充放電システム
【課題】２次電池の充放電システムにおいて、小型化を図りつつ低損失を実現する。
【解決手段】複数の２次電池を充放電する充放電回路５１と、複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更するスイッチ回路５３，５４と、充放電回路５１及びスイッチ回路５３，５４を制御する制御回路５５を備える。スイッチ回路５３，５４を適宜開閉することにより、充電時には、スイッチ回路５３，５４の両端電圧をＤＣ配電ライン電圧よりも低くし、放電時には、スイッチ回路５３，５４の両端電圧をＤＣ配電ライン電圧よりも高くする。これにより、充放電回路５１は降圧動作によって２次電池セルを充放電する。
【解決手段】複数の２次電池を充放電する充放電回路５１と、複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更するスイッチ回路５３，５４と、充放電回路５１及びスイッチ回路５３，５４を制御する制御回路５５を備える。スイッチ回路５３，５４を適宜開閉することにより、充電時には、スイッチ回路５３，５４の両端電圧をＤＣ配電ライン電圧よりも低くし、放電時には、スイッチ回路５３，５４の両端電圧をＤＣ配電ライン電圧よりも高くする。これにより、充放電回路５１は降圧動作によって２次電池セルを充放電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、太陽電池などをバックアップする２次電池の充放電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、従来の２次電池の充放電システムを示す。従来の充放電システムにおいては、２次電池の充放電に充電回路と放電回路が用いられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９-１５９６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の充放電システムにおいては、２次電池の充放電に際して、それぞれ充電回路と放電回路を用いており、大容量のコンバータが必要な為、システム全体のサイズの小型化を図ることが困難であった。また、コンバータを介して昇圧・降圧を行うため、充放電効率を上げることが難しく、損失が発生するという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、小型で低損失な充放電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の充放電システムは、複数の２次電池セルが接続された充放電システムであって、前記２次電池セルを充放電する充放電回路と、前記複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更する接続切り替え手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明において、前記接続切り替え手段を制御する制御手段をさらに備え、前記制御手段は、前記充放電回路に印加されるＤＣ配電ライン電圧と前記接続切り替え手段の両端電圧の大小関係に応じて、前記接続切り替え手段を制御することが好ましい。
【０００８】
この発明において、前記制御手段は、前記２次電池セルの充電時においては、いずれかの２次電池セルを並列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも低くすることが好ましい。
【０００９】
この発明において、前記制御手段は、前記２次電池セルの放電時においては、いずれかの２次電池セルを直列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも高くすることが好ましい。
【００１０】
この発明において、前記充放電回路は、トランスの１次側に双方向スイッチング素子を有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことが好ましい。
【００１１】
この発明において、前記充放電回路は、前記ＤＣ配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、前記双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有することが好ましい。
【００１２】
この発明において、前記充放電回路は、双方向スイッチング素子を有する双方向電力変換回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことが好ましい。
【００１３】
この発明において、前記充放電回路は、各２次電池セルに対応する充電回路を有することが好ましい。
【００１４】
この発明において、前記充放電回路は、いずれかの２次電池セルと直列に接続可能であり、放電方向にダイオードを介して前記ＤＣ配電ラインに直接接続される放電回路と、放電に使用していない２次電池セルを充電する充電回路を有することが好ましい。
【００１５】
この発明において、前記双方向スイッチング素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチング素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の充放電システムによれば、複数の２次電池の接続状態を直列又は並列に任意に変更することができ、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路は降圧動作のみで２次電池を充放電できるようになる。これにより、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による充放電システムを備えた配電システムの構成を示すブロック図。
【図２】同配電システムに備えられたコントロールユニットの構成を示すブロック図。
【図３】同充放電システムの構成を示すブロック図。
【図４】同充放電システムの充放電回路の構成を示すブロック図。
【図５】同充放電システムの充放電回路の変形例を示す回路図。
【図６】同充放電システムの変形例を示す構成を示すブロック図。
【図７】同充放電システムの変形例を示す構成を示すブロック図。
【図８】双方向スイッチング素子（シングルゲート）の構成を示す平面図。
【図９】図８における範囲Ａの拡大図。
【図１０】図９におけるＢ−Ｂ断面図。
【図１１】双方向スイッチ素子（デュアルゲート）の構成を示す平面図。
【図１２】図１１におけるＣ−Ｃ断面図。
【図１３】従来の充放電システムを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施形態による２次電池の充放電システムについて図面を参照して説明する。図１は、太陽電池及び２次電池を備え、交流電力と直流電力を配電可能としたハイブリッド配点システムに、実施形態に係る充放電システムを応用した例を示す。図１に示すように、住宅には、宅内に設置された各種機器（照明機器、エアコン、家電、オーディオビジュアル機器等）に電力を供給する配電システム１が設けられている。配電システム１は、商用交流電源（ＡＣ電源）２を電力として各種機器を動作させる他に、太陽光により発電する太陽電池（ＤＣ電源）３の電力も各種機器に電源として供給する。太陽電池３は、例えば複数のセル４から構成されている。配電システム１は、直流電源（ＤＣ電源）を入力して動作するＤＣ機器５の他に、交流電源（ＡＣ電源）を入力して動作するＡＣ機器６にも電力を供給する。なお、太陽電池３が直流電源及び自立発電電池を構成し、ＤＣ機器５及びＡＣ機器６が負荷を構成する。
【００１９】
配電システム１には、同システム１の分電盤として電源制御ユニット７及びＤＣ分電盤（直流ブレーカ内蔵）８が設けられている。電源制御ユニット７には、例えば、ＣＰＵなどで構成され、同ユニット７の動作を統括制御する制御部７ａが設けられている。また、配電システム１には、住宅のＤＣ機器５の動作を制御する機器として負荷制御ユニット９及びリレーユニット１０が設けられている。
【００２０】
電源制御ユニット７には、交流電源を分岐させるＡＣ分電盤１１が交流系電力線１２を介して接続されている。電源制御ユニット７は、このＡＣ分電盤１１を介して商用交流電源２に接続されるとともに、直流系電力線１３を介して太陽電池３に接続されている。電源制御ユニット７は、ＡＣ分電盤１１から交流電力を取り込むとともに太陽電池３から直流電力を取り込み、これら電力を機器電源として所定の電圧の直流電力に変換する。そして、電源制御ユニット７は、この変換後の直流電力を、直流系電力線１４を介してＤＣ分電盤８に出力したり、又は直流系電力線１５を介して蓄電池ユニット１６に出力して同電力を蓄電したりする。電源制御ユニット７は、ＡＣ分電盤１１から交流電力を取り込むのみならず、太陽電池３や蓄電池ユニット１６の電力を交流電力に変換してＡＣ分電盤１１に供給することも可能である。電源制御ユニット７は、信号線１７を介してＤＣ分電盤８とデータのやり取りを実行する。
【００２１】
ＤＣ分電盤８は、直流電力対応の一種のブレーカである。ＤＣ分電盤８は、電源制御ユニット７から入力した直流電力を分岐させ、その分岐後の直流電力を、直流系電力線１８を介して負荷制御ユニット９に出力したり、直流系電力線１９を介してリレーユニット１０に出力したりする。また、ＤＣ分電盤８は、信号線２０を介して負荷制御ユニット９とデータやり取りをしたり、信号線２１を介してリレーユニット１０とデータをやり取りしたりする。なお、ＤＣ分電盤８、負荷制御ユニット９及びリレーユニット１０は、制御部（図示せず）を有している。
