JP2024041010A - 電池容量制御装置および蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池間の電圧を均等化させるアクティブ方式のバランス補正回路を提供する。【解決手段】蓄電システム１において、電池容量制御装置５は、第１電池ユニットＢ１及び第１電池ユニットに直列接続し、第１電池ユニットから直流電力が供給される第２電池ユニットＢ２と、第１電池ユニットの入力に接続する第１正極端子と、第１電池ユニットの出力及び第２電池ユニットの入力に接続する第１負極端子を有する第１入出力部と、第２電池ユニットの入力に接続する第２正極端子と、第２電池ユニットの出力に接続する第２負極端子を有する第２入出力部との間で、第１入出力部から第２入出力部への第１電力変換又は第２入出力部から第１入出力部への第２電力変換を行う双方向スイッチング部と、を備える双方向電力変換部１００と、第１電池ユニットから第２電池ユニット又はその逆方向に電力を供給するように双方向電力変換部を制御する制御部１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電池容量制御装置および蓄電システムに関する。

再生可能エネルギー（以下：再エネ）の普及に伴い再エネを有効活用するため余剰電力を貯蓄する蓄電池が必須である。今後の更なる再エネの普及により蓄電池の必要容量が従来以上に増加する。

複数の二次電池が直列に接続された電池モジュールを充電する場合に、二次電池の電圧にばらつきがあると、一部の電池が過充電状態になることがある。そこで、電池の電圧を測定して電圧を均等化させるバランス補正装置および電圧測定装置が知られている。近年、電力のロスを抑制しつつ、蓄電セル間の電圧を均等化させるアクティブ方式のバランス補正回路が提案されている（特許文献１を参照。）。

特開２０１６－０１０２７２号公報

開示のバランス補正回路は、充電装置から供給される電力で電池容量のバランスをとっている。そのため、外部からの電力供給がないと動作しない。

上記課題を解決する実施形態は、以下の項目により示される。

［項目１］
直列に接続された複数の電池ユニットの容量を制御する電池容量制御装置であって、
前記複数の電池ユニットには、第１電池ユニットと、前記第１電池ユニットに直列接続するとともに、前記第１電池ユニットから直流電力が供給される第２電池ユニットがあり、
前記第１電池ユニットの入力に接続する第１正極端子と、前記第１電池ユニットの出力および前記第２電池ユニットの入力に接続する第１負極端子とを有する第１入出力部と、前記第２電池ユニットの入力に接続する第２正極端子と、前記第２電池ユニットの出力に接続する第２負極端子とを有する第２入出力部との間で、前記第１入出力部から前記第２入出力部への第１電力変換、または、前記第２入出力部から前記第１入出力部への第２電力変換を行う双方向スイッチング部と、を備える双方向電力変換部と、
前記第１電池ユニットから前記第２電池ユニットに、または、前記第２電池ユニットから前記第１電池ユニットに電力を供給するように前記双方向電力変換部を制御する制御部と、
を備える電池容量制御装置。
［項目２］
前記制御部は、電池容量が多い前記電池ユニットから、電池容量が少ない前記電池ユニットに対して充電するように、前記双方向電力変換部を制御する、項目１に記載の電池容量制御装置。
［項目３］
前記第１電池ユニットの入力電圧を検出する第１電圧センサと、
前記第２電池ユニットの入力電圧を検出する第２電圧センサと、
前記第１電池ユニットおよび前記第２電池ユニットを流れる電流を検出する電流センサと、を備え、
前記制御部は、第１電圧センサから得られる電圧値と、前記電流センサから得られる電流値に基づく電圧と電流曲線から、前記第１電池ユニットの電池容量を求め、且つ、第２電圧センサから得られる電圧値と、前記電流センサから得られる電流値に基づく電圧と電流曲線から、前記第２電池ユニットの電池容量を求める、項目２に記載の電池容量制御装置。
［項目４］
前記双方向電力変換部は、前記第１入出力部と接続するとともに、第１のコンデンサを含む第１平滑部と、前記第２入出力部と接続するとともに、第２のコンデンサを含む第２平滑部と、を備え、
前記双方向スイッチング部は、インダクタ及び絶縁用トランスを含み、前記第１平滑部または第２平滑部により平滑化された電圧をスイッチングして所定の出力電圧に電力変換するスイッチング部と、を備える、項目１～３の何れかに記載の電池容量制御装置。
［項目５］
前記第１および第２電池ユニットは、電池セルである、項目１～４の何れかに記載の電池容量制御装置。
［項目６］
前記第１および第２電池ユニットは、直列接続される２つ以上の電池セルを含む、項目１～４の何れかに記載の電池容量制御装置。
［項目７］
項目１～６の何れかの電池容量制御装置と、直列に接続された複数の電池ユニットとを備える蓄電システム。

