JP2012065434A - 直流電源装置及び電力貯蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】性能にばらつきがある複数の電池を、より有効に活用することができる直流電源装置及びこれを用いた電力貯蔵システムを提供する。
【解決手段】複数の電池（典型的には二次電池）から選択した電池とＤＣ／ＤＣ変換回路２とを相互に接続する第１の接続装置３を有する直流電源装置であって、ＤＣ／ＤＣ変換回路２は、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４と、第２の接続装置２０とを備えている。第２の接続装置２０は、キャパシタを並列又は直列に接続することができ、並列接続で電池により充電された各キャパシタを直列接続に切り替えて外部へ放電出力させる工程、又は、直列接続で外部の電圧により充電された各キャパシタを並列接続に切り替えて電池の充電用に放電出力させる工程を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池を用いた直流電源装置及びこれを含む電力貯蔵システムに関する。

充電して繰り返し使用可能な二次電池を用いて電力を貯蔵し、必要時に二次電池から系統へ電力を供給する電力貯蔵技術の開発が進んでいる（例えば、非特許文献１参照。）。このような電力貯蔵技術は、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途の他、太陽光発電や風力発電のように発電量の変動が大きい発電設備を補完する用途にも適用可能である（例えば、非特許文献２参照。）。

上記のような用途に用いられる二次電池は、多数の電池の集合体からなる。例えばリチウムイオン電池であれば、１個の電圧は３．６Ｖ程度であるので、多数の電池を直列に接続してストリングを形成し、さらにストリングを並列に接続した直並列接続とする。このような多数の電池を充電しておくことにより、必要な場合に、所望の電圧・電力を供給することができる。

三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月 電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」

図１０は、例えば３つの電池を互いに直列に接続した図とともに、それらの残量（Ｆ：満、Ｅ：空）を観念的に例示した図である。なお、ここで言う１つの電池とは、電池の１セルと考えても良いし、複数セルが直列接続された電池パックとしての１電池であると考えても良い。充電時には電池の直列体に電流が流れ込み、電力が蓄えられる。放電時には、電池の直列体から電流が流れ出て、電力が外部へ供給される。

ここで、電池の直列体から放電させて外部に電力供給する場合には、残量が最も低い電池が放電限界に達すると、他の電池には残量が十分あっても、直列体全体としては出力が０になってしまう。一方、充電時には、いずれか１つの電池が満充電の状態になると、他の電池は満充電でなくても、それ以上充電することはできなくなる。

このように、性能にばらつきがある電池の直列体を用いて充放電を行わせる場合、いずれかの電池がいわば全体の足を引っ張る形になって、全体としての充放電性能を十分に生かせないという問題点がある。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、性能にばらつきがある複数の電池を、より有効に活用することができる直流電源装置及びこれを用いた電力貯蔵システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、複数の電池と、ＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記複数の電池から選択した１つの電池又は複数の並列接続された電池と前記ＤＣ／ＤＣ変換回路とを相互に接続する第１の接続装置と、を備えた直流電源装置であって、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路は、
複数のキャパシタと、並列接続用のスイッチを介して各キャパシタを並列接続する回路、及び、直列接続用のスイッチを介して各キャパシタを直列接続する回路を含み、各スイッチのオン又はオフを選択することによって、並列接続で前記電池により充電された各キャパシタを直列接続に切り替えて外部へ放電出力させる工程を繰り返す第２の接続装置とを備えている。

上記のように構成された直流電源装置では、第２の接続装置によって、並列接続で電池により充電された各キャパシタを直列接続に切り替えて外部へ放電出力させることにより昇圧を実現するので、電池自体は１つか又は複数の並列接続体としてＤＣ／ＤＣ変換回路に接続すればよい。すなわち、電池を直列に接続して所望の電圧を得るという構成ではないので、個々の電池の放電能力を有効活用することができる。

（２）また、別の視点からの本発明は、二次電池である複数の電池と、ＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記複数の電池から選択した１つの電池又は複数の並列接続された電池と前記ＤＣ／ＤＣ変換回路とを相互に接続する第１の接続装置と、を備えた直流電源装置であって、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路は、
複数のキャパシタと、並列接続用のスイッチを介して各キャパシタを並列接続する回路、及び、直列接続用のスイッチを介して各キャパシタを直列接続する回路を含み、各スイッチのオン又はオフを選択することによって、直列接続で外部から供給される電圧により充電された各キャパシタを並列接続に切り替えて前記電池に対して放電出力させる工程を繰り返す第２の接続装置とを備えている。

上記（２）のように構成された直流電源装置では、第２の接続装置によって、直列接続で外部から供給される電圧により充電された各キャパシタを並列接続に切り替えて電池の充電用に放電出力させることにより降圧を実現するので、電池自体は１つか又は複数の並列接続体としてＤＣ／ＤＣ変換回路に接続すればよい。すなわち、電池の直列体を充電するという構成ではないので、個々の電池の充電容量を有効活用することができる。

