JP2020022304A - 蓄電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄電池システムの稼働時間を長くする。【解決手段】 実施形態の蓄電池システムは、直列接続された複数の組電池モジュールと、前記複数の組電池モジュールは、組電池と、前記組電池の充電量を取得する取得部と、前記組電池の組電池電圧をモジュール電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力のモジュール電圧を制御する制御部とを具備し、前記取得部からの前記組電池の充電量と、前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準とに基づいて、前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を算出し、前記算出された前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を、前記複数の組電池モジュールの制御部にそれぞれ出力する電池システム監視装置とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、蓄電池システム及びその制御方法に関する。

従来より、必要な直流電源の電力量に相当する数のセル電池あるいは組電池を直列接続し、その合計の直流電圧を一括してＤＣ／ＤＣコンバータを用いて必要な直流電圧を得る蓄電池システムがある。

図１０は、従来の蓄電池システム１０１の構成を示す図である。

図１０に示すように、従来の蓄電池システム１０１は、複数のユニットＵ−１〜ｋを有する。ユニットＵ−１〜ｋは、それぞれセル電池を直列に接続した組電池１１−１〜ｋ及びＣＭＵ（Ｃｅｌｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２−１〜ｋを有する。

各ユニットＵ−１〜ｋの組電池１１−１〜ｋは、直列に接続されており、その出力は、スイッチＳを介してＤＣ／ＤＣコンバータ２１に接続されている。スイッチＳは、蓄電池システム１０１の制御が開始される場合に、オンにされる。

スイッチＳとＤＣ／ＤＣコンバータ２１との間には、電流検出器１３が設けられる。電流検出器１３は、複数のユニットＵ−１〜ｋの組電池１１−１〜ｋを流れる組電池電流Ｉｋを検出して、図１０に示すように、ＤＣＤＣ制御部５２に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、コイル３１、トランジスタ及びダイオードからなり、放電モードの際に制御されるスイッチ３２Ｂ、トランジスタ及びダイオードからなり、充電モードの際に制御されるスイッチ３２Ａ及び出力側に接続されるコンデンサ３３を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の出力には、システム電流検出器１５とシステム電圧検出器１６が設けられ、与えられた基準値に合致するように制御される。

ＣＭＵ１２−１〜ｋは、それぞれ組電池１１−１〜ｋの電圧、温度などの組電池情報を収集し、これら収集された組電池情報を電池システム監視装置（ＢＭＵ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｒ Ｕｎｉｔ）１に送信する。ＢＭＵ１４は、ＣＭＵ１２−１〜ｋから送信された組電池情報及び電流検出器１３により検出された組電池１１−１〜ｋを流れる組電池電流Ｉｋを基に、充電量ＳＯＣの計算を行なう。

ＢＭＵ１４は、計算された充電量ＳＯＣに基づいて、組電池１１−１〜ｋが運転可能範囲に入っているかの判断を行ない、組電池１１−１〜ｋが運転可能範囲に入っていると判断された場合、充電量ＳＯＣ及び運転許可信号を上位制御装置５１に出力する。

上位制御装置５１は、システムにより要求される直流電圧基準Ｖｄ^＊及び接続先の直流電圧ＶｄをＤＣＤＣ制御部５２に出力する。ＤＣＤＣ制御部５２は、上位制御装置５１から出力された直流電圧基準Ｖｄ^＊及び接続先の直流電圧Ｖｄに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１のスイッチ３２Ａ、３２Ｂの制御を行なう。

図１１は、ＤＣＤＣ制御部５２の動作を説明するための機能ブロック図である。

ＤＣＤＣ制御部５２は、上位制御装置５１から蓄電池システム１０１に要求される直流電圧基準Ｖｄ^＊及び接続先の直流電圧Ｖｄが入力されると、これらの差（Ｖｄ^＊−Ｖｄ）を求める。

電圧制御部６１ａは、これらの差（Ｖｄ^＊−Ｖｄ）から、直流電流基準Ｉｄ^＊を求めて出力する。

なお、システムによっては、上位制御装置３０１から電力が指定される場合があるが、その場合は、指定された電力を別途指定された直流電圧で除することにより、直流電流基準Ｉｄ^＊が算出される。すなわち、ＤＣＤＣ制御部５２は、電圧又は電力のいずれかで指定される場合であっても、直流電流基準Ｉｄ^＊によって制御される。

モード判断部６１ｂは、電圧制御部６１ａから出力された直流電流基準Ｉｄ^＊の極性に基づいて力行モードか回生モードかを判断し、その判断結果を電池電流制御部６１ｄ及び昇圧比／通流率計算部６１ｅに通知する。

変換部６１ｃは、電圧制御部６１ａからの直流電流基準Ｉｄ^＊を、組電池電流基準｜Ｉｋ^＊｜に変換する。この変換は、
後述する（１）式（＝Ｖｋ×Ｉｋ ＝ Ｖｄ×Ｉｄ）の電力バランスから、ＶｄとＩｄとが決まると、組電池電流基準｜Ｉｋ^＊｜は、組電池電圧Ｖｋの値に従って、自動的に変換される。ここで、組電池電流基準｜Ｉｋ^＊｜は、組電池電流基準Ｉｋ^＊の絶対値を示す。

