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JP6083553B2 - 電気車両用充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気自動車などの電気車両に充電するための電気車両用充電装置に関する。
従来例として、例えば、特許文献１に記載されている電気自動車用の充電スタンドがある。この充電スタンドは、内部に複数の収納空所を有して電気自動車を駐車する地面に立設される筒状のスタンド本体１と、スタンド本体の収納空所内に着脱自在に収納される複数のコンセントユニットとを備える。コンセントユニットは、充電ケーブルの電源プラグが挿抜自在に接続されるコンセントと、コンセントを保持してスタンド本体の収納空所内に収納される筐体とを具備する。
上記従来例では、スタンド本体の収納空所内にコンセントユニットを収納することにより、コンセントの個数の増加に対応可能であり且つ修理や交換などのメンテナンス作業の作業性も向上するという利点がある。
特開２０１０−２７７８５５号公報
ところで、電気自動車等の電気車両の充電に要する充電電流は、テレビ受像機や冷蔵庫、エアコンディショナ等の一般的な電気機器の消費電流よりも大きい場合が多い。したがって、これらの電気機器が使用されているときに電気自動車等の充電が同時に行われる場合、電力系統から供給される電流が大幅に増大することになる。このように電力系統から供給される電流(使用電流)が大幅に増大した場合、配線に使用されている電気ケーブルを高容量のものに交換したり、電力会社との契約電力を変更するといった対処が必要になる。なお、何らの対処もされない場合、過負荷電流がある程度の時間(例えば、数秒間)流れ続けることで分電盤の主幹ブレーカがトリップしたり、電力会社が設置するリミッタが動作して電力供給が停止してしまう虞がある。
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、電気車両以外の電気機器への電力供給に与える影響を抑えつつ多数の電気車両を並行して充電することを目的とする。
本発明の電気車両用充電装置は、ブレーカと複数台の電気車両との間にそれぞれ挿入され、前記各電気車両に対して充電電流の上限値をそれぞれ指示する複数の充電ユニットと、前記ブレーカに流れる電流を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段で検知される電流が前記ブレーカの定格電流を超えないように前記各充電ユニットにおける前記上限値を調整する調整手段と、少なくとも複数の前記充電ユニットを収容する本体とを有し、前記充電ユニットは、前記電気車両と接続される充電ケーブルと、前記充電ケーブルを介して前記電気車両との間で信号伝送を行う伝送手段とを具備し、前記調整手段は、調整後の前記上限値の情報を前記伝送手段から前記電気車両に伝送させ、さらに、前記調整手段は、前記電流検知手段で検知される電流が前記ブレーカの定格電流を超えない範囲で前記各充電ユニットにおける前記上限値の少なくとも一部を、ゼロを含む互いに異なる値に調整することを特徴とする。
この電気車両用充電装置において、前記複数の充電ユニットに優先順位が割り当てられており、前記調整手段は、前記優先順位の高い充電ユニットにおける前記上限値を相対的に高い値に調整することが好ましい。
この電気車両用充電装置において、何れか１つの前記充電ユニットに制御手段が具備され、前記制御手段は、前記調整手段から受け取る前記上限値の情報を、他の全ての前記充電ユニットがそれぞれ具備する前記伝送手段から前記各電気車両に伝送させることが好ましい。
この電気車両用充電装置において、前記調整手段が複数の前記充電ユニットとともに前記本体に収容されることが好ましい。
本発明の電気車両用充電装置は、電気車両以外の電気機器への電力供給に与える影響を抑えつつ多数の電気車両を並行して充電することができるという効果がある。
