JP5877370B2

JP5877370B2 - 電気車両用充電装置及び電気車両用充電システム

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Publication number: JP5877370B2
Application number: JP2011282046A
Authority: JP
Inventors: 亘彦戸田; 尚紀福尾; 宏展堀; 堀　　宏展; 田中　昌史; 昌史田中; 旭渡辺; 訓永田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: KR20130079163A; CN103178592B; CN103178592A; JP2013132188A; KR101456907B1

Description

本発明は、電気自動車などの電気車両に充電するための電気車両用充電装置及び電気車両用充電システムに関する。

従来例として、例えば、特許文献１に記載されている充電装置がある。この充電装置は、バッテリ式フォークリフトを充電するためのものであり、ブレーカを介して工場内の設備電源に接続された電源コンセントに接続される電源コードを有している。また、充電装置には通信機能が搭載されており、設備電源に接続する他の充電装置との間で通信線を介して充電状態に関する情報を送受している。

この従来例では、設備電源に繋がれる充電装置全体で用いることが可能な電流値であるトータル電流制限値を任意の電流値に設定している。そして、この値を基に各充電装置で使用する電流は各々の充電装置が自動的に、他の充電装置の充電状況を確認したうえで設定するようになっている。このため、電気車両(バッテリ式フォークリフト)の充電時に充電装置で消費される電力が、充電装置に電源供給を行う設備電源の電源容量を考慮することなく、適切に設定される。故に、使用者は、設備電源の電源容量を増設することなく、また電源に繋がれる充電装置で使用中の電流量を気にすることなく、電気車両への充電を良好に行うことが可能となる。

特開２００３−３３３７０６号公報

ところで、電気車両(電気自動車)を住宅で充電する場合、住宅で消費される電力(電流)の総量が主幹ブレーカ(あるいはリミッタ)の定格を超えないように電気自動車の充電電流を制限することが好ましい。例えば、主幹ブレーカに流れる電流を監視し、当該電流が主幹ブレーカの定格電流の90％を超えた場合、充電装置が電気自動車への充電電流の供給を停止することによって主幹ブレーカのトリップを防止することができる。このとき、充電装置が充電を停止する際に電気車両に対して充電が不可であることを通知する必要がある。

ここで、米国自動車技術会(SAE)規格では、充電装置から電気自動車に対して１キロヘルツのパルス幅変調信号(コントロールパイロット信号と呼ばれる。)を伝送することで充電電流の上限値を通知し、オンデューティ比が97〜100％のときを充電不可と規定している。故に、パルス幅変調信号のオンデューティ比が100％に設定されることで充電装置から電気自動車へ充電不可の通知が可能である。しかしながら、充電装置が電気自動車の充電を再開する際、オンデューティ比を100％から97％未満の値に変更したときに電気自動車の側で異常が生じたと誤判断してしまう虞があった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、充電を中断した後に正常に充電を再開可能にすることを目的とする。

本発明の電気車両用充電装置は、電力監視装置から充電電流の上限値が指示され、充電ケーブルを介して電気車両に接続され、前記充電ケーブルに含まれる伝送線を介して伝送信号を伝送することにより、前記電気車両に対して少なくとも前記充電電流の上限値を通知する電気車両用充電装置において、前記伝送線の線間電圧をパルス幅変調した伝送信号を伝送する伝送手段と、前記上限値を含む種々の情報を前記伝送信号によって前記伝送手段に伝送させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記電力監視装置から指示される前記上限値が所定のしきい値未満の場合は充電不可と判断し、前記電力監視装置から指示される前記上限値が前記しきい値以上の場合は充電可能と判断し、前記充電不可と判断して前記電気車両への充電を中断した後、前記充電可能と判断して充電を再開する場合、前記線間電圧を所定の待機時間の間、所定電圧以下にした後に前記伝送手段に前記伝送信号を伝送させることを特徴とする。

この電気車両用充電装置において、前記制御手段は、充電不可の状態から充電可能な状態に遷移したときに前記線間電圧を前記所定電圧以下にした後に前記伝送手段に前記伝送信号を伝送させることが好ましい。

本発明の電気車両用充電システムは、前記電気車両用充電装置と、前記制御手段に対して前記上限値を指示する電力監視装置とを有することを特徴とする。

本発明の電気車両用充電装置及び電気車両用充電システムは、充電を中断した後に正常に充電が再開可能になるという効果がある。

本発明に係る電気車両用充電装置の実施形態のブロック図並びに本発明に係る電気車両用充電システムの実施形態のシステム構成図である。同上の動作説明用のタイムチャートである。同上の基本的な動作説明用のタイムチャートである。