電池電流制御部６１ｄには、組電池電流基準｜Ｉｋ^＊｜と組電池電流｜Ｉｋ｜の差ΔＩｋが入力され、この入力されたΔＩｋがゼロになるようにゲート回路６１ｆを制御する。

すなわち、ΔＩｋ＞０の場合、実際の放電又は充電電流が少ないことになるので、直流電圧基準Ｖｄ^＊を少し増加することにより、放電又は充電電流が指令値に制御される。従来例の場合、組電池１１−１〜ｋが直列に接続されているので、組電池電流Ｉｋにより制御される。

また、電池電流制御部６１ｄは、モード判断部６１ｂにより判断されたモード（カ行モード又は回生モード）に従った制御が行なわれる。すなわち、カ行モードでは、組電池電圧Ｖｋを昇圧して直流電圧Ｖｄ側へ電力を放電する。回生モードでは、直流電圧Ｖｄから組電池電圧Ｖｋへ降圧することにより充電を行なう。カ行モード（放電モード）では昇圧チョッパ−制御、回生モード（充電モード）では降圧チョッパ制御が行なわれる。

昇圧比／通流率計算部６１ｅは、組電池電圧Ｖｋ及び直流電圧Ｖｄに基づいて、昇圧比Ｖｋ／Ｖｄ、通流率α_ｕｐ（カ行モード）、α_ｄｏｗｎ（回生モード）を計算する。

ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の損失を無視し、
Ｖｋ×Ｉｋ ＝ Ｖｄ×Ｉｄ …（１）
が成立することを前提にする。

昇圧比／通流率計算部６１ｅは、下記（２）、（３）式より、通流率α_ｕｐ、α_ｄｏｗｎを求める。

Ｖｋ ＝ （１−α_ｕｐ） × Ｖｄ …（２）
Ｖｋ ＝ α_ｄｏｗｎ × Ｖｄ …（３）
電池電流制御部６１ｄには、昇圧比／通流率計算部６１ｅにより計算された昇圧比Ｖｋ／Ｖｄ、通流率α_ｕｐ（カ行モード）、α_ｄｏｗｎ（回生モード）が入力される。カ行モード（放電モード）では（２）式の制御目標に従い、スイッチ３２Ｂの制御をゲート回路６１ｅに指示し、回生モード（充電モード）では（３）式の制御目標に従い、スイッチ３２Ａの制御をゲート回路６１ｅに指示する。

ゲート回路６１ｆは、電池電流制御部６１ｄからの指示に基づいて、モードに従って、スイッチ３２Ａ、３２Ｂのスイッチにゲート信号を出力することにより、組電池電流の制御を行なう。

なお、個々のセル電池に対して個別にＤＣ／ＤＣコンバータを設けて、その出力をさらに直列接続し、一部のセル電池の電圧が低いときに、他のセル電池の昇圧で必要な直流電圧を得る放電の制御を行なう放電制御方法が提案されている（特許文献１）。

また、個々の組電池にＨブリッジ変換器を接続してその交流出力をさらに直列接続し、組電池のＳＯＣ(Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）に合わせて放電時の出力電力を調整する放電制御方法も提案されている（特許文献２）。

特開２０１３−１９２３８８号公報 特開平１１−９８８５７号公報

図１０及び図１１に示した蓄電池システム１０１では、組電池１１−１〜ｋの充電量ＳＯＣは、ＢＭＵ１４から上位制御装置５１に出力される。

一般的な蓄電池システムにおいて、放電時には、ＳＯＣが最低ＳＯＣに達するまで放電を継続させ、充電時には最大ＳＯＣに達するまで充電を継続させる。

組電池モジュール間でＳＯＣのばらつきが発生した場合、放電時または充電時において、一番早く最低ＳＯＣまたは最大ＳＯＣに達すると、その時点で放電または充電を停止させる必要があった。

しかしながら、このような制御を行なうと蓄電池システムの稼働時間が短くなってしまうという問題があった。また、個々の組電池に、例えば、使用条件、特性が異なることによって発生する充電量ＳＯＣの違いを調整することが困難であった。

実施形態によれば、直列接続された複数の組電池モジュールと、前記複数の組電池モジュールは、それぞれ複数のセル電池を直列接続した組電池と、前記組電池の充電量を取得する取得部と、前記組電池の組電池電圧をモジュール電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力のモジュール電圧を制御する制御部とを具備し、前記取得部からの前記組電池の充電量と、前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準とに基づいて、前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を算出し、前記算出された前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を、前記複数の組電池モジュールの制御部にそれぞれ出力する電池システム監視装置とを具備する、蓄電池システム、である。

本実施形態に係る蓄電池システム２０１の構成を示す図である。 ＢＭＵ３０２及びＤＣＤＣ制御部５２の動作を説明するための機能ブロック図である。 実施形態に係る蓄電池システム２０１の動作を説明するためのフローチャートである。 実施形態に係る蓄電池システム２０１の動作を説明するためのフローチャートである。 組電池１１−１〜ｋのＳＯＣの時間的推移（放電時）を示す図である。 組電池１１−１〜ｋのＳＯＣの時間的推移（充電時）を示す図である。 他の実施形態に係るＢＭＵ３０２及びＤＣＤＣ制御部５２の動作を説明するための機能ブロック図である。 降圧チョッパ回路を示す図である。 ４象限チョッパ回路を示す図である。 従来の蓄電池システム１０１の構成を示す図である。 ＤＣＤＣ制御部５２の動作を説明するための機能ブロック図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図１０と同一部分には同一符号を付して説明する。

