JP5857247B2 - 電力管理システム - Google Patents

Description

本発明は電力管理システム、特に蓄電池の充放電を制御するシステムに関する。

電力管理においては、負荷の電力消費量に応じて発電や給電を行うことが好適である。下記の特許文献１には、ネットワークシステムの電源システムとして、通信回線に接続された複数の太陽光発電電源システムと、日射量等の気象情報を測定し、太陽光発電電源システムに送信する情報源装置とを含む構成が開示されている。

一方、太陽光発電で生じた電力を蓄電するとともに、変動する負荷の電力消費量に対応するために、リチウムイオン電池等からなる蓄電装置が用いられる。下記の特許文献２には、リチウムイオン電池の管理装置として、リチウムイオン電池の充放電電流の測定値、温度の測定値、商用電源の給電の情報に基づいて、リチウムイオン電池の充放電の状態を判断し、リチウムイオン電池の残存容量を算出することが開示されている。

特開２００８−１３６２５９号公報 特開２００６−１４００９４号公報

蓄電装置を構成するリチウムイオン電池その他の二次電池は、一般に単位セルと称される単位蓄電池の端子間電圧が１Ｖ〜４Ｖ程度であり、その容量も比較的小さい。そこで、単位セルを複数個用いて蓄電池パックを構成し、さらに蓄電池パックを複数個用いて蓄電装置を構成することが必要となる。

このように、複数の蓄電池パックを用いる場合、たとえ使用環境が同一であっても、充放電サイクルを繰り返すうちに蓄電池パックの個体差が顕在化して複数の蓄電池パックの特性にばらつきが生じ得る。従って、電力管理システムにおいて蓄電池を効率的に利用するためには、複数の蓄電池パックの特性ばらつきが生じることを前提とし、これを考慮して充放電を制御することが必要となる。特に、蓄電装置が上記のように複数個の蓄電池パックから構成され、蓄電池パックが複数の単位セルから構成される階層構造では、いずれかの層において異常が生じた場合においてもこれを確実に検出して充放電制御を行うことが望まれる。例えば、単位セルには異常が生じていなくても、複数の単位セルの接続状態に異常が生じた場合には蓄電池パックとして本来の機能を発揮できず、過充電や過放電が生じ得る。

本発明の目的は、蓄電装置の過充電や過放電を確実に防止できるシステムを提供することにある。

本発明は、電力源からの電力により充電し、かつ蓄積した電力を負荷に放電する蓄電部
の充放電を制御する電力管理システムであって、前記蓄電部は、互いに直列接続された複
数の蓄電池パックを含み、前記蓄電池パックは、互いに直列接続された複数の単位セルを
含み、前記単位セルの電圧及び前記直列接続された蓄電池パックの直列電圧を検出する検
出手段と、検出された前記単位セルの電圧及び前記直列電圧に優先度を設けることなくそ
れぞれ上限値及び下限値と比較し、前記単位セルの電圧あるいは前記直列電圧の少なくと
もいずれかが上限値を超える場合に前記蓄電部の充電処理を停止し、前記単位セルの電圧
あるいは前記直列電圧から求めた単位セルの電圧の少なくともいずれかが下限値未満の場
合に前記蓄電部の放電処理を停止する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記蓄電部は、互いに直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の蓄電池パックを含み、前記蓄電池パックは、互いに直列接続されたｍ個（ｍは２以上の整数）の単位セルを含み、前記制御手段は、前記単位セルの電圧と前記上限値及び前記下限値を比較するとともに、前記直列電圧をｍ×ｎで除算した電圧と前記上限値及び前記下限値を比較する。

本発明によれば、蓄電部の過充電や過放電を確実に防止することができる。

電力管理システムの基本構成図である。 蓄電池パックの内部構成図である。 蓄電部の内部構成図である。 充放電制御の全体処理フローチャート（その１）である。 充放電制御の全体処理フローチャート（その２）である。 充電時の時系列説明図である。 放電時の時系列説明図である。 ＳＯＣの算出処理フローチャートである。 ＳＯＣの算出方法を示すタイミングチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．システムの基本構成
まず、本実施形態における電力管理システムの基本構成について説明する。

図１に、本実施形態における電力管理システムの全体構成図を示す。電力管理システムは、外部商用電源１０からの電力が供給されるＰＣＳ統括盤１２と、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）１４と、総合蓄電池ユニット管理部１６と、システム管理部１８と、総合電力監視装置２０と、蓄電池システム２２を含む。この電力管理システムは、一般照明や一般空調、厨房器具、サーバやパーソナルコンピュータ等の事務機器の負荷に必要な電力を供給するために工場施設等に設けられる。これらの負荷への電力の供給は、すべての電力をこの電力管理システムから行ってもよいし、この電力管理システムと外部商用電源とを併用して行ってもよい。

