JP7196022B2

JP7196022B2 - 蓄電システム及び温度管理方法

Info

Publication number: JP7196022B2
Application number: JP2019113689A
Authority: JP
Inventors: 弘行小林; 富二夫野村; 登茂美景山; 武司安田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2039-06-19
Also published as: JP2020205217A

Description

本発明は、蓄電システム及び温度管理方法に関する。

近年、蓄電システムにあっては、産業用の分野（例えば鉄道車両用車上電源装置、船舶用船上電源装置、水上艦船用高出力電源装置、高出力装備品用電源装置、各種発射装置用電源装置）で、短時間（数秒から数分）に必要なエネルギー（電力）を出力するための高入出力特性と、長時間に渡って運用するための大容量の双方を兼ね備えたニーズが高まってきている。

これに対して、従来の蓄電システムは、一般に、コンデンサや鉛蓄電池を蓄電素子として使用している。コンデンサは、高入出力特性に優れているが、容量に限界がある。また、鉛蓄電池は、容量は大きいが、高出力蓄電素子としての特性に限界があり、実現するためには高入出力化した蓄電モジュールが必要である。また、高出力化すればするほど蓄電モジュールの高温化と低温時の即応性及び蓄電池セル間の温度のばらつきによる性能劣化が問題となる。

特開２０００－３０６５６４号公報

本実施形態の課題は、高入出力特性と大容量の双方を兼ね備え、運用モードに応じた温度管理を行って高入出力特性を十分に発揮し、蓄電池セル間の温度のばらつきを抑えて蓄電池セルの性能劣化を防止することのできる蓄電システム及び温度管理方法を提供することにある。

本実施形態に係る蓄電システムは、蓄電ユニット群と、充電装置と、温度管理装置とを備える。蓄電ユニット群は、リチウムイオン二次電池を蓄電池セルとする複数の蓄電モジュールを直列接続した単位蓄電ユニットを直並列して負荷に電力を供給する。充電装置は、蓄電ユニット群に充電電流を供給する。温度管理装置は、蓄電ユニット群の単位蓄電ユニットから個々の蓄電モジュール内の温度情報を収集し、収集された温度情報から規定範囲外となる温度の蓄電池セルを特定し、該当する蓄電池セルの温度が規定範囲内に収まるように温度制御を行う。

本実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の図１に示す蓄電ユニットを拡大して示すブロック図である。本実施形態の図１に示すシステムコントローラの具体的な構成を示すブロック図である。本実施形態の図３に示すシステムコントローラにより蓄電システムの温度管理を行う手順を示すフローチャートである。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本実施形態における蓄電システムの構成を示すブロック図である。図１において、１１は電源制御装置、１２は蓄電ユニット、１３は負荷を示している。

電源制御装置１１は、システムコントローラ１１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１２と、充電器１１３と、温度管理装置１１４を備える。

システムコントローラ１１１は、外部のホスト装置（図示せず）と内部の蓄電ユニット１２と信号伝送ラインで接続され、相互に信号を送受信し、その信号の持つ情報に基づいてシステム全体を総括的に制御する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１２は、外部のＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）から直流電圧を受けてシステム全体の処理に必要な直流電圧に変換し出力する。

充電器１１３は、ＡＣまたはＤＣのバスラインを通じて交流または直流の電流を受け取り、充電に必要な直流電流を正極性ライン（＋）、接地ライン（－）によるパワーラインに出力する。

温度管理装置１１４は、蓄電ユニット１２からの温度情報を監視してその温度が一定範囲に入るように制御する。

蓄電ユニット１２は、図２に拡大して示すように、ユニット管理装置１２１とベースユニット１２２と拡張ユニット１２３を備える。

ユニット管理装置１２１は、パワーラインの正極性ライン（＋）、接地ライン（－）と接続するためのコンタクタＡ１，Ａ２と、ユニット全体を流れる電流量を継続する電流センサＡ３と、個々の蓄電池セルの動作管理と安全管理を行うＢＭＵ／ＳＳＵ（Battery Management Unit ／ Safety Supervisor Unit）Ａ４を備える。

ベースユニット１２２は、＃１～＃１２の蓄電モジュールＢ１０１～Ｂ１１２と、遮断器Ｂ２及びヒューズＢ３を直列に接続して構成される。同様に、拡張ユニット１２３は、＃１３～＃２４の蓄電モジュールＣ１０１～Ｃ１１２と、遮断器Ｃ２及びヒューズＣ３を直列に接続して構成される。

各ユニット１２２，１２３の蓄電モジュールＢ１０１～Ｂ１１２，Ｃ１０１～Ｃ１１２は、それぞれ内部に複数の蓄電池セルを直列接続したセル群と、各セルの温度情報を含む状態情報を取得してユニット管理装置１２１のＢＭＵ／ＳＳＵＡ４に通知するＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）を備える。上記蓄電池セルは、高入出力タイプのリチウムイオン二次電池セルであり、複数セルを直列接続することで、コンデンサ並みの高入出力電池モジュールを実現することができる。

