CN111512171A - 蓄电池的经济性估计装置和经济性估计方法 - Google Patents

蓄电池的经济性估计装置和经济性估计方法 Download PDF

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Abstract

蓄电池的经济性估计装置以及其经济性估计方法，使用预先求得的放电电压和充电上限电压的差电压，估计通过二次电池的满充电容量和充放电电量而被关联的经济性指标。

Description

蓄电池的经济性估计装置和经济性估计方法
技术领域
本发明的实施方式涉及估计蓄电池的经济性的蓄电池的经济性估计装置和经济性估计方法。
背景技术
以往，有被装载在设置于大型建筑物内的蓄电装置中的锂离子蓄电池。这种锂离子蓄电池被利用为以降低电力需求的削峰、蓄电夜间电力而在白天使用的调峰为目的的使用，灾难对策的应急电源。正在研究有效利用这样的固定式用锂离子电池，优化以时间段收取费用时的电力使用而得到经济效益(merit)。即，通过在电费便宜的时间段内将蓄电池充电，在电费较高的时间段内放电的运用，得到经济性的效益。由于这种情况下的经济效益由电力的交易单位即电量决定，所以充电电量和充放电效率产生直接影响。因此，锂离子蓄电池的劣化状态的管理成为重要的关注事项，提出了用于掌握劣化状态的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-044149号公报
专利文献2：日本特开2002-131402号公报
发明内容
发明要解决的课题
例如，在专利文献1中，提出了不测量放电容量，而利用了多个频率中的阻抗和放电容量之间的关系的剩余容量估计方法。此外，在专利文献2中，提出了将满充电的锂离子蓄电池放电，在从放电开始经过了规定时间之后，使用在2时间点计测的放电电压之差，估计电池的剩余容量的测量方法。这些方法可以估计剩余容量，但由于无法估计充放电曲线本身，所以在管理劣化状态上并不充分。
此外，在前述的劣化状态的估计方法中，未进行基于锂离子蓄电池的经济效益的判断。由于这种估计方法仅根据电池的劣化状态而粗略地判断经济性是否下降，所以经济性的估计需要考虑准确性。
因此，本发明的目的在于，提供使用预先求得的放电电压和充电上限电压的差电压，估计通过二次电池的满充电容量和充放电电量而被关联的经济性指标的蓄电池的经济性估计装置以及其经济性估计方法。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的，依照本发明的实施方式的电池的经济性估计装置，包括：充电单元，探测二次电池的充电状态，使其满充电至预定的充电上限电压；放电单元，对被满充电的所述二次电池，电连接负载，使所述二次电池放电；电压测量单元，在开始了所述放电单元的放电后，从经过伴随所述二次电池内电荷移动的瞬态响应消失的时间后起预先规定的时间范围内开始计测，测量放电电压；以及
估计运算处理单元，使用通过测量求得的所述放电电压和所述充电上限电压的差电压，估计以通过预先求得的差电压和所述二次电池的满充电容量以及充放电电量而关联的式
SOEc＝(Gcurr-Gend)/(Gnew-Gend)
表示的经济性指标SOEc，其中，G是以(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000表示的与1次充放电周期相当的经济效益，所述Gcurr是与1次当前的充放电周期相当的经济效益，所述Gnew是与1次新品时的充放电周期相当的经济效益，所述Gend是与1次电池寿命后期的充放电周期相当的经济效益，而且，Ec[Wh]：充电电量，Ed[Wh]：放电电量，Thigh[日元/kWh]：收费较高的时间段的电费，Tlow[日元/kWh]：收费较低的时间段的电费。
而且，通过依照本发明的实施方式的电池的经济性估计装置估计二次电池的经济性指标SOEc的方法具有：将二次电池充电至预先设定的充电上限电压Vc的满充电处理；在所述满充电处理之后使电池温度适应于环境温度的稳定处理；在所述稳定处理之后被实施的放电处理；在多个充电容量中计算并估计所述二次电池的规定的充电容量中的估计充电电压Vpc的充电电压估计处理；以及在多个放电容量中计算并估计所述二次电池的规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的放电电压估计处理，经济性的估计中，计算在所述放电处理中伴随电荷移动的瞬态响应消失后规定的时间的范围内开始计测而获取的放电电压Vd与所述充电上限电压Vc的差电压Ve，从基于预先求得的所述差电压Ve和规定的充电容量中的估计充电电压Vpc的关系式Ve＝Vc-Vd、Vpc＝An×Ve+Bn(An及Bn为常数)，计算并估计从所述差电压Ve算出的规定的充电容量中的估计充电电压Vpc，进而基于预先求得的所述差电压Ve和所述二次电池的规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的关系式Ve＝Vc-Vd、