JP6501269B2 - 電気自動車の充電システムの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気自動車の充電システムの制御装置に関する。
一般に、電気自動車の充電システムは、太陽光、風力、燃料電池などの新再生エネルギーから発電された電力や系統の電力を電池に貯蔵した停留所である。
電気自動車の特徴によって、電気自動車の充電方式は直接充電方式と電池入れ替え方式とに分けられる。
直接充電方式は緩速充電方式と急速充電方式とに分けられ、このうち緩速充電方式は、主に住宅用や駐車場用として設けられ、電気コストが安価であるが、満充まで約５時間がかかるという欠点がある。急速充電方式は注油式充電方式の一つであって、電気自動車の運行による電池の放電時に、高電力で短時間（３０分）以内に充電する方式である。
電池入れ替え方式は、主にロボットアームを用いて、電池を半自動または自動で入れ替える方式であって、入れ替えにかかる時間が相対的に短いが、スチーションの構築コスト及び電池の入れ替えのための追加購買コストを要するという欠点がある。
図１は従来の電気自動車の充電システムの構成図であって、直接充電方式に該当する。
従来の電気自動車の充電システムは、電池１００、電力変換装置（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ、ＰＣＳ）２００、及び系統３００とで構成されており、ＰＣＳ２００は、系統３００の電力を用いて電池１００を緩速または急速充電する。
この際、電池管理システム（ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）４００は、電池１００の充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｄ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）、電池１００の電流、電圧、温度などの状態をモニタリングしてシステムの制御部に提供する。
かかる従来の電気自動車の充電システムは、単一方向の形態であって、１つのコンバータを用いて１つの電池を充電する構造を有する。しかし、大都市や人口密集地域では、このような電気自動車の充電システムの利用率を高め、空間的制約やコストを低減できる方法が求められている。
本発明が解決しようとする技術的課題は、１つのコンバータを用いて多数の電池を同時に充電可能とする電気自動車の充電システムの制御装置を提供することにある。
前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態による電気自動車の充電システムの制御装置は、複数の電池の充電状態に関する情報を制御部に提供する電池管理部（ＢＭＳ）と、前記複数の電池と連結される複数の電子接触器と、系統から印加される交流電圧を直流電圧に変換して電池に供給するコンバータ部と、前記複数の電池の初期充電を行う初期充電部と、前記複数の電池のそれぞれが前記初期充電部に連結されると初期充電を行い、前記複数の電池のそれぞれを電圧制御により満充電圧より少ない所定の第１の電圧まで充電し、前記複数の電池を電流制御方式により満充に当たる第２の電圧に対して所定の割合まで充電し、前記複数の電池を電圧制御方式により前記第２の電圧まで充電するように制御する前記制御部と、を含むことができる。

本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記複数の電池のうち第１の電池に連結された第１の電子接触器をターンオンし、前記第１の電池が前記第１の電圧まで到達すると、前記第１の電子接触器をターンオフすることができる。
本発明の一実施形態において、前記制御部は、前記複数の電池が前記第１の電圧まで充電されると、前記複数の電池に連結された前記複数の電子接触器をターンオンすることができる。
本発明の一実施形態において、前記コンバータ部は、前記複数の電池の何れか１つ以上から供給される直流電圧を交流電圧に変換して系統に供給することができる。
本発明の一実施形態の制御装置は、前記複数の電子接触器と前記コンバータ部との間に配置され、過電流が電池に流入されることを防止する直流遮断器をさらに含むことができる。
本発明の一実施形態の制御装置は、前記コンバータ部と系統との間に配置され、過電流が系統に流入されることを防止する交流遮断器をさらに含むことができる。
上記のような本発明は、複数の電池を同時に充電することで、システムの効率を向上させる効果がある。
従来の電気自動車の充電システムの構成図である。 本発明の一実施形態による電気自動車の充電システムを説明するための構成図である。 本発明の一実施形態による電気自動車の充電システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
本発明は、様々な変更が可能であって、様々な実施形態を有することができるため、特定実施形態を図面に例示するとともに、詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定するためのものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解するべきである。
以下、添付図面を参照して、本発明による好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図２は本発明の一実施形態による電気自動車の充電システムを説明するための構成図である。
