JP2015125880A - 蓄電デバイスの温度制御装置及び方法、並びに電力貯蔵システム - Google Patents

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Takayuki Tokushige
貴之 徳重
林　正人
Masato Hayashi
正人 林
片岡　幹彦
Mikihiko Kataoka
幹彦 片岡
聡一郎 阪東
Soichiro Bando
聡一郎 阪東
大野　達也
Tatsuya Ono
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Abstract

【課題】複数の蓄電デバイスを併用した電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置及び方法において、従来技術に比較して消費電力を大幅に軽減できる。【解決手段】２次電池１とキャパシタ２を含む電力貯蔵システムにおいて、２次電池１の第１のＳＯＣがその最小値よりも大きくかつキャパシタ２の第２のＳＯＣがその最大値よりも小さいとき双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを２次電池１への充電モードに設定し、第１のＳＯＣがその大値よりも小さくかつ第２のＳＯＣがその最小値よりも大きいとき双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを２次電池１からの放電モードに設定する。直流リンクに負荷が接続されていないときの２次電池１の内部抵抗、第２のＳＯＣ、直流リンクの電圧及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算して制御することで内部抵抗の変化により温度を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蓄電デバイスを備える電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置及び方法、並びにそれを用いた電力貯蔵システムに関する。
蓄電デバイスの中にはその温度が低いと内部抵抗が増え、充放電能力が小さくなるものがある。例えば、一般的なリチウム（Ｌｉ）イオン電池の電池温度に対する内部抵抗は、最適温度状態（２５℃）の場合と１０℃で使用した場合では、約２．５倍程度大きくなる。そのため低温時の充放電では電圧降下・上昇が大きくなり、使用可能な電池電圧範囲を逸脱し、所定の充放電量が出力できない問題点があった。このような低温時に所定の充放電量が出力できない問題点を解決するために以下の２つの解決法があった。
第１の解決法は、蓄電デバイス周囲から暖めて蓄電デバイス温度を所定温度にする方法である。例えば、シボレーボルトのプラグインハイブリッド車では、バッテリーの冷媒回路を持ち、単にバッテリーを冷やすだけでなく、動作温度が最適範囲を下回ると、バッテリーを加熱する機能を備えている。
また、第２の解決法は特許文献１において開示されており、蓄電デバイスの所定の充電範囲内で充放電を強制的に行う方法である。第２の解決法では、充放電により発生する熱で電池の温度を所定温度に制御する。電池の温度が所定温度より低い場合に、強制的に充放電を行い電池に電流を流し、電池の内部抵抗により熱を発生させる。
特開２０００−０９２６１４号公報
第１の解決法では、車が動いていないときもコントローラが冷媒回路を制御しているが、電池周囲を暖めて電池温度を所定温度にするため、所定の温度まで迅速かつ容易に昇温することができず、また冷媒回路のための電力が必要となるという問題点があった。
第２の解決法では、電池を内部より暖めることができるので、迅速に電池を所定温度に昇温させることができるが、負荷（エンジンの出力要求）を与えて電池に貯蔵した電力を無駄に消費しているという問題点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、複数の蓄電デバイスを併用した電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置及び方法において、従来技術に比較して消費電力を大幅に軽減できる蓄電デバイスの温度制御装置及び方法、並びにそれを用いた電力貯蔵システムを提供することにある。
第１の発明に係る電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置は、所定の内部抵抗を有する第１の蓄電デバイスと、第２の蓄電デバイスとを含む複数の蓄電デバイスを備える電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置であって、
上記温度制御装置は、
上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスが双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ及び直流リンクを介して並列に接続されるように、上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスとの間に設けられる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１の蓄電デバイスの温度を測定する温度測定手段と、
上記第１の蓄電デバイスの温度を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記第１の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第１の蓄電デバイスの第１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；以下、ＳＯＣという。）を演算し、