本発明に係る電気車両用充電装置の実施形態１を示すブロック図である。 同上の平面図である。 同上の動作説明用のタイムチャートである。 同上の別の形態を示すブロック図である。 本発明に係る電気車両用充電装置の実施形態２を示すブロック図である。
以下、集合住宅や事務所などの建物に設置され、電力系統から供給される電力を利用して電気自動車に充電するための電気車両用充電装置(以下、充電装置と略す。)に本発明の技術思想を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、電気車両は電気自動車に限定されない。
(実施形態１)
図１に示すように、建物には電力系統100から単相３線式の交流電力が分電盤を介して供給される。分電盤は１次側が電力系統100と接続される主幹ブレーカ110と、主幹ブレーカ110の２次側に分岐接続される複数の分岐ブレーカ111とを有している。ただし、主幹ブレーカ110の１次側にリミッタ(電流制限器)が挿入される場合もある。なお、図示は省略するが、各分岐ブレーカ111の２次側に屋内配線を介してコンセントや負荷(照明器具や電磁調理器、エアコンディショナなど)が接続される。
本実施形態の充電装置は、図１に示すように複数(図示は２つ)の充電ユニット10とコントロールユニット20を有している。
コントロールユニット20は、電流センサ21，22、電流検知部23、充電電流調整部24、通信部25などを備える。電流検知部23は、電力系統100から主幹ブレーカ110の１次側に供給される電流(以下、主幹電流と呼ぶ。)の大きさ(電流値)を電流センサ21を用いて検知するとともに、分岐ブレーカ111から各充電ユニット10に供給される充電電流の大きさ(電流値)を電流センサ22を用いて検知する。充電電流調整部24はマイクロコンピュータを主構成要素とし、電流検知部23で検知される主幹電流が主幹ブレーカ110の定格電流を超えないように各充電ユニット10における充電電流の上限値を調整する処理を行う。また通信部25は各充電ユニット10との間で通信(信号伝送)を行うものであって、例えば、RS485規格に準拠したシリアル通信を行う。ただし、通信部25の通信方式はRS485規格に限定されるものではなく、電力線搬送通信や無線通信(例えば、小電力無線通信等)などであっても構わない。
充電ユニット10は、充電コネクタ11、充電ケーブル12、開閉部13、充電制御部14、通信部15などを備える。また充電ユニット10は、電気自動車の駐車スペース(車庫)に近い場所に設置され、分電盤の分岐ブレーカ111で分岐された分岐回路にそれぞれ接続される。充電ケーブル12は、電気自動車に供給される充電電流が流れる給電線12Aと、後述するパイロット信号が伝送される伝送線12Bとが絶縁シースで被覆されてなり、先端部分に充電コネクタ11が設けられている。充電コネクタ11は、電気自動車の車体に設けられている差込口(インレット)に挿抜自在に差込接続される。そして、充電コネクタ11が差込口に差込接続されると、電力系統100から分電盤及び充電ユニット10を介した充電電流の供給と、充電ユニット10の充電制御部14と電気自動車の充電用ECU(電子制御ユニット)との間のパイロット信号の伝送とが可能になる。
開閉部13は、分岐ブレーカ111から給電線12Aまでの給電路に挿入される電磁リレーを有し、充電制御部14からの指示に応じて電磁リレーをオン・オフすることで前記給電路を開閉する。また充電制御部14は、給電路に流れる不平衡電流を検出し、当該不平衡電流の検出レベルがしきい値を超えた場合に漏電が生じていると判断して開閉部13を制御して給電路を開成させる。通信部15は、コントロールユニット20の通信部25との間で通信(RS485規格のシリアル通信)を行うものである。
ここで、図３のタイムチャートを参照して充電ユニット10の基本的な充電動作を説明する。まず、時刻t0に充電コネクタ11が電気自動車の差込口に接続されると、充電制御部14から所定の電圧V1(例えば、V1=12ボルト)が伝送線12Bに印加される。そして、伝送線12Bに印加される電圧がコントロールパイロット(CPLT)信号(以下、パイロット信号と略す。)の伝送媒体となり、その電圧レベル及びデューティ比に応じて、後述するように充電用ECUと充電制御部14との間で種々の情報が授受される。
