JP2022120406A - Power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電源システムに関する。 The present disclosure relates to power systems.
特開2018-074709号公報(特許文献1)には、電池ストリングを制御する制御回路が開示されている。電池ストリングは、互いに接続された複数の電池回路モジュールを含む。電池ストリングに含まれる各電池回路モジュールは、電池と、電池に並列に接続された第1スイッチと、電池に直列に接続された第2スイッチと、第1スイッチがOFF状態かつ第2スイッチがON状態であるときに電池の電圧が印加される第1出力端子及び第2出力端子とを備える。制御回路は、電池ストリングに含まれる各電池回路モジュールの第1スイッチ及び第2スイッチを制御することで、電池ストリングの出力電圧を所望の大きさに調整することができる。 Japanese Patent Laying-Open No. 2018-074709 (Patent Document 1) discloses a control circuit that controls a battery string. A battery string includes a plurality of battery circuit modules connected together. Each battery circuit module included in the battery string includes a battery, a first switch connected in parallel with the battery, a second switch connected in series with the battery, and a first switch in an OFF state and a second switch in an ON state. It has a first output terminal and a second output terminal to which the voltage of the battery is applied when in the state. The control circuit can adjust the output voltage of the battery string to a desired level by controlling the first switch and the second switch of each battery circuit module included in the battery string.
特許文献1は、上記のような電池ストリングを用いて直流電力を出力する電源システムを開示している。しかしながら、特許文献1では、電池ストリングを用いて交流電力を出力する電源システムについては何ら検討されていない。電池ストリングを用いて交流電力を出力する電源システムを実現することができれば、電池ストリングの用途の幅が広がり、電池ストリングの低コスト化が期待できる。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の電池ストリングを用いて、直流電力と交流電力とを切り替えて供給することが可能な電源システムを提供することである。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a power supply system that can switch between DC power and AC power using a plurality of battery strings. is.
本開示に係る電源システムは、Y結線された第1電池ストリング、第2電池ストリング、及び第3電池ストリングと、直流電源と第1~第3電池ストリングとをそれぞれ接続する第1~第3DCラインと、第1~第3DCラインにそれぞれ設けられた第1~第3DCリレーと、第1~第3交流出力端子と第1~第3電池ストリングとをそれぞれ接続する第1~第3ACラインと、第1~第3ACラインにそれぞれ設けられた第1~第3ACリレーと、第1~第3DCリレー及び第1~第3ACリレーの各々を制御する制御装置とを備える。第1~第3電池ストリングの各々は、互いに接続された複数の電池回路モジュールを含む。複数の電池回路モジュールの各々は、電池と、電池に並列に接続された第1スイッチと、電池に直列に接続された第2スイッチと、第1スイッチがOFF状態かつ第2スイッチがON状態であるときに電池の電圧が印加される第1出力端子及び第2出力端子とを備える。制御装置は、直流電源から第1~第3電池ストリングの少なくとも1つに直流電力を供給する場合には、第1~第3ACリレーの各々をOFF状態にして第1~第3DCリレーの少なくとも1つをON状態にするように構成される。また、制御装置は、第1~第3電池ストリングから第1~第3交流出力端子へそれぞれ交流電力を出力する場合には、第1~第3DCリレーの各々をOFF状態にして第1~第3ACリレーの各々をON状態にするように構成される。 A power supply system according to the present disclosure includes a Y-connected first battery string, a second battery string, and a third battery string, and first to third DC lines that connect the DC power supply and the first to third battery strings, respectively. and first to third DC relays respectively provided on the first to third DC lines, first to third AC lines for connecting the first to third AC output terminals and the first to third battery strings, respectively; First to third AC relays provided on the first to third AC lines, respectively; and a control device for controlling each of the first to third DC relays and the first to third AC relays. Each of the first to third battery strings includes a plurality of mutually connected battery circuit modules. Each of the plurality of battery circuit modules includes a battery, a first switch connected in parallel to the battery, a second switch connected in series to the battery, and when the first switch is in an OFF state and the second switch is in an ON state. It has a first output terminal and a second output terminal to which the voltage of the battery is applied at one time. When DC power is supplied from the DC power supply to at least one of the first to third battery strings, the control device turns off each of the first to third AC relays and turns off at least one of the first to third DC relays. It is configured to turn one on. Further, when the AC power is output from the first to third battery strings to the first to third AC output terminals, respectively, the control device turns off each of the first to third DC relays to turn off the first to third DC relays. It is configured to turn on each of the 3 AC relays.
上記電源システムでは、直流電源から供給される直流電力によって第1~第3電池ストリングに含まれる電池を充電できる。また、上記電源システムでは、第1~第3電池ストリングから出力される交流電力(たとえば、三相交流電力)を第1~第3交流出力端子に出力することができる。そして、上記電源システムは、複数の電池ストリングを用いて、直流電力と交流電力とを切り替えて供給することができる。以下、区別して説明する場合を除いて、第1~第3電池ストリングの各々を「電池ストリング」と記載する。 In the above power supply system, the batteries included in the first to third battery strings can be charged with DC power supplied from the DC power supply. Further, in the above power supply system, the AC power (for example, three-phase AC power) output from the first to third battery strings can be output to the first to third AC output terminals. The power supply system can switch between DC power and AC power by using a plurality of battery strings. Hereinafter, each of the first to third battery strings will be referred to as a "battery string" unless otherwise specified.
上記制御装置は、電池ストリングの電圧が目標値になるように、電池ストリングに含まれる各電池回路モジュールの第1スイッチ及び第2スイッチを制御するように構成されてもよい。上記制御装置は、電池ストリングから交流電力が出力されるように、電池ストリングに含まれる各電池回路モジュールの第1スイッチ及び第2スイッチを制御してもよい。こうした構成によれば、電池の直流電力を交流電力に変換するためのインバータを別途設けなくてもよくなる。 The control device may be configured to control the first switch and the second switch of each battery circuit module included in the battery string so that the voltage of the battery string reaches the target value. The control device may control the first switch and the second switch of each battery circuit module included in the battery string so that AC power is output from the battery string. According to such a configuration, there is no need to separately provide an inverter for converting DC power of the battery into AC power.
第1スイッチ及び第2スイッチの各々は、SSR(Solid State Relay)のような半導体リレーであってもよい。半導体リレーの例としては、電界効果トランジスタが挙げられる。応答速度の速い半導体リレーを第1スイッチ及び第2スイッチの各々として採用することで、上記制御装置が、対象ストリングから出力される交流電力を所望の波形(周波数及び振幅を含む)に制御しやすくなる。 Each of the first switch and the second switch may be a semiconductor relay such as an SSR (Solid State Relay). Examples of semiconductor relays include field effect transistors. By adopting a semiconductor relay with a fast response speed as each of the first switch and the second switch, the control device can easily control the AC power output from the target string to a desired waveform (including frequency and amplitude). Become.
第1~第3DCリレー及び第1~第3ACリレーの各々は、電磁式のメカニカルリレーであってもよい。第1~第3DCラインは共通部分を有してもよい。第1~第3DCリレーは、共通部分以外に配置されてもよい。 Each of the first to third DC relays and the first to third AC relays may be an electromagnetic mechanical relay. The first through third DC lines may have a common portion. The first to third DC relays may be arranged outside the common portion.
電池回路モジュールの第2出力端子が、当該電池回路モジュールに隣接する電池回路モジュールの第1出力端子と接続されることによって、電池ストリングに含まれる電池回路モジュール同士が接続されていてもよい。 The battery circuit modules included in the battery string may be connected by connecting the second output terminal of the battery circuit module to the first output terminal of the adjacent battery circuit module.
本開示によれば、複数の電池ストリングを用いて、直流電力と交流電力とを切り替えて供給することが可能な電源システムを提供することが可能になる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a power supply system capable of switching and supplying DC power and AC power using a plurality of battery strings.
