JP2015171216A - 蓄電池システム及び蓄電池システムの充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的小型の定電流充放電部を用いて柔軟な大容量蓄電池システムを構築すること及び蓄電池システムを構築するために必要な充放電方法を提供すること。
【解決手段】一例の蓄電池システムは、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第１の電池モジュール体群と、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第２の電池モジュール体群との間に接続された定電流源充放電部と、この定電流源充放電部を介して充電する前記第１の電池モジュール体群を構成する電池モジュール体及び前記第２の電池モジュール体群を構成する電池モジュール体を各々選択する電池モジュール体選択制御部と、を備え、この電池モジュール体選択制御部により選択された前記第１の電池モジュール体群又は前記第２の電池モジュール体群の特定の充電側電池モジュール体から前記第２の電池モジュール体群又は前記第１の電池モジュール体群の特定の被充電側電池モジュール体に前記定電流源充放電装置により充電を行う。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数の電池モジュール体を有する蓄電池システム及び蓄電池システムの充電方法に関する。

従来から知られている蓄電池システムは充電用電源と負荷装置から成り、蓄電容量が大きいと特にその構築、保守などの試験検査の際には大きな消費電力を必要とし、蓄電システム自体が大型化する問題があった。

近年では回生型の蓄電システムも知られており、商用電源への帰還により発熱量を抑えることもなされている。しかしこのような商用電源に接続され、商用電源への帰還が可能な負荷を使用する場合、ある程度大きな負荷が必要である。平準化して消費電力の最大値を低下するには、充放電のタイミングをずらすなどの工夫もなされているが、その運用管理が必要となる。

なお、２個のバッテリを有して、一方のバッテリからの放電電流を他方のバッテリに流してお互いの間で充電放電するバッテリ充電回路も知られている。

しかし、大容量の蓄電システムに適用する場合には、やはり大電流を流して評価する必要があってシステムが大型化する問題がある。

特開平７−６７２６４号公報 特開２０１３−２２６０３１号公報

この発明の課題は、比較的小型の定電流充放電部を用いて柔軟な大容量蓄電池システムを構築すること及び蓄電池システムを構築するために必要な充放電方法を提供することである。

一例の蓄電池システムは、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第１の電池モジュール体群と、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第２の電池モジュール体群との間に接続された定電流源充放電部と、この定電流源充放電部を介して充電する前記第１の電池モジュール体群を構成する電池モジュール体及び前記第２の電池モジュール体群を構成する電池モジュール体を各々選択する電池モジュール体選択制御部と、を備え、この電池モジュール体選択制御部により選択された前記第１の電池モジュール体群又は前記第２の電池モジュール体群の特定の充電側電池モジュール体から前記第２の電池モジュール体群又は前記第１の電池モジュール体群の特定の被充電側電池モジュール体に前記定電流源充放電装置により充電を行うこと、を特徴とする。

一実施形態の蓄電池システムを含めた全体の構成例を示す図である。 電池モジュール体の構成例を示す図である。 定電流源充放電部の構成例を示す図である。 定電流源充放電部の動作を説明するための図である。 一実施形態において電池モジュール体群の充電及び電池モジュール体の切り離しまでの動作を説明する為の図である。 一実施形態において電池モジュール体の充電の動作を説明する為の図である。

以下、実施形態について、図面を用いて説明する。一実施形態の構成例を図１に示す。この蓄電池システム１１は、複数又は単数の電池モジュール体が接続される電池モジュール体群１２から入力された電力を一定電流で他方の電池モジュール体群１３に出力する定電流源充放電部１４と、これらの電池モジュール体群１２，１３を構成する電池モジュールを選択、特定する電池モジュール体選択制御部１５と、を有する。

蓄電池システム１１は、商用の交流電源１７に接続される充電装置１８に接続される。充電装置１８は、例えばＤＣＤＣコンバータから成る交流直流変換器である。電池モジュール体群は、一旦充電装置１８によって充電されるとスイッチＳＷによって切り離して使用される。

