JP7173492B2 - 判定装置、判定装置を備える電力供給システムおよび判定方法 - Google Patents
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Description
(式2)…E2-EMIN≦β×P2/E2×R2
EMAX:前記蓄電池の仕様として設定された上限電圧
EMIN:前記蓄電池の仕様として設定された下限電圧
E1:所定期間において変化する前記蓄電池のSOC(State Of Charge)の中で最大のSOCに対応する、開回路電圧(Open Circuit Voltage)の最大値
E2:所定期間において変化する前記蓄電池のSOCの中で最小のSOCに対応する、開回路電圧の最小値
P1:所定期間において変化する前記蓄電池の充電電力の中での最大値
P2:所定期間において変化する前記蓄電池の放電電力の中での最大値
R1:前記蓄電池の充電時における内部抵抗値
R2:前記蓄電池の放電時における内部抵抗値
αおよびβ:安全裕度としての任意の値
前記構成によれば、前記判定装置は、(1)劣化判定用パラメータ取得部により取得した、実際に使用している蓄電池の仕様と、実際に使用した所定期間における蓄電池の充放電挙動に係るデータに基づく基準、および(2)蓄電池の充電時および放電時の実際の計測データに基づき内部抵抗値算出部により算出された内部抵抗値、により蓄電池の劣化を判定することができる。その結果、適用用途または仕様が異なる蓄電池に対しても、一律に蓄電池の交換の判断を行うための劣化判定を行うことができる。
(式4)…(U3-U4)/(I4-I3)
U1…前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、一定の電流値I1により第1所定時間の充電を行い、当該充電が終了する直前に電流値I1が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
U2…前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、前記電流値I1よりも大きな一定の電流値I2により第1所定時間の充電を行い、当該充電が終了する直前に電流値I2が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
U3…前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、一定の電流値I3により第2所定時間の放電を行い、当該放電が終了する直前に電流値I3が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
U4…前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、前記電流値I3よりも大きな一定の電流値I4により第2所定時間の放電を行い、当該放電が終了する直前に電流値I4が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
前記構成によれば、前記内部抵抗値算出部は、交流に変換する前の直流電流により前記内部抵抗値を算出することができるので、簡易に内部抵抗値を算出することができる。
(式2)…E2-EMIN≦β×P2/E2×R2
EMAX:前記蓄電池の仕様として設定された上限電圧
EMIN:前記蓄電池の仕様として設定された下限電圧
E1:所定期間において変化する前記蓄電池のSOC(State Of Charge)の中で最大のSOCに対応する、開回路電圧(Open Circuit Voltage)の最大値
E2:所定期間において変化する前記蓄電池のSOCの中で最小のSOCに対応する、開回路電圧の最小値
P1:所定期間において変化する前記蓄電池の充電電力の中での最大値
P2:所定期間において変化する前記蓄電池の放電電力の中での最大値
R1:前記蓄電池の充電時における内部抵抗値
R2:前記蓄電池の放電時における内部抵抗値
αおよびβ:安全裕度としての任意の値
前記構成によれば、前記判定方法は、適用用途または仕様が異なる蓄電池に対しても、一律に蓄電池の交換の判断を行うための劣化判定を行うことができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る蓄電池の劣化判定装置を含む電力供給システム200の概略構成を示す図である。電力供給システム200は、発電システム10、蓄電システム20、劣化判定装置100、系統連携設備201、電流計202と、電圧計203と、を備えている。
劣化判定装置100(判定装置)は、蓄電池22の劣化を判定する。劣化判定装置100は、制御部110と、データ記憶部120と、を備えている。データ記憶部120は、制御部110が実行する各種のプログラムおよびプログラムによって使用されるデータを格納する。また、データ記憶部120は、所定期間における蓄電池22の充放電挙動に係るデータを記憶した各種測定データを格納する。
内部抵抗値算出部112は、充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2を算出する。充電内部抵抗R1は、蓄電池22の充電時における内部抵抗値であり、放電内部抵抗R2は蓄電池22の放電時における内部抵抗値である。
