JP7163097B2 - storage battery system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、蓄電池システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to storage battery systems .
従来より、必要な直流電源の電力量に相当する数のセル電池あるいは組電池を直列接続し、その合計の直流電圧を一括してDC/DCコンバータを用いて必要な直流電圧を得る蓄電池システムがある。 Conventionally, there is a storage battery system in which a number of cell batteries or assembled batteries corresponding to the amount of power of a required DC power supply are connected in series, and the total DC voltage is collectively obtained by using a DC/DC converter to obtain the required DC voltage. be.
図10は、従来の蓄電池システム101の構成を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a conventional
図10に示すように、従来の蓄電池システム101は、複数のユニットU-1~kを有する。ユニットU-1~kは、それぞれセル電池を直列に接続した組電池11-1~k及びCMU(Cell Monitoring Unit)12-1~kを有する。
As shown in FIG. 10, a conventional
各ユニットU-1~kの組電池11-1~kは、直列に接続されており、その出力は、スイッチSを介してDC/DCコンバータ21に接続されている。スイッチSは、蓄電池システム101の制御が開始される場合に、オンにされる。
The assembled batteries 11-1 to 11-k of each unit U-1 to k are connected in series, and the output is connected to the DC/
スイッチSとDC/DCコンバータ21との間には、電流検出器13が設けられる。電流検出器13は、複数のユニットU-1~kの組電池11-1~kを流れる組電池電流Ikを検出して、図10に示すように、DCDC制御部52に出力する。
A
DC/DCコンバータ21は、コイル31、トランジスタ及びダイオードからなり、放電モードの際に制御されるスイッチ32B、トランジスタ及びダイオードからなり、充電モードの際に制御されるスイッチ32A及び出力側に接続されるコンデンサ33を有する。
The DC/
DC/DCコンバータ21の出力には、システム電流検出器15とシステム電圧検出器16が設けられ、与えられた基準値に合致するように制御される。
A
CMU12-1~kは、それぞれ組電池11-1~kの電圧、温度などの組電池情報を収集し、これら収集された組電池情報を電池システム監視装置(BMU:Battery Manager Unit)14に送信する。BMU14は、CMU12-1~kから送信された組電池情報及び電流検出器13により検出された組電池11-1~kを流れる組電池電流Ikを基に、充電量SOCの計算を行なう。
The CMUs 12-1 to 12-k collect assembled battery information such as the voltage and temperature of the assembled batteries 11-1 to 11-k, respectively, and send the collected assembled battery information to a battery system monitoring device (BMU: Battery Manager Unit) 14 . Send. The
BMU14は、計算された充電量SOCに基づいて、組電池11-1~kが運転可能範囲に入っているかの判断を行ない、組電池11-1~kが運転可能範囲に入っていると判断された場合、充電量SOC及び運転許可信号を上位制御装置51に出力する。
The
上位制御装置51は、システムにより要求される直流電圧基準Vd*及び接続先の直流電圧VdをDCDC制御部52に出力する。DCDC制御部52は、上位制御装置51から出力された直流電圧基準Vd*及び接続先の直流電圧Vdに基づいて、DC/DCコンバータ21のスイッチ32A、32Bの制御を行なう。
The
図11は、DCDC制御部52の動作を説明するための機能ブロック図である。
FIG. 11 is a functional block diagram for explaining the operation of the
DCDC制御部52は、上位制御装置51から蓄電池システム101に要求される直流電圧基準Vd*及び接続先の直流電圧Vdが入力されると、これらの差(Vd*-Vd)を求める。
When the DC voltage reference Vd * required for the
電圧制御部61aは、これらの差(Vd*-Vd)から、直流電流基準Id*を求めて出力する。
The
なお、システムによっては、上位制御装置301から電力が指定される場合があるが、その場合は、指定された電力を別途指定された直流電圧で除することにより、直流電流基準Id*が算出される。すなわち、DCDC制御部52は、電圧又は電力のいずれかで指定される場合であっても、直流電流基準Id*によって制御される。
Depending on the system, the power may be specified by the
モード判断部61bは、電圧制御部61aから出力された直流電流基準Id*の極性に基づいて力行モードか回生モードかを判断し、その判断結果を電池電流制御部61d及び昇圧比/通流率計算部61eに通知する。
The
変換部61cは、電圧制御部61aからの直流電流基準Id*を、組電池電流基準|Ik*|に変換する。この変換は、
後述する(1)式(=Vk×Ik = Vd×Id)の電力バランスから、VdとIdとが決まると、組電池電流基準|Ik*|は、組電池電圧Vkの値に従って、自動的に変換される。ここで、組電池電流基準|Ik*|は、組電池電流基準Ik*の絶対値を示す。
The
When Vd and Id are determined from the power balance of formula (1) (=Vk×Ik=Vd×Id), which will be described later, the assembled battery current reference |Ik * | converted. Here, the assembled battery current reference |Ik * | indicates the absolute value of the assembled battery current reference Ik * .
電池電流制御部61dには、組電池電流基準|Ik*|と組電池電流|Ik|の差ΔIkが入力され、この入力されたΔIkがゼロになるようにゲート回路61fを制御する。 The difference ΔIk between the assembled battery current reference |Ik * |
すなわち、ΔIk>0の場合、実際の放電又は充電電流が少ないことになるので、直流電圧基準Vd*を少し増加することにより、放電又は充電電流が指令値に制御される。従来例の場合、組電池11-1~kが直列に接続されているので、組電池電流Ikにより制御される。 That is, when ΔIk>0, the actual discharge or charge current is small, so the discharge or charge current is controlled to the command value by slightly increasing the DC voltage reference Vd * . In the case of the conventional example, since the assembled batteries 11-1 to 11-k are connected in series, they are controlled by the assembled battery current Ik.
