蓄電池用充放電装置
【課題】バス電圧を一定電圧に制御する制御部を一つの制御部で構成することにより、蓄電池の出力電流アンバランスを防止し、且つ調停回路などを不要とする蓄電池用充放電装置を提供する。
【解決手段】蓄電池用充放電装置は、各電圧源ユニットに設けられ、各電圧源ユニット流れる電池電流を検出する複数の電流センサと、複数の電流センサで検出した各電池電流の平均値又は加算値を求める電池電流演算部と、バス電圧と予め設定したバス電圧指令値との差に対応する値と前記各電池電流の平均値又は加算値とを比較し、この値に基づいて前記双方向チョッパを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生部と、前記ＰＷＭ信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ分配部と、を備えている。
【解決手段】蓄電池用充放電装置は、各電圧源ユニットに設けられ、各電圧源ユニット流れる電池電流を検出する複数の電流センサと、複数の電流センサで検出した各電池電流の平均値又は加算値を求める電池電流演算部と、バス電圧と予め設定したバス電圧指令値との差に対応する値と前記各電池電流の平均値又は加算値とを比較し、この値に基づいて前記双方向チョッパを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生部と、前記ＰＷＭ信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ分配部と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続し、この双方向チョッパを制御することにより、蓄電池群の充放電を行う、蓄電池用充放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続した蓄電池用充放電装置は、例えば、発電機と電力系統を並列接続して負荷に電力を供給する電源システムに適用される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１に示される電源システムでは蓄電池として蓄熱部を使用しているが、今日では大型リチウム電池などの蓄電池群が直並列接続されることがある。
【０００４】
図１は、特許文献１に示すような従来の電源システムにおいて、各々が蓄電池群を含む３個の電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３を並列接続し、これらを双方向インバータＩＮＶを介して電力系統に接続した蓄電池用充放電装置を含む電源システムを示している。この電源システムでは、ソーラ発電装置Ｇ１、ディーゼル発電装置Ｇ２、風力発電装置Ｇ３などの発電装置と蓄電池用充放電装置と電力系統とが並列接続され、これらが連係して電力需要家Ｆに対して電力を供給する。
【０００５】
図１の電源システムでは、発電装置群からの電力と電力系統からの電力との和に余剰電力があるときは、その余剰分をインバータＩＮＶを介して蓄電池群に蓄える。電力不足の場合は、逆に蓄電池群から不足分の電力を供給する。このようにすることで、電力系統への逆潮流を防止しつつ送電線の電力を一定にすることができ、それにより系統側負荷で消費される電力が増加しても、送配電線の増設工事をしなくてもすむ。
【０００６】
電力平準化制御装置ＣＮＴ０は、電力線に流れる電流（方向も）を検出することにより、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３から電力需要家Ｆ（負荷）に供給するべき電力、又は蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３に充電するべき電力を検出する。この検出した電力の指令値を交流電力指令値と称する。
【０００７】
蓄電池用充放電装置の各電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３は、複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３とこれに直列接続した双方向チョッパＣ１〜Ｃ３とで構成されている。インバータＩＮＶは、その出力側にリアクトルを接続し、リアルトルの系統側電圧に対してリアクトルのインバータアーム側電圧の振幅を交流電力指令値に基づいて調整することにより、電力を生成して系統側に出力したり、逆に系統側から電力を入力（吸収）する。電力を生成して系統側に出力するときは蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３から放電し、系統側から電力を入力（吸収）するときは蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３を充電する。
【０００８】
ここで、電力不足時にインバータＩＮＶから負荷に電力を供給するためには、必要とされる交流電力を迅速且つ正確に生成する必要がある。そのため、インバータＩＮＶの入力電圧を一定に維持する必要がある。そこで、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、バスに接続されている電圧安定化用のコンデンサＣの電圧、すなわちバス電圧が一定値になるように電池電流を調整して充放電量を制御する。双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、このバス電圧が一定の値よりも上昇しようとすると電池電流を減少させ、バス電圧が一定の値よりも下降しようとすると電池電流を増加させる。これにより、不足電力の供給（放電）には、一定の値に維持されたバス電圧を直流電源として、インバータＩＮＶから負荷が必要とする不足電力を供給することができる。また、余剰電力の吸収（充電）時には、バス電圧が一定の値になるように双方向チョッパＣ１〜Ｃ３を制御して、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３の電池電流（充電電流）を制御し、全ての蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３の蓄積エネルギーが一致するようにする。なお、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、全て同一方向（充電電流方向又は放電電流方向）に電流が流れるように制御される。また、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、それぞれ独立してひとつのバス電圧を一定にするように作動する。
【０００９】
図２は、制御回路ＣＮＴの具体的構成を含む蓄電池用充放電装置の構成図である。
【００１０】
制御回路ＣＮＴは、制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３で構成され、それぞれの出力（ゲートパルス信号）は、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３に入力する。また、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３と双方向チョッパＣ１〜Ｃ３との接続ラインには電池電流センサＩＳ１〜ＩＳ３が配置されており、この電流センサＩＳ１〜ＩＳ３での検出値は各々制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３に入力される。また、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３の出力と双方向インバータＩＮＶとの接続ライン（バス）ＢＳにはバス電圧安定化のためのコンデンサＣが接続されている。
【００１１】
制御部ＣＮＴ１は、バス電圧一定制御部Ａ１と電池電流一定制御部Ｂ１とで構成される。バス電圧一定制御部Ａ１は、バス電圧と予め設定されているバス電圧指令値とを比較し、制御部Ａ１での誤差増幅演算値を電池電流一定制御部Ｂ１に入力する。この誤差増幅演算値は電池電流指令値である。電池電流一定制御部Ｂ１は、電池電流指令値と電流センサＩＳ１の検出値とを比較し、その誤差増幅演算値に対応するゲートパルス（ＰＷＭ信号）を生成して双方向チョッパＣ１に入力する。双方向チョッパＣ１は、充電時、放電時それぞれにおいて、スイッチングのための素子を切り替え、ゲートパルスの長さに応じて該素子をスイッチングする。
【００１２】
すなわち、充電時、放電時それぞれにおいて、制御部ＣＮＴ１のバス電圧一定制御部Ａ１は、バス電圧が充電時と放電時それぞれにおいて設定したバス電圧指令値に一致するように電池電流指令値を生成し、電池電流一定制御部Ｂ１は、電流センサＩＳ１の検出値が電池電流生成値に一致するようにゲートパルスを生成する。これにより、バス電圧が、充電時と放電時それぞれにおいて設定した電圧指令値に一致するようにゲートパルスが制御されることになる。
【００１３】
