JP5776482B2 - 電動車両 - Google Patents

Description

この発明は、電動車両に関し、特に車両外部から車載の蓄電装置に充電することが可能に構成された電動車両に関する。

蓄電装置からの電力によって走行用電動機を駆動する電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両の開発が進められている。これらの電動車両では、車両外部の電源（以下、単に「外部電源」とも称する）によって車載蓄電装置を充電する構成が提案されている。以下では、外部電源による車載蓄電装置の充電を単に「外部充電」とも称する。

特開平８−８８９０８号公報（特許文献１）には、商用電源から絶縁トランスを介して電動車両の車載蓄電装置を充電するための充電装置の構成が記載されている。特開平８−８８９０８号公報に記載されるように、外部充電の際には、車載蓄電装置および外部電源の間を絶縁トランスによって絶縁することが、安全上好ましい。

特開平８−８８９０８号公報に記載の充電装置は、走行用インバータにダイオードアームが追加された構成を有する。ダイオードアームおよびインバータの１アームを用いて、商用電源からの交流電力が、蓄電装置を充電するための直流電力に変換される。

特開平８−８８９０８号公報 特開２００９−２２５５６８号公報

上記のように車載バッテリを交流電源によって充電させる場合、専用の電力変換装置が必要となり、これを車両に搭載するとコストアップになってしまう。また電動車両には６０Ｖを超える高圧の蓄電装置が搭載されており、蓄電装置を含む高圧系と外部電源との間の絶縁を確保しておくことが望ましい。このような充電システムでは、車両側と設備側の双方を考慮したコスト面および効率面で最適なシステム構成についてまだまだ改善の余地がある。

この発明の目的は、外部電源と車両の高圧系の絶縁を確保しつつ、効率面及びコストのバランスがよい電動車両を提供することである。

この発明は、要約すると、電動車両であって、蓄電装置と、直流電力源および系統電源の間に設けられた電力変換設備に対して、充電ケーブルによって電気的に接続可能に構成された充電インレットと、充電インレットに伝達された直流電力を蓄電装置の充電電力に変換するための第１の電力変換ユニットとを備える。第１の電力変換ユニットは、充電インレットに伝達された直流電力を交流電力に変換するための第２の電力変換ユニットと、第２の電力変換ユニットからの交流電力を一次側に受ける絶縁トランスと、絶縁トランスの二次側に伝達される交流電力を蓄電装置を充電するための直流電力に変換する第３の電力変換ユニットとを含む。

好ましくは、電動車両は、第２の電力変換ユニットと充電インレットとの間に設けられ、電力伝達経路を開閉可能な開閉手段をさらに備える。

より好ましくは、充電インレットは、外部から直流電力を入力するための直流端子と、外部から交流電力を入力するための交流端子とを含む。開閉手段は、直流端子と第２の電力変換ユニットとの間に設けられる。電動車両は、交流端子に直結され、外部から与えられた交流電力を直流電力に変換して第２の電力変換ユニットの開閉手段に接続されている端子に変換後の直流電力を出力する第４の電力変換ユニットをさらに備える。

好ましくは、絶縁トランスは、複数のタップが設けられた巻線を有する。第１の電力変換ユニットは、複数のタップを切換えることによって絶縁トランスの電圧比を変更するタップ切換手段をさらに含む。第２の電力変換ユニットおよび第３の電力変換ユニットは、充電インレットから蓄電装置に充電が行なわれる際の電力伝達方向とは逆方向にも電力伝達が可能に構成される。電動車両は、補機バッテリと、第２の電力変換ユニットと充電インレットとの間に設けられた電力伝達経路と補機バッテリとを接続するための開閉可能な開閉手段と、外部充電モードと補機使用モードとの切換えに応じて、開閉手段と第２の電力変換ユニットと第３の電力変換ユニットとタップ切換手段とを連動して制御する制御装置とをさらに備える。

本発明によれば、外部電源と車両の高圧系の絶縁を確保しつつ効率とコストの面でバランスがよい電動車両を実現することができる。

実施の形態１の電動車両の充電システム１０の構成を説明するブロック図である。 電動車両１００の各動作モードにおける動作を説明するための図である。 実施の形態２の電動車両の充電システム１０Ａの構成を説明するブロック図である。 充電インレット１９０Ａの形状を示す図である。 図３中の充電ケーブル４０２の外観図である。 図３中の充電ケーブル５０２の外観図である。 電動車両１００Ａの各動作モードにおける動作を説明するための図である。 実施の形態３の電動車両１００Ｂの構成を示したブロック図である。 制御装置１０５が実行する制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さないものとする。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の電動車両の充電システム１０の構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、電動車両の充電システム１０は、電動車両１００および電力変換設備２００を含む。電力変換設備２００は、電動車両１００の外部に設置される。

電動車両１００は、メインバッテリ１１０と、制御装置１０５と、電力変換ユニット１２０と、車両駆動部１２３とを含む。

車両駆動部１２３は、インバータ１２５と、モータジェネレータ１３０と、動力伝達ギヤ１４０と、駆動輪１５０とを含む。なお、電動車両がハイブリッド自動車である場合には、車両駆動部１２３は、さらに、エンジンおよび発電機を含む。

制御装置１０５は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵した電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成される。ＥＣＵは、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、ＥＣＵの少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。制御装置１０５に対しては、電動車両１００に設けられた、スイッチやタッチパネル等の図示しない操作部から各種のユーザ要求を入力することが可能である。また、制御装置１０５は、図示しない複数のセンサの出力によって、種々の車両状態を検知することが可能である。

メインバッテリ１１０は、電動車両１００に搭載された「蓄電装置」の一例として示される。たとえば、メインバッテリ１１０の出力電圧は、２００Ｖ程度である。メインバッテリ１１０は、代表的には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池により構成される。あるいは、電気二重層キャパシタによって、あるいは二次電池とキャパシタ等の組合せ等によって「蓄電装置」を構成してもよい。

