JP2014212645A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外部機器に依存することのないように独立性を高めるとともに、本体の小型軽量化を図りつつ、安定した電力を供給する蓄電システムを得る。
【解決手段】 蓄電システム起動信号によって蓄電システム１が起動されると、二次電池１１から内部電源回路１７に通電され、内部電源回路１７は二次電池１１からの電圧を変換して電池監視・制御回路１６に必要な電力を供給する。そして、電池監視・制御回路１６は、蓄電システム１の起動以降、二次電池１１の監視やスイッチ駆動による主回路２０との接断制御を含む蓄電システム１の監視・制御に必要な電力を、すべて内部電源回路１７から供給されつつ監視・制御動作を実行・継続する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、二次電池を内蔵する蓄電システムに関する。

二次電池を内蔵し、主回路との接続・切断を制御しながら、内蔵した二次電池を充放電する蓄電システムにおいては、内蔵した二次電池の状態を監視し、その状態に基づき二次電池の充電動作、あるいは二次電池から外部の主回路上に接続された各種機器への電力供給（放電動作）、さらには二次電池の特性や安全性を考慮した過充電や過放電保護動作を含め、主回路との接断が制御される。

このような主回路との接断を制御する機能を実現するため、自システム内には、例えば、専用の制御部等が設けられる。この制御部は、二次電池の状態を含む各種情報を判定して制御信号を生成する電子回路を中心とした制御回路部分、及び制御信号に基づき主回路との接断を担うスイッチ機構としてのパワーリレーやコンタクタ部分等を含み構成される。

特開２００８−５６２２号公報（第１６ページ、図１）

ところで、上述した制御動作に必要な電力は、制御回路部分についてはわずかであるものの、スイッチ機構としてのパワーリレーやコンタクタ等は電力消費が多く、また、その消費量も、取り扱う電流等の大容量化に伴って増大するとともに、二次電池を複数接続して大容量化した場合には更に増大する。そして、そのために必要な電力は、蓄電システム内の二次電池から供給するのではなく、蓄電システムの外部から供給される場合が多い。これは、自システム内での電力消費を極力低減し、より多くの電力を主回路上の負荷装置等へ供給可能にするためである。すなわち、制御動作に必要な電力は、制御部全体での電力消費の規模に応じて、例えば、外部に別途鉛蓄電池等が設けられるなど、外部の電力供給源から供給される。

しかしながら、このように外部に電力供給源を設けることは、蓄電システムとしての独立性が低下するとともに、小型軽量化の障害となって機動性も低下する。特に、複数の二次電池を内蔵した場合には、主回路との接断も各二次電池毎に制御する必要がある。このため、制御動作に必要な電力も増加し、電力容量に不足を生じたり、あるいは外部の電力供給源が大容量化・大型化するなど、蓄電システムとしての全体規模が増大する要因となっていた。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、外部機器に依存することのないように独立性を高めるとともに、本体の小型軽量化を図りつつ、安定した電力を供給する蓄電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の実施形態の蓄電システムは、二次電池と、前記二次電池の監視データを取得するセンサと、前記二次電池を主回路に接続、または主回路から切り離す接断手段と、前記センサからの監視データを受けとって前記二次電池の状態を監視するとともに起動・停止信号を受けとり、前記二次電池の監視結果、及び受けとった起動・停止信号に基づいて前記接断手段を制御する監視・制御手段と、前記二次電池の電圧を所定の電圧に変換して自システム内の各部に所要の電力を供給する内部電源回路とを備えたことを特徴とする。

また、第２の実施形態の蓄電システムは、複数の二次電池と、前記複数の二次電池のそれぞれの監視データを取得するセンサと、前記複数の二次電池をそれぞれに主回路に接続、または主回路から切り離す接断手段と、前記センサからの監視データを受けとって前記複数の二次電池の状態を監視するとともに起動・停止信号を受けとり、前記複数の二次電池の監視結果、及び受けとった起動・停止信号に基づいて前記接断手段を制御する監視・制御手段と、前記監視・制御手段における前記複数の二次電池の監視結果に基づいて、前記複数の二次電池の中から１つの二次電池を選択する電池選択回路と、前記電池選択回路により選択された二次電池の電圧を所定の電圧に変換して自システム内の各部に所要の電力を供給する内部電源回路とを備えたことを特徴とする。

本実施形態に係る蓄電システムの第１の実施例の構成の一例を示すブロック図。 突入電流の抑制制御を説明するためのタイミングチャート。 図１に例示した蓄電システムの起動時の動作を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係る蓄電システムの第２の実施例の構成の一例を示すブロック図。 図４に例示した蓄電システムの起動時の動作を説明するためのフローチャート。

