JP2013210340A - 充電制御装置、充電制御方法、および蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の劣化が抑制されるよう充電開始時刻を決定し、電池寿命を延ばすことの出来る充電制御装置、充電制御方法、および蓄電システムを提供すること。
【解決手段】充電制御装置１０１は、充電残量算出部２０１、必要充電量算出部２０２、および、開始時刻候補決定部２０３によって決定された蓄電池１０２の充電開始時刻および必要充電量に対応する充電量と充電電流の変化パターンを充電パターン決定部２０４において決定する。前記充電パターンに従って充電する場合の蓄電池１０２の劣化度を劣化予測部２０５において算出し、当該劣化度が最小となるよう蓄電池１０２を充電する。
【選択図】図２

Description

本発明は蓄電池の充電を制御する充電制御装置、充電制御方法、および蓄電システムに関するものである。

従来、蓄電池の充電制御または放電制御（以下、簡略化のために充電または放電を「充放電」と表すことがある）に関する技術が検討されている。この技術では、例えば、夜間などの商用電力の電気料金の安い時間帯に蓄電池を充電し、昼間などの商用電力の電気料金の高い時間帯に商用電力に代えて蓄電池の電力を負荷に供給する。これにより、ユーザが支払う電気料金を低減できる。

しかしながら、蓄電池は充電および放電するごとに劣化する。また、充放電の有無に関わらず蓄電池が時間経過に伴って劣化する。そのため、蓄電池の充放電方法または保存方法によって著しく劣化速度を速め、想定する寿命期間に達する前に蓄電池の寿命が尽きる場合が生じる。

この劣化速度は蓄電池の充放電時または保存時の蓄電池の状態に依存する。蓄電池の状態を示すパラメータとして、例えば、蓄電池の放電深度、充放電頻度、充放電電流の大きさ、或いは、電荷の残存時間などが知られている。例えば、蓄電池の電荷の残存時間が長いほど蓄電池の劣化が促進する。また、充電時の充電電流が大きいほど蓄電池の劣化が促進する。

そこで、例えば特許文献１には、夜間時間帯において蓄電池の充電を完了する目標時刻から必要な充電時間を遡った時点を充電開始時刻とし、この充電開始時刻から、蓄電池への充電を開始する技術が開示されている。これにより、図１２（ａ）に示すように、充電完了後から放電を開始するまでの蓄電池に電荷が残っている状態をできるだけ短くすることができるので、蓄電池の劣化を抑制することができる。

また、特許文献２には、蓄電池の充電可能な時間帯を決定し、当該充電可能な時間帯内に蓄電池への充電を完了させる技術が開示されている。これにより、図１２（ｂ）に示すように、特許文献１と同様に充電完了後の高い充電状態での残存時間を短くすることに加え、充電時の充電電流を小さくし、蓄電池の劣化を抑制することができる。

特開２０１０−２５９１６３号公報 国際公開第２０１１／０１８９５９号

しかしながら、特許文献１では、蓄電池の充電開始時刻は考慮しているが、充電時の充電電流を考慮していない。一方、特許文献２では、より早い時刻から充電を開始することで蓄電池の充電電流を特許文献１より小さくすることにより劣化を抑えられるが、特許文献１の場合に比べて充電開始時刻を早めるため、蓄電池において高い充電状態での滞在時間が特許文献１より長くなる。即ち、充電開始時刻により変動する充電電流と電荷の残存時間とは、蓄電池の劣化に対してトレードオフの関係にある。従って、上記いずれの技術も劣化を抑制できる余地がある。

そこで、本発明は前記課題に鑑みてなされたものであって、蓄電池を充電したときに生じる蓄電池の劣化を抑制することができる充電制御装置、充電制御方法、および蓄電システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施に係る充電制御装置は、蓄電池の充電状態を推定するためのパラメータを取得し、前記パラメータに基づいて前記蓄電池の充電残量を決定する充電残量算出部と、予め定められた目標充電量と前記充電残量との差分を求めることにより、予め定められた充電可能時間帯において必要な充電量を算出する必要充電量算出部と、前記充電可能時間帯の終了時刻までに前記必要充電量の充電を完了させることができる範囲で前記蓄電池の充電開始時刻の候補を決定する候補決定部と、前記充電開始時刻の各候補から前記終了時刻まで前記必要充電量を充電するときの充電量の変化パターンと、前記充電量の変化パターンに基づいて前記充電開始時刻の各候補から充電を開始したときの充電電流の変化パターンとを決定する充電パターン決定部と、前記充電量の変化パターンに基づいて算出される第１の劣化度と前記充電電流の変化パターンに基づいて算出される第２の劣化度とを予測し、前記第１の劣化度および前記第２の劣化度の和から前記充電可能時間帯において生じる前記蓄電池の予測劣化度を算出する劣化予測部と、前記充電開始時刻候補の中で、前記劣化予測部で算出された予測劣化度が最小となる充電開始時刻を前記蓄電池の最適充電開始時刻とする最適開始時刻決定部と、前記最適開始時刻決定部で決定された前記最適充電開始時刻に前記蓄電池の充電を開始し、前記最適充電開始時刻に対応する充電量の変化パターンに従って前記必要充電量を充電させる充電制御部と、を備える。

