JP2012205488A - 電力貯蔵システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電力貯蔵システムが、その具備する二次電池間におけるバランスを調整しつつ、二次電池からの電力供給を行うことが出来るようにする。
【解決手段】システム制御器60が、直列電池10−1−1〜10−2−2の電圧に基づいて、電力貯蔵システム1の出力すべき電力の指令値である平滑化指令値を、インバータ30−1および30−2に割り振る。そして、チョッパ制御器40−1が、直列電池10−1−1および10−1−2の電圧に基づいて、インバータ30−1の出力すべき電流を、チョッパ20−1−1および20−1−2に割り振る。同様に、チョッパ制御器40−2が、インバータ30−2の出力すべき電流を、チョッパ20−2−1および20−2−2に割り振る。これらの割振において、充電量の少ない直列電池の出力電流を小さくすることにより、直列電池(二次電池)間におけるバランスを調整しつつ、直列電池からの電力供給を行うことが出来る。
【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池を具備して蓄電する電力貯蔵システムに関する。
複数の二次電池を含む組電池において、二次電池間における電圧等のバランスがくずれると、二次電池の性能を充分に引き出すことが出来なくなってしまう。そこで、二次電池間におけるバランスを調整する幾つかの技術が提案されている。
例えば、特許文献1に記載の充電率調整回路は、充電率調整時に、複数の電池ブロックを接続する直列線路に介在する第1スイッチをオフにし、当該複数の電池ブロックの対応する複数の並列接続点を接続する複数の並列線路の各々に介在する第2スイッチをオンにして、複数の電池ブロックの互いに対応づけられた複数の電池モジュールを並列に接続し、放電回路の放電動作をオンにする。これにより、1つの放電回路で複数の電池モジュールを放電させることができ、充電率調整回路の部品点数を削減できるとされている。
特許第3615507号公報
しかしながら、特許文献1に記載の充電率調整回路では、充電率を調整するためには電池回路を直列回路から並列回路に組み替える必要があるため、充電率調整中は、二次電池が電力を供給することや、二次電池への充電を行うことができない。したがって、例えば、風力発電設備において電力供給の安定化のために設けられた二次電池に、特許文献1に記載の充電率調整回路を適用した場合、二次電池の充電率を調整している間に電力不足が生じても二次電池から電力を供給することはできず、電力を安定させることができない。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、二次電池間におけるバランスを調整しつつ、二次電池からの電力供給を行うことのできる電力貯蔵システムを提供することにある。
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、直列に接続された複数の二次電池が第1の電力変換器を介して第2の電力変換器に接続されて成る電池回路が、電源および負荷に対して並列に接続されて複数設けられた電力貯蔵システムであって、前記電池回路の各々は、前記直列に接続された複数の二次電池の各々の電力の合計が、前記第2の電力変換器に対する電力指令値に等しくなるよう制御する第1の制御器と、前記第2の電力変換器に対する電力指令値の合計が、前記電力貯蔵システムに対する電力指令値に等しくなるよう制御する第2の制御器と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、上述の電力貯蔵システムであって、前記第1の制御器は、前記列電池を構成する各電池の電圧測定値から求められた平均電圧を取得し、当該平均電圧に基づいて前記複数の二次電池の各々に対する電力指令値を生成することを特徴とする。
また、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、上述の電力貯蔵システムであって、前記第1の制御器は、前記列電池の電圧測定値から求められた平均電圧を取得し、当該平均電圧に基づいて前記複数の二次電池の各々に対する電力指令値を生成することを特徴とする。
また、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、上述の電力貯蔵システムであって、前記列電池を構成する各電池の電圧測定値から求められた平均電圧と、前記列電池の電圧測定値から求められた平均電圧との差を求める直列電池監視部を具備することを特徴とする。
また、本発明の一態様による電力貯蔵システムは、上述の電力貯蔵システムであって、前記列電池を構成する各電池の電圧測定値から求められた平均電圧と、前記列電池の電圧測定値から求められた平均電圧との差が所定の閾値以上となると警報表示することを特徴とする。
