JP6313522B2 - 電力制御装置、および電力制御システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力制御装置、および電力制御システムに関する。

近年、機関車、バス、建機などのエンジンとのハイブリッド用途や定置型産業機器における電力変動抑制用途への二次電池の適用の動きが活発になってきている。これらの用途では、大電流の入出力と、広範囲にエネルギーを使用可能な充電状態範囲が求められている。従来の技術では、貯蔵や走行に使用できるエネルギー容量を無駄なく使用するために、二次電池の持つエネルギーの使用可能な充電状態範囲の上下限を、電気容量で規定して制御することが多かった。しかしながら、充電状態範囲を電気容量で規定し、且つ広範囲に設定した場合、上下限の電気容量に到達する前に、電池の閉回路電圧の上下限値に到達して機器が停止してしまい、使用できるエネルギー範囲が大きく制限されてしまう場合があった。このように、従来の技術では、二次電池の電圧制限を正確に行うことができない場合があった。

特開２０１５−１７７６０１号公報

本発明が解決しようとする課題は、より正確に二次電池の電圧制限を行うことが可能な電力制御装置、および電力制御システムを提供することである。

実施形態の電力制御装置は、取得部と、決定部とを持つ。取得部は、充放電可能な二次電池の充電時における電圧に関する情報を取得する。決定部は、前記取得部により取得された情報に基づいて、上限電圧と前記二次電池の電圧との差分が小さくなるほど小さくなる傾向で、且つ上限電流で制限して、前記二次電池の充電時における最大電流を決定する。

電力制御システム１の構成の一例を示す図。 電池モジュール２０の構成の一例を示す図。 電力制御システム１における制御関係の構成の一例を示す図。 最大電流決定部５６による充電時の処理内容を模式的に示す図。 充電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図。 最大電流決定部５６による放電時の処理内容を模式的に示す図。 放電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図。 電池セル２１の電圧／電流特性とゲインＫとの関係を説明するための図。 第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の充電時に実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。 図９に示す処理を行った結果として生じる、充電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図。 第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の放電時に実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。 図１１に示す処理を行った結果として生じる、放電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図。 第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の充電時に実行される処理の流れの他の例を示すフローチャート。 第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の放電時に実行される処理の流れの他の例を示すフローチャート。 電力制御システム１を利用した移動体システム１００の構成の一例を示す図。 電力制御システム１を利用した定置型蓄電システム２００の構成の一例を示す図。

以下、実施形態の電力制御装置、および電力制御システムを、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力制御システム１の構成の一例を示す図である。電力制御システム１は、電池ユニット１０−１、１０−２、…、１０−ｎ（ｎは任意の自然数）と、電力制御装置５０と、入力装置７０と、制御対象８０とを含んでよいが、これに限定されない。以下、いずれの電池ユニットであるかを区別しないときは、単に電池ユニット１０と表記する。

複数の電池ユニット１０は、制御対象８０に対して、電力線ＰＬによって並列に接続され、制御対象８０に電力を供給する。それぞれの電池ユニット１０は、同様の構成を有しているため（一部に相違点があってもよい）、図では複数の電池ユニットを代表して電池ユニット１０−１の構成についてのみ詳細に記載している。電池ユニット１０は、直列に接続された複数の電池モジュール２０と、電流センサ３０と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）４０とを含む。電池ユニット１０内の各構成要素は、ユニット内通信線ＣＬ１で接続されている。ユニット内通信線ＣＬ１では、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）に基づいた通信が行われる。

図２は、電池モジュール２０の構成の一例を示す図である。電池モジュール２０は、複数の電池セル２１が接続された組電池（電池）である。また、電池ユニット１０、および電池ユニット１０が並列に接続されたものも同様に、組電池（電池）である。電池モジュール２０では、例えば、並列に接続された二つの電池セル２１の組が、直列に接続されている。これに限らず、電池モジュール２０内の電池セルの接続態様は、任意に定めてよい。

電池セル２１は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、ナトリウム硫黄電池、レドックスフロー電池、ニッケル水素電池等の充放電可能な二次電池である。リチウムイオン電池である場合、電池セル２１は、チタン酸リチウムを負極材料として用いたものであってよい。なお、図１および図２では、電池セル２１を充電するための構成について図示を省略している。

電池モジュール２０は、更に、ＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）２２と、複数の電圧センサ２３と、複数の温度センサ２４とを含む。ＣＭＵ２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ、各種記憶装置、ＣＡＮコントローラその他の通信インターフェースなどを備える。

電圧センサ２３は、例えば、並列に接続された電池セル２１の組の電圧を測定する。また、温度センサ２４は、電池モジュール２０内の任意の箇所に、任意の個数、取り付けられる。電圧センサ２３および温度センサ２４の検出結果は、ＣＭＵ２２に出力される。ＣＭＵ２２は、電圧センサ２３および温度センサ２４の検出結果をＢＭＵ４０に出力する。

