JP2003288950A - ナトリウム−硫黄電池の制御装置 - Google Patents
ナトリウム−硫黄電池の制御装置Info
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Abstract
電池の長期運転にかかる信頼性を高めるとともに、Na
S電池運転中におけるヒータ消費電力の変動を低減しト
ランス等の受電設備容量を、より小さくすること。 【解決手段】 複数の電池モジュール14を直列に接続
してなるナトリウム−硫黄電池12の制御装置であっ
て、複数の電池モジュール14の、少なくとも温度、電
圧、及び、電流を計り得る温度計測手段、電圧計測手
段、及び、電流計測手段を、1の制御機器13に備える
ことを特徴とし、好ましくは放電末及び充電末検出手段
を有するナトリウム−硫黄電池用制御装置の提供によ
る。
Description
黄電池の充放電動作、温度調節、等を適切に行う制御機
能を有するナトリウム−硫黄電池向け制御装置に関す
る。
に接続してなるナトリウム−硫黄電池(以下、NaS電
池とも記す)は、昼夜間の格差の大きい電力需要の平準
化のための電力貯蔵装置、特に、夏期の電力需要の急増
する時間帯へ電力を供給するいわゆるピークカット用の
装置として、あるいは、自然災害時の非常用電源装置と
して、その他各種用途に、実用化が進められている。
池を直列に接続したNaS電池ストリング(単電池群)
を、例えば、複数並列に接続してNaS電池ブロックと
し、更に、NaS電池ブロックを複数直列に接続してN
aS電池モジュール(以下、単に電池モジュールともい
う)とし、尚更に、NaS電池モジュールを複数直列に
接続してNaS電池を形成し、交直変換装置等とともに
回路を構成し、例えばNaS電池電力貯蔵装置として使
用される。
融金属ナトリウムと、陽極活物質である溶融硫黄とを、
ナトリウムイオンに対して選択的な透過性を有するβ−
アルミナ固体電解質で隔離して配する二次電池である。
溶融ナトリウムが電子を放出してナトリウムイオンとな
り、これが固体電解質内を透過して陽極側に移動し、硫
黄及び外部回路から供給される電子と反応して多硫化ナ
トリウムを生成し放電が行われ、一方、放電とは逆に、
多硫化ナトリウムからナトリウム及び硫黄が生成する反
応により充電が起こる。これら充放電の効率の面から
は、β−アルミナに対するナトリウムイオン伝導率の温
度特性、等の理由により、NaS電池を280℃以上の
高温で作動させることが好ましい。反面、電池を構成す
る種々の部材の耐熱性、等の制約から、NaS電池の作
動温度の高さには限界がある。従って、NaS電池にお
いては、作動温度を所定の範囲(概ね280℃〜360
℃)に制御しながら、充放電を行うことが重要である。
も、適切に制御することが肝要である。例えば、単電池
当たりにおいて、充電末深度の開路電圧は2.075V
に一定に保たれ、放電が進むにつれて起電圧は徐々に低
くなり、放電の限界(放電末)時においては、開路電圧
は概ね1.82Vになる。ところが、例えば放電時の計
測電圧は、開路電圧から内部抵抗と放電電流の積(電圧
降下)だけ低くなる。従って、NaS電池の運転におい
ては、この電圧降下分を計測電圧値に加算して、放電中
の開路電圧を求め、放電末の検出を行う必要がある。
運転を実現するための制御装置は、従来、NaS電池架
台内に設けられた電池モジュール毎に独立して備わるモ
ジュール用制御機器(以下、モジュール制御器ともい
う)と、NaS電池架台外の制御盤に設けられた汎用制
御機器、例えばシーケンサ、から構成されている。各モ
ジュール制御器により各電池モジュールの電圧及び温度
を計測し運転状態を監視するとともに、各電池モジュー
ルに備わるヒータをON/OFFさせてNaS電池の作
