WO2012049972A1

WO2012049972A1 - 蓄電池を含む電源システム

Info

Publication number: WO2012049972A1
Application number: PCT/JP2011/072271
Authority: WO
Inventors: 中島　武; 健仁井家; 博道浪越
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2013-04-15

Abstract

　蓄電池制御単位４２と、蓄電池制御単位４２に接続され負荷１１０へ電力を供給する放電ラインＬ１上に設けられ、蓄電池制御単位４２と負荷１１０との間に設けられた放電スイッチＱ１とを含み、放電ラインＬ１を流れる電流が第１放電基準電流値以上となった場合に放電スイッチＱ１を開状態とし、放電ラインＬ１を流れる電流が第１放電基準電流値よりも小さい第２放電基準電流値以上第１放電基準電流値未満となった場合に放電スイッチＱ１を所定期間開状態として蓄電池制御単位４２と負荷１１０とを切り離し、所定期間後に放電スイッチＱ１を閉状態として蓄電池制御単位４２と負荷１１０と再度接続し、放電ラインＬ１を流れる電流が第２放電基準電流値未満となった場合に放電スイッチＱ１を閉状態とする。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　蓄電池を含む電源システム

　本発明は、蓄電池を含む電源システムに関する。

　電力の有効的な利用を図るために商用電源と蓄電池とを組み合わせた電源システムが利用され始めている。すなわち、負荷の時間的な変動に合わせて、負荷が大きいときには商用電源からの電力に加えて蓄電池からの放電電力を負荷へ供給し、負荷が小さいときには商用電源から蓄電池へ充電を行い、商用電源からの電力供給を時間的に平均化するものである。また、近年開発が進んでいる太陽光発電システムや燃料電池システムも電源システムに組み合わせられている。

　このような電源システムにおいて、蓄電池への充電を行う際及び蓄電池から負荷へ放電を行う際に充放電電流が大きくなり過ぎると急激な充放電によって蓄電池の劣化や長期的な寿命へ悪影響を及ぼすおそれがある。

　本発明は、蓄電池と、蓄電池に接続される負荷へ電力を供給する放電ラインに設けられた放電スイッチと、を備え、放電ラインを流れる電流が所定の第１放電基準電流値以上となった場合に放電スイッチを開状態とし、放電ラインを流れる電流が第１放電基準電流値よりも小さい第２放電基準電流値以上第１放電基準電流値未満となった場合に放電スイッチを所定期間開状態として蓄電池と負荷とを切り離し、所定期間後に放電スイッチを閉状態として蓄電池と負荷と再度接続し、放電ラインを流れる電流が第２放電基準電流値未満となった場合に放電スイッチを閉状態とする、電源システムである。

　本発明は、蓄電池と、蓄電池へ電力源から充電を行うための充電ラインに設けられた充電スイッチと、を備え、充電ラインを流れる電流が所定の第１充電基電流値以上となった場合に充電スイッチを開状態とし、充電ラインを流れる電流が第１充電基準電流値よりも小さい第２充電基準電流値以上第１充電基準電流値未満となった場合に充電スイッチを断続的に開状態及び閉状態とし、充電ラインを流れる電流が第２充電基準電流値未満となった場合に充電スイッチを閉状態とする、電源システムである。

　本発明は、蓄電池間の充放電による性能劣化を防ぐことができる電源システムを提供することができる。

本発明に係る実施の形態における電源システムの全体構成を示す図である。本発明に係る実施の形態における電源システムの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態における蓄電池ユニットの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態における蓄電池ユニットの構成を示す図である。本発明に係る過電流保護回路の構成を示す図である。本発明に係る過電流保護回路の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態における蓄電池ユニットの構成の別例を示す図である。

　本発明の実施の形態における電源システム１００は、図１に示すように、電源管理システム１０２、蓄電池集合体１０４、太陽電池システム１０６及び系統電源１０８を含んで構成される。電源システム１００は、負荷１１０に電力を供給するために用いられる。なお、図１において、太い実線は電力の流れを示し、細い実線は信号の流れを示す。

　本実施の形態では、太陽電池システム１０６及び系統電源１０８を電力源としている。系統電源１０８は、単相又は３相等の電源であり、水力発電、原子力発電、火力発電等の様々な発電方式で発電された電力を組み合わせて外部の電力会社から供給されるものとすることができる。また、太陽電池システム１０６は、例えば１ＭＷの大規模な太陽光発電システムとすることができる。ただし、これらに限定されるものではなく、燃料電池や風力発電システム等の他の電力源を含めてもよい。

　蓄電池集合体１０４は、負荷１１０の必要電力に応じた電力を供給するために設けられる。蓄電池集合体１０４は、図２及び図３に示すように、蓄電池セル４６を複数組み合わせた蓄電池パック４４、蓄電池パック４４を複数組み合わせた蓄電池制御単位４２、及び蓄電池制御単位４２を複数組み合わせた蓄電池ユニット４０のように階層的に構成される。