外部商用電源１０は、単相または三相の交流電力源であり、電力需給の変動に合わせて、火力発電、水力発電、原子力発電等の様々な発電方式で発電された電力を組み合わせて外部の電力会社から供給される。

ＰＣＳ統括盤１２は、外部商用電源１０と蓄電池システム２２との間の接続を切り替える。すなわち、充放電時には、ＰＣＳ統括盤１２は、外部商用電源１０の交流系統と蓄電池システム２２とを接続すべくスイッチを切り替え、充放電禁止時には外部商用電源１０の交流系統と蓄電池システム２２との接続を遮断すべくスイッチを切り替える。ＰＣＳ統括盤１２のスイッチが外部商用電源１０の交流系統と蓄電池システム２２と接続する場合、蓄電池システム２２の電位が外部商用電源１２の電位より高ければ蓄電池システム２２に蓄えられた電力が放電し、蓄電池システム２２の電位が外部商用電源１２の電位より低ければ外部商用電源１２から蓄電池システム２２に充電される。ＰＣＳ統括盤１２は、総合蓄電池ユニット管理部１６からの制御指令によりスイッチ制御されるとともに、総合蓄電池管理ユニット管理部１６からの制御指令に基づいてパワーコンディショナー１４に充放電の指令を出力する。

パワーコンディショナー１４は、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータを備え、充電時には外部商用電源１０からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池システム２２に供給し、また、放電時には蓄電池システム２２からの直流電力を交流電力に変換して交流負荷に供給する。なお、パワーコンディショナー１４のＤＣ系統側に図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを設け、放電時に蓄電池システム２２からの直流電力を相対的に低圧の直流電圧に変換して直流負荷に供給してもよい。パワーコンディショナー１４は、複数の蓄電池システム２２に対して共通に設けられ、これら複数の蓄電池システム２２の電力変換を一括して行う。パワーコンディショナー１４は、単一であっても複数であってもよく、複数のパワーコンディショナーのそれぞれは複数の蓄電池システム２２を一括制御する。単一あるいは複数のパワーコンディショナー１４は、ＰＣＳ統括盤１２からの制御指令により制御される。

総合蓄電池ユニット管理部１６は、システム管理部１８からの充放電制御指令と、蓄電池システム２２の各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・からのデータに基づいて、システム管理部１８からの充放電制御指令をそのまま実行できるか否かを判定し、判定結果に基づいて充電指令あるいは放電指令をパワーコンディショナー１４に出力するとともに、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・の蓄電池ユニット管理部２８に対して充電指令あるいは放電指令を出力する。総合蓄電池ユニット管理部１６における充放電を実行するか否かの判定は、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・における充電状態や電圧に応じて決定される。この処理についてはさらに後述する。

システム管理部１８は、総合電力監視装置２０からの管理情報に基づいて、充放電制御指令を総合蓄電池ユニット管理部１６に出力する。すなわち、総合電力監視装置２０は、負荷側に必要な電力及び蓄電池側の電力に関するデータを取得し、管理情報を出力し、システム管理部１８は、この管理情報に基づき、蓄電池システム２２を充電すべきか、あるいは放電すべきかを決定して、充放電制御指令を出力する。充放電制御指令は、例えば、「＊＊ｋＷで＊＊秒間充電すること」、「＊＊ｋＷで＊＊秒間放電すること」等のように、充放電条件が電力値と時間で示されるものであってもよいし、「＊＊ｋＷで電圧が＊＊Ｖになるまで充電（放電）すること」、「＊＊ｋＷでＳＯＣが＊＊％になるまで充電（放電）すること」等のように、充放電条件を電力値と終止する電圧またはＳＯＣで示されるものであってもよい。システム管理部１８は、例えば、負荷の消費電力の変動に起因して外部商用電源１０のピーク電力が過大となることを抑制するために、予めピーク電力となることが予想されるタイミングに先立って、外部商用電源１０からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池システム２２に充電し、ピーク電力となるタイミングにおいて蓄電装置２２から負荷に放電して外部商用電源１０の電力を平滑化するように充放電をスケジューリングする。システム管理部１８からの充放電制御指令は、必要なタイミングで不定期に総合蓄電池ユニット管理部１６に出力される。従って、本電力管理システムは、あるタイミングでは充電状態、別のタイミングでは放電状態、また別のタイミングでは充電も放電も実行されない待機状態の３つの状態を遷移する。

