JP6038080B2 - 電気自動車用充放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車用充放電装置に関する。

従来、電気自動車用充放電装置について、交流電力を直流電力に変換するモードと直流電力を交流電力に変換するモードを持つ双方向の回路を備える技術が、下記特許文献１において開示されている。

電気自動車用充放電装置は、極力短時間で電気自動車の蓄電池の充電を完了させるため、出力の大きなものが必要となる。例えば、電気自動車の蓄電池の容量が２４ｋＷｈの場合、電気自動車用充放電装置の充電出力が３ｋＷでは空の状態から満充電まで８時間かかるが、充電出力が６ｋＷでは４時間、充電出力が１２ｋＷでは２時間で充電が完了する。

一方、電気自動車の蓄電池に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して使用する放電動作の場合、エアコン、テレビ、照明、冷蔵庫などを使った場合でも３ｋＷ以下の電力で済む。電気自動車用充放電装置は、１つの回路で充電、放電を兼ねているので、例えば、充電出力を１２ｋＷで設計した場合、自動的に放電時の出力容量も１２ｋＷとなる。電気自動車用充放電装置は、放電動作では、住宅内の負荷に合わせて出力を絞って動作する。

特開２０１４−２７８２６号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、回路の効率は最大出力時が最も大きく、出力を絞ると効率が低下する。これは、最大出力に合わせて高効率となるように、回路を構成するトランス、スイッチング素子、リレー等の部品を選定した設計のため、出力を絞った場合、回路に流れる電流は減るので回路の抵抗分に起因する損失は減るものの、リレーの駆動電力、トランスの鉄損など電流に依存しない損失の割合が多くなる。そのため、放電動作では充電動作に対して電力変換の効率が低下する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、充電動作および放電動作の各動作において高効率で電力変換可能な電気自動車用充放電装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電力を直流電力に変換して電気自動車の蓄電池に充電を行う充電回路と、前記蓄電池に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して放電を行う放電回路と、を備え、前記充電回路の出力容量を前記放電回路の出力容量よりも大きくする。

本発明によれば、充電動作および放電動作の各動作において高効率で電力変換できる、という効果を奏する。

図１は、一般的な電力変換器の効率カーブを示す図である。 図２は、実施の形態１の電気自動車用充放電装置の構成例を示す図である。 図３は、実施の形態２の電気自動車用充放電装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる電気自動車用充放電装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、一般的な電力変換器の特性について簡単に説明する。図１は、一般的な電力変換器の効率カーブを示す図である。横軸は最大出力に対する出力［％］を示し、縦軸は効率［％］を示す。効率は最大出力時が最も大きく、出力を絞ると効率が低下する。例えば、最大出力１２ｋＷの場合、出力１２ｋＷでは出力１００％より効率９０％のため、１２／０．９−１２の計算式より、約１．３ｋＷの損失が生じる。ここで、最大出力１２ｋＷの２５％である３ｋＷまで出力を絞ると効率は７０％まで低下するので、３／０．７−３の計算式より、損失は約１．３ｋＷとなる。このように、電力変換器では、出力を絞ると、出力に対する損失の比率が大きくなるため、効率が低下することになる。そのため、電力変換器は、出力の大きい状態で動作することが望ましい。

つづいて、本実施の形態の電気自動車用充放電装置について説明する。図２は、本実施の形態の電気自動車用充放電装置２の構成例を示す図である。電気自動車用充放電装置２は、電力の授受を行うパワー用の電力線４および情報の授受を行う信号線５を介して電気自動車１と接続している。また、電気自動車用充放電装置２は、住宅３と接続している。電気自動車用充放電装置２は、住宅３を介して商用電力系統６から交流電力の供給を受けることができる。

