(57)【要約】【課題】所定の電力値の電力を発生する複数の電源回路を高い変換効率で稼動させ効率よく二次電池を充電する充電装置及び充電方法を提供する。【解決手段】充電装置は、電力を供給する出力手段と、所定の電力値の電力を発生する複数の電力発生手段と、出力手段の状態を検出する検出手段と、検出手段が検出した状態に基づいて複数の電力発生手段を制御する制御手段を備える。
2012086825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給する出力手段と、
所定の電力値の電力を発生する複数の電力発生手段と、
前記出力手段の状態を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記状態に基づいて前記複数の電力発生手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記出力手段に電池が接続され、
前記制御手段は前記電池の充電に必要な電力値に基づいて前記複数の電力発生手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
複数の出力手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記検出手段が検出した前記複数の出力手段の状態に基づいて前記複数の電力発生手段及び前記複数の出力手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記複数の電力発生手段の稼働状態、及び前記複数の電力発生手段と前記複数の出力手段との間の経路を設定することを特徴とする請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記複数の電力発生手段の最大出力電力値と最小の最大出力電力値の比が、整数値のべき乗であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の充電装置。
【請求項６】
複数の電力発生手段の少なくとも一つから出力手段に供給される電力により充電する充電方法であって、
前記出力手段の状態を検出するステップと、
前記検出した状態に基づいて前記複数の電力発生手段を制御するステップを有することを特徴とする充電方法。
【請求項７】
前記複数の電力発生手段を制御するステップにおいて、前記状態に基づいて前記出力手段に接続される電池の充電に必要な電力値が決定されることを特徴とする請求項６に記載の充電方法。
【請求項８】
前記状態に基づいて複数の出力手段を制御するステップをさらに有することを特徴とする請求項６または７に記載の充電方法。
【請求項９】
前記複数の電力発生手段を制御するステップにおいて、前記複数の電力発生手段の稼働状態が決定され、前記複数の電力発生手段と前記複数の出力手段との間の経路が設定されることを特徴とする請求項８に記載の充電方法。
【請求項１０】
前記複数の電力発生手段の最大出力電力値と最小の最大出力電力値の比が、整数値のべき乗であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は充電装置及び充電方法に関し、特に二次電池を充電する充電装置及び充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料への依存を減らして、低炭素社会の実現をめざすという意識が高まっており、その環境が整いつつある。この状況を受けて、電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）等の二次電池を搭載した機器の普及に向けた活動が活発になっている。またこれらの機器の市場が確立しつつある。
このような動向に伴って、電気自動車等の普及に不可欠な充電器の開発と充電設備の整備が注目されている。普及が期待される充電器の充電方式として、例えば、ガソリンスタンドやショッピングセンター等の大規模な公共施設等において充電を行う方式、及び、家庭用の電源から簡易に充電を行う方式が提唱されている。しかし、現在実用に供されている二次電池は容量が大きく、家庭用の電源からの充電では自動車の電池の満充電には１０時間以上の時間が必要である。このため、より高い電圧及び大きい出力（例えば５０キロワット以上）の容量を有する急速充電器（２０乃至３０分間で８０パーセントの充電が可能）の普及が必要であると言われている。このため、近年急速充電器の高効率化、高性能化、及び低価格化を目指した活発な開発が進められている。
このような急速充電器についての課題の一つは、複数の電気自動車に対する待ち時間である。すなわち、複数の電気自動車が充電施設に訪れたときに、後に到着した電気自動車に待ち時間が発生することがある。先に到着した自動車の電池残存容量が少ないほどその待ち時間は長くなり、後に到着した電気自動車は３０分間も待たされることがある。
この課題に対して、複数台の充電器を充電施設に設置するという対応が検討されている。しかし２０乃至５０キロワットという大電力の出力が要求される充電装置の寸法は大きく、複数台の充電器の設置には敷地面積の制約などの経営面での問題がある。
この課題を解決するため、一つの充電装置により複数の電気自動車を同時に充電する構成が提案されている。例えば、特許文献１が開示する電気自動車には、充電器から受電して該電気自動車に搭載される二次電池に給電する受電口と、該二次電池の端子から受電して他の電気自動車に給電する給電口が設けられている。この構成により同時に複数の電気自動車が充電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１１７４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載される電気自動車の車体には受電口と給電口を設ける必要があり、車体の構造が複雑になる。さらに、複数台の電気自動車の二次電池を同じ電圧で充電する充電装置には大きな電気容量が要求されるので大容量の電源装置が必要である。このため、充電装置が大型になるという問題がある。
また、充電装置を構成する電源には、出力電流が小さい低負荷時に固定損の影響により効率が低下するという問題がある。この問題は、接続される出力負荷の変動に対して高い効率を維持するように設計されている電源でも避けられない。
