JP6596383B2

JP6596383B2 - 充放電装置、輸送機器及び制御方法

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Publication number: JP6596383B2
Application number: JP2016102160A
Authority: JP
Inventors: 晋一横山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: JP2017212764A

Description

本発明は、電源の加温を行う充放電装置、輸送機器及び制御方法に関する。

特許文献１に記載の蓄電システムでは、蓄電装置の充電と蓄電装置の加温とを効率良く行うために、外部電源からの電力を蓄電装置に供給する充電処理と、昇圧回路のスイッチング素子の周期的なオンオフ切り替えによって生成されるリプル電流を用いて蓄電装置を温める昇温処理とを交互に行う。

特開２０１４−０５０１４４号公報

上記説明した特許文献１に記載の蓄電システムでは、昇圧回路が有するスイッチング素子は２つであり、この２つのスイッチング素子のオンとオフを周期的に切り替えることによって昇温処理を行う。このため、スイッチング素子にかかる負荷は略均等である。しかし、双方向の直流−交流変換が可能な双方向インバータ回路が用いられる場合、この双方向インバータ回路には、一般的な商用電力系統からの交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング素子が２つと、蓄電装置からの直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング素子が２つの合計４つのスイッチング素子が含まれる。双方向インバータ回路を有する蓄電システムにおいて、特許文献１に記載の昇温処理と同様の処理を行うと、４つのスイッチング素子のうち、２つのスイッチング素子に対してオンオフ切り替えが行われ、いわゆるハーフ・ブリッジ・モードとして機能する。このため、双方向インバータ回路を構成する４つのスイッチング素子のうち、２つのスイッチング素子のみに負荷が集中する。

本発明の目的は、加温による特定の部品への負荷集中を防止可能な充放電装置、輸送機器及び制御方法を提供することである。なお、加温とは、変換部のスイッチング素子で発生した損失による熱を加えることである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
電源（例えば、後述の実施形態でのバッテリ１０１，２０１）と、
直列接続されたハイサイドとローサイドの２つのスイッチング素子を含むスイッチ部（例えば、後述の実施形態でのスイッチ部１５０，２５０）を２つと、ハイサイドの前記スイッチング素子とローサイドの前記スイッチング素子の間を接続点として前記２つのスイッチ部間を接続するコイル（例えば、後述の実施形態での２次コイルＬ２，コイルＬ）と、を有し、前記電源を充電するための電力又は前記電源から放電された電力を変換する変換部（例えば、後述の実施形態での整流器１０５，双方向充電器２０５）と、
前記２つのスイッチ部の一方が有する一方サイドの前記スイッチング素子のＰＷＭ制御と、前記２つのスイッチ部の他方が有する他方サイドの前記スイッチング素子のオン制御と、の組み合わせによる複数のパターンに基づき、前記２つのスイッチ部が有する各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１０７，２０７）と、を備え、
前記電源を加温する際、前記制御部は、前記電源と前記変換部とで閉回路を形成し、前記複数のパターンを循環して切り替えるルーチンを実行し、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失、及び前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失の少なくとも一方が等しくなるよう、設定されている、充放電装置である。

ここで請求項に記載した用語について補足する。「一方サイドの前記スイッチング素子」とは、ハイサイドの前記スイッチング素子とローサイドの前記スイッチング素子のうち、「他方サイドの前記スイッチング素子」とは異なる方を指す。例えば、「一方サイドの前記スイッチング素子」がハイサイドの前記スイッチング素子の場合、「他方サイドの前記スイッチング素子」はローサイドの前記スイッチング素子となる。また逆に「一方サイドの前記スイッチング素子」がローサイドの前記スイッチング素子の場合は、「他方サイドの前記スイッチング素子」はハイサイドの前記スイッチング素子となる。上記補足は本請求項以降の請求項でも同様である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失が等しく、かつ、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失が等しくなるよう、設定されている。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失、及び前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失が全て等しくなるよう、設定されている。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、
前記電源は、前記制御部が前記ルーチンを実行してパターンを切り替える度に、放電状態と充電状態とが切り替わる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、
前記制御部は、前記ルーチンを実行する際、一定時間毎にパターンを切り替える。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、
前記電源及び前記変換部を一体に冷却する冷却部を備える。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の発明において、
外部の電力系統への前記電源の継続的な放電を要求する第１指令、及び前記電力系統における周波数の安定を目的とした前記電源の間欠的な充放電を要求する第２指令の少なくとも一方の受信を予測する予側部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ２０７）を備え、
前記制御部は、前記予側部が前記第２指令の受信を予測した場合には、前記第１指令の受信を予測した場合よりも、前記電源を強く加温するよう前記ルーチンを実行する。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の発明において、
外部の電力系統への前記電源の継続的な放電を要求する第１指令、及び前記電力系統における周波数の安定を目的とした前記電源の間欠的な充放電を要求する第２指令の少なくとも一方を受信する受信部（例えば、後述の実施形態でのデジタル通信部２１１）を備え、
前記制御部は、前記受信部が前記第１指令及び前記第２指令の少なくとも一方を受信した際、前記ルーチンよりも前記受信部が受信した指令に基づく制御を優先する。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の発明において、
前記コイルは、１次コイルから非接触で受電する２次コイル（例えば、後述の実施形態での２次コイルＬ２）であり、
前記制御部は、前記ルーチンを実行することによって前記コイルを流れる電流の周波数が、前記１次コイルと前記２次コイルの共振周波数にならないように、前記ルーチンを実行する。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の充放電装置を有する、輸送機器である。

