JP2013034333A - 蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの安全性を確保しながらも電池セルの検出電圧部品の点数を削減できる。
【解決手段】複数の蓄電池が直列に接続された第一蓄電池ブロックと、複数の蓄電池が直列に接続された第二蓄電池ブロックと、蓄電池の電圧を検出する電池状態検出装置と、を有し、前記第一蓄電池ブロックと前記第二蓄電池ブロックは電気的に並列に接続され、前記第二蓄電池ブロックにおける蓄電池の数は、前記第一蓄電池ブロックを構成する蓄電池の数よりも少なく構成され、前記電池状態検出装置は、前記第一蓄電池ブロックと前記第二蓄電池ブロックのいずれか一方に設けられ、当該電池状態検出装置は、当該第二蓄電池ブロックに設けられていることを特徴とする蓄電池システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単電池を複数個直並列接続した蓄電池システムに関するものである。

従来の電池システムとしては、例えば、複数の電池セルを直列接続してなる複数の電池要素を相互に並列接続したものが知られている。特許文献１に係る電池システムでは、複数の電池セルが直接接続されて構成されるモジュール電池を複数直列に接続した蓄電装置を複数並列に接続することで、電力貯蔵システム全体における高い蓄電能力を実現している。さらに各蓄電装置には、各セル電圧を検出する電圧センサ、蓄電装置全体の端子間電圧を検出する電圧センサ、蓄電装置に流れる電流を検出する電流センサ等を備えることで、蓄電装置の信頼性、安全性を高めている。

ところで、蓄電装置の大型化につれて、蓄電装置を構成する個々の単電池セルの総数は膨大なものとなる。したがって、各セル電圧を計測した場合にはその電圧検出回路の点数や検出電圧のデータも大型化するため、コスト面やデータ処理の面で取扱が困難となっている。こうした中、蓄電池装置の信頼性、安全性を確保しながらも可能な限り電池セルの検出電圧点数を削減できる蓄電池システムの構成が求められるようになってきている。

しかしながら、従来の技術では蓄電池装置を構成する単電池の状態を全て均一化するような運転を目指したため、各セルの電圧検出の削減が困難であった。

特開２００３−２４４８５４号公報

本発明は、電池セルの安全性を確保しながらも電池セルの検出電圧点数を削減できるようにすることを目的としている。

上記目的を達成するために、複数の蓄電池が直列に接続された第一蓄電池ブロックと、複数の蓄電池が直列に接続された第二蓄電池ブロックと、蓄電池の電圧を検出する電池状態検出装置と、を有し、前記第一蓄電池ブロックと前記第二蓄電池ブロックは電気的に並列に接続され、前記第二蓄電池ブロックにおける蓄電池の数は、前記第一蓄電池ブロックを構成する蓄電池の数よりも少なく構成され、前記電池状態検出装置は、前記第一蓄電池ブロックと前記第二蓄電池ブロックの一方に設けられ、当該電池状態検出装置は、当該第二蓄電池ブロックに設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、電池セルの安全性を確保しながらも電池セルの検出電圧部品の点数を削減できる。

本発明の第一の実施形態に係る電池システムの図である。 蓄電池ブロック１Ｂの詳細図である。 異なる直列数で構成した蓄電池ブロックを並列に接続した場合の充電率（ＳＯＣ）の変化を表す図である。 異なる直列数で構成した蓄電池ブロックを並列に接続した場合の平均単電池電圧（Ｖ）の変化を表す図である。 蓄電池ブロック１Ａの電池の直列数が１００で、蓄電池ブロック１Ｂの蓄電池ブロックの直列数が８５である場合の充電率（ＳＯＣ）の変化を表す図である。 本発明の第二の実施形態に係る電池システムの図である。 本発明の第二の実施形態に係る蓄電池ブロック１Ａの詳細図である。 本発明の第三の実施形態に係る蓄電池システムの装置構成図である。 蓄電池システムの装置の具体的な配置例を表す図である。 本発明の第四の実施形態に係る電池システムの図である。 電池保護回路９の詳細図である。

以下、本発明の実施形態に係る電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。

はじめに、本発明の第１の実施例に係る蓄電池システムについて、図１を参照して説明する。図１は、蓄電池システムの概要を示す機能ブロック図である。本発明の蓄電池システムは複数の蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎを直列接続した蓄電池ブロック１Ａ、および蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍを直列接続した蓄電池ブロック１Ｂを備えている。ここで、蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎ、Ｂ１１〜Ｂ１ｍはいずれも、単電池または複数の単電池を直並列接続した形態で構成してもよい。また、蓄電池ブロックを構成する単電池はいずれも同じ形状、同じ型式で製造された概ね特性の揃った単電池を用いて構成されている。蓄電池ブロック１Ａ及び蓄電池ブロック１Ｂを構成する単電池をすべて同じ単電池で構成することによって、組み立て性が向上する。

蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの内部は単セルを直列接続した構成であることから、蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの両端には構成する単セルの概ね直列数倍の総電圧が起電力として発生する。蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの総電圧の端部には開閉器２が電気的に接続されており、蓄電池ブロック１Ａ、および１Ｂは開閉器２を介して並列接続された構成となっている。蓄電池ブロック１Ａ、および１Ｂの並列接続部にはインバータ３の直流部が接続されている。インバータ３は交流電力と直流電力とを変換する機能をもち、開閉器２が接続状態であった場合には、インバータ３は蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂに対して電力の充放電を行うことができる。インバータ３の交流側には例えば電力系統７や電力負荷６を接続可能である。蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの放電電力は電力系統７に回生、または電力負荷６で消費させることができる。蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの充電電力は電力系統７より受電することで供給することができる。

さらに蓄電池ブロック１Ｂには、電池状態検出装置５が備えられている。図２に電池状態検出装置５の詳細図を示す。電池状態検出装置５はセル電圧バランス部５Ａ、セル電圧検出部５Ｂ、接点入出力部５Ｃ、通信入出力部５Ｄなどを備える。

セル電圧バランス部５Ａは、抵抗器とスイッチの直列回路を各蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍの両端に接続してもよい。

セル電圧検出部５Ｂ１は、多入力のアナログ信号を切り替え可能なマルチプレクサ回路、アナログ信号をデジタル値に変換可能なＡ／Ｄ変換回路、デジタル値を外部へ信号としてとりだす通信回路より構成してもよい。ここでセル電圧検出部５Ｂ１に各蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍの両端を接続すれば、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍの電圧をデジタル値として読みだすことが可能となる。

また、これらの蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍの電圧情報を用いてセル電圧バランス部は、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍのうち電圧の高い蓄電池に対応するセル電圧バランス部５Ａ内部のスイッチをオンすることで、抵抗器にて蓄電池の電荷を消費して蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１ｍの電圧のバランス化を実現する。

通信入出力部５Ｄはセル電圧検出部５Ｂ１において得たデジタル値を外部へ取りだすためのものであり、例えばデジタル信号の絶縁や電位レベルの変換などを行ってもよい。

接点入出力部５Ｃは、電池状態検出装置５の起動／停止や、正常／異常の状態を外部と入出力するための接点信号部であり、通信入出力部５Ｄと同様の信号変換機能を設けても良い。

本発明の蓄電池システムにはシステム制御器４を備えている。ここでシステム制御器４は、開閉器２の開閉運転や、インバータ３の充放電制御運転を行っても良い。

以上述べたように、蓄電池ブロック１Ａ、および１Ｂは単電池を互いに異なる直列数で構成する。異なる直列数で構成した蓄電池ブロックを並列した場合の変化について、図３を用いて示す。図３（ａ）は横軸に蓄電池の充電率（ＳＯＣ）、縦軸に直列数を変化した場合の蓄電池ブロック両端電位差を示している。例えば両端電位差が３８０Ｖ、９５直列と１００直列の蓄電池ブロックを並列接続して十分に時間が経過すると、双方のＳＯＣは６３％、２８％程度の位置で平衡することになる。一般的な蓄電池であれば、ＳＯＣに対する両端電位差は単調増加の特性になることが知られており、直列数が少ない蓄電池ブロックよりも直列数が多い蓄電池ブロックのＳＯＣは一般的に小さくなるといえる。

図３（ｂ）は、横軸に電池ブロックの平均単電池電圧、縦軸に直列数を変化した場合の蓄電池ブロックの総電圧を示している。例えば両端電位差が３８０Ｖ、９５直列と１００直列の蓄電池ブロックを並列接続して十分に時間が経過すると、双方の単電池電圧は４.０Ｖ、３.８Ｖ相当になっている。電池ブロックの総電圧は直列数に比例するため、直列数が少ない蓄電池ブロックよりも直列数が多い蓄電池ブロックの平均単電池電圧は小さくなるといえる。

一般に蓄電池は、一定の限度値以上の電圧を発生させた場合に不可逆な異常を発生することが知られている。例えば、リチウムイオン電池においては電池組成物質の物性変化に対する限度値として４.２Ｖ程度が該当することがある。ここで、限度値に対する直列数の影響を考えた場合、図３（ｂ）を例にすると総電圧３８０Ｖの状態においては、９５直列の電池ブロックに比べ１００直列の電池ブロックは単電池電圧が低くなることから、限度値に対する電圧余裕が２倍程度に拡大することが分かる。

