JP2016063690A

JP2016063690A - 蓄電システム

Info

Publication number: JP2016063690A
Application number: JP2014191270A
Authority: JP
Inventors: 小野澤　誠; Makoto Onozawa; 誠小野澤; 宮本　真; Makoto Miyamoto; 真宮本; 渡辺　均; Hitoshi Watanabe; 均渡辺
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-04-25

Abstract

【課題】利用環境に適合しやすい蓄電システムを提供する。
【解決手段】蓄電システム１Ａは、複数の機器を１つの配置方向に並べた状態で支持するフレーム２０と、フレーム２０により囲まれる空間から外へ空気を排出する排気口２２と、空間へ空気を取り入れる吸気口と、空間において、配置方向に並んでフレーム２０により支持される複数の機器とを備える。複数の機器は、蓄電池を含む蓄電ユニット１２と、変換器ユニット１１とを含む。変換器ユニット１１は、蓄電池ユニット１２の蓄電池と接続され、外部から入力された交流電力を直流電力へ変換して前記蓄電池へ出力する変換器を有する。変換器ユニット１１は、蓄電ユニット１２よりも排気口に近い位置に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を用いた蓄電システムの技術に関する。

蓄電池を用いた蓄電システムとして、外部電源に停電などのトラブルが発生した場合に、蓄電池を利用して電源を負荷機器へ安定供給するシステムが開発されている。例えば、下記特許文献１には、商用電源、燃料電池装置、又は、電源装置といった外部電源から電力供給される負荷機器に接続された蓄電装置が開示されている。この蓄電装置は、外部電源からの電力供給が停止した場合、外部電源に代わって負荷機器へ電力を供給する。

特開２０１４−１０８００８号公報

例えば、電気自動車、住宅、商業施設等に設置される蓄電装置は大型化される傾向にあるため、設置できる場所が制限される。また、蓄電装置を利用するためには、商用電源、他の電源装置、負荷等を含む外部のシステムと接続する必要がある。そのため、蓄電装置を設置する際には、蓄電装置を利用環境に合わせるための設計及び工事等の特別な作業が必要となる。そこで、本願は、利用環境に適合しやすい蓄電システムを開示する。

本発明の１つの実施形態における蓄電システムは、複数の機器を１つの配置方向に並べた状態で支持するフレームと、前記フレームにより囲まれる空間から外へ空気を排出する排気口と、前記空間へ空気を取り入れる吸気口と、前記空間において、前記配置方向に並んで前記フレームにより支持される複数の機器とを備える。前記複数の機器は、蓄電池を含む蓄電ユニットと、変換器ユニットとを含む。前記変換器ユニットは、前記蓄電池ユニットの蓄電池と接続され、外部から入力された交流電力を直流電力へ変換して前記蓄電池へ出力する変換器を有する。前記変換器ユニットは、前記蓄電ユニットよりも前記排気口に近い位置に配置される。

本願開示によれば、利用環境に適合しやすい蓄電システムを実現できる。

図１は、実施形態１における蓄電システム１Ａの構成例を示す斜視図である。図２Ａは、図１に示す蓄電システム１Ａを正面から見た模式図である。図２Ｂの（ａ）は、図２Ａに示す蓄電システム１Ａを底面側（Ｚ軸負方向）から見た模式図であり、図２Ｂの（ｂ）は、図２Ａに示す蓄電システム１Ａを上面側（Ｚ軸正方向）から見た模式図である。図２Ｃは、図２Ａに示す蓄電システム１ＡをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面を示す模式図である。図３は、フレーム２０の変形例を示す斜視図である。図４は、図３に示すフレーム２０の支柱部分の拡大図である。図５は、排気口及び吸気口の変形例を示す図である。図６Ａは、実施形態２における蓄電システム１Ｂを正面から見た模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示す蓄電システム１ＢをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面を示す模式図である。図７は、ＵＰＳ機能（無停電電源）を実現する蓄電システムの構成例を示す図である。図８は、系統電力及び創電システムと連係する機能を持つ蓄電システムの構成例を示す図である。図９は、図８に示す蓄電システムの蓄電池の容量を増やした場合の構成例を示す図である。図１０は、エネルギー管理機能を有する蓄電システムの構成例を示す図である。図１１は、図１０に示すフレーム２０に設けられるユニットの各部及びフレーム２０の外部の機器との関係を示す機能ブロック図である。図１２は、蓄電装置の電池容量を変化させたときの体積エネルギー密度と、従来製品の体積エネルギー密度とを表したバブルチャートである。図１３は、非絶縁型電圧変換器の一例であるトランスレスインバータを含む変換器ユニット１１の構成例を示すブロック図である。図１４は、インバータ１１３の回路構成の一例を示す図である。図１５は、蓄電ユニット１２の構成例を示すブロック図である。図１６Ａは、電池セル１２１０の平面図である。図１６Ｂは、図１６Ａに示す電池セル１２１０をＩ−Ｉ線で切断した断面図である。図１７は、蓄電装置の体積エネルギー密度のシミュレーション結果を示す図である。図１８は、蓄電装置の体積エネルギー密度のシミュレーション結果を示す図である。図１９は、蓄電装置の体積エネルギー密度のシミュレーション結果を示す図である。図２０は、蓄電装置の体積エネルギー密度のシミュレーション結果を示す図である。

上記構成によれば、蓄電ユニットと変換器ユニットが、１つの方向、すなわち配置方向に並んで配置されるので、蓄電システムが占める空間の広がりを１つの方向にまとめることができる。そのため、スペースを有効に活用することができる。また、蓄電ユニットと変換器ユニットが配置される空間は、吸気口及び排気口を通じて外部とつながっているので、蓄電ユニットと変換器ユニットの熱を外へ放散しやすい。変換器ユニットを蓄電ユニットより排気口に近い位置に配置することで、蓄電ユニットに比べて発熱量が多い変換器ユニットから効率よく放散させることができる。さらに、フレームにより複数の機器が支持される構成なので、蓄電ユニットの増設又は蓄電システムに接続される他の機器の増設が容易になる。そのため、設置する環境に合わせて必要な機器を１つの配置方向に並べて配置することが容易になる。その結果、利用環境に適合しやすい蓄電システムが得られる。

前記吸気口及び前記排気口は、前前記フレームの前記配置方向における両端部にそれぞれ設けることができる。これにより、蓄電ユニットと変換器ユニットが配置される空間内の換気を効率よく行うことができる。

前記排気口には、ファンが設けられてもよい。これにより、放熱機能をさらに向上させることができる。

前記複数の機器は、分電盤ユニットをさらに含んでもよい。前記分電盤ユニットは、前記変換器ユニットの変換器に接続することができる。この場合、前記変換器ユニットの前記変換器は、前記分電盤から入力された交流電力を直流電力に変換して前記蓄電ユニットの前記蓄電池へ出力するとともに、前記蓄電池から出力された直流電力を交流電力に変換する構成とすることができる。これにより、分電盤と蓄電システムを１箇所にまとめて設置することができ、設置作業効率が向上する。また、系統電力との連携機能を備える蓄電システムの構築が容易になる。

前記変換器は、外部の創電システムから入力された直流電力を、交流電力に変換するパワーコンディショナーを含むことができる。これにより、創電システムとの連携を実現するための構成要素を変換器ユニットに含めることができる。そのため、創電システムとの連携機能を持つ蓄電システムの構築が容易になる。

前記複数の機器は、外部の通信ネットワークに接続される通信機器をさらに含むことができる。そのため、通信機器を含む蓄電システムの構築が容易になる。

前記蓄電ユニットと、前記変換器ユニットは、互いに独立した機器として前記フレームに支持される態様とすることができる。これにより、蓄電システムの構成要素を配置方向に分散して配置することができる。

前記蓄電池は、リチウムイオン蓄電池とすることができる。これにより、例えば鉛蓄電池等の他の蓄電池を用いる場合に比べて蓄電システムを小型化できる。

前記フレーム内の前記機器が配置される空間の幅を１９インチとし、前記フレームの奥行きを４５ｃｍ以下にすることができる。
これにより、蓄電システムを、例えば、屋内の限られた空間に設置するのに適したサイズにすることができる。さらに、奥行きを３０ｃｍ以下にすることもできる。これにより、蓄電システムが占めるスペースをさらに小さくすることができる。ここでフレーム内の機器が配置される空間の幅が１９インチである場合として、この幅が１９インチに対して誤差がある場合も含むものとする。例えば、ＥＩＡ又はＪＩＳ等の１９インチラックについての規格で許容される範囲の誤差があってもよい。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［実施形態１］
図１は、実施形態１における蓄電システム１Ａの構成例を示す斜視図である。図２Ａは、図１に示す蓄電システム１Ａを正面から見た模式図である。図２Ｂの（ａ）は、図２Ａに示す蓄電システム１Ａを底面側（Ｚ軸負方向）から見た模式図であり、図２Ｂの（ｂ）は、図２Ａに示す蓄電システム１Ａを上面側（Ｚ軸正方向）から見た模式図である。また、図２Ｃは、図２Ａに示す蓄電システム１ＡをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面を示す模式図である。

