JP2012205384A

JP2012205384A - 蓄電池集合体制御システム

Info

Publication number: JP2012205384A
Application number: JP2011067332A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Okuda; 泰生奥田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【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２６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、蓄電池パック列４４のそれぞれの間の電圧差が予め定められた閾値電圧差以下となるときに、該当するスイッチをオンする。マスタコントローラ２０は、充放電メインバス２８に接続される蓄電池パック列４４の数が増加するに従って閾値電圧差を低下させる。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

特開２０１０−１４１９７０号公報

蓄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。

蓄電池を組み合わせるときに、複数の蓄電池を単純に並列接続すれば、それによって電圧の高い蓄電池と電圧の低い蓄電池との間で充放電電流が流れるので、電圧均等化が行われる。その場合に、あまり電圧差があるとその電圧差を補償するための充放電電流が過大になるので、別の手段を用いて、予めある程度電圧差を小さくし、その段階で、蓄電池相互を接続することが好ましい。

ところで、複数の蓄電池が並列配置されるときに上記の方法で電圧均等化を行うと、１つの蓄電池と１つの蓄電池との間で電圧差を補償するときと、多数の蓄電池と１つの蓄電池との間で電圧差を補償するのとで、充放電電流が異なってくる。その理由は、蓄電池の内部抵抗等のためである。このように、蓄電池の数に関わらず一律に電圧均等化処理を行うと不都合が生じる。例えば、蓄電池を相互接続する閾値電圧差を小さく設定すると、全ての蓄電池の電圧が揃うまで長時間を要することになってしまう。また、例えば、蓄電池を相互接続する閾値電圧を大きく設定すると、最後の方に接続される蓄電池に過大な電流が流れるおそれがある。

本発明の目的は、電圧均等化が行われる蓄電池の数を考慮して電圧均等化処理を適切に実行する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。

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閾値電圧差以下となるときに、電圧の高い蓄電池制御単位から順に、該当するスイッチをオンするサブコントローラと、充放電メインバスに接続されている蓄電池制御単位の数を監視するマスタコントローラと、を備え、マスタコントローラは、充放電メインバスに接続される蓄電池制御単位の数が増加するに従って閾値電圧差を低下させることを特徴とする。

上記構成によれば、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について、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閾値電圧差以下となるときに、電圧の高い蓄電池制御単位から順に、該当するスイッチをオンする。その際に、充放電メインバスに接続されている蓄電池制御単位の数を監視して、充放電メインバスに接続される蓄電池制御単位の数が増加するに従って閾値電圧差を低下させる。このようにすることで、新たにスイッチがオンされる蓄電池制御単位の数に関わらず、電圧均等化のための充放電電流を一定のものにすることができる。

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。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蓄電池ユニットの周辺構成を説明する図である。本発明の課題を説明する図の１つで、既にスイッチがオンされている蓄電池パック列が１つのときに新たに１つのスイッチがオンされるときの状況を説明する図である。図３の場合に、等価回路を用いて充放電電流の様子を説明する図である。本発明の課題を説明する図の１つで、既にスイッチがオンされている蓄電池パック列が１９あるときに新たに１つのスイッチがオンされるときの状況を説明する図である。図の場合に、等価回路を用いて充放電電流の様子を説明する図である。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いて、スイッチがオンされる蓄電池制御単位の数とスイッチがオンされる閾値電圧差の関係を説明する図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
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。

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。

１つの電力変換器２６について、この５つの蓄電池ユニット４０が接続されるが、この他に、各蓄電池ユニット４０ごとに、スイッチ基板５０とサブコントローラ３０が設けられる。そこで、１つの電力変換器２６について設けられる５つの蓄電池ユニット４０、５つのスイッチ基板５０、５つのサブコントローラ３０の集合体を、図１では便宜上まとめて、蓄電池ユニット群２９として示した。マスタコントローラ２０からの集合体充放電指令は、１つの電力変換器２６とそれに関係する蓄電池ユニット群２９に対する指令である。

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。

図２は、１つの蓄電池ユニット４０の周辺構成の詳細を説明する図である。なお、図１は、蓄電池集合体制御システム１０の全体構成を説明するために、蓄電池ユニット４０周辺構成をいくつか省略してある。

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、３００の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。

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。

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を含む。

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。なお、図１ではこの保護抵抗５４の図示を省略してある。保護抵抗５４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２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。

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４４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差である。例えば、標準的な値として、閾値電圧差を±１Ｖとすることができる。

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。

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。

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、予め定められた閾値電圧差以下となるときに、電圧の高い蓄電池パック列４４から順に、該当するスイッチ５６をオンさせる。閾値電圧差は、標準的な値として、上記のように、±１Ｖとすることができる。

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。

図３から図６は、上記構成において、実際にスイッチ５６がオンしてゆく様子と、そのときに生じ得る課題を説明する図である。図３、図５は、図１における１つの蓄電池ユニット群２９を抜き出し、保護抵抗５４、サブバス５２等の図示を省略したものである。ここでは、２０個の各蓄電池パック列４４を区別するために、１から２０の数字を付してある。図４、図５は、それぞれ図３、図５に対応する等価回路で、蓄電池パック列４４の内部抵抗がｒとして示されている。

