発電部１を指定された短時間だけ異常なく使用することができる。

図２に示すように、連続定格特性を示す実線は、電圧と電流との積が一定の電力Ｗ１となるように変化する。また、短時間定格特性を示す一点鎖線は、電圧と電流との積が一定の電力Ｗ２となるように変化する。

図１の構成に話を戻す。

充電制御部２は、ＰＬＣ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）などから構成されており、電力発電部１から出力される充電電流の制御を行う。充電制御部２は、励磁機１２の励磁電流を制御することにより、電力発電部１から出力される充電電流を変化させる。

また、充電制御部２は、配線７を介して、充電池部３の充電電圧（残存電圧）を監視することができる。さらに、充電制御部２は、配線８を介して、電力発電部１の出力電圧を監視することができる。また、充電制御部２は、配線７または配線８を介して、電力配線５を流れる充電池部３への充電電流を監視することができる。また、充電制御部２は、配線９を介して、遮断器４の開閉を制御することができる。

なお、充電制御部２内における動作については、フローチャートおよび機能ブロック図を用いて後述する。

充電池部３は、少なくとも１以上の充電池により構成されている。充電池部３は、電力発電部１から出力される充電電流を受けて、充電される。また、図１には図示が省略されているが、充電池部３には負荷が接続されている。充電池部３は、当該負荷に対して充電電力を出力（放電）することにより、負荷を電気駆動させている。

次に、図３〜８を用いて、本実施の形態に係る高速充電システム１００の動作について説明する。

ここで、図３は、高速充電モード時における充電制御部２の動作を示す機能ブロック図である。図４は、通常充電モード時における充電制御部２の動作を示す機能ブロック図である。図５〜８は、本実施の形態に係る高速充電システム１００の動作を示すフローチャートである。

高速充電システム１００の充電制御部２には、動作の実施の前に、次の各値が設定される。

まず、高速充電モードの期間に使用される、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆが、充電制御部２に予め設定されている。

当該第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆは、たとえば図２に例示するグラフを利用して、電力発電部１の連続定格電流値を超える値が選定される。たとえば、電力発電部１の使用発電範囲（Ｖ１〜Ｖ２）において、電流値Ｉ２を超える値を、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆとして選定したとする。この場合には、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆは、上記使用発電範囲（Ｖ１〜Ｖ２）において必ず、電力発電部１の連続定格電流値を超える値となる。

電流値Ｉ２を超える値の選定として、ユーザは、たとえば図２を参照して、使用発電範囲（Ｖ１〜Ｖ２）における最大の短時間定格電流である電流値Ｉ１を、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆとして選定しても良い。または、当該電流値Ｉ１を超える電流値を、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆとして選定することも可能である。この場合、使用可能時間が短くなるのは言うまでもない。高速充電の観点からは、大きな値の第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆを選定することが望ましい。

次に、通常充電モードの期間に使用される、第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆが、充電制御部２に予め設定されている。

当該第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆは、たとえば図２に例示するグラフを利用して、電力発電部１の連続定格電流値以内となる値が選定される。たとえば、電力発電部１の使用発電範囲（Ｖ１〜Ｖ２）において、電流値Ｉ３以下の値を、第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆとして選定したとする。この場合には、第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆは、上記使用発電範囲（Ｖ１〜Ｖ２）において必ず、電力発電部１の連続定格電流値以内の値となる。なお、充電の高速化の観点からは、より大きな値の第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆを選定することが望ましい。

また、充電制御部２には、定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔが予め設定されている。

当該定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔは、電力発電部１において規定されている定格の電流２乗時間積である。よって、使用される電力発電部１に応じて、当該定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔは一意に決定される。当該定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔの範囲内では、発熱による異常が生じることなく、電力は電部１の使用が可能となる。

また、充電制御部２には、冷却期間Ｔｏが予め設定されている。

当該冷却期間Ｔｏは、定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔに達する使用を行った電力発電部１が、再度、連続定格を超える運転が可能な温度まで冷えるまでの時間である。当該冷却期間Ｔｏは、電力発電部１の放熱・冷却特性および電力発電部１に配設される冷却機構などを考慮して選定される。

上記各値を事前に設定した状態において、高速充電システム１００は以下の動作を実施する。

充電池部３の残存容量が所定値を切り、当該充電池部３への充電が必要になったとする。そこで、ユーザは、高速充電モードを選択し、充電池部３への充電動作を開始する。これにより、充電制御部２は、図３に示すように、予め設定されている第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆの選択を行う。ここで、図１に示す構成図において、遮断器４は「開」状態である。

