JP6465174B2 - 蓄電装置および起動方法 - Google Patents

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Description

本開示は、蓄電装置および起動方法に関する。
電子機器などの負荷に対して電力を供給する蓄電装置が普及している。蓄電装置は、停電時等の外部から電力の供給がない場合でも起動できることが求められる。下記特許文献1には、商用電源が停電している場合に、バッテリの電力を使用して起動する蓄電装置が記載されている。
特開2010−028950号公報
特許文献1に記載の蓄電装置は、バッテリの電力を使用して待機状態を維持するようにしている。待機状態においてバッテリの電力が消費されるため、長時間にわたり蓄電装置の待機状態を維持することが困難であるという問題があった。
したがって、本開示の目的の一つは、待機状態において消費される電力を無くす蓄電装置を提供することにある。さらに、蓄電装置における起動方法を提供することにある。
上述した課題を解決するために、本開示は、例えば、
入出力部を介して接続される制御部、充放電管理部および電流生成部と、
充放電管理部に対して接続され、かつ、電流生成部に対してスイッチを介して接続される蓄電部とを備え、
シャットダウン状態では、制御部および充放電管理部がオフするとともにスイッチがオフされ、
シャットダウン状態から起動する際にスイッチがオンされ、
スイッチがオンされることに応じて、電流生成部は、蓄電部から供給される電力に基づいて所定の電流を生成し、該生成した電流を入出力部に出力し、
電流生成部から供給される電流により入出力部における電圧が所定の動作電圧に達した場合に、制御部および充放電管理部がオンし、
蓄電部の電圧が閾値より小さい場合には、電流生成部により生成される第1の電流に基づいて蓄電部が充電され、
蓄電部の電圧が閾値より大きい場合には、第1の電流より大きい第2の電流に基づいて蓄電部が充電される
蓄電装置である。
本開示は、例えば、
入出力部を介して接続される制御部、充放電管理部および電流生成部と、充放電管理部に対して接続され、かつ、電流生成部に対してスイッチを介して接続される蓄電部とを備える蓄電装置の起動方法であり、
シャットダウン状態では、制御部および充放電管理部がオフするとともにスイッチがオフされ、シャットダウン状態から起動する際にスイッチがオンされ、
スイッチがオンされることに応じて、電流生成部が蓄電部から供給される電力に基づいて所定の電流を生成し、該生成した電流を入出力部に出力し、
電流生成部から供給される電流により入出力部における電圧が動作電圧に達した場合に、制御部および充放電管理部がオンし、
蓄電部の電圧が閾値より小さい場合には、電流生成部により生成される第1の電流に基づいて蓄電部が充電され、
蓄電部の電圧が閾値より大きい場合には、第1の電流より大きい第2の電流に基づいて蓄電部が充電される
蓄電装置の起動方法である。
少なくとも一つの実施形態によれば、蓄電装置の待機状態における待機電力を無くすことができる。
一般的な蓄電装置の構成の一例を示すブロック図である。 蓄電部を充電する場合の電力の経路の一例を説明するための図である。 外部の電源から負荷に対して供給される電力の経路の一例を説明するための図である。 蓄電部から負荷に対して供給される電力の経路の一例を説明するための図である。 EMUに対して供給される電力の経路の一例を説明するための図である。 本開示における蓄電装置の構成の一例を示すブロック図である。 蓄電部の電力を抵抗を介して供給する構成を説明するための図である。 一般的な蓄電装置の具体的な回路構成の一例を説明するための図である。 本開示における蓄電装置の具体的な回路構成の一例を説明するための図である。 第2の実施形態における処理の流れを説明するためのフローチャートである。 応用例を説明するための図である。 応用例を説明するための図である。
以下、本開示の実施形態等について図面を参照しながら説明する。説明は、以下の順序で行う。
<1.第1の実施形態>
<2.第2の実施形態>
<3.変形例>
<4.応用例>
以下に説明する実施形態等は本開示の好適な具体例であり、本開示の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
なお、以下に説明において、負荷に対して接続されているものの、該負荷に対して電力を供給しておらず、指示に応じて該負荷に対して電力を供給できる蓄電装置の状態を適宜、待機状態またはシャットダウン状態と称する。この場合の指示は、例えば、蓄電装置のユーザの所定の操作である。
蓄電装置が待機状態を維持するための電力、換言すれば、待機状態(シャットダウン状態)において消費される電力を適宜、待機電力と称する。詳細は後述するが、一般的な蓄電装置(蓄電システム)は、商用電力やバッテリの電力を使用して待機状態を維持しているため待機電力がかかる。本開示における蓄電装置では待機電力を0にすることができる。さらに、本開示における蓄電装置は、商用電力等の外部からの電力を供給が無くても起動することができ、蓄電装置の自立運転を実現できる。
なお、以下の説明において「Aより小さい」はA以下と解釈されてもよくA未満と解釈されてもよい。「Aより大きい」はA以上と解釈されてもよくAを超えるものとして解釈されてもよい。
<1.第1の実施形態>
「蓄電部の一例について」
本開示における蓄電装置は、蓄電部を有する。蓄電装置の説明に先立ち、蓄電部の一例について説明する。蓄電部は、例えば、複数の2次電池により構成される。蓄電部を構成する2次電池は、例えば、正極活物質と、黒鉛等の炭素材料を負極活物質として含むリチウムイオン2次電池である。正極材料として特に限定はないが、好ましくは、オリビン構造を有する正極活物質を含有するものである。
オリビン構造を有する正極活物質としてさらに好ましくは、リチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )、または、異種原子を含有するリチウム鉄複合リン酸化合物(LiFex1-x4 :Mは1種類以上の金属、xは0<x<1である。)が好ましい。ここで、「主体」とは、正極活物質層の正極活物質総質量の50%以上を意味する。また、Mが2種以上の場合は、各々の下付数字の総和が1−xとなるように選定される。
Mとしては、遷移元素、IIA族元素、IIIA族元素、IIIB族元素、IVB族元素等が挙げられる。特にコバルト(Co),ニッケル,マンガン(Mn),鉄,アルミニウム,バナジウム(V),およびチタン(Ti)のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。
