(57)【要約】【課題】既存の従量電灯または低圧電源力契約の電源でも急速充電が可能となる装置であり、かつ、充電対象の蓄電池（例えば、電気自動車の車載蓄電池）が空状態であれば、短時間（数分）で充電率３０〜５０％（最大６０％ぐらいまで）の充電を短時間で繰り返し可能とする急速充電装置を提供する。【解決手段】急速充電装置２０は、電気自動車（ＥＶ）１０の車載蓄電池１１の充電を行うために、１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源から給電された交流を直流に変換する整流機能と昇圧機能を有するコンバータ２１と、出力密度の高い瞬発力のある蓄電池（高出力密度蓄電池）２２Ａと、エネルギー密度が高くエネルギー容量の大きい蓄電池（高エネルギー密度蓄電池）２２Ｂとを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電対象とする蓄電池を充電するための急速充電装置であって、出力密度の高い蓄電池（高出力密度蓄電池）と、エネルギー密度の高い蓄電池（高エネルギー密度蓄電池）とを備えていることを特徴とする急速充電装置。
【請求項２】
充電対象とする蓄電池に対して、前記高出力密度蓄電池単独で、短時間で一定の電気容量を急速充電させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の急速充電装置。
【請求項３】
前記高出力密度蓄電池が放電した場合、前記高エネルギー密度蓄電池で前記高出力密度蓄電池を充電するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の急速充電装置。
【請求項４】
前記高出力密度蓄電池と前記高エネルギー密度蓄電池を切り替えて充放電を繰り返すようになっていることを特徴とする請求項１に記載の急速充電装置。
【請求項５】
昇圧コンバータを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の急速充電装置。
【請求項６】
充電対象とする蓄電池が、電気自動車の車載蓄電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の急速充電装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の急速充電装置を車両に搭載したことを特徴とする移動式充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車（ＥＶ）等を充電するために用いる急速充電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車の普及は、地球温暖化の解決、二酸化炭素の削減の上で、重要な課題である。
【０００３】
しかし、急速に普及させるためには、充電器のインフラ整備が必須となるが、外出先で充電する場合、通常の従量電灯または低圧電力契約の電源においては、現状の一般の充電器では１００Ｖ電源では約１４時間、２００Ｖ電源でも約７時間を要するため、ある程度の遠出に電気自動車の利用は不向きである。
【０００４】
そこで、考えられたものが急速充電装置（急速充電器）であるが、これは現状の小型電気自動車でも５０ｋＷクラスの大電源容量を必要とするため、通常の従量電灯または低圧電力契約の電源では受電容量を超過し、業務用の大きな受電容量への変更が必要である。そのため、基本料金の大幅なアップとなり、また、かつ受電容量アップのためのトランス設備を増強する必要がある。
【０００５】
すなわち、図１１に、従来の電気自動車の充電システム（急速充電システム）の一例を示す。電気自動車１０の車載蓄電池１１に対して、交流１００Ｖ電源または２００Ｖ電源を使用した急速充電器５０を用い、接触式コネクタ（電気自動車側コネクタ１４と急速充電用コネクタ５１）を接続して充電を行う。その際の充電制御は、電気自動車１０のＥＣＵ（電子制御ユニット）１９と急速充電器５０との間でのＣＡＮ通信によって行われる。なお、交流１００Ｖの家庭用電源を用いる車載充電器（図示せず）によって、車載蓄電池１１の充電を行うこともできるようになっている。
【０００６】
上記の急速充電システムにおいては、急速充電器５０を用いることにより、約３０分程度の時間で、車載蓄電池１１全体の約８０〜９０％の充電を可能とするものであるが、そのためには、この急速充電器５０は、交流の１００Ｖまたは２００Ｖの電源で受け入れて、急速充電器５０の内部で直流（約４００Ｖで１００Ａ以上）に変換して、そのまま電気自動車１０に充電するために、非常に大きな電源容量が必要である。
【０００７】
本来、急速充電設備を設置したいガソリンスタンド、コンビニエンスストア、中小のスーパーマーケット、町の郵便局、駐車場等にとっては、トランスの設備増強を含めた費用負担が大きく導入が難しい状況にある。そのため、通常の従量電灯または低圧電力契約の受電容量でもトランスを用いずに急速充電が可能となる装置があれば、電気自動車は飛躍的に普及することができる。
【０００８】