図１において、充電制御部２は、配線７および電力配線５を利用して、充電開始時における充電池部３の残存電圧を監視（検出）する（図５のステップＳ１）。他方、充電制御部２は、配線８および電力配線５を利用して、電力発電部１の現在の発電電圧（出力電圧）を監視（検出）する。

上記充電動作開始により、充電制御部２による制御が開始され、電力発電部１が発電を行い、発電電圧が上昇する。ここで、充電制御部２は、上記監視を通じて、電力発電部１の現在の発電電圧が、充電池部３の残存電圧に達したか否かを判断している（図５のステップＳ２）。

充電制御部２が、電力発電部１の現在の発電電圧が充電池部３の残存電圧に達していないと判断した場合には（図５のステップＳ２で「ＮＯ」）、充電制御部２は、ステップＳ１、ステップＳ２の動作を繰り返し実施する。

これに対して、充電制御部２が、電力発電部１の現在の発電電圧が充電池部３の残存電圧に達したと判断した場合には（図５のステップＳ２で「ＹＥＳ」）、充電制御部２は、図１に示すように、配線９を介して、遮断器４を「閉」状態に切替える（図５のステップＳ３）。

つまり、充電制御部２は、遮断器４の両端における電圧値を監視している。そして、当該両端における電圧値が等しくなると（または、電力発電部１側の遮断器４の端部の電圧値が、充電池部３側の遮断器４の端部の電圧よりも高くなると）、当該充電制御部２、遮断器４をＯＮとする。当該遮断器４のＯＮにより、電力発電部１と充電池部３とは、電力配線５を介して、充電可能に接続される。

ステップＳ３の動作以後、充電制御部２は、高速充電モードによる充電電流の制御を開始する（図５のステップＳ４）。具体的に、充電制御部２は、図３に示す動作を開始する。次に、図３に示す動作を説明する。

電力配線５、配線７（または配線８）を介して、充電制御部２は、電力発電部１から充電池部３へと出力される充電電流値Ｉｆｂｋを、充電動作の期間、常に入力する。そして、充電制御部２は、（第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆ）−（充電電流値Ｉｆｂｋ）、を演算し、演算結果として偏差ｅを出力する。

次に、充電制御部２は、充電電流値Ｉｆｂｋが第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆとなるために、電力発電部１の発電電圧をどれだけ増減する必要かあるかを、上記偏差ｅに応じて、演算する。そして、充電制御部２は、当該演算の結果である増減電圧値ΔＶｔを出力する。

次に、充電制御部２は、増減電圧値ΔＶｔと立上時の充電池部３の電圧値（つまり、ステップＳ１で検出した充電池部３の残存電圧値）Ｖｒｅｆとを、加算する。そして、充電制御部２は、当該加算結果を、目標電圧値Ｖｔとして出力する。

ところで、充電制御部２は、電力配線５および配線８を介して、充電動作の期間、常に、電力発電部１の現在の出力電圧値Ｖｆｂｋを入力している。そこで、次に、充電制御部２は、（目標電圧値Ｖｔ）−（出力電圧値Ｖｆｂｋ）、を演算する。そして、充電制御部２は、当該演算結果である、調整増減電圧値ΔＶａを出力する。

当該調整増減電圧値ΔＶａは、充電電流値Ｉｆｂｋを第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆとするために、電力発電部１の現在の出力電圧に対して、どの程度の電圧の増減の調整が必要かを示している。

次に、充電制御部２は、当該調整増減電圧値ΔＶａに応じて、界磁電流値を制御する。そして、充電制御部２は、当該界磁電流値を励磁機１２に対して出力する（図３に示す、界磁電流制御）。当該界磁電流値を受けた励磁機１２は、発電機１１の発電電圧を現在の発電電圧に対して、調整増減電圧値ΔＶａだけ増減させる。

高速充電モードの期間において、充電制御部２は、図３に示す動作を閉ループ的に繰り返し実施し続ける。

さて、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆは、上記の通り、連続定格電流値を超える電流値である。したがって、図３に示す動作を通じて、何れかの段階で、充電電流Ｉｆｂｋは、連続定格電流値を超える。

そこで、充電制御部２は、図２に示すグラフを予め有しており、電力配線５および配線７，８を介して、充電池部３に対する充電電流Ｉｆｂｋと電力発電部１の現在の発電電力を監視する。そして、当該図２の実線部（連続定格）を参照して、充電電流Ｉｆｂｋが、電力発電部１の連続定格電流（図２の実線部）を超えたか否かを判断する（図５のステップＳ５）。

