JP7775488B1 - 蓄電池システム - Google Patents

蓄電池システム

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Abstract

蓄電池システム(10)は、複数個の蓄電池盤(13-1~13-N)と、複数個の蓄電池盤(13-1~13-N)を制御する制御装置(12)とを備える。蓄電池盤(13-i)は、蓄電池盤(13-i)と無停電電源装置(1)との間の接続を制御するスイッチ(SW)を備える。制御装置(12)は、交流入力電源(2)から無停電電源装置(1)への電力供給が断たれた停電時において、無停電電源装置(1)に接続される負荷(6)の大きさに基づいて、複数個の蓄電池盤(13-1~13-N)のスイッチ(SW)を制御する。

Description

本開示は、蓄電池システムに関する。
従来から、通常時には交流電源からの電力を負荷に供給し、停電時には蓄電池の電力を負荷に供給する無停電電源装置が知られている(たとえば、特許文献1を参照)。停電時において電力が消費された蓄電池は、通常時において交流電源からの電力によって充電される。
特開2021-40398号公報
停電時において、蓄電池の電力を必要以上に放電すると、通常時において蓄電池を充電するのに長時間を要することになる。
それゆえに、本開示の目的は、停電時において、放電量を低減することができる蓄電池システムを提供することである。
本開示の蓄電池システムは、複数個の蓄電池盤と、複数個の蓄電池盤を制御する制御装置とを備える。蓄電池盤は、蓄電池盤と電源装置との間の接続を制御するスイッチを備える。制御装置は、他の外部電源から電源装置への電力供給が断たれた停電時において、電源装置に接続される負荷の大きさに基づいて、複数個の蓄電池盤のスイッチを制御する。
本開示によれば、制御装置は、停電時において電源装置に接続される負荷の大きさに基づいて、複数個の蓄電池盤のスイッチを制御するので、停電時において、放電量を低減することができる。
第1の実施形態の電源システムの構成を表わす図である。 蓄電池システム10の構成を表わす図である。 参考例の制御装置12Eの機能ブロック図である。 第1の実施形態の制御装置12の機能ブロック図である。 システム放電電流Isと投入台数Lとの関係を表わす図である。 第2の実施形態の制御装置12Aの機能ブロック図である。 第3の実施形態の制御装置12Bの機能ブロック図である。 第4の実施形態の制御装置12Cの機能ブロック図である。 第5の実施形態の電源システムの構成を表わす図である。 第5の実施形態の制御装置12Dの機能ブロック図である。
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の実施形態の電源システムの構成を表わす図である。
電源システムは、交流入力電源2と、無停電電源装置1と、負荷6と、蓄電池システム10とを備える。
無停電電源装置1は、外部電源である交流入力電源2および負荷6に接続される。
交流入力電源2は、無停電電源装置1に交流電力を供給する。交流入力電源2は、たとえば商用交流電源もしくは自家用発電機等によって構成される。
無停電電源装置1は、コンバータ3と、インバータ4と、チョッパ回路5とを備える。コンバータ3と、インバータ4とは、交流入力電源2と負荷6との間に直列に接続される。コンバータ3は、交流入力電源2から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ4は、コンバータ3により変換された直流電圧を交流電圧に変換する。
チョッパ回路5は、直流電圧の電圧レベルを変換して蓄電池システム10に供給する。
蓄電池システム10は、インバータ4と並列にチョッパ回路5を介してコンバータ3と接続される。
交流入力電源2から交流電力を供給されている通常時には、コンバータ3によって生成された直流電圧がチョッパ回路5を介して蓄電池システム10に蓄電されるとともに、インバータ4によって交流電圧に変換されて負荷6に供給される。一方、交流入力電源2からの交流電圧の供給が停止した停電時には、コンバータ3の運転が停止される。蓄電池システム10に蓄えられた直流電圧がチョッパ回路5を介してインバータ4に送られ、インバータ4によって交流電圧に変換されて負荷6に供給される。したがって、無停電電源装置1によれば、停電時でも蓄電池システム10に蓄えられた電力を用いて負荷6の運転を継続することができる。
図2は、蓄電池システム10の構成を表わす図である。
