JP6114930B2 - 充電システム - Google Patents

Description

本発明は、車両の充電システムに関するものである。

従来から、主に一般家庭の分電盤に接続された電気機器において、電気の使い過ぎが生じたとき、リミッタやアンペアブレーカによって契約容量以上の電流が流れることを制限している。このとき比較的生活に影響の少ない機器を一時的に停止し、契約容量内で電力を有効に使用できるデマンドコントロール機能を有する分電盤に関する技術も開示されている（例えば、特許文献１）。

分電盤から充電車両へ電力供給を行う場合、比較的大きな電流が流れるため、車両の充電時には、他の一般負荷（車両以外の負荷）の使用が制限される可能性が高くなるが、車両の充電は長時間に及ぶものであるため、他の一般負荷（車両以外の負荷）における長時間の使用制限は不都合であるという問題があった。

なお、契約容量を引き上げることにより、上記の使用制限を回避することは可能であるが、契約容量の引き上げは、電気料金の上昇につながり、また、設備能力の引き上げに伴う設備費用も必要となるため、好ましくない。

特開平１１−３４６４３７号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、分電盤から充電車両へ電力供給を行うに際し、契約容量の引き上げという手段によらず、他の一般負荷の使用制限を極力回避する技術を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の充電システムは、開閉器で電気的に切り離し可能な複数の母線を備え、一方の母線から分岐された分岐回路に、分散電源装置と車両用充電装置が接続され、他方の母線には系統電源と一般負荷が接続されており、該車両用充電装置への車両接続を受けて、該開閉器に対し開閉制御信号を送信する開閉制御手段を有し、車両接続を受けて、または車両接続を受けて一般負荷に使用制限が生じる条件下で、この開閉制御信号により該開閉器を開にすることにより、一方の母線を系統電源が接続されている他方の母線から切り離し、分散電源装置から車両用充電装置に電力を供給可能としたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の充電システムにおいて、前記開閉制御手段を有する制御ユニットを有し、該制御ユニットは、更に、車両用充電装置からの車両接続情報を検出する接続検出手段と、各分岐回路の使用電力を計測する電力計測手段と、分散電源装置の発電量を計測する発電計測手段と、開閉器の開閉判定を行う判定手段を有することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の充電システムにおいて、該制御ユニットは、更に、接続された車両の充電電力を計測する車両電力充電計測手段を有することを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の充電システムにおいて、該制御ユニットは、さらに系統電源の停電を検出する停電検出手段を備え、判定手段は、発電量と停電前の負荷の使用電力とを比較し開閉器の開閉要否判定を行うことを特徴とするものである。

開閉器で電気的に切り離し可能な複数の母線を備え、一方の母線から分岐された分岐回路に、分散電源装置と車両用充電装置が接続され、該車両用充電装置への車両接続を受けて、該開閉器に対し開閉制御信号を送信する開閉制御手段を有する本発明の充電システムによれば、必要に応じて車両の充電用回路と他の一般負荷の電力供給回路と切り離し、車両の充電を分散電源で行うことができるため、車両の充電時における他の一般負荷の使用制限を極力回避することができる。

実施形態１のブロック図である。 制御部の説明図である。 実施形態２のブロック図である。 制御ユニットの説明図である。 実施形態２の判定手段で判定を行う際のフローである。 実施形態２の別形態を示すブロック図である。 実施形態３のブロック図である。 実施形態３の判定手段で判定を行う際のフローである。 実施形態３の別形態を示すブロック図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。

（実施形態１）
図１において、１は事業所・集合住宅・一般家庭に設置される分電盤、２は主幹ブレーカ、３は母線、４は分岐ブレーカ、５は分岐線、６は開閉器を示している。母線３は主幹ブレーカ側に位置する母線３１と、その反対側には母線３２が配置されている。