図面に示すように、本発明の一実施形態による充電システムは、複数の電池で構成される電池部１０に連結されるものであって、システムは、それぞれ連結された電池をシステムに連結する複数の電子接触器で構成される電子接触器部２０と、初期充電部３０と、直流遮断器４０と、両方向コンバータ部５０と、第１のフィルタ部６０と、第２のフィルタ部７０と、交流遮断器７５と、電池管理部（ＢＭＳ）８０と、制御部９０と、を含むことができる。
電池部１０は、複数の電池１１、１２、…、１Ｎで構成されることができる。本発明の一実施形態の説明では電池のみを示しているが、それぞれ電気自動車に備えられるものである。
電池部１０の複数の電池１１、１２、…、１Ｎは、電子接触器部２０の直流電子接触器２１、２２、…、２Ｎを介してシステムと連結または連結解除されることができる。電子接触器２１、２２、…、２Ｎは電子コイルにより接点の開閉が行われることができる。
初期充電部３０は、ピーク電流によって電子接触器２１、２２、…、２Ｎに故障が発生することを防止するためにピーク電流を制限するものであって、例えば、リレー及び抵抗からなることができるが、本発明はこれに制限されるものではなく、様々な形態の初期充電部３０が用いられることができる。
直流遮断器４０は、コンバータ部５０から電池部１０に過電流、すなわち、定格電流以上の電流が流入される際に、事故を予防するために電流の流れを遮断することができる。
示していないが、直流電子接触器部２０と直流遮断器４０との間にヒューズ（ｆｕｓｅ）を配置して、コンバータ部５０のスイッチング部５２のスイッチング素子を保護することができる。
交流遮断器７５は、系統からシステムに定格電流以上の電流が流入される際に、事故を予防するために電流の流れを遮断することができる。
第２のフィルタ部７０は、例えば、電磁整合性（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ、ＥＭＣ）フィルタであって、系統から印加される電力のノイズをフィルタリングし、第１のフィルタ部６０は、例えば、ＬＣＬフィルタであって、コンバータ部５０から系統に出力される電力の高調波を低減することができる。
第１及び第２のフィルタ部６０、７０の構成は例示的なものであって、本発明のシステムがより多くのフィルタを含んでもよいことは、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって自明である。
両方向コンバータ部５０は平滑部５１及びスイッチング部５２を含むものであって、スイッチング部５２は、複数のスイッチング素子、例えば、絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）などの電力半導体スイッチング素子を含むことができる。複数のスイッチング素子のスイッチングは、制御部９０により制御されることができる。
両方向コンバータ部５０のスイッチング部５２は、系統から印加される商用電力に対応する交流電圧を制御部９０の制御によって直流電圧に変換し、平滑部５１に提供するか、または電池部１０から提供され平滑部５１に貯蔵された直流電圧を交流電圧に変換し、系統に提供することができる。
この両方向コンバータ部５０の構成により、本発明のシステムは、エネルギー貯蔵装置（ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ、ＥＳＳ）または分散電源として用いられることもできる。
平滑部５１は、例えば、電解キャパシタを含むものであって、スイッチング部５２により提供される直流電圧を平滑するか、または電池部１０から提供される直流電圧を平滑して貯蔵することができる。
ＢＭＳ８０は、それぞれの電池１１、１２、…、１Ｎの充電状態に関する情報、例えば、それぞれの電池１１、１２、…、１Ｎの電圧、電流、温度などのそれぞれの電池１１、１２、…、１Ｎの充電状態をリアルタイムで計測し、それを制御部９０に提供することができる。
本発明の一実施形態による制御部９０は、ＢＭＳ８０から複数の電池の充電状態に関する情報を受信し、複数の電池の充電を制御するためのものである。制御部９０は、複数の電池が連結されると、入力された電池の数字をＢＭＳ８０により確認し、それに応じてスイッチング部５２の複数のスイッチング素子を制御することができる。
先ず、複数の電池が連結されると、ＢＭＳ８０は、各電池の電流、電圧、及び温度などを確認することで充電状態を確認し、残存容量を予測することができる。
制御部９０は、ＢＭＳ８０から充電状態に関するデータを受信し、複数の電池の充電状態を確認する。そして、第１の電池１１が連結されると、初期充電部３０による初期充電後、第１の電池１１を連結する第１の電子接触器２１を閉じ、コンバータ部５０のスイッチング部５２を制御することで、電圧制御により設定電圧（例えば、４００Ｖ）まで充電することができる。電圧制御とは、電池を充電する時に定電圧に制御しながら電流を注入する方式のことである。設定電圧（４００Ｖ）になると、第１の電子接触器２１を開き、第２の電池１２を上記の手順に電圧制御により設定電圧に充電することができる。
電池部１０の全ての電池を充電した後、電子接触器部２０の全ての電子接触器を閉じ、複数の電池を並列に連結するとともに、スイッチング部５２を制御することで、電流制御により設定電圧まで充電することができる。電流制御とは、電池を充電する時に定電流に制御しながら電圧を充電する方式のことである。この際、電流制御充電時における設定電圧は、電池の安全性のために満充の９５％と設定することができ、例えば、５７０Ｖまで充電することができる。
