特許 7506591 給電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-18

(45)【発行日】2024-06-26

(54)【発明の名称】給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240619BHJP

   H01M 10/46 20060101ALI20240619BHJP

   B60L 55/00 20190101ALI20240619BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 301C

H02J7/00 P

H02J7/00 H

H02J7/00 302A

H01M10/46 101

B60L55/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020207788

(22)【出願日】2020-12-15

(65)【公開番号】P2022094730

(43)【公開日】2022-06-27

【審査請求日】2023-02-20

(73)【特許権者】

【識別番号】596002767

【氏名又は名称】トヨタ自動車九州株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114306

【弁理士】

【氏名又は名称】中辻 史郎

(74)【代理人】

【識別番号】100148655

【弁理士】

【氏名又は名称】諏訪 淳一

(72)【発明者】

【氏名】山口 大介

(72)【発明者】

【氏名】泉 純太

(72)【発明者】

【氏名】木村 健治

【審査官】山口 大

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２０１８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７６７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３１１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９２２７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｍ １０／４６

Ｂ６０Ｌ ５５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両バッテリによる充放電動作許可の所定条件を満足しない場合にインターロック状態を維持するインターロック機構を有し、前記インターロック状態の解除により前記車両バッテリに対する充放電制御を行う充放電制御部を有する車両と、前記車両の電力を給電する外部機器とを備え、前記車両バッテリに前記外部機器が接続されて前記外部機器に対する給電が可能な給電システムであって、
前記車両バッテリに接続された給電接続ケーブルの給電コネクタと前記外部機器に接続された受電接続ケーブルの受電コネクタとは、前記給電コネクタと前記受電コネクタとの接続時にスイッチがオンとなる接続スイッチ機構を有し、
前記接続スイッチ機構は、前記インターロック機構の回路上の１つのインターロックスイッチとして機能し、
前記充放電制御部は、前記インターロック機構の回路上のすべてのインターロックスイッチがオンの場合に充放電制御を許可して前記外部機器に対する給電を可能にし、
前記インターロック機構は、前記車両バッテリのサービスプラグの装着、前記車両側のインバータカバーの装着、及び、前記受電コネクタの接続をインターロック状態の解除条件とすることを特徴とする給電システム。

【請求項2】

前記給電コネクタには、前記インターロック機構の回路の開放端が設けられ、
前記受電コネクタには、前記給電コネクタとの接続時に前記開放端を接続する接続部を有することを特徴とする請求項１に記載の給電システム。

【請求項3】

前記接続部は、前記インターロック機構の回路を折り返す折り返し線によって前記開放端を接続することを特徴とする請求項２に記載の給電システム。

【請求項4】

前記受電コネクタと前記給電コネクタとの非接続時に、前記受電コネクタに対応して前記インターロック機構の回路をオンにするダミーコネクタを前記給電コネクタに接続することを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、簡易な構成で、安全性を確保しつつ車両側から外部に配置された外部機器に給電を行うことができる給電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）や電池自動車（ＢＥＶ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの電気自動車が普及しつつある。この電気自動車の充電時には電気自動車に商用交流電源を供給し、電気自動車の内部で交流を直流に変換してバッテリを充電し、また、電気自動車の放電時にも、バッテリに蓄電された直流電力を交流電力に変換して住宅側に供給できるものがある。

【0003】

特許文献１には、電気自動車のバッテリから放電された直流電力を住宅用の蓄電池に充電できるシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－８６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、車両側バッテリから、車両の外部に設けられた電気機器などの外部機器に対して給電を行う場合、給電される電圧がＤＣ１５０Ｖ～３５０Ｖ程度の高電圧であるため、車両側バッテリと外部機器との接続時に安全性を確保するために、車両と外部機器との間で通信接続を行い、接続状態になった場合に給電を行うようにしている。このため、車両側から外部機器への給電を行う場合、新たに外部機器との間にＣＡＮ通信などの通信接続のための通信接続制御機構を構築する必要があり、車両側の装置構成が増え、かつ、複雑になるという課題があった。

【0006】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、安全性を確保しつつ車両側から外部に配置された外部機器に給電を行うことができる給電システム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】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、車両バッテリによる充放電動作許可の所定条件を満足しない場合にインターロック状態を維持するインターロック機構を有し、前記インターロック状態の解除により前記車両バッテリに対する充放電制御を行う充放電制御部を有する車両と、前記車両の電力を給電する外部機器とを備え、前記車両バッテリに前記外部機器が接続されて前記外部機器に対する給電が可能な給電システムであって、前記車両バッテリに接続された給電接続ケーブルの給電コネクタと前記外部機器に接続された受電接続ケーブルの受電コネクタとは、前記給電コネクタと前記受電コネクタとの接続時にスイッチがオンとなる接続スイッチ機構を有し、前記接続スイッチ機構は、前記インターロック機構の回路上の１つのインターロックスイッチとして機能し、前記充放電制御部は、前記インターロック機構の回路上のすべてのインターロックスイッチがオンの場合に充放電制御を許可して前記外部機器に対する給電を可能にし、前記インターロック機構は、前記車両バッテリのサービスプラグの装着、前記車両側のインバータカバーの装着、及び、前記受電コネクタの接続をインターロック状態の解除条件とすることを特徴とする。