電気自動車１は、動力源となる蓄電池であるリチウム電池１ａと、電気自動車用充放電装置２と電気自動車１との間で、各種情報の通信を行う情報通信装置１ｂと、を備える。

住宅３は、電気自動車用充放電装置２の操作パネル２ｄと、住宅３と商用電力系統６とを切り離すリレー２ｅと、住宅内各種家電機器３ａ〜３ｄと、を備える。

電気自動車用充放電装置２は、充電回路２ａと、放電回路２ｂと、制御回路２ｃと、制御電源生成回路２ｆと、を備える。

充電回路２ａは、商用電力系統６の交流電力を直流電力に変換して、電気自動車１のリチウム電池１ａを充電する。

放電回路２ｂは、電気自動車１のリチウム電池１ａの直流電力を交流電力に変換して、住宅３内の住宅内各種家電機器３ａ〜３ｄに交流電力を供給することで放電を行う。

制御回路２ｃは、電気自動車用充放電装置２の動作を制御する。制御回路２ｃは、リレー２ｅの商用電力系統６側の電圧を検出する。検出電圧が商用電力系統６の正常な交流電圧および周波数の範囲、例えば、交流電圧２００Ｖ±２０Ｖ、周波数５０Ｈｚ±２．５Ｈｚの場合、制御回路２ｃは、リレー２ｅをオンにして住宅３と商用電力系統６とを接続し、住宅３内の冷蔵庫、エアコン、テレビ等の住宅内各種家電機器３ａ〜３ｄを商用電力系統６の電力で動作させる。また、制御回路２ｃは、電気自動車１から信号線５を介してリチウム電池１ａの残容量の情報を受信する。リチウム電池１ａが満充電でない場合、制御回路２ｃは、充電回路２ａ内のリレーである接続切換手段をオンさせるとともに、スイッチング素子、トランスで構成された充電回路２ａのスイッチング素子を動作させて、商用電力系統６からの交流電力を直流電力に変換させ、電気自動車１のリチウム電池１ａを充電する。

制御電源生成回路２ｆは、商用電力系統６または電気自動車１のリチウム電池１ａの電力から制御電源を生成する。電気自動車用充放電装置２は、制御電源生成回路２ｆからの電力により動作する。

停電となって商用電力系統６からの給電が停止した場合、電気自動車用充放電装置２では、制御回路２ｃは、操作パネル２ｄに停電になったことを表示する。また、制御回路２ｃは、信号線５を介して得た情報から、電気自動車１が接続され、かつ、リチウム電池１ａに住宅３内に電力を供給できるだけの残容量がある場合、操作パネル２ｄに、使用者に対してリチウム電池１ａから住宅３内に電力を供給するか否かの指示を促す表示をする。

停電時に使用者が在宅しており、使用者によって住宅３内への電力供給指示が操作パネル２ｄで行われた場合、制御回路２ｃは、リレー２ｅを開放して住宅３を商用電力系統６から切り離す。制御回路２ｃは、充電回路２ａを停止し、充電回路２ａ内の接続切換手段も開放する。制御回路２ｃは、放電回路２ｂ内のリレーである接続切換手段をオンにするとともに、スイッチング素子、トランスで構成された放電回路２ｂのスイッチング素子を動作させて、電気自動車１のリチウム電池１ａに蓄えられた直流電力を交流電力に変換し、住宅内各種家電機器３ａ〜３ｄを動作させる。

ここで、本実施の形態では、電気自動車用充放電装置２において、充電回路２ａについては最大出力１２ｋＷとして接続切換手段、スイッチング素子、トランスを選定する。一方、放電回路２ｂについては最大出力３ｋＷとして接続切換手段、スイッチング素子、トランスを選定する。すなわち、電気自動車用充放電装置２では、充電回路２ａの最大出力である出力容量を、放電回路２ｂの最大出力である出力容量よりも大きくする。

図１に示す電力変換器のケースにおいて、従来では、例えば、最大出力１２ｋＷでは効率９０％であるため、約１．３ｋＷの損失が生じる。３ｋＷまで出力を絞ると効率は７０％まで低下するので、損失は約１．３ｋＷとなる。

