蓄電池集合体制御システム
【課題】蓄電池集合体制御システムにおいて、複数の蓄電池制御単位を並列接続する際の電圧差をなくす処理を適切に行うことである。
【解決手段】蓄電池集合体制御システムは、１つの電力変換器の充放電メインバス２８に、５つの蓄電池ユニット４０が並列に接続される。蓄電池ユニット４０はそれぞれ４つの蓄電池パック列４４を含み、各蓄電池パック列４４はスイッチ５６を介して充放電メインバス２８と接続される。サブコントローラ３０は、当該蓄電池パック列４４に対し無効化回路７２が無効化処理を解除中である条件と、当該蓄電池パック列４４に対応するスイッチ５６のオン指令信号を出力できる状態である条件を満たす蓄電池パック列４４が２以上となったときに、この条件を全て蓄電池パック列４４のそれぞれにオン指令信号を出力する。
【解決手段】蓄電池集合体制御システムは、１つの電力変換器の充放電メインバス２８に、５つの蓄電池ユニット４０が並列に接続される。蓄電池ユニット４０はそれぞれ４つの蓄電池パック列４４を含み、各蓄電池パック列４４はスイッチ５６を介して充放電メインバス２８と接続される。サブコントローラ３０は、当該蓄電池パック列４４に対し無効化回路７２が無効化処理を解除中である条件と、当該蓄電池パック列４４に対応するスイッチ５６のオン指令信号を出力できる状態である条件を満たす蓄電池パック列４４が２以上となったときに、この条件を全て蓄電池パック列４４のそれぞれにオン指令信号を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池集合体制御システムに係り、特に、並列接続された蓄電池制御単位の
間の電圧差をなくす処理が行われる蓄電池集合体制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力管理において、負荷の電力消費に合わせて、発電や送電を効率的に行うことが好ましい。負荷の電力消費が変動する場合、蓄電装置を用いて電力需給を平均化することができる。蓄電装置としては、リチウムイオン電池のような２次電池を用いることができるが、リチウムイオン電池等の２次電池は、単位セルと呼ばれる単位蓄電池の端子間電圧が１Ｖから４Ｖ程度で、その充放電電流容量も小さい。そこで、単位セルを複数個用いる組電池である蓄電池パックが用いられるが、負荷の電力消費によっては、その蓄電池パックの多数を直列接続あるいは並列接続して用いることが必要になる。
【０００３】
ところで、蓄電池パックを互いに並列接続するときに、それぞれの蓄電池パックの電圧が異なっていると、電圧の高いほうから低い方へ電流が流れ、場合によっては過大な電流となることが生じる。
【０００４】
例えば、特許文献１は、電圧均等化回路に関して、従来の鉛蓄電池よりも内部インピーダンスが低いリチウムイオン電池等を直接並列接続すると、製造のばらつきに起因するインピーダンスや接触抵抗の僅かな違いによって、列電池の一方に過大電流が流れる可能性を指摘している。そこで、複数の二次電池が接続される列電池を並列に接続した電力貯蔵装置において、各列電池の列電池情報に基づいて電圧調整を行うか否かが判定され、電圧調整が必要であるとされると、電圧調整手段から電圧調整のためのオフセット指令が出力されて、列電池のそれぞれに接続される電力変換器による充放電制御が行われることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１４１９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
二次電池を並列接続するときの電圧差を解消するには、電圧均等化回路を用いればよいが、システム構成が複雑になる。蓄電池集合体の場合には、最初に複数の蓄電池を組み合わせるときに電圧差が生じているが、一旦相互に接続されて集合体になると、充放電を行っても、蓄電池自体が故障しない限り、蓄電池の間の電圧差はほとんど生じない。したがって、蓄電池を組み合わせて接続する際に、複数の蓄電池の間で順次電圧均等化処理を行えばよい。
【０００７】
ところが、複数の蓄電池の間で順次電圧均等化処理を行うときに、大多数の蓄電池の間の電圧均等化処理が進んで、ごく一部の蓄電池がまだ電圧均等化処理が済んでいないときに、その電圧均等化処理が済んでいない蓄電池について、電圧均等化処理を行うときに問題が生じることがある。例えば、既に電圧均等化処理が済んでいる蓄電池と、まだ電圧均等化処理が済んでいない蓄電池との間に電圧差があると、電圧均等化処理を行うためにこれらをそのまま接続すると、その電圧差のために、電流が流れる。特に、まだ電圧均等化処理が済んでいない蓄電池の数が少ないと、その少ない数の蓄電池に電流が集中し、予期せぬ過大電流となることがある。
【０００８】
本発明の目的は、複数の蓄電池制御単位を並列接続する際の電圧差をなくす処理を適切に行うことができる蓄電池集合体制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る蓄電池集合体制御システムは、充放電メインバスに保護抵抗を介してそれぞれ並列接続されるとともに、充放電メインバスにスイッチを介してそれぞれ並列接続される複数の蓄電池制御単位と、複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチに対してオン指令信号を出力するサブコントローラと、充放電メインバスと複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、第１閾値電圧差よりも大きい値を有する予め定められた第２閾値電圧差を超えるときに、当該蓄電池制御単位に対するサブコントローラからのオン指令信号を無効化する無効化処理を行う無効化回路と、を備え、サブコントローラは、複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、当該蓄電池制御単位に対し無効化回路が無効化処理を解除中である第１条件を満たすか否かと、かつ当該蓄電池制御単位に対しオン指令信号を出力できる状態である第２条件を満たすか否かを判断し、第１条件と第２条件とを満たす蓄電池制御単位が２以上となったときに、第１条件と第２条件とを満たす蓄電池制御単位の複数にオン指令信号をそれぞれ出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成により、蓄電池集合体制御システムは、複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチに対してオン指令信号を出力するサブコントローラと、充放電メインバスと複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、第２閾値電圧差を超えるときに、当該蓄電池制御単位に対するサブコントローラからのオン指令信号を無効化する無効化処理を行う無効化回路とを備える。そして、サブコントローラは、複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、当該蓄電池制御単位に対し無効化回路が無効化処理を解除中である第１条件と、当該蓄電池制御単位に対しオン指令信号を出力できる状態である第２条件とを共に満たす蓄電池制御単位が２以上となるときに、初めて、第１条件と第２条件とを満たす蓄電池制御単位の複数にオン指令信号をそれぞれ出力する。このように、少なくとも２つ以上の蓄電池制御単位で電圧均等化処理を行うので、仮に電圧差があっても、１つの蓄電池制御単位で電圧均等化処理を行うことに比べて、電圧差によって流れる電流を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施の形態の蓄電池集合体制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の蓄電池集合体制御システムにおける無効化回路の作用の様子を説明する図である。
【図３】本発明の課題を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の蓄電池集合体制御システムにおける電圧均等化処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、蓄電池としてリチウムイオン電池を説明するが、これ以外の２次電池であってもよい。例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等であってもよい。蓄電池集合体とするのは、負荷の必要電力に対応するための電圧と電流とを得るためであるので、蓄電池集合体を構成する単位蓄電池の数、単位蓄電池を組み合わせた蓄電池パックの数、蓄電池パックを組み合わせた蓄電池ユニットの数等は、蓄電池集合体制御システムの仕様に応じ適宜なものとできる。
【００１３】
また、以下で、蓄電池集合体と接続される電力源として、太陽光発電電力と外部商用電力を説明するが、これ以外の電力源、例えば風力発電電力等であってもよい。また、以下で述べる抵抗値、電圧値等は、説明のための例示であり、蓄電池集合体制御システムの電力仕様等に応じ適宜変更が可能である。
【００１４】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１５】
図１は、蓄電池集合体制御システム１０の構成を示す図である。蓄電池集合体制御システム１０は、複数の蓄電池を組み合わせた蓄電池集合体と、電力源と、負荷との間の電力管理を通して、蓄電池集合体の最適な充放電制御を行うシステムである。
【００１６】