開閉器６は、一方の母線３２と他方の母線３１とを接続し、母線３を途中で電気的に切り離し可能とするものである。すなわち各分岐回路は、この開閉器６を境に、開閉器６より他方（主幹ブレーカ側）の母線３１から分岐された回路からなる第一分岐群７と、一方の母線３２から分岐された回路からなる第二分岐群８とに区分される。

第一分岐群７には、家庭等で使用する一般負荷（ＴＶ・エアコン・冷蔵庫など）を接続し、第二分岐群８には、少なくとも車両９の充電に使用する車両用充電装置１０、および、分散電源装置１５（太陽光発電・燃料電池）と蓄電池２８を接続している。なお第二分岐群８に非常時に使用する非常用負荷（電灯など）を接続してもよい。

車両用充電装置１０は、図２に示す制御部１１を備え、制御部１１内に、車両９の接続を検出する接続検出手段１２と、開閉器６に向けて開閉制御信号を送信する開閉制御手段１３を有している。

接続検出手段１２は、ＣＰＬＴ信号の変化あるいは車両電力計測手段で検出される充電電流値により、車両９の接続を検出することができる。なおＣＰＬＴ信号とは、車両用充電装置の定格電流の大きさに応じて設定されるデューティを有するパイロット信号であり、車両９と車両用充電装置１０との間で接続状態や車両用充電装置１０の定格電流を車両９に通知するものである。接続検出手段１２が車両９の接続を検出すると、開閉制御手段１３は、開閉器６に向けて開路信号を送信する。

開路信号を受けて開閉器６が開くと、母線３が開閉器６の一方と他方で電気的に切り離される。開閉器６はリレーが好ましいが自動投入装置を備えたブレーカでもよい。

第一分岐群７では、母線３１が系統電源１４に接続した状態が維持されているため、開閉器６の開路の影響を受けることなく、電力供給が継続される。

第二分岐群８では、母線３２と系統電源１４との電気的接続が解除されるが、前記のように、分散電源装置１５を備えているため、車両用充電装置１０には分散電源装置１５で発電した電力が供給される。

この状態において、常時、十分な充電電流を確保するため、第二分岐群８には、複数の分散電源装置１５を接続しておくことが好ましい。なお、分散電源装置１５から十分な充電電力を確保できない場合には、デューティ比の変調による車両９への充電電流が制限（充電制限）される。また、車両９の充電が完了した場合、あるいは中断された場合には、開閉制御手段１３から開閉器６に向けて閉路信号が送信され、一方と他方の双方の母線が、再度電気的に接続される。

本実施形態の充電システムによれば、車両が接続されていない場合には、開閉器は閉路されているため、第1分岐群の一般負荷は系統電源と分散電源装置の双方から電力の供給を受けることができる。一方、車両が接続された場合には開閉器は開路され専ら、分散電源装置１５で発電した電力を用いて車両９の充電を行うことができるため、車両９と他の一般負荷を同一の分電盤１に接続して使用する際、車両９の充電時における他の一般負荷の使用制限を回避することができる。

（実施形態２）
上記実施形態１では、車両用充電装置１０内の制御部１１に、開閉器６に向けて開閉制御信号を送信する開閉制御手段１３を有していたが、図３に示す本実施形態では、分電盤１内に制御ユニット１６を設け、図４に示すように、この制御ユニット１６内に、開閉器６に向けて開閉制御信号を送信する開閉制御手段２２を有している。また、第二分岐群８に複数の分散電源装置１５（図３では、燃料電池と太陽光発電装置）と蓄電池２８を接続している。なお第二分岐群８に非常時に使用する非常用負荷（電灯など）を接続してもよい。

ただし、制御ユニット１６の設置個所は、分電盤１内に限定されず、分電盤１外に別ユニットとして配置したり、車両用充電装置１０の内部に設けることもできる。更に、制御ユニットの一部の機能を分電盤内と分電盤外（例えば車両用充電装置１０）に分離して設けてもよい。