以下に、本実施形態に係る蓄電システムを実施するための最良の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る蓄電システムの第１の実施例の構成の一例を示すブロック図である。この蓄電システム１は、二次電池１１、この二次電池１１の監視データを取得するセンサ１２、接断手段としてのスイッチ（Ｂ）１３、スイッチ（Ｃ）１４、及びプリチャージ抵抗１５、電池監視・制御回路１６、内部電源回路１７、ならびに、スイッチ（Ａ）１８から構成されている。

二次電池１１は、例えば、所定の電力容量を有するリチウムイオン二次電池等であり、この蓄電システム１の主構成品として外部の主回路２０に接続制御され、負荷装置２１を含む主回路２０上に接続された各種の機器等に電力を供給するとともに、充電用電源（図示せず）からの電力供給を受けて充電される。センサ１２は、この二次電池の状態を監視して監視データを取得するセンサである。本実施例においては、二次電池の監視データとして、その温度、及び電圧に加え、動作時の電流等を含む各種のデータを取得し、後述する電池監視・制御回路１６に送出する。

スイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４は、ともに電力線の回路を接断するスイッチ機構であり、プリチャージ抵抗１５を含め、接断手段として、電池監視・制御回路１６からの制御信号に基づいて、二次電池１１を主回路２０に接続または切り離す。これらスイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４には、例えば、所要の電力を開閉可能な接点容量を有するパワーリレーやコンタクタ等が適用される。また、プリチャージ抵抗１５は、本蓄電システム１を主回路２０に接続する際の突入電流を制限するための抵抗であり、スイッチ（Ｂ）１３を経由して二次電池１１と主回路２０との間に接続されている。

加えて、本実施例においては、二次電池１１を主回路２０に接続する際（蓄電システムＯＮ時）に、これら２つのスイッチの開閉タイミングを制御することによって、二次電池１１と主回路との間での突入電流を抑制している。この突入電流の抑制制御について、図２を参照して以下に説明する。

図２は、この突入電流抑制のための各スイッチの制御タイミングをモデル化してに例示した説明図である。この図２に示したように、蓄電システム１をＯＮにして二次電池１１を主回路２０に接続する際は、いずれもＯＦＦ（開）状態の２つのスイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４のうち、まずＴ０のタイミングでスイッチ（Ｂ）１３がＯＮされる。これによって、二次電池１１と主回路２０との間はプリチャージ抵抗を介して接続されるので、接続直後の過渡状態におけるこの間の最大電流は、プリチャージ抵抗によって決まる値に制限される。この状態は、電流制限期間として、電流値が安定するまでの所定の期間継続される。

次いで、Ｔ１のタイミングでスイッチ（Ｂ）１４もＯＮされ、二次電池１１と主回路２０とが直接接続される。これら２つのスイッチがともにＯＮされた状態は、重複期間として、所定の期間継続される。その後は、過渡状態が完全に終了したＴ２のタイミングでスイッチ（Ｂ）１３がＯＦＦされることによってプリチャージ抵抗１５が切り離され、スイッチ（Ｃ）１４を経由接続による定常動作に移行して運用可能状態になる。

電池監視・制御回路１６は、センサ１２から二次電池１１の監視データを受けとってその状態を監視する。本実施例では二次電池１１の温度、電圧、電流等のパラメータ等から、電池異常の検出や、その充放電状態や残容量等の推定を行って、二次電池１１の状態を監視するものとしている。なお、図示しないが、表示部を設けてこれらの監視結果を表示したり、充電機能を設け、監視結果に基づき二次電池１１を充電制御するように構成することも可能である。

また、蓄電システムＯＮ／ＯＦＦ信号を受けとってスイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４を制御し、この蓄電システム１と主回路２０との接続を制御する。すなわち、ＯＮ時には、上述したように突入電流を抑制するように２つのスイッチを制御して運用可能状態にし、ＯＦＦ時は、スイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４を共にＯＦＦ（開状態）にする。なお、これら電池監視・制御回路１６の制御動作に必要な電力は、スイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４の駆動に必要な電力を含め、後述の内部電源回路１７から供給される。

内部電源回路１７は、この蓄電システム１を起動・停止するための蓄電システム起動信号を受けとり、この信号に連動させてスイッチ（Ａ）１８を制御するとともに、この蓄電システム１の起動後は、二次電池１１の電圧を変換し、上記した電池監視・制御回路１６に必要な電力を供給する。この内部電源回路１７は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ等により構成され、二次電池１１からの出力電圧を電池監視・制御回路１７で必要な電圧に変換して電池監視・制御回路１６に供給する。