本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同一又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。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図1は、この実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。図1を参照して、電源システム1は、スイープレギュレータ100と、LCLフィルタ110と、トランス120と、直流電源200と、スイープコントローラ500と、エネルギーコントローラ600とを含む。スイープコントローラ500及びエネルギーコントローラ600の各々はコンピュータであってもよい。スイープコントローラ500及びエネルギーコントローラ600の各々は、たとえばプロセッサと記憶装置と通信I/F(インターフェース)とを備える。記憶装置には、たとえば、プロセッサによって実行されるプログラム、及びプログラムで使用される情報(たとえば、マップ、数式、及び各種パラメータ)が記憶されている。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a power supply system according to this embodiment. Referring to FIG. 1 ,
トランス120は、Y-Y結線の三相変圧器であり、Y結線された電池側の三相コイルY1と、Y結線された系統側の三相コイルY2とを含む。三相コイルY1は、U相コイル、V相コイル、及びW相コイルを含む。U相コイル、V相コイル、W相コイルの一端は、それぞれ交流出力端子Tu、Tv、Twに接続され、各コイルの他端は中性点に共通接続されている。交流出力端子Tu、Tv、Twは、それぞれU相の電線UL、V相の電線VL、W相の電線WLと接続されている。三相コイルY2は、電気事業者(たとえば、電力会社)によって提供される電力系統に接続されている。電力系統は、たとえば電気事業者と契約した各需要家に電力を供給する電力網である。この実施の形態に係る電源システム1は、上記電力系統から電力の供給を受ける住宅で使用される。
The
電源システム1は、系統連系制御を行なうことができる。すなわち、電源システム1は、上記電力系統と接続した状態で、三相コイルY1から三相コイルY2に出力される三相交流電力を制御することにより、電力系統の電力調整を行なうことができる。この実施の形態に係る電源システム1では、位相が120°ずつずれた三相交流電力を3本の電線(電線UL、VL、及びWL)で三相コイルY1に送ると、トランス120によって三相交流電力が三相のまま変圧される。そして、変圧された三相交流電力が三相コイルY2へ出力される。詳細は後述するが、この実施の形態に係る電源システム1は、スイープレギュレータ100によって生成される三相交流電力を、LCLフィルタ110及びトランス120を経て、住宅に供給するように構成される(図8参照)。LCLフィルタ110によって三相交流電力のノイズ成分が低減され、トランス120によって三相交流電力が所定の電圧(たとえば、200V)に変換される。
The
なお、電源システム1が電力を供給する対象(以下、単に「供給対象」とも称する)は、住宅に限られず、任意である。たとえば、供給対象は商業用施設であってもよい。また、電源システム1は、たとえば自動車、船、ドローン、又は宇宙探査機のような移動体に搭載され、移動のための動力源として用いられてもよい。
The object to which the
スイープレギュレータ100は、充放電可能な電源装置である。スイープレギュレータ100は、3つの電池ストリングSt1~St3を備える。電池ストリングSt1~St3の各々の負極端子は中性点N1に接続されている。この実施の形態に係る電池ストリングSt1、St2、St3は、それぞれ本開示に係る「第1電池ストリング」、「第2電池ストリング」、「第3電池ストリング」の一例に相当する。
Sweep
直流電源200は、直流電力を出力する定置式の電源である。この実施の形態では、PV発電設備(たとえば、屋根に設置される太陽光パネル)を、直流電源200として採用する。PV発電は、太陽光発電(Photovoltaic power generation)を意味する。PV発電設備は、自然変動電源に相当する。自然変動電源の発電出力は、気象条件によって変動する。直流電源200の正極端子、負極端子は、それぞれ電線DL1、DL2に接続されている。直流電源200が発電した電力は、電線DL1及びDL2に出力される。電線DL1及びDL2間には、電圧を平滑化するためのコンデンサCdが設けられている。また、電源システム1は電流センサId及び電圧センサVrを備える。電流センサId及び電圧センサVrは、電線DL1及びDL2における電流及び電圧をそれぞれ検出して、検出値をスイープコントローラ500へ出力するように構成される。
電池ストリングSt1~St3の各々は、直流電源200から直流電力の供給を受けられるように構成される。具体的には、電池ストリングSt1、St2、St3の各負極端子が接続されている中性点N1は、電線NL1と接続されている。電線NL1は、中性点N1と電線DL2とを接続している。電線NL1にはリレーR2が設けられている。リレーR2は、たとえば電磁式のメカニカルリレーである。スイープコントローラ500は、リレーR2をON/OFF制御することによって、電線NL1の接続/遮断を切り替えるように構成される。
Each of
電池ストリングSt1、St2、St3の正極端子は、それぞれ電線PL1、PL2、PL3に接続されている。電線PL1、PL2、PL3は、電池ストリングSt1、St2、St3と分岐点D1、D2、D3とをそれぞれ接続している。電線PL1、PL2、PL3は、分岐点D1、D2、D3で電線DL11、DL12、及びDL13と電線UL、VL、及びWLとに分岐している。 Positive terminals of the battery strings St1, St2, and St3 are connected to electric wires PL1, PL2, and PL3, respectively. Electric wires PL1, PL2, and PL3 connect battery strings St1, St2, and St3 to branch points D1, D2, and D3, respectively. The electric wires PL1, PL2 and PL3 are branched into the electric wires DL11, DL12 and DL13 and the electric wires UL, VL and WL at branch points D1, D2 and D3.
電線DL11、DL12、及びDL13の各々は電線DL1と接続されている。電線DL11、DL12、DL13には、それぞれリレーR21、R22、R23が設けられている。リレーR21、R22、及びR23の各々は、たとえば電磁式のメカニカルリレーである。スイープコントローラ500は、リレーR21、R22、及びR23をON/OFF制御することによって、電線DL11、DL12、及びDL13の接続/遮断をそれぞれ切り替えるように構成される。
Each of electric wires DL11, DL12, and DL13 is connected to electric wire DL1. The electric wires DL11, DL12 and DL13 are provided with relays R21, R22 and R23, respectively. Each of relays R21, R22, and R23 is, for example, an electromagnetic mechanical relay. The
この実施の形態では、電線NL1、DL11、DL1、及びDL2が、本開示に係る「第1DCライン」の一例に相当し、直流電源200と電池ストリングSt1とを接続する。リレーR2及びR21の両方がON状態であるときに電池ストリングSt1は直流電源200と接続される。また、電線NL1、DL12、DL1、及びDL2が、本開示に係る「第2DCライン」の一例に相当し、直流電源200と電池ストリングSt2とを接続する。リレーR2及びR22の両方がON状態であるときに電池ストリングSt2は直流電源200と接続される。また、電線NL1、DL13、DL1、及びDL2が、本開示に係る「第3DCライン」の一例に相当し、直流電源200と電池ストリングSt3とを接続する。リレーR2及びR23の両方がON状態であるときに電池ストリングSt3は直流電源200と接続される。この実施の形態に係るリレーR21、R22、R23は、それぞれ本開示に係る「第1DCリレー」、「第2DCリレー」、「第3DCリレー」の一例に相当する。
In this embodiment, electric wires NL1, DL11, DL1, and DL2 correspond to an example of the “first DC line” according to the present disclosure, and connect
電池ストリングSt1~St3の各々は、交流電力(たとえば、三相交流電力)を交流出力端子Tu、Tv、及びTwへ出力可能に構成される。具体的には、電線UL、VL、WLは、交流出力端子Tu、Tv、Twと分岐点D1、D2、D3とをそれぞれ接続している。電線UL、VL、及びWLにはLCLフィルタ110が設けられている。LCLフィルタ110は、電線UL、VL、及びWLの各々における電流リプル成分を減衰させるように構成される。LCLフィルタ110の構成の詳細については後述する(図7参照)。
Each of the battery strings St1 to St3 is configured to be capable of outputting AC power (eg, three-phase AC power) to AC output terminals Tu, Tv, and Tw. Specifically, electric wires UL, VL, and WL connect AC output terminals Tu, Tv, and Tw to branch points D1, D2, and D3, respectively. LCL filters 110 are provided on the wires UL, VL, and WL.
電線UL、VL、WLには、それぞれリレーRU、RV、RWが設けられている。リレーRU、RV、及びRWの各々は、たとえば電磁式のメカニカルリレーである。スイープコントローラ500は、リレーRU、RV、及びRWをON/OFF制御することによって、電線UL、VL、及びWLの接続/遮断をそれぞれ切り替えるように構成される。電池ストリングSt1、St2、St3から三相コイルY1への各電力供給路の接続/遮断は、それぞれリレーRU、RV、RWによって切り替えられる。この実施の形態では、交流出力端子Tu、Tv、Twが、それぞれ本開示に係る「第1交流出力端子」、「第2交流出力端子」、「第3交流出力端子」の一例に相当する。
The electric wires UL, VL, and WL are provided with relays RU, RV, and RW, respectively. Each of relays RU, RV, and RW is, for example, an electromagnetic mechanical relay. The
この実施の形態では、電線ULが、本開示に係る「第1ACライン」の一例に相当し、交流出力端子Tuと電池ストリングSt1とを接続する。リレーRUがON状態であるときに電池ストリングSt1は交流出力端子Tuと接続される。また、電線VLが、本開示に係る「第2ACライン」の一例に相当し、交流出力端子Tvと電池ストリングSt2とを接続する。リレーRVがON状態であるときに電池ストリングSt2は交流出力端子Tvと接続される。また、電線WLが、本開示に係る「第3ACライン」の一例に相当し、交流出力端子Twと電池ストリングSt3とを接続する。リレーRWがON状態であるときに電池ストリングSt3は交流出力端子Twと接続される。この実施の形態に係るリレーRU、RV、RWは、それぞれ本開示に係る「第1ACリレー」、「第2ACリレー」、「第3ACリレー」の一例に相当する。 In this embodiment, the electric wire UL corresponds to an example of the "first AC line" according to the present disclosure, and connects the AC output terminal Tu and the battery string St1. The battery string St1 is connected to the AC output terminal Tu when the relay RU is in the ON state. Also, the electric wire VL corresponds to an example of the “second AC line” according to the present disclosure, and connects the AC output terminal Tv and the battery string St2. The battery string St2 is connected to the AC output terminal Tv when the relay RV is in the ON state. Also, the electric wire WL corresponds to an example of the "third AC line" according to the present disclosure, and connects the AC output terminal Tw and the battery string St3. The battery string St3 is connected to the AC output terminal Tw when the relay RW is in the ON state. Relays RU, RV, and RW according to this embodiment correspond to examples of a "first AC relay," a "second AC relay," and a "third AC relay," respectively, according to the present disclosure.
