JP5859341B2

JP5859341B2 - 電圧均等化装置及び方法並びにプログラム、それを備えた電力貯蔵システム

Info

Publication number: JP5859341B2
Application number: JP2012042312A
Authority: JP
Inventors: 正明南; 直毅園田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013179780A

Description

本発明は、電圧均等化装置及び方法並びにプログラム、それを備えた電力貯蔵システムに関するものである。

例えば、鉛蓄電池を大容量にする場合、従来は、単電池もしくは単電池を直列接続した電池より構成される組電池を並列接続していたが、近年は、従来よりも内部インピーダンスが低いリチウムイオン電池等の効率の良い二次電池によって構成される組電池が並列接続されるようになっている。リチウムイオン電池の場合、内部抵抗が格段に低いために、電池を直接並列接続すると製造のばらつきに起因したインピーダンスや接触抵抗の僅かな違いが生じると、他の組電池に過大電流が流れる可能性があるため、組電池に対応付けて電力変換器を接続し、電力変換器によって各組電池に流れる電流を制御して過電流が組電池に流れることを防止する方法が提案されている。
例えば、下記特許文献１では、複数の二次電池が接続される組電池に対応付けて電力変換装置を備える電力貯蔵装置において、電力変換装置を介して組電池を並列に接続させ、並列接続させた後に、各組電池間の電圧を制御し、各組電池の電圧差を解消する技術が開示されている。

特開２０１０−１４１９７０号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、１つの電力変換装置に対して電圧差が含まれる複数の組電池を並列接続させる場合には、各組電池間の電圧差を解消できないため組電池間に過電流が流れることを防止できず、組電池の損傷や材料の劣化が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、１つの電力変換装置に対して複数の組電池を並列に接続した場合であっても、組電池間に流れる過電流を防止できる電圧均等化装置及び方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、一の電力変換器に対して、二次電池からなる組電池が複数並列に接続される電力貯蔵装置の電圧均等化装置であって、各前記組電池に対応付けて設けられ、前記電力変換器と前記組電池との接続及び切り離しを切り替える切替手段と、電圧値が所定範囲外とされた前記組電池に対応する前記切替手段を接続させ、接続された前記切替手段に対応する前記組電池を充電及び放電させる制御手段と、を具備し、前記制御手段は、全ての前記組電池の電圧値が所定範囲内であることを検出した場合に、前記切替手段を順次接続させ、前記組電池を並列化する電圧均等化装置を提供する。

このような構成によれば、二次電池からなる複数の組電池が、一の電力変換器と切替手段を介して並列に接続され、電圧値が所定範囲外とされた組電池は、対応する切替手段が接続されることにより充電及び放電が制御される。また、全ての組電池の電圧値が所定範囲内であることが検出された場合に、切替手段が順次接続され、組電池が並列化される。
内部抵抗が低い組電池を複数並列に設け、電力変換器と接続した場合には、各組電池に電圧差が含まれると組電池間に過大な電流が流れ、組電池の損傷や組電池を構成する材料劣化が促進されることが推定される。本発明においては、所定範囲内になるように各組電池の電圧値を制御し、全ての組電池の電圧値が所定範囲内となった後に組電池を並列化させるので、内部抵抗が低い組電池を使用する場合であっても、組電池間に過大な電流が流れることを防ぎ、組電池の損傷や材料の劣化を防ぐことができる。また、内部抵抗が低い組電池とは、例えば、リチウム二次電池がある。

上記電圧均等化装置の前記制御手段は、定電流定電圧制御によって前記組電池の電圧値を制御し、前記所定範囲内に設けられる目標電圧値を前記定電流定電圧制御の指令値とすることとしてもよい。
これにより、組電池の電圧値を、確実に所定範囲内に収めることができる。

上記電圧均等化装置の前記制御手段は、複数の前記組電池のうち電圧値が最も高い前記組電池の電圧値を、前記所定範囲内の中心の電圧値とすることとしてもよい。
最も高い電圧値（以下「最高電圧値」という）に合わせて、他の組電池を充電させるので、所定範囲の設定を簡便に行うことができる。

