JP5704156B2 - 蓄電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、セル電池を複数結合した蓄電池モジュールで構成される電池パックを有し、この電池パックを複数接続した蓄電池システムに関する。特に、複数の電池パックに対する充放電制御を上位制御装置からの制御指令に基づいて行う蓄電池システムに関する。
従来、特許文献1の電力システムが知られている。この技術は、住宅内の電力需給状況を考慮して電気自動車と住宅の間で授受される電力をマネージメントする電力システムを提供する。
特許文献1の電力システムにおける、データ取得部は、住宅内の電力データとともに、曜日や日時、天気などの外的要因データを取得して記憶部に蓄積する。分類・学習部は、記憶部に蓄積された電力データおよび外的要因データを記憶部から読出し、その読出したデータを分類・学習する。
また、スケジューリング部は、分類・学習されたデータに基づいて住宅の電力需要を予測し、その予測結果に基づいて電気自動車内の蓄電池の充放電を計画する。指令生成・出力部は、充放電スケジュールに従って蓄電池の充放電指令を生成する。
特開2008−54439号公報
上記特許文献1の電力システムは、単一の電気自動車内の蓄電池に対する充放電指令に関するものであり、複数の蓄電池を考慮していない。一方、近年において、自然エネルギーを活用した給電システムの研究開発が盛んに行われている。自然エネルギーは、環境に左右され供給が不安定であるため、複数の蓄電池とセットでシステムが構築される事例が多い。
蓄電池は、太陽光パネルと同様に、ある所定容量単位(例えば、10kWh)でパック化されており、容量を大規模化する際は、パックを組み合わせて(例えば、100kWhの場合は、10kWh×10パック)実現することになる。蓄電池パックを10kWhの単位とするのは、家庭向けから工場向けまでのスケーラビリティを確保するためである。具体的には、家庭向けの場合は10kWhを1台使用し、工場向けの場合は、10kWhを数百台使用することなどが考えられる。
上記のような、複数の電池パックで構成された大規模蓄電池を備えた給電システムのエネルギーマネージメントを実行するにあたり、上位制御装置は、電池パック1台毎ではなく、1つの蓄電池群として扱って制御したいという要求がある。
この要求は、電池パックを増減させる度に制御ロジックを変更するのを防ぐ、および、通信負荷を低減させる等の理由から生じている。一方、電池パックは、1台毎に状況に応じた制御(充電・放電電力量の制御、満充電時の制御、過充電・過放電の防止等)が必須であり、電池パック毎の決め細やかな制御が要求されている。
従って、上位制御装置の、電池パック1台毎ではなく、1つの蓄電池群として扱いたいという要求と、電池パック毎の決め細やかな制御が望まれるという要求との相反する要求を実現するための上位制御装置(上位コントローラまたは総合電力制御装置とも言う)と複数の電池パック内の蓄電池の充放電を行う双方向電源回路との間のインターフェースに関する好適な技術が要求される。
本発明は、電池パック1台毎ではなく、1つの蓄電池群として扱って制御したいという上位制御装置側の要求と、電池パック毎の決め細やかな制御を実現したいという複数の電池パック側との間の相反する要求を実現できる蓄電池システムを得ることを目的とする。
従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、本発明では、複数の蓄電池(2)と、該蓄電池(2)の充電放電を行う双方向電源回路(12)と、蓄電池(2)の過充電、過放電または過温度といった、故障が発生する前の故障要因の情報および充電状態を検出する蓄電池管理ユニット(15)とから成る複数の電池パック(1)と、複数の電池パック(1)が接続された直流回路(9)と、複数の電池パック(1)に対して制御指令を送信する上位制御装置(16)とを備え、複数の電池パック(1)のうち選択された電池パック(1a)はマスター機能を有するために蓄電池管理ユニット(15a)内に蓄電池統括機能部を備え、
複数の電池パック(1)のうちマスター機能を有しない各電池パック(1b、1n)の各蓄電池管理ユニット(15b、15n)は、マスター機能を有する蓄電池管理ユニット(15a)を介して上位制御装置(16)からの制御指令を受信し、マスター機能を有する蓄電池管理ユニット(15a)は、上位制御装置(16)に対して、複数の電池パック(1)の故障要因の情報および充電状態に関する電池パック情報を送信し、上位制御装置(16)は、受信した電池パック情報、および上位制御装置(16)が制御するシステム全体の制御計画に基づいて、マスター機能を有する蓄電池管理ユニット(15a)に対して制御指令となる第1充放電制限値(L1)に関する情報を供給し、第1充放電制限値(L1)に関する情報は、電池パック(1)内の蓄電池(2)の充電または放電の大きさを制限する情報から成り、第1充放電制限値(L1)に関する情報の供給を受けたマスター機能を有する蓄電池管理ユニット(15a)は、第1充放電制限値(L1)に基づいて各電池パック(1)の蓄電池マネージメント機能部に対して第2充放電制限値(L21〜L2N)に関する情報を分配し、第2充放電制限値(L21〜L2N)に関する情報の分配を受けた各電池パック(1)内の蓄電池マネージメント機能部は、各電池パック(1)内の蓄電池(2)の故障要因の情報または充電状態の情報に基づいて第3充放電制限値(L31〜L3N)に関する情報を各電池パック(1)内の双方向電源回路(12)に供給することを特徴としている。