Vpd＝Cn×Ve+Dn(Cn及Dn为常数)，计算并估计从所述差电压Ve算出的规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的充放电电压估计处理中，通过基于多个所述估计充电电压Vpc求得近似曲线而估计充电曲线，通过基于多个所述估计放电电压Vpd求得近似曲线而估计放电曲线，基于预先求得的所述差电压Ve和所述二次电池的满充电容量FCC的关系式FCC＝M×Ve+N(M及N为常数)，估计从所述差电压Ve算出的当前的充放电周期的满充电容量FCCcurr，从所述满充电容量FCCcurr和所述充电曲线估计当前的充放电周期的充电电量Eccurr，从所述满充电容量FCCcurr和所述放电曲线估计当前的充放电周期的放电电量Edcurr，根据以式
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000
表示的与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式，估计与1次当前的充放电周期相当的经济效益Gcurr，基于所述满充电容量FCC的关系式，计算并估计从初始差电压Ve0算出的初始满充电容量FCC0，从初始满充电容量FCC0和所述充电曲线估计初始充电电量Ec0，从初始满充电容量FCC0和所述放电曲线估计初始放电电量Ed0，根据初始充电电量Ec0和初始放电电量Ed0，基于以式
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000
表示的与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式，估计与1次初始充放电周期相当的经济效益Gnew，基于所述满充电容量FCC的关系式，计算并估计从寿命后期差电压Veend算出的寿命后期满充电容量FCCend，从所述寿命后期满充电容量FCCend和所述充电曲线估计寿命后期充电电量Ecend，从所述寿命后期满充电容量FCCend和所述放电曲线估计寿命后期放电电量Edend，由所述寿命后期充电电量Ecend和所述寿命后期放电电量Edend，基于以式
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000
表示的与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式，估计与1次寿命后期的充放电周期相当的经济效益Gend，估计以式
SOEc＝(Gcurr-Gend)/(Gnew-Gend)
表示的经济性指标SOEc。
发明效果
根据本发明，由于可以通过经济性指标SOEc的估计而准确地掌握锂离子蓄电池的经济性，所以在综合运用多个蓄电池的情况下，可以进行经济上适当的运用。
附图说明
图1是表示装载实施方式的蓄电池的经济性估计装置的蓄电系统的结构的框图。
图2是表示多个蓄电装置进行网络通信的蓄电系统的结构例子的图。
图3是表示蓄电池的经济性估计装置的结构例子的框图。
图4是用于说明蓄电池的经济性估计装置的经济性估计方法的流程图。
图5是表示充电电压和差电压的关系式的系数的图。
图6是表示放电电压和差电压的关系式的系数的图。
图7是表示多项式的系数ai的一例子的图。
图8是表示多项式的系数bi的一例子的图。
图9是表示充放电曲线的多项式回归结果的图。
图10是表示本实施方式的与从8串联模组中的放电开始起20秒后的放电电压的差电压和满充电容量的关系的图。
图11是用于说明从各周期的差电压被估计出的经济效益的图。
图12是用于说明寿命定义和寿命后期经济效益的图。
图13是表示差电压和经济性指标的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的一实施方式的蓄电池的经济性估计装置以及其经济性估计方法。
图1表示装载本实施方式的蓄电池的经济性估计装置的蓄电装置的结构。该蓄电装置1主要由功率调节器(Power conditioning system)2、电池模组3、电池管理单元(电池管理单元BMU：Battery Management Unit)4、电能管理单元(电能管理单元EMU：EnergyManagement Unit或EMS：Energy Management system)5、经济性估计装置6、以及电池温度测量单元7构成。另外，虽未图示，但通常的蓄电装置所具备的结构部位，本实施方式的蓄电装置也具备，省略详细的说明。
功率调节器2用作将从外部的电力公司等的电力系统9供给的电力或从太阳能发电系统供给的电力、或从电池模组3供给的电力转换为使得该电力能够利用于包含特定负载8的电驱动设备的所谓转换器。而且，也可以具有将蓄电池充电的充电器的功能。例如，如果特定负载8为以交流电力驱动的电气设备，则将从电池模组3供给的直流电力转换为交流电力的电力形式。此外，通过特定负载8的电气设备，也可以使电力的电压值升压。而且，功率调节器2不仅向特定负载8供电。而且，在从电力系统9供给的电力的消耗为最大时，释放被存储在电池模组3中的电能。释放所述电能，可以降低从电力系统9供给的电力的消耗。这种情况下，对于放电后的电池模组3，在深夜等的电力需要下降时，可以通过功率调节器2，使其充电至满充电。
