WO2015041253A1 - 充電設備および充電設備のエネルギーマネジメント方法 - Google Patents

Abstract

　充電設備は、複数の電源装置から供給される直流電力を直流バスに集めてから電気自動車用車載充電池の充電に利用し、この充電設備のエネルギーマネジメント方法では、各電源装置が直流バスの電圧変化に応じてそれぞれ独立した自動制御によって動作する。複数の電力供給源をまとめて制御する上位の制御部が不要で、かつ、複数の電源装置を、それぞれの出力端子を直流バスに接続するだけの簡便な構成によって組み合わせることが出来、また、充電設備全体をフレキシブルに運用することが出来る。こうして、系統電源に複数の電力変換器を組み合わせつつも簡便な構成で、かつ、フレキシブルな運用が可能となる。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　充電設備および充電設備のエネルギーマネジメント方法

　本発明は、太陽光発電モジュール等の発電装置や定置型蓄電池等の充放電装置を連係した電気自動車用の急速充電設備に関し、充電設備に連携する各装置のエネルギーマネジメント方法に好適に利用できる。

　電気自動車の、急速充電時には、その走行時に消費される電力を、比較的短い充電時間で供給する必要がある。言い換えれば、いわゆる系統電源、すなわち商用の電力を供給する電力設備にとっては、電気自動車の充電時間の短さに反比例して大きな負荷がかかることになる。

　しかも、電気自動車の急速充電が必要となる時間帯は、ドライバーの生活パターンに依存するため、今後、電気自動車が普及すれば、季節や曜日、時間帯等によって急速充電が集中的に行われる可能性もある。そこで、急速充電により短時間の間だけ発生する電力需要を平滑化し、系統電源に対する電力需要のピークを抑える為の制御が必要となる。

　その方法として、系統電源の他に、太陽光発電装置等の発電装置や、定置型蓄電池等の蓄電装置など、複数の装置を組み合わせて使用する技術が知られている。

　上記に関連して、特許文献１（ＷＯ２０１１／１６２０２５号公報）には、直流配電システムに関わる技術が開示されている。特許文献１に記載の直流配電システムは、直流配電系統と、第１電力変換装置と、第２電力変換装置と、第３電力変換装置とを備える。直流配電系統は、負荷装置に直流電力を供給する。第１電力変換装置は、直流配電系統に太陽光発電装置の発電電力を電圧変換して供給する。第２電力変換装置は、直流配電系統に常時接続された第１電力貯蔵装置と直流配電系統との間で電圧変換して、一方側から他方側へ電力供給する。第３電力変換装置は、交流系統と直流配電系統の間で電力変換して、一方側から他方側へ電力供給する。この直流配電システムは、動作モード設定部と、動作制御部とを備える。動作モード設定部は、直流配電システムの動作モードを設定するための動作モード決定情報に応じて、動作モードを決定する。動作制御部は、動作モード設定部によって設定された動作モードに応じて、第２電力変換装置に第１制御パラメータを、第３電力変換装置に第２制御パラメータを夫々設定する。第２電力変換装置は、直流配電系統の電圧と第１制御パラメータに応じて、電力供給方向、運転開始及び運転停止の制御を行う。第３電力変換装置は、直流配電系統の電圧と第２制御パラメータに応じて、電力供給方向、運転開始及び運転停止の制御を行う。

　特許文献１に記載の直流配電システムでは、まず、複数の電源装置から供給される電力を充電設備の蓄電装置に充電し、次に、蓄電装置に充電された電力を放電することで電気自動車を充電する。そのためには、蓄電装置が充電または放電するタイミングや、系統電源や発電装置等の複数の電源装置が蓄電池に向けて電力を供給するタイミングなどを、適切に制御する必要がある。

ＷＯ２０１１／１６２０２５号公報

　系統電源に発電装置、蓄電装置を組み合わせつつも簡便な構成で、かつ、フレキシブルな運用が可能な電気自動車用急速充電設備と、この充電設備のエネルギーマネジメント方法を提供する。

　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　一実施の形態によれば、充電設備は、複数の電源装置, 及び蓄電装置から供給される電力を電力変換器で変圧し、直流バスに集めてから電気自動車の充電に利用する。この充電設備のエネルギーマネジメント方法では、各電力変換器が直流バスの電圧変化に応じてそれぞれ独立した自動制御によって動作する。

　前記一実施の形態によれば、複数の電力供給源をまとめて制御する上位の制御部が不要で、かつ、複数の電源装置を、それぞれの出力端子を直流バスに接続するだけの簡便な構成によって組み合わせることが出来、また、充電設備全体をフレキシブルに運用することが出来る。

図１は、本発明の実施形態による充電設備の構成例を示すブロック回路図である。 図２は、本発明の実施形態による充電設備のエネルギーマネジメント方法の一例を示すグラフである。 図３は、本発明の実施形態による充電設備のエネルギーマネジメント方法の別の一例を示すグラフである。

