JPWO2014010025A1

JPWO2014010025A1 - 充電システム及び充電方法

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Publication number: JPWO2014010025A1
Application number: JP2014524520A
Authority: JP
Inventors: 薄田　隆行; 隆行薄田; 信頼吉岡
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2016-06-20
Also published as: WO2014010025A1

Abstract

電源１００と、電源１００に接続されて電力を消費する負荷１１１と、負荷１１１の消費電力を測定する消費電力測定部１２２と、電源１００による供給電力の範囲内で負荷１１１が消費できる許容電力値が記憶された記憶部１２５と、記憶部１２５に記憶された許容電力値と消費電力測定部１２２により測定された消費電力値との差を余剰電力値として算出する余剰電力算出部１２６と、電源１００から、余剰電力値に相当する電力を蓄電部１４０に供給して充電する変換部１３５と、を備える。上記構成により、電源１００の余剰電力を最大限に活用し、蓄電部１４０に対する短時間充電、急速充電を低コストにて可能にする。

Description

本発明は、契約電力の範囲内で蓄電部に対する充電電力を最大化する充電システム、及び、この充電システムを用いた充電方法に関するものである。

図４は、従来の充電システムの一例を示す概略的な構成図であり、例えば、各種商業施設や交通施設、公共施設等に設置される電気自動車用の充電スタンドに適用される充電システムである。
図４において、商用電源１０に接続された給電線２０には、充電スタンドの設置者が保有する負荷であって、商用電力が供給される既設の空調設備や照明器具、電動機等の負荷３０が接続されている。

また、給電線２０には、電気自動車（以下、単にＥＶともいう）５０に搭載されたバッテリ５１を充電するためのＥＶ用充電器４０が接続されている。この充電器５０は、商用電源１０の交流電力を所定の直流電力に変換してバッテリ５１に供給する電力変換器４１と、充電電力値（充電器４０の定格電力値）を設定するための設定器４２と、上記充電電力値を記憶するメモリ４３と、を備えている。なお、ＥＶ５０のバッテリ５１は、給電線、信号線及び通信線を備えた所定規格のケーブル７０により電力変換器４１の出力側のコネクタ（図示せず）に接続可能である。

上記充電システムの動作は、以下の通りである。
充電器４０内の電力変換器４１は、設定器４２により設定されてメモリ４３に記憶された充電電力値に従い、バッテリ５１との間で電圧・電流等の情報をやり取りしながら電力変換を行って直流電力を出力し、バッテリ５１を充電する。
ここで、既設の負荷３０による消費電力値と充電器４０による充電電力値との合計は、電力会社と充電スタンドの設置者との間の契約電力値を超えることはできない。また、負荷３０の消費電力は常に一定ではなく、季節や時間帯、天候等によって変動する。従って、負荷３０への給電を優先させる限り、一般的には、設定器４２により比較的低めに設定した一定の電力値の範囲内で充電器４０を使用することになる。
しかし、充電に利用できる電力が少ないと、その分、充電時間が長くなり、いわゆる急速充電が不可能になるという問題があった。

充電電力を十分に確保するためには、負荷３０の消費電力を含めた電力会社との契約電力を見直すか、あるいは、充電器４０のために専用の契約を別途結ぶことが考えられるが、いずれにしてもコストが増加する。
従って、コストの増加を伴わずに短時間で充電可能な充電システムの提供が望まれていた。

ここで、特許文献１には、電力供給時間帯が定められた第１の電源により優先的にバッテリを充電し、上記電力供給時間帯以外には、電力供給時間帯に制限のない第２の電源によりバッテリを充電するようにした電気自動車用バッテリの充電制御装置が開示されている。
この従来技術によれば、第１の電源として深夜電力料金が適用されるＡＣ２００Ｖ電源を利用し、深夜電力料金の時間帯に充電が終了しない場合には通常のＡＣ１００Ｖ電源により充電を継続することができ、バッテリの充電量が不足する事態を回避することが可能である。