假定蓄电装置1的电力供给目的地即特定负载8为在从电力系统9停止了供电时(例如，停电时)应供给电力的设备。特定负载8，例如是计算机等的电子设备或通信设备等，被进行用于备用电源的供电。
电池模组3包括输出直流电流电压的二次电池(蓄电池)11、单元电池监视单元(单元电池监视单元CMU：Cell Monitor Unit)12、以及保护单元13。根据特定负载等的供电量中的设计，电池模组3被适当设定其数量。在形成大容量的二次电池的情况下，有时将多个电池模组3电连接，作为1台的电池组构成。此外，在本实施方式中，作为成为充放电曲线估计的对象的二次电池11，以锂离子蓄电池为一例子进行说明。但是，不限于此，与锂离子蓄电池同样，如果是记忆效应较小、并且自放电特性良好的电池，则也可以容易地适用于不同构造的电池。二次电池11，例如也可适用于从锂离子蓄电池改进的纳米线电池等。
本实施方式的二次电池11没有被限定电池内部材料(电极材料等)和单元电池(cell)构造。在外装材料的形式中，二次电池11也有圆柱罐型、四角形罐型以及层叠型等。二次电池11的连接方式可以适用单电池、串联电池组、或并联电池组等公知的连接方式。
电池温度测量单元7通过被配置得使得连接到各二次电池11的未图示的温度传感器测量温度。装置内的锂离子蓄电池的可使用的环境温度为大致5～40℃的范围，根据设置环境(寒冷地区和热带地区)，也可在装置内装载电池用温度调整机构。该电池用温度调整机构由在前述的二次电池11的可使用的范围内(5～40℃左右)用于进行温度调整的风扇或加热器构成。在由电池温度测量单元7测量出的温度超过了预先设定的温度范围的上限或下限的情况下，电池用温度调整机构进行温度调整，使得电池性能不下降。当然，在通过之后的电池改进，二次电池11的可使用的温度范围扩大了的情况下，可以应对这些所有的温度范围。
单元电池监视单元12持续不断地计测单电池(或单个单元电池)的每个二次电池11的输出电压、电流及温度，将测量结果发送到电池管理单元4。单元电池监视单元12特别随着后述的运算控制单元14的控制，在用于充放电曲线估计的放电处理中，在从伴随电荷移动的瞬态响应消失的放电时间之中规定的固定时间内计测放电电压Vd。
而且，单元电池监视单元12将从二次电池11获取的输出电压、电流及温度作为监视信息发送到电池管理单元4。电池管理单元4基于接收的监视信息，判断过充电、过放电及温度上升等的异常发生，控制保护单元13，使对二次电池11的充电或输出(放电)停止，防止过充电及过放电。另外，在发生了二次电池11的故障等引起的紧急异常的情况下，保护单元13通过电气断路而使对二次电池11的充电或输出(放电)停止。而且，通过向电池管理单元4通知异常，还可以具有避免危险的功能。另外，异常发生的判断是必需的，但其判断功能装载在电池模组3侧的单元电池监视单元12、或蓄电装置1侧的电池管理单元4的任何一个上即可，也可以装载在各自上通过双重的判断而提高安全性。在双重的判断中，预先确定判断的优先顺序，例如，单元电池监视单元12首先进行异常发生的判断，之后电池管理单元4进行第2次的异常发生的判断。作为此时的判断处置，通常在2个判断单元之中，任何一方判断为异常的情况下，执行保护单元13的保护动作。另外，根据设计思想，也可以为仅在两方判断为异常的情况下，执行保护单元13的保护动作，在仅一方判断为异常的情况下，发出警告的结构。
而且，电池管理单元4将从各个电池模组3的单元电池监视单元12发送的监视信息统一地汇集，发送到高层的电能管理单元5。该电能管理单元5基于这些监视信息，对功率调节器2，指示电池模组3的充电及放电。功率调节器2根据指示，控制电池模组3的充电及放电。
电能管理单元5由运算控制单元14、显示单元15、服务器16、以及接口单元17构成。
运算控制单元14具有与计算机的运算处理单元等同等的功能。运算控制单元14对电池管理单元4指示对电池模组3的充电及放电、对功率调节器2指示电池模组3的充电及放电。此外，对每个电池模组3被预先设定充电上限电压值和放电下限电压值。运算控制单元14基于从电能管理单元5发送的监视信息，指示充电停止或放电停止。
显示单元15，例如由液晶显示单元构成，通过运算控制单元14的控制，显示蓄电装置1的运行状况或电池模组3(二次电池11)的剩余容量等、以及警告事项。此外，显示单元15也可以采用触摸面板等，用作输入设备。
服务器16以随时进行存储的方式存储被发送到电能管理单元5的有关蓄电装置1的运行状况和电池模组3等的监视信息和有关充放电曲线信息等中的最新信息。如图2所示，接口单元17通过互联网等的网络通信网18，对被设置在外部的集中管理系统19进行通信。
接着，说明蓄电池的经济性估计装置6。图3表示蓄电池的经济性估计装置6的结构例子。
