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特許7319179パワーコンディショナに接続して使用される蓄電ユニット
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  • 特許-パワーコンディショナに接続して使用される蓄電ユニット 図1
  • 特許-パワーコンディショナに接続して使用される蓄電ユニット 図2
  • 特許-パワーコンディショナに接続して使用される蓄電ユニット 図3
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-24
(45)【発行日】2023-08-01
(54)【発明の名称】パワーコンディショナに接続して使用される蓄電ユニット
(51)【国際特許分類】
   H02J 7/00 20060101AFI20230725BHJP
   H02J 7/34 20060101ALI20230725BHJP
   H02J 3/32 20060101ALI20230725BHJP
   H02J 3/38 20060101ALI20230725BHJP
   H01M 10/44 20060101ALI20230725BHJP
   H01M 10/48 20060101ALI20230725BHJP
【FI】
H02J7/00 T
H02J7/34 J
H02J3/32
H02J3/38 110
H01M10/44 P
H01M10/48 P
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2019213835
(22)【出願日】2019-11-27
(65)【公開番号】P2021087271
(43)【公開日】2021-06-03
【審査請求日】2022-05-20
(73)【特許権者】
【識別番号】000004606
【氏名又は名称】ニチコン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000475
【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岡本 直久
【審査官】赤穂 嘉紀
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2007/110913(WO,A1)
【文献】特開2004-007853(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02J 3/00-7/12
H02J 7/34-7/36
H01M 10/42-10/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
蓄電池と、蓄電池管理部と、前記蓄電池をパワーコンディショナの双方向DC/DCコンバータに接続するための一対の第1端子と、前記蓄電池管理部を前記パワーコンディショナの制御電源部に接続するための一対の第2端子とを備えた蓄電ユニットであって、
前記一対の第1端子の間に設けられた過電圧検出部および逆接続検出部と、
前記蓄電池管理部への電力供給ライン上に介装された第1スイッチ手段を有する電力遮断部と、
をさらに備え、
前記蓄電池管理部は、前記蓄電池と前記第1端子との間に設けられたノーマリーオフ型の第2スイッチ手段を有し、
前記過電圧検出部が過電圧を検出するか前記逆接続検出部が逆接続を検出すると、前記第1スイッチ手段がオフ状態となって前記制御電源部から前記蓄電池管理部への電力供給が遮断され、その結果、前記第2スイッチ手段がオフ状態となる
ことを特徴とする蓄電ユニット。
【請求項2】
前記過電圧検出部は、前記過電圧により発光する第1フォトダイオードを有し、
前記逆接続検出部は、前記逆接続により発光する第2フォトダイオードを有し、
前記電力遮断部は、前記第1フォトダイオードに対応する第1フォトトランジスタおよび前記第2フォトダイオードに対応する第2フォトトランジスタを有し、
前記第1フォトトランジスタおよび前記第2フォトトランジスタは、前記第1スイッチ手段に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の蓄電ユニット。
【請求項3】
前記第1スイッチ手段は、前記蓄電池管理部と前記第2端子との間に設けられている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の蓄電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パワーコンディショナに接続して使用される蓄電ユニットに関し、特に、パワーコンディショナとの接続にミスが発生しても破損しない蓄電ユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、商用電力系統から供給される電力と、需要家に設置された一または複数の外部直流電源から供給される電力とを併用することにより、1日における電力需要の平準化と、停電時における負荷(特に重要負荷)の継続的な稼働とを目指したシステムの普及が進められている。このようなシステムの一例は、図3に示すように、パワーコンディショナ10と、蓄電ユニット100と、太陽電池40と、V2H(Vehicle to Home)装置50とを備えている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