特開平８−２２８４０６号公報（段落[０００７]〜[００１１]，図１等）

特許文献１に記載された従来技術によれば、深夜電力の利用によりコストをある程度低減することは可能であるが、二つの電源系統と契約しなくてはならないと共に、充電回路に設けられた電源変圧器の入力電圧を切り替えるタップ切替回路が必要である等、別のコスト上昇要因があり、また、回路構成が複雑化する等の問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、バッテリ等の蓄電部を除く既設の負荷による消費電力が変動することに着目し、負荷が消費できる許容電力の範囲内で消費電力に応じて変動する余剰電力を最大限に利用して蓄電部を充電することにより、蓄電部の短時間充電、急速充電を可能にした充電システム及び充電方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る充電システムは、電源と、この電源に接続されて電力を消費する負荷と、この負荷の消費電力値を測定する消費電力測定部と、負荷が消費できる許容電力値が記憶された記憶部と、この記憶部に記憶された許容電力値と消費電力値との差を余剰電力値として算出する余剰電力算出部と、電源から前記余剰電力値に相当する電力、または余剰電力値を上限とする電力を蓄電部に供給して充電する充電部と、を備えている。ここで、充電部は、内部に設定された定格電力値を上限値として、余剰電力値に相当する電力を蓄電部に供給可能であり、電源から供給される電力を蓄電部の充電に適応した電力に変換して出力する電力変換部を有することが望ましい。
一方、蓄電部は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるバッテリであり、この蓄電部と充電部とは、ケーブル等の導電部材を介して接続可能である。
また、本発明に係る充電方法は上記充電システムによって実現されるものであり、いわゆる契約電力以下で負荷が消費できる許容電力値と負荷の消費電力値との差である余剰電力値を算出し、電源から、余剰電力値に相当する電力、または余剰電力値を上限とする電力を蓄電部に供給するものである。
本発明に係る充電システムにおいて、消費電力測定部、記憶部、及び余剰電力算出部を有する電力監視部を、充電部とは別体にて形成し、余剰電力値を、有線または無線通信手段により電力監視部から充電部に送信するように構成してもよい。そして、充電部は、有線または無線通信手段の異常発生時に、定格電力値を余剰電力値に置き換えて蓄電部を充電する。
電力監視部は、電源が負荷に電力を供給する給電線に接続され、かつ、給電線を介して通信を行う電力線通信部を備えていてもよく、この電力線通信部を介して許容電力値が変更された場合には、既に記憶されている許容電力値を変更後の値に更新することが望ましい。
なお、充電部に蓄電部が接続されたことを検出する検出手段を更に備え、この検出手段から出力される接続検出信号の発生時に、余剰電力算出部を動作させて余剰電力値を演算し、この余剰電力値に基づいて充電するように構成しても良い。

本発明によれば、蓄電部以外の負荷による消費電力の変動に応じて変動する余剰電力を最大限に利用して蓄電部を充電することにより、蓄電部の短時間充電、急速充電を行うことができる。このため、電力会社との間で新たな契約を結ぶ必要もなく、低コストの充電システム及び充電方法を実現可能である。

本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態における許容電力値、消費電力値及び余剰電力値の関係を示す図である。本発明の実施例の構成を示すブロック図である。従来の充電システムの一例を示す概略的な構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る充電システムの構成を示すブロック図である。
図１において、商用電源等の電源１００には、給電線１０１を介して既設負荷設備１１０が接続されている。この既設負荷設備１１０は、本実施形態の充電システムが設置される施設に予め設けられた空調設備や照明器具、電動機等の負荷１１１によって構成されている。

