JP6074682B2 - 充放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部電源から二次電池を備えた外部機器に充電を行う充電機能と共に、該二次電池から放電を行って他の一般負荷に給電を行う放電機能を具備した充放電装置に関するものである。

なお、本発明において、外部電源とは電力会社が保有する系統電源を、二次電池を備えた外部機器とはＥＶ・ＰＨＶ等大容量の車載電池を搭載した車両／電力貯蔵用の大型蓄電池を、一般負荷とは家庭等で使用される１００Ｖ／２００Ｖの負荷機器を、各々意味するものとする。

近年、電気自動車に搭載された二次電池（以下、車載電池）の蓄電機能を活用して、一般負荷に対して給電を行う技術が注目され、車載電池を利用した充放電システムに関し各種技術開発がすすんでいる（例えば、特許文献１）。当該車載電池を利用した充放電システムによれば、例えば、各家庭や会社において、深夜には車載電池に充電を行い、日中の電力ピーク時には車載電池から一般負荷への給電を行うことにより、電力のピークカットを行うことが可能となる。

なお、従来技術は、車載電池の充電時には充電専用ケーブル、車載電池からの放電時には放電専用ケーブルの使用を各々前提とするものであるのに対し、当該システムの利便性を向上させて普及を図る観点からは、システムの簡易化を図り、接続ケーブルも充放電時の双方に対応可能なものとしていくことが望ましい。

従来の充電専用に使用された充電装置は、図１および図２に示すように、制御部３内に、充電制御信号（ＣＰＬＴ信号）を生成するＣＰＬＴ回路４の他、ＣＰＬＴ信号に基づいてリレー５に対し充電電路の開閉信号を送信する判定手段６、リレー５を挟んで電源側と負荷側の各々に配置された電圧検出部７からの信号に基づいてリレーの開閉状態を検出する接点検出手段８を備えている。このうち、判定手段６は、前記のようにＣＰＬＴ信号に基づいてリレー５に対し充電電路の開閉信号を送信する機能の他、接点検出手段８からリレーの開閉状態を示す信号を受け取って前記開閉信号との整合性を判断し、例えば、下記の表１に示すように、リレーの状態判定を行って、リレーの溶着や不動作の状態を、使用者が把握可できるよう表示部に表示させる機能を有している。

例えば、車載電池を利用した充放電システムにおいて、車載電池の充電時には充電専用ケーブル、車載電池からの放電時には放電専用ケーブルの使用を各々前提とする場合には、上記の技術を放電電路にも応用して、充電電路および放電電路の各々に組み込まれているリレーの状態を判定し、各リレーの溶着や不動作の状態を、使用者が把握可できるよう表示部に表示させことが可能である。

しかし、この場合、充電電路および放電電路の各々に、リレーを挟んで上流と下流の各々に配置された電圧検出部と、電圧検出部からの信号に基づいてリレーの開閉状態を検出する接点検出手段を設けることにより、システム構成が複雑になりコスト高になる問題や、そもそも、充電時および放電時に使用する接続ケーブルの共通化を図ることができていない問題があった。

特開２０１０-３５２７７号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、充電時および放電時に使用する接続ケーブルの共通化を実現しつつ、簡易かつ低コストなシステム構成によって、充電電路および放電電路の各々に組み込まれているリレーの状態を判定可能とする充放電装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の充放電装置は、二次電池を備えた外部機器に接続ケーブルを介して接続され、この二次電池の充電及びこの二次電池から一般負荷への放電を行う充放電装置であって、外部電源から二次電池を備えた外部機器に充電を行う充電電路と、充電電路を開閉する充電リレーと、外部機器の二次電池から一般負荷に電源を供給する放電電路と、放電電路を開閉する放電リレーと、各リレーを開閉制御する制御部と、充電リレーの外部電源側に設けた第１の電圧検出部と、充電リレーおよび放電リレーの外部機器側で、各リレーに共通に設けた第２の電圧検出部と、放電リレーの一般負荷側に設けた第３の電圧検出部とを備え、該制御部は、各電圧検出部からの検出信号に基づいて各リレーの開閉状態を検出するとともに、各リレーに対する開閉信号を送信し、前記開閉信号との整合性に基づいて各リレーの状態判定を行う判定手段を有することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の充放電装置において、該判定手段は、充電リレーの状態判定を、第１の電圧検出部と第２の電圧検出部から充電リレーの開閉状態を示す信号と、充電リレーに対する開閉信号との整合性に基づいて行い、放電リレーの状態判定を、第２の電圧検出部と第３の電圧検出部から放電リレーの開閉状態を示す信号と、放電リレーに対する開閉信号との整合性に基づいて行うことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の充放電装置において、該制御部は、充電モードおよび放電モードの何れかで適宜モード切り替え信号を生成する管理回路を有し、該判定手段は、各リレーの状態判定をモード切り替え信号に基づいて行うことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の充放電装置において、放電リレーの状態判定のうち、リレー溶着判定は、充電モード下で行うことを特徴とするものである。