　具体的には、蓄電池集合体１０４は以下のように構成される。本実施の形態では、図２に示すように、８個の電力変換器２８を設け、蓄電池集合体１０４を８つに分けて、それぞれに１つの電力変換器２８を割り当てて電力管理を行う。各電力変換器２８には、５個の蓄電池ユニット４０が割り当てられる。すなわち、全体で４０個の蓄電池ユニット４０を設け、５個の蓄電池ユニット４０毎が１つの電力変換器２８に接続される。なお、図２では、電力線を実線で、信号線を破線で示している。

　図３は、図２における１つの蓄電池ユニット４０を抜き出し、その構成を詳細に示している。１つの蓄電池ユニット４０は、蓄電池パック４４を必要に応じて直列接続した蓄電池制御単位（蓄電池パック列）４２を、必要に応じて並列に接続して構成される。図３の例では、５個の蓄電池パック４４を直列接続して１つの蓄電池制御単位４２を形成し、その蓄電池制御単位４２を４列並列接続して、１つの蓄電池ユニット４０が構成されている。本実施の形態では、１つの蓄電池ユニット４０は、２０個の蓄電池パック４４から構成される。

　さらに、図３には、１つの蓄電池パック４４の内部構成が拡大されて示されている。本実施の形態では、１つの蓄電池パック４４は、蓄電池の単位である蓄電池セル４６を２４個並列に接続したものを、直列に１３組接続して構成される。つまり、各蓄電池パック４４は、２４×１３＝３１２個の蓄電池セル４６から構成される。

　１つの蓄電池ユニット４０には、それぞれ１つのサブコントローラ２４と、１つのスイッチ回路３０とが設けられる。スイッチ回路３０には、図４に示すように、蓄電池制御単位４２毎に１つの選択スイッチＳＷ１が設けられている。蓄電池制御単位４２は、選択スイッチＳＷ１を介して放電ラインＬ１に接続される。選択スイッチＳＷ１は、サブコントローラ２４からの開閉制御信号に応じて開閉制御される。すなわち、蓄電池制御単位４２は、蓄電池を放電ラインＬ１に接続する際の制御の最小単位となる。

　さらに、スイッチ回路３０は、放電ラインＬ１を介して、蓄電池制御単位４２を負荷１１０に接続する過電流保護回路２００を含む。過電流保護回路２００の機能については後述する。

　また、１つ蓄電池ユニット４０に含まれる蓄電池制御単位４２は、それぞれ抵抗Ｒを介して充電ラインＬ２に接続される。これにより、蓄電池制御単位４２間には２つの抵抗Ｒを介して相互に充放電電流が流れ、蓄電池制御単位４２の充電状態が均等化される。抵抗Ｒは、蓄電池制御単位４２間に悪影響を及ぼすような大きな電流が流れないような抵抗値とすることが好適である。例えば、蓄電池制御単位４２の出力電圧が約２００～２５０ボルト（Ｖ）の範囲であれば、抵抗Ｒは数十～数百オーム（Ω）に設定することが好適である。

　さらに、充電ラインＬ２には、スイッチＳＷ２が設けられる。スイッチＳＷ２をオン（接続状態）とすることによって、放電ラインＬ１を介して蓄電池制御単位４２間の充放電状態を均一化させることができる。この場合、１つの抵抗Ｒを介して蓄電池制御単位４２間で充放電を行うことができるので、より迅速に充電状態を均一化させることができる。

　スイッチ回路３０には、充電スイッチＳＷ３及びＳＷ４も設けられる。充電スイッチＳＷ３をオン（接続状態）とすることによって、太陽電池システム１０６で生成された電力を蓄電池制御単位４２へ供給することができ、蓄電池制御単位４２を充電することができる。また、充電スイッチＳＷ３及びＳＷ４の両方をオン（接続状態）とすることによって、系統電源１０８から供給される電力を蓄電池制御単位４２へ供給することができ、蓄電池制御単位４２を充電することができる。

　さらに、蓄電池ユニット４０の蓄電池制御単位４２毎に電流センサ５２が設けられ、各蓄電池制御単位４２の電流が検出される。また、蓄電池パック４４の直列に接続される１３組の蓄電池セル４６の並列集合体の各々には電圧センサ５４が設けられる。蓄電池セル４６の並列集合体の端子間電圧はセル電圧として電圧センサ５４によって検出される。なお、図３では、図を簡略に示すために電圧センサ５４を一つのみ図示している。また、蓄電池パック４４の温度はパック温度として温度センサ５６によって検出される。なお、蓄電池パック４４毎に複数の温度センサ５６を設けてもよい。これらのデータはサブコントローラ２４により取得される。サブコントローラ２４は、これらのデータ及びこれらのデータから算出した充放電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を各蓄電池ユニット４０の状態を示すユニット状態データＳ３，Ｓ６としてマスタコントローラ２２及び蓄電池電力管理装置１２へ出力する。また、蓄電池集合体１０４を構成する蓄電池ユニット４０に不具合が生じている場合には、サブコントローラ２４は、不具合を生じている蓄電池ユニット４０を特定するための情報をユニット状態データＳ３，Ｓ６に含めて送信する。