蓄電池システム10は、N台の蓄電池盤13-1~13-Nと、蓄電池監視盤11とを備える。以下の説明では、蓄電池盤13-1~13-Nを総称して、蓄電池盤13と記載することもある。
蓄電池盤13-i(i=1~N)は、M個のセルCL-1~CL-Mと、電流検出器51と、スイッチSWと、BMU(Battery Management Unit)53とを備える。以下の説明では、セルCL-1~CL-Mを代表して、セルCLと記載することもある。
スイッチSWがオンとなると、蓄電池盤13-iと、無停電電源装置1とが接続する。スイッチ信号S(i)がハイレベルになると、スイッチSWは、オン(投入)となる。スイッチ信号S(i)がロウベルになると、スイッチSWは、オン(開放)となる。
電流検出器51は、スイッチSWがオンのときに、蓄電池盤13-iから、無停電電源装置1に流れる電流(放電電流)Iiを検出する。電流検出器51は、検出した電流IiをBMU53に送信する。
セルCLは、リチウムイオン電池BTと、CMU(Cell Monitoring Unit)52を含む。
CMU52は、リチウムイオン電池BTの電圧(セル電圧)Vcを測定し、BMU53に送信する。
BMU53は、電圧Vc、または電流Iiなど基づいて、蓄電池盤13の故障を検出する。BMU53は、M個のリチウムイオン電池BTの電圧Vcの和を蓄電池盤13の電圧Viとして算出する。BMU53は、電流Ii、電圧Vi、蓄電池盤13の故障情報Fiを蓄電池監視盤11の制御装置12に送信する。
蓄電池監視盤11は、制御装置12を備える。制御装置12は、CPU(Central Processing Unit)と、メモリとを備える。CPUは、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、蓄電池盤13-1~13-Nを制御する。
制御装置12は、N個の蓄電池盤13-iのBMU53から、電流Ii、電圧Vi、および故障情報Fiを受信する。制御装置12は、外部電源である交流入力電源2から無停電電源装置1への電力供給が断たれた停電時において、無停電電源装置1に接続される負荷6の大きさに基づいて、N個の蓄電池盤13-1~13-NのスイッチSWを制御する。
(参考例の制御装置)
まず、参考例の制御装置12Eについて説明する。図3は、参考例の制御装置12Eの機能ブロック図である。制御装置12Eは、状態検出回路21を備える。
状態検出回路21は、蓄電池盤13-i(i=1~N)のBMU53から送られる電圧Vi、電流Ii、および故障情報Fiの少なくとも1つに基づいて、蓄電池盤13-iの状態を検出する。たとえば、状態検出回路21は、蓄電池盤13-iのBMU53から送られる電圧Viと、蓄電池盤13-1~13-NのBMU53から送られるN個の電圧V1~VNの平均値との差が閾値以上の場合に、蓄電池盤13-iが異常であると検出する。あるいは、状態検出回路21は、蓄電池盤13-iのBMU53から送られる電流Iiと、蓄電池盤13-1~13-NのBMU53から送られるN個の電流I1~INの平均値との差が閾値以上の場合に、蓄電池盤13-iが異常であると検出する。あるいは、状態検出回路21は、蓄電池盤13-iのBMU53から送られる故障情報Fiが故障を表わす場合に、蓄電池盤13-iが異常であると検出する。
状態検出回路21は、正常状態の蓄電池盤13-iのスイッチ信号S(i)をハイレベルに設定する。状態検出回路21は、異常状態の蓄電池盤13-iのスイッチ信号S(i)をロウレベルに設定する。
参考例では、停電時に、各蓄電池盤のスイッチは、その蓄電池盤に異常がない限り、投入が継続されるため、蓄電池システムは、軽負荷時でも仕様時間を超過した放電を行なう。その結果、復電後に蓄電池システムを充電するのに長時間を要する。
(第1の実施形態の制御装置)
次に、第1の実施形態の制御装置12について説明する。図4は、第1の実施形態の制御装置12の機能ブロック図である。制御装置12は、状態検出回路21と、SOC(States Of Charge)算出回路22と、投入可否判定回路23と、システム放電電流算出回路24と、投入台数決定回路25と、調整指令回路26と、スイッチ制御回路27とを備える。
状態検出回路21は、参考例と同様に蓄電池盤13-i(i=1~N)のBMU53から送られる電圧Vi、電流Ii、および故障情報Fiの少なくとも1つに基づいて、蓄電池盤13-iの状態を検出する。状態検出回路21は、正常状態の蓄電池盤13-iの投入指令信号STiをハイレベルに設定する。状態検出回路21は、異常状態の蓄電池盤13-iの投入指令信号STiをロウレベルに設定する。
