(57)【要約】【課題】複数の蓄電池が並列接続されて構成された蓄電池装置において、蓄電池間に流れる電流を抑制する。【解決手段】蓄電池装置１０は、並列接続された複数の蓄電池を含む。切替部２０は、分電盤３００に接続されたパワーコンディショナ２００と蓄電池装置１０との間に設けられ、蓄電池装置１０がパワーコンディショナ２００を介して充電および放電される期間、複数の蓄電池のいずれか一つとパワーコンディショナ２００とを接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列接続された複数の蓄電池を含む蓄電池装置と、
分電盤に接続されたインバータと前記蓄電池装置との間に設けられ、前記蓄電池装置がインバータを介して充電および放電される期間、前記複数の蓄電池のいずれか一つと前記インバータとを接続するための切替部と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
前記蓄電池装置は、用途が異なる複数の蓄電池を含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記蓄電池装置は、用途に応じた複数種類の蓄電池を含むことを特徴とする請求項２に記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記蓄電池装置は、非常用の蓄電池と、ピークカット用の蓄電池を含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記蓄電池装置は、前記非常用の蓄電池としての鉛蓄電池と、前記ピークカット用の蓄電池としてのリチウムイオン蓄電池を含むことを特徴とする請求項４に記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記切替部を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、夜間において、前記ピークカット用の蓄電池を充電するよう前記切替部を制御し、その充電が完了した後、前記非常用の蓄電池のＳＯＣ（State Of Charge）と設定値とを比較し、前記ＳＯＣが前記設定値を下回っているとき前記非常用の蓄電池を充電するよう前記切替部を制御することを特徴とする請求項４または５に記載の蓄電システム。
【請求項７】
前記切替部を制御する制御部をさらに備え、
前記切替部は、
前記複数の蓄電池のいずれかを選択するための第１スイッチと、
電流制限素子と、第２スイッチとが並列接続された並列回路と、
前記複数の蓄電池と前記インバータとの間に、前記第１スイッチおよび前記並列回路が直列に挿入され、
前記制御部は、前記第１スイッチの接続先を切り替える際、前記第２スイッチをオフした後、前記第１スイッチを切り替え、その後、前記第２スイッチをオンすることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電池が並列接続された蓄電池装置を用いた蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量の蓄電池（二次電池ともいう）の需要が拡大している。とくに、電気自動車、ハイブリット車（プラグインハイブリッド車を含む）などの自動車用途や、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーにもとづき発電された電力を蓄積する蓄電用途が拡大している。また、事業用だけでなく家庭用の蓄電システムも実用化されている。
【０００３】
蓄電池を大容量化するには、複数の蓄電池を組み合わせて使用する必要がある。容量を増大するためには、直列接続より並列接続のほうが有利である（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−５７２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数の蓄電池が並列接続されて構成された蓄電池装置において、並列する蓄電池間に電位差が生じると蓄電池間に電流が流れる。この電流が大電流の場合、大電流が流入した蓄電池に不具合が発生する可能性がある。一般に、蓄電池は過充電されると寿命が短くなる。