以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、本実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。電源システム1は、交流電源回路2と、交流スウィープユニット3と、絶縁フィルタT1,T2と、リレーR1,R2と、分電盤C1と、GCU(Group Control Unit)100とを備える。電源システム1は、たとえば住宅、学校、病院、商業施設、または駅のような建物に対して適用される。建物内に設置された分電盤C2は、電力系統PGと電源システム1との各々から電力の供給を受けられるように構成される。分電盤C2は、屋内配線と接続され、電力系統PGと電源システム1との少なくとも一方から供給される電力を屋内配線に分配する。なお、電力系統PGの需給状況は、サーバ200によって管理される。
交流電源回路2は、第1直流スウィープユニット10と、第2直流スウィープユニット20と、第3直流スウィープユニット30と、第1インバータ51と、第2インバータ61と、第3インバータ71とを備える。第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20、第3直流スウィープユニット30は、それぞれ電池ストリングSt1、St2、St3およびSCU52、62、72を含む。また、交流スウィープユニット3は、電池ストリングSt4~St9およびSCU41~46を含む。SCUは、「String Control Unit」を意味する。本実施の形態において、SCU41~46、52、62、72および電池ストリングSt1~St9の構成は、各スウィープユニット(交流スウィープユニット3、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20、第3直流スウィープユニット30)で実質的に同一であるため、これらの構成は、図2を用いて1つのスウィープユニットについてのみ説明する。
図2は、スウィープユニットSUの構成を示す図である。図2に示されるスウィープユニットSUの構成は、交流スウィープユニット3、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20、および第3直流スウィープユニット30に共通の構成である。スウィープユニットSUは、SCU(図1に示したSCU41~46、52、62、72に相当)と、駆動回路SUAと、電池ストリングSt(図1に示した電池ストリングSt1~St9に相当)とを備える。電池ストリングStは、複数の電池回路モジュールMを備える。本実施の形態において、電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールMの数は22個であるが、その数は任意であり、5~50個であってもよいし、100個以上であってもよい。本実施の形態では、各電池ストリングStが同じ数の電池回路モジュールMを含むが、電池ストリングStごとに電池回路モジュールMの数が異なっていてもよい。
各電池回路モジュールMは、電力回路SUBと、カートリッジCgとを含む。カートリッジCgは、電池Bと、監視ユニットBSとを含む。電力回路SUBと電池Bとが接続されることによって、電池Bを含む電池回路モジュールMが形成されている。駆動回路SUAは、電池回路モジュールMに含まれるスイッチ(より特定的には、後述するSW11およびSW12)を駆動するように構成される。電池Bは、ニッケル水素二次電池、あるいは、リチウムイオン二次電池であってもよい。電動車両で使用された二次電池を直列に接続することにより、電動車両で使用された二次電池を再利用して電池Bを製造してよい。
図2に示すように、電池回路モジュールMは、電力回路SUBと、カートリッジCgと、遮断器RB1およびRB2(以下、区別しない場合は「遮断器RB」と称する)とを含む。電力回路SUBとカートリッジCgとは、遮断器RB1およびRB2を介して、互いに接続されている。SCUは、GCU100からの制御指令に従って各遮断器RBをON/OFF制御することによって、電力回路SUBとカートリッジCgとの接続状態(導通/遮断)を切り替えるように構成される。遮断器RBは、電磁式のメカニカルリレーであってもよい。遮断器RBは、ユーザが手動でON/OFFできるように構成されてもよい。
本実施の形態では、カートリッジCgは、電力回路SUBに対して着脱可能に構成される。たとえば遮断器RB1およびRB2の各々がOFF状態(遮断状態)であるときに、ユーザはカートリッジCgを電力回路SUBから取り外してもよい。電池ストリングStは空きカートリッジがあっても動作可能であるため、ユーザは、電池ストリングStに含まれるカートリッジCgの数を増減しやすい。こうした電池ストリングStは、電池の再利用に適している。