本発明によれば、二次電池間におけるバランスを調整しつつ、二次電池からの電力供給や二次電池への充電を行うことができる。
本発明の一実施形態における電力貯蔵システムの概略構成を示す構成図である。 同実施形態における直列電池10の概略構成を示す構成図である。 同実施形態における電力貯蔵システム1の動作のシミュレーション結果を示すグラフである。 同実施形態における直列電池監視部120による直列電池10の電圧測定位置の例を示す説明図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態における電力貯蔵システムの概略構成を示す構成図である。同図において、電力貯蔵システム1は、直列電池10−1−1〜10−2−2と、チョッパ(第1の電力変換器)20−1−1〜20−2−2と、インバータ(第2の電力変換器)30−1および30−2と、チョッパ制御器(第1の制御器)40−1および40−2と、インバータ制御器50−1および50−2と、システム制御器(第2の制御器)60とを具備する。また、インバータ30−1および30−2は、負荷910と、太陽電池システム920とに接続されている。
なお、電力貯蔵システム1の具備する直列電池の数は、同図に示す4つに限らず、1つ以上であればよい。また、電力貯蔵システム1の具備するインバータの数は、同図に示す2つに限らず、1つ以上であればよい。
電力貯蔵システム1は、メガソーラーシステムである太陽電池システム920の出力する電力の変動に応じて蓄電または放電を行うことにより、電力供給先の系統である負荷910に対して安定的に電力を供給する。太陽電池システム920の発電する電力は時間帯や天候等によって変動するため、太陽電池システム920の出力する電力のみでは、負荷910に対して安定的に電力を供給することができない。そこで、電力貯蔵システム1は、太陽電池システム920の出力電圧が負荷910の消費電力よりも大きいときに余剰電力を蓄電し、太陽電池システム920の出力電圧が負荷910の消費電力よりも少小さいときに不足部の電力を放電する。
なお、本発明の適用範囲は、図1に示す太陽電池システムの電力供給安定化に限らない。例えば、風力発電システムにおける電力供給安定化や、負荷変動に対する電力の安定供給など、本発明は、安定して電力を供給する必要のある様々な場面において適用可能である。
直列電池10−1−1〜10−2−2は、それぞれ、直列に接続された二次電池を有して蓄電および放電を行う。なお、以下では、直列電池10−1−1〜10−2−2を総称して「直列電池10」と表記する。
ここで、直列電池10−1−1と、直列電池10−1−2と、直列電池10−2−1と、直列電池10−2−2とは、チョッパ20−1−1〜20−2−2やインバータ30−1および30−2を介して並列に接続されている。このように、電力貯蔵システム1は、並列接続される複数の直列電池10を具備することにより、大容量の蓄電を行うことができる。
チョッパ20−1−1〜20−2−2は、直流−直流変換の電圧変換器である。なお、以下では、チョッパ20−1−1〜20−2−2を総称して「チョッパ20」と表示する。
1つのチョッパ20に1つの直列電池10が接続され、チョッパ20は、直列電池10の直流電圧を、チョッパ20の接続される直流バスの電圧(直流バス電圧)に変換する。
なお、1つのチョッパ20に接続される直列電池10の数は、図1に示す1つに限らない。2つ以上の直列電池10が、1つのチョッパ20の下に並列接続されていてもよい。
インバータ30−1および30−2は、直流−交流変換の電圧変換器である。なお、以下では、インバータ30−1および30−2を総称して「インバータ30」と表記する。
1つのインバータ30と1つ以上のチョッパ20とが直流バスにて接続され、インバータ30は、入力される電圧(直流バス電圧)を、負荷910および太陽電池システム920に接続される交流バスの電圧(交流バス電圧)に変換する。
チョッパ制御器40−1は、チョッパ20−1−1および20−1−2を制御し、チョッパ制御器40−2は、チョッパ20−2−1および20−2−2を制御する。なお、以下ではチョッパ制御器40−1および20−2を総称して「チョッパ制御器40」と称する。
チョッパ制御器40は、特に、チョッパ20の各々に対する電流指令値を算出し、算出した電流指令値の電流を出力するよう、チョッパ20を制御する。
インバータ制御器50−1、50−2は、それぞれ、インバータ30−1、30−2を制御する。なお、以下では、インバータ制御器50−1および50−2を総称して「インバータ制御器50」と称する。
インバータ制御器50は、特に、システム制御器60の算出する、インバータ30に対する電流指令値の電流を出力するよう、インバータ30を制御する。
システム制御器60は、電力貯蔵システム1の各部を制御する。特に、システム制御器60は、電力貯蔵システム1の出力すべき電力の指令値である平滑化指令値Pに基づいて、インバータ30に対する電流指令値を算出してインバータ制御器50に出力する。当該電流指令値に基づいて、インバータ30およびチョッパ20の制御が行われる。
