JP6946100B2 - 蓄電池システム及びその放電制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、蓄電池システム及びその放電制御方法に関する。
多数の蓄電池を用いて交流電力を得ることができる電源システムにおいては、ＤＣバスに供給された電力をインバータで交流に変換して出力し、負荷に給電する。また、逆に、交流側からＤＣバスに供給される電力を用いて、蓄電池を充電することができる。このような電源システムの直流部分を「蓄電池システム」とすると、蓄電池システムは、多数の蓄電池から、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、共通のＤＣバスに接続する回路構成を有する。かかる蓄電池システムでは、蓄電池が放電を行う場合に、各ＤＣ／ＤＣコンバータが独自に動作すると、定電圧であるべきＤＣバスの電圧に電気的振動が発生する。
そこで、このような蓄電池システムでは、例えば、特定のＤＣ／ＤＣコンバータのコントローラがマスター機となり、他のＤＣ／ＤＣコンバータのコントローラはスレーブ機となって、全体として統制された形で各ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させる、という構成とすることにより、ＤＣバスの定電圧制御を行う（例えば、特許文献１参照）。
一方、蓄電池システムに上位コントローラを別途設けて、上位コントローラが各ＤＣ／ＤＣコンバータに対して放電量の割り当てを指令する、という構成も可能である（例えば、特許文献２参照。）。
一方、蓄電池システムに上位コントローラを別途設けて、上位コントローラが各ＤＣ／ＤＣコンバータに対して放電量の割り当てを指令する、という構成も可能である（例えば、特許文献２参照。）。
上記のような蓄電池システムにおいて、例えば使用する蓄電池が、既に多くの充放電を繰り返しているものである場合、性能のばらつきが大きい。従って、それぞれの蓄電池の現時点での性能の情報を取得して適切な制御を行うことが必要である。しかしながら、蓄電池の個数が多くなると、全ての情報の取得に時間がかかり、迅速な制御が難しくなる。その結果、全ての蓄電池の有する電力を余すことなく使用することは困難になる。
かかる課題に鑑み、本発明は、蓄電池の性能が不揃いであっても、放電時に全ての蓄電池の電力を余すことなく出力できる蓄電池システムを提供することを目的とする。
本発明の一表現に係る蓄電池システムは、複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池の各々又は２以上に対応して設けられ、共通のＤＣバスに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、マスター機とその他のスレーブ機とによって構成され、前記蓄電池の放電時に前記ＤＣバスを定電圧に保つべく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御するコントローラと、を含む蓄電池システムであって、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、前記マスター機に伝える機能を有する蓄電池情報管理部を備え、前記マスター機は、自己の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を把握するとともに、全ての前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、直接又は前記スレーブ機を介して、現時点での前記許容放電電力に基づいた放電電力値を指令する、蓄電池システムである。
また、本発明の一表現に係る方法は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを介して、複数の蓄電池とＤＣバスとを繋ぐ蓄電池システムの放電制御方法であって、マスター機とその他のスレーブ機とによって構成されるコントローラによって、前記ＤＣバスを定電圧に保つべく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御し、前記コントローラとは別に設けられる蓄電池情報管理部が、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、前記マスター機に伝える一方で、前記マスター機は、自己の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を把握するとともに、全ての前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、直接又は前記スレーブ機を介して、現時点での前記許容放電電力に基づいた放電電力値を指令する、蓄電池システムの放電制御方法である。
本発明によれば、蓄電池の性能が不揃いであっても、放電時に全ての蓄電池の電力を余すことなく出力できる。
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
（１）これは、複数の蓄電池と、前記複数の蓄電池の各々又は２以上に対応して設けられ、共通のＤＣバスに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、マスター機とその他のスレーブ機とによって構成され、前記蓄電池の放電時に前記ＤＣバスを定電圧に保つべく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御するコントローラと、を含む蓄電池システムであって、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、前記マスター機に伝える機能を有する蓄電池情報管理部を備え、前記マスター機は、自己の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を把握するとともに、全ての前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、直接又は前記スレーブ機を介して、現時点での前記許容放電電力に基づいた放電電力値を指令する、蓄電池システムである。
上記のように構成された蓄電池システムでは、蓄電池からＤＣバスに電力を出力する場合に、各ＤＣ／ＤＣコンバータは、接続されている蓄電池の能力に応じた出力負担をすることになる。これにより、放電時に、全ての蓄電池の電力を余すことなく出力することができる。
