CN103367831A

CN103367831A - 电池系统

Info

Publication number: CN103367831A
Application number: CN2013100580676A
Authority: CN
Inventors: 武田贤治
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2013-10-23
Also published as: JP2013211944A; EP2645515A3; EP2645515A2

Abstract

本发明的课题在于提供能在效率良好地使用发电剩余功率的同时还能向系统提供稳定的功率的电池系统。为了达成上述目的，本发明的电池系统具有：具有多个电池单元的多个电池模块；电阻器；冷却所述多个电池模块的冷却器；控制流过所述冷却器以及所述电阻器的电流的控制装置，所述控制装置在该电池系统的充电状态为能使用的充电状态的上限值以上、且功率被充电到电池系统中的情况下，使所述冷却器的消耗功率增加，进而使所述电阻器的消耗功率增加。

Description

电池系统

技术领域

本发明涉及使用了锂离子电池的电池系统。

背景技术

根据节约资源或削减CO₂的要求而开发出利用风力、太阳光等的来源于自然的可再生能源的系统。由于这些自然能量因诸条件而增减，因此与此相伴，输出功率发生变动。近年来，开发出与自然能量并设对这些变动进行充放电的能量储藏系统(Energy Storage System，ESS)的系统。

另一方面，在这些电池系统的充电状态为满充电状态时，进行控制来降低上述发电系统的发电量，以使得不产生剩余功率。在进行这样的控制的情况下，由于本来能发电的功率被浪费，因此从发电效率的观点来看并不优选。

在专利文献1中，公开了如下的控制，在搭载了小型的电池系统的混合动力汽车中，将剩余功率转用为冷却器中使用的功率，从而提高功率的使用效率。

专利文献1：JP特开2011-61920号公报

但是，虽然在专利文献1中所示那样的混合动力汽车中只要停止引擎就能防止过剩地发电，但在大型的发电系统中，无法简单地停止发电装置，对于过剩的发电功率，无法控制发电装置的发电来吸收过剩的发电功率。

另外，由于与大型的发电装置并设的电池系统需要维持功率系统的稳定，因此，需要在各个发电站中严格地管理功率变动抑制系统。例如，还考虑在发电站输出的变动脱离了规程的范围的情况下适用一些惩罚条例的情形等。

发明内容

本发明鉴于上述课题而提出，目的在于提供一种电池系统，能在高效地使用发电剩余功率的同时对系统提供稳定的功率。

为了达成上述目的，本发明的电池系统具备：具有多个电池单元的多个电池模块；电阻器；冷却所述多个电池模块的冷却器；和控制流过所述冷却器以及所述电阻器的电流的控制装置，所述电池系统的特征在于，所述控制装置在该电池系统的充电状态为能使用充电状态的上限值以上、且功率被充电到该电池系统中的情况下，使所述冷却器的消耗功率增加，进而使所述电阻器的消耗功率增加。

发明的效果

通过使用本发明，能提供在效率良好地使用发电剩余功率的同时向系统提供稳定的功率的电池系统。

附图说明

图1是与本发明所涉及的发电系统相关的图。

图2是本发明所涉及的电池系统201的框图。

图3是本发明所涉及的电池模块30的电路图。

图4是本发明所涉及的电池系统201的电路图。

图5是表示本发明所涉及的对电池块50供电的图。

图6是表示本发明所涉及的在冷却器5和电阻器4的消耗功率的关系的图。

图7是表示本发明所涉及的功率分配的逻辑电路的图。

图8是表示本发明所涉及的功率分配的流程图的图。

图9是本发明所涉及的电池组40的立体图。

图10是表示本发明所涉及的第2实施方式所涉及的功率分配的逻辑电路的图。

图11是本发明所涉及的第2实施方式的电池组控制装置230的电路图。

图12是表示本发明所涉及的第3实施方式的电池系统201的构成的图。

符号的说明

4电阻器

5冷却器

11冷却器电路

12电阻器电路

103发电装置

230电池组控制装置

231、232开关元件

233AND电路

240电池组控制装置

241冷却运算部

242电阻运算部

243SOC运算部

具体实施方式

(第1实施方式)

