JPWO2015125279A1 - 電力変換システム、電力変換装置、及び蓄電装置の状態診断方法 - Google Patents

電力変換システム、電力変換装置、及び蓄電装置の状態診断方法 Download PDF

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Abstract

【課題】蓄電装置の状態診断の利便性を向上する。【解決手段】電力変換システム1は、交流電源10からの交流電力を第1直流電力に変換するAC‐DCコンバータ20と、AC‐DCコンバータ20からの第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換するDC‐DCコンバータ50と、DC‐DCコンバータ50からの第2直流電力を蓄電する蓄電装置70とを有し、DC‐DCコンバータ50は、第2直流電力における直流電圧への交流電圧の重畳、及び、第2直流電力における直流電流への交流電流の重畳の少なくとも一方を行う制御信号生成部110と、交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2、及び、交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2の少なくとも一方を検出する検出信号処理部200と、第2直流電圧検出値V2及び第2直流電流検出値I2の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の状態を診断する状態診断部120とを有する。

Description

開示の実施形態は、電力変換システム、電力変換装置、及び蓄電装置の状態診断方法に関する。
特許文献1には、二次電池の劣化の程度を判定する方法が記載されている。この二次電池の劣化判定方法では、判定対象の二次電池を交流インピーダンス法により等価回路モデルにフィッティングし、その際の低周波数側反応抵抗の抵抗値と低周波数側キャパシタのキャパシタンスとの積の逆数が小さいほど劣化の程度が大きいと判定する。
特開2012−220199号公報
上記従来技術は、蓄電装置の状態診断の利便性向上の観点において、改善の余地があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、蓄電装置の状態診断の利便性を向上できる電力変換システム、電力変換装置、及び蓄電装置の状態診断方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、電力変換システムであって、交流電源からの交流電力を第1直流電力に変換するように構成された第1電力変換装置と、前記第1電力変換装置からの前記第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換するように構成された第2電力変換装置と、前記第2電力変換装置からの前記第2直流電力を蓄電するように構成された蓄電装置と、を有し、前記第2電力変換装置は、前記第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うように構成された制御信号生成部と、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出するように構成された検出信号処理部と、前記直流電圧検出値及び前記直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断するように構成された状態診断部と、を有する電力変換システムが適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明の別の観点によれば、供給される第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換して蓄電装置に出力するように構成された電力変換装置であって、前記蓄電装置側の直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流指令が重畳した、制御信号を生成して出力することにより、前記第2直流電力における直流電圧への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うように構成された制御信号生成部と、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出するように構成された検出信号処理部と、前記直流電圧検出値における交流電圧成分値、及び、前記直流電流検出値における交流電流成分値、の少なくとも一方に基づいて、交流インピーダンス法により前記蓄電装置の状態量を算出し、前記状態量に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断するように構成された状態診断部と、を有する電力変換装置が適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明のさらに別の観点によれば、供給される第2直流電力を蓄電するように構成された蓄電装置の状態診断方法であって、前記蓄電装置側の直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流指令が重畳した、制御信号を生成して出力することにより、前記第2直流電力における直流電圧への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うことと、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値における交流電圧成分値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値における交流電流成分値、の少なくとも一方に基づいて、交流インピーダンス法により前記蓄電装置の状態量を算出することと、前記状態量に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断することと、を有する蓄電装置の状態診断方法が適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明のさらに別の観点によれば、交流電源からの交流電力を第1直流電力に変換するように構成された第1電力変換装置と、前記第1電力変換装置からの前記第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換するように構成された第2電力変換装置と、前記第2電力変換装置からの前記第2直流電力を蓄電するように構成された蓄電装置と、を有し、前記第2電力変換装置は、前記第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行う手段と、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出する手段と、前記直流電圧検出値及び前記直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断する手段と、を有する電力変換システムが適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明のさらに別の観点によれば、蓄電装置に供給される第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うことと、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出することと、前記直流電圧検出値及び前記直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断することと、を有すること蓄電装置の状態診断方法が適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明のさらに別の観点によれば、蓄電装置に出力する第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うように構成された制御信号生成部と、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出するように構成された検出信号処理部と、前記直流電圧検出値及び前記直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断するように構成された状態診断部と、を有する電力変換装置が適用される。
また、上記課題を解決するため、本発明のさらに別の観点によれば、交流電源からの交流電力を第1直流電力に変換するように構成された第1電力変換装置と、前記第1電力変換装置からの前記第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換するように構成された第2電力変換装置と、前記第2電力変換装置からの前記第2直流電力を蓄電するように構成された蓄電装置と、を有し、前記第2電力変換装置は、前記第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行い、前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出し、前記直流電圧検出値及び前記直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断する電力変換システムが適用される。