SOC算出回路22は、蓄電池盤13-i(i=1~N)のBMU53から送られる電圧Viなどに基づいて、蓄電池盤13-iのSOCiを算出する。SOC算出回路22は、蓄電池盤13-iのM個のリチウムイオン電池BTの電圧Vcの平均値に基づいて、蓄電池盤13-iのSOCiを算出してもよい。
投入可否判定回路23は、蓄電池盤13-iの故障情報Fiが正常を表わし、かつ蓄電池盤13-iのSOCiが閾値以上の場合に、蓄電池盤13-iが投入可能であると判定する。投入可否判定回路23は、蓄電池盤13-iの故障情報Fiが故障を表わし、または蓄電池盤13-iのSOC-iが閾値未満の場合に、蓄電池盤13-iが投入不可能であると判定する。投入可否判定回路23は、投入可能な蓄電池盤13-iの投入可能信号Xiをハイレベルに設定する。投入可否判定回路23は、投入不可能な蓄電池盤13-iの投入可能信号Xiをロウレベルに設定する。
システム放電電流算出回路24は、蓄電池盤13-1~13-NのBMU53から送られる電流I1~INの総和をシステム放電電流Isとして算出する。システム放電電流Isの大きさは、無停電電源装置1に接続されている負荷6の大きさを表わす。システム放電電流Isが大きいほど、負荷6が大きい。
投入台数決定回路25は、システム放電電流Isに基づいて、蓄電池盤の投入台数Lを決定する。投入台数決定回路25は、システム放電電流Isの増加に基づいて、蓄電池盤の投入台数をステップ状に増加させる。
図5は、システム放電電流Isと投入台数Lとの関係を表わす図である。図5に示すように、システム放電電流IsがΔIだけ増加するごとに、投入台数が1台増加する。
調整指令回路26は、蓄電池盤の投入台数L、および蓄電池盤13-iの投入可能信号Xi(i=1~N)に基づいて、投入を維持する蓄電池盤13を決定する。調整指令回路26は、投入可能信号Xi(i=1~N)に基づいて、投入可能な蓄電池盤13の総数Rを算出する。調整指令回路26は、投入可能な蓄電池盤13の総数Rが蓄電池盤の投入台数L以上の場合に、投入可能なR台の蓄電池盤13の中から任意のL台の蓄電池盤13を投入を維持する蓄電池盤として決定し、それ以外の蓄電池盤を投入を維持しない蓄電池盤として決定する。調整指令回路26は、投入を維持する蓄電池盤13-iの調整指令信号ATiをハイレベルに設定する。調整指令回路26は、投入を維持しない蓄電池盤13-iの調整指令信号ATiをロウレベルに設定する。
調整指令回路26は、投入可能な蓄電池盤13の総数Rが蓄電池盤の投入台数L未満の場合に、蓄電池盤13-1~13-Nの調整指令信号AT1~ATNをハイレベルに設定する。
スイッチ制御回路27は、投入指令信号STiがハイレベル、かつ調整指令信号ATiがハイレベルの場合に、スイッチ信号S(i)をハイレベルに設定する。スイッチ制御回路27は、投入指令信号STiがロウレベル、または調整指令信号ATiがロウレベルの場合に、スイッチ信号S(i)をロウレベルに設定する。
以上のように、本実施の形態によれば、各蓄電池盤のスイッチの投入を制御して軽負荷時の放電時間を仕様時間に合うように調整することができる。これによって、停電時において、蓄電池盤全体の放電量を低減することができるので、復電後の充電時間を短縮することができる。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態の制御装置12Aの機能ブロック図である。第2の実施形態の制御装置12Aが、第1の実施形態の制御装置12と相違する点は、第2の実施形態の制御装置12Aが、投入時間カウンタ31を備え、調整指令回路26に代えて調整指令回路26Aを備える点である。
投入時間カウンタ31は、停電時の蓄電池盤13-iの投入時間(スイッチSWがオンの時間)の累積値Tiをカウントする。たとえば、無停電電源装置1の運用開始から現在までに3回の停電があり、蓄電池盤13-1の1回目の停電時の投入時間が10分、2回目の停電時の投入時間が0分、3回目の停電時の投入時間が5分の場合には、蓄電池盤13-1の投入時間は15分となる。たとえば、投入時間カウンタ31は、停電時においてスイッチ信号S(i)がハイレベルとなる時間をカウントすることによって、蓄電池盤13-iの投入時間(スイッチSWがオンの時間)の累積値Tiをカウントすることができる。