　添付図面を参照して、本発明による充電設備および充電設備のエネルギーマネジメント方法を実施するための形態を以下に説明する。

［実施形態］
　本発明の実施形態では、同一の直流バスに複数の電力変換器を接続した充電設備の一構成例について説明する。

　複数の電力変換器は、大きく３種類に分類することが出来る。第１の分類に含まれる電力変換器は、系統電源等、外部から供給される交流電力を直流電力に変換して直流バスに供給する。第２の分類に含まれる電力変換器は、太陽光発電モジュール等の発電装置によって生成される電力を直流バスに供給する。第３の分類に含まれる電力変換器は、蓄電装置を充電する為に直流バスから電力を入力する。また、蓄電装置に充電された電力を放電し、電力を直流バスに供給する。

　ここで説明する充電設備は、系統電源と接続され、１台の発電装置と、１台の蓄電装置とを有している。しかし、これらの数はあくまでも一例であって、本発明を限定するものではない。詳しくは後述するが、系統電源との接続の有無や、発電装置、及び蓄電装置の接続台数には特に制限が無く、場合によっては系統電源、発電装置、蓄電装置のうち、いずれかが連係していなくても、残りの組合せによって運用を続けることが可能である。

　図１は、本発明の実施形態による充電設備の構成例を示すブロック回路図である。図１に示した充電設備の構成要素について説明する。

　図１に示した充電設備は、直流バス１と、系統電源６０を受電するための系統電源用ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ：交流）／ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ：直流）変換回路１０と、太陽光発電モジュール２１と、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２と、定置型蓄電池３１と、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２と、充電器４１と、電気自動車用の充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路４２とを含んでいる。

　系統電源６０を受電し、直流電圧に変換する為の系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０は、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３と、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４とを含んでいる。発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２は、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３と、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路２４とを含んでいる。なお、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２と、太陽光発電モジュール２１とを合わせて、発電システムと呼称しても良い。蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２は、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３と、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４とを含んでいる。定置型蓄電池３１は、蓄電池セル３５と、蓄電池状態監視装置３６とを含んでいる。なお、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２と、定置型蓄電池３１とを合わせて、蓄電システムと呼称しても良い。充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路４２は、充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路４３と、充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路４４とを含んでいる。なお、充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路４２と、充電器４１とを合わせて、充電システムと呼称しても良い。また、各変換回路の動力回路は、直流電力を生成する直流電力生成装置として機能する。

　図１には、その他に、電気自動車５０と、車載充電回路５１と、車載充電池５２と、系統電源６０とが示されている。ここで、車載充電回路５１と、車載充電池５２とは、電気自動車５０に含まれている。

　直流バス１は、図１には図示を省略するが、正電圧を印加される正電圧バスと、負電圧を印加される負電圧バスとを含んでいる。なお、この構成はあくまでも一例であって、例えば、負電圧バスの代わりにグランドを用いても良い。また、太陽光発電モジュール２１は、あくまでも一例であって、例えば、代わりに風力発電モジュールを用いても良い。

　図１に示した充電設備の構成要素の機能について説明する。系統電源６０から受電した電力は系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０によって交流電圧から直流電圧に変換され、直流バス１に供給される。

　発電システムは、太陽光発電モジュール２１が発電した電力を発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２によって変圧（ＤＣ／ＤＣ変換）し、直流バス１に供給する。

　蓄電システムに関しては、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２によって直流バス１から定置型蓄電池３１に充電電力が供給され、また直流バス１に定置型蓄電池３１から放電電力を供給する。

　充電システムに関して、電気自動車５０の車載充電池５２の残量に応じて、車載充電回路５１が要求した電力を直流バス１から供給し、車載充電池５２の充電をおこなう。

　本発明の実施形態による充電設備の動作について、すなわち本発明の実施形態による充電設備のエネルギーマネジメント方法について、より詳細に説明する。

　本発明の実施形態による充電設備およびそのエネルギーマネジメント方法は、以下の三つの特徴がある。一つ目は、電気自動車５０への充電電力を制限せずに、系統電源６０からの受電電力のピークカットを可能とすることである。受電電力のピークカットを行うことにより、電気料金の基本料金を抑えることができる。二つ目は、太陽光発電電力等の再生可能エネルギーを最大限に利用可能とすることである。三つ目は、電力変換器による電力損失を減らすことを可能とすることである。

　そこで、本発明の実施形態では、次のような優先順位を用いて車載充電池５２の充電を行う。すなわち、まず、発電システムから供給される電力を用いる。発電システムから供給される電力が不十分であれば、系統電源６０から供給される電力を加えて用いる。ここで、系統受電電力のピークカットを実現する為、系統電源６０から受電する電力には上限値を設定している。この為、発電システムおよび系統電源６０から供給される電力がまだ不十分であれば、蓄電システムの放電によって供給される電力をさらに加えて用いる。