本発明に係る充放電装置では、外部電源から二次電池を備えた外部機器に充電を行う充電電路と、充電電路を開閉する充電リレーと、外部機器の二次電池から一般負荷に電源を供給する放電電路と、放電電路を開閉する放電リレーと、各リレーを開閉制御する制御部と、充電リレーの外部電源側に設けた第１の電圧検出部と、充電リレーおよび放電リレーの外部機器側で、各リレーに共通に設けた第２の電圧検出部と、放電リレーの一般負荷側に設けた第３の電圧検出部とを備える構成により、充電リレーおよび放電リレーの各々上流下流に電圧検出部を設ける場合に比べて電圧検出部の数を抑制可能とする。また、充電モードおよび放電モードの何れかで適宜モード切り替え信号を生成する管理回路と、各電圧検出部からの検出信号に基づいて各リレーの開閉状態を検出するとともに、各リレーに対する開閉信号を送信し、各リレーの開閉状態を示す信号を受け取って、各リレーに対する開閉信号を送信する構成により、各々のリレーごとに独立してＣＰＬＴ回路と判定手段と電圧検出部を設ける構成に比べて、簡易かつ低コストなシステム構成を実現可能とした。

判定手段は、充電リレーの状態判定を、第１の電圧検出部と第２の電圧検出部からの信号と、充電リレーに対する開閉信号との整合性に基づいて行い、放電リレーの状態判定を、第２の電圧検出部と第３の電圧検出部からの信号と、放電リレーに対する開閉信号との整合性に基づいて行うことしつつ、充電電路および放電電路の各々に組み込まれているリレーの状態を判定可能とする構成により行うことができる。リレーの状態判定は、更に、モード切り替え信号に基づいて行うことが好ましい。各リレーの状態判定に先立って、双方のリレーが開路状態にある確認を行うことにより、リレーの状態判定をより正確に行うことができる。

従来のＣＰＬＴ信号で制御される外部機器の充電に用いる充電装置のブロック図である。 従来の充電装置の制御部のブロック図である。 本発明の充放電装置のブロック図である。 本発明の充放電装置中の制御部のブロック図である。 充電モードにおける充電開始制御を説明するフロー図である。 充電モードにおける充電終了制御を説明するフロー図である。 放電モードにおける放電開始制御を説明するフロー図である。 放電モードにおける放電終了制御を説明するフロー図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。本発明は、外部電源（系統電源）から二次電池を備えた外部機器に充電を行う充電機能と共に、該二次電池から他の一般負荷に給電を行う放電機能を具備した充放電装置に関するものであり、外部機器の種類は特段限定されないが、以下の実施形態では、ＥＶ・ＰＨＶ等大容量の車載電池を搭載したＣＰＬＴ信号（定格電流の大きさに応じて設定されるデューティー比を有するパイロット信号）で制御される車両（いわゆる、モード２型の車両）の例で説明を行う。