図１及び図２Ａ〜図２Ｃに示す蓄電システム１Ａは、フレーム２０と、フレーム２０によって支持された変換器ユニット１１及び蓄電ユニット１２を備える。蓄電システム１Ａでは、外部から入力された交流電力を変換器ユニット１１が直流電力に変換して蓄電ユニット１２に蓄電する。また、蓄電ユニット１２から出力された直流電力を変換器ユニット１１が交流電力に変換して外部へ出力する。蓄電システム１Ａは、蓄電装置と称することもできる。

蓄電ユニット１２は、蓄電池を有する。変換器ユニット１１は、変換器、交流入力端子、及び、交流出力端子を有する。変換器は、交流入力端子、交流出力端子、及び、蓄電ユニット１２が有する蓄電池に接続される。変換器は、外部から交流入力端子を介して入力された交流電力を直流電力へ変換して蓄電ユニット１２の蓄電池へ出力する。また、変換器は、蓄電池から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流出力端子から出力する。

変換器ユニット１１の変換器は、例えば、インバータを用いて構成することができる。変換器の構成は特定のものに限定されない。例えば、交流を直流に変換する整流器と、直流を交流へ変換するインバータとの組み合わせ、又は、双方向インバータ等により、変換器を構成することができる。なお、変換器で変換された交流電力は、交流出力端子から、例えば、負荷機器へ供給される。

一例として、交流入力端子は、外部の分電盤等に接続され、交流出力端子は、外部の負荷機器に接続される形態とすることができる。この場合、蓄電システム１Ａは、分電盤から供給される交流電力を受けて電力を蓄積するとともに、負荷機器に対して一定規格の電力を供給する無停電電源装置（ＵＰＳ）の機能を有することができる。

蓄電ユニット１２の蓄電池には、リチウムイオン蓄電池、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、その他、エネルギーを蓄えることが可能な二次電池を用いることができる。また、蓄電池は、複数の電池の組み合わせであってもよい。蓄電池は、変換器ユニットの変換器からの直流電力によって充電される。また、蓄電池は、蓄積したエネルギーを直流電力として変換器へ出力する。

フレーム２０は、複数の機器を、１方向（本例では、垂直方向すなわちｚ方向）に並べた状態で支持することができるラックである。フレーム２０は、例えば、垂直方向に延びる少なくとも４本の支柱と、これらの支柱間を繋ぐ梁により形成することができる。フレーム２０の側面には、パネル２４が設けられてもよい。なお、支柱と側面のパネルは一体的に形成することもできる。また、梁の替わりに天板を設けることもできる。また、フレーム２０は、支柱に沿う方向に所定の間隔で並ぶ複数の穴２５の列を有する取付板２６を備える。取付板２６は、４本の支柱それぞれに対応して４つ設けることができる。取付板２６の穴２５に通したねじ、ボルト、又は棒等の固定部材を、棚２１または機器に繋げることによって、棚２１又は機器をフレーム２０に対して固定することができる。このように、支柱に沿う方向に並ぶ複数の穴又は突出部を有する取付板をフレーム２０に設けることで、棚２１又は機器の配置を自在に変えることができる。図１に示す例では、穴２５に通したねじにより棚２１を固定している。棚２１に変換器ユニット１１又は蓄電ユニット１２等の機器が置かれる。

フレーム２０のサイズ及び穴２５の間隔は、例えば、ＥＩＡ（Electronic Industries Alliance:米国電子工業会）、ＪＩＳ（日本工業規格）、ＩＥＣ（国際電気標準会議）、又はＤＩＮ（ドイツ連邦規格）等の規格に適合させることができる。例えば、ＥＩＡ規格（ANSI/EIA-310-D）に合わせる場合は、フレーム２０内の機器を収納する空間の幅は、４８４．２±０．８ｍｍ、高さが４４．５ｍｍ（１．７５インチ＝１Ｕ）の倍数とすることができる。これにより、フレーム２０内に４８２．６ｍｍ（１９インチ）の幅を持つ機器が収納できる空間が確保される。取付板２６の穴２５の幅ピッチは、４６５．１ｍｍとなる。穴２５の高さピッチは、１５．８７５ｍｍ、１５．８７５ｍｍ、１２．７ｍｍの繰り返しであるユニバーサルピッチ、又は、３１．７５ｍｍ、１２．７ｍｍの繰り返しであるワイドピッチを採用することができる。

また、ＪＩＳ規格（ANSI/EIA-310-D）に合わせる場合は、フレーム２０内の機器を収納する空間の幅を４８５ｍｍ（最小値）、高さを４０ｍｍ（１Ｊ）の倍数とすることができる。また、取付板２６の穴２５の幅ピッチは、４６５ｍｍとし、高さピッチを５０ｍｍとすることができる。

フレーム２０の奥行きは、フレーム２０の機器を収納する空間の幅よりも小さくすることができる。例えば、フレーム２０の機器を収納する空間の幅を上記のＥＩＡ規格、又はＪＩＳ規格に沿うようにした場合、フレーム２０の奥行きは、４５０ｍｍ以下にするのが好ましい。さらに、フレーム２０の奥行きを、３００ｍｍ以下とすることで、蓄電システムをより小型化することができる。

図１及び図２Ｂに示すように、フレーム２０の底面２０ａ及び上面２０ｂには、通気口２２、２３が設けられる。本例では、通気口２２、２３は、フレーム２０のｚ方向すなわち機器が配置される方向における両端部にそれぞれ設けられる。上面２０ｂの通気口２３には、ファン３０が設けられる。具体的には、ファン３０を載せたトレイ３１が、通気口２３にはめ込まれる。ファン３０は、回転羽根とモータ（いずれも図示略）を有し、フレーム２０の外部から電力の供給を受け、フレーム２０内の空気を通気口２３から外部へ排出する。この場合、通気口２３を排気口、通気口２２を吸気口とすることができる。逆に、ファン３０が、フレーム２０の外部の空気を内部の空間へ取り込むものである場合は、通気口２３が吸気口、通気口２２が排気口となる。

（フレーム２０の変形例）
図３は、フレーム２０の変形例を示す斜視図である。図４は、図３に示すフレーム２０の支柱部分の拡大図である。図３及び図４に示す例では、フレーム２０の角の支柱２０ｃから突出した取付板２６に、支柱２０ｃに沿う方向に並ぶ複数の穴２５が設けられる。支柱２０ｃは、例えば、断面がＬ字型又はＨ字型の板の組み合わせで構成することができる。支柱２０ｃに取付板２６を接続することで、支柱２０ｃの強度を高めることができ、また、取付板２６に取り付けられた機器の支持をより安定させることができる。なお、支柱２０ｃは、４本に限らず、例えば、８本設けられてもよい。同様に、取付板２６の数も４つに限定されない。

また、図３に示す例では、フレーム２０の上面、底面、及び側面のいずれも開口部すなわち通気口がある。これらの上面、底面、及び側面のうち少なくとも１つの面をパネルで覆ってもよい。その場合、パネルに通気口を設けることができる。また、パネルに開閉可能な窓又はドアを設けることもできる。

図４に示すように、変換器ユニット１１等の機器は、側面の端部に突出した板状の取付部１１１を有する。取付部１１１には、フレーム２０の取付板２６の穴２５と同じ幅ピッチ及び高さピッチの穴１１２が設けられる。フレーム２０の取付板２６の穴２５と、変換器ユニット１１の取付部１１１の穴１１２の位置が合うように、変換器ユニット１１をフレーム２０に対して配置して、これらの穴２５、１１１にねじ２７を貫通させる。これにより、変換器ユニット１１がフレーム２０に固定される。

図１、図２Ａ及び図２Ｃに示す例では、変換器ユニット１１は、ファン３０が設けられた上面２０ｂの通気口２３すなわち排気口に対して、蓄電ユニット１２よりも近い位置に配置される。変換器ユニット１１は、発熱量が蓄電ユニット１２より多くなる傾向にある。変換器ユニット１１を蓄電ユニット１２より通気口２３に近い位置に配置することにより、放熱効率を高めることができる。

また、本例では、変換器ユニット１１は、吸気口より排気口に近い位置に配置されている。これによっても放熱効率を高めることができる。また、フレーム２０内に複数の機器を配置する場合、変換器ユニット１１は、フレーム２０内に配置された機器の中で最も排気口に近い位置に配置することができる。これにより、放熱効率を高めることができる。

