JP7563436B2

JP7563436B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP7563436B2
Application number: JP2022149360A
Authority: JP
Inventors: 弘嗣大畠; 栄次佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2024-10-08
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: CN117748636A; US20240097477A1; JP2024044047A

Description

本開示は、電源システムに関する。

特開２０１４－１０３８０４号公報（特許文献１）には、複数の組電池が並列に接続された電池システムが開示されている。ここで、複数の組電池のうちの一部において電圧制御を実行し、残りの一部において電力制御を実行する場合がある。

特開２０１４－１０３８０４号公報

上記のように、複数の組電池のうちの一部（以下、第１電池ユニットとする）において電圧制御が実行され、残りの一部（以下、第２電池ユニットとする）において電力制御が実行される場合がある。この場合、第２電池ユニットにおいて出力電力が指令電力からずれると、上記ずれに起因する出力電圧の変動を抑制するために第１電池ユニットにかかる負荷が増大する。そこで、第１電池ユニットにかかる負荷が増大するのを抑制しながら、出力電圧の変動を抑制することが可能なシステムが望まれている。

本開示は、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、電力制御が行われる電池ユニットにかかる負荷が増大するのを抑制しながら、出力電圧の変動を抑制することが可能な電源システムを提供することである。

本開示の一の局面に係る電源システムは、各々が電池とコンバータとを含むとともに、負荷に対して互いに並列に接続されている複数の電池ユニットと、複数の電池ユニットの各々を制御する制御装置と、を備える。複数の電池ユニットは、第１電池ユニットと、第２電池ユニットとを含む。制御装置は、第１電池ユニットにおいて第１電圧指令に従って第１電圧制御を実行するとともに、第２電池ユニットにおいて電力指令に従って電力制御を実行し、第１電圧制御における電力変化に制限を設定し、出力電圧値と指令電圧値との偏差が所定範囲を超える場合に、第２電池ユニットにおいて第２電圧指令に従って第２電圧制御を実行する。

本開示の一の局面に係る電源システムでは、上記のように、第１電圧制御における電力変化に制限が設定される。これにより、第１電圧制御が行われる第１電池ユニットにかかる負荷が電力変化に起因して増加するのを抑制することができる。また、上記電源システムでは、出力電圧値と指令電圧値との偏差が所定範囲を超える場合に、第２電池ユニットにおいて第２電圧指令に従って第２電圧制御が実行される。これにより、第１電池ユニットにおける電力変化の制限に起因して上記偏差が上記所定範囲を超えた場合にも、第２電圧制御によって上記偏差の増加を抑制することができる。その結果、出力電圧の変動を抑制することができる。したがって、上記のように、第１電池ユニットにかかる負荷が増大するのを抑制しながら、出力電圧の変動を抑制することができる。

上記一の局面に係る電源システムにおいて、好ましくは、制御装置は、電力指令の指令値に基づいて、上記所定範囲を調整する。このように構成すれば、電力指令の指令値の変化に起因して出力電圧値が大きく変化するとともに上記偏差が大きく変化する場合にも、上記所定範囲が調整されることにより、過剰に第２電圧制御が実行されるのを抑制することができる。

この場合、好ましくは、制御装置は、電力指令の指令値が大きいほど、上記所定範囲を大きくする。このように構成すれば、電力指令の指令値の変化に起因して出力電圧値が大きくなるほど上記所定範囲が大きくなるので、過剰に第２電圧制御が実行されるのをより抑制することができる。

上記一の局面に係る電源システムにおいて、好ましくは、制御装置は、第１電圧制御における電流値の変化量に上限値および下限値を設定することにより、上記制限値を設定する。このように構成すれば、第１電圧制御における電流値の変化量に上限値および下限値を設定することにより、第１電池ユニットにかかる負荷が増大するのを容易に抑制することができる。

この場合、好ましくは、制御装置は、電力指令の指令値が大きいほど、上記所定範囲を大きくするとともに上記上限値および上記下限値の各々の絶対値を大きくする。このように構成すれば、過剰に第２電圧制御が実行されるのを抑制することができるとともに、過剰に電流制限されるのを抑制することができる。