電池モジュール体群１２及び電池モジュール体群１３は、並列接続される所定数（例えば５０個）の電池モジュール体から構成される。そのうちのいくつかの電池モジュール体を特定して充電池モジュール体（充電側電池モジュール体）とし、あるいは充電される電池モジュール体（被充電側電池モジュール体）とする。この充電側及び被充電側の電池モジュール体の選択は電池モジュール体選択制御部１５により行う。

各選択された充電側電池モジュール体から選択された被充電側電池モジュール体への電力の供給は、定電流源充放電部１４によりなされる。

電池モジュール体群１２の構成例を図２に示す。図２において２個の電池モジュール体Ｍ１，Ｍ２を示している。電池モジュール体群１２を構成する電池モジュールはこの他にもあるが、いま、この２個の電池モジュール体が充電側電池モジュールとして動作する例について述べる。他の電池モジュール体も構成的には、電池モジュール体Ｍ１，Ｍ２と同じである。電池モジュール体Ｍ２は、電池モジュール体Ｍ１と同じ構造を有している。

電池モジュール体Ｍ１は、例えば１０個の電池モジュールＡ１〜Ａ１０（Ａｍ）と、蓄電池監視ユニット（ＢＭＵ：Battery Monitoring Unit）２１から成る。ＢＭＵ２１は、１０個の電池モジュールＡ１〜Ａ１０の状態を監視する。

電池モジュールＡ１〜Ａ１０は同じ構造を有するので、ここでは代表して電池モジュールＡ１について述べる。

電池モジュールＡ１は例えばリチウムイオン電池による、例えば２４個の蓄電池セルＢ１〜Ｂ２４（Ｂｎ）の直列回路を備える。電池モジュールＡ１は内部の蓄電池セルＢｎ各々の動作状態を監視するＣＭＵ（Cell Monitoring Unit:セル監視ユニット）Ｃ１を備える。ＣＭＵＣ１の監視結果は定期的にＢＭＵ２１に通知される。このような構成は他の電池モジュールＡ２についても同様である。

上記電池モジュール体群１２は、例えばそのうちの２個の電池モジュール体Ｍ１，Ｍ２が充電側モジュール体として機能する。一方、電池モジュール体選択制御部１５は、電池モジュール体群１３の内の更に少数、例えば１個の電池モジュール体を被充電側電池モジュール体として作動させる。

ここで、充電側電池モジュール体群１２と被充電側電池モジュール体１３の間に介在させる定電流源充放電部１４について説明する。

この定電流源充放電部１４の等価回路を図３に示す。図３において定電流源充放電部１４は、２つの定電流源Ｐ１，Ｐ２から成る。図４に定電流源充放電部１４の一方Ｐ１の入出力特性を示す。定電流源Ｐ１，Ｐ２は、ＣＣＣＶ電源であり、パルス幅制御により、出力電流を一定になるように制御する回路である。

図４（ａ）は、入力電圧の特性を示し、入力電圧がＹ１からＹ２の範囲では、図４（ｂ）に示すように、出力電流Ｏｉが一定電流Ｏ１となる充電を行う。そして出力電圧Ｏｖが所定の完了電圧Ｖ４になったら充電を完了する。

このように、定電流定電圧（ＣＣＣＶ；Constant Current-Constant Voltage）充電方式は急速充電方式の１つで、最初に一定の電流を電池セルに供給する状態を続け、電池セルが充電終了電圧Ｖ４に高まるとそこで定電流充電から定電圧充電に移る。充電終了電圧Ｖ４の達した後には定電圧制御によって電流は下がりやがて充電を完了する。この方式はＬｉイオン電池を用いる機器に多く使われる。

