JP6174154B2 - 蓄電池管理装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池管理装置、方法及びプログラムに関する。

近年、太陽光発電や風力発電などをはじめとした安全かつクリーンな自然エネルギーの導入が進んでいる。しかしながら、自然エネルギーの出力は不安定であり、大量導入が進むと電力系統における電圧や周波数に悪影響を及ぼすことが懸念される。また、電力需要に対してこれら自然エネルギーの供給量が大幅に上回ると、自然エネルギーの発電システムを停止しなければならず、発電設備の利用率が低下してしまう。

これらの問題を解決するために、二次電池を用いた大規模蓄電池を発電システムに併設し、蓄電池からの充放電電力により自然エネルギーの出力変動を抑制したり、電力余剰分を蓄電池に貯蔵するなどの用途が期待されている。

特開２０１３−１７９７３９号公報 特開２００９−１２４９３３号公報 特開２００９−２１２０２０号公報

ところで、電力系統向け蓄電池システムのように大規模な蓄電池システムにおいては、必要な蓄電容量を得るために、電池セルが複数直列接続された電池モジュールを複数並列にして一つの蓄電池装置とする構成を採っているものがある。

このような蓄電池装置のセルバランスは、蓄電池装置内の最低電圧の単電池セルの電圧を調整目標電圧として、他の単電池セルの電圧を調整するようにされていた。
しかしながら、例えば、蓄電池装置を構成する単電池セルに異常な低電圧が生じた場合、全てのセルが異常状態のセルに電圧調整されてしまうおそれがあった。

そこで、本発明はこれを解決するためになされたものであり、電池ユニットを構成している電池セル（あるいはセルモジュール）に異常があった場合でも影響の波及を抑制して可用性を高めた蓄電池管理装置、方法及びプログラムを提供することを目的としている。

実施形態の蓄電池管理装置は、複数の電池セルを有する複数の電池ユニットと、複数の電池ユニットとそれぞれコンタクタを介して接続され、主回路と接続された電力調整装置と、を備えた蓄電池システムにおいて電池ユニット毎に設けられ、対応する電池ユニットの管理を行う。
最小値判別部は、前記電力調整装置と同一の通信バスを介して接続されている全ての電池ユニットにおいて、各電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である電池ユニットのうち、最小セル電圧の最小値を判別する。
制御部は、通信バスを介して接続されている全ての電池ユニット中に、最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である電池ユニットが存在する場合には、最小値判別部により判別された前記最小セル電圧の最小値をセルバランス目標電圧として自己が管理している電池ユニットのセルバランス処理の制御を行うとともに、通信バスを介して接続されている全ての前記電池ユニットのそれぞれにおいて最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値を超えている場合には、自己が管理している電池ユニットを構成している電池セルの最小セル電圧をセルバランス目標電圧としてセルバランス処理の制御を行う。

図１は、複数系統の蓄電池システムを備えた自然エネルギー発電システムの概要構成図である。 図２は、実施形態の蓄電池システムの概要構成ブロック図である。 図３は、セルモジュール、ＣＭＵ及びＢＭＵの詳細構成説明図である。 図４は、実施形態のセルバランス実行判定動作の処理フローチャートである。

次に図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、複数系統の蓄電池システムを備えた自然エネルギー発電システムの概要構成図である。

自然エネルギー発電システム１００は、電力システムとして機能し、太陽光、水力、風力、バイオマス、地熱等の自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用し、系統電力として出力可能な自然エネルギー発電ユニット１と、自然エネルギー発電ユニット１の発電電力を測定する電力計２と、風力、電力計２の測定結果に基づいて自然エネルギー発電ユニット１の余剰電力を充電し、不足電力を放電して自然エネルギー発電ユニット１の発電電力に重畳して出力する複数の蓄電池システム３と、自然エネルギー発電ユニット１の出力電力（蓄電池システム３の出力電力が重畳されている場合も含む）の電圧変換を行う変圧器４と、蓄電池システム３ｎのローカルな制御を行う蓄電池制御コントローラ５と、蓄電池制御コントローラ５のリモート制御を行う上位制御装置６と、を備えている。

図２は、実施形態の蓄電池システムの概要構成ブロック図である。
蓄電池システム３は、大別すると、電力を蓄える蓄電池装置１１と、蓄電池装置１１から供給された直流電力を所望の電力品質を有する交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning System）１２と、を備えている。