請求項１１に記載の発明では、
電源（例えば、後述の実施形態でのバッテリ１０１，２０１）と、
直列接続されたハイサイドとローサイドの２つのスイッチング素子を含むスイッチ部（例えば、後述の実施形態でのスイッチ部１５０，２５０）を２つと、ハイサイドの前記スイッチング素子とローサイドの前記スイッチング素子の間を接続点として前記２つのスイッチ部間を接続するコイル（例えば、後述の実施形態での２次コイルＬ２，コイルＬ）と、を有し、前記電源を充電するための電力又は前記電源から放電された電力を変換する変換部（例えば、後述の実施形態での整流器１０５，双方向充電器２０５）と、
前記２つのスイッチ部の一方が有する一方サイドの前記スイッチング素子のＰＷＭ制御と、前記２つのスイッチ部の他方が有する他方サイドの前記スイッチング素子のオン制御と、の組み合わせによる複数のパターンに基づき、前記２つのスイッチ部が有する各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部（例えば、後述の実施形態でのＥＣＵ１０７，２０７）と、を備えた充放電装置が行う制御方法であって、
前記電源を加温する際、前記制御部は、前記電源と前記変換部とで閉回路を形成し、前記複数のパターンを循環して切り替えるルーチンを実行し、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失、及び前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失の少なくとも一方が等しくなるよう、設定されている、制御方法である。

請求項１、１０及び１１の発明によれば、電源を加温する際に、制御部は、変換部で発生する損失が２つのスイッチ部のスイッチング素子間で分散するよう複数のパターンを設定した上で、当該複数のパターンを循環して切り替えるルーチンを実行する。このため、特定のスイッチング素子への負荷集中を回避しつつ電源を加温できる。

請求項２の発明によれば、上記ルーチンを実行中の全てのパターンが一回り循環する間に発生する損失は、２つのスイッチ部がそれぞれ有する一方サイドのスイッチング素子間で等しく、かつ、２つのスイッチ部がそれぞれ有する他方サイドのスイッチング素子間で等しいため、特定のスイッチング素子への負荷集中を効果的に回避しつつ電源を加温できる。

請求項３の発明によれば、上記ルーチンを実行中の全てのパターンが一回り循環する間に発生する損失は、２つのスイッチ部が有する全てのスイッチング素子間で等しいため、特定のスイッチング素子への負荷集中を完全に回避しつつ電源を加温できる。

請求項４の発明によれば、パターンが切り替わる度に電源の放電状態と充電状態とが切り替わり、コイルに対する電流の向きが変わる。このため、上記ルーチンの実行中におけるコイルの磁気飽和を回避できる。さらに、電源の加温に用いる電流は、電源とコイルの間でループを形成するため、加温のために電源の電力が必要以上に用いられることを防止できる。

請求項５の発明によれば、上記ルーチンを実行中はパターンを等時間毎に切り替えてコイルの励磁量を制御するため、特定のスイッチング素子への負荷集中とコイルの磁気飽和をバランス良く回避できる。