この発明によれば、上位制御装置(16)が各電池パック(1)の充電放電を直接制御する場合に比べて、電池パック(1)毎の故障要因の情報または充電状態に合致した制御を行うことができる。つまり、蓄電池(2)の充電放電電流を直接的に制御する双方向電源回路(12)に対する制御指令と成る第3充放電制限値(L31〜L3N)を、上位制御装置(16)からの制御指令となる第1充放電制限値(L1)と各蓄電池の故障要因の情報または充電状態の情報とを考慮しながら双方向電源回路(12)に供給して、各電池パック(1)内の蓄電池(2)に対する充放電を制御することができる。従って、電池パック(1)の1台毎ではなく、1つの蓄電池群として扱いたいという上位制御装置(16)側の要求を有る程度満たしながら、電池パック(1)毎の決め細やかな制御を行うことができる。
なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号ないし説明は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を分かり易く示す一例であり、発明の内容を限定するものではない。
本発明の第1実施形態における複数の電池パックを有する蓄電池システムの電力系統図である。 上記実施形態における充放電に関する制御系を示すブロック図である。 上記実施形態における蓄電池統括機能部による第2充放電制限値の各電池パックへの分配制御を示すフローチャートである。 上記実施形態における第3充放電制限値を導くフローチャートである。 本発明の第2実施形態となる蓄電池システムの電力系統図である。 本発明の第2実施形態における蓄電池統括機能部による第2充放電制限値の各電池パックへの分配制御を示すフローチャートである。
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。
各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1ないし図4を用いて詳細に説明する。図1は、複数の電池パック1a、1b、1n(総称して電池パック1という)を有する蓄電池システムの電力系統を示している。工場やビルディングでは複数の電池パック1を組み合わせて蓄電する。各電池パック1内にはリチウムイオン電池またはニッケル水素電池から成る蓄電池2a、2b、2n(総称して蓄電池2という)とこの蓄電池2の充電と放電を行うDC/DCコンバータを有する双方向電源回路12a、12b、12n(総称して双方向電源回路12という)とが設けられている。
商用電源100は、送電線から3相3線式の引き込み線にて引き込まれる。この実施形態においては、商用電源100の周波数は60Hz、定格電圧が200Vである。引き込まれた商用電源100の交流回路(交流バスラインとも言う)4には、交流側発電装置5を成す太陽光発電装置5と3kwの第1AC充電器6と、第2AC充電器7と一般交流負荷(照明負荷等)8とが接続されている。
交流側発電装置5内には太陽電池に接続されたパワーコンディショナシステム(以下、PCS)50が設置されている。PCS50内にはDC/ACインバータと給配電制御装置が内蔵されている。PCSは親機と子機に別れ、夫々の定格出力は3相10kwである。
また、電池パック1(1a、1b、1n)は、定格電圧380Vの直流回路(直流バスライン)9に接続されている。交流回路4を成す交流バスラインと直流回路9の間には交流直流変換回路10を成す定格出力25kwの系統連携AC/DC電源装置が配置されている。
直流回路9には夫々25kw未満の、第1DC中速充電器11a、第2DC中速充電器11b、第3DC中速充電器11c(総称してDC中速充電器11という)が接続されている。DC中速充電器11は、直流回路9に接続された直流電気負荷11を構成している。
複数の蓄電池2の各々と直流回路9との間には、蓄電池2の充電放電を行う上述の第1双方向電源回路12aと、第2双方向電源回路12bと、第3双方向電源回路12n(総称して双方向電源回路12という)が接続されている。
以上の説明は、蓄電池の充電放電制御及び発電制御に係る電力系統の説明であったが、次に、電池の充放電に関する制御系について、図2のブロック図に基づいて説明する。図1には図示されていないが、双方向電源回路12は、図2で説明するBMU(Battery Management Unit:電池管理ユニット)15a、15b、15n(総称してBMUまたは電池管理ユニット15と言う)によって制御されている。BMU15は、図1の蓄電池の故障状況および充電状態を検出している。
BMU15には、マスター機能を有するマスターBMU15aとスレーブBMU15b、15nとがある。また、マスターBMU15aは上位制御装置16によって制御されている。上位制御装置16は、マスターBMU15aに対して制御指令と成る第1充放電制限値L1を送信する。
図1の電力系統図には図示しなかったが、各BMU15は、電池パック1内に収納されている。また、上位制御装置16は、任意の位置に設置されディスプレイを備えた監視制御装置として設けられている。
上位制御装置16は、各電池パック1内の蓄電池2全体の残容量等を監視しながら、所定の制御周期毎に第1充放電制限値L1に対して補正をかけるモデル予測制御(例えば特願2011−161465号)を実行する。
