背景技术
随着近年来对环境问题的日益关注,存储通过使用自然能源(例如,太阳能发电(PV:光电)和风力发电)产生的电力的电力存储系统得到了越来越多的关注。正在研究使用不包含诸如铅等对人类或环境有害的物质的锂离子蓄电池以在这些电力存储系统中使用。
当要使用锂离子蓄电池(在下文中一般地称作“蓄电池”)生产电力存储系统时,通常通过串联连接多个蓄电池以获得形成蓄电池组所需的输出电压、然后并联连接多个蓄电池组以获得所需的存储容量,来配置电力存储系统。
然而,在多个蓄电池组(或蓄电池)被并联连接的配置中,出现了在操作期间每一个蓄电池组的端电压的不平衡将引起涡流(电流在蓄电池组之间以涡流的方式流动)的问题,这使得电力存储系统不能正常操作。例如,制造时间或环境温度引起了蓄电池的退化状态的差异,并且如果即使在相同类型(标准)的蓄电池之间产生退化状态差异,则在充电和放电之后,每一个蓄电池的端电压将出现不平衡,并且该不平衡将导致蓄电池之间发生涡流。随着并联连接的蓄电池组(或蓄电池)的数量的增加,这个问题变得更加明显。
蓄电池组或蓄电池之间的涡流对电力存储系统的不利影响通常是已知的,因此在使用多个并联连接的蓄电池的大多数装置中,禁止混合旧蓄电池和新蓄电池。
然而,实际上,即使当仅使用新蓄电池时,在操作期间在蓄电池之间也将出现退化过程的差异。还存在将期望具有不同退化状态的蓄电池的组合使用的很多情形,例如,当首先仅使用几个蓄电池配置电力存储系统但是接下来要添加蓄电池时,或者当采用已使用的蓄电池使得可以便宜地配置电力存储系统时。
基于该背景,现在正在寻找使具有不同退化状态的蓄电池能够在电力存储系统中安全且自由地使用从而为用户减小风险的技术。
专利文档1作为这种技术公开了提供多个蓄电池组的技术,所述蓄电池组可以通过开关并联连接从而在充电和放电时通过控制为每一个蓄电池组提供的开关来消除每一个蓄电池组的端电压不平衡。当在专利文档1中公开的技术中要给每一个蓄电池组放电时,测量每一个蓄电池组的端电压,从具有最高的端电压的蓄电池组开始给端电压放电,由此端电压由于放电而减小,并且当端电压实质上等于到目前为止还未被放电的其他蓄电池组的端电压时,开始给其他蓄电池组放电。在专利文档1中公开的技术中,当要给每一个蓄电池组充电时,从具有最低的端电压的蓄电池组开始充电,由此端电压由于充电而增加,并且当端电压实质上等于到目前为止还未被充电的其他蓄电池组的端电压时,开始给其他蓄电池组充电。通过这种控制,可以减小当开始充电和放电时每一个蓄电池组的端电压之差,从而防止涡流的发生。
在上述专利文档1中所述的电力存储系统中,除非正在放电或充电的蓄电池组与接下来添加并且要开始充电或放电的另一蓄电池组之间的端电压之差处于预定值内,否则在另一蓄电池组中不能开始放电或充电。因此,将出现不能灵活地操作电力存储系统的情况,这是因为不能根据例如负载所需的电力、例如PV系统的发电能力或者每一个蓄电池组的残余容量来单独地控制被放电或充电的每一个蓄电池组。
通常,在电力存储系统中提供的每一个蓄电池组配备有用于放电的开关(在下文中称作“放电开关”)和用于充电的开关(在下文中称作“充电开关”),从而可以在蓄电池组单元中单独地执行放电和充电。然而,在未采用专利文档1中所述的技术的电力存储系统中,必须控制每一个蓄电池组的放电开关和充电开关,使得上述涡流不会发生。
例如,在配备有两个蓄电池组的电力存储系统中,可以考虑作为充电对象的蓄电池组从具有较高的端电压的蓄电池组切换到具有较低的端电压的另一蓄电池组以给另一蓄电池组进行充电的情况。为了防止该情况中蓄电池组之间的涡流,必须分别断开一个蓄电池组的放电开关和充电开关以在开始给另一蓄电池组充电之前短暂地停止电力存储系统的充电操作。
在这里,当在一个蓄电池组链接到另一蓄电池组的情况下期望使用由例如PV系统或风力产生的电力进行连续充电时,由PV系统或风力产生的电力不能在切换要充电的蓄电池组时用于充电,因此发电能力不能充分发挥其潜力。
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专利文档
专利文档1:日本专利公开No.2009-033936
具体实施方式