　なお、蓄電池セル４６、蓄電池パック４４、蓄電池制御単位４２及び蓄電池ユニット４０の組み合わせの数は電源システム１００の仕様に応じ適宜変更してもよい。また、蓄電池としてリチウムイオン電池を用いることができるが、これ以外の２次電池を適用してもよい。例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、マンガン電池等を適用してもよい。

　電源システム１００は、工場施設の一般照明、一般空調、厨房器具、展示ケース、空調設備等を含む負荷１１０へ電力を供給するために設けられる。

　負荷１１０には、電力管理装置１１０ａが設けられる。電力管理装置１１０ａは、負荷電力管理装置１０、蓄電池電力管理装置１２及び総合電力監視装置１４を含んで構成される。

　負荷電力管理装置１０は、負荷１１０の必要電力を示す負荷側情報データＳ９を取得する。負荷側情報データＳ９は、後述するシステムコントローラ２０が全体充放電制御指令Ｓ１を設定できるために必要な負荷１１０の全体の必要電力要求量を含む。図１に示すように、負荷１１０が４系統に区分されるときは、負荷電力管理装置１０は、内部的に４系統の負荷電力管理装置の集合体とされる。

　蓄電池電力管理装置１２は、蓄電池集合体１０４に含まれる蓄電池ユニット４０の各々の状態を示すユニット状態データＳ６及び電源システム１００に含まれる電力変換器２８の各々の状態を示す電力変換器管理データＳ７を受信する。蓄電池電力管理装置１２は、これらの情報を総合電力監視装置１４へ転送する。ユニット状態データＳ６は、全体充放電制御指令Ｓ１の生成に利用される情報を含む。ユニット状態データＳ６には、上記のように、蓄電池集合体を構成する蓄電池の電圧、温度、電流、ＳＯＣ等のデータ及び蓄電池集合体１０４を構成する蓄電池ユニット４０のいずれかに不具合がある場合にはこれらの不具合を示す情報が含まれる。また、電力変換器管理データＳ７には、全体充放電制御指令Ｓ１の設定に関係する電力変換器２８の不具合に関する情報が含まれる。例えば、電力変換器２８のいずれかに故障等の不具合がある場合、不具合が生じている電力変換器２８を特定するための情報が含まれる。

　総合電力監視装置１４は、負荷電力管理装置１０から負荷側情報データＳ９並びに蓄電池電力管理装置１２からユニット状態データＳ６及び電力変換器管理データＳ７を受けて、これらの情報から充放電制御に必要なデータを抽出する。総合電力監視装置１４は、抽出された情報をシステム管理信号Ｓ８としてシステムコントローラ２０へ出力する。システム管理信号Ｓ８の送信は、例えば１ｓに１回の周期で行われる。

　電源管理システム１０２は、図１に示すように、システムコントローラ２０、マスタコントローラ２２、サブコントローラ２４、電力変換器管理部２６、電力変換器２８及びスイッチ回路３０を含んで構成される。電源管理システム１０２は、階層的な制御システムとして構成されており、最上位のシステムコントローラ２０、システムコントローラ２０の下位に属するマスタコントローラ２２、マスタコントローラ２２の下位に属する電力変換器管理部２６及びマスタコントローラ２２から独立しているサブコントローラ２４と上位から下位に向かって制御が階層化されている。

　システムコントローラ２０は、電源システム１００の電力管理を統合的に行う機能を有する。マスタコントローラ２２は、システムコントローラ２０からの全体充放電制御指令Ｓ１を受けて、蓄電池集合体１０４の全体を１つとして充放電制御するための制御装置である。電力変換器管理部２６は、電源システム１００に含まれる電力変換器２８の各々における電力変換及び電圧変換等の処理を制御する。サブコントローラ２４は、蓄電池集合体１０４に含まれる蓄電池ユニット４０毎に設けられ、それぞれの蓄電池ユニット４０での充放電を制御する。以下、これらの構成要素について説明する。

　システムコントローラ２０は、電力管理装置１１０ａから負荷情報データＳ９、蓄電池情報信号Ｓ６及び電力変換器管理データＳ７を含むシステム管理信号Ｓ８を受け、これらの情報に基づいて電源システム１００の全体に対する充放電制御指令である全体充放電制御指令Ｓ１を生成して出力する。

　具体的には、システムコントローラ２０は、蓄電池ユニット４０及び電力変換器２８の状態を考慮して、蓄電池集合体１０４の充放電容量から負荷１１０の全体の必要電力要求量を満たす充放電条件を求めて、これを全体充放電制御指令Ｓ１としてマスタコントローラ２２に送信する。また、好ましくは、システムコントローラ２０は、不具合が生じている電力変換器２８に接続されている蓄電池ユニット４０の充放電の容量、および不具合が生じている蓄電池ユニット４０の充放電の容量に関する情報も考慮して、蓄電池集合体１０４の充放電容量から負荷１１０の全体の必要電力要求量を満たす充放電条件を求めて、これを全体充放電制御指令Ｓ１としてマスタコントローラ２２に送信する。

