JP2023082913A - 充放電装置、蓄電システム、及び、充放電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の劣化を抑制しつつ、利用可能温度範囲を拡げる。【解決手段】本開示の充放電装置は、蓄電池とＤＣバスとの間にあって双方向に動作可能であり、リアクトル、ローサイドのスイッチ、及び、ハイサイドのスイッチを含む、ＤＣ／ＤＣ変換回路と、蓄電池の温度情報を取得する機能を有し、ＤＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、を備え、制御部は、制御モードとして、温度情報に基づく第１の温度範囲において、ＤＣ／ＤＣ変換回路に、蓄電池の充電及び放電を許可する第１制御モードと、第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、ＤＣ／ＤＣ変換回路に、蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する第２制御モードと、を有する。【選択図】図５

Description

本開示は、充放電装置、蓄電システム、及び、充放電制御方法に関する。充放電とは、充電又は放電を任意に選択して実行することを意味する。

住宅用の蓄電システムにおける蓄電池としては、リチウムイオン電池が広く採用されている。リチウムイオン電池には、蓄電池メーカーが推奨する動作温度範囲がある（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。仮に、その動作温度範囲を外れた温度で使用すると、蓄電池の劣化が早くなる可能性がある。特に、寒冷地における屋外設置の蓄電システムでは、上記の動作温度範囲を下回る低温になる場合があり、このような低温で充放電運転を行うと、劣化が進むと予想される。

国際公開番号ＷＯ２０１４／１２８７５６（段落［００３２］）

家庭用蓄電システム「ＰＯＷＥＲ ＤＥＰＯ（登録商標）ＩＶ」住友電気工業株式会社（Ｗｅｂサイト製品カタログ）

しかしながら、低温では蓄電システムが運転できない、となると、寒冷地では十分に蓄電システムを活用できない。
本開示は、蓄電池の劣化を抑制しつつ、利用可能温度範囲を拡げることを目的とする。

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。

（充放電装置）
本開示の充放電装置は、蓄電池と、ＤＣバスと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間にあって双方向に動作可能であり、リアクトル、ローサイドのスイッチ、及び、ハイサイドのスイッチを含む、ＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記蓄電池の温度情報を取得する機能を有し、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、制御モードとして、
前記温度情報に基づく第１の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の充電及び放電を許可する第１制御モードと、
前記第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する第２制御モードと、
を有する充放電装置である。

（蓄電システム）
本開示の蓄電システムは、前記充放電装置と、前記充放電装置に接続され、直流／交流の電力変換を行うインバータと、を備えたものである。

（充放電制御方法）
本開示の充放電制御方法は、ＤＣ／ＤＣ変換回路を介して蓄電池を充放電させる場合の充放電制御方法であって、
前記蓄電池の温度情報を取得し、
前記蓄電池の第１の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の充電及び放電を許可し、
前記第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する、
充放電制御方法である。

本開示によれば、蓄電池の劣化を抑制しつつ、その利用可能温度範囲を拡げることができる。

図１は、蓄電池を搭載したハイブリッド型の蓄電システムを含む、電源システムの構成を示す単線接続図である。 図２は、図１における充放電装置の第１例を示す回路図である。 図３は、蓄電池の放電を行う場合であって、リアクトルに流れる電流が小電流のときの、シームレス制御と切替制御との違いを例示するグラフであり、（ａ）が、シームレス制御の場合のグラフ、（ｂ）が、切替制御の場合のグラフである。 図４は、本開示における、蓄電池の温度と、充放電装置を含む蓄電システムの動作との関係を示す図である。 図５は、蓄電システムの運転開始時及び運転中に、制御部が定期的に実行する温度による制御モード選択の一例を示すフローチャートである。 図６は、図１における充放電装置の第２例を示す回路図である。 図７は、図１における充放電装置の第３例を示す回路図である。

［本開示の実施形態の説明］
本開示の実施形態には、その要旨として、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）本開示の充放電装置は、蓄電池と、ＤＣバスと、前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間にあって双方向に動作可能であり、リアクトル、ローサイドのスイッチ、及び、ハイサイドのスイッチを含む、ＤＣ／ＤＣ変換回路と、前記蓄電池の温度情報を取得する機能を有し、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、制御モードとして、前記温度情報に基づく第１の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の充電及び放電を許可する第１制御モードと、前記第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する第２制御モードと、を有する。