本開示によれば、電力制御が行われる電池ユニットにかかる負荷が増大するのを抑制しながら、出力電圧の変動を抑制することができる。

一実施形態による電源システムの構成を示す図である。一実施形態による電源システムの制御装置の構成を示す図である。一実施形態による制御装置における電流制限部による制御を示す図である。一実施形態による制御装置における不感帯処理部による制御を示す図である。一実施形態による電流制限部における制限値と指令電力との関係を示す図である。一実施形態による不感帯処理部における不感帯の範囲と指令電力との関係を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本実施形態に係る電源システム１の構成を示す図である。電源システム１は、負荷３０に対して互いに並列に接続されている複数の電池ユニット１００を備える。複数の電池ユニット１００は、ＰＣＳ（Power Conditioning System）１０に対しても、互いに並列に接続されている。

複数の電池ユニット１００の各々は、コンバータ１１１と、電池１２０とを含む。コンバータ１１１は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１０に設けられている。また、複数の電池ユニット１００の各々には、複数の電池１２０が設けられている。

コンバータ１１１は、ＰＣＳ１０からの交流電力を直流電力に変換する。また、コンバータ１１１は、変換された直流電力を電池１２０に供給している。これにより、電池１２０が充電される。

ＰＣＳ１０は、たとえば太陽光発電装置２０から電力を受電している。また、ＰＣＳ１０は、負荷３０に交流電力を供給している。なお、負荷３０は、家庭で使用される電気製品（たとえばエアコンおよび照明器具等）を含む。また、ＰＣＳ１０は、電力系統ＰＧと電力の授受を行っている。

ＰＣＳ１０は、複数の電池ユニット１００の各々を制御するＥＣＵ１１を含む。ＥＣＵ１１は、太陽光発電装置２０、負荷３０、および、電力系統ＰＧの各々との間の電力の授受の制御も行う。

複数の電池ユニット１００は、第１電池ユニット１００Ａと、第２電池ユニット１００Ｂとを含む。第１電池ユニット１００Ａの個数は、１つである。第２電池ユニット１００Ｂの個数は、Ｎ－１個である。すなわち、複数の電池ユニット１００の個数は、Ｎ個である。第１電池ユニット１００Ａおよび第２電池ユニット１００Ｂの構成は、互いに共通である。

制御装置２００は、第１電池ユニット１００Ａにおいて電圧指令に従って電圧制御を実行する。なお、第１電池ユニット１００Ａにおける上記電圧指令および上記電圧制御は、それぞれ、本開示の「第１電圧指令」および「第１電圧制御」の一例である。

一方、制御装置２００は、第２電池ユニット１００Ｂにおいて電力指令に従って電力制御を実行する。制御装置２００は、複数の第２電池ユニット１００Ｂの各々において電力制御を実行する。

ここで、従来の電源システムでは、第２電池ユニットにおいて出力電力が指令電力からずれると、上記ずれに起因する出力電圧の変動を抑制するために第１電池ユニットにかかる負荷が増大する。第１電池ユニットにかかる負荷が増大するのを抑制しながら、出力電圧の変動を抑制することが可能なシステムが望まれている。

そこで、本実施形態では、制御装置２００は、第１電池ユニット１００Ａの電圧制御における電力変化に制限値を設定する。制御装置２００は、第１電池ユニット１００Ａの電圧制御における電流値の変化量に上限値および下限値を設定することにより、上記制限値を設定する。なお、上記上限値および上記下限値は、互いに絶対値が等しい。