図１に戻り、ＢＭＵ４０は、ユニット内通信線ＣＬ１によって複数のＣＭＵ２２に接続されると共に、通信線ＣＬ２によって電力制御装置５０に接続される。ＢＭＵ４０は、ＣＰＵなどのプロセッサ、各種記憶装置、ＣＡＮコントローラ並びに通信線ＣＬ２に対応した通信インターフェースなどを備える。なお、通信線ＣＬ２を省略し、ＢＭＵ４０と電力制御装置５０との間で無線通信が行われてもよい。ＢＭＵ４０には、電池ユニット１０の電池モジュール２０を流れる電流を検出する電流センサ３０の検出結果が入力される。

電力制御装置５０は、ＣＰＵなどのプロセッサ、各種記憶装置、通信線ＣＬ２に対応した通信インターフェースなどを備える。電力制御装置５０は、複数のＢＭＵ４０から入力された情報、および入力装置７０から入力された操作情報に基づいて、制御対象８０を制御する。

図３は、電力制御システム１における制御関係の構成の一例を示す図である。ＣＭＵ２２からＢＭＵ４０には、電池セル２１ごとの電圧、電池モジュール２０の電圧、電池モジュール２０の温度などの情報が提供される。ＣＭＵ２２は、電池セル２１ごとの電圧を加算して電池モジュール２０の電圧を算出する。これに代えて、ＢＭＵ４０の側で電池セル２１ごとの電圧を加算して電池モジュール２０の電圧を算出してもよい。

ＢＭＵ４０は、電流センサ３０（図１参照）の検出結果に基づいて、各電池モジュール２０のＳＯＣ（State Of Charge；充電率）を算出する。なお、各電池モジュール２０のＳＯＣ（または各電池セル２１のＳＯＣ）は、電圧センサ２３の検出結果などに基づいてＣＭＵ２２が算出してもよい。ＢＭＵ４０は、ＣＭＵ２２から入力された電池セル２１ごとの電圧、電池モジュール２０の電圧、電池モジュール２０の温度などの情報、並びに算出したＳＯＣを電力制御装置５０に出力する。

電力制御装置５０は、ＣＰＵなどのプロセッサ、各種記憶装置、通信線ＣＬ２および制御対象８０との通信に対応した通信インターフェースなどを備える。電力制御装置５０は、機能構成として、取得部５２と、最大電流決定部５６と、制御量決定部５８と、記憶部６０とを備える。最大電流決定部５６、および制御量決定部５８のうち一方または双方は、記憶部６０に記憶されたプログラムをＣＰＵ等のプロセッサが実行することにより実現される。また、これらの機能部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアによって実現されてもよい。

取得部５２は、通信インターフェースを含み、ＢＭＵ４０から取得した情報を最大電流決定部５６に出力したり、記憶部６０に記憶させたりする。

最大電流決定部５６は、取得部５２により取得された情報から得られる電池セル２１の電圧と、上限電圧ＶｃＭＡＸまたは下限電圧ＶｃＭＩＮとの比較に基づいて、電池セル２１の充電時または放電時における最大電流を決定する。上限電圧ＶｃＭＡＸおよび下限電圧ＶｃＭＩＮは、電池セル２１の劣化を抑制する観点に基づいて、予め定められた値である。上限電圧ＶｃＭＡＸは、電池セル２１の使用可能最大電圧に基づいて、予め設定されている。上限電圧ＶｃＭＡＸは、制御上の余裕を持たせて、電池セル２１の使用可能最大電圧よりも低い値に設定されると好適であるが、上限電圧ＶｃＭＡＸを電池セル２１の使用可能最大電圧と一致させてもよい。また、下限電圧ＶｃＭＩＮは、電池セル２１の使用可能最小電圧に基づいて、予め設定されている。下限電圧ＶｃＭＩＮは、制御上の余裕を持たせて、電池セル２１の使用可能最小電圧よりも高い値に設定されると好適であるが、下限電圧ＶｃＭＩＮを電池セル２１の使用可能最小電圧と一致させてもよい。

制御量決定部５８は、入力装置７０から入力された操作情報、および最大電流決定部５６により決定された最大電流に基づいて、制御対象８０に与える制御量を決定する。入力装置７０は、レバースイッチやダイヤルスイッチ、各種キー、タッチパネルなどを含んでよい。

制御対象８０は、複数のトランジスタを有し、トランジスタをスイッチング制御することで直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣ変換器を含んでよい。この場合、制御対象８０に与える制御量とは、例えばスイッチング制御におけるデューティ比である。また、制御対象８０がかご型誘導電動機に電力供給するものである場合、制御対象８０に与える制御量とは、i軸電流やq軸電流などの指令値を含んでもよい。更に、制御対象８０は、電力を発電して電池ユニット１０に供給する発電機、並びに発電機に供給される動力の一部を熱として破棄する装置（発電量を制限する装置）などを含んでもよい。

なお、制御量決定部５８の機能は、電力制御装置５０とは別体の制御装置の機能であってもよい。この場合、電力制御装置５０は、最大電流決定部５６により決定された最大電流を、上記別体の制御装置に出力する。また、図１および図３に示す構成から入力装置７０を省略し、制御量決定部５８は、最大電流決定部５６により決定された最大電流その他の情報に基づいて、制御対象８０に与える制御量を決定してもよい。

