JP4948907B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本発明は電池システムに関し、特に、電池が出力する電力をコンバータを介して負荷へ供給する電池システムに関する。

ニッケル水素蓄電池は、鉛蓄電池に比べてエネルギー密度が大きく、電池寿命の長さや環境負荷の少ないことが特長である。

ニッケル水素蓄電池は、例えば、単セルと呼ばれる１本（平均電圧１．２Ｖ、容量９５Ａｈ）を１０直列にしたものを１単位（以降１モジュールと称する）とし、４モジュールを直列接続したものを２つ並列接続して用いられる。

下記特許文献１、２、３には、複数の組電池と、充電制御手段と、放電制御手段とを備えた電池システムが記載され、特許文献１には、組電池の製造日付に基づいて組電池使用可能期間を算出して組電池交換日付を表示することが記載され、特許文献２には、組電池の放電容量試験を実行する電池監視手段を設けることが記載され、特許文献３には、前記電池監視手段が組電池の残存容量を算出し、その結果に基づいて当該組電池の補充電時期を決定することが記載されている。
特開２００４−１１９１１２号公報 特開２００４−１２０８５６号公報 特開２００４−１２０８５７号公報

昨今の通信設備の電力需要増に対応するためには、電池系列を並列接続することにより大容量化を図るため、出力３０ｋＷｈのニッケル水素蓄電池システムが必要である。このようなシステムにおいては、例えば、定格１．２Ｖのセルを１０本直列し、これを１モジュールとしてさらに４モジュールを直列して、これを１系（下記組電池に相当）とし、６系を搭載する。さらに、間欠充電を行うための充電器、電池電圧を負荷の電圧許容範囲に収めるための放電器、および制御部を備える。図２に上記システムの構成図を示す。

図２において、複数の組電池１が、充電器３を介して整流器２の出力によって充電され、複数の放電器４を介して負荷５へ電力を供給するようになっている。複数の放電器４が、その出力点で電気的に接続される構成であり、放電器４および組電池１を増設することによってシステムの拡張が可能となる。

放電器４は、一定電圧の電力を出力するコンバータを具備する。コンバータ出力電圧である放電器出力電圧は、負荷５の入力電圧範囲に適合する電圧に設定する。電池電圧は、充放電の条件や、電池の残容量に応じて変化するため、放電器４は、昇圧または降圧動作を行い、出力電圧を一定に保持する。

さらに、上記の３０ｋＷｈシステムを実現させ、そのシステムを３架並列することで、１００ｋＷｈ級のシステムを実現させることができる。

しかし、この３０ｋＷｈニッケル水素蓄電池システムでは、３台の放電器４の出力がそれぞれ電池架の出力端子に接続されているため、放電器４から電池架出力端子までの抵抗値が放電器４の搭載位置によって異なる。放電器搭載位置による抵抗値の差は、放電電流に偏りが生じるという問題を引き起こす。

３台の放電器４について、放電器出力から並列接続点までの配線抵抗が大きい順に、放電器Ａ、放電器Ｂ、放電器Ｃとする。３台の放電器４の出力電圧を５０Ｖとし、放電器Ａから電池架出力端子までの配線抵抗をｒ_１、放電器Ａの出力電流をＩ_１とし、放電器Ｂから電池架出力端子までの配線抵抗をｒ_２、放電器Ｂの出力電流をＩ_２とし、放電器Ｃから電池架出力端子までの配線抵抗をｒ_３、放電器Ｃの出力電流をＩ_３としたとき、放電器Ａから電池架出力端子までの電圧降下はｒ_１Ｉ_１であり、放電器Ｂから電池架出力端子までの電圧降下はｒ_２Ｉ_２であり、放電器Ｃから電池架出力端子までの電圧降下はｒ_３Ｉ_３である。