上記電圧均等化装置の前記制御手段は、複数の前記組電池の電圧値の平均値を、前記所定範囲内の中心の電圧値とすることが好ましい。
組電池の電圧値を平均電圧値に揃えるよう制御することにより、多数の組電池が互いに小さな電圧差（平均電圧値付近の電圧値）であり、それ以外の少数の組電池と多数の組電池とに大きな電圧差がある場合には、各組電池の充放電にかかる制御量が、比較的少なくて済む。

本発明は、上記いずれかに記載の電圧均等化装置を備えた電力貯蔵システムを提供する。

本発明は、一の電力変換器に対して、二次電池からなる組電池が複数並列に接続される電力貯蔵装置の電圧均等化方法であって、各前記組電池に対応付けて設けられ、前記電力変換器と前記組電池との接続及び切り離しを切替手段によって切り替え、前記組電池の電圧値が所定範囲内にない場合には、電圧値が所定範囲外とされた前記組電池に対応する前記切替手段を接続させ、接続された前記切替手段に対応する前記組電池を充電及び放電させ、全ての前記組電池の電圧値が所定範囲内となった場合に、前記切替手段を順次接続させ、前記組電池を並列化する電圧均等化方法を提供する。

本発明は、一の電力変換器に対して、二次電池からなる組電池が複数並列に接続される電力貯蔵装置の電圧均等化プログラムであって、各前記組電池に対応付けて設けられ、前記電力変換器と前記組電池との接続及び切り離しを切替手段によって切り替える処理と、前記組電池の電圧値が所定範囲内にない場合には、電圧値が所定範囲外とされた前記組電池に対応する前記切替手段を接続させ、接続された前記切替手段に対応する前記組電池を充電及び放電させる処理と、全ての前記組電池の電圧値が所定範囲内となった場合に、前記切替手段を順次接続させ、前記組電池を並列化する処理とをコンピュータに実行させるための電圧均等化プログラムを提供する。

本発明は、１つの電力変換装置に対して複数の組電池を並列に接続した場合であっても、組電池間に流れる過電流を防止できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システムの概略構成を示した図である。

以下に、本発明に係る電圧均等化装置及び方法並びにプログラム、それを備えた電力貯蔵システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力貯蔵システム１の概略構成を示した図である。図１に示されるように、電力貯蔵システム１は、電力貯蔵装置１０及び電圧均等化装置２０を備えている。
電力貯蔵装置１０は、１個のパワーコンディショナ（電力変換器）２、二次電池からなるｎ個の組電池Ａ１〜Ａｎ、及び組電池Ａ１〜Ａｎに対応付けられたｎ個のバッテリマネジメントシステム（以下「ＢＭＳ」という）１〜ｎを備えており、１個のパワーコンディショナ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇＳｕｂｓｙｓｔｅｍ：以下「ＰＣＳ」という）に対して、ｎ個の組電池Ａ１〜Ａｎが並列に接続される構成となっている。なお、以下特に明記しない場合には、組電池Ａ１〜Ａｎは組電池Ａとし、ＢＭＳ１〜ＢＭＳｎはＢＭＳと記述する。

ＰＣＳ２は、電力系統（図示略）と接続されており、電力系統から取得した交流電力を直流電力に変換し、組電池Ａ側に出力する。また、パワーコンディショナ２は、組電池Ａ側から放電された直流電力を交流電力に変換し、電力系統側に送電する。
組電池Ａは、二次電池から構成されている。また、本実施形態で使用する二次電池は、内部抵抗が低い組電池であり、例えば、リチウム二次電池とする。
ＢＭＳは、各組電池Ａに対応して設けられており、対応する組電池Ａの電池電圧を図示しないセンサ等によって計測し、電池電圧情報として制御装置２０に出力する。

