JP5959289B2 - 蓄電池システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池システムに関する。

蓄電池盤と、ＤＣ／ＤＣ変換装置と、ＡＣ／ＤＣ変換装置とを備え、電力系統から電力を充電するとともに、直流負荷や交流負荷へ電力を放電し、電力系統と連系して運転する蓄電池システムが提案されている。このような蓄電池システムの蓄電池盤は、複数の二次電池セルを蓄電容量に応じて組み合わせた組電池を備えている。

二次電池セルとして例えばリチウムイオン二次電池セルは、過充電や過放電による発熱や発火の危険性があるため、二次電池セルを保護するために電圧や温度等を監視する電池管理装置（BMU：Battery Management Unit）の管理下にて動作する必要がある。

特開２００９−２０１３４９号公報

リチウムイオン二次電池の組電池を有する蓄電池システムでは、電池管理装置が起動していない状態では組電池を充電および放電することができない。そのため、外部から電力を得られない環境において電池管理装置を起動することができず、蓄電池システムに蓄電された電力を負荷に供給することができないことがあった。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、設置される環境にかかわらず起動可能な蓄電池システムを提供することを目的とする。

実施形態によれば、複数の二次電池セルを含む組電池と、前記二次電池セルの電圧および温度を監視する電池管理装置とを備えた蓄電池盤と、前記組電池から放電された電力を所定の電圧に変換して出力するとともに、外部から供給された電力を所定の電圧に変換して出力する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、前記電池管理装置および前記制御部と通信を行う通信部と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータあるいは外部から供給された電力を所定の電圧に変換して前記制御部と前記通信部と前記電池管理装置とに供給する制御電源部と、前記制御部と前記通信部と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとスイッチを介して接続された蓄電池と、を備えたＤＣ／ＤＣ変換装置と、を備えた蓄電池システムが提供される。

第１実施形態の蓄電池システムの一構成例を概略的に示す図である。 第２実施形態の蓄電池システムの一構成例を概略的に示す図である。

以下、実施形態の蓄電池システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、第１実施形態の蓄電池システムの一構成例を概略的に示す図である。

本実施形態の蓄電池システムは、複数の蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０と、ＡＣ／ＤＣ変換装置３０と、を備えている。

蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃは、それぞれ、電池管理装置（ＢＭＵ）１２と組電池１４とを備えている。電池管理装置１２は、管理部１２２と通信部１２４と制御部１２６とを備えている。

組電池１４は、直列または並列に接続された複数の二次電池セルを備えている。本実施形態において、二次電池セルはリチウムイオン二次電池セルであるが、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、等のその他の二次電池セルであってもよい。組電池１４は例えば直流の７５Ｖ〜４００Ｖの電源であって、本実施形態では２００Ｖの電源である。組電池１４は、例えば３〜２５ｋＷｈで電力を出力する。本実施形態では、組電池１４は１１ｋＷｈで電力を出力する。

管理部１２２は、組電池１４を構成する複数の二次電池セルの電圧および温度を検出する。管理部１２２は、検出した電圧および温度の値を通信部１２４および制御部１２６へ送信する。また、管理部１２２は、管理部１２２から受信した二次電池セルの電圧および温度の値を用いて、残容量（ＳＯＣ：state of charge）や劣化度（ＳＯＨ：state of health）等を演算して、通信部１２４および制御部１２６へ送信する。

通信部１２４は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０、管理部１２２および制御部１２６と通信を行う。通信部１２４は、管理部１２２から二次電池セルの電圧や温度の値と、残容量、および劣化度を受信し、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０へ送信する。また、通信部１２４は、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０から制御信号を受信して制御部１２６へ送信する。

制御部１２６は、通信部１２４からの制御信号に基づいて、組電池１４を充電または放電する。制御部１２６は、管理部１２２から残容量や劣化度を受信し、残容量の多い二次電池セルを放電して残容量の均等化を行うとともに、二次電池セルの過充電や過放電を判断する。

