JP6388120B2 - 蓄電システム及び拡張制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池を備える蓄電システム、及び蓄電システムに含まれる拡張制御装置に関する。

蓄電システムには、蓄電池の電流路を遮断するための遮断装置（例えば、ブレーカ、コンタクタ）が設けられる。過電流の発生など緊急に電流路を遮断し、蓄電システムの安全性を担保する必要がある場合、通常、ハードウェア制御で遮断装置を遮断する。一般にハードウェア制御は、ソフトウェア制御より信頼性が高いが、ハードウェア制御でも、ハードウェア回路自体の断線や電源喪失などが発生する可能性がある。

特開２０１４−１５８３８３号公報

ブレーカを遮断する場合、プラス側を先に遮断してマイナス側を後に遮断する、制御電流の上限値をオーバしない等、仕様に従った遮断手順を順守すべきである。通常、ブレーカを遮断するためのハードウェア回路に不具合が発生した場合、ブレーカが自動的に遮断されるように設計される。しかしながら、その場合の遮断手順は仕様に従った遮断手順ではないため、蓄電システムの安全性を担保することはできるが、ブレーカやコンタクタ等の遮断装置の一部に不具合が発生する場合がある。例えば、コンタクタの一部の素子が耐圧オーバにより使用できない状態となることがある。

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、蓄電池を保護している遮断装置の保護を強化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、蓄電池モジュールと、前記蓄電池モジュールの電流路を遮断可能な遮断装置と、前記蓄電池モジュールから、蓄電池の監視データを受信するとともに、異常時に停止信号を受信する蓄電池管理装置と、前記蓄電池管理装置から停止信号を受信する拡張制御装置と、を備える。前記拡張制御装置は、前記遮断装置をその仕様に従い遮断させるロジック回路を含む。

本発明によれば、蓄電池を保護している遮断装置の保護を強化できる。

本発明の実施の形態に係る蓄電システムの構成を示す図である。 ブレーカの一例を示す図である。 図３（ａ）−（ｂ）は、拡張制御装置のＦＰＧＡによるブレーカ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、コンタクタの遮断制御を説明するためのタイミングチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１の構成を示す図である。蓄電システム１は系統電源２に接続され、系統電源２から電力を蓄えることができる。蓄電システム１は、停電時に負荷３に電力を供給するバックアップ電源として利用できる。また夜間料金を利用したピークシフト運転にも利用できる。

蓄電システム１は、蓄電池モジュール１０、双方向パワーコンディショナ２０、ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、コンタクタ５０、蓄電池管理装置６０、及び拡張制御装置７０を備える。蓄電池モジュール１０は蓄電池１１及び監視回路１２を含む。蓄電池１１は、直列接続された複数の蓄電池セルで構成される。以下本明細書では蓄電池１１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に代えて、鉛電池、ニッケル水素電池など他の種類の電池を使用してもよい。また複数の種類の電池を併用してもよい。

監視回路１２は蓄電池１１の状態を監視する。監視回路１２は、図示しない電流センサ、電圧センサ及び温度センサから取得される蓄電池１１の電流、電圧、温度を監視する。リチウムイオン電池ではセル単位で電圧を監視する。監視回路１２と蓄電池管理装置６０間は、光ファイバなどの通信線で接続される。監視回路１２は、蓄電池管理装置６０からの指示に従い又は定期的に監視データを蓄電池管理装置６０に送信する。監視回路１２は監視パラメータが異常値を示す場合、断線や回路の不具合を検出した場合など異常を検知すると、緊急停止信号を蓄電池管理装置６０に送信する。

蓄電池モジュール１０と双方向パワーコンディショナ２０は直流の電流路５で接続される。双方向パワーコンディショナ２０は図示しない双方向インバータを備える。双方向インバータは蓄電池管理装置６０からの制御信号に従い、蓄電池１１から出力される直流電力を交流電力に変換して系統に出力する。また蓄電池管理装置６０からの制御信号に従い、交流の系統電力を直流電力に変換して蓄電池１１に出力する。