具体的には、制御装置２００は、電流制限部２０１（図２参照）を含む。図２に示すように、ＥＣＵ１１からの電圧指令（指令電圧Ｖ^＊）に基づく信号が、電流制限部２０１に入力されている。詳細には、電圧指令Ｖ^＊と出力電圧Ｖ（第１電池ユニット１００Ａの出力電圧）との偏差（Ｖ^＊－Ｖ）が、ＰＩ制御器２０２によりＰＩ制御される。ＰＩ制御器２０２からの出力信号である指令電流Ｉ１^＊が、電流制限部２０１に入力されている。なお、指令電圧Ｖ^＊および出力電圧Ｖは、それぞれ、本開示の「指令電圧値」および「出力電圧値」の一例である。

そして、電流制限部２０１からの出力信号と第１電池ユニット１００Ａの出力電流Ｉ１との差分が、ＰＩ制御器２０３によってＰＩ制御される。ＰＩ制御器２０３からの出力信号であるパルス信号Ｐ１に基づいて、第１電池ユニット１００Ａが制御される。

図３に示すように、電流制限部２０１では、入力電流が上限値（図３では３０Ａ）以上の場合は、出力電流が３０Ａに固定される。入力電流が下限値（－３０Ａ）以下の場合は、出力電流が－３０Ａに固定される。また、入力電流の絶対値が上記下限値よりも大きく上記上限値よりも小さい場合は、出力電流と入力電流とは互いに等しい値になる。

また、本実施形態では、制御装置２００は、指令電圧Ｖ^＊と出力電圧Ｖとの偏差（Ｖ^＊－Ｖ）が所定範囲を超える場合に、第２電池ユニット１００Ｂにおいて電圧指令に従って電圧制御を実行する。なお、第２電池ユニット１００Ｂにおける上記電圧指令および上記電圧制御は、それぞれ、本開示の「第２電圧指令」および「第２電圧制御」の一例である。

具体的には、図２に示すように、制御装置２００は、不感帯処理部２０４を含む。指令電圧Ｖ^＊と出力電圧Ｖとの偏差（Ｖ^＊－Ｖ）が不感帯処理部２０４に入力される。

そして、不感帯処理部２０４からの出力信号は、Ｐ制御器２０５によりＰ制御される。Ｐ制御器２０５からの出力信号および指令電流Ｉ２^＊の和と、第２電池ユニット１００Ｂの出力電流Ｉ２との差分が、ＰＩ制御器２０６によってＰＩ制御される。ＰＩ制御器２０６からの出力信号であるパルス信号Ｐ２に基づいて、第２電池ユニット１００Ｂが制御される。

なお、指令電流Ｉ２^＊は、電力指令（指令電力Ｐ^＊）が第２電池ユニット１００Ｂにおける出力電圧（電圧値Ｂ）で除算された値である。指令電力Ｐ^＊は、電力補正のフィードバックが行われることによって生成される。上記フィードバックでは、第１電池ユニット１００Ａの出力電力Ｐと指令電力Ｐ^＊との差分（Ｐ－Ｐ^＊）がＰＩ制御器２０７によりＰＩ制御される。指令電力Ｐ^＊は、ＰＩ制御器２０７からの出力値と、電源システム１の総電力実行値との和を、電池ユニット１００の個数（Ｎ）で除算した値である。

図４に示すように、不感帯処理部２０４では、入力電圧（上記偏差）の絶対値が設定値（図４では３０Ｖ）以下の場合は、出力電圧が０になる。すなわち、入力電圧が－３０Ｖと３０Ｖとの間の範囲に不感帯が設定されている。また、入力電圧（上記偏差）が３０Ｖよりも大きい場合は、出力電圧は、入力電圧から３０を差し引いた値になる。また、入力電圧（上記偏差）が－３０Ｖよりも小さい場合は、出力電圧は、入力電圧から－３０を差し引いた値（３０を加算した値）になる。上記不感帯の上限値および下限値は、互いに等しい値である。また、上記範囲は、本開示の「所定範囲」の一例である。

また、図５に示すように、制御装置２００は、指令電力Ｐ^＊に基づいて、電流制限部２０１における上記制限値（上限値および下限値）を調整する。具体的には、制御装置２００は、指令電力Ｐ^＊が大きくなるほど、上記上限値（下限値）の絶対値を大きくする。図５に示す例では、指令電力Ｐ^＊の大きさに比例して上記絶対値が変化する。なお、指令電力Ｐ^＊は、負荷３０の負荷容量が大きいほど大きくなる。