正極活物質は、リチウム鉄リン酸化合物またはリチウム鉄複合リン酸化合物の表面に、該酸化物とは異なる組成の金属酸化物(例えば、Ni、Mn、Liなどから選択されるもの)やリン酸化合物(例えば、リン酸リチウム等)等を含む被覆層が施されていてもよい。
リチウム(Li)を吸蔵および放出することが可能な正極材料として、層状岩塩構造を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn24)などのリチウム複合酸化物が使用されてもよい。
本開示における黒鉛としては、特に限定はなく、業界において用いられる黒鉛材料を広く用いることができる。負極の材料として、チタン酸リチウム、シリコン(Si)系材料、スズ(Sn)系材料等が使用されてもよい。
本開示にかかる電池の電極の製造法としては、特に限定はなく、業界において用いられている方法を広く用いることができる。
本開示における電池構成としては、特に限定はなく、公知の構成を広く用いることができる。
本開示に用いられる電解液としては、特に限定はなく、液状、ゲル状を含み、業界において用いられる電解液を広く用いることができる。
電解液溶媒として好ましくは、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン(VC)、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、エチレンスルフィド、およびビストリフルオロメチルスルホニルイミドトリメチルヘキシルアンモニウム、さらに好ましくは4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン(VC)、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンである。
電解液支持塩として好ましくは、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ビス(ペ
ンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(Li(C25SO22N)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiSO3CF3)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(Li(CF3SO22N)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチルリチウム(LiC(SO2CF33である。
リチウムイオン2次電池は、形状に応じて角型、円筒型等に分類することができる。本開示では一例として、円筒型のリチウムイオン2次電池が使用される。1の円筒型のリチウムイオン2次電池をセルと適宜、称する。リチウムイオン2次電池のセルの平均的な出力電圧は、例えば、3.0V(ボルト)程度であり、満充電電圧は、例えば、4.2V程度である。また、リチウムイオン2次電池のセルの容量は、例えば、3Ah(アンペアアワー)(3000mAh(ミリアンペアアワー))である。
複数のセルが接続されることにより、サブモジュールが形成される。サブモジュールは、例えば、8個のセルが並列に接続された構成を有する。この場合のサブモジュールの容量は、24Ah程度となり、電圧は、セルの電圧と略同じ3.0V程度となる。
例えば、16のサブモジュールが直列に接続され、共通のケース内に収納されることにより蓄電部が構成される。この場合の蓄電部の容量は、24Ah程度となり、電圧は、48V(3.0V×16)程度となる。なお、蓄電部の構成は、用途等に応じて適宜、変更することができる。さらに、リチウムイオン2次電池に限らず、電気二重層、大容量キャパシタ等により蓄電部が構成されてもよい。
「一般的な蓄電装置の構成について」
本開示の理解を容易とするために、図1を参照して一般的な蓄電装置(蓄電システム)の構成について説明する。なお、図1から図7における実線の矢印は電力の流れを示す。蓄電装置内または蓄電装置と外部の機器との間では所定の規格に基づく通信が行われるが、通信に基づく信号の流れの図示は省略している。
蓄電装置1は、例えば、DC(Direct Current)電源部2およびAC(Alternating Current)電源部3に接続される。DC電源部2は、例えば、屋根、屋外等に設置される太陽電池モジュールである。太陽電池モジュールは、複数の太陽電池を接続してパネル状としたものであり、ソーラーパネルとも称される。通常、複数枚の太陽電池モジュールが並べて設置され、太陽電池アレイが構成される。
DC電源部2に対してパワーコンディショナ(図示は省略している)が設けられる。パワーコンディショナは、最大電力点追従制御(Maximum Power Point Tracking:MPPT)と称される制御を行う。この制御は、太陽電池モジュールの発電電力の変動に追従して、常に最大の電力点を追いかける方式である。このパワーコンディショナの出力が外部電力系統の電力供給ラインに接続され、太陽電池モジュールの発電電力(余剰電力)が売電される構成としてもよい。
AC電源部3は、例えば、商用電力である。電力供給者の発電所にて発電した電力(交流電力)が図示しない送電網、配電網を介してAC電源部3に供給される。
蓄電装置1は負荷4に対して接続され、負荷4に対して電力を供給する。負荷4は、冷蔵庫やテレビジョン装置等の電子機器のほか、用途に応じて適宜、設定できる。
蓄電装置1は、例えば、PV(Photovoltaic)充電器20と、電力の入出力がなされる入出力部21と、AC−DCコンバータ22と、DC−ACインバータ23と、充放電部24と、AC−DC変換部25と、電流生成部26と、EMU(Energy Management Unit)27と、BMU(Battery Management Unit)28と、蓄電部29とを含む構成とされる。AC−DCコンバータ22と、DC−ACインバータ23と、充放電部24とによりUPS(Uninterruptable Power Supply)部35が形成される。
各部について概略的に説明する。PV充電器20は、DC−DCコンバータと充電制御部とを有する。DC−DCコンバータによりDC電源部2から供給される電圧が所定の電圧に変換される。充電制御部は、PV充電器20から出力される電流の値を制御する。PV充電器20は、DC電源部2から供給される電圧が閾値(例えば、100V(ボルト))を超えると動作する。入出力部21には、例えば、PV充電器20,電流生成部26,充放電部24,EMU27およびBMU28が接続されている。