定電流源充放電部１４としては、双方向性の充放電回路を用いてもよいし、単方向性の定電流源充放電回路を互いに逆方向に接続して用いてもよい。

まず、スイッチＳＷをオンすることにより、商用交流電源１７から充電装置１８を介して電池モジュール体群１２の各電池モジュール体に充電を行う。次に、電池モジュール体群１２から少数ｍ個、例えば２個の電池モジュール体Ｍ１，Ｍ２を充電側電池モジュール体として選択し、電池モジュール体１３から更に少数ｎ個（ｍ＞ｎ）、例えば１個の電池モジュール体を被充電側電池モジュール体として選択して、定電流充放電部１４により充電を行うことができる。

通常は、充電が必要な被充電側電池モジュール体、ｎ個が特定され、これの充電を行うためにこの個数ｎ個より多いｍ個の充電側電池モジュール体が選択され、定電流源充放電部１４を介して充電されることになる。

次にこの実施形態についての動作を、図５及び図６に示すフローチャートを用いて説明する。

正常動作の場合の電池モジュール体群１２への充電、及び電池モジュール体群１３中の電圧低下した電池モジュール体の切り離しまでのフローチャートを、図５に示す。モジュール体に故障が発生した場合も同様のフローに従い、予備品等を用いて状況復帰させる場合にもこの充電手順が適用される。

まず、Ａ５０１で商用交流電源１７から充電装置１８を介して電池モジュール体群１２の各電池モジュールの電池セルに順次充電を行う。電池モジュール体群１２を構成する電池モジュール体の数は、例えば５０個など多いが、充電装置１８の容量を考慮して、一度に充電を行わず、少数の電池モジュール体を選択して充電を行う。

これにより所定の電圧又は充電率になったら、充電する電池モジュール体を代えて、他の電池モジュール体を充電する。このようにしてすべての電池モジュール体が所定の電圧まで充電されたら蓄電池システム１１を通常の大容量蓄電池システムとして使用する。

Ａ５０２では、電池モジュール体群１２，１３内の電池モジュール体が有するＢＭＵにより異常がないかどうか内部の状態を監視する。電池モジュール体が有する各電池モジュールの内部の電池セルはＣＭＵにより監視されており、いずれかの電池モジュールに異常などがあると、ＣＭＵを介してＢＭＵに検知される。

Ａ５０３で、電池モジュール体群１３内の電池モジュール体に充電が必要な電池モジュールがあるか否かを検知する。ここで充電が必要な電池モジュール体とは、実際には、その電池モジュール体内にある電池モジュールの更に中にある蓄電池セルの充電が必要な場合を意味する。

充電が必要な電池モジュールがあることが検知されたらＡ５０４に移り、その電池モジュール体を切り離す。この切り離し処理は、電池モジュール体選択制御部１５とＢＭＵによりなされる。

充電が必要な電池モジュール体が切り離された後は残りの電池モジュール体で大容量蓄電池システムを構成し、正常動作させる。例えば、電池モジュール体は３個まで切り離しても蓄電池システムとして動作させることが可能であるとする。

切り離された電池モジュール体への充電の動作を、図６に示すフローチャートにより説明する。

Ａ６０１で、電池モジュール体群１３にある、充電が必要として切り離された電池モジュール体を被充電側電池モジュール体として特定する。この充電が必要な電池モジュール体の個数をｎとする。

Ａ６０２では、電池モジュール体群１２内にある電池モジュール体を選択する。この数は、上記被充電側電池モジュール体の個数よりも大きい個数ｍ、例えば２個とする。具体的には例えば図２に示す電池モジュール体Ｍ１，Ｍ２とする。

次にＡ６０３では、定電流充放電部１４により、電池モジュール体群１２中の電池モジュール体Ｍ１，Ｍ２から電池モジュール体群１３中の充電が必要な１個の電池モジュール体に充電を行う。

Ａ６０４では、被充電側電池モジュールの出力電圧値が所定の充電完了電圧値になったかどうかを検知する。

まだ充電完了電圧値に達していなければ、Ａ６０３に戻って充電を継続する。被充電側電池モジュールの出力電圧値が所定の充電完了電圧値になったら充電完了であり、Ａ６０５でその充電を完了した被充電側電池モジュール体をその電池モジュール体群に加える、すなわち接続する。Ａ６０６で正常動作に復帰する。