また、電池電流制御部61dは、モード判断部61bにより判断されたモード(カ行モード又は回生モード)に従った制御が行なわれる。すなわち、カ行モードでは、組電池電圧Vkを昇圧して直流電圧Vd側へ電力を放電する。回生モードでは、直流電圧Vdから組電池電圧Vkへ降圧することにより充電を行なう。カ行モード(放電モード)では昇圧チョッパ-制御、回生モード(充電モード)では降圧チョッパ制御が行なわれる。
Further, the battery
昇圧比/通流率計算部61eは、組電池電圧Vk及び直流電圧Vdに基づいて、昇圧比Vk/Vd、通流率αup(カ行モード)、αdown(回生モード)を計算する。
A step-up ratio/
ここで、DC/DCコンバータ21の損失を無視し、
Vk×Ik = Vd×Id …(1)
が成立することを前提にする。
Here, ignoring the loss of the DC/
Vk×Ik=Vd×Id (1)
is premised on the establishment of
昇圧比/通流率計算部61eは、下記(2)、(3)式より、通流率αup、αdownを求める。
The step-up ratio/
Vk = (1-αup) × Vd …(2)
Vk = αdown × Vd …(3)
電池電流制御部61dには、昇圧比/通流率計算部61eにより計算された昇圧比Vk/Vd、通流率αup(カ行モード)、αdown(回生モード)が入力される。カ行モード(放電モード)では(2)式の制御目標に従い、スイッチ32Bの制御をゲート回路61fに指示し、回生モード(充電モード)では(3)式の制御目標に従い、スイッチ32Aの制御をゲート回路61fに指示する。
Vk = (1- αup ) x Vd (2)
Vk = α down × Vd (3)
The voltage step-up ratio Vk/Vd calculated by the voltage step-up ratio/duty
ゲート回路61fは、電池電流制御部61dからの指示に基づいて、モードに従って、スイッチ32A、32Bのスイッチにゲート信号を出力することにより、組電池電流の制御を行なう。
The
なお、個々のセル電池に対して個別にDC/DCコンバータを設けて、その出力をさらに直列接続し、一部のセル電池の電圧が低いときに、他のセル電池の昇圧で必要な直流電圧を得る放電の制御を行なう放電制御方法が提案されている(特許文献1)。 A separate DC/DC converter is provided for each cell battery, and its output is further connected in series. A discharge control method for controlling discharge to obtain is proposed (Patent Document 1).
また、個々の組電池にHブリッジ変換器を接続してその交流出力をさらに直列接続し、組電池のSOC(State of charge)に合わせて放電時の出力電力を調整する放電制御方法も提案されている(特許文献2)。 A discharge control method has also been proposed in which an H-bridge converter is connected to each assembled battery and the AC output thereof is further connected in series to adjust the output power during discharge in accordance with the SOC (state of charge) of the assembled battery. (Patent Document 2).
図10及び図11に示した蓄電池システム101では、組電池11-1~kの充電量SOCは、BMU14から上位制御装置51に出力される。
In the
一般的な蓄電池システムにおいて、放電時には、SOCが最低SOCに達するまで放電を継続させ、充電時には最大SOCに達するまで充電を継続させる。 In a general storage battery system, discharging is continued until the SOC reaches the minimum SOC during discharging, and charging is continued until the SOC reaches the maximum SOC during charging.
組電池モジュール間でSOCのばらつきが発生した場合、放電時または充電時において、一番早く最低SOCまたは最大SOCに達すると、その時点で放電または充電を停止させる必要があった。 When SOC variations occur between assembled battery modules, when the minimum SOC or maximum SOC is reached the earliest during discharging or charging, it is necessary to stop discharging or charging at that point.
しかしながら、このような制御を行なうと蓄電池システムの稼働時間が短くなってしまうという問題があった。また、個々の組電池に、例えば、使用条件、特性が異なることによって発生する充電量SOCの違いを調整することが困難であった。 However, when such control is performed, there is a problem that the operation time of the storage battery system is shortened. In addition, it is difficult to adjust the difference in the amount of charge SOC that occurs due to, for example, different usage conditions and characteristics for each assembled battery.
実施形態によれば、各々が、複数のセル電池を直列接続した組電池と、前記組電池の組電池電圧値、前記組電池を流れる電流の組電池電流値、および前記組電池の充電量を取得する取得部と、前記組電池の組電池電圧を変換するDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータを制御する制御部と、を有し、互いに直列接続された複数の組電池モジュールと、前記複数の組電池モジュールから出力される電流の電流値を検出する電流検出器と、前記複数の組電池モジュールの出力側の電圧値を検出する電圧検出器と、前記複数の組電池モジュールを監視する電池システム監視装置と、を備え、前記電池システム監視装置は、要求される電流に基づく直流電流基準、前記複数の組電池モジュールの取得部により取得された組電池電圧値、および前記電圧検出器が検出した電圧値と、を用いて前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準を求め、前記求めた平均組電池電流基準を、前記直流電流基準および前記複数の組電池モジュールの取得部により取得された充電量に基づいて補正することで、前記複数の組電池モジュールのそれぞれの組電池電流基準を求め、前記求めた組電池電流基準を、対応する前記組電池モジュールに通知し、前記複数の組電池モジュールの制御部のそれぞれは、前記電池システム監視装置から通知された組電池電流基準と前記組電池電流値とを用いて出力電圧基準を求め、前記DC/DCコンバータによって変換された電圧の電圧値が前記求めた出力電圧基準となるように、前記DC/DCコンバータを制御する、蓄電池システム、である。 According to the embodiment, each includes an assembled battery in which a plurality of cell batteries are connected in series, an assembled battery voltage value of the assembled battery, an assembled battery current value of the current flowing through the assembled battery, and a charge amount of the assembled battery. A plurality of assembled battery modules connected in series, each having an acquisition unit for acquiring, a DC/DC converter for converting the assembled battery voltage of the assembled battery, and a control unit for controlling the DC/DC converter . a current detector for detecting current values of currents output from the plurality of assembled battery modules; a voltage detector for detecting voltage values on the output side of the plurality of assembled battery modules; and a plurality of assembled battery modules. a battery system monitoring device that monitors the DC current reference based on the required current, the assembled battery voltage values acquired by the acquisition units of the plurality of assembled battery modules, and the voltage Obtaining an average assembled battery current reference of the plurality of assembled battery modules using the voltage values detected by the detector, and obtaining the obtained average assembled battery current reference for the DC current reference and the plurality of assembled battery modules obtaining an assembled battery current reference for each of the plurality of assembled battery modules by correcting based on the charge amount acquired by the unit , notifying the obtained assembled battery current reference to the corresponding assembled battery module; Each of the control units of the plurality of assembled battery modules obtains an output voltage reference using the assembled battery current reference notified from the battery system monitoring device and the assembled battery current value, and converts the output voltage reference by the DC/DC converter. a storage battery system for controlling the DC/DC converter so that the voltage value of the voltage obtained becomes the output voltage reference obtained above .
