JP6256976B2 - 電動車に接続して使用される電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動車の車載バッテリから供給される直流電力を交流化してなる交流出力電力を所定長の配電線を通じて家庭負荷等の各種負荷に供給する電力変換装置に関する。

近年、電気自動車およびプラグインハイブリッドカー等の電動車に搭載された車載バッテリを放電させることで、商用交流電力に相当する交流出力電力を住宅内の各種負荷に供給することができる電力変換装置が利用され始めている。このような電力変換装置は、通常、Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｈｏｍｅシステム（以下、“Ｖ２Ｈシステム”という）と呼ばれている。

図３に示すように、Ｖ２Ｈシステム２０は、電動車ＥＶの車載バッテリ１０から供給される直流電力を交流化してなる交流出力電力を所定長の配電線１２を通じて住宅Ｈに供給する電力変換部２１と、配電線１２のＶ２Ｈシステム２０側の端部において交流出力電力の電圧値を検出する電圧検出部２３と、交流出力電力の電圧値が所定の目標電圧値となるように電力変換部２１を制御する制御部２２とを備えている。また、住宅Ｈは、配電線１２を通じて交流出力電力を受電する配電部１３と、これに接続された複数の負荷Ｒとを有している。

このＶ２Ｈシステム２０によれば、商用交流電力の供給が途絶えた停電時においても、車載バッテリ１０から供給される直流電力を交流化してなる交流出力電力を負荷Ｒに供給することで、負荷Ｒをしばらくの間稼働させ続けることができる。また、詳しい説明は省略するが、このＶ２Ｈシステム２０は、商用交流電力で車載バッテリ１０を充電する機能も有しているので、夜間の安い商用交流電力で車載バッテリ１０を充電し、これを昼間に交流出力電力として活用することで、電気料金の節約を図ることもできる。

ところで、このＶ２Ｈシステム２０では、配電線１２がある程度長くなると、配電線１２の電気抵抗による電圧降下によって住宅Ｈの配電部１３が受電する交流出力電力の電圧値が目標電圧値よりも低くなり、その結果、負荷Ｒを正常に動作させることができなくなるという問題が発生する。この問題に関し、特許文献１には、電力変換部２１に相当するＤＣ−ＤＣコンバータ部と負荷とを繋ぐ電源負荷線による電圧降下を補償するための補償回路が提案されている。特許文献１の補償回路によれば、電圧降下分を上乗せした電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ部に出力させることで、電源負荷線による電圧降下を補償することができる。

しかしながら、Ｖ２Ｈシステム２０は、前述の通り車載バッテリ１０から供給される直流電力を交流化してなる交流出力電力を出力するので、交流出力電力の電圧値を上乗せすると車載バッテリ１０の充電状態によっては当該車載バッテリ１０に過大な負担がかかり、バッテリ管理ユニット（通称、ＢＭＵ）１１が車載バッテリ１０の放電を停止させてしまうおそれがある。車載バッテリ１０の放電が停止すると、負荷Ｒへの交流出力電力の供給が直ちに停止してしまい、補償を行うことがかえって負荷Ｒの稼働に悪影響を及ぼす結果となる。

実開平５−２３２１４号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、車載バッテリに過大な負担をかけることなく、負荷に所望の交流出力電力を供給することができる電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、電動車の車載バッテリから供給される直流電力を交流化してなる交流出力電力を所定長の配電線を通じて負荷に供給する電力変換部と、配電線の電力変換部側の端部において交流出力電力の電圧値を検出する電圧検出部と、電圧値が目標電圧値となるように電力変換部を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、配電線を流れる電流値を検出する電流検出部をさらに備え、制御部は、電流検出部によって検出された電流値に基づいて目標電圧値の補正値を決定する補正値決定部と、電動車と通信を行って車載バッテリに関する情報を取得する通信部と、交流出力電力の電圧値を目標電圧値と補正値との和とした場合に必要となる直流電力を車載バッテリが供給可能か否かを通信部が取得した車載バッテリに関する情報に基づいて判定し、供給可能な場合は、目標電圧値と補正値との和を新たな目標電圧値に設定し、供給不可能な場合は、車載バッテリが供給可能な範囲内で目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定する目標電圧再設定部と、交流出力電力の電圧値が新たな目標電圧値となるように電力変換部を制御する電力変換制御部と、を含む。

