JP6419941B2 - 蓄電池管理装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池管理装置、方法及びプログラムに関する。

近年、太陽光、風力などの自然エネルギーを利用した発電の変動抑制、電力需要に伴う連系線潮流の変動抑制やピークシフト等の用途に、二次電池による大規模な蓄電池システムの利用が期待されている。こうした大規模な蓄電池システムを構成するには、個別に充放電電力等を制御可能な蓄電池装置を複数個組み合わせて利用していた。

このような複数の蓄電池装置を備えた蓄電池システムでは、蓄電池システム全体に対する充放電指令値を構成要素である個別の蓄電池装置に配分して、当該蓄電池システムを構成する全ての蓄電池装置の充放電制御を行うことにより、発電の変動抑制、連系線潮流の変動抑制あるいはピークシフト等の用途に利用している。

特開２０１４−１７１３３５号公報

上記従来の蓄電池システムにおいては、蓄電池ユニットを備えた電池盤は、蓄電池セル以外に、制御装置（ＢＭＵ）、主回路の開閉器（コンタクタ）、ヒューズ、電流センサ（ＣＴ）および、電池盤間の電圧測定回路等を備えて構成されていた。

そして、電池盤において、上述したコンタクタ、ヒューズ、電池セル、電流センサ等の診断を行うには、各部の抵抗値や検出精度を調べるためには、電池盤又はＰＣＳを系統から切り離して、個別に調べる必要があり、系統に影響を与える虞があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、系統に影響を与えることなく、電池盤の制御装置の診断を行うことが可能な蓄電池管理装置、方法及びプログラムを提供することを目的としている。

実施形態の蓄電池管理装置は、複数の電池盤と、前記電池盤に対応する複数の電力調整装置と、を備えた蓄電池システムの管理を行う。
そして、蓄電池管理装置は、蓄電池システムを稼働状態としたまま電池盤の診断を行うに際し、診断に用いる前記電池盤の充電電力あるいは放電電力を当該蓄電池システム内の複数の電力調整装置間で授受することにより、前記充電電力及び前記放電電力を当該蓄電池システム内で相殺するようにした。

図１は、複数系統の蓄電池システムを備えた自然エネルギー発電システムの概要構成図である。 図２は、実施形態の蓄電池システムの概要構成ブロック図である。 図３は、セルモジュール、ＣＭＵ及びＢＭＵの詳細構成説明図である。 図４は、実施形態の動作説明図である。 図５は、実施形態の故障診断処理フローチャートである。 図６は、実施形態の故障診断処理概念図である。 図７は、各ＰＣＳがいずれかのＰＣＳの診断中に行う電力補償の説明図である。

次に図面を参照して実施形態について説明する。
［１］第１実施形態
図１は、複数系統の蓄電池システムを備えた自然エネルギー発電システムの概要構成図である。

自然エネルギー発電システム１００は、電力システムとして機能し、太陽光、水力、風力、バイオマス、地熱等の自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用し、系統電力として出力可能な自然エネルギー発電ユニット１と、自然エネルギー発電ユニット１の発電電力を測定する電力計２と、風力、電力計２の測定結果に基づいて自然エネルギー発電ユニット１の余剰電力を充電し、不足電力を放電して自然エネルギー発電ユニット１の発電電力に重畳して出力する複数の蓄電池システム３−１〜３−ｎと、自然エネルギー発電ユニット１の出力電力（蓄電池システム３−１〜３−ｎの出力電力が重畳されている場合も含む）の電圧変換を行う変圧器４と、蓄電池システム３−１〜３−ｎのローカルな制御を行う蓄電池制御コントローラ５と、蓄電池制御コントローラ５のリモート制御を行う上位制御装置６と、を備えている。

図２は、実施形態の蓄電池システムの概要構成ブロック図である。
蓄電池システム３−１〜３−ｎは、同様の構成であるので、以下の説明においては、蓄電池システム３−１を例として説明する。
蓄電池システム３−１は、大別すると、電力を蓄える蓄電池装置１１と、蓄電池装置１１から供給された直流電力を所望の電力品質を有する交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning System）１２と、を備えている。

蓄電池装置１１は、大別すると、複数の電池盤２１−１〜２１−Ｎ（Ｎは自然数）と、電池盤２１−１〜２１−Ｎが接続された電池端子盤２２と、を備えている。
電池盤２１−１〜２１−Ｎは、互いに並列に接続された複数の電池ユニット２３−１〜２３−Ｍ（Ｍは自然数）と、ゲートウェイ装置２４と、後述のＢＭＵ（Battery Management Unit：電池管理装置）及びＣＭＵ（Cell Monitoring Unit：セル監視装置）に動作用の直流電源を供給する直流電源装置２５と、を備えている。

