JP5801176B2

JP5801176B2 - 蓄電装置及びその保守方法

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Publication number: JP5801176B2
Application number: JP2011276672A
Authority: JP
Inventors: 保遠藤; 淳藤原; 藤原　　淳
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: JP2013127893A; CN103165947A; EP2608347A3; EP2608347A2; CN103165947B; US20130154569A1

Description

本発明は、複数のバッテリモジュールを有する蓄電装置及びその保守方法に関する。

例えば、大規模な太陽光発電装置においては、その出力変動の抑制を行うため、多数のバッテリを使用した蓄電装置が使用される。すなわち、この種の蓄電装置では、複数のバッテリを直列及び/又は並列に複数接続して、バッテリモジュールを構成し、このバッテリモジュールを更に複数接続することでバッテリユニットを構成している。

バッテリユニット内では、全てのバッテリモジュールの容量・電圧などのバランスが保たれている必要がある。バランスが保たれていない場合には、バッテリ性能を十分に発揮できない他、過充電・過放電などによる発火を伴う危険性がある。そのため、通常、バッテリモジュールには、個々のバッテリの充放電電流やその電圧を監視すると共に充放電動作を制御する目的で、ＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）と呼ばれるセル監視装置が設けられている。また、バッテリユニットには、個々のバッテリモジュールの監視及び制御を行うために、ＢＭＵ（Battery Management Unit）と呼ばれるバッテリ管理装置が設けられている。

このような蓄電装置において、バッテリユニット内で１つでもバッテリモジュールが故障した場合には、基本的にバッテリユニット全てを交換しなくてはならない。しかし、バッテリユニット全体の交換は、費用も嵩むことから、ユーザにとって大きな負担となる。

一方、交換費用低減のために、バッテリモジュール単体の交換を行おうとした場合は、次のような問題が生じる。すなわち、バッテリユニットにおける各バッテリモジュールが容量８０％、電圧２６Ｖでバランスしている状態で、新品の出荷状態の交換用バッテリモジュールの容量が５０％、電圧２０Ｖであると、交換用バッテリモジュールの容量及び電圧を使用中のバッテリモジュールのそれに合わせる必要がある。

しかし、交換後におけるバッテリモジュール間のバランス調整作業は困難かつ長時間を要するため、システム稼働率の低下及び保守費用の増大が発生する。そのため、従来から、特許文献１や特許文献２に示すように、各種のバッテリモジュールの交換方法が提案されている。

特開２０１０−１７２１４２号公報特開２０１１−１１３７５９号公報

従来から提案されているバッテリモジュールの交換方法としては、例えば、次のものがある。

（１）全てのバッテリモジュールを交換
バッテリユニットの構成に合わせて、バッテリメーカで調整した全てのバッテリモジュールに交換する。
この方法は、健全なモジュールも交換する為、交換費用が大きくなる。交換するモジュールが多いため、交換作業の手間が増える。

（２）モジュール単体交換（可搬型調整機器による交換作業）
ユニット内の既存バッテリモジュールと交換用バッテリモジュール間の容量及び電圧バランスをとる為に、可搬型の充放電装置及びＢＭＵなどで交換前に調整して交換する。
この方法は、可搬型の調整機器を準備する為の保守コストが大きくなる。また、交換作業が困難かつ長時間を要する為、システム稼働率の低下及び保守費用の増大が発生する。

（３）モジュール単体交換（バッテリユニットに放電回路を設置）
バッテリユニット製作時に放電回路を設置しておき、各バッテリモジュールの容量・電圧の差により放電回路をオン・オフして、各バッテリモジュールのバランスを調整する。具体的には、次のような作業を行う
(a) 不良なモジュールを交換用バッテリモジュールに交換する。
(b) 放電回路によるバランス調整を行う。
(c) パソコンなどに組み込んだ検査装置によりバッテリモジュール間の容量・電圧バランスを確認する。