図１は、本実施形態に係る蓄電池システム２０１の構成を示す図である。

図１に示すように、実施形態の蓄電池システム２０１は、直列に接続された複数の組電池モジュール３０３−１〜ｋを有する。

複数の組電池モジュール３０３−１〜ｋは、それぞれセル電池を直列に接続した組電池１１−１〜ｋ、ＣＭＵ（Ｃｅｌｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３１２−１〜ｋ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−１〜ｋを有する。 ＣＭＵ３１２−１〜ｋは、ＢＭＵ３０２に接続されている。ＣＭＵ３１２−１〜ｋは、それぞれ組電池１１−１〜ｋの組電池電圧Ｖ_１〜ｋ、電流検出器３１３−１〜ｋによって検出された組電池電流Ｉ_１〜ｋ、組電池１１−１〜ｋの温度などの組電池情報を収集し、これら組電池情報に基づいて充電量ＳＯＣを計算する。そして、これら収集された組電池情報及び充電量ＳＯＣを電池システム監視装置（ＢＭＵ）３０２に送信する。

組電池モジュール３０３−１〜ｋにおいて、組電池１１−１〜ｋは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−１〜ｋにそれぞれ接続される。具体的には、組電池１１−１〜ｋのそれぞれの出力にはＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−１〜ｋのスイッチＳ−１〜ｋが接続される。組電池１１−１〜ｋのそれぞれの出力はスイッチＳ−１〜ｋを介して、コイル３３１−１〜ｋの一端に接続される。

スイッチＳ−１〜ｋとコイル３３１−１〜ｋの一端との間のそれぞれには、電流検出器３１３−１〜ｋが設けられる。コイル３３１−１〜ｋの他端には、トランジスタ及びダイオードからなり、放電モードの際に制御されるスイッチ３３２Ｂ−１〜ｋ、トランジスタ及びダイオードからなり、充電モードの際に制御されるスイッチ３３２Ａ−１〜ｋが接続される。また、スイッチ３３２Ａ−１〜ｋとスイッチ３３２Ｂ−１〜ｋとの間であって、組電池モジュール出力電圧Ｖ_Ｍ１〜ｋが出力される端子間には、コンデンサ３３３−１〜ｋがそれぞれ接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−１〜ｋは、それぞれ組電池１１−１〜ｋの組電池電圧Ｖ_１〜ｋを組電池モジュール３０３−１〜ｋの組電池モジュール出力電圧Ｖ_Ｍ１〜ｋに変換して出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−ｋの出力には、システム電流検出器１５とシステム電圧検出器１６が設けられる。システム電流検出器１５は、ＢＭＵ３０２に接続され、直列接続された各組電池モジュール３０３−１〜ｋに共通の組電池モジュール出力電流Ｉｄの値をＢＭＵ３０２に出力する。システム電圧検出器１６により検出された直流電圧Ｖｄは、上位制御装置３０１に入力される。

ＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋは、ＢＭＵ３０２に接続される。ＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋは、それぞれ対応するスイッチ３３２Ａ−１〜ｋ及びスイッチ３３２Ｂ−１〜ｋのトランジスタに接続される。ＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋは、それぞれＢＭＵ３０２から組電池電流基準Ｉ_１ ^＊〜Ｉ_ｋ ^＊を受信し、この受信した組電池電流基準Ｉ_１ ^＊〜Ｉ_ｋ ^＊を満たすように、スイッチ３３２Ａ−１〜ｋ、３３２Ｂ−１〜ｋを制御する。

すなわち、ＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋは、ＢＭＵ３０２からそれぞれ受信した組電池電流基準Ｉ_１ ^＊〜Ｉ_ｋ ^＊に基づいて、組電池モジュール出力電圧Ｖ_{Ｍ１〜Ｍｋ}が組電池出力電圧基準Ｖ_Ｍｋ ^＊になるようにスイッチ３３２Ａ−１〜ｋ、３３２Ｂ−１〜ｋを制御する。組電池出力電圧基準Ｖ_Ｍｋ ^＊については後述する。
上位制御装置３０１は、システムにより要求される直流電圧基準Ｖｄ^＊及び接続先の直流電圧ＶｄをＢＭＵ３０２に出力する。

ＢＭＵ３０２は、上位制御装置３０１から出力された直流電圧基準Ｖｄ^＊及び接続先の直流電圧Ｖｄ、ＣＭＵ３１２−１〜ｋからの組電池情報及び充電量ＳＯＣなどに基づいて、組電池モジュール３０３−１〜ｋの組電池電流基準Ｉ_１ ^＊〜Ｉ_ｋ ^＊をＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋにそれぞれ出力する。