電力変換ユニット１２０は、メインバッテリ１１０の電圧および正極母線ＰＬ１の直流電圧ＶＨの間で、双方向の直流電圧変換を実行するように構成される。図１の例では、電力変換ユニット１２０は、電力用半導体スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ６を含む直流−交流変換回路と、絶縁トランス１２１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０、逆並列ダイオードＤ７〜Ｄ１０を含む交流−直流変換回路とを含んで構成される。電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは電力用バイポーラトランジスタ等の、オンオフが制御可能な任意の素子を用いることができる。

平滑コンデンサＣ０は、メインバッテリ１１０および電力変換ユニット１２０を接続する正極母線ＰＬ１および負極母線ＧＬ１の間に接続されて、直流電圧／電流に重畳された高調波成分を除去する。

モータジェネレータ１３０は、たとえば永久磁石型の三相同期電動機で構成される。インバータ１２５は、一般的な三相コンバータの構成を有する。インバータ１２５は、モータジェネレータ１３０が動作指令（代表的にはトルク指令値）に従って動作するように、正極母線ＰＬ２上の直流電力と、モータジェネレータ１３０に供給される交流電力との間で、双方向の直流／交流電力変換を実行する。すなわち、モータジェネレータ１３０の出力トルクは、インバータ１２５によって制御される。

モータジェネレータ１３０の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギヤ１４０を介して、駆動輪１５０に伝達されて、電動車両１００を走行させる。また、モータジェネレータ１３０は、電動車両１００の回生制動時には、駆動輪１５０の回転力によって発電する。この発電電力は、インバータ１２５によって直流電力に変換され、メインバッテリ１１０の充電に用いられる。

なお、モータジェネレータ１３０のほかにエンジン（図示せず）が搭載されたハイブリッド自動車では、このエンジンおよびモータジェネレータ１３０を協調的に動作させることによって、電動車両１００の必要な車両駆動力が発生される。この際には、エンジンの回転による発電電力を用いてメインバッテリ１１０を充電することも可能である。このように、電動車両１００は、走行用電動機および蓄電装置を搭載する車両を包括的に示すものであり、エンジンおよび電動機により車両駆動力を発生するハイブリッド自動車と、エンジンを搭載しない電気自動車および燃料電池車等との両方を含むものである。

電動車両１００は、さらに、充電インレット１９０と、充電リレーＲＡ１，ＲＡ２と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２とを含む。

充電リレーＲＡ１，ＲＡ２は、正極母線ＰＬ１および負極母線ＧＬ１と、充電インレット１９０との間に配置される。充電インレット１９０は、充電ケーブル３００によって、電力変換設備２００と電気的に接続可能に構成される。

システムリレーＳＲ１は、正極母線ＰＬ１と、インバータ１２５に接続される正極母線ＰＬ２との間に配置される。システムリレーＳＲ２は、負極母線ＧＬ１と、インバータ１２５と接続される負極母線ＧＬ２との間に配置される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２のオン時には、平滑コンデンサＣ０によって、インバータ１２５の直流リンク電圧が平滑化される。なお、平滑コンデンサＣ０をシステムリレーＳＲ１，ＳＲ２よりも前段（メインバッテリ側）に配置することにより、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２がオフされた状態でのメインバッテリ１１０の充放電時にも、平滑コンデンサＣ０を活用することが可能となる。

なお、本実施の形態において、各リレーは、「開閉器」あるいは「開閉素子」の代表例として示される。すなわち、オフ（閉）およびオン（開）を制御可能な任意の素子を、リレーに代えて用いることができる。

制御装置１０５は、ユーザ要求および車両状態に基づいて、電動車両１００が適切に走行するように、電動車両１００の各搭載機器を制御する。図１の構成では、制御装置１０５は、充電リレーＲＡ１，ＲＡ２およびシステムリレーＳＲ１，ＳＲ２のオン・オフを制御するとともに、電力変換ユニット１２０およびインバータ１２５の動作を制御する。

電動車両１００の走行時には、充電リレーＲＡ１，ＲＡ２がオフされる一方で、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２がオンされる。これにより、メインバッテリ１１０と、正極母線ＰＬ２との間が電気的に接続されるため、メインバッテリ１１０の充放電を伴って、モータジェネレータ１３０による走行が可能となる。一方で、走行時には、充電インレット１９０を、メインバッテリ１１０から電気的に切離すことができる。

電動車両１００の外部充電時には、充電インレット１９０が、充電ケーブル３００によって、電力変換設備２００のコネクタ２９０と電気的に接続される。具体的には、充電ケーブル３００のコネクタ３１０が、電力変換設備２００のコネクタ２９０と正常に接続され、かつ、充電ケーブル３００のコネクタ３２０が充電インレット１９０と正常に接続されることによって、電力変換設備２００のコネクタ２９０および充電インレット１９０が電気的に接続されるように、充電ケーブル３００が構成される。充電ケーブル３００が正常に接続された際には、コネクタ２９０および充電インレット１９０が電気的に接続された状態であることを示す信号（図示せず）が、少なくとも制御装置１０５に対して入力される。

外部充電時には、充電リレーＲＡ１，ＲＡ２がオンされる一方で、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２がオフされる。これにより、正極母線ＰＬ２および負極母線ＧＬ２以降の車両走行系の機器（インバータ１２５およびモータジェネレータ１３０等）を電気的に切離した上で、電力変換設備２００とメインバッテリ１１０との間に電気経路を形成することができる。

さらに、制御装置１０５は、少なくとも外部充電の際に、後述する電力変換設備２００内の制御装置２０５との間で、情報あるいはデータを相互に通信できるように構成されている。

次に、電力変換設備２００の構成について説明する。電力変換設備２００は、直流電力源２１０および系統電源４００の間に配置される。

直流電力源２１０は、代表的には、太陽電池や燃料電池等のクリーンエネルギによって直流電力を発生する電力源である。あるいは、定置型二次電池のように、電力を一時的に蓄える装置を直流電力源２１０として用いることも可能である。直流電力源２１０は、直流電圧Ｖｐｖを出力する。

