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1. WO2020166087 - SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE COMMANDE DE CHARGE-DÉCHARGE

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明 細 書

発明の名称 充放電制御システムおよび充放電制御方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130   0131   0132   0133   0134   0135   0136   0137   0138   0139   0140   0141   0142   0143   0144   0145  

符号の説明

0146  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16  

明 細 書

発明の名称 : 充放電制御システムおよび充放電制御方法

技術分野

[0001]
 本発明は充放電制御システムおよび充放電制御方法に関し、例えば蓄電池部の充放電を制御する充放電制御システムおよび充放電制御方法に適用して好適なものである。

背景技術

[0002]
 様々な産業分野において、蓄電池が利用されている。蓄電池の充放電方式としては、一般に、CCCV(Constant Current/Constant Voltage)の方式が用いられている。
[0003]
 CCCVの方式では、蓄電池が本来有する充放電電力量を十分に利用することができないとして、この問題を解決する充電方式も提案されている(特許文献1参照)。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2013-21792号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 近年、蓄電池の充放電において、充電または放電の開始から設定出力までの時間が所定の時間内とする出力要求(例えば、規格、仕様)がある。しかしながら、急激に出力が行われると、オーバーシュートする可能性がある。他方、オーバーシュートを防ごうとすると出力要求を満足しない可能性がある。特許文献1には、かかる問題、問題の解決方法については、開示も示唆もない。
[0006]
 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、オーバーシュートすることなく出力要求を満たすことができる充放電制御システム等を提案しようとするものである。

課題を解決するための手段

[0007]
 かかる課題を解決するため本発明においては、蓄電池部の充放電を制御する充放電制御システムであって、電源または負荷である電力部と前記蓄電池部との間で電力変換を行う電力変換部と、前記電力変換部を制御して前記蓄電池部の充放電を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電力変換部の出力電力が目的の出力電力に到達するまで、下記の(1)および(2)を所定の間隔で繰り返す、(1)前記電力部の電圧と、前記蓄電池部の電圧と、前記蓄電池部の内部抵抗とから、目標の出力電力を算出する(2)算出した出力電力を目標値として前記電力変換部の出力電力を制御するようにした。
[0008]
 上記構成によれば、例えば、蓄電池部の内部抵抗および蓄電池部の電圧に応じた目標値が所定の間隔で計算され、その目標値に向かって出力電圧が上昇するので、オーバーシュートすることなく出力要求を満たすことができる。

発明の効果

[0009]
 本発明によれば、信頼性の高い充放電制御システムを実現することができる。例えば、蓄電池の種類または劣化度合いによらず、オーバーシュート無く、かつ出力要求を満たすことができる。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 第1の実施の形態による充放電制御システムに係る構成の一例を示す図である。
[図2] 第1の実施の形態によるデューティ比と出力電力との関係を示す図である。
[図3] 第1の実施の形態によるデューティ比を変化させたときの出力電力の変化を示す図である。
[図4] 第1の実施の形態による出力電力が急激に増加した部分を拡大した図である。
[図5] 第1の実施の形態による出力電力と時間との関係を示す図である。
[図6] 第1の実施の形態によるPWM制御の出力特性と蓄電池部の内部抵抗の測定方法との関係を示す図である。
[図7] 第1の実施の形態による最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[図8] 第1の実施の形態による最適制御処理を行ったときのデューティ比と出力電力との関係を示す図である。
[図9] 第1の実施の形態による充放電制御システムに係る構成の一例を示す図である。
[図10] 第1の実施の形態による充電指示に基づく処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[図11] 第1の実施の形態による充電時最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[図12] 第1の実施の形態による第1充電運転と第2充電運転との関係を示すイメージ図である。
[図13] 第1の実施の形態による放電指示に基づく処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[図14] 第1の実施の形態による放電時最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[図15] 第1の実施の形態による第1放電運転と第2放電運転との関係を示すイメージ図である。
[図16] 第2の実施の形態による最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。

