JP6415218B2 - 蓄電システム及び蓄電システムのプリチャージ方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電システム及び蓄電システムのプリチャージ方法に関する。

複数の電池パックを並列接続した蓄電システムでは、例えば、初期設置時や電池パック交換時等に、並列接続された電池パック間での横流を抑止するためにプリチャージ（予備充電）を行うことにより各電池パックの端子電圧を均等化して、放電可能な通常状態にしている。

この種の蓄電システムとして、例えば特許文献１が公知である。この特許文献１には、「並列接続された複数の電池パックの総ての電池パックを外部回路に接続して並列に充放電制御する制御手段を備えた蓄電システムにおいて、制御手段は、総ての電池パックを充電可能状態にして外部回路から給電を受けてプリチャージを行って総ての電池パックの電圧の差を所定の範囲内となるように充電し、その後に総ての電池パックを外部回路に対して充放電可能状態にする制御を行う」ことが記載されている（請求項１参照）。

特開２０１４−９０５９５号公報

従来のプリチャージは、全ての電池パックを充電のみ可能な状態にして定電流充電を行い、電池パックの電圧を揃える。ただし、この方法では、最も電圧の高い電池パックに他の電池パック電圧が近づくと、最も電圧の高い電池パックにも充電電流が流れて、最も電圧の高い電池パックの電圧も上昇してしまい、電圧が揃うのに時間が掛かる。また、揃った電圧は元の電池パック電圧よりも高い電圧になる。この現象について図６（ｂ）を用いて詳しく説明する。図６（ｂ）に示すように、定電流充電を行うと電池パック２ｂの電圧Ｖ２が時間の経過に伴って上昇し、電池パック２ａの電圧Ｖ１に近接した時間ｔ１のとき、電圧Ｖ１の値が上昇する。電池パック２ｂの充電スイッチや放電スイッチ等のインピーダンスによる電圧降下分、充電電圧Vｃｇは電圧Ｖ２より高い電圧になるため、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２が接近すると、充電電圧Ｖｃｇが電圧Ｖ１より高くなるためである。

そのため、電池パック２ａと電池パック２ｂとの電圧差が縮まり難くなり、定電流充電完了のタイミングが時間ｔ３まで遅延する。その結果、従来のプリチャージ方法では、プリチャージの所要時間が定電流充電完了の遅延分長くなるという課題がある。この課題を解決するための技術について、特許文献１では何ら言及されていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の電池パックを並列接続した蓄電システムにおいて、プリチャージの所要時間を短縮することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る蓄電システムは、並列に接続されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電池パックと、前記Ｌ個の電池パックの電圧を検出する電圧検出部と、充放電の制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記電圧検出部の検出結果に基づいて、前記Ｌ個の電池パックの中から、最も電圧の高い前記電池パックを選択し、前記最も電圧の高い電池パックを充電不能な状態にすると共に、前記最も電圧の高い電池パックを除いた（Ｌ−１）個の前記電池パックを定電流充電し、前記（Ｌ−１）個の電池パックが前記最も電圧の高い電池パックの電圧と予め定めた許容範囲内まで上昇したことに基づき、前記最も電圧の高い電池パックを充電可能な状態とすると共に、定電流充電を完了するよう制御することを特徴とする。

本発明によれば、複数の電池パックを並列接続した蓄電システムにおいて、プリチャージの所要時間を短縮することができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る蓄電システムが適用された無停電電源装置の内部構成を示すブロック図。 本発明の第１実施形態に係る蓄電システムの詳細を示すブロック図。 プリチャージ中の電池パックの充放電スイッチの動作状態を示す図。 プリチャージ中の電池パックの状態の変化等を示すタイムチャート。 図１に示す無停電電源装置（ＵＰＳ）の動作説明図。 本実施形態（ａ）と従来技術（ｂ）とのプリチャージ時間の比較を示す図。

以下、本発明に係る蓄電システムの実施形態を図に基づき説明する。

「第１実施形態」
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄電システムが適用された無停電電源装置の内部構成を示すブロック図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係る蓄電システムの詳細を示すブロック図である。図１に示すように、無停電電源装置（以下、ＵＰＳと言う）２０は、商用電源（系統）１１と交流負荷１２との間に接続され、商用電源１１からの電力供給を受けて充電すると共に、商用電源１１を供給できない非常時において、内部に蓄えた電力を交流負荷１２に供給する。なお、図１においてＲＹはリレーである。