この方法は、可搬型の調整機器が不要な利点はあるものの、バランス調整用の放電回路を設ける為、システムコスト及びサイズが大きくなる。特に、放電回路は交換時しか使用しないため、無駄が多い。また、放電回路の容量に制限があることから、調整に要する時間（作業時間）は数時間〜数日間となり、システム稼働率の低下及び保守費用が大きくなる。

本実施形態の目的は、モジュール単体の交換が可能で、しかも、可搬式の充放電装置やバッテリユニットに放電回路を設けることなく、バッテリモジュールの交換が可能な蓄電装置及びその保守方法を提供することにある。

本実施形態の蓄電装置及びその保守方法は、次の構成を有することを特徴とする。
(1) 蓄電装置に、バッテリユニット及び充放電制御用変換器を設ける。
(2) 前記バッテリユニットに、複数のバッテリモジュールとこれらバッテリモジュールの充放電を管理するバッテリ管理装置を設ける。
(3) 前記各バッテリモジュールに、複数のバッテリを接続して成る二次電池列と、個々のバッテリの状態を監視すると共に充放電を制御するセル監視装置を設ける。
(4) 前記蓄電装置に、交換用バッテリモジュールを接続するための保守用コネクタと、交換用モジュールの充放電制御装置を設ける。
(5) 前記各バッテリモジュール、充放電制御用変換器及び保守用コネクタを電力線によって接続する。
(6) 前記バッテリユニット内の各バッテリモジュールのセル監視装置、バッテリ管理装置、保守用コネクタに接続された交換用バッテリモジュールのセル監視装置及び交換用モジュールの充放電制御装置を通信線によって接続し、各バッテリモジュールの状態に関する情報を交換用モジュールの充放電制御装置で取得する。
(7) 前記交換用モジュールの充放電制御装置は、各バッテリモジュールから取得した情報に基づいて、交換用バッテリモジュールの状態とバッテリユニット内のバッテリモジュールの状態のバランスを取るように、充放電制御用変換器を制御し、保守用コネクタに接続された交換用バッテリモジュールを充放電する。

前記のような保守用コネクタ及び交換用モジュールの充放電制御装置を使用した蓄電装置の保守方法も、本発明の一態様である。

第１実施形態の概略を示す配線図である。第２実施形態の概略を示す配線図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

１．第１実施形態
（１）実施形態の構成
図１に示すように、本実施形態の蓄電装置１は、バッテリユニット２、このバッテリユニット２の充放電制御を行うＤＣ／ＤＣ変換器３及び系統連携用のＡＣ／ＤＣ変換器４を備えている。これらバッテリユニット２、ＤＣ／ＤＣ変換器３及びＡＣ／ＤＣ変換器４は、電力線２０によって接続されている。また、ＡＣ／ＤＣ変換器４は、電力線２０によって配電系統２１及び交流負荷２２に接続されている。

前記バッテリユニット２は、複数のバッテリモジュール５ａ〜５ｃと、これらバッテリモジュール５ａ〜５ｃを管理するバッテリ管理装置（ＢＭＵ）６を有する。なお、本実施形態では、バッテリモジュール数を３としたが、バッテリモジュール数はこれに限定されるものではない。

バッテリモジュール５ａ〜５ｃのそれぞれは、複数のバッテリを接続して成る二次電池列と、セル監視装置（ＣＭＵ）７を有する。このセル監視装置７は、二次電池列を構成する個々のバッテリの電圧と温度とをモニターし、それらのデータを前記バッテリ管理装置６に送信すると共に、それぞれのバッテリのセル電圧を均等化する機能を有する。

バッテリ管理装置６と各バッテリモジュール５ａ〜５ｃのセル監視装置７とは通信線３０によって接続され、この通信線３０を経由して、バッテリ管理装置６に各バッテリモジュール５ａ〜５ｃの温度、出力電流、電圧及び容量などの情報が入力される。また、バッテリ管理装置６は、通信線３０を経由してＤＣ／ＤＣ変換器３に接続され、各バッテリモジュール５ａ〜５ｃからの情報をＤＣ／ＤＣ変換器３に送信すると共に、前記ＤＣ／ＤＣ変換器３からの充放電指令に基づいて個々のバッテリモジュールの充放電制御を行う機能を有する。

