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JP5618359B2 - 二次電池パック接続制御方法、および、蓄電システム - Google Patents

二次電池パック接続制御方法、および、蓄電システム Download PDF

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Description

本発明は、複数の二次電池パックを有する蓄電システムに関する。
近年、環境問題の意義の高まりと共に、ＰＶ（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）発電による余剰電力を蓄積する蓄電システムに、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やハイブリット電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等に使用されるリチウムイオン二次電池を用いることが検討されている。また、リチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池などで生じるような環境問題に対して有効なことでも注目されている。
このような蓄電システムには、二次電池で構成された複数の二次電池パックを並列に配置した構成のものがある。しかし、複数の二次電池パックを並列に配置した場合、二次電池パック間に大きな充電電流が流れて事故が発生する可能性がある。そのため、各二次電池パックを負荷へ繋ぎ込み、また負荷から切り離すための構成および制御では、二次電池パック間の電圧差によって発生する電流や、その電流による発熱への対策が採られる（特許文献１参照）。
特許文献１に記載された蓄電システムは、並列に配置された複数の蓄電素子列を備えており、蓄電素子列の電圧差が所定値以内であることを条件として蓄電素子列の負荷への繋ぎ込みを行う。これにより電圧差によって生じる過剰な電流や異常な発熱を防ぐことができる。
特開２００９−３３９３６号公報
しかしながら、特許文献１に記載された蓄電システムでは、蓄電素子列の電圧差が所定値以内でなければ蓄電素子列を負荷に繋ぎ込むことができないため、接続制御の運用が制限され、システムを柔軟に運用することができなかった。例えば、負荷に接続して放電させている蓄電素子列の容量が低下してきたら、それより大きな容量が残っている他の蓄電素子列に切り替えるというような運用が困難であった。
本発明の目的は、複数の二次電池パックを並列に配置した構成の蓄電システムにおいて、二次電池パックの接続に関する運用の自由度を向上する技術を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の二次電池パック接続制御方法は、複数の二次電池パックを備えた蓄電システムにおいて二次電池パックのシステムの入出力への接続を制御するための二次電池パック接続制御方法であって、
新たに接続すべき第１の二次電池パックから電流を制限しつつ放電を開始し、
切り離すべき、前記第１の二次電池パックよりも電圧の低い第２の二次電池パックの充電経路をオフし、
前記第２の二次電池パックの充電経路をオフすると同時に前記第１の二次電池パックの放電経路をオンし、
前記第２の二次電池パックの放電経路をオフするものである。
本発明の蓄電システムは、
二次電池と、該二次電池への充電経路をオンオフする充電スイッチ手段と、該二次電池からの放電経路をオンオフする放電スイッチ手段と、該二次電池を、電流を一定値以下に制限しつつ放電させる電流制限手段とをそれぞれに有する複数の二次電池パックと、
システムの入出力に接続する二次電池パックを第２の二次電池パックから、該第２の二次電池パックよりも電圧の高い第１の二次電池パックへ切り替えるとき、前記第１の二次電池パックの電流制限手段に電流を制限しながら放電を行わせた状態で、前記第２の二次電池パックの充電スイッチ手段に充電経路をオフさせる上位装置と、
を有し、
前記上位装置は、前記第２の二次電池パックの充電スイッチ手段に充電経路をオフさせると同時に前記第１の二次電池パックの放電スイッチ手段に放電経路をオンさせ、次に、前記第２の二次電池パックの放電手段に放電経路をオフさせ、前記第１の二次電池パックの前記電流制限手段に放電を停止させる。
本発明によれば、複数の二次電池パックを並列に配置した構成の蓄電システムにおいて、二次電池パックの接続に関する運用の自由度を向上することができる。
