JP2019146334A - 蓄電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の課題は、蓄電池の性能に応じて適切な数の電力変換回路に接続し、効率の良いコンパクトな蓄電システムを提供することである。【解決手段】上記の課題を解決するために、接続構成制御部が蓄電池の定格出力と劣化度を基に必要な電力変換回路の数を求め、求めた数の電力変換回路が蓄電池に接続されるよう接続選択回路を制御する蓄電システムを構成する。【選択図】 図1
Description
本発明は、蓄電手段および電力変換回路が接続される蓄電システムに関するものである。
電気自動車の普及が進むにつれて、種々の仕様あるいは様々な劣化状態の電池が存在することになる。電気自動車では、電池が唯一の電源であり、頻繁に充放電が行われるとともに、残量低下時は走行不能になる可能性が懸念されるため、劣化した電池は使われない可能性が高い。一方、ビル内の電力ピークカットや、非常時の給電のための蓄電システムは、他の電源も存在し、充放電の頻度も抑えられるため、自動車で使った後の電池を再利用することが検討されている。
自動車で使用後の電池の場合には、劣化度が異なる上に、電池仕様も異なる可能性がある。特許文献1の図11(a)に従来例として記載されているような、電池に対して個別に電力変換回路が接続されている場合には、電池各々に応じた個別制御が可能となるため、それぞれの電池を最大限有効に利用できる反面、電力変換回路は最大の定格出力等の電池仕様に合わせておかないと対応できない。その場合には電力変換回路の変換容量は最大に合わせて設計することになり、装置の大型化が懸念されるとともに、小電力時の効率低下が懸念される。
また、特許文献1の図11(b)に記載の従来例や、特許文献1の図1の例では、複数の電池が直接的に並列接続されており、この場合には、電力変換回路を介さずに並列接続するには、蓄電池の電圧を揃えないと、その電圧差に応じて並列接続された蓄電池間で大電流が流れてしまう。
また、電圧が同じでも、劣化具合で変わる内部抵抗が異なると、電流分担が不均等になり、劣化していない電池も劣化が激しくなるなどの問題がある。このため劣化度が似通った電池を使用しなければならない。さらに、劣化度が著しく異なる場合には、劣化の激しい電池により全体の出力が制限されてしまい、電池を有効に利用できないことになる。
また、特許文献2では、直並列接続されている電池を、特性あるいは劣化度に合わせて接続を切り替えて使うことで有効利用する方法が記載されている。この場合でも設置されている電池のうち接続されない電池が存在しており、装置の大型化が懸念される。
上記の課題を解決するために、本発明では、 母線に接続された複数の蓄電池と、前記蓄電池の電力を変換する複数の電力変換回路と前記蓄電池と電力変換回路を接続する接続選択回路と、蓄電池の定格出力に基づいて必要な電力変換回路を求め、接続する蓄電池と電力変換回路を決定し、接続選択回路へ接続を指示する接続構成制御部とを備える蓄電システムとした。
本発明により効率の良い蓄電システムを提供できる。
本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。なお、各図及び各実施例において、同一または類似の構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。また、ここでは、電力変換回路を構成するスイッチング素子は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を例に記載しているが、他のデバイスでもよい。また、IGBTのゲート駆動信号回路については図示および説明を省略する。
図1に実施例1の蓄電システムの構成例を示す。蓄電システム1は、母線9に電力変換回路11〜14が接続されている。ここでは、電力変換回路が母線に並列に接続されている場合を例にした。各電力変換回路11〜14には、接続選択回路31〜34が接続され、これを介して蓄電池21〜23に接続されている。
蓄電池はスーパーキャパシタのような蓄電可能なデバイスも含み、以後蓄電池として説明する。各蓄電池の出力および劣化度は、蓄電システム制御部4のうち、電池情報検出部41で検出して、それに応じて接続構成制御部42から、接続選択回路31〜34に指令を出してスイッチを切り替える。また、母線9の電力仕様および状態から、電力変換回路11〜14を充放電制御部43により制御する。