発明を実施するための形態

[0011]
 以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
[0012]
(1)第1の実施の形態
 図1において、100は全体として第1の実施の形態による充放電制御システムを示す。図1は、充放電制御システム100に係る構成の一例を示す図である。
[0013]
 充放電制御システム100では、電力部110に電力変換部120が接続される。電力変換部120には、インターフェース部130等を介して、蓄電池部140が接続される。
[0014]
 電力部110は、例えば、蓄電池部140に電力を供給する装置(バッテリ、商用電源といった電源)、および/または、蓄電池部140の電力を消費する装置(負荷)である。
[0015]
 電力変換部120は、例えば、DC(Direct Current)/DCコンバータであり、制御部121と、スイッチング素子122と、チョークコイル123(リアクタコイル)と、平滑コンデンサ124とを含んで構成される。例えば、電力変換部120は、電力部110より供給される電力をパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御により電力変換する。
[0016]
 制御部121は、例えば、ハードウェア回路(例えばFPGA(Field-Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)など)、プロセッサ部およびメモリ部を含んで構成されるコンピュータ等である。制御部121は、例えば、電力部110から供給される電力(一定電圧の入力)から、スイッチング素子122を制御(オンオフ制御)してパルス列のオンとオフとの一定周期を作り、オンの時間幅(デューティ比)を変化させ、電力変換部120が出力する電力(出力電力)を制御(調整)する。なお、デューティ比と出力電力との関係については、図2を用いて後述する。
[0017]
 スイッチング素子122は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)、バイポーラトランジスタ等の半導体である。
[0018]
 インターフェース部130は、例えば、CHAdeMO(登録商標)等の急速充電に対応したインターフェース、安全装置、リレーを解除する装置、遮断器などを含んで構成されるインターフェースである。
[0019]
 蓄電池部140は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池、ニッケル水素電池などの蓄電池(二次電池)である。蓄電池部140は、EV(Electric Vehicle)、モバイル端末などに搭載されていてもよいし、発電所、病院などの施設に設置されていてもよく、利用の形態は問わない。
[0020]
 また、充放電制御システム100では、電力部110の電圧150(入力電圧V 1)と、蓄電池部140の電圧160(蓄電池電圧V 2)と、電流170(電流i)とが計測されている。
[0021]
 なお、充放電制御システム100に限られるものではない。例えば、電力部110が交流電源であり、電力変換部120がDC/DCコンバータである場合、電力部110と電力変換部120との間には、AC(Alternating Current)/DCコンバータが設けられる。
[0022]
 図2は、デューティ比と出力電力との関係を示す図である。
[0023]
 デューティ比は、電圧が高くなったとき(High)の幅(信号がゼロでない期間)であるパルス幅201,202,203をパルス同士の間隔(信号の期間)である周期204で割った値である。
[0024]
 図2に示すように、デューティ比が大きい(duty大である)パルス幅201は、出力が大きくなる(出力大211となる)。また、デューティ比が中程度(duty中である)パルス幅202は、出力が中程度となる(出力中212となる)。また、デューティ比が小さい(duty小である)パルス幅203は、出力が小さくなる(出力小213となる)。つまり、見かけ上の電圧を示す実行電圧は、デューティ比が高いほど高くなる。なお、パルスが矩形波である場合、実行電圧は、電圧の最大値とデューティ比との積で表される。
[0025]
 ここで、電力変換部120は、DC/DCコンバータにPWM制御を応用したものである。したがって、制御部121は、どのくらいの時間、電圧をHighにするか(デューティ比)を決めることで、実効電圧をコントロールすることができる。換言するならば、電力変換部120では、入力電圧を変えることなく、出力する電圧(出力電力)を変えることができる。
[0026]
 図3は、デューティ比を変化させたときの出力電力(蓄電池部140への充電電力)の変化を示す図である。図3に示す曲線301,302,303は、実際に、最大出力が6kWの電力部110と、内部抵抗が小、中、大の各蓄電池部140と、を接続し、デューティ比を変化させたときの出力電力を計測し、グラフにしたものである。
[0027]
 曲線301は、内部抵抗が小さい蓄電池部140におけるデューティ比と出力電力との関係を示す。曲線302は、内部抵抗が中程度の蓄電池部140におけるデューティ比と出力電力との関係を示す。曲線303は、内部抵抗が大きい蓄電池部140におけるデューティ比と出力電力との関係を示す。
[0028]
 図3に示すように、出力電力が1.2KW以上になると、何れの内部抵抗の蓄電池部140においても、デューティ比に対して出力電力が急激に増加することがわかる。
[0029]
 図4は、出力電力が急激に増加した部分を拡大した図である。
[0030]
 図4に示すように、出力電力が急激に増加した部分は、直線的に増加していることがわかる。
[0031]
 直線401は、曲線301において出力電力が急激に増加した部分を線形近似した直線である。直線402は、曲線302において出力電力が急激に増加した部分を線形近似した直線である。直線403は、曲線303において出力電力が急激に増加した部分を線形近似した直線である。
[0032]
 図4に示すように、蓄電池部140の内部抵抗が大きいほど、出力電力の立ち上がりの速度が遅くなることがわかる。
[0033]
 ここで、曲線301,302,303(直線401,402,403)において、出力電力の制御に影響する因子(制御因子)としては、電力変換部120を構成するスイッチング素子122、チョークコイル123等の他、蓄電池部140の内部抵抗がある。例えば、電力変換部120において、フィードバック制御(例えば、PID制御(Proportional Integral Differential Controller))を行うことで、蓄電池部140の充電において、電力変換部120の出力電力が目標の出力電力(設定出力)に到達するまでの制御を最適に行うことが可能である。電力変換部120の制御因子については、最適制御に用いる定数を特定できるが、電力変換部120外の制御因子(蓄電池部140の内部抵抗)については、蓄電池部140の種類によって異なってしまうので、蓄電池部140が新しく開発された場合には、定数(内部抵抗)を特定できなかったり、電力変換部120に定数(内部抵抗)を設定しなければならなかったりする問題がある。また、同一の蓄電池部140であっても、劣化度合いにより内部抵抗が異なるため、同一の問題がある。
