JP6314390B2 - 蓄電設備の充放電状態監視制御方式 - Google Patents
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Description
1)充電量と電池内部抵抗の変化
電池内部抵抗は充電量すなわち残存する充電量が多い領域(満充電領域)では小さく、充電量(残存充電量)の少ない領域(放電終止領域)では大きくなり、充電量に応じて変化することが知られている。
2)使用期間経過に伴う電池内部抵抗の変化
また、電池内部抵抗は、電池の使用時間に基づくカレンダ寿命および充放電回数に基づくサイクル寿命によって変化し、余寿命が短くなるほど増加する。
3)温度変化と内部抵抗変化
温度変化によって電池内部抵抗は変化する。
ァ)起電圧と内部抵抗の相関によって蓄電池の残存充電量を予測することができる。
イ)内部抵抗変化によって電池の特性変化(劣化)進度から余寿命を予測することができる。
ウ)残存充電量から放電可能時間を予測することができる。
放電動作式
VB=eB−IB×RB・・・・(1)
∴eB=VB+IB×RB・・・・(2)
充電動作式
VB=eB+IB×RB・・・・(3)
∴eB=VB−IB×RB・・・・(4)
で示される。ここで、VB:電池端子電圧、eB:電池起電圧、IB:充放電電流、RB
:電池内部抵抗である。
RBi=(VBi1−VBi2)÷(IBi1−IBi2)・・・・(6)
なお、(5)式は、変化直前の実電圧VBi1より直後実電圧VBi2が高いときに用い、(6)式は、直後実電圧VBi2が変化直前の実電圧VBi1より高いときに用いる。
VBDi=RBi×IBi1・・・・(8)
実起電圧演算部7は、実電圧降下演算部6で求められた実電圧降下VBDiと実電圧電流記憶部4に記憶された前後の計測指令Sで検出した実電圧VBi1、VBi2とから充電時は(9)式、また放電時は(10)式を用いて実起電圧eBiを演算により求める手段である。
eBi=VBi2+VBDi・・・・(10)
実起電圧演算部7で求められた実起電圧eBiは状態監視処理部13および比較補正演算部11に与えられる。
(基準内部抵抗RBL=1.1)=1.0
起電圧特性線Ae上の実起電圧eBi=86%の点P0の基準充電量QVは30%であるから、比較補正演算部11で、これに補正値S=1.0を乗じて求めた補正充電量QZは30%となりこれが状態監視処理部13に出力される。
1)充電量監視
従来から用いられている電池の充電量監視方式は、図1に示す電流積算充電量演算部12でAH方式により求めた電流積算充電量QHを監視する方式が一般的であるが、このAH方式による充電量QHを監視する方式では電池の劣化に伴う充電量QHの補正が行われない。
2)充電動作
2−1)定電流、定電圧充電動作(図3参照)
定電流充電‐定電圧充電を行った場合の動作波形を図3に示す。図3の(a)は、電池起電圧eBと電池端子電圧VBの時間的変化を示し、(b)は充電電流IB、(c)は内部抵抗RB、(d)は電圧降下VBDの時間的変化を示す。
2−2)充電電流変化充電動作(図4参照)
充電動作中の充電電流が変化した際の動作波形を図4に示す。
%が求まる。
補正基準充電量QV=(残存基準充電量QV=30%)×(補正値=1)=30%
から30%が求まる。この場合は、実内部抵抗RBiと基準内部抵抗RBLとが等しいたため補正値が1となり、補正充電量QZが残存基準充電量QVと等しくなる。
充電量補正値S2=(実内部抵抗RBi=抵抗指数1.2)
÷(基準内部抵抗RBL=抵抗指数1.05)=1.14
となる
この補正値S2に基づいて比較補正演算部11で補正充電量QZが求められる。補正充電量QZは、
補正残存充電量QZ=(残存基準充電量QV=70%)×
1÷(補正値S2=1.14)=61%
により求まり、61%となる。
充電量補正値S2=(実内部抵抗RBi=抵抗指数2)÷
(基準内部抵抗RBL=抵抗指数2.05)=0.98
となる
この補正値S2に基づいて比較補正演算部11で求められる補正残存充電量QZは、
補正残存充電量QZ=(残存基準充電量QV=33%)×
1÷(補正値S2=0.98)=34%
となる。
3)定電流放電動作(図5参照)
図5は、t0点のL0レベルの起電圧eBL0からLlレベルの起電圧eBLlまで定電流で放電したとき、使用初期Aの電池ではt3点、使用中期Bの電池ではt2点、使用終期Cの電池ではtl点まで放電できることを示している。ここで、特性線Ae、Be,Ceは、それぞれ、使用初期A、使用中期、使用終期Cにおける電圧の内部起電圧eBの変化を示す特性線である。また。特性線AV、BV、CVは、それぞれ、使用初期A、使用中期、使用終期Cにおける電圧の端子電圧VBの変化を示す特性線である。内部抵抗RBを示す特性線AR、BR、CRおよび電圧降下VBDの変化を示す特性線AVD、BVD、CVDも、それぞれ使用初期A、使用中期、使用終期Cにおける内部抵抗および電圧降下の変化を示すものである。
4)電流変化放電動作(図6参照)
図6におけるt0〜tl点間において微小電流で放電動作しているときに、微小電流検出部2と近似起電圧検出部3が、実電圧VBiを読取って近似起電圧eBirとして保持する。
5)充放電動作(図7参照)
図7を参照して充放電動作について説明する。
電池劣化進度量CV=(使用開始時の内部抵抗RBi=内部抵抗指数1)÷
(使用時間経過後の内部抵抗RBi=内部抵抗指数1.5)=67(%)