　また、本発明の実施形態では、蓄電システムの充電も、次のような優先順位を用いて行う。すなわち、定置型蓄電池３１の充電残量にある程度の余裕がある場合には、発電システムから供給される電力だけを用いて、定置型蓄電池３１の充電を行う。定置型蓄電池３１の充電残量が所定の基準値よりも減少している場合には、発電システムから供給される電力に系統電源６０から供給される電力も合わせて用いて、定置型蓄電池３１の充電を短時間で行う。

　以上の制御は、系統電源６０と、発電システムと、蓄電システムと、充電システムとの各電力変換器によって、それぞれ個別に、すなわち他の電力変換器とは独立して行われる。より具体的には、例えば系統電源６０に接続された系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０の動作は、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３が直流バス１の電圧を監視し、その結果に基づいて系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３が系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４の動作を制御することによって行なわれる。このとき、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３が行う制御は、発電システム、蓄電システムおよび充電システムとは無関係である。発電システム、蓄電システムおよび充電システムの動作についても同様である。

　言い換えれば、本発明による充電設備は、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０、発電システムおよび蓄電システムから供給される電力を、直流電力の形で直流バス１に集め、直流バス１に集められた直流電力で電気自動車５０の車載充電池５２を充電する。また、本発明による充電設備では直流バス１における直流電圧を固定する制御を行わず、直流バス１における直流電圧の変動を、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０、発電システム、蓄電システムおよび充電システムが個別に自動制御を行うトリガーとして用いる。

　図２を用いて、図１に示した充電設備の全体的な動作の一例について説明する。図２は、本発明の実施形態による充電設備のエネルギーマネジメント方法の一例を示すグラフである。

　図２は、第１グラフ（Ａ）～第４グラフ（Ｄ）の合計４つのグラフを含んでいる。これら第１グラフ（Ａ）～第４グラフ（Ｄ）のそれぞれにおいて、縦軸は直流バス１の電圧を示しており、縦軸は直流バス１の出力電力を示している。

　第１グラフ（Ａ）は、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０から直流バス１に供給される電力と、直流バス１の電圧との関係を示している。第２グラフ（Ｂ）は、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２から直流バス１に供給される電力と、直流バス１の電圧との関係を示している。第３グラフ（Ｃ）は、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２から直流バス１に供給される電力と、直流バス１の電圧との関係を示している。第４のグラフ（Ｄ）は、充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路４２から直流バス１にかけられる負荷と、直流バス１の電圧との関係を示している。

　なお、図２に示したグラフの縦軸において、Ｐ１は発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の定格等によって決まる出力可能な最大電力であり、Ｐ２は系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０から受電する電力の上限設定値である。

　また、図２に示したグラフの横軸において、ＶＡは系統電源用設定電圧であり、ＶＢ１は発電装置用第１設定電圧であり、ＶＢ２は発電装置用第２設定電圧であり、ＶＣは蓄電装置用設定電圧である。ここで、系統電源用設定電圧ＶＡは、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０の系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３に設定されている。発電装置用第１設定電圧ＶＢ１および発電装置用第２設定電圧ＶＢ２は、発電システムの発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３に設定されている。蓄電装置用設定電圧ＶＣは、蓄電システムの蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３に設定されている。図２の例では、蓄電装置用設定電圧ＶＣは系統電源用設定電圧ＶＡより低く、系統電源用設定電圧ＶＡは発電装置用第２設定電圧ＶＢ２より低く、発電装置用第２設定電圧ＶＢ２は発電装置用第１設定電圧ＶＢ１より低く設定されている。

　より具体的には、例えば、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０において、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３は直流バス１の電圧を常時監視しており、直流バス１の電圧が系統電源用設定電圧ＶＡを上回ると系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３は系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４を制御し、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０から直流バス１への電力供給を停止する。反対に、直流バス１の電圧が系統電源用設定電圧ＶＡを下回ると系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３は系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４を制御し、系統電源６０から直流バス１に電力を供給する。

　同様に、発電システムにおいて、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３も直流バス１の電圧を常時監視しており、直流バス１の電圧が発電装置用第１設定電圧ＶＢ１を上回ると、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３は発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路２４の直流バス１への電力供給を停止する制御を行う。反対に、直流バス１の電圧が発電装置用第１設定電圧ＶＢ１を下回ると発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３は発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路２４の動作を開始する制御を行う。ＶＢ１から直流バス１の電圧が小さくなるのに従って発電システムから直流バス１への供給電力が大きくなり、ＶＢ２以下の電圧では最大発電電力を供給する。蓄電システムにおいて、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３も直流バス１の電圧を常時監視しており、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣを上回ると蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３は蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４の直流バス１への電力供給を停止する制御を行う。反対に、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣを下回ると蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３は蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４の放電動作を開始する制御を行う。