カートリッジCgにおいて、監視ユニットBSは、電池Bの状態(たとえば、電圧、電流、および温度)を検出して、検出結果をSCUへ出力するように構成される。監視ユニットBSは、電池Bの電圧を検出する電圧センサと、電池Bの電流を検出する電流センサと、電池Bの温度を検出する温度センサとを含む。また、監視ユニットBSは、上記センサ機能に加えて、SOC(State Of Charge)推定機能、SOH(State of Health)推定機能、電池電圧の均等化機能、診断機能、および通信機能をさらに有するBMS(Battery Management System)であってもよい。SCUは、各監視ユニットBSの出力に基づいて、各電池Bの状態(たとえば、温度、電流、電圧、SOC、および内部抵抗)を取得し、得られた各電池Bの状態をGCU100へ出力する。
電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールMは共通の電線PLによって接続されている。電線PLは、各電池回路モジュールMの出力端子OT1およびOT2を含む。電池回路モジュールMの出力端子OT2が、当該電池回路モジュールMに隣接する電池回路モジュールMの出力端子OT1と接続されることによって、電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールM同士が接続されている。
電力回路SUBは、第1スイッチング素子11(以下、「SW11」と称する)と、第2スイッチング素子12(以下、「SW12」と称する)と、第1ダイオード13と、第2ダイオード14と、チョークコイル15と、コンデンサ16と、出力端子OT1およびOT2とを備える。SW11およびSW12の各々は、駆動回路SUAによって駆動される。この実施の形態に係るSW11、SW12は、それぞれ本開示に係る「第1スイッチ」、「第2スイッチ」の一例に相当する。
電力回路SUBの出力端子OT1およびOT2間には、SW11と、コンデンサ16と、電池Bとが並列に接続されている。SW11は、電線PL上に位置し、出力端子OT1と出力端子OT2との接続状態(導通/遮断)を切り替えるように構成される。出力端子OT1は電線BL1を介して電池Bの正極に接続されており、出力端子OT2は電線BL2を介して電池Bの負極に接続されている。遮断器RB1、RB2は、それぞれ電線BL1、BL2に設けられている。電線BL1には、SW12およびチョークコイル15がさらに設けられている。電池回路モジュールMにおいては、電池Bと直列に接続されたSW12がON状態(導通状態)であり、かつ、電池Bと並列に接続されたSW11がOFF状態(遮断状態)であるときに、出力端子OT1およびOT2間に電池Bの電圧が印加される。
出力端子OT1,OT2と電池Bとの間には、電線BL1および電線BL2の各々に接続されたコンデンサ16が設けられている。コンデンサ16の一端は、SW12とチョークコイル15との間で電線BL1に接続されている。コンデンサ16は、電池Bの電圧を平滑化して出力端子OT1およびOT2間に出力する。
SW11およびSW12の各々は、たとえばFET(電界効果トランジスタ)である。第1ダイオード13、第2ダイオード14は、それぞれSW11、SW12に対して並列に接続されている。SW12は、出力端子OT1とチョークコイル15との間に位置する。チョークコイル15は、SW12と電池Bの正極との間に位置する。電池B、チョークコイル15、およびコンデンサ16によってRCLフィルタが形成される。このRCLフィルタによって電流の平準化が図られる。なお、SW11およびSW12の各々は、FETに限られず、FET以外のスイッチであってもよい。
SCUは、GCU100からの制御指令に従ってゲート信号を生成する。駆動回路SUAは、電池回路モジュールMごとに設けられており、ゲート信号に従ってSW11およびSW12を駆動するGD(ゲートドライバ)81と、ゲート信号を遅延させる遅延回路82とを含む。電池回路モジュールMに含まれるSW11およびSW12の各々は、ゲート信号に従ってON/OFF制御される。
図3は、ゲート信号によって制御される電池回路モジュールMの動作の一例を示すタイムチャートである。この実施の形態では、SW11およびSW12を駆動するためのゲート信号として、矩形波信号を採用する。図3中に示されるゲート信号の「Low」、「High」は、それぞれゲート信号(矩形波信号)のLレベル、Hレベルを意味する。また、「出力電圧」は、出力端子OT1およびOT2間に出力される電圧を意味する。
電池回路モジュールMの初期状態では、駆動回路SUAにゲート信号が入力されず(ゲート信号=Lレベル)、SW11、SW12がそれぞれON状態、OFF状態になっている。
駆動回路SUAにゲート信号が入力されると、GD81が、入力されたゲート信号に従ってSW11およびSW12を駆動する。図3に示す例では、タイミングt1で、ゲート信号がLレベルからHレベルに立ち上がり、ゲート信号の立ち上がりと同時にSW11がON状態からOFF状態に切り替わる。そして、ゲート信号の立ち上がりから所定の時間(以下、「dt1」と表記する)だけ遅れたタイミングt2で、SW12がOFF状態からON状態に切り替わる。これにより、電池回路モジュールMが駆動状態になる。以下、ゲート信号の立ち上がりからdt1が経過するまでの期間を、「第1遅延期間」とも称する。