蓄電池システム２２は、複数の蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・から構成され、例えば５個の蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５から構成される。各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・は同一の構成である。蓄電ユニット２２−１を例にとると、蓄電ユニット２２−１は、蓄電部２４と、電力系統切替回路２６と、蓄電池ユニット管理部２８とを含む。

蓄電部２４は、複数個の蓄電池パックから構成され、各蓄電池パックは複数個の単位セルから構成される。単位セルは、リチウムイオン二次電池から構成される。蓄電部２４の構成についてはさらに後述する。

電力系統切替回路２６は、放電と充電を切り替える回路である。蓄電池システム２２の充電時には、充電スイッチをオンにし、放電スイッチをオフにする。蓄電池システム２２の放電時には、充電スイッチをオフにし、放電スイッチをオンにする。充電スイッチ及び放電スイッチのオン／オフは、蓄電池ユニット管理部２８からの指令により制御される。

蓄電池ユニット管理部２８は、蓄電部２４を構成する複数個の蓄電池パックの各蓄電池パックから充電状態として充電率ＳＯＣ等のデータを受信し、このＳＯＣ等のデータを総合蓄電池ユニット管理部１６に出力する。ここで、ＳＯＣは、満充電容量に対する放電可能容量（残存容量）の比を百分率で表したパラメータである。総合蓄電池ユニット管理部１６は、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５のそれぞれの蓄電池ユニット管理部２８から供給されたＳＯＣ等のデータに基づいて充放電の実行の可否を判定し、判定結果に基づいて各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５の蓄電池ユニット管理部２８に対して充放電を指令する。蓄電池ユニット管理部２８は、この充放電指令に応じ、充電指令の場合には充電スイッチをオン制御し、放電指令の場合には放電スイッチをオン制御する。

図２に、蓄電部２４を構成する蓄電池パック２５の内部構成を示す。蓄電池パック２５は、複数のリチウムイオン単位セル２５ａを直列及び並列に接続して構成される。例えば、複数の単位セル２５ａを２４個並列に接続し、これらを１３段直列に接続して構成される。蓄電池パック２５は、これら複数個の単位セル２５ａに加え、パラメータ算出部２５ｂを含むパック情報制御部２５ｃから構成される。

パラメータ算出部２５ｂは、単位セルが並列接続されている各段の電流値及び電圧値を測定すると共に、蓄電池パック＋−電極間の電流値及び電圧値、蓄電池パックのＳＯＣ、蓄電池パック毎の温度を測定してパック情報制御部２５ｃに出力する。ＳＯＣは、充放電電流の積算値から求める他、予め決定された開放端電圧とＳＯＣとの関係を示す計算式あるいはテーブルを参照することにより求めることができる。ＳＯＣの算出方法についてはさらに後述する。蓄電池パックには内部抵抗及び内部容量が存在するため、開放端電圧を正確に求めることが困難な場合がある。放電可能容量を求めることができない場合がある。上記のＳＯＣ算出手法を状況により使い分けたり組み合わせることでより正確に放電可能容量を示すＳＯＣを求めることができる。

図３に、蓄電部２４の内部構成を示す。蓄電池部２４は、図２に示す蓄電池パック２５を複数個直列及び並列に接続して構成される。すなわち、例えば、複数の蓄電池パック２５を５個直列に接続し、これらを互いに４列並列に接続して構成される。各蓄電池パック２５のパック情報制御部２５ｃからのデータ、すなわち、単位セル毎の電流値及び電圧値、蓄電池パック毎の電流値及び電圧値、蓄電池パック毎のＳＯＣ、蓄電池パック毎の温度は通信ラインを介して蓄電池ユニット管理部２８に出力する。

２．システムの基本充放電制御
次に、以上のような構成において、システムの基本的な充放電制御について説明する。図４Ａ、図４Ｂに、本実施形態の処理フローチャートを示す。図４ＡはＳＯＣの平均値を用いた充放電制御の処理フローチャートを示し、図４Ｂはセル電圧、パック電圧、５直列電圧を用いた充放電制御の処理フローチャートを示す。本実施形態の電力管理システムでは、これら２つのフローチャートによる充放電制御が並行して行われ、いずれか一方のフローチャートにおいて充電禁止、あるいは放電禁止の状態となったとき、電力管理システムは充電あるいは放電を禁止するように構成されている。

まず、図４Ａに示されるＳＯＣの平均値を用いた充放電制御の処理フローチャートについて説明する。

システム管理部１８は、充電を行うか放電を行うかを決定して充放電制御指令を総合蓄電池ユニット管理部１６に出力する（Ｓ１０１）。次に、総合蓄電池ユニット管理部１６は、充放電制御指令に基づき、充電あるいは放電のいずれであるかを判定する（Ｓ１０２）。以下、充電指令と放電指令とに分けて説明する。