動温度を調節する。又、汎用制御機器たるシーケンサに
備わる電流計測機能により、NaS電池の例えば放電電
流を計測してシーケンサにおいて電圧降下を算出し放電
カットオフ電圧を求め、NaS電池の放電末の検出を行
っている。尚、カットオフ電圧とは、NaS電池の充電
末あるいは放電末を判断する上で基準となる電圧をい
う。
基の電池モジュールを直列に接続したNaS電池を一例
として、図2に示す。制御装置は、主に、NaS電池2
2の電池架台21内のNaS電池モジュール24毎に設
けられたモジュール制御器26と、NaS電池22の電
池架台21外の制御盤31に設けられたシーケンサ23
とから構成される。モジュール制御器26は、温度計測
手段及び電圧計測手段を有し、計測した温度によって、
ヒータ電源線127を介しヒータ電源27が供給される
ヒータ25をON/OFFし、NaS電池22の作動温
度を制御するとともに、RS422等の規格の送受信手
段を備え、計測データやヒータ25の稼動状態を示す信
号、等をシーケンサ23の制御部28へ送る。シーケン
サ23は、RS422等の規格の送受信手段を通じてモ
ジュール制御器26から温度、電圧等の電池状態を表す
情報を得るとともに、計測部29によって電池モジュー
ル24を直列に接続したNaS電池22の出力電流(放
電電流)を計測する。それらの計測値及び情報は、制御
盤31に設けられた表示機器(図示しない)に表示され
るとともに、外部信号20として出力され、例えばデー
タリンクを通じて遠隔の監視機器、等で確認することが
出来る。
御装置は、NaS電池が、開発から実用化を迎える段階
においては充分なものであったが、NaS電池が拡販さ
れ得る状況になり、市場から、長期にわたる信頼性の向
上が更に求められるとともに、例えば電力貯蔵装置とし
ての設備の試運転費用の低減、及び、設計及び製作にか
かる期間の短縮、等が望まれるに至り、特に以下のよう
な問題が顕在化してきていた。
電流計測ユニットで計測された放電電流Idと電池モジ
ュール内部抵抗R、温度係数Kt(作動温度Tにより変
動)より、放電カットオフ電圧VLを次の(1)式、 VL=Vo×n−Id×R×Kt …(1) により求め、その放電カットオフ電圧VLと、各モジュ
ール制御器により計測されシーケンサに送られた各電池
モジュールの実際の作動電圧Vとを比較して、次の
(2)式、 VL>V …(2) が成立したときを放電末と判断していた。ここで、Vo
は陰極のナトリウムが欠乏する直前の単電池の開路電圧
を指し概ね1.82Vであり、nは電池モジュールに含
まれる単電池数である。即ち、放電カットオフ電圧VL
は、NaS電池として理論上の放電末の作動電圧を示
す。しかしながら、作動電圧Vのデータをモジュール制
御器からシーケンサに送り比較判断するが故に伝送遅れ
が生じ、作動電圧Vと放電電流Idとの同期が精度よく
とれずに、放電電流Idから算出した放電カットオフ電
圧VLと比較すべき作動電圧Vとの間に遅れが生じ、放
電完了時の判断にズレが生じていた。その結果、充電さ
れた電力を充分に有効利用出来ない、等の問題が起こり
得た。
サの電流計測ユニットで計測された充電電流Icと電池
モジュール内部抵抗Rより、充電カットオフ電圧VHを
次の(3)式、 VH=(VI+α)×n−Ic×R …(3) により求め、その充電カットオフ電圧VHと、各モジュ
ール制御器により計測されシーケンサに送られた各電池
モジュールの実際の作動電圧Vとを比較して、次の
(4)式、 VH<V …(4) が成立したときを充電末と判断していた。ここで、VI
は充電末の単電池の開路電圧を指し概ね2.075Vで
あり、nは電池ブロックに含まれる単電池数である。
又、αは充電末に発生する分極抵抗分を示し、概ね0.