系統電源４００は、商用交流電源により構成される。以下では、系統電源４００によって供給される交流電力の電圧は、交流電圧Ｖａｃで示される。

電力変換設備２００は、コンバータ２２０と、インバータ２３０と、制御装置２０５とを含む。

制御装置２０５は、制御装置１０５と同様、電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって構成される。制御装置１０５および制御装置２０５は、情報・データ等を相互に通信可能に構成されている。制御装置１０５および２０５の間の通信経路は、無線によって構成されてもよく、充電ケーブル３００の接続時に、いわゆる電力線通信によって形成されてもよい。

制御装置２０５に対しては、電力変換設備２００に設けられた、スイッチやタッチパネル等の図示しない操作端から各種のユーザ要求を入力することが可能である。

コンバータ２２０は、直流電力源２１０の出力電圧Ｖｐｖと、電力線ＰＬａの直流電圧との間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成される。たとえば、コンバータ２２０は、昇圧チョッパにより構成される。すなわち、コンバータ２２０は、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂ、逆並列ダイオードＤａ，ＤｂおよびリアクトルＬ２を有するように構成される。

なお、直流電力源２１０が充電されないシステム構成のときには、コンバータ２２０は、直流電力源２１０から電力線ＰＬａへ向かう単一方向の直流電圧変換を行うように構成されてもよい。この際には、スイッチング素子Ｑａの配置を省略して、上アームをダイオードＤａのみとする回路構成を適用することができる。あるいは、直流電力源２１０の出力電圧Ｖｐｖが安定的なものであるシステム構成のときには、コンバータ２２０の配置を省略してもよい。

電力線ＰＬａおよび電力線ＰＬｂの間には、リレーＲＰＶが配置される。リレーＲＰＶの開閉は、制御装置２０５により制御される。リレーＲＰＶをオフすることにより、コンバータ２２０および直流電力源２１０を、電力線ＰＬｂから電気的に切離すことができる。

電力線ＰＬｂおよび接地配線ＧＬａの間には、平滑コンデンサＣ２が接続される。平滑コンデンサＣ２は、電力線ＰＬｂの直流電圧ＶＩの高調波成分を除去する。

インバータ２３０は、電力線ＰＬｃおよび電力線ＰＬｄの間で双方向の直流／交流電力変換を実行するように構成される。たとえば、インバータ２３０は、スイッチング素子Ｑｃ〜Ｑｆにより構成されるフルブリッジ回路からなる。スイッチング素子Ｑｃ〜Ｑｆには、逆並列ダイオードＤｃ〜Ｄｆがそれぞれ接続されている。電力線ＰＬｄは、インバータ２３０を系統電源４００に接続する。

電力線ＰＬｂおよび電力線ＰＬｃの間には、リレーＲＡＣ１が配置される。同様に、接地配線ＧＬａおよび接地配線ＧＬｃの間には、リレーＲＡＣ２が配置される。リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２の開閉は、制御装置２０５によって制御される。リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２をオフすることにより、インバータ２３０および系統電源４００を、電力線ＰＬｂから電気的に切離すことができる。

コネクタ２９０は、電力線ＰＬｂおよび接地配線ＧＬａに電気的に接続される。コネクタ２９０は、充電ケーブル３００のコネクタ３１０と電気的に接続可能に構成される。充電ケーブル３００によって、コネクタ２９０および充電インレット１９０が電気的に接続されると、電力線ＰＬｂの直流電力を、電動車両１００へ伝達することができる。反対に、電動車両１００からの直流電力を電力線ＰＬｂへ伝達することもできる。

コンバータ２２０は、リレーＲＰＶがオンされているときに、制御装置２０５により動作を制御される。具体的には、制御装置２０５からの制御信号に応答してスイッチング素子Ｑａ，Ｑｂのオンオフ比（デューティ比）が制御されることにより、電圧比（ＶＩ／Ｖｐｖ）が制御される。一方、コンバータ２２０は、リレーＲＰＶがオフされているときには、制御装置２０５によって停止される。この状態では、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂがオフに固定される。

インバータ２３０は、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２がオンされているときに、制御装置２０５により動作が制御される。インバータ２３０は、電力線ＰＬｄの交流電力（交流電圧Ｖａｃ）を直流電力（直流電圧ＶＩ）に変換して電力線ＰＬｃに出力する第１の電力変換動作と、電力線ＰＬｃの直流電力を交流電力に変換して電力線ＰＬｄに出力する第２の電力変換動作との一方を選択的に実行できる。

第１の電力変換動作では、制御装置２０５は、スイッチング素子Ｑｃ〜Ｑｆのデューティ制御によって、電力線ＰＬｃに出力される直流電圧（電流）を制御することができる。同様に、第２の電力変換動作では、制御装置２０５は、スイッチング素子Ｑｃ〜Ｑｆのデューティ制御によって、電力線ＰＬｄに出力される交流電圧（電流）の位相および振幅を制御することができる。なお、インバータ２３０は、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２がオフされているときには、制御装置２０５によって停止される。この状態では、スイッチング素子Ｑｃ〜Ｑｆがオフに固定される。

なお、図示を省略しているが、電動車両１００および電力変換設備２００の内部における各部位の電圧および電流は、適宜センサを設けることによって、制御装置１０５，２０５によって検知することが可能である。

次に、充電システム１０の動作について説明する。
電力変換設備２００は、本来は、直流電力源２１０からの直流電力を、系統電源４００と同等の交流電力に変換するための、いわゆるパワーコンディショナとしての機能を有するものである。したがって、上記車両充電モードおよび車両発電モードのいずれも選択されていない場合における、電力変換設備２００の通常動作は、以下のとおりである。

