JP7480761B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本開示は、電源システムに関し、特に、複数の電池ストリングを用いた電源システムに関する。

特開２０１８－０７４７０９号公報（特許文献１）には、電池ストリングを制御する制御回路が開示されている。電池ストリングは、互いに接続された複数の電池モジュール回路電池回路モジュールを含む。電池ストリングに含まれる各電池回路モジュールは、電池と、電池に並列に接続された第１スイッチと、電池に直列に接続された第２スイッチと、第１スイッチがＯＦＦ状態かつ第２スイッチがＯＮ状態であるときに電池の電圧が印加される第１出力端子および第２出力端子とを備える。制御回路は、電池ストリングに含まれる各電池回路モジュールの第１スイッチおよび第２スイッチを制御することで、電池ストリングの出力電圧を所望の大きさに調整することができる。

特開２０１８－０７４７０９号公報

特許文献１は、上記のような電池ストリングを用いて直流電力を出力する電源システムを開示している。しかしながら、特許文献１では、電池ストリングを用いて交流電力を出力する電源システムについては何ら検討されていない。電池ストリングを用いて交流電力を出力する電源システムを実現することができれば、電池ストリングの用途の幅が広がり、電池ストリングの低コスト化が期待できる。

本開示の目的は、電池ストリングを用いて、交流電力を出力する電源システムを提供することである。

本開示の電源システムは、Ｙ結線された、Ｕ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングから交流電力を出力する交流スウィープユニットと、第１電池ストリングを含む直流スウィープユニットの出力をインバータを用いて交流電力に変換し、交流電力を出力する第１電源回路と、を備える。前記Ｕ相用電池ストリング、前記Ｖ相用電池ストリング、前記Ｗ相用電池ストリング、および前記第１電池ストリングの各々は、直列接続された複数の電池回路モジュールを含む。前記複数の電池回路モジュールの各々は、電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列に接続された第１スイッチと、前記電池に直列に接続された第２スイッチと、を含み、前記第１スイッチがＯＦＦ状態かつ前記第２スイッチがＯＮ状態であるときに前記出力端子に前記電池の電圧が印加されるように構成されている。前記第１電池ストリングに含まれる前記電池の出力密度は、前記Ｕ相用電池ストリング、前記Ｖ相用電池ストリング、および前記Ｗ相用電池ストリングに含まれる前記電池の出力密度よりも高い。

この構成によれば、電池回路モジュールの第１スイッチと第２スイッチを状態を制御することにより、電池ストリングの出力電圧を制御できる。交流スウィープユニットのＵ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングは、Ｙ結線されているので、各電池ストリングの出力電圧を制御することにより、交流電力（たとえば三相交流電力）を出力することができる。第１電池ストリングから出力される直流電力をインバータを用いて交流電力に変換することにより、第１電源回路から交流電力を出力することができる。

交流スウィープユニットは、電池回路モジュールの第１スイッチおよび第２スイッチの制御により交流電力を出力しているので、比較的効率が悪く、最大出力（最大電力）を抑えることが望ましい。第１電源回路では、インバータを用いて交流電力を出力するので、交流スウィープユニットより効率が高い。第１電池ストリングに含まれる電池は、Ｕ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングに含まれる電池より、出力密度が高いので、高出力が要求されるとき、第１電源回路から、好適に交流電力を出力することが可能になる。

Ｕ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングに含まれる電池のエネルギー密度は、第１電池ストリングに含まれる電池のエネルギー密度よりも高い。

この構成によれば、要求される出力が比較的低く長時間の出力が要求されるとき、交流スウィープユニットから、好適に交流電力を出力することができる。これにより、電源システムの出力特性（特に、出力電力および出力持続時間）を幅広く変更することが可能になる。また、出力密度の高いパワー型電池とエネルギー密度の高いエネルギー型電池とを組み合わせることで、各電池に得意な出力（高出力／長期出力）を行わせることが可能になる。これにより、エネルギー型電池単独あるいはパワー型電池単独の電源システムよりも、安価に高出力かつ高容量の電源システムを提供することができる。

第１電池ストリングに含まれる電池は、ニッケル水素電池であり、Ｕ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングに含まれる前記電池は、リチウムイオン電池である。

現在普及している電動車両では、走行用電力を蓄える電池として、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池のいずれかが使用されることが多い。また、電池特性として、一般的に、ニッケル水素電池は高出力・低容量型であり、リチウムイオン電池は低出力・高容量型である。このため、電動車両で使用されたニッケル水素電池およびリチウムイオン電池を再利用して、本開示の電源システムを構成することが可能になる。

交流スウィープユニット、第１電源回路を制御する制御装置を備え、制御装置は、要求される電力が所定値より大きい場合、第１電源回路から交流電力を出力するよう構成してもよい。

この構成によれば、高出力が要求されるとき、出力密度が高い電池を含む第１電源回路から、好適に交流電力を出力することができる。

交流スウィープユニットおよび第１電源回路は、外部電源と電気的に接続可能に構成され、制御装置は、交流スウィープユニットおよび第１電源回路の入出力電力によって外部電源の電力調整を行うように交流スウィープユニットおよび第１電源回路を制御し、電力調整において求められる、応動時間および調整時間に応じて、外部電源と交流スウィープユニットの接続／遮断、および、外部電源と第１電源回路の接続／遮断を制御するよう構成されてもよい。

この構成によれば、本開示の電源システムを用いて、外部電源の電力調整を行うことができる。電力調整において求められる、応動時間および調整時間に応じて、外部電源と交流スウィープユニットの接続／遮断、および、外部電源と第１電源回路の接続／遮断を制御するので、電源システムに要求される出力電力および出力持続時間に幅広く対応することが可能になる。