これによれば、上位制御装置16は、電池パック1の総数や電池パック1の1台1台の状況を把握することなく、第1充放電制限値L1を指示すれば、最終的に蓄電池2の状態にあった制御指令の値に変更されていくことになる。そして、各電池パック1内の蓄電池2全体の残容量等を監視しながら、上位制御装置16が、所定の制御周期毎に第1充放電制限値L1に対して補正をかけることによって、長期的に見れば上位制御装置16の意図がシステム全体の制御に反映される。
上位制御装置16には蓄電池充放電スケジュール機能を有する。この充放電スケジュールは、各時刻の蓄電池2の充電電流値および放電電流値のプランが規定されており、この各時刻の充電電流値および放電電流値の指示値(制御指令)が本件の第1充放電制限値L1に相当する。充放電スケジュール(=第1充放電制限値L1)は、電力系統内の発電量および消費電力量を考慮して最適化演算により算出される。
マスターBMU15aには、蓄電池統括機能と蓄電池マネージメント機能の両方を有する。スレーブBMU15b、15nには、蓄電池マネージメント機能を有する。つまり、複数の電池パック1のうち選択された電池パック1aはマスター機能を実行するためにBMU15a内に蓄電池統括機能部を備えている。
複数の電池パック1のうちマスター機能を有しない各電池パック1b、1n内の各スレーブBMU15b、15nは、マスターBMU15aに接続され、該マスターBMU15aを介して上位制御装置16からの制御指令を受信する。
マスターBMU15aは、上位制御装置16に対して、複数の電池パック1の故障要因の情報および後述のSOCを含む充電状態を少なくとも表す一括した電池パック情報を送信する。上位制御装置16は、受信した電池パック情報およびシステム全体の充放電計画に基づいて、マスターBMU15aに対して制御指令となる第1充放電制限値L1に関する情報を供給する。なお、SOCとは「State Of Charge」の略であり、蓄電池満充電の状態を100%、空の状態を0%としたときに、実際に使うことができる電池容量を意味する。
第1充放電制限値L1に関する情報の供給を受けたマスターBMU15aは、第1充放電制限値L1に基づいて各電池パック1の蓄電池マネージメント機能部に対して第2充放電制限値L21、L22、L2Nに関する情報を分配する。
第2充放電制限値L21〜L2Nに関する情報の分配を受けた各電池パック1内のBMU15a、15b、15nは、自身の電池パック1内の蓄電池2の故障要因の情報および充電状態に基づいて第3充放電制限値L31〜L3Nに関する情報を各電池パック1内の双方向電源回路12a〜12nに供給する。なお、第1充放電制限値L1の方が第2充放電制限値L21〜L2Nより大きな値であり、第2充放電制限値は第3充放電制限値以上の値とされている。
上位制御装置16は、充放電スケジューリング機能を持ち、交流側発電装置5(図1)を成す太陽光発電装置の状態、電気負荷群6〜8、11a〜11cにおける電力需要予測、およびマスターBMU15aからの複数の電池パック1の充電状態に関する一括された電池パック情報により、商用電源100の電力使用量に関する最小値を達成する蓄電池充放電スケジュールを立案する。上位制御装置16は、立案された充放電スケジュールに基づき、マスターBMU15aに対して蓄電池2の充放電電流(充放電電力)の大きさを規制する第1充放電制限値L1の情報を供給する。
図2における各電池パック1内の蓄電池マネージメント機能部は、マスターBMU15a内の蓄電池統括機能部より指示された第2充放電制限値L21〜L2Nを各電池パック1内の蓄電池2の状態に基づいて、第3充放電制限値L31、L32、L3Nを作成する。
図3は、マスターBMU15a内の蓄電池統括機能部による第2充放電制限値L21〜L2Nの各電池パック1への分配制御を示している。図3にて第2充放電制限値分配制御が開始されると、ステップS31において、上位制御装置16から逐次受信し逐次内容を更新して記憶している第1充放電制限値L1の情報をメモリから取り込む。
次に、ステップS32において、取り込んだ第1充放電制限値L1の値を、電池パック1の総数nで均等割する。次に、均等割りした値をステップS33にて電池パック1毎の第2充放電制限値L21〜L2Nして分配する。例えば電池パック1が3台であれば、第1充放電制限値L1を3で除した値を第2充放電制限値L21〜L2Nとして各電池パック1a〜1nに割り当てる。すなわち、第1充放電制限値L1の値は3分の1の大きさに成って、第2充放電制限値L21〜L2Nとして各電池パック1a〜1nに割り当てられる。
次に、第2充放電制限値L21〜L2Nに基づいて、第3充放電制限値L31〜L3Nを導くステップについて説明する。図4は、第1実施形態における(後述する第2実施形態にも適用される)第2充放電制限値L21〜L2Nに基づいて第3充放電制限値L31〜L3Nを導くフローを示している。第3充放電制限値分配制御は各電池パック1内のBMU15a、15b、15n内の蓄電池マネージメント機能部で夫々実行される。
図4において、第3充放電制限値分配制御がスタートすると、ステップS41で、電池パック1内の蓄電池2の過充電、過放電、過温度のうちのいずれかの情報を各電池パック1内のBMU15が把握(検出)しているかを判定する。なお、過充電、過放電は蓄電池2の出力端子電圧等で判断される。
過充電、過放電、過温度のうちのいずれかの情報を電池パック1内のBMU15が検出している場合は、ステップS42に進み、過充電、過放電、過温度のうちのいずれかが発生している電池パック1の第3充放電制限値L31〜L3N(図4ではireqで示す)をゼロに設定する。
