JP7066390B2 - 蓄電池の経済性推定装置および経済性推定方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、蓄電池の経済性を推定する蓄電池の経済性推定装置および経済性推定方法に関する。

従来、大型建造物内に設置される蓄電装置に搭載されているリチウムイオン蓄電池は、電力需要を低減するピークカットや、夜間電力を蓄電して昼間に使用するピークシフトを目的とした使用や、災害対策用の非常用電源として利用されている。このような定置用リチウムイオン蓄電池を活用し、時間帯別料金適用時の電力使用を最適化して経済メリットを得ることが検討されている。すなわち、電気料金の安い時間帯に蓄電池を充電し、高い時間帯に放電する運用で経済的なメリットを得るものである。この場合の経済メリットは、電力の取引単位である電力量によって決まるので、充電電力量と充放電効率が直接的に影響する。従って、リチウムイオン蓄電池の劣化状態の管理が重要な関心事となっており、劣化状態を把握する為の方法が提案されている。

特開２０１４-０４４１４９号公報 特開２００２-１３１４０２号公報

例えば、特許文献１には、放電容量を測定せずに、複数周波数でのインピーダンスと放電容量の関係を利用した残存容量推定方法が提案されている。また、特許文献２においては、満充電したリチウムイオン蓄電池を放電し、放電開始から所定時間の経過後に、２時点で計測した放電電圧の差を用いて、電池の残存容量を推定する測定方法が提案されている。これらの方法は、残存容量を推定することはできるが、充放電曲線そのものを推定することはできないので、劣化状態を管理する上では不十分であった。

また、前述した劣化状態の推定方法では、リチウムイオン蓄電池の経済メリットに基づいた判断は行っておらず、電池の劣化状態によって、おおまかに経済性が低下しているか否かを判断するのみであるため、経済性の推定としては正確さに対して考慮する必要があった。

そこで本発明は、予め求められた放電電圧と充電上限電圧との差電圧を用いて、二次電池の満充電容量および充放電電力量により関連づけられた経済性指標を推定する蓄電池の経済性推定装置およびその経済性推定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態に係る電池の経済性推定装置は、二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる放電部と、前記放電部による放電が開始されてから、前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で計測を開始して、放電電圧を測定する電圧測定部と、測定により求められた前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、予め求められた差電圧と前記二次電池の満充電容量および充放電電力量とにより関連づけた式、

但し、Gは（Thigh × Ed－Tlow × Ec）/1000で表される充放電サイクル１回分の経済メリットであり、前記Gcurrは現在の充放電サイクル１回分の経済メリット、前記Gnewは新品時の充放電サイクル１回分の経済メリット、前記Gendは電池寿命末期の充放電サイクル1回分の経済メリットであり、さらに、Ec[Wh]：充電電力量、Ed[Wh]：放電電力量、Thigh［円/kWh］：料金が高い時間帯の電気料金、Tlow［円/kWh］：料金が低い時間帯の電気料金、で表される経済性指標ＳＯＥｃを推定する推定演算処理部と、を備える。

さらに、本発明に従う実施形態に係る電池の経済性推定装置により二次電池の経済性指標ＳＯＥｃを推定する方法は、二次電池を予め設定された充電上限電圧Ｖｃまで充電する満充電処理と、前記満充電処理の後で電池温度を周囲温度に馴らす安定化処理と、前記安定化処理の後で実施される放電処理と、前記二次電池の所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃを、複数の充電容量において計算し推定する充電電圧推定処理と、前記二次電池の所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄを、複数の放電容量において計算し推定する放電電圧推定処理と、を有し、経済性の推定は、前記放電処理中において電荷移動に伴う過渡応答が消失後に規定された時間の範囲内で計測が開始されて取得された放電電圧Ｖｄと前記充電上限電圧Ｖｃとの差電圧Ｖｅが計算され、予め求められた前記差電圧Ｖｅと所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃの関係式、Ve ＝ Vc － Vd、Vpc ＝ An × Ve ＋ Bn （An及びBnは定数）に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃを計算して推定し、さらに、予め求められた前記差電圧Ｖｅと前記二次電池の所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄの関係式、Ve ＝ Vc － Vd、Vpd ＝ Cn × Ve ＋ Dn （Cn及びDnは定数）に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄを計算して推定する充放電電圧推定処理から、複数の前記推定充電電圧Ｖｐｃに基づいて近似曲線を求めることにより充電曲線を推定し、複数の前記推定放電電圧Ｖｐｄに基づいて近似曲線を求めることにより放電曲線を推定し、予め求められた前記差電圧Ｖｅと前記二次電池の満充電容量ＦＣＣの関係式、FCC ＝ M × Ve +N（M及びNは定数）に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された現在の充放電サイクルの満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒと前記充電曲線から現在の充放電サイクルの充電電力量Ｅｃｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒと前記放電曲線から現在の充放電サイクルの放電電力量Ｅｄｃｕｒｒを推定し、下式

で表される充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式より、現在の充放電サイクル１回分の経済メリットＧｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣの関係式に基づいて、初期差電圧Ｖｅ０から算出された初期満充電容量ＦＣＣ０を計算して推定し、初期満充電容量ＦＣＣ０と前記充電曲線から初期充電電力量Ｅｃ０を推定し、初期満充電容量ＦＣＣ０と前記放電曲線から初期放電電力量Ｅｄ０を推定し、初期充電電力量Ｅｃ０および初期放電電力量Ｅｄ０より、下式

