Technical Report
報文

V2X 双方向充電器の開発
Development of Vehicle-to-X Bidirectional Charger佐藤大輔＊

栗坂昌

克＊

水川雄太＊

林健太郎＊

山下健史＊

遠藤浩輝＊

竹原俊之＊

山下貴士＊

瀬戸康太＊

西山泰義＊

吉岡佑介＊

Daisuke Sato
Masakatsu Kurisaka
Yuta Mizukawa
Kota Seto
Yasuyoshi Nishiyama
Yusuke Yoshioka
Takeshi Yamashita
Hiroaki Endo
Toshiyuki Takehara

長野友幸＊

Kentaro Hayashi
Tomoyuki Nagano
Takashi Yamashita

Abstract
To respond to charging infrastructure development for EV/PHEV and request of business continuity planning fordisaster prevention, it was developed a bidirectional EV charger using the Vehicle to Home（V2H）protocol for
public use. By adopting the 3 converter method, a high efficiency bidirectional power transmission at wide voltage
range was realized.

Key words : Bidirectional Chager, Vehicle-to-X, Vehicle-to-Home

1

まえがき

電器であり，通常の充電器同様に車両を充電するほか，上位コントロールユニットからの指令に従い，車近年世界的な環境規制強化と CO2 排出量削減の観両からの放電が可能となる．定置蓄電池 PCS と非常点から，車両の電動化が急速に進んでおり，EV ／時に系統から重要負荷を遮断する自動切換盤を組み合

PHEV* の本格普及に向け，さらなる充電インフラのわせた「V2X システム」に本双方向充電器を組込む整備が急務とされている．

ことで，BCP 対応のみならず，EMS*4） 対応への調整

1）

一方，先の東日本大震災や北海道胆振東部地震の影力として，車両の蓄電池をアクティブに活用すること響もあり，防災に対する意識が高まっている．なかでが 可 能 と な る． 本 稿 で は，V2X シ ス テ ム 概 要 とも，BCP* への関心が強く，災害時に停電が発生し“VOXSTAR” の製品概要について述べる．

2）

た場合でも重要負荷に対して電力を供給できるシステ
ムが求められている．
これら双方の要求に応えるために，充放電可能な双*1）EV   ：ElectricVehicle
PHEV：Plug-in Hybrid Electric Vehicle


方向充電器 “VOXSTAR” を開発した．EV ／ PHEV の車載蓄電池を活用する V2X*3）システム用の双方向充産業電池電源事業部＊ ‌*2）BCP：Business Continuity Planning*3）V2X：V2L（Vehicle to Load），V2H（Vehicle to電源システム生産本部

Home），V2G（Vehicle to Grid）などの総称

開発部© 2019 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

*4）EMS：Energy Management System

15

GS Yuasa Technical Report22019 年 12 月

V2X システム概要

第 16 巻第2号

蓄えた電力を負荷へ供給することも可能となり，車両を発電機のように取り扱うことが可能になる．これら

図 1 に本双方向充電器が組込まれる V2X システム

EV ／ PHEV を組み合わせて使用することで，電力のの構成を示す．50 kW 定置蓄電池 PCS と商用系統と輸送が可能になり，長時間停電時の定置蓄電池の枯渇を自動切換盤を介して接続し，同切換盤に双方向充電を防止することができる．

器（10 kW）を最大 5 台まで接続可能な構成となっ3ている．自動切換盤内に，受電電力および系統電圧を監視可能な上位コントロールユニットが内蔵されておQC プロトコルと V2H プロトコル

り，定置蓄電池 PCS および双方向充電器へ負荷に応当社が「EVC シリーズ」を開発していた当時は，じた運転指令が送信される．双方向充電器と定置蓄電

CHAdeMO 協議会が制定する QC*5）プロトコルが主流

池 PCS の指令値に対する重み付けをカスタマイズすとなっていた．同プロトコルは放電には対応しておらることで，EV 充電優先や受電電力ピークカット優先

ず，なおかつ EV からの指令通りに充電電流を出力すなどの様々な要求に応じた EMS 運用を可能にしている規定であるため，充電器側から電流値を制御するこる．とができなかった．その後，2014 年に車両から家庭停電発生時は，自動切換盤にて重要負荷を商用系統に電力を供給する V2H*6）プロトコルが規格化された．