過充電、過放電、過温度のうちのいずれかの情報を電池パック1内のBMU15が把握していない場合は、ステップS43において、第2充放電制限値L21〜L2Nが所定範囲内にあるかを判定する。この判定は、各電池パック1内の蓄電池2の放電側最大能力(負値)Pmin(t)と充電側最大能力(正値)Pmax(t)の間に、第2放電制限値L21〜L2Nが収まっているか否かを判定する。
なお、蓄電池2の放電側最大能力(負値)Pmin(t)と充電側最大能力(正値)Pmax(t)とは、蓄電池2内の単位電池(セル)のセル温度およびセル電圧によりマップを用いて各BMU15内の蓄電池マネージメント機能部内で算出する。このマップとして、試験により事前にセル温度およびセル電圧と放電側最大能力(負値)Pmin(t)と充電側最大能力(正値)Pmax(t)との関係が決定されたデータが各BMU15内のメモリに格納されている。
ステップS43の判定がYES(範囲内にあり)の場合は、ステップS44において、第3充放電制限値(ireq)を電池パック1に割り当てられた第2充放電制限値L21〜L2Nと同じ値に設定する。
ステップS43の判定がNO(範囲内にない)の場合は、ステップS45において第3充放電制限値(ireq)を放電側最大能力Pmin(t)または充電側最大能力Pmax(t)の値に設定して充電または放電を蓄電池2の最大能力で双方向電源回路12が制御することになる。
(第1実施形態の作用効果)
上記第1実施形態においては、複数の蓄電池2(2a、2b、2n)と、該蓄電池2の充電放電の制御を行う双方向電源回路12(12a、12b、12n)と、蓄電池2の故障状況および充電状態を検出するBMU15(15a、15b、15n)とから成る複数の電池パック1(1a、1b、1n)を有する。また、複数の電池パック1が接続された直流回路9を有する。更に、この直流回路9に接続された直流電気負荷11a〜11cを有する。
複数の電池パック1のうち選択された電池パック1aはマスター機能を有する。このマスター機能を実現するために、マスターBMU15a内に蓄電池統括機能部を備えている。マスターBMU15a内の蓄電池統括機能部に対して制御指令となる第1充放電制限値L1を送信する上位制御装置16を備える。
複数の電池パック1のうちマスター機能を有しない電池パック1b、1nの各スレーブBMU15b、15nは、マスターBMU15aに接続され、該マスターBMU15aを介して上位制御装置16からの制御指令を受信する。マスターBMU15aは、上位制御装置16に対して、複数の電池パック1の故障要因の情報および充電状態に関する一括の電池パック情報を送信する。
上位制御装置16は、受信した一括の電池パック情報およびシステム全体の充放電計画等に基づいて、マスターBMU15aに対して制御指令となる第1充放電制限値L1に関する情報を供給する。
第1充放電制限値L1に関する情報の供給を受けたマスターBMU15aは、第1充放電制限値L1に基づいて各電池パック1の蓄電池マネージメント機能部に対して第2充放電制限値L21〜L2Nに関する情報を供給する。
第2充放電制限値L21〜L2Nに関する情報の供給を受けた各電池パック1内の蓄電池マネージメント機能部は、各電池パック1内の蓄電池2の故障要因の情報または充電状態に基づいて第3充放電制限値L31〜L3Nに関する情報を各電池パック1内の双方向電源回路12に供給する。
複数の電池パック1のうちマスター機能を有しない各スレーブBMU15b、15nは、マスターBMU15aに接続され、該マスターBMU15aを介して上位制御装置16からの制御指令を受信する。また、上位制御装置16が各電池パック1の充電状態および放電状態を直接制御する場合に比べて、各電池パック1内の蓄電池2の状況に合致した制御を行うことができる。つまり、最終的な制御指令と成る第3充放電制限値L31〜L3Nを、各電池パック1内の蓄電池2の状況と、上位制御装置16からの制御指令となる第1充放電制限値L1とを考慮しながら双方向電源回路12に供給して、各電池パック1を制御することができる。
よって、電池パック1毎ではなく、複数の電池パック1を1つの蓄電池群として扱いたいという上位制御装置16側の要求をある程度満たしながら、電池パック1毎の決め細やかな制御を行うことができる。
また、上記第1実施形態においては、第1充放電制限値L1の方が第2充放電制限値L21〜L2Nより大きな値である。また、第2充放電制限値L21〜L2Nの方が第3充放電制限値L31〜L3N以上の値である。
これによれば、値の大きな第1充放電制限値L1、第2充放電制限値L21〜L2Nに係らず、小さな値の第3充放電制限値L31〜L3Nを設定して、電池パック1毎の決め細やかな制御を行うことができる。
また、直流回路9に交流直流変換回路10を介して接続された交流回路4を有し、この交流回路4は、商用電源100に接続されている。これによれば、交流直流変換回路10を介して、商用電源100により各電池パック1内の蓄電池2を充電したり、直流回路9に接続された直流電気負荷11a〜11cに給電したりすることができる。
なお、上位制御装置16は、充放電スケジューリング機能を持つ。上位制御装置16は、交流側発電装置5の発電状態を予測する。また、上位制御装置16は、電気負荷群6〜7、11a〜11cにおける電力需要を予測する。更に、上位制御装置16は、マスターBMU15aからの複数の電池パック1内の蓄電池2の充電状態と故障に関する一括の電池パック情報を受信する。この受信した電池パック情報等により、商用電源100に関する電力使用量の最小値を達成する蓄電池充放電スケジュールを立案する。