上記第２の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第２の蓄電デバイスの第２のＳＯＣを演算し、
上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最小値よりも大きくかつ、上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最大値よりも小さいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第２の蓄電デバイスから上記第１の蓄電デバイスの充電モードに設定して動作するように制御し、
上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最大値よりも小さくかつ、上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最小値よりも大きいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第１の蓄電デバイスから上記第２の蓄電デバイスの放電モードに設定して動作するように制御し、
上記直流リンクに負荷が接続されていないときの上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗、上記第２のＳＯＣ、上記直流リンクの電圧、及び上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算し、当該通流率となるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗による発熱によりその温度を制御することを特徴とする。
また、上記蓄電デバイスの温度制御装置において、上記制御手段は、上記直流リンクに負荷が接続されていないときの上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗及び上記第２のＳＯＣに基づいて上記第２の蓄電デバイスの第１の出力電力指令値を演算し、上記第１の出力電力指令値と上記直流リンクの電圧から、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流指令値を演算し、当該電流指令値と、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算することを特徴とする。
さらに、上記蓄電デバイスの温度制御装置において、上記制御手段は、上記直流リンクに接続される負荷に応じた上記第２の蓄電デバイスの第２の出力電力指令値を演算し、当該第２の出力電力指令値を上記第１の出力電力指令値に加算して制御することを特徴とする。
第２の発明に係る電力貯蔵システムは、
上記電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置と、
上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスとを含む複数の蓄電デバイスとを備えることを特徴とする。
上記電力貯蔵システムにおいて、上記電力貯蔵システムは、上記直流リンクの電圧を、交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータをさらに備えることを特徴とする。
第３の発明に係る電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御方法は、所定の内部抵抗を有する第１の蓄電デバイスと、第２の蓄電デバイスとを含む複数の蓄電デバイスを備える電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御方法であって、
上記温度制御装置は、
上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスが双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ及び直流リンクを介して並列に接続されるように、上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスとの間に設けられる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１の蓄電デバイスの温度を測定する温度測定手段と、
上記第１の蓄電デバイスの温度を制御する制御手段とを備え、
上記温度制御方法は、上記制御手段が、
上記第１の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第１の蓄電デバイスの第１のＳＯＣを演算するステップと、
上記第２の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第２の蓄電デバイスの第２のＳＯＣを演算するステップと、
上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最小値よりも大きくかつ上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最大値よりも小さいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第２の蓄電デバイスから上記第１の蓄電デバイスの充電モードに設定して動作するように制御するステップと、