以上の説明から、直列数の異なる蓄電池ブロックを並列接続した場合、直列数の多い蓄電池ブロックは限度値に対し電圧余裕が広がるため、直列数の少ない蓄電池ブロックより安全に運用できることが分かる。従来の技術では、蓄電池ブロックを構成する単電池セルの電圧を全てＡ／Ｄコンバータ技術を用いた検出回路で監視し、限度値に対して判定を行っていたが、本実施例においては直列数の多い蓄電池ブロック１Ａは上限限度値に関しては電圧余裕が増えるため、電池電圧検出を削減可能である。一方、直列数の少ない蓄電池ブロック１Ｂにおいては、電圧上限値に対する電圧余裕は変化しないため、電池状態検出装置５に内蔵される電圧検出により各蓄電池の電圧を監視する構成が望ましい。

図４は、横軸に蓄電池の充電率（ＳＯＣ）、縦軸に直列数を変化した場合の蓄電池ブロック両端電位差を示している。なお、直列数は、蓄電池ブロック１Ａで１００、蓄電池ブロック１Ｂで８５となっている。図４を見てわかるとおり、直列数の異なる電池ブロックを並列接続する際には、使用する蓄電池のＳＯＣ範囲が予め決まっている場合には、総電圧を同等程度に納める必要があることから、以下のような直列数を選定する必要がある。

ｎ×Ｖ（最小ＳＯＣ）＜ｍ×Ｖ（最大ＳＯＣ）
ここで、インバータ３の接続する電力系統が低圧の交流系統であった場合、蓄電池ブロックの電圧はＤＣ３００〜ＤＣ６００Ｖを選定することで、インバータ３を含む電力変換回路の構成から変圧器やチョッパ回路といった電圧変換器を削減でき最も簡素にできることが知られている。したがって、例えば図３ｂに示すようなリチウムイオン電池であり、蓄電池が単セルで構成されていた場合は、ｍ＞８５、ｎ＜１４３の範囲で上式を満たすｎ、ｍを選定すればよい。

図５は、本発明に係る第２の実施例を示している。図１との相違は、蓄電池ブロック１Ａには電池保護回路８が内蔵されており、蓄電池ブロック１Ａが接続された開閉器２は、電池保護回路８によって操作可能なように構成されている点である。図６に、電池保護回路８の詳細図を示す。

電池保護回路８は、過電圧保護回路８１、過電圧検出回路８２、および開閉操作回路８３より構成されている。

過電圧保護回路８１は例えば、ツェナーダイオード８Ａを用いて、蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎの正側端子にカソードを、負側端子にアノードを接続した構成でもよい。このとき、ツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）は例えばリチウムイオン蓄電池であれば４.０〜５.０Ｖ相当のものを選定してもよい。したがって、蓄電池ブロック１Ａのいずれかの蓄電セルに異常があった場合であっても、当該過電圧保護回路８１があることにより各電池の安全性が担保される。

過電圧検出回路８２は、ツェナーダイオード８Ｂ、フォトカプラ８Ｄ、抵抗器８Ｃを用いて、フォトカプラ８Ｄの発光側に抵抗器８Ｃおよびツェナーダイオード８Ｂを直列接続した回路を蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎの正負端子に並列接続し、ツェナーダイオード８Ｂの降伏時のみフォトカプラ８Ｄの発光が為されるよう構成してもよい。ここで蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎに接続された全てのツェナーダイオード８Ｄの受光側はＯＲ接続してもよい。

開閉操作回路８３は、電圧源８Ｅ、開閉器駆動リレー８Ｆを用いて、過電圧検出回路８２においてフォトカプラ８Ｄが発光した場合に、開閉器２を遮断するよう構成する。ここで開閉器駆動リレー８Ｆは、開閉器２の操作信号に合わせて選定すればよい。なお、ツェナーダイオード８Ａの降伏電圧を、ツェナーダイオード８Ｂの降伏電圧よりも低くすることによって、蓄電池が一瞬過電圧になった場合であっても、ツェナーダイオード８Ａが降伏し、隣り合った蓄電池同士で電圧がバランシングされる。本構成により、真に異常となる場合以外で開閉器２が開状態になるのを防ぐことができるため、開閉器２が開状態になることによるインバータ３等に与える影響を低減させることができる。