下面，使用附图来说明本发明的实施方式。首先，先使用图1来说明本发明所涉及的发电系统。发电系统101具有：发电装置103、功率系统102、连接该功率系统102和发电装置103的电线105、和介由逆变器104与该电线105连接的电池系统201。发电装置103例如是风力发电、水力发电、太阳光发电或其它的发电设备。

电池系统201在发电装置103比功率系统102求得的功率过剩地进行发电的情况下，充电过剩发电的电力，反之，在发电装置103的发电量少于功率系统102求得的电力时，进行放电，从而谋求功率的稳定提供。另外，在电池系统201进行充放电的情况下，用逆变器104进行交流—直流、直流—交流变换来进行功率的领受、提供。

接下来，在图2中示出电池系统201的框图。本发明所涉及的电池系统201以电池模块30为最小单位，具备：具有多个电池模块30的电池组40、具有多个电池组40的电池块50。

从电池模块30的构成来进行具体说明。电池模块30具备：电池单元群20，其具有多个电池单元Bnx(n为在电池模块30内的电池单元的串联数，x为与1个电池单元并联连接的电池单元并联数)；单元控制装置(CCU)210，其收集电池单元群20的电池信息(例如电池单元的电流信息、电压信息、温度信息、充电状态等)；以及电池模块控制装置(BMCU)31。另外，该单元控制装置210还进行后述的电池单元间的平衡控制。由单元控制装置210收集的电池信息被送往电池模块控制装置(BMCU)31。然后，在电池模块控制装置(BMCU)31中，算出电池模块30内的电池单元群20的平均充电状态，并将电池单元群20的平均充电状态的电池信息进一步添加到刚才的电池信息中，并将电池信息发送给上级的电池组控制装置(BPCU)230。

电池组40具有多个电池模块30以及电池组控制装置230。电池组控制装置230收集从各电池模块控制装置31输出的电池信息，算出将处于电池组40内的电池模块30的充电状态进行平均后而得到的电池模块30的平均充电状态的信息。然后，将多个电池模块30的平均充电状态的信息添加到从电池模块控制装置31得到的电池信息中，并将电池信息输出给上级的电池块控制装置240。

电池块50具有多个电池组40以及电池块控制装置240。电池块控制装置240收集从各电池组控制装置230输出的电池信息，算出将处于电池块50内的电池组40的充电状态进行平均而得到的电池块40的平均充电状态的信息。然后，将多个电池组40的平均充电状态的信息添加到从电池组控制装置230得到的电池信息中，并将电池信息输出给更上级的系统控制装置250。另外，在说明中，设在电池块50中具有多个电池组，但构成电池块50的电池组40也可以是1个。这种情况下，电池块控制装置240将电池组控制装置230输出的电池信息直接输出给系统控制装置250。

在本发明中，由于如此以多个层级来监视电池的状态，因此能构成安全性高的电池系统201。另外，本发明所涉及的电池模块30、电池组40以及电池块50由于能以各自的单位来进行交换，因此能构成维护性良好的电池系统。

接下来，使用图3来说明具体的电池模块30的电路构成。在电池模块30中设有串联连接多个电池单元群20而成的电源电路25、和与该电源电路串联连接的保险丝32。电池单元群20构成为并联多个地设置多个电池单元Bn1、Bn2、…Bnx(n为大于1的数，是串联连接电池单元群20的数量。X为单元的数量)。另外，在该电池单元群20并联连接有电阻元件21以及开关元件22被串联连接而成的串联电路23。该电阻元件21以及开关元件22是例如在电池单元B11、B12、…B1x间的电压或充电状态出现偏差时，进行该电池单元B11、B12、…B1x间的平衡的构成。