請求項６の発明によれば、制御部がルーチンを実行したことによって変換部で発生した熱が冷却部を介して電源を温めるため、電源の加温効率が増大する。

請求項７の発明によれば、電源の温度が低いと間欠的な充放電を応答性良く行うことができないため、第２指令の受信が予測された場合には、第１指令の受信が予測された場合よりも強く電源を加温する。その結果、電源は、第２指令に応じた間欠的な充放電を応答性良く行うことができる。

請求項８の発明によれば、第１指令に応じた継続的な放電又は第２指令に応じた間欠的な充放電を電源が行えば、電源は、制御部がルーチンを実行するまでもなく内部発熱によって加温される。したがって、第１指令及び第２指令の少なくとも一方を受信した際には、当該指令に基づく制御を優先することで、上記ルーチンを実行することなく電源を加温できる。また、第１指令や第２指令に応答した充放電に対するインセンティブを獲得できる。

請求項９の発明によれば、コイルを流れる電流の周波数が１次コイルと２次コイルの共振周波数であると、制御部が上記ルーチンを実行することによって２次コイルから１次コイルに電磁誘導の作用によって送電されてしまうが、当該共振周波数にならないようにルーチンが実行されるため、１次コイルへの送電を防止でき、電源の蓄電量低下を防止できる。

本発明に係る充放電装置を搭載した第１実施形態の電動車両の概略構成、及び当該電動車両と送電装置との関係を示すブロック図である。図１に示す電動車両の各構成要素と送電装置との関係を示す電気回路図である。パターン毎の整流器の回路状態と、２次コイルにおける励磁量及び閉電流Ｉの各変化と、各スイッチング素子での損失量の変化と、各スイッチング素子のオンオフ動作に係る制御信号との一例を示す図である。パターン毎の整流器の回路状態と、２次コイルにおける励磁量及び閉電流Ｉの各変化と、各スイッチング素子での損失量の変化と、各スイッチング素子のオンオフ動作に係る制御信号との他の例を示す図である。電動車両の各構成要素と冷却液の循環路との位置関係を示す電気回路図である。本発明に係る充放電装置を搭載した第２実施形態の電動車両の概略構成、及び当該電動車両と外部電源装置（EVSE: Electric Vehicle Service Equipment）との関係を示すブロック図である。図６に示す電動車両の各構成要素と外部電源装置との関係を示す電気回路図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る充放電装置を搭載した第１実施形態の電動車両の概略構成、及び当該電動車両と送電装置との関係を示すブロック図である。図１に示す電動車両は、バッテリ（BATT）１０１と、駆動部１０３と、２次コイルＬ２と、整流器１０５と、ＥＣＵ（Electric Control Unit）１０７とを備える。なお、図１中の太い実線は電力配線を示し、細い実線の矢印は制御信号を示す。また、図２は、図１に示す電動車両の各構成要素と送電装置との関係を示す電気回路図である。

以下、第１実施形態の電動車両が備える各構成要素について説明する。

バッテリ１０１は、直列又は並列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば１００〜２００Ｖの高電圧を供給する。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池である。

駆動部１０３は、バッテリ１０１から供給される電力によって駆動され、電動車両が走行するための動力を発生する。

２次コイルＬ２は、電動車両の底部に配設され、整流器１０５と電気的に接続されている。

整流器１０５は、ハイサイド（上アーム）とローサイド（下アーム）の２つのスイッチング素子を含むスイッチ部１５０を２つ有する。２つのスイッチ部１５０が有する４つのスイッチング素子はブリッジ回路を形成し、２つのスイッチ部１５０は２次コイルＬ２が受電した交流を整流して直流にする。また、２つのスイッチ部１５０は、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子の間を接続点として２次コイルＬ２を介して互いに接続されている。路面等に配設された送電装置１０の１次コイルＬ１に２次コイルＬ２が対向した状態で１次コイルＬ１が通電すると、電磁誘導の作用によって２次コイルＬ２に誘導電流が流れる。整流器１０５は、２次コイルＬ２を流れる誘導電流を交流から直流に変換して、バッテリ１０１を充電する。

ＥＣＵ１０７は、充放電を行っていない状態のバッテリ１０１の温度が低く、かつ、所定の条件を満たす際、バッテリ１０１を加温するために、整流器１０５が有する２つのスイッチ部１５０の各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する。このとき、ＥＣＵ１０７は、バッテリ１０１と整流器１０５とで閉じた回路を形成し、各スイッチング素子のオンオフ状態が異なる４つのパターンを循環して切り替えるルーチンを実行する。

