蓄電装置
【課題】最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供する。
【解決手段】基準交流電圧を直流電圧に変換して少なくとも１つのバッテリセル２に電気エネルギーを蓄積することができる蓄電装置１であって、基準交流電圧を変圧交流電圧に変圧する変圧手段３と、変圧交流電圧を前記直流電圧に変換する電圧変換手段４とを備え、変圧手段３は一次巻線または二次巻線のいずれか一方にそれぞれ巻数の異なる位置から引き出された複数のタップ８、９を有するトランス１０と、複数のタップ８、９のうちのいずれかのタップが選択されるように接続を切り替えるためのスイッチ１１とを有し、スイッチ１１の切り替えにより、基準交流電圧と変圧交流電圧との変圧比が変化することを特徴とする。
【解決手段】基準交流電圧を直流電圧に変換して少なくとも１つのバッテリセル２に電気エネルギーを蓄積することができる蓄電装置１であって、基準交流電圧を変圧交流電圧に変圧する変圧手段３と、変圧交流電圧を前記直流電圧に変換する電圧変換手段４とを備え、変圧手段３は一次巻線または二次巻線のいずれか一方にそれぞれ巻数の異なる位置から引き出された複数のタップ８、９を有するトランス１０と、複数のタップ８、９のうちのいずれかのタップが選択されるように接続を切り替えるためのスイッチ１１とを有し、スイッチ１１の切り替えにより、基準交流電圧と変圧交流電圧との変圧比が変化することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力と直流電力とを相互変換し、該直流電力を用いて、バッテリセルまたは複数のバッテリセルを直列に接続してなる組電池に電気エネルギーを蓄積し、バッテリセルまたは組電池から電気エネルギーを放出する蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、リチウムイオン電池等のバッテリセルに電気エネルギーを蓄積し、バッテリセルから電気エネルギーを放出する蓄電装置がある。この蓄電装置は、交流電圧と直流電圧とを相互に変換するＡＣ−ＤＣ双方向コンバータからなる電圧変換手段を備えている。
一般に、双方向電圧変換を行う電圧変換手段には、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータは、交流電圧に対して直流電圧を一定値より高くすることが要求される。このため、一般には、交流電圧を考慮して直流電圧（バッテリ直列数）を決定する、直流電圧の下限を考慮した交流電圧を生成するトランスを用いる、または直流電圧を交流電圧に適した電圧に昇降圧するＤＣ−ＤＣコンバータを用いる等の手法がとられる。
【０００４】
一般に、リチウムイオン電池等のバッテリセルは、図１に示すようにＳＯＣ（State of Charge（残存容量））に対してセル電圧が変化する特性を有する。
同図に示すように、バッテリセルには、ＳＯＣの変化に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、変化率が第１領域よりも大きい第２領域とが存在する。
ＳＯＣが小さい第２領域でバッテリセルを使用するとセル電圧が急速に低下するため、過放電のおそれや、セルの劣化が促進されるおそれがある。このため、バッテリセルを第２領域で使用せず、第１領域のみで使用することが合理的であり、そのように設計された蓄電装置が実用化されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
上記蓄電装置において、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータを用いる場合、バッテリセルを第１領域のみで使用することにより、考慮すべき直流電圧の下限を高く設定することができる。このため、ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの交流電圧を高く設定することができ、交流電流を少なくすることができる。
さらに、交流電流を少なくすることで、より低容量、小形、低コストのスイッチング素子を用いることができ、第２領域まで使用する場合と比べて無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【０００６】
また、リチウムイオン電池等のバッテリセルを直列に接続した組電池では、長時間使用すると、自己放電の僅かな違いにより各々のバッテリセルのＳＯＣにバラツキが生じる。バラツキが生じると、使用可能なＳＯＣの領域が狭まるためバラツキを是正する必要がある。このため、一般に組電池を使用する場合は、ＳＯＣのバラツキを是正する機能がＢＭＳ（Battery Management System）に付加される。
ＢＭＳでは、バッテリセルのＳＯＣを直接検出することはできないため、ＳＯＣと一定の相関関係のあるバッテリセルのセル電圧を検出し、そのバラツキを是正することにより、ＳＯＣのバラツキを是正している（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２７２１２１号公報
【特許文献２】特開２００５−６５３５２号公報
【特許文献３】特開２００４−１７３３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、リチウムイオン電池等のバッテリセルは、図１に示すようなＳＯＣとセル電圧との相関関係があるため、ＳＯＣの変化に対してバッテリセルのセル電圧の変化が相対的に大きい第２領域においてバッテリセルのセル電圧のバラツキを是正した方が、より高精度かつ迅速に行うことができる。
【０００９】
しかしながら、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータのような交流電圧に対して直流電圧を一定値より高くすることが要求される電圧変換手段を用いた場合、第１領域のみで使用することを前提として設計すると、第２領域で正常に電圧変換を行うことができない。
【００１０】
このため、電圧変換手段が第２領域でも正常に電圧変換を行うためには、直流電圧の下限が第２領域に含まれるよう電圧変換手段を設計する必要がある。しかしながら、このような設計をすると、第１領域のみで使用する電圧変換手段と比較して、電流定格の大きな部品を用いる必要があるため設計上の無駄が多くなり、サイズおよびコストの面で劣ることになる。
【００１１】
一方、第２領域でも使用できるようにし、かつ、電流定格の大きな部品を用いることを避けるために、ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの直流側にＤＣ−ＤＣコンバータを設けて、ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの直流電圧を昇降圧する方法がある。しかし、このように構成した場合でも、システムが複雑になり、サイズおよびコストの面で劣ることになる。
【００１２】
上記の問題に鑑みて、本発明は、最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明に係る蓄電装置は、基準交流電圧を直流電圧に変換して少なくとも１つのバッテリセルに電気エネルギーを蓄積することができる蓄電装置であって、基準交流電圧を該基準交流電圧と電圧値が異なる変圧交流電圧に変圧する変圧手段と、変圧交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とを備え、変圧手段は、一次巻線または二次巻線のいずれか一方にそれぞれ巻数の異なる位置から引き出された複数のタップを有するトランスと、複数のタップのうちのいずれかのタップが選択されるように接続を切り替えるためのスイッチとを有し、スイッチの切り替えにより、基準交流電圧と変圧交流電圧との変圧比が変化することを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、簡易な構成で、基準交流電圧から電圧値が異なる複数の変圧交流電圧を発生させることができ、タップとスイッチとの接続を切り替えることにより、変圧手段から電圧変換手段に複数の変圧交流電圧のうちの１つを供給することができる。
その結果、基準交流電圧から広範囲にわたる直流電圧を出力することができる。これにより、最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供することができる。
【００１５】
ここで、上記蓄電装置として、複数のタップは、第１タップおよび第２タップからなり、スイッチを第１タップに接続すると、変圧手段が、基準交流電圧を第１変圧交流電圧に変圧するとともに、電圧変換手段が第１変圧交流電圧を第１直流電圧に変換する一方、スイッチを第２タップに接続すると、変圧手段が基準交流電圧を第１変圧交流電圧よりも電圧値が低い第２変圧交流電圧に変圧するとともに、電圧変換手段が第２変圧交流電圧を第１直流電圧よりも低い第２直流電圧に変換することを特徴とする蓄電装置を例示することができる。
