专利名称：蓄电装置的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及蓄电装置。
背景技术：
近年来，不断地进行着通过设置利用了在发电时不排出温室效应气体的可再生能源的发电设备，来使电力供给系统低碳化的研究。但是，对利用可再生能源的发电而言，电力供给量的控制十分困难，难以实现稳定的电力供给。 将来，如果这样的利用了可再生能源的发电设备的设置数量扩大，则有可能导致短期的电力供需失衡、电力的频率偏离恰当值等而使电力的稳定供给变困难，从而电力的品质变差。鉴于此，还研究了在电力系统侧、需要方(大厦、工厂等)设置对利用了可再生能源的发电设备中的多余电力进行蓄电的二次电池，来进行蓄电、配电的方案。这里，如果能够通过直流布线将蓄电装置与外部设备连接，则可避免因向交流变换而引起的损失，使得发电电力的利用效率提闻。但是，在直流的配电系统中难以实现外部短路时的保护。例如，当通过配置在与外部的连接线中的熔断器对蓄电装置进行保护时，需要在每次短路时更换熔断器。因此，在对直流配电线进行设备的拆卸的系统中，维护性较差。另外，还可以通过在直流配电线中设置如结型场效应晶体管(JFET =Junctionfield effect transistor)那样的开关,来检测外部短路时的过电流,将开关断开来切断电路。此时，如果能够在开关元件破坏之前将电路切断，则可以省去每当短路时便更换开关元件的麻烦。但是，如果发生短路，则开关元件中流动的电流变大，使得开关元件发热。因此，必须在开关元件因热而受到破坏之前将电路切断，为此要求数十微秒程度的高速切断，由此从检测出短路到将电路切断时的控制变得非常困难。
发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于，提供一种使蓄电电力的利用效率提高的蓄电装置。根据实施方式，所涉及的蓄电装置是具备蓄电部和设于该蓄电部的输出侧的短路保护装置的蓄电装置，具备输出直流电的上述蓄电部；和短路保护装置，具备用于切断对上述蓄电部和外部进行连接的正侧的布线的开关元件、与上述开关元件并联连接且以从外部向上述蓄电部流动电流的方向为正向的二极管、对上述开关元件的两端的电压进行检测的电压检测部、和在由上述电压检测部检测出的电压为规定值以上的情况下将上述开关元件断开的开关控制部。根据上述构成的蓄电装置，可以提供使蓄电电力的利用效率提高的蓄电装置。
图I是简要表示一个实施方式的蓄电装置的一个构成例的图。图2是简要表示第I实施方式的蓄电装置的短路保护装置的一个构成例的图。图3是用于对第I实施方式的蓄电装置的短路保护装置的动作的一个例子进行说明的图。图4是简要表示第2实施方式的蓄电装置的短路保护装置的一个构成例的图。 图5是简要表示第3实施方式的蓄电装置的短路保护装置的一个构成例的图。
具体实施例方式以下，参照附图对实施方式的蓄电装置进行说明。图I中简要表示了本实施方式的蓄电装置100的一个构成例。本实施方式的蓄电装置100是与建筑物内的电力系统、即交流配电系统连接的蓄电装置，其和配电系统连接、将蓄积的电力向外部设备200供给。蓄电装置100具备蓄电部110、和设在蓄电部110与外部设备200之间的短路保护
装置40。蓄电部110具备蓄电单元BT、DC / DC变换器10、双向AC / DC变换器20、控制
装置30。蓄电单元BT具备含有多个二次电池单元的电池组、和对电池组的充电状态(S0C state of charge)等电池信息进行管理的电池管理单兀(BMU :battery managementunit)。电池组通过将锂离子、NiMH、铅等二次电池单元串联或者并联连接而构成。DC / DC变换器10具有能够进行PWM (Pulse Width Modulation :脉宽调制)控制的开关元件(未图示)，进行对来自双向AC / DC变换器20的直流电的电压变换，将其向蓄电单元BT的电池组充电；或者进行对电池组中蓄积的电力的电压变换，将其向双向AC /DC变换器20放电。