充电系统的制作方法

1.本发明涉及一种对搭载在移动体上的蓄电装置进行充电的充电系统。


背景技术：

2.近年来，开发了搭载有大容量的蓄电池的电动机动车。这种电动机动车虽然续航距离长，但存在耗费充电时间的课题，正在进行与快速充电有关的开发。
3.为了实现快速充电，如果从商业电源引入高压电力(例如，6600v)，则需要高压受电设备(配电盘(cubicle))，在尺寸及成本方面负担大。另外，当想要用电力蓄电与现有的加油站相同程度的能量时，所需的场地变得非常大，不现实。
4.因此，在专利文献1中，提出了将飞轮用作能量蓄电装置，储藏动能来代替电能。
5.在先技术文献
6.专利文献1：日本国实开昭61-43735号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.然而，当想要将专利文献1中记载的装置用于商业时，存在改善的余地。
9.本发明提供一种能够在有限的空间内高效地进行充电的充电系统。
10.用于解决课题的方案
11.本发明是一种充电系统，其对搭载在移动体上的蓄电装置进行充电，其中，所述充电系统具备：
12.电力转换装置，其对从商用电源供给的电力进行转换；
13.动能储存装置，其储存动能；以及
14.旋转电机，其与所述电力转换装置电连接，且与所述动能储存装置机械连接。
15.发明效果
16.根据本发明，通过由动能储存装置将从商用电源供给的电力作为动能储藏，从而与将该电力作为电能储藏的情况相比，能够在有限的空间内适当地保存能量，并且能够高效地对搭载在移动体上的蓄电装置进行充电。
附图说明
17.图1是本发明的第1实施方式的充电系统的功能框图。
18.图2是图1的第1电力转换装置的电路图。
19.图3是图1的第2电力转换装置的电路图。
20.图4是设置有多个图1的充电系统的充电站的功能框图。
21.图5是表示图1的充电系统中的充电电力及飞轮的动能填充率相对于时间的变化的图表。
22.图6是本发明的第2实施方式的充电系统的功能框图。
23.图7a是表示在图6的充电系统中，飞轮的动能填充率小于满填充时的电流动的图。
24.图7b是表示在图6的充电系统中，飞轮的动能填充率为满填充时的电流动的图。
25.图8是本发明的第3实施方式的充电系统的功能框图。
26.图9a是表示在图8的充电系统中，相位对准控制时的电流动的图。
27.图9b是表示在图8的充电系统中，飞轮的动能填充率小于满填充时的电流动的图。
28.图10是对图8的相位对准控制前后的多个电动发电机的相位进行说明的图。
29.图11是对图8的相位对准控制的通电方法进行说明的图表。
30.图12是对图11的通电方法更具体地进行说明的图表。
31.图13是对规定的频率(频率固定)下的电动发电机的数量与电流峰值的关系进行说明的图表。
32.图14是对根据电动发电机的数量适当地设定的频率(频率可变)下的电动发电机的数量与电流峰值的关系进行说明的图表。
33.图15是对将开关周期设为恒定时(频率固定)和切换开关周期时(频率可变)的电流峰值及纹波电流的差异进行说明的图表。
34.图16是本发明的第4实施方式的充电系统的功能框图。
具体实施方式
35.以下，参照附图，对本发明的充电系统的各实施方式进行说明。
36.《第1实施方式》
37.如图1所示，充电系统10是一种对搭载在作为移动体的车辆v上的蓄电池bat进行充电的充电系统。车辆v只要是搭载有蓄电池bat的车辆即可，例如，混合动力机动车、插电式混合动力机动车、电动机动车、燃料电池车。
38.充电系统10具备：逆变器11，其对从商用电源ps供给的电力进行转换；飞轮12，其储存动能；电动发电机13，其与逆变器11电连接，且与飞轮12机械连接；快速充电器14，其与电动发电机13电连接，并向车辆v的蓄电池bat供给电力；以及控制装置16，其控制逆变器11及快速充电器14。飞轮12及电动发电机13构成动能储存单元15。