【００１６】
さらに、上記蓄電装置として、電圧変換手段は、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータであり、少なくとも１つのバッテリセルから電気エネルギーを放出させて、直流電圧を基準交流電圧に変換することもできる。
【００１７】
また、上記蓄電装置として、バッテリセルは、残存容量に対するセル電圧の変化特性において、残存容量に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、変化率が第１領域よりも大きく、かつ残存容量が第１領域よりも小さい第２領域とを有するものであり、第１領域と第２領域の一方端との境界におけるセル電圧を通常使用時下限設定電圧とし、第２領域の他方端における残存容量がゼロのときのセル電圧をバッテリセル最低電圧としたとき、第１直流電圧の下限は通常使用時下限設定電圧以上に設定され、第２直流電圧の下限はバッテリセル最低電圧以上、かつ通常使用時下限設定電圧よりも低く設定されることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、スイッチが第１タップに接続されると、第１直流電圧の下限は通常使用時下限設定電圧以上に設定され、スイッチが第２タップに接続されると、第２直流電圧の下限はバッテリセル最低電圧以上、かつ通常使用時下限設定電圧よりも低く設定される。
このため、バッテリセルを第１領域で使用する場合、スイッチを第１タップに接続して、電圧変換手段に入力される第１直流電圧の下限または電圧変換手段から出力される第１直流電圧の下限を通常使用時下限設定電圧以上にすることができる。これにより、第２領域まで使用する電圧変換手段と比べて、入出力される交流電圧を高く設定することができ、無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【００１９】
その一方で、スイッチが第２タップに接続されると、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００２０】
さらに、上記の蓄電装置として、少なくとも１つのバッテリセルは、複数のバッテリセルを直列に接続してなる組電池であり、組電池を構成する各バッテリセルのセル電圧を検出する電圧検出手段と、各バッテリセルを充放電させて各バッテリセル間のセル電圧の電圧差を小さくするバランス動作を行うバランス手段とをさらに備え、バランス手段は、電圧検出手段により検出された電圧差が許容のバラツキ範囲を超え、かつスイッチが第２タップに接続されて組電池の総電圧が通常使用時下限設定電圧よりも低くなるまで各バッテリセルから電気エネルギーが放出された後に、バランス動作を行うように構成することが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、バランス動作を行う前に、スイッチが第２タップに接続され、各バッテリセルのセル電圧が第２領域に含まれるまで各バッテリセルから電気エネルギーが放出される。これにより、バッテリセル間のＳＯＣのバラツキ是正に適した低い電圧領域（第２領域）で電圧変換を行うことができる。
【００２２】
また、上記の蓄電装置のバッテリセルは、リチウムイオン電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、基準交流電圧と直流電圧とを相互に変換し、バッテリセルに電気エネルギーを蓄積することが可能な蓄電装置において、最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＳＯＣに対するセル電圧の変化特性を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図３】ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの構成を示す回路図である。
【図４】第２実施形態に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図５】ＳＯＣに対する組電池の電圧の変化特性を示す図である。
【図６】風力発電装置とともに使用される第２実施形態に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図７】第２実施形態における組電池に含まれるバッテリセルのセル電圧のバラツキを是正する第１の手法を示す図である。
【図８】第２実施形態における組電池に含まれるバッテリセルのセル電圧のバラツキを是正する第２の手法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
［第１実施形態］
本実施形態に係る蓄電装置１は、図２に示すように変圧手段３と、電圧変換手段４と、電圧検出手段５と、制御手段６とからなり、交流電源７を用いてバッテリセル２に電気エネルギーを蓄積（充電）し、交流電源７側に電気エネルギーを回生させるためにバッテリセル２から電気エネルギーを放出（放電）するものである。
【００２７】
バッテリセル２は、例えばリチウムイオン電池からなり、図１に示すようにＳＯＣ（残存容量）に対してセル電圧が変化する特性を有する。
同図に示すように、バッテリセル２には、ＳＯＣの変化に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、第１領域よりも変化率が大きく、かつ第１領域よりもＳＯＣが小さい第２領域とが存在する。
【００２８】
変圧手段３は、図２に示すように一次側に第１タップ８および第２タップ９を有するトランス１０と、外部の交流電源７から供給される基準交流電圧を第１タップ８または第２タップ９を介してトランス１０に入力するリレーやＦＥＴ等のスイッチ１１とからなる。変圧手段３は、スイッチ１１を切り替えることにより変圧比を変えることができる。
具体的には、変圧手段３は、充電時にスイッチ１１が第１タップ８に接続されている場合、基準交流電圧を第１変圧交流電圧に変圧し、スイッチ１１が第２タップ９に接続されている場合、基準交流電圧を第２変圧交流電圧に変圧する。
一方、変圧手段３は、回生時にスイッチ１１が第１タップ８に接続されている場合、第１変圧交流電圧を基準交流電圧に変圧し、第２タップ９に接続されている場合、第２変圧交流電圧を基準交流電圧に変圧する。
スイッチ１１が第１タップ８に接続されている場合と、第２タップ９に接続されている場合とでは、前者の方が一次巻線の巻数が少なくなる。このため、トランス１０の二次側に発生する第２変圧交流電圧は第１変圧交流電圧よりも電圧値が低くなる。
【００２９】
電圧変換手段４は、交流電圧と直流電圧との間で電圧変換を行うもので、交流電圧に対して直流電圧を一定値より高くすることが要求されるものである。電圧変換手段４は、充電時に、第１変圧交流電圧を、第１直流電圧に変換するか、または第２変圧交流電圧を第１直流電圧より低い第２直流電圧に変換する。
一方、電圧変換手段４は、回生時に、第１直流電圧を、第１変圧交流電圧に変換し、第２直流電圧を、第２変圧交流電圧に変換する。
【００３０】
図１に示すように、第１領域と第２領域の一方端との境界におけるセル電圧を通常使用時下限設定電圧とし、第２領域の他方端におけるＳＯＣがゼロのときのセル電圧をバッテリセル最低電圧としたとき、第１直流電圧の下限は通常使用時下限設定電圧以上になる（第１領域に含まれる）ように設定され、第２直流電圧の下限はバッテリセル最低電圧以上、かつ通常使用時下限設定電圧よりも低くなる（第２領域に含まれる）ように設定される。
なお、バッテリセル２は、セル電圧がバッテリセル最低電圧より低くなると過放電を起こしてしまう。
【００３１】
また、電圧変換手段４としては、例えば、図３に示すようにフルブリッジ回路で構成された三相のＡＣ−ＤＣ双方向コンバータ４Ａが使用される。同図に示すように、三相のＡＣ−ＤＣ双方向コンバータ４Ａは、交流電圧を整流する交流スイッチＳ１〜Ｓ６と、交流スイッチＳ１〜Ｓ６を通過した電圧を平滑化するコンデンサＣ１と、ノイズを吸収するコンデンサＣ２〜Ｃ４およびコイルＬ１〜Ｌ３とからなる。
なお、交流スイッチＳ１〜Ｓ６の切り替えは制御手段６により行われる。このＡＣ−ＤＣ双方向コンバータ４Ａは、充電時にはＡＣ−ＤＣコンバータとして動作し、回生時にはＤＣ−ＡＣインバータとして動作する。
【００３２】
電圧検出手段５は、バッテリセル２のセル電圧を検出するもので、バッテリセル２に対して並列に接続される。
【００３３】
なお、蓄電装置１は、通常、バッテリセル２のセル電圧が図１に示す通常使用時下限設定電圧（本実施形態では３．７Ｖ）よりも低くならないように、制御手段６の制御下でバッテリセル２が充放電される。このため、電圧変換手段４は、バッテリセル２が第１領域で充放電されることを前提に設計される。