ここでは、蓄電池の出力が21および22に比べて、23は2倍程度である場合を説明する。接続選択回路のスイッチの切替について、図2のフローチャートを用いて説明する。
4個の電力変換回路11〜14が接続されているので、個数N=4となる。まず、ステップ401にて、k=1として、ステップ402にてスイッチSW_1の状態を確認する。k=1では、k-1番目がないため、ステップ403の判定はYesとなり、ステップ404のように、k=1番目に蓄電池を配置可能であり、接続選択回路31のSW_1は、蓄電池21に接続される31B側に接続される。
ステップ406で電池情報検出部41は蓄電池21の情報を検出して、接続構成制御部42はステップ407の接続電力変換回路数判定を行う。
蓄電池の劣化度や定格出力等の情報は蓄電池を設置するときに診断し、その後は充放電電流の積算値から推定して求めても良い。
この例では、定格出力を3段階に分けることにして、その閾値を小さいほうから、Pth1、Pth2およびPth3とした。また、劣化度も3段階に分けることにして、ほとんど劣化がない状態を1.0、劣化が進み半分程度の出力に制約される状態を0.5、さらに劣化が進み寿命に近い状態を0.3とした。そして定格出力と劣化度の積から決まる最大出力から、接続すべき電力変換回路の数を求めても良い。
例えば、ほとんど劣化がない劣化度1.0の場合には、定格出力がPth1以下であれば変換回路は1台、定格出力がPth1以上でPth2未満であれば2台、Pth2以上(図中は<Pth3と記載)であれば3台とした。なお、何段階に分けるかは、普及している蓄電池の種類に応じて決めればよい。また、ここではPth1未満を変換回路1台としたが、Pth1以下にしても良い。
さらに、今後このような蓄電池の利用が普及すると、蓄電池に劣化情報を記憶された媒体を添付された状態で流通されることも考えられ、その場合にはそれを読み取れば初期の劣化情報を判定することが可能である。
蓄電システムに組み込んでからも、劣化診断運転として、例えば所定の充電電流を流したときの蓄電池電圧の測定により劣化情報を得ることができる。このとき、1つの電力変換回路に複数の蓄電池が並列に接続される場合には、それぞれの蓄電池の電流が制御できないため、判定するのが困難であるが、1つの蓄電池の電流は1個あるいは複数の電力変換回路で制御可能なため、蓄電池の劣化診断運転も可能である。
このような判定から、蓄電池21に必要な変換回路は1台と判定して、ステップ408において、接続選択回路32のスイッチSW_2は、蓄電池に接続される端子32Bと接続する側に設定される。
次にステップ409にてk=2として、ステップ402に戻る。ステップ403で、接続選択回路32のSW_2は、接続選択回路31に接続される32A側ではなく、32B側に接続できるため、ここに蓄電池22を接続できる。同様に蓄電池22の定格出力および劣化度から1台と判定されて、接続選択回路33のスイッチSW_3も、蓄電池に接続される端子33B側に設定される。
次にk=3では、蓄電池23の定格出力は約2倍であり、Pth1以上Pth2未満であるため、変換回路は2台接続することになる。そのため、接続選択回路34のSW_4は34A側に接続する。
k=4では、ステップ402および403で、接続選択回路34のSW_4が変換回路13に接続される側34Aになっているため、ステップ405となり、接続選択回路34には蓄電池を接続できない。そのため、ステップ409になり、kに1を加えてk=5となる。ステップ410で台数Nよりも大きくなるため、判定は終了となる。このような処理によって、図1の接続構成となる。
蓄電池の劣化状態を定期的に診断するとともに、図2ステップ407の判定処理を実施することで、蓄電池を蓄電システム1に組み込んだ後の劣化状態に応じて、接続構成を変更することができる。例えば、蓄電池23の劣化度が0.5まで進んだ場合には、必要な電力変換回路は1台で十分となるため、接続選択回路34のSW_4を端子34Aから、端子34B側に切り替えて、ここでは図示していない新たな蓄電池を接続することが可能となる。