この構成によれば、目標電圧再設定部が、車載バッテリに過大な負担がかからない場合に限って元々の目標電圧値と配電線による電圧降下を補償し得る補正値との和を新たな目標電圧値に設定し、それ以外の場合は、車載バッテリに過大な負担がかからない範囲（すなわち、車載バッテリが供給可能な範囲）で元々の目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定し、そして、電力変換制御部が、設定された新たな目標電圧値に従って電力変換部を制御するので、車載バッテリに過大な負担がかかるのを防ぎつつ、所望の交流出力電力またはこれに近い交流出力電力を負荷に供給することができる。

なお、上記「最大限」の語は、「最大まで」の意に限定されず、「最大近傍まで」の意も含むものとする。

ここで、目標電圧再設定部は、交流出力電力の電圧値を目標電圧値と補正値との和とした場合に車載バッテリおよび電力変換部のそれぞれが必要となる電力を供給可能か否かを車載バッテリに関する情報および電力変換部に関する情報の双方に基づいて判定し、供給可能な場合は、目標電圧値と補正値との和を新たな目標電圧値に設定し、供給不可能な場合は、車載バッテリと電力変換部とが供給可能な範囲内で目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定することが好ましい。この構成によれば、車載バッテリに過大な負担がかかるのを防ぐとともに、目標電圧値の上乗せにより電力変換部の構成部品がダメージを受けるのを防ぐことができる。

上記電力変換装置の補正値決定部は、予め定められた電流値と補正値との関係に基づいて補正値を決定することが好ましい。

本発明によれば、車載バッテリに過大な負担をかけることなく、負荷に所望の交流出力電力を供給することができる電力変換装置を提供することができる。

本発明に係る電力変換装置の使用状態を示すブロック図である。 本発明に係る電力変換装置の動作を示すフロー図である。 従来の電力変換装置の使用状態を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る電力変換装置の実施例について説明する。

本発明に係る電力変換装置１は、電動車ＥＶに搭載された車載バッテリ１０を放電させることで、商用交流電力に相当する交流出力電力を住宅Ｈ内の各種負荷Ｒに供給することができるＶ２Ｈシステムとして使用される。図１に示すように、電力変換装置１は、電力変換部２、制御部３、電圧検出部８および電流検出部９を備えている。また、住宅Ｈは、配電線１２を通じて交流出力電力を受電する配電部１３と、これに接続された複数の負荷Ｒとを有している。

電力変換部２は、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路である。電力変換部２は、車載バッテリ１０から供給される直流電力を交流化してなる交流出力電圧を、所定長の配電線１２を通じて住宅Ｈに供給する。複数のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦは、後述する電力変換制御部７によって制御される。

電圧検出部８は、配電線１２の電力変換装置１側の端部において交流出力電圧の電圧値を検出する。本実施例では、電圧検出部８は、交流出力電圧の電圧実効値ｖ_ｒｍｓを一定時間おきに検出する。電圧検出部８は、検出した電圧実効値ｖ_ｒｍｓに対応した信号Ｓｖを後述する電力変換制御部７に送出する。

電流検出部９は、配電線１２を流れる電流の電流値を検出する。本実施例では、電流検出部９は、配電線１２を流れる電流の電流実効値ｉ_ｒｍｓを一定時間おきに検出する。電流検出部９は、検出した電流実効値ｉ_ｒｍｓに対応した信号Ｓｉを後述する補正値決定部４に送出する。

制御部３は、交流出力電圧の電圧値（電圧実効値ｖ_ｒｍｓ）が目標電圧値となるように電力変換部２を制御するもので、図１に示すように、補正値決定部４と、通信部５と、目標電圧再設定部６と、電力変換制御部７とを含んでいる。本実施例の制御部３はマイクロプロセッサ（ＭＰＵ，Micro-Processing Unit）であり、制御部３に含まれる各部の機能は、該マイクロプロセッサ上で実行されるプログラムによって実現されている。

補正値決定部４は、電流検出部９から送出された電流実効値ｉ_ｒｍｓに対応する信号Ｓｉを受け取り、電流実効値ｉ_ｒｍｓに基づいて配電線１２における電圧降下を補償し得る補正値を決定する。本実施例では、補正値決定部４は、予め実験的に作成した対応表を参照して補正値を決定する。対応表の一例を以下に示す。

補正値決定部４は、配電線１２の長さが異なる場合の複数の対応表のうち、使用する配電線１２の長さに対応したものを参照して補正値を決定してもよい。具体的には、補正値決定部４は、配電線１２の長さが１ｍの場合の電流実効値ｉ_ｒｍｓと補正値の関係を示す第１対応表、２ｍの場合の関係を示す第２対応表、および３ｍの場合の関係を示す第３対応表のいずれかを参照して補正値を決定してもよい。また、補正値決定部４は、配電線１２の既知の抵抗値ｒと電流実効値ｉ_ｒｍｓとの積（＝ｒ×ｉ_ｒｍｓ）を補正値としてもよい。