で表される充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式に基づいて、初期充放電サイクル１回分の経済メリットＧｎｅｗを推定し、前記満充電容量ＦＣＣの関係式に基づいて、寿命末期差電圧Ｖｅｅｎｄから算出された寿命末期満充電容量ＦＣＣｅｎｄを計算して推定し、前記寿命末期満充電容量ＦＣＣｅｎｄと前記充電曲線から寿命末期充電電力量Ｅｃｅｎｄを推定し、前記寿命末期満充電容量ＦＣＣｅｎｄと前記放電曲線から寿命末期放電電力量Ｅｄｅｎｄを推定し、前記寿命末期充電電力量Ｅｃｅｎｄおよび前記寿命末期放電電力量Ｅｄｅｎｄより、下式

で表される充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式に基づいて寿命末期充放電サイクル１回分の経済メリットＧｅｎｄを推定し、下式

で表される経済性指標ＳＯＥｃを推定する。

本発明によれば、リチウムイオン蓄電池の経済性を経済性指標ＳＯＥｃの推定により正確に把握することができるので、複数の蓄電池を統合して運用する場合に、経済的に適切な運用を行うことができる。

図１は、実施形態に係る蓄電池の経済性推定装置を搭載する蓄電システムの構成を示すブロック図である。 図２は、複数の蓄電装置がネットワーク通信を行う蓄電システムの構成例を示す図である。 図３は、蓄電池の経済性推定装置の構成例を示すブロック図である。 図４は、蓄電池の経済性推定装置による経済性推定方法について説明するためのフローチャートである。 図５は、充電電圧と差電圧の関係式の係数を示す図である。 図６は、放電電圧と差電圧の関係式の係数を示す図である。 図７は、多項式の係数ａｉの一例を示す図である。 図８は、多項式の係数ｂｉの一例を示す図である。 図９は、充放電曲線の多項式回帰結果を示す図である。 図１０は、本実施形態の８直モジュールにおける放電開始から２０秒後の放電電圧との差電圧と満充電容量の関係を示す図である。 図１１は、各サイクルの差電圧から推定された経済メリットについて説明するための図である。 図１２は、寿命定義と寿命末期経済メリットについて説明するための図である。 図１３は、差電圧と経済性指標の関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る蓄電池の経済性推定装置およびその経済性推定方法について説明する。
図１は、本実施形態に係る蓄電池の経済性推定装置を搭載する蓄電装置の構成を示している。この蓄電装置１は、主として、パワーコンディショナ（Power conditioning system）２と、電池モジュール３と、バッテリー管理部（バッテリーマネジメントユニットBMU : Battery Management Unit）４と、エネルギー管理部（エネルギーマネジメントユニットEMU : Energy Management Unit 又はEMS : Energy Management system）５と、経済性推定装置６と、電池温度測定部７と、で構成される。尚、図示していないが、通常の蓄電装置が備えている構成部位は、本実施形態の蓄電装置も備えているものとし、詳細な説明は省略する。

パワーコンディショナ２は、外部の電力会社等の電力系統９から供給された電力や太陽光発電システムから供給された電力又は、電池モジュール３から供給された電力を、特定負荷８を含む電気駆動機器に利用できるように変換する所謂、変換器として作用する。さらに、蓄電池を充電する充電器の機能を有していてもよい。例えば、特定負荷８が交流電力で駆動する電気機器であれば、電池モジュール３から供給された直流電力を交流電力の電力形態に変換する。また、特定負荷８の電気機器によっては、電力の電圧値を昇圧させてもよい。さらに、パワーコンディショナ２は、特定負荷８への電力供給だけではなく、電力系統９から供給された電力の消費が最大となる際に、電池モジュール３に蓄電されたエネルギーを放出させて、電力系統９から供給される電力の消費を低減させることもできる。この場合、放電後の電池モジュール３に対して、深夜等の電力需要が低下した際に、パワーコンディショナ２を通じて、満充電まで充電させることができる。

蓄電装置１の電力供給先である特定負荷８は、電力系統９から電力の供給が停止した際（例えば、停電時）に、電力を供給すべき機器を想定しており、例えば、コンピュータ等の電子機器や通信機器等があり、電源バックアップのための電力供給が行われる。

電池モジュール３は、直流電流電圧を出力する二次電池（蓄電池）１１と、セル監視部（セルモニタユニットＣＭＵ : Cell Monitor Unit）１２と、保護部１３と、を備えている。電池モジュール３は、特定負荷等の電力供給量における設計に従い、その数量が適宜設定され、大容量の二次電池を形成する場合には、複数の電池モジュール３を電気的に接続して、１台の電池パックとして構成することがある。また、本実施形態では、充放電曲線推定の対象となる二次電池１１として、リチウムイオン蓄電池を一例に説明するが、これに限定されるものではなく、リチウムイオン蓄電池と同様に、メモリ効果が小さく、且つ自己放電特性が良好な電池であれば、異なる構造の電池にも容易に適用でき、例えば、リチウムイオン蓄電池から改良されたナノワイヤーバッテリー等に適用することも可能である。

本実施形態の二次電池１１は、電池内部材料（電極材料等）やセル構造に限定されず、外装材の形態においても、円筒缶型、角形缶型及び、ラミネート型等がある。電池モジュール３を構成する二次電池１１の接続形態は、単電池、直列組電池又は、並列組電池等の公知な接続形態が適用できる。