他の制御部ＣＮＴ２、３においても同様な制御を行う。なお、制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３にそれぞれ設定されているバス電圧指令値は同じ値である。
【００１４】
以上の構成から、各電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３は、それぞれ独立して、バス電圧が予め設定されているバス電圧指令値に一致するように、充放電動作する。また、インバータＩＮＶは、双方向チョッパから供給される蓄電池群からのエネルギーによって、不足電力を生成し、双方向チョッパから蓄電池に充電電流を供給して、余剰電力を蓄電池群に吸収（充電）させる制御を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０６６７０７号国際公開公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記の蓄電池用充放電装置では、各双方向チョッパＣ１〜Ｃ３が、各々独立してバス電圧を一定にしようと動作するために、バス電圧の上下動が生じやすくなる。また、各電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３にそれぞれ双方向チョッパを備えて、これらを個別の制御部で制御しているために、各ユニット毎の出力電流を精密に一定に制御することは困難であった。すると、インバータＩＮＶが迅速且つ正確に、必要とされる電力を生成することができないおそれがあった。
【００１７】
これを解決するためには、各制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３の操作量を調停するための回路が別途必要であり、回路構成が複雑化する不都合があった。
【００１８】
そこで、双方向チョッパではなく、インバータＩＮＶがこのバス電圧を一定にするように動作することが考えられる。しかし、インバータＩＮＶでバス電圧を一定にさせるには、全体として応答遅れが生じやすい問題がある。特に、バスには電圧安定化のためのコンデンサＣが接続されているため、この容量による応答遅れが生じやすく、その結果、余剰電力時に、余剰分が系統側に逆に流れる逆潮流が発生したり、電力不足時に、必要とされる電力供給に時間がかかり、負荷の急変に対応することができないといった問題があった。
【００１９】
また、図２の例では、複数の制御部で独立して各蓄電池群の充電（放電）電流を制御しているため、回路要素のばらつきや、上述のバス電圧の変動の影響などにより、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３の充電（放電）電流がばらばらになり、蓄電池に蓄積されるエネルギーに差ができることがある。すると、放電時には何れか一つの蓄電池郡が放電完了したときに、充電時には何れか一つの蓄電池群が充電完了したときに、全ての双方向コンバータＣ１〜Ｃ３を停止させて、充放電を終了させることになる。そうすると、まだ充電又は放電可能な蓄電池群が存在するため、複数の蓄電池群からなる電源としての能力を十分に発揮することができないことがあった。
【００２０】
この発明の目的は、複数の充放電装置が、互いに緩衝することなく単一のバス電圧を一定に制御することができる蓄電池用充放電装置を提供することにある。
【００２１】
また、この発明の他の目的は、バス電圧を一定電圧に制御する制御部を一つの制御部で構成することにより、各電圧源ユニットの出力電流がアンバランスとなるのを防止し、且つ調停回路などを不要とする蓄電池用充放電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
蓄電池用充放電装置は、複数個の電圧源ユニットと、複数の電圧源ユニットの各出力電圧をバス電圧として合成するコンデンサと、バス電圧が入力され、交流電源に接続される双方向インバータとを備えている。双方向インバータは、外部から入力される交流電力指令値に対応する電力を出力し、又は入力させる。
【００２３】
各電圧源ユニットは、複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続して構成される。
【００２４】
上記の構成の蓄電池用充放電装置において、この発明は、
前記各電圧源ユニットに設けられ、各電圧源ユニット流れる電池電流を検出する複数の電流センサと、
前記複数の電流センサで検出した各電池電流の平均値又は加算値を求める電池電流演算部と、
前記バス電圧と予め設定したバス電圧指令値との差に対応する値と前記各電池電流の平均値又は加算値とを比較し、この値に基づいて前記双方向チョッパを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生部と、
前記ＰＷＭ信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ分配部と、
を備えている。
【００２５】
双方向チョッパは、前記ＰＷＭ信号に基づいて動作するだけであって、インバータから電流方向を決める充放電信号に基づいて電流方向を決めるように制御されない。したがって、双方向チョッパは、バス電圧を一定にする動作に専念する。また、双方向インバータは、バス電圧が一定になるように制御されるのではなく、交流電力指令値に対応する電力を系統側に出力するよう、又は系統側から入力するように制御される。双方向インバータは、双方向チョッパによって一定値に制御されたバス電圧に基づいて、交流電力指令値に対応する電力を出力又は入力（吸収）することに専念する。このように、双方向チョッパは、バス電圧を一定にする動作に専念し、双方向インバータは、交流電力指令値に対応する電力を出力又は入力（吸収）することに専念することから、バス電圧の変動による応答遅れがなくなり、それ故、応答性を向上することができる。
【００２６】
また、電池電流演算部は、各電圧源ユニットの電池電流の変位が現れる、それらの電池電流の平均値又は加算値（以下、平均値等）を検出しているため、バス電圧を一つの制御部で制御出来る。これにより、各ユニットに制御部を設ける従来の構成に比較して制御部間の調停回路が不要となる。
【００２７】
また、この発明の別の態様では、各電圧源ユニット列の電池電流の平均値等から生成したＰＷＭ信号を、各電池電流の大小に応じて台形波により微調整する。これにより、各電圧源ユニット列の電池電流が一致する精度を高めることができる。
【００２８】
また、この発明のさらに別の態様では、各電圧源ユニット列の電池電圧と、その平均値等との電池電圧差分を検出し、この差分に基づいて、前記電池電流の平均値等を補正することにより、前記電池電流差分を補正する。これにより、各電圧源ユニット列の充電電圧が一致する精度を高めることが出来る。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、応答性を向上することができ、また、バス電圧を一つの制御部で制御出来るため、各電圧源ユニットに制御部を設ける従来の構成に比較して制御部間の調停回路が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】蓄電池用充放電装置の基本構成例を示す。
【図２】従来の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図３】この発明の第1の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図４】この発明の第２の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図５】矩形波／台形波変換部の動作を示す図
【図６】この発明の第３の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図７】第３の実施形態の蓄電池用充放電装置の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図３は、この発明の第１の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図である。
【００３２】
この蓄電池用充放電装置は、３つの電圧源ユニット１〜３と、これらのユニット１〜３の各出力電圧をバス電圧として合成し、且つバス電圧を安定化するためのコンデンサ４と、バス電圧が入力され、交流電源５に接続される双方向インバータ６とを備えている。双方向インバータ６は、電力平準化制御装置ＣＮＴ０が接続されている。電力平準化制御装置ＣＮＴ０は、インバータ６に対して交流電力指令値を出力し、インバータ６は、この指令値に基づいて電力を系統側に放出（出力）し、又は、系統側から電力を吸収（入力）する。電力平準化制御装置ＣＮＴ０は、電力線に流れる電流（方向も）を検出することにより、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３から電力需要家Ｆ（負荷）に供給するべき電力、又は蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３に充電するべき電力を検出する。なお、図示はしていないが、図１と同様に、発電機群が系統に並列的に接続されている。