通信部５は、車載バッテリ１０を管理するバッテリ管理ユニット１１と定期的に通信を行って、車載バッテリ１０に関する最新の情報を取得する。バッテリ管理ユニット１１が取得する情報には、例えば、車載バッテリ１０の最大放電電力、最大放電電流、充電状態（ＳＯＣ，State of Charge）がある。なお、バッテリ管理ユニット１１は、車載バッテリ１０の放電電力（電力変換部２に供給する直流電力）が最大放電電力を超えた場合、車載バッテリ１０の放電電流が最大放電電流を超えた場合、および車載バッテリ１０の充電状態が所定の閾値を下回った場合等に、車載バッテリ１０の放電を停止させる保護機能を有している。

目標電圧再設定部６は、交流出力電圧の電圧値を元々の目標電圧値と補正値決定部４で決定された補正値との和とした場合に必要となる直流電力を車載バッテリ１０が供給可能か否かを判定する。言い換えると、目標電圧再設定部６は、配電線１２による電圧降下を補償するのに必要な直流電力を供給し得る程、車載バッテリ１０の電力供給能力に余力があるか否かを判定する。目標電圧再設定部６は、この判定を、通信部５によって取得された車載バッテリ１０の最新の情報に基づいて行う。

車載バッテリ１０が電圧降下の補償を行うのに十分な直流電力を供給可能な場合、目標電圧再設定部６は、元々の目標電圧値と補正値決定部４で決定された補正値との和を新たな目標電圧値に設定する。一方、車載バッテリ１０が十分な直流電力を供給することができない場合、目標電圧再設定部６は、車載バッテリ１０が供給可能な範囲内で補正値決定部４で決定された補正値を設定し直し、元々の目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定する。

電力変換制御部７は、電圧検出部８から送出された電圧実効値ｖ_ｒｍｓに対応する信号Ｓｖと、目標電圧再設定部６によって設定された新たな目標電圧値とを受け取り、電圧実効値ｖ_ｒｍｓが当該新たな目標電圧値となるように電力変換部２のスイッチング素子を制御する。本実施例では、電力変換制御部７は、新たな目標電圧値と電圧実効値ｖ_ｒｍｓとの偏差に応じてスイッチング素子を制御するための制御信号のＤｕｔｙ比を変化させるＰＷＭ制御により、電圧実効値ｖ_ｒｍｓを新たな目標電圧値に一致させる。

元々の目標電圧値と補正値との和が新たな目標電圧値に設定されている場合は、電力変換制御部７によるＰＷＭ制御により配電線１２における電圧降下は完全に補償され、配電線１２の住宅Ｈ側の端部における交流出力電力の電圧値は元々の目標電圧値に一致する。車載バッテリ１０の電力供給能力に余力があるため、バッテリ管理ユニット１１が異常を検出して車載バッテリ１０の放電を停止させることはない。

一方、車載バッテリ１０の電力供給能力に余力がないために、車載バッテリ１０が供給可能な範囲内で元々の目標電圧値を最大限上乗せしたものが新たな目標電圧値に設定されている場合は、配電線１２における電圧降下は完全には補償されず、配電線１２の住宅Ｈ側の端部における交流出力電力の電圧値は元々の目標電圧値を下回った値となる。しかしながら、この場合であっても、何の補償も行わない場合に比べれば、住宅Ｈが受電する交流出力電力の電圧値は高くなるので、住宅Ｈ内の負荷Ｒが正常に動作しなくなるのを極力防ぐことができる。

次に、図２を参照しつつ、電力変換装置１の動作フローについて説明する。

電力変換部２が交流出力電力の供給を開始すると、ステップＳ１において電圧検出部８が電圧実効値ｖ_ｒｍｓを検出し、ステップＳ２において電流検出部９が電流実効値ｉ_ｒｍｓを検出し、さらにステップＳ３において通信部５が車載バッテリ１０の情報を取得する。ステップＳ１〜Ｓ３は、順番を入れ替えて実行してもよい。

