JP6749166B2

JP6749166B2 - 大容量蓄電池システム

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Publication number: JP6749166B2
Application number: JP2016139359A
Authority: JP
Inventors: 修二菅井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: JP2018011447A

Description

本発明は、大容量蓄電池システムに関する。

従来、複数の蓄電池を負荷に並列に接続し、負荷に無停電に電力を供給する蓄電池システムに関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、負荷に並列接続された複数の蓄電池と、当該複数の蓄電池にそれぞれ直列接続され、各蓄電池の放電電流路をオンオフする複数のスイッチング素子とを備えた放電装置が開示されている。この放電装置では、一つのスイッチング素子をオンにして、これに対応する蓄電池のみを放電させ、この蓄電池が放電完了電圧以下になると、対応するスイッチング素子をオフすると共に他のスイッチング素子をオンすることで、複数の蓄電池の一つずつから負荷へと電力を供給する。

特開平１０−１２３２２５号公報

蓄電池の単セル容量が小さい場合、十分な電力を蓄電しておくためには、複数の蓄電池を給電対象に並列に接続しておくことが好ましいが、複数の蓄電池を給電対象に並列に接続し続けたままでは、回路内に短絡が発生した場合に複数の蓄電池から大きな短絡電流が給電対象側へと流れてしまう。そのため、上記特許文献１に開示された放電装置のように、使用しない蓄電池に対応したスイッチング素子をオフとしておけば、短絡発生時に大きな電流が流れることを抑制することができる。しかしながら、上記特許文献１の放電装置では、使用している蓄電池に対応するスイッチング素子のオフと、次に使用する蓄電池に対応するスイッチング素子のオンとを同時に行うため、蓄電池の切替時における制御が煩雑となる。また、特許文献１の放電装置では、蓄電池の並列数と同じ数のスイッチング素子が必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、給電対象に複数の蓄電池を並列に接続した大容量蓄電池システムにおいて、安全性を確保しつつ、より簡易な構成および制御で給電対象に無停電に電力を供給することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の蓄電池を有する第１蓄電池モジュールを少なくとも一つ含み、前記給電対象に接続された第１蓄電池群と、複数の蓄電池を有する第２蓄電池モジュールを少なくとも一つ含み、前記給電対象に前記第１蓄電池群と並列に接続された第２蓄電池群と、トリガ信号が入力されると前記第１蓄電池群から前記給電対象へと電力を供給させる導通状態となると共に、該導通状態かつ該トリガ信号が入力されていない状態で逆バイアスの電圧が印加されると前記第１蓄電池群から前記給電対象への電力の供給を遮断する非導通状態となる第１サイリスタスイッチと、トリガ信号が入力されると前記第２蓄電池群から前記給電対象へと電力を供給させる導通状態となると共に、該導通状態かつ該トリガ信号が入力されていない状態で逆バイアスの電圧が印加されると前記第２蓄電池群から前記給電対象への電力の供給を遮断する非導通状態となる第２サイリスタスイッチと、前記第１サイリスタスイッチおよび前記第２サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力して該第１サイリスタスイッチを前記導通状態として、前記第１蓄電池群に含まれる前記第１蓄電池モジュールから前記給電対象へと電力を供給させ、電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧以下となる前に、前記第１サイリスタスイッチへの前記トリガ信号の出力を停止しておき、前記電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が前記切替時電圧以下となったときに、前記第２サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力して該第２サイリスタスイッチを導通状態として、前記第２蓄電池群に含まれる電力供給前の前記第２蓄電池モジュールから前記給電対象へと電力を供給させることを特徴とする。

本発明の大容量蓄電池システムでは、電力供給中の第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧以下となっていないときには、他の第１蓄電池モジュールおよび第２蓄電池群を給電対象から切り離しておくことができる。この結果、回路内に短絡が発生したときに、給電対象に並列に接続された第１蓄電池群および第２蓄電池群から過大な電流が給電対象へと流れることを抑制することができる。一方、電力供給中の第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧以下となったときには、第２サイリスタスイッチが導通状態とされ、第２蓄電池群に含まれる電力供給前の第２蓄電池モジュールから給電対象へと電力の供給が開始される。これにより、切替時電圧以下まで電圧が低下した第１蓄電池モジュールに対応した第１サイリスタスイッチは、逆バイアスの電圧が印加されることで自動的に非導通状態となる。すなわち、一つのサイリスタスイッチへのトリガ信号を出力するだけで、給電対象へと電力を供給する蓄電池群を切り替えることが可能となる。また、第１蓄電池モジュールおよび第２蓄電池モジュールが並列に接続された複数の蓄電池を有する場合であっても、各蓄電池モジュールに対応したスイッチング素子と各蓄電池群に対応したサイリスタスイッチを用いればよいため、蓄電池の並列数に合わせてスイッチング素子を設ける必要がない。従って、本発明の大容量蓄電池システムによれば、給電対象に複数の蓄電池を並列に接続した大容量蓄電池システムにおいて、安全性を確保しつつ、より簡易な構成および制御で給電対象に無停電に電力を供給することができる。