该经济性估计装置6由充电用电源单元22、放电单元23、放电用负载单元24、电压测量单元25、时间计测单元26、以及估计运算处理单元27构成。经济性估计装置6估计电池模组3内的二次电池11中的后述的经济性指标SOEc。估计出的各二次电池11的经济性指标SOEc被存储在服务器16中。
充电用电源单元22将为二次电池11的额定值的直流电流电压输出到二次电池11，并进行满充电。该充电用电源单元22设计作为用于估计二次电池11的经济性指标SOEc的专用的电源。此外，充电用电源单元22通常也可以使用被设在蓄电装置内或功率调节器2内的电池充电用电源单元。在本实施方式中，由电压测量单元25和充电用电源单元22构成充电单元。
放电单元23包括放电用负载单元24。放电单元23通过未图示的开关操作，与二次电池11电连接地连接到放电用负载单元24，从二次电池11放电规定的电量(在这里，假定恒流或恒压)。该放电用负载单元24可以是电阻或电子负载，但也可以不设置这些专用负载而模拟负载使电力系统再生。
电压测量单元25测量电池模组3(二次电池11)输出的直流电压。该测量定时将后述，但测量在经过因放电而伴随电荷移动的瞬态响应消失的时间后的规定的时间内从电池模组3输出的直流电压。另外，对于实施电压测量，即使未实际地进行电压测量，也可借用从电池管理单元4发送的、被存储在电能管理单元5的服务器16中的监视信息内包含的电压值。时间计测单元26是用于对从电池模组3放电电力的时间进行计时的计时器。
估计运算处理单元27是存储使用了后述的关系式的运算算法，基于被测量出的二次电池11的电压值，估计经济性的运算处理单元(CPU等)。即使不专用地设在蓄电池的经济性估计装置6内，该估计运算处理单元27也可使电能管理单元5的运算控制单元14替代处理功能。如图1所示，电池模组3包括：输出直流电流电压的二次电池(蓄电池)11；单元电池监视单元(单元电池监视单元)12；以及保护单元13。电池模组3，根据特定负载等的供电量中的设计，被适当设定其数量，形成大容量的二次电池。这种情况下，有时电连接多个电池模组3，作为1台电池组构成。
此外，在本实施方式中，作为成为经济性估计的对象的二次电池11，以锂离子蓄电池为一例子进行说明，但不限定于此。本实施方式中，与锂离子蓄电池同样，如果是记忆效应较小、并且自放电特性良好的电池，则也可以容易地适用于不同构造的电池，例如，也可适用于从锂离子蓄电池改进的纳米线电池等。
接着，参照图4所示的流程图，说明本实施方式的经济性估计装置的经济性估计方法。
首先，电压测量单元25测量被装载在蓄电装置1上的电池模组3的二次电池11中的充电状态。判断该测量出的电压是否为预先设定的满充电状态即充电上限电压Vcharge－max(以下，设为Vc)(步骤S1)。在该判断中，在不是满充电状态的情况下(“否”)，通过充电用电源单元22，进行充电，直至二次电池11达到充电上限电压Vc为止(步骤S2)。
在进行该满充电处理时，进行监视并控制，使得不进行二次电池11超过了充电上限电压Vc的充电。作为充电方式，可以采用恒流、恒流恒压、恒功率或恒功率恒压的任何一种方式。在采用了恒流或恒功率的方式的情况下，一边充电一边测量二次电池11的电压，在达到了充电上限电压Vc时停止充电。此外，在采用了恒流恒压或恒功率恒压的方式的情况下，从电池的电压达到了充电上限电压Vc时起一边将电池电压维持在充电上限电压Vc一边不断缩小充电电流。之后，从达到充电上限电压Vc起，在时间测量装置计测到预定的固定时间时、或充电电流被压缩至预定的固定值时停止充电。这些充电作业既可以通过条件设定而自动控制，也可以是基于测量担当者的手动控制。
在该充电处理完成之后，由电池温度测量单元7测量二次电池11的温度，进行放置到因充电上升的电池温度适应环境温度为止的稳定处理(步骤S3)。另外，在稳定处理中，至环境温度为止的需要时间不是一元性的，因二次电池11的类别而不同。此外，该稳定处理时间需要大于充电完成后的瞬态响应收敛程度的时间，一般在几十分钟以上。另一方面，在步骤S1的判断中二次电池11为大约充电上限电压Vc(满充电状态)的情况下(“是”)，进行蓄电池的经济性估计。
首先，由放电单元23将二次电池11电连接放电用负载单元24而开始放电，并且在时间计测单元26中，开始时间的计测(步骤S4)。作为该放电方式，可以选择恒流或恒功率的任何一个。放电开始后，判断是否进入到由伴随电荷移动的瞬态响应消失的时间确定的后述的规定时间的范围内(步骤S5)。在该判断中，如果达到了规定时间内(“是”)，则由电压测量单元25测量二次电池11的放电电压Vdischarge(以下，设为Vd)(步骤S6)。
接着，判断放电电压Vd的测量是否结束、或放电开始后由时间计测单元26计测出的时间是否超过了规定时间的范围(步骤S7)。在该判断中，在电压测量结束或由时间计测单元26计测出的时间超过了规定时间的范围的情况下(“是”)，通过放电单元23停止二次电池11的放电(步骤S8)。另一方面，在计测出的时间超过规定时间的范围时(“否”)，停止放电。但是，如果在规定时间的范围内开始了放电电压Vd的测量，则使放电持续至测量结束。另外，在该规定时间的范围内放电电压Vd无法测量的情况下，作为错误告知测量者或管理者。另外，用于该计测的放电，可以利用实际地利用时的放电开始时，即使在从放电的开始起超过了计测的规定时间的情况下，根据该状况，有使放电继续的情况。当然，也可以在计测的规定时间后停止放电。