制御ユニット１６の内部には、図４に示すように、前記の開閉制御手段２２の他、接続検出手段１７と、発電計測手段１８と、電力計測手段１９と、車両電力計測手段２０と、判定手段２１を備えている。

接続検出手段１７では、車両用充電装置１０からの車両接続情報に基づいて車両９の接続を検出する。車両接続情報とは、車両用充電装置１０がＣＰＬＴ信号の変化あるいは車両電力計測手段で検出される充電電流値により、車両９の接続を検出し、車両が接続されたことを制御ユニット１６に伝達する信号である。

発電計測手段１８では、各分散電源装置１５における発電量を計測する。具体的には、各分散電源装置１５のインバータ変換後の電圧と電流値を検出し、分散電源装置が複数ある場合には各分散電源装置１５の発電量（電圧×電流値）を合算し総発電量を求める。

電力計測手段１９では、第一分岐群７に接続された負荷の使用電力（電圧×使用電流）を計測する。使用電流の計測は、他方の母線３１の両端部にＣＴ２５ａ、ＣＴ２５ｂをそれぞれ設けその差分を算出して行い、電圧はＣＴ２５を設けた線間より取得することができる。なお使用電流の計測は第一分岐群７の分岐回路の全てにそれぞれＣＴ２５を設け電流値を直接計測してもよい。また第二分岐群８の使用電力は個々の分岐回路に設けたＣＴ（図示せず）により計測することができる。

車両電力計測手段２０では、接続された車両９の充電電力（電圧×充電電流）を計測する。具体的には、車両用充電装置１０に計測装置（ＣＴ２６など）を設け、車両用充電装置１０が接続された分岐開路の電圧・充電電流を計測する。その他、車両用充電装置１０と制御ユニット１６を繋ぐ通信線を介して、充電電力の計測値を車両電力計測手段２０に出力してもよい。

判定手段２１では、図５に示すフローに従って、負荷の使用電力、分散電源装置１５の発電量、車両判定に基づいて開閉器６の開閉要否の判定を行う。

具体的には、まず、接続検出手段１７で車両９の接続が検出を行う（ＳＴ１）。続いて、電力計測手段１９で負荷の使用電力（電圧×使用電流）を計測し、第一分岐群７に接続された負荷の使用電力の総量が所定値（例えば定格の７０％）未満であれば閉路維持判定を行う（ＳＴ２・ＳＴ４）。この場合、各分散電源装置１５における発電量が多い時には、車両用充電装置への電力供給に加えて、一般負荷にも分散電源装置１５の電力を供給することで、電気料金の削減を図ることができる。また、各分散電源装置１５における発電量が少ない時には、分散電源装置１５で不足する充電電力を系統電源１４から補って車両用充電装置１０に電力を供給することができる。

一方、第一分岐群７に接続された負荷の使用電力の総量が所定値（例えば定格の７０％）以上の場合、発電計測手段１８から各分散電源装置１５における発電量情報を取得し、更に、分散電源装置１５の発電量を判定する（ＳＴ２・ＳＴ３）。

分散電源装置１５の発電量が車両９の充電電力に対して所定の割合（例えば１２０％）以上であれば閉路維持判定を行う（ＳＴ４）。この場合、分散電源装置１５で発電した電力を車両９への充電電力として使用し、さらに余剰電力を一般負荷に供給することができる。

分散電源装置１５の発電量が車両９の充電電力に対して所定の割合（例えば１２０％）未満であれば、車両判定を行う（ＳＴ５）。具体的には車両用充電装置１０に接続された車両９が充電電流の変更に対応する車両であれば、車両９の充電電流をＣＰＬＴ信号により抑制し開閉器６は閉路を維持する（ＳＴ４）。車両用充電装置１０に接続された車両が充電電流の変更に対応しない車両であれば、判定手段は開閉器６の開路判定を行う（ＳＴ６）。この場合、車両９の充電電力は分散電源装置１５や蓄電池２８からのみ供給される。