【００２２】
負荷制御ユニット９には、複数のＤＣ機器５，５…が接続されている。これらＤＣ機器５は、直流電力及びデータの両方を１対の線によって搬送可能な直流供給線路２２を介して負荷制御ユニット９と接続されている。直流供給線路２２は、ＤＣ機器の電源となる直流電圧に、高周波の搬送波によりデータを電送する通信信号を重畳する、いわゆる電力線搬送通信により、１対の線で電力及びデータの両方をＤＣ機器５に搬送する。負荷制御ユニット９は、直流系電力線１８を介してＤＣ機器５の直流電源情報を取得し、ＤＣ分電盤８から信号線２０を介して得る動作指令を基に、どのＤＣ機器５をどのように制御するのかを把握する。そして、負荷制御ユニット９は、指示されたＤＣ機器５に直流供給線路２２を介して直流電圧及び動作指令を出力し、ＤＣ機器５の動作を制御する。
【００２３】
負荷制御ユニット９には、宅内のＤＣ機器５の動作を切り換える際に操作するスイッチ２３が直流供給線路２２を介して接続されている。また、負荷制御ユニット９には、例えば赤外線リモートコントローラからの発信電波を検出するセンサ２４が直流供給線路２２を介して接続されている。よって、ＤＣ分電盤８からの動作指示のみならず、スイッチ２３の操作やセンサ２４の検知によっても、直流供給線路２２に通信信号を流してＤＣ機器５が制御される。
【００２４】
リレーユニット１０には、複数のＤＣ機器５，５…がそれぞれ個別の直流系電力線２５を介して接続されている。リレーユニット１０は、直流系電力線１９を介してＤＣ機器５の直流電源を取得し、ＤＣ分電盤８から信号線２１を介して得る動作指令を基に、どのＤＣ機器５を動作させるのかを把握する。そして、リレーユニット１０は、指示されたＤＣ機器５に対し、内蔵のリレーにて直流系電力線２５への電源供給をオンオフすることで、ＤＣ機器５の動作を制御する。また、リレーユニット１０には、ＤＣ機器５を手動操作するための複数のスイッチ２６が接続されており、スイッチ２６の操作によって直流系電力線２５への電源供給をリレーにてオンオフすることにより、ＤＣ機器５が制御される。
【００２５】
ＤＣ分電盤８には、例えば壁コンセントや床コンセントの態様で住宅に建て付けられた直流コンセント２７が直流系電力線２８を介して接続されている。この直流コンセント２７にＤＣ機器のプラグ（図示略）を差し込めば、同機器に直流電力を直接供給することが可能である。
【００２６】
また、商用交流電源２とＡＣ分電盤１１との間には、商用交流電源２の使用量を遠隔検針可能な電力メータ２９が接続されている。電力メータ２９には、商用電源使用量の遠隔検針の機能のみならず、例えば電力線搬送通信や無線通信の機能が搭載されている。電力メータ２９は、電力線通信や無線通信等を介して検針結果を電力会社等に送信する。
【００２７】
配電システム１には、宅内の各種機器をネットワーク通信によって制御可能とするネットワークシステム３０が設けられている。ネットワークシステム３０には、同システム３０のコントロールユニットとして宅内サーバ３１が設けられている。宅内サーバ３１は、インターネットなどのネットワークＮを介して宅外の管理サーバ３２と接続されるとともに、信号線３３を介して宅内機器３４に接続されている。また、宅内サーバ３１は、ＤＣ分電盤８から直流系電力線３５を介して取得する直流電力を電源として動作する。
【００２８】
宅内サーバ３１には、ネットワーク通信による宅内の各種機器の動作制御を管理するコントロールボックス３６が信号線３７を介して接続されている。コントロールボックス３６は、信号線１７を介して電源制御ユニット７及びＤＣ分電盤８に接続されるとともに、直流供給線路３８を介してＤＣ機器５を直接制御可能である。コントロールボックス３６には、例えば使用したガス量や水道量を遠隔検針可能なガス／水道メータ３９が接続されるとともに、ネットワークシステム３０の操作パネル４０に接続されている。操作パネル４０には、例えばドアホン子器やセンサやカメラからなる監視機器４１が接続されている。
【００２９】
宅内サーバ３１は、ネットワークＮを介して宅内の各種機器の動作指令を入力すると、コントロールボックス３６に指示を通知して、各種機器が動作指令に準じた動作をとるようにコントロールボックス３６を動作させる。また、宅内サーバ３１は、ガス／水道メータ３９から取得した各種情報を、ネットワークＮを通じて管理サーバ３２に提供可能である。それとともに、監視機器４１で異常検出があったことを操作パネル４０から受け付けると、その旨もネットワークＮを通じて管理サーバ３２に提供する。
【００３０】
図２は、配電システム１に備えられた電源制御ユニット７及び充放電システム５０を示している。電源制御ユニット７は、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２と、最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を有する。双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２は、直流電力から交流電力への変換と交流電力から直流電力への変換を行う。そのため、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２は、入力交流電圧を直流電圧に変換出力するＡＣ／ＤＣコンバータ４３と、入力直流電圧を交流電圧に変換出力するＤＣ／ＡＣインバータ４４とを備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ４３は、商用交流電源２から入力した交流電圧を直流電圧に変換してＤＣ機器５や蓄電池ユニット１６に出力する。また、ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、太陽電池３や蓄電池ユニット１６から入力した直流電圧を交流電圧に変換して商用交流電源２に逆潮する。充放電システム５０は、電源制御ユニット７又は蓄電池ユニット１６に設けられている。
【００３１】
電源制御ユニット７には、太陽電池３の電力を最も電力効率の良い点（最大電力点）で出力させる最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５が設けられている。最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、太陽電池３に接続されるとともに、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２及びＤＣ機器５に接続されている。なお、最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５が出力電圧変換手段に相当する。
【００３２】
最大出力点制御は、いわゆるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御と呼ばれる電圧出力制御の一種である。ところで、太陽電池３には、電力を最も効率よく最大出力できる点、つまり最大電力点というものがあり、この点を満たす条件で発電しているとき、無駄のない電力出力が可能である。しかし、太陽電池３は、日射量や温度によりＩ−Ｖ特性が刻々と変化し、それに応じて最大電力点もその都度変化する。よって、最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、太陽電池３の発電状態に応じて自動的に入力電圧を変化させることにより、太陽電池３の電圧、即ち最大電力点を追従させて、太陽電池３の電力を最も効率の良い電力で取り出している。最大出力点制御は、山登り法とも呼ばれ、太陽電池３の出力電圧を意図的に変動させて、変動前と後との値を比較し、現在の出力が最大か否かを確認することを繰り返し行う。
【００３３】
最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、太陽電池３を最大出力点で追従制御して得られた電力をＤＣ配電ライン（Vline）に出力する。昼間において太陽電池３が太陽光発電する際、太陽電池３と蓄電池ユニット１６との合成電力ＪがＤＣ機器５に出力される。
【００３４】
なお、合成電力Ｊが余った際には、ＤＣ／ＡＣインバータ４４を介して商用交流電源２に逆潮されて売電される。また、昼間において天候不順により太陽光発電ができない場合、商用交流電源２の電力がＤＣ機器５やＡＣ機器６の機器電源として使用される。
【００３５】
夜間において、バックアップ電源として残しておく量よりも多い電力が蓄電池ユニット１６に蓄電されている場合や、或いは停電時には、蓄電池ユニット１６の電力が機器電源として使用される。このとき、太陽電池３は発電していないので、蓄電池ユニット１６の出力電力がＤＣ機器５に供給され、この電力によってＤＣ機器５やＡＣ機器６が動作される。
【００３６】
夜間時は、太陽電池３が発電できないので、蓄電池１６の放電が基本とされるが、蓄電池１６の放電が不可となった場合は、商用交流電源２の電源が使用される。このとき、電源制御ユニット７は、商用交流電源２の交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ４３で直流に変換し、その直流電力をＤＣ機器５に供給する。
【００３７】