上位制御装置16は、自ら立案した充放電スケジュールに基づき、マスターBMU15aに対して第1充放電制限値L21〜L2Nの情報を供給する。これによって、商用電源に関する電力使用量最小の達成を目指す蓄電池充放電スケジュールを実現することができる。
また、図2の各BMU15内の各蓄電池マネージメント機能部は、マスターBMU15a内の蓄電池統括機能部より指示された第2充放電制限値L21〜L3Nを、各電池パック1内の蓄電池2の状態に基づいて変更可能である。そして変更された結果としての値を第3充放電制限値L31〜L3Nとしている。
これによれば、BMU15内の蓄電池マネージメント機能部は、第2充放電制限値L21〜L2Nを、各電池パック1内の各蓄電池2の状態に基づいて変更できる。従って、各蓄電池2の状態である、例えば、過充電または過放電の状態等に基づいて、重大な故障が発生する前のタイミングで適切な値に第2充放電制限値L21〜L2Nを変更することができる。この結果、蓄電池2の保護を行うことができる。
また、上位制御装置16の電力需要予測に基づく不確かな制御指令となる第1充放電制限値L1を、各電池パック1内の蓄電池2の状況に見合った値に変更して制御することが可能である。よって、上位制御装置16は、電池パック1の総数や電池パック1に関して1台1台の蓄電池2の状態を把握することなく、第1充放電制限値L1を指示すれば、この第1充放電制限値L1が、最終的に蓄電池2の今の状態に合致した制御指令の値である第3充放電制限値L31〜L3Nに変更できる。
また、蓄電池2に見合った制御指令の変更を、蓄電池2の詳細情報を最も把握している各BMU15a〜15n内の蓄電池マネージメント機能部で行うことにより、外部の他の機能部へ、例えばセル電池の情報などの蓄電池情報を伝える必要が無く、通信負荷を低減することが可能である。
また、第1実施形態では、マスターBMU15a内の蓄電池統括機能部による第2充放電制限値L21〜L2Nの各電池パック1への分配は、電池パック1の総数で均等割りして分配している。
これによれば、第1充放電制限値L1に関する情報の供給を受けたマスターBMU15a内の蓄電池管理ユニットは、第1充放電制限値L1に基づいて各電池パック1の蓄電池マネージメント機能部に対して第2充放電制限値L21〜L2Nを簡単に分配することができる。
また、電池パック1の台数の総数nで割り算して、第2充放電制限値L21〜L2Nを求めれば、第1充放電制限値L1の範囲内で第2充放電制限値L21〜L2Nを分配できるから、各電池パック1毎の充放電電流(充放電電力)を合計しても第1充放電制限値L1を超えることがなく、上位制御装置16の意向を反映した蓄電池2の充放電制御を行うことができる。
更に、マスターBMU15a内の蓄電池統括機能部により、上位制御装置16からの充放電時の電流値(または電力値)を規制する第1充放電制限値L1を取得している。また、蓄電池2の放電側最大能力(負値)Pmin(t)と充電側最大能力(正値)Pmax(t)とは、蓄電池2内の単位電池(セル)の温度であるセル温度およびセル電圧によりマップを用いて各BMU15内の蓄電池マネージメント機能部内で算出している。
このマップは、試験により事前にセル温度およびセル電圧と放電側最大能力(負値)Pmin(t)と充電側最大能力(正値)Pmax(t)との関係が決定されたものが各BMU15内のメモリに格納されている。そして、充電側最大能力と放電側最大能力の間の範囲内にある第2充放電制限値L21〜L2Nを第3充放電制限値L31〜L3Nとして分配している。
各電池パック1のBMU15内の蓄電池マネージメント機能部は、蓄電池統括機能部より指示された第2充放電制限値L21〜L2Nを、各電池パック1内の蓄電池2の状態である過充電、過放電、過温度等のいずれか、または組合せに基づいて変更する。そして、この第2充放電制限値L21〜L2Nの変更により(図4のステップS42、S45)、第3充放電制限値L31〜L3N(またはireqとも記す)を設定している。
そして、第3充放電制限値L31〜L3Nに関する情報を各電池パック1内の双方向電源回路12に供給する手段は、電池パック1内の蓄電池2における過充電または過放電を検出した場合に第2充放電制限値L21〜L2Nにかかわらず第3充放電制限値L31〜L3Nを0(ゼロ)とする。また、各電池パック1内の蓄電地2の過温度時に第2充放電制限値L21〜L2Nにかかわらず第3充放電制限値L31〜L3Nを0とする。これによれば、過充電または過放電に対して対策し、かつ各電池パック1内の蓄電地2の例えばセル温度上昇時などの異常時に対しても対策することができる。
更に、蓄電池2側の要求である放電側最大能力と充電側最大能力の間の第2充放電制限値L21〜L2Nを第3充放電制限値L31〜L3N、ireqとするが、放電側最大能力と充電側最大能力との範囲内に第2充放電制限値L21〜L2Nが無い場合には、第2充放電制限値L21〜L2Nにかかわらず第3充放電制限値L31〜L3Nを放電側最大能力または充電側最大能力としている。
換言すれば、各蓄電池(2)の放電側最大能力と充電側最大能力とが、蓄電池(2)内の温度および電圧により蓄電池管理ユニット(15)内の蓄電池マネージメント機能部内で算出される。そして、蓄電池管理ユニット(15)内の蓄電池マネージメント機能部による第3充放電制限値(L31〜L3N)の双方向電源回路(12)への供給が成される。この供給は、蓄電池マネージメント機能部内の放電側最大能力および充電側最大能力に係る情報により、第2充放電制限値(L21〜L2N)の放電側最大能力から、充電側最大能力までの範囲内でなされる。これによれば、蓄電池マネージメント機能部が把握した蓄電池(2)側の都合を考慮した蓄電池(2)の充放電制御を行うことができる。