次いで、ステップＳ４において補正値決定部４が補正値を決定し、ステップＳ５において目標電圧再設定部６が補正値による補正が可能か否か、すわわち、車載バッテリ１０に十分な余力があるか否かを判定する。そして、補正が可能な場合、目標電圧再設定部６は、元々の目標電圧値と補正値との和を新たな目標電圧値に設定する（ステップＳ６）。一方、補正が不可能な場合、目標電圧再設定部６は、車載バッテリ１０が供給可能な範囲内で元々の目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定する（ステップＳ７）。

次いで、電力変換制御部７が、新たな目標電圧値に従って電力変換部２を制御する（ステップＳ８）。

電力変換装置１は、車載バッテリ１０から供給された直流電力を交流化してなる交流出力電力を負荷Ｒに供給する間、上記ステップＳ１〜Ｓ８を繰り返し実行する。

以上、本発明に係る電力変換装置１の実施例について説明したが、本発明の構成は上記実施例の構成に限定されるものではない。

例えば、上記実施例では、電圧検出部８が電圧実効値ｖ_ｒｍｓを検出し、電流検出部９が電流実効値ｉ_ｒｍｓを検出したが、実効値に代えて瞬時値または平均値を検出してもよい。

また、上記実施例では、電流検出部９は、配電線１２を流れる電流（電流実効値ｉ_ｒｍｓ）を直接に検出したが、配電線１２の電力変換部２側の端部において交流出力電力を検出し、当該出力電力値と電圧検出部８で検出した出力電圧値とから配電線１２を流れる電流値を検出してもよい。

また、上記実施例では、交流出力電力の電圧値を目標電圧値と補正値との和とした場合に必要となる直流電力を車載バッテリが供給可能か否かを車載バッテリに関する情報に基づいて判定したが、車載バッテリに関する情報と電力変換部に関する情報の双方に基づいて車載バッテリおよび電力変換部のそれぞれが必要な電力を供給可能か否かを判定し、供給可能な場合は、目標電圧値と補正値との和を新たな目標電圧値に設定し、供給不可能な場合は、車載バッテリと電力変換部とが供給可能な範囲内で目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定してもよい。電力変換部からの情報としては、例えばインバータ回路を構成する部品の耐電圧が挙げられる。上記のように目標電圧値を再設定することで、車載バッテリに過大な負担がかかるのを防ぐとともに、電力変換部の構成部品がダメージを受けるのを防ぐことができる。

１ 電力変換装置
２ 電力変換部
３ 制御部
４ 補正値決定部
５ 通信部
６ 目標電圧再設定部
７ 電力変換制御部
８ 電圧検出部
９ 電流検出部
１０ 車載バッテリ
１１ バッテリ管理ユニット
１２ 配電線
１３ 配電部
ＥＶ 電動車
Ｈ 住宅
Ｒ 負荷

Claims (3)

1. 電動車の車載バッテリから供給される直流電力を交流化してなる交流出力電力を所定長の配電線を通じて負荷に供給する電力変換部と、前記配電線の前記電力変換部側の端部において前記交流出力電力の電圧値を検出する電圧検出部と、前記電圧値が目標電圧値となるように前記電力変換部を制御する制御部とを備えた電力変換装置であって、
   前記配電線を流れる電流値を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記電流検出部によって検出された前記電流値に基づいて前記目標電圧値の補正値を決定する補正値決定部と、
   前記電動車と通信を行って前記車載バッテリに関する情報を取得する通信部と、
   前記交流出力電力の電圧値を前記目標電圧値と前記補正値との和とした場合に必要となる前記直流電力を前記車載バッテリが供給可能か否かを前記通信部が取得した前記車載バッテリに関する情報に基づいて判定し、供給可能な場合は、前記目標電圧値と前記補正値との和を新たな目標電圧値に設定し、供給不可能な場合は、前記車載バッテリが供給可能な範囲内で前記目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定する目標電圧再設定部と、
   前記交流出力電力の電圧値が前記新たな目標電圧値となるように前記電力変換部を制御する電力変換制御部と、
   を含むことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記目標電圧再設定部は、前記交流出力電力の電圧値を前記目標電圧値と前記補正値との和とした場合に前記車載バッテリおよび前記電力変換部のそれぞれが必要となる電力を供給可能か否かを前記車載バッテリに関する情報および前記電力変換部に関する情報の双方に基づいて判定し、供給可能な場合は、前記目標電圧値と前記補正値との和を新たな目標電圧値に設定し、供給不可能な場合は、前記車載バッテリと前記電力変換部とが供給可能な範囲内で前記目標電圧値を最大限上乗せしたものを新たな目標電圧値に設定することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記補正値決定部は、予め定められた前記電流値と前記補正値との関係に基づいて前記補正値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

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