（２）また、（１）の蓄電池システムにおいて、例えば前記情報には、前記蓄電池の劣化の状態に関する情報が含まれる。
この場合、複数の蓄電池間で、劣化の状態が不揃いな場合でも、各々の劣化の状態を勘案して、例えば、劣化が進んだ蓄電池ほど放電電流を抑えて使用することができる。劣化が進むほど、蓄電池の内部抵抗が増大するので、放電電流を抑えることにより、蓄電池内部での電力損失を抑制し、より効率的に蓄電池を使用することができる。
この場合、複数の蓄電池間で、劣化の状態が不揃いな場合でも、各々の劣化の状態を勘案して、例えば、劣化が進んだ蓄電池ほど放電電流を抑えて使用することができる。劣化が進むほど、蓄電池の内部抵抗が増大するので、放電電流を抑えることにより、蓄電池内部での電力損失を抑制し、より効率的に蓄電池を使用することができる。
（３）また、（２）の蓄電池システムにおいて、前記複数の蓄電池は、ＳＯＨが不揃いであってもよい。
このような蓄電池システムでは、劣化の状態の指標となるＳＯＨ（State of Health）が不揃いな多数の、既に充放電を繰り返し済みの蓄電池を、直流電源として再利用することができる。
このような蓄電池システムでは、劣化の状態の指標となるＳＯＨ（State of Health）が不揃いな多数の、既に充放電を繰り返し済みの蓄電池を、直流電源として再利用することができる。
（４）また、（１）〜（３）のいずれかの蓄電池システムにおいて、前記コントローラは、少なくとも２種類の通信方式で通信可能であり、前記放電電力値の指令は第１の通信方式で行い、前記情報の通信には第２の通信方式で行うことで、互いに独立した通信を行うようにしてもよい。
この場合、蓄電池の数が多い場合でも、放電電力値の指令を送る速度の低下を抑制することができる。
この場合、蓄電池の数が多い場合でも、放電電力値の指令を送る速度の低下を抑制することができる。
（５）一方、方法の観点からは、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを介して、複数の蓄電池とＤＣバスとを繋ぐ蓄電池システムの放電制御方法であって、マスター機とその他のスレーブ機とによって構成されるコントローラによって、前記ＤＣバスを定電圧に保つべく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御し、前記コントローラとは別に設けられる蓄電池情報管理部が、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、前記マスター機に伝える一方で、前記マスター機は、自己の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を把握するとともに、全ての前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、直接又は前記スレーブ機を介して、現時点での前記許容放電電力に基づいた放電電力値を指令する、蓄電池システムの放電制御方法である。
上記のような蓄電池システムの放電制御方法によれば、蓄電池からＤＣバスに電力を出力する場合に、各ＤＣ／ＤＣコンバータは、接続されている蓄電池の能力に応じた出力負担をすることになる。これにより、放電時に、全ての蓄電池の電力を余すことなく出力することができる。
［実施形態の詳細］
以下、本発明の一実施形態に係る蓄電池システム及びその放電制御方法について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態に係る蓄電池システム及びその放電制御方法について、図面を参照して説明する。
《蓄電池システムの構成》
図１は、蓄電池システム１００の一例を示す単線接続図である。図の上半分に注目すると、複数（この例では３個）の蓄電池Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３は、互いに並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１に接続されている。なお３個としたのは図示の便宜上の一例に過ぎず、４個以上でもよいし、逆に１個又は２個であってもよい（以下同様。）。また、蓄電池Ｂ１４，Ｂ１５，Ｂ１６は、互いに並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１２に接続されている。蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６には既に充放電を繰り返し済みのもの（例えば中古品）も含まれており、それらの性能は不揃いである場合がある（但し、揃っていてもよい。）。
図１は、蓄電池システム１００の一例を示す単線接続図である。図の上半分に注目すると、複数（この例では３個）の蓄電池Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３は、互いに並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１に接続されている。なお３個としたのは図示の便宜上の一例に過ぎず、４個以上でもよいし、逆に１個又は２個であってもよい（以下同様。）。また、蓄電池Ｂ１４，Ｂ１５，Ｂ１６は、互いに並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１２に接続されている。蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６には既に充放電を繰り返し済みのもの（例えば中古品）も含まれており、それらの性能は不揃いである場合がある（但し、揃っていてもよい。）。
ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２の出力端（蓄電池放電時の出力端）は互いに並列に接続され、平滑用のコンデンサＣ１を介して、ＤＣバス１に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２は、コントローラＣＴＲ１によって制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２、コンデンサＣ１、及び、コントローラＣＴＲ１は、電力変換部ＣＶ１を構成している。また、電力変換部ＣＶ１内には、ＤＣバス１の電圧を検出して、その検出出力をコントローラＣＴＲ１に与える電圧センサ８が設けられている。なお、電圧センサ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２の内部にあってもよい。