39.从商用电源ps供给的电力(以下，称为导入电力)的电压优选为100v以上且500v以下的交流电压，例如为三相三线式的ac200v。如果导入电力的电压高，则需要如高压受电设备(配电盘)那样的专用的受电设备，但如果导入电力的电压低，则不需要如高压受电设备(配电盘)那样的特别的受电设备。另外，如果导入电力的电压低，则不需要用于设置高压受电设备(配电盘)的较大场地，能够抑制导入成本。需要说明的是，在场地有富余的情况下等，也可以设置能够接受6600v的交流电压且能够接受100kw～500kw的电力的高压受电设备(配电盘)。
40.如图2所示，逆变器11具备：第1逆变器部inv1，其将作为导入电力的三相交流电力(以下，有时称为第1三相交流电力)转换为直流电力；以及第2逆变器部inv2，其将由第1逆变器部inv1转换的直流电力转换为适于驱动电动发电机13的与第1三相交流电力不同的三相交流电力(以下，有时称为第2三相交流电力)。第1逆变器部inv1和第2逆变器部inv2具有相同结构，夹着第1平滑电容器21串联连接。
41.第1逆变器部inv1及第2逆变器部inv2分别具备由桥接的多个开关元件形成的桥
接电路。例如，开关元件是igbt(insulated gate bipolar transistor)或mosfet(metal oxide semi-conductor field effect transistor)等晶体管。例如，在桥接电路中，成对的高侧臂及低侧臂u相晶体管uh、ul，成对的高侧臂及低侧臂v相晶体管vh、vl，成对的高侧臂及低侧臂w相晶体管wh、wl分别桥接。
42.对于高侧臂的各晶体管uh、vh、wh而言，集电极与正极端子pi连接而构成高侧臂。在各相中，高侧臂的各正极端子pi与正极连接线50p连接。
43.对于低侧臂的各晶体管ul、vl、wl而言，发射极与负极端子ni连接而构成低侧臂。在各相中，低侧臂的各负极端子ni与负极连接线50n连接。
44.在各相中，高侧臂的各晶体管uh、vh、wh的发射极在连接点ti与低侧臂的各晶体管ul、vl、wl的集电极连接。
45.在第1逆变器部inv1的各相中，连接点ti通过第1连接线51与商用电源ps连接。在第2逆变器部inv2的各相中，连接点ti通过第2连接线52与电动发电机13连接。
46.桥接电路具备二极管，该二极管在各晶体管uh、ul、vh、vl、wh、wl的集电极-发射极之间以从发射极朝向集电极成为正向的方式连接。
47.第1逆变器部inv1及第2逆变器部inv2分别基于作为被输入到各晶体管uh、vh、wh、ul、vl、wl的栅极的开关指令的栅极信号来切换各相的晶体管对的on(导通)/off(切断)。第1逆变器部inv1将从商用电源ps输入的第1三相交流电力转换为直流电力，第2逆变器部inv2将从第1逆变器部inv1输入的直流电力转换为第2三相交流电力。
48.第1平滑电容器21使伴随第1逆变器部inv1及第2逆变器部inv2各自的各晶体管uh、ul、vh、vl、wh、wl的on/off的切换动作而产生的电压变动平滑化。
49.电动发电机13是三相交流式的电动发电机。在能量填充时，通过利用从逆变器11输入的电力进行动力运行驱动来使飞轮12旋转。另外，在蓄电池充电时，通过再生驱动将飞轮12的动能转换为电能，并向快速充电器14供给电力。
50.如图3所示，快速充电器14具备：第3逆变器部inv3，其将由电动发电机13产生的三相交流电力转换为直流电力；第4逆变器部inv4，其将由第3逆变器部inv3转换的直流电力转换为单相交流电力；高频变压器31，其对从第4逆变器部inv4输入的单相交流电力进行变压；以及第5逆变器部inv5，其将从高频变压器31输入的单相交流电力转换为直流电力。在第3逆变器部inv3与第4逆变器部inv4之间设置有第2平滑电容器32，在第5逆变器部inv5的下游侧设置有第3平滑电容器33。需要说明的是，第4逆变器部inv4、高频变压器31及第5逆变器部inv5构成使在蓄电池充电时从电动发电机13供给的电力升压的升压转换器17。