本実施形態に係る電力制御装置は、外部からの電力供給が無い状態でも、直列接続される電池ユニット内で電池容量のバランスをすることができる。

電池システムおよび電池容量制御装置の一例を示す図である。 電池ユニットの構成例を示す図である。 双方向電力変換部の構成例を示す回路図である。 図２の双方向電力変換部を昇圧スイッチングさせるときの各半導体スイッチＱ１～Ｑ８の制御信号を示すタイミングチャートである。 図２の双方向電力変換部を降圧スイッチングさせるときの各半導体スイッチＱ１～Ｑ８の制御信号を示すタイミングチャートである。 電流経路の一例を示す図である。 電流経路の一例を示す図である。 電流経路の一例を示す図である。 電流経路の一例を示す図である。

以下、本実施形態に係る電池容量制御装置を、説明する。

１．蓄電システム
図１に示される電池容量制御装置１は、直列接続した電池ユニットＢ１、Ｂ２、双方向電力変換部１００、および制御部（「ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ」に相当する）１０を備える。蓄電システム１のうち、制御部１０と双方向電力変換部１００とを含む装置を、電力容量制御装置５という。蓄電システム１は、図示しない、蓄電池電力変換器（蓄電池パワーコンディショナともいう）と接続する。

２．電池ユニット
図２は、電池ユニットの構成例を示す図である。
図２（Ａ）は、電池ユニットが電池セルである事例を示す。

図２（Ｂ）は、電池ユニットが直列に接続された電池セルの事例を示す。ＥＶ／ＰＨＥＶ等の電動車輌の普及も著しく蓄電池容量増加に対し電動車輌の蓄電池を共用することはコスト／流通面で好適である。一方、国内に普及する電動車輌は充電規格（ＣＨＡｄｅＭＯ規格）の制約により上限電圧が４５０Ｖと定められているため４００Ｖ級が一般的である。

再エネの普及に対し４００Ｖ級蓄電池のみで対応した場合には電流容量が増加の一途をたどることは容易に想定可能である。現状の大容量のインバータの直流側（太陽光パネル等）は７５０Ｖと高電圧である。電流容量の増加は使用する部品の大電流対応や敷設するケーブルの大口径化等を招き設置コストの増加となる。

電流容量の増加を抑制するためには４００Ｖ級蓄電池を多数直列接続することで充放電電圧の上昇に伴い電流は抑制可能である。但し、一般的に蓄電池は多数のセルを直列接続しておりセルの過充電／過放電を防止するために各セルのバランスを制御する必要がある。しかし、直列接続された電池ユニット間の容量／電圧バランス制御については対応が必要である。複数の蓄電池セルを直列接続した際には蓄電池間でも容量／電圧のバランス制御を行う必要がある。

図２（Ｃ）は、電池ユニットが直列に接続された電池セルの事例を示す。図２（Ｃ）に示す電池ユニットＢ１とＢ２は、電池容量が異なる。後述する制御部は、電池ユニットＢ１、Ｂ２の電力容量のうち、少ない容量の電池に充電するように動作するため、電池ユニットＢ１、Ｂ２は同じ容量である必要はない。

３．制御部
制御部１０は、直列接続した電池ユニットＢ１、Ｂ２の各々の電圧を監視する。電圧を監視するための、電圧センサＳ１、Ｓ２は、それぞれ、電池ユニットＢ１の入力側、電池ユニットＢ２の出力側に設けられ、電圧値を制御部１０に送る。電流センサＳ３は、第１電池ユニットまたは前記第２電池ユニットを流れる電流を検出する電流センサである。制御部１０は、電圧センサから得られる電圧値と、電流センサから得られる電流値に基づく電圧と電流曲線から、電池ユニットの電池容量を求めることができる。

制御部１０の制御は、例えば、電池ユニットＢ１の容量が１０ｋＷｈであり、電池ユニットＢ２の容量が２０ｋＷｈであった時、二つの蓄電池を満充電し直列に接続し放電した時には蓄電池１の容量がゼロになった場合、電池ユニットＢ２は２０ｋＷｈ－１０ｋＷｈ＝１０ｋＷｈの容量が存在する。そこで電池ユニットＢ２の容量の半分の５ｋＷｈを、双方向電力変換部を制御することで、電池ユニットＢ１へ充電することにより電池ユニットＢ１は５ｋＷｈの容量になりさらに放電可能となる。この結果として全体の容量は３０ｋＷｈ使用することが可能である。