蓄電池Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４，Ｂ１５，Ｂ１６にはそれぞれ、蓄電池の端子電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）、残量（ＳＯＣ：State of Charge）、劣化の状態（ＳＯＨ：State of Health）、入出力電流、温度等の情報を取得するＢＭＳ（Battery Management System）１１，１２，１３，１４，１５，１６が、設けられている。ＢＭＳ１１〜１６が取得した情報は、例えば、図示しない通信線を介してコントローラＣＴＲ１に送られる。なお、劣化の状態（ＳＯＨ）については、ＢＭＳ１１〜１６から情報をもらうのではなくマスター機ＣＴＲ１にて演算して求めるようにしてもよい。
次に、図の下半分に注目すると、複数の蓄電池Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３は、互いに並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１に接続されている。また、蓄電池Ｂ２４，Ｂ２５，Ｂ２６は、互いに並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２２に接続されている。蓄電池Ｂ２１〜Ｂ２６には既に充放電を繰り返し済みのものも含まれており、それらの性能は不揃いである場合がある（但し、揃っていてもよい。）。
ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１，ＣＶ２２の出力端（蓄電池放電時の出力端）は互いに並列に接続され、平滑用のコンデンサＣ２を介して、ＤＣバス１に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１，ＣＶ２２は、コントローラＣＴＲ２によって制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１，ＣＶ２２、コンデンサＣ２、及び、コントローラＣＴＲ２は、電力変換部ＣＶ２を構成している。
蓄電池Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３，Ｂ２４，Ｂ２５，Ｂ２６にはそれぞれ、ＢＭＳ２１，２２，２３，２４，２５，２６が、設けられている。ＢＭＳ２１〜２６が取得した情報は、例えば、図示しない通信線を介してコントローラＣＴＲ２に送られる。コントローラＣＴＲ２は、受け取った情報を、ハブ６経由で、蓄電池情報管理部７に送る。なお、劣化の状態（ＳＯＨ）については、ＢＭＳ２１〜２６から情報をもらうのではなくスレーブ機ＣＴＲ２又は蓄電池情報管理部７にて演算して求めるようにしてもよい。
なお、図１は、図示の便宜上、下端を破断して示している。実際には、図１の下半分の蓄電池Ｂ２１〜２６、ＢＭＳ２１〜２６、電力変換部ＣＶ２と同様な構成が、共通のＤＣバス１の傘下に、さらに続いて設けられる。複数のコントローラＣＴＲ１，ＣＴＲ２のうち、いずれか１台はマスター機としての機能を有し、他のコントローラは、スレーブ機となる。この例では、コントローラＣＴＲ１がマスター機、コントローラＣＴＲ２その他がスレーブ機であるとする。
複数のコントローラ（ＣＴＲ１，ＣＴＲ２，・・・）は、数珠繋ぎの要領で、通信線３１を介して、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信の通信方式により接続されている。また、各コントローラ（ＣＴＲ１，ＣＴＲ２，・・・）とハブ６との間、及び、ハブ６と蓄電池情報管理部７との間は、通信線３２を介して、例えばイーサネット（Ethernetは登録商標）の通信方式により、接続されている。
なお、コントローラＣＴＲ１，ＣＴＲ２，蓄電池情報管理部７は、例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な機能を実現する。ソフトウェアは、コントローラＣＴＲ１，ＣＴＲ２，蓄電池情報管理部７の、それぞれの記憶装置（図示せず。）に格納される。
蓄電池システム１００の外部（周辺）要素としては、ＤＣバス１と交流電路３との間に双方向性のインバータ２が設けられている。交流電路３には負荷５が接続されている。交流電路３は商用電力系統４と接続されている。
《蓄電池システム及びこれに接続される回路の動作》
上記のように構成された蓄電池システム１００において、蓄電池放電により負荷５に電力を供給する自立運転の場合、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１３の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。蓄電池Ｂ１４〜Ｂ１６の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１２により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。蓄電池Ｂ２１〜Ｂ２３の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。また、蓄電池Ｂ２４〜Ｂ２６の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２２により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。
上記のように構成された蓄電池システム１００において、蓄電池放電により負荷５に電力を供給する自立運転の場合、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１３の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。蓄電池Ｂ１４〜Ｂ１６の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１２により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。蓄電池Ｂ２１〜Ｂ２３の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。また、蓄電池Ｂ２４〜Ｂ２６の並列体の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２２により所定の電圧に変換され、ＤＣバス１に提供される。