なお、本発明は、装置として実現するだけでなく、その装置を構成する処理手段をステップとする方法、このような装置が備える処理手段を備える集積回路、またはそれらステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現することができる。

本態様によると、蓄電池の充電電流の変化パターンに基づいて算出される第１の劣化度と蓄電池の充電量の変化パターンに基づいて算出される第２の劣化度の和が最小となる充電開始時刻を決定するので、蓄電池を充電した際に生じる蓄電池の劣化を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に用いられるシステムの概観図 本発明の実施の形態１に用いられる充電制御装置のブロック図 蓄電池の充電量と電圧の関係マップを示す説明図 カレンダ劣化の劣化速度と充電量および温度の関係を示す説明図 サイクル劣化の劣化速度と充電電流および温度の関係を示す説明図 本発明の実施の形態１を説明するための概念図 本発明の実施の形態１に係る充電制御装置の処理を示すフローチャート 本発明の実施の形態１に係る充電開始時刻の選択範囲を示す説明図 本発明の実施の形態２に用いられる充電制御装置のブロック図 本発明の実施の形態２を説明するための概念図 本発明の実施の形態２に係る充電制御装置の処理を示すフローチャート 従来技術を説明するための図

本発明の一態様である充電制御装置は、蓄電池の充電状態を推定するためのパラメータを取得し、前記パラメータに基づいて前記蓄電池の充電残量を決定する充電残量算出部と、予め定められた目標充電量と前記充電残量との差分を求めることにより、予め定められた充電可能時間帯において必要な充電量を算出する必要充電量算出部と、前記充電可能時間帯の終了時刻までに前記必要充電量の充電を完了させることができる範囲で前記蓄電池の充電開始時刻の候補を決定する候補決定部と、前記充電開始時刻の各候補から前記終了時刻まで前記必要充電量を充電するときの充電量の変化パターンと、前記充電量の変化パターンに基づいて前記充電開始時刻の各候補から充電を開始したときの充電電流の変化パターンとを決定する充電パターン決定部と、前記充電量の変化パターンに基づいて算出される第１の劣化度と前記充電電流の変化パターンに基づいて算出される第２の劣化度とを予測し、前記第１の劣化度および前記第２の劣化度の和から前記充電可能時間帯において生じる前記蓄電池の予測劣化度を算出する劣化予測部と、前記充電開始時刻候補の中で、前記劣化予測部で算出された予測劣化度が最小となる充電開始時刻を前記蓄電池の最適充電開始時刻とする最適開始時刻決定部と、前記最適開始時刻決定部で決定された前記最適充電開始時刻に前記蓄電池の充電を開始し、前記最適充電開始時刻に対応する充電量の変化パターンに従って前記必要充電量を充電させる充電制御部と、を備える。

本態様によると、充電可能時間帯において蓄電池の電荷の残存により生じる劣化の予測量と、蓄電池を充電することにより生じる劣化の予測量との合計が最小となるように蓄電池の充電開始時刻を決定する。これにより、蓄電池の劣化が最小となる充電開始時刻を決定するので、蓄電池を充電した際に生じる蓄電池の劣化を抑制することができる。

例えば、前記充電残量算出部は、前記パラメータとしてセンサにより検出した前記蓄電池の電圧値と、予め作成された蓄電池の電圧値と充電量の関係マップとに基づいて前記蓄電池の充電残量を決定してもよい。

本態様によると、充電残量算出部において取得した電圧と関係マップとから一意に充電量を算出するため、充電量を簡易に算出することができる。

例えば、前記充電パターン決定部が、前記充電開始時刻から前記充電可能時間帯の終了時刻まで充電電流が一定となるように充電量の変化パターンを決定してもよい。

本態様によると、充電量の変化パターンが線形に増加するため、充電開始時刻および各時刻における充電量を簡易に算出することができる。

例えば、充電制御装置は、前記充電可能時間帯における前記蓄電池の温度変化パターンを予測する温度予測部を備え、前記劣化予測部は、前記温度予測部の温度変化パターン予測結果に基づいて、前記第１の劣化度および前記第２の劣化度を修正してもよい。

本態様によると、前記第１の劣化度および前記第２の劣化度の温度依存性を考慮した予測劣化度に基づいて充電開始時刻を決定するため、算出する劣化度の予測精度を向上できる。その結果、蓄電池の劣化をより抑制できる。