また、各電池パック1内の蓄電池2に見合った第3充放電制限値L31〜L3Nの設定を、蓄電池2の詳細情報を最も把握している各電池パック1内の蓄電池マネージメント機能部で行うことにより、他の機能部(例えば中央監視制御装置)へ例えばセル温度の情報などの蓄電池情報を伝える必要が無く、通信負荷を下げることが可能である。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、以降の各実施形態においては、上述した第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。なお、第2実施例については、第1実施例と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明が援用される。
図5は、本発明の第2実施形態となる蓄電池システムの電力系統を示す。図5において、直流回路9を成す直流バスラインに直流側発電装置13となる太陽光発電装置がDCDCコンバータ14を介して接続されている。これによれば、直流側発電装置13から直流回路9を介して各電池パック1内の蓄電池2を充電したり、直流回路9に接続された直流電気負荷11a〜11cに給電したりすることができる。
次に、第2実施形態の電池の充放電に関する制御系は、第1実施形態の図2を援用して説明される。図2において、第2実施形態におけるマスターBMU15a内の蓄電池統括機能部による第2充放電制限値L21〜L2Nの各電池パック1への分配は、各電池パックの充放電状態(具体的にはSOC)に基づいて行われる。これによれば、各電池パック1の都合を考慮して、第2充放電制限値L21〜L2Nの分配が行われるから、電池パック1に無理をかけることが少ない。
以下、具体的に説明する。図6は、第2実施形態におけるマスターBMU15a内の蓄電池統括機能部による第2充放電制限値L21〜L2Nの各電池パック1への分配制御を示している。
図6において、第2充放電制限値分配制御が開始されると、ステップS61において、上位制御装置16から逐次受信し逐次内容を更新して記憶している第1充放電制限値L1の情報がメモリから取り込まれる。
次に、ステップS62にて、放電時においては、SOCの値Biが大きいほどより大きな値で放電が行われるように、第1放電制限値L1に各電池パック1の放電時SOC比率(1〜0の値)を乗じて、第2放電制限値L2iとして、各電池パック1a〜1nに割り当てる。なお、第2放電制限値L2iのiは、1〜Nのうちいずれかの値である。
ここで、各電池パックのSOCをB1、B2、・・Bnとすると、該当する電池パック1の第2放電制限値L2iは、該当する電池パック1のSOCの値Biを電池パック1全体のSOCの値の合計(B1+B2+・・Bn)で除した値からなる放電時SOC比率(1〜0の値)を第1放電制限値L1に乗じて求めている。これによれば、電池パック1内の蓄電池2が充電されているほど(SOCの値Biが大きいほど)、大きな第2放電制限値L2iが、電池パック1に割り当てられる。なお、上記SOCの代わりに蓄電池2の出力端子電圧を用いることもできる。
一方、ステップS62にて、充電時においては、SOCの値Biが小さい場合ほどより大きな値で充電が行われるように、第1充電制限値L1に各電池パック1の充電時SOC比率(1〜0の値)を乗じて、第2充電制限値L2iとして、各電池パック1a〜1nに割り当てる。
ここで、各電池パックのSOCをB1、B2、・・Bnとすると、充電時SOC比率は、該当する電池パック1のSOCの値をBiとした場合、100−Biを、(100−B1)+(100−B2)+・・(100−Bn)で除した値から成る。これによれば、電池パック1内の蓄電池2のSOCの値Biが小さいほど、より充電が行われるようになる。
(第2実施形態の作用効果)
この第2実施形態においては、直流回路9に直流側発電装置(太陽光発電装置)13が接続されている。これによれば、直流側発電装置13から直流回路9を介して各電池パック1内の蓄電池2を充電したり、直流回路9に接続された直流電気負荷11a〜11cに給電したりすることができる。
また、図2と同様のマスターBMU15a内の蓄電池統括機能部による第2充放電制限値L21〜L2Nの各電池パック1への分配は、各電池パック1の充放電状態(例えばSOCまたは蓄電池の出力端子電圧)に基づいて行われる。これによれば、各電池パック1の充放電状態を考慮して第2充放電制限値L21〜L2Nの分配が行われるから、上位制御装置のスケジューリングに忠実に従った充放電の実現性が高まり、効率的な電力の充放電が可能となる。
また、第2実施形態においても、第1充放電制限値L1、第2充放電制限値L21〜L2N、第3充放電制限値L31〜L3Nの大きさの関係は,第1充放電制限値>第2充放電制限値≧第3充放電制限値の関係となる。
そして、上位制御装置16が決定した第1充放電制限値L1が、電池パック1側に指示される。電池パック1側では、蓄電池統括機能部が各蓄電池2の充放電能力や残容量(SOC等)を監視して第2充放電制限値L21〜L2Nを分配する。次に、蓄電池マネージメント機能部が蓄電池2の状態に基づいて、適切な第3充放電制限値L31〜L3Nに変更可能である。
この構成とすることで、上位制御装置16の発電量等の予測に基づく不確かな充放電電流指示である第1充放電制限値L1を、各蓄電池2の状況に見合った値に変更することができる。よって、上位制御装置16は、電池パック1の総数nや1台毎の状況を把握することなく、第1充放電制限値L1を指示すれば、最終的に蓄電池2の状態にあった指示値である第3充放電制限値L31〜L3Nに変更可能となる。