＜充電指令の場合＞
充電指令である場合、総合蓄電池ユニット管理部１６は各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５の蓄電池ユニット管理部２８に第１しきい値を設定する（Ｓ１０３）。このとき、充電前に算出された平均ＳＯＣより高い値を第１しきい値として設定する。第１しきい値は、充電の目標値であって、以降の処理によって平均ＳＯＣが第１しきい値まで充電が行われる。

総合蓄電池ユニット管理部１６は、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５の蓄電池ユニット管理部２８から蓄電池バック毎のＳＯＣを取得する（Ｓ１０４）。そして、蓄電池システム２２の平均ＳＯＣを算出する（Ｓ１０５）。蓄電池システム２２は５個の蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５から構成され、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５がそれぞれ５直列４並列の蓄電池パック２５から構成される場合、合計５×５×４＝１００個のＳＯＣのデータが全ての蓄電池ユニット管理部２８から総合蓄電池ユニット管理部１６に出力されるから、総合蓄電池ユニット管理部１６は、これら１００個のＳＯＣのデータの平均値（平均ＳＯＣ）を算出する。つまり、蓄電システム２２内の全ての蓄電池パック２５の平均ＳＯＣである。

平均ＳＯＣを算出した後、総合蓄電池ユニット管理部１６は、算出した平均ＳＯＣが第１しきい値を超えているか否かを判定する（Ｓ１０６）。Ｓ１０６でＹＥＳ、すなわち第１しきい値を超えている場合には、充電の目標値に達したので充電を禁止する（Ｓ１１４）。

一方、平均ＳＯＣが所定の第１しきい値以下である場合には、総合蓄電池ユニット管理部１６は、充電を実行する（Ｓ１０７）。

なお、平均ＳＯＣを例えば３０％〜７０％の範囲に制御して充放電する場合、第１しきい値は７０％に設定することができる。

＜放電指令の場合＞
放電指令である場合、総合蓄電池ユニット管理部１６は各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５の蓄電池ユニット管理部２８に第２しきい値を設定する（Ｓ１０９）。このとき、放電前に算出された平均ＳＯＣより低い値を第２しきい値として設定する。第２しきい値は、放電の目標値であって、以降の処理によって平均ＳＯＣが第２しきい値に達するまで放電が行われる。

総合蓄電池ユニット管理部１６は、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５の蓄電池ユニット管理部２８から蓄電池バック毎のＳＯＣを取得する（Ｓ１１０）。そして、蓄電池システム２２の全ての蓄電池パック２５の平均ＳＯＣを算出する（Ｓ１１１）。

平均ＳＯＣを算出した後、総合蓄電池ユニット管理部１６は、算出した平均ＳＯＣが第２しきい値未満であるか否かを判定する（Ｓ１１２）。第２しきい値は、第１しきい値よりも小さい値である。Ｓ１１２でＹＥＳ、すなわち第２しきい値未満である場合には、放電を行うのに適当でないとして放電指令を実行しない（Ｓ１１４）。

一方、平均ＳＯＣが所定の第２しきい値以上である場合には、総合蓄電池ユニット管理部１６は、放電を実行する（Ｓ１１３）。

なお、平均ＳＯＣを例えば３０％〜７０％の範囲に制御して充放電する場合、第２しきい値は３０％に設定することができる。

次に、図４Ｂに示されるセル電圧、パック電圧、５直列電圧を用いた充放電制御の処理フローチャートについて説明する。セル電圧とは、図２に示す蓄電池パック２５を構成する各単位セル２５ａの電圧であり、パック電圧とは蓄電池パック２５の電圧であり、５直列電圧とは図３に示す蓄電池パック２５が５個直列に接続された場合の全体の電圧である。単位セル２５ａが１３個直列に接続されている場合、セル電圧＝パック電圧／１３＝５直列電圧／（１３×５）が成り立つ。

総合蓄電池ユニット管理部１６は、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５の蓄電池ユニット管理部２８からセル電圧、パック電圧、５直列電圧を取得する（Ｓ１５１）。そして、セル電圧、パック電圧、５直列電圧それぞれの最大値、最小値を算出する（Ｓ１５２）。蓄電池システム２２は５個の蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５から構成され、各蓄電ユニット２２−１，２２−２，・・・，２２−５がそれぞれ５直列４並列の蓄電池パック２５から構成される場合、合計５×５×４＝１００個のパック電圧のデータが全ての蓄電池ユニット管理部２８から総合蓄電池ユニット管理部１６に出力されるから、総合蓄電池ユニット管理部１６は、これら１００個のＳＯＣのデータの最大値と最小値を算出する。同様に、セル電圧、５直列電圧についても、複数の電圧値から最大値と最小値をそれぞれ算出する。

