JP6962379B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光発電システムで発電された電力を蓄電池に蓄電し、あるいは蓄電池に蓄電された電力を必要に応じて負荷機器に供給する蓄電装置に関するものである。
一般家庭に設置される太陽光発電システムでは、太陽光パネルで発電される直流電力がパワーコンディショナ内のインバータで所定の交流電圧に変換されて家庭内の負荷機器に供給され、あるいは電力系統に供給される。
近年、太陽光パネルで発電された直流電力を蓄電池に蓄電し、その蓄電池に蓄電された電力を必要時にパワーコンディショナを介して家庭内の負荷機器に供給可能とする蓄電装置が提案されている。
この蓄電装置は、太陽光パネルで発電された直流電力が、パワーコンディショナ内のＰＶコンバータを介して高圧直流バスラインに供給され、双方向コンバータで降圧されて蓄電池に充電される。また、蓄電池に蓄電された直流電力は双方向コンバータで昇圧されるとともに平滑用キャパシタで平滑されて高圧直流バスラインに供給され、パワーコンディショナ内のインバータで交流電圧に変換されて家庭内の負荷機器に供給される。
蓄電池に昇降圧チョッパを介して充電し、あるいは蓄電池から昇降圧チョッパを介して放電可能とした充放電回路として、特許文献１が知られている。
特開平７−１１５７３０号公報
上記のような蓄電装置では、蓄電池が満充電状態まで充電された後は、蓄電池への充電電流を確実に遮断して、過充電による蓄電池の劣化を防止する必要がある。
チョッパ回路は、電力変換効率を向上させるために、スイッチング素子としてＦＥＴを使用することが一般的となっている。このようなチョッパ回路で、蓄電池の満充電後に、蓄電池への充電電流を遮断するには、チョッパ回路を構成するＦＥＴを交互に均等な時間でオン・オフさせて、充放電電流を互いに相殺させる必要がある。
しかし、ＦＥＴをＰＷＭ制御した状態で、蓄電池への充電電流を完全に遮断することができず、過充電による蓄電池の劣化が発生するという問題点がある。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は蓄電池が満充電となった後は、蓄電池への充電電流を遮断し得る蓄電装置を提供することにある。
また、上記課題を解決する蓄電装置は、充放電可能とした蓄電池と、前記蓄電池から供給される電圧をＰＷＭ制御により昇圧した昇圧電圧を生成して高圧直流バスラインに供給する昇圧動作と、前記高圧直流バスラインから供給される電圧をＰＷＭ制御により降圧して前記蓄電池に供給する降圧動作を行う昇降圧回路を備えた蓄電装置において、蓄電池の満充電状態を検出した検出信号を出力する検出装置と、検出信号の入力に基づいて、昇降圧回路のハイサイドスイッチをオフ状態に維持する制御部を備えたことを特徴とする。
この構成により、蓄電池が満充電状態となると、ハイサイドスイッチがオフ状態に維持されて、蓄電池への充電電流が遮断される。
また、上記の蓄電装置において、前記制御部は、前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持している状態で、前記昇降圧回路からの昇圧電圧の出力を要請する指令信号が外部機器から入力されたとき、前記昇降圧回路の動作を昇圧動作に復帰させることが好ましい。
この構成により、ハイサイドスイッチがオフ状態であっても、制御部に指令信号が入力されたときは、昇降圧回路から昇圧電圧が出力される。
また、上記の蓄電装置において、前記制御部は、前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持している状態で、前記高圧直流バスラインの電圧が通常電圧から低下したとき、前記昇降圧回路の動作を昇圧動作に復帰させることが好ましい。
この構成により、ハイサイドスイッチがオフ状態であっても、高圧直流バスラインの電圧が通常電圧から低下すると、昇降圧回路から昇圧電圧が出力される。
また、上記の蓄電装置において、前記検出信号は、前記蓄電池の周囲温度が所定範囲外であることを検出した検出信号を含むことが好ましい。
この構成により、周囲温度が所定範囲外での蓄電池の充電が防止される。
また、上記の蓄電装置において、前記外部機器は、太陽光パネルの発電電力に基づいて、前記高圧直流バスラインに高圧直流電圧を供給するパワーコンディショナであることが好ましい。