　全体充放電制御指令Ｓ１は、例えば「ＸＸｋＷでＹＹ秒間充電すること」等のように、充放電条件が電力量と時間とで示される。この他に、充電上限電圧を指定して「電圧がＺＺＶになるまでＸＸｋＷ充電すること」としてもよく、放電下限電圧を指定してＺＺＶまで放電することとしてもよく、ＳＯＣを指定して充放電を指令するものとしてもよい。ここで、ＳＯＣとは、電力を最大に貯蔵した状態におけるＳＯＣ（充放電状態）を１００とし、それを基準にして電力の各貯蔵状態でのＳＯＣ（充放電状態）を百分率で表したものである。

　全体充放電制御指令Ｓ１は、必要なときにのみ不定期に送信されるので、場合によってはかなりの長時間の間、全体充放電制御指令Ｓ１が送信されないことが生じ得る。そのような場合に、全体充放電制御指令Ｓ１を受け取るマスタコントローラ２２としては、システムコントローラ２０が、正常だが必要がないため送信してこないのか、不具合があるから送信してこないのかを判定できないおそれがある。そこで、システムコントローラ２０が正常であるか否かを確認するための確認信号Ｓ２が、マスタコントローラ２２からシステムコントローラ２０に適当な周期で送信される。システムコントローラ２０は、正常のときは応答信号で返答する。マスタコントローラ２２は、システムコントローラ２０から応答信号の返信があればシステムコントローラ２０が正常であると判定し、システムコントローラ２０から応答信号の返信がなければシステムコントローラ２０に不具合があると判定することができる。適当な周期としては、例えば１０分とすることができる。不具合があると判定された場合にはユーザにその旨を呈示する等の処理を行ってもよい。

　マスタコントローラ２２は、システムコントローラ２０から全体充放電制御指令Ｓ１を受け、それぞれの電力変換器２８に対する集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部２６に送信する機能を有する。

　また、マスタコントローラ２２は、電力変換器管理部２６から電力変換器２８の状態データである電力変換器管理データＳ４と、蓄電池集合体１０４に含まれる各蓄電池ユニット４０に設けられたサブコントローラ２４から各々の蓄電池ユニット４０の状態を示すユニット状態データＳ３とを受け取り、電力変換器管理データＳ４とユニット状態データＳ３とに基づいてシステムコントローラ２０から送信された全体充放電制御指令Ｓ１をそのまま実行できるか否か判断し、判断の結果に基づいて、集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部２６に送信する。判断は、例えば、ユニット状態データＳ３等を予め定めた条件式に当てはめて行うものとすることができる。集合体充放電制御指令Ｓ５は、１００ｍｓの周期で送受信が行われ、電力変換器管理データＳ４、ユニット状態データＳ３は、例えば１ｓ周期で送受信が行われる。

　全体充放電制御指令Ｓ１は、マスタコントローラ２２に対して送信される蓄電池集合体１０４の全体の充放電量を示す指令値であるが、集合体充放電制御指令Ｓ５は、全体充放電制御指令Ｓ１での指令値を電力変換器２８毎に分解した指令値となる。図２に示すように、電力変換器管理部２６に対して８個の電力変換器２８が設けられている場合、全体充放電制御指令Ｓ１が「３２０ｋＷで１８００秒間放電」という内容であったとすると、集合体充放電制御指令Ｓ５は、「第１の電力変換器２８は４０ｋＷで放電、第２の電力変換器２８は４０ｋＷで放電・・・第８の電力変換器２８は４０ｋＷで放電」という内容になる。なお、この具体例では、集合体充放電制御指令Ｓ５の個別の指令値は、全体充放電制御指令Ｓ１の指令値を電力変換器２８の個数で均等に割ったときの値となっているが、これ以外の個別の指令値とされることもある。例えば、電力変換器管理データＳ４によって、電力変換器管理部２６が制御する電力変換器２８のいずれかに不具合があることが送信されているときは、全体充放電制御指令Ｓ１の一部の充放電が制限された内容の集合体充放電制御指令Ｓ５が電力変換器管理部２６に送信される。具体的には、電力変換器管理データＳ４には電力変換器２８の不具合を示す情報が含まれており、ユニット状態データＳ３には、蓄電池ユニット４０の不具合を示す情報が含まれているので、マスタコントローラ２２は、不具合が生じた電力変換器２８を除いた他の電力変換器２８について、それに接続された蓄電池ユニット４０の中で不具合が生じた蓄電池ユニット４０を除いた他の蓄電池ユニットによって、全体充放電制御指令Ｓ１で要求される充放電状態が満たされるように、各電力変換器２８を制御する集合体充放電制御指令Ｓ５を生成して、電力変換器管理部２６へ出力する。

　また、マスタコントローラ２２は、電力変換器管理部２６から受け取った電力変換器管理データＳ４と同じ内容のデータを電力変換器管理データＳ７として蓄電池電力管理装置１２に送信する。電力変換器管理データＳ７は、電力変換器管理データＳ４の送信周期よりも長い送信周期で送信するものとしてもよい。例えば、電力変換器管理データＳ４を１秒毎に送信する場合、電力変換器管理データＳ７は１０秒毎に送信すればよい。この場合、電力変換器管理データＳ７には、電力変換器管理データＳ４の１０回分の情報が含まれる。勿論、これ以外の送信周期としてもよく、電力変換器管理データＳ４と電力変換器管理データＳ７の送信周期を同じとしてもよい。