单元控制装置210用设于该单元控制装置210的电池信息取得部211来取得各电池单元Bn1、Bn2、…Bnx的电池信息，并输出给电池模块控制装置31。电池模块控制装置31根据从各单元控制装置210输出的电池信息来运算各电池单元的充电状态(SOC)，并将该充电状态的信息输出给单元控制装置210。接受了该充电状态的信息的单元控制装置210在单元控制装置210所监视的电源电路25的各电池单元Bn1、Bn2、…Bnx间的充电状态的差成为10％以上时，通过设于该单元控制装置210的开关元件控制部212输出使开关元件22成为接通状态的信号，由此来进行各电池单元Bn1、Bn2、…Bnx间的平衡。

另外，在本实施方式中，电池单元Bn1、Bn2、…Bnx假设为锂离子电池，但也可以根据目的不同而使用镍氢蓄电池、镍镉电池、铅蓄电池、氧化还原液流型蓄电池、钠硫电池等。

接下来，使用图4来说明电池系统201的电路构成。图4是表示具有由多个电池模块30构成的电池组40的电池块50被并联连接多个而成的电池系统201的图。

首先，说明电池块50的构成。电池块50具有电池组40、和与该电池组40串联连接的预充电电路55。另外，电池块50相互并联连接，介由开关体251与逆变器104的正极侧连接，介由开关体252与逆变器104的负极侧连接。

预充电电路55由开关元件51、和与该开关元件51并联连接的电阻元件52以及开关元件53构成。该预充电电路55在与其它的电池块50在充电状态或电压中存在偏差的情况下，使开关体251以及开关体252处于断开状态，进一步暂时维持使开关体51为断开状态、且使开关元件53为接通状态的其间，由此，能利用错流(横流、cross current)来降低各电池块50间的充电状态或电压的偏差。

另外，在电池块50中还具有与各电池组40对应而串联连接的开关元件54a1(54a)、54a2(54a)…、54an(54a)(n为电池块50内的电池组40的并联数量)。在各电池组40中发生问题的情况下，通过使与发生问题的电池组40对应的开关元件54a成为打开状态，能将其与其它的电池组40切离。另外，通过这样的构成，能在维护时也能通过使开关元件54a成为打开状态来防止对电池组40加上过电压。因此，能在电池组40的维护时确保作业上的安全性的基础上，作为电池系统整体通过保险丝32以及33来实现双重的防护，进一步提高了安全性和维护性。

接下来，使用图5来说明电池系统201中的各电池块50为满充电状态的情况下的剩余发电功率的消耗方法。在本实施方式中，构成为使用与逆变器104连接的设于构成电池块50的电池组40的冷却器5以及电阻器4来消耗剩余功率。具体地，电阻器4以及冷却器5构成为介由功率线3而与发电装置103连接，能直接消耗发电功率。

另外，在此冷却器5为风扇，但也可以取代该风扇而使用鼓风机、泵、基于压缩机的冷热循环、吸收式冷冻、帕耳贴元件等，只要是以电力为主动力的热传导或冷热系统即可。

另一方面，电阻器4是将加热器等的功率变换为热的构成，通过机械式继电器或半导体开关元件来构成为能切换向该加热器的通电。另外，在本实施方式中，在电池组40内新设置电阻器4，但也可以单纯使用在电池组40内构成的电阻元件。关于使用在电池组40内构成的电阻元件的情况的示例，另外在第2实施方式中进行说明。

对各电阻器4以及各冷却器5的功率的分配由电池块控制装置240基于在连接逆变器104和电池组40的功率输入输出线2中流动的电流来进行。在该功率输入输出线2中流动的电流通过设于该功率输入输出线2的电流探测器3来测定，将该电流信息输出给电池块控制装置240。另外，该电流探测器3是分流(shunt)电阻或霍尔元件。

接下来，使用图6来说明如何用电池块控制装置240来将功率分配给各电阻器4以及各冷却器5或者其分配方法。图6是在纵轴上取构成电池块50的各冷却器5的每单位时间的总消耗功率Pc、在横轴上取构成电池块50的各电阻器4的每单位时间的总消耗功率Pr的图，是表示在冷却器5中的消耗功率Pc和在电阻器4中的消耗功率Pr的关系的图表。