この構成により、パワーコンディショナから高圧直流バスラインに供給される電圧が低下すると、昇降圧回路から昇圧電圧が出力される。
また、上記の蓄電装置において、前記昇降圧回路は、前記高圧直流バスラインの一対の端子間に直列に接続される前記ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチと、前記ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの接続点に一端が接続され、他端が前記蓄電池の一方の端子に接続されるインダクタとを備え、前記ハイサイドスイッチとローサイドスイッチは、前記制御部によりＰＷＭ制御されるＭＯＳＦＥＴで構成し、前記ハイサイドスイッチは前記インダクタから前記高圧直流バスラインに向かって前記蓄電池の放電電流を流すボディダイオードを備えることが好ましい。
この構成により、ハイサイドスイッチがオフ状態に維持されるとき、蓄電池からハイサイドスイッチのボディダイオードを介して高圧直流バスラインに放電電流が流れる。そして、昇降圧回路で昇圧動作が再開されると、ハイサイドスイッチから高圧直流バスラインに昇圧電圧が供給される。
本発明の蓄電装置によれば、蓄電池が満充電となった後は、蓄電池への充電電流を遮断することができる。
太陽光発電システムの蓄電装置を示す回路図。 蓄電装置の動作を示すフローチャート。 （ａ）〜（ｄ）は、昇降圧回路のコイルに流れる電流を示す波形図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示す太陽光発電システムの蓄電装置は、電池パック１、昇降圧回路２、平滑用キャパシタ３及び充放電制御部４を備える。電池パック１は、蓄電池５とその蓄電池５の充放電状態を管理するＢＭＵ（バッテリーマネジメントユニット）６を備えている。ＢＭＵ６は、蓄電池５のセル電圧、ＳＯＣ（State of charge:充電量）、蓄電池５の周囲温度等を検出し、各検出信号Ｘを充放電制御部４に出力する。
昇降圧回路２は、コイル７と、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）で構成されるハイサイド側の第一のスイッチ８とローサイド側の第二のスイッチ９で構成され、一対の端子ｔ１，ｔ２を介して高圧直流バスライン１０に接続される。
第一のスイッチ８と第二のスイッチ９は、端子ｔ１，ｔ２間で直列に接続され、コイル７は第一のスイッチ８と第二のスイッチ９の接続点と蓄電池５のプラス側端子との間に接続されている。また、蓄電池５のマイナス側端子は、昇降圧回路２を介して端子ｔ２に接続されている。
第一のスイッチ８及び第二のスイッチ９のゲートには、充放電制御部４から制御信号Ｑ１，Ｑ２が入力されている。そして、制御信号Ｑ１，Ｑ２により第一のスイッチ８及び第二のスイッチ９がＰＷＭ制御され、コイル７との協働により昇圧動作あるいは降圧動作が行われる。
具体的には、昇圧動作時には、例えば３００Ｖの蓄電池５の出力電圧が３８０Ｖに昇圧されて、高圧直流バスライン１０に供給される。また、降圧動作時には、高圧直流バスライン１０に供給される例えば３８０Ｖの直流電圧が３００Ｖに降圧されて、蓄電池５に供給される。
第二のスイッチ９のソース・ドレイン間にはボディダイオードＤ２が介在され、第一のスイッチ８のソース・ドレイン間にはボディダイオードＤ１が介在される。ボディダイオードＤ２は、コイル７側がカソードとなるように介在され、ボディダイオードＤ１はコイル７側がアノードとなるように介在される。
平滑用キャパシタ３は、端子ｔ１，ｔ２の間に接続されて、昇降圧回路２から出力される昇圧電圧を平滑して高圧直流バスライン１０に出力する。
高圧直流バスライン１０にはパワーコンディショナ１１が接続される。パワーコンディショナ１１には、太陽光パネル１２及び家庭内の交流負荷１３及び商用電力系統１４が接続される。
そして、太陽光パネル１２で発電された直流電力は、パワーコンディショナ１１内のＰＶコンバータにより昇圧されるとともにインバータで商用交流電力に変換されて家庭内の交流負荷１３あるいは商用電力系統１４に供給される。また、ＰＶコンバータにより昇圧された高圧直流電圧が高圧直流バスライン１０に供給される。
高圧直流バスライン１０に供給されている電圧は電圧計１５で検出されて、その検出電圧Ｖ１が充放電制御部４に出力される。また、充放電制御部４にはパワーコンディショナ１１から高圧直流バスライン１０への昇圧電圧の供給を要請する指令信号ＣＳが入力される。