蓄電池モジュール１０と双方向パワーコンディショナ２０との間には、電流路５を遮断する機能を持つ装置（以下本明細書では便宜的に遮断装置という）が少なくとも一つ挿入される。本実施の形態ではブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０が挿入される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、蓄電池管理装置６０からの制御信号に応じて、放電時の放電レートまたは充電時の充電レートを設定できる。一般的なＤＣ−ＤＣコンバータは一次側と二次側がトランスで絶縁されており、一次側のスイッチング素子の動作を停止させることにより電流路５を遮断できる。なお放電レートまたは充電レートの設定は双方向パワーコンディショナ２０でも可能である。双方向パワーコンディショナ２０に複数の蓄電池モジュール１０が並列に接続されない構成ではＤＣ−ＤＣコンバータ４０は必須ではない。双方向パワーコンディショナ２０に複数の蓄電池モジュール１０が並列に接続され、各蓄電池モジュール１０の放電レートまたは充電レートを個別に設定したい場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０が必須となる。

ブレーカ３０は、過電流発生などの異常時に電流路５を遮断させる非常用の遮断装置である。コンタクタ５０は、通常時に蓄電池モジュール１０と系統を分離するための遮断装置である。通常、リレーが用いられる。

蓄電池管理装置６０は、蓄電池モジュール１０の監視回路１２から蓄電池１１の監視データを受信する。蓄電池管理装置６０は当該監視データをもとに、双方向パワーコンディショナ２０及びＤＣ−ＤＣコンバータ４０に制御信号を送信する。また蓄電池管理装置６０は、蓄電池モジュール１０の異常時に監視回路１２から緊急停止信号を受信する。蓄電池管理装置６０は緊急停止信号を受信すると、拡張制御装置７０に緊急停止信号を送信する。

本実施の形態では蓄電池管理装置６０はＣＰＵ６１、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）６２を含む。拡張制御装置７０はＦＰＧＡ７１を含む。蓄電池管理装置６０と拡張制御装置７０はメインユニットと拡張ユニットとの関係にある。監視回路１２からの通信データは蓄電池管理装置６０のＦＰＧＡ６２に入力される。ＦＰＧＡ６２は、受信した通信データが通常の監視データである場合、ＣＰＵ６１に転送する。受信した通信データが緊急停止信号である場合、拡張制御装置７０のＦＰＧＡ７１に緊急停止信号を送信する。

上述のように電流遮断処理は、高速で信頼性の高いハードウェア制御で実行されるべきであり、遮断処理はＣＰＵではなくＦＰＧＡが担う。なおＦＰＧＡは、入力信号をハードウェア処理して出力するロジック回路の一例であり、ＦＰＧＡの代わりにＣＰＬＤ (Complex Programmable Logic Device)、ＰＡＬ（Programmable Array Logic）等を用いてもよい。

拡張制御装置７０のＦＰＧＡ７１は、ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０を、それぞれの仕様に従い遮断させる。またＦＰＧＡ７１はブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０を、設定された順番およびタイミングで遮断させる。以下、具体例を挙げる。

図２は、ブレーカ３０の一例を示す図である。図２に示すブレーカ３０は、第１開閉部Ｓ１、第１コイルＬ１、第２開閉部Ｓ２、及び第２コイルＬ２を備える。第１開閉部Ｓ１は、電流路５のプラス配線５ａに挿入される接点であり第１コイルＬ１により開閉される。第２開閉部Ｓ２は、電流路５のマイナス配線５ｂに挿入される接点であり第２コイルＬ２により開閉される。

図２に示すブレーカ３０の遮断手順として第１開閉部Ｓ１を先に開き、設定時間経過後（例えば、２０ｍｓ後）に第２開閉部Ｓ２を開くと仕様書に規定されている場合を考える。設計者は、まず第１コイルＬ１に通電し、設定時間経過後に第２コイルＬ２に通電するようにＦＰＧＡ７１の構成を設定する。この説明では、ノーマリクローズ型のブレーカを前提としているが、ノーマリオープン型のブレーカの場合、通常時に第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２に通電して励磁し続け、遮断時に通電を解除して消磁する。この場合、ＦＰＧＡ７１に不具合（例えば、ＦＰＧＡ７１の電源喪失、信号線の切断など）が発生した場合でも、ブレーカ３０が開くことになる。ＦＰＧＡ７１の電源喪失や、ＦＰＧＡ７１とブレーカ３０間の信号線が断線した場合などには、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２に通電されなくなる。従って第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２が消磁してブレーカ３０が開く。