このように、制御部１０と電力量の多い電池ユニットの電力量（Ｗｈ）を、電力量の少ない電池ユニットに、双方向電力変換部１００を制御して送ることで、電池ユニット全体の電力量を利用することを可能にする。

また、複数の直列接続の電池ユニットは、いずれかの電池の容量が無くなると、直列接続電池ユニットとしての使用電圧範囲から下に外れるため、使用できなくなる。本実施形態に係る電池容量制御装置は、容量の大きい電池ユニットから、容量の小さい電池ユニットに、充電することができるので、直列接続電池ユニットの可用性を上げることができる。

電池容量の計算
電池容量の計算は、蓄電池の電圧と電流曲線を利用して、電圧にて推算可能である。本実施形態の対象は、電池ユニットであるため、蓄電セル単品の容量ではなく、電池ユニットを一つの電池とみたてて、電池の電力量を計算する。

電池ユニットの状態に関する情報としては、電池ユニットの電圧値、電池ユニットを流れる電流値、電池ユニットの電池容量、電池ユニットの温度、電池ユニットの劣化状態、電池ユニットのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）などを例示することができる。電池ユニットの電池容量としては、満充電状態における電池容量、電池ユニットの定格電池容量（定格容量と称される場合がある。）などを例示することができる。電池ユニットの温度は、蓄電セルの内部又は表面の温度であってもよく、蓄電セルの周囲の空間又は蓄電セルの周囲に配された部材の温度であってもよい。蓄電セルの温度を測定するセンサは、蓄電セル毎に配されてもよく、１つのセンサにより測定された温度を、電池ユニットの温度として取り扱ってもよい。

電池ユニットの劣化状態は、例えば、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）により表される。電池ユニットのＳＯＨ［％］は、劣化時の満充電容量［Ａｈ］÷初期の満充電容量［Ａｈ］×１００として表される。電池ユニットのＳＯＨの算出方法又は推算方法は特に限定されるものではないが、例えば、制御部１０は、電池ユニットの直流抵抗値に基づいて、電池ユニットのＳＯＨを決定する。制御部１０は、電池ユニットの開放電圧値に基づいて、電池ユニットのＳＯＨを決定してもよい。電池ユニットのＳＯＣ［％］は、残容量［Ａｈ］÷満充電容量［Ａｈ］×１００として表される。電池ユニットのＳＯＣの算出方法又は推算方法は特に限定されるものではないが、例えば、制御部１０は、電池ユニットの電圧の測定結果に基づいて、電池ユニットのＳＯＣを決定する。制御部１０は、電池ユニットの電圧のＩＶ特性データに基づいて、電池ユニットのＳＯＣを決定してもよい。制御部１０は、電池ユニットの電流値の積算値に基づいて、電池ユニットのＳＯＣを決定してもよい。

４．双方向電力変換部
図３は、図１の双方向電力変換部１００の構成例を示す回路図である。図３において、双方向電力変換部１００は、第１平滑部Ｃ１と、双方向スイッチング部１２０と、第２平滑部Ｃ２と、制御部１０と、を備える。以下の説明において、直流電流は、第１平滑部Ｃ１、スイッチング部１２０、第２平滑部Ｃ２に流れる説明を行う。第1平滑部Ｃ１および第２平滑部Ｃ２は、例えば、電解コンデンサで構成される。

第１入出力部は、電池ユニットＢ１の入力に接続する正極端子と、電池ユニットＢ１の出力および電池ユニットＢ２の入力に接続する負極端子とを有するとともに、第２平滑部Ｃ２を有する。
第２入出力部は、電池ユニットＢ２の入力に接続する正極端子と、電池ユニットＢ２の出力に接続する負極端子とを有するとともに、第１平滑部Ｃ１を有する。
電池ユニットＢ１またはＢ２から出力される直流電流は、第１平滑部Ｃ１を介して双方向スイッチング部１２０に入力される。双方向スイッチング部１２０は制御部１０により制御され、入力される直流電圧を交流電圧に変換した後、変化後の交流電圧を直流電圧に変換し、第１平滑部Ｃ２を介して、電池ユニットＢ１またはＢ２に出力する。なお、電池ユニットＢ１またはＢ２との直流電流の流れは、後述する。