また、図１、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示す例のように、変換器ユニット１１をフレーム２０の最上段に配置し、ファン３０を有する排気口を変換器ユニット１１の下面よりも上に配置することで、フレーム２０内部において、下から上に上昇する空気の流れを発生させることができる。そのため、放熱効率をさらに高めることができる。この場合、吸気口を最下段のユニット（図２Ａに示す例では蓄電ユニット１２）の上面よりも下に配置することで、さらに空気の流れが生じやすくなる。

なお、排気口及び吸気口の構成は、上記の例に限られない。例えば、ファン３０及び通気口２３は、フレーム２０の側面に配置することもできる。また、排気口に必ずしもファンを設けなくてもよい。例えば、フレーム２０内部の温度分布によって生じるフレーム２０内の空間における空気の流れ、又は、フレーム２０が外部からうける風（自然風又は外部の送風機による風を含む）によって生じるフレーム２０内の空気の流れによって排気口及び吸気口の位置が決められてよい。

図５は、排気口及び吸気口の変形例を示す図である。図５に示す例では、フレーム２０の側面のパネル２４に、通気口２４ａが設けられる。また、フレーム２０の上面２０ｂにも通気口２２が設けられる。この例では、フレーム２０内の空間において、変換器ユニット１１の発熱により、変換器ユニット１１周辺の空気は温まって上昇する。すなわち、変換器ユニット１１から上面２０ｂへ向かう空気の流れが生じる（Ｆ１）。また、蓄電ユニット１２の発熱により、蓄電ユニット１２から上方への空気の流れも生じる（Ｆ２）。これらの空気の流れにより、フレーム２０側面のパネル２４の通気口２４ａからフレーム２０内へ空気が入る（Ｆ３）。この場合、フレーム２０の上面２０ｂの通気口２２が排気口であり、フレームの側面の通気口２４ａが吸気口になる。なお、通気口２４ａは、１つの開口部で構成されるが、これに限られない。例えば、複数の穴またはメッシュ状の板で通気口２４を構成することもできる。

上記の例では、変換器ユニット１１と蓄電ユニット１２の間に、１ユニット分以上のスペースが設けられる。このように、変換器ユニット１１と蓄電ユニット１２とを１ユニット以上離して配置することにより、変換器ユニット１１の熱が蓄電ユニット１１の蓄電池に及ぼす影響を抑えることができる。

また、上記のフレーム２０は、変換器ユニット１１及び蓄電ユニット１２の他にも機器を収納できる空間を有している。例えば、フレーム２０のサイズ及び穴２５の配置をＥＩＡ規格に沿ったものとした場合、変換器ユニット１１及び蓄電ユニット１２は、出力電力、蓄電容量にもよるが、重量や運搬の容易さを考慮して、例えば、５ユニットから１０ユニット以内収まるように設定することができる（１ユニットは、幅４６２．１ｍｍ、高さ４４．５ｍｍ、奥行きは任意）。例えば、フレーム２０を高さ１８００ｍｍ、幅６００ｍ、奥行き３００ｍｍとすることができる。この場合、フレーム２０内部に、３６ユニットを収納できる高さ１６００．２０ｍｍ、と幅４８５ｍｍを持つ空間を確保することができる。例えば、フレーム２０の高さは、必要に応じて、１８００ｍｍ〜２４００ｍｍとすることができる。

このように、複数の機器を１つの方向に並べた状態で支持できるフレーム２０に、蓄電システム１Ａの構成要素をユニット化して設置することで、蓄電システム１Ａの利用環境に応じて構成要素をカスタマイズすることが容易になる。例えば、さらに蓄電池ユニット１２をフレーム２０に追加することで、容易に蓄電池の容量を増やすことができる。また、蓄電システム１Ａと外部電源又は負荷機器とを接続するための機器（例えば、分電盤等）や、蓄電システム１Ａと外部との通信インタフェースを担う通信機器を、フレーム２０のユニットとして追加することができる。このように、フレーム２０に変換器ユニット１１及び蓄電ユニット１２を配置して蓄電システム１Ａを構成することにより、蓄電システム１Ａの機能拡張が容易になる。また、蓄電システム１Ａを導入する際、工事又は機器の設置の場所をフレーム２０に集中させることができる。そのため、工事又は機器の設置の作業効率が向上する。

また、上記例のように、蓄電池を含む蓄電ユニットと、変換器を含む変換器ユニットとを、それぞれ独立したユニットとして縦方向に並べて配置することにより、横方向に占める面積を小さくすることができる。そのため、例えば、壁に沿って垂直方向へ蓄電池と変換器を並べて配置することで、蓄電システムが占める床面積が小さくなり、スペースを有効に活用することができる。そのため、蓄電システム１Ａの設置可能な場所が、室外に限定されなくなる。すなわち、室内にも蓄電システム１Ａを設定しやすくなる。なお、変換器と蓄電池の構成は、上記例に限定されず、蓄電ユニットの蓄電池と変換器ユニットの変換器を１つの筐体（ユニット）に含める構成も可能である。

［実施形態２］
図６Ａは、実施形態２における蓄電システム１Ｂを正面から見た模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示す蓄電システム１ＢをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面を示す模式図である。図６Ａに示す例では、変換器ユニット１１、蓄電ユニット１２に加えて、分電盤１４が、フレーム２０内にさらに設けられる。分電盤１４は、フレーム２０の最上段の棚２１に設けられる。分電盤１４には、例えば、系統電力を供給する幹線に接続される一次側配線１４ａと、負荷機器等へ接続される二次側配線１４ｂが接続される。分電盤１４は、一次側配線１４ａに接続される主幹と、二次側配線１４ｂが接続される分岐遮断器を有する。主幹には、例えば、配線用遮断機又は漏電遮断機等が用いられる。一次側配線１４ａ及び二次側配線１４ｂは、フレーム２０の上面２０ｂの開口部を通って外部へ引き出される。

変換器ユニット１１の変換器は、例えば、分電盤１４の二次側配線１４ｂに接続することができる。これにより、分電盤１４から交流電力の供給を受けることができる。

図６Ａ及び図６Ｂに示す例では、ファン３０は、フレーム２０の側面の通気口２８に対向する位置に設けられる。この例では、ファン３０は、分電盤１４に対向する位置に設けられているが、変換器ユニット１１に対向する位置に設けることもできる。

本実施形態では、分電盤１４が、蓄電ユニット１２及び変換器ユニット１１と同じフレーム２０内に、これらと並んで配置される。そのため、分電盤１４の下又は上のスペースに変換器ユニット１１及び蓄電ユニット１２を設置することができる。そのため、スペースを有効に活用することができる。また、変換器ユニット１１及び蓄電ユニット１２が、分電盤１４と同じフレーム２０に収容されるので、蓄電システム１Ｂを設置、保守、撤去する際の作業効率が向上する。

［実施形態３］
本実施形態は、フレーム２０に設けられる機器の組み合わせの変形例である。蓄電システムの目的に応じた機器の組み合わせをフレーム２０内に収納することができる。

（ＵＰＳパッケージの例）
図７は、ＵＰＳ機能（無停電電源）を実現する蓄電システムの構成例を示す図である。図７に示す例では、フレーム２０に、変換器ユニットとして、ＵＰＳ機能付きインバータユニット１１ａが設けられる。また、１．４ｋＷｈ〜４．２ｋＷｈの蓄電容量を持つ蓄電ユニット１２が設けられる。さらに、漏電ブレーカ及び切替スイッチを含むユニット１３も設けられる。漏電ブレーカは、例えば、変換器ユニットの交流出力端子と、負荷機器との間に設けることができる。

ＵＰＳ機能付きインバータユニット１１ａは、変換器と切替部を含むことができる。変換器は、交流入力端子から入力された交流電力を直流電力に変換して蓄電ユニット１２の蓄電池へ出力するとともに、この蓄電池から出力された直流電力を交流電力に変換する。切替部は、交流入力端子から入力された交流電力から得られる交流電力を負荷へ供給する外部電力供給モードと、蓄電池を電源とする直流電力を変換器が交流に変換することにより得られる交流電力を負荷へ供給する電池電力供給モードとを切り替える。

切替部は、例えば、分電盤からの交流電力の低下または停止を検出した場合に、分電盤と負荷との間の接続を切ることで、上記モードを切り替えることができる。なお、外部電力供給モードでは、分電盤から入力された交流電力を直流に変換せずに交流のまま負荷へ供給することができる。又は、外部電力供給モードにおいて、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を所定の条件を満たす交流電力に変換して負荷へ供給することもできる。