したがって、第１領域だけでなく第２領域でも充放電されることも考慮して設計された電圧変換手段と比べると、本実施形態における電圧変換手段４は、考慮すべき直流電圧の下限（第１直流電圧の下限）が高くなるため、サイズおよびコストを増大させることなく、無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【００３４】
さらに、蓄電装置１は、変圧手段３を備えているため、外部の交流電源７から供給される基準交流電圧を変圧することにより電圧変換手段４に入力される交流電圧を低くすることができる。これにより、バッテリセル２が第２領域で充放電される場合であっても、蓄電装置１は、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段４が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００３５】
次に、バッテリセル２や蓄電装置１を運送するために、バッテリセル２を意図的に放電させてバッテリセル２のセル電圧を第２領域まで下げ、運送後、再びセル電圧を第１領域に戻す手法について説明する。
【００３６】
蓄電装置１では、通常、バッテリセル２のセル電圧が通常使用時下限設定電圧よりも低くならないようにバッテリセル２が充放電されるため、スイッチ１１は第１タップ８に接続されている。したがって、まず、スイッチ１１を切り替えて第２タップ９に接続させてバッテリセル２を放電させる。
または、バッテリセル２を放電させながら、バッテリセル２のセル電圧が使用時下限設定電圧より低くなる前にスイッチ１１を切り替えて第２タップ９に接続させる。
なお、放電は、バッテリセル２に蓄電された電気エネルギーを交流電源７側に回生させる方式により行う。
【００３７】
そして、バッテリセル２のセル電圧が、第２領域内の所定の電圧値、例えば、ＳＯＣ５％（本実施形態では３．５Ｖ）になるまでバッテリセル２を放電させる。
放電完了後、バッテリセル２や蓄電装置１を運送する。
【００３８】
運送後に、バッテリセル２のセル電圧を第１領域に戻す場合、スイッチ１１を第２タップ９に接続させたまま、電圧変換手段４から出力される第２直流電圧を用いてバッテリセル２を充電させる。
そして、バッテリセル２のセル電圧が第１領域まで戻ると、スイッチ１１を切り替えて第１タップ８に接続させる。
【００３９】
上記のように、蓄電装置１では、スイッチ１１を第２タップ９に接続させて、バッテリセル２を放電させることにより、バッテリセル２のセル電圧を第２領域まで下げることができる。
さらに、蓄電装置１では、スイッチ１１を第２タップ９に接続させたまま、バッテリセル２を充電させることにより、バッテリセル２のセル電圧を第１領域まで戻すことができる。すなわち、蓄電装置１は、スイッチの切り替えにより、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段４が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００４０】
［第２実施形態］
本実施形態に係る蓄電装置２１は、図４に示すように、複数（本実施形態では３つ）のバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを直列に接続した組電池２２に、交流電源２７を用いて電気エネルギーを蓄積（充電）し、交流電源２７側に電気エネルギーを回生させるために組電池２２から電気エネルギーを放出（放電）するものである。
【００４１】
この蓄電装置２１の基本的な構成は、電圧検出手段２５および電圧バランス手段２８を除いて第１実施形態に係る蓄電装置１と同じである。
【００４２】
電圧検出手段２５は組電池２２の電圧および該組電池２２に含まれるバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ毎のセル電圧を検出する。なお、電圧検出手段２５には、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ間のセル電圧の電圧差が許容のバラツキ範囲を超えた場合に、アラーム信号を出力してユーザーに知らせる通知手段が設けられている。
なお、許容のバラツキ範囲を超えた場合とは、例えば、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の最高値と最低値との電圧差が０．１Ｖ以上になった場合、またはバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の平均値に対して、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのうちの少なくとも一つのバッテリセルのセル電圧が０．１Ｖ以上乖離した場合等である。
【００４３】
電圧バランス手段２８は、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧のバラツキを是正するためのバランス動作を行うものである。具体的には、電圧バランス手段２８は、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを充放電させて、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ間のセル電圧の電圧差を小さくするものである。
【００４４】
ところで、組電池２２に含まれるそれぞれのバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、図１に示すようにＳＯＣに対してセル電圧が変化する特性を有する。このため、図５に示すように、組電池２２は全体としてもＳＯＣに対して電圧が変化する特性を有する。
なお、蓄電装置２１では、組電池２２の電圧は、各バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の和となる。
【００４５】
なお、蓄電装置２１では、通常、組電池２２の電圧が図５に示す第１領域と第２領域の一方端との境界における電圧である通常使用時下限設定電圧よりも低くならないように、制御手段２６の制御下で第１直流電圧を用いて組電池２２が充放電される。このため、電圧変換手段２４は、組電池２２が第１領域で使用されることを前提に設計される。
したがって、第１領域だけでなく第２領域で使用されることも考慮して設計された電圧変換手段と比べると、本実施形態における電圧変換手段２４は、考慮すべき直流電圧の下限（第１直流電圧の下限）が高くなるため、無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【００４６】
さらに、蓄電装置２１は、変圧手段２３を備えているため、外部の交流電源２７から供給される基準交流電圧を変圧することにより電圧変換手段２４に入力される交流電圧を低くすることができる。これにより、組電池２２が第２領域で充放電される場合であっても、蓄電装置２１は、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段２４が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００４７】
次に、組電池２２のバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ間に生じるセル電圧のバラツキを是正する手法について、図６〜図８を参照して説明する。
【００４８】
同図に示す蓄電装置２１は、系統２９および風力発電装置３０と連系している。風力発電装置３０は風速の変化により発電電力が変動するので、発電電力の平滑化を行う必要がある。具体的には、発電電力が所定の出力範囲を上回る場合は組電池２２が充電され、発電電力が所定の出力範囲を下回る場合は組電池２２が放電される。
なお、発電電力の平滑化は、組電池２２のＳＯＣを大きく変動させる場合があるため、平滑化が行われる場合には、組電池２２のＳＯＣを所定のＳＯＣ（容量フィードバック目標値）に近づけていく容量フィードバック制御も併せて実行される。
したがって、セル電圧のバラツキを是正する手法には、容量フィードバック制御が停止された状態でバランス動作が実行される第１の手法（図７参照）と、容量フィードバック制御とともにバランス動作が実行される第２の手法（図８参照）とがある。
【００４９】
これらの手法ではともに、バラツキ検出後、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が、容量フィードバック制御により容量フィードバック目標値に向かって下げられる。そして、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が第２領域に含まれる前にスイッチ１１が切り替えられて第２タップ９に接続される（タップ切替）。