ＤＣバス１の直流電圧は、インバータ２により所定の交流電圧に変換され、負荷５に与えられる。負荷５に電流が流れることによってＤＣバス１に送り込まれる直流電力はインバータ２を経て交流電力となり、負荷５に消費される。このとき、インバータ２は出力電圧を一定に保つ定電圧制御を行っており、ＤＣバス１の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２によって定電圧に保たれている。
上記蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６についての情報は、マスター機としてのコントローラ（以下単にマスター機とも言う。）ＣＴＲ１に届いている。すなわち、マスター機ＣＴＲ１の管理下にある蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６に関する情報は、マスター機ＣＴＲ１が取得している。
また、スレーブ機としてのコントローラ（以下単にスレーブ機とも言う。）ＣＴＲ２の管理下にある蓄電池Ｂ２１〜Ｂ２６及び、図示しないその他の全てのスレーブ機の管理下にある蓄電池についての情報は、対応するスレーブ機を介して、蓄電池情報管理部７に届けられる。従って、蓄電池情報管理部７は、スレーブ機の管理下にある全ての蓄電池に関する情報を有している。この情報は、例えば１秒ごとに更新される。この１秒という時間は、ＤＣバス１の定電圧制御のための制御周期（例えばｍ秒の単位）に比べると遅いが、蓄電池の情報は高速に変化しないので、１秒でも十分に速い。
蓄電池情報管理部７は、取得した情報に基づいて、スレーブ機の管理下にある各蓄電池と接続されたＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を求める。この許容放電電力には、蓄電池の残量や、劣化の程度等が反映される。蓄電池情報管理部７は、この許容放電電力を、定期的に、マスター機ＣＴＲ１に通知する。
図２は、マスター機ＣＴＲ１が実行する処理を示すフローチャートである。図において、マスター機ＣＴＲ１は、まず、電圧センサ８からＤＣバス１の電圧を取得する（ステップＳ１）。次に、マスター機ＣＴＲ１は、ＤＣバス１の電圧に基づいて、必要な、全蓄電池合計の放電電力を演算する（ステップＳ２）。負荷５の消費電力が増大すると、ＤＣバス１の電圧が下がり始めるので、これを補うように放電電力を増大させる必要がある。逆に、負荷５の消費電力が減少すると、ＤＣバス１の電圧が上がり始めるので、これを抑制するように放電電力を減少させる必要がある。すなわち、ＤＣバス１の電圧に基づいて、現在、蓄電池全体としてどれだけの放電電力は必要かを演算するのである。
次に、マスター機ＣＴＲ１は、蓄電池情報管理部７から、スレーブ機の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力の情報を取得する（ステップＳ３）。また、これと並行して、マスター機ＣＴＲ１自身の管理下にある各蓄電池の情報に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２の許容放電電力の情報を取得する。これにより、マスター機ＣＴＲ１は、蓄電池全体として必要な放電電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力すなわち、実際に放電できる電力とを把握する。
そして、マスター機ＣＴＲ１は、蓄電池全体として必要な放電電力と、各ＤＣ／ＤＣコンバータの許容放電電力とに基づいて、放電電力の振り分けを決定する（ステップＳ４）。ここでマスター機ＣＴＲ１は、互いに並列に接続されている１つのグループ（例えば蓄電池Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３）を振り分け上の最小単位として、放電電力を振り分ける。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータごとに放電電力を振り分けることになる。
上記の、ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力とは、例えば、そのＤＣ／ＤＣコンバータに接続されている蓄電池の並列体の許容放電電力でもある。この蓄電池並列体の最大放電電力は、その端子電圧に、接続されているＤＣ／ＤＣコンバータの最大電流を乗じた値が基本値となる。この基本値にさらに、劣化係数を乗じて、蓄電池並列体の許容放電電力とすることができる。劣化係数は、蓄電池のＳＯＨに応じて０〜１の範囲で比例的、段階的、または曲線的に、定めることができる。このように劣化に応じた係数を乗じることで、劣化が進んだ蓄電池ほど放電電流を抑えて使用することができる。劣化が進むほど、蓄電池の内部抵抗が増大するので、放電電流を抑えることにより、蓄電池内部での電力損失を抑制し、より効率的に蓄電池を使用することができる。
なお、図１の例では、蓄電池の並列体すなわち、互いに並列に接続されている１つの蓄電池のグループ（例えば蓄電池Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３）を振り分け上の最小単位とするので、１グループ内での蓄電池の放電電力を個別に制御することはできない。蓄電池とＤＣ／ＤＣコンバータとを一対一の関係で設けた場合は、個々の蓄電池について放電電力を振り分けることができる。
振り分けを決定すると、マスター機ＣＴＲ１は、全てのスレーブ機ＣＴＲ２その他に対して、放電電力値の指令を送信する（ステップＳ５）。指令を受けた例えばスレーブ機ＣＴＲ２は、自己の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１，ＣＶ２２に対して、指令された放電電力値となるようデューティ制御を行う。図示しないその他のスレーブ機についても同様である。また、これらと並行して、マスター機ＣＴＲ１は、自己の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２に対しても、指令された放電電力値となるようデューティ制御を行う。