本開示によれば、電池ストリングを用いて、交流電力を出力する電源システムを提供することができる。

本実施の形態に係る電源システム１の構成を示す図である。 スウィープユニットＳＵの構成を示す図である。 ゲート信号によって制御される電池回路モジュールＭの動作の一例を示すタイムチャートである。 稼働状態の電池回路モジュールＭを示す図である。 遅延期間における電池回路モジュールＭの状態を示す図である。 停止期間における電池回路モジュールＭの状態を示す図である。 第１インバータ５０の構成を示す図である。 交流スウィープユニット３の構成を示す図である。 サーバ２００から電力の出力を要求されたとき、ＧＣＵ１００が実行する処理の一例を示すフローチャートである。 サーバ２００から電力の調整要求がなされた際、ＧＣＵ１００が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。電源システム１は、第１電源回路２と、交流スウィープユニット３と、ＧＣＵ（Group Control Unit）１００とを備える。

第１電源回路２は、第１直流スウィープユニット１０と、第２直流スウィープユニット２０と、第３直流スウィープユニット３０と、第１インバータ５０と、第２インバータ６０と、第３インバータ７０を備える。本実施の形態において、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０、第３直流スウィープユニット３０および交流スウィープユニット３の間で、ＳＣＵ（String Control Unit）Ｄ１～Ｄ３、Ａ１～Ａ６および電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ９の構成は、実質的に同一であるので、これらの構成について図２を用いて説明する。以下において、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ９を区別しない場合、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ９を「電池ストリングＳｔ」と称し、ＳＣＵＤ１～Ｄ３、Ａ１～Ａ９を区別しない場合、ＳＣＵＤ１～Ｄ３、Ａ１～Ａ９を単に「ＳＣＵ」と称する。また、ＳＣＵと電池ストリングＳｔとを含む構成を「スウィープユニットＳＵ」と称する。

図２は、スウィープユニットＳＵの構成を示す図である。スウィープユニットＳＵは、ＳＣＵと、駆動回路ＳＵＡと、電池ストリングＳｔとを備える。電池ストリングＳｔは、複数の電池回路モジュールＭを備える。本実施の形態において、電池ストリングＳｔに含まれる電池回路モジュールＭの数は２２個であるが、その数は任意であり、５～５０個であってもよいし、１００個以上であってもよい。本実施の形態では、各電池ストリングＳｔが同じ数の電池回路モジュールＭを含むが、電池ストリングＳｔごとに電池回路モジュールＭの数が異なっていてもよい。

電池回路モジュールＭの各々は、電力回路ＳＵＢと、カートリッジＣｇとを含む。カートリッジＣｇは、電池Ｂと、監視ユニットＢＳとを含む。電力回路ＳＵＢと電池Ｂと接続されることによって、電池Ｂを含む電池回路モジュールＭが形成されている。駆動回路ＳＵＡは、電池回路モジュールＭに含まれるスイッチ（より特定的には、後述するＳＷ１１およびＳＷ１２）を駆動するように構成される。電池Ｂは、ニッケル水素二次電池、あるいは、リチウムイオン二次電池であってよく、電動車両で使用された二次電池を直列に接続することにより、電池Ｂを製造してよい。

図２に示すように、電池回路モジュールＭは、電力回路ＳＵＢと、カートリッジＣｇと、遮断器ＲＢ１およびＲＢ２（以下、区別しない場合は「遮断器ＲＢ」と称する）とを含む。電力回路ＳＵＢとカートリッジＣｇとは、遮断器ＲＢ１およびＲＢ２を介して、互いに接続されている。ＳＣＵは、ＧＣＵ５００からの制御指令に従って各遮断器ＲＢをＯＮ／ＯＦＦ制御することによって、電力回路ＳＵＢとカートリッジＣｇとの接続状態（導通／遮断）を切り替えるように構成される。遮断器ＲＢは、電磁式のメカニカルリレーであってもよい。遮断器ＲＢは、ユーザが手動でＯＮ／ＯＦＦできるように構成されてもよい。

本実施の形態では、カートリッジＣｇは、電力回路ＳＵＢに対して着脱可能に構成される。たとえば遮断器ＲＢ１およびＲＢ２の各々がＯＦＦ状態（遮断状態）であるときに、ユーザはカートリッジＣｇを電力回路ＳＵＢから取り外してもよい。電池ストリングＳｔは空きカートリッジがあっても動作可能であるため、ユーザは、電池ストリングＳｔに含まれるカートリッジＣｇの数を増減しやすい。こうした電池ストリングＳｔは、電池の再利用に適している。

カートリッジＣｇにおいて、監視ユニットＢＳは、電池Ｂの状態（たとえば、電圧、電流、および温度）を検出して、検出結果をＳＣＵへ出力するように構成される。監視ユニットＢＳは、電池Ｂの電圧を検出する電圧センサと、電池Ｂの電流を検出する電流センサと、電池Ｂの温度を検出する温度センサとを含む。また、監視ユニットＢＳは、上記センサ機能に加えて、ＳＯＣ（State Of Charge）推定機能、ＳＯＨ（State of Health）推定機能、電池電圧の均等化機能、診断機能、および通信機能をさらに有するＢＭＳ（Battery Management System）であってもよい。ＳＣＵは、各監視ユニットＢＳの出力に基づいて、各電池Ｂの状態（たとえば、温度、電流、電圧、ＳＯＣ、および内部抵抗）を取得し、得られた各電池Ｂの状態をＧＣＵ１００へ出力する。

電池ストリングＳｔに含まれる電池回路モジュールＭは共通の電線ＰＬによって接続されている。電線ＰＬは、各電池回路モジュールＭの出力端子ＯＴ１およびＯＴ２を含む。電池回路の出力端子ＯＴ２が、当該電池回路モジュールＭに隣接する電池回路の出力端子ＯＴ１と接続されることによって、電池ストリングＳｔに含まれる電池回路モジュールＭ同士が接続されている。