図4は、駆動状態の電池回路モジュールMを示す図である。図4を参照して、駆動状態の電池回路モジュールMでは、SW11がOFF状態かつSW12がON状態になることで、出力端子OT1およびOT2間に電池Bの電圧が印加される。電池Bの電圧がコンデンサ16を介して出力端子OT1およびOT2間に印加されることで、電圧Vmが出力端子OT1およびOT2間に出力される。
再び図3を参照して、タイミングt3で、ゲート信号がHレベルからLレベルに立ち下がると、ゲート信号の立ち下がりと同時にSW12がON状態からOFF状態に切り替わる。これにより、電池回路モジュールMが停止状態になる。停止状態の電池回路モジュールMでは、SW12がOFF状態になることで、出力端子OT1およびOT2間に電池Bの電圧が印加されなくなる。その後、ゲート信号の立ち下がりから所定の時間(以下、「dt2」と表記する)だけ遅れたタイミングt4で、SW11がOFF状態からON状態に切り替わる。dt1とdt2とは互いに同じであっても異なってもよい。この実施の形態では、dt1およびdt2の各々を100n秒とする。ただし、dt1およびdt2の各々は任意に設定できる。
以下、ゲート信号の立ち下がりからdt2が経過するまでの期間を、「第2遅延期間」とも称する。また、第2遅延期間終了から電池回路モジュールMが駆動状態になるまでの期間を、「停止期間」とも称する。
図5は、遅延期間における電池回路モジュールMの状態を示す図である。図5に示すように、第1遅延期間および第2遅延期間の各々では、SW11およびSW12の両方がOFF状態になる。
図6は、停止期間における電池回路モジュールMの状態を示す図である。図6に示すように、停止期間では、初期状態と同様、SW11がON状態かつSW12がOFF状態になる。
上記遅延期間および停止期間のいずれの期間においても、電池回路モジュールMは停止状態になっている。停止状態の電池回路モジュールMでは、出力端子OT1およびOT2間に電圧が印加されない。第1遅延期間および第2遅延期間が設けられていることで、SW11およびSW12が同時にON状態になること(すなわち、電池回路モジュールMが短絡状態になること)が抑制される。
電池ストリングStに含まれる電池回路モジュールMを、上述のように制御することにより、駆動状態の電池回路モジュールMの数を調整することができ、電池ストリングStの出力電圧を制御することができる。同時に駆動状態になる電池回路モジュールMの数を調整することにより、スウィープユニットSUは、0Vから、電池ストリングStに含まれる各電池Bの電圧の総和までの電圧を出力可能に構成される。
再び図1を参照して、第1直流スウィープユニット10は、上述したスウィープユニットSUの構成を有する。すなわち、第1直流スウィープユニット10は、電池ストリングSt1とSCU52とを含む。電池ストリングSt1に含まれる電池回路モジュールMの電池Bは、ニッケル水素二次電池である。第1直流スウィープユニット10から出力された直流電力は、第1インバータ51に入力される。図7は、第1インバータ51の構成を示す図である。図1とともに図7を参照して、第1インバータ51は、三相インバータであり、U相アームに互いに直列に接続されたスイッチング素子q1、q2と、V相アームに互いに直列に接続されたスイッチング素子q3、q4と、W相アームに互いに直列に接続されたスイッチング素子q5、q6とを備える。スイッチング素子q1~q6のコレクタ-エミッタ間には、ダイオードd1~d6が逆並列にそれぞれ接続されている。
第1インバータ51の各相アームの中間点は、絶縁フィルタT1に接続されており、さらに、リレーR1および分電盤C1を介して、電力系統PGに接続されている(図1参照)。第1インバータ51の各スイッチング素子q1~q6は、GCU100からの制御指令によって、たとえば、PWM(Pulse Width Modulation)制御によりON/OFFされる。第1インバータ51は、第1直流スウィープユニット10から出力される直流電力を交流電力(三相交流電力)に変換して電力系統PGへ供給する。また、第1インバータ51は、電力系統PGから供給される交流電力(三相交流電力)を、直流電力に変換して第1直流スウィープユニット10に供給し、電池ストリングSt1の電池Bを充電する。本実施の形態において、第1インバータ51は、電動車両の三相同期電動機を駆動するために使用された三相インバータを再利用している。
図1において、電池ストリングSt2とSCU62とを含む第2直流スウィープユニット20、および、電池ストリングSt3とSCU72とを含む第3直流スウィープユニット30の各々は、第1直流スウィープユニット10と同じ構成を有する。第2直流スウィープユニット20に接続された第2インバータ61、および、第3直流スウィープユニット30に接続された第3インバータ71の各々は、図7に示した第1インバータ51と同じ構成を有する。第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20、および第3直流スウィープユニット30は、図1に示すように、絶縁フィルタT1に対して並列に接続されている。第1インバータ51、第2インバータ61、および第3インバータ71の各相アームの中間点(図7参照)が電力線で接続されている。そして、交流電源回路2は、並列に接続された第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20、および第3直流スウィープユニット30から第1~第3インバータ51,61,71を介して交流電力(三相交流電力)を絶縁フィルタT1へ出力する。