記憶部６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）その他のフラッシュメモリ装置などの各種記憶装置によって実現される。記憶部６０には、電力制御装置５０のプロセッサが実行するプログラムの他、換算テーブル６２、並びに最大電流決定部５６や制御量決定部５８の処理の過程において生じる各種情報が記憶される。

以下、最大電流決定部５６による処理の内容について説明する。図４は、最大電流決定部５６による充電時の処理内容を模式的に示す図である。充電時において、最大電流決定部５６は、まず、電池セル２１の上限電圧ＶｃＭＡＸから、電池セル２１の電圧Ｖｃの最大値を差し引いて差分ΔＶを求める。上限電圧ＶｃＭＡＸは、電池セル２１の劣化を抑制しつつ効率よく電池セル２１を使用する観点から、予め定められた値である。

ここで、最大電流決定部５６は、電池セル２１のＳＯＣから換算テーブル６２を用いて換算したゼロ電流時の電圧を、電池セル２１の電圧Ｖｃとして扱う。換算テーブル６２は、予め得られたＳＯＣとゼロ電流時の電圧との関係を規定したテーブルである。

次に、最大電流決定部５６は、差分ΔＶに対してゲインＫを乗算する。そして、乗算結果ＫΔＶを上限電流Ａｌｉｍで制限して、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを算出する。この結果、充電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは、例えば図５に示すような推移をすることになる。上限電流Ａｌｉｍは、電池セル２１の劣化を抑制する観点から、予め定められた値である。上限電流Ａｌｉｍは、電池モジュール２０または電池セル２１の仕様における最大充放電電流（仕様上最大電流Ａ＊）に基づいて、予め設定されている。上限電流Ａｌｉｍは、制御上の余裕を持たせて、仕様上最大電流Ａ＊よりも小さい値に設定すると好適であるが、上限電流Ａｌｉｍと仕様上最大電流Ａ＊とを一致させてもよい。

図５は、充電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図である。図中、電流は向きを考慮しない絶対値である。図示するように、充電時において、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは、電圧Ｖｃと上限電圧ＶｃＭＡＸとの差分ΔＶが十分に大きい場合は、上限電流Ａｌｉｍで一定に推移し、電圧Ｖｃと上限電圧ＶｃＭＡＸとの差分ΔＶが小さくなると、差分ΔＶが小さくなるのに応じて小さくなる傾向を示す。この結果、電圧Ｖｃの上昇は鈍化し、上限電圧ＶｃＭＡＸに漸近して推移することになる。このように、実施形態の電力制御装置５０によれば、正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

一方、図６は、最大電流決定部５６による放電時の処理内容を模式的に示す図である。放電時において、最大電流決定部５６は、まず、電池セル２１の電圧Ｖｃの最小値から電池セル２１の下限電圧ＶｃＭＩＮを差し引いて差分ΔＶを求める。下限電圧ＶｃＭＩＮは、電池セル２１の劣化を抑制しつつ効率よく電池セル２１を使用する観点から、予め定められた値である。

次に、最大電流決定部５６は、差分ΔＶに対してゲインＫを乗算する。そして、乗算結果ＫΔＶを上限電流Ａｌｉｍで制限して、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを算出する。この結果、充電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは、例えば図７に示すような推移をすることになる。

図７は、放電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図である。図中、電流は向きを考慮しない絶対値である。図示するように、放電時において、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは、電圧Ｖｃと下限電圧ＶｃＭＩＮとの差分ΔＶが十分に大きい場合は、上限電流Ａｌｉｍで一定に推移し、電圧Ｖｃと下限電圧ＶｃＭＩＮとの差分ΔＶが小さくなると、差分ΔＶが小さくなるのに応じて小さくなる傾向を示す。この結果、電圧Ｖｃの低下は鈍化し、下限電圧ＶｃＭＩＮに漸近して推移することになる。このように、実施形態の電力制御装置５０によれば、正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

更に、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりに許容される最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘに、モジュール並列数ｎｐ＿ｃｅｌｌを乗算し、電池モジュール２０あたりに許容される最大電流Ａｃｅｌｌｍｏｄを算出する。モジュール並列数ｎｐ＿ｃｅｌｌは、電池モジュール２０における電池セル２１の並列数である。図２の例では、モジュール並列数ｎｐ＿ｃｅｌｌは２である。

また、最大電流決定部５６は、電池モジュール２０あたりに許容される最大電流Ａｃｅｌｌｍｏｄに、システム並列数ｎｐ＿ｍｏｄを乗算し、システム最大電流Ａｍａｘを算出する。システム最大電流Ａｍａｘは、電力制御システム１において各電池ユニット１０が充放電を許容される最大電流の総和であり、電力線ＰＬによって制御対象８０に供給される最大電流である。システム並列数ｎｐ＿ｍｏｄは、システム並列数、すなわち電池モジュール２０の並列数である。図１の例では、システム並列数ｎｐ＿ｍｏｄはｎである。