制御部１２６は、管理部１２２で二次電池セルの電圧や温度が検出されていないときには、組電池１４の放電および充電を行わない。また、制御部１２６は、二次電池セルの残容量や劣化度から二次電池セルが危険な状態であると判断した場合には組電池１４の充電および放電を停止するとともに、通信部１２４を介してＤＣ／ＤＣ変換装置２０へ組電池１４が異常状態であることを通知する。

蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃは、直流電源として太陽電池を備えていてもよい。太陽電池を備える場合には、太陽電池から出力された電力は組電池に蓄電され、あるいは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０へ出力される。

ＤＣ／ＤＣ変換装置２０は、制御電源部２２と、通信部２４と、制御部２６と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、蓄電池ＢＴと、スイッチＳＷと、接続部ＣＮ１と、を備えている。

制御電源部２２は、例えばＤＣ２００Ｖの電源であって、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８から出力された電力又は外部に設けられたＡＣ／ＤＣ変換装置３０から出力された電力により起動し、通信部２４、制御部２６、および、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃの電池管理装置１２へ電源を供給する。

通信部２４は、制御部２６および蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃの通信部１２４と通信を行う。通信部２４は、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃの通信部１２４から、二次電池セルの電圧や温度の値、組電池１４の残容量や劣化度、および、組電池１４の異常を受信して制御部２６へ送信する。通信部２４は、上位制御装置（図示せず）から受信した制御信号を蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃおよび制御部２６へ送信する。

制御部２６は、通信部２４から受信した制御信号に基づいて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を制御する。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、制御部２６からの制御信号に基づいて、ＡＣ／ＤＣ変換装置３０から供給された電力を所定の電圧に変換して組電池１４の充電電力として供給するとともに、組電池１４から放電された電力を所定の電圧に変換してＡＣ／ＤＣ変換装置３０へ出力する。また、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８から出力された電力は制御電源部２２の電源となる。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８には接続部（直流負荷接続部）ＣＮ１を介して負荷が接続されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、制御部２６からの制御信号に基づいて、負荷へ電力供給を行う。

蓄電池ＢＴは、例えば１２Ｖの鉛蓄電池であって、２４Ｗｈ〜１２０Ｗｈで電力を出力する。蓄電池ＢＴは、スイッチＳＷが閉じられたときに、少なくとも通信部２４、制御部２６、および蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｂの電池管理装置１２へ電力を供給する。また、蓄電池ＢＴは、スイッチＳＷが閉じられたときに制御電源部２２からの電力により充電される。

スイッチＳＷは、蓄電池ＢＴと、制御電源部２２、通信部２４、制御部２６、および、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｂの電池管理装置１２との間の電力供給ラインを開閉する。スイッチＳＷは制御電源部２２が起動しているときには閉じた状態となり制御電源部２２から出力される電力により蓄電池ＢＴを充電する。スイッチＳＷは、制御電源部２２が起動していないときは開いた状態である。スイッチＳＷは、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０の外に設けられて制御電源部２２が起動していないときにユーザが手動で開閉するものであってもよく、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０の操作画面等のインタフェース（図示せず）の操作と連動して開閉するものであってもよい。

なおＤＣ／ＤＣ変換装置２０は、図示しない冷却部や、空調設備を備えていてもよい。冷却部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を冷却するファンやラジエータである。冷却部のファンやポンプは制御電源部２２からの電力により起動する。空調設備はＤＣ／ＤＣ変換装置２０を冷却するものであって、制御電源部２２からの電力により起動する。

ＡＣ／ＤＣ変換装置３０は、電力系統から供給された電力を直流に変換してＤＣ／ＤＣ変換装置２０へ出力するとともに、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０から供給された電力を交流に変換して負荷（図示せず）へ出力する。なお、ＡＣ／ＤＣ変換装置３０は、通信部２４や上位制御装置（図示せず）と必要に応じて通信を行う通信手段を有している。

