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JP6950746B2 - 電源システム - Google Patents

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JP6950746B2
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修市 田川
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陽介 竹井
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Description

本発明は、電源システムに関する。
複数の電池を収容する容器内に空気を導くファンとその空気を加熱するヒータとを備えた組電池の温度調節装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。この組電池の温度調節装置は、複数の電池それぞれの温度を検出する温度センサと、温度センサで検出された温度に基づいて組電池の温度を調節する温度制御手段と、を備える。そして、温度制御手段は、組電池の温度に応じて、ヒータを作動させることにより組電池を収容する容器内の温度を一定に維持する。
特開２０１３−５５０１９号公報
しかしながら、特許文献１に記載された構成では、ヒータを容器内に配置する必要があるため、組電池およびヒータを含むモジュール全体が大型化してしまう。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、蓄電池の過度の温度低下を防止しつつ、小型化が図られた電源システムを提供することを目的とする。
本発明に係る電源システムは、
直流バスラインと、発電装置から供給される直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して前記直流バスラインへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記直流バスラインに供給するとともに、前記直流バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に接続された交流負荷へ供給する双方向ＤＣ−ＡＣインバータと、を有するパワーコンディショナと、
蓄電池と、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子で発生した熱が前記蓄電池に伝達する位置に配置され、前記蓄電池から供給される直流電力を変換して入出力部を介して前記直流バスラインへ供給する放電モードと、前記直流バスラインから前記入出力部を介して供給される直流電力を変換して前記蓄電池へ供給する充電モードと、で動作する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを前記放電モードで動作させるとともに、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させる制御部と、を有する蓄電モジュールと、を備え、
前記パワーコンディショナは、
前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力以下の予め設定された出力にするよう指令する指令情報を前記制御部へ出力する指令部を有する。
また、本発明に係る電源システムは、
直流バスラインと、発電装置から供給される直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して前記直流バスラインへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記直流バスラインに供給するとともに、前記直流バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に接続された交流負荷へ供給する双方向ＤＣ−ＡＣインバータと、を有するパワーコンディショナと、
蓄電池と、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子で発生した熱が前記蓄電池に伝達する位置に配置され、前記蓄電池から供給される直流電力を変換して入出力部を介して前記直流バスラインへ供給する放電モードと、前記直流バスラインから前記入出力部を介して供給される直流電力を変換して前記蓄電池へ供給する充電モードと、で動作する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを前記放電モードで動作させるとともに、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させる制御部と、を有する蓄電モジュールと、を備え、
前記パワーコンディショナは、
前記交流負荷での消費電力を計測する電力計測部と、
前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記電力計測部により計測される前記交流負荷での消費電力に応じて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を、前記直流バスラインから前記電力系統への逆潮流が生じない出力範囲内での最大出力にするよう指令する指令情報を前記制御部へ出力する指令部と、を有する。
また、本発明に係る電源システムは、
前記制御部は、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を動作可能範囲内での最大周波数にして前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記入出力部へ供給する直流電力を最大にする、ものであってもよい。
また、本発明に係る電源システムは、
前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
一端が前記蓄電池の高電位側の出力端に接続されたインダクタと、
前記インダクタの他端と前記入出力部との間に接続された第１スイッチング素子と、
前記インダクタの他端と前記蓄電池の低電位側の出力端との間に接続された第２スイッチング素子と、を有し、
前記制御部は、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記第１スイッチング素子をオフ状態に維持する、ものであってもよい。
また、本発明に係る電源システムは、
前記蓄電池は、リチウムイオン電池を有する、ものであってもよい。
