JP2012191820A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池を含む電源システムにおけるスイッチにおける損失を低減する。
【解決手段】少なくとも一つの蓄電池セルを含む電池パック４４を少なくとも２つ直列に接続した蓄電池制御単位４２と、電力入出力ラインＬ１に蓄電池制御単位４２を接続するスイッチ回路３０とを備え、スイッチ回路３０は、半導体のスイッチング動作によって回路の開閉を行う半導体スイッチＳＷ１と、機械的な接点の開閉を行う機械的なコンタクタＳＷ４とを含む直列回路を介して、蓄電池制御単位４２と電力入出力ラインＬ１とを繋ぐ電源システムとする。
【選択図】図４

Description

本発明は、蓄電池を含む電源システムに関する。

電力の有効的な利用を図るために商用電源と蓄電池とを組み合わせた電源システムが利用され始めている。すなわち、負荷の時間的な変動に合わせて、負荷が大きいときには商用電源からの電力に加えて蓄電池からの放電電力を負荷へ供給し、負荷が小さいときには商用電源から蓄電池へ充電を行い、商用電源からの電力供給を時間的に平均化するものである。また、近年開発が進んでいる太陽光発電システムや燃料電池システムも電源システムに組み合わせられている。

このような電源システムでは、充放電を行うための配線に蓄電池を接続するためのスイッチ回路が設けられる。スイッチ回路には、サイリスタ（ＳＣＲ）等の高耐圧半導体スイッチが含まれ、これらのスイッチを介して蓄電池と充放電用の配線とが接続される。

従来の電源システムのスイッチ回路では、充放電用の配線と蓄電池とが半導体スイッチによって接続されるが、半導体スイッチは開（オフ・遮断）状態であっても定格電流の１％程度の漏れ電流が発生する。このような漏れ電流は、電源システムの効率を低下させる等の問題を引き起こす。特に、蓄電池の直列接続段数が増加して出力電圧が高圧になると、半導体スイッチの漏れ電流による損失が大きくなり、漏れ電流の抑制に対する要求が高まっている。

本発明は、少なくとも一つの蓄電池セルを含む電池パックを少なくとも２つ直列に接続した蓄電池制御単位と、電力入出力ラインに蓄電池制御単位を接続するスイッチ回路と、を備え、スイッチ回路は、半導体のスイッチング動作によって回路の開閉を行う半導体スイッチと、機械的な接点の開閉を行う機械的なコンタクタと、を含む直列回路を介して、蓄電池制御単位と電力入出力ラインとを繋ぐ、電源システムである。

本発明は、蓄電池を含む電源システムにおけるスイッチにおける損失を低減する。

本発明に係る実施の形態における電源システムの全体構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態における電源システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態における蓄電池ユニットの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態における蓄電池ユニットの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態におけるスイッチ回路の制御システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において蓄電池を接続する際の処理を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において蓄電池を遮断する際の処理を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態における電源システムの構成を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の実施の形態における電源システム１００は、図１に示すように、電源管理システム１０２、蓄電池集合体１０４、太陽電池システム１０６及び系統電源１０８を含んで構成される。電源システム１００は、負荷１１０に電力を供給するために用いられる。なお、図１において、太い実線は電力の流れを示し、細い実線は信号の流れを示す。

本実施の形態では、太陽電池システム１０６及び系統電源１０８を電力源としている。系統電源１０８は、単相又は３相等の電源であり、水力発電、原子力発電、火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ものとすることができる。また、太陽電池システム１０６は、例えば１ＭＷの大規模な太陽光発電システムとすることができる。ただし、これらに限定されるものではなく、燃料電池や風力発電システム等の他の再生可能エネルギーを利用した電力源を含めてもよい。

電源管理システム１０２は、図１に示すように、システムコントローラ２０、マスタコントローラ２２、サブコントローラ２４、電力変換器管理部２６及び電力変換器２８を含んで構成される。電源管理システム１０２は、階層的な制御システムとして構成されており、システムコントローラ２０、マスタコントローラ２２、サブコントローラ２４、電力変換器管理部２６へと上位から下位に向かって制御が階層化されている。

システムコントローラ２０は、電源システム１００の電力管理を統合的に行う機能を有する。マスタコントローラ２２は、システムコントローラ２０からの全体充放電制御指令Ｓ１を受けて、蓄電池集合体１０４の全体を１つとして充放電制御するための制御装置である。電力変換器管理部２６は、電源システム１００に含まれる電力変換器２８の各々における電力変換及び電圧変換等の処理を制御する。サブコントローラ２４は、蓄電池集合体１０４に含まれる蓄電池ユニット４０毎に設けられ、それぞれの蓄電池ユニット４０での充放電を制御する。

蓄電池集合体１０４は、負荷１１０の必要電力に応じた電力を供給するために設けられる。蓄電池集合体１０４は、図２及び図３に例示するように、蓄電池セル４６を複数組み合わせた蓄電池パック４４、蓄電池パック４４を複数組み合わせた蓄電池制御単位４２、及び蓄電池制御単位４２を複数組み合わせた蓄電池ユニット４０のように階層的に構成される。

本実施の形態では、蓄電池集合体１０４は以下のように構成される。図２の例に示すように、蓄電池集合体１０４は、複数の蓄電池ユニット４０が並列に接続された集合体が複数組み合わされて構成されている。各集合体には、それぞれ電力変換器２８が接続されており、電力変換器２８により各蓄電池ユニット４０の電力管理を行う。なお、図２では、電力線を実線で、信号線を破線で示している。マスタコントローラ２２と電力変換器管理部２６との間の信号線およびマスタコントローラ２２とサブコントローラ２４との間の信号線は、ＨＵＢ５０を介して接続されている。