[0034]
 この点、例えば、所定の内部抵抗を有する蓄電池部140の定数(第1の内部抵抗)を用いて最適制御し、当該定数を用いて、他の種類の蓄電池部140を最適制御することが考えられる。
[0035]
 図5は、第1の内部抵抗を用いて内部抵抗が異なる蓄電池部140を最適制御したときの出力電力と時間との関係を示す図である。
[0036]
 曲線501は、第1の内部抵抗を有する蓄電池部140について第1の内部抵抗を用いて最適制御を行ったときの出力電力と時間との関係を示す。曲線502は、第1の内部抵抗より低い抵抗値の第2の内部抵抗を有する蓄電池部140について第1の内部抵抗を用いて最適制御を行ったときの出力電力と時間との関係を示す。曲線503は、第1の内部抵抗より高い抵抗値の第3の内部抵抗を有する蓄電池部140について第1の内部抵抗を用いて最適制御を行ったときの出力電力と時間との関係を示す。
[0037]
 曲線501を見ると、出力がオーバーシュートすることなく(出力がしきい値以内であり)、短時間で目的の出力電力(P set)に到達していること(最適制御されていること)がわかる。曲線502を見ると、出力がオーバーシュートしている(出力がしきい値を超えている)ことがわかる。この場合、電力の上昇(過電力)が蓄電池部140を痛める等の悪影響を及ぼす。曲線503を見ると、出力はオーバーシュートしないが、出力電力の上昇に時間がかかり、曲線501と比べて、目的の出力電力に到達するまでに時間がかかっていることがわかる。
[0038]
 現状では、オーバーシュートを避けるべく、内部抵抗の抵抗値が最も低い内部抵抗を有する蓄電池部140を基準としているので、目的の出力電力に到達するまでに時間がかかっている。しかしながら、現時点で最も低い抵抗値の内部抵抗を基準としても、更に低い抵抗値の内部抵抗を有する蓄電池部140が製品化されて接続されたときは、当該蓄電池部140は、オーバーシュートしてしまう。
[0039]
 また、現時点で最も低い抵抗値の内部抵抗を基準とする方針では、目的の出力電力に到達するまでの時間を所定の時間内とする出力要求には、対応できないこともある。例えば、EVの場合、EVの種類によって蓄電池の種類が異なり、蓄電池の内部抵抗が異なる。特に、EV充放電装置では、多種のEVと接続する必要があり、全てのEVに対して出力要求を満たすことが困難な状況にある。
[0040]
 このようなことから、蓄電池部140の種類が複数ある場合、各蓄電池部140に合わせた制御を行うことが求められる。以下では、蓄電池部140の種類が複数ある場合の制御方法(出力がオーバーシュートすることなく、短時間で目的の出力電力に到達する最適制御)について主に説明する。
[0041]
 蓄電池部140の内部抵抗により制御内容がかわるため、はじめに、蓄電池部140の内部抵抗を取得する方法について説明する。蓄電池部140の内部抵抗を取得する方法としては、蓄電池部140の内部抵抗を測定する第1の方法と、蓄電池部140の内部抵抗を外部のシステムから取得する第2の方法とがある。本実施の形態では、第1の方法について説明し、第2の方法については、第2の実施の形態で後述する。
[0042]
 蓄電池部140の内部抵抗を測定する方法としては、二端子測定法、四端子測定法、その他の測定法を採用できる。二端子測定法、四端子測定法については、公知の技術であるので、本実施の形態では、その他の測定法について説明する。
[0043]
 デューティ比が100%のときは、電力変換部120が全開となるので、蓄電池部140の内部抵抗をR、入力電圧をV 1、蓄電池電圧をV 2_n、電流をi 100_n、電力をP 100_nとした場合、オームの法則より、次の(式1)が成立する。なお、nは、ある時点nでの計測であることを示す。
(V 1-V 2_n)=i 100_n×R・・・(式1)
[0044]
 また、電力P 100_nは、次の式で表される。
P 100_n=(V 1-V 2_n)×i 100_n・・・(式2)
[0045]
 よって、(式1)および(式2)より、(式3)が導出される。
R=(V 1-V 2_n2/P 100_n・・・(式3)
[0046]
 また、上述したように、出力電力が急激に増加した部分は、直線的に増加していることから、デューティ比と出力電力との関係を一次直線として近似し、その傾き(比例定数)は、一定であることから、下記の(式5)が成立する。なお、A _n、B _nは、デューティ比であり、Z _nは、制御の開始時のデューティ比(出力値)である(図6を参照。)。
(A _n-Z _n):(B _n-Z _n)=P a_n:P b_n・・・(式5)
[0047]
 (式5)より、(式6)が導出される。
Z _n=(P b_n・A _n-P a_n・B _n)/(P b_n-P a_n)・・・(式6)
[0048]
 また、一次直線の傾きは、(P b_n-P a_n)/(B _n-A _n)であり、切片は、-(傾き×Z _n)であるので、蓄電池電圧をV 2_nのときのデューティ比をx、そのときの出力電力をP xとすると、下記の(式7)が導出される。
P x_n=(P b_n-P a_n)/(B _n-A _n)・{x-(P b_n・A _n-P a_n・B _n)/(P b_n-P a_n)}・・・(式7)
[0049]
 したがって、デューティ比が100%のときの出力電力は、下記の(式8)となる。
P 100_n=(P b_n-P a_n)/(B _n-A _n)×{100-(P b_n・A _n-P a_n・B _n)/(P b_n-P a_n)}・・・(式8)
[0050]
 そして、(式3)および(式8)より、蓄電池部140の内部抵抗Rの算出式として、(式9)が導出される。
R=(V 1-V 2_n) 2/[(P b_n-P a_n)/(B _n-A _n)×{100-(P b_n・A _n-P a_n・B _n)/(P b_n-P a_n)}]・・・(式9)
[0051]
 すなわち、蓄電池部140の内部抵抗は、出力電力の上昇の過程における2点で(デューティ比A _nおよびデューティ比B _nにおいて)蓄電池電圧および出力電力(電流)を計測することで算出することができる。
[0052]
 図6は、PWM制御の出力特性と蓄電池部140の内部抵抗(内部インピーダンス)の測定方法との関係を示す図である。
[0053]
 図6に示す点線600は、実際のPWM制御による出力特性を示す特性線である。実線は、計算線であり、計算線610は、測定対象の蓄電池部140におけるデューティ比と出力電力との関係を予測した計算線である。
[0054]
 充放電制御システム100では、まずは、予測した計算線610に合うようにPID制御が行われ、出力電力の上昇過程において、デューティ比A _1のときの出力電力P a_1と、デューティ比A _1から所定の間隔増加したデューティ比B _1のときの出力電力P b_1とを取得することにより、(式9)を用いて、蓄電池部140の内部抵抗が算出される。
[0055]