同図に示すように、パワーコンディショナ10は、単相3線式の商用電力系統20に接続される系統接続用端子T,T,Tと、重要負荷30に接続される負荷接続用端子T,Tと、系統電圧検出部15やスイッチ手段S,Sを介してこれらの端子T,T,T,T,Tに接続された双方向AC/DCインバータ11と、蓄電ユニット100に接続される蓄電池接続用端子TP1,TN1と、これらに接続された双方向DC/DCコンバータ12と、太陽電池40に接続される太陽電池接続用端子TP2,TN2と、これらに接続された昇圧型DC/DCコンバータ13と、V2H装置50に接続されるV2H接続用端子TP3,TN3と、コンデンサCとを主に備えている。コンデンサCは、双方向AC/DCインバータ11、双方向DC/DCコンバータ12およびDC/DCコンバータ13の相互接続部に設けられている。コンデンサCは、V2H接続用端子TP3,TN3間に設けられているともいえる。
【0004】
蓄電ユニット100は、蓄電池101と、蓄電池101の充電率および温度を監視するとともに、必要に応じて蓄電池101をスイッチ手段Sによってパワーコンディショナ10から切り離す蓄電池管理部102とを備えている。太陽電池40は、日照に応じた直流電圧を出力する。また、V2H装置50は、電動車51に接続され得る。
【0005】
パワーコンディショナ10は、商用電力系統20に停電等の異常が発生していない通常時に、スイッチ手段S,Sがオン状態とされ、かつスイッチ手段Sがオフ状態とされる。このとき、パワーコンディショナ10は、[動作1a]夜間の安価な系統電力を重要負荷30に供給しながら蓄電ユニット100の蓄電池101を充電すること、[動作2a]夜間の安価な系統電力を重要負荷30に供給しながら電動車51の車載バッテリを充電すること、[動作3a]昼間の高価な系統電力の購入量を削減するため、蓄電池101の放電電力を重要負荷30に供給すること、[動作4a]昼間の高価な系統電力の購入量を削減するため、太陽電池40の発電電力を重要負荷30に供給すること、[動作5a]太陽電池40の発電電力の余剰分を商用電力系統20に売電すること、等が可能である。なお、[動作1a]~[動作4a]の給電先には重要負荷30のみならず、商用電力系統20に接続された一般負荷(図示せず)も含まれる。
【0006】
一方、パワーコンディショナ10は、停電時に、スイッチ手段S,Sがオフ状態とされ、かつスイッチ手段Sがオン状態とされる。このとき、パワーコンディショナ10は、重要負荷30を継続的に稼働させるために、[動作1b]蓄電池101の放電電力を重要負荷30に供給すること、[動作2b]太陽電池40の発電電力を重要負荷30に供給すること、[動作3b]電動車51の車載バッテリの放電電力を重要負荷30に供給すること、等が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2019-022387号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところで、上記のシステムは、蓄電池接続用端子TP1,TN1とV2H接続用端子TP3,TN3との区別がつきにくくなっていることがある。このため、施工業者がシステムを設置する際に、蓄電ユニット100を誤ってV2H接続用端子TP3,TN3に接続してしまうことがあった。蓄電ユニット100をV2H接続用端子TP3,TN3に接続したままシステムを稼働させると、双方向AC/DCインバータ11が出力した300~500[V]の過大な直流電圧が蓄電池101に印加され、蓄電池101が破損することがある。ここで、蓄電池101の出力電圧は、通常、100~250[V]である。
【0009】
施工業者が蓄電ユニット100を蓄電池接続用端子TP1,TN1またはV2H接続用端子TP3,TN3に逆接続した場合も、蓄電池101は破損することがある。すなわち、蓄電池101の陽極を端子TP1,TP3ではなく端子TN1,TN3に接続したままシステムを稼働させると、逆極性の電圧が蓄電池101に印加され、蓄電池101が破損することがある。