【0008】

また、本発明は、上記の発明において、前記給電コネクタには、前記インターロック機構の回路の開放端が設けられ、前記受電コネクタには、前記給電コネクタとの接続時に前記開放端を接続する接続部を有することを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、上記の発明において、前記接続部は、前記インターロック機構の回路を折り返す折り返し線によって前記開放端を接続することを特徴とする。

【0010】

また、本発明は、上記の発明において、前記受電コネクタと前記給電コネクタとの非接続時に、前記受電コネクタに対応して前記インターロック機構の回路をオンにするダミーコネクタを前記給電コネクタに接続することを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、簡易な構成で、安全性を確保しつつ車両側から外部に配置された外部機器に給電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本実施の形態に係る給電システムの構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、給電システムにおける車両側のインターロック機構を説明する回路図である。

【図3】図３は、給電コネクタと受電コネクタとによるインターロックスイッチの検出線への挿入配置例を示す図である。

【図4】図４は、充放電制御部による電気機器への給電制御処理手順を示すフローチャートである。

【図5】図５は、変形例による給電システムの構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る給電システムについて説明する。

【0015】

＜概要構成＞
図１は、本実施の形態に係る給電システム１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、給電システム１は、電気自動車などの車両１０の車両バッテリ１２と、外部に配置される外部機器としての電気機器２０との間を接続し、車両１０側から、接続された電気機器２０に給電することができる。車両１０側から電気機器２０に給電する場合、電気機器２０に接続された受電接続ケーブル３０の受電コネクタ３７を給電コネクタ１７に接続する。電気機器２０は、受電コネクタ３７を給電コネクタ１７に接続して、あたかも住宅内の商用電源に接続したときと同様な受電を行うことができる。電気機器２０は、車両１０から供給される電源を用いて駆動する機器であればよく、例えば冷蔵庫や電動工具などの各種の電気機器である。

【0016】

車両１０は、バッテリユニット１１、インバータ１４、発電モータ１５、充放電制御部１６及び給電コネクタ１７を有する。バッテリユニット１１は、車両バッテリ１２及びシステムメインリレー１３を有する。

【0017】

車両バッテリ１２は、高電圧バッテリであり、例えば定格電圧が２００Ｖである。システムメインリレー１３は、充放電制御部１６の制御のもと、車両バッテリ１２に対する充放電を行うスイッチである。車両バッテリ１２には、高電圧、高電流が流れる車両バッテリ１２を点検整備する際、車両バッテリ１２の中間地点で電源回路を遮断して安全に作業を行うためのプラグであり、点検整備員の人手によって取り除かれる。

【0018】

インバータ１４は、充放電制御部１６の制御のものと、発電モータ１５の駆動制御を行う。発電モータ１５は、コンバータ付き発電モータであり、インバータ１４によって回転駆動して車両の駆動を行い、あるいは発電を行うとともに、回生時には回生電流を出力する。

【0019】

充放電制御部１６は、ハイブリッドＥＣＵ（hybrid electronic control unit）の充放電制御機能であり、例えば、車両の運転状況により、インバータ１４、発電モータ１５、システムメインリレー１３などに対する制御を行う。なお、充放電制御部１６による車両バッテリ１２に対する充電制御は、車両バッテリ１２の電圧又はＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を用いて行う。電圧を用いる場合、充放電制御部１６は、電圧が放電下限電圧以下になった場合、発電モータ１５を駆動して充電を行い、電圧が充電上限電圧以上になった場合、充電を停止する。なお、ＳＯＣ（％）は、充電状態を示す指標であり、例えば、残容量［Ａｈ］÷満充電容量［Ａｈ］×１００として表される。ＳＯＣの算出方法又は推算方法は特に限定されるものではないが、ＳＯＣは、例えば、車両バッテリ１２の電圧の測定結果、車両バッテリ１２の電圧のＩ－Ｖ特性データ、及び、車両バッテリ１２の電流値の積算値のうちの少なくとも１つに基づいて、算出又は推定される。ＳＯＣは、任意の換算式などを利用して、予め定められた温度条件における値に換算された値であってもよい。