51.控制装置16通过进行逆变器11的第1逆变器部inv1及第2逆变器部inv2的开关控制、快速充电器14的第3逆变器部inv3、第4逆变器部inv4及第5逆变器部inv5的开关控制，从而执行飞轮12的能量填充，并且执行向搭载在车辆v上的蓄电池bat的充电。
52.这样构成的充电系统10能够设置在汽车经销商、便利店、超市等。飞轮12通过接受经由逆变器11从商用电源ps供给的电力的电动发电机13进行动力运行驱动来储存动能直到成为满填充状态。车辆v的用户(驾驶者)能够通过汽车导航系统、智能手机等移动终端来识别具有成为满填充状态的飞轮12的充电系统10。如图4所示，可以在一个充电站设置有两个充电系统10，也可以设置有三个以上的充电系统10。用户在需要对车辆v进行充电的情况下，能够通过靠近位于附近的满填充状态的充电系统10中的任意一个充电系统10对搭载在
车辆v上的蓄电池bat进行充电。由此，能够缩短或消除等待时间。
53.各充电系统10只要能够供给对1台车辆的蓄电池bat进行充电所需的能量即可。在此，作为车辆v，设想续航距离为500km的电动机动车。为了确保500km的续航距离，蓄电池bat的电力量需要50kwh左右。如果将快速充电器14的输出设为3mw，则直到该电动机动车充电完成为止，与现有的汽油车同样地能够在大约1分钟内实现。如果逆变器11的输出为50kw左右，则作为逆变器11的设置空间只要有0.5m3的空间即可，如果飞轮12的储能量为50kwh，则作为飞轮12的设置空间只要有1.4m3的空间即可，如果快速充电器14的输出为3mw，则作为快速充电器14的设置空间只要有3m3的空间即可。如果逆变器11的输出为50kw，则能够用60分钟左右使储能量为50kwh的飞轮12成为满填充状态。
54.图5是表示设想导入电力的电压为ac200v，逆变器11的输出为50kw，快速充电器14的输出为3mw，飞轮12的储能量为50kwh时的快速充电器14的充电电力(kw：左纵轴)及飞轮12的动能填充率(％：右纵轴)相对于时间(min：横轴)的变化的图表。
55.根据图5，由于导入电力为低电压，因此为了使飞轮12的动能成为满填充状态而需要规定的时间，但充电在极短时间内完成。因此，用户能够以与现有的汽油车相同的时间对车辆v进行充电。需要说明的是，在充电时，不优选使飞轮12完全停止，例如优选在动能填充率成为3～5％的时间点完成充电。
56.这样，根据本实施方式的充电系统10，能够设置在比较小的空间，因此设置的自由度高，能够向用户提供很多充电站。
57.《第2实施方式》
58.接着，参照图6，对本发明的第2实施方式的充电系统10进行说明。
59.第2实施方式的充电系统10在第1实施方式的充电系统10中，在逆变器11电连接有太阳能电池40作为辅助电源。需要说明的是，在本实施方式及以后说明的其他实施方式中，对于与第1实施方式的充电系统10相同的结构，标注相同的附图标记并省略说明。
60.本实施方式的充电系统10构成为，太阳能电池40作为辅助电源经由辅助电源用逆变器41与逆变器11电连接，能够根据需要利用由太阳能电池40发电产生的电力。辅助电源用逆变器41将由太阳能电池40发电产生的直流电力转换为三相交流电力。在图7a及图7b中，实线的箭头表示交流电力，虚线的箭头表示直流电力(在图9中也相同。)。
61.当具体地进行说明时，在飞轮12未成为满填充状态的情况下，如图7a所示，除了从商用电源ps供给的电力以外，由太阳能电池40发电产生的电力经由逆变器11供给至电动发电机13，接受了这些电力的电动发电机13进行动力运行驱动，由此向飞轮12储存动能直到成为满填充状态。另一方面，在飞轮12成为满填充状态的情况下，如图7b所示，能够将由太阳能电池40发电产生的电力经由商用电源ps的电源路径售电。由此，能够有效地活用自然能量，能够减少充电系统10的运营商的经济负担。需要说明的是，作为辅助电源，并不限定于太阳能电池40，也可以是风力发电、地热发电、波能发电等。
62.《第3实施方式》