【0010】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、過電圧または逆極性の電圧が印加されても破損しない蓄電ユニットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するために、本発明に係る蓄電ユニットは、蓄電池と、蓄電池管理部と、蓄電池をパワーコンディショナの双方向DC/DCコンバータに接続するための一対の第1端子と、蓄電池管理部をパワーコンディショナの制御電源部に接続するための一対の第2端子とを備えたものであって、一対の第1端子の間に設けられた過電圧検出部および逆接続検出部と、蓄電池管理部への電力供給ライン上に介装された第1スイッチ手段を有する電力遮断部とをさらに備え、蓄電池管理部は、蓄電池と第1端子との間に設けられたノーマリーオフ型の第2スイッチ手段を有し、過電圧検出部が過電圧を検出するか逆接続検出部が逆接続を検出すると、第1スイッチ手段がオフ状態となって制御電源部から蓄電池管理部への電力供給が遮断され、その結果、第2スイッチ手段がオフ状態となることを特徴とする。
【0012】
この構成では、蓄電池に過電圧または逆極性の電圧が印加され得る状態を検出すると、蓄電池管理部への電力供給が遮断され、ノーマリーオフ型の第2スイッチ手段によって蓄電池がパワーコンディショナから切り離される。したがって、この構成によれば、過電圧または逆極性の電圧の印加により蓄電池が破損するのを防ぐことができる。
【0013】
上記蓄電ユニットの具体的な構成としては、過電圧検出部が過電圧により発光する第1フォトダイオードを有し、逆接続検出部が逆接続により発光する第2フォトダイオードを有し、電力遮断部が第1フォトダイオードに対応する第1フォトトランジスタおよび第2フォトダイオードに対応する第2フォトトランジスタを有し、第1フォトトランジスタおよび第2フォトトランジスタが第1スイッチ手段に接続されている、との構成が考えられる。
【0014】
また、上記蓄電ユニットの別の具体的な構成としては、蓄電池管理部と第2端子との間に第1スイッチ手段を設けた構成が考えられる。
【0015】
なお、上記「ノーマリーオフ型の第2スイッチ手段」には、駆動されていないときに自動的にオフに戻る機能を有するスイッチ手段と、外付け回路の作用により自動的にオフに戻る機能を有することになったスイッチ手段の両方が含まれるものとする。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、過電圧または逆極性の電圧が印加されても破損しない蓄電ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
図1】本発明に係る蓄電ユニットと、パワーコンディショナとを含むシステムのブロック図である。
図2】本発明の実施例に係る蓄電ユニットの回路図である。
図3】従来の蓄電ユニットと、パワーコンディショナとを含むシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る蓄電ユニットについて説明する。
【0019】
図1に示すように、本発明に係る蓄電ユニット1は、太陽電池40およびV2H装置50とともにパワーコンディショナ10に接続して使用される。太陽電池40、V2H装置50およびパワーコンディショナ10は、従来のものと何ら変わりはない。ただし、図1では、図3では省略されているパワーコンディショナ10のより詳細な構成が示されている点に注意されたい。
【0020】
パワーコンディショナ10は、従来のものと同様、単相3線式の商用電力系統20に接続される系統接続用端子T,T,Tと、重要負荷30に接続される負荷接続用端子T,Tと、系統電圧検出部15やスイッチ手段S,Sを介してこれらの端子T,T,T,T,Tに接続された双方向AC/DCインバータ11と、本発明に係る蓄電ユニット1に接続される蓄電池接続用端子TP1,TN1と、これらに接続された双方向DC/DCコンバータ12と、太陽電池40に接続される太陽電池接続用端子TP2,TN2と、これらに接続された昇圧型DC/DCコンバータ13と、V2H装置50に接続されるV2H接続用端子TP3,TN3と、コンデンサCとを備えている。コンデンサCは、双方向AC/DCインバータ11、双方向DC/DCコンバータ12およびDC/DCコンバータ13の相互接続部に設けられている。コンデンサCは、V2H接続用端子TP3,TN3間に設けられているともいえる。
【0021】
パワーコンディショナ10は、制御電源部14と、蓄電池接続用端子TP4,TN4,TC4と、V2H接続用端子TC3とをさらに備えている。
【0022】
制御電源部14は、コンデンサCの端子間電圧(例えば、300~500[V]の直流電圧)および系統電圧(系統接続用端子T,T間の電圧)のうちの一方から生成した電圧(例えば、12[V]の直流電圧)を蓄電池接続用端子TP4,TN4に向けて出力する。また、制御電源部14は、系統電圧検出部15の検出結果等に基づいて生成した制御信号を双方向AC/DCインバータ11、双方向DC/DCコンバータ12、DC/DCコンバータ13、蓄電ユニット1およびV2H装置50に送信するとともに、これらからの各種信号を受信する。蓄電ユニット1との信号のやりとりは、蓄電池接続用端子TC4を介して行われる。また、V2H装置50との信号のやりとりは、V2H接続用端子TC3を介して行われる。
【0023】