図３は、図２における１つの蓄電池ユニット４０を抜き出し、その構成を詳細に示している。１つの蓄電池ユニット４０は、蓄電池パック４４を必要に応じて直列接続した蓄電池制御単位（蓄電池パック列）４２を、必要に応じて並列に接続して構成される。図３の例では、１４個の蓄電池パック４４を直列接続して１つの蓄電池制御単位４２を形成し、その蓄電池制御単位４２を２列並列接続して、１つの蓄電池ユニット４０が構成されている。本実施の形態では、１つの蓄電池ユニット４０は、２４個の蓄電池パック４４から構成される。

さらに、図３には、１つの蓄電池パック４４の内部構成の例が拡大されて示されている。本実施の形態では、１つの蓄電池パック４４は、蓄電池の単位である蓄電池セル４６を２４個並列に接続したものを、直列に１３組接続して構成される。つまり、各蓄電池パック４４は、２４×１３＝３１２個の蓄電池セル４６から構成される。

なお、蓄電池セル４６、蓄電池パック４４、蓄電池制御単位４２及び蓄電池ユニット４０の組み合わせの数は電源システム１００の仕様に応じ適宜変更してもよい。また、蓄電池としてリチウムイオン電池を用いることができるが、これ以外の２次電池を適用してもよい。例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、マンガン電池等を適用してもよい。

１つの蓄電池ユニット４０には、それぞれ１つのサブコントローラ２４と、１つのスイッチ回路３０とが接続される。スイッチ回路３０には、図４に示すように、蓄電池制御単位４２毎に１つの半導体スイッチＳＷ１（ＳＷ１（１）〜ＳＷ１（４））及びコンタクタＳＷ４（ＳＷ４（１）〜ＳＷ４（４））が設けられている。蓄電池制御単位４２は、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４の直列回路を介して電力入出力ラインＬ１に接続される。

半導体スイッチＳＷ１は、サイリスタ（ＳＣＲ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の半導体素子からなるスイッチである。半導体スイッチＳＷ１は、機械的な接点を有しておらず、機械的な接点を有する有接点コンタクタに対して無接点コンタクタと呼ばれる。半導体スイッチＳＷ１は、サブコントローラ２４からの開閉制御信号に応じて開閉制御される。

また、コンタクタＳＷ４は、オン電流によって発生する磁力によって機械的な接点を物理的に開閉する構造を有するスイッチ素子である。コンタクタＳＷ４は、電磁開閉器とも呼ばれ、機械的な接点を有することから有接点コンタクタとも呼ばれる。また、コンタクタＳＷ４は、一定量以上の過電流が流れるとこれを感知して接点を開放する過負荷継電器を備えることも好適である。コンタクタＳＷ４は、サブコントローラ２４からのオン信号が出力され、オフ信号が出力されていない状態では接点を閉じ、サブコントローラ２４からのオン信号が出力されておらず、オフ信号が出力されている状態では接点を開くように開閉制御される。

以上のように、蓄電池制御単位４２は、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４によって蓄電池を電力入出力ラインＬ１に接続する際の制御の最小単位となる。

また、図４に示すように、１つの蓄電池ユニット４０に含まれる蓄電池制御単位４２（４２（１）〜４２（４））は、抵抗Ｒ（Ｒ（１）〜Ｒ（４））を介して充放電ラインＬ２に接続される。これにより、蓄電池制御単位４２（４２（１）〜４２（４））間には抵抗Ｒ（Ｒ（１）〜Ｒ（４））を介して相互に充放電電流が流れ、蓄電池制御単位４２（４２（１）〜４２（４））の充電状態が均等化される。さらに、電力入出力ラインＬ１と充放電ラインＬ２との間にスイッチＳＷ２を設けることにより、電力入出力ラインＬ１及び充放電ラインＬ２を介して蓄電池制御単位４２（４２（１）〜４２（４））間で充放電を行う。なお、蓄電池制御単位４２（４２（１）〜４２（４））は、それぞれブレーカＢＲ（ＢＲ（１）〜ＢＲ（４））を介して電力入出力ラインＬ１及び充放電ラインＬ２に接続される。

蓄電池ユニット４０には、蓄電池電流センサ５２、蓄電池電圧センサ５４、温度センサ５６及び地絡検知センサ５８が設けられる。蓄電池電流センサ５２は、蓄電池制御単位４２毎や蓄電池パック４４毎に設けられ、それぞれの電流を検出する。蓄電池電圧センサ５４は、蓄電池制御単位４２毎、蓄電池パック４４毎又は蓄電池パック４４内において直列に接続される蓄電池セル４６の並列集合体（２４個の並列接続された蓄電池セル４６の集合体）の各々に設けられる。これにより、蓄電池制御単位４２毎の電圧、蓄電池パック４４毎の電圧や蓄電池セル４６の並列集合体の端子間電圧が検出される。なお、図３では、図を簡略に示すために蓄電池電流センサ５２及び蓄電池電圧センサ５４を一つのみ図示している。また、蓄電池パック４４の温度はパック温度として温度センサ５６によって検出される。なお、蓄電池パック４４毎に複数の温度センサ５６を設けてもよい。さらに、蓄電池ユニット４０には、地絡検知センサ５８を設けてもよい。地絡検知センサ５８は、蓄電池パック４４毎に設けることが好適である。地絡検知センサ５８は、蓄電池パック４４に含まれる蓄電池セル４６に地絡が生じたことを検知するセンサである。

また、蓄電池ユニット４０には、除熱用の空冷ファンを設け、空冷ファンの回転数を検出する回転センサ（図示しない）を設けてもよい。空冷ファンは一般的に蓄電池ユニット４０毎に設けられるので、回転センサも蓄電池ユニット４０毎に設けることが好適である。

このように構成された蓄電池集合体１０４の充放電を行う電源システム１００は、工場施設の一般照明、一般空調、厨房器具、展示ケース、空調設備等を含む負荷１１０へ電力を供給する。

