特開 2024-145735 電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024145735

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20241004BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20241004BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

H02J3/32

H02M7/48 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023058217

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 康浩

(72)【発明者】

【氏名】泉 純太

(72)【発明者】

【氏名】三木 宏紀

(72)【発明者】

【氏名】木村 健治

(72)【発明者】

【氏名】伴 尊行

(72)【発明者】

【氏名】川原 直久

(72)【発明者】

【氏名】諸岡 史久

(72)【発明者】

【氏名】岡嶋 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】泉 喜久夫

(72)【発明者】

【氏名】川井 由宇

【テーマコード（参考）】

5G066

5G503

5H770

【Ｆターム（参考）】

5G066HB09

5G066JB03

5G503BA03

5G503BB01

5G503DA02

5H770BA11

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA10

5H770DA23

5H770DA44

5H770GA13

5H770GA17

5H770HA02Y

5H770HA03X

5H770HA03Y

5H770LA03Y

5H770LB07

(57)【要約】

【課題】複数の電池ストリングを備える三相交流電源において、過電流発生時に電池ストリングを保護しつつ三相交流電源の出力を継続しやすくする。
【解決手段】電源システム１が、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３と、制御装置（ゲート信号生成部１００）とを備える。各電池ストリングは、直流電力を出力可能な複数の電池を含む。電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３は三相交流電流波形を出力可能に構成される。制御装置は、三相交流電流波形を出力中の電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３のいずれかの電池ストリングで過電流が生じた場合に、過電流が生じた電池ストリングの出力を停止するとともに、過電流が生じた電池ストリング以外の電池ストリングを、三相交流電流波形の歪みが抑制されるように制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池ストリングと、制御装置とを備える電源システムであって、
前記複数の電池ストリングの各々は、直流電力を出力可能な複数の電池を含み、
前記複数の電池ストリングは三相交流電流波形を出力可能に構成され、
前記制御装置は、前記三相交流電流波形を出力中の前記複数の電池ストリングのいずれかの電池ストリングで過電流が生じた場合に、過電流が生じた前記電池ストリングの出力を停止するとともに、過電流が生じた前記電池ストリング以外の電池ストリングを、前記三相交流電流波形の歪みが抑制されるように制御する、電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０２２－１２０２５５号公報（特許文献１）には、第１～第３電池ストリングを用いた三相交流電源が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１２０２５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されるように第１～第３電池ストリングをＹ結線することで、三相交流電源を実現することができる。ただし、第１～第３電池ストリングのいずれかの電池ストリングで過電流が生じると、第１～第３電池ストリングから出力される三相交流電流波形が歪むことによって保護機能が作動し、三相交流電源の出力が停止（例えば、過電流トリップ）することがある。

【0005】

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、複数の電池ストリングを備える三相交流電源において、過電流発生時に電池ストリングを保護しつつ三相交流電源の出力を継続しやすくすることである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る一形態に従うと、以下に示す構成を有する電源システムが提供される。この電源システムは、複数の電池ストリングと、制御装置とを備える。複数の電池ストリングの各々は、直流電力を出力可能な複数の電池を含む。複数の電池ストリングは三相交流電流波形を出力可能に構成される。制御装置は、三相交流電流波形を出力中の複数の電池ストリングのいずれかの電池ストリングで過電流が生じた場合に、過電流が生じた電池ストリングの出力を停止するとともに、過電流が生じた電池ストリング以外の電池ストリングを、三相交流電流波形の歪みが抑制されるように制御する。

【0007】

上記構成によれば、過電流が生じた電池ストリングについては、その出力が停止されることで、当該電池ストリングにおける過電流が抑制される。これにより、電池ストリングは保護される。一方、過電流が生じなかった電池ストリングは、三相交流電流波形の歪みを抑制するように制御される。これにより、過電流が生じた電池ストリングの出力停止に起因した三相交流電流波形の歪みが抑制される。さらには、三相交流電流波形が歪むことに起因した電源システムの出力停止（例えば、保護機能の作動）が抑制される。このため、複数の電池ストリングのいずれかで過電流が生じた場合にも、電源システムの出力は継続されやすくなる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、複数の電池ストリングを備える三相交流電源において過電流発生時に電池ストリングを保護しつつ三相交流電源の出力を継続しやすくすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施の形態に係る電源システムの概略的な構成を示す図である。