図３に示すように、充放電装置１４には、外部電源１５を引き込む外部電源引込部３２と、一般負荷１６が接続される一般負荷用コンセント１７が設けられている。車両１と充放電装置１４は、２本の電源ライン３３・ＣＰＬＴ信号線３４・アース線（図示せず）から構成されるケーブルで接続されている。また、充放電装置１４には、充電状態やエラーを表示する表示部（図示せず）を設けている。ここで、一般負荷は家庭等で使用される１００Ｖ／２００Ｖの負荷機器の他、住宅分電盤でもよい。一般負荷が住宅分電盤の場合、分電盤母線に接続された送り端子と充放電装置を接続し、充放電装置を分散電源とすることができる。なお、充電モードと放電モードは排他的に制御されている。

充放電装置１４はその内部に、充電電路１８と放電電路１９と、充放電の制御を行う制御部２０を有している。

充電電路１８は、ケーブルを介して外部電源１５から車両１までを結び、ケーブルに接続した車両１に電力を供給するものである。

充電電路１８には、充電リレー２１を設け、制御部２０からの開閉制御により、外部電源１５から車両１の給電口への電圧印加をＯＮ／ＯＦＦ制御している。ただし、実際の車載電池への充電開始制御は、車両側の制御回路１０で行われる。

充電リレー２１を挟んで、外部電源１５側と車両１側の各々に、第１の電圧検出部２２と第２の電圧検出部２３が配置されている。第１の電圧検出部２２では、充電リレー２１の外部電源１５側の電圧検出が行われ、第２の電圧検出部２３では充電リレー２１の車両側の電圧検出が行われる。このうち、第２の電圧検出部２３は、後述する放電リレー２４の車両側の電圧検出を行う機能も有しており、放電電路に設けることもできる。

放電電路１９は、ケーブルを介して車両１から一般負荷用コンセント１７までを結び、一般負荷１６に電力を供給するものである。一般負荷１６は一般負荷用コンセント１７から分電盤の母線の送り端子に接続されたものでもよい。

放電電路１９には、放電リレー２４を設け、制御部２０からの開閉制御により、車両１の車載電池２５から一般負荷１６への電圧印加をＯＮ／ＯＦＦ制御している。ただし、実際の車載電池２５からの放電開始制御は車両側の制御回路１０で行われる。

放電リレー２４を挟んで、車両１側の放電電路１９の電位が計測可能な位置に前記の第２の電圧検出部２３が配置され、一般負荷１６側には、第３の電圧検出部２６が配置されている。放電リレー２４の開閉状態は、第２の電圧検出部２３と、第３の電圧検出部２６とで検出される電圧を計測して判断する。

図４に示すように、制御部２０には、ＣＰＬＴ信号を生成するＣＰＬＴ回路２７の他、ＣＰＬＴ信号に基づいてリレー２１、２４に対し充電電路の開閉信号を送信する判定手段２８、電圧検出部２２，２３，２６の計測結果（有電圧／無電圧）に基づいてリレー２１，２４の開閉状態を検出する接点検出手段２９と、充電モード／放電モードの切り替え信号を生成する管理回路３０と、判定手段２８からの閉路信号／開路信号を受け、放電リレー２４に開路／閉路信号を送信する放電制御部３１を備えている。なお、判定手段２８から放電リレー２４に直接信号を送信することも可能であり、この場合、放電制御部３１は不要である。さらに、接点検出手段２９は、判定手段２８にて電圧検出部２２，２３，２６の計測結果に基づいてリレー２１，２４の開閉状態の開閉状態を判定するものであってもよい。また、管理回路３０と車両１の充電制御回路１０とは信号線３５で結ばれていて、充電モード／放電モードの命令信号を外部から管理回路に伝達する。管理回路３０は命令信号に基づいて充放電装置の充電モードまたは放電モードを決定している。なお、信号線３５は無線で通信するものであってもよい。

管理回路３０では、外部（例えば、車両１）からの命令を受け、充電モード／放電モードの切り替え信号が生成される。生成された切り替え信号は、判定手段２８に出力される。切り替え信号の生成は所定条件を満たしたとき（例えば、一般負荷が接続されたときに放電モードに切替を行い、一般負荷が外された時に充電モードに切替を行う等）管理回路３０の自己判断で行うことも可能である。なお、命令信号は車載電池を搭載した車両から発信されるものに限定されず、例えば複数台の充放電装置を設置する場合、各充放電装置を制御する中央の制御ユニットから命令信号を管理回路に送ることも可能である。