セル電圧、パック電圧、５直列電圧それぞれの最大値、最小値を算出した後、総合蓄電池ユニット管理部１６は、算出した電圧の最大値が予め設定した所定の電圧上限値を超えているか否かを判定する（Ｓ１５３）。Ｓ１５３でＹＥＳ、すなわち上限値を超えている場合には、充電を行うのに適当でないとして充電を禁止する（Ｓ１５６）。Ｓ１５６の充電の禁止は、例えば、充電禁止のフラグを設定することによって実現することができる。このとき、充電禁止のフラグは、図４Ａに記載の処理フローチャートで使用される充電禁止のフラグと同じものを使用してもよいし、別のフラグとして設けてもよい。なお、電圧上限値は、過充電を防止するために必要な電圧値に設定すればよい。

次に、総合蓄電池ユニット管理部１６は、算出した電圧の最小値が予め設定した所定の電圧下限値未満であるか否かを判定する（Ｓ１５４）。Ｓ１５４でＹＥＳ、すなわち下限値未満である場合には、放電を行うのに適当でないとして放電を禁止する（Ｓ１５７）。Ｓ１５７の放電の禁止は、例えば、放電禁止のフラグを設定することによって実現することができる。このとき、放電禁止のフラグは、図４Ａに記載の処理フローチャートで使用される放電禁止のフラグと同じものを使用してもよいし、別のフラグとして設けてもよい。なお、電圧下限値は、過放電を防止するために必要な電圧値に設定すればよい。

総合蓄電池ユニット管理部１６が算出したセル電圧、パック電圧、５直列電圧それぞれの最大値がＳ１５３の条件を満たさない場合、充電禁止のフラグや放電禁止のフラグを設定せず、充放電状態が継続される（Ｓ１５５）。図４Ｂに記載の処理フローチャートを、例えば１秒に一回など、一定間隔で実行することによって、充放電の制御が行われる。

図４Ａに記載の平均ＳＯＣを用いた充放電制御のみでは、単位セル間の直列接続に異常が生じる場合や、蓄電池パック間の直列接続に異常が生じる場合を検出できない場合もあり得る。そこで、図４Ｂに記載の充放電制御を並行して実行することで、セル電圧、パック電圧、５直列電圧を互いに独立に上限値と大小比較し、これらのいずれかが電圧上限値を超える場合には何らかの異常が生じたと判定する。具体的には、図４Ｂに記載の処理フローチャートに示すように、共通の電圧上限値を用い、最大セル電圧と電圧上限値、最大パック電圧／１３と電圧上限値、最大５直列電圧／（１３×５）と電圧上限値をそれぞれ大小比較し、いずれかが電圧上限値を超えている場合には、過充電のおそれがあるとして充電を実行しない。なお、例えばセル電圧、パック電圧及び５直列電圧の上限値は個別に設けてもよく、例えば、セル電圧の上限値を４．２Ｖとする場合、パック電圧の上限値を５３Ｖ、５直列電圧の上限値を２５０Ｖに設定する。

図５及び図６に、充放電処理を時系列的に示す。図５は充電状態、図６は放電状態である。例としてパック電圧の最大値と最小値を用いる場合とし、両図において、ｍａｎ，ｍｉｎはそれぞれパック電圧の最大値、パック電圧の最小値を示し、丸印は平均ＳＯＣを示す。便宜上、パック電圧の電圧値を百分率で示している。まず、図５について説明する。図５（ａ）に示すように、平均ＳＯＣが第１しきい値である７０％以下であり、パック電圧の最大値が上限値以下である場合には充電指令が実行され、充電状態となる。

充電が進行し、ＳＯＣが増大してやがて図５（ｂ）に示すように平均ＳＯＣが第１しきい値の７０％に達すると、充電が禁止される。また、図５（ｃ）に示すように、平均ＳＯＣが第１しきい値の７０％に達していなくても、蓄電池パック２５間のばらつきが増大してパック電圧の最大値が上限値に達すると、過充電防止のために充電が禁止される。また、図示していないが、たとえ平均ＳＯＣが第１しきい値の７０％に達しておらず、かつ、パック電圧の最大値が上限値に達していなくても、最大セル電圧、最大５直列電圧のいずれかが電圧上限値に達した場合には、その時点で充電が禁止される。

次に、図６について説明する。図６（ａ）に示すように、平均ＳＯＣが第２しきい値である３０％以上であり、パック電圧の最小値が下限値以上である場合には放電指令が実行され、放電状態となる。

