JP2012508880A - バッテリ充電状態較正 - Google Patents

Abstract

回生駆動装置と共に使用されるバッテリに基づくエネルギー貯蔵システムの充電状態（ＳＯＣ）の較正は、ＳＯＣ開回路電圧（Ｖ_OC）較正を用いる。バッテリは、充電または放電境界曲線などの既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルに従うＶ_OCによって規定される作動を保証するように部分的に充電されまたは放電させられる。部分充電／放電は、回生駆動装置によって駆動されるエレベータシステムの交通プロファイルと同期可能である。Ｖ_OC測定が行われ、また、交通プロファイルを参照してバッテリ使用を調整してＶ_OCの緩和ダイナミクスを増強することで、より確実にＶ_OCが推定される。推定Ｖ_OCと既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルを用いることで、バッテリの充電状態が決定される。

Description

本発明は、バッテリの充電状態の決定に関する。

エレベータを作動させる電力需要は、外部で生成された電力（電力ユーティリティからのものなど）が使用される正から、エレベータの荷重がモータを駆動してモータが発電機として電力を生成する負までの範囲で変動する。発電機として電気を生成するのにモータを使用することは一般に回生と呼ばれる。従来のシステムでは、回生エネルギーがエレベータシステムの別の構成要素に供給されることも、ユーティリティ送電線網に戻されることもない場合、回生エネルギーは、ダイナミックブレーキ抵抗器または他の負荷を介して散逸する。この構成では、最大電力条件（例えば、複数のモータが同時にまたは高需要の期間に始動するとき）であっても、全ての需要は、エレベータシステムに電力を供給するように電力ユーティリティに存在し続ける。従って、電力ユーティリティから電力を供給するエレベータシステムの構成要素は、最大電力需要に適合する大きさにする必要があるが、それは、より費用が掛かることも、またより大きな空間を必要とすることもある。また、散逸する回生エネルギーは使用されず、そのため電力システムの効率が低下する。

また、エレベータ駆動装置システムは一般に、電源からの特定の入力電圧範囲で作動するように設計されている。駆動装置の構成要素は、電源が指定された入力電圧範囲に留まる間は駆動装置が連続的に作動できるような定格の電圧および電流を有する。従来のシステムでは、ユーティリティ電圧にサグが生じると、エレベータシステムは故障する。従来のシステムでは、ユーティリティ電力の停電が生じるかまたは低品質の電力条件では、エレベータは、電源が通常の作動に戻るまでエレベータ昇降路の階床間で立ち往生することがある。

エレベータ駆動装置システムは、二次電源を組み組むことがあり、この二次電源は、正の電力需要の期間にエレベータ昇降モータに補充電力を供給しかつゼロまたは負の電力需要の期間に電力ユーティリティおよび／またはエレベータ昇降モータから電力を貯蔵するように制御される。例えば、タジマ（Ｔａｊｉｍａ）らの米国特許第６，４３１，３２３号には、エネルギー貯蔵装置と、充電目標値（例えば、時間帯に基づく充電値）に基づいてエネルギー貯蔵装置の充放電作動を制御する制御装置とを備えるエレベータ駆動装置システムが記載されている。しかしながら、この種の制御は、エレベータ駆動装置システムの将来のエネルギー需要を評価する直接の方法を提供するものではなく、また、エネルギー貯蔵装置の充電の上限および下限を制御するものでもない。

回生駆動装置を備えたエレベータでは、荷重およびつり合いおもりを動かすのに使用されるエネルギーの大部分が回収される可能性がある。そのように回収されたエネルギーは、ビルの送電線網に戻されることができ、または、エレベータによる将来の使用のためやエレベータを収容するビルにおける他の必要のために局所的に貯蔵されることもできる。エレベータに電力供給するために貯蔵エネルギーを使用することは、顧客にとって特に関心のあることであるが、その理由は、貯蔵装置からの増強により可能となる送電線の大きさの低減や、送電線網に次ぐエネルギー源から結果として生じる救出作動などを含むさまざまな利益および機能が次には実現可能であるからである。システムの作動可能性を保証し、バッテリ寿命を維持し、かつ安全作動を保証するようにバッテリの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）（ＳＯＣ）を制御することは重要である。

従来技術で報告されているバッテリＳＯＣの推定方法は一般に、ＳＯＣと、バッテリモジュール（またはバッテリパック）の電圧、電流、温度などの測定可能パラメータとの間の不正確な相関関係に基づいている。バッテリ作動に含まれる過程の複雑さによって、ＳＯＣ推定は誤りやすい。電流センサによる測定に基づく電気量の計数は一般に、システムの状態を推定するようにカルマンフィルタと組み合わされる。しかしながら、ランダムでない系統誤差は、制限されそうにない累積誤差に繋がる可能性がある。その結果、最新技術のＳＯＣ推定器は、バッテリ容量の絶対値に関して±１５％よりも良くない精確さでＳＯＣを推定することがある。従って、バッテリは、所望のＳＯＣ領域から外れて作動することがあり、それによって、バッテリの寿命が大幅に低減し、また、バッテリのエネルギー効率が低下することがある。所望のＳＯＣ領域から外れた作動を回避するために有利なことは、バッテリのＳＯＣを定期的に較正し、それによって、ＳＯＣの推定値を再設定し、その推定値の誤差を制限することである。