から切り離し，定置蓄電池 PCS の自立出力に双方向

本プロトコルでは，車両から充電電流上限値および放充電器を連系させ，重要負荷に電力を供給する．系統

電電流上限値を受信し，その範囲内で双方向充電器側復旧時は，PCS で系統位相へ同期させた状態で重要負が電流値を自由に変更可能としたものである（図 2）．

荷を商用系統へ接続し，PCS および双方向充電器を再本プロトコルの登場により，V2H 対応車両は，放電起動させることで定常運転へ復旧させる．

はもちろん充電電流の低減も可能になった．

また，災害時のような長時間停電時においては，“VOXSTAR” は，この V2H プロトコルを当社初採

EV ／ PHEV を電力輸送体と考え，電力供給可能なエ用することで，先述のさまざまな EMS 要求への対応

リアから満充電された EV ／ PHEV を災害地へ派遣することで，継続的に電力を供給することができる．さ*5）QC：QuickCharger*6）V2H：VehicletoHome

らには，PHEV を用いることでガソリン発電によってGY

Switching BOARD
POWER
GRID

50 kW PCS
Controlunit

GY

10 kW EV stand
EVPHEV

10 kW EV stand

INPORTANTLOAD

図 1 V2X システムの構成
Fig. 1 Configuration diagram of V2X System.

16GENERALLOAD

GS Yuasa Technical Report2019 年 12 月

QC
プロトコル

充電電流上限値(車両から)

第 16 巻第2号

V2H非対応車
QC充電⇒ OK
V2H充放電 ⇒ NG

充電

両プロトコルに対応
充放電電流範囲

0

VOXSTAR放電

充放電器側で制御

V2H
プロトコル

V2H対応車
QC充電⇒ OK
V2H充放電 ⇒ OK

図 3 パブリック用途での接続パターン
Fig. 3 Connection pattern in Public use.

放電電流上限値(車両から)電能力も他社製単相 V2H 機器の 1.5 倍以上の放電能

図 2 V2H 電流制御イメージ
Fig. 2 Conceptual diagram of V2H current control.

力を有し，大容量化が進む EV 蓄電池のパワーを最大限 *7）引き出せる仕様となっている．

4を実現した．また，QC プロトコル同様，車両とのインターフェースは CHAdeMO 協議会により定義化さ内部構成と筐体構造
今 回 開 発 し た “VOXSTAR” の 内 部 構 成 を 図 4 に，れており，V2H プロトコルに準拠する車両との充放外観を図 5 に，仕様を表 1 に示す．

電が可能となる．ただし，V2H 規定が後追いで出た

内部構成は，従来機を踏襲したユニット構造を採用規格であるため，V2H 対応車は QC にも対応していし，10 kW の双方向変換ユニットを最大 2 本まで挿るが，QC プロトコルしか対応していない V2H 非対入可能な構造とすることで，同一筐体で 10 kW ／ 20応車も存在する．V2H を規格の想定通り，家庭内でkW の出力容量への対応を可能にした *8）．加えて，使用する場合は，V2H 機器購入者が自身の所有車両

その他の本体部品群もユニット化して取外しを容易にが V2H 対応車であることを確認したうえで購入・利することで，万が一部分故障が発生した場合も，当該用するため問題にはならないが，不特定多数の人が利ユニットの交換のみで早急に復旧させることができ，用するパブリック用途に V2H を転用する場合，V2Hメンテナンス性を改善している．

非対応車両が接続されるケースも想定しておく必要がまた，設置スペース縮小を目的に，変換ユニットのある．“VOXSTAR” が組み込まれる「V2X システム」配置を縦置とし，床面積を低減させる代わりに，高さもその電力規模から，パブリック用途であるといえる方向を増やすことで内部体積を確保した．変換ユニッ

ため，同事象の対策として QC 派生プロトコルを追加

トの冷却 FAN の風向を筐体下から上方向へ送風する実装し，V2H 車両 or QC 車両いずれが接続されたか構造とすることで，発熱体による自然対流を積極的にを検知し，V2H・QC 双方の車両に対するシーケンス利用し，より排熱しやすい構造とした．それに伴い筐を用意することで，双方に対応した汎用性の高い双方体上部にできる熱だまりを，本体排気 FAN により背向充電器を実現した（図 3）．

面方向へ排出する仕組である．排気口に多重ルーバー

また，これまで市販されている V2H 機器は家庭用を設けることで，水滴の進入を防止し，IP44 の性能を想定したものであるため，その電力消費規模から，6 kW を上限とした単相機器しか製品化されていな
かったが，当社はパブリック用途へ転用するため，*7）電 気設備の技術基準（電技）第 199 条の 2 において，電気自動車等から一般電気工作物に電気を供