　サブコントローラ２４は、上記のように蓄電池ユニット４０毎に設けられ、各蓄電池ユニット４０の状態に応じて各蓄電池ユニット４０に設けられたスイッチ回路３０に含まれるスイッチの開閉制御を行う。サブコントローラ２４は、蓄電池ユニット４０の電源（図示しない）がオンされ、充放電の条件が整うと、過電流保護回路２００及び充電スイッチＳＷ３及びＳＷ４をオン（接続状態）として蓄電池ユニット４０からの充放電を開始させる。

　また、サブコントローラ２４は、各蓄電池制御単位４２に設けられた電流センサ５２で検出される電流値及び電圧センサ５４で検出される電圧値、各蓄電池ユニット４０に設けられた温度センサ５６で検出される温度並びに放電ラインＬ１に設けられた電圧センサ６０で検出される基準電圧に基づいて蓄電池パック４４や蓄電池制御単位４２の状態を判断し、その判断結果に応じて蓄電池制御単位４２に対応するスイッチＳＷ１の開閉制御を行う。

　例えば、サブコントローラ２４は、各蓄電池制御単位４２に設けられた電流センサ５２で検出される電流値及び電圧センサ５４で検出される電圧値、各蓄電池ユニット４０に設けられた温度センサ５６で検出される温度並びに放電ラインＬ１に設けられた電圧センサ６０で検出される基準電圧に基づいて蓄電池パック４４や蓄電池制御単位４２の状態に不具合が乗じていると判断される場合には、不具合が生じている蓄電池パック４４を含む蓄電池制御単位４２を放電ラインＬ１から切り離す処理を行う。具体的には、不具合が生じている蓄電池パック４４を含む蓄電池制御単位４２に対応するスイッチＳＷ１（ＳＷ１（１）～ＳＷ１（４））を開放する処理を行う。また、サブコントローラ２４は、蓄電池パック４４や蓄電池制御単位４２の不具合を示す情報をユニット状態データＳ３，Ｓ６としてマスタコントローラ２２および蓄電池電力管理装置１２に送信する。

　不具合の判断は、電流センサ５２の検出される電流が予め定めた条件式から算出される閾値を超えるとき、電圧センサ５４によって検出されるセル電圧が予め定めた閾値範囲を超えるとき、温度センサ５６によって検出されるパック温度が予め定めた閾値を超えるとき等のように、予め定めた条件と比較して行うことができる。

　また、サブコントローラ２４は、上記のように、蓄電池ユニット４０の不具合を示す情報をユニット状態データＳ３，Ｓ６としてマスタコントローラ２２および蓄電池電力管理装置１２に送信する。サブコントローラ２４は、マスタコントローラ２２へ送信したユニット状態データＳ３と同じ内容のデータをユニット状態データＳ６として蓄電池電力管理装置１２に送信する。ここで、ユニット状態データＳ６は、ユニット状態データＳ３の送信周期よりも長い送信周期で送信するものとしてもよい。例えば、ユニット状態データＳ３を１秒毎に送信する場合、ユニット状態データＳ６は１０秒毎に送信すればよい。この場合、ユニット状態データＳ６には、ユニット状態データＳ３の１０回分の情報が含まれる。勿論、これ以外の送信周期としてもよく、ユニット状態データＳ３とユニット状態データＳ６の送信周期を同じとしてもよい。

　電力変換器管理部２６は、マスタコントローラ２２から集合体充放電制御指令Ｓ５を受け、制御対象となる電力変換器２８の各々を制御する。本実施の形態における電源システム１００では、図２に示すように、電力変換器管理部２６の制御対象となる電力変換器２８を８個としている。ただし、これに限定されるものではなく、電力変換器２８の数は適宜変更してもよい。

　電力変換器２８は、系統電源１０８の交流電力と蓄電池集合体１０４の直流電力との間の電力変換、太陽電池システム１０６の直流電圧と蓄電池集合体１０４の直流電圧との間の電圧変換、蓄電池集合体１０４の直流電力と負荷１１０の交流電力との間の電力変換、蓄電池集合体１０４の直流電圧と負荷１１０の直流電圧との間の電圧変換等を行う機能を有する。具体的には、必要に応じて双方向直交流変換回路、双方向電圧変換回路等を含んで構成される。

　電力変換器管理部２６は、集合体充放電制御指令Ｓ５に従って、太陽電池システム１０６や系統電源１０８から蓄電池集合体１０４へ充電を行ったり、蓄電池集合体１０４から負荷１１０へ放電を行ったりする際に各電力変換器２８における電力変換及び電圧変換を制御する。また、電力変換器管理部２６の制御下にある電力変換器２８のいずれかに不具合がある場合や、マスタコントローラ２２からの充放電の禁止指令、または待機指令が出力されている場合には、その不具合の電力変換器２８の動作を待機状態にさせて、電力変換器２８の不具合を示す情報を電力変換器管理データＳ４としてマスタコントローラ２２に送信する。

