JPWO2017026175A1 - 蓄電システム及びその管理方法 - Google Patents

Abstract

蓄電システムは、複数の蓄電池モジュールを備えた蓄電装置と、複数の蓄電池モジュールの状態を測定するモニタ部と、モニタ部の測定結果から蓄電池モジュール毎の劣化状態を算出する算出部と、蓄電装置、モニタ部及び算出部の動作を制御する制御部とを有する。算出部は、蓄電池モジュール毎の劣化状態が平準化するように設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択し、制御部は算出部で選択された蓄電池モジュールを外部へ通知する。

Description

本発明は複数の蓄電池モジュールを備えた蓄電システム及びその管理方法に関する。

近年、太陽光発電装置や風力発電装置等で発電された再生可能エネルギー、あるいは割安な夜間電力等を有効に利用するために蓄電システムが普及しつつある。蓄電システムが備える蓄電池（二次電池）セルは、満充電状態での保管期間や充放電サイクル数に比例して特性が劣化して、放電容量が低下することが知られている。そのため、蓄電システムでは、放電容量が初期の放電容量の、例えば７０％まで低下したときを製品寿命として定義している。一方で、蓄電システムのユーザからは該蓄電システムのさらなる長寿命化を求められている。

蓄電システムは、通常、直列に接続された複数の蓄電池セルから成る畜電池モジュールを複数備えた構成であり、各畜電池モジュールの劣化進行速度は、同じ製造メーカの同じ製品であっても、その個体差や設置環境によって異なる。そのため、蓄電システムでは、劣化の進んだ蓄電池モジュールと劣化の少ない畜電池モジュールとが混在することが多い。その場合、蓄電システム全体の製品寿命は、劣化が最も進んだ畜電池モジュールによって決まってしまう。

なお、蓄電池モジュール（蓄電池装置）が備える複数の蓄電池セルの劣化状態を平準化することで、該蓄電池モジュールの製品寿命を延ばすための技術は、例えば特許文献１で提案されている。

また、蓄電システムや蓄電池モジュールの製品寿命を延ばすための技術ではないが、直列に接続された複数の蓄電池セルから成る蓄電池モジュール（組電池）の余寿命を推測するための手法は特許文献２に記載されている。同様に、蓄電システムや蓄電池モジュールの製品寿命を延ばすための技術ではないが、直列に接続された複数の蓄電池セルから成る蓄電池モジュール（組電池）における各蓄電池セルの充電量のバラツキを低減するための手法は特許文献３に記載されている。

上述した特許文献１には、直列に接続された複数の蓄電池セル毎の劣化状態をそれぞれ判別し、該劣化状態に応じて充電電圧や充電量を変更することで、蓄電池セル毎の劣化状態を平準化することが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、蓄電池セル毎の充電電圧を制御するために、充電対象となる蓄電池セルを選択するための選択部と、蓄電池セル毎に異なる充電電圧を印加するための給電部とが必要になる。そのため、蓄電システムのコストが上昇する課題がある。一方、上述した特許文献２や特許文献３は、蓄電システムや蓄電池モジュールの製品寿命を延ばすための技術を何も示していない。

国際公開第２０１３／０９４３４４号 国際公開第２０１２／１３７４５６号 特開平０９−２００９６９号公報

そこで、本発明は、コストの増大を招くことなく、製品寿命の延長に寄与する蓄電システム及びその管理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本発明の蓄電システムは、複数の蓄電池モジュールを備えた蓄電装置と、
前記複数の蓄電池モジュールの状態を測定するモニタ部と、
前記モニタ部の測定結果から前記蓄電池モジュール毎の劣化状態を算出する算出部と、
前記蓄電装置、前記モニタ部及び前記算出部の動作を制御する制御部と、
を有し、
前記算出部は、
前記蓄電池モジュール毎の劣化状態が平準化するように、設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択し、
前記制御部は、
前記算出部で選択された蓄電池モジュールを外部へ通知する構成である。