ここで、電池ユニットの構成について説明する。
電池ユニット２３−１〜２３−Ｍは、それぞれ、高電位側電源供給ライン（高電位側電源供給線）ＬＨ及び低電位側電源供給ライン（低電位側電源供給線）ＬＬを介して、出力電源ライン（出力電源線；母線）ＬＨＯ、ＬＬＯに接続され、主回路である電力変換装置１２に電力を供給している。

電池ユニット２３−１〜２３−Ｍは、同一構成であるので、電池ユニット２３−１を例として説明する。
電池ユニット２３−１は、大別すると、複数（図１では、２４個）のセルモジュール３１−１〜３１−２４と、セルモジュール３１−１〜３１−２４にそれぞれ設けられた複数（図１では、２４個）のＣＭＵ３２−１〜３２−２４と、セルモジュール３１−１２とセルモジュール３１−１３との間に設けられたサービスディスコネクト３３と、電流センサ３４と、正極側コンタクタ３５Ｐと、負極側コンタクタ３５Ｎと、を備え、複数のセルモジュール３１−１〜３１−２４、サービスディスコネクト３３、電流センサ３４、正極側コンタクタ３５Ｐ、ヒューズ３８及び負極側コンタクタ３５Ｎは、直列に接続されている。

ここで、セルモジュール３１−１〜３１−２４は、電池セルを複数、直並列に接続されて組電池を構成している。そして、複数の直列接続されたセルモジュール３１−１〜３１−２４で組電池群を構成している。

さらに電池ユニット２３−１は、ＢＭＵ３６を備え、各ＣＭＵ３２−１〜３２−２４の通信ライン、電流センサ３４の出力ラインは、ＢＭＵ３６に接続されている。
ＢＭＵ３６は、ゲートウェイ装置２４の制御下で、電池ユニット２３−１全体を制御し、各ＣＭＵ３２−１〜３２−２４との通信結果（電圧及び温度の計測結果）及び電流センサ３４の検出結果に基づいて正極側コンタクタ３５Ｐ及び負極側コンタクタ３５Ｎの開閉制御を行う。

次に電池端子盤の構成について説明する。
電池端子盤２２は、電池盤２１−１〜２１−Ｎに対応させて設けられた複数の盤遮断器４１−１〜４１−Ｎと、蓄電池装置１１全体を制御するマイクロコンピュータとして構成されたマスタ（Master）装置４２と、を備えている。

マスタ装置４２には、電力変換装置１２との間に、電力変換装置１２のＵＰＳ（Uninterruptible Power System）１２Ａを介して供給される制御電源線５１と、イーサネット（登録商標）として構成され、制御データのやりとりを行う制御通信線５２と、が接続されている。

ここで、セルモジュール３１−１〜３１−２４、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４およびＢＭＵ３６の詳細構成について説明する。

図３は、セルモジュール、ＣＭＵ及びＢＭＵの詳細構成説明図である。
セルモジュール３１−１〜３１−２４は、それぞれ、直列接続された複数（図２では、１０個）の電池セル６１−１〜６１−１０を備えている。

ＣＭＵ３２−１〜３２−２４は、対応するセルモジュール３１−１〜３１−２４を構成している電池セルの電圧及び所定箇所の温度を測定するための電圧温度計測ＩＣ（Analog Front End IC:AFE-IC）６２と、それぞれが対応するＣＭＵ３２−１〜３２−２４全体の制御を行うＭＰＵ６３と、ＢＭＵ３６との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ（Controller Area Network）規格に則った通信コントローラ６４と、セル毎の電圧に相当する電圧データ及温度データを格納するメモリ６５と、を備えている。

以下の説明において、セルモジュール３１−１〜３１−２４のそれぞれと、対応するＣＭＵ３２−１〜３２−２４と、を合わせた構成については、電池モジュール３７−１〜３７−２４と呼ぶものとする。例えば、セルモジュール３１−１と対応するＣＭＵ３２−１を合わせた構成を電池モジュール３７−１と呼ぶものとする。

また、ＢＭＵ３６は、ＢＭＵ３６全体を制御するＭＰＵ７１と、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ規格に則った通信コントローラ７２と、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４から送信された電圧データ及び温度データを格納するメモリ７３と、を備えている。

図１に示した蓄電池制御コントローラ５は、自然エネルギー発電ユニット１の発電電力を検出し、この発電電力が電力系統へ及ぼす影響を緩和するために、蓄電池装置１１を用いて発電電力の出力変動抑制を行なっている。ここで、蓄電池装置１１に対する変動抑制量は当該蓄電池制御コントローラ５あるいはその上位制御装置６で算出し、蓄電池装置１１に対応するＰＣＳ（Power Conditioning System）１２に充放電指令として与えられる。

次に実施形態の動作を説明する。
図２に示したように、電池盤２１−１〜２１−Ｎは、遮断器４１−１〜４１−Ｎにより、ＰＣＳ１２から、すなわち、系統から遮断可能とされている。