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図10と同一部分には同一符号を付して説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. The same parts as those in FIG. 10 are given the same reference numerals for explanation.
図1は、本実施形態に係る蓄電池システム201の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a
図1に示すように、実施形態の蓄電池システム201は、直列に接続された複数の組電池モジュール303-1~kを有する。
As shown in FIG. 1, the
複数の組電池モジュール303-1~kは、それぞれセル電池を直列に接続した組電池11-1~k、CMU(Cell Monitoring Unit)312-1~k、DC/DCコンバータ401-1~kを有する。 CMU312-1~kは、BMU302に接続されている。CMU312-1~kは、それぞれ組電池11-1~kの組電池電圧V1~k、電流検出器313-1~kによって検出された組電池電流I1~k、組電池11-1~kの温度などの組電池情報を収集し、これら組電池情報に基づいて充電量SOCを計算する。そして、これら収集された組電池情報及び充電量SOCを電池システム監視装置(BMU)302に送信する。
The plurality of assembled battery modules 303-1 to 303-k include assembled batteries 11-1 to 11-k in which cell batteries are connected in series, CMUs (Cell Monitoring Units) 312-1 to 312-k, and DC/DC converters 401-1 to 401-k. have. CMUs 312 - 1 through k are connected to
組電池モジュール303-1~kにおいて、組電池11-1~kは、DC/DCコンバータ401-1~kにそれぞれ接続される。具体的には、組電池11-1~kのそれぞれの出力にはDC/DCコンバータ401-1~kのスイッチS-1~kが接続される。組電池11-1~kのそれぞれの出力はスイッチS-1~kを介して、コイル331-1~kの一端に接続される。 In assembled battery modules 303-1 to 303-k, assembled batteries 11-1 to 11-k are connected to DC/DC converters 401-1 to 401-k, respectively. Specifically, the switches S-1 through k of the DC/DC converters 401-1 through 401-k are connected to the respective outputs of the assembled batteries 11-1 through k. Outputs of the assembled batteries 11-1 to k are connected to one ends of coils 331-1 to k via switches S-1 to k.
スイッチS-1~kとコイル331-1~kの一端との間のそれぞれには、電流検出器313-1~kが設けられる。コイル331-1~kの他端には、トランジスタ及びダイオードからなり、放電モードの際に制御されるスイッチ332B-1~k、トランジスタ及びダイオードからなり、充電モードの際に制御されるスイッチ332A-1~kが接続される。また、スイッチ332A-1~kとスイッチ332B-1~kとの間であって、組電池モジュール出力電圧VM1~kが出力される端子間には、コンデンサ333-1~kがそれぞれ接続されている。
DC/DCコンバータ401-1~kは、それぞれ組電池11-1~kの組電池電圧V1~kを組電池モジュール303-1~kの組電池モジュール出力電圧VM1~kに変換して出力する。
Current detectors 313-1 to 313-k are provided between the switches S-1 to k and one ends of the coils 331-1 to 331-k, respectively. At the other ends of the coils 331-1-k, switches 332B-1-k consisting of transistors and diodes and controlled in the discharge mode, and switches 332A-k consisting of transistors and diodes and controlled in the charge mode. 1 to k are connected. Capacitors 333-1 to 333-k are respectively connected between the terminals of the
The DC/DC converters 401-1 to 401-k respectively convert the assembled battery voltages V1 to k of the assembled batteries 11-1 to k into the assembled battery module output voltages V M1 to k of the assembled battery modules 303-1 to 303-k. Output.
DC/DCコンバータ401-1~kの出力には、システム電流検出器15とシステム電圧検出器16が設けられる。システム電流検出器15は、BMU302に接続され、直列接続された各組電池モジュール303-1~kに共通の組電池モジュール出力電流Idの値をBMU302に出力する。システム電圧検出器16により検出された直流電圧Vdは、上位制御装置301に入力される。
A system
DCDC制御部411-1~kは、BMU302に接続される。DCDC制御部411-1~kは、それぞれ対応するスイッチ332A-1~k及びスイッチ332B-1~kのトランジスタに接続される。DCDC制御部411-1~kは、それぞれBMU302から組電池電流基準I1
*~Ik
*を受信し、この受信した組電池電流基準I1
*~Ik
*を満たすように、スイッチ332A-1~k、332B-1~kを制御する。
The DCDC controllers 411 - 1 to 411 -k are connected to the
すなわち、DCDC制御部411-1~kは、BMU302からそれぞれ受信した組電池電流基準I1
*~Ik
*に基づいて、組電池モジュール出力電圧VM1~Mkが組電池出力電圧基準VMk
*になるようにスイッチ332A-1~k、332B-1~kを制御する。組電池出力電圧基準VMk
*については後述する。
上位制御装置301は、システムにより要求される直流電圧基準Vd*及び接続先の直流電圧VdをBMU302に出力する。
That is, based on the assembled battery current references I 1 * to I k * received from the
The
BMU302は、上位制御装置301から出力された直流電圧基準Vd*及び接続先の直流電圧Vd、CMU312-1~kからの組電池情報及び充電量SOCなどに基づいて、組電池モジュール303-1~kの組電池電流基準I1
*~Ik
*をDCDC制御部411-1~kにそれぞれ出力する。
Based on the DC voltage reference Vd * output from the
図2は、BMU302及びDCDC制御部411の動作を説明するための機能ブロック図である。実施形態では、図2において、演算器c1、電圧制御部101a~電流基準補正部101e-1~kの動作はBMU302によって行なわれ、演算器c2、組電池電流制御部101f及び昇圧比/通流率計算部101gの動作はDCDC制御部411-1~kによって行なわれる。
FIG. 2 is a functional block diagram for explaining the operations of the