本発明によれば、制御部が、蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを放電モードで動作させるとともに、スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させる。これにより、スイッチング素子の発熱量を増加させ、スイッチング素子から蓄電池の周囲へ伝達する熱量を増加させることにより、蓄電池の温度を早く上昇させることができる。従って、蓄電池の周囲の温度を早く上昇させるために蓄電池の周囲にヒータを配置する必要が無い分、蓄電モジュール全体の小型化を図ることができる。
本発明の実施の形態に係る電源システムの概略構成図である。 実施の形態に係るバッテリモジュールの回路図である。 実施の形態に係るバッテリモジュールの概略断面図である。 実施の形態に係るモジュール制御部およびパワーコンディショナ制御部の動作を示すシーケンス図である。 実施の形態に係るスイッチング素子のターンオン時の電流波形と電圧波形とを示す図である。 実施の形態に係るスイッチング素子のターンオフ時の電流波形と電圧波形とを示す図である。 実施の形態に係る通常の放電モード時のスイッチング素子のオンオフ制御、電流波形、電圧波形およびスイッチング損失発生期間との関係を示すタイムチャートである。 実施の形態について図６Ａの場合に比べてスイッチング周波数を上昇させた状態での放電モード時のスイッチング素子のオンオフ制御、電流波形、電圧波形およびスイッチング損失発生期間との関係を示すタイムチャートである。 実施の形態に係るモジュール制御部が実行するバッテリモジュール制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 実施の形態に係る交流負荷での消費電力とバッテリモジュールから出力される直流電力との経時変化を示す図である。 実施の形態に係る双方向ＤＣ−ＤＣコンバータへ供給されるＰＷＭ信号の周波数の経時変化を示す図である。 変形例に係る交流負荷での消費電力とバッテリモジュールから出力される直流電力との経時変化を示す図である。 変形例に係る交流負荷での消費電力とバッテリモジュールから出力される直流電力との経時変化を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係る電源システムは、分散電源システムであり、電力系統と連系して太陽電池または蓄電池から交流負荷へ電力を供給する。本実施の形態に係る電源システムは、パワーコンディショナと、パワーコンディショナに接続される蓄電モジュールとを備える。パワーコンディショナは、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して直流バスラインに供給するとともに、直流バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して電力系統に接続された交流負荷へ供給する双方向ＤＣ−ＡＣインバータを有する。蓄電モジュールは、蓄電池と、蓄電池と直流バスラインに接続される入出力部との間に介在する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と、を有する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、蓄電池から供給される直流電力を変換して入出力部へ供給する放電モードと、直流バスラインから入出力部を介して供給される直流電力を変換して蓄電池へ供給する充電モードと、で動作する。そして、制御部は、蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを放電モードで動作させるとともに、スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させて、蓄電池を加熱するものである。
本実施の形態に係る電源システムは、図１に示すように、発電装置である太陽電池１と、太陽電池１および電力系統２に接続されたパワーコンディショナ３と、バッテリモジュール５と、を備える。また、電力系統２には、交流電力が供給されることにより動作する家庭用電化製品のような交流負荷４が接続されている。
パワーコンディショナ３は、ＨＶＤＣバス（高圧直流バスライン）３３と、ＨＶＤＣバス３３へ供給するＰＶコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）３１と、を有する。また、パワーコンディショナ３は、電力系統２から供給される交流電力を直流電力に変換してＨＶＤＣバス３３に供給するとともに、ＨＶＤＣバス３３から供給される直流電力を交流電力に変換して電力系統２に接続された交流負荷４へ供給する双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２と、を有する。更に、パワーコンディショナ３は、通信バス３４と、パワーコンディショナ３全体の動作を制御するパワーコンディショナ制御部３５と、を有する。そして、パワーコンディショナ制御部３５は、通信バス３４を介してＰＶコンバータ３１、双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２との間で制御情報を送受信することにより、ＰＶコンバータ３１、双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２を制御する。ＨＶＤＣバス３３の電圧は、例えば３６０Ｖに維持されている。
ＰＶコンバータ３１は、太陽電池１から受けた直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換してＨＶＤＣバス３３へ出力する。ＰＶコンバータ３１は、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行なうことにより、太陽電池１の出力電力の最大化を図る機能を有する。
双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２は、電力系統２から供給される交流電力を直流電力に変換してＨＶＤＣバス３３に供給するとともに、ＨＶＤＣバス３３から供給される直流電力を交流電力に変換して交流負荷４へ供給する。双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２は、例えばＨＶＤＣバス３３に供給する電流を一定値に制御する定電流制御を行なってもよい。
電力計測部３６は、交流負荷４の消費電力を計測し、計測により得られる消費電力計測値を示す消費電力計測値情報を通信バス３４へ出力する。
パワーコンディショナ制御部３５は、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）と記憶部とを有する。そして、ＭＰＵは、記憶部が記憶するプログラムを読み込んで実行することにより、消費電力取得部３５１および指令部３５２として機能する。消費電力取得部３５１は、交流負荷４の消費電力を計測する電力計測部３６から通信バス３４を介して消費電力計測値情報を取得する。
