特開 2024-145741 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】P2024145741

(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 7/497 20070101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

H02J3/32

H02M7/497

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023058224

(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

5H770DA03

5H770DA23

5H770DA27

5H770DA30

5H770EA01

5H770HA02Y

(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、それら電池ストリングの電力分担を適切に行う。
【解決手段】電源システム１は、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３を備える。電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３の各々は、直流電力を出力可能な複数の電池１１を含む。電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３は三相交流電力を出力可能に構成される。電源システム１は、０相電圧の位相に基づいて電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３の電力分担を行う手段（電池電力分担調整アルゴリズム５０および基本波重畳項演算部６０）をさらに備える。
【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力を出力可能に構成され、
当該電源システムは、
０相電圧の位相に基づいて前記複数の電池ストリングの電力分担を行う手段
をさらに備える、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。しかしながら、特許文献１は、第１～第３電池ストリングの電力分担を行う方法を開示していない。第１～第３電池ストリングの電力分担を適切に行うことができれば、これらの電池ストリングにおける電力アンバランスを抑制することができる。

【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、それら電池ストリングの電力分担を適切に行うことである。

【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力を出力可能に構成される。当該電源システムは、０相電圧の位相に基づいて複数の電池ストリングの電力分担を行う手段をさらに備える。

【0007】

複数の電池ストリングを備える三相交流電源では、０相電圧の位相に応じて、それら電池ストリングから出力される電力の比率が変わる。このため、上記構成によれば、電池ストリングの電力分担を適切に行うことが可能になる。

【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、それら電池ストリングの電力分担を適切に行うことが可能になる。

【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に示した電源システムにおいて、初期位相０度，３０度の各０相電圧指令による動作波形例を示すタイムチャートである。

【図3】図１に示した電源システムにおいて、初期位相６０度，９０度の各０相電圧指令による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、各種回路（電池電力分担調整アルゴリズム５０、基本波重畳項演算部６０、減算回路７１，７２，７３、ＰＩコントローラ８１，８２，８３、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から減算回路７１、７２、７３に入力される。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。図示しない制御装置が、要求される電力に応じて、目標交流電流値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊を決定してもよい。

【0015】

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を示す電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をそれぞれ加算回路９１、９２、９３へ出力する。

【0016】

電池電力分担調整アルゴリズム５０（以下、単に「アルゴリズム５０」と表記する）は、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電流が平衡状態であるとき（すなわち、０相電流が０Ａであるとき）に、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に関する目標電力分担比に基づいて、０相電圧（基本波電圧）の振幅および位相を決定し、決定された振幅および位相を基本波重畳項演算部６０へ出力する。

【0017】

基本波重畳項演算部６０（以下、単に「演算部６０」と表記する）は、アルゴリズム５０によって決定された振幅および位相に基づいて基本波電圧を生成する。そして、演算部６０は、生成された基本波電圧を０相電圧指令Ｖ０＊に重畳し、０相電圧指令Ｖ０＊を加算回路９１、９２、９３へ出力する。

【0018】

加算回路９１、９２、９３は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊の各々が示す操作量に０相電圧指令Ｖ０＊が示す操作量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。

【0019】

上記のように生成された電圧指令値Ｖｓｕ＊、Ｖｓｖ＊、Ｖｓｗ＊（電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に共通の０相電圧指令Ｖ０＊を加算した値）は、それぞれ電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３を制御する。詳細は後述するが、各電池ストリングのスイッチ回路ＳＷが、対応する電圧指令値に従って制御される。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。

【0020】

以下、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々の構成について説明する。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。

【0021】

電池ストリングＳｔは、複数の電池回路１０を備える。複数の電池回路１０の各々は、直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２と、直流電力を出力可能な電池１１と、ＢＭＳ（Battery Management System）１２と、スイッチ回路ＳＷと、チョークコイル１７と、コンデンサ１８とを含む。電池１１は、充放電可能な二次電池である。ＢＭＳ１２は、電池１１の状態（例えば、電圧、電流、温度、およびＳＯＣ）を検出する各種センサを含む。ＳＯＣ（State Of Charge）は、蓄電残量（例えば、満充電状態の蓄電量に対する現在の蓄電量の割合）を示す。

