JP2009213299A - 電力貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交直変換装置の大型化、高価格化を招くことなく、交直変換装置の交直変換効率を向上させることができる電力貯蔵装置を提供する。
【解決手段】交流電力と直流電力との間で交直変換する交直変換装置１３１と、複数の二次電池の直並列の配列パターンが切り替え可能な組電池１３２と、組電池１３２の複数の二次電池の直並列の配列パターンを切り替える配列変換制御装置１３４を備える電力貯蔵装置である。交直変換装置１３１は、組電池１３２の直流電圧の変化に応じて変化する特性を持つ交直変換効率を有しており、配列変換制御装置１３４は、組電池１３２が充放電される場合に、交直変換装置１３１の交直変換効率が最大化されるように複数の二次電池の直並列の配列パターンを切り替えて組電池１３２の直流電圧を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力利用者に導入される電力貯蔵装置に関し、特に、二次電池からなる複数の単電池を直並列に接続した組電池を備える電力貯蔵装置に関する。

近年、電力料金の削減を主目的として、電力利用者において電力貯蔵装置が導入される場合がある。この電力貯蔵装置は、充放電が可能な蓄電池を備え、安価な夜間電力にて蓄電池を充電し、これを昼間に放電させて負荷の一部を担わせるものである。かかる電力貯蔵装置の導入により電力利用者は、昼間電力の一部が実質的に深夜電力で賄われることによる従量料金の削減メリットだけでなく、真夏期等に電力使用量が突出することで表れる年間最大ピーク電力のレベルを低減（所謂ピークカット）できることによる基本料金の削減メリットを享受できる。一方、電力事業者にとっても、電力利用者の各々においてピークカットが為されることで、究極的には発電所建設・増強投資を抑制できる利点がある。

ところで、このような電力貯蔵装置に搭載される蓄電池としては、通常、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、鉛電池等の二次電池が利用される。リチウムイオン電池等の二次電池は、軽量で高容量、高出力であるため、上記のような大型の電力貯蔵装置用の蓄電池として注目されている。

上記のような電力貯蔵装置の大容量化の手法としては、二次電池からなる単電池を複数個用意して、これらを直列及び並列に接続して構成された組電池を利用するのが一般的である。このような組電池を設計する際においては、組電池を構成する複数の単電池の直並列の接続構成、すなわち、複数の単電池の直列数及び並列数は、一旦決められると、再設計の手間やコスト等を考えた場合、その後に変更されることは無いのが通常である。その結果、組電池を充放電する際に用いられる充電電圧及び放電電圧は必然的に所定の範囲内に収まることになる。

一方、上記のような電力貯蔵装置においては、蓄電池の充電の際には交流商用電力を直流電力に変換すると共に、蓄電池の放電の際には蓄電池から放電される直流電力を交流電力に変換することが要求される。このため、交流電力と直流電力との間の変換を行うための交直変換装置が設けられている。交直変換装置の運転電圧範囲は上述した組電池の充放電電圧が収まるように設定されており、上述した交直変換が確実に行われるようになっている。

上述したように、組電池の充放電電圧は交直変換装置の運転電圧範囲に収まるようにあらかじめ設定されているが、その設定手順としては、例えば、既に設計済みの組電池の充放電電圧に合うように交直変換装置の運転電圧範囲を決定し、その運転電圧範囲を入出力可能な交直変換装置の回路構成を決定すれば良い。逆に、あらかじめ用意された交直変換装置の運転電圧範囲に合うように組電池の充放電電圧を決定し、その充放電電圧に見合う容量を持つ組電池が実現されるように単電池の直並列数を構成しても良い。

しかしながら、上記のような設定手順による場合、次に述べる問題点がある。すなわち、交直変換装置の交直変換効率はその運転電圧に依存する傾向を持っており、このため、組電池の充放電電圧の変動に合わせて運転電圧を変化させていくと交直変換効率を低下させてしまう場合がある。

また、交直変換装置の運転電圧範囲は組電池の充放電電圧の変動幅が収まるように設定されなければならない。このため、組電池の充放電電圧の変動幅が大きい場合、交直変換装置の運転電圧範囲も大きくしなければならず、その結果、交直変換装置の大型化、高価格化を招く要因となってしまう。