以下、戸建の住宅に設置され、電力系統から供給される電力を利用して電気自動車に充電するための電気車両用充電装置(以下、充電装置と略す。)及びそのシステムに本発明の技術思想を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、電気車両は電気自動車に限定されず、例えば、従来技術で説明したようなバッテリ式フォークリフトなどであっても構わない。

図１に示すように、住宅には電力系統100から単相３線式の交流電力が住宅用分電盤(住宅盤)４を介して供給される。住宅盤４は１次側が電力系統100と接続される主幹ブレーカ40と、主幹ブレーカ40の２次側に分岐接続される複数の分岐ブレーカ41とを有している。ただし、主幹ブレーカ40の１次側にリミッタ(電流制限器)が挿入される場合もある。なお、図示は省略するが、各分岐ブレーカ41の２次側に屋内配線を介してコンセントや負荷(照明器具や電磁調理器、エアコンディショナなど)が接続される。

本実施形態の電気車両用充電システムは、図１に示すように充電装置１と電力監視装置２を有している。

電力監視装置２は、制御部20、電流計測部21、通信部22などを備える。電流計測部21は、主幹ブレーカ40の１次側に接続される３本の電灯線のうちの中性線以外の２本の電灯線に流れる電流をそれぞれ電流センサ210，211を用いて計測し、それぞれの計測値を制御部20に出力する。制御部20はマイクロコンピュータを主構成要素とし、電流計測部21で計測される電流値と主幹ブレーカ40の１次側電圧(入力電圧)の計測値(電圧値)とに基づいて、電力系統100から供給される電力(供給電力)の瞬時値や積算値などを演算している。また通信部22は充電装置１との間で通信を行うものであって、例えば、RS485規格に準拠したシリアル通信を行う。ただし、通信部22の通信方式はRS485規格に限定されるものではなく、電力線搬送通信や無線通信(例えば、小電力無線通信等)などであっても構わない。

充電装置１は、信号処理部10、零相変流器11、漏電検出部12、開閉部13、通信制御部14、充電ケーブル15、充電コネクタ16などを備える。また充電装置１は、電気自動車200の駐車スペース(車庫)に近い場所に設置され、住宅盤４の分岐ブレーカ41で分岐された分岐回路の一つ(図１では下段右端の分岐ブレーカ41)に接続される。充電ケーブル15は、電気自動車200への供給電流(充電電流)が流れる給電線150と、後述するパイロット信号が伝送される伝送線151とが絶縁シースで被覆されてなり、先端部分に充電コネクタ16が設けられている。充電コネクタ16は、電気自動車200の車体に設けられている差込口(インレット)に挿抜自在に差込接続される。そして、充電コネクタ16が差込口に差込接続されると、電力系統100から住宅盤４及び充電装置１を介した電力(充電電力)の供給と、充電装置１の信号処理部10と電気自動車200の充電用ECU(電子制御ユニット)との間のパイロット信号の伝送とが可能になる。

開閉部13は、分岐ブレーカ41から給電線150までの給電路に挿入される電磁リレー(図示せず)を有し、信号処理部10からの指示に応じて電磁リレーをオン・オフすることで前記給電路を開閉する。漏電検出部12は、給電路に流れる不平衡電流を零相変流器11で検出し、当該不平衡電流の検出レベルがしきい値を超えた場合に漏電が生じていると判断し、開閉部13を制御して給電路を開成させる。通信制御部14は、電力監視装置２の通信部22との間で通信(RS485規格のシリアル通信)を行う機能(通信機能)と、後述するように電気自動車200に供給される充電電流を調整する機能(調整機能)とを有している。このような通信制御部14は、マイクロコンピュータ及びシリアル通信用の集積回路などで構成される。なお、電力監視装置２では、充電装置１を介して電気自動車200に供給される電流(充電電流)を電流センサ212で計測している。

ここで、図３のタイムチャートを参照して充電装置１の基本的な充電動作を説明する。まず、時刻t0に充電コネクタ16が電気自動車200の差込口に接続されると、信号処理部10から所定の電圧V1(例えば、V1=12ボルト)が伝送線151に印加される。そして、伝送線151に印加される電圧(線間電圧)がコントロールパイロット(CPLT)信号(以下、パイロット信号と略す。)の伝送媒体となり、その電圧レベル及びオンデューティ比に応じて、後述するように充電用ECUと信号処理部10との間で種々の情報が授受される。