 続いて、最適制御におけるPID制御について図6を用いて説明する。計算線620,630は、PID制御(広義には、最適制御)のための計算線である。
[0056]
 蓄電池部140の充電状態の変化により蓄電池電圧が変化するので、出力電力の目標値を設定し直し(新たな目標値621に至る計算線620を求め)、計算線620に合うようにPID制御が行われる。また、更に蓄電池部140の充電状態の変化により蓄電池電圧が変化するので、出力電力の目標値を設定し直し(新たな目標値631に至る計算線630を求め)、計算線630に合うようにPID制御が行われる。
[0057]
 図7は、蓄電池部140の内部抵抗を測定してPID制御を行う最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[0058]
 ステップS710では、制御部121は、蓄電池部140の内部抵抗を測定(算出)する。例えば、制御部121は、デューティ比A _1のときの計測値(電流、入力電圧および蓄電池電圧)と、デューティ比B _1のときの計測値(電流、入力電圧および蓄電池電圧)と、上述の(式9)と、を用いて、蓄電池部140の内部抵抗を算出する。
[0059]
 まず、制御部121は、初期のPID制御に用いる計算線を予測する。例えば、制御部121は、最大の出力電力P 100_1(最大出力)と、初期の出力値Z _1(例えば、電力部110と蓄電池部140とが接続されたときの蓄電池電圧/入力電圧)とを結ぶ直線を初期のPID制御に用いる計算線とする。
[0060]
 そして、制御部121は、PID制御により、予測した計算線に沿って出力電力を上昇させる。
[0061]
 ここで、図3に示すように、殆どのケースにおいて、最大出力の15%以上で直線的に急上昇するので、例えば、制御部121は、出力電力が15%以上のところで、蓄電池部140の内部抵抗の測定を開始する。より具体的には、制御部121は、出力電力が15%以上のところにあるデューティ比A _1のときの蓄電池電圧(出力電力P a_1)と、デューティ比A _1から所定量増加したデューティ比B _1のときの蓄電池電圧(出力電力P b_1)と、を取得する。なお、デューティ比の増加速度については、例えば、最適制御を所定の蓄電池部140で実施したときの速度で予め一定にする。
[0062]
 ステップS720では、制御部121は、ステップS710で算出した内部抵抗と、計測した蓄電池電圧P b_n-1と、下記の(式10)とを用いて、現時点の最大の出力電力P 100_nを算出し、算出したP 100_nを目標値として設定する。例えば、制御部121は、出力値Z _nをV 2_n-1/V 1とすることで、目標値P 100_nと出力値Z _nとの2点から、新たな計算線を求める。なお、経験則より、出力値Z _nについては、充電時は、蓄電池電圧V 2_n-1/入力電圧V 1とし、放電時は、(入力電圧V 1-蓄電池電圧V 2_n-1)/入力電圧V 1とすることが好適である。
[0063]
 ここで、(式3)より、出力電力の上昇の目標値P 100_nの算出式として、(式10)が導出される。
P 100_n=(V 1-V 2_n2/R・・・(式10)
[0064]
 ステップS730では、制御部121は、蓄電池部140の充電を行う。例えば、制御部121は、新たな計算線までの出力電力の移行(上昇)を行い、新たな計算線に従ってPID制御して出力電力を上昇させ、蓄電池部140の充電を行う。
[0065]
 ステップS740では、制御部121は、出力電力が目標の出力電力(設定出力)に到達したか否かを判定する。制御部121は、到達したと判定した場合、最適制御処理を終了し、到達していないと判定した場合、ステップS720に処理を移す。なお、ステップS740は、出力電力が所定の値以上になったか否かを判定する構成であってもよい。この場合、所定の値から設定出力までPID制御が行われる。
[0066]
 ここでは、主に充電時について説明したが、放電時についても同様である。
[0067]
 以上の処理により、蓄電池部140の種類と、蓄電池電圧の変化との何れの因子による影響も回避しつつ、最適制御(出力電力がオーバーシュートすることなく短時間で設定出力に到達)することができる。
[0068]
 図8は、最適制御処理を行ったときのデューティ比と出力電力との関係を示す図である。
[0069]
 図8に示すように、出力値Z 1から計算線810に沿って出力電力が上昇し、その上昇過程におけるデューティ比がA _1のときの計測値とB _1のときの計測値とに基づいて蓄電池部140の内部抵抗が測定される。そして、目標値P 100_2が算出され、新たな計算線820が求められ、計算線820に沿って出力電力が上昇するようになる。また、制御周期(計測周期)になると、デューティ比がB _2のときの出力電力が計測され、目標値P 100_3が算出され、新たな計算線830が求められ、計算線830に沿って出力電力が上昇するようになり、出力電力が設定出力に到達する。
[0070]
 次に、充放電制御システム100をEVの充放電に適用したケースの一例(充放電制御システム900)について図9~図15を用いて説明する。
[0071]
 図9は、充放電制御システム900に係る構成の一例を示す図である。
[0072]
 充放電制御システム900では、住宅910に電力変換部920が接続される。電力変換部920には、EV930が接続される。なお、インターフェース部など、その他の構成については省略する。
[0073]
 充放電制御システム900では、EV930に搭載された蓄電池931の充放電が行われる。
[0074]
 蓄電池931が充電される場合、住宅910に設けられる太陽光発電システム、商用電源などが電源となり、太陽光発電システムの発電電力、商用電源の系統電力は、蓄電池931に供給される。例えば、ユーザは、充放電に係る機器の所定の操作(図示は省略する充放電コネクタの接続、スマートフォン、パーソナルコンピュータ、V2H(Vehicle to Home)機器等に表示される充電開始ボタンの押下、タイマーの設定など)により、蓄電池931への充電を開始させることができる。充放電に係る機器の所定の操作が行われた場合、当該機器から充電指示が制御部921に送信される。充電指示に基づく処理については、図10および図11を用いて後述する。
[0075]
 他方、蓄電池931が放電される場合、住宅910に設けられる電気機器、蓄電池などが負荷となり、太陽光発電システムの発電電力、商用電源の系統電力、蓄電池931の放電による電力は、住宅910の負荷に供給される。例えば、ユーザは、充放電に係る機器の所定の操作により、蓄電池931から放電を開始させることができる。充放電に係る機器の所定の操作が行われた場合、当該機器から放電指示が制御部921に送信される。放電指示に基づく処理については、図13および図14を用いて後述する。
[0076]
 電力変換部920は、電力変換部120と同様に、制御部921、チョークコイル922、スイッチング素子923,924、平滑コンデンサ925、および電流センサ926を備える。なお、電流センサ926は、蓄電池931の充電時における住宅910の出力電流を検出したり、蓄電池931の放電時における蓄電池931の出力電流を検出したりする。なお、電圧センサ等については、図示を省略する。