スイッチ（Ａ）１８は、蓄電システム起動信号に連動して、内部電源回路１７によって開閉制御されるスイッチである。すなわち、起動時にはＯＮ（閉状態）になって二次電池１１の電圧を内部電源回路１７に供給を開始するとともに、停止時にはＯＦＦ（開状態）に制御されて、電圧供給を停止する。

次に、前出の図１及び図２、ならびに図３のフローチャートを参照して、上述のように構成された蓄電システム１の動作について説明する。なお、以下の説明においては、停止状態にあるこの蓄電システム１が起動され、主回路２０上の負荷装置２１に電力の供給が可能となる運用状態になるまでの動作を中心に説明する。

まず、例えば上位システム等の外部機器から内部電源回路１７に送られてくる蓄電システム起動信号がＯＮになるのを待つ（ＳＴ３１のＮ）。この信号がＯＮになると（ＳＴ３１のＹ）、内部電源回路１７の制御によりスイッチ（Ａ）１８がＯＮされ、本蓄電システム１が起動される（ＳＴ３２）。スイッチ（Ａ）１８がＯＮになって二次電池１１の出力が内部電源回路１７に接続されると、内部電源回路１７では、この二次電池１１からの電圧が電池監視・制御回路１６に適するように変換され、電池監視・制御回路１６に供給される。なお、以降説明する電池監視・制御回路１６の動作に必要な電力は、すべてこの内部電源回路１７から継続的に供給される（ＳＴ３３）。

次いで、内部電源回路１７からの電力供給を受けて、電池監視・制御回路１６では、監視・制御動作が開始される。すなわち、電池監視・制御回路１６は、まずセンサ１２から二次電池１１の監視データを受けとって、その温度や電圧、電流等をモニタしつつ残容量の推定等も行って、二次電池の状態を監視する。なお、この監視動作は、起動時だけでなく、運用状態に移行した後も同様に継続される（ＳＴ３４）。

次いで、蓄電システム１を運用状態にするために、上位システム等の外部機器から電池監視・制御回路１６に送られてくる蓄電システムＯＮ／ＯＦＦ信号の状態が読み込まれる。そして、この信号がＯＮになると（ＳＴ３５のＹ）、運用状態に移行すべく、電池監視・制御回路１６により、二次電池１１と主回路２０との接続時における突入電流の抑制制御が実行される。すなわち、電池監視・制御回路１６は、図２に例示したようにスイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４を制御する。そして、電流制御期間及び重複期間を経て、二次電池１１と主回路２０との接続が完了し、運用状態へ移行する（ＳＴ３６）。

このようにして起動が完了して運用状態に移行後、蓄電システム１は、電池監視・制御動作を継続しながら、負荷装置２１を含む主回路２０上の各機器に電力を供給する。

なお、上記した電池監視・制御回路１６の電力消費の、二次電池１１の容量に対する割合については、一例として次のように試算される。すなわち、蓄電システムとしてＤＣ３００Ｖ、４０Ａの容量を考えた場合、電池監視・制御回路１６の動作電圧をＤＣ１２Ｖ、スイッチ（Ｂ）１３、及びスイッチ（Ｃ）１４の駆動電流を含めた消費電流を３Ａとすると、電池監視・制御回路１６の消費電力は１２×３＝３６Ｗとなり、これを内部電源回路１７から供給するものとしてその電源変換効率を８０％とすると、内部電源回路１７の入力側の必要電流は、３６Ｗ／３００Ｖ／０．８＝０．１５Ａとなる。この値は、上記した蓄電システムの定格電流４０Ａに対して０．４％程度であり、容量に占める割合は小さいため、蓄電システムの運用の支障にはならないものと評価される。

以上説明したように、本実施例においては、蓄電システム起動信号によって蓄電システム１が起動されると、二次電池１１から内部電源回路１７に通電され、内部電源回路１７は二次電池１１からの電圧を変換して電池監視・制御回路１６に必要な電力を供給している。そして、電池監視・制御回路１６は、蓄電システム１の起動以降、二次電池１１の監視やスイッチ駆動による主回路２０との接断制御を含む蓄電システム１の監視・制御に必要な電力を、すべて内部電源回路１７から供給されつつ動作を継続している。