【図2】図１に示した各電池ストリングの構成について説明するための図である。

【図3】本開示の実施の形態に係る電源システムの動作波形例を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、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返さない。

【0011】

図１は、この実施の形態に係る電源システムの概略的な構成を示す図である。図１を参照して、電源システム１は、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３と、インダクタ１１０，１２０，１３０と、交流出力端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗと、ゲート信号生成部１００と、各種回路（絶対値回路５１、５２、５３、コンパレータ６１，６２，６３、減算回路７１，７２，７３、ＰＩコントローラ８１，８２，８３、オフセット回路９０、および加算回路９１、９２、９３）とを備える。以下では、交流出力端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗの３つをまとめて「三相出力端子Ｔｕｖｗ」と称することがある。

【0012】

この実施の形態では、三相出力端子Ｔｕｖｗが、図示しない電力系統（商用電源）と電気的に接続されている。電力系統は、例えば電気事業者と契約した各需要家に電力を供給する電力網である。電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３は、電力系統との間で電力をやり取りするように構成される。

【0013】

電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３は、交流出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、ＴｗにそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電力波形を出力するように、Ｙ結線されている。電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々の負極端子は中性点ＮＴに接続されている。電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３の正極端子は、それぞれインダクタ１１０、１２０、１３０を介して交流出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗと電気的に接続されている。インダクタ１１０，１２０，１３０の各々は、図示しないコンデンサおよびインダクタとともにＬＣＬフィルタを構成してもよい。電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３は、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび電圧Ｖｓｕ、Ｖｓｖ、Ｖｓｗを出力する交流電源として機能する。

【0014】

電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３からの電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、それぞれ交流出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗから絶対値回路５１、５２、５３を通じてコンパレータ６１、６２、６３の－入力端子に入力される。電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、それぞれ絶対値回路５１、５２、５３によって絶対値に変換される。コンパレータ６１，６２，６３の各々の＋入力端子には、所定の閾値（以下、「Ｉｍ＊」と表記する）が入力される。Ｉｍ＊は、過電流を検出するための閾値である。電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの絶対値がＩｍ＊よりも大きくなると、過電流が発生したことを示すＨｉｇｈレベルが、それぞれコンパレータ６１、６２、６３からゲート信号生成部１００へ出力される。

【0015】

電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、それぞれ交流出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗから減算回路７１、７２、７３にも入力される。減算回路７１、７２、７３は、それぞれ目標交流電流値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊から電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（交流出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗに出力される電流値）を減算し、その演算値（すなわち、目標電力と出力電流値との偏差）をＰＩコントローラ８１、８２、８３へ出力する。目標交流電流値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊は、予め定められた交流電流値（例えば、電力系統から供給される交流電力波形に対応する電流値）であってもよいし、状況に応じて可変であってもよい。

【0016】

ＰＩコントローラ８１、８２、８３には、それぞれ目標交流電流値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊と電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの偏差（減算回路７１、７２、７３の出力）が入力される。ＰＩコントローラ８１、８２、８３は、ＰＩ制御（比例積分制御）を実行することによって、上記偏差を０に近づけるための操作量Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊（交流電圧指令値）をそれぞれ加算回路９１、９２、９３へ出力する。また、オフセット回路９０は、ゲート信号生成部１００からの指令に従って直流成分の操作量Ｖ０＊（直流電圧指令値）を加算回路９１、９２、９３へ出力する。加算回路９１、９２、９３は、ＰＩコントローラ８１、８２、８３が出力する操作量Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の各々に直流成分の操作量Ｖ０＊を加えることによって、電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３に対する電圧指令値Ｖｓｕ＊、Ｖｓｖ＊、Ｖｓｗ＊を生成する。