電力回路ＳＵＢは、第１スイッチング素子１１（以下、「ＳＷ１１」と称する）と、第２スイッチング素子１２（以下、「ＳＷ１２」と称する）と、第１ダイオード１３と、第２ダイオード１４と、チョークコイル１５と、コンデンサ１６と、出力端子ＯＴ１およびＯＴ２とを備える。ＳＷ１１およびＳＷ１２の各々は、駆動回路ＳＵＡによって駆動される。この実施の形態に係るＳＷ１１、ＳＷ１２は、それぞれ本開示に係る「第１スイッチ」、「第２スイッチ」の一例に相当する。

電力回路ＳＵＢの出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間には、ＳＷ１１と、コンデンサ１６と、電池Ｂとが並列に接続されている。ＳＷ１１は、電線ＰＬ上に位置し、出力端子ＯＴ１と出力端子ＯＴ２との接続状態（導通／遮断）を切り替えるように構成される。出力端子ＯＴ１は電線ＢＬ１を介して電池Ｂの正極に接続されており、出力端子ＯＴ２は電線ＢＬ２を介して電池Ｂの負極に接続されている。遮断器ＲＢ１、ＲＢ２は、それぞれ電線ＢＬ１、ＢＬ２に設けられている。電線ＢＬ１には、ＳＷ１２およびチョークコイル１５がさらに設けられている。電池回路ＢＣにおいては、電池Ｂと直列に接続されたＳＷ１２がＯＮ状態（接続状態）であり、かつ、電池Ｂと並列に接続されたＳＷ１１がＯＦＦ状態（遮断状態）であるときに、出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に電池Ｂの電圧が印加される。

出力端子ＯＴ１，ＯＴ２と電池Ｂとの間には、電線ＢＬ１および電線ＢＬ２の各々に接続されたコンデンサ１６が設けられている。コンデンサ１６の一端は、ＳＷ１２とチョークコイル１５との間で電線ＢＬ１に接続されている。コンデンサ１６は、電池Ｂの電圧を平滑化して出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に出力する。

ＳＷ１１およびＳＷ１２の各々は、たとえばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。第１ダイオード１３、第２ダイオード１４は、それぞれＳＷ１１、ＳＷ１２に対して並列に接続されている。ＳＷ１２は、出力端子ＯＴ１とチョークコイル１５との間に位置する。チョークコイル１５は、ＳＷ１２と電池Ｂの正極との間に位置する。電池Ｂ、チョークコイル１５、およびコンデンサ１６によってＲＣＬフィルタが形成される。このＲＣＬフィルタによって電流の平準化が図られる。なお、ＳＷ１１およびＳＷ１２の各々は、ＦＥＴに限られず、ＦＥＴ以外のスイッチであってもよい。

ＳＣＵは、ＧＣＵ１００からの制御指令に従ってゲート信号を生成する。駆動回路ＳＵＡは、電池回路モジュールＭごとに設けられており、ゲート信号に従ってＳＷ１１およびＳＷ１２を駆動するＧＤ（ゲートドライバ）８１と、ゲート信号を遅延させる遅延回路８２とを含む。電池回路モジュールＭに含まれるＳＷ１１およびＳＷ１２の各々は、ゲート信号に従ってＯＮ／ＯＦＦ制御される。

図３は、ゲート信号によって制御される電池回路モジュールＭの動作の一例を示すタイムチャートである。この実施の形態では、ＳＷ１１およびＳＷ１２を駆動するためのゲート信号として、矩形波信号を採用する。図３中に示されるゲート信号の「Ｌｏｗ」、「Ｈｉｇｈ」は、それぞれゲート信号（矩形波信号）のＬレベル、Ｈレベルを意味する。また、「出力電圧」は、出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に出力される電圧を意味する。

電池回路モジュールＭの初期状態では、駆動回路ＳＵＡにゲート信号が入力されず（ゲート信号＝Ｌレベル）、ＳＷ１１、ＳＷ１２がそれぞれＯＮ状態、ＯＦＦ状態になっている。

駆動回路ＳＵＡにゲート信号が入力されると、ＧＤ３１が、入力されたゲート信号に従ってＳＷ１１およびＳＷ１２を駆動する。図３に示す例では、タイミングｔ１で、ゲート信号がＬレベルからＨレベルに立ち上がり、ゲート信号の立ち上がりと同時にＳＷ１１がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる。そして、ゲート信号の立ち上がりから所定の時間（以下、「ｄｔ１」と表記する）だけ遅れたタイミングｔ２で、ＳＷ１２がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。これにより、電池回路モジュールＭが駆動状態になる。以下、ゲート信号の立ち上がりからｄｔ１が経過するまでの期間を、「第１遅延期間」とも称する。

図４は、駆動状態の電池回路モジュールＭを示す図である。駆動状態の電池回路ＢＣでは、ＳＷ１１がＯＦＦ状態かつＳＷ１２がＯＮ状態になることで、出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に電池Ｂの電圧が印加される。電池Ｂの電圧がコンデンサ１６を介して出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に印加されることで、電圧Ｖｍが出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に出力される。

図３を参照して、タイミングｔ３で、ゲート信号がＨレベルからＬレベルに立ち下がると、ゲート信号の立ち下がりと同時にＳＷ１２がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる。これにより、電池回路モジュールＭが停止状態になる。停止状態の電池回路モジュールＭでは、ＳＷ１２がＯＦＦ状態になることで、出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に電池Ｂの電圧が印加されなくなる。その後、ゲート信号の立ち下がりから所定の時間（以下、「ｄｔ２」と表記する）だけ遅れたタイミングｔ４で、ＳＷ１１がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。ｄｔ１とｄｔ２とは互いに同じであっても異なってもよい。この実施の形態では、ｄｔ１およびｄｔ２の各々を１００ｎ秒とする。ただし、ｄｔ１およびｄｔ２の各々は任意に設定できる。