バッテリＳＯＣ較正技術は、移動体通信およびハイブリッド電気自動車産業で重要である。携帯電話のバッテリを較正することを目標とするプタシンスキ（Ｐｔａｓｉｎｓｋｉ）らによる米国特許第６，６３０，８１４号には、バッテリの寿命に亘って現在利用可能な容量を定期的に特定する電気量計数方法が教示されている。この方法は、バッテリの完全な充電および放電に基づいている。米国特許第６，６３０，８１４号にはまた、完全な充電および放電が許容されない場合のバッテリのエージング傾向に基づく代替の容量推定方法が教示されている。完全な充電および放電の方法にはいくつかの欠点がある。第１にこの方法は、完了するのに長時間を要し、バッテリの連続作動のゆえ、実行できそうにない。第２にバッテリを完全に充電および放電（１００％の放電の深さ（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）（ＤＯＤ）に相当する）は、バッテリの劣化を加速する可能性があり、結果としてバッテリの寿命が大幅に短くなる。エレベータのデューティサイクルは通常、平均的な携帯電話のデューティサイクルより大きく、エレベータシステム内のバッテリはかなり長い寿命のものが必要とされるので、米国特許第６，６３０，８１４号で開示されたものと同様の方法は、エレベータには適用できない。

クー（Ｋｏｏ）による米国特許第６，８４１，９７２号には、ＳＯＣとバッテリパラメータとの間の関係に基づいてハイブリッド電気自動車のバッテリのＳＯＣを定性的に再設定する方法が教示されている。この方法は、バッテリの完全な充電および放電を必要とせず、オンラインで実施できる。バッテリのＳＯＣは、１５％から２５％のブラケットに分割される。バッテリの実際のＳＯＣが、定性的に推定され、ブラケットの１つに割り当てられる。

バッテリの充電状態の決定を論じている他の特許および公開された出願としては、イン（Ｙｉｎｇ）による米国特許第６，３５６，０８３号、フェアブルッヘ（Ｖｅｒｂｒｕｇｇｅ）らによる米国特許第６，３５９，４１９号、テート・ジュニア（Ｔａｔｅ，Ｊｒ．）らによる米国特許第６，４４１，５８６号、フェアブルッヘ（Ｖｅｒｂｒｕｇｇｅ）らによる米国特許第６，６３９，３８５号、テート・ジュニア（Ｔａｔｅ，Ｊｒ．）らによる米国特許第６，６５３，８１７号、コーツ（Ｃｏａｔｅｓ）らによる米国特許第６，６８６，７２４号、テート・ジュニア（Ｔａｔｅ，Ｊｒ．）らによる米国特許第６，９２７，５５４号、メリヒャル（Ｍｅｌｉｃｈａｒ）による米国特許第７，３７５，４９７号、イン（Ｙｉｎｇ）による米国特許出願公開第２００３／０２１４３０３号、フェアブルッヘ（Ｖｅｒｂｒｕｇｇｅ）らによる米国特許出願公開第２００４／０１６２６８３号、ワイスゲルバー（Ｗｅｉｓｇｅｒｂｅｒ）らによる米国特許出願公開第２００５／０１８９９１８号、メリヒャル（Ｍｅｌｉｃｈａｒ）による米国特許出願公開第２００５／０２３１１６５号、メリヒャル（Ｍｅｌｉｃｈａｒ）による米国特許出願公開第２００６／００９１８６１号、メリヒャル（Ｍｅｌｉｃｈａｒ）による米国特許出願公開第２００６／００９１８６２号、メリヒャル（Ｍｅｌｉｃｈａｒ）による米国特許出願公開第２００６／００９１８６３号、フェアブルッヘ（Ｖｅｒｂｒｕｇｇｅ）らによる米国特許出願公開第２００７／０１５９１３７号、ゼッテル（Ｚｅｔｔｅｌ）らによる米国特許出願公開第２００７／０２８５０６１号、ゼッテル（Ｚｅｔｔｅｌ）らによる米国特許出願公開第２００７／０２８５０９７号、キアラミタロ（Ｃｉａｒａｍｉｔａｒｏ）による米国特許出願公開第２００８／０１６４８４９号が挙げられる。

ＳＯＣ推定についてのさまざまな特許および公開された特許出願は、定量に基づいてバッテリを較正し、再設定する技術を適切に提供していない。さらに、これらの較正方法の実施はバッテリ寿命に悪い影響を及ぼす可能性があり、そのため、バッテリ較正方法は慎重な評価を必要とする。

バッテリ状態較正方法は、開回路電圧Ｖ_OCとＳＯＣとの間の観察可能で経験的な関係を利用するが、バッテリに制御された部分充電または放電を施すことによって充電履歴に対する依存性を克服する。部分充電または放電によって、既知のＶ_OC−ＳＯＣ相関関係を有する、充電または放電境界曲線などの既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルに従うＶ_OCによって規定される作動が保証される。Ｖ_OCは、以前の使用に関連するより長い時定数の緩和特性を抑制する調整されたマイクロサイクルから生じるバッテリの増強された緩和ダイナミクスの結果としてより短時間で直接測定または推定される。ＳＯＣは次いで、Ｖ_OC値および既知のＶ_OC−ＳＯＣ相関関係に基づいて推定される。

