(57)【要約】【課題】複数の組電池を接続した蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】直列に複数の単電池１１を接続した複数の組電池１０と、複数の組電池１０の制御を行う制御装置５と、複数の組電池１０がそれぞれのブレーカ３０を介して並列に接続されるＰＣＳ３と、を備えた蓄電池システム１において、制御装置５は、単電池１１が故障した場合に単電池１１を有する組電池１０に接続されたブレーカ３０を開とするとともに、故障した単電池１１を有していない組電池１０である運転可能組電池１０に対し継続運転指令を行い、継続運転指令は、ＰＣＳ３による電力制御である蓄電池システム１を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に複数の単電池を接続した複数の組電池と、
前記複数の組電池の制御を行う制御手段と、
前記複数の組電池がそれぞれの開閉手段を介して並列に接続される電力変換手段と、
を備えた蓄電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記単電池が故障した場合に前記単電池を有する前記組電池に接続された前記開閉手段を開とするとともに、
故障した前記単電池を有していない前記組電池である運転可能組電池に対し継続運転指令を行い、
前記継続運転指令は、電力変換手段による電力制御である蓄電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記単電池が故障から自動的に回復した場合、前記単電池を有する前記組電池を再び運転可能とする制御を行う請求項１に記載の蓄電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、再び運転可能となった前記組電池のＳＯＣと、前記運転可能組電池の平均ＳＯＣとを比較し、そのＳＯＣの差が所定値以内の場合は再び運転可能となった前記組電池の前記開閉手段を閉とする制御を行う請求項１または請求項２に記載の蓄電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、再び運転可能となった前記組電池のＳＯＣと、前記運転可能組電池の平均ＳＯＣを比較し、そのＳＯＣの差が所定値より大きい場合は最小ＳＯＣを制御目標値とする制御を行う請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄電池システム。
【請求項５】
直列に複数の単電池を接続した複数の組電池と、
前記複数の組電池の制御を行う制御手段と、
前記複数の組電池がそれぞれの開閉手段を介して並列に接続される電力変換手段と、
を備えた蓄電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記単電池が故障した場合に前記単電池を有する前記組電池に接続された前記開閉手段を開とするステップと、
故障した前記単電池を有していない前記組電池である運転可能組電池に対し継続運転指令を行うステップとを有し、
前記継続運転指令を行うステップは、電力変換手段による電力制御を行うステップである蓄電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法に関し、より具体的には複数の組電池を接続した蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力を蓄電するシステムとして、複数の組電池を接続した蓄電池システムが知られている。この複数の組電池は、各々ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ／電池容量に対する充電量の相対比率）が異なっており、これを均等化することで蓄電池システムの寿命を延ばすことができる。例えば、特許文献１には、電池の劣化状態を判定し、劣化状態に基づいてＳＯＣを均等にすることが開示されている。
また、劣化や故障が起きた場合に該当の電池の切り離しや交換が発生する。その時に蓄電池システムを停止させずに交換を行う方法として、特許文献２には、あらかじめ組電池を複数接続しておき、スイッチ操作を行うことで手作業による交換を行わなくてもよいことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５９６１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、例えば組電池内の単電池に故障が発生した場合は蓄電池システムを停止しなければならないため、稼働率が低下するという問題があった。