63.接着，参照图8，对本发明的第3实施方式的充电系统10进行说明。
64.在第1实施方式的充电系统10中，设置有一个由飞轮12和电动发电机13构成的动能储存单元15，但在第3实施方式的充电系统10中，在逆变器11与快速充电器14之间设置有多个动能储存单元15。
65.当更具体地进行说明时，本实施方式的充电系统10在逆变器11与快速充电器14之间电并联连接有多个(例如，8个)电动发电机13。各电动发电机13构成动能储存单元15，在各电动发电机13上分别连接有飞轮12。在由一个逆变器11驱动多个电动发电机13的情况下，需要对准所有的电动发电机13的相位。因此，在驱动所有电动发电机13之前，如图9a所示，预先执行使直流电流在所有电动发电机13中流动规定时间的相位对准控制。通过该相位对准控制，能够将所有电动发电机13拉近到任意的位置，其结果是，能够对准所有电动发电机13的相位。
66.在此，参照图10～图12，对相位对准控制更具体地进行说明。需要说明的是，在图10～图12中例示了在逆变器11上电并联连接有n个(n为1以上的整数)电动发电机13的情况。m/gn是第n个电动发电机13，n-r是第n个电动发电机13的r相的线圈，n-s是第n个电动发电机13的s相线圈，n-t是第n个电动发电机13的t相的线圈。需要说明的是，在图10～图12中，将三相交流电力的三相设为r相、s相、t相，但含义与图2的u相、v相、w相是相同的。
67.如图10的左侧所示，在各电动发电机13(m/g1、m/g2、
…
m/gn)的转子相位不同的情况下，即使按照原样将从逆变器11输出的交流电流通电，各电动发电机13(m/g1、m/g2、
…
m/gn)的转子也不会适当地旋转。因此，如图11所示，将三相交流电流的瞬时值(在图11的例子中，r相电流为零相位的值)直流通电到s相及t相。此时，如图12所示，优选通过在规定期间反复通电(on)和停止(off)来断续地执行直流通电。通过这样对至少一部分相断续地施加转矩，在转矩释放时对转子作用平稳的反作用力，促进转子的相位对准动作。相位对准控制并不限定于在三相中的任意一相为零相位时对三相中的其余二相执行直流通电的情况，也可以对三相全部执行直流通电。
68.在图10的右侧所示的相位对准动作完成后，如图9b及图12所示，通过向全部电动发电机13供给交流电力，能够向所有的飞轮12填充动能。
69.在对快速充电器14电并联连接多个电动发电机13的情况下，充电时的升压转换器17的电感根据电动发电机13的数量而变化。当电动发电机13的数量n增加时，电流有效值变为n倍，进而电感变为1/n，因此纹波电流的峰值变为n倍。因此，电流峰值是电流有效值与纹波电流的峰值(以下，简称为纹波电流)之和，因此如果电动发电机13的数量n增加则变为n倍。当电流峰值变大时，需要使用高耐压的部件，导致升压转换器17的高成本化。
70.例如，如果设想能够连接1个至8个电动发电机13的状况，则在电压恒定的情况下，在一个on时间内电流上升的时间为1倍～8倍，纹波电流也为1倍～8倍。图15是表示电动发电机13的数量与电流峰值及纹波电流之间的关系的图表。
71.在此，控制装置16优选可变地控制升压转换器17的开关周期。图13表示控制装置16和对快速充电器14电并联连接的电动发电机13的数量无关地以恒定值的开关频率控制升压转换器17时的电流。图中1～8表示电动发电机13的数量。另外，电流值的上下起因于纹波电流的上下，电流峰值是纹波电流取峰值时的值。从图13可知，在与电动发电机13的数量无关地将开关频率设为恒定值的情况下，随着电动发电机13的数量增加而电流有效值变大，进而纹波电流也随着电动发电机13的数量增加而变大，从而电流峰值变大。
72.与此相对，图14表示根据对快速充电器14电并联连接的电动发电机13的数量适当地设定开关频率，并以所设定的开关周期控制升压转换器17时的电流峰值。需要说明的是，图14的例子是与电动发电机13的数量无关地以纹波电流成为恒定值的方式设定开关频率