図１２は、関連技術の充電装置の一例を示す。充電装置１００１は、交流電力源１００２から電力の供給を受け直流電力に変換する電源回路を備えた電源部１００３を有する。電源部１００３において発生した直流電力は、電力出力部１００８において、充電装置１００１に接続された二次電池１００９に供給される。
図１４は、関連技術の電源回路における変換効率の負荷依存性の一例を示す。図１４に示されるように、出力電流が小さい領域では変換効率が低下する。すなわち、負荷が大きいとき（範囲−１）には変換効率は９５パーセントを越えるが、負荷が小さくなると（範囲−２）変換効率は９２パーセントまで下がる。
図１３は、関連技術の二次電池の充電電流プロファイル（Ａ）と電圧プロファイル（Ｂ）を示す。図１３に示されるように、二次電池の充電電流（Ａ）は、初期時に最大値の電流値が一定期間継続した後に、なだらかな放物曲線を描いて供給電流値が減少する。一方充電電圧（Ｂ）は、初期時は定格電圧に満たないものの、時間の経過とともに電圧値が増加し、供給電流値が降下した後にほぼ定格電圧に達する。
このため、充電装置が５０キロワットという高出力の電力容量を備えていても、最大の能力が必要とされる期間は充電開始から１０分以内（図１３において（１）５０キロワット出力時）であり、それ以降は最大の出力は不要である（図１３において（２）２５キロワット出力時）。
すなわち、充電装置が備える最大の能力は充電初期においてのみ活用され、残りの半分以上の時間では電流供給量は少なくてよい。この残りの時間においては、電源効率も最大出力時より低く、図１２に示す関連技術の充電装置のように、電力から熱に変換される割合が大きくなる。さらに、負荷の変動に対して充電効率を高く維持するには、電源の構成に大きな部品が必要になり、部品点数が増加する。これらの要因は電源装置の小型化を妨げる。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、充電装置電源部の効率が制御される小型の充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の充電装置は電力を供給する出力手段と所定の電力値の電力を発生する複数の電力発生手段と出力手段の状態を検出する検出手段と検出手段が検出した状態に基づいて複数の電力発生手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
本発明の充電方法は複数の電力発生手段の少なくとも一つから出力手段に供給される電力により充電する充電方法であって出力手段の状態を検出するステップと検出した状態に基づいて複数の電力発生手段を制御するステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、充電装置の電源部が複数の電力発生手段を備え、電力経路を切換可能な構成にしたので、充電装置は常に最大の効率と最大の出力の状態で動作する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る充電装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る充電装置に接続される二次電池の電流プロファイルの一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る充電方法の手続の一例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る充電装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る充電装置において稼動する電源回路を決定する手続の一例を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る充電装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る充電方法の手続の一例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る充電装置の充電手続時における構成の一つの例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る充電装置の充電手続時における構成のもう一つの例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る充電装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る充電装置において割当てる電源回路を決定する手続の一例を示す図である。
【図１２】関連技術の充電装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】関連技術の二次電池の充電電流プロファイルと電圧プロファイルの一例を示す図である。
【図１４】関連技術の電源回路における変換効率の負荷依存性の一例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態を図に基づいて説明する。ただし本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る充電装置の一例の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る充電装置１において、二次電池が接続される出力部８１に、複数の電源回路３１乃至３５が電力を供給する。なお、本明細書に添付される図面において、実線の矢印は供給される電力を表わし、点線の矢印は検出信号或は制御信号などの構成要素間の情報の送信を表わす。電源回路３１乃至３５のそれぞれは、制御部１１により稼動が制御される。出力部８１には検出部１０１が備えられる。検出部１０１は、接続される二次電池についての情報を検出し、制御部１１に情報を送信する。
電源回路３１乃至３５のそれぞれは、商用又は家庭用の交流電源からの交流電力を受け、所定の電圧の直流電力を発生する。本実施形態に係る電源回路の変換効率の負荷依存性は、図１４に示される関連技術の負荷依存性と同じである。
なお、図１では電源回路の個数を５としたが、これに限定されない。すなわち、電源回路の数は５より小さくてもよいし、５より大きくてもよい。本実施形態では、５つの電源回路の最大出力をすべて同じ１０キロワットとする。