充電用ECUは、電圧V1のパイロット信号を検知すると、パイロット信号の電圧レベルをV1からV2(例えば、V2=９ボルト)に降圧する(時刻t1〜t2)。充電制御部14は、パイロット信号がV1からV2に低下したことを検出すると、所定周波数(例えば１キロヘルツ)のパルス状のパイロット信号を出力する(時刻t2〜)。当該パイロット信号の信号レベルは±V1であるが、上限レベルはV2に降圧されている。パイロット信号のデューティ比は、充電電流の上限値(充電ユニット10の電流容量)を示し、充電ユニット10毎に予め設定されている。例えば、電流容量が12アンペアの場合にはデューティ比が20％、電流容量が30アンペアの場合にはデューティ比が50％に設定される。充電用ECUは、パイロット信号のデューティ比を検知して電流容量を認識すると、パイロット信号の電圧レベルをV2からV3(例えば、６Ｖ)に降圧する(時刻t3)。充電制御部14は、パイロット信号の信号レベルがV2からV3に低下したことを検知すると、開閉部13を閉成して充電電力の供給を開始する。
充電用ECUは電流容量に基づいて蓄電池の充電レベルを目標レベルまで充電するための電流値(≦電流容量)を設定し、電気自動車に搭載されている充電器に充電指令を出力する。充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する(時刻t3〜)。充電用ECUは、蓄電池の充電レベルが目標レベルに達すると、充電器に充電終了指令を出力して蓄電池への充電を終了し、パイロット信号の電圧レベルをV3からV2に復帰させる(時刻t4)。充電器は、充電終了指令を受信すると蓄電池の充電を終了する。
充電制御部14は、パイロット信号がV3からV2に変化したことを検出すると、開閉部13を開成して充電電流の供給を停止する。充電用ECUは、パイロット信号の電圧レベルを当初のV1に復帰させる(時刻t5)。充電制御部14は、パイロット信号の電圧レベルがV1に復帰すると、所定周波数の発振を停止してパイロット信号の電圧レベルをV1に維持して待機状態に戻る(時刻t6)。
上述のように充電ユニット10は、電気自動車への充電電流の供給を入切するとともに電気自動車の充電用ECUに対して充電電流の上限値を指示することで電気自動車に搭載されている蓄電池の充電を制御している。
ところで、本実施形態の充電装置は、図２に示すように電気自動車を駐車する地面に立設される本体(スタンド本体)１に、複数の充電ユニット10とコントロールユニット20が収容されて構成される。
スタンド本体１は、長尺の矩形板状に形成された３枚の金属板(左側板２、右側板３、背板)を組み立てることで前面並びに天面、底面がそれぞれ開口した角筒状に形成され、扁平な箱形のカバー５によって天面の開口が閉塞されている。左右両側の側板２，３の内側面には背板と並行するようにして取付板(図示せず)が取着されている。すなわち、スタンド本体１の内部が取付板によって前後に区分けされており、充電ユニット10及びコントロールユニット20が取付板の前方の空間に収納され、給電用の電源ケーブル(図示せず)や電流センサ21，22と電流検知部23を接続するリード線(図示せず)などが取付板の後方の空間に収納(配線)される。
また、スタンド本体１前面における最下部には矩形板状のパネル７が取り付けられている。そして、スタンド本体１内においてカバー５の下端からパネル７の上端までの前方空間に、充電ユニット10及びコントロールユニット20をそれぞれ収納するための５つの収納空所(収納空間)が上下方向に並設されている。
充電ユニット10は、金属板によって矩形箱状に形成された筐体10A内に開閉部13、充電制御部14、通信部15を収納してなり、前面に設けられた導入口10Bより導入される充電ケーブル12の給電線12Aに開閉部13が接続され、伝送線12Bに充電制御部14が接続される。ただし、図２では各充電ユニット10の充電ケーブル12の図示を省略している。