このような充放電装置によれば、第１の温度範囲では、第１制御モードが実行され、蓄電池の充電及び放電を行うことができる。第２の温度範囲では、第２制御モードが実行され、蓄電池の放電のみ可能であり、充電はできない。充放電装置に使用される蓄電池は、現状では、リチウムイオン電池が主流である。かかる蓄電池には充電／放電に適した第１の温度範囲がある。この第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲で充電を行うと蓄電池が劣化する可能性があるが、放電は、劣化を招かない場合がある。そこで、第２の温度範囲では、蓄電池の放電のみを行うことにより、蓄電池の劣化を抑制しつつ、利用可能温度範囲を拡げることができる。
なお、スイッチとは、スイッチング素子及び、これに逆並列に接続されたダイオードを意味している。

（２）前記（１）の充放電装置では、例えば、前記制御部は、前記第２制御モードにおいて、前記ハイサイドのスイッチを、前記リアクトルから前記ＤＣバスへの一方向に常時通電、かつ、逆方向には通電阻止の状態とし、前記ローサイドのスイッチをスイッチングするようにしてもよい。
この場合、ＤＣバスから蓄電池への電流の流れを阻止し、蓄電池が充電されることを防止できる。

（３）前記（１）又は（２）の充放電装置において、前記蓄電池に付随して、前記蓄電池の内部の温度を検出するバッテリ管理システムが設けられ、前記制御部は、前記バッテリ管理システムから前記温度情報を含む情報を取得する、という構成であってもよい。
この場合、蓄電池の内部の温度に基づいて、より的確に、第１制御モード又は第２制御モードを実行することができる。また、温度情報以外の情報として、例えばＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の情報に基づいて放電の可否を判定することもできる。

（４）前記（１）又は（２）の充放電装置において、前記蓄電池の外部に温度センサが設けられ、前記制御部は、前記温度センサの出力に基づいて、前記温度情報を取得する、という構成であってもよい。
温度センサを蓄電池の外部（例えば外面）に設けた場合でも、内部の温度との相関関係に基づいて、内部の温度を推定し、第１制御モード又は第２制御モードを実行することができる。

（５）前記（１）から（４）のいずれかの充放電装置において、前記第２の温度範囲は、具体的には、前記下限値より低く、前記下限値より１０℃低い温度以上である。
このような第２の温度範囲では、充電は行えないが放電は可能であるという知見を得たことにより、第２制御モードを実行することができた。

（６）前記（１）から（５）のいずれかの充放電装置において、前記ハイサイドのスイッチは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子と逆並列に接続され、前記リアクトルから前記ＤＣバスへ電流が流れる方向を順方向とするダイオードと、を備え、前記制御部は、前記第２制御モードでは前記スイッチング素子を常時オフの状態とするようにしてもよい。
この場合、第２制御モードでは、ＤＣバスから蓄電池への電流の流れを阻止し、蓄電池が充電されることを防止できる。

（７）前記（１）から（６）のいずれかの充放電装置において、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の高電圧側端部の線間電圧を検出する第１電圧センサと、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の低電圧側端部の線間電圧を検出する第２電圧センサと、を備え、前記制御部は、前記電流センサの検出値を、前記リアクトルのインダクタンス、キャリア周波数、前記第１電圧センサの検出値及び前記第２電圧センサの検出値に基づいて補正するようにしてもよい。
この場合、電流センサの検出値を補正することにより、電流不連続状態におけるＤＣ／ＤＣ変換回路の変換効率が向上する。

（８）蓄電システムとしては、（１）から（７）のいずれかの充放電装置と、前記充放電装置に接続され、直流／交流の電力変換を行うインバータと、を備えたものである。
このような蓄電システムでは、蓄電池の劣化を抑制しつつ、利用可能温度範囲を拡げることができる。

（９）方法の観点からは、ＤＣ／ＤＣ変換回路を介して蓄電池を充放電させる場合の充放電制御方法であって、前記蓄電池の温度情報を取得し、前記蓄電池の第１の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の充電及び放電を許可し、前記第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する、充放電制御方法である。