ＵＰＳ２０は、双方向インバータ１３と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、蓄電システム１とを備えて構成される。蓄電システム１は、複数個（例えば１２個）の電池パック２ａ〜２ｌと、制御部７とを備える。この制御部７は、各電池パック２ａ〜２ｌの充放電制御を行うほか、双方向インバータ１３及び双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の状態監視及び制御も行っている。

次に、図２を用いて電池パック２ａ〜２ｌの詳細構成を説明する。図２に示すように、電池パック２ａは、充電許可回路である充電スイッチ３ａ及び放電許可回路である放電スイッチ４ａが蓄電池５ａと直列に接続されて構成されている。また、電池パック２ａは、蓄電池５ａの端子電圧を検出するための電圧センサ（電圧検出部）６ａを備える。なお、電池パックの個数は仕様に応じて適宜決定すれば良い。

蓄電池５ａは、例えば、複数のリチウムイオン二次電池セルを直列及び（又は）並列接続してなる組電池によって構成される。

充電スイッチ３ａは、充電方向の通電可否を制御する半導体スイッチ（例えばパワーＭＯＳＦＥＴ）と該半導体スイッチに逆並列接続したダイオードによって構成する。なお、ダイオードの代わりに半導体スイッチに寄生素子として形成されるボディダイオードを用いても良い。

放電スイッチ４ａは、放電方向の通電可否を制御する半導体スイッチ（例えばパワーＭＯＳＦＥＴ）と該半導体スイッチに逆並列接続したダイオードによって構成する。なお、ダイオードの代わりに該半導体スイッチに寄生素子として形成されるボディダイオードを用いても良い。

電池パック２ｂ〜２ｌも電池パック２ａと同一の構成であるため、ここでの説明は省略する。なお、図２において、Ｒ１〜Ｒ１２は配線抵抗、Ｉｃｇは双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して各電池パックに流れる充電電流、Ｖｃｇは充電電圧、Ｉ１〜Ｉ１２は各電池パックに流れる電流、Ｖ１〜Ｖ１２は各電池パックの端子電圧、をそれぞれ示す。

次に、蓄電システム１におけるプリチャージの制御方法について説明する。図３はプリチャージ中の各電池パックの充放電スイッチの動作状態を示す図、図４はプリチャージ中の電池パックの状態の変化等を示すタイムチャート、図５はＵＰＳの動作説明図、図６は本実施形態と従来技術とのプリチャージ時間の比較を示す図である。第１実施形態では、全ての電池パック２ａ〜２ｌを充電対象としている。なお、電池パック２ａの電圧Ｖ１が最も電圧が高い電池パックである場合を例に挙げて、以下にプリチャージ制御について説明する。

（第１ステップ）
プリチャージが開始されると、制御部７は各電圧センサ６ａ〜６ｌからのセンサデータに基づき各電池パック２ａ〜２ｌの電圧を測定する。そして、制御部７は電圧が最大の電池パックを選定する（ここでは、電池パック２ａが最大電圧である場合を説明しているので、電池パック２ａが選定される）。

（第２ステップ）
次に、制御部７は、最大電圧の電池パック２ａの充電スイッチ３ａをオフにし（充電不能状態）、その他の電池パック２ｂ〜２ｌの充電スイッチ３ｂ〜３ｌをオンにする（図３参照）。即ち、電池パック２ａ以外の電池パック２ｂ〜２ｌを充電可能状態にする。なお、図３に示すように、プリチャージ中は全ての電池パック２ａ〜２ｌの放電スイッチ４ａ〜４ｌがオフに制御される。

次に、制御部７からの指令により双方向インバータ１３、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が動作し、電池パックに対して定電流充電を開始する。このとき、電池パック２ａは充電スイッチ３ａがオフになっているので、充電されない。定電流充電が行われると、図４に示すように、最大電圧以外の電池パック２ｂ〜２ｌの電圧及び電流が上昇する。

（第３ステップ）
その後、電池パック２ｂ〜２ｌいずれかの電圧が電池パック２ａの電圧に略等しくなったことを条件に、制御部７は電池パック２ａの充電スイッチ３ａをオンにして、電池パック２ａを充電可能状態にする。そして、制御部７は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に対して現在の出力電圧を電圧リミット値に設定する。これにより、定電流充電から定電圧充電に切り替わる。即ち、時間ｔ２（図６（ａ）参照）以降は定電圧充電を行う。