そこで、例えば特許文献１に開示された電力貯蔵装置においては、運転電圧範囲が互いに異なる２つのインバータ（交直変換装置）、すなわち、大容量インバータと中容量インバータを備え、２次電池の充放電電圧の変動幅が大きい場合であってもこれら２つのインバータを使い分けることにより、インバータ全体としての変換効率の向上を可能としている。
特開平１１−４１８１１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電力貯蔵装置は、大容量インバータと中容量インバータの使い分けにより交直変換効率の向上を実現することができるものの、結果としては２つのインバータが必要とされており、インバータ全体としては依然として、大型化、高価格化という問題点を有している。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、交直変換装置の大型化、高価格化を招くことなく、交直変換装置の交直変換効率を向上させることができる電力貯蔵装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一局面に従う電力貯蔵装置は、商用電力系統と負荷との間に接続され、交流電力と直流電力との間で交直変換する交直変換装置と、前記交直変換装置の直流側に接続されており、複数の二次電池が直並列に配列されて構成され、且つ、前記複数の二次電池の直並列の配列パターンがあらかじめ定められた複数の配列パターン間において切り替え可能な組電池と、前記複数の二次電池の直並列の配列パターンを前記あらかじめ定められた複数の配列パターン間において切り替える配列変換制御装置とを備え、前記交直変換装置は、前記組電池の直流電圧の変化に応じて変化する特性を持つ交直変換効率を有しており、前記配列変換制御装置は、前記組電池が充放電される場合において、前記交直変換装置の交直変換効率が最大化されるように、前記複数の二次電池の直並列の配列パターンを切り替えて、前記組電池の直流電圧を調整する。

上記の電力貯蔵装置では、交直変換装置が組電池の直流電圧の変化に応じて変化する特性を持つ交直変換効率を有する場合において、組電池が充放電される場合における交直変換装置の交直変換効率が最大化されるように、組電池の複数の二次電池の直並列の配列パターンが切り替えられて組電池の直流電圧が調整される。すなわち、上記の電力貯蔵装置では、組電池の充放電が進行するにつれて二次電池の各々の直流電圧が変化した場合でも、組電池全体としての直流電圧が交直変換装置の交直変換効率が最大化されるように調整され、高い交直変換効率を維持することできる。

前記配列変換制御装置は、前記交直変換装置の交直変換効率の特性をあらかじめ記憶する格納部と、前記格納部に記憶された前記交直変換装置の変換効率の特性に基づいて前記交直変換装置の交直変換効率を最大化させるための前記組電池の直流電圧を判定し、前記判定結果に基づいて前記あらかじめ定められた複数の配列パターンのうちの１つを選択する判定部と、前記選択結果に基づいて前記複数の二次電池の直並列の配列パターンの切り替えを前記組電池に指示する指示部とを有することが好ましい。

この場合、交直変換装置の変換効率の特性に基づいて交直変換装置の交直変換効率を最大化させるための組電池の直流電圧を判定し、その判定結果に基づいて複数の配列パターンのうちの１つを選択するので、交直変換装置の交直変換効率を最大化させる配列パターンにより効率的に切り替えることができる。

前記交直変換装置は、前記交直変換装置が交直変換する際に入出力可能な電圧範囲をさらに有しており、前記判定部は、前記組電池の直流電圧が前記入出力可能な電圧範囲内になるように前記あらかじめ定められた複数の配列パターンのうちの１つを選択することが好ましい。

この場合、交直変換装置の交直変換をより効率的に行うことができる。

前記交直変換装置は、前記交直変換装置が交直変換する際に入出力可能な電流範囲をさらに有しており、前記判定部は、前記組電池の直流電流が前記入出力可能な電流範囲内になるように前記あらかじめ定められた複数の配列パターンのうちの１つを選択することが好ましい。

この場合、交直変換装置の交直変換をより効率的に行うことができる。

前記交直変換装置及び前記組電池に接続され、前記交直変換装置を介した前記組電池の充放電を制御する充放電制御装置をさらに備え、前記配列変換制御装置は、前記充放電制御装置が前記組電池の充放電を制御する際に取得する前記組電池の直流電圧が入力されることが好ましい。

この場合、組電池が充放電される際に充放電制御装置から組電池の直流電圧が配列変換制御装置に出力されるので、配列変換制御装置が独自に組電池から取得する必要が無く、このため、配列変換制御装置をより簡単な構成で実現することができる。

本発明によれば、交直変換装置の大型化、高価格化を招くことなく、交直変換装置の交直変換効率を向上させることができる電力貯蔵装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同じ要素または類似する要素には、同じまたは類似の符号を付しており、説明を省略する場合がある。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力貯蔵装置が導入された、電力利用者用の電力設備の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る電力貯蔵装置１３が設置された電力設備１０は、工場のような高圧電力の利用者における電力設備であり、受電設備１１と、負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃと、電力貯蔵装置１３と、を備えている。

受電設備１１は、商用電力系統から電力利用者が電力を受電するための設備であって、変圧器や開閉器等を含むものである。負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、例えば電動モータ、電気炉、空調設備、電灯等の、電力を消費する各種の電気機器である。負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃには、通常は受電設備１１を介して商用電力系統から電力が供給され、稼働される。