図３は、充放電システム５０の構成を示している。充放電システム５０は、充放電回路５１と２次電池部５２と、マトリクス状に配列されたスイッチ回路（スイッチングマトリクス：接続切り替え手段）５３，５４と、制御回路５５を有している。２次電池部５２及びスイッチ回路５３，５４等により、蓄電池ユニット１６が構成される。充放電回路５１は、ＤＣ機器５の動作及び２次電池部５２の両端電圧に応じて２次電池５２を充放電する。２次電池部５２は、複数の２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５によって構成され、蓄電池ユニット１６の蓄電部として機能する。各２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５には、例えばリチウムイオン電池のセルが使用される。スイッチ回路５３，５４は、制御回路５５から入力された制御信号に応じて開閉し、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の接続状態を変更する。制御回路５５は、充放電回路５１及びスイッチ回路５３，５４を制御する。
【００３８】
スイッチ回路５３は、接点５３１ａ，５３１ｂ，５３１ｃ，５３２ａ，５３２ｂ，５３２ｃ，５３３ａ，５３３ｂ，５３３ｃ，５３４ａ，５３４ｂ，５３４ｃ，５３５ａ，５３５ｂ，５３５ｃを有する。スイッチ回路５４は、接点５４１ａ，５４１ｂ，５４１ｃ，５４２ａ，５４２ｂ，５４２ｃ，５４３ａ，５４３ｂ，５４３ｃ，５４４ａ，５４４ｂ，５４４ｃ，５４５ａ，５４５ｂ，５４５ｃを有する。スイッチ回路５３の接点５３１ａ，５３２ａ，５３３ａ，５３４ａ，５３５ａは、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の＋極端子に接続されている。スイッチ回路５４の接点５４１ａ，５４２ａ，５４３ａ，５４４ａ，５４５ａは、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の−極端子に接続されている。
【００３９】
スイッチ回路５３の接点５３１ｂ，５３２ｂ，５３３ｂ，５３４ｂ，５３５ｂは、充放電回路５１に接続されている。スイッチ回路５４の接点５４１ｂ，５４２ｂ，５４３ｂａ，５４４ｂ，５４５ｂは、グランドに接続されている。従って、例えば、スイッチ回路５３の接点５３１ａと接点５３１ｂ、接点５３２ａと接点５３２ｂが接続され、スイッチ回路５４の接点５４１ａと接点５４１ｂ、接点５４２ａと接点５４２ｂが接続されると、２次電池セル５２１，５２２が並列に接続される。他の２次電池セルについても同様である。
【００４０】
また、スイッチ回路５３の接点５３２ｃ，５３３ｃ，５３４ｃ，５３５ｃ，５３１ｃは、スイッチ回路５４の接点５４１ｃ，５４２ｃ，５４３ｃ，５４４ｃ，５４５ｃとそれぞれ接続されている。従って、例えば、スイッチ回路５４の接点５４１ａと接点５４１ｃ、スイッチ回路５３の接点５３２ａと接点５３２ｃが接続されると、２次電池セル５２１，５２２が直列に接続される。他の２次電池セルについても同様である。このように、スイッチ回路５３，５４の接点を適宜接続することにより、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の接続状態を変更し、蓄電池ユニット１６の両端電圧（接続切り替え手段の両端電圧）を変更できる。例えば、２次電池セル５２１と５２２及び２次電池セル５２３と５２４を直列に接続し、それらを並列に接続することも可能である。
【００４１】
図４は、充放電回路５１の構成を示す。充放電回路５１は、１対の双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をトランス５００の１次側に、１対の双方向スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を２次側に有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成されている。充放電回路５１は、ＤＣ配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有する。双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、例えば、制御回路５５から入力された制御信号に応じて開閉する。双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を制御するための制御信号は、制御回路５５に限られることなく、例えば充放電制御回路５１の内部に設けられた制御回路から入力されるように構成されていてもよい。充電時においては、ＤＣ配電ライン電圧Ｖline＞蓄電池ユニット１６の両端電圧Ｖbatとなるように、制御回路５５はスイッチ回路５３，５４の接続状態を適宜制御する。そして、１次側の双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互にオン／オフ制御されることにより、トランス５００が発振する。このとき、２次側の双方向スイッチング素子Ｑ３を常にオン、双方向スイッチング素子Ｑ４を常にオフにすることにより、蓄電池ユニット１６を構成する２次電池の充電を行うことができる。
【００４２】
一方、放電時においては、ＤＣ配電ライン電圧Ｖline＜蓄電池ユニット１６の両端電圧Ｖbatとなるように、制御回路５５はスイッチ回路５３，５４の接続状態を適宜制御する。そして、２次側の双方向スイッチング素子Ｑ３を常にオフ、双方向スイッチング素子Ｑ４を常にオンにすることにより、蓄電池ユニット１６を構成する２次電池の放電を行うことができる。
【００４３】
このように、本充放電回路５１を有する充放電システム５０によれば、複数の２次電池の接続状態をスイッチ回路５３，５４によって直列又は並列に任意に変更することができる。従って、充電又は放電の動作に応じて、ＤＣライン電圧Ｖlineと蓄電池ユニット１６の両端電圧Ｖbatとの大小関係を任意に変更することが可能となる。より具体的には、充電時には、蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineよりも低くなるように、放電時には蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineより高くなるように、スイッチ回路５３，５４を制御する。これにより、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路５１は降圧動作のみで電池を充放電できるため、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。また、双方向ハーフブリッジ型コンバータからの電力供給経路に加え、直接充放電経路を持つことから、コンバータの電力供給量を減らすことができる。従って、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。
【００４４】
図５は、充放電回路５１の変形例の構成を示す。この充放電回路５１は、双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を有する双方向電力変換回路によって構成されている。双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、制御回路５５又は充放電制御回路５１などから入力された制御信号に応じて開閉する。この充放電回路５１を有する充放電システム５０においても、充電時には、蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineよりも低くなるように、スイッチ回路５３，５４を制御する。そして、双方向スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御（チョッパ制御）すると共に、双方向スイッチング素子Ｑ２を常にオンさせる。また、放電時には蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineより高くなるように、スイッチ回路５３，５４を制御する。そして、双方向スイッチング素子Ｑ１を常にオンさせると共に、双方向スイッチング素子Ｑ２をオン／オフ制御（チョッパ制御）する。この充放電回路５１を有する充放電システム５０においても、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路５１は降圧動作のみで電池を充放電できるため、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。
【００４５】
図６は、充放電システム５０の変形例の構成を示す。この充放電システム５０において、充放電回路５１は、複数の充電回路５１１，５１２，５１３，５１４，５１５と、放電回路５１０等によって構成されている。各充電回路５１１，５１２，５１３，５１４，５１５は、２次電池部５２の２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５（図３参照）に対応する。この充放電システム５０において、各２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５は、放電時にのみ直列に接続される。充電時には、各２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５は、充電回路５１１，５１２，５１３，５１４，５１５に接続される。２次電池セルの充電には、定電流充電が好ましいとされるところ、この変形例においては、各電池毎にそれぞれ充電回路を設けることにより、各電池毎に充電電流を最適化することができる。これにより、２次電池セルの長寿命化を図ることができる。