首先，说明消耗功率模式P1。消耗功率模式P1构成为最初使冷却器5的消耗功率Pc急速上升，在无法由该冷却器5吸收发电剩余功率的情况下，使电阻器4的消耗功率Pr上升。换言之意味着在冷却器5消耗的消耗功率Pc的增加量大于在电阻器4消耗的消耗功率Pr的增加量。

各电池模块30由于进行充放电，因此总是处于发热状态。为此，通过这样的控制，能极力不产生多余的热地利用发电剩余功率，从而能冷却电池模块。因此，通过如消耗功率模式P1那样调整功率消耗量，能在防止由温度上升引起的各电池模块30的恶化的同时，没有浪费地使用发电剩余功率，因此能提供效率良好地利用了发电剩余功率的电池系统。

接下来，说明消耗功率模式P2。消耗功率模式P2是同时使电阻器4的消耗功率Pr以及冷却器5的消耗功率Pc上升的模式。通过这样的控制，在突然产生较多的发电剩余功率的情况下能立刻实现功率的消耗。因此，通过如消耗功率模式P2那样调整功率消耗量，即使是在利用功率变动较大的自然能量的发电系统中使用该发电系统的情况下，也能抑制发电剩余功率输出给功率系统102，因此能进行稳定的功率提供。另外，此时，优选在将P2的斜率设为1以上时增加冷却器5侧的消耗功率Pc的上升比例。通过这样的控制，能防止电阻器4的发热引起电池模块30的恶化。

接下来，说明消耗功率模式P3。消耗功率模式P3进行如下的控制：首先仅使冷却器5的消耗功率Pc上升，之后测定各电池模块30的温度，在判断为即使在电阻器4产生发热也没问题的情况下，仅使电阻器的消耗功率Pr上升。通过进行这样的控制，能在合适地保持电池模块30的温度的同时消耗发电剩余功率。因此，能提供取得各电池模块30的温度上升所引起的恶化和发电剩余功率的平衡的电池系统。

另外，作为上述的消耗功率模式P1～P3的共通的特征，有冷却器5的消耗功率Pc和电阻器4的消耗功率Pr的图表为持续增加(或斜率为正)。通过进行这样的控制，能取得冷却器5的消耗功率Pc和电阻器的消耗功率Pr的平衡，能提供在效率良好地使用发电剩余功率的同时抑制了电池的恶化的电池系统。

另外，在本实施方式中，在电池组40设置电阻器4和冷却器5，但也可以将电阻器4和冷却器5设于各电池块50来进行控制。这种情况下，由于电池块50自身是比电池组40规模大的构成，因此也能使电阻器4和冷却器5大型化。为此，即使将本发明应用在较多地产生电池组40这样的小型的电阻器或冷却器中无法应对的剩余功率的发电系统中，也能没有浪费地使用剩余功率。

进而，使用图7来说明用怎样的电路来将冷却器5的消耗功率Pc和电阻器4的消耗功率Pr控制成图6所示的消耗功率。

首先，将电流探测器3检测出的电流信息输入给电池块控制装置240。之后，输入该电流信息、以及由设于电池块50的对电池组40的充电状态(SOC)进行运算的SOC运算部运算出的SOC信息。

在电池块控制装置240内设置冷却运算部241以及电阻运算部242。对冷却运算部243输入SOC信息和电流信息，在电池块50内的全部电池组40成为满充电状态，或者全部的电池组40的充电状态超出能使用的充电状态的上限值时(例如在将使用充电状态的上限设为80％的情况下，SOC成为80％以上的情况)，冷却运算部241运算冷却器5的消耗功率。然后，从冷却运算部241输出用于使电切断/连接发电装置103和冷却器5的开关元件231接通的信号，来使冷却器电路11成为闭合电路，对设于电池组40的冷却器5通电。另外，在更细微控制通电量的情况下，只要使用未图示的电流控制装置(例如逆变器驱动的冷却装置、具有半导体开关的电阻电路等)即可实现。

