JP6717117B2 - 充放電制御方法、電池システム及び蓄電池システム - Google Patents
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Description
本開示は、充電制御方法としての一表現によれば、電池の充電又は放電に係る電流及び電圧が脈動波形となる場合の充放電制御方法であって、所定の周期で前記脈動波形をサンプリングし、前記サンプリングにより得た検出値に基づく実効値を所定期間で平均化した値を求め、前記平均化した値に基づいて充放電の制御を行う、充放電制御方法である。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
脈動波形の1周期の自然数倍の周期をサンプリング周期とすると、毎回同じ値を検出してしまうので、これを回避することで、脈動波形の値を、位相的にまんべんなく検出することができる。従って、平均化により、精度良く検出値を得ることができる。
この場合、より誤差の少ない平均化した値を得ることができる。
以下、本発明の実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。
図1は、一実施形態に係る蓄電池システムの回路図の一例である。図において、電力変換装置1は、蓄電池2と交流電路3との間に設けられ、蓄電池2の直流電圧が交流電路3の交流電圧のピーク値(波高値)より低い状態で、直流/交流の双方向の電力変換を行うことができる。交流電路3には、電力変換装置1が設置されている需要家の負荷4L、及び、商用電力系統4Pが接続されている。
上記の電力変換装置1は、蓄電池2の電力を放電させて、直流から交流への電力変換を行い、交流電路3に給電することができる。また、逆に、電力変換装置1は、交流から直流への変換を行って、商用電力系統4Pの電力に基づいて蓄電池2を充電することができる。
図2は、上記のように構成された電力変換装置1が、例えば、蓄電池2の充電中である場合の動作を概念的に示した電圧波形の一例を示す図である。
(a)は、交流電圧目標値Vinv*の絶対値、及び、直流電圧目標値Vg’を示す。交流電圧目標値Vinv*とは、交流電圧Vaに基づいて、充電動作時におけるインバータ10の入力端(交流側)での電圧となるべき値である。交流リアクトル12のインピーダンスを無視すれば、Vinv*=Vaである。直流電圧目標値Vg’とは、蓄電池電圧Vgに直流リアクトル7の電圧降下を考慮した値である。直流リアクトル7のインピーダンスを無視すれば、Vg’=Vgである。
制御部14は、これら2つの電圧を比較し、比較結果に基づいてインバータ10及びDC/DCコンバータ6を制御する。
(#1)時刻t0〜t1,t2〜t3,t4〜t5の期間では、交流電圧目標値Vinv*の絶対値が直流電圧目標値Vg’より小さくなる(又はVg’以下になる)。
(#2)また、例えば、時刻t1〜t2,t3〜t4の期間では、交流電圧目標値Vinv*の絶対値が直流電圧目標値Vg’以上となる(又は、Vg’より大きくなる)。
そこで、(#1)か、あるいは(#2)か、の場合分けにより、主にスイッチング動作する変換部(DC/DCコンバータ6又はインバータ10)を交代させる。
なお、Vg’=|Vinv*|の場合は、(#1)、(#2)のいずれか一方に含めればよいので、以下、交流電圧目標値Vinv*の絶対値が直流電圧目標値Vg’より小さい場合と、交流電圧目標値Vinv*の絶対値が直流電圧目標値Vg’より大きい場合とに着目して説明する。
(d)に示す縦縞模様は、実際にはPWMパルス列であり、交流電圧目標値Vinv*の絶対値と直流電圧目標値Vg’との電位差に応じてデューティが異なる。降圧の結果、(e)に示す所望の直流電圧目標値Vg’が得られ、これにより、蓄電池2を充電することができる。
図3は、電力変換装置1が、蓄電池2を放電させている場合の動作を概念的に示した電圧波形の一例を示す図である。
(a)は、交流電圧目標値Vinv*の絶対値、及び、直流電圧目標値Vg’を示す。交流電圧目標値Vinv*とは、交流電圧Vaに基づいて、放電動作時におけるインバータ10の出力端での電圧となるべき値である。交流リアクトル12のインピーダンスを無視すれば、Vinv*=Vaである。直流電圧目標値Vg’とは、蓄電池電圧Vgに直流リアクトル7の電圧降下を考慮した値である。直流リアクトル7のインピーダンスを無視すれば、Vg’=Vgである。
制御部14は、これら2つの電圧を比較し、比較結果に基づいてインバータ10及びDC/DCコンバータ6を制御する。
この結果、(e)に示す所望の交流波形が得られる。
次に、充電又は放電時に、蓄電池2に流れる電流の検出について説明する。充放電制御は、検出した電流に基づいて、これを目標値に一致させるように、制御部14によって行われる。従って、制御の精度を高めるには、より正確に電流を検出する必要がある。
例えば、交流側の瞬時電圧v(t)、実効値電圧V、瞬時電流i(t)、実効値電流I、瞬時電力p(t)、力率1、周波数f、時間tとすると、以下のようになる。