制御量決定部５８は、入力装置７０から入力された操作情報に基づいて、制御対象８０に与える制御量を、システム最大電流Ａｍａｘを上限値として設定する。例えば、制御量決定部５８は、まず、入力装置７０から入力された操作情報に基づいて制御対象８０に与える発電量の一次指令値を決定し、一次指令値が、システム最大電流Ａｍａｘに対応する発電量を超えていなければ、一次指令値を制御量として制御対象８０に与え、一次指令値が、システム最大電流Ａｍａｘに対応する発電量を超えていれば、システム最大電流Ａｍａｘに対応する発電量を制御量として制御対象８０に与える。

第１の実施形態において、充電時と放電時で共通するゲインＫを用いてもよいが、充電時と放電時で異なるゲインＫを用いてもよい。この場合、電池セル２１の電圧／電流特性に基づいて、ゲインＫを決定するとよい。図８は、電池セル２１の電圧／電流特性とゲインＫとの関係を説明するための図である。図中、縦軸は電池セル２１の電圧Ｖｃであり、横軸は充放電電流の積算値である（ＳＯＣと考えてもよい）。この場合、電池セル２１の電圧／電流特性を示す曲線（以下、特性曲線）と上限電圧ＶｃＭＡＸとの交点Ｐ１における特性曲線の傾きＧ１と、特性曲線と下限電圧ＶｃＭＩＮとの交点Ｐ２における特性曲線の傾きＧ２とを比較し、傾きＧ１が傾きＧ２よりも大きければ充電時のゲインＫを放電時のゲインＫよりも大きくし、傾きＧ１が傾きＧ２よりも小さければ充電時のゲインＫを放電時のゲインＫよりも小さくするとよい。これによって、電池セル２１に対して設定された上限電圧ＶｃＭＡＸおよび下限電圧ＶｃＭＩＮの位置に応じた制御を行うことができ、より適切に過充電や過放電を防止することができる。特性曲線の傾きが大きいということは、その時点で充電電流または放電電流を急速に減衰させる必要があるため、ゲインＫを予め大きくしておく必要があるからである。また、第１の実施形態において、充電時の上限電流Ａｌｉｍと、放電時の上限電流Ａｌｉｍとを異ならせてもよい。

以上説明した第１の実施形態の電力制御装置５０によれば、充放電可能な電池セル２１の充電時における電圧に関する情報を取得する取得部５２と、取得部５２により取得された情報に基づいて、上限電圧ＶｃＭＡＸと電池セル２１の電圧Ｖｃとの差分が小さくなるほど小さくなる傾向で、且つ上限電流Ａｌｉｍで制限して、電池セル２１の充電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定する最大電流決定部５６と、を備えることにより、比較的大電流が流れるシステムにおいて、より正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

また、第１の実施形態の電力制御装置５０によれば、充放電可能な電池セル２１の放電時における電圧に関する情報を取得する取得部５２と、取得部５２により取得された情報に基づいて、下限電圧ＶｃＭＩＮと電池セル２１の電圧Ｖｃとの差分が小さくなるほど小さくなる傾向で、且つ上限電流Ａｌｉｍで制限して、電池セル２１の放電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定する最大電流決定部５６と、を備えることにより、比較的大電流が流れるシステムにおいて、より正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

また、第１の実施形態の電力制御装置５０によれば、電池セル２１の電圧Ｖｃの最大値または最小値に基づいてシステム最大電流Ａｍａｘを算出するため、電池セル２１ごとに個体差がある劣化の進行状態に応じた安全側の制御を行うことができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の電力制御装置５０は、最大電流決定部５６の処理内容が第１の実施形態と相違し、その他の点では共通する。従って、構成については図１〜３を援用すると共に、共通部分についての説明を省略する。

第２の実施形態の最大電流決定部５６は、取得部５２により取得された情報から得られる電池セル２１の電圧と、上限電圧ＶｃＭＡＸまたは下限電圧ＶｃＭＩＮとの比較に基づいて、電池セル２１の充電時または放電時における最大電流を決定する。なお、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、電池セル２１のＳＯＣから換算テーブル６２を用いて換算したゼロ電流時の電圧を、電池セル２１の電圧Ｖｃとして扱う。

第２の実施形態の最大電流決定部５６は、所定周期で繰り返し電池セル２１の充電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定し、上限電圧ＶｃＭＡＸと電池セル２１の電圧Ｖｃとの差分が第１所定電圧Ｖ１未満である場合に、前回決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘからステップ電圧αを差し引いた値に、電池セル２１の充電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定する。

また、第２の実施形態の最大電流決定部５６は、所定周期で繰り返し電池セル２１の放電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定し、電池セル２１の電圧Ｖｃと下限電圧ＶｃＭＩＮの差分が第２所定電圧Ｖ２未満である場合に、前回決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘからステップ電圧αを差し引いた値に、電池セル２１の放電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定する。

図９は、第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の充電時に実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、所定周期で繰り返し実行される。