図３は、蓄電池システム１００における、信号の授受のみの関係を示すブロック図であり、図２のフローチャートと実質的に同様の処理をブロック図として示している。図において、コントローラＣＴＲ１，ＣＴＲ２，ＣＴＲ３，・・・，ＣＴＲｎ（ｎは４以上の自然数）は、マスター機ＣＴＲ１とその他のスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎ（全部でｎ台）とによって構成されている。
蓄電池の放電時にコントローラＣＴＲ１〜ＣＴＲｎは、ＤＣバスを定電圧に保つ定電圧制御を行う。そのために、マスター機ＣＴＲ１は、各スレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎに対して放電電力値を指令し、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御する。全てのスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎの管理下にある蓄電池の情報は蓄電池情報管理部７に収集される。そして、蓄電池情報管理部７は、ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力をマスター機ＣＴＲ１に通知する。
マスター機ＣＴＲ１は、蓄電池情報管理部７から与えられる、スレーブ機の管理下にある各ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力の情報と、自己の管理下にある各ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力の情報とを取得する。
そして、マスター機ＣＴＲ１は、ＤＣバス電圧に基づいて求められる蓄電池全体として必要な放電電力と、各ＤＣ／ＤＣコンバータが実際に放電できる電力とに基づいて、各ＤＣ／ＤＣコンバータへの放電電力の振り分けを決定する。
振り分けを決定すると、マスター機ＣＴＲ１は、全てのスレーブ機ＣＴＲ２その他に対して、放電電力値の指令を送信する。指令を受けたスレーブ機ＣＴＲ２は、自己の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ２１，ＣＶ２２に対して、指令された放電電力値となるようデューティ制御を行う。図示しないその他のスレーブ機についても同様である。また、これらと並行して、マスター機ＣＴＲ１は、自己の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２に対しても、指令された放電電力値となるようデューティ制御を行う。
《振り分けの仕方について》
次に、振り分けの仕方について詳細に説明する。
図４は、放電電力の振り分けの仕方に関する例を示す図である。まず、（ａ）及び（ｂ）のそれぞれにおいて、例えば１０個の蓄電池Ｂ０１〜Ｂ１０があるとする。蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０３は満充電、蓄電池Ｂ０４〜Ｂ０７は残量が満充電の２／３程度、蓄電池Ｂ０８〜Ｂ０９は残量が満充電の１／３程度、蓄電池Ｂ１０は残量が０（放電限界）である。
次に、振り分けの仕方について詳細に説明する。
図４は、放電電力の振り分けの仕方に関する例を示す図である。まず、（ａ）及び（ｂ）のそれぞれにおいて、例えば１０個の蓄電池Ｂ０１〜Ｂ１０があるとする。蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０３は満充電、蓄電池Ｂ０４〜Ｂ０７は残量が満充電の２／３程度、蓄電池Ｂ０８〜Ｂ０９は残量が満充電の１／３程度、蓄電池Ｂ１０は残量が０（放電限界）である。
まず、（ａ）に示すのは集中型の振り分けであり、残量の多い方（端子電圧の高い方）又は逆に、残量の少ない方（端子電圧の低い方）から使う、という考え方である。例えば、残量の多い方から優先的に使うとすると、図示の状態では、必要な放電電力を、蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０３の３台のみで賄う。その結果、蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０３の残量が満充電の２／３より少なくなると、今度は、その時点で残量が多い蓄電池Ｂ０４〜Ｂ０７により、必要な放電電力を賄う。以下同様に、その時点で残量が多い蓄電池から必要な放電電力を賄う。このようにして、全ての蓄電池の残量が０近傍になるまで放電させる、という振り分けの仕方である。この場合、個々の蓄電池を見ると、放電／放電停止を頻繁に繰り返すことになる。
また、残量の少ない方から優先的に使うとすると、図示の状態では、必要な放電電力を、蓄電池Ｂ０８，Ｂ０９の２台のみで賄う。その結果、蓄電池Ｂ０８，Ｂ０９の残量が０近傍になると、今度は、残量が満充電の２／３である蓄電池Ｂ０４〜Ｂ０７の４台で、必要な放電電力を賄う。その結果、蓄電池Ｂ０４〜Ｂ０７の残量が０近傍になると、今度は、残量が満充電の状態である蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０３の３台で、必要な放電電力を賄う。このようにして、全ての蓄電池の残量が０近傍になるまで放電させる、という振り分けの仕方である。
次に、（ｂ）に示すのは分散型の振り分けであり、使える蓄電池を全て使って放電させる、という考え方である。（ｂ）において、蓄電池Ｂ１０以外は使える蓄電池であるので、これらの９台から、等電力で、又は残量（端子電圧）に比例した電力で、放電させる。等電力で放電させると、最初に蓄電池Ｂ０８，Ｂ０９が残量０近傍になり、続いて、蓄電池Ｂ０４〜Ｂ０７が残量０近傍になり、最終的に、蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０３が残量０近傍になると推定される。残量（端子電圧）に比例した電力で放電させると、蓄電池Ｂ０１〜Ｂ０９が互いに異なるペースで放電し、概ね同時期に全て残量０になると期待される。
以上の振り分けの仕方を整理すると、以下のようになる。
（＃１）分散型で、等電力での放電（以下の説明では「等電力」と表記する。）
（＃２）分散型で、比例的な放電（以下の説明では「等比」と表記する。）
（＃３）集中型で、残量の多い方から降順の放電（以下の説明では「降順」と表記する。）
（＃４）集中型で、残量の少ない方から昇順の放電（以下の説明では「昇順」と表記する。）
（＃１）分散型で、等電力での放電（以下の説明では「等電力」と表記する。）
（＃２）分散型で、比例的な放電（以下の説明では「等比」と表記する。）