上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最大値よりも小さくかつ上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最小値よりも大きいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第１の蓄電デバイスから上記第２の蓄電デバイスの放電モードに設定して動作するように制御するステップと、
上記直流リンクに負荷が接続されていないときの上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗、上記第２のＳＯＣ、上記直流リンクの電圧、及び上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算し、当該通流率となるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗による発熱によりその温度を制御するステップとを実行することを特徴とする。
本発明によれば、複数の蓄電デバイスを併用した電力貯蔵システムのための温度制御装置及び方法において、それらの蓄電デバイス間で充放電制御を行うことにより、所定の温度まで迅速かつ容易に昇温し、かつ昇温時に無駄に電力を消費しない。従って、従来技術と比較して消費電力を大幅に軽減できる。
本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システムの構成を示すブロック図である。 図１のコントローラ１０内の充放電制御部４０の制御フローを示すフロー図である。 図１のコントローラ１０によって実行される蓄電デバイスの温度制御処理の第１の部分を示すフローチャートである。 図１のコントローラ１０によって実行される蓄電デバイスの温度制御処理の第２の部分を示すフローチャートである。 図３Ａ及び図３Ｂの蓄電デバイスの温度制御処理において充電モード及び放電モードの領域を示す２次電池ＳＯＣ（Ｓｏｃｂ）に対するキャパシタＳＯＣ（Ｓｏｃｃ）のグラフである。 図１の電力貯蔵システムのシミュレーション結果であって、（ａ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各出力電力を示す波形図であり、（ｂ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各電圧及び直流リンク電圧Ｖｄｃを示す波形図であり、（ｃ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各電流を示す波形図であり、（ｄ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各セル電圧を示す波形図である。 図１の電力貯蔵システムのシミュレーション結果であって、（ａ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する１並列当たりの電流を示す波形図であり、（ｂ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各ＳＯＣを示す波形図であり、（ｃ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）の経過時刻に対する電池温度Ｔｂを示す波形図であり、（ｄ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）の経過時刻に対する内部抵抗Ｒｒｂを示す波形図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
図１は本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システムの構成を示すブロック図である。図１の電力貯蔵システムは、例えばリチウムイオン電池であり内部抵抗Ｒｂを有する２次電池１と、例えばリチウムイオンキャパシタであり内部抵抗Ｒｃを有するキャパシタ２と、双方向昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＤＣ／ＤＣコンバータという。）３と、平滑用リアクトル（以下、リアクトルという。）４と、フィルタコンデンサ５と、ＤＣ／ＡＣインバータ６と、負荷７とを備えて構成される。ここで、２次電池１はＮｂ個のセルを直列に接続し当該直列回路をＭｂ個並列に接続することで構成される。キャパシタ２はＮｃ個のセルを直列に接続し当該直列回路をＭｃ個並列に接続することで構成される、２次電池１はキャパシタ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３及びリアクトル４を介して直流リンク８で並列に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、キャパシタ２への充電モード及びキャパシタ２からの放電モードを有し、キャパシタ２と直流リンクとの間で双方向でＤＣ／ＤＣ変換しかつ各直流電圧を昇降圧で変化可能であり、その動作はコントローラ１０により制御される。直流リンク８の直流電圧はＤＣ／ＡＣインバータ６により交流電圧にＤＣ／ＡＣ変換されて交流負荷７に出力される。
図１において、２次電池１の電圧Ｖｂを測定するために２次電池１には電圧検出器１１が設けられ、２次電池１の電池温度Ｔｂを測定するために温度測定器１３が設けられる。また、キャパシタ２の電圧Ｖｃを測定するためにキャパシタ２には電圧検出器２１が設けられる。さらに、リアクトル４の電流を測定するために電流検出器３１が設けられる。直流リンク８の電圧Ｖｄｃを測定するために、電圧検出器５１が設けられる。各電圧検出器１１，２１，５１及び電流検出器３１により測定された電圧及び電流の情報はコントローラ１０に出力される。コントローラ１０は入力される情報に基づいて、図２の充電制御部４０及び、例えば電圧テーブル方式で２次電池１及びキャパシタ２のＳＯＣを推定演算するための各電圧テーブル（ＳＯＣに対する電圧の関係を示すテーブル）を格納するテーブルメモリ１０ｍを有し、図３Ａ及び図３Ｂの蓄電デバイスの温度制御処理を実行することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の動作モード及び通流率Ｄを制御して２次電池１の温度を制御する。ここで、通流率ＤによりＤＣ／ＤＣコンバータ３のデューティ比が決まる。