BMU302は、上位制御装置301から蓄電池システム201に要求される直流電圧基準Vd*及び接続先の直流電圧Vdが入力されると、演算器c1により、これらの差(Vd*-Vd)を求める。
When the DC voltage reference Vd * required for the
電圧制御部101aは、直流電圧基準Vd*と直流電圧Vdの差(Vd*-Vd)を増幅し、システム全体に要求される電流(システム出力側に要求される電流)から、直流電流基準Id*を求めて出力する。
The
なお、システムによっては、蓄電池システム201からの電力が指定される場合があるが、その場合は、指定された電力を別途指定された直流電圧で除することにより、直流電流基準Id*が算出される。すなわち、BMU302は、電圧又は電力のいずれかで指定される場合であっても、直流電流基準Id*によって制御される。
Depending on the system, the power from the
モード判断部101bは、電圧制御部101aから出力された直流電流基準Id*の極性に基づいて力行モードか回生モードかを判断し、その判断結果を組電池電流制御部101f及び昇圧比/通流率計算部101gに通知する。
The
このモード判断部101bによるモードの判断結果に基づいて、DCDC制御部411-1~kによる降圧動作又は昇圧動作という制御内容の相違が発生する。
Based on the result of the mode determination by the
すなわち、カ行モードでは、組電池電圧Vkを昇圧して直流電圧Vd側へ電力を放電する。回生モードでは、直流電圧Vdから組電池電圧Vkへ降圧することにより充電を行なう。カ行モード(放電モード)では昇圧チョッパ-制御、回生モード(充電モード)では降圧チョッパ制御が行なわれる。この場合、昇圧/降圧動作に伴なう昇圧比、通流率の計算は後述するように異なるが、それ以外は、両モードとも同じ制御フローとなる。 That is, in the power mode, the assembled battery voltage Vk is boosted and the power is discharged to the DC voltage Vd side. In the regeneration mode, charging is performed by stepping down the DC voltage Vd to the assembled battery voltage Vk . Boost chopper control is performed in power mode (discharge mode), and step-down chopper control is performed in regenerative mode (charge mode). In this case, the calculation of the step-up ratio and duty ratio associated with the step-up/step-down operation is different as will be described later, but otherwise the control flow is the same in both modes.
平均組電池電流基準算出部101cは、放電時には、システム電圧検出器16により検出された直流電圧Vdを、組電池電圧V1~kの合計電圧Vtotal(=V1+V2+・・・+Vk)で除算して平均昇圧比を算出する。次に、この算出された平均昇圧比Vd/(V1+V2+・・・+Vk)に電圧制御部101aからの直流電流基準Id*を乗算して平均組電池電流基準|I^k
*|を算出する。ここで、平均組電池電流基準|I^k
*|は、平均組電池電流基準I^k
*の絶対値を示す。これにより、各組電池11-1~kの組電池電圧V1~k
にばらつきが発生している場合にも平均組電池電流基準|I^k
*|を設定することができる。
During discharging, the average assembled battery current
なお、充電時には、平均降圧比を計算する。平均降圧比は、平均昇圧比の逆数であり、平均降圧比=(V1+V2+・・・+Vk)/Vdである。 During charging, the average step-down ratio is calculated. The average step-down ratio is the reciprocal of the average step-up ratio, and the average step-down ratio=(V 1 +V 2 + . . . +V k )/Vd.
また、
I^k*×(V1+V2+・・・+Vk) = Vd×Id* …(4)
が成立することを前提とする。
again,
I ^k ** (V1 + V2+...+Vk)=Vd*Id * ...(4)
is assumed to hold.
個別組電池モジュール電流基準計算部150は、電流基準補正量計算部101d-1~k及び電流基準補正部101e-1~kを具備する。
The individual assembled battery module current
電流基準補正量計算部101d-1~kは、各組電池11-1~kのSOCアンバランスを解消するために、平均組電池電流基準|I^k
*|の電流補正量ΔIkを計算する。
The current reference correction
まず、組電池11-1~kのSOCについては、k番目の組電池11-kが放電して変化するSOC変化量ΔSOCkは、現在の時刻t0のSOCをSOCk(t0)、将来の時刻t1=t0+ΔtのSOCをSOCk(t1)とすると、
ΔSOCk = SOCk(t0)-SOCk(t1)
= SOCk(t0)-SOCk(t0+Δt) …(5)
の関係が成立する。
First, regarding the SOCs of the assembled batteries 11-1 to k, the SOC change amount ΔSOC k that changes when the k-th assembled battery 11-k is discharged is SOC k (t0) for the current SOC at time t0, and SOC k (t0) for the future When the SOC at time t1=t0+Δt is SOC k (t1),
ΔSOCk = SOCk (t0) - SOCk (t1)
= SOC k (t0) - SOC k (t0 + Δt) (5)
relationship is established.
まず、単純化を考えて、組電池11-1~k及びDC/DCコンバータ401-1~kに損失がないものとする。k番目の組電池電流をIk(t)、組電池電圧をVk(SOCk(t))、組電池モジュール出力電圧をVMk(t)、直列接続された各組電池モジュール303-1~kに共通の組電池モジュール出力電流を出力電流Idとすれば、(6)式が成り立つ。 First, for simplification, it is assumed that the assembled batteries 11-1 to 11-k and the DC/DC converters 401-1 to 401-k have no loss. The k-th assembled battery current is I k (t), the assembled battery voltage is V k (SOC k (t)), the assembled battery module output voltage is V Mk (t), and the serially connected assembled battery modules 303-1 to Assuming that the output current of the assembled battery module common to k is the output current Id, the formula (6) holds.
Vk×Ik =VMk×Id …(6)
SOCの変化ΔSOCkは、組電池11-kに流れる電流の積分で与えられるので、(7)式となる。
Vk×Ik=VMk × Id (6)
The SOC change ΔSOC k is given by the integration of the current flowing through the assembled battery 11-k, and is given by the equation (7).