[0077]
 また、電力変換部920は、ネットワーク940に接続され、ネットワーク940を介して各種の情報(例えば、IoT(Internet of Things)機器の情報)を取得可能である。なお、充放電コネクタが接続されると、電力変換部920とEV930の蓄電池931とが接続されるとともに、電力変換部920の制御部921とEV930の制御部(図示は省略する。)とが通信可能に接続される。
[0078]
 付言するならば、電力変換部920は、有線または無線により、EV930と通信可能に接続される。また、電力変換部920は、ネットワーク940を介してEV930に通信可能に接続されてもよいし、ネットワーク940を介することなくEV930に通信可能に接続されてもよいし、EV930とは通信可能に接続されなくてもよい。
[0079]
 図10は、充電指示に基づく処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[0080]
 ステップS1010では、制御部921は、前回の充電から日付が変更されているか否かを判定する。制御部921は、変更されていると判定した場合、ステップS1030に処理を移し、変更されていないと判定した場合、ステップS1020に処理を移す。
[0081]
 ステップS1020では、制御部921は、前回の充電からEV930が変更されているか否かを判定する。制御部921は、変更されていると判定した場合、ステップS1030に処理を移し、変更されていないと判定した場合、ステップS1070に処理を移す。
[0082]
 ステップS1030では、制御部921は、EV930から送信された充電指令値が十分に大きいか否か(充電量が所定のしきい値より大きいか否か)を判定する。制御部921は、大きいと判定した場合、ステップS1040に処理を移し、大きくないと判定した場合、ステップS1070に処理を移す。
[0083]
 ステップS1040では、制御部921は、住宅910(系統)より受電しているか否かを判定する。制御部921は、受電していると判定した場合、ステップS1050に処理を移し、受電していないと判定した場合、ステップS1070に処理を移す。
[0084]
 ステップS1050では、制御部921は、EV930の放電下限電力(放電下限電圧)以上であるか否か(過放電時の充電にならないか否か)を判定する。制御部921は、以上であると判定した場合、ステップS1060に処理を移し、以上でないと判定した場合、ステップS1070に処理を移す。
[0085]
 ステップS1060では、制御部921は、充電時最適制御処理を行い、ステップS1070に処理を移す。なお、充電時最適制御処理については、図11を用いて後述する。
[0086]
 ステップS1070では、制御部921は、通常充電(既存の充電方式による充電)を実施する。
[0087]
 図11は、充電時最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[0088]
 ステップS1110では、制御部921は、出力電力を最大出力の15%以上まで上昇させ、第1充電運転を実施(開始)する。例えば、制御部921は、計算線に沿うように出力電力を制御する。なお、第1充電運転の開始時のデューティ比を第1のデューティ比と称する。
[0089]
 ステップS1120では、制御部921は、第1のデューティ比A _1における電力P a_1(PWM巾、電力)を計測する。例えば、制御部921は、図示は省略する電圧センサにより計測された住宅910の入力電圧V 1および蓄電池931の蓄電池電圧V 2と、電流センサ926により計測された電流とを取得する。
[0090]
 ステップS1130では、制御部921は、第2充電運転を実施(開始)する。例えば、制御部921は、デューティ比が所定量増加するまで第1充電運転を継続し、その後、第2充電運転を開始する。なお、第2充電運転では、制御部921は、次の計算線に移行するように(次の制御周期の開始時のデューティ比および出力電力に到達するように)出力電力を上昇させる。
[0091]
 ステップS1140では、制御部921は、第2充電運転の開始時(第1充電運転の終了時)の第2のデューティ比A _2における電力P a_2(PWM巾、電力)を計測する。例えば、制御部921は、図示は省略する電圧センサにより計測された住宅910の入力電圧V 1および蓄電池931の蓄電池電圧V 2と、電流センサ926により計測された電流とを取得する。
[0092]
 ステップS1150では、制御部921は、蓄電池931の内部抵抗(内部インピーダンス)を計算する。例えば、制御部921は、ステップS1120で取得した計測値と、ステップS1140で取得した計測値と、上述した(式9)と、を用いて計算を行う。
[0093]
 ステップS1160では、制御部921は、充電PID制御に計算結果を反映し、充電最適化制御処理を終了する。
[0094]
 図12は、第1充電運転と第2充電運転との関係を示すイメージ図である。
[0095]
 図12では、第1充電運転を行いつつ、第1充電運転の開始時の計測値と、第2充電運転の開始時の計測値とを取得し、第2充電運転を行いつつ、蓄電池931の内部抵抗を計算し、次の目標値1201と出力値1202とから計算線1203を求め、第2充電運転により計算線1203に移行した後、再び第1充電運転により計算線1203に沿うように出力電力がPID制御されることが示されている。
[0096]
 図13は、放電指示に基づく処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[0097]
 ステップS1310では、制御部921は、前回の放電から日付が変更されているか否かを判定する。制御部921は、変更されていると判定した場合、ステップS1330に処理を移し、変更されていないと判定した場合、ステップS1320に処理を移す。
[0098]
 ステップS1320では、制御部921は、前回の放電からEV930が変更されているか否かを判定する。制御部921は、変更されていると判定した場合、ステップS1330に処理を移し、変更されていないと判定した場合、ステップS1370に処理を移す。
[0099]
 ステップS1330では、制御部921は、EV930から送信された放電指令値が十分に大きいか否か(放電量が所定のしきい値より大きいか否か)を判定する。制御部921は、大きいと判定した場合、ステップS1340に処理を移し、大きくないと判定した場合、ステップS1370に処理を移す。
[0100]
 ステップS1340では、制御部921は、蓄電池931より受電しているか否かを判定する。制御部921は、受電していると判定した場合、ステップS1350に処理を移し、受電していないと判定した場合、ステップS1370に処理を移す。
[0101]
 ステップS1350では、制御部921は、EV930の放電下限電力(放電下限電圧)以上であるか否か(過放電にならないか否か)を判定する。制御部921は、以上であると判定した場合、ステップS1360に処理を移し、以上でないと判定した場合、ステップS1370に処理を移す。
[0102]