給電線１０１には、電力検出部１２１を介して消費電力測定部１２２が接続されている。電力検出部１２１及び消費電力測定部１２２は、電源１００から負荷１１１に供給される電圧、電流を検出して負荷１１１の消費電力を算出し、その消費電力値を余剰電力算出部１２６に送出する。
また、給電線１０１には電力線通信部１２３が接続されており、この電力線通信部１２３は、電源１００からの供給電力（契約電力）に基づき、負荷１１１が消費できる許容電力値を、設定部１２４を介して記憶部１２５に記憶させる。この記憶部１２５に記憶される許容電力値は、設定部１２４により、契約電力の範囲内で変更・更新可能である。
余剰電力算出部１２６は、記憶部１２５から読み出した許容電力値と前記消費電力値との差を算出し、この差を余剰電力値として出力する。
通信部１２７は、後述する充電部１３０内の通信部１３１との間で相互に通信を行うものであり、余剰電力値等の情報を充電部１３０に伝達するために使用される。
上記の電力検出部１２１、消費電力測定部１２２、電力線通信部１２３、設定部１２４、記憶部１２５、余剰電力算出部１２６、及び通信部１２７により、電力監視部１２０が構成される。

余剰電力算出部１２６により算出した余剰電力値は、記憶部１３３に送られて記憶される。この記憶部１３３には、設定部１３２により設定される充電部１３０の定格電力値も記憶されている。
記憶部１３３に記憶された余剰電力値及び定格電力値は選択部１３４により何れかが選択され、変換部１３５に送られる。変換部１３５は、選択部１３４の出力に基づいて電源１００の供給電力を所定の電圧・電流値の電力に変換し、出力する。
なお、前記通信部１２７及び通信部１３１は、有線または無線通信手段によって構成されている。通信部１３１からは、通信部１２７との通信状況に応じて通信可否信号（ＯＫまたはＮＧ）が出力され、選択部１３４はこの通信可否信号に応じて記憶部１３３内の余剰電力値または定格電力値を選択して出力する。ここで、記憶部１３３から定格電力値が出力される場合には、この定格電力値を上限値として変換部１３５が充電電力を出力するようになっている。
上記の通信部１３１、設定部１３２、記憶部１３３、選択部１３４、及び変換部１３５により、充電部１３０が構成される。
ここで、充電部１３０により充電される蓄電部１４０は、自動車用のバッテリを始めとした各種の蓄電装置である。

次に、この実施形態の動作を、図２を参照しつつ説明する。
まず、記憶部１２５には、電力線通信部１２３及び設定部１２４を介して、電源１００の契約電力以下の許容電力値が記憶される。この許容電力値は、負荷１１１の消費電力値と充電部１３０による充電電力値との合計値に相当するものであり、契約電力値をそのまま用いても良いが、上記合計値が常に契約電力値を超えないように、ある程度余裕を見て契約電力値未満の値（例えば、契約電力値の９５％等）に設定される。

この状態で負荷１１１が運転されると、消費電力測定部１２２は負荷１１１の消費電力値を時々刻々、演算する。余剰電力算出部１２６は、記憶部１２５から読み出した許容電力値と消費電力値との差を余剰電力値として算出し、この余剰電力値を通信部１２７，１３１の動作により記憶部１３３に送出する。
通信部１２７，１３１の動作が正常である場合、通信部１３１からは信号（ＯＫ）が選択部１３４に出力され、選択部１３４は記憶部１３３内の余剰電力値を選択して変換部１３５に出力する。このため、変換部１３５は、余剰電力値に相当する充電電力を生成して出力し、蓄電部１４０を充電する。あるいは、余剰電力値を上限値として所定の大きさの充電電力を生成し、出力しても良い。

図２は、許容電力値、消費電力値及び余剰電力値の関係を示しており、消費電力値の変動に応じて、余剰電力値は図示するように変動する。すなわち、この実施形態では、負荷１１１による消費電力値が変動した場合には、許容電力値と消費電力値との差分である余剰電力値を最大限利用して蓄電部１４０を充電することができ、例えば負荷１１１の消費電力値が小さい場合には、大きな余剰電力値を用いて短時間で蓄電部１４０を充電することが可能である。
なお、通信部１２７，１３１に異常がある場合、通信部１３１からは信号（ＮＧ）が選択部１３４に出力される。この場合、余剰電力値を通信情データとしては得られないため、選択部１３４は記憶部１３３内の定格電力値を選択して変換部１３５に出力する。これにより、変換部１３５は、定格電力値を上限値として所定の大きさの充電電力を生成し、蓄電部１４０を充電する。ここで、変換部１３５では、定格電力値を余剰電力値として扱い、この余剰電力値（定格電力値）に相当する充電電力を生成しても良い。
このように、本実施形態では、通信部１２７，１３１に異常がある場合にも蓄電部１４０を支障なく充電することができる。