的例子。由此，虽然随着电动发电机13的数量增加而电流有效值变大，但由于纹波电流是恒定值，因此电流峰值变小。需要说明的是，不需要纹波电流为恒定值，也可以以纹波电流成为规定值以下的方式设定开关频率。
73.这样，控制装置16根据电动发电机13的数量切换升压转换器17的开关频率以使纹波电流成为规定值以下，由此能够降低电流峰值，能够抑制升压转换器17的高成本化。
74.在升压转换器17的运转开始时，在控制装置16不知道与快速充电器14电并联连接的电动发电机13的数量的情况下，能够以规定的开关周期运转升压转换器17，根据升压转换器17的输入输出电压和电流的斜率获取电动发电机13的数量。升压转换器17的输入输出电压、电流的斜率以及电动发电机13的数量之间的关系可以预先测定并保存为表格，也可以适当计算。
75.控制装置16可以根据升压转换器17的输入输出电压和电流的斜率获取电动发电机13的数量，并基于所获取的电动发电机13的数量来切换开关频率，也可以根据升压转换器17的输入输出电压和电流的斜率来直接切换开关频率。
76.在图15中示出将开关周期设为恒定时(频率固定)的电流峰值及纹波电流、和切换开关周期时(频率可变)的电流峰值及纹波电流，从图15可知，通过基于电动发电机13的数量来切换开关频率，能够抑制升压转换器17的电流峰值。
77.《第4实施方式》
78.接着，参照图16，对本发明的第4实施方式的充电系统10进行说明。
79.在第1实施方式的充电系统10中，构成为能够由1组逆变器11、动能储存单元15、及快速充电器14(以下，有时将该1组逆变器11、动能储存单元15、及快速充电器14称为充电单元18)供给对1台车辆的蓄电池bat进行充电所需的能量，但在第4实施方式的充电系统10中，构成为能够由3组充电单元18供给对1台车辆的蓄电池bat进行充电所需的能量。由此，能够使逆变器11、动能储存单元15及快速充电器14分别小型化。
80.以上，参照附图对各种实施方式进行了说明，但本发明当然并不限定于这种例子。本领域技术人员应当明白，能够在技术方案中记载的范围内想到各种变更例或修正例，并且这些当然也属于本发明的技术范围。另外，可以在不脱离发明的主旨的范围内任意组合上述实施方式中的各构成要素。
81.例如，作为移动体例示了车辆，但并不限定于此，移动体也可以是飞行体。因此，搭载在移动体上的蓄电装置也可以是搭载在飞行体上的蓄电装置。
82.另外，在本说明书中至少记载了以下事项。需要说明的是，尽管在括弧内示出了上述实施方式中相应的构成要素等，但并不限定于此。
83.(1)一种充电系统(充电系统10)，其对搭载在移动体(车辆v)上的蓄电装置(蓄电池bat)进行充电，其中，所述充电系统(充电系统10)具备：
84.电力转换装置(逆变器11)，其对从商用电源(商用电源ps)供给的电力进行转换；
85.动能储存装置(飞轮12)，其储存动能；以及
86.旋转电机(电动发电机13)，其与所述电力转换装置电连接，且与所述动能储存装置机械连接。
87.根据(1)，通过由动能储存装置将从商用电源供给的电力作为动能储藏，从而与将该电力作为电能储藏的情况相比，能够在有限的空间内适当地保存能量，并且能够高效地
对搭载在车辆上的蓄电装置进行充电。
88.(2)根据(1)所述的充电系统，其中，
89.从所述商用电源供给的所述电力的电压为100v以上且300v以下。
90.根据(2)，从商用电源供给的电力为100v以上且300v以下的电压，因此不需要如高压受电设备(配电盘)那样特别的受电设备，用于导入充电系统的场地可以较小，能够抑制导入成本。
91.(3)根据(1)或(2)所述的充电系统，其中，
92.所述电力转换装置具备：第1电力转换部(第1逆变器部inv1)，其将从所述商用电源供给的第1交流电力转换为直流电力；以及第2电力转换部(第2逆变器部inv2)，其将所述直流电力转换为与所述第1交流电力不同的第2交流电力。
93.根据(3)，能够使用通用性高的电力转换装置。
94.(4)根据(1)至(3)中任一项所述的充电系统，其中，
