JP5856934B2 - 蓄電池システムの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は複数の蓄電池から構成される蓄電池システムの制御方法に関し、特に、蓄電池間の充電状態を均一化するための蓄電池システムの制御方法に関する。
電力系統安定化やスマートグリッドの観点から大規模な蓄電池システムを系統や発電所に併設することが検討されている。蓄電池システムに要求される出力，容量を得るため，多数の電池セルを直列，及び並列に接続して構成する。電池システムを充放電する際，直列に接続された電池セルにはそれぞれ同じ電流が流れることとなる。このため全ての電池セルが同じ特性であれば電池電圧にばらつきは生じない。しかし実際には電池セルの製造上，内部抵抗や電池容量等にばらつきが存在する。例えば自己放電の速度が電池セルごとに異なる場合，時間経過とともにセル電圧にばらつきを生じる。図１に示すように，直列に接続された電池セルの電圧にばらつきがある場合，特定の電池を過充電，又は過放電する原因となり，また過充電，過放電を防止するために充放電を停止すると見かけ上の電池容量が減少してしまうという問題がある。
このような問題を解決するため，特許文献１は電圧の高いセル，又はセル群を検出して放電を行い，セル電圧を均一化するバランス制御の機構を開示している。この特許文献１の電池システムは，図２に示すように，複数の電池セル１０１を直列に接続して組電池２０１とし，組電池２０１をさらに直列に接続することで高電圧を得ている。電池セル１０１間の電圧ばらつきを解消するため，セルコントローラ２０２はセル電圧検出回路２０４によってセル電圧を検出し，その値を上位のバッテリコントローラ２０８に伝達する。バッテリコントローラ２０８は，検出されたセル電圧値に基づいてセルに並列に接続されたセル放電回路２０３のスイッチをＯＮさせるようセル放電回路制御部２０４に対して放電指示を出す。
また組電池２０１間のばらつきを解消するため，バッテリコントローラ２０８は検出されたセル電圧から組電池２０１の電圧を算出し，高い電圧値を持つ組電池２０１に接続された組電池放電回路制御部２０７に対して放電指示を出す。放電指示を受け取った組電池放電回路制御部２０７が組電池放電回路２０６をＯＮさせることで組電池２０１を放電し，組電池２０１間の電圧ばらつきを均一化することができる。
特開２０１０−０２９０５０号公報
上述した特許文献１に開示されるバランス制御方式はセル間，組電池間のばらつきをそれぞれ解消するためのものであるが，電池システムのバランス制御を実施するためにセル，組電池それぞれに並列に接続される２種類の放電回路が必要となる。また組電池に並列に接続するモジュール放電回路２０６には組電池電圧に相当する電圧が印加されることから，周辺回路との絶縁距離を確保しなければならず，基板回路の小型化が難しい。さらに特許文献１の方式ではすべてのセル電圧情報を上位のバッテリコントローラ２０８に伝達しなければならず，多数の組電池を扱う大規模な蓄電池システムでは必要となる通信速度が増大し，またバッテリコントローラ２０８への配線が困難となるなど，前記バランス制御方式の適用が難しいという課題がある。
上記課題を解決するため，本発明では、
複数個の電池セルを直列，並列または直並列に接続して組電池を構成し，
各々の組電池は組電池に属する電池セルを監視，制御するための第１階層のコントローラと接続され，
第１階層のコントローラは、
電池セルの端子間電圧を個別に検出可能なセル電圧計測手段と，
前記組電池に属する前記電池セルを個別に放電可能なセルバランス手段と，
セル電圧の最小値または平均値を代表値として上位の第２階層のコントローラに対して送るための通信手段と，
上位の第２階層のコントローラから放電指示を受けセルバランス手段に対して放電指示を出すことのできる制御手段を有し，
第２階層のコントローラは、
第１階層コントローラから電圧の代表値を取得し，最小値または平均値を代表値として上位の第３階層のコントローラに対して送るための通信手段と，
上位の第３階層のコントローラから放電指示を受け，下位の第２階層のコントローラに対して放電指示を出すことのできる制御手段を有し，
第３階層のコントローラは、
第２階層コントローラから電圧の代表値を取得し，最小値または平均値を代表値としてパソコン等の監視制御装置に送るための通信手段と，
上位の監視制御装置から放電指示を受け，下位の第２階層のコントローラに対して放電指示を出すことのできる制御手段を有する蓄電池システムにおいて，
階層化された蓄電池システムの上位のコントローラへセル電圧の情報を伝達し、
放電量をコントローラ毎に算出し、
放電指示を最下層のコントローラに伝達して放電回路を制御することで、セル間の電圧ばらつき、及びコントローラ間の電圧ばらつきを解消する。
蓄電池システムの監視，制御を階層化し，セルに並列に接続した放電回路によって蓄電池システム全体のセル電圧の均一化を行うことができる。このためそれぞれの階層で個別にバランス制御回路を持つ必要がなく，高電圧で動作する回路が不要となる。
また、セル電圧の監視を階層化し，セル電圧の最小値または平均値等の代表値を伝達することでデータ量を削減し，最上位のコントローラに膨大な数のセルデータが集中することを防ぐことが出来る。
さらに、第２階層以上のコントローラでは電池セルを直接計測せず，通信と制御のみを行うことから，同様の機能を持ったコントローラで階層を拡張していくことができるため，蓄電池システムの大容量化が容易となる。