【００３３】
電圧源ユニット１〜３は、それぞれ、複数個のリチウム電池セルを直列接続したリチウム電池群１００、２００、３００と、それらのリチウム電池群に直列に接続した双方向チョッパ１０１、２０１、３０１とを備えている。双方向チョッパ１０１、２０１、３０１は、双方向に電力変換することができる回路で構成される。この回路は、例えば、直列接続された２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列接続されたフライホイールダイオードと、２つのスイッチング素子の接続点に接続されたインダクタンス成分とで構成される。
【００３４】
充電時は、第１のスイッチング素子をオン、第２のスイッチング素子をオフするＰＷＭ信号により、第１のスイッチング素子のオン期間において、交流電源側からインダクタンスを介してリチウム電池群に対して充電を行う。放電時は、第１のスイッチング素子をオフ、第２のスイッチング素子をオンするＰＷＭ信号により、第２のスイッチング素子のオン期間において、リチウム電池群から第２のスイッチング素子に対しての放電を行い、第２のスイッチング素子のオフ期間において、放電時にインダクタンスに蓄積されていたエネルギーを第１のスイッチング素子に接続されているフライホイールダイオードを介して交流電源側に回生する。このような構成の双方向チョッパについては、上記特許文献１に詳細に記述されているように周知技術である。
【００３５】
双方向インバータ６も、上記双方向チョッパと同様にスイッチング素子と、これに逆並列接続されたフライホイールダイオードと、エネルギー蓄積用のインダクタンスとの組み合わせで構成される。これについての詳細の動作説明についてはここでは省略する（上記特許文献１に詳細に記述されているように周知技術である）。
【００３６】
電圧源ユニット１〜３は、さらに、各ユニットに流れる電池電流を検出する電流センサ１０２、２０２、３０２を備えている。これらの電流センサは、それぞれ、リチウム電池群１００、２００、３００に流れる充電電流及び放電電流を検出する。
【００３７】
蓄電池用充放電装置は、さらに、電池電流演算部７を構成する平均電流値演算部７０と、制御部８と、ＰＷＭ分配部９を構成する分配部９０とを備える。
【００３８】
平均電流値演算部７０は、電圧源ユニット１〜３の各電流センサ１０２、２０２、３０２で検出した各電池電流ｉ１〜ｉ３の平均値である平均電流ｉＡＶＥの演算を行う。この演算部７は、各電池電流ｉ１〜ｉ３の平均値を演算する。平均値に代えて、各電池電流ｉ１〜ｉ３の変位量が反映される他の信号値、例えば電池電流ｉ１〜ｉ３の加算値を演算して出力するものであっても良い。
【００３９】
制御部８は、双方向チョッパ１０１等をオンオフ制御するためのゲートパルスであるＰＷＭ信号を生成する。
【００４０】
この制御部８は、バス電圧誤差増幅部８０と、平均電流誤差増幅部８１と、ＰＷＭ発生部８２とで構成される。バス電圧誤差増幅部８０は、バス電圧Ｖｃと予め設定したバス電圧指令値Ｖｍとの差（誤差）を検出し、これを電池電流平均指令値Ｉｍとして平均電流誤差増幅部８１に入力する。平均電流誤差増幅部８１は、上記電池電流平均指令値Ｉｍと上記平均電流ｉＡＶＥとを比較し、その値（誤差）をＰＷＭ発生部８２に入力する。ＰＷＭ発生部８２は、誤差に応じてパルス幅が異なるＰＷＭ信号を生成して分配部９０に入力する。分配部９０は、ＰＷＭ信号を同一タイミングですべての双方向チョッパ１０１等にゲートパルスとして供給する。なお、充電モード時は、第１のスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を供給し、第２のスイッチング素子はオフする。放電モード時は、第２のスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を供給し、第１のスイッチング素子はオフする。
【００４１】
上記の構成で、平均電流誤差増幅部８１は、充電モード時及び放電モード時において、平均電流ｉＡＶＥと電池電流平均指令値Ｉｍの差（誤差）がゼロとなるまでＰＷＭ発生部８２を制御する。
【００４２】
一方、バス電圧誤差増幅部８０においても、バス電圧Ｖｃとバス電圧指令値Ｖｍとの差（誤差）がゼロとなるまで電池電流平均指令値Ｉｍを制御する。バス電圧指令値Ｖｍは、充電モード時及び放電モード時で同じ値に設定される。
【００４３】
したがって、制御部８は、バス電圧Ｖｃがバス電圧指令値Ｖｍに一致するように双方向チョッパ１０１、２０１、３０１を同時に制御する。このようにして、一つの制御部８で、バス電圧Ｖｃが一定の電圧になるように制御することが出来る。
【００４４】
インバータ６は、図１の従来の装置において採用されていないような各双方向チョッパ１０１、２０１、３０１に対する制御を行っていない。すなわち、双方向チョッパ１０１、２０１、３０１の充電又は放電を行うための充放電制御信号を各双方向チョッパ１０１、２０１、３０１に出力しない。また、インバータ６は、電力平準化制御装置ＣＮＴ０から入力される交流電力指令値に一致する電力を負荷側（一般電力需要家Ｆ側）の線路に出力し（電力不足時）、又は線路から電力を吸収する（電力余剰時）。したがって、インバータ６は、交流電力指令値に対応する交流電力を生成することに専念し、双方向チョッパ１０１、２０１、３０１はバス電圧を一定にすることに専念する。双方向チョッパ１０１、２０１、３０１は、インバータ６からの充放電制御信号により電流方向を制御するではなく（同信号は双方向チョッパに入力されていない）、インバータ６の上記の動作によりバス電圧が変動しようとしたときに、その電圧を一定にするように電流方向が決まる。したがって、インバータ６がバス電圧を一定にするように制御しないので、インバータ６による応答遅れは生じない。
【００４５】
また、一つの制御部８で、バス電圧Ｖｃが一定の電圧になるように制御するから、この装置では調停回路などが不要である。したがって、全体として部品点数を削減でき、小型化、コストダウン化を行うことが出来る。
【００４６】
上記第１の実施形態の装置では、ＰＷＭ信号を各ユニットに供給するための制御系の伝達特性に差があるため、電池電流ｉ１〜ｉ３にバラツキが生じてしまう。この電池電流ｉ１〜ｉ３の電流差が僅かであったとしても、長時間異なる充電電流で各電池セルを充電した場合、充電が完了した電池群とそうでない電池群とが混在してしまい、そのまま充電を継続すると先に充電を完了した電池群は過充電となって発火等を起こす可能性がある。また、放電時では、過放電になった電池群は寿命が短くなってしまう。このような問題を解決する一つの手法は、過充電及び過放電を避けるための保護回路を設けることである。例えば、各電池群の電池電圧を監視し、いずれかの電池群の充電（又は放電）が完了したことを検出すると、双方向チョッパを完全オフして、電池群への充電（放電）を完全停止して保護する。しかし、このような保護回路では、満充電になっていない電池群は十分にその性能を発揮できなくなる不都合がある。
【００４７】
図４は、上記の不都合を改善することの出来る、この発明の第２の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図である。
【００４８】
構成において、図３の装置と相違する点は、電池電流演算部７の構成と、ＰＷＭ分配部９の構成である。
【００４９】
電池電流演算部７は、平均電流値演算部７０と、電池電流誤差増幅部７１〜７３とで構成される。平均電流値演算部７０は、第１の実施形態と同様に電池電流ｉ１〜ｉ３の平均値である平均電流ｉＡＶＥを求め、電池電流誤差増幅部７１は電池電流ｉ１と上記平均電流ｉＡＶＥとの差（電池電流差分。厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥを求め、電池電流誤差増幅部７２は電池電流ｉ２と上記平均電流ｉＡＶＥとの差（電池電流差分。厳密には誤差増幅値）ｉ２−ｉＡＶＥを求め、電池電流誤差増幅部７３は電池電流ｉ３と上記平均電流ｉＡＶＥとの差（電池電流差分。厳密には誤差増幅値）ｉ３−ｉＡＶＥを求める。
【００５０】
また、ＰＷＭ分配部９は、矩形波／台形波変換部９０と、ＰＷＭコンパレータ９１〜９３とで構成される。
【００５１】
矩形波／台形波変換部９０は、矩形波のＰＷＭ信号を台形波に変換し、ＰＷＭコンパレータ９１〜９３は、台形波と電池電流差分（厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥ〜ｉ３−ｉＡＶＥとを比較し、台形波を電池電流差分（厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥ〜ｉ３−ｉＡＶＥで切った位置での矩形波をＰＷＭ微調整信号として出力する。
【００５２】