本実施形態に係る充電装置の出力部に接続される二次電池が搭載される装置としては、例えばパーソナルコンピュータなどの情報端末及び電気自動車や自転車などの移動用機器などが挙げられる。これらの装置に使用される二次電池の定格電圧値はさまざまである。その定格電圧値の範囲は非常に広く、例えば１０ボルトから３００ボルト超に亘る。また、二次電池の定格容量の範囲も非常に広く、例えば数キロワットから３０キロワット超に亘る。さらに、二次電池の材質もさまざまである。例えばマルチメディアの用途としてモバイル情報通信機器に搭載される二次電池、環境調和を目的として電気自動車に搭載される二次電池などがある。二次電池の材質について、リチウム系二次電池として、金属リチウム電池、ポリマーリチウム電池などがある。また、アルカリ二次電池として、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などがある。
図２は、本実施形態に係る充電装置に二次電池が要求する出力の充電プロファイルを示す。本実施形態に係る充電装置１は、最大出力が１０キロワットの電源回路を５台備えるので、充電装置１の最大出力は５０キロワットである。
図２及び３を参照して、この充電装置１に電池残量がほぼ０パーセントの二次電池が接続して充電する手続を説明する。
検出部１０１は、二次電池の情報を取得する（ステップＳ１０１）。検出部１０１は、二次電池の両電極間の電圧値及び二次電池から出力部８１の端子に流れる電流値を検出する。これらの電圧値と電流値より二次電池の充電残量が判定される。
さらに、二次電池を構成する材質により充電プロファイルが異なることがあるため、検出部１０１は二次電池の種類を判定してもよい。例えば、二次電池の電極の形状により自動的に二次電池の種類を判別してもよいし、あらかじめユーザが二次電池の種類を制御部１１に入力してもよい。また、二次電池の種類を限定して、充電可能な二次電池の種類を充電装置１の外部に表示してもよい。
制御部１１は、検出部１０１が取得した情報に従って、二次電池が充電装置１に要求する出力を決定する（ステップＳ１０２）。例えば、制御部１１は二次電池の充電プロファイルと電圧値と電流値の対応関係を図示しない記憶部に保持し、該対応関係を参照して要求出力を得る。
次に、該要求出力値が所定の閾値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ１０３）。要求出力値が閾値以下であれば、二次電池を充電する必要がないので、充電手続を終了する。なお、該閾値は二次電池の種類或は大きさによって異なってもよい。検出部１０１が二次電池の種類を判定した結果を基にして、該閾値が設定される。
二次電池の充電手続を続行する場合、上記で決定された二次電池の要求出力を基にして、５台の電源回路３１乃至３５のうち稼動する電源回路を決定する（ステップＳ１０４）。本実施形態では、５台の電源回路３１乃至３５はいずれも最大出力が１０キロワットであるので、要求出力値を１０キロワットで除した商に１を加えた数が稼動する電源回路の台数である。ただし、稼動する電源回路の台数は５を越えない。すなわち、５台の電源回路を全て稼動したときの最大出力よりも二次電池が要求する出力が大きい場合を除き、稼動する電源回路の最大出力の合計値が要求出力を下回らないような最小の電源回路の台数を稼動するよう、電源回路の台数が決定される。
稼動する電源回路は、５台の電源回路のいずれでもよく、所定の方法で選択してよい。例えば、電源回路３１が最も稼働率が高く電源回路３５が最も稼働率が低くなるようにしてもよい。また、充電手続ごとに電源回路３１乃至３５のそれぞれの稼働率を変更するようにしてもよい。例えば、電源回路３１が最も稼働率が高い充電手続を終えた後、次の充電手続では電源回路３２が最も稼働率が高く電源回路３１が最も稼働率が低くなるように、稼働率の割当を電源回路３１乃至３５の中で周回するようにしてもよい。
稼動する電源回路が決定されたら、電源回路３１乃至３５のそれぞれの稼動を制御するために電力入力接続を設定する（ステップＳ１０５）。例えば、稼動しない電源回路の動作を停止してもよいし、稼動しない電源回路への電力の供給を停止するよう電力供給経路を切断してもよい。
検出部１０１は、所定のタイミングで二次電池の情報を検出する。充電手続が行われている二次電池の状態は、時間の経過に従って変化する。すなわち、図２に示されるように、充電手続が進行して二次電池の充電残量が増加すると、二次電池が充電装置に要求する出力は減少する。この変化に対応して稼動する電源回路の台数を変更することにより、二次電池の充電手続に寄与しない電力消費を抑制することができる。
図２に示されるように、充電初期の０分から１０分までの時間帯では、充電装置１は電流値が最大である定電流モードで稼働する。この時間帯では、電源回路３１乃至３５から供給される電力により、出力部８１は５０キロワットの最大出力の電力を二次電池に供給する。図１４に示される電源効率の負荷率依存性を参照すると、充電装置１では負荷率が高く、電源回路３１乃至３５は効率の高い状態で稼働する。
充電開始から１０分が経過すると、図２に示されるように、二次電池に供給される出力の電流値は放物曲線のような電流プロファイルを示して次第に減少する。従って、５０キロワットという最大出力は不要になる。本実施形態に係る充電装置１は、出力値の減少に応じて、５台の電源回路のうち稼働する電源回路の数を減らす。例えば、制御部１１は、電源回路３１乃至３５のそれぞれへの電力の供給を制御する。これにより、充電装置１の出力が、５０キロワット（５台）から４０キロワット（４台）、３０キロワット（３台）、そして２０キロワット（２台）のように順に減少する。この充電手続において、電源回路３１乃至３５のそれぞれは、稼働している状態においては、ほぼ１０キロワットの最大の電力と最大の効率で動作する。
要求出力が所定の閾値以下であると検出されると、全ての電源回路の稼動が止まり、充電手続が完了する。この閾値は、二次電池の種類に依存した所定の値でもよいし、短時間で充電手続を終えたいというユーザの要求により変更してもよい。
供給された電力のうち、二次電池の充電に出力されない部分は熱に変換されて電源回路から装置内に排出される。このため、電源装置には、放熱を処理する部品が必要である。
上記の手続きの結果、本実施形態に係る充電装置１においては、電源装置の変換効率の低下により、装置内に排出される熱の発生が抑制される。これにより、放熱処理のための部品の規模を抑えることができる。