電池セルの電圧にばらつきがあるときの充放電の様子を示した図である。 従来の蓄電池システムを説明するための図である。 本発明を適用可能な階層制御蓄電池システムの概念図である。 本発明を適用した階層制御蓄電池システムの実施例である。 階層化電池システムにおけるバランス制御フローである。 実施例２のバランス制御フローである。 実施例２の制御の具体例を示した図である。 実施例３のバランス制御フローである。 実施例３の制御の具体例を示した図である。 実施例４のバランス制御フローである。 実施例４の制御の具体例を示した図である。 実施例５のバランス制御フローである。 実施例５の制御の具体例を示した図である。
本実施例で示す階層制御蓄電池システムを説明するため，３階層で構成される電池システムの概念図を図３に示す。
複数個の組電池１０１を直列，並列または直並列に接続して第１〜第４の組電池２０１−１〜２０１−４を構成する。電池セル１０１間の電圧を均一化するため，第１階層のコントローラ３０１〜３０４が第１〜第４の組電池２０１−１〜２０１−４にそれぞれ接続され，各電池セル１０１の電圧を監視してバランス制御を実施する。第２階層のコントローラは複数の第１階層のコントローラから電圧情報を取得し，第１階層のコントローラに対してバランス制御の指示を出す。第３階層のコントローラは複数の第２階層のコントローラから電圧情報を取得し，第２階層のコントローラに対してバランス制御の指示を出す。
第３階層の上位には第３階層の上位にはパソコン等の電池システムの状態を表示できる監視制御装置３０８が接続され，全体として１つの蓄電池システムを構成する。
１台のコントローラですべてのセル電圧を検出するのではなく，蓄電池システムの制御を階層化することで，上位のバッテリコントローラに多数のセル電圧データが集中することなく蓄電池システムの容量を大きくすることができる。
階層制御蓄電池システムを実現するための各コントローラの構成を図４に示す。
複数個の電池セル１０１を直列，並列または直並列に接続して組電池２０１を構成し，
各々の組電池２０１は組電池２０１に属する各電池セル１０１を監視，制御するための第１階層のコントローラ３０１〜３０４と接続される。
第１階層のコントローラ３０１は、
組電池２０１−１から電源を生成する電源回路４０１と，
電池セルの端子間電圧を個別に検出可能なセル電圧計測手段４０２と，
前記組電池２０１−１に属する電池セル１０１を個別に放電可能なセルバランス手段２０３と，
セル電圧の最小値または平均値を代表値として上位の第２階層のコントローラ３０５に対して送るための通信部，及び上位の第２階層のコントローラから放電指示を受けセルバランス手段に対して放電指示を出すことのできる制御部４０３を有する。
通信・制御部４０３は上位コントローラと接続する際，フォトカプラやキャパシタ，無線通信等の絶縁通信手段によって接続され，通信配線４０４の接続にはデイジーチェイン，バス、スター型等の接続形態が適用できる。
コントローラ３０２〜３０４はコントローラ３０１と同様に，電源回路４０１と，セル電圧計測手段４０２と，セルバランス手段２０３と，通信・制御部４０３とから構成される。
第２階層のコントローラ３０５は、
電池セル以外から電源を供給される外部電源回路４０５と，
第１階層コントローラ３０１，３０２から電圧の代表値を取得し，最小値または平均値を代表値として上位の第３階層のコントローラ３０７に対して送るための通信手段，及び上位の第３階層のコントローラ３０７から放電指示を受け，下位の第１階層のコントローラに対して放電指示を出すことのできる制御部４０６とを有する。
コントローラ３０６はコントローラ３０５と同様に，電源回路４０５と，通信・制御部４０６とから構成される。第２階層のコントローラと第３階層のコントローラはデイジーチェイン，バス接続等の通信配線４０７によって接続される。
第３階層のコントローラ３０７は
電池セル以外から電源を供給される外部電源回路４０８と，
第２階層コントローラ３０５，３０６から電圧の代表値を取得し，最小値または平均値を代表値としてパソコン等の監視制御装置３０８に送るための通信部と，監視制御装置３０８からの放電指示を受け，下位の第２階層のコントローラに対して放電指示を出すことのできる制御部４０９を有する。
３階層で構成された階層化電池システムにおけるバランス制御のフローを図５に示す。
第１階層のコントローラ３０１は自身が監視する電池セル１０１の電圧情報をセル電圧計測手段４０２によって取得し，セル電圧の最小値または平均値を代表電圧情報として上位の第２階層のコントローラに対して伝達する。第１階層のコントローラ３０１は第２階層のコントローラ３０５から受けた放電指示と自身が計測したセル電圧情報から放電すべきセルを判断し，セルバランス手段２０３によって放電制御を行う。第１階層のコントローラ３０１はこの一連のバランス制御５０１を定期的に行う。
第２階層のコントローラ３０５は自身が管理する階層１コントローラ３０１，及び３０２からそれぞれ代表電圧情報を取得し，階層１コントローラから取得した代表電圧の最小値または平均値をコントローラ３０５の代表電圧情報として上位の第３階層のコントローラ３０７に対して伝達する。第２階層のコントローラ３０５は第３階層のコントローラ３０７から受けた放電指示と自身が取得した第１階層の代表電圧情報から放電指示を出すべきコントローラを判断し，該当する階層１のコントローラに対して放電指示を伝達する。第２階層のコントローラ３０５はこの一連の動作５０２を定期的に行う。
第３階層のコントローラ３０７は自身が管理する階層２コントローラ３０５，及び３０６からそれぞれ代表電圧情報を取得し，階層２コントローラから取得した代表電圧の最小値または平均値をコントローラ３０７の代表電圧情報として上位の監視制御装置３０８に対して伝達する。第３階層のコントローラ３０７は監視制御装置３０８から受けた放電指示と自身が取得した第２階層の代表電圧情報から放電指示を出すべきコントローラを判断し，該当する階層２のコントローラに対して放電指示を伝達する。第３階層のコントローラ３０７はこの一連の動作５０３を定期的に行う。
