JP6795082B2

JP6795082B2 - 直流給電システム

Info

Publication number: JP6795082B2
Application number: JP2019501345A
Authority: JP
Inventors: 祐樹石倉; 修市田川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: WO2018155442A1; JPWO2018155442A1; CN110140273A

Description

この発明は、直流給電システムに関する。

従来から、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた給電システムが提供されている。このような給電システムにおいては、蓄電池における過充電や過放電を防止するために、様々な工夫が行われている。

例えば、特許文献１では、蓄電部における蓄電池パックの単位セルの電圧、および蓄電池パックの直列電圧を、それぞれ上限値および下限値と比較し、上限値を超える場合には蓄電部の充電処理を停止し、下限値未満の場合には蓄電部の放電処理を停止している。

特開２０１４−１９５４０１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、太陽電池の発電量と電力系統からの供給電力が維持された状態で、直流負荷の消費電力が急に低下し、かつ蓄電部の充電処理が停止されている場合には、システム停止になり得るという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、直流負荷の消費電力が急に低下した場合であっても、システム停止を防止することのできる直流給電システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、直流負荷を接続可能な直流バスラインと、前記直流バスラインに電力を供給するための発電装置と、前記直流バスラインに電力を供給可能な二次電池と、前記二次電池の充放電を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記二次電池の充電量が所定の充電許容上限値よりも低い所定の充電設定値に達するまでは、充電電流値が第１の値を超えないように制御し、前記充電量が前記充電設定値を超えた場合には、充電電流値を前記第１の値よりも低い第２の値とするように制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、直流負荷の消費電力が急に低下した場合であっても、システム停止を防止することができる。

本発明に係る第１実施形態の直流給電システムの概略構成を示す図である。直流給電システムにおける定常状態の動作を説明する図である。直流給電システムにおいて直流負荷の消費電力が減少した場合の動作を説明する図である。直流給電システムにおけるＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：充電率）に応じた充電電流制限値を示す図である。直流給電システムにおけるＳＯＣに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。本発明に係る第２実施形態の直流給電システムにおけるＳＯＣに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る直流給電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る直流給電システム１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、直流給電システム１００は、太陽電池１と、ＰＶコンバータ２と、リチウムイオンバッテリ３と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４と、ＨＶＤＣバス５と、直流負荷６とを備えている。また、直流給電システム１００は、制御部７と、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８と、ＣＡＮバス９と、電力系統１０と、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８と電力系統１０との間に接続される交流負荷１１とを備えている。

発電装置としての太陽電池１は、例えば、シリコン系の太陽電池、または、銅(Ｃｕ)、インジウム(Ｉ)、セレン(Ｓｅ)から構成される化合物半導体系のＣＩＳ太陽電池等が用いられる。

ＰＶ（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）コンバータ２は、太陽電池１の出力電力に対して最大電力点追従（ＭＰＰＴ：ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）制御を行い、ＨＶＤＣバス５に電力を供給する。

二次電池としてのリチウムイオンバッテリ３は、充放電が可能な蓄電池である。二次電池としては、リチウムイオンバッテリ３の他に、ナトリウム−硫黄電池等の他の種類の蓄電池を用いてもよい。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、リチウムイオンバッテリ３およびＨＶＤＣバス５に接続されており、リチウムイオンバッテリ３の出力電圧の電圧値を所定の電圧値に変換し、ＨＶＤＣバス５に供給する。また、ＨＶＤＣバス５を介して供給される電圧の電圧値を所定の電圧値に変換し、リチウムイオンバッテリ３に供給する。

直流バスラインとしてのＨＶＤＣバス５は、高電圧直流給電（ＨＶＤＣ：Ｈｉｇｈ−ＶｏｌｔａｇｅＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）用のバスであり、ＰＶコンバータ２、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４、直流負荷６、および双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８と接続される。

直流負荷６は、ＨＶＤＣバス５に接続される直流駆動が可能な装置であり、例えば、冷蔵庫、エアーコンディショナー等が挙げられる。

制御部７は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭ等から構成される。制御部７は、ＣＡＮバス９を介して、ＰＶコンバータ２、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４、および双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８と接続され、これらのコンバータの制御を行う。

ＤＣ−ＡＣ変換器としての双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８は、電力系統１０およびＨＶＤＣバス５と接続され、電力系統１０から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＨＶＤＣバス５に供給する。また、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８は、ＨＶＤＣバス５に供給される直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷１１に供給、または電力系統１０に逆潮流する。

ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）バス９は、ＰＶコンバータ２、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４、制御部７、および双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８と接続され、制御信号等の信号の伝達経路として用いられる。