本実施形態による蓄電システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態において、負荷に接続する二次電池パックを電圧の低い二次電池パック１５から電圧の高い二次電池パック１５へ切り替えるときの蓄電システムの動作を説明するための図である。 本実施形態による蓄電システムの動作を示すフローチャートである。 本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の一例を示す回路図である。 本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の他の例を示す回路図である。 本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の他の例を示す回路図である。 本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の一例を示す回路図である。
本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態による蓄電システムの構成を示すブロック図である。図１を参照すると、蓄電システムは、２つの二次電池パック１５と、それらを制御する上位システム１４とを有している。２つの二次電池パック１５は同じものである。また、ここでは二次電池パック１５が２つである例を示しているが、３つ以上であってもよい。
２つの二次電池パック１５は互いに並列に配置され、不図示の負荷に接続されている。二次電池パック１５と負荷の間にパワーコンディショナーが備えられていてもよい。
二次電池パック１５は、２つの二次電池ブロック１１と制御ブロック１２を有している。二次電池ブロック１１は、複数の二次電池１０が直列接続された構成である。
制御ブロック１２は、２つの電池検出部１６、制御部１９、絶縁通信部１３、放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、電流検出部２０、および定電流回路２１を有している。
制御部１９は、上位システム１４から与えられた指示に基づいて、電池検出部１６、充電スイッチ１８、放電スイッチ１７、および定電流回路２１を制御する。
２つの電池検出部１６は、２つの二次電池ブロック１１の各二次電池１０の両端電圧を検出する。絶縁通信部１３は、制御部１９が上位システム１４と通信するための通信回路である。放電スイッチ１７は、制御部１９からの制御で放電経路をオンオフするスイッチである。充電スイッチ１８は、制御部１９からの制御で充電経路をオンオフするスイッチである。電流検出部２０は、二次電池パック１５の放電電流あるいは充電電流を計測する。定電流回路２１は、制御部１９からの制御で、放電電流を一定値以下に制限しながら、二次電池パック１５を放電させる回路である。
上位システム１４は、二次電池パック１５の負荷への接続を制御する。例えば、上位システム１４は、負荷に接続する二次電池パック１５を、容量の低下した電圧の低い二次電池パック１５から、それよりも電圧の高い二次電池パック１５に切り替えるとき、まず、新たに接続する二次電池パック１５に電流を一定値以下に制限しながら放電を開始させる。このとき新たな二次電池パック１５では定電流回路２１がオンとなる。
続いて、上位システム１４は、負荷から切り離す二次電池パック１５に充電経路をオフさせる。負荷から切り離す二次電池パック１５では充電スイッチ１８が充電経路をオフにする。またこのとき、上位システム１４は、電圧の低い二次電池パック１５の充電経路をオフすると同時に、電圧の高い二次電池パック１５の放電経路をオンし、続いて、電圧の低い二次電池パック１５の放電経路をオフする。
図２は、本実施形態において、負荷に接続する二次電池パックを電圧の低い二次電池パック１５から電圧の高い二次電池パック１５へ切り替えるときの蓄電システムの動作を説明するための図である。図２には、２つの二次電池パック１５（低電圧パック１５ａおよび高電圧パック１５ｂ）の放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の部分が示されている。
低電圧パック１５ａから高電圧パック１５ｂへ切り替えるとき、まず高電圧パック１５ｂの定電流回路２１が電流を制限しながら放電を開始する。このとき、低電圧パック１５ａからの放電の電流（Ｉ2）と、高電圧パック１５ｂからの電流が制限された放電の電流（Ｉ1）が合成された電流（Ｉ3）が負荷に流れる。あるいは、低電圧パック１５ａと高電圧パック１５ｂの電圧差が大きい場合、高電圧パック１５ｂからの放電電流Ｉ1が低電圧パック１５ａへ充電電流Ｉ4として流れる。しかし、高電圧パック１５ｂからの放電の電流Ｉ1は安全領域に制限されているので、高電圧パック１５ｂから低電圧パック１５ａへ所定値以上に大きな充電電流Ｉ4が流れることはない。
その状態で低電圧パック１５ａの充電スイッチ１８が充電経路をオフし、それと同時に、高電圧パック１５ｂの放電スイッチ１７が放電経路をオンする。続いて、低電圧パック１５ａの放電スイッチ１７が放電経路をオフし、高電圧パック１５ｂの定電流回路２１に放電を停止させる。