図３は、パターン毎の整流器１０５の回路状態と、２次コイルＬ２における励磁量及び閉電流Ｉの各変化と、各スイッチング素子での損失量の変化と、各スイッチング素子のオンオフ動作に係る制御信号との一例を示す図である。なお、閉電流Ｉは、バッテリ１０１の放電電流を正値、充電電流を負値とした、各パターンの閉回路を流れる電流である。ＥＣＵ１０７は、整流器１０５の一方のスイッチ部１５０のハイサイドのスイッチング素子Ｚ１とローサイドのスイッチング素子Ｚ３、並びに、他方のスイッチ部１５０のハイサイドのスイッチング素子Ｚ２とローサイドのスイッチング素子Ｚ４のそれぞれを、パターン毎にオン制御、オフ制御又はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。

パターン１では、ＥＣＵ１０７は、スイッチング素子Ｚ１をＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｚ４をオン制御、スイッチング素子Ｚ２，Ｚ３をオフ制御して閉回路を形成する。パターン１の閉回路におけるバッテリ１０１は放電を行う。また、スイッチング素子Ｚ１に対するＰＷＭ制御では、閉電流Ｉが０〜πの位相のサインカーブを描くようにデューティ比が制御される。したがって、パターン１下での２次コイルＬ２の励磁量は増加する。ＥＣＵ１０７は、パターン１の制御を一定時間行った後、パターン２に切り替える。

パターン２では、ＥＣＵ１０７は、スイッチング素子Ｚ２をＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｚ３をオン制御、スイッチング素子Ｚ１，Ｚ４をオフ制御して閉回路を形成する。パターン２の閉回路におけるバッテリ１０１は、励磁した２次コイルＬ２が放電する閉電流Ｉによって充電される。また、スイッチング素子Ｚ２に対するＰＷＭ制御では、閉電流Ｉがπ〜２πの位相のサインカーブを描くようにデューティ比が制御される。したがって、パターン２下での２次コイルＬ２の励磁量は減少する。ＥＣＵ１０７は、パターン２の制御を一定時間行った後、パターン３に切り替える。

パターン３では、ＥＣＵ１０７は、パターン２と同様に、スイッチング素子Ｚ２をＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｚ３をオン制御、スイッチング素子Ｚ１，Ｚ４をオフ制御して閉回路を形成する。パターン３の閉回路におけるバッテリ１０１は放電を行う。また、スイッチング素子Ｚ２に対するＰＷＭ制御では、閉電流Ｉが０〜πの位相のサインカーブを描くようにデューティ比が制御される。したがって、パターン３下での２次コイルＬ２の励磁量は増加する。ＥＣＵ１０７は、パターン３の制御を一定時間行った後、パターン４に切り替える。

パターン４では、ＥＣＵ１０７は、パターン１と同様に、スイッチング素子Ｚ１をＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｚ４をオン制御、スイッチング素子Ｚ２，Ｚ３をオフ制御して閉回路を形成する。パターン４の閉回路におけるバッテリ１０１は、励磁した２次コイルＬ２が放電する閉電流Ｉによって充電される。また、スイッチング素子Ｚ１に対するＰＷＭ制御では、閉電流Ｉがπ〜２πの位相のサインカーブを描くようにデューティ比が制御される。したがって、パターン４下での２次コイルＬ２の励磁量は減少する。ＥＣＵ１０７は、パターン４の制御を一定時間行った後、パターン１に切り替える。

上記説明した各パターンにおいてＰＷＭ制御が行われるスイッチング素子では、図３に斜線のハッチングで示すスイッチング損が生じ、オン制御が行われるスイッチング素子では、図３に点のハッチングで示す導通損が生じる。本実施形態では、パターン１〜４が循環して切り替えられるため、４つのパターンが一回り循環する間に整流器１０５で発生する損失が、２つのスイッチ部１５０のスイッチング素子間で分散する。図３に示した例では、２つのスイッチ部１５０がそれぞれ有するハイサイドのスイッチング素子Ｚ１，Ｚ２間で損失量が等しく、かつ、２つのスイッチ部１５０がそれぞれ有するローサイドのスイッチング素子Ｚ３，Ｚ４間で損失量が等しくなる。

なお、図３に示した例では、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子がハイサイドのスイッチング素子Ｚ１，Ｚ２であり、オン制御を行うスイッチング素子がローサイドのスイッチング素子Ｚ３，Ｚ４であるが、ハイサイドのスイッチング素子Ｚ１，Ｚ２をオン制御し、ローサイドのスイッチング素子Ｚ３，Ｚ４をＰＷＭ制御しても良い。