電力源として、外部商用電源１２と、太陽光発電システム１４を含む。外部商用電源１２は、単相または三相の交流電力源であり、電力需給の変動に合わせて、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。太陽光発電システム１４は、例えば、数ＭＷの大規模なシステムである。負荷１６は、ここでは工場の負荷が図示されている。工場の負荷としては、機械設備の他、一般照明、一般空調、厨房器具、サーバやＰＣ等の事務機器、工場内空調等を含む。
【００１７】
蓄電池集合体制御システム１０において、蓄電池集合体の最適な充放電制御を行うため、図示されていないシステムコントローラによって、電力源側の供給電力情報データと、負荷側の負荷電力情報データと、蓄電池集合体側の蓄電池電力情報データとに基づいて、これらの電力管理全体に対する１つの充放電制御指令である全体充放電制御指令が生成される。全体充放電制御指令は、例えば「ＸＸｋＷでＹＹ秒間充電すること」、「電圧がＺＺＶになるまでＸＸｋＷ充電すること」等の指令である。
【００１８】
マスタコントローラ２０は、図示されていないシステムコントローラから受け取った１つの全体充放電制御指令に基づいて、ＨＵＢ２２を介して、電力変換器管理部２４に集合体充放電制御指令を送信する機能を有する制御装置である。
【００１９】
電力変換器管理部２４は、８つの電力変換器２６の動作状態を管理する管理装置である。電力変換器２６は、外部商用電源１２の交流電力と蓄電池の直流電力との間の電力変換、あるいは太陽光発電システム１４の電圧と蓄電池の電圧との間の電圧変換、あるいは蓄電池の電圧と負荷１６の電圧との間の電圧変換を行う機能を有し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンバータである。具体的には、実際に行われる変換の内容に応じて、用いられるコンバータの種類が選択される。
【００２０】
電力変換器管理部２４は、マスタコントローラ２０からの集合体充放電指令に合わせるように、蓄電池集合体の全体を８つに分けて、その８つのそれぞれに１つの電力変換器２６を割り当てて電力管理を行う管理装置である。図１では、蓄電池集合体の全体の内で、１つの電力変換器２６に接続される蓄電池集合体が図示されている。１つの電力変換器２６には、５つの蓄電池ユニット４０が接続される。
【００２１】
充放電メインバス２８は、１つの電力変換器２６と５つの蓄電池ユニット４０を接続する電力バスで、５つの蓄電池ユニット４０は、この充放電メインバス２８に互いに並列接続される。具体的には、各蓄電池ユニット４０は、スイッチ基板５０を介して充放電メインバス２８に接続される。ここで、スイッチ基板５０は、サブコントローラ３０によって制御される。このように、１つの蓄電池ユニット４０には、スイッチ基板５０とサブコントローラ３０が付属するので、これらは、１つのラックにまとめられる。
【００２２】
蓄電池ユニット４０は、予め定められた個数の蓄電池パック４２を直列接続した蓄電池パック列４４を、予め定めた列数で並列に接続して構成される。図１の例では、５つの蓄電池パック４２を直列接続して１つの蓄電池パック列４４を形成し、その蓄電池パック列４４を４列並列接続して、１つの蓄電池ユニット４０が構成される。すなわち、１つの蓄電池ユニット４０は、２０つの蓄電池パック４２から構成されることになる。なお、１つの蓄電池パック４２は、３１２のセルと呼ばれる単位蓄電池から構成される。各単位蓄電池は、端子電圧が１Ｖから４Ｖのリチウムイオン電池である。
【００２３】
なお、蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２のそれぞれの端子間電圧はセル電圧の加算として、図示されていない電圧検出器によって検出される。また、蓄電池パック４２の温度はパック温度として図示されていない温度検出器によって検出される。また、各蓄電池パック列４４に流れる電流はパック列電流として、図示されていない電流検出器によって検出される、これらのデータは、その蓄電池ユニット４０を管理するサブコントローラ３０に伝送される。
【００２４】
スイッチ基板５０は、蓄電池ユニット４０と、充放電メインバス２８との間に配置される回路基板で、複数の保護抵抗５４、複数のスイッチ５６、サブスイッチ５１を含む。
【００２５】
保護抵抗５４は、蓄電池ユニット４０において４つ並列接続される蓄電池パック列４４の間の電圧差を少なくするために設けられる抵抗素子である。具体的には、４つの蓄電池パック列４４の間に電圧差があるときに、その電圧差に応じた電流が流れることで、各蓄電池パック列４４の間の電圧差を少なくするために、各蓄電池パック列４４の間に設けられる抵抗素子である。図１の例では、各蓄電池パック列４４の充放電端子とサブバス５２の間にそれぞれ直列に抵抗素子を配置し、これを保護抵抗５４としてある。この場合には、隣接する蓄電池パック列４４には、サブバス５２を介して２つの保護抵抗５４があることになる。この構成に代わって、例えば、隣接する蓄電池パック列４４の充放電端子の間にそれぞれ１つの抵抗素子を配置してもよい。この場合には、この1つの抵抗素子が保護抵抗５４として機能することになる。
【００２６】
保護抵抗５４は、各蓄電池パック列４４の間の電圧差を少なくするためであるので、電圧差の目標電圧と、蓄電池パック列４４の蓄電電力量をあまり減らさずに電圧差を少なくするために流せる電流値とで、その抵抗値を設定できる。一例を示すと、電圧差の目標電圧を１Ｖ、流せる電流値を３００ｍＡ程度とすると、保護抵抗５４の抵抗値を約３Ωとすることができる。蓄電池パック４２の充放電特性は、例えば、３３Ａの１時間放電で端子電圧が約１０Ｖ変化する。約３００ｍＡの電流は、約１００時間で１Ｖの端子電圧変化に相当するので、過充放電による蓄電池パック４２の性能低下をほとんど起こさずに、ゆっくりと、各蓄電池パック列４４の電圧差が解消してゆくことができる。なお、サブスイッチ５１は、充放電メインバス２８とサブバス５２との間に設けられ、通常はオン状態であるが、異常のときなど、必要に応じてオフすることができる手段として用いられる。
【００２７】
スイッチ５６は、蓄電池パック列４４の間の電圧差が予め定めた閾値電圧差以下になったときに、その蓄電池パック列４２を充放電メインバス２８に接続するための素子である。スイッチ５６は、各蓄電池パック列４４の充放電端子と充放電メインバス２８との間にそれぞれ１ずつ設けられる。場合によっては、充電と放電とを区別して、１つの蓄電池パック列４４に対して２つずつスイッチを設けるものとしてもよい。ここでは上記の目標電圧を、例えば、閾値電圧差を±１Ｖとすることができる。なお、この閾値電圧差を、後述する無効化回路７２の閾値電圧差と区別するため、以下では、第１閾値電圧差と呼ぶことにする。
【００２８】
このように、蓄電池ユニット４０においては、各蓄電池パック列４４を単位として、保護抵抗５４の機能を用いてそれぞれの蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧を揃え、閾値電圧差に収まったところでその蓄電池パック列４４についてのスイッチ５６をオンする制御が行われる。この観点から、各蓄電池パック列４４を、蓄電池ユニット４０における蓄電池制御単位と呼ぶことができる。
【００２９】
サブコントローラ３０は、蓄電池ユニット４０を構成する４つの蓄電池パック列４４のパック列電流データと、各蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２のセル電圧とパック温度データを取得し、適当な伝送タイミングでマスタコントローラ２０に伝送する機能を有する。また、各蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２のセル電圧から、各蓄電池パック列４４の電圧を算出して監視する機能を有する。
【００３０】
サブコントローラ３０は、さらに、スイッチ５６の動作を制御する機能を有する。すなわち、上記のように、保護抵抗５４の作用によって、各蓄電池パック列４４の間の電圧差が少なくなって、予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチ５６をオンさせる。第１閾値電圧差としては、上記のように、±１Ｖとすることができる。オンさせる順序としては、例えば、電圧の高い蓄電池パック列４４のスイッチ５６から順に、とすることができる。この他に、予め定めた順序でオンさせるものとしてもよい。
【００３１】
サブコントローラ３０によるスイッチ５６のオンによって、該当する蓄電池パック列４４は、保護抵抗５４を介さずに、直接充放電メインバス２８に接続され、充放電メインバス２８の電圧に一気になる。つまり、その蓄電池パック列４４の充放電端子と、充放電メインバス２８との間の電圧差はなくなる。これによって、その蓄電池パック列４４は、充放電メインバス２８を介して、電力変換器２６の充放電に寄与することができるようになる。
【００３２】
このように、サブコントローラ３０は、その担当する蓄電池ユニット４０に含まれる４つの蓄電池パック列４４の間の電圧差をなくすためにスイッチ５６をオンする制御を行うが、他の蓄電池ユニット４０との間の電圧差については関与しない。そこで、蓄電池ユニット４０の間の電圧差があまり大きくなることを防ぐために、サブコントローラ３０のスイッチオン指令に対するハード的な保護が掛けられる。
【００３３】
