JP6320263B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電システムに関する。

ユーザーのニーズに合った蓄電容量を提供できることから、複数の電池パックを並列接続することで蓄電容量を増減できる蓄電システムが必要とされている。複数の電池パックを並列接続した蓄電システムでは、例えば、初期設置時や電池パック交換時等に、全ての電池パックを充電するプリチャージ（予備充電）を行うことにより各電池パックの端子電圧を均等化して、放電可能な通常状態にしている。

この種の蓄電システムとして、例えば特許文献１が公知である。この特許文献１には、「並列接続された複数の電池パックの総ての電池パックを外部回路に接続して並列に充放電制御する制御手段を備えた蓄電システムにおいて、制御手段は、総ての電池パックを充電可能状態にして外部回路から給電を受けてプリチャージを行って総ての電池パックの電圧の差を所定の範囲内となるように充電し、その後に総ての電池パックを外部回路に対して充放電可能状態にする制御を行う」ことが記載されている（請求項１参照）。

特開２０１４−９０５９５号公報

特許文献１のように複数の電池パックを並列接続した蓄電システムでは、システムの再起動時（即ち、初期起動以降に電源オフからオンにしたとき）に、常に全ての電池パックを充電するプリチャージが行われ、プリチャージの完了後に蓄電システムが放電可能状態となる。システムが起動して放電可能状態となるまでの間（以下、「準備期間」という）、蓄電システムは放電することができない。そのため、準備期間を短縮することは、蓄電システムの稼働率の観点から重要である。しかしながら、特許文献１は、蓄電システムの準備期間を短縮する技術について、何ら言及されていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の電池パックを並列接続した蓄電システムにおいて、再起動時における準備期間を短縮することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、並列に接続される複数の電池パックと、前記複数の電池パックの充放電を制御する制御部と、を備えた蓄電システムにおいて、
前記各電池パックは、蓄電池と、前記蓄電池と直列接続される接続スイッチと、前記接続スイッチの動作を制御するスイッチ制御部と、前記電池パックの充放電の制御信号を出力する電池パックコントローラと、を含んで構成され、前記各スイッチ制御部は、前記制御部からのオン信号及び前記電池パックコントローラからの充放電可の制御信号の入力に基づき、前記接続スイッチをオンさせることで、前記複数の電池パックの並列接続を維持するよう制御し、前記蓄電システムの初期起動後に行われる前記電池パックのプリチャージにより前記電池パックに蓄えられた電力で駆動して、前記接続スイッチのオン信号を保持するためのスイッチ保持部が設けられ、前記各スイッチ制御部は、前記蓄電システムの再起動時において、前記スイッチ保持部により前記接続スイッチのオン信号が保持され、かつ前記電池パックコントローラからの充放電可の制御信号が保持されている場合には、前記接続スイッチをオンに保持して、前記電池パックのプリチャージを省略することを特徴とする。

本発明によれば、システムの再起動時における準備期間を短縮することができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る蓄電システムの内部構成を示すブロック図。 図１に示す蓄電システムの要部を示す電気回路図。 図１に示す蓄電システムの状態遷移図。 図１に示す蓄電システムの電池パック挿抜時の状態遷移図。 本発明の実施形態に係る蓄電システムの変形例を示すブロック図。

以下、本発明に係る蓄電システムの実施形態を図に基づき説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る蓄電システム１の内部構成を示すブロック図、図２は、図１に示す蓄電システム１の要部を示す電気回路図である。

本発明の実施形態に係る蓄電システム１は、例えば、図示しない商用電源（系統）と交流負荷との間に接続される無停電電源装置（Uninterruptible Power Supply：ＵＰＳ）に適用されるものであって、商用電源からの電力供給を受けて充電すると共に、商用電源を供給できない非常時において、内部に蓄えた電力を交流負荷に供給する。

図１に示すように、本実施形態に係る蓄電システム１は、並列に接続される複数個（例えば１２個）の電池パック２ａ〜２ｌと、電池パック２ａ〜２ｌの充放電の制御を行う制御部２０と、を備える。制御部２０は、電池パック２ａ〜２ｌとの間で充放電を行う充電／放電器２１、電池パック２ａ〜２ｌの充放電の制御を行う蓄電コントローラ２２、及び蓄電コントローラ２２と各電池パック２ａ〜２ｌとの間に設けられるラッチ回路（スイッチ保持部）３１，３２，・・・を備えている。