次に上記蓄電池システムの動作の一例について説明する。
ＡＣ／ＤＣ変換装置３０から電力が供給される場合、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０の制御電源部２２は、ＡＣ／ＤＣ変換装置から出力された電力により起動する。

制御電源部２２が起動すると、制御電源部２２は所定の電圧に変換した電力を、通信部２４、制御部２６、および、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃの電池管理装置１２へ供給する。また、制御電源部２２は、図示しない冷却部や空調設備にも電力を供給する。

電池管理装置１２が起動すると、管理部１２２で二次電池セルの電圧や温度を検出して二次電池セルの監視を開始するとともに、通信部１２４はＤＣ／ＤＣ変換装置２０の通信部２４へ正常に起動した旨を通信する。通信部２４は、電池管理装置１２が正常に起動したことを受信すると、制御部２６へ送信する。

制御部２６はＤＣ／ＤＣ変換装置２０を制御して組電池１４からの放電電力あるいはＡＣ／ＤＣ変換装置３０からの電力を変換するとともに通信部１２４を介して電池管理装置１２の通信部１２４へ組電池１４の放電あるいは充電を行うように制御信号を送信する。

電池管理装置１２が起動して組電池１４の放電が可能となると、組電池１４から出力された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２８で所定の電圧に変換して制御電源部２２へ供給して制御電源部２２の電源とすることもできる。

ＡＣ／ＤＣ変換装置３０から電力が供給できない場合、ユーザはスイッチＳＷを閉じて蓄電池ＢＴから通信部２４、制御部２６、および、電池管理装置１２へ電力を供給して起動する。

電池管理装置１２が起動すると、管理部１２２で二次電池セルの電圧や温度を検出して二次電池セルの監視を開始するとともに、通信部１２４はＤＣ／ＤＣ変換装置２０の通信部２４へ正常に起動した旨を通信する。通信部２４は、電池管理装置１２が正常に起動したことを受信すると、電池管理装置１２の通信部１２４へ組電池１４の放電を行うように制御信号を送信する。

電池管理装置１２の制御部１２６は、通信部１２４を介して受信した制御信号により組電池１４を放電するように制御する。組電池１４から出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は内蔵するダイオード（図示せず）を通じて組電池１４から供給された電力を制御電源部２２およびＡＣ／ＤＣ変換装置３０へ直接出力する。このとき制御部２６は電圧変換用の駆動制御を行う必要はなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を駆動するための電力は不要となる。

制御電源部２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８から電力が供給されると起動し、通信部２４、制御部２６、および電池管理装置１２へ電力を供給する。制御部２６は制御電源部２２の起動確認後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の駆動制御を開始する。また、制御電源部２２は、図示しない冷却部や空調設備にも電力を供給する。

制御電源部２２が起動すると、電池管理装置１２は組電池１４が放電する電力により動作でき、かつ制御部２６の駆動制御に基づいて組電池１４から放電された電力を所定の電圧に変換することができるため、蓄電池ＢＴからの電力供給が停止しても蓄電池システムは動作し続ける。上記のように、本実施形態では、外部からの電力供給が得られない環境であっても、蓄電池システムを起動することが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、設置される環境にかかわらず起動可能な蓄電池システムを提供することができる。

なお、蓄電池ＢＴは、少なくとも制御電源部２２が起動するまでの間、通信部２４、制御部２６、および電池管理装置１２を起動して動作させることができる電力を出力可能であればよく、大型の蓄電池は必要ない。すなわち、蓄電池ＢＴを備えることによりＤＣ／ＤＣ変換装置２０が大型化することはなく、蓄電池システムのコストの上昇も抑えることができる。