図２は、その様子を説明する図である。ここでは、１つの蓄電池ユニット４０を取り出して、４つの蓄電池パック列４４の電圧差をなくすためのスイッチ５６周りの詳細な構成が示される。サブコントローラ３０と、各スイッチ５６との間には、それぞれ、無効化回路７２が設けられる。無効化回路７２は、所定の一定条件の下で、サブコントローラ３０からのスイッチ５６に対するオン指令７０を無効化する処理を行うハードウェアの回路である。所定の一定条件は、充放電メインバス２８と蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が所定の閾値電圧差を超えていることである。この閾値電圧差を、先ほどの第１閾値電圧差と区別して、以下では、第２閾値電圧差と呼ぶことにする。
【００３４】
第１閾値電圧差が２つの蓄電池ユニット４０の間の４つの蓄電池パック列４４の間の電圧差に関するものであるのに対し、第２閾値電圧差は、他の蓄電池ユニット４０との間の電圧差を考えるものである。したがって、第２閾値電圧差は、第１閾値電圧差よりも大きい値に設定される。例えば、上記のように第１閾値電圧差が±１Ｖであるときは、第２閾値電圧差を±３Ｖと設定することができる。
【００３５】
サブコントローラ３０によって行われる蓄電池パック列４４の間の電圧差が第１閾値電圧差以下か否かは、ソフトウェア手段によって実行される。すなわち、蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧は、その蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２の端子間電圧をサブコントローラ３０が取得し、その値を加算して充放電端子の電圧を計算する。そして、計算された値を、予め定めた第１閾値電圧差の値と比較演算する。このように、演算処理によって行われた判断に基づいて、サブコントローラ３０は、スイッチ５６のオン指令７０を出力する。
【００３６】
これに対し、無効化回路７２は、充放電メインバス２８の電圧を数値ではなく、物理特性としての電圧そのもので取得し、また、蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧も数値ではなく、物理特性としての電圧そのもので取得し、この物理特性としての２つの電圧で、回路素子を動作させて、サブコントローラ３０のオン指令７０の信号がスイッチ５６に伝達されるのを遮断する無効化処理を行う。
【００３７】
図２では、充放電メインバス２８の電圧をＶ0、４つの蓄電池パック列の電圧をそれぞれＶ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4で示した。無効化回路７２は、各蓄電池パック列４４にそれぞれ対応するスイッチ５６ごとにそれぞれ設けられる。例えば、図２で、一番左側の蓄電池パック列４４のスイッチ５６に対応する無効化回路７２には、電圧Ｖ0と電圧Ｖ1が入力される。図２で左から二番目の蓄電池パック列４４のスイッチ５６に対応する無効化回路７２には、電圧Ｖ0と電圧Ｖ2が入力される。同様に、左から三番目の無効化回路７２には電圧Ｖ0と電圧Ｖ3が入力され、一番右の無効化回路７２には電圧Ｖ0と電圧Ｖ4が入力される。
【００３８】
サブコントローラ３０は、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の値について蓄電池ユニット４０を構成する各蓄電池パック４２の端子電圧から計算し、これらの間の電圧差を求める。例えば、Ｖ1を基準とすると、Ｖ1とＶ2，Ｖ3，Ｖ4の間の電圧差を求める。そして、それらの間の電圧差が第１閾値電圧差である±１Ｖ以下であれば、対応するスイッチ５６をオンするオン指令７０を出す。例えば、すなわち、Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖ4＝２５０Ｖで揃っていれば、サブコントローラ３０は、これら４つの蓄電池パック列４４にそれぞれ対応する４つのスイッチ５６にオン指令７０を出すことになる。
【００３９】
無効化回路７２には、４つの蓄電池パック列４４のそれぞれの充放電端子電圧であるＶ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4のいずれか１つと、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0とが入力される。、そして、入力された２つの電圧の電圧差が第２閾値電圧差を超えるときは、サブコントローラ３０から各スイッチ５６へのオン指令７０を無効化する。例えば、上記の例で、Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖ4＝２５０Ｖで揃っていたとして、充放電メインバス２８の電圧がＶ0＝２４５Ｖであれば、Ｖ0−Ｖ1＝５Ｖで第２閾値電圧差を超えているので、図２で最も左側のスイッチ５６に対するサブコントローラ３０からのオン指令７０が無効化される。同様に、Ｖ0−Ｖ2も、Ｖ0−Ｖ3も、Ｖ0−Ｖ4もいずれも５Ｖであるので、この場合は、サブコントローラ３０から４つのスイッチ５６に対するオン指令７０がすべて無効化されることになる。
【００４０】
すなわち、１つの蓄電池ユニット４０の間で各蓄電池パック列４４の間の電圧差が第１閾値電圧差以下となっていれば、サブコントローラ３０からスイッチ５６に対するオン指令７０が出力される。その場合でも、その揃った電圧が充放電メインバス２８の電圧との差が大きくて、第２閾値電圧差を超えるときには、無効化回路７２によるハードウェア的保護が働き、オン指令７０が無効化される。これによって、各蓄電池パック列４４の充放電端子電圧と充放電メインバス２８との間の電圧差が大きい状態でのスイッチ５６のオンが防止される。このようにして、蓄電池パック列４４と充放電メインバス２８との間の過大な充放電電流の発生が防止される。
【００４１】
図３は、上記の構成の場合でも、蓄電池パック列４４と充放電メインバス２８との間に過大な充放電電流が発生し得る状況を説明する図である。この図は、図１を簡略化した図で、サブコントローラ３０、サブバス５２、保護抵抗５４の記載を省略してある。また、２０個の各蓄電池パック列４４を区別して、１から２０の数字を付した。
【００４２】
いま、５から２０の数字を付した１６個の各蓄電池パック列４４について、スイッチ５６がオンされて、既に充放電メインバス２８に接続されているものとする。１から４の数字を付した各蓄電池パック列４４のスイッチ５６はまだオンしていない。そして、この４つの蓄電池パック列４４の間の電圧差は既に揃っていて、各スイッチ５６に対するオン指令７０が出されているが、無効化回路７２の無効化処理によって、オン指令７０が無効化されているため、各スイッチがオンされていない状態である。このような状況としては、例えば、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0が２４５Ｖで、数字１から４の各蓄電池パック列４４の電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の値がすべて２５０Ｖである場合である。
【００４３】
ここで、電力変換器２６からの充電等によって、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0が次第に上がってきて、Ｖ0＝２４７Ｖになると、数字１から４の各蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4とＶ0との間の電圧差が第２閾値電圧差以下となる。上記の説明では、４つの無効化回路７２の無効化処理がいずれも解除されるので、サブコントローラ３０から４つのスイッチ５６に対するオン指令７０のいずれもが有効になり、４つのスイッチ５６がオンすることになる。
【００４４】
ところで、４つの無効化回路７２は、ハードウェアとしての回路であるので、ソフトウェア的な演算処理に比べて、その処理にばらつきが生じやすい。つまり、４つの無効化回路７２は、すべて同じ特性を有していないことが多い。そこで、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4とＶ0との間の電圧差が、いずれも実際には３Ｖであっても、４つの無効化回路７２のすべてが無効化処理を解除しないことが生じ得る。具体的には、４つの無効化回路７２の中で、ハードウェア的に第２閾値電圧差について最も小さい値で無効化処理が解除される無効化回路７２が、最初にオン指令７０の無効化処理を解除することが生じる。
【００４５】
図３において、数字４を付した蓄電池パック列４４についての無効化回路７２が最初に無効化処理を解除し、他の３つの無効化回路７２はまだ無効化処理を解除していないとする。その場合には、数字４を付した蓄電池パック列４４のスイッチ５６がオンし、他の３つの蓄電池パック列４４のスイッチ５６はオフしたままである。図３では、数字４を付した蓄電池パック列４４のスイッチ５６がオンしたことを、破線で示してある。
【００４６】
この場合には、数字５から２０を付した蓄電池パック列４４についての１６のスイッチ５６が既にオンしているときに、１つのスイッチ５６がオンすることが生じ得る。この場合に、第２閾値電圧差に相当する３Ｖの電圧差に応じて、数字４を付した１個の蓄電池パック列４４と、数字５から２０を付した１６個の蓄電池パック列４４との間に、突入電流が流れる。すなわち、数字４を付した蓄電池パック列４４の電流は、数字５から２０を付した蓄電池パック列４４のそれぞれの影響を受けた突入電流が発生する。
【００４７】