充電制御部２が、充電電流Ｉｆｂｋが電力発電部１の連続定格電流以下であると判断したとする（図５のステップＳ５で「ＮＯ」）。当該場合には、充電制御部２は、ステップＳ４の動作（つまり図３に示す、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆおよび立上時電圧値Ｖｒｅｆを基準とした、充電電流および出力電圧値のフィードバック制御）とステップＳ５の動作を繰り返し実施する。

これに対して、充電制御部２が、充電電流Ｉｆｂｋが電力発電部１の連続定格電流を超えたと判断したとする（図５のステップＳ５で「ＹＥＳ」）。当該場合には、充電制御部２は、充電電流Ｉｆｂｋに関する電流２乗時間積の演算を開始する（図５のステップＳ６）。

当該ステップＳ６の動作については、図６を用いて後述する。そして、当該ステップＳ６の動作以後においても、図３に示したフィードバック制御を繰り返し実施する（図５のステップＳ７）。

ここで、電力発電部１の連続定格電流値（図２の実線部）を超える充電電流Ｉｆｂｋを、電力発電部１に出力させようとする充電電流制御を、第一の制御と称する。

さて、図５のステップＳ６以後、充電制御部２は、図５のステップＳ７の動作を行いつつ（つまり、第一の制御を行いつつ、当該第一の制御期間に）、図６に示す動作も行う。次に、図６の動作について説明する。

上記ステップＳ６の開始から所定の演算周期毎に、充電制御部２は、ΣＩｆｂｋ（ｎΔｔ）×Ｉｆｂｋ（ｎΔｔ）×Δｔ、を計算する。

ここで、Σは、所定の演算周期毎の電流２乗時間積（Ｉｆｂｋ（ｎΔｔ）×Ｉｆｂｋ（ｎΔｔ）×Δｔ）の和（所定の演算周期毎の電流２乗時間積の累積）である。また、Ｉｆｂｋ（ｎΔｔ）は、ｎ回目の所定の演算周期における充電電流の実測値である。また、Δｔは、上記所定の演算周期である。なお、当該所定の演算周期Δｔは、充電制御部２において、予め設定されている。

そして、充電制御部２は、当該所定の演算周期Δｔ経過毎に、ΣＩｆｂｋ（ｎΔｔ）×Ｉｆｂｋ（ｎΔｔ）×Δｔ（以下、ΣＩｆｂｋ²Δｔと表記する）が、予め設定されている上記の定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔを超えたか否かを判断する（図６のステップＳ１１）。

充電制御部２が、ΣＩｆｂｋ²Δｔが定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔ以下であると判断したとする（図６のステップＳ１１で「ＮＯ」）。当該場合には、所定の演算周期の経過を待って、当該所定の演算周期の電流２乗時間積を考慮して、再度ステップＳ１１の判断を行う。

これに対して、充電制御部２が、ΣＩｆｂｋ²Δｔが定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔを超えたと判断したとする（図６のステップＳ１１で「ＹＥＳ」）。当該場合には、充電制御部２は、高速充電モードから通常充電モードへと自動的に切り替える（図６のステップＳ１２）。

つまり、上記第一の制御を終了し、当該第一の制御から、電力発電部１の連続定格電流値以下の充電電流を電力発電部１に出力させようとする第二の制御へと、移行する（第二の制御の開始）。

ここで、図３に示した機能ブロック図において、「電流２時間積演算」ブロックからの指令応じて、高速充電モードから通常充電モードへと切替が可能なことが、描かれている。

当該ステップＳ１２以後、充電制御部２は、通常充電モードによる充電電流制御を開始する（図６のステップＳ１３）。具体的に、充電制御部２は、図４の機能ブロックに示す動作を開始する。

なお、図３と図４との比較から分かるように、図４では、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆではなく、第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆを利用した、閉ループ制御（フィードバック制御）が実施されている。ここで、図４においても図３と同様に、充電電流値Ｉｆｂｋおよび電圧値Ｖｆｂｋを用いた閉ループ制御（フィードバック制御）が実施されている。

第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆが第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆに変更されているものの、図４における閉ループ制御（フィードバック制御）の動作は、図３における閉ループ制御（フィードバック制御）の動作と同様である。したがって、図４に示す、第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆおよび立上時電圧値Ｖｒｅｆを基準とした、充電電流および出力電圧値のフィードバック制御の詳細な動作説明は省略する。