負荷１１０には、電力管理装置１１０ａが設けられる。電力管理装置１１０ａは、負荷電力管理装置１０、蓄電池電力管理装置１２及び総合電力監視装置１４を含む。

負荷電力管理装置１０は、負荷１１０の必要電力を示す負荷側情報データＳ９を負荷１１０から取得する。負荷側情報データＳ９は、後述するシステムコントローラ２０が全体充放電制御指令Ｓ１を設定できるために必要な負荷１１０の全体の必要電力要求量を含む。図１に示すように、負荷１１０が４系統に区分されるときは、負荷電力管理装置１０は、内部的に４系統の負荷電力管理装置の集合体とされる。

蓄電池電力管理装置１２は、蓄電池集合体１０４に含まれる蓄電池ユニット４０の各々の状態を示すユニット状態データＳ６及び電源管理システム１０２に含まれる電力変換器２８の各々の状態を示す電力変換器管理データＳ７を受信する。蓄電池電力管理装置１２は、これらの情報を総合電力監視装置１４へ転送する。ユニット状態データＳ６は、全体充放電制御指令Ｓ１の生成に利用される情報を含む。さらに、ユニット状態データＳ６には、蓄電池集合体１０４を構成する蓄電池の電圧、温度、電流、ＳＯＣ等のデータ及び蓄電池集合体１０４を構成する蓄電池ユニット４０のいずれかに異常がある場合にはこれらの異常を示す情報が含まれる。また、電力変換器管理データＳ７には、全体充放電制御指令Ｓ１の設定に関係する電力変換器２８の異常に関する情報が含まれる。例えば、電力変換器２８のいずれかに故障等の不具合がある場合、不具合が生じている電力変換器２８を特定するための情報が含まれる。

総合電力監視装置１４は、負荷電力管理装置１０から負荷側情報データＳ９並びに蓄電池電力管理装置１２からユニット状態データＳ６及び電力変換器管理データＳ７を受けて、これらの情報から充放電制御に必要なデータを抽出する。総合電力監視装置１４は、抽出された情報をシステム管理信号Ｓ８としてシステムコントローラ２０へ出力する。

以下、電源管理システム１０２の各構成要素における制御について説明する。システムコントローラ２０は、電力管理装置１１０ａから負荷側情報データＳ９及び蓄電池情報信号ユニット状態データＳ６を含むシステム管理信号Ｓ８を受け、これらの情報に基づいて電源システム１００の全体に対する充放電制御指令である全体充放電制御指令Ｓ１を生成して出力する。

具体的には、システムコントローラ２０は、蓄電池ユニット４０及び電力変換器２８の状態を考慮して、蓄電池集合体１０４の充放電容量から負荷１１０の全体の必要電力要求量を満たす充放電の状態を求めて、これを全体充放電制御指令Ｓ１としてマスタコントローラ２２に送信する。また、好ましくは、システムコントローラ２０は、不具合が生じている電力変換器２８に接続されている蓄電池ユニット４０の充放電状態、および不具合が生じている蓄電池ユニット４０の充放電状態に関する情報も考慮して、蓄電池集合体１０４の充放電容量から負荷１１０の全体の必要電力要求量を満たす充放電の状態を求めて、これを全体充放電制御指令Ｓ１としてマスタコントローラ２２に送信する。

全体充放電制御指令Ｓ１は、例えば「ＸＸｋＷでＹＹ秒間充電すること」等のように、充放電条件が電力量と時間とで示される。この他に、充電上限電圧を指定して「電圧がＺＺＶになるまでＸＸｋＷで充電すること」としてもよく、放電下限電圧を指定して「ＺＺＶまで放電すること」としてもよく、ＳＯＣを指定して充放電を指令するものとしてもよい。ここで、ＳＯＣとは、電力を実用上の範囲で、最大に貯蔵した状態におけるＳＯＣ（充電度）を１００とし、最小に貯蔵した状態におけるＳＯＣ（充電度）を０としたものであって、それを基準にして電力の各貯蔵状態でのＳＯＣ（充電度）を百分率で表したものである。

また、蓄電池集合体１０４による放電が放電下限界に到達した場合や充電が充電上限界に到達した場合には、全体充放電制御指令Ｓ１は「充放電を待機状態にすること（あるいは、０ｋＷで充放電すること）」等の内容とされる。

マスタコントローラ２２は、システムコントローラ２０から全体充放電制御指令Ｓ１を受け、それぞれの電力変換器２８に対する集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部２６に送信する機能を有する制御装置である。

具体的には、マスタコントローラ２２は、電力変換器管理部２６から電力変換器２８の状態データである電力変換器管理データＳ４と、蓄電池集合体１０４に含まれる各蓄電池ユニット４０に接続されたサブコントローラ２４から各々の蓄電池ユニット４０の状態を示すユニット状態データＳ３とを受信する。マスタコントローラ２２は、受信したユニット状態データＳ３に基づいて、各電力変換器２８の起動を指示する起動指示命令、各電力変換器２８の待機を指示する待機指示命令及び各電力変換器２８の停止を指示する停止指示命令のいずれかを含む集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部２６へ送信する。また、集合体充放電制御指令Ｓ５には、各電力変換器２８による充放電の制御のための目標充放電電力を必要に応じて含む。また、マスタコントローラ２２は、電力変換器管理データＳ４とユニット状態データＳ３とに基づいてシステムコントローラ２０から送信された全体充放電制御指令Ｓ１を実行できるか否か判断し、判断の結果に基づいて、集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部２６に送信する。この判断は、例えば、ユニット状態データＳ３等を予め定めた条件式に当てはめて行うものとすることができる。電力変換器の能力の制約や安全上の制約等により、全体充放電制御指令Ｓ１が実行できない場合には、マスタコントローラ２２は、充放電量を実行可能なものに抑制して集合体充放電制御指令Ｓ５を電力変換器管理部２６に送信する。あるいは、マスタコントローラ２２が集合体充放電制御指令Ｓ５を送信しない制御としてもよい。また、全体充放電制御指令Ｓ１が指令どおり実行できなかった場合、マスタコントローラ２２によってその結果を蓄電池電力管理装置１２に送信するものとしてもよい。