次に、本発明の実施例の構成及び動作を説明する。図３は、この実施例の構成を示すブロック図であり、図４と同一の構成要素には同一の番号を付してある。この実施例は、例えば充電スタンドや各種商業施設、交通施設等に設置され、ＥＶ５０用のバッテリ５１を充電するための充電システムに関するものである。なお、バッテリ５１は、ＥＶ５０に予め搭載されていても良いし、充電後にＥＶ５０に搭載されるものでも良い。

図３において、商用電源１０に接続された給電線２０には、電力監視装置６０内の電力デマンド計６１を介して負荷３０が接続されている。ここで、電力監視装置６０は図１の電力監視部１２０に相当する。
図３の負荷３０は、ＥＶ用充電器４０Ａが設置された施設の空調設備や照明器具、電動機等であり、図１における負荷１１１に相当する。また、電力デマンド計６１は、負荷３０の消費電力値（デマンド）を測定するためのものであり、図１の消費電力測定部１２２に相当する。

電力監視装置６０は、オペレータによる入力操作により、契約電力以下で負荷３０が消費できる許容電力値を設定するタッチパネルやキーボード等の設定器６２を備えており、この設定器６２により設定された許容電力値と前記電力デマンド計６１により測定した消費電力値とは演算制御部６３に入力されている。前述したように許容電力値は、例えば、契約電力値の９５％等に設定される。
設定器６２は電力監視装置に外付けしてもよく、電力監視装置の外部から適宜な通信手段を用いて許容電力値を入力しても良い。
なお、設定器６２は、図１における設定部１２４及び記憶部１２５に相当する。

演算制御部６３は、ＣＰＵ等の演算処理装置により許容電力値と消費電力値との差を演算し、これを余剰電力値として通信部６４に送出する。また、演算制御部６３は、電力デマンド計６１及び通信部６４に対する制御動作も実行可能である。
この演算制御部６３は、図１における余剰電力算出部１２６に相当する。

一方、給電線２０に接続されたＥＶ用充電器４０Ａは、前記同様に、商用電源１０の交流電力を充電に適した所定の直流電力に変換してＥＶ５０内のバッテリ５１に供給する電力変換器４１と、充電器４０Ａの定格電力値を設定するための設定器４２と、上記定格電力値及び前記余剰電力値を記憶するメモリ４３とを備えている。
これらのＥＶ用充電器４０Ａ、電力変換器４１、設定器４２、メモリ４３は、それぞれ、図１の充電部１３０、変換部１３５、設定部１３２、記憶部１３３に相当する。

更に、充電器４０Ａは、電力監視装置６０内の通信部６４との間で有線または無線により通信可能な通信部４４を備えており、電力監視装置６０内の通信部６４から送信された余剰電力値を受信してメモリ４３に記憶するように構成されている。通信部６４，４４の故障や、両者間を有線にて接続した場合の断線等、通信手段に各種の異常が発生した場合には、設定器４２により設定されてメモリ４３に記憶された充電器４０Ａの定格電力値を余剰電力値とみなしてこの余剰電力値に相当する充電電力を出力させたり、定格電力値を上限値とする充電電力を出力させるように電力変換器４１を制御することが望ましい。
また、通信手段の異常時には、必要に応じてアラームを出力させたり、充電を停止する等の措置を講じても良い。