指令部３５２は、太陽電池１からＰＶコンバータ３１を介してＨＶＤＣバス３３へ供給される直流電力、交流負荷４での消費電力に応じて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の動作モードを指令する動作指令情報を生成する。そして、指令部３５２は、生成した動作指令情報を、通信バス３４を介してモジュール制御部５３へ送信する。指令部３５２は、例えば太陽電池１での発電量が大きい場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を充電モードで動作させるよう指令する動作指令情報をモジュール制御部５３へ送信する。一方、指令部３５２は、例えば太陽電池１での発電量が小さい場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させるよう指令する動作指令情報をモジュール制御部５３へ送信する。
また、指令部３５２は、モジュール制御部５３から、後述する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を強制的に放電モードで動作させることを通知する強制放電通知情報を受信したとする。この場合、指令部３５２は、消費電力取得部３５１により取得された消費電力計測値情報が示す交流負荷４での消費電力に応じて設定された双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力指令値を示す指令情報を生成してモジュール制御部５３へ送信する。この出力指令値は、ＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じない出力範囲内での最大出力に相当する値である。
バッテリモジュール５は、バッテリ（蓄電池）５１と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２と、モジュール制御部５３と、温度計測部５４と、電源回路５５と、これらを収納する筐体（図示せず）と、を有する。また、バッテリモジュール５は、パワーコンディショナ３のＨＶＤＣバス３３との間で直流電力の入出力を行うための入出力部ｔｅを有する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、バッテリ５１と入出力部ｔｅとの間に介在している。バッテリモジュール５は、入出力部ｔｅを介してパワーコンディショナ３のＨＶＤＣバス３３と電気的に接続されている。
入出力部ｔｅは、図２に示すように、高電位側の入出力端子ｔｅ１と、低電位側（接地電位側）の入出力端子ｔｅ２と、を有する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の入出力部ｔｅ側の入出力端間には、コンデンサＣ１が接続されている。
また、バッテリモジュール５は、バッテリ５１の高電位側の入出力端と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のバッテリ５１側における高電位側の入出力端との間に接続されたリレーＲＬ１と、リレーＲＬ１と並列に接続された突入電流防止回路５６と、を有する。リレーＲＬ１は、例えば単極単投型の電磁リレーまたは半導体リレーである。突入電流防止回路５６は、コンデンサＣ１が充電されていない状態でリレーＲＬ１を閉状態にしたときに後述するスイッチング素子Ｑ１に過大な電流が流れるのを防止するための回路である。突入電流防止回路５６は、ダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ３と抵抗Ｒ１とを有する。ダイオードＤ１は、アノードがバッテリ５１の高電位側の入出力端に接続されている。スイッチング素子Ｑ３は、例えばＮチャネル型のＦＥＴであり、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。抵抗Ｒ１は、スイッチング素子Ｑ３と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のバッテリ５１側における高電位側の入出力端との間に接続されている。更に、バッテリモジュール５は、入出力端子ｔｅ１と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の入出力部ｔｅ側における高電位側の入出力端との間に直列に介挿されたリレーＲＬ２を有する。リレーＲＬ２は、例えば単極単投型の電磁リレーまたは半導体リレーである。
また、バッテリモジュール５は、バッテリ５１の両端間の電圧を計測する電圧計Ｖ１と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のバッテリ５１側の入出力端間の電圧を計測する電圧計Ｖ２と、コンデンサＣ１の両端間の電圧を計測する電圧計Ｖ３と、を有する。更に、バッテリモジュール５は、リレーＲＬ２と入出力端子ｔｅ１との接続点と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の入出力部ｔｅ側における低電位側の入出力端と、の間の電圧を計測する電圧計Ｖ４を有する。電圧計Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、それぞれ計測される電圧値の大きさに比例した大きさの電圧信号をモジュール制御部５３へ出力する。
また、バッテリモジュール５は、リレーＲＬ１と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のバッテリ５１側における高電位側の入出力端との間に介挿された電流計Ａ１を有する。更に、バッテリモジュール５は、コンデンサＣ１の高電位側の出力端とリレーＲＬ２との間に介挿された電流計Ａ２を有する。電流計Ａ１、Ａ２は、それぞれ計測される電流値の大きさに比例した大きさの電圧信号をモジュール制御部５３へ出力する。