制御装置２０５によって、リレーＲＰＶ，ＲＡＣ１，ＲＡＣ２がオンされる。そして、コンバータ２２０は、制御装置２０５によるデューティ制御に従って、直流電力源２１０の出力電圧Ｖｐｖを直流電圧ＶＩに変換して、電力線ＰＬｂへ出力する。インバータ２３０は、電力線ＰＬｂの直流電圧ＶＩを交流電圧Ｖａｃに変換して、電力線ＰＬｄに出力するように動作する。交流電圧Ｖａｃの振幅および位相は、制御装置２０５によるスイッチング素子Ｑｃ〜Ｑｆのオンオフ制御によって調整される。これにより、系統電源４００と同等の交流電力が、電力変換設備２００から出力される。以下では、直流電力源２１０からの直流電力を交流電力に変換して、系統電源４００へ出力する動作状態を「通常モード」とも称する。

次に、通常モード以外の動作モードにおいて、電動車両１００および電力変換設備２００がどのように動作するかを説明する。

図２は、電動車両１００の各動作モードにおける動作を説明するための図である。
図１、図２を参照して、電動車両１００は、動作モードとしてモードＭ１〜Ｍ３を有する。モードＭ１では、充電ケーブル３００によって電動車両１００および電力変換設備２００が接続された状態で、電力変換設備２００からの電力によって、電動車両１００のメインバッテリ１１０を充電することができる。モードＭ１では動作内容としては「車両充電」を実行する。この時の使用電源としては系統電源４００（および直流電力源２１０）電力が供給される。

そして、インバータ２３０は、電圧ＶＩを一定に制御するように動作する。また車両における電力変換ユニット１２０は、外部から車両のメインバッテリ１１０に送られる充電電力を制御する。

またモードＭ２では、やはり充電ケーブル３００によって電動車両１００および電力変換設備２００が接続された状態で、動作内容としては車両充電が実行される。しかし、この時の使用電源としては直流電力源２１０のみであり、系統電源４００からは電力が供給されない。

このときインバータ２３０は、動作停止とされ、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２もオフ状態に制御される。また車両における電力変換ユニット１２０は、電圧ＶＨを一定に保つように制御される。

またモードＭ３では、電動車両１００および電力変換設備２００が電気的に接続された状態で、充電システム１０は、メインバッテリ１１０の電力を用いて、系統電源４００と同等の交流電力を出力するように動作する。以下では、このような動作内容を「車両放電」とも称する。

そして、インバータ２３０は、電圧Ｖａｃを一定に制御するように動作する。また車両における電力変換ユニット１２０は、車両のメインバッテリ１１０から外部へ送られる放電電力を制御する。

モードＭ１〜Ｍ３の各々は、たとえば、充電ケーブル３００によって電動車両１００および電力変換設備２００が接続されている場合に、制御装置１０５および／または制御装置２０５に入力されたユーザ要求に応じて起動される。

まず、モードＭ１（車両充電）での充電システム１０の動作について説明する。
電力変換設備２００は、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２をオンした状態でインバータ２３０を動作させることによって、系統電源４００からの電力を用いてメインバッテリ１１０の充電電力を発生することができる。具体的には、インバータ２３０は、電力線ＰＬｄの交流電圧Ｖａｃを、直流電圧ＶＩに変換して電力線ＰＬｃに出力するように制御される。これにより、系統電源４００からの交流電力を源とする直流電力が電力線ＰＬｂに発生され、かつ、コネクタ２９０および充電ケーブル３００を介して、充電インレット１９０へ伝達される。モードＭ１（車両充電）での直流電圧ＶＩの指令値は、メインバッテリ１１０の充電に適した値に設定される。

電動車両１００では、充電インレット１９０に伝達された直流電力が、電力変換ユニット１２０によってメインバッテリ１１０の充電電力に変換される。これにより、系統電源４００からの電力によって、メインバッテリ１１０を外部充電することができる。

一方で、電力変換設備２００は、リレーＲＰＶをオンした状態でコンバータ２２０を動作させることによって、直流電力源２１０からの電力を用いてメインバッテリ１１０の充電電力を発生することも可能である。具体的には、コンバータ２２０は、直流電力源２１０からの直流電圧Ｖｐｖを、直流電圧ＶＩに変換して電力線ＰＬｂに出力するように制御される。これにより、直流電力源２１０からの直流電力が電力線ＰＬｂに発生され、かつ、コネクタ２９０および充電ケーブル３００を介して、充電インレット１９０へ伝達される。

リレーＲＰＶと、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２とは、制御装置２０５によって独立に制御される。リレーＲＰＶをオフし、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２をオンすることにより、直流電力源２１０を用いることなく、系統電源４００の電力のみによって、メインバッテリ１１０を充電することができる。

あるいは、リレーＲＰＶとリレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２との両方をオンすることによって、系統電源４００からの電力および直流電力源２１０からの電力の両方を用いて、メインバッテリ１１０を外部充電することも可能である。

次にモードＭ２（ＰＶのみ充電）での充電システム１０の動作について説明する。
モードＭ２では、リレーＲＰＶをオンする一方でリレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２をオフすることにより、系統電源４００からの電力を用いることなく、直流電力源２１０の電力のみを用いてメインバッテリ１１０を充電することができる。この場合には、系統電源４００を用いない、すなわち、電気料金が発生しない外部充電が実現できる。

次に、モードＭ３（車両放電）での充電システム１０の動作について説明する。
電動車両１００において、制御装置１０５は、充電リレーＲＡ１，ＲＡ２をオンするとともに、電力変換ユニット１２０を動作させる。一方で、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２はオフされる。電力変換ユニット１２０は、制御装置１０５によって、メインバッテリ１１０の出力電圧を直流電圧ＶＨに変換して正極母線ＰＬ１に出力するように制御される。正極母線ＰＬ３の直流電圧ＶＨは、充電インレット１９０および充電ケーブル３００を介して、電力変換設備２００のコネクタ２９０へ伝達される。