図４に示す通常充電モードにおいて、図３で説明した内容と同様の繰り返しフィードバック制御が実施されることにより、電力発電部１から充電池部３への充電電流Ｉｆｂｋは、連続定格電流値以下である第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆに近づく（第二の制御）。

なお、ステップＳ１２により、高速充電モードから通常充電モードに切り替わることにより、充電制御部２は、ΣＩｆｂｋ²Δｔの計算をストップし、また、計算したΣＩｆｂｋ²Δｔの値のリセットも行う。

さて、図７のステップＳ１３以後、充電制御部２は、図６のステップＳ１３の動作を行いつつ（つまり、第二の制御を行いつつ）、図７に示す動作も行う。次に、図７の動作について説明する。

ステップＳ１３に示す通常充電モードが開始されると、充電制御部２は、電力発電部１が、再度の第一の制御が可能な温度まで冷却したか否かを判断する（図７のステップＳ２１）。

具体的に、充電制御部２には、タイマーが配設されており、当該充電制御部２は、通常充電モードの開始（換言すると、第二の制御移行）と同時に、当該タイマーの計測を開始する。そして、充電制御部２は、第二の制御期間において、当該タイマーの計測を継続し、さらにタイマーの計測時間が、予め設定されている冷却期間Ｔｏを経過したか否かを判断する（図７のステップＳ２１）。

そして、充電制御部２が、タイマーの計測時間が冷却期間Ｔｏを経過していないと判断した場合には（図７のステップＳ２１で「ＮＯ」）、充電制御部２は、ステップＳ１３の動作を継続すると共に、前記タイマーの計測も継続する。

これに対して、充電制御部２が、タイマーの計測時間が冷却期間Ｔｏを経過した判断した場合には（図７のステップＳ２１で「ＹＥＳ」）、充電制御部２は、第二の制御を終了し、当該第二の制御から第一の制御へと（換言すると、通常充電モードから高速充電モードへと）自動的に移行する（図７のステップＳ２２）。つまり、充電制御部２は、第一の制御を再開する。

具体的には、充電制御部２は、図５のステップＳ４以降の動作（図６の動作も含む）を再開する。ここで、図４の機能ブロック図では、「電力発電部１の冷却判断」ブロックからの指令応じて、通常充電モードから高速充電モードへと切替が可能なことが、描かれている。

なお、ステップＳ２２の切替の際に、充電制御部２は、ステップＳ２１の判断の際に使用したタイマーの計測をストップし、計測時間のリセットを行う。

以降、図５のステップＳ４以降の動作を、図６，７に示す動作を含めて、繰り返し実施する。つまり、第一の制御と第二の制御とを、繰り返し実施する。次に、図８の動作について説明する。

上記の通り、第一の制御と第二の制御とが繰り返し実施される。その最中において（図８のステップＳ３１参照）、充電制御部２は、配線７および電力配線５を通じて、充電池部３の電圧値を監視している。そして、充電制御部２は、充電池部３が満充電（充電制御部２に予め設定されている所定の充電電圧値）に達した否かを判断する（図８のステップＳ３２）。

そして、充電制御部２が、充電池部３が満充電に達していないと判断した場合には（図８のステップ３２で「ＮＯ」）、ステップＳ３１に戻る。つまり、図５のステップＳ４以降の動作（図６，７を含む）に従って、引き続き、高速充電モードによる充電または通常充電モードによる充電を実施する。

これに対して、充電制御部２が、充電池部３が満充電に達したと判断した場合には（図８のステップ３２で「ＹＥＳ」）、充電制御部２は、配線９を介して、遮断器４を「開」状態に切替える（図８のステップＳ３３）。これにより、充電池部３への充電処理は終了する。

図９は、高速充電モードと通常充電モードにおける、理想的な、充電電流の時系列的変化の様子を示す図である。しかし、一般的には、充電池部３には図示していない負荷が接続されており、図９に示す理想的な変化でなく、当該負荷の変動に応じて充電電流も変動する。そこで、図１０に、実際の、高速充電モードと通常充電モードにおける充電電流の時系列的変化の様子を例示する。

図１０に示すように、充電電流は、負荷の変動に応じて変動している。なお、図１０には、微小な所定の演算周期（ｎ番目の周期）における、電流２乗時間積（Ｉｆｂｋ²Δｔ）も図示している。上述したように、本実施の形態では、充電電流が連続定格電流値を超えてから、所定の演算周期毎に電流２乗時間積を計算し、各所定の演算周期毎に、電流２乗時間積を時間に関して累積している（ΣＩｆｂｋ²Δｔ）。