制御部１０は、半導体スイッチＱ１～Ｑ８のための制御信号を発生して出力することにより、双方向電力変換部１００の運転時に、双方向電力変換部１００を、双方向コンバータとして動作させる。

双方向スイッチング部１２０は、スイッチング部１２１，１２２と、絶縁用トランス１１３と、インダクタＬｓ１、Ｌｓ２、巻線Ｌ１、Ｌ２とを備えて構成される。ここで、スイッチング部１２１は、例えば、ブリッジ形状で接続された４個のＭＯＳＦＥＴである半導体スイッチＱ１～Ｑ４と、各半導体スイッチＱ１～Ｑ４に並列にそれぞれ接続された逆阻止用ダイオードＤ１～Ｄ４とを備える。半導体スイッチＱ１～Ｑ４は制御部１０からの各制御信号によりオンオフ制御され、入力される直流電圧を交流電圧に変換してインダクタＬｓ１を介して絶縁用トランス１１３の１次巻線Ｌ１に出力する。

また、スイッチング部１２２は、ブリッジ形状で接続された４個のＭＯＳＴＦＥＴである半導体スイッチＱ５～Ｑ８と、各半導体スイッチＱ５～Ｑ８に並列にそれぞれ接続された逆阻止用ダイオードＤ５～Ｄ８とを備える。半導体スイッチＱ５～Ｑ８は制御部１０からの各制御信号によりオンオフ制御され、入力される直流電圧を交流電圧に変換して第２平滑部Ｃ２を介して、電池ユニットＢ１またはＢ２に出力する。

図４Ａは、双方向電力変換部１００を昇圧スイッチングさせるときの各半導体スイッチＱ１～Ｑ８の制御信号を示すタイミングチャートである。図３Ａに示すように、昇圧スイッチングにおいて、半導体スイッチＱ１，Ｑ４の各制御信号と、半導体スイッチＱ２，Ｑ３の各制御信号とは互いに反転するように制御され、半導体スイッチＱ１，Ｑ４の各制御信号の立ち上がりエッジから所定の位相差（以下、「昇圧スイッチングの位相差」という）ｔ１だけ遅延された時刻で半導体スイッチＱ５の制御信号が立ち下がる一方、半導体スイッチＱ７の制御信号が立ち上がる。

図４Ｂは、双方向電力変換部１００を降圧スイッチングさせるときの各半導体スイッチＱ１～Ｑ８の制御信号を示すタイミングチャートである。図３Ｂに示すように、降圧スイッチングにおいて、半導体スイッチＱ１の制御信号と、半導体スイッチＱ２（３）の制御信号とは互いに反転するように制御され、半導体スイッチＱ３（２）の制御信号と、半導体スイッチＱ４の制御信号とは互いに反転するように制御され、ここで、半導体スイッチＱ１の制御信号の立ち上りエッジ（もしくは、半導体スイッチＱ２（３）の制御信号の立ち下りエッジ）から所定の位相差（以下、「降圧スイッチングの位相差」という）ｔ２だけ遅延された時刻で半導体スイッチＱ３（２）の制御信号が立ち下る（もしくは、半導体スイッチＱ４の制御信号が立ち上る）。

蓄電ユニットからの直流電流が、第２平滑部Ｃ２から、スイッチング部１２０、第１平滑部Ｃ１に流れる場合も、同様である。電流の向きが異なるだけであり、動作原理は同じである。

５．充電メカニズム
５．１ 電池ユニットＢ１から電池ユニットＢ２を充電するメカニズム
電力容量制御装置５は、２種類の動作モード（電流経路Ｒ１／電流経路Ｒ２）で交互に電流を供給し電池ユニットＢ１から電池ユニットＢ２への充電を行う。

電流経路１（Ｒ１）での充電
図５Ａ、電流経路１の例を示す図である。電池ユニットＢ１のプラスラインから出力された電流は半導体スイッチＱ５とＱ８を経由してトランスに流れる。トランスに流れた電流は半導体スイッチＱ３とＱ２を経由して電池ユニットＢ２に充電される。

電流経路２（Ｒ２）での充電
図５Ｂ、電流経路２の例を示す図である。蓄電池ユニットＢ１のプラスラインから出力された電流は半導体スイッチＱ７とＱ６を経由してトランスに流れる。トランスに流れた電流は半導体スイッチＱ１とＱ４を経由して電池ユニットＢ２に充電される。

