JP2017011825A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で蓄電システムと電力供給システムとの接続時の突入電流を抑止することができ、電力供給システム内のバッテリが空となった場合であっても蓄電システムとの接続を可能とする電力供給システムを得ること。【解決手段】商用系統３から供給される交流電力と蓄電システム２から供給される直流電力とを相互に変換する双方向電力変換装置８と、蓄電システム２と双方向電力変換装置８との間の電気的接続を開閉する開閉器５，６と、蓄電システム２と電気的に並列接続されたコンデンサ７と、直流電力を蓄積する第１のバッテリ１０と、コンデンサ７を充電する昇圧回路１１と、電力供給システム１に設けられた直流電力供給用の外部電力入力端子２５と、を備え、第１のバッテリ１０と外部電力入力端子２５の双方から昇圧回路１１に電力供給が可能となるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池との電気的接続に関する絶縁診断機能を有し、蓄電池と商用電源との間で双方向の電力授受を行う電力供給システムに関する。

近年、災害による電力供給能力の低下への対策として、エネルギー消費量の削減を目的とする取り組みが重要視されている。このような背景から、太陽光発電システムに代表される分散型の電源システムが普及しつつある（例えば下記特許文献１，２参照）。これらの電源システムには、夜間などに蓄電システムのバッテリに蓄えられた電力を住宅に供給すべく、直流電力から交流電力に変換するための電力変換装置を備えているものがある。

特開２０１２−７０５７７号公報 特開２０１４−２７８２６号公報

上記のように、蓄電システムの電力を住宅に放電する電力供給システムでは、蓄電システムの出力段に開閉器を用いたインターロックリレーが設けられ、放電時に短絡、漏電が検出されたときには開閉器を開放して送電経路を遮断するよう構成されている。一方、このような開閉器を有する構成では、開閉器を閉路状態とした際、電力供給システム内のコンデンサと蓄電システム内の蓄電池との間に電位差があると、電力供給システム内のコンデンサに比較的大きな突入電流が流れ込むことになる。ここで、この突入電流が大きい場合には、開閉器の電極で空中放電が生じたり、大電流による発熱で開閉器の電極が電力線路に溶着して開放できなくなったりするという課題があった。

また、電力供給システム内で電力線路の絶縁性が低下していた場合、母線と対地間での地絡、あるいは電力線路間での短絡が発生することがある。このため、絶縁性が低下している状態で、開閉器を開路状態にする場合にも、電力供給システム内で大電流が流れ、上述した空中放電の問題および電極溶着の問題が生ずるという課題があった。

上記の課題を解決するため、上記特許文献２では、電力供給システム内に小容量のバッテリを備え、予め電力供給システム内のコンデンサをバッテリと同じ電圧に充電しておくことで突入電流を抑制する技術が開示されている。

しかしながら、特許文献２の技術では、電力供給システム内のバッテリが空である場合、または、残容量が低下した場合には、蓄電システムと電力供給システムとの接続に必要なコンデンサ充電用の電力が得られず、蓄電システムを接続することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で蓄電システムと電力供給システムとの接続時の突入電流を抑止することができ、電力供給システム内のバッテリが空となった場合であっても蓄電システムとの接続を可能とする電力供給システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電力供給システムは、商用系統から供給される交流電力と蓄電システムから供給される直流電力とを相互に変換する電力供給システムであって、前記蓄電システムと前記電力供給システムとの間の電気的接続を開閉する開閉器と、前記蓄電システムと電気的に並列接続されたコンデンサと、直流電力を蓄積するバッテリと、前記コンデンサを充電する充電手段と、前記電力供給システムに設けられた直流電力供給用の接続端子と、を備え、前記バッテリと前記接続端子の双方から前記充電手段に電力供給可能なように構成したものである。

本発明によれば、簡易な構成で蓄電池と電力供給システムとの接続時の突入電流を抑止することができ、電力供給システム内のバッテリが空となった場合であっても蓄電池との接続が可能になるという効果を奏する。

実施の形態に係る電力供給システムの構成を示すブロック図 電力供給システムの全体動作を説明するフローチャート 図１に示す昇圧回路が出力する出力電圧の経時変化を示す図 図１に示す切換え回路の構成を示す回路図 処理回路が専用のハードウェアである場合の構成を示す図 処理回路がＣＰＵの場合のハードウェア構成を示す図