図8は、交流スウィープユニット3の構成を示す図である。図8を参照して、電池ストリングSt4、St5、St6、St7、St8、St9は、それぞれ第1のU相用電池ストリング、第2のU相用電池ストリング、第1のV相用電池ストリング、第2のV相用電池ストリング、第1のW相用電池ストリング、第2のW相用電池ストリングに相当する。電池ストリングSt4~St9の各々は、図2に示した電池ストリングStと実質的に同一の構成を有し、SCU41~46の各々は、図2に示したSCUと実質的に同一の構成を有する。
本実施の形態において、電池ストリングSt4、St6、およびSt8の各々に含まれる電池回路モジュールMの電池Bは、三元系(NMC)のリチウムイオン二次電池である。また、電池ストリングSt5、St7、およびSt9の各々に含まれる電池回路モジュールMの電池Bは、リン酸鉄系(LFP)のリチウムイオン二次電池である。
図8において、電池ストリングSt4の正極端子と電池ストリングSt5の正極端子とは、電力線PLuに接続されている。電池ストリングSt6の正極端子と電池ストリングSt7の正極端子とは、電力線PLvに接続されている。電池ストリングSt8の正極端子と電池ストリングSt9の正極端子とは、電力線PLwに接続されている。また、各電池ストリングSt4~St9の負極端子は、中性点N1に接続されている。交流スウィープユニット3は、並列に接続された電池ストリングSt4およびSt5と、並列に接続された電池ストリングSt6およびSt7と、並列に接続された電池ストリングSt8およびSt9とが、Y結線された構成を有する。
SCU41~46は、GCU100からの制御指令により、各電池回路モジュールMのSW11およびSW12を数十kHzのスイッチング周波数で制御して、各電池ストリングSt4~St9のストリング電圧(出力電圧)を、図8の下方に示した電圧波形になるように制御する。図8において、線L11は、U相用電池ストリング(電池ストリングSt4,St5)のストリング電圧である。線L12は、V相用電池ストリング(電池ストリングSt6,St7)のストリング電圧である。線L13は、W相用電池ストリング(電池ストリングSt8,St9)のストリング電圧である。線L11、線L12、および線L13は、位相が120°ずれた正弦波であり、その周波数は、電力系統PGに対応した60Hzである。
このように、電池ストリングSt4~St9の各々のストリング電圧が制御されることにより、電力線PLu、PLv、およびPLwの線間電圧は、図8の上方に示した電圧波形になる。図8において、線L21は電力線PLuと電力線PLvの線間電圧「Vuv」を示し、線L22は電力線PLwと電力線PLuの線間電圧「Vwu」を示し、線L23は電力線PLvと電力線PLwの線間電圧「Vvw」を示している。各線間電圧は、周期的に極性(正/負)が変わる正弦波交流波形になる。これにより、交流スウィープユニット3から、交流電力(三相交流電力)が出力される。
再び図1を参照して、交流電源回路2から出力された交流電力は、絶縁フィルタT1、リレーR1、および分電盤C1を介して、電力系統PGに供給される。交流スウィープユニット3から出力された交流電力は、絶縁フィルタT2、リレーR2、および分電盤C1を介して、電力系統PGに供給される。このように、電源システム1は、電力系統PGに対して、交流電源回路2および交流スウィープユニット3から三相交流電力を逆潮流する系統連携運転が可能とされている。
絶縁フィルタT1およびT2の各々は、たとえば、LCLフィルタと三相トランスとを含む。絶縁フィルタT1およびT2の各々は、LCLフィルタによって三相交流成分のノイズ成分を低減し、三相トランスによって三相交流電力を所定の電圧(たとえば、200V)に変換するとともに入力側と出力側との絶縁を行なう。
リレーR1およびR2の各々は、たとえば電磁式のメカニカルリレーであり、GCU100によってリレーR1のON/OFFを制御することにより、交流電源回路2と電力系統PGとの接続(並列)/遮断(解列)を行なう。また、GCU100によってリレーR2のON/OFFを制御することにより、交流スウィープユニット3と電力系統PGとの接続(並列)/遮断(解列)を行なう。
分電盤C1は、漏電遮断器および/またはブレーカを備え、交流電源回路2と交流スウィープユニット3とに含まれる電池ストリングStの電池Bを充電する際に、電力系統PGの電力を交流電源回路2と交流スウィープユニット3とに分配する。また、分電盤C1は、交流電源回路2と交流スウィープユニット3とから出力された電力を、電力系統PGおよび/または分電盤C2へ供給する。