図４は、実施形態の動作説明図である。
以下の説明においては、電池盤２１−１の試験を行う場合を例として説明する。
自然エネルギー発電システム１００は、この例に示す蓄電池装置が、２４時間連続稼働状態であるとした場合に、蓄電池システム３−１に属するＰＣＳ１２の制御下にある電池盤２１−１のＢＭＵ（制御装置）の故障診断を行う方法について説明する。

本実施形態では、電池盤２１−１のＢＭＵ３６の故障診断を行うため、蓄電池装置が系統に接続されている状態で、診断対象の電池盤２１−１のＰＣＳ１２から電流を制御するようになっている。

図５は、実施形態の故障診断処理フローチャートである。
図６は、実施形態の故障診断処理概念図である。
まず、蓄電池制御コントローラ５は、蓄電池管理装置として機能し、診断対象のＢＭＵが属する電池盤の遮断器を投入する（ステップＳ１１）。
具体的には、蓄電池システム３−１のＢＭＵ３６が属する電池盤２１−１の上位のＰＣＳ１２の配下の電池盤２１−１の盤遮断器４１−１を投入する。

続いて、蓄電池制御コントローラ５の制御下でＢＭＵ３６は、セルモジュール３１−１の正極端子（＋）及び負極端子（−）に対応する正極側コンタクタ３５Ｐ及び負極側コンタクタ３５Ｎを投入する（ステップＳ１２）。

続いて電池盤２１−１が対応する蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２は、蓄電池制御コントローラ５の制御下で、充電電流量を電池盤２１−１のＢＭＵ３６に通知するとともに、図４に示すように、電池盤２１−１に対して他の蓄電池システム３−２〜３−ｎから通知した充電電流量の充電電流を流すように制御を行う（ステップＳ１３）。

これにより、ＢＭＵ３６は、図６に示すように、蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２から通知された充電電流量（充電電流通知値）と、電流センサ３４により検出した電流量（検出充電電流値）と、を比較し、一致したと見做せるか否かを判別する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４の比較の結果、充電電流通知値と、検出充電電流値とが、一致したと見做せる場合には（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、電流センサ３４は正常であると判断される（ステップＳ１５）。
一方ステップＳ１４の判別の結果、充電電流通知値と、検出充電電流値とが、一致したと見做せない場合、すなわち、乖離している状態である場合には（ステップＳ１４；Ｎｏ）、電流センサ３４は故障していると判断され、当該状況は記憶される（ステップＳ１６）。

続いて電池盤２１−１が対応する蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２は、蓄電池制御コントローラ５の制御下で、放電電流量を電池盤２１−１のＢＭＵ３６に通知するとともに、電池盤２１−１に対して他の蓄電池システム３−２〜３−ｎに通知した充電電流量の放電電流を流すように制御を行う（ステップＳ１７）。

これにより、ＢＭＵ３６は、蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２から通知された放電電流量（放電電流通知値）と、電流センサ３４により検出した電流量（検出放電電流値）と、を比較し、一致したと見做せるか否かを判別する（ステップＳ１８）。
ステップＳ１８の比較の結果、放電電流通知値と、検出放電電流値とが、一致したと見做せる場合には（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、電流センサ３４は正常であると判断される（ステップＳ１９）。

一方ステップＳ１８の判別の結果、放電電流通知値と、検出放電電流値とが、一致したと見做せない場合、すなわち、乖離している状態である場合には（ステップＳ１８；Ｎｏ）、電流センサ３４は故障していると判断される（ステップＳ２０）。

続いて、正極側コンタクタ３５Ｐ及び負極側コンタクタ３５Ｎの一方を閉状態（オン状態）とし、他方を開状態（オフ状態）とし、電流センサ３４により検出した電流値と、電圧計により検出した電圧値とに基づいて正極側コンタクタ３５Ｐ及び負極側コンタクタ３５Ｎの抵抗値を測定する（ステップＳ２１）。
そして測定された抵抗値に応じて、正極側コンタクタ３５Ｐ及び負極側コンタクタ３５Ｎの溶着状態あるいは劣化状態を知ることが可能となる。

次にＢＭＵ３６は、正極側コンタクタ３５Ｐ及び負極側コンタクタ３５Ｎを閉じた状態で、充電電流／放電電流と電池盤の電圧を計測することにより、電池盤２１−１の回路全体の抵抗値を測定する（ステップＳ２２）。
これにより、セルモジュール（電池セル６１−１〜６１−１０）やヒューズ３８の劣化を診断することが可能となる。

ところで、上述の例の場合に、蓄電池システム３−１が稼働中に、電池盤２１−１に対してステップＳ１３、ステップＳ１７で示したように、充電または放電の電流を印加してしまうと、系統から蓄電池装置に要求されている入力/出力電力に影響を与える可能性がある。