接下来参照附图描述本发明。
图1是示出了本发明的电力存储系统的配置的示例的框图。
如图1中所示,本发明的电力存储系统包括并联连接的两个蓄电池组15和控制这些蓄电池组15的主机设备14。在给电力存储系统放电时,例如电气装置的消耗从蓄电池组15释放的电力的负载(未示出)连接到每一个蓄电池组15的正端子(OUT(+))和负端子(OUT(-))。在给电力存储系统充电时,提供给蓄电池组15充电所需的电力的电源(未示出)连接到每一个蓄电池组15的正端子(OUT(+))和负端子(OUT(-))。电源包括PV或风力发电或商用电源。包括例如将从蓄电池组15释放的直流电转换为交流电的DC/AC逆变器或将从电源提供的交流电转换为可以存储在蓄电池组15中的直流电的AC/DC转换器的已知PCS(电力调节系统)可以设置在蓄电池组15与负载或电源之间。由例如主机设备14来控制负载或电源与电力存储系统的连接的切换。
蓄电池组15各配备有两个蓄电池块11和控制块12。蓄电池块11是均配备有例如串联连接的多个蓄电池10的结构。控制块12各配备有控制单元19、电池检测单元16、电流检测单元20、放电开关17、充电开关18、绝缘通信单元13和限流电路21。
放电开关17是导通和切断流过蓄电池块11的放电路径的电流(放电电流)的开关,充电开关18是导通和切断流过蓄电池块11的充电路径的电流(充电电流)的开关。举一个例子,在放电开关17和充电开关18中使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。控制单元19根据来自主机设备的指令来控制放电开关17和充电开关18的接通和断开。
绝缘通信单元13是连接控制单元19和主机设备14以实现信息的发送和接收的接口电路。只要绝缘通信单元13能够在使控制单元19和主机设备14电绝缘的同时连接控制单元19和主机设备14以允许发送和接收信息,绝缘通信单元13就可以是使用任何类型的已知绝缘元件的配置(例如,光学耦合、磁耦合、和电容耦合)。
电池检测单元16测量在蓄电池块11中提供的每一个蓄电池10的端电压。
电流检测单元20测量蓄电池组15的放电电流和充电电流,并且向控制单元19报告测量结果。
限流电路21是将流向蓄电池块11的充电电流限制为小于或等于固定值的电路或元件。限流电路21具有配备有开关(未示出)并且通过由控制单元19根据来自主机设备14的指令接通和断开开关能够使限流操作在充电期间开始/中止的配置。限流电路21至少与充电开关18并联连接。图1示出了限流电路21并联连接到串联连接的放电开关17和充电开关18的配置的示例。
控制单元19根据主机设备14的指令来控制电池检测单元16、电流检测单元20、放电开关17、充电开关18和限流电路21的操作。控制单元19在例如蓄电池块11要放电时接通放电开关17,并且在蓄电池块11要充电时接通充电开关18。此外,控制单元19根据主机设备14的指令向主机设备14报告在电池检测单元16中测量的每一个蓄电池10的端电压和蓄电池组15的端电压。可以通过将每一个蓄电池10的端电压相加来得到蓄电池组15的端电压。此外,控制单元19根据来自主机设备14的指令向主机设备14报告在电流检测单元20中测量的放电电流或充电电流。可以通过已知的IC(集成电路)来实现电池检测单元16、电流检测单元20和控制单元19以监控(保护)具有上述功能的蓄电池。
主机设备14通过与在蓄电池组15中提供的控制单元19进行通信来控制电力存储系统的整体操作。可以通过已知的信息处理设备(计算机或用于信息处理的IC)来实现主机设备14的功能,其中,已知的信息处理设备配备有例如CPU、存储器和各种类型的逻辑电路,在该情况下,主机设备14的功能可以实现为要通过根据已经记录在记录介质(未示出)上的程序执行处理所述的本发明的电力存储系统。记录介质可以是诸如磁盘、光盘或半导体存储器等的已知介质。
图1示出了电力存储系统配备有两个蓄电池组15的配置的示例,其中每一个电池组15配备有两个蓄电池块11,但是电力存储系统也可以配备有三个或更多个蓄电池组15,并且每一个蓄电池组15可以配备有一个或多个三个或更多个蓄电池块11。每一个蓄电池组15和蓄电池块11可以具有相同的配置,或者可以具有不同的配置。