バッテリ５１は、例えば互いに直列に接続された複数の電池セルから構成される組電池である。バッテリ５１の電池セルとしては、例えばリチウムイオン電池である。バッテリ５１の出力電圧は、例えば３００Ｖに設定されている。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、バッテリ５１から供給される直流電力を変換して入出力部ｔｅへ供給する放電モードと、パワーコンディショナ３のＨＶＤＣバス３３から入出力部ｔｅを介して供給される直流電力を変換してバッテリ５１へ供給する充電モードと、で動作する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２とを有する。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２で発生した熱がバッテリ５１に伝達する位置に配置されている。例えば図３に示すように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、バッテリ５１とともに、バッテリ５１の情報に近接して配置された状態で、１つの略密閉された筐体５ａ内に収納されている。これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２で発生した熱は、筐体５ａ内に存在する空気の対流を通じてバッテリ５１へ伝達される。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、例えばバッテリ５１の下方にバッテリ５１に近接して配置されていてもよい。
図２に戻って、インダクタＬ１は、一端がバッテリ５１の高電位側の入出力端にリレーＲＬ１を介して接続されている。スイッチング素子（第１スイッチング素子）Ｑ１は、例えばＮチャネル型のＦＥＴであり、インダクタＬ１の他端とコンデンサＣ１の高電位側の入出力端との間に接続されている。スイッチング素子（第２スイッチング素子）Ｑ２は、例えばＮチャネル型のＦＥＴであり、インダクタＬ１の他端とバッテリ５１の低電位側の入出力端との間に接続されている。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、放電モード時において、スイッチング素子Ｑ２をオンオフ動作させることによりバッテリ５１から供給される直流電力を昇圧して入出力部ｔｅへ供給する。また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、充電モード時において、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ動作させることによりＨＶＤＣバス３３から入出力部ｔｅを介して供給される直流電力を降圧してバッテリ５１へ供給する。
温度計測部５４は、バッテリ５１の周囲の温度を計測し、温度計測値を示す温度情報をモジュール制御部５３へ出力する。電源回路５５は、入出力部ｔｅに電気的に接続されており、入出力部ｔｅから供給される直流電力を降圧してモジュール制御部５３へ供給する。電源回路５５は、例えば入出力部ｔｅから供給される３６０Ｖの直流電力を５Ｖに降圧してモジュール制御部５３へ供給する。
モジュール制御部５３は、バッテリ５１の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させるとともに、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数を通常駆動時よりも上昇させる。ここで、モジュール制御部５３は、温度計測部５４から入力される温度情報が示す温度計測値が予め設定された基準温度以下の場合、バッテリ５１の温度を上昇させる必要があると判定する。例えばバッテリ５１の電池セルがリチウムイオン電池である場合、その周囲温度が例えば０℃未満になると、バッテリ５１の充電時に金属リチウムの析出によるセパレータの破損に起因して爆発が生じる可能性が高まる。そこで、バッテリ５１の電池セルがリチウムイオン電池である場合、基準温度は例えば０℃に設定される。また、モジュール制御部５３は、バッテリ５１の温度を上昇させる必要があると判定した場合、強制的に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させることを通知する強制放電通知情報を、通信バス３４を介してパワーコンディショナ制御部３５へ送信する。そして、モジュール制御部５３は、強制放電通知情報送信後にパワーコンディショナ制御部３５から受信した指令情報に基づいて、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数を上昇させる。
モジュール制御部５３は、ＭＰＵと記憶部とスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を駆動するスイッチング素子駆動回路とリレーＲＬ１、ＲＬ２を駆動するリレー駆動回路とを有する。また、モジュール制御部５３は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３それぞれのゲートＱ１＿ｇ、Ｑ２＿ｇ、Ｑ３＿ｇに接続された出力端子Ｑ１＿ｔ、Ｑ２＿ｔ、Ｑ３＿ｔを有する。また、モジュール制御部５３は、リレーＲＬ１、ＲＬ２それぞれの制御信号端子（図示せず）に接続された出力端子ＲＬ１＿ｔ、ＲＬ２＿ｔを有する。
スイッチング素子駆動回路は、ＭＰＵから入力される制御信号に基づいて、出力端子Ｑ１＿ｔ、Ｑ２＿ｔ、Ｑ３＿ｔを介してスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３それぞれのゲートＱ１＿ｇ、Ｑ２＿ｇ、Ｑ３＿ｇへ制御信号を出力する。スイッチング素子駆動回路は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２それぞれのゲートＱ１＿ｇ、Ｑ２＿ｇへ、制御信号としてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力しうる。リレー駆動回路は、ＭＰＵから入力される制御信号に基づいて、出力端子ＲＬ１＿ｔ、ＲＬ２＿ｔを介してリレーＲＬ１、ＲＬ２それぞれの制御信号端子へ制御信号を出力する。
更に、モジュール制御部５３は、電圧計Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４および電流計Ａ１、Ａ２それぞれに接続された入力端子Ｖ１＿ｔ、Ｖ２＿ｔ、Ｖ３＿ｔ、Ｖ４＿ｔ、Ａ１＿ｔ、Ａ２＿ｔを有する。そして、モジュール制御部５３には、電圧計Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４および電流計Ａ１、Ａ２それぞれから入力端子Ｖ１＿ｔ、Ｖ２＿ｔ、Ｖ３＿ｔ、Ｖ４＿ｔ、Ａ１＿ｔ、Ａ２＿ｔを介して電圧信号が入力される。また、モジュール制御部５３は、温度計測部５４に接続され、温度計測部５４から温度情報が入力される端子ＴＨ＿ｔを有する。更に、モジュール制御部５３は、パワーコンディショナ３の通信バス３４を介してパワーコンディショナ制御部３５と通信可能である。そして、モジュール制御部５３は、パワーコンディショナ制御部３５から通信バス３４を介して入力される動作指令情報に基づいて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を制御する。