以下、本発明の各実施の態様に用いられる充電制御装置、充電制御方法および蓄電システムについて図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る充電制御装置、充電制御方法および蓄電システムが用いられるシステム構成の一例である。図１において蓄電システム１００は、充電制御装置１０１と、蓄電池１０２と、充放電装置１０３と、センサ１０４とを備えている。

蓄電池１０２は、例えば、複数のセルで構成した電池パックを複数個直列または並列に接続した蓄電装置である。本実施の形態では蓄電池１０２がリチウムイオン二次電池の場合を例に説明するが、その他の材質の二次電池或いはキャパシタなどであってもよい。

充放電装置１０３は、蓄電池１０２、負荷１０５、および商用電源１０６と接続され、充電制御装置１０１から一定時間毎に与えられる制御信号に基づいて蓄電池１０２を充電させる。なお、充放電装置１０３は、蓄電池１０２を充電していない時間帯において蓄電池１０２に放電させることで負荷１０５に電力を供給することもできる。

商用電源１０６は、充放電装置１０３を介して蓄電池１０２と接続され、蓄電池１０２を充電するための電力供給源となる。なお、本実施の形態では、商用電源１０６が蓄電システム１００に接続されている例を示しているが、例えば、太陽電池あるいは燃料電池などの電力供給装置が蓄電システム１００に接続されてもよい。

充電制御装置１０１は、センサ１０４によって検知された蓄電池１０２の状態を示す状態パラメータを取得し、当該状態パラメータから蓄電池１０２の充電量を求める。充電制御装置１０３は、算出された充電量に基づき蓄電池１０２の充電電流を決定し、この充電電流を充電させるための制御信号を充放電装置１０３へ送信する。この充電制御装置１０３の詳細な構成については図２にて後述する。

センサ１０４は蓄電池１０２の状態パラメータを検出し、当該検出したパラメータを充電制御装置１０１へ通信ネットワークを介して送信する。この通信ネットワークには、有線および無線のいずれの通信手段が用いられてもよい。

図２は、本実施の形態に係る充電制御装置１０１の機能ブロック図を示す。図２において、充電制御装置１０１は、充電残量算出部２０１、必要充電量算出部２０２、開始時刻候補決定部２０３、充電パターン決定部２０４、劣化予測部２０５、最適開始時刻決定部２０６、および充電制御部２０７を備えている。

充電残量算出部２０１は、センサ１０４によって検出された蓄電池１０２の電圧に基づいて図３に示す充電量と電池電圧の関係マップを用いて前記電圧に対応する充電量を求めることで、蓄電池１０２の充電残量を算出する。また、センサ１０４は蓄電池の状態パラメータとして充電電流を検出してもよい。この場合、充電残量算出部２０１は当該充電電流の積算値から蓄電池１０２の充電量を計算する。

必要充電量算出部２０２は、充電残量算出部２０１で算出された充電残量と目標充電量との差分を求めることで、現在から充電可能時間帯の終了時刻までに蓄電池に充電する必要のある充電量を算出する。なお、目標充電量は予めインストーラやユーザによって設定される。例えば、目標充電量は、満充電による急速な劣化を防ぎつつ、より多くの放電量を確保するために、満充電量に対し９０％の充電量に設定される。

開始時刻候補決定部２０３は、蓄電池１０２の充電開始時刻の候補を作成する。この充電開始時刻の候補は、後述する充電パターン決定部２０４で充電パターンを決定するための条件として用いられる。

本実施の形態における充電可能時間帯は、電気料金の安い夜間を想定しているが、放電の機会が発生せず充電のために割り当てられた一定時間区間であれば同様に適用できる。なお、上記充電開始時刻の候補は、充電可能時間帯の終了時刻までに目標充電量まで充電を完了する必要があるため、それを満たすことのできる範囲内で決定する。

充電パターン決定部２０４は、上記充電開始時刻の各候補から充電が開始された場合の充電量の変化パターンと充電電流の変化パターンとを決定する。

劣化予測部２０５は、充電量の変化パターンおよび充電電流の変化パターンから蓄電池１０２の充電可能時間帯における累積劣化度を予測する。

最適開始時刻決定部２０６は、充電可能時間帯における蓄電池の劣化が最小となる充電開始時刻を開始時刻候補決定部２０３で生成された充電開始時刻の各候補時刻の中から決定する。

充電制御部２０７は、蓄電池１０２を充電させるために充放電装置１０３へ制御信号を送信する。

次に、以上のように構成された充電制御装置およびその充電制御方法について図面を用いてその概要と動作を説明する。

本実施の形態において蓄電池の劣化とは、時間経過あるいは充放電の繰り返しに伴う満充電時における充電量の減少率として定義される。例えば、この減少率は、未使用状態の蓄電池の満充電時の蓄電量に対する現在の満充電時の蓄電量の比率として計算される。また、劣化速度は前記減少率の時間当たりの変化分として定義される。なお、蓄電池の劣化を蓄電池の最大出力の減少率などで定義してもよい。