図２は、ＢＭＵ３０２及びＤＣＤＣ制御部５２の動作を説明するための機能ブロック図である。実施形態では、図２において、演算器ｃ１、電圧制御部１０１ａ〜電流基準補正部１０１ｅ−１〜ｋの動作はＢＭＵ３０２によって行なわれ、演算器ｃ２、組電池電流制御部１０１ｆ及び昇圧比／通流率計算部１０１ｇの動作はＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋによって行なわれる。

ＢＭＵ３０２は、上位制御装置３０１から蓄電池システム２０１に要求される直流電圧基準Ｖｄ^＊及び接続先の直流電圧Ｖｄが入力されると、演算器ｃ１により、これらの差（Ｖｄ^＊−Ｖｄ）を求める。

電圧制御部１０１ａは、直流電圧基準Ｖｄ^＊と直流電圧Ｖｄの差（Ｖｄ^＊−Ｖｄ）を増幅し、システム全体に要求される電流（システム出力側に要求される電流）から、直流電流基準Ｉｄ^＊を求めて出力する。

なお、システムによっては、蓄電池システム２０１からの電力が指定される場合があるが、その場合は、指定された電力を別途指定された直流電圧で除することにより、直流電流基準Ｉｄ^＊が算出される。すなわち、ＢＭＵ３０２は、電圧又は電力のいずれかで指定される場合であっても、直流電流基準Ｉｄ^＊によって制御される。

モード判断部１０１ｂは、電圧制御部１０１ａから出力された直流電流基準Ｉｄ^＊の極性に基づいて力行モードか回生モードかを判断し、その判断結果を組電池電流制御部１０１ｆ及び昇圧比／通流率計算部１０１ｇに通知する。

このモード判断部１０１ｂによるモードの判断結果に基づいて、ＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋによる降圧動作又は昇圧動作という制御内容の相違が発生する。

すなわち、カ行モードでは、組電池電圧Ｖ_ｋを昇圧して直流電圧Ｖｄ側へ電力を放電する。回生モードでは、直流電圧Ｖｄから組電池電圧Ｖ_ｋへ降圧することにより充電を行なう。カ行モード（放電モード）では昇圧チョッパ−制御、回生モード（充電モード）では降圧チョッパ制御が行なわれる。この場合、昇圧／降圧動作に伴なう昇圧比、通流率の計算は後述するように異なるが、それ以外は、両モードとも同じ制御フローとなる。

平均組電池電流基準算出部１０１ｃは、放電時には、システム電圧検出器１６により検出された直流電圧Ｖｄを、組電池電圧Ｖ_１〜ｋの合計電圧Ｖｔｏｔａｌ（＝Ｖ_１＋Ｖ_２＋・・・＋Ｖ_ｋ）で除算して平均昇圧比を算出する。次に、この算出された平均昇圧比Ｖｄ／（Ｖ_１＋Ｖ_２＋・・・＋Ｖ_ｋ）に電圧制御部１０１ａからの直流電流基準Ｉｄ^＊を乗算して平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜を算出する。ここで、平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜は、平均組電池電流基準Ｉ＾_ｋ ^＊の絶対値を示す。これにより、各組電池１１−１〜ｋの組電池電圧Ｖ_１〜ｋがばらつきが発生している場合にも平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜を設定することができる。

なお、充電時には、平均降圧比を計算する。平均降圧比は、平均昇圧比の逆数であり、平均降圧比＝（Ｖ_１＋Ｖ_２＋・・・＋Ｖ_ｋ）／Ｖｄである。

また、
Ｉ＾ｋ^＊×（Ｖ_１＋Ｖ_２＋・・・＋Ｖｋ） ＝ Ｖｄ×Ｉｄ^＊ …（４）
が成立することを前提とする。

個別組電池モジュール電流基準計算部１５０は、電流基準補正量計算部１０１ｄ−１〜ｋ及び電流基準補正部１０１ｅ−１〜ｋを具備する。

電流基準補正量計算部１０１ｄ−１〜ｋは、各組電池１１−１〜ｋのＳＯＣアンバランスを解消するために、平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜の電流補正量ΔＩ_ｋを計算する。

まず、組電池１１−１〜ｋのＳＯＣについては、ｋ番目の組電池１１−ｋが放電して変化するＳＯＣ変化量ΔＳＯＣ_ｋは、現在の時刻ｔ０のＳＯＣをＳＯＣ_ｋ（ｔ０）、将来の時刻ｔ１＝ｔ０＋ΔｔのＳＯＣをＳＯＣ_ｋ（ｔ１）とすると、
ΔＳＯＣ_ｋ ＝ ＳＯＣ_ｋ（ｔ０）−ＳＯＣ_ｋ（ｔ１）
＝ ＳＯＣ_ｋ（ｔ０）−ＳＯＣ_ｋ（ｔ０＋Δｔ） …（５）
の関係が成立する。

まず、単純化を考えて、組電池１１−１〜ｋ及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−１〜ｋに損失がないものとする。ｋ番目の組電池電流をＩ_ｋ（ｔ）、組電池電圧をＶｋ（ＳＯＣ_ｋ（ｔ））、組電池モジュール出力電圧をＶ_Ｍｋ（ｔ）、直列接続された各組電池モジュール３０３−１〜ｋに共通の組電池モジュール出力電流を出力電流Ｉｄとすれば、（６）式が成り立つ。