また、モジュール制御部５３は、入出力部ｔｅに接続された電源端子Ｖｃｃ＿ｔを有する。そして、モジュール制御部５３は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２が充電モードで動作している間、パワーコンディショナ３のＨＶＤＣバス３３から電源端子Ｖｃｃ＿ｔを介して駆動電力の供給を受ける。一方、モジュール制御部５３は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２が放電モードで動作している間、バッテリ５１から電源端子Ｖｃｃ＿ｔを介して駆動電力の供給を受ける。
次に、本実施の形態に係るモジュール制御部５３およびパワーコンディショナ制御部３５の動作について図４を参照しながら説明する。なお、図４は、パワーコンディショナ３およびバッテリモジュール５が起動した後の運転中の状態を示している。まず、モジュール制御部５３が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させているとする（ステップＳ１）。このとき、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させるよう指令する動作指令情報が、パワーコンディショナ制御部３５から通信バス３４を介してモジュール制御部５３へ送信されたとする（ステップＳ２）。この場合、モジュール制御部５３は、受信した動作指令情報に基づいて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を充電モードで動作させる（ステップＳ３）。
次に、モジュール制御部５３が、温度計測部５４から入力される温度情報が示す温度Ｔｈが予め設定された温度Ｔｈｔｈ以下になったと判定したとする（ステップＳ４）。この場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を強制的に放電モードで動作させることを通知する強制放電通知情報が、モジュール制御部５３から通信バス３４を介してパワーコンディショナ制御部３５へ送信される（ステップＳ５）。
一方、パワーコンディショナ制御部３５では、強制放電通知情報を受信すると、消費電力取得部３５１が、交流負荷４での消費電力を示す消費電力計測値情報を電力計測部３６から取得する（ステップＳ６）。続いて、指令部３５２が、消費電力計測値情報が示す消費電力に基づいて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２への出力指令値を算出する（ステップＳ７）。その後、この出力指令値を含む出力指令情報が、パワーコンディショナ制御部３５から通信バス３４を介してモジュール制御部５３へ送信される（ステップＳ８）。
一方、モジュール制御部５３は、出力指令情報を受信すると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のスイッチング素子Ｑ１をオフ状態にする（ステップＳ９）。このようにして、モジュール制御部５３は、双方向ＤＣーＤＣコンバータ５２を強制的に放電モードで動作を開始させる。
次に、モジュール制御部５３は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のスイッチング素子Ｑ２へ供給するＰＷＭ信号の周波数を増加させる（ステップＳ１０）。これにより、スイッチング素子Ｑ２でのスイッチング損失が発生する期間の割合が大きくなり、その分、スイッチング素子Ｑ２での発熱量が増加する。このスイッチング素子Ｑ２で発生した熱がバッテリ５１の周囲へ伝達されることにより、バッテリ５１の周囲の温度が上昇しバッテリ５１が加熱される。
ここで、スイッチング素子Ｑ２でスイッチング素子が発生する期間とＰＷＭ信号の周波数との関係について説明する。スイッチング素子Ｑ２は、図５Ａに示すように、オフ状態からオン状態に移行する途中のターンオン期間△Ｔｏｎにおいて、ソース−ゲート間に加わる電圧ＶＴｒおよびソース−ゲート間を流れる電流ＩＴｒが共に０ではない。また、スイッチング素子Ｑ２は、図５Ｂに示すように、オン状態からオフ状態に移行する途中のターンオフ期間△Ｔｏｆｆにおいて、ソース−ゲート間に加わる電圧ＶＴｒおよびソース−ゲート間を流れる電流ＩＴｒが共に０ではない。従って、これらのターンオン期間△Ｔｏｎおよびターンオフ期間Ｔｏｆｆでは、スイッチング素子Ｑ２において電力損失（スイッチング損失）が発生し、このスイッチング損失分が熱に変換される。即ち、このターンオン期間△Ｔｏｎ、ターンオフ期間△Ｔｏｆｆが、スイッチング損失が発生する期間に相当する。
例えば、図６Ａに示すように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２が、通常の放電モードで動作している場合、スイッチング素子Ｑ２のオンオフ動作の２周期に相当する期間Ｔ１において、スイッチング損失が発生する期間が４回到来する（図６Ａのクロスハッチング部分参照）。ここで、図６Ａに示すオンオフ動作の周波数を２倍に増加させて、図６Ｂに示すように、オンオフ動作の周期を１／２に短縮したとする。この場合、期間Ｔ１において、スイッチング損失が発生する期間が８回到来する。ここにおいて、ターンオン期間、ターンオフ期間の長さが、スイッチング素子Ｑ２のオンオフ動作の周期に依存せず一定であるとする。この場合、図６Ｂの場合におけるスイッチング損失が発生する期間の割合は、図６Ａの場合におけるスイッチング損失が発生する期間の割合の２倍に増加することになる。そして、スイッチング損失が発生する期間の割合が増加すると、その分、スイッチング素子Ｑ２の発熱量が増大することになる。
次に、本実施の形態に係るモジュール制御部５３が実行するバッテリモジュール制御処理について図７を参照しながら説明する。バッテリモジュール制御処理は、例えばバッテリモジュール５がパワーコンディショナ３に接続され、パワーコンディショナ３のＨＶＤＣバス３３から電源回路５５を介してモジュール制御部５３へ駆動電力が供給されたことを契機として開始される。このとき、モジュール制御部５３は、リレーＲＬ１がオフの状態で、突入電流防止回路５６のスイッチング素子Ｑ３をオン状態にし、その後、電流計Ａ１、Ａ２および電圧計Ｖ３、Ｖ４から入力される電圧信号の大きさに応じてリレーＲＬ１をオンする。これにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に過電流が流れるのを防止している。また、モジュール制御部５３は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を動作させる前にリレーＲＬ２を閉状態にする。