AC−DCコンバータ22は、AC電源部3から入力される商用電力(交流電力)から直流電力を形成する。AC−DCコンバータ22から出力される直流電力がDC−ACインバータ23に供給される。DC−ACインバータ23は、商用電力と同様のレベルおよび周波数の交流電力を形成する。形成された交流電力が負荷4に供給される。
充放電部24は、蓄電装置1の充電または放電に応じて動作する。例えば、蓄電部29に対する充電を行う際には、AC−DCコンバータ22を介して入力される交流電力から直流電力を形成し、直流電力を入出力部21に出力する。放電を行う際には、入出力部21から供給される直流電力をDC−ACインバータ23に供給する。
AC−DC変換部25は、AC電源部3から入力される商用電力(交流電力)から直流電力を形成する。形成された直流電力が電流生成部26に供給される。
電流生成部26は、例えば、定電流DC−DCコンバータにより構成され、所定の電流値の電流を生成する。所定の電流値は、例えば、1.0A(アンペア)程度である。蓄電部29の電圧が低い場合、例えば、42Vより小さい場合に、蓄電部29に通常の充電電流(例えば、数十A程度)を流してしまうと発熱などの異常を引き起こすおそれがある。そこで、蓄電部29の電圧が42Vより小さい場合には、1.0A程度の低レートの定電流により蓄電部29を初期充電する。蓄電部29の電圧が42Vより大きくなると充放電部24が動作し、充放電部24から出力される通常の充電電流に基づいて蓄電部29が充電される。
なお、DC電源部2から供給される直流電力により蓄電部29を充電する場合に、同様の制御がなされる。この場合は、上述したPV充電器20が低レートの電流を生成し、PV充電器20により生成された低レートの電流により初期充電が行われる。初期充電が終了した後は、PV充電器20は通常の充電電流を生成し、この充電電流により蓄電部29が充電される。
蓄電装置1を制御するためのコントローラが設けられる。コントローラは、例えば、制御部の一例であるEMU27と充放電管理部の一例であるBMU28とからなる。EMU27およびBMU28のそれぞれには、マイクロコントロールユニットが含まれ、EMU27とBMU28との間で通信がなされる。
EMU27は、蓄電装置1の全体の管理を行う。BMU28は、蓄電部29の状態(残容量、電池電圧、電池温度等)を監視し、適切な充放電動作が行われるように動作する。BMU28は、FET(Field Effect Transistor)等からなる充電制御スイッチおよび放電制御スイッチ(これらの図示は省略している)のオン/オフを適切に制御し、蓄電部29に対する充放電を制御する。BMU28における充放電に関する制御は公知の制御を適用できる。なお、本例では、BMU28およびEMU27が別々の構成として記載されているが、これらを一つのマイクロコンピュータ等で実現し、一体化しても良い。
蓄電装置1における電力の流れの一例について説明する。図2の点線(a)で示すように、蓄電装置1では、DC電源部2から供給される直流電力に基づいて、蓄電部29を充電することができる。すなわち、DC電源部2から供給される直流電圧がPV充電器20により適切な直流電圧に変換される。PV充電器20により形成される直流電圧が入出力部21およびBMU28を介して蓄電部29に供給され、蓄電部29が充電される。
さらに、図2の点線(b1)および点線(b2)で示すように、蓄電装置1では、AC電源部3から供給される交流電力に基づいて蓄電部29を充電することができる。点線(b1)で示す経路は初期充電の際の電力の経路を示し、点線(b2)で示す経路は通常の充電の際の電力の経路を示す。
AC電源部3から供給される交流電圧がAC−DC変換部25により直流電圧に変換される。直流電圧が電流生成部26に供給される。電流生成部26は、供給される直流電圧に基づいて初期充電のための低レートの充電電流を生成する。電流生成部26からの充電電流が入出力部21およびBMU28を介して蓄電部29に供給される。そして、蓄電部29の電圧が閾値以上になるまで低レートの充電電流による充電が行われる。
蓄電部29の電圧が閾値以上になると、点線(b2)の経路で流れる電力により蓄電部29が通常充電される。すなわち、AC電源部3から供給される交流電圧がAC−DCコンバータ22を経由して充放電部24により供給される。充放電部24により交流電圧が直流電圧に変換される。直流電圧が入出力部21およびBMU28を介して蓄電部29に供給され、蓄電部29が充電される。充放電部24により例えば、定電流(CC)−定電圧(CV)方式による充電が行われる。
初期充電および通常充電の切り替えは、EMU27により行われる。初期充電および通常充電の切り替えの制御は、例えば、以下のようにして行われる。AC電源部3とAC−DC変換部25との間にスイッチSW1(図示は省略している)が接続される。また、AC電源部3とAC−DCコンバータ22との間にスイッチSW2(図示は省略している)が接続される。
BMU28は、蓄電部29の電池電圧を監視し、電池電圧に関する情報をEMU27に通信により通知する。電池電圧に関する情報は、例えば、所定の周期でもってEMU27に通知される。EMU27は、電池電圧が閾値より小さい場合にはスイッチSW1をオンし、スイッチSW2をオフする制御を行う。この制御により、初期充電が行われる。電池電圧が閾値以上である場合もしくは初期充電により電池電圧が閾値以上になる場合には、EMU27は、スイッチSW1をオフし、スイッチSW2をオンする。この制御により通常充電が行われる。
EMU27とUPS部35とが通信を行い、この通信に基づいて充放電部24の動作が制御され、通常充電および初期充電の切り替えがなされてもよい。電流生成部26の出力電圧は、充放電部24の出力電圧およびPV充電器20の出力電圧に対して低く設定されている。このため、UPS部35やPV充電器20が動作していない場合には、電流生成部26の出力電力により初期充電が行われる。すなわち、UPS部35およびPV充電器20の動作を制御することにより通常充電および初期充電を切り替えることができる。
図3の点線(c)で示すように、蓄電装置1は、DC電源部2から供給される電力を負荷4に対して供給することができる。DC電源部2から供給される直流電圧がPV充電器20におけるDC−DCコンバータにより所定の電圧に変換され、直流電力が形成される。PV充電器20により形成された直流電力が入出力部21および充放電部24を介してDC−ACインバータ23に供給される。DC−ACインバータ23は、商用電力と同様のレベルおよび周波数の交流電力を形成する。DC−ACインバータ23により形成された交流電力が負荷4に対して供給される。