また、前記第１蓄電池群は、前記給電対象に並列に接続された複数の前記第１蓄電池モジュールを有し、前記第２蓄電池群は、前記給電対象に並列に接続された複数の前記第２蓄電池モジュールを有し、前記制御部によりオンオフ制御され、各前記第１蓄電池モジュールと前記第１サイリスタスイッチとの接続と該接続の解除とを切り換える複数の第１スイッチング素子と、前記制御部によりオンオフ制御され、各前記第２蓄電池モジュールと前記第２サイリスタスイッチとの接続と該接続の解除とを切り換える複数の第２スイッチング素子と、をさらに備え、前記制御部は、前記第１スイッチング素子の一つをオンすると共に前記第１サイリスタスイッチにトリガ信号を出力して該第１サイリスタスイッチを前記導通状態として、前記第１蓄電池群に含まれる前記第１蓄電池モジュールの一つから前記給電対象へと電力を供給させ、前記電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が前記切替時電圧以下となる前に、前記第１サイリスタスイッチへの前記トリガ信号の出力を停止しておき、前記電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が前記切替時電圧よりも大きな所定電圧以下となったときに、前記電力供給前の前記第２蓄電池モジュールの一つに対応した前記第２スイッチング素子をオンしておき、前記電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が前記切替時電圧以下となったときに、前記第２サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力して該第２サイリスタスイッチを導通状態として、前記電力供給前の前記第２蓄電池モジュールの一つから前記給電対象へと電力を供給させることが好ましい。

これにより、電力供給中の第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧以下となっていないときには、当該第１蓄電池モジュール以外の蓄電池モジュールを、対応するスイッチング素子をオフすることで給電対象から切り離しておくことができる。この結果、第１蓄電池群および第２蓄電池群の容量をより向上させつつ、回路内に短絡が発生したときに、給電対象に並列に接続された各蓄電池モジュールから過大な電流が給電対象へと流れることを抑制し、安全性を確保することができる。また、電力供給中の第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧よりも大きな所定電圧以下となったときに、電力供給前の第２蓄電池モジュールの一つに対応した第２スイッチング素子をオンしておくことで、電力供給中の第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧以下となったときに、第２サイリスタスイッチにトリガ信号を出力するだけで、速やかに電力供給前の第２蓄電池モジュールから給電対象へと電力の供給を開始することができる。すなわち、一つのサイリスタスイッチへのトリガ信号を出力するだけで、給電対象へと電力を供給する蓄電池モジュールを切り替えることが可能となる。この結果、第１蓄電池群および第２蓄電池群の容量をより向上させつつ、より簡易な制御で給電対象へと無停電で電力を供給することができる。

また、前記第１蓄電池群および前記第２蓄電池群に充電電力を供給する充電電力供給部と、前記制御部によりオンオフ制御され、前記第１蓄電池群と前記充電電力供給部との接続と該接続の解除とを切り換える第１充電側スイッチング素子と、前記制御部によりオンオフ制御され、前記第２蓄電池群と前記充電電力供給部との接続と該接続の解除とを切り換える第２充電側スイッチング素子と、をさらに備え、前記制御部は、前記充電電力供給部から前記第１蓄電池群および前記第２蓄電池群に充電電力を供給しない場合は、前記第１充電側スイッチング素子および前記第２充電側スイッチング素子をオフすることが好ましい。

これにより、充電電力を供給する場合を除き、第１蓄電池群および第２蓄電池群を充電電力供給部から切り離しておくことができるため、安全性をさらに向上させることが可能となる。また、蓄電池の常時充電を避けることで、蓄電池内部から水素ガス等が発生することを良好に抑制することができ、特に、蓄電池が可燃性の電解液を有するリチウムイオン電池である場合には、充電中に懸念される熱暴走を伴う異常を良好に抑制することが可能となる。

また、前記第１蓄電池群および前記第２蓄電池群とは異なる電源からの電力を前記給電対象へと供給する電源電力供給部と、前記制御部によりオンオフ制御され、前記電源電力供給部と前記給電対象との接続と接続の解除とを切り換える第１給電側スイッチング素子と、前記制御部によりオンオフ制御され、一端が前記第１給電側スイッチング素子と前記給電対象との間に接続されると共に他端が前記充電電力供給部と前記第１充電側スイッチング素子及び前記第２充電側スイッチング素子との間に接続されて、前記充電電力供給部と前記給電対象との接続と接続の解除とを切り換える第２給電側スイッチング素子と、をさらに備え、前記制御部は、前記電源電力供給部から前記給電対象へと電力を供給させる場合、前記第１給電側スイッチング素子をオンすると共に前記第２給電側スイッチング素子をオフし、前記電源電力供給部の保守点検を行う場合、前記第１給電側スイッチング素子をオフすると共に前記第２給電側スイッチング素子をオンすることが好ましい。

これにより、第１給電側スイッチング素子をオンして第２給電側スイッチング素子をオフしている状態で、第１充電側スイッチング素子または第２充電側スイッチング素子をオンすれば、電源電力供給部から給電対象に電力を供給させながら、充電電力供給部から第１蓄電池群または第２蓄電池群へと充電電力を供給させることができる。この際、第１サイリスタスイッチおよび第２サイリスタスイッチにより、電源電力供給部からの電流が第１蓄電池群および第２蓄電池群側へと流れることが阻止されるため、充電電力供給部から第１蓄電池群または第２蓄電池群へと供給される充電電力を、蓄電池の充電特性に見合った充電電流および充電電圧に精度良く制御することが可能となる。また、電源電力供給部の保守点検を行う場合、第１給電側スイッチング素子をオフして第２給電側スイッチング素子をオンして充電電力供給部から給電対象へと電力を供給させることにより、電源電力供給部の保守点検を行いながら給電対象へと電力を供給することができる。

また、前記第１蓄電池群及び前記第２蓄電池群と前記給電対象との間に設けられた遮断器をさらに備え、前記第１蓄電池モジュール及び前記第２蓄電池モジュールにおいて複数の前記蓄電池を前記給電対象に対して並列に接続する際、前記蓄電池の並列数は、前記第１蓄電池モジュールまたは前記第２蓄電池モジュールから短絡電流が流れた場合、前記短絡電流が前記遮断器の定格遮断容量未満となる数であることが好ましい。

