JP6103455B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、系統電源に接続される蓄電システムに関する。

近年、バックアップやピークシフト用の蓄電システムが普及してきている。蓄電システムは停電時、系統電源と切り離された自立運転モードで動作する。復電後、蓄電システムは、系統電源と連係した系統連係モードに復帰するが、自動復帰させずユーザ操作を求めるシステムがある。このようなシステムにおいて、ユーザが復帰操作を怠ると、蓄電システムが系統電源と切り離された状態で長期間放置されることになる。また蓄電システムが長期間使用されないと、系統電源から長期間充電されないことになる。

特開平７−７８６６号公報

蓄電システムが系統電源と電気的に切り離された状態で長期間放置されると、蓄電池が自己放電し続け、過放電状態となる可能性がある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、蓄電システムの過放電を抑制する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄電システムは、負荷に接続される系統電源とインバータを介して接続される蓄電池と、蓄電池が系統電源および負荷と接続される第１状態と、蓄電池が系統電源と切り離された状態で負荷に接続される第２状態とを切り替えるスイッチと、第１状態において蓄電池の電圧が設定電圧以下の場合、系統電源から蓄電池へ補充電する補充電回路と、を備える。

本発明によれば、蓄電システムの過放電を抑制できる。

本発明の実施の形態に係る蓄電システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電システムの系統連系モードを説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電システムの自立運転モードを説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る補充電回路の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電システムによる補充電処理を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施の形態は、系統電源に接続される蓄電システムである。当該蓄電システムは、例えば産業施設、公共施設、商業施設、オフィスビル、住居などに設置される。電力会社が時間帯別電気料金制度を採用している場合、夜間の時間帯の電気料金は、昼間の時間帯の電気料金よりも安く設定される。例えば、２３：００〜翌日の７：００までの電気料金が他の時間帯より安く設定される。従って夜間に系統電源から蓄電池に充電し、蓄電池に蓄えられた電力を昼間に使用することにより電気料金を抑えることができる。電力会社側から見ると電力使用量が平準化されることになる。

蓄電池に蓄えられた電力は、系統電源が停電したとき特定負荷（例えば、電灯、エレベータ、コンピュータサーバなど）を動作させるためのバックアップ電源として用いられる。特定負荷は系統電源の停電時にて、蓄電池から優先的に電力供給を受けることができる予め設定された負荷である。本明細書では、それ以外の負荷を一般負荷という。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００を説明するための図である。実施の形態に係る蓄電システム１００は、蓄電池モジュール１０、蓄電池パワーコンディショナ２０、蓄電池管理装置３０、トランス４０、整流回路５０、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０、補充電回路７０、第１スイッチＳ１〜第５スイッチＳ５、第１ブレーカＢ１、第２ブレーカＢ２を備える。本実施の形態では第１スイッチＳ１〜第５スイッチＳ５にリレーを使用することを想定する。なお、リレーの代わりにパワーＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチや電磁接触器を用いてもよい。

系統電源２００は電力会社から供給される商用電源である。系統電源２００は一般負荷４００に給電する。また系統電源２００は第２スイッチＳ２を介して蓄電池パワーコンディショナ２０と接続可能であり、蓄電池モジュール１０を充電できる。また系統電源２００は第４スイッチＳ４及び第２ブレーカＢ２を介して特定負荷５００に接続可能であり、特定負荷５００に給電できる。また系統電源２００は第４スイッチＳ４を介してトランス４０に接続可能であり、トランス４０の一次側コイルに電流を流すことができる。

蓄電池モジュール１０は第１ブレーカＢ１、第１スイッチＳ１を介して蓄電池パワーコンディショナ２０に接続される。蓄電池パワーコンディショナ２０は第２スイッチＳ２を介して一般負荷４００に接続可能であり、蓄電池モジュール１０から一般負荷４００に給電できる。また蓄電池パワーコンディショナ２０は、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４及び第２ブレーカＢ２を介して特定負荷５００に接続可能であり、蓄電池モジュール１０から特定負荷５００に給電できる。

蓄電池パワーコンディショナ２０は双方向インバータおよび制御回路を含む。双方向インバータは、系統電源２００から蓄電池モジュール１０に充電するとき交流電力から直流電力に変換し、蓄電池モジュール１０から放電するとき直流電力から交流電力に変換する。