一方、本発明の蓄電システムの管理方法は、複数の蓄電池モジュールを備えた蓄電装置を有する蓄電システムの管理方法であって、
前記複数の蓄電池モジュールの状態を測定するモニタ部を備え、
コンピュータが、
前記モニタ部の測定結果から前記蓄電池モジュール毎の劣化状態を算出し、
前記複数の蓄電池モジュールの劣化状態が平準化するように、設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択し、
該選択された蓄電池モジュールを外部へ通知する方法である。

図１は、本発明の蓄電池システムの一構成例を示すブロック図である。 図２は、図１に示した蓄電池システムの詳細な構成例を示すブロック図である。 図３は、図１及び図２に示した蓄電システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図４は、制御部による劣化測定指示の出力タイミングの一例を示すテーブル図である。 図５は、制御部による長寿命モード算出指示の出力要否の判定に用いるしきい値の一例を示すテーブル図である。 図６は、本発明の効果の一例を示すグラフである。

次に本発明について図面を用いて説明する。
図１は本発明の蓄電池システムの一構成例を示すブロック図であり、図２は図１に示した蓄電池システムの詳細な構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の蓄電システムは、蓄電装置１００、モニタ部２００、算出部３００及び制御部４００を有する。
図２に示すように、蓄電装置１００は、複数（Ｎ台）の蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎを備える。
モニタ部２００は、温度モニタ部２０１、電圧モニタ部２０２及び電流モニタ部２０３を備え、蓄電装置１００が備える各蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの状態（充放電時における端子間電圧、充放電電流、温度）をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。

温度モニタ部２０１は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の温度をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。
電圧モニタ部２０２は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の充放電時における端子間電圧をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。あるいは、電圧モニタ部２０２は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の満充電時における端子間電圧をそれぞれ測定する。
電流モニタ部２０３は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の充放電時における電流（充放電電流）を測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。

算出部３００は、劣化度算出部３０１及び長寿命モード算出部３０２を備え、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態や蓄電装置１００の長寿命モードを算出し、その算出結果を制御部４００に出力する。長寿命モードとは、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態を平準化して蓄電装置１００の製品寿命を延ばすための処理を示す。本発明の算出部３００は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの温度や劣化状態に応じて、蓄電装置１００内における設置場所を変更する蓄電池モジュールを選択する。算出部３００で選択された蓄電池モジュールは、制御部４００によって外部へ通知される。
蓄電システムの管理者あるいは保守者は、例えば定期点検時に制御部４００から通知された蓄電池モジュールの設置場所を交換することで、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態を平準化できる。

制御部４００は、蓄電池装置１００、モニタ部２００及び算出部３００の動作を制御する。制御部４００は、算出部３００の計算によって選択された蓄電池モジュールを管理者あるいは保守者へ通知するため、外部の情報処理装置（コンピュータ）と通信可能に接続するための通信インタフェース（不図示）を備える。制御部４００は、算出部３００で選択された蓄電池モジュールを表示するための表示装置（不図示）を備えていてもよい。

モニタ部２００は、セル電圧モニタ機能、充放電電流モニタ機能、温度モニタ機能を備える、周知の蓄電池保護用ＩＣ（Integrated Circuit）を用いて実現できる。
算出部３００及び制御部４００は，例えばプログラムにしたがって所要の処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置、各種の論理回路等を備えた情報処理用のＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）、例えばマイクロコンピュータ等で実現できる。

次に、図１及び図２に示した本発明の蓄電システムの動作について図面を用いて説明する。
図３は、図１及び図２に示した蓄電システムの動作の一例を示すフローチャートである。
図３に示すように、制御部４００は、蓄電装置１００の充放電サイクル数、または蓄電装置１００の運用日数（運用時間）を計数し、充放電サイクル数または運用日数が予め設定された所定数に到達したか否かを判定する（ステップＳ１）。
蓄電装置１００の充放電サイクル数が所定数に到達すると、または蓄電装置１００の運用日数が所定数に到達すると、制御部４００は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態の算出を指示する劣化測定指示をモニタ部２００及び算出部３００にそれぞれ出力する（ステップＳ２）。

モニタ部２００は、制御部４００から劣化測定指示を受信すると、電圧モニタ部２０２により蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの充放電時における端子間電圧をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。また、モニタ部２００は、制御部４００から劣化測定指示を受信すると、電流モニタ部２０３により蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの充放電電流をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。モニタ部２００は、電圧モニタ部２０２により蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの満充電時における端子間電圧をそれぞれ測定して算出部３００に出力してもよい。