なお、交流電源回路2に含まれる電池ストリングStの電池Bを充電する際には、電力系統PGから供給される交流電力を第1~第3インバータ51,61,71が直流電力に変換することで電池Bを充電する。交流スウィープユニット3に含まれる電池ストリングStの電池Bを充電する際には、電力系統PGから供給される交流電圧に対して電池ストリングStの電圧が少し低くなるようにSCU41~46がSW11およびSW12を制御することで電池Bを充電する。
交流電源回路2が出力する交流電力と、交流スウィープユニット3が出力する交流電力とは、電力系統PGが出力する交流電力とともに、分電盤C2を介して、構内または宅内の配線に供給される。
サーバ200は、電力会社(発電事業者および送配電事業者)によって提供される電力系統PG(電力網)の需給を管理する。サーバ200は、GCU100と通信可能に構成され、必要に応じて、GCU100に電力系統PGの電力調整を要求する。GCU100は、サーバ200からの要求を受け、各SCUと、第1~第3インバータ51,61,71と、リレーR1、R2とを制御し、交流電源回路2および交流スウィープユニット3の入出力電力を調整する。
サーバ200から要求される電力調整は、下げDR(デマンドレスポンス)と上げDRに大別される。下げDRは、電力の需要を減らす要請である。本実施の形態では、下げDRの要請に際し、電池ストリングStの電池回路モジュールMに含まれる電池Bから放電を行なうことにより、電源システム1から三相交流電力を出力し、電力系統PGに対して逆潮流を行なう。電力調整として交流電力の出力が要求されたとき、電源システム1から交流電力を出力する。上げDRは、電力の需要を増加する要請である。本実施の形態では、上げDRの要請に際し、電源システム1は、電池ストリングStの電池回路モジュールMに含まれる電池Bを充電することにより、要請に応える。電力調整として電力系統PGの電力消費が要求されたとき、電池Bの充電を行なう。
図9は、サーバ200から電力の調整要求がなされた際、GCU100が実行する処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、GCU100がサーバ200から調整要求を受信すると実行される。サーバ200から調整要求を受信すると、ステップ(以下、ステップを「S」と略す)10において、調整要求が、下げDRの要請か否かを判定する。調整要求が下げDRである場合、肯定判定されS11へ進み、調整要求が上げDRの場合、否定判定されS16へ進む。
S11では、GCU100が、下げDRの要請に応じて、交流電源回路2および交流スウィープユニット3から交流電力を出力し、電力系統PGへ供給する。GCU100は、リレーR1をONとして、交流電源回路2と電力系統PGを接続(並列)する。GCU100は、SCU52,62,72によって電池ストリングSt1~St3のSW11およびSW12を制御することにより、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20および第3直流スウィープユニット30から直流電力を出力させる。GCU100は、その直流電力を第1~第3インバータ51,61,71を用いて交流電力に変換させ、その交流電力(三相交流電力)を電力系統PGに供給する。また、GCU100は、リレーR2をONとして、交流スウィープユニット3と電力系統PGを接続(並列)するとともに、SCU41~46によって電池ストリングSt4~St9のSW11およびSW12を制御し、交流スウィープユニット3から交流電力(三相交流電力)を出力する。
続くS12では、交流電源回路2および交流スウィープユニット3から交流電力の出力を開始してから、第1所定期間が経過したか否かを判定する。第1所定期間は、たとえば5秒であってよい。第1所定期間が経過していない場合、否定判定されS11に戻り、交流電源回路2および交流スウィープユニット3から、交流電力の出力を継続する。第1経過時間が経過すると、肯定判定されS13へ進む。
S13では、交流電源回路2からの交流電力の出力を停止し、交流スウィープユニット3から交流電力を出力する。また、リレーR1をOFFとして、交流電源回路2と電力系統PGとを遮断(解列)する。GCU100は、第1~第3インバータ51,61,71の駆動を停止し、SCU52,62,72によって電池ストリングSt1~St3のSW11をON状態、SW12をON状態として、電池回路モジュールMを停止状態(図6参照)とする。
続くS14では、下げDRの期間が終了したか否かを判定する。たとえば、サーバ200から要求された下げDRの調整時間が完了したとき、下げDRの期間が終了したと判定してよい。下げDRの期間が終了していない場合、否定判定されS13へ戻り、交流スウィープユニット3から、交流電力の出力を継続する。下げDRの期間が終了すると、肯定判定されS15へ進む。