このような充放電制御方法によれば、第１の温度範囲では、蓄電池の充電及び放電を行うことができる。第２の温度範囲では、蓄電池の放電のみ可能であり、充電はできない。蓄電池は、現状では、リチウムイオン電池が主流である。かかる蓄電池には充電／放電に適した第１の温度範囲がある。この第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲で充電を行うと蓄電池が劣化する可能性があるが、放電は、劣化を招かない場合がある。そこで、第２の温度範囲では、蓄電池の放電のみを行うことにより、蓄電池の劣化を抑制しつつ、利用可能温度範囲を拡げることができる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の充放電装置及び蓄電システムの具体例について、図面を参照して説明する。

《蓄電システム》
図１は、蓄電池を搭載したハイブリッド型の蓄電システム１を含む、電源システム１００の構成を示す単線接続図である。蓄電システム１の直流側入力端Ｐ１には、太陽光発電パネル２が接続されている。蓄電システム１の交流側端部Ｐ２は、単相３線式の商用電力系統３と接続されている。もう一つの交流側端部Ｐ３は、単相３線の、２００Ｖ又は１００Ｖの負荷４と接続されている。なお、ハイブリッド型というのは一例であり、太陽光発電パネルを接続しない単機能型の蓄電システムもある。

図１の蓄電システム１は、内部に、蓄電池１１と、ＤＣバス１２と、蓄電池１１とＤＣバス１２との間に設けられた第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＤＣバス１２に出力可能な、太陽光発電用の第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣバス１２に接続されたインバータ１５と、インバータ１５の交流側端部１５ａから商用電力系統３へ繋がる第１交流電路１６と、交流側端部１５ａから負荷４へ給電する第２交流電路１７と、第１交流電路１６に設けられた逆電力検出用の電流センサとしてのＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）１８と、第１交流電路１６に設けられ、商用電力系統３との連系又は解列を実行する開閉器としてのリレー１９と、を備えている。なお、ＣＴ１８とリレー１９とは互いに位置が逆になってもよい。

蓄電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１３とは、充放電装置１０を構成している。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、双方向に変換動作が可能であり、ＤＣバス１２の電圧に基づいて降圧した電圧により蓄電池１１を充電するほか、逆に、蓄電池１１の出力電圧を昇圧してＤＣバス１２に送り込むことができる。インバータ１５も双方向に変換動作が可能であり、ＤＣバス１２の電圧に基づいて交流電力を提供するほか、逆に、交流電圧を直流電圧に変換してＤＣバス１２に供給することもできる。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３，１４、インバータ１５、及び、リレー１９を制御するとともに、ＣＴ１８の検出出力を受け取る制御部があるが、ここでは図示を省略している。商用電力系統３が正常であるときは、リレー１９は閉路し、電源システム１００は商用電力系統３と系統連系している。

太陽光発電パネル２の発電電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４によりＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御され、ＤＣバス１２にＤＣ電圧が供給される。ＤＣバス１２の電圧はインバータ１５により単相３線式の交流電力に変換され、負荷４に供給されるとともに、商用電力系統３へ逆潮流させて売電することができる。また、ＤＣバス１２からＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して蓄電池１１を充電することもできる。

太陽光発電パネル２が発電していないとき又は発電量が不足しているときは、蓄電池１１を放電させＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介してＤＣバス１２に出力し、さらに、インバータ１５を介して負荷４に電力を供給することができる。この場合は、蓄電池由来の電力が商用電力系統３に逆潮流（逆電力）とならないよう、ＣＴ１８の検出出力に基づいて、蓄電システム１の制御が行われる。また、商用電力系統３から負荷４に電力を供給することができる。商用電力系統３の交流電圧をインバータ１５により逆変換してＤＣバス１２に電力を供給し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して蓄電池１１を充電することもできる。

商用電力系統３の停電時には、リレー１９が開路され、蓄電システム１は、商用電力系統３から解列される。この状態でも、太陽光発電中であれば太陽光発電の自立出力運転による電力を、単相３線２００Ｖ／１００Ｖの全負荷対応で、負荷４に供給することができる。太陽光発電パネル２が発電していないとき又は発電量が不足しているときは、蓄電池１１を放電させて、負荷４に電力を供給することができる。