【００４６】
図７は、充放電システム５０の別の変形例の構成を示す。この充放電システム５０において、充放電回路５１は、放電回路５１０と、充電回路５１６、ダイオード５１７等によって構成されている。放電回路５１０及び充電回路５１６は、スイッチ回路５３によって２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５に適宜接続される。ダイオード５１７は、放電回路５１０とＤＣ配電ラインの間に介挿される。ダイオード５１７に替えてＭＯＳＦＥＴで構成した理想ダイオードを用いてもよい。この充放電システム５０においては、制御回路５５によってスイッチ回路５３，５４を適宜制御する。これにより、幾つかの２次電池セルを順次交換しながら直列に接続して放電回路５１０及びダイオード５１７を介して放電するとともに、放電に使用されていない他の２次電池セルを順次交換しながら充電回路５１６を介して充電することができる。例えば、ＤＣ配電ライン電圧Ｖlineが４８Ｖの場合、１６Ｖの２次電池を４つ用いて運用する。すなわち、放電時は２次電池セル３個を直列に接続する。充電時は２次電池セル１つを充電する。そして、放電用の２次電池セルと放電用の２次電池セルとは、スイッチ回路５３，５４の動作によって順次交換していく。これにより２次電池セルが常に放電できる状態を維持しながら、２次電池セルの充電電流を最適化することができ、２次電池の長寿命化を図ることができる。
【００４７】
図８乃至図１２は、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１を構成する双方向スイッチング素子４，５，６，７に適用可能な、横型の横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００を示している。ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子は、ダイオード構造による損失がなく、ＦＥＴに比べて低損失であり、かつ制御回路の一体化が図れるというメリットを有している。以下、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００の詳細について説明する。
【００４８】
図８は双方向スイッチ素子１００の構成を示す平面図であり、図９は範囲Ａの拡大図、図１０はＢ−Ｂ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子１００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているのでシングルゲート型と呼ばれている。
【００４９】
図１０に示すように、双方向スイッチ素子１００の基板１０１は、導体層１０１ａと、導体層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図８に示すように、基板１０１の表面１０１ｄには、直流電源２及び負荷３に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。
【００５０】
次に、双方向スイッチ素子１００を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図９に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１と中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００５１】
そのため、第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、双方向スイッチ素子１００がオフのとき、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１００がオンのとき、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１００を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部１２１，１２２，１２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１００のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。
【００５２】
図１１及び１２は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子３００の構成を示す。図１１は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図１２はＣ−Ｃ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子３００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。
【００５３】
図１１及び１２に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子３００は、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極Ｄ１及びＤ２はそれぞれＧａＮ層に達するように形成され、ゲート電極Ｇ１及びＧ２はそれぞれＡｌＧａＮ層の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されると、ドレイン電極Ｄ１からＤ２に向かって（又はその逆に）ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極Ｇ１とＧ２の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１の間及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２とが、絶縁層Ｉｎを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも複数の２次電池セルを充放電する充放電回路と、複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更するスイッチ回路を備えて構成されていればよい。
【符号の説明】
【００５５】
５０ 充放電システム
５１ 充放電回路
５３，５４ スイッチ回路（接続切り替え手段）
５５ 制御回路
５２１，５２２，５２３，５２４，５２５ ２次電池セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、太陽電池などをバックアップする２次電池の充放電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、従来の２次電池の充放電システムを示す。従来の充放電システムにおいては、２次電池の充放電に充電回路と放電回路が用いられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９-１５９６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の充放電システムにおいては、２次電池の充放電に際して、それぞれ充電回路と放電回路を用いており、大容量のコンバータが必要な為、システム全体のサイズの小型化を図ることが困難であった。また、コンバータを介して昇圧・降圧を行うため、充放電効率を上げることが難しく、損失が発生するという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、小型で低損失な充放電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の充放電システムは、複数の２次電池セルが接続された充放電システムであって、前記２次電池セルを充放電する充放電回路と、前記複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更する接続切り替え手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明において、前記接続切り替え手段を制御する制御手段をさらに備え、前記制御手段は、前記充放電回路に印加されるＤＣ配電ライン電圧と前記接続切り替え手段の両端電圧の大小関係に応じて、前記接続切り替え手段を制御することが好ましい。
【０００８】
この発明において、前記制御手段は、前記２次電池セルの充電時においては、いずれかの２次電池セルを並列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも低くすることが好ましい。
【０００９】
この発明において、前記制御手段は、前記２次電池セルの放電時においては、いずれかの２次電池セルを直列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも高くすることが好ましい。
【００１０】
この発明において、前記充放電回路は、トランスの１次側に双方向スイッチング素子を有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことが好ましい。
【００１１】