本実施の形態では、放電回路２ｂについて、最大出力３ｋＷで効率が最大となる接続切換手段、スイッチング素子、トランスの部品を選定する。トランスの鉄損は、トランスの大きさに応じて大きくなるので、３ｋＷ対応に合わせてトランスを小さくできるので鉄損を低減できる。また、接続切換手段も３ｋＷ対応にすることで、１２ｋＷ対応の大電流用よりもオン状態を保つ駆動電力を低減できる。放電回路２ｂについて、３ｋＷ出力時に合わせて部品選定することで、３ｋＷ出力時の効率を９０％にできる。これにより、電気自動車用充放電装置２では、３／０．９−３の計算式より、放電回路２ｂの損失を約０．３ｋＷに抑えることができるため、電気自動車１のリチウム電池１ａの電力を効率良く住宅３内に供給することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電気自動車用充放電装置２では、電気自動車１のリチウム電池１ａとの間で電力を充放電する構成として、充電用の充電回路２ａ、放電用の放電回路２ｂを別々に設け、充電回路２ａの最大出力である出力容量を放電回路２ｂの最大出力である出力容量よりも大きくすることとした。これにより、電気自動車用充放電装置２では、充電動作および放電動作において、それぞれの動作について高効率で電力変換でき、損失を低減して電力を有効利用することができる。

なお、充電回路２ａの最大出力を１２ｋＷ、放電回路２ｂの最大出力を３ｋＷとして説明したが、一例であり、最大出力の大きさはこれに限定するものではない。電気自動車用充放電装置２では、実際の使用状況に応じて、充電回路２ａの最大出力、放電回路２ｂの最大出力を適宜設定することが可能である。

実施の形態２．
図３は、本実施の形態の電気自動車用充放電装置２Ａの構成例を示す図である。電気自動車用充放電装置２Ａは、最大出力１２ｋＷの充電回路として、最大出力１２ｋＷよりも容量が小さい複数の小容量の充電回路であって、最大出力３ｋＷ毎に４分割した充電回路２ａ１〜２ａ４を備え、最大出力３ｋＷの放電回路として、最大出力３ｋＷよりも容量が小さい複数の小容量の放電回路であって、最大出力１．５ｋＷ毎に２分割した放電回路２ｂ１，２ｂ２を備える。また、住宅３では、屋根に発電量が８ｋＷの太陽電池７が設置され、太陽電池７からの直流電力を交流電力に変換して住宅３内に供給するパワーコンディショナ８が設けられている。その他の構成は図２に示す実施の形態１と同様のため説明を省略する。

電気自動車１のリチウム電池１ａへの充電を行う場合、制御回路２ｃは、パワーコンディショナ８から太陽電池７の発電情報を取得する。天気が良く発電量が多い場合、制御回路２ｃは、全ての充電回路２ａ１〜２ａ４を動作させて、太陽電池７による太陽光発電の電力と商用電力系統６の電力とを合わせて１２ｋＷで電気自動車１のリチウム電池１ａへの充電を行う。雨、夜間等で発電量が無い場合、制御回路２ｃは、充電回路２ａ１のみを動作させて、電力会社との契約電力を越えないように３ｋＷで電気自動車１のリチウム電池１ａへの充電を行う。制御回路２ｃは、太陽電池７による太陽光発電量に応じて、さらに充電回路２ａ２〜２ａ４を動作させて充電を行う。制御回路２ｃは、充電可能な電力量に基づいて、動作させる充電回路の数を決定する。

一方、停電時において、電気自動車１のリチウム電池１ａの電力を用いて放電を行う場合、制御回路２ｃは、放電回路２ｂ１，２ｂ２を動作させて、同時に動作を開始して、規定された交流電圧を出力する。例えば、放電回路２ｂ１，２ｂ２の各々の出力電力が０．７ｋＷ以下の場合、制御回路２ｃは、放電回路２ｂ２の動作を停止して、放電回路２ｂ１のみで１．４ｋＷの出力を行う。出力電力が１．４ｋＷを越えた場合、制御回路２ｃは、放電回路２ｂ２を動作させて２つの放電回路を駆動する。このように、制御回路２ｃは、負荷電力に応じて、すなわち使用電力量に基づいて、動作させる放電回路の数を決定し、１つまたは２つの放電回路の駆動を行う。