蓄電池モジュール１０は充放電自在で繰り返し使用できる、パッケージ化された二次電池である。蓄電池モジュール１０は、直列または直並列接続された複数の蓄電池セルを含む。本実施の形態では蓄電池セルとしてリチウムイオン電池を使用することを想定する。なお、リチウムイオン電池の代わりにニッケル水素電池、鉛電池など他の種類の電池を使用してもよい。蓄電池モジュール１０は１個ないしは複数組み合わせて使用される。本実施の形態では６個の蓄電池モジュール１０を直列接続した定格電圧２８８Ｖの組電池を想定する。なお複数の蓄電池モジュール１０を直並列接続して使用してもよい。以下、直列または直並列接続された複数の蓄電池モジュール１０を総称して蓄電池モジュール１０という。

一般負荷４００及び特定負荷５００は、系統電源２００又は蓄電システム１００から供給される交流電力を受けて動作する。系統電源２００の停電時、特定負荷５００は蓄電システム１００から電源供給を受けることができるが、一般負荷４００は電源供給を受けることができない。

蓄電池管理装置３０は主に、蓄電池モジュール１０を管理するための装置である。蓄電池管理装置３０と蓄電池パワーコンディショナ２０間は通信線で接続される。それらの間ではＲＳ−２３２Ｃ、ＲＳ−４８５などのシリアル通信規格に準拠した通信が実行される。また蓄電池管理装置３０は蓄電池モジュール１０とも通信線で接続される。蓄電池管理装置３０は蓄電池モジュール１０から通信線を介して、蓄電池セルの電圧、電流、温度を監視データとして取得する。また蓄電池管理装置３０は第１スイッチＳ１、第１ブレーカＢ１、第２ブレーカＢ２のそれぞれと通信線で接続され、それらをオン／オフ制御する。なお、蓄電池管理装置３０と蓄電池パワーコンディショナ２０間はメタル線を用いた通信線で接続されてもよい。また通信線に光ファイバを用いることにより装置間を絶縁してもよい。

トランス４０は、系統電源２００から供給される交流電圧から、蓄電池モジュール１０の定格電圧より高い直流電圧を生成する。整流回路５０はダイオードブリッジ回路を備え、トランス４０により昇圧された交流電圧を直流電圧に変換する。本実施の形態ではトランス４０及び整流回路５０は、系統電源２００から供給される３相２００Ｖの交流電圧から、３４０Ｖの直流電圧を生成する。

トランス４０及び整流回路５０により生成された直流電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０及び補充電回路７０に供給される。なお図示しないが当該直流電圧は、蓄電システム１００内のパワー系素子の駆動電圧としても使用される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６０は、整流回路５０から入力される直流電圧を降圧して各種制御回路の電源電圧を生成する。本実施の形態では整流回路５０から入力される３４０Ｖの直流電圧を２４Ｖの直流電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６０により生成された直流電圧は、蓄電池パワーコンディショナ２０に供給される。蓄電池パワーコンディショナ２０内の制御回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０により生成された直流電圧を電源電圧として使用する。またＤＣ−ＤＣコンバータ６０により生成された直流電圧は、第５スイッチＳ５を介して補充電回路７０にも供給される。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０により生成される直流電圧は、補充電回路７０が起動する所定の直流電圧にすることが望ましい。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６０の入力端子は第１ダイオードＤ１を介して、蓄電池パワーコンディショナ２０の入出力端子に接続される。従って系統電源２００の停電により整流回路５０から直流電圧の供給を受けられない場合でも、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０は蓄電池モジュール１０から供給される電圧をもとに、制御回路の電源電圧を生成できる。

補充電回路７０はトランス４０及び整流回路５０により生成された直流電圧をもとに補充電電流を生成し、蓄電池モジュール１０を補充電する。補充電回路７０の第１チャンネルｃｈ１は、蓄電池モジュール１０の入出力端子に接続される。第２チャンネルｃｈ２は、整流回路５０の出力端子に接続される。第３チャンネルｃｈ３は、第５スイッチＳ５を介してＤＣ−ＤＣコンバータ６０の出力端子に接続される。補充電回路７０の詳細な構成例は後述する。

蓄電池パワーコンディショナ２０内の制御回路は第２スイッチＳ２〜第５スイッチＳ５を制御して、系統連系モードと自立運転モードを切り替える。自立運転モードは基本的に、系統電源２００の停電時に選択される。系統連系モードでは蓄電池モジュール１０は、系統電源２００、一般負荷４００及び特定負荷５００と電気的に接続される。自立運転モードでは蓄電池モジュール１０は、系統電源２００及び一般負荷４００と電気的に切り離され、特定負荷５００にのみ接続される。