電線PL1、PL2、PL3には、それぞれ電流センサIa、Ib、Icが設けられている。電流センサIa、Ib、及びIcは、電池ストリングSt1、St2、及びSt3から出力される電流をそれぞれ検出して、検出値をスイープコントローラ500へ出力するように構成される。
Current sensors Ia, Ib, and Ic are provided on the electric wires PL1, PL2, and PL3, respectively. Current sensors Ia, Ib, and Ic are configured to detect currents output from battery strings St1, St2, and St3, respectively, and output the detected values to sweep
スイープコントローラ500は、電流センサIa、Ib、及びIcの出力に基づいて、電池ストリングSt1、St2、及びSt3から出力されるU相、V相、及びW相の交流電流をそれぞれ検出できる。なお、スイープコントローラ500は、3相の電流のうち、2相の電流のみを電流センサで検出し、残りの1相は、検出された2つの相電流から算出してもよい。たとえば、電流センサIcが割愛された形態では、スイープコントローラ500が、電流センサIaで検出されたU相の電流Iuと、電流センサIbで検出されたV相の電流Ivとを用いて、式「Iw=-Iu-Iv」に従ってW相の電流Iwを算出してもよい。
The
電池ストリングSt1~St3は互いに異なる構成を有してもよいが、この実施の形態では、電池ストリングSt1~St3が互いに同じ構成を有する。以下では、区別して説明する場合を除いて、電池ストリングSt1~St3の各々を「電池ストリングSt」、電線PL1~PL3の各々を「電線PL」と記載する。 The battery strings St1 to St3 may have different configurations, but in this embodiment, the battery strings St1 to St3 have the same configuration. Hereinafter, each of the battery strings St1 to St3 will be referred to as a "battery string St" and each of the electric wires PL1 to PL3 will be referred to as a "electric wire PL", unless otherwise specified.
図2は、電池ストリングStの構成を示す図である。図2を参照して、電池ストリングStは、複数の電池回路モジュール(図2中には電池回路モジュールM1~M3のみを図示)と、監視モジュール20とを備える。以下では、区別して説明する場合を除いて、電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールM1,M2,M3・・・の各々を「電池回路モジュールM」と記載する。電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールMの数は任意であり、5~50個であってもよいし、100個以上であってもよい。この実施の形態では、各電池ストリングStが同じ数の電池回路モジュールMを含むが、電池ストリングStごとに電池回路モジュールMの数が異なっていてもよい。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the battery string St. Referring to FIG. 2, the battery string St includes a plurality of battery circuit modules (only battery circuit modules M1 to M3 are shown in FIG. 2) and a
電池ストリングStに含まれる複数の電池回路モジュールM(電池回路モジュールM1~M3を含む)は共通の電線PLによって接続されている。電線PLは、電池ストリングStに含まれる各電池回路モジュールMの出力端子OT1及びOT2を含む。電池回路モジュールの出力端子OT2が、当該電池回路モジュールに隣接する電池回路モジュールの出力端子OT1と接続されることによって、電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールM同士が接続されている。たとえば、電池回路モジュールM1の出力端子OT2は、電池回路モジュールM1に隣接する電池回路モジュールM2の出力端子OT1と電気的に接続されている。この実施の形態に係る出力端子OT1、OT2は、それぞれ本開示に係る「第1出力端子」、「第2出力端子」の一例に相当する。 A plurality of battery circuit modules M (including battery circuit modules M1 to M3) included in the battery string St are connected by a common electric wire PL. The electric wire PL includes output terminals OT1 and OT2 of each battery circuit module M included in the battery string St. The battery circuit modules M included in the battery string St are connected to each other by connecting the output terminal OT2 of the battery circuit module to the output terminal OT1 of the adjacent battery circuit module. For example, the output terminal OT2 of the battery circuit module M1 is electrically connected to the output terminal OT1 of the battery circuit module M2 adjacent to the battery circuit module M1. The output terminals OT1 and OT2 according to this embodiment correspond to examples of the "first output terminal" and the "second output terminal" according to the present disclosure, respectively.
電池回路モジュールMは、電池10と、第1スイッチング素子11(以下、「SW11」と表記する)と、第2スイッチング素子12(以下、「SW12」と表記する)と、第1ダイオード13と、第2ダイオード14と、チョークコイル15と、コンデンサ16とを備える。SW11及びSW12の各々は、スイープコントローラ500によって制御される。この実施の形態に係るSW11、SW12は、それぞれ本開示に係る「第1スイッチ」、「第2スイッチ」の一例に相当する。
The battery circuit module M includes a
監視モジュール20は、電池ストリングStに含まれる各電池10の電圧を検出する電圧センサと、電池ストリングStに流れる電流を検出する電流センサと、電池ストリングStの温度を検出する温度センサとを含み、検出結果をスイープコントローラ500へ出力する。監視モジュール20は、上記センサ機能に加えて、SOC(State Of Charge)推定機能、SOH(State of Health)推定機能、セル電圧の均等化機能、診断機能、及び通信機能をさらに有するBMS(Battery Management System)であってもよい。スイープコントローラ500は、監視モジュール20の出力に基づいて、電池ストリングStに含まれる各電池10の状態(たとえば、温度、電流、電圧、SOC、及び内部抵抗)を取得することができる。
The
電池回路モジュールMの出力端子OT1及びOT2間には、SW11と、コンデンサ16と、電池10とが並列に接続されている。SW11は、電線PL上に位置し、出力端子OT1と出力端子OT2との接続状態(導通/遮断)を切り替えるように構成される。出力端子OT1は電線BL1を介して電池10の正極に接続されており、出力端子OT2は電線BL2を介して電池10の負極に接続されている。出力端子OT1と電池10とをつなぐ電線BL1にはSW12及びチョークコイル15が設けられている。電池10と直列に接続されたSW12がON状態(接続状態)であり、かつ、電池10と並列に接続されたSW11がOFF状態(遮断状態)であるときに、出力端子OT1及びOT2間に電池10の電圧が印加される。
Between output terminals OT1 and OT2 of battery circuit module M, SW11,
出力端子OT1,OT2と電池10との間には、電線BL1及び電線BL2の各々に接続されたコンデンサ16が設けられている。コンデンサ16の一端は、SW12とチョークコイル15との間で電線BL1に接続されている。コンデンサ16は、電池10の電圧を平滑化して出力端子OT1及びOT2間に出力する。
Between the output terminals OT1, OT2 and the
第1ダイオード13、第2ダイオード14は、それぞれSW11、SW12に対して並列に接続されている。SW12は、出力端子OT1とチョークコイル15との間に位置する。チョークコイル15は、SW12と電池10の正極との間に位置する。電池10、チョークコイル15、及びコンデンサ16によってRCLフィルタが形成される。このRCLフィルタによって電流の平準化が図られる。
The
電池10は、複数の二次電池(以下、「セル」とも称する)が互いに電気的に接続されて構成される組電池である。この実施の形態では、セルとしてリチウムイオン二次電池を採用する。ただし、セルはリチウムイオン二次電池以外の二次電池(たとえば、ニッケル水素電池)であってもよい。セルは、液系二次電池であってもよいし、全固体二次電池であってもよい。また、電池10は、組電池ではない二次電池(単電池)であってもよい。
The
SW11及びSW12の各々は、たとえばFET(電界効果トランジスタ)である。SW11及びSW12の各々は、スイープコントローラ500からのゲート信号によってON/OFF制御される。なお、SW11及びSW12の各々は、FETに限られず、FET以外のスイッチであってもよい。
Each of SW11 and SW12 is, for example, an FET (field effect transistor). Each of SW11 and SW12 is ON/OFF controlled by a gate signal from the
図3は、スイープコントローラ500によって制御される電池回路モジュールMの動作の一例を示すタイムチャートである。図3中に示されるゲート信号の「Low」、「High」は、それぞれゲート信号(矩形波信号)のLレベル、Hレベルを意味する。また、「出力電圧」は、出力端子OT1及びOT2間に出力される電圧を意味する。図3中の「SW11」、「SW12」は、それぞれ図2に示したSW11、SW12を意味する。
FIG. 3 is a time chart showing an example of the operation of the battery circuit module M controlled by the
