JP2018026911A - 蓄電池装置および蓄電池装置における充放電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池以外の電力供給源がない状態で複数の蓄電池ユニットを並列接続した再バックアップ動作を行う。
【解決手段】複数の蓄電池を直流電力路に並列接続し、各蓄電池と直流電力路との間に充電制御スイッチおよび放電制御スイッチを接続した蓄電池装置の充放電制御方法において、全ての充電制御スイッチおよび全ての放電制御スイッチをオフにするＳ０１と、蓄電池電圧の値が最も高い蓄電池および二番目に高い蓄電池を選択するＳ０４と二番目に高い蓄電池と直流電力路との間の充電制御スイッチおよび放電制御スイッチと、最も蓄電池電圧が高い蓄電池と直流電力路との間の充電制御スイッチをオンにするＳ０５〜Ｓ０７と、最も蓄電池電圧が高い蓄電池から二番目に高い蓄電池に流れる電流が、蓄電池の許容電流値以下になるように、最も蓄電池が高い電圧と直流電力路との間に備えられた放電制御スイッチをＰＷＭ制御するＳ０８を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は複数の蓄電池を使用する蓄電池装置に関し、特に複数の蓄電池を並列接続する制御に関する。

近年、自然エネルギーを利用した電力系統の変動抑制、自然エネルギーの変動抑制、電力需要の変動抑制、ピークカットやピークシフト、および災害時のバックアップ用途に、小規模から大規模に至る蓄電システムを利用することが期待されている。

蓄電システムは、一般的に複数の二次電池を直列または並列に接続して構成される蓄電池モジュールを直列に接続した蓄電池ユニット、または蓄電池モジュールを並列接続した蓄電池ユニットを基本単位に構成される。蓄電システムの容量を増やす場合は、蓄電池ユニットを更に並列接続する。蓄電池の直流電力を変換する必要がある場合、蓄電池には、蓄電池に対する充放電を制御する電力変換器が接続される。

蓄電池を並列接続するとき、蓄電池間に電位差があると、大電流が往流電流として流れ、蓄電池の損傷やシステムの発火・発煙の危険がある。

このような問題に対し、特許文献１では、並列接続する前に個々の蓄電池をプリチャージし、電位差を解消してから接続することで、安全な往流電流に制限する技術が示されている。

特開２０１５−１５９６３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、電力系統が正常な時に、電力変換部と複数の蓄電池を接続する充放電ラインを切換えて、蓄電池間の電位差を解消して蓄電池を並列接続する。この方式では、電力系統が停電状態のとき、および蓄電池以外の電力供給源がない状態において、電位差がある複数の蓄電池ユニットを並列接続することができない。

そのため、災害時に蓄電池の電力を使い切った後に、保管してある残電力のある蓄電池ユニットと交換し、電位差のある複数の蓄電池ユニットを並列接続した再バックアップ動作ができない。

本発明は、蓄電池以外の電力供給源がない状態においても、電位差のある複数の蓄電池ユニットを並列接続した再バックアップ動作を可能にする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば本発明に係る蓄電池装置は、複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池のそれぞれを並列接続する直流電力路と、前記複数の蓄電池に含まれる各蓄電池と前記直流電力路との間に直列接続された充電制御スイッチおよび放電制御スイッチと、前記各蓄電池の蓄電池電圧を監視する電圧監視部と、前記各蓄電池に流れる電流を検出する電流検出器と、前記複数の蓄電池の中から前記充電制御スイッチおよび前記放電制御スイッチを制御する蓄電池を前記各蓄電池の蓄電池電圧に基づいて複数選択し、前記複数選択された蓄電池の内、電圧が高い蓄電池から電圧が低い蓄電池に流れる電流が前記複数選択された蓄電池の許容電流以下になるように、前記電流検出器の検出結果に基づいて前記充電制御スイッチおよび前記放電制御スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、蓄電池以外の電力供給源がない状態においても、電位差のある複数の蓄電池ユニットを並列接続した再バックアップ動作を可能にする技術を提供することができる。なお上記した以外の目的、構成、効果については以下の実施形態において明らかにされる。