なお、蓄電池ＢＴから電力が供給される電池管理装置１２は、すべての蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃの電池管理装置１２である必要はなく、特定の蓄電池盤の電池管理装置１２であってもよい。例えば、蓄電池ＢＴから蓄電池盤１０Ａの電池管理装置１２が起動される場合、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０の制御部２６は、蓄電池盤１０Ａ以外の蓄電池盤１０Ｂ、１０Ｃの組電池１４を優先的に放電するようにして使用し、蓄電池盤１０Ａの組電池１４は緊急時に使用できるように所定の電力量が蓄電されるように維持してもよい。

また、本実施形態では、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃの電力を利用して、制御電源部２２を起動したが、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃのいずれかが太陽電池を有している場合には、太陽電池から出力された電力により制御電源部２２を起動してもよい。

蓄電池システムがＡＣ／ＤＣ変換装置３０からの電力で正常に稼動していたときに、ＡＣ／ＤＣ変換装置３０からの電力供給が停止した場合、制御電源部２２が一旦停止する。このとき、蓄電池ＢＴから通信部２４、制御部２６、および、電池管理装置１２へ電力が供給されて、通信部２４、制御部２６、および、電池管理装置１２が稼動し続け、組電池１４の放電電力が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８へ供給されて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の出力電力により制御電源部２２が再び起動する。したがって、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続された負荷への電力供給が瞬断することなく継続することができる。

次に、第２実施形態の蓄電池システムについて図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図２は、本実施形態の蓄電池システムの一構成例を概略的に示す図である。本実施形態の蓄電池システムは、複数の蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０と、ＡＣ／ＤＣ変換装置３０と、を備えている。

本実施形態では、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃと、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０との構成は上述の第１実施形態と同様である。

ＡＣ／ＤＣ変換装置３０は、通信部３２と、制御部３４と、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６と、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を介して負荷を接続する接続部（交流負荷接続部）ＣＮ２、ＣＮ３と、電磁接触器３８と、を備えている。

通信部３２は、上位制御装置（図示せず）およびＤＣ／ＤＣ変換装置２０の通信部２４と通信を行う。通信部３２は、通信部２４から例えば蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｂの組電池１４の残容量等を受信して上位制御装置および制御部３４へ送信し、上位制御装置から制御信号を受信して制御部３４および通信部２４へ送信する。

制御部３４は、通信部３２から受信した上位制御装置からの制御信号に基づいて双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６を制御する。また、制御部３４は、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を制御して、負荷と双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６との接続を切替える。

制御部３４は、接続部ＣＮ２、ＣＮ３に優先順位を付けて、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を切替てもよい。例えば、接続部ＣＮ２、ＣＮ３の順に優先して電力を供給する場合、制御部３４は、通信部３２から受信した組電池１４の残容量が所定値以上である場合には、スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３との両方を閉じて接続部ＣＮ２、ＣＮ３から電力を供給し、残容量が所定未満である場合には、スイッチＳＷ２を閉じてスイッチＳＷ３を開いて接続部ＣＮ２からのみ電力を供給してもよい。電力系統から電力を得ることができない環境では、負荷に供給できる電力量が制限されるが、接続部ＣＮ２、ＣＮ３に優先順位を付けることによりユーザは接続部ＣＮ２に優先度の高い負荷を接続することにより効率よく負荷を使用することが可能となる。

双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６は、電力系統から供給された電力を直流に変換してＤＣ／ＤＣ変換装置２０へ出力するとともに、ＤＣ／ＤＣ変換装置３０から供給された電力を交流に変換して負荷へ出力する。

本実施形態では、複数の負荷が、スイッチＳＷ２、ＳＷ３を介して双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６と接続されている。双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６は、制御部３４からの制御信号に従って、接続された負荷へ電力を供給する。

電磁接触器３８は、電力系統と双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６との間の電力供給ラインを開閉する。電磁接触器３８は、電力系統が停電時に開いて、電力系統と双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６とを切り離す。