S15では、交流スウィープユニット3からの交流電力の出力も停止する。GCU100は、リレーR2をOFFとして、交流スウィープユニット3と電力系統PGを遮断(解列)するとともに、SCU41~46によって電池ストリングSt4~St9のSW11をON状態、SW12をON状態として、電池回路モジュールMを停止状態(図6参照)とすることにより、交流スウィープユニット3からの出力を停止し、今回のルーチンを終了する。
S16では、GCU100が、上げDRの要請に応じて、交流電源回路2および交流スウィープユニット3に含まれる電池Bの充電を行なう。GCU100は、リレーR1をONとして、交流電源回路2と電力系統PGとを接続(並列)する。GCU100は、第1~第3インバータ51,61,71を用いて電力系統PGの交流電力を直流電力に変換する。GCU100は、SCU52,62,72によって電池ストリングSt1~St3のSW11およびSW12を制御することにより、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20および第3直流スウィープユニット30に含まれる電池Bを充電する。GCU100は、リレーR2をONとして、交流スウィープユニット3と電力系統PGとを接続(並列)する。GCU100は、電力系統PGから供給される交流電圧に対して各電池ストリングStの電圧が低くなるようにSCU41~46によりSW11およびSW12を制御し、交流スウィープユニット3に含まれる各電池ストリングStの電池Bの充電を行なう。
続くS17では、交流電源回路2および交流スウィープユニット3が充電を開始してから、第2所定期間が経過したか否かを判定する。第2所定期間は、たとえば5秒であってよい。第2所定期間が経過していない場合、否定判定されS16に戻り、交流電源回路2および交流スウィープユニット3に含まれる電池Bの充電を継続する。第2経過時間が経過すると、肯定判定されS18へ進む。
S18では、電池BのSOCに応じて、電池Bの充電を行なう。GCU100は、交流電源回路2および交流スウィープユニット3における、電池ストリングStの電池回路モジュールMの監視ユニットBSから各電池BのSOCを取得している。GCU100は、各電池BのSOCに基づいて、電池ストリングStに含まれる各電池BのSOCが均一になるよう、SCUによって、SW11およびSW12を制御する。たとえば、第1直流スウィープユニット10の電池ストリングSt1に含まれる各電池BのSOCが均一になるよう、SCU52によってSW11およびSW12を制御する。同様に、他のスウィープユニット(交流スウィープユニット3、第2直流スウィープユニット20、第3直流スウィープユニット30)においても、そのスウィープユニットの電池ストリングStに含まれる各電池BのSOCが均一になるよう、SCUによってSW11およびSW12を制御する。これにより、各電池ストリングStのSOCが調整される。
S18において、各電池ストリングStのSOCが同じ値になるよう、電池B(電池ストリングSt)の充電を制御してもよい。また、交流スウィープユニット3に含まれる電池ストリングSt4~St9のSOCが、交流電源回路2に含まれる電池ストリングSt1~St3のSOCよりも大きくなるよう、電池B(電池ストリングSt)の充電を制御してもよい。この場合、たとえば、電池ストリングSt1~St3のSOCが80%を超えたとき、GCU100は、リレーR1をOFFとして、交流電源回路2と電力系統PGを遮断(解列)し、第1~第3インバータ51,61,71の駆動を停止し、SCU52,62,72によって電池ストリングSt1~St3のSW11をON状態、SW12をON状態として、電池回路モジュールMを停止状態として、充電を停止する。
続くS19では、上げDRの期間が終了したか否かを判定する。たとえば、サーバ200から要求された上げDRの調整時間が完了したとき、上げDRの期間が終了したと判定してよい。上げDRの期間が終了していない場合、否定判定されS18へ戻り、電池Bの充電を継続する。上げDRの期間が終了すると、肯定判定されS15へ進む。
S15では、電池Bの充電を停止する。GCU100は、リレーR2をOFFとして、交流スウィープユニット3と電力系統PGとを遮断(解列)するとともに、SCU41~46によって電池ストリングSt4~St9のSW11をON状態、SW12をON状態として、電池回路モジュールMを停止状態とすることにより、交流スウィープユニット3の電池Bの充電を停止する。また、交流電源回路2の電池Bの充電を行なっている場合は、上記の通り、GCU100は、リレーR1をOFFとして、交流電源回路2と電力系統PGとを遮断(解列)し、第1~第3インバータ51,61,71の駆動を停止する。その後、GCU100は、SCU52,62,72によって電池ストリングSt1~St3のSW11をON状態、SW12をON状態として、電池回路モジュールMを停止状態とする。そして、GCU100は、充電を停止した後、今回のルーチンを終了する。