前記放電制御用のＤＣ／ＤＣ変換器３は、交換用モジュールの充放電制御装置８を備えている。この充放電制御装置８には、前記バッテリ管理装置６から通信線３０を経由して各バッテリモジュール５ａ〜５ｃの情報が入力される。この充放電制御装置８には、各バッテリモジュールの状態（例えば、容量や電圧）を、例えば、図１のようにグラフなどで表示するための表示部９が設けられている。

蓄電装置１には、交換用のバッテリモジュール５ｄを接続するための保守用コネクタ１０が設けられている。この保守用コネクタ１０には、前記ＤＣ／ＤＣ変換器３から伸びる充放電用の電力線２０と、交換用モジュールの充放電制御装置８から伸びる通信線３０が接続されている。

前記ＤＣ／ＤＣ変換器３とバッテリユニット２との間、及びＤＣ／ＤＣ変換器３と保守用コネクタ１０との間を接続する電力線２０には、切換スイッチ４０ａ，４０ｂが設けられている。これらの切換スイッチ４０ａ，４０ｂは、前記保守用コネクタ１０に交換用バッテリモジュール５ｄが接続されたことを検出すると、保守用コネクタ１０側の切換スイッチ４０ａがオンになり、バッテリユニット２側の切換スイッチ４０ｂがオフになるものである。

（２）実施形態の作用
本実施形態において、蓄電装置１の運転時に、充放電制御用のＤＣ／ＤＣ変換器３は、系統連携用ＡＣ／ＤＣ変換器４側の直流電圧が一定範囲内に収まるように、バッテリ管理装置６に対して、各バッテリモジュール５ａ〜５ｃの充放電指令を出力する。

また、各バッテリモジュール５ａ〜５ｃのセル監視装置７は、バッテリ管理装置６から二次電池列を構成する各電池のＳＯＣ(State Of Charge)や寿命に関する情報を受信し、その受信データに基づいて、個々の二次電池の充放電を制御する。その結果、各バッテリモジュール５ａ〜５ｃが正常な状態においては、各バッテリモジュールの容量と電圧はほぼ同じ値（図１の例では、容量８０％、電圧２６Ｖ）となっている。

この状態で、例えば、図１に示すバッテリモジュール５ｃが交換の必要が生じたとする。なお、バッテリモジュールの故障、劣化などは、バッテリ管理装置６が収集した各バッテリモジュール５ａ〜５ｃの電圧、容量などのデータから判定することができる。

交換用のバッテリモジュールは、出荷時の新品の状態では、例えば容量５０％、電圧２０Ｖに充電されている。この状態では、バッテリユニット２に接続されている正常なバッテリモジュール５ａ，５ｂの容量８０％、電圧２６Ｖとはバランスが取れていない。そこで、交換用のバッテリモジュール５ｄを蓄電装置１に設けた保守用コネクタ１０に接続する。

すると、この接続を検出して、保守用コネクタ１０側の切換スイッチ４０ａがオンになり、バッテリユニット２側の切換スイッチ４０ｂがオフになる。その結果、バッテリユニット２側のバッテリモジュール５ａ〜５ｃが充放電用のＤＣ／ＤＣ変換器３から電力的には切り離され、ＤＣ／ＤＣ変換器３による充放電が行われなくなるので、不良なバッテリモジュール５ｃをバッテリユニット２から取り外すことができる。

不良なバッテリモジュール５ｃを取り外した状態でも、バッテリユニット２と充放電用のＤＣ／ＤＣ変換器３間の通信線３０は接続状態にあるため、充放電制御装置８は、この通信線３０を経由してバッテリユニット２内のバッテリモジュール５ａ，５ｂの状態を取得する。同時に、充放電制御装置８は、保守用コネクタ１０に接続された通信線３０を経由して、交換用バッテリモジュール５ｄ内部のセル監視装置７から、交換用バッテリモジュール５ｄの容量、電圧などの情報を取得する。