一般に、リチウムイオン二次電池の劣化は蓄電池に電荷が残存していることによる電池セル内部の電気化学的変化に起因して発生する劣化要因と、蓄電池が充放電する際のリチウムイオンの電極へのリチウム脱挿入に伴う体積変化などの物理的ストレスに起因して発生する劣化要因とからなり、それぞれカレンダ劣化およびサイクル劣化と呼ばれる。

図４は、カレンダ劣化の劣化速度に関する特性を示している。図４（ａ）は劣化速度と充電量との関係を示す。図４（ｂ）は劣化速度と温度との関係を示す。図４（ｂ）において劣化速度は対数表示されており、温度は逆数で表示されているものとする。

図５は、サイクル劣化の劣化速度に関する特性を示している。図５（ａ）は劣化速度と充電電流との関係を示す。図５（ｂ）は、劣化速度と温度との関係を示す。

図６は本実施の形態を説明するための概念図である。

一般に化学反応における温度と反応速度との関係を定量的に表すための式として式（１）に示すアレニウスの式が知られている。この式（１）は、カレンダ劣化の劣化速度の算出に適用することができる。

Ｋａ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｅａ／（ＲＴ）） …式（１）
ここで、Ｋａは反応速度定数、Ａは頻度因子、Ｅａは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。

また、カレンダ劣化の主要な劣化因子として温度の他に電池の電圧があり、アレニウスの式に電圧によるストレス因子Ｓを追加することで評価できる（式（２））。

Ｋａ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｅａ／（ＲＴ））×Ｓ^α …式（２）
ここで、Ｓは電圧によるストレス因子、αは定数である。

本実施の形態に係るカレンダ劣化の定数αは１よりも大きく、電圧が高くなるほど劣化速度が大きくなるという関係が成り立つ。実使用範囲において充電量と電圧とは概ね線形関係であることから、劣化速度と充電量とは図４（ａ）のグラフに示すような関係であり、充電量を除く条件を一定とした場合、充電量の増加に対しカレンダ劣化速度は単調増加となる。また、前述のとおりカレンダ劣化速度はアレニウスの式に従う温度依存特性をもつため、アレニウスプロットをとると図４（ｂ）に示すグラフのような直線関係となる。

複数の温度条件および電圧条件で実施したリチウムイオン二次電池の保存劣化試験などから得た劣化特性データに基づいて式（２）中の係数を決定することで、式（２）を特定の使用条件下におけるカレンダ劣化速度を予測するモデルとして利用することができる。

一方、サイクル劣化は図５（ａ）に示すように温度一定とした場合、充電電流が大きくなるほど、劣化速度が大きくなることが知られている。また、図５（ｂ）に示すように高温時あるいは低温時の充電により劣化が加速するという温度依存特性がある。当該劣化特性もカレンダ劣化特性と同様に、複数の充電電流および温度におけるサイクル劣化試験データなどを近似し、充電電流および温度を変数とした近似式を特定の使用条件下における劣化度の予測モデルとして利用できる。

充電電流Ｉおよび絶対温度Ｔに依存するサイクル劣化速度Ｋｂを式（３）とおくと、カレンダ劣化速度とサイクル劣化速度の相互依存性が低いことから、蓄電池に生じる全劣化の進行速度は式（４）に示すようにカレンダ劣化速度およびサイクル劣化速度の和で評価することができる。

Ｋｂ＝Ｆ（Ｉ，Ｔ） …式（３）
Ｋ＝Ｋａ＋Ｋｂ …式（４）

なお、本実施の形態に係る蓄電池の劣化特性について、リチウムイオン二次電池を例に説明したが、その他の二次電池についても、それぞれ劣化の要因をモデル化することにより劣化度を予測することができれば本手法は適用可能である。また、本実施の形態の説明で述べていない電池セル内の温度のばらつき或いは電解液の濃度ばらつきなど、より詳細な劣化因子を劣化速度のモデル式へ組み込むことにより劣化の予測精度を向上させることができる。

図６（ａ）は本実施の形態を説明するための図として、３通りの充電開始時刻（ｔ１、ｔ２、ｔ３）からＣＣ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）充電により充電した場合の、それぞれの充電可能時間帯における充電量の変化パターンを表している。充電開始時刻はｔ１＜ｔ２＜ｔ３であり、いずれも充電終了後に充電量が高い状態で時間が経過するのを避けるために充電可能時間帯の終了時刻に充電が終了するように充電電流が決められる。