上記構成以外は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、上述の第１実施形態の蓄電池システムと同様に、電力系統から電力を得ることができない環境であっても、蓄電池盤１０Ａ〜１０Ｃ、および、ＤＣ／ＤＣ変換装置２０を起動することができる。ＤＣ／ＤＣ変換装置２０が起動すると、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８から出力された電力が双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６に供給されて双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６が起動し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６で交流に変換された電力が接続部ＣＮ２、ＣＮ３を介して負荷に供給される。従って、ＡＣ／ＤＣコンバータ３６に接続された負荷への電力供給は瞬断されることなく継続することができる。

なお、ＡＣ／ＤＣ変換装置３０の通信部３２と制御部３４とは、電力系統から供給された電力により起動することも可能であり、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６から出力された電力により起動することも可能である。電力系統から電力を得ることができない環境では、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ３６から出力された電力により通信部３２と制御部３４とが起動する。

すなわち、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、設置される環境にかかわらず起動可能な蓄電池システムを提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

ＢＴ…蓄電池、ＳＷ、ＳＷ２、ＳＷ３…スイッチ、ＣＮ１…接続部（直流負荷接続部）、ＣＮ２、ＣＮ３…接続部（交流負荷接続部）、１０Ａ〜１０Ｃ…蓄電池盤、１２…電池管理装置、１２２…管理部、１２４…通信部、１２６…制御部、１４…組電池、２０…ＤＣ／ＤＣ変換装置、２２…制御電源部、２４…通信部、２６…制御部、２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０…ＡＣ／ＤＣ変換装置、３２…通信部（第２通信部）、３４…制御部（第２制御部）、３６…ＡＣ／ＤＣコンバータ、３８…電磁接触器。

Claims (8)

1. 複数の二次電池セルを含む組電池と、前記二次電池セルの電圧および温度を監視する電池管理装置とを備えた蓄電池盤と、
   前記組電池から放電された電力を所定の電圧に変換して出力するとともに、外部から供給された電力を所定の電圧に変換して出力する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、前記電池管理装置および前記制御部と通信を行う通信部と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータあるいは外部から供給された電力を所定の電圧に変換して前記制御部と前記通信部と前記電池管理装置とに供給する制御電源部と、前記制御電源部の電源供給ラインとスイッチを介して接続された蓄電池と、を備えたＤＣ／ＤＣ変換装置と、を備えた蓄電池システム。
2. 前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータから出力された電力を交流に変換して出力するとともに、外部から供給された電力を直流に変換して出力する双方向ＡＣ／ＤＣコンバータと、前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータから出力された電力が出力される交流負荷接続部と、前記接続部と負荷との接続を切替えるスイッチと、前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータおよび前記スイッチを制御する第２制御部と、を備えたＡＣ／ＤＣ変換装置を更に備える請求項１記載の蓄電池システム。
3. 前記交流負荷接続部は複数の接続部を備え、
   前記第２制御部は、前記複数の接続部に優先順位を付けて電力を出力するように前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する請求項２記載の蓄電池システム。
4. 前記ＡＣ／ＤＣ変換装置は、前記通信部と通信をして前記組電池の残容量を受信して前記第２制御部へ送信する第２通信部をさらに備え、
   前記第２制御部は、前記組電池の残容量に応じて、前記複数の接続部の優先順位の高い順に電力を出力するように前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを制御する請求項３記載の蓄電池システム。
5. 前記二次電池セルはリチウムイオン二次電池セルである請求項１又は請求項４記載の蓄電池システム。
6. 前記蓄電池は鉛蓄電池である請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の蓄電池システム。
7. 前記ＤＣ／ＤＣ変換装置は前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを冷却する冷却手段をさらに備え、
   前記制御電源部は前記冷却手段へ電力を供給する請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の蓄電池システム。
8. 前記ＤＣ／ＤＣ変換装置は、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータから出力された電力を出力する直流負荷接続部を更に備える請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の蓄電池システム。

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