蓄電池ブロック１Ａに電池保護回路８１を設けた場合、第１の実施形態よりも部品点数は増える。しかし、依然として蓄電池ブロック１Ａ及び蓄電池ブロック１Ｂに電池状態検出装置５を設けるよりも部品点数は少なく、低価格でより安全な蓄電システムを提供することができる。さらに、蓄電池ブロック１Ａに電池状態検出装置５を設けず、電池保護回路８１を設けることによって、システム全体として扱う情報量が減少し、システム制御器４により安価なものを使用することができ、蓄電システム全体としてさらに低価格化することができる。

図７に、本発明に係る第３の実施例を示す。図７は、本発明の蓄電池システムの装置構成図を示しており、蓄電池ブロック１Ａ、および１Ｂはラック等を用いた同様な外観の筺体に収容して為るように構成する。ここで蓄電池ブロック１Ｂは蓄電池ブロック１Ａに比べ、内部に納められた蓄電池の総数が少なくなるように納められている。このように直列接続電池数の違いに係らず蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂを構成すれば、蓄電システム全体のレイアウト構成を容易にできる。また蓄電池ブロック１Ｂは１Ａに比べ蓄電池の占める容積が減るため、蓄電池ブロック１Ｂのうち蓄電池の空き空間に電池状態検出装置５を配置すれば、空間を有効に活用でき、蓄電システム全体の小型に繋がる。

さらに、本構成によれば蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂは、それぞれを構成する筺体の単位でインバータ３の直流側で並置・接続されているため、本筺体を交換するだけで蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの相互の交換が可能となり、配置の自由度が増す、作業性が向上する等の効果が得られる。

また、蓄電池ブロック１Ａに比べ蓄電池ブロック１ＢはＳＯＣの変動幅が大きくなるため、蓄電池ブロック１Ｂの劣化速度は１Ａよりも高くなる傾向がある。そこで、蓄電池ブロック１Ｂを１Ａに比べてより交換が容易な位置へ配置しても良い。例えば、出入り口に近い側への配置や、クレーン等の近接がより容易な場所へ配置することで、システム全体のメンテナンス性を向上できる。また、蓄電池ブロック１Ａの動作に関わりなく蓄電池ブロック１Ｂの内蔵蓄電池の交換が可能であれば、交換作業がシステム全体運転へ与える影響をより小さくできる。

また、蓄電池ブロック１Ａに比べ蓄電池ブロック１Ｂは電池セルの直列数が少ないため直列抵抗が少なくなる傾向がある。この場合、並列接続されているため電池ブロックＢは電池ブロックＡに比べ大きい電流が流れ、電池ブロックに発生する損失は電池ブロックＢが大きくなる。そこで、蓄電池ブロック１Ｂを１Ａに比べより冷却に適した位置へ配置すれば、システム全体を構成する電池温度を均一に管理でき、取扱の簡素化や電池寿命の延命に貢献できる。例えば図８に示すように、空調装置に近い位置、または電池ブロック周囲を流れる冷却風の上流などに配置してもよい。

このように、蓄電池ブロック１Ａ、および１Ｂを別々の筐体におさめることによって、当該蓄電システムの配置の自由度が増し、特に発熱量が多い蓄電池ブロック１Ｂをより冷却に適した位置に置くことができ、蓄電システムの長寿命化に繋がる。

図９に、本発明に係る第４の実施例を示す。図５との違いは、第２の電池保護回路９が備えられており、電池保護回路９は蓄電池ブロック１Ａおよび蓄電池ブロック１Ｂの双方に電気的に接続されている点である。図１０に第２の電池保護回路９の詳細図を示す。

図１０において、電池保護回路９には複数のツェナーダイオード９Ａが用いられており、各蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎ、Ｂ１１〜Ｂ１ｍの各端子について蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの並列部（最も接続抵抗の小さい共通電位）を基準にした場合に順になるようにツェナーダイオード９Ａを連結接続した構成となっている。

このように構成すれば、万一、蓄電池Ａ１１〜Ａ１ｎ、Ｂ１１〜Ｂ１ｍのいずれかで過電圧が生じた際にはツェナーダイオード９Ａを通じて過電圧が抑えられるため、安全に蓄電池を稼働させることができる。

ここで具体的なツェナーダイオード９Ａのツェナー電圧Ｖｚとしては
Ｖｚ＝Ｖlim−｜Ｖｓ／ｎ−Ｖｓ／ｍ｜
程度が適当である。なお、Ｖlimは４.２Ｖ等の電池過電圧レベル、Ｖｓは両電池ブロックの想定両端電圧、ｎ及びｍは直列数となっている。

以上、第２の実施形態と比較して、１つの電池保護回路９で蓄電池ブロック１Ａおよび１Ｂの各セルの過電圧を抑制することができるため、部品点数を削減しつつ、蓄電システムの安全性をさらに向上させることができる。