全体充放電制御指令Ｓ１は、マスタコントローラ２２に対して送信される蓄電池集合体１０４の全体の充放電量を示す指令値である。集合体充放電制御指令Ｓ５は、全体充放電制御指令Ｓ１での指令値を電力変換器２８毎に分解した指令値となる。図２に例示するように、電力変換器管理部２６に対して８個の電力変換器２８が設けられている場合、全体充放電制御指令Ｓ１が「３２０ｋＷで１８００秒間放電」という内容であったとすると、集合体充放電制御指令Ｓ５は、「第１の電力変換器２８は４０ｋＷで放電、第２の電力変換器２８は４０ｋＷで放電・・・第８の電力変換器２８は４０ｋＷで放電」という内容になる。なお、この具体例では、集合体充放電制御指令Ｓ５の個別の指令値は、全体充放電制御指令Ｓ１の指令値を電力変換器２８の個数で均等に割ったときの値となっているが、これ以外の個別の指令値とされることもある。例えば、電力変換器管理データＳ４によって、電力変換器管理部２６が制御する電力変換器２８のいずれかに不具合があることが送信されているとき、半導体スイッチＳＷ１やコンタクタＳＷ４の開閉状態や不具合等によって各電力変換器２８に接続されていない蓄電池制御単位４２が存在するとき等では、全体充放電制御指令Ｓ１の一部の充放電が制限された内容の集合体充放電制御指令Ｓ５が電力変換器管理部２６に送信される。具体的には、マスタコントローラ２２は、不具合が生じた電力変換器２８を除いた他の電力変換器２８について、それに接続された蓄電池制御単位４２の数に応じて、全体充放電制御指令Ｓ１で要求される充放電状態が満たされるように、各電力変換器２８を制御する集合体充放電制御指令Ｓ５を生成して、電力変換器管理部２６へ出力する。

また、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４へスイッチ制御信号Ｓ１０を出力し、充放電を行う電力入出力ラインＬ１への蓄電池制御単位４２の接続を制御する。マスタコントローラ２２によるサブコントローラ２４を介したスイッチ回路３０の制御については後述する。

また、マスタコントローラ２２は、電力変換器管理部２６から受け取った電力変換器管理データＳ４と同じ内容のデータを電力変換器管理データＳ７として蓄電池電力管理装置１２に送信する。なお、電力変換器管理データＳ７は、電力変換器管理部２６からマスタコントローラ２２を介して蓄電池電力管理装置１２を含む電力管理装置１１０ａに間接的に送信するのではなく、電力変換器管理部２６から蓄電池電力管理装置１２を含む電力管理装置１１０ａに直接的に送信してもよい。さらに、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４から受け取った各々の蓄電池ユニット４０の状態を示すユニット状態データＳ３と同じ内容のデータをユニット状態データＳ６として蓄電池電力管理装置１４へ送信する。

サブコントローラ２４は、蓄電池ユニット４０毎に設けられ、マスタコントローラ２２からのスイッチ制御信号Ｓ１０及び各蓄電池ユニット４０の状態に応じて各蓄電池ユニット４０に設けられたスイッチ回路３０に含まれるスイッチの開閉制御を行う。サブコントローラ２４によるスイッチ回路３０の制御については後述する。

また、サブコントローラ２４は、蓄電池ユニット４０、蓄電池制御単位４２、蓄電池パック４４から出力されるデータや異常信号及びこれらのデータから算出した充放電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）をユニット状態データＳ３としてマスタコントローラ２２へ出力する。また、蓄電池集合体１０４を構成する蓄電池ユニット４０に異常が生じている場合には、サブコントローラ２４は、異常である蓄電池ユニット４０を特定するための情報をユニット状態データＳ３に含めて送信する。また、サブコントローラ２４は、スイッチ回路３０に含まれる半導体スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、ユニットスイッチＳＷ３及びコンタクタＳＷ４からスイッチの開閉状態を示すスイッチ状態信号や半導体スイッチ電圧、コンタクタ電圧、バッテリ電圧及び電流値の測定値を受け、それらの情報をユニット状態データＳ３に含めてマスタコントローラ２２へ出力する。

図５は、本実施の形態におけるスイッチ回路３０の構成例を示す。スイッチ回路３０は、デジタル処理部３０ａ、光変換モジュール３０ｂ、フォトカプラ３０ｃ及びアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）３０ｄを含む。なお、フォトカプラ３０ｃ及びＡＤＣ３０ｄは半導体スイッチＳＷ１、コンタクタＳＷ４や蓄電池制御単位４２毎にそれぞれ設けられるが、図５では、図を簡潔に示すために１系統のみを代表的に示している。

スイッチ回路３０のデジタル処理部３０ａは、サブコントローラ２４から制御信号を受信する。制御信号は、光変換モジュール３０ｂの入力端ＩＮ１に入力される。光変換モジュール３０ｂは、制御信号を受信すると、受信した制御信号を光信号から電気信号へ変換してデジタル処理部３０ａへ出力する。これにより、デジタル処理部３０ａは、サブコントローラ２４から制御信号を受信することができる。

また、スイッチ回路３０のデジタル処理部３０ａは、スイッチ回路３０の状態を示すステータス信号をサブコントローラ２４へ出力する。デジタル処理部３０ａは、ＡＤＣ３０ｄを介して、スイッチ回路３０の内部に設けられた電圧センサ、電流センサ、温度センサで測定された各種データを取得する。