電池架出力端子での電位は共通であり、３台の放電器出力電圧は同一の５０Ｖであるから、各放電器から電池架出力端子までの電圧降下は等しくなり、式（１）が成立する。

ｒ_１Ｉ_１＝ｒ_２Ｉ_２＝ｒ_３Ｉ_３ （１）
いま、各放電器から電池架出力端子までの配線抵抗について、式（２）および式（３）の関係があるとき、
ｒ_１＝１．８ｒ_３ （２）
ｒ_２＝１．２ｒ_３ （３）
式（１）は式（４）で表される。

１．８Ｉ_１＝１．２Ｉ_２＝Ｉ_３ （４）
よって、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３の比は、式（５）で表される。

Ｉ_１：Ｉ_２：Ｉ_３＝１：１．５：１．８ （５）
つまり、放電器Ａの出力電流に比べて、放電器Ｂの出力電流は１．５倍、放電器Ｃの出力電流は１．８倍となる。放電中、式（５）の比により放電器間の放電電流に偏りが生じるため、電流が集中する放電器Ｃに接続される電池系列は他の電池系列よりも容量低下が早く、先に放電終止電圧に達して放電器Ｃから切り離される。放電器Ｃが切り離された後、残りの放電器Ａ、Ｂでは急激に負荷が増加し、放電器の出力容量を超えて放電器が停止するため、結果として電池に蓄積された放電可能なエネルギーの一部を残したまま負荷への給電が停止し、停電時に負荷へ給電できる時間が短くなり、余分に蓄電池を増設する必要性が生じ、設置スペースやシステム構築にかかる費用を増大させる問題が生じる。

上記の３０ｋＷｈシステムを３架並列とすることで構成される１００ｋＷｈ級システムでは、３架の電池架の設置位置により、架の並列接続点までの配線抵抗が異なるため、前記の問題はさらに深刻になる。

解決法としては、各放電器の出力電流に上限値を設定し、上限値を超える電流を出力したときに放電器出力電圧を急激に低下させる垂下制御を行うことにより、各放電器の出力電流を均等にする方法がある。しかし、各放電器に上限電流が設定されると、負荷の電力需要の増加時や放電器故障の発生時に垂下制御が実行され、負荷電圧の急激な低下により負荷装置が停止するため、問題の解決にはならない。

なお、前記の並列接続点までの配線抵抗に差があり、その結果として、電池の余力を残したままシステムの放電が停止するという問題は、ニッケル水素蓄電池システムの場合に限らず、リチウムイオン電池などの二次電池を組み合わせてなる組電池を複数個有し、前記組電池が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する二次電池システム、さらには、一次電池を含めて、複数の電池を組合わせてなる複数の組電池が出力する電力を複数のコンバータを介して負荷に供給する電池システムにおいても生じる問題である。

本発明は前記の、並列接続点までの配線抵抗に差があり、その結果として、電池の余力を残したままシステムの放電が停止するという問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、並列放電器間の出力電流のばらつきを回避し、電池の能力を有効活用しながら電力供給をする電池システムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が最も大きい１台の前記放電器を除く前記放電器に対して、複数の前記放電器の出力電流の平均値を該放電器の出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システムを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が大きい順に選定された複数台の前記放電器を除く前記放電器に対して、複数の前記放電器の出力電流の平均値を該放電器の出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システムを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、並列接続された複数の前記組電池の出力を１台の前記放電器への入力とし、さらに複数の前記放電器を並列接続して前記負荷へ直流電力を供給する構成を有し、該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が最も大きい１台の前記放電器を除く前記放電器を対象として、出力電流値が複数の前記放電器の出力電流の平均値より大きい該放電器に対して、前記平均値を出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システムを構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、並列接続された複数の前記組電池の出力を１台の前記放電器への入力とし、さらに複数の前記放電器を並列接続して前記負荷へ直流電力を供給する構成を有し、該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が大きい順に選定された複数台の前記放電器を除く前記放電器を対象として、出力電流値が複数の前記放電器の出力電流の平均値より大きい該放電器に対して、前記平均値を出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システムを構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムにおいて、前記出力電流制御を行わない放電器の少なくとも１台が、複数台の放電器によって構成されていることを特徴とする電池システムを構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項１ないし５のいずれかに記載の電池システムにおいて、前記組電池は二次電池であることを特徴とする電池システムを構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項６記載の電池システムにおいて、前記二次電池はニッケル水素蓄電池であることを特徴とする電池システムを構成する。