（第４ステップ）
制御部７は、時間ｔ２以降であって充電終止電流値を検出したタイミングで定電圧充電を停止する。制御部７は、充電スイッチ３ａ〜３ｌ及び放電スイッチ４ａ〜４ｌをオンにして充放電が可能な状態（通常状態）となる。このように、本実施形態では第１ステップから第４ステップまでの処理を行って、プリチャージが完了する。

なお、充電終止電流値とは、電池を満充電と判定するための電流閾値のことである。具体的には、リチウムイオン電池の一般的な充電方法である定電流−定電圧充電を実施するように構成すると、定電圧充電に移行した後は充電電流が減少していくが、ある充電電流値以下となったときには満充電と判断して充電動作を完全停止する。このときの電流値が充電終止電流値である。

ＵＰＳ２０の動作について補足すると、図５（ａ）に示すように、電池パックが並列接続されていない状態でＵＰＳ２０が停止していた場合、系統入力がオンになると、ＵＰＳ２０は、起動時の処理を行った後、電池パック２ａ〜２ｌのプリチャージを行い、通常状態にする。また、図５（ｂ）に示すように、ＵＰＳ２０が通常状態にあるときに電池パックを交換する場合、ＵＰＳ２０は、電池パックを交換後にプリチャージを行って通常状態にする。

以上説明したように、従来であれば定電圧充電に移行するタイミングが時間ｔ３まで遅れていたが、本実施形態では、電池パック２ａの充電スイッチ３ａをオフにして充電不能な状態として、その他の電池パック２ｂ〜２ｌを定電流充電した後に、全ての電池パック２ａ〜２ｌを定電圧充電に移行するようにしたので、定電圧充電に移行するタイミングを時間ｔ２まで短縮できる。その結果、プリチャージの所要時間を、時間ｔ３と時間ｔ２の差の分だけ短縮することができる。さらに、プリチャージ中に各電池パック２ａ〜２ｌの電圧はＶ１より高くならないため、過電圧による各電池パック２ａ〜２ｌのダメージを防止できるという利点もある。

「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態に係る蓄電システムについて説明する。なお、第２実施形態に係る蓄電システムは、第１実施形態に係る蓄電システムと同一の構成であり、相違する部分は、制御部７によるプリチャージの制御だけである。よって、ハード構成についての図示及び説明は省略し、制御についてのみ説明する。

プリチャージが開始されると、制御部７は各電池パック２ａ〜２ｌの電圧をチェックし、予め定めた条件を満たす電池パックのみを選定する。ここで、上記した予め定めた条件として、例えば、電池パック２ａ〜２ｌのうち電圧が高い方からＮ個（Ｎは２以上の自然数）、電池パック２ａ〜２ｌのうち電圧が低い方からＮ個、電池パック２ａ〜２ｌのうち電圧差の少ないＮ個、という３つの条件の中から何れかを設定すると電池パックの設置位置番号を条件とするより短時間でプリチャージが完了する可能性が高い。

そして、制御部７は、充電対象として選んだ特定の電池パックの中から最も電圧の高い電池パックを選定し、その電池パックの充電スイッチをオフ、残りの電池パックの充電スイッチをオン、充電対象外の電池パックの充電スイッチをオフにしてから定電流充電を行い、電圧値が充電対象の電池パックの最大値と略同一になると最も電圧の高い電池パックも充電可能な状態にして定電流充電を完了する。選定された電池パックに対するプリチャージが完了すると、制御部７は、選定された電池パックのみを放電可能状態にする。

この構成によれば、必要な電池パックのみをプリチャージするので、プリチャージの所要時間をさらに短縮することができる。勿論、全ての電池パックをプリチャージする場合には、第１実施形態に記載の通り、最大電圧の電池パック以外の残りの電池パック全てをプリチャージする必要がある。

また、定電圧充電への移行をさらに早くするために、充電対象の電池パックのうち残りの電池パックが最大電圧の電池パックと略同一にある手前であっても予め定めた許容電圧値に到達した場合に、定電流充電から定電圧充電に移行させるよう、制御部７が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して電池パックの充電を制御するようにしても良い。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１ 蓄電システム
２ａ〜２ｌ 電池パック
３ａ〜３ｌ 充電スイッチ
４ａ〜４ｌ 放電スイッチ
５ａ〜５ｌ 蓄電池
６ａ〜６ｌ 電圧センサ（電圧検出部）
７ 制御部