また、図６に示すように、制御装置２００は、指令電力Ｐ^＊に基づいて、不感帯処理部２０４における不感帯の範囲を調整する。具体的には、制御装置２００は、指令電力Ｐ^＊が大きいほど、上記範囲（範囲における上限値および下限値）を大きくする。図６に示す例では、指令電力Ｐ^＊の大きさに比例して上記範囲が変化する。

以上のように、上記実施形態においては、制御装置２００は、第１電池ユニット１００Ａの電圧制御における電力変化に制限値を設定し、出力電圧Ｖと指令電圧Ｖ^＊との偏差が所定範囲を超える場合に、第２電池ユニット１００Ｂにおいて電圧指令に従って電圧制御を実行する。これにより、上記制限値が設けられたことに起因して出力電圧Ｖに変化が生じても、第２電池ユニット１００Ｂにおける電圧制御によって上記変化を抑制することができる。したがって、上記電力変化の制限によって第１電池ユニット１００Ａにかかる負荷が増大するのを抑制しながら、出力電圧Ｖと指令電圧Ｖ^＊との乖離を抑制することができる。

上記実施形態では、指令電力Ｐ^＊の大きさに基づいて不感帯の範囲が調整される例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、不感帯の範囲が一定（固定値）であってもよい。

上記実施形態では、指令電力Ｐ^＊の大きさに基づいて電流制限部２０１の制限値（上限値および下限値）が調整される例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、上記制限値が一定（固定値）であってもよい。たとえば、上記制限値が、電池１２０の許容電力と等しくてもよい。

上記実施形態では、指令電力Ｐ^＊が大きいほど不感帯の範囲が大きくなる（指令電力Ｐ^＊に比例する）例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、指令電力Ｐ^＊と所定の閾値との大小関係に基づいて、不感帯の範囲が段階的（階段状）に変化してもよい。

上記実施形態では、指令電力Ｐ^＊が大きいほど電流制限部２０１における上限値および下限値の絶対値が大きくなる（指令電力Ｐ^＊に比例する）例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、指令電力Ｐ^＊と所定の閾値との大小関係に基づいて、上記絶対値が段階的（階段状）に変化してもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電源システム，３０負荷，１００電池ユニット，１００Ａ第１電池ユニット，１００Ｂ第２電池ユニット，１１１コンバータ，１２０電池，２００制御装置。

Claims

各々が電池とコンバータとを含むとともに、負荷に対して互いに並列に接続されている複数の電池ユニットと、
前記複数の電池ユニットの各々を制御する制御装置と、を備え、
前記複数の電池ユニットは、第１電池ユニットと、第２電池ユニットとを含み、
前記制御装置は、
前記第１電池ユニットにおいて第１電圧指令に従って第１電圧制御を実行するとともに、前記第２電池ユニットにおいて電力指令に従って電力制御を実行し、
前記第１電圧制御における電力変化に制限値を設定し、
出力電圧値と指令電圧値との偏差が所定範囲を超える場合に、前記第２電池ユニットにおいて、前記電力制御を実行することに加えて第２電圧指令に従って第２電圧制御を実行する、電源システム。
前記制御装置は、前記電力指令の指令値に基づいて、前記所定範囲を調整する、請求項１に記載の電源システム。
前記制御装置は、前記電力指令の指令値が大きいほど、前記所定範囲を大きくする、請求項２に記載の電源システム。
前記制御装置は、前記第１電圧制御における電流値の変化量に上限値および下限値を設定することにより、前記制限値を設定する、請求項１～３のいずれか１項に記載の電源システム。
前記制御装置は、前記電力指令の指令値が大きいほど、前記所定範囲を大きくするとともに前記上限値および前記下限値の各々の絶対値を大きくする、請求項４に記載の電源システム。