またコントロールユニット20も充電ユニット10の筐体10Aとほぼ同寸法及び同形状の金属製の筐体20A内に電流検知部23、充電電流調整部24、通信部25を収納してなる。
上述のように構成される充電ユニット10並びにコントロールユニット20は、前面側からスタンド本体１内の収納空所内に収納され、取付板に対して筐体10A，20Aがねじ止めされることでスタンド本体１に固定される。上述したようにスタンド本体１内には同一寸法の５つの収納空所が上下方向に並設されており、図２では、最上段の収納空所にコントロールユニット20が収納され、２段目から５段目の収納空所にそれぞれ充電ユニット10が収納されている。ただし、スタンド本体１の収納空所内に収納される充電ユニット10の個数は４つに限定されるものではなく、１〜４の必要な個数の充電ユニット10がスタンド本体１の収納空所内に収納されればよい。また、コントロールユニット20を構成する電流検知部23、充電電流調整部24、通信部25は、主幹ブレーカ110や分岐ブレーカ111とともに分電盤のボックス(図示せず)内に収納されても構わない。
ここで、スタンド本体１の左側板２及び右側板３には、それぞれ充電コネクタ11を着脱自在に保持するホルダ６が上下方向に並べて２つずつ設けられている。ホルダ６は、一端が開口する筒状の胴部60と、胴部60の開口端に設けられた外鍔61とを有し、胴部60内に充電コネクタ11の先端部分を収納して保持し、且つ胴部60の外周面に充電ケーブル12が巻き回されて保持するものである。
ところで、電気自動車の充電には、通常、十数アンペア〜数十アンペア程度の大きな充電電流が必要とされる。一方、通常の住宅や事務所では、主幹ブレーカ110(リミッタが設置されている場合はリミッタと主幹ブレーカ110)の定格電流が30アンペア〜80アンペア程度に設定されている。したがって、他の負荷機器が使用されているときに複数台の電気自動車を同時に充電する場合、例えば、新たな充電ユニット10が充電を開始すると、主幹電流が定格電流を超えてしまい、主幹ブレーカ110やリミッタがトリップする虞がある。
そこでコントロールユニット20の充電電流調整部24は、主幹ブレーカ110に流れる主幹電流が主幹容量(主幹ブレーカ110の定格電流)を超えた場合、充電電流の上限値を現在の上限値よりも低い値とする指令(調整指令)を通信部25から送信させる。
充電電流調整部24は、電流検知部23で検知する充電電流の電流値から各充電ユニット10が充電中か否かを判断し、充電中の充電ユニット10の台数Ｍを求め、さらに充電ユニット10以外の負荷で消費されている負荷電流の合計値と主幹容量の差分と台数Ｍの商を求める。そして、充電電流調整部24は、求めた商(＝(主幹容量−負荷電流合計値)÷Ｍ）よりも大きくない電流値を上限値に決定する。つまり、充電中の充電ユニット10については、全て同じ上限値に調整されることになる。
例えば、３つの充電ユニット10が上限値を20アンペアに設定して電気自動車に充電している状況で新たに４つめの充電ユニット10が充電を開始することで主幹電流が主幹容量を超えてしまった場合を想定する。ここで、主幹容量が60アンペア、負荷電流合計値が０アンペアと仮定すると、充電電流調整部24は、60アンペア÷４＝15アンペアよりも大きくない電流値、例えば、13アンペアを充電電流の新たな(調整後の)上限値に決定し、上限値を13アンペアとする調整指令を通信部25より４つの充電ユニット10に送信させる。
充電ユニット10においては、コントロールユニット20から送信される前記調整指令が通信部15で受信されて充電制御部14に渡される。充電制御部14は、充電電流調整部24からの調整指令を受けると、パイロット信号のデューティ比を、調整指令で指定される上限値に対応したデューティ比に変更する。