また、図４に示すように、パターン３の代わりに、スイッチング素子Ｚ３をＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｚ２をオン制御、スイッチング素子Ｚ１，Ｚ４をオフ制御するパターン３Ａを行い、パターン４の代わりに、スイッチング素子Ｚ４をＰＷＭ制御、スイッチング素子Ｚ１をオン制御、スイッチング素子Ｚ２，Ｚ３をオフ制御するパターン４Ａを行っても良い。この場合、２つのスイッチ部１５０が有する全てのスイッチング素子間で損失量が等しくなる。

このように、ＥＣＵ１０７が上記ルーチンを実行すると、バッテリ１０１は内部抵抗の発熱によって加温される。また、整流器１０５の２つのスイッチ部１５０が有する各スイッチング素子及び２次コイルＬ２でも、発生した損失が熱となる。したがって、図５に示すように、冷媒としての冷却液が循環する循環路１０９が、各スイッチング素子及び２次コイルＬ２、並びに、バッテリ１０１に近接して配設されていれば、各スイッチング素子及び２次コイルＬ２で発生した熱が循環路１０９を介してバッテリ１０１を温めることができる。この場合、バッテリ１０１の加温効率が増大する。

なお、上記ルーチンを実行中の２次コイルＬ２を流れる閉電流の周波数が送電装置１０の１次コイルＬ１と２次コイルＬ２の共振周波数であると、ＥＣＵ１０７が上記ルーチンを実行することによって２次コイルＬ２から１次コイルＬ１に電磁誘導の作用によって送電されてしまう。しかし、本実施形態では、当該共振周波数にならないように、ＥＣＵ１０７は、閉電流の周波数を決定するパターンの切り替えタイミングを制御するため、１次コイルＬ１への送電を防止でき、バッテリ１０１の蓄電量低下を防止できる。より詳述すると、閉電流の周波数を高くするためには各パターンの切り替えタイミングを早くすればよい。一方、閉電流の周波数を低くするためには各パターンの切り替えタイミングを遅くすれば良い。

（第２実施形態）
図６は、本発明に係る充放電装置を搭載した第２実施形態の電動車両の概略構成、及び当該電動車両と外部電源装置（EVSE: Electric Vehicle Service Equipment）との関係を示すブロック図である。図６に示す電動車両は、バッテリ（BATT）２０１と、駆動部２０３と、双方向充電器２０５と、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２０７と、インレット２０９と、デジタル通信部２１１とを備える。なお、図６中の太い実線は電力配線を示し、細い実線の矢印は制御信号を示す。また、図７は、図６に示す電動車両の各構成要素と外部電源装置との関係を示す電気回路図である。

以下、第２実施形態の電動車両が備える各構成要素について説明する。

バッテリ２０１は、直列又は並列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば１００〜２００Ｖの高電圧を供給する。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池である。

駆動部２０３は、バッテリ２０１から供給される電力によって駆動され、電動車両が走行するための動力を発生する。

双方向充電器２０５は、トランス方式のＡＣ−ＤＣ変換器であり、ハイサイド（上アーム）とローサイド（下アーム）の２つのスイッチング素子を含むスイッチ部２５０を２つと、トランスの一部を構成するコイルＬとを有する。２つのスイッチ部２５０が有する４つのスイッチング素子はブリッジ回路を形成し、２つのスイッチ部２５０はインバータとして機能する。また、コイルＬは、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子の間を接続点として２つのスイッチ部２５０間を接続する。双方向充電器２０５は、商用電源等の外部の電力系統から得られた交流電圧を直流電圧に変換して、バッテリ２０１を充電する。また、双方向充電器２０５は、バッテリ２０１から放電された直流電圧を交流電圧に変換して、この変換された電力を外部の電力系統又は電気負荷に供給する。

ＥＣＵ２０７は、充放電を行っていない状態のバッテリ２０１の温度が低く、かつ、所定の条件を満たす際、バッテリ２０１を加温するために、双方向充電器２０５が有する２つのスイッチ部２５０の各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する。このとき、ＥＣＵ２０７は、バッテリ２０１と双方向充電器２０５とで閉回路を形成し、各スイッチング素子のオンオフ状態及びバッテリ２０１の充放電状態が異なる４つのパターンを循環して切り替えるルーチンを実行する。また、ＥＣＵ２０７は、本実施形態の電動車両が、以下説明するＶ２Ｇ（Vehicle to Grid）へ参加する際に、双方向充電器２０５を用いた外部の電力系統との間の充放電制御を行う。