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の蓄電池が並列接続されて構成された蓄電池装置において、蓄電池間に流れる電流を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様の蓄電システムは、並列接続された複数の蓄電池を含む蓄電池装置と、分電盤に接続されたインバータと蓄電池装置との間に設けられ、蓄電池装置がインバータを介して充電および放電される期間、複数の蓄電池のいずれか一つとインバータとを接続するための切替部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の蓄電池が並列接続されて構成された蓄電池装置において、蓄電池間に流れる電流を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄電システムを説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る蓄電システムの蓄電池装置および切替部の構成例１を示す図である。
【図３】図２に示す切替部の動作を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る蓄電システムの蓄電池装置および切替部の構成例２を示す図である。
【図５】図４に示す切替部の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る蓄電システムの動作例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００を説明するための図である。蓄電システム１００は、パワーコンディショナ２００を介して分電盤３００に接続される。分電盤３００には、パワーコンディショナ２００以外に電力系統４００および需要家構内の負荷５００が接続される。
【００１１】
パワーコンディショナ２００は双方向インバータとして機能する。すなわち、パワーコンディショナ２００は蓄電システム１００から放電される直流電力を交流電力に変換して分電盤３００に出力するとともに、電力系統４００から分電盤３００を介して取得される交流電力を、直流電力に変換して蓄電システム１００に充電する。なお、パワーコンディショナ２００は直流電力を交流電力に変換する際、その交流電力の電圧、電流および周波数が需要家構内の定格電圧、定格電流および定格周波数に合致するよう調整する。
【００１２】
パワーコンディショナ２００は太陽光発電システムで使用されるパワーコンディショナを転用してもよい。一般的なパワーコンディショナは、太陽電池モジュールにより発電された直流電力を交流電力に変換する単方向のインバータ機能しか搭載していないものが多いが、パワーコンディショナ内の回路に追加および／または変更を加えることにより、双方向インバータ機能を持つ双方向パワーコンディショナに変更することができる。この手法を用いれば、太陽光発電システムを保有する電力需要者が蓄電システムを新たに導入する場合において、既存のパワーコンディショナを蓄電システムにも活用でき、導入コストを抑えることに寄与する。
【００１３】
また、パワーコンディショナの製造メーカーは、双方向パワーコンディショナを製造することにより、太陽光発電システムと蓄電システムの両方に対応したパワーコンディショナを製造することができ、製造コストを低減することに寄与する。
【００１４】
蓄電システム１００は、蓄電池装置１０、切替部２０および制御部３０を備える。蓄電池装置１０は、並列接続された複数の蓄電池を含む。切替部２０は、分電盤３００に接続されたパワーコンディショナ２００と蓄電池装置１０との間に設けられ、蓄電池装置１０がパワーコンディショナ２００を介して充電および放電される期間、複数の蓄電池のいずれか一つとインバータとを接続する。本実施の形態では、充電時も放電時も、並列接続された複数の蓄電池のうち一つの蓄電池のみがパワーコンディショナ２００と接続される。制御部３０は、蓄電システム１００全体を統括的に制御する。本実施の形態では、主に切替部２０を制御する動作に注目する。
【００１５】
図２は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００の蓄電池装置１０および切替部２０の構成例１を示す図である。蓄電池装置１０は、第１蓄電池１１および第２蓄電池１２を備える。第１蓄電池１１および第２蓄電池１２は並列接続される。なお、第１蓄電池１１および第２蓄電池１２のそれぞれは、複数の蓄電池セルが直列接続されてユニット化された蓄電池であってもよい。
【００１６】
切替部２０は、第１並列回路、第２スイッチＳ１２、第２並列回路および第４スイッチＳ１４を含む。第１並列回路は第１スイッチＳ１１および第１抵抗Ｒ１１を含み、第１スイッチＳ１１および第１抵抗Ｒ１１は並列接続される。第２並列回路は第３スイッチＳ１３および第２抵抗Ｒ１２を含み、第３スイッチＳ１３および第２抵抗Ｒ１２は並列接続される。
【００１７】