それぞれの充電電流は必要充電量を充電可能時間帯の終了時刻と充電開始時刻との差分で割ることで算出することができる。なお、本実施の形態ではＣＣ充電を例にとり説明するが、例えばＣＣＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）充電などの充電方式であってもよい。

図６（ｂ）はカレンダ劣化により充電可能時間帯において生じる累積劣化度を図６（ａ）と対応させて示す。前述のとおり、蓄電池の充電量が大きいほどカレンダ劣化速度は大きくなるため、３通りのうち最も充電開始が早く、各時刻における充電量が大きいｔ１に充電を開始する場合に充電可能時間帯終了時刻までの累積劣化度が最大となる。同様に、充電開始が最も遅いｔ３に充電開始する場合に累積劣化度は最小となる。すなわち、カレンダ劣化の観点からは充電開始時刻は遅らせる方が劣化度は小さいことが分かる。

図６（ｃ）はサイクル劣化により充電可能時間帯において生じる累積劣化度を図６（ａ）と対応させて示す。前述のとおり、充電電流が大きいほどサイクル劣化速度は大きくなるため、３通りのうち最も充電開始が遅く、そのため充電電流が大きいｔ３に充電を開始する場合に充電可能時間帯終了時刻までの累積劣化度も最大となる。同様に、充電開始が最も早いｔ１に充電開始する場合に累積劣化度は最小となる。すなわち、サイクル劣化の観点からは充電開始時刻は早い方が劣化度は小さいことが分かる。

蓄電池の劣化度は上記カレンダ劣化およびサイクル劣化の和であるため、蓄電池の劣化に対してカレンダ劣化の影響が大きい場合は充電開始を遅らせ、サイクル劣化の影響が大きい場合は充電開始を早めることが劣化抑制に効果的である。しかし、蓄電池の劣化特性は蓄電池の種類によって異なり、充電可能時間帯および必要充電量などの制御条件によっても劣化の影響は変動する。

そのため、最も劣化が抑制される最適な充電開始時刻は一意に決めることが困難である。そこで、充電開始に際し、充電開始時刻毎に充電量の変化パターンと充電電流の変化パターンとを決定し、当該充電パターンに基づいた累積の予測劣化度を算出する。当該予測劣化度に基づき、最も劣化が抑制できる時刻から充電開始することで効果的に蓄電池の劣化を抑制できる。

図７、本実施の形態に係る充電制御装置１０１の処理を示すフローチャートである。図８は本実施の形態に係る充電開始時刻の選択範囲の説明図である。充電制御装置１０１は、例えば、当該処理を充電可能時間帯の開始時刻に実施する。

ステップＳ１では、まず、充電制御装置１０１は、現在時刻における蓄電池１０２の充電残量を算出する。例えば、充電制御装置１０１は、センサ１０４により取得した電圧に基づき、電圧および充電量の関係マップなどを用いて蓄電池１０２の充電残量を算出することができる。

ステップＳ２では、充電制御装置１０１は、充電可能時間帯の終了時刻における目標充電量を取得する。この目標充電量は予めプログラムされた充放電アルゴリズムに基づいて決定される。例えば、夜間に充電し、それ以外の時間帯に放電するアルゴリズムで運用されている場合は、目標充電量は、充電量の上限として設定されている満充電量の９０％とすることができる。

ステップＳ３では、充電制御装置１０１は、Ｓ１およびＳ２で取得した充電残量と目標充電量との差分から必要充電量を算出する。

ステップＳ４では、充電制御装置１０１は、目標充電終了時刻を取得する。この目標充電終了時刻は、充電可能時間帯の終了時刻であり、例えば、夜間電力料金が適用される時間帯の終了時刻である午前７時とすることができる。

ステップＳ５では、充電制御装置１０１は、充電可能時間帯の範囲内で充電を開始する候補時刻を決定する。また、当該候補時刻は蓄電池１０２の出力可能な充電電流の上限値または下限値において目標充電終了時刻に目標充電量まで充電できる範囲内で選ばれる。

図８に示すように、例えば、最小充電電流でＣＣ充電したときの目標充電終了時刻までに充電を完了できる最も早い時刻（ｔ１）および現在時刻（ｔ０）のうち遅い方の時刻をＴｓ、最大充電電流でＣＣ充電したときの目標充電終了時刻までに充電を完了できる最も遅い時刻（ｔ２）をＴｅとし、ＴｓからＴｅの範囲を一定間隔毎に分割した時刻を開始時刻候補Ｔｉとすることができる。

ステップＳ６では、充電制御装置１０１は、Ｓ５で決定した開始時刻候補Ｔｉのうち、当該処理を未実施のものに対して充電可能時間帯の開始時刻から終了時刻までの充電量の変化パターンを決定する。同様にステップＳ７では充電電流の変化パターンを決定する。