双向AC / DC变换器20由具有能够进行PWM控制的开关元件(未图示)的双向逆变器构成，将来自配电系统的交流电变换成直流电并向DC / DC变换器10输出，或者将来自DC / DC变换器10的直流电变换成交流电并向配电系统输出。控制装置30与DC / DC变换器10以及双向AC / DC变换器20进行通信，取得交流配电系统、直流布线、二次电池单元的状态，来进行电池组的充放电控制以及系统协作等蓄电装置100整体的控制。外部设备200例如包括太阳能发电装置PV、各种负载50、60、其他的蓄电系统等。外部设备200的各设备与从双向AC / DC变换器20和DC / DC变换器10之间的直流布线引出的布线连接。短路保护装置40串联连接在将双向AC / DC变换器20以及DC / DC变换器10之间的直流布线与外部设备200连接的直流布线上。在本实施方式中，短路保护装置40进行在外部设备200侧发生了短路时的保护动作。
图2中简要表示了短路保护装置40的一个构成例。短路保护装置40具备输出直流电的蓄电部110、将连接蓄电部110与外部设备200的正极性侧的布线切断的半导体开关元件SW、在从外部设备200向蓄电部110流出电流的方向上与半导体开关元件SW并联连接的二极管42、对半导体开关元件SW的两端的电压进行检测的电压检测部44、温度检测部46、在由电压检测部44检测出的电压为规定值以上的情况下将半导体开关元件SW断开的开关控制部CTR、和冷却部48。半导体开关元件SW例如是含有碳化硅(SiC)的半导体层的常开启型(normally-on)结型场效应晶体管。半导体开关元件SW的源电极S与外部设备200的正端子电连接。半导体开关元件SW的漏电极D与DC / DC变换器10侧的正端子电连接。半导体开关元件SW的栅电极G的电位由后述的开关控制部CTR控制。
二极管42与半导体开关元件SW并联连接。二极管42被连接成从半导体开关元件SW的源电极S向漏电极D的方向为正向，从外部设备200侧向DC / DC变换器10侧成为流动正向电流的方向。二极管42用于防止从外部设备200向DC / DC变换器10流动过电流时，超过半导体开关元件SW的逆耐压地被施加电压的情况。电压检测部44对半导体开关元件SW的源电极S与漏电极D之间的电压周期性地进行检测，并周期性地将检测电压向开关控制部CTR输出。温度检测部46与配置在半导体开关元件SW的附近的温度传感器SS连接，利用温度传感器SS检测半导体开关元件SW的温度，并周期性地将检测温度向开关控制部CTR输出。冷却部48具备对半导体开关元件SW进行冷却的冷却风扇、散热器等。冷却部48按照来自开关控制部CTR的控制信号，进行半导体开关元件SW的冷却的开始以及停止。开关控制部CTR基于从电压检测部44接收到的电压值，来控制半导体开关元件SW的栅电极G的电位。开关控制部CTR在半导体开关元件SW的源电极S与漏电极D之间的电压为短路检测电压以上的情况下，将半导体开关元件SW断开。另外，开关控制部CTR基于从温度检测部46接收到的温度值对冷却部48进行控制。开关控制部CTR在半导体开关元件SW的温度变为规定值以上的情况下，开始利用冷却部48进行冷却。图3中表示了将半导体开关元件SW的源电极S与漏电极D之间的电压设为V、将半导体开关元件SW中流动的电流设为I，发生短路时的电压V与电流I的时间变化的一个例子。其中，图3中表示了采用含有碳化硅(SiC)作为半导体层的常开启型结型场效应晶体管来作为半导体开关元件SW时的电压V与电流I。首先，如果发生外部短路，则半导体开关元件SW中流过短路电流，电流I变为额定电流以上。然后，在经过数微秒以后，半导体开关元件的温度上升、导通电阻变大，半导体开关元件SW中流过的电流受到抑制，电流I小于额定电流。该电流抑制功能由来于，由于对高温动作特性而言碳化硅(SiC)优于硅(Si)而在元件被破坏之前起到电流抑制的作用这一I"生质。