V2H 認証機器では業界初となる三相 10 kW への大容給する場合の電気自動車等の出力は 10 kW 未満で量化を実現した．一般的な V2H 機器が，普通充電器あることが義務付けられている．

に対して 2 倍の速度で充電可能な「倍速充電」を謳っ*8）現状電技により，放電電力が 10 kW 未満に制限されているが，将来的な制限値引き上げを見越して，ているのに対し，“VOXSTAR” は 3 倍速充電が可能になり，より短時間で充電することができる．また，放ユニット増設可能な構成としている．

17

GS Yuasa Technical Report

三相交流200 V

ELCB1

2019 年 12 月

双方向変換
ユニット1
10 kW

RY

DC150-450V

地絡検出
双方向変換
ユニット2
10 kW

第 16 巻

第2号

充放電
コネクタ

EV/PHEVへ

CAN通信
充放電指示
接続確認
車両情報

CAN通信
充放電指示
電圧・電流指示故障情報
ELCB2

上位コントロールユニットへ

Ethernet通信

充放電制御部

外部通信
ユニット

LCD表示
モニタ

図 4 VOX-10-T3-D の構成
Fig. 4 Configuration diagram of VOX-10-T3-D.
表 1 VOX-10-T3-D の仕様
Table 1 Specifications of VOX-10-T3-D.
項目使用環境AC 側仕様DC 側仕様

変換効率
絶縁耐圧
絶縁抵抗

設置場所
標高
周囲温度
周囲湿度
相数
電圧
周波数
力率
電流歪率
定格電圧
定格出力電力定格入力電力
電圧範囲
電流範囲
交流―対地間直流―対地間交流―対地間直流―対地間

保護等級
運転音
表示部
寸法（突起部除く）
質量
充放電プロトコル

図 5 VOX-10-T3-D の外観
Fig. 5 Exterior of VOX-10-T3-D.

18仕様
屋外
1000 m 以下-10 ～ 40℃
30 ～ 90%（結露なきこと）
三相三線式
200 V ± 15%50/60 Hz ± 5%
95% 以上
総合 5% 以下，各次 3% 以下
400 V
充電時 10 kW
放電時 9.9 kW
150 ～ 450 V
充電 25 A ～放電 25 A
91% 以上（入出力定格時）
AC2000 V / 1 分間
AC2000 V / 1 分間
DC1000 V にて 5 M Ω以上
DC1000 V にて 5 M Ω以上
IP4465 dB 以下
7.0 インチ カラー液晶
507(W)×675(D)×1750(H)mm
300 kg 以下V2H ver2.1

GS Yuasa Technical Report2019 年 12 月

第 16 巻第2号て DC ／ DC コンバータのソフトスイッチング動作をを 実 現 し た． こ れ ら の 構 造 改 良 に よ り， 従 来 機 の「EVC および EVC-R シリーズ」の IP33 を上回る防最適化し，高効率動作を実現した．

塵・防水性能を備えながらも，十分な冷却性能を併せまた、“VOXSTAR” は V2H ガイドラインで定義さ持ち，なおかつ設置面積の少ない双方向充電器を実現れるカテゴリ 3*9） に対応しており，装置内部に系統した．加えて，オプションにて耐塩害仕様にも対応

保護機能 *10）（UVR，UFR など）を具備し，装置外部し，より劣悪な環境化への設置を可能にしている．に RPR・UPR で構成した逆充電検出機能 *11） を具備5している．加えて FRT 機能も備えており，事故時運双方向変換ユニット転継続要件を満足している．

6

筐体内部の双方向変換ユニットの回路構成も一新
し，3 コンバータ方式を採用し，絶縁型 DC ／ DC コ

表示器についてンバータには DAB コンバータを採用した．DAB コン

本製品はパブリック用機器であるため，ユーザビリバータは，2 つのフルブリッジ回路をトランスおよびティを考慮し，直立時の人の目線の高さに 7 インチリアクトルを介して接続した回路構成となっており，フルカラー液晶を配置し，図 6 に示すように充放電