また上記の例では充電時の電流値の減少に応じて電源回路の稼働を停止したが、この電源回路の稼働を停止せずに該電源回路の出力を図２に示される未使用出力として他へ転用してもよい。すなわち、該電源回路の出力電力の供給先を別の出力部に切り替えて、他の二次電池の充電に割り当てることができる。これにより、電源回路の動作が高い変換効率に維持され、複数の二次電池の充電に必要な待ち時間が短縮される。複数の電気自動車が充電装置に訪れた場合でも、充電手続が円滑に行われる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る充電装置１の構成を示すブロック図である。本実施形態において、充電装置１は最大出力がそれぞれ１キロワット、２キロワット、４キロワット、８キロワット、１６キロワット及び３２キロワットの６台の電源回路を含む。充電装置１の最大出力はこれらを合算して６３キロワットである。
この他の構成要素は第１の実施形態と同一であるので、説明を省略する。
ただし、二次電池が充電装置１に要求する出力から稼動する電源回路を決定する手続は、第１の実施形態（図３のステップＳ１０４）に係る手続とは異なる。以下、電源回路を決定する手続を説明する。
図４を参照して、最大出力が１キロワットの電源回路を電源回路３１、最大出力が２キロワットの電源回路を電源回路３２、最大出力が４キロワットの電源回路を電源回路３３、最大出力が８キロワットの電源回路を電源回路３４、最大出力が１６キロワットの電源回路を電源回路３５、最大出力が３２キロワットの電源回路を電源回路３６とする。二次電池の要求する出力をＱとして、Ｑ以上で最小の整数値をＬとする。
Ｌを３２で除した商が１のとき、Ｌから３２を差し引いた値をＬに代入し電源回路３６を稼動する。商が０のときは、Ｌの値を保持して電源回路３６を稼動しない。
次に、Ｌを１６で除した商が１のとき、Ｌから１６を差し引いた値をＬに代入し、電源回路３５を稼動する。商が０のときは、Ｌの値を保持して、電源回路３５を稼動しない。
以下この処理を繰り返して、Ｌの値が０になったら稼動する電源回路の決定の手続を終える。
第２の実施形態に係る充電装置１は、最大出力ｒｋＰを有する電源回路をそれぞれ（ｒ−１）台含む組合せとして一般化される（ｋは０以上の整数）。最大出力値が制約された電源回路を含む充電装置において、電源回路の台数を増やして充電装置１の最大出力値を大きくする場合は、ｒを３以上にすればよい。
ここでｒｋはｒのｋ乗を表わし、Ｐは充電装置１に含まれる電源回路のうちで最大出力値が最小の電源回路の最大出力値である。また、ｒは２以上の整数であり、ｋは０以上ｎ以下の整数である。上記の例に倣って、この充電装置１に含まれる電源回路の最大出力値は、Ｐのｒｋ倍であるとする。図４に示される充電装置１は、ｒが２、ｎが５、Ｐが１キロワットの場合の電源回路の組合せである。充電装置１の最大出力値は、（ｒ−１）ｒｋＰのｋについての総和、すなわち、（ｒｎ＋１−１）Ｐである。
一般化した電源回路の組合せにおける電源回路の決定手続について、図５を参照して説明する。
まず、二次電池が要求する出力ＱをＰで除した商を求め、この商の値以上で最小の整数をＬとする（ステップＳ２０１）。Ｌは、ＱをＰで除した商を引数とする天井関数（ｃｅｉｌ（Ｑ／Ｐ））として求められる。
ここでＬが０であれば（ステップＳ２０２）、電源回路を稼動せず、すなわち全てのｋについてａｋを０にして（ステップＳ２１１）、手続を終える。
次に、最大出力ｒｋＰを有する電源回路のうち稼動する電源回路の台数をａｋとすると、ａｋはＬをｒｋで除した商である（ステップＳ２０６）。このａｋを求めた後、Ｌをｒｋで除した剰余（ｒｅｍ（Ｌ／ｒｋ））をＬとする（ステップＳ２０７）。
最大の最大出力値を有する電源回路のうち稼動する電源回路の台数を求めるとき、すなわちａｎを求める（ステップＳ２０３）ときに、Ｌをｒｎで除した商がｒ以上になった場合（ステップＳ２０４）は、二次電池が充電装置１に要求する出力が充電装置１の最大出力値を越えている。充電装置１は全ての電源回路を稼動して、充電装置１の最大出力値で二次電池を充電する。すなわち、すべてのｋについてａｋをｒ−１にして手続を終える（ステップＳ２１０）。
以下この処理を繰り返して、Ｌの値が０になったら（ステップＳ２０８）稼動する電源回路の決定の手続を終える。
なお、ａｋが１以上でｒ−１未満の場合、最大出力電力がｒｋＰのｒ−１台の電源回路からａｋ台の電源回路が所定の方針に従って選択される。
また、図５において必要に応じて判定処理を挿入して、稼動する電源回路の決定の手続を終えるようにしてもよい。
なお、本実施形態においては、図５で示される手順に従って稼動する電源回路を決定したが、要求電力の値とそれぞれの電源回路の稼働との対応の情報を図示しない記憶部に記憶してもよい。このような構成においては、二次電池の要求電力値をもとに電源回路についての情報が参照される。すなわち、ステップ２０２以下の処理が記憶部への参照処理に代替される。
本実施形態に係る充電装置１は、電源回路３１乃至３６の出力の合計が１キロワットの単位で設定されるという特徴がある。本実施形態に係る充電装置１は、第１の実施形態に比べて電源の変換効率がより高い状態に維持される。このため、出力電力が充電される二次電池の状態にきめ細かく対応し、変換効率の低下による損失が低く抑制され、該充電装置１はより少ない消費電力で動作する。
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る充電装置１の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る充電装置１は、複数の二次電池が同時に充電されるように、直流電力を二次電池に供給する複数の出力部を有する電力出力部８を備える。なお、本実施形態において出力部の個数を５にしたが、これに限定されず、出力部の個数は２以上であればよい。
出力部８１、８２、８３、８４、８５にそれぞれ検出部１０１、１０２、１０３、１０４、１０５が備えられる。検出部１０１乃至１０５のそれぞれは、第１の実施形態における検出部１０１と同一であるのでその説明を省略する。
充電装置１は、直流電力を発生する複数の電源回路を有する電源部３を備える。本実施形態における複数の電源回路は、第１の実施形態における電源回路３１乃至３５と同一の構成を有するので、その説明を省略する。なお、本実施形態において電源回路の数を５にしたが、これに限定されず、電源回路の数は２以上であればよい。また、本実施形態においては電源回路の数と出力部の数が同じであるが、異なってもよい。本実施形態では、全ての電源回路が同一の最大出力値、例えば１０キロワット、を有するとする。