このようにして取得された各バッテリモジュールの情報に基づいて、充放電制御装置８は、正常なバッテリモジュール５ａ，５ｂと交換用のバッテリモジュール５ｄとがバランスされるように、交換用のバッテリモジュール５ｄの充放電を行う。具体的には、充放電制御装置８がＤＣ／ＤＣ変換器３に対して充放電指令を出力することにより、このＤＣ／ＤＣ変換器３が蓄電装置１本来の機能として備えているバッテリユニット２内のバッテリモジュール５ａ〜５ｃに対する充放電機能を使用して、保守用コネクタ１０に接続された交換用のバッテリモジュール５ｄの充電を行う。

ＤＣ／ＤＣ変換器３による交換用バッテリモジュール５ｄの充電状態（容量や電圧）は、通信線３０を経由して、常時充放電制御装置８に送られる。その結果、充放電制御装置８は、交換用バッテリモジュール５ｄが、バッテリユニット２内の正常なバッテリモジュール５ａ，５ｂとバランスが取れた状態になったことを検出することができる。バランスが取れた状態になった後は、交換用バッテリモジュール５ｄを保守用コネクタ１０から取り外して、バッテリユニット２内に装着する。

（３）実施形態の効果
本実施形態は、次のような効果を有する。
(a) 蓄電装置１が本来備えている充放電用のＤＣ／ＤＣ変換器３を使用して、交換用のバッテリモジュールの充放電を行うことができる。そのため、可搬型調整機器を使用してバッテリモジュールの充放電を行ったり、バッテリユニットに放電回路を設けておく必要がなくなる。

(b) 蓄電装置１が有するＤＣ／ＤＣ変換器３の充放電機能は、通常多数のバッテリモジュールを対象としたもので有り、可搬式調整装置の持つ充放電装置やバッテリモジュールに内蔵する放電回路と比較すると、能力が格段に優れている。そのため、バランスを取るための充放電に必要な時間が短縮できる。

(c) コネクタ保守用１０に対する交換用バッテリモジュール５ｄの接続を検出して、保守用コネクタ１０側の切換スイッチ４０ａがオン、バッテリユニット２側の切換スイッチ４０ｂをオフとしたので、交換用バッテリモジュール５ｄの接続時に、バッテリユニット２からの不用意な充放電が行われることがなく、安全性を確保できる。

２．第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態を示すものである。図２に示すように、第２実施形態は、バッテリユニット２内部に主回路用と通信回路用の２つの端子台４１ａ，４１ｂを設けたものである。

各バッテリモジュール５ａ〜５ｃの電力線２０は、主回路用の端子台４１ａによってバッテリユニット２に接続される。各バッテリモジュール５ａ〜５ｃの通信線３０は、通信回路用の端子台４１ｂによってバッテリユニット２に接続される。

この第２実施形態においては、個々のバッテリモジュール５ａ〜５ｃの電力線２０と通信線３０を、端子台４１ａ，４１ｂを利用してバッテリユニット２に接続することができる。その結果、バッテリモジュールの交換時に、半田付けや結線などの作業が不要となる。なお、端子台４１ａ，４１ｂは、図示のように１つの端子台に複数のバッテリモジュールを接続するものでも、単一のバッテリモジュールを接続する小型の端子台をバッテリモジュール数用意しても良い。

３．他の実施形態
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含する。

（１）蓄電装置内部に系統連携用のＡＣ／ＤＣ変換器を設けることなく、充放電制御用のＤＣ／ＤＣ変換器を有する複数の蓄電装置を複数並列に接続して、１基または複数基のＡＣ／ＤＣ変換器を介して、蓄電装置と配電系統を接続する。