　例えば、図２に示すように８個の電力変換器２８が設けられており、集合体充放電制御指令Ｓ５が「第１の電力変換器２８は４０ｋＷで放電、第２の電力変換器２８は４０ｋＷで放電・・・第８の電力変換器２８は４０ｋＷで放電」という内容であれば、電力変換器管理部２６は、各電力変換器２８から負荷１１０へそれぞれ４０ｋＷで電力が供給されるように各電力変換器２８における電圧変換及び電力変換を制御する。また、集合体充放電制御指令Ｓ５が「第１の電力変換器２８は４０ｋＷで充電、第２の電力変換器２８は４０ｋＷで充電・・・第８の電力変換器２８は４０ｋＷで充電」という内容であれば、電力変換器管理部２６は、各電力変換器２８を介して太陽電池システム１０６や系統電源１０８からそれぞれ４０ｋＷで充電が行われるように各電力変換器２８における電圧変換及び電力変換を制御する。

　以上のように、システムコントローラ２０では負荷１１０の全体の必要電力要求量に応じて、蓄電池集合体１０４の全体の充放電条件を決定して全体充放電制御指令Ｓ１とする。そして、マスタコントローラ２２では全体充放電制御指令Ｓ１での充放電制御指令を満たすように、不具合が生じている電力変換器２８および蓄電池ユニット４０を考慮した具体的な各電力変換器２８の制御のための集合体充放電制御指令Ｓ５を生成し、マスタコントローラ２２より下位の電力変換器管理部２６によって各電力変換器２８を制御する。このとき、電力変換器管理部２６は、電力変換器２８に不具合が生じた場合は、上位のシステムコントローラ２０およびマスタコントローラ２２による制御によらず、電力変換器２８およびそれに接続される蓄電池ユニット４０を切り離す処理を行う。また、サブコントローラ２４は、蓄電池ユニット４０に不具合が生じた場合は、上位のシステムコントローラ２０およびマスタコントローラ２２による制御によらず、各蓄電池ユニット４０に含まれる蓄電池制御単位４２の接続・切離しの制御を行う。このように、階層的な制御を行うことによって、電力変換器２８や蓄電池ユニット４０に不具合が生じても、システムコントローラ２０から見て、蓄電池集合体１０４をあたかも１つの電池のように扱うことができる。また、より上位の制御系の処理の負担を軽減し、システム構成の変更に柔軟に対応することを可能とする。

＜異常放電時の処理＞
　本実施の形態における電源システム１００では、蓄電池ユニット４０毎にスイッチ回路３０に過電流保護回路２００が設けられている。

　過電流保護回路２００は、図５に示すように、放電スイッチＱ１、スイッチＱ２、Ｑ３、フォトボルＵ１、フォトカプラＵ２、コンパレータＣＭＰ１、タイマー素子ＴＭ１、抵抗Ｒｘを含んで構成される。放電スイッチＱ１はＦＥＴ、スイッチＱ２、Ｑ３はバイポーラトランジスタとすることができる。なお、抵抗Ｒｘは、過電流保護回路２００と一体に形成された基板抵抗とすることができる。

　過電流保護回路２００は、図４に示すように、蓄電池制御単位４２から負荷１１０までの放電ラインＬ１上に設けられ、放電ラインＬ１に過電流が流れると蓄電池制御単位４２と負荷１１０とを切り離す機能を有する。

　蓄電池ユニット４０から負荷１１０への放電条件が整うと、サブコントローラ２４は制御端子Ｔ１にハイレベルの放電制御信号を印加する。これにより、フォトボルＵ１のフォトダイオードＤ１に電圧が印加され、フォトダイオードＤ１が発光する。フォトダイオードＤ１は光電変換素子Ｐ１とペアになっており、フォトダイオードＤ１の発光により光電変換素子Ｐ１の端子Ｔ２の電圧が上昇する。これによって、放電スイッチＱ１がオン状態となり、放電スイッチＱ１及び抵抗Ｒｘを介して蓄電池制御単位４２が負荷１１０に接続される。

　過電流保護回路２００は、放電ラインＬ１に流れる電流が所定の第１放電基準電流値以上となった場合、及び第１放電基準電流値よりも小さい第２放電基準電流値以上となった場合の２段階の過電流保護を行う機能を有している。第１放電基準電流値は、例えば、９００アンペア（Ａ）であり、第２放電基準電流値は、例えば、３０アンペア（Ａ）である。

　コンパレータＣＭＰ１は、端子Ｔ３の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１以上となった場合にタイマー素子ＴＭ１のトリガ端子Ｔ４にオン信号（ローレベル信号）を与え、タイマー素子ＴＭ１を起動させる。ここで、基準電圧Ｖｒｅｆ１は、電源電圧Ｖｃｃを抵抗Ｒａ，Ｒｂで分圧した電圧である。端子Ｔ３には、放電ラインＬ１を介して負荷１１０に流れる電流に応じた電圧が入力される。具体的には、放電ラインＬ１に抵抗を設け、放電ラインＬ１を介して負荷１１０に流れる電流に応じてその抵抗に発生する電圧を端子Ｔ３に入力すればよい。このとき、放電ラインＬ１を介して負荷１１０に流れる電流が第２放電基準電流値（３０アンペア（Ａ））となったときに基準電圧Ｖｒｅｆ１に等しくなるように抵抗値を設定することが好適である。