第４スイッチＳ４はＣ接点リレーで構成され、系統連系モードでは、系統電源２００と第２スイッチＳ２との間のノード側に接続され、自立運転モードでは第３スイッチＳ３側に接続される。

図２は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００の系統連系モードを説明するための図である。系統連系モードでは図２に示すように、蓄電池パワーコンディショナ２０内の制御回路は第２スイッチＳ２をオン、第３スイッチＳ３をオフ、第５スイッチＳ５をオンに制御し、第４スイッチＳ４を、系統電源２００と第２スイッチＳ２との間のノード側に接続するよう制御する。系統連系モードでは系統電源２００と蓄電池モジュール１０が単一の交流電流路でリンクする。

系統連系モードにて蓄電池モジュール１０から放電する場合、蓄電池パワーコンディショナ２０内の双方向インバータは、系統電源２００の周波数に同期した周波数および位相で交流電流路に電流を流す。

図３は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００の自立運転モードを説明するための図である。自立運転モードでは図３に示すように、蓄電池パワーコンディショナ２０内の制御回路は、第２スイッチＳ２をオフ、第３スイッチＳ３をオン、第５スイッチＳ５をオフに制御し、第４スイッチＳ４を第３スイッチ側の端子に接続するよう制御する。自立運転モードでは蓄電池モジュール１０は系統電源２００から電気的に切り離された状態で、特定負荷５００に給電する。

自立運転モードにて蓄電池モジュール１０から放電する場合、蓄電池パワーコンディショナ２０の双方向インバータは、系統電源２００から自立した周波数および位相で交流電流路に電流を流す。

図４は、本発明の実施の形態に係る補充電回路７０の構成例を示す図である。補充電回路７０は基本動作として、系統連系モードにおいて蓄電池モジュール１０の電圧が設定電圧以下の場合、系統電源２００から蓄電池モジュール１０へ補充電する。

補充電回路７０は、電源回路７１、温度判定回路７２、電圧判定回路７３、スイッチ制御回路７４、電流制限素子７５、第６スイッチＳ６、第７スイッチＳ７を含む。電源回路７１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０から第５スイッチＳ５を介して供給される直流電圧をもとに、補充電回路７０内で使用する電源電圧を生成する。本実施の形態では２４Ｖの直流電圧から１２Ｖの直流電圧を生成する。電源回路７１には例えば、三端子レギュレータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いることができる。

電源回路７１は系統連系モードで動作し、自立運転モードでは動作しない。ＤＣ−ＤＣコンバータ６０と電源回路７１の間に設置された第５スイッチＳ５は、系統連系モードでオンし、自立運転モードではオフするためである。従って蓄電システム１００の電源投入時または自立運転モードから系統連系モードへの切り替え時に、電源回路７１は起動する。

温度判定回路７２は、検出される温度が設定温度範囲内であるか否か判定する。当該温度範囲は、電池メーカーにより推奨される蓄電池の動作温度範囲をもとに設定される。本実施の形態では５℃〜４５℃に設定される。

温度判定回路７２はサーミスタおよびコンパレータで構成できる。コンパレータはサーミスタの両端電圧を比較して、比較結果信号をスイッチ制御回路７４に出力する。補充電回路７０を蓄電池モジュール１０の近傍に設置すれば、補充電回路７０のサーミスタで蓄電池モジュール１０の温度を推定できる。なお温度判定回路７２を用いずに、蓄電池管理装置３０から温度情報をスイッチ制御回路７４が取得してもよい。

電圧判定回路７３は第６スイッチＳ６を介して、蓄電池モジュール１０の入出力端子に接続される。第６スイッチＳ６は電源回路７１により制御され、電源回路７１が立ち上がっている間、オンする。上述のように電源回路７１は系統連系モードで動作し、自立運転モードでは動作しないため、第６スイッチＳ６は系統連系モードでオンし、自立運転モードではオフする。

電圧判定回路７３は蓄電池モジュール１０の電圧が、設定電圧以下であるか否か判定する。また蓄電池モジュール１０の電圧が、所定の充電下限電圧より低いか否か判定する。当該設定電圧および所定の充電下限電圧は、電池メーカーにより推奨される使用電圧範囲をもとに設定される。本実施の形態では設定電圧を２５０Ｖ（蓄電池モジュール１０のＳＯＣ２％に相当）、充電下限電圧を１５６Ｖに設定される。温度判定回路７２は電圧検出抵抗およびコンパレータで構成できる。コンパレータは電圧検出抵抗の両端電圧を比較して、比較結果信号をスイッチ制御回路７４に出力する。