電力変換設備２００では、電力線ＰＬｂの直流電圧ＶＩが、電動車両１００からの直流電圧ＶＨと同等となる。制御装置２０５は、少なくともリレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２をオンするとともに、インバータ２３０を動作させる。インバータ２３０は、通常モードと同様に、電力線ＰＬｂの直流電圧ＶＩ（ＶＩ＝ＶＨ）を交流電圧Ｖａｃに変換して、電力線ＰＬｄに出力するように動作する。これにより、電力変換設備２００は、電動車両１００のメインバッテリ１１０の電力を用いて、通常モードと同等の交流電力を発生することができる。

なお、モードＭ３（車両放電）では、リレーＲＰＶをオンすることによって、直流電力源２１０からの電力、および、電動車両１００（メインバッテリ１１０）からの電力の両方を用いて交流電力を発生することも可能である。あるいは、リレーＲＰＶをオフすることによって、直流電力源２１０からの電力を用いることなく、電動車両１００（メインバッテリ１１０）からの電力のみによって交流電力を発生することも可能である。

実施の形態１による充電システム１０では、交流電力を直流電力に変換するインバータ２３０を外部充電に使用する。これにより、電動車両１００の搭載部品を増やすことなく、電力変換設備２００の回路要素を共有することによってメインバッテリ１１０の外部充電を実現することができる。

［実施の形態２］
図３は、実施の形態２の電動車両の充電システム１０Ａの構成を説明するブロック図である。

図３を参照して、電動車両の充電システム１０Ａは、電動車両１００Ａおよび電力変換設備２００を含む。電力変換設備２００については、実施の形態１において説明した図１の電力変換設備２００と同様な構成であるので、ここでは説明は繰返さない。

電動車両１００Ａは、図１に示した電動車両１００の構成において、制御装置１０５に代えて制御装置１０５Ａを含み、充電インレット１９０に代えて充電インレット１９０Ａを含み、正極母線ＰＬ３および負極母線ＧＬ３と充電インレット１９０Ａとの間に設けられる交流直流電力変換ユニット１２２をさらに含む。

充電インレット１９０Ａは、図１で示した充電インレット１９０に設けられており電線部５３０が接続されるＤＣポート２２２に加えて、交流電源４００Ａに電線部４３０を介して接続されるＡＣポート２２１が設けられる点が、充電インレット１９０とは異なる。

交流直流電力変換ユニット１２２は、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４、逆並列ダイオードＤ１１〜Ｄ１４を含んで構成される。交流直流電力変換ユニット１２２は、充電インレット１９０ＡのＡＣポート２２１から入力された交流電力を直流電力に変換して正極母線ＰＬ３および負極母線ＧＬ３に出力することが可能である。また、交流直流電力変換ユニット１２２は、正極母線ＰＬ３および負極母線ＧＬ３の直流電力を交流電力に変換して充電インレット１９０ＡのＡＣポート２２１へ出力することも可能である。

図４は充電インレット１９０Ａの形状を示す図である。実施の形態２においては、充電インレット１９０Ａは、交流電力を受電するためのＡＣポート２２１および直流電力を受電するためのＤＣポート２２２が一体となった構造となっている。充電ケーブル５０２の端部に設けられたコネクタ３２０Ａは、充電インレット１９０Ａに対応した形状を有する。

図３、図４を参照して、ＡＣポート２２１は、交流電力を伝達するための電力用端子Ｔ１，Ｔ２と、接地端子Ｔ３と、通信用端子Ｔ４，Ｔ５とを含む。ＤＣポート２２２は、直流電力を伝達するための電力用端子Ｔ１１，Ｔ１２と、通信用端子Ｔ１３，Ｔ１４とを含む。

直流電力を送電する電線部５３０または交流電力を送電する充電ケーブル４０２のコネクタ３２０Ａが充電インレット１９０Ａに接続されることによって、コネクタ４１０に含まれる対応する端子が、上記の端子Ｔ１〜Ｔ５，Ｔ１１〜Ｔ１４にそれぞれ電気的に接続される。これによって、電力変換設備２００から車両１００への電力の供給、および電力変換設備２００と車両１００との間での信号伝達が可能となる。なお、図４における端子の種類、数および配列は一例であり、他の構成としてもよい。また、制御装置２０５と制御装置１０５Ａとの間の通信については、図４に示すような専用の通信端子を使用するものでなくてもよく、電力線通信や無線通信を使用するものであってもよい。

図３では、説明の便宜のために充電ケーブル４０２と充電ケーブル５０２の両方がコネクタ３２０Ａに接続されているように記載したが、実際には、充電ケーブル４０２と充電ケーブル５０２のいずれか一方がコネクタ３２０Ａに接続されている。

交流電源４００Ａからの交流電力を用いた充電（以下、「ＡＣ充電」とも称する。）は、汎用的な商用電源（ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖ）を用いてメインバッテリ１１０を充電することを意図した充電方式である。そのため、一般家庭においてメインバッテリ１１０の充電が可能であるという利点を有する。しかし、車両１００が受電可能な交流電力は、一般的に商用電源の定格電力容量により制限されるので、メインバッテリ１１０を十分に充電するには数時間程度の時間が必要となる。

一方、電力変換設備２００からの直流電力を用いた充電（以下、「ＤＣ充電」とも称する。）は、メインバッテリ１１０を短時間で充電する、いわゆる高速充電を意図した充電方式とすることができる。また、定常的に電動車両１００Ａに充電を行なう方式である。そのため、車両１００に供給される直流電力は、一般的に、上記の交流電力よりも十分に大きな電力容量とされることが望ましい。もちろん直流電力源２１０が小容量である場合には、交流電源４００Ａと同程度の電力容量であってもよい。

図５は、図３中の充電ケーブル４０２の外観図である。図５を参照して、充電ケーブル４０２は、充電コネクタ３２０Ａ２と、プラグ４２０と、電線部４３０とを含む。また、充電コネクタ３２０Ａ２は、操作スイッチ４１４と、カプラ部４１５と、係止爪４１６とをさらに含む。プラグ４２０は、図３の交流電源４００Ａに接続される。