ラッチ回路３１は、図２に示すように、放電用ラッチ回路３１ａ及び充電用ラッチ回路３１ｂを備える。これら放電用ラッチ回路３１ａ及び充電用ラッチ回路３１ｂは、それぞれ複数のトランジスタと複数の抵抗とで構成され、電池パック２ａの蓄電池５ａに蓄えられた電力（ラッチ回路用電源）によって駆動する。その他のラッチ回路３２，・・・も同様に構成される。なお、ラッチ回路の構成自体は周知であるため、回路構成の詳しい説明は省略する。

電池パック２ａは、放電スイッチ３ａ（接続スイッチ）と、充電スイッチ４ａ（接続スイッチ）と、蓄電池５ａと、放電スイッチ３ａのオン・オフ動作を制御する放電スイッチ制御部（スイッチ制御部）５０ａと、充電スイッチ４ａのオン・オフ動作を制御する充電スイッチ制御部（スイッチ制御部）５０ｂと、電池パック２ａの充放電の制御信号を出力する電池パックコントローラ１０ａと、を備える。図２に示すように、放電スイッチ３ａ及び充電スイッチ４ａは、蓄電池５ａと直列に接続される。なお、図示しないが、蓄電池５ａの端子電圧を検出するための電圧センサが設けられている。

蓄電池５ａは、例えば、複数のリチウムイオン二次電池セルを直列又は並列接続してなる組電池によって構成される。

放電スイッチ３ａは、図２に示すように、放電方向の通電可否を制御する半導体スイッチ（例えばパワーＭＯＳＦＥＴ）と該半導体スイッチに逆並列接続したダイオードによって構成する。なお、ダイオードの代わりに該半導体スイッチに寄生素子として形成されるボディダイオードを用いても良い。

充電スイッチ４ａは、充電方向の通電可否を制御する半導体スイッチ（例えばパワーＭＯＳＦＥＴ）と該半導体スイッチに逆並列接続したダイオードによって構成する。なお、ダイオードの代わりに半導体スイッチに寄生素子として形成されるボディダイオードを用いても良い。

放電スイッチ制御部５０ａは、蓄電コントローラ２２からの放電スイッチオン信号（条件１）と、電池パック２ａが挿入されている旨の電池パック挿抜制御信号（条件２）と、電池パックコントローラ１０ａからの電池パック２ａを放電する旨の電池パック放電制御信号（条件３）との３つの信号が入力されると、放電スイッチ３ａに放電スイッチ制御信号を出力する。放電スイッチ３ａは、この放電スイッチ制御信号が入力されることでオンとなり、電池パック２ａは放電可能状態となる。

ここで、蓄電コントローラ２２からの放電スイッチオン信号は、放電用ラッチ回路３１ａを介して放電スイッチ制御部５０ａへ出力される。蓄電コントローラ２２から放電スイッチオン信号が一度出力されると、放電用ラッチ回路３１ａによってその放電スイッチオン信号が保持され、図２に示すように、放電スイッチ制御部５０ａには、常時、放電スイッチ保持信号が入力されている状態となる。よって、蓄電システム１の初期起動後は、放電スイッチ３ａをオンさせる上記３つの条件のうち、条件１は常に成立している状態となる。

充電スイッチ制御部５０ｂは、蓄電コントローラ２２からの充電スイッチオン信号（条件４）と、電池パック２ａが挿入されている旨の電池パック挿抜制御信号（条件５）と、電池パックコントローラ１０ａからの電池パック２ａを充電する旨の電池パック充電制御信号（条件６）との３つの信号が入力されると、充電スイッチ４ａに充電スイッチ制御信号を出力する。充電スイッチ４ａは、この充電スイッチ制御信号が入力されることでオンとなり、電池パック２ａは充電可能状態となる。

ここで、蓄電コントローラ２２からの充電スイッチオン信号は、充電用ラッチ回路３１ｂを介して充電スイッチ制御部５０ｂへ出力される。蓄電コントローラ２２から充電スイッチオン信号が一度出力されると、充電用ラッチ回路３１ｂによってその充電スイッチオン信号が保持され、図２に示すように、充電スイッチ制御部５０ｂには、常時、充電スイッチ保持信号が入力されている状態となる。よって、蓄電システム１の初期起動後は、充電スイッチ４ａをオンさせる上記３つの条件のうち、条件４は常に成立している状態となる。