另一方面，电阻运算部242在全部的电池组40的充电状态为满充电状态，或者全部的电池组40的充电状态超过了能使用充电状态的上限值时、即由电流检测器3检测出的电流值为规定值以上的情况下(例如在将使用充电状态的上限设定为80％的情况下是SOC成为80％以上的情况)，使设于电阻器电路12的开关元件232成为连接状态来构成闭合电路。此时，从电阻运算部242输出的用于使开关元件232成为接通状态的信号通过设于电池组控制装置230内的AND电路233。该AND电路233构成为如果来自冷却运算部241的信号、和来自电阻运算部242的信号都不是为接通状态的信号，则不将信号输出给开关元件232。通过这样的构成，能构成为在先使冷却器5通电来使功率消耗量增加后再使电阻器4的消耗功率增加。由此，由于能在抑制因剩余功率的使用而引起的发热的同时提高冷却效率，因此能提供效率良好地使用发电剩余功率的发电系统。

接下来，使用图8，用流程图来表示本实施方式所涉及的控制的一例。首先，在步骤S1中，对冷却运算部241输入电流信息以及SOC信息。然后，在步骤S2判定各电池组的充电状态是否为规定的充电状态以上。另外，在此所说的规定的充电状态是上述那样的全部的电池组40为满充电状态，或者全部的电池组40的充电状态超过能使用充电状态范围时(例如，在将能使用充电状态的上限设定为80％的情况下SOC成为80％以上的情况)。在此，在各电池组的充电状态为规定的充电状态以下的情况下，返回步骤S1，反复步骤S1以及步骤S2。另一方面，在各电池组的充电状态为规定的充电状态以上的情况下，前进到步骤S3，判定电流是充电方向还是放电方向。在电流为放电方向的情况下，再度返回步骤S1，反复步骤S1～步骤S3。另一方面，在步骤S3判断为电流向充电方向流动时，前进到步骤S4，从冷却运算部242输出使开关元件231成为接通的信号。

之后，前进到步骤S5，判定该充电电流具有增加倾向。在充电电流不处于增加方向上的情况下，返回步骤S4，维持开关元件231的接通状态，仅进行冷却器5的功率的消耗。另一方面，在充电电流处于增加方向上的情况下，前进到步骤S6，从电阻运算部242输出使开关元件232成为接通的信号。

如此，通过反复步骤S1～步骤S6，来具体进行控制。

最后，使用图9来说明具体的电池组40的构成。电池组40具有：多个电池模块30；电池组控制装置230，其控制多个电池模块30；和电池架301，其收纳该电池组控制装置230以及该电池模块30。在电池架301具有多个电池子架302(302a、302b、302c)，在该电池子架302中收纳有多个电池模块30。另外，在该电池架301具有设于电池子架302的后背部的空气流路303，在空气流路303的上部具有风扇5a(5)。

另一方面，在电池子架302的后背部设有个别风扇5b(5)，构造为使空气流过空气流路303。在产生发电剩余功率的情况下，按照使在风扇5a以及个别风扇5b的消耗功率Pc增加的方式进行控制。另外，在本实施方式中，在电池子架302c设有电池组控制装置230以及电阻器4。另外，在本实施方式中，将电阻器4设于最下级的电池子架302，但从将热的影响不带给各电池模块30的观点出发，优选将该电阻器4设于最上级的电池子架302。

以上，由于通过使用本实施方式所涉及的电池系统能巧妙地将发电剩余功率分配给冷却器和电阻器，因此，能提供在效率良好地使用发电剩余功率的同时谋求输出给系统的功率的稳定化、进而抑制电池的恶化的电池系统。

(第2实施方式)

在图10中示出本发明所涉及的第2实施方式。对与第1实施方式相同的构成使用与第1实施方式相同的图面编号。具体地，与第1实施方式的不同点在于，不是新设电阻器4，而是使设于电池模块30内的平衡地使用的电阻元件21使用于消耗剩余功率。

图10是表示第2实施方式的逻辑电路的图，以与第1实施方式不同点为中心来进行说明。在本实施方式中，作为电阻器使用设于电池模块30的电阻元件21。从电阻运算部242输出使开关元件成为接通状态的信号这一点与第1实施方式相同，但该信号被输出给电池模块30内的开关元件22。