接着，进行后述的经济性估计处理(步骤S9)，基于获取的放电电压Vd，使用后述的关系式，求规定的充电容量中的估计充电电压Vpc和规定的放电容量中的估计放电电压Vpd，从求得的估计充电电压Vpc和估计放电电压Vpd，估计充放电曲线。此外，估计规定的充放电周期中的满充电容量FCC、充电电量Ec、放电电量Ed、以及与1次充放电周期相当的经济效益G，估计经济性指标SOEc。估计出的经济性指标SOEc被存储在电能管理单元5的服务器16中(步骤S10)。存储的经济性指标SOEc根据请求而从服务器16被读出并在显示单元15上被显示。
另外，在经济性估计处理中，也可以对单电池实施在充电上限电压Vc中进行充电处理或电池温度稳定、或放电处理时进行的电压测量。而且，单电池也可以是以并联或串联方式被多个连接到电池组单元之中的单电池。此外，也可以对并联或串联地连接了单电池的电池组单元实施充电处理或电池温度稳定、或放电处理时的电压测量。电池组单元也可以是并联或串联地连接多个电池组单元作为蓄电系统的电池单元的电池组单元。
这里，说明测量所述步骤S5中的放电电压Vd的规定时间。
通过由放电单元23将电池模组3电连接到放电用负载单元24而开始放电。在本实施方式中，不是在刚开始放电就开始放电电压Vd的测量，而是等待至固定的时间。该固定时间需要设为大于扩散阻抗开始产生的时间，且充电率SOC没有较大变化的程度的时间，设为几十秒(例如，10秒至70秒)左右。
在本实施方式中，由预先测量出的测量结果中的研究，设定规定时间的范围。这里，将从放电开始起进行放电电压Vd的测量的规定时间范围规定为例如10秒至70秒内。若该等待时间比10秒短，则受电荷移动阻抗出现的影响，有规定的充电容量中的估计充电电压Vpc和估计放电电压Vpd的估计精度下降的顾虑。此外，如果大约70秒，则为足以开始电压测量的时间，即使长于70秒，也无法期待规定的充电容量中的估计充电电压Vpc和估计放电电压Bpd的估计精度的显著提高，而且因长时间的放电，大量消耗被存储在二次电池11中的电量。当然，该规定时间范围为一例子，在装置结构和测量特性不同的情况中，为可变的时间，没有被严格地限定。
在本实施方式中，将规定时间范围设定为例如10秒至70秒的期间，在该规定时间的范围内开始二次电池11的放电电压Vd的测量。在电压测量结束的情况下，即使在规定时间的范围内、即在70秒以内，也停止二次电池11的放电。此外，即使在放电开始后经过的时间超过规定时间的范围也没有开始电压计测的情况下，停止放电，作为测量错误处理。
接着，说明所述步骤S9中的本实施方式的经济性估计处理。
首先，为了估计经济性，进行充放电曲线的估计。将预先设定的充电上限电压Vc和规定时间内测量出的放电电压Vd之差设为差电压V difference(以下，设为Ve)。从由差电压Ve估计的规定的充电容量中的估计充电电压Vpc和规定的放电容量中的估计放电电压Vpd，求充放电曲线。
差电压Ve和规定的充电容量中的估计充电电压Vpc成为直线性增加的线性关系，表示正的相关关系。因此，以最小二乘法线性近似而求各个充电容量中的差电压Ve和规定的充电容量中的估计充电电压Vpc的关系式。
基于预先求得的差电压Ve(上限差电压)和估计充电电压Vpc的关系式(1)
Ve＝Vc－Vd
Vpc＝An×Ve+Bn(An及Bn为常数)…(1)
，从由差电压Ve算出的估计充电电压Vpc，可以估计充电曲线。这里，在电池模组的充放电周期试验中，基于从上限差电压Ve和估计充电电压Vpc的多个充放电周期中得到的充电结果，通过基于最小二乘法的线性近似而求关系式中的常数An和Bn。
此外，差电压Ve和规定的充电容量中的估计放电电压Vpd为直线性减少的线性关系，表示负的相关关系。因此，通过以最小二乘法线性近似而求各个充电容量中的差电压Ve和规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的关系式。即，基于预先求得的上限差电压Ve和估计放电电压，从上限差电压Ve算出的估计充电电压Vpc，可以估计充电曲线，基于Vpd的关系式(2)
Ve＝Vc－Vd
Vpd＝Cn×Ve+Dn(Cn及Dn为常数)…(2)
，从由上限差电压Ve算出的估计放电电压Vpd，可以估计放电曲线。这里，在电池模组的充放电周期试验中，基于从上限差电压Ve和估计放电电压Vpd的多个充放电周期得到的放电结果，通过最小二乘法的线性近似而求关系式中的常数Cn和Dn。
如上述，如果通过最小二乘法等各种方法从估计出的规定的充电容量中的估计充电电压Vpc和估计放电电压Vpd的离散数据求近似曲线，则可以估计充放电曲线。在本实施方式中，使用将充放电曲线以12阶多项式近似的多项式回归分析。