電流経路１と電流経路２での充電を交互に行うことで、電池ユニットＢ１から、電池ユニットＢ２に充電を行う。

５．２ 蓄電池２から蓄電池１を充電するメカニズム
電力容量制御装置５は、蓄電池１から蓄電池２への充電と同様に２種類の動作モード（電流経路３／電流経路４）で交互に電流を供給し蓄電池１から蓄電池２への充電を行る。

電流経路３（Ｒ３）での充電
図５Ｃ、電流経路３の例を示す図である。
電池ユニットＢ１のプラスラインから出力された電流は半導体スイッチＱ３とＱ２を経由してトランスに流れる。トランスに流れた電流は半導体スイッチＱ５とＱ８を経由して蓄電池２に充電される。

電流経路４（Ｒ４）での充電
図５Ｄ、電流経路４の例を示す図である。
電池ユニットＢ１のプラスラインから出力された電流は半導体スイッチＱ１とＱ４を経由してトランスに流れる。トランスに流れた電流は半導体スイッチＱ７とＱ６を経由して蓄電池２に充電される。

このように、電流経路３と電流経路４での充電を交互に行うことで、電池ユニットＢ２から、電池ユニットＢ１に充電を行う。

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、変更を行うことが出来る。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共に、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。

１ 蓄電システム
５ 電力容量制御装置
１０ 制御部
１００ 双方向電力変換部
１２０ スイッチング部
Ｂ１、Ｂ２ 電池ユニット
Ｑ１～Ｑ８ 半導体スイッチ

Claims (7)

1. 直列に接続された複数の電池ユニットの容量を制御する電池容量制御装置であって、
   前記複数の電池ユニットには、第１電池ユニットと、前記第１電池ユニットに直列接続するとともに、前記第１電池ユニットから直流電力が供給される第２電池ユニットがあり、
   前記第１電池ユニットの入力に接続する第１正極端子と、前記第１電池ユニットの出力および前記第２電池ユニットの入力に接続する第１負極端子とを有する第１入出力部と、前記第２電池ユニットの入力に接続する第２正極端子と、前記第２電池ユニットの出力に接続する第２負極端子とを有する第２入出力部との間で、前記第１入出力部から前記第２入出力部への第１電力変換、または、前記第２入出力部から前記第１入出力部への第２電力変換を行う双方向スイッチング部と、を備える双方向電力変換部と、
   前記第１電池ユニットから前記第２電池ユニットに、または、前記第２電池ユニットから前記第１電池ユニットに電力を供給するように前記双方向電力変換部を制御する制御部と、
   を備える電池容量制御装置。
2. 前記制御部は、電池容量が多い前記電池ユニットから、電池容量が少ない前記電池ユニットに対して充電するように、前記双方向電力変換部を制御する、請求項１に記載の電池容量制御装置。
3. 前記第１電池ユニットの入力電圧を検出する第１電圧センサと、
   前記第２電池ユニットの入力電圧を検出する第２電圧センサと、
   前記第１電池ユニットおよび前記第２電池ユニットを流れる電流を検出する電流センサと、を備え、
   前記制御部は、第１電圧センサから得られる電圧値と、前記電流センサから得られる電流値に基づく電圧と電流曲線から、前記第１電池ユニットの電池容量を求め、且つ、第２電圧センサから得られる電圧値と、前記電流センサから得られる電流値に基づく電圧と電流曲線から、前記第２電池ユニットの電池容量を求める、請求項２に記載の電池容量制御装置。
4. 前記双方向電力変換部は、前記第１入出力部と接続するとともに、第１のコンデンサを含む第１平滑部と、前記第２入出力部と接続するとともに、第２のコンデンサを含む第２平滑部と、を備え、
   前記双方向スイッチング部は、インダクタ及び絶縁用トランスを含み、前記第１平滑部または第２平滑部により平滑化された電圧をスイッチングして所定の出力電圧に電力変換するスイッチング部と、を備える、請求項１～３の何れかに記載の電池容量制御装置。
5. 前記第１および第２電池ユニットは、電池セルである、請求項１～４の何れかに記載の電池容量制御装置。
6. 前記第１および第２電池ユニットは、直列接続される２つ以上の電池セルを含む、請求項１～４の何れかに記載の電池容量制御装置。
7. 請求項１～６の何れかの電池容量制御装置と、直列に接続された複数の電池ユニットとを備える蓄電システム。

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