電力系統１０は、２００Ｖ等の商用の交流電圧が供給される。また、ＨＶＤＣバス５を介して供給される太陽電池１の直流電圧を、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８によって、交流電圧に変換して電力系統１０に逆潮流することも可能となっている。

以上のように本実施形態の直流給電システム１００は、内部の電流と電圧の供給が直流で行われるため、リレー等のスイッチが不要であり、電力の供給経路の切り替えが必要な場合に、切れ目なくシームレスに電力の供給経路の切り替えを行うことができる。

次に、以上のような本実施形態の直流給電システム１００における動作ついて添付図面を参照しつつ説明する。図２は、直流給電システム１００における定常状態の動作を説明する図である。図３は、直流給電システム１００において直流負荷６の消費電力が減少した場合の動作を説明する図である。図４は、直流給電システム１００におけるＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：充電率）に応じた充電電流制限値を示す図である。図５は、直流給電システム１００におけるＳＯＣに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。

なお、本実施形態の直流給電システム１００においては、ＰＶコンバータ２の出力段とＨＶＤＣバス５との接続経路中に、図示を省略する発電電力センサが設けられており、制御部７により太陽電池１の発電電力量を検出することが可能となっている。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４の入出力段とＨＶＤＣバス５との接続経路中には、図示を省略する電力センサが設けられており、制御部７によりリチウムイオンバッテリ３の放電電力量、充電電力量、およびＳＯＣを検出することが可能となっている。さらに、直流負荷６の入力段とＨＶＤＣバス５との接続経路中には、図示を省略する電力センサが設けられており、制御部７により直流負荷の消費電力量を検出することが可能となっている。また、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８の入出力段とＨＶＤＣバス５との接続経路中には、図示を省略する電力センサが設けられており、制御部７により、電力系統１０への供給電力量および電力系統１０からの供給電力量を検出することが可能となっている。なお、以下の説明では、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８と電力系統１０との間に接続される交流負荷１１は、説明を簡素化するために接続されていないものとして省略する。

（定常状態の動作）
まず、直流給電システム１００における定常状態の動作について説明する。制御部７は、太陽電池１の発電電力量と、直流負荷６の消費電力量とを比較し、発電電力量が消費電力量を下回っていると判断した場合には、太陽電池１の発電電力を直流負荷６に供給し、不足分として電力系統１０から電力を直流負荷６に供給する。具体的には、制御部７は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を非アクティブ状態とし、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８をアクティブ状態とする。そして、制御部７は、不足分の電力を直流負荷６に供給するように双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８を制御する。

図２に示す例では、太陽電池１の発電電力量が７ｋＷであり、直流負荷６の消費電力量が１０ｋＷなので、制御部７は、太陽電池１の発電電力量である７ｋＷを直流負荷６に供給し、不足分の３ｋＷを電力系統１０側から供給する。この場合には、リチウムイオンバッテリ３の充電およびリチウムイオンバッテリ３からの放電は行われない。

（直流負荷６の消費電力が減少した場合の動作）
以上のような定常状態での動作中に、直流負荷６の消費電力が何らかの原因で急に減少することがある。この場合には、制御部７は、発電電力量が消費電力量を上回っていると判断し、太陽電池１の発電電力量のうち、直流負荷６の消費電力量に相当する分の電力を直流負荷６に供給する。また、制御部７は、余剰電力をリチウムイオンバッテリ３に供給して、リチウムイオンバッテリ３の充電を行う。具体的には、制御部７は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４をアクティブ状態とし、双方向ＤＣ−ＡＣコンバータ８を非アクティブ状態とする。

図３に示す例では、直流負荷６の消費電力量が、図２に示す場合から５ｋＷに減少し、太陽電池１の発電電力量が７ｋＷなので、制御部７は、発電電力量が消費電力量を上回っていると判断する。制御部７は、太陽電池１の発電電力量の７ｋＷのうち、５ｋＷを直流負荷６に供給すると共に、余剰電力の３ｋＷを、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４を介してリチウムイオンバッテリ３に供給する。

（リチウムイオンバッテリ３の充電を行う場合の動作）
次に、制御部７の制御により、リチウムイオンバッテリ３の充電を行う場合の動作について説明する。図４は、直流給電システム１００におけるＳＯＣに応じた充電電流制限値を示す図である。図５は、直流給電システム１００におけるＳＯＣに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。