なお、車両９の充電が完了・中断された場合や、第一分岐群７の使用電力が所定値（例えば定格の７０％）未満となった場合、または、発電量が車両９の充電電力に対して所定の割合（例えば１２０％）以上となった場合には、開閉器６は閉路制御され分散電源装置１５での発電による電力が一般負荷に供給される。

本実施形態の充電システムによれば、第一分岐群７に接続された負荷の使用電力の総量および分散電源装置１５での発電量に基づいて、必要時に開閉制御を行うことができるため、車両９の充電時における他方の母線３１に接続された一般負荷の使用制限を極力回避することができるとともに、エネルギー効率を改善することができる。

なお、本実施形態の母線は図６に示すように、他方の母線３１と一方の母線３２とを並列に配置してもよい。この場合、開閉制御手段２２は一方の母線３２に接続した開閉器６ｂを開閉制御することにより、上記と同様の制御を行うことができる。

（実施形態３）
上記実施形態１、２では、母線３を途中で電気的に切り離し可能とする開閉器６を１台使用して、各分岐回路を、この開閉器６を境に、他方（主幹ブレーカ側）の母線３１から分岐された回路からなる第一分岐群７と、一方の母線３２から分岐された回路からなる第二分岐群８とに区分したものであったが、図７に示す本実施形態では、母線３を途中で電気的に切り離し可能とする開閉器（第一開閉器２３、第二開閉器２４）を２台使用して、各分岐回路を、第一分岐群７と、第二分岐群８と、第三分岐群２７に区分している。すなわち、他方の母線３１と一方の母線３２との間に中間の母線３３を配置し、第三分岐群２７は中間の母線３３から分岐されている。

第一分岐群７は、第一開閉器２３の他方の母線３１（主幹ブレーカ側）から分岐された回路からなり、第二分岐群８は、第二開閉器２４の一方の母線３２から分岐された回路からなり、第三分岐群２７は、第一開閉器２３と第二開閉器２４の間に位置する中間の母線３３から分岐された回路からなるものとする。

本実施形態において、第一分岐群７には、一般負荷を接続し、第二分岐群８には、車両９の充電に使用する車両用充電装置１０、および、分散電源装置１５（太陽光発電・燃料電池）と蓄電池２８を接続し、第三分岐群２７には、一時的な使用の制限を容認する一般負荷を接続している。すなわち、第三分岐群２７の負荷は、第一分岐群の負荷に比べて使用制限を受け易くなる。なお第二分岐群８に非常時に使用する非常用負荷（電灯など）を接続してもよい。

分電盤１内に制御ユニット１６を設けた点、および、制御ユニット１６内に開閉制御手段２２の他、接続検出手段１７と、発電計測手段１８と、電力計測手段１９と、車両電力計測手段２０と、判定手段２１を備える点は、上記実施形態２と同様である。

ただし、本実施形態の電力計測手段１９では、第一分岐群７に接続された負荷の使用電力（電圧×使用電流）を計測するほか、第三分岐群２７に接続された負荷の使用電力（電圧×使用電流）も計測する。すなわち、図７に示すように使用電流の計測は、他方の母線３１の端部にＣＴ２５ａ、中間の母線３３の端部にＣＴ２５ｂを設け、その差分を算出から第一分岐群７の使用電流を測定する。またＣＴ２５ｂと一方の母線３２の端部に設けたＣＴ２５ｃとの差分から第三分岐群２７の使用電流を測定する。なお使用電流の計測は第一分岐群７の分岐回路及び第三分岐群２７の全ての分岐回路にそれぞれＣＴを設け電流値を直接計測してもよい。また第二分岐群８の使用電力は個々の分岐回路に設けたＣＴ（図示せず）により計測することができる。