Ｖ_ｋ×Ｉ_ｋ ＝Ｖ_Ｍｋ×Ｉｄ …（６）
ＳＯＣの変化ΔＳＯＣ_ｋは、組電池１１−ｋに流れる電流の積分で与えられるので、（７）式となる。

ここで、ＱＦＣは、組電池１１−ｋの満充電時の総電荷量である。

（６）式から、組電池電流をＩ_ｋ（ｔ）は、（８）式となる。

Ｉ_ｋ＝（Ｖ_Ｍｋ／Ｖ_ｋ）×Ｉｄ …（８）
出力電流Ｉｄ（ｔ）は、負荷によって変化するが、制御を考える場合には、負荷電流を想定しないとＳＯＣのアンバランスを解消する目標を設定できないので、電流基準補正量計算部１０１ｄは、先ず短期間の目標値を計算するために一定電流Ｉｄ０を仮定する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０１−ｋの電圧変換率はＶ_Ｍｋ／Ｖ_ｋであり、たとえＳＯＣの値により組電池電圧Ｖ_ｋ（ＳＯＣ_ｋ（ｔ））が変化しても、一定電流Ｉｄ０に対して組電池電流Ｉ_ｋ（ｔ）が一定に制御されれば、（８）式から、Ｖ_Ｍｋ／Ｖ_ｋが一定に制御される。

従って、（６）式で組電池電流Ｉ_ｋ（ｔ）が一定であれば、

となり、
Ｉ_ｋ＝−ΔＳＯＣ_ｋ×ＱＦＣ／Δｔ …（９）
となる。

また、（９）式よりΔＳＯＣ_ｋの平均値をΔＳＯＣ_ｋ ^＊、Ｉ_ｋの平均値をＩ＾_ｋ ^＊とすると、
Ｉ＾_ｋ ^＊＝−ΔＳＯＣ_ｋ ^*×ＱＦＣ／Δｔ …（１０）
となる。
ただし、ΔＳＯＣ_ｋ＜０は放電動作である。

すなわち、ＳＯＣの変化分ΔＳＯＣ_ｋとそれにかける時間Δｔを決めて、組電池電流Ｉ_ｋを流せば、その電流が（９）式を満たす電流となる。同じＳＯＣの変化分ΔＳＯＣ_ｋ ^＊でも、かける時間Δｔを短くすれば、（９）式から組電池電流Ｉ_ｋは大きくなる。すなわち、組電池モジュール出力電圧Ｖ_Ｍｋ（ｔ）を大きくする制御になるということである。

式（１０）を使用して、
電流補正量 ΔI_k＝（ΔSOC_ｋ−ΔSOC^＊ _ｋ）X（ＱＦＣ／Δｔ）
が得られる。

電流基準補正量計算部１０１ｄ−１〜ｋは、電圧制御部１０１ａから出力された直流電流基準Ｉｄ^＊、ＢＭＵ３０２に格納された制御目標Δｔ、ＳＯＣ_ｋ（ｔ０＋Δｔ）、ＣＭＵ３１２−１〜ｋからの組電池１１−１〜ｋそれぞれのＳＯＣ_ｋ（ｔ０）、モード判断部１０１ｂからのモード判断（カ行モード／回生モード）に基づいて、組電池１１−１〜ｋそれぞれの設定された組電池電流｜Ｉ_ｋ｜を出力する。具体的には、組電池電流Ｉ_ｋは、（５）、（９）式に基づいて設定される。

電流基準補正部１０１ｅ−１〜ｋは、電流基準補正量計算部１０１ｄ−１〜ｋからの組電池電流｜Ｉ_ｋ｜に基づいて、平均組電池電流基準算出部１０１ｃからの平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜を補正し、この補正された各組電池１１−１〜ｋの平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜を組電池電流基準｜Ｉ_ｋ ^＊｜として出力する。

各組電池出力電圧基準部１５１は、演算器ｃ２、組電池電流制御部１０１ｆ、昇圧比／通流率計算部１０１ｇ及びゲート回路１０１ｈを具備する。

昇圧比／通流率計算部１０１ｇは、下記（１１）、（１２）式より、通流率α_ｕｐ、α_ｄｏｗｎを求める。

Ｖ_ｋ ＝ （１−α_ｕｐ） × Ｖ_Ｍｋ …（１１）
Ｖ_ｋ ＝ α_ｄｏｗｎ × Ｖ_Ｍｋ …（１２）
組電池電流制御部１０１ｆには、昇圧比／通流率計算部１０１ｇにより計算された個別組電池別昇圧比Ｖ_ｋ／Ｖ_Ｍｋ、通流率α_ｕｐ（カ行モード）、α_ｄｏｗｎ（回生モード）が入力される。カ行モード（放電モード）では（１１）式の制御目標に従い、スイッチ３２２Ｂの制御をゲート回路１０１ｈに指示し、回生モード（充電モード）では（１２）式の制御目標に従い、スイッチ３２２Ａの制御をゲート回路１０１ｈに指示する。

また、組電池電流基準｜Ｉ_ｋ ^＊｜−組電池電流｜Ｉ_ｋ｜の差ΔＩ_ｋ＝｜Ｉ_ｋ ^＊｜−｜Ｉ_ｋ｜が演算器ｃ２により演算され、組電池電流制御部１０１ｆに入力される。組電池電流制御部１０１ｆは、この入力された差ΔＩ_ｋがゼロになるようにゲート回路１０１ｈを制御する。