遮断器Ｂ２は上位からの指示によりモジュール内直列回路を緊急遮断するもので、システム全体の事故をモジュール単位で防止することができる。ヒューズＢ３は、モジュール内直列回路に過電流が生じた場合に、この過電流に反応して回路を遮断し、他の回路への過電流を防止する。

さらに、上記ベースユニット１２２及び拡張ユニット１２３は、モジュール配列部の近傍には熱制御プレートＢ４，Ｃ４が配置される。熱制御プレートＢ４，Ｃ４は、詳細は図示しないが、冷却液を循環させて温度を下げる冷却する液冷プレートとヒータによる発熱により温度を上げる発熱プレートを備える。そして、電源制御装置１１の温度管理装置１１４に接続され、温度管理装置１１４からの指示に従ってモジュール配列部の温度を制御する。

なお、上記構成による蓄電ユニット１２は、図では１つだけ示しているが、パワーライン及び信号伝送ラインに並列接続することで、任意の容量を確保することができる。

上記負荷１３は、ここではドライブユニット１３１及び三相モータ１３２による駆動装置とし、短時間に高出力を要するものとする。

図２は、上記電源制御装置１１の具体的な構成を示すブロック図である。この電源制御装置１１において、システムコントローラ１１１は、演算処理を実行するＣＰＵ１１１ａ、ＣＰＵ１１１ａの実行プログラムを格納するＲＯＭ１１１ｂ、ＣＰＵ１１１ａの演算処理の作業空間を実装するＲＡＭ１１１ｃ、接続デバイスをＣＰＵ実行処理に従って制御するデバイスコントローラ１１１ｄを備え、それぞれをバス１１１ｅで接続して構成される。デバイスコントローラ１１１ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１２、充電器１１３、温度管理装置１１４を収容し、これらをＣＰＵ実行処理の管理下におく。

すなわち、電源制御装置１１は、システムコントローラ１１１の制御処理により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１２によってシステム全体の処理に必要な直流電圧を供給し、充電器１１３によって蓄電ユニット１２の出力状況を監視して充電電流を正極性ライン（＋）、接地ライン（－）によるパワーラインに出力して蓄電ユニット１２を充放電し、温度管理装置１１４によって蓄電ユニット１２からの温度情報を監視してその温度が一定範囲に入るように制御する。

図３は、上記温度管理装置１１４を用いて蓄電ユニット１２の温度を制御する処理の内容を示すフローチャートである。

まず、運用が開始されると、システムコントローラ１１１は、蓄電ユニット１２の蓄電モジュールＢ１０１～Ｂ１１２，Ｃ１０１～Ｃ１１２に設けられたＣＭＵで定期的に収集される蓄電池セル毎の温度情報をＢＭＵ／ＳＳＵＡ４を通じて取得し（ステップＳ１１）、それぞれのセル温度が規定範囲内か否かを判定する（ステップＳ１２）。その中で、一つでも温度が上限閾値以上のセルがある場合には、該当ユニットの熱制御プレートＢ４，Ｃ４に冷却を指示して、セル温度が上限閾値未満となるように制御する（ステップＳ１３，Ｓ１４）。また、一つでも温度が下限閾値以下のセルがある場合には、該当ユニットの熱制御プレートＢ４，Ｃ４に加熱を指示して、セル温度が下限閾値を超えるように制御する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。上記ステップＳ１２～Ｓ１６の処理をシステムの運用が停止されるまで継続する（ステップＳ１７）。

すなわち、上記構成による蓄電システムでは、蓄電池セルにリチウムイオン二次電池を採用したことにより、コンデンサ並みの高入出力特性(体積パワー密度：W/L)、および鉛蓄電池を超える高容量（体積エネルギー密度：Wh/L）の双方を兼ね備えた蓄電ユニットが実現している。

ここで、リチウムイオン二次電池は、温度が高温になると発火の恐れがあるため、６０℃以下で使用されるように温度管理する。本実施形態では、上限閾値を例えば５５℃に設定し、いずれかのセルがその上限閾値以上になった場合に、直ちに該当ユニットを冷却させ、その発熱を抑圧して発火の危険性を回避する。一方、リチウムイオン二次電池には、低温になるにつれて急激に入出力が低下する特性を有する。そこで、本実施形態では、下限閾値を例えば１５℃に設定し、いずれかのセルがその下限閾値以下になった場合に、直ちに該当ユニットを加熱し、そのセル温度の低下を抑制して高入出力特性を維持する。