この発明において、前記充放電回路は、前記ＤＣ配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、前記双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有することが好ましい。
【００１２】
この発明において、前記充放電回路は、双方向スイッチング素子を有する双方向電力変換回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことが好ましい。
【００１３】
この発明において、前記充放電回路は、各２次電池セルに対応する充電回路を有することが好ましい。
【００１４】
この発明において、前記充放電回路は、いずれかの２次電池セルと直列に接続可能であり、放電方向にダイオードを介して前記ＤＣ配電ラインに直接接続される放電回路と、放電に使用していない２次電池セルを充電する充電回路を有することが好ましい。
【００１５】
この発明において、前記双方向スイッチング素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチング素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の充放電システムによれば、複数の２次電池の接続状態を直列又は並列に任意に変更することができ、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路は降圧動作のみで２次電池を充放電できるようになる。これにより、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による充放電システムを備えた配電システムの構成を示すブロック図。
【図２】同配電システムに備えられたコントロールユニットの構成を示すブロック図。
【図３】同充放電システムの構成を示すブロック図。
【図４】同充放電システムの充放電回路の構成を示すブロック図。
【図５】同充放電システムの充放電回路の変形例を示す回路図。
【図６】同充放電システムの変形例を示す構成を示すブロック図。
【図７】同充放電システムの変形例を示す構成を示すブロック図。
【図８】双方向スイッチング素子（シングルゲート）の構成を示す平面図。
【図９】図８における範囲Ａの拡大図。
【図１０】図９におけるＢ−Ｂ断面図。
【図１１】双方向スイッチ素子（デュアルゲート）の構成を示す平面図。
【図１２】図１１におけるＣ−Ｃ断面図。
【図１３】従来の充放電システムを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施形態による２次電池の充放電システムについて図面を参照して説明する。図１は、太陽電池及び２次電池を備え、交流電力と直流電力を配電可能としたハイブリッド配点システムに、実施形態に係る充放電システムを応用した例を示す。図１に示すように、住宅には、宅内に設置された各種機器（照明機器、エアコン、家電、オーディオビジュアル機器等）に電力を供給する配電システム１が設けられている。配電システム１は、商用交流電源（ＡＣ電源）２を電力として各種機器を動作させる他に、太陽光により発電する太陽電池（ＤＣ電源）３の電力も各種機器に電源として供給する。太陽電池３は、例えば複数のセル４から構成されている。配電システム１は、直流電源（ＤＣ電源）を入力して動作するＤＣ機器５の他に、交流電源（ＡＣ電源）を入力して動作するＡＣ機器６にも電力を供給する。なお、太陽電池３が直流電源及び自立発電電池を構成し、ＤＣ機器５及びＡＣ機器６が負荷を構成する。
【００１９】
配電システム１には、同システム１の分電盤として電源制御ユニット７及びＤＣ分電盤（直流ブレーカ内蔵）８が設けられている。電源制御ユニット７には、例えば、ＣＰＵなどで構成され、同ユニット７の動作を統括制御する制御部７ａが設けられている。また、配電システム１には、住宅のＤＣ機器５の動作を制御する機器として負荷制御ユニット９及びリレーユニット１０が設けられている。
【００２０】
電源制御ユニット７には、交流電源を分岐させるＡＣ分電盤１１が交流系電力線１２を介して接続されている。電源制御ユニット７は、このＡＣ分電盤１１を介して商用交流電源２に接続されるとともに、直流系電力線１３を介して太陽電池３に接続されている。電源制御ユニット７は、ＡＣ分電盤１１から交流電力を取り込むとともに太陽電池３から直流電力を取り込み、これら電力を機器電源として所定の電圧の直流電力に変換する。そして、電源制御ユニット７は、この変換後の直流電力を、直流系電力線１４を介してＤＣ分電盤８に出力したり、又は直流系電力線１５を介して蓄電池ユニット１６に出力して同電力を蓄電したりする。電源制御ユニット７は、ＡＣ分電盤１１から交流電力を取り込むのみならず、太陽電池３や蓄電池ユニット１６の電力を交流電力に変換してＡＣ分電盤１１に供給することも可能である。電源制御ユニット７は、信号線１７を介してＤＣ分電盤８とデータのやり取りを実行する。
【００２１】
ＤＣ分電盤８は、直流電力対応の一種のブレーカである。ＤＣ分電盤８は、電源制御ユニット７から入力した直流電力を分岐させ、その分岐後の直流電力を、直流系電力線１８を介して負荷制御ユニット９に出力したり、直流系電力線１９を介してリレーユニット１０に出力したりする。また、ＤＣ分電盤８は、信号線２０を介して負荷制御ユニット９とデータやり取りをしたり、信号線２１を介してリレーユニット１０とデータをやり取りしたりする。なお、ＤＣ分電盤８、負荷制御ユニット９及びリレーユニット１０は、制御部（図示せず）を有している。
【００２２】
負荷制御ユニット９には、複数のＤＣ機器５，５…が接続されている。これらＤＣ機器５は、直流電力及びデータの両方を１対の線によって搬送可能な直流供給線路２２を介して負荷制御ユニット９と接続されている。直流供給線路２２は、ＤＣ機器の電源となる直流電圧に、高周波の搬送波によりデータを電送する通信信号を重畳する、いわゆる電力線搬送通信により、１対の線で電力及びデータの両方をＤＣ機器５に搬送する。負荷制御ユニット９は、直流系電力線１８を介してＤＣ機器５の直流電源情報を取得し、ＤＣ分電盤８から信号線２０を介して得る動作指令を基に、どのＤＣ機器５をどのように制御するのかを把握する。そして、負荷制御ユニット９は、指示されたＤＣ機器５に直流供給線路２２を介して直流電圧及び動作指令を出力し、ＤＣ機器５の動作を制御する。
【００２３】
負荷制御ユニット９には、宅内のＤＣ機器５の動作を切り換える際に操作するスイッチ２３が直流供給線路２２を介して接続されている。また、負荷制御ユニット９には、例えば赤外線リモートコントローラからの発信電波を検出するセンサ２４が直流供給線路２２を介して接続されている。よって、ＤＣ分電盤８からの動作指示のみならず、スイッチ２３の操作やセンサ２４の検知によっても、直流供給線路２２に通信信号を流してＤＣ機器５が制御される。
【００２４】
リレーユニット１０には、複数のＤＣ機器５，５…がそれぞれ個別の直流系電力線２５を介して接続されている。リレーユニット１０は、直流系電力線１９を介してＤＣ機器５の直流電源を取得し、ＤＣ分電盤８から信号線２１を介して得る動作指令を基に、どのＤＣ機器５を動作させるのかを把握する。そして、リレーユニット１０は、指示されたＤＣ機器５に対し、内蔵のリレーにて直流系電力線２５への電源供給をオンオフすることで、ＤＣ機器５の動作を制御する。また、リレーユニット１０には、ＤＣ機器５を手動操作するための複数のスイッチ２６が接続されており、スイッチ２６の操作によって直流系電力線２５への電源供給をリレーにてオンオフすることにより、ＤＣ機器５が制御される。
【００２５】
ＤＣ分電盤８には、例えば壁コンセントや床コンセントの態様で住宅に建て付けられた直流コンセント２７が直流系電力線２８を介して接続されている。この直流コンセント２７にＤＣ機器のプラグ（図示略）を差し込めば、同機器に直流電力を直接供給することが可能である。
【００２６】
また、商用交流電源２とＡＣ分電盤１１との間には、商用交流電源２の使用量を遠隔検針可能な電力メータ２９が接続されている。電力メータ２９には、商用電源使用量の遠隔検針の機能のみならず、例えば電力線搬送通信や無線通信の機能が搭載されている。電力メータ２９は、電力線通信や無線通信等を介して検針結果を電力会社等に送信する。
【００２７】
配電システム１には、宅内の各種機器をネットワーク通信によって制御可能とするネットワークシステム３０が設けられている。ネットワークシステム３０には、同システム３０のコントロールユニットとして宅内サーバ３１が設けられている。宅内サーバ３１は、インターネットなどのネットワークＮを介して宅外の管理サーバ３２と接続されるとともに、信号線３３を介して宅内機器３４に接続されている。また、宅内サーバ３１は、ＤＣ分電盤８から直流系電力線３５を介して取得する直流電力を電源として動作する。
【００２８】
宅内サーバ３１には、ネットワーク通信による宅内の各種機器の動作制御を管理するコントロールボックス３６が信号線３７を介して接続されている。コントロールボックス３６は、信号線１７を介して電源制御ユニット７及びＤＣ分電盤８に接続されるとともに、直流供給線路３８を介してＤＣ機器５を直接制御可能である。コントロールボックス３６には、例えば使用したガス量や水道量を遠隔検針可能なガス／水道メータ３９が接続されるとともに、ネットワークシステム３０の操作パネル４０に接続されている。操作パネル４０には、例えばドアホン子器やセンサやカメラからなる監視機器４１が接続されている。
【００２９】