判定手段２８では、管理回路３０からの切替信号を受けて、充電モード／放電モードの切り替えを排他的に行う。すなわち、充電モード及び放電モードいずれにおいても、充電リレー２１と放電リレー２４とが同時に閉じることがないように制御して、、２００Ｖの外部電源の電圧が１００Ｖである一般負荷に印加されることを回避している。

ＣＰＬＴ回路２７は従来同様に、車両１の接続状態に応じたＣＰＬＴ信号を生成して、常時、判定手段２８に出力を行っている。ＣＰＬＴ信号は車両が非接続の状態では、充放電装置内のＣＰＬＴ信号の電位（車両へのコネクタ接続部の電位）が１２Ｖ定電圧である。車両１が接続されると車両内部抵抗Ｒ２により分圧して９Ｖ定電圧となるなるように調整されている。充放電装置側が充電可能な状態（タイマ制御なし・契約電流の問題なし等の条件を満たす場合）であれば、ＣＰＬＴ信号を発振させて、９Ｖ発振となる。続いて、車両側の充放電許可スイッチ１２が投入されるとＲ３との分圧により６Ｖ発振に移行する。判定手段２８は、充電モード／放電モードの何れのモード下でも、６Ｖ発振を受けてリレー閉路信号を出力し、９Ｖ発振を受けてリレー開路信号を出力する（以下、モード２制御）。なお、管理回路３０は車両が非接続の状態では充電モードとして設定されているため、車両から管理回路のモードを決定するための命令信号を受けなくても、充電が開始される。

判定手段２８は、前記のようにＣＰＬＴ信号に基づいてリレー５に対し充電電路の開閉信号を送信する他、接点検出部２２，２３，２６からリレーの開閉状態を示す信号と、管理回路３０からのモード切替信号を受けて、前記リレー開閉信号との整合性を判断し、下記の表２に示すように、リレーの状態判定を行っている。なお、判定手段２８の当該機能は、連続的に常時作動している。

具体的には、まず、判定手段２８は、車両１が接続されると管理回路３０からのモード切替信号を受けて、充電モード／放電モードの切り替えを行う。なお、初期設定では、充電モードが選択されている。

（充電モード）
図５に示すように、充電モードの選択が行われると、まず、各リレー２１，２４の状態判定に先立って、双方のリレー２１，２４が開路状態にある確認を行う状態判定が行われる。ここで、表２の状態Ａに示すように、第１の電圧検出部２２の測定結果が有電圧、第２および第３の電圧検出部２３、２６の測定結果が無電圧となっている場合、充電リレー２１の溶着（状態Ｂ）が生じておらず、正常状態にあると判定される。なお、後述する放電リレー２４の溶着（状態Ｄ）も同時に判断される。また、状態Ｂまたは状態Ｄの判定がなされた場合には、ＣＰＬＴ信号は発振されず、モード２制御が中止されるとともに、表示部に異常表示がなされる。

最初の状態判定で、正常状態にあると判定された場合には、続いて、モード２制御を経て、充電リレー２１が閉路される。このとき、放電リレー２４は開路状態を維持している。充電リレー２１の閉路動作後、第１の電圧検出部２２と第２の電圧検出部２３の測定結果が判定手段２８に送信されて、充電リレー２１の状態判定が行われる。ここで表２の状態Ｃに示すように、第１の電圧検出部２２と第２の電圧検出部２３の測定結果が、判定手段２８から充電リレー２１対し閉路信号が送信されている状態下において、双方で有電圧となっている場合、充電リレー２１が故障等による不動作状態（状態Ｅ）や放電リレー２４が溶着状態（状態Ｄ）となっておらず、正常状態にあると判定される。なお、充電リレー２１の不動作判定（状態Ｅ）がなされた場合には、判定手段２８から充電リレー２１に対して開路信号を出力するとともに、表示部にエラー表示がなされる。また、放電リレー２４の溶着判定（状態Ｄ）がなされた場合には、外部電源１５（２００Ｖ）から一般負荷１６（１００Ｖ）への電圧印加を回避するため、直ちに放電リレー２４を開路する。