その反面、上位制御装置16が希望したスケジューリングどおりの充電電流または放電電流(充電電力または放電電力と言うこともできる)の制限がかけられないことが考えられる。しかし、この問題に関しては、蓄電池2全体のSOC等を監視しながら、モデル予測制御を実施する、例えば特願2011−161465号のように、上位制御装置16が制御周期毎に第1充放電制限値L1に補正(スケジューリングの補正)をかけることが可能である。そのため、長期的に見れば、上位制御装置16の意図が蓄電池2の充電電流または放電電流等の制御に反映可能である。
第2実施形態における第3充放電制限値L31〜L3Nまでの算出も図6と同じである。従って、第2実施形態においては、各BMU15内の蓄電池マネージメント機能部による、充放電制限値の変更は以下のように行われる。各電池パック1内の蓄電池2の残容量に係る情報(SOCであるが蓄電池出力端子電圧でもよい)に係る情報に基づいて、図6のように、第1充放電制限値L1を変更して電池パック1の残容量に係る情報に合致した第2充放電制限値L21〜L2Nを得る。
次に、図4と同様に、過充電または過放電または過温度を検出して、故障してしまう手前のタイミングで充電電流または放電電流(充電電力または放電電力)に制限をかけるように第3充放電制限値L31〜L3Nまたはireq)を0(完全にゼロでなくても故障が防止できる程度の値であればよい)としている(ステップS43)。つまり、各電池パック1内の蓄電地2のセル温度上昇時などの異常時に、充電電流または放電電流を0とするように第3充放電制限値L31〜L3N(ireq)を設定している。
また、過充電または過放電による故障の手前のタイミングで、第2充放電制限値L21〜L2Nに係らず、第3充放電制限値L31〜L3N(ireq)を0としている(ステップS42)。更に、各電池パック1内の蓄電地2の例えばセル温度上昇時などの異常時にも第2充放電制限値L21〜L2Nに係らず、第3充放電制限値L31〜L3N(ireq)を0としている(ステップS42)。
過充電または過放電または過温度といった故障要因の情報が無い場合は、次のいずれかの方法で第3充放電制限値L31〜L3N(ireq)を設定している。第1に、図4のステップS44において放電側最大能力(最大放電電流と言っても良い)と充電側最大能力(最大充電電流と言っても良い)の間にある第2充放電制限値L21〜L2Nの値を第3充放電制限値L31〜L3N(ireq)として設定している。第2に、図4のステップS45において放電側最大能力(最大放電電流と言っても良い)と充電側最大能力(最大充電電流と言っても良い)のいずれかの値を第3充放電制限値L31〜L3N(ireq)として設定している。
従って、各電池パック1内の蓄電池2の残容量に係る情報(SOCまたは蓄電池出力端子電圧)に基づいて可能な限り大きな値に第3充放電制限値を設定しつつ、故障対策を実施している。この故障対策とは、過充電または過放電に対しての対策、および、各電池パック1内の蓄電地2の例えばセル温度上昇時等の過温度時対策である。また、各電池パック1内で故障対策ができるため、遠隔装置により故障を把握して対策する構成に比べると、通信負荷を減らすことができている。
(他の実施形態)
上述の実施形態では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものである。
上記実施形態における電池パックは据え置きタイプの例を示したが、接続台数が変化する、蓄電池が搭載された電気自動車をスレーブBMUを持つ電池パックとすることも可能である。また、第1〜第3充放電制限値は制限する電流値の情報としても、制限する電力の情報としてもよい。
また、過充電、過放電、過温度等の故障要因に応じて第3充放電制限値を0(ゼロ)としたが、これらの過充電、過放電、過温度等から復旧できる程度の大きさの制限がかけられればよく、完全にゼロにする必要はない。
1、1a、1b、1n 電池パック
2、2a、2b、2n 蓄電池
6〜7、11 電気負荷群
10 交流直流変換回路
12、12a、12b、12n 双方向電源回路
15、15a、15b、15n 蓄電池管理ユニット(BMU)
16 上位制御装置
L1 第1充放電制限値
L21〜L2N 第2充放電制限値
L31〜L3N 第3充放電制限値

Claims (10)

  1. 複数の蓄電池(2)と、該蓄電池(2)の充電放電を行う双方向電源回路(12)と、前記蓄電池(2)の過充電、過放電または過温度といった、故障が発生する前の故障要因の情報および充電状態を検出する蓄電池管理ユニット(15)とから成る複数の電池パック(1)と、
    前記複数の電池パック(1)が接続された直流回路(9)と、
    前記複数の電池パック(1)に対して制御指令を送信する上位制御装置(16)と、を備え、
    前記複数の電池パック(1)のうち選択された電池パック(1a)はマスター機能を有するために前記蓄電池管理ユニット(15a)内に蓄電池統括機能部を備え、
    前記複数の電池パック(1)のうち前記マスター機能を有しない各前記電池パック(1b、1n)の各前記蓄電池管理ユニット(15b、15n)は、前記マスター機能を有する前記蓄電池管理ユニット(15a)を介して前記上位制御装置(16)からの制御指令を受信し、
    前記マスター機能を有する前記蓄電池管理ユニット(15a)は、前記上位制御装置(16)に対して、前記複数の電池パック(1)の前記故障要因の情報および充電状態に関する電池パック情報を送信し、