上記では、蓄電池パック列４４に過大な突入電流が生じ得ることを説明したが、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0と蓄電池パック列４４の電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4との大小関係によって、過大な逆方向の電流となることもある。このように、上記構成では、無効化回路７２のハードウェア的な特性ばらつきによって、場合によっては、蓄電池パック列４４に過大な突入電流が流れることが生じ得る。これが本発明の解決すべき課題である。
【００４８】
図４は、上記課題を解決するサブコントローラ３０の処理手順を示すフローチャートである。この手順は、蓄電池集合体制御システム１０における電圧均等化処理の手順を示すもので、各手順は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、電圧均等化処理プログラムを実行することで実現できる。一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。以下では、主に図３の構成を用いて説明する。
【００４９】
電圧均等化処理プログラムが立上ると、適当なサンプリング間隔で、既にオンしているスイッチ５６があるか否かが判断される（Ｓ１０）。図３の場合では、既に１６個のスイッチ５６がオンしているので、判断は肯定される。
【００５０】
Ｓ１０で判断が肯定されると、次に、オフしたままのスイッチ５６に対応する蓄電池パック列４４を選択する（Ｓ１２）。Ｓ１２は、オフしたままのスイッチ５６に対応する蓄電池パック列４４のそれぞれについて順番にＳ１４以下のことを判断することを意味する。選択とは、１つの蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断が済めば、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断を行うという繰り返しを意味している。
【００５１】
Ｓ１４からＳ２０は、選択された１つの蓄電池パック列４４について行われる処理手順である。まず、その蓄電池パック列４４に対応する無効化回路７２が無効化処理の解除中であるか否かが判断される（Ｓ１４）。無効化処理の解除中とは、充放電メインバス２８と、当該蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が、第２閾値電圧差以下であるとして、その無効化回路７２が処理したことを意味する。Ｓ１４の判断が否定されると、その蓄電池パック列４４に対応する無効化回路７２は無効化処理中であるので、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４の判断がなされる。
【００５２】
Ｓ１４の判断が肯定されると、次に、中間条件を満たすか否かが判断される（Ｓ１６）。中間条件とは、Ｓ１４の判断は無効化回路７２のばらつきに左右されることがあるので、システムにとって安全側の保険のために、第２閾値電圧差と第１閾値電圧差の中間の電圧差を中間閾値電圧差として用いるものである。具体的には、充放電メインバス２８と、当該蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が、中間閾値電圧差以下であるときに、中間条件を満たすとする。第２閾値電圧差を±３Ｖ、第１閾値電圧差を±１Ｖとして、中間閾値電圧差を±２Ｖとすることができる。
【００５３】
Ｓ１６の判断が否定されると、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断がなされる。なお、Ｓ１４は、安全側の保険のためであるので、場合によっては省略してもよい。
【００５４】
Ｓ１６の判断が肯定されると、次に、当該蓄電池パック列４４について、オン指令７０が出力可能であるか否かが判断される（Ｓ１８）。具体的には、充放電メインバス２８と、当該蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が、第１閾値電圧差以下であるか否かが判断される。Ｓ１８の判断が否定されると、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断がなされる。
【００５５】
Ｓ１８で判断が肯定されると、次に、Ｓ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たす蓄電池パック列４４が２つ以上となったか否かが判断される（Ｓ２０）。Ｓ１２で最初に選択された蓄電池パック列４４がＳ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たすとしても、まだ１つの蓄電池パック列４４のみがＳ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たしているだけであるので、Ｓ２０の判断は否定される。Ｓ１８の判断が否定されると、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断がなされる。
【００５６】
これを繰り返して、Ｓ２０の判断が肯定されると、ここで初めて、サブコントローラ３０から、Ｓ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たす２つ以上の蓄電池パック列４４の中の少なくとも複数に、スイッチ５６のオン指令７０が同時に出力される（Ｓ２２）。
【００５７】
このようにして、オン指令７０の出力と、無効化回路７２の無効化処理の解除とを関連付けることで、少なくとも２つのスイッチ５６が同時にオンされる。したがって、図３で説明したように、１つのスイッチ５６のみがオンして、１つの蓄電池パック列４４の充放電電流が、他の蓄電池パック列４４の充放電電流の影響を受ける突入電流状態を回避できる。図３の例の場合では、図４の処理を行うことで、突入電流が軽減される。Ｓ１４において、２倍以上を３倍以上とすれば、さらに充放電電流の軽減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る蓄電池集合体制御システムは、複数の蓄電池を並列接続する蓄電池集合体の充放電制御に利用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 蓄電池集合体制御システム、１２ 外部商用電源、１４ 太陽光発電システム、１６ 負荷、２０ マスタコントローラ、２２ ＨＵＢ、２４ 電力変換器管理部、２６ 電力変換器、２８ 充放電メインバス、３０ サブコントローラ、３８ 充放電メインバス、４０ 蓄電池ユニット、４２ 蓄電池パック、４２ 蓄電池パック列、５０ スイッチ基板、５１ サブスイッチ、５２ サブバス、５４ 保護抵抗、５６ スイッチ、７０ オン指令、７２ 無効化回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池集合体制御システムに係り、特に、並列接続された蓄電池制御単位の
間の電圧差をなくす処理が行われる蓄電池集合体制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力管理において、負荷の電力消費に合わせて、発電や送電を効率的に行うことが好ましい。負荷の電力消費が変動する場合、蓄電装置を用いて電力需給を平均化することができる。蓄電装置としては、リチウムイオン電池のような２次電池を用いることができるが、リチウムイオン電池等の２次電池は、単位セルと呼ばれる単位蓄電池の端子間電圧が１Ｖから４Ｖ程度で、その充放電電流容量も小さい。そこで、単位セルを複数個用いる組電池である蓄電池パックが用いられるが、負荷の電力消費によっては、その蓄電池パックの多数を直列接続あるいは並列接続して用いることが必要になる。
【０００３】
ところで、蓄電池パックを互いに並列接続するときに、それぞれの蓄電池パックの電圧が異なっていると、電圧の高いほうから低い方へ電流が流れ、場合によっては過大な電流となることが生じる。
【０００４】
例えば、特許文献１は、電圧均等化回路に関して、従来の鉛蓄電池よりも内部インピーダンスが低いリチウムイオン電池等を直接並列接続すると、製造のばらつきに起因するインピーダンスや接触抵抗の僅かな違いによって、列電池の一方に過大電流が流れる可能性を指摘している。そこで、複数の二次電池が接続される列電池を並列に接続した電力貯蔵装置において、各列電池の列電池情報に基づいて電圧調整を行うか否かが判定され、電圧調整が必要であるとされると、電圧調整手段から電圧調整のためのオフセット指令が出力されて、列電池のそれぞれに接続される電力変換器による充放電制御が行われることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１４１９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
二次電池を並列接続するときの電圧差を解消するには、電圧均等化回路を用いればよいが、システム構成が複雑になる。蓄電池集合体の場合には、最初に複数の蓄電池を組み合わせるときに電圧差が生じているが、一旦相互に接続されて集合体になると、充放電を行っても、蓄電池自体が故障しない限り、蓄電池の間の電圧差はほとんど生じない。したがって、蓄電池を組み合わせて接続する際に、複数の蓄電池の間で順次電圧均等化処理を行えばよい。
【０００７】
ところが、複数の蓄電池の間で順次電圧均等化処理を行うときに、大多数の蓄電池の間の電圧均等化処理が進んで、ごく一部の蓄電池がまだ電圧均等化処理が済んでいないときに、その電圧均等化処理が済んでいない蓄電池について、電圧均等化処理を行うときに問題が生じることがある。例えば、既に電圧均等化処理が済んでいる蓄電池と、まだ電圧均等化処理が済んでいない蓄電池との間に電圧差があると、電圧均等化処理を行うためにこれらをそのまま接続すると、その電圧差のために、電流が流れる。特に、まだ電圧均等化処理が済んでいない蓄電池の数が少ないと、その少ない数の蓄電池に電流が集中し、予期せぬ過大電流となることがある。