スイッチ制御回路７４は、検出される温度が設定温度範囲内であり、かつ蓄電池モジュール１０の温度が設定電圧以下で充電下限電圧以上の場合、第７スイッチＳ７をオンする。当該条件を満たさない場合、第７スイッチＳ７をオフする。スイッチ制御回路７４は、温度判定回路７２のコンパレータの出力信号および電圧判定回路７３のコンパレータの出力信号を受ける論理ゲートで構成できる。当該論理ゲートは、両コンパレータの出力信号が有意なとき、第７スイッチＳ７をオンするための信号を出力する。

なお温度判定回路７２のコンパレータ、電圧判定回路７３のコンパレータ、スイッチ制御回路７４は、電源回路７１から供給される電源電圧で動作するため、それらは自立運転モードでは動作しない。従って自立運転モードでは第７スイッチＳ７は常時オフである。

電流制限素子７５及び保護回路７６により形成される直列回路の入力端子は、第７スイッチＳ７を介して整流回路５０の出力端子に接続される（ｃｈ２）。当該直列回路の出力端子は蓄電池モジュール１０の入出力端子に接続される（ｃｈ１）。電流制限素子７５は、補充電電流を規定する電流制限抵抗で構成できる。なお、電流制限素子７５の変わりに定電流回路や定電圧回路を用いて補充電を行ってもよい。

保護回路７６は、過電流保護素子としてヒューズを含む。本実施の形態では定格４００Ｖ、２５０ｍＡで６００ｍＡで溶断するヒューズを使用する。また過電圧を検出すると当該ヒューズを遮断させる電圧検出回路を含む。本実施の形態では３３１．５Ｖ以上の電圧で当該ヒューズを遮断させる電圧検出回路を使用する。また保護回路７６に、初期保護動作として過電圧防止ツェナーダイオード、過電流防止ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）を含めてよい。

本実施の形態では電流制限素子７５及び保護回路７６により形成される直列回路の合成抵抗値を約１．６ｋΩに設定している。当該直列回路の入力端子に３４０Ｖが印加されるため、例えば蓄電池モジュール１０の電圧が２５０Ｖのとき補充電電流は６０ｍＡとなり、１５６Ｖのとき１２３ｍＡとなる。そのため、補充電電流は蓄電池モジュール１０の電圧に依存し、蓄電池モジュール１０の電圧が充電下限電圧に近い程、補充電電流を多く流すことができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００による補充電処理を説明するためのフローチャートである。補充電処理は系統連係モードが開始するときに発動する。即ち、電源投入時または自立運転モードから系統連係モードに復帰した際に発動する。

蓄電池パワーコンディショナ２０の制御回路は、系統連係モードの開始時に（Ｓ１０のＹ）、第５スイッチＳ５をオンする。第５スイッチＳ５がオンされると補充電回路７０が起動し、第６スイッチＳ６をオンする（Ｓ１１）。補充電回路７０は、蓄電池モジュール１０の電圧が１５６Ｖ〜２５０Ｖの範囲内であり（Ｓ１２のＹ）、かつ蓄電池モジュール１０の温度が５℃〜４５℃の範囲内である場合（Ｓ１３のＹ）、第７スイッチＳ７をオンして補充電処理を発動する（Ｓ１４）。

いずれか一方の条件を満たさない場合（Ｓ１２のＮ、及び／又はＳ１３のＮ）、第７スイッチＳ７はオフであり、補充電処理を発動しない（Ｓ１５）。なお補充電処理が発動された後、いずれか一方の条件を満たさなくなった場合（Ｓ１２のＮ、及び／又はＳ１３のＮ）、第７スイッチＳ７がオフになり補充電処理を停止する（Ｓ１５）。例えば、補充電により蓄電池モジュール１０の電圧が２５０Ｖに到達すると補充電処理を停止する。以上のステップＳ１２〜ステップＳ１５までの処理が系統連係モードが終了するまで（Ｓ１６のＹ）、継続される（Ｓ１６のＮ）。

以上説明したように本実施の形態によれば、蓄電池モジュール１０の電圧が設定電圧以下のとき、補充電することにより蓄電池モジュール１０の過放電を抑制できる。従って蓄電池モジュール１０を長期間放置することによる過放電を抑制できる。補充電は系統電源２００に接続された際に自動的に発動する。従ってユーザの過誤により蓄電システム１００を長期間、自立運転モードで放置した場合でも、系統連系モードに復帰したとき、ユーザが意識することなく蓄電池モジュール１０に補充電される。