すなわち、電池監視・制御回路への電力供給を外部の電力源から行うのではなく、自システム内の二次電池を供給源とし、内部電源回路により電圧変換して電池監視・制御回路に供給し所望の監視・制御動作を実行させている。

これにより、外部機器に依存することがなくなって、蓄電システムとしての独立性を高めることができるとともに、本体を小型軽量化することができる。

図４は、本実施形態に係る蓄電システムの第２の実施例の構成の一例を示すブロック図である。また図５は、この蓄電システムの第２の実施例の動作を説明するためのフローチャートである。この第２の実施例について、図１及び図３に示した第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明を省略する。

この第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、蓄電システムの監視及び制御動作に必要な電力を供給するにあたって、第１の実施例では、蓄電システムの備える二次電池を１個として、この二次電池を供給源にして電圧変換し、変換後の電力を用いて所望の動作を実行するよう構成したのに対し、第２の実施例では、複数個（この実施例では２個）の二次電池を備え、これらの中から電池監視結果に基づきひとつの二次電池を選択するとともに、この選択した二次電池を供給源にして電圧変換し、自システムの監視及び制御動作を実行するよう構成した点である。あわせて、複数個の二次電池は、個別に主回路との接断を制御されるように構成した点である。以下、前出の図１乃至図３、ならびに図４及び図５を参照して、その相違点を中心に説明する。

図４に例示したように、この蓄電システム２は、複数個の二次電池として２個の二次電池（＃１）１１（＃１）、及び二次電池（＃２）１１（＃２）、これら複数の二次電池のそれぞれに対応して設けられたセンサ（＃１）１２（＃１）、及びセンサ（＃２）１２（＃２）、同じく複数の二次電池のそれぞれに対応して設けられた接断手段としてのスイッチ（Ｂ＃１）１３（＃１）、スイッチ（Ｃ＃１）１４（＃１）、プリチャージ抵抗（＃１）１５（＃１）、スイッチ（Ｂ＃２）１３（＃２）、スイッチ（Ｃ＃２）１４（＃２）、及びプリチャージ抵抗（＃２）１５（＃２）、電池監視・制御回路１６ａ、内部電源回路１７、スイッチ（Ａ）１８、ならびに電池選択回路１９から構成されている。

二次電池（＃ｎ）１１（＃ｎ）、センサ（＃ｎ）１２（＃ｎ）、スイッチ（Ｂ＃ｎ）１３（＃ｎ）、スイッチ（Ｃ＃ｎ）１４（＃ｎ）、及びプリチャージ抵抗（＃ｎ）１５（＃ｎ）（ｎはいずれも１及び２）については、第１の実施例と同一であるので説明を省略する。

電池監視・制御回路１６ａは、各センサ１２（＃ｎ）からの監視データを受けとってその状態を監視する点、及びスイッチ（Ｂ）１３（＃ｎ）、及びスイッチ（Ｃ）１４（＃ｎ）を開閉制御して、主回路２０との間の接続を制御する点で、第１の実施例と同一である。ただし、電池の監視は各二次電池毎に行い、また主回路との接続制御も各二次電池毎に行う。

さらに、電池監視・制御回路１６ａは、各電池の監視結果に基づいて、内部電源回路１７に接続すべき二次電池を、これら複数個の二次電池（＃ｎ）１１（＃ｎ）の中から選択し、電池選択回路１９に通知する。本実施例においては、監視結果として電池残容量が最も多いと推定された二次電池を選択するものとしている。

内部電源回路１７、及びスイッチ（Ａ）１８は、第１の実施例と同一であるので説明を省略する。電池選択回路１９は、電池監視・制御回路１６ａにおける二次電池の選択制御の結果を受けて、複数個の二次電池（＃ｎ）１１（＃ｎ）と内部電源回路１７との間の接続を制御する。

次に、前出の図１〜図４、ならびに図５のフローチャートを参照して、上述のように構成された蓄電システム２の動作について、第１の実施例と同様、この蓄電システム２が起動され、主回路２０上の負荷装置２１に電力の供給が可能となる運用状態になるまでの動作を中心に説明する。

図５のフローチャートにおいて、ＳＴ３１〜ＳＴ３３ａの動作ステップについては、第１の実施例と同様であるので説明を省略する。ただし、ＳＴ３３ａの動作ステップにおいて、内部電源回路１７に接続される二次電池１１は、複数個の中からあらかじめ設定されたひとつが電池選択回路１９で選択されて接続される。