電池温度測定部７は、各二次電池１１に接するように配置された図示しない温度センサにより温度を測定する。装置内におけるリチウムイオン蓄電池の使用可能な周囲温度は、略５～４０℃の範囲であるが、設置環境（寒冷地や熱帯地）に応じて、必要であれば、装置内に電池用温調機構を搭載することも可能である。この電池用温調機構は、電池温度測定部７により測定された温度に基づいて、予め設定された温度範囲の上限又は加減を超えた場合に、電池性能が低下しないように、前述した二次電池１１の使用可能な範囲内（５～４０℃程度）に温度調整を行うためのファンやヒータにより構成される。勿論、以後の電池改良により、二次電池１１の使用可能な温度範囲が広がった場合には、それらすべての温度範囲に対応することができる。

セル監視部１２は、単電池（又は単セル）の二次電池１１毎の出力電圧、電流及び温度を継続的に計測し、測定結果をバッテリー管理部４に送信する。特に、後述する演算制御部１４の制御に従い、充放電曲線推定のための放電処理中において、電荷移動に伴う過渡応答が消失する放電時間の中から規定された一定時間内に放電電圧Vｄを計測する。

さらに、セル監視部１２は、二次電池１１から取得した出力電圧、電流及び温度をモニタ情報としてバッテリー管理部４に送信する。バッテリー管理部４は、受信したモニタ情報に基づき、過充電、過放電及び温度上昇等の異常発生を判断し、保護部１３を制御して、二次電池１１に対する充電又は出力（放電）を停止させて、過充電及び過放電を防止する。尚、保護部１３は、二次電池１１の故障等による緊急な異常が発生した場合、電気的な遮断により二次電池１１に対する充電又は出力（放電）を停止させる。さらに、バッテリー管理部４へ異常を通知することで、危険を回避する機能を持たせてもよい。尚、異常発生の判断は必須であるが、その判断機能は、電池モジュール３側のセル監視部１２又は、蓄電装置１側のバッテリー管理部４のいずれかに搭載すればよいが、それぞれに搭載して二重の判断で安全性を高めてもよい。二重の判断では、判断の順番を予め決めて、例えば、セル監視部１２が最初に異常発生の判断を行い、後にバッテリー管理部４が２度目の異常発生の判断行う。この時の判断処置としては、通常、２つの判断部のうち、いずれか一方が異常と判断した場合には、保護部１３による保護動作を実行する。尚、設計思想にもよるが、両方が異常と判断した場合のみに、保護部１３による保護動作を実行し、一方のみの場合には、警告を発生する構成も可能である。

さらに、バッテリー管理部４は、それぞれの電池モジュール３のセル監視部１２から送信されたモニタ情報を一元的に集約して、上位のエネルギー管理部５へ送信する。このエネルギー管理部５は、これらのモニタ情報に基づき、パワーコンディショナ２に対して、電池モジュール３の充電及び放電を指示する。パワーコンディショナ２は、指示に従い、電池モジュール３の充電及び放電を制御する。

エネルギー管理部５は、演算制御部１４と、表示部１５と、サーバー１６と、インターフェース部１７とで構成される。
演算制御部１４は、コンピュータの演算処理部等と同等の機能を有し、バッテリー管理部４への電池モジュール３に対する充電及び放電の指示や、パワーコンディショナ２への電池モジュール３の充電及び放電への指示を行う。また、電池モジュール３毎に充電上限電圧値や放電下限電圧値が予め設定されており、エネルギー管理部５から送信されたモニタ情報に基づき、充電停止や放電停止の指示を行う。

表示部１５は、例えば、液晶表示ユニットにより構成され、演算制御部１４の制御により、蓄電装置１の稼働状況や電池モジュール３（二次電池１１）の残存容量等、及び警告事項を表示する。また、表示部１５は、タッチパネル等を採用して、入力デバイスとして用いてもよい。

サーバー１６は、エネルギー管理部５に送信された蓄電装置１の稼働状況や電池モジュール３等に関するモニタ情報や充放電曲線に関する情報等における最新情報を随時、蓄積するように格納する。インターフェース部１７は、図２に示すように、インターネット等のネットワーク通信網１８を通じて、外部に設置された集中管理システム１９に対して、通信を行う。
次に、蓄電池の経済性推定装置６について説明する。図３は、蓄電池の経済性推定装置６の構成例を示している。
この経済性推定装置６は、充電用電源部２２と、放電部２３と、放電用負荷部２４と、電圧測定部２５と、時間計測部２６と、推定演算処理部２７とで構成される。経済性推定装置６は、電池モジュール３内の二次電池１１における後述する経済性指標ＳＯＥｃを推定する。推定された各二次電池１１の経済性指標ＳＯＥｃは、サーバー１６に格納される。

充電用電源部２２は、二次電池１１の定格にあった直流電流電圧を二次電池１１へ出力し、満充電する。この充電用電源部２２は、二次電池１１の経済性指標ＳＯＥｃを推定するための専用の電源として設けているが、通常、蓄電装置内又はパワーコンディショナ２内に設けられている電池充電用電源部を用いてもよい。本実施形態では、電圧測定部２５と充電用電源部２２とで充電部を構成する。

放電部２３は、放電用負荷部２４を備えて、図示しないスイッチ操作により、二次電池１１と電気的に放電用負荷部２４に接続して、二次電池１１から所定の電力量（ここでは、定電流又は定電圧を想定する）を放電させる。この放電用負荷部２４は、抵抗体又は電子負荷であってもよいが、これらの専用負荷を設けずに、負荷を模擬して電力系統に回生させてもよい。

電圧測定部２５は、電池モジュール３（二次電池１１）が出力する直流電圧を測定する。その測定タイミングは、後述するが、放電によって電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間を経過した後の規定された時間内で電池モジュール３から出力された直流電圧を測定する。尚、電圧測定の実施については、実際に電圧測定しなくとも、バッテリー管理部４から送信され、エネルギー管理部５のサーバー１６に格納されたモニタ情報に含まれる電圧値を流用することも可能である。時間計測部２６は、電池モジュール３から電力が放電されている時間を計時するためのタイマーである。