調整指令回路26Aは、蓄電池盤の投入台数L、蓄電池盤13-iの投入可能信号Xi(i=1~N)、および蓄電池盤13-iの投入時間の累積値Ti(i=1~N)に基づいて、投入を維持する蓄電池盤13を決定する。調整指令回路26Aは、投入可能信号Xi(i=1~N)に基づいて、投入可能な蓄電池盤13の総数Rを算出する。調整指令回路26は、投入可能な蓄電池盤13の総数Rが蓄電池盤の投入台数L以上の場合に、投入可能なR台の蓄電池盤13の中から、投入時間の累積値Tが小さいものから順番にL台の蓄電池盤13を投入を維持する蓄電池盤として決定し、それ以外の蓄電池盤を投入を維持しない蓄電池盤として決定する。調整指令回路26Aは、投入を維持する蓄電池盤13-iの調整指令信号ATiをハイレベルに設定する。調整指令回路26Aは、投入を維持しない蓄電池盤13-iの調整指令信号ATiをロウレベルに設定する。
調整指令回路26Aは、投入可能な蓄電池盤13の総数Rが蓄電池盤の投入台数L未満の場合に、蓄電池盤13-1~13-Nの調整指令信号AT1~ATNをハイレベルに設定する。
以上のように、本実施の形態によれば、SOCが閾値以上で、かつ停電時の投入時間の累積値の小さい蓄電池盤から電力が供給されるので、蓄電池盤の劣化を均等にすることができる。なお、蓄電池盤の投入時間の累積値に代えて、蓄電池盤の投入回数を用いてもよい。
(第3の実施形態)
図7は、第3の実施形態の制御装置12Bの機能ブロック図である。第3の実施形態の制御装置12Bが、第2の実施形態の制御装置12Aと相違する点は、第3の実施形態の制御装置12Bが、SOC算出回路22を備えず、投入可否判定回路23に代えて投入可否判定回路23Bを備える点である。
投入可否判定回路23Bは、蓄電池盤13-iの故障情報Fiが正常を表わす場合に、蓄電池盤13-iが投入可能であると判定する。投入可否判定回路23Bは、蓄電池盤13-iの故障情報Fiが故障を表わす場合に、蓄電池盤13-iが投入不可能であると判定する。投入可否判定回路23Bは、投入可能な蓄電池盤13-iの投入可能信号Xiをハイレベルに設定する。投入可否判定回路23Bは、投入不可能な蓄電池盤13-iの投入可能信号Xiをロウレベルに設定する。
以上のように、本実施の形態によれば、投入時間の累積値の小さい蓄電池盤から電力が供給されるので、蓄電池盤の劣化を均等にすることができる。
(第4の実施形態)
図8は、第4の実施形態の制御装置12Cの機能ブロック図である。第4の実施形態の制御装置12Cが、第1の実施形態の制御装置12と相違する点は、第4の実施形態の制御装置12Cが、状態検出回路21および調整指令回路26を備えず、スイッチ制御回路27に代えてスイッチ制御回路27Cを備える点である。
スイッチ制御回路27Cは、蓄電池盤の投入台数L、および蓄電池盤13-iの投入可能信号Xi(i=1~N)に基づいて、投入を維持する蓄電池盤13を決定する。スイッチ制御回路27Cは、投入可能信号Xi(i=1~N)に基づいて、投入可能な蓄電池盤13の総数Rを算出する。スイッチ制御回路27Cは、投入可能な蓄電池盤13の総数Rが蓄電池盤の投入台数L以上の場合に、投入可能なR台の蓄電池盤13の中からL台の蓄電池盤13を投入を維持する蓄電池盤として決定し、それ以外の蓄電池盤を投入を維持しない蓄電池盤として決定する。スイッチ制御回路27Cは、投入を維持する蓄電池盤13-iのスイッチ信号S(i)をハイレベルに設定する。スイッチ制御回路27Cは、投入を維持しない蓄電池盤13-iのスイッチ信号S(i)をロウレベルに設定する。
スイッチ制御回路27Cは、投入可能な蓄電池盤13の総数Rが蓄電池盤の投入台数L未満の場合に、蓄電池盤13-1~13-Nのスイッチ信号S(1)~S(N)をハイレベルに設定する。
以上のように、本実施の形態の蓄電池システムは、第1~第3の実施形態と異なり、状態検出回路21の検出結果に基づく異常な蓄電池盤の投入回避を行うことができない。しかし、本実施の形態の蓄電池システムは、第1~第3の実施形態と同様に、投入可否判定回路23に基づく故障状態の蓄電池盤の投入回避を行なうことができる。投入可否判定回路23に基づく故障状態の判断だけで十分な場合には、本実施の形態のように、制御装置内に状態検出回路21を設けないようにすることができる。
なお、本実施の形態においても、第3の実施形態と同様に、投入可否判定回路23に代えて、投入可否判定回路23Bを用いてもよい。
(第5の実施形態)
図9は、第5の実施形態の電源システムの構成を表わす図である。この電源システムは、無停電電源装置1と負荷6との間の配線に設けられた電流計41を備える。
電流計41は、無停電電源装置1から負荷6に流れる負荷電流ILの大きさを検出する。負荷電流ILの大きさは、負荷6の大きさを表わす。負荷電流ILが大きいほど、負荷6が大きい。