このように、一つ一つの第１蓄電池モジュールまたは第２蓄電池モジュールから流れ得る短絡電流が遮断器の定格遮断容量よりも大きくならないようしつつ、当該蓄電池モジュールを給電対象に複数並列に接続することで、比較的簡易な（一般的な）遮断器を用いながらも、第１蓄電池群および第２蓄電池群全体の蓄電容量を十分に向上させることが可能となる。

また、前記蓄電池は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、全固体電池、金属・空気電池、有機二次電池、リチウム金属電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池およびアルミニウムイオン電池のいずれかであることが好ましい。

本発明によれば、このような単セル容量が小さい蓄電池を使用する場合にも、安全性を確保しつつ、複数の蓄電池を給電対象に並列に接続して蓄電電力を十分に確保することができる。

本発明にかかる大容量蓄電池システムは、給電対象に複数の蓄電池を並列に接続した大容量蓄電池システムにおいて、安全性を確保しつつ、より簡易な構成および制御で給電対象に無停電に電力を供給することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態にかかる大容量蓄電池システムを示す概略図である。図２は、図１の大容量蓄電池システムにおいて、第１蓄電池群に含まれる蓄電池モジュールと給電対象とが接続された状態を示す概略図である。図３は、図１の大容量蓄電池システムにおいて、第２蓄電池群に含まれる蓄電池モジュールと給電対象とが接続された状態を示す概略図である。

以下に、本発明にかかる大容量蓄電池システムの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態にかかる大容量蓄電池システムを示す概略図である。図１に示す大容量蓄電池システム１は、例えば原子力プラント設備といった各種プラント設備に含まれる給電対象５０へと無停電に電力を供給するための装置である。給電対象５０は、例えばプラント設備内の各種計測器といった装置である。本実施形態において、給電対象５０には、例えば１２５Ｖの直流電力が供給される。

大容量蓄電池システム１は、図１に示すように、給電対象５０へと交流電源１１の電力を供給する第１電力供給部（電源電力供給部）１０と、交流電源１１から電力供給ができない場合に蓄電電力を給電対象５０へと供給する第２電力供給部２０と、第２電力供給部２０への充電電力の供給、及び第１電力供給部１０の保守点検時に給電対象５０への交流電源１１からの電力の供給を行う第３電力供給部（充電電力供給部）３０と、第１電力供給部１０、第２電力供給部２０および第３電力供給部３０を制御する制御部４０とを備える。

第１電力供給部１０は、商用交流電源である交流電源１１と、交流電源１１と給電対象５０とに接続された整流器１２とを有する。交流電源１１は、例えば商用交流電源である。整流器１２は、交流電源１１からの交流電力を直流電力に変換して給電対象５０に供給する。整流器１２と給電対象５０との間には、遮断器（ＭＣＣＢ）６０が設けられている。遮断器６０は、短絡電流を遮断する。遮断器６０の定格遮断容量は、例えば４０ｋＡである。

第２電力供給部２０は、給電対象５０に接続された第１蓄電池群２１と、給電対象５０に第１蓄電池群２１と並列に接続された第２蓄電池群２２と、第１蓄電池群２１から給電対象５０側への一方向に電流の流れを整流する第１サイリスタスイッチＳＣＲ１と、第２蓄電池群２２から給電対象５０側への一方向に電流の流れを整流する第２サイリスタスイッチＳＣＲ２と、第１蓄電池群２１と第１サイリスタスイッチＳＣＲ１との間に設けられた第１スイッチング素子としてのスイッチング素子Ｓ１１およびスイッチング素子Ｓ１２と、第２蓄電池群２２と第２サイリスタスイッチＳＣＲ２との間に設けられた第２スイッチング素子としてのスイッチング素子Ｓ２１およびスイッチング素子Ｓ２２と、第１蓄電池群２１の電圧Ｖ２１を検出する電圧センサ２３と、第２蓄電池群２２の電圧Ｖ２２を検出する電圧センサ２４とを備える。

第１蓄電池群２１は、複数の蓄電池が直列並列に接続された第１蓄電池モジュールとしての蓄電池モジュール２１１および蓄電池モジュール２１２を含む。第２蓄電池群２２は、複数の蓄電池が直列並列に接続された第２蓄電池モジュールとしての蓄電池モジュール２２１および蓄電池モジュール２２２を含む。各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２に含まれる蓄電池の直列数は、給電対象５０に供給すべき電力の電圧に合わせて設定される。また、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２に含まれる蓄電池の並列数は、回路内に短絡が発生した際に、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２からの短絡電流が遮断器６０の定格遮断容量以下となる数に設定される。蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２は、給電対象５０に並列に接続される。これにより、一つずつの第１蓄電池群２１，第２蓄電池群２２の容量をより向上させることができる。本実施形態において、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２が有する複数の蓄電池は、リチウムイオン電池である。本実施形態において、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２の容量は、例えば２５ｋＷｈ程度であり、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２全体に蓄電される蓄電容量は、例えば１００ｋＷｈ程度である。

第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、給電対象５０側から第１蓄電池群２１側への電流の流れを遮断する逆阻止３端子型のサイリスタスイッチである。第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、ゲートにトリガ信号が入力されることで導通状態となり、第１蓄電池群２１側から給電対象５０側へと電力を供給させる。また、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、導通状態かつトリガ信号が入力されていない状態で、第１蓄電池群２１側より給電対象５０側の電圧が高くなると、すなわち逆バイアスが印加されると、第１蓄電池群２１側から給電対象５０側への電力の供給を遮断する非導通状態となる。第１サイリスタスイッチＳＣＲ１のゲートに入力されるトリガ信号は、制御部４０において生成される。第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、遮断器６０よりも第１蓄電池群２１側に設けられる。