また、上記特許文献２に開示された発明では、あらかじめ予備の組電池を接続しておかなければならないため、システムの冗長化が必要であるという問題がある。
【０００５】
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、複数の組電池を接続した蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法は以下の手段を採用する。
直列に複数の単電池を接続した複数の組電池と、前記複数の組電池の制御を行う制御手段と、前記複数の組電池がそれぞれの開閉手段を介して並列に接続される電力変換手段と、を備えた蓄電池システムにおいて、前記制御手段は、前記単電池が故障した場合に前記単電池を有する前記組電池に接続された前記開閉手段を開とするとともに、故障した前記単電池を有していない前記組電池である運転可能組電池に対し継続運転指令を行い、前記継続運転指令は、電力変換手段による電力制御である蓄電池システムを採用する。
【０００７】
本発明によれば、単電池が故障した場合に、その単電池が含まれる組電池の開閉手段のみを開とするため、蓄電池システムを停止することなくそれ以外の組電池を用いて運転を継続することができる。ここでいうそれ以外の組電池とは故障した単電池を有していない運転可能な組電池のことである。
また、故障した単電池を有しておらず継続運転可能な組電池に対して充放電可能な最大電流値を考慮した電力制御を行うため、最大電流を考慮することで過電流による電池の故障を防ぐことができることから、電池の故障を考慮した上で可能な限り高い電力指令値を適用でき、稼働率の低下を抑えることができる。
【０００８】
上記発明において、前記制御手段は、前記単電池が故障から自動的に回復した場合、前記単電池を有する前記組電池を再び運転可能とする制御を行うこととしてもよい。
【０００９】
本発明によれば、単電池が故障から自動的に回復した場合、この単電池を有する組電池を再び運転可能とすることから、例えば単電池の温度上昇や充電量が閾値を超えた等の軽故障と呼ばれるような故障が発生した後、所定時間が経過し、単電池の温度が所定値以下に低下したり、充電量が所定値以下に低下したりして自動的に回復した場合、自動的に復帰させることができる。
【００１０】
上記発明において、前記制御手段は、再び運転可能となった前記組電池のＳＯＣと、前記運転可能組電池の平均ＳＯＣとを比較し、そのＳＯＣの差が所定値以内の場合は再び運転可能となった前記組電池の前記開閉手段を閉とする制御を行うこととしてもよい。
【００１１】
本発明によれば、復旧した組電池のＳＯＣとそれ以外の組電池である運転可能組電池のＳＯＣとの差が所定値以内となったら復旧した組電池の開閉手段を閉とすることから、故障から復帰までが全て自動で行われる。これにより、蓄電池システムのメンテナンス性が向上する。
【００１２】
上記発明において、前記制御手段は、再び運転可能となった前記組電池のＳＯＣと、前記運転可能組電池の平均ＳＯＣを比較し、そのＳＯＣの差が所定値より大きい場合は最小ＳＯＣを制御目標値とする制御を行うこととしてもよい。
【００１３】
本発明によれば、復旧した組電池のＳＯＣとそれ以外の組電池である運転可能組電池のＳＯＣとの差が所定値より大きい時は最小ＳＯＣを制御目標値とするため、最小ＳＯＣ以外の組電池が放電することから比較的短時間で各ＳＯＣの差が所定値以内に収まる。よって、制御手段により自動的に開閉手段を閉とすることができ、通常運転への復帰を早めることができる。
【００１４】
直列に複数の単電池を接続した複数の組電池と、前記複数の組電池の制御を行う制御手段と、前記複数の組電池がそれぞれの開閉手段を介して並列に接続される電力変換手段と、を備えた蓄電池システムにおいて、前記制御手段は、前記単電池が故障した場合に前記単電池を有する前記組電池に接続された前記開閉手段を開とするステップと、故障した前記単電池を有していない前記組電池である運転可能組電池に対し継続運転指令を行うステップとを有し、前記継続運転指令を行うステップは、電力変換手段による電力制御を行うステップである蓄電池システムの制御方法を採用する。
【００１５】
本発明によれば、単電池が故障した場合に、その単電池が含まれる組電池の開閉手段のみを開とするため、蓄電池システムを停止することなくそれ以外の組電池を用いて運転を継続することができる。