このように、電圧値の低下などの場合には、その電池モジュール体を切り離し、この切り離した電池モジュール体を充電して再度用いられるようにすることができる。電池モジュール体が故障した場合にも切り離し、別の電池モジュール体を充電して電池モジュール体群に加えることができる。

ところで、上記実施形態では、電池モジュール体群１２内の電池モジュール体から電池モジュール体群１３内の電池モジュール体への充電について説明した。しかし、定電流源充放電部１４における充電は双方向可能であり、電池モジュール体群１３内の電池モジュール体から電池モジュール体群１２の電池モジュール体への充電も、定電流源充放電部１４により行うことが可能である。

なお、各電池モジュール体の各電圧値はほぼ等しいことが望ましく、特別、電圧が低下した電池モジュール体には上記のように充電を行うことができる。

実施形態によれば、電池モジュール体群を構成する電池モジュール体を切り離したり加えたりすることが可能となり、比較的小型の定電流充放電部を用いて柔軟な大容量蓄電池システムを構築すること及び蓄電池システムを構築するために必要な充放電方法を提供することができる。

上記実施形態では、２つの電池モジュール体群を有する場合について述べたが３以上備えていてそれらの電池モジュール体群の中から充電が必要な電池モジュール体及び充電側の電池モジュールを選択するようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したがこれらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１・・・・蓄電池システム
１２，１３・・・・電池モジュール体群
１４・・・・定電流源充放電部
１５・・・・電池モジュール体選択制御部
１７・・・・交流電源
１８・・・・充電装置
２１，２２・・・・蓄電池監視ユニット（ＢＭＵ）
Ｍ１，Ｍ２・・・・電池モジュール体
Ｂ１〜Ｂ２４・・・・蓄電池セル
Ｃ１〜Ｃ１０・・・・セル監視ユニット（ＣＭＵ）

Claims (7)

1. 複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第１の電池モジュール体群と、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第２の電池モジュール体群との間に接続された定電流源充放電部と、
   この定電流源充放電部を介して充電する前記第１の電池モジュール体群を構成する電池モジュール体及び前記第２の電池モジュール体群を構成する電池モジュール体を各々選択する電池モジュール体選択制御部と、を備え、
   この電池モジュール体選択制御部により選択された前記第１の電池モジュール体群又は前記第２の電池モジュール体群の特定の充電側電池モジュール体から前記第２の電池モジュール体群又は前記第１の電池モジュール体群の特定の被充電側電池モジュール体に前記定電流源充放電装置により充電を行うこと、
   を特徴とする蓄電池システム。
2. 前記充電側電池モジュール体の個数は前記被充電側電池モジュール体の個数より多いことを特徴とする請求項１記載の蓄電池システム。
3. 前記電子モジュール体は、複数の電池モジュールと、これらの電池モジュールの状態を監視する蓄電池監視ユニットを有することを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電池システム。
4. 前記定電流源充放電装置は、定電流定電圧充電を行う装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の蓄電池システム。
5. 前記電池モジュールは、複数の直列接続された電池セルとこれらの電池セルの状態を監視するセル監視ユニットを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄電池システム。
6. 前記電池モジュール体選択制御部による前記電池モジュール体群内の前記電池モジュール体の切り離し及び追加は、前記蓄電池監視ユニットを介して行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄電池システム。
7. 電池モジュール体選択制御部により、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第２の電池モジュール体群に属する充電の必要な電池モジュール体を被充電側電池モジュール体として選択し、複数の蓄電池を有し並列接続された複数の電池モジュール体から成る第１の電池モジュール体群に属する特定の電池モジュール体を充電側電池モジュール体として選択し、
   前記第１の電池モジュール体群と、前記第２の電池モジュール体群の間に接続された定電流源充放電装置を用いて、
   前記充電側電池モジュール体から被充電側電池モジュール体に充電を行うことを特徴とする蓄電池システムの充電方法。

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