ここで、電圧値U1は、蓄電池22に対して、充放電が行われていない待機状態から、一定の電流値I1により第1所定時間の充電を行い、当該充電が終了する直前に電流値I1が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値である。電圧値U2は、蓄電池22に対して、充放電が行われていない待機状態から、電流値I1よりも大きな一定の電流値I2により第1所定時間の充電を行い、当該充電が終了する直前に電流値I2が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値である。
ここで、電圧値U3は、蓄電池22に対して、充放電が行われていない待機状態から、一定の電流値I3により第2所定時間の放電を行い、当該放電が終了する直前に電流値I3が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値である。電圧値U4は、蓄電池22に対して、充放電が行われていない待機状態から、電流値I3よりも大きな一定の電流値I4により第2所定時間の放電を行い、当該放電が終了する直前に電流値I4が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値である。
判定式成立性判断部113は、蓄電池22の交換の判断を行うための劣化を判断する。判定式成立性判断部113は、以下の(式3)および(式4)の少なくとも一方が成立する場合に、蓄電池22は劣化していると判定する。判定式成立性判断部113は、以下の(式3)および(式4)のいずれも成立しない場合は、蓄電池22は劣化していないと判定する。
E2-EMIN≦β×P2/E2×R2・・・(式4)
ここで、αおよびβは安全裕度として任意の値である。安全裕度は、例えば10~20%とすることができ、その場合、αおよびβは、1.1~1.2となる。
第1蓄電池寿命推定部114は、充電内部抵抗R1の時間依存性を、充電内部抵抗R1とそれに対応する電池運用時間とから算出し、前記(式3)が成立する時期を推定することにより蓄電池22の寿命を推定する。具体的な算出例は後述する。
第2蓄電池寿命推定部115は、放電内部抵抗R2の時間依存性を、放電内部抵抗R2とそれに対応する電池運用時間とから算出し、前記(式4)が成立する時期を推定することにより蓄電池22の寿命を推定する。具体的な算出例は後述する。
劣化判定装置100は、(1)劣化判定用パラメータ取得部111により取得した、実際に使用している蓄電池22の仕様と、実際に使用した所定期間における蓄電池22の充放電挙動に係るデータに基づく基準、および(2)内部抵抗値算出部112により算出された充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2、を用いて、前記(式3)および前記(式4)の少なくとも一方が成立するとき、蓄電池22が劣化しており、交換が必要であると判断する。そのため、劣化判定装置100によれば、適用用途または仕様が異なる蓄電池に対しても一律に蓄電池の交換の判断を行うための劣化判定を行うことができる。その結果、適切に蓄電池22の交換時期を把握し、適切な時期に蓄電池22の交換を行うことができる。
図2~4を参照し、具体的な劣化判断処理の一例について説明する。図2は、後述する模擬充放電パターンにおける蓄電池22の入出力電力変化を示すグラフである。図2の横軸は試験時間を示し、縦軸は充放電された電力を示す。図2において、縦軸のプラス側が充電電力であり、マイナス側が放電電力である。図3は、後述する模擬充放電パターンにおけるSOCを示すグラフである。図3の横軸は試験時間を示し、縦軸はSOCを示す。
前述の模擬充放電パターンが年間の発生頻度に応じて繰り返されることで、太陽光発電出力平滑化が行われると想定し、所定期間を1年間とすると、模擬充放電パターンの充放電挙動から、蓄電池22の最大充電電力P1は、図2よりパターン1の452Wとなる。また、同じく図2より、蓄電池22の最大放電電力P2は、パターン1の452Wとなる。したがって、劣化判定用パラメータ取得部111は、データ記憶部120から、最大充電電力P1として452W、最大放電電力P2として452Wを取得する。
一方、内部抵抗値算出部112は、蓄電池をSOC50%に調整し、0.5Cに相当する電流値で10秒間の充電を行い、充電休止直前の電圧値をデータ記憶部120に記録する。また、十分な休止時間を設けた後に0.5Cに相当する電流値で10秒間の放電を行い、放電休止直前の電圧値をデータ記憶部120に記録する。その後、内部抵抗値算出部112は、十分な休止時間を設けて2Cに相当する電流値で同様の充放電を行い、充放電直前の電圧値をデータ記憶部120に記録する。内部抵抗値算出部112は、データ記憶部120に記録された電圧値と各Cレートに相当する電流値から、前記(式1)および前記(式2)に基づき、充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2を算出する。内部抵抗値算出部112は、例えば、充電内部抵抗R1を0.815mΩ、放電内部抵抗R2を0.879mΩと算出する。
各算出結果により、EMAX-E1は0.24V、E2-EMINは0.57Vと算出される。また、P1/E1×R1は0.095V、P2/E2×R2は0.111Vとなり、安全裕度として10%を考慮してαおよびβを1.1とした場合、前記(式3)および前記(式4)は成立しない。このため、本劣化判断処理の例では、判定式成立性判断部113により、蓄電池22は劣化しておらず、交換不要と判断される。