以上、説明したように、本実施形態によれば、負荷に新たに接続する電圧の高い二次電池パック１５から電流を制限しつつ放電を開始し、負荷から切り離す電圧の低い二次電池パック１５の充電経路をオフするので、二次電池パック１５間に電圧差があっても過剰な電流や異常な発熱を防ぐことができ、二次電池パック１５の接続に関する運用の自由度を向上する。
図３は、本実施形態による蓄電システムの動作を示すフローチャートである。
図１、２では二次電池パック１５が２つの場合を例示したが、図３では３つ以上の二次電池パック１５がある場合の動作を例示する。具体的には、放電する二次電池パック１５の放電電流が二次電池パック１５に許容される最大放電電流を超える場合には、放電する二次電池パック１５を追加し、各二次電池パック１５の放電電流を最大放電電流以下に抑制する処理が行われる。
図３を参照すると、どの二次電池パック１５も放電していない状態で制御部１９が電池検出部１６を利用して各二次電池パック１５の両端の電圧を測定して上位システム１４に通知し、上位システム１４が通知された電圧から各二次電池パック１５の容量を求め、電圧が最大つまり容量が最大の二次電池パック１５を抽出する（ステップ１０１〜１０４）。例えば、二次電池パック１５の電圧と容量の関係を示すテーブルを予め用意しておき、そのテーブルを参照することで両端電圧から二次電池パックの容量を得ることができる。続いて、電圧が最大の二次電池パック１５の放電を開始する（ステップ１０５）。
制御部１９は、電流検出部２０を利用して、放電を行っている二次電池パック１５の放電時の電流を計測し（ステップ１０６）、上位システム１４に通知する。上位システム１４は、通知された電流の値と二次電池パック１５の最大放電電流と比較する（ステップ１０７）。
通知された電流の値が最大放電電流より大きければ、上位システム１４は、次に電圧が大きい二次電池パック１５を抽出し（ステップ１０８）、放電を開始させる（ステップ１０９）。
上位システム１４は、再度、放電中の二次電池パック１５の電流の値を最大放電電流と比較し（ステップ１１０）、電流の値が最大放電電流より大きければ、ステップ１０８に戻って次に電圧の大きい二次電池パック１５を更に追加で放電させる。
ステップ１０７で、電流の値が最大放電電流以下であれば、放電時の電圧を測定しながら（ステップ１１１）、電圧の値が規定電圧に下がるまで二次電池パック１５を放電させる（ステップ１１２）。規定電圧は、どの程度まで容量が低下したら、二次電池パックを切り替えるかを決める値であり、任意に設定してよい。
放電中の二次電池パック１５の電圧が規定電圧まで下がったら、上位システム１４は、電圧が最大つまり容量が最大の二次電池パック１５を抽出し、放電する二次電池パック１５を切り替える処理を開始する（ステップ１１３〜１１４）。
上位システム１４は、電圧が最大の二次電池パック１５（以下「新電池パック」という）に定電流回路２１による放電を開始させる（ステップ１１５）。続いて、上位システム１４は、それまで放電を行ってきた放電中の二次電池パック１５（以下「旧電池パック」という）の充電スイッチ１８をオフにする（ステップ１１６）。更に、上位システム１４は、新電池パックの放電スイッチ１７をオンにして通常の放電を開始させ（ステップ１１７）、定電流回路２１による放電を停止させる（ステップ１１８）。その後はステップ１０５に戻って処理を継続する。
また、ステップ１１０で、電流の値が最大放電電流以下であれば、複数の二次電池パック１５を並列で放電させながらステップ１１１以降の処理を行う。
図４は、本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の一例を示す回路図である。図４を参照すると、放電スイッチ１７および充電スイッチ１８がＭＯＳ型トランジスタで構成され、定電流回路２１がバイポーラ型のカレントミラー回路で構成されている。本回路構成によれば放電の電流をカレントミラー回路で一定値以下に制限することができる。
図５は、本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の他の例を示す回路図である。図５を参照すると、充電スイッチ１８がＭＯＳ型トランジスタで構成され、放電スイッチ１７がリレー回路で構成され、定電流回路２１がバイポーラ型のカレントミラー回路で構成されている。本回路構成によれば放電の電流をカレントミラー回路で一定値以下に制限することができる。
図６は、本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の他の例を示す回路図である。図６を参照すると、放電スイッチ１７および充電スイッチ１８がバイポーラ型トランジスタで構成され、定電流回路２１がバイポーラ型のカレントミラー回路で構成されている。本回路構成によれば放電の電流をカレントミラー回路で一定値以下に制限することができる。