そこで、特許文献１に記載の急速充電システムでは、図１２に示すように、急速充電装置５５の前段に蓄電池（バッテリー）５６を設けて、電気自動車１０の車載蓄電池（バッテリー）１１への充電時間を短くするようにしている。この場合は、受電トランスを必要としない利点があった。
【０００９】
ただし、電気自動車の普及が急速に進み、特に都市部において電気自動車の充電が頻繁に行われるようになると、事前に蓄電池に電気を貯めた電気をたちまちに使い果たしてしまい、その後は非常に緩慢な充電しかできなくなる。
【００１０】
したがって、電気自動車が２４時間ひっきりなしに到来するようなステーションでは、やはり、元々の受電容量が５０ｋＷ以上の大電源容量を持たせたものにせざるを得ない。しかし、そうした電気自動車の普及時代が到来した場合でも、こうした大きな能力を持たせざるを得ない大容量急速充電器の必要な場所は、都市部の一部に留まり、郊外に設置する大多数の急速充電器は、５０ｋＷ以上の大きな受電容量を持たせる必要はなく、何台かの急速充電ができれば十分用途を満足できるため、特許文献１に記載の急速充電システムも必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−２５３４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般的に、電気自動車１０の車載蓄電池１１には、リチウムイオン電池が使われる。リチウムイオン電池は、図１３（ａ）に示すように、空充填状態では、初期の充電電圧、充電電流は図中の太線のように電圧、電流とも大きな電源を受け入れることが可能で、充填率が約６０％以下では蓄電池を傷めることもなく、またあまり寿命を短縮することもなく、大容量を受け入れられることが知られている。
【００１３】
しかし、現状の急速充電装置は、従量電灯または低圧電力契約の電源の枠の制限から５０ｋＷ程度に抑えられるため、充電初期で大電流を投入できず、図１３（ｂ）に示すような充電パターンにならざるを得ない。
【００１４】
また、特許文献１においては、より早い急速充電を繰り返して行おうとすれば、蓄電池５６を非常に高価な大容量かつ出力密度の高いものとする必要がある。
【００１５】
さらに、路上で車戴蓄電池を使い果たして動けなくなった電気自動車へ、通常の燃料補給と同程度の短時間で充電するシステムもない。
【００１６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、既存の従量電灯または低圧電力契約の電源でも急速充電が可能となる装置であり、かつ、充電対象の蓄電池（例えば、電気自動車の車載蓄電池）が空状態であれば、短時間（数分）で充電率３０〜５０％（最大６０％ぐらいまで）の充電を短時間で繰り返し可能とする急速充電装置を安価に提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００１８】
［１］充電対象とする蓄電池を充電するための急速充電装置であって、出力密度の高い蓄電池（高出力密度蓄電池）と、エネルギー密度の高い蓄電池（高エネルギー密度蓄電池）とを備えていることを特徴とする急速充電装置。
【００１９】
［２］充電対象とする蓄電池に対して、前記高出力密度蓄電池単独で、短時間で一定の電気容量を急速充電させるようになっていることを特徴とする前記［１］に記載の急速充電装置。
【００２０】
［３］前記高出力密度蓄電池が放電した場合、前記高エネルギー密度蓄電池で前記高出力密度蓄電池を充電するようになっていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の急速充電装置。
【００２１】
［４］前記高出力密度蓄電池と前記高エネルギー密度蓄電池を切り替えて充放電を繰り返すようになっていることを特徴とする前記［１］に記載の急速充電装置。
【００２２】
［５］昇圧コンバータを備えていることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の急速充電装置。
【００２３】
［６］充電対象とする蓄電池が、電気自動車の車載蓄電池であることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の急速充電装置。
【００２４】
［７］前記［１］〜［６］のいずれかに記載の急速充電装置を車両に搭載したことを特徴とする移動式充電システム。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の急速充電装置においては、既存の従量電灯または低圧電力契約の電源でも急速充電が可能であるとともに、充電対象の蓄電池（例えば、電気自動車の車載蓄電池）が空状態であれば、従来の充電時間の１／１０程度の短時間（数分）で、使用目的（例えば、電気自動車の走行）に必要十分な充電率３０〜５０％（最大６０％程度）の充電が、短時間で繰り返し可能である。
【００２６】
これにより、トランスを増設することなく、急速充電装置を設置でき、かつ、受電容量アップによる毎月の基本料金のアップもなくなる。
【００２７】