【００５０】
第１の手法では、これに続いて、図７に示すようにバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の最低値が、第２領域内のあらかじめ設定された下限電圧（例えば、３．０Ｖ）に達するまで、容量フィードバック制御により下げられる。
最低値が下限電圧に達すると、容量フィードバック制御は停止され、電圧バランス手段２８によるバランス動作が開始される（バランス動作開始）。そして、バランス動作がしばらく行われた後、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃの電力が系統２９に回生されることにより（回生開始）、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が下げられる。
そして、このバランス動作と回生とが繰り返し行われ、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が下限電圧付近で実質的に一致し、バラツキが是正される。
なお、バラツキ検出から最初のバランス動作開始までは、容量フィードバック制御に替えて、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃの電力を系統２９に回生させることにより、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧を下げる場合もある。
【００５１】
一方、第２の手法では、図８に示すようにバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の最低値が、第２領域内であらかじめ設定された下限電圧（例えば、３．０Ｖ）を下回らないように、容量フィードバック制御により下げられる。
そして、容量フィードバック制御の実行中に、電圧バランス手段２８によるバランス動作が開始され（バランス動作開始）、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧のバラツキが是正される。
【００５２】
上記のように、蓄電装置２１では、スイッチ１１が第２タップ９に接続された後、容量フィードバック制御、または系統２９への電力の回生により、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧を第２領域まで下げることができる。
そして、ＳＯＣの変化に対するセル電圧の変化率が相対的に大きい第２領域でバランス動作が実行されることで、より高精度かつ迅速にバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧のバラツキを是正することができる。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００５４】
例えば、上記実施形態に係る蓄電装置１、２１では、ＳＯＣに対するセル電圧の変化特性において、第１領域と第２領域とが存在するバッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用いているため、スイッチ１１が第１タップ８に接続されると、基準交流電圧に基づいて第１変圧交流電圧を生成され、第２タップ９に接続されると、第１変圧交流電圧よりも電圧値が低い第２変圧交流電圧を生成される２段階切替方式を採用したが、ＳＯＣに対するセル電圧の変化特性において、３つ以上の領域が存在するバッテリセルを用いる場合は、３段階以上の切替方式を採用することもできる。
【００５５】
また、蓄電装置１、２１では、交流電源７、２７（系統２９）に対して蓄電した電気エネルギーを回生させる方式によりバッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃの放電を行っているが、交流電源７に替えて放電手段を接続するか、バッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃに放電手段を接続してバッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを放電させる等の方式により行ってもよい。
【００５６】
さらに、蓄電装置１、２１では、三相に対応した変圧手段３、２３および電圧変換手段４、２４を用いたが、単相に対応したものを用いてもよい。
【００５７】
また、変圧手段３、２３では、二次側の電圧に比べて一次側の電圧の方が高くなることが多いため、第１タップ８および第２タップ９をトランス１０の一次側に設けたが、二次側の電圧の方が高くなる場合は、二次側にタップを設けてもよい。
【００５８】
また、バッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、リチウムイオン電池に限らず、様々な二次電池を用いることができる。
【００５９】
また、変圧手段３、２３のスイッチ１１や、電圧バランス手段２８は、制御手段６、２６によって制御されていてもよく、外部から手動により制御されていてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１、２１ 蓄電装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ バッテリセル
２２ 組電池
３、２３ 変圧手段
４、２４ 電圧変換手段
５、２５ 電圧検出手段
６、２６ 制御手段
７、２７ 交流電源
８ 第１タップ
９ 第２タップ
１０ トランス
１１ スイッチ
２８ 電圧バランス手段
２９ 系統
３０ 風力発電装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力と直流電力とを相互変換し、該直流電力を用いて、バッテリセルまたは複数のバッテリセルを直列に接続してなる組電池に電気エネルギーを蓄積し、バッテリセルまたは組電池から電気エネルギーを放出する蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、リチウムイオン電池等のバッテリセルに電気エネルギーを蓄積し、バッテリセルから電気エネルギーを放出する蓄電装置がある。この蓄電装置は、交流電圧と直流電圧とを相互に変換するＡＣ−ＤＣ双方向コンバータからなる電圧変換手段を備えている。
一般に、双方向電圧変換を行う電圧変換手段には、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータは、交流電圧に対して直流電圧を一定値より高くすることが要求される。このため、一般には、交流電圧を考慮して直流電圧（バッテリ直列数）を決定する、直流電圧の下限を考慮した交流電圧を生成するトランスを用いる、または直流電圧を交流電圧に適した電圧に昇降圧するＤＣ−ＤＣコンバータを用いる等の手法がとられる。
【０００４】
一般に、リチウムイオン電池等のバッテリセルは、図１に示すようにＳＯＣ（State of Charge（残存容量））に対してセル電圧が変化する特性を有する。
同図に示すように、バッテリセルには、ＳＯＣの変化に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、変化率が第１領域よりも大きい第２領域とが存在する。
ＳＯＣが小さい第２領域でバッテリセルを使用するとセル電圧が急速に低下するため、過放電のおそれや、セルの劣化が促進されるおそれがある。このため、バッテリセルを第２領域で使用せず、第１領域のみで使用することが合理的であり、そのように設計された蓄電装置が実用化されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
上記蓄電装置において、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータを用いる場合、バッテリセルを第１領域のみで使用することにより、考慮すべき直流電圧の下限を高く設定することができる。このため、ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの交流電圧を高く設定することができ、交流電流を少なくすることができる。
さらに、交流電流を少なくすることで、より低容量、小形、低コストのスイッチング素子を用いることができ、第２領域まで使用する場合と比べて無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【０００６】
また、リチウムイオン電池等のバッテリセルを直列に接続した組電池では、長時間使用すると、自己放電の僅かな違いにより各々のバッテリセルのＳＯＣにバラツキが生じる。バラツキが生じると、使用可能なＳＯＣの領域が狭まるためバラツキを是正する必要がある。このため、一般に組電池を使用する場合は、ＳＯＣのバラツキを是正する機能がＢＭＳ（Battery Management System）に付加される。