本実施形態に係る充電装置１は外部の交流電力源２に接続され、二次電池９１乃至９５が該充電装置１に接続される。なお、図６では、全ての出力部８１乃至８５のそれぞれに二次電池が接続されるが、充電される二次電池の数は１以上であればよい。
充電装置１は、交流電力源２から交流電力が供給され、二次電池に直流電力を供給して二次電池を充電する。電源部３は、出力部に接続される１つの二次電池の充電に十分な出力電流値を有する直流電力を発生する。
充電装置１は、交流電力源２から受けた交流電力を電源回路３１乃至３５のそれぞれに供給する入力電力接続切換部４を含む。入力電力接続切換部４は、電源回路３１、３２、３３、３４、３５にそれぞれ接続されたスイッチ４１、４２、４３、４４、４５を有する。スイッチ４１乃至４５は、電源回路３１乃至３５のそれぞれへの交流電力の供給及び交流電力源２からの切り離しを行う。スイッチ４１乃至４５は、継電器のように物理的に接続を切換える部品により実施されてもよいし、或は、電気的な導通状態と非導通状態との間の切換動作を行うトランジスタなどのスイッチング素子により実施されてもよい。
制御部１１は、第１の実施形態と同様に、二次電池が接続される検出部から二次電池についての情報を取得する。すなわち、制御部１１は、二次電池の電極間の電圧及び電極に流れる電流値を基に二次電池の充電残量を得る。また、制御部１１は、二次電池を構成する材質など二次電池の種類についての情報を検出部から取得する。或は、二次電池の種類についての情報がユーザにより外部から入力部１２に入力されてもよい。
本実施形態に係る充電装置１には、複数の二次電池が接続される。従って、制御部１１は、第１の実施形態における動作に加えて、二次電池の個数を取得する。すなわち、検出部１０１乃至１０５のそれぞれは、接続される二次電池９１乃至９５についての情報を制御部１１に通知するが、二次電池が接続されていなければ出力部に負荷がかかっていないとの情報を制御部１１に送信する。制御部１１は、検出部１０１乃至１０５から取得した二次電池の個数についての情報をもとに、充電処理情報のセットを用意する。該セットの数は、接続される二次電池の個数である。新たに二次電池が接続された場合は、充電処理情報のセットが追加される。また、充電処理情報は、制御部１１などの指示により、検出部１０１乃至１０５が二次電池の状態を検出して制御部１１に送信した時点で更新される。
入力部１２は、さらに複数の二次電池が充電される場合、二次電池の充電の優先順位などを入力し制御部１１に通知する。制御部１１は、優先順位に基づいて充電処理情報を制御する。優先順位は、ユーザの操作により、充電手続中に変更されてもよい。
制御部１１は充電処理情報に基づいて充電完了までの時間を算出し、図示しない表示部に充電時間を表示してユーザに通知してもよい。ユーザは表示された充電時間を参照し、必要に応じて接続された二次電池の充電手続の中断の指示を入力部１２に入力してもよい。
入力電力接続切換部４のスイッチ４１乃至４５は、制御部１１から指示を受けた入力接続制御部５により制御される。入力接続制御部５に備えられた入力接続組合せ制御部５２は、入力接続通信部５１を介して制御部１１からの指示を受け、例えば制御部１１により稼動する電源回路に指定された電源回路に接続されるスイッチを閉状態にして、外部の交流電力源２から電力を供給する。また、入力接続組合せ制御部５２は、制御部１１により、稼動しない電源回路に指定された電源回路に接続されるスイッチを開状態にして、外部からの電力の供給を絶つ。
本実施形態に係る充電装置１は、複数の二次電池を接続し、電源回路からの直流電力をそれぞれの二次電池に供給する。このため、電源回路３１乃至３５が供給する電力を複数の出力部８１のそれぞれに振り分ける必要がある。本実施形態においては、電源部３からの出力側と電力出力部８の入力側の間に、バス構造を有する出力経路切換部６が備えられる。すなわち、電源部３の備える電源回路３１乃至３５のそれぞれの出力が、電力出力部８の備える出力部８１乃至８５への全ての入力に、スイッチ等を介して接続可能であるように、出力経路切換部６が構成される。出力経路切換部６のスイッチは制御部１１からの指示を、出力経路通信部７１を介して、受信した出力経路組合せ制御部７２により制御される。
すなわち、例えば出力経路組合せ制御部７２は、電源回路３１の発生する直流電力が出力部８１に供給されるように、電源回路３１の出力に接続されるバス線のスイッチのうち出力部８１への入力線へのスイッチのみを閉状態にする。
出力経路切換部６は、電源部３から電力出力部８への電力供給の経路を設定する。すなわち、電源部３に含まれる電源回路３１乃至３５のそれぞれにおいて発生する直流電力が電力出力部８に含まれる出力部８１乃至出力部８５のいずれに供給されるかが設定される。出力経路切換部６は、出力経路制御部７により制御される。すなわち、電力出力部８の出力部８１乃至８５の状態、例えば出力部に接続される二次電池の残量や電力出力部８に接続される二次電池の個数などに応じて、直流電力の供給経路が適宜設定される。
次に、図６及び７を参照して、第３の実施形態に係る充電装置１における出力電力の制御手続の詳細を以下に説明する。
電力出力部８の出力部８１乃至８５の少なくとも１つに二次電池が接続され、充電手続が開始する。
検出部１０１乃至１０５は、出力部８１乃至８５のそれぞれに接続される二次電池の情報を取得する（ステップＳ３０１）。検出部１０１乃至１０５のそれぞれが検出する情報は、例えば、二次電池の有無を含む。二次電池が接続される場合は、該情報は、二次電池の電極間の電圧値及び二次電池から出力部の端子に流れる電流値を含んでもよい。さらに、検出部１０１乃至１０５は、二次電池の電極の形状などにより二次電池の種類を判別してもよい。該情報は制御部１１に送信され、二次電池の個数、二次電池のそれぞれの充電残量及び二次電池の種類などが判定される。
制御部１１は、検出部により検出される情報から二次電池の充電残量及び種類などを判定するために、図示しない記憶部に保持された対応情報を参照してもよい。
次に、入力部１２に外部から入力された指示があるかどうかを検出する（ステップＳ３０２）。外部からの指示があれば、制御部１１は入力された情報を入力部１２から受信する（ステップＳ３０３）。
複数の二次電池が電力出力部８に接続されている場合、複数の二次電池の充電手続の優先順位を決定する（ステップＳ３０４）。該優先順位はあらかじめ定められていてもよいし、外部から入力部１２に入力された指示に従って決定されてもよい。