また、故障した単電池を有しておらず継続運転可能な組電池に対して充放電可能な最大電流を考慮した電力制御を行うため、最大電流を考慮することで過電流による電池の故障を防ぐことができる。これにより、電池の故障を考慮した上で可能な限り高い電力指令値を適用でき、稼働率の低下を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、故障した単電池を有する組電池のブレーカのみを開とし、それ以外の組電池に対して電力変換手段による電力制御を行うので、蓄電池システムを停止することなくそれ以外の組電池を用いて稼働率の低下を抑えつつ運転を継続することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる蓄電池システムを示した概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる蓄電池システムのフローを示したフローチャートである。
【図３】本発明の蓄電池システム内の組電池のＳＯＣの時間経過を示したグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる蓄電池システムのフローを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法の概略構成が示されている。
図１に示されるように、蓄電池システム１は、ＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  ＳｕｂＳｙｓｔｅｍ；電力変換手段）３と、制御装置（制御手段）５と、２以上の複数のブレーカ（開閉手段）３０と、組電池１０と、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ；電池保護回路）２０とを主な構成として備えている。各組電池１０は、蓄電池システム１の内部において、それぞれが並列に接続されており、その上流にブレーカ３０が、下流にＢＭＳ２０がそれぞれ直列に接続されている。また各組電池１０の内部において単電池１１が直列に接続されている。各ＢＭＳ２０は、制御装置５に接続されており、制御装置５は各組電池１０の制御を行う。
ＰＣＳ３は双方向の電力変換機能を有する。外部からの交流電力はＰＣＳ３で直流に整流され組電池１０に充電される。また、組電池１０から放電する直流電力は、ＰＣＳ３で直流から交流への電力変換が行われる。
ＢＭＳ２０は、各単電池１１の安全を確保するための機能を有する。各単電池１１の電圧、電流、ＳＯＣ及び温度等を監視し、過充電、過放電、過電流および温度上昇が発生した際に警報を出力し充放電を停止させる。
なお、組電池１０を構成する各単電池１１は蓄電池（二次電池）であり、リチウム蓄電池、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池等であり、特に限定されないが、充放電の追従性がよいことからリチウム蓄電池が好ましく用いられる。
【００１９】
次に、上記構成を有する蓄電池システム１の詳細な処理について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
図２には、蓄電池システム１の運転条件が成立した場合のフローが示されている。
図２に示すように、蓄電池システム１の運転条件が成立すると（Ｓ２０１）、蓄電池システム１内の組電池１０内の単電池１１に故障が発生しているか否かの判断が行われ（Ｓ２０２）、故障が発生している場合にはステップＳ２０３に遷移する。故障の判断は、ＢＭＳ２０にて行われる。
【００２０】
次に、故障が発生した単電池１１を含む組電池１０に接続しているブレーカ３０のみを制御装置５の指令によって開とし（Ｓ２０３）、故障が発生した単電池１１を含む組電池１０を蓄電池システム１から切り離す。この時、ＰＣＳ３及び蓄電池システム１は停止しない。
次に、蓄電池システム１の通電可能な最大電流Ｉｍａｘ、ＰＣＳ３に接続された全組電池１０の数Ｎ、故障によりブレーカ３０が開である組電池１０の数ｎ及び全組電池１０の平均ＳＯＣに応じた電圧Ｖｓｏｃから制御装置５により蓄電池システム１の出力制限値Ｐｍａｘ１が算出される。ｎ個の組電池１０が切り離されている場合の蓄電池システム１の出力制限値は以下の式（１）で表される。
Ｐｍａｘ１＝Ｉｍａｘ×（Ｎ−ｎ）×Ｖｓｏｃ・・・（１）
すなわちＰｍａｘ１による電力制御がＰＣＳ３によって行われることで、過電流による電池の故障を防ぐように出力が抑制される。なお、Ｖｓｏｃは全組電池１０の平均ＳＯＣに応じた電圧としているが、蓄電池システム１が図１のような接続である場合は、ブレーカ３０を経由して各組電池１０が接続されているため、理論的には各組電池１０のＳＯＣは等しくなる。なお、上記（１）式、Ｎについては、制御装置５の記憶領域に格納されている。またｎについては、各ＢＭＳ２０から制御装置５が取得する。ここで、ｎは０からＮまでの自然数である。
上述したＰｍａｘ１を蓄電池システム１の出力制限値とし、ブレーカ３０が閉である運転可能組電池１０で運転を継続する（Ｓ２０４）。ここで、組電池１０のうち、故障が発生しておらず運転が可能である組電池１０を運転可能組電池１０と称する。