《充放電装置：第１例》
図２は、図１における充放電装置１０の第１例を示す回路図である。図において、充放電装置１０内のＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａと、制御部１３Ｂとにより構成される。ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａは、低電圧側（蓄電池１１側）端部Ｔ_Ｌの直流電圧ｖ_ｉを、高電圧側（ＤＣバス１２側）端部Ｔ_Ｈの直流電圧ｖ_ｏに変換するか、又は、その逆の変換をする双方向変換が可能な回路である。相対的に、ｖ_ｉの方が低電圧、ｖ_ｏの方が高電圧の関係となる。

ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａは、主回路要素として、コンデンサ１３１、リアクトル１３２、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｈ、ローサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｌ、及び、コンデンサ１３３を備えている。スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌは同じ向きに直列に互いに接続されて直列体を成し、その相互接続点にリアクトル１３２の一端が接続されている。リアクトル１３２の他端及びスイッチング素子Ｑ_Ｌの一端（エミッタ）は、低電圧側端部Ｔ_Ｌに繋がっている。直列体の両端（スイッチング素子Ｑ_Ｈのコレクタ、スイッチング素子Ｑ_Ｌのエミッタ）は高電圧側端部Ｔ_Ｈに繋がっている。高電圧側端部Ｔ_Ｈは、ＤＣバス１２に接続される。

スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌは例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、それぞれ、逆並列にダイオードｄ_Ｈ，ｄ_Ｌが接続されている。

計測・制御用の回路要素としては、電圧ｖ_ｉ又はコンデンサ１３１の両端電圧を検出する電圧センサ１３４が設けられている。電圧センサ１３４の検出出力は制御部１３Ｂに送られる。リアクトル１３２に流れる電流は、電流センサ１３５によって検出される。電流センサ１３５の検出出力は制御部１３Ｂに送られる。また、電圧ｖ_ｏ又はコンデンサ１３３の両端電圧を検出する電圧センサ１３６が設けられている。電圧センサ１３６の検出出力は制御部１３Ｂに送られる。バッテリ管理システム（ＢＭＳ：Ｂａｔｅｒｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）２０は、蓄電池１１に付随して設けられ、蓄電池１１の内部の温度情報、ＳＯＣ、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）その他、各種の電池情報を制御部１３Ｂに提供する。

スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌのオン／オフ制御は、制御部１３Ｂによって行われる。制御部１３Ｂは、例えばマイクロコンピュータを含むものであり、マイクロコンピュータがソフトウェア（コンピュータプログラム）を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部１３Ｂの記憶装置（図示せず。）に格納される。なお、制御部１３Ｂは、マイクロコンピュータと同等の機能を有する他のデバイスで構成されていてもよい。

上記制御部１３Ｂは、実際には図１におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１４及びインバータ１５も制御するが、ここでは、充放電装置１０におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１３の制御にのみ着目して説明する。
スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌの制御には、充電／放電のいずれの場合も両方のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる相補スイッチングを行うシームレス制御と、充電か放電かに対応して一方のスイッチング素子のみをスイッチングし、他方のスイッチング素子はオフに固定する切替制御とがある。本開示では、少なくとも低温の所定温度範囲では、切替制御を採用する。

切替制御により蓄電池１１を充電するときは、ローサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｌをオフに固定し、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｈのみをスイッチングさせる。これにより、ＤＣバスの電圧ｖ_ｏを降圧した電圧ｖ_ｉにより蓄電池１１が充電される。ローサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｌ及びダイオードｄ_Ｌには、電流が流れない。
切替制御により蓄電池１１を放電させるときは、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｈをオフに固定し、ローサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｌのみをスイッチングさせる。スイッチング素子Ｑ_Ｈがオフであっても、ダイオードｄ_Ｈの順方向には電流が流れる。これにより、蓄電池１１の電圧ｖ_ｉが昇圧されて、電圧ｖ_ｏとしてＤＣバス１２に送り込まれる。ハイサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｈがオフであるため、蓄電池１１を充電する方向には電流が流れない。