無停電電源としての動作方式は、特定のものに限定されない。例えば、分電盤から交流電力が正常に供給されるときは、分電盤の交流電力を負荷へ供給するとともに、変換器により交流電力を直流電力に変換して蓄電池を充電することができる。分電盤からの交流電力の異常時には、切替部が、分電盤を切り離して、蓄電池の直流電力を変換部によって交流に変換して負荷に供給する状態に切り替えることができる。或いは、正常時に、変換器が、分電盤の交流電力から変換した直流電力を、蓄電池へ充電するとともに、蓄電池からの直流電力を再び負荷に応じた交流電力に変換して出力する方式であってもよい。

（系統連系蓄電システムパッケージの例）
図８は、系統電力及び創電システムと連係する機能を持つ蓄電システムの構成例を示す図である。図８に示す例では、フレーム２０に、変換器ユニットとして、インバータユニット１１ｂが設けられる。また、４．２ｋＷｈの蓄電容量を持つ蓄電ユニット１２及び、漏電ブレーカ及び切替スイッチを含むユニット１３も設けられる。

図８に示すインバータユニット１１ｂは、外部の創電システム、負荷機器及び電力系統と接続される。例えば、インバータユニット１１ｂは、外部の創電システムで発電された電力を入力する電力入力端子、負荷機器へ交流電力を出力する負荷用交流出力端子及び、電力系統へ交流電力を出力する系統用交流出力端子を備えることができる。創電システムとして、例えば、太陽光発電システム、燃料電池装置、又は、電気自動車等が挙げられる。インバータユニット１１ｂの変換器は、外部の創電システムから入力された直流電力を、交流電力に変換するパワーコンディショナーを含むことができる。これにより、インバータユニット１１ｂは、創電システムから得られる電力を、所定の条件を満たす安定した交流電力として、負荷機器又は電力系統へ出力することができる。

また、インバータユニット１１ｂのパワーコンディショナーは、蓄電ユニット１２の蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換することができる。この場合、パワーコンディショナーは、変換する電力の入力元を、創電システム又は蓄電池で切り替え可能であり、さらに、変換した出力先を、負荷機器又は電力系統で切り替え可能とすることができる。ここで、パワーコンディショナーの入力元及び出力先の切り替えを制御する制御部も、インバータユニット１１ｂに設けられてもよい。これにより、例えば、創電システムから入力された電力を変換して負荷機器へ出力する系統電力使用モード、創電システムから入力された電力を変換して電力系統へ出力する系統出力モード、及び、蓄電池から出力された電力を変換して負荷機器へ出力する電池使用モードの切り替えを制御することができる。

図９は、図８に示す蓄電システムの蓄電池の容量を増やした場合の構成例を示す図である。図９に示す例では、４．２ｋＷｈの蓄電容量を持つ蓄電ユニット１２が２つフレーム２０に設けられる。このように、フレーム２０に蓄電ユニット１２を設ける構成とすることにより、蓄電池の容量を容易に調節することが可能になる。また、図９に示す構成において、さらに、４．２ｋＷｈの蓄電容量を持つ蓄電ユニット１２を増設して、３つの蓄電ユニット１２をフレーム２０に設置することもできる。これにより、例えば、業務用の大容量蓄電システムパッケージを提供することができる。

（エネルギー管理機能を有する蓄電システムパッケージの例）
図１０は、エネルギー管理機能を有する蓄電システムの構成例を示す図である。図１０に示す例では、フレーム２０に、変換器ユニットとして、インバータユニット１１ｃ、分電盤１４、通信機器１７及び管理装置１５等を含むユニット１３、並びに、４．２ｋＷｈの蓄電容量を持つ蓄電ユニット１２が設けられる。

インバータユニット１１ｃには、入力電力を必要に応じて変換する変換器３、変換器３の動作モードを切り替える切替部５、蓄電池の状態や外部から取得したデータに基づいて切替部５及び蓄電池４の動作を制御する制御部８、及び外部とのデータ通信を行う通信部７が含まれる。切替部５は、例えば、変換器３への電力の入力を、分電盤１４からの電力にするか、蓄電池４からの電力にするかを切り替えるスイッチを含むことができる。また、切替部５は、変換器３で変換された電力の出力先を、蓄電池４にするか、負荷機器にするかを切り替えるスイッチを含むこともできる。

ユニット１３は、通信機器１７、管理装置１５、漏電ブレーカ１８、切替スイッチｓ１を含む。通信機器１７は、例えば、ルータ、ハブ又はＯＮＵ(Optical Network Unit)等の外部（広域）ネットワークと蓄電システムが設置される施設内（域内）ネットワークとを接続する通信機器を含むことができる。管理装置１５は、分電盤１４、負荷機器等の住宅内の機器とデータ通信を行い、これらの機器を監視又は制御する。管理装置１５は、通信機器を介して外部ネットワークに接続することもできる。また、管理装置１５は、インバータユニット１１ｃの通信部７を介して制御部８とデータ通信を行うこともできる。

蓄電ユニット１２は、例えば、リチウムイオン蓄電池４のセルを複数組み合わせた電池パックを含むことができる。電池パックには、電池パックに含まれるリチウムイオン蓄電池４の状態を監視する監視部６を設けることができる。監視部６は、例えば、リチウムイオン蓄電池４の温度、電流、電圧、残量等の状態を検出する。検出されたリチウムイオン蓄電池４の状態を示す信号又はデータは、例えば、インバータユニット１１ｃの制御部８に送信される。制御部８は、監視部６からリチウムイオン蓄電池４の状態を示す情報を取得し、この情報に基づいて、リチウムイオン蓄電池４の充放電を制御することができる。

制御部８は、蓄電ユニット１２の蓄電池４に対する充放電を制御することができる。例えば、汎用又は専用のプロセッサにより制御部８を構成することができる。制御部８は、例えば、蓄電ユニット１２の監視部６から、蓄電池４の温度、電流、電圧、又は残量等の値を、通信部７を介して取得することができる。制御部８は、これらの蓄電池４の状態を示す値に基づいて、蓄電池４の充放電を制御することができる。

一例として、蓄電池４を複数のリチウムイオン電池で構成する場合、各電池を監視、制御するＢＭＵ（バッテリマネージメントユニット）によって監視部６の少なくとも一部を実現できる。また、複数の電池からデータを収集し、複数の電池を制御するＢＭＳ（バッテリマネージメントシステム）によって制御部８の少なくとも一部を実現することができる。

インバータユニット１１ｃの通信部７は、インバータユニット１１ｃが外部とデータ通信を行うための通信インタフェースである。通信部７は、例えば、蓄電池４の状態を示すデータを外部へ送信することができる。又は、通信部７は、蓄電ユニット１２の動作を制御するための制御データを受信することもできる。制御部８は、通信部７が受信した制御データに基づいて、蓄電池４の動作を制御する。

通信部７と外部機器との通信は、無線通信によって行われてもよい。また、通信部７は、ユニット１３の通信機器１７（例えば、ルータ）を介して、インターネットなどのネットワークに接続された外部機器との通信を可能にすることができる。

図１１は、図１０に示すフレーム２０に設けられるユニットに含まれる各部及びフレーム２０の外部の機器との関係を示す機能ブロック図である。図１１は、フレーム２０に構築される蓄電システムを住宅に設置する場合の例を示す。図１１に示す例では、ユニット１３に設けられる管理装置１５は、インバータユニット１１ｃの制御部８と、通信部７を介して通信することができる。また、管理装置１５は、制御部８へ、例えば制御データを送信することができる。

分電盤１４は、商用電源である交流電源に接続される。この場合、分電盤１４は、交流電源からの電力を屋内に伝達するための屋内配線を纏めて各種ブレーカ等を付加した構成とすることができる。商用電源の交流電力は、分電盤１４を経てフレーム２０が設置される住宅内の負荷（例えば、機器Ａ〜Ｅ）へ分配される。

蓄電システムのフレーム２０は、例えば、住宅等の屋内に設置することができる。変換器ユニットの変換器３は、分電盤１４に接続される。また、変換器３は、第１のコンセント群ｃ１に接続することができる。この場合、変換器ユニット１１の交流入力端子が分電盤１４に接続され、変換器ユニット１１の交流出力端子が第１のコンセント群ｃ１に接続される。第２のコンセント群ｃ２は、分電盤１４に直接接続される。第１のコンセント群ｃ１は、例えば、分電盤１４を介して供給される交流電力に異常が生じても常に安定して電力の供給が要求される負荷を接続するための重要負荷コンセントとすることができる。なお、変換器３と、第１のコンセント群ｃ１との間には、ユニット１３の漏電ブレーカ等が配置されてもよい。

変換器３と第１のコンセント群ｃ１との間に、スイッチｓ１が設けられる。スイッチｓ１は、例えば、インバータユニット１１ｃ又はユニット１３に設けることができる。このスイッチｓ１は、分電盤１４と第１のコンセント群ｃ１とを直接繋げる経路と、分電盤１４から変換器３を介して第１のコンセント群ｃ１へ繋げる経路とを切り替えるスイッチである。例えば、保守点検等で、変換器３を停止させる場合に、分電盤１４から変換器３を介さずに第１のコンセント群ｃ１へ繋げる経路に切り替えることができる。