具体的には、組電池電流制御部１０１ｆは、図３及び図４のフローチャートにより決定される各組電池出力電圧基準Ｖ_Ｍｋ ^＊に基づいて、組電池モジュール出力電圧Ｖ_{Ｍ１〜ＭＫ}が組電池出力電圧基準Ｖ_Ｍｋ ^＊になるようにゲート回路１０１ｈを制御する。

ゲート回路１０１ｈは、組電池電流制御部１０１ｆからの指示に基づいて、モードに従って、スイッチ３３２Ａ−ｋ、３３２Ｂ−ｋのスイッチにゲート信号を出力することにより、組電池電流の制御を行なう。

次に、実施形態に係る蓄電池システム２０１の動作について、図３及び図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、ＢＭＵ３０２の電圧制御部１０１ａにより、直流電流基準Ｉｄ^＊が求められると、平均組電池電流基準算出部１０１ｃにより、平均昇圧比（＝Ｖｄ／（Ｖ_１＋Ｖ_２＋・・・＋Ｖ_ｋ）が算出される（Ｓ１）。

その後、（４）式の関係から、平均組電池電流基準算出部１０１ｃは、平均昇圧比（＝Ｖｄ／（Ｖ_１＋Ｖ_２＋・・・＋Ｖ_ｋ）に電圧制御部１０１ａにより求められた直流電流基準Ｉｄ^＊を乗算して平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜を設定する（Ｓ２）。

一方、電流基準補正量計算部１０１ｄ−１は、各組電池１１−１〜ｋのＳＯＣアンバランスをΔｔ後に吸収するために、（５）、（９）式に従って、組電池電流Ｉ_ｋを設定し（Ｓ３）、電流基準補正部１０１ｅ−１〜ｋに出力する。

次に、電流基準補正部１０１ｅ−１〜ｋは、電流基準補正量計算部１０１ｄ−１〜ｋからの組電池電流｜Ｉ_ｋ｜と平均組電池電流基準算出部１０１ｃからの平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜との差をとり（Ｓ４）、この差に基づいて、平均組電池電流基準｜Ｉ＾_ｋ ^＊｜を補正し、各組電池１１−１〜ｋの組電池電流基準｜Ｉ_ｋ ^＊｜を出力する（Ｓ５）。

組電池電流基準｜Ｉ_ｋ ^＊｜−組電池電流｜Ｉ_ｋ｜の差ΔＩ_ｋ＝｜Ｉ_ｋ ^＊｜−｜Ｉ_ｋ｜が演算器ｃにより演算され（Ｓ６）、組電池電流制御部１０１ｆに入力される。

次に、、組電池電流制御部１０１ｆは、自己の組電池１１−１〜ｋのＳＯＣ_ｋ（ｔ０）、時間Δｔ、その時の目標ＳＯＣ_ｋ（ｔ１）に基づいて、（５）、（９）式から導かれる（１３）式に基づいて、Ｖ_Ｍｋを計算する（Ｓ７）。

Ｖ_Ｍｋ ＝ （−ＱＦＣ×Ｖ_ｋ／Ｉｄ×Δｔ）×ΔＳＯＣ_ｋ…（１３）
次に、組電池電流制御部１０１ｆは、ΔＳＯＣ_ｋ／ΔＳＯＣ（ａｖ）＞１．１であるかを判断する（Ｓ８）。ここで、ΔＳＯＣ（ａｖ）は、各組電池１１−１〜ｋのＳＯＣ差の平均値である。

Ｓ８において、ΔＳＯＣ_ｋ／ΔＳＯＣ（ａｖ）＞１．１でないと判断された場合、Ｖ_Ｍｋ ^＊＝Ｖ_Ｍｋとして設定する。

Ｓ８において、ΔＳＯＣ_ｋ／ΔＳＯＣ（ａｖ）＞１．１であると判断された場合、
Ｖ_Ｍｋ ^＊＝Ｖ_Ｍｋ＋Ｋ’×ΔＳＯＣ_ｋ／ＳＯＣ（ａｖ）＝Ｖ_Ｍｋ＋ΔＶ …（１４）
として設定する。

すなわち、ＳＯＣ_ｋ（ｔ０）とＳＯＣ_ｋ（ｔ０）とからΔＳＯＣ_ｋを求め、放電時にΔＳＯＣ_ｋ／ＳＯＣ（ａｖ）が例えば、１．１倍以上（１０％以上ＳＯＣが高い）のｋ番目の組電池モジュール３０３−ｋに対して、（９）式より目標の時間Δｔを考慮して係数Ｋ’（たとえば１．１５倍とか、１．２倍とか、大きな放電電流とする）を決めて、補正量とする。

放電動作の場合、（１４）式におけるＫ’×ΔＳＯＣ_ｋ／ＳＯＣ（ａｖ）＝ΔＶで表現すると、
ΔＩ_ｋ＞０（実際の放電電力が少ない）の場合、Ｖ_Ｍｋ ^＊´＝Ｖ_Ｍｋ ^＊＋ΔＶ（つまり、ΔＩ_ｋを少なくする制御）。なお、Ｖ_Ｍｋ ^＊´は次の制御ルーチンでの補正後の電圧基準とする。