以上のように、本実施形態に係る蓄電システムによれば、蓄電池セルにリチウムイオン二次電池を採用してモジュール化、ユニット化することで、コンデンサ並みの高入出力特性(体積パワー密度：W/L)、および鉛蓄電池を超える高容量（体積エネルギー密度：Wh/L）の双方を兼ね備えつつも、温度管理によって高温使用環境での発火の危険、低温使用環境での高入出力特性の低下を回避することができる。また、リチウムイオン二次電池の採用は、鉛蓄電池に比して軽量小型化が容易で、モジュール化及びユニット化における管理・制御も容易で、システム全体の小型化にも寄与することができる。この結果、体積パワー密度、体積エネルギー密度、出力特性（電圧及び電流）がいずれも良好な特性が得られるようになり、前述の産業用の分野において、特に鉄道車両用車上電源装置、船舶用船上電源装置、水上艦船用高出力電源装置、高出力装備品用電源装置、各種発射装置用電源装置等でのニーズに十分応えることが可能となった。

なお、上記実施形態では、蓄電ユニットが１台の場合で説明したが、複数台の蓄電ユニットを並列に接続して大容量化を図った場合には、ユニット単位で温度管理を行うことで、全体をバランスよく運用することが可能となる。

また、温度管理装置１１４において、いずれかのセルが上限閾値以上または下限閾値以下となり、該当ユニットの温度制御を行っても許容温度範囲を超える場合には、システムコントローラ１１１を通じてホスト装置に異常アラームを発して注意を促す。または即時に該当ユニットを切り離して発火の危険性を回避し、他のユニットへの影響を遮断する。

また、例えば負荷１３が稼働状態で高出力を要求している場合（高出力モード）と静止状態で低出力の場合（低出力モード）では、適正温度範囲が異なるため、温度管理の閾値をモード別に切り替えると効率を高めることができる。

また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…電源制御装置、
１１１…システムコントローラ、１１１ａ…ＣＰＵ、１１１ｂ…ＲＯＭ、１１１ｃ…ＲＡＭ、１１１ｄ…デバイスコントローラ、１１１ｅ…バス、
１１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、
１１３…充電器、
１１４…温度管理装置、
１２…蓄電ユニット、
１２１…ユニット管理装置、Ａ１，Ａ２…コンタクタ、Ａ３…電流センサ、Ａ４…ＢＭＵ／ＳＳＵ、
１２２…ベースユニット、Ｂ１０１～Ｂ１１２…蓄電モジュール（＃１～＃１２）、Ｂ２…遮断器、Ｂ３…ヒューズ、Ｂ４…熱制御プレート、
１２３…拡張ユニット、Ｃ１０１～Ｃ１１２…蓄電モジュール（＃１３～＃２４）、Ｃ２…遮断器、Ｃ３…ヒューズ、Ｃ４…熱制御プレート、
１３…負荷、１３１…ドライブユニット、１３２…三相モータ。

Claims

リチウムイオン二次電池を蓄電池セルとする複数の蓄電モジュールを直列接続した単位蓄電ユニットを直並列して負荷に電力を供給する蓄電ユニット群と、
前記蓄電ユニット群に充電電流を供給する充電装置と、
前記蓄電ユニット群の単位蓄電ユニットから個々の蓄電モジュール内の温度情報を収集し、収集された温度情報から規定範囲外となる温度の蓄電池セルを特定し、該当する蓄電池セルの温度が規定範囲内に収まるように温度制御を行う温度管理装置と
を具備する蓄電システム。
前記温度管理装置は、予め前記蓄電池セルの特性に合わせた上限温度閾値と下限温度閾値を設定し、その設定温度閾値の範囲内に収まるように前記温度制御を行う請求項１記載の蓄電システム。
前記複数の蓄電モジュールは、それぞれ内部の蓄電池セル毎の温度情報を取得する管理ユニットを備え、
前記温度管理装置は、前記複数の蓄電モジュールそれぞれの管理ユニットで取得される温度情報を収集する請求項１記載の蓄電システム。
前記単位蓄電ユニットは、前記複数の蓄電モジュールそれぞれの冷却及び加熱を行う熱制御プレートを備え、
前記温度管理装置は、前記複数の蓄電モジュールそれぞれの熱制御プレートに冷却、加熱の指示を送って前記温度制御を行う請求項１記載の蓄電システム。
前記温度管理装置が規定範囲外となる温度の蓄電池セルを特定し、該当する蓄電池セルの温度が規定範囲内に収まるように温度制御を行っても、前記蓄電池セルの温度が許容範囲を超える場合に異常発生時の処理を実行する異常検出処理装置を備える請求項１記載の蓄電システム。
前記温度管理装置は、負荷の動作状態に応じて温度制御範囲を変更する請求項１記載の蓄電システム。
リチウムイオン二次電池を蓄電池セルとする複数の蓄電モジュールを直列接続し、負荷の要求に合わせて直並列接続される単位蓄電ユニットから、個々の蓄電モジュール内の温度情報を収集し、収集された温度情報から規定範囲外となる温度の蓄電池セルを特定し、該当する蓄電池セルの温度が規定範囲内に収まるように温度制御を行う蓄電システムの温度管理方法。