図2とともに図3を参照して、電池回路モジュールMの初期状態では、スイープコントローラ500からゲート信号が出力されておらず(ゲート信号=Lレベル)、SW11、SW12がそれぞれON状態、OFF状態になっている。この実施の形態では、電池回路モジュールMを駆動するためのゲート信号として、矩形波信号を採用する。スイープコントローラ500は、プロセッサの指示に従ってゲート信号を生成する制御回路(ゲート回路)を備えてもよい。スイープコントローラ500は、このゲート信号を用いてSW11及びSW12を制御する。以下に説明するように、SW11及びSW12は、ゲート信号の立ち上がり/立ち下がりに応じて状態(ON/OFF)が切り替わる。このため、スイープコントローラ500は、ゲート信号を用いてPWM(パルス幅変調)制御を行なうことができる。
Referring to FIG. 3 together with FIG. 2, in the initial state of battery circuit module M, no gate signal is output from sweep controller 500 (gate signal=L level), and SW11 and SW12 are in the ON state and the OFF state, respectively. It's becoming In this embodiment, a rectangular wave signal is used as the gate signal for driving the battery circuit module M. FIG. The
タイミングt1で、ゲート信号がLレベルからHレベルに立ち上がると、ゲート信号の立ち上がりと同時にSW11がON状態からOFF状態に切り替わる。そして、ゲート信号の立ち上がりから所定の遅延時間(以下、「dt1」と表記する)だけ遅れたタイミングt2で、SW12がOFF状態からON状態に切り替わる。これにより、電池回路モジュールMが駆動状態になる。以下、ゲート信号の立ち上がりからdt1が経過するまでの期間を、「第1遅延期間」とも称する。 When the gate signal rises from the L level to the H level at timing t1, SW11 switches from the ON state to the OFF state simultaneously with the rise of the gate signal. Then, at timing t2, which is delayed by a predetermined delay time (hereinafter referred to as "dt1") from the rise of the gate signal, SW12 switches from the OFF state to the ON state. As a result, the battery circuit module M is driven. Hereinafter, the period from the rise of the gate signal to the elapse of dt1 is also referred to as "first delay period".
図4は、駆動状態の電池回路モジュールMを示す図である。図4を参照して、駆動状態の電池回路モジュールMでは、SW11がOFF状態かつSW12がON状態になることで、出力端子OT1及びOT2間に電池10の電圧が印加される。電池10の電圧がコンデンサ16を介して出力端子OT1及びOT2間に印加されることで、電圧Vmが出力端子OT1及びOT2間に出力される。
FIG. 4 is a diagram showing the battery circuit module M in a driven state. Referring to FIG. 4, in the battery circuit module M in the driving state, the voltage of the
再び図2とともに図3を参照して、タイミングt3で、ゲート信号がHレベルからLレベルに立ち下がると、ゲート信号の立ち下がりと同時にSW12がON状態からOFF状態に切り替わる。これにより、電池回路モジュールMが停止状態になる。停止状態の電池回路モジュールMでは、SW12がOFF状態になることで、出力端子OT1及びOT2間に電池10の電圧が印加されなくなる。その後、ゲート信号の立ち下がりから所定の遅延時間(以下、「dt2」と表記する)だけ遅れたタイミングt4で、SW11がOFF状態からON状態に切り替わる。dt1とdt2とは互いに同じであっても異なってもよい。この実施の形態では、dt1及びdt2の各々を100n秒とする。ただし、dt1及びdt2の各々は任意に設定できる。
Again referring to FIG. 3 together with FIG. 2, when the gate signal falls from H level to L level at timing t3, SW12 switches from ON state to OFF state simultaneously with the fall of the gate signal. As a result, the battery circuit module M is stopped. In the battery circuit module M in the stopped state, the voltage of the
以下、ゲート信号の立ち下がりからdt2が経過するまでの期間を、「第2遅延期間」とも称する。また、第2遅延期間終了から電池回路モジュールMが駆動状態になるまでの期間を、「停止期間」とも称する。 Hereinafter, the period from the fall of the gate signal to the elapse of dt2 is also referred to as the "second delay period". Also, the period from the end of the second delay period until the battery circuit module M enters the driving state is also referred to as the "suspension period".
図5は、遅延期間における電池回路モジュールMの状態を示す図である。図5に示すように、第1遅延期間及び第2遅延期間の各々では、SW11及びSW12の両方がOFF状態になる。 FIG. 5 is a diagram showing the state of the battery circuit module M during the delay period. As shown in FIG. 5, both SW11 and SW12 are in the OFF state during each of the first delay period and the second delay period.
図6は、停止期間における電池回路モジュールMの状態を示す図である。図6に示すように、停止期間では、初期状態と同様、SW11がON状態かつSW12がOFF状態になる。 FIG. 6 is a diagram showing the state of the battery circuit module M during the suspension period. As shown in FIG. 6, during the stop period, SW11 is in the ON state and SW12 is in the OFF state, as in the initial state.
上記遅延期間及び停止期間のいずれの期間においても、電池回路モジュールMは停止状態になっている。停止状態の電池回路モジュールMでは、出力端子OT1及びOT2間に電圧が印加されない。 The battery circuit module M is in a stopped state during both the delay period and the stop period. In the battery circuit module M in the stopped state, no voltage is applied between the output terminals OT1 and OT2.
電池ストリングStに含まれる各電池回路モジュールMは、上述のように制御される(図3~図6参照)。上述した制御では、第1遅延期間及び第2遅延期間が設けられていることで、SW11及びSW12が同時にON状態になること(すなわち、電池回路モジュールMが短絡状態になること)が抑制される。この実施の形態では、電池ストリングStに含まれる複数の電池回路モジュールM(電池回路モジュールM1~M3を含む)が、互いに同じ構成を有する(図2参照)。ただし、電池ストリングStに含まれる複数の電池回路モジュールMは、互いに異なる構成を有してもよい。 Each battery circuit module M included in the battery string St is controlled as described above (see FIGS. 3 to 6). In the control described above, since the first delay period and the second delay period are provided, it is suppressed that SW11 and SW12 are turned ON at the same time (that is, the battery circuit module M is short-circuited). . In this embodiment, a plurality of battery circuit modules M (including battery circuit modules M1 to M3) included in the battery string St have the same configuration (see FIG. 2). However, the plurality of battery circuit modules M included in the battery string St may have different configurations.
図7は、電池ストリングSt1~St3から出力される三相交流電力について説明するための図である。図1及び図2とともに図7を参照して、電池ストリングSt1~St3は、Y結線されている。この実施の形態では、電池ストリングSt1~St3の各々の負極端子が、中性点N1に接続されている。中性点N1は接地されてもよい。なお、各電池ストリングStの負極端子ではなく正極端子が中性点N1に接続されてもよい。 FIG. 7 is a diagram for explaining the three-phase AC power output from the battery strings St1 to St3. Referring to FIG. 7 together with FIGS. 1 and 2, battery strings St1 to St3 are Y-connected. In this embodiment, the negative terminal of each of the battery strings St1-St3 is connected to the neutral point N1. Neutral point N1 may be grounded. Note that the positive terminal of each battery string St may be connected to the neutral point N1 instead of the negative terminal.