まず。モジュール制御部５３は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の動作モードを予め設定された動作モードに設定する（ステップＳ１０１）。例えばモジュール制御部５３へ駆動電力が供給された直後において放電モードで双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を動作させるように予め設定されているとする。この場合、モジュール制御部５３は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の動作モードを放電モードに設定する。次に、モジュール制御部５３は、設定された動作モードで、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードまたは充電モードで動作させる（ステップＳ１０２）。
続いて、モジュール制御部５３は、温度計測部５４から入力される温度情報が示すバッテリ５１の周囲の温度Ｔｈが予め設定された基準温度Ｔｈｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
モジュール制御部５３は、バッテリ５１の周囲の温度Ｔｈが基準温度Ｔｈｔｈよりも高いと判定すると（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、パワーコンディショナ制御部３５から動作指令情報を受信したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。モジュール制御部５３は、パワーコンディショナ制御部３５から動作指令情報を受信していないと判定すると（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、そのままステップＳ１０２の処理を実行する。
一方、モジュール制御部５３は、パワーコンディショナ制御部３５から動作指令情報を受信したと判定すると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、動作指令情報が示す動作モードに従って双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の動作モードを設定する（ステップＳ１０１）。その後、モジュール制御部５３は、再びステップＳ１０２の処理を実行する。
また、モジュール制御部５３は、ステップＳ１０３の処理において、温度計測部５４から入力される温度情報が示すバッテリ５１の周囲の温度Ｔｈが基準温度Ｔｈｔｈ以下であると判定したとする（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）。この場合、モジュール制御部５３は、強制放電通知情報を、通信バス３４を介してパワーコンディショナ制御部３５へ送信する（ステップＳ１０５）。
次に、モジュール制御部５３は、パワーコンディショナ制御部３５から通信バス３４を介して出力指令情報を受信すると（ステップＳ１０６）、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２のスイッチング素子Ｑ１をオフする（ステップＳ１０７）。これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の動作モードが、強制的に充電モードに設定される。
続いて、モジュール制御部５３は、指令情報が示す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力指令値に基づいて、スイッチング素子Ｑ２へ出力するＰＷＭ信号の周波数を増加させる（ステップＳ１０８）。その後、モジュール制御部５３は、再びステップＳ１０３の処理を実行する。
ここで、パワーコンディショナ制御部３５の指令部３５２は、図８Ａに示すように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力指令値ＰＢを、交流負荷４での消費電力ＰＬに追従する形で変化させる。なお、交流負荷４での消費電力ＰＬは、ＨＶＤＣバス３３から交流負荷４へ双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２を介して供給される電力に相当する。そして、モジュール制御部５３は、図８Ｂに示すように、出力指令値ＰＢの変化に応じて、スイッチング素子Ｑ２へ出力するＰＷＭ信号の周波数を変化させる。ここで、モジュール制御部５３は、出力指令値ＰＢが大きくなるほど、ＰＷＭ信号の周波数を高くする。
以上説明したように、本実施の形態に係るバッテリモジュール５によれば、モジュール制御部５３が、バッテリ５１の周囲の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させるとともに、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数を上昇させる。これにより、スイッチング素子Ｑ２の発熱量を増加させ、スイッチング素子Ｑ２からバッテリ５１の周囲へ伝達する熱量を増加させることにより、バッテリ５１の周囲の温度を早く上昇させることができる。従って、バッテリ５１の周囲の温度を早く上昇させるためにバッテリ５１の周囲にヒータを配置する必要が無い分、バッテリモジュール５全体の小型化を図ることができる。
また、本実施の形態に係る指令部３５２は、電力計測部３６により計測される交流負荷４での消費電力に応じて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２から出力される直流電力がＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じない最大電力となるよう指令する指令情報をモジュール制御部５３へ出力する。これにより、バッテリ５１に蓄積された電気の無駄な消費を最小限に抑制しつつ、効率的にバッテリ５１を加熱することができる。
更に、本実施の形態に係るモジュール制御部５３は、バッテリ５１の温度を上昇させる必要がある場合、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態で維持する。これにより、スイッチング素子Ｑ１のボディダイオードでの通電損失により発生する熱がバッテリ５１の周囲へ伝達され、バッテリ５１の周囲へ伝達される熱量が増加する。従って、バッテリ５１の周囲へ伝達される熱量が増加した分、バッテリ５１の周囲の温度を迅速に上昇させることができる。