ＢＭＳでは、バッテリセルのＳＯＣを直接検出することはできないため、ＳＯＣと一定の相関関係のあるバッテリセルのセル電圧を検出し、そのバラツキを是正することにより、ＳＯＣのバラツキを是正している（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２７２１２１号公報
【特許文献２】特開２００５−６５３５２号公報
【特許文献３】特開２００４−１７３３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、リチウムイオン電池等のバッテリセルは、図１に示すようなＳＯＣとセル電圧との相関関係があるため、ＳＯＣの変化に対してバッテリセルのセル電圧の変化が相対的に大きい第２領域においてバッテリセルのセル電圧のバラツキを是正した方が、より高精度かつ迅速に行うことができる。
【０００９】
しかしながら、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータのような交流電圧に対して直流電圧を一定値より高くすることが要求される電圧変換手段を用いた場合、第１領域のみで使用することを前提として設計すると、第２領域で正常に電圧変換を行うことができない。
【００１０】
このため、電圧変換手段が第２領域でも正常に電圧変換を行うためには、直流電圧の下限が第２領域に含まれるよう電圧変換手段を設計する必要がある。しかしながら、このような設計をすると、第１領域のみで使用する電圧変換手段と比較して、電流定格の大きな部品を用いる必要があるため設計上の無駄が多くなり、サイズおよびコストの面で劣ることになる。
【００１１】
一方、第２領域でも使用できるようにし、かつ、電流定格の大きな部品を用いることを避けるために、ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの直流側にＤＣ−ＤＣコンバータを設けて、ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの直流電圧を昇降圧する方法がある。しかし、このように構成した場合でも、システムが複雑になり、サイズおよびコストの面で劣ることになる。
【００１２】
上記の問題に鑑みて、本発明は、最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明に係る蓄電装置は、基準交流電圧を直流電圧に変換して少なくとも１つのバッテリセルに電気エネルギーを蓄積することができる蓄電装置であって、基準交流電圧を該基準交流電圧と電圧値が異なる変圧交流電圧に変圧する変圧手段と、変圧交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とを備え、変圧手段は、一次巻線または二次巻線のいずれか一方にそれぞれ巻数の異なる位置から引き出された複数のタップを有するトランスと、複数のタップのうちのいずれかのタップが選択されるように接続を切り替えるためのスイッチとを有し、スイッチの切り替えにより、基準交流電圧と変圧交流電圧との変圧比が変化することを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、簡易な構成で、基準交流電圧から電圧値が異なる複数の変圧交流電圧を発生させることができ、タップとスイッチとの接続を切り替えることにより、変圧手段から電圧変換手段に複数の変圧交流電圧のうちの１つを供給することができる。
その結果、基準交流電圧から広範囲にわたる直流電圧を出力することができる。これにより、最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供することができる。
【００１５】
ここで、上記蓄電装置として、複数のタップは、第１タップおよび第２タップからなり、スイッチを第１タップに接続すると、変圧手段が、基準交流電圧を第１変圧交流電圧に変圧するとともに、電圧変換手段が第１変圧交流電圧を第１直流電圧に変換する一方、スイッチを第２タップに接続すると、変圧手段が基準交流電圧を第１変圧交流電圧よりも電圧値が低い第２変圧交流電圧に変圧するとともに、電圧変換手段が第２変圧交流電圧を第１直流電圧よりも低い第２直流電圧に変換することを特徴とする蓄電装置を例示することができる。
【００１６】
さらに、上記蓄電装置として、電圧変換手段は、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータであり、少なくとも１つのバッテリセルから電気エネルギーを放出させて、直流電圧を基準交流電圧に変換することもできる。
【００１７】
また、上記蓄電装置として、バッテリセルは、残存容量に対するセル電圧の変化特性において、残存容量に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、変化率が第１領域よりも大きく、かつ残存容量が第１領域よりも小さい第２領域とを有するものであり、第１領域と第２領域の一方端との境界におけるセル電圧を通常使用時下限設定電圧とし、第２領域の他方端における残存容量がゼロのときのセル電圧をバッテリセル最低電圧としたとき、第１直流電圧の下限は通常使用時下限設定電圧以上に設定され、第２直流電圧の下限はバッテリセル最低電圧以上、かつ通常使用時下限設定電圧よりも低く設定されることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、スイッチが第１タップに接続されると、第１直流電圧の下限は通常使用時下限設定電圧以上に設定され、スイッチが第２タップに接続されると、第２直流電圧の下限はバッテリセル最低電圧以上、かつ通常使用時下限設定電圧よりも低く設定される。
このため、バッテリセルを第１領域で使用する場合、スイッチを第１タップに接続して、電圧変換手段に入力される第１直流電圧の下限または電圧変換手段から出力される第１直流電圧の下限を通常使用時下限設定電圧以上にすることができる。これにより、第２領域まで使用する電圧変換手段と比べて、入出力される交流電圧を高く設定することができ、無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【００１９】
その一方で、スイッチが第２タップに接続されると、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００２０】
さらに、上記の蓄電装置として、少なくとも１つのバッテリセルは、複数のバッテリセルを直列に接続してなる組電池であり、組電池を構成する各バッテリセルのセル電圧を検出する電圧検出手段と、各バッテリセルを充放電させて各バッテリセル間のセル電圧の電圧差を小さくするバランス動作を行うバランス手段とをさらに備え、バランス手段は、電圧検出手段により検出された電圧差が許容のバラツキ範囲を超え、かつスイッチが第２タップに接続されて組電池の総電圧が通常使用時下限設定電圧よりも低くなるまで各バッテリセルから電気エネルギーが放出された後に、バランス動作を行うように構成することが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、バランス動作を行う前に、スイッチが第２タップに接続され、各バッテリセルのセル電圧が第２領域に含まれるまで各バッテリセルから電気エネルギーが放出される。これにより、バッテリセル間のＳＯＣのバラツキ是正に適した低い電圧領域（第２領域）で電圧変換を行うことができる。
【００２２】
また、上記の蓄電装置のバッテリセルは、リチウムイオン電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、基準交流電圧と直流電圧とを相互に変換し、バッテリセルに電気エネルギーを蓄積することが可能な蓄電装置において、最小限のサイズおよびコストで、直流電圧を低い電圧領域に下げても電圧変換が可能で、簡易な構成の蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＳＯＣに対するセル電圧の変化特性を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図３】ＡＣ−ＤＣ双方向コンバータの構成を示す回路図である。
【図４】第２実施形態に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図５】ＳＯＣに対する組電池の電圧の変化特性を示す図である。
【図６】風力発電装置とともに使用される第２実施形態に係る蓄電装置の構成を示す回路図である。
【図７】第２実施形態における組電池に含まれるバッテリセルのセル電圧のバラツキを是正する第１の手法を示す図である。
