JP7278817B2

JP7278817B2 - 蓄電システム及び蓄電用ストリング

Info

Publication number: JP7278817B2
Application number: JP2019052237A
Authority: JP
Inventors: 弘行小林; 富二夫野村; 登茂美景山
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2023-05-22
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: JP2020156200A

Description

本発明は、蓄電システム及び蓄電用ストリングに関する。

近年、蓄電システムにあっては、産業用の分野（例えば船舶用電源装置、定置用電源装置等）で、短時間（数秒から数分）に必要なエネルギー（電力）を出力するための高入出力特性と、長時間に渡って運用するための大容量蓄電の双方を兼ね備えたニーズが高まってきており、多数の蓄電用ストリング（以下、ストリングと称する）を並列に接続した大規模なシステムが開発されている。この種の蓄電システムは、各ストリングの電圧を揃える必要性から、ストリングを構成するセル、モジュールの直列数が同一のストリングを使用している。

しかしながら、従来の蓄電システムでは、同一サイズのストリングを使用するため、設置場所の形状に起因するデッドスペースによってシステムの最大蓄電容量が制限されてしまう問題があった。
また、特性の異なる蓄電池または発電機を並列で使用する際には、ＰＣＳ（Power Conditioner System）が必要となり、ＰＣＳがスペースを占有してしまう問題があった。また、容量変化に伴う電圧変化に対応するため、出力を受けるインバータが大きくなってしまう問題が有った。さらに、一度システムを構築してしまうと、ストリング増設による規模拡大に制限が有った。

特開２０００－３０６５６４号公報

本実施形態の課題は、蓄電容量、サイズの異なる複数種のストリングを並列に接続することができ、これによって設置場所の形状に合わせてサイズの異なるストリングを選択配置して、設置場所におけるデッドスペースを削減して最大蓄電容量を増大することができ、ＰＣＳ不要で出力用インバータの小型化を実現することのできる蓄電システムと蓄電用ストリングを提供することにある。

本実施形態に係る蓄電システムは、複数の蓄電用ストリングと、前記複数の蓄電用ストリングの出力端と負荷供給母線との間に設けられ、前記蓄電用ストリングの出力を負荷供給母線の設定電圧に変換する複数の直流電力変換器とを備える。前記蓄電用ストリングは、リチウムイオン二次電池を蓄電池セルとする複数の蓄電池モジュールが直列接続される蓄電池モジュール群と、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池モジュール群への充電電圧を生成する交流／直流変換器と、前記蓄電池モジュール群から出力される直流電圧を定格の直流電圧に変換して出力する直流／直流変換器と、前記交流／直流変換器で生成される充電電圧を前記蓄電池モジュール群に供給し、前記直流／直流変換器の出力を停止する充電モードと、前記交流／直流変換器で生成される充電電圧の前記蓄電池モジュール群への供給を停止し、前記直流／直流変換器で生成される直流電圧を出力する出力モードとを選択的に切り換える切換手段とを備える。前記複数の蓄電用ストリングは内部の蓄電池モジュール数が任意の個数に選定される。

第１の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。第１の実施形態の図１に示すストリングを拡大して示すブロック図である。第１の実施形態の図１に示す蓄電システムのストリング配置例を示す図である。第２の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態における蓄電システムの構成を示すブロック図である。図１において、１１～１３は交流電源系である。１１は第１交流母線Ｌ１にAC440Vを出力する発電機、１２は第１交流母線Ｌ１に流れるAC440VからAC115Vを生成して第２交流母線Ｌ２に供給するＡＣ／ＡＣ電力変換器、１３は第１交流母線Ｌ１に流れるAC440Vから1500Vを生成して第１直流母線Ｌ３に出力するＡＣ／ＤＣ電力交換器である。

２１～２８は直流電源系である。２１，２２，２３は一定個数の蓄電池セルを直列接続した蓄電池モジュールを用いて、指定の容量比率に基づく個数で蓄電池モジュールを直列接続した第１ストリング、第２ストリング、第３ストリングである。ここでは、例として全容量の20%，23%，57%とする。

図２は、図１に示す第１ストリング２１の基本構成を示すブロック図である。なお、第１乃至第３ストリング２１～２３は、蓄電池モジュールの個数ｎが異なるだけで、基本的に構成は同じであるため、図２では第１ストリング２１の構成を示して、第２及び第３ストリング２２，２３の説明は省略する。

図２において、２１１１～２１１ｎは第１乃至第ｎの蓄電池モジュールである。蓄電池モジュール２１１１～２１１ｎは、互いに同一構造で、直列接続された一定個数の蓄電池セルを備える。
２１２は充電用のＡＣ入力端子、２１３は出力用のＤＣ出力端子である。