ここで、QFCは、組電池11-kの満充電時の総電荷量である。 Here, QFC is the total amount of charge when the assembled battery 11-k is fully charged.
(6)式から、組電池電流をIk(t)は、(8)式となる。 From the equation (6), the assembled battery current I k (t) is given by the equation (8).
Ik=(VMk/Vk)×Id …(8)
出力電流Id(t)は、負荷によって変化するが、制御を考える場合には、負荷電流を想定しないとSOCのアンバランスを解消する目標を設定できないので、電流基準補正量計算部101dは、先ず短期間の目標値を計算するために一定電流Id0を仮定する。
Ik = (VMk / Vk ) x Id (8)
The output current Id(t) varies depending on the load, but when considering control, the target for eliminating the SOC imbalance cannot be set unless the load current is assumed. A constant current Id0 is assumed to calculate the short term target value.
DC/DCコンバータ401-kの電圧変換率はVMk/Vkであり、たとえSOCの値により組電池電圧Vk(SOCk(t))が変化しても、一定電流Id0に対して組電池電流Ik(t)が一定に制御されれば、(8)式から、VMk/Vkが一定に制御される。 The voltage conversion ratio of DC/DC converter 401-k is V Mk /V k , and even if the assembled battery voltage V k (SOC k (t)) varies depending on the SOC value, If the battery current I k (t) is controlled to be constant, V Mk /V k is controlled to be constant from equation (8).
従って、(6)式で組電池電流Ik(t)が一定であれば、 Therefore, if the assembled battery current I k (t) is constant in equation (6),
となり、
Ik=-ΔSOCk×QFC/Δt …(9)
となる。
becomes,
I k =−ΔSOC k ×QFC/Δt (9)
becomes.
また、(9)式よりΔSOCkの平均値をΔSOCk
*、Ikの平均値をI^k
*とすると、
I^k
*=-ΔSOCk
*×QFC/Δt …(10)
となる。
ただし、ΔSOCk<0は放電動作である。
Also, if the average value of ΔSOC k is ΔSOC k * and the average value of I k is I^ k * from the equation (9),
I ^ k * = - ΔSOC k * × QFC/Δt (10)
becomes.
However, ΔSOC k <0 is discharge operation.
すなわち、SOCの変化分ΔSOCkとそれにかける時間Δtを決めて、組電池電流Ikを流せば、その電流が(9)式を満たす電流となる。同じSOCの変化分ΔSOCk *でも、かける時間Δtを短くすれば、(9)式から組電池電流Ikは大きくなる。すなわち、組電池モジュール出力電圧VMk(t)を大きくする制御になるということである。 That is, if the SOC change amount ΔSOC k and the time Δt to be applied to it are determined, and the assembled battery current I k is supplied, the current satisfies the equation (9). Even if the SOC change ΔSOC k * is the same, if the time Δt is shortened, the assembled battery current I k will increase according to the equation (9). That is, the control is such that the assembled battery module output voltage V Mk (t) is increased.
式(10)を使用して、
電流補正量 ΔIk=(ΔSOCk-ΔSOC*
k)X(QFC/Δt)
が得られる。
Using equation (10),
Current correction amount ΔI k = (ΔSOC k - ΔSOC * k ) x (QFC/Δt)
is obtained.
電流基準補正量計算部101d-1~kは、電圧制御部101aから出力された直流電流基準Id*、BMU302に格納された制御目標Δt、SOCk(t0+Δt)、CMU312-1~kからの組電池11-1~kそれぞれのSOCk(t0)、モード判断部101bからのモード判断(カ行モード/回生モード)に基づいて、組電池11-1~kそれぞれの設定された組電池電流|Ik|を出力する。具体的には、組電池電流Ikは、(5)、(9)式に基づいて設定される。
Current reference correction
電流基準補正部101e-1~kは、電流基準補正量計算部101d-1~kからの組電池電流|Ik|に基づいて、平均組電池電流基準算出部101cからの平均組電池電流基準|I^k
*|を補正し、この補正された各組電池11-1~kの平均組電池電流基準|I^k
*|を組電池電流基準|Ik
*|として出力する。
The current
各組電池出力電圧基準部151は、演算器c2、組電池電流制御部101f、昇圧比/通流率計算部101g及びゲート回路101hを具備する。
Each assembled battery output
昇圧比/通流率計算部101gは、下記(11)、(12)式より、通流率αup、αdownを求める。
The step-up ratio/
Vk = (1-αup) × VMk …(11)
Vk = αdown × VMk …(12)
組電池電流制御部101fには、昇圧比/通流率計算部101gにより計算された個別組電池別昇圧比Vk/VMk、通流率αup(カ行モード)、αdown(回生モード)が入力される。カ行モード(放電モード)では(11)式の制御目標に従い、スイッチ322Bの制御をゲート回路101hに指示し、回生モード(充電モード)では(12)式の制御目標に従い、スイッチ322Aの制御をゲート回路101hに指示する。
V k = (1−α up )×V Mk (11)
Vk = αdown × VMk (12)
The assembled battery
また、組電池電流基準|Ik
*|-組電池電流|Ik|の差ΔIk=|Ik
*|-|Ik|が演算器c2により演算され、組電池電流制御部101fに入力される。組電池電流制御部101fは、この入力された差ΔIkがゼロになるようにゲート回路101hを制御する。
Also, the difference ΔI k =|I k * |−|I k | between the assembled battery current reference |I k * |−assembled battery current |I k | be done. The assembled battery
具体的には、組電池電流制御部101fは、図3及び図4のフローチャートにより決定される各組電池出力電圧基準VMk
*に基づいて、組電池モジュール出力電圧VM1~MKが組電池出力電圧基準VMk
*になるようにゲート回路101hを制御する。
Specifically, the assembled battery
ゲート回路101hは、組電池電流制御部101fからの指示に基づいて、モードに従って、スイッチ332A-k、332B-kのスイッチにゲート信号を出力することにより、組電池電流の制御を行なう。
The
次に、実施形態に係る蓄電池システム201の動作について、図3及び図4のフローチャートを参照して説明する。
Next, the operation of the
まず、BMU302の電圧制御部101aにより、直流電流基準Id*が求められると、平均組電池電流基準算出部101cにより、平均昇圧比(=Vd/(V1+V2+・・・+Vk)が算出される(S1)。
First, when the DC current reference Id * is obtained by the
その後、(4)式の関係から、平均組電池電流基準算出部101cは、平均昇圧比(=Vd/(V1+V2+・・・+Vk)に電圧制御部101aにより求められた直流電流基準Id*を乗算して平均組電池電流基準|I^k
*|を設定する(S2)。
After that, from the relationship of the formula (4), the average assembled battery current
一方、電流基準補正量計算部101d-1は、各組電池11-1~kのSOCアンバランスをΔt後に吸収するために、(5)、(9)式に従って、組電池電流Ikを設定し(S3)、電流基準補正部101e-1~kに出力する。
On the other hand, the current reference correction
次に、電流基準補正部101e-1~kは、電流基準補正量計算部101d-1~kからの組電池電流|Ik|と平均組電池電流基準算出部101cからの平均組電池電流基準|I^k
*|との差をとり(S4)、この差に基づいて、平均組電池電流基準|I^k
*|を補正し、各組電池11-1~kの組電池電流基準|Ik
*|を出力する(S5)。
Next, the current
組電池電流基準|Ik *|-組電池電流|Ik|の差ΔIk=|Ik *|-|Ik|が演算器cにより演算され(S6)、組電池電流制御部101fに入力される。 The difference ΔI k =|I k * |−|I k | between the assembled battery current reference |I k * |−the assembled battery current |I k | is entered.