回生駆動装置および電気エネルギー貯蔵システムを備えるエレベータ電力システムの概略図。 ２つの作動領域についての、６つの単セルを有するＮｉ−ＭＨバッテリモジュールのＶ_OCと充電状態（ＳＯＣ）との間の実験的に観察された関係を示す図。 一連の不平衡な充電マイクロサイクルでのバッテリ電圧を示す図。 一連の不平衡な充電マイクロサイクルでのバッテリ電流を示す図。 連続充電／放電および充電／放電マイクロサイクルから得られたＶ_OC−ＳＯＣプロファイルの比較を示すグラフ。 エレベータ作動をシミュレートするように断続的なマイクロサイクルに掛けたバッテリモジュールのバッテリ電圧を示す図。 エレベータ作動をシミュレートするように断続的なマイクロサイクルに掛けたバッテリモジュールのバッテリ電流を示す図。 充電低下を生じる第１の組のマイクロサイクルと充電増加を生じる第２の組のマイクロサイクルとの間の移行部におけるバッテリ電圧を示す図５Ａの一部の拡大図。 充電低下を生じる第１の組のマイクロサイクルと充電増加を生じる第２の組のマイクロサイクルとの間の移行部におけるバッテリ電流を示す図５Ｂの一部の拡大図。 エレベータの日常のエネルギープロファイルの一例を示す図。

図１は、電力システム１０の概略図を示しており、電力システム１０は、一次電力供給・分配システム２０、電力コンバータ２２、ＤＣバス２４、平滑コンデンサ２６、電力インバータ２８、電圧調整器３０、電気エネルギー貯蔵（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ）（ＥＥＳ）システム３２、ＥＥＳシステム制御装置３４、および駆動装置制御装置３６を備える。電力コンバータ２２、ＤＣバス２４、平滑コンデンサ２６および電力インバータ２８は、回生駆動装置２９に含まれる。一次電力供給・分配システム２０は、商用電源などの電力ユーティリティとすることができる。ＥＥＳシステム３２は、電気エネルギーを貯蔵できる１つまたは複数の装置を備える。エレベータ１４は、ロープ４４を介して昇降モータ１２に接続されたエレベータかご４０およびつり合いおもり４２を備える。さらにエレベータ１４は、駆動装置制御装置３６に接続され、エレベータかご４０内の負荷の重量を測定する負荷センサ４６を備える。

以下に説明するように、電力システム１０は、エレベータ昇降モータ１２の電力需要（正または負）およびＥＥＳシステム３２の充電状態（ＳＯＣ）、および送電網使用量の仕様の関数として、エレベータ昇降モータ１２、一次電力供給・分配システム２０、および／またはＥＥＳシステム３２の間で交換される電力を制御するように構成される。例えば、エレベータ昇降モータ１２の電力需要が正であるとき、電力システム１０は、電力需要の大きさとＥＥＳシステム３２の充電状態の関数である比率で一次電力供給・分配システム２０およびＥＥＳシステム３２から昇降モータ１２を駆動することができる。別の例では、エレベータ昇降モータ１２の電力需要が負であるとき、電力システム１０は、ＥＥＳシステム３２の充電状態の関数である比率で一次電力供給・分配システム２０およびＥＥＳシステム３２にエレベータ昇降モータ１２で生成された電力を供給することができる。さらに電力システム１０は、エレベータ昇降モータ１２の電力需要がほぼゼロであるとき（すなわち、アイドル期間）、一次電力供給・分配システム２０とＥＥＳシステム３２の間の電力配分を制御し、また、一次電力供給・分配システム２０が故障した場合、ＥＥＳシステム３２とエレベータ昇降モータ１２の間の電力配分を制御する。

電力コンバータ２２および電力インバータ２８は、ＤＣバス２４によって接続される。平滑コンデンサ２６は、ＤＣバス２４を横断して接続される。一次電力供給・分配システム２０は、電力コンバータ２２に電力を供給する。電力コンバータ２２は、一次電力供給・分配システム２０からの三相ＡＣ電力をＤＣバス２４上のＤＣ電圧に変換するように作動可能な三相電力インバータである。一実施例では、電力コンバータ２２は、並列に接続されたトランジスタ５０およびダイオード５２を含む複数のパワートランジスタ回路を備える。各トランジスタ５０は例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とすることができる。各トランジスタ５０の制御電極（すなわち、ゲートまたはベース）は、駆動装置制御装置３６に接続される。駆動装置制御装置３６は、一次電力供給・分配システム２０からの三相ＡＣ電力をＤＣバス２４上のＤＣ電圧に変換するようにパワートランジスタ回路を制御する。平滑コンデンサ２６が、ＤＣバス２４上の電力コンバータ２２によって供給された整流電力を平滑化する。一次電力供給・分配システム２０が三相ＡＣ電力供給・分配システムとして示されているとはいえ、電力システム１０が、（限定される訳ではないが）単相ＡＣ電源およびＤＣ電源を含む任意の種類の電源から電力を受け取るように適合され得ることに注目することは大切である。

電力コンバータ２２のパワートランジスタ回路によって、ＤＣバス２４上の電力は、変換され、一次電力供給・分配システム２０に供給されることもできる。一実施例では、駆動装置制御装置３６は、三相ＡＣ電力信号を一次電力供給・分配システム２０に供給するよう電力コンバータ２２のトランジスタ５０を周期的にスイッチングするゲートパルスを生成するようにパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いる。この回生構成によって、一次電力供給・分配システム２０の需要が低減される。