図６に示すように、充電中止・満了時には、車両側の充電制御回路１０が充放電許可スイッチ１２を開放して、これに伴いＣＰＬＴ信号が９Ｖ発振となり、これを受けて、判定手段２８から充電リレー２１に対して開路信号が出力されて、充電リレー２１が開路する。この時の状態判定において、表２の状態Ａに示すように、第１の電圧検出部２２の測定結果が有電圧、第２および第３の電圧検出部２６の測定結果が無電圧となっている場合、充電リレー２１の溶着（状態Ｂ）が生じておらず、正常状態にあると判定される。なお、溶着判定がなされた場合には、表示部に異常表示がなされる。

（放電モード）
充放電装置は車両からの命令信号を受けて充電モードから放電モードに切り替わる。図７に示すように、放電モードの選択が行われると、双方のリレー２１，２４の状態判定が開始される。ここで、表２の状態Ｆに示すように、第２および第３の電圧検出部２３、２６の測定結果が無電圧となっている場合、正常状態にあると判定される。なお、充放電装置に車両が接続されていて、充放電装置の準備ができていればＣＰＬＴ信号は９Ｖ発振が維持されているが、充電モードに切り替わった場合で放電リレー２４が閉路する前に状態Ｆ以外の判定がなされた場合には、ＣＰＬＴ信号の発振を停止するとともに、表示部に異常表示がなされる。ＣＰＬＴ信号の発振を停止した場合、車両側の充電制御回路１０は充放電許可スイッチ１２を閉じることができないため、放電は行われない。また、放電リレー２４の接点溶着判定は状態Ｄのみで判定可能であるため、充電モード時において判定し、接点溶着が判定されれば異常表示を行い、その後放電モードに切り替わらないように制御する。

放電リレー２４が閉路する前の状態判定で、正常状態にあると判定された場合には、ＣＰＬＴ信号は９Ｖ発振が維持されているので充電制御回路１０は車両側の放電準備が完了すると充放電許可スイッチ１２を閉じ、これに伴いＣＰＬＴ信号が６Ｖ発振となる。６Ｖ発振のＣＰＬＴ信号を受けた判定手段２８は、放電制御手段に対し放電リレー閉路信号を出力して、放電リレー２４が閉路される。このとき、充電リレー２１は開路状態を維持している。放電リレー２４の閉路動作後、放電リレー２４を挟んで車両側と一般負荷側の各々に配置された第２の電圧検出部２３と第３の電圧検出部２６の測定結果が、判定手段２８に送信されて、放電リレー２４の状態判定が行われる。ここで、ここで表２の状態Ｇに示すように、第２の電圧検出部２３と第３の電圧検出部２６の測定結果が、判定手段２８から放電リレー２４に対し閉路信号が送信されている状態下において、車両側と一般負荷側の双方で有電圧となっている場合、放電リレー２４が故障等による不動作状態（状態Ｈ）となっておらず、正常状態にあると判定される。放電リレー２４の不動作判定（状態Ｈ）がなされた場合には、表示部にエラー表示がなされる。

車両は放電許容値を越えた時に放電を停止するが、放電停止には、図８に示すように、車両側の充電制御回路１０が充放電許可スイッチ１２を開放して、これに伴いＣＰＬＴ信号が９Ｖ発振となり、これを受けて、判定手段２８から放電リレー２４に対して開路信号が出力されて、放電リレー２４が開路する。ここで、放電リレー５の開路の状態判定が行われる。この状態判定において、表１の状態Ｇに示すように、第２の電圧検出部２３の測定結果が有電圧、第３の電圧検出部２６の測定結果が無電圧となっている場合、正常状態にあると判定される。状態Ｇ以外の場合には、表示部にエラー表示がなされる。なお、放電モードでは、放電完了時に車載電池側に電圧がないため、放電リレー２４の溶着判定（状態Ｄ）は、前記のように、充電モード下（表２の状態Ｄ）で判定される。