本実施形態の電動車両が参加可能なＶ２Ｇについて説明する。Ｖ２Ｇは、商用電力網を含む電力系統と電動車両との間で電力の融通を行うシステムであり、電動車両が移動手段として用いられない時には、この電動車両に搭載された蓄電器が電力貯蔵設備として利用される。このため、Ｖ２Ｇに参加する電動車両と電力系統の間では双方向の電力の授受が行われる。Ｖ２Ｇに参加する電動車両は、電力系統の状況に応じて、電力系統における需給均衡の維持を目的とする継続的な放電、又は、電力系統における周波数の安定を目的とする間欠的な充放電を行う。需給均衡の維持を目的とした電動車両の継続的放電によって得られる電力は、電力系統の「瞬動予備力（Spinning Reserve）」として利用される。この瞬動予備力のための継続的放電は、特に、電力系統における電力需要の増加に伴い、需給均衡を維持するために必要とされる電力系統への電力供給を目的として行われる。また、周波数の安定を目的とした電動車両の充放電よって授受される電力は、電力系統の「周波数調整（Frequency Regulation）」に利用される。いずれも電動車両が電力系統の安定化に寄与する。

上記説明したＶ２Ｇを実現するシステムは、火力、風力、原子力又は太陽光等のエネルギーによって発電を行う発電所及び発電所を含む電力供給家が発電した電力の送電網等から構成された電力系統と、電気を必要とし電力の供給を受けている電力需要家と、配電設備等を介して送電網に接続された外部電源装置（EVSE: Electric Vehicle Service Equipment）と、充放電可能なバッテリを有するＥＶ（Electrical Vehicle）やＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）等の電動車両と、通信網と、通信網に接続された外部電源装置を介して複数の電動車両が有する各蓄電器の充放電を管理するアグリゲータとから構成される。アグリゲータは、電動車両のバッテリを含む複数の蓄電装置の充放電を管理することによって、発電所を運営する電力会社又は送電網を運営する送電会社等の要求に応えることができる。

電動車両が備えるインレット２０９には、図６に示した外部電源装置２０のコネクタ２１が着脱可能である。コネクタ２１は、電動車両のインレット２０９に接続された状態で、外部電源装置２０と電動車両との間で電力の授受を行う。外部電源装置２０には、ホームゲートウェイ３０を介して通信網に接続されたデジタル通信部２３が設けられ、電力線通信（デジタル通信）技術を用いて、外部電源装置２０と電動車両との間で授受される電気に対し、アグリゲータから得られた信号を重畳する。このため、アグリゲータからの制御信号は、コネクタ２１が電動車両のインレット２０９に接続された状態であれば、電動車両に送られる。

電動車両が備えるデジタル通信部２１１は、インレット２０９に外部電源装置２０のコネクタ２１が装着された状態で、電力線通信技術によって外部電源装置２０からの電気に重畳された信号を受信し、電動車両がＶ２Ｇに参加する場合は、この信号が示す指令をＥＣＵ２０７に送る。

本実施形態のＥＣＵ２０７は、第１実施形態と同様に、双方向充電器２０５の一方のスイッチ部２５０のハイサイドのスイッチング素子Ｚ１とローサイドのスイッチング素子Ｚ３、並びに、他方のスイッチ部２５０のハイサイドのスイッチング素子Ｚ２とローサイドのスイッチング素子Ｚ４のそれぞれを、パターン毎にオン制御、オフ制御又はＰＷＭ制御する。バッテリ２０１を加温するために行われるルーチンにおける４つのパターンは、図３又は図４を参照した第１実施形態での説明と同様に循環して行われる。なお、バッテリ２０１の加温効率を増大するために、冷媒としての冷却液が循環する循環路を、各スイッチング素子及びコイルＬ、並びに、バッテリ２０１に近接して配設しても良い。