　図２の例では、まず、初期条件として、直流バス１の電力がゼロである状態から、充電設備を起動する。この状態から、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０が動作開始し、直流バス１の電圧を上昇させ系統電源用設定電圧ＶＡで安定させる。この後、発電システム、蓄電システムが動作を開始する。定置型蓄電池３１の充電量が上限に達している場合は、発電システムの発電電力によって直流バス１の電圧が上昇し、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１を上回ると、発電システムは直流バス１への電力供給を停止する。すなわち、直流バス１の電圧が発電装置用第１設定電圧ＶＢ１を上回っている状態では、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１が系統電源用設定電圧ＶＡよりも蓄電装置用設定電圧ＶＣよりも高く設定されているので、直流バス１への全ての電力供給が停止する制御が行われている。

　次に、電気自動車５０の車載充電池５２が車載充電回路５１を介して充電器４１に接続されたり、定置型蓄電池３１の充電が始まったりすると、直流バス１にかかる負荷が増加し、負荷の増加にしたがって直流バス１の電圧が下降する。

　直流バス１の電圧が、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１を下回ると、直流バス１の電圧を監視している発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３がこれを検知して、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路２４が動作を開始する制御を行う。

　発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路２４は、その動作を開始すると、太陽光発電モジュール２１が太陽光発電によって生成した直流電力を入力し、その直流電圧を変換して直流バス１に供給する。なお、発電電力の直流バス１への供給の有無・供給量については、直流バス１の電圧により、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２が決定する為、太陽光発電モジュール２１は、特に制御を受けることなく、太陽光発電を常時継続していても良い。

　以降、直流バス１の電圧が系統電源用設定電圧ＶＡに達するまでは、発電システムから直流バス１に供給される電力によって車載充電池５２の充電が行われる。

　発電システムが直流バス１に供給する発電電力は、直流バス１の電圧が下降するにしたがって上昇する。発電システムの発電電力は、直流バス１の電圧が下降して発電装置用第２設定電圧ＶＢ２に達するときに、発電装置の最大発電電力に達する。

　直流バス１の電圧がさらに下降して系統電源用設定電圧ＶＡに達すると、直流バス１の電圧を監視している系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３がこれを検知して、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４が直流バス１に電力供給を開始する。

　系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４は、系統電源６０から、系統の交流電力を入力する。系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路１４は、入力した交流電力を直流電力に変換して直流バス１に供給する。

　以降、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣに達するまでは、発電システムおよび系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０から直流バス１に供給される電力の総和によって車載充電池５２の充電が行われる。

　系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０が直流バス１に供給する電力は、直流バス１の電圧が下降するにしたがって上昇する。この例では、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０から出力される電力が受電電力の上限設定値である最大電力Ｐ２に達するときに直流バス１の電圧が達する電圧を、蓄電装置用設定電圧ＶＣとして蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３に設定している。言い換えれば、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０からの出力電力が最大電力Ｐ２に達すると同時に、蓄電システムが直流バス１への電力供給を開始するように、蓄電装置用設定電圧ＶＣが設定されている。

　直流バス１の電圧が下降して蓄電装置用設定電圧ＶＣに達すると、直流バス１の電圧を監視している蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３がこれを検知して、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４が放電動作を開始する制御を行う。

　蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４は、その放電動作を開始すると、定置型蓄電池３１に予め充電された直流電力を入力し、その電圧を変更して直流バス１に供給する。すなわち、定置型蓄電池３１が放電する直流電力が蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４を介して直流バス１に供給される。

　以降、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣより低い間は、発電システムが供給可能な最大電力Ｐ１と、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０が供給可能な最大電力Ｐ２と、蓄電システムから供給される放電電力との総和によって、車載充電池５２の充電が行われる。

　なお、系統電源用設定電圧ＶＡ、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１、発電装置用第２設定電圧ＶＢ２および蓄電装置用設定電圧ＶＣや、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０、発電システムおよび蓄電システムにそれぞれ設定された直流バス１の電力および電圧の関係を表すグラフの傾きなどは、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器制御回路１３、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路２３および蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３などに、所定の範囲内で調整可能である。このような調整を適宜に行うことによって、直流バス１にかかる負荷に対して電力を供給する各電力変換器の優先順位を自由に決定することが可能である。

　蓄電システムにおける定置型蓄電池３１の充電動作について説明する。直流バス１の電圧が、蓄電装置用設定電圧ＶＣより大きい値である間は、すなわち定置型蓄電池３１が放電しない間は、車載充電池５２の充電と並行して、定置型蓄電池３１の充電を行うことが可能である。

　ここで、定置型蓄電池３１の充電は、２つの動作モードに分けて行うことが可能である。まず、定置型蓄電池３１の充電残量が、予め設定されている所定の基準充電量以上、例えば５０％以上、である場合は、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０の電力を用いずに、発電システムから供給される電力だけで、充電を行う。この判定は、蓄電池状態監視装置３６が蓄電池セル３５の充電残量を監視することで行う。