そこで、本実施形態においては、系統から蓄電池装置に要求されている入力/出力電力への影響を抑制するために、並列に接続されている他のＰＣＳ（上述の例の場合、蓄電池システム３−２〜３−ｎのＰＣＳ１２）の出力を制御する。

図７は、各ＰＣＳがいずれかのＰＣＳの診断中に行う電力補償の説明図である。
蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２が小電流の放電を行っている時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間中には、図４中の蓄電池システム３−２から蓄電池システム３−１に向かう破線矢印及び図７に示すように、蓄電池システム３−１〜３−ｎ全体に系統から要求されている充電電流Ｘの変動を抑制し、維持するため、蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２が充電している電力を、蓄電池システム３−２のＰＣＳ１２で放電電力とする電力補償を行っている。

また、蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２が小電流の充電を行っている時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間中には、図４中の蓄電池システム３−１から蓄電池システム３−ｎに向かう破線矢印及び図７に示すように、蓄電池システム３−１〜３−ｎ全体に系統から要求されている充電電流Ｘの変動を抑制し、維持するため、蓄電池システム３−１のＰＣＳ１２が放電している電力を、蓄電池システム３−ｎのＰＣＳ１２で充電電力として受け入れる電力補償を行っている。

以上の説明のように、ＰＣＳ１２間で充電電力と放電電力とを相殺するように動作することにより、蓄電池装置を稼働中に、ある蓄電池システムのＰＣＳ１２、上述の例の場合蓄電池システム３−ｎのＰＣＳ１２で故障診断を行いながら、系統に影響を与えない制御が可能となる。

本実施形態によれば、系統に影響を与えることなく、電池盤の制御装置の診断を行うことが可能となる。

本実施形態の蓄電池管理装置（蓄電池制御コントローラ）は、ＣＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤ、ＣＤドライブ装置などの外部記憶装置と、必要に応じてディスプレイ装置などの表示装置と、キーボードやマウスなどの入力装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の蓄電池管理装置のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

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、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。

Claims (6)

1. 複数の電池盤と、前記電池盤に対応する複数の電力調整装置と、を備えた蓄電池システムの管理を行う蓄電池管理装置において、
   前記蓄電池システムを稼働状態としたまま前記電池盤の診断を行うに際し、前記診断に用いる前記電池盤の充電電力あるいは放電電力を当該蓄電池システム内の前記複数の電力調整装置間で授受することにより、前記充電電力及び前記放電電力を当該蓄電池システム内で相殺するようにした、
   蓄電池管理装置。
2. 前記電力調整装置を制御し、前記電池盤の診断を行うに際し、診断対象の前記電池盤に対応する前記電力調整装置を含む一対の電力調整装置間で前記充電電力及び前記放電電力の授受を行わせる、
   請求項１記載の蓄電池管理装置。
3. 前記電池盤は、複数の電池セルを有する電池ユニットと、
   前記電池ユニットの正極端子側に設けられた正極側コンタクタと、
   前記電池ユニットの負極端子側に設けられた負極側コンタクタと、を備え、
   前記正極側コンタクタと、前記負極側コンタクタとを排他的に開状態／閉状態として、前記正極側コンタクタ及び前記負極側コンタクタの抵抗値を測定して前記診断を行う、
   請求項１又は請求項２記載の蓄電池管理装置。
4. 前記電池盤は、複数の電池セルと、前記電池セルの充放電制御を行うＢＭＵとを備え、
   前記電力調整装置からの電流通知値と、実際に電流センサで検出した検出電流値とを比較して、前記電流通知値と、前記検出電流値とに乖離がある場合に、前記電流センサが故障であると前記ＢＭＵに判断させる、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の蓄電池管理装置。
5. 複数の電池盤と、前記電池盤に対応する複数の電力調整装置と、を備えた蓄電池システムの管理を行う蓄電池管理装置で実行される方法であって、
   前記蓄電池システムを稼働状態としたまま前記電池盤の診断を行う過程と、
   前記診断に用いる前記電池盤の充電電力あるいは放電電力を当該蓄電池システム内の前記複数の電力調整装置間で授受させることにより、前記充電電力及び前記放電電力を当該蓄電池システム内で相殺する過程と、
   を備えた方法。
6. 複数の電池盤と、前記電池盤に対応する複数の電力調整装置と、を備えた蓄電池システムの管理を行う蓄電池管理装置をコンピュータにより制御するプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記蓄電池システムを稼働状態としたまま前記電池盤の診断を行わせる手段と、
   前記診断に用いる前記電池盤の充電電力あるいは放電電力を当該蓄電池システム内の前記複数の電力調整装置間で授受させることにより、前記充電電力及び前記放電電力を当該蓄電池システム内で相殺する手段と、
   して機能させるプログラム。

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