まず、最大電流決定部５６は、電池セル２１の最大値を選択する（ステップＳ１００）。次に、最大電流決定部５６は、電池セル２１の上限電圧ＶｃＭＡＸから、電池セル２１の電圧Ｖｃの最大値を差し引いて差分ΔＶを求める（ステップＳ１０２）。上限電圧ＶｃＭＡＸは、電池セル２１の劣化を抑制しつつ効率よく電池セル２１を使用する観点から、予め定められた値である。

次に、最大電流決定部５６は、差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満でない場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、上限電流Ａｌｉｍに決定する（ステップＳ１０６）。

一方、差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満である場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、前回このフローチャートの１ルーチンを実行した際に決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘからステップ電圧αを差し引いて決定する（ステップＳ１０８）。但し、最大電流決定部５６は、ステップ電圧αを差し引いた値が負の値になった場合は、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘをゼロ（または比較的小さい所定値）に決定する。

図１０は、図９に示す処理を行った結果として生じる、充電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図である。図中、電流は向きを考慮しない絶対値である。図示するように、差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１以上である間は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは上限電流Ａｌｉｍに維持される。差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満になると、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは制御周期ごとにステップ電圧αずつ低下し、ゼロに近づくように決定される。この結果、この結果、電圧Ｖｃの上昇は鈍化し、上限電圧ＶｃＭＡＸに漸近して推移することになる。このように、実施形態の電力制御装置５０によれば、正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

図１１は、第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の放電時に実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、所定周期で繰り返し実行される。

まず、最大電流決定部５６は、電池セル２１の最小値を選択する（ステップＳ２００）。次に、最大電流決定部５６は、電池セル２１の電圧Ｖｃの最小値から、電池セル２１の下限電圧ＶｃＭＩＮを差し引いて差分ΔＶを求める（ステップＳ２０２）。下限電圧ＶｃＭＩＮは、電池セル２１の劣化を抑制しつつ効率よく電池セル２１を使用する観点から、予め定められた値である。

次に、最大電流決定部５６は、差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満でない場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、上限電流Ａｌｉｍに決定する（ステップＳ２０６）。ここで、第１所定電圧Ｖ１と第２所定電圧Ｖ２は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

一方、差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満である場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、前回このフローチャートの１ルーチンを実行した際に決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘからステップ電圧αを差し引いて決定する（ステップＳ２０８）。但し、最大電流決定部５６は、ステップ電圧αを差し引いた値が負の値になった場合は、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘをゼロ（または比較的小さい所定値）に決定する。

図１２は、図１１に示す処理を行った結果として生じる、放電時における電池セル２１の電圧Ｖｃおよび最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの推移を例示した図である。図中、電流は向きを考慮しない絶対値である。図示するように、差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２以上である間は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは上限電流Ａｌｉｍに維持される。差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満になると、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘは制御周期ごとにステップ電圧αずつ低下し、ゼロに近づくように決定される。この結果、この結果、電圧Ｖｃの低下は鈍化し、下限電圧ＶｃＭＩＮに漸近して推移することになる。このように、実施形態の電力制御装置５０によれば、正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

更に、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりに許容される最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘに、モジュール並列数ｎｐ＿ｃｅｌｌを乗算し、電池モジュール２０あたりに許容される最大電流Ａｃｅｌｌｍｏｄを算出する。モジュール並列数ｎｐ＿ｃｅｌｌは、電池モジュール２０における電池セル２１の並列数である。図２の例では、モジュール並列数ｎｐ＿ｃｅｌｌは２である。

また、最大電流決定部５６は、電池モジュール２０あたりに許容される最大電流Ａｃｅｌｌｍｏｄに、システム並列数ｎｐ＿ｍｏｄを乗算し、システム最大電流Ａｍａｘを算出する。システム最大電流Ａｍａｘは、電力制御システム１において各電池ユニット１０が充放電を許容される最大電流の総和であり、電力線ＰＬによって制御対象８０に供給される最大電流である。システム並列数ｎｐ＿ｍｏｄは、システム並列数、すなわち電池モジュール２０の並列数である。図１の例では、システム並列数ｎｐ＿ｍｏｄはｎである。

制御量決定部５８は、入力装置７０から入力された操作情報に基づいて、制御対象８０に与える制御量を、システム最大電流Ａｍａｘを上限値として設定する。例えば、制御量決定部５８は、まず、入力装置７０から入力された操作情報に基づいて制御対象８０に与える発電量の一次指令値を決定し、一次指令値が、システム最大電流Ａｍａｘに対応する発電量を超えていなければ、一次指令値を制御量として制御対象８０に与え、一次指令値が、システム最大電流Ａｍａｘに対応する発電量を超えていれば、システム最大電流Ａｍａｘに対応する発電量を制御量として制御対象８０に与える。