電力インバータ２８は、ＤＣバス２４からのＤＣ電力を三相ＡＣ電力に変換するように作動可能な三相電力インバータである。電力インバータ２８は、並列に接続されたトランジスタ５４およびダイオード５６を含む複数のパワートランジスタ回路を備える。各トランジスタ５４は例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とすることができる。各トランジスタ５４の制御電極（すなわち、ゲートまたはベース）は、駆動装置制御装置３６に接続され、駆動装置制御装置３６は、ＤＣバス２４上のＤＣ電力を三相ＡＣ出力電力に変換するようにパワートランジスタ回路を制御する。電力インバータ２８の出力端の三相ＡＣ電力は、昇降モータ１２に供給される。一実施例では、駆動装置制御装置３６は、三相ＡＣ電力信号を昇降モータ１２に供給するよう電力インバータ２８のトランジスタ５４を周期的にスイッチングするゲートパルスを生成するようにＰＷＭを用いる。駆動装置制御装置３６は、トランジスタ５４へのゲートパルスの周波数、位相および大きさを調節することでエレベータ１４の移動の速度および方向を変更することができる。

さらに電力インバータのパワートランジスタ回路５４は、エレベータ１４が昇降モータ１２を駆動する際に生成される電力を整流するように作動可能である。例えば昇降モータ１２が電力を生成している場合、駆動装置制御装置３６は、生成された電力を変換し、ＤＣバス２４に供給することができるように電力インバータ２８のトランジスタ５４を制御する。平滑コンデンサ２６が、電力インバータ２８によって変換されて供給された電力バス２４上の電力を平滑化する。ＤＣバス２４上の回生電力は、ＥＥＳシステム３２の貯蔵構成要素を再充電するのに使用可能であり、あるいは、上述したように一次電力供給・分配システム２０に戻すことができる。

昇降モータ１２は、エレベータかご４０とつり合いおもり４２の間の移動の速度および方向を制御する。昇降モータ１２を駆動するのに必要とされる電力は、エレベータ１４の加速および方向、およびエレベータかご４０内の負荷とともに変動する。例えば、エレベータかご４０が加速されていて、つり合いおもり４２の重量より大きな負荷（すなわち、重負荷）で上昇しているか、あるいはつり合いおもり４２の重量より小さな負荷（すなわち、軽負荷）で下降している場合、昇降モータ１２を駆動するのに電力が必要とされる。この場合、昇降モータ１２の電力需要は正である。エレベータかご４０が重負荷で下降しているか、あるいは軽負荷で上昇している場合、エレベータかご４０は、昇降モータ１２を駆動し、エネルギーを回生する。この負の電力需要の場合、昇降モータ１２は、駆動装置制御装置３６の制御下で電力インバータ２８によってＤＣ電力に変換されるＡＣ電力を生成する。上述したように、変換されたＤＣ電力は、一次電力供給・分配システム２０に戻されること、ＥＥＳシステム３２を再充電するのに使用されること、および／または、ＤＣバス２４を横断して接続されるダイナミックブレーキ抵抗器で散逸されることができる。エレベータ１４が床合わせしているか、あるいは釣り合った負荷で定速で走行している場合、エレベータ１４は、より小さな量の電力を使用していることが可能となる。昇降モータ１２が駆動作動も電力回生も行っていない場合、昇降モータ１２の電力需要はほぼゼロである。

単一の昇降モータ１２が電力システム１０に接続されて示されているとはいえ、電力システム１０が、複数の昇降モータ１２に電力供給するように修正可能であることに留意されたい。例えば、複数の電力インバータ２８が、複数の昇降モータ１２に電力を供給するようにＤＣバス２４を横断して並列に接続可能である。さらに、ＥＥＳシステム３２がＤＣバス２４に接続されて示されているとはいえ、ＥＥＳシステム３２は、代替として電力コンバータ２２の三相入力のうちの一相に接続可能である。

ＥＥＳシステム３２は、直列または並列に接続され、電気エネルギーを貯蔵することができる１つまたは複数の装置を備えることができる。ＥＥＳシステム３２は、少なくとも１つの再充電可能バッテリを備えており、この再充電可能バッテリは、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）、鉛酸、ニッケル−金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）、リチウムイオン（Ｌｉイオン）、リチウムイオンポリマー（Ｌｉポリ）、ニッケル−鉄、ニッケル−亜鉛、亜鉛／アルカリ／二酸化マンガン、亜鉛−臭素流、バナジウム流、およびナトリウム−硫黄バッテリのいずれかを含むことができる。いくつかの実施例では、ＥＥＳシステム３２はまた、少なくとも１つのスーパーキャパシタを備えることができ、このスーパーキャパシタは、対称または非対称スーパーキャパシタを含むことができる。ＥＥＳシステム３２は、一種類の貯蔵装置を備えることができ、あるいは、同一または異なる種類の貯蔵装置の組み合わせを備えることができる。

電力システム１０は、一次電力供給・分配システム２０およびＥＥＳシステム３２の両方で昇降モータ１２の電力需要に対処する。これによって、一次電力供給・分配システム２０に対する電力需要全体が低減され、それによって、一次電力供給・分配システム２０から電力システム１０に電力を供給する構成要素（例えば、電力コンバータ２２）の大きさ（従って、費用）が低減可能となる。また、ＥＥＳシステム３２の充電状態（ＳＯＣ）の関数としてＥＥＳシステム３２によって供給される電力の割り当てを制御することで、ＥＥＳシステム３２の寿命が延長される。さらに、電力システム１０は、昇降モータ１２の需要に対処するように電力をＥＥＳシステム３２に、またＥＥＳシステム３２から供給することで、一次電源１０の故障後に救援および延長されたサービス作動を提供することができる。

電力システム１０、特にＥＥＳシステム３２の適切な作動には、ＳＯＣをモニタすることが必要である。ＳＯＣを所望の領域（または作動範囲）内に維持することで、必要に応じたＥＥＳシステム３２からの電力の利用が保証される。さらに、ＳＯＣを所望の作動範囲内に維持することで、電気エネルギーを貯蔵するのに使用される任意のバッテリの寿命が延長可能である。