図３は、蓄電池１１の放電を行う場合であって、リアクトル１３２に流れる電流が小電流のときの、シームレス制御と切替制御との違いを例示するグラフである。（ａ）が、シームレス制御の場合のグラフであり、（ｂ）が、切替制御の場合のグラフである。
シームレス制御の場合、充電／放電で基本的に制御が変わらず、制御上の電流指令値が正であれば放電、負であれば充電となる。電流は連続して変化する電流連続状態となる。電流の平均値が大きいときは、波形が０［Ａ］より十分上に上がるので、０［Ａ］を割ることはない。しかしながら、小電流の場合、制御上では電流指令値が正（放電）であっても、リプル電流が負の方向（充電）に入り込んで意図せぬ充電が起こりうる。

これに対して、（ｂ）の切替制御では、放電時にはハイサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｈがオフに固定されているため、負の方向に電流は流れず、充電はされない。電流の変化は、０［Ａ］を介在させる電流不連続状態となる。相補スイッチング制御では充電になるところでも、電流は０［Ａ］となる。

《温度による制御モード》
図４は、本開示における、蓄電池１１の温度と、充放電装置１０を含む蓄電システム１の動作との関係を示す図である。温度［℃］が４０℃以上の高温では、蓄電システム１は、自己の保護のため運転を停止する。－２０℃より低温の場合も同様に、運転停止である。－１０℃から４０℃までの範囲（第１の温度範囲の一例）では、充電及び放電の動作が可能である（第１制御モード）。そして、このたび、－１０℃より低温であるが、－２０℃以上の場合（第２の温度範囲の一例）は、放電のみであれば（第２制御モード）、劣化の進行を抑制しつつ使用可能であるという知見を得るに至った。但し、充電はできない。
なお、この場合でも、例えばＳＯＣの情報に基づいて放電の可否を判定し、放電が困難であれば放電させないという判定をすることもできる。

図５は、蓄電システム１の運転開始時及び運転中に、制御部１３Ｂが定期的に実行する温度による制御モード選択の一例を示すフローチャートである。制御部１３Ｂは、ステップＳ１において、蓄電池１１の温度が－２０℃から４０℃の範囲内か否かを判定する。ＮＯの場合は、運転停止である（ステップＳ５）。ＹＥＳの場合、制御部１３Ｂは、ステップＳ２において、蓄電池１１の温度が－１０℃から４０℃の範囲内か否かを判定する。ここでもＹＥＳの場合、充放電許可となり（ステップＳ３）、充電、放電ともに可能となる。ステップＳ２においてＮＯの場合は、温度が－１０℃より低温であるが、－２０℃以上であることになるので、放電のみ許可される（ステップＳ４）。このようにして、従来使用できなかった低温領域でも、放電に限定することで、使用可能な温度範囲を拡げることができる。

《充放電装置：第２例》
図６は、図１における充放電装置１０の第２例を示す回路図である。図２との違いは、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）２０ではなく、蓄電池１１の外部に温度センサ２１を設けて温度情報を取得する点である。蓄電池１１の内部の温度は、蓄電池１１の例えば外面の温度と相関関係があるので、外面の温度から推定することができる。そこで、外面の温度を温度センサ２１で検出し、その検出出力に基づいて制御部１３Ｂが推定するようにしてもよい。なお、その他、蓄電池１１の周囲温度（空気の温度）から内部の温度を推定することも可能である。

《充放電装置：第３例》
図７は、図１における充放電装置１０の第３例を示す回路図である。図２との違いは、スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌとして、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いている点であり、その他の回路構成は図１と同様である。但し、この場合、シームレス制御と切替制御とを使い分ける。ＭＯＳＦＥＴがオンの状態では、ダイオードを除く素子本体部分が双方向に導通可能である。素子本体部分の通電抵抗は、ダイオードより低い。そのため、相補スイッチングを行うことによって導通損失を低減することができ、シームレス制御を選択する意義がある。

制御部１３Ｂは、蓄電池１１の温度が充放電可能な領域であり充放電許可（図５のステップＳ３）の場合は、スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌを相補スイッチングして、シームレス制御を行う。放電のみ許可（図５のステップＳ４）の場合には、制御部１３Ｂは切替制御を行う。切替制御により、充電を禁止しつつ、放電のみを行わせることができる。