それぞれの階層でバランス制御を定期的に実施することで，蓄電池システム全体のセル電圧を均一化することができる。また第１階層のコントローラ３０１〜３０４だけがセルバランス手段２０３を持つ構成とすることで，階層ごとに放電回路を持つ必要がなく，上位コントローラの回路規模を小さくすることができる。
実施例１の構成に適用可能なバランス制御方式について説明する。
一般に蓄電池システムではユーザに対して現在の充電率がどれだけかを知らせる必要がある。電池セルの充電状態にばらつきがあった場合でも，蓄電池システムの現在の平均充電率を知ることは残充電容量，残放電容量を考える目安として重要である。蓄電池システムの平均充電率は全セルの平均電圧から算出することができるため，階層制御蓄電池システムのコントローラは上位のコントローラに対して各々が管理するセル群の平均電圧を伝達する。
実施例２ではセルの平均電圧を上位に伝達する場合のバランス制御，及び放電指示の計算方式について述べる。実施例２のバランス制御のフローチャートを図６に示す。
第ｎ階層コントローラがｍ個の第ｎ−１階層コントローラを管理しているとき，第ｎ階層のコントローラはｍ個の第ｎ−１階層の代表電圧情報（Ｖ（ｎ−１，１），Ｖ（ｎ−１，２），…，Ｖ（ｎ−１，ｍ））を取得する（Ｓ６０１）。コントローラが第１階層（ｎ＝１）である場合，第ｎ−１階層から取得する電圧はセル電圧を意味するものとする。
このとき，ｎ−１階層から収集したｍ個の代表電圧情報の平均値を，バランス制御を実施するための第ｎ階層の判定基準Ｖｒｅｆ（ｎ）と設定し（Ｓ６０２），代表電圧情報の平均値を第ｎ階層の代表電圧値として上位の第ｎ＋１階層コントローラに伝達する。ここで基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）は次の（数１）のように計算される。
Figure 0005856934
ここで、ｎ−１階層の第ｍコントローラの代表電圧がバランス制御基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）よりも閾値（Ｖｔｈ）以上高い場合，第ｍコントローラに対して，Ｖｒｅｆ（ｎ）との差分ΔＶ（ｎ−１，ｍ）をバランス制御指示として与える（Ｓ６０４，Ｓ６０５）。閾値電圧Ｖｔｈは予め設定することができる。このときｎ−１階層の第ｍコントローラへの放電指示値は次の（数２）で計算される。
Figure 0005856934
放電指示を差分として出すのは，バランス制御実施中に充放電動作によってＶ（ｎ−１，ｍ）が途中で変化しても，差分を放電させることで確実にバランスさせるためである。ところで第ｎ階層のコントローラは上位の第ｎ＋１階層コントローラからも同様に放電指示を受け取る。第ｎ階層のコントローラについて，上位の第ｎ＋１階層コントローラからの放電指示ΔＶ(ｎ，ｍ)があり，かつ下位の第ｎ−１階層コントローラに対する放電指示ΔＶ(ｎ−１，ｍ)が０である場合は上位の第ｎ＋１階層コントローラからの放電指示を下位の第ｎ−１階層のすべてのコントローラへ伝達する（Ｓ６０７）。但し，第ｎ階層のコントローラから下位のｎ−１階層コントローラへの放電指示ΔＶ(ｎ−１，ｍ)が出ている場合は下位のｎ−１階層コントローラへの放電指示ΔＶ(ｎ−１，ｍ)を優先する（Ｓ６０５）。上位の第ｎ＋１階層コントローラからの放電指示が無く，下位の第ｎ−１階層コントローラに対する放電指示も無い場合には放電指示無し（ΔＶ(ｎ−１，ｍ)＝０）を伝達する（Ｓ６０８）。この一連のバランス制御を定期的に繰り返すことで，システム全体のセル電圧の均一化を行うことができる。
実施例２のバランス制御動作を図７を使って説明する。図７は第ｎ階層を中心とする３つの階層のコントローラの接続関係を示した図である。まず第ｎ−１階層の第１，第２，第ｍコントローラの代表電圧がそれぞれ３．６Ｖ，３．４Ｖ，３．５Ｖであったとする。
第ｎ階層のコントローラはまず全ての第ｎ−１階層コントローラから代表電圧情報を取得する（Ｓ６０１）。第ｎ階層のコントローラはｎ−１階層から取得した代表電圧の平均値（３．５Ｖ）を計算により求めて第ｎ階層の代表電圧とし，上位の第ｎ＋１階層に伝達する（Ｓ６０３）。
ここで，第ｎ階層のコントローラの閾値電圧Ｖｔｈが０．１Ｖより小さく設定されている場合，第ｎ階層のコントローラは第ｎ−１階層の第１コントローラに対して放電指示ΔＶ（ｎ−１，１）＝−０．１Ｖを送信する。このとき上位の第ｎ＋１階層のコントローラから放電指示ΔＶ（ｎ，１）＝−０．２Ｖが送られてきた場合，第ｎ階層コントローラは第ｎ−１階層のすべてのコントローラへの放電指示が０になるまで第ｎ＋１階層からの放電指示を下位へ伝達しない。上位の第ｎ＋１階層からの指示よりも下位の第ｎ―１階層への指示を優先することで、セル電圧がばらついたまま上位の放電指示が実行されることを防ぐことができ、効率的にセル電圧を均一化することができる。
上記実施例２に示すバランス制御を繰り返すことで、蓄電池システム内のセル電圧のばらつきを解消することが可能である。
実施例１の構成に適用可能なバランス制御方式について説明する。
実施例３ではセルの平均電圧を上位に伝達すると同時に下位から収集した代表電圧値の中の最小電圧値をバランス制御の基準電圧とする制御方式，及び放電指示の計算方式について述べる。実施例３のバランス制御のフローチャートを図８に示す。