上記実施形態では、１台の充放電装置に1台の車両を接続する例を説明したが、他の実施形態として、複数台の充放電装置に複数台の車両を接続することもできる。この場合、各充放電装置を制御する中央の制御ユニットの命令により充電モード／放電モードを切り替え可能とする命令信号を管理回路に送る。さらに、管理回路は車両接続時には充電モードで制御し、一般負荷の接続を検出した場合に放電モードに切り替えることも可能である。一般負荷の接続検出は、例えば、コンデンサの電位の変化で行うことができる。

その他、充電モードへの切り替えにより一般負荷への電力供給を停止したり、各車両の許容放電量を越えた時、充電モードに切り替えを行うこともできる。

上記実施形態では各リレーの開閉をＣＰＬＴ信号を用いて行っているが、車両側の電圧検出部を放電側と充電側とを共通に使用する構造であれば、リレーの開閉制御はＣＰＬＴ信号によらず、例えば、充放電装置に設けた操作ボタン等で操作するものであってもよい。また、充放電装置の操作ボタンを充電用と放電用とを設け、充電モードと放電モードとを充放電装置側から排他的に制御するものとすれば、モード切替を行う管理回路も省略することができる。

１ 車両（外部機器）
２ 充電装置
３ 制御部
４ ＣＰＬＴ回路
５ リレー
６ 判定手段
７ 電圧検出部
８ 接点検出手段
９ 電源部
１０ 充電制御回路
１１ 発振器
１２ 充電許可スイッチ
１３ 表示部
１４ 充放電装置
１５ 外部電源
１６ 一般負荷
１７ 一般負荷用コンセント
１８ 充電電路
１９ 放電電路
２０ 制御部
２１ 充電リレー
２２ 第１の電圧検出部
２３ 第２の電圧検出部
２４ 放電リレー
２５ 車載電池
２６ 第３の電圧検出部
２７ ＣＰＬＴ回路
２８ 判定手段
２９ 接点検出部
３０ 管理回路
３１ 放電制御手段
３２ 外部電源引込部
３３ 電源ライン
３４ ＣＰＬＴ信号線
３５ 信号線

Claims (4)

1. 二次電池を備えた外部機器に接続ケーブルを介して接続され、この二次電池の充電及びこの二次電池から一般負荷への放電を行う充放電装置であって、
   外部電源から二次電池を備えた外部機器に充電を行う充電電路と、充電電路を開閉する充電リレーと、外部機器の二次電池から一般負荷に電源を供給する放電電路と、放電電路を開閉する放電リレーと、各リレーを開閉制御する制御部と、充電リレーの外部電源側に設けた第１の電圧検出部と、充電リレーおよび放電リレーの外部機器側で、各リレーに共通に設けた第２の電圧検出部と、放電リレーの一般負荷側に設けた第３の電圧検出部とを備え、該制御部は、各電圧検出部からの検出信号に基づいて各リレーの開閉状態を検出するとともに、各リレーに対する開閉信号を送信し、前記開閉信号との整合性に基づいて各リレーの状態判定を行う判定手段を有することを特徴とする充放電装置。
2. 該判定手段は、充電リレーの状態判定を、第１の電圧検出部と第２の電圧検出部から充電リレーの開閉状態を示す信号と、充電リレーに対する開閉信号との整合性に基づいて行い、
   放電リレーの状態判定を、第２の電圧検出部と第３の電圧検出部から放電リレーの開閉状態を示す信号と、放電リレーに対する開閉信号との整合性に基づいて行うことを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
3. 該制御部は、充電モードおよび放電モードの何れかで適宜モード切り替え信号を生成する管理回路を有し、該判定手段は、各リレーの状態判定をモード切り替え信号に基づいて行うことを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
4. 該判定手段は、放電リレーの状態判定のうち、リレー溶着判定は、充電モード下で行うことを特徴とする請求項３記載の充放電装置。

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