本実施の形態に係る電力貯蔵装置１３は、受電設備１１及び負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに相互接続され、商用電力により充電される一方、負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに電力を供給する機能を持っている。電力貯蔵装置１３は、図１に示すように、交直変換装置１３１と、組電池１３２と、充放電制御装置１３３と、配列変換制御装置１３４と、を有している。

交直変換装置１３１は、整流器等を備え、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの交流商用電力を直流電力に変換すると共に、組電池１３２から放電される直流電力を交流電力に変換する。具体的には、交直変換装置１３１は、組電池１３２を充電する場合においては、受電設備１１を通して供給される商用電力系統からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を組電池１３２に充電する。一方、組電池１３２を放電する場合においては、組電池１３２から放電される直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに供給する。充放電制御装置１３３は、交直変換装置１３１による上記の組電池１３２の充放電制御を実行する。

組電池１３２は、繰り返しの充放電動作が可能な二次電池からなり、商用電力で充電される一方、充電電力を放電して負荷１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに電力を供給する。図２に、組電池１３２の概略構成を示す。組電池１３２は、図２に示すように、蓄電部２１と、接続切替回路２２Ａ、２２Ｂと、を有している。蓄電部２１は、１個の二次電池からなる単電池を基本単位として複数個直並列に接続して構成されており、具体的には、１４４個の単電池が直列接続された電池列を１０個並列接続して構成されている。すなわち、蓄電部２１は単電池を１４４直列×１０並列したものである。電池列（１）〜（１０）の各々は、少なくとも１つの電池ブロックから構成されており、例えば、電池列（１）、（１０）は１４４直列の１つの電池ブロックから構成され、電池列（２）は１０８直列のブロックと、２０直列のブロックと、１６直列のブロックとから構成されている。その他の電池ブロックについても同様に、１つ以上のブロックから構成されている。

組電池１３２の蓄電部２１における上記のブロックの配置構成、すなわち、単電池の接続構成（以下、「組電池配列」と呼ぶ場合もある。）は、接続切替回路２２Ａ、２２Ｂによって切り替え可能となっている。具体的には、図２に示した組電池１３２の組電池配列は、上述したように、１４４直列×１０並列であり、組電池１３２にはこの１４４直列×１０並列が初期組電池配列として設定されており、且つ、単電池の直並列数をその初期組電池配列からあらかじめ用意された他の組電池配列に切り替え可能である。組電池１３２は、蓄電部２１の上記の電池列（１）〜（１０）を構成する複数の電池ブロックの接続関係を切り替えることにより、互いに異なる組電池配列間の切り替えを実行する。

接続切替回路２２Ａ、２２Ｂは、配列変換制御装置１３４から出力される切替制御信号に基づいて蓄電部２１の組電池配列を切り替えるものである。具体的には、接続切替回路２２Ａ、２２Ｂは、図２に示すように、配列変換制御装置１３４から出力される切替制御信号に基づき、組電池１３２の初期組電池配列における蓄電部２１の電池列（１）〜（１０）の各々を構成する電池ブロック間の接続関係を変更し、電池列（１）〜（１０）の各々の直列数、あるいは、電池列の数、すなわち、単電池の直並列数を切り替える。接続切替回路２２Ａ、２２Ｂは、単電池の直並列数を切り替えると、その切り替えられた直並列数を現在における単電池の直並列数を表わす情報である組電池配列情報として配列変換制御装置１３４に報告する。なお、図２においては、接続切替回路２２Ａ、２２Ｂは２つの別体として構成されているが、もちろん、一体化されていても構わない。

充放電制御装置１３３は、交直変換装置１３１及び組電池１３２の動作モードを、充電モードまたは放電モードのいずれかに切り替える制御を行う。例えば、充放電制御装置１３３は、深夜電力時間帯に組電池１３２が充電され、主に昼間の電力ピーク時間帯に組電池１３２から放電されるように切り替える制御を行う。充放電制御装置１３３は、受電設備１１と接続されており、受電設備１１を通して商用電力系統から供給される受電電力量を監視している。充放電制御装置１３３は、その監視結果を用いて交直変換装置１３１及び組電池１３２の動作モードの切り替えを実行する。

また、充放電制御装置１３３は、組電池１３２の充放電を行う際、組電池１３２の電圧、電流、温度等を含む組電池情報を取得し、その組電池情報を用いて組電池１３２の充放電を制御する。充放電制御装置１３３にはあらかじめ組電池１３２の所定の充電深度及び放電深度が設定されており、充放電制御装置１３３はその充電深度まで組電池１３２を充電する一方、その放電深度まで組電池１３２を放電する。