【０００８】
本発明の目的は、複数の蓄電池制御単位を並列接続する際の電圧差をなくす処理を適切に行うことができる蓄電池集合体制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る蓄電池集合体制御システムは、充放電メインバスに保護抵抗を介してそれぞれ並列接続されるとともに、充放電メインバスにスイッチを介してそれぞれ並列接続される複数の蓄電池制御単位と、複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチに対してオン指令信号を出力するサブコントローラと、充放電メインバスと複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、第１閾値電圧差よりも大きい値を有する予め定められた第２閾値電圧差を超えるときに、当該蓄電池制御単位に対するサブコントローラからのオン指令信号を無効化する無効化処理を行う無効化回路と、を備え、サブコントローラは、複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、当該蓄電池制御単位に対し無効化回路が無効化処理を解除中である第１条件を満たすか否かと、かつ当該蓄電池制御単位に対しオン指令信号を出力できる状態である第２条件を満たすか否かを判断し、第１条件と第２条件とを満たす蓄電池制御単位が２以上となったときに、第１条件と第２条件とを満たす蓄電池制御単位の複数にオン指令信号をそれぞれ出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成により、蓄電池集合体制御システムは、複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチに対してオン指令信号を出力するサブコントローラと、充放電メインバスと複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、第２閾値電圧差を超えるときに、当該蓄電池制御単位に対するサブコントローラからのオン指令信号を無効化する無効化処理を行う無効化回路とを備える。そして、サブコントローラは、複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、当該蓄電池制御単位に対し無効化回路が無効化処理を解除中である第１条件と、当該蓄電池制御単位に対しオン指令信号を出力できる状態である第２条件とを共に満たす蓄電池制御単位が２以上となるときに、初めて、第１条件と第２条件とを満たす蓄電池制御単位の複数にオン指令信号をそれぞれ出力する。このように、少なくとも２つ以上の蓄電池制御単位で電圧均等化処理を行うので、仮に電圧差があっても、１つの蓄電池制御単位で電圧均等化処理を行うことに比べて、電圧差によって流れる電流を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施の形態の蓄電池集合体制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の蓄電池集合体制御システムにおける無効化回路の作用の様子を説明する図である。
【図３】本発明の課題を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の蓄電池集合体制御システムにおける電圧均等化処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、蓄電池としてリチウムイオン電池を説明するが、これ以外の２次電池であってもよい。例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等であってもよい。蓄電池集合体とするのは、負荷の必要電力に対応するための電圧と電流とを得るためであるので、蓄電池集合体を構成する単位蓄電池の数、単位蓄電池を組み合わせた蓄電池パックの数、蓄電池パックを組み合わせた蓄電池ユニットの数等は、蓄電池集合体制御システムの仕様に応じ適宜なものとできる。
【００１３】
また、以下で、蓄電池集合体と接続される電力源として、太陽光発電電力と外部商用電力を説明するが、これ以外の電力源、例えば風力発電電力等であってもよい。また、以下で述べる抵抗値、電圧値等は、説明のための例示であり、蓄電池集合体制御システムの電力仕様等に応じ適宜変更が可能である。
【００１４】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１５】
図１は、蓄電池集合体制御システム１０の構成を示す図である。蓄電池集合体制御システム１０は、複数の蓄電池を組み合わせた蓄電池集合体と、電力源と、負荷との間の電力管理を通して、蓄電池集合体の最適な充放電制御を行うシステムである。
【００１６】
電力源として、外部商用電源１２と、太陽光発電システム１４を含む。外部商用電源１２は、単相または三相の交流電力源であり、電力需給の変動に合わせて、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。太陽光発電システム１４は、例えば、数ＭＷの大規模なシステムである。負荷１６は、ここでは工場の負荷が図示されている。工場の負荷としては、機械設備の他、一般照明、一般空調、厨房器具、サーバやＰＣ等の事務機器、工場内空調等を含む。
【００１７】
蓄電池集合体制御システム１０において、蓄電池集合体の最適な充放電制御を行うため、図示されていないシステムコントローラによって、電力源側の供給電力情報データと、負荷側の負荷電力情報データと、蓄電池集合体側の蓄電池電力情報データとに基づいて、これらの電力管理全体に対する１つの充放電制御指令である全体充放電制御指令が生成される。全体充放電制御指令は、例えば「ＸＸｋＷでＹＹ秒間充電すること」、「電圧がＺＺＶになるまでＸＸｋＷ充電すること」等の指令である。
【００１８】
マスタコントローラ２０は、図示されていないシステムコントローラから受け取った１つの全体充放電制御指令に基づいて、ＨＵＢ２２を介して、電力変換器管理部２４に集合体充放電制御指令を送信する機能を有する制御装置である。
【００１９】
電力変換器管理部２４は、８つの電力変換器２６の動作状態を管理する管理装置である。電力変換器２６は、外部商用電源１２の交流電力と蓄電池の直流電力との間の電力変換、あるいは太陽光発電システム１４の電圧と蓄電池の電圧との間の電圧変換、あるいは蓄電池の電圧と負荷１６の電圧との間の電圧変換を行う機能を有し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンバータである。具体的には、実際に行われる変換の内容に応じて、用いられるコンバータの種類が選択される。
【００２０】
電力変換器管理部２４は、マスタコントローラ２０からの集合体充放電指令に合わせるように、蓄電池集合体の全体を８つに分けて、その８つのそれぞれに１つの電力変換器２６を割り当てて電力管理を行う管理装置である。図１では、蓄電池集合体の全体の内で、１つの電力変換器２６に接続される蓄電池集合体が図示されている。１つの電力変換器２６には、５つの蓄電池ユニット４０が接続される。
【００２１】
充放電メインバス２８は、１つの電力変換器２６と５つの蓄電池ユニット４０を接続する電力バスで、５つの蓄電池ユニット４０は、この充放電メインバス２８に互いに並列接続される。具体的には、各蓄電池ユニット４０は、スイッチ基板５０を介して充放電メインバス２８に接続される。ここで、スイッチ基板５０は、サブコントローラ３０によって制御される。このように、１つの蓄電池ユニット４０には、スイッチ基板５０とサブコントローラ３０が付属するので、これらは、１つのラックにまとめられる。
【００２２】
蓄電池ユニット４０は、予め定められた個数の蓄電池パック４２を直列接続した蓄電池パック列４４を、予め定めた列数で並列に接続して構成される。図１の例では、５つの蓄電池パック４２を直列接続して１つの蓄電池パック列４４を形成し、その蓄電池パック列４４を４列並列接続して、１つの蓄電池ユニット４０が構成される。すなわち、１つの蓄電池ユニット４０は、２０つの蓄電池パック４２から構成されることになる。なお、１つの蓄電池パック４２は、３１２のセルと呼ばれる単位蓄電池から構成される。各単位蓄電池は、端子電圧が１Ｖから４Ｖのリチウムイオン電池である。
【００２３】
なお、蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２のそれぞれの端子間電圧はセル電圧の加算として、図示されていない電圧検出器によって検出される。また、蓄電池パック４２の温度はパック温度として図示されていない温度検出器によって検出される。また、各蓄電池パック列４４に流れる電流はパック列電流として、図示されていない電流検出器によって検出される、これらのデータは、その蓄電池ユニット４０を管理するサブコントローラ３０に伝送される。
【００２４】
スイッチ基板５０は、蓄電池ユニット４０と、充放電メインバス２８との間に配置される回路基板で、複数の保護抵抗５４、複数のスイッチ５６、サブスイッチ５１を含む。
【００２５】