【0017】

上記のように生成された電圧指令値Ｖｓｕ＊、Ｖｓｖ＊、Ｖｓｗ＊（交流電圧指令値と直流電圧指令値との加算値）は、ゲート信号生成部１００に入力される。ゲート信号生成部１００は、電圧指令値Ｖｓｕ＊、Ｖｓｖ＊、Ｖｓｗ＊に従ってそれぞれ電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３を制御する。これにより、交流出力端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗに出力される電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは目標電流にフィードバック制御される。ゲート信号生成部１００は、本開示に係る「制御装置」の一例として機能する。ゲート信号生成部１００は、例えばプロセッサおよび記憶装置を備えるコンピュータを含んでもよい。記憶装置に記憶されているプログラムをプロセッサが実行することで、各種の処理が実行されてもよい。ただし、これらの各種処理は、ソフトウェアによる実行に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で実行することも可能である。

【0018】

図２は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々の構成について説明するための図である。この実施の形態では、図１に示した電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３が同じ構成を有するため、以下では、これらを区別しない場合は「電池ストリングＳｔ」と称する。

【0019】

図２を参照して、電池ストリングＳｔは、出力電流Ｉｓｔ（図１に示した電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を検出する電流センサ３１と、出力電圧Ｖｓｔ（図１に示した電圧Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗ）を検出する電圧センサ３２とを備える。各センサによる検出結果はゲート信号生成部１００へ出力される。

【0020】

電池ストリングＳｔは、ｎ個の電池回路１０－１～１０－ｎを備える。この実施の形態では、電池回路１０－１～１０－ｎが同じ構成を有するため、以下では、これらを区別しない場合は「電池回路１０」と称する。電線ＰＬは、電池ストリングＳｔの出力端子ＯＴと中性点ＮＴとをつなぐ電線である。直列に接続された電池回路１０－１～１０－ｎが、電線ＰＬ上に配置されている。電池回路１０は出力端子Ｔ１，Ｔ２を有する。ある電池回路（例えば、電池回路１０－２）の出力端子Ｔ１は、電線ＰＬ（ストリング線）を介して、隣り合う電池回路（例えば、電池回路１０－１）の出力端子Ｔ２とつながっている。出力電圧Ｖｓｔは、電線ＰＬに出力される各電池回路１０の電圧の合計値に相当する。出力電流Ｉｓｔは、出力電圧Ｖｓｔによって電線ＰＬに流れる電流値に相当する。

【0021】

電池回路１０は、直流電力を出力可能な電池１１と、電池１１と並列に接続されたスイッチ回路１２およびコンデンサ１３と、電池１１と直列に接続されたスイッチ回路１４およびチョークコイル１５と、電池１１の電圧を検出する電圧センサ１６とを含む。電池１１は、充放電可能な二次電池である。電圧センサ１６は、検出結果をゲート信号生成部１００へ出力する。

【0022】

スイッチ回路１２，１４は、電池１１と電線ＰＬとの接続／切離しを切り替えるように構成される。スイッチ回路１４が導通状態（ＯＮ状態）、かつ、スイッチ回路１２が遮断状態（ＯＦＦ状態）であるときには、電池１１の電圧が電線ＰＬに印加される。スイッチ回路１４が遮断状態であるときには、電池１１の電圧が電線ＰＬに印加されない。ゲート信号生成部１００は、印加期間と非印加期間との比を示すデューティ比に従ってスイッチ回路１２，１４を制御することにより、ストリング電圧を制御してもよい。

【0023】

電池回路１０は、遅延回路２１と、ＡＮＤ回路２２と、ＯＲ回路２３と、ＮＯＴ回路２４と、ＡＮＤ回路２５とをさらに備える。ゲート信号生成部１００は、スイッチ回路１２，１４に対するゲート駆動信号を電池ストリングＳｔへ送信する。遅延回路２１はゲート駆動信号を所定時間だけ遅延させる回路である。ゲート信号生成部１００からのゲート駆動信号は、各電池回路の遅延回路２１で遅延させられながら電池回路１０－１～１０－ｎに順次入力される。