スイープコントローラ500は、リレーRU、RV、及びRWを制御することにより、電源システム1と電力系統との並列(接続)/解列(切離し)を切替え可能に構成される。
The
スイープコントローラ500は、電池ストリングStに含まれる各電池回路モジュールMのSW11及びSW12を制御することにより、その電池ストリングStにおける駆動状態の電池回路モジュールMの数を調整することができる。さらに、スイープコントローラ500は、駆動状態の電池回路モジュールMの数に基づいて、その電池ストリングStから出力される電圧(以下、「ストリング電圧」とも称する)を制御することができる。電池ストリングStは、0Vから、電池ストリングStに含まれる各電池10の電圧の総和までの電圧を出力可能に構成される。また、電池ストリングStに含まれるいずれかの電池10に異常が生じた場合には、スイープコントローラ500は、対応するSW11及びSW12を停止期間(図6)の状態にして、異常が生じた電池10を回路から切り離してもよい。電池切離しにより最大ストリング電圧は低下するが、電池ストリングStは動作を継続できる。
The
電池ストリングSt1~St3によって生成される各ストリング電圧は、たとえばオフセットを持った0V以上の電圧波形になる。図7中の線L11、L12、L13は、それぞれ電池ストリングSt1、St2、St3のストリング電圧の一例を示している。この例に係るストリング電圧の周波数は60Hzである。 Each string voltage generated by the battery strings St1 to St3 has a voltage waveform of 0V or more with an offset, for example. Lines L11, L12, and L13 in FIG. 7 indicate examples of string voltages of the battery strings St1, St2, and St3, respectively. The frequency of the string voltage according to this example is 60 Hz.
電池ストリングSt1~St3によって生成された各ストリング電圧は、LCLフィルタ110を経て、電線UL、VL、及びWLに出力される。以下では、電線UL及びVLの線間電圧を「Vuv」、電線WL及びULの線間電圧を「Vwu」、電線VL及びWLの線間電圧を「Vvw」とも称する。各線間電圧は、周期的に極性(正/負)が変わる交流電圧波形になる。図7中の線L21、L22、L23は、それぞれVuv、Vwu、Vvwの一例を示している。この例に係る各線間電圧の周波数は60Hzである。
Each string voltage generated by the battery strings St1-St3 passes through the
LCLフィルタ110は、電線UL、VL、及びWLに対してそれぞれ設けられた、連系リアクトルLmu、Lmv、Lmwと、フィルタコンデンサCfu、Cfv、Cfwと、フィルタリアクトルLfu、Lfv、Lfwとを含む。連系リアクトルLmu、Lmv、Lmwは、それぞれフィルタコンデンサCfu、Cfv、Cfwとともに、LCフィルタを構成する。系統側に電流リプル成分を流さないようにするために、LCフィルタの後段(系統側)にフィルタリアクトルLfu、Lfv、及びLfwが接続されている。フィルタコンデンサCfu、Cfv、及びCfwの各々の一端は、中性点N2に接続されている。
フィルタコンデンサCfu、Cfv、Cfwには、それぞれ電圧センサVu、Vv、Vw(図1)が設けられている。電圧センサVu、Vv、Vwは、それぞれフィルタコンデンサCfu、Cfv、Cfwの電圧を検出して、検出値をスイープコントローラ500(図1)へ出力するように構成される。 Filter capacitors Cfu, Cfv, and Cfw are provided with voltage sensors Vu, Vv, and Vw (FIG. 1), respectively. The voltage sensors Vu, Vv, Vw are configured to detect the voltages of the filter capacitors Cfu, Cfv, Cfw, respectively, and output the detected values to the sweep controller 500 (FIG. 1).
この実施の形態では、スイープコントローラ500が複数種の制御モードを切り替えるように構成される。複数種の制御モードは、交流動作モード及び直流動作モードを含む。
In this embodiment, the
交流動作モードでは、スイープコントローラ500が、全てのDCリレーをOFF状態にするとともに、全てのACリレーをON状態にする。こうしたリレー状態を、以下では「AC動作状態」とも称する。DCリレーは、スイープレギュレータ100と直流電源200との間に位置するリレーであり、この実施の形態では、リレーR2、R21、R22、及びR23の各々が、DCリレーに相当する。ACリレーは、スイープレギュレータ100と交流出力端子Tu、Tv、及びTwとの間に位置するリレーであり、この実施の形態では、リレーRU、RV、及びRWの各々が、ACリレーに相当する。なお、DCリレー及びACリレーの両方として機能するAC/DCリレー(たとえば、スイープレギュレータ100と分岐点D1、D2、又はD3との間に配置されたリレー)が存在する場合には、AC/DCリレーは、交流動作モード及び直流動作モードのいずれにおいてもON状態に維持される。
In the AC mode of operation, the
交流動作モードでは、スイープコントローラ500が、各リレーをAC動作状態にした後、電流センサIa、Ib、及びIcによって検出されるストリング相電流と、電圧センサVu、Vv、及びVwによって検出される系統相電圧とに基づいて、電池ストリングSt1~St3の各々に対するストリング電圧指令値(以下、「St指令値」と表記する)を決定する。そして、スイープコントローラ500は、各電池ストリングStがSt指令値(目標値)に相当する電圧を出力するように、各電池ストリングStに対するゲート信号(図3)を生成する。ゲート信号は、電池ストリングStに含まれる各電池回路モジュールMのSW11及びSW12(図2)を駆動する信号である。こうして生成されたゲート信号によってスイープコントローラ500が各電池ストリングStを制御することにより、ストリング相電力(すなわち、スイープレギュレータ100から出力される三相交流電力)が交流出力端子Tu、Tv、及びTwに供給される。交流出力端子Tu、Tv、及びTwに供給されたストリング相電力は、トランス120によって変圧(たとえば、昇圧)された後、住宅(供給対象)へ供給される。
In the AC mode of operation, the
スイープコントローラ500は、電源システム1のACライン(電線UL、VL、及びWL)が電力系統と接続した状態でストリング相電力を制御する。スイープコントローラ500は、電力系統の三相交流電力をストリング相電力で調整して、所望の電力を住宅(供給対象)に供給することができる。たとえば、スイープコントローラ500は、電力系統の消費電力量を少なくするため(ひいては、電気料金を削減するため)に、スイープレギュレータ100から住宅(供給対象)へ三相交流電力を供給してもよい。また、スイープコントローラ500は、電力不足をストリング相電力で補ってもよい。スイープコントローラ500は、電力系統の停電時にスイープレギュレータ100から住宅(供給対象)へ三相交流電力を供給してもよい。また、スイープコントローラ500は、ストリング相電力を用いて、住宅(供給対象)に供給される電力の周波数調整を行なってもよい。
The
スイープコントローラ500が、制御モードを交流動作モードから直流動作モードに切り替える際には、直流動作モードを開始する前に、各電池ストリングStに対するゲート信号の出力を停止する。直流動作モードでは、スイープコントローラ500が、全てのACリレーをOFF状態にするとともに、リレーR21、R22、及びR23の少なくとも1つとリレーR2とをON状態にする。これにより、電池ストリングSt1~St3の少なくとも1つが直流電源200に接続される。その後、スイープコントローラ500は、スイープレギュレータ100の出力電圧を0Vから上昇させて、電線DL1及びDL2間のコンデンサCdをプリチャージする。これにより、突入電流が抑制される。
When the
上記コンデンサCdのプリチャージ後、スイープコントローラ500は、直流電源200に接続された電池ストリングStに含まれる電池10(図2)の充電を開始する。スイープコントローラ500は、電池ストリングStに含まれる各電池回路モジュールMのSW11及びSW12を制御して、充電対象とする電池10を直流電源200に接続する。直流電源200に接続された電池10は、直流電源200から供給される直流電力によって充電される。スイープコントローラ500は、監視モジュール20の出力に基づいて充電中の電池10のSOCを監視し、所定のSOC(たとえば、満充電を示すSOC)に達した電池10は、直流電源200から切り離す。スイープコントローラ500は、複数の電池ストリングSt(たとえば、電池ストリングSt1~St3の全て)を同時に直流電源200に接続して、複数の電池ストリングSt(たとえば、電池ストリングSt1~St3の全て)で同時に電池10の充電を実行してもよい。また、電池ストリングSt1~St3を1つずつ直流電源200に順次接続して、直流電源200に接続された1つの電池ストリングStで電池10の充電を順次実行してもよい。そして、充電が完了すると、スイープコントローラ500は、各電池ストリングStに対するゲート信号の出力を停止した後、全てのDCリレーをOFF状態にする。これにより、スイープレギュレータ100が直流電源200から切り離される。スイープコントローラ500は、スイープレギュレータ100に含まれる全ての電池10が所定のSOCに達したときに、充電が完了したと判断してもよい。
After precharging the capacitor Cd, the
スイープコントローラ500は、たとえばエネルギーコントローラ600からの指示に従って交流動作モードと直流動作モードとを切り替える。以下、図8~図10を用いて、モード切替え制御(すなわち、交流動作モードと直流動作モードとの切替え制御)について説明する。以下では、制御モードが交流動作モードから直流動作モードに切り替わることを「AC/DC切替」、制御モードが直流動作モードから交流動作モードに切り替わることを「DC/AC切替」と称する。
図8は、電力系統PG、スイープレギュレータ100、及び直流電源200の接続態様の一例を示す模式図である。図1とともに図8を参照して、交流動作モードでは、電力系統PG及びスイープレギュレータ100の両方が、トランス120及び分電盤130を介して、住宅2内の配線(宅内配線)に接続される。トランス120から分電盤130に供給される三相交流電力は、分電盤130によって住宅2内の各配線に分配される。また、直流動作モードでは、スイープレギュレータ100が電線DL1及びDL2を介して直流電源200に接続される。電線DL1及びDL2は、住宅2内の電気機器又は蓄電装置(いずれも図示せず)に接続されてもよい。電気機器の例としては、直流電力で駆動可能な各種の家庭用電気機械器具(照明器具、空調設備、調理器具等)が挙げられる。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a connection mode of the power system PG, the
図1に示すエネルギーコントローラ600は、供給対象(たとえば、住宅2)の1日における消費電力の推移を予測する時別消費電力マップ(以下、「消費電力マップ」とも称する)と、1日における直流電源200による発電電力の推移を予測する時別発電電力マップ(以下、「発電電力マップ」とも称する)とを保有する。そして、エネルギーコントローラ600は、消費電力マップと発電電力マップとを用いて、モード切替タイミング(たとえば、AC/DC切替タイミング及びDC/AC切替タイミング)を決定する。
The
図9は、一般家庭における消費電力の推移、及び典型的なPV発電電力の推移を示すグラフである。図9を参照して、一般家庭における消費電力は、線L1で示されるように、朝方(たとえば、6時~10時)及び夕刻(たとえば、18時~22時)の時間帯で多くなり、昼間(たとえば、10時~18時)及び夜間(たとえば、22時~6時)の時間帯では少なくなる。また、線L2で示されるように、典型的な例では、昼間(たとえば、10時~18時)の時間帯においてPV発電電力が多くなる。 FIG. 9 is a graph showing changes in power consumption in general households and changes in typical PV-generated power. Referring to FIG. 9, power consumption in general households increases in the morning (for example, 6:00 to 10:00) and evening (for example, 18:00 to 22:00) hours, as indicated by line L1. It decreases during the daytime (eg, 10:00 to 18:00) and nighttime (eg, 22:00 to 6:00). Also, as indicated by line L2, in a typical example, PV power generation increases during the daytime (for example, 10:00 to 18:00).