電圧均等化装置２０は、ｎ個の切替部（切替手段）Ｃ１〜Ｃｎ及び制御装置（制御手段）３を備えている。以下特に明記しない場合には、切替部は切替部Ｃとして記述する。
切替部Ｃは、各組電池Ａに対応付けて設けられ、ＰＣＳ２と組電池Ａとの接続及び切り離しを切り替える。具体的には、切替部Ｃは、制御装置３から取得する開閉信号に基づいて、接続と切り離しが切り替えられる。

制御装置３は、電圧値が所定範囲外とされた組電池Ａに対応する切替部Ｃを接続させ、接続された切替部Ｃに対応する組電池Ａを充電及び放電させる。具体的には、制御装置３は、各ＢＭＳから取得される電池電圧情報に基づいて、最高電圧値、及び最高電圧値となる組電池Ａである組電池Ａ´を検出する。制御装置３は、組電池Ａ´の電圧値（例えば、１５０Ｖ）を各組電池Ａの目標電圧値とする電圧指令値とし、所定範囲の中心の電圧値とする。また、制御装置３は、組電池Ａ´以外の組電池Ａに対応する切替部Ｃを順に接続させ、組電池Ａ´以外の組電池Ａの電圧値が、電圧指令値となるように充放電を制御する。ここで、所定範囲を示す領域として、電圧指令値に対する上下許容幅（例えば、±１Ｖ。）は、任意に設定できるものとする。

ここで、充電は定電流定電圧制御充電（ＣｏｎｓｔａｎｔＣｕｒｒｅｎｔ／ＣｏｎｓｔａｎｔＶｏｌｔａｇｅ；以下「ＣＣ−ＣＶ充電」という）方式により行われる。具体的には、ＢＭＳから検出された組電池Ａの電圧値が、目標電圧値（本実施形態では、最高電圧値）より低い充電の初期には、定電流制御（ＣＣ）される。充電が進み、組電池Ａの電圧値が目標電圧値に到達すると、定電圧制御（ＣＶ）され、充電電流が徐々に絞られる。さらに、充電電流が終止電流まで低下すると充電は終了される。同様に、放電は、ＣＣ−ＣＶ放電方式により行われ、放電初期は定電流制御（ＣＣ）され、電圧（組電池Ａの電圧）が減少し、目標電圧値に近づくと定電圧制御（ＣＶ）に移行される。
このように、制御装置３は、定電流定電圧制御によって組電池Ａの電圧値を制御する。

また、制御装置３は、全ての組電池Ａの電圧値が所定範囲内であることを検出した場合に、切替部Ｃを順次接続させ、組電池Ａを並列化する。

以下に、本実施形態に係る電力貯蔵システム１の制御方法について、具体的な数値を例に挙げて説明する。ここで示される電圧値等の数値は、説明のために用いる一例であって、特に限定されるものでない。
切替部Ｃ１〜Ｃｎは非接続状態とされており、ＢＭＳ１〜ＢＭＳｎは対応する組電池Ａ１〜Ａｎの電池電圧を計測し、計測結果を電池電圧情報として制御装置３に出力している。複数の組電池Ａを１つのＰＣＳ２に対して並列接続する場合には、制御装置３は、各ＢＭＳから取得した電池電圧情報のうち、最高電圧値（例えば、１５０Ｖ）を検出するとともに、最高電圧値を有する組電池Ａ´（例えば、組電池Ａ１とする）を検出する。制御装置３は、最高電圧値を有する組電池Ａ´以外の組電池Ａ２〜Ａｎに対し、電圧値が１５０Ｖになるまで充放電させることを決定する。