例えば、図４におけるブレーカＢＲとコンタクタＳＷ４（ＳＷ４（１）〜ＳＷ４（４））との間に電圧センサ（図示しない）が設けられ、その位置の電圧がバッテリ電圧として測定される。また、コンタクタＳＷ４（ＳＷ４（１）〜ＳＷ４（４））と半導体スイッチＳＷ１（ＳＷ１（１）〜ＳＷ１（４））との間に電圧センサ（図示しない）が設けられ、その位置の電圧がコンタクタ電圧として測定される。また、半導体スイッチＳＷ１（ＳＷ１（１）〜ＳＷ１（４））とユニットスイッチＳＷ３との間に電圧センサ（図示しない）が設けられ、半導体スイッチＳＷ１（ＳＷ１（１）〜ＳＷ１（４））の出力端の電圧が半導体スイッチ電圧として測定される。また、蓄電池制御単位４２の出力端に電流センサ（図示しない）が設けられ、蓄電池制御単位４２の出力電流がバッテリ電流として測定される。また、スイッチ回路３０の筐体内や半導体スイッチＳＷ１近傍に温度センサ（図示しない）が設けられ、筐体内温度や半導体スイッチ温度が測定される。ＡＤＣ３０ｄは、これらの測定された各種データをアナログ信号からデジタル信号に変換してデジタル処理部３０ａへ入力する。

さらに、スイッチ回路３０では、フォトカプラ３０ｃを介してコンタクタＳＷ４の状態が取得される。各コンタクタＳＷ４の電磁コイルの端子電圧を検出することによって、コンタクタＳＷ４が閉状態となっているか、開状態となっているかを示す信号がコンタクタ位置信号として取得される。

デジタル処理部３０ａは、入力されてきた各種データを光ファイバ等の光通信網を用いて通信が可能なデータ形式のステータス信号に変換して光変換モジュール３０ｂへ出力する。光変換モジュール３０ｂは、入力された情報を電気信号から光信号へ変換して出力端ＯＵＴ１に接続された光ファイバを介してサブコントローラ２４へ送出する。

サブコントローラ２４は、スイッチ回路３０からステータス信号を受信すると、その情報をマスタコントローラ２２へ転送する。マスタコントローラ２２は、スイッチ回路３０から受信したステータス信号と、蓄電池ユニット４０、蓄電池制御単位４２、蓄電池パック４４の状態や異常を示すユニット状態データＳ３と、に基づいてスイッチ回路３０に対するスイッチ制御信号Ｓ１０を生成して出力する。

なお、サブコントローラ２４によるスイッチ回路３０の制御については後述する。

電力変換器管理部２６は、マスタコントローラ２２から集合体充放電制御指令Ｓ５を受け、制御対象となる電力変換器２８の各々を制御する。本実施の形態における電源システム１００では、図２に示すように、電力変換器管理部２６の制御対象となる電力変換器２８を８個としている。ただし、これに限定されるものではなく、電力変換器２８の数は適宜変更してもよい。

電力変換器２８は、系統電源１０８の交流電力と蓄電池集合体１０４の直流電力との間の電力変換、蓄電池集合体１０４の直流電力と負荷１１０の交流電力との間の電力変換等を行う機能を有する。具体的には、必要に応じて双方向直交流変換回路を含んで構成される。

電力変換器管理部２６は、集合体充放電制御指令Ｓ５に従って、太陽電池システム１０６や系統電源１０８から蓄電池集合体１０４へ充電を行ったり、蓄電池集合体１０４から負荷１１０へ放電を行ったりする際に各電力変換器２８における電力変換及び電圧変換を制御する。また、電力変換器管理部２６の制御下にある電力変換器２８のいずれかに不具合がある場合や、マスタコントローラ２２からの充放電の禁止指令、または待機指令が出力されている場合には、その不具合の電力変換器２８の動作を待機状態にさせて、電力変換器２８の不具合を示す情報を電力変換器管理データＳ４としてマスタコントローラ２２に送信する。

例えば、図２に示すように８個の電力変換器２８が設けられており、集合体充放電制御指令Ｓ５が「第１の電力変換器２８は４０ｋＷで放電、第２の電力変換器２８は４０ｋＷで放電・・・第８の電力変換器２８は４０ｋＷで放電」という内容であれば、電力変換器管理部２６は、各電力変換器２８から負荷１１０へそれぞれ４０ｋＷで電力が供給されるように各電力変換器２８における電圧変換及び電力変換を制御する。また、集合体充放電制御指令Ｓ５が「第１の電力変換器２８は４０ｋＷで充電、第２の電力変換器２８は４０ｋＷで充電・・・第８の電力変換器２８は４０ｋＷで充電」という内容であれば、電力変換器管理部２６は、各電力変換器２８を介して太陽電池システム１０６や系統電源１０８からそれぞれ４０ｋＷで充電が行われるように各電力変換器２８における電圧変換及び電力変換を制御する。

以下、マスタコントローラ２２及びサブコントローラ２４によるスイッチ回路３０の制御について説明する。図６は、蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１に接続する際における処理のフローチャートを示す。

ステップＳ１０では、サブコントローラ２４は、その電源（図示しない）がオンされると、図４に示したスイッチ回路３０のユニットスイッチＳＷ３を閉状態として、蓄電池ユニット４０を電力変換器２８へ接続する。なお、このユニットスイッチＳＷ３を閉状態にするタイミングは、後述の蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１へ接続した後でもよい。