図9とともに図1及び図8を参照して、たとえば、消費電力マップが図9中の線L1と同様の推移を示し、発電電力マップが図9中の線L2と同様の推移を示す場合には、エネルギーコントローラ600は、昼間に直流動作モードでスイープレギュレータ100に電気を蓄えて、夕刻になったらDC/AC切替を行ない、蓄えた電気を住宅2に供給する。こうした制御により電力の需給バランスが調整され、電力平準化が図られる。また、エネルギーコントローラ600は、夜間においては、スイープコントローラ500から各電池ストリングStへのゲート信号の出力を停止し、DCリレー及びACリレーの全てをOFF状態にするよう、スイープコントローラ500に指示してもよい。以下では、スイープコントローラ500から各電池ストリングStへのゲート信号の出力を停止し、DCリレー及びACリレーの全てをOFF状態にすることを、「モード停止」とも称する。
1 and 8 together with FIG. 9, for example, when the power consumption map shows transitions similar to line L1 in FIG. 9 and the generated power map shows transitions similar to line L2 in FIG. , the
上記のように、エネルギーコントローラ600は、消費電力マップ及び発電電力マップに基づいてモード切替え制御を行なうことにより、住宅2(供給対象)におけるエネルギーマネージメントを実行する。エネルギーコントローラ600は、電源システム1が設置された地域のエネルギー需給の情報に基づいてエネルギーマネージメントを実行してもよい。
As described above, the
エネルギーコントローラ600は、たとえば消費電力マップ及び発電電力マップに基づいて、各時間帯(たとえば、朝方/昼間/夕刻/夜間)について、直流動作モード/交流動作モード/モード停止のいずれを行なうかを決定する。エネルギーコントローラ600は、統計データ(たとえば、ビッグデータ)を利用し、公知の機械学習技術又は人工知能によって、各時間帯について直流動作モード/交流動作モード/モード停止のいずれを行なうかを決定してもよい。時間帯の分け方は、朝方/昼間/夕刻/夜間に限られず任意である。また、エネルギーコントローラ600は、消費電力マップ及び発電電力マップに基づいて、消費電力ピークと発電電力ピークとを検出し、消費電力ピーク近傍の時間帯で交流動作モードを実行し、発電電力ピーク近傍の時間帯で直流動作モードを実行してもよい。
供給対象(たとえば、住宅2)における消費電力の推移は、季節や需要家の生活スタイルによって変動し得る。エネルギーコントローラ600は、供給対象における消費電力を逐次検出し、検出された消費電力のデータを記憶装置に蓄積してもよい。そして、エネルギーコントローラ600は、記憶装置に蓄積された消費電力データ(履歴情報)に基づいて、消費電力マップを更新してもよい。また、エネルギーコントローラ600は、季節(春/夏/秋/冬)ごとに消費電力マップ及び発電電力マップを保有してもよい。
Transition of power consumption in the supply target (for example, house 2) may fluctuate depending on the season and lifestyle of the consumer. The
エネルギーコントローラ600は、気象情報(たとえば、天気、気温、及び日射強度)を取得して、気象情報に基づいて消費電力マップ及び発電電力マップの少なくとも一方を補正してもよい。エネルギーコントローラ600は、公知の気象サービス(たとえば、気象庁、情報技術企業、又は通信会社等によって提供されるサービス)を利用して、気象情報を取得してもよい。気象情報は、実測データであってもよいし、予測情報であってもよい。エネルギーコントローラ600は、当日の天気予報に基づいて発電電力マップを補正してもよい。
なお、エネルギーコントローラ600は、直流電源200による発電電力が所定水準よりも多く、かつ、住宅2(供給対象)における消費電力が所定水準よりも少ない場合に、スイープコントローラ500にAC/DC切替を指示してもよい。また、エネルギーコントローラ600は、住宅2(供給対象)における消費電力が所定水準よりも多くなった場合に、スイープコントローラ500にDC/AC切替を指示してもよい。
Note that the
エネルギーコントローラ600は、スイープレギュレータ100の蓄電量(たとえば、スイープレギュレータ100に含まれる各電池10に蓄えられた電力量の合計値)に基づいてモード切替タイミングを決定してもよい。エネルギーコントローラ600は、スイープレギュレータ100の蓄電量と発電電力マップとに基づいて、スイープレギュレータ100の蓄電量が所定水準を下回らないように、AC/DC切替タイミングを決定してもよい。また、エネルギーコントローラ600は、スイープレギュレータ100の蓄電量が十分多い場合には制御モードを交流動作モードに維持するよう、スイープコントローラ500に指示してもよい。
図10は、モード切替え制御の一例を示す図である。図10において、縦軸は、スイープレギュレータ100の蓄電量を示す。より特定的には、縦軸は、スイープレギュレータ100の満充電状態の蓄電量に対する現在の蓄電量の割合を0~100%で表わしたSOCを示す。また、図10において、線L3は晴れの日におけるスイープレギュレータ100のSOCの推移を示し、線L4は曇りの日におけるスイープレギュレータ100のSOCの推移を示す。
FIG. 10 is a diagram showing an example of mode switching control. In FIG. 10 , the vertical axis indicates the amount of electricity stored in
図1及び図8とともに図10を参照して、この例では、スイープレギュレータ100のSOCが所定の下限値(放電下限)に達すると、エネルギーコントローラ600がスイープコントローラ500にAC/DC切替を指示する。そして、直流動作モードによってスイープレギュレータ100のSOCが上昇して所定の上限値(充電上限)に達すると、エネルギーコントローラ600がスイープコントローラ500にDC/AC切替を指示する。その後、交流動作モードによってスイープレギュレータ100のSOCが所定の基準値(基準SOC)に達すると、エネルギーコントローラ600がスイープコントローラ500にモード停止を指示する。次の日、所定の放電開始時刻(たとえば、6時)になると、エネルギーコントローラ600はスイープコントローラ500に交流動作モードの開始を指示する。図10に示す例では、線L3及びL4で示されるように、6時に交流動作モードが開始され、10時(放電下限に到達)にAC/DC切替が行なわれる。なお、エネルギーコントローラ600は、消費電力マップ及び発電電力マップに基づいて、上記所定の放電開始時刻を決定してもよい。
Referring to FIG. 10 together with FIGS. 1 and 8, in this example, when the SOC of
直流電源200によるPV発電電力は、当日の気象条件(たとえば、晴れ/曇り/雨のような天気)によって変動し得る。たとえば、晴れの日は、曇りの日と比べて、日射強度が強くなると考えられる。図10に示す例では、晴れの日は、線L3で示されるように、14時にスイープレギュレータ100のSOCが充電上限に達し、曇りの日は、線L4で示されるように、16時にスイープレギュレータ100のSOCが充電上限に達する。
The PV power generated by the
以上説明したように、この実施の形態に係る電源システム1は、Y結線された電池ストリングSt1~St3(第1~第3電池ストリング)と、リレーR21、R22、及びR23(第1~第3DCリレー)と、リレーRU、RV、及びRW(第1~第3ACリレー)と、リレーR21、R22、R23、RU、RV、及びRWの各々を制御するスイープコントローラ500(制御装置)とを備える(図1参照)。リレーR21は、直流電源200と電池ストリングSt1とを接続するための電線DL11(第1DCライン)に配置され、リレーR22は、直流電源200と電池ストリングSt2とを接続するための電線DL12(第2DCライン)に配置され、リレーR23は、直流電源200と電池ストリングSt3とを接続するための電線DL13(第3DCライン)に配置されている(図1参照)。リレーRUは、交流出力端子Tu(第1交流出力端子)と電池ストリングSt1とを接続するための電線UL(第1ACライン)に配置され、リレーRVは、交流出力端子Tv(第2交流出力端子)と電池ストリングSt2とを接続するための電線VL(第2ACライン)に配置され、リレーRWは、交流出力端子Tw(第3交流出力端子)と電池ストリングSt3とを接続するための電線WL(第3ACライン)に配置されている(図1参照)。
As described above, the
また、電池ストリングSt1~St3の各々は、互いに接続された複数の電池回路モジュールMを含む(図2参照)。各電池回路モジュールMは、電池10と、電池10に並列に接続されたSW11(第1スイッチ)と、電池10に直列に接続されたSW12(第2スイッチ)と、SW11がOFF状態かつSW12がON状態であるときに電池10の電圧が印加される出力端子OT1及びOT2(第1及び第2出力端子)とを備える(図2参照)。
Each of the battery strings St1 to St3 includes a plurality of battery circuit modules M connected to each other (see FIG. 2). Each battery circuit module M includes a
また、スイープコントローラ500は、直流電源200から電池ストリングSt1~St3の少なくとも1つに直流電力を供給する場合には、リレーRU、RV、及びRWの各々をOFF状態にしてリレーR21、R22、及びR23の少なくとも1つをON状態にするように構成される(図8~図10参照)。また、スイープコントローラ500は、電池ストリングSt1、St2、St3から交流出力端子Tu、Tv、Twへそれぞれ交流電力を出力する場合には、リレーR21、R22、及びR23の各々をOFF状態にしてリレーRU、RV、及びRWの各々をON状態にするように構成される(図8~図10参照)。