ＥＥＳシステム制御装置３４、ＥＥＳシステム３２のＳＯＣをモニタし、ＥＥＳシステム３２を所望のＳＯＣ領域内に維持するようにＥＥＳシステムの充電および放電を制御する。ＥＥＳシステム制御装置３４は、一般にＳＯＣ開回路電圧（Ｖ_OC）の相関関係を混乱させる充電履歴依存性を除去するようにバッテリを部分的に充電または放電することでＳＯＣ開回路電圧（Ｖ_OC）の相関関係に基づいてバッテリの充電状態を較正する。ＳＯＣを決定するのに必要とされる放電の深さは、バッテリの完全な充電または放電を必要とする従来のＳＯＣ較正技術よりかなり小さい。放電の深さを最小限に抑えることで、完全充電または完全放電方法に比較してバッテリ寿命が延長される。

ＥＥＳシステム制御装置３４は最初に、ある負荷のもとでバッテリ電圧を所定の電圧と比較することでＳＯＣが所望のＳＯＣ領域または範囲より上にあるかまたは下にあるかを定性的に決定する。ＳＯＣが所望のＳＯＣ領域より上にある場合、較正は、ＥＥＳシステム３２の部分放電時にＳＯＣを減少させるように調整されることになり、そうでない場合、較正は、ＥＥＳシステム３２の部分充電時にＳＯＣを増加させるように指示されることになる。

一実施例では、ＥＥＳシステム制御装置３４は、アイドル期間（すなわち、昇降モータ１２が作動していないとき）に、比例して放電を減少させまたは充電を増加させることでＳＯＣが所定の長さの時間にわたって単調に増加または減少するようにＳＯＣ較正時にバッテリの管理戦略を設定する。ＳＯＣ変化が、およそ２０％に、またはＶ_OCが既知のＶ_OC−ＳＯＣ相関関係（すなわち、充電または放電境界曲線）へ横断することが可能となる最小の値に到達するとき、ＥＥＳシステム制御装置３４は、かなりの時間を必要とする従来方法を用いて、または、より短い観察時間に基づいて定常状態Ｖ_OCを推定する促進方法を用いてＶ_OCの定常状態値を決定または推定する。長い静止時間なしにバッテリのＶ_OCを推定するために、時間ではなく数分間から数十分間内の短い緩和でＶ_OCの推定を可能とする予測方法が使用可能である。この方法によって、システムの作動可能性および制御可能性を保証する目的に役立つ近似を得ることができる。

部分充電／放電は、バッテリのＳＯＣに特定の変化を生じさせるが、電気量の計数に基づいてＥＥＳ制御装置３４によって制御可能である。温度、温度変化速度、電圧、および電圧変化速度などの他のパラメータが、バッテリの過充電または過放電を防止するようにＳＯＣスイング中にモニタされる。ＳＯＣ変化の兆候を決定するには、充電量を正確に計算する必要はなく、その代わり、負荷が取り除かれたときすなわち開回路条件での電圧の傾向を観察することでＳＯＣの増加または減少が決定可能であることに留意されたい。例えば、電圧緩和期間にある間を除き、電圧減少は一般に静止前のＳＯＣの増加を示し、電圧回復は、ＳＯＣの減少を示す。

以下の説明では、バッテリＳＯＣ較正は、Ｎｉ−ＭＨバッテリの特性に基づく実施例を用いて説明される。再充電可能ニッケル−金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）バッテリは、そのエネルギーおよび電力密度、環境に優しい材料からの構成、および安全性の理由からエレベータ用途に好ましいエネルギー貯蔵装置である。しかしながら、他の種類のバッテリも使用可能であり、ＳＯＣモニタに同様の課題を提供し得る。説明される原理および方法論は、他の種類のバッテリにも適用可能である。

バッテリ（Ｎｉ−ＭＨバッテリなど）の開回路電圧（Ｖ_OC）は、物質輸送および寄生反応が無視できるときバッテリの電極電位の差に等しい。平衡における電極電位は、電極材料組成および環境条件に依存する熱力学的な値である。従って、Ｖ_OCはバッテリの充電状態の指標となり得る。Ｎｉ−ＭＨバッテリの正極（Ｎｉ（ＯＨ）₂）および負極（金属水素化物（ＭＨ））のモデルは、何人かの研究者によって提案されており、関連のある条件下で実証されている。Mukul Jain, A.L.E., Michael Matthews and John Weidner, "Thermodynamic considerations of the reversible potential for the nickel electrode", Electrochimica Acta., 1998, 43(18): p. 2649-2660; Bala S. Haran, B.N.P., and Ralph E. White, "Theoretical analysis of metal hydride electrodes", Journal of the Electrochemical Soc., 1998, 145(12): p. 4082-4090; A. Ledovskikh, D.D., W. J. J. Rey, and P. H. Notten, "Modeling of hydrogen storage in hydride-forming materials: Statistical thermodynamics", Physical Review B, 2006, 73(1): p. 014106 を参照のこと。Ｖ_OCからＳＯＣを直接計算することの実際的な困難は、実際の条件下での電極化学種の非理想混合物と電極の非平衡の性質とに由来する。さらに、観察されたＶ_OCとＳＯＣの間の相関関係は、バッテリの充電または放電の履歴に対する著しいヒステリシスまたは依存性を示す。