（２）蓄電装置に対する充放電を、配電系統に対してではなく、発電機と負荷に直接接続する。その場合、発電機としては、太陽光発電装置、風力発電装置や電気自動車や電車に搭載された発電機が使用できる。

（３）図示の実施形態は、交換用モジュールの充放電制御装置８を、制御対象であるＤＣ／ＤＣ変換器３と一体に設けたが、蓄電装置１の他の部分に独立の装置として設けたり、バッテリユニット２やその内部のバッテリ管理装置６内に組み込むことも可能である。

（４）図示の実施形態では、保守用コネクタに交換用のバッテリモジュールを接続したことを検出して、切換スイッチ４０ａ，４０ｂをオン・オフしたが、手動でこれらのスイッチを切り換えても良い。

（５）バッテリユニットに内蔵するバッテリモジュール数が多い場合には、蓄電装置に複数の保守用コネクタを設けることができる。

（６）前記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１…蓄電装置
２…バッテリユニット
３…充放電制御用ＤＣ／ＤＣ変換器
４…系統連携用ＡＣ／ＤＣ変換器
５ａ〜５ｄ…バッテリモジュール
６…バッテリ管理装置（ＢＭＵ）
７…セル監視装置（ＣＭＵ）
８…交換用モジュールの充放電制御装置
９…表示部
１０…保守用コネクタ
２０…電力線
２１…配電系統
２２…交流負荷
３０…通信線
４０ａ，４０ｂ…切換スイッチ
４１ａ，４１ｂ…端子台

Claims

バッテリユニット及び充放電制御用変換器を備え、
前記バッテリユニットに、複数のバッテリモジュールとこれらバッテリモジュールの充放電を管理するバッテリ管理装置を設け、
前記各バッテリモジュールに、複数のバッテリを接続して成る二次電池列と、個々のバッテリの状態を監視すると共に、充放電を制御するセル監視装置を設けた蓄電装置において、
前記蓄電装置に、交換用バッテリモジュールを接続するための保守用コネクタと、交換用モジュールの充放電制御装置を設け、
前記各バッテリモジュール、充放電制御用変換器及び保守用コネクタを電力線によって接続し、
前記バッテリユニット内の各バッテリモジュールのセル監視装置、バッテリ管理装置、保守用コネクタに接続された交換用バッテリモジュールのセル監視装置及び交換用モジュールの充放電制御装置を通信線によって接続し、
前記交換用モジュールの充放電制御装置は、各バッテリモジュールから取得した情報に基づいて充放電制御用変換器を制御し、保守用コネクタに接続された交換用バッテリモジュールを充放電することを特徴とする蓄電装置。
バッテリユニット内部に主回路用と通信回路用の端子台を設け、各バッテリモジュール電力線を主回路用の端子台によってバッテリユニットに接続し、各バッテリモジュールの通信線を通信回路用の端子台によってバッテリユニット２に接続したことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
バッテリユニットと充放電制御用変換器を備え、前記バッテリユニットに、複数のバッテリモジュールとこれらバッテリモジュールの充放電を管理するバッテリ管理装置を設け、
前記各バッテリモジュールに、複数のバッテリを接続して成る二次電池列と、個々のバッテリの状態を監視すると共に、充放電を制御するセル監視装置を設けた蓄電装置の保守方法において、
前記充放電制御用変換器に交換用モジュールの充放電制御装置を設け、この充放電制御装置により各バッテリモジュールの状態に関する情報を取得し、
前記蓄電装置に交換用バッテリモジュールを接続するための保守用コネクタを設け、この保守用コネクタに交換用バッテリモジュールを接続し、
前記交換用モジュールの充放電制御装置により、各バッテリモジュールから取得した情報に基づいて、交換用バッテリモジュールの状態とバッテリユニット内のバッテリモジュールの状態のバランスを取るように、充放電制御用変換器を制御して、交換用バッテリモジュールを充放電することを特徴とする蓄電装置の保守方法。