电动汽车用快速充电器“EVC - 50KA”的开发

1  前言
近来，作为抵制二氧化碳排放的对策是各汽车厂家销售电动汽车（以下称EV)，并利用政府的各种补贴与优越的制度及行驶时的经济性，使大家真正的开始普及提高对EV的关注。在EV销售初期，一般准备了2种充电的方法，其一是由家庭的插座AC100 V或AC200 V连接车载充电器进行普通的8～16小时的充电，其二是用快速充电器专用插头直接为蓄电池进行30分钟的快速充电。
在这些EV中，一次充电最大行驶距离可达160~200km，为使EV得到更好的普及与提高便利性，并可放心的行驶，在外出前必须准备好充电的基本设施。在经济产业省报告的“下一代汽车战略2010”中提到至2020年在日本国内必须建5000座充电装置。这期间为促进快速充电器的普及与标准化的统一，成立了电动汽车协会（CHAdeMO)，作为电动汽车协会的议定书规定了EV与快速充电器间的充电程序标准化，其电动车协会议定书被日本国内各汽车厂家及充电器厂家所采用，在海外也有被采用的可能。
本次采用的电动汽车协会议定书，开发了具有大画面液晶显示器和声音导航的高效充电操作性的EV用快速充电器，对其概况报告如下。
2  快速充电器结构
快速充电器是交流电转换成直流电，将充电连接器介于中间，为搭载在EV上的蓄电池直接行进充电的装置。
图1所示，依据电动汽车协会议定书的 EV用快速充电器的概要图。快速充电器与EV的接口定义规定在电动汽车协会的议定书中。EV根据蓄电池状态决定最佳电流指令值输出直流电流，进行快速充电。
在充电连接线上附加电力供给线路，有多条EV与充电器连接的信号线。完全依据电动汽车协会议定书的EV与充电器的共用性，所以可适用于为各公司EV进行快速电。

EVC-50KA的组成示于图2。快速充电器由电源装置、充电控制装置、显示器、充电用连接器及输入输出断电开关等构成，由最大输出功率50KW的快速充电器为EV用蓄电池充电15～30分钟可充电80%。另外，以从交流到直流的电力变换部分为10KW单位装置的结构，可适应于10～50kW的输出容量，在万一电源装置发生故障时，可随着其他完好的电源装置进行充电，方便替换故障装置，易于恢复原状，可实现可靠性能好，免维护的优异充电器。

图1  依据电动汽车协会的EV用快速充电器的概念图

图2  EVC-50 KA的结构

3  电源装置
本文开发的电源装置的主要电路结构示于图3。电源装置由前部分高功率AC/DC转换器、后部分DC/DC转换器构成。前部分控制是由RISC微型计算机，后部分控制是通过DSP（数字信号处理器）的数据控制削减部品件数和实现软片的小型化。
高功率AC/DC转换器使用IGBT，在三相全桥结构中三相AC200 V系的交流电转换成DC360V的直流电，所以在输入电压同期的正弦波控制输入电流波形，输入功率为1。
后部分的DC/DC转换器是绝缘DC360V直流电的DC50～500V直流电进行转换。通过全桥式结构的状态转换控制方式将MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）转向零电压实现高功率。
另外，输出电压达DC500 V与高电压后，降低了输出电变换部分的电压，为选定价格与流通性良好的通用部件，将2个DC/DC转换器串联。
4  充电控制装置
充电控制装置以电动汽车协会议定书为基础进行充电，EV通过CAN通信获取充电电压、电流指令值、充电许可标记，指示电源装置输出电流。接着进行各种程序处理、接地检测、配电盘内的温度监控及输出电压、电流监控，来确保充电器及充电器使用者的安全性。

图3  开发的电源装置的主电路的结构

5  显示器（LCD触屏）
本次作为快速充电器的操作采用大画面（10.4型：211.2 ×158.4mm)的液晶彩色显示屏。显示器如图4所示，可一目了然确认充电时的蓄电池状态、充电电压、电流、电量等。另外，如图5所示，通过动画显示和声音输出可明确充电操作方法，对初始使用充电器的用户可容易而正确地进行充电操作。同时，显示器示出各种报警状况、计测值显示及维护情报等显示和设定操作。

图4  充电中画面显示

图5 充电控制画面

表1  EVC-50KA的规格

项目 规格 备注

控制方式 开关调节器 冷却方式 风冷 额定 连续100%

交流输入 相数 三相3线 电压 200 V±15% 频率 50/60Hz±5% 功率 95%以上额定输出输入时 输入冲击电流 额定输入电流的5倍以下

直流输出 额定电压 400 V输出电压调整范围±3%以上 额定电流 125 ADC400V时，DC500V时是100A 额定电量 50kW实装电源装置5台时 输出电压范围 50～500V 输出电流范围 0～125 A实装电源装置5台时 脉动电压 5%以下 脉动电流 5%以下 效率 90以上 额定输入输出时

其他 噪音 65 dB以下 除噪音控制以外 高谐波杂音 VCCI 等级依据 环境温度 -10～40℃ 相对湿度 30～90% 无凝结 绝缘电阻 3MΩ以上DC1000Vmega 绝缘强度 交流电路 - 接地AC2000 V  1分钟 直流电路 - 接地AC2000 V  1分钟 交流电路 - 接地AC2000 V  1分钟 控制电路 - 接地AC 500V 1分钟 尺寸  W900×D700×H1600 mm 保护等级IP33 充电议定书电动汽车协会议定书

选项远程监视 机器管理功能 核款系统 对应IC卡 对应盐害（海水、海风侵蚀）

6  外观及规格
EVC-50KA的外观示于图6，快速充电器设置于各种场合，一般要侧重考虑用户的使用、充电器安装的环境及人性化地进行设计。以下将电气的规格列于表1。EVC-50KA的额定输出电量是50kW，最大输出电压500V，最大输出电流为125A，并具有图7所示的输出功率。另外，作为选项可以搭载在非触摸式IC读卡机上，也可以对应各种证明及核款系统。

图6  EVC-50VA的外观

图7  EVC-50KA的输出电量范围

7  性能
EVC-50KA的效率与功率特性示于图8。效率在额定输入输出时为90.7%，功率在20%负载以上的领域为99%以上均可满足表1列出的规格，并可获得良好的性能。
图9是EVC-50KA直流输出电流的随动性能。对图中用虚线表示的电流指令值，充电器的输出电流很快地得到随动。另外，未见超出规定，具有良好的性能。

图8  EVC-50KA的效率•功率性能

图9  EVC-50KA直流输出电流的随动性能

8  结语
以上内容是对本次开发的EV用快速充电器“EVC-50KA”的阐述。EVC-50KA是依据电源装置及电动汽车协会规定的电动汽车议定书的充电控制装置等构成，并采用大型液晶采色显示屏和声音导航，可实现高充电操作性能。
另外，以电力变换部组成10kw装置结构，与更改电源装置并联运转台数，可完全适应10～50kw的输出容量。
今后，为适应EV的普及，进一步推进基础设施的扩大，为适应EV用快速充电器需求的多样化，实现EV的普及和持续开发做贡献。
（堀恵輔,道永勝久,大芝正嗣,伊藤孝典等 ）
（GS汤浅电池株式会社）