（＃３）集中型で、残量の多い方から降順の放電（以下の説明では「降順」と表記する。）
（＃４）集中型で、残量の少ない方から昇順の放電（以下の説明では「昇順」と表記する。）
次に、振り分けの仕方の違いが、蓄電池の有効利用率にどのように影響するか、を検証した。
図５は、供試モデルとしての蓄電池システムからインバータを介して自立負荷に給電する回路の例である。計算の簡素化のため、ＤＣ／ＤＣコンバータと蓄電池とは一対一の関係とし、それぞれ１０台とした。１台のＤＣ／ＤＣコンバータの最大放電電流は１２．５Ａとした。図６は、図５におけるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力と変換効率との関係を示すグラフである。
図５は、供試モデルとしての蓄電池システムからインバータを介して自立負荷に給電する回路の例である。計算の簡素化のため、ＤＣ／ＤＣコンバータと蓄電池とは一対一の関係とし、それぞれ１０台とした。１台のＤＣ／ＤＣコンバータの最大放電電流は１２．５Ａとした。図６は、図５におけるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力と変換効率との関係を示すグラフである。
各蓄電池の容量は、５ｋＷｈとした。
図７は、蓄電池のＳＯＣ［％］と電圧（端子電圧）［Ｖ］との関係を示すグラフである。図示のように、両者は実質的に比例関係にある。従って、無負荷での端子電圧がわかれば、蓄電池の残量が推定できる。
図７は、蓄電池のＳＯＣ［％］と電圧（端子電圧）［Ｖ］との関係を示すグラフである。図示のように、両者は実質的に比例関係にある。従って、無負荷での端子電圧がわかれば、蓄電池の残量が推定できる。
蓄電池の劣化の程度は、以下の関係で求められるＳＯＨ（State of Health）によって表すことができる。
ＳＯＨ［％］＝（ＷＦ／ＷＦ０）×１００
ここで、ＷＦは、現在の満充電時の電池容量［Ａｈ］、ＷＦ０は、初期満充電時の電池容量［Ａｈ］である。
１０個の蓄電池の電圧初期値［Ｖ］、ＳＯＣ初期値［％］、ＳＯＨ初期値［％］は、以下の表１の通りである。
ＳＯＨ［％］＝（ＷＦ／ＷＦ０）×１００
ここで、ＷＦは、現在の満充電時の電池容量［Ａｈ］、ＷＦ０は、初期満充電時の電池容量［Ａｈ］である。
１０個の蓄電池の電圧初期値［Ｖ］、ＳＯＣ初期値［％］、ＳＯＨ初期値［％］は、以下の表１の通りである。
（表１）
表１に示すように、劣化の程度を示すＳＯＨ初期値が不揃いであるようにしている。既に充放電を繰り返し済みの蓄電池を用いた場合、このような不揃いが起こり得る。
表１の初期値を持つ蓄電池１０個を用いて、放電電力の振り分けの仕方が、「等電力」、「等比」、「降順」、「昇順」のそれぞれの場合について、自立負荷出力が１０ｋＷ，１２ｋＷ，１５ｋＷ，２０ｋＷであるときの、自立運転を継続できる時間［分］について調べた結果を表２及び図８に示す。
表１の初期値を持つ蓄電池１０個を用いて、放電電力の振り分けの仕方が、「等電力」、「等比」、「降順」、「昇順」のそれぞれの場合について、自立負荷出力が１０ｋＷ，１２ｋＷ，１５ｋＷ，２０ｋＷであるときの、自立運転を継続できる時間［分］について調べた結果を表２及び図８に示す。
（表２）
表２及び図８において、運転継続時間［分］は、「等比」及び「降順」が、他より優れていることがわかる。なお、「等電力」では出力できなかった。
次に、全ての蓄電池が新品と言える状態（ＳＯＨ１００％）であって、１０個の蓄電池の電圧初期値が２５２〜２７０Ｖの範囲、ＳＯＣ初期値が８２〜１００％の範囲で、それぞれ等差級数的にばらつかせた場合の、運転継続時間を調べた。その結果を、表３及び図９に示す。
（表３）
表３及び図９において、運転継続時間［分］は、「等比」及び「降順」が、最も優れ、次いで「昇順」、最も良くないのが「等電力」であることがわかる。
次に、全ての蓄電池が新品と言える状態（ＳＯＨ１００％）であって、１０個の蓄電池の電圧初期値が１８１〜１９０Ｖの範囲、ＳＯＣ初期値が１１〜２０％の低い残量範囲で、それぞれ等差級数的にばらつかせた場合の、運転継続時間を調べた。その結果を、表４及び図１０に示す。
（表４）
表４及び図１０において、運転継続時間［分］は、「等比」、「降順」、「昇順」が同じ数値を示し、相対的に優れている。ここでも、良くないのは「等電力」である。
以上の結果から、いずれの場合でも最も良い結果を示すのは「等比」であることがわかる。従って、放電可能な全ての蓄電池を、現在の残量あるいは端子電圧に比例して、蓄電池の残量が多いほど放電電力を大きく、残量が少ないほど放電電力を小さくしつつ、放電させることにより、運転継続時間を長く維持し、全ての蓄電池の電力を余すことなく出力することができる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御の観点から言えば、全てのＤＣ／ＤＣコンバータに対して、現時点での許容放電電力に比例した放電電力値を指令すれば、全ての蓄電池の電力を余すことなく出力することができる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御の観点から言えば、全てのＤＣ／ＤＣコンバータに対して、現時点での許容放電電力に比例した放電電力値を指令すれば、全ての蓄電池の電力を余すことなく出力することができる。
最後に、「等比」すなわち、許容放電電力に比例した放電電力値をＤＣ／ＤＣコンバータに指令する場合の、ＤＣバス電圧の制御の安定性について補足説明する。
図１１は、ＳＯＨがばらついている蓄電池を用いて自立負荷１０ｋＷに給電した場合に、時間の経過とともに、各蓄電池の放電電力が変化する様子を示したグラフである。このグラフは、蓄電池１０個分の変化を重ねて示している。この図より、「等比」の場合、放電する全ての蓄電池が、一定の比率で放電し続けているため変動はなだらかであることがわかる。
図１１は、ＳＯＨがばらついている蓄電池を用いて自立負荷１０ｋＷに給電した場合に、時間の経過とともに、各蓄電池の放電電力が変化する様子を示したグラフである。このグラフは、蓄電池１０個分の変化を重ねて示している。この図より、「等比」の場合、放電する全ての蓄電池が、一定の比率で放電し続けているため変動はなだらかであることがわかる。
一方、図１２は、比較のため、同じ条件で「降順」の場合に、時間の経過とともに各蓄電池の放電電力がどのように変化するかを示したグラフである。「降順」の場合は、全てではなく特定の蓄電池のみが放電する。このように放電すると、途中で残量の順位が逆転する現象が発生する。そのため、蓄電池の放電／放電停止を短い周期で繰り返す現象が生じる（図１２における放電電力の振動）。このようなオン／オフの繰り返しによりＤＣバスの電圧制御の安定性が崩れる可能性が高くなる。「等比」の場合は、このような問題が無い。