（３）また、上記（１）又は（２）の直流電源装置において、第１の接続装置は、各電池を開放してその両端電圧を測定する回路を含むものであってもよい。
この場合、開放すなわち不使用時の電池の両端電圧から、当該電池の充電深度を求めることができる。

（４）また、上記（１）の直流電源装置において、第１の接続装置は、ＤＣ／ＤＣ変換回路との接続用に選択されていない不使用の各電池について、その両端電圧に基づいて充電深度を求め、いずれかの電池を放電させるときは、充電深度が相対的に高い電池を優先的にＤＣ／ＤＣ変換回路に接続するようにしてもよい。
この場合、その時点で残量が多い電池を適時に有効活用することができる。

（５）また、上記（２）の直流電源装置において、第１の接続装置は、ＤＣ／ＤＣ変換回路との接続用に選択されていない不使用の各電池について、その両端電圧に基づいて充電深度を求め、いずれかの電池を充電するときは、充電深度が相対的に低い電池を優先的にＤＣ／ＤＣ変換回路に接続するようにしてもよい。
この場合、残量が少ない電池を充電して、当該電池を、放電用に選択できる状態に回復させることができる。

（６）また、上記（１）又は（２）の直流電源装置において、第１の接続装置は、各電池を順番にＤＣ／ＤＣ変換回路に接続するようにしてもよい。
この場合、各電池を順番に選ぶことにより、まんべんなく各電池を使いこなし又は充電することができる。

（７）また、上記（１）又は（２）の直流電源装置において、第１の接続装置は、使用可能な全ての電池を並列に接続して、ＤＣ／ＤＣ変換回路に接続するようにしてもよい。
この場合、電池の放電の際は、各電池を同時に使用することができ、出力電圧が安定する。また、電池の充電の際は、各電池を同時に充電することができ、電圧を揃えることができる。

（８）また、上記（１）又は（２）の直流電源装置において、スイッチは、半導体スイッチング素子であることが好ましい。
半導体スイッチング素子は、高速応答に適し、耐久性にも優れている。

（９）また、上記（１）又は（２）の直流電源装置において、電池とＤＣ／ＤＣ変換回路との接続は、半導体スイッチング素子を介して行われることが好ましい。
半導体スイッチング素子は、高速応答に適し、耐久性にも優れている。

（１０）また、上記（８）又は（９）の直流電源装置において、半導体スイッチング素子は、ＦＥＴであってもよい。
ＦＥＴは高速応答に適し、特に、ＳｉＣ−ＦＥＴは、高速応答及び耐電圧の点で最も優れている。

（１１）また、上記（８）〜（１０）のいずれかの直流電源装置において、半導体スイッチング素子は、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は、ダイヤモンドを含む材料によって構成されたワイドバンドギャップ半導体であることが好ましい。
これらの素子は、シリコンと比較して圧倒的に絶縁耐力が優れている他、オン抵抗が小さいのでスイッチング損失が少ない。また、高速応答に適し、耐久性にも優れている。

（１２）一方、本発明の電力貯蔵システムは、上記（１）又は（２）の直流電源装置と、当該直流電源装置の入出力と所望の電源系統とを仲介する変換装置とを備えたものである。
この場合、個々の電池の放電能力を有効活用する電力貯蔵システムを構成することができる。

本発明の直流電源装置又は電力貯蔵システムによれば、性能にばらつきがある複数の電池を、より有効に活用することができる。

本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。 変換装置の構成が図１とは異なる場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。 直流負荷系統と連系する場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。 直流電源装置の詳細な回路構成の一例を示す回路図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、電池から外部に直流電圧を供給する場合の、キャパシタの充電時及び放電時のスイッチの状態を示す回路図である。 図５に示す各スイッチのオン・オフに関するタイムチャートの一例である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、外部から直流電圧の供給を受けて電池の充電を行う場合の、キャパシタの充電時及び放電時のスイッチの状態を示す回路図である。 電池情報の取得に関する処理の一例を示すフローチャートである。 電池の充電又は放電の動作に関する処理の一例を示すフローチャートである。 例えば３つの電池を互いに直列に接続した図とともに、それらの残量（充電深度）を観念的に例示した図である。

《電力貯蔵システムとしての概略》
図１は、本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。図において、交流負荷系統に連系する電力貯蔵システムは、交流／直流を相互に変換する交直変換装置１０１と、直流電源装置１（詳細後述）とによって構成される。