第２の実施形態において、充電時と放電時で共通するステップ電圧αを用いてもよいが、充電時と放電時で異なるステップ電圧αを用いてもよい。この場合、電池セル２１の電圧／電流特性に基づいて、ステップ電圧αを決定するとよい。図８を参照し、これについて説明する。第１の実施形態と同様に、電池セル２１の電圧／電流特性を示す曲線（以下、特性曲線）と上限電圧ＶｃＭＡＸとの交点Ｐ１における特性曲線の傾きＧ１と、特性曲線と下限電圧ＶｃＭＩＮとの交点Ｐ２における特性曲線の傾きＧ２とを比較し、傾きＧ１が傾きＧ２よりも大きければ充電時のステップ電圧αを放電時のステップ電圧αよりも大きくし、傾きＧ１が傾きＧ２よりも小さければ充電時のステップ電圧αを放電時のステップ電圧αよりも小さくするとよい。これによって、電池セル２１に対して設定された上限電圧ＶｃＭＡＸおよび下限電圧ＶｃＭＩＮの位置に応じた制御を行うことができ、より適切に過充電や過放電を防止することができる。特性曲線の傾きが大きいということは、その時点で充電電流または放電電流を急速に減衰させる必要があるため、ステップ電圧αを予め大きくしておく必要があるからである。

同様に、傾きＧ１が傾きＧ２よりも大きければ第１所定電圧Ｖ１を第２所定電圧Ｖ２よりも大きくし、傾きＧ１が傾きＧ２よりも小さければ第１所定電圧Ｖ１を第２所定電圧Ｖ２よりも小さくするとよい。こうすれば、傾きが急峻な側で最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの制限をより早く実施することができ、より適切に過充電や過放電を防止することができる。また、第２の実施形態において、充電時の上限電流Ａｌｉｍと、放電時の上限電流Ａｌｉｍとを異ならせてもよい。

また、第２の実施形態において、差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満でない場合に、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを上限電流Ａｌｉｍに決定する、すなわち差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１以上となると直ちに上限電流Ａｌｉｍに戻すものとして説明したが、これに代えて、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘをステップ電圧βずつ戻して上限電流Ａｌｉｍに近づけるようにしてもよい。これによって電流制御を、より緩やかなものにすることができる。以下、この場合の処理の流れについて説明する。

図１３は、第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の充電時に実行される処理の流れの他の例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、所定周期で繰り返し実行される。

まず、最大電流決定部５６は、電池セル２１の最大値を選択する（ステップＳ３００）。次に、最大電流決定部５６は、電池セル２１の上限電圧ＶｃＭＡＸから、電池セル２１の電圧Ｖｃの最大値を差し引いて差分ΔＶを求める（ステップＳ３０２）。

次に、最大電流決定部５６は、差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満であるか否かを判定する（ステップＳ３０４）。差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満でない場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、前回このフローチャートの１ルーチンを実行した際に決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘに戻し時のステップ電圧βを加算して決定する（ステップＳ３０６）。但し、最大電流決定部５６は、ステップ電圧βを加算した値が上限電流Ａｌｉｍを超える場合は、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを上限電流Ａｌｉｍに決定する。

一方、差分ΔＶが第１所定電圧Ｖ１未満である場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、前回このフローチャートの１ルーチンを実行した際に決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘからステップ電圧αを差し引いて決定する（ステップＳ３０８）。但し、最大電流決定部５６は、ステップ電圧αを差し引いた値が負の値になった場合は、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘをゼロ（または比較的小さい所定値）に決定する。

図１４は、第２の実施形態の最大電流決定部５６により電池セル２１の放電時に実行される処理の流れの他の例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、所定周期で繰り返し実行される。

まず、最大電流決定部５６は、電池セル２１の最小値を選択する（ステップＳ４００）。次に、最大電流決定部５６は、電池セル２１の電圧Ｖｃの最小値から、電池セル２１の下限電圧ＶｃＭＩＮを差し引いて差分ΔＶを求める（ステップＳ４０２）。

次に、最大電流決定部５６は、差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ４０４）。差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満でない場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、前回このフローチャートの１ルーチンを実行した際に決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘに戻し時のステップ電圧βを加算して決定する（ステップＳ４０６）。但し、最大電流決定部５６は、ステップ電圧βを加算した値が上限電流Ａｌｉｍを超える場合は、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを上限電流Ａｌｉｍに決定する。

一方、差分ΔＶが第２所定電圧Ｖ２未満である場合、最大電流決定部５６は、電池セル２１あたりの最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを、前回このフローチャートの１ルーチンを実行した際に決定した最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘからステップ電圧αを差し引いて決定する（ステップＳ４０８）。但し、最大電流決定部５６は、ステップ電圧αを差し引いた値が負の値になった場合は、最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘをゼロ（または比較的小さい所定値）に決定する。

以上説明した第２の実施形態の電力制御装置５０によれば、第１の実施形態と同様、比較的大電流が流れるシステムにおいて、より正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

また、第２の実施形態の電力制御装置５０によれば、ステップ電圧αごとに最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを低下させるため、決定される最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘの値が発振するのを防止することができる。

また、第２の実施形態の電力制御装置５０によれば、電池セル２１の電圧Ｖｃの最大値または最小値に基づいてシステム最大電流Ａｍａｘを算出するため、電池セル２１ごとに個体差がある劣化の進行状態に応じた安全側の制御を行うことができる。