優先順位は充電残量などの二次電池の状態に応じて決定されてもよいし、いずれの二次電池も優先されることなく均等に電力を供給してもよい。また、ユーザが優先的に充電される二次電池を指定してもよい。充電残量に応じて優先順位を決定する場合、充電残量の少ないものを優先して接続された二次電池がほぼ同時に充電を完了するように順位を決めてもよいし、或は充電残量の多いものすなわち充電時間の短い二次電池の充電手続を優先してもよい。
次に、電力出力部８に接続される二次電池の要求出力を決定する（ステップＳ３０５）。なお、ステップＳ３０４とステップＳ３０５は入れ替えてもよい。制御部１１は、例えば、記憶部に保持された二次電池の充電プロファイルを参照して、要求出力を決定してもよい。
要求出力値の合計が所定の閾値以下であるかどうかを判定し（ステップＳ３０６）、閾値以下であれば、二次電池のいずれも充電する必要がないので、充電手続を終了する。閾値は、二次電池の種類或は大きさによって異なってもよい。検出部が検出した情報に基づいて閾値が決定される。
充電手続が続行される場合、それぞれの二次電池の充電に割当てられる電源回路が決定される（ステップＳ３０７）。すなわち、要求出力及び優先順位に基づいて、二次電池のそれぞれに対して割当てられる少なくとも一つの電源回路が電源回路３１乃至３５から選択される。
電源回路の割当が決定すれば、その割当に基づき、制御部１１は入力電力接続切換部４のスイッチ４１乃至４５のそれぞれの開状態或は閉状態についての指示を入力接続制御部５に通知する。これにより、電力入力接続が設定される（ステップＳ３０８）。
さらに、電源回路３１乃至３５の出力を出力部８１乃至８５のいずれの出力部に供給するかが指定されている電源回路の割当に基づいて、出力経路切換部６のバススイッチが制御部１１からの指示を受けた出力経路制御部７により制御される。これにより、電力出力経路が設定される（ステップＳ３０９）。
次に、複数の二次電池のそれぞれに対して割当てられる電源回路を決定する手順を、例を挙げて説明する。
図８は、本実施形態に係る充電装置１が二次電池を接続して充電する構成の一つの例を示す。
充電装置１の出力部８１及び８２に、２つの二次電池９１及び９２がそれぞれ接続される。２つの二次電池９１及び９２の充電残量は８０パーセントとする。このとき、二次電池９１及び９２のそれぞれの要求電力値は充電プロファイルをもとに求められ、例えば１０キロワット以下であるとする。二次電池９１及び９２には、１０キロワットの電源回路を１台ずつ割当てればよい。二次電池９１及び９２が充電装置１に要求する出力の合計は充電装置１の最大出力よりも小さい値であり、この場合は２０キロワットである。
入力電力接続切換部４において、例えば電源回路３１及び３２に交流電力源２からの電力を供給するように、スイッチ４１及び４２を閉状態にする。２台の電力回路は第１の実施形態と同様に、所定の方法で選択されてよい。この他の電源回路３３乃至３５に対しては、入力電力接続切換部４においてスイッチ４３乃至４５を開状態にし、外部からの電力供給を遮断する。
出力経路切換部６において、例えば電源回路３１の出力電力を出力部８１に供給して二次電池９１を充電し、電源回路３２の出力電力を出力部８２に供給して二次電池９２を充電するように、バススイッチを設定する。すなわち、図８において黒丸で示される位置のスイッチが閉状態になり、この位置で電源回路の出力と出力部の入力が導通する。
図８で示される構成においては、複数の二次電池９１及び９２が充電装置１に接続された場合に必要最小限の電源回路のみを稼動するので、電源部３は効率の良い状態で稼動する。すなわち、稼動する必要のない電源回路３３乃至３５は、入力電力接続切換部４におけるスイッチ４３乃至４５を開状態にして、稼動が停止される。これにより、効率の悪い状態で電源回路が稼動する関連技術に比べて、消費電力が削減され、効率的に複数の二次電池９１及び９２が充電される。
図８において、未接続の出力部８３乃至８５の少なくとも一つに二次電池が接続されると、稼動が止められている電源回路３３乃至３５は、入力電力接続を切換えることにより該二次電池の充電手続への利用が開始される。二次電池が出力部８３乃至８５の少なくとも一つに接続されると、検出部１０３乃至１０５が状態を検出し、該状態についての情報が制御部１１に通知される。該通知に基づいて、入力電力接続が切換えられる。
次に、本実施形態に係る充電装置１が二次電池を接続して充電する構成のもう一つの例を図９に示す。
２つの二次電池９１及び９２が、充電装置１の出力部８１及び８２にそれぞれ接続される。２つの二次電池９１及び９２の充電残量は、それぞれ４０パーセントと２０パーセントとする。このとき、二次電池９１及び９２のそれぞれの要求電力量が、例えば５５キロワット及び８０キロワットであるとする。
第１の実施形態と同様にして、二次電池９１及び９２の充電に必要な電源回路の台数はそれぞれ３台及び４台である。このとき、二次電池９１及び９２を充電するための電源回路の台数は、充電装置１が備える電源回路の台数を越えるので、稼動する電源回路の二次電池への割当について制限が必要になる。
該制限はあらかじめ決められてもよいし、入力部１２を介してユーザにより随時変更されてもよい。例えば、充電残量が最も少ない二次電池に該二次電池が要求する電力を供給し、該要求電力が充電装置１の最大出力電力よりも小さければ、余剰の電力を充電残量が次に少ない二次電池に割当てるように設定してもよい。或は、充電残量が最も多い二次電池に、出力電力を優先して割当てるように設定してもよい。また、ユーザが指定した二次電池を優先するように設定してもよい。さらに、接続される二次電池に均等に出力電力を割当てるように設定してもよい。均等に出力電力を割当てる場合、例えば図９で示される二次電池に対して同数の電源回路すなわちそれぞれに２台の電源回路を割当ててもよい。或は、充電残量が異なる場合は、二次電池が要求する電力に相関するように電源回路の台数を配分してもよい。例えば図９において、二次電池９１及び９１にそれぞれ２台及び３台の電源回路を割当ててもよい。
図９は、二次電池９１に優先して出力電力を供給し、余剰の出力電力を二次電池９２に割当てる例を示す。二次電池９１には、３台の電源回路が割当てられる。ここでは、図９に示される５台の電源回路から、所定の方針に従って３台が選択される。例えば、電源回路３１乃至３３の３台の電源回路が二次電池９１に割当てられるとする。図９に示すように、電源回路３１乃至３３の出力に出力部８１の入力が導通するように、出力経路切換部６におけるバススイッチが制御される。導通される位置が黒丸で示される。