また、本実施の形態において、バッテリ５１の電池セルがリチウムイオン電池の場合、基準温度Ｔｈｔｈを、電池セル内において電極に金属リチウムが析出しない温度（例えば０℃）に設定することができる。これにより、バッテリ５１の温度がその電池セルの電極に金属リチウムが析出しない温度で維持されるので、金属リチウムの析出に起因したバッテリ５１の爆発を防止できる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えばモジュール制御部５３が、バッテリ５１の温度を上昇させる必要がある場合、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数を動作可能範囲内での最大周波数にして双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２から入出力部ｔｅを介してＨＶＤＣバス３３へ供給する直流電力を最大にするものであってもよい。ここで、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数の最大周波数は、スイッチング動作可能範囲内におけるスイッチング素子Ｑ２のスイッチング特性、モジュール制御部５３に内蔵された発振器から出力されるクロックの周波数等により決定される。この場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、太陽電池１の発電状況或いは電力系統２の状態に関わらず、その出力を最大にする。このため、例えば図９Ａに示すように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力指令値ＰＢが、交流負荷４での消費電力ＰＬを上回り、ＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じうる。なお、図９Ａおよび図９Ｂにおいて、交流負荷４での消費電力ＰＬは、ＨＶＤＣバス３３から交流負荷４へ双方向ＤＣ−ＡＣインバータ３２を介して供給される電力に相当する。
ここで、モジュール制御部５３は、バッテリ５１が過放電状態とならないように、双方向ＤＣーＤＣコンバータ５２を出力最大で動作させる期間を制御してもよい。例えばバッテリモジュール５が、バッテリ５１のＳＯＣ（State Of Charge）を監視するＢＭＵ（Battery Management Unit）を備えるとする。この場合、モジュール制御部５３は、ＢＭＵがバッテリ５１のＳＯＣが予め設定された基準値以下になったことを検知すると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力を低下させるようにしてもよい。
本構成によれば、スイッチング素子Ｑ２においてスイッチング損失が発生する期間の割合を最大とすることができるので、スイッチング素子Ｑ２の発熱量を最大とすることができ、その分、バッテリ５１を迅速に昇温させることができる。また、インダクタＬ１を流れる電流が増加することにより、インダクタＬ１の発熱量も増加する。これにより、インダクタＬ１からバッテリ５１の周囲へ伝達する熱量も増加するので、その分、バッテリ５１を迅速に昇温させることができる。
実施の形態では、指令部３５２が、ＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じない範囲での双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の最大出力に相当する出力指令値を示す指令情報をモジュール制御部５３へ送信する例について説明した。但し、これに限らず、例えば指令部３５２が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２から出力される直流電力を、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の最大出力以下の予め設定された出力指令値を示す指令情報をモジュール制御部５３へ出力するものであってもよい。この場合、例えば図９Ｂに示すように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力指令値ＰＢが交流負荷４での消費電力ＰＬを上回りＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じうる期間と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力指令値ＰＢが交流負荷４での消費電力ＰＬ以下となりＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じない期間と、が混在する。ＨＶＤＣバス３３から電力系統２への逆潮流が生じない期間においては、例えば太陽電池１からＰＶコンバータ３１を介してＨＶＤＣバス３３へ直流電力を供給するようにしてもよい。
本構成によっても、スイッチング素子Ｑ２においてスイッチング損失が発生する期間の割合を増大させることができるので、スイッチング素子Ｑ２の発熱量を増加させることができ、その分、バッテリ５１を迅速に昇温させることができる。
実施の形態では、バッテリモジュール５が温度計測部５４を備え、モジュール制御部５３が、温度計測部５４により計測される温度が基準温度以下になった場合、強制的に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を放電モードで動作させる例について説明した。但し、これに限らず、例えばパワーコンディショナ３が、バッテリモジュール５が設置された場所の気温を計測する気温計測部（図示せず）を備えるものであってもよい。そして、指令部３５２が、気温計測部により計測される温度が予め設定された基準温度以下になると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を強制的に放電モードで動作させるとともに、ＰＷＭ信号の周波数を上昇させるよう指令する指令情報を、モジュール制御部５３へ送信するものであってもよい。
本構成によれば、バッテリモジュール５内に温度計測部５４を配置する必要が無くなるので、その分、バッテリモジュール５の小型化を図ることができる。
実施の形態では、モジュール制御部５３が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５２を強制的に放電モードで動作させる場合、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態で維持する例について説明した。但し、これに限らず、モジュール制御部５３が、スイッチング素子Ｑ１を適宜オン状態にするように制御してもよい。
実施の形態では、発電装置が、太陽電池１である例について説明したが、自然エネルギを利用した発電装置であれば太陽電池に限定されるものではなく、例えば風力発電機であってもよい。
以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
本出願は、２０１７年１１月１６日に出願された日本国特許出願特願２０１７−２２０６４３号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１７−２２０６４３号の明細書、特許請求の範囲および図面全体を参照として取り込むものとする。