図２は、変換装置の構成が図１とは異なる場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。この場合は、直流／直流変換装置１０２によって一旦電圧調整をした上で、交直変換装置１０１を介して交流負荷系統と連系する。変換効率を最適化するには、この構成が好ましい。
また、図３は、直流負荷系統と連系する場合の、電力貯蔵システムの要部を示す接続図である。この場合には、直流／直流変換装置１０２のみでよい。
上記のように、変換装置（１０１，１０２）は、直流電源装置１の入出力と所望の電源系統とを仲介する役目をする。

《直流電源装置》
図４は、直流電源装置１の詳細な回路構成の一例を示す回路図である。図において、この装置１は、二次電池である複数（８個）の電池Ｂ１〜Ｂ８と、外部の変換装置（１０１，１０２）と接続されるＤＣ／ＤＣ変換回路２と、複数の電池Ｂ１〜Ｂ８から１又は複数の電池を選択してＤＣ／ＤＣ変換回路２に接続する接続装置３（第１の接続装置）と、マイクロコンピュータやスイッチング用のドライバを含む制御装置４と、複数の電池Ｂ１〜Ｂ８から１個のみを選択するためのスイッチとしての複数（８個）のフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８と、電池Ｂ１〜Ｂ８の共通の負極及び、フォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８のうちいずれか１つから送られてくる電池の正極の電位差（両端電圧）をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ５と、を備えている。

上記接続装置３には、共通の１個のスイッチＳＢ０及び、各電池Ｂ１〜Ｂ８に対応した複数（８個）のスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を図示のように接続して構成された電池用のスイッチ群ＳＢの他、当該スイッチ群ＳＢのオン・オフ制御を行う制御装置４、フォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８、Ａ／Ｄコンバータ５も含まれる。なお、電池Ｂ１〜Ｂ８、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８及びフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８は、それぞれ８個としているが、これは一例に過ぎず、個数は任意の複数に構成することができる。

なお、個々の電池は、理論的には１セルであってもよいが、通常は複数セルが直列に接続されて１個体を成しているものを、１つの電池としている。電池の種類としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、その他各種の充電可能な電池（二次電池）を用いることができる。

電池Ｂ１〜Ｂ８の負極は全て、共通のマイナス側電路Ｌｎに接続されている。また、正極はそれぞれスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を介してプラス側電路Ｌｐに接続されている。スイッチＳＢ１〜ＳＢ８は、どの電池Ｂ１〜Ｂ８をプラス側電路Ｌｐにつなぐかを選択するスイッチである。そして、マイナス側電路Ｌｎと、スイッチＳＢ０を介したプラス側電路Ｌｐ１との間の電圧が、ＤＣ／ＤＣ変換回路２への入力電圧となる。

一方、電池Ｂ１〜Ｂ８の各正極はそれぞれ、フォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８を介してＡ／Ｄコンバータ５の一方の入力端子（＋）に接続されている。電池Ｂ１〜Ｂ８の各負極が接続されたマイナス側電路Ｌｎは、Ａ／Ｄコンバータ５の他方の入力端子（−）に接続されている。すなわち、いずれか１つのフォトカプラをオンにすれば、対応する電池の両端電圧がＡ／Ｄコンバータ５に入力される。Ａ／Ｄコンバータ５は入力されたアナログ電圧値をデジタル電圧値に変換して、制御装置４に提供する。制御装置４は、フォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８のオン・オフ、及び、スイッチＳＢ０〜ＳＢ８のオン・オフを制御する。

上記スイッチＳＢ０〜ＳＢ８としては、高速応答に適し、耐久性にも優れている半導体スイッチング素子が好適であり、例えば、ＦＥＴが用いられる。ＦＥＴは、高速応答に適し、特に、ＳｉＣ−ＦＥＴは、高速応答及び耐電圧の点で最も優れている。

ＤＣ／ＤＣ変換回路２は、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４と、これらのキャパシタＣ１〜Ｃ４を並列又は直列に接続するための接続装置２０（第２の接続装置、キャパシタＣ１〜Ｃ４は含まない。）と、を主要な構成要素として備えている。接続装置２０は、並列接続用のスイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを介して各キャパシタＣ１〜Ｃ４を並列接続する回路（図の横方向の線路）、及び、直列接続用のスイッチＳ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃを介して各キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列接続する回路（図の斜め方向の線路）を含んでいる。また、ＤＣ／ＤＣ変換回路２内の各スイッチは制御装置４によってオン・オフ制御されるので、制御装置４も接続装置２０の一部を成すものである。すなわち、制御装置４は、第１の接続装置３の一部であるとともに、第２の接続装置２０の一部でもある。

また、回路上のノード（接続点）Ｎｐと、Ｎｎとの間に、スイッチＳｏｕｔを介して平滑用キャパシタＣｏｕｔが接続されている。この平滑用キャパシタＣｏｕｔの両端電圧が、ＤＣ／ＤＣ変換回路２の出力電圧となる。

各スイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂ，Ｓ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ，Ｓｏｕｔは、制御装置４によってオン・オフ制御される。なお、図示したキャパシタの個数（４個）は説明の便宜上の一例に過ぎず、入力電圧と所望の出力電圧との関係によって個数は異なる。また、キャパシタＣ１〜Ｃ４のキャパシタンスは必ずしも共通の値でなくてもよいが、典型的には同一値である。一例としては、キャパシタＣ１〜Ｃ４のキャパシタンスは４０００μＦ、平滑用キャパシタＣｏｕｔは１０００μＦである。

ＤＣ／ＤＣ変換回路２用のスイッチとしては、高速応答に適し、耐久性に優れている半導体スイッチング素子が好適であり、例えば、ＦＥＴが用いられる。また、材料としては、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は、ダイヤモンド等の材料によって構成されたワイドバンドギャップ半導体が好適である。これらの素子は、シリコンと比較して圧倒的に絶縁耐力が優れており、１０００Ｖ以上の耐圧を低オン抵抗で実現することも可能である。低オン抵抗により、スイッチング損失を少なくすることができる。また、高速応答に適し、耐久性にも優れている。なお、スイッチＳＢ０〜ＳＢ８についても同様の半導体スイッチング素子を使用することができる。

次に、上記ＤＣ／ＤＣ変換回路２の動作について説明する。図５の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、電池から外部に直流電圧を供給する場合の、キャパシタＣ１〜Ｃ４の充電時及び放電時のスイッチの状態を示す回路図である。
まず、充電時において制御装置１１（図４）は、（ａ）に示すように、並列接続用のスイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを全てオン（スイッチＳＢ０もオン）の状態とし、かつ、直列接続用のスイッチＳ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ及び、スイッチＳｏｕｔをオフの状態とする。

この状態では、電池Ｂ１〜Ｂ８のいずれかから供給される入力電圧Ｖ_Ｌにより、互いに並列に接続された４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４が充電され、両端電圧は同じ値Ｖ_Ｌとなる。なお、仮に、４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４のキャパシタンスが完全に同一ではなかったとしても、それぞれのキャパシタンスに応じた電荷が蓄積され、両端電圧は同じ値Ｖ_Ｌである。

次に、制御装置１１は、（ｂ）に示すように、並列接続用のスイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを全てオフ（スイッチＳＢ０もオフ）の状態とし、かつ、直列接続用のスイッチＳ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ及び、スイッチＳｏｕｔをオンの状態とする。これによって４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４は直列に接続される。このとき、ノードＮｐ−Ｎｎ間に発生する電圧をＶ_Ｈは、短時間的には、４直列に接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ４の両端電圧の総和となり、
Ｖ_Ｈ＝４・Ｖ_Ｌ
となる。キャパシタの数がｎ（２以上の自然数）であれば、一般的には
Ｖ_Ｈ＝ｎ・Ｖ_Ｌ
と表される。

図６は、各スイッチのオン・オフに関するタイムチャートである。例えば時刻ｔ１に並列接続用のスイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂがオンの状態になり、時刻ｔ２にオフの状態となる。その直後の時刻ｔ３に、直列接続用のスイッチＳ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ及び出力用のスイッチＳｏｕｔがオンの状態となり、時刻ｔ４にオフの状態となる。以下同様に、スイッチングが周期Ｔで繰り返される。並列接続用のスイッチと、直列接続用のスイッチとは、互いに同時にオンの状態とならないように、僅かな時間差（例えばｔ２〜ｔ３）が設けてある。

このようにして、図５の（ａ）に示すキャパシタＣ１〜Ｃ４の充電と、（ｂ）に示すキャパシタＣ１〜Ｃ４の放電とは、例えば２ｋＨｚ程度の高頻度で繰り返し実行される。すなわち、接続装置２０は、各スイッチのオン又はオフを適宜選択することによって、並列接続された各キャパシタＣ１〜Ｃ４を、入力された電圧で充電した後、直列接続に切り替えて放電出力させる、という工程を繰り返す。従って、キャパシタＣ１〜Ｃ４は、エネルギーが尽きることなく直流電源として機能し、平滑用キャパシタＣｏｕｔの両端から上記電圧Ｖ_Ｈが出力される。すなわち、入力電圧を４倍（ｎ倍）に昇圧するＤＣ／ＤＣ変換回路２となる。

一方、図７の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、外部から直流電圧の供給を受けて電池の充電を行う場合の、キャパシタＣ１〜Ｃ４の充電時及び放電時のスイッチの状態を示す回路図である。
まず、充電時において制御装置１１（図４）は、（ａ）に示すように、並列接続用のスイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを全てオフ（スイッチＳＢ０もオフ）の状態とし、かつ、直列接続用のスイッチＳ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ及び、スイッチＳｏｕｔをオンの状態とする。これによって４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４は直列に接続される。