【0020】

給電コネクタ１７は、電気機器２０に対する給電を行う際に、受電接続ケーブル３０の受電コネクタ３７が接続させるコネクタである。給電コネクタ１７は、システムメインリレー１３を介して車両バッテリ１２に接続される電源線Ｌを配線する給電接続ケーブル１８に接続される。電源線Ｌは、受電コネクタ３７が接続されると、受電接続ケーブル３０の電源線Ｌ３０を介して電気機器２０内の電力変換器２１に接続される。電力変換器２１は、例えば、給電されるＤＣ２００Ｖの電圧をＡＣ１００Ｖに変換するインバータであり、変換されたＡＣ１００Ｖの電源はさらに電力変換などが施されて電気機器２０内の各デバイスに供給される。なお、電力変換器２１は、電気機器２０の外部に配置されてもよい。この場合、電力変換器２１によって電力変換された電気エネルギーが電気機器２０に供給される。また、給電コネクタ１７と受電コネクタ３７の接続位置は、例えば、車両１０と電気機器２０との間であればよい。さらに、電気機器２０が給電されるＤＣ２００Ｖの電源をそのまま使用できる場合、電力変換器２１は不要であり、電気機器２０はそのままＤＣ２００Ｖの電源を使用する。

【0021】

ここで、車両１０は、車両バッテリ１２の充放電を許可するためのインターロック機構を有する。このインターロック機構は、サービスプラグ１２ａが車両バッテリ１２に装着され、インバータ１４のインバータカバーが装着されていることを条件に、充放電制御を許容する機構である。本実施の形態では、さらに、給電コネクタ１７と受電コネクタ３７との接続を加重条件として加えている。インターロック機構の検出線ＩＬは、充放電制御部１６から、給電コネクタ１７と受電コネクタ３７との接続・非接続を検出し、接続時にオンとなるインターロックスイッチＳＷ３、サービスプラグ１２ａの車両バッテリ１２への装着を検出し、装着時にオンとなるインターロックスイッチＳＷ２、インバータ１４のインバータカバーの装着を検出し、装着時にオンとなるインターロックスイッチＳＷ１に直列接続されて、接地される。充放電制御部１６は、全てのインターロックスイッチＳＷ１～ＳＷ３がオンの場合、すなわち、検出線ＩＬが通電された場合に、充放電制御を開始する。具体的には、充放電制御部１６は、システムメインリレー１３をオンにして車両バッテリ１２からの充放電を開始する。

【0022】

インターロックスイッチＳＷ３は、給電コネクタ１７と受電コネクタ３７との接続・非接続を検出する機構であり、給電コネクタ１７において検出線ＩＬを切断し、切断した各開放端に、受電コネクタ３７に形成された接続部である折り返し線が接続することにより、インターロックスイッチＳＷ３がオンになり、折り返し線が接続されない場合にインターロックスイッチＳＷ３がオフになる。なお、インターロックスイッチＳＷ１～ＳＷ３は、すべてメカスイッチで形成されている。

【0023】

＜インターロック機構＞
図２は、給電システム１における車両１０側のインターロック機構を説明する回路図である。図２に示すように、インターロック機構の検出線ＩＬは、上記のように、充放電制御部１６から、挿入領域１９に挿入されたインターロックスイッチＳＷ３、サービスプラグ１２ａの装着を検出するインターロックスイッチＳＷ１、インバータカバーの装着を検出するインターロックスイッチＳＷ２を介して接地される。

【0024】

給電コネクタ１７に受電コネクタ３７が接続されると、バッテリユニット１１の電源入出力端Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ接続された電源線Ｌと、受電接続ケーブル３０の電源線Ｌ３０とが接続されるとともに、インターロックスイッチＳＷ３がオンになる。インターロックスイッチＳＷ３は、電源線Ｌの各開放端１７ａが、受電コネクタ３７の折り返し線３７ａによって接続されると、オンになる。なお、インターロックスイッチＳＷ３は、受電コネクタ３７に設けた折り返し線３７ａを用いなくてもよい。例えば、受電コネクタ３７側に突起を設け、この突起の押圧によってオンとなるスイッチを給電コネクタ１７に設けるようにしてもよい。

【0025】

バッテリユニット１１の車両バッテリ１２は、サービスプラグ１２ａが装着されると、車両バッテリ１２自体の電源回路が接続され、サービスプラグ１２ａが外されると、車両バッテリ１２自体の電源回路が遮断される。システムメインリレー１３は、３つのシステムメインリレー１３ａ，１３ｂ，１３ｃからなる。

【0026】

充放電制御部１６は、インターロック状態が解除されると、システムメインリレー１３ａ～１３ｃをオンオフして充放電制御を行う。充放電制御部１６は、充電を行う場合、システムメインリレー１３ａをオフにし、システムメインリレー１３ｂ，１３ｃをオンにしてプリチャージを行う。このプリチャージは、短時間、小電流で充電し、電圧が上昇することを確認し、その後、高速充電に移行する。なお、プリチャージ時に小電流を流すために、システムメインリレー１３ｂにシステムメインレジスタＲが接続される。このシステムメインレジスタＲは、例えばセメント抵抗やホーロー抵抗などである。高速充電では、システムメインリレー１３ｂをオフとし、システムメインリレー１３ａ，１３ｃをオンにして行う。この充放電制御部１６による充放電制御により、電気機器２０に対する給電が行われる。