05〜0.15Vである。即ち、充電カットオフ電圧V
Hは、NaS電池として理論上の充電末開路電圧に分極
分を見込んだ電圧を示す。しかしながら、放電時と同様
に伝送遅れにより、作動電圧Vと充電電流Icとの同期
が精度よくとれずに、充電電流Icから算出した充電カ
ットオフ電圧VHと比較すべき作動電圧Vとの間に遅れ
が生じ、充電完了時の判断にズレが生じていた。その結
果、充電が不十分になり電池能力を充分に有効利用出来
ない等の問題が起こり得た。
れ、電池モジュール毎に備わる各ヒータは、2線間の定
格負荷として概ねバランスをとって接続される。例え
ば、R−S相の負荷として10KW、S−T相の負荷と
して9KW、T−R相の負荷として10KW、という具
合である。ところが、ヒータはNaS電池の作動温度を
適切な範囲にする昇温機器であってNaS電池の状態に
よってON/OFFするものである。そして、従来、各
モジュール制御器は他のモジュール制御器と関わりなく
独立して各ヒータをON/OFFさせており、ある確率
で全てのヒータがONしたりOFFすることになり、ヒ
ータ消費電力の変動が非常に大きいためにトランス、配
線用遮断器はヒータ容量と同等の容量を必要とし、又、
ヒータ負荷の変動により電圧が変動するといった問題が
あった。
てなされたものであり、その目的とするところは、放電
末及び充電末の誤検出を防止しNaS電池の長期運転に
かかる信頼性を高めるとともに、NaS電池運転中にお
けるヒータ消費電力の変動を低減し電圧変動をなくしト
ランス等の受電設備容量を、より小さくすることにより
コストダウンを図ることにある。
ねられ研究が進められた結果、全ての電池モジュールの
温度、電圧、電流を、1台の制御機器に取り入れる手段
により、上記目的を達せられることが見出された。更に
加えて、NaS電池の例えば電力貯蔵装置としての初期
設備費用の低減、及び、設計及び製作にかかる期間の短
縮、をも実現可能となった。より詳細には、以下の手段
である。
ば、複数の電池モジュールを直列乃至並列に接続してな
るナトリウム−硫黄電池の制御装置であって、複数の電
池モジュールの、少なくとも温度、電圧、及び、電流を
計り得る温度計測手段、電圧計測手段、及び、電流計測
手段を、1の制御機器に備えることを特徴とし、好まし
くは放電末及び充電末検出手段を有するナトリウム−硫
黄電池用制御装置が提供される。
が備わり、ヒータの電源は三相3線で供給されるととも
に各々のヒータが線間負荷として接続されてなるナトリ
ウム−硫黄電池においては、各線間の消費電力が時間的
に均一になるように、各々のヒータを制御し得るヒータ
制御手段を有することが好ましい。
御装置は、複数の電池モジュールが収められるナトリウ
ム−硫黄電池の電池架台の最下部に設置されることが好
ましく、このような制御装置を備えるナトリウム−硫黄
電池は電力貯蔵装置として好適に用いられる。
いて説明する。本発明に係るナトリウム−硫黄電池用制
御装置(以下、単に制御装置ともいう)は、複数のNa
S電池モジュールを直列乃至並列に接続してなるナトリ
ウム−硫黄電池向けの制御装置である。NaS電池の容
量の上限、換言すれば、NaS電池モジュールの数の上
限、は限定されるものではないが、容量で500KW、
例えば、50KWのNaS電池モジュールを10台搭載
出来る程度、を上限とすれば、通常の設備規模のNaS
電池に対応することが可能である。
電動作管理にかかる一の側面と、ヒータ電源の実負荷調
節にかかる二の側面と、の2つの側面を有する。本発明
の制御装置は、一の側面において、複数の電池モジュー
ルの、少なくとも温度、電圧、及び、電流を計り得る温
度計測手段、電圧計測手段、及び、電流計測手段を、1
の制御機器に備える点に特徴がある。換言すれば、温度