本実施形態の判定手段２１では、図８に示すフローに従って、負荷の使用電力、分散電源装置１５の発電量に基づいて開閉器（第一開閉器２３、第二開閉器２４）の開閉要否制御の判定を行う。なお、車両非接続時には、第一開閉器２３、第二開閉器２４が共に閉路している。

図７に示すように、まず、接続検出手段１７で車両９の接続が検出を行う（ＳＴ１）。続いて、電力計測手段１９で負荷の使用電力（電圧×使用電流）を計測し、第一分岐群７および第三分岐群２７に接続された負荷の使用電力の総量が所定値（例えば定格の７０％）未満であれば第一開閉器２３、第二開閉器２４について共に閉路維持判定を行う（ＳＴ２・ＳＴ３）。この場合、各分散電源装置１５における発電量が多い時には、車両用充電装置への電力供給に加えて、一般負荷にも分散電源装置１５の電力を供給することで、電気料金の削減を図ることができる。また、各分散電源装置１５における発電量が少ない時には、分散電源装置１５で不足する充電電力を系統電源１４から補って車両用充電装置１０に電力を供給することができる。

一方、第一分岐群７および第三分岐群２７に接続された負荷の使用電力の総量が所定値（例えば定格の７０％）以上の場合、発電計測手段１８から各分散電源装置１５における発電量情報を取得し、更に、分散電源装置１５の発電量を判定する（ＳＴ２・ＳＴ４）。

分散電源装置１５の発電量が車両９の充電電力に対して所定の割合（例えば１２０％）以上であれば、第一開閉器２３は開路判定及び第二開閉器２４は閉路維持判定を行う（ＳＴ５）。この場合、第一分岐群７の一般負荷は系統電源１４より安定的に電力が供給される。第三分岐群２７の一般負荷、及び第二分岐群８の車両９には、分散電源装置１５からの発電のみで電力供給が行われる。第三分岐群２７の一般負荷には一時的な使用の制限を行う場合があるが、第二分岐群８の車両９に対しては充電制限は回避される。

分散電源装置１５の発電量が車両９の充電電力に対して所定の割合（例えば１２０％）未満であれば第一開閉器２３は閉路維持判定及び第二開閉器２４は開路判定を行う（ＳＴ６）。この場合、第一分岐群７および第三分岐群２７の一般負荷には系統電源１４から安定的に電力が供給される。第二分岐群８の車両９には、分散電源装置１５からの電流のみで電力供給が行われるが、分散電源装置からの発電量では充電電力が不足し、契約容量までの余裕も少ないため、、車両９の充電制限判定も合わせて行われる（ＳＴ７）

なお、車両９の充電が完了・中断された場合や、第一分岐群７および第三分岐群２７の使用電力が所定値（例えば定格の７０％）未満となった場合、または、発電量が車両９の充電電力に対して所定の割合（例えば１２０％）以上となった場合には、第一開閉器２３及び第二開閉器２４は閉路制御され分散電源装置での発電による電力が一般負荷に供給される。

本実施形態においては、系統電源が停電した場合に、分散電源から電力を供給できる負荷を分岐群ごとに選択することができる。
制御ユニット１６は、系統電源の停電を検出する停電検出手段（図示せず）を備え、系統電源が停電すると、分散電源装置１５で発電した電力の逆潮流を防止するために、主幹ブレーカ２を遮断する。なお、停電前の各分岐群の使用電力は制御ユニット１６に設けた記憶手段に記憶されている。
判定手段２１は発電検出手段１８で計測した分散電源装置１５の総発電量と、停電前の各分岐群の使用電力とを比較し、総発電量に応じて第一開閉器２３と第二開閉器２４の開閉を判断する。すなわち、総発電量が十分であれば、第一開閉器２３と第二開閉器２４を閉路し全ての負荷に電力を供給する。総発電量と放電電力が不十分な場合には、第一開閉器２３開路して第二開閉器２４を閉路する。また、２４開路を開路して、非常用負荷を長時間使用することも可能である。なお、総発電量には蓄電池２８から供給される電力も含めることができる。