《リアクトル電流の補正とＰＷＭ制御について》
なお、シームレス制御では、出力電流が小さいときに、電流不連続状態にならず、常に電流連続状態で動作するためリプル電流の振幅が大きい。そのため、低出力時にはスイッチング素子やリアクトルの抵抗によって発生する損失の割合が増え、変換効率が低下する。これを抑制するため、例えば、以下の手法を用いることができる。

例えば、電圧ｖｉ、ｖｏは定電圧であるとする。これらの電圧は、充電状態や、流れる電流によって生ずる電圧降下によって変化するが、コンデンサ１３１，１３３によってインピーダンスが低減されており、スイッチング周期程度の短時間では電圧は一定と考えてよい。よって、低電圧側、高電圧側はそれぞれ、電圧ｖ_ｉ、電圧ｖ_ｏの電圧源とみなす。リアクトル１３２のインダクタンスをＬ、リアクトル１３２に流れる電流はｉ_Ｌ、電流ｉ_Ｌのリプルの中点における検出値をｉ_ｄ、キャリア周波数をｆ_ｓとする。電流の符号は放電方向を「＋」、充電方向を「－」と定義する。

（使用する記号の一覧）
ｖ_ｉ：低電圧側の電圧
ｖ_ｏ：高電圧側の電圧
Ｌ：リアクトルのインダクタンス
ｉ_Ｌ：リアクトル電流（リアクトルに流れる電流）
ｉ^＊ _Ｌ：リアクトル電流指令値（制御の指令値）
ｉ_ｄ：リアクトル電流のセンサ検出値（キャリアの谷で検出）
ｉ_Ｌｘ：電流不連続状態におけるリアクトル電流換算値
＜ｉ_Ｌ＞：リアクトル電流の平均値（連続状態ではｉ_ｄと一致）
ｆ_ｓ：キャリア周波数
Ｔ_ｓ：キャリア周期
Ｄ：ローサイドのスイッチング素子Ｑ_ＬのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）参照値
Ｄ_２：ハイサイドのスイッチング素子Ｑ_ＨのＰＷＭ参照値
Ｋ_ｃｄ：フィードバック制御のゲイン（放電時、電流連続状態）
Ｋ_ｄｄ：フィードバック制御のゲイン（放電時、電流不連続状態）
Ｋ_ｃｃ：フィードバック制御のゲイン（充電時、電流連続状態）
Ｋ_ｄｃ：フィードバック制御のゲイン（充電時、電流不連続状態）

上記ハイサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｈと、ローサイドのスイッチング素子Ｑ_Ｌとは、交互にオンになるよう制御部１３Ｂにより、制御される。
リアクトル１３２をチャージ（エネルギー蓄積）する期間をエネルギー蓄積期間、ディスチャージ（エネルギー放出）する期間をエネルギー放出期間と称する。

エネルギー蓄積期間に導通するスイッチング素子のゲート制御パルスを生成するためのＰＷＭ参照値は以下のようにして得られる。
放電時、電流不連続状態におけるリアクトル電流換算値は、ｉ^＊ _Ｌ≧０のとき、以下の式（１）により表される。
ｉ_Ｌｘ＝２Ｌｆ_ｓｉ_ｄ ^２［（１／ｖ_ｉ）＋｛１／（ｖ_ｏ－ｖ_ｉ）｝］ ・・・（１）

また、放電時、電流連続状態におけるローサイドのスイッチング素子Ｑ_ＬのＰＷＭ参照値Ｄは、ｉ^＊ _Ｌ≧０、かつ、ｉ_Ｌｘ≧ｉ_ｄの場合、以下の式（２）により表される。
Ｄ＝｛（ｖ_ｏ－ｖ_ｉ）／ｖ_ｏ｝＋｛Ｋ_ｃｄＬｆ_ｓ（ｉ^＊ _Ｌ－ｉ_ｄ）／ｖ_ｏ｝
・・・（２）