次に、本発明の特徴部分である配列変換制御装置１３４について説明する。最初に、配列変換制御装置１３４の原理について説明し、その後、配列変換制御装置１３４の構成及び動作について詳細に説明する。

背景技術の欄で述べたように、一般的な交直変換装置の交直変換効率はその運転電圧に依存する傾向を持っている。例えば、図１４に、リチウムイオン電池等の二次電池からなる単電池の充放電時における電圧の変化を示す。図１４（ａ）は放電時における単電池電圧の変化を示しており、放電時期が初期段階から末期段階へ経過するにつれて単電池電圧、つまり、放電電圧が低下している。また、図１４（ｂ）は充電時における単電池電圧の変化を示しており、充電の初期の段階において定電流充電が行われている。このため、充電初期段階においては、充電時間が経過するにつれて単電池電圧、つまり、充電電圧が上昇している。したがって、このような充放電電圧特性を持つ単電池が直並列接続された組電池も上記と同様な充放電電圧特性を持つことになる。

上記のような充放電電圧特性を組電池が持つ場合、背景技術の欄で述べたように、交直変換装置の運転電圧は組電池の充放電電圧の変動に合わせて変化させられ、その結果、交直変換装置の交直変換効率が低下してしまう場合がある。図１５に、交直変換装置の運転電圧と交直変換効率との関係を示す。図１５（ａ）は組電池の放電時における運転電圧と変換効率との関係を示しており、直流入力電圧、つまり、組電池の放電時の運転電圧の変化に合わせて変換効率も変化している。組電池の放電時においては、組電池の放電電圧は徐々に低下することから、交直変換装置の交直変換効率も徐々に低下することになる。一方、図１５（ｂ）は組電池の充電の初期段階における運転電圧と交直変換効率との関係を示しており、直流出力電圧、つまり、組電池の充電時における運転電圧の変化に合わせて変換効率も変化している。組電池の充電の初期段階においては定電流充電が行われており、この期間においては組電池の充電電圧は徐々に上昇することになる。したがって、組電池の充電開始当初は、図１５（ｂ）から明らかなように、交直変換装置の交直変換効率は比較的低い値となっている。

上述したように、従来においては、組電池の充放電電圧の変化に合わせて交直変換装置の交直変換効率が変動してしまい、この結果、充放電の進行につれて交直変換効率が徐々に低下していく、あるいは、充放電の開始当初の交直変換効率が低い、という問題点が生じている。例えば、図１５（ａ）及び（ｂ）の場合であれば、直流入出力電圧に対して交直変換効率が右肩上がりの特性を持っており、組電池の充放電電圧の低下に従って交直変換装置の交直変換効率は低下することになる。

なお、交直変換装置の回路形式や使用デバイスの特性によっては、図１５（ａ）及び（ｂ）の場合とは逆の特性である、直流入出力電圧に対して交直変換効率が右肩下がりの特性を持つ交直変換装置も当然のことながら存在する。この場合であれば、組電池の充放電電圧の上昇に従って交直変換装置の交直変換効率が低下することになる。

そこで、本実施の形態に係る電力貯蔵装置１０においては、組電池１３２の充放電電圧の変動幅を小さくすることができれば、その分だけ交直変換効率の変動を抑えることが可能となる点に着目し、組電池１３２の充放電電圧の変動幅が小さくなるように、組電池１３２を構成する単電池の接続構成を変化させることにより、単電池の各々の充放電電圧が充放電の進行に伴って変化する場合であっても組電池１３２全体としての充放電電圧の変動幅は小さく抑えられ、その結果、交直変換装置１３１の交直変換効率の変動も小さく抑えられることになる。具体的には、本実施の形態に係る電力貯蔵装置１０においては、組電池１３２の充放電の進行に応じて組電池１３２を構成する単電池の接続構成を切り替えることにより、組電池１３２の充放電電圧、つまり、交直変換装置１３１の運転電圧を交直変換装置１３１の交直変換効率が高い値に維持される範囲に収めることが可能となる。すなわち、本実施の形態に係る電力貯蔵装置１０によれば、組電池１３２を充放電する際に、交直変換装置１３１の交直変換効率を高い値に維持しながら交直変換装置１３１を運転することができ、その結果、組電池１３２の充放電の高効率化が図られることになる。

続いて、配列変換制御装置１３４の構成及び動作について説明する。図３は、本実施の形態に係る配列変換制御装置１３４の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る配列変換制御装置１３４は、図３に示すように、取得部３１と、算出部３２と、判定部３３と、格納部３４と、指示部３５と、を有している。なお、配列変換制御装置１３４の動作は組電池１３２の定電流充電時、放電時のいずれの場合も同様であるので、以下では、組電池１３２の放電時における配列変換制御装置１３４の動作について説明する。