図２は、２つの作動領域について、６つの単セルから成り、セル当たり１．２Ｖの公称電圧を有するＮｉ−ＭＨバッテリモジュール（６．５Ａｈ）のＶ_OCと、そのＳＯＣとの間の実験的に観察された関係を示す。図２で示されるＶ_OC−ＳＯＣ関係を得るための１つの手続きまたは作動領域は、バッテリモジュールを定電流で連続的にゼロＳＯＣからまたはゼロＳＯＣへ充電しまたは放電させ、バッテリを各ＳＯＣについて２時間開回路にした後、対応するＶ_OCを記録するために電流を部分ＳＯＣで停止することであった。この手続きから得られるＶ_OC−ＳＯＣプロファイルは、境界ループ１００と呼ぶが、充電プロファイル１００Ｃおよび放電プロファイル１００Ｄを含む。

別の手続きまたは作動領域は、ゼロ充電と全容量との間の部分ＳＯＣからバッテリを充電しおよび放電させ、同じ方法を用いて、Ｖ_OCを記録することである。このＶ_OC−ＳＯＣプロファイルは、内部ループ１１０と呼ぶが、図２において白抜きと黒の四角の記号で示される。内部ループ１１０は、充電プロファイル１１０Ｃおよび放電プロファイル１１０Ｄを含む。

境界ループ１００および内部ループ１１０両方において、ヒステリシスが観察可能でああったし、繰り返し可能であった。Ｎｉ−ＭＨバッテリのヒステリシス現象は、正極のＮｉ（ＯＨ）₂とＮｉＯＯＨの間の変換に付随するプロトンインターカレーションに由来し得る。ヒステリシスは一般に、大抵の場合、B. Wu, M.M., D. Brigham, R. Elder, R.E. White, "A non-isothermal model of a nickel-metal hydride cell", Journal of Power Sources, 2001, 101: p.149-157 の実験式を用いて取り扱われる。境界ループ１００と内部ループ１１０とに基づく同じＶ_OCに付随する推定ＳＯＣの差がかなり大きいこと、従って、Ｖ_OCに基づくＳＯＣ推定の精確さはもっぱら、バッテリ充電履歴に適合する正確なＶ_OC−ＳＯＣプロファイルを選択することに依存することが分かる。

図１に示されたものなどの回生エレベータシステムでは、バッテリ使用の負荷プロファイルは、マイクロサイクルによってより精確に示されることができ、マイクロサイクルは、１つのサイクルに充電および放電両方を含んでおり、１つのサイクル内での小さなＳＯＣの往復移動と、所定の長さの時間にわたるバッテリＳＯＣのより遅いドリフトとを生じさせる。一連のそのようなサイクルが、図３Ａ、図３Ｂに示される。

エレベータ作動をシミュレートするマイクロサイクルから得られたＶ_OC−ＳＯＣ関係は、図４に示されており、図２に示される連続的な充電および放電から得られたものと比較される。２つのＶ_OC−ＳＯＣプロファイルの類似性は、Ｖ_OC−ＳＯＣの相関関係が主に、電極材料の状態によって決定されることを示唆している。さらにこれらの試験では、最大かつ不変のＳＯＣ変化（およそ２０％ＳＯＣ）によって、後のＶ_OC−ＳＯＣ相関関係がＶ_OC−ＳＯＣ境界ループ１００を横断することが観察された。充電または放電履歴の影響を除去し（Ｖ_OCに仮定された擬似定常状態）、後のＶ_OC−ＳＯＣ相関関係を境界ループ１００のプロファイル１００Ｃまたはプロファイル１００Ｄのどちらかに位置させるのに有効であろうＳＯＣ変化は、図２の内部ループ１１０について示されたＳＯＣ値より大きいかまたは小さい他のＳＯＣ値では２０％より小さくなりそうであるが、それというのも、境界プロファイル１００Ｃおよび１００Ｄは、ＳＯＣが高い値または低い値に近づくにつれて収束する傾向があるからである。バッテリが完全充電に対して約２０％の変化で充電されるかまたは放電することを仮定する一般的な過程は、ＳＯＣの推定に備えてバッテリを調整する基礎となる。この種の較正過程は、バッテリ寿命を保持するためにスイングを最小に抑えながら、ヒステリシスから生じるＶ_OC−ＳＯＣ相関関係の不確かさを除去するのに十分大きなＳＯＣのスイングを使用する。

比較的短い静止時間でＶ_OCを予測する可能性を維持する観察は、充電を減少させるマイクロサイクルと充電を増加させるマイクロサイクル両方が存在するときにバッテリの緩和が促進可能であるということである。これらのマイクロサイクルは、おそらく、ＳＯＣ変化から生じた存在する濃度勾配の増加を削除することで、開回路電圧の緩和を促進するように思われた。緩和特性に対する物質輸送の基礎は、Ta, K.P., による学位論文 Solid-state diffusion-coefficient measurement and modeling of intercalation mterial, "Department of Chemical Engineering", 1998, University of California, Berkeley に見出すことができる。これは、図５Ａ、図５Ｂに示される結果によって証明されており、図５Ａ、図５Ｂは、図４のＶ_OC−ＳＯＣ依存性が得られたサイクルのバッテリ電圧Ｖ_bプロファイルおよびバッテリ電流Ｉ_bプロファイルをそれぞれ示している。