本発明の実施によって、放電器出力電流のばらつきが抑制されるため、特定の放電器に電流が集中することがなくなり、その結果として、並列放電器間の出力電流のばらつきを回避し、電池の能力を有効活用しながら電力供給をする電池システムを提供することが可能となる。

それぞれの組電池が同一仕様で放電前に満充電されていれば、各組電池は残容量が同じ状態のまま残容量が減少し、全ての組電池が同時に放電終止電圧に達して放電が停止するため、組電池に蓄積された放電可能なエネルギーは全て負荷へ供給される。

また、複数の放電器のうち少なくとも１台では出力電流制限を行わないため、負荷の電力需要が増加したときも、出力電流制限を行わない放電器の出力が増加するため、負荷電圧の低下は起こらない。

出力電流制限を行わない放電器を、複数台の放電器によって構成して冗長構成とし、複数台の放電器のうちの１台が故障した場合でも、システムの出力電力が負荷の所要電力を下回ることがないようにすることができる。

本発明に係る電池システムにおける放電器制御は、システムが出力する全負荷電流と、有効な放電器台数から放電器１台あたりの平均出力電流を計算し、平均値より出力電流の高い放電器に対して、出力電流の上限値を平均出力電流に設定する。さらに、複数の放電器のうち、１台以上では、前記出力電流の上限値設定を無効とする。

以下に、本発明の実施の形態について、電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として説明するが、本発明はこれらに限られるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図１において、複数のニッケル水素蓄電池を組み合わせてなる複数の組電池１が、充電器３を介して整流器２の出力によって充電され、２台の放電器４（放電器Ｂ、放電器Ｃ）または１台の電流制限無効放電器６（放電器４でもある放電器Ａ）を介して負荷５へ電力を供給するようになっている。

電流制限無効放電器６（放電器Ａ）は、冗長構成とするため、同じ放電器を２器並列（放電器Ａ１、放電器Ａ２）としたものを１台と呼ぶ。

各放電器４は、その入力に組電池１を２系列ずつ持ち、３台の放電器４の出力が電気的に接続され、負荷５へ電力を供給する構成となっている。

直列抵抗７の両端の電位差から各放電器の出力電流を算出することができ、システムが出力する全負荷電流（これも直列抵抗７の両端の電位差から算出することができる）と、各放電器が出力する電流とを計測することができる。

制御部８は、電流計測値および各放電器の動作状態を監視し、放電器４に対して上限電流を設定する信号を発出する。電流制限無効放電器６（放電器Ａ）は、上限出力電流の制御は行わず、放電器の最大容量まで放電電流を出力することが可能である。電流制限無効放電器６（放電器Ａ）には、放電器から３台の放電器出力が電気的に接続される点までの配線抵抗が最も大きい放電器を選定する。

電流制限無効放電器６を含めて放電器４は、一定電圧を出力するコンバータを介して組電池１からの電力を負荷５に供給する。放電器出力電圧は、負荷５の入力電圧範囲に適合する電圧を設定する。電池電圧は、充放電の条件や、電池の残容量に応じて変化するため、放電器４は、昇圧または降圧動作を行い、出力電圧を一定に保持する。

整流器２の動作が停止し、組電池１から放電器４を介して負荷５へ放電するとき、放電器４の電流を制限して各放電器４の出力電流を揃える。放電時、各放電器４が出力する電流を合計し、全負荷電流を求める。全負荷電流を有効な放電器台数（３台）で割ることにより放電器平均出力電流を求める。２台の放電器４（放電器Ｂ、放電器Ｃ）について、出力電流が放電器平均出力電流よりも大きいとき、放電器４は上限電流を放電器平均出力電流に設定される。上限電流が設定された放電器４は、上限電流を越えて電流が流れると急激に出力電圧が低下する垂下制御を行うようになる。電流制限無効放電器６（放電器Ａ）は、放電器平均出力電流の値に関係なく、上限電流の設定を行わない。