以下、本発明の実施の形態に係る電力供給システムについて図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの構成を示す図である。図１において、実施の形態に係る電力供給システム１は、商用系統３、宅内負荷１８および蓄電システム２に接続されている。電力供給システム１は、蓄電システム２に接続されて蓄電システム２と商用系統３との間で電力授受を行い、また、蓄電システム２の直流電力を宅内負荷１８に供給する動作を行う。なお、図１では、蓄電システム２として電気自動車を例示しているが、図示の電気自動車に限定されるものではなく、専用または汎用のバッテリを備えた蓄電手段であってもよい。

電力供給システム１は、図１に示すように、コネクタ４、開閉器５，６、コンデンサ７、双方向電力変換装置８、制御部９、バッテリ１０、昇圧回路１１、電圧検知回路１２，１３、地絡検出回路１９、電流検知回路２０、切換え回路２４および外部電力入力端子２５を備えている。

次に、実施の形態に係る電力供給システムにおける各部の機能について説明する。まず、双方向電力変換装置８は、商用系統３から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電システム２に供給すると共に、蓄電システム２に充電した直流電力を交流電力に変換して住宅内負荷１８および商用系統３へ放電する。すなわち、双方向電力変換装置８は、商用系統３から供給される交流電力と蓄電システム２から供給される直流電力とを相互に変換する双方向の電力変換機能を有する。

コネクタ４は、電力供給システム１と蓄電システム２とを電気的に接続するために設けられた接続用の配線を含む接続端子である。

コンデンサ７は、双方向電力変換装置８と蓄電システム２の間に配置され、双方向電力変換装置８に供給される電圧を安定させる役割を有する。

開閉器５，６は、コネクタ４とコンデンサ７との間の正側と負側の直流母線３０にそれぞれ配置され、制御部９の信号を受信して電極の開閉を行い、双方向電力変換装置８と蓄電システム２との間の電気的接続を開閉する機能を有する。

電圧検知回路１２は、コネクタ４に印加される電圧を検知し、検知結果を制御部９に送信する。電圧検知回路１３は、コンデンサ７に印加される電圧を検知し、検知結果を制御部９に送信する。なお、電圧検知回路１２，１３を符号無しで区別する場合には、電圧検知回路１２を第１の電圧検知回路と称し、電圧検知回路１３を第２の電圧検知回路と称する。

電流検知回路２０は、蓄電システム２と双方向電力変換装置８との間を流れる電流を検知し、検知した電流値に応じた電圧信号を制御部９に送信する。地絡検出回路１９は、電力供給システム１の直流母線３０と対地間に流れる電流から、地絡状態の有無を判定し、判定結果を制御部９へ送信する。

第１のバッテリ１０は、直流電力の蓄積機能および放電機能を有し、切換え回路２４を介して昇圧回路１１に接続されている。第１のバッテリ１０は、鉛バッテリまたはリチウムイオン電池が例示されるが、これらに限定されるものではない。

昇圧回路１１は、制御部９、切換え回路２４およびコンデンサ７に接続され、制御部９の信号を受信し、第１のバッテリ１０の電圧を昇圧してコンデンサ７に供給する機能を有する。すなわち、昇圧回路１１は、コンデンサ７を充電する充電手段として機能する。

外部電力入力端子２５は、筐体外郭に設けられた端子であり、電力供給システム１内の切換え回路２４に接続されている。なお、外部電力入力端子２５は、筐体外郭に設けられた端子に限定されるものではなく、筐体外郭に設けられたネジ端子式の端子台、筐体から延ばされた配線であってもよい。

制御部９は、電力供給システム１全体の動作を統括制御する機能を有する。制御部９の機能の詳細は、電力供給システム１の全体動作の説明のところで、詳細に説明する。

蓄電システム２は、第２のバッテリ１５、コネクタ１４、開閉器１６，１７および制御部２１を備えている。第２のバッテリ１５は、直流電力の蓄積機能を有する。第２のバッテリ１５は、電力供給システム１内に設けられる第１のバッテリ１０とは異なるバッテリである。第２のバッテリ１５としてはリチウムイオン電池が例示されるが、リチウムイオン電池に限定されるものではない。