取得部３１は、組電池１３２の蓄電部２１を構成する単電池の接続構成を切り替えるための基礎データを取得する。具体的には、取得部３１は、充放電制御装置１３３が組電池１３２の放電時に適宜検知する、組電池１３２の電圧、電流、温度等を含む組電池情報を充放電制御装置１３３から取得する。上記の組電池情報は、充放電制御装置１３３が組電池１３２の放電時に算出し、管理している組電池１３２の放電電力値も含んでおり、取得部３１は組電池１３２の放電電力値を上記の組電池情報として取得する。

取得部３１はさらに、組電池１３２の蓄電部２１を構成する単電池の接続構成（組電池配列）を表わす組電池配列情報を組電池１３２から取得する。充放電制御装置１３３からの上記の組電池情報、及び、組電池１３２からの上記の組電池配列情報は、組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列を切り替えるための基礎データとなり、取得部３１は組電池１３２の放電の際、これらの基礎データを適宜取得し、算出部３２に出力する。

算出部３２は、取得部３１から出力される上記の基礎データを受け取ると、組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列を切り替えるために必要となる、組電池配列の切り替え要否の判定基準である基準データを算出する。具体的には、算出部３２は、基礎データである上記の組電池情報から組電池１３２の組電池電圧情報を抽出し、その組電池電池情報が示す組電池１３２の電圧に基づいて交直変換装置１３１に入力される直流入力電圧、つまり、交直変換装置１３１の運転電圧を算出する。また、算出部３２は、上記の組電池情報から組電池１３２の組電池電力情報を抽出し、その組電池電力情報が示す組電池１３２の放電電力値と、上記の直流入力電圧とに基づいて交直変換装置１３１に入力される直流入力電流を算出する。そして、算出部３２は、基礎データである上記の組電池配列情報が示す組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列に上記の直流入力電圧及び直流入力電流を関連付けし、それらの組み合わせを基準データとして判定部３３に出力する。

算出部３２はさらに、上記の組電池配列情報が示す組電池１３２の蓄電部２１の現在の組電池配列以外に取り得る他の組電池配列への切り替えが実行された場合に予想される交直変換装置１３１の直入入力電圧、及び、直流入力電流も併せて算出する。そして、算出部３２は、上記の基準データとして、上記の他の取り得る組電池配列の各々に対して予想される直流入力電圧及び直流入力電流を関連付けし、判定部３３に出力する。

判定部３３は、算出部３２から出力される上記の基準データを受け取ると、現在における組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列を他の組電池配列に切り替える必要があるか否かを判定する。具体的には、判定部３３は、上記の基準データから現在の組電池配列における交直変換装置１３１の直流入力電圧及び直流入力電流、及び、他の取り得る組電池配列における交直変換装置１３１の直流入力電圧及び直流入力電流を抽出し、現在の組電池配列を含む組電池配列の各々における直流入力電圧及び直流入力電流があらかじめ用意されている交直変換装置１３１の運転電圧範囲、運転電流範囲内に収まるか否かを判定する。そして、判定部３３は、交直変換装置１３１の運転電圧範囲、運転電流範囲内に収まる直流入力電圧及び直流入力電流に関連付けられている組電池配列のうち、最も交直変換装置１３１の交直変換効率が高くなる直流入力電圧を選択し、交直変換装置１３１にその直流入力電圧が入力される組電池配列を指示部３５に通知する。

格納部３４は、算出部３２が基準データを算出する際に利用する組電池１３２の蓄電部２１が取り得る組電池配列のすべてをあらかじめ記憶している。算出部３２は、上記の基準データを算出する際には、現在の組電池配列以外に取り得る組電池配列を格納部３４から取得し、上述したように基準データを算出する。また、格納部３４は、判定部が３３が算出部３２からの基準データに基づき上記の判定を行う際に利用する交直変換装置１３１の運転電圧範囲及び運転電流範囲をあらかじめ記憶している。判定部３３は、上記の判定を行う際には、交直変換装置１３１の運転電圧範囲及び運転電流範囲を格納部３４から取得し、それらを用いて判定する。さらに、格納部３４は、交直変換装置１３１の交直変換効率の特性、つまり、直流入力電圧に対して右肩上がりなのか、あるいは、右肩下がりなのか、をあらかじめ記憶している。判定部３３は、交直変換装置１３１の運転電圧範囲、運転電流範囲内に収まる直流入力電圧及び直流入力電流に関連付けられている組電池配列のうち、最も交直変換装置１３１の交直変換効率が高くなる直流入力電圧を交直変換装置１３１の交直変換効率の上記の特性に基づき選択する。