次に、組電池電流制御部101fは、自己の組電池11-1~kのSOCk(t0)、時間Δt、その時の目標SOCk(t1)に基づいて、(5)、(9)式から導かれる(13)式に基づいて、VMkを計算する(S7)。
Next , based on the SOC k (t0) of the own assembled batteries 11-1 to 11-k, the time Δt, and the target SOC k (t1) at that time, the assembled battery
VMk = (-QFC×Vk/Id×Δt)×ΔSOCk…(13)
次に、組電池電流制御部101fは、ΔSOCk/ΔSOC(av)>1.1であるかを判断する(S8)。ここで、ΔSOC(av)は、各組電池11-1~kのSOC差の平均値である。
V Mk = (−QFC×V k /Id×Δt)×ΔSOC k (13)
Next, the assembled battery
S8において、ΔSOCk/ΔSOC(av)>1.1でないと判断された場合、VMk *=VMkとして設定する。 If it is determined in S8 that ΔSOC k /ΔSOC(av)>1.1 is not satisfied, V Mk * =V Mk is set.
S8において、ΔSOCk/ΔSOC(av)>1.1であると判断された場合、
VMk
*=VMk+K’×ΔSOCk/SOC(av)=VMk+ΔV …(14)
として設定する。
If it is determined in S8 that ΔSOC k /ΔSOC(av)>1.1,
VMk * = VMk +K'× ΔSOCk /SOC(av)= VMk +ΔV (14)
set as
すなわち、SOCk(t0)とSOCk(t1)とからΔSOCkを求め、放電時にΔSOCk/SOC(av)が例えば、1.1倍以上(10%以上SOCが高い)のk番目の組電池モジュール303-kに対して、(9)式より目標の時間Δtを考慮して係数K’(たとえば1.15倍とか、1.2倍とか、大きな放電電流とする)を決めて、補正量とする。 That is, ΔSOC k is obtained from SOC k (t0) and SOC k (t 1 ), and ΔSOC k /SOC(av) is, for example, 1.1 times or more (10% or higher SOC) during discharge. For the assembled battery module 303-k, the coefficient K' (for example, 1.15 times, 1.2 times, etc., a large discharge current) is determined in consideration of the target time Δt from the equation (9), Correction amount.
放電動作の場合、(14)式におけるK’×ΔSOCk/SOC(av)=ΔVで表現すると、
ΔIk>0(実際の放電電力が少ない)の場合、VMk
*´=VMk
*+ΔV(つまり、ΔIkを少なくする制御)。なお、VMk
*´は次の制御ルーチンでの補正後の電圧基準とする。
In the case of discharge operation, when expressed as K′×ΔSOC k /SOC(av)=ΔV in the equation (14),
If ΔI k >0 (the actual discharge power is small), V Mk *′ =V Mk * +ΔV (that is, control to reduce ΔI k ). Note that V Mk *' is the corrected voltage reference in the next control routine.
ΔIk<0(実際の放電電力が多い)の場合、VMk *´=VMk *-ΔV(つまりΔIkを大きくする制御)。 If ΔI k <0 (the actual discharge power is large), V Mk *′ =V Mk * −ΔV (that is, control to increase ΔI k ).
VMk
*´=VMk
*+ K’×ΔSOCk/SOC(av)=VMk+ΔV …(14)
つまり(14)式での補正を行うことで、目標値に収束させることが可能になる。
VMk *' = VMk * +K'× ΔSOCk /SOC(av)= VMk +ΔV (14)
In other words, it is possible to converge to the target value by performing the correction using the formula (14).
また、充電動作の場合、前述の昇圧比・通流率の計算以外は同様の制御を行い、
ΔIk>0(実際の充電電力が少ない)の場合VMk
*´=VMk
*+ΔV(つまり、ΔIkを少なくする制御)。なお、ここでVMk
*´は補正後の電圧基準とする。
In addition, in the case of charging operation, the same control is performed except for the calculation of the step-up ratio and duty ratio described above.
If ΔI k >0 (the actual charging power is small), V Mk *′ =V Mk * +ΔV (that is, control to reduce ΔI k ). Here, V Mk *' is the corrected voltage reference.
ΔIk<0(実際の充電電力が多い)の場合、VMk *´=VMk *-ΔV(つまりΔIkを大きくする制御)。 If ΔI k <0 (the actual charging power is large), V Mk *′ =V Mk * −ΔV (that is, control to increase ΔI k ).