　次に、定置型蓄電池３１の充電残量が基準充電量より少なく、例えば５０％未満であると判定される場合には、発電システムから供給される電力のみならず、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０から供給される電力も合わせて用いることで、充電を短時間で行う。この時も、系統電源６０から供給される電力は、受電電力の上限設定値以下となる。

　なお、定置型蓄電池３１の充電量が上限値に達した場合、かつ、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣ以上である場合には、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３は、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路３４の定置型蓄電池３１および直流バス１の両方に対する電力供給を停止する制御を行う。

　図３を用いて、図１に示した充電設備の全体的な動作の別の一例について説明する。図３は、本発明の実施形態による充電設備のエネルギーマネジメント方法の別の一例を示すグラフである。

　図３に示したグラフは、第１のグラフ（Ａ）および第２のグラフ（Ｂ）を含んでいる。第１のグラフ（Ａ）および第２のグラフ（Ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は時間の経過を示しており、縦軸は給電側電力を示している。

　第１のグラフ（Ａ）は、直流バス１から電気自動車５０の車載充電池５２に供給される電力の時間経過の一例を示している。第２のグラフ（Ｂ）は、直流バス１から定置型蓄電池３１に供給される電力の時間経過の一例を示している。

　図３に示したグラフの横軸において、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間は、直流バス１の電圧が系統電源用設定電圧ＶＡより高く、かつ、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１以下である期間を示している。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣより高く、かつ、系統電源用設定電圧ＶＡ以下である期間を示している。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間は、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣ以下である期間を示している。時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間は、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣに等しい期間を示している。時刻ｔ７から時刻ｔ８までの期間は、直流バス１の電圧が系統電源用設定電圧ＶＡに等しい期間を示している。時刻ｔ８から時刻ｔ９までの期間は、直流バス１の電圧が系統電源用設定電圧ＶＡ以上かつ発電装置用第１設定電圧ＶＢ１以下である期間を示している。ここで、系統電源用設定電圧ＶＡと、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１と、蓄電装置用設定電圧ＶＣとは、図２に係る説明の場合と同じものである。

　図３に示したグラフの縦軸において、電力Ｐ１は、発電システムが供給可能な最大電力を示している。電力Ｐ２は、発電システムが供給可能な最大電力と、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０が供給可能な最大電力との総和を示している。電力Ｐ３は、発電システムが供給可能な最大電力と、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０が供給可能な最大電力と、蓄電システムがその放電時に供給可能な最大電力との総和を示している。ここで、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０と、発電システムと、蓄電システムとのそれぞれが供給可能な最大電力は、図２に係る説明の場合と同じものである。

　図３の例では、本発明の実施形態による充電設備において、時間の経過による各装置の電力の需給状況を説明する。

　まず、時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて、電気自動車５０の充電は行われておらず、蓄電池セル３５はその容量の上限まで充電されている。この間、直流バス１の電圧は、系統電源用設定電圧ＶＡよりも高く、かつ、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１以下である。

　次に、時刻ｔ１において、電気自動車５０の充電が開始される。その後、時刻ｔ２において供給側電力が電力Ｐ１に達するまでは、直流バス１の電圧に応じて、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２が直流バス１に供給する電力で電気自動車５０の充電が行われる。時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、直流バス１の電圧は、系統電源用設定電圧ＶＡよりも高く、かつ、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１以下である。

　次に、時刻ｔ２において、前述のとおり、供給側電力が電力Ｐ１に達する。電気自動車５０の充電は続いており、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の最大発電電力と、系統電源６０からの受電電力とによって行われる。供給側電力は上昇を続けて、時刻ｔ３において電力Ｐ２に達する。供給側電力が電力Ｐ１以上、かつ、電力Ｐ２未満である、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、直流バス１の電圧は蓄電装置用設定電圧ＶＣより高く、かつ、系統電源用設定電圧ＶＡ以下である。

　次に、時刻ｔ３において、前述のとおり、供給側電力が電力Ｐ２に達する。電気自動車５０の充電は続いており、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の最大発電電力と、系統電源６０からの受電電力上限値と、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２の放電電力とによって行われる。このとき、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２の放電電力は、直流バス１の電圧に応じて決まる。供給側電力は上昇を続けて、時刻ｔ４において電力Ｐ３に達する。供給側電力が電力Ｐ２以上で、かつ、電力Ｐ３未満である、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間、直流バス１の電圧は、蓄電装置用設定電圧ＶＣ以下である。

　次に、時刻ｔ４において、前述のとおり、供給側電力が電力Ｐ３に達する。電気自動車５０の充電は続いており、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の最大発電電力と、系統電源６０からの受電電力上限値と、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２の放電電力とによって行われているが、電気自動車５０の充電量が満充電に近づいており、充電電力を絞り始めている。その後、時刻ｔ５において供給側電力が電力Ｐ２に達する。供給側電力が電力Ｐ３以下で、かつ、電力Ｐ２より高い、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間、直流バス１の電圧は、蓄電装置用設定電圧ＶＣ以下である。