交流電源回路2に含まれる、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20および第3直流スウィープユニット30の電池ストリングSt1~St3に含まれる各電池Bは、ニッケル水素二次電池である。交流スウィープユニット3の電池ストリングSt4~St9に含まれる各電池Bは、リチウムイオン二次電池である。これらのスウィープユニットにおいて使用されるリチウムイオン二次電池およびニッケル水素二次電池に関して、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度(Wh/kg)は、ニッケル水素二次電池のエネルギー密度より大きい。すなわち、この実施の形態に係るニッケル水素二次電池は、ラゴンプロットにおいて、左上の領域に位置し、パワー型(出力型)電池であるといえる。また、この実施の形態に係るリチウムイオン二次電池は、ラゴンプロットにおいて、右下の領域に位置し、エネルギー型(容量型)電池であるといえる。
交流スウィープユニット3では、各電池ストリングStのSW11およびSW12を数十kHzで制御して交流電力を出力しているので、効率が低く、最大出力(最大電力)を抑えることが望ましい。このため、交流スウィープユニット3の出力(kW)を大きくするには、電池ストリングStの並列数を多くする必要があり、コストの増大を招く。交流スウィープユニット3は最大出力(最大電力)を抑えることが望ましいので、交流スウィープユニット3の各電池Bは低レート(小さな電流)で充放電するよう使用することが好ましい。したがって、交流スウィープユニット3の各電池ストリングStの電池Bは、エネルギー密度が大きい、エネルギー型電池が望ましい。そこで、本実施の形態では、上述のリチウムイオン二次電池を用いている。
これに対して、交流電源回路2では、インバータを用いて交流電力を出力しているので、比較的効率が高く、最大出力を大きくすることが可能である。したがって、交流電源回路2の各電池B(すなわち、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20および第3直流スウィープユニット30の電池ストリングSt1~St3に含まれる各電池B)として、出力密度が大きいパワー型電池を用いることにより、交流電源回路2から大きな出力(kW)を出力することができる。そこで、本実施の形態では、上述のニッケル水素二次電池を用いている。
図9の例によれば、サーバ200から電力の調整要求がなされた際、調整要求が下げDRの要請であり、電力調整として交流電力の出力が要求されたとき(S10で肯定判定)、交流スウィープユニット3および交流電源回路2から交流電力を出力する(S11)。交流電力の出力要求があったとき、交流スウィープユニット3の出力に加え、出力密度の高い電池を含む交流電源回路2(第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20および第3直流スウィープユニット30の電池ストリングSt1~St3)から高出力の電力を出力するので、早期に電流を安定させることができる。そして、第1所定期間経過後(S12で肯定判定)、交流電源回路2からの交流電力の出力を停止して、交流スウィープユニット3から交流電力を出力する(S13)。第1所定期間経過後には、電流が安定するので、交流スウィープユニット3のみから電力を出力することにより、電力調整に応えることができる。特に、本実施の形態では、交流スウィープユニット3の電池ストリングStの電池Bは、エネルギー密度が大きく、長時間にわたって、効率良く、安定して交流電力を出力することが可能になる。
図9の例によれば、サーバ200から電力の調整要求がなされた際、調整要求が上げDRの要請であり、電力調整として電力系統PG(外部電源)の電力消費が要求されたとき(S10で否定判定)、交流スウィープユニット3および交流電源回路2に含まれる電池Bの充電を行なう(S16)。電力系統PGの電力の消費要求があったとき、交流スウィープユニット3に含まれる電池Bに加え、出力密度の高い電池を含む交流電源回路2の電池B(第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20および第3直流スウィープユニット30に含まれる電池B)へ充電が行われる。出力密度の高い電池Bは入力密度も高いので、早期に電流(充電電流)を安定することができる。そして、第2所定期間経過後には、電流が安定するので、電池BのSOCに応じて充電を行なうことにより、安定した充電を行なうことができる。
上記実施の形態において、第1所定期間を、交流電源回路2に含まれる電池B(電池ストリングSt1~St3)の状態に応じて、設定するようにしてもよい。図10は、第1所定期間を設定するマップの例を示した図である。図10(A)は、交流電源回路2の電池Bの温度に基づいて、第1所定期間を設定するマップである。横軸は電池Bの温度であり、縦軸は第1所定期間の時間を示している。電池Bの温度は、監視ユニットBSで検出した電池温度であってよい。横軸の電池Bの温度は、たとえば、電池ストリングSt1~St3に含まれる電池Bの温度の最大値であってよい。また、電池ストリングStに含まれる電池Bの平均温度を電池ストリングStの温度として、電池ストリングSt1~St3のうち、最も温度の高い電池ストリングStの温度を、図10(A)の横軸の電池Bの温度としてもよい。