【００２１】
一方、上記ステップＳ２０２において、単電池１１に故障が発生していない、または故障から復帰した場合は、ステップＳ２０５に遷移する。ステップＳ２０５に遷移すると、各組電池１０間のＳＯＣを比較、特に故障が発生していた組電池１０のＳＯＣと運転可能組電池１０の平均ＳＯＣとを比較し、その差が任意のＳＯＣより大きい場合はステップＳ２０６に遷移する。
ここで、単電池１１の故障には２種類の故障、軽故障と重故障がある。
軽故障は、例えば単電池１１の温度が所定値よりも上昇すること、充電量が閾値を超えること、などがあげられ、このような軽故障は所定時間経過した後に特に何も制御を行うことなく自動で故障から回復する。このように、単電池が故障から自動的に回復した場合は、この単電池を有する組電池を再び運転可能とする。
これに対して重故障は故障の状態が重く、所定時間経過しても自動で故障から回復することはできない。よって、例えば本実施形態の場合であれば、ＰＣＳ３を停止し、全てのブレーカ３０を手動で開とし、故障の発生した単電池１１を交換することとなる。この一連の処理を完了することで故障から回復したといえ、対象の組電池を再び運転可能とすることができる。
例えば、軽故障の場合は比較的復帰までの時間が短いことから、故障から復帰した組電池１０のＳＯＣと、故障が発生していた組電池を除いた運転可能組電池１０の平均ＳＯＣとの差は少なく、その値が揃っている可能性が高い。
【００２２】
次に、各組電池１０のＳＯＣ制御を行う（Ｓ２０６）。
例えば、図３のグラフには、故障から復帰した組電池１０のＳＯＣと運転可能組電池１０の平均ＳＯＣに対する制御イメージが示されている。図３の横軸は時間、縦軸は組電池１０のＳＯＣ（％）を表している。また、点線は故障から復帰した組電池１０のＳＯＣ、実線は故障が発生していた組電池を除いた運転可能組電池１０の平均ＳＯＣを表している。
故障が発生しブレーカ３０が開となった組電池１０のＳＯＣは、その間充電されないためＳＯＣは他と比較して低い値である場合がある。図３の場合、そのＳＯＣは１０％程度である。これに対し、ブレーカ３０が閉であった組電池１０の平均ＳＯＣは充放電制御が継続されていることからブレーカ３０が開であった組電池のＳＯＣと比較して高い値を示す。図３の場合、その平均ＳＯＣは５０％程度である。
【００２３】
そして、故障から組電池１０が復帰した場合は、全ての組電池１０のＳＯＣが中間ＳＯＣ程度になるように制御が行われる。しかし、図３のように故障から復帰した組電池１０のＳＯＣと運転可能組電池１０の平均ＳＯＣとの差が大きく、その差が任意のＳＯＣ以内でない場合は中間ＳＯＣ程度に揃える制御は時間を要する場合が想定される。
そこで、故障から復帰した組電池１０のＳＯＣと、故障が発生していた組電池を除いた運転可能組電池１０の平均ＳＯＣとの差ができるだけ早く任意のＳＯＣ以内になるように、運転中の運転可能組電池１０の平均ＳＯＣの制御目標値について、故障から復帰した組電池１０のＳＯＣ、すなわち最小ＳＯＣを制御目標ＳＯＣとして制御させる。すなわち、運転可能組電池１０を放電させることで、その平均ＳＯＣを故障から復帰した組電池１０のＳＯＣに揃え、各組電池１０間のＳＯＣの差が無くなるように制御する。
具体的には、図３のグラフにおいて時間がＴ１の時、全ての組電池１０のＳＯＣの制御目標値をこの場合の中間ＳＯＣである５０％から、故障から復帰した組電池１０のＳＯＣ（１０％）に変更する。これにより、運転可能組電池１０は放電することでグラフが示すように急激にＳＯＣが下がり、時間Ｔ２において全ての組電池１０のＳＯＣが１０％程度で揃うことから、各組電池１０間のＳＯＣの差が任意のＳＯＣ内に収まる。ＳＯＣが揃うことにより、組電池間の電圧差による過電流発生を防止することができる。
【００２４】
これにより、中間ＳＯＣ程度になるように制御を行う場合より比較的短時間で各組電池１０のＳＯＣが任意のＳＯＣの差以内となり、制御装置５により故障が発生していた組電池１０のブレーカ３０を閉とする制御が可能となる。
故障が発生していた組電池１０のブレーカ３０が閉となり該当の組電池１０が併入された後は、運用に見合った組電池１０のＳＯＣ制御に戻り運転を継続し、ステップＳ２０４へ遷移する。
【００２５】
次に、ステップＳ２０４の（１）式において、故障によりブレーカ３０が開である組電池１０の数は０であるので、ｎ＝０であることから、Ｐｍａｘ１はＩｍａｘ×Ｎ×Ｖｓｏｃとなる。これを蓄電池システム１の出力制限値とし、運転を継続する。
【００２６】
一方、上記ステップＳ２０５において各組電池１０間のＳＯＣを比較、特に故障が発生していた組電池１０のＳＯＣとその他の組電池１０の平均ＳＯＣを比較し、その差が任意のＳＯＣ以内の場合はステップＳ２０７に遷移する。