指示部３５は、判定部３３からの通知に基づき組電池１３２の接続切替回路２２Ａ、２２Ｂに組電池配列の切り替えを指示する。具体的には、判定部３３により選択された組電池配列が現在の組電池配列と同一であれば、指示部３５は接続切替回路２２Ａ、２２Ｂに切り替えの指示を出すことはなく、接続切替回路２２Ａ、２２Ｂは現在の組電池配列を維持する。一方、判定部３３により選択された組電池配列が現在の組電池配列と異なれば、指示部３５は接続切替回路２２Ａ、２２Ｂに判定部３３により選択された組電池配列への切り替えを指示し、接続切替回路２２Ａ、２２Ｂは指示部３５からの指示に基づき蓄電部２１の組電池配列の切り替えを実行する。

ここで、組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列と交直変換装置１３１の交直変換効率との関係について説明する。図４及び図５は組電池配列と交直変換効率との関係を示す図表であり、図４は本実施の形態に係る組電池及び交直変換装置に相当するものであり、図５は従来の組電池及び交直変換装置に相当するものである。

従来の組電池においては、背景技術の欄で説明したように、その組電池配列は固定されている。このため、図５に示すように、組電池の放電が初期、中盤期、終盤期、末期と進むにつれて組電池を構成する単電池の各々の出力電圧は低下し、交直変換装置に入力される入力電圧も大きく低下する。すなわち、組電池の放電の進行に伴って交直変換装置の運転電圧は大きく低下し、その結果、交直変換効率が大きく低下している。

さらに、上記の入力電圧の低下に起因して交直変換装置の入力電流が大きく上昇しており、このため、交直変換装置の運転電流範囲は必然的に大きくなり、交直変換装置の大型化、高価格化の要因となり得る。

一方、本実施の形態の組電池１３２においては、上述したように、その組電池配列は切り替え可能である。このため、図４に示すように、組電池の放電が初期、中盤期、終盤期、末期と進むにつれて組電池を構成する単電池の各々の出力電圧が低下する場合であっても、組電池配列を適宜切り替えていくことにより、交直変換装置１３１に入力される入力電圧の変動幅を従来と比較して小さくすることができる。すなわち、組電池１３２の放電の進行に伴って交直変換装置の運転電圧が大きく変動することは無く、その結果、交直変換効率を高い値で維持することが可能となる。

さらに、上記の入力電圧の変動の抑制によって交直変換装置の入力電流の変動も抑えられ、このため、交直変換装置の運転電流範囲も小さいものとなる。したがって、交直変換装置の小型化、低価格化が容易となる。

図６は単電池電圧と交直変換効率との関係を示すグラフ図、図７は単電池電圧と直流入力電流との関係を示すグラフ図である。図６から明らかなように、単電池の各々の出力電圧が低下する場合、従来の組電池においては、組電池配列が固定されていることから、交直変換効率が大きく低下してしまう。一方、本実施の形態の組電池１３２においては、組電池配列を切り替えていくことにより、高い交直変換効率を維持することができる。また、図７から明らかなように、従来の組電池においては、交直変換装置の入力電流が大きく上昇してしまうが、本実施の形態の組電池１３２においては、組電池配列を切り替えていくことにより、交直変換装置の入力電流の変動を抑制することができる。

次に、配列変換制御装置１３４の動作について説明する。図８〜図１０は組電池の蓄電部の組電池配列を示す図であり、図８は単電池を１４４直列×１０並列したもの、図９は単電池を１６０直列×９並列したもの、図１０は単電池を１８０直列×８並列したものである。また、図１１は、配列変換制御装置１３４の動作を説明するためのフローチャートである。

図１１に示すように、まず、組電池１３２から蓄電部２１の組電池接続情報が出力され、配列変換制御装置１３４はその組電池配列情報を取得する（ステップＳ１０１）。そして、交直変換装置１３１及び組電池１３２の動作モードが放電モード及び充電モードのいずれでも無い場合には（ステップＳ１０２ＮＯ）、再び、上記のステップＳ１０１に戻る。

一方、交直変換装置１３１及び組電池１３２の動作モードが放電モードまたは充電モードであれば（ステップＳ１０２ＹＥＳ）、組電池１３２の組電池情報を充放電制御装置１３３から取得し、その組電池情報から組電池１３２の組電池電力情報を取得する（ステップＳ１０３）。さらに、その組電池情報から組電池１３２の組電池電圧情報を取得する（ステップＳ１０４）。