例えば、充電可能時間帯を午後２３時〜午前７時として、午前０時にＣＣ充電を開始する場合、蓄電池１０２の充電量の変化パターンは、午後２３時から午前０時までは午後２３時における充電量のままで、午前０時から午前７時まで直線的に増加する。同様に、充電電流の変化パターンは午後２３時から午前０時までは０で、午前０時から午前７時までは前記充電量変化の傾きに相当する充電電流と決定できる。

ステップＳ８では、Ｓ６およびＳ７で求めた各時刻における充電量および充電電流と、カレンダ劣化予測モデルおよびサイクル劣化予測モデルとを用いて、それぞれの時刻毎のカレンダ劣化速度と、サイクル劣化速度とを算出する。当該算出結果を充電可能時間帯において積分することで、当該時間帯に蓄電池に生じる予測劣化量を計算する。

ステップＳ９では、充電制御装置１０１は、Ｓ６からＳ８までの処理が、Ｓ５で決定した開始時刻候補の全てについて実施されたかどうかを判断し、未処理の候補があれば当該候補に対しＳ６からの処理を開始し、全候補について処理が完了すればＳ１０へ進む。

ステップＳ１０では、充電制御装置１０１は、Ｓ５で決定された全ての開始時刻候補の中で、Ｓ８で計算された予測劣化量が最小の候補を実際の充電開始時刻として決定する。

ステップＳ１１では、充電制御装置１０１は、Ｓ１０で決定された充電開始時刻に達するまで、充電開始を待機し、当該時刻に達するとＳ６およびＳ７で決定した充電パターンに基づいて充電を開始させる。

本態様によると、充電可能時間帯において蓄電池の電荷の残存により生じる劣化の予測量と、蓄電池を充電することにより生じる劣化の予測量の合計が最も小さくなるように蓄電池の充電開始時刻を決定する。これにより、蓄電池の劣化が最小となる充電開始時刻を決定するので、蓄電池を充電した際に生じる蓄電池の劣化を抑制することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１で述べた蓄電池の劣化予測に関して、蓄電池の温度による劣化の影響を考慮し、劣化予測の精度を向上させる。

実施の形態２に係る充電制御装置、充電制御方法および蓄電システムが用いられるシステム構成例は実施の形態１と同じ構成であるため説明は省略する。

図９、実施の形態２に係る充電制御装置３０１の機能ブロック図を示す。図９において、充電制御装置３０１は、温度予測部２０８および劣化予測部２０５を備える。なお、図１および図２で示した充放電制御装置１０１と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略し、変更のある要素のみ説明する。

センサ３０４は、蓄電池１０２の状態パラメータとして電圧に加えて温度を検出する。

温度予測部２０８は、センサ３０４で検出された温度と充電パターン決定部２０４で決定された充電電流の変化パターンとに基づき、充電可能時間帯における温度変化パターンを予測する。

温度変化パターンは、例えば、蓄電池１０２の温度と充電電流とを用いて計算することにより予測される。また、環境温度変化の予測または発熱源となる機器の運転計画などの情報を組み込んで温度変化パターンを予測することにより、予測精度をより向上させることができる。

劣化予測部２０５は、充電パターン決定部２０４で決定した充電量の変化パターンおよび充電電流の変化パターンに加え、上記温度変化パターンを用いて、充電可能時間帯における蓄電池の予測劣化度を算出する。

次に、以上のように構成された実施の形態２に係る充電制御装置３０１およびその充電制御方法について図面を用いてその概要と動作を説明する。

図１０は、実施の形態２の概要を説明するための概念図である。

図１０（ａ）は図６（ａ）と同様の図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の充電パターンに対応した、電池温度の変化パターンの一例を示している。電池温度は主に電池の充放電電流により変動し、同図に示すように、各充電開始時刻から充電開始する場合において充電開始後に電池温度が上昇する。また、当該温度上昇は蓄電池の内部抵抗をＲとすると式（５）で示す内部発熱量Ｐに依存し、充電電流Ｉの２乗に比例して大きくなる。

Ｐ＝Ｉ^２×Ｒ …式（５）

図１０（ｃ）はカレンダ劣化により充電可能時間帯において生じる累積劣化度を図１０（ａ）および図１０（ｂ）と対応させて示す。充電量によるカレンダ劣化への影響は図６（ｂ）における説明と同様である。

温度による影響を考慮すると、高温時にカレンダ劣化速度が大きくなるため温度が上昇する充電中のカレンダ劣化速度が大きくなることがわかる。充電電流の最も大きいｔ３に充電を開始する場合に、温度上昇率も最大となりカレンダ劣化速度が最大となる。

一方で、充電開始が遅いことで温度上昇の影響を受ける時間は最も短い。そのため累積のカレンダ劣化量はいずれの開始時刻の場合でも同程度となっている。なお、実施の形態２では、カレンダ劣化の累積劣化度がいずれの開始時刻でも同程度となる例を示したが、前記温度上昇の影響と前記上昇時間短縮の影響との割合は条件により変わる。