図２は図１のコントローラ１０内の充放電制御部４０の制御フローを示すフロー図である。図２において、充放電制御部４０は、ＰＩ（Proportional Integral）制御器４１，４６と、制御関数出力部４２と、加算器４３と、除算器４４と、減算器４５とを備えて構成される。ＰＩ制御器４１は負荷７に応じたキャパシタ２の出力電力指令値Ｐｃ＊（ｋＷ）を発生して加算器４３に出力する。また、制御関数出力部４２は詳細後述する２次電池１の温度制御関数Ｆ（・）の関数値Ｐｃｔ＊（ｋＷ）を計算して加算器４３に出力する。加算器４３は入力される２つの値を加算して加算結果の指令値（Ｐｃ＊＋Ｐｃｔ＊）を除算器４４に出力する。除算器４４は入力される指令値（Ｐｃ＊＋Ｐｃｔ＊）を直流リンク８の電圧Ｖｄｃで除算し、除算結果であるキャパシタ２の１次側電流指令値Ｉｃ＊（Ａ）を減算器４５に出力する。減算器４５はキャパシタ２の１次側電流指令値Ｉｃ＊から、電流検出器３１により測定されたキャパシタ１次側電流値Ｉｃ（Ａ）を減算して減算結果の誤差値（Ｉｃ＊−Ｉｃ）をＰＩ制御器４６に出力する。ＩＰ制御器４６は誤差値（Ｉｃ＊−Ｉｃ）に基づいて誤差値（Ｉｃ＊−Ｉｃ）が０になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３の通電率Ｄを制御する。なお、キャパシタ２の１次側電流Ｉｃはリアクトル４及び直流リンク８側の電流であって、電流検出器３１で測定される。
以上のように構成された図２の充放電制御部４０では、基本的には、ＡＣ側の負荷電流Ｉａｃに対応するため、負荷７に応じたキャパシタ２の出力電力指令値Ｐｃ＊を制御量とするＰＩ制御器４１と、キャパシタ２の１次側電流指令値Ｉｃ＊に応じたＤＣ／ＤＣコンバータ３の通流率Ｄを制御量とするＰＩ制御器４６とを備える。さらに、２次電池１の温度制御によって求まる出力電力指令値Ｐｃｔ＊が、負荷電流Ｉａｃに応じたキャパシタ２の出力電力指令値Ｐｃ＊に加算器４３に加算される。本実施形態では、基本的には、ＡＣ側の負荷電流Ｉａｃに対応してＤＣ／ＤＣコンバータ３によりキャパシタ２の１次側電流Ｉｃを制御し、２次電池１の電流Ｉｂは間接的に制御される。直流リンク８の電圧Ｖｄｃは２次電池１の電圧Ｖｂと等しくなるように制御される。
次いで、２次電池温度制御の基本ロジックについて以下に説明する。
（１）ＡＣ側の負荷７が無い場合、２次電池１の温度制御関数Ｆ（・）により、２次電池１の電池温度（測定値）Ｔｂに基づいて演算される内部抵抗Ｒｂ及びキャパシタ２のＳＯＣ等から、キャパシタ２の出力電力指令値Ｐｃｔ＊を生成する。
（２）出力電力指令値Ｐｃｔ＊と直流リンク電圧Ｖｄｃより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の１次側キャパシタ電流指令値Ｉｃ＊を求め、コントローラ１０の出力としてＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄが決まり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の１次側キャパシタ電流Ｉｃが流れる。ＡＣ側の負荷７は無いので、キャパシタ２から２次電池１との間に電流が流れることで充放電が行われ、２次電池１の内部抵抗Ｒｂの発熱により２次電池１の温度は昇温する。
（３）また、昇温中に負荷７が発生した場合、昇温のための充放電を中止し、負荷７に電力を供給できるよう、出力電力指令値Ｐｃ＊を出力するＰＩ制御器４１は、トラッキングによりバンプレスで制御する。
次いで、２次電池１の温度制御関数Ｆ（・）について以下に説明する。昇温のための２次電池１とキャパシタ２との間での充放電の繰り返しは、温度制御関数Ｆ（・）による。
まず、前提条件は以下の通りである。
（１）２次電池１の充放電範囲をＳＯＣで最小値Ｓｏｃｂ＿Ｍｉｎ〜最大値Ｓｏｃｂ＿Ｍａｘ（％）の範囲とする。通常、２次電池１の寿命を考慮すると充放電深度は浅い方が望ましく、その範囲は１０％程度である。
（２）キャパシタ２の充放電範囲をＳＯＣで最小値Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎ〜最大値Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘ（％）の範囲とする。通常、キャパシタ２は充放電深度を深く取ることができる。
（３）キャパシタ２の内部抵抗Ｒｃは、温度依存性が少ないためＲｃ（Ω）一定とする。
（４）２次電池１の端子電圧の使用範囲は最小値Ｖｂ＿Ｍｉｎ〜最大値Ｖｂ＿Ｍａｘ（Ｖ）の範囲とする。
（５）キャパシタ２の端子電圧の使用範囲は最小値Ｖｃ＿Ｍｉｎ〜最大値Ｖｃ＿Ｍａｘ（Ｖ）の範囲とする。
次いで、準備する２次電池１の電気的特性は以下の通りである。
（１）充放電特性（Ｓｏｃｂ（％）−内部起電力Ｅｂ（Ｖ））：Ｅｂ＝ｆｕｎｃ１（Ｓｏｃｂ）；
（２）温度特性（電池温度（測定値）Ｔｂ（℃）−内部抵抗Ｒｂ（Ω））：Ｒｂ＝ｆｕｎｃ２（Ｔｂ）。
ここで、測定値（推定演算値を含む）は以下の通りである。
（１）２次電池１の電池温度Ｔｂ（℃）：温度測定器１３により測定される。
（２）２次電池１の電圧Ｖｂ（Ｖ）：電圧検出器１１により測定される。
（３）キャパシタ２の電圧Ｖｃ（Ｖ）：電圧検出器２１により測定される。
（４）直流リンク８の電圧Ｖｄｃ（Ｖ）：電圧検出器５１により測定される。