このような構成とすることで、蓄電システム内の電力変換回路を、使用する蓄電池の仕様および劣化度に応じて、フレキシブルに蓄電池に接続することができる。そのため、電力変換回路も有効に利用できるため、蓄電システムの小型化に寄与できる。
図3に本発明の第2の実施例として、電力変換回路11〜14の具体的な構成例を示す。この例では、母線が91(+)および92(−)の直流であり、電力変換回路は昇降圧チョッパ回路を用いていている。電力変換回路11〜14は同じ構成となるため、11および12のみ図示している。
電力変換回路11は、リアクトル1105、上下一対のスイッチング素子1101、1103および逆並列接続される環流ダイオード1102、1104、平滑コンデンサ1106で構成されている。これにより、蓄電池の電圧が母線91および92間の電圧と異なっても充放電が可能である。なお、電力変換回路12についても、構成は同じであるため、説明は省略する。
接続選択回路および蓄電池の接続について、図1では、蓄電池の正極側と負極側とを区別せずに1本の線で略記したが、ここでは正極側と負極側とを区別して図示した。接続選択回路31のうち、蓄電池21の正極側に接続されるのが31B1、負極側に接続されるのが31B2であり、他の端子についても同様に、符号の末尾が1は正極側、末尾が2は負極側とした。
図3の場合は、31C1で隣の32A1に接続しているため、31C1−111間の配線は、電力変換回路1個分の電流に応じた配線で済む。一方、図4の場合には、31C1−111間は蓄電池の最大出力に応じた電流になるため、電力変換回路の数に応じた配線になる。
図4に第3の実施例を示す。図3と同じ部位は同じ符号で示し、説明を省略する。図4では、接続選択回路32の端子32A1に、電力変換回路11の端子111から接続されている。
また、同様に32A2には、112から接続されている。接続選択回路と電力変換回路との接続(31C1から111、31C2から112、32C1から121および32C2から122)は、蓄電池の定格出力に応じた電流容量の配線が必要である。ただし、接続選択回路に接続される配線は、図3に比べて少ないので、接続選択回路31、32の大きさを低減することが可能となる。
その分、電力変換回路部の端子および配線は許容電流を大きくする必要があるが、実装面で接続選択回路を小型にしたほうが好適な場合には、こちらの接続構成にしてもよい。
図5に第4の実施例として、電力変換回路11に、絶縁型変換回路を用いた例を示す。ここでは、母線は三相交流(9U、9Vおよび9W)である。そのため、電力変換回路11は、蓄電池側平滑コンデンサ113、絶縁型DC/DC変換回路114、平滑コンデンサ115、三相インバータ116およびフィルタリアクトル117で構成される。
ここで、蓄電池側平滑コンデンサ113およびフィルタリアクトル117は一例であり、コンデンサとリアクトルを組み合わせた構成でもよい。
絶縁型DC/DC変換回路114は、絶縁トランス1145の両側に、それぞれ11411、11412、11421、11422、11431、11432、11441および11442で構成されるフルブリッジ回路と、11461、11462、11471、11472、11481、11482、11491および11492で構成されるフルブリッジ回路が接続された構成である。このような構成にすることで、様々な電圧仕様の蓄電池を充電および放電することが可能であるとともに、蓄電池が接続される側と母線に接続する側とを絶縁できる。
また、三相インバータは、平滑コンデンサ115の直流電力を母線に合わせた三相電力に変換するための回路であり、11611、11612、11621、11622、11631、11632、11641、11642、11651、11652、11661および11662で構成される。
これらの回路は、充放電制御部43により制御されるが、昇降圧チョッパによる充放電制御および三相インバータによる制御は一般的であるため、説明は省略する。
図6に第5の実施例として、母線が高電圧系統の場合を説明する。母線が高電圧の場合に、複数の絶縁型の電力変換回路を直列に接続した構成にすることがある。図6では、図5に示したような絶縁型電力変換回路15〜18を4段直列に接続した場合を示している。