本発明は、系統連系を行うパワーコンディショナに接続されるバッテリモジュールとして好適である。
１：太陽電池、２：電力系統、３：パワーコンディショナ、４：交流負荷、５：バッテリモジュール、３１：ＰＶコンバータ、３２：双方向ＤＣ−ＡＣインバータ、３３：ＨＶＤＣバス、３４：通信バス、３５：パワーコンディショナ制御部、３６：電力計測部、５１：バッテリ、５２：双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、５３：モジュール制御部、５４：温度計測部、５５：電源回路、５６：突入電流防止回路、３５１：消費電力取得部、３５２：指令部、Ａ１、Ａ２：電流計、Ａ１＿ｔ、Ａ２＿ｔ、Ｖ１＿ｔ、Ｖ２＿ｔ、Ｖ３＿ｔ、Ｖ４＿ｔ：入力端子、Ｃ１：コンデンサ、Ｄ１：ダイオード、Ｌ１：インダクタ、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３：スイッチング素子、Ｑ１＿ｔ，Ｑ２＿ｔ，Ｑ３＿ｔ，ＲＬ１＿ｔ，ＲＬ２＿ｔ：出力端子、Ｒ１、Ｒ２：抵抗、ＲＬ１、ＲＬ２：リレー、ｔｅ：入出力部、ｔｅ１，ｔｅ２：入出力端子、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４：電圧計

Claims (5)

  1. 直流バスラインと、発電装置から供給される直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して前記直流バスラインへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記直流バスラインに供給するとともに、前記直流バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に接続された交流負荷へ供給する双方向ＤＣ−ＡＣインバータと、を有するパワーコンディショナと、
    蓄電池と、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子で発生した熱が前記蓄電池に伝達する位置に配置され、前記蓄電池から供給される直流電力を変換して入出力部を介して前記直流バスラインへ供給する放電モードと、前記直流バスラインから前記入出力部を介して供給される直流電力を変換して前記蓄電池へ供給する充電モードと、で動作する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを前記放電モードで動作させるとともに、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させる制御部と、を有する蓄電モジュールと、を備え、
    前記パワーコンディショナは、
    前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力以下の予め設定された出力にするよう指令する指令情報を前記制御部へ出力する指令部を有する、
    電源システム。
  2. 直流バスラインと、発電装置から供給される直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して前記直流バスラインへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記直流バスラインに供給するとともに、前記直流バスラインから供給される直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に接続された交流負荷へ供給する双方向ＤＣ−ＡＣインバータと、を有するパワーコンディショナと、
    蓄電池と、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子で発生した熱が前記蓄電池に伝達する位置に配置され、前記蓄電池から供給される直流電力を変換して入出力部を介して前記直流バスラインへ供給する放電モードと、前記直流バスラインから前記入出力部を介して供給される直流電力を変換して前記蓄電池へ供給する充電モードと、で動作する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、強制的に前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを前記放電モードで動作させるとともに、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させる制御部と、を有する蓄電モジュールと、を備え、
    前記パワーコンディショナは、
    前記交流負荷での消費電力を計測する電力計測部と、
    前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記電力計測部により計測される前記交流負荷での消費電力に応じて、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を、前記直流バスラインから前記電力系統への逆潮流が生じない出力範囲内での最大出力にするよう指令する指令情報を前記制御部へ出力する指令部と、を有する、
    電源システム。
  3. 前記制御部は、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を動作可能範囲内での最大周波数にして前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから前記入出力部へ供給する直流電力を最大にする、
    請求項１または２に記載の電源システム。
  4. 前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
    一端が前記蓄電池の高電位側の出力端に接続されたインダクタと、
    前記インダクタの他端と前記入出力部との間に接続された第１スイッチング素子と、
    前記インダクタの他端と前記蓄電池の低電位側の出力端との間に接続された第２スイッチング素子と、を有し、
    前記制御部は、前記蓄電池の温度を上昇させる必要がある場合、前記第１スイッチング素子をオフ状態に維持する、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の電源システム。
  5. 前記蓄電池は、リチウムイオン電池を有する、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の電源システム。
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