ユニット１３の管理装置１５は、分電盤１４との通信により、分電盤１４を介して供給される電力を示すデータを取得することができる。例えば、分電盤１４には、分電盤１４を介して供給される電力を計測する電力量計を設けることができる。管理装置１５は、この電力量計で計測される電力量のデータを、分電盤１４から受信することができる。

管理装置１５は、インバータユニット１１ｃの制御部８から、蓄電池４の温度、電流、電圧及び残量等の状態を示すデータを定期的に受信することができる。これにより、蓄電ユニット１２の蓄電池の異常の有無を監視することができる。また、管理装置１５は、分電盤１４を介して供給される電力と、蓄電池の状態を示すデータを用いて、蓄電池の動作を決定し、制御部８を介して制御することができる。例えば、管理装置１５は、住宅の屋内全体における電力の消費状況及び蓄電池の状態を考慮して、全体として効率がよくなるように、商用電源と、蓄電池電源との切り替えタイミングを決定することができる。例えば、管理装置１５は、変換器３が出力する交流電力の電源を、商用電源にするか蓄電池とするかを示すデータを、制御データとして、制御部８へ送信することができる。制御部８は、制御データに基づいて切替部５の動作を制御する。これにより、切替部５による外部電力供給モード及び電池電力供給モードの動作の切り替えを、管理装置１５により制御することができる。

上記蓄電システムは、無停電電源装置（ＵＰＳ）として機能することで、第１のコンセント群ｃ１に接続される機器Ａ〜機器Ｄに対して安定した交流電力を供給することができる。さらに、無停電電源に、電池状態の監視及び管理装置との通信を組み合わせることで、電池の内部状態及び屋内の電力供給状態のいずれにも対応した、適切な電源切替が蓄電システムにおいて可能になる。

（システムの変形例）
管理装置１５は、負荷機器としてインバータユニット１１ｃの変換器３から電力の供給を受けて動作する機器Ａ〜Ｄ及び、分電盤１４から直接電力の供給を受けて動作する機器Ｅと通信可能とすることもできる。管理装置１５は、機器Ａ〜Ｄの状態を示すデータを機器Ａ〜Ｄから受信し、受信したデータに基づいて、インバータユニット１１ｃの制御部８へ制御データを送信する。これにより、機器Ａ〜Ｄの動作に連携して、変換器３から供給する電力を制御することが可能になる。また、管理装置１５は、蓄電ユニット１２の蓄電池の状態又は分電盤１４からの電力の供給状態に応じて、機器Ａ〜Ｄの動作を制御することも可能である。

上記例では、フレーム２０のユニット１３に設置された管理装置１５が、蓄電ユニットの蓄電池の動作を制御する構成である。蓄電池の制御構成はこれに限定されない。例えば、管理装置１５は、屋外の機器で構成されてもよいし、複数の機器で構成されてもよい。或いは、管理装置１５とルータ１７ａ及びネットワークＮを介して通信が可能な管理サーバ１６が、蓄電池の制御データを生成する構成であってもよい。

また、上記システムにおいて、ＨＥＭＳ（ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）を導入することもできる。例えば、管理サーバ１６をＨＥＭＳ管理サーバとし、管理装置１５をＨＥＭＳコントローラとすることもできる。この場合、管理装置１５とインバータユニット１１ｃとの通信、管理装置１５と機器Ａ〜Ｅそれぞれとの通信、及び管理装置１５と管理サーバ１６との通信は、いずれも、特定のプロトコルを用いて行うことができる。ＨＥＭＳの通信プロトコルとしては、例えば、ＳＥＰ２．０（ＳｍａｒｔＥｎｅｒｇｙＰｒｏｆｉｌｅ２．０）、ＥＣＨＯＮＥＴＬｉｔｅ等が挙げられる。

このように、フレーム２０に構築された蓄電システムが、ＵＰＳの機能を持ち、かつＨＥＭＳを用いた制御を可能とすることで、マンション等の集合住宅においても容易に蓄電システムを導入することができる。この場合、蓄電ユニット１２の蓄電池にリチウムイオン蓄電池を採用することで、蓄電ユニット１２の小型化及び安定した制御が可能になる。したがって、リチウムイオン蓄電池を備える蓄電システムは、集合住宅への蓄電システムの導入をより容易にする。

また、図１０及び図１１に示す例では、蓄電池４の状態を監視する監視部６と、監視部６で検出された情報を用いて蓄電池４を制御する制御部８とが、それぞれ異なるユニットに配置される。これにより、複数の蓄電ユニット１２がある場合であっても、制御部８は、複数の蓄電ユニットの監視部６からそれぞれの蓄電池４の状態を示す情報を受信し、各蓄電池４の情報に基づいて、複数の蓄電池４それぞれの充放電動作を制御することができる。この構成により、制御部８が、複数の蓄電ユニット１２に対応することが可能となるので、制御部蓄電ユニット１２の増設がより容易になる。

なお、図１０及び図１１に示すインバータユニット１１ｃは、さらに、図９に示すインバータユニット１１ｃのような系統連系機能を有していてもよい。例えば、図１０及び図１１に示す変換器３及び切替部５が、図９に示すパワーコンディショナー及び制御部の機能をさらに備えることができる。

図１のフレーム２０の具体例として、例えば、１９型ラックを用いることができる。この１９型ラックは、従来、情報通信機器等の収納に用いられていたラックと同様に構成することができる。情報通信機器用の１９型ラックは、奥行寸法が６０ｃｍ以上のものが多く、家庭内に配置するには大きなスペースを要する。本実施形態の蓄電システムでは、上記のように変換器ユニット１１と蓄電ユニット１２が縦方向に並べて配置される。そのため、従来に比べて小型化が可能になる。その結果、１９型ラックの奥行寸法を小さくすることができ、家庭における玄関やクローゼット等の屋内の限られたスペースに配置することが可能になる。

本実施形態の蓄電システムでは、小型化のための上記技術を適用し、上記１９型ラックにおけるフレーム２０の奥行寸法４５ｃｍ以下、さらには、奥行寸法３０ｃｍ以下を実現することができる。

例えば、フレーム２０の奥行寸法を４５ｃｍ以内にすることにより、玄関の下駄箱に蓄電システムを隣接させることが容易になる。また、クローゼット内に蓄電システムを配置した場合でも違和感を最小限に抑えことができる。さらに、フレームの奥行寸法を３０ｃｍ以内にすることにより、玄関、クローゼット等への蓄電システムの配置をより容易に行うことができる。また、近年、玄関に設置されるスリムタイプの収納家具や、薄型シューズボックスは、奥行きが３０ｃｍ〜４５ｃｍのものが多い。このような場所をとらない収納家具と同程度の奥行きのフレーム２０で蓄電システムを構成することができる。

（体積エネルギー密度の比較）
次に、上記の実施形態１〜３における蓄電装置の体積エネルギー密度について述べる。ここでは、蓄電装置は、蓄電ユニット１２及び変換器ユニット１１で構成されるものとする。図１２は、蓄電装置の電池容量を変化させたときの体積エネルギー密度と、従来製品の体積エネルギー密度とを表したバブルチャートである。

図１２において、横軸はリチウムイオン電池の容量、縦軸は体積エネルギー密度を各々示している。図１２における黒色の円（Ｐ１〜Ｐ５）は、本実施形態の蓄電装置の体積エネルギー密度を表し、白色の円は、従来製品の体積エネルギー密度を表している。各円の大きさは蓄電装置の重量に比例している。なお、図１２において、蓄電装置及び従来製品ともに、系統連系方式のインバータを用いた例を示している。

体積エネルギー密度Ｚは、以下の式（１）によって求められる。
体積エネルギー密度Ｚ＝（ｃ×ｘ）／（ａ×ｘ＋ｂ）・・・式（１）
ｃ：蓄電ユニット１２単体の容量（ｋＷｈ）
ｘ：蓄電ユニット１２の数
ａ：蓄電ユニット１２単体の体積（Ｌ）
ｂ：変換器ユニット１１の体積（Ｌ）

本実施形態では、蓄電ユニット１２の体積は、蓄電ユニット１２の外形を形成する筐体の体積とする。変換器ユニット１１の体積も、同様に、変換器ユニット１１の外形を形成する筐体と体積としている。ここでは、蓄電ユニット１２及び変換器ユニット１１が収容されるフレームの体積については考慮していない。