【図８】第２実施形態における組電池に含まれるバッテリセルのセル電圧のバラツキを是正する第２の手法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
［第１実施形態］
本実施形態に係る蓄電装置１は、図２に示すように変圧手段３と、電圧変換手段４と、電圧検出手段５と、制御手段６とからなり、交流電源７を用いてバッテリセル２に電気エネルギーを蓄積（充電）し、交流電源７側に電気エネルギーを回生させるためにバッテリセル２から電気エネルギーを放出（放電）するものである。
【００２７】
バッテリセル２は、例えばリチウムイオン電池からなり、図１に示すようにＳＯＣ（残存容量）に対してセル電圧が変化する特性を有する。
同図に示すように、バッテリセル２には、ＳＯＣの変化に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、第１領域よりも変化率が大きく、かつ第１領域よりもＳＯＣが小さい第２領域とが存在する。
【００２８】
変圧手段３は、図２に示すように一次側に第１タップ８および第２タップ９を有するトランス１０と、外部の交流電源７から供給される基準交流電圧を第１タップ８または第２タップ９を介してトランス１０に入力するリレーやＦＥＴ等のスイッチ１１とからなる。変圧手段３は、スイッチ１１を切り替えることにより変圧比を変えることができる。
具体的には、変圧手段３は、充電時にスイッチ１１が第１タップ８に接続されている場合、基準交流電圧を第１変圧交流電圧に変圧し、スイッチ１１が第２タップ９に接続されている場合、基準交流電圧を第２変圧交流電圧に変圧する。
一方、変圧手段３は、回生時にスイッチ１１が第１タップ８に接続されている場合、第１変圧交流電圧を基準交流電圧に変圧し、第２タップ９に接続されている場合、第２変圧交流電圧を基準交流電圧に変圧する。
スイッチ１１が第１タップ８に接続されている場合と、第２タップ９に接続されている場合とでは、前者の方が一次巻線の巻数が少なくなる。このため、トランス１０の二次側に発生する第２変圧交流電圧は第１変圧交流電圧よりも電圧値が低くなる。
【００２９】
電圧変換手段４は、交流電圧と直流電圧との間で電圧変換を行うもので、交流電圧に対して直流電圧を一定値より高くすることが要求されるものである。電圧変換手段４は、充電時に、第１変圧交流電圧を、第１直流電圧に変換するか、または第２変圧交流電圧を第１直流電圧より低い第２直流電圧に変換する。
一方、電圧変換手段４は、回生時に、第１直流電圧を、第１変圧交流電圧に変換し、第２直流電圧を、第２変圧交流電圧に変換する。
【００３０】
図１に示すように、第１領域と第２領域の一方端との境界におけるセル電圧を通常使用時下限設定電圧とし、第２領域の他方端におけるＳＯＣがゼロのときのセル電圧をバッテリセル最低電圧としたとき、第１直流電圧の下限は通常使用時下限設定電圧以上になる（第１領域に含まれる）ように設定され、第２直流電圧の下限はバッテリセル最低電圧以上、かつ通常使用時下限設定電圧よりも低くなる（第２領域に含まれる）ように設定される。
なお、バッテリセル２は、セル電圧がバッテリセル最低電圧より低くなると過放電を起こしてしまう。
【００３１】
また、電圧変換手段４としては、例えば、図３に示すようにフルブリッジ回路で構成された三相のＡＣ−ＤＣ双方向コンバータ４Ａが使用される。同図に示すように、三相のＡＣ−ＤＣ双方向コンバータ４Ａは、交流電圧を整流する交流スイッチＳ１〜Ｓ６と、交流スイッチＳ１〜Ｓ６を通過した電圧を平滑化するコンデンサＣ１と、ノイズを吸収するコンデンサＣ２〜Ｃ４およびコイルＬ１〜Ｌ３とからなる。
なお、交流スイッチＳ１〜Ｓ６の切り替えは制御手段６により行われる。このＡＣ−ＤＣ双方向コンバータ４Ａは、充電時にはＡＣ−ＤＣコンバータとして動作し、回生時にはＤＣ−ＡＣインバータとして動作する。
【００３２】
電圧検出手段５は、バッテリセル２のセル電圧を検出するもので、バッテリセル２に対して並列に接続される。
【００３３】
なお、蓄電装置１は、通常、バッテリセル２のセル電圧が図１に示す通常使用時下限設定電圧（本実施形態では３．７Ｖ）よりも低くならないように、制御手段６の制御下でバッテリセル２が充放電される。このため、電圧変換手段４は、バッテリセル２が第１領域で充放電されることを前提に設計される。
したがって、第１領域だけでなく第２領域でも充放電されることも考慮して設計された電圧変換手段と比べると、本実施形態における電圧変換手段４は、考慮すべき直流電圧の下限（第１直流電圧の下限）が高くなるため、サイズおよびコストを増大させることなく、無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【００３４】
さらに、蓄電装置１は、変圧手段３を備えているため、外部の交流電源７から供給される基準交流電圧を変圧することにより電圧変換手段４に入力される交流電圧を低くすることができる。これにより、バッテリセル２が第２領域で充放電される場合であっても、蓄電装置１は、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段４が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００３５】
次に、バッテリセル２や蓄電装置１を運送するために、バッテリセル２を意図的に放電させてバッテリセル２のセル電圧を第２領域まで下げ、運送後、再びセル電圧を第１領域に戻す手法について説明する。
【００３６】
蓄電装置１では、通常、バッテリセル２のセル電圧が通常使用時下限設定電圧よりも低くならないようにバッテリセル２が充放電されるため、スイッチ１１は第１タップ８に接続されている。したがって、まず、スイッチ１１を切り替えて第２タップ９に接続させてバッテリセル２を放電させる。
または、バッテリセル２を放電させながら、バッテリセル２のセル電圧が使用時下限設定電圧より低くなる前にスイッチ１１を切り替えて第２タップ９に接続させる。
なお、放電は、バッテリセル２に蓄電された電気エネルギーを交流電源７側に回生させる方式により行う。
【００３７】
そして、バッテリセル２のセル電圧が、第２領域内の所定の電圧値、例えば、ＳＯＣ５％（本実施形態では３．５Ｖ）になるまでバッテリセル２を放電させる。
放電完了後、バッテリセル２や蓄電装置１を運送する。
【００３８】
運送後に、バッテリセル２のセル電圧を第１領域に戻す場合、スイッチ１１を第２タップ９に接続させたまま、電圧変換手段４から出力される第２直流電圧を用いてバッテリセル２を充電させる。
そして、バッテリセル２のセル電圧が第１領域まで戻ると、スイッチ１１を切り替えて第１タップ８に接続させる。
【００３９】
上記のように、蓄電装置１では、スイッチ１１を第２タップ９に接続させて、バッテリセル２を放電させることにより、バッテリセル２のセル電圧を第２領域まで下げることができる。
さらに、蓄電装置１では、スイッチ１１を第２タップ９に接続させたまま、バッテリセル２を充電させることにより、バッテリセル２のセル電圧を第１領域まで戻すことができる。すなわち、蓄電装置１は、スイッチの切り替えにより、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段４が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００４０】
［第２実施形態］
本実施形態に係る蓄電装置２１は、図４に示すように、複数（本実施形態では３つ）のバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを直列に接続した組電池２２に、交流電源２７を用いて電気エネルギーを蓄積（充電）し、交流電源２７側に電気エネルギーを回生させるために組電池２２から電気エネルギーを放出（放電）するものである。
【００４１】
この蓄電装置２１の基本的な構成は、電圧検出手段２５および電圧バランス手段２８を除いて第１実施形態に係る蓄電装置１と同じである。
【００４２】
電圧検出手段２５は組電池２２の電圧および該組電池２２に含まれるバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ毎のセル電圧を検出する。なお、電圧検出手段２５には、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ間のセル電圧の電圧差が許容のバラツキ範囲を超えた場合に、アラーム信号を出力してユーザーに知らせる通知手段が設けられている。