ステップＳ１２では、マスタコントローラ２２は、コンタクタＳＷ４を開状態（オフ状態）から閉状態（オン状態）へ切り替えるスイッチ制御信号Ｓ１０を生成して出力する。

例えば、マスタコントローラ２２は、各蓄電池ユニット４０に接続されたサブコントローラ２４からユニット状態データＳ３を受信し、出力電圧が所定の電圧範囲ΔＶに含まれる蓄電池制御単位４２の数を電力変換器２８毎にカウントし、一定の電圧範囲ΔＶに出力電圧が含まれる蓄電池制御単位４２の数が最多となるように電圧範囲ΔＶの基準となる接続候補電圧を順次変更し、蓄電池制御単位４２を群として選択する。次に、マスタコントローラ２２は、選択された蓄電池制御単位４２を含む蓄電池ユニット４０に接続されたサブコントローラ２４に対して、選択された蓄電池制御単位４２に対応するコンタクタＳＷ４を閉状態とするスイッチ制御信号Ｓ１０を出力する。各サブコントローラ２４は、スイッチ制御信号Ｓ１０を受信して、スイッチ制御信号Ｓ１０によって閉状態とするように指示されたコンタクタＳＷ４が閉状態となるようにスイッチ回路３０へ制御信号を送信する。

スイッチ回路３０では、サブコントローラ２４からの制御信号を受けて、フォトカプラ３０ｃを制御して、スイッチ制御信号Ｓ１０により閉状態とするように指示されたコンタクタＳＷ４へのオン信号を出力させ、オフ信号を出力させない状態とする。これにより、指示されたコンタクタＳＷ４が閉状態（オン状態）となる。コンタクタＳＷ４が正常に動作すると、閉状態となったコンタクタＳＷ４のコンタクタ位置信号が閉状態を示す状態となる。

なお、マスタコントローラ２２によるサブコントローラ２４の制御方法はこれに限定されるものではなく、全体充放電制御指令Ｓ１、電力変換器管理データＳ４及びユニット状態データＳ３に基づいて、電源システム１００として適切な充放電処理が行われるものであればよい。

ステップＳ１４では、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４を介してスイッチ回路３０から受信したステータス信号に含まれるバッテリ電圧、コンタクタ電圧、半導体スイッチ電圧を確認する処理を行う。すなわち、ステップＳ１２において閉状態（オン状態）となるように制御されたコンタクタＳＷ４の両端のバッテリ電圧及びコンタクタ電圧の差が所定の第１基準電位差以下であり、そのコンタクタＳＷ４に直列接続されている半導体スイッチＳＷ１の両端のコンタクタ電圧及び半導体スイッチ電圧の差が所定の第２基準電位差以上であることを確認する。

第１基準電圧差は、例えば、コンタクタＳＷ４が閉状態となっているときに、コンタクタＳＷ４の両端子に生ずる電圧として許容される最大電位差とすることが好適である。第２基準電圧差は、例えば、コンタクタＳＷ４が閉状態となっており、半導体スイッチが開状態となっているときに、半導体スイッチＳＷ１の両端子に生ずる電圧として許容される最小電位差とすることが好適である。このとき、第１基準電圧差は、第２基準電圧差よりも大きな値となる。また、第１基準電圧差及び第２基準電圧差は、それぞれ一定値として設定してもよいし、変動値として設定してもよい。例えば、バッテリ電圧が高いほど、そのバッテリ電圧を示す蓄電池制御単位４２の系統に対する第１基準電圧差及び第２基準電圧差が高くなるように設定することが好適である。

また、上記処理に加えて又は上記処理に代えて、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４を介してスイッチ回路３０から受信したステータス信号に含まれるコンタクタ位置信号によりコンタクタＳＷ４が閉状態となっているか否かを確認する処理を行ってもよい。

このようにして、ステップＳ１２で接続対象となった蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１へ接続するためのコンタクタＳＷ４が閉状態となっており、半導体スイッチＳＷ１が開状態となっていることを確認する処理が行われる。

ステップＳ１６では、ステップＳ１２で閉状態へと制御されたコンタクタＳＷ４が閉状態であり、そのコンタクタＳＷ４に直列接続された半導体スイッチＳＷ１が開状態であればステップＳ２０へ処理を移行させ、そうでなければステップＳ１８へ処理を移行させる。

ステップＳ１８では、異常処理が行われる。マスタコントローラ２２は、ステップＳ１２におけるコンタクタＳＷ４の動作制御において異常が発生したものとして、異常が生じている蓄電池制御単位４２の系統のコンタクタＳＷ４を開状態とすると共に、全体充放電制御指令Ｓ１、電力変換器管理データＳ４及びユニット状態データＳ３に基づいて、電源システム１００全体として充放電が適切に行われるように各電力変換器２８に対して充放電量の再配分を行い、新たな集合体充放電制御指令Ｓ５を生成する。そして、ステップＳ１２に処理を戻して、新たな電力変換器２８に応じて、各電力変換器２８に接続される蓄電池ユニット４０に対するスイッチ制御信号Ｓ１０を再生成する。

ステップＳ２０では、ステップＳ１２におけるコンタクタＳＷ４の動作制御が正常に行われたものとして、半導体スイッチＳＷ１の動作制御が行われる。

マスタコントローラ２２は、ステップＳ１２で閉状態としたコンタクタＳＷ４に直列接続されている半導体スイッチＳＷ１を開状態から閉状態とするスイッチ制御信号Ｓ１０を生成し、各蓄電池ユニット４０のサブコントローラ２４へ出力する。サブコントローラ２４では、スイッチ制御信号Ｓ１０を受けて、スイッチ制御信号Ｓ１０で指定される半導体スイッチＳＷ１が閉状態となるようにスイッチ回路３０へ制御信号を出力する。

スイッチ回路３０では、サブコントローラ２４からの制御信号を受けて、フォトカプラ３０ｃを制御して、スイッチ制御信号Ｓ１０により閉状態とするように指示された半導体スイッチＳＷ１へのオン信号を出力させる。これにより、指示された半導体スイッチＳＷ１が開状態（オフ状態）から閉状態（オン状態）へと移行する。