在本实施方式中，使用额定容量为500Ah、额定电压为29.6V的锂离子蓄电池的8串联模组，以1085W的恒功率方式实施了充放电试验。再者，在充电和放电之间设置了1.5小时的间隔。以时间分辨率为1sec来实施各单元电池的电压(分辨率0.001V)、每2单元电池的单元电池间温度(分辨率0.1℃)、流过整个模组的电流(分辨率0.001A)的计测。
这里，充放电曲线是估计充电电压Vpc和估计放电电压Vpd的函数，作为将充电电流量Qc[Ah]除以在该时间点中的满充电容量FCC[Ah]所得的值即充电率SOC(＝Qc/FCC)的函数，可以分别表示为Vpc(SOC)和Vpd(SOC)。可以将它们设为12阶多项式，由式(3)及式(4)表示。
Figure BDA0002536483830000121
Figure BDA0002536483830000122
这里，将充电电流量Qc[Ah]、放电电流量Qd[Ah]的离散数据分别设为Qcdig、Qddig，此外由式(5)至式(8)定义与它们对应的充电电压Vpcdig和放电电压Vpdding。
Qcdig＝[Qc1，Qc2，…，Qcn]…(5)
Qddig＝[Qd1，Qd2，…，Qdn]…(6)
Vpcdig＝[Vpc1、Vpc2、…，Vpcn]…(7)
Vpddig＝[Vpd1，Vpd2，…，Vpdn]…(8)
此外，可以将充电电压Vpcdig和放电电压Vpdding作为前述的差电压Ve的一次函数用式(9)和式(10)表示。
Vpcdig＝[A1Ve+B1，A2Ve+B2，…，AnVe+Bn]…(9)
Vpddig＝[C1Ve+D1，C2Ve+D2，…，CnVe+Dn]…(10)
这里，将充电电流量Qci[Ah]及放电电流量Qdi[Ah]的离散宽度设为2.3[Ah]。充电电流量Qci中的系数Ai和Bi及放电电流量Qdi中的系数Ci和Di通过电池模组的充放电试验被确定，成为图5和图6所示的表。图5是表示充电电压Vci和差电压Ve之间的关系式的系数的图。图6是表示放电电压Vdi和差电压Ve之间的关系式的系数的图。
这里得到的充电电压Vpcdig和Vpddig是与充电电流量Qcdig[Ah]和QddiG[Ah]对应的向量。为了估计充电电压Vc(SOC)和放电电压Vd(SOC)，需要与充电率SOC对应的向量，所以将式转换。在对于充电电流量Qcdig[Ah]和Qddig[Ah]，将满充电容量FCC的范围内的离散分解数n假定为无限大的情况下，式(11)的关系成立。
FCC＝Qci+Qdn-i…(11)
由前述的式(3)、(4)、(7)、(8)及(11)，可以将充电电压Vpc(SOC)和放电电压Vpd(SOC)作为下式(12)及式(13)来表示。
Figure BDA0002536483830000131
Figure BDA0002536483830000132
如后述，由于可以从差电压Ve估计满充电容量FCC，所以可以由式(12)、(13)将充电电压Vpcdig和Vpddig转换为与充电率SOC对应的向量。通过预先求系数Ai、Bi、Ci、Di，可以由式(12)、(13)拟合表示充放电曲线的12阶多项式的系数ai、bi。
即，具体地说，成为使下面所示的式(14)至式(19)中的评价函数Jc和Jd为最小的优化问题。
Figure BDA0002536483830000141
Figure BDA0002536483830000142
a＝[a1，a2，…a12]…(16)
b＝[b1，b2，…b12]…(17)
Figure BDA0002536483830000143
Figure BDA0002536483830000144
图7中表示以这样的方法近似的系数ai，图8中表示系数bi。图7是表示多项式的系数ai的一例子的图，图8是表示多项式的系数bi的一例子的图。此外，图9是表示充放电曲线的多项式回归结果的近似曲线的图。在本实施方式中，通过多项式回归分析求得了12阶多项式的近似式，但可以通过适当的方法进行曲线拟合而求近似曲线。
此外，可以从差电压Ve估计满充电容量FCC。在图10中，表示本实施方式的与从8串联模组中的放电开始起20秒后的放电电压Vd的差电压Ve和满充电容量FCC之间的关系。差电压Ve和满充电容量FCC之间有强相关性，有1次式的关系。通过预先求该关系式，可以从差电压Ve估计满充电容量FCC。即，可以按以下式(20)估计满充电容量FCC。
FCC＝M×Ve+N(M及N为常数)…(20)
如果可以估计满充电容量FCC和充电电压Vpc(SOC)和放电电压Vpd(SOC)，则可以根据下述的式估计充电电量Ec(Wh)及放电电量Ed(Wh)。
Figure BDA0002536483830000151
Figure BDA0002536483830000152
这里，若将收费较高的时间段的电费设为Thigh[日元/kWh]，将收费较低的时间段的电费设为Tlow[日元/kWh]，则1次充放电周期中的经济效益G[日元/kWh]以下述的式(23)表示。
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000…(23)