推定演算処理部２７は、後述する関係式を用いた演算アルゴリズムを格納し、測定された二次電池１１の電圧値に基づき、経済性を推定する演算処理部（ＣＰＵ等）である。この推定演算処理部２７は、蓄電池の経済性推定装置６内に専用に設けなくとも、エネルギー管理部５の演算制御部１４に処理機能を代用させることも可能である。
電池モジュール３は、図１に示すように、直流電流電圧を出力する二次電池（蓄電池）１１と、セル監視部（セルモニタユニット）１２と、保護部１３と、を備えている。電池モジュール３は、特定負荷等の電力供給量における設計に従い、その数量が適宜設定され、大容量の二次電池を形成する場合には、複数の電池モジュール３を電気的に接続して、１台の電池パックとして構成することがある。また、本実施形態では、経済性推定の対象となる二次電池１１として、リチウムイオン蓄電池を一例に説明するが、これに限定されるものではなく、リチウムイオン蓄電池と同様に、メモリ効果が小さく、且つ自己放電特性が良好な電池であれば、異なる構造の電池にも容易に適用でき、例えば、リチウムイオン蓄電池から改良されたナノワイヤーバッテリー等に適用することも可能である。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、本実施形態の経済性推定装置による経済性推定方法について説明する。
まず、蓄電装置１に搭載されている電池モジュール３の二次電池１１における充電状態を電圧測定部２５が測定した電圧が予め設定された満充電状態である充電上限電圧Ｖｃｈａｒｇｅ－ｍａｘ（以下、Ｖｃとする）か否かを判断する（ステップＳ１）。この判断で、満充電状態ではない場合には（ＮＯ）、充電用電源部２２により、二次電池１１が充電上限電圧Ｖｃに到達するまで充電を行う（ステップＳ２）。

この満充電処理を行う際に、二次電池１１が充電上限電圧Ｖｃを超えた充電が行われないように監視して制御する。充電方式としては、定電流、定電流定電圧、定電力または定電力定電圧のいずれかを採用することができる。定電流または定電力の方式を採用した場合は、充電しながら二次電池１１の電圧を測定し、充電上限電圧Ｖｃに達した時に充電を停止する。また、定電流定電圧または定電力定電圧の方式を採用した場合は、電池の電圧が充電上限電圧Ｖｃに達した時から電池電圧を充電上限電圧Ｖｃに維持しながら充電電流を絞ってゆき、充電上限電圧Ｖｃへの到達から、予め定められた一定時間を時間測定装置が計測した時、または充電電流が予め定められた一定値まで絞られた時に充電を停止する。これらの充電作業は、条件設定による自動制御であってもよいし、測定担当者による手動制御であってもよい。

この充電処理完了の後に、電池温度測定部７により二次電池１１の温度を測定し、充電によって上昇した電池温度が周囲温度になじむまで放置する安定化処理を行う（ステップＳ３）。尚、安定化処理において、周囲温度になるまでの必要時間は、一元的なものではなく、二次電池１１の種別により異なっている。また、この安定化処理時間は、充電完了後の過渡応答が収束する程度の時間よりも大きくする必要があり、一般的には数十分以上である。一方、ステップＳ１の判断で二次電池１１が略充電上限電圧Ｖｃ（満充電状態）であった場合には（ＹＥＳ）、蓄電池の経済性推定を行う。

まず、放電部２３により二次電池１１を放電用負荷部２４に電気的に接続して放電を開始すると共に、時間計測部２６において、時間の計測を開始する（ステップＳ４）。この放電方式としては、定電流または定電力のいずれかを選択することができる。放電開始後、電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間により定められた後述する規定時間の範囲内に入ったか否かを判断する（ステップＳ５）。この判断で、規定時間内に達したならば（ＹＥＳ）、電圧測定部２５で二次電池１１の放電電圧Ｖdischarge（以下、Ｖｄとする）を測定する（ステップＳ６）。

次に、放電電圧Ｖｄの測定が終了した又は、放電開始後、時間計測部２６に計測された時間が規定時間の範囲を超えたか否かを判断する（ステップＳ７）。この判断で、電圧測定が終了又は時間計測部２６で計測された時間が規定時間の範囲を超えた場合には（ＹＥＳ）、放電部２３により二次電池１１の放電が停止される（ステップＳ８）。一方、計測された時間が規定時間の範囲を超えた際に（ＮＯ）、放電を停止する。但し、規定時間の範囲に放電電圧Ｖｄの測定が開始されていたならば、測定終了まで放電を継続させる。尚、この規定時間の範囲内で放電電圧Ｖｄが測定できなかった場合には、エラーとして測定者又は管理者に告知する。尚、この計測のための放電は、実際に利用する時の放電開始時を利用してもよく、放電の開始から計測の規定時間を超えた場合でも、その状況により、放電を継続させる場合がある。勿論、計測の規定時間後に放電を停止してもよい。

続いて、後述する経済性推定処理を行い（ステップＳ９）、取得した放電電圧Ｖｄに基づき、後述する関係式を用いて、所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃおよび所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄを求め、求められた推定充電電圧Ｖｐｃおよび推定放電電圧Ｖｐｄから、充放電曲線を推定する。また、所定の充放電サイクルにおける満充電容量ＦＣＣ、充電電力量Ｅｃ、放電電力量Ｅｄ及び、充放電サイクル１回分の経済メリットＧを推定し、経済性指標ＳＯＥｃを推定する。推定された経済性指標ＳＯＥｃは、エネルギー管理部５のサーバー１６に格納される（ステップＳ１０）。格納された経済性指標ＳＯＥｃは、要求によりサーバー１６から読み出されて表示部１５に表示される。