以下、ゲート信号の立ち下がりからｄｔ２が経過するまでの期間を、「第２遅延期間」とも称する。また、第２遅延期間終了から電池回路モジュールＭが稼働状態になるまでの期間を、「停止期間」とも称する。

図５は、遅延期間における電池回路モジュールＭの状態を示す図である。図５に示すように、第１遅延期間および第２遅延期間の各々では、ＳＷ１１およびＳＷ１２の両方がＯＦＦ状態になる。

図６は、停止期間における電池回路モジュールＭの状態を示す図である。図６に示すように、停止期間では、初期状態と同様、ＳＷ１１がＯＮ状態かつＳＷ１２がＯＦＦ状態になる。

上記遅延期間および停止期間のいずれの期間においても、電池回路モジュールＭは停止状態になっている。停止状態の電池回路モジュールＭでは、出力端子ＯＴ１およびＯＴ２間に電圧が印加されない。第１遅延期間および第２遅延期間が設けられていることで、ＳＷ１１およびＳＷ１２が同時にＯＮ状態になること（すなわち、電池回路モジュールＭが短絡状態になること）が抑制される。

電池ストリングＳｔに含まれる電池回路モジュールＭを、上述のように制御することにより、駆動状態の電池回路モジュールＭの数を調整することができ、電池ストリングＳｔの出力電圧を制御することができる。これにより、スウィープユニットＳＵは、０Ｖから、電池ストリングＳｔに含まれる各電池Ｂの電圧の総和までの電圧を出力可能に構成される。

図１を参照して、第１直流スウィープユニット１０は、上述のように構成されたスウィープユニットＳＵであり、電池ストリングＳｔ１とＳＵＤＤ１とを含む。電池ストリングＳｔ１に含まれる電池回路モジュールＭの電池Ｂは、ニッケル水素二次電池である。第１直流スウィープユニット１０から出力された直流電力は、第１インバータ５０に入力される。図７は、第１インバータ５０の構成を示す図である。第１インバータ５０は、三相インバータであり、Ｕ相アームに互いに直列に接続されたスイッチング素子ｑ１、ｑ２と、Ｖ相アームに互いに直列に接続されたスイッチング素子ｑ３、ｑ４と、Ｗ相アームに互いに直列に接続されたスイッチング素子ｑ５、ｑ６とを備える。スイッチング素子ｑ１～ｑ６のコレクタ－エミッタ間には、ダイオードｄ１～ｄ６が逆並列にそれぞれ接続されている。

第１インバータ５０の各相アームの中間点は、絶縁フィルタＴ１に接続されており、さらに、リレーＲ１および分電盤Ｃ１を介して、電力系統ＰＧに接続される（図１参照）。第１インバータ５０の各スイッチング素子ｑ１～ｑ６は、ＧＣＵ１００からの制御指令によって、たとえば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によりＯＮ／ＯＦＦされる。第１インバータ５０は、第１直流スウィープユニット１０から出力される直流電力を交流電力（三相交流電力）に変換して電力系統ＰＧへ供給する。また、第１インバータ５０は、電力系統ＰＧから供給される交流電力（三相交流電力）を、直流電力に変換して第１直流スウィープユニット１０に供給し、電池ストリングＳｔ１の電池Ｂを充電する。本実施の形態において、第１インバータ５０は、電動車両の三相同期電動機を駆動するために使用された三相インバータを再利用している。

図１において、電池ストリングＳｔ２とＳＣＵＤ２とを含む第２直流スウィープユニット２０、および、電池ストリングＳｔ３とＳＣＵＤ３とを含む第３直流スウィープユニット３０は、第１直流スウィープユニット１０と同じ構成である。第２直流スウィープユニット２０に接続される第２インバータ６０、および、第３直流スウィープユニット３０に接続される第３インバータ７０は、第１インバータ５０と同じ構成である。第１インバータ５０、第２インバータ６０、および第３インバータ７０の各相アームの中間点は、電力線で接続されており、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０、および第３直流スウィープユニット３０は、絶縁フィルタＴ１と（電気的に）並列に接続されている。これにより、第１電源回路２は、並列に接続された、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０、および第３直流スウィープユニット３０から、（第１～第３インバータ５０～７０を用いて）交流電力（三相交流電力）を出力する。

図８は、交流スウィープユニット３の構成を示す図である。第１のＵ相用電池ストリングＳｔ４とＳＣＵＡ１は、図２で説明したスウィープユニットＳＵと実質的に同一の構成である。「第２のＵ相用電池ストリングＳｔ５とＳＣＵＡ２」、「第１のＶ相用電池ストリングＳｔ６とＳＣＵＡ３」、「第２のＶ相用電池ストリングＳｔ７とＳＣＵＡ４」、「第１のＷ相用電池ストリングＳｔ８とＳＣＵＡ５」、および「第２のＷ相用電池ストリングＳｔ９とＳＣＵＡ６」も、同様である。

本実施の形態において、第１のＵ相用電池ストリングＳｔ４、第１のＶ相用電池ストリングＳｔ６、および第１のＷ相用電池ストリングＳｔ８に含まれる電池回路モジュールＭの電池Ｂは、三元系（ＮＭＣ）のリチウムイオン二次電池である。また、第２のＵ相用電池ストリングＳｔ５、第２のＶ相用電池ストリングＳｔ７、および第２のＷ相用電池ストリングＳｔ９に含まれる電池回路モジュールＭの電池Ｂは、リン酸鉄系（ＬＦＰ）のリチウムイオン二次電池である。