さらに、系統電源が停電した場合には、車両用充電装置に接続した車両より分岐回路の負荷に向けて電力供給してもよい。この場合、制御ユニット１６が系統電源１４の停電を検出すると、接続検出手段１７は車両用充電装置１０に接続されている車両からの電力供給の可否を確認し、放電可能な電力量を上記総発電量に加えることができる。

なお、本実施形態の母線は図9に示すように、母線３１、３２、３３を並列に配置してもよい。この場合、開閉制御手段２２は各母線に接続した開閉器２９ａ、２９ｂ、２９ｃを選択して開閉制御することにより、上記と同様の制御を行うことができる。

また、太陽光発電装置を中間の母線３３の母線に接続し、燃料電池をほかの母線３２に接続してもよい。車両９の接続時に第二開閉器２４を開路することにより、太陽光発電で発電した電力の売電を継続することができる。これにより車両には燃料電池で発電した電力のみが充電され、時間帯により割高になる系統電源１４から電力供給を受けることなく、一定のコストで充電を行うことができる。

本実施形態の充電システムによれば、第一分岐群７および第三分岐群２７に接続された負荷の使用電力の総量および分散電源装置１５での発電量に基づいて、２段階の開閉制御を行うことができるため、必要に応じて、一時的な使用の制限を容認する一般負荷に対しては適宜デマンドコントロールも併用しつつ、車両９の充電時における他の一般負荷（特に一時的でも使用の制限を回避したい負荷）の使用制限を極力回避することができるとともに、エネルギー効率を改善することができる。

１ 分電盤
２ 主幹ブレーカ
３ 母線
４ 分岐ブレーカ
５ 分岐線
６ 開閉器
７ 第一分岐群
８ 第二分岐群
９ 車両
１０ 車両用充電装置
１１ 制御部
１２ 接続検出手段
１３ 開閉制御手段
１４ 系統電源
１５ 分散電源装置
１６ 制御ユニット
１７ 接続検出手段
１８ 発電計測手段
１９ 電力計測手段
２０ 車両電力計測手段
２１ 判定手段
２２ 開閉制御手段
２３ 第一開閉器
２４ 第二開閉器
２５ ＣＴ
２６ ＣＴ
２７ 第三分岐群
２８ 蓄電池
２９ 開閉器
３１ 他方の母線
３２ 一方の母線
３３ 中間の母線

Claims (4)

1. 開閉器で電気的に切り離し可能な複数の母線を備え、
   一方の母線から分岐された分岐回路に、分散電源装置と車両用充電装置が接続され、他方の母線には系統電源と一般負荷が接続されており、
   該車両用充電装置への車両接続を受けて、該開閉器に対し開閉制御信号を送信する開閉制御手段を有し、
   車両接続を受けて、または車両接続を受けて一般負荷に使用制限が生じる条件下で、この開閉制御信号により該開閉器を開にすることにより、一方の母線を系統電源が接続されている他方の母線から切り離し、分散電源装置から車両用充電装置に電力を供給可能としたことを特徴とする充電システム。
2. 前記開閉制御手段を有する制御ユニットを有し、
   該制御ユニットは、更に、車両用充電装置からの車両接続情報を検出する接続検出手段と、
   各分岐回路の使用電力を計測する電力計測手段と、
   分散電源装置の発電量を計測する発電計測手段と、
   開閉器の開閉要否判定を行う判定手段を有することを特徴とする請求項１記載の充電システム。
3. 該制御ユニットは、更に、接続された車両の充電電力を計測する車両電力計測手段を
   有することを特徴とする請求項２記載の充電システム。
4. 該制御ユニットは、さらに系統電源の停電を検出する停電検出手段を備え、
   判定手段は、発電量と停電前の負荷の使用電力とを比較し開閉器の開閉要否判定を行うことを備える請求項２に記載の充電システム。

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