この状態で外部の変換装置（１０１，１０２）から供給される所定の直流電圧Ｖ_Ｈにより、４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４が充電される。この場合、各キャパシタＣ１〜Ｃ４には等量の電荷Ｑが蓄えられるので、Ｖ＝Ｑ／Ｃの関係で各キャパシタＣ１〜Ｃ４の両端電圧が決まる。キャパシタンスが同一値であるとすると、各キャパシタＣ１〜Ｃ４の両端電圧Ｖ_Ｌは、Ｖ_Ｌ＝Ｖ_Ｈ／４となる。

次に、制御装置１１は、（ｂ）に示すように、並列接続用のスイッチＳ１ａ，Ｓ２a，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂを全てオン（スイッチＳＢ０もオン）の状態とし、かつ、直列接続用のスイッチＳ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ及び、スイッチＳｏｕｔをオフの状態とする。これによって４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４は互いに並列に接続される。このとき、出力される電圧は、Ｖ_Ｌである。

このように、出力される電圧は、４直列で充電されたキャパシタＣ１〜Ｃ４の各両端電圧となり、
Ｖ_Ｌ＝（１／４）・Ｖ_Ｈ
となる。キャパシタの数がｎであれば、一般的には
Ｖ_Ｌ＝（１／ｎ）・Ｖ_Ｈ
と表される。

直列接続／並列接続の切替のタイミングは、図６と同様に行われる。このようにして、図７の（ａ）に示すキャパシタＣ１〜Ｃ４の充電と、（ｂ）に示すキャパシタＣ１〜Ｃ４の放電とは、同様に、例えば２ｋＨｚ程度の高頻度で繰り返し実行される。すなわち、接続装置２０は、各スイッチのオン又はオフを適宜選択することによって、直列接続された各キャパシタＣ１〜Ｃ４を、入力された電圧で充電した後、並列接続に切り替えて放電出力させる、という工程を繰り返す。従って、キャパシタＣ１〜Ｃ４は、エネルギーが尽きることなく直流電源として機能し、電圧Ｖ_Ｌが出力される。すなわち、入力電圧を１／４倍（１／ｎ倍）に降圧するＤＣ／ＤＣ変換回路２となる。

以上のように、このＤＣ／ＤＣ変換回路２では、並列接続の状態で充電されたキャパシタが、直列接続に切り替えられることにより、放電により出力される電圧は各キャパシタの両端電圧の総和となる。すなわち、入力された電圧は、基本的にキャパシタの数だけ増倍され、昇圧される。また、逆に、このＤＣ／ＤＣ変換回路２では、直列接続の状態で充電されたキャパシタが、並列接続に切り替えられることにより、放電により出力される電圧は直列体に充電された電圧をキャパシタ数で除した電圧となる。すなわち、入力された電圧は、基本的にキャパシタの数で分圧され、降圧される。このようなＤＣ／ＤＣ変換回路２は、昇圧／降圧にリアクトルを必要としないため、小型化・軽量化に適し、また、リアクトルの銅損・鉄損が無いので、変換効率が改善される。

なお、平滑用キャパシタＣｏｕｔに至る回路にスイッチＳｏｕｔが介挿されていることにより、このスイッチＳｏｕｔをオフにすれば、外部の電源と、電池とを、互いに絶縁することができる。また、スイッチＳｏｕｔがオンのときは、接続装置３側のスイッチＳＢ０がオフになるので、やはり、外部の電源と、電池とは、互いに絶縁される。

上記ＤＣ／ＤＣ変換回路２は、電池Ｂ１〜Ｂ８のいずれか又は変換装置（１０１，１０２）から提供される電気エネルギーを蓄えつつ放出するという過程を連続的に行って、電気エネルギーの中継を行っている。外部の変換装置（１０１，１０２）と直接的に電気エネルギーのやりとりをするのはキャパシタＣ１〜Ｃ４であり、電池Ｂ１〜Ｂ８ではない。

次に、上記ＤＣ／ＤＣ変換回路２を含む、直流電源装置１全体の動作について説明する。直流電源装置１の動作は、電池情報の取得に関する処理と、充電又は放電の動作に関する処理とがあり、これらの処理は平行して行われる。
上記のフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８、Ａ／Ｄコンバータ５及び制御装置４は、各電池Ｂ１〜Ｂ８の両端電圧を測定する回路を構成しており、この回路によって電池情報が取得される。なお、電池Ｂ１〜Ｂ８のいずれかを選択して使用する場合は、当然ながら、非選択の電池は使用されていない。使用されていない電池は、開放されているので、起電力の測定が可能である。