尚、経済性推定処理において、充電上限電圧Ｖｃに充電処理又は電池温度安定化、又は放電処理の際に行う電圧測定は、単電池に対して実施されてもよく、また、単電池が、組電池ユニットの中に並列又は直列で複数接続された単電池であってもよい。さらに、充電処理又は電池温度安定化又は放電処理の際の電圧測定が、単電池を並列又は直列に接続した組電池ユニットに対して実施されてもよく、組電池ユニットが、蓄電システムの電池部として並列又は直列に複数接続された組電池ユニットであってもよい。
ここで、前記ステップＳ５における放電電圧Ｖｄを測定する規定時間について説明する。
放電部２３により、電池モジュール３を放電用負荷部２４へ電気的に接続することで放電が開始される。本実施形態では、放電開始直後から放電電圧Ｖｄの測定を開始するのではなく、一定の時間に至るまで待機する。この一定時間は、拡散インピーダンスが発現しはじめる時間よりは大きく、充電率ＳＯＣが大きく変化しない程度の時間とする必要があり、数十秒（例えば、１０秒から７０秒）程度とする。

本実施形態では、予め測定した測定結果における検討より、規定時間の範囲を設定している。ここでは、放電開始から放電電圧Ｖｄの測定を行う規定時間範囲を例えば、１０秒から７０秒に規定している。この待機時間が１０秒より短いと、電荷移動インピーダンスの発現が影響して、所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃおよび推定放電電圧Ｖｐｄの推定精度が低下する虞がある。また、略７０秒あれば、電圧測定を開始するのに十分な時間であり、７０秒より長くても、所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃおよび推定放電電圧Ｂｐｄの推定精度の顕著な向上が期待できない上、長時間の放電によって、二次電池１１に蓄えられた電力量を多く消費することになる。勿論、この規定時間範囲は、一例であり、装置構成や測定特性が異なった場合には、可変しうる時間であり、厳密に限定されているものではない。

本実施形態では、規定時間範囲を例えば、１０秒から７０秒までの間と設定して、この規定時間の範囲内で二次電池１１の放電電圧Ｖｄの測定を開始する。電圧測定が終了した場合には、規定時間の範囲内、即ち、７０秒以内であっても二次電池１１の放電を停止する。また、放電開始後に経過した時間が規定時間の範囲を超えても電圧計測が開始されていない場合には、放電を停止し、測定エラーとして扱う。

次に、前記ステップＳ９における本実施形態の経済性推定処理について説明する。
まず、経済性を推定するため、充放電曲線の推定を行う。予め設定された充電上限電圧Ｖｃと規定時間内で測定された放電電圧Ｖｄとの差を差電圧Ｖdifference（以下、Ｖｅとする）とする。充放電曲線は、差電圧Ｖｅから推定される所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃおよび所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄとから求められる。
差電圧Ｖｅと所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃは、直線的に増加する線形関係になっており、正の相関関係を示している。従って、それぞれの充電容量における差電圧Ｖｅと所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃの関係式が最小二乗法で線形近似して求められる。
予め求められた差電圧Ｖｅ（上限電圧差）と推定充電電圧Ｖｐｃの関係式（１）、
Ve ＝ Vc － Vd
Vpc ＝ An × Ve ＋ Bn （An及びBnは定数） …（１）
に基づき、差電圧Ｖｅから算出された推定充電電圧Ｖｐｃから、充電曲線が推定できる。ここで、関係式における定数ＡｎおよびＢｎは、電池モジュールの充放電サイクル試験で、上限電圧差Ｖｅと推定充電電圧Ｖｐｃの複数の充放電サイクルから得られた充電結果に基づき、最小二乗法による線形近似によって求められる。

また、差電圧Ｖｅと所定の充電容量における推定放電電圧Ｖｐｄは、直線的に減少する線形関係になっており、負の相関関係を示している。従って、それぞれの充電容量における差電圧Ｖｅと所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄの関係式が最小二乗法で線形近似することにより求められる。すなわち、予め求められた上限電圧差Ｖｅと推定放電電圧に基づき、上限電圧差Ｖｅから算出された推定充電電圧Ｖｐｃから、充電曲線が推定でき、Ｖｐｄの関係式（２）は、
Ve ＝ Vc － Vd
Vpd ＝ Cn × Ve ＋ Dn （Cn及びDnは定数） …（２）
に基づき、上限電圧差Ｖｅから算出された推定放電電圧Ｖｐｄから、放電曲線が推定できる。ここで、関係式における定数ＣｎおよびＤｎは、電池モジュールの充放電サイクル試験で、上限電圧差Ｖｅと推定放電電圧Ｖｐｄの複数の充放電サイクルから得られた放電結果に基づき、最小二乗法による線形近似によって求められる。

上述したように、推定した所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃと推定放電電圧Ｖｐｄの離散データから最小二乗法等の種々の方法により近似曲線を求めれば、充放電曲線を推定することができる。本実施形態では、充放電曲線を１２次多項式で近似する多項式回帰分析を用いる。
本実施形態では、定格容量５００Ａｈ、 定格電圧２９．６Ｖのリチウムイオン蓄電池８直モジュールを用い、１０８５Ｗの定電力方式 で充放電試験を実施した。なお、充電と放電の間には１．５時間のインターバルを設けた。計測は各セルの電圧（分解能０．００１Ｖ）、２セル毎のセル間温度（分解能 ０．１ ℃）、モジュール全体を流れる電流（分解能 ０．００１Ａ）を、時間分解能 １ｓｅｃで実施した。