カプラ部４１５には、図４の端子Ｔ１〜Ｔ５に対応する複数の接続端子（図示せず）が設けられ、車両１００Ａの充電インレット１９０Ａに接続されることによって、電線部４３０内の電力線、接地線および信号線が、車両１００Ａ側の電力線、接地線および信号線と接続される。

操作スイッチ４１４は、充電コネクタ３２０Ａ２の抜け防止のための係止爪４１６を動作させるための解除ボタンであり、操作スイッチ４１４の操作に連動して係止爪４１６が動作する。

具体的には、充電コネクタ３２０Ａ２が充電インレット１９０Ａに接続されると、係止爪受け部に係止爪４１６が引っ掛かり、充電コネクタ３２０Ａ２が充電インレット１９０Ａから誤って抜けてしまうことが防止される。そして、操作スイッチ４１４が押下されると、係止爪４１６が係止爪受け部から外れることによって、充電コネクタ３２０Ａ２を充電インレット１９０Ａから引き抜くことが可能となる。

図６は、図３中の充電ケーブル５０２の外観図である。図６を参照して、充電ケーブル５０２には、充電コネクタ３２０Ａ１と、電線部５３０とを含む。また、充電コネクタ３２０Ａ１は、操作スイッチ５１４と、カプラ部５１５，５１８と、係止爪５１６とをさらに含む。コネクタ３１０は、図３のコネクタ２９０に接続される。

カプラ部５１５は、図４の端子Ｔ１〜Ｔ５が充電または放電中に他に接触不可能であるように覆う蓋の役割を果たす。カプラ部５１８は、図４の端子Ｔ１１〜Ｔ１４に対応する複数の接続端子（図示せず）が設けられ、車両１００Ａの充電インレット１９０Ａに接続されることによって、電線部５３０内の電力線、接地線および信号線が、車両１００Ａ側の電力線、接地線および信号線と接続される。

操作スイッチ５１４は、充電コネクタ３２０Ａ１の抜け防止のための係止爪５１６を動作させるための解除ボタンであり、操作スイッチ５１４の操作に連動して係止爪５１６が動作する。

具体的には、充電コネクタ３２０Ａ１が充電インレット１９０Ａに接続されると、係止爪受け部に係止爪５１６が引っ掛かり、充電コネクタ３２０Ａ１が充電インレット１９０Ａから誤って抜けてしまうことが防止される。そして、操作スイッチ５１４が押下されると、係止爪５１６が係止爪受け部から外れることによって、充電コネクタ３２０Ａ１を充電インレット１９０Ａから引き抜くことが可能となる。

図５および図６に示した充電ケーブルは充電インレット１９０Ａに接続することが可能である。そして、図５に示した充電ケーブル４０２の充電コネクタ３２０Ａ２を充電インレット１９０Ａに接続した場合には、充電インレット１９０Ａの端子Ｔ１１〜Ｔ１４は露出した状態である。一方で、充電ケーブル５０２の充電コネクタ３２０Ａ１を充電インレット１９０Ａに接続した場合には、端子Ｔ１１〜Ｔ１４に電線部５３０の内部の電力線、接地線および信号線が接続され、端子Ｔ１〜Ｔ５はカプラ部５１５で覆われる。この状態では、端子Ｔ１〜Ｔ５は露出していないので接触することはできない。

このため、図３に示したように、ＡＣポート２２１を介して外部と電力を授受する場合には、ＤＣポート部分に電力が漏れないように充電インレット１９０Ａの内側配線部のＤＣポート部分にはリレーＲＡ１，ＲＡ２を設けている。これに対し、ＤＣポート２２２を介して外部と電力を授受する場合には、ＡＣポート部分は覆われているので電力が漏れない。このためＡＣポート２２１側にはリレーは設ける必要がない。

図７は、電動車両１００Ａの各動作モードにおける動作を説明するための図である。
図３、図７を参照して、電動車両１００Ａは、動作モードとしてモードＭ１〜Ｍ４を有する。モードＭ１〜Ｍ３については、図２で説明したモードＭ１〜Ｍ３と同じであるので説明は繰返さない。なおモードＭ１〜Ｍ３では、交流直流電力変換ユニット１２２は動作停止している。

モードＭ４は、車両が非常発電動作を実行するためのモードである。モードＭ４を実行する場合は車両駆動部１２３には、エンジンおよび発電機や燃料電池などの発電手段が搭載されていることが好ましい。

そして、インバータ２３０はオフ状態に制御され、リレーＲＡＣ１，ＲＡＣ２もオフ状態に制御される。そして車両１００Ａ側では、電力変換ユニット１２０は放電電力を制御する。また、交流直流電力変換ユニット１２２は電動車両１００Ａを発電装置として動作させるために、正極母線ＰＬ３および負極母線ＧＬ３の直流電力を交流電力に変換して充電インレット１９０ＡのＡＣポート２２１から外部へ出力する。

上記のモードＭ１〜Ｍ４の切換えに伴う制御は、制御装置１０５Ａによって実行される。

実施の形態２の充電システム１０Ａおよび電動車両１００Ａのような構成とすれば、自宅や事業所などに設置された電力変換設備２００を介して、系統電源４００から車両１００Ａに充電したり、車両１００Ａから系統電源４００に電力を放電したりすることができる。加えて、充電インレット１９０ＡのＡＣポート２２１を介して一般の商用交流電源４００Ａから車両１００Ａに充電したり、車両１００Ａから電気負荷に電力を放電したりすることができる。したがって、災害時などに自宅以外の場所で電気製品を使用する場合に便利である。そして充電インレット１９０ＡのＤＣポート２２２のみにリレーを設け、ＡＣポート２２１にはリレーを設けない構成とすることで部品点数を減らすことができる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、補機バッテリにメインバッテリから送電するＤＣ／ＤＣコンバータを外部ＤＣ充電用のＤＣ／ＤＣコンバータと共用することで部品点数を減らす例を紹介する。