本実施形態に係る蓄電池装置の構成を示すブロック図 コントローラの内部構成を示すブロック図 蓄電池情報記憶部２０３に記憶される蓄電池情報の模式図 並列接続動作の流れを示すフローチャート ＰＷＭ制御の処理の流れを示すフローチャート ＰＷＭ制御中の蓄電池電圧と蓄電池に流れる電流の変化を示す説明図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る蓄電池装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す蓄電池装置１００は、４つの蓄電池１０３、１０４、１０４、１０６を含み、それぞれの蓄電池１０３、１０４、１０４、１０６の充電と放電を抑制する放電制御スイッチ１０７、１０９、１１１、１１３と、充電制御スイッチ１０８、１１０、１１２、１１４と電流検出器１１５、１１６、１１７、１１８と、を介して直流電力路１３６に接続されて構成される。放電制御スイッチおよび充電制御スイッチは、例えばＦＥＴなどの半導体スイッチ素子などを用いて構成される。

直流電力路１３６は、電力変換器１０２を介して電力系統１０１に接続される。電力変換器１０２は、直流電力路１３６および電力系統１０１の電力を交流から直流および直流から交流に変換する。

更に蓄電池装置１００は、放電制御スイッチ１０７、１０９、１１１、１１３と、充電制御スイッチ１０８、１１０、１１２、１１４の充放電制御を行うコントローラ１２７を含む。コントローラ１２７は、電流監視部１２７ａ、電圧監視部１２７ｂ、およびスイッチ制御部１２７ｃを含む。

それぞれの放電制御スイッチ１０７、１０９、１１１、１１３は、オンとオフを制御する制御信号の伝達経路となる制御線１２９、１３１、１３３、１３５を介してコントローラ１２７のスイッチ制御部１２７ｃに接続される。

それぞれの充電制御スイッチ１０８、１１０、１１２、１１４は、オンとオフとを制御する制御信号の伝達経路となる制御線１２８、１３０、１３２、１３４を介してコントローラ１２７のスイッチ制御部１２７ｃに接続される。

それぞれの電流検出器１１５、１１６、１１７、１１８が出力する電流情報１１９、１２０、１２１、１２２は電流監視部１２７ａに出力される。

それぞれの蓄電池１０３、１０４、１０４、１０６が出力する電圧情報はコントローラ１２７の電圧監視部１２７ｂに出力される。

図２、図３を参照してコントローラの構成について説明する。図２は、コントローラの内部構成を示すブロック図である。図３は、蓄電池情報記憶部２０３に記憶される蓄電池情報の模式図である。図２に示すように、スイッチ制御部１２７ｃは、上記充電制御スイッチ及び放電制御スイッチを個別に切り替える切替制御部２０１、蓄電池選択部２０２、および蓄電池情報記憶部２０３を含む。これらスイッチ制御部１２７ｃの各構成要素は、コントローラ１２７を構成するＣＰＵがＨＤＤやＲＯＭに格納された充放電制御プログラムをメモリにロードし、実行することでその機能を実現する。各構成要素の機能は、図４以下の処理フローを参照しながら後述する。

蓄電池情報は、図３に示すように各蓄電池を固有に識別する「蓄電池識別情報」と、各蓄電池の充放電ステータスを示す「充放電ステータス」と、並列接続がされているかを示す「並列接続状況」と、各蓄電池の「蓄電池電圧」とが関連付けて記憶される。電圧監視部１２７ｂは、各蓄電池１０３、１０４、１０５、１０６から電圧値を取得すると蓄電池情報に書き込む。

以下、図４の各ステップ順に沿って、並列接続された蓄電池の充放電制御方法について説明する。図４は並列接続動作の流れを示すフローチャートである。以下の説明に当たり、処理開始時において図１の蓄電池電圧は、蓄電池１０３、１０４、１０５、１０６の順番に電圧が高いと仮定する。

並列接続制御では図４に示すように、まずスイッチ制御部１２７ｃは、全ての充電制御スイッチ１０８、１１０、１１２、１１４と放電制御スイッチ１０７、１０９、１１１、１１３とは全てオフにする（Ｓ０１）。

電圧監視部１２７ｂは各蓄電池１０３、１０４、１０５、１０６から電圧情報を取得すると蓄電池情報記憶部２０３に記録された蓄電池情報を書き込む。蓄電池選択部２０２は蓄電池情報を参照し、から全ての蓄電池電圧値を取得する（Ｓ０２）。蓄電池選択部２０２は蓄電池情報の並列接続フィールドを参照し、並列接続した蓄電池が無いと判断した場合（Ｓ０３／Ｎｏ）、蓄電池装置１００に含まれる蓄電池１０３、１０４、１０５、１０６の内、蓄電池電圧の最も高い蓄電池１０６と二番目に高い蓄電池１０５を選択する（Ｓ０４）。