ここで、充放電曲線は推定充電電圧Ｖｐｃと推定放電電圧Ｖｐｄの関数であり、充電電流量Ｑｃ［Ａｈ］をその時点での満充電容量ＦＣＣ［Ａｈ］で割った値である充電率ＳＯＣ（＝Ｑｃ／ＦＣＣ）の関数として、それぞれＶｐｃ（ＳＯＣ）およびＶｐｄ（ＳＯＣ）と表すことができる。これらを１２次多項式として、式（３）及び式（４）により表すことができる。

ここで、充電電流量 Ｑｃ［Ａｈ］、 放電電流量 Ｑｄ［Ａｈ］の離散データをそれぞれＱｃｄｉｇ、Ｑｄｄｉｇとし、またこれらに対応する充電電圧 Ｖｐｃｄｉｇと放電電圧 Ｖｐｄｄｉｎｇを、式（５）乃至式（８）により定義する。

また、充電電圧Ｖｐｃｄｉｇおよび 放電電圧Ｖｐｄｄｉｎｇを、前述した差電圧Ｖｅの一次関数として式（９）および式（１０）で表すことができる。

ここで、充電電流量Ｑｃｉ［Ａｈ］及び放電電流量Ｑｄｉ［Ａｈ］の離散幅を２．３［Ａｈ］とし、充電電流量Ｑｃｉにおける係数ＡｉとＢｉ及び放電電流量Ｑｄｉにおける係数ＣｉとＤｉは、電池モジュールの充放電試験によって定められ、図５および図６に示す表になる。図５は、充電電圧Ｖｃｉと差電圧Ｖｅとの関係式の係数を示す図である。図６は、放電電圧Ｖｄｉと差電圧Ｖｅとの関係式の係数を示す図である。

ここで得られる充電電圧ＶｐｃｄｉｇおよびＶｐｄｄｉｇは、充電電流量Ｑｃｄｉｇ［Ａｈ］およびＱｄｄｉｇ［Ａｈ］と対応するベクトルである。充電電圧Ｖｃ（ＳＯＣ）および放電電圧Ｖｄ（ＳＯＣ）の推定の為には、充電率ＳＯＣと対応したベクトルが必要なので、式を変換する。充電電流量Ｑｃｄｉｇ［Ａｈ］とＱｄｄｉｇ［Ａｈ］について、満充電容量ＦＣＣの範囲内での離散分解数ｎを無限大と仮定した場合、式（１１）の関係が成立する。

充電電圧Ｖｐｃ(ＳＯＣ)および放電電圧Ｖｐｄ(ＳＯＣ)は、前述した式（３），（４），（７），（８）及び（１１）より、次の式（１２）及び式（１３）として表すことができる。

後述するように、差電圧Ｖｅから満充電容量ＦＣＣを推定できるので、式（１２），（１３）より充電電圧ＶｐｃｄｉｇおよびＶｐｄｄｉｇを充電率ＳＯＣと対応したベクトルに変換できる。予め係数Ａｉ、Ｂｉ、Ｃｉ、Ｄｉを求めておくことによって、式（１２），（１３）より充放電曲線を表す１２次多項式の係数ａｉ、ｂｉをフィッティングできる。
すなわち、具体的には、次に示す式（１４）乃至式（１９）における評価関数ＪｃおよびＪｄを最小化する最適化問題となる。

このような手法で近似した係数ａｉを図７に示し、係数ｂｉを図８に示す。図７は、多項式の係数ａｉの一例を示す図、図８は、多項式の係数ｂｉの一例を示す図である。また、図９は、充放電曲線の多項式回帰結果の近似曲線を示す図ある。本実施形態では、多項式回帰分析により１２次多項式の近似式を求めたが、適宜の手法によりカーブフィッティングを行って近似曲線を求めることができる。

また、差電圧Ｖｅから満充電容量ＦＣＣを推定することができる。図１０に、本実施形態の８直モジュールにおける放電開始から２０秒後の放電電圧Ｖｄとの差電圧Ｖｅと満充電容量ＦＣＣの関係を示す。差電圧Ｖｅと満充電容量ＦＣＣの間には強い相関性があり、１次式の関係がある。この関係式を予め求めておくことにより、差電圧Ｖｅから満充電容量ＦＣＣを推定することができる。すなわち、次の式（２０）で満充電容量ＦＣＣを推定できる。

満充電容量ＦＣＣと充電電圧Ｖｐｃ(ＳＯＣ)および放電電圧Ｖｐｄ(ＳＯＣ)が推定できれば、下記の式により充電電力量Ｅｃ（Ｗｈ）及び放電電力量Ｅｄ（Ｗｈ）を推定できる。

ここで、料金が高い時間帯の電気料金をＴｈｉｇｈ［円／ｋＷｈ］、料金が低い時間帯の電気料金をＴｌｏｗ［円／ｋＷｈ］とすると、１回の充放電サイクルにおける経済メリットＧ［円／ｋＷｈ］は、下記の式（２３）で表せる。

本実施形態のリチウムイオン蓄電池８直モジュールの充放電試験において、差電圧Ｖｅから充電電力量Ｅｃおよび放電電力量Ｅｄを推定して得た経済メリットＧ［円／ｋＷｈ］を図１１に示す。なお、東京電力エナジーパートナーのスマートライフプラン（２０１７年９月１６日時点）を参考に、電気料金の高値Ｔｈｉｇｈを２５．３３円／ｋＷｈ、安値Ｔｌｏｗを１７．４６円／ｋＷｈとした。