を演算することにより求めることができる。これにより求められた電池劣化進度値CV=67%から、電池容量が当初容量の67%に減少するまで劣化が進行していることを把握することができる。
動作が進行するにしたがって内部抵抗RB、電圧降下VBDが増加する。
1)基準値管理と実動作管理
前記で説明した基準起電圧eBL、基準充電量QV、基準内部抵抗RBL(使用初期A/使用中期B/使用終期C)の基準データを基準内部抵抗パターン設定部1、基準起電圧パターン設置部8、基準起電圧設置部9等に格納しておき、これらの基準値データCSと実起電圧eBi、使用初期A、使用中期B、使用終期Cの実内部抵抗RBiとを比較補正演算部11で比較演算して求めた充電量QV、補正充電量QZ、特性変化進度値CVに基づいて、状態監視処理部13によって電池の動作状態変化の監視、管理を行う。
2)特性変化(劣化進度)進度の管理
特性変化(劣化進度)は内部抵抗の変化によって判定する。
3)実電流積算(AH)充電量とAH充電量の補正
前記で説明した充放電量演算部12で求めた電流積算(AH)充電量QHによる充電量の監視は、比較的短期間、例えば充放電1サイクルの充放電動作における充電量管理に用いる。
4)基準充電量QVと充電量の補正
前記で説明した電池の起電圧により求めた基準充電量QVを監視する方式は、基準起電圧値eBLと実起電圧eBiから得た基準充電量QVと、これを基準抵抗値RBLと実内部抵抗RBiの比較演算して求めた補正値S2により補正した充電量QZを状態監視処理部13で監視、管理し、表示記録部14で記録、表示を行う。
5)放電可能時間の予測
前記で説明したように、起電圧方式による基準充電量QVを内部抵抗の変化に基づいて補正した補正(残存)充電量QZが定格容量の40%であったとすれば、QZ40%を定格AH充電量QHの40%に換算して、この補正したAH充電量QHeを図1に示す放電電流指定部16で指定した放電電流Dsで除算(AH÷A)して求めた時間Hにより、おおよその放電可能時間Hを予測する。
6)実電圧VBi、実電流IBiの監視、管理、記録、表示
実電圧VBi、実電流IBiは次のように監視、管理する。
ァ)前記で説明した実電圧VBi、実電流IBiの実電流の変化時点で計測した実電圧VBi、実電流IBiから実内部抵抗RBi、実電圧降VBDi、実起電圧eBiを演算により求める。
イ)図2に示す電池電圧のL0〜L3レベルを監視する。
7)特性劣化進度の監視
前記で説明したように、リチウムイオン電池の特性変化、すなわち特性劣化進度CVは内部抵抗の増加の比率で示される。したがって、基準内部抵抗と実内部抵抗を比較、補正演算部10で比較、演算した特性劣化進度値CVによって特性変化進度を監視する。
Claims (4)
- リチウムイオン電池を備えた蓄電設備の充放電状態監視制御方式において、予め前記リチウムイオン電池の使用初期、使用中期および使用終期における基準となる基準内部抵抗、基準起電圧、基準起電圧に対する基準充電量の基準データを設定し、前記リチウムイオン電池の充放電動作中の実電池電圧、実電池電流の検出データを取得し、前記基準データと前記検出データから実内部抵抗、電池内部電圧降下、実起電圧の実データを求め、前記基準起電圧と前記実起電圧とを比較して電池の残存充電量を判定し、さらに、前記判定した残存充電量を前記基準内部抵抗と実内部抵抗を比較して求めた内部抵抗変化量によって補正し、前記補正した残存充電量によって前記リチウムイオン電池の充放電状態を監視することを特徴とする蓄電設備の充放電状態監視制御方式。
- 請求項1に記載の蓄電設備の充放電状態監視制御方式において、前記基準内部抵抗と前記実内部抵抗とを比較して求めた内部抵抗変化量によって前記リチウムイオン電池の特性変化(劣化)進度を判定するようにしたことを特徴とする蓄電設備の充放電状態監視制御方式。
- 請求項1または2に記載の蓄電設備の充放電状態監視制御方式において、前記判定した電池の残存充電量を予め定めた放電電流で除して放電可能時間を求めることを特徴とする蓄電設備の充放電状態監視制御方式。
- 請求項1ないし3の何れか1つに記載の蓄電設備の充放電状態監視制御方式において、予め前記リチウムイオン電池の電圧の上限レベル(L0)、通常使用レベル(Ll)、使用下限レベル(L2)、使用限界レベル(L3)を設定し、前記リチウムイオン電池の充電動作中に前記実電池電圧が前記通常使用レベル(L1)から前記上限レベル(L0)の範囲にあるときは、前記実電池電圧が前記上限レベル(L0)を越えないように前記リチウムイオン電池の充電動作を継続し、前記実電池電圧が前記上限レベル(L0)を越えたときは警告を発するとともに電池の充電動作を停止し、前記リチウムイオン電池の放電動作中に、前記実電池電圧が通常使用レベル(Ll)から使用下限レベル(L2)の範囲にあるときは、前記実電池電圧が使用下限レベル(L2)より低下しないように前記リチウムイオン電池の放電動作を継続し、前記実電池電圧が前記使用下限レベル(L2)から使用限界レベル(L3)の範囲にあるときは警報を発するとともに前記リチウムイオン電池の放電動作を使用限界レベル(L3)を越えないように制限し、使用限界レベル(L3)に達したときは警告を発するとともに前記リチウムイオン電池の放電動作を停止することを特徴とする蓄電設備の充放電状態監視制御方式。
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