以上のように、本実施の形態に係る高速充電システム１００では、電力発電部１は、一時的に、過負荷状態で充電電流を出力している。つまり、充電制御部２は、電力発電部１の連続定格電流値を超える充電電流を電力発電部１に出力させようとする第一の制御を行い、当該第一の制御を所定の期間実施した後、電力発電部１の連続定格電流値以下の充電電流を電力発電部１に出力させようとする第二の制御を行っている。そして、充電池部３が満充電となるまで、当該第一の制御と第二の制御とを繰り返し実施している。

このように、高速充電システム１００では、一時的に大きな値の充電電流で充電池部３への充電を行っている（つまり、過負荷充電を行っている）。換言すると、高速充電システム１００では、電力発電部１の発熱量を加味（電流２乗時間積の演算およびステップ１１の判断）して、電力発電部１の連続定格を超える電力発電部１の運転と、当該連続定格以内の電力発電部１の運転とを、効率良く利用した充電制御を行っている。したがって、充電池部３に対する充電処理の高速化を図ることができる。つまり、高速充電システム１００では、より短時間で、充電池部３を満充電にすることができる。

しかも、高速充電システム１００では、特許文献１のように余分な充電池および当該余分な充電池への充電を制御する制御部等が必要でない。つまり、高速充電システム１００では、電力発電部１から直接、充電池部３への充電を行っている。したがって、広い設置スペースを必要とせず、イニシャルコストの低減を図ることができ、小さいエネルギーロスにより、充電池部３に対する充電が可能となる。

なお、充電電流が大きくなると、充電池部３がより短時間で満充電となる。この観点から、連続定格電流値を超える第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆおよび連続定格電流値以下である第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆの選定は、極力大きな値であることが望ましい。

また、本実施の形態に係る高速充電システム１００では、充電制御部２は、電流２乗時間積を計算し、ΣＩｆｂｋ²Δｔを演算している（つまり、所定の演算時間毎に電流２乗時間積を累積している）。そして、充電制御部２は、ΣＩｆｂｋ²Δｔが定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔを超えたとき第一の制御を終了し、第二の制御を開始している。

したがって、電力発電部１を過負荷状態で運転させたとしても、電力発電部１の異常な発熱が発生する前に、当該電力発電部１の過負荷運転を停止させることができる。また、高速充電システム１００では、第一の制御後に第二の制御を実施しているので、第二の制御の期間に電力発電部１を冷却できると共に、当該冷却の期間においても充電池部３への充電を継続することが可能である。

なお、上記説明では、連続定格電流値を超える第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆおよび連続定格電流値以下である第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆは、固定値を選定し、充電制御部２に予め設定していた。しかしながら、次のような態様も採用できる。

つまり、充電制御部２には、図２に示す電力発電部１の固有の短時間定格特性および連続定格特性を示すグラフをデータとして設定しておく。そして、充電制御部２は、高速充電モードの最中および通常充電モードの最中において、随時、充電池部３の電圧値を監視する。

そして、高速充電モードの場合には、充電制御部２は、図２の一点鎖線と監視結果である充電池部３の電圧値とが交わる電流値を、そのときの第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆとして自動的に随時選定し、図３のフィードバック制御を実施する。

また、通常充電モードの場合には、充電制御部２は、図２の実線のグラフと監視結果である充電池部３の電圧値とが交わる電流値を、そのときの第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆとして自動的に随時選定し、図４のフィードバック制御を実施する。

このように、高速充電モードの最中において、充電池部３の電圧値と短時間定格特性とに応じて、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆを例えば当該電圧値の監視の都度変動させて、図３のフィードバック制御を実施し、通常充電モードの最中において、充電池部３の電圧値と連続定格特性とに応じて、第二の基準充電電流ＩＧ２−ｒｅｆを例えば当該電圧値の監視の都度変動させて、図４のフィードバック制御を実施しても良い。

また、図１０を用いて示したように、負荷の変動に応じて、充電電流値も変動する。ここで、負荷の変動の程度によっては、高速充電モードの最中において、一時的に、充電電流値が、連続定格電流値以下となることも想定され得る。しかし、このような事態が生じたとしても、充電制御部２は、電流２乗時間積の計算（時間に関する累積演算）を継続する。つまり、充電制御部２は、電流２乗時間積の計算を開始した後は、ΣＩｆｂｋ²Δｔが定格電流２乗時間積値Ｉ²ｔを超えるまで、電流２乗時間積の計算（時間に関する累積演算）を継続する。