在自身电抑制区域中，只流过半导体开关元件SW的额定电流以下的电流I，即使在该区域中对电流I进行测定也无法判定是否短路。如果是发生短路的瞬间，则由于流过额定以上的电流，所以如果对该电流进行检测，则能够判断是否短路。但是，由于在含有碳化硅(SiC)的半导体层的半导体开关元件SW中经过数微秒，电流I就被抑制，所以需要极短时间内的检测。在通过实际的电路实现该检测的情况下，存在误动作防止用的噪声容量(V ^ *耐量)设计变难的问题。鉴于此，在本实施方式的蓄电装置中，通过检测半导体开关元件SW的电压V来判断短路。半导体开关元件SW的电压V依赖于电路的时间常数而缓缓上升，从发生短路到I毫秒至10毫秒后达到短路检测电压。因此，通过检测电压V来判断是否短路，然后控制半导体开关元件SW的栅极电位，能够在不发生误动作的情况下可靠地实现短路保护。另外，如上所述，由于发生短路时半导体开关元件SW的温度上升，所以短路保护装置40中需要冷却装置。开关控制部CTR从温度检测部46接收温度信息而使冷却风扇、散热器等启动。开关控制部CTR可以在半导体开关元件SW的温度高时使冷却风扇转动来提闻冷却能力。这样，短路保护装置40能够在针对外部短路保护电路的同时可靠地将电路切断。 因此，根据本实施方式，即使在将蓄电装置100与外部设备200通过直流布线连接的情况下，也能够在外部短路时可靠地确保电路，结果可以提供蓄电电力的利用效率高的蓄电装置。接下来，参照附图对第2实施方式的蓄电装置详细进行说明。其中，在以下的说明中对与上述的第I实施方式相同的构成赋予相同的附图标记而省略说明。图4中简要表示了本实施方式的蓄电装置100的短路保护装置40的一个构成例。短路保护装置40具备与蓄电部110和外部设备200之间的正极性侧的布线串联连接的半导体开关元件SWA、SWB、二极管42A、42B、电压检测部44A、44B、和开关控制部CTRA、CTRB。半导体开关元件SWA、SWB例如是含有碳化硅(SiC)作为半导体层的常开启型结型场效应晶体管。半导体开关元件SWA的源电极S与半导体开关元件SWB的源电极S连接。半导体开关元件SWA的漏电极D与DC / DC变换器10侧的正端子电连接。半导体开关元件SWA的栅电极G的电位由开关控制部CTRA控制。半导体开关元件SWB的漏电极D与外部设备200侧的正端子电连接。半导体开关元件SWB的栅电极G的电位由开关控制部CTRB控制。二极管42A与半导体开关元件SWA并联连接。二极管42A被连接成从半导体开关元件SWA的源电极S向漏电极D的方向为正向，从外部设备200侧向DC / DC变换器10侧为流动正向电流的方向。二极管42A用于防止在从外部设备200向DC / DC变换器10流动过电流时，超过半导体开关元件SWA的逆耐压地被施加电压的情况。二极管42B与半导体开关元件SWB并联连接。二极管42B被连接成从半导体开关元件SWB的源电极S向漏电极D的方向为正向，从DC / DC变换器10侧向外部设备200侧为流动正向电流的方向。二极管42B用于防止在从DC / DC变换器10向外部设备200的方向流动过电流时，超过半导体开关元件SWB的逆耐压地被施加电压的情况。电压检测部44A周期性地检测半导体开关元件SWA的源电极S与漏电极D之间的电压，并将检测电压周期性地向开关控制部CTRA输出。电压检测部44B检测半导体开关元件SWB的源电极S与漏电极D之间的电压，并将检测电压周期性地向开关控制部CTRB输出。
开关控制部CTRA基于从电压检测部44A接收到的电压值，对半导体开关元件SWA的栅电极G的电位进行控制。开关控制部CTRA在半导体开关元件SWA的源电极S与漏电极D之间的电压变为短路检测电压以上的情况下，将半导体开关元件SWA断开。开关控制部CTRB基于从电压检测部44B接收到的电压值，对半导体开关元件SWB的栅电极G的电位进行控制。开关控制部CTRB在半导体开关元件SWB的源电极S与漏电极D之间的电压变为短路检测电压以上的情况下，将半导体开关元件SWB断开。由于含有碳化硅(SiC)的结型场效应晶体管一般逆耐压低，所以当在上述的第I实施方式的蓄电装置的内部侧存在短路时等，在从外部设备向蓄电装置内部流动短路能量时需要利用逆并联连接的二极管流动电流。与此相对，在本实施方式的蓄电装置100中，短路保护装置40具备相互反向连接的半导体开关元件SWA、SffB,能够进行双向的短路保护。