図中、絶縁型電力変換回路18の片方の端子90は、母線9が三相交流の場合には、その中性点とすればよい。また、母線が直流の場合には、負側の配線(図3における、92)に接続する。
それぞれの絶縁型電力変換回路15〜18の母線に接続される側の電位は異なるが、絶縁型を用いているため、接続選択回路31〜34の電位は同じにすることができる。そのため、図1の場合と同様に蓄電池の最大出力に応じて絶縁型電力変換回路の数を判定して接続を切り替えればよい。
なお、電力変換回路と母線との間は、電力変換回路の交換などもあるため、開閉器が接続される場合があるが、ここでは省略した。
図7に本発明の第6の実施例として、蓄電システム1の実装例を示す。図7(A)が正面図で、図7(B)が矢視A−A’図である。
この例では、5つの蓄電サブシステムが1つの筐体1に収納されている。筐体は5段で構成されており、各々の段に蓄電サブシステムが格納されている。
図7(B)で示すとおり、筐体の前面の蓄電池挿入口にコネクタで接続された蓄電池21オ〜24オが配置され、背面に電力変換回路11オ〜14オが配置され、蓄電池と電力変換回路の間に接続選択回路群3が配置されている。このような配置にすることにより頻繁に入れ替えの必要がある蓄電池の交換作業を容易にすることが可能となる。電力変回路もモジュール化しコネクタで接続するようにしてもよい。
また、容量の大きく質量の大きい蓄電池が筐体の下部に配置され、容量が小さく質量が小さい蓄電池が筐体の上部へ配置されている。このように配置することにより筐体の安定を図ることが可能となる。
この例では、蓄電池23ウ、21イ、22イ、21ア及び22アが他の蓄電池に比べて約2倍の定格出力で体積も大きい例を示している。
一方で、蓄電池は寸法も異なるため、このように2か所の蓄電池設置位置に跨って蓄電池を置けるような実装構造が好ましい。
なお、蓄電池23ウのように定格出力が約2倍ある大型の蓄電池も劣化度が進むと、接続すべき電力変換回路は1台で十分になる。そのときには接続選択回路34を切り替えることで接続される電力変換回路を2個から1個に切り替えることができる。
接続されなくなる電力変換回路に、新たな蓄電池を接続することは蓄電池の設置位置にスペースがないためできないが、電力変換回路を1台だけ接続することで変換回路での損失は低減される。
また、筐体1の最上段は、接続選択回路の構成や、蓄電池の劣化進展警告などを表示するための表示器5、強制的に運転停止するなどのスイッチ6が正面に取り付けられている。内部には蓄電システム制御部4が収納されている。
なお、ここでは、蓄電池、接続選択回路、電力変換回路および蓄電システム制御部を1つの筐体に収納したが、分割してもよく、例えば蓄電池および制御部だけは交換、点検しやすい場所に配置して、その他の部分はアクセスしにくい建物のデッドスペース的な場所に配置してもよい。
図8に本発明の第7の実施例の蓄電システムの構成例を示す。ここでは、接続構成制御部42から、接続選択回路31〜34への信号および充放電制御部43から電力変換回路11〜14への制御信号の図示は省略した。
前述した図1の例では、接続選択回路31〜34は他の変換回路のうち1つだけと接続できる構成であったのに対して、この例では、4箇所すべての変換回路に接続できる。また、同様に図1の例では、変換回路11と蓄電池23とを接続するには、接続選択回路32を介して接続せざるを得ず、その場合に蓄電池22は接続できない。
これに対して、図8では、どの蓄電池にも接続できる構成である。このようにすることで、蓄電池と変換回路との接続の組み合わせに自由度が広がる。それにより、初期に蓄電池を設置した状態から劣化が進み、接続されなくなった電力変換回路を他の蓄電池へ接続し使用することができる。
蓄電池21、22は定格出力が同じで、蓄電池23は2倍の定格出力をもち、図2のフローにより、蓄電池21、22は1つの電力変換回路、蓄電池23には2つの電力変換回路を接続する場合を説明する。
図8のように、蓄電池21は、接続選択回路群3のうち、端子3B1、31B1、SW_1および端子3C1を介して、電力変換回路11に接続される。
また、蓄電池22は端子3B2、32B2、SW_2および端子3C2を介して電力変換回路12に接続される。蓄電池23は端子3B3から、33B3、SW_3および端子3C3を介して電力変換回路13に接続されるとともに、SW_4が34A3を選択しているため、端子3C4を介して電力変換回路14にも接続される。