図3の点線(d)で示すように、蓄電装置1は、AC電源部3から供給される交流電力を負荷4に対して供給することができる。AC電源部3から供給される交流電力がAC−DCコンバータ22に供給される。AC−DCコンバータ22は、交流電力から直流電力を形成し出力する。AC−DCコンバータ22から出力される直流電力がDC−ACインバータ23に供給される。DC−ACインバータ23は、供給される直流電力に基づいて商用電力と同様のレベルおよび周波数の交流電力を形成する。DC−ACインバータ23により形成された交流電力が負荷4に供給される。
各電力の経路の適切な箇所にそれぞれスイッチを設け、各スイッチを適切にオン−オフすることにより、蓄電装置1に対する電力の入力を切り替えることができる。例えば、DC電源部2とPV充電器20との間およびAC電源部3とAC−DCコンバータ22の間にそれぞれスイッチが設けられる。EMU27がPV充電器20およびUPS部35に対して通信を介した制御を行い、PV充電器20およびUPS部35のオン/オフが制御されてもよい。この制御により、負荷4に対する電力の供給経路が切り替えられてもよい。
図4の点線(e)で示すように、蓄電装置1は、蓄電部29の放電による電力を負荷4に供給することができる。蓄電部29の放電による直流電力がBMU28,入出力部21および充放電部24を介してDC−ACインバータ23に供給される。DC−ACインバータ23は、供給される直流電力に基づいて商用電力と同様のレベルおよび周波数の交流電力を形成する。DC−ACインバータ23により形成された交流電力が負荷4に供給される。
ところで、上述した蓄電装置1を起動するためには、少なくともEMU27に電力を供給する必要がある。蓄電装置1では、例えば、図5の点線(f1),点線(f2)および点線(f3)で示す経路によりDC電源部2またはAC電源部3から供給される電力をEMU27に供給する。ここで、停電や悪天候等によりDC電源部2およびAC電源部3からの電力供給がない場合には蓄電装置1を起動することができない。電力供給が途絶えることが想定される環境では、蓄電装置1を使用しない場合でも、EMU27およびBMU28などに電力を供給し続け待機状態を維持するようにしている。待機状態を維持するために電力を常に使用することになり、コスト等の面で不都合である。
一方で、DC電源部2およびAC電源部3に代えて蓄電部29の電力をEMU27およびBMU28に供給することが考えられる。しかしながら、待機状態を維持するための電力が消費されるため、蓄電部29の残容量が低下した場合には待機状態を維持することが困難になる。そこで、本開示における蓄電装置は、蓄電部の電力により蓄電装置を起動しつつ、待機電力を0とする。以下、本開示における蓄電装置の一例について詳細に説明する。
「本開示における蓄電装置の構成」
図6は、本開示における蓄電装置(蓄電装置10)の構成の一例を示す。蓄電装置10において、蓄電装置1と同様の構成については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
蓄電装置10では、蓄電部29と電流生成部26とがスイッチSW40を介して接続されている。スイッチSW40は、例えば、蓄電装置10の外装ケースに配設されるボタンである。スイッチSW40は、待機状態ではオフされている。また、待機状態ではEMU27およびBMU28がオフしている。すなわち、待機状態では蓄電部29は蓄電装置10内の各部から切り離されている。したがって待機状態においては蓄電部29の電力が消費されず、待機電力が0になる。
蓄電装置10のユーザは、蓄電装置10を起動する際に、例えば、数秒程度、ボタンを押下しスイッチSW40をオンする。数秒程度、ボタンの押下を継続することにより蓄電装置10が起動する。蓄電装置10の起動後は、ユーザがボタンの押下を解除しスイッチSW40をオフする。スイッチSW40がオフされるため、起動後に蓄電部29の電力が電流生成部26に直接、供給されることはない。
「蓄電装置の起動処理について」
蓄電装置10の起動処理の一例について、詳細に説明する。スイッチSW40がオンされることに応じて、蓄電部29の直流電力が電流生成部26に供給される。電流生成部26は、蓄電部29から供給される直流電力に基づいて、低レートの電流を生成する。この電流は、初期充電における低レートの充電電流と同じ1.0A程度の電流である。電流生成部26により生成された低レートの電流が入出力部21に供給される。
電流生成部26から電流が供給されることにより入出力部21における電圧が徐々に上昇する。入出力部21における電圧が所定値を超えると、入出力部21に接続されているユニット(例えば、EMU27およびBMU28)が起動する。ここで、所定値とはEMU27やBMU28が動作するために必要な電圧(動作電圧)である。EMU27の動作電圧およびBMU28の動作電圧は同一でもよく異なるものであってもよい。
EMU27およびBMU28が起動した後、蓄電部29はBMU28を介して蓄電装置10の各部に接続される。以上のようにして、待機電力を0にするとともに、蓄電部29の電力を使用して蓄電装置10を起動できる。
ここで、入出力部21に対して接続されるユニットのいずれかが故障している場合や、接続ラインがショートしている場合には、電流生成部26から電流が供給されても入出力部21における電圧は上昇しない。すなわち、入出力部21における電圧がEMU27やBMU28の動作電圧に達せず、蓄電装置10が起動しない。EMU27やBMU28が動作しないことから、蓄電部29が蓄電装置10の各部に接続されない。このように、蓄電部29の電力を、電流生成部26を介して供給することにより、故障等の障害が有るユニットに対して蓄電部29が接続されることを防止できる。そして、障害が有るユニットに対して蓄電部29が接続されることによる蓄電部29の故障(2次故障)を防止できる。
さらに、蓄電部29が直接、EMU27等に接続されると突入電流が流れEMU27等を損傷するおそれがある。しかしながら、本開示における蓄電装置では、蓄電部29の電力が電流生成部26を経由して出力するようにしているため、突入電流によるEMU27等の損傷を防止できる。
例えば、図7に示すように抵抗50を介した電力により蓄電装置を起動することも可能である。しかしながら、入出力部21に接続されるユニットに故障等がある場合には当該ユニットが発熱し2次故障が発生するおそれがあるため、図7に示す構成は好ましくない。