図５Ａ、図５Ｂに示されている試験は、完全に放電したバッテリモジュールで開始された。図５Ａ、図５Ｂは、最初の連続充電２００を示しており、連続充電２００の後に、一連のＳＯＣ減少マイクロサイクル２１０Ａ〜２１０Ｊと、一連のＳＯＣ増加マイクロサイクル２２０Ａ〜２２０Ｆが続いている。図５Ａでは、ＳＯＣ減少マイクロサイクル２１０Ａ〜２１０Ｊから得られる緩和特性が、連続充電２００の緩和特性およびＳＯＣ増加マイクロサイクル２２０Ａ〜２２０Ｆの緩和特性と異なっていることを理解することができる。

図５Ａでは、連続充電２００によって、最初に６０％のＳＯＣ増加が得られた。連続充電２００によって、大幅な濃度勾配と、その結果としてのより長い緩和時間とが得られた。後のマイクロサイクル２１０Ａ〜２１０Ｊは、より遅いペースで徐々にＳＯＣを減少させているが、後の緩和をより急速に進行させているように見えた。充電減少マイクロサイクル２１０Ａ〜２１０Ｊの後に、一組の充電増加マイクロサイクル２２０Ａ〜２２０Ｆが続いた。先の全てのマイクロサイクル２１０Ａ〜２１０ＪによってＳＯＣがおよそ２０時間にわたって全体として２０％ドリフトしたとはいえ、マイクロサイクル２２０Ａは、より速いＶ_OC低下ダイナミクスにつながっているように思われた。マイクロサイクル２１０Ａ〜２１０Ｊにより生成された、充電減少期間におけるそれぞれ断続的な開回路条件でのＶ_OC緩和は、大なり小なり同様の時定数を示すことが観察された。最初の連続的充電２００から生じる履歴の影響は、おそらくその影響が時間の経過とともに減少するので、特性にはそれほど影響しないように思われた。ＳＯＣ変化が逆転した図５Ａの緩和の変化は、マイクロサイクル２１０Ｊ、２２０Ａをより詳細に示す図６Ａにおいてより明確に理解することができる。

図６ＡにおけるＶ_OCの緩和トレースに基づいて、定常状態Ｖ_OCの妥当な近似である擬似Ｖ_OCを予測するために短時間（例えば、アイドル時間における数分間または数十分間）の最初の緩和データを適合させることができる。Ｖ_OCを適合させる時定数は、バッテリのサイクル履歴と適合の誤差に対する必要条件とに応じて１００ｓから１０００ｓまでの範囲にわたる。しかしながら、Ｖ_OC変動は、およそ１０００ｓ後にはかなり小さくなる。従って、定常状態Ｖ_OCの推定値は、開回路条件の初期の時間に得られるＶ_OC緩和データを解析することで導出できるが、開回路条件の初期の時間は、緩和ダイナミクスが増強される場合、数十分より短くすることができる。緩和時間は、エレベータの従来の日常の交通プロファイルに基づくエレベータ使用の少ない時間帯に入手可能とすることができる。予測方法は、Ｖ_OCを精確に記録するための極端に長い緩和時間の必要性を低くするように実行される。

回生エレベータシステムのバッテリのための充電増加または充電減少作動の調整は、上述したエネルギー管理戦略によって実現可能である。従って、データベースに格納されたＶ_OC−ＳＯＣ相関関係に基づいてＳＯＣを較正するためにＶ_OCを推定する予測Ｖ_OC方法が実行可能である。代替として、定常状態Ｖ_OCは、より多数のバッテリパラメータを必要とするバッテリ端子電圧モデルによって特定可能である。

部分充電または放電は、較正中にエレベータ作動の中断を最低限に抑えるためにエレベータシステムの交通プロファイルと同期させることができる。図７に示される典型的な日常のエネルギープロファイルは、ＳＯＣの往復移動を最低限に抑えることが主要な機能の１つであるＥＥＳシステム制御装置３４の干渉なしに、ＥＥＳシステム３２のＳＯＣが、かなりの量でドリフト可能であったことを示す。従って、較正方法を実行するために妥当な時間にわたってかなりの量のＳＯＣ変化を得ることができる。

一実施例では、２０％を超えないかなりの量で、または特定の種類のバッテリに対する使用履歴の影響を最低限に抑えるのを保証するのに必要な最低の値で、ＳＯＣがドリフトできるようにするために、交通プロファイルに基づいてＳＯＣ往復移動が利用される。回生エレベータの交通プロファイルに付随する典型的な時間によるエネルギープロファイルが図７に示される。このような交通／エネルギープロファイルでは、エネルギー流量の最低限の干渉で、通常は境界ループ上にある、既知のＶ_OC−ＳＯＣ相関関係を有する状態にバッテリを設定するように、システムは、より大きな量でＳＯＣ変化を容易に生じさせることができる。

本発明は、バッテリＳＯＣの精確な推定を行い、それによって所望のＳＯＣレベル以外でシステムが作動するのを防止することで、バッテリの寿命を延長するのを助ける。回生エレベータシステムのバッテリは、通常のハイブリッド電気自動車のバッテリより毎日たいてい長く作動することになり、従って、ハイブリッド電気自動車より較正の必要性が大きいものになり得る。較正方法によって得られる利点には、向上した信頼性、少ない保守、および頻度の少ないバッテリ交換が含まれる。また、良好なバッテリ寿命延長戦略および技術によって、バッテリの大きさが最適化可能であり、また、与えられたレベルの性能を提供する費用が低減可能である。

本発明は、好ましい実施例に関連して説明したが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、形態および詳細について変更が可能であることを理解するであろう。例えば、バッテリＳＯＣ較正は、図１に示される特定のエレベータシステムの文脈で説明したが、多種多様なさまざまのエレベータシステムや、バッテリＳＯＣ較正が必要とされる他のシステムに適用可能である。