図2は、直列電池10の概略構成を示す構成図である。同図に示すように、直列電池10は、電池モジュール110と、直列電池監視部120とを具備する。電池モジュール110は、セル111と、CMU(Cell Management Unit)112とを具備する。
直列電池10は、チョッパ20に接続される二次電池であり、太陽電池システム920から出力される電力に余剰が生じると、当該余剰電力を蓄電する。そして、直列電池10は、太陽電池システム920から出力される電力に不足が生じると、当該不足電力に応じた電力をチョッパ20に出力し、当該電力が負荷910に供給される。
電池モジュール110は、パッケージ(ひと纏まり)化された二次電池である。なお、直列電池10の具備する電池モジュール110の数は、1つ以上であればよい。
セル111は、単体の二次電池である。セル111としては、リチウムイオン電池や鉛電池など、様々な二次電池を用いることが出来る。なお、1つの電池モジュール110が、1つのセル111を具備するようにしてもよいし、複数のセル111を具備するようにしてもよい。電池モジュール110が複数のセル111を具備する場合、当該複数のセル111が直列に接続されていてもよいし、並列に接続されていてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせて接続されていてもよい。
CMU112は、電池モジュール110毎に備えられ、当該電池モジュール110の具備する各セル111の制御を行う。特に、CMU112は、各セル111の電圧や充電率などを測定し、測定値を直列電池監視部120に出力する。
直列電池監視部120は、自らの直列電池10(当該直列電池監視部120を具備する直列電池10)を監視する。特に、直列電池監視部120は、自らの直列電池10の具備する各CMU112から、各セル111の電圧や充電率などの測定値を取得する。また、直列電池監視部120は、CMU112から取得した各セル111の電圧を合計して、自らの直列電池10の電圧を算出し、算出した電圧をチョッパ制御器40およびシステム制御器60に送信する。
次に、電力貯蔵システム1の動作について説明する。
まず、給電司令部など上位の設備から、電力貯蔵システム1の出力すべき電力の指令値である平滑化指令値P(単位[W(ワット)])が送信され、システム制御器60が、当該平滑化指令値Pを取得する。平滑化指令値Pを取得したシステム制御器60は、式(1)に基づいて、各インバータ(インバータ30−i)に対する電力指令値P (単位[W])を算出する。
Figure 2012205488
ここで、NIは、電力貯蔵システム1の具備するインバータの数(本実施形態では、NI=2)、Naは、1つのインバータに接続されるチョッパの数(本実施形態では、Na=2)、Ncは、1つの直列電池10が有するセル数、iは、1≦i≦NIの正整数を示す。
また、P は、インバータ30−iに対する電力指令値(単位[W])、Pは、平滑化指令値(単位[W])、Gは、電圧バランスゲイン(予め定められた定数。単位[A(アンペア)/V(ボルト)])、Vaは、チョッパを介してインバータ30−iに接続される直列電池10の平均電圧(単位[V])、V(avr)は、インバータ30−iに接続されるチョッパの平均電圧(単位[V])であり、システム制御器60は、式(2)に基づいてV(avr)を算出する。
Figure 2012205488
ここで、Vi,jは、列毎の電池側電圧(単位[V])であり、直列電池監視部120の算出する直列電池10の電圧がVi,jとして用いられる。
また、V(avr)は、電力貯蔵システム1の具備する全インバータ(インバータ30〜30−2)におけるチョッパの平均電圧(単位[V])であり、システム制御器60は、式(3)に基づいてV(avr)を算出する。
Figure 2012205488
なお、上記式(1)、(3)によれば、式(4)に示すように、各インバータの電力指令値の合計は、平滑化指令値Pとなる。
Figure 2012205488
すなわち、平滑化指令値が、各インバータに分配されている。以下、この点について説明する。
まず、上記の式(1)の両辺において、i=1、2、・・・、NIについての合計を求めると、式(5)のようになる。
Figure 2012205488
式(5)の右辺の第1項は、平滑化指令値Pに等しい。また、式(2)より式(6)のようになるので、式(5)右辺の第2項は、0に等しい。
Figure 2012205488
従って、式(5)の右辺は、式(4)の左辺に等しい。また、式(5)の左辺は、式(4)の右辺に等しい。以上より、式(4)のようになる。
システム制御器60は、算出した電力指令値P およびP を、それぞれ、チョッパ制御器40−1およびチョッパ制御器40−2に出力する。