 ステップS1360では、制御部921は、放電時最適制御処理を行い、ステップS1370に処理を移す。なお、放電時最適制御処理については、図14を用いて後述する。
[0103]
 ステップS1370では、制御部921は、通常放電(既存の放電方式による放電)を実施する。
[0104]
 図14は、放電時最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[0105]
 ステップS1410では、制御部921は、出力電力を最大出力の15%以上まで上昇させ、第1放電運転を実施(開始)する。例えば、制御部921は、計算線に沿うように出力電力を制御する。なお、第1放電運転の開始時のデューティ比を第1のデューティ比と称する。
[0106]
 ステップS1420では、制御部921は、第1のデューティ比A _1における電力P a_1(PWM巾、電力)を計測する。例えば、制御部921は、図示は省略する電圧センサにより計測された蓄電池931の入力電圧V 1および住宅910の負荷電圧V 2と、電流センサ926により計測された電流とを取得する。
[0107]
 ステップS1430では、制御部921は、第2放電運転を実施(開始)する。例えば、制御部921は、デューティ比が所定量増加するまで第1放電運転を継続し、その後、第2放電運転を開始する。なお、第2放電運転では、制御部921は、次の計算線に移行するように(次の制御周期の開始時のデューティ比および出力電力に到達するように)出力電力を上昇させる。
[0108]
 ステップS1440では、制御部921は、第2放電運転の開始時(第1放電運転の終了時)の第2のデューティ比A _2における電力P a_2(PWM巾、電力)を計測する。例えば、制御部921は、図示は省略する電圧センサにより計測された蓄電池931の入力電圧V 1および住宅910の負荷電圧V 2と、電流センサ926により計測された電流とを取得する。
[0109]
 ステップS1450では、制御部921は、蓄電池931の内部抵抗(内部インピーダンス)を計算する。例えば、制御部921は、ステップS1420で取得した計測値と、ステップS1440で取得した計測値と、上述した(式9)と、を用いて計算を行う。
[0110]
 ステップS1460では、制御部921は、放電PID制御に計算結果を反映し、放電最適化制御処理を終了する。
[0111]
 図15は、第1放電運転と第2放電運転との関係を示すイメージ図である。
[0112]
 図15では、第1放電運転を行いつつ、第1放電運転の開始時の計測値と、第2放電運転の開始時の計測値とを取得し、第2放電運転を行いつつ、蓄電池931の内部抵抗を計算し、次の目標値1501と出力値1502とから計算線1503を求め、第2放電運転により計算線1503に移行した後、再び第1放電運転により計算線1503に沿うように出力電力がPID制御されることが示されている。
[0113]
 本実施の形態によれば、オーバーシュートすることなく短時間で目的の電力出力に到達させることができる。
[0114]
(2)第2の実施の形態
 本実施の形態は、蓄電池部140の内部抵抗を外部のシステムから取得する点が第1の実施の形態と異なる。本実施の形態では、第1の実施の形態と異なる点について主に説明する。
[0115]
 図16は、蓄電池部140の内部抵抗を外部のシステムから取得してPID制御を行う最適制御処理に係るフローチャートの一例を示す図である。
[0116]
 ステップS1610では、制御部121は、外部のシステムから蓄電池部140の内部抵抗を取得する。
[0117]
 例えば、制御部121は、蓄電池部140を搭載するEVから、当該EVで測定された蓄電池部140の内部抵抗を取得する。また、例えば、制御部121は、蓄電池部140を搭載するEVで測定された蓄電池部140の内部抵抗を記憶する記憶装置からネットワークを介して蓄電池部140の内部抵抗を取得する。
[0118]
 なお、外部のシステムから取得する蓄電池部140の内部抵抗は、充放電が行われる現場で測定された測定値である。
[0119]
 本実施の形態によれば、蓄電池部140の内部抵抗を測定する機能が電力変換部120(制御部121)になくても、オーバーシュートすることなく短時間で目的の電力出力に到達させることができる。
[0120]
(3)他の実施の形態
 なお上述の実施の形態においては、本発明を充放電制御システムに適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々のシステム、装置(EVの充放電装置、発電所、病院、ビルといった産業用の充放電装置、その他の充放電装置)、方法、プログラムに広く適用することができる。
[0121]
 また上述の実施の形態においては、蓄電池部140の内部抵抗を1回だけ計測する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、複数回(例えば、制御周期ごとに)、蓄電池部140の内部抵抗を計測し、最新の値、平均値などを用いるようにしてもよい。例えば、図8の例では、制御部121は、デューティ比A _2のときの計測値とデューティ比B _2のときの計測値と上述の(式9)とを用いて、蓄電池部140の内部抵抗を測定する。また、例えば、デューティ比A _3のときの計測値とデューティ比B _3のときの計測値と上述の(式9)とを用いて、蓄電池部140の内部抵抗を測定する。
[0122]
 また上述の実施の形態においては、最大の出力電力P 100_1と、初期の出力値Z _1とを結ぶ直線を初期のPID制御に用いる計算線とする場合について述べたが、本発明はこれに限らず、最大の出力電力P 100_1と、一般に出力電力が急激に増加を開始する点(例えば、デューティ比65.2%、出力電力1.2kW)とを結ぶ直線を初期のPID制御に用いる計算線としてもよい。
[0123]
 また上述の実施の形態においては、目標値(P 100_n)と出力値Z _nとの2点から計算線を求める場合について述べたが、本発明はこれに限らず、目標値に向かう計算線を適宜に採用することができる。例えば、目標値(P 100_n)と第2充電運転(第2放電運転)の開始時の点(B _n,P b_1)との2点から計算線を求めてもよい。また、例えば、初期の計算線を平行移動し、目標値(P 100_n)を通るようにして計算線を求めてもよい。
[0124]
 また上述の実施の形態においては、出力値Z _nについては、充電時は、蓄電池電圧V 2_n-1/入力電圧V 1とし、放電時は、(入力電圧V 1-蓄電池電圧V 2_n-1)/入力電圧V 1とする場合について述べたが、本発明はこれに限らず、蓄電池電圧および入力電圧から算出可能な他の値、予め規定した値(例えば、30%)を設定するようにしてもよい。なお、初期の出力値Z _nを設定することにより、処理時間を短縮することが可能になるが、本発明は、初期の出力値Z _nを「0%」から始める場合にも適用可能である。
[0125]
 また上述の実施の形態においては、パルス幅変調制御を例に挙げて述べたが、本発明はこれに限らず、他の変調方式を用いてもよい。
[0126]