また、充電制御部２が、ＰＬＣを用いたデジタル制御装置である場合には、上記のように、電流２乗時間積は、各所定の演算周期毎に、Σを用いて離散的に累積する計算となる。これに対して、充電制御部２は、オペアンプを利用したアナログ制御（演算処理）装置を適用して構成することも可能である。当該構成の場合には、電流２乗時間積は、時系列的に連続的に累積する計算となる。つまり、充電制御部２がアナログ制御装置で構成された場合には、∫（Ｉｆｂｋ²・ｔ）ｄｔ、の積分演算が実施される。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、第一の制御の期間において電流２乗時間積を演算し、当該演算結果を利用して高速充電モードの終了時期を決定していた。本実施の形態では、他の方法を利用して高速充電モードの終了時期を決定する。

具体的には、本実施の形態では、充電制御部２には、タイマーが配設されている。そして、当該充電制御部２は、電流２乗時間積の演算および当該電流２乗時間積を利用した処理判断を行わず、その代わりに、第一の制御の期間においてタイマーの計測および当該タイマーの計測結果を利用した処理判断を行う。

本実施の形態に係る高速充電システムの概略構成ブロック図は、図１と同じである。また、本実施の形態では、図３の代わりに図１１の機能ブロックが採用される。また、本実施の形態においても、図４の機能ブロック図が採用される。また、本実施の形態では、図５の代わりに図１２のフローチャートが採用される。また、本実施の形態では、図６の代わりに図１３のフローチャートが採用される。なお、本実施の形態においても、図７，８のフローチャートが採用される。

次に、本実施の形態に係る高速充電システムの動作について説明する。

図１２に示すように、ステップＳ１〜Ｓ５までの動作を行う。ここで、当該ステップＳ１〜Ｓ５（ステップＳ５の「ＮＯ」のフローも含む）までの動作は、図５のステップＳ１〜Ｓ５（ステップＳ５の「ＮＯ」のフローも含む）までの動作と同じである。また、図１１に示すように、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆを基準とした充電電流Ｉｆｂｋのフィードバック制御、および、立上時電圧Ｖｒｅｆを基準とした電力発電部１の出力電圧Ｖｆｂｋのフィードバック制御は、図３で説明した内容と同じである。

さて、充電制御部２が、充電電流が連続定格電流を超えたと判断したとする（図１２のステップＳ５で「ＹＥＳ」）。当該場合には、充電制御部２は、自身が有するタイマーの計測を開始する（図１２のステップＳ４１）。そして、図５のステップＳ７と同様の処理を、充電制御部２は実施する（図１２のステップＳ７）。

さて、図１２のステップＳ４１以後、充電制御部２は、図１２のステップＳ７の動作を行いつつ（つまり、第一の制御を行いつつ、当該第一の制御期間に）、図１３に示す動作も行う。次に、図１３の動作について説明する。

ステップＳ４１の処理後、充電制御部２は、タイマーの計測時間が予め設定された時限に達したか否かを判断する（図１３のステップＳ４２）。

ここで、充電制御部２に予め設定される上記時限は、電力発電部１が発熱の影響で正常に運転できないか、発熱の影響に係らず電力発電部１が正常に運転できるかという観点で、決定される。換言すると、当該時限の間には、電力発電部１は過負荷状態での運転が可能であり、当該時限を超えると、過負荷状態での運転により電力発電部１に異常が発生する可能性が生じる。

たとえば、当該時限は、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆの値、電力発電部１の発熱量、電力発電部１の放熱量、および電力発電部１の冷却機構の特性に応じて、決定される。

さて、充電制御部２が、タイマーの計測時間が時限より小さいと判断したとする（図１３のステップＳ４２で「ＮＯ」）。当該場合には、充電制御部２は、再度ステップＳ４２の判断を行う。

これに対して、充電制御部２が、タイマーの計測時間が時限に達したと判断したとする（図１３のステップＳ４２で「ＹＥＳ」）。当該場合には、充電制御部２は、高速充電モードから通常充電モードへと自動的に切り替える（図１３のステップＳ１２）。つまり、充電制御部２は、第一の制御を終了し、第二の制御を開始する。そして、当該ステップＳ１２以後、充電制御部２は、通常充電モードによる充電電流制御を開始する（図１３のステップＳ１３）。