充放電制御部４は、あらかじめ設定されたプログラムに基づいて制御信号Ｑ１，Ｑ２を出力して第一及び第二のスイッチ８，９をＰＷＭ制御する。昇降圧回路２は、制御信号Ｑ１，Ｑ２の入力に基づいて、昇圧動作あるいは降圧動作を行う。
また、ＢＭＵ６から充放電制御部４に検出信号Ｘが入力されると、第一のスイッチ８がオフされて、蓄電池５への充電電流の供給が遮断される。
充放電制御部４は、電圧計１５から入力された検出電圧Ｖ１が、高圧直流バスライン１０の通常の電圧、例えば３８０Ｖ未満に低下したとき、あるいはパワーコンディショナ１１から指令信号ＣＳが入力されたとき、昇降圧回路２を昇圧動作させて高圧直流バスライン１０に昇圧電圧を供給する。
次に、上記のように構成された蓄電装置の作用を図２に従って説明する。
蓄電装置の作動時には、充放電制御部４により昇降圧回路２の第一及び第二のスイッチ８，９が制御信号Ｑ１，Ｑ２によりＰＷＭ制御されて交互にオン・オフ駆動される。そして、蓄電池５の出力電圧を昇圧して高圧直流バスライン１０に供給する昇圧動作、あるいはパワーコンディショナ１１から高圧直流バスライン１０に供給される高圧電圧を降圧して蓄電池５に供給する降圧動作が行われる（ステップＳ１）。
次いで、ＢＭＵ６から出力される検出信号Ｘに基づいて、蓄電池５の周囲温度があらかじめ設定された所定の温度範囲内であるかを判定し（ステップＳ２）、蓄電池５の周囲温度が所定の温度範囲内である場合にはステップＳ３に移行して、蓄電池５のセル電圧があらかじめ設定された上限値に達しているか否かが判定される。
そして、蓄電池５の周囲温度が所定の温度範囲内であり、セル電圧が上限値に達していない場合は、第一及び第二のスイッチ８，９のスイッチング制御が継続される。
蓄電池５の周囲温度が所定の温度範囲外となるか、あるいはセル電圧が上限値に達すると、ステップＳ４に移行して、充放電制御部４から第一のスイッチ８をオフ状態とする制御信号Ｑ１が出力される。この結果、蓄電池５への充電電流の供給が停止される。
例えばリチウムイオン電池で構成される蓄電池５は、周囲温度が所定の温度範囲外の極低温、あるいは高温である状態で充電が行われると、故障が発生することがある。ステップＳ２では、このような故障を回避するために、蓄電池５の周囲温度に基づいて、蓄電池５への充電電流の供給の可否が判定される。
第一のスイッチ８がオフ状態に維持されると、蓄電池５への充電電流の供給は停止されるが、蓄電池５からコイル７及び第一のスイッチ８のボディダイオードＤ１を経て平滑用キャパシタ３あるいは高圧直流バスライン１０に流れる放電電流は許容された状態である。従って、蓄電池５のＳＯＣ値は徐々に低下する。
次いで、充放電制御部４は、第一のスイッチ８をオフ状態に維持した状態で、入力される検出信号Ｘに基づいて、蓄電池５のＳＯＣ値が１００未満となったか否かの判定を継続する（ステップＳ５，Ｓ８）。
そして、ＳＯＣ値が１００未満となると、ステップＳ２と同様に、蓄電池５の周囲温度があらかじめ設定された所定の温度範囲内であるかを判定し（ステップＳ６）、蓄電池５の周囲温度が所定の温度範囲内である場合にはステップＳ７に移行して、第一のスイッチ８のオフ動作を解除し、ステップＳ１に復帰する。
ステップＳ６で、蓄電池５の周囲温度が所定の温度範囲から外れていると、第一のスイッチ８をオフ状態に維持してステップＳ５に復帰する。従って、蓄電池５のＳＯＣ値が１００未満となり、かつ蓄電池５の周囲温度が所定の温度範囲内となるまで、第一のスイッチ８がオフ状態に維持される。
また、ステップＳ８で第一のスイッチ８をオフ状態に維持している状態で、電圧計１５の検出電圧Ｖ１が低下し、あるいはパワーコンディショナ１１から指令信号ＣＳが入力されると、充放電制御部４は第一及び第二のスイッチ８，９のＰＷＭ制御を再開し、高圧直流バスライン１０に昇圧電圧を出力する。
上記のような蓄電装置の動作時において、蓄電池５への充電時及び放電時にコイル７に流れる電流について説明する。
図３（ａ）〜（ｄ）において、電流ＩＬは昇降圧回路２の第一及び第二のスイッチ８，９がＰＷＭ制御されているときにコイル７に流れる電流であり、＋側の電流は蓄電池５から昇降圧回路２に向かって流れる放電電流Ｉｄであり、−側の電流は昇降圧回路２からコイル７に向かって流れる充電電流Ｉｃである。
図３（ａ）に示すように、電流ＩＬの平均値Ａｖｅが０である場合には、充電電流Ｉｃと放電電流Ｉｄが平衡状態であるため、蓄電池５には充電電流Ｉｃは供給されず、蓄電池５から放電電流Ｉｄが流れることもない。