また、２１４は充放電回路で、ＡＣ入力から充電用のＤＣ出力を生成するＡＣ／ＤＣコンバータ２１４Ａと、蓄電池モジュール群によるＤＣ出力から定格ＤＣ電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ２１４Ｂを備え、外部からの充放電切換信号に従ってコンバータ２１４Ａ．２１４Ｂを選択稼働して、充電電流の供給、蓄電池出力の供給を行う。

２１５は過電流発生時に蓄電池モジュール群と充放電回路とを遮断する保護用のヒューズである。
上記第１乃至第３ストリング２１，２２，２３のＤＣ出力端は、それぞれ第１乃至第３ＤＣ／ＤＣ電力変換器２４，２５，２６を介して第１直流母線Ｌ３に接続される。第１乃至第３ＤＣ／ＤＣ電力変換器２４，２５，２６は、それぞれ対応ストリング２１，２２，２３から出力される、互いに異なるＤＣ電圧を第１直流母線Ｌ３のＤＣ電圧（DC1500V）に電力変換する。

また、上記第１ストリング２１のＤＣ出力端は、第４ＤＣ／ＤＣ電力変換器２７を介して第２直流母線Ｌ４に接続される。第４ＤＣ／ＤＣ電力変換器２７は、第１ストリング２１から出力されるＤＣ電圧を第２直流母線Ｌ４のＤＣ電圧（DC24V）に電力変換する。

さらに、上記第２ストリング２２のＤＣ出力端は、第３直流母線Ｌ５に接続されており、例えばDC515V_TYPとして出力されると共に、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２８を介してＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply:無停電電源装置）代替母線Ｌ６に接続される。ＤＣ／ＡＣ電力変換器２８は、第２ストリング２２から出力されるＤＣ電圧をＵＰＳ代替母線Ｌ６のＡＣ電圧（AC115V）に電力変換する。

上記構成による蓄電システムでは、発電機１１を利用する発電モードと発電機１１を停止して蓄電池出力のみで負荷を稼働する蓄電池出力モードを選択的に切り替える。
発電モードでは、発電機１１を稼働してAC440Vを生成し、第１交流母線Ｌ１に供給する。また、ＡＣ／ＡＣ電力変換器１２によって第１交流母線Ｌ１に流れるAC440VからAC115Vを生成して第２交流母線Ｌ２に供給する。また、ＡＣ／ＤＣ電力交換器１３によって第１交流母線Ｌ１に流れるAC440Vから1500Vを生成して第１直流母線Ｌ３に出力する。その間、第１乃至第３ストリング２１～２３の充放電回路を充電側に切り替えておく。これにより、第１交流母線Ｌ１のＡＣ出力が第１乃至第３ストリング２１～２３に供給されて充電用ＤＣ出力が生成され、それぞれの蓄電池モジュール群が充電される。

一方、蓄電池出力モードでは、発電機１１を停止して交流電源系を切り離し、第１乃至第３ストリング２１～２３の出力のみで電源供給を行う。まず、第１乃至第３ストリング２１～２３から出力されるＤＣ電圧は、初期設定された比率で、互いに異なる電圧値となっているが、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２４～２６により、互いに独立して第１直流母線Ｌ３の定格出力DC1500Vに変換されて第１直流母線Ｌ３に出力される。

また、上記第１ストリング２１から出力されるＤＣ電圧は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２７によって第２直流母線Ｌ４のDC24Vに電力変換される。さらに、上記第２ストリング２２から出力されるＤＣ電圧は、第３直流母線Ｌ５のDC515V_TYPとして出力されると共に、ＤＣ／ＡＣ電力変換器２８によってＵＰＳ代替母線Ｌ６のＡＣ電圧（AC115V）に電力変換される。

上記構成による蓄電システムは、各ストリングの容量が異なっていても、それぞれの出力を対応して設けられるＤＣ－ＤＣ電力変換器によって均一にかつ母線の設定値に合わせることができる。
そこで、各ストリングのサイズを蓄電池モジュール数によって適宜選択することで、限られたスペースに必要な容量のストリングを有効に実装可能となる。例えば、船舶において、設置場所に傾斜や段差がある場合でも、その形状に合わせてストリングのサイズを変更すれば、無駄なスペースを縮小可能である。また、設置場所の形状が変更になっても、一部のストリングのサイズを変更すれば対応可能である。

また、ストリングごとに個別のＤＣ-ＤＣ電力変換器を付加することにより、ストリングそれぞれの温度（負荷）をバランスよく制御することが可能となる。
さらに、ＤＣ-ＡＣ電力変換器を用いることで、任意のストリングの出力から交流電圧を生成することができ、交流系に依存しないＵＰＳ代替母線を提供することができる。

さらに、上記の機能により、２重給電が必要な機器の補助用給電が可能となる。また、交流系電力変換器及び交流系変圧器の余力向上にも寄与することができる。また、特性の異なる蓄電池、太陽光発電、風力発電等の発電システムにおいて、個々の給電出力部分に電力変換器を付加することで、容易に混在させることが可能となる。