本発明によれば、蓄電装置の状態診断の利便性を向上できる。
一実施形態の電力変換システムの構成の一例を表すブロック図である。 DC‐DCコンバータの構成の一例を表す回路図である。 制御信号生成部の第1生成部及び第2生成部、検出信号処理部の交流成分検出部、及び状態診断部の構成の一例を表すブロック図である。 各種信号の波形の一例を表す説明図である。 蓄電装置の等価回路について説明するための説明図である。 ボード線図の一例を表すグラフである。 ナイキスト線図の一例を表すグラフである。 DC‐DCコンバータが実行する蓄電装置の状態診断方法による制御手順を表すフローチャートである。 DC‐DCコンバータの構成例を表すブロック図である。
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
<電力変換システムの構成例>
まず、図1を参照しつつ、本実施形態の電力変換システムの構成の一例について説明する。
図1に示すように、本実施形態の電力変換システム1は、AC‐DCコンバータ20と、DC‐ACコンバータ30と、DC‐DCコンバータ50と、蓄電装置70と、遮断器60とを有する。
AC‐DCコンバータ20は、交流電源10(例えば系統電源)から供給される交流電力を所定の直流電力(第1直流電力に相当。以下、「第1直流電力」ともいう。)に変換する。そして、AC‐DCコンバータ20は、当該第1直流電力を、AC‐DCコンバータ20とDC‐ACコンバータ30との間の直流ラインLd1(以下、「第1直流ラインLd1」ともいう。)を介しDC‐ACコンバータ30及びDC‐DCコンバータ50に出力する。つまり、AC‐DCコンバータ20は、第1電力変換装置に相当する。
DC‐ACコンバータ30は、第1直流ラインLd1を介し供給される第1直流電力を所定の交流電力に変換し、負荷である交流モータ40に出力する。
交流モータ40は、DC‐ACコンバータ30から供給される交流電力に基づいて作動する。
なお、本実施形態では、負荷が交流モータ40である場合を例にとって説明するが、負荷としては、交流モータ40に限定されるものではなく、交流電力に基づいて作動する電子機器であれば特に限定されるものではない。更には、負荷としては、交流電力に基づいて作動する電子機器に限定されるものではなく、直流電力に基づいて作動する電子機器であってもよい。負荷が直流電力に基づいて作動する電子機器(例えば直流モータ)である場合には、当該電子機器が第1直流ラインLd1を介し供給される第1直流電力に基づいて作動するように、電力変換システムを構成すればよい。
DC‐DCコンバータ50は、第1直流ラインLd1を介しAC‐DCコンバータ20から供給される第1直流電力を電力値が異なる別の(例えば電力値が低い)直流電力(第2直流電力に相当。以下、「第2直流電力」ともいう。)に変換する。そして、DC‐DCコンバータ50は、当該第2直流電力を、DC‐DCコンバータ50と蓄電装置70との間の直流ラインLd2(以下、「第2直流ラインLd2」ともいう。)を介し蓄電装置70に出力する。つまり、DC‐DCコンバータ50は、電力変換装置及び第2電力変換装置に相当する。また、DC‐DCコンバータ50は、第2直流ラインLd2を介し蓄電装置70から供給される第2直流電力を(例えば電力値が高い)第1直流電力に変換し、第1直流ラインLd1を介しDC‐ACコンバータ30に出力することも可能である。
蓄電装置70は、第2直流ラインLd2を介しDC‐DCコンバータ50から供給される第2直流電力を蓄電(充電)する。また、蓄電装置70は、蓄電した第2直流電力を第2直流ラインLd2を介しDC‐DCコンバータ50に出力(放電)することも可能である。
この蓄電装置70としては、第2直流電力を充放電可能な装置であれば特に限定されるものではないが、例えば1つ以上の二次電池(「蓄電池」や「充電式電池」ともいう。)や1つ以上のコンデンサ(「蓄電器」や「キャパシタ」ともいう。)、1つ以上の燃料電池等が使用される。この際、二次電池としては、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、鉛蓄電池、ナトリウム・硫黄電池等が使用される。また、コンデンサとしては、例えば電気二重層コンデンサやリチウムイオンコンデンサ等が使用される。但し、本実施形態では、蓄電装置70が1つのリチウムイオン二次電池である場合について説明する。
遮断器60は、第2直流ラインLd2に設けられている。この遮断器60は、DC‐DCコンバータ50から異常診断信号(後述)を取得した場合に、当該異常診断信号に応じて遮断動作を行うことにより、DC‐DCコンバータ50と蓄電装置70との接続を遮断して切り離すことが可能である。
なお、本実施形態では、第2直流ラインLd2に遮断器60が設けられている電力変換システム1を例にとって説明するが、第2直流ラインLd2に遮断器60が設けられていない電力変換システムにも適用可能である。
以下、上記電力変換システム1の動作の概要について説明する。
すなわち、交流電源10からAC‐DCコンバータ20に所定の電力値範囲内の交流電力が供給されているときがある。このときには、AC‐DCコンバータ20が、当該交流電力を所定の電力値の第1直流電力に変換し、第1直流ラインLd1を介しDC‐ACコンバータ30及びDC‐DCコンバータ50に出力する。DC‐DCコンバータ50は、第1直流ラインLd1を介しAC‐DCコンバータ20から供給される所定の電力値の第1直流電力を第2直流電力に変換し、第2直流ラインLd2を介し蓄電装置70に出力して、蓄電装置70に充電動作(電荷の吸収)を実行させる。
一方、交流電源10からAC‐DCコンバータ20に供給される交流電力の電圧値が所定の電力値範囲よりも下回ったときがある。このときには、AC‐DCコンバータ20から第1直流ラインLd1を介しDC‐ACコンバータ30及びDC‐DCコンバータ50に出力される第1直流電力の電力値が低下して所定の電力値に到達しない状態となる。この状態では、DC‐DCコンバータ50は、蓄電装置70に放電動作(電荷の放出)を実行させ、第2直流ラインLd2を介し蓄電装置70から供給される第2直流電力を第1直流電力に変換し、第1直流ラインLd1を介しDC‐ACコンバータ30に出力する。これにより、DC‐DCコンバータ50は、第1直流ラインLd1を介しDC‐ACコンバータ30に供給される第1直流電力の電力値を所定の電力値に近づくように上昇させる。この結果、交流電源10からAC‐DCコンバータ20に供給される交流電力の電圧値が所定の電力値範囲よりも下回ったときであっても、DC‐ACコンバータ30への所定の電力値の第1直流電力の供給を継続することが可能である。
なお、電力変換システム1の構成及び動作等は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
ここで、蓄電装置70は、充放電を繰り返すことにより劣化したり、充放電を繰り返す最中に突発的に異常(例えば短絡等)が発生する等、状態が変化することがあるので、蓄電装置70の状態を診断して把握することが重要となる。例えば、リチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すことにより、電極表面のコバルト等の重金属が化学反応を起こし、その部分にリチウムイオンを通しにくい薄い膜ができる。この膜がリチウムイオンの出入りを塞いでスムーズな移動を妨げ、それが充放電の障害となって、リチウムイオン二次電池の劣化を引き起こす。
本実施形態では、蓄電装置70に対し第2直流電力を供給するDC‐DCコンバータ50が当該蓄電装置70の状態を診断する機能を備える。
<DC‐DCコンバータの構成例>
以下、上記DC‐DCコンバータ50の構成の一例について説明する。
DC‐DCコンバータ50は、上記第2直流電力における直流電圧(以下、「第2直流電圧」ともいう。)への所定の交流電圧の重畳、及び、第2直流電力における直流電流(以下、「第2直流電流」ともいう。)への所定の交流電流の重畳の少なくとも一方を行う。その後、DC‐DCコンバータ50は、上記交流電圧が重畳された直流電圧検出値V2(後述の図2等参照。以下、「第2直流電圧検出値V2」ともいう。)、及び、上記交流電流が重畳された直流電流検出値I2(後述の図2等参照。以下、「第2直流電流検出値I2」ともいう。)の少なくとも一方を検出する。そして、DC‐DCコンバータ50は、上記第2直流電圧検出値V2及び第2直流電流検出値I2の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の状態を診断する。以下、図2を参照しつつ、DC‐DCコンバータ50の構成について、より具体的に機能ブロックで実装した例を説明する。
ここで、蓄電装置70が電気二重層コンデンサ等のコンデンサである場合等には、DC‐DCコンバータ50として、絶縁型及び非絶縁型のDC‐DCコンバータのどちらを使用しても構わない。しかしながら、蓄電装置70がリチウムイオン二次電池である本実施形態では、DC‐DCコンバータ50として、絶縁型のDC‐DCコンバータを使用するのが好適である。したがって、本実施形態では、DC‐DCコンバータ50が絶縁型のDC‐DCコンバータである場合について説明する。