放電が進行し、ＳＯＣが減少してやがて図６（ｂ）に示すように平均ＳＯＣが第２しきい値の３０％に達すると、放電が禁止される。また、図６（ｃ）に示すように、平均ＳＯＣが第２しきい値の３０％に達していなくても、蓄電池パック２５間のばらつきが増大してパック電圧の最小値が下限値に達すると、過放電防止のために放電が禁止される。また、図示していないが、たとえ平均ＳＯＣが第２しきい値の３０％に達しておらず、かつ、パック電圧の最小値が下限値に達していなくても、最小セル電圧、最小５直列電圧のいずれかが電圧下限値に達した場合には、その時点で放電が禁止される。

これらの処理により、平均ＳＯＣが３０％〜７０％の範囲内にあるように充放電制御されるとともに、蓄電池パック２５間の特性のばらつきや、蓄電池パック２５内の不具合あるいは蓄電池２５間の直列接続の不具合等による過充電あるいは過放電が確実に防止される。また、過充電に至らない場合であっても、蓄電池パック２５を過充電に近い高い電圧まで充電された状態で放置すると、電池寿命が著しく短くなる。これらの処理により、蓄電池パック２５を高い電圧の状態で放置することを防ぐことで、電池の劣化を防ぎ、また電池の寿命を長くすることができる。

３．ＳＯＣ算出処理
以上のように、総合蓄電池ユニット管理部１６は充放電制御指令を実行するか否かを判定して充電あるいは放電を実行するが、充電あるいは放電を実行するに際して、蓄電池システム２２のＳＯＣを算出する（図４ＡにおけるＳ１０４，Ｓ１１０）。以下では、このＳＯＣ算出処理について詳細に説明する。

一般に、蓄電池のＳＯＣを算出する方法として、以下の２つの方法が知られている。

（１）Ａ方法
蓄電池に出入りした電流量に基づいて算出する方法である。一定以上の電流が流れる場合に、ＳＯＣの増減量を比較的正確に算出することができる。具体的には、ある時点におけるＳＯＣに対し、その時点以後の充電電流を時間積分して加算し、かつ、放電電流を時間積分して減算することで任意の時点におけるＳＯＣを算出する。但し、この方法では、一定量以下の微小な電流は検知できない場合があり、このため定電圧モードで充電される場合等において電流を検知できず、計算値と実際のＳＯＣとの間の誤差が蓄積されるおそれがある。蓄電池内部での自己放電等によっても同様の影響が生じ得る。

（２）Ｂ方法
蓄電池の開放端電圧及び温度をパラメータとした関数により算出する方法である。具体的には、開放端電圧及び温度とＳＯＣとの間には一定の相関があり、予め開放端電圧と温度及びＳＯＣとの関係を関数あるいはテーブルとしてメモリに格納しておき、ある時点における開放端電圧と温度を検出し、これに対応するＳＯＣを算出する。ＳＯＣが一定以上で、温度が室温程度の場合、温度のＳＯＣに与える影響は開放端電圧に比べ小さいので、温度を無視して開放端電圧のみをパラメータとしてもよい。なお、この関係は蓄電池の劣化あるいはメモリ効果により変化し得るため、定期的に更新することも提案されている。この方法では、どんな電圧、電流でもＳＯＣを算出することができる。但し、充放電運転時において開放端電圧を推定するのは困難であり、また、充放電開始直後や充放電状態から待機状態に遷移した直後においてヒステリシス（電流が変化しても電圧はすぐには追随せず、ゆっくり変化する状態）の影響により正確に開放端電圧を推定することが困難である。

このように、Ａ方法及びＢ方法には一長一短があるため、いずれかの方法のみでＳＯＣを算出するのでは、蓄電池システム２２の充放電を繰り返すに従って正確なＳＯＣを算出することが困難となり、ひいては充放電制御を正確に実行することも困難となる。

そこで、本実施形態では、両方法を組み合わせてＳＯＣを算出する。具体的には、本実施形態の管理システムは、既述したようにシステム管理部１８から不定期で充放電制御指令が出力され、充電状態、放電状態、待機状態の３つの状態間を遷移することに鑑み、充電状態や放電状態においてはＡ方法でＳＯＣを算出し、充放電時の充放電電流の積算値を現在のＳＯＣに加算・減算してＳＯＣを算出する。また、一定時間以上待機状態が継続するような場合には、ヒステリシスの影響がなくなり正確にＳＯＣを算出して誤差補正し得ることを考慮してＢ方法でＳＯＣを算出する。