なお、電力監視装置６０及びＥＶ用充電器４０Ａを一体的に形成して演算制御部６３による演算結果をメモリ４３に直接記憶させたり、電力デマンド計６１により測定した消費電力値と設定器６２により設定した許容電力値とを通信部６４，４４経由で充電器４０Ａに送信し、充電器４０Ａ側で演算処理することにより余剰電力値を求めても良い。
要は、負荷３０の消費電力値に応じた余剰電力値を充電器４０Ａが知得できれば、通信手段の有無や装置の構成は問わないものである。

電力変換器４１は、メモリ４３を参照し、充電器４０Ａの定格電力値を上限として電力監視装置６０から受信した余剰電力値に相当する電力、または余剰電力値を上限とする電力を出力するように電力変換動作を行い、ＥＶ５０内のバッテリ５１に充電電力を供給する。
この電力変換器４１は、電力変換を行うためにオン・オフ動作する半導体スイッチング素子からなるスイッチ部４１ａ及び制御回路４１ｂを備え、ＥＶ５０の利用者により操作される充電器４０Ａ内の充電開始スイッチ、充電終了スイッチ（何れも図示せず）等による指令に従って前記制御回路４１ｂが動作する。また、制御回路４１ｂは、前記メモリ４３及び通信部４４に接続されており、これらの動作も制御可能である。
前述したように、ＥＶ５０内のバッテリ５１は、給電線、信号線及び通信線を備えた所定の規格のケーブル７０により、電力変換器４１の出力側のコネクタ（図示せず）に接続可能となっている。

この実施例においては、通信部６４，４４が正常であれば、演算制御部６３により演算された図２の余剰電力値が充電器４０Ａに送られ、電力変換器４１はこの余剰電力値に応じた電力を出力してバッテリ５１を充電する。このため、負荷３０の消費電力値が変動したとしても、許容電力値の範囲内で余剰電力値を最大限利用してバッテリ５１を充電することができ、低い値で固定された充電電力に従って充電する場合に比べて、充電に要する時間を短縮することができる。
また、前述したように、通信部６４，４４に異常が発生した場合には充電器４０Ａの定格電力値を基準として充電電力を出力するので、バッテリ５１の充電が不可能になるおそれはない。

なお、この実施例では、ＥＶ５０の利用者によりバッテリ５１がケーブル７０を介して電力変換器４１に接続された状態で充電開始スイッチを操作することにより、電力変換器４１がバッテリ５１の電圧等を検出して電力変換動作すなわち充電動作を開始する。
しかし、電力変換器４１の出力側にケーブル７０を介してバッテリ５１が接続されたことは、制御回路４１ｂとバッテリ５１とがケーブル７０経由で信号を送受信したり、あるいは、ケーブルの装着時に機械的なスイッチを連動させれば容易に検出可能である。従って、バッテリ５１が接続されたことを制御回路４１ｂが検出し、その接続検出信号を利用して充電動作を自動的に開始することもできる。
具体的には、バッテリ５１の接続検出信号を、通信部４４，６４を介して演算制御部６３に送ることにより、演算制御部６３が電力デマンド計６１を起動して負荷３０の消費電力値を収集し、更に余剰電力値を演算して充電器４０Ａに送ると共に、制御回路４１ｂにより電力変換器４１を起動して充電電力を発生させれば良い。
これにより、電力デマンド計６１を常に動作させて負荷３０の消費電力を測定する必要がなくなるので、省電力化を図ることができる。

本発明の充電システムは、ＥＶ用だけでなくハイブリッド自動車用も含む自動車全般のバッテリの充電に利用可能である。また、本発明の充電システムは、自動車用に限らず、各種電気機器の直流電源として用いられる蓄電装置の充電にも利用することができる。

１０：商用電源
２０：電力線
３０：負荷設備
４０Ａ：充電器
４１：電力変換器
４１ａ：スイッチ部
４１ｂ：制御回路
４２：設定器
４３：メモリ
４４：通信部
５０：ＥＶ（電気自動車）
５１：バッテリ
６０：電力監視装置
６１：電力デマンド計
６２：設定器
６３：演算制御部
６４：通信部
７０：ケーブル
１００：電源
１０１：給電線
１１０：既設負荷設備
１１１：負荷
１２０：電力監視部
１２１：電力検出部
１２２：消費電力測定部
１２３：電力線通信部
１２４：設定部
１２５：記憶部
１２６：余剰電力算出部
１２７：通信部
１３０：充電部
１３１：通信部
１３２：設定部
１３３：記憶部
１３４：選択部
１３５：変換部
１４０：蓄電部