切替制御部２０１は、蓄電池選択部２０２から選択した蓄電池を示す情報を取得し、選択された蓄電池の内、電圧が低い蓄電池、すなわち蓄電池１０５の充電制御スイッチ１１２をオンにし（Ｓ０５）、放電制御スイッチ１１１をオンにする（Ｓ０６）。切替制御部２０１は充放電制御スイッチのオン動作後に並列接続動作を行ったことを示す並列情報を蓄電池選択部２０２に出力し、蓄電池選択部２０２は蓄電池情報の並列情報を更新する。

次いで、切替制御部２０１は、電圧が高い蓄電池、即ち蓄電池１０６の充電制御スイッチ１１４をオンする（Ｓ０７）。このとき蓄電池１０６の放電制御スイッチ１１３はオフしているので、蓄電池１０６から蓄電池１０５への充電電流は流れない。

ここで、切替制御部２０１は、蓄電池１０６の放電制御スイッチ１１３のオンとオフのＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）制御を開始する（Ｓ０８）。その際、切替制御部２０１は、充電開始フラグを蓄電池選択部２０２が出力し、蓄電池選択部２０２は蓄電池情報に充電ステータスを「充電中」に更新する。ＰＷＭ制御を実行し（Ｓ０９／Ｎｏ）、それが完了すると（Ｓ０９／Ｙｅｓ）、切替制御部２０１は、充電終了フラグを蓄電池選択部２０２に出力し、蓄電池選択部が充電池情報の充電ステータスを終了に更新する。並列制御した蓄電池情報を更新し（Ｓ１０）、全蓄電池が並列接続していない場合（Ｓ１１／Ｎｏ）、再度、ステップＳ０１へ戻り、全ての蓄電池電圧を取得する。

既述のステップＳ０２において、並列接続した蓄電池がある場合（Ｓ０３／Ｙｅｓ）、蓄電池選択部２０２は、蓄電池装置１００の４つの蓄電池１０３、１０４、１０５、１０６の内、すでに並列接続された蓄電池、例えば蓄電池１０５、１０６と、蓄電池１０５および１０６とは並列接続していない残り二つの蓄電池の内、１番電圧高い蓄電池１０４を選択し（Ｓ１２）、並列接続した蓄電池１０５と１０６の電圧と比較する。

蓄電池１０４の電池電圧が高い場合（Ｓ１３／ＹＥＳ）、上記制御と同様に、切替制御部２０１は、蓄電池１０４の充電制御スイッチ１１０をオンにし（Ｓ１４）、蓄電池１０４の放電制御スイッチ１０９のＰＷＭ制御を開始する（Ｓ１５）。ＰＷＭ制御が完了後（Ｓ０９／Ｙｅｓ）、並列制御した蓄電池情報を更新し、全蓄電池が並列接続していない場合、再度、全ての蓄電池電圧を取得する（Ｓ０１）。

並列接続していない蓄電池は１０３のみである。このとき並列接続している蓄電池１０６、１０５、１０４と蓄電池１０３の電池電圧を比較し（Ｓ０２／Ｙｅｓ、Ｓ１１、Ｓ１２）、並列接続した蓄電池群の電池電圧が高い場合（Ｓ１２／Ｙｅｓ）、蓄電池１０４の放電制御スイッチ１０７をオンする（Ｓ１３）。

このとき充電制御スイッチ１０８はオフしているため、並列接続した蓄電池群から蓄電池１０３に対して電流は流れない。充電制御スイッチ１０８のオンとオフをＰＷＭ制御する（Ｓ１４）。ＰＷＭ制御が完了後（Ｓ０８／Ｙｅｓ）、並列制御した蓄電池情報を更新し、全蓄電池が並列接続しているので、並列接続制御を完了する。

図５はＰＷＭ制御の処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、ＰＷＭのＤｕｔｙ幅を、０％から徐々に拡大する。蓄電池１０６の電流検出器１１８が検出した電流が許容電流を超えておらず（Ｓ２１／Ｎｏ）、かつ、Ｄｕｔｙが１００％ではない場合は（Ｓ２２／Ｎｏ）、Ｄｕｔｙ幅を徐々に拡大するよう、切替制御部２０１は放電制御スイッチのオンオフを制御する。