第１スイッチＳ１１、第２スイッチＳ１２、第３スイッチＳ１３および第４スイッチＳ１４には、メカリレーを用いてもよいし、半導体スイッチを用いてもよい。半導体スイッチの例として、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧａＮトランジスタ、ＳｉＣトランジスタなどが挙げられる。
【００１８】
第１抵抗Ｒ１１および第２抵抗Ｒ１２は、突入電流などの過渡電流を制限または抑制できる電流制限素子であればよく、通常の抵抗の他に、ＰＴＣ(positive temperature coefficient)サーミスタ、フューズ、コイルなどを用いることができる。
【００１９】
第１蓄電池１１、第１並列回路および第２スイッチＳ１２は直列に接続される。同様に、第２蓄電池１２、第２並列回路および第４スイッチＳ１４は直列に接続される。第２スイッチＳ１２のパワーコンディショナ２００側の端子と第４スイッチＳ１４のパワーコンディショナ２００側の端子は結合され、パワーコンディショナ２００の直流側の正極端子に接続される。パワーコンディショナ２００の直流側の正極端子と負極端子間に、平滑用の容量Ｃ１が接続される。第１蓄電池１１および第２蓄電池１２の正極端子は、第１並列回路および第２並列回路にそれぞれ接続され、第１蓄電池１１および第２蓄電池１２の負極端子は、グラウンドに接続される。
【００２０】
図３は、図２に示す切替部２０の動作を説明するための図である。図３では、第１蓄電池１１とパワーコンディショナ２００とが接続された状態から、第２蓄電池１２とパワーコンディショナ２００とが接続された状態に切り替える例を示している。すなわち、初期状態では、第１スイッチＳ１１がオン、第２スイッチＳ１２がオン、第３スイッチＳ１３がオフおよび第４スイッチＳ１４がオフである（第０ステータス）。
【００２１】
制御部３０は、まず第１スイッチＳ１１をオフする（第１ステータス）。つぎに第４スイッチＳ１４をオンする（第２ステータス）。なお、第３スイッチＳ１３がオフされていない場合、第４スイッチＳ１４をオンする前に第３スイッチＳ１３をオフする。
【００２２】
制御部３０は、つぎに第２スイッチＳ１２をオフする（第３ステータス）。最後に第３スイッチＳ１３をオンする（第４ステータス）。このように、第２蓄電池１２とパワーコンディショナ２００とが導通する瞬間、第２並列回路は第２抵抗Ｒ１２として機能しているため、突入電流が抑制される。また、過渡状態の終了後は第３スイッチＳ１３がオンされ、第２抵抗Ｒ１２がバイパスされることにより、第２抵抗Ｒ１２による電力ロスをなくすことができる。また、上述の切り替えの際、第１蓄電池１１と第２蓄電池１２とが導通しないため両者間に電流が流れることもない。
【００２３】
図４は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００の蓄電池装置１０および切替部２０の構成例２を示す図である。蓄電池装置１０の構成は、構成例１と同様である。切替部２０は、第１スイッチＳ２１、並列回路および第３スイッチＳ２３を備える。
【００２４】
第１スイッチＳ２１は、並列接続された第１蓄電池１１および第２蓄電池１２のいずれかを選択するためのスイッチである。たとえば、切替接点（Ｃ接点）型のメカリレーを用いるとよい。並列回路は第２スイッチＳ２２および抵抗Ｒ２１を含み、第２スイッチＳ２２および抵抗Ｒ２１は並列接続される。第３スイッチＳ２３は蓄電池装置１０全体とパワーコンディショナ２００とを遮断するためのスイッチである。第３スイッチＳ２３は充電中および放電中にオンされ、待機中にオフされる。
【００２５】
第１蓄電池１１および第２蓄電池１２の並列回路、第１スイッチＳ２１、第２スイッチＳ２２および抵抗Ｒ２１の並列回路、ならびに第３スイッチＳ２３が直列に接続される。なお、第１スイッチＳ２１に蓄電池装置１０全体とパワーコンディショナ２００との遮断機能も持たせて第３スイッチＳ２３を設けない構成も可能である。
【００２６】
制御部３０は、第１スイッチＳ２１の接続先を切り替える際、第２スイッチＳ２２をオフした後、第１スイッチＳ２１を切り替え、その後、第１スイッチＳ２２をオンする。以下、具体的に説明する。
【００２７】
図５は、図４に示す切替部２０の動作を説明するための図である。図５では、第１蓄電池１１とパワーコンディショナ２００とが接続された状態から、第２蓄電池１２とパワーコンディショナ２００とが接続された状態に切り替える例を示している。すなわち、初期状態では、第１スイッチＳ１１が第１蓄電池１１側に接続され、第２スイッチＳ１２がオンおよび第３スイッチＳ２３がオフである（第０ステータス）。
【００２８】