パワーコンディショナ10は、従来のものと同様、通常時に上記[動作1a]~[動作5a]等を行い、停電時に上記[動作1b]~[動作3b]等を行う。
【0024】
本発明に係る蓄電ユニット1は、蓄電池2と、第2スイッチ手段Sを有する蓄電池管理部3と、過電圧検出部4と、逆接続検出部5と、第1スイッチ手段Sを有する電力遮断部6とを主に備えている。蓄電池管理部3は、パワーコンディショナ10の制御電源部14が出力した電圧を電源電圧として動作する。
【0025】
太陽電池40は、従来のものと同様、日照に応じた直流電圧を出力する。
【0026】
V2H装置50は、従来のものと同様、電動車51に接続され得る。V2H装置50は、双方向DC/DCコンバータ等から構成されている。
【0027】
続いて、特に図2を参照しながら、本発明の実施例に係る蓄電ユニット1の具体的な構成について説明する。
【0028】
同図に示すように、本実施例に係る蓄電ユニット1は、蓄電池2と、蓄電池管理部3と、過電圧検出部4と、逆接続検出部5と、電力遮断部6とに加え、パワーコンディショナ10の蓄電池接続用端子TP1,TN1に接続される第1端子T1A,T1Bと、パワーコンディショナ10の蓄電池接続用端子TP4,TN4に接続される第2端子T2A,T2Bと、パワーコンディショナ10の蓄電池接続用端子TC4に接続される第3端子Tとを備えている。第1端子T1A,T1Bは、蓄電池2をパワーコンディショナ10の双方向DC/DCコンバータ12に接続するための端子ともいえる。また、第2端子T2A,T2Bは、蓄電池管理部3をパワーコンディショナ10の制御電源部14に接続するための端子ともいえる。
【0029】
蓄電池2は、陽極が後述するリレーRLを介して第1端子T1Aに接続されるとともに、陰極が第1端子T1Bに接続されている。蓄電池2の出力電圧は、充電率に応じて150~220[V]の範囲で変動する。
【0030】
蓄電池管理部3は、BMS(Battery Management System)と呼ばれているものである。蓄電池管理部3は、蓄電池2の充電率および温度を監視するとともに、充電率および温度に関する信号を第3端子Tを介して制御電源部14に送信する。また、蓄電池管理部3は、第2スイッチ手段Sとしてのノーマリーオフ型のリレーRLを有し、蓄電池2の充電率および温度に異常が見られた場合は、リレーRLをオフ状態とすることにより蓄電池2をパワーコンディショナ10の双方向DC/DCコンバータ12から切り離すよう構成されている。
【0031】
前述した通り、蓄電池管理部3は、パワーコンディショナ10の制御電源部14が出力した電圧(すなわち、第2端子T2A,T2B間の電圧)を電源電圧として動作する。また、前述した通り、リレーRLはノーマリーオフ型である。このため、第2端子T2A,T2Bからの電源電圧の供給が途絶えると、リレーRLは自動的にオフ状態となる。
【0032】
過電圧検出部4は、カソードが第1端子T1Aに接続されたツェナーダイオードZDと、一端がツェナーダイオードZDのアノードに接続された第1抵抗Rと、アノードが第1抵抗Rの他端に接続された第1ダイオードDと、アノードが第1ダイオードDのカソードに接続されるとともにカソードが第1端子T1Bに接続された第1フォトダイオードPDとからなっている。過電圧検出部4は、第1端子T1A,T1B間に設けられているともいえる。
【0033】
第1端子T1A,T1B間の電圧が、蓄電池2の出力電圧の最大値である220[V]を上回ると、ツェナーダイオードZDが降伏し、第1抵抗Rによって制限された電流が第1ダイオードDおよび第1フォトダイオードPDに流れ、第1フォトダイオードPDが発光する。
【0034】
逆接続検出部5は、カソードが第1端子T1Aに接続された第2ダイオードDと、一端が第2ダイオードDのアノードに接続された第2抵抗Rと、カソードが第2抵抗Rの他端に接続されるとともにアノードが第1端子T1Bに接続された第2フォトダイオードPDとからなっている。逆接続検出部5は、第1端子T1A,T1B間に設けられているともいえる。
【0035】
第1端子T1Bの電位が第1端子T1Aの電位よりも高くなると、第2抵抗Rによって制限された電流が第2フォトダイオードPDおよび第2ダイオードDに流れ、第2フォトダイオードPDが発光する。
【0036】
電力遮断部6は、コレクタが第2端子T2Aに接続されるとともにエミッタが蓄電池管理部3に接続された、第1スイッチ手段SとしてのNPN型トランジスタQと、トランジスタQのコレクタ-ベース間に接続された第3抵抗Rと、コレクタがトランジスタQのベースに接続されるとともにエミッタが第2端子T2Bに接続された、対等な関係を有する2つのフォトトランジスタ(第1フォトトランジスタPTおよび第2フォトトランジスタPT)とからなっている。
【0037】
第1フォトトランジスタPTは、第1フォトダイオードPDとともにフォトカプラを構成している。同様に、第2フォトトランジスタPTは、第2フォトダイオードPDとともにフォトカプラを構成している。
【0038】