算出部３００は、電圧モニタ部２０２及び電流モニタ部２０３で測定された蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の充放電時における端子間電圧及び充放電電流の値に基づき、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態を示すＳＯＨ（State of Health）をそれぞれ算出し、その算出結果を制御部４００に報告する（ステップＳ３）。
また、制御部４００は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎のＳＯＨのバラツキが予め設定したしきい値を超えるか否かを判定し（ステップＳ４）、ＳＯＨのバラツキがしきい値を超える場合は、長寿命モードを算出する指示である長寿命モード算出指示をモニタ部２００及び算出部３００に出力する。ＳＯＨのバラツキがしきい値を超えない場合は処理を終了する。
モニタ部２００は、制御部４００から長寿命モード算出指示を受信すると、温度モニタ部２０１により蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの温度をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。

算出部３００は、制御部４００から長寿命モード算出指示を受信すると、温度モニタ部２０１で測定された蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の温度と、算出した蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎のＳＯＨの値とに基づいて、蓄電装置１００の長寿命モードを算出し、その算出結果を制御部４００に報告する（ステップＳ５）。
制御部４００は、算出部３００から長寿命モードの算出結果を受け取ると、該算出結果に含まれる、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態を平準化するために選択された設置場所を交換する蓄電池モジュールを外部へ通知する（ステップＳ６）。
蓄電システムの管理者あるいは保守者は、制御部４００から通知された蓄電池モジュールの設置場所を交換することで、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態を平準化する。

次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
上述したように、制御部４００は、予め設定されたタイミングで上記劣化測定指示をモニタ部２００及び算出部３００に出力する。制御部４００が劣化測定指示を出力するタイミングは、蓄電装置１００の充放電サイクル数に基づいて設定してもよく、蓄電装置１００の運用日数に基づいて設定してもよい。制御部４００は、蓄電装置１００が予め設定された充放電サイクル数または運用日数に到達したら、劣化状態の算出を指示する劣化測定指示を出力する。

図４は、制御部による劣化測定指示の出力タイミングの一例を示すテーブル図である。
図４に示すように、制御部４００は、例えば蓄電装置１００の運用を開始してから３６０日（約１年）が経過すると、上記劣化測定指示を出力する。その後、１８０日間隔で劣化測定指示を出力する。

電圧モニタ部２０２は、制御部４００から上記劣化測定指示を受信すると、測定した蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の充放電時における端子間電圧を算出部３００に出力する。また、電流モニタ部２０３は、測定した蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の充放電電流を算出部３００に出力する。

算出部３００は、電圧モニタ部２０２及び電流モニタ部２０３から得られた蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの充放電時における端子間電圧及び充放電電流の値に基づき、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎のＳＯＨを算出し、該算出結果を制御部４００に報告する。ＳＯＨは、例えば以下の式を用いて算出すればよい。
ＳＯＨ＝現状の放電容量／初期放電容量×１００（％）
ここで、放電時の端子間電圧をｖ、放電電流をｉ、初期放電容量をｃ_０とすると、ＳＯＨは、以下の式を用いて算出できる。

ＳＯＨは、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの満充電電圧と初期満充電電圧とを用いて以下の式で算出してもよい。その場合、電圧モニタ部２０１は、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの満充電時における端子間電圧を測定すればよい。
ＳＯＨ＝現状の満充電電圧／初期満充電電圧×１００（％）
算出部３００は、ＳＯＨの計算に必要な、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の初期放電容量や初期満充電電圧の値を予めメモリ等で保存しているものとする。

制御部４００は、算出した蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎のＳＯＨのバラツキが予め設定されたしきい値を超える場合、算出部３００に長寿命モードを算出させるための指示である長寿命モード算出指示を出力する。ＳＯＨのバラツキには、最小のＳＯＨと最大のＳＯＨとの差を用いればよい。