　次に、時刻ｔ５において、前述のとおり、供給側電力が電力Ｐ２に達する。電気自動車５０の充電は続いているが、電気自動車５０の充電量は満充電にさらに近づいており、充電電力が絞られている。供給側電力が電力Ｐ２より低く、かつ、電力Ｐ１以上であり、かつ、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２が放電しておりその充電量が低下しているときには、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の最大発電電力と、系統電源６０からの受電電力によって、電気自動車５０と、蓄電池セル３５とが充電される。その後、時刻ｔ６において、電気自動車５０の充電が終了する。供給側電力が電力Ｐ２より低い時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間、直流バス１の電圧は、蓄電装置用設定電圧ＶＣに等しい。蓄電池セル３５の充電電力は、直流バス１の電圧を監視している蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３によって、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣを下回らないように制御されている。

　次に、時刻ｔ６において、前述のとおり、電気自動車５０の充電が終了する。蓄電池セル３５が放電してその充電量が低下しているときには、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の最大発電電力と、系統電源６０からの受電電力とによって、蓄電池セル３５が充電される。蓄電池セル３５の充電電力は、直流バス１の電圧を監視する蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器制御回路３３によって、直流バス１の電圧が蓄電装置用設定電圧ＶＣを下回らないように制御されている。

　次に、時刻ｔ７において、蓄電池セル３５の充電量が予め設定された値に達する。その後、蓄電池セル３５の充電量が満充電に近付く時刻ｔ８まで、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２の最大発電電力のみで蓄電池セル３５の充電が行われる。時刻ｔ７から時刻ｔ８までの間、直流バス１の電圧は、系統電源用設定電圧ＶＡに等しい。

　次に、時刻ｔ８において、蓄電池セル３５の充電量が満充電に近付くと、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２は充電電力を絞り始める。そのため、直流バス１の電圧は上昇し、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２からの電力供給が絞られる。その後、時刻ｔ９において蓄電池セル３５の充電量が満充電に達するまでの間、直流バス１の電圧は、系統電源用設定電圧ＶＡよりも高く、かつ、発電装置用第１設定電圧ＶＢ１以下である。

　以上に説明した本発明の実施形態による充電設備およびそのエネルギーマネジメント方法は、以下のような優れた特徴を有する。

　まず、系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換回路１０と、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路２２と、蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換回路３２とは、それぞれ、直流バス１において変動する電圧だけに基づいてそれぞれ独立した動作を、自動制御により自律的に行う。したがって、充電設備全体を管理する上位の制御装置が不要となり、充電設備全体としての構成が簡易化される。

　また、一部の電力変換器が故障したとしても、正常に動作する残りの電力変換器による運用は継続可能であり、故障した電力変換器を直流バス１から取り外したり、別の電力変換器を直流バス１に追加接続したりすることも容易である。すなわち、本発明による充電設備は、非常にフレキシブルな運用が可能となっている。

　以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

　なお、本願は、日本国特許出願（特願２０１３－１９４４９１号）に基づいて優先権を主張する。その開示は、引用により、ここに取り込む。

　なお、上記と関連して以下の事項を開示する。

　［項１］
　外部充電池を充電回路に着脱可能に接続することと、
　直流電力を直流バスに供給することと、
　前記直流バスに供給された前記直流電力で前記外部充電池を充電することと
を具備し、
　前記直流電力を前記供給することは、
　複数の電力変換器の各々で前記直流電力を生成することと、
　前記各電力変換器において前記直流バスにおける前記直流電圧を監視することと、
　前記各電力変換器により監視された前記直流電圧に基づいて前記各電力変換器の動作を、前記複数の電力変換器の残りの電力変換機から独立して制御することと
を具備し、
　前記外部充電池を前記充電することは、
　充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路により、前記直流バスに供給される前記直流電力を充電用直流電力に変換することと、
　前記直流バスにおける前記直流電圧を監視することと、
　前記監視された直流電圧および所定の設定電圧との比較結果に基づいて前記充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御することと
を具備する
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

　［項２］　項１に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
　前記直流電力を前記生成することは、
　発電モジュールで直流電力を発電することと、
　前記発電された直流電力を、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路により前記直流電力に変換することと
を具備し、
　前記独立して制御することは、
　前記監視の結果に応じて前記発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御すること
を具備する
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

　［項３］　項１又は項２に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
　前記直流バスから直流電力を入力して前記直流電力に変換して蓄電池を充電すること
をさらに具備し、
　前記直流電力を前記生成することは、
　前記蓄電池に予め充電された直流電力を放電することと、
　前記放電された直流電力を蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路により前記直流電力に変換して前記直流バスに供給することと
を具備し、
　前記独立して制御することは、
　前記監視の結果に応じて前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスまたは前記蓄電池への電力供給を制御すること
を具備する
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