計測手段、電圧計測手段、及び、電流計測手段によって
得られた温度、電圧、及び、電流のデータを、伝送手段
を介さずに制御装置内の1基の制御機器に取り入れるこ
とが出来る制御装置である。ここで、温度、電圧は例え
ば電池モジュール毎に計測出来ることが好ましく、電流
は例えば電池モジュールを直列に接続したNaS電池の
出力電流(充放電電流)として計測出来ることが好まし
い。
手段を介さずに1基の制御機器に取り入れられることか
ら、放電末及び充電末検出手段を有していれば、放電末
及び充電末を時間遅れなく判断出来る。例えば放電末を
検出する場合に、温度は電池モジュールの作動温度T、
電圧は電池モジュールの作動電圧V、電流は電池モジュ
ールの放電電流Idとすれば、これら作動温度T、作動
電圧V、放電電流Idは伝送手段を介さないことから精
度よく同期をとることが可能である。従って、上記
(1)式に示す通り、理論上の放電末開路電圧(Vo×
n)に、作動温度Tで補正された温度係数、電池モジュ
ールの内部抵抗Rと、放電電流Idと、によって求めら
れる電圧降下分を加えて、放電完了を判断する基準の電
圧である放電カットオフ電圧VLを求め、放電カットオ
フ電圧VLと実際の作動電圧Vとの比較(上記(2)
式)を行う放電完了検出手段を有していれば、作動温度
T及び放電電流Idにより求められる放電カットオフ電
圧VLと、作動電圧Vと、の間に時間遅れが生じず、放
電完了時を、より正確に判断することが可能である。そ
の結果、充電された電力を充分に有効利用出来るととも
に、放電させ過ぎて陰極のナトリウムを欠乏させ充放電
不可能に至る問題も生じず、NaS電池の長期運転にか
かる信頼性は著しく向上する。
いて、NaS電池が複数の電池モジュールに各々ヒータ
が備わり電源が三相3線で供給されるとともに各々のヒ
ータが線間負荷として接続されてなる場合に、各線間の
消費電力が時間的に均一になるように、各々のヒータを
制御し得るヒータ制御手段を有することに特徴がある。
各線間の消費電力が時間的に均一になるとは、ヒータが
ONになるタイミングを、各線間毎にずらすことによっ
て、全てのヒータが同時にONになることを避け、ヒー
タにより消費される単位時間当たりの全電力が平均化さ
れることをいう。こうすることにより、付帯設備等の容
量を減らすことが出来、設備コストの低減が図れる。
発明においては、複数の電池モジュールの温度を、例え
ば電池モジュール毎に計り得る温度計測手段を1の制御
機器に備えているわけであるから、全ての電池モジュー
ルの温度を同時に把握することが出来る。従って、先
ず、各々のヒータを三相3線電源の2線間に定格負荷と
してバランスよく接続した上で、各電池モジュールの作
動温度計測結果によって相対する電池モジュールに備わ
るヒータをON/OFFするのではなく、ヒータ制御手
段により、即ち、各電池モジュールの作動温度が所定の
範囲になるように、尚且つ、各線間の消費電力が時間的
に均一になるように、タイムスケジュールを設定して、
例えば各々のヒータをON/OFFすることにより、消
費電力の変動を抑制することが出来る。その結果、電圧
変動も抑制されるとともにトランス等の受電設備容量を
低減することが可能となる。
来のように、各電池モジュール毎の制御機器と汎用のシ
ーケンサとの組合せではなく、NaS電池を収める電池
架台毎に1基の制御機器で構成されるため、制御装置の
コンパクト化が容易である。その結果、別途制御盤を設
けずに、制御装置をNaS電池の電池架台内に備えるこ
とが可能であり、初期設備コストが低減される。この場
合に、制御装置を電池架台の最下部に設置することが好
ましい。発熱する電池モジュールと同じ電池架台内であ
っても、最下部は、温度が最も低く保たれ(最高40℃