第２サイリスタスイッチＳＣＲ２は、給電対象５０側から第２蓄電池群２２側への電流の流れを遮断する逆阻止３端子型のサイリスタスイッチである。第２サイリスタスイッチＳＣＲ２は、ゲートにトリガ信号が入力されることで導通状態となり、第２蓄電池群２２側から給電対象５０側へと電力を供給させる。また、第２サイリスタスイッチＳＣＲ２は、導通状態かつトリガ信号が入力されていない状態で、第２蓄電池群２２側より給電対象５０側の電圧が高くなると、すなわち逆バイアスが印加されると、第２蓄電池群２２側から給電対象５０側への電力の供給を遮断する非導通状態となる。第２サイリスタスイッチＳＣＲ２のゲートに入力されるトリガ信号は、制御部４０において生成される。第２サイリスタスイッチＳＣＲ２は、遮断器６０よりも第２蓄電池群２１側に設けられる。すなわち、遮断器６０は、第１蓄電池群２１及び第２蓄電池群２２と給電対象５０との間に設けられている。

スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２は、例えばコンタクタといったオンオフを切替可能な周知のスイッチング素子である。スイッチング素子Ｓ１１は、蓄電池モジュール２１１と第１サイリスタスイッチＳＣＲ１との接続と接続の解除とを切り換える。スイッチング素子Ｓ１２は、蓄電池モジュール２１２と第１サイリスタスイッチＳＣＲ１との接続と接続の解除とを切り換える。スイッチング素子Ｓ２１は、蓄電池モジュール２２１と第２サイリスタスイッチＳＣＲ２との接続と接続の解除とを切り換える。スイッチング素子Ｓ２２は、蓄電池モジュール２２２と第２サイリスタスイッチＳＣＲ２との接続と接続の解除とを切り換える。スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２は、制御部４０によりオンオフ制御される。

電圧センサ２３は、検出した第１蓄電池群２１の電圧Ｖ２１を制御部４０へと出力する。電圧センサ２４は、検出した第２蓄電池群２２の電圧Ｖ２２を制御部４０へと出力する。なお、電圧センサは、蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２の電圧をそれぞれ検出するものを一つずつ設けてもよい。

第３電力供給部３０は、交流電源１１からの交流電力を直流電力に変換して第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２に供給する充電器３１と、充電器３１と第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２との間に設けられたスイッチング素子Ｓ３１とを有する。スイッチング素子Ｓ３１は、例えばコンタクタといったオンオフを切替可能な周知のスイッチング素子であり、制御部４０によりオンオフ制御される。

ここで、大容量蓄電池システム１は、第３電力供給部３０と第１蓄電池群２１との接続と接続の解除とを切り換える第１充電側スイッチング素子としてのスイッチング素子Ｓ３２と、第３電力供給部３０と第２蓄電池群２２との接続と接続の解除とを切り換える第２充電側スイッチング素子としてのスイッチング素子Ｓ３３とを有している。スイッチング素子Ｓ３２は、第３電力供給部３０のスイッチング素子Ｓ３１と第２電力供給部２０のスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２とに接続されている。スイッチング素子Ｓ３３は、第３電力供給部３０のスイッチング素子Ｓ３１と第２電力供給部２０のスイッチング素子Ｓ２１，Ｓ２２とに接続されている。スイッチング素子Ｓ３２，Ｓ３３は、例えばコンタクタといったオンオフを切替可能な周知のスイッチング素子であり、制御部４０によりオンオフ制御される。

また、大容量蓄電池システム１は、第１電力供給部１０と給電対象５０との接続と接続の解除とを切り換える第１給電側スイッチング素子としてのスイッチング素子Ｓ３４と、一端がスイッチング素子Ｓ３４と給電対象５０との間に接続されると共に他端が第３電力供給部３０とスイッチング素子Ｓ３２及びスイッチング素子Ｓ３３との間に接続されて、第３電力供給部３０と給電対象５０との接続と接続の解除とを切り換える第２給電側スイッチング素子としてのスイッチング素子Ｓ３５とを備える。スイッチング素子Ｓ３４及びスイッチング素子Ｓ３５は、例えばコンタクタといったオンオフを切替可能な周知のスイッチング素子であり、制御部４０によりオンオフ制御される。

制御部４０は、電圧センサ２３からの第１蓄電池群２１の電圧Ｖ２１の値と、電圧センサ２４からの第２蓄電池群２２の電圧Ｖ２２の値とを入力する。制御部４０は、第１電力供給部１０，第２電力供給部２０，および第３電力供給部３０の何れかから給電対象５０へと無停電に電力が供給されるように、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，Ｓ３５のオンオフ制御を行うと共に、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１，第２サイリスタスイッチＳＣＲ２にトリガ信号を出力する。

制御部４０は、通常時、すなわち交流電源１１から給電対象５０へと電力を供給する場合、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１および第２サイリスタスイッチＳＣＲ２にトリガ信号を出力することなく非導通状態としたままで、スイッチング素子Ｓ３４をオンすると共にスイッチング素子Ｓ３５をオフする。これにより、第１電力供給部１０の整流器１２で直流電力に変換された交流電源１１からの電力が給電対象５０へと供給される。