この状態から運転するうちに蓄電池の劣化が進み、蓄電池21は劣化が進み交換が必要、蓄電池22はまだ使用可能、蓄電池23は劣化が進んだため電力変換回路は1つで十分になったとする。仮に、新たに接続する蓄電池の寸法が蓄電池21と同じであるが、ほとんど劣化していなく電力変換回路を2台接続する場合について説明する。
図1の構成の場合には、蓄電池23の寸法が他と変わらずに、接続選択回路34に接続できる位置に置くことができる場合には、SW_4を34Aから34Bに切り替えるとともに、接続選択回路31のSW_1を31Bから31Aに切り替えて、新たな蓄電池を34Bに接続することで対応できる。ただし、蓄電池23の寸法が大きく、接続選択回路34Bに接続できる場所に新たな蓄電池を配置することができない場合もある。このような場合には、新たな蓄電池は元の蓄電池21の場所に置くことになり、接続できる電力変換回路は11だけになるという問題がある。
一方、図8の構成であれば、蓄電池21の代わりに新たな蓄電池を配置して、接続選択回路34のSW_4を34A3から34B1に切り替えることで、新たな蓄電池から2台の電力変換回路11および14を接続できるため、劣化度に応じて柔軟な電力変換回路の接続が可能となる。
図9に本発明の第8の実施例の蓄電システムの構成例を示す。
図1、図8の例では、蓄電池に内蔵の電池コントローラあるいは、劣化情報記録から蓄電システム制御部4の電池情報検出部41に情報を入手していた。それに対して図9の例では、蓄電池の電流および電圧から劣化を診断して、電池情報検出部41から蓄電池の劣化情報を検出する。
さらに、蓄電池を接続する端子3B1〜3B4に加えて、蓄電池診断用端子3BTを設けた。これにより、(図示はしていない)新たに接続する蓄電池の劣化状態を調べることができる。このときの動作について説明する。ここでは、図8の場合と同様に蓄電池23に接続する電力変換回路は2台の場合を例に説明する。
接続選択回路34のSW_4を一時的に34A3から34B4に切り替えるとともに、診断時切替回路70を蓄電池診断用端子3BT側にする。これにより、新たな蓄電池が電力変換回路14に接続され、診断のための充放電が可能である。この間、蓄電池23に接続される電力変換回路は13のみとなり、蓄電池23の出力できる能力の半分となるが、診断が終わったら接続選択回路34のSW_4を元の34A3に戻せば、再び蓄電池23には2台の電力変換回路13および14が接続される。なお本発明では、各々の蓄電池の充放電を個別に制御できるため、蓄電システムを運転継続したまま、蓄電池の診断が可能である。
診断された蓄電池の情報は、図7(A)に示した蓄電システム表示器5に、劣化情報、接続すべき電力変換回路の数、さらには、どの位置に配置すれば良いかを表示することで、交換のときに蓄電池の設置場所を判断することができるため、交換時間の低減が可能となる。
また、蓄電池の設置場所の判断時には、蓄電池の寸法を考慮することも可能である。
さらに、ここでは、新たな蓄電池を床に置くか、台車に乗せたまま診断できるように、蓄電池診断用端子を最下段に設けた。なお、図7(A)、図7(B)では説明のために、接続選択回路34アおよび蓄電池診断用端子3BTを、蓄電池22アよりも前に置いた図にしている。接続選択回路34アは蓄電池22アの背面側にあって、蓄電池診断用端子3BTだけコネクタ等で手前に出る構造もとり得る。それにより、蓄電池22アの交換の妨げにはならないですむ。
(電池設置場所の表示例)
図10に本発明の第9の実施例として、蓄電システム1の表示器5に、多数の蓄電システムがある中で、蓄電システム設置場所を知らせる表示の例を示す。ここでは、図7(A)、図7(B)で示した蓄電システムの筐体が複数ある場合を説明する。
図10に本発明の第9の実施例として、蓄電システム1の表示器5に、多数の蓄電システムがある中で、蓄電システム設置場所を知らせる表示の例を示す。ここでは、図7(A)、図7(B)で示した蓄電システムの筐体が複数ある場合を説明する。
この例では通路2に面した蓄電システムS11の表示が点滅しており、蓄電システムS11に交換すべき蓄電池が存在することがわかる。