図８は、電池情報の取得に関する処理の一例を示すフローチャートである。図において、まず、制御装置４は、８個のフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８のうち、いずれか１つをオン（他は全てオフ）にして（ステップＳ１）、対応する電池の両端電圧を測定する（ステップＳ２）。ここで、現在、使用（選択）されていない電池の両端電圧は内部抵抗による電圧降下が無いので、実質的に起電力を表している。一方、使用されている電池の両端電圧は、電流が内部抵抗に流れることによる電圧降下分だけ、起電力より低い値となる。

そこで、制御装置４は、両端電圧を測定した電池が、現在使用中か否か、すなわち、選択された電池であるか否かを判定し（ステップＳ３）。使用中でなければ、測定値を起電力として扱う（ステップＳ４）。起電力がわかれば、ネルンストの式（Nernst Equation）を用いて充電深度を求めることができる（ステップＳ５）。一方、使用中であれば、測定値をそのまま両端電圧として扱い（ステップＳ６）、既に記憶している起電力との比較に基づいて内部抵抗を求める（ステップＳ７）。

その後、制御装置４は、ステップＳ１に戻り、次のフォトカプラをオンにして、同様の処理を行う。ステップＳ１において制御装置４は、例えばフォトカプラＰｃ１からＰｃ８まで順番に選択し、Ｐｃ８の次は、またＰｃ１から順番に選択する。このようにしてサイクリックに電池情報の取得を繰り返し、情報を更新していく。
なお、充電深度すなわち電池としての残量は、充放電に際して、どの電池を選択するかの選択基準となる。また、電池は、劣化するほど内部抵抗が大きくなるので、内部抵抗に基づいて交換時期を判断し、交換を促す警告を発する処理を行うこともできる。

図９は、電池の充電又は放電の動作に関する処理の一例を示すフローチャートである。まず、制御装置４は、電池の充電か放電かによって、動作を区別する（ステップＳ１０）。充電／放電のどちらの動作を行うかは、外部（上位システム）からの指示による。
まず、電池を放電させる場合の動作について説明する。

上記の電池情報に基づいて、制御装置４は、放電用として最も充電深度が高い電池（Ｂ１〜Ｂ８のいずれか１つ）を、次に選択すべき電池として特定する（ステップＳ１１）。なお、現時点で選択されている電池については、電圧降下のために正確な充電深度を把握できないので、当該電池は除外して、その他の電池のうちで最も充電深度が高い電池（Ｂ１〜Ｂ８のうち使用中の１つを除いたものの中のいずれか１つ）を特定するようにしてもよい。

次に、制御装置４は、現時点で選択されている電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオフにして、当該電池を系統から解列する（ステップＳ１２）。続いて制御装置４は、次に選択すべき電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオンにして、当該電池をプラス側電路Ｌｐ（図４）に接続する（ステップＳ１３）。

続いて、制御装置４は、スイッチＳＢ０をオンにするとともに、接続装置２０を図５の（ａ）の状態すなわち、キャパシタＣ１〜Ｃ４を並列接続した状態とすることにより、並列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ４を充電する（ステップＳ１４）。充電後、制御装置４は、接続装置２０を図５の（ｂ）の状態すなわち、キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列接続した状態でスイッチＳｏｕｔをオンにするとともにスイッチＳＢ０をオフとすることにより、直列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ４を放電させ、出力電圧を外部へ提供する（ステップＳ１５）。前述のように、並列接続／直列接続の切替を例えば２ｋＨｚで行うとすれば、ステップＳ１４，Ｓ１５の実行時間は（１／２）ｍｓｅｃである。

制御装置４は、ステップＳ１４，Ｓ１５を所定回数（あるいは所定時間）実行し（ステップＳ１６）、実行完了後はステップＳ１０に戻り、同様の処理を繰り返す。電池はその都度特定される（ステップＳ１１）ので、現在選択されている電池を次期選択の対象外とする場合は、残りの電池の中で充電深度が最も高い電池が選択されることになる。このようにして、残量の多い電池が逐次選ばれる。なお、「残りの電池の中で充電深度が最も高い」というのは選択基準の一例であり、必ずしも最も高いものでなくてもよい。例えば充電深度が１，２番手の電池からランダムに選ぶ、というような選択も可能である。充電深度が相対的に高い電池を優先的に選択することで、その時点で性能が優れている電池を適時に有効活用することができる。

なお、電池の電圧は一定とは限らないのでＤＣ／ＤＣ変換回路２の出力電圧も一定とは限らないが、外部の変換装置（１０１，１０２）の制御により電圧変動を吸収して所定の系統連系のための電圧を出力することができる。このことから、逆に言えば、電池の選択は、必ずしも残量の多いものを優先的に選択しなくてもよい、ということになる。従って、例えば、残量に関係なく順番に電池を使用するようにしてもよい。この場合、ステップＳ１１における電池の特定は、単に、順番が回ってきた電池を選ぶ、ということになる。各電池を順番に選ぶことにより、まんべんなく各電池を使いこなすことができる。但し、残量が著しく低下している電池や、内部抵抗が所定値以上に増大している（劣化している）電池は除外することが必要な場合もある。