宅内サーバ３１は、ネットワークＮを介して宅内の各種機器の動作指令を入力すると、コントロールボックス３６に指示を通知して、各種機器が動作指令に準じた動作をとるようにコントロールボックス３６を動作させる。また、宅内サーバ３１は、ガス／水道メータ３９から取得した各種情報を、ネットワークＮを通じて管理サーバ３２に提供可能である。それとともに、監視機器４１で異常検出があったことを操作パネル４０から受け付けると、その旨もネットワークＮを通じて管理サーバ３２に提供する。
【００３０】
図２は、配電システム１に備えられた電源制御ユニット７及び充放電システム５０を示している。電源制御ユニット７は、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２と、最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を有する。双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２は、直流電力から交流電力への変換と交流電力から直流電力への変換を行う。そのため、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２は、入力交流電圧を直流電圧に変換出力するＡＣ／ＤＣコンバータ４３と、入力直流電圧を交流電圧に変換出力するＤＣ／ＡＣインバータ４４とを備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ４３は、商用交流電源２から入力した交流電圧を直流電圧に変換してＤＣ機器５や蓄電池ユニット１６に出力する。また、ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、太陽電池３や蓄電池ユニット１６から入力した直流電圧を交流電圧に変換して商用交流電源２に逆潮する。充放電システム５０は、電源制御ユニット７又は蓄電池ユニット１６に設けられている。
【００３１】
電源制御ユニット７には、太陽電池３の電力を最も電力効率の良い点（最大電力点）で出力させる最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５が設けられている。最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、太陽電池３に接続されるとともに、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ４２及びＤＣ機器５に接続されている。なお、最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５が出力電圧変換手段に相当する。
【００３２】
最大出力点制御は、いわゆるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御と呼ばれる電圧出力制御の一種である。ところで、太陽電池３には、電力を最も効率よく最大出力できる点、つまり最大電力点というものがあり、この点を満たす条件で発電しているとき、無駄のない電力出力が可能である。しかし、太陽電池３は、日射量や温度によりＩ−Ｖ特性が刻々と変化し、それに応じて最大電力点もその都度変化する。よって、最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、太陽電池３の発電状態に応じて自動的に入力電圧を変化させることにより、太陽電池３の電圧、即ち最大電力点を追従させて、太陽電池３の電力を最も効率の良い電力で取り出している。最大出力点制御は、山登り法とも呼ばれ、太陽電池３の出力電圧を意図的に変動させて、変動前と後との値を比較し、現在の出力が最大か否かを確認することを繰り返し行う。
【００３３】
最大出力点制御ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、太陽電池３を最大出力点で追従制御して得られた電力をＤＣ配電ライン（Vline）に出力する。昼間において太陽電池３が太陽光発電する際、太陽電池３と蓄電池ユニット１６との合成電力ＪがＤＣ機器５に出力される。
【００３４】
なお、合成電力Ｊが余った際には、ＤＣ／ＡＣインバータ４４を介して商用交流電源２に逆潮されて売電される。また、昼間において天候不順により太陽光発電ができない場合、商用交流電源２の電力がＤＣ機器５やＡＣ機器６の機器電源として使用される。
【００３５】
夜間において、バックアップ電源として残しておく量よりも多い電力が蓄電池ユニット１６に蓄電されている場合や、或いは停電時には、蓄電池ユニット１６の電力が機器電源として使用される。このとき、太陽電池３は発電していないので、蓄電池ユニット１６の出力電力がＤＣ機器５に供給され、この電力によってＤＣ機器５やＡＣ機器６が動作される。
【００３６】
夜間時は、太陽電池３が発電できないので、蓄電池１６の放電が基本とされるが、蓄電池１６の放電が不可となった場合は、商用交流電源２の電源が使用される。このとき、電源制御ユニット７は、商用交流電源２の交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ４３で直流に変換し、その直流電力をＤＣ機器５に供給する。
【００３７】
図３は、充放電システム５０の構成を示している。充放電システム５０は、充放電回路５１と２次電池部５２と、マトリクス状に配列されたスイッチ回路（スイッチングマトリクス：接続切り替え手段）５３，５４と、制御回路５５を有している。２次電池部５２及びスイッチ回路５３，５４等により、蓄電池ユニット１６が構成される。充放電回路５１は、ＤＣ機器５の動作及び２次電池部５２の両端電圧に応じて２次電池５２を充放電する。２次電池部５２は、複数の２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５によって構成され、蓄電池ユニット１６の蓄電部として機能する。各２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５には、例えばリチウムイオン電池のセルが使用される。スイッチ回路５３，５４は、制御回路５５から入力された制御信号に応じて開閉し、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の接続状態を変更する。制御回路５５は、充放電回路５１及びスイッチ回路５３，５４を制御する。
【００３８】
スイッチ回路５３は、接点５３１ａ，５３１ｂ，５３１ｃ，５３２ａ，５３２ｂ，５３２ｃ，５３３ａ，５３３ｂ，５３３ｃ，５３４ａ，５３４ｂ，５３４ｃ，５３５ａ，５３５ｂ，５３５ｃを有する。スイッチ回路５４は、接点５４１ａ，５４１ｂ，５４１ｃ，５４２ａ，５４２ｂ，５４２ｃ，５４３ａ，５４３ｂ，５４３ｃ，５４４ａ，５４４ｂ，５４４ｃ，５４５ａ，５４５ｂ，５４５ｃを有する。スイッチ回路５３の接点５３１ａ，５３２ａ，５３３ａ，５３４ａ，５３５ａは、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の＋極端子に接続されている。スイッチ回路５４の接点５４１ａ，５４２ａ，５４３ａ，５４４ａ，５４５ａは、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の−極端子に接続されている。
【００３９】
スイッチ回路５３の接点５３１ｂ，５３２ｂ，５３３ｂ，５３４ｂ，５３５ｂは、充放電回路５１に接続されている。スイッチ回路５４の接点５４１ｂ，５４２ｂ，５４３ｂａ，５４４ｂ，５４５ｂは、グランドに接続されている。従って、例えば、スイッチ回路５３の接点５３１ａと接点５３１ｂ、接点５３２ａと接点５３２ｂが接続され、スイッチ回路５４の接点５４１ａと接点５４１ｂ、接点５４２ａと接点５４２ｂが接続されると、２次電池セル５２１，５２２が並列に接続される。他の２次電池セルについても同様である。
【００４０】
また、スイッチ回路５３の接点５３２ｃ，５３３ｃ，５３４ｃ，５３５ｃ，５３１ｃは、スイッチ回路５４の接点５４１ｃ，５４２ｃ，５４３ｃ，５４４ｃ，５４５ｃとそれぞれ接続されている。従って、例えば、スイッチ回路５４の接点５４１ａと接点５４１ｃ、スイッチ回路５３の接点５３２ａと接点５３２ｃが接続されると、２次電池セル５２１，５２２が直列に接続される。他の２次電池セルについても同様である。このように、スイッチ回路５３，５４の接点を適宜接続することにより、２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５の接続状態を変更し、蓄電池ユニット１６の両端電圧（接続切り替え手段の両端電圧）を変更できる。例えば、２次電池セル５２１と５２２及び２次電池セル５２３と５２４を直列に接続し、それらを並列に接続することも可能である。
【００４１】