具体的な回路構成の一例について説明する。図8に示すように、一般的な蓄電装置1では、蓄電部29から電流生成部26に対して電力は供給されない。
図9は、蓄電装置10における蓄電部29と電流生成部26との間の具体的な回路構成の一例を示す。AC−DC変換部25と電流生成部26とが、電力ラインL1および電力ラインL2により接続されている。電力ラインL1に対して電力ラインL10が接続され、電力ラインL2に対して電力ラインL20が接続される。電力ラインL10は蓄電部29の正極端子に接続されており、電力ラインL20は蓄電部29の負極端子に接続されている。この構成により蓄電部29の電力が電流生成部26の入力に接続される。
電力ラインL1にダイオードD1が設けられる。ダイオードD1は、スイッチSW40がオンされたときに、蓄電部29からAC−DC変換部25への逆流を防止するためのものである。電力ラインL10には、蓄電部29側からヒューズFU,スイッチSW40,抵抗RおよびダイオードD2が設けられる。電力ラインL10における抵抗RおよびダイオードD2の中点と電力ラインL20とがラインL30により接続されており、ラインL30にはコンデンサCが接続されている。電力ラインL20にはダイオードD30が接続されている。
ヒューズFUは過電流の際に溶断し、システムの安全を確保するものである。ダイオードD2は蓄電部29の電圧が低い場合に、AC電源部3からの電力が蓄電部29に流れ込むことを防止するものである。ダイオードD3は、電力ラインL20を電流が電力ラインL2に向けて流れることを防止するためのものである。抵抗RおよびコンデンサCによりアナログローパスフィルタが形成され、高周波成分を除去するようになされる。なお、図9に示す回路構成は一例であり、例示した回路構成と異なる回路構成により蓄電部29の電力が電流生成部26に供給されるようにしてもよい。
以上説明したように、本開示における蓄電装置は、外部からの電力がない場合でも起動することができる。さらに、待機状態における待機電力を0にすることができる。さらに、蓄電部の電力を、電流生成部を介して出力することにより、蓄電装置のシステムに異常がある場合に、当該システムと蓄電部とが電気的に接続されることを防止できる。
<2.第2の実施形態>
第2の実施形態における蓄電装置の構成および動作は、第1の実施形態における蓄電装置10と同様であるので重複した説明を省略する。第2の実施形態では、蓄電装置10がシャットダウンされている状態で外部から電力の供給がある場合に、蓄電装置10のシステムを自己起動し、蓄電部29を充電するようにしている。そして、外部から供給される電力が減少もしくは低下した場合には、蓄電装置10がシステムを自律的にシャットダウンし、待機電力を0にする。なお、第2の実施形態では、DC電源部2を太陽電池モジュールとして説明する。
「処理の流れ」
第2の実施形態における蓄電装置10の処理の流れの一例について、図10のフローチャートを参照して説明する。ステップS10では、蓄電装置10がシャットダウンされている。すなわち、スイッチSW40がオフされ、蓄電部29が蓄電装置10内のシステムから切り離されている。上述したように、この状態における待機電力は0である。そして、処理がステップS11に進む。
ステップS11では、太陽電池モジュールの発電電圧(PV発電電圧)Vが閾値Vstart以上であるか否かが判断される。閾値Vstartは、例えば、100Vに設定される。太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstartより小さい場合には、処理がステップS11に戻り、ステップS11の判断が繰り返される。太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstart以上である場合には、処理がステップS12に進む。
ステップS12ではPV充電器20が起動する。上述したステップS11の判断はマイクロコンピュータ等によって行われるものではなく、太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstart以上になるとPV充電器20が自律的に起動する。もちろん、マイクロコンピュータ等により太陽電池モジュールの発電電圧が監視される構成としてもよい。そして、処理がステップS13に進む。
ステップS13では、PV充電器20が入出力部21に電力を供給する。これにより、入出力部21に接続されるEMU27およびBMU28が起動する。そして、処理がステップS14に進む。ステップS14では、BMU28が動作することにともない、蓄電部29が蓄電装置10のシステムに接続される。そして、処理がステップS15に進む。
ステップS15では、負荷4に対して電力を供給する必要があるか否かが判断される。この判断は、例えば、EMU27により行われる。負荷4に対して電力を供給する必要がある場合には、処理がステップS16に進む。負荷4に対して電力を供給する必要がない場合には、処理がステップS17に進む。
ステップS16では、通常の充放電モードによる処理が行われる。通常の充放電モードとは、例えば、任意の方法により充放電するモードである。すなわち、このモードでは、太陽電池モジュールから供給される電力を負荷4に対して供給してもよく、蓄電部29の電力を負荷4に対して供給してもよい。また、太陽電池モジュールから供給される電力により蓄電部29を充電しつつ、AC電源部3から供給される電力を負荷4に供給するようにしてもよい。
ステップS17では、PV充電器20により形成される電力が入出力部21およびBMU28を介して蓄電部29に供給される。これにより蓄電部29が充電される。そして、処理がステップS18に進む。
ステップS18では、太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstop以上であるか否か判断される。閾値Vstopは、例えば、90Vに設定される。太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstop以上である場合には、処理がステップS19に進む。太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstopより小さい場合には、処理がステップS21に進む。
ステップS19では、負荷4に対して電力を供給する必要があるか否かが判断される。この判断は、例えば、EMU27により行われる。負荷4に対して電力を供給する必要がある場合には、処理がステップS16に進む。上述したように、ステップS16では、通常の充放電モードによる処理が行われる。