図５は、制御部による長寿命モード算出要否の判定に用いるしきい値の一例を示すテーブル図である。
図５に示すように、長寿命モードを実施することによるコストを低減するには、長寿命モードの実施回数は少ないことが望ましい。一方、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の劣化状態を平準化するには長寿命モードの実施回数は多いことが望ましい。そのため、しきい値は、これらのバランスを考慮して５％以上に設定することが好ましい。

温度モニタ部２０１は、制御部４００から長寿命モード算出指示を受信すると、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの温度をそれぞれ測定し、その測定結果を算出部３００に出力する。
算出部３００は、温度モニタ部２０１から得られた蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の温度情報と、蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態を示す該蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎のＳＯＨの値に基づき、各蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態のバラツキを平準化するための長寿命モードを算出し、その算出結果を制御部４００に報告する。

長寿命モードは、上述したように蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の劣化状態と温度との関連性に基づいて設置場所を交換（ローテーション）する蓄電池モジュールを選択して通知する処理である。
蓄電システムの管理者あるいは保守者は、長寿命モードで選択された蓄電池モジュールを、予め設定された時期にローテーションすることで、各蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態のバラツキを平準化できる。

蓄電池モジュールのローテーションの一例としては、例えば蓄電装置１００の内部温度が最も高い場所に設置された蓄電池モジュールと内部温度が最も低い場所に設置された蓄電池モジュールとを交換する方法がある。また、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も少ない蓄電池モジュールの場所を交換する方法も、蓄電池モジュールのローテーションの一例である。

蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎには個体差があるため、蓄電装置１００の内部温度と蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎ毎の劣化状態とをそれぞれ考慮してローテーションする蓄電池モジュールを選択してもよい。なお、蓄電池モジュールのローテーションに要するコストを低減するため、蓄電池モジュールのローテーションは、例えば蓄電装置１００の定期点検時に実施することが望ましい。

図６、本発明の効果の一例を示すグラフである。
図６は、劣化が最も進んだ蓄電池モジュール及び劣化の最も少ない蓄電池モジュールの充放電サイクル数に対する放電容量特性のシミュレーション結果をそれぞれ示している。
ここでは、蓄電装置１００が６台の蓄電池モジュール１０_１〜１０_６を備え、該蓄電装置１００の製品寿命を初期容量（≒８９０Ｗｈ）の７０％（≒６２３Ｗｈ）に設定した例で説明する。また、蓄電池モジュールの劣化状態を平準化するため、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も少ない蓄電池モジュールの設置場所を交換（ローテーション）するものとする。

図６の点線は、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールの充放電サイクル数に対する放電容量の予測特性を示し、図６の実線は、劣化が最も進んでいない蓄電池モジュールの充放電サイクルに対する放電容量の予測特性を示している。
また、図６の点線及び実線で示す放電容量特性は、充放電サイクル数が８００のときからそれぞれ２本に分岐している。これは、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も進んでない蓄電池モジュールの設置場所を交換した場合の特性と交換しない場合の特性とを示している。

具体的には、図６の点線で示す２本の分岐した特性のうち、向かって左の特性は、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も進んでない蓄電池モジュールの場所を交換していないときの特性を示し、向かって右の特性は、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も進んでない蓄電池モジュールの場所を交換したときの特性を示している。また、図６の実線で示す２本の分岐した特性のうち、向かって左の特性は、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も進んでない蓄電池モジュールの場所を交換したときの特性を示し、向かって右の特性は、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も進んでない蓄電池モジュールの場所を交換していないときの特性を示している。

図６に示すように、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化の最も少ない蓄電池モジュールの設置場所を交換しない場合、充放電サイクル数がおよそ１６８０で劣化が最も進んだ蓄電池モジュールの放電容量が初期容量の７０％に到達する。そのため、蓄電装置１００全体の製品寿命も充放電サイクル数が１６８０程度となる。

一方、充放電サイクル数が８００のときに、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も少ない蓄電池モジュールの場所を交換した場合、充放電サイクル数がおよそ１８４０で劣化が最も進んだ蓄電池モジュールの放電容量が初期容量の７０％に到達する。
すなわち、蓄電装置１００の製品寿命も充放電サイクル数が１８４０程度となるため、蓄電装置１００の製品寿命に到達する充放電サイクル数を約１６０程度延ばすことができる。