次に、上記のステップＳ１０３で取得された組電池電力情報と、上記のステップＳ１０４で取得された組電池電圧情報を用いて組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列を判定し（ステップＳ１０５）、現在の組電池配列が最高配列でなければ（ステップＳ１０６ＮＯ）、蓄電部２１の組電池配列の変換を実行する（ステップＳ１０７）。一方、現在の組電池配列が最高配列であれば（ステップＳ１０６ＹＥＳ）、そのまま処理を終了する。

続けて、上記のステップＳ１０５における具体的な判定処理の手順について説明する。図１２は、上記のステップＳ１０５における判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。なお、ここでは、交直変換装置１３１の交直変換効率は、図１５（ａ）に示したように、直流入力電圧に対して右肩上がりの特性を有するものとする。また、交直変換装置１３１の運転電圧範囲を４００〜６２０Ｖ、運転電流範囲を０〜６２０Ａとする。また、現在の組電池配列は図８の１４４直列×１０並列（以下、「配列１」と呼ぶ。）であるとし、他の取り得る組電圧配列は図９の１６０直列×９並列（以下、「配列２」と呼ぶ。）、及び、図１０の１８０直列×８並列（以下、「配列３」と呼ぶ。）であるとする。さらに、現在までの組電池１３２からの交流放電電力値は２００ｋＷであるとする。

図１２に示すように、まず、図１１のステップＳ１０４において取得された組電池電圧情報が示す組電池１３２の電圧に基づいて交直変換装置１３１に入力される直流入力電圧を算出する（ステップＳ２０１）。本ステップＳ２０１においては現在の組電池配列における直流入力電圧に加えて、組電池１３２の蓄電部２１が取り得る他の組電池配列における直流入力電圧も併せて算出する。例えば、組電池１３２の蓄電部２１を構成する単電池の平均出力電圧が３．６Ｖであるとすれば、図１３（ａ）に示すように、配列１の直流入力電圧は３．６Ｖ×１４４直列＝５１８．４Ｖとなる。同様に、配列２の直流入力電圧は３．６Ｖ×１６０直列＝５７６．０Ｖ、配列３の直流入力電圧は３．６Ｖ×１８０直列＝６４８．０Ｖとなる。なお、蓄電部２１を構成する単電池の平均出力電圧は充放電制御装置１３３から出力される組電池１３２の組電池情報から抽出すれば良い。

次に、上記のステップＳ２０１において算出された、組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列の配列１、配列２及び配列３の各々の直流入力電圧に関して、交直変換装置１３１の運転電圧範囲との比較を実行する（ステップＳ２０２）。本ステップＳ２０２においては、交直変換装置１３１の運転電圧範囲が４００〜６２０Ｖであることから、図１３（ｂ）に示すように、配列１及び配列２が運転電圧範囲内であり、配列３が運転電圧範囲外である。

次に、後述するステップＳ２０４において直流入力電流を算出する際に利用される交直変換装置１３１の交直変換効率を仮に設定する（ステップＳ２０３）。本ステップＳ２０３においては、組電池１３２の組電池情報から抽出される組電池１３２の放電電力値が交流電力値であることから、交直変換装置の交直変換効率を仮定しておき、後述するステップＳ２０４においてこの仮定された交直変換効率を用いて直流入力電流を算出する。なお、本ステップＳ２０３において設定される交直変換効率は、後述するステップＳ２０５において交直変換装置１３１の直流入力電流が運転電流範囲内であるか否かを比較するための推定値である。通常、予想される交直変換効率よりも低い値となるように設定される。なお、ここでは、交直変換効率は０．９５に設定されたとする。

次に、図１１のステップＳ１０３において取得された組電池電力情報が示す組電池１３２の放電電力値、上記のステップＳ２０２において算出された直流入力電圧、及び、上記のステップＳ２０３において設定された交直変換装置１３１の交直変換効率に基づいて交直変換装置１３１に入力される直流入力電流を算出する（ステップＳ２０４）。本ステップＳ２０４においては、組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列の配列１及び配列２の各々について直流入力電流を算出し、上記のステップＳ２０２において直流入力電圧が運転電圧範囲外とされた配列３については算出しない。図１３（ｃ）に示すように、配列１の直流入力電流は２００ｋＷ÷５１８．４Ｖ÷０．９５＝４０６Ａとなり、配列２の直流入力電流は２００ｋＷ÷５７６．０Ｖ÷０．９５＝３６６Ａとなる。

次に、上記のステップＳ２０４において算出された、組電池１３２の蓄電部２１の組電池配列の配列１及び配列２の各々の直流入力電流に関して、交直変換装置１３１の運転電流範囲との比較を実行する（ステップＳ２０５）。本ステップＳ２０５においては、交直変換装置１３１の運転電流範囲が０〜６２０Ａであることから、図１３（ｄ）に示すように、配列１及び配列２は共に運転電圧範囲内である。