負荷4に対して電力を供給する必要がない場合には、処理がステップS20に進む。ステップS20では、蓄電部29のSOC(State Of Charge)が閾値SOCmax以上であるか否かが判断される。この判断は、例えば、BMU28から送信される情報に基づいてEMU27が行う。閾値SOCmaxは、例えば、100%に設定される。なお、ステップS20における判断でSOCに代えてDOD(Depth Of Discharge)を使用した判断が行われてもよい。
蓄電部29のSOCが閾値SOCmaxより小さい場合には、処理がステップS17に戻り、蓄電部29に対する充電が継続される。蓄電部29のSOCが閾値SOCmax以上である場合には、処理がステップS21に進む。ステップS21では、蓄電部29の容量が上昇したことから充電が停止される。そして、処理がステップS22に進む。
ステップS22では、太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstop以上であるか否かが判断される。太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstop以上である場合には処理がステップS20に戻る。そして、ステップS20における判断でSOCが低下している場合には処理がステップS17に戻り、蓄電部29に対する充電が再開される。太陽電池モジュールの発電電圧Vが閾値Vstopより小さい場合には処理がステップS23に進む。
ステップS23では、蓄電部29の容量の低下量ΔSOCが閾値S%以上であるか否かが判断される。閾値S%は、例えば、2%に設定される。蓄電部29の容量の低下量ΔSOCが閾値2%より小さい場合には処理がステップS22に戻り、ステップS22の判断が行われる。蓄電部29の容量の低下量ΔSOCが閾値2%以上である場合には、処理がステップS24に進む。
ステップS24では、蓄電装置10がシャットダウンする。すなわち、蓄電装置10のEMU27は、蓄電装置10のBMU28等の動作を停止する制御を行い、その後自身をオフする。なお、PV発電電圧が閾値より小さい状態の継続時間をタイマにより計測し、計測時間が所定時間を経過した場合に、蓄電装置10をシャットダウンするようにしてもよい。
太陽電池モジュールの発電電圧は、天候等に応じて変動するものである。このため、一度、充電を停止した後にすぐに蓄電装置10をシャットダウンせずに、太陽電池モジュールの発電電圧に応じた制御を行うようにしている。太陽電池モジュールの発電電圧が一定以上あり、蓄電部の容量が低下した場合には、再度、充電を行うようにしている。
さらに、太陽電池モジュールの発電電圧が少ない状態が継続し、蓄電部の容量が一定以上、減少する場合には、EMU等の動作により蓄電部の電力がそれ以上消費されることを防止するため、蓄電装置をシャットダウンする。
このように、蓄電装置がシャットダウンしている状態で外部から電力の供給がある場合に、蓄電装置のシステムを自己起動し、蓄電部を充電する。外部から供給される電力が減少した場合には蓄電装置がシャットダウンし、蓄電装置における待機電力を0にする。
<3.変形例>
以上、本開示の実施形態について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。
上述した実施形態では、蓄電装置の起動の際に蓄電部の電力を既存の電流生成部を経由して出力するようにしているが、定電流を生成する回路を別個設け、その回路を経由して蓄電部の電力を出力する構成としてもよい。
上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、各実施形態における構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、技術的な矛盾が生じない範囲において、互いに組み合わせることが可能である。
本開示は、例示した処理が複数の装置によって分散されて処理される、いわゆるクラウドシステムに対して適用することもできる。実施形態および変形例において例示した処理が実行されるシステムであって、例示した処理の少なくとも一部の処理が実行される装置として、本開示を実現することができる。
さらに、本開示は、装置に限らず、例えば、方法、プログラム、プログラムが記録された記録媒体として実現することができる。
本開示は、以下の構成をとることもできる。
(1)
入出力部を介して接続される制御部、充放電管理部および電流生成部と、
前記充放電管理部に対して接続され、かつ、前記電流生成部に対してスイッチを介して接続される蓄電部と
を備える蓄電装置。
(2)
シャットダウン状態では、前記制御部および前記充放電管理部がオフするとともに前記スイッチがオフされ、
前記シャットダウン状態から起動する際に前記スイッチがオンされる
(1)に記載の蓄電装置。
(3)
前記スイッチがオンされることに応じて、前記電流生成部は、前記蓄電部から供給される電力に基づいて所定の電流を生成し、該生成した電流を前記入出力部に出力する
(2)に記載の蓄電装置。
(4)
前記電流生成部から供給される電流により前記入出力部における電圧が所定の動作電圧に達した場合に、前記制御部および前記充放電管理部がオンする
(3)に記載の蓄電装置。
(5)
前記蓄電部の電圧が閾値より小さい場合には、前記電流生成部により生成される第1の電流に基づいて前記蓄電部が充電され、
前記蓄電部の電圧が前記閾値より大きい場合には、前記第1の電流より大きい第2の電流に基づいて前記蓄電部が充電される
(1)乃至(4)のいずれかに記載の蓄電装置。
(6)
前記入出力部に対して、前記第2の電流を生成する充放電部が接続される
(5)に記載の蓄電装置。
(7)
前記電流生成部は、定電流DC(Direct Current)−DCコンバータにより構成される
(1)乃至(6)のいずれかに記載の蓄電装置。
(8)
前記蓄電部は、複数のリチウムイオン電池により構成される
(1)乃至(7)のいずれかに記載の蓄電装置。
(9)
前記シャットダウン状態において外部から電力の供給がある場合に、前記外部からの電力に基づいて前記制御部および前記充放電管理がオンし、該電力により前記蓄電部が充電される
(2)乃至(8)のいずれかに記載の蓄電装置。
(10)
蓄電部と、
前記蓄電部の電圧が閾値より小さい場合に、通常の充電電流より小さい充電電流を生成する電流生成部と
を備え、
起動の際に、前記蓄電部から出力される電力が前記電流生成部に供給される
蓄電装置。
(11)
入出力部を介して接続される制御部、充放電管理部および電流生成部と、前記充放電管理部に対して接続され、かつ、前記電流生成部に対してスイッチを介して接続される蓄電部とを備える蓄電装置の起動方法であり、