システム制御器60からの電力指令値P の出力を受けたチョッパ制御器40−iは、予め設定されている交流母線電圧で電力指令値P を除算して、電流指令値I を算出する。ここで、電流指令値I は、インバータ30−iに接続されるチョッパ20が出力すべき電流の合計(単位[A])である。
そして、チョッパ制御器40−iは、式(7)に基づいて、インバータ30−iに接続される各チョッパに対する電流指令値Ii,j (単位[A])を算出する。
Figure 2012205488
ここで、jは、1≦j≦Naの正整数を示す。また、Hは、電圧バランスゲイン(単位[A/V])、Vi,jは、列毎の電池側電圧(単位[V])を示す。
また、上述したように、iは、1≦i≦NIの正整数(NIは、電力貯蔵システム1の具備するインバータの数)、Naは、1つのインバータに接続されるチョッパの数、Ncは、1つの直列電池10が有するセル数、V(avr)は、インバータ30−iに接続されるチョッパの平均電圧(単位[V])を示す。
なお、上記式(7)、(2)によれば、式(8)に示すように、各インバータの電力指令値の合計は、電流指令値I となる。
Figure 2012205488
すなわち、電流指令値が、各チョッパ20に分配されている。以下、この点について説明する。
まず、上記の式(7)の両辺において、j=1、2、・・・、Naについての合計を求めると、式(9)のようになる。
Figure 2012205488
式(9)の右辺の第1項は、電流指令値I に等しい。また、式(2)より式(10)のようになるので、式(9)右辺の第2項は、0に等しい。
Figure 2012205488
従って、式(9)の右辺は、式(8)の左辺に等しい。また、式(9)の左辺は、式(8)の右辺に等しい。以上より、式(8)のようになる。
チョッパ制御器40は、自らに接続されるチョッパ20の各々を制御して、算出した電流指令値Ii,j の電流(電力)を出力させる。
以上のように、電力貯蔵システム1は、平滑化指令値Pに基づいて各チョッパ20(各直列電池10)に対する電流指令値Ii,j を算出することにより、平滑化指令値Pの電力を、各直列電池10に分担させて出力する。
その際、電力貯蔵システム1(チョッパ制御器40)は、上記の式(8)に示されるように、チョッパ20に対する電流指令値Ii,j の合計が、インバータ30に対する電力指令値Ii と等しくなるように制御する。すなわち、電圧バランスを取るための、式(11)に示される補正項ΔIi,jが、電流指令値による出力電力制御に干渉しない。
Figure 2012205488
これにより、電力貯蔵システム1は、直列電池10間(二次電池間)における電圧バランスを調整しつつ、二次電池からの電力供給を行うことができる。この電圧バランス調整により、電力貯蔵システム1は、直列電池10間の充電率のバランスを取り、より適切に直列電池10の性能を引き出すことができる。
また、電力貯蔵システム1は、複数のインバータ30が並列接続される構成を有するので、列数(直列電池10およびチョッパ20の数)が増大しても、全ての列に対応可能な大型のインバータを用いる必要がない。また、直列電池10が互いに離れた場所に設置されている場合など、インバータ数を1つにすることが困難な場合にも、電力貯蔵システム1は、容易に対応し得る。
図3は、電力貯蔵システム1の動作のシミュレーション結果を示すグラフである。
同図(a)において、線L11、L12、L13、L14は、それぞれ、直列電池10−1−1、10−1−2、10−2−1、10−2−2の出力電流を示す。
また、同図(b)において、線L21、L22、L23、L24は、それぞれ、直列電池10−1−1、10−1−2、10−2−1、10−2−2におけるセル電圧を示す。
また、同図(c)において、線L31、L32、L33、L34は、それぞれ、直列電池10−1−1、10−1−2、10−2−1、10−2−2における充電率を示す。
また、同図(d)において、線L41、L42、L43、L44は、それぞれ、直列電池10−1−1、10−1−2、10−2−1、10−2−2に対する電流補正値(式(11)の示すΔIi,j)を示す。
また、同図(e)において、線L51、L52は、それぞれ、インバータ30−1、30−2に対する電流補正値(電流指令値I から、電流指令値I 〜INI の平均を引いた差分)を示す。
同図に示すように、シミュレーション開始時においては、直列電池10毎にセル電圧および充電率が異なっている。そこで、セル電圧(直列電池10の電圧)に応じたバランス用電流が設定されて、セル電圧および充電率が直列電池10間で同じ値に揃ってきている。これに伴い、バランス用電流も、直列電池10間およびインバータ30間で同じ値に揃ってきている。
以上のように、電力貯蔵システム1が、直列電池10間における電圧バランスを適切に調整できることが示された。