【0022】

スイッチ回路ＳＷは、電池１１と直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２との接続／切離しを切り替える。具体的には、スイッチ回路ＳＷは、第１スイッチ１３（以下、「ＳＷ１３」と表記する）と、第２スイッチ１４（以下、「ＳＷ１４」と表記する）と、ＳＷ１３の並列ダイオード１５と、ＳＷ１４の並列ダイオード１６とを含む。ＳＷ１３は、直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２間に位置し、直流出力端子ＯＴ１と直流出力端子ＯＴ２とを直接的につなぐ電路の導通／遮断を切り替える。ＳＷ１４およびチョークコイル１７は、直流出力端子ＯＴ１と電池１１の正極とをつなぐ電線ＢＬ１上に位置する。直流出力端子ＯＴ２は電線ＢＬ２を介して電池１１の負極と電気的に接続されている。コンデンサ１８は、電線ＢＬ１と電線ＢＬ２との各々に接続されている。ＳＷ１３，ＳＷ１４の各々は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のような半導体スイッチである。

【0023】

各電池ストリングにおいては、隣り合う電池回路１０同士が電線（ストリング線）でつながっている。ある電池回路１０の直流出力端子ＯＴ２が、当該電池回路１０に隣接する別の電池回路１０の直流出力端子ＯＴ１と接続されることによって、電池回路１０同士が電気的に接続されている。１つの電池ストリングに含まれる電池回路１０の数は任意である。電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々に含まれる電池回路１０の数は同じでも異なってもよい。なお、図１に示す電池回路１０の構成は、一例にすぎず、適宜変更可能である。例えば、回路からチョークコイル１７が取り除かれてもよい。

【0024】

電池１１が直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２に接続されている期間（接続期間）においては、電池１１の電圧が直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２間に印加される。接続期間においては、電池１１と直列に接続されたＳＷ１４がＯＮ状態（導通状態）に、かつ、電池１１と並列に接続されたＳＷ１３がＯＦＦ状態（遮断状態）に制御される。電池１１が直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２から切り離されている期間（切離し期間）においては、電池１１の電圧が直流出力端子ＯＴ１，ＯＴ２間に出力されない。切離し期間においては、ＳＷ１４がＯＦＦ状態（遮断状態）に制御される。

【0025】

上述の構成を有する電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の各々では、１つのストリングに含まれる複数の電池１１が、電圧の印加／非印加を個別に切替え可能に構成される。こうした構成によれば、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３によって三相交流電力を生成しやすくなる。電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３に対する電圧指令値Ｖｓｕ＊、Ｖｓｖ＊、Ｖｓｗ＊は、それぞれスイッチ回路ＳＷ（ＳＷ１３，ＳＷ１４）のデューティ比（接続期間と切離し期間との比）に基づいて、電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３から出力される電圧（ストリング電圧）を制御してもよい。

【0026】

この実施の形態に係る電源システム１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Ｔｕ，Ｔｖ間には線間電圧Ｖｕｖ、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。

【0027】

この実施の形態に係る電源システム１は、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３における電力アンバランスが抑制されるように、電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の電力分担を行う。詳しくは、電源システム１は、中性点接地回路によるアンバランス電力計算をせずに、０相電圧の位相に基づいて電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の電力分担を行う。こうした方法では、アンバランス電力計算が不要になるため、応答性およびコストの点で有利になる。

【0028】

具体的には、この実施の形態では、アルゴリズム５０および演算部６０が、０相電圧の位相に基づいて複数の電池ストリングの電力分担を行う手段として機能する。各相の電流が平衡状態（０相電流＝０Ａ）であるときに、アルゴリズム５０は基本波電圧の振幅および位相を決定し、演算部６０は０相電圧指令Ｖ０＊に基本波電圧を重畳し、各相電力分担を調整する。０相電圧指令Ｖ０＊によって電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３の電力分担が調整される。電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３に対する電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に共通の０相電圧指令Ｖ０＊が加算されるため、０相電圧指令Ｖ０＊は線間電圧に影響しない。

【0029】

アルゴリズム５０は、電池間の循環電力が目標値に近づくように基本波電圧の振幅を決定する。また、アルゴリズム５０は、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ２，Ｓｔ３（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の電力分担比が目標電力分担比に近づくように基本波電圧の位相を決定する。電池ストリングＳｔ１～Ｓｔ３を備える電源システム１（三相交流電源）では、０相電圧の位相に応じて、それら電池ストリングから出力される電力の比率が変わる。