第ｎ階層コントローラがｍ個の第ｎ−１階層コントローラを管理しているとき，第ｎ階層のコントローラはｍ個の第ｎ−１階層の代表電圧情報（Ｖ（ｎ−１，１），Ｖ（ｎ−１，２），…，Ｖ（ｎ−１，ｍ））を取得する（Ｓ８０１）。コントローラが第１階層（ｎ＝１）である場合，第ｎ−１階層から取得する電圧はセル電圧を意味するものとする。
このとき，ｎ−１階層から収集したｍ個の代表電圧情報の最小値を，バランス制御を実施するための第ｎ階層の判定基準Ｖｒｅｆ（ｎ）と設定し（Ｓ８０２），代表電圧情報の平均値を第ｎ階層の代表電圧値として上位の第ｎ＋１階層コントローラに伝達する。ここで基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）は次の（数３）のように計算される。
Figure 0005856934
ここで、ｎ−１階層の第ｍコントローラの代表電圧がバランス制御基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）よりも閾値（Ｖｔｈ）以上高い場合，第ｍコントローラに対して，Ｖｒｅｆ（ｎ）との差分ΔＶ（ｎ−１，ｍ）をバランス制御指示として与える（Ｓ６０４，Ｓ６０５）。閾値電圧Ｖｔｈは予め設定することができる。このときｎ−１階層の第ｍコントローラへの放電指示値は次の（数４）で計算される。
Figure 0005856934
第ｎ階層のコントローラについて，上位の第ｎ＋１階層コントローラからの放電指示ΔＶ(ｎ，ｍ)があり，かつ下位の第ｎ−１階層コントローラに対する放電指示ΔＶ(ｎ−１，ｍ)が０である場合は上位の第ｎ＋１階層コントローラからの放電指示を下位の第ｎ−１階層のすべてのコントローラへ伝達する（Ｓ８０７）。但し，第ｎ階層のコントローラから下位のｎ−１階層コントローラへの放電指示ΔＶ(ｎ−１，ｍ)が出ている場合は下位のｎ−１階層コントローラへの放電指示ΔＶ(ｎ−１，ｍ)を優先する（Ｓ８０５）。上位の第ｎ＋１階層コントローラからの放電指示が無く，下位の第ｎ−１階層コントローラに対する放電指示も無い場合には放電指示無し（ΔＶ(ｎ−１，ｍ)＝０）を伝達する（Ｓ８０８）。この一連のバランス制御を定期的に繰り返すことで，システム全体のセル電圧の均一化を行うことができる。
実施例３のバランス制御動作を図９を使って説明する。図９は第ｎ階層を中心とする３つの階層のコントローラの接続関係を示した図である。まず第ｎ−１階層の第１，第２，第ｍコントローラの代表電圧がそれぞれ３．６Ｖ，３．４Ｖ，３．５Ｖであったとする。
第ｎ階層のコントローラはまず全ての第ｎ−１階層コントローラから代表電圧情報を取得する（Ｓ８０１）。第ｎ階層のコントローラはｎ−１階層から取得した代表電圧の最小値（３．４Ｖ）を求めて第ｎ階層のバランス制御基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）とし、ｎ−１階層から取得した代表電圧の平均値を第ｎ階層の代表電圧として上位の第ｎ＋１階層コントローラへ伝達する（Ｓ８０３）。
ここで，第ｎ階層のコントローラの閾値電圧Ｖｔｈが０．１Ｖより小さく設定されている場合，第ｎ階層のコントローラは第ｎ−１階層の第１コントローラに対して放電指示ΔＶ（ｎ−１，１）＝−０．１Ｖを送信する。このとき上位の第ｎ＋１階層のコントローラから放電指示ΔＶ（ｎ，１）＝−０．４Ｖが送られてきた場合，第ｎ階層コントローラは第ｎ−１階層のすべてのコントローラへの放電指示が０になるまで第ｎ＋１階層からの放電指示を下位へ伝達しない。
上記実施例３に示すバランス制御を繰り返すことで、蓄電池システム内のセル電圧のばらつきを解消することが可能である。
実施例１の構成に適用可能なバランス制御方式について説明する。
実施例４ではセルの平均電圧を上位に伝達すると同時に下位から収集した代表電圧値の中の最小電圧値をバランス制御の基準電圧とし、さらに上位からの放電指示でバランス制御基準電圧を更新する制御方式，及び放電指示の計算方式について述べる。実施例４のバランス制御のフローチャートを図１０に示す。
第ｎ階層コントローラがｍ個の第ｎ−１階層コントローラを管理しているとき，第ｎ階層の第ｘコントローラはｍ個の第ｎ−１階層の代表電圧情報（Ｖ（ｎ−１，１），Ｖ（ｎ−１，２），…，Ｖ（ｎ−１，ｍ））を取得する（Ｓ１００１）。
コントローラが第１階層（ｎ＝１）である場合，第ｎ−１階層から取得する電圧はセル電圧を意味するものとする。第ｎ階層の第ｘコントローラは第ｎ−１階層から収集したｍ個の代表電圧情報の（１）平均値と（２）最小値をそれぞれ算出し（Ｓ１００２），（１）の平均値を第ｎ階層の代表電圧値として上位の第ｎ＋１階層コントローラに伝達する（Ｓ１００３）。
ここで、第ｎ階層の第ｘコントローラは上位の第ｎ＋１階層から放電指示ΔＶ（ｎ，ｘ）を受け取り、（３）「上位の第ｎ＋１階層コントローラが目標とする電圧（ＶＴＧＴ）」を（３）＝（１）−ΔＶ（ｎ，ｘ）より求めることができる。つまりＶＴＧＴは以下の（数５）で算出できる。
Figure 0005856934
このとき、（２）第ｎ−１階層の最小値と（３）の目標電圧ＶＴＧＴとを比較し、値の小さい方をバランス制御の目標値Ｖｒｅｆ（ｎ）として設定する（Ｓ１００６）。ｎ−１階層の第ｍコントローラの代表電圧がバランス制御基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）よりも閾値（Ｖｔｈ）以上高い場合，第ｍコントローラに対して，Ｖｒｅｆ（ｎ）との差分ΔＶ（ｎ−１，ｍ）をバランス制御指示として与える（Ｓ１００８，Ｓ１００９、Ｓ１０１０）。閾値電圧Ｖｔｈは予め設定することができる。このときｎ−１階層の第ｍコントローラへの放電指示値は次の（数６）で計算される。
Figure 0005856934