なお、充放電時にＢ方法でＳＯＣを算出する場合、蓄電池システム２２が充放電中に開放端電圧を計測すると正確な開放端電圧が測定できず、正確なＳＯＣを算出することができないおそれがある。従って、蓄電池システム２２の充放電中にＳＯＣを算出する場合には、一旦、充放電処理を中断し、ＳＯＣを算出した後に、充放電処理を再開することが好適である。充電中に充電処理を中断する場合にはともかく、放電中に放電処理を中断すると負荷に対して供給すべき電力が不足するおそれがあるため、この場合には外部商用電源１０の電力を負荷に供給して補うことが好適である。外部商用電源１０を中断時のバックアップ電源として用いるということもできる。

因みに、Ａ方法は、各蓄電池パック２５のパラメータ算出部２５ｂで実行してＳＯＣを算出することができる。算出された各蓄電池パック２５毎のＳＯＣは、既述したように総合蓄電池ユニット管理部１６に供給される。Ｂ方法は、総合蓄電池ユニット管理部１６のメモリに予め開放端電圧と温度及びＳＯＣとの関数あるいはテーブルを格納しておき、総合蓄電池ユニット管理部１６で実行してＳＯＣを算出することができる。総合蓄電池ユニット管理部１６は、Ａ方法及びＢ方法を切り替えてＳＯＣを算出する。

図７に、本実施形態におけるＳＯＣ算出処理のフローチャートを示す。まず、総合蓄電池ユニット管理部１６は、本電力管理システムの起動時であるか否かを判定する（Ｓ２０１）。システム起動時である場合には、総合蓄電池ユニット管理部１６はＢ方法でＳＯＣを算出する（Ｓ２０５）。システム起動時に算出されたＳＯＣは、ＳＯＣ初期値として以後のＳＯＣ算出の基準値となる。

システム起動時でない場合、次に、蓄電池システム２２が充電状態あるいは放電状態にあるか否かを判定する（Ｓ２０２）。充電指令あるいは放電指令を実行中である場合にはＹＥＳと判定され、総合蓄電池ユニット管理部１６はＡ方法でＳＯＣを算出する（Ｓ２０３）。すなわち、中断直前までの充放電電流値を積算し、Ｂ方法で算出されたＳＯＣに加算・減算することでＳＯＣを算出する。

一方、Ｓ２０２で充電状態あるいは放電状態のいずれでもない場合、すなわち待機状態である場合には、総合蓄電池ユニット管理部１６は次にこの待機状態が一定時間継続しているか否かを判定する（Ｓ２０４）。待機状態が一定時間継続していない場合には、未だヒステリシスの影響があるとして、Ａ方法でＳＯＣを算出する（Ｓ２０３）。また、待機状態が一定時間継続していると判定された場合には、ヒステリシスの影響がなく電流の変化に電圧の変化が追随しており開放端電圧を比較的正確に検出できると判定し、Ｂ方法でＳＯＣを算出する（Ｓ２０５）。開放端電圧の算出方法は公知であり、内部抵抗Ｒと出力電圧Ｖ、開放端電圧Ｖｏ、放電電流Ｉとの間には、Ｖ＝Ｖｏ＋ＩＲの関係にあるから、（Ｉ，Ｖ）のペアデータを検出してプロットすることで開放端電圧Ｖｏを算出することができる。なお、開放端電圧Ｖｏを用いたＳＯＣの算出については、例えば本願出願人に係る特開２００６−１９４７８９号公報にも開示されている。

図８に、本実施形態におけるＳＯＣ算出処理が時系列的に示されている。図において、符号１００は実際のＳＯＣの時間変化を示し、符号２００は本実施形態で算出されたＳＯＣの時間変化を示し、符号３００は比較のためＡ方法のみで算出されたＳＯＣの時間変化を示す。充電処理あるいは放電処理においては、充電処理あるいは放電処理を中断してＡ方法でＳＯＣを算出する。この場合、比較的高精度にＳＯＣを算出することができ、実際のＳＯＣとほとんど誤差はない。

ところが、待機状態に遷移すると、実際のＳＯＣは自己放電等により徐々にＳＯＣは低下するところ、Ａ方法のみでは待機状態ではＳＯＣの変化はないとみなすから実際のＳＯＣとの誤差が蓄積してしまう。一方、本実施形態では、待機状態が一定時間継続すると、Ａ方法ではなくＢ方法に切り替えてＳＯＣを算出するため、実際のＳＯＣとの誤差を補正することができる。待機状態がさらに継続する場合には、Ｂ方法で繰り返しＳＯＣが算出される。