また、絶縁型のDC‐DCコンバータの電力変換方式としては、例えば、RCC方式やプッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式等の種々な方式がある。DC‐DCコンバータ50の電力変換方式としては、いずれの方式であってもよいが、本実施形態では、DC‐DCコンバータ50の電力変換方式がフルブリッジ方式である場合について説明する。
図2に示すように、DC‐DCコンバータ50は、第1端子51a,51bと、第2端子52a,52bと、トランス55と、第1変換部53と、第2変換部54と、電圧検出部56と、電流検出部57と、制御信号生成部110及び状態診断部120を備えた制御部100と、検出信号処理部200とを有する。また、電力変換システム1は、上記で説明した構成に加え、温度検出部80と、報知部90とを有する。
第1端子51a,51bは、上記第1直流ラインLd1,Ld1に接続されている。また、第2端子52a,52bは、上記第2直流ラインLd2,Ld2に接続されている。
トランス55は、互いに電気的に絶縁された第1巻線551及び第2巻線552を備える。第2巻線552には、センタータップが設けられている。なお、トランス55の構成は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
第1変換部53は、第1端子51a,51bと第1巻線551との間に設けられている。この第1変換部53は、コンデンサ535と、4つの半導体スイッチSW1,SW2,SW3,SW4と、リアクトル536とを備える。
コンデンサ535は、第1端子51a,51b間に接続されている。
半導体スイッチSW1〜SW4は、例えば半導体スイッチング素子とダイオードとを逆並列に接続して構成したものあり、フルブリッジ型に接続されている。これらのうち、半導体スイッチSW1,SW2は、互いに直列に接続されており、これら半導体スイッチSW1,SW2の直列回路は、第1端子51a,51b間に接続されている。また、半導体スイッチSW1,SW2の接続点には、リアクトル536の一端が接続されている。一方、半導体スイッチSW3,SW4は、互いに直列に接続されており、これら半導体スイッチSW3,SW4の直列回路は、第1端子51a,51b間に半導体スイッチSW1,SW2の直列回路と並列状態で接続されている。また、半導体スイッチSW3,SW4の接続点には、第1巻線551の一端が接続されている。
リアクトル536は、その一端が半導体スイッチSW1,SW2の接続点に接続され、その他端が第1巻線551の他端に接続されている。
なお、第1変換部53の構成は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
第2変換部54は、第2端子52a,52bと第2巻線552との間に設けられている。この第2変換部54は、2つの半導体スイッチSW5,SW6と、リアクトル543と、コンデンサ544とを有する。
半導体スイッチSW5,SW6は、例えば半導体スイッチング素子とダイオードとを逆並列に接続して構成したものあり、第2巻線552を介し接続されている。これらのうち、半導体スイッチSW5は、その一端子が第2端子52bに接続され、その他端子が第2巻線552の一端に接続されている。一方、半導体スイッチSW6は、その一端子が第2端子53bに接続され、その他端子が第2巻線552の他端に接続されている。
リアクトル543は、その一端が第2巻線552のセンタータップに接続され、その他端が第2端子52aに接続されている。
コンデンサ544は、リアクトル543の他端と第2端子52bとの間に接続されている。
なお、第2変換部54の構成は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
また、DC‐DCコンバータ50による電力変換動作(降圧動作及び昇圧動作)は、公知の動作であるので、詳しい説明は省略する。
電圧検出部56は、コンデンサ535の第1端子51a側の端子と半導体スイッチSW1の第1端子51a側の端子との間と、コンデンサ535の第1端子51b側の端子とに接続されている。この電圧検出部56は、上記2つの接続点における電圧を、上記第1直流電力における直流電圧(以下、「第1直流電圧」ともいう。)を少なくとも含む電圧として検出し、直流電圧検出値V1(以下、「第1直流電圧検出値V1」ともいう。)として制御部100に出力する。
電流検出部57は、第1端子51bとコンデンサ535の第1端子51b側の端子との間に設けられている。この電流検出部57は、その設置箇所における電流を、上記第1直流電力における直流電流(以下、「第1直流電流」ともいう。)を少なくとも含む電流として検出し、直流電流検出値I1(以下、「第1直流電流検出値I1」ともいう。)として制御部100に出力する。
温度検出部80は、例えばNTCサーミスタやPTCサーミスタ等により実装され、その設置箇所(例えば蓄電装置70のネジ端子部近傍等)における温度を、蓄電装置70の温度として検出し、検出温度Tとして制御部100に出力する。
報知部90は、例えばモニタやランプ、ブザー、スピーカ等により実装され、上記状態診断部120の診断結果に基づく報知を行う(詳細は後述)。
<制御信号生成部、検出信号処理部、及び状態診断部の概要>
次に、本実施形態の要部である、上記制御信号生成部110、検出信号処理部200、及び状態診断部120の概要について説明する。
制御信号生成部110は、DC‐DCコンバータ50のCPU901(後述の図9参照)が実行するプログラムにより実装される。この制御信号生成部110は、上記第2直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、上記第2直流電流への所定の交流電流の重畳の少なくとも一方を行う。つまり、制御信号生成部110は、第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行う手段に相当する。
本実施形態では、制御信号生成部110は、PWM制御方式により半導体スイッチSW1〜SW6それぞれに対する制御信号Sを生成して出力する。これにより、制御信号生成部110は、半導体スイッチSW1〜SW6のスイッチング制御(オン・オフ制御)を行って電力変換動作(蓄電装置70の充放電動作)を行わせつつ、第2直流電圧への交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への交流電流の重畳の少なくとも一方を行う。なお、制御信号生成部110は、PWM制御方式以外の方式(例えばPFM制御方式等)により制御信号を生成して出力することにより、第2直流電圧への交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への交流電流の重畳の少なくとも一方を行ってもよい。
この際、制御信号生成部110は、上記第2直流ラインLd2側(蓄電装置70側)の目標直流値である直流指令(以下、「第2直流指令」ともいう。)に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する目標交流値である交流指令が重畳した、制御信号Sを生成して出力する。これにより、制御信号生成部110は、第2直流電圧への周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流電流の重畳の少なくとも一方を行う。なお、制御信号生成部110は、第2直流指令に対し周波数が所定の周波数範囲内で変換する交流指令が重畳した制御信号Sを生成して出力する以外の手法により、第2直流電圧への交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への交流電流の重畳の少なくとも一方を行ってもよい。
ここで、蓄電装置70の充放電方式としては、種々な方式が使用可能であるが、本実施形態では、蓄電装置70の充放電方式が定電流充放電及び定電圧充放電を適宜のタイミングで切り替えて行う方式である場合について説明する。但し、蓄電装置70の充放電方式は、定電流充放電及び定電圧充放電を適宜のタイミングで切り替えて行う方式に限定されるものではなく、他の方式であってもよい。そして、本実施形態では、制御信号生成部110は、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される場合と、蓄電装置70が定電圧充放電を行うように制御される場合とで、互いに異なる処理を実行する。
すなわち、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される際には、制御信号生成部110は、上記第2直流指令における目標直流電流値である直流電流指令I2d*(後述の図3等参照。以下、「第2直流電流指令I2d*」ともいう。)に対し、上記交流指令における目標交流電流値である交流電流指令I2a*(後述の図3等参照)が重畳した、制御信号Sを生成して出力する。これにより、制御信号生成部110は、第2直流電圧への上記交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への上記交流電流の重畳を行う。