Claims (6)

1. 並列に接続されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電池パックと、前記Ｌ個の電池パックの電圧を検出する電圧検出部と、充放電の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部の検出結果に基づいて、前記Ｌ個の電池パックの中から、最も電圧の高い前記電池パックを選択し、前記最も電圧の高い電池パックを充電不能な状態にすると共に、前記最も電圧の高い電池パックを除いた（Ｌ−１）個の前記電池パックを定電流充電し、
   前記（Ｌ−１）個の電池パックが前記最も電圧の高い電池パックの電圧と予め定めた許容範囲内まで上昇したことに基づき、前記最も電圧の高い電池パックを充電可能な状態とすると共に、定電流充電を完了するよう制御することを特徴とする蓄電システム。
2. 請求項１において、
   前記（Ｌ−１）個の電池パックと前記最も電圧の高い電池パックの電圧とが略同一であることを前記予め定めた許容範囲に設定したことを特徴とする蓄電システム。
3. 並列に接続されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電池パックと、前記Ｌ個の電池パックの電圧を検出する電圧検出部と、充放電の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部の検出結果に基づいて、予め定めた条件を満たすＮ（Ｎは２以上でＬ未満の整数）個の電池パックで構成される充電対象の電池パックの中から、最も電圧の高い電池パックを選択し、前記最も電圧の高い電池パック及び充電対象でない（Ｌ−Ｎ）個の前記電池パックを充電不能な状態にすると共に、前記Ｎ個の充電対象の電池パックのうち前記最も電圧の高い電池パックを除いた（Ｎ−１）個の電池パックを定電流充電し、
   前記（Ｎ−１）個の電池パックが前記最も電圧の高い電池パックの電圧と予め定めた許容範囲内まで上昇したことに基づき、前記最も電圧の高い電池パックを充電可能な状態とすると共に、定電流充電を完了するよう制御することを特徴とする蓄電システム。
4. 請求項３において、
   前記Ｌ個の電池パックのうち電圧の高い方から前記Ｎ個、前記Ｌ個の電池パックのうち電圧の低い方から前記Ｎ個、及び前記Ｌ個の電池パックのうち電圧差の少ない前記Ｎ個の中から何れかを前記予め定めた条件に設定したことを特徴とする蓄電システム。
5. 並列に接続されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電池パックと、前記Ｌ個の電池パックの電圧を検出する電圧検出部と、充放電の制御を行う制御部と、を備えた蓄電システムのプリチャージ方法であって、
   前記電圧検出部の検出結果に基づいて、前記Ｌ個の電池パックの中から、最も電圧の高い前記電池パックを選択する第１ステップと、
   前記最も電圧の高い電池パックを充電不能な状態にすると共に、前記最も電圧の高い電池パックを除いた（Ｌ−１）個の前記電池パックを定電流充電する第２ステップと、
   前記（Ｌ−１）個の電池パックが前記最も電圧の高い電池パックの電圧と予め定めた許容範囲内まで上昇したことに基づき、前記最も電圧の高い電池パックを充電可能な状態にすると共に、定電流充電を完了する第３ステップと、を含むことを特徴とする蓄電システムのプリチャージ方法。
6. 並列に接続されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電池パックと、前記Ｌ個の電池パックの電圧を検出する電圧検出部と、充放電の制御を行う制御部と、を備えた蓄電システムのプリチャージ方法であって、
   前記電圧検出部の検出結果に基づいて、予め定めた条件を満たすＮ（Ｎは２以上でＬ未満の整数）個の電池パックで構成される充電対象の電池パックの中から、最も電圧の高い電池パックを選択する第１ステップと、
   前記最も電圧の高い電池パック及び充電対象でない（Ｌ−Ｎ）個の前記電池パックを充電不能な状態にすると共に、前記Ｎ個の充電対象の電池パックのうち前記最も電圧の高いの電池パックを除いた（Ｎ−１）個の電池パックを定電流充電する第２ステップと、
   前記（Ｎ−１）個の電池パックが前記最も電圧の高い電池パックの電圧と予め定めた許容範囲内まで上昇したことに基づき、前記最も電圧の高い電池パックを充電可能な状態にすると共に、定電流充電を完了する第３ステップと、を含むことを特徴とする蓄電システムのプリチャージ方法。