ここで、図１３のステップＳ１２，Ｓ１３は、図６のステップＳ１２，Ｓ１３と同じ処理である。

また、図１１の機能ブロック図では、「タイマー計測」ブロックからの指令応じて、高速充電モードから通常充電モードへと切替が可能なことが、描かれている。

また、通常充電モード以降後の動作は、実施の形態１と同じである（図４、図７参照）。なお、本実施の形態に係る高速充電システムにおいても、図８に示す動作が実施される。

上記から分かるように、高速充電モードの終了時期をタイマーの計測時間を利用して行うこと以外の構成・処理等は、実施の形態１で説明した高速充電システム１００と同じである。

以上の構成を有する本実施の形態に係る高速充電システムにおいても、実施の形態１で説明した効果と同じ効果が奏される。なお、蓄電池部３に接続される負荷の変動が小さい場合には、本実施の形態に係る高速充電システムは有益である。

なお、本実施の形態では、「時限」と「タイマー測定時間」とを利用して、第一の制御から第二の制御への切替を実施している。ここで、過負荷運転により電力発電部１が異常が発生しないようにするため、「時限」は、許容されると推測される時間より少し短めに設定することが好ましい。そうすると、高速充電モードの期間が、短い期間となる傾向にある。

これに対して、「電流２乗時間積の演算結果」と「定格電流２乗時間積」とを利用して、第一の制御から第二の制御への切替を実施する方法では、電力発電部１の過負荷運転の許容限界まで、高速充電を行うことができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態１では、第一の制御の期間において電流２乗時間積を演算し、当該演算結果を利用して高速充電モードの終了時期を決定していた。本実施の形態では、他の方法を利用して高速充電モードの終了時期を決定する。

具体的には、本実施の形態では、電力発電部１（たとえば、発電機１１の導電部）に、温度センサーが配設されている。そして、充電制御部２は、当該温度センサーの測定結果を受信する。また、充電制御部２は、電流２乗時間積の演算および当該電流２乗時間積を利用した処理判断を行わず、その代わりに、第一の制御の期間において温度センサーの計測結果を利用した処理判断を行う。

本実施の形態に係る高速充電システムの概略構成ブロック図は、図１とほぼ同じであるが、本実施の形態では、電力発電部１に配設された温度センサーと充電制御部２とを接続する配線がさらに配設される（図示省略）。

また、本実施の形態では、図３の代わりに図１４の機能ブロックが採用される。また、本実施の形態においても、図４の機能ブロック図が採用される。また、本実施の形態では、図５の代わりに図１５のフローチャートが採用される。また、本実施の形態では、図６の代わりに図１６のフローチャートが採用される。なお、本実施の形態においても、図７，８のフローチャートが採用される。

次に、本実施の形態に係る高速充電システムの動作について説明する。

図１５に示すように、ステップＳ１〜Ｓ４までの動作を行う。ここで、当該ステップＳ１〜Ｓ４までの動作は、図５のステップＳ１〜Ｓ４までの動作と同じである。また、図１４に示すように、第一の基準充電電流ＩＧ１−ｒｅｆを基準とした充電電流Ｉｆｂｋのフィードバック制御、および、立上時電圧Ｖｒｅｆを基準とした電力発電部１の出力電圧Ｖｆｂｋのフィードバック制御は、図３で説明した内容と同じである。

さて、ステップＳ４以後において、充電制御部２は、電力発電部１に配設されている温度センサーの温度測定を開始する（図１５のステップＳ５１）。より具体的に、充電制御部２は、当該温度センサーの測定結果の受信を開始し、第一の制御期間において、電力発電部１の温度を監視する。

さて、図１５のステップＳ５１以後、充電制御部２は、第一の制御を行いつつ、当該第一の制御期間において、図１６に示す動作も行う。次に、図１６の動作について説明する。

ステップＳ５１の処理後、充電制御部２は、温度センサーからの測定結果が予め設定された閾値温度に達したか否かを判断する（図１６のステップＳ５２）。

ここで、充電制御部２に予め設定される上記閾値温度は、電力発電部１が発熱の影響で正常に運転できないか、発熱の影響に係らず電力発電部１が正常に運転できるかという観点で、決定される。換言すると、電力発電部１の温度が閾値温度より小さい場合には、電力発電部１は過負荷状態での運転が可能であり、電力発電部１の温度が閾値温度以上となると、過負荷状態での運転により電力発電部１に異常が発生する可能性が生じる。

さて、充電制御部２が、温度センサーからの測定結果が閾値温度より小さいと判断したとする（図１６のステップＳ５２で「ＮＯ」）。当該場合には、充電制御部２は、再度ステップＳ５２の判断を行う。