制御部３０は、まず第２スイッチＳ２２をオフする（第１ステータス）。つぎに第１スイッチＳ２１の接続先を第１蓄電池１１から第２蓄電池１２に切り替える（第２ステータス）。最後に第３スイッチＳ２３をオンする（第３ステータス）。このように、第２蓄電池１２とパワーコンディショナ２００とが導通する瞬間、第２スイッチＳ２２と抵抗Ｒ２１の並列回路は抵抗Ｒ２１として機能しているため、突入電流が抑制される。また、過渡状態の終了後は第２スイッチＳ２２がオンされ、抵抗Ｒ２１がバイパスされることにより、抵抗Ｒ２１による電力ロスをなくすことができる。また、上述の切り替えの際、第１蓄電池１１と第２蓄電池１２とが導通しないため両者間に電流が流れることもない。
【００２９】
図２、図４では二つの蓄電池を並列接続する例を示したが、三つ以上の蓄電池を並列接続してもよい。その場合も、充電時および放電時には一つの蓄電池のみがパワーコンディショナ２００と接続される。
【００３０】
蓄電池装置１０は、用途が異なる複数の蓄電池を含んでもよい。たとえば、非常用の蓄電池とピークカット用の蓄電池を含んでもよい。また、蓄電池装置１０は、用途に応じた複数種類の蓄電池を含んでもよい。たとえば、非常用の蓄電池に鉛蓄電池を採用し、ピークカット用の蓄電池にリチウムイオン蓄電池またはニッケル水素蓄電池を採用してもよい。
【００３１】
ピークカット用の蓄電池は、非常用の蓄電池より充放電回数が多くなる。蓄電池は充放電回数が増えるにしたがい満充電容量が低くなっていく。リチウムイオン蓄電池またはニッケル水素蓄電池は、鉛蓄電池より充放電回数の増加による劣化の程度が小さい。したがって、ピークカット用の蓄電池にはリチウムイオン蓄電池またはニッケル水素蓄電池を採用することが好ましい。また、鉛蓄電池はリチウムイオン蓄電池またはニッケル水素蓄電池より低コストである。したがって、非常用の蓄電池に鉛蓄電池を採用することにより、低コストで長寿命な蓄電システム１００を構築できる。
【００３２】
図６は、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１００の動作例を説明するためのフローチャートである。この例では、蓄電池装置１０が並列接続された二つの蓄電池を含み、一つの蓄電池が非常用として使用され、もう一つの蓄電池がピークカット用として使用されることを前提とする。日本では深夜電力の割引サービスがある（２０１１年９月現在）。この割引サービスは２３：００〜７：００の間の電気料金が割り引かれるサービスである。
【００３３】
電力需要は、突発的な事象が発生しない限り、１３：００〜１６：００の間にピークが発生する。したがって、電力需要が少ない夜間に蓄電池に充電し、ピークが発生する時間帯に放電することにより、発電量を平滑化することができる。ピークカット用の蓄電池は、この役割を担う蓄電池である。また、上述の割引サービスが適用される場合、電気料金を節約できる。
【００３４】
図６において、制御部３０は停電が発生しているか否か判定する（Ｓ１０）。停電が発生している場合（Ｓ１０のＹ）、制御部３０は非常用の蓄電池とパワーコンディショナ２００とを接続し（Ｓ１１）、非常用の蓄電池を放電させるよう切替部２０を制御する（Ｓ１２）。その際、パワーコンディショナ２００は自立運転する。すなわち、パワーコンディショナ２００は分電盤３００ではなく、自身のコンセントに非常用の蓄電池から放電される電力を供給する。停電時、電力需要者はパワーコンディショナ２００のコンセントに負荷５００のプラグを差し込むことにより、負荷５００を使用できる。
【００３５】
制御部３０は非常用の蓄電池の図示しない残容量計から非常用の蓄電池の残容量を取得し、非常用の蓄電池のＳＯＣ（State Of Charge）と第１設定値αとを比較する（Ｓ１３）。第１設定値αには放電終止電圧に対応するＳＯＣが設定される。非常用の蓄電池のＳＯＣが第１設定値αを下回ると（Ｓ１３のＹ）、制御部３０は非常用の蓄電池の放電が停止するよう切替部２０を制御する（Ｓ１４）。非常用の蓄電池のＳＯＣが第１設定値αを下回っていない間（Ｓ１３のＮ）、ステップＳ１４をスキップする。
【００３６】
ステップＳ１０において停電が発生していない場合（Ｓ１０のＮ）、制御部３０は図示しないタイマーから時刻を取得し、深夜であるか否か判定する（Ｓ１５）。当該深夜は上述した深夜電力の割引サービスを受けられる時間帯であってもよい。深夜である場合（Ｓ１５のＹ）、制御部３０はピークカット用の蓄電池とパワーコンディショナ２００とを接続し（Ｓ１６）、ピークカット用の蓄電池を満充電容量または充電終止電圧に対応する容量まで充電するよう切替部２０を制御する（Ｓ１７）。
【００３７】