なお、許容のバラツキ範囲を超えた場合とは、例えば、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の最高値と最低値との電圧差が０．１Ｖ以上になった場合、またはバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の平均値に対して、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのうちの少なくとも一つのバッテリセルのセル電圧が０．１Ｖ以上乖離した場合等である。
【００４３】
電圧バランス手段２８は、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧のバラツキを是正するためのバランス動作を行うものである。具体的には、電圧バランス手段２８は、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃを充放電させて、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ間のセル電圧の電圧差を小さくするものである。
【００４４】
ところで、組電池２２に含まれるそれぞれのバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、図１に示すようにＳＯＣに対してセル電圧が変化する特性を有する。このため、図５に示すように、組電池２２は全体としてもＳＯＣに対して電圧が変化する特性を有する。
なお、蓄電装置２１では、組電池２２の電圧は、各バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の和となる。
【００４５】
なお、蓄電装置２１では、通常、組電池２２の電圧が図５に示す第１領域と第２領域の一方端との境界における電圧である通常使用時下限設定電圧よりも低くならないように、制御手段２６の制御下で第１直流電圧を用いて組電池２２が充放電される。このため、電圧変換手段２４は、組電池２２が第１領域で使用されることを前提に設計される。
したがって、第１領域だけでなく第２領域で使用されることも考慮して設計された電圧変換手段と比べると、本実施形態における電圧変換手段２４は、考慮すべき直流電圧の下限（第１直流電圧の下限）が高くなるため、無駄の少ない合理的な設計が可能となる。
【００４６】
さらに、蓄電装置２１は、変圧手段２３を備えているため、外部の交流電源２７から供給される基準交流電圧を変圧することにより電圧変換手段２４に入力される交流電圧を低くすることができる。これにより、組電池２２が第２領域で充放電される場合であっても、蓄電装置２１は、第１領域のみで使用することを前提とした電圧変換手段２４が有する設計上の合理性を大きく損なうことなく、第２領域でも正常に電圧変換を行うことができる。
【００４７】
次に、組電池２２のバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃ間に生じるセル電圧のバラツキを是正する手法について、図６〜図８を参照して説明する。
【００４８】
同図に示す蓄電装置２１は、系統２９および風力発電装置３０と連系している。風力発電装置３０は風速の変化により発電電力が変動するので、発電電力の平滑化を行う必要がある。具体的には、発電電力が所定の出力範囲を上回る場合は組電池２２が充電され、発電電力が所定の出力範囲を下回る場合は組電池２２が放電される。
なお、発電電力の平滑化は、組電池２２のＳＯＣを大きく変動させる場合があるため、平滑化が行われる場合には、組電池２２のＳＯＣを所定のＳＯＣ（容量フィードバック目標値）に近づけていく容量フィードバック制御も併せて実行される。
したがって、セル電圧のバラツキを是正する手法には、容量フィードバック制御が停止された状態でバランス動作が実行される第１の手法（図７参照）と、容量フィードバック制御とともにバランス動作が実行される第２の手法（図８参照）とがある。
【００４９】
これらの手法ではともに、バラツキ検出後、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が、容量フィードバック制御により容量フィードバック目標値に向かって下げられる。そして、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が第２領域に含まれる前にスイッチ１１が切り替えられて第２タップ９に接続される（タップ切替）。
【００５０】
第１の手法では、これに続いて、図７に示すようにバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の最低値が、第２領域内のあらかじめ設定された下限電圧（例えば、３．０Ｖ）に達するまで、容量フィードバック制御により下げられる。
最低値が下限電圧に達すると、容量フィードバック制御は停止され、電圧バランス手段２８によるバランス動作が開始される（バランス動作開始）。そして、バランス動作がしばらく行われた後、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃの電力が系統２９に回生されることにより（回生開始）、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が下げられる。
そして、このバランス動作と回生とが繰り返し行われ、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧が下限電圧付近で実質的に一致し、バラツキが是正される。
なお、バラツキ検出から最初のバランス動作開始までは、容量フィードバック制御に替えて、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃの電力を系統２９に回生させることにより、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧を下げる場合もある。
【００５１】
一方、第２の手法では、図８に示すようにバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧の最低値が、第２領域内であらかじめ設定された下限電圧（例えば、３．０Ｖ）を下回らないように、容量フィードバック制御により下げられる。
そして、容量フィードバック制御の実行中に、電圧バランス手段２８によるバランス動作が開始され（バランス動作開始）、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧のバラツキが是正される。
【００５２】
上記のように、蓄電装置２１では、スイッチ１１が第２タップ９に接続された後、容量フィードバック制御、または系統２９への電力の回生により、バッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧を第２領域まで下げることができる。
そして、ＳＯＣの変化に対するセル電圧の変化率が相対的に大きい第２領域でバランス動作が実行されることで、より高精度かつ迅速にバッテリセル２Ａ、２Ｂ、２Ｃのセル電圧のバラツキを是正することができる。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００５４】
例えば、上記実施形態に係る蓄電装置１、２１では、ＳＯＣに対するセル電圧の変化特性において、第１領域と第２領域とが存在するバッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用いているため、スイッチ１１が第１タップ８に接続されると、基準交流電圧に基づいて第１変圧交流電圧を生成され、第２タップ９に接続されると、第１変圧交流電圧よりも電圧値が低い第２変圧交流電圧を生成される２段階切替方式を採用したが、ＳＯＣに対するセル電圧の変化特性において、３つ以上の領域が存在するバッテリセルを用いる場合は、３段階以上の切替方式を採用することもできる。
【００５５】
また、蓄電装置１、２１では、交流電源７、２７（系統２９）に対して蓄電した電気エネルギーを回生させる方式によりバッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃの放電を行っているが、交流電源７に替えて放電手段を接続するか、バッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃに放電手段を接続してバッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを放電させる等の方式により行ってもよい。
【００５６】
さらに、蓄電装置１、２１では、三相に対応した変圧手段３、２３および電圧変換手段４、２４を用いたが、単相に対応したものを用いてもよい。
【００５７】
また、変圧手段３、２３では、二次側の電圧に比べて一次側の電圧の方が高くなることが多いため、第１タップ８および第２タップ９をトランス１０の一次側に設けたが、二次側の電圧の方が高くなる場合は、二次側にタップを設けてもよい。
【００５８】