图2是示出了图1中所示的电力存储系统的操作的示例的电路图。
图2示出了当要充电的蓄电池组15从端电压较高的蓄电池组15(高压组15b)切换到端电压较低的另一蓄电池组15(低压组15a)时流向低压组15a和高压组15b的充电电流的状态。图2仅示出了两个蓄电池组(低压组15a和高压组15b)的放电开关17、充电开关18和限流电路21。在这里假设在切换正在充电的蓄电池组15之前低压组15a的放电开关17和充电开关18均断开。
在本示例性实施例的电力存储系统中,当例如要充电的蓄电池组15从高压组15b切换到低压组15a并且给该低压组15a充电时,主机设备14首先接通低压组15a的限流电路21。此时,通过与放电开关17和充电开关18并联连接的限流电路21形成用于给低压组15a中的蓄电池块11充电的路径(图2中充电电流(I1)流过的路径)。因为如前所述的高压组15b中的端电压高于低压组15a中的端电压,因此当端电压之差处于特定电平时,不仅从电流源而且从高压组15b向低压组15a提供充电电流。然而,限流电路21将流向低压组15a的充电电流控制为小于或等于固定值。
主机设备14接下来断开高压组15b的放电开关17。此时,高压组15b中的充电电流(图2中的I2)流经在高压组15b的放电开关(MOSFET)17中提供的寄生二极管。此外,由于充电电流(图2中的I1)也正在流向低压组15a,因此正在从电源提供的充电电流分散到低压组15a和高压组15b。因此,大充电电流不会流向在高压组15b的放电开关(MOSFET)17中提供的寄生二极管。因此,高压组15b的放电开关(MOSFET)17不会引起异常发热。
接下来,主机设备14接通低压组15a的充电开关18并且断开高压组15b的充电开关18。此时,也可以在低压组15a中接通放电开关17。在图2中所示的配置中,从防止放电开关17的异常发热的角度来看,优选另外接通低压组15a的放电开关17。主机设备14接下来断开低压组15a的限流电路21以停止限流电路21的限流操作。在该阶段,要充电的蓄电池组15从高压组15b切换到低压组15a,然后,充电电流(图2中的I3)流经低压组15a的充电开关18(图2中所示的配置中的充电开关18和放电开关17)。
根据本示例性实施例,在将流向具有较低的端电压的蓄电池组15(低压组15a)的充电电流限制为小于或等于固定值的同时开始充电,相继断开具有较高的端电压的蓄电池组15(高压组15b)的放电开关17和充电开关18,并且接通低压组15a的充电开关18,然后停止低压组15a的限流电路21的限流操作,由此无需在切换作为充电对象的蓄电池组15时停止电力存储系统的充电操作。因此,不存在对由PV系统或风力产生的电力的浪费。此外,在切换作为充电对象的蓄电池组15时将低压组15a的充电电流限制为不大于固定值防止了过多的充电电流从高压组15b流向低压组15a或者用作放电开关17的MOSFET的异常发热。因此,可以在无需停止充电操作的情况下安全地切换要充电的蓄电池组15。
图3是示出了图1中所示的主机设备的处理过程的示例的流程图。
图1和图2示出了电力存储系统配备有两个蓄电池组15的配置的示例,图3示出了当电力存储系统配备有三个或更多个蓄电池组15时的操作的示例。此外,图3示出了通过增加要充电的蓄电池组15的数量引起当蓄电池组15的充电电流低于可以从诸如PV系统或风力发电机等的电源提供的电流时不浪费在电源处产生的电力的操作的处理的示例。
如图3中所示,在未正在给蓄电池组15充电或放电的状态下,主机设备14使得控制单元19使例如电池检测单元16测量蓄电池组15的端电压(组电压)并且报告组电压(步骤101)。
接下来,主机设备14基于由每一个蓄电池组15报告的端电压(组电压),找到每一个蓄电池组15的残余容量(组容量)(步骤102),并且检测具有最低残余容量的蓄电池组15,即,端电压最低的蓄电池组(最低电压组)15(步骤103)。例如,可以通过提前准备示出了蓄电池组15的端电压与残余容量之间的关系的表格然后通过参照该表格基于端电压的测量值找到残余容量来找到蓄电池组15的残余容量。