電池パック２ｂ〜２ｌも電池パック２ａと同一の構成であるため、ここでの説明は省略する。なお、電池パックの個数は仕様に応じて適宜決定すれば良い。

次に、本実施形態に係る蓄電システム１の動作状態について、図を用いて説明する。図３は、図１に示す蓄電システム１の状態遷移図である。

（１）完全停止
図３に示すように、蓄電システム１は完全に停止しており、内部電源はオフ、ラッチ回路用電源はオフ、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・のスイッチオン信号は全てディアサート、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・のスイッチオフ信号は全てディアサート、ラッチ回路３１，３２・・・により保持される充放電スイッチ保持信号は全てオフ、電池パック挿抜制御信号は全てオフ（抜去）、電池パックコントローラ１０ａ，１０ｂ・・・からの電池パック充放電制御信号は全てオフ（充放電不可）、充放電スイッチ制御部５０ａ，５０ｂ・・・からの充放電スイッチ制御信号は全てオフ、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・の接点は全てオフとなっている。

（２）システム起動（初期起動）
蓄電システム１に電力が供給され、システム内部の電源が立ち上がると、ラッチ回路用電源も立ち上がり、各制御信号も現在の状態に従い信号線を確立する。具体的には、蓄電システム１の内部電源はオン、ラッチ回路用電源はオン、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・のスイッチオン信号は全てディアサート、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・のスイッチオフ信号は全てディアサート、ラッチ回路３１，３２・・・により保持される充放電スイッチ保持信号は全てオフ、電池パック挿抜制御信号は全てオン（挿入）、電池パックコントローラ１０ａ，１０ｂ・・・からの電池パック充放電制御信号は全てオン（充放電可）、スイッチ制御部５０ａ，５０ｂ・・・からの充放電スイッチ制御信号は全てオフ、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・の接点は全てオフとなっている。

（３）プリチャージ
蓄電システム１の初期起動後は、充放電スイッチ３ａ，４ａ・・・がオフしている（並列接続する電池パック２ａ〜２ｌが電気的に切り離されている）ので、プリチャージ状態に遷移し、各電池パック２ａ〜２ｌの電位差がなくなるまでプリチャージが行われる。より詳細には、まず、充電スイッチ４ａ，４ｂ・・・のスイッチオン信号が全てアサート、放電スイッチ３ａ，３ｂ・・・のスイッチオン信号が全てディアサートの状態で充電を行う。即ち、充電のみ可の状態でプリチャージが行われる。全ての電池パック２ａ〜２ｌの電圧が揃ったら、放電スイッチ３ａ，３ｂ・・・のスイッチオン信号が全てアサートとなり、全ての電池パック２ａ〜２ｌが充放電可能な状態で電気的に接続される。このような手順でプリチャージを行うことで、プリチャージ時における各電池パック２ａ〜２ｌへの横流を防止することができる。

この状態において、ラッチ回路３１，３２・・・からの充放電スイッチ保持信号は全てオンに切り替わる。即ち、放電スイッチ３ａ，・・・のスイッチオン信号が保持され、充電スイッチ４ａ，・・・のスイッチオン信号が保持される。

（４）通常運転
プリチャージが完了すると、蓄電システム１は通常運転に移行する。

（５）システム停止
蓄電システム１が停止されると、システムの内部電源がオフとなる。この状態では、蓄電システム１内の制御マイコンなどは停止する。しかし、図３に示すように、充放電スイッチ保持信号は、ラッチ回路用電源によりオン状態を保持し続けることができる。そのため、システム停止中も各電池パック２ａ〜２ｌの並列接続は維持される。

（６）システム再起動
蓄電システム１を再起動すると内部電源が立ち上がる。システム停止中もラッチ回路用電源は生きており、電池パック２ａ〜２ｌの並列状態が継続されている。そのため、システム再起動時において、プリチャージは行わない。

（７）通常運転
このように、再起動時には、プリチャージを省略して通常運転に移行する。よって、蓄電システム１の電源をオンしてから電池パック２ａ〜２ｌの放電が可能な通常運転になるまでの準備期間は、蓄電システム１の初期起動時より再起動時の方が大幅に短縮される。

次に、蓄電システム１の電池パック２ａ〜２ｌの一部を挿抜する場合の状態遷移について説明する。図４は、図１に示す蓄電システム１の電池パック挿抜時の状態遷移図である。

（４）通常運転
蓄電システム１が通常運転している状態において、電池パック２ａ〜２ｌの一部を例えばメンテナンスのために抜去すると、抜去された電池パックの電池パック挿抜制御信号はオフ（抜去）となる。例えば電池パック２ａを抜去すると、電池パック挿抜制御信号がオフ（抜去）となり、電池パック挿抜制御信号オフに基づいて、放電スイッチ制御部５０ａが放電スイッチ３ａをオフにし、充電スイッチ制御部５０ｂが充電スイッチ４ａをオフする。なお、この状態でも、ほかに蓄電システム１に接続されている電池パックが存在すれば、通常運転を継続する。