図３（ｂ）に示すように、電流ＩＬの平均値Ａｖｅが＋側である場合には、充電電流Ｉｃより放電電流がＩｄが大きくなるため、蓄電池５から昇降圧回路２に放電電流が流れる。
図３（ｃ）に示すように、電流ＩＬの平均値Ａｖｅが−側である場合には、放電電流Ｉｄより充電電流がＩｃが大きくなるため、昇降圧回路２から蓄電池５に充電電流が流れる。
図３（ｃ）に示す充電状態において、蓄電池５のセル電圧が上限値に達して第一のスイッチ８がオフされるとき、図３（ｄ）に示すように、充電電流Ｉｃが遮断されて、僅かな放電電流Ｉｄがコイル７から第一のスイッチ８のボディダイオードＤ１を経て平滑用キャパシタ３及び高圧直流バスライン１０に供給される。
この状態から、蓄電池５のセル電圧が低下して、第一のスイッチ８のスイッチング動作が再開されると、充電電流Ｉｃが蓄電池５に突入電流として流入する可能性がある。
そこで、図３（ｄ）に示すように、第一のスイッチ８をオフ動作させているときには、電流ＩＬの平均値Ａｖｅが０近傍となるように第二のスイッチ９のスイッチング動作を制御する。このような制御を行うことにより、第一のスイッチ８のスイッチング動作が再開されたとき、蓄電池５への突入電流の流入が抑制される。
また、第一のスイッチ８をオフ動作させた瞬間の電流ＩＬの値をサンプリング・ホールドし、第一のスイッチ８のスイッチング動作の再開時には、コイル７に流れる充電電流Ｉｃがサンプリング・ホールドされた電流値より大きくならないように、第一及び第二のスイッチ８，９のスイッチング動作を制御するようにしてもよい。
上記のように構成された蓄電装置では、次に示す効果を得ることができる。
（１）蓄電池５の充電時に、蓄電池５のセル電圧が上限値に達すると、昇降圧回路２の第一のスイッチ８を不導通として、蓄電池５への充電電流の供給を遮断することができる。従って、過充電による蓄電池５の劣化を防止することができる。
（２）蓄電池５のセル電圧をＢＭＵ６で検出し、そのＢＭＵ６の検出信号Ｘに基づいて第一のスイッチ８を不導通とすることができるので、蓄電池５の過充電を確実に防止することができる。
（３）極低温あるいは高温での蓄電池５の充電による故障を防止することができる。
（４）昇降圧回路２の第一のスイッチ８を不導通とすることにより、蓄電池５への充電電流の供給を確実に遮断することができる。
（５）第一のスイッチ８を不導通とした状態において、高圧直流バスライン１０の電圧が低下したとき、あるいはパワーコンディショナ１１から高圧直流バスライン１０への昇圧電圧の供給を要請する指令信号ＣＳが出力されると、第一及び第二のスイッチ８，９を通常のＰＷＭ制御に復帰させることができる。従って、高圧直流バスライン１０の電圧の低下、あるいはパワーコンディショナ１１からの指令信号ＣＳの入力に基づいて、蓄電池５からの放電モードすなわち昇降圧回路２から昇圧電圧を高圧直流バスライン１０に供給する昇圧モードに直ちに移行することができる。
（６）第一のスイッチ８を不導通とした状態では、蓄電池５からコイル７及び第一のスイッチ８のボディダイオードＤ１を介して高圧直流バスライン１０に放電電流が供給される。このとき、ボディダイオードＤ１では一定の順方向電圧降下が発生するため、順方向電流の電流値に応じた電力消費が発生する。従って、高圧直流バスライン１０の電圧の低下、あるいはパワーコンディショナ１１からの指令信号ＣＳの入力に基づいて、第一及び第二のスイッチ８，９を直ちにＰＷＭ制御することにより、電力消費を抑制しながら、高圧直流バスライン１０に昇圧電圧を供給することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図２に示すステップＳ３で、ＳＯＣ値が上限値に達したか否かを検出するようにしてもよい。
・充放電制御部４は、例えば、実施形態で説明した種々の制御を実現するように構成されたコンピュータ可読命令を格納した１つ以上のメモリと、そのコンピュータ可読命令を実行するように構成された１つ以上のプロセッサとを備えてもよい。または、充放電制御部４は、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）等の集積回路であってもよい。
２…昇降圧回路、４…制御部（充放電制御部）、５…蓄電池、６…検出装置（バッテリーマネジメントユニット）、７…インダクタ（コイル）、８…ハイサイドスイッチ（第一のスイッチ）、９…ローサイドスイッチ（第二のスイッチ）、１０…高圧直流バスライン、１１…外部機器（パワーコンディショナ）。