一般的に蓄電池の経済メリットＧ（円／ｋＷｈ）が最も高い値となるのは， 蓄電池の充放電効率（Ｗｈ／Ｗｈ）が高い値となる新品の時であり， また最も低い値となるのは劣化が進んで満充電容量ＦＣＣ（Ａｈ）および充放電効率（Ｗｈ／Ｗｈ）が低い値となる寿命末期の時である。リチウムイオン蓄電池の場合、満充電容量ＦＣＣ（Ａｈ）が新品の時の６０％ないし８０％に低下した時を寿命末期と定義することが通例である。 ここで、 新品の蓄電池の経済メリットＧｎｅｗが得られる時を１、寿命末期の蓄電池の経済メリットＧｅｎｄしか得られない時を０として、現在の蓄電池の経済メリットＧｃｕｒｒの状況を示す蓄電池の経済性指標であるＳＯＥｃ（State of Economy）を下記の式（２４）で定義する。

但し、Ｇは式（２３）で表される充放電サイクル１回分の経済メリットであり、Ｇｃｕｒｒは現在の充放電サイクル１回分の経済メリット、Ｇｎｅｗは新品時の充放電サイクル１回分の経済メリット、Ｇｅｎｄは電池寿命末期の充放電サイクル１回分の経済メリットである。

現在の充放電サイクル１回分の経済メリットＧｃｕｒｒは、複数の前記推定充電電圧Ｖｐｃに基づいて近似曲線を求めることにより充電曲線を推定し、複数の前記推定放電電圧Ｖｐｄに基づいて近似曲線を求めることにより放電曲線を推定し、予め求められた前記差電圧Ｖｅと前記二次電池の満充電容量ＦＣＣの関係式に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された現在の充放電サイクルの満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒを推定し、前記ＦＣＣｃｕｒｒと前記充電曲線から現在の充放電サイクルの充電電力量Ｅｃｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒと前記放電曲線から現在の充放電サイクルの放電電力量Ｅｄｃｕｒｒを推定することにより、充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式より、推定することができる。

また、新品時の充放電サイクル１回分の経済メリットＧｎｅｗは、前記満充電容量ＦＣＣの関係式に基づいて、初期差電圧Ｖｅ０から算出された初期満充電容量ＦＣＣ０を計算して推定し、初期満充電容量ＦＣＣ０と前記充電曲線から初期充電電力量Ｅｃ０を推定し、初期満充電容量ＦＣＣ０と前記放電曲線から初期放電電力量Ｅｄ０を推定し、初期充電電力量Ｅｃ０および初期放電電力量Ｅｄ０より、充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式に基づいて、推定することができる。

電気の時間帯別料金体系が変化せず、リチウムイオン蓄電池の劣化傾向も変化しないと仮定すると、満充電容量ＦＣＣ［Ａｈ］と、経済メリットを決定する充放電曲線は、ともに差電圧Ｖｅより推定可能である。従って、このＳＯＥｃは、運用中の定置用リチウムイオン蓄電池の差電圧Ｖｅから推定できる。寿命末期の満充電容量ＦＣＣｅｎｄを初期のＬｅｎｄｒａｔｅ倍（０＜Ｌｅｎｄｒａｔｅ＜１）とし、差電圧Ｖｅと満充電容量ＦＣＣの関係を式（２０）とすると、寿命末期差電圧Ｖｅｅｎｄは初期差電圧Ｖｅ０から式（２５）で求められる。この寿命末期差電圧Ｖｅｅｎｄから寿命末期の充放電曲線が得られ、そこから寿命末期経済メリットＧｅｎｄを得ることができる。
この寿命末期差電圧Ｖｅｅｎｄから寿命末期の充放電曲線が得られ、寿命末期の満充電容量ＦＣＣｅｎｄと寿命末期の充放電曲線から寿命末期充電電力量Ｅｃｅｎｄと寿命末期放電電力量Ｅｄｅｎｄが推定され、そこから寿命末期経済メリットＧｅｎｄを得ることができる。

ここで前述と同様に電気料金の高値Ｔｈｉｇｈを２５．３３円／ｋＷｈ、安値Ｔｌｏｗを１７．４６円／ｋＷｈとした場合の、寿命定義Ｌｅｎｄｒａｔｅと寿命末期経済メリットＧｅｎｄの関係を図１２に示す。このＧｅｎｄを求めることで、ＳＯＥｃを得ることができる。例えば本実施形態で用いたリチウムイオン蓄電池８直モジュールにおいて寿命定義Ｌｅｎｄｒａｔｅを０．６、０．７、０．８とすると、図１３に示すような差電圧Ｖｅと経済性指標ＳＯＥｃの関係がある。

差電圧Ｖｅは、定置用リチウムイオン蓄電池の運用中に測定できる。従って予め差電圧Ｖｅと、満充電容量ＦＣＣおよび充放電電圧Ｖｃ（ＳＯＣ）、Ｖｄ（ＳＯＣ）の関係を求めておけば、そこから経済性指標ＳＯＥｃの値を得ることができる。分散協調型システムとして設置された定置用リチウムイオン蓄電池の経済性指標ＳＯＥｃをリアルタイムに得ることができれば、協調制御している定置用リチウムイオン蓄電池の中からより収益性の高いものを選択して運用することができ、経済的な運用が行える。

