JP6301021B2 - パワーコンディショナ及び蓄電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電池とパワーコンディショナ(Power conditioning System:PCS)との接続に関するものである。
近年、太陽光発電や風力発電、燃料電池発電等の自然再生エネルギーが普及過程にあり、その発電による供給電力の不安定を安定化する、あるいは、夜間の安価な商用電力を蓄えて必要な時(災害時も含む)に使用する目的で、PCSと蓄電池とを組み合わせた蓄電池システムも普及過程にある。
蓄電池システムにおいて、蓄電池とPCSとの電力線接続、制御通信プロトコル及び接続コネクタには統一規格がないため、これらは各メーカによって異なる形態で実施されている。
また、自動車の排ガス規制に伴い、電気自動車(Electric Vehicle:EV)や差し込みプラグをもつPHV(Plug−in Hybrid Vehicle)やPHEV(Plug−in Hybrid Electric Vehicle)など、駆動用の蓄電池を内蔵している車も普及しつつある。
また、EV、PHVおよびPHEVに車載された駆動用の蓄電池を住宅へ電力供給するシステム(Vehicle to Home:V2H)が近年実現可能となり、普及過程にある蓄電池システムと同様の用途が見込まれる。
V2Hシステムを使った充放電には、CHAdeMO(登録商標)と呼ばれる接続規格があり、その通信には、CAN(Controller Area Network)を使った統一プロトコルが決められている。
CHAdeMO規格の充電方法では、急速充電が可能であり、前記蓄電池システムの充電時間に比べて数倍の速さで充電可能である(非特許文献1参照)。
CHAdeMO規格による車載用蓄電池とV2H用PCSとの接続は、非特許文献1で定められている。例えば、特許文献1の図8,9および段落0004〜0010に、CHAdeMO規格のコネクタおよびその接続方法が示されている。
特開2014−195340号公報
「CHAdeMOインターフェースと安全設計」、[online]、CHAdeMO協議会、[平成27年8月6日検索]、インターネット<URL:http://chademo.com/pdf/interfacej.pdf>
従来のV2HシステムにおけるPCSは、車載用蓄電池との接続にのみ対応しており、例えば定置型蓄電池との接続には対応していなかった。そのため、電気自動車が何らかの事情で使用不可あるいは接続不可になった場合に、車載用蓄電池に代えて他の種類の蓄電池と接続することが出来ず、蓄電が出来なくなるという問題があった。
本発明は上述の問題に鑑み、蓄電池の種類を認識して多種の蓄電池ユニットに対応するパワーコンディショナの提供を目的とする。
本発明に係るパワーコンディショナは、CHAdeMO方式のインターフェースに準拠したコネクタにより蓄電池ユニットと接続され、蓄電池ユニットの蓄電池に充放電制御を行うパワーコンディショナであって、コネクタのコネクタ接続確認端子とGNDとの間に配置された抵抗と、コネクタ接続確認端子の電圧を検出する検出制御部と、検出制御部にて検出した電圧値から蓄電池の種類を認識する種類認識部と、を備える。
本発明に係るパワーコンディショナは、CHAdeMO方式のインターフェースに準拠したコネクタにより蓄電池ユニットと接続され、蓄電池ユニットの蓄電池に充放電制御を行うパワーコンディショナであって、コネクタのコネクタ接続確認端子とGNDとの間に配置された抵抗と、コネクタ接続確認端子の電圧を検出する検出制御部と、検出制御部にて検出した電圧値から蓄電池の種類を認識する種類認識部と、を備える。従って、多種の蓄電池ユニットに対応することができる。
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態1に係るPCSと定置型蓄電池ユニットとの接続を示す図である。 実施の形態1に係るPCSと車載型蓄電池ユニットとの接続を示す図である。 前提技術に係るPCSと車載用蓄電池ユニットとの接続を示す図である。 CHAdeMO規格コネクタにおけるピンの配置を示す図である。
<A.前提技術>
<A−1.構成>