コネクタ１４は、例えば電気自動車の給電口であり、電力供給システム１と蓄電システム２との間を電気的に接続する機能を有する。

開閉器１６，１７は、蓄電システム２内の制御部２１の信号を受信して開閉され、電力供給システム１と第２のバッテリ１５との電気的接続を開閉する機能を有する。なお、電力供給システム１内に設けられる開閉器５，６と、蓄電システム２内に設けられる開閉器１６，１７とを符号無しで区別する場合には、開閉器５，６を第１の開閉器と称し、開閉器１６，１７を第２の開閉器と称する。

宅内負荷１８は、住宅で使用される電気機器であり、例えば空調機、冷蔵庫、電子レンジ、洗濯機、テレビ、パーソナルコンピュータ等の家電機器である。

以上のように構成された電力供給システム１の全体の動作について図１から図４の図面を参照して説明する。なお、図２は、電力供給システム１の全体動作を説明するフローチャートであり、図３は、図１に示す昇圧回路１１が出力する出力電圧の経時変化を示す図であり、図４は、図１に示す切換え回路の構成を示す回路図である。

（ステップＳ１０１）
電力供給システム１のコネクタ４と、蓄電システム２の給電口に配置されたコネクタ１４とが使用者により接続され、図示を省略した操作部の操作により充電動作または放電動作の開始指示が送信されると、制御部９によって開閉器５，６が閉状態に制御される。電気自動車の開閉器１６，１７は開状態であり、電力供給システム１と蓄電システム２の開閉器１６，１７の入力段までが電気的に接続された状態となる。

（ステップＳ１０２）
制御部９は、蓄電システム２と電力供給システム１との絶縁性診断に移行する。図１に示されるように、電力供給システム１には、直流母線３０と対地間に流れる電流を検出することにより地絡電流を検出する地絡検出回路１９と、直流母線３０に流れる電流を検出する電流検出回路２０とが設けられている。制御部９は、昇圧回路１１を駆動して昇圧回路１１を昇圧動作させる。制御部９は、電圧検知回路１３の検出電圧が予め定められた電圧Ｖａ（図３参照）となるまでコンデンサ７を充電し、蓄電システム２の開閉器１６，１７までの経路に昇圧した電圧Ｖａを印加する。なお、このとき印加される電圧Ｖａは、第２のバッテリ１５の最大電圧以上の値に設定されている。

（ステップＳ１０３）
次に、制御部９は、地絡検出回路１９と電流検出回路２０とを用いて、蓄電システム２に昇圧された電圧Ｖａを印加したときの地絡発生の有無および蓄電システム２に流れる直流電流を検出する。すなわち、制御部９は、漏電または地絡の事前検出のため、第２のバッテリ１５と電力供給システム１を電気的に接続する前に、第２のバッテリ１５の最大電圧以上の電圧を印加して絶縁性のチェックを行う。

（ステップＳ１０４）
制御部９は、電力供給システム１の絶縁耐力が低下しているか否か判定する。地絡検出回路１９によって地洛が検出され、または、電流検出回路２０によって基準値以上の直流電流が検出された場合、制御部９は、蓄電システム２または電力供給システム１の絶縁耐力が低下していると判断し（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に移行する。一方、地絡検出回路１９によって地洛が検出されず、かつ、電流検出回路２０によって検出された電流が基準値未満の場合、制御部９は、蓄電システム２および電力供給システム１の絶縁耐力は低下していないと判断し（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１０７に移行する。

（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）
ステップＳ１０４において絶縁耐力が低下していると判断された場合には、図示しない表示部または報知部にてエラー表示を行い（ステップＳ１０５）、電力供給システム１の動作を停止させる（ステップＳ１０６）。