在本实施方式的锂离子蓄电池的8串联模组的充放电试验中，将从差电压Ve估计充电电量Ec和放电电量Ed所得到的经济效益G[日元/kWh]示于图11。再者，参考东京电力能源合作伙伴智慧生活计划(截至2017年9月16日)，将电费的高价Thigh设为25.33日元/kWh，将低价Tlow设为17.46日元/kWh。
一般来说，蓄电池的经济效益G(日元/kWh)为最高值是蓄电池的充放电效率(Wh/Wh)为较高值的新品时，此外为最低值是满充电容量FCC(Ah)和充放电效率(Wh/Wh)随着劣化而为较低值的寿命后期时。在锂离子蓄电池的情况下，将满充电容量FCC(Ah)下降至新品时的60％至80％时定义为寿命后期是惯例。
这里，将可得到新品的蓄电池的经济效益Gnew时设为1，将只能得到寿命后期的蓄电池的经济效益Gend时设为0，按下述式(24)定义表示当前的蓄电池的经济效益Gcurr的状况的蓄电池的经济性指标即SOEc(State of Economy；经济状况)。
SOEc＝(Gcurr-Gend)/(Gnew-Gend)…(24)
其中，G为以式(23)表示的与1次充放电周期相当的经济效益，Gcurr为与当前的1次充放电周期相当的经济效益、Gnew为与新品时的1次充放电周期相当的经济效益，Gend为与电池寿命后期的1次充放电周期相当的经济效益。
与当前的1次充放电周期相当的经济效益Gcurr，可以使用以下的估计结果，从与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式来估计。首先，通过基于多个所述估计充电电压Vpc求近似曲线，估计充电曲线。通过基于多个所述估计放电电压Vpd求近似曲线，估计放电曲线。基于预先求得的所述差电压Ve和所述二次电池的满充电容量FCC的关系式，估计从所述差电压Ve算出的当前的充放电周期的满充电容量FCCcurr。从所述FCCcurr和所述充电曲线估计当前的充放电周期的充电电量Eccurr。从所述满充电容量FCCcurr和所述放电曲线估计当前的充放电周期的放电电量Edcurr。
此外，基于自以下的估计结果的关系式，可以估计与新品时的1次充放电周期相当的经济效益Gnew。首先，基于所述满充电容量FCC的关系式，计算并估计从初始差电压Ve0算出的初始满充电容量FCC0，从初始满充电容量FCC0和所述充电曲线估计初始充电电量Ec0。而且，从初始满充电容量FCC0和所述放电曲线估计初始放电电量Ed0，求初始充电电量Ec0和初始放电电量Ed0。
若假定为电的不同时间段收费体系不变化，锂离子蓄电池的劣化趋势也不变化，则满充电容量FCC[Ah]和决定经济效益的充放电曲线都可由差电压Ve估计。因此，可以从运用中的固定式用锂离子电池的差电压Ve估计该SOEc。若将寿命后期的满充电容量FCCend设为初始的Lendrate倍(0＜Lendrate＜1)，将差电压Ve和满充电容量FCC之间的关系设为式(20)，则按式(25)从初始差电压Ve0求寿命后期差电压Veend。从该寿命后期差电压Veend得到寿命后期的充放电曲线，可以从中得到寿命后期经济效益Gend。
从该寿命后期差电压Veend得到寿命后期的充放电曲线，从寿命后期的满充电容量FCCend和寿命后期的充放电曲线，估计寿命后期充电电量Ecend和寿命后期放电电量Edend，可以从中得到寿命后期经济效益Gend。
Figure BDA0002536483830000161
这里，与前述同样，将电费的高价Thigh设为25.33日元/kWh、低价Tlow设为17.46日元/kWh的情况下的、寿命定义Lendrate和寿命后期经济效益Gend的关系示于图12。可以通过求该Gend，得到SOEc。例如若将在本实施方式中使用的锂离子蓄电池的8串联模组中寿命定义Lendrate设为0.6、0.7、0.8，则有图13所示那样的差电压Ve和经济性指标SOEc的关系。
可以在固定式用锂离子电池的运用中测量差电压Ve。因此，如果预先求得差电压Ve、满充电容量FCC和充放电电压Vc(SOC)、Vd(SOC)之间的关系，则可以从中得到经济性指标SOEc的值。如果可以实时地得到作为分散协同型系统设置的固定式用锂离子电池的经济性指标SOEc，则可以从协同控制的固定式用锂离子电池之中选择并运用收益性更高的电池，进行经济性的运用。
另外，本发明没有限定于被记载为上述实施方式，也可以在不脱离其宗旨的范围内进行各种变形。而且，通过选择或组合公开的多个结构要件，可提取解决上述课题的各种发明。
标号说明
1…蓄电装置、2…功率调节器、3…电池模组、4…电池管理单元、5…电能管理单元、6…经济性估计装置、7…电池温度测量单元、8…特定负载、9…电力系统、11…二次电池、12…单元电池监视单元、13…保护单元、14…运算控制单元、15…显示单元、16……服务器、17…接口单元、18…网络通信网、19…集中管理系统、22…充电用电源单元、23…放电单元、24…放电用负载单元、25…电压测量单元、26…时间计测单元、27…估计运算处理单元。