なお、チョッパ制御器40が電流指令値Ii,j を算出する際に用いる電池側電圧Vi,jは、上述したセル電圧を合計したものに限らない。例えば、直列電池10の直列電池監視部120が、直接、直列電池10の電圧を測定し、チョッパ制御器40が、当該電圧測定値を用いるようにしてもよい。
図4は、直列電池監視部120による直列電池10の電圧測定位置の例を示す説明図である。
直列電池監視部120は、例えば同図の点P11〜P12間のように、並列接続されたセル111の両端の電圧を測定する。そして、直列電池監視部120は、当該測定値をチョッパ制御器40およびシステム制御器60に送信する。
このように、直列電池監視部120が直列電池10の電圧を測定することにより、より正確な電圧を得ることができる。
例えば、直列電池10において、電池モジュール110の固定が緩むことによる、電池モジュール110間の接触抵抗の増加が考えられる。ここで、特にセル111としてリチウムイオン電池が用いられている場合、セル111の内部抵抗が小さいため、接触抵抗によって各セル111の電圧の合計と、直列電池10の電圧との差が大きくなる。かかる場合に、直列電池監視部120が直列電池10の電圧を測定することにより、より正確な電圧を得ることができ、チョッパ制御器40およびインバータ制御器50は、この直列電池10の電圧を用いて、より適切な制御を行うことが出来る。
さらに、直列電池監視部120が、直列電池10の電圧測定値と、セル111の電圧の合計との比較を行うようにしてもよい。これにより、直列電池監視部120は、電池モジュール110間における接触抵抗の増大を検出することができる。接触抵抗が所定の閾値以上となったことを、直列電池監視部120が検出すると、例えば、運転員室に設けられた警報表示盤が、ランプの点灯およびアラーム音の出力による警報表示を行う。
このように、直列電池監視部120が、直列電池10の電圧測定値と、セル111の電圧の合計との比較を行って、接触抵抗の増大を検出し、電力貯蔵システム1(例えば警報表示盤)が警報表示を行うことにより、ユーザ(運転員など)に電池モジュール110が緩んだおそれのあることを通知できる。
なお、上述した電流指令値による制御は一例であり、当該電流指令定による制御に限らず、電力指令値による制御によって本発明を実現するようにしてもよい。ここでいう電力指令値には、電力値による指令のほか、例えば定電圧制御など電圧値が予め定められている場合における電流指令値(電流値による指令)や、定電流制御など電流値が予め定められている場合における電圧指令値(電圧値による指令)も含まれる。
なお、チョッパ制御器40や、インバータ制御器50や、システム制御器60の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
1 電力貯蔵システム
10−1−1〜10−2−2 直列電池
110 電池モジュール
111 セル
112 CMU
120 直列電池監視部
20−1−1〜20−2−2 チョッパ
30−1、30−2 インバータ
40−1、40−2 チョッパ制御器
50−1、50−2 インバータ制御器
60 システム制御器

Claims (5)

  1. 直列に接続された複数の二次電池が第1の電力変換器を介して第2の電力変換器に接続されて成る電池回路が、電源および負荷に対して並列に接続されて複数設けられた電力貯蔵システムであって、
    前記電池回路の各々は、前記直列に接続された複数の二次電池の各々の電力の合計が、前記第2の電力変換器に対する電力指令値に等しくなるよう制御する第1の制御器と、前記第2の電力変換器に対する電力指令値の合計が、前記電力貯蔵システムに対する電力指令値に等しくなるよう制御する第2の制御器と、
    を具備することを特徴とする電力貯蔵システム。
  2. 前記第1の制御器は、前記列電池を構成する各電池の電圧測定値から求められた平均電圧を取得し、当該平均電圧に基づいて前記複数の二次電池の各々に対する電力指令値を生成することを特徴とする請求項1に記載の電力貯蔵システム。
  3. 前記第1の制御器は、前記列電池の電圧測定値から求められた平均電圧を取得し、当該平均電圧に基づいて前記複数の二次電池の各々に対する電力指令値を生成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力貯蔵システム。
  4. 前記列電池を構成する各電池の電圧測定値から求められた平均電圧と、前記列電池の電圧測定値から求められた平均電圧との差を求める直列電池監視部を具備することを特徴とする請求項3に記載の電力貯蔵システム。
  5. 前記列電池を構成する各電池の電圧測定値から求められた平均電圧と、前記列電池の電圧測定値から求められた平均電圧との差が所定の閾値以上となると警報表示することを特徴とする請求項4に記載の電力貯蔵システム。

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