    前記上位制御装置(16)は、受信した前記電池パック情報、および前記上位制御装置(16)が制御するシステム全体の制御計画に基づいて、前記マスター機能を有する前記蓄電池管理ユニット(15a)に対して前記制御指令となる第1充放電制限値(L1)に関する情報を供給し、
    前記第1充放電制限値(L1)に関する情報は、前記電池パック(1)内の前記蓄電池(2)の充電または放電の大きさを制限する情報から成り、
    前記第1充放電制限値(L1)に関する情報の供給を受けた前記マスター機能を有する前記蓄電池管理ユニット(15a)は、前記第1充放電制限値(L1)に基づいて各前記電池パック(1)の蓄電池マネージメント機能部に対して第2充放電制限値(L21〜L2N)に関する情報を分配し、
    前記第2充放電制限値(L21〜L2N)に関する情報の分配を受けた各前記電池パック(1)内の前記蓄電池マネージメント機能部は、各前記電池パック(1)内の前記蓄電池(2)の前記故障要因の情報または充電状態の情報に基づいて第3充放電制限値(L31〜L3N)に関する情報を各前記電池パック(1)内の前記双方向電源回路(12)に供給することを特徴とする蓄電池システム。
  2. 前記第1充放電制限値(L1)の方が前記第2充放電制限値(L21〜L2N)より大きな値であり、前記第2充放電制限値(L21〜L2N)は前記第3充放電制限値(L31〜L3N)以上の値であることを特徴とする請求項1に記載の蓄電池システム。
  3. 前記蓄電池管理ユニット(15a)内の前記蓄電池統括機能部による前記第2充放電制限値(L21〜L2N)の各前記電池パック(1)への分配は、前記電池パック(1)の総数(n)で均等割りして分配することを特徴とする請求項1または2に記載の蓄電池システム。
  4. 前記蓄電池管理ユニット(15a)内の前記蓄電池統括機能部による前記第2充放電制限値(L21〜L2N)の各前記電池パック(1)への分配は、各前記蓄電池(2)の充電状態に応じて前記第2充放電制限値(L21〜L2N)の各前記電池パック(1)への分配を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の蓄電池システム。
  5. 前記蓄電池管理ユニット(15)内の前記蓄電池マネージメント機能部による前記第3充放電制限値(L31〜L3N)の各前記双方向電源回路(12)への供給は、各前記蓄電池(2)の前記故障要因の情報に基づいて行われることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
  6. 各前記電池パック(1)内の各前記蓄電池(2)の放電側最大能力と充電側最大能力とが、前記蓄電池(2)内の温度および電圧により各前記蓄電池管理ユニット(15)内の前記蓄電池マネージメント機能部内で算出され、
    前記蓄電池管理ユニット(15a)内の前記蓄電池マネージメント機能部による前記第3充放電制限値(L31〜L3N)の各前記双方向電源回路(12)への供給は、前記蓄電池マネージメント機能部内の前記放電側最大能力および前記充電側最大能力に係る情報により、各前記電池パック(1)に分配された前記第2充放電制限値(L21〜L2N)の前記放電側最大能力から、前記充電側最大能力までの範囲内で供給されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
  7. 前記第3充放電制限値(L31〜L3N)に関する情報を各前記電池パック(1)内の前記双方向電源回路(12)に供給する場合に、
    前記電池パック(1)内の前記蓄電池(2)における過充電、過放電および過温度のいずれかの検出に応じて前記第2充放電制限値(L21〜L2N)にかかわらず前記第3充放電制限値(L31〜L3N)を抑制またはゼロとし、
    前記放電側最大能力と前記充電側最大能力との範囲内に前記第2充放電制限値(L21〜L2N)が無い場合には、前記第2充放電制限値(L21〜L2N)にかかわらず前記第3充放電制限値(L31〜L3N)を前記放電側最大能力または前記充電側最大能力とすることを特徴とする請求項6に記載の蓄電池システム。
  8. 前記上位制御装置(16)は、蓄電池充放電スケジューリング機能を持ち、少なくとも前記直流回路(9)の直流電気負荷(11)から成る電気負荷群(6〜7、11)における電力需要予測、および、前記マスター機能を有する前記蓄電池管理ユニット(15a)からの複数の前記電池パック(1)の充電状態に関する前記電池パック情報により商用電源(100)における電力使用量の最小を達成する蓄電池充放電スケジュールを立案し、
    立案された前記蓄電池充放電スケジュールに基づき、前記マスター機能を有する前記蓄電池管理ユニット(15a)に対して前記第1充放電制限値(L1)の情報を供給することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
  9. 前記直流回路(9)に交流直流変換回路(10)を介して接続された交流回路(4)を有し、前記交流回路(4)は前記商用電源(100)に接続されていることを特徴とする請求項8に記載の蓄電池システム。
  10. 前記直流回路(9)に直流側発電装置(13)が接続されていることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
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