Further, when DC power is supplied from the
上記構成を有する電源システム1によれば、直流電源200から供給される直流電力によって電池ストリングSt1~St3に含まれる各電池10を充電することが可能になる。また、上記の電源システム1では、電池ストリングSt1~St3から出力される交流電力(たとえば、三相交流電力)を交流出力端子Tu、Tv、Twに出力することができる。
According to the
上記実施の形態では、スイープコントローラ500が直流動作モードと交流動作モードとモード停止とを切り替えるように構成される。交流動作モードは、電池ストリングSt1~St3により生成される交流電力を交流出力端子Tu、Tv、Twに出力する制御モードである。また、上記実施の形態では、直流動作モードが、直流電源200から供給される直流電力によって電池ストリングSt1~St3に含まれる電池10を充電する制御モード(以下、「第1直流動作モード」と称する)である。しかしこれに限られず、直流動作モードは、電池ストリングSt1~St3から出力される直流電力を電線DL1及びDL2に供給する制御モード(以下、「第2直流動作モード」と称する)であってもよい。図1を参照して、第2直流動作モードでも、第1直流動作モードと同様、スイープコントローラ500が、全てのACリレーをOFF状態にするとともに、リレーR21、R22、及びR23の少なくとも1つとリレーR2とをON状態にする。スイープコントローラ500は、直流電源200から電線DL1及びDL2に供給される直流電力を、電池ストリングSt1~St3から出力される直流電力で調整して、所望の電力を供給対象(たとえば、電線DL1及びDL2に接続される電気機器又は蓄電装置)に供給してもよい。また、直流電源200の停電時に、直流電源200に代わって、スイープレギュレータ100から電線DL1及びDL2へ直流電力を供給してもよい。スイープコントローラ500は、第1直流動作モードと第2直流動作モードと交流動作モードとモード停止とを切り替えるように構成されてもよい。
In the above embodiment, the
電源システムは、複数種の直流電源を備えてもよい。また、電源システムは、電池ストリングに接続される直流電源を切り替える制御装置をさらに備えてもよい。図11は、図1に示した電源システム1の第1変形例を示す図である。以下、上記実施の形態に係る電源システム1との相違点を中心に、第1変形例に係る電源システム1Aについて説明する。
The power supply system may include multiple types of DC power supplies. Moreover, the power supply system may further include a control device that switches the DC power supply connected to the battery string. FIG. 11 is a diagram showing a first modification of
図11を参照して、電源システム1Aは、直流電源200(PV発電設備)に加えて、HV(ハイブリッド車両)300を備える。HV300は、直流電源として機能し得る。HV300は、蓄電装置と、エンジンと、MG(モータジェネレータ)と(いずれも図示せず)を備え、エンジンが生成する動力によってMGで発電を行なうことができる。HV300は、発電された電力を、蓄電装置に蓄えたり、車両外部へ出力したりすることができる。また、HV300は、蓄電装置に蓄えられた電力を車両外部へ出力することもできる。
Referring to FIG. 11,
電源システム1Aは、切替装置400と、切替装置400を制御するDCコントローラ700とをさらに備える。DCコントローラ700はコンピュータであってもよい。DCコントローラ700は、たとえばプロセッサと記憶装置と通信I/Fとを備える。切替装置400は、たとえばA接点リレー及びC接点リレーを含む。切替装置400は、DCコントローラ700からの指示に従い、直流電源200及びHV300のいずれか一方を電線DL1及びDL2に接続したり、直流電源200及びHV300の両方を電線DL1及びDL2から切り離したりするように構成される。この変形例では、電流センサId及び電圧センサVrの各々が、検出値をDCコントローラ700へ出力するように構成される。DCコントローラ700は、電線DL1及びDL2における電流及び電圧に基づいて切替装置400を制御してもよい。DCコントローラ700は、たとえば電線DL1及びDL2における電流及び電圧の少なくとも一方が不足していると判断した場合に、切替装置400を制御して直流電源(直流電源200/HV300)の切替えを行なってもよい。
The
DCコントローラ700は、通常時は、第1又は第2直流動作モードにおいて直流電源200を電線DL1及びDL2に接続し、非常時(たとえば、災害時)に、第1又は第2直流動作モードにおいてHV300を電線DL1及びDL2に接続するように構成されてもよい。また、DCコントローラ700は、エネルギーコントローラ600がスイープコントローラ500に直流電源の切替えを指示したときに、スイープコントローラ500からの指示に従って直流電源を切り替えてもよい。たとえば、PV発電電力が不足することが予測される時間帯においてはHV300を電線DL1及びDL2に接続するよう、エネルギーコントローラ600がスイープコントローラ500に指示してもよい。また、スイープコントローラ500は、第2直流動作モードによってHV300の蓄電装置(バッテリ)を充電してもよい。
The
なお、HV300に代えて、他の電動車(xEV)を採用してもよい。複数種の直流電源の組合せは、自然変動電源とxEVに限られず、自然変動電源とESS(Energy Storage System)であってもよい。また、電源システムは、3種類以上の直流電源を備えてもよい。
Note that, instead of the
分岐点D1、D2、及びD3は、LCLフィルタ110の後段(系統側)に位置してもよい。図12は、図1に示した電源システム1の第2変形例を示す図である。以下、図11に示した電源システム1Aとの相違点を中心に、第2変形例に係る電源システム1Bについて説明する。
The branch points D1, D2, and D3 may be positioned after the LCL filter 110 (system side). FIG. 12 is a diagram showing a second modification of the
図12を参照して、電源システム1Bでは、分岐点D1、D2、及びD3がLCLフィルタ110とリレーRU、RV、及びRWとの間に位置する。電源システム1Bでは、LCLフィルタ110が、電線UL、VL、及びWL(分岐点と交流出力端子とをつなぐ電線)ではなく、電線PL1、PL2、及びPL3(電池ストリングと分岐点とをつなぐ電線)に設けられている。また、電源システム1Bは、中性点N1と中性点N2とを接続する電線NL2と、電線NL2に設けられたリレーR3とを備える。リレーR3は、たとえば電磁式のメカニカルリレーである。第1又は第2直流動作モードでは、スイープコントローラ500が、全てのACリレー(リレーRU、RV、及びRW)をOFF状態にするとともに、リレーR21、R22、及びR23の少なくとも1つとリレーR2とリレーR3とをON状態にする。こうした電源システム1Bも、前述した電源システム1及び1Aと同様、第1直流動作モード、第2直流動作モード、及び交流動作モードのいずれの制御モードでも動作可能である。
Referring to FIG. 12, in
スイープコントローラ500は、以下に説明する制御回路30を備えてもよい。図13は、スイープコントローラ500が備える制御回路の一例を示す図である。
図13を参照して、制御回路30は、電池ストリングStに対する制御信号(たとえば、図3に示したゲート信号)を生成して電池ストリングStへ出力するように構成される。スイープコントローラ500は、たとえば電池ストリングStごとに制御回路30を備える。制御回路30は、矩形波のゲート信号を生成するゲート回路31と、SW11及びSW12を駆動するスイッチ駆動回路32a,32b,32c・・・と、ゲート信号を遅延させる遅延回路33a,33b,33c・・・とを含む。以下では、区別して説明する場合を除いて、制御回路30に含まれるスイッチ駆動回路32a,32b,32c・・・の各々を「スイッチ駆動回路32」、制御回路30に含まれる遅延回路33a,33b,33c・・・の各々を「遅延回路33」と記載する。スイッチ駆動回路32及び遅延回路33は、各電池回路モジュールMに対して設けられている。
Referring to FIG. 13,
ゲート回路31は、生成したゲート信号をスイッチ駆動回路32aを経て遅延回路33aへ出力する。スイッチ駆動回路32aは、ゲート回路31から出力されたゲート信号(以下、「第1ゲート信号」とも称する)に従って電池回路モジュールM1のSW11及びSW12を駆動する。また、遅延回路33aは、第1ゲート信号を所定時間(以下、「第1遅延時間」とも称する)遅延させた第2ゲート信号を生成し、第2ゲート信号をスイッチ駆動回路32bを経て遅延回路33bへ出力する。スイッチ駆動回路32bは、第2ゲート信号に従って電池回路モジュールM2のSW11及びSW12を駆動する。また、遅延回路33bは、第2ゲート信号をさらに所定時間(以下、「第2遅延時間」とも称する)遅延させた第3ゲート信号を生成し、第3ゲート信号をスイッチ駆動回路32cを経て遅延回路33cへ出力する。スイッチ駆動回路32cは、第3ゲート信号に従って電池回路モジュールM3のSW11及びSW12を駆動する。このように、ゲート信号は、ゲート回路31から出力され、遅延回路33a,33b,33c・・・によって順次遅延されて、電池回路モジュールM1,M2,M3・・・に伝達される。制御回路30は、1つのゲート信号によって、電池回路モジュールM1,M2,M3・・・を順次、駆動状態(図4)にすることができる。スイープコントローラ500は、電池回路モジュールM1,M2,M3・・・に順次放電を行なわせてもよいし、電池回路モジュールM1,M2,M3・・・に対して順次充電を行なってもよい。上述した駆動方式によれば、電池ストリングStに含まれる各電池10から均等に電流を出力しやすくなる。また、電池ストリングStに含まれる各電池10のSOCを均等にしやすくなる。