（５）２次電池１のＳＯＣ（Ｓｏｃｂ）（％）：コントローラ１０により２次電池１の電圧Ｖｂ（測定値）に基づいて公知の電圧テーブル方式を用いて、テーブルメモリ１０ｍ内の電圧テーブルを参照して推定演算される。
（６）キャパシタ２のＳＯＣ（Ｓｏｃｃ）（％）：コントローラ１０によりキャパシタ２の電圧Ｖｃ（測定値）に基づいて公知の電圧テーブル方式を用いて、テーブルメモリ１０ｍ内の電圧テーブルを参照して推定演算される。
なお、本実施形態では、電圧テーブルを用いてＳＯＣを推定演算しているが、本発明はこれに限らず、電流積算方式などの他の方式を用いてＳＯＣを推定演算してもよい。すなわち、各ＳＯＣは２次電池１又はキャパシタ２の電圧又は電流に基づいて推定演算される。
さらに、温度制御処理の制御則は以下の通りである。
まず、２次電池１に関する制御測は以下の通りである。
（Ｒ１）温度特性Ｒｂ＝ｆｕｎｃ２（Ｔｂ）から、２次電池１の温度Ｔｂ（℃）での内部抵抗Ｒｂ（Ω）を求める。
（Ｒ２）上記（Ｒ１）で求めた内部抵抗Ｒｂから、最大放電電流Ｉｂ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、最大充電電流Ｉｂ＿ｃｈａｒｇｅを次式より求める。
Figure 2015125880
Figure 2015125880
（Ｒ３）２次電池１の電圧Ｖｂ（Ｖ）、直列数Ｎｂ、並列数Ｍｂより、充電可能電力Ｗｂ＿ｃｈａｒｇｅ（Ｗ）、放電可能電力Ｗｂ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（Ｗ）を次式より求める。
Figure 2015125880
Figure 2015125880
次いで、キャパシタ２に関する制御則は以下の通りである。
（Ｒ１１）キャパシタ２の静電容量をＣ（Ｆ）として、キャパシタＳＯＣ（Ｓｏｃｃ）と電荷量Ｑの関係は以下に与えられる。
Figure 2015125880
よって、キャパシタ２の充放電範囲をＳＯＣで最小値Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎ〜最大値Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘ（％）とした場合、電荷量の最小値Ｑ＿Ｍｉｎ、電荷量の最大値Ｑ＿Ｍａｘが求まり、最大放電電流Ｉｃ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、最大充電電流Ｉｃ＿ｃｈａｒｇｅは、次式より求まる。
Figure 2015125880
Figure 2015125880
（Ｒ１２）キャパシタ電圧Ｖｃ（Ｖ）、直列数Ｎｃ、並列数Ｍｃより、充電可能電力Ｗｃ＿ｃｈａｒｇｅ（Ｗ）、放電可能電力Ｗｃ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（Ｗ）を次式より求める。
Figure 2015125880
Figure 2015125880
さらに、２次電池１及びキャパシタ２に関する制御則は以下の通りである。
（Ｒ２１）電力指令値Ｐｃｔ＊は、キャパシタ充電指令値Ｐｃｔ＿ｃｈａｒｇｅ＊、キャパシタ放電指令値Ｐｃｔ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＊の２つとして次式から求まる。なお、ｍｉｎ（Ａ，Ｂ）はＡ及びＢのうち最小値を関数値とする最小値関数である。
Figure 2015125880
Figure 2015125880
（Ｒ２２）そして出力電力指令値Ｐｃｔ＊は、以下の条件Ｃ１，Ｃ２で切り替わる。
条件Ｃ１：
Figure 2015125880
 条件Ｃ１のときの動作：
Figure 2015125880
条件Ｃ２：
Figure 2015125880
 条件Ｃ２のときの動作：
Figure 2015125880
（Ｒ２３）以上により出力電力指令値Ｐｃｔ＊が決定されれば、温度制御関数値として制御関数値出力部４２から出力され、これに基づいて、図２の充放電制御部４０は通流率Ｄを演算してＤＣ／ＤＣコンバータ３に設定することで、２次電池１の温度Ｔｂを制御する。
図３Ａ及び図３Ｂは図１のコントローラ１０によって実行される蓄電デバイスの温度制御処理を示すフローチャートである。
図３ＡのステップＳ１において、二次電池１の電圧に基づいて、電圧テーブルを参照して二次電池１のＳｏｃｂを計算し、ステップＳ２においてキャパシタ２の電圧に基づいて、電圧テーブルを参照してキャパシタ２のＳｏｃｃを計算する。次いで、ステップＳ３において、Ｓｏｃｂ＞Ｓｏｃｂ＿ＭｉｎでかつＳｏｃｃ＜Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘであるか否かを判断し、ＮＯのときは図３ＢのステップＳ４に進む一方、ＹＥＳのときはステップＳ５に進む。ステップＳ５では、式（１０）で演算されたキャパシタ充電指令値Ｐｃｔ＿ｃｈａｒｇｅ＊を出力電力指令値Ｐｃｔ＊として設定し、ステップＳ６では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３をキャパシタ２から２次電池１への充電モードに設定し、ステップＳ７では、図２の充放電制御部４０の処理を実行することによりＤＣ／ＤＣコンバータ３の通電率Ｄを計算して、それに基づいてデューティ比を制御することによりスイッチング動作を制御し、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、Ｓｏｃｂ＜Ｓｏｃｂ＿Ｍｉｎもしくは、Ｓｏｃｃ＞Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘであるか否かを判断し、ＮＯのときはステップＳ５に戻り充電モードを継続する一方、ＹＥＳのときはステップＳ１に戻る。