程度)、湿度も低く抑えられる(最高70%程度)こと
から電子機器を有する制御装置の設置環境として好まし
いからである。
とから、制御盤の設計製作にかかるコスト低減に加え、
制御盤の設計製作にかかる分NaS電池の納期の短縮が
図られ、より市場に受け入れられ易く、NaS電池の普
及の促進に貢献し得る。
体的に説明する。図1は、本発明に係るNaS電池用制
御装置の一実施形態を示す系統図である。NaS電池1
2は全5基のNaS電池モジュール14から構成され、
制御装置は、NaS電池12の電池架台11内に設けら
れ、主に計測制御部19とヒータ駆動部18とからなる
制御機器13を構成要素とする。制御機器13の計測制
御部19は、演算手段と、各NaS電池モジュール14
毎に作動温度T、作動電圧Vを計測する温度計測手段及
び電圧計測手段、更には、信号出力手段及びネットワー
ク手段を有する。計測制御部19は、更に電流計測手段
を有し、複数のNaS電池モジュール14が直列に接続
されたNaS電池12の電流を計測する。
モリ及び他手段との入出力用ICから構成することが出
来る。信号出力手段は、例えば有電圧あるいは無電圧の
リレー(接点)により構成することが出来る。ネットワ
ーク手段は、例えば、RS422、RS485、Dev
iceNet、FLnet、EtherNet、等を採
用することが出来る。
もの、温度による電気抵抗変化を利用するもの、等であ
ってよい。又、温度計測手段は、電池モジュール毎にヒ
ータと対応した各部分を計測可能であることが好まし
い。即ち、後述する例のように、電池モジュール毎にヒ
ータが底面用ヒータと側面用ヒータとからなるときに
は、各電池モジュールの底面部分及び側面部分の温度を
計測出来ることが好ましい。
電池ブロック毎に電圧を計測出来ることが好ましい。精
度よく計測が可能となり、過充電又は過放電を確実に避
けることが出来るからである。電流計測手段は、NaS
電池の2の電流を計測出来ることが好ましい。
あるヒータ(負荷)に流れる電流に耐え得る容量の、例
えば半導体素子からなるリレーを有し、そのリレーによ
って各ヒータ電源線117を接続/遮断し各ヒータ15
に供給されるヒータ電源17を供給/停止することが出
来る。ヒータ短絡時の機器、電線を保護するためリレー
と直列にヒューズを設けることが好ましい。
段、電圧計測手段、及び、電流計測手段により計測され
た温度、電圧、及び、電流の各計測値(データ)は、演
算手段に取り込まれるとともに、信号出力手段及びネッ
トワーク手段を通じて外部信号10として出力される。
放電時は、温度計測手段と電流計測手段により計測され
た作動温度T及び放電電流Idにより、上記(1)式に
基づき、放電カットオフ電圧VLが求められ、電圧計測
手段により計測された作動電圧Vとの比較が行われる。
そして、上記(2)式が成立すると放電完了と判断し、
NaS電池12の放電を終了させる。又、充電時は、上
記(3)式に基づき充電カットオフ電圧VHが求めら
れ、電圧計測手段により計測された作動電圧Vとの比較
が行われる。そして、上記(4)式が成立すると充電末
と判断し、NaS電池12の充電を終了させる。
によっては、充電若しくは放電の禁止あるいは停止の判
断、等を行い、NaS電池を、より安定に運転する。
演算手段に記憶されたタイムスケジュールに従い、信号
出力手段によりヒータ駆動部18へヒータ毎のヒータ制
御信号を出力する。
ら受け取ったヒータ制御信号(例えば接点信号)に従
い、ヒータ電源線117を介し各ヒータ15に供給され
るヒータ電源17を供給/停止することによって、各ヒ
ータ15をON/OFFする。
を図3に示す。本例においては、図示しないが、ヒータ
は、それぞれを独立して制御可能な底面用ヒータ(5.