Claims (25)

1. 既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルに従うバッテリの開回路電圧（Ｖ_OC）によって規定される作動を保証するように完全な充電状態（ＳＯＣ）の範囲の一部に亘ってバッテリのＳＯＣを変化させ、
   Ｖ_OC値を決定し、
   Ｖ_OC値と既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルとに基づいてバッテリのＳＯＣを推定する、
   ことを含むことを特徴とする、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を決定する方法。
2. ＳＯＣが所望のＳＯＣ範囲より上にあるかを決定することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. バッテリのＳＯＣを変化させることは、ＳＯＣが所望のＳＯＣ範囲より上にある場合、バッテリのＳＯＣを減少させ、ＳＯＣが所望のＳＯＣ範囲より上にない場合、バッテリのＳＯＣもしＳＯＣを増加させることを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. バッテリのＳＯＣを変化させることは、完全なＳＯＣの範囲の最大約８０％までの一部に亘ることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルは、充電／放電境界ループを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. ＳＯＣを変化させることは、バッテリを境界ループの充電プロファイルまで充電することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. ＳＯＣを変化させることは、バッテリを境界ループの放電プロファイルまで放電させることを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
8. ＳＯＣを変化させることは、バッテリを充電および放電両方を含む一連のマイクロサイクルで作動させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 一連のマイクロサイクルは、エレベータシステムの回生駆動装置の作動によって実行されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. ＳＯＣの変化をエレベータシステムの交通プロファイルと同期させることをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. Ｖ_OC値を決定することは、交通プロファイルを参照してバッテリ使用を調整することで電圧緩和ダイナミクスを増強するように従来のＳＯＣ変化の傾向を抑制することによって短い時間の開回路の期間に行われることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. Ｖ_OC値を決定することは、測定されたＶ_OCとＶ_OCの電圧緩和特性とに基づくことを特徴とする請求項８記載の方法。
13. 既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルに従うエネルギー貯蔵システムの開回路電圧（Ｖ_OC）によって規定される作動を保証するようにエネルギー貯蔵システムを部分的に充電しまたは放電させ、
    Ｖ_OCを測定し、
    既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルに基づいて測定されたＶ_OCの関数として充電状態（ＳＯＣ）を推定する、
    ことを含むことを特徴とする、回生駆動エレベータシステムのエネルギー貯蔵システムの充電状態（ＳＯＣ）を決定する方法。
14. エネルギー貯蔵システムを部分的に充電しまたは放電させることは、ＳＯＣを完全なＳＯＣの範囲の最大８０％で変化させることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 既知のＶ_OC−ＳＯＣプロファイルは、充電／放電境界ループを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. 部分的に充電しまたは放電させることは、一連のマイクロサイクルによって実行されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
17. 一連のマイクロサイクルは、送電線網の電力を伴う回生駆動エレベータシステムの作動によって実行されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 回生駆動装置と、
    回生駆動装置によって作動される昇降モータと、
    回生駆動装置に接続された電気エネルギー貯蔵（ＥＥＳ）システムと、
    充電状態（ＳＯＣ）の関数としてＥＥＳシステムの充電および放電を制御するＥＥＳシステム制御装置であって、ＥＥＳシステムを既知の開回路電圧Ｖ_OC−ＳＯＣ境界曲線まで充電しまたは放電させ、ＥＥＳシステムのＶ_OCを測定し、Ｖ_OCとＶ_OC−ＳＯＣ境界曲線の関数としてＳＯＣを推定することで、ＳＯＣの較正を実行するＥＥＳシステム制御装置と、
    を備えることを特徴とするエレベータシステム。
19. ＥＥＳシステム制御装置は、完全なＳＯＣの範囲の最大約８０％までのＳＯＣ変化を生じさせるようにＳＯＣ較正の際にＥＥＳシステムを充電しまたは放電させることを特徴とする請求項１８記載のエレベータシステム。
20. ＥＥＳシステム制御装置は、回生駆動装置の作動によって実行される一連のマイクロサイクルでＳＯＣ較正の際にＥＥＳシステムを充電しまたは放電させることを特徴とする請求項１８記載のエレベータシステム。
21. ＥＥＳシステム制御装置は、ＳＯＣの較正をエレベータシステムの交通プロファイルと同期させることを特徴とする請求項２０記載のエレベータシステム。
22. 充電状態（ＳＯＣ）およびバッテリの開回路電圧（Ｖ_OC）がＶ_OC−ＳＯＣ充電／放電境界ループ上にあるように完全なＳＯＣの範囲の一部に亘ってバッテリのＳＯＣを変化させ、
    Ｖ_OCを決定し、
    Ｖ_OCとＶ_OC−ＳＯＣ充電／放電境界ループとに基づいてバッテリのＳＯＣを推定する、
    ことを含むことを特徴とする、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を決定する方法。
23. バッテリのＳＯＣを変化させることは、ＳＯＣが所望のＳＯＣ範囲より上にある場合、バッテリのＳＯＣを減少させ、ＳＯＣが所望のＳＯＣ範囲より上にない場合、バッテリのＳＯＣもしＳＯＣを増加させることを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
24. バッテリのＳＯＣを変化させることは、完全なＳＯＣの範囲の最大約８０％までの一部に亘ることを特徴とする請求項２２記載の方法。
25. バッテリのＳＯＣを変化させることは、一連のマイクロサイクルでバッテリを充電しまたは放電させることを特徴とする請求項２２記載の方法。

Images