　タイマー素子ＴＭ１は、トリガ端子Ｔ４にオン信号が与えられると一定時間起動され、起動している時間だけスイッチＱ２をオン状態にする。スイッチＱ２がオン状態になると、フォトダイオードＤ１のアノード側がスイッチＱ２を介して接地されるのでフォトボルＵ１がオフになり、さらに放電スイッチＱ１がオフ状態となる。これによって、タイマー素子ＴＭ１が起動されている時間は蓄電池制御単位４２が負荷１１０から切り離される。

　また、さらに大きな過大電流が流れた場合には抵抗Ｒｘの端子電圧が上昇し、放電ラインＬ１に流れる電流が第１放電基準電流値以上となるとスイッチＱ３がオン状態となる。スイッチＱ３がオン状態となると、フォトダイオードＤ２及びスイッチＱ３を介して端子Ｔ２の電圧が低下して放電スイッチＱ１がオフ状態となる。これにより、蓄電池制御単位４２が負荷１１０から切り離される。

　さらに、フォトカプラＵ２のフォトダイオードＤ２が発光する。フォトダイオードＤ２はフォトトランジスタＰ２とペアになっており、フォトダイオードＤ２の発光によりフォトトランジスタＰ２に電流が流れ、タイマー素子ＴＭ１のトリガ端子Ｔ４にオン信号が与えられる。これにより、上記のように、フォトボルＵ１及び放電スイッチＱ１がオフ状態となり、タイマー素子ＴＭ１が起動されている時間は蓄電池制御単位４２が負荷１１０から切り離される。

　以上のように、本実施の形態では、放電ラインＬ１に流れる電流が第２放電基準電流値以上第１放電基準電流値未満の範囲に入った場合、緊急性は低いが蓄電池制御単位４２からの放電を抑制する必要があるものとしてタイマー素子ＴＭ１を用いて放電スイッチＱ１を断続的に遮断する。さらに、放電ラインＬ１に流れる電流が第１放電基準電流値以上となった場合、緊急性が高い過大電流が流れたものとして、タイマー素子ＴＭ１等の処理に時間が掛る回路を経ずに放電スイッチＱ１を遮断して蓄電池制御単位４２からの放電を完全に停止させる。

　なお、本実施の形態では、蓄電池ユニット４０から負荷１１０への放電条件が整うと、サブコントローラ２４から制御端子Ｔ１にハイレベルの放電制御信号を印加するものとしたが、マスタコントローラ２２から制御端子Ｔ１にハイレベルの放電制御信号を印加するものとしてもよい。

　また、本実施の形態では、過電流保護回路２００は、蓄電池制御単位４２と負荷１１０との間に設ける構成としたが、蓄電池制御単位４２と負荷１１０とがインバータやコンバータを介して接続される場合、蓄電池制御単位４２とインバータやコンバータとの間に設けてもよい。

　また、本実施の形態では、過電流保護回路２００は各蓄電池ユニット４０毎に設けられる構成としたが、共通の負荷１１０に接続される複数の蓄電池ユニット４０に共通に設ける構成としてもよい。この場合、過電流保護回路２００は、放電ラインＬ１において複数の蓄電池制御ユニット４０が並列に接続された接続点から負荷１１０までの間に設けられる。このとき、過電流保護回路２００は、マスタコントローラ２２によって制御されることが好適である。

＜異常充電時の処理＞
　本実施の形態における電源システム１００では、サブコントローラ２４によって充電時の過電流保護処理が行われる。

　サブコントローラ２４は、充電ラインＬ２に設けられた電流センサ６２から充電ラインＬ２を流れる充電電流値を読み取る。サブコントローラ２４は、充電ラインＬ２に流れる電流が所定の第１充電基準電流値以上となった場合、及び第１放電基準電流値よりも小さい第２充電基準電流値以上となった場合の２段階の過電流保護を行う機能を有している。第１充電基準電流値は、例えば、２００アンペア（Ａ）であり、第２充電基準電流値は、例えば、３０アンペア（Ａ）である。

　サブコントローラ２４は、読み取った充電電流値が第２充電基準電圧以上となった場合、充電スイッチＳＷ３を所定の周期及びオンデューティで接続及び遮断させる。また、サブコントローラ２４は、読み取った充電電流値が第１受電基準電圧以上となった場合、充電スイッチＳＷ３を完全に遮断状態とする。

　以上のように、本実施の形態では、充電ラインＬ２に流れる電流が第２充電基準電流値以上第１放電基準電流値未満の範囲に入った場合、緊急性は低いが蓄電池制御単位４２への充電を抑制する必要があるものとして充電スイッチＳＷ３を断続的に遮断する。さらに、充電ラインＬ２に流れる電流が第１充電基準電流値以上となった場合、緊急性が高い過大電流が流れたものとして、充電スイッチＳＷ３を遮断して蓄電池制御単位４２への充電を完全に停止させる。