接下来,主机设备14开始给在步骤S103中检测的最低电压组充电(步骤105)。
然后,主机设备14通过控制单元19使用电流检测单元20测量正在充电的蓄电池组15的充电电流(步骤106)并且报告电流值。
主机设备14将正在充电的蓄电池组15报告的充电电流的值与可以从电源提供的可供应电流的值进行比较(步骤107)。应当例如由在PV系统或风力发电机中提供的PCS(电力调节系统)报告电源的可供应电流的值。
当充电电流的值低于可供应电流的值时,主机设备14检测具有次低的端电压的蓄电池组(最低电压组)15(步骤108),并且开始给蓄电池组15充电(步骤109)。
主机设备14再次将由正在充电的每一个蓄电池组15报告的充电电流的值(总值)与可供应电流的值进行比较(步骤110),并且如果充电电流的值(总值)低于可供应电流的值,则返回步骤108以进一步添加具有次低的端电压的蓄电池组15并且给该蓄电池组15充电。
如果在步骤107和步骤110中充电电流的值(总值)等于或大于可供应电流的值,则主机设备14在监控正在充电的蓄电池组15的端电压的测量值(步骤111)同时给蓄电池组15充电,直到端电压的值等于提前设置的规定电压为止(步骤112)。规定电压是使给蓄电池组15充电的操作停止的端电压,并且可以被设置为任意值,只要该任意值小于或等于蓄电池组15被充满电的端电压。
当正在充电的蓄电池组15的端电压达到规定电压时,主机设备14检测端电压最低的蓄电池组15(步骤113)并且开始切换作为充电对象的蓄电池组15的过程。
在切换蓄电池组15时,主机设备14使用限流电路21以在将充电电流限制为小于或等于固定值的同时开始给端电压最低的蓄电池组15(在下文中称作“新电池组”)充电(步骤115)。主机设备14接下来断开正在充电且到目前为止正在充电的蓄电池组15(在下文中称作“旧电池组”)的放电开关17(步骤116)。主机设备14还接通新电池组的充电开关18(步骤117)然后断开新电池组的限流电路21以停止限流操作(步骤118)。主机设备14接下来返回步骤105并且重复步骤105至步骤118的过程。
如果充电电流的值(总值)等于或大于可供应电流的值,则主机设备14在并行地给多个蓄电池组15充电的同时过渡到步骤111之后的过程。
在上面的解释中,示出了正在充电的蓄电池组15的充电持续到这些蓄电池组15的端电压等于提前设置的规定电压的情况,但是也可以在端电压达到规定电压之前停止蓄电池组15的充电操作。
例如,当正在以已经提前设置的固定充电电压给蓄电池组15充电时,蓄电池组15的充电状态可以被划分为CC(恒流)区域和CV(恒压)区域,其中,在CC区域中,端电压充分低于上述充电电压并且端电压实质上与经过的时间成正比的上升,并且在CV区域中,端电压接近上述充电电压并且端电压缓慢地上升并且缓慢地达到上述充电电压。
主机设备14监控正在充电的蓄电池组15的端电压,并且可以基于端电压的值在判断正在充电的蓄电池组15达到上述CV区域时将要充电的蓄电池组15切换到新电池组。当然,即使当正在充电的蓄电池组15还未达到上述CV区域时,也可以将要充电的蓄电池组15切换到新电池组。通过以此方式在正在充电的蓄电池组15达到CV区域时将要充电的蓄电池组15切换到新电池组,可以缩短蓄电池组15的充电时间。可以如上所述的通过端电压来确定正在充电的蓄电池组15处于CC区域还是CV区域,并且应当基于由蓄电池组15的制造商或供应商设置的值(端电压)来判断是否已经达到CV区域。
图4是示出了图1中所示的放电开关、充电开关和限流电路的配置的示例的电路图。
图4中所示的电路是MOSFET用作放电开关17和充电开关18并且这些开关串联连接的示例。在限流电路21中使用恒流电路。恒流电路具有包括例如插入到电流流过的路径中的第一双极型晶体管和检测在第一双极型晶体管中流动的电流并且将该电流控制为不大于固定值的第二双极型晶体管的配置。在图4中所示的电路中,可以通过恒流电路将蓄电池块11的充电电流限制为小于或等于固定值。
图5是示出了图1中所示的放电开关、充电开关和限流电路的配置的另一示例的电路图。