電池電流ｉ１に関しての動作を説明する。
【００５３】
平均電流値演算部７０で求めた平均電流ｉＡＶＥは、電池電流誤差増幅部７１に入力され、電池電流誤差増幅部７１において平均電流ｉＶＡＥと電池電流ｉ１とが比較され、その差である電池電流差分（厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥがＰＷＭコンパレータ９１に出力される。実施形態１と同様に、ＰＷＭ発生部８２は、平均電流ｉＡＶＥと電池電流平均指令値Ｉｍとの誤差をゼロにするような矩形波状のＰＷＭ信号を生成してＰＷＭ分配部９に出力するが、この矩形波状のＰＷＭ信号は、ＰＷＭ分配部９の矩形波／台形波変換部９０において台形波に変換される。
【００５４】
本実施形態では、上記ＰＷＭ信号の矩形波の幅が、台形波の高さが２分の１のときの波形幅に一致するように波形変換を行う。図５はこの変換の内容を示している。図示のように、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ＝０のときは、ＰＷＭ信号（幅）＝ＰＷＭ微調整信号（幅）となる。したがって、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ＞０のときは、ＰＷＭ信号（幅）＞ＰＷＭ微調整信号（幅）となる。
【００５５】
また、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ＜０のときは、ＰＷＭ信号（幅）＜ＰＷＭ微調整信号（幅）となる。
【００５６】
ＰＷＭ信号の微調整を行うＰＷＭ分配部９は、平均電流ｉＶＡＥと電池電流ｉ１とが同じであるときは、ＰＷＭ信号の微調整を行う必要がないため、ＰＷＭ信号（幅）＝ＰＷＭ微調整信号（幅）とする。電池電流ｉ１が平均電流ｉＶＡＥよりも大きいときは、電池電流ｉ１を下げることが望ましい。そこで、ＰＷＭ信号（幅）＞ＰＷＭ微調整信号（幅）となるように台形波の傾きを利用して微調整を行う。反対に、電池電流ｉ１が平均電流ｉＶＡＥよりも小さいときは、電池電流ｉ１を上げることが望ましい。そこで、ＰＷＭ信号（幅）＜ＰＷＭ微調整信号（幅）となるように台形波の傾きを利用して微調整を行う。
【００５７】
そして、上記の微調整は、各電圧源ユニット毎に独立して行われる。
【００５８】
このように、各電圧源ユニットの電池電流の平均値（平均電流）から生成したＰＷＭ信号を、各ユニットの電池電流の大小に応じて台形波によって微調整することで、各ユニットの電池電流を一致させることが出来る。
【００５９】
本実施形態では、ＰＷＭ信号を左右対称な台形波を用いて微調整しているが、台形波は左右非対称であっても良いし、台形波に代えて三角波や鋸歯状波を用いることも出来る。すなわち、波形に傾きを持つものであればどのようなものでも良い。しかし、台形波は他の波形に比べて傾きが相対的に緩やかとなるため、微調整を行う観点からは台形波を用いるのが望ましい。
【００６０】
上記第２の実施形態の装置では、各電圧源ユニットの電池電流が同じになるように制御されても、電池セルの個体差や、初期の電池充電量の差により、長時間の充電を行った後に各電池群の電池電圧が揃わなくなる可能性がある。したがって、第１の実施形態と同様な問題を起こす可能性がある。
【００６１】
図６は、上記の不都合を解消することの出来る、この発明の第３の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図である。
【００６２】
構成において、図４の装置と相違するのは、電池電流演算部７の構成が異なる点と、電池電圧演算部１１を新たに設けた点である。
【００６３】
電池電圧演算部１１は、平均電圧値演算部１１０と、電池電圧誤差増幅部１１〜１１３とで構成される。電池電圧誤差増幅部１１１〜１１３は、電池電圧差分検出部を構成する。
【００６４】
平均電圧値演算部１１０は、各電圧源ユニット１〜３の電池電圧ｖ１〜ｖ３の平均値である平均電圧ｖＡＶＥを求める。この演算部１１０も、平均電流値演算部７０と同様に、平均値ではなく加算値（加算電圧）を演算するようにしても良い。
【００６５】
電池電圧誤差増幅部１１１は電池電圧ｖ１と上記平均電圧ｖＡＶＥとの差（電池電圧差分）Δｖ１を求め、電池電圧誤差増幅部１１２は電池電圧ｖ２と上記平均電圧ｖＡＶＥとの差（電池電圧差分）Δｖ２を求め、電池電圧誤差増幅部１１３は電池電圧ｖ３と上記平均電圧ｖＡＶＥとの差（電池電圧差分）Δｖ３を求める。
【００６６】
電池電流演算部７は、図４の構成に対して、さらに補正部である加算部７４〜７６を備えている。加算部７４は、上記電池電圧誤差増幅部１１１の出力である電池電圧差分Δｖ１の値を平均電流ｉＡＶＥに加算する。すなわち、平均電流ｉＡＶＥに電池電圧差分Δｖ１を加算することにより、ＰＷＭ信号を微調整するための操作量（電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ）を電池電圧差分Δｖ１の分だけさらに微調整する。加算部７５、７６についても同様である。
【００６７】
なお、図６では、加算部７４〜７６において、平均電流ｉＡＶＥと電池電圧差分Δｖ１〜ｖ３とをそれぞれ加算して電池電流誤差増幅部７１〜７３に入力しているが、これに代えて、図７に示すように、加算部７４〜７６において、入力電流ｉ１〜ｉ３と電池電圧差分Δｖ１〜ｖ３とをそれぞれ加算して電池電流誤差増幅部７１〜７３に入力するようにしても良い。いずれの場合も、電池電圧差分Δｖ１〜ｖ３に基づいて、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ〜ｉ３−ｉＡＶＥの操作量を補正することになる。
【００６８】
このように、各電圧源ユニットの電池電圧の大小に応じた操作量を加味してＰＷＭ信号を微調整するため、各ユニットの電池電圧の一致を図ることが出来る。このとき、電池電圧の大小に応じた操作量が平均電流値ｉＡＶＥに加算されるから、各ユニットの電池電流の一致に優先して電池電圧の一致が図られる。このため、例えば、初期の充電電圧が異なる電池群を充電する場合でも、徐々に各電池群の電池電圧が一致していく。したがって、すべての電池群の電池電圧を等しくすることができ、蓄えられたエネルギーを有効活用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１〜３−電圧源ユニット
１００、２００、３００−リチウム電池群
１０１、２０１、３０１−双方向チョッパ
１０２、２０２、３０２−電流センサ
６−双方向インバータ
７−電池電流演算部
８−制御部
９−ＰＷＭ分配部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続し、この双方向チョッパを制御することにより、蓄電池群の充放電を行う、蓄電池用充放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続した蓄電池用充放電装置は、例えば、発電機と電力系統を並列接続して負荷に電力を供給する電源システムに適用される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１に示される電源システムでは蓄電池として蓄熱部を使用しているが、今日では大型リチウム電池などの蓄電池群が直並列接続されることがある。
【０００４】
図１は、特許文献１に示すような従来の電源システムにおいて、各々が蓄電池群を含む３個の電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３を並列接続し、これらを双方向インバータＩＮＶを介して電力系統に接続した蓄電池用充放電装置を含む電源システムを示している。この電源システムでは、ソーラ発電装置Ｇ１、ディーゼル発電装置Ｇ２、風力発電装置Ｇ３などの発電装置と蓄電池用充放電装置と電力系統とが並列接続され、これらが連係して電力需要家Ｆに対して電力を供給する。
【０００５】
図１の電源システムでは、発電装置群からの電力と電力系統からの電力との和に余剰電力があるときは、その余剰分をインバータＩＮＶを介して蓄電池群に蓄える。電力不足の場合は、逆に蓄電池群から不足分の電力を供給する。このようにすることで、電力系統への逆潮流を防止しつつ送電線の電力を一定にすることができ、それにより系統側負荷で消費される電力が増加しても、送配電線の増設工事をしなくてもすむ。
【０００６】
電力平準化制御装置ＣＮＴ０は、電力線に流れる電流（方向も）を検出することにより、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３から電力需要家Ｆ（負荷）に供給するべき電力、又は蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３に充電するべき電力を検出する。この検出した電力の指令値を交流電力指令値と称する。
【０００７】