図3は、前提技術に係るPCS20Bと車載用蓄電池ユニット14とのCHAdeMO方式のインターフェースに準拠したCHAdeMOコネクタ30による接続を示す図である。CHAdeMOコネクタ30は1ピンから10ピンの端子を備えている。図4は、CHAdeMOコネクタ30におけるピンの配置を示している。
CHAdeMOコネクタ30において、1ピンは共通基準GNDである。2ピンは充電開始停止1、4ピンは充電許可禁止、5ピンは給電(−)、6ピンは給電(+)、7ピンはコネクタ接続確認、8ピンはCAN−H、9ピンはCAN−L、10ピンは充電開始停止2を担っている。
車載用蓄電池ユニット14は、V2レギュレータ1、車両制御部2B、車載用蓄電池4B、フォトカプラ9,10,11、車両12V電源15、車載12V電源16、CANドライバー3を備えている。すなわち、車載用蓄電池4Bは車両12V電源15を備える車両に搭載される蓄電池である。
なお、V2レギュレータ1は車両12V電源15で代用することもできる。
車載用蓄電池4Bはその両端にリレー5,6を備える。リレー5の車載用蓄電池4Bとは反対側の端は6ピンに接続され、リレー6の車載用蓄電池4Bとは反対側の端は5ピンに接続される。リレー5,6は、スイッチ7がオンになるとオンになり、スイッチ7がオフになるとオフになる。スイッチ7は、車両制御部2Bにより制御される。
V2レギュレータ1は、フォトカプラ9,10,11の出力側に、それぞれ抵抗R1,R2,R5を介して接続されている。また、フォトカプラ9,10,11の出力側には、車両制御部2Bが接続されている。
フォトカプラ9,10,11の入力側には抵抗R3,R4,R6がそれぞれ設けられている。抵抗R3のフォトカプラ9とは反対側の端は2ピンに接続され、抵抗R4のフォトカプラ10とは反対側の端は10ピンに接続されている。フォトカプラ11の入力側の一端は、車両12電源15に接続され、他端は抵抗R6を介して7ピンに接続されている。また、ピン4にはトランジスタ12のコレクタが接続されている。トランジスタ12のベースには車両制御部2Bからの制御信号が入力され、トランジスタ12のエミッタは1ピンに接続され接地されている。また、トランジスタ12のエミッタにはV2レギュレータ1、車両12V電源15および車載12V電源16のGNDが接続されている。
CANドライバー3は、8ピン及び9ピンに接続される。8ピンと9ピンの間には、終端抵抗として抵抗R8が接続される。
次に、PCS20Bの構成について説明する。PCS20Bは、双方向DC−DCコンバータ21、12Vレギュレータ22、スイッチ23a,23b、V1レギュレータ24、制御部25、フォトカプラ26、CANドライバー27を備えている。
双方向DC−DCコンバータ21は、絶縁型トランスを含み、5ピン及び6ピンに接続される。双方向DC−DCコンバータ21から商用系統までの接続は、一般的なPCSと同じであるため、ここでは説明を省略する。
12Vレギュレータ22の一端は、スイッチ23aを介して2ピンに接続される他、フォトカプラ26のフォトダイオードに接続される。また、12Vレギュレータ22の他端は、スイッチ23bを介して10ピンに接続される他、7ピン及び1ピンに接続され接地される。
フォトカプラ26は、その入力側が抵抗R22を介して4ピンに接続される。また、フォトカプラ26の出力側は制御部25に接続されると共に、抵抗R23を介してV1レギュレータ24にも接続される。
CANドライバー27は、8ピン及び9ピンに接続される。8ピンと9ピンの間には、終端抵抗として抵抗R24が接続される。
<A−2.動作>
CHAdeMOコネクタ30を介して車載用蓄電池ユニット14とPCS20Bが接続された場合、コネクタ端子7ピンが接続されることにより、車両12V電源15と抵抗R6を介して電流が流れ、フォトカプラ11のトランジスタがオンする。そして、抵抗R5に流れる電流により車両制御部2Bの検出端子40が“H”から“L”に変化する。これにより、車載用蓄電池ユニット14とPCS20Bとが接続されたことを車両制御部2Bが認識する。
制御部25からの制御信号によりPCS20Bのスイッチ23aがオンすると、12Vレギュレータ22と抵抗R3とを介して電流が流れ、フォトカプラ9がオンする。すると、車両制御部2Bの検出端子42がV2レギュレータ1と抵抗R1とを介して電流が流れ、“H”から“L”に変化する。これにより、PCS20Bの12Vが車載用蓄電池ユニット14へ印加されたことを車両制御部2Bが認識する(充電開始停止1)。