一方、蓄電装置70が定電圧充放電を行うように制御される際には、制御信号生成部110は、上記第2直流指令における目標直流電圧値である直流電圧指令(以下、「第2直流電圧指令」ともいう。)に対し、上記交流指令における目標交流電圧値である交流電圧指令が重畳した、制御信号Sを生成して出力する。これにより、制御信号生成部110は、第2直流電圧への上記交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への上記交流電流の重畳を行う。
また、本実施形態では、制御信号生成部110は、第1生成部130と、第2生成部140とを有する。そして、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される際には、第1生成部130が、第2直流電流指令I2d*に対し上記交流電流指令I2a*が重畳した制御信号Sを生成して出力することにより、第2直流電圧への上記交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への上記交流電流の重畳を行う。一方、蓄電装置70が定電圧充放電を行うように制御される際には、第2生成部140が、第2直流電圧指令に対し上記交流電圧指令が重畳した制御信号Sを生成して出力することにより、第2直流電圧への上記交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への上記交流電流の重畳を行う。なお、制御信号生成部110の第1生成部130及び第2生成部140における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、1つの処理部で処理されたり、更に細分化された3つ以上の処理部により処理されてもよい。
また、本実施形態では、制御信号生成部110が上記CPU901が実行するプログラムにより実装される場合について説明するが、制御信号生成部110は、その一部又は全部がASICやFPGA、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。
検出信号処理部200は、その一部又は全部がASICやFPGA、その他の電気回路等により実装される。この検出信号処理部200は、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2、及び、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2の少なくとも一方を検出する。つまり、検出信号処理部200は、交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出する手段に相当する。
本実施形態では、検出信号処理部200は、電圧検出部58と、電流検出部59と、交流成分検出部210とを有する。
電圧検出部58は、リアクトル543の他端とコンデンサ544の第2端子52a側の端子との間と、コンデンサ544の第2端部52b側の端子とに接続されている。この電圧検出部58は、上記2つの接続点における電圧を、上記第2直流電圧を少なくとも含む電圧として検出し、上記第2直流電圧検出値V2として交流成分検出部210に出力する。なお、上記制御信号Sに応じて第2直流電圧に対し交流電圧が重畳されている際には、電圧検出部58は、第2直流電圧に対し交流電圧が重畳された電圧を検出し、交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2として交流成分検出部210に出力する。
電流検出部59は、第2端子52bとコンデンサ544の第2端子52b側の端子との間に設けられている。この電流検出部59は、その設置箇所における電流を、上記第2直流電流を少なくとも含む電流として検出し、上記第2直流電流検出値I2として交流成分検出部210に出力する。なお、上記制御信号Sに応じて第2直流電流に対し交流電流が重畳されている際には、電流検出部59は、第2直流電流に対し交流電流が重畳された電流を検出し、交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2として交流成分検出部210に出力する。
交流成分検出部210は、電圧検出部58から、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2を取得するとともに、電流検出部59から、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2を取得する。そして、交流成分検出部210は、当該第2直流電圧検出値V2及び第2直流電流検出値I2に基づいて、当該第2直流電圧検出値V2における交流電圧成分値V2a(後述の図3等参照)、及び、当該第2直流電流検出値I2における交流電流成分値I2a(後述の図3等参照)を検出し、制御部100に出力する。
なお、検出信号処理部200の電圧検出部58、電流検出部59、及び交流成分検出部210における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、1つ又は2つの処理部で処理されたり、更に細分化された4つ以上の処理部により処理されてもよい。また、本実施形態では、検出信号処理部200の一部又は全部がASICやFPGA、その他の電気回路等の実際の装置により実装される場合について説明するが、検出信号処理部200は、上記CPU901が実行するプログラムにより実装されてもよい。
状態診断部120は、上記CPU901が実行するプログラムにより実装される。この状態診断部120は、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2、及び、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の状態を診断する。つまり、状態診断部120は、直流電圧検出値及び直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置の状態を診断する手段に相当する。なお、本実施形態では、状態診断部120が上記CPU901が実行するプログラムにより実装される場合について説明するが、状態診断部120は、その一部又は全部がASICやFPGA、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。
次に、図3〜図7を参照しつつ、上記制御信号生成部110の第1生成部130及び第2生成部140、検出信号処理部200の交流成分検出部210、及び状態診断部120の構成の一例について詳しく説明する。
<第1生成部の構成例>
図3において、第1生成部130は、直流電圧指令部131と、交流電流指令部135と、2つの減算器132,134と、2つのPI制御部133,136と、PWM制御部137とを備える。
直流電圧指令部131は、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される際に、上記第1直流ラインLd1側の目標直流電圧値である直流電圧指令V1d*(以下、「第1直流電圧指令V1d*」ともいう。)を出力する。
減算器132は、直流電圧指令部131からの第1直流電圧指令V1d*と、電圧検出部56からの、上記第1直流電圧に対応する第1直流電圧検出値V1との偏差を取って出力とする。
PI制御部133は、減算器132の出力に対し公知のPI制御を行うことにより、上記第2直流電流指令I2d*を出力する。この際、PI制御部133は、図4に示すように、所定の期間t1で略一定の電流値(図示の例では10[A])となる第2直流電流指令I2d*を出力する。
交流電流指令部135は、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される際に、上記第2交流電流指令I2a*を出力する。この際、交流電流指令部135は、図4に示すように、上記期間t1における初期の期間t2では交流電流とならず、期間t2後の所定の期間t3で周波数が所定の周波数範囲(図示の例では1[Hz]〜1[kHz])内で変化する所定の実効値(図示の例では10[mArms])となる第2交流電流指令I2a*を出力する。
減算器134は、PI制御部133からの第2直流電流指令I2d*に対し、交流電流指令部135からの第2交流電流指令I2a*を重畳しつつ、後述の交流成分検出部210の減算器212からの、後述の直流電流成分値I2dとの偏差を取って出力とする。
PI制御部136は、減算器134の出力に対し公知のPI制御を行って出力とする。
PWM制御部137は、PI制御部136の出力に対し公知のPWM制御を行うことにより、上記半導体スイッチSW1〜SW6それぞれに対する制御信号S(図4参照)を生成して出力する。これにより、当該制御信号Sに応じて半導体スイッチSW1〜SW6がオン・オフ動作し、電力変換動作(蓄電装置70の充放電動作)が行われる。この際、上記期間t2に対応する期間では第2直流電流に対し上記交流電流が重畳されず、上記期間t3に対応する期間で第2直流電流に対し上記交流電流が重畳される。同様に、上記期間t2に対応する期間では第2直流電圧に対し上記交流電圧が重畳されず、上記期間t3に対応する期間で第2直流電圧に対し上記交流電圧が重畳される。