しかしながら、ＦＰＧＡ７１の電源喪失などの場合には第１コイルＬ１への通電線に流れる電流と、第２コイルＬ２への通電線に流れる電流が実質的に同時にゼロになるため、プラス側を先に遮断してマイナス側を後に遮断する上述の遮断手順を順守できなくなる。遮断手順を順守しない場合、遮断手順を順守した場合より遮断装置のいずれかに不具合が発生する可能性が高くなる。仕様に規定された遮断手順を順守しない遮断プロセスを発生させないためには、ＦＰＧＡ７１の不具合を抑制する必要がある。

従来の蓄電システム１では、拡張制御装置７０のＦＰＧＡ７１が設けられず、蓄電池管理装置６０のＦＰＧＡ６２によりブレーカ３０を直接的に遮断させていた。一般に、ＩＣの不具合は回路規模が大きくなるほど起こりやすくなる。拡張制御装置７０は蓄電池管理装置６０より回路規模が小さいため、拡張制御装置７０のＦＰＧＡ７１の方が蓄電池管理装置６０のＦＰＧＡ６２より不具合が発生しにくくなる。

図３（ａ）−（ｂ）は、拡張制御装置７０のＦＰＧＡ７１によるブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、コンタクタ５０の遮断制御を説明するためのタイミングチャートである。図３（ａ）においてＦＰＧＡ入力は、ＦＰＧＡ６２からＦＰＧＡ７１に入力される信号を示している。この例では単純にハイレベル（ＶＤＤ）が正常、ローレベル（ＧＮＤ）が異常（遮断指示）を示している。ＦＰＧＡ７１は、ＦＰＧＡ６２と接続されたポートの電圧がローレベルになると緊急停止指示を検知する。なおＦＰＧＡ６２からＦＰＧＡ７１にコマンド（特定のハイレベルとローレベルのパターン）で緊急停止指示を伝達してもよい。

図３（ａ）においてブレーカ出力、ＤＣ−ＤＣ出力、コンタクタ出力もＦＰＧＡ入力と同様にハイレベルが正常、ローレベルが異常（遮断指示）を示している。ＦＰＧＡ７１はＦＰＧＡ６２から緊急停止指示を受けると、まずブレーカ３０に接続されたポートの電圧をハイレベルからローレベルに下げてブレーカ３０に遮断指示を伝達する。ブレーカ３０に遮断指示を伝達してから設定時間経過後に、ＦＰＧＡ７１はＤＣ−ＤＣコンバータ４０に接続されたポートの電圧をローレベルに下げてＤＣ−ＤＣコンバータ４０に遮断指示を伝達する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０に遮断指示を伝達してから設定時間経過後に、ＦＰＧＡ７１はコンタクタ５０に接続されたポートの電圧をローレベルに下げてコンタクタ５０に遮断指示を伝達する。

ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０を遮断する順番およびタイミングは、ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０の仕様、並びに配線の仕様に応じて設計者により予めＦＰＧＡ７１に設定される。ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０の電流容量および耐圧はそれぞれ異なっている。過渡電流に対する耐性が低い遮断装置は、別の遮断装置より遅れて遮断することが遮断装置自体の保護の観点から好ましい。なお各遮断装置を遮断するタイミングは、電流路５の配線の幅、当該配線における遮断装置間の長さにも依存する。

図３（ａ）では、ブレーカ３０に対する遮断指示を１チャンネルで伝達している例を示しているが、図２に示したようにプラス配線５ａとマイナス配線５ｂを時間差を持って遮断する場合、ＦＰＧＡ７１からブレーカ３０に２チャンネルで遮断指示を伝達する。なおブレーカ３０に制御回路を設けて、当該制御回路にＦＰＧＡ７１から遮断指示を１チャンネルで伝達し、当該制御回路がプラス配線５ａとマイナス配線５ｂを時間差を持って遮断するように制御してもよい。