組電池Ａ２の電圧値が１４０Ｖであると検出された場合には、切替部Ｃ２が接続状態にされ、ＣＣ−ＣＶ充電制御され、組電池Ａ２が１５０Ｖまで充電される。組電池Ａ２の電圧値が１５０Ｖと推定された場合には、切替部Ｃ２が非接続状態にされる。ここで、切替部Ｃ２が非接続にされた後、組電池Ａ２の電圧値がチェックされ、所定範囲内（例えば、１５０Ｖ±１Ｖ）であることが検出された場合には、組電池Ａ２の充電は終了とされ、他の所定範囲外となっている組電池Ａ（例えば、組電池Ａ３）の充放電制御に移行する。組電池Ａ２の電圧値が所定範囲外である場合には、切替部Ｃ２を接続状態にし、充放電する制御を繰り返し、再度組電池Ａ２の電圧値チェックを行う。

組電池Ａ３の電圧値が１５５Ｖであると検出された場合には、切替部Ｃ３が接続状態にされ、ＣＣ−ＣＶ放電制御され、組電池Ａ３が１５０Ｖとなるまで放電される。組電池Ａ３の電圧値が１５０Ｖと推定された場合には、切替部Ｃ３が非接続状態にされる。切替部Ｃ３が非接続にされた後、組電池Ａ３の電圧値がチェックされ、所定範囲内１５０Ｖ±１Ｖであることが検出された場合には、組電池Ａ３の放電は終了とされ、他の組電池Ａの充放電制御に移行する。組電池Ａ３の電圧値が所定範囲外である場合には、切替部Ｃ３を接続状態にし、充放電する制御を繰り返し、再度組電池Ａ３の電圧値チェックを行う。
このように、所定範囲外となっている組電池Ａが、１つずつＰＣＳ２側と接続されて充放電する制御が繰り返され、全ての組電池Ａの電圧値が所定範囲内（最高電圧値±許容値）に揃えられる。

全ての組電池Ａの電圧値が所定範囲内であることが検出された場合には、切替部Ｃ１〜Ｃｎを所定の順序で、順に接続状態にされる。接続する順番としては、例えば、所定範囲内の電圧に揃えた組電池Ａの中で、電圧が高い組電池Ａから順番に接続することでもよい。これは、電圧を揃えた組電池Ａの中で、さらに電圧が近い組電池同士を接続することで、過大な電流を抑える効果がある。このとき、全ての組電池Ａの電圧値が所定範囲内となっているので、組電池間に過大な電流を流すことなく複数の組電池Ａを並列接続させることができる。

上述した実施形態に係る電力貯蔵システム１においては、上記処理の全て或いは一部を別途ソフトウェアを用いて処理する構成としてもよい。この場合、制御装置３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ等の主記憶装置、及び上記処理の全て或いは一部を実現させるためのプログラム（例えば、電圧均等化プログラム）が記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、ＣＰＵが上記記憶媒体に記録されているプログラムを読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の制御装置３と同様の処理を実現させる。
ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

以上説明してきたように、本実施形態に係る電圧均等化装置１及び方法並びにプログラム、電力貯蔵システム１によれば、複数の二次電池を有する組電池Ａ１〜Ａｎが、１つのＰＣＳ２と切替部Ｃ１〜Ｃｎを介して並列に接続され、電圧値が所定範囲外とされた組電池Ａは、対応する切替部Ｃが接続されることにより充電及び放電が制御される。また、全ての組電池Ａの電圧値が所定範囲内であることが検出された場合に、切替部Ｃが順次接続され、組電池Ａが並列化される。
このように、所定範囲内になるように各組電池Ａの電圧値を制御し、全ての組電池Ａの電圧値が所定範囲内となった後に組電池Ａを並列化させるので、内部抵抗が低い組電池（例えば、リチウム二次電池）を使用する場合であっても、組電池Ａ間に過大な電流が流れることを防ぎ、組電池の損傷や材料の劣化を防ぐことができる。

また、電池電圧を計測し、充放電制御することにより電圧差を管理し、切替部Ｃを接続する作業が自動化されるので、作業者による作業が不要となるほか、手動作業と比較し、電圧差の調整及び組電池の並列接続時間が短縮される。
さらに、組電池を並列接続する場合に、組電池Ａ間の電圧差を調整後に、手動で切替部の接続と切り離しをする場合と比較してヒューマンエラーが発生することがなく、組電池の損傷や材料の劣化を確実に防ぐことができる。