図８において、第１のＵ相用電池ストリングＳｔ４の正極端子と第２のＵ相用電池ストリングＳｔ５の正極端子とは、電力線ＰＬｕに接続されている。第１のＶ相用電池ストリングＳｔ６の正極端子と第２のＶ相用電池ストリングＳｔ７の正極端子とは、電力線ＰＬｖに接続されている。第１のＷ相用電池ストリングＳｔ８の正極端子と第２のＷ相用電池ストリングＳｔ９の正極端子とは、電力線ＰＬｗに接続されている。また、各電池ストリングＳｔ４～Ｓｔ９の負極端子は、中性点Ｎ１に接続されている。これにより、交流スウィープユニット３は、「並列に接続された第１のＵ相用電池ストリングＳｔ４および第２のＵ相用電池ストリングＳｔ５」と、「並列に接続された第１のＶ相用電池ストリングＳｔ６および第２のＶ相用電池ストリングＳｔ７」と、「並列に接続された第１のＷ相用電池ストリングＳｔ８および第２のＷ相用電池ストリングＳｔ９」とがＹ結線された構成を備える。

ＳＣＵＡ１～Ａ６は、ＧＣＵ１００からの制御指令により、各電池ストリングＳｔ４～Ｓｔ９のストリング電圧（出力電圧）を、図８の下方に示した電圧波形になるように制御する。図８において、線Ｌ１１は、第１のＵ相用電池ストリングＳｔ４および第２のＵ相用電池ストリングＳｔ５のストリング電圧でありる。線Ｌ１２は、第１のＶ相用電池ストリングＳｔ６および第２のＶ相用電池ストリングＳｔ７のストリング圧である。線Ｌ１３は、第１のＷ相用電池ストリングＳｔ８および第２のＷ相用電池ストリングＳｔ９のストリング電圧である。線Ｌ１１、線Ｌ１２、および線Ｌ１３は、位相が１２０°ずれた正弦波であり、その周波数は６０Ｈｚである。

このように、各電池ストリングＳｔ４～Ｓｔ９のストリング電圧が制御されることにより、電力線ＰＬｕ、ＰＬｖ、およびＰＬｗの線間電圧は、図８の上方に示した電圧波形になる。図８において、線Ｌ２１は電力線ＰＬｕと電力線ＰＬｖの線間電圧「Ｖｕｖ」を示し、線Ｌ２２は電力線ＰＬｗと電力線ＰＬｕの線間電圧「Ｖｗｕ」を示し、線Ｌ２３は電力線ＰＬｖと電力線Ｐｌｗの線間電圧「Ｖｖｗ」を示している。各線間電圧は、周期的に極性（正／負）が変わる正弦波交流波形になる。これにより、交流スウィープユニット３から、交流電力（三相交流電力）が出力される。

図１を参照して、第１電源回路２から出力された交流電力は、絶縁フィルタＴ１、リレーＲ１、および分電盤Ｃ１を介して、電力系統ＰＧに供給される。交流スウィープユニット３から出力された交流電力は、絶縁フィルタＴ２、リレーＲ２、および分電盤Ｃ１を介して、電力系統ＰＧに供給される。

絶縁フィルタＴ１および絶縁フィルタＴ２は、たとえば、ＬＣＬフィルタと三相トランスとを含む。絶縁フィルタＴ１および絶縁フィルタＴ２は、ＬＣＬフィルタによって三相交流成分のノイズ成分を低減し、三相トランスによって三相交流電力を所定の電圧（たとえば、２００Ｖ）に変換するとともに入力側と出力側との絶縁を行う。

リレーＲ１およびリレーＲ２は、電磁式のメカニカルリレーであってよく、ＧＣＵ１００によってリレーＲ１のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、第１電源回路２と電力系統ＰＧとの接続（並列）／遮断（解列）を行う。また、ＧＣＵ１００によってリレーＲ２のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、交流スウィープユニット３と電力系統ＰＧとの接続／遮断を行う。

分電盤Ｃ１は、漏電遮断器および／またはブレーカを備え、第１電源回路２と交流スウィープユニット３とに含まれる電池ストリングＳｔの電池Ｂを充電する際に、電力系統ＰＧの電力を第１電源回路２と交流スウィープユニット３とに分配する。また、分電盤Ｃ１は、第１電源回路２と交流スウィープユニット３とから出力された電力を、電力系統ＰＧへ供給する。

なお、第１電源回路２に含まれる電池ストリングＳｔの電池Ｂを充電する際には、電力系統ＰＧから供給される交流電力を第１～第３インバータ５０～７０が直流電力に変換することで電池Ｂを充電する。交流スウィープユニット３に含まれる電池ストリングＳｔの電池Ｂを充電する際には、電力系統ＰＧから供給される交流電圧に対して電池ストリングＳｔの電圧が少し低くなるようにＳＣＵＡ１～Ａ６がＳＷ１１およびＳＷ１２を制御することで電池Ｂを充電する。

電力系統ＰＧに供給された第１電源回路２の交流電力と交流スウィープユニット３の交流電力とは、電力系統ＰＧの交流電力とともに、分電盤Ｃ２を介して構内または宅内の配線に供給される。

サーバ２００は、電力会社（発電事業者および送配電事業者）によって提供される電力系統ＰＧ（電力網）の需給を管理する。サーバ２００は、ＧＣＵ１００と通信可能に構成され、必要に応じて、ＧＣＵ１００に電力系統ＰＧの電力調整を要求する。ＧＣＵ１００は、サーバ２００からの要求を受け、スウィープユニットＳＵのＳＵＣと、第１～第３インバータ５０～７０と、リレーＲ１、Ｒ２とを制御し、第１電源回路２および交流スウィープユニット３の入出力電力を調整する。