95.所述动能储存装置及所述旋转电机构成动能储存单元(动能储存单元15)，
96.所述充电系统具有多个所述动能储存单元，
97.在所述电力转换装置上电并联连接有多个所述旋转电机。
98.根据(4)，在电力转换装置上并联连接有多个旋转电机，因此与分别连接电力转换装置的情况相比，能够使充电系统小型化。
99.(5)根据(4)所述的充电系统，其中，
100.控制所述电力转换装置的控制装置(控制装置16)在开始基于所述多个旋转电机的所述动能储存装置的动能的储存之前，进行对准所述多个旋转电机的转子的旋转相位的相位对准控制。
101.根据(5)，即使在电力转换装置上并联连接有多个旋转电机的情况下，也能够通过相位对准控制适当地控制多个旋转电机。
102.(6)根据(5)所述的充电系统，其中，
103.所述相位对准控制以使对多相中的至少一部分相进行直流通的方式进行控制。
104.根据(6)，即使在多个旋转电机中转子相位不同的情况下，也能够使转子相位一致。
105.(7)根据(6)所述的充电系统，其中，
106.所述相位对准控制断续地执行所述直流通电。
107.根据(7)，通过对各相断续地施加转矩，从而在转矩释放时对转子作用平稳的反作用力，促进转子的相位对准动作。
108.(8)根据(6)或(7)所述的充电系统，其中，
109.所述多个旋转电机是三相交流旋转电机，
110.所述相位对准控制在三相中的任意一相为零相位时，对所述三相中的剩余两相执行所述直流通电。
111.根据(8)，能够容易进行相位对准控制。
112.(9)根据(4)至(8)中任一项所述的充电系统，其中，
113.所述充电系统还具备升压转换器(升压转换器17)，所述升压转换器与所述多个旋转电机电并联连接，并使从所述多个旋转电机供给的电力升压，
114.控制所述电力转换装置的控制装置(控制装置16)可变地控制所述升压转换器的开关频率。
115.根据(9)，能够降低电流峰值，能够抑制升压转换器的高成本化。
116.(10)根据(9)所述的充电系统，其中，
117.所述控制装置获取与所述升压转换器连接的所述多个旋转电机的数量，基于所述多个旋转电机的数量来切换所述开关频率。
118.根据(10)，通过根据多个旋转电机的数量来切换开关频率，从而能够降低电流峰值。
119.(11)根据(10)所述的充电系统，其中，
120.所述控制装置基于所述升压转换器的输入输出电压及电流来获取所述多个旋转电机的数量。
121.根据(11)，能够基于升压转换器的输入输出电压及电流来获取多个旋转电机的数量。
122.(12)根据(9)所述的充电系统，其中，
123.所述控制装置基于所述升压转换器的输入输出电压及电流来切换所述开关频率。
124.根据(12)，通过基于升压转换器的输入输出电压及电流来切换开关频率，从而能够降低电流峰值。
125.(13)根据(9)至(12)中任一项所述的充电系统，其中，
126.所述控制装置根据所述多个旋转电机的数量以使纹波电流成为规定值以下的方式来切换所述开关频率。
127.根据(13)，由于纹波电流成为规定值以下，因此能够降低电流峰值及其变动幅度。
128.(14)根据(1)至(13)中任一项所述的充电系统，其中，
129.在所述电力转换装置上电连接有辅助电源(太阳能电池40)。
130.根据(14)，通过在电力转换装置上电连接有例如太阳能电池等辅助电源，能够有效地活用自然能量。
131.需要说明的是，本技术基于2019年10月7日申请的日本专利申请(特愿2019-184710)，其内容作为参照援用于本技术中。
132.附图标记说明：
133.10充电系统；
134.11逆变器(电力转换装置)；
135.12飞轮(动能储存装置)；
136.13电动发电机(旋转电机)；
137.15动能储存单元；
138.40太阳能电池(辅助电源)；
139.inv1第1逆变器部(第1电力转换部)；
140.inv2第2逆变器部(第2电力转换部)；
141.v车辆；
142.ps商用电源。