尚、この発明は、上記実施形態に記載されるにもの限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変形してもよい。更に、開示される複数の構成要件を選択し又は組み合わせにより上記課題を解決する種々の発明が抽出される。

１…蓄電装置、２…パワーコンディショナ、３…電池モジュール、４…バッテリー管理部、５…エネルギー管理部、６…経済性推定装置、７…電池温度測定部、８…特定負荷、９…電力系統、１１…二次電池、１２…セル監視部、１３…保護部、１４…演算制御部、１５…表示部、１６……サーバー、１７…インターフェース部、１８…ネットワーク通信網、１９…集中管理システム、２２…充電用電源部、２３…放電部、２４…放電用負荷部、２５…電圧測定部、２６…時間計測部、２７…推定演算処理部。

Claims (2)

1. 二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、
   満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる放電部と、
   前記放電部による放電が開始されてから、前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で計測を開始して、放電電圧を測定する電圧測定部と、
   測定により求められた前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、予め求められた差電圧と前記二次電池の満充電容量および充放電電力量とにより関連づけた式、
   

   

   但し、Gは（Thigh × Ed－Tlow × Ec）/1000で表される充放電サイクル１回分の経済メリットであり、前記Gcurrは現在の充放電サイクル１回分の経済メリット、前記Gnewは新品時の充放電サイクル１回分の経済メリット、前記Gendは電池寿命末期の充放電サイクル1回分の経済メリットであり、さらに、Ec[Wh]：充電電力量、Ed[Wh]：放電電力量、Thigh［円/kWh］：料金が高い時間帯の電気料金、Tlow［円/kWh］：料金が低い時間帯の電気料金、
   で表される経済性指標ＳＯＥｃを推定する推定演算処理部と、
   を備える電池の経済性推定装置。
2. 電池の経済性推定装置により二次電池の経済性指標ＳＯＥｃを推定する方法であって、
   二次電池を予め設定された充電上限電圧Ｖｃまで充電する満充電処理と、
   前記満充電処理の後で電池温度を周囲温度に馴らす安定化処理と、
   前記安定化処理の後で実施される放電処理と、
   前記二次電池の所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃを、複数の充電容量において計算し推定する充電電圧推定処理と、
   前記二次電池の所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄを、複数の放電容量において計算し推定する放電電圧推定処理と、を有し、
   経済性の推定は、前記放電処理中において電荷移動に伴う過渡応答が消失後に規定された時間の範囲内で計測が開始されて取得された放電電圧Ｖｄと前記充電上限電圧Ｖｃとの差電圧Ｖｅが計算され、予め求められた前記差電圧Ｖｅと所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃの関係式、
   Ve ＝ Vc － Vd
   Vpc ＝ An × Ve ＋ Bn （An及びBnは定数）
   に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された所定の充電容量における推定充電電圧Ｖｐｃを計算して推定し、さらに、予め求められた前記差電圧Ｖｅと前記二次電池の所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄの関係式、
   Ve ＝ Vc － Vd
   Vpd ＝ Cn × Ve ＋ Dn （Cn及びDnは定数）
   に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された所定の放電容量における推定放電電圧Ｖｐｄを計算して推定する充放電電圧推定処理から、複数の前記推定充電電圧Ｖｐｃに基づいて近似曲線を求めることにより充電曲線を推定し、複数の前記推定放電電圧Ｖｐｄに基づいて近似曲線を求めることにより放電曲線を推定し、
   予め求められた前記差電圧Ｖｅと前記二次電池の満充電容量ＦＣＣの関係式、
   FCC ＝ M × Ve +N（M及びNは定数）
   に基づいて、前記差電圧Ｖｅから算出された現在の充放電サイクルの満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒと前記充電曲線から現在の充放電サイクルの充電電力量Ｅｃｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣｃｕｒｒと前記放電曲線から現在の充放電サイクルの放電電力量Ｅｄｃｕｒｒを推定し、下式
   

   

   で表される充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式より、
   現在の充放電サイクル１回分の経済メリットＧｃｕｒｒを推定し、前記満充電容量ＦＣＣの関係式に基づいて、初期差電圧Ｖｅ０から算出された初期満充電容量ＦＣＣ０を計算して推定し、
   初期満充電容量ＦＣＣ０と前記充電曲線から初期充電電力量Ｅｃ０を推定し、初期満充電容量ＦＣＣ０と前記放電曲線から初期放電電力量Ｅｄ０を推定し、初期充電電力量Ｅｃ０および初期放電電力量Ｅｄ０より、下式
   

   

   で表される充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式に基づいて、初期充放電サイクル１回分の経済メリットＧｎｅｗを推定し、
   前記満充電容量ＦＣＣの関係式に基づいて、
   寿命末期差電圧Ｖｅｅｎｄから算出された寿命末期満充電容量ＦＣＣｅｎｄを計算して推定し、
   前記寿命末期満充電容量ＦＣＣｅｎｄと前記充電曲線から寿命末期充電電力量Ｅｃｅｎｄを推定し、
   前記寿命末期満充電容量ＦＣＣｅｎｄと前記放電曲線から寿命末期放電電力量Ｅｄｅｎｄを推定し、
   前記寿命末期充電電力量Ｅｃｅｎｄおよび前記寿命末期放電電力量Ｅｄｅｎｄより、下式
   

   

   で表される充放電サイクル１回分の経済メリットＧの関係式に基づいて寿命末期充放電サイクル１回分の経済メリットＧｅｎｄを推定し、下式
   

   

   で表される経済性指標ＳＯＥｃを推定することを特徴とする電池の経済性推定方法。

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