蓄電池用充放電装置の各電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３は、複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３とこれに直列接続した双方向チョッパＣ１〜Ｃ３とで構成されている。インバータＩＮＶは、その出力側にリアクトルを接続し、リアルトルの系統側電圧に対してリアクトルのインバータアーム側電圧の振幅を交流電力指令値に基づいて調整することにより、電力を生成して系統側に出力したり、逆に系統側から電力を入力（吸収）する。電力を生成して系統側に出力するときは蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３から放電し、系統側から電力を入力（吸収）するときは蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３を充電する。
【０００８】
ここで、電力不足時にインバータＩＮＶから負荷に電力を供給するためには、必要とされる交流電力を迅速且つ正確に生成する必要がある。そのため、インバータＩＮＶの入力電圧を一定に維持する必要がある。そこで、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、バスに接続されている電圧安定化用のコンデンサＣの電圧、すなわちバス電圧が一定値になるように電池電流を調整して充放電量を制御する。双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、このバス電圧が一定の値よりも上昇しようとすると電池電流を減少させ、バス電圧が一定の値よりも下降しようとすると電池電流を増加させる。これにより、不足電力の供給（放電）には、一定の値に維持されたバス電圧を直流電源として、インバータＩＮＶから負荷が必要とする不足電力を供給することができる。また、余剰電力の吸収（充電）時には、バス電圧が一定の値になるように双方向チョッパＣ１〜Ｃ３を制御して、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３の電池電流（充電電流）を制御し、全ての蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３の蓄積エネルギーが一致するようにする。なお、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、全て同一方向（充電電流方向又は放電電流方向）に電流が流れるように制御される。また、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３は、それぞれ独立してひとつのバス電圧を一定にするように作動する。
【０００９】
図２は、制御回路ＣＮＴの具体的構成を含む蓄電池用充放電装置の構成図である。
【００１０】
制御回路ＣＮＴは、制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３で構成され、それぞれの出力（ゲートパルス信号）は、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３に入力する。また、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３と双方向チョッパＣ１〜Ｃ３との接続ラインには電池電流センサＩＳ１〜ＩＳ３が配置されており、この電流センサＩＳ１〜ＩＳ３での検出値は各々制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３に入力される。また、双方向チョッパＣ１〜Ｃ３の出力と双方向インバータＩＮＶとの接続ライン（バス）ＢＳにはバス電圧安定化のためのコンデンサＣが接続されている。
【００１１】
制御部ＣＮＴ１は、バス電圧一定制御部Ａ１と電池電流一定制御部Ｂ１とで構成される。バス電圧一定制御部Ａ１は、バス電圧と予め設定されているバス電圧指令値とを比較し、制御部Ａ１での誤差増幅演算値を電池電流一定制御部Ｂ１に入力する。この誤差増幅演算値は電池電流指令値である。電池電流一定制御部Ｂ１は、電池電流指令値と電流センサＩＳ１の検出値とを比較し、その誤差増幅演算値に対応するゲートパルス（ＰＷＭ信号）を生成して双方向チョッパＣ１に入力する。双方向チョッパＣ１は、充電時、放電時それぞれにおいて、スイッチングのための素子を切り替え、ゲートパルスの長さに応じて該素子をスイッチングする。
【００１２】
すなわち、充電時、放電時それぞれにおいて、制御部ＣＮＴ１のバス電圧一定制御部Ａ１は、バス電圧が充電時と放電時それぞれにおいて設定したバス電圧指令値に一致するように電池電流指令値を生成し、電池電流一定制御部Ｂ１は、電流センサＩＳ１の検出値が電池電流生成値に一致するようにゲートパルスを生成する。これにより、バス電圧が、充電時と放電時それぞれにおいて設定した電圧指令値に一致するようにゲートパルスが制御されることになる。
【００１３】
他の制御部ＣＮＴ２、３においても同様な制御を行う。なお、制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３にそれぞれ設定されているバス電圧指令値は同じ値である。
【００１４】
以上の構成から、各電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３は、それぞれ独立して、バス電圧が予め設定されているバス電圧指令値に一致するように、充放電動作する。また、インバータＩＮＶは、双方向チョッパから供給される蓄電池群からのエネルギーによって、不足電力を生成し、双方向チョッパから蓄電池に充電電流を供給して、余剰電力を蓄電池群に吸収（充電）させる制御を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０６６７０７号国際公開公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記の蓄電池用充放電装置では、各双方向チョッパＣ１〜Ｃ３が、各々独立してバス電圧を一定にしようと動作するために、バス電圧の上下動が生じやすくなる。また、各電圧源ユニットＵ１〜Ｕ３にそれぞれ双方向チョッパを備えて、これらを個別の制御部で制御しているために、各ユニット毎の出力電流を精密に一定に制御することは困難であった。すると、インバータＩＮＶが迅速且つ正確に、必要とされる電力を生成することができないおそれがあった。
【００１７】
これを解決するためには、各制御部ＣＮＴ１〜ＣＮＴ３の操作量を調停するための回路が別途必要であり、回路構成が複雑化する不都合があった。
【００１８】
そこで、双方向チョッパではなく、インバータＩＮＶがこのバス電圧を一定にするように動作することが考えられる。しかし、インバータＩＮＶでバス電圧を一定にさせるには、全体として応答遅れが生じやすい問題がある。特に、バスには電圧安定化のためのコンデンサＣが接続されているため、この容量による応答遅れが生じやすく、その結果、余剰電力時に、余剰分が系統側に逆に流れる逆潮流が発生したり、電力不足時に、必要とされる電力供給に時間がかかり、負荷の急変に対応することができないといった問題があった。
【００１９】
また、図２の例では、複数の制御部で独立して各蓄電池群の充電（放電）電流を制御しているため、回路要素のばらつきや、上述のバス電圧の変動の影響などにより、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３の充電（放電）電流がばらばらになり、蓄電池に蓄積されるエネルギーに差ができることがある。すると、放電時には何れか一つの蓄電池郡が放電完了したときに、充電時には何れか一つの蓄電池群が充電完了したときに、全ての双方向コンバータＣ１〜Ｃ３を停止させて、充放電を終了させることになる。そうすると、まだ充電又は放電可能な蓄電池群が存在するため、複数の蓄電池群からなる電源としての能力を十分に発揮することができないことがあった。
【００２０】
この発明の目的は、複数の充放電装置が、互いに緩衝することなく単一のバス電圧を一定に制御することができる蓄電池用充放電装置を提供することにある。
【００２１】
また、この発明の他の目的は、バス電圧を一定電圧に制御する制御部を一つの制御部で構成することにより、各電圧源ユニットの出力電流がアンバランスとなるのを防止し、且つ調停回路などを不要とする蓄電池用充放電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
蓄電池用充放電装置は、複数個の電圧源ユニットと、複数の電圧源ユニットの各出力電圧をバス電圧として合成するコンデンサと、バス電圧が入力され、交流電源に接続される双方向インバータとを備えている。双方向インバータは、外部から入力される交流電力指令値に対応する電力を出力し、又は入力させる。
【００２３】
各電圧源ユニットは、複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続して構成される。
【００２４】
上記の構成の蓄電池用充放電装置において、この発明は、