VMk
*´を補正後の電圧基準とすると、同様に
VMk
*´=VMk
*+ K’ ×ΔSOCk/SOC(av)=VMk
*+ΔV …(14)
つまり(14)式での補正を行うことで、目標値に収束させることが可能になる。
Assuming that V Mk *' is the corrected voltage reference, similarly V Mk *' = V Mk * + K' × ΔSOC k /SOC(av) = V Mk * + ΔV (14)
In other words, it is possible to converge to the target value by performing the correction using the formula (14).
図5は、組電池11-1~kのSOCの時間的推移(放電時)を示す図である。図6は、組電池11-1~kのSOCの時間的推移(充電時)を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the temporal transition (at the time of discharging) of the SOCs of the assembled batteries 11-1 to 11-k. FIG. 6 is a diagram showing the temporal transition (at the time of charging) of the SOCs of the assembled batteries 11-1 to 11-k.
図5及び図6に示すように、放電時及び充電時ともに、現在の時刻(to)から目標とする時刻(t1)まで、SOCバランス解消用の制御を実施することにより、時刻t1に、組電池11-1~kのSOCがSOC目標とするSOCk(t1)に制御される。この場合、目標とする時刻(t1)までの間、放電制御又は充電制御のモードは継続しているものとする。 As shown in FIGS. 5 and 6, during both discharging and charging, the control for SOC balance elimination is performed from the current time (to) to the target time (t1). The SOCs of the batteries 11-1 to k are controlled to the SOC target SOC k (t1). In this case, it is assumed that the discharge control or charge control mode continues until the target time (t1).
つまり、組電池電流制御の結果、1番目の組電池モジュール出力電圧VM1、k番目の組電池モジュール出力電圧VMkを時間Δtの間、一定電流Id0で運転を続けると、両方の組電池のSOCが同じ値となることを示している。 That is, as a result of the assembled battery current control, if the first assembled battery module output voltage V M1 and the k-th assembled battery module output voltage V Mk continue to operate at a constant current Id0 for the time Δt, both assembled batteries This indicates that the SOCs have the same value.
しかし、合計の直流電圧が主回路の構成からある範囲と決まっていて、計算結果VM1、…、VMkの合計電圧がこの範囲から逸脱する場合などには、制御の目標値が不適切(電池セルに過度の負担をかける運転を強いる)であるので、変数Δt、SOCk(t1)あるいはId0を設定し直して、合計の直流電圧がある範囲内に収まるようにV’M1V’Mkの分担電圧を決めればよく、その電圧で一定電流I’d0で運転を続けると、新たな制御目標の時間Δt’後にSOCが同じ値となる。
<他の実施形態>
図7は、他の実施形態に係るBMU302及びDCDC制御部411の動作を説明するための機能ブロック図である。なお、図2と異なる部分は、上位制御装置301から組電池11-1~k全体の直流電力P*が指令値、及び組電池11-1~k全体の電力PがBMU302に与えられる。
However, if the total DC voltage is determined to be within a certain range based on the configuration of the main circuit, and the total voltage of the calculation results V M1 , . Therefore, the variable Δt, SOCk(t1) or Id0 is set again, and V′M1 V′Mk is adjusted so that the total DC voltage falls within a certain range. It suffices to determine the allotted voltage, and if the operation is continued with the constant current I'd0 at that voltage, the SOC becomes the same value after the time Δt' of the new control target.
<Other embodiments>
FIG. 7 is a functional block diagram for explaining operations of the
組電池11-1~k全体の電力Pは、組電池11-1~kから組電池電圧V1~k及び組電池電流I1~kを収集し、組電池11-1~kそれぞれの電力を合計することにより得られる。 The power P of the entire assembled batteries 11-1 to k is obtained by collecting the assembled battery voltages V 1 to k and the assembled battery currents I 1 to k from the assembled batteries 11-1 to k, is obtained by summing
その後、組電池11-1~k全体の電力P*と組電池11-1~k全体の電力Pとの差(P*-P)がとられ、電力制御部501aにおいて、差(P*-P)を直流電圧Vdで除することにより、制御対象を直流電流基準Id*に変換する。以降の処理については、図2示した実施形態の処理と同様である。 After that, the difference (P * -P) between the power P * of the entire assembled battery 11-1 to k and the power P of the entire assembled battery 11-1 to k is obtained, and the difference (P * - P) is divided by the DC voltage Vd to convert the controlled object to a DC current reference Id * . Subsequent processing is the same as the processing of the embodiment shown in FIG.
他の実施形態の蓄電池システム501は、組電池11-1~k全体の電力量を制御量として電力制御を行なうシステムにおいて有効である。
<変形例>
上述の実施形態においては、一般的な蓄電池システムの例に合わせて、組電池の電圧<出力側直流電圧である昇圧チョッパ回路を例に説明を行ってきたが、適用システムよっては、図8に示す降圧チョッパ回路、図9に示す4象限チョッパ回路を使用しても良い。
The
<Modification>
In the above-described embodiment, the step-up chopper circuit in which the voltage of the assembled battery < the DC voltage on the output side has been described as an example in accordance with the example of a general storage battery system. The step-down chopper circuit shown in FIG. 9 and the four-quadrant chopper circuit shown in FIG. 9 may be used.
従来のSOCの異なる組電池を直列に接続したシステムでは、組電池からの出力電流は同一となるため、SOCのアンバランスで最低SOCに達する前に他の組電池が最低SOCに到達する。そのため、まだ放電できる充電量があるにも関わらず、システム全体としては放電を停止せざるを得ない。実施形態の蓄電池システムによれば、このような問題を解決することが可能となる。 In a conventional system in which assembled batteries with different SOCs are connected in series, output currents from the assembled batteries are the same, so other assembled batteries reach the lowest SOC before reaching the lowest SOC due to SOC imbalance. Therefore, the system as a whole has no choice but to stop discharging even though there is still a charge amount that can be discharged. According to the storage battery system of the embodiment, it is possible to solve such problems.