《まとめ》
以上のように、本実施形態の蓄電池システム１００は、全てのスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎの管理下にある蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全てのスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎの管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、マスター機ＣＴＲ１に伝える機能を有する蓄電池情報管理部７を備えている。また、マスター機ＣＴＲ１は、自己の管理下にある蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１３について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２ごとの許容放電電力を把握するとともに、全てのＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２，・・・に対して、直接又はスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎを介して、現時点での許容放電電力に基づいた（例えば比例した）放電電力値を指令する。
以上のように、本実施形態の蓄電池システム１００は、全てのスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎの管理下にある蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全てのスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎの管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、マスター機ＣＴＲ１に伝える機能を有する蓄電池情報管理部７を備えている。また、マスター機ＣＴＲ１は、自己の管理下にある蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１３について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にあるＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２ごとの許容放電電力を把握するとともに、全てのＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２，・・・に対して、直接又はスレーブ機ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎを介して、現時点での許容放電電力に基づいた（例えば比例した）放電電力値を指令する。
このように構成された蓄電池システム１００では、蓄電池からＤＣバス１に電力を出力する場合に、各ＤＣ／ＤＣコンバータは、接続されている蓄電池の能力に応じた出力負担をすることになる。これにより、放電時に、全ての蓄電池の電力を余すことなく出力することができる。
また、放電能力に関する情報には、蓄電池の劣化の状態に関する情報を含めることができるので、複数の蓄電池間で、劣化の状態が不揃いな場合でも、各々の劣化の状態を勘案して、例えば、劣化が進んだ蓄電池ほど放電電流を抑えて使用することができる。劣化が進むほど、蓄電池の内部抵抗が増大するので、放電電流を抑えることにより、蓄電池内部での電力損失を抑制し、より効率的に蓄電池を使用することができる。
劣化の状態が不揃いとは、例えばＳＯＨが不揃いであることを意味する。すなわち、このような蓄電池システム１００では、劣化の状態の指標となるＳＯＨが不揃いな多数の、既に充放電を繰り返し済みの（例えば中古品の）蓄電池を、直流電源として再利用することができる。
なお、前述のように、コントローラＣＴＲ１〜ＣＴＲｎは、少なくとも２種類の通信方式で通信可能であり、例えば、放電電力値の指令は第１の通信方式（ＣＡＮ）で行い、情報の通信には第２の通信方式（イーサネット）で行うことで、互いに独立した通信を行うことができる。これにより、蓄電池の数が多い場合でも、放電電力値の指令を送る速度の低下を抑制することができる。
《その他》
なお、上記の実施形態では、蓄電池の放電に関して述べたが、図１において、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６を充電する際は、商用電力系統４の交流電圧が、双方向性のあるインバータ２により直流電圧に変換され、ＤＣバス１に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２は、降圧チョッパとなり、ＤＣバス１の電圧を、充電に適した電圧に降圧し、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６を充電することができる。
なお、上記の実施形態では、蓄電池の放電に関して述べたが、図１において、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６を充電する際は、商用電力系統４の交流電圧が、双方向性のあるインバータ２により直流電圧に変換され、ＤＣバス１に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２は、降圧チョッパとなり、ＤＣバス１の電圧を、充電に適した電圧に降圧し、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６を充電することができる。
また、図１の蓄電池システム１００は、商用電力系統４と接続される例を示したが、異なる例も可能である。