その後、さらにスイッチング部５２を制御して、電圧制御方式により複数の電池を満充すると、並列充電が終了する。これを図面を参照しながらさらに説明する。
図３は、本発明の一実施形態による電気自動車の充電システムの制御方法を説明するためのフローチャートであって、本発明の一実施形態による制御部９０がシステムを制御する方式を示したものである。
図面に示すように、本発明の一実施形態による制御部９０は、複数の電池が連結されると（Ｓ３１）、ＢＭＳ８０から各電池の充電状態に関する情報を受信する（Ｓ３３）。
次に、制御部９０は、何れか１つの電池（例えば、第１の電池１１）と連結された電子接触器（例えば、第１の電子接触器２１）をターンオンし（Ｓ３５）、連結された第１の電池１１の電圧が、満充より少ない所定の第１の電圧（本発明の一実施形態では４００Ｖとする）より少ない場合（Ｓ３７）、制御部９０がスイッチング部５２を制御して、電圧制御方式により第１の電池１１が充電されるようにする（Ｓ３９）。すなわち、第１の電池１１を定電圧に制御しながら電流を注入する方式により第１の電池１１を充電することができる。
このように第１の電池１１の充電を続け、制御部９０は第１の電池１１の電圧が第１の電圧（４００Ｖ）であると（Ｓ４１）、第１の電池１１の充電を停止する（Ｓ４３）。
制御部９０は、他の電池の充電状態を確認し、全ての電池の充電が完了したかを確認する（Ｓ４５）。全ての電池の充電が完了していない場合、制御部９０は第１の電子接触器２１をターンオフし、他の電子接触器（例えば、第２の電子接触器２２）をターンオンして（Ｓ４７）、第２の電子接触器２２に連結された電池（例えば、第２の電池１２）の充電手順であるＳ３７からさらに行う。
複数の電池の充電が完了すると、制御部９０は、複数の電池の電子接触器をターンオンし（Ｓ４９）、連結された複数の電池に対して、スイッチング部５２を制御して、電流制御方式により複数の電池が充電されるようにする（Ｓ５１）。すなわち、各電池を定電流となるように制御しながら電圧を充電する。
その後、制御部９０は、複数の電池の電圧が、満充に対して所定の割合（本発明では、満充に対して９５％とし、この時の電圧を５７０Ｖとする）になると（Ｓ５３）、さらに複数の電池を電圧制御方式により充電する（Ｓ５５）。制御部９０は、全ての電池が満充（本発明の一実施形態では６００Ｖ）になると（Ｓ５７）、電子接触器をターンオフして充電を完了することができる。
このような本発明によると、複数の電池を同時に充電することで、システムの効率を向上させることができる。
以上、本発明による実施形態を説明したが、これは例示に過ぎず、当該分野において通常の知識を有する者であれば、これらから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能であるということを理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決められるべきである。
１０ 電池部
２０ 電子接触器部
３０ 初期充電部
４０ 直流遮断器
５０ コンバータ部
６０、７０ フィルタ部
７５ 交流遮断器
８０ ＢＭＳ
９０ 制御部

Claims (6)

  1. 複数の電池の充電状態に関する情報を制御部に提供する電池管理部と、
    前記複数の電池と連結される複数の電子接触器と、
    系統から印加される交流電圧を直流電圧に変換して電池に供給するコンバータ部と、
    前記複数の電池の初期充電を行う初期充電部と、
    前記複数の電池のそれぞれが前記初期充電部に連結されると初期充電を行い、前記複数の電池のそれぞれを電圧制御により満充電圧より少ない第１の電圧まで充電し、前記複数の電池を電流制御方式により満充に当たる第２の電圧に対して所定の割合まで充電し、前記複数の電池を電圧制御方式により前記第２の電圧まで充電するように制御する前記制御部と、
    を含む、電気自動車の充電システムの制御装置。
  2. 前記制御部は、前記複数の電池が前記第１の電圧まで充電されると、前記複数の電池に連結された前記複数の電子接触器をターンオンする、請求項１に記載の電気自動車の充電システムの制御装置。
  3. 前記制御部は、前記複数の電池のうち第１の電池に連結された第１の電子接触器をターンオンし、前記第１の電池が前記第１の電圧まで到達すると、前記第１の電子接触器をターンオフする、請求項１または２に記載の電気自動車の充電システムの制御装置。
  4. 前記コンバータ部は、前記複数の電池の何れか１つ以上から供給される直流電圧を交流電圧に変換して系統に供給する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の電気自動車の充電システムの制御装置。
  5. 前記複数の電子接触器と前記コンバータ部との間に配置され、過電流が電池に流入されることを防止する直流遮断器をさらに含む、請求項１乃至４の何れか一項に記載の電気自動車の充電システムの制御装置。
  6. 前記コンバータ部と系統との間に配置され、過電流が系統に流入されることを防止する交流遮断器をさらに含む、請求項１乃至５の何れか一項に記載の電気自動車の充電システムの制御装置。
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