（ステップＳ１０７）
ステップＳ１０７は、ステップＳ１０４において絶縁耐力が低下していないと判断された場合に、蓄電システム２内の第２のバッテリ１５と電力供給システム１とを電気的に接続する処理ステップである。制御部９は、コンデンサ７の電圧を図示しない放電手段で放電させた後、開閉器５，６を開放状態にする。制御部９は蓄電システム２の制御部２１と通信し、開閉器１６，１７を閉状態にする。制御部９は、電圧検知回路１２を使用して、コネクタ４に印加される蓄電システム２内の第２のバッテリ１５の電圧を検知する。制御部９は、コンデンサ７の電圧が電圧検知回路１２で検知した電圧、すなわち蓄電システム２の第２のバッテリ１５の電圧Ｖｂ（図３参照）と等しくなるように昇圧回路１１を駆動して昇圧回路１１を昇圧動作させつつ、コンデンサ７を充電する。制御部９は、電圧検知回路１３を使用して、コンデンサ７の電圧が電圧検知回路１２の検知電圧と等しくなったことを検知した後、開閉器５および６を閉状態に制御する。この制御によって、第２のバッテリ１５と電力供給システム１とが電気的に接続される。コンデンサ７の電圧は、予め蓄電システム２の第２のバッテリ１５と等しい電圧に充電されているため、突入電流の抑制が可能となる。

また、電力供給システム１は外部電力入力端子２５を備え、切換え回路２４に接続されている。切換え回路の回路構成の一例は図４に示す通りである。図４において、外部電力入力端子２５は、ダイオード２８を介して昇圧回路１１に接続されている。そのため、電力供給システム１内の第１のバッテリ１０の残容量が低下あるいは空となった場合でも、外部電力入力端子２５に他のバッテリを接続することで、コンデンサ７の充電を行うことができ、コンデンサ７の電圧を蓄電システム２の第２のバッテリ１５と等しい電圧まで充電することができる。この制御により、突入電流を抑制した状態で、電力供給システム１と第２のバッテリ１５との電気的接続が可能となる。

また、図４に示すように、第１のバッテリ１０は２つのダイオード２６，２７を介して昇圧回路１１に接続され、外部電力入力端子２５は、上述の通り１つのダイオード２８を介して接続されている。この構成により、第１のバッテリ１０と外部電力入力端子２５の双方から同時に電力供給が行われた場合、電圧降下の大きい第１のバッテリ１０よりも、電圧降下の小さい外部電力入力端子２５側からの電力供給が優先されるため、第１のバッテリ１０の残容量を極力低下させないようにすることができる。

（ステップＳ１０８）
蓄電システム２の開閉器１６，１７、および電力供給システム１内の開閉器５，６が閉状態となった後、双方向電力変換装置８を駆動して、充電動作または放電動作を開始する。

上記の通り、昇圧回路１１は、２つの動作モードで制御される。絶縁診断時は第１の動作モードで動作し、絶縁診断後の突入電流抑制時は第２の動作モードで動作する。図３に示すように、第１の動作モードでは、予め定められた固定電圧である電圧Ｖａを出力し、突入電流抑制時は蓄電システム２内の第２のバッテリ１５が出力する電圧と等しい電圧Ｖｂを出力する。なお、絶縁診断時に出力する固定電圧値は、絶縁診断や絶縁試験での一般的な電圧である５００Ｖ程度である。また、突入電流抑制時は、電気自動車またはプラグインハイブリッド車の電池電圧範囲である１５０Ｖ〜４５０Ｖの範囲で昇圧される。

以上のように、実施の形態に係る電力供給システムでは、蓄電システム２内の第２のバッテリ１５と接続する前に、電力供給システム１内のコンデンサ７から供給する直流電圧を予め定めた固定電圧値に昇圧し、直流母線に印加することで絶縁診断を行うと共に、第２のバッテリ１５の電圧と等しい電圧にコンデンサ７を充電した後に蓄電システム２の開閉器１６，１７を閉じるよう構成した。この構成により、漏電などの重大な事故を未然に防ぐことができるとともに、突入電流抑止用の回路を別途設けることなく突入電流の抑止が可能となる。

また、実施の形態に係る電力供給システムによれば、電力供給システム１内の第１のバッテリ１０の容量が低下あるいは空となった場合であっても、電力供給システム１の外郭に設けられた直流電力供給用の端子である外部電力入力端子２５から直流電力を供給することで、電力供給システム１の動作を継続または再開することが可能となる。