実施例４に示すバランス制御を図１１を使って説明する。図１１は第ｎ階層を中心とする３つの階層のコントローラの接続関係を示した図である。まず第ｎ−１階層の第１，第２，第ｍコントローラの代表電圧がそれぞれ３．６Ｖ，３．４Ｖ，３．５Ｖであったとする。
第ｎ階層のコントローラはまず全ての第ｎ−１階層コントローラから代表電圧情報を取得する（Ｓ１００１）。第ｎ階層のコントローラはｎ−１階層から取得した代表電圧の平均値（３．５Ｖ）を求めて第ｎ階層の代表電圧とし、上位の第ｎ＋１階層コントローラへ伝達する（Ｓ１００３）。
ここで，第ｎ階層のコントローラが上位の第ｎ＋１階層コントローラから放電指示（−０．４Ｖ）を受け取っているとき、第ｎ階層のコントローラは３．５Ｖ−０．４Ｖより目標電圧が３．１Ｖであると算出する。この目標電圧と第ｎ−１階層の各コントローラの代表電圧を比較し、より低い値を第ｎ階層のバランス制御基準電圧に設定する（Ｓ１００６）。第ｎ―１階層の各コントローラの代表電圧がバランス制御基準電圧よりも閾値以上高い場合、第ｎ―１階層の該当するコントローラに対してその差分ΔＶ（ｎ−１，ｍ）を放電指示として送付する（Ｓ１００９）。
上記実施例４に示すバランス制御を繰り返すことで、蓄電池システム内のセル電圧のばらつきを解消することが可能である。
実施例１の構成に適用可能なバランス制御方式について説明する。
実施例５では最小電圧を代表電圧として上位の階層へ伝達する場合のバランス制御方式，及び放電指示の計算方式について述べる。実施例５のバランス制御のフローチャートを図１２に示す。
第ｎ階層コントローラがｍ個の第ｎ−１階層コントローラを管理しているとき，第ｎ階層の第ｘコントローラはｍ個の第ｎ−１階層の代表電圧情報（Ｖ（ｎ−１，１），Ｖ（ｎ−１，２），…，Ｖ（ｎ−１，ｍ））を取得する（Ｓ１２０１）。コントローラが第１階層（ｎ＝１）である場合，第ｎ−１階層から取得する電圧はセル電圧を意味するものとする。第ｎ階層の第ｘコントローラは第ｎ−１階層から収集したｍ個の代表電圧情報の最小値を算出し（Ｓ１２０２），その最小値を第ｎ階層の代表電圧値として上位の第ｎ＋１階層コントローラに伝達する（Ｓ１２０３）。ここで第ｎ階層の第ｘコントローラは上位の第ｎ＋１階層から放電指示ΔＶ（ｎ，ｘ）を受け取り、上位の第ｎ＋１階層コントローラが目標とする電圧（ＶＴＧＴ）を以下の（数７）で算出することができる。
Figure 0005856934
このとき、第ｎ−１階層の最小値との目標電圧ＶＴＧＴとを比較し、値の小さい方をバランス制御の目標値Ｖｒｅｆ（ｎ）として設定する（Ｓ１２０６）。ｎ−１階層の第ｍコントローラの代表電圧がバランス制御基準値Ｖｒｅｆ（ｎ）よりも閾値（Ｖｔｈ）以上高い場合，第ｍコントローラに対して，Ｖｒｅｆ（ｎ）との差分ΔＶ（ｎ−１，ｍ）をバランス制御指示として与える（Ｓ１２０８，Ｓ１２０９、Ｓ１２１０）。
閾値電圧Ｖｔｈは予め設定することができる。このときｎ−１階層の第ｍコントローラへの放電指示値は次の（数８）で計算される。
Figure 0005856934
実施例５に示すバランス制御を図１２を使って説明する。図１２は第ｎ階層を中心とする３つの階層のコントローラの接続関係を示した図である。まず第ｎ−１階層の第１，第２，第ｍコントローラの代表電圧がそれぞれ３．６Ｖ，３．４Ｖ，３．５Ｖであったとする。
第ｎ階層のコントローラはまず全ての第ｎ−１階層コントローラから代表電圧情報を取得する（Ｓ１２０１）。第ｎ階層のコントローラはｎ−１階層から取得した代表電圧の最小値（３．４Ｖ）を求めて第ｎ階層の代表電圧とし、上位の第ｎ＋１階層コントローラへ伝達する（Ｓ１２０３）。ここで，第ｎ階層のコントローラが上位の第ｎ＋１階層コントローラから放電指示（−０．３Ｖ）を受け取っているとき、第ｎ階層のコントローラは３．４Ｖ−０．３Ｖより目標電圧が３．１Ｖであると算出する。この目標電圧と第ｎ−１階層の各コントローラの代表電圧を比較し、より低い値を第ｎ階層のバランス制御基準電圧に設定する（Ｓ１２０６）。
第ｎ―１階層の各コントローラの代表電圧がバランス制御基準電圧よりも閾値以上高い場合、第ｎ―１階層の該当するコントローラに対してその差分ΔＶ（ｎ−１，ｍ）を放電指示として送付する（Ｓ１２０９）。上記実施例５に示すバランス制御を繰り返すことで、蓄電池システム内のセル電圧のばらつきを解消することが可能である。
実施例１〜５の方式において，セル電圧情報を電池セルの充電率情報に置き換えても同様のバランス制御を実施することができる。
１０１ 電池セル
２０１ 組電池
２０２ セルコントローラ
２０３ セル放電回路
２０４ セル電圧検出回路/セル放電回路制御部
２０５ モジュールコントローラ
２０６ モジュール放電回路
２０７ モジュール放電回路制御部
２０８ バッテリコントローラ
３０１ バッテリコントローラ１（階層１コントローラ）
３０２ バッテリコントローラ２（階層１コントローラ）
３０３ バッテリコントローラ３（階層１コントローラ）
３０４ バッテリコントローラ４（階層１コントローラ）
３０５ バッテリコントローラ５（階層２コントローラ）
３０６ バッテリコントローラ６（階層２コントローラ）
３０７ バッテリコントローラ７（階層３コントローラ）
３０８ 監視制御装置
４０１ 電源回路
４０２ セル電圧検出回路
４０３ 階層１コントローラの通信・制御部
４０４ 階層１−階層２コントローラ間の通信配線(絶縁通信)
４０５ 階層２コントローラの電源回路（外部電源）
４０６ 階層２コントローラの通信・制御部
４０７ 階層２−階層３コントローラ間の通信配線
４０８ 階層３コントローラの電源回路（外部電源）
４０９ 階層３コントローラの通信・制御部
５０１ 第１階層のバランス制御