ΔＩ_ｋ＜０（実際の放電電力が多い）の場合、Ｖ_Ｍｋ ^＊´＝Ｖ_Ｍｋ ^＊−ΔＶ（つまりΔＩ_ｋを大きくする制御）。

Ｖ_Ｍｋ ^＊´＝Ｖ_Ｍｋ ^＊＋ Ｋ’×ΔＳＯＣ_ｋ／ＳＯＣ（ａｖ）＝Ｖ_Ｍｋ＋ΔＶ …（１４）
つまり（１４）式での補正を行うことで、目標値に収束させることが可能になる。

また、充電動作の場合、前述の昇圧比・通電率の計算以外は同様の制御を行い、
ΔＩ_ｋ＞０（実際の充電電力が少ない）の場合Ｖ_Ｍｋ ^＊´＝Ｖ_Ｍｋ ^＊＋ΔＶ（つまり、ΔＩ_ｋを少なくする制御）。なお、ここでＶ_Ｍｋ ^＊´は補正後の電圧基準とする。

ΔＩ_ｋ＜０（実際の充電電力が多い）の場合、Ｖ_Ｍｋ ^＊´＝Ｖ_Ｍｋ ^＊−ΔＶ（つまりΔＩ_ｋを大きくする制御）。

Ｖ_Ｍｋ ^＊´を補正後の電圧基準とすると、同様に
Ｖ_Ｍｋ ^＊´＝Ｖ_Ｍｋ ^＊＋ Ｋ’ ×ΔＳＯＣ_ｋ／ＳＯＣ（ａｖ）＝Ｖ_Ｍｋ ^＊＋ΔＶ …（１４）
つまり（１４）式での補正を行うことで、目標値に収束させることが可能になる。

図５は、組電池１１−１〜ｋのＳＯＣの時間的推移（放電時）を示す図である。図６は、組電池１１−１〜ｋのＳＯＣの時間的推移（充電時）を示す図である。

図５及び図６に示すように、放電時及び充電時ともに、現在の時刻（ｔｏ）から目標とする時刻（ｔ１）まで、ＳＯＣバランス解消用の制御を実施することにより、時刻ｔ１に、組電池１１−１〜ｋのＳＯＣがＳＯＣ目標とするＳＯＣ_ｋ（ｔ１）に制御される。この場合、目標とする時刻（ｔ１）までの間、放電制御又は充電制御のモードは継続しているものとする。

つまり、組電池電流制御の結果、１番目の組電池モジュール出力電圧Ｖ_Ｍ１、ｋ番目の組電池モジュール出力電圧Ｖ_Ｍｋを時間Δｔの間、一定電流Ｉｄ０で運転を続けると、両方の組電池のＳＯＣが同じ値となることを示している。

しかし、合計の直流電圧が主回路の構成からある範囲と決まっていて、計算結果Ｖ_Ｍ１、…、Ｖ_Ｍｋの合計電圧がこの範囲から逸脱する場合などには、制御の目標値が不適切（電池セルに過度の負担をかける運転を強いる）であるので、変数Δｔ、ＳＯＣｋ（ｔ１）
あるいはＩｄ０を設定し直して、合計の直流電圧がある範囲内に収まるようにＶ’_Ｍ１
Ｖ’_Ｍｋの分担電圧を決めればよく、その電圧で一定電流Ｉ’ｄ０で運転を続けると、新たな制御目標の時間Δｔ’後にＳＯＣが同じ値となる。
＜他の実施形態＞
図７は、他の実施形態に係るＢＭＵ３０２及びＤＣＤＣ制御部５２の動作を説明するための機能ブロック図である。なお、図２と異なる部分は、上位制御装置３０１から組電池１１−１〜ｋ全体の直流電力Ｐ^＊が指令値、及び組電池１１−１〜ｋ全体の電力ＰがＢＭＵ３０２に与えられる。

組電池１１−１〜ｋ全体の電力Ｐは、組電池１１−１〜ｋから組電池電圧Ｖ_１〜ｋ及び組電池電流Ｉ_１〜ｋを収集し、組電池１１−１〜ｋそれぞれの電力を合計することにより得られる。

その後、組電池１１−１〜ｋ全体の電力Ｐ^＊と組電池１１−１〜ｋ全体の電力Ｐとの差（Ｐ^＊−Ｐ）がとられ、電力制御部５０１ａにおいて、差（Ｐ^＊−Ｐ）を直流電圧Ｖｄで除することにより、制御対象を直流電流基準Ｉｄ^＊に変換する。以降の処理については、図２示した実施形態の処理と同様である。

他の実施形態の蓄電池システム５０１は、組電池１１−１〜ｋ全体の電力量を制御量として電力制御を行ないシステムにおいて有効である。
＜変形例＞
上述の実施形態においては、一般的な蓄電池システムの例に合わせて、組電池の電圧＜出力側直流電圧である昇圧チョッパ回路を例に説明を行ってきたが、適用システムよっては、図８に示す降圧チョッパ回路、図９に示す４象限チョッパ回路を使用しても良い。