また、本実施形態のＥＣＵ２０７は、電動車両がＶ２Ｇに参加する場合に、アグリゲータから外部電源装置２０を介して電動車両に送られる、外部の電力系統における需給均衡の維持を目的とする継続的な放電を要求する第１指令や、外部の電力系統における周波数の安定を目的とした間欠的な充放電を要求する第２指令の受信を予測する。当該予測は例えば、需給均衡の時系列的な変化や、当該時系列的な変化と過去の実績の比較、当該時系列的な変化の数式モデルへの適用などで行われて良い。また、アグリゲータが当該予測を行い、その結果をＥＣＵ２０７が受信しても良い。バッテリ２０１の温度が低いと、第２指令に応じた間欠的な充放電を応答性良く行うことができない。このため、ＥＣＵ２０７は、第１指令よりも高速な充放電が要求される第２指令の受信を予測した場合、バッテリ２０１を加温するためのルーチンを行う際に、第１指令の受信を予測した場合よりもバッテリ２０１が強く加温されるよう制御する。その結果、バッテリ２０１は、第２指令に応じた間欠的な充放電を応答性良く行うことができる。なお、バッテリ２０１を強く加温するには、ＥＣＵ２０７は、ルーチンの実行時間を長くしたり、各パターンにおける閉電流の実効値を高くする制御を行う。

また、本実施形態のＥＣＵ２０７は、デジタル通信部２１１が第１指令及び第２指令の少なくとも一方を受信した際、バッテリ２０１を加温するために行われるルーチンよりも、デジタル通信部２１１が受信した指令に基づく充放電制御を優先する。第１指令に応じた継続的な放電又は第２指令に応じた間欠的な充放電をバッテリ２０１が行えば、バッテリ２０１は、ＥＣＵ２０７が上記ルーチンを実行するまでもなく内部抵抗の発熱によって加温される。したがって、第１指令及び第２指令の少なくとも一方を受信した際には、当該指令に基づく制御を優先することで、上記ルーチンを実行することなくバッテリ２０１を加温できる。また、第１指令や第２指令に応答した充放電に対するインセンティブを獲得できる。

以上説明したように、上記説明した第１及び第２実施形態によれば、バッテリ１０１，２０１を加温する際に、ＥＣＵ１０７，２０７は、整流器１０５又は双方向充電器２０５で発生する損失が２つのスイッチ部のスイッチング素子間で分散するよう４つのパターンを設定した上で、当該４つのパターンを循環して切り替えるルーチンを実行する。このルーチンを実行中は、閉回路を流れる電流がバッテリ１０１，２０１を流れる際に発生するバッテリ１０１，２０１の内部抵抗による発熱によって、バッテリ１０１，２０１が加温される。このとき、図３に示した例では、４つのパターンが一回り循環する間に整流器１０５又は双方向充電器２０５で発生する損失が、２つのスイッチ部のハイサイドのスイッチング素子Ｚ１，Ｚ２間で等しく、かつ、２つのスイッチ部のローサイドのスイッチング素子Ｚ３，Ｚ４間で等しいため、特定のスイッチング素子への負荷集中を効果的に回避できる。また、図４に示した例では、４つのパターンが一回り循環する間に整流器１０５又は双方向充電器２０５で発生する損失が、２つのスイッチ部が有する全てのスイッチング素子間で等しいため、特定のスイッチング素子への負荷集中を完全に回避できる。

また、上記実施形態では、パターンが切り替わる度にバッテリ１０１，２０１の放電状態と充電状態とが切り替わり、閉回路を流れる電流の向きが変わる。このため、上記ルーチンの実行中における２次コイルＬ２又はコイルＬの磁気飽和を回避できる。さらに、バッテリ１０１，２０１の加温に用いる電流は、バッテリ１０１，２０１とコイルＬ２，Ｌの間でループを形成するため、加温のためにバッテリ１０１，２０１の電力が必要以上に用いられることを防止できる。

また、上記実施形態では、上記ルーチンを実行中は、パターンを等時間毎に切り替えて２次コイルＬ２又はコイルＬの励磁量を制御するため、特定のスイッチング素子への負荷集中とコイルの磁気飽和をバランス良く回避できる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、第１実施形態の電動車両が備える２次コイルＬ２と整流器１０５との代わり又は第２実施形態のコイルＬと双方向充電器２０５を構成するスイッチ部２５０との代わりに、双方向の直流−直流変換が可能な双方向コンバータ回路が適用されても良い。双方向コンバータ回路は、ハイサイドとローサイドの２つのスイッチング素子を含むスイッチ部が２つと、１つのコイルとを有し、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子の間を接続点として２つのスイッチ部がコイルを介して互いに接続されて構成されている。