充電用ECUは、電圧V1のパイロット信号を検知すると、伝送線151の線間に挿入されているスイッチを閉じて抵抗を接続することにより、パイロット信号の電圧レベルをV1からV2(例えば、V2=９ボルト)に降圧させる(時刻t1〜t2)。信号処理部10は、パイロット信号がV1からV2に低下したことを検出すると、所定周波数(例えば１キロヘルツ)のパルス状のパイロット信号を出力する(時刻t2〜)。当該パイロット信号の信号レベルは±V1であるが、上限レベルはV2に降圧されている。パイロット信号のオンデューティ比は、充電電流の上限値(充電装置１の電流容量)を示し、充電装置１毎に予め設定されている。例えば、SAE規格では、オンデューティ比が10％〜85％の範囲ではオンデューティ比に0.6を乗じた数値を上限値とし、オンデューティ比が85％〜96％の範囲ではオンデューティ比に2.5を乗じた数値を上限値とする。また、オンデューティ比が96％〜97％の範囲では80アンペアを上限値とする。すなわち、パイロット信号は上限値の情報(値)をパルス幅変調信号として伝送線151の線間電圧に重畳して伝送している。

充電用ECUは、パイロット信号のオンデューティ比を検知して電流容量を認識すると、パイロット信号の電圧レベルをV2からV3(例えば、６ボルト)に降圧する(時刻t3)。信号処理部10は、パイロット信号の信号レベルがV2からV3に低下したことを検知すると、開閉部13を閉成して充電電力の供給を開始する。

充電用ECUは電流容量に基づいて蓄電池の充電レベルを目標レベルまで充電するための電流値(≦電流容量)を設定し、電気自動車200に搭載されている充電器(図示せず)に充電指令を出力する。充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する(時刻t3〜)。充電用ECUは、蓄電池の充電レベルが目標レベルに達すると、充電器に充電終了指令を出力して蓄電池への充電を終了し、パイロット信号の電圧レベルをV3からV2に復帰させる(時刻t4)。充電器は、充電終了指令を受信すると蓄電池の充電を終了する。

信号処理部10は、パイロット信号がV3からV2に変化したことを検出すると、開閉部13を開成して交流電力の供給を停止する。充電用ECUは、伝送線151の線間に挿入されているスイッチを開いて抵抗を切り離すことにより、パイロット信号の電圧レベルを当初のV1に復帰させる(時刻t5)。信号処理部10は、パイロット信号の電圧レベルがV1に復帰すると、所定周波数の発振を停止してパイロット信号の電圧レベルをV1に維持して待機状態に戻る(時刻t6)。

上述のように充電装置１は、電気自動車200への充電電力の供給を入切するとともに電気自動車200の充電用ECUに対して充電電流の上限値を指示することで電気自動車200に搭載されている蓄電池の充電を制御している。

ところで、電気自動車200の充電には、通常、十数アンペア〜数十アンペア程度の大きな充電電流が必要とされる。一方、通常の住宅では、主幹ブレーカ40(リミッタが設置されている場合はリミッタと主幹ブレーカ40)の定格電流が30アンペア〜60アンペア程度に設定されている。したがって、電磁調理器やエアコンディショナのように消費電流の大きい負荷機器が使用されているときに電気自動車200を充電する場合、充電装置１に予め設定されている上限値まで充電電流が流れると、主幹ブレーカ40やリミッタがトリップしてしまう虞がある。

そこで電力監視装置２の制御部20は、充電電流の上限値を、現在の充電電流の電流値から全消費電流と定格電流の差を差し引いた電流値とする指令(調整指令)を通信部22から定期的に(例えば、１秒間隔で)送信させる。なお、全消費電流は、充電電流と負荷機器の消費電流(負荷消費電流)の総和である。

充電装置１においては、電力監視装置２から送信される調整指令を受信した通信制御部14が、信号処理部10に対して充電電流の上限値を調整指令で指示された上限値以下とするように指示する。そして、信号処理部10は通信制御部14からの指示を受けると、パイロット信号のオンデューティ比を減少させる。例えば、充電ケーブル15の電流容量が20アンペアである場合、当初50％であったオンデューティ比が40％〜20％に減少され、結果的に充電電流の上限値が当初の20アンペアよりも低い値(例えば、10アンペア)に調整されることになる。ただし、前回の上限値と今回の上限値が同じであれば、オンデューティ比は変更されない。