５０２ 第２階層のバランス制御
５０３ 第３階層のバランス制御

Claims (3)

  1. 複数個の電池セルを直列，並列または直並列に接続して組電池とし，
    前記複数個の組電池を直列，並列または直並列に接続して第１〜第４の組電池とし，
    第１階層には、第１〜第４のコントローラを準備し、
    前記第１階層より上位には、第５および第６のコントローラを有する第２階層があり、
    前記第２階層より上位には、第７のコントローラを有する第３階層があり、
    前記第１〜第４の組電池は、各々、前記第１〜第４のコントローラに対して一対一に対応づけられ、
    前記第1〜第４のコントローラは、各々、前記第１〜第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの個々の端子間電圧を個別に検出する機能を有する第１〜第４のセル電圧計測手
    段と、前記第１〜第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルを個別に放電するセルバランス手段および第１〜第４の通信・制御手段とを有するように準備され、
    (a)前記第１〜第４のコントローラにそれぞれ属する前記第１〜第４の通信・制御手段は、各々、そのコントローラに属する複数個のセル電圧計測手段を用いてそれぞれ検出した前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値を用いて、それらの値の平均値を第１〜第４の代表値とし、また平均値、最小値のうちの、予め定めたいずれか一方を第１〜第４の基準値とし、
    (b)前記第１〜第４のコントローラにそれぞれ属する前記第１〜第４の通信・制御手段は、前記第１および第２の代表値を前記第５のコントローラ内に設けられた第５の通信・制御手段へ送信し、前記第３および第４の代表値を、前記第６のコントローラ内に設けられた第６の通信・制御手段へ送信し、
    前記第５の通信・制御手段は、前記第１および第２の代表値の平均値を第５の代表値とし、また前記第１および第２の代表値の平均値、最小値のうちの、予め定めたいずれか一方を第５の基準値とし、前記第６の通信・制御手段は、前記第３および第４の代表値の平均値を第６の代表値とし、また前記第３および第４の代表値の平均値、最小値のうちの、予め定めたいずれか一方を求め、それを第６の基準値とし、
    前記第５の通信・制御手段は前記第５の代表値を、前記第６の通信・制御手段は前記第６の代表値を、前記第７のコントローラ内に設けられた第７の通信・制御手段へそれぞれ送信し、
    前記第７の通信・制御手段は、前記第５および第６の代表値の平均値を第７の代表値とし、また前記第５および第６の代表値の平均値または最小値のうちの、予め定めたいずれか一方を求め、それを第７の基準値とし、
    (c)前記第５の代表値が前記第７の基準値よりも所定の第３階層でのしきい値以上高い場合又は前記第６の代表値の値が、前記第７の基準値よりも前記第３階層でのしきい値以上高い場合、前記第７の通信・制御手段は、前記第５または前記第６の通信・制御手段に対し、前記第５または前記第６の代表値が前記第７の基準値に近づくように放電するための第７の放電指示を出し、
    (d)
    (d1)前記第１の代表値の値が、前記第５の基準値よりも所定の第２階層でのしきい値以上高い場合又は前記第２の代表値の値が、前記第５の基準値よりも前記第２階層でのしきい値以上高い場合、前記第５の通信・制御手段は、前記第１または第２の通信・制御手段に対し、前記第１、及び第２の代表値が前記第５の基準値に近づくように放電するための第５の放電指示を出し、
    前記第１、及び第２の代表値が、前記第５の基準値に前記第２階層でのしきい値を加えた値よりも小さい場合には、前記第１又は前記第２の通信・制御手段に対して、前記第５の通信・制御手段が受信した第７の放電指示を第５の放電指示として伝達し、
    (d2)前記第３の代表値の値が、前記第６の基準値よりも所定の第２階層でのしきい値以上高い場合又は前記第４の代表値の値が、前記第６の基準値よりも前記第２階層でのしきい値以上高い場合、前記第６の通信・制御手段は、前記第３または第４の通信・制御手段に対し、前記第３または前記第４の代表値が前記第６の基準値に近づくように放電するための第６の放電指示を出し、
    前記第３、及び第４の代表値が、前記第６の基準値に前記第２階層でのしきい値を加えた値よりも小さい場合には、前記第３又は前記第４の通信・制御手段に対して、前記第６の通信・制御手段が受信した第７の放電指示を第６の放電指示として伝達し、
    (e)
    (e1)前記第１、第２の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値が、前記第１、第２の基準値よりも所定の第１階層でのしきい値以上高い場合には、前記第１、第２の通信・制御手段は、その電池セルに接続された前記セルバランス手段に対し、その電池セルを個別に所定時間だけ放電することにより、その端子間電圧が対応する前記第１、第２の基準値に前記第１階層でのしきい値を加算した第１、第２の目標値に近づくように放電するための第１、第２の指示を出し、
    前記第１、第２の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値が、前記第１、第２の基準値よりも所定の第１階層でのしきい値以上高くない場合であって、第５の放電指示を受信している場合、前記第１、第２の通信・制御手段は、その電池セルに接続された前記セルバランス手段に対し、第５の放電指示で指定される所定の時間だけ全ての電池セルを放電することにより、その端子間電圧が対応する前記第５の基準値に前記第１階層でのしきい値を加算した第１、第２の目標値に近づくように放電するための第１、第２の指示を出し、