許容電流を超えた場合は（Ｓ２１／Ｙｅｓ）、切替制御部２０１はＤｕｔｙ幅を縮小するように、放電制御スイッチのオンオフを制御する（Ｓ２４）。

Ｄｕｔｙが１００％（Ｓ２２／Ｙｅｓ）かつ並列接続許容電流値以上のとき（Ｓ２５／Ｎｏ）、Ｄｕｔｙ１００％を保持する。Ｄｕｔｙが１００％かつ並列制御許容電流値未満（Ｓ２５／Ｙｅｓ）かつ並列接続許容電圧範囲になっていない場合（Ｓ２６／Ｎｏ）、Ｄｕｔｙ１００％を保持する。Ｄｕｔｙが１００％（Ｓ２２／Ｙｅｓ）かつ並列制御許容電流値未満（Ｓ２５／Ｙｅｓ）かつ並列接続許容電圧範囲以上の場合（Ｓ２６／Ｙｅｓ）、Ｄｕｔｙ１００％を保持し、ＰＷＭ制御を終了する。

このように、蓄電池装置１００は、蓄電池ユニットもしくは蓄電モジュールを安全に並列接続する制御および蓄電池ユニットの電圧値と蓄電池ユニットに流れる電流値のみを使用した簡素な制御が可能である。

図６は、ＰＷＭ制御中の蓄電池電圧と蓄電池に流れる電流の変化を示す説明図である。期間Ｔ１は、ＰＷＭ制御開始から蓄電池に流れる電流が許容電流を超えず、Ｄｕｔｙ幅を徐々に拡大する期間になる。期間Ｔ２は、蓄電池に流れる電流が許容電流を超えたときにＤｕｔｙ幅を縮小し、電流が許容電流を超えていないときにＤｕｔｙ幅を拡大している期間になる。期間Ｔ３は、電流が許容電流を超えないときにＤｕｔｙ幅を徐々に拡大している期間になる。期間Ｔ４は、Ｄｕｔｙ幅が１００％になり、蓄電池間の電圧が並列接続許容電圧範囲以内かつ蓄電池に流れる電流が並列接続許容電流値未満になるまでＤｕｔｙ幅を１００％に保持している期間である。一般的に蓄電池間に流れる電流は、蓄電池のインピーダンスと電圧差で決まるため、電圧差が小さくなると流れる電流は小さくなる。

本実施形態は、以上の構成を備えるため、蓄電池以外の電力供給源がない状態においても、複数の蓄電池ユニットもしくは蓄電池モジュール間の電位差を解消して並列接続できる。また、蓄電池の許容する充放電電流以内に制限することができ、蓄電池を過大な充放電電流から保護できる。よって、本実施形態によれば、蓄電池以外の電力供給源がない状態においても、蓄電池を安全に並列接続することが可能であり、蓄電池を並列接続するシステムに有用な技術を提供できる。すなわち、本実施形態における蓄電池の並列制御は、蓄電池がもっているエネルギーを使用するため、外部エネルギーがなくとも並列接続が可能であり、かつ、蓄電池間に流れる往流電流を許容電流値に抑制するため、安全に並列制御が可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成性を備えるものに限定されるものではない。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば、ハードウェアで実現してもよい。またソフトウェアで実現してもよい。

１００：蓄電池装置
１０１：電力系統
１０２：電力変換器
１０３、１０４、１０５、１０６：蓄電池＃１、蓄電池＃２、蓄電池＃３、蓄電池＃４
１０７、１０９、１１１、１１３：蓄電池＃１の放電制御スイッチ、蓄電池＃２の放電制御スイッチ、蓄電池＃３の放電制御スイッチ、蓄電池＃４の放電制御スイッチ
１０８、１１０、１１２、１１４・・・蓄電池＃１の充電制御スイッチ、蓄電池＃２の充電制御スイッチ、蓄電池＃３の充電制御スイッチ、蓄電池＃４の充電制御スイッチ
１１５、１１６、１１７、１１８・・・蓄電池＃１の電流検出器、蓄電池＃２の電流検出器、蓄電池＃３の電流検出器、蓄電池＃４の電流検出器
１１９、１２０、１２１、１２２・・・蓄電池＃１の電流情報、蓄電池＃２の電流情報、蓄電池＃３の電流情報、蓄電池＃４の電流情報
１２３、１２４、１２５、１２６・・・蓄電池＃１の電圧情報、蓄電池＃２の電圧情報、蓄電池＃３の電圧情報、蓄電池＃４の電圧情報
１２７・・・コントローラ
１２８、１３０、１３２、１３４・・・蓄電池＃１の放電制御スイッチ制御信号、蓄電池＃２の放電制御スイッチ制御信号、蓄電池＃３の放電制御スイッチ制御信号、蓄電池＃４の放電制御スイッチ制御信号
１２９、１３１、１３３、１３５・・・蓄電池＃１の充電制御スイッチ制御信号、蓄電池＃２の充電制御スイッチ制御信号、蓄電池＃３の充電制御スイッチ制御信号、蓄電池＃４の充電制御スイッチ制御信号
１３６・・・直流電力路