例えば、放電器Ａ、放電器Ｂ、放電器Ｃの順に並列接続点までの配線抵抗が小さくなり、電池システムが５０Ｖ１８０Ａの電力を負荷５へ供給している場合について説明する。

整流器２の動作の停止により、放電器４からの放電を開始し、前記の出力電流制御を行うとき、制御部８は直列抵抗７による電流計測と有効放電器台数の計算から、放電器平均出力電流を６０Ａ／１台（１８０Ａ÷３台）とする。並列接続点までの配線抵抗の差により、上記配線抵抗が最も小さい放電器Ｃの出力電流は、放電器平均出力電流（６０Ａ）より大きくなるから、放電器Ｃは制御部８による上限電流設定により、出力電流の最大値が６０Ａに設定され、上限電流以上の出力では出力電圧が急激に低下するため、放電器平均出力電流（６０Ａ）を超える電流は他の２台の放電器４（放電器Ａ、放電器Ｂ）へ分配される。

放電器Ｃが出力電流制限された後、放電器Ａより放電器Ｂの方が並列接続点までの配線抵抗が小さいため、放電器Ｂの出力電流は放電器平均出力電流（６０Ａ）より大きくなり、放電器Ｂにおいても上限電流が放電器平均出力電流（６０Ａ）に設定され、上限電流を超える電流が放電器Ａへ分配される。

このように、放電器Ｂ、Ｃに流れる電流は等しくなり、電流集中が回避される。

負荷５の需要増により、負荷電流が２１０Ａとなるとき、直後は電流が制限されている放電器Ｂ、放電器Ｃでは出力電流が増加せず、出力電流制限をしていない放電器Ａの出力電流が増加して９０Ａとなることで、負荷５へ安定した電力供給を継続する。その後、全負荷電流の増加により、制御部８は放電器平均出力電流を増加して７０Ａとし、放電器Ｂと放電器Ｃの上限電流は新たに設定された放電器平均出力電流（７０Ａ）に変更され、再び放電器Ｂ、Ｃに流れる電流は等しくなる。

次に、負荷電流が減少して１８０Ａとなるとき、放電器平均出力電流が減少して放電器Ｂ、放電器Ｃに対して上限電流が６０Ａに再設定され、放電器Ｂ、Ｃの出力電流が６０Ａとなる。

この後、放電器Ｂが故障して停止するとき、直後は電流が制限されている放電器Ｃでは出力電流は増加せず、出力電流制限をしていない放電器Ａの出力電流が増加して１２０Ａとなることで、負荷５へ安定した電力供給を継続する。その後、制御部８は有効な放電器台数の減少を検知し、放電器平均出力電流を増加して９０Ａとし、放電器Ｃの上限電流は新たに設定された放電器平均出力電流（９０Ａ）に変更され、放電器Ａと放電器Ｃに流れる電流は等しくなる。

また、放電器Ａは冗長構成（２器並列）としているため、放電器Ａの１器が故障して停止しても、負荷５へ安定した電力供給を継続することができる。

なお、電流制限無効放電器の台数は複数であってもよい。その場合に、その複数台の電流制限無効放電器を、放電器から複数の放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が大きい順に選定するとよい。このような選定によって、各放電器への電流分配が、より均一となりやすくなる。

本発明に係る電池システムの特徴は、制御部が全負荷電流と有効放電器台数から放電器平均出力電流を求め、その平均出力電流を上限とする放電器の出力電流制御の方法として、例えば、放電器出力電流の上限値を放電器平均出力電流値に設定する信号を出力電流制御対象となっている放電器へ送信し、複数の放電器のうち１台以上で電流出力の上限設定を無効とし、さらに上限電流設定が無効である放電器を冗長構成とすることである。