v(t)=√2・V・sin(2πft) ・・・(1)
i(t)=√2・I・sin(2πft) ・・・(2)
p(t)=v(t)・i(t)=2VI・sin2(2πft) ・・・(3)
ig(t)=2(VI/Vg)・sin2(2πft) ・・・(4)
=(VI/Vg)・(1−cos(4πft)) ・・・(5)
=(VI/Vg)・(1+sin{(3π/2)+4πft} ・・・(6)
である。式(5)、(6)は、電流igが、脈流となり、脈動の周波数が交流側の周波数の2倍となることを表している。
なお、蓄電池2の電圧Vgも、電流に比べると振幅は小さいが、同じ周期で脈動する。
ここで、1000ms内の例えば所定期間T(T1〜T2)の実効値ig_RMSを以下の式(7)により求める。
このような充放電制御を実行することにより、脈動波形となる電流又は電圧であっても、精度良く、検出値を得ることができる。これにより、充電又は放電における制御の精度を高めることができる。
図9は、100Hz(50Hzの2倍、実線)と120Hz(60Hzの2倍、破線)の脈流電流を表す図である。
例えば、実線の波形に注目すると、仮にサンプリング周期を10ms(脈流周期の1倍)として、時刻10msからサンプリングを開始したとすると、20,30,40,50msと、立て続けに同じ値を検出することになる(図の実線の丸印)。これでは、実効値を平均化しても妥当な値にならない。サンプリング周期を20ms(脈流周期の2倍),30ms(脈流周期の3倍),40ms(脈流周期の4倍)・・・としても結果は同じことである。
これにより、脈動波形の値を、位相的にまんべんなく検出することができる。従って、実効値をとって平均化することにより、精度良く検出値を得ることができる。その結果、充放電の制御の精度を高めることができる。
サンプリング周期が短い方の(すなわち図の左半分の)誤差の特大、大、中、小、最小を、サンプリング周期と対応付けてまとめると以下の表1のようになる。
そして、サンプリング周期を変化させた場合に、平均化した値と真値との誤差に現れる変化特性を予め把握し、誤差が、相対的に小さくなるサンプリング周期を選択するのである。もちろん、脈流周期の自然数倍を避けることは必要である。
これによって、より誤差の少ない平均化した値を得ることができる。
なお、図6以降は、脈流電流を対象として説明したが、図4の下段に示す脈動電圧についても同様に、サンプリングにより得た検出値に基づく実効値を所定期間で平均化した値を求め、平均化した値に基づいて充放電の制御を行うことにより、制御の精度を高めることができる。
また、蓄電池に代えて燃料電池を用いる電池システムも考えられる。この場合も同様に、平均化した値に基づく放電制御を適用することにより、燃料電池の放電制御の精度を高めることができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 蓄電池
3 交流電路
4L 負荷
4P 商用電力系統
5 直流側コンデンサ
6 DC/DCコンバータ
7 直流リアクトル
8 DCバス
9 中間コンデンサ
10 インバータ
11 フィルタ回路
12 交流リアクトル
13 交流側コンデンサ
14 制御部
15 電圧センサ
16 電流センサ
17 電圧センサ
18 電流センサ
19 電圧センサ
20 電力変換部
21 BMS
d1〜d6 ダイオード
Q1〜Q6 スイッチング素子
Claims (4)
- 電池の充電又は放電に係る電流及び電圧が脈動波形となる場合の充放電制御方法であって、
前記脈動波形の1周期の自然数倍となる周期以外の周期で前記脈動波形をサンプリングし、
前記サンプリングにより得た検出値に基づく実効値を所定期間で平均化した値を求め、
前記平均化した値に基づいて充放電の制御を行う、
充放電制御方法。 - 前記サンプリングの周期を変化させた場合に、前記平均化した値と真値との誤差に現れる変化特性を予め把握し、
前記誤差が、相対的に小さくなる前記サンプリングの周期を選択する、請求項1に記載の充放電制御方法。 - 電池と、
前記電池と交流電路との間に設けられ、前記電池の充電又は放電に係る電流及び電圧が脈動波形となる電力変換装置と、を備え、
前記電力変換装置は、前記脈動波形の1周期の自然数倍となる周期以外の周期で前記脈動波形をサンプリングし、前記サンプリングにより得た検出値に基づく実効値を所定期間で平均化した値を求め、当該平均化した値に基づいて充放電の制御を行う、電池システム。 - 蓄電池と、
前記蓄電池と交流電路との間に設けられ、前記蓄電池の充放電に係る電流及び電圧が脈動波形となる電力変換装置と、を備え、
前記電力変換装置は、前記脈動波形の1周期の自然数倍となる周期以外の周期で前記脈動波形をサンプリングし、前記サンプリングにより得た検出値に基づく実効値を所定期間で平均化した値を求め、当該平均化した値に基づいて充放電の制御を行う、蓄電池システム。
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