本発明によれば、蓄電装置１００が所定の充放電サイクル数あるいは運用日数に到達すると、制御部４００の指示にしたがってモニタ部２００が蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの状態をそれぞれ測定し、算出部３００により各蓄電池モジュール１０_１〜１０_Ｎの劣化状態のバラツキを算出し、該バラツキが平準化するようにローテーションする蓄電池モジュールを選択する。そして、該選択した蓄電池モジュールを、例えば蓄電装置１００の定期点検時にローテーションすれば、蓄電池モジュールの劣化状態のバラツキが平準化されるため、蓄電システムの製品寿命を延ばすことができる。すなわち、製品寿命の延長に寄与する蓄電システムが得られる。

また、本発明では、モニタ部２００を蓄電池の保護用ＩＣを用いて実現することが可能であり、算出部３００及び制御部４００の機能を、例えばマイクロコンピュータ等で実現できる。通常、保護用ＩＣや制御用のマイクロコンピュータ等は蓄電システムに元々備えているため、新たな回路等を追加する必要がない。そのため、コストの増大を招くことなく、製品寿命の延長に寄与する蓄電システムが得られる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細は本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更が可能である。

この出願は、２０１５年８月７日に出願された特願２０１５−１５６７２１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

1. 複数の蓄電池モジュールを備えた蓄電装置と、
   前記複数の蓄電池モジュールの状態を測定するモニタ部と、
   前記モニタ部の測定結果から前記蓄電池モジュール毎の劣化状態を算出する算出部と、
   前記蓄電装置、前記モニタ部及び前記算出部の動作を制御する制御部と、
   を有し、
   前記算出部は、
   前記蓄電池モジュール毎の劣化状態が平準化するように、設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択し、
   前記制御部は、
   前記算出部で選択された蓄電池モジュールを外部へ通知する蓄電システム。
2. 前記制御部は、
   前記蓄電池モジュール毎の劣化状態を示す値のバラツキが所定のしきい値以上であるとき、前記算出部に前記設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択させる請求項１記載の蓄電システム。
3. 前記算出部は、
   前記設置場所を交換する蓄電池モジュールとして、温度が最も高い蓄電池モジュールと温度が最も低い蓄電池モジュールとを選択する請求項１または２記載の蓄電システム。
4. 前記算出部は、
   前記設置場所を交換する蓄電池モジュールとして、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も少ない蓄電池モジュールとを選択する請求項１または２記載の蓄電システム。
5. 前記算出部は、
   前記劣化状態として、前記蓄電池モジュールのＳＯＨ（State of Health）を算出する請求項１から４のいずれか１項記載の蓄電システム。
6. 複数の蓄電池モジュールを備えた蓄電装置を有する蓄電システムの管理方法であって、
   前記複数の蓄電池モジュールの状態を測定するモニタ部を備え、
   コンピュータが、
   前記モニタ部の測定結果から前記蓄電池モジュール毎の劣化状態を算出し、
   前記複数の蓄電池モジュールの劣化状態が平準化するように、設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択し、
   該選択された蓄電池モジュールを外部へ通知する蓄電システムの管理方法。
7. 前記コンピュータが、
   前記蓄電池モジュール毎の劣化状態を示す値のバラツキが所定のしきい値以上であるとき、前記設置場所を交換する蓄電池モジュールを選択する請求項６記載の蓄電システムの管理方法。
8. 前記コンピュータが、
   前記設置場所を交換する蓄電池モジュールとして、温度が最も高い蓄電池モジュールと温度が最も低い蓄電池モジュールとを選択する請求項６または７記載の蓄電システムの管理方法。
9. 前記コンピュータが、
   前記設置場所を交換する蓄電池モジュールとして、劣化が最も進んだ蓄電池モジュールと劣化が最も少ない蓄電池モジュールとを選択する請求項６または７記載の蓄電システムの管理方法。
10. 前記コンピュータが、
    前記劣化状態として、前記蓄電池モジュールのＳＯＨ（State of Health）を算出する請求項６から９のいずれか１項記載の蓄電システムの管理方法。

Images