シャットダウン状態では、前記制御部および前記充放電管理部がオフするとともに前記スイッチがオフされ、前記シャットダウン状態から起動する際に前記スイッチがオンされ、
前記スイッチがオンされることに応じて、前記電流生成部が前記蓄電部から供給される電力に基づいて所定の電流を生成し、該生成した電流を前記入出力部に出力し、
前記電流生成部から供給される電流により前記入出力部における電圧が動作電圧に達した場合に、前記制御部および前記充放電管理部がオンする
蓄電装置の起動方法。
<4.応用例>
「応用例としての住宅における電力貯蔵装置」
本開示を住宅用の電力貯蔵装置に適用した例について、図11を参照して説明する。例えば住宅101用の電力貯蔵装置100においては、火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102c等の集中型電力系統102から電力網109、情報網112、スマートメータ107、パワーハブ108等を介し、電力が蓄電装置103に供給される。これとともに、家庭内発電装置104等の独立電源から電力が蓄電装置103に供給される。蓄電装置103に供給された電力が蓄電される。蓄電装置103を使用して、住宅101で使用する電力が給電される。住宅101に限らずビルに関しても同様の電力貯蔵装置を使用できる。
住宅101には、家庭内発電装置104、電力消費装置105、蓄電装置103、各装置を制御する制御装置110、スマートメータ107、各種情報を取得するセンサ111が設けられている。各装置は、電力網109および情報網112によって接続されている。家庭内発電装置104として、太陽電池、燃料電池等が利用され、発電した電力が電力消費装置105および−または蓄電装置103に供給される。電力消費装置105は、冷蔵庫105a、空調装置105b、テレビジョン受信機105c、風呂105d等である。さらに、電力消費装置105には、電動車両106が含まれる。電動車両106は、電気自動車106a、ハイブリッドカー106b、電気バイク106cである。
蓄電装置103は、2次電池、またはキャパシタから構成されている。例えば、リチウムイオン2次電池によって構成されている。蓄電装置103として、上述した蓄電装置10を適用できる。リチウムイオン2次電池は、定置型であっても、電動車両106で使用されるものでも良い。スマートメータ107は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網109は、直流給電、交流給電、非接触給電のいずれか一つまたは複数を組み合わせても良い。
各種のセンサ111は、例えば人感センサ、照度センサ、物体検知センサ、消費電力センサ、振動センサ、接触センサ、温度センサ、赤外線センサ等である。各種センサ111により取得された情報は、制御装置110に送信される。センサ111からの情報によって、気象の状態、人の状態等が把握されて電力消費装置105を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置110は、住宅101に関する情報を、インターネットを介して外部の電力会社等に送信することができる。
パワーハブ108によって、電力線の分岐、直流交流変換等の処理がなされる。制御装置110と接続される情報網112の通信方式としては、UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter:非同期シリアル通信用送受信回路)等の通信インターフェースを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee(登録商標)、Wi−Fi(登録商標)等の無線通信規格によるセンサネットワークを利用する方法がある。Bluetooth方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network) またはW(Wireless)PANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
制御装置110は、外部のサーバ113と接続されている。このサーバ113は、住宅101、電力会社、サービスプロバイダーのいずれかによって管理されていても良い。サーバ113が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置(たとえばテレビジョン受信機)から送受信しても良いが、家庭外の装置(たとえば、携帯電話機等)から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistants)等に、表示されても良い。
各部を制御する制御装置110は、CPU、RAM、ROM等で構成され、この例では、蓄電装置103に格納されている。制御装置110は、蓄電装置103、家庭内発電装置104、電力消費装置105、各種センサ111、サーバ113と情報網112により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能等を備えていても良い。
以上のように、電力が火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102c等の集中型電力系統102のみならず、家庭内発電装置104(太陽光発電、風力発電)の発電電力を蓄電装置103に蓄えることができる。したがって、家庭内発電装置104の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置103に蓄えるとともに、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置103に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置103によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。
なお、この例では、制御装置110が蓄電装置103内に格納される例を説明したが、スマートメータ107内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、電力貯蔵装置100は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。
「応用例としての車両における電力貯蔵装置」
本開示を車両用の電力貯蔵装置に適用した例について、図12を参照して説明する。図12に、本開示が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