图11是表示具体的电路的图。电池组控制装置230的电路是在电气上构成于高电位侧末端338和低电位侧末端339之间的电路。另外，高电位侧末端固定在电位V1，低电位侧末端固定在0V。另外，作为更具体的一例，电位V1固定在5V。

在高电位侧末端338连接有开关元件333的一端，在该开关元件333的另一端连接有开关元件334的一端。另外，开关元件334的另一端侧介由绝缘型元件336、337与低电位侧末端339连接。另外，在此所说的绝缘型元件是指光电耦合器等的能在互相保持绝缘的同时进行通信的元件。另外，在开关元件334的另一端与绝缘型元件336、337之间设有用于防止该绝缘型元件336、337的破环的电阻元件335。

上述的开关元件333与334的电气连接点与控制开关元件231a的接通/断开的电磁式控制装置231b的一端电连接，该电磁式控制装置231b的另一端与低电位侧末端339连接。通过这样的构成，能在使开关元件333成为接通状态时驱动冷却器5。另外，通过构成为使上述的开关元件333和开关元件334串联连接来构成AND电路，从而构成为若开关元件333不成为接通状态，则使开关元件22成为接通状态的信号就不会输出给绝缘型元件336、337。通过这样的构成，即使不新设置产生热的电阻器，也能提供在效率良好地使用发电剩余功率的同时抑制电池的恶化的电池系统。即，具有在第1实施方式的效果的基础上还能实现部件个数的削减和装置的小型化的效果。

进而，由于通过如图11所示构成为将各绝缘型元件336以及337相互并联连接，能使设于电池模块30的全部开关元件22同时处于接通状态，因此在发电功率急剧增加的情况下也能予以应对。

(第3实施方式)

在图12中示出本发明所涉及的第3实施方式。对与第1实施方式相同的构成使用与第1实施方式相同的图面编号。具体地，与第1实施方式的不同点在于，冷却运算部241和电阻运算部242的功能被移到电池系统控制装置，在各电池块50设置大型的冷却器55以及大型的电阻器44这一点。

图12是电池系统201的构成图。具体地，在各电池块50设置大型的冷却器55以及大型的电阻器44。通过这种结构，由于大型的冷却器55和大型的电阻器44能消耗更大的功率，因此即使在产生大的发电剩余功率的情况下也能用该冷却器55、电阻器44消耗充分的剩余功率。因此，能提供即使在突然发生较大的剩余功率的情况下也能向功率系统提供稳定的功率的电池系统。

Claims

1.一种电池系统，具备：具有多个电池单元的多个电池模块；电阻器；冷却所述多个电池模块的冷却器；和控制流过所述冷却器以及所述电阻器的电流的控制装置，所述电池系统的特征在于，

所述控制装置在该电池系统的充电状态为能使用充电状态的上限值以上、且该电池系统被充电的情况下，使所述冷却器的消耗功率增加，进而使所述电阻器的消耗功率增加。

2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，

所述冷却器的消耗功率的增加量大于所述电阻器的消耗功率的增加量。

3.根据权利要求2所述的电池系统，其特征在于，

所述电阻器构成将开关元件串联连接的串联电路，

在各个所述电池单元并联连接有所述串联电路。

4.根据权利要求3所述的电池系统，其特征在于，

所述控制装置通过使与所述电阻器连接的开关元件成为接通状态来使所述电阻器的消耗功率增加。

5.根据权利要求4所述的电池系统，其特征在于，

所述冷却器是风扇。

6.根据权利要求5所述的电池系统，其特征在于，

所述风扇连接有开关元件，

所述控制装置通过使与所述风扇连接的开关元件成为接通状态来使所述冷却器的消耗功率增加。

7.根据权利要求6所述的电池系统，其特征在于，

与所述电阻器连接的开关元件仅在与所述冷却器连接的开关元件为接通状态时才成为接通状态。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的电池系统，其特征在于，

所述能使用充电状态的上限值为80％。