充電装置１の５台の電源回路のうち３台の電源回路が二次電池９１の充電に割当てられたため、余剰の電源回路は２台である。二次電池９２の充電には４台の電源回路の割当が必要であるが、この段階で割当が可能な電源回路は２台であるので、その２台の電源回路を二次電池９２の充電に割当てる。すなわち、入力電力接続切換部４のスイッチ４１乃至４５の全てが閉状態にされ、電源回路３１乃至３５の全てが稼動し、電源回路３４及び３５の出力に出力部８２の入力が導通するよう、出力経路切換部６のバススイッチが制御される。導通される位置が黒丸で示される。
時間の経過とともに充電残量が変化し、二次電池９１が要求する電力が減少し余剰な出力電力が増加した場合に、増加分を要求出力に満たない出力で充電されている二次電池の充電に割当ててよい。
また二次電池の個数が３以上の場合は、上記と同様の手続に従う。すなわち、優先順位の高い２個の二次電池に電源回路が割当てられ、余剰の電源回路が利用可能であれば３番目の二次電池に電源回路を割当てられる。４番目以降の二次電池に対しても同様である。
図９に示される例においては、接続される複数の二次電池の要求する出力の合計が充電装置１の最大出力電力を越える場合、優先順位を付して指定された複数の二次電池の充電手続が早期に完了する。この優先順位の指定はユーザの指示により随時変更が可能であり、詳細な使用用途に個別に対応可能である。
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る充電装置１の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る充電装置１は、電源部３に含まれる電源回路３１乃至３６の最大出力電力が互いに異なるという点で、第３の実施形態に係る充電装置と異なる。本実施形態に係る充電装置１のそれ以外の構成は第３の実施形態と同一であるので、その説明を省略する。ただし、電源回路３６にスイッチ４６が接続される。なお、本実施形態では電源回路の台数が６であるが、これに限定されない。
図１０において、電源回路３１乃至３６の最大出力電力はそれぞれ１キロワット、２キロワット、４キロワット、８キロワット、１６キロワット及び３２キロワットである。充電装置１の最大出力は、これらを合算して６３キロワットである。
本実施形態においては、複数の二次電池を電力出力部８に接続して充電する場合、二次電池のそれぞれに割当てられる電源回路を決定する方法が第３の実施形態（図７のステップＳ３０７）とは異なる。
１つの二次電池に対して稼動する電源回路を決定する方法は、第２の実施形態で説明した通りである。
複数の二次電池の要求電力の合計が充電装置１の最大出力電力より大きくなる場合であって、均等に電源回路を割当てる場合は、複数の二次電池の要求電力の合計が充電装置１の最大出力電力と等しくなるように、それぞれの二次電池の要求電力値を縮小する。縮小した要求電力値に対して、以下の手続に従って電源回路を割当てる。
複数の二次電池に優先順位を付して充電する場合は、以下の手続に従う。
以下、入力電力切換部４のスイッチの台数及び電源部３の電源回路の数をＪとし、それぞれのスイッチ及び電源回路をｊで指定する。また、充電される二次電池の数をＭとし、二次電池に接続される出力部をｍで指定する。ここで、Ｍは電力出力部８の出力部の台数を越えない。
制御部１１が入力接続制御部５に通知する制御指示として、スイッチｊを閉状態にする場合はＥｊに１を代入して送信し、スイッチｊを開状態にする場合はＥｊに０を代入して送信するとする。
制御部１１が出力経路制御部７に通知する制御指示として、電源回路ｊの出力に出力部ｍの入力を導通する場合はＢｊｍに１を代入して送信し、それ以外の場合はＢｊｍに０を代入して送信するとする。
二次電池ｍが要求する電力値をＱｍとして、最大出力値が最小である電源回路の最大出力値をＰとする。電力値ＱｍをＰで除した商の値以上で、最小の整数値をＬｍとする。また、電源回路ｊの最大出力値をＰで除した商の値以下で最大の整数値をｃｊとする。ただし、ｊ及びｍは１以上の整数とする。
複数の二次電池の充電に電源回路を割当てる手続は、Ｌｍのｍについての総和がｃｊのｊについての総和を越えないという制限のもとで、Ｂｊｍのｍについての総和がＥｊ、すなわち０または１、というＪ個の関係式と、Ｂｊｍとｃｊの積のｊについての和がＬｍというＭ個の関係式を解いてＢｊｍを求める、という手続である。
簡単のために、第２の実施形態で示したように、ｃｊがｒのべき乗、例えばｒのｋ乗すなわちｒｋで表わされる（ｋは０以上の整数）電源回路により構成される場合に、Ｂｊｍを求める手続を説明する。なお、ｋの最大値をｎとするとき、Ｊは（ｒ−１）（ｎ＋１）である。また、ｊ−１をｒ−１で除した商をｋとして、ｃｊはｒｋある。なお、ｊ＝ｋ（ｒ−１）＋１、ｋ（ｒ−１）＋２、・・・、（ｋ＋１）（ｒ−１）である。図１０の例では、ｒが２、ｎが５、Ｐが１キロワットである。
また、二次電池ｍに割当てられる最大出力電力がｒｋＰである電源回路の台数をａｍｋとすると、ａｍｋはＢｊｍのｊについてｋ（ｒ−１）＋１から（ｋ＋１）（ｒ−１）までの和である。第２の実施形態におけるａｋは、本実施形態のａ１ｋに対応する。
なお、ａｍｋが１以上で、最大出力電力がｒｋＰである複数台の電源回路からａｍｋ台の電源回路を選択する場合、所定の方針に従って選択し、選択された電源回路についてＢｊｍを１にする。
これにより、上記のＢｊｍを求める手順は、ａｍｋを求める手順に代替される。
以下、複数の二次電池のうち１番目の二次電池が優先して充電されるように、電源回路が割当てられるとする。この手続は、第２の実施形態の図５の手順に従って行われるので、説明を省略する。なお、図５においてＬ、ａｋ、ａｎをそれぞれＬ１、ａ１ｋ、ａ１ｎと書き換える。１番目の二次電池の充電に電源回路が割り当てられた後に、２番目の二次電池の充電に電源回路が割当てられ、以下順に二次電池の充電に電源回路が割当てられる。
図１１は、ｍ番目の二次電池の充電に割当てられる電源回路を決定する手続の一例を示す。
図１１の手続は、ほぼ図５の手続と重複する。ただし、ｍ−１番目までの二次電池の充電に割当てられた電源回路は選択できないという制限があり、ｍ−１番目までに選択されなかった電源回路から選択される。すなわち、二次電池が要求する出力値に対して必要な電源回路を、選択されずに残った電源回路から確保できなければ（ステップＳ４０４及びステップＳ４１２）、確保しようとしている電源回路を含めて、それよりも小さい最大出力電力の電源回路のうち選択されずに残っている電源回路を全て選択して（ステップＳ４１０及びステップＳ４１３）手続を終える。なお、ステップＳ４０４、ステップＳ４１０、ステップＳ４１２、ステップＳ４１３の総和処理は、添字ｉについて１からｍ−１までの和をとることを表わす。