図９は、サーバ２００から電力の出力を要求されたとき、ＧＣＵ１００が実行する処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、ＧＣＵ１００がサーバ２００から出力要求を受信すると実行される。サーバ２００から出力要求を受信すると、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０において、要求電力がα以下か否かを判定する。αは、電源システム１が有する電池ストリングＳｔの数等の仕様によって、予め設定されている値であり、たとえば、１０ｋＷであってよい。要求出力がα以下の場合は、Ｓ１０で肯定判定されＳ１１へ進む。

Ｓ１１では、ＧＣＵ１００は、交流スウィープユニット３から交流電力を出力し、電力系統ＰＧへ供給する。また、ＧＣＵ１００は、リレーＲ２をＯＮとして、交流スウィープユニット３と電力系統ＰＧを接続（並列）するとともに、ＳＣＵＡ１～Ａ６によって電池ストリングＳｔ４～Ｓｔ９のＳＷ１１およびＳＷ１２を制御し、交流スウィープユニット３から交流電力（三相交流電力）を出力する。

要求電力がαより大きい場合、Ｓ１０で否定判定されＳ１２へ進む。Ｓ１２では、ＧＣＵ１００は、要求電力がβ以下か否かを判定する。βは、電源システム１が有する電池ストリングＳｔの数等の仕様によって、予め設定されている値であり、たとえば、２５ｋＷであってよい。要求電力がβ以下の場合は、Ｓ１２で肯定判定されＳ１３へ進む。

Ｓ１３では、ＧＣＵ１００は、第１電源回路２から交流電力を出力し、電力系統ＰＧへ供給する。ＧＣＵ１００は、リレーＲ１をＯＮとして、第１電源回路２と電力系統ＰＧを接続（並列）する。ＧＣＵ１００は、ＳＣＵＤ１～Ｄ３によって電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３のＳＷ１１およびＳＷ１２を制御することにより、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０および第３直流スウィープユニット３０から直流電力を出力させる。ＧＣＵ１００は、その直流電力を第１～第３インバータ５０～７０を用いて交流電力に変換させ、その交流電力（三相交流電力）を電力系統ＰＧに供給する。これにより、要求電力がαより大きくβ以下のときには、第１電源回路２から電力系統ＰＧに交流電力が供給される。

要求電力がβより大きい場合、Ｓ１２で否定判定されＳ１４へ進む。Ｓ１４では、ＧＣＵ１００は、第１電源回路２と交流スウィープユニット３とから交流電力を出力させて電力系統ＰＧへ供給する。

第１電源回路２に含まれる、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０および第３直流スウィープユニット３０の電池ストリングＳｔの電池Ｂは、ニッケル水素二次電池である。交流スウィープユニット３の電池ストリングＳｔの電池Ｂは、リチウムイオン二次電池である。電池の特性上、ニッケル水素二次電池の出力密度（Ｗ／ｋｇ）は、リチウムイオン二次電池の出力密度より大きい。また、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）は、ニッケル水素二次電池のエネルギー密度より大きい。このため、ニッケル水素二次電池は、ラゴンプロットにおいて、左上の領域に位置し、パワー型（出力型）電池であるといえる。また、リチウムイオン二次電池は、ラゴンプロットにおいて、右下の領域に位置し、エネルギー型（容量型）電池であるといえる。

交流スウィープユニット３では、電池ストリングＳｔのＳＷ１１およびＳＷ１２を数十ｋＨｚで制御し、交流電力を出力しているので、効率が悪く（効率が低く）、最大出力（最大電力）を抑えることが望ましい。このため、交流スウィープユニット３の出力（パワー（Ｗ））を大きくするには、電池ストリングＳｔの並列数を多くする必要があり、コストの増大を招く。このため、交流スウィープユニット３の電池ストリングＳｔの電池Ｂは、低レートで充放電するよう使用することが好ましい。したがって、交流スウィープユニット３の電池ストリングＳｔの電池Ｂは、エネルギー密度が大きい、エネルギー型電池が望ましく、本実施の形態では、リチウムイオン二次電池を用いている。

これに対して、第１電源回路２では、インバータを用いて交流電力を出力しているので、比較的効率が高く、最大出力を大きくすることが可能である。したがって、第１電源回路２の電池ストリングＳｔの電池Ｂ（第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０および第３直流スウィープユニット３０の電池ストリングＳｔの電池Ｂ）として、出力密度が大きいパワー型電池を用いることにより、第１電源回路２から大きな出力（パワー（Ｗ））を出力することができるので、本実施の形態では、ニッケル水素二次電池を用いている。

図９の例によれば、要求電力がαより大きく、電源システム１から出力する電力が大きい場合には、第１電源回路２から交流電力を出力することができる（Ｓ１３）。また、要求電力がα以下の場合、交流スウィープユニット３から交流電力が出力される（Ｓ１１）。この場合、交流スウィープユニット３のエネルギー密度（交流スウィープユニット３の電池ストリングＳｔの電池Ｂのエネルギー密度）が大きく、容量が大きいので、長時間に亘って交流電力を出力することができる。なお、要求電力がβより大きい場合、第１電源回路２と交流スウィープユニット３の両方から交流電力を出力することにより（Ｓ１４）、要求電力を満足する交流電力を出力することが可能になる。

図１０は、サーバ２００から電力の調整要求がなされた際、ＧＣＵ１００が実行する処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、ＧＣＵ１００がサーバ２００から調整要求を受信すると実行される。サーバ２００から要求される調整力は、周波数変動および需給インバランスを抑制するための発電機出力等の出力調整が可能な電力量であり、周波数調整力と需給調整力に大別される。周波数調整力は、秒から分単位までの周波数変動に応じて出力調整されるガバナフリーや負荷周波数制御：ＬＦＣ（Load Frequency Control）であり、需給調整力は、分単位以上の長周期の電力需給インバランスを解消する経済負荷配分制御：ＥＤＣ（Economic Load Dispatching Control）である。周波数調整力は、指令値までの出力変化（応動時間）が速く、出力継続時間は比較的短い。需給調整力は、応動時間が遅く、出力継続時間が比較的長い。