制御部４０は、第１電力供給部１０から給電対象５０に電力を供給している状態（スイッチング素子Ｓ３４をオンしてスイッチング素子Ｓ３５をオフしている状態）で、電圧センサ２３から入力した電圧Ｖ２１または電圧センサ２４から入力した電圧Ｖ２２の値に基づいて、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２をオンオフ制御すると共に、スイッチング素子Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３をオンオフ制御し、第３電力供給部３０から各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２に充電電力を供給させる。具体的には、制御部４０は、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２のうち電圧が低下しているものがある場合には、スイッチング素子Ｓ３１をオンすると共に、当該電圧が低下している蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２に対応したスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２の何れか、並びにスイッチング素子Ｓ３２またはスイッチング素子Ｓ３３をオンとする。これにより、交流電源１１からの電力が充電器３１を介して電圧が低下した蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２のいずれかに供給される。なお、電圧が低下した蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２が複数ある場合には、当該電圧が低下したものに同時に充電電力を供給してもよい。

このように、スイッチング素子Ｓ３４をオンしてスイッチング素子Ｓ３５をオフしている状態で、スイッチング素子Ｓ３２またはスイッチング素子Ｓ３３をオンすれば、第１電力供給部１０から給電対象５０に電力を供給させながら、第３電力供給部３０から第１蓄電池群２１または第２蓄電池群２２へと充電電力を供給させることができる。この際、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１および第２サイリスタスイッチＳＣＲ２により、第１電力供給部１０からの電流が第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２側へと流れることが阻止されるため、第３電力供給部３０から第１蓄電池２１群または第２蓄電池２２群へと供給される充電電力を、蓄電池の充電特性に見合った充電電流および充電電圧に精度良く制御することが可能となる。

一方、制御部４０は、第３電力供給部３０から第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２に充電電力を供給しない場合、スイッチング素子Ｓ３１、または、スイッチング素子Ｓ３２及びスイッチング素子Ｓ３３をオフとしておく。すなわち、本実施形態の大容量蓄電池システム１では、充電を行う場合を除き、第３電力供給部３０と各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２とを切り離しておく。これにより、リチウムイオン電池の充電時に懸念される異常が発生することを抑制し、熱暴走を良好に抑制することが可能となる。従って、装置の安全性を確保することができる。さらに、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２を常時充電しないようにすることで、各蓄電池内部から水素ガス等が発生することを抑制することが可能となる。なお、リチウムイオン電池は、自己放電しづらいため、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２を常時充電しないようにしても、蓄電電力を十分に確保しておくことができる。

また、制御部４０は、第１電力供給部１０の整流器１２について保守点検を行う場合、スイッチング素子Ｓ３４をオフすると共に、スイッチング素子Ｓ３１およびスイッチング素子Ｓ３５をオンして、第３電力供給部３０から給電対象５０へと交流電源１１の電力を供給させる。この際、制御部４０は、スイッチング素子Ｓ３２，Ｓ３３をオフとし、第３電力供給部３０から第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２へと充電電力を供給させない。これにより、第１電力供給部１０の整流器１２について保守点検を行う場合にも、第３電力供給部３０を介して交流電源１１からの電力を給電対象５０へと供給させることができる。

制御部４０は、例えば停電等の非常時であって第１電力供給部１０の交流電源１１から給電対象５０へと給電できない場合、入力した電圧Ｖ２１または電圧Ｖ２２の値に基づいて、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１および第２サイリスタスイッチＳＣＲ２へのトリガ信号を生成・出力すると共に、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２をオンオフ制御し、第２電力供給部２０から給電対象５０へと給電させる。以下、この場合の大容量蓄電池システム１の動作について、詳細に説明する。

図２は、大容量蓄電池システム１において、第１蓄電池群２１に含まれる蓄電池モジュール２１１と給電対象５０とが接続された状態を示す概略図である。制御部４０は、あらかじめ蓄電池モジュール２１１に対応したスイッチング素子Ｓ１１をオンの状態としておき、停電等によって第１電力供給部１０の交流電源１１から給電対象５０へと電力を供給できない状態となると、図２に示すように、蓄電池モジュール２１１を含む第１蓄電池群２１に対応した第１サイリスタスイッチＳＣＲ１のゲートにパルス状のトリガ信号を出力して導通状態とする。これにより、図２において白い実線矢印で示すように、蓄電池モジュール２１１から給電対象５０へと直流電力が給電される。なお、本実施形態では、トリガ信号としてパルス状の信号を用いるため、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１が導通状態となった以降は、制御部４０からのトリガ信号の出力は停止されているものとする。

制御部４０は、蓄電池モジュール２１１から給電対象５０へと電力を供給している状態で、電圧センサ２３から入力される第１蓄電池群２１の電圧Ｖ２１、すなわち蓄電池モジュール２１１の電圧Ｖ２１を監視しておく。制御部４０は、蓄電池モジュール２１１の電圧Ｖ２１の値が所定電圧Ｖｒｅｆ以下となっていない場合、図２に示す状態を継続させる。

蓄電池モジュール２１１の放電が進み、蓄電池モジュール２１１の電圧Ｖ２１の値が所定電圧Ｖｒｅｆ以下となると、制御部４０は、蓄電池モジュール２２１に対応したスイッチング素子Ｓ２１をオンし、当該蓄電池モジュール２２１と、第２蓄電池群２２に対応した第２サイリスタスイッチＳＣＲ２とを接続させておく。所定電圧Ｖｒｅｆは、後述する切替時電圧Ｖｓよりも大きな値とされる。