放電時、電流不連続状態におけるローサイドのスイッチング素子Ｑ_ＬのＰＷＭ参照値Ｄは、ｉ^＊ _Ｌ＞０、かつ、ｉ_Ｌｘ＜ｉ_ｄの場合、以下の式（３）により表される。
Ｄ＝｛２Ｌｆ_ｓ（ｖ_ｏ－ｖ_ｉ）／(ｖ_ｉｖ_ｏ)｝^１／２＋
｛Ｌｆ_ｓ（ｖ_ｏ－ｖ_ｉ）／(２ｉ^＊ _Ｌ ｖ_ｉｖ_ｏ)｝^１／２ Ｋ_ｄｄ（ｉ^＊ _Ｌ－ｉ_Ｌｘ）
・・・（３）

充電時、電流不連続状態におけるリアクトル電流換算値は、ｉ^＊ _Ｌ＜０の場合、以下の式（４）により表される。
ｉ_Ｌｘ＝２Ｌｆ_ｓｉ_ｄ ^２［｛１／（ｖ_ｉ－ｖ_ｏ）｝－（１／ｖ_ｉ）］ ・・・（４）
充電時、電流連続状態におけるハイサイドのスイッチング素子Ｑ_ＨのＰＷＭ参照値Ｄ_２は、ｉ^＊ _Ｌ＜０、かつ、ｉ_Ｌｘ≧ｉ_ｄの場合、以下の式（５）により表される。
Ｄ_２＝（ｖ_ｉ／ｖ_ｏ）－｛Ｋ_ｃｃＬｆ_ｓ（ｉ^＊ _Ｌ－ｉ_ｄ）／ｖ_ｏ｝ ・・・（５）

充電時、電流不連続状態におけるハイサイドのスイッチング素子Ｑ_ＨのＰＷＭ参照値Ｄ_２は、ｉ^＊ _Ｌ＜０、かつ、ｉ_Ｌｘ＜ｉ_ｄの場合、以下の式（６）により表される。
Ｄ_２＝｛２Ｌｆ_ｓｉ^＊ _Ｌｖ_ｉ／(ｖ_ｏ（ｖ_ｉ-ｖ_ｏ）)｝^１／２＋
｛Ｌｆ_ｓｖ_ｉ／(２ｖ_ｉ（ｖ_ｉ－ｖ_ｏ）ｉ^＊ _Ｌ)｝^１／２ Ｋ_ｄｃ（ｉ^＊ _Ｌ－ｉ_Ｌｘ）
・・・（６）

上記式（１），（４）により、電流センサ１３５の検出値を、リアクトル１３２のインダクタンス、キャリア周波数、電圧ｖｉ、電圧ｖｏに基づいて補正して、リアクトル１３２に流れる電流の換算値を求めることができる。換算値に基づいて、電流連続状態と電流不連続状態とを識別することができる。また、上記式（２），（３），（５），（６）により、スイッチング素子Ｑ_Ｈ，Ｑ_ＬのＰＷＭ制御における、適切なＰＷＭ参照値を求めることができる。

《開示のまとめ》
以上のように、本開示の蓄電システム１における充放電装置１０は、蓄電池１１と、ＤＣバス１２との間にあって双方向に動作可能であり、リアクトル１３２、ローサイドのスイッチ（スイッチング素子Ｑ_Ｌ，ダイオードｄ_Ｌ）、及び、ハイサイドのスイッチ（スイッチング素子Ｑ_Ｈ，ダイオードｄ_Ｈ）を含む、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａと、蓄電池１１の温度情報を取得する機能を有し、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａを制御する制御部１３Ｂと、を備えている。そして、制御部１３Ｂは、制御モードとして、温度情報に基づく第１の温度範囲において、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａに、蓄電池１１の充電及び放電を許可する第１制御モードと、第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３Ａに、蓄電池１１の放電を許可し、かつ、充電を禁止する第２制御モードと、を有する。

例えば、第１の温度範囲とは、－１０℃から４０℃の範囲である。第２の温度範囲とは、－１０℃より低温であり－２０℃以上である。但し、温度の数値は一例にすぎず、この例示に限定されるわけではない。第２の温度範囲は、使用可能温度範囲を拡げる効果を得るためには、上限から下限までの幅が、１０℃程度あることが好ましいと考えられる。