図１３は、蓄電池システム１００に太陽光発電を組み合わせた例を示す単線接続図である。図において、太陽光発電パネル１０は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して、ＤＣバス１に接続されている。このような構成では、太陽光発電により、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６を充電することができる。蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６に蓄えた電力は、インバータ２を介して、負荷５に供給することができる。なお、直流負荷を接続する場合は、ＤＣバス１に直接又はＤＣ／ＤＣコンバータを介して、接続することができる。
図１３は、蓄電池システム１００に太陽光発電を組み合わせた例を示す単線接続図である。図において、太陽光発電パネル１０は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して、ＤＣバス１に接続されている。このような構成では、太陽光発電により、蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６を充電することができる。蓄電池Ｂ１１〜Ｂ１６，Ｂ２１〜Ｂ２６に蓄えた電力は、インバータ２を介して、負荷５に供給することができる。なお、直流負荷を接続する場合は、ＤＣバス１に直接又はＤＣ／ＤＣコンバータを介して、接続することができる。
《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ ＤＣバス
２ インバータ
３ 交流電路
４ 商用電力系統
５ 負荷
６ ハブ
７ 蓄電池情報管理部
８ 電圧センサ
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 太陽光発電パネル
１１〜１６，２１〜２６ ＢＭＳ
３１，３２ 通信線
１００ 蓄電池システム
Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４，Ｂ１５，Ｂ１６ 蓄電池
Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３，Ｂ２４，Ｂ２５，Ｂ２６ 蓄電池
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
ＣＴＲ１ コントローラ／マスター機
ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎ コントローラ／スレーブ機
ＣＶ１，ＣＶ２ 電力変換部
ＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ インバータ
３ 交流電路
４ 商用電力系統
５ 負荷
６ ハブ
７ 蓄電池情報管理部
８ 電圧センサ
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 太陽光発電パネル
１１〜１６，２１〜２６ ＢＭＳ
３１，３２ 通信線
１００ 蓄電池システム
Ｂ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４，Ｂ１５，Ｂ１６ 蓄電池
Ｂ２１，Ｂ２２，Ｂ２３，Ｂ２４，Ｂ２５，Ｂ２６ 蓄電池
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
ＣＴＲ１ コントローラ／マスター機
ＣＴＲ２〜ＣＴＲｎ コントローラ／スレーブ機
ＣＶ１，ＣＶ２ 電力変換部
ＣＶ１１，ＣＶ１２，ＣＶ２１，ＣＶ２２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
Claims (5)
- 複数の蓄電池と、
前記複数の蓄電池の各々又は２以上に対応して設けられ、共通のＤＣバスに接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
マスター機とその他のスレーブ機とによって構成され、前記蓄電池の放電時に前記ＤＣバスを定電圧に保つべく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御するコントローラと、を含む蓄電池システムであって、
全ての前記スレーブ機の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、前記マスター機に伝える機能を有する蓄電池情報管理部を備え、
前記マスター機は、自己の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を把握するとともに、全ての前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、直接又は前記スレーブ機を介して、現時点での前記許容放電電力に基づいた放電電力値を指令する、蓄電池システム。 - 前記情報には、前記蓄電池の劣化の状態に関する情報が含まれる請求項１に記載の蓄電池システム。
- 前記複数の蓄電池は、ＳＯＨが不揃いである請求項２に記載の蓄電池システム。
- 前記コントローラは、少なくとも２種類の通信方式で通信可能であり、前記放電電力値の指令は第１の通信方式で行い、前記情報の通信には第２の通信方式で行うことで、互いに独立した通信を行う請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の蓄電池システム。
- 複数のＤＣ／ＤＣコンバータを介して、複数の蓄電池とＤＣバスとを繋ぐ蓄電池システムの放電制御方法であって、
マスター機とその他のスレーブ機とによって構成されるコントローラによって、前記ＤＣバスを定電圧に保つべく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御し、
前記コントローラとは別に設けられる蓄電池情報管理部が、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、全ての前記スレーブ機の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を、前記マスター機に伝える一方で、
前記マスター機は、自己の管理下にある前記蓄電池について放電能力に関する情報を収集し、自己の管理下にある前記ＤＣ／ＤＣコンバータごとの許容放電電力を把握するとともに、全ての前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、直接又は前記スレーブ機を介して、現時点での前記許容放電電力に基づいた放電電力値を指令する、
蓄電池システムの放電制御方法。
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