その後、車両制御部2Bがトランジスタ12をオンすると、抵抗R22に流れる電流によりフォトカプラ26のトランジスタがオンする。そして、V1レギュレータ24と抵抗R23に流れる電流による電圧降下により、制御部25の検出端子は“H”から“L”に変化する。これは充放電許可禁止解除を示す。
制御部25からの制御信号によりスイッチ23bがオンすると、R4に流れる電流によりフォトカプラ10のトランジスタがオンする。そして、R2に流れる電流による電圧降下により、車両制御部2Bの検出端子41は“H”から“L”に変化する。これにより、充電準備ができたことを車両制御部2Bが認識する(充電開始停止2)。
この後、PCS20B側では、絶縁確認試験(地絡試験及び絶縁不良の有無の確認)を実施し、CAN通信による充放電を開始する。
1ピンは、車両制御部2B、車両12V電源15、車載12V電源16、及びレギュレータ22の共通GNDである。
CANドライバー3,27によりCAN通信が行われる。CANドライバー27には通常絶縁タイプを用いる。充放電の制御は、CAN通信により車両制御部2Bおよび制御部25により制御される。
なお、車載用蓄電池ユニット14及びPCS20BがCHAdeMOコネクタ30により接続されている状態では、両者は機械的に固定されると共に、その固定状態を電気的にロックして、充放電中はコネクタを外すことができない様になる。
また、充電終了時には、CHAdeMOコネクタ30の5ピンおよび6ピンの電圧を確認後、電気ロックが解除され、機械的固定のみとなる。
以上に説明したPCS20Bは、車載用蓄電池ユニット14との接続を前提としているため、定置型蓄電池ユニット等、他の種類の蓄電池ユニットと接続不可能であり、また接続してもその種類を判別できず、充放電制御を適切に行う事が出来ないという問題があった。本発明は、以下に示す工夫を施すことによりこの問題を解決する。
<B.実施の形態1>
<B−1.構成>
図1は、実施の形態1に係るPCS20Aと定置型蓄電池ユニット13との接続を示している。定置型蓄電池ユニット13は、図3に示した車載用蓄電池ユニット14から車両12V電源及び車載12V電源16を除外し、車両制御部2Bに代えて蓄電池制御部2Aを、車載用蓄電池14Bに代えて定置型蓄電池14Aを設けた構成である。そして、車載用蓄電池ユニット14において車両12V電源に接続されていたフォトカプラ11の入力側端子は、2ピンに接続される。また、フォトカプラ11の入力側の抵抗を車載用蓄電池ユニット14の抵抗R6に対してR61としている。それ以外の定置型蓄電池ユニット13の構成は車載用蓄電池ユニット14と同様である。
PCS20Aは、PCS20Bの構成に加えて、7ピンと1ピンのGNDとの間に抵抗R21を備えている。また、7ピンが制御部25に接続しており、7ピンの電圧を制御部25で検知する構成となっている。制御部25は、後述する方法によって、7ピンの電圧値から蓄電池の種類を認識する。それ以外のPCS20Aの構成はPCS20Bと同様である。
<B−2.動作>
7ピンの電圧は制御部25のA/Dコンバータにより検出される。すなわち、制御部25は、7ピンの電圧を検出する検出制御部として動作する。なお、PCS20Aと定置型蓄電池ユニット13とを接続した際の7ピンの電圧V7aは、抵抗R61と抵抗R21の分圧による電圧となり、以下の式で計算される。
Figure 0006301021
但し、V22は12Vレギュレータ22の出力電圧であり、VFはフォトカプラ11の順方向電圧である。
図2は、PCS20Aと車載用蓄電池ユニット14との接続を示している。この状態での7ピンの検出電圧V7bは、以下の式で計算される。
Figure 0006301021
但し、V15は車両12V電源15の出力電圧である。そして、(1)、(2)式より、R61>R6とすれば、V7a>V7bとなる。
従って、制御部25は7ピンの検出電圧の大きさから、PCS20Aの接続相手が車載用蓄電池ユニット14又は定置型蓄電池ユニット13のいずれであるかを検出できる。すなわち、制御部25は、7ピンの検出電圧値から蓄電池の種類を認識する種類認識部として動作する。