図８は、実施の形態３の電動車両１００Ｂの構成を示したブロック図である。図８を参照して、電動車両１００Ｂは、メインバッテリ１１０と、制御装置１０５Ｂと、電力変換ユニット１２０Ｂと、リレーＲＡ１，ＲＡ２と、充電インレット１９０と、車両駆動部１２３とを含む。なお、充電インレット１９０には、図１の電力変換設備２００と同様なＤＣ電圧供給源が接続される。

車両駆動部１２３は、図１で示した構成と同様であり、インバータと、モータジェネレータと、動力伝達ギヤと、駆動輪とを含む。なお、電動車両がハイブリッド自動車である場合には、車両駆動部１２３は、さらに、エンジンおよび発電機を含む。

電力変換ユニット１２０Ｂは、電力用半導体スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ６を含む直流−交流変換回路と、絶縁トランス１２１Ｂと、タップ切換部６００と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０、逆並列ダイオードＤ７〜Ｄ１０を含む交流−直流変換回路とを含んで構成される。

絶縁トランス１２１Ｂは、メインバッテリ１１０と反対側の巻線に中間タップが設けられており、タップ切換部６００によって一次／二次電圧比を変えることができる。

タップ切換部６００は、リレーＲＢ３，ＲＡ３を含む。リレーＲＢ３，ＲＡ３のいずれか一方を選択的にオンすることによって、絶縁トランス１２１Ｂの巻線比を変えることが可能である。

電動車両１００Ｂは、さらに、リレーＲＢ１，ＲＢ２と、補機バッテリ６０２と、補機バッテリ６０２から電力供給を受ける補機負荷６０４とを含む。

制御装置１０５Ｂは、外部充電時にはリレーＲＡ１，ＲＡ２およびＲＡ３をオンし、リレーＲＢ１，ＲＢ２およびＲＢ３をオフする。そして、制御装置１０５Ｂは、電力変換ユニット１２０Ｂによって充電インレット１９０から受けた直流電力を電圧変換してメインバッテリ１１０に出力する。

制御装置１０５Ｂは、外部充電を行なわない時にはリレーＲＡ１，ＲＡ２およびＲＡ３をオフし、リレーＲＢ１，ＲＢ２およびＲＢ３をオンする。そして、制御装置１０５Ｂは、電力変換ユニット１２０Ｂによってメインバッテリ１１０の直流電力を電圧変換して補機バッテリ６０２に出力する。

図９は、制御装置１０５が実行する制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから呼び出されて実行される。

図８、図９を参照して、処理が開始されると、まずステップＳ１０１において、コネクタ３２０が充電インレット１９０に接続されたか否かが判断される。この接続判断は、充電インレット１９０に設けられた図示しない接続検出部からの信号に基づいて行われる。

ステップＳ１０１において、コネクタ３２０の接続が検出されない場合には再びステップＳ１０１の処理が行なわれ、コネクタ３２０の接続が検出された場合にはステップＳ１０２に処理が進む。

ステップＳ１０２では、制御装置１０５Ｂは、動作モードがＤＣ充電モードであるか否かを判断する。図８の車両１００Ｂについても図２と同様な動作モードが適用される。ＤＣ充電モードは、図２のモードＭ１，Ｍ２に対応する。ステップＳ１０２において動作モードがＤＣ充電モードであった場合には、ステップＳ１０３に処理が進む。

ステップＳ１０３では、制御装置１０５Ｂは、リレーＲＡ１〜ＲＡ３を接続状態（オン）とし、リレーＲＢ１〜ＲＢ３を非接続状態（オフ）に制御する。

ステップＳ１０３による接続状態の設定が完了すると、ステップＳ１０４に処理が進み、制御装置１０５Ｂは、電力変換ユニット１２０Ｂを制御して、充電インレット１９０からメインバッテリ１１０へＤＣ充電を開始する。

一方、ステップＳ１０２において動作モードがＤＣ充電モードではなかった場合には、ステップＳ１０５に処理が進む。

ステップＳ１０５では、制御装置１０５Ｂは、動作モードがＤＣ放電モードであるか否かを判断する。ＤＣ放電モードは、図２のモードＭ３に対応する。ステップＳ１０５において動作モードがＤＣ充電モードであった場合には、ステップＳ１０６に処理が進む。

ステップＳ１０６では、制御装置１０５Ｂは、リレーＲＡ１〜ＲＡ３を接続状態（オン）とし、リレーＲＢ１〜ＲＢ３を非接続状態（オフ）に制御する。

ステップＳ１０６による接続状態の設定が完了すると、ステップＳ１０７に処理が進み、制御装置１０５Ｂは、電力変換ユニット１２０Ｂを制御して、メインバッテリ１１０から車両外部にＤＣ放電を開始する。

一方、ステップＳ１０５において動作モードがＤＣ放電モードではなかった場合には、ステップＳ１０８に処理が進む。

ステップＳ１０８では、制御装置１０５Ｂは、リレーＲＢ１〜ＲＢ３を接続状態（オン）とし、リレーＲＡ１〜ＲＡ３を非接続状態（オフ）に制御する。

ステップＳ１０８による接続状態の設定が完了すると、ステップＳ１０９に処理が進み、制御装置１０５Ｂは、電力変換ユニット１２０Ｂを制御して、メインバッテリ１１０から補機バッテリ６０２に充電（および／または補機負荷６０４への電力供給）を開始する。

図８に示した構成とすれば、車両外部からメインバッテリ１１０と補機バッテリ６０２に対して同時に充電を行なうことはできないが、絶縁トランス１２１Ｂの電圧比を変更可能とし、リレーＲＢ１，ＲＢ２を設けることによって、補機バッテリ６０２への電力送電を行なうことができる。これにより、外部充電に使用する電力変換ユニット１２０Ｂを補機バッテリ６０２とメインバッテリ１１０との間で電圧変換を行なうＤＣ／ＤＣコンバータとして兼用することができる。