图5中所示的电路是使用MOSFET作为充电开关18并且使用继电器作为放电开关17的示例。与图4中所示的电路类似,限流电路21由配备有两个双极型晶体管的恒流电路构成。图5中所示的电路也能够通过恒流电路将蓄电池块11的充电电流限制为小于或等于固定值。
图6是示出了图1中所示的放电开关、充电开关和限流电路的配置的另一示例的电路图。
图6中所示的电路是放电开关17和充电开关18由双极型晶体管构成并且这些晶体管并联连接的示例。在图6中所示的电路中,PNP晶体管用作放电开关17和充电开关18,用作放电开关17的晶体管的发射极连接到蓄电池的负电极,并且用作充电开关18的晶体管的集电极连接到蓄电池的负电极,以确定放电电流或充电电流的方向。NPN晶体管也可以用于放电开关17和充电开关18。在该情况下,用作放电开关17的晶体管的集电极应当连接到蓄电池的负电极,并且用作充电开关18的晶体管的发射极应当连接到蓄电池的负电极。与图4中所示的电路类似,限流电路21由配备有两个双极型晶体管的恒流电路构成。在图6中所示的电路中,同样可以通过恒流电路将蓄电池块11的充电电流限制为小于或等于固定值。
图7是示出了图1中所示的放电开关、充电开关和限流电路的配置的另一示例的电路图。
与图4中所示的电路类似,在图7中所示的电路中,放电开关17和充电开关18由MOSFET构成。限流电路21是配备有IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的配置,该IGBT是高击穿电压元件和恒流检测电路并且通过恒流电路将流过IGBT的电流限制为不大于固定值。图7中所示的限流电路21可以应用于充电/放电电压较高的蓄电池组15,并且可以将蓄电池块11的充电电流限制为小于或等于固定值。
根据本示例性实施例,在通过限流电路21将流向具有较低的端电压的蓄电池组15的充电电流限制为不大于固定值的同时切换要充电的蓄电池组15,由此无需在切换时停止电力存储系统的充电操作。因此,不存在对由例如PV系统或风力产生的电力的浪费。此外,将充电电流限制为不大于固定值防止了过多充电电流从端电压较高的蓄电池组15流向端电压较低的蓄电池组15以及用作放电开关17的MOSFET的异常发热。因此,可以安全地切换要充电的蓄电池组15。
下面描述本发明的电力存储系统的工作示例。
假设例如图1中所示的两个蓄电池组15的残余容量之差是30%并且此时蓄电池组15中的每一个的端电压是4.2V和3.7V。进一步假设蓄电池块11具有50个蓄电池10串联连接的配置并且使用配备有总共100个串联连接的蓄电池10的蓄电池组15。
当残余容量之差是30%时的蓄电池10的电压差是(4.2V-3.7V)=0.5V。100个蓄电池10串联连接,因此蓄电池组15的电压差是0.5×100=50V。如果蓄电池组15的规定阻抗是40mΩ,则两个蓄电池组15的直接连接导致在蓄电池组15之间流动的1250A的电流。
另一方面,如果蓄电池组15的容量是30Ah并且最大充电电流是90A(3C),则必须将在切换要充电的对象时在蓄电池组15之间流动的充电电流限制为不大于90A。在该情况下,限流电路21应当采用将电流限制为不大于例如80A的电路。
进一步考虑通过并联连接多个蓄电池组15来实现操作100KWh的电力存储系统的情况。假设每一个蓄电池组15的端电压处于400V-600V的量级。如果在这里假设每一个蓄电池组15的端电压的平均值为370V,则电力存储系统所需的容量是100KWh/370V=270Ah。因此,假设每一个蓄电池组15的容量是30Ah,则电力存储系统应当由并联连接的九个(270Ah/30Ah=9)蓄电池组15构成。
在配备有多个这种类型的蓄电池组15的电力存储系统中,可以单独地拆卸和调换蓄电池组15,并且可以另外安装蓄电池组15。
虽然已经参照示例性实施例描述了本申请的发明,但是本申请的发明不限于上述示例性实施例。对于本领域普通技术人员显而易见的是,可以本申请的发明的范围内对本申请的发明的配置和细节进行各种修改。
本申请要求于2012年1月30日提交的日本专利申请No.2012-016352的优先权,并且通过引用的方式并入了该申请的所有公开内容。