Claims (2)

1.一种电池的经济性估计装置，包括：
充电单元，探测二次电池的充电状态，使其满充电至预定的充电上限电压；
放电单元，对被满充电的所述二次电池电连接负载，使所述二次电池放电；
电压测量单元，在开始了所述放电单元的放电后，从经过伴随所述二次电池内电荷移动的瞬态响应消失的时间后起预先规定的时间范围内开始计测，测量放电电压；以及
估计运算处理单元，使用通过测量求得的所述放电电压和所述充电上限电压的差电压，估计以通过预先求得的差电压和所述二次电池的满充电容量以及充放电电量而关联的式
SOEc＝(Gcurr-Gend)/(Gnew-Gend)
表示的经济性指标SOEc，
其中，G是以(Thigh×Ed－Tlow×Ec)/1000表示的与1次充放电周期相当的经济效益，所述Gcurr是与1次当前的充放电周期相当的经济效益，所述Gnew是与1次新品时的充放电周期相当的经济效益，所述Gend是与1次电池寿命后期的充放电周期相当的经济效益，而且，Ec[Wh]：充电电量，Ed[Wh]：放电电量，Thigh[日元/kWh]：收费较高的时间段的电费，Tlow[日元/kWh]：收费较低的时间段的电费。
2.一种电池的经济性估计方法，其为通过电池的经济性估计装置估计二次电池的经济性指标SOEc的方法，具有：
将二次电池充电至预先设定的充电上限电压Vc的满充电处理；
在所述满充电处理之后使电池温度适应于环境温度的稳定处理；
在所述稳定处理之后被实施的放电处理；
在多个充电容量中计算并估计所述二次电池的规定的充电容量中的估计充电电压Vpc的充电电压估计处理；以及
在多个放电容量中计算并估计所述二次电池的规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的放电电压估计处理，
在经济性的估计中，计算在所述放电处理中伴随电荷移动的瞬态响应消失后规定的时间的范围内开始计测而获取的放电电压Vd与所述充电上限电压Vc的差电压Ve，
从基于预先求得的所述差电压Ve和规定的充电容量中的估计充电电压Vpc的关系式
Ve＝Vc－Vd
Vpc＝An×Ve+Bn(An及Bn为常数)，
计算并估计从所述差电压Ve算出的规定的充电容量中的估计充电电压Vpc，进而基于预先求得的所述差电压Ve和所述二次电池的规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的关系式
Ve＝Vc－Vd
Vpd＝Cn×Ve+Dn(Cn及Dn为常数)，
计算并估计从所述差电压Ve算出的规定的放电容量中的估计放电电压Vpd的充放电电压估计处理中，通过基于多个所述估计充电电压Vpc求得近似曲线而估计充电曲线，通过基于多个所述估计放电电压Vpd求得近似曲线而估计放电曲线，
基于预先求得的所述差电压Ve和所述二次电池的满充电容量FCC的关系式
FCC＝M×Ve+N(M及N为常数)，
估计从所述差电压Ve算出的当前的充放电周期的满充电容量FCCcurr，从所述满充电容量FCCcurr和所述充电曲线估计当前的充放电周期的充电电量Eccurr，从所述满充电容量FCCcurr和所述放电曲线估计当前的充放电周期的放电电量Edcurr，根据以式
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000
表示的与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式，
估计与1次当前的充放电周期相当的经济效益Gcurr，基于所述满充电容量FCC的关系式，计算并估计从初始差电压Ve0算出的初始满充电容量FCC0，
从初始满充电容量FCC0和所述充电曲线估计初始充电电量Ec0，从初始满充电容量FCC0和所述放电曲线估计初始放电电量Ed0，根据初始充电电量Ec0和初始放电电量Ed0，基于以式
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000
表示的与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式，估计与1次初始充放电周期相当的经济效益Gnew，
基于所述满充电容量FCC的关系式，
计算并估计从寿命后期差电压Veend算出的寿命后期满充电容量FCCend，
从所述寿命后期满充电容量FCCend和所述充电曲线估计寿命后期充电电量Ecend，
从所述寿命后期满充电容量FCCend和所述放电曲线估计寿命后期放电电量Edend，
根据所述寿命后期充电电量Ecend和所述寿命后期放电电量Edend，基于以式
G＝(Thigh×Ed-Tlow×Ec)/1000
表示的与1次充放电周期相当的经济效益G的关系式，估计与1次寿命后期的充放电周期相当的经济效益Gend，
估计以式
SOEc＝(Gcurr-Gend)/(Gnew-Gend)
表示的经济性指标SOEc。
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