また、本発明の急速充電装置を車両に搭載した移動式充電システムにより、例えば電気自動車が路上で車戴蓄電池を使い果たして動けなくなっても、その路上において短時間で充電を受けることができ、交通の障害となる時間が最小限で済む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の基本的構成（コンセプト）を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の詳細な構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図８】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態における作動状態の説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態を適用した移動式充電システムの説明図である。
【図１１】従来の充電システムの説明図である。
【図１２】特許文献１に記載の急速充電システムの説明図である。
【図１３】リチウムイオン電池の充電パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、ここでは、充電対象の蓄電池として、電気自動車の車載蓄電池を例にして述べる。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態の基本的構成（コンセプト）を示すものである。
【００３１】
図１に示すように、この実施形態に係る急速充電装置２０は、電気自動車（ＥＶ）１０の車載蓄電池１１の充電を行うために、１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源から給電された交流を直流に変換するコンバータ２１と、出力密度の高い瞬発力のある蓄電池（高出力密度蓄電池）２２Ａと、エネルギー密度が高くエネルギー容量の大きい蓄電池（高エネルギー密度蓄電池）２２Ｂとを備えている。
【００３２】
ここで、高出力密度蓄電池２２Ａには、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、高出力リチウムイオン電池等が用いられる。
【００３３】
また、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂには、ナトリウム硫黄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等が用いられる。
【００３４】
上記のような構成のもとで、予め、高出力密度蓄電池２２Ａと高エネルギー密度蓄電池２２Ｂをそれぞれ充電しておき、電気自動車（ＥＶ）１０の車載蓄電池１１に対して、高出力密度蓄電池２２Ａの単独放電により、車載蓄電池１１が許容する高電圧かつ大電流にて、短時間（数分）で一定の電気容量（充電率３０〜６０％）を急速充電する。そして、高出力密度蓄電池２２Ａが放電した後、その高出力密度蓄電池２２Ａを高エネルギー密度蓄電池２２Ｂで充電するようになっている。
【００３５】
なお、必要に応じて、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂからの放電やコンバータ２１で変換した直流をそのまま用いて、車載蓄電池１１を充電することもできるようになっている。
【００３６】
すなわち、この実施形態においては、既存の従量電灯または低圧電源力契約の電源でも急速充電が可能であるとともに、電気自動車の車載蓄電池が空状態であれば、従来の充電時間の１／１０程度の短時間（数分）で、走行に必要十分な充電率３０〜５０％（最大６０％程度）の充電が、短時間で繰り返し可能である。
【００３７】
これにより、トランスの増設することなく、急速充電装置を設置でき、かつ、受電容量アップによる毎月の基本料金のアップもなくなる。
【００３８】
以下に、この実施形態の詳細な構成について述べる。
【００３９】
図２は、本発明の一実施形態の詳細な構成を示すものである。
【００４０】
図２に示すように、この実施形態に係る急速充電装置２０は、電気自動車（ＥＶ）１０の車載蓄電池１１の充電を行うために、図１で述べた、１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源から給電された交流を直流に変換する整流機能と昇圧機能を有するコンバータ２１と、出力密度の高い瞬発力のある蓄電池（高出力密度蓄電池）２２Ａと、エネルギー密度が高くエネルギー容量の大きい蓄電池（高エネルギー密度蓄電池）２２Ｂとを備えているとともに、それに加えて、電気自動車１０から要求される電圧、電流で充電を行えるように必要に応じて昇圧を行うための昇圧型コンバータ２３と、当該急速充電装置２０内の電流の流れを切り替えるためのスイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６）と、当該急速充電装置２０内の電圧と電流を測定するための電圧計および電流計と、当該急速充電装置２０の作動を制御するための制御装置（コントローラ）２４とを備えている。