制御部３０は非常用の蓄電池の図示しない残容量計から非常用の蓄電池の残容量を取得し、非常用の蓄電池のＳＯＣと第２設定値βとを比較する（Ｓ１８）。第２設定値βは充電終止電圧に対応するＳＯＣまたはそのＳＯＣより所定の値、低い値に設定される。非常用の蓄電池のＳＯＣが第２設定値βを下回っている場合（Ｓ１８のＹ）、制御部３０は非常用の蓄電池とパワーコンディショナ２００とを接続し（Ｓ１９）、非常用の蓄電池を満充電容量または充電終止電圧に対応する容量まで充電するよう切替部２０を制御する（Ｓ２０）。非常用の蓄電池のＳＯＣが第２設定値βを下回っていない場合（Ｓ１８のＮ）、ステップＳ１９およびステップＳ２０をスキップする。
【００３８】
停電が発生しておらず（Ｓ１０のＮ）、深夜でもない場合（Ｓ１５のＮ）、制御部３０はピークカット時間であるか否か判定する（Ｓ２１）。ピークカット時間はユーザまたは設計者が設定可能である。たとえば、１３：００〜１６：００に設定されてもよい。ピークカット時間である場合（Ｓ２１のＹ）、制御部３０はピークカット用の蓄電池とパワーコンディショナ２００とを接続し（Ｓ２２）、ピークカット用の蓄電池を放電するよう切替部２０を制御する（Ｓ２３）。この放電された電力が、電力系統４００からの電力に合算されることにより、電力系統４００から負荷５００に供給される電力量を低減できる。ステップＳ２１においてピークカット時間でない場合（Ｓ２１のＮ）、ステップＳ２２およびステップＳ２３がスキップされる。
【００３９】
この非常用の蓄電池とピークカット用の蓄電池との切り替え制御は、システムまたはユーザ操作にもとづく終了指示が出されるまで（Ｓ２４のＹ）、継続される（Ｓ２４のＮ）。なお、ピークカット用および非常用の蓄電池を充電する時間帯は、電力需要が低い時間帯であれば、必ずしも深夜に限るものでない。一般に２１：００以降には電力需要が低下する傾向にあり、２１：００から充電を開始してもよい。
【００４０】
以上説明したように本実施の形態によれば、複数の蓄電池が並列接続されて構成された蓄電池装置において、充電および放電する際、複数の蓄電池の一つとインバータとを接続することにより、蓄電池間に流れる電流を抑制できる。また、切替部２０を構成例１、２のように構成することにより、蓄電池を切り替える際の突入電流を抑制しつつ、定常時の電力ロスも最低限に抑えることができる。また、構成例２のように切替接点型のスイッチを使用することにより、全体のスイッチ数および抵抗の数を減らすことができる。回路規模およびコストを低減できる。
【００４１】
また、本実施の形態に係る蓄電システム１００は非常用の蓄電池とピークカット用の蓄電池を含むアプリケーションに好適である。また、本実施の形態に係る蓄電システム１００と太陽光発電システムを連携させてもよい。その場合、太陽電池モジュールから充電される蓄電池と、電力系統４００から充電される蓄電池とにその用途を分けてもよい。前者の蓄電池から放電された電力は太陽電池モジュールにより発電された電力であるため、電力系統４００に逆潮流させて電力会社に売電する仕組みを導入しやすくなる。
【００４２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４３】
たとえば、上述した実施の形態では蓄電システム１００と分電盤３００との間に双方向のパワーコンディショナ２００を接続する例を説明した。この点、双方向のパワーコンディショナ２００代わりに、ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣコンバータを並列に設けてもよい。
【００４４】
また、第１抵抗Ｒ１１、第２抵抗Ｒ１２および抵抗Ｒ２１のそれぞれの抵抗値は、第１蓄電池１１および第２蓄電池１２を突入電流から保護しつつ、負荷５００との通電が遮断されない値に設定するとよい。
【符号の説明】
【００４５】
１００  蓄電システム、  １０  蓄電池装置、  １１  第１蓄電池、  １２  第２蓄電池、  ２０  切替部、  Ｓ１１  第１スイッチ、  Ｓ１２  第２スイッチ、  Ｓ１３  第３スイッチ、  Ｓ１４  第４スイッチ、  Ｓ２１  第１スイッチ、  Ｓ２２  第２スイッチ、  Ｓ２３  第３スイッチ、  Ｒ１１  第１抵抗、  Ｒ１２  第２抵抗、  Ｒ２１  抵抗、  ３０  制御部、  ２００  パワーコンディショナ、  Ｃ１  容量、  ３００  分電盤、  ４００  電力系統、  ５００  負荷。
【図１】
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【図２】
2014239559.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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