図4を参照し、具体的な寿命推定処理の一例について説明する。蓄電池22の劣化傾向を把握するため、40℃の環境下で前記模擬充放電パターンによる長期試験を実施して、定期的に蓄電池22のSOC50%における充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2を測定した。その結果が図4であり、図4は、模擬充放電パターンでの40℃加速劣化試験における直流内部抵抗変化を示すグラフである。言い換えると、図4は、充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2の試験時間に対する依存性を示すグラフである。図4の横軸は試験時間を示し、縦軸は直流内部抵抗を示す。
本発明の変形例について、図5および図6に基づき、以下に説明する。図5は、交流インピーダンス法での等価回路モデルの一例を示す図である。図6は、過渡応答解析法での等価回路モデルの一例を示す図である。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
R11:0.000436(Ω)
R12:0.000049(Ω)
R13:0.000028(Ω)
CPE1:CPE指数p 1、CPE定数T 25.537
R14:0.006388(Ω)
Wz:8.418×10-5(Ω)
CPE2:CPE指数p 0.9921、CPE定数T 5.5793
ここで、図5において、R11はオーミック抵抗であり、R12およびR13は反応抵抗であり、CPE1およびCPE2はコンデンサ代用の容量成分であり、WZは拡散抵抗である。また、Lは電極端子、ケーブルのリアクタンス成分であり、R14は電極端子、ケーブルの抵抗成分である。蓄電池22のオーミック抵抗R11を充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2としてもよいし、反応抵抗を含めたR11+R12+R13を充電内部抵抗R1および放電内部抵抗R2としてもよい。
R21:0.000223(Ω)
C21:2.91×104(F)
R22:0.00260(Ω)
C22:4.58×104(F)
ここで、図6において、Riはオーミック抵抗であり、R21およびR22は反応抵抗であり、C21およびC22はコンデンサ容量成分である。また、IBは充放電電流、VBは実測電圧であり、VOは開回路電圧であり、VZ、VZO、VZ1、VZ2は分極電圧ある。
劣化判定装置100の制御ブロック(特に、劣化判定用パラメータ取得部111、内部抵抗値算出部112、判定式成立性判断部113、第1蓄電池寿命推定部114、および第2蓄電池寿命推定部115)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。
11 再生可能エネルギー発電用パワーコンディショナ
12 再生可能エネルギー発電装置
20 蓄電システム
21 蓄電池用パワーコンディショナ
22 蓄電池
100 劣化判定装置(判定装置)
111 劣化判定用パラメータ取得部
112 内部抵抗値算出部
113 判定式成立性判断部
114 第1蓄電池寿命推定部
115 第2蓄電池寿命推定部
120 データ記憶部
200 電力供給システム
202 電流計
203 電圧計
301 電力系統
EMAX 上限電圧
EMIN 下限電圧
P1 最大充電電力
P2 最大放電電力
E1 最大電圧
E2 最小電圧
Claims (8)
- 再生可能エネルギー発電システムにて発電される電力を蓄電する蓄電池を備え、電力系統に出力される電力の変化率が所定範囲になるように、前記蓄電池が充放電を繰り返して前記電力系統に出力される電力の出力変動を抑制する形式の蓄電システムに備わる前記蓄電池の劣化を判定するための判定装置であって、
以下(式1)および(式2)に記載のEMAXおよびEMINを前記蓄電池の仕様から取得し、以下(式1)および(式2)に記載のE1,E2,P1およびP2の値を、所定期間における前記蓄電池の充放電挙動に係るデータを記憶したデータ記憶部から取得する劣化判定用パラメータ取得部と、
以下(式1)および(式2)に記載のR1およびR2を算出する内部抵抗値算出部と、
以下(式1)および(式2)の少なくとも一方が成立する場合に、前記蓄電池は劣化しており、以下(式1)および(式2)のいずれも成立しない場合は、前記蓄電池は劣化していないと判定する、判定式成立性判断部と、を備えていることを特徴とする判定装置。
(式1)…EMAX-E1≦α×P1/E1×R1
(式2)…E2-EMIN≦β×P2/E2×R2
EMAX:前記蓄電池の仕様として設定された上限電圧
EMIN:前記蓄電池の仕様として設定された下限電圧
E1:所定期間において変化する前記蓄電池のSOC(State Of Charge)の中で最大のSOCに対応する、開回路電圧(Open Circuit Voltage)の最大値
E2:所定期間において変化する前記蓄電池のSOCの中で最小のSOCに対応する、開回路電圧の最小値
P1:所定期間において変化する前記蓄電池の充電電力の中での最大値
P2:所定期間において変化する前記蓄電池の放電電力の中での最大値
R1:前記蓄電池の充電時における内部抵抗値
R2:前記蓄電池の放電時における内部抵抗値
αおよびβ:安全裕度としての任意の値 - 前記内部抵抗値算出部は、以下(式3)および(式4)に記載のI1,I2,I3,I4,U1,U2,U3およびU4を前記データ記憶部から取得し、以下(式3)に基づき前記R1を算出し、以下(式4)に基づき前記R2を算出することを特徴とする請求項1に記載の判定装置。
(式3)…(U2-U1)/(I2-I1)
(式4)…(U3-U4)/(I4-I3)