ステップＳ２２では、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４を介してスイッチ回路３０から受信したステータス信号に含まれるバッテリ電圧、コンタクタ電圧、半導体スイッチ電圧を確認する処理を行う。すなわち、ステップＳ１２において閉状態（オン状態）となるように制御されたコンタクタＳＷ４の両端のバッテリ電圧及びコンタクタ電圧の差が所定の第３基準電位差以下であり、そのコンタクタＳＷ４に直列接続されている半導体スイッチＳＷ１の両端のコンタクタ電圧及び半導体スイッチ電圧の差が所定の第４基準電位差以下であることを確認する。

第３基準電圧差は、例えば、直列接続されたコンタクタＳＷ４及び半導体スイッチＳＷ１が共に閉状態となっているときに、コンタクタＳＷ４の両端子に生ずる電圧として許容される最大電位差とすることが好適である。第４基準電圧差は、例えば、直列接続されたコンタクタＳＷ４及び半導体スイッチＳＷ１が共に閉状態となっているときに、半導体スイッチＳＷ１の両端子に生ずる電圧として許容される最大電位差とすることが好適である。第３基準電圧差及び第４基準電圧差は、それぞれ一定値として設定してもよいし、変動値として設定してもよい。例えば、バッテリ電圧が高いほど、そのバッテリ電圧を示す蓄電池制御単位４２の系統に対する第３基準電圧差及び第４基準電圧差が高くなるように設定することが好適である。

ステップＳ２４では、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４が正常に閉状態へと制御されていれば処理を終了させ、そうでなければステップＳ２６へ処理を移行させる。

ステップＳ２６では、異常処理が行われる。マスタコントローラ２２は、ステップＳ２０における半導体スイッチＳＷ１の動作制御において異常が発生したものとして、異常が生じている蓄電池制御単位４２の系統のコンタクタＳＷ４及び半導体スイッチＳＷ１を開状態とすると共に、全体充放電制御指令Ｓ１、電力変換器管理データＳ４及びユニット状態データＳ３に基づいて、電源システム１００全体として充放電が適切に行われるように各電力変換器２８に対して充放電量の再配分を行い、新たな集合体充放電制御指令Ｓ５を生成する。そして、ステップＳ１２に処理を戻して、新たな電力変換器２８に応じて、各電力変換器２８に接続される蓄電池ユニット４０に対するスイッチ制御信号Ｓ１０を再生成する。

以上のように、電源システム１００において充放電の対象となる蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１に接続することができる。

なお、マスタコントローラ２２は、充放電の経過によって各蓄電池制御単位４２の状態が変化したときには、ユニット状態データＳ３に応じて半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４の開閉状態を変更するようにスイッチ制御信号Ｓ１０を更新してもよい。この場合においても、接続対象となる蓄電池制御単位４２の系統のコンタクタＳＷ４を閉状態とした後に半導体スイッチＳＷ１を閉状態とすることが好適である。

図７は、蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１から切断する際における処理のフローチャートを示す。

ステップＳ３０では、マスタコントローラ２２は、電力入出力ラインＬ１から切り離す蓄電池制御単位４２を定め、その蓄電池制御単位４２の系統の半導体スイッチＳＷ１を開状態（オフ状態）とするスイッチ制御信号Ｓ１０を生成してサブコントローラ２４へ出力する。

例えば、マスタコントローラ２２は、全体充放電制御指令Ｓ１において充放電の必要量が変化したとき、電力変換器管理データＳ４において電力変換器２８に異常が生じたとき、充放電の経過によって各蓄電池制御単位４２の状態が変化したとき等、電力入出力ラインＬ１に接続されている蓄電池制御単位４２を切り離す必要性に応じてスイッチ制御信号Ｓ１０を生成して出力する。マスタコントローラ２２による制御は、全体充放電制御指令Ｓ１、電力変換器管理データＳ４及びユニット状態データＳ３に基づいて、電源システム１００として適切な充放電処理が行われるものであればよい。

サブコントローラ２４は、マスタコントローラ２２からのスイッチ制御信号Ｓ１０を受けて、スイッチ制御信号Ｓ１０で指定された半導体スイッチＳＷ１を開状態（オフ状態）とする制御信号をスイッチ回路３０へ出力する。スイッチ回路３０では、サブコントローラ２４からの制御信号を受けて、フォトカプラ３０ｃを制御して、開状態とするように指示された半導体スイッチＳＷ１を開状態（オフ状態）とする。

ステップＳ３０では、マスタコントローラ２２は、ステップＳ３０において開状態（オフ状態）とした半導体スイッチＳＷ１に直列接続されたコンタクタＳＷ４を開状態（オフ状態）とするスイッチ制御信号Ｓ１０を生成してサブコントローラ２４へ出力する。

サブコントローラ２４は、マスタコントローラ２２からのスイッチ制御信号Ｓ１０を受けて、スイッチ制御信号Ｓ１０で指定されたコンタクタＳＷ４を開状態（オフ状態）とする制御信号をスイッチ回路３０へ出力する。スイッチ回路３０では、サブコントローラ２４からの制御信号を受けて、フォトカプラ３０ｃを制御して、閉状態とするように指示されたコンタクタＳＷ４へのオン信号の出力を停止させ、オフ信号を出力させる状態とする。これにより、指示されたコンタクタＳＷ４が開状態（オフ状態）となる。コンタクタＳＷ４が正常に動作すると、開状態となったコンタクタＳＷ４のコンタクタ位置信号が開状態を示す状態となる。

ここで、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４を介してスイッチ回路３０から受信したステータス信号に含まれるバッテリ電圧、コンタクタ電圧、半導体スイッチ電圧を確認し、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４が正常に開状態（オフ状態）にされたか否かを確認する処理を行うようにしてもよい。