Claims (4)

1. 複数の蓄電池と、
   前記複数の蓄電池のそれぞれを並列接続する直流電力路と、
   前記複数の蓄電池に含まれる各蓄電池と前記直流電力路との間に直列接続された充電制御スイッチおよび放電制御スイッチと、
   前記各蓄電池の蓄電池電圧を監視する電圧監視部と、
   前記各蓄電池に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記複数の蓄電池の中から前記充電制御スイッチおよび前記放電制御スイッチを制御する蓄電池を前記各蓄電池の蓄電池電圧に基づいて複数選択し、前記複数選択された蓄電池の内、電圧が高い蓄電池から電圧が低い蓄電池に流れる電流が前記複数選択された蓄電池の許容電流以下になるように、前記電流検出器の検出結果に基づいて前記充電制御スイッチおよび前記放電制御スイッチを制御するスイッチ制御部と、
   を備えることを特徴とする蓄電池装置。
2. 請求項１に記載の蓄電池装置において、
   前記スイッチ制御部は、前記各蓄電池と前記直流電力路との間に直列接続された前記充電制御スイッチおよび前記放電制御スイッチを個別にスイッチ制御する、
   ことを特徴とする蓄電池装置。
3. 複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池のそれぞれを並列接続する直流電力路と、前記複数の蓄電池に含まれる各蓄電池と前記直流電力路との間に直列接続された充電制御スイッチおよび放電制御スイッチと、前記各蓄電池の蓄電池電圧を監視する電圧監視部と、前記各蓄電池に流れる電流を検出する電流検出器と、前記充電制御スイッチおよび前記放電制御スイッチをスイッチ制御するスイッチ制御部と、を備えた蓄電池装置における充放電制御方法であって、
   前記スイッチ制御部が、全ての充電制御スイッチおよび全ての放電制御スイッチをオフにするステップと、
   前記スイッチ制御部が、各蓄電池の蓄電池電圧の値を取得するステップと、
   前記スイッチ制御部が、各蓄電池の蓄電池電圧の値が最も高い蓄電池および二番目に高い蓄電池を選択するステップと、
   前記スイッチ制御部が、前記二番目に高い蓄電池と前記直流電力路との間の充電制御スイッチおよび放電制御スイッチをオンにするとともに、前記最も蓄電池電圧が高い蓄電池と前記直流電力路との間の充電制御スイッチをオンにするステップと、
   前記最も蓄電池電圧から前記二番目に高い蓄電池に流れる電流が、前記最も蓄電池電圧が高い蓄電池および前記二番目に蓄電池電圧が高い蓄電池の許容電流値以下になるように、前記スイッチ制御部が前記最も蓄電池が高い蓄電池と前記直流電力路との間に備えられた放電制御スイッチをＰＷＭ制御するステップと、
   を含むことを特徴とする蓄電池装置における充放電制御方法。
4. 請求項３に記載の蓄電池装置における充放電制御方法において、
   前記複数の蓄電池は３つ以上の蓄電池を含み、かつそのうちの２つ以上が並列接続され、少なくとも１つの蓄電池が並列接続されていない場合に、前記スイッチ制御部は、並列接続されていない蓄電池の内、最も蓄電池電圧が高い蓄電池を１つ選択するステップと、
   前記スイッチ制御部が、前記並列接続された蓄電池の蓄電池電圧および選択された蓄電池の蓄電池電圧を比較し、蓄電池電圧が低い方の蓄電池と前記直流電力路との間にある充電制御スイッチおよび放電制御スイッチをオンに制御するとともに、蓄電池電圧が高い方の蓄電池と前記直流電力路との間の充電制御スイッチをオンに制御するステップと、
   前記蓄電池電圧が高い方の蓄電池から前記蓄電池電圧が低い方の蓄電池に流れる電流が、前記蓄電池電圧が高い方の蓄電池および前記蓄電池電圧が低い方の蓄電池の許容電流値以下になるように、前記スイッチ制御部が、前記蓄電池電圧が高い方の蓄電池と前記直流電力路との間に備えられた放電制御スイッチをＰＷＭ制御するステップと、
   を含むことを特徴とする蓄電池装置における充放電制御方法。