最後に本実施の形態１〜３について再び図を参照して総括する。電動車両１００、１００Ａ，１００Ｂは、メインバッテリ１１０と、直流電力源２１０および系統電源４００の間に設けられた電力変換設備２００に対して、充電ケーブル３００または５００によって電気的に接続可能に構成された充電インレット１９０、１９０Ａと、充電インレットに伝達された直流電力をメインバッテリ１１０の充電電力に変換するための第１の電力変換ユニット１２０とを備える。第１の電力変換ユニット１２０は、充電インレット１９０、１９０Ａに伝達された直流電力を交流電力に変換するための第２の電力変換ユニット１２８と、第２の電力変換ユニットからの交流電力を一次側に受ける絶縁トランス１２１，１２１Ｂと、絶縁トランス１２１，１２１Ｂの二次側に伝達される交流電力をメインバッテリ１１０を充電するための直流電力に変換する第３の電力変換ユニット１２９とを含む。

好ましくは、電動車両１００、１００Ａ，１００Ｂは、第２の電力変換ユニット１２８と充電インレット１９０，１９０Ａとの間に設けられ、電力伝達経路を開閉可能な開閉手段（リレーＲＡ１，ＲＡ２）をさらに備える。

図４に示すように、より好ましくは、充電インレット１９０Ａは、外部から直流電力を入力するための直流端子Ｔ１１，Ｔ１２と、外部から交流電力を入力するための交流端子Ｔ１〜Ｔ３とを含む。開閉手段（リレーＲＡ１，ＲＡ２）は、直流端子Ｔ１１，Ｔ１２と第２の電力変換ユニット１２８との間に設けられる。電動車両１００Ａは、交流端子Ｔ１〜Ｔ３に直結され、外部から与えられた交流電力を直流電力に変換して第２の電力変換ユニット１２８の開閉手段に接続されている端子に変換後の直流電力を出力する第４の電力変換ユニット１２２をさらに備える。

図８に示すように、好ましくは、絶縁トランス１２１Ｂは、複数のタップが設けられた巻線を有する。第１の電力変換ユニット１２０Ｂは、複数のタップを切換えることによって絶縁トランス１２１Ｂの電圧比を変更するタップ切換部６００をさらに含む。第２の電力変換ユニット１２８および第３の電力変換ユニット１２９は、充電インレット１９０からメインバッテリ１１０に充電が行なわれる際の電力伝達方向とは逆方向にも電力伝達が可能に構成される。電動車両１００Ｂは、補機バッテリ６０２と、第２の電力変換ユニット１２８と充電インレット１９０との間に設けられた電力伝達経路と補機バッテリ６０２とを接続するための開閉可能な開閉手段（リレーＲＢ１，ＲＢ２）と、外部充電モードと補機使用モードとの切換えに応じて、開閉手段と第２の電力変換ユニット１２８と第３の電力変換ユニット１２９とタップ切換部６００とを連動して制御する制御装置１０５Ｂとをさらに備える。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１０Ａ 充電システム、１００ 電動車両、１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ，２０５ 制御装置、１１０ メインバッテリ、１２０，１２８，１２９ 電力変換ユニット、１２１，１２１Ｂ 絶縁トランス、１２２ 交流直流電力変換ユニット、１２３ 車両駆動部、１２５，２３０ インバータ、１３０ モータジェネレータ、１４０ 動力伝達ギヤ、１５０ 駆動輪、１９０，１９０Ａ 充電インレット、２００ 電力変換設備、２１０ 直流電力源、２２０ コンバータ、２２１ ＡＣポート、２２２ ＤＣポート、２９０，３１０，３２０，３２０Ａ，４１０ コネクタ、３００，４０２，５０２ 充電ケーブル、３２０Ａ２，３２０Ａ１ 充電コネクタ、４００ 系統電源、４００Ａ 交流電源、４１４，５１４ 操作スイッチ、４１５，５１５，５１８ カプラ部、４１６，５１６ 係止爪、４２０ プラグ、４３０，５３０ 電線部、６００ タップ切換部、６０２ 補機バッテリ、６０４ 補機負荷、Ｃ０，Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｄ３〜Ｄ１４，Ｄａ〜Ｄｆ ダイオード、ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３ 負極母線、ＧＬａ，ＧＬｃ 接地配線、Ｌ２ リアクトル、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３ 正極母線、ＰＬａ，ＰＬｂ，ＰＬｃ，ＰＬｄ 電力線、Ｑ３〜Ｑ１４ 電力用半導体スイッチング素子、Ｑａ〜Ｑｆ スイッチング素子、ＲＡ１〜ＲＡ３，ＲＡＣ１，ＲＡＣ２，ＲＢ１〜ＲＢ３，ＲＡ３，ＲＰＶ リレー、ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー、Ｔ１〜Ｔ５，Ｔ１１〜Ｔ１４ 端子。

Claims (1)

1. 蓄電装置と、
   充電ケーブルのコネクタが接続可能に構成された充電インレットと、
   前記充電インレットに接続される母線の電圧と、前記蓄電装置の電圧との間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成された電力変換ユニットとを備え、
   前記電力変換ユニットは、
   絶縁トランスと、
   前記母線と前記絶縁トランスとの間に接続される直流−交流変換回路と、
   前記絶縁トランスと前記蓄電装置との間に接続される、交流−直流変換回路とを含み、
   前記充電インレットは、外部から直流電力を入力するための直流端子と、外部から交流電力を入力するための交流端子とが一体となった構造を有し、前記直流端子と前記交流端子とを同時に覆う直流充電コネクタが接続可能に構成され、
   前記充電インレットの前記直流端子と前記直流−交流変換回路との間に設けられ、電力伝達経路を開閉可能な開閉手段と、
   前記交流端子に直結され、外部から与えられた交流電力を直流電力に変換して前記直流−交流変換回路の前記開閉手段に接続されている端子に変換後の直流電力を出力する交流直流電力変換ユニットをさらに備える、電動車両。

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