つまり、SOCアンバランスを解消するように、放電時または充電時に電流制御を最適に行う(例えば、放電動作時において、時刻t1での目標SOCを最低SOC(充電時の場合は最大SOC)に調整する)ことで、各組電池を最低SOCまで使い切ることが可能となった。勿論、この時刻t1は、組電池の電流制御のできる範囲で、任意に設定することが可能で、例えば、t1が一回の放電動作時間より短い時間の場合、一回の放電動作内の時刻t1ですべてのSOCのアンバランスを解消することも可能になる。 That is, current control is optimally performed during discharging or charging so as to eliminate the SOC imbalance (for example, during discharging operation, the target SOC at time t1 is adjusted to the minimum SOC (maximum SOC during charging). By doing so, it became possible to use up each assembled battery to the lowest SOC. Of course, this time t1 can be set arbitrarily within the range in which the current of the assembled battery can be controlled. It is also possible to eliminate all SOC imbalances at t1.
また、従来例との比較を行うと、特許文献1では、個別のセルに昇圧回路を接続し、その昇圧を合計して制御することが提案されている。ただし、組電池全体での電圧を制御することに関しては述べられていない。
Further, in comparison with the conventional example,
さらに、特許文献2にあるように、バッテリーが接続されるパワーセルの出力電力を、バッテリーの残存電力量に合わせて制御できる手段を各パワーセル毎に設置することで、バッテリーの残存電力量を平均化することも試みられている。但し、この場合においても、組電池の組電池電圧を昇圧することについては言及されていない。
Furthermore, as described in
実施形態は、組電池毎にDC/DCコンバータを設置することで、システム全体に要求される直流電圧から、組電池の個別の電圧基準を与えることが可能になったことで、蓄電池システム全体の設計に際し、従来のようにその都度DC/DCコンバータを設計する必要がなくなる。 In the embodiment, by installing a DC/DC converter for each assembled battery, it is possible to provide an individual voltage reference for the assembled battery from the DC voltage required for the entire system, thereby improving the overall storage battery system. When designing, there is no need to design a DC/DC converter each time as in the conventional art.
また、実施形態によれば、組電池の直列数の変更だけで対応できる蓄電池システムの構築も可能となり、システム対応力の強化(都度設計しなくてもよい)にも貢献するシステムへの対応も可能となった。 In addition, according to the embodiment, it is possible to build a storage battery system that can be handled only by changing the number of series of assembled batteries, and it is also possible to deal with a system that contributes to strengthening system responsiveness (no need to design each time). It has become possible.
なお、上述の説明では、電圧制御部101a~電流基準補正部101e1~kの動作はBMU302によって行なわれ、組電池電流制御部101f及び昇圧比/通流率計算部101gの動作はDCDC制御部411-1~kによって行なわれるものとして説明したが、これら機能ブロックの配置は柔軟に行なうことが可能である。
In the above description, the operations of
実施形態の蓄電池システムによれば、直列に接続された組電池モジュール毎に、SOCのばらつきを解消するように、個別の組電池の出力電圧を最適に設定させることを可能にすることで、システム全体としての稼働時間を広げるようなシステムを提供することができる。 According to the storage battery system of the embodiment, it is possible to optimally set the output voltage of each assembled battery module connected in series so as to eliminate variations in SOC. A system can be provided that extends the operating time as a whole.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
15…システム電流検出器、16…システム電圧検出器、150…個別組電池モジュール電流基準計算部、151…各組電池出力電圧基準部、201、501…蓄電池システム、301…上位制御装置、302…BMU、303-1~k…組電池モジュール、312-1~k…CMU、313-1~k…電流検出器、401-1~k…DC/DCコンバータ、411-1~k…DCDC制御部。
15...System
Claims (6)
前記複数の組電池モジュールから出力される電流の電流値を検出する電流検出器と、
前記複数の組電池モジュールの出力側の電圧値を検出する電圧検出器と、
前記複数の組電池モジュールを監視する電池システム監視装置と、を備え、
前記電池システム監視装置は、
要求される電流に基づく直流電流基準、前記複数の組電池モジュールの取得部により取得された組電池電圧値、および前記電圧検出器が検出した電圧値と、を用いて前記複数の組電池モジュールの平均組電池電流基準を求め、
前記求めた平均組電池電流基準を、前記直流電流基準および前記複数の組電池モジュールの取得部により取得された充電量に基づいて補正することで、前記複数の組電池モジュールのそれぞれの組電池電流基準を求め、
前記求めた組電池電流基準を、対応する前記組電池モジュールに通知し、
前記複数の組電池モジュールの制御部のそれぞれは、
前記電池システム監視装置から通知された組電池電流基準と前記組電池電流値とを用いて出力電圧基準を求め、
前記DC/DCコンバータによって変換された電圧の電圧値が前記求めた出力電圧基準となるように、前記DC/DCコンバータを制御する
蓄電池システム。 each of which acquires an assembled battery in which a plurality of cell batteries are connected in series, an assembled battery voltage value of the assembled battery, an assembled battery current value of the current flowing through the assembled battery, and a charge amount of the assembled battery; a plurality of assembled battery modules connected in series, each including a DC/DC converter for converting an assembled battery voltage of the assembled battery and a control unit for controlling the DC/DC converter ;
a current detector that detects current values of currents output from the plurality of assembled battery modules;
a voltage detector that detects voltage values on the output sides of the plurality of assembled battery modules;
a battery system monitoring device that monitors the plurality of assembled battery modules,
The battery system monitoring device
Using a DC current reference based on the required current, the assembled battery voltage values acquired by the acquisition units of the plurality of assembled battery modules, and the voltage values detected by the voltage detectors , Obtaining the average battery current standard ,
By correcting the obtained average assembled battery current reference based on the DC current reference and the amount of charge acquired by the acquiring unit of the plurality of assembled battery modules, the assembled battery current of each of the plurality of assembled battery modules Seeking standards,
Notifying the corresponding assembled battery module of the obtained assembled battery current reference ,
Each of the control units of the plurality of assembled battery modules,
Obtaining an output voltage reference using the assembled battery current reference notified from the battery system monitoring device and the assembled battery current value,
controlling the DC/DC converter so that the voltage value of the voltage converted by the DC/DC converter becomes the determined output voltage reference;
battery system.
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