　［項４］　項２に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
　前記独立して制御することは、
　前記監視された直流電圧が所定の発電装置用設定電圧以下であれば前記発電モジュールの前記直流バスへの前記直流電力の供給を開始することと、
　前記監視された直流電圧が前記発電装置用設定電圧以上であれば前記発電モジュールの前記直流バスへの前記直流電力の供給を停止することと
を具備する
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

　［項５］　項３に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
　前記独立して制御することは、
　前記監視された直流電圧が所定の蓄電装置用設定電圧以下であれば前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスへの前記直流電力の供給を開始することと、
　前記監視された直流電圧が前記系統電源用設定電圧以上であれば前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記蓄電池への前記直流電力の供給を開始することと、
　前記監視された直流電圧が前記蓄電装置用設定電圧以上かつ前記系統電源用設定電圧以下で、さらに前記監視された充電残量が所定の基準充電量より少なければ、前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記蓄電池への前記直流電力の供給を開始することと、
　前記監視された前記直流電圧が前記蓄電装置用設定電圧以上かつ前記系統電源用設定電圧以下で、さらに前記監視された充電残量が所定の基準充電量より多ければ、前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記蓄電池および前記直流バスの両方に対する電力供給を停止することと
を具備する
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

　［項６］　項５に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
　前記蓄電装置用設定電圧は、前記系統電源用設定電圧より低く、
　前記系統電源用設定電圧は、前記発電装置用設定電圧より低い
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

　［項７］　項２または４に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
　前記発電することは、
　太陽光発電を行うこと、又は、風力発電を行うこと
を具備する
　充電設備のエネルギーマネジメント方法。
 

Claims (15)