本実施形態で説明した電力貯蔵システムの電圧均等化方法は、例えば、システム立ち上げ時、メンテナンス時、組電池Ａの交換時などに用いて好適である。

なお、本実施形態においては、組電池Ａのうち最高電圧値を電圧指令値（所定範囲内の中心の電圧値）とすることとして説明していたが、より好ましくは、複数の組電池Ａの電圧値の平均値を、電圧指令値（所定範囲内の中心の電圧値）とすることである。組電池の電圧値を平均電圧値に揃えるよう制御することにより、多数の組電池が互いに小さな電圧差（平均電圧値付近の電圧値）であり、それ以外の少数の組電池と多数の組電池とに大きな電圧差がある場合には、各組電池の充放電にかかる制御量が、比較的少なくて済む。

１電力貯蔵システム
２パワーコンディショナ（ＰＣＳ）
３制御装置（制御手段）
１０電力貯蔵装置
２０電圧均等化装置
Ａ１〜Ａｎ組電池
ＢＭＳ１〜ＢＭＳｎバッテリマネジメントシステム（ＢＭＳ）
Ｃ１〜Ｃｎ切替部（切替手段）

Claims

一の電力変換器に対して、二次電池からなる組電池が複数並列に接続される電力貯蔵装置の電圧均等化装置であって、
各前記組電池に対応付けて設けられ、前記電力変換器と前記組電池との接続及び切り離しを切り替える切替手段と、
電圧値が所定範囲外とされた前記組電池に対応する前記切替手段を接続させ、接続された前記切替手段に対応する前記組電池を充電及び放電させる制御手段と、を具備し、
前記制御手段は、全ての前記組電池の電圧値が所定範囲内であることを検出した場合に、前記切替手段を順次接続させ、前記組電池を並列化する電圧均等化装置。
前記制御手段は、定電流定電圧制御によって前記組電池の電圧値を制御し、前記所定範囲内に設けられる目標電圧値を前記定電流定電圧制御の指令値とする請求項１に記載の電圧均等化装置。
前記制御手段は、複数の前記組電池のうち電圧値が最も高い前記組電池の電圧値を、前記所定範囲内の中心の電圧値とする請求項１または請求項２に記載の電圧均等化装置。
前記制御手段は、複数の前記組電池の電圧値の平均値を、前記所定範囲内の中心の電圧値とする請求項１または請求項２に記載の電圧均等化装置。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の電圧均等化装置を備えた電力貯蔵システム。
一の電力変換器に対して、二次電池からなる組電池が複数並列に接続される電力貯蔵装置の電圧均等化方法であって、
各前記組電池に対応付けて設けられ、前記電力変換器と前記組電池との接続及び切り離しを切替手段によって切り替え、
前記組電池の電圧値が所定範囲内にない場合には、電圧値が所定範囲外とされた前記組電池に対応する前記切替手段を接続させ、接続された前記切替手段に対応する前記組電池を充電及び放電させ、
全ての前記組電池の電圧値が所定範囲内となった場合に、前記切替手段を順次接続させ、前記組電池を並列化する電圧均等化方法。
一の電力変換器に対して、二次電池からなる組電池が複数並列に接続される電力貯蔵装置の電圧均等化プログラムであって、
各前記組電池に対応付けて設けられ、前記電力変換器と前記組電池との接続及び切り離しを切替手段によって切り替える処理と、
前記組電池の電圧値が所定範囲内にない場合には、電圧値が所定範囲外とされた前記組電池に対応する前記切替手段を接続させ、接続された前記切替手段に対応する前記組電池を充電及び放電させる処理と、
全ての前記組電池の電圧値が所定範囲内となった場合に、前記切替手段を順次接続させ、前記組電池を並列化する処理と
をコンピュータに実行させるための電圧均等化プログラム。