図３ＢのステップＳ４では、Ｓｏｃｂ＜Ｓｏｃｂ＿ＭａｘでかつＳｏｃｃ＞Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎであるか否かを判断し、ＮＯのときはステップＳ１３に進む一方、ＹＥＳのときはステップＳ９に進む。ステップＳ９では、式（１１）で演算されたキャパシタ放電指令値Ｐｃｔ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＊を出力電力指令値Ｐｃｔ＊として設定し、ステップＳ１０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を２次電池１からキャパシタ２への放電モードに設定し、ステップＳ１１では、図２の充放電制御部４０の処理を実行することによりＤＣ／ＤＣコンバータ３の通電率Ｄを計算して、それに基づいてデューティ比を制御することによりスイッチング動作を制御し、ステップＳ１２に進む。ステップ１２では、Ｓｏｃｂ＞Ｓｏｃｂ＿Ｍａｘもしくは、Ｓｏｃｃ＜Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎであるか否かを判断し、ＮＯのときはステップＳ９に戻り放電モードを継続する一方、ＹＥＳのときはステップＳ１に戻る。ステップＳ１３では、出力電力指令値Ｐｃｔ＊に零を設定し、ステップ１４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を停止モードに設定し、ステップＳ１５にてＤＣ／ＤＣコンバータ３の通電率Ｄを零に設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を停止させる。ステップＳ１５の処理の後、ステップＳ１に戻る。
図４は図３Ａ及び図３Ｂの蓄電デバイスの温度制御処理において充電モード、放電モード及び停止モードの領域を示す２次電池ＳＯＣ（Ｓｏｃｂ）に対するキャパシタＳＯＣ（Ｓｏｃｃ）のグラフである。図４から明らかなように、本制御方法では、４個のＳＯＣパラメータ（Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘ，Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎ，Ｓｏｃｂ＿Ｍａｘ，Ｓｏｃｂ＿Ｍｉｎ）によって、図４の２次元平面が４つの状態（充電モード、放電モード、停止モード、充電及び放電のどちらも可）に分けられる。Ｓｏｃｂ＞Ｓｏｃｂ＿ＭａｘかつＳｏｃｃ＞Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘのときは両蓄電デバイスが最大ＳＯＣを超えているため、停止モードに設定する。また、Ｓｏｃｂ＜Ｓｏｃｂ＿ＭｉｎかつＳｏｃｃ＞Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎのときも両蓄電デバイスが最小ＳＯＣ未満であるため、停止モードに設定する。これら以外の領域では、Ｓｏｃｂ＞Ｓｏｃｂ＿ＭｉｎでかつＳｏｃｃ＜Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘであるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は充電モードに設定される一方、Ｓｏｃｂ＜Ｓｏｃｂ＿ＭａｘでかつＳｏｃｃ＞Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎのとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は放電モードに設定される。充電モードと放電モードが重なる領域では、充電及び放電のどちらも可能であり、充電モード及び放電モードのどちらかを設定する。
本発明者らは，図１の電力貯蔵システムを用いて、電池温度Ｔｂを２２℃から２３℃に昇温させる場合についてシミュレーションを行った。その結果を図５及び図６に示す。このシミュレーションの条件を以下のように設定した。
（１）２次電池１のＳＯＣの設定範囲Ｓｏｃｂ＿Ｍｉｎ〜Ｓｏｃｂ＿Ｍａｘ（％）：４０〜５０％；
（２）キャパシタ２のＳＯＣの設定範囲Ｓｏｃｃ＿Ｍｉｎ〜Ｓｏｃｃ＿Ｍａｘ（％）：７０〜９０％；
（３）２次電池１の電圧Ｖｂの設定範囲Ｖｂ＿Ｍｉｎ〜Ｖｂ＿Ｍａｘ（Ｖ）：２．５〜３．５Ｖ／セル；
（４）キャパシタ２の電圧Ｖｃの設定範囲Ｖｃ＿Ｍｉｎ〜Ｖｃ＿Ｍａｘ（Ｖ）：２．２〜３．８Ｖ／セル；
（５）２次電池１の電圧Ｖｂ＝９５０．５４４Ｖ；
（６）２次電池１は、２８８個のセルを直列に接続し、その直列回路を５個並列にして接続して構成される；
（７）キャパシタ２の電圧Ｖｃ＝７２９．６Ｖ；
（８）キャパシタ２は、１９２個のセルを直列に接続し、その直列回路を５個並列にして接続して構成される；
（９）キャパシタ放電指令値Ｐｃｔ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＊＝１５０ｋＷ；
（１０）キャパシタ充電指令値Ｐｃｔ＿ｃｈａｒｇｅ＊＝４００ｋＷ；
（１１）２次電池１は次式の熱容量Ｃｂ（１６０３Ｊ／Ｋ／セル）を有する。
Figure 2015125880
Figure 2015125880