保護抵抗５４は、蓄電池ユニット４０において４つ並列接続される蓄電池パック列４４の間の電圧差を少なくするために設けられる抵抗素子である。具体的には、４つの蓄電池パック列４４の間に電圧差があるときに、その電圧差に応じた電流が流れることで、各蓄電池パック列４４の間の電圧差を少なくするために、各蓄電池パック列４４の間に設けられる抵抗素子である。図１の例では、各蓄電池パック列４４の充放電端子とサブバス５２の間にそれぞれ直列に抵抗素子を配置し、これを保護抵抗５４としてある。この場合には、隣接する蓄電池パック列４４には、サブバス５２を介して２つの保護抵抗５４があることになる。この構成に代わって、例えば、隣接する蓄電池パック列４４の充放電端子の間にそれぞれ１つの抵抗素子を配置してもよい。この場合には、この1つの抵抗素子が保護抵抗５４として機能することになる。
【００２６】
保護抵抗５４は、各蓄電池パック列４４の間の電圧差を少なくするためであるので、電圧差の目標電圧と、蓄電池パック列４４の蓄電電力量をあまり減らさずに電圧差を少なくするために流せる電流値とで、その抵抗値を設定できる。一例を示すと、電圧差の目標電圧を１Ｖ、流せる電流値を３００ｍＡ程度とすると、保護抵抗５４の抵抗値を約３Ωとすることができる。蓄電池パック４２の充放電特性は、例えば、３３Ａの１時間放電で端子電圧が約１０Ｖ変化する。約３００ｍＡの電流は、約１００時間で１Ｖの端子電圧変化に相当するので、過充放電による蓄電池パック４２の性能低下をほとんど起こさずに、ゆっくりと、各蓄電池パック列４４の電圧差が解消してゆくことができる。なお、サブスイッチ５１は、充放電メインバス２８とサブバス５２との間に設けられ、通常はオン状態であるが、異常のときなど、必要に応じてオフすることができる手段として用いられる。
【００２７】
スイッチ５６は、蓄電池パック列４４の間の電圧差が予め定めた閾値電圧差以下になったときに、その蓄電池パック列４２を充放電メインバス２８に接続するための素子である。スイッチ５６は、各蓄電池パック列４４の充放電端子と充放電メインバス２８との間にそれぞれ１ずつ設けられる。場合によっては、充電と放電とを区別して、１つの蓄電池パック列４４に対して２つずつスイッチを設けるものとしてもよい。ここでは上記の目標電圧を、例えば、閾値電圧差を±１Ｖとすることができる。なお、この閾値電圧差を、後述する無効化回路７２の閾値電圧差と区別するため、以下では、第１閾値電圧差と呼ぶことにする。
【００２８】
このように、蓄電池ユニット４０においては、各蓄電池パック列４４を単位として、保護抵抗５４の機能を用いてそれぞれの蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧を揃え、閾値電圧差に収まったところでその蓄電池パック列４４についてのスイッチ５６をオンする制御が行われる。この観点から、各蓄電池パック列４４を、蓄電池ユニット４０における蓄電池制御単位と呼ぶことができる。
【００２９】
サブコントローラ３０は、蓄電池ユニット４０を構成する４つの蓄電池パック列４４のパック列電流データと、各蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２のセル電圧とパック温度データを取得し、適当な伝送タイミングでマスタコントローラ２０に伝送する機能を有する。また、各蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２のセル電圧から、各蓄電池パック列４４の電圧を算出して監視する機能を有する。
【００３０】
サブコントローラ３０は、さらに、スイッチ５６の動作を制御する機能を有する。すなわち、上記のように、保護抵抗５４の作用によって、各蓄電池パック列４４の間の電圧差が少なくなって、予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチ５６をオンさせる。第１閾値電圧差としては、上記のように、±１Ｖとすることができる。オンさせる順序としては、例えば、電圧の高い蓄電池パック列４４のスイッチ５６から順に、とすることができる。この他に、予め定めた順序でオンさせるものとしてもよい。
【００３１】
サブコントローラ３０によるスイッチ５６のオンによって、該当する蓄電池パック列４４は、保護抵抗５４を介さずに、直接充放電メインバス２８に接続され、充放電メインバス２８の電圧に一気になる。つまり、その蓄電池パック列４４の充放電端子と、充放電メインバス２８との間の電圧差はなくなる。これによって、その蓄電池パック列４４は、充放電メインバス２８を介して、電力変換器２６の充放電に寄与することができるようになる。
【００３２】
このように、サブコントローラ３０は、その担当する蓄電池ユニット４０に含まれる４つの蓄電池パック列４４の間の電圧差をなくすためにスイッチ５６をオンする制御を行うが、他の蓄電池ユニット４０との間の電圧差については関与しない。そこで、蓄電池ユニット４０の間の電圧差があまり大きくなることを防ぐために、サブコントローラ３０のスイッチオン指令に対するハード的な保護が掛けられる。
【００３３】
図２は、その様子を説明する図である。ここでは、１つの蓄電池ユニット４０を取り出して、４つの蓄電池パック列４４の電圧差をなくすためのスイッチ５６周りの詳細な構成が示される。サブコントローラ３０と、各スイッチ５６との間には、それぞれ、無効化回路７２が設けられる。無効化回路７２は、所定の一定条件の下で、サブコントローラ３０からのスイッチ５６に対するオン指令７０を無効化する処理を行うハードウェアの回路である。所定の一定条件は、充放電メインバス２８と蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が所定の閾値電圧差を超えていることである。この閾値電圧差を、先ほどの第１閾値電圧差と区別して、以下では、第２閾値電圧差と呼ぶことにする。
【００３４】
第１閾値電圧差が２つの蓄電池ユニット４０の間の４つの蓄電池パック列４４の間の電圧差に関するものであるのに対し、第２閾値電圧差は、他の蓄電池ユニット４０との間の電圧差を考えるものである。したがって、第２閾値電圧差は、第１閾値電圧差よりも大きい値に設定される。例えば、上記のように第１閾値電圧差が±１Ｖであるときは、第２閾値電圧差を±３Ｖと設定することができる。
【００３５】
サブコントローラ３０によって行われる蓄電池パック列４４の間の電圧差が第１閾値電圧差以下か否かは、ソフトウェア手段によって実行される。すなわち、蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧は、その蓄電池パック列４４を構成する５つの蓄電池パック４２の端子間電圧をサブコントローラ３０が取得し、その値を加算して充放電端子の電圧を計算する。そして、計算された値を、予め定めた第１閾値電圧差の値と比較演算する。このように、演算処理によって行われた判断に基づいて、サブコントローラ３０は、スイッチ５６のオン指令７０を出力する。
【００３６】
これに対し、無効化回路７２は、充放電メインバス２８の電圧を数値ではなく、物理特性としての電圧そのもので取得し、また、蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧も数値ではなく、物理特性としての電圧そのもので取得し、この物理特性としての２つの電圧で、回路素子を動作させて、サブコントローラ３０のオン指令７０の信号がスイッチ５６に伝達されるのを遮断する無効化処理を行う。
【００３７】
図２では、充放電メインバス２８の電圧をＶ0、４つの蓄電池パック列の電圧をそれぞれＶ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4で示した。無効化回路７２は、各蓄電池パック列４４にそれぞれ対応するスイッチ５６ごとにそれぞれ設けられる。例えば、図２で、一番左側の蓄電池パック列４４のスイッチ５６に対応する無効化回路７２には、電圧Ｖ0と電圧Ｖ1が入力される。図２で左から二番目の蓄電池パック列４４のスイッチ５６に対応する無効化回路７２には、電圧Ｖ0と電圧Ｖ2が入力される。同様に、左から三番目の無効化回路７２には電圧Ｖ0と電圧Ｖ3が入力され、一番右の無効化回路７２には電圧Ｖ0と電圧Ｖ4が入力される。
【００３８】
サブコントローラ３０は、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の値について蓄電池ユニット４０を構成する各蓄電池パック４２の端子電圧から計算し、これらの間の電圧差を求める。例えば、Ｖ1を基準とすると、Ｖ1とＶ2，Ｖ3，Ｖ4の間の電圧差を求める。そして、それらの間の電圧差が第１閾値電圧差である±１Ｖ以下であれば、対応するスイッチ５６をオンするオン指令７０を出す。例えば、すなわち、Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖ4＝２５０Ｖで揃っていれば、サブコントローラ３０は、これら４つの蓄電池パック列４４にそれぞれ対応する４つのスイッチ５６にオン指令７０を出すことになる。
【００３９】
無効化回路７２には、４つの蓄電池パック列４４のそれぞれの充放電端子電圧であるＶ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4のいずれか１つと、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0とが入力される。、そして、入力された２つの電圧の電圧差が第２閾値電圧差を超えるときは、サブコントローラ３０から各スイッチ５６へのオン指令７０を無効化する。例えば、上記の例で、Ｖ1＝Ｖ2＝Ｖ3＝Ｖ4＝２５０Ｖで揃っていたとして、充放電メインバス２８の電圧がＶ0＝２４５Ｖであれば、Ｖ0−Ｖ1＝５Ｖで第２閾値電圧差を超えているので、図２で最も左側のスイッチ５６に対するサブコントローラ３０からのオン指令７０が無効化される。同様に、Ｖ0−Ｖ2も、Ｖ0−Ｖ3も、Ｖ0−Ｖ4もいずれも５Ｖであるので、この場合は、サブコントローラ３０から４つのスイッチ５６に対するオン指令７０がすべて無効化されることになる。