図１０を参照して、Ｓ２０では、ＧＣＵ１００は、調整要求が周波数調整力か否かを判定する。調整要求が周波数調整力であり、肯定判定されると、Ｓ２１へ進む。周波数調整力が要求されていない場合、否定判定され、Ｓ２２へ進む。

Ｓ２１では、ＧＣＵ１００は、第１電源回路２を稼働する。すなわち、ＧＣＵ１００は、リレーＲ１をＯＮとして、第１電源回路２と電力系統ＰＧとを（並列）接続する。調整要求が下げＤＲ（デマンドレスポンス）の場合、ＧＣＵ１００は、ＳＣＵＤ１～Ｄ３によって電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３のＳＷ１１およびＳＷ１２を制御することにより、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０および第３直流スウィープユニット３０から直流電力を出力させる。ＧＣＵ１００は、その直流電力を第１～第３インバータ５０～７０を用いて交流電力に変換し、その交流電力（三相交流電力）を電力系統ＰＧに供給する。調整要求が上げＤＲの場合、ＧＣＵ１００は、第１～第３インバータ５０～７０を用いて電力系統ＰＧの交流電力を直流電力に変換する。ＧＣＵ１００は、ＳＣＵＤ１～Ｄ３によって電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３のＳＷ１１およびＳＷ１２を制御することにより、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０および第３直流スウィープユニット３０に含まれる電池Ｂを適宜充電する。Ｓ２１の次はＳ２２へ進む。

Ｓ２２では、ＧＣＵ１００は、調整要求が需給調整力か否かを判定する。調整要求が需給調整力であり、肯定判定されると、Ｓ２３へ進む。周波数調整力が要求されていない場合、否定判定され、今回のルーチンを終了する。

Ｓ２３では、ＧＣＵ１００は、交流スウィープユニット３を稼働する。すなわち、ＧＣＵ１００は、リレーＲ２をＯＮとして、交流スウィープユニット３と電力系統ＰＧとを（並列）接続する。調整要求が下げＤＲ（デマンドレスポンス）の場合、ＧＣＵ１００は、ＳＣＵＡ１～Ａ６によって電池ストリングＳｔ４～Ｓｔ９のＳＷ１１およびＳＷ１２を制御することにより、交流スウィープユニット３から交流電力（三相交流電力）を出力させる。調整要求が上げＤＲの場合、ＧＣＵ１００は、電力系統ＰＧから供給される交流電圧に対して電池ストリングＳｔの電圧が少し低くなるようにＳＣＵＡ１～Ａ６によりＳＷ１１およびＳＷ１２を制御し、交流スウィープユニット３に含まれる電池ストリングＳｔの電池Ｂを適宜充電する。

なお、需給調整市場で扱う調整力は、指令値までの出力変化（応動時間）が速く、出力継続時間が短い順に一次調整力、二次調整力（１）、二次調整力（２）、三次調整力（１）および三次調整力（２）に分けられる。一次調整力に相当するガバナフリーでは、系統周波数の変化に対応して出力を増減させ、二次調整力（１）に相当するＬＦＣでは、負荷変動に起因する周波数変動を調整する。二次調整力（２）および三次調整力（１）に相当するＥＤＣでは、最経済となるよう発電機へ出力を配分する。なお、三次調整力（２）は、低速枠の調整力と位置付けられている。このため、要求調整力が一次調整力、二次調整力（１）のときには、調整要求が周波数調整力であると扱い、それ以外の調整力の場合に、調整要求が需給調整力であると扱ってよい。

図１０の例によれば、応動時間が速く、高い応答性が求められる周波数調整力には、第１電源回路２を稼働することにより、調整要求に応える。第１電源回路２の電池ストリングＳｔ（第１～第３直流スウィープユニット１０～３０の電池ストリングＳｔ）の電池Ｂは、出力密度の高い（パワー型の）ニッケル水素二次電池であるので、周波数変動を好適に抑制することができる。需給調整力は調製時間が長く、比較的容量が大きな電源システムが求められる。調整時間が長く、容量が求められる需要調整力には、交流スウィープユニット３を稼働することにより、調整要求に応える。交流スウィープユニット３の電池ストリングＳｔの電池Ｂは、エネルギー密度の高い（容量型の）リチウムイオン二次電池であるので、需要調整に好適に応えることが可能になる。このように、図１０の例によれば、電力調整において求められる、応動時間および調整時間に応じて、電力系統ＰＧと交流スウィープユニット３の接続／遮断、および、電力系統ＰＧと第１電源回路２の接続／遮断が制御される。

本実施の形態によれば、第１～第３直流スウィープユニット１０～３０の出力を第１～第３インバータ５０～７０を用いて交流電力に変換し、交流電力を出力する第１電源回路２の電池ストリングＳｔの電池として、出力密度の高いニッケル水素二次電池を使用している。また、Ｙ結線された、第１、第２Ｕ相用電池ストリングＳｔ４、Ｓｔ５、第１、第２Ｖ相用電池ストリングＳｔ６、Ｓｔ７、および第１、第２Ｗ相用電池ストリングＳｔ８、Ｓｔ９から、交流電力を出力する交流スウィープユニット３の電池Ｂとして、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池を使用している。したがって、本実施の形態の電源システム１では、パワー型電池（ニッケル水素二次電池）とエネルギー型電池（リチウムイオン二次電池）とを組み合わせることで、各電池に得意な出力(高出力／長期出力)を行わせることが可能になる。これにより、エネルギー型電池単独あるいはパワー型電池単独の電源システムよりも、安価に高出力かつ高容量の電源システム１を提供することができる。