図４は、充放電回路５１の構成を示す。充放電回路５１は、１対の双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をトランス５００の１次側に、１対の双方向スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を２次側に有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成されている。充放電回路５１は、ＤＣ配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有する。双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、例えば、制御回路５５から入力された制御信号に応じて開閉する。双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を制御するための制御信号は、制御回路５５に限られることなく、例えば充放電制御回路５１の内部に設けられた制御回路から入力されるように構成されていてもよい。充電時においては、ＤＣ配電ライン電圧Ｖline＞蓄電池ユニット１６の両端電圧Ｖbatとなるように、制御回路５５はスイッチ回路５３，５４の接続状態を適宜制御する。そして、１次側の双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が交互にオン／オフ制御されることにより、トランス５００が発振する。このとき、２次側の双方向スイッチング素子Ｑ３を常にオン、双方向スイッチング素子Ｑ４を常にオフにすることにより、蓄電池ユニット１６を構成する２次電池の充電を行うことができる。
【００４２】
一方、放電時においては、ＤＣ配電ライン電圧Ｖline＜蓄電池ユニット１６の両端電圧Ｖbatとなるように、制御回路５５はスイッチ回路５３，５４の接続状態を適宜制御する。そして、２次側の双方向スイッチング素子Ｑ３を常にオフ、双方向スイッチング素子Ｑ４を常にオンにすることにより、蓄電池ユニット１６を構成する２次電池の放電を行うことができる。
【００４３】
このように、本充放電回路５１を有する充放電システム５０によれば、複数の２次電池の接続状態をスイッチ回路５３，５４によって直列又は並列に任意に変更することができる。従って、充電又は放電の動作に応じて、ＤＣライン電圧Ｖlineと蓄電池ユニット１６の両端電圧Ｖbatとの大小関係を任意に変更することが可能となる。より具体的には、充電時には、蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineよりも低くなるように、放電時には蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineより高くなるように、スイッチ回路５３，５４を制御する。これにより、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路５１は降圧動作のみで電池を充放電できるため、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。また、双方向ハーフブリッジ型コンバータからの電力供給経路に加え、直接充放電経路を持つことから、コンバータの電力供給量を減らすことができる。従って、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。
【００４４】
図５は、充放電回路５１の変形例の構成を示す。この充放電回路５１は、双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を有する双方向電力変換回路によって構成されている。双方向スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、制御回路５５又は充放電制御回路５１などから入力された制御信号に応じて開閉する。この充放電回路５１を有する充放電システム５０においても、充電時には、蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineよりも低くなるように、スイッチ回路５３，５４を制御する。そして、双方向スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御（チョッパ制御）すると共に、双方向スイッチング素子Ｑ２を常にオンさせる。また、放電時には蓄電池ユニット１６の両端電圧ＶbatがＤＣライン電圧Ｖlineより高くなるように、スイッチ回路５３，５４を制御する。そして、双方向スイッチング素子Ｑ１を常にオンさせると共に、双方向スイッチング素子Ｑ２をオン／オフ制御（チョッパ制御）する。この充放電回路５１を有する充放電システム５０においても、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路５１は降圧動作のみで電池を充放電できるため、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。
【００４５】
図６は、充放電システム５０の変形例の構成を示す。この充放電システム５０において、充放電回路５１は、複数の充電回路５１１，５１２，５１３，５１４，５１５と、放電回路５１０等によって構成されている。各充電回路５１１，５１２，５１３，５１４，５１５は、２次電池部５２の２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５（図３参照）に対応する。この充放電システム５０において、各２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５は、放電時にのみ直列に接続される。充電時には、各２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５は、充電回路５１１，５１２，５１３，５１４，５１５に接続される。２次電池セルの充電には、定電流充電が好ましいとされるところ、この変形例においては、各電池毎にそれぞれ充電回路を設けることにより、各電池毎に充電電流を最適化することができる。これにより、２次電池セルの長寿命化を図ることができる。
【００４６】
図７は、充放電システム５０の別の変形例の構成を示す。この充放電システム５０において、充放電回路５１は、放電回路５１０と、充電回路５１６、ダイオード５１７等によって構成されている。放電回路５１０及び充電回路５１６は、スイッチ回路５３によって２次電池セル５２１，５２２，５２３，５２４，５２５に適宜接続される。ダイオード５１７は、放電回路５１０とＤＣ配電ラインの間に介挿される。ダイオード５１７に替えてＭＯＳＦＥＴで構成した理想ダイオードを用いてもよい。この充放電システム５０においては、制御回路５５によってスイッチ回路５３，５４を適宜制御する。これにより、幾つかの２次電池セルを順次交換しながら直列に接続して放電回路５１０及びダイオード５１７を介して放電するとともに、放電に使用されていない他の２次電池セルを順次交換しながら充電回路５１６を介して充電することができる。例えば、ＤＣ配電ライン電圧Ｖlineが４８Ｖの場合、１６Ｖの２次電池を４つ用いて運用する。すなわち、放電時は２次電池セル３個を直列に接続する。充電時は２次電池セル１つを充電する。そして、放電用の２次電池セルと放電用の２次電池セルとは、スイッチ回路５３，５４の動作によって順次交換していく。これにより２次電池セルが常に放電できる状態を維持しながら、２次電池セルの充電電流を最適化することができ、２次電池の長寿命化を図ることができる。
【００４７】
図８乃至図１２は、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１を構成する双方向スイッチング素子４，５，６，７に適用可能な、横型の横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００を示している。ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子は、ダイオード構造による損失がなく、ＦＥＴに比べて低損失であり、かつ制御回路の一体化が図れるというメリットを有している。以下、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００の詳細について説明する。
【００４８】
図８は双方向スイッチ素子１００の構成を示す平面図であり、図９は範囲Ａの拡大図、図１０はＢ−Ｂ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子１００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているのでシングルゲート型と呼ばれている。
【００４９】
図１０に示すように、双方向スイッチ素子１００の基板１０１は、導体層１０１ａと、導体層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図８に示すように、基板１０１の表面１０１ｄには、直流電源２及び負荷３に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。
【００５０】
次に、双方向スイッチ素子１００を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図９に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１と中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００５１】
そのため、第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、双方向スイッチ素子１００がオフのとき、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１００がオンのとき、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１００を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部１２１，１２２，１２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１００のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。