さらに蓄電池モジュール２１１の放電が進み、蓄電池モジュール２１１の電圧Ｖ２１の値が切替時電圧Ｖｓ以下となると、制御部４０は、第２サイリスタスイッチＳＣＲ２のゲートにパルス状のトリガ信号を出力し、第２サイリスタスイッチＳＣＲ２を導通状態とする。切替時電圧Ｖｓは、本実施形態では、蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２の終止電圧である。なお、切替時電圧Ｖｓは、蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２の終止電圧よりも大きな値であってもよい。これにより、第２蓄電池群２２に含まれる電力供給前の蓄電池モジュール２２１と給電対象５０とが接続される。図３は、大容量蓄電池システム１において、第２蓄電池群２２に含まれる蓄電池モジュール２２１と給電対象５０とが接続された状態を示す概略図である。この状態では、図３に白い実線矢印で示すように、蓄電池モジュール２２１から給電対象５０への電力の供給が開始される。

ここで、まだ電圧が低下していない電力供給開始直後の蓄電池モジュール２２１は、切替時電圧（本実施形態では、終止電圧）Ｖｓにいたった蓄電池モジュール２１１よりも電圧が高い。そのため、蓄電池モジュール２２１から給電対象５０への電力の供給が開始されると、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、給電対象５０側の電圧が蓄電池モジュール２１１側の電圧よりも高くなる。そして、上述したように、制御部４０からの第１サイリスタスイッチＳＣＲ１へのパルス状のトリガ信号の出力は、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１が導通状態となった以降は停止されているため、蓄電池モジュール２１１の電圧Ｖ２１が切替時電圧Ｖｓ以下となる前に停止されている。従って、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、導通状態かつトリガ信号が入力されていない状態で、いわゆる逆バイアスが印加されることによって、自動的に非導通状態となる。これにより、蓄電池モジュール２１１から給電対象５０への電力の供給が停止される。すなわち、大容量蓄電池システム１は、第２サイリスタスイッチＳＣＲ２へのトリガ信号を出力するだけで、給電対象５０へと電力を供給する蓄電池群を第１蓄電池群２１から第２蓄電池群２２へと切り替えることが可能となる。また、本実施形態では、蓄電池モジュール２１１，２１２，２１３，２１４が並列に接続された複数の蓄電池を有するが、第１蓄電池群２１に対応した第１サイリスタスイッチＳＣＲ１とスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，第２蓄電池群２２に対応した第２サイリスタスイッチＳＣＲ２とスイッチング素子Ｓ２１，Ｓ２２だけを用いればよいため、蓄電池の並列数に合わせてスイッチング素子を設ける必要がない。従って、より簡易な構成および制御で給電対象５０に無停電に電力を供給することが可能となる。

また、上述したように、本実施形態の大容量蓄電池システム１では、蓄電池モジュール２１１の電圧Ｖ２１が切替時電圧Ｖｓよりも大きな所定電圧Ｖｒｅｆ以下となったときに、蓄電池モジュール２２１に対応したスイッチング素子Ｓ２１をオンしておく。これにより、蓄電池モジュール２１１の電圧が切替時電圧Ｖｓ以下となったときに、第２サイリスタスイッチＳＣＲ２を出力するだけで、速やかに蓄電池モジュール２２１から給電対象５０へと電力の供給を開始することができる。すなわち、大容量蓄電池システム１は、第２サイリスタスイッチＳＣＲ２へのトリガ信号を出力するだけで、給電対象５０へと電力を供給する蓄電池モジュールを蓄電池モジュール２１１から蓄電池モジュール２２１へと切り替えることが可能となる。この結果、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２の容量をより向上させつつ、より簡易な制御で、より確実に給電対象５０へと無停電で電力を供給することができる。

制御部４０は、給電対象５０へと電力を供給する蓄電池モジュールを蓄電池モジュール２１１から蓄電池モジュール２２１に切り替えた後、制御部４０は、スイッチング素子Ｓ１１をオフしておくと共に、蓄電池モジュール２２１の電圧Ｖ２２を監視しておく。そして、大容量蓄電池システム１は、蓄電池モジュール２２１の電圧Ｖ２２が低下した際には、上記蓄電池モジュール２１１から蓄電池モジュール２２１への切替と同様の手順で、給電対象５０へと電力を供給する蓄電池モジュールが第１蓄電池群２１に含まれる電力供給前の蓄電池モジュール２１２へと切り替わる。さらに、大容量蓄電池システム１は、蓄電池モジュール２１２の電圧Ｖ２１が低下した際には、同様の手順で、給電対象５０へと電力を供給する蓄電池モジュールが第２蓄電池群２２に含まれる電力供給前の蓄電池モジュール２２２へと切り替わる。なお、所定電圧Ｖｒｅｆおよび切替時電圧Ｖｓの値は、蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２ごとに異なる値とされてもよい。

このように、大容量蓄電池システム１は、複数の蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２を給電対象５０に並列に接続しておき、停電等の交流電源１１から給電対象５０に給電できない場合に、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２を給電対象５０へと逐次接続する。これにより、停電等の非常時に給電対象５０に供給すべき蓄電電力を十分に確保しておくことができる。特に、本実施形態のように、蓄電池として単セル容量が比較的小さいリチウムイオン電池を用いる場合にも、蓄電電力を十分に確保しておくことができる。

また、大容量蓄電池システム１は、複数の蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２を給電対象５０に逐次接続することで、電力供給中の蓄電池モジュール以外は、すべて給電対象５０から切り離しておくことができる。その結果、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２の容量をより向上させつつ、回路内のいずれかで短絡が発生した場合に、複数の蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２からの短絡電流が合わさり大きな短絡電流が流れることを抑制し、給電対象５０を良好に保護することが可能となる。