【００４１】
ちなみに、コントローラ２４は、電圧計と電流計からの測定情報と、電気自動車１０のＥＣＵ１９とのＣＡＮ通信に基づいて、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の開閉制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）と、コンバータ２１を用いた電圧制御と、昇圧型コンバータ２３を用いた電圧／電流制御を行う。
【００４２】
次に、上記のように構成された急速充電装置２０の作動状態（作動モード）を説明する。
【００４３】
図３は、電気自動車１０が充電にやって来ない夜間、および昼間でも電気自動車１０が充電していない時間帯において、図３中の太線で示すように、高出力密度蓄電池２２Ａと高エネルギー密度蓄電池２２Ｂの充電を行っている状態を示している。
【００４４】
特に、夜間の電気料金が安い契約をしている場合、夜間に両方の蓄電池（高出力密度蓄電池２２Ａと高エネルギー密度蓄電池２２Ｂ）に電気を充電しておくことは経済性が優れている。
【００４５】
なお、この急速充電装置２０は、ガソリンスタンドや店舗等に設置することを念頭においているので、両方の蓄電池（高出力密度蓄電池２２Ａと高エネルギー密度蓄電池２２Ｂ）に充電する電気容量については、両方の蓄電池に充電する電気容量とガソリンスタンド等で使用する電気容量とを合計した合計電気容量が、ガソリンスタンド等で受電できる電気容量を超えない範囲で行う。
【００４６】
これによって、ガソリンスタンドや店舗等で電力会社と契約している電気容量を超えることなく、電気基本料金も安く抑えることができる。
【００４７】
ただし、昼間の時間帯で電気自動車１０がある程度来ることが予想される場合は、図４に太線で示すような、高出力密度蓄電池２２Ａのみに充電を行う作動モードの選択が可能である。この場合は、高出力密度蓄電池２２Ａへの満充電が完了した後に、図５に太線で示すような、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂのみに充電を行う作動モードに自動的に切り替わるようにする。
【００４８】
以上の図４、図５においても、図３で述べたのと同様に、ガソリンスタンドや店舗等で電力会社と契約している電気容量を超えることなく、電気基本料金も安く抑えることができる。
【００４９】
そして、電気自動車１０の車載蓄電池１１の充電を行う際には、図６に太線で示すように、高出力密度蓄電池２２Ａの出力を使って車載蓄電池１１への充電を一挙に行い、短時間である程度の充電を行い、８０ｋｍ程度の走行距離を可能とする。
【００５０】
この場合、出力密度の高く充放電性能の高い高出力密度蓄電池２２Ａから、昇圧コンバータ２３を経由することなく、一挙に電気自動車の車載蓄電池１１に充電するため、昇圧コンバータ２３内でのロスが無く、充電効率が大幅に改善する。
【００５１】
高出力密度蓄電池２２Ａの電気容量を電気自動車１０へ放出した後に、まだ、電気自動車１０への充電する時間が取れる場合は、図７に太線で示すように、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂにまだ貯まっている電気容量と必要に応じて入力電源を加えた電源を昇圧型コンバータ２３により昇圧して、電気自動車１０の車載蓄電池１１に充電することができる。これによって、電気自動車１０の車載蓄電池１１の充電率をアップすることができる。
【００５２】
しかし、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂの電気容量（エネルギー容量）が落ちている場合は、図５に示したように、通常の従量電灯または低圧電力契約の電源から高エネルギー密度蓄電池２２Ｂに充電を行うが、この状況で電気自動車１０が充電のために来た場合は、図８に太線で示すように、通常の従量電灯または低圧電力契約の電源にて、電気自動車１０に充電を行うことになる。この場合は、充電時間は短縮できない。
【００５３】
そのため、夜間に、図３に示したように、高出力密度蓄電池２２Ａと高エネルギー密度蓄電池２２Ｂの両方の蓄電池を満充電しておくことと、その他の時間帯は、電気自動車１０が充電を行っていない時間を利用して、図４と図５に示したように、高出力密度蓄電池２２Ａと高エネルギー密度蓄電池２２Ｂを個別に満充電しておくことが肝要である。
【００５４】
１台の電気自動車１０への充電が完了して、そのために高出力密度蓄電池２２Ａが空状態となった状況で次の電気自動車１０がやって来る場合、次の電気自動車が充電にやってくるまでの時間を利用して、図９に太線で示すように、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂで高出力密度蓄電池２２Ａを充電する。
【００５５】
その際には、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂは充電度が下がることで、電圧も下がってくるため、昇圧型コンバータ２３によって昇圧し、定電圧あるいは定電流制御により充電することで高出力密度蓄電池２２Ａに充電することができる。なお、この際の昇圧型コンバータ２３の充電制御は、高出力密度蓄電池２２Ａの特性に合わせた最適な充電制御を行うことになる。