したがって、図4に示すように、電流検出部59の第2直流電流検出値I2は、上記期間t2に対応する期間では、第2直流電流に対し上記交流電流が重畳されていないため第2直流電流のみの検出値となる。また、電流検出部59の第2直流電流検出値I2は、上記期間t3に対応する期間では、第2直流電流に対し上記交流電流が重畳されているため第2直流電流成分と上記交流電流成分とを含む検出値となる。なお、当該第2直流電流検出値I2には、第2直流電流指令I2d*に対する電流検出誤差Igと、第2直流電流指令I2d*に対する検出遅れ時間tgとが含まれている。
また、特に図示はしていないが、電圧検出部58の第2直流電圧検出値V2は、上記期間t2に対応する期間では、第2直流電圧に対し上記交流電圧が重畳されていないため第2直流電圧のみの検出値となる。また、電圧検出部58の第2直流電圧検出値V2は、上記期間t3に対応する期間では、第2直流電圧に対し上記交流電圧が重畳されているため第2直流電圧成分と上記交流電圧成分とを含む検出値となる。
なお、第1生成部130の構成は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
<第2生成部の構成例>
第2生成部140の処理内容は、上記で説明した第1生成部130の処理内容における「電流」と「電圧」との文言を入れ替えた内容と基本的に同様となるので、説明を省略する。
<交流成分検出部の構成例>
交流成分検出部210は、4つの減算器211,212,213,214を備える。
減算器211は、電流検出部59からの、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2から、電流検出部59からの、第2直流電流に対応する(上記交流電流が重畳される前の)第2直流電流検出値I2を差し引く。これにより、減算器211は、上記電流検出誤差Ig及び検出遅れ時間tgを補正しつつ、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2における交流電流成分値I2a(図4参照)を算出し、減算器212及び状態診断部120に出力する。
減算器212は、電流検出部59からの、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2から、減算器211からの交流電流成分値I2aを差し引く。これにより、減算器212は、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2における直流電流成分値I2dを算出し、第1生成部130の減算器134に出力する。
減算器213は、電圧検出部58からの、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2から、電圧検出部58からの、第2直流電圧に対応する(上記交流電圧が重畳される前の)第2直流電圧検出値V2を差し引く。これにより、減算器213は、電圧検出誤差及び検出遅れ時間を補正しつつ、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2における交流電圧成分値V2a(図4参照)を算出し、減算器214及び状態診断部120に出力する。
減算器214は、電圧検出部58からの、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2から、減算器213からの交流電圧成分値V2aを差し引く。これにより、減算器214は、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2における直流電圧成分値V2dを算出し、第2生成部140に出力する。
なお、交流成分検出部210の構成は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
<状態診断部の構成例>
状態診断部120は、前述のように、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2、及び、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の状態を診断する。この際、状態診断部120は、上記交流電流成分値I2a及び交流電圧成分値V2aの少なくとも一方(本実施形態では両方)に基づいて、公知の交流インピーダンス法により蓄電装置70の状態量を算出し、当該状態量に基づいて、蓄電装置70の状態を診断する。なお、状態診断部120は、交流電流成分値I2a及び交流電圧成分値V2aの少なくとも一方に基づいて交流インピーダンス法により蓄電装置70の状態量を算出して当該状態量に基づいて蓄電装置70の状態を診断する以外の手法により、蓄電装置70の状態を診断してもよい。
ここで、蓄電装置70の劣化が進行するにつれて、蓄電装置70の抵抗値は増加し静電容量は減少するので、当該抵抗値及び静電容量の少なくとも一方を指標として用いることにより、蓄電装置70の劣化状態を診断することが可能である。また、蓄電装置70に異常(例えば短絡等)が発生すると、蓄電装置70の抵抗値は減少するので、当該抵抗値を指標として用いることにより、蓄電装置70の異常を診断することが可能である。したがって、蓄電装置70の劣化状態を診断する際には、状態診断部120は、上記状態量として、蓄電装置70の抵抗値及び静電容量の少なくとも一方を算出し、当該抵抗値及び静電容量の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の劣化状態を診断すればよい。一方、蓄電装置70の異常を診断する際には、状態診断部120は、上記状態量として、蓄電装置70の抵抗値を算出し、当該抵抗値に基づいて、蓄電装置70の異常を診断すればよい。
なお、蓄電装置70の劣化状態を診断する際には、状態診断部120は、蓄電装置70の抵抗値及び静電容量の少なくとも一方を算出すればよいが、本実施形態では、状態診断部120が蓄電装置70の抵抗値及び静電容量の両方を算出する場合について説明する。また、状態診断部120が診断可能な状態としては、蓄電装置70の劣化状態及び異常の両方に限定されるものではなく、蓄電装置70の劣化状態及び異常のどちらか一方であってもよい。また、状態診断部120が蓄電装置70の劣化状態及び異常の両方を診断する場合、蓄電装置70の異常に関してはリアルタイムに診断するのが好適だが、蓄電装置70の劣化状態に関してはリアルタイムに診断する必要はなく適宜のタイミングのみ診断してもよい。但し、本実施形態では、状態診断部120は、蓄電装置70の劣化状態及び異常の両方をリアルタイムに診断する場合について説明する。
すなわち、状態診断部120は、交流電流成分値I2a及び交流電圧成分値V2aに基づいて、交流インピーダンス法により蓄電装置70の抵抗値及び静電容量を算出する。そして、状態診断部120は、当該抵抗値及び静電容量に基づいて、蓄電装置70の劣化状態を診断する。また、状態診断部120は、当該抵抗値に基づいて、蓄電装置70の異常を診断する。
本実施形態では、状態診断部120は、算出部121と、診断部122とを備える。
算出部121は、上記減算器211からの交流電流成分値I2aと、上記減算器213からの交流電圧成分値V2aとに基づいて、交流インピーダンス法により蓄電装置70の抵抗値及び静電容量を算出する。この際、算出部121は、蓄電装置70の抵抗値として、公知の溶液抵抗及び公知の電荷移動抵抗を算出し、蓄電装置70の静電容量として、公知の電気二重層容量を算出する。なお、蓄電装置70の抵抗値としては、溶液抵抗及び電荷移動抵抗に限定されるものではなく、また、蓄電装置70の静電容量としては、電気二重層容量に限定されるものではない。
ここで、蓄電装置70がリチウムイオン二次電池である本実施形態では、蓄電装置70の等価回路は、図5(a)に示すような等価回路71となる。すなわち、図5(a)に示すように、蓄電装置70の等価回路71では、溶液抵抗R1と、電荷移動抵抗R2及び電気二重層容量Cとが、並列に接続されている。なお、図5(b)には、複素平面上で、横軸に上記等価回路71における交流インピーダンスの実数成分Z′、縦軸に虚数成分Z″を示すプロット(「ナイキスト線図」や「複素平面プロット」ともいう。)を示している。また、図5(c)には、横軸に周波数fの対数、縦軸に上記等価回路71における交流インピーダンスの絶対値|Z|の対数を示すプロット(「ボード線図」ともいう。)を示している。また、図5(d)には、横軸に周波数fの対数、縦軸に上記等価回路71における交流インピーダンスの位相差θを示すプロット(「ボード線図」ともいう。)を示している。
そして、上記等価回路71の交流インピーダンスZは、下記式(1)により算出することが可能である。
Figure 2015125279
なお、上記式(1)において、Zは交流インピーダンス[Ω]、R1は溶液抵抗[Ω]、R2は電荷移動抵抗[Ω]、Cは電気二重層容量[F]、ωは2πf(fは周波数[Hz])である。
また、上記式(1)において実数部と虚数部とにわけると、下記式(2)〜(4)のようになる。
Z=Z′−jZ″ ・・・式(2)
Figure 2015125279
Figure 2015125279
算出部121は、上記式(1)又は上記式(3)(4)を用いて、蓄電装置70に係るボード線図(例えば図6(a)(b)参照)又はナイキスト線図(例えば図7参照)を導出する。そして、算出部121は、当該ボード線図又はナイキスト線図に基づいて、蓄電装置70の溶液抵抗R1、電荷移動抵抗R2、及び電気二重層容量Cを導出する。なお、ここでの溶液抵抗R1、電荷移動抵抗R2、及び電気二重層容量Cの導出方法については公知なので、具体的な説明を省略する。