蓄電池装置１１は、大別すると、複数の電池盤２１−１〜２１−Ｎ（Ｎは自然数）と、電池盤２１−１〜２１−Ｎが接続された電池端子盤２２と、を備えている。
電池盤２１−１〜２１−Ｎは、互いに並列に接続された複数の電池ユニット２３−１〜２３−Ｍ（Ｍは自然数）と、ゲートウェイ装置２４と、後述のＢＭＵ（Battery Management Unit：電池管理装置）及びＣＭＵ（Cell Monitoring Unit：セル監視装置）に動作用の直流電源を供給する直流電源装置２５と、を備えている。

ここで、電池ユニットの構成について説明する。
電池ユニット２３−１〜２３−Ｍは、それぞれ、高電位側電源供給ライン（高電位側電源供給線）ＬＨ及び低電位側電源供給ライン（低電位側電源供給線）ＬＬを介して、出力電源ライン（出力電源線；母線）ＬＨＯ、ＬＬＯに接続され、主回路である電力変換装置１２に電力を供給している。

電池ユニット２３−１〜２３−Ｍは、同一構成であるので、電池ユニット２３−１を例として説明する。
電池ユニット２３−１は、大別すると、複数（図１では、２４個）のセルモジュール３１−１〜３１−２４と、セルモジュール３１−１〜３１−２４にそれぞれ設けられた複数（図１では、２４個）のＣＭＵ３２−１〜３２−２４と、セルモジュール３１−１２とセルモジュール３１−１３との間に設けられたサービスディスコネクト３３と、電流センサ３４と、コンタクタ３５と、を備え、複数のセルモジュール３１−１〜３１−２４、サービスディスコネクト３３、電流センサ３４及びコンタクタ３５は、直列に接続されている。

ここで、セルモジュール３１−１〜３１−２４は、電池セルを複数、直並列に接続されて組電池を構成している。そして、複数の直列接続されたセルモジュール３１−１〜３１−２４で組電池群を構成している。

さらに電池ユニット２３−１は、ＢＭＵ３６を備え、各ＣＭＵ３２−１〜３２−２４の通信ライン、電流センサ３４の出力ラインは、ＢＭＵ３６に接続されている。
ＢＭＵ３６は、ゲートウェイ装置２４の制御下で、電池ユニット２３−１全体を制御し、各ＣＭＵ３２−１〜３２−２４との通信結果（後述する電圧データ及び温度データ）及び電流センサ３４の検出結果に基づいてコンタクタ３５の開閉制御を行う。

次に電池端子盤２２の構成について説明する。
電池端子盤２２は、電池盤２１−１〜２１−Ｎに対応させて設けられた複数の盤遮断器４１−１〜４１−Ｎと、蓄電池装置１１全体を制御するマイクロコンピュータとして構成されたマスタ（Master）装置４２と、を備えている。

マスタ装置４２には、電力変換装置１２との間に、電力変換装置１２のＵＰＳ（Uninterruptible Power System）１２Ａを介して供給される制御電源線５１と、イーサネット（登録商標）として構成され、通信バスとして機能してＢＭＵ３６がＰＣＳ１２との間で直接制御データのやりとりを行う制御通信線５２と、制御通信線５２に電気的に接続され、通信バスとして機能して他のＢＭＵ３６との間で直接データのやりとりを行う通信線５３と、が接続されている。

ここで、セルモジュール３１−１〜３１−２４、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４およびＢＭＵ３６の詳細構成について説明する。

図３は、セルモジュール、ＣＭＵ及びＢＭＵの詳細構成説明図である。
セルモジュール３１−１〜３１−２４は、それぞれ、直列接続された複数（図２では、１０個）の電池セル６１−１〜６１−１０を備えている。

ＣＭＵ３２−１〜３２−２４は、対応するセルモジュール３１−１〜３１−２４を構成している電池セルの電圧及び所定箇所の温度を測定するための電圧温度計測ＩＣ（Analog Front End IC:AFE-IC）６２と、それぞれが対応するＣＭＵ３２−１〜３２−２４全体の制御を行うＭＰＵ６３と、ＢＭＵ３６との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ（Controller Area Network）規格に則った通信コントローラ６４と、セル毎の電圧に相当する電圧データ及び温度データを格納するメモリ６５と、を備えている。

以下の説明において、セルモジュール３１−１〜３１−２４のそれぞれと、対応するＣＭＵ３２−１〜３２−２４と、を合わせた構成については、電池モジュール３７−１〜３７−２４と呼ぶものとする。例えば、セルモジュール３１−１と対応するＣＭＵ３２−１を合わせた構成を電池モジュール３７−１と呼ぶものとする。