（共通変形例）
上記各実施形態において、電力制御装置５０は、充電時において電池セル２１の電圧が上限電圧ＶｃＭＡＸを超えないように、電池セル２１の最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定することと、放電時において電池セル２１の電圧が下限電圧ＶｃＭＩＮを下回らないように、電池セル２１の最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定することとの双方を実行するものとしたが、これらの一方のみを実行してもよい。

また、図１および図２に示す電池の接続構成は、あくまで一例であり、例えば、電力制御システム１は、一つの電池ユニット１０のみ備えてもよい。また、電力制御装置５０は、ＢＭＵ４０に統合されてもよい。

（適用例）
以下、電力制御システム１の適用例について説明する。図１５は、電力制御システム１を利用した移動体システム１００の構成の一例を示す図である。移動体システム１００は、例えば、ハイブリッド鉄道車両（以下、車両）を駆動するシステムである。移動体システム１００は、電力制御システム１を含み、更に、エンジン１１０と、発電機１２０と、ＡＣ−ＤＣコンバータ１３０と、車輪１４０とを備える。なお、図１５および後述する図１６では、複数の電池ユニットを代表して電池ユニット１０として表している。

エンジン１１０は、ガソリンなどの燃料を燃焼させることによって動力を出力する。発電機１２０は、エンジン１１０により出力された動力を用いて発電する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３０は、発電機１２０により出力された二相または三相の交流を直流に変換して出力する。

電池ユニット１０から延出する電力線ＰＬは、直流リンク回路を介してＡＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力側電力線と統合され、電力変換装置８１に接続される。図９の例では、電力制御装置５０の制御対象８０として、電力変換装置８１と、モータ８２と、機械ブレーキ８３とを示している。

電力変換装置８１は、入力された直流を交流に変換してモータ８２に出力したり、モータ８２が回生した電力を直流に変換して電池ユニット１０に提供したりする。モータ８２は、車輪１４０を回転駆動することで車両を走行駆動したり、車両の減速時に回生を行って発電したりする。機械ブレーキ８３は、機械的な作用によって車両を減速させる装置である。

また、移動体システム１００は、入力装置７０として、ノッチ指示やブレーキ指示を入力可能なマスターコントローラを備える。

電力制御装置５０は、電池ユニット１０の放電時には、マスターコントローラ７０から入力される操作情報であるノッチ指示に基づいて、車輪１４０に出力すべき動力を算出し、これからエンジン１１０の出力可能な動力を差し引くことで、電池ユニット１０が放電する電力を算出する。そして、電力制御装置５０は、電池ユニット１０が放電する電力に基づいて電池ユニット１０から流れる電流を算出し、算出した電流が、上記説明したシステム最大電流Ａｍａｘを超えるか否かを判定する。電力制御装置５０は、算出した電流がシステム最大電流Ａｍａｘを超える場合に、電力変換装置８１に与えるデューティ比を制限したり、エンジン１１０の出力する動力を増加する指示を図示しないエンジン制御装置に出力したりする。

電力制御装置５０は、電池ユニット１０の充電時には、マスターコントローラ７０から入力される操作情報であるブレーキ指示に基づいて、車輪１４０に作用し回生可能な動力を算出し、回生可能な動力に基づいて、電池ユニット１０に充電可能な電力を算出する。そして、電力制御装置５０は、電池ユニット１０に充電可能な電力に基づいて電池ユニット１０に流入する電流を算出し、算出した電流が、上記説明したシステム最大電流Ａｍａｘを超えるか否かを判定する。電力制御装置５０は、算出した電流がシステム最大電流Ａｍａｘを超える場合に、機械ブレーキ８３を作動させてモータ８２の発電する電力を制限するなどの制御を行う。

電力制御システム１の適用例として、ハイブリッド鉄道車両を例示したが、これに限定されず、電力制御システム１は、太陽光パネル（ＰＶ）や燃料電池（ＦＣ）などの発電機と、系統電力とに接続される定置型の蓄電システムにも適用することができる。図１６は、電力制御システム１を利用した定置型蓄電システム２００の構成の一例を示す図である。

発電機２１０は、太陽光パネル（ＰＶ）や燃料電池（ＦＣ）などである。コンバータ２２０は、発電機２１０が交流を発電する場合、ＡＣ−ＤＣコンバータであり、発電機２１０が直流を発電する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータである。制御対象８０は、例えば、ＰＣＳ（Power Conditioning System）である。ＰＣＳは、変圧器Ｔを介して系統電力ＳＰおよび負荷Ｌに接続される。これによって、発電機２１０の発電した電力が、電池ユニット１０に蓄えられながら、系統電力ＳＰの側に供給される。