本実施の形態では、電気自動車用充放電装置２Ａにおいて、充電回路を小ブロックに分けて、それぞれの小ブロックにおいて最大定格時に効率が最大となる接続切換手段、スイッチング素子、トランスを選定する。同様に、電気自動車用充放電装置２Ａにおいて、放電回路を小ブロックに分けて、それぞれの小ブロックにおいて最大定格時に効率が最大となる接続切換手段、スイッチング素子、トランスを選定する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電気自動車用充放電装置２Ａでは、複数の充電回路および複数の放電回路を備え、充電時の出力、放電時の出力に応じて、１台のみまたは複数台を同時駆動とすることとした。これにより、充電時の電力を太陽光発電と商用電力系統６から得ており、天候が悪く、太陽光発電からの電力が少ない等、日射量の変化で充電電力が大きく変わる場合、また、住宅３内の負荷変動で放電出力が変わる場合において、状況に応じて電力損失の少ない運転が可能となる。

なお、本実施の形態では、充電回路および放電回路をそれぞれ小ブロックに分けて複数台備える構成としたが、これに限定するものではない。電気自動車用充放電装置では、例えば、充電回路として充電回路２ａ、放電回路として放電回路２ｂ１〜２ｂ２を備えてもよく、充電回路として充電回路２ａ１〜２ａ４、放電回路として放電回路２ｂを備えてもよく、一方の回路を１台で構成し、他方の回路を複数台で構成してもよい。

以上のように、本発明にかかる電気自動車用充放電装置は、電気自動車の蓄電池の充放電に有用であり、特に、電力の有効利用に適している。

１ 電気自動車、１ａ リチウム電池、１ｂ 情報通信装置、２，２Ａ 電気自動車用充放電装置、２ａ 充電回路、２ｂ 放電回路、２ｃ 制御回路、２ｄ 操作パネル、２ｅ リレー、２ｆ 制御電源生成回路、３ 住宅、３ａ〜３ｄ 住宅内各種家電機器、４ 電力線、５ 信号線、６ 商用電力系統、７ 太陽電池、８ パワーコンディショナ。

Claims (6)

1. 交流電力を直流電力に変換して電気自動車の蓄電池に充電を行う充電回路と、
   前記蓄電池に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して放電を行う放電回路と、
   を備え、
   前記充電回路の出力容量を前記放電回路の出力容量よりも大きくする、
   電気自動車用充放電装置。
2. 前記充電回路および前記放電回路は、前記蓄電池と接続する接続切換手段を備える、
   請求項１に記載の電気自動車用充放電装置。
3. 前記充電回路の充電動作を制御する制御回路、を備え、
   前記充電回路を、前記充電回路の出力容量よりも容量が小さい複数の小容量の充電回路で構成する場合、
   前記制御回路は、充電可能な電力量に基づいて、動作させる前記小容量の充電回路の数を決定する、
   請求項１に記載の電気自動車用充放電装置。
4. 前記小容量の充電回路は、前記蓄電池と接続する接続切換手段を備える、
   請求項３に記載の電気自動車用充放電装置。
5. 前記放電回路の放電動作を制御する制御回路、を備え、
   前記放電回路を、前記放電回路の出力容量よりも容量が小さい複数の小容量の放電回路で構成する場合、
   前記制御回路は、使用電力量に基づいて、動作させる前記小容量の放電回路の数を決定する、
   請求項１，３または４に記載の電気自動車用充放電装置。
6. 前記小容量の放電回路は、前記蓄電池と接続する接続切換手段を備える、
   請求項５に記載の電気自動車用充放電装置。

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