次いで、内部電源回路１７からの電力供給を受けて、電池監視・制御回路１６ａでは監視・制御動作が開始され、その中で、各二次電池（＃ｎ）１１（＃ｎ）の残容量も推定される（ＳＴ３４）。そして、これら残容量に基づいて、電池監視・制御回路１６ａは、内部電源回路１７の電力供給源となるべき二次電池として、残容量の最も多い二次電池（＃Ｋ）１１（＃Ｋ）（１≦Ｋ≦ｎ）を選択する。その選択結果は、電池選択回路１９に通知される（ＳＴ５１）。

この通知を受けて電池選択回路１９は、複数個の中から選択された二次電池（＃Ｋ）１１（＃Ｋ）を内部電源回路１７に接続する。これによって、残容量の最も多い二次電池（＃Ｋ）１１（＃Ｋ）が供給源となって内部電源回路１７が動作し、さらに、電池監視・制御回路１６ａは、この内部電源回路１７から給電されて、動作ステップＳＴ３４の動作を継続する（ＳＴ５２）。

次いで実行されるＳＴ３５〜ＳＴ３６ａの動作ステップについては、第１の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。ただし、ＳＴ３６ａの動作ステップにおける突入電流の抑制については、各二次電池（＃ｎ）１１（＃ｎ）毎に個別に制御される。

以上説明したように、本実施例においても、電池監視・制御回路への電力供給を外部のの電力源から行うのではなく、自システム内の二次電池を供給源とし、内部電源回路により電圧変換して電池監視・制御回路に供給し所望の監視・制御動作を実行させているので、第１の実施例と同様に、蓄電システムとしての独立性を高めることができるとともに、本体を小型軽量化することができる。

加えて、本実施例においては、複数個の二次電池の中から残容量の最も多い二次電池を電力供給源として自システムの監視・制御動作を実行しているので、安定した監視・制御動作を継続できるとともに、そのような安定した監視・制御動作を継続する中で、二次電池の監視状況や負荷の状況等の変化に適応させながら、複数個の二次電池に対し、個別に主回路との接断を制御できるので、安定した電力の供給が可能な蓄電システムを得ることができる。

なお、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、２ 蓄電システム
１１ 二次電池
１２ センサ
１３ スイッチ（Ｂ）
１４ スイッチ（Ｃ）
１５ プリチャージ抵抗
１６、１６ａ 電池監視・制御回路
１７ 内部電源回路
１８ スイッチ（Ａ）
１９ 電池選択回路
２０ 主回路
２１ 負荷装置

Claims (7)

1. 二次電池と、
   前記二次電池の監視データを取得するセンサと、
   前記二次電池を主回路に接続、または主回路から切り離す接断手段と、
   前記センサからの監視データを受けとって前記二次電池の状態を監視するとともに起動・停止信号を受けとり、前記二次電池の監視結果、及び受けとった起動・停止信号に基づいて前記接断手段を制御する監視・制御手段と、
   前記二次電池の電圧を所定の電圧に変換して自システム内の各部に所要の電力を供給する内部電源回路と
   を備えたことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記監視・制御手段は、前記二次電池を主回路に接続制御する際に、突入電流の抑制制御を行いながら接続することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記監視データは、前記二次電池の出力電圧及び温度を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電システム。
4. 複数の二次電池と、
   前記複数の二次電池のそれぞれの監視データを取得するセンサと、
   前記複数の二次電池をそれぞれに主回路に接続、または主回路から切り離す接断手段と、
   前記センサからの監視データを受けとって前記複数の二次電池の状態を監視するとともに起動・停止信号を受けとり、前記複数の二次電池の監視結果、及び受けとった起動・停止信号に基づいて前記接断手段を制御する監視・制御手段と、
   前記監視・制御手段における前記複数の二次電池の監視結果に基づいて、前記複数の二次電池の中から１つの二次電池を選択する電池選択回路と、
   前記電池選択回路により選択された二次電池の電圧を所定の電圧に変換して自システム内の各部に所要の電力を供給する内部電源回路と
   を備えたことを特徴とする蓄電システム。
5. 前記電池選択回路は、前記複数の二次電池の中から１つの二次電池を選択する際に、前記複数の二次電池の監視結果に基づき電池残容量の最も大きい二次電池を選択することを特徴とする請求項４に記載の蓄電システム。
6. 前記監視・制御手段は、前記複数の二次電池を主回路に接続制御する際に、それぞれの二次電池毎に突入電流の抑制制御を行いながら接続することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の蓄電システム。
7. 前記監視データは、前記複数の二次電池のそれぞれの出力電圧及び温度を含むことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の蓄電システム。

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