電気自動車の充電用ECUは、調整後の上限値に基づいて再度充電電流の電流値を設定して充電器に充電指令を出力する。当該充電指令を受けた充電器は、充電用ECUが設定した新たな電流値を超えないように充電電流を調整しながら蓄電池を充電する。その結果、各電気自動車に供給される充電電流が減少するので、主幹電流が主幹ブレーカ110の定格電流を超えてしまうことが回避できる。つまり、本実施形態の充電装置によれば、電気車両(電気自動車)以外の電気機器(照明器具やエアコンディショナなど)への電力供給に与える影響を抑えつつ多数の電気車両を並行して充電することができる。
ただし、幾つかの充電ユニット10の充電が終了すれば、充電電流調整部24は、充電継続中の充電ユニット10の個数に合わせて、再度、充電電流の上限値を上げる方向に調整する。
ところで、充電電流調整部24が充電電流の上限値を調整する場合、必ずしも、複数の充電ユニット10における上限値を全て同じ値に調整する必要は無い。例えば、電気自動車の充電器の仕様により、充電電流の上限値が６アンペア未満に設定できない場合がある。この場合、充電電流調整部24は、充電中の充電ユニット10のうちの少なくとも何れか１つの充電ユニット10に充電を中止させる(上限値をゼロに設定する)ことが好ましい。すなわち、同時に充電する充電ユニット10の個数を減らすことにより、充電を継続する充電ユニット10に対する充電電流の上限値を６アンペア以上に調整できる。ただし、充電電流調整部24では、充電を中止させる充電ユニット10を所定時間毎に交代させることが好ましい。
あるいは、複数の充電ユニット10に優先順位が割り当てられている場合、充電電流調整部24は、優先順位の高い充電ユニットにおける上限値を相対的に高い値に調整することが好ましい。すなわち、３つの充電ユニット10の充電中に主幹電流が主幹容量を超えた場合、充電電流調整部24は、優先順位が最も高い１つの充電ユニット10を除く残り２つの充電ユニット10に対して充電電流の上限値を下げるように調整する。そして、優先順位が最も高い充電ユニット10に対しては、充電電流調整部24は上限値を変更しない。このようにすれば、特定の充電ユニット10(優先順位が最も高い充電ユニット10)で充電される電気自動車を、他の充電ユニット10で充電される電気自動車に優先して短時間で充電することができる。
ところで、図４に示すように何れか１つの充電ユニット10に通信部15の代わりに通信制御部16が具備され、他の全ての充電ユニット10には通信部15及び通信制御部16の何れも具備されない構成としてもよい。通信制御部16は、コントロールユニット20から受け取る調整指令(上限値の情報)を、他の全ての充電ユニット10の充電制御部14にそれぞれ通知する。このようにすれば、２つ目以降の充電ユニット10には通信部15が不要となるので、充電ユニット10の製造コストを低減することができる。
(実施形態２)
本実施形態は、図５に示すように１つの充電ユニット10が複数(図示例では２つ)の充電ケーブル12及び充電コネクタ11を具備する点に特徴がある。ただし、本実施形態の基本構成は実施形態１と共通であるから、実施形態１と共通の構成要素には同一の符号を付して図示並びに説明を省略する。
本実施形態における充電ユニット10は、図５に示すように２つの充電ケーブル12及び充電コネクタ11の他に、２つの開閉部13A，13B、２つの充電制御部14A，14B、２つのブレーカ17A，17B、電流検知部18、２つの電流センサ18A，18B、充電電流調整部19を具備する。２つのブレーカ17A，17Bは、例えば、漏電遮断器であって、分電盤の分岐ブレーカ111の２次側に１次側が分岐接続され、それぞれの２次側に開閉部13A，13Bを介して充電ケーブル12の給電線12Aが接続されている。
電流検知部18は、各ブレーカ17A，17Bから各充電ケーブル12に供給される充電電流の大きさ(電流値)を電流センサ18A，18Bを用いて個別に検知する。通信部15は、コントロールユニット20の通信部25との間で通信を行い、コントロールユニット20の通信部25から送信される調整指令を受信して充電電流調整部19に渡す。充電電流調整部19はマイクロコンピュータを主構成要素とし、電流検知部18で検知される２つの充電電流の合計値が、通信部15から受け取る調整指令で指示された上限値を超えないように各充電制御部14A，14Bに対して上限値の調整を指示する。