また、ＢＭＵ３６は、ＢＭＵ３６全体を制御するＭＰＵ７１と、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ規格に則った通信コントローラ７２と、ＣＭＵ３２−１〜３２−２４から送信された電圧データ及び温度データを格納するメモリ７３と、ゲートウェイ装置２４あるいは電池ユニット２３−２〜２３−ＭのＢＭＵ３６との間でＣＡＮ通信を行うためのＣＡＮ規格に則った通信コントローラ７４と、を備えている。

蓄電池制御コントローラ５は、自然エネルギー発電ユニット１の発電電力を検出し、この発電電力が電力系統へ及ぼす影響を緩和するために、蓄電池装置１１を用いて発電電力の出力変動抑制を行なっている。ここで、蓄電池装置１１に対する変動抑制量は当該蓄電池制御コントローラ５あるいはその上位制御装置６で算出し、蓄電池装置１１に対応するＰＣＳ（Power Conditioning System）１２に充放電指令として与えられる。

次に蓄電池装置１１におけるセルバランス実行動作について説明する。
以下においては、蓄電池装置１１のセルバランス実行判定動作を電池ユニット２３−１で行う場合に、実際のセルバランス実行判定動作を電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６が行う場合を例として説明する。

図４は、実施形態のセルバランス実行判定動作の処理フローチャートである。
電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、ゲートウェイ装置２４あるいは電池ユニット２３−２〜２３−ＭのＢＭＵ３６と接続されている通信コントローラ７４及び上位通信バス（ＣＡＮ）を介して、当該上位通信バスに接続されている他の電池ユニット２３−２〜２３−Ｍのコンタクタ３５の開閉状態を取得する（ステップＳ１１）。

次に電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、全ての電池ユニット２３−１〜２３−Ｍのコンタクタ３５が開いているか否かを判別する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２の判別において、全ての電池ユニット２３−１〜２３−Ｍのコンタクタ３５が開いている場合には（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、上位通信バスに接続されている他の電池ユニット２３−２〜２３−Ｍを構成しているセルモジュール３１−１〜３１−２４のうち、最大セル電圧（最大セルモジュール電圧）と最小セル電圧（最小セルモジュール電圧）と、を取得する（ステップＳ１３）。

続いて、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、電池ユニット２３−１〜２３−Ｍ毎に最大セル電圧と最小セル電圧との差（差電圧）を計算する（ステップＳ１４）。
次に電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、いずれかの電池ユニット２３−１〜２３−Ｍにおいて、最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値以下となっているか否かを判別する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１５の判別において、いずれかの他の電池ユニット２３−２〜２３−Ｍにおいて、最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値以下となっている場合には（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、最小値判別部及び制御部として機能し、電池ユニット内で最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値以下となっている電池ユニットの内、最小の最小セル電圧をセルバランス目標電圧に設定し（ステップＳ１６）、処理をステップＳ１７に移行する。

一方、ステップＳ１５の判別において、いずれの電池ユニット２３−２〜２３−Ｍにおいても、最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値以下となっていない場合には（ステップＳ１５；Ｎｏ）、すなわち、最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値を超えている場合には、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、当該電池ユニット２３−１の最小セル電圧をセルバランス目標電圧に設定する（ステップＳ１８）。

これは、最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値を超えている場合には、何らかの故障を抱えている可能性がある電池ユニットであるので、セルバランス目標電圧をそれらにしたがって設定しないようにするためである。

なお、以上の説明は、あくまで通常運用時のセルバランス処理であり、メンテナンスなどにより、最大セル電圧と最小セル電圧との差が所定値を超えている場合等においては、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６に明示の指示を与えることにより、セルバランス目標電圧をそれらにしたがって設定するようにすることも可能である。
そして、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、セルバランス目標電圧にしたがって、セルバランス処理を実行して、処理を終了する（ステップＳ１７）。

また、ステップＳ１２の判別において、全ての電池ユニット２３−１〜２３−Ｍのコンタクタ３５が開いているのではない場合には（ステップＳ１２；Ｎｏ）、すなわち、一部の電池ユニットのコンタクタ３５が閉じている場合には、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、上位通信バスに接続されている他の電池ユニット２３−２〜２３−Ｍの主回路電圧を取得する（ステップＳ２０）。

続いて、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、コンタクタ３５が閉じている他の電池ユニットの主回路電圧と、当該電池ユニット２３−１の主回路電圧とを比較し、当該電池ユニット２３−１（自電池ユニット）の主回路電圧が同じか高いか否かを判別する（ステップＳ２１）。