また、蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２からの短絡電流が合わさり大きな短絡電流が流れることを抑制することで、遮断器６０の遮断性能を高める必要がなくなる。この結果、遮断器６０として比較的簡易な（一般的な）ものを用いたり、既存の設備をそのまま利用したりすることができるため、設備全体としてのコストダウンを図ることが可能となる。また、上述したように、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２に含まれる蓄電池の並列数は、回路内に短絡が発生した際に、各蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２からの短絡電流が遮断器６０の定格遮断容量以下となる数に設定される。このように、一つ一つの蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２から流れ得る短絡電流が遮断器６０の定格遮断容量よりも大きくならないようしつつ、当該蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２を給電対象に複数並列に接続することで、比較的簡易な（一般的な）遮断器６０を用いながらも、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２全体の蓄電容量を十分に向上させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の大容量蓄電池システム１によれば、給電対象５０に複数の蓄電池を並列に接続した大容量蓄電池システムにおいて、安全性を確保しつつ、より簡易な制御で給電対象５０に無停電に電力を供給することができる。

本実施形態では、第２電力供給部２０が２つの蓄電池群（第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２）と、２つのサイリスタスイッチ（第１サイリスタスイッチＳＣＲ１および第２サイリスタスイッチＳＣＲ２）とを有するものとしたが、第２電力供給部２０は、３つ以上の蓄電池群と、各蓄電池群に対応した３つ以上のサイリスタスイッチとを有していてもよい。この場合にも、各蓄電池群に含まれる各蓄電池モジュールを上述した手順で給電対象５０に逐次接続すればよい。

また、本実施形態では、第１蓄電池群２１は、蓄電池モジュール２１１および２１２を有し、第２蓄電池群２２は、蓄電池モジュール２２１および２２２を有するものとしたが、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２は、蓄電池モジュールを少なくとも一つ含むものであればよく、給電対象５０に並列に接続された蓄電池モジュールを３つ以上含むものであってもよい。第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２が、一つの蓄電池モジュールのみを含むものである場合には、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２は、省略されてもよい。なお、第１蓄電群２１の容量のみで十分で、第２蓄電池群２２が必要とされない場合は、第２蓄電池群２２，第２サイリスタスイッチＳＣＲ２およびスイッチング素子Ｓ３３を省略してもよい。また、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２が、蓄電池モジュールを３つ以上含むものである場合には、各蓄電池モジュールと第１サイリスタスイッチＳＣＲ１または第２サイリスタスイッチＳＣＲ２との間に、スイッチング素子を設ければよい。

また、本実施形態では、第３電力供給部３０から充電電力を供給する場合を除き、第３電力供給部３０と第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２とを切り離すものとしたが、第３電力供給部３０と第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２とは、必要に応じて接続されてもよい。

また、本実施形態では、蓄電池モジュール２１１，２１２，２２１，２２２が有する蓄電池としてリチウムイオン電池を用いるものとしたが、蓄電池は、ニッケル水素電池、全固体電池、金属・空気電池、有機二次電池、リチウム金属電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池およびアルミニウムイオン電池のいずれかであってもよい。この場合にも、大容量蓄電池システム１によれば、各蓄電池群から大きな短絡電流が流れることを抑制することができるため、装置の安全性を確保することができ、また、蓄電容量を高めることができる。

なお、本実施形態では、制御部４０から第１サイリスタスイッチＳＣＲ１および第２サイリスタスイッチＳＣＲ２のゲートにパルス状のトリガ信号を出力するものとしたが、トリガ信号は、制御部４０から出力された後、給電中の蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧Ｖｓにいたる前に出力が停止されさえすれば、パルス状の信号である必要はない。

また、本実施形態では、制御部４０は、停電等によって第１電力供給部１０の交流電源１１から給電対象５０へと電力を供給できない状態となると、蓄電池モジュール２１１を含む第１蓄電池群２１に対応した第１サイリスタスイッチＳＣＲ１のゲートにパルス状のトリガ信号を出力して導通状態とするものとしたが、整流器１２の出力電圧が充電器３１の出力電圧より高い設定の場合には、予め第１サイリスタスイッチＳＣＲ１のゲートにトリガ信号を出力しておいてもよい。

これにより、整流器１２（第１電力供給部１０）から給電対象５０に電力を供給しながら、充電器３１（第３電力供給部３０）から第１蓄電池群２１に充電電力を供給している場合にも、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は逆バイアスの電圧が印加されて非導通状態を保つ。その結果、充電器３１（第３電力供給部３０）からの電力が給電対象５０側へと供給されることはなく、第１蓄電池群２１に充電電力を良好に供給することができる。そして、予め第１サイリスタスイッチＳＣＲ１にトリガ信号が出力されていることにより、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１は、停電等の交流電源１１からの電力を給電対象５０へと供給できない非常時に、整流器１２の出力電圧低下に伴って逆バイアスの電圧の印加が停止されたタイミングで速やかに導通状態となる。この結果、停電等の非常時に、蓄電池モジュール２１１から給電対象５０へと速やかに電力供給を開始させることができる。なお、停電等による整流器１２の出力電圧低下に伴い、第１サイリスタスイッチＳＣＲ１が導通状態となった以降は、制御部４０からのトリガ信号の出力は停止されているものとする。

また、本実施形態では、第３電力供給部３０から第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２へと充電電力を供給するものとしたが、蓄電池の充電特性や整流器１２の充電電圧や充電電流の制御性を勘案し、第３電力供給部３０（充電器３１とスイッチング素子Ｓ３１）を省略して、第１電力供給部１０（整流器１２）から給電対象５０への電力の供給と第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２への充電電力の供給の双方を行うものとしてもよい。この場合、スイッチング素子３４をオンとしスイッチング素子３５をオフとすれば、第１電力供給部１０から給電対象５０への電力供給を行い、第１蓄電池群２１および第２蓄電池群２２への充電電力の供給を停止することができる。