電力遮断部6は、蓄電池管理部3への電力供給ライン上に介装されているといえる。
【0039】
蓄電ユニット1がパワーコンディショナ10のV2H接続用端子TP3,TN3に誤って接続されている場合、すなわち、第1端子T1AがV2H接続用端子TP3に接続され、かつ第1端子T1BがV2H接続用端子TN3に接続されている場合は、第1フォトダイオードPDが発光する。第1フォトダイオードPDが発光すると、第1フォトトランジスタPTがオン状態となり、トランジスタQのベース電流となるべき第3抵抗Rを流れる電流を第1フォトトランジスタPTが横取りし、その結果、トランジスタQがオフ状態となり、蓄電池管理部3への電源電圧の供給が遮断される。
【0040】
蓄電ユニット1がパワーコンディショナ10の蓄電池接続用端子TP1,TN1に逆接続されている場合、すなわち、第1端子T1Aが蓄電池接続用端子TN1に接続され、かつ第1端子T1Bが蓄電池接続用端子TP1に接続されている場合は、第2フォトダイオードPDが発光する。第2フォトダイオードPDが発光すると、第2フォトトランジスタPTがオン状態となり、トランジスタQのベース電流となるべき第3抵抗Rを流れる電流を第2フォトトランジスタPTが横取りし、その結果、トランジスタQがオフ状態となり、蓄電池管理部3への電源電圧の供給が遮断される。
【0041】
蓄電ユニット1がパワーコンディショナ10のV2H接続用端子TP3,TN3に逆接続された場合も同様である。
【0042】
蓄電池管理部3への電源電圧の供給が遮断されると、ノーマリーオフの特性を有するリレーRLは自動的にオフ状態となる。そして、その結果、蓄電池2がパワーコンディショナ10から切り離され、それ以降、蓄電池2に過電圧が印加されたり、蓄電池2に逆極性の電圧が印加されたりすることはない。
【0043】
一方、蓄電ユニット1がパワーコンディショナ10に正しく接続されている場合、すなわち、第1端子T1Aが蓄電池接続用端子TP1に接続され、かつ第1端子T1Bが蓄電池接続用端子TN1に接続されている場合は、第1フォトダイオードPDおよび第2フォトダイオードPDはいずれも発光しない。このため、蓄電池管理部3への電源電圧の供給はトランジスタQによって遮断されない。
【0044】
このように、本実施例に係る蓄電ユニット1では、蓄電池2に過電圧または逆極性の電圧が印加され得る状態を検出すると、蓄電池管理部3への電源電圧の供給が遮断され、ノーマリーオフ型のリレーRLによって蓄電池2がパワーコンディショナ10から切り離される。したがって、本実施例に係る蓄電ユニット1によれば、過電圧または逆極性の電圧の印加により蓄電池2が破損するのを防ぐことができる。
【0045】
また、本発明によれば、既存のパワーコンディショナ10に変更を加えることなく、蓄電ユニット1の保護を図ることができる。
【0046】
以上、本発明の実施例に係る蓄電ユニット1について説明してきたが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。
【0047】
例えば、第1フォトダイオードPDの耐圧が逆接続に対して十分である場合は、過電圧検出部4から第1ダイオードDを省略することができる。同様に、第2フォトダイオードPDの耐圧が過電圧に対して十分である場合は、逆接続検出部5から第2ダイオードDを省略することができる
【0048】
また、蓄電池管理部3は、蓄電池2の充電率および温度とは別の要素をさらに監視するよう構成されていてもよいし、別の要素のみを監視するよう構成されていてもよい。
【0049】
また、パワーコンディショナ10の制御電源部14は、蓄電池管理部3に電源電圧を供給する任意の回路であってもよい。
【0050】
上記実施例では、電力遮断部6を蓄電ユニット1に設けたが、これに限定されない。例えば、蓄電池管理部3に内蔵されたマイコンが何らかの要因で暴走したときに当該マイコンをリセットするためのオン/オフ回路を制御電源部14が内蔵している場合には、制御電源部14に内蔵されたオン/オフ回路を電力遮断部6として利用することができる。この場合、過電圧検出部4および/または逆接続検出部5からの信号に基づき、制御電源部14内のオン/オフ回路が作動し、蓄電池管理部3への電源電圧の供給/遮断が制御される。
【符号の説明】
【0051】
1 蓄電ユニット
2 蓄電池
3 蓄電池管理部
4 過電圧検出部
5 逆接続検出部
6 電力遮断部
10 パワーコンディショナ
11 双方向AC/DCインバータ
12 双方向DC/DCコンバータ
13 DC/DCコンバータ
14 制御電源部
15 系統電圧検出部
20 商用電力系統
30 重要負荷
40 太陽電池
50 V2H装置
51 電動車
C コンデンサ
PD 第1フォトダイオード
PD 第2フォトダイオード
PT 第1フォトトランジスタ
PT 第2フォトトランジスタ
第1スイッチ手段
第2スイッチ手段
スイッチ手段
スイッチ手段
スイッチ手段
1A,T1B 第1端子
2A,T2B 第2端子
第3端子
図1
図2
図3