ステップＳ２１の判別において、コンタクタ３５が閉じている他の電池ユニットの主回路電圧が、当該電池ユニット２３−１の主回路電圧に対し、同じか高い場合には（ステップＳ２１；Ｙｅｓ）、処理を再びステップＳ１３に移行し、以下同様の処理を行う。

一方、コンタクタ３５が閉じている他の電池ユニットの主回路電圧が、当該電池ユニット２３−１の主回路電圧に対し低い場合には（ステップＳ２１；Ｎｏ）、電池ユニット２３−１のＢＭＵ３６は、セルバランス処理を行わずに処理を終了する。

これは、当該電池ユニット２３−１の電圧がより一層他の電池ユニット２３−２〜２３−Ｍから乖離して、コンタクタ３５が閉じなくなってしまう虞があるので、これを防止するためである。

以上の説明のように、本実施形態によれば、異常状態にある電池セルの電圧を参照してセルバランス処理を行ってしまうことを抑制して、蓄電池装置１１を構成している電池セル（あるいは、セルモジュール）に異常が発生した場合であっても、その影響が波及することを抑制して、蓄電池システム３の可用性を高めることができる。

本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の蓄電池管理装置のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

本実施形態の蓄電池管理装置で実行されるプログラムは、上述した各部（最小値判別部、制御部）を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（プロセッサ）が上記記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、最小値判別部、制御部が主記憶装置上に生成されるようになっている。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (4)

1. 複数の電池セルを有する複数の電池ユニットと、前記複数の電池ユニットとそれぞれコンタクタを介して接続され、主回路と接続された電力調整装置と、を備えた蓄電池システムにおいて前記電池ユニット毎に設けられ、対応する前記電池ユニットの管理を行う蓄電池管理装置であって、
   前記電力調整装置と同一の通信バスを介して接続されている全ての前記電池ユニットにおいて、各前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットのうち、前記最小セル電圧の最小値を判別する最小値判別部と、
   前記通信バスを介して接続されている全ての前記電池ユニット中に、前記最大セル電圧及び前記最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットが存在する場合には、前記最小値判別部により判別された前記最小セル電圧の最小値をセルバランス目標電圧として自己が管理している前記電池ユニットのセルバランス処理の制御を行うとともに、前記通信バスを介して接続されている全ての前記電池ユニットのそれぞれにおいて前記最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値を超えている場合には、前記自己が管理している前記電池ユニットを構成している電池セルの最小セル電圧をセルバランス目標電圧として前記セルバランス処理の制御を行う制御部と、
   を備えた蓄電池管理装置。
2. 前記通信バスを介して、当該通信バスに接続されている他の前記電池ユニットから前記最大セル電圧及び前記最小セル電圧を取得する、
   請求項１記載の蓄電池管理装置。
3. 複数の電池セルを有する複数の電池ユニットと、前記複数の電池ユニットと、それぞれコンタクタを介して接続され、主回路と接続された電力調整装置と、を備えた蓄電池システムにおいて前記電池ユニット毎に設けられ、対応する前記電池ユニットの管理を行う蓄電池管理装置で実行される方法であって、
   前記電池ユニット毎に当該電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下であるか否かを判別する過程と、
   前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットが存在する場合に、各前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットのうち、前記最小セル電圧の最小値をセルバランス目標電圧として設定する過程と、
   前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットが存在しない場合に、前記自己が管理している前記電池ユニットを構成している電池セルの最小セル電圧をセルバランス目標電圧として設定する過程と、
   設定された前記セルバランス目標電圧に基づいて自己が管理している前記電池ユニットのセルバランス処理の制御を行う過程と、
   を備えた方法。
4. 複数の電池セルを有する複数の電池ユニットと、前記複数の電池ユニットと、それぞれコンタクタを介して接続され、主回路と接続された電力調整装置と、を備えた蓄電池システムにおいて前記電池ユニット毎に設けられ、対応する前記電池ユニットの管理を行う蓄電池管理装置をコンピュータにより制御するためのプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記電池ユニット毎に当該電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下であるか否かを判別する手段と、
   前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットが存在する場合に、各前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットのうち、前記最小セル電圧の最小値をセルバランス目標電圧として設定する手段と、
   前記電池ユニットを構成している電池セルの最大セル電圧及び最小セル電圧の差が所定値以下である前記電池ユニットが存在しない場合に、前記自己が管理している前記電池ユニットを構成している電池セルの最小セル電圧をセルバランス目標電圧として設定する手段と、
   設定された前記セルバランス目標電圧に基づいて自己が管理している前記電池ユニットのセルバランス処理の制御を行う手段と、
   して機能させるプログラム。

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