【0024】

さらに、ゲート信号生成部１００は、ＡＮＤ回路２２，２５およびＯＲ回路２３の各々に制御信号を送信することにより、通常制御モードと印加モードと非印加モードとＧＢ（ゲートブロック）モードとを切り替えるように構成される。各電池回路が異なるモードで制御されてもよい。ゲート信号生成部１００は、ＡＮＤ回路２２、ＯＲ回路２３、ＡＮＤ回路２５に対する制御信号を、通常制御モードでは「Ｈｉｇｈ、Ｌｏｗ、Ｈｉｇｈ」、印加モードでは「Ｈｉｇｈ、Ｈｉｇｈ、Ｈｉｇｈ」、非印加モードでは「Ｌｏｗ、Ｌｏｗ、Ｈｉｇｈ」、ＧＢモードでは「Ｌｏｗ、Ｌｏｗ、Ｌｏｗ」とする。通常制御モードでは、スイッチ回路１２，１４が上記ゲート駆動信号（例えば、デューティ信号）に従って制御される。印加モードでは、スイッチ回路１２、１４がそれぞれ遮断状態、導通状態になる。非印加モードでは、スイッチ回路１２、１４がそれぞれ導通状態、遮断状態になる。ＧＢモードでは、スイッチ回路１２、１４がそれぞれ遮断状態、遮断状態になる。

【0025】

この実施の形態に係る電源システム１（電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３）は、電力系統とともに図示しない電力負荷に対して給電を行う。電源システム１は、２つの電池ストリングの線間電圧による電力を供給する。詳しくは、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々の電圧は、オフセットを持った０Ｖ以上の電圧波形（電圧の向きが同じ波形）になる。一方、各線間電圧は、周期的に極性が変わる交流電圧波形（電圧の向きが変わる波形）になる。交流出力端子Ｔｖ，Ｔｗ間には線間電圧Ｖｖｗ、交流出力端子Ｔｗ，Ｔｕ間には線間電圧Ｖｗｕ、交流出力端子Ｔｕ，Ｔｖ間には線間電圧Ｖｕｖが印加される。こうした線間電圧（ストリング間の電位差）によって三相交流電力を生成することができる。

【0026】

電源システム１および電力系統による給電中は、電力系統による電圧と電源システム１による電圧とが一致する。しかし、電力系統が停電状態になると、両者の電圧バランスが崩れ、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３のいずれかで過電流が生じることがある。この際、ゲート信号生成部１００は、過電流が生じた電池ストリングの全ての電池回路１０をＧＢモードで制御する。これにより、当該電池ストリングの出力が停止されるとともに、全ての電池回路１０が電線ＰＬから切り離されることで、当該電池ストリングにおける過電流が抑制される。

【0027】

しかしながら、例えばＦＲＴ（Fault Ride Through）のような事故時運転継続要件では、瞬時の電圧変動に対して電源システム１が運転（出力）を継続することが要求される。上記のような電池ストリングの出力停止により三相が不平衡になると、零相電圧（Ｖ０：中性点ＮＴとの対地電圧）が生じ得る。電源システム１は、零相電圧の変動量が所定量を超えると作動する保護機能を有する。保護機能が作動すると、電源システム１の出力（全ての電池ストリングの出力）が停止する。

【0028】

図１に示したインダクタ１１０，１２０，１３０の各々のインダクタンスを大きくすることで、瞬間停電などの電圧急変時に電流変化を抑制でき、過電流による装置停止を防ぎやすくなる。しかし、コスト面では不利になる。そこで、この実施の形態に係る電源システム１では、以下に説明するような制御によって過電流発生時に電源システム１（三相交流電源）の出力を継続しやすくしている。こうした制御によれば、回路部品（例えば、インダクタ１１０，１２０，１３０を含むＬＣＬフィルタ）を小型化しやすくなる。