本実施形態では、リチウムイオンバッテリ３のＳＯＣに応じて、充電電流制限値を変更する制御を行っている。充電電流制限値とは、Ｃ（Ｃａｐａｃｉｔｙ）レートとも呼ばれ、リチウムイオンバッテリ３の容量に対する充電電流値の相対的な比率を表している。例えば、充電電流制限値が１［Ｃ］とは，ある容量のセルを定電流で充電して，１時間で充電終了となる電流値のことを言う。例えば、リチウムイオンバッテリ３の定格容量が４０Ａｈの場合には、１［Ｃ］の充電とは、充電電流値が４０Ａの充電を表す。また、０．５［Ｃ］、０．３［Ｃ］、０．１［Ｃ］の充電とは、それぞれ、充電電流値が２０Ａ、１２Ａ、４Ａの充電を表す。

図４に示すように、本実施形態では、ＳＯＣが２０％〜７０％の場合には、充電電流制限値を１［Ｃ］に設定している。また、ＳＯＣが７５％、８０％、および８５％の場合には、それぞれ充電電流制限値を０．５［Ｃ］、０．３［Ｃ］、および０．１［Ｃ］に設定している。そして、ＳＯＣが９０％に達した場合には、充電電流制限値を０［Ｃ］に設定している。

本実施形態では、ＳＯＣが９０％の場合の充電量を充電許容上限値としており、ＳＯＣが９０％に達した場合には、充電電流制限値を０［Ｃ］に設定して充電を停止している。また、本実施形態では、ＳＯＣが７５％の場合の充電量を充電設定値としており、充電量が充電許容上限値よりも低い充電設定値に達するまでは、充電電流値が第１の値を超えないように制御する。一例として、第１の値は、充電電流制限値が１［Ｃ］の場合の充電電流値としている。さらに、本実施形態では、充電量が充電設定値を超えた場合、つまり、ＳＯＣが７５％を超えた場合には、充電電流値を第１の値よりも低い第２の値とするように制御する。一例として、第２の値は、充電電流制限値が０．５［Ｃ］、０．３［Ｃ］、および０．１［Ｃ］の場合のそれぞれの充電電流値としている。

図５に示すように、制御部７は、まず、ＳＯＣが７５％以上かにより、リチウムイオンバッテリ３の充電量が充電設定値に達しているかどうかを判断する（Ｓ１０）。制御部７は、ＳＯＣが７５％未満の場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、充電電流制限値を１［Ｃ］に設定する（Ｓ１１）。つまり、制御部７は、ＳＯＣが充電許容上限値の９０％よりも低い充電設定値の７５％に達するまでは、充電電流値が第１の値を超えないように、充電電流制限値を１［Ｃ］に設定して充電を行う。

また、制御部７は、ＳＯＣが７５％以上８０％未満の場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ、Ｓ１２：ＮＯ、Ｓ１３：ＮＯ、Ｓ１５：ＮＯ）、充電電流制限値を０．５［Ｃ］に設定する（Ｓ１７）。制御部７は、ＳＯＣが８０％以上８５％未満の場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ、Ｓ１２：ＮＯ、Ｓ１３：ＮＯ、Ｓ１５：ＹＥＳ）、充電電流制限値を０．３［Ｃ］に設定する（Ｓ１６）。制御部７は、ＳＯＣが８５％以上９０％未満の場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ、Ｓ１２：ＮＯ、Ｓ１３：ＹＥＳ）、充電電流制限値を０．１［Ｃ］に設定する（Ｓ１４）。つまり、制御部７は、充電量が充電設定値の７５％を超えた場合には、充電電流値を第１の値よりも低い第２の値とするように、充電電流制限値を０．５［Ｃ］、０．３［Ｃ］、または０．１［Ｃ］に設定して充電を行う。

さらに、制御部７は、ＳＯＣが９０％に達した場合には（Ｓ１０：ＹＥＳ、Ｓ１２：ＹＥＳ）、充電電流制限値を０［Ｃ］に設定して充電を停止する（Ｓ１８）。

以上のように、本実施形態によれば、リチウムイオンバッテリ３の充電量が充電設定値の７５％を超えた場合には、充電量が充電許容上限値の９０％にすぐに到達しないように、充電電流値を、充電量が充電設定値の７５％未満の場合の充電電流値よりも低くする。その結果、リチウムイオンバッテリ３への充電量は、ＳＯＣが７５％を超えたとしても、満充電になるまでに余裕が生じるため、直流負荷６の消費電力量が急に減少した場合に、余剰電力をリチウムイオンバッテリ３への充電により吸収することができる。したがって、直流負荷６の消費電力量が急に減少した場合でも、ＨＶＤＣバス電圧が急上昇して過電圧保護機能が働き、システムが停止することを防止して、運転継続しやすい直流給電システムを提供することができる。