 また、上述の実施の形態において、「メモリ部」は、1以上のメモリであり、典型的には主記憶デバイスでよい。メモリ部における少なくとも1つのメモリは、揮発性メモリであってもよいし不揮発性メモリであってもよい。
[0127]
 また、上述の実施の形態において、「プロセッサ部」は、1以上のプロセッサである。少なくとも1つのプロセッサは、典型的には、CPU(Central Processing Unit)のようなマイクロプロセッサであるが、GPU(Graphics Processing Unit)のような他種のプロセッサでもよい。少なくとも1つのプロセッサは、シングルコアでもよいしマルチコアでもよい。少なくとも1つのプロセッサは、処理の一部又は全部を行うハードウェア回路(例えばFPGA(Field-Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit))といった広義のプロセッサでもよい。
[0128]
 また、プロセッサ部の機能は、「プログラム」により実現してもよい。プログラムは、プロセッサ部によって実行されることで、定められた処理を、適宜にメモリ部及び/又はインターフェース部(例えば通信ポート)等を用いながら行う。また、プロセッサ部は、処理の一部又は全部を行うハードウェア回路(例えばFPGA(Field-Programmable Gate Array)またはASIC(Application Specific Integrated Circuit))を含んでもよい。プログラムは、プログラムソースから計算機のような装置にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバまたは計算機が読み取り可能な記録媒体(例えば非一時的な記録媒体)であってもよい。また、2以上のプログラムが1つのプログラムとして実現されてもよいし、1つのプログラムが2以上のプログラムとして実現されてもよい。
[0129]
 また、上記の説明において、各機能を実現するプログラム、テーブル、データ等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記憶装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
[0130]
 本発明は、例えば、下記の特徴的な構成を有する。
[0131]
 蓄電池部(例えば、蓄電池部140、蓄電池931)の充放電を制御する充放電制御システム(例えば、充放電制御システム100、充放電制御システム900)であって、電源または負荷である電力部(例えば、電力部110、住宅910)と上記蓄電池部との間で電力変換を行う電力変換部(例えば、電力変換部120、電力変換部920)と、上記電力変換部を制御して上記蓄電池部の充放電を制御する制御部(例えば、制御部121、制御部921)と、を備え、上記制御部は、上記電力変換部の出力電力が目的の出力電力(例えば、設定出力、P set)に到達するまで、下記の(1)および(2)を所定の間隔(例えば、一定のデューティ比間隔、一定の時間間隔、所定の態様に(間隔が徐々に大きくなるように、間隔が徐々に小さくなるように、間隔の大小が交互になるように等)設定されたデューティ比間隔、所定の態様に設定された時間間隔など)で繰り返す、(1)上記電力部の電圧と、上記蓄電池部の電圧と、上記蓄電池部の内部抵抗とから、目標の出力電力を算出(例えば、(式1)および(式2)より算出、(式3)より算出、(式10)より算出)する(2)算出した出力電力を目標値として上記電力変換部の出力電力を制御(例えば、第1充電運転と第2充電運転を実施、第1放電運転と第2放電運転を実施、目標値(P 100_n)と第2充電運転(第2放電運転)の開始時の点(B _n,P b_1)との2点から求めた計算線に沿ってPID制御など)することを特徴とする。
[0132]
 上記構成によれば、例えば、蓄電池部の内部抵抗および蓄電池部の電圧に応じた目標値が所定の間隔で計算され、その目標値に向かって出力電圧が上昇するので、オーバーシュートすることなく出力要求を満たすことができる。
[0133]
 上記電力変換部は、パルス幅変調制御(PWM制御)により電力変換を行い、上記制御部は、充電時には、下記の(3)により求める計算線に上記電力変換部の出力電力が沿うようにフィードバック制御(例えば、PID制御、比例制御、微分制御、積分制御など)を行う、(3)下記の式(A)を用いて、計算線の開始時のパルス幅の出力値を算出し、算出した出力値および目標値から計算線を求めることを特徴とする。
  Z=V 2/V 1・・・式(A)
ただし、
Z:出力値
V 1:電力部の電圧、
V 2:蓄電池部の電圧。
[0134]
 上記構成によれば、充電時において、現時点の蓄電池の電圧をもとに、現時点の出力電力から目標値に短時間で到達できるように制御されるので、例えば、オーバーシュートすることなく短時間で目的の電力出力に到達できるようになる。
[0135]
 上記電力変換部は、パルス幅変調制御により電力変換を行い、上記制御部は、充電時には、上記(1)および(2)を繰り返す処理の開始前に測定された上記電力部の電圧および上記蓄電池部の電圧と、下記の式(A)とを用いて出力値を算出し、算出した出力値を上記処理の開始時のデューティ比とする、ことを特徴とする。
  Z=V 2/V 1・・・式(A)
ただし、
Z:出力値
V 1:電力部の電圧、
V 2:蓄電池部の電圧。
[0136]
 上記構成によれば、充電時に、処理の開始時のデューティ比を設定することで、設定したデューティ比に到達するまでに要する時間を短縮することができる。
[0137]
 上述した充電についての内容は、放電についても同様である。
[0138]
 上記制御部は、上記蓄電池部の内部抵抗を測定する、ことを特徴とする。
[0139]
 上記構成によれば、例えば、蓄電池部の内部抵抗が測定されるので、多種の蓄電池と接続する充放電装置に本発明を適用した場合であっても、オーバーシュートすることなく短時間で目的の電力出力に到達できるようになる。
[0140]
 上記制御部は、上記電力変換部の出力電力を目標の出力電力に上昇させる過程において、上記蓄電池部の内部抵抗を測定する、ことを特徴とする。
[0141]
 上記構成によれば、例えば、出力電力の上昇を止めたり、遅らせたりすることなく、蓄電池部の内部抵抗を測定することができるので、蓄電池部の内部抵抗を得るための時間を時間を低減することができる。
[0142]
 上記制御部は、上記蓄電池部の内部抵抗を外部のシステムから取得する、ことを特徴とする。
[0143]
 上記構成によれば、例えば、蓄電池部の内部抵抗が取得されるので、多種の蓄電池と接続する充放電装置に本発明を適用した場合であっても、オーバーシュートすることなく短時間で目的の電力出力に到達できるようになる。また、外部のシステムで測定された蓄電池部の内部抵抗を利用することで、蓄電池部の内部抵抗を測定するための構成を電力変換部(制御部)に設ける必要がなくなる。
[0144]
 また上述した構成については、本発明の要旨を超えない範囲において、適宜に、変更したり、組み替えたり、組み合わせたり、省略したりしてもよい。
[0145]
 上記構成によれば、信頼性の高い充放電制御システムを実現することができる。