本実施の形態では、交流スウィープユニット３は、電池ストリングＳｔをＹ結線することで、交流（三相交流）を出力している。インバータを用いていないので、コストを削減することができる。

本実施の形態では、第１電源回路２では、第１直流スウィープユニット１０、第２直流スウィープユニット２０、および第３直流スウィープユニット３０が並列に接続されている。第１～第３直流スウィープユニット１０～３０は、本開示の「直流スウィープユニット」に相当し、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３は、本開示の「第１電池ストリング」に相当する。本実施の形態では、直流スウィープユニットを３個並列に接続していたが、直流スウィープユニットの数は、１個であってもよく、４個以上であってもよい。

本実施の形態では、交流スウィープユニット３において、Ｕ相用電池ストリングとして、第１および第２のＵ相用電池ストリングＳｔ４、Ｓｔ５を使用し、Ｖ相用電池ストリングとして、第１および第２のＶ相用電池ストリングＳｔ６、Ｓｔ７を使用し、Ｗ相用電池ストリングとして、第１および第２のＷ相用電池ストリングＳｔ８、Ｓｔ５９を使用している。Ｕ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングの数は、１個であってもよく、３個以上であってもよい。

本実施の形態では、第１のＵ相用電池ストリングＳｔ４、第１のＶ相用電池ストリングＳｔ６、および第１のＷ相用電池ストリングＳｔ８の電池Ｂに、三元系（ＮＭＣ）のリチウムイオン二次電池を使用し、第２のＵ相用電池ストリングＳｔ５、第２のＶ相用電池ストリングＳｔ７、および第２のＷ相用電池ストリングＳｔ９の電池Ｂに、リン酸鉄系（ＬＦＰ）のリチウムイオン二次電池を使用していたが、各電池ストリングＳｔのリチウムイオン二次電池の種類は任意であってよく、各タイプのリチウムイオン二次電池が混在していてもよい。

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、上記した実施の形態の説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電源システム、２ 第１電源回路、３ 交流スウィープユニット、１０ 第１直流スウィープユニット、１１ 第１スイッチング素子、１２ 第２スイッチング素子、１３ 第１ダイオード、１４ 第２ダイオード、１５ チョークコイル、１６ コンデンサ、２０ 第２直流スウィープユニット、３０ 第３直流スウィープユニット、５０、６０、７０ インバータ、８１ ゲートドライバ、８２ 遅延回路、１００ ＧＣＵ、２００ サーバ、Ａ１～Ａ６ ＳＣＵ、Ｂ 電池、ＢＣ 電池回路、ＢＳ 監視ユニット、Ｃｇ カートリッジ、Ｃ１、Ｃ２ 分電盤、Ｄ１～Ｄ３ ＳＣＵ、Ｍ 電池回路モジュール、ＯＴ１、ＯＴ２ 出力端子、ＰＧ 電力系統、Ｒ１、Ｒ２ リレー、ＲＢ１、ＲＢ２ 遮断器、ＳＵＡ 駆動回路、ＳＵＢ 電力回路、ＳＷＬ１，Ｓｔ 電池ストリング、ＳＵ スウィープユニット、 Ｔ１、Ｔ２ 絶縁フィルタ。

Claims (5)

1. Ｙ結線された、Ｕ相用電池ストリング、Ｖ相用電池ストリング、およびＷ相用電池ストリングから交流電力を出力する交流スウィープユニットと、
   第１電池ストリングを含む直流スウィープユニットの出力をインバータを用いて交流電力に変換し、交流電力を出力する第１電源回路と、を備え、
   前記Ｕ相用電池ストリング、前記Ｖ相用電池ストリング、前記Ｗ相用電池ストリング、および前記第１電池ストリングの各々は、直列接続された複数の電池回路モジュールを含み、
   前記複数の電池回路モジュールの各々は、
   電池と、
   前記電池の電圧を出力する出力端子と、
   前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列に接続された第１スイッチと、
   前記電池に直列に接続された第２スイッチと、を含み、
   前記第１スイッチがＯＦＦ状態かつ前記第２スイッチがＯＮ状態であるときに前記出力端子に前記電池の電圧が印加されるように構成され、
   前記第１電池ストリングに含まれる前記電池の出力密度は、前記Ｕ相用電池ストリング、前記Ｖ相用電池ストリング、および前記Ｗ相用電池ストリングに含まれる前記電池の出力密度よりも高い、電源システム。
2. 前記Ｕ相用電池ストリング、前記Ｖ相用電池ストリング、および前記Ｗ相用電池ストリングに含まれる前記電池のエネルギー密度は、前記第１電池ストリングに含まれる前記電池のエネルギー密度よりも高い、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記第１電池ストリングに含まれる前記電池は、ニッケル水素電池であり、
   前記Ｕ相用電池ストリング、前記Ｖ相用電池ストリング、および前記Ｗ相用電池ストリングに含まれる前記電池は、リチウムイオン電池である、請求項１または請求項２に記載の電源システム。
4. 前記交流スウィープユニットおよび前記第１電源回路を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、要求される電力が所定値より大きい場合、前記第１電源回路から交流電力を出力するよう構成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電源システム。
5. 前記交流スウィープユニットおよび前記第１電源回路は、外部電源と電気的に接続可能に構成され、
   前記制御装置は、
   前記交流スウィープユニットおよび前記第１電源回路の入出力電力によって前記外部電源の電力調整を行うように前記交流スウィープユニットおよび前記第１電源回路を制御し、
   前記電力調整において求められる、応動時間および調整時間に応じて、前記外部電源と前記交流スウィープユニットの接続／遮断、および、前記外部電源と前記第１電源回路の接続／遮断を制御するよう構成されている、請求項４に記載の電源システム。

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