前記各電圧源ユニットに設けられ、各電圧源ユニット流れる電池電流を検出する複数の電流センサと、
前記複数の電流センサで検出した各電池電流の平均値又は加算値を求める電池電流演算部と、
前記バス電圧と予め設定したバス電圧指令値との差に対応する値と前記各電池電流の平均値又は加算値とを比較し、この値に基づいて前記双方向チョッパを駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生部と、
前記ＰＷＭ信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ分配部と、
を備えている。
【００２５】
双方向チョッパは、前記ＰＷＭ信号に基づいて動作するだけであって、インバータから電流方向を決める充放電信号に基づいて電流方向を決めるように制御されない。したがって、双方向チョッパは、バス電圧を一定にする動作に専念する。また、双方向インバータは、バス電圧が一定になるように制御されるのではなく、交流電力指令値に対応する電力を系統側に出力するよう、又は系統側から入力するように制御される。双方向インバータは、双方向チョッパによって一定値に制御されたバス電圧に基づいて、交流電力指令値に対応する電力を出力又は入力（吸収）することに専念する。このように、双方向チョッパは、バス電圧を一定にする動作に専念し、双方向インバータは、交流電力指令値に対応する電力を出力又は入力（吸収）することに専念することから、バス電圧の変動による応答遅れがなくなり、それ故、応答性を向上することができる。
【００２６】
また、電池電流演算部は、各電圧源ユニットの電池電流の変位が現れる、それらの電池電流の平均値又は加算値（以下、平均値等）を検出しているため、バス電圧を一つの制御部で制御出来る。これにより、各ユニットに制御部を設ける従来の構成に比較して制御部間の調停回路が不要となる。
【００２７】
また、この発明の別の態様では、各電圧源ユニット列の電池電流の平均値等から生成したＰＷＭ信号を、各電池電流の大小に応じて台形波により微調整する。これにより、各電圧源ユニット列の電池電流が一致する精度を高めることができる。
【００２８】
また、この発明のさらに別の態様では、各電圧源ユニット列の電池電圧と、その平均値等との電池電圧差分を検出し、この差分に基づいて、前記電池電流の平均値等を補正することにより、前記電池電流差分を補正する。これにより、各電圧源ユニット列の充電電圧が一致する精度を高めることが出来る。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、応答性を向上することができ、また、バス電圧を一つの制御部で制御出来るため、各電圧源ユニットに制御部を設ける従来の構成に比較して制御部間の調停回路が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】蓄電池用充放電装置の基本構成例を示す。
【図２】従来の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図３】この発明の第1の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図４】この発明の第２の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図５】矩形波／台形波変換部の動作を示す図
【図６】この発明の第３の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図を示す。
【図７】第３の実施形態の蓄電池用充放電装置の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図３は、この発明の第１の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図である。
【００３２】
この蓄電池用充放電装置は、３つの電圧源ユニット１〜３と、これらのユニット１〜３の各出力電圧をバス電圧として合成し、且つバス電圧を安定化するためのコンデンサ４と、バス電圧が入力され、交流電源５に接続される双方向インバータ６とを備えている。双方向インバータ６は、電力平準化制御装置ＣＮＴ０が接続されている。電力平準化制御装置ＣＮＴ０は、インバータ６に対して交流電力指令値を出力し、インバータ６は、この指令値に基づいて電力を系統側に放出（出力）し、又は、系統側から電力を吸収（入力）する。電力平準化制御装置ＣＮＴ０は、電力線に流れる電流（方向も）を検出することにより、蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３から電力需要家Ｆ（負荷）に供給するべき電力、又は蓄電池群Ｂ１〜Ｂ３に充電するべき電力を検出する。なお、図示はしていないが、図１と同様に、発電機群が系統に並列的に接続されている。
【００３３】
電圧源ユニット１〜３は、それぞれ、複数個のリチウム電池セルを直列接続したリチウム電池群１００、２００、３００と、それらのリチウム電池群に直列に接続した双方向チョッパ１０１、２０１、３０１とを備えている。双方向チョッパ１０１、２０１、３０１は、双方向に電力変換することができる回路で構成される。この回路は、例えば、直列接続された２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列接続されたフライホイールダイオードと、２つのスイッチング素子の接続点に接続されたインダクタンス成分とで構成される。
【００３４】
充電時は、第１のスイッチング素子をオン、第２のスイッチング素子をオフするＰＷＭ信号により、第１のスイッチング素子のオン期間において、交流電源側からインダクタンスを介してリチウム電池群に対して充電を行う。放電時は、第１のスイッチング素子をオフ、第２のスイッチング素子をオンするＰＷＭ信号により、第２のスイッチング素子のオン期間において、リチウム電池群から第２のスイッチング素子に対しての放電を行い、第２のスイッチング素子のオフ期間において、放電時にインダクタンスに蓄積されていたエネルギーを第１のスイッチング素子に接続されているフライホイールダイオードを介して交流電源側に回生する。このような構成の双方向チョッパについては、上記特許文献１に詳細に記述されているように周知技術である。
【００３５】
双方向インバータ６も、上記双方向チョッパと同様にスイッチング素子と、これに逆並列接続されたフライホイールダイオードと、エネルギー蓄積用のインダクタンスとの組み合わせで構成される。これについての詳細の動作説明についてはここでは省略する（上記特許文献１に詳細に記述されているように周知技術である）。
【００３６】
電圧源ユニット１〜３は、さらに、各ユニットに流れる電池電流を検出する電流センサ１０２、２０２、３０２を備えている。これらの電流センサは、それぞれ、リチウム電池群１００、２００、３００に流れる充電電流及び放電電流を検出する。
【００３７】
蓄電池用充放電装置は、さらに、電池電流演算部７を構成する平均電流値演算部７０と、制御部８と、ＰＷＭ分配部９を構成する分配部９０とを備える。
【００３８】
平均電流値演算部７０は、電圧源ユニット１〜３の各電流センサ１０２、２０２、３０２で検出した各電池電流ｉ１〜ｉ３の平均値である平均電流ｉＡＶＥの演算を行う。この演算部７は、各電池電流ｉ１〜ｉ３の平均値を演算する。平均値に代えて、各電池電流ｉ１〜ｉ３の変位量が反映される他の信号値、例えば電池電流ｉ１〜ｉ３の加算値を演算して出力するものであっても良い。
【００３９】
制御部８は、双方向チョッパ１０１等をオンオフ制御するためのゲートパルスであるＰＷＭ信号を生成する。
【００４０】
この制御部８は、バス電圧誤差増幅部８０と、平均電流誤差増幅部８１と、ＰＷＭ発生部８２とで構成される。バス電圧誤差増幅部８０は、バス電圧Ｖｃと予め設定したバス電圧指令値Ｖｍとの差（誤差）を検出し、これを電池電流平均指令値Ｉｍとして平均電流誤差増幅部８１に入力する。平均電流誤差増幅部８１は、上記電池電流平均指令値Ｉｍと上記平均電流ｉＡＶＥとを比較し、その値（誤差）をＰＷＭ発生部８２に入力する。ＰＷＭ発生部８２は、誤差に応じてパルス幅が異なるＰＷＭ信号を生成して分配部９０に入力する。分配部９０は、ＰＷＭ信号を同一タイミングですべての双方向チョッパ１０１等にゲートパルスとして供給する。なお、充電モード時は、第１のスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を供給し、第２のスイッチング素子はオフする。放電モード時は、第２のスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を供給し、第１のスイッチング素子はオフする。
【００４１】
上記の構成で、平均電流誤差増幅部８１は、充電モード時及び放電モード時において、平均電流ｉＡＶＥと電池電流平均指令値Ｉｍの差（誤差）がゼロとなるまでＰＷＭ発生部８２を制御する。
【００４２】