【００５２】
図１１及び１２は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子３００の構成を示す。図１１は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図１２はＣ−Ｃ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子３００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。
【００５３】
図１１及び１２に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子３００は、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極Ｄ１及びＤ２はそれぞれＧａＮ層に達するように形成され、ゲート電極Ｇ１及びＧ２はそれぞれＡｌＧａＮ層の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されると、ドレイン電極Ｄ１からＤ２に向かって（又はその逆に）ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極Ｇ１とＧ２の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１の間及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２とが、絶縁層Ｉｎを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも複数の２次電池セルを充放電する充放電回路と、複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更するスイッチ回路を備えて構成されていればよい。
【符号の説明】
【００５５】
５０ 充放電システム
５１ 充放電回路
５３，５４ スイッチ回路（接続切り替え手段）
５５ 制御回路
５２１，５２２，５２３，５２４，５２５ ２次電池セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の２次電池セルが接続された充放電システムであって、前記２次電池セルを充放電する充放電回路と、前記複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更する接続切り替え手段を備えたことを特徴とする充放電システム。
【請求項２】
前記接続切り替え手段を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記充放電回路に印加されるＤＣ配電ライン電圧と前記接続切り替え手段の両端電圧の大小関係に応じて、前記接続切り替え手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の充放電システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記２次電池セルの充電時においては、いずれかの２次電池セルを並列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも低くすることを特徴とする請求項２に記載の充放電システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記２次電池セルの放電時においては、いずれかの２次電池セルを直列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも高くすることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の充放電システム。
【請求項５】
前記充放電回路は、トランスの１次側に双方向スイッチング素子を有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項６】
前記充放電回路は、前記ＤＣ配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、前記双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有することを特徴とする請求項５に記載の充放電システム。
【請求項７】
前記充放電回路は、双方向スイッチング素子を有する双方向電力変換回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項８】
前記充放電回路は、各２次電池セルに対応する充電回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項９】
前記充放電回路は、いずれかの２次電池セルと直列に接続可能であり、放電方向にダイオードを介して前記ＤＣ配電ラインに直接接続される放電回路と、放電に使用していない２次電池セルを充電する充電回路を有することを特徴とする請求項８に記載の充放電システム。
【請求項１０】
前記双方向スイッチング素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチング素子であることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項１】
複数の２次電池セルが接続された充放電システムであって、前記２次電池セルを充放電する充放電回路と、前記複数の２次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更する接続切り替え手段を備えたことを特徴とする充放電システム。
【請求項２】
前記接続切り替え手段を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記充放電回路に印加されるＤＣ配電ライン電圧と前記接続切り替え手段の両端電圧の大小関係に応じて、前記接続切り替え手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の充放電システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記２次電池セルの充電時においては、いずれかの２次電池セルを並列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも低くすることを特徴とする請求項２に記載の充放電システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記２次電池セルの放電時においては、いずれかの２次電池セルを直列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記ＤＣ配電ライン電圧よりも高くすることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の充放電システム。
【請求項５】
前記充放電回路は、トランスの１次側に双方向スイッチング素子を有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項６】
前記充放電回路は、前記ＤＣ配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、前記双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有することを特徴とする請求項５に記載の充放電システム。
【請求項７】
前記充放電回路は、双方向スイッチング素子を有する双方向電力変換回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項８】
前記充放電回路は、各２次電池セルに対応する充電回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の充放電システム。
【請求項９】
前記充放電回路は、いずれかの２次電池セルと直列に接続可能であり、放電方向にダイオードを介して前記ＤＣ配電ラインに直接接続される放電回路と、放電に使用していない２次電池セルを充電する充電回路を有することを特徴とする請求項８に記載の充放電システム。
【請求項１０】
前記双方向スイッチング素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチング素子であることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の充放電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−７０４９２（Ｐ２０１２−７０４９２Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１１２４３（Ｐ２０１０−２１１２４３）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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