図３は、既にオンされているスイッチ５６が１つあるときに、次にもう１つのスイッチ５６がオンするときの様子を示す図である。ここでは、数字１を付した蓄電池パック列４４についてのスイッチ５６が既にオンされている状態で、数字２０を付した蓄電池パック列４４がちょうどオンしようとするときである。数字２から数字１９を付した蓄電池パック列４４のスイッチ５６は依然としてオフのままである。

このときに、例えば、数字１を付した蓄電池パック列４４の電圧、すなわち充放電メインバス２８の電圧が、数字２０を付した蓄電池パック列４４の電圧より高いと、その電圧差を補償するように、数字１を付した蓄電池パック列４４から数字２０を付した蓄電池パック列４４に向かって電流が流れる。そのときの電流値Ｉは、図４の等価回路で説明できる。すなわち、電圧差をΔＶ、１つの蓄電池パック列４４の内部抵抗をｒとして、流れる電流ΔＩは、｛ΔＶ／（ｒ＋ｒ）｝＝（ΔＶ／２ｒ）である。

図５は、既にオンされているスイッチ５６が１９あるときに、残りの１つのスイッチ５６がオンするときの様子を示す図である。ここでは、数字１から数字１９を付した蓄電池パック列４４についてのスイッチ５６が既にオンされている状態で、数字２０を付した蓄電池パック列４４がちょうどオンしようとするときである。

このときに、例えば、数字１から数字１９を付した蓄電池パック列４４の電圧、すなわち充放電メインバス２８の電圧が、数字２０を付した蓄電池パック列４４の電圧より高いと、その電圧差を補償するように、数字１から数字１９を付した１９の蓄電池パック列４４から数字２０を付した１つの蓄電池パック列４４に向かって電流が流れる。そのときの電流値Ｉは、図６の等価回路で説明できる。図４と同様に、電圧差をΔＶ、１つの蓄電池パック列４４の内部抵抗をｒとすると、流れる電流ΔＩは、［ΔＶ／｛（ｒ／１９）＋ｒ｝］＝｛ΔＶ／（２０／１９）ｒ｝である。

図３、図５において、スイッチ５６がオンするときの閾値電圧差をいずれも同じとすると、上記でΔＶが同じであるので、図３と図５では、電圧均等化のために流れる充放電電流が（３８／２０）倍異なることになる。上記では、代表的な例を説明したが、オンしているスイッチ５６の数が増加するほど、電圧均等化のために流れる充放電電流が増加する。

このように、スイッチ５６の数がオンする際に、既にオンしているスイッチ５６の数が増加すると、新たにオンするスイッチ５６に接続される蓄電池パック列４４に対する充放電電流ΔＩが増大する。その程度が大きくなると、発熱、回路不具合が生じ得る。これを防止するために、閾値電圧差ΔＶを小さく設定すると、電圧均等化に時間が掛かる。電圧均等化に時間が掛かると、電圧均等化が行われるまでその蓄電池パック列４４は充放電メインバス２８に直接的には接続されないので、電力源からの充電、負荷への放電に寄与できない。これらが、本発明の解決しようとする課題である。

そこで、マスタコントローラ２０は、充放電メインバス２８に接続される蓄電池パック列４４の数が増加するに従って、スイッチ５６をオンするための閾値電圧差を低下させる処理を行う。

図７は、そのような閾値電圧差（ΔＶ）_thと、既にオンしているスイッチ５６の数ｎとの関係を示す１例である。この例は、図３、図５の場合と同様に、１つの蓄電池ユニット群２９について、充放電メインバス２８に接続されるスイッチ５６の総数を２０としたときのものである。こでは、ｎ＝１のときの（ΔＶ）_thを規格化して１．０とおいたとき、ｎ＝２０のときの（ΔＶ）_thが０．５となるようにして求めた閾値電圧差特性線が示されている。

マスタコントローラ２０は、図７のような閾値電圧差特性線を予め適当な記憶部に記憶し、各蓄電池ユニット群２９ごとに、既にオンしたスイッチ５６の数ｎを監視し、その数ｎに対応する閾値電圧差を読み出す。読み出された閾値電圧差は、それぞれの蓄電池ユニット群２９に所属する各サブコントローラ３０に伝送される。各サブコントローラ３０は、伝送された閾値電圧差の値を用いて、スイッチ５６をオンするか否かを判断する。

このように、蓄電池集合体制御システム１０の稼動過程で、電圧均等化が行われる蓄電池パック列４４の数が時々刻々変化することに合わせて、閾値電圧差を動的に変化させることで、電圧均等化処理を適切に実行することができる。

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。

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、２２ＨＵＢ、２４電力変換器管理部、２６電力変換器、２８充放電メインバス、２９蓄電池ユニット群、３０サブコントローラ、４０蓄電池ユニット、４２蓄電池パック、４４蓄電池パック列、５０スイッチ基板、５２サブバス、５４保護抵抗、５６スイッチ。

Claims

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、
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をオンするサブコントローラと、
前記充放電メインバスに接続されている前記蓄電池制御単位の数を監視するマスタコントローラと、
を備え、
前記マスタコントローラは、
前記充放電メインバスに接続される前記蓄電池制御単位の数が増加するに従って前記閾値電圧差を低下させ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ることを特徴とする蓄電池集合体制御システム。