一方、バス電圧誤差増幅部８０においても、バス電圧Ｖｃとバス電圧指令値Ｖｍとの差（誤差）がゼロとなるまで電池電流平均指令値Ｉｍを制御する。バス電圧指令値Ｖｍは、充電モード時及び放電モード時で同じ値に設定される。
【００４３】
したがって、制御部８は、バス電圧Ｖｃがバス電圧指令値Ｖｍに一致するように双方向チョッパ１０１、２０１、３０１を同時に制御する。このようにして、一つの制御部８で、バス電圧Ｖｃが一定の電圧になるように制御することが出来る。
【００４４】
インバータ６は、図１の従来の装置において採用されていないような各双方向チョッパ１０１、２０１、３０１に対する制御を行っていない。すなわち、双方向チョッパ１０１、２０１、３０１の充電又は放電を行うための充放電制御信号を各双方向チョッパ１０１、２０１、３０１に出力しない。また、インバータ６は、電力平準化制御装置ＣＮＴ０から入力される交流電力指令値に一致する電力を負荷側（一般電力需要家Ｆ側）の線路に出力し（電力不足時）、又は線路から電力を吸収する（電力余剰時）。したがって、インバータ６は、交流電力指令値に対応する交流電力を生成することに専念し、双方向チョッパ１０１、２０１、３０１はバス電圧を一定にすることに専念する。双方向チョッパ１０１、２０１、３０１は、インバータ６からの充放電制御信号により電流方向を制御するではなく（同信号は双方向チョッパに入力されていない）、インバータ６の上記の動作によりバス電圧が変動しようとしたときに、その電圧を一定にするように電流方向が決まる。したがって、インバータ６がバス電圧を一定にするように制御しないので、インバータ６による応答遅れは生じない。
【００４５】
また、一つの制御部８で、バス電圧Ｖｃが一定の電圧になるように制御するから、この装置では調停回路などが不要である。したがって、全体として部品点数を削減でき、小型化、コストダウン化を行うことが出来る。
【００４６】
上記第１の実施形態の装置では、ＰＷＭ信号を各ユニットに供給するための制御系の伝達特性に差があるため、電池電流ｉ１〜ｉ３にバラツキが生じてしまう。この電池電流ｉ１〜ｉ３の電流差が僅かであったとしても、長時間異なる充電電流で各電池セルを充電した場合、充電が完了した電池群とそうでない電池群とが混在してしまい、そのまま充電を継続すると先に充電を完了した電池群は過充電となって発火等を起こす可能性がある。また、放電時では、過放電になった電池群は寿命が短くなってしまう。このような問題を解決する一つの手法は、過充電及び過放電を避けるための保護回路を設けることである。例えば、各電池群の電池電圧を監視し、いずれかの電池群の充電（又は放電）が完了したことを検出すると、双方向チョッパを完全オフして、電池群への充電（放電）を完全停止して保護する。しかし、このような保護回路では、満充電になっていない電池群は十分にその性能を発揮できなくなる不都合がある。
【００４７】
図４は、上記の不都合を改善することの出来る、この発明の第２の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図である。
【００４８】
構成において、図３の装置と相違する点は、電池電流演算部７の構成と、ＰＷＭ分配部９の構成である。
【００４９】
電池電流演算部７は、平均電流値演算部７０と、電池電流誤差増幅部７１〜７３とで構成される。平均電流値演算部７０は、第１の実施形態と同様に電池電流ｉ１〜ｉ３の平均値である平均電流ｉＡＶＥを求め、電池電流誤差増幅部７１は電池電流ｉ１と上記平均電流ｉＡＶＥとの差（電池電流差分。厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥを求め、電池電流誤差増幅部７２は電池電流ｉ２と上記平均電流ｉＡＶＥとの差（電池電流差分。厳密には誤差増幅値）ｉ２−ｉＡＶＥを求め、電池電流誤差増幅部７３は電池電流ｉ３と上記平均電流ｉＡＶＥとの差（電池電流差分。厳密には誤差増幅値）ｉ３−ｉＡＶＥを求める。
【００５０】
また、ＰＷＭ分配部９は、矩形波／台形波変換部９０と、ＰＷＭコンパレータ９１〜９３とで構成される。
【００５１】
矩形波／台形波変換部９０は、矩形波のＰＷＭ信号を台形波に変換し、ＰＷＭコンパレータ９１〜９３は、台形波と電池電流差分（厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥ〜ｉ３−ｉＡＶＥとを比較し、台形波を電池電流差分（厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥ〜ｉ３−ｉＡＶＥで切った位置での矩形波をＰＷＭ微調整信号として出力する。
【００５２】
電池電流ｉ１に関しての動作を説明する。
【００５３】
平均電流値演算部７０で求めた平均電流ｉＡＶＥは、電池電流誤差増幅部７１に入力され、電池電流誤差増幅部７１において平均電流ｉＶＡＥと電池電流ｉ１とが比較され、その差である電池電流差分（厳密には誤差増幅値）ｉ１−ｉＡＶＥがＰＷＭコンパレータ９１に出力される。実施形態１と同様に、ＰＷＭ発生部８２は、平均電流ｉＡＶＥと電池電流平均指令値Ｉｍとの誤差をゼロにするような矩形波状のＰＷＭ信号を生成してＰＷＭ分配部９に出力するが、この矩形波状のＰＷＭ信号は、ＰＷＭ分配部９の矩形波／台形波変換部９０において台形波に変換される。
【００５４】
本実施形態では、上記ＰＷＭ信号の矩形波の幅が、台形波の高さが２分の１のときの波形幅に一致するように波形変換を行う。図５はこの変換の内容を示している。図示のように、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ＝０のときは、ＰＷＭ信号（幅）＝ＰＷＭ微調整信号（幅）となる。したがって、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ＞０のときは、ＰＷＭ信号（幅）＞ＰＷＭ微調整信号（幅）となる。
【００５５】
また、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ＜０のときは、ＰＷＭ信号（幅）＜ＰＷＭ微調整信号（幅）となる。
【００５６】
ＰＷＭ信号の微調整を行うＰＷＭ分配部９は、平均電流ｉＶＡＥと電池電流ｉ１とが同じであるときは、ＰＷＭ信号の微調整を行う必要がないため、ＰＷＭ信号（幅）＝ＰＷＭ微調整信号（幅）とする。電池電流ｉ１が平均電流ｉＶＡＥよりも大きいときは、電池電流ｉ１を下げることが望ましい。そこで、ＰＷＭ信号（幅）＞ＰＷＭ微調整信号（幅）となるように台形波の傾きを利用して微調整を行う。反対に、電池電流ｉ１が平均電流ｉＶＡＥよりも小さいときは、電池電流ｉ１を上げることが望ましい。そこで、ＰＷＭ信号（幅）＜ＰＷＭ微調整信号（幅）となるように台形波の傾きを利用して微調整を行う。
【００５７】
そして、上記の微調整は、各電圧源ユニット毎に独立して行われる。
【００５８】
このように、各電圧源ユニットの電池電流の平均値（平均電流）から生成したＰＷＭ信号を、各ユニットの電池電流の大小に応じて台形波によって微調整することで、各ユニットの電池電流を一致させることが出来る。
【００５９】
本実施形態では、ＰＷＭ信号を左右対称な台形波を用いて微調整しているが、台形波は左右非対称であっても良いし、台形波に代えて三角波や鋸歯状波を用いることも出来る。すなわち、波形に傾きを持つものであればどのようなものでも良い。しかし、台形波は他の波形に比べて傾きが相対的に緩やかとなるため、微調整を行う観点からは台形波を用いるのが望ましい。
【００６０】
上記第２の実施形態の装置では、各電圧源ユニットの電池電流が同じになるように制御されても、電池セルの個体差や、初期の電池充電量の差により、長時間の充電を行った後に各電池群の電池電圧が揃わなくなる可能性がある。したがって、第１の実施形態と同様な問題を起こす可能性がある。
【００６１】
図６は、上記の不都合を解消することの出来る、この発明の第３の実施形態の蓄電池用充放電装置のブロック図である。
【００６２】
構成において、図４の装置と相違するのは、電池電流演算部７の構成が異なる点と、電池電圧演算部１１を新たに設けた点である。
【００６３】
電池電圧演算部１１は、平均電圧値演算部１１０と、電池電圧誤差増幅部１１〜１１３とで構成される。電池電圧誤差増幅部１１１〜１１３は、電池電圧差分検出部を構成する。
【００６４】
平均電圧値演算部１１０は、各電圧源ユニット１〜３の電池電圧ｖ１〜ｖ３の平均値である平均電圧ｖＡＶＥを求める。この演算部１１０も、平均電流値演算部７０と同様に、平均値ではなく加算値（加算電圧）を演算するようにしても良い。
【００６５】
電池電圧誤差増幅部１１１は電池電圧ｖ１と上記平均電圧ｖＡＶＥとの差（電池電圧差分）Δｖ１を求め、電池電圧誤差増幅部１１２は電池電圧ｖ２と上記平均電圧ｖＡＶＥとの差（電池電圧差分）Δｖ２を求め、電池電圧誤差増幅部１１３は電池電圧ｖ３と上記平均電圧ｖＡＶＥとの差（電池電圧差分）Δｖ３を求める。
【００６６】