即，在本实施方式的蓄电装置100中，能够一边针对外部短路以及内部短路来保护电路一边可靠地将电路切断。因此，根据本实施方式，即使在将蓄电装置100与外部设备200通过直流布线连接的情况下，也能够在发生短路时可靠地保护电路，结果可提供蓄电电力的利用效率高的蓄电装置。接下来，参照附图对第3实施方式的蓄电装置详细进行说明。图5中简要表示了本实施方式的蓄电装置100的短路保护装置40的一个构成例。本实施方式的蓄电装置100的短路保护装置40在上述第2实施方式的短路保护装置40的基础上，对蓄电部110与外部设备200之间的负极性侧的布线也串联连接了半导体开关元件。在本实施方式中，短路保护装置40具备与蓄电部110和外部设备200之间的负极性侧的布线串联连接的半导体开关元件SWC、SWD、二极管42C、42D、电压检测部44C、44D、和开关控制部CTRC、CTRD。半导体开关元件SWC、SWD例如是含有碳化硅(SiC)作为半导体层的常开启型结型场效应晶体管。半导体开关元件SWC的源电极S与半导体开关元件SWD的源电极S连接。半导体开关元件SWC的漏电极D与蓄电部110侧的负端子电连接。半导体开关元件SWC的栅电极G的电位由开关控制部CTRA控制。半导体开关元件SWD的漏电极D与外部设备200侧的负端子电连接。半导体开关元件SWD的栅电极G的电位由开关控制部CTRD控制。二极管42C与半导体开关元件SWC并联连接。二极管42C被连接成从半导体开关元件SWC的源电极S向漏电极D的方向为正向，从外部设备200侧向DC / DC变换器10侧为流动正向电流的方向。二极管42C用于防止从外部设备200向DC / DC变换器10流动过电流时，超过半导体开关元件SWA的逆耐压地被施加电压的情况。二极管42D与半导体开关元件SWD并联连接。二极管42D被连接成从半导体开关元件SWD的源电极S向漏电极D的方向为正向，从DC / DC变换器10侧向外部设备200侧为流动正向电流的方向。二极管42D用于防止从DC / DC变换器10向外部设备200的方向流动过电流时，超过半导体开关元件SWB的逆耐压地被施加电压的情况。电压检测部44C对半导体开关元件SWC的源电极S与漏电极D之间的电压进行检测，并将检测电压周期性地向开关控制部CTRC输出。电压检测部44D对半导体开关元件SWD的源电极S与漏电极D之间的电压进行检测，并将检测电压周期性地向开关控制部CTRD输出。开关控制部CTRC基于从电压检测部44C接收到的电压值，对半导体开关元件SWC的栅电极G的电位进行控制。开关控制部CTRC在半导体开关元件SWC的源电极S与漏电极D之间的电压变为短路检测电压以上的情况下，将半导体开关元件SWC断开。开关控制部CTRD基于从电压检测部44D接收到的电压值，对半导体开关元件SWD的栅电极G的电位进行控制。开关控制部CTRD在半导体开关元件SWD的源电极S与漏电极D之间的电压变为短路检测电压以上的情况下，将半导体开关元件SWD断开。对上述构成以外的结构而言，本实施方式的蓄电装置100与上述的第2实施方式的蓄电装置100相同。
即，在本实施方式的蓄电装置100中，能够一边针对外部短路以及内部短路来保护电路一边可靠地将电路切断。并且，在本实施方式中，除了如上述的第2实施方式的蓄电装置100那样进行外部设备200侧、蓄电装置100内部的双向短路保护之外，还能够在接地(地絡)发生时保护电路。因此，根据本实施方式，即使在将蓄电装置100与外部设备200通过直流布线连接的情况下，也能够在发生短路时可靠地保护电路，结果可以提供蓄电电力的利用效率高的