蓄電装置は、蓄電ユニット１２の台数を増やすことで、より大きな容量に対応できるように、蓄電ユニット１２と変換器ユニット１１とが分離された構成となっている。この例において、変換器ユニット１１の出力電力は３ｋＶＡであり、その体積ｂは３１．０Ｌである。また、蓄電ユニット１２におけるリチウムイオン電池の電池セルの体積エネルギー密度は３３８Ｗｈ、蓄電ユニット１２単体の容量ｃは２．８ｋＷｈ、蓄電ユニット１２単体の体積ａは３０.０Ｌである。

図１２に示す円Ｐ１〜Ｐ５は、蓄電ユニット１２を１台から５台まで増やした場合の体積エネルギー密度Ｚの値をプロットした結果である。また、白色の円で示す従来製品は、出力電力が２ｋＷｈ以上の系統連系方式のインバータを備えるものを対象としている。

図１２において、原点とＰ１とを結ぶ直線Ｌ１と、Ｐ２〜Ｐ５を線形近似した直線Ｌ２との交点Ｐ０は、リチウムイオン電池の容量が３．２ｋＷｈであり、体積エネルギー密度が５７Ｗｈ／Ｌである。

蓄電装置は、図１２に示すリチウムイオン電池の容量の全域において、従来製品よりも高い体積エネルギー密度を得ることができる。特に、リチウムイオン電池の容量が３．２ｋＷｈ以上において、蓄電装置の体積エネルギー密度は５７Ｗｈ／Ｌ以上であるが、従来製品の体積エネルギー密度は３５Ｗｈ／Ｌ以下となっている。また、容量が３．２ｋＷｈ以上において、Ｐ２〜Ｐ５の円の大きさは従来製品の円と同等又は小さくなっている。従って、実施形態に係る蓄電装置は、リチウムイオン電池の容量３．２ｋＷｈ以上において、従来製品よりも高い体積エネルギー密度を得ることができ、従来製品よりも小型化及び軽量化することができる。このように、従来製品より高い体積エネルギー密度を持つ蓄電装置を、例えば、上記の１９型ラックに収容することができる。これにより、住宅の屋内等、従来製品では設置が難しかった場所に蓄電システムを設置することが容易になる。

上記の蓄電装置の体積エネルギー密度を達成するために、例えば、蓄電ユニット１２は、正極活物質がリン酸鉄リチウムからなるリチウムイオン電池よりも高い体積エネルギー密度を有するリチウムイオン電池を含み、変換器ユニット１１は、変換器として、交流電力が入力される入力端子とリチウムイオン電池との間を絶縁しないで接続する非絶縁型電圧変換器を含む構成にすることができる。

（非絶縁型変換器を含む変換器ユニットの構成例）
ここで、非絶縁型電圧変換器を含む変換器ユニット１１の構成例について説明する。なお、変換器ユニット１１の構成は下記の例に限られない。図１３は、非絶縁型電圧変換器の一例であるトランスレスインバータを含む変換器ユニット１１の構成例を示すブロック図である。変換器ユニット１１は、交流入力端子１１１（１１１ａ，１１１ｂ）、交流出力端子１１２（１１２ａ，１１２ｂ）、インバータ１１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４、及び整流回路１１５を有する。

交流入力端子１１１は、例えば、分電盤１４（図６Ａ、図６Ｂ参照）と接続されており、分電盤１４から交流電力を受け取る。整流回路１１５は、交流入力端子１１１から入力される交流電力を直流に変換してインバータ１１３へ出力する。インバータ１１３は、トランスレス型のインバータである。インバータ１１３は、整流回路１１５、交流出力端子１１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４と接続されている。インバータ１１３は、整流回路１１５から入力される直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１１４へ出力する。また、インバータ１１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４から入力された直流電力を交流に変換して交流出力端子１１２から負荷３３へ出力する。また、インバータ１１３は、整流回路１１５から入力される直流電力を交流に変換し、所定の電圧レベルに変換して交流出力端子１１２から負荷３３へ出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４は、トランスレスのＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４は、後述する蓄電ユニット１２におけるリチウムイオン電池１２１（図１５参照）と接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４は、インバータ１１３で出力された直流電力の電圧を、リチウムイオン電池１２１（図１５参照）に適合する電圧に変換してリチウムイオン電池１２１に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４は、リチウムイオン電池１２１から出力される直流電力の電圧を変えてインバータ１１３へ出力する。

つまり、変換器ユニット１１は、交流入力端子１１１から入力される交流電力を直流に変換して蓄電ユニット１２におけるリチウムイオン電池１２１へ出力し、リチウムイオン電池１２１から出力される直流電力を交流に変換して、交流出力端子１１２から負荷３へ出力する変換部として機能する。本実施形態において、変換器ユニット１１の体積出力密度は７２ＶＡ／Ｌであるが、変換器ユニット１１は、体積出力密度が６０ＶＡ／Ｌ以上となるように構成されていればよい。

ここで、図１４に、インバータ１１３の回路構成の一例を示す。この例では、トランスレス方式のフルブリッジインバータが用いられている。図１４に示すように、インバータ１１３は、交流入力端子１１１ａ，１１１ｂと、リチウムイオン電池１２１の端子１２１ａ，１２１ｂとの間に、フルブリッジ型のインバータ回路１１３１を有する。交流入力端子１１１ａ，１１１ｂと、インバータ回路１１３１との間には、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が設けられる。インバータ回路１１３１は、スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６を有する。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又はＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等の半導体スイッチング素子が用いられる。

図１４に示すように、スイッチング素子Ｓ３とＳ４は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ５とＳ６は直列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３及びＳ４と、スイッチング素子Ｓ５及びＳ６とは、いずれもリチウムイオン電池１２１に対して並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３とＳ４の間のノードＮ１は、交流入力端子１１１ｂと交流出力端子１１２ｂとを接続する配線上のノードＮ３に接続されている。スイッチング素子Ｓ５とＳ６の間のノードＮ２は、コイルＬを介して、交流入力端子１１１ａと交流出力端子１１２ａとを接続する配線上のノードＮ５に接続されている。また、交流入力端子１１１ａと交流出力端子１１２ａとを接続する配線上のノードＮ６と、交流入力端子１１１ｂと交流出力端子１１２ｂとを接続する配線上のノードＮ４との間には、容量Ｃが接続されている。つまり、インバータ回路１１３１と交流出力端子１１２ａ，１１２ｂとの間には、コイルＬが直列に接続され、容量Ｃは並列に接続される。

図１４において、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフを制御することにより、インバータ回路１１３１を、順変換回路又は逆変換回路として動作させることができる。つまり、例えば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオンのときに、インバータ回路１１３１を順変換回路として動作させることができる。この場合、インバータ１１３は、交流入力端子１１１ａ，１１１ｂから入力される交流電力を直流に変換して、リチウムイオン電池１２１を端子１２１ａ，１２１ｂを介して充電するとともに、交流出力端子１１２ａ，１１２ｂへ交流電力を出力する。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオフのときに、インバータ回路１１３１を逆変換回路として動作させることができる。この場合、インバータ１１３は、リチウムイオン電池１２１の放電によって出力された直流電力を交流に変換し、交流出力端子１１２ａ，１１２ｂから出力する。

図１４の回路構成において、コイルＬに替えて、トランスを設けることも考えられるが、その場合、図１４の回路と比べて回路規模が大きくなる。図１４において、インバータ１１３は、コイルＬ、容量Ｃ、及びスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を含み、トランスを含まない構成のため、インバータ１１３を小型化することができるので、変換器ユニット１１の体積出力密度を向上させることができる。

なお、図１４の回路構成では、リチウムイオン電池１２１に交流入力端子１１１ａ，１１１ｂの電圧がかかることになる。そのため、リチウムイオン電池１２１と、リチウムイオン電池１２１が収容されるケース（図示略）との間が基礎絶縁されていることが好ましい。

（蓄電ユニットの構成例）
次に、蓄電ユニット１２の構成について説明する。なお、下記の蓄電ユニット１２の構成は一例であり、リチウムイオン電池の構成及び材料は、下記の例に限られない。図１５は、蓄電ユニット１２の構成例を示すブロック図である。図１５に示すように、蓄電ユニット１２は、リチウムイオン電池１２１、監視部１２２、及びリレー１２３を有する。リチウムイオン電池１２１は、複数の電池セル１２１０が直列に接続された電池セル群と、電池セル群が収容されるケース（図示略）とを有する。電池セル群とケースとは基礎絶縁されている。本実施形態において、各電池セル１２１０の体積エネルギー密度は３３８Ｗｈ／Ｌであるが、リチウムイオン電池１２１の体積エネルギー密度が３００Ｗｈ／Ｌ以上となるようにリチウムイオン電池１２１が構成されていればよい。

ここで、電池セル１２１０の構成について具体的に説明する。図１６Ａは、電池セル１２１０の平面図であり、図１６Ｂは、図１６Ａに示す電池セル１２１０をＩ−Ｉ線で切断した断面図である。