図１０（ｄ）はサイクル劣化により充電可能時間帯において生じる累積劣化度を図１０（ａ）および図１０（ｂ）と対応させて示す。充電電流のサイクル劣化への影響は図６（ｃ）における説明と同様である。

温度による影響を考慮すると、高温時にサイクル劣化速度が大きくなるため温度上昇が大きい高い充電電流での充電時にサイクル劣化速度が大きくなる。そのため、充電電流の最も大きいｔ３に充電を開始する場合に温度上昇率も最大となりサイクル劣化速度が最も大きくなる。

なお、実施の形態２では温度上昇でサイクル劣化速度が大きくなる場合を例としたが、低温領域では温度低下によりサイクル劣化速度が大きくなる場合もあるため、上記説明とは反対に充電開始時刻が早い方が、累積劣化度が大きくなる場合もある。

前述のとおり蓄電池の劣化度は上記カレンダ劣化とサイクル劣化の和であり、実施の形態２における劣化特性の場合は、サイクル劣化の影響が大きいため充電開始を早めることが劣化抑制に効果的である。

しかし、蓄電池の劣化特性は蓄電池の種類によって異なり、充電可能時間帯や必要充電量などの制御条件、あるいは温度などの環境条件によっても前記劣化の影響は変動する。そのため、最も劣化が抑制される最適充電開始時刻は一意に決めることが困難である。

そこで、充電開始に際し、充電開始時刻毎に充電量の変化パターンと充電電流の変化パターンとを決定し、当該充電パターンに基づいた温度変化パターンと、当該予測パターンと前記充電パターンとを用いて累積の予測劣化度を算出する。当該予測劣化度に基づき、最も劣化が抑制できる時刻から充電開始することで蓄電池の劣化を抑制できる。

図１１、実施の形態２に係る充電制御装置３０１の処理を示すフローチャートである。同図においてＳ１〜Ｓ１１は図７に示すフローチャートの処理と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ１２において、温度予測部２０８は現在時刻における蓄電池１０２の温度を取得する。例えば、センサ６０４により検出された電池温度を、有線もしくは無線の通信手段により取得する。ステップＳ１３では、温度予測部２０８は、取得した温度を初期条件として、充電可能時間帯における充電電流の変化パターンと蓄電池１０２の温度特性情報とを用いて各時刻における発生熱量を算出し、温度変化パターンを予測する。当該温度変化パターンは、Ｓ８における予測劣化度の算出に用いられる。これにより、蓄電池１０２の劣化度の予測精度を向上できる。

本態様によると、カレンダ劣化およびサイクル劣化の温度依存性を考慮した予測劣化度に基づき、最適充電開始時刻を決定するため、算出する劣化度の予測精度が向上し、劣化をより抑制することができる。

以上、図面を用いて本発明の好適な実施の形態について説明したが、本明細書において想定した住宅用の蓄電システムは一例に過ぎない。例えば蓄電池を備えた電気自動車或いはハイブリッドカーへ商用電源を用いて充電を行う蓄電システムなどへ適用してもよい。

本発明は、蓄電池の充電制御技術に利用でき、特に夜間などの電気料金の安い時間帯に蓄電池に充電する場合に前記蓄電池の劣化を抑制することに有用である。

１００ 蓄電システム
１０１ 充電制御装置
１０２ 蓄電池
１０３ 充放電装置
１０４ センサ
１０５ 負荷
１０６ 商用電源
２０１ 充電残量算出部
２０２ 必要充電量算出部
２０３ 開始時刻候補決定部
２０４ 充電パターン決定部
２０５ 劣化予測部
２０６ 最適開始時刻決定部
２０７ 充電制御部
２０８ 温度予測部
３０１ 充電制御装置
３０４ センサ

Claims (6)