    (e2)前記第３、第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値が、前記第３、第４の基準値よりも所定の第１階層でのしきい値以上高い場合には、前記第３、第４の通信・制御手段は、その電池セルに接続された前記セルバランス手段に対し、その電池セルを個別に所定時間だけ放電することにより、その端子間電圧が対応する前記第３、第４の基準値に前記第１階層でのしきい値を加算した第３、第４の目標値に近づくように放電するための第３、第４の指示を出し、
    前記第３、第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値が、前記第３、第４の基準値よりも所定の第１階層でのしきい値以上高くない場合であって、第６の放電指示を受信している場合、前記第３、第４の通信・制御手段は、その電池セルに接続された前記セルバランス手段に対し、第６の放電指示で指定される所定の時間だけ全ての電池セルを放電することにより、その端子間電圧が対応する前記第６の基準値に前記第１階層でのしきい値を加算した第３、第４の目標値に近づくように放電するための第３、第４の指示を出し、前記(a)へ戻り、
    (h)前記(a)〜(e)の処理を繰り返すことにより、複数個の前記電池セル間の端子間電圧のばらつきを小さくするように前記端子間電圧を制御することを特徴とする蓄電池システム
    の制御方法。
  2. 複数個の電池セルを直列，並列または直並列に接続して組電池とし，
    前記複数個の組電池を直列，並列または直並列に接続して第１〜第４の組電池とし，
    複数個の電池セルを直列，並列または直並列に接続して組電池を構成し，
    前記複数個の組電池を直列，並列または直並列に接続して第１〜第４の組電池とし，
    第１階層には、第１〜第４のコントローラを準備し、
    前記第１階層より上位には、第５および第６のコントローラを有する第２階層があり、
    前記第２階層より上位には、第７のコントローラを有する第３階層があり、
    前記第１〜第４の組電池は、各々、前記第１〜第４のコントローラに対して一対一に対応づけられ、
    前記第1〜第４のコントローラは、各々、前記第１〜第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの個々の端子間電圧を個別に検出する機能を有する第１〜第４のセル電圧計測手
    段と、前記第１〜第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルを個別に放電するセルバランス手段および第１〜第４の通信・制御手段とを有するように準備され、
    (a)前記第１〜第４のコントローラにそれぞれ属する前記第１〜第４の通信・制御手段は、各々、そのコントローラに属する複数個のセル電圧計測手段を用いてそれぞれ検出した前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値を用いて、それらの値の平均値、最小値のうち、予め定めたいずれか一方を第１〜第４の代表値とし、また最小値を第１〜第４の基準値とし、
    (b)前記第１〜第４のコントローラにそれぞれ属する前記第１〜第４の通信・制御手段は、前記第１および第２の代表値を前記第５のコントローラ内に設けられた第５の通信・制御手段へ送信し、前記第３および第４の代表値を、前記第６のコントローラ内に設けられた第６の通信・制御手段へ送信し、
    前記第５の通信・制御手段は、前記第１および第２の代表値の平均値、又は最小値のうち、予め定めたいずれか一方を第５の代表値とし、また前記第１および第２の代表値の最小値を第５の基準値とし、前記第６の通信・制御手段は、前記第３および第４の代表値の平均値、又は最小値のうち、予め定めたいずれか一方を第６の代表値とし、また前記第３および第４の代表値の最小値を第６の基準値とし、
    前記第５の通信・制御手段は前記第５の代表値を、前記第６の通信・制御手段は前記第６の代表値を、前記第７のコントローラ内に設けられた第７の通信・制御手段へそれぞれ送信し、
    前記第７の通信・制御手段は、前記第５および第６の代表値の平均値、又は最小値のうち、予め定めたいずれか一方を第７の代表値とし、また前記第５および第６の代表値の最小値を第７の基準値とし、
    (c)前記第５の代表値が前記第７の基準値よりも所定の第３階層でのしきい値以上高い場合又は前記第６の代表値の値が、前記第７の基準値よりも前記第３階層でのしきい値以上高い場合、前記第７の通信・制御手段は、前記第５または第６の通信・制御手段に対して前記第５または前記第６の代表値が前記第７の基準値に近づくように放電するための第７の放電指示を出し、
    (d)
    (d1)前記第５の通信・制御手段は前記第５の代表値より前記第７の放電指示値を差し引いた第５の目標値を算出し、前記第５の目標値が第５の基準値よりも小さい場合は第５の目標値を新たに第５の基準値として設定し、
    (d2)前記第６の通信・制御手段は前記第６の代表値より前記第７の放電指示値を差し引いた第６の目標値を算出し、前記第６の目標値が第６の基準値よりも小さい場合は第６の目標値を新たに第６の基準値として設定し、
    (e)