すなわち、ステップＳ１２において開状態（オフ状態）となるように制御されたコンタクタＳＷ４の両端のバッテリ電圧及びコンタクタ電圧の差が所定の第５基準電位差以上であり、半導体スイッチＳＷ１の両端のコンタクタ電圧及び半導体スイッチ電圧の差が所定の第６基準電位差以上であることを確認する。

第５基準電圧差は、例えば、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４が開状態となっているときに、コンタクタＳＷ４の両端子に生ずる電圧として許容される最小電位差とすることが好適である。第６基準電圧差は、例えば、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４が開状態となっているときに、半導体スイッチＳＷ１の両端子に生ずる電圧として許容される最小電位差とすることが好適である。また、第１基準電圧差及び第２基準電圧差は、それぞれ一定値として設定してもよいし、変動値として設定してもよい。例えば、バッテリ電圧が高いほど、そのバッテリ電圧を示す蓄電池制御単位４２の系統に対する第５基準電圧差及び第６基準電圧差が高くなるように設定することが好適である。

また、上記処理に加えて又は上記処理に代えて、マスタコントローラ２２は、サブコントローラ２４を介してスイッチ回路３０から受信したステータス信号に含まれるコンタクタ位置信号によりコンタクタＳＷ４が開状態となっているか否かを確認する処理を行ってもよい。

以上のように、電源システム１００において充放電の対象となる蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１から切り離すことができる。

本実施の形態における電源システム１００では、蓄電池制御単位４２と電力入出力ラインＬ１とが半導体スイッチＳＷ１とコンタクタＳＷ４との直列回路を介して接続されているので、半導体スイッチＳＷ１及びコンタクタＳＷ４を開状態（オフ状態）とすることによって蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１から切り離した状態において、蓄電池制御単位４２の充放電電流の漏れ電流を抑制することができる。すなわち、コンタクタＳＷ４は機械的な接点を有する有接点スイッチであるので、開状態（オフ状態）における漏れ電流を完全に抑制することができる。

また、蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１に接続する際には、まずコンタクタＳＷ４を閉状態（オン状態）とした後に半導体スイッチＳＷ１を閉状態（オン状態）とすることによって、コンタクタＳＷ４を閉状態（オン状態）にした瞬間の接点間の火花放電を抑制することができる。一方、蓄電池制御単位４２を電力入出力ラインＬ１から切り離す際には、まず半導体スイッチＳＷ１を開状態（オフ状態）とした後にコンタクタＳＷ４を開状態（オフ状態）とすることによって、コンタクタＳＷ４を開状態（オフ状態）にした瞬間の接点間の火花放電を抑制することができる。これによって、機械的な接点により回路を接続・遮断するコンタクタＳＷ４での接点間の火花放電を抑制することができ、コンタクタＳＷ４の劣化や損傷を抑制することができる。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、１つの蓄電池ユニット４０には複数の蓄電池制御単位４２が並列に設けられ、さらに１つの電力変換器２８には複数の蓄電池ユニット４０が並列に接続された構成について説明したが、これに限定されるものではない。

図８は、第２の実施の形態における電源システムの構成を示す。本実施の形態では、１つの蓄電池ユニット４０には１つの蓄電池制御単位４２のみが設けられ、さらに１つの電力変換器２８には１つの蓄電池ユニット４０が接続される。蓄電池制御単位４２の構成等については第１の実施の形態と同様である。

このような構成においても、第１の実施の形態と同様に蓄電池ユニット４０内の複数の蓄電池パック４４の接続形態及び制御を採ることができる。

１０ 負荷電力管理装置、１２ 蓄電池電力管理装置、１４ 総合電力監視装置、２０ システムコントローラ、２２ マスタコントローラ、２４ サブコントローラ、２６ 電力変換器管理部、２８ 電力変換器、３０ スイッチ回路、３０ａ デジタル処理回路、３０ｂ 光変換モジュール、３０ｃ フォトカプラ、３０ｄ アナログ／デジタル変換器、４０ 蓄電池ユニット、４２ 蓄電池制御単位、４４ 蓄電池パック、４６ 蓄電池セル、５２ 蓄電池電流センサ、５４ 蓄電池電圧センサ、５６ 温度センサ、５８ 地絡検知センサ、１００ 電源システム、１０２ 電源管理システム、１０４ 蓄電池集合体、１０６ 太陽電池システム、１０８ 系統電源、１１０ 負荷、１１０ａ 電力管理装置。

Claims (4)

1. 少なくとも一つの蓄電池セルを含む電池パックを少なくとも２つ直列に接続した蓄電池制御単位と、
   電力入出力ラインに前記蓄電池制御単位を接続するスイッチ回路と、
   を備え、
   前記スイッチ回路は、半導体のスイッチング動作によって回路の開閉を行う半導体スイッチと、機械的な接点の開閉を行う機械的なコンタクタと、を含む直列回路を介して、前記蓄電池制御単位と前記電力入出力ラインとを繋ぐことを特徴とする電源システム。
2. 請求項１に記載の電源システムであって、
   前記スイッチ回路の開閉を制御するコントローラを備え、
   前記コントローラは、前記蓄電池制御単位と前記電力入出力ラインとを接続する際に、前記半導体スイッチが開状態の間に前記コンタクタを開状態から閉状態へ切り替え、その後、前記半導体スイッチを開状態から閉状態へ切り替えることを特徴とする電源システム。
3. 請求項２に記載の電源システムであって、
   前記コントローラは、前記蓄電池制御単位と前記電力入出力ラインとを切断する際に、前記コンタクタが閉状態の間に前記半導体スイッチを閉状態から開状態へ切り替え、その後、前記コンタクタを閉状態から開状態へ切り替えることを特徴とする電源システム。
4. 請求項２又は３に記載の電源システムであって、
   前記コントローラは、前記半導体スイッチの両端の電位差及び前記半導体スイッチに対する開閉制御信号の状態に応じて前記コンタクタの開閉状態を切り替えることを特徴とする電源システム。

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