U1:前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、一定の電流値I1により第1所定時間の充電を行い、当該充電が終了する直前に電流値I1が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
U2:前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、前記電流値I1よりも大きな一定の電流値I2により第1所定時間の充電を行い、当該充電が終了する直前に電流値I2が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
U3:前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、一定の電流値I3により第2所定時間の放電を行い、当該放電が終了する直前に電流値I3が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値
U4:前記蓄電池に対して、充放電が行われていない待機状態から、前記電流値I3よりも大きな一定の電流値I4により第2所定時間の放電を行い、当該放電が終了する直前に電流値I4が通電されている状態で計測された蓄電池の電圧値 - 前記内部抵抗値算出部は、
前記蓄電池に交流電力を重畳させて測定されたインピーダンスの周波数依存性に基づいて、前記蓄電池に係る等価回路モデルをフィッティング解析し、得られた等価回路モデルにおける抵抗値を、前記R1および前記R2の少なくともいずれか一方とすることを特徴とする請求項1に記載の判定装置。 - 前記内部抵抗値算出部は、
前記蓄電池の充放電に伴う電流および電圧の変化を過渡応答特性に基づいて、前記蓄電池に係る等価回路モデルをフィッティング解析し、得られた等価回路モデルにおける抵抗値を、前記R1および前記R2の少なくともいずれか一方とすることを特徴とする請求項1に記載の判定装置。 - 前記R1の時間依存性を、前記R1とそれに対応する電池運用時間とから算出し、前記(式1)が成立する時期を推定する第1蓄電池寿命推定部を備えていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の判定装置。
- 前記R2の時間依存性を、前記R2とそれに対応する電池運用時間とから算出し、前記(式2)が成立する時期を推定する第2蓄電池寿命推定部を備えていることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の判定装置。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の判定装置と、
前記蓄電池の充放電時における電流値を測定し、測定された前記電流値を前記データ記憶部に記憶させる電流計と、
前記蓄電池の充放電時における電圧値を測定し、測定された前記電圧値を前記データ記憶部に記憶させる電圧計と、
前記蓄電池に接続される蓄電池用パワーコンディショナと、
前記再生可能エネルギー発電システムにて電力を発電する再生可能エネルギー発電装置に接続される再生可能エネルギー発電用パワーコンディショナと、
を備えることを特徴とする電力供給システム。 - 再生可能エネルギー発電システムにて発電される電力を蓄電する蓄電池を備え、電力系統に出力される電力の変化率が所定範囲になるように、前記蓄電池が充放電を繰り返して前記電力系統に出力される電力の出力変動を抑制する形式の蓄電システムに備わる前記蓄電池の劣化を判定するための判定方法であって、
以下(式1)および(式2)に記載のEMAXおよびEMINを前記蓄電池の仕様から取得し、以下(式1)および(式2)に記載のE1,E2,P1およびP2の値を、所定期間における前記蓄電池の充放電挙動に係るデータを記憶したデータ記憶部から取得する劣化判定用パラメータ取得工程と、
以下(式1)および(式2)に記載のR1およびR2を算出する内部抵抗値算出工程と、
以下(式1)および(式2)の少なくとも一方が成立する場合に、前記蓄電池は劣化しており、以下(式1)および(式2)のいずれも成立しない場合は、前記蓄電池は劣化していないと判定する、判定式成立性判断工程と、を備えていることを特徴とする判定方法。
(式1)…EMAX-E1≦α×P1/E1×R1
(式2)…E2-EMIN≦β×P2/E2×R2
EMAX:前記蓄電池の仕様として設定された上限電圧
EMIN:前記蓄電池の仕様として設定された下限電圧
E1:所定期間において変化する前記蓄電池のSOC(State Of Charge)の中で最大のSOCに対応する、開回路電圧(Open Circuit Voltage)の最大値
E2:所定期間において変化する前記蓄電池のSOCの中で最小のSOCに対応する、開回路電圧の最小値
P1:所定期間において変化する前記蓄電池の充電電力の中での最大値
P2:所定期間において変化する前記蓄電池の放電電力の中での最大値
R1:前記蓄電池の充電時における内部抵抗値
R2:前記蓄電池の放電時における内部抵抗値
αおよびβ:安全裕度としての任意の値
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JP2019137181A JP7173492B2 (ja) | 2019-07-25 | 2019-07-25 | 判定装置、判定装置を備える電力供給システムおよび判定方法 |
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