図７は、本実施形態による蓄電システムの放電スイッチ１７、充電スイッチ１８、および定電流回路２１の具体的な回路の一例を示す回路図である。図７を参照すると、放電スイッチ１７および充電スイッチ１８がＭＯＳ型トランジスタで構成され、定電流回路２１が、高耐圧素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成されている。本回路構成によれば、高電圧の二次電池パックを使用した場合でも本実施形態による二次電池パックの切り替えが可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、定電流回路によって切替時の電流を制限するので、二次電池パックを安全に切り替えることができ、２つの二次電池パックを交互に使ったり、３つ以上の二次電池パックを順番に使ったりが可能となる。
また、ＥＶ用途で使用されるリチウムイオン二次電池のような高容量、高出力かつ安価な二次電池を安全に切り替えて使用することができる。
以下、本実施形態のより具体的な実施例について説明する。
例えば、本実施形態の２つの二次電池パック１５の容量差が３０％であり、そのときの各二次電池１０の電圧が４．２Ｖと３．７Ｖであったとする。また１００個の二次電池１０を直列に接続して使用されているものとする。その場合、容量差３０％のときの二次電池１０の電圧差が（４．２Ｖ−３．７Ｖ）＝０．５Ｖである。１００個の二次電池１０が直列に接続されているので、二次電池パック１５の電圧差は０．５Ｖ×１００＝５０Ｖである。二次電池パック１５の規定抵抗値が４０ｍΩである場合、二次電池パック１５間に流れようとする電流は１２５０Ａである。
一方、容量３０Ａｈの二次電池パック１５の充電時の最大電流が３Ｃの９０Ａとすると、切り替え時に二次電池パック１５間に流れる充電電流は、９０Ａ以下に制限する必要がある。そのため、例えば、定電流回路２１は、電流を８０Ａ以下に制限するように構成すればよい。
また、例えば、３０Ａｈの二次電池パック１５によって１００ＫＷｈの蓄電システムを、二次電池パック１５を並列に接続して実現する場合を考えてみる。一般的な電圧として４００Ｖ系〜６００Ｖ系を想定する。平均電圧を３７０Ｖとすると、蓄電システムの容量は１００ＫＷｈ／３７０Ｖ＝２７０Ａｈとなる。容量３０Ａｈの二次電池パック１５であれば、２７０Ａｈ／３０Ａｈ＝８並列で蓄電システムを実現できる。このように並列の二次電池パック１５で蓄電システムを構成しておけば、二次電池パック１５を個別に切り離して交換したり、二次電池パック１５を増設したりできる。
また、本実施形態において、上位システム１４およびその動作および制御部１９およびその動作は、記録媒体に記録されているソフトウェアプログラムをコンピュータが実行することによって実現されるものであってもよい。
１０ 二次電池
１１ 二次電池ブロック
１２ 制御ブロック
１３ 絶縁通信部
１４ 上位システム
１５ 二次電池パック
１５ａ 低電圧パック
１５ｂ 高電圧パック
１６ 電池検出部
１７ 放電スイッチ
１８ 充電スイッチ
１９ 制御部
２０ 電流検出部
２１ 定電流回路

Claims (2)

  1. 複数の二次電池パックを備えた蓄電システムにおいて二次電池パックのシステムの入出力への接続を制御するための二次電池パック接続制御方法であって、
    新たに接続すべき第１の二次電池パックから電流を制限しつつ放電を開始し、
    切り離すべき、前記第１の二次電池パックよりも電圧の低い第２の二次電池パックの充電経路をオフし、
    前記第２の二次電池パックの充電経路をオフすると同時に前記第１の二次電池パックの放電経路をオンし、
    前記第２の二次電池パックの放電経路をオフする、二次電池パック接続制御方法。
  2. 二次電池と、該二次電池への充電経路をオンオフする充電スイッチ手段と、該二次電池からの放電経路をオンオフする放電スイッチ手段と、該二次電池を、電流を一定値以下に制限しつつ放電させる電流制限手段とをそれぞれに有する複数の二次電池パックと、
    システムの入出力に接続する二次電池パックを第２の二次電池パックから、該第２の二次電池パックよりも電圧の高い第１の二次電池パックへ切り替えるとき、前記第１の二次電池パックの電流制限手段に電流を制限しながら放電を行わせた状態で、前記第２の二次電池パックの充電スイッチ手段に充電経路をオフさせる上位装置と、
    を有し、
    前記上位装置は、前記第２の二次電池パックの充電スイッチ手段に充電経路をオフさせると同時に前記第１の二次電池パックの放電スイッチ手段に放電経路をオンさせ、次に、前記第２の二次電池パックの放電手段に放電経路をオフさせ、前記第１の二次電池パックの前記電流制限手段に放電を停止させる、蓄電システム。
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