1. 　直流バスと、
   　前記直流バスに直流電力を供給する複数の電力変換器と、
   　着脱可能に接続された外部充電池を、前記直流バスに供給される前記直流電力で充電する充電装置と
   を具備し、
   　前記複数の電力変換器の各々は、
   　前記直流電力を生成する直流電力生成部と、
   　前記直流バスにおける直流電圧を監視し、前記監視された直流電圧に基づいて前記直流電力生成部の動作を他の電力変換器とは独立して制御する電力制御部と
   を具備し、
   　前記充電装置は、
   　前記直流バスに供給される前記直流電力を充電用直流電力に変換するＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ：直流）／ＤＣ変換器動力回路と、
   　前記直流バスにおける直流電圧を監視し、前記監視された直流電圧および所定の設定電圧との比較結果に基づいて前記ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御する充電制御部と
   を具備する
   　充電設備。
2. 　請求項１に記載の充電設備において、
   　前記複数の電力変換器は、
   　系統から受電する交流電力を直流電力に変換して前記直流バスに供給する系統電源変換回路を含み、
   　前記系統電源変換回路は、
   　前記交流電力を前記直流電力に変換して前記直流バスに供給する前記直流電力生成部としての系統電源用ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ：交流）／ＤＣ変換器動力回路と、
   　前記直流バスにおける直流電圧を監視し、前記監視された直流電圧に応じて前記系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御する前記電力制御部としての系統電源制御部と
   を具備する
   　充電設備。
3. 　請求項１又は２に記載の充電設備において、
   　前記複数の電力変換器は、
   　発電によって生成した直流電力を前記直流バスに供給する発電システムを含み、
   　前記発電システムは、
   　発電によって直流電力を生成する発電モジュールと、
   　前記生成される直流電力を前記直流電力に変換して前記直流バスに供給する前記直流電力生成部としての発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路と、
   　前記直流バスにおける直流電圧を監視し、前記監視された直流電圧に応じて前記発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御する前記電力制御部としての発電装置制御部と
   を具備する
   　充電設備。
4. 　請求項１乃至３のいずれか一項に記載の充電設備において、
   　前記複数の電力変換器は、
   　予め充電した蓄電池から放電する直流電力を前記直流バスに供給する蓄電システムを含み、
   　前記蓄電システムは、
   　前記蓄電池と、
   　前記蓄電池の放電時には前記蓄電池から放電される直流電力を別の直流電力に変換して前記直流バスに供給し、前記蓄電池の充電時には前記直流バスから直流電力を入力して別の直流電力に変換して前記蓄電池を充電する前記直流電力生成装置としての蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路と、
   　前記直流バスにおける直流電圧および前記蓄電池の充電残量を監視し、前記監視の結果に応じて前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御する前記制御部としての蓄電装置制御部と
   を具備する
   　充電設備。
5. 　請求項２に記載の充電設備において、
   　前記系統電源制御部は、前記系統電源制御部により監視された直流電圧が所定の系統電源用設定電圧以下であれば、前記系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路による前記直流バスへの前記直流電力の供給を開始し、前記監視された直流電圧が前記系統電源用設定電圧以上であれば、前記系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路による前記直流バスへの前記直流電力の供給を停止する制御を行う
   　充電設備。
6. 　請求項３に記載の充電設備において、
   　前記発電装置制御部は、前記監視された直流電圧が所定の発電装置用設定電圧以下であれば前記発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスへの電力供給を開始し、前記監視された直流電圧が前記発電装置用設定電圧以上であれば前記発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスへの電力供給を停止する制御を行う
   　充電設備。
7. 　請求項４に記載の充電設備において、
   　前記蓄電装置制御部は、
   　前記監視された直流電圧が所定の蓄電装置用設定電圧以下であれば前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスへの電力供給を開始し、
   　前記監視された直流電圧が前記系統電源用設定電圧以上であれば前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記蓄電池への電力供給を開始し、
   　前記監視された直流電圧が前記蓄電装置用設定電圧以上かつ前記系統電源用設定電圧以下で、さらに前記監視された充電残量が所定の基準充電量より少なければ、前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記蓄電池への前記直流電力の供給を開始し、
   　前記蓄電装置制御部により監視された直流電圧が前記蓄電装置用設定電圧以上かつ前記系統電源用設定電圧以下で、さらに前記監視された充電残量が所定の基準充電量より多ければ、前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記蓄電池および前記直流バスの両方に対する前記潮流電力の供給を停止する制御を行う
   　充電設備。
8. 　請求項７に記載の充電設備において、
   　前記蓄電装置用設定電圧は、前記系統電源用設定電圧より低く、
   　前記系統電源用設定電圧は、前記発電装置用設定電圧より低い
   　充電設備。
9. 　請求項３又は６に記載の充電設備において、
   　前記発電モジュールは、
   　太陽光発電モジュール又は風力発電モジュールを具備する
   　充電設備。
10. 　外部充電池を充電回路に着脱可能に接続することと、
    　直流電力を直流バスに供給することと、
    　前記直流バスに供給された前記直流電力で前記外部充電池を充電することと
    を具備し、
    　前記直流電力を前記供給することは、
    　複数の電力変換器の各々で前記直流電力を生成することと、
    　前記各電力変換器において前記直流バスにおける前記直流電圧を監視することと、
    　前記各電力変換器により監視された前記直流電圧に基づいて前記各電力変換器の動作を、前記複数の電力変換器の残りの電力変換機から独立して制御することと
    を具備し、
    　前記外部充電池を前記充電することは、
    　充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路により、前記直流バスに供給される前記直流電力を充電用直流電力に変換することと、
    　前記直流バスにおける前記直流電圧を監視することと、
    　前記監視された直流電圧および所定の設定電圧との比較結果に基づいて前記充電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御することと
    を具備する
    　充電設備のエネルギーマネジメント方法。
11. 　請求項１０に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
    　前記直流電力を前記生成することは、
    　外部から交流電力を入力することと、
    　系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路で前記交流電力を前記直流電力に変換することと
    を具備し、
    　前記独立して制御することは、
    　前記監視された直流電圧に応じて前記系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御すること
    を具備する
    　充電設備のエネルギーマネジメント方法。
12. 　請求項１０又は１１に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
    　前記直流電力を前記生成することは、
    　発電モジュールで直流電力を発電することと、
    　前記発電された直流電力を、発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路により前記直流電力に変換することと
    を具備し、
    　前記独立して制御することは、
    　前記監視の結果に応じて前記発電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の動作を制御すること
    を具備する
    　充電設備のエネルギーマネジメント方法。
13. 　請求項１０乃至１２に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
    　前記直流バスから直流電力を入力して前記直流電力に変換して蓄電池を充電すること
    をさらに具備し、
    　前記直流電力を前記生成することは、
    　前記蓄電池に予め充電された直流電力を放電することと、
    　前記放電された直流電力を蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路により前記直流電力に変換して前記直流バスに供給することと
    を具備し、
    　前記独立して制御することは、
    　前記監視の結果に応じて前記蓄電装置用ＤＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスまたは前記蓄電池への電力供給を制御すること
    を具備する
    　充電設備のエネルギーマネジメント方法。
14. 　請求項１１に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
    　前記独立して制御することは、
    　前記監視された直流電圧が所定の系統電源用設定電圧以下であれば前記系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスへの電力供給を開始する制御を行うことと、
    　前記監視された直流電圧が前記系統電源用設定電圧以上であれば前記系統電源用ＡＣ／ＤＣ変換器動力回路の前記直流バスへの電力供給を停止する制御を行うことと
    を具備する
    　充電設備のエネルギーマネジメント方法。
15. 　請求項１２に記載の充電設備のエネルギーマネジメント方法において、
    　前記独立して制御することは、
    　前記監視された直流電圧が所定の発電装置用設定電圧以下であれば前記発電モジュールの前記直流バスへの前記直流電力の供給を開始することと、
    　前記監視された直流電圧が前記発電装置用設定電圧以上であれば前記発電モジュールの前記直流バスへの前記直流電力の供給を停止することと
    を具備する
    　充電設備のエネルギーマネジメント方法。

Images