電気自動車200の充電用ECUは、調整後の上限値に基づいて再度充電電流の電流値を設定して充電器に充電指令を出力する。充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した新たな電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する。その結果、電気自動車200に供給される充電電流が減少するので、全消費電流が主幹ブレーカ40の定格電流を超えてしまうことが回避できる。

しかしながら、充電装置１が充電電流を減らすように電気自動車200に指示してから、実際に電気自動車200側で充電電流を減少させるまでに相当の遅延時間が生じる。例えば、通信制御部14が調整指令を受信してからパイロット信号のオンデューティ比を変更するまでに時間T2を要し、電気自動車200がパイロット信号に応じて充電電流を減少させるまでに時間T3を要するとすれば、時間T1(=T2+T3)の遅延が生じる。その結果、主幹ブレーカ40には少なくとも遅延時間T1だけ継続して過負荷電流が流れるので、遅延時間T1が引き外し動作時間を越えると主幹ブレーカ40がトリップしてしまう虞がある。しかも、電気自動車200の車種によってパイロット信号のオンデューティ比を変更するまでに要する時間T2が異なっている場合が多い。

そこで、主幹ブレーカ40のトリップを防ぐためには、充電ECUに一旦充電を中断させ、充電を再開させる際に充電電流の上限値を中断以前よりも低い値に調整させることが好ましい。ここで、従来技術で説明したように、充電装置１が充電を停止する際に電気自動車200に対して充電停止を通知する必要がある。従来技術で説明したように、充電装置１から充電停止を通知する方法として、パイロット信号のオンデューティ比を100％にする方法がある。ところが、パイロット信号の状態遷移における遷移時間等が規定されている場合、充電中にパイロット信号のオンデューティ比が100％にされた後に再度100％未満の値(例えば、80％)に設定されると、電気自動車200の車種によっては予期せぬ異常が発生する可能性がある。

そこで本実施形態では、電気自動車200の充電を中断した後に再開する場合、通信制御部14が、信号処理部10を制御して伝送線151の線間電圧を所定電圧以下にした後に、オンデューティ比が100％未満の値(例えば、80％)に設定されたパイロット信号を伝送させる。充電用ECUは、パイロット信号のオンデューティ比が100％になると直ちに充電器に充電を中止させる。さらに充電用ECUは、伝送線151の線間電圧が所定電圧以下になると充電コネクタ16が差込口から外されたと判断する。なお、所定電圧は、充電用ECUが充電コネクタ16が差込口から外されたと判断するためのしきい値であり、例えば、数ボルト乃至ゼロボルトに設定される。ただし、以下の説明では所定電圧がゼロボルトに設定されているものとする。

通信制御部14は、パイロット信号のオンデューティ比を100％にしてから所定の待機時間が経過したら、信号処理部10にオンデューティ比が100％未満の値(例えば、80％)に設定されたパイロット信号の伝送(発振)を開始させる。充電用ECUは、前記パイロット信号を受信すると充電コネクタ16が差込口に差込接続されたと判断する。さらに充電用ECUは、既に説明した通常のフローに従い、パイロット信号のオンデューティ比から検知した上限値に基づいて充電電流の電流値を設定して充電器に充電指令を出力する。充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した新たな電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する。

ここで、図２のタイムチャートを参照して、上述した充電装置１の充電動作をさらに詳しく説明する。なお、以下の説明では、充電電流の上限値に対するしきい値が６アンペアに規定されており、充電電流がしきい値未満に制限されているときは電気自動車200への充電が許可されないものと仮定する。

まず、充電コネクタ16が電気自動車200の差込口に差込接続され、信号処理部10から電圧V1が伝送線151に印加された後、時刻t1に充電用ECUがパイロット信号の電圧レベルをV1からV2に降圧する。このとき、電力監視装置２の制御部20から指示される調整値が０〜６アンペアの範囲内である場合、充電装置１の通信制御部14は、電気自動車200への充電が電力監視装置２から許可されていない(不許可)と判断してパイロット信号の発振を行わない。充電用ECUは、パイロット信号の発振が開始されずにオンデューティ比が100％に維持されている場合、充電器に充電指令を出力しない。