1. 蓄電池の充電状態を推定するためのパラメータを取得し、前記パラメータに基づいて前記蓄電池の充電残量を決定する充電残量算出部と、
   予め定められた目標充電量と前記充電残量との差分を求めることにより、予め定められた充電可能時間帯において必要な充電量を算出する必要充電量算出部と、
   前記充電可能時間帯の終了時刻までに前記必要充電量の充電を完了させることができる範囲で前記蓄電池の充電開始時刻の候補を決定する候補決定部と、
   前記充電開始時刻の各候補から前記終了時刻まで前記必要充電量を充電するときの充電量の変化パターンと、前記充電量の変化パターンに基づいて前記充電開始時刻の各候補から充電を開始したときの充電電流の変化パターンとを決定する充電パターン決定部と、
   前記充電量の変化パターンに基づいて算出される第１の劣化度と前記充電電流の変化パターンに基づいて算出される第２の劣化度とを予測し、前記第１の劣化度および前記第２の劣化度の和から前記充電可能時間帯において生じる前記蓄電池の予測劣化度を算出する劣化予測部と、
   前記充電開始時刻候補の中で、前記劣化予測部で算出された予測劣化度が最小となる充電開始時刻を前記蓄電池の最適充電開始時刻とする最適開始時刻決定部と、
   前記最適開始時刻決定部で決定された前記最適充電開始時刻に前記蓄電池の充電を開始し、前記最適充電開始時刻に対応する充電量の変化パターンに従って前記必要充電量を充電させる充電制御部と、
   を備える充電制御装置。
2. 前記充電残量算出部は、センサにより検出された前記蓄電池の電圧値と、予め作成された蓄電池の電圧値と充電量の対応関係を示す関係マップと、に基づいて前記蓄電池の充電残量を決定する
   請求項１に記載の充電制御装置。
3. 前記充電パターン決定部は、前記充電開始時刻から前記充電終了時刻までの充電電流を一定とする
   請求項１または請求項２に記載の充電制御装置。
4. 前記充電制御装置は、さらに、
   前記充電可能時間帯における前記蓄電池の温度変化パターンを予測する温度予測部を備え、
   前記劣化予測部は、前記温度予測部の温度変化パターン予測結果に基づいて、前記第１の劣化度および前記第２の劣化度を修正する
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の充電制御装置。
5. 蓄電池の充電状態を推定するためのパラメータを取得し、前記パラメータに基づいて前記蓄電池の充電残量を決定するステップと、
   予め定められた目標充電量と前記充電残量との差分を求めることにより、予め定められた充電可能時間帯において必要な充電量を算出するステップと、
   前記充電可能時間帯の終了時刻までに前記必要充電量の充電を完了させることができる範囲で前記蓄電池の充電開始時刻の候補を決定するステップと、
   前記充電開始時刻候補から前記終了時刻まで前記必要充電量を充電するときの充電量の変化パターンと、前記充電量の変化パターンに基づいて前記充電開始時刻候補から充電を開始したときの充電電流の変化パターンとを決定するステップと、
   前記充電量の変化パターンに基づいて算出される第１の劣化度と前記充電電流の変化パターンに基づいて算出される第２の劣化度とを予測し、前記第１の劣化度と前記第２の劣化度の和から前記充電可能時間帯において生じる前記蓄電池の予測劣化度を算出するステップと、
   前記充電開始時刻候補の中で、前記劣化予測部で算出された予測劣化度が最小となる充電開始時刻を前記蓄電池の最適充電開始時刻とするステップと、
   前記最適充電開始時刻に前記蓄電池の充電を開始し、前記最適充電開始時刻に対応する変化パターンに従って前記必要充電量を充電させるステップと、
   を含む充電制御方法。
6. 蓄電池と、
   前記蓄電池の状態を推定するための情報を検出するセンサと、
   商用電源を電力供給源として前記蓄電池へ充電または放電する充放電装置と、
   前記充放電装置へ前記センサによる検出値に基づいた制御信号を出力する充電制御装置と、
   を備える蓄電システムであって、
   前記充電制御装置は、
   前記センサにより検出した前記蓄電池の充電状態を推定するためのパラメータを取得し、前記パラメータに基づいて前記蓄電池の充電残量を決定する充電残量算出部と、
   予め定められた目標充電量と前記充電残量との差分を求めることにより、予め定められた充電可能時間帯において必要な充電量を算出する必要充電量算出部と、
   前記充電可能時間帯の終了時刻までに前記必要充電量の充電を完了させることができる範囲で前記蓄電池の充電開始時刻の候補を決定する候補決定部と、
   前記充電開始時刻候補から前記終了時刻まで前記必要充電量を充電するときの充電量の変化パターンと、前記充電量の変化パターンに基づいて前記充電開始時刻候補から充電を開始したときの充電電流の変化パターンとを決定する充電パターン決定部と、
   前記充電量の変化パターンに基づいて算出される第１の劣化度と前記充電電流の変化パターンに基づいて算出される第２の劣化度とを予測し、前記第１の劣化度と前記第２の劣化度の和から前記充電可能時間帯において生じる前記蓄電池の予測劣化度を算出する劣化予測部と、
   前記充電開始時刻候補の中で、前記劣化予測部で算出された予測劣化度が最小となる充電開始時刻を前記蓄電池の最適充電開始時刻とする最適開始時刻決定部と、
   前記最適開始時刻決定部で決定された前記最適充電開始時刻に前記蓄電池の充電を開始し、前記最適充電開始時刻に対応する充電量の変化パターンに従って前記必要充電量を充電させる充電制御部と、
   を備える蓄電システム。

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