この特徴によって、各放電器の出力電流が等しくなり、放電器を複数台並列構成する電池システムにおける前記の問題点、すなわち、並列接続点までの配線抵抗に差があり、その結果として、電池の余力を残したままシステムの放電が停止するという問題点が解消され、さらに負荷増や故障に際しても給電の安定性が維持される電池システムが実現する。

以上、本発明の実施の形態について、電池がニッケル水素蓄電池である場合を例として、説明したが、本発明はこれに限られるものではない。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

（１）放電器出力点で並列構成するシステムでは、複数の放電器の間に並列接続点までの配線抵抗に差があるため、配線抵抗の小さい放電器へ電流が集中し、電流集中した放電器に接続される組電池が先に容量低下により放電終止となり、放電終了時は他の電池系列が余力を残すことになる。

本発明により、放電器を並列構成するとき、出力電流制御対象の放電器の出力電流が等しくなるため、電池系列に電流が等しく分担される。電池の能力を余すことなく有効に引き出し、かつ並列構成によりシステム容量を増やすことが可能となる。

（２）放電器出力に上限電流を設定するだけでは、負荷の電力需要の増加時や放電器故障の発生時に垂下制御が実行され、負荷電圧の急激な低下により負荷装置が停止するため、問題の解決にはならない。

本発明により、放電器出力電流を制限しない放電器を残し、さらに出力電流制限をしない放電器を冗長構成とするため、負荷増や故障に際しても安定した電力供給が継続され、かつ放電器間の電流ばらつきが解消される。

本発明の実施の形態例を説明する図である。 複数の組電池と複数の放電器とを用いる電池システムの構成図である。

符号の説明

１：組電池、２：整流器、３：充電器、４：放電器、５：負荷、６：電流制限無効放電器、７：直列抵抗、８：制御部。

Claims (7)

1. 複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、
   該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、
   前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が最も大きい１台の前記放電器を除く前記放電器に対して、複数の前記放電器の出力電流の平均値を該放電器の出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システム。
2. 複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、
   該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、
   前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が大きい順に選定された複数台の前記放電器を除く前記放電器に対して、複数の前記放電器の出力電流の平均値を該放電器の出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システム。
3. 複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、
   並列接続された複数の前記組電池の出力を１台の前記放電器への入力とし、さらに複数の前記放電器を並列接続して前記負荷へ直流電力を供給する構成を有し、
   該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、
   前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が最も大きい１台の前記放電器を除く前記放電器を対象として、出力電流値が複数の前記放電器の出力電流の平均値より大きい該放電器に対して、前記平均値を出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システム。
4. 複数の電池を組み合わせてなる複数の組電池と、並列接続され前記組電池が出力する電力をコンバータを介して負荷に供給する複数の放電器とを有する電池システムにおいて、
   並列接続された複数の前記組電池の出力を１台の前記放電器への入力とし、さらに複数の前記放電器を並列接続して前記負荷へ直流電力を供給する構成を有し、
   該電池システムが出力する電流と前記放電器が出力する電流とを監視し、前記放電器の出力電流値を制御する制御部を具備し、
   前記制御部は、前記放電器から複数の前記放電器の出力が並列接続される接続点までの配線抵抗が大きい順に選定された複数台の前記放電器を除く前記放電器を対象として、出力電流値が複数の前記放電器の出力電流の平均値より大きい該放電器に対して、前記平均値を出力電流値の上限とする出力電流制御を行うことを特徴とする電池システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムにおいて、
   前記出力電流制御を行わない放電器の少なくとも１台が、複数台の放電器によって構成されていることを特徴とする電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の電池システムにおいて、
   前記組電池は二次電池であることを特徴とする電池システム。
7. 請求項６記載の電池システムにおいて、
   前記二次電池はニッケル水素蓄電池であることを特徴とする電池システム。

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