【００２７】
次に、故障から復帰した組電池１０のブレーカ３０が開であるならば、これを自動的に閉にするよう制御する（Ｓ２０７）。
次に、ステップＳ２０４の（１）式において、故障によりブレーカ３０が開である組電池１０の数は０であるので、ｎ＝０であることから、Ｐｍａｘ１はＩｍａｘ×Ｎ×Ｖｓｏｃとなる。これを蓄電池システム１の出力制限値とし、運転を継続する。
【００２８】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法によれば、単電池１１が故障した場合に、その単電池１１が含まれる組電池１０のブレーカ３０のみを開とするため、蓄電池システム１を停止することなくそれ以外の運転可能組電池１０を用いて運転を継続することができる。
また、故障した単電池１１を有しておらず継続運転可能な組電池１０に対して組電池が充放電可能な最大電流を考慮した電力制御を行うため、最大電流を考慮することで過電流による単電池１１の故障を防ぐことができる。これにより、単電池１１の故障を考慮した上で可能な限り高い電力指令値を適用でき、稼働率の低下を抑えることができる。
また、単電池１１が故障から自動的に回復した場合、この単電池１１を有する組電池１０を再び運転可能とすることから、例えば単電池１１の温度上昇や充電量が閾値を超えた等の軽故障と呼ばれるような故障が発生した後、所定時間が経過し、単電池１１の温度が所定値以下に低下したり、充電量が所定値以下に低下したりして自動的に回復した場合、自動的に復帰させることができる。
【００２９】
また、復旧した組電池１０のＳＯＣとそれ以外の運転可能組電池１０のＳＯＣとの差が所定値以内となったら復旧した組電池１０のブレーカ３０を閉とすることから、故障から復帰までが全て自動で行われる。これにより、蓄電池システム１のメンテナンス性が向上する。
また、復旧した組電池１０のＳＯＣとそれ以外の運転可能組電池１０のＳＯＣとの差が所定値より大きい時は最小ＳＯＣを制御目標値とするため、最小ＳＯＣ以外の組電池１０が放電することから比較的短時間で各ＳＯＣの差が所定値以内に収まる。よって、制御装置５により自動的にブレーカ３０を閉とすることができ、通常運転への復帰を早めることができる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図４のフローチャートを用いて説明する。
上記した第１実施形態では、故障が発生した場合の出力制限値について充放電可能な最大電流を考慮した電力制御を行うとしたが、故障が発生した場合の出力制限値を、蓄電池システム１の最大出力から故障した組電池１０の出力を除いた出力に抑えられるとしたものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３１】
図４には、本実施形態に係るフローが示されている。
図４に示すように、ステップＳ４０４において、蓄電池システム１の最大出力、ＰＣＳ３に接続された全組電池１０の数Ｎ及び故障によりブレーカ３０が開である組電池１０の数ｎから制御装置５により蓄電池システム１の出力制限値Ｐｍａｘ２が算出される。ｎ個の組電池１０が切り離されている場合の蓄電池システム１の出力制限値は以下の式（２）で表される。
Ｐｍａｘ２＝（蓄電池システム１の最大出力）×｛（Ｎ−ｎ）÷Ｎ｝  ・・・（２）
すなわちＰｍａｘ２は、蓄電池システム１の最大出力から故障した組電池１０の出力を除いた出力に抑えられる。
上述したＰｍａｘ２を蓄電池システム１の出力制限値とし、ブレーカ３０が閉である組電池１０の組すなわち運転可能組電池１０で運転を継続する。
【００３２】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る蓄電池システム及び蓄電池システムの制御方法によれば、単電池１１が故障した場合に、その単電池１１が含まれる組電池１０のブレーカ３０のみを開とするため、蓄電池システム１を停止することなくそれ以外の運転可能組電池１０を用いて運転を継続することができる。また、故障した組電池１０の出力が蓄電池システム１の最大出力から除いた出力に抑えられるため、運転可能組電池１０に過剰な負荷をかけることがない。
【符号の説明】
【００３３】
１  蓄電池システム
３  ＰＣＳ（電力変換手段）
５  制御装置（制御手段）
１０  組電池
１１  単電池
２０  ＢＭＳ（電池保護回路）
３０  ブレーカ（開閉手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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