Claims

電源と、
前記電源に接続されて電力を消費する負荷と、
前記負荷の消費電力を測定する消費電力測定部と、
前記電源による供給電力の範囲内で前記負荷が消費できる許容電力値が記憶された記憶部と、
前記記憶部に記憶された許容電力値と前記消費電力測定部により測定された消費電力値との差を余剰電力値として算出する余剰電力算出部と、
前記電源から、前記余剰電力値に相当する電力を蓄電部に供給してこの蓄電部を充電する充電部と、
を備えたことを特徴とする充電システム。
電源と、
前記電源に接続されて電力を消費する負荷と、
前記負荷の消費電力を測定する消費電力測定部と、
前記電源による供給電力の範囲内で前記負荷が消費できる許容電力値が記憶された記憶部と、
前記記憶部に記憶された許容電力値と前記消費電力測定部により測定された消費電力値との差を余剰電力値として算出する余剰電力算出部と、
前記電源から、前記余剰電力値を上限値とする電力を蓄電部に供給してこの蓄電部を充電する充電部と、
を備えたことを特徴とする充電システム。
請求項１に記載した充電システムにおいて、
前記充電部は、内部に設定された定格電力値を上限値として、前記余剰電力値に相当する電力を前記蓄電部に供給することを特徴する充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記消費電力測定部、前記記憶部、及び前記余剰電力算出部を有する電力監視部を、前記充電部とは別体にて形成し、前記余剰電力値を、有線または無線通信手段により前記電力監視部から前記充電部に送信することを特徴する充電システム。
請求項４に記載した充電システムにおいて、
前記充電部は、前記有線または無線通信手段の異常発生時に、前記定格電力値を前記余剰電力値として扱うことを特徴する充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記電源は商用電源であり、
前記充電部は、前記商用電源から供給される電力を前記蓄電部の充電に適応した電力に変換して出力する変換部を有することを特徴とする充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記充電部と前記蓄電部とが導電部材を介して接続可能に構成され、前記蓄電部は自動車に搭載されることを特徴とする充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記電力監視部は、
前記電源が前記負荷に電力を供給する給電線に接続され、かつ、前記給電線を介して通信を行う電力線通信部を更に備え、
前記電力線通信部を介して前記許容電力値が変更されると前記記憶部の前記許容電力値を変更後の許容電力値に更新することを特徴とする充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記消費電力測定部、前記記憶部、及び前記余剰電力算出部を有する電力監視部を、前記充電部とは別体にて形成し、前記余剰電力値を、有線または無線通信手段により前記電力監視部から前記充電部に送信すると共に、
前記充電部は、前記電源から供給される電力を前記蓄電部の充電に適応した電力に変換して出力する変換部を備え、前記有線または無線通信手段の異常発生時に、前記変換部は、前記定格電力値を前記余剰電力値としてこの余剰電力値に相当する電力を前記蓄電部に供給することを特徴する充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記充電部に前記蓄電部が接続されたことを検出する検出手段を備え、
前記検出手段から出力される接続検出信号の発生時に、前記余剰電力算出部を動作させて前記余剰電力値を演算することを特徴する充電システム。
請求項１〜３の何れか１項に記載した充電システムにおいて、
前記蓄電部は車載型のバッテリであることを特徴とする充電システム。
電源による供給電力の範囲内で負荷が消費できる許容電力値と、前記負荷の消費電力値と、の差である余剰電力値を算出し、
前記電源から、前記余剰電力値に相当する電力、または前記余剰電力値を上限値とする電力を蓄電装置に供給してこの蓄電装置を充電することを特徴とする充電方法。