このハイブリッド車両200には、エンジン201、発電機202、電力駆動力変換装置203、駆動輪204a、駆動輪204b、車輪205a、車輪205b、電池208、車両制御装置209、各種センサ210、充電口211が搭載されている。
ハイブリッド車両200は、電力駆動力変換装置203を動力源として走行する。電力駆動力変換装置203の一例は、モータである。電池208の電力によって電力駆動力変換装置203が作動し、この電力駆動力変換装置203の回転力が駆動輪204a、204bに伝達される。なお、必要な個所に直流−交流(DC−AC)あるいは逆変換(AC−DC変換)を用いることによって、電力駆動力変換装置203が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ210は、車両制御装置209を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度(スロットル開度)を制御したりする。各種センサ210には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
エンジン201の回転力は発電機202に伝えられ、その回転力によって発電機202により生成された電力を電池208に蓄積することが可能である。
図示しない制動機構によりハイブリッド車両が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置203に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置203により生成された回生電力が電池208に蓄積される。
電池208は、ハイブリッド車両の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口211を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。電池208として、例えば、蓄電装置10を適用できる。
図示しないが、2次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていても良い。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残容量に関する情報に基づき、電池残容量表示を行う情報処理装置などがある。
なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、或いはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、モータで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモータの出力がいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータ走行という3つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本開示は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本開示は有効に適用可能である。
1・・・一般的な蓄電装置
2・・・DC電源部
3・・・AC電源部
4・・・負荷
10・・・本開示における蓄電装置(一例)
21・・・入出力部
24・・・充放電部
26・・・電流生成部
27・・・EMU
28・・・BMU
29・・・蓄電部

Claims (6)

  1. 入出力部を介して接続される制御部、充放電管理部および電流生成部と、
    前記充放電管理部に対して接続され、かつ、前記電流生成部に対してスイッチを介して接続される蓄電部とを備え、
    シャットダウン状態では、前記制御部および前記充放電管理部がオフするとともに前記スイッチがオフされ、
    前記シャットダウン状態から起動する際に前記スイッチがオンされ、
    前記スイッチがオンされることに応じて、前記電流生成部は、前記蓄電部から供給される電力に基づいて所定の電流を生成し、該生成した電流を前記入出力部に出力し、
    前記電流生成部から供給される電流により前記入出力部における電圧が所定の動作電圧に達した場合に、前記制御部および前記充放電管理部がオンし、
    前記蓄電部の電圧が閾値より小さい場合には、前記電流生成部により生成される第1の電流に基づいて前記蓄電部が充電され、
    前記蓄電部の電圧が前記閾値より大きい場合には、前記第1の電流より大きい第2の電流に基づいて前記蓄電部が充電される
    蓄電装置。
  2. 前記入出力部に対して、前記第2の電流を生成する充放電部が接続される
    請求項に記載の蓄電装置。
  3. 前記電流生成部は、定電流DC(Direct Current)−DCコンバータにより構成される
    請求項1または2に記載の蓄電装置。
  4. 前記蓄電部は、複数のリチウムイオン電池により構成される
    請求項1からまでの何れかに記載の蓄電装置。
  5. 前記シャットダウン状態において外部から電力の供給がある場合に、前記外部からの電力に基づいて前記制御部および前記充放電管理部がオンし、該電力により前記蓄電部が充電される
    請求項1からまでの何れかに記載の蓄電装置。
  6. 入出力部を介して接続される制御部、充放電管理部および電流生成部と、前記充放電管理部に対して接続され、かつ、前記電流生成部に対してスイッチを介して接続される蓄電部とを備える蓄電装置の起動方法であり、
    シャットダウン状態では、前記制御部および前記充放電管理部がオフするとともに前記スイッチがオフされ、前記シャットダウン状態から起動する際に前記スイッチがオンされ、
    前記スイッチがオンされることに応じて、前記電流生成部が前記蓄電部から供給される電力に基づいて所定の電流を生成し、該生成した電流を前記入出力部に出力し、
    前記電流生成部から供給される電流により前記入出力部における電圧が動作電圧に達した場合に、前記制御部および前記充放電管理部がオンし、
    前記蓄電部の電圧が閾値より小さい場合には、前記電流生成部により生成される第1の電流に基づいて前記蓄電部が充電され、
    前記蓄電部の電圧が前記閾値より大きい場合には、前記第1の電流より大きい第2の電流に基づいて前記蓄電部が充電される
    蓄電装置の起動方法。
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