なお、ｍ番目の二次電池の充電速度を上げるため、変換効率を多少悪化させても必要な出力電力を確保するために、ステップＳ４１３の後段に、要求電力値Ｑｍに所定の差分を加えるステップを追加して、ステップＳ４０１に手続を戻してもよい。これにより、最大出力電力の大きい電源回路をｍ番目の二次電池の充電に確保する可能性がある。
以上の手続を繰り返して、ｍがＭに到達したら、二次電池の充電への電源回路の割当の手続を終える。
この他の処理は、第３の実施形態と同一であるので説明を省略する。
以上の手続により、優先順位の高い二次電池については電源回路の変換効率を高く維持して充電手続を続行することができ、余剰の電源回路をそのほかの二次電池の充電に利用することができる。出力電力は、充電される二次電池の状態にきめ細かく対応し、変換効率の低下による損失が低く抑制される。これにより、充電装置はより少ない消費電力で動作する。
また、複数の二次電池はあらかじめ定められた優先順位で充電され、必要に応じてユーザの指示により優先順位は変更可能である。これにより、充電手続の自由度の高い充電装置が提供される。
以上述べたように、本発明の充電装置においては、電源部が複数の電源回路で構成され、この電源回路の入力電力接続が切り換え可能であり、出力電力経路が切換可能な電源バスで構成される。これにより、電池残存容量が異なる複数の電気自動車が充電設備を訪れた場合でも、最適な供給電力を複数同時に供給できる。また、電源部に含まれる複数の電源回路の出力電力が互いに異なる場合、この電源回路の組み合わせの変更によって最適な変換効率での充電装置の稼動が可能である。さらに、二次電池の充電時間がある時点を経過すると、それ以降の時間帯では二次電池は最大電力値での出力を必要としない。この時間帯においては、出力する必要のない電源回路が順次切り離される。切り離された電源は他の充電が必要な装置或は電気自動車などに対して使用される。これにより、充電装置は常に最大効率及び最大出力の状態で動作する。
更に、電力出力部８に接続される二次電池が要求する最大の出力電力値の合計よりも大きい電力値の出力を電源部が供給できるように、電源部が冗長な複数の電源回路を含んでもよい。これにより、電力を供給している電源回路の一部に故障が発生した場合でも、該電源回路を切り離して冗長な電源回路に切換えることにより、充電装置の継続使用が可能になり、装置の保守或は修理の回数が抑制される。また、冗長な電源回路は、上記のように、故障に対する予備として電源部に備えられてもよいが、電源部に含まれる電源回路を、冗長な電源回路を含めて、交代で使用されるように制御されてもよい。これにより、一部の電源回路の集中した連続的稼動が回避され、電源回路の部品の連続使用に起因する劣化が抑制され、充電装置の寿命が延びる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
上記の実施の形態では、二次電池を充電する充電装置及び充電方法について述べたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、その状態に応じて要求する電力値が変化する電力供給先に電力を供給する電源回路として好適に適用可能である。
また、本実施形態では、交流電力源から供給された電力を複数の二次電池に配分して充電する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。電池などの直流電源から電力の供給を受けて、電力供給先に電力を配分して供給してもよい。電力供給先に応じて、交流電力に変換して供給してもよい。
また、以上説明した方法は、コンピュータがプログラムを記録媒体或は通信回線から読み込んで実行することによって実現してもよい。
この出願は、２０１０年１２月２１日に出願された日本出願特願２０１０−２８４１３８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく変換効率が負荷に依存する電源回路の制御装置及び制御方法として好適に適用可能である。
【符号の説明】
【００１０】
１  充電装置
２  交流電力源
３  電源部
４  入力電力接続切換部
５  入力接続制御部
６  出力経路切換部
７  出力経路制御部
８  電力出力部
１１  制御部
１２  入力部
３１  電源回路
３２  電源回路
３３  電源回路
３４  電源回路
３５  電源回路
３６  電源回路
４１  スイッチ
４２  スイッチ
４３  スイッチ
４４  スイッチ
４５  スイッチ
４６  スイッチ
５１  入力接続通信部
５２  入力接続組合せ制御部
７１  出力経路通信部
７２  出力経路組合せ制御部
８１  出力部
８２  出力部
８３  出力部
８４  出力部
８５  出力部
９１  二次電池
９２  二次電池
９３  二次電池
９４  二次電池
９５  二次電池
１０１  検出部
１０２  検出部
１０３  検出部
１０４  検出部
１０５  検出部
１００１  充電装置
１００２  交流電力源
１００３  電源部
１００８  電力出力部
１００９  二次電池
【図１】
2012086825.tif 000003
【図２】
2012086825.tif 000004
【図３】
2012086825.tif 000005
【図４】
2012086825.tif 000006
【図５】
2012086825.tif 000007
【図６】
2012086825.tif 000008
【図７】
2012086825.tif 000009
【図８】
2012086825.tif 000010
【図９】
2012086825.tif 000011
【図１０】
2012086825.tif 000012
【図１１】
2012086825.tif 000013
【図１２】
2012086825.tif 000014
【図１３】
2012086825.tif 000015
【図１４】
2012086825.tif 000016
【国際調査報告】
2012086825.tif 000017
2012086825.tif 000018
2012086825.tif 000019
2012086825.tif 000020