　なお、本実施の形態では、サブコントローラ２４によって充電スイッチＳＷ３を制御する構成としたが、図６に示すように、放電ラインＬ１と同様に充電ラインＬ２に過電流保護回路２０２を設ける構成としてもよい。このとき、蓄電池ユニット４０の充電条件が整うと、サブコントローラ２４は制御端子Ｔ１にハイレベルの充電制御信号が印加するものとすればよい。また、端子Ｔ３に印加される電圧は、充電ラインＬ２に流れる電流が第２充電基準電流値（３０アンペア（Ａ））となったときに基準電圧Ｖｒｅｆ１に等しくなるようにすればよい。

　また、本実施の形態では、充電スイッチＳＷ３又は過電流保護回路２０２は各蓄電池ユニット４０毎に設けられる構成としたが、太陽電池システム１０６及び系統電源１０８に接続される複数の蓄電池ユニット４０に共通に設ける構成としてもよい。この場合、充電スイッチＳＷ３又は過電流保護回路２０２は、充電ラインＬ２において複数の蓄電池制御ユニット４０が並列に接続された接続点から電力源となる太陽電池システム１０６及び系統電源１０８までの間に設けられる。このとき、充電スイッチＳＷ３又は過電流保護回路２０２は、マスタコントローラ２２によって制御されることが好適である。

　また、図７に示すように、放電ラインＬ１と充電ラインＬ２とが別々に設けられている構成においても同様に、放電ラインＬ１上に過電流保護回路２００を設けたり、充電ラインＬ２上に過電流保護回路２０２を設けたりしてもよい。

　また、選択スイッチＳＷ１やスイッチＳＷ２を過電流保護回路２００の構成で置き換える構成としてもよい。すなわち、選択スイッチＳＷ１を過電流保護回路２００（２０２）のスイッチＱ１に置き換え、各蓄電制御単位４２の充放電電流の大きさに応じてスイッチＱ１の開閉を制御するように構成する。また、スイッチＳＷ２を過電流保護回路２００（２０２）のスイッチＱ１に置き換え、充電ラインＬ２を流れる充電電流の大きさに応じてスイッチＱ１の開閉を制御するように構成する。このとき、第１充電基準電流値及び第２充電基準電流値は、それぞれの保護に適した値に適宜設定することが好適である。

　１０　負荷電力管理装置、１２　蓄電池電力管理装置、１４　総合電力監視装置、２０　システムコントローラ、２２　マスタコントローラ、２４　サブコントローラ、２６　電力変換器管理部、２８　電力変換器、３０　スイッチ回路、４０　蓄電池ユニット、４２　蓄電池制御単位、４４　蓄電池パック、４６　蓄電池セル、５２　電流センサ、５４　電圧センサ、５６　温度センサ、６０　電圧センサ、６２　強制開放回路、１００　電源システム、１０２　電源管理システム、１０４　蓄電池集合体、１０６　太陽電池システム、１０８　系統電源、１１０　負荷、２００　過電流保護回路。

Claims

　蓄電池と、
　前記蓄電池に接続される負荷へ電力を供給する放電ラインに設けられた放電スイッチと、を備え、
　前記放電ラインを流れる電流が所定の第１放電基準電流値以上となった場合に前記放電スイッチを開状態とし、
　前記放電ラインを流れる電流が前記第１放電基準電流値よりも小さい第２放電基準電流値以上前記第１放電基準電流値未満となった場合に前記放電スイッチを所定期間開状態として前記蓄電池と前記負荷とを切り離し、前記所定期間後に前記放電スイッチを閉状態として前記蓄電池と前記負荷と再度接続し、
　前記放電ラインを流れる電流が前記第２放電基準電流値未満となった場合に前記放電スイッチを閉状態とすることを特徴とする電源システム。
　請求項１に記載の電源システムであって、
　前記放電ラインを流れる電流が前記第２放電基準電流値以上前記第１放電基準電流値未満となった場合に起動されるタイマー素子を備え、
　前記タイマー素子は、起動された後に前記所定期間だけ前記放電スイッチを開状態とし、前記所定期間後に前記放電スイッチを閉状態とすることを特徴とする電源システム。
　請求項１に記載の電源システムであって、
　前記放電スイッチは、前記放電ラインにおいて前記蓄電池を構成する複数の蓄電池ユニットが並列に接続された接続点から前記負荷までの間に設けられていることを特徴とする電源システム。
　蓄電池と、
　前記蓄電池へ電力源から充電を行うための充電ラインに設けられた充電スイッチと、
を備え、
　前記充電ラインを流れる電流が所定の第１充電基電流値以上となった場合に前記充電スイッチを開状態とし、
　前記充電ラインを流れる電流が前記第１充電基準電流値よりも小さい第２充電基準電流値以上前記第１充電基準電流値未満となった場合に前記充電スイッチを断続的に開状態及び閉状態とし、
　前記充電ラインを流れる電流が前記第２充電基準電流値未満となった場合に前記充電スイッチを閉状態とすることを特徴とする電源システム。
　請求項４に記載の電源システムであって、
　前記充電スイッチは、前記充電ラインにおいて前記蓄電池を構成する複数の蓄電池ユニットが並列に接続された接続点から前記電力源までの間に設けられていることを特徴とする電源システム。