6KW)と側面用ヒータ(1.8KW)から構成され、
電池モジュール毎にそれぞれ配置される。
及び各側面用ヒータは、ON時間とOFF時間を同じく
する周期CTを繰り返すとともに、1/6CTずつ位相
をずらして作動する。このヒータ制御によって、NaS
電池の作動温度が所望の温度範囲に保たれ得るととも
に、三相3線式交流電源の2線間の消費電力が概ね均衡
する。
作動電圧、放流電流、等の計測値、又、演算手段によっ
て判断され得るNaS電池の状態(放電完了等)の信
号、更には、上記計測値が予め計測制御部19に入力さ
れた種々の設定値、あるいは固定値と演算手段によって
比較された結果の信号、例えば「温度高」等の異常信号
は、NaS電池12の電池架台11に設けられた表示機
器(図示しない)に表示することが出来るとともに、そ
のまま外部信号10として出力され、ネットワークを通
じて、例えば遠隔の監視機器等で確認することが出来
る。
り出力される外部信号10の形式は限定されず、例え
ば、アナログ信号(DC4〜20mA電流、DC1〜5
V電圧等)、デジタル信号、パルス信号、リレー接点、
等が挙げられる。
ば遠隔の監視機器(図示しない)とを結ぶネットワーク
は上記したネットワーク手段に限定されるものではない
が、ネットワーク形成のための配線工事が、より容易で
あり、通信速度が、より高速であり、ノイズに、より強
く、より温度変化に耐えうることが好ましい。ネットワ
ークを形成する配線は、同軸ケーブル、光ケーブル等
が、好適に用いられる。
ば、別途に制御盤(制御機器)を必要とすることなく、
NaS電池を制御することが出来る。又、誤った放電完
了時の判断がなされ難い。更には、三相3線電源の各線
間においてヒータがバランスよく電力を消費する。従っ
て、本発明の制御装置を備えたNaS電池を用いた例え
ば電力貯蔵装置は、長期にわたり高い信頼性を備え、設
計製作にかかる納期短縮を図ることが容易で、よりコン
パクトになり配置し易く、初期設備コスト及び運転コス
トが低減され得て、その需要は、いっそう喚起される。
示す系統図である。
統図である。
のタイムスケジュールを示す図である。
台、12,22…NaS電池、13…制御機器、14,
24…(NaS)電池モジュール、15,25…ヒー
タ、17,27…ヒータ電源、18…ヒータ駆動部、1
9…計測制御部、23…シーケンサ、26…モジュール
制御器、28…制御部、29…計測部、31…制御盤、
116,126…電圧・温度計測線、117,127…
ヒータ電源線、118…電流計測線。
Claims (4)
- 【請求項1】 複数の電池モジュールを直列乃至並列に
接続してなるナトリウム−硫黄電池の制御装置であっ
て、 前記複数の電池モジュールの、少なくとも温度、電圧、
及び、電流を計り得る温度計測手段、電圧計測手段、及
び、電流計測手段が、1の制御機器に備わることを特徴
とするナトリウム−硫黄電池用制御装置。 - 【請求項2】 放電完了検出手段を有する請求項1に記
載のナトリウム−硫黄電池用制御装置。 - 【請求項3】 前記複数の電池モジュールには各々ヒー
タが備わり、ヒータの電源は三相3線で供給されるとと
もに各々のヒータが線間負荷として接続されてなり、 ヒータ消費電力が時間的に均一になるように、前記各々
のヒータを制御し得るヒータ制御手段を有する請求項1
又は2に記載のナトリウム−硫黄電池用制御装置。 - 【請求項4】 前記複数の電池モジュールを有し、請求
項1〜3の何れか一項に記載のナトリウム−硫黄電池用
制御装置が電池架台の最下部に設置されてなるナトリウ
ム−硫黄電池電力貯蔵装置。
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