また、残量が近似した複数の電池を並列接続して使用してもよい。
さらには、使用可能な全ての電池を並列に接続して（全ての電池が使用可能であればスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を全てオンにする。）使用してもよい。この場合には、図９におけるステップＳ１１〜Ｓ１３の処理は不要である。この場合、各電池を同時に使用することができ、出力電圧が安定する。

すなわち、電池の選び方には、残量の多いものを選ぶ、順番に選ぶ、まとめて複数並列で選ぶ、という選び方があるが、いずれの場合も、電池は直列に接続されない。
本実施形態の直流電源装置１は、電池を直列に接続せず、キャパシタＣ１〜Ｃ４の接続を並列／直列に切り替えることで昇圧するので、電池を直列に接続したときのような、いずれかの電池に制約されて全ての電池の放電能力を発揮できない、という事態を防止することができる。

次に、電池を充電する場合の動作について説明する。
まず、前述の電池情報に基づいて、制御装置４は、充電用（充電対象）として最も充電深度が低い電池（Ｂ１〜Ｂ８のいずれか１つ）を、次に選択すべき電池として特定する（ステップＳ２１）。

次に、制御装置４は、現時点で選択されている電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオフにして、当該電池を系統から解列する（ステップＳ２２）。続いて制御装置４は、次に選択すべき電池に対応するスイッチ（ＳＢ１〜ＳＢ８のいずれか）をオンにして、当該電池をプラス側電路Ｌｐに接続する（ステップＳ２３）。

続いて、制御装置４は、ＤＣ／ＤＣ変換回路２の接続装置２０を図７の（ａ）の状態すなわち、キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列接続した状態でスイッチＳｏｕｔをオンにすることにより、直列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ４を充電する（ステップＳ２４）。なお、このときスイッチＳＢ０はオフである。充電後、制御装置４は、接続装置２０を図７の（ｂ）の状態すなわち、キャパシタＣ１〜Ｃ４を並列接続した状態でスイッチＳｏｕｔをオフ、スイッチＳＢ０をオンにすることにより、並列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ４を放電させ、接続されている電池を充電する（ステップＳ２５）。ここでも直列接続／並列接続の切替を例えば２ｋＨｚで行うとすれば、ステップＳ２４，Ｓ２５の実行時間は（１／２）ｍｓｅｃである。

制御装置４は、ステップＳ２４，Ｓ２５を所定回数（あるいは所定時間）実行し（ステップＳ２６）、実行完了後はステップＳ１０に戻り、同様の処理を繰り返す。電池はその都度特定される（ステップＳ１１）ので、現在選択されている電池を次期選択の対象外とする場合は、残りの電池の中で充電深度が最も低い電池が選択されることになる。このようにして、残量の少ない電池が逐次選ばれる。なお、「残りの電池の中で充電深度が最も低い」というのは選択基準の一例であり、必ずしも最も低いものでなくてもよい。要するに、充電深度が相対的に低い電池を優先的に選択することで、残量の少ない電池を、放電用に選択できる状態に回復させることができる。

なお、外部からＤＣ／ＤＣ変換回路２に供給される電圧は一定であり、従って、電池を充電する電圧は一定である。
なお、電池の選択は、必ずしも残量の少ないものを優先的に選択しなくてもよい。例えば、残量に関係なく順番に電池を充電するようにしてもよい。この場合、ステップＳ２１における電池の特定は、単に、順番が回ってきた電池を選ぶ、ということになる。各電池を順番に選ぶことにより、まんべんなく各電池を充電することができる。但し、相対的に残量が十分にある電池は充電回避してもよい。また、内部抵抗が所定値以上に増大している（劣化している）電池は除外することが必要である場合もある。

また、複数の電池を並列接続して一斉に充電してもよい。
さらには、使用可能な全ての電池を並列接続して（全ての電池が使用可能であればスイッチＳＢ１〜ＳＢ８を全てオンにする。）充電してもよい。この場合には、図９におけるステップＳ２１〜Ｓ２３の処理は不要である。この場合、各電池を同時に充電することができ、電圧を揃えることができる。

すなわち、電池の選び方には、残量の少ないものを選ぶ、順番に選ぶ、まとめて複数並列で選ぶ、という選び方があるが、いずれの場合も、電池は直列に接続されない。
本実施形態の直流電源装置１は、電池を直列に接続せず、キャパシタＣ１〜Ｃ４の接続を直列／並列に切り替えることで降圧するので、電池を直列に接続したときのような、いずれかの電池に制約されて全ての電池を満充電できない、という事態を防止することができる。