Claims (6)

  1. 充放電可能とした蓄電池と、
    前記蓄電池から供給される電圧をＰＷＭ制御により昇圧した昇圧電圧を生成して高圧直流バスラインに供給する昇圧動作と、前記高圧直流バスラインから供給される電圧をＰＷＭ制御により降圧した降圧電圧を生成して前記蓄電池に供給する降圧動作を行う昇降圧回路であって、前記高圧直流バスラインの一対の端子のうちの高圧側に接続されるとともに前記高圧直流バスラインに向かって前記蓄電池の放電電流を流す方向にボディダイオードを有するハイサイドスイッチと、前記ハイサイドスイッチと前記高圧直流バスラインの前記一対の端子のうちの低圧側に接続されるローサイドスイッチと、前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチとの接続点に一端が接続され、他端が前記蓄電池の一方の端子に接続されるインダクタと、を有する昇降圧回路と、
    前記蓄電池の満充電状態を検出した検出信号を出力する検出装置と、
    前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチとをＰＷＭ制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記検出信号の入力に基づいて、前記昇降圧回路の前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持するとともに前記ローサイドスイッチをＰＷＭ制御して前記蓄電池から前記ハイサイドスイッチの前記ボディダイオードを介して前記高圧直流バスラインへ前記蓄電池の放電電流を流す前記昇圧動作を行い、
    前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持している場合には、前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチとをＰＷＭ制御している場合に比較して前記インダクタに流れる電流の平均値が０に近づくように、前記ローサイドスイッチをＰＷＭ制御することを特徴とする蓄電装置。
  2. 請求項１に記載の蓄電装置において、
    前記制御部は、
    前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持している状態で、前記昇降圧回路からの昇圧電圧の出力を要請する指令信号が外部機器から入力されたとき、前記昇降圧回路の動作を前記昇圧動作に復帰させることを特徴とする蓄電装置。
  3. 請求項１又は２に記載の蓄電装置において、
    前記制御部は、
    前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持している状態で、前記高圧直流バスラインの電圧が通常電圧から低下したとき、前記昇降圧回路の動作を前記昇圧動作に復帰させることを特徴とする蓄電装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電装置において、
    前記検出信号は、前記蓄電池の周囲温度が所定範囲外であることを検出した検出信号を含むことを特徴とする蓄電装置。
  5. 請求項２に記載の蓄電装置において、
    前記外部機器は、太陽光パネルの発電電力に基づいて、前記高圧直流バスラインに高圧直流電圧を供給するパワーコンディショナであることを特徴とする蓄電装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蓄電装置において、
    前記制御部は、前記ハイサイドスイッチをオフ動作させた瞬間の前記インダクタに流れる電流の値をサンプリング・ホールドし、前記ハイサイドスイッチをオフ状態に維持している状態から前記ハイサイドスイッチのＰＷＭ制御を再開するときには、前記インダクタに流れる電流の値が、サンプリング・ホールドされた電流の値よりも大きくならないように、前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチをＰＷＭ制御することを特徴とする蓄電装置。
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