【0027】

なお、受電コネクタ３７が給電コネクタ１７に接続されない、すなわち、電気機器２０に給電を行わない場合、ダミーコネクタ３７´が給電コネクタ１７に接続される。ダミーコネクタ３７´は、折り返し線３７ａのみを有する。これにより、電気機器２０に対する給電を行わない場合、インターロック機構の回路は、インターロックスイッチＳＷ１，ＳＷ２のみとなる。

【0028】

＜インターロックスイッチＳＷ３の挿入配置例＞
図３は、インターロックスイッチＳＷ３の検出線ＩＬへの挿入配置例を示す図である。上記の検出線ＩＬは、シングル線としているが、検出線は、実装上、可能な限りペア線ケーブルとすることが好ましい。図３に示すように、給電コネクタ１７から延びる検出線ＩＬのペア線ケーブルは、二股に分かれ、それぞれインターロックスイッチＳＷ１からの折り返し線に対してペア線ケーブルにする。そして、このペア線ケーブルの両端にコネクタＣ１、Ｃ２を接続する。このコネクタＣ１，Ｃ２間は、挿入領域１９に対応する。コネクタＣ１は、インターロックスイッチＳＷ１にコネクタ接続され、余分な線配置を排除する。他方のコネクタＣ２は、コネクタＣ３と接続され、充放電制御部１６との間の検出線ＩＬとインターロックスイッチＳＷ２との間の検出線ＩＬとをコネクタＣ３から一部区間、ペア線ケーブルとする。これにより、検出線ＩＬの配線を短くすることができる。

【0029】

＜充放電制御部１６による給電制御処理＞
図４は、充放電制御部１６による電気機器２０への給電制御処理手順を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、充放電制御部１６は、インターロックスイッチＳＷ１～ＳＷ３は、すべてオンか否かを判定する（ステップＳ１０１）。インターロックスイッチＳＷ１～ＳＷ３がすべてオンであるならば（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、インターロック状態を解除して、充放電を許可する（ステップＳ１０２）。そして、電気機器２０への給電制御を行い（ステップＳ１０３）、本処理を終了する。一方、インターロックスイッチＳＷ１～ＳＷ３がすべてオンでないならば（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、そのまま本処理を終了する。

【0030】

本実施の形態では、新たに電気機器２０あるいは電力変換器２１との間にＣＡＮ通信などの通信接続のための通信接続制御機構を車両１０に構築する必要がないため、簡易な構成で、安全性を確保しつつ車両１０側から電気機器２０に給電を行うことができる。

【0031】

＜変形例＞
図５は、変形例による給電システムの構成を模式的に示す図である。図５に示すように、本変形例では、車両１０からの給電先として、実施の形態の電気機器２０に替えて住宅１００内に設けられた蓄電装置４０としている。外部機器としての蓄電装置４０は、電力変換器４１と外部バッテリ４２とを有する。電力変換器４１及び外部バッテリ４２は、ともに電源線Ｌ３０に接続される。この外部バッテリ４２は、電力変換器４１の車両１０側において電源線Ｌ３０に接続され、車両１０側からの直接給電、すなわち、直接充電が可能である。電力変換器４１は、外部バッテリ４２あるいは車両１０側の給電された直流電源を住宅１００で使用される電源に電力変換して住宅１００内に供給する。

【0032】

なお、上記の実施の形態及び変形例で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本発明の給電システムは、簡易な構成で、安全性を確保しつつ車両側から外部に配置された外部機器に給電を行う場合に有用である。

【符号の説明】

【0034】

１ 給電システム
１０ 車両
１１ バッテリユニット
１２ 車両バッテリ
１２ａ サービスプラグ
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ システムメインリレー
１４ インバータ
１５ 発電モータ
１６ 充放電制御部
１７ 給電コネクタ
１７ａ 開放端
１８ 給電接続ケーブル
１９ 挿入領域
２０ 電気機器
２１，４１ 電力変換器
３０ 受電接続ケーブル
３７ 受電コネクタ
３７ａ 折り返し線
３７´ ダミーコネクタ
４０ 蓄電装置
４２ 外部バッテリ
１００ 住宅
Ｃ１～Ｃ３ コネクタ
ＩＬ 検出線
Ｌ，Ｌ３０ 電源線
Ｒ システムメインレジスタ
ＳＷ１～ＳＷ３ インターロックスイッチ
Ｔ１，Ｔ２ 電源入出力端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】