    (e1)前記第１の代表値の値が、前記第５の基準値よりも所定の第２階層でのしきい値以上高い場合又は前記第２の代表値の値が、前記第５の基準値よりも前記第２階層でのしきい値以上高い場合、前記第５の通信・制御手段は、前記第１または第２の通信・制御手段に対し、前記第１または前記第２の代表値が前記第５の目標値に近づくように放電するための第５の放電指示を出し、
    (e2)前記第３の代表値の値が、前記第６の基準値よりも所定の第２階層でのしきい値以上高い場合又は前記第４の代表値の値が、前記第６の基準値よりも前記第２階層でのしきい値以上高い場合、前記第６の通信・制御手段は、前記第３または第４の通信・制御手段に対し、前記第３または前記第４の代表値が前記第６の目標値に近づくように放電するための第６の放電指示を出し、
    (f)
    (f1)前記第１、第２の通信・制御手段は前記第１、第２の代表値より前記第５の放電指示値をそれぞれ差し引いた第１、第２の目標値を算出し、かつ、前記第１、第２の目標値が第１、第２の基準値よりも小さい場合は第１、第２の目標値を新たに第１、第２の基準値としてそれぞれ設定し、
    (f2)前記第３、第４の通信・制御手段は前記第３、第４の代表値より前記第６の放電指示値をそれぞれ差し引いた第３、第４の目標値を算出し、かつ、前記第３、第４の目標値が第３、第４の基準値よりも小さい場合は第３、第４の目標値を新たに第３、第４の基準値としてそれぞれ設定し、
    (g)
    (g1)前記第１、第２の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値が、前記第１、第２の基準値よりも所定の第１階層でのしきい値以上高い場合には、前記第１、第２の通信・制御手段は、その電池セルに接続された前記セルバランス手段に対し、その電池セルを個別に所定時間だけ放電することにより、その端子間電圧が対応する前記第１、第２の基準値に前記第１階層でのしきい値を加算した第１、第２の目標値に近づくように放電するための第１、第２の指示を出し、
    (g2)前記第３、第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値が、前記第３、第４の基準値よりも所定の第１階層でのしきい値以上高い場合には、前記第３、第４の通信・制御手段は、その電池セルに接続された前記セルバランス手段に対し、その電池セルを個別に所定時間だけ放電することにより、その端子間電圧が対応する前記第３、第４の基準値に前記第１階層でのしきい値を加算した第３、第４の目標値に近づくように放電するための第３、第４の指示を出し、前記(a)へ戻り、
    (h) 前記(a)〜(g)の処理を繰り返すことにより、複数個の前記電池セル間の端子間電圧のばらつきを小さくするように前記端子間電圧を制御することを特徴とする蓄電池システムの制御方法。
  3. 複数個の電池セルを直列，並列または直並列に接続して組電池とし，
    前記複数個の組電池を直列，並列または直並列に接続して第１〜第４の組電池とし，
    第１階層には、第1〜第４のコントローラを準備し、
    前記第１階層より上位には、第５および第６のコントローラを有する第２階層があり、
    前記第２階層より上位には、第７のコントローラを有する第３階層があり、
    前記第１〜第４の組電池は、各々、前記第1〜第４のコントローラに対して一対一に対応づけられ、
    前記第1〜第４のコントローラは、各々、前記第１〜第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルの個々の端子間電圧を個別に検出する機能を有する第１〜第４のセル電圧計測手
    段と、前記第１〜第４の組電池にそれぞれ属する前記電池セルを個別に放電するセルバランス手段および第１〜第４の通信・制御手段とを有するように準備され、
    (a)前記第1〜第４のコントローラにそれぞれ属する前記第１〜第４の通信・制御手段は、各々、そのコントローラに属する複数個のセル電圧計測手段を用いてそれぞれ検出した前記電池セルの前記個々の端子間電圧の値を用いて、それらの値のうちの最小値をそれぞれ求め、それを第１〜第４の基準値とし、
    (b) 前記第１〜第４のコントローラにそれぞれ属する前記第１〜第４の通信・制御手段は、前記第１および第２の基準値を前記第５のコントローラ内に設けられた第５の通信・制御手段へ送信し、前記第３および第４の基準値を、前記第６のコントローラ内に設けられた第６の通信・制御手段へ送信し、
    前記第５の通信・制御手段は、前記第１および第２の基準値の最小値を求め、それを第５の基準値とし、前記第６の通信・制御手段は、前記第３および第４の基準値の最小値を求め、それを第６の基準値とし、
    前記第５の通信・制御手段は前記第５の基準値を、前記第６の通信・制御手段は前記第６の基準値を、前記第７のコントローラ内に設けられた第７の通信・制御手段へそれぞれ送信し、
    前記第７の通信・制御手段は、前記第５および第６の基準値の最小値を求め、それを第７の基準値とし、
    (c)前記第７の基準値を前記第７、第６、第５、第４、第３、第２および第１の通信・制御手段を介して前記第１〜第４のコントローラに伝送し、
    (d)前記各電池セルの前記端子間電圧の方が、前記第７の基準値よりも所定のしきい値以上大きい場合には、その電池セルの前記電圧が前記第７の基準値に近づくように、前記電池セルを放電させ、前記(a)へ戻り、
    (e) 前記(a)〜(d)の処理を繰り返すことにより、複数個の前記電池セル間の端子間電圧のばらつきを小さくするように前記端子間電圧を制御することを特徴とする蓄電池システムの制御方法。
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