ＦＰＧＡ７１から各遮断装置に遮断指示が送出されるタイミングは、タイマによりカウントされる時間に基づき管理される。その際、遮断順で１つ前の遮断装置から遮断完了通知を受信したことを条件に、次の遮断装置に遮断指示を送出するように設計してもよいし、時間経過のみを条件として送出するように設計してもよい。

図３（ａ）に示す例のように、ＦＰＧＡ入力のローレベルが異常（遮断指示）を示す設計の場合、蓄電池管理装置６０のＦＰＧＡ６２の電源が喪失した場合や、ＦＰＧＡ６２とＦＰＧＡ７１間の信号線が切断された場合などの異常発生時に、ＦＰＧＡ７１におけるＦＰＧＡ６２との接続ポートがゼロ電圧またはハイインピーダンスになる。従ってＦＰＧＡ７１は、ＦＰＧＡ６２の信号処理に基づく遮断指示を受信しない場合であっても、当該接続ポートが一定時間以上ゼロ電圧またはハイインピーダンスの場合、ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０をそれらの仕様に従い遮断できる。

ブレーカ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０及びコンタクタ５０は、耐用年数の経過や故障などにより交換される場合がある。また安全基準の改訂などにより、別の遮断装置が新たに追加される場合もある。遮断装置の交換前後で、電流容量や耐圧などの仕様が変更になる場合、遮断する順番およびタイミングも変更する必要が発生する。

図３（ｂ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０又はコンタクタ５０が交換されたことにより、遮断する順番およびタイミングが変更になった例を示している。図３（ａ）ではブレーカ３０→ＤＣ−ＤＣコンバータ４０→コンタクタ５０の順番で遮断したが、図３（ｂ）ではブレーカ３０→コンタクタ５０→ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の順番で遮断している。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０とコンタクタ５０の過渡電流に対する耐性の関係が逆転した場合、遮断する順番も逆にすることが好ましい。

設計者は、ハードウェア記述言語で規定された新たな構成をＦＰＧＡ７１に設定する。遮断装置を制御する回路をＦＰＧＡではなく、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）で構成した場合、遮断装置の交換または追加に伴い、ＡＳＩＣ自体も交換する必要が生じる。

以上説明したように本実施の形態によれば、蓄電池管理装置６０と別に設けた拡張制御装置７０のＦＰＧＡ７１により遮断装置を遮断することにより遮断装置の保護を強化できる。拡張制御装置７０は蓄電池管理装置６０より不具合が発生しにくいため、制御系の不具合により、遮断装置が仕様に規定された正規の遮断手順ではなく強制的に遮断されることを抑制できる。従って遮断装置に予期せぬ過大な負荷がかかることを抑制でき、遮断装置の保護を強化できる。

また拡張制御装置７０を設けることにより、遮断装置の数や遮断装置との通信方法を変更する場合に、蓄電池管理装置６０に変更を加えることがなく、その変更を拡張制御装置７０で吸収できる。蓄電池管理装置６０に変更を加える必要がないため、遮断制御の変更が、充放電制御などの他の制御に悪影響を及ぼすリスクを低減できる。