ここで、溶液抵抗R1及び電荷移動抵抗R2は、蓄電装置70の温度により、その値が変化する。そこで本実施形態では、算出部121は、前述の温度検出部80から検出温度Tを取得し、当該検出温度Tを用いて、溶液抵抗R1及び電荷移動抵抗R2を補正する。具体的には、算出部121は、検出温度Tを用いた下記式(5)(6)により、溶液抵抗R1及び電荷移動抵抗R2を補正する。
R1′=(234.5+20)/(234.5+T)R1 ・・・式(5)
R2′=(234.5+20)/(234.5+T)R2 ・・・式(6)
なお、上記式(5)(6)において、R1′は補正後の溶液抵抗R1、R2′は補正後の電荷移動抵抗R2である。
なお、算出部121は、検出温度Tを用いて溶液抵抗R1及び電荷移動抵抗R2を補正さえすれば、上記式(5)(6)により溶液抵抗R1及び電荷移動抵抗R2を補正する場合に限定されるものではない。さらには、算出部121は、必ずしも検出温度Tを用いて溶液抵抗R1及び電荷移動抵抗R2を補正する必要はない。
そして、算出部121は、溶液抵抗R1′、電荷移動抵抗R2′、及び電気二重層容量Cを診断部122に出力する。
なお、算出部121の機能は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
診断部122は、算出部121からの溶液抵抗R1′、電荷移動抵抗R2′、及び電気二重層容量Cに基づいて、蓄電装置70の状態を診断する。
すなわち、診断部122は、算出部121からの溶液抵抗R1′、電荷移動抵抗R2′、及び電気二重層容量Cに基づいて、蓄電装置70の劣化状態を診断する。例えば、診断部122は、蓄電装置70の劣化状態として、蓄電装置70の劣化度(どの程度劣化しているか)を診断してもよいし、蓄電装置70が予め設定した劣化状態となったか否かを診断してもよい。但し、本実施形態では、診断部122が、蓄電装置70が予め設定した劣化状態となったか否かを診断する場合について説明する。
この際、診断部122は、溶液抵抗R1′、電荷移動抵抗R2′、及び電気二重層容量Cと、例えば蓄電装置70の初回起動時等に記録した、それらの初期値とをそれぞれ比較し、それらの比較結果に応じて蓄電装置70が予め設定した劣化状態となったか否かを診断する。より具体的には、診断部122は、溶液抵抗R1′と当該溶液抵抗の初期値R1とを比較し、電荷移動抵抗R2′と当該電荷移動抵抗の初期値R2とを比較し、電気二重層容量Cと当該電気二重層容量の初期値Cとを比較する。そして、診断部122は、溶液抵抗R1′が初期値R1の2倍となるか、電荷移動抵抗R2′が初期値R2の2倍となるか、電気二重層容量Cが初期値Cの0.4倍となった場合に、蓄電装置70が予め設定した劣化状態となったと診断する。なお、初期値R1,R2,Cの何倍となった場合に蓄電装置70が予め設定した劣化状態となったと診断するかは、蓄電装置70の仕様等により異なるものであって、上記数値はあくまで一例である。また、診断部122は、初期値R1,R2,Cとの比較ではなく、予め設定したしきい値との比較により、蓄電装置70が予め設定した劣化状態となったか否かを診断してもよい。
また、診断部122は、算出部121からの溶液抵抗R1′及び電荷移動抵抗R2′に基づいて、蓄電装置70の異常(例えば短絡状態か又はその直前状態か等)を診断する。例えば、診断部122は、溶液抵抗R1′又は電荷移動抵抗R2′が予め設定したしきい値以下となった場合に、蓄電装置70の異常と診断してもよい。又は、診断部122は、過去の溶液抵抗R1′又は電荷移動抵抗R2′に対する現在の溶液抵抗R1′又は電荷移動抵抗R2′の減少度が予め設定したしきい値以上となった場合に、蓄電装置70の異常と診断してもよい。但し、本実施形態では、診断部122が、溶液抵抗R1′又は電荷移動抵抗R2′が予め設定したしきい値以下となった場合に、蓄電装置70の異常と診断する場合について説明する。
また、本実施形態では、上記のように蓄電装置70の異常と診断した場合には、診断部122は、その旨を表す異常診断信号AR(図2等参照)を、前述の遮断器60に出力する。これにより、遮断器60に遮断動作を行わせ、DC‐DCコンバータ50と蓄電装置70との接続を遮断して切り離すことが可能である。なお、診断部122は、蓄電装置70の異常と診断した場合に、異常診断信号ARを必ずしも遮断器60に出力しなくてはならないわけではなく、異常診断信号ARを遮断器60に代え他の構成に出力し、当該他の構成に異常診断信号ARに応じた動作を行わせてもよい。更には、診断部122は、蓄電装置70の異常と診断した場合に、必ずしも異常診断信号ARを出力しなくてはならないわけではない。また、遮断器60は、診断部122からの異常診断信号ARに代え、他の構成からの信号に応じて遮断動作を行ってもよい。
さらに、本実施形態では、上記のように蓄電装置70の劣化状態又は異常を診断した場合には、診断部122は、その診断結果に基づく報知(例えば、蓄電装置70が予め設定した劣化状態となった旨の報知や、蓄電装置70に異常が発生した旨の報知、等)を行うための報知信号を、前述の報知部90に出力する。これにより、報知部90に報知動作を行わせ、診断部122の診断結果を使用者等に報知することが可能である。なお、診断部122は、蓄電装置70の劣化状態又は異常を診断した場合に、必ずしも報知信号を出力しなくてはならないわけではない。診断部122が報知信号を出力しない場合には、報知部90を省略してもよい。
なお、診断部122の機能は、上記内容に限定されるものではなく、他の内容であってもよいことは言うまでもない。
また、状態診断部120の算出部121及び診断部122における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、1つの処理部で処理されたり、更に細分化された3つ以上の処理部により処理されてもよい。
<蓄電装置の状態診断方法>
次に、図8を参照しつつ、DC‐DCコンバータ50が実行する蓄電装置70の状態診断方法による制御手順の一例について説明する。
図8に示すように、まず、ステップS10で、DC‐DCコンバータ50は、制御信号生成部110で、第2直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流指令が重畳した、制御信号Sを生成して出力する。具体的には、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される際には、制御信号生成部110で、第2直流電流指令I2d*に対し上記交流電流指令I2a*が重畳した制御信号Sを生成して出力する。一方、蓄電装置70が定電圧充放電を行うように制御される際には、制御信号生成部110で、第2直流電圧指令に対し上記交流電圧指令が重畳した制御信号Sを生成して出力する。これらにより、制御信号生成部110で、第2直流電圧への周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流電流の重畳を行う。
そして、ステップS20で、DC‐DCコンバータ50は、検出信号処理部200で、上記ステップS10で出力された制御信号Sに応じて上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2における交流電圧成分値V2a、及び、当該制御信号Sに応じて上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2における交流電流成分値I2aを検出する。
そして、ステップS30で、DC‐DCコンバータ50は、状態診断部120の算出部121で、上記ステップS20で検出された交流電圧成分値V2a及び交流電流成分値I2aに基づいて、交流インピーダンス法により上記溶液抵抗R1′、電荷移動抵抗R2′、及び電気二重層容量Cを算出する。
そして、ステップS40で、DC‐DCコンバータ50は、状態診断部120の診断部122で、上記ステップS30で算出された溶液抵抗R1′又は電荷移動抵抗R2′がしきい値以下となったか否かを判定することにより、蓄電装置70の異常を診断する。溶液抵抗R1′又は電荷移動抵抗R2′がしきい値以下となった場合には、状態診断部120で蓄電装置70の異常と診断し、ステップS40の判定が満たされて、ステップS50に移る。
ステップS50では、DC‐DCコンバータ50は、状態診断部120の診断部122で、異常診断信号ARを遮断器60に出力する。これにより、遮断器60に遮断動作を行わせ、DC‐DCコンバータ50と蓄電装置70との接続を遮断して切り離すことが可能である。
そして、ステップS60で、DC‐DCコンバータ50は、状態診断部120の診断部122で、上記診断結果に対応する報知信号を報知部90に出力する。これにより、報知部90に報知動作を行わせ、診断部122の診断結果を使用者等に報知することが可能である。その後、このフローに示す処理が終了される。
一方、ステップS40において、溶液抵抗R1′及び電荷移動抵抗R2′がしきい値以下となっていなかった場合には、ステップS40の判定は満たされず、ステップS70に移る。