最後に、交直変換装置１３１の交直変換効率が最も高くなる組電池配列を配列１及び配列２のうちから選択し、組電池配列の最高配列を決定する（ステップＳ２０６）。本ステップＳ２０６においては、交直変換装置１３１の直流入力電圧が運転電圧範囲内にあり、且つ、交直変換装置１３１の直流入力電流が運転電流範囲内にある、組電池の配列１及び配列２のうち、図１３（ｅ）に示すように、直流入力電圧が最も高い配列２が最高配列として決定される。交直変換装置１３１の交直変換効率は、図１５（ａ）に示したように、直流入力電圧に対して右肩上がりの特性を有しており、直流入力電圧が高いほど交直変換効率が高くなるからである。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、交直変換装置の大型化、高価格化を招くことなく、交直変換装置の交直変換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る電力貯蔵装置が導入された電力設備の概略構成を示すブロック図である。 組電池の概略構成を示す図である。 配列変換制御装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る組電池配列と交直変換効率との関係を示す図表である。 従来の組電池配列と交直変換効率との関係を示す図表である。 単電池電圧と交直変換効率との関係を示すグラフ図である。 単電池電圧と直流入力電流との関係を示すグラフ図である。 単電池を１４４直列×１０並列した組電池を示す図である。 単電池を１６０直列×９並列した組電池を示す図である。 単電池を１８０直列×８並列した組電池を示す図である。 配列変換制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 判定処理の手順を説明するためのフローチャートである。 判定処理の手順を説明するための図である。 単電池の充放電時における電圧の変化を示すグラフ図である。 交直変換装置の運転電圧と交直変換効率との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ 電力設備
１１ 受電設備
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 負荷
１３ 電力貯蔵装置
２１ 蓄電部
２２Ａ、２２Ｂ 接続切替回路
３１ 取得部
３２ 算出部
３３ 判定部
３４ 格納部
３５ 指示部
１３１ 交直変換装置
１３２ 組電池
１３３ 充放電制御装置
１３４ 配列変換制御装置

Claims (5)

1. 商用電力系統と負荷との間に接続され、交流電力と直流電力との間で交直変換する交直変換装置と、
   前記交直変換装置の直流側に接続されており、複数の二次電池が直並列に配列されて構成され、且つ、前記複数の二次電池の直並列の配列パターンがあらかじめ定められた複数の配列パターン間において切り替え可能な組電池と、
   前記複数の二次電池の直並列の配列パターンを前記あらかじめ定められた複数の配列パターン間において切り替える配列変換制御装置と
   を備え、
   前記交直変換装置は、前記組電池の直流電圧の変化に応じて変化する特性を持つ交直変換効率を有しており、
   前記配列変換制御装置は、前記組電池が充放電される場合において、前記交直変換装置の交直変換効率が最大化されるように、前記複数の二次電池の直並列の配列パターンを切り替えて、前記組電池の直流電圧を調整することを特徴とする電力貯蔵装置。
2. 前記配列変換制御装置は、前記交直変換装置の交直変換効率の特性をあらかじめ記憶する格納部と、前記格納部に記憶された前記交直変換装置の変換効率の特性に基づいて前記交直変換装置の交直変換効率を最大化させるための前記組電池の直流電圧を判定し、前記判定結果に基づいて前記あらかじめ定められた複数の配列パターンのうちの１つを選択する判定部と、前記選択結果に基づいて前記複数の二次電池の直並列の配列パターンの切り替えを前記組電池に指示する指示部とを有することを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵装置。
3. 前記交直変換装置は、前記交直変換装置が交直変換する際に入出力可能な電圧範囲をさらに有しており、
   前記判定部は、前記組電池の直流電圧が前記入出力可能な電圧範囲内になるように前記あらかじめ定められた複数の配列パターンのうちの１つを選択することを特徴とする請求項２に記載の電力貯蔵装置。
4. 前記交直変換装置は、前記交直変換装置が交直変換する際に入出力可能な電流範囲をさらに有しており、
   前記判定部は、前記組電池の直流電流が前記入出力可能な電流範囲内になるように前記あらかじめ定められた複数の配列パターンのうちの１つを選択することを特徴とする請求項３に記載の電力貯蔵装置。
5. 前記交直変換装置及び前記組電池に接続され、前記交直変換装置を介した前記組電池の充放電を制御する充放電制御装置をさらに備え、
   前記配列変換制御装置は、前記充放電制御装置が前記組電池の充放電を制御する際に取得する前記組電池の直流電圧が入力されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力貯蔵装置。

Images