【００５６】
電気自動車１０が頻繁に充電にやってきても、このルーチンを繰り返すことで、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂの電気容量を使い果たすまで、電気自動車１０への充電を繰り返すことができる。その場合は、短時間で複数の短いインターバルで頻繁にやってくる電気自動車１０への充電を可能とするが、車載蓄電池１１に対して充電率４０〜５０％の充電ができることで、８０ｋｍ以上の走行を可能とし、電気自動車１０の利便性を飛躍的に高めることができる。
【００５７】
なお、現在、製品化されている急速充電器は、過大な電流が流がれてしまい、電池を傷めることがないように、電気自動車１０側から、車載蓄電池１１の充電率に従って、急速充電器側から充電する電圧、電流の指示をＣＡＮ通信により受け取り、その条件で充電を行う。現状の急速充電器の電源容量はほとんどのものが、５０ｋＷであるためこれを超えないように制御されている。従って、電気自動車１０への出力は、４００Ｖであれば１２５Ａを超えないようになっている。
【００５８】
本来は、電気自動車１０の車載蓄電池１１は、充電率の低い状態では、大きな電気容量（電圧、電流）を受け入れても傷むことはないため、高出力密度蓄電池２２Ａから、充電の初期状態で高電圧、高電流を車載蓄電池１１に投入することができ、短時間であれば充電速度を上げることができる。
【００５９】
ただし、車載充電器１１の充填率が一定以上（例えば６０％以上）となった場合には、充電電流値を低く制御して、車載蓄電池１１を傷めないようにしている。
【００６０】
そのため、充電開始時の車載蓄電池１１の充填率が、一定以上（例えば４０％以上）の場合は、電気自動車１０側からこの状態を把握するための信号を受けることにより、高出力密度蓄電池２２Ａから急速充電を行わないように制御する。
【００６１】
その場合は、図６に示したような、高出力密度蓄電池２２Ａからの充電ではなく、図７に示したように、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂと通常の従量電灯からの受電電源分の電源にて充電を行う。
【００６２】
また、コンバータ２１に、交流から直流に変換する整流機能だけを持たせ、昇圧機能を装備しない場合は、従量電灯または低圧電力から高出力密度蓄電池２２Ａ、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂに充電する場合は、図３、図４、図５の回路で充電を行うが、高出力密度蓄電池２２Ａ、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂ共に電圧が上がらないため、高エネルギー密度蓄電池２２Ｂの電源を図９の回路で昇圧型コンバータ２３にて昇圧した後に、高出力密度蓄電池２２Ａに蓄えて電気自動車１０のバッテリー１１に充電することも可能とする。
【００６３】
そして、図１０に、本発明の一実施形態を適用した移動式充電システムを示す。
【００６４】
図１０に示すように、この移動式充電システム７０は、本発明の一実施形態に係る急速充電装置２０を車両７１に搭載したシステムであり、路上で車戴蓄電池１１を使い果たして動けなくなった電気自動車１０からの連絡を受け、急速充電装置２０を搭載した車両７１が現地へ赴き、路上にて急速充電用コネクタ５１と電気自動車側コネクタ１４を接続して短持間に電気自動車１０（車戴蓄電池１１）の充電を行うものである。
【００６５】
移動式充電システム７０は、予め充電状態で待機しているので、路上で車戴蓄電池１１を使い果たして動けなくなった電気自動車１０が緊急避難的に近くの急速充電装置施設へ移動したり、自宅に帰ったりするだけの充電を短時間に行うことができる。
【００６６】
なお、上記の実施形態においては、充電対象の蓄電池として、電気自動車の車載蓄電池を例にして述べたが、本発明は、それに限定されるものではなく、それ以外の蓄電池（例えば、電動の無人搬送台車用蓄電池）を充電する場合にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０  電気自動車（ＥＶ）
１１  車載蓄電池
１４  電気自動車側コネクタ
１９  ＥＣＵ（電子制御ユニット）
２０  急速充電装置
２１  コンバータ
２２Ａ  高出力密度蓄電池
２２Ｂ  高エネルギー密度蓄電池
２３  昇圧型コンバータ
２４  コントローラ
５０  急速充電器
５１  急速充電用コネクタ
５５  急速充電装置
５６  蓄電池
７０  移動式充電システム
７１  車両
【図１】
2012034554.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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