コントロールユニット20の充電電流調整部24は、主幹ブレーカ110に流れる主幹電流が主幹容量を超えた場合、実施形態１と同様に充電ユニット10における充電電流の上限値を決定して通信部25より調整指令を送信する。
充電ユニット10においては、コントロールユニット20から送信される前記調整指令が通信部15で受信されて充電電流調整部19に渡される。充電電流調整部19は、電流検知部18で検知する充電電流の電流値から２つの充電制御部14A，14Bが充電中か否かを判断する。２つの充電制御部14A，14Bが双方とも充電中であった場合、充電電流調整部19は、コントロールユニット20の充電電流調整部24から指示された上限値の半分の上限値とするように各充電制御部14A，14Bに調整指令を与える。また、何れか一方の充電制御部14A(又は14B)のみが充電中であった場合、充電電流調整部19は、コントロールユニット20の充電電流調整部24から指示された上限値とするように充電中の充電制御部14A(又は14B)に調整指令を与える。
そして、充電電流調整部19から調整指令を受け取った充電制御部14A，14Bは、パイロット信号のデューティ比を、調整指令で指定される上限値に対応したデューティ比に変更する。その結果、各電気自動車に供給される充電電流が減少するので、主幹電流が主幹ブレーカ110の定格電流を超えてしまうことが回避できる。
なお、１つの建物に複数台の充電装置が設置される場合、１台の充電装置のみがコントロールユニット20を備えるとともに残りの充電装置が充電ユニット10のみを備え、１つのコントロールユニット20で全ての充電装置の充電ユニット10を制御しても構わない。
１ スタンド本体(本体)
10 充電ユニット
11 充電コネクタ
12 充電ケーブル
14 充電制御部(伝送手段)
15 通信部(伝送手段)
21 電流センサ(電流検知手段)
23 電流検知部(電流検知手段)
24 充電電流調整部(調整手段)
25 通信部(調整手段)
110 主幹ブレーカ(ブレーカ)

Claims (4)

  1. ブレーカと複数台の電気車両との間にそれぞれ挿入され、前記各電気車両に対して充電電流の上限値をそれぞれ指示する複数の充電ユニットと、前記ブレーカに流れる電流を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段で検知される電流が前記ブレーカの定格電流を超えないように前記各充電ユニットにおける前記上限値を調整する調整手段と、少なくとも複数の前記充電ユニットを収容する本体とを有し、前記充電ユニットは、前記電気車両と接続される充電ケーブルと、前記充電ケーブルを介して前記電気車両との間で信号伝送を行う伝送手段とを具備し、前記調整手段は、調整後の前記上限値の情報を前記伝送手段から前記電気車両に伝送させ、さらに、前記調整手段は、前記電流検知手段で検知される電流が前記ブレーカの定格電流を超えない範囲で前記各充電ユニットにおける前記上限値の少なくとも一部を、ゼロを含む互いに異なる値に調整することを特徴とする電気車両用充電装置。
  2. 前記複数の充電ユニットに優先順位が割り当てられており、前記調整手段は、前記優先順位の高い充電ユニットにおける前記上限値を相対的に高い値に調整することを特徴とする請求項１記載の電気車両用充電装置。
  3. 何れか１つの前記充電ユニットに制御手段が具備され、前記制御手段は、前記調整手段から受け取る前記上限値の情報を、他の全ての前記充電ユニットがそれぞれ具備する前記伝送手段から前記各電気車両に伝送させることを特徴とする請求項１又は２記載の電気車両用充電装置。
  4. 前記調整手段が複数の前記充電ユニットとともに前記本体に収容されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電気車両用充電装置。
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