１０１，２０１バッテリ
１０３，２０３駆動部
１０５整流器
１０７，２０７ＥＣＵ
１０９循環路
２０５双方向充電器
２０９インレット
２１１デジタル通信部
１５０，２５０スイッチ部
Ｌ２２次コイル
Ｌ１１次コイル
Ｌコイル
１０送電装置
２０外部電源装置

Claims

電源と、
直列接続されたハイサイドとローサイドの２つのスイッチング素子を含むスイッチ部を２つと、ハイサイドの前記スイッチング素子とローサイドの前記スイッチング素子の間を接続点として前記２つのスイッチ部間を接続するコイルと、を有し、前記電源を充電するための電力又は前記電源から放電された電力を変換する変換部と、
前記２つのスイッチ部の一方が有する一方サイドの前記スイッチング素子のＰＷＭ制御と、前記２つのスイッチ部の他方が有する他方サイドの前記スイッチング素子のオン制御と、の組み合わせによる複数のパターンに基づき、前記２つのスイッチ部が有する各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部と、を備え、
前記電源を加温する際、前記制御部は、前記電源と前記変換部とで閉回路を形成し、前記複数のパターンを循環して切り替えるルーチンを実行し、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失、及び前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失の少なくとも一方が等しくなるよう、設定されている、充放電装置。
請求項１に記載の充放電装置であって、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失が等しく、かつ、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失が等しくなるよう、設定されている、充放電装置。
請求項１に記載の充放電装置であって、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失、及び前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失が全て等しくなるよう、設定されている、充放電装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の充放電装置であって、
前記電源は、前記制御部が前記ルーチンを実行してパターンを切り替える度に、放電状態と充電状態とが切り替わる、充放電装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の充放電装置であって、
前記制御部は、前記ルーチンを実行する際、一定時間毎にパターンを切り替える、充放電装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の充放電装置であって、
前記電源及び前記変換部を一体に冷却する冷却部を備える、充放電装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の充放電装置であって、
外部の電力系統への前記電源の継続的な放電を要求する第１指令、及び前記電力系統における周波数の安定を目的とした前記電源の間欠的な充放電を要求する第２指令の少なくとも一方の受信を予測する予側部を備え、
前記制御部は、前記予側部が前記第２指令の受信を予測した場合には、前記第１指令の受信を予測した場合よりも、前記電源を強く加温するよう前記ルーチンを実行する、充放電装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の充放電装置であって、
外部の電力系統への前記電源の継続的な放電を要求する第１指令、及び前記電力系統における周波数の安定を目的とした前記電源の間欠的な充放電を要求する第２指令の少なくとも一方を受信する受信部を備え、
前記制御部は、前記受信部が前記第１指令及び前記第２指令の少なくとも一方を受信した際、前記ルーチンよりも前記受信部が受信した指令に基づく制御を優先する、充放電装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の充放電装置であって、
前記コイルは、１次コイルから非接触で受電する２次コイルであり、
前記制御部は、前記ルーチンを実行することによって前記コイルを流れる電流の周波数が、前記１次コイルと前記２次コイルの共振周波数にならないように、前記ルーチンを実行する、充放電装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載の充放電装置を有する、輸送機器。
電源と、
直列接続されたハイサイドとローサイドの２つのスイッチング素子を含むスイッチ部を２つと、ハイサイドの前記スイッチング素子とローサイドの前記スイッチング素子の間を接続点として前記２つのスイッチ部間を接続するコイルと、を有し、前記電源を充電するための電力又は前記電源から放電された電力を変換する変換部と、
前記２つのスイッチ部の一方が有する一方サイドの前記スイッチング素子のＰＷＭ制御と、前記２つのスイッチ部の他方が有する他方サイドの前記スイッチング素子のオン制御と、の組み合わせによる複数のパターンに基づき、前記２つのスイッチ部が有する各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部と、を備えた充放電装置が行う制御方法であって、
前記電源を加温する際、前記制御部は、前記電源と前記変換部とで閉回路を形成し、前記複数のパターンを循環して切り替えるルーチンを実行し、
前記複数のパターンは、全てのパターンが一回り循環すると、前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記一方サイドの各スイッチング素子で発生する損失、及び前記２つのスイッチ部がそれぞれ有する前記他方サイドの各スイッチング素子で発生する損失の少なくとも一方が等しくなるよう、設定されている、制御方法。