図１６Ａ及び１６Ｂを参照して、電池セル１２１０は、シート状正極１２１１と、シート状負極１２１２と、セパレータ１２１３と、ラミネートフィルム１２１４と、正極外部端子１２１５と、負極外部端子１２１６とを備える。すなわち、リチウムイオン電池１２１の電池セル１２１０は、セパレータ１２１３を介して正極と負極とを積層して構成されている。

シート状正極１２１１、シート状負極１２１２、及びセパレータ１２１３は、積層され、積層体１２１０ａを構成する。シート状正極１２１１は、電池セル１２１０の面内方向（ＸＹ平面）において、シート状負極１２１２よりも小さいサイズを有する。また、シート状負極２は、面内方向（ＸＹ平面）において、セパレータ３よりも小さいサイズを有する。そして、シート状正極１２１１、シート状負極１２１２、及びセパレータ１２１３は、面内方向（Ｙ軸方向）において、セパレータ１２１３の両端がシート状負極１２１２の両端よりも外側に位置し、シート状負極１２１２の両端がシート状正極１２１１の両端よりも外側に位置するように配置される。

ラミネートフィルム１２１４は、略四角形の平面形状を有し、積層体１２１０ａを収納する。そして、ラミネートフィルム１２１４は、その縁部がシールされている。正極外部端子１２１５は、平面状の形状を有する。正極外部端子１２１５の一方端は、シート状正極１２１１に、直接又はリード体１２１７を介して接続され、他方端は、ラミネートフィルム１２１４を介して外部に引き出される。

負極外部端子１２１６は、平面状の形状を有する。負極外部端子１２１６の一方端は、シート状負極１２１２に、直接又はリード体（図示せず）を介して接続され、他方端は、ラミネートフィルム１２１４を介して外部に引き出される。

なお、正極外部端子１２１１及び負極外部端子１２１６は、ラミネートフィルム１２１４の同一辺から引き出されているが、これに限らず、正極外部端子１２１５及び負極外部端子１２１６は、ラミネートフィルム１２１４の異なる辺から引き出されていてもよい。

シート状正極１２１１は、例えば、正極活物質、導電助剤、及びバインダ等を含有する正極合剤からなる層（正極合剤層）を集電体の片面または両面に形成した構造からなる。正極活物質は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトからなるリチウム含有遷移金属酸化物で構成される。正極の集電体は、例えば、アルミニウム箔、及びアルミニウム合金箔のいずれかからなる。

シート状負極１２１２は、例えば、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、及び炭素繊維等のリチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素系材料の１種または２種以上の混合物からなる。また、負極活物質は、例えば、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｉｎ等の元素、Ｓｉ，Ｓｎ，Ｇｅ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｉｎの合金、リチウム含有窒化物、及びリチウム酸化物等のリチウム金属に近い低電圧で充放電できる化合物（ＬｉＴｉ_３Ｏ_１２等）、リチウム金属、及びリチウム／アルミニウム合金のいずれかで構成されてもよい。

これらの負極活物質に導電助剤（正極の導電助剤と同じ材料からなる）と、バインダ（ＰＶＤＦ、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）のようなゴム系バインダと、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）との混合バインダ等）とを、適宜、添加した負極合剤を、集電体を芯材として成形体（負極合剤層）に仕上げたもの、または、上述した各種の合金、またはリチウム金属の箔を集電体の表面に積層したもの等がシート状負極１２１２として用いられる。

負極外部端子１２１６は、ニッケル、ニッケルメッキをした銅、及びニッケル−銅クラッド等の金属の箔、又はリボンからなる。

セパレータ１２１３は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンとポリプロピレンとの融合体、ポリエチレンテレフタレート、およびポリブチレンテレフタレート等で構成された多孔質フィルム又は不織布からなる。

電池セル１２１０に用いられる電解液は、例えば、高誘電率溶媒、又は有機溶媒にＬｉＰＦ_６，ＬｉＢＦ_４等の溶質を溶解した溶液（非水電解液）からなる。高誘電率溶媒は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、及びγ−ブチロラクトン（ＢＬ）などを用いることができる。有機溶媒は、直鎖状のジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、及びメチルエチルカーボネート（ＥＭＣ）等の低粘度溶媒からなる。なお、電解液溶媒には、上述した高誘電率溶媒と、低粘度溶媒との混合溶媒を使用することが好ましい。

図１５に戻り、説明を続ける。監視部１２２は、リチウムイオン電池１２１の各電池セル１２１０の容量、電圧、電流、及び温度を計測する。リレー１２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４とリチウムイオン電池１２１とに接続されている。監視部１２２は、電池セル１２１０の電圧、電流、及び温度のいずれかが所定の閾値範囲外であるとき、リレー１２３をオフにしてリチウムイオン電池１２１の出力を停止させる。また、監視部１２２は、リチウムイオン電池１２１の容量が満充電時の容量よりも小さい所定割合となるように、リレー１２３のオンオフを制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４からの入力を調整し、リチウムイオン電池１２１を充電する。

上記実施形態における蓄電装置は、正極活物質としてリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトからなるリチウムイオン電池１２１を備える。そのため、リチウムイオン電池１２１は、正極活物質がリン酸鉄リチウムからなるリチウムイオン電池よりも体積エネルギー密度を高くすることができる。また、変換器ユニット１１は、インバータ１１３とＤＣ／ＤＣコンバータ１１４を備え、トランスを用いない構成のため、トランスを用いる場合よりもその体積を小さくすることができ、蓄電装置としての体積を小さくすることができる。その結果、リチウムイオン電池１２１の全容量を蓄電装置の体積（変換器ユニット１１の体積と蓄電ユニット１２の体積との和）で除算して得られる体積エネルギー密度を向上させることができる。

上記の例では、リチウムイオン電池１２１は、ニッケル、マンガン、コバルト、リチウムを正極活物質として用い、リン酸鉄リチウムを正極活物質として用いる場合よりも体積エネルギー密度が高い。さらに、変換器ユニット１１は、トランスを備えず小型化されている。つまり、蓄電装置は、正極活物質としてリン酸鉄リチウムイオンを用いたリチウムイオン電池よりも体積エネルギー密度が高いリチウムイオン電池１２１を有する蓄電ユニット１２と、交流入力端子１１１と蓄電ユニット１２との間を絶縁しないで接続するトランスレスインバータを含む変換器ユニット１１とを備えている。

従って、上記の実施形態における蓄電装置は、正極活物質がリン酸鉄リチウムからなるリチウムイオン電池よりも高い体積エネルギー密度を有するリチウムイオン電池を含む蓄電ユニットと、交流電力が入力される入力端子を有し、前記入力端子に入力された交流電力を直流電力に変換して前記リチウムイオン電池へ供給するとともに、前記蓄電ユニットにおけるリチウムイオン電池から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給する変換部と、備え、前記変換部は、前記入力端子と前記リチウムイオン電池との間を絶縁しないで接続する非絶縁型電圧変換器を有し、前記蓄電ユニットの全容量が３．２ｋＷｈ以上であるとき、前記全容量を前記変換部と前記蓄電ユニットの体積で除算して得られる体積エネルギー密度が５７Ｗｈ／Ｌ以上である。

（蓄電ユニット及び変換器ユニットの体積エネルギー密度の設定例）
ここで、図１７に、蓄電ユニット１２の体積ａを変化させたときの体積エネルギー密度のシミュレーション結果を示す。図１７における曲線Ａは、蓄電装置における変換器ユニット１１の体積ｂを３１.０Ｌ、蓄電ユニット１２単体の体積ａを３０.０Ｌ、エネルギー容量ｃを２．８ｋＷｈとした場合の蓄電装置の体積エネルギー密度Ｚを示している。曲線ＡにおけるＰ１〜Ｐ５は、図１２に示すＰ１〜Ｐ５と同じである。また、図１７における曲線Ｂ〜Ｅは、蓄電ユニット１２の体積ａを変化させたときの体積エネルギー密度のシミュレーション結果である。曲線Ｂ〜Ｅの各々は、蓄電ユニット１２の体積ａを４０.０Ｌ、５０.０Ｌ、６０．０Ｌ、７５.０Ｌにした場合を示している。

蓄電ユニット１２の単位体積当たりのエネルギー容量（以下、単位エネルギー容量）Ｚａは、以下の式（２）によって求められる。
単位エネルギー容量Ｚａ＝ｃ／ａ・・・式（２）

図１７において、蓄電ユニット１２の体積ａが７５．０Ｌ（曲線Ｅ）における蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａは３７．３Ｗｈ／Ｌである。また、蓄電ユニット１２の体積ａが３０．０Ｌ（曲線Ａ）における蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａは９３．０Ｗｈ／Ｌである。