電池電流演算部７は、図４の構成に対して、さらに補正部である加算部７４〜７６を備えている。加算部７４は、上記電池電圧誤差増幅部１１１の出力である電池電圧差分Δｖ１の値を平均電流ｉＡＶＥに加算する。すなわち、平均電流ｉＡＶＥに電池電圧差分Δｖ１を加算することにより、ＰＷＭ信号を微調整するための操作量（電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ）を電池電圧差分Δｖ１の分だけさらに微調整する。加算部７５、７６についても同様である。
【００６７】
なお、図６では、加算部７４〜７６において、平均電流ｉＡＶＥと電池電圧差分Δｖ１〜ｖ３とをそれぞれ加算して電池電流誤差増幅部７１〜７３に入力しているが、これに代えて、図７に示すように、加算部７４〜７６において、入力電流ｉ１〜ｉ３と電池電圧差分Δｖ１〜ｖ３とをそれぞれ加算して電池電流誤差増幅部７１〜７３に入力するようにしても良い。いずれの場合も、電池電圧差分Δｖ１〜ｖ３に基づいて、電池電流差分ｉ１−ｉＡＶＥ〜ｉ３−ｉＡＶＥの操作量を補正することになる。
【００６８】
このように、各電圧源ユニットの電池電圧の大小に応じた操作量を加味してＰＷＭ信号を微調整するため、各ユニットの電池電圧の一致を図ることが出来る。このとき、電池電圧の大小に応じた操作量が平均電流値ｉＡＶＥに加算されるから、各ユニットの電池電流の一致に優先して電池電圧の一致が図られる。このため、例えば、初期の充電電圧が異なる電池群を充電する場合でも、徐々に各電池群の電池電圧が一致していく。したがって、すべての電池群の電池電圧を等しくすることができ、蓄えられたエネルギーを有効活用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１〜３−電圧源ユニット
１００、２００、３００−リチウム電池群
１０１、２０１、３０１−双方向チョッパ
１０２、２０２、３０２−電流センサ
６−双方向インバータ
７−電池電流演算部
８−制御部
９−ＰＷＭ分配部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続した複数個の電圧源ユニットと、
前記複数個の電圧源ユニットの各出力が接続されるバスと、
前記バスに接続され、前記複数の電圧源ユニットの各出力電圧をバス電圧として合成するコンデンサと、
前記バスと電力系統間に接続され、外部から入力される交流電力指令値に対応する電力を電力系統側に出力し、又は電力系統側から入力させる双方向インバータと、
前記各電圧源ユニットに設けられ、各電圧源ユニットに流れる電池電流を検出する複数の電流センサと、
前記複数の電流センサで検出した各電池電流の平均値又は加算値を求める電池電流演算部と、
前記バス電圧と予め設定したバス電圧指令値との差に対応する値と前記各電池電流の平均値又は加算値とを比較し、この値に基づいて前記双方向チョッパを駆動するためのＰＷＭ信号を生成する制御部と、
前記ＰＷＭ信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ分配部と、
を備えてなる蓄電池用充放電装置。
【請求項２】
前記電池電流演算部は、前記各電池電流の平均値又は加算値と前記電流センサにより検出された電池電流との差に対応する電池電流差分を検出する電池電流差分検出部を備え、
前記ＰＷＭ分配部は、
前記ＰＷＭ信号が入力され、該ＰＷＭ信号を台形波信号に変換する波形変換部と、
前記台形波信号を、電池電流差分に対応する値に基づいて微調整されたＰＷＭ微調整信号に変換し、この信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ微調整部と、を備える、請求項１記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項３】
前記波形変換部は、ＰＷＭ信号の矩形波の幅が、台形波の高さが２分の１のときの波形幅に一致するように波形変換を行う、請求項２記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項４】
前記波形変換部は、前記ＰＷＭ信号を台形波信号に代えて三角波信号に変換し、
前記ＰＷＭ微調整部は、前記三角波信号を、電池電流差分に対応する値に基づいて微調整されたＰＷＭ微調整信号に変換し、この信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配する、請求項２記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項５】
前記複数の電圧源ユニットの各電池電圧の平均値又は加算値を求める電池電圧演算部を備え、
前記電池電圧演算部は、前記各電池電圧の平均値又は加算値と前記各電池電圧との差に対応する電池電圧差分を検出する電池電圧差分検出部を備え、
前記電池電流演算部は、前記電池電圧差分に基づいて、前記電池電流差分を補正する補正部、を備える請求項２記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項６】
前記補正部は、前記電池電圧差分に基づいて、前記各電池電圧の平均値又は加算値を補正する請求項５記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項１】
複数個の蓄電池セルを直列接続した蓄電池群に双方向チョッパを接続した複数個の電圧源ユニットと、
前記複数個の電圧源ユニットの各出力が接続されるバスと、
前記バスに接続され、前記複数の電圧源ユニットの各出力電圧をバス電圧として合成するコンデンサと、
前記バスと電力系統間に接続され、外部から入力される交流電力指令値に対応する電力を電力系統側に出力し、又は電力系統側から入力させる双方向インバータと、
前記各電圧源ユニットに設けられ、各電圧源ユニットに流れる電池電流を検出する複数の電流センサと、
前記複数の電流センサで検出した各電池電流の平均値又は加算値を求める電池電流演算部と、
前記バス電圧と予め設定したバス電圧指令値との差に対応する値と前記各電池電流の平均値又は加算値とを比較し、この値に基づいて前記双方向チョッパを駆動するためのＰＷＭ信号を生成する制御部と、
前記ＰＷＭ信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ分配部と、
を備えてなる蓄電池用充放電装置。
【請求項２】
前記電池電流演算部は、前記各電池電流の平均値又は加算値と前記電流センサにより検出された電池電流との差に対応する電池電流差分を検出する電池電流差分検出部を備え、
前記ＰＷＭ分配部は、
前記ＰＷＭ信号が入力され、該ＰＷＭ信号を台形波信号に変換する波形変換部と、
前記台形波信号を、電池電流差分に対応する値に基づいて微調整されたＰＷＭ微調整信号に変換し、この信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配するＰＷＭ微調整部と、を備える、請求項１記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項３】
前記波形変換部は、ＰＷＭ信号の矩形波の幅が、台形波の高さが２分の１のときの波形幅に一致するように波形変換を行う、請求項２記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項４】
前記波形変換部は、前記ＰＷＭ信号を台形波信号に代えて三角波信号に変換し、
前記ＰＷＭ微調整部は、前記三角波信号を、電池電流差分に対応する値に基づいて微調整されたＰＷＭ微調整信号に変換し、この信号を前記双方向チョッパのそれぞれに分配する、請求項２記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項５】
前記複数の電圧源ユニットの各電池電圧の平均値又は加算値を求める電池電圧演算部を備え、
前記電池電圧演算部は、前記各電池電圧の平均値又は加算値と前記各電池電圧との差に対応する電池電圧差分を検出する電池電圧差分検出部を備え、
前記電池電流演算部は、前記電池電圧差分に基づいて、前記電池電流差分を補正する補正部、を備える請求項２記載の蓄電池用充放電装置。
【請求項６】
前記補正部は、前記電池電圧差分に基づいて、前記各電池電圧の平均値又は加算値を補正する請求項５記載の蓄電池用充放電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１０５０２（Ｐ２０１２−１０５０２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４４８３５（Ｐ２０１０−１４４８３５）
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（０００１４４３９３）株式会社三社電機製作所 (95)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（０００１４４３９３）株式会社三社電機製作所 (95)
【Ｆターム（参考）】
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