図10は、第5の実施形態の制御装置12Dの機能ブロック図である。第5の実施形態の制御装置12Dが、第1の実施形態の制御装置12と相違する点は、第5の実施形態の制御装置12Dが、システム放電電流算出回路24を備えず、投入台数決定回路25に代えて投入台数決定回路25Dを備える点である。
投入台数決定回路25Dは、負荷電流ILに基づいて、蓄電池盤の投入台数Lを決定する。投入台数決定回路25Dは、負荷電流ILの増加に基づいて、蓄電池盤の投入台数をステップ状に増加させてもよい。
以上のように、本実施の形態によれば、システム放電電流に代えて、負荷電流ILに基づいて、負荷6の大きさを検出することができる。
今回開示された実施の形態が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説明ではなくて請求の範囲によって示され、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 無停電電源装置、2 交流入力電源、3 コンバータ、4 インバータ、5 チョッパ回路、6 負荷、10 蓄電池システム、11 蓄電池監視盤、12,12A,12B,12C,12D,12E 制御装置、13 蓄電池盤、21 状態検出回路、22 SOC算出回路、23,23B 投入可否判定回路、24 システム放電電流算出回路、25,25D 投入台数決定回路、26,26A 調整指令回路、27,27C スイッチ制御回路、31 投入時間カウンタ、41 電流計、51 電流検出器、52 CMU、53 BMU、BT リチウムイオン電池、CL セル、SW スイッチ。

Claims (9)

  1. 複数個の蓄電池盤と、
    前記複数個の蓄電池盤を制御する制御装置とを備え、
    前記蓄電池盤は、
    前記蓄電池盤と、電源装置との間の接続を制御するスイッチを備え、
    前記制御装置は、他の外部電源から前記電源装置への電力供給が断たれた停電時において、前記電源装置に接続される負荷の大きさに基づいて、前記複数個の蓄電池盤のスイッチを制御し、
    前記制御装置は、前記電源装置に接続される負荷の大きさとして、前記複数個の蓄電池盤から前記電源装置に流れる電流の大きさの総和を算出し、
    前記制御装置は、前記複数個の蓄電池盤から前記電源装置に流れる電流の大きさの総和に基づいて、前記停電時において前記電源装置と接続する蓄電池盤の台数である第1の数を決定し、投入可能な蓄電池盤の総数である第2の数を算出し、前記第2の数が前記第1の数以上の場合に、投入可能な蓄電池盤の中から第1の数の蓄電池盤を投入を維持する蓄電池盤として決定し、残りの蓄電池盤を投入を維持しない蓄電池盤として決定し、前記第2の数が前記第1の数未満の場合に、すべての蓄電池盤を投入を維持する蓄電池盤に決定する、蓄電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記負荷の大きさの増加に基づいて、前記停電時において前記電源装置と接続する蓄電池盤の台数をステップ状に増加させる、請求項1記載の蓄電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記第1の数の範囲内で、前記蓄電池盤のSOCに基づいて、前記停電時において前記電源装置と接続する蓄電池盤を決定する、請求項1記載の蓄電池システム。
  4. 前記制御装置は、前記第1の数の範囲内で、前記SOCが閾値以上の蓄電池盤を前記電源装置と接続させる、請求項3記載の蓄電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記第1の数の範囲内で、過去の停電時における前記蓄電池盤と前記電源装置との接続の履歴に基づいて、前記停電時において前記電源装置と接続する蓄電池盤を決定する、請求項1記載の蓄電池システム。
  6. 前記制御装置は、前記第1の数の範囲内で、過去の停電時における前記蓄電池盤と前記電源装置との接続の時間の累積値に基づいて、前記停電時において前記電源装置と接続する蓄電池盤を決定する、請求項5記載の蓄電池システム。
  7. 前記制御装置は、正常状態の蓄電池盤の中から、前記停電時における前記蓄電池盤と接続する蓄電池盤を決定する、請求項3に記載の蓄電池システム。
  8. 前記電源装置は、無停電電源装置である、請求項1~7のいずれか1項に記載の蓄電池システム。
  9. 前記蓄電池盤は、リチウムイオン電池を備える、請求項1~7のいずれか1項に記載の蓄電池システム。
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