図５は図１の電力貯蔵システムのシミュレーション結果であって、図５（ａ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各出力電力を示す波形図であり、図５（ｂ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各電圧及び直流リンク電圧Ｖｄｃを示す波形図であり、図５（ｃ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各電流を示す波形図であり、図５（ｄ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各セル電圧を示す波形図である。また、図６は図１の電力貯蔵システムのシミュレーション結果であって、図６（ａ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する１並列当たりの電流を示す波形図であり、図６（ｂ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）及びリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）の経過時刻に対する各ＳＯＣを示す波形図であり、図６（ｃ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）の経過時刻に対する電池温度Ｔｂを示す波形図であり、図６（ｄ）はリチウムイオン電池（ＬｉＢ）の経過時刻に対する内部抵抗Ｒｒｂを示す波形図である。
図５及び図６から明らかなように、本実施例では、約１００秒で電池温度を１℃上昇させることが可能であった。これより、所定の温度まで可能な限り迅速に昇温できていることが解かる。
以上説明したように、本実施形態によれば、２次電池１とキャパシタ２を併用した電力貯蔵システムを構成し、２次電池１とキャパシタ２間で充放電制御を行うことにより、所定の温度まで可能な限り迅速かつ容易に昇温し、かつ昇温時に消費する電力は、２次電池、キャパシタの充放電効率のみに抑えることができる。
以上の実施形態において、第１の蓄電デバイスとして、例えばリチウムイオン電池である２次電池１を用いているが、本発明はこれに限らず、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオンポリマー畜電池などを用いてもよい。また、第２の蓄電デバイスとして、例えばリチウムイオンキャパシタを用いているが、本発明はこれに限らず、電気二重層キャパシタなどを用いてもよい。
以上の実施形態においては、２次電池１とキャパシタ２との２個の蓄電デバイスを備えた電力貯蔵システムについて説明しているが、本発明はこれに限らず、３個以上の蓄電デバイスを備えた電力貯蔵システムを構成して、各蓄電デバイス間で充放電を行うように構成してもよい。
以上詳述したように、複数の蓄電デバイスを併用した電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置及び方法において、従来技術に比較して消費電力を大幅に軽減できる蓄電デバイスの温度制御装置及び方法を提供することができる。交流負荷７としては、例えば、車両、船舶などの交流モータ等の電気推進装置の交流電気機器に適用できる。
１…２次電池、
２…キャパシタ、
３…双方向昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、
４…平滑用リアクトル、
５…フィルタコンデンサ、
６…ＤＣ／ＡＣインバータ、
７…負荷、
１０…コントローラ、
１０ｍ…テーブルメモリ、
１１，２１，５１…電圧検出器、
３１…電流検出器、
１３…温度測定器、
４０…充放電制御部、
４１，４６…ＰＩ制御器、
４２…制御関数値出力部、
４３…加算器、
４４…除算器、
４５…減算器。

Claims (6)

  1. 所定の内部抵抗を有する第１の蓄電デバイスと、第２の蓄電デバイスとを含む複数の蓄電デバイスを備える電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置であって、
    上記温度制御装置は、
    上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスが双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ及び直流リンクを介して並列に接続されるように、上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスとの間に設けられる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    上記第１の蓄電デバイスの温度を測定する温度測定手段と、
    上記第１の蓄電デバイスの温度を制御する制御手段とを備え、
    上記制御手段は、
    上記第１の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第１の蓄電デバイスの第１のＳＯＣを演算し、
    上記第２の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第２の蓄電デバイスの第２のＳＯＣを演算し、
    上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最小値よりも大きくかつ上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最大値よりも小さいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第２の蓄電デバイスから上記第１の蓄電デバイスの充電モードに設定して動作するように制御し、
    上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最大値よりも小さくかつ上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最小値よりも大きいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第１の蓄電デバイスから上記第２の蓄電デバイスの放電モードに設定して動作するように制御し、