１Ａ，１Ｂ 蓄電池ブロック
Ａ１１，Ｂ１１ 蓄電池
２ 開閉器
３ インバータ
４ システム制御器
５ 電池状態検出装置
６ 電力負荷
７ 電力系統

Claims (10)

1. 複数の蓄電池が直列に接続された第一蓄電池ブロックと、
   複数の蓄電池が直列に接続された第二蓄電池ブロックと、
   前記第一蓄電ブロック、又は前記第二蓄電ブロックのいずれか一方に設けられ、前記蓄電池の電圧を検出する電池状態検出装置と、を有し、
   前記第一蓄電池ブロックと前記第二蓄電池ブロックは電気的に並列に接続され、
   前記第二蓄電池ブロックにおける蓄電池の数は、前記第一蓄電池ブロックを構成する蓄電池の数よりも少なく構成され、
   当該電池状態検出装置は、当該第二蓄電池ブロックに設けられていることを特徴とする蓄電池システム。
2. 請求項１に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記第一蓄電池ブロックは、開閉器と直列に接続され、
   蓄電池の電圧が過電圧になった場合に、前記開閉器が開状態になるように制御する電池保護回路部を有し、
   当該電池保護回路部は、前記第一蓄電池ブロックを構成する蓄電池と並列に接続されることを特徴とする蓄電池システム。
3. 請求項２に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記電池保護回路部は、蓄電池の過電圧を検出する過電圧検出回路と、前記過電圧検出回路から出力された信号に基づいて前記開閉器の開閉状態を制御する開閉操作回路部を有することを特徴とする蓄電池システム。
4. 請求項３に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記電池保護回路部は、蓄電池と並列に接続された過電圧保護回路部を有し、
   前記過電圧保護回路部はツェナーダイオードにより構成されることを特徴とする蓄電池システム。
5. 請求項４に記載の蓄電池システムにおいて、
   前記過電圧検出回路は、フォトカプラを有し、
   当該過電圧検出回路は、前記過電圧保護回路部を構成するツェナーダイオードが降伏した場合に、前記フォトカプラを介して前記開閉操作回路に制御信号が出力されるように構成されていることを特徴とする蓄電池システム。
6. 請求項１に記載の蓄電池システムにおいて、
   当該蓄電池システムは、複数のツェナーダイオードを有する電池保護回路部を有し、
   前記複数のツェナーダイオードは直列に接続され、
   前記複数のツェナーダイオードを構成する各ツェナーダイオードの一方側の極が、前記第一蓄電池ブロックを構成する蓄電池の端子に接続され、
   各ツェナーダイオードの他方側の極が、前記第二蓄電池ブロックを構成する蓄電池の端子に接続されることを特徴とする蓄電池システム。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄電池システムにおいて、
   当該蓄電池システムは、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を有し、
   前記第一蓄電池ブロック及び前記第二蓄電池ブロックの正極側は、前記電力変換装置の正極に接続され、
   前記第二蓄電池ブロック及び前記第二蓄電池ブロックの負極側は、前記電力変換装置の負極に接続されることを特徴とする蓄電池システム。
8. 複数の蓄電池が直列に接続された第一蓄電池ブロックと、
   複数の蓄電池が直列に接続された第二蓄電池ブロックと、
   蓄電池の電圧を検出する電池状態検出装置と、
   前記第一蓄電ブロックを収納する第一筐体と、
   前記第二蓄電ブロックを収納する第二筐体と、を有し、
   前記第一蓄電池ブロックと前記第二蓄電池ブロックは電気的に並列に接続され、
   前記第二蓄電池ブロックを構成する蓄電池の数は、前記第一蓄電池ブロックを構成する蓄電池の数よりも少なく、
   前記電池状態検出装置は、前記第二筐体に設けられることを特徴とする蓄電池システム。
9. 請求項８に記載の蓄電池システムにおいて、
   当該蓄電池システムは、第一蓄電池ブロックの蓄電池を保護する電池保護回路部を有し、
   当該電池保護回路部は、前記第一筐体に設けられることを特徴とする蓄電池システム。
10. 請求項８又は請求項９に記載の蓄電池システムにおいて、
    当該蓄電池システムは、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を有し、
    前記第一蓄電池ブロック及び前記第二蓄電池ブロックの正極側は、前記電力変換装置の正極に接続され、
    前記第二蓄電池ブロック及び前記第二蓄電池ブロックの負極側は、前記電力変換装置の負極に接続されることを特徴とする蓄電池システム。