（５）プリチャージ
電池パック２ａを再び挿入すると電池パック挿抜制御信号がオン（挿入）となり、その後、プリチャージが開始される。プリチャージの動作は上記（３）と同様である。ここで、電池パック２ａが抜去された際、電池パック２ａの充放電スイッチ３ａ，４ａはオフとなっている。そのため、再び電池パック２ａを挿入したときに、電池パック２ａに対する横流は防止される。

（６）通常運転
挿抜された電池パックに対するプリチャージが完了すると、蓄電システム１は通常運転に移行する。

このように、本実施形態に係る蓄電システム１によれば、初期起動後に電池パック２ａ〜２ｌの電源でラッチ回路３１，３２・・・を駆動して電池パック２ａ〜２ｌの並列接続を維持しているため、再起動時の電池パック２ａ〜２ｌのプリチャージを省略することができる。よって、蓄電システム１の再起動時の準備期間を従来と比べて大幅に短縮することができる。また、電池パック２ａ〜２ｌの一部を挿抜する際に、電池パック挿抜制御信号がオフしたことに基づき充放電スイッチをオフさせるようにしたので、電池パックの挿入時に電池パックが横流によるダメージを受ける心配がない。

「変形例」
次に、本発明の実施形態に係る蓄電システムの変形例について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る蓄電システム１００の変形例を示すブロック図である。図５に示すように、変形例に係る蓄電システム１００では、ラッチ回路３１，３２・・・を各電池パック２ａ〜２ｌに設けた構成としている。この構成によっても、上記した蓄電システム１と同様の作用効果、即ち、システムの準備期間の短縮化、電池パック挿抜時の横流防止を図ることができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１，１００ 蓄電システム
２ａ〜ｌ 電池パック
３ａ，ｂ… 放電スイッチ（接続スイッチ）
４ａ，ｂ… 充電スイッチ（接続スイッチ）
５ａ、ｂ… 蓄電池
１０ａ，ｂ… 電池パックコントローラ
２０ 制御部
３１ａ，３２ａ… 放電用ラッチ回路（スイッチ保持部）
３１ｂ，３２ｂ… 充電用ラッチ回路（スイッチ保持部）
５０ａ，５１ａ… 放電スイッチ制御部（スイッチ制御部）
５０ｂ，５１ｂ… 充電スイッチ制御部（スイッチ制御部）

Claims (5)

1. 並列に接続される複数の電池パックと、前記複数の電池パックの充放電を制御する制御部と、を備えた蓄電システムにおいて、
   前記各電池パックは、蓄電池と、前記蓄電池と直列接続される接続スイッチと、前記接続スイッチの動作を制御するスイッチ制御部と、前記電池パックの充放電の制御信号を出力する電池パックコントローラと、を含んで構成され、
   前記各スイッチ制御部は、前記制御部からのオン信号及び前記電池パックコントローラからの充放電可の制御信号の入力に基づき、前記接続スイッチをオンさせることで、前記複数の電池パックの並列接続を維持するよう制御し、
   前記蓄電システムの初期起動後に行われる前記電池パックのプリチャージにより前記電池パックに蓄えられた電力で駆動して、前記接続スイッチのオン信号を保持するためのスイッチ保持部が設けられ、
   前記各スイッチ制御部は、前記蓄電システムの再起動時において、前記スイッチ保持部により前記接続スイッチのオン信号が保持され、かつ前記電池パックコントローラからの充放電可の制御信号が保持されている場合には、前記接続スイッチをオンに保持して、前記電池パックのプリチャージを省略することを特徴とする蓄電システム。
2. 請求項１において、
   前記スイッチ制御部は、前記スイッチ保持部により保持された前記接続スイッチのオン信号と、前記電池パックの挿抜に関する制御信号と、前記電池パックコントローラからの前記充放電の制御信号と、に基づき、前記接続スイッチの動作を制御し、
   前記スイッチ制御部は、前記電池パックが抜去された旨の前記挿抜に関する制御信号の入力に基づき、前記接続スイッチをオフさせるように制御することを特徴とする蓄電システム。
3. 請求項１において、
   前記接続スイッチは、前記蓄電池から放電するための放電スイッチと、前記蓄電池へ充電するための充電スイッチと、を含むことを特徴とする蓄電システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項において、
   前記スイッチ保持部を前記制御部に設けたことを特徴とする蓄電システム。
5. 請求項１〜３の何れか１項において、
   前記スイッチ保持部を前記電池パックに設けたことを特徴とする蓄電システム。