    上記直流リンクに負荷が接続されていないときの上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗、上記第２のＳＯＣ、上記直流リンクの電圧、及び上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算し、当該通流率となるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗による発熱によりその温度を制御することを特徴とする電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置。
  2. 上記制御手段は、上記直流リンクに負荷が接続されていないときの上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗及び上記第２のＳＯＣに基づいて上記第２の蓄電デバイスの第１の出力電力指令値を演算し、上記第１の出力電力指令値と上記直流リンクの電圧から、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流指令値を演算し、当該電流指令値と、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算することを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置。
  3. 上記制御手段は、上記直流リンクに接続される負荷に応じた上記第２の蓄電デバイスのｄ第２の出力電力指令値を演算し、当該第２の出力電力指令値を上記第１の出力電力指令値に加算して制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置。
  4. 請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御装置と、
    上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスとを含む複数の蓄電デバイスとを備えることを特徴とする電力貯蔵システム。
  5. 上記電力貯蔵システムは、
    上記直流リンクの電圧を、交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項４記載の電力貯蔵システム。
  6. 所定の内部抵抗を有する第１の蓄電デバイスと、第２の蓄電デバイスとを含む複数の蓄電デバイスを備える電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御方法であって、
    上記温度制御装置は、
    上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスが双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ及び直流リンクを介して並列に接続されるように、上記第１の蓄電デバイスと上記第２の蓄電デバイスとの間に設けられる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    上記第１の蓄電デバイスの温度を測定する温度測定手段と、
    上記第１の蓄電デバイスの温度を制御する制御手段とを備え、
    上記温度制御方法は、上記制御手段が、
    上記第１の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第１の蓄電デバイスの第１のＳＯＣを演算するステップと、
    上記第２の蓄電デバイスの電圧又は電流に基づいて上記第２の蓄電デバイスの第２のＳＯＣを演算するステップと、
    上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最小値よりも大きくかつ上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最大値よりも小さいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第２の蓄電デバイスから上記第１の蓄電デバイスの充電モードに設定して動作するように制御するステップと、
    上記第１のＳＯＣが上記第１のＳＯＣの所定の最大値よりも小さくかつ上記第２のＳＯＣが上記第２のＳＯＣの所定の最小値よりも大きいとき、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、上記第１の蓄電デバイスから上記第２の蓄電デバイスの放電モードに設定して動作するように制御するステップと、
    上記直流リンクに負荷が接続されていないときの上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗、上記第２のＳＯＣ、上記直流リンクの電圧、及び上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの直流リンク側の電流との誤差に基づいて、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの通流率Ｄを演算し、当該通流率となるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、上記第１の蓄電デバイスの内部抵抗の変化によりその温度を制御するステップとを実行することを特徴とする電力貯蔵システムのための蓄電デバイスの温度制御方法。
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