そして、負荷機器の使用が中止されるなどして消費電流が減少すると、電力監視装置２の制御部20から指示される調整値が６アンペア以上に変更される。充電装置１の通信制御部14は、電気自動車200への充電が電力監視装置２から許可されたと判断し、信号処理部10に対して伝送線151への電圧印加を停止させて線間電圧をゼロボルトにする(時刻t2)。通信制御部14は、時刻t3から所定の待機時間が経過すれば、信号処理部10に対して伝送線151への電圧印加を再開させる(時刻t3)。充電用ECUは、伝送線151に電圧が印加されると、線間電圧をV2とする。信号処理部10は、線間電圧がV2になったことを検出すると、パイロット信号の発振を開始する(時刻t4〜)。

充電用ECUは、パイロット信号のオンデューティ比を検知して電流容量を認識すると、パイロット信号の電圧レベルをV2からV3に降圧する。信号処理部10は、パイロット信号の信号レベルがV2からV3に低下したことを検知すると、開閉部13を閉成して充電電力の供給を開始する。さらに充電用ECUは電流容量に基づいて蓄電池の充電レベルを目標レベルまで充電するための電流値を設定し、充電器に充電指令を出力する。

また、全消費電流が増えるなどして電力監視装置２の制御部20から指示される調整値が６アンペア以下に変更されたと仮定する。充電装置１の通信制御部14は、電気自動車200への充電が不許可になったと判断し、信号処理部10に対してパイロット信号の発振を停止させてオンデューティ比を100％に維持する(時刻t5〜)。充電用ECUは、パイロット信号の発振が中止されてオンデューティ比が100％に維持されると、充電器への充電指令の出力を停止する。

さらに、電力監視装置２の制御部20から指示される調整値が再び６アンペア以上に変更されると、充電装置１の通信制御部14は、信号処理部10に対して伝送線151への電圧印加を停止させて線間電圧をゼロボルトにする(時刻t6)。通信制御部14は、時刻t6から待機時間が経過すれば、信号処理部10に対して伝送線151への電圧印加を再開させる(時刻t7)。充電用ECUは、伝送線151に電圧が印加されると、線間電圧をV2とする。信号処理部10は、線間電圧がV2になったことを検出すると、パイロット信号の発振を開始する(時刻t8〜)。

上述のように本実施形態の充電装置１では、制御手段(通信制御部14)が、電気自動車200への充電を中断した後に再開する場合、伝送線151の線間電圧をゼロボルトにした後に伝送手段(信号処理部10)に伝送信号を伝送させる。つまり、伝送線151の線間電圧をゼロボルトにすることにより、電気自動車200の充電用ECUに充電コネクタ16が差込口から外されたと認識させることができる。そのため、信号処理部10が伝送線151に線間電圧を印加してパイロット信号の発振を再開させれば、充電用ECUは、再び充電コネクタ16が差込口に差込接続されたと判断し、通常のフローで充電を開始することができる。その結果、充電を中断した後に正常に充電が再開可能になるものである。

１電気車両用充電装置
10 信号処理部(伝送手段)
14 通信制御部(制御手段)
15 充電ケーブル
151 伝送線
200 電気自動車(電気車両)

Claims

電力監視装置から充電電流の上限値が指示され、充電ケーブルを介して電気車両に接続され、前記充電ケーブルに含まれる伝送線を介して伝送信号を伝送することにより、前記電気車両に対して少なくとも前記充電電流の上限値を通知する電気車両用充電装置において、
前記伝送線の線間電圧をパルス幅変調した伝送信号を伝送する伝送手段と、前記上限値を含む種々の情報を前記伝送信号によって前記伝送手段に伝送させる制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記電力監視装置から指示される前記上限値が所定のしきい値未満の場合は充電不可と判断し、前記電力監視装置から指示される前記上限値が前記しきい値以上の場合は充電可能と判断し、前記充電不可と判断して前記電気車両への充電を中断した後、前記充電可能と判断して充電を再開する場合、前記線間電圧を所定の待機時間の間、所定電圧以下にした後に前記伝送手段に前記伝送信号を伝送させることを特徴とする電気車両用充電装置。
前記制御手段は、充電不可の状態から充電可能な状態に遷移したときに前記線間電圧を前記所定電圧以下にした後に前記伝送手段に前記伝送信号を伝送させること特徴とする請求項１記載の電気車両用充電装置。
請求項２の電気車両用充電装置と、前記制御手段に対して前記上限値を指示する電力監視装置とを有することを特徴とする電気車両用充電システム。