【0030】

以下、図２および図３を用いて、０相電圧の位相に基づく各相電力分担比の調整について説明する。図２，図３の各々において、タイムチャート中の「ｔ」はタイミングを意味する。各図はｔ１～ｔ４の期間の動作波形例を示す。ｔ２で電源システム１による給電が開始され、ｔ３で各ストリング電力が変更される。なお、各図において、波形Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、それぞれ電圧Ｖｓｕ、Ｖｓｖ、Ｖｓｗ（ストリング電圧）を示す。波形Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３は、電力系統が出力するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧波形（系統相電圧）を示す。波形Ｌ４１、Ｌ４２、Ｌ４３は、それぞれ電池ストリングＳｔ１、Ｓｔ２、Ｓｔ３が出力するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電力（ストリング電力）を示す。波形Ｌ５０は、各相の線間電圧によって供給される潮流電力を示す。この実施の形態では、線間電圧Ｖｕｖによる電力Ｐｕｖと線間電圧Ｖｖｗによる電力Ｐｖｗと線間電圧Ｖｗｕによる電力Ｐｗｕとが一致するように目標交流電流値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊が決定される。波形Ｌ５０は、電力Ｐｕｖ，Ｐｖｗ，Ｐｗｕの各々の波形（共通の電力波形）を示す。

【0031】

図２は、初期位相０度の０相電圧指令Ｖ０＊と初期位相３０度の０相電圧指令Ｖ０＊との各々による動作波形例を示すタイムチャートである。

【0032】

グラフＧ_０が示すように、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に対して０相初期位相０度の基本波電圧（０相電圧指令Ｖ０＊）を加えた場合には、電力分担比が「Ｕ相ストリング電力＞Ｗ相ストリング電力≒Ｖ相ストリング電力」となる。すなわち、電池ストリングＳｔ２，Ｓｔ３の各々が供給する電力よりも、電池ストリングＳｔ１が供給する電力のほうが大きくなる。そして、電池ストリングＳｔ２が供給する電力と電池ストリングＳｔ３が供給する電力とは同程度になる。

【0033】

グラフＧ_３０が示すように、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に対して０相初期位相３０度の基本波電圧（０相電圧指令Ｖ０＊）を加えた場合には、電力分担比が「Ｕ相ストリング電力＞Ｗ相ストリング電力＞Ｖ相ストリング電力」となる。すなわち、電池ストリングＳｔ３が供給する電力よりも電池ストリングＳｔ１が供給する電力のほうが大きくなり、電池ストリングＳｔ２が供給する電力よりも電池ストリングＳｔ３が供給する電力のほうが大きくなる。

【0034】

図３は、初期位相６０度の０相電圧指令Ｖ０＊と初期位相９０度の０相電圧指令Ｖ０＊との各々による動作波形例を示すタイムチャートである。

【0035】

グラフＧ_６０が示すように、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に対して０相初期位相６０度の基本波電圧（０相電圧指令Ｖ０＊）を加えた場合には、電力分担比が「Ｕ相ストリング電力≒Ｗ相ストリング電力＞Ｖ相ストリング電力」となる。すなわち、電池ストリングＳｔ２が供給する電力よりも、電池ストリングＳｔ１，Ｓｔ３の各々が供給する電力のほうが大きくなる。そして、電池ストリングＳｔ１が供給する電力と電池ストリングＳｔ３が供給する電力とは同程度になる。

【0036】

グラフＧ_９０が示すように、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に対して０相初期位相９０度の基本波電圧（０相電圧指令Ｖ０＊）を加えた場合には、電力分担比が「Ｗ相ストリング電力＞Ｕ相ストリング電力＞Ｖ相ストリング電力」となる。すなわち、電池ストリングＳｔ１が供給する電力よりも電池ストリングＳｔ３が供給する電力のほうが大きくなり、電池ストリングＳｔ２が供給する電力よりも電池ストリングＳｔ１が供給する電力のほうが大きくなる。

【0037】

上記のように、電源システム１は、０相電圧指令Ｖ０＊の初期位相を変えることで、各相電力分担比を調整できる。各相電力分担比を調整する際に０相電圧指令Ｖ０＊の初期位相を変更すればよい。目標の各相電力分担比になるように０相電圧指令Ｖ０＊を生成してもよい。図１に示した構成によれば、複数の電池ストリングを備える三相交流電源において、それら電池ストリングの電力分担を適切に行うことが可能になる。

【0038】

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】

【0039】

１ 電源システム、１０ 電池回路、１１ 電池、５０ 電池電力分担調整アルゴリズム、６０ 基本波重畳項演算部、７１，７２，７３ 減算回路、８１，８２，８３ ＰＩコントローラ、９１，９２，９３ 加算回路、ＮＴ 中性点、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】