待機状態が終了して充電処理あるいは放電処理が実行されると、再びＡ方法でＳＯＣが算出される。

図８から分かるように、本実施形態では、充電処理あるいは放電処理においては充電処理あるいは放電処理を中断してＳＯＣを算出し、待機状態においては一定時間継続して待機状態である場合にＢ方法に切り替えてＳＯＣを算出して補正するので、実際のＳＯＣにほぼ等しいＳＯＣを得ることができる。

４．変形例
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態において、電力源として外部商用電源１０に加え、太陽電池（太陽光発電システム）等を併用してもよい。太陽電池で発電した電力を蓄電池システム２２に供給して蓄電池システム２２を充電する。この場合においても、Ａ方法でＳＯＣを算出する際には充放電処理を中断してＳＯＣを算出するのが好適である。放電処理を中断する場合、太陽電池をバックアップ電源として用いてもよい。

また、本実施形態において、蓄電池システム２２内の全ての蓄電池パック２５の平均ＳＯＣを算出し、この平均ＳＯＣを第１しきい値あるいは第２しきい値と大小比較しているが、蓄電池システム２２内の全ての蓄電池パック２５の平均電圧を算出し、平均ＳＯＣに代えて平均電圧を第１電圧しきい値あるいは第２電圧しきい値と大小比較してもよい。

また、蓄電池システム２２内の全ての蓄電池パック２５の平均ＳＯＣを算出するとともに平均電圧を算出し、平均ＳＯＣあるいは平均電圧の少なくともいずれかが第１しきい値あるいは第１電圧しきい値を超える場合に充電処理を禁止し、平均ＳＯＣあるいは平均電圧の少なくともいずれかが第２しきい値あるいは第２電圧しきい値未満の場合に放電処理を禁止してもよい。

また、本実施形態において、最大ＳＯＣが上限値を超える場合に充電を禁止し、最小ＳＯＣが下限値未満の場合に放電を禁止しているが、最大ＳＯＣの代わりに全ての蓄電池パック２５の最大電圧を用いてもよく、最小ＳＯＣの代わりに全ての蓄電池パック２５の最小電圧を用いてもよい。

また、本実施形態では、最大セル電圧、最大パック電圧、最大５直列電圧の少なくともいずれかが電圧上限値を超えた場合に充電を禁止し、最小セル電圧、最小パック電圧、最小５直列電圧の少なくともいずれかが電圧下限値未満の場合に放電を禁止したが、セル電圧、パック電圧、５直列電圧のうちの任意の２つを組み合わせて過充電保護あるいは過放電保護を図ってもよい。例えば、セル電圧と５直列電圧、セル電圧とパック電圧、パック電圧と５直列電圧等である。セル電圧と５直列電圧を用いる場合、図４ＢのＳ１５３の処理において、最大セル電圧あるいは最大５直列電圧のいずれかが電圧上限値を超えるか否かを判定し、超える場合に充電処理を禁止することになる。また、図４ＢのＳ１５４の処理では、最小セル電圧あるいは最小５直列電圧のいずれかが電圧下限値未満であるか否かを判定し、未満である場合に放電処理を禁止することになる。

さらに、本実施形態では、蓄電池パック２５の充電状態として満充電状態を１００とした相対的な充電率ＳＯＣ（％）を用いているが、充電率ＳＯＣ（％）に代えて残存容量値（Ａ・ｈ）を用いてもよい。

１０ 外部商用電源、１２ ＰＣＳ統括盤、１４ パワーコンディショナー、１６ 総合蓄電池ユニット管理部、１８ システム管理部、２０ 総合電力監視装置、２２ 蓄電池システム、２４ 蓄電部、２５ 蓄電池パック、２６ 電力系統切替回路、２８ 蓄電池ユニット管理部。

Claims (1)

1. 電力源からの電力により充電し、かつ蓄積した電力を負荷に放電する蓄電部の充放電を
   制御する電力管理システムであって、
   前記蓄電部は、互いに直列接続された複数の蓄電池パックを含み、前記蓄電池パックは
   、互いに直列接続された複数の単位セルを含み、
   前記単位セルの電圧及び前記直列接続された蓄電池パックの直列電圧を検出する検出手
   段と、
   検出された前記単位セルの電圧及び前記直列電圧に優先度を設けることなくそれぞれ上
   限値及び下限値と比較し、前記単位セルの電圧あるいは前記直列電圧から求めた単位セル
   の電圧の少なくともいずれかが上限値を超える場合に前記蓄電部の充電処理を停止し、前
   記単位セルの電圧あるいは前記直列電圧の少なくともいずれかが下限値未満の場合に前記
   蓄電部の放電処理を停止する制御手段と、
   を備えることを特徴とする電力管理システム。

Images