また蓄電池モジュール１０の電圧が、推奨される所定の充電下限電圧より低い場合、補充電処理を発動しないことにより蓄電池モジュール１０を保護できる。また蓄電池モジュール１０の温度が、推奨される温度範囲外の場合、補充電処理を発動しないことにより蓄電池モジュール１０を保護できる。また図４に示したように補充電回路７０をマイクロプロセッサを使用せずに設計することにより、補充電回路７０のコストを低減できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では蓄電池モジュール１０の電圧が充電下限電圧より高いことを、補充電発動の条件としたが、低電圧充電より過放電回避を重視すれば、この条件を外すことも考えられる。

なお、本実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。

［項目１］
負荷に接続される系統電源とインバータを介して接続される蓄電池と、
前記蓄電池が前記系統電源および前記負荷と接続される第１状態と、前記蓄電池が前記系統電源と切り離された状態で前記負荷に接続される第２状態とを切り替えるスイッチと、
前記第１状態において前記蓄電池の電圧が設定電圧以下の場合、前記系統電源から前記蓄電池へ補充電する補充電回路と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。

［項目２］
前記補充電回路は、前記第１状態に遷移したとき、前記蓄電池の電圧が設定電圧以下であり、かつ前記蓄電池の温度が設定温度範囲内である場合、前記蓄電池へ補充電することを特徴とする項目１に記載の蓄電システム。

［項目３］
前記補充電回路は、前記蓄電池の電圧が、所定の充電下限電圧より低い場合、前記補充電を発動しないことを特徴とする項目１または２に記載の蓄電システム。

［項目４］
前記系統電源から供給される交流電圧から、前記蓄電池の定格電圧より高い直流電圧を生成するトランスおよび整流回路を、さらに備え、
前記補充電回路は、前記トランスおよび前記整流回路により生成された直流電圧を用いて補充電することを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の蓄電システム。

［項目５］
前記負荷は、系統電源の停電時にて、前記蓄電池から優先的に電力供給を受けることができる予め設定された特定の負荷であることを特徴とする項目１から４のいずれかに記載の蓄電システム。

１００ 蓄電システム、 １０ 蓄電池モジュール、 ２０ 蓄電池パワーコンディショナ、 ３０ 蓄電池管理装置、 ４０ トランス、 ５０ 整流回路、 ６０ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ７０ 補充電回路、 ７１ 電源回路、 ７２ 温度判定回路、 ７３ 電圧判定回路、 ７４ スイッチ制御回路、 ７５ 電流制限素子、 ７６ 保護回路、 ２００ 系統電源、 ４００ 一般負荷、 ５００ 特定負荷、 Ｄ１ 第１ダイオード、 Ｓ１ 第１スイッチ、 Ｓ２ 第２スイッチ、 Ｓ３ 第３スイッチ、 Ｓ４ 第４スイッチ、 Ｓ５ 第５スイッチ、 Ｓ６ 第６スイッチ、 Ｓ７ 第７スイッチ、 Ｂ１ 第１ブレーカ、 Ｂ２ 第２ブレーカ。

本発明は、系統電源に接続される蓄電システムに適用可能である。

Claims (5)

1. 負荷に接続される系統電源と、双方向インバータを含むパワーコンディショナを介して接続される蓄電池と、
   前記蓄電池が前記系統電源および前記負荷と接続される第１状態と、前記蓄電池が前記系統電源と切り離された状態で前記負荷に接続される第２状態とを切り替えるスイッチと、
   前記第１状態で運転する系統連系モードにおいて前記蓄電池の電圧が設定電圧以下の場合、前記系統電源から前記パワーコンディショナを介さずに前記蓄電池へ補充電し、前記第２状態で運転する自立運転モードにおいて動作を停止する補充電回路と、
   を備えることを特徴とする蓄電システム。
2. 前記補充電回路は、前記第１状態に遷移したとき、前記蓄電池の電圧が設定電圧以下であり、かつ前記蓄電池の温度が設定温度範囲内である場合、前記蓄電池へ補充電することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記補充電回路は、前記蓄電池の電圧が、所定の充電下限電圧より低い場合、前記補充電を発動しないことを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電システム。
4. 前記系統電源から供給される交流電圧から、前記蓄電池の定格電圧より高い直流電圧を生成するトランスおよび整流回路を、さらに備え、
   前記補充電回路は、前記トランスおよび前記整流回路により生成された直流電圧を用いて補充電することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄電システム。
5. 前記負荷は、系統電源の停電時にて、前記蓄電池から優先的に電力供給を受けることができる予め設定された特定の負荷であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蓄電システム。

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