また、実施の形態に係る電力供給システムは、第１および第２の動作モードという２つの動作モードで動作し、第１の動作モードの出力電圧を第２の動作モードの出力電圧よりも高く設定した。この動作により、市販の電気自動車に使用される第２のバッテリの電池電圧以上の電圧を、電気自動車の第２のバッテリと接続する前に直流母線に印加して絶縁診断を行うことができ、漏電等の重大な事故を未然に防ぐことができる。

なお、本実施の形態で説明した制御部９の機能は、処理回路により実現することができる。この処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing unit：中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）であってもよい。

処理回路が専用のハードウェアである場合の構成を図５に示す。処理回路が図５に示した専用のハードウェアである場合、処理回路５０は、例えば単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、または、これらを組み合わせたものが該当する。

処理回路がＣＰＵの場合のハードウェア構成を図６に示す。図示のように、処理回路６０は、プロセッサ６１およびメモリ６２を備えて構成される。処理回路６０では、プロセッサ６１が、メモリ６２に記憶されたプログラムを呼び出して実行することにより、上述した制御部９の機能を実現することができる。すなわち、制御部９の機能は、プログラムという形で具現され、当該プログラムが呼び出されてメモリ６２に格納され、メモリ６２に記憶されたプログラムをプロセッサ６１が実行することで実行される。ここで、メモリ６２は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Electrically Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発性または揮発性の半導体メモリ等である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 電力供給システム、２ 蓄電システム（電気自動車）、３ 商用系統、４，１４ コネクタ、５，６ 開閉器（第１の開閉器）、７ コンデンサ、８ 双方向電力変換装置、９，２１ 制御部、１０ 第１のバッテリ、１１ 昇圧回路（充電手段）、１２ 電圧検知回路（第１の電圧検知回路）、１３ 電圧検知回路（第２の電圧検知回路）、１５ 第２のバッテリ、１６，１７ 開閉器（第２の開閉器）、１８ 宅内負荷、１９ 地絡検出回路、２０ 電流検知回路、２４ 切換え回路、２５ 外部電力入力端子、２６，２７，２８ ダイオード、３０ 直流母線。

Claims (5)

1. 商用系統から供給される交流電力と蓄電システムから供給される直流電力とを相互に変換する電力供給システムであって、
   前記蓄電システムと前記電力供給システムとの間の電気的接続を開閉する開閉器と、
   前記蓄電システムと電気的に並列接続されたコンデンサと、
   直流電力を蓄積する第１のバッテリと、
   前記コンデンサを充電する充電手段と、
   前記電力供給システムに設けられた直流電力供給用の接続端子と、
   を備え、
   前記第１のバッテリと前記接続端子の双方から前記充電手段に電力供給可能に構成した電力供給システム。
2. 前記接続端子から供給される電力を、前記第１のバッテリから供給される電力よりも優先して使用できるように構成されている請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記充電手段は、予め設定された固定電圧を出力する第１の動作モードと、前記蓄電システムの電圧と等しい電圧を出力する第２の動作モードの双方で動作可能に構成されている請求項１または２に記載の電力供給システム。
4. 前記第１の動作モードにおける出力電圧は、前記第２の動作モードにおける出力電圧よりも高く設定されている請求項３に記載の電力供給システム。
5. 前記蓄電システム内の第２のバッテリの電圧を検出する第１の電圧検出回路と、前記コンデンサの電圧を検出する第２の電圧検出回路と、が設けられると共に、
   前記開閉器として、前記電力供給システム内には第１の開閉器が設けられ、前記蓄電システム内には第２の開閉器が設けられる構成において、
   前記電力供給システムの絶縁耐力が低下していないと判断された場合に、前記コンデンサの電圧を放電させた後に前記第１の開閉器を開放状態、前記第２の開閉器を閉状態に制御し、
   前記第２の電圧検知回路によって検出された前記コンデンサの電圧が、前記第１の電圧検知回路によって検出された前記第２のバッテリの電圧と等しくなるように前記充電手段を動作させて前記コンデンサを充電し、前記コンデンサの電圧が前記第１の電圧検知回路の検知電圧と等しくなったことを検知した後に、前記第１の開閉器を閉状態に制御する
   請求項４に記載の電力供給システム。

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