従来のＳＯＣの異なる組電池を直列に接続したシステムでは、組電池からの出力電流は同一となるため、ＳＯＣのアンバランスで最低ＳＯＣに達する前に他の組電池が最低ＳＯＣに到達する。そのため、まだ放電できる充電量があるにも関わらず、システム全体としては放電を停止せざるを得ない。実施形態の蓄電池システムによれば、このような問題を解決することが可能となる。

つまり、ＳＯＣアンバランスを解消するように、放電時または充電時に電流制御を最適に行う（例えば、放電動作時において、時刻ｔ１での目標ＳＯＣを最低ＳＯＣ（充電時の場合は最大ＳＯＣ）に調整する）ことで、各組電池を最低ＳＯＣまで使い切ることが可能となった。勿論、この時刻ｔ１は、組電池の電流制御のできる範囲で、任意に設定することが可能で、例えば、ｔ１が一回の放電動作時間より短い時間の場合、一回の放電動作内の時刻ｔ１ですべてのＳＯＣのアンバランスを解消することも可能になる。

また、従来例との比較を行うと、特許文献１では、個別のセルに昇圧回路を接続し、その昇圧を合計して制御することが提案されている。ただし、組電池全体での電圧を制御することに関しては述べられていない。

さらに、特許文献２にあるように、バッテリーが接続されるパワーセルの出力電力を、バッテリーの残存電力量に合わせて制御できる手段を各パワーセル毎に設置することで、バッテリーの残存電力量を平均化することも試みられている。但し、この場合においても、組電池の組電池電圧を昇圧することについては言及されていない。

実施形態は、組電池毎にＤＣ／ＤＣコンバータを設置することで、システム全体に要求される直流電圧から、組電池の個別の電圧基準を与えることが可能になったことで、蓄電池システム全体の設計に際し、従来のようにその都度ＤＣ／ＤＣコンバータを設計する必要がなくなる。

また、実施形態によれば、組電池の直列数の変更だけで対応できる蓄電池システムの構築も可能となり、システム対応力の強化（都度設計しなくてもよい）にも貢献するシステムへの対応も可能となった。

なお、上述の説明では、電圧制御部１０１ａ〜電流基準補正部１０１ｅ１〜ｋの動作はＢＭＵ３０２によって行なわれ、組電池電流制御部１０１ｆ及び昇圧比／通流率計算部１０１ｇの動作はＤＣＤＣ制御部４１１−１〜ｋによって行なわれるものとして説明したが、これら機能ブロックの配置は柔軟に行なうことが可能である。

実施形態の蓄電池システムによれば、直列に接続された組電池モジュール毎に、ＳＯＣのばらつきを解消するように、個別の組電池の出力電圧を最適に設定させることを可能にすることで、システム全体としての稼働時間を広げるようなシステムを提供することができる。

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。

１５…システム電流検出器、１６…システム電圧検出器、１５０…個別組電池モジュール電流基準計算部、１５１…各組電池出力電圧基準部、２０１、５０１…蓄電池システム、３０１…上位制御装置、３０２…ＢＭＵ、３０３−１〜ｋ…組電池モジュール、３１２−１〜ｋ…ＣＭＵ、３１３−１〜ｋ…電流検出器、４０１−１〜ｋ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、４１１−１〜ｋ…ＤＣＤＣ制御部。

Claims (7)

1. 直列接続された複数の組電池モジュールと、
   前記複数の組電池モジュールは、それぞれ
   複数のセル電池を直列接続した組電池と、
   前記組電池の充電量を取得する取得部と、
   前記組電池の組電池電圧をモジュール電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力のモジュール電圧を制御する制御部とを具備し、
   前記取得部からの前記組電池の充電量と、前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準に基づいて、前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を算出し、前記算出された前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を、前記複数の組電池モジュールの制御部にそれぞれ出力する電池システム監視装置と
   を具備する、蓄電池システム。
2. 前記複数の組電池モジュールの制御部は、前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準に基づいて、前記複数の組電池モジュールのモジュール電圧を制御する、請求項１記載の蓄電池システム。
3. 前記平均組電池電流基準は、前記蓄電池システムに要求される直流電圧基準に基づいて生成される、請求項１記載の蓄電池システム。
4. 前記平均組電池電流基準は、前記蓄電池システムに要求される電力基準に基づいて生成される、請求項１記載の蓄電池システム。
5. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路、４象限チョッパ回路のいずれかである、請求項１記載の蓄電池システム。
6. 直列接続された複数の組電池モジュールと、
   前記複数の組電池モジュールは、それぞれ
   複数のセル電池を直列接続した組電池と、
   前記組電池の充電量を取得する取得部と、
   前記組電池の組電池電圧をモジュール電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力のモジュール電圧を制御する制御部とを具備する蓄電池システムの制御方法において、
   前記取得部からの前記組電池の充電量と、前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準とに基づいて、前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準を算出し、
   前記算出された前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準を前記複数の組電池モジュールの制御部にそれぞれ出力する、
   蓄電池システムの制御方法。
7. 前記複数の組電池モジュールの制御部が、前記複数の組電池モジュールの組電池電流基準に基づいて、前記複数の組電池モジュールのモジュール電圧を制御する、請求項６記載の蓄電池システムの制御方法。