交換作業者は通路2を通って蓄電システムS11へ交換用蓄電池を運び、蓄電システムS11を見ると各蓄電池に対応して設置されたLEDのうち交換対象の蓄電池に対応するLEDが点灯しており、蓄電システムS11にセットされているLEDの点灯している蓄電池を取り外して、持ち込んだ蓄電池をセットすることができる。
なお、ここでは、蓄電システム1の表示器5に表示する例を示したが、必ずしも図7(A)に示したような蓄電システム1の筐体に取り付けた表示器5である必要はない。蓄電システムとは別の建物全体の管理装置があれば、その表示器でもよく、その場合には蓄電システム設置場所が分散している場合には、どの場所に行けばよいかが事前に把握することができる。さらには建物の外でもよく、遠隔保守点検システムがあれば、その画面に表示してもよい。
このように通路に面して蓄電システムを配置することにより蓄電池や電力変換回路の交換等のメンテナンス作業を容易にすることが可能になるばかりではなく、蓄電システムから放出される排熱を通路を通して流す冷却風により効率的に冷却することができる。
なお、上記はすべて蓄電手段として蓄電池の場合を説明したが、一部は電気自動車を接続しても良い。その場合には、ビル内に設置するのではなく、蓄電池への配線を屋外まで敷設しておき、電気自動車に接続できる構成とすることで可能となる。この場合でも、電気自動車の電池と他の蓄電池あるいは他の電気自動車の電池とは直接的に接続されずに、個別に充放電電流を制御できる。
以上のように、本発明の構成により、様々な仕様および劣化度の蓄電池にフレキシブルに対応できる小型の蓄電システムを提供することができる。
1:蓄電システム
11、12、13、14:電力変換回路
21、22、23:蓄電池
31、32、33、34:接続選択回路
4:蓄電システム制御部
41:電池情報検出部
42:接続構成制御部
43:充放電制御部
5:表示器
6:スイッチ
70:診断時切替回路
71、72、73、74:蓄電池診断部
11、12、13、14:電力変換回路
21、22、23:蓄電池
31、32、33、34:接続選択回路
4:蓄電システム制御部
41:電池情報検出部
42:接続構成制御部
43:充放電制御部
5:表示器
6:スイッチ
70:診断時切替回路
71、72、73、74:蓄電池診断部
Claims (6)
- 母線に接続された、複数の蓄電池および
前記蓄電池の電力を変換する複数の電力変換回路と
前記蓄電池と電力変換回路を接続する接続選択回路と、
蓄電池の定格出力に基づいて必要な電力変換回路を求め、接続する蓄電池と電力変換回路を決定し、接続選択回路へ接続を指示する接続構成制御部とを備えることを特徴とする蓄電システム。 - 蓄電池の劣化度を検出する蓄電池劣化診断部を有し、
接続構成制御部は電池劣化診断の診断結果から求めた蓄電池の定格出力に基づいて接続選択回路を切り替えることを特徴とした請求項1に記載の蓄電システム。 - 前記接続選択回路は、
接続構成制御部からの指示により接続選択回路が蓄電池と電力変換回路の接続を行うとき、一つの電力変換回路が一つの蓄電池へのみ接続されることを特徴とする請求項2に記載の蓄電システム。 - 蓄電池はメモリを備え、測定された前記蓄電池の定格出力を前記メモリに格納し、
接続構成制御部は前記メモリから測定された蓄電池の定格出力を読み出し、
読み出した定格出力に基づいて接続選択回路を切り替えることを特徴とする請求項1から3に記載の蓄電システム。 - 前記蓄電池は接続選択回路に接続するためのコネクタのある蓄電池挿入口を備えた蓄電池収納筐体に格納され、
前記蓄電池収納筐体は質量の大きい蓄電池を挿入する蓄電池挿入口は下部へ質量の小さい蓄電池を挿入する蓄電池挿入口は質量の大きい蓄電池を挿入する蓄電池挿入口よりも上部へ設けられていることを特徴とする請求項2に記載の蓄電システム。 - 前記蓄電池収納筐体は筐体の蓄電池挿入口の背面に電力変換回路を備え、上部側面に新たな蓄電池を接続するコネクタの位置を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項5に記載の蓄電システム。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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