1 次側・2 次側 双方のブリッジで生成する電圧波形に状態を一目で確認できる画面構成とした．また，銘板位相差を持たせ，その位相差を制御することで，双方を設けて操作方法を明示するとともに，銘板劣化時や向電力電送を実現している．加えて，一定負荷以上で夜間等で印字内容が目視しづらい場面を想定し，表示ソフトスイッチング動作が可能で，高効率に双方向電画面上でも操作手順を確認できる仕様とした．加え力電送可能というメリットがある．しかしながら，軽て，表示器横の操作ボタンにて，パスコードを設定で負荷時にはソフトスイッチング不成立となる領域があきる設計とし，特定ユーザーのみへの利用制限機能をり，効率が低下してしまう課題がある．また，1 次・追加している．

2 次間の電圧差が大きくなるほど，ソフトスイッチング不成立領域が拡がることから，動作電圧範囲が広範囲にわたる用途には不向きといえる．
同課題を解決するには，1 次 2 次間の電圧を揃える*9）V2H カテゴリ 3：住宅等に設置された電力変換器を介して電力系統と接続（系統連系）して屋内配必要があるが，高力率 AC ／ DC コンバータは AC 入線に電力の供給を行う（系統側への逆潮流は行わ

力波高値以下の降圧制御が難しく，CHAdeMO で要求ない）．

される電圧範囲（DC150-450 V）で動作させた場合，*系統保護機能：不足電圧継電器（UVR），過電圧10）

低電圧領域での効率が著しく低下してしまう課題が継電器（OVR），不足周波数継電器（UFR），過周あった．そこで，両者の間にもう 1 段コンバータを波数継電器（OFR）の系統保護機能を具備する．

追加することにより，AC ／ DC コンバータでカバー*11）逆充電検出機能：逆電力継電器（RPR），不足電力継電器（UPR）を V2X システム内に具備する．

しきれない降圧動作領域を補填し，広電圧範囲におい図 6 VOXSTAR 表示画面
Fig. 6 Display screen of “VOXSTAR”．

19

GS Yuasa Technical Report2019 年 12 月

第2号（a）直流電流追従特性（充電時）1.2100

第 16 巻95

1.090

0.885

0.610A

出力電流0400ms/div

0.480

Efficiency
Power factor

75700

電流指令値20A

Power factorEfficiency［%］

30A20406080100（b）直流電流追従特性（放電時）

0.20.0120（％）

0Output Power［%］

出力電流-10A

図 7 VOX-10-T3-D の効率・力率特性
Fig. 7 Conversion eﬃciency and power.

-20A

電流指令値400ms/div-30A

7特性

図 8 （a）直流電流追従特性（充電時）（b）直流電流追従特性（放電時）
Fig. 8 DC Current Tracking characteristics factor for
VOX-10-T3-D output.（a）.Charging（b）.Discharging

今回開発した VOX-10-T3-D の効率特性を図 7 に示す．効率は定格入出力時において 92.0% となっており，弊社既存品である 30 kW EV 急速充電器 EVC-R-30KA の定格効率 90.9% から約 1.1% の効率アップを実現している．先述の 3 コンバータ方式を用いて，STAR” について紹介した．V2H プロトコルを採用し，DAB コンバータの 1 次・2 次電圧を最適化して動作

従来の充電器に放電機能を加えることで，EMS およさせることで，高効率動作を実現している．

び BCP 用途へ EV ／ PHEV の蓄電池を活用する術を

図 8 は VOX-10-T3-D の直流電流追従特性である．

実現した．また，内部構造ユニット化によるメンテナ

電流指令値に対して，充電・放電 ともにすみやかにンス性改善や，筐体構造の改良による IP 性能改善な実電流が追従できていることがわかる．また，定格充ど，基本性能の向上も実現した．

電・定格放電ともに，オーバーシュートも見られず，今後は，EV 蓄電池の大容量化に伴う V2H 機器の大V2H 規定で定められる追従特性を十分満足した特性容量化に対応できるよう，ユニットの並列動作の検証を実現できていることがわかる．この電流指令値を上など，大容量化に向けて改良・改善に取組む予定であ位コントロールユニットの指令に基づいて，増減させる．

ることで充電電流制限や，EV ／ PHEV からの電力補

参考文献

填による EMS 対応を実現することが可能になる．

8まとめ1） 堀恵輔，道長勝久，大芝正嗣，伊藤孝典，小山博康， 芦 田 有 治， 山 口 雅 英，GS News Technical

Report ，第 8 巻 第 1 号，60，（2011）．

本稿では、V2X システム用の双方向充電器 “VOX-20