符号の説明

[0146]
 100……充放電制御システム、110……電力部、120……電力変換部、130……インターフェース部、140……蓄電池部。

請求の範囲

[請求項1]
 蓄電池部の充放電を制御する充放電制御システムであって、
 電源または負荷である電力部と前記蓄電池部との間で電力変換を行う電力変換部と、
 前記電力変換部を制御して前記蓄電池部の充放電を制御する制御部と、
 を備え、
 前記制御部は、前記電力変換部の出力電力が目的の出力電力に到達するまで、下記の(1)および(2)を所定の間隔で繰り返す、
(1)前記電力部の電圧と、前記蓄電池部の電圧と、前記蓄電池部の内部抵抗とから、目標の出力電力を算出する
(2)算出した出力電力を目標値として前記電力変換部の出力電力を制御する
 ことを特徴とする充放電制御システム。
[請求項2]
 前記電力変換部は、パルス幅変調制御により電力変換を行い、
 前記制御部は、充電時には、下記の(3)により求める計算線に前記電力変換部の出力電力が沿うようにフィードバック制御を行う、
(3)下記の式(A)を用いて、計算線の開始時のパルス幅の出力値を算出し、算出した出力値および目標値から計算線を求める
 ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御システム。
  Z=V 2/V 1・・・式(A)
ただし、
Z:出力値
V 1:電力部の電圧、
V 2:蓄電池部の電圧。
[請求項3]
 前記電力変換部は、パルス幅変調制御により電力変換を行い、
 前記制御部は、充電時には、前記(1)および(2)を繰り返す処理の開始前に測定された前記電力部の電圧および前記蓄電池部の電圧と、下記の式(A)とを用いて出力値を算出し、算出した出力値を前記処理の開始時のデューティ比とする、
 ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御システム。
  Z=V 2/V 1・・・式(A)
ただし、
Z:出力値
V 1:電力部の電圧、
V 2:蓄電池部の電圧。
[請求項4]
 前記電力変換部は、パルス幅変調制御により電力変換を行い、
 前記制御部は、放電時には、下記の(4)により求める計算線に前記電力変換部の出力電力が沿うようにフィードバック制御を行う、
(4)下記の式(B)を用いて、計算線の開始時のパルス幅の出力値を算出し、算出した出力値および目標値から計算線を求める
 ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御システム。
  Z=(V 1-V 2)/V 1・・・式(B)
ただし、
Z:出力値
V 1:電力部の電圧、
V 2:蓄電池部の電圧。
[請求項5]
 前記電力変換部は、パルス幅変調制御により電力変換を行い、
 前記制御部は、放電時には、前記(1)および(2)を繰り返す処理の開始前に測定された前記電力部の電圧および前記蓄電池部の電圧と、下記の式(B)とを用いて出力値を算出し、算出した出力値を前記処理の開始時のデューティ比とする、
 ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御システム。
  Z=(V 1-V 2)/V 1・・・式(B)
ただし、
Z:出力値
V 1:電力部の電圧、
V 2:蓄電池部の電圧。
[請求項6]
 前記制御部は、前記蓄電池部の内部抵抗を測定する、
 ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御システム。
[請求項7]
 前記制御部は、前記電力変換部の出力電力を目標の出力電力に上昇させる過程において、前記蓄電池部の内部抵抗を測定する、
 ことを特徴とする請求項6に記載の充放電制御システム。
[請求項8]
 前記制御部は、前記蓄電池部の内部抵抗を外部のシステムから取得する、
 ことを特徴とする請求項1に記載の充放電制御システム。
[請求項9]
 蓄電池部の充放電を制御する充放電制御システムにおける充放電制御方法であって、
 前記充放電制御システムは、電源または負荷である電力部と前記蓄電池部との間で電力変換を行う電力変換部と、前記電力変換部を制御して前記蓄電池部の充放電を制御する制御部と、を備え、
 前記制御部が、前記電力変換部の出力電力が目的の出力電力に到達するまで、
(1)前記電力部の電圧と、前記蓄電池部の電圧と、前記蓄電池部の内部抵抗とから、目標の出力電力を算出する第1のステップと
(2)算出した出力電力を目標値として前記電力変換部の出力電力を制御する第2のステップと
 を所定の間隔で繰り返す、ことを特徴とする充放電制御方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]