ステップS70では、DC‐DCコンバータ50は、状態診断部120の診断部122で、溶液抵抗R1′が初期値R1の2倍となるか、電荷移動抵抗R2′が初期値R2の2倍となるか、電気二重層容量Cが初期値Cの0.4倍となったか否かを判定することにより、蓄電装置70の劣化状態を診断する。溶液抵抗R1′が初期値R1の2倍とならず、電荷移動抵抗R2′が初期値R2の2倍とならず、電気二重層容量Cが初期値Cの0.4倍とならなかった場合には、ステップS70の判定は満たされず、上記ステップS10に戻り、同様の手順を繰り返す。一方、溶液抵抗R1′が初期値R1の2倍となるか、電荷移動抵抗R2′が初期値R2の2倍となるか、電気二重層容量Cが初期値Cの0.4倍となった場合には、状態診断部120で蓄電装置70が予め設定した劣化状態となった診断し、ステップS70の判定が満たされて、ステップS80に移る。
ステップS80では、DC‐DCコンバータ50は、状態診断部120の診断部122で、上記診断結果に対応する報知信号を報知部90に出力する。これにより、報知部90に報知動作を行わせ、診断部122の診断結果を使用者等に報知することが可能である。その後、このフローに示す処理が終了される。
<DC‐DCコンバータ50の構成例>
次に、図9を参照しつつ、上記で説明したCPU901が実行するプログラムにより実装された制御信号生成部110や状態診断部120等による処理を実現するDC‐DCコンバータ50の構成例について説明する。なお、図9中では、上記で説明したDC‐DCコンバータ50の電力変換機能に係る構成を適宜省略して図示している。
図9に示すように、DC‐DCコンバータ50は、例えば、CPU901と、ROM903、RAM905と、ASIC又はFPGA等の特定の用途向けに構築された専用集積回路907と、入力装置913と、出力装置915と、ストレージ装置917と、ドライブ919と、接続ポート921と、通信装置923とを有する。これらの構成は、バス909や入出力インターフェース911を介し相互に信号を伝達可能に接続されている。
プログラムは、例えば、ROM903やRAM905、ストレージ装置917等の記録装置に記録しておくことができる。
また、プログラムは、例えば、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、各種のCD・MOディスク・DVD等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体925に、一時的又は永続的に記録しておくこともできる。このようなリムーバブル記憶媒体925は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することもできる。この場合、これらのリムーバブル記憶媒体925に記録されたプログラムは、ドライブ919により読み出されて、入出力インターフェイス919やバス909等を介し上記記録装置に記録されてもよい。
また、プログラムは、例えば、ダウンロードサイト・他のコンピュータ・他の記録装置等(図示せず)に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、LANやインターネット等のネットワークNWを介し転送され、通信装置923がこのプログラムを受信する。そして、通信装置923が受信したプログラムは、入出力インターフェイス919やバス909等を介し上記記録装置に記録されてもよい。
また、プログラムは、例えば、適宜の外部接続機器927に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、適宜の接続ポート921を介し転送され、入出力インターフェイス919やバス909等を介し上記記録装置に記録されてもよい。
そして、CPU901が、上記記録装置に記録されたプログラムに従い各種の処理を実行することにより、上記の制御信号生成部110や状態診断部120等による処理が実現される。この際、CPU901は、例えば、上記記録装置からプログラムを、直接読み出して実行してもよく、RAM905に一旦ロードした上で実行してもよい。更にCPU901は、例えば、プログラムを通信装置923やドライブ919、接続ポート921を介し受信する場合、受信したプログラムを記録装置に記録せずに直接実行してもよい。
また、CPU901は、必要に応じて、例えばマウス・キーボード・マイク(図示せず)等の入力装置913から入力する信号や情報に基づいて各種の処理を行ってもよい。
そして、CPU902は、上記の処理を実行した結果を、例えば表示装置や音声出力装置等の出力装置915から出力してもよく、さらにCPU902は、必要に応じてこの処理結果を通信装置923や接続ポート921を介し送信してもよく、上記記録装置やリムーバブル記憶媒体925に記録させてもよい。
<本実施形態による効果の一例>
以上説明したように、本実施形態の電力変換システム1は、DC‐DCコンバータ50が、制御信号生成部140と、検出信号処理部200と、状態診断部120とを有する。制御信号生成部140は、第2直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への所定の交流電流の重畳の少なくとも一方を行う。検出信号処理部200は、上記交流電圧が重畳された第2直流電圧検出値V2、及び、上記交流電流が重畳された第2直流電流検出値I2の少なくとも一方を検出する。状態診断部120は、上記第2直流電圧検出値V2及び第2直流電流検出値I2の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の状態を診断する。
以上のように、本実施形態では、蓄電装置70に第2直流電力を供給するDC‐DCコンバータ50が蓄電装置70の状態を診断するので、蓄電装置70の状態を診断する別途の装置を設ける必要がなく、システム構成を簡素化できる。また、上記第2直流電圧検出値V2における交流電圧成分値V2a、及び、上記第2直流電流検出値i2における交流電流成分値I2aの少なくとも一方を検出することにより、交流インピーダンス法により蓄電装置70の状態量を算出することが可能となる。そして、当該状態量を指標として用いることにより、蓄電装置70の状態診断を行うことが可能となる。したがって、DC‐DCコンバータ50の通常動作時に蓄電装置70の状態診断をリアルタイムで行うことが可能となるので、電力変換システム1の稼働率の低下を防止できるとともに、蓄電装置70の劣化状態診断及び異常診断の両方に用いることができる。以上の結果、蓄電装置70の状態診断の利便性を向上できる。
また、本実施形態では特に、制御信号生成部140が、第2直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲で変化する交流指令が重畳した、制御信号Sを生成して出力する。これにより、第2直流電圧への、周波数が所定の周波数範囲で変化する交流電圧の重畳、及び、第2直流電流への、周波数が所定の周波数範囲で変化する所定の交流電流の重畳の少なくとも一方を行うことができる。この結果、蓄電装置70に対し周波数が変化する交流を印加でき、蓄電装置70の状態に対応して変動する、直流電圧検出値V2における交流電圧成分値V2a、及び、直流電流検出値I2における交流電流成分値I2aの少なくとも一方を検出することが可能となる。そして、状態診断部120が、上記交流電圧成分値V2a及び交流電流成分値I2aの少なくとも一方に基づいて、交流インピーダンス法により蓄電装置70の状態量を算出する。これにより、当該状態量を指標として用いることにより、蓄電装置70の状態診断を行うことができる。
また、本実施形態では特に、制御信号生成部140は、蓄電装置70が定電圧充放電を行うように制御される際には、第2直流電圧指令に対し、交流電圧指令が重畳した、制御信号Sを生成して出力し、蓄電装置70が定電流充放電を行うように制御される際には、直流電流指令I2d*に対し、交流電流指令I2a*が重畳した、制御信号Sを生成して出力する。これにより、定電圧充放電時及び定電流充放電時のどちらの場合でも、交流電圧成分値V2a及び交流電流成分値I2aの少なくとも一方を検出できるので、蓄電装置70の状態診断の実現性を向上できる。
また、本実施形態では特に、状態診断部120は、蓄電装置70の抵抗値及び静電容量の少なくとも一方を算出し、当該抵抗値及び静電容量の少なくとも一方に基づいて、蓄電装置70の劣化状態を診断する。これにより、当該抵抗値及び静電容量の少なくとも一方を指標として用いることにより、蓄電装置70の劣化状態を診断可能なDC‐DCコンバータ50を実現できる。
また、本実施形態では特に、状態診断部120は、蓄電装置70の抵抗値に基づいて、蓄電装置70の異常を診断する。これにより、当該抵抗値を指標として用いることにより、通常動作時に蓄電装置70の異常診断をリアルタイムで行うことが可能なDC‐DCコンバータ50を実現できる。この結果、蓄電装置70の発煙・発火等を防止する又は最小限に食い止めることが可能となる。
また、本実施形態では特に、遮断器60がDC‐DCコンバータ50と蓄電装置70との間の第2直流ラインLd2に設けられ、状態診断部120が、蓄電装置70の異常と診断した場合に、異常診断信号ARを出力する。これにより、状態診断部120からの異常診断信号ARに応じて遮断器60に遮断動作を行わせることにより、蓄電装置70の異常と診断後、瞬時に、DC‐DCコンバータ50と蓄電装置70との接続を切り離すことができ、安全性の高い電力変換システム1を実現できる。