１大容量蓄電池システム
１０第１電力供給部
１１交流電源
１２整流器
２０第２電力供給部
２１第１蓄電池群
２２第２蓄電池群
２１１，２１２，２２１，２２２蓄電池モジュール
２３，２４電圧センサ
３０第３電力供給部
３１充電器
４０制御部
５０給電対象
６０遮断器
Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，Ｓ３５スイッチング素子
ＳＣＲ１第１サイリスタスイッチ
ＳＣＲ２第２サイリスタスイッチ

Claims

複数の蓄電池を有し、給電対象に並列に接続された複数の第１蓄電池モジュールを含み、前記給電対象に接続された第１蓄電池群と、
複数の蓄電池を有し、前記給電対象に並列に接続された複数の第２蓄電池モジュールを含み、前記給電対象に前記第１蓄電池群と並列に接続された第２蓄電池群と、
トリガ信号が入力されると前記第１蓄電池群から前記給電対象へと電力を供給させる導通状態となると共に、該導通状態かつ該トリガ信号が入力されていない状態で逆バイアスの電圧が印加されると前記第１蓄電池群から前記給電対象への電力の供給を遮断する非導通状態となる第１サイリスタスイッチと、
トリガ信号が入力されると前記第２蓄電池群から前記給電対象へと電力を供給させる導通状態となると共に、該導通状態かつ該トリガ信号が入力されていない状態で逆バイアスの電圧が印加されると前記第２蓄電池群から前記給電対象への電力の供給を遮断する非導通状態となる第２サイリスタスイッチと、
前記第１サイリスタスイッチおよび前記第２サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力する制御部と、
前記制御部によりオンオフ制御され、各前記第１蓄電池モジュールと前記第１サイリスタスイッチとの接続と該接続の解除とを切り換える複数の第１スイッチング素子と、
前記制御部によりオンオフ制御され、各前記第２蓄電池モジュールと前記第２サイリスタスイッチとの接続と該接続の解除とを切り換える複数の第２スイッチング素子と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１スイッチング素子の一つをオンすると共に前記第１サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力して該第１サイリスタスイッチを前記導通状態として、前記第１蓄電池群に含まれる前記第１蓄電池モジュールの一つから前記給電対象へと電力を供給させ、
電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が切替時電圧以下となる前に、前記第１サイリスタスイッチへの前記トリガ信号の出力を停止しておき、
前記電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が前記切替時電圧よりも大きな所定電圧以下となったときに、電力供給前の前記第２蓄電池モジュールの一つに対応した前記第２スイッチング素子をオンしておき、
前記電力供給中の前記第１蓄電池モジュールの電圧が前記切替時電圧以下となったときに、前記第２サイリスタスイッチに前記トリガ信号を出力して該第２サイリスタスイッチを導通状態として、前記第２蓄電池群に含まれる前記電力供給前の前記第２蓄電池モジュールの一つから前記給電対象へと電力を供給させることを特徴とする大容量蓄電池システム。
前記第１蓄電池群および前記第２蓄電池群に充電電力を供給する充電電力供給部と、
前記制御部によりオンオフ制御され、前記第１蓄電池群と前記充電電力供給部との接続と該接続の解除とを切り換える第１充電側スイッチング素子と、
前記制御部によりオンオフ制御され、前記第２蓄電池群と前記充電電力供給部との接続と該接続の解除とを切り換える第２充電側スイッチング素子と、をさらに備え、
前記制御部は、前記充電電力供給部から前記第１蓄電池群および前記第２蓄電池群に充電電力を供給しない場合は、前記第１充電側スイッチング素子および前記第２充電側スイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項１に記載の大容量蓄電池システム。
前記第１蓄電池群および前記第２蓄電池群とは異なる電源からの電力を前記給電対象へと供給する電源電力供給部と、
前記制御部によりオンオフ制御され、前記電源電力供給部と前記給電対象との接続と接続の解除とを切り換える第１給電側スイッチング素子と、
前記制御部によりオンオフ制御され、一端が前記第１給電側スイッチング素子と前記給電対象との間に接続されると共に他端が前記充電電力供給部と前記第１充電側スイッチング素子及び前記第２充電側スイッチング素子との間に接続されて、前記充電電力供給部と前記給電対象との接続と接続の解除とを切り換える第２給電側スイッチング素子と、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記電源電力供給部から前記給電対象へと電力を供給させる場合、前記第１給電側スイッチング素子をオンすると共に前記第２給電側スイッチング素子をオフし、
前記電源電力供給部の保守点検を行う場合、前記第１給電側スイッチング素子をオフすると共に前記第２給電側スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項２に記載の大容量蓄電池システム。
前記第１蓄電池群及び前記第２蓄電池群と前記給電対象との間に設けられた遮断器をさらに備え、
前記第１蓄電池モジュール及び前記第２蓄電池モジュールにおいて複数の前記蓄電池を前記給電対象に対して並列に接続する際、前記蓄電池の並列数は、前記第１蓄電池モジュールまたは前記第２蓄電池モジュールから短絡電流が流れた場合、前記短絡電流が前記遮断器の定格遮断容量未満となる数であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の大容量蓄電池システム。
前記蓄電池は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、全固体電池、金属・空気電池、有機二次電池、リチウム金属電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池およびアルミニウムイオン電池のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の大容量蓄電池システム。