図３は船底の一角にシステムのストリングを配置した様子を示している。従来のシステムでは、同一サイズのストリングを使用せざるを得ないため、底部の傾斜に沿って階段状になってしまう。これに対して、本実施形態のシステムによれば、ストリングのサイズを変更可能であるため、階段状になっていた傾斜部分の容量相当を平面部分のストリングに追加することで、全体を均すことができる。これによって、ストリング配置面が平面状となり、その上部空間を有効利用することが可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図４において図１と異なる点は、第３ストリング２３の出力について、電力変換器を介さずに直接、第１直流母線Ｌ３に出力するようにしたことにある。
第１の実施形態では、充電時にも負荷に電力を供給するため、ストリングの入力／出力を分離する必要があり、配線数が増加する課題があった。これに対して、第２の実施形態の構成によれば、第３ストリング２３の出力が直接給電であるため、ストリングの入力／出力を分離する必要がなくなり、配線数の増加を抑制することができる。この場合、第１直流母線Ｌ３は非安定となるが、系統別の母線の電圧が安定する利点がある。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…発電機、１２…ＡＣ／ＡＣ電力変換器、１３…ＡＣ／ＤＣ電力交換器、
２１…第１ストリング、２２…第２ストリング、２３…第３ストリング、２４…第１ＤＣ／ＤＣ電力変換器、２５…第２ＤＣ／ＤＣ電力変換器、２６…第３ＤＣ／ＤＣ電力変換器、２７…第４ＤＣ／ＤＣ電力変換器、２８…ＤＣ／ＡＣ電力変換器、
２１１１～２１１ｎ…第１乃至第ｎの蓄電池モジュール、２１２…充電用ＡＣ入力端子、２１３…は出力用ＤＣ出力端子、２１４…充放電回路、２１４Ａ…ＡＣ／ＤＣコンバータ、２１４Ｂ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２１５…ヒューズ、
Ｌ１…第１交流母線、Ｌ２…第２交流母線、Ｌ３…第１直流母線、Ｌ４…第２直流母線、Ｌ５…第３直流母線、Ｌ６…ＵＰＳ代替母線。

Claims

複数の蓄電用ストリングと、
前記複数の蓄電用ストリングごとに設けられ、前記蓄電用ストリングの出力を負荷供給母線の設定電圧に変換して並列に前記負荷供給母線に出力する複数の直流電力変換器と
を具備し、
前記蓄電用ストリングは、
リチウムイオン二次電池を蓄電池セルとする複数の蓄電池モジュールが直列接続される蓄電池モジュール群と、
交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池モジュール群への充電電圧を生成する交流／直流変換器と、
前記蓄電池モジュール群から出力される直流電圧を定格の直流電圧に変換して出力する直流／直流変換器と、
前記交流／直流変換器で生成される充電電圧を前記蓄電池モジュール群に供給し、前記直流／直流変換器の出力を停止する充電モードと、前記交流／直流変換器で生成される充電電圧の前記蓄電池モジュール群への供給を停止し、前記直流／直流変換器で生成される直流電圧を出力する出力モードとを選択的に切り換える切換手段と
を備え、
前記複数の蓄電用ストリングそれぞれの蓄電池モジュール数を任意の個数とする蓄電システム。
前記複数の蓄電用ストリングのうち、一部の蓄電用ストリングの出力を分岐して補助出力とし、任意の直流または交流電圧に変換する請求項１記載の蓄電システム。
前記複数の蓄電用ストリングのうち、一部の蓄電用ストリングの出力を直接、前記負荷供給母線に供給する請求項１記載の蓄電システム。
複数の蓄電用ストリングと、前記複数の蓄電用ストリングごとに設けられ、前記蓄電用ストリングの出力を負荷供給母線の設定電圧に変換して並列に前記負荷供給母線に出力する複数の直流電力変換器とを具備する蓄電システムに用いられ、
リチウムイオン二次電池を蓄電池セルとする複数の蓄電池モジュールが直列接続される蓄電池モジュール群と、
交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電池モジュール群への充電電圧を生成する交流／直流変換器と、
前記蓄電池モジュール群から出力される直流電圧を定格の直流電圧に変換して出力する直流／直流変換器と、
前記交流／直流変換器で生成される充電電圧を前記蓄電池モジュール群に供給し、前記直流／直流変換器の出力を停止する充電モードと、前記交流／直流変換器で生成される充電電圧の前記蓄電池モジュール群への供給を停止し、前記直流／直流変換器で生成される直流電圧を出力する出力モードとを選択的に切り換える切換手段と
を具備し、
前記蓄電池モジュールの個数を任意に選択する蓄電用ストリング。