この場合において、電力制御装置５０は、電池ユニット１０から流出する電流が、システム最大電流Ａｍａｘを超えないように制御対象８０を制御する。例えば、電力制御装置５０は、ＰＣＳに与えるデューティ比が、システム最大電流Ａｍａｘに対応するデューティ比を超えないように制御する。また、この場合の制御対象には発電機２１０とコンバータ２２０が含まれてよく、電力制御装置５０は、電池ユニット１０に流入する電流がシステム最大電流Ａｍａｘを超えないように発電機２１０およびコンバータ２２０を制御してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、充放電可能な電池セル２１の充電時における電圧に関する情報を取得する取得部５２と、取得部５２により取得された情報に基づいて、上限電圧ＶｃＭＡＸと電池セル２１の電圧Ｖｃとの差分が小さくなるほど小さくなる傾向で、且つ上限電流Ａｌｉｍで制限して、電池セル２１の充電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定する最大電流決定部５６と、を備えることにより、比較的大電流が流れるシステムにおいて、より正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

また、少なくともひとつの実施形態によれば、充放電可能な電池セル２１の放電時における電圧に関する情報を取得する取得部５２と、取得部５２により取得された情報に基づいて、下限電圧ＶｃＭＩＮと電池セル２１の電圧Ｖｃとの差分が小さくなるほど小さくなる傾向で、且つ上限電流Ａｌｉｍで制限して、電池セル２１の放電時における最大電流Ａｃｅｌｌｍａｘを決定する最大電流決定部５６と、を備えることにより、比較的大電流が流れるシステムにおいて、より正確に電池セル２１の電圧制限を行うことができる。

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。

Claims (9)

1. 充電時における二次電池の電圧を取得する取得部と、
   上限電圧と前記取得した電圧との差を用いて前記二次電池の充電時に用いる最大電流を決定する決定部と、を備え、
   前記決定部は、繰り返し前記最大電流を決定し、前記上限電圧と前記取得部が取得した電圧との差が第１の所定電圧未満である場合、直前の最大電流からステップ電圧相当分の電流を引いた値を前記二次電池の充電時に用いる最大電流と決定する、
   電力制御装置。
2. 前記決定部は、前記上限電圧と前記取得部が取得した電圧との差に放電時に用いるゲインと異なるゲインを乗算し、この乗算した結果を用いて前記二次電池の充電時に用いる最大電流を決定する、
   請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記決定部は、前記上限電圧と前記取得部が取得した電圧との差が前記第１の所定電圧よりも大きい場合、上限電流を前記二次電池の充電時に用いる最大電流とする、
   請求項１または２に記載の電力制御装置。
4. 放電時における二次電池の電圧を取得する取得部と、
   下限電圧と前記取得した電圧との差を用いて前記二次電池の放電時に用いる最大電流を決定する決定部と、を備え、
   前記決定部は、繰り返し前記最大電流を決定し、前記下限電圧と前記取得部が取得した電圧との差が第２の所定電圧未満である場合、直前の最大電流からステップ電圧相当分の電流を引いた値を前記二次電池の放電時に用いる最大電流と決定する、
   電力制御装置。
5. 前記決定部は、前記下限電圧と前記取得部が取得した電圧との差に、充電時に用いるゲインと異なるゲインを乗算し、この乗算した結果を用いて前記二次電池の放電時に用いる最大電流を決定する、
   請求項４に記載の電力制御装置。
6. 前記決定部は、前記下限電圧と前記取得部が取得した電圧との差が前記第２の所定電圧よりも大きい場合、上限電流を前記二次電池の放電時に用いる最大電流とする、
   請求項４または５に記載の電力制御装置。
7. 充電時における二次電池の充電電圧と、放電時における前記二次電池の放電電圧とを取得する取得部と、
   上限電圧と取得した前記充電電圧との差に第１のゲインを乗算し、この乗算した結果を用いて前記二次電池の充電時に用いる最大電流を決定し、下限電圧と取得した前記放電電圧との差に前記第１のゲインとは異なる第２のゲインを乗算し、この乗算した結果を用いて前記二次電池の放電時に用いる最大電流を決定する決定部と、を備え、
   前記決定部は、繰り返し前記最大電流を決定し、前記上限電圧と前記充電電圧との差が第１の所定電圧未満である場合、直前の最大電流からステップ電圧相当分の電流を引いた値を前記二次電池の充電時に用いる最大電流と決定し、前記下限電圧と前記放電電圧との差が第２の所定電圧未満である場合、直前の最大電流からステップ電圧相当分の電流を引いた値を前記二次電池の放電時に用いる最大電流と決定し、
   前記二次電池の特性曲線と前記上限電圧との交点における前記特性曲線の傾きが、前記二次電池の特性曲線と前記下限電圧との交点における前記特性曲線の傾きよりも大きい場合は、前記第１のゲインを前記第２のゲインよりも大きく、前記二次電池の特性曲線と前記上限電圧との交点における前記特性曲線の傾きが、前記二次電池の特性曲線と前記下限電圧との交点における前記特性曲線の傾きよりも小さい場合は、前記第１のゲインを前記第２のゲインよりも小さく設定する、
   電力制御装置。
8. 前記取得部は、前記二次電池の充電率を、前記電圧に関する情報として取得し、
   前記決定部は、前記二次電池の充電率から換算した電圧を前記二次電池の電圧として扱う、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一項記載の電力制御装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項記載の電力制御装置と、
   一または複数の前記二次電池と、
   を備える電力制御システム。

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