また、本実施形態では特に、蓄電装置70の温度を検出する温度検出部80が設けられ、状態診断部120が、温度検出部80の検出温度Tを用いて、蓄電装置70の抵抗値を補正する。これにより、補正後の抵抗値を指標として用いて蓄電装置70の劣化状態や異常を診断できるので、蓄電装置70の状態診断の精度を向上でき、信頼性を向上できる。
また、本実施形態では特に、状態診断部120の診断結果に基づく報知を行う報知部90が設けられている。これにより、例えば蓄電装置70の劣化度や交換時期である旨、異常等を使用者に報知でき、利便性を向上できる。
<変形例等>
なお、実施形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
また、図1及び図2中に示す矢印は、信号の流れの一例を示すものであり、信号の流れ方向を限定するものではない。
また、図8に示すフローチャートは、実施形態の内容を図示する手順に限定するものではなく、趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で手順の追加・削除又は順番の変更等をしてもよい。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態等による手法を適宜組み合わせて利用してもよい。
その他、一々例示はしないが、上記実施形態等は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
1 電力変換システム
10 交流電源
20 AC‐DCコンバータ(第1電力変換装置)
50 DC‐DCコンバータ(電力変換装置、第2電力変換装置)
60 遮断器
70 蓄電装置
80 温度検出部
90 報知部
110 制御信号生成部
120 状態診断部
200 検出信号処理部
AR 異常診断信号
C 電気二重層容量(静電容量)
Ld2 第2直流ライン(第2電力変換装置と蓄電装置との間の直流ライン)
I2 第2直流電流検出値
I2a 交流電流成分値
I2a* 交流電流指令
I2d* 第2直流電流指令(直流電流指令)
R1 溶液抵抗(抵抗値)
R1′ 溶液抵抗(抵抗値)
R2 電荷移動抵抗(抵抗値)
R2’ 電荷移動抵抗(抵抗値)
S 制御信号
T 検出温度
V2 第2直流電圧検出値
V2a 交流電圧成分値
V2a* 交流電圧指令
V2d* 第2直流電圧指令(直流電圧指令)

Claims (11)

  1. 電力変換システムであって、
    交流電源からの交流電力を第1直流電力に変換するように構成された第1電力変換装置と、
    前記第1電力変換装置からの前記第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換するように構成された第2電力変換装置と、
    前記第2電力変換装置からの前記第2直流電力を蓄電するように構成された蓄電装置と、
    を有し、
    前記第2電力変換装置は、
    前記第2直流電力における直流電圧への所定の交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への所定の交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うように構成された制御信号生成部と、
    前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出するように構成された検出信号処理部と、
    前記直流電圧検出値及び前記直流電流検出値の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断するように構成された状態診断部と、
    を有する
    ことを特徴とする電力変換システム。
  2. 前記制御信号生成部は、
    前記蓄電装置側の直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流指令が重畳した、制御信号を生成して出力するように構成され、
    前記状態診断部は、
    前記直流電圧検出値における交流電圧成分値、及び、前記直流電流検出値における交流電流成分値、の少なくとも一方に基づいて、交流インピーダンス法により前記蓄電装置の状態量を算出するように構成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換システム。
  3. 前記制御信号生成部は、
    前記蓄電装置が定電圧充放電を行うように制御される際には、前記直流指令における直流電圧指令に対し、前記交流指令における交流電圧指令が重畳した、前記制御信号を生成して出力するように構成され、
    前記蓄電装置が定電流充放電を行うように制御される際には、前記直流指令における直流電流指令に対し、前記交流指令における交流電流指令が重畳した、前記制御信号を生成して出力するように構成される
    ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換システム。
  4. 前記状態診断部は、
    前記状態量として、前記蓄電装置の抵抗値及び静電容量の少なくとも一方を算出するように構成され、
    前記抵抗値及び前記静電容量の少なくとも一方に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を診断するように構成される
    ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換システム。
  5. 前記状態診断部は、
    前記抵抗値に基づいて、前記蓄電装置の異常を診断するように構成される
    ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換システム。
  6. 前記状態診断部は、
    前記異常と診断した場合に、異常診断信号を出力するように構成される
    ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換システム。
  7. 前記第2電力変換装置と前記蓄電装置との間の直流ラインに設けられ、前記状態診断部からの前記異常診断信号に応じて遮断動作を行うように構成された遮断器をさらに有する
    ことを特徴とする請求項6に記載の電力変換システム。
  8. 前記蓄電装置の温度を検出するように構成された温度検出部をさらに有し、
    前記状態診断部は、
    前記温度検出部の検出温度を用いて、前記抵抗値を補正するように構成される
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の電力変換システム。
  9. 前記状態診断部の診断結果に基づく報知を行うように構成された報知部をさらに有する
    ことを特徴とする請求項4乃至8のいずれか1項に記載の電力変換システム。
  10. 供給される第1直流電力を電力値が異なる別の第2直流電力に変換して蓄電装置に出力するように構成された電力変換装置であって、
    前記蓄電装置側の直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流指令が重畳した、制御信号を生成して出力することにより、前記第2直流電力における直流電圧への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うように構成された制御信号生成部と、
    前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値、の少なくとも一方を検出するように構成された検出信号処理部と、
    前記直流電圧検出値における交流電圧成分値、及び、前記直流電流検出値における交流電流成分値、の少なくとも一方に基づいて、交流インピーダンス法により前記蓄電装置の状態量を算出し、前記状態量に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断するように構成された状態診断部と、
    を有することを特徴とする電力変換装置。
  11. 供給される第2直流電力を蓄電するように構成された蓄電装置の状態診断方法であって、
    前記蓄電装置側の直流指令に対し、周波数が所定の周波数範囲内で変化する交流指令が重畳した、制御信号を生成して出力することにより、前記第2直流電力における直流電圧への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電圧の重畳、及び、前記第2直流電力における直流電流への、周波数が前記所定の周波数範囲内で変化する交流電流の重畳、の少なくとも一方を行うことと、
    前記交流電圧が重畳された直流電圧検出値における交流電圧成分値、及び、前記交流電流が重畳された直流電流検出値における交流電流成分値、の少なくとも一方に基づいて、交流インピーダンス法により前記蓄電装置の状態量を算出することと、
    前記状態量に基づいて、前記蓄電装置の状態を診断することと、
    を有することを特徴とする蓄電装置の状態診断方法。
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