【0029】

図３は、この実施の形態に係る電源システム１の動作波形例を示すタイムチャートである。波形Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、それぞれ電力系統が出力するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧波形（系統電圧）を示す。波形Ｌ１０は、波形Ｌ１１～Ｌ１３の合成波形を示す。波形Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３が出力する三相交流電圧波形、すなわち線間電圧Ｖｖｗ、Ｖｗｕ、Ｖｕｖの波形をそれぞれ示す。また、波形Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３が出力する三相交流電流波形、すなわち線間電圧Ｖｖｗ、Ｖｗｕ、Ｖｕｖに対応する電流Ｉｖｗ、Ｉｗｕ、Ｉｕｖの波形をそれぞれ示す。タイムチャート中の「ｔ」はタイミングを意味する。

【0030】

図１，図２とともに図３を参照して、ゲート信号生成部１００は、コンパレータ６１～６３のいずれからＨｉｇｈレベルが入力されたかを識別可能に構成される。ゲート信号生成部１００は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３が三相交流波形（電圧波形および電流波形）を出力している期間（例えばｔ１～ｔ３の期間）において、コンパレータごとの入力信号（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）に基づいて、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々における過電流の有無を検出する。そして、ゲート信号生成部１００は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３のいずれかの電池ストリングで過電流が生じた場合には、過電流が生じた電池ストリングの出力を停止するとともに、過電流が生じた電池ストリング以外の電池ストリングを、三相交流電流波形の歪みが抑制されるように制御する。

【0031】

図３に示す例では、ｔ２で、電力系統が停電状態になり、電池ストリングＳｔ２（Ｖ相）に過電流が発生している。ゲート信号生成部１００は、ｔ２で、電池ストリングＳｔ２の全ての電池回路１０をＧＢモードで制御することにより、電池ストリングＳｔ２の出力を停止する。ただし、電池ストリングＳｔ２の出力停止は一時的であり、ゲート信号生成部１００は、すぐに電池ストリングＳｔ２を復帰させる。電池ストリングＳｔ２を一時的にＧＢモードにすることで、電力系統の停電に起因して電池ストリングＳｔ２に瞬間的に過電流が流れることが抑制される。出力停止（ＧＢモード）の期間は、過電流が抑制される程度の長さに設定される。ゲート信号生成部１００は、電池ストリングＳｔ２の出力が再開されるまでの間、電池ストリングＳｔ２の出力停止に起因した三相交流電流波形の歪みが抑制されるように、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ３を通常モードで制御する。すなわち、ゲート信号生成部１００は、電池ストリングＳｔ２の出力が停止していないときの波形に三相交流電流波形を近づけるように、電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ３に対する指令値（Ｖｓｕ＊、Ｖｓｗ＊）を決定する。ゲート信号生成部１００は、直流成分の操作量Ｖ０＊によって三相交流電流波形の歪みを抑制してもよい。これにより、保護機能が作動しない程度まで三相交流電流波形の歪みが抑制される。

【0032】

電力系統の停電中は、電源システム１が単独で電力負荷に対して給電を行う。電池ストリングＳｔ２が復帰した後、ゲート信号生成部１００は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３から停電前と同様の三相交流電流波形が出力されるように各電池ストリングを制御する。停電中は、系統電圧がなくなるため、各電池ストリングの電圧値が小さくなる。

【0033】

以上説明したように、上述の電源システム１（複数の電池ストリングを備える三相交流電源）によれば、過電流発生時に電池ストリングを保護しつつ三相交流電源の出力を継続しやすくなる。

【0034】

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。本発明の範囲は、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。

【符号の説明】

【0035】

１ 電源システム、１０ 電池回路、１１ 電池、１２，１４ スイッチ回路、１００ ゲート信号生成部、ＮＴ 中性点、ＰＬ 電線、Ｓｔ，Ｓｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３ 電池ストリング、Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ 交流出力端子。

【図1】

【図2】

【図3】