なお、抵抗R61を0Ωとすると、式(1)を式(3)に簡略化できる。
Figure 0006301021
すなわち、PCS20Aは、CHAdeMO方式のインターフェースに準拠したCHAdeMOコネクタ30により蓄電池ユニット(定置型蓄電池ユニット13又は車載用蓄電池ユニット14)と接続され、蓄電池ユニットの蓄電池(定置型蓄電池4A又は車載用蓄電池4B)に充放電制御を行うものであり、CHAdeMOコネクタ30のコネクタ接続確認端子である7ピンとGNDとの間に配置された抵抗R21と、7ピンの電圧を検出する検出制御部(制御部25)と、検出制御部にて検出した電圧値から蓄電池の種類を認識する種類認識部(制御部25)とを備える。従って、多種の蓄電池の蓄電池ユニットに対応することができる。例えば、蓄電池ユニット毎に抵抗R61の値を変えると、容易に蓄電池ユニットの識別が可能となる。
また、実施の形態1の蓄電池システムは、PCS20Aと、CHAdeMO方式のインターフェースに準拠したコネクタ30と、コネクタ30によりPCS20Aと接続され、パワーコンディショナ20Aにより充放電制御が行われる蓄電池ユニットと、を備える。従って、多種の蓄電池の蓄電池ユニットに対応することができる。
また、蓄電池ユニットの蓄電池は定置型蓄電池4A又は車載用蓄電池4Bのいずれかである。PCS20Aには定置型蓄電池ユニット13及び車載用蓄電池ユニット14のいずれをも接続可能であるため、例えばPCS20Aに車載用蓄電池ユニット14を接続してV2Hシステムを構築している場合に、車両の故障などの理由で車載用蓄電池ユニット14を使用できなくなった場合には、車両を買い替えるまでの間、より安価な定置型蓄電池ユニット13を暫定的に、あるいは容易に置き換えて使用することができる。
また、CHAdeMO規格の手順によれば、CAN通信による車両側およびPCS側の情報通信が完了しなければ、充放電開始が出来ない。しかし、コネクタ接続確認を担う7ピンの電圧値を検出することにより、車載用蓄電池ユニットか定置型蓄電池ユニットかを制御部25が識別するため、相互の接続確認およびCAN通信による充放電の準備をスムーズに行うことができる。
また、CHAdeMO規格で規定されているCAN通信のプロトコルでは、PCSと車載用蓄電池ユニットを接続することが前提であり、定置型蓄電池ユニットを接続する想定がなされていない。そのため、CHAdeMOコネクタ30によりPCSと定置型蓄電池ユニットを接続した場合、PCSは定置型蓄電池ユニットを判別することができないが、本発明によれば可能である。
<B−3.変形例>
PCS20Aと車載用蓄電池ユニット14とを接続した際、制御部25は、車両12V電源15が正常に動作しているかを判別する判別部として動作しても良い。以下、制御部25による上記判別について説明する。
車載用蓄電池ユニット14とPCS20Aとを接続した際の7ピンの電圧V7bを検出すると、抵抗R21に流れる電流I21を以下の式で求めることができる。
Figure 0006301021
また、抵抗R6,R21の抵抗値(許容ばらつき含む)、フォトカプラ11のVF(代表的には約1.1V)は予め分かっているので、式(2)より車両12V電源15の出力電圧V15は以下の式で計算できる。
Figure 0006301021
車両12V電源15の正常動作時の出力電圧V15の最小値をV15min、最大値をV15maxとすれば、式(5)で計算したV15をこれらの値と比較することで、車両12V電源15が正常に動作しているか否かを判別することができる。
すなわち、車載用蓄電池ユニット14は、コネクタ接続確認端子である7ピンに接続されたフォトカプラ11を備える。そして、実施の形態1の変形例に係るPCS20Aは、7ピンの電圧値V7bと抵抗R21の抵抗値とフォトカプラ11の順方向電圧VFとから車両12V電源の出力電圧V15を算出し、車両12V電源15の蓄電状態を判別する判別部(制御部25)を備える。制御部25は、車両12V電源15の出力電圧V15が異常であると判別すると、CAN通信によりその旨を車載用蓄電池ユニット14に伝える。あるいは、スイッチ23a又はスイッチ23bをオフにすることで、充放電を停止する。そして、新しい車両12V電源15に交換することにより、蓄電池の性能を維持することが可能である。