また、本実施形態では、充電量が充電許容上限値の９０％に近づくに従って、段階的に充電電流値を減少させているので、リチウムイオンバッテリ３のＳＯＣが７５％を超えたとしても、満充電になるまでの期間を引き延ばすことができる。
なお、第１の値、第２の値はリチウムイオン電池の充放電特性や電池容量に依存する値であり、実用化されているリチウムイオン電池では１０Ｃ程度の充電が可能であるものもあるため、本実施例に示した値に限らず適宜設定が可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。図６は、第２実施形態に係る直流給電システム１００におけるＳＯＣに応じた充電電流制限値の制御を示すフローチャートである。

第１実施形態では、充電量が充電許容上限値の９０％に到達した場合には、充電電流制限値を０に設定して、リチウムイオンバッテリ３の充電を停止する例について説明した。しかしながら、本実施形態では、充電量が充電許容上限値の９０％に到達していても、ＨＶＤＣバス５の電圧値が所定時間内に閾値を超えて増加したときは、リチウムイオンバッテリ３のへ電流が流れることを許可する。

図６に示すように、充電量が充電許容上限値の９０％に到達するまでの制御は、図５に示す第１実施形態における制御と同様なので、重複する説明は省略する。本実施形態における制御部７は、図６に示すように、充電量が充電許容上限値の９０％に到達したと判断すると（Ｓ１２：ＹＥＳ）、ＨＶＤＣバス５の電圧値が閾値を超えて上昇したかどうかを判断する（Ｓ２０）。ＨＶＤＣバス５の電圧値が閾値を超えて上昇したかどうかは、例えば、分圧抵抗等を用いてＨＶＤCバス電圧をモニタする電圧検出回路を設ける等することにより検出し、閾値と比較することにより判断可能である。

制御部７は、ＨＶＤＣバス５の電圧値が閾値を超えて上昇したと判断した場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、リチウムイオンバッテリ３のへ電流が流れることを許可する。次に、制御部７は、ＨＶＤＣバス５の電圧上昇が所定時間以上続いたか否か、すなわち所定時間内に電圧上昇が止まったか否かを判断する（Ｓ２２）。電圧上昇が過渡的（所定時間内に電圧上昇が止まった）であれば（Ｓ２２：ＮＯ）、充電の許可を継続する。しかし、ＨＶＤＣバス５の電圧値が閾値を超えて上昇していないと判断した場合（Ｓ２０：ＮＯ）、または電圧上昇が過渡的でない（所定時間以上続く）と判断した場合には（Ｓ２２：ＹＥＳ）、充電電流制限値を０［Ｃ］に設定して（Ｓ２３）、リチウムイオンバッテリ３のへ電流が流れないように制御する。

この際の「所定時間」は、ミリ秒単位であり、例えば１秒以内である。リチウムイオンバッテリ３の充電容量を４０Ａｈとすると、仮に１０Ｃで充電したとしても、１秒では約０．１Ａｈ程度しか容量には影響がなく、これはＳＯＣに換算すれば０．２５％程度の上昇にしかならないため、リチウムイオンバッテリの寿命には実質的に影響がない。

以上のように、本実施形態によれば、リチウムイオンバッテリ３の充電量が充電許容上限値の９０％に達していても、ＨＶＤＣバス５の電圧値が閾値を超えて過渡的に上昇したときには、リチウムイオンバッテリ３のへ電流が流れることを許可する。したがって、直流負荷６が軽負荷に急変して消費電力が過渡的に大きく低下した場合でも、システムが停止することを防止して、運転継続しやすい直流給電システムを提供することができる。

本発明は、太陽電池と蓄電池とを組み合わせた直流給電システムに利用可能である。

１太陽電池
３リチウムイオンバッテリ
６直流負荷
７制御部
１０電力系統
１００直流給電システム

Claims

直流負荷を接続可能な直流バスラインと、
前記直流バスラインに電力を供給するための発電装置と、
前記直流バスラインに電力を供給可能な二次電池と、
前記二次電池の充放電を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記二次電池の充電量が所定の充電許容上限値よりも低い所定の充電設定値に達するまでは、充電電流値が第１の値を超えないように制御し、前記充電量が前記充電設定値を超えた場合には、充電電流値を前記第１の値よりも低い第２の値とするように制御するとともに、
前記直流バスラインの電圧値が閾値を超えて上昇したとき、該電圧上昇が所定時間内に収まれば、前記二次電池の充電量が前記充電許容上限値に達していても、前記二次電池へ電流が流れることを許可し、所定時間経過後に、前記二次電池へ流れる電流がゼロとなるように制御する、
ことを特徴とする直流給電システム。
前記制御部は、前記第２の値として複数の値を備えており、前記充電量が前記充電設定値を超えた場合には、前記第２の値を段階的に低くする、
ことを特徴とする請求項１に記載の直流給電システム。