《その他》
なお、上記のＤＣ／ＤＣ変換回路２は、必要により多段に構成することも可能である。多段構成によれば、さらに昇圧／降圧の幅が広がる。
また、上記実施形態では二次電池を使用しているが、外部への電力供給という点のみを利用する場合には、一次電池の出力する電圧をＤＣ／ＤＣ変換回路で昇圧するという実施形態も可能である。
なお、上記実施形態における各スイッチは半導体を想定しているが、ｋＨｚレベルでスイッチングされるＤＣ／ＤＣ変換回路２内の各スイッチや、これと同期して動作するスイッチＳＢ０を除く、スイッチＳＢ１〜ＳＢ８やフォトカプラＰｃ１〜Ｐｃ８については、比較的動作頻度が低い状態で使用すれば、機械的なリレー接点を採用することも可能である。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の直流電源装置を用いることにより、性能のばらつきがある電池を用いて電力貯蔵システムを構成することができる。
また、ハイブリッド車や電気自動車の普及によって近い将来に、二次電池の中古品が大量に市場に出回ることが予想される。本発明の直流電源装置を用いることで、このような性能のばらついた中古品の二次電池を有効活用し、安価に、電力貯蔵システムを構成することができる。

１：直流電源装置
２：ＤＣ／ＤＣ変換回路
３：接続装置（第１の接続装置）
４：制御装置
５：Ａ／Ｄコンバータ
２０：接続装置（第２の接続装置）
１０１：交直変換装置
１０２：直流／直流変換装置
Ｂ１〜Ｂ８：電池
Ｃ１〜Ｃ４：キャパシタ
Ｐｃ１〜Ｐｃ８：フォトカプラ
Ｓ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂ，Ｓ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ，ＳＢ０〜ＳＢ８：スイッチ

Claims (12)

1. 複数の電池と、
   ＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記複数の電池から選択した１つの電池又は複数の並列接続された電池と前記ＤＣ／ＤＣ変換回路とを相互に接続する第１の接続装置と、を備えた直流電源装置であって、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路は、
   複数のキャパシタと、
   並列接続用のスイッチを介して各キャパシタを並列接続する回路、及び、直列接続用のスイッチを介して各キャパシタを直列接続する回路を含み、各スイッチのオン又はオフを選択することによって、並列接続で前記電池により充電された各キャパシタを直列接続に切り替えて外部へ放電出力させる工程を繰り返す第２の接続装置と
   を備えていることを特徴とする直流電源装置。
2. 二次電池である複数の電池と、
   ＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記複数の電池から選択した１つの電池又は複数の並列接続された電池と前記ＤＣ／ＤＣ変換回路とを相互に接続する第１の接続装置と、を備えた直流電源装置であって、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路は、
   複数のキャパシタと、
   並列接続用のスイッチを介して各キャパシタを並列接続する回路、及び、直列接続用のスイッチを介して各キャパシタを直列接続する回路を含み、各スイッチのオン又はオフを選択することによって、直列接続で外部から供給される電圧により充電された各キャパシタを並列接続に切り替えて前記電池に対して放電出力させる工程を繰り返す第２の接続装置と
   を備えていることを特徴とする直流電源装置。
3. 前記第１の接続装置は、各電池を開放してその両端電圧を測定する回路を含む請求項１又は２に記載の直流電源装置。
4. 前記第１の接続装置は、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路との接続用に選択されていない不使用の各電池について、その両端電圧に基づいて充電深度を求め、いずれかの電池を放電させるときは、充電深度が相対的に高い電池を優先的に前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に接続する請求項１記載の直流電源装置。
5. 前記第１の接続装置は、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路との接続用に選択されていない不使用の各電池について、その両端電圧に基づいて充電深度を求め、いずれかの電池を充電するときは、充電深度が相対的に低い電池を優先的に前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に接続する請求項２記載の直流電源装置。
6. 前記第１の接続装置は、各電池を順番に前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に接続する請求項１又は２に記載の直流電源装置。
7. 前記第１の接続装置は、使用可能な全ての電池を並列に接続して、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に接続する請求項１又は２に記載の直流電源装置。
8. 前記スイッチは、半導体スイッチング素子である請求項１又は２に記載の直流電源装置。
9. 前記電池と前記ＤＣ／ＤＣ変換回路との接続は、半導体スイッチング素子を介して行われる請求項１又は２に記載の直流電源装置。
10. 前記半導体スイッチング素子は、ＦＥＴである請求項８又は９記載の直流電源装置。
11. 前記半導体スイッチング素子は、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は、ダイヤモンドを含む材料によって構成されたワイドバンドギャップ半導体である請求項８〜１０のいずれか１項に記載の直流電源装置。
12. 請求項１又は２に記載の直流電源装置と、当該直流電源装置の入出力と所望の電源系統とを仲介する変換装置とを備えた電力貯蔵システム。

Images