交流電源回路2に含まれる電池B(電池ストリングSt1~St3の電池B)の温度が高いとき、たとえば、図10(A)に示した温度Tcより電池Bの温度が高い状態で電池Bから放電を行なうと、電池Bの劣化が促進される可能性がある。したがって、図10(A)に示すように、電池Bの温度が温度Tcよりも高いとき、第1所定期間を短く設定することにより、電池Bの放電時間(交流電源回路2からの交流電力の出力時間)を短くして、電池Bの劣化を抑制することができる。
図10(B)は、交流電源回路2の電池BのSOCに基づいて、第1所定期間を設定するマップである。横軸は電池BのSOCであり、縦軸は第1所定期間の時間を示している。電池BのSOCは、監視ユニットBSで推定したSOCであってもよい。本実施の形態では、上述のように、電池Bの充電時に、電池ストリングStに含まれる電池BのSOCが均一になるよう、SCUによって、SW11およびSW12を制御している。したがって、横軸の電池BのSOCは、電池ストリングSt1~St3のSOCであると見做すことができる。電池ストリングSt1~St3に含まれる電池BのSOCが小さい場合、交流電源回路2から交流電力を出力すると、電池BのSOCがさらに小さくなり、許容される下限値より小さくなって、電池Bの劣化が促進する可能性がある。したがって、図10(B)に示すように、電池BのSOCが小さいほど、第1所定期間が短くなるよう設定し、電池Bの放電時間(交流電源回路2からの交流電力の出力時間)を短くして、電池Bの劣化を抑制する。
第1所定期間は、図10(A)あるいは(B)のいずれかのマップを用いて設定してもよく、図10(A)および(B)の両方のマップを用いて設定してもよい。両方のマップを用いて設定する場合は、図10(A)のマップを用いて設定した第1所定期間と、図10(B)のマップを用いて設定した第1所定期間のうち、短い方を、第1所定期間として設定する。
本実施の形態によれば、第1~第3直流スウィープユニット10~30の出力を第1~第3インバータ51,61,71を用いて交流電力に変換し、交流電力を出力する交流電源回路2の電池ストリングStの電池として、出力密度の高いニッケル水素二次電池を使用している。また、Y結線されたU相用電池ストリング(電池ストリングSt4およびSt5)とV相用電池ストリング(電池ストリングSt6およびSt7)とW相用電池ストリング(電池ストリングSt8およびSt9)とから交流電力を出力する交流スウィープユニット3の電池Bとして、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池を使用している。したがって、本実施の形態の電源システム1では、パワー型電池(ニッケル水素二次電池)とエネルギー型電池(リチウムイオン二次電池)とを組み合わせることで、各電池に得意な出力(高出力/長期出力)を行わせることが可能になる。これにより、エネルギー型電池単独あるいはパワー型電池単独の電源システムよりも、安価に高出力かつ高容量の電源システム1を提供することができる。
本実施の形態では、交流スウィープユニット3は、電池ストリングStをY結線することで、交流(三相交流)を出力している。インバータを用いていないので、コストを削減することができる。
本実施の形態では、交流電源回路2では、第1直流スウィープユニット10、第2直流スウィープユニット20、および第3直流スウィープユニット30が並列に接続されている。第1~第3直流スウィープユニット10~30は、本開示の「直流スウィープユニット」に相当し、電池ストリングSt1~St3は、本開示の「直流用電池ストリング」に相当する。本実施の形態では、直流スウィープユニットを3個並列に接続していたが、直流スウィープユニットの数は、1個であってもよく、4個以上であってもよい。
本実施の形態では、交流スウィープユニット3において、U相用電池ストリングとして電池ストリングSt4およびSt5を使用し、V相用電池ストリングとして電池ストリングSt6およびSt7を使用し、W相用電池ストリングとして電池ストリングSt8およびSt9を使用している。U相用電池ストリング、V相用電池ストリング、およびW相用電池ストリングの数は、1個であってもよく、3個以上であってもよい。
本実施の形態では、電池ストリングSt4、St6、およびSt8の電池Bに、三元系(NMC)のリチウムイオン二次電池を使用し、電池ストリングSt5、St7、およびSt9の電池Bに、リン酸鉄系(LFP)のリチウムイオン二次電池を使用していたが、各電池ストリングStのリチウムイオン二次電池の種類は任意であり、各タイプのリチウムイオン二次電池が混在していてもよい。
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、上記した実施の形態の説明ではなくて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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。