これに対して、充電制御部２が、温度センサーからの測定結果が閾値温度に達したと判断したとする（図１６のステップＳ５２で「ＹＥＳ」）。当該場合には、充電制御部２は、高速充電モードから通常充電モードへと自動的に切り替える（図１６のステップＳ１２）。つまり、充電制御部２は、第一の制御を終了し、第二の制御を開始する。そして、当該ステップＳ１２以後、充電制御部２は、通常充電モードによる充電電流制御を開始する（図１６のステップＳ１３）。

ここで、図１３のステップＳ１２，Ｓ１３は、図６のステップＳ１２，Ｓ１３と同じ処理である。

また、図１４の機能ブロック図では、「温度測定」ブロックからの指令応じて、高速充電モードから通常充電モードへと切替が可能なことが、描かれている。

また、通常充電モード以降後の動作は、実施の形態１と同じである（図４、図７参照）。なお、本実施の形態に係る高速充電システムにおいても、図８に示す動作が実施される。

上記から分かるように、高速充電モードの終了時期を温度センサーからの測定結果を利用して行うこと以外の構成・処理等は、実施の形態１で説明した高速充電システム１００と同じである。

以上の構成を有する本実施の形態に係る高速充電システムにおいても、実施の形態１で説明した効果と同じ効果が奏される。

ここで、本実施の形態に係る高速充電システムでは、上記の通り、電力発電部１には温度センサーが配設されている。そこで、本実施の形態では、図７のステップＳ２１を次のような処理で、判断することもできる。

つまり、通常充電モードによる充電電流制御を行っているとき（つまり、図７のステップＳ１３であり、第二の制御の期間において）、充電制御部２は、温度センサーからの測定結果が、予め設定された冷却温度に達したか否かを判断する（図７のステップＳ２１）。ここで、当該冷却温度は、電力発電部１が再度、連続定格を超える充電電流を正常に流すことができる程度まで冷えたことを示す温度である。

温度センサーからの測定結果が冷却温度より大きいとき（図７のステップＳ２１で「ＮＯ」）、充電制御部２は、ステップＳ１３に示す充電電流制御を行い、再度、当該ステップＳ２１の判断を行う。これに対して、温度センサーからの測定結果が冷却温度以下になったとき（図７のステップＳ２１で「ＹＥＳ」）、充電制御部２は、実施の形態１で説明したステップＳ２２の処理を実施する。

実施の形態１では、予め設定された冷却期間を利用して、第二の制御から第一の制御の切替を実施している。つまり、電力発電部１が十分に冷えたであろう時間を予め推測し、当該推測した値を利用して、上記切替を実施している。したがって、当該推測した値を利用した上記切替であるので、冷却期間を少し長めに設定する必要がある（第一の制御の再開が少し遅れる）。

これに対して、本実施の形態で説明した上記方法では、電力発電部１の温度を直接監視しており、当該監視結果を用いた第二の制御から第一の制御の切替を実施している。したがって、第一の制御の再開をより早い時期に行うことができる（これは、高速充電に繋がる）。

１ 電力発電部
２ 充電制御部
３ 充電池部
４ 遮断器
５ 電力配線
６，７，８，９ 配線
１１ 発電機
１２ 励磁機
１３ 整流器
１００ 高速充電システム

Claims (1)

1. 充電が可能な充電池部と、
   発電を行い、当該発電した電力を前記充電池部に対して充電電流として出力する電力発電部と、
   前記電力発電部から出力される前記充電電流の制御を行う充電制御部とを、備えており、
   前記充電制御部は、
   （Ａ）前記電力発電部の連続定格電流値を超える前記充電電流を、前記電力発電部に出力させる第一の制御を行い、
   （Ｂ）前記第一の制御の後、前記電力発電部の前記連続定格電流値以下の前記充電電流を、前記電力発電部に出力させる第二の制御を行い、
   前記充電制御部は、前記（Ａ）において、
   （Ａ−１）前記充電電流が前記連続定格電流値を超えたとき、前記充電電流に関する電流２乗時間積を、計算し、
   （Ａ−２）前記電流２乗時間積の時間に関する累積値が、前記電力発電部の定格電流２乗時間積値を超えたか否を判断し、
   （Ａ−３）前記（Ａ−２）において、前記累積値が前記定格電流２乗時間積値を超えたとき、前記第一の制御を終了し、
   前記充電制御部は、
   （Ｃ）前記第二の制御開始から、予め設定された冷却期間経過後、前記第一の制御を再開する、
   ことを特徴とする高速充電システム。

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