このような充放電装置１０によれば、第１の温度範囲では、第１制御モードが実行され、蓄電池１１の充電及び放電を行うことができる。第２の温度範囲では、第２制御モードが実行され、蓄電池１１の放電のみ可能であり、充電はできない。充放電装置１０に使用される蓄電池１１としてのリチウムイオン電池には充電／放電に適した第１の温度範囲がある。この第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲で充電を行うと蓄電池１１が劣化する可能性があるが、放電は、劣化を招かない場合がある。そこで、第２の温度範囲では、蓄電池１１の放電のみを行うことにより、蓄電池１１の劣化を抑制しつつ、利用可能温度範囲を拡げることができる。

《補記》
なお、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全ての変更が含まれることが意図される。

１ 蓄電システム
２ 太陽光発電パネル
３ 商用電力系統
４ 負荷
１０ 充放電装置
１１ 蓄電池
１２ ＤＣバス
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３Ａ ＤＣ／ＤＣ変換回路
１３Ｂ 制御部
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ インバータ
１５ａ 交流側端部
１６ 第１交流電路
１７ 第２交流電路
１８ ＣＴ
１９ リレー
２０ バッテリ管理システム（ＢＭＳ）
２１ 温度センサ
１００ 電源システム
１３１ コンデンサ
１３２ リアクトル
１３３ コンデンサ
１３４ 電圧センサ
１３５ 電流センサ
１３６ 電圧センサ
ｄ_Ｈ，ｄ_Ｌ ダイオード
Ｐ１ 直流側端部
Ｐ２，Ｐ３ 交流側端部
Ｑ_Ｈ，Ｑ_Ｌ スイッチング素子
Ｔ_Ｈ 高電圧側端部
Ｔ_Ｌ 低電圧側端部

Claims (9)

1. 蓄電池と、
   ＤＣバスと、
   前記蓄電池と前記ＤＣバスとの間にあって双方向に動作可能であり、リアクトル、ローサイドのスイッチ、及び、ハイサイドのスイッチを含む、ＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記蓄電池の温度情報を取得する機能を有し、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、制御モードとして、
   前記温度情報に基づく第１の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の充電及び放電を許可する第１制御モードと、
   前記第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する第２制御モードと、
   を有する充放電装置。
2. 前記制御部は、前記第２制御モードにおいて、
   前記ハイサイドのスイッチを、前記リアクトルから前記ＤＣバスへの一方向に常時通電、かつ、逆方向には通電阻止の状態とし、
   前記ローサイドのスイッチをスイッチングする、
   請求項１に記載の充放電装置。
3. 前記蓄電池に付随して、前記蓄電池の内部の温度を検出するバッテリ管理システムが設けられ、前記制御部は、前記バッテリ管理システムから前記温度情報を含む情報を取得する請求項１又は請求項２に記載の充放電装置。
4. 前記蓄電池の外部に温度センサが設けられ、前記制御部は、前記温度センサの出力に基づいて、前記温度情報を取得する請求項１又は請求項２に記載の充放電装置。
5. 前記第２の温度範囲は、前記下限値より低く、前記下限値より１０℃低い温度以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の充放電装置。
6. 前記ハイサイドのスイッチは、
   スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子と逆並列に接続され、前記リアクトルから前記ＤＣバスへ電流が流れる方向を順方向とするダイオードと、を備え、
   前記制御部は、前記第２制御モードでは前記スイッチング素子を常時オフの状態とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の充放電装置。
7. 前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の高電圧側端部の線間電圧を検出する第１電圧センサと、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の低電圧側端部の線間電圧を検出する第２電圧センサと、
   を備え、
   前記制御部は、前記電流センサの検出値を、前記リアクトルのインダクタンス、キャリア周波数、前記第１電圧センサの検出値及び前記第２電圧センサの検出値に基づいて補正する、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の充放電装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項の充放電装置と、
   前記充放電装置に接続され、直流／交流の電力変換を行うインバータと、
   を備えた蓄電システム。
9. ＤＣ／ＤＣ変換回路を介して蓄電池を充放電させる場合の充放電制御方法であって、
   前記蓄電池の温度情報を取得し、
   前記蓄電池の第１の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の充電及び放電を許可し、
   前記第１の温度範囲の下限値より低い第２の温度範囲において、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に、前記蓄電池の放電を許可し、かつ、充電を禁止する、
   充放電制御方法。

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