【００４０】
すなわち、１つの蓄電池ユニット４０の間で各蓄電池パック列４４の間の電圧差が第１閾値電圧差以下となっていれば、サブコントローラ３０からスイッチ５６に対するオン指令７０が出力される。その場合でも、その揃った電圧が充放電メインバス２８の電圧との差が大きくて、第２閾値電圧差を超えるときには、無効化回路７２によるハードウェア的保護が働き、オン指令７０が無効化される。これによって、各蓄電池パック列４４の充放電端子電圧と充放電メインバス２８との間の電圧差が大きい状態でのスイッチ５６のオンが防止される。このようにして、蓄電池パック列４４と充放電メインバス２８との間の過大な充放電電流の発生が防止される。
【００４１】
図３は、上記の構成の場合でも、蓄電池パック列４４と充放電メインバス２８との間に過大な充放電電流が発生し得る状況を説明する図である。この図は、図１を簡略化した図で、サブコントローラ３０、サブバス５２、保護抵抗５４の記載を省略してある。また、２０個の各蓄電池パック列４４を区別して、１から２０の数字を付した。
【００４２】
いま、５から２０の数字を付した１６個の各蓄電池パック列４４について、スイッチ５６がオンされて、既に充放電メインバス２８に接続されているものとする。１から４の数字を付した各蓄電池パック列４４のスイッチ５６はまだオンしていない。そして、この４つの蓄電池パック列４４の間の電圧差は既に揃っていて、各スイッチ５６に対するオン指令７０が出されているが、無効化回路７２の無効化処理によって、オン指令７０が無効化されているため、各スイッチがオンされていない状態である。このような状況としては、例えば、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0が２４５Ｖで、数字１から４の各蓄電池パック列４４の電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の値がすべて２５０Ｖである場合である。
【００４３】
ここで、電力変換器２６からの充電等によって、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0が次第に上がってきて、Ｖ0＝２４７Ｖになると、数字１から４の各蓄電池パック列４４の充放電端子の電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4とＶ0との間の電圧差が第２閾値電圧差以下となる。上記の説明では、４つの無効化回路７２の無効化処理がいずれも解除されるので、サブコントローラ３０から４つのスイッチ５６に対するオン指令７０のいずれもが有効になり、４つのスイッチ５６がオンすることになる。
【００４４】
ところで、４つの無効化回路７２は、ハードウェアとしての回路であるので、ソフトウェア的な演算処理に比べて、その処理にばらつきが生じやすい。つまり、４つの無効化回路７２は、すべて同じ特性を有していないことが多い。そこで、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4とＶ0との間の電圧差が、いずれも実際には３Ｖであっても、４つの無効化回路７２のすべてが無効化処理を解除しないことが生じ得る。具体的には、４つの無効化回路７２の中で、ハードウェア的に第２閾値電圧差について最も小さい値で無効化処理が解除される無効化回路７２が、最初にオン指令７０の無効化処理を解除することが生じる。
【００４５】
図３において、数字４を付した蓄電池パック列４４についての無効化回路７２が最初に無効化処理を解除し、他の３つの無効化回路７２はまだ無効化処理を解除していないとする。その場合には、数字４を付した蓄電池パック列４４のスイッチ５６がオンし、他の３つの蓄電池パック列４４のスイッチ５６はオフしたままである。図３では、数字４を付した蓄電池パック列４４のスイッチ５６がオンしたことを、破線で示してある。
【００４６】
この場合には、数字５から２０を付した蓄電池パック列４４についての１６のスイッチ５６が既にオンしているときに、１つのスイッチ５６がオンすることが生じ得る。この場合に、第２閾値電圧差に相当する３Ｖの電圧差に応じて、数字４を付した１個の蓄電池パック列４４と、数字５から２０を付した１６個の蓄電池パック列４４との間に、突入電流が流れる。すなわち、数字４を付した蓄電池パック列４４の電流は、数字５から２０を付した蓄電池パック列４４のそれぞれの影響を受けた突入電流が発生する。
【００４７】
上記では、蓄電池パック列４４に過大な突入電流が生じ得ることを説明したが、充放電メインバス２８の電圧Ｖ0と蓄電池パック列４４の電圧Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4との大小関係によって、過大な逆方向の電流となることもある。このように、上記構成では、無効化回路７２のハードウェア的な特性ばらつきによって、場合によっては、蓄電池パック列４４に過大な突入電流が流れることが生じ得る。これが本発明の解決すべき課題である。
【００４８】
図４は、上記課題を解決するサブコントローラ３０の処理手順を示すフローチャートである。この手順は、蓄電池集合体制御システム１０における電圧均等化処理の手順を示すもので、各手順は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、電圧均等化処理プログラムを実行することで実現できる。一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。以下では、主に図３の構成を用いて説明する。
【００４９】
電圧均等化処理プログラムが立上ると、適当なサンプリング間隔で、既にオンしているスイッチ５６があるか否かが判断される（Ｓ１０）。図３の場合では、既に１６個のスイッチ５６がオンしているので、判断は肯定される。
【００５０】
Ｓ１０で判断が肯定されると、次に、オフしたままのスイッチ５６に対応する蓄電池パック列４４を選択する（Ｓ１２）。Ｓ１２は、オフしたままのスイッチ５６に対応する蓄電池パック列４４のそれぞれについて順番にＳ１４以下のことを判断することを意味する。選択とは、１つの蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断が済めば、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断を行うという繰り返しを意味している。
【００５１】
Ｓ１４からＳ２０は、選択された１つの蓄電池パック列４４について行われる処理手順である。まず、その蓄電池パック列４４に対応する無効化回路７２が無効化処理の解除中であるか否かが判断される（Ｓ１４）。無効化処理の解除中とは、充放電メインバス２８と、当該蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が、第２閾値電圧差以下であるとして、その無効化回路７２が処理したことを意味する。Ｓ１４の判断が否定されると、その蓄電池パック列４４に対応する無効化回路７２は無効化処理中であるので、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４の判断がなされる。
【００５２】
Ｓ１４の判断が肯定されると、次に、中間条件を満たすか否かが判断される（Ｓ１６）。中間条件とは、Ｓ１４の判断は無効化回路７２のばらつきに左右されることがあるので、システムにとって安全側の保険のために、第２閾値電圧差と第１閾値電圧差の中間の電圧差を中間閾値電圧差として用いるものである。具体的には、充放電メインバス２８と、当該蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が、中間閾値電圧差以下であるときに、中間条件を満たすとする。第２閾値電圧差を±３Ｖ、第１閾値電圧差を±１Ｖとして、中間閾値電圧差を±２Ｖとすることができる。
【００５３】
Ｓ１６の判断が否定されると、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断がなされる。なお、Ｓ１４は、安全側の保険のためであるので、場合によっては省略してもよい。
【００５４】
Ｓ１６の判断が肯定されると、次に、当該蓄電池パック列４４について、オン指令７０が出力可能であるか否かが判断される（Ｓ１８）。具体的には、充放電メインバス２８と、当該蓄電池パック列４４の充放電端子との間の電圧差が、第１閾値電圧差以下であるか否かが判断される。Ｓ１８の判断が否定されると、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断がなされる。
【００５５】
Ｓ１８で判断が肯定されると、次に、Ｓ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たす蓄電池パック列４４が２つ以上となったか否かが判断される（Ｓ２０）。Ｓ１２で最初に選択された蓄電池パック列４４がＳ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たすとしても、まだ１つの蓄電池パック列４４のみがＳ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たしているだけであるので、Ｓ２０の判断は否定される。Ｓ１８の判断が否定されると、Ｓ１２に戻り、次の蓄電池パック列４４についてＳ１４以下の判断がなされる。