図１７に示すように、蓄電ユニット１２の体積ａが７５.０Ｌのとき（曲線Ｅ）、蓄電ユニットの全容量が約１２．０ｋＷｈにおいて、蓄電装置は、従来製品と同等の体積エネルギー密度となるが、蓄電ユニット１２の体積ａが７５.０Ｌ未満において、従来製品よりも高い体積エネルギー密度が得られる。つまり、蓄電装置は、蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａが３７．３＜Ｚａ≦９３．０[Ｗｈ／Ｌ]である場合において、従来製品よりも高い体積エネルギー密度を得ることができる。

また、図１８において、蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａを９３．０Ｗｈ／Ｌ（ａ＝３０．０Ｌ、ｃ＝２．８ｋＷｈ）とし、変換器ユニット１１の体積ｂを５０.０Ｌ、７０.０Ｌ、９０.０Ｌ、１２０.０Ｌ、１７０.０Ｌとしたときの蓄電装置の体積エネルギー密度Ｚのシミュレーション結果を曲線Ｆ〜Ｊで示す。

図１８の曲線Ｊで示されるように、変換器ユニット１１の体積ｂが１７０.０Ｌの場合、蓄電ユニットの全容量が約７．０ｋＷｈにおいて、蓄電装置は、従来製品と同等の体積エネルギー密度となるが、変換器ユニット１１の体積ｂが１７０.０Ｌ未満において、従来製品よりも高い体積エネルギー密度が得られることが分かる。つまり、単位エネルギー容量Ｚａが９３．０Ｗｈ／Ｌの場合、変換器ユニット１１の体積ｂは、３１．０≦ｂ＜１７０．０[Ｌ]であることが好ましい。

また、図１９において、変換器ユニット１１の体積ｂを５０.０Ｌとし、蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａを９３．０Ｗｈ／Ｌ〜４０．０Ｗｈ／Ｌの範囲で変化させた体積エネルギー密度のシミュレーション結果を曲線Ｋ〜Ｎで示す。なお、図１９に示す曲線Ｋ〜Ｎは、以下の条件を満たす。

曲線Ｋ：Ｚａ＝９３．０Ｗｈ／Ｌ（ａ＝３０．０Ｌ、ｃ＝２．８ｋＷｈ）
曲線Ｌ：Ｚａ＝７０.０Ｗｈ／Ｌ（ａ＝４０.０Ｌ、ｃ＝２．８ｋＷｈ）
曲線Ｍ：Ｚａ＝５６.０Ｗｈ／Ｌ（ａ＝５０．０Ｌ、ｃ＝２．８ｋＷｈ）
曲線Ｎ：Ｚａ＝４０．０Ｗｈ／Ｌ（ａ＝７０．０Ｌ、ｃ＝２．８ｋＷｈ）

図１９において、曲線Ｎで示すように、変換器ユニット１１の体積ｂが５０．０Ｌであって、単位エネルギー容量Ｚａが４０.０Ｗｈ／Ｌである場合、すなわち、蓄電ユニット１２の体積ａが７０．０Ｌである場合、従来製品と同等の体積エネルギー密度となるが、単位エネルギー容量Ｚａが４０．０＜Ｚａ≦９３．０[ｋＷｈ]において、従来製品よりも高い体積エネルギー密度を得ることができる。つまり、変換器ユニット１１の体積ｂが５０．０Ｌの場合、蓄電ユニット１２の体積ａは、３０．０≦ａ＜７０．０[Ｌ]であることが好ましい。

また、図２０は、蓄電ユニット１２単体の体積ａを３０．０Ｌから４０．０Ｌにした場合の体積エネルギー密度のシミュレーション結果である。曲線Ｐは、蓄電ユニット１２の体積ａが４０．０Ｌであり、変換器ユニット１１の体積ｂが１００．０Ｌの場合を示している。また、曲線Ｑは、蓄電ユニット１２の体積ａが４０．０Ｌであり、変換器ユニット１１の体積ｂが１５０．０Ｌの場合を示している。

図２０に示すように、変換器ユニット１１の体積ｂが１５０．０Ｌのとき、蓄電ユニットの全容量が約７．０ｋＷｈにおいて従来製品と同等の体積エネルギー密度となるが、変換器ユニット１１の体積ｂが１５０.０Ｌ未満の場合に従来製品よりも高い体積エネルギー密度を得ることができる。従って、蓄電ユニット１２単体の体積ａを３０．０Ｌから１０．０Ｌ増やした場合、変換器ユニット１１の体積ｂの上限は１７０．０Ｌ未満から１５０．０Ｌ未満となり、蓄電ユニット１２単体の体積ａが３０．０Ｌの場合よりも小さくなる。

つまり、本実施形態における蓄電装置は、蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａが、３７．３＜Ｚａ≦９３．０[Ｗｈ／Ｌ]である場合において、変換器ユニット１１の体積（ｂ）が、３１．０≦ｂ＜ｂｍａｘ[Ｌ]を満たす。なお、ｂｍａｘは、５０．０≦ｂｍａｘ＜１７０.０[Ｌ]である。

このように、蓄電装置は、蓄電ユニット１２の単位エネルギー容量Ｚａが３７．３＜Ｚａ≦９３．０[Ｗｈ／Ｌ]の範囲において、変換器ユニット１１の体積ｂの上限を５０．０Ｌ以上、１７０．０Ｌ未満の範囲に設定することで、従来製品よりも高い体積エネルギー密度を得ることができる。そのため、従来製品と同等の蓄電ユニット１２の容量としても、従来製品と比べて蓄電装置の小型化及び軽量化を図ることができる。その結果、大きな電池容量が必要とされる電気自動車、住宅、商業施設等の蓄電装置として用いられる場合であっても、屋内や比較的狭小な空間に設置することができる。特に、上記実施形態１〜４フレーム１に蓄電ユニットと変換器ユニットを収納した場合に、フレーム１のサイズを小さくすることが容易になる。例えば、上記の蓄電ユニット１２及び変換器ユニット１１を含む１９型ラックのフレーム２０において、奥行寸法４５ｃｍ以下、さらには、奥行寸法３０ｃｍ以下を実現することが容易になる。

１Ａ、１Ｂ蓄電システム
３変換部
４蓄電池
５切替部
６監視部
７通信部
８制御部
１１変換器ユニット
１２蓄電ユニット
１４分電盤
１５管理装置
２０フレーム

Claims

複数の機器を１つの配置方向に並べた状態で支持するフレームと、
前記フレームにより囲まれる空間から外へ空気を排出する排気口と、
前記空間へ空気を取り入れる吸気口と、
前記空間において、前記配置方向に並んで前記フレームにより支持される複数の機器とを備え、
前記複数の機器は、
蓄電池を含む蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットの蓄電池と接続され、外部から入力された交流電力を直流電力へ変換して前記蓄電池へ出力する変換器を有する変換器ユニットとを含み、
前記変換器ユニットは、前記蓄電ユニットよりも前記排気口に近い位置に配置される蓄電システム。
前記吸気口及び前記排気口は、前記フレームの前記配置方向における両端部にそれぞれ設けられる、請求項１に記載の蓄電システム。
前記排気口には、ファンが設けられる、請求項１又は２に記載の蓄電システム。
前記複数の機器は、分電盤ユニットをさらに含み、
前記分電盤ユニットは、前記変換器ユニットの変換器に接続され、
前記変換器ユニットの前記変換器は、前記分電盤から入力された交流電力を直流電力に変換して前記蓄電ユニットの前記蓄電池へ出力するとともに、前記蓄電池から出力された直流電力を交流電力に変換する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電システム。
前記変換器は、外部の創電システムから入力された直流電力を、交流電力に変換するパワーコンディショナーを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電システム。
前記複数の機器は、外部の通信ネットワークに接続される通信機器をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電システム。
前記蓄電ユニットと、前記変換器ユニットは、互いに独立した機器として前記フレームに支持される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄電システム。
前記蓄電池は、リチウムイオン蓄電池である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄電システム。
前記フレーム内の前記機器が配置される空間の幅は１９インチであって、前記フレームの奥行きが４５ｃｍ以下である請求項１〜８のいずれか１項に記載の蓄電システム。
前記フレームの奥行きが３０ｃｍ以下である請求項９に記載の蓄電システム。
請求項１から１０のいずれか１項に記載の蓄電システムであって、
前記蓄電ユニットの容量を当該蓄電ユニットの体積で除算して得られる単位エネルギー容量Ｚａが、３７．３＜Ｚａ≦９３．０[Ｗｈ／Ｌ]である場合において、前記変換器ユニットの体積ｂは、３１．０≦ｂ＜ｂｍａｘ[Ｌ]を満たし、５０．０≦ｂｍａｘ＜１７０．０[Ｌ]である、蓄電システム。