またＦＰＧＡを用いることにより、遮断装置の仕様変更などに柔軟に対応できる。またＦＰＧＡ６２とＦＰＧＡ７１間の信号線に、蓄電システム１内の高圧機器によりノイズが乗ることがある。そのノイズは、高圧機器の配置変更や別の高圧機器の追加により挙動が変化する。この点、ＦＰＧＡを用いることによりＦＰＧＡ内のノイズキャンセルフィルタの特性を柔軟に変更できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ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合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。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
蓄電池モジュール１０と、
前記蓄電池モジュール１０の電流路を遮断可能な遮断装置と、
前記蓄電池モジュール１０から、蓄電池１１の監視データを受信するとともに、異常時に停止信号を受信する蓄電池管理装置６０と、
前記蓄電池管理装置６０から停止信号を受信する拡張制御装置７０と、を備える。
前記拡張制御装置７０は、
前記遮断装置をその仕様に従い遮断させるロジック回路を含むことを特徴とする蓄電システム１。
これにより遮断装置を、蓄電池管理装置６０と独立した拡張制御装置７０のロジック回路で制御できる。従ってハードウェア制御で安定的に遮断装置を遮断させることができ、遮断装置の保護強化を図ることができる。
［項目２］
前記遮断装置は複数設けられ、
前記ロジック回路は、前記複数の遮断装置を設定された順番およびタイミングで遮断させることを特徴とする項目１に記載の蓄電システム１。
これにより複数の遮断装置の保護を強化できる。
［項目３］
前記ロジック回路は、前記蓄電池管理装置６０に接続される経路の信号が異常なとき、前記停止信号を受信せずとも前記遮断装置をその仕様に従い遮断させる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１。
これにより蓄電池管理装置６０や信号線に不具合が発生しても、拡張制御装置７０のロジック回路により仕様に従った遮断制御を確保できる。
［項目４］
前記ロジック回路は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）７１またはＣＰＬＤ (Complex Programmable Logic Device)であることを特徴とする項目１から３のいずれか１つに記載の蓄電システム１。
これにより遮断制御に関するシステム変更に対して柔軟に対処できる。
［項目５］
蓄電池モジュール１０から蓄電池１１の監視データを受信するとともに異常時に停止信号を受信する蓄電池管理装置６０から、停止信号を受信する拡張制御装置７０であって、
前記蓄電池モジュール１０の電流路を遮断可能な遮断装置を、その仕様に従い遮断させるロジック回路を含むことを特徴とする拡張制御装置７０。
これにより、ハードウェア制御で安定的に遮断装置を遮断させることができ、遮断装置の保護強化を図ることができる。

１ 蓄電システム、 ２ 系統電源、 ３ 負荷、 ５ 電流路、 １０ 蓄電池モジュール、 １１ 蓄電池、 １２ 監視回路、 ２０ 双方向パワーコンディショナ、 ３０ ブレーカ、 ４０ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ５０ コンタクタ、 ６０ 蓄電池管理装置、 ６１ ＣＰＵ、 ６２ ＦＰＧＡ、 ７０ 拡張制御装置、 ７１ ＦＰＧＡ、 Ｌ１ 第１コイル、 Ｌ２ 第２コイル、 Ｓ１ 第１開閉部、 Ｓ２ 第２開閉部。

Claims (6)

1. 蓄電池モジュールと、
   双方向パワーコンディショナと、
   前記蓄電池モジュールと前記双方向パワーコンディショナとの間の電流路を遮断可能な複数の遮断装置と、
   前記蓄電池モジュールから、蓄電池の監視データを受信するとともに、異常時に停止信号を受信する蓄電池管理装置と、
   前記蓄電池管理装置から停止信号を受信する拡張制御装置と、を備え、
   前記拡張制御装置は、
   前記複数の遮断装置をその仕様に従い遮断させるロジック回路を含むことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記ロジック回路は、前記複数の遮断装置を設定された順番およびタイミングで遮断させることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記ロジック回路は、前記蓄電池管理装置に接続される経路の信号が異常なとき、前記停止信号を受信せずとも前記遮断装置をその仕様に従い遮断させる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. 前記ロジック回路は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）またはＣＰＬＤ (Complex Programmable Logic Device)であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄電システム。
5. 前記複数の遮断装置は、ブレーカ、ＤＣ−ＤＣコンバータ及びコンタクタを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の蓄電システム。
6. 蓄電池モジュールから蓄電池の監視データを受信するとともに異常時に停止信号を受信する蓄電池管理装置から、停止信号を受信する拡張制御装置であって、
   前記蓄電池モジュールと双方向パワーコンディショナとの間の電流路を遮断可能な複数の遮断装置を、その仕様に従い遮断させるロジック回路を含むことを特徴とする拡張制御装置。

Images