蓄电装置。此外，在第2实施方式和第3实施方式中，短路保护装置40也可以具备温度检测部和冷却部。如果设置了温度检测部和冷却部，则能够抑制发生短路时的发热。另外，在上述的实施方式中，半导体开关元件是常开启型的开关元件，但也可以是常关闭型(normally off)的半导体开关元件。另外，短路保护装置40具备含有碳化硅(SiC)的半导体层的半导体开关元件，但并不局限于此，只要是在发热时，能够在元件被破坏之前抑制元件中流动的电流的开关元件即可。对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式只是例示，并不用于限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他的各种方式加以实施，能够在不脱离发明主旨的范围进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求的范围所记载的发明和其等同的范围。
权利要求
1.一种蓄电装置，具备蓄电部和设于该蓄电部的输出侧的短路保护装置，其特征在于，具备 输出直流电的上述蓄电部；以及 短路保护装置，具备用于切断对上述蓄电部和外部进行连接的正极性侧的布线的开关元件、与上述开关元件并联连接且以从外部向上述蓄电部流动电流的方向为正向的二极管、对上述开关元件的两端的电压进行检测的电压检测部、以及在由上述电压检测部检测出的电压为规定值以上的情况下将上述开关元件断开的开关控制部。
2.根据权利要求I所述的蓄电装置，其特征在于， 上述开关元件是含有碳化硅的半导体层的常关闭型结型场效应晶体管。
3.根据权利要求I所述的蓄电装置，其特征在于， 上述短路保护装置还具备 对上述开关元件附近的温度进行检测的温度检测部；以及 对上述开关元件进行冷却的冷却部， 上述控制部基于从上述温度检测部通知的温度信息来控制上述冷却部。
4.根据权利要求I或2所述的蓄电装置，其特征在于， 上述短路保护装置还具备 在上述正极性侧的布线中与上述开关元件反向连接，用于将上述正极性侧的布线切断的第2开关元件； 在从上述蓄电部向外部流动电流的方向上与上述第2开关元件并联连接的第2 二极管； 对上述第2开关元件的两端的电压进行检测的第2电压检测部；以及在由上述第2电压检测部检测出的电压为规定值以上的情况下，将上述第2开关元件断开的第2开关控制部。
5.根据权利要求I 3中任意一项所述的蓄电装置，其特征在于， 上述短路保护装置具备 相互反向地配置于对上述蓄电部和外部进行连接的负极性侧的布线，用于将上述负极性侧的布线切断的第3开关元件以及第4开关元件； 在从上述外部向上述蓄电部流动电流的方向上与上述第3开关元件并联连接的第3 二极管； 对上述第3开关元件的两端的电压进行检测的第3电压检测部； 在由上述第3电压检测部检测出的电压为规定值以上的情况下，将上述第3开关元件断开的第3开关控制部； 在从上述外部向上述蓄电部流动电流的方向上与上述第4开关元件并联连接的第4二极管； 对上述第4开关元件的两端的电压进行检测的第4电压检测部；以及在由上述第4电压检测部检测出的电压为规定值以上的情况下，将上述第4开关元件断开的第4开关控制部。
全文摘要
本发明提供一种使蓄电电力的利用效率提高的蓄电装置。该蓄电装置(100)具备输出直流电的蓄电部(110)和设置于其输出的短路保护装置(40)，短路保护装置(40)具备用于将连接蓄电部(110)与外部的正侧的布线切断的开关元件(SW)、在从外部向蓄电部(110)流动电流的方向与开关元件(SW)并联连接的二极管(42)、对开关元件(SW)的两端的电压进行检测的电压检测部(44)、在由电压检测部(44)检测出的电压为规定值以上的情况下将开关元件(SW)断开的开关控制部(CTR)。
文档编号H02J7/00GK102842929SQ201210168989
公开日2012年12月26日 申请日期2012年5月28日 优先权日2011年6月22日
发明者川本真也, 远藤保 申请人:株式会社东芝