【００５６】
これを繰り返して、Ｓ２０の判断が肯定されると、ここで初めて、サブコントローラ３０から、Ｓ１４、Ｓ１６，Ｓ１８の３つの条件を全て満たす２つ以上の蓄電池パック列４４の中の少なくとも複数に、スイッチ５６のオン指令７０が同時に出力される（Ｓ２２）。
【００５７】
このようにして、オン指令７０の出力と、無効化回路７２の無効化処理の解除とを関連付けることで、少なくとも２つのスイッチ５６が同時にオンされる。したがって、図３で説明したように、１つのスイッチ５６のみがオンして、１つの蓄電池パック列４４の充放電電流が、他の蓄電池パック列４４の充放電電流の影響を受ける突入電流状態を回避できる。図３の例の場合では、図４の処理を行うことで、突入電流が軽減される。Ｓ１４において、２倍以上を３倍以上とすれば、さらに充放電電流の軽減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る蓄電池集合体制御システムは、複数の蓄電池を並列接続する蓄電池集合体の充放電制御に利用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 蓄電池集合体制御システム、１２ 外部商用電源、１４ 太陽光発電システム、１６ 負荷、２０ マスタコントローラ、２２ ＨＵＢ、２４ 電力変換器管理部、２６ 電力変換器、２８ 充放電メインバス、３０ サブコントローラ、３８ 充放電メインバス、４０ 蓄電池ユニット、４２ 蓄電池パック、４２ 蓄電池パック列、５０ スイッチ基板、５１ サブスイッチ、５２ サブバス、５４ 保護抵抗、５６ スイッチ、７０ オン指令、７２ 無効化回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電メインバスに保護抵抗を介してそれぞれ並列接続されるとともに、前記充放電メインバスにスイッチを介してそれぞれ並列接続される複数の蓄電池制御単位と、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当する前記スイッチに対してオン指令信号を出力するサブコントローラと、
前記充放電メインバスと前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、前記第１閾値電圧差よりも大きい値を有する予め定められた第２閾値電圧差を超えるときに、当該蓄電池制御単位に対する前記サブコントローラからの前記オン指令信号を無効化する無効化処理を行う無効化回路と、
を備え、
前記サブコントローラは、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、
前記当該蓄電池制御単位に対し前記無効化回路が前記無効化処理を解除中である第１条件を満たすか否かと、かつ前記当該蓄電池制御単位に対し前記オン指令信号を出力できる状態である第２条件を満たすか否かを判断し、
前記第１条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位が２以上となったときに、前記第１条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位の複数に前記オン指令信号をそれぞれ出力することを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄電池集合体制御システムにおいて、
前記サブコントローラは、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、前記充放電メインバスと前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、前記第２閾値電圧差よりも小さく、前記第１閾値電圧差よりも大きい中間閾値電圧差以下である中間条件を満たすか否かを判断する中間条件判断手段を有し、
前記第１条件と前記中間条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位が２以上となったときに、前記第１条件と前記中間条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位の複数にオン指令信号をそれぞれ出力することを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載の蓄電池集合体制御システムにおいて、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれは、複数の蓄電池パックを直列に接続した蓄電池パック列であり、
前記無効化回路は、前記複数の蓄電池パック列のそれぞれに設けられ、
前記サブコントローラは、予め定められた数の複数の前記蓄電地パック列を並列に接続して構成される蓄電池ユニットごとに設けられることを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載の蓄電池集合体制御システムにおいて、
前記サブコントローラは、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、電圧の高い前記蓄電池制御単位から順に、該当する前記スイッチに対してオン指令信号を出力することを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項１】
充放電メインバスに保護抵抗を介してそれぞれ並列接続されるとともに、前記充放電メインバスにスイッチを介してそれぞれ並列接続される複数の蓄電池制御単位と、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、該当する前記スイッチに対してオン指令信号を出力するサブコントローラと、
前記充放電メインバスと前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、前記第１閾値電圧差よりも大きい値を有する予め定められた第２閾値電圧差を超えるときに、当該蓄電池制御単位に対する前記サブコントローラからの前記オン指令信号を無効化する無効化処理を行う無効化回路と、
を備え、
前記サブコントローラは、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、
前記当該蓄電池制御単位に対し前記無効化回路が前記無効化処理を解除中である第１条件を満たすか否かと、かつ前記当該蓄電池制御単位に対し前記オン指令信号を出力できる状態である第２条件を満たすか否かを判断し、
前記第１条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位が２以上となったときに、前記第１条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位の複数に前記オン指令信号をそれぞれ出力することを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄電池集合体制御システムにおいて、
前記サブコントローラは、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれについて、前記充放電メインバスと前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が、前記第２閾値電圧差よりも小さく、前記第１閾値電圧差よりも大きい中間閾値電圧差以下である中間条件を満たすか否かを判断する中間条件判断手段を有し、
前記第１条件と前記中間条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位が２以上となったときに、前記第１条件と前記中間条件と前記第２条件とを満たす前記蓄電池制御単位の複数にオン指令信号をそれぞれ出力することを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載の蓄電池集合体制御システムにおいて、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれは、複数の蓄電池パックを直列に接続した蓄電池パック列であり、
前記無効化回路は、前記複数の蓄電池パック列のそれぞれに設けられ、
前記サブコントローラは、予め定められた数の複数の前記蓄電地パック列を並列に接続して構成される蓄電池ユニットごとに設けられることを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載の蓄電池集合体制御システムにおいて、
前記サブコントローラは、
前記複数の蓄電池制御単位のそれぞれの間の電圧差が予め定められた第１閾値電圧差以下となるときに、電圧の高い前記蓄電池制御単位から順に、該当する前記スイッチに対してオン指令信号を出力することを特徴とする蓄電池集合体制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０５４１０（Ｐ２０１２−２０５４１０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６８３１２（Ｐ２０１１−６８３１２）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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