また、バッテリセル２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、リチウムイオン電池に限らず、様々な二次電池を用いることができる。
【００５９】
また、変圧手段３、２３のスイッチ１１や、電圧バランス手段２８は、制御手段６、２６によって制御されていてもよく、外部から手動により制御されていてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１、２１ 蓄電装置
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ バッテリセル
２２ 組電池
３、２３ 変圧手段
４、２４ 電圧変換手段
５、２５ 電圧検出手段
６、２６ 制御手段
７、２７ 交流電源
８ 第１タップ
９ 第２タップ
１０ トランス
１１ スイッチ
２８ 電圧バランス手段
２９ 系統
３０ 風力発電装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準交流電圧を直流電圧に変換して少なくとも１つのバッテリセルに電気エネルギーを蓄積することができる蓄電装置であって、
前記基準交流電圧を該基準交流電圧と電圧値が異なる変圧交流電圧に変圧する変圧手段と、
前記変圧交流電圧を前記直流電圧に変換する電圧変換手段とを備え、
前記変圧手段は、一次巻線または二次巻線のいずれか一方にそれぞれ巻数の異なる位置から引き出された複数のタップを有するトランスと、前記複数のタップのうちいずれかのタップが選択されるように接続を切り替えるためのスイッチとを有し、
前記スイッチの切り替えにより、前記基準交流電圧と前記変圧交流電圧との変圧比が変化することを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記複数のタップは、第１タップおよび第２タップからなり、
前記スイッチを前記第１タップに接続すると、前記変圧手段が、前記基準交流電圧を第１変圧交流電圧に変圧するとともに、前記電圧変換手段が、前記第１変圧交流電圧を、第１直流電圧に変換する一方、
前記スイッチを前記第２タップに接続すると、前記変圧手段が、前記基準交流電圧を前記第１変圧交流電圧よりも電圧値が低い第２変圧交流電圧に変圧するとともに、前記電圧変換手段が、前記第２変圧交流電圧を前記第１直流電圧よりも低い第２直流電圧に変換することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記電圧変換手段は、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータであり、
前記少なくとも１つのバッテリセルから電気エネルギーを放出させて、前記直流電圧を前記基準交流電圧に変化することもできることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記バッテリセルは、残存容量に対するセル電圧の変化特性において、残存容量に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、前記変化率が前記第１領域よりも大きく、かつ残存容量が前記第１領域よりも小さい第２領域とを有するものであり、
前記第１領域と前記第２領域の一方端との境界におけるセル電圧を通常使用時下限設定電圧とし、前記第２領域の他方端における残存容量がゼロのときのセル電圧をバッテリセル最低電圧としたとき、
前記第１直流電圧の下限は、前記通常使用時下限設定電圧以上に設定され、
前記第２直流電圧の下限は、前記バッテリセル最低電圧以上、かつ前記通常使用時下限設定電圧よりも低く設定されることを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのバッテリセルは、複数のバッテリセルを直列に接続してなる組電池であり、
前記組電池を構成する各バッテリセルのセル電圧を検出する電圧検出手段と、
前記各バッテリセルを充放電させて前記各バッテリセル間のセル電圧の電圧差を小さくするバランス動作を行うバランス手段とをさらに備え、
前記バランス手段は、前記電圧検出手段により検出された前記電圧差が許容のバラツキ範囲を超え、かつ前記スイッチが前記第２タップに接続されて前記各バッテリセルのセル電圧が前記通常使用時下限設定電圧よりも低くなるまで前記各バッテリセルから電気エネルギーが放出された後に、前記バランス動作を行うことを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記バッテリセルは、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の蓄電装置。
【請求項１】
基準交流電圧を直流電圧に変換して少なくとも１つのバッテリセルに電気エネルギーを蓄積することができる蓄電装置であって、
前記基準交流電圧を該基準交流電圧と電圧値が異なる変圧交流電圧に変圧する変圧手段と、
前記変圧交流電圧を前記直流電圧に変換する電圧変換手段とを備え、
前記変圧手段は、一次巻線または二次巻線のいずれか一方にそれぞれ巻数の異なる位置から引き出された複数のタップを有するトランスと、前記複数のタップのうちいずれかのタップが選択されるように接続を切り替えるためのスイッチとを有し、
前記スイッチの切り替えにより、前記基準交流電圧と前記変圧交流電圧との変圧比が変化することを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記複数のタップは、第１タップおよび第２タップからなり、
前記スイッチを前記第１タップに接続すると、前記変圧手段が、前記基準交流電圧を第１変圧交流電圧に変圧するとともに、前記電圧変換手段が、前記第１変圧交流電圧を、第１直流電圧に変換する一方、
前記スイッチを前記第２タップに接続すると、前記変圧手段が、前記基準交流電圧を前記第１変圧交流電圧よりも電圧値が低い第２変圧交流電圧に変圧するとともに、前記電圧変換手段が、前記第２変圧交流電圧を前記第１直流電圧よりも低い第２直流電圧に変換することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記電圧変換手段は、フルブリッジ回路で構成されたＡＣ−ＤＣ双方向コンバータであり、
前記少なくとも１つのバッテリセルから電気エネルギーを放出させて、前記直流電圧を前記基準交流電圧に変化することもできることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記バッテリセルは、残存容量に対するセル電圧の変化特性において、残存容量に対するセル電圧の変化率が相対的に小さい第１領域と、前記変化率が前記第１領域よりも大きく、かつ残存容量が前記第１領域よりも小さい第２領域とを有するものであり、
前記第１領域と前記第２領域の一方端との境界におけるセル電圧を通常使用時下限設定電圧とし、前記第２領域の他方端における残存容量がゼロのときのセル電圧をバッテリセル最低電圧としたとき、
前記第１直流電圧の下限は、前記通常使用時下限設定電圧以上に設定され、
前記第２直流電圧の下限は、前記バッテリセル最低電圧以上、かつ前記通常使用時下限設定電圧よりも低く設定されることを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのバッテリセルは、複数のバッテリセルを直列に接続してなる組電池であり、
前記組電池を構成する各バッテリセルのセル電圧を検出する電圧検出手段と、
前記各バッテリセルを充放電させて前記各バッテリセル間のセル電圧の電圧差を小さくするバランス動作を行うバランス手段とをさらに備え、
前記バランス手段は、前記電圧検出手段により検出された前記電圧差が許容のバラツキ範囲を超え、かつ前記スイッチが前記第２タップに接続されて前記各バッテリセルのセル電圧が前記通常使用時下限設定電圧よりも低くなるまで前記各バッテリセルから電気エネルギーが放出された後に、前記バランス動作を行うことを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。
【請求項６】
前記バッテリセルは、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の蓄電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３９５８１（Ｐ２０１１−２３９５８１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０９３４２（Ｐ２０１０−１０９３４２）
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【Ｆターム（参考）】
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