CHAdeMO規格では、PCSと車載用蓄電池ユニットとの間で充放電を行っている間は、両者を機械的な固定の他に電気的に固定する必要がある。しかし、充放電の停止時には、車載用蓄電池ユニットあるいは車両は、PCSと脱着可能である。
一方、定置型蓄電池ユニットとPCSの取り外しは、充放電停止時においても想定されない。そのため、充放電以外の待機、停止などのときであっても、定置型蓄電池ユニットとPCSの取り外しは出来ない仕様とする。そして、変形例のPCSでは、蓄電池システムがメンテナンスや故障修理を行う以外の時は、たとえ充放電中でなくても機械的な固定に加えて定置型蓄電池ユニットとPCSとを電気的固定部により電気的に固定する。この電気的固定の方法は、例えば電磁力を用いる方法等、様々な方法を用いることができる。
実施の形態1の変形例に係るPCSは、定置型蓄電池ユニット13とPCSとが電気的に接続されている場合に、コネクタ30の接続を電気的に固定する電気的固定部を備える。従って、定置型蓄電池ユニット13が充放電中以外の場合も電気的固定が施されるため、定置型蓄電池ユニット13の持ち去りを抑制できる。また、5ピン、6ピンの電力線には高い電圧が印加されているが、機械的固定に加えて電気的な固定を行う事により、定置型蓄電池ユニット13とPCS20Aが分離して感電する等の事態を防ぐことができる。
なお、図1では、7ピンの電圧を検出するため、7ピンと制御部25(のA/Dコンバータ)とを直接接続しているが、コンパレータを用いて7ピンの電圧を検出しても良い。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 V2レギュレータ、2B 車両制御部、3 CANドライバー、4A 定置型蓄電池、4B 車載用蓄電池、5,6 リレー、7,23a,23b スイッチ、9,10,11 フォトカプラ、12 トランジスタ、13 定置型蓄電池ユニット、14 車載用蓄電池ユニット、15 車両12V電源、16 車載12V電源、20A,20B PCS、21 双方向DC−DCコンバータ、22 12Vレギュレータ、24 V1レギュレータ、25 制御部、26 フォトカプラ、27 CANドライバー、30 CHAdeMOコネクタ、40,41,42 検出端子。

Claims (5)

  1. CHAdeMO方式のインターフェースに準拠したコネクタ30により蓄電池ユニットと接続され、前記蓄電池ユニットの蓄電池に充放電制御を行うパワーコンディショナ20Aであって、
    前記コネクタ30のコネクタ接続確認端子とGNDとの間に配置された抵抗R21と、
    前記コネクタ接続確認端子の電圧を検出する検出制御部と、
    前記検出制御部にて検出した電圧値から前記蓄電池の種類を認識する種類認識部と、を備える、
    パワーコンディショナ。
  2. 前記蓄電池は定置型蓄電池4A又は車載用蓄電池4Bのいずれかである、
    請求項1に記載のパワーコンディショナ。
  3. 前記蓄電池は車両12V電源15を備える車両に搭載される車載用蓄電池4Bであり、
    前記蓄電池ユニットは、前記コネクタ接続確認端子に接続されたフォトカプラ11を備え、
    前記コネクタ接続確認端子の電圧値V7bと前記抵抗R21の抵抗値と前記フォトカプラ11の順方向電圧VFとから前記車両12V電源15の電圧V15を算出し、前記車両12V電源15の蓄電状態を判別する判別部をさらに備える、
    請求項2に記載のパワーコンディショナ。
  4. 前記蓄電池ユニットの蓄電池は定置型蓄電池4Aであり、
    前記蓄電池ユニット及び前記パワーコンディショナ20Aが電気的に接続されている間に前記コネクタ30の接続を電気的に固定する電気的固定部をさらに備える、
    請求項2に記載のパワーコンディショナ。
  5. 請求項1に記載のパワーコンディショナ20Aと、
    CHAdeMO方式のインターフェースに準拠したコネクタ30と、
    前記コネクタ30により前記パワーコンディショナ20Aと接続され、前記パワーコンディショナ20Aにより充放電制御が行われる蓄電池ユニットと、
    を備える蓄電池システム。
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