The
各遅延回路33における遅延時間(上記第1及び第2遅延時間を含む)は、同じであってもよいし、異なってもよい。また、各遅延回路33における遅延時間は、固定値であってもよいし、所定のパラメータ(たとえば、各電池10の電流及びSOC)に応じて可変であってもよい。スイープコントローラ500は、適切な遅延時間を学習で求めて、各遅延回路33における遅延時間を随時更新してもよい。
The delay times (including the first and second delay times) in each delay circuit 33 may be the same or different. Also, the delay time in each delay circuit 33 may be a fixed value, or may be variable according to a predetermined parameter (for example, the current and SOC of each battery 10). The
なお、制御回路30は、スイープコントローラ500ではなく、各電池ストリングStに搭載されてもよい。
Note that the
上記実施の形態及び各変形例において、直流電源200は、PV発電設備に限られず、他の発電機(たとえば、ガスタービン発電機又はディーゼル発電機)であってもよいし、ESSであってもよい。直流電源200は燃料電池であってもよい。
In the above embodiments and modifications, the
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered as examples and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the description of the above-described embodiments, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
1,1A,1B 電源システム、10 電池、11 第1スイッチング素子、12 第2スイッチング素子、13 第1ダイオード、14 第2ダイオード、15 チョークコイル、16 コンデンサ、20 監視モジュール、30 制御回路、31 ゲート回路、32 スイッチ駆動回路、33 遅延回路、100 スイープレギュレータ、110 LCLフィルタ、120 トランス、200 直流電源、300 HV、400 切替装置、500 スイープコントローラ、600 エネルギーコントローラ、700 DCコントローラ、M 電池回路モジュール、OT1,OT2 出力端子、PG 電力系統、R21,R22,R23,RU,RV,RW リレー、St,St1,St2,St3 電池ストリング、Tu,Tv,Tw 交流出力端子。 1, 1A, 1B power supply system, 10 battery, 11 first switching element, 12 second switching element, 13 first diode, 14 second diode, 15 choke coil, 16 capacitor, 20 monitoring module, 30 control circuit, 31 gate circuit, 32 switch drive circuit, 33 delay circuit, 100 sweep regulator, 110 LCL filter, 120 transformer, 200 DC power supply, 300 HV, 400 switching device, 500 sweep controller, 600 energy controller, 700 DC controller, M battery circuit module, OT1, OT2 output terminals, PG power system, R21, R22, R23, RU, RV, RW relays, St, St1, St2, St3 battery strings, Tu, Tv, Tw AC output terminals.
Claims (1)
直流電源と前記第1~第3電池ストリングとをそれぞれ接続する第1~第3DCラインと、
前記第1~第3DCラインにそれぞれ設けられた第1~第3DCリレーと、
第1~第3交流出力端子と前記第1~第3電池ストリングとをそれぞれ接続する第1~第3ACラインと、
前記第1~第3ACラインにそれぞれ設けられた第1~第3ACリレーと、
前記第1~第3DCリレー及び前記第1~第3ACリレーの各々を制御する制御装置とを備え、
前記第1~第3電池ストリングの各々は、互いに接続された複数の電池回路モジュールを含み、
前記複数の電池回路モジュールの各々は、電池と、前記電池に並列に接続された第1スイッチと、前記電池に直列に接続された第2スイッチと、前記第1スイッチがOFF状態かつ前記第2スイッチがON状態であるときに前記電池の電圧が印加される第1出力端子及び第2出力端子とを備え、
前記制御装置は、前記直流電源から前記第1~第3電池ストリングの少なくとも1つに直流電力を供給する場合には、前記第1~第3ACリレーの各々をOFF状態にして前記第1~第3DCリレーの少なくとも1つをON状態にするように構成され、
前記制御装置は、前記第1~第3電池ストリングから前記第1~第3交流出力端子へそれぞれ交流電力を出力する場合には、前記第1~第3DCリレーの各々をOFF状態にして前記第1~第3ACリレーの各々をON状態にするように構成される、電源システム。 a first battery string, a second battery string, and a third battery string that are Y-connected;
first to third DC lines connecting the DC power supply and the first to third battery strings, respectively;
first to third DC relays respectively provided on the first to third DC lines;
first to third AC lines connecting the first to third AC output terminals and the first to third battery strings, respectively;
first to third AC relays respectively provided on the first to third AC lines;
a control device that controls each of the first to third DC relays and the first to third AC relays;
each of the first to third battery strings includes a plurality of battery circuit modules connected to each other;
Each of the plurality of battery circuit modules includes: a battery; a first switch connected in parallel to the battery; a second switch connected in series to the battery; a first output terminal and a second output terminal to which the voltage of the battery is applied when the switch is in an ON state;
When DC power is supplied from the DC power supply to at least one of the first to third battery strings, the control device turns off each of the first to third AC relays to turn off the first to third battery strings. configured to turn on at least one of the 3DC relays,
When outputting AC power from the first to third battery strings to the first to third AC output terminals, the control device turns off each of the first to third DC relays and turns off the first to third DC relays. A power supply system configured to turn on each of the first to third AC relays.
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WO2024053597A1 (en) * | 2022-09-07 | 2024-03-14 | トヨタ自動車株式会社 | Power supply system |
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2021
- 2021-02-05 JP JP2021017280A patent/JP2022120406A/en active Pending
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