JP2015204180A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】
電池の数量を増加させることなく、定期的に電池を診断する出来る電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】
発明の電池システムは、スイッチ７と直列に接続された電池を有する電池パック５が複数個並列に接続されており、電池システムは電池状態判定部１を有し、電池状態判定部１は、スイッチ７の切り離しを制御する切り離し判定部４及びスイッチ７の開閉を制御するスイッチ開閉指令部３を有し、切り離し判定部４は、過去のデータ、季節データ、及び電池の許容電流をもとに電池パック５の許容停止時間及び要求停止時間を算出し、要求停止時間が許容停止時間よりも小さい場合にスイッチ開閉指令部３に情報を出力し、スイッチ開閉指令部３は、スイッチ７を開状態にすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は，電池パックを並列に接続した電池パック群並びにそれらを搭載した電池システムに関する。

最近、風力や太陽光などの自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電技術が注目を集めている。また、発電所と需要家との間を例えばメッシュ状に結ぶ電力系統を、ＩＴ(Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)技術を活用して効率的に運用するスマートグリッド（次世代送電網）と呼ばれる技術も、電力系統の安定化を担う技術として注目されている。

電力系統では、例えば、電力の需給バランスが崩れることによって系統事故を生じるおそれがある。かかる系統事故の発生に起因する停電を未然に防ぐ目的で、単電池または組電池を直列に接続して構成した電池パックを備える電池システムが用いられている。こうした電池システムのなかには、複数の電池パックを電池パック群として組み合わせることによって、メガワット級の電力を出力可能なものもあり、それぞれの電池パックを監視する必要がある。この監視方法に関して、特許文献１に示すように、各々の電池パックに異常が生じた場合に電池パックを本体から切り離す機構が記載されている。

特開平０６-２８３２１０号公報

特許文献１に開示されている発明は、異常な状態になったのを検出して電池パック群から異常となった電池パックを切り離すことが目的である。

電池を充放電していくに伴い、ＳＯＣ(電池の充電状態)の推定誤差が増加する問題がある。この問題に対して、電池パックに流れる電流を一定時間オフにしてＳＯＣを再推定する方法が有効である。さらに、鉛畜電池やニッケル水素電池の場合は、直列電池間のバランシング(電圧均等化)を定期的に実施することが必要である。特許文献１では切り離し機構については記載されているが、ＳＯＣ再推定等の定期的な診断に関しては何も触れられていない。

定期的な診断に関する事項に対しては、診断対象となる電池パックを本体から部分的に切り離して実施することが最も有効である。しかし、この手法を採用すると、本来必要な電池容量に加えて余分な電池容量を搭載している課題が生じる。

本発明の課題は、二次電池を搭載した電池パック群において、電池の容量を増やすことなく、かつ電池パック群の診断を必要な時に実施することができる電池システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の電池制御装置では、次のような技術的手段を講じる。すなわち、電池パック群において、
(１)電池パックの電流、電圧、温度を計測する手段、過去の電力時系列及び電池パックの要求休止時間の情報が格納されかつ電池パックの切り離しを判定する切り離し判定部、電池パックのスイッチ開閉を指令する開閉指令部を備えていること。

(２)電池パック群に要求される電力が、該電池パックを切り離した場合の電池パック群の電力以下でかつ、その状況 が電池パックの要求休止時間以上継続すると過去の電力時系列から判断される場合に該電池パックのスイッチを切ることを特徴とする電池システムとする。

本発明によれば、電池の数量を増加させることなく、定期的に電池を診断する出来る電池システムを提供することが出来る。

電池システム概略図 切り離し判定部概略図 エネルギーシステム概略図 電池パック群の電流パターン 本発明における電池システムの動作を説明するためのフローチャート ＳＯＣ誤差の時間変化 本発明における電池システムの動作を説明するためのフローチャート 充電電流をオフした時の電池電圧変化 電池システム概略図 本発明における電池システムの動作を説明するためのフローチャート 電池システム概略図 本発明における電池システムの動作を説明するためのフローチャート 電池に流れる充電電流をオフした時に生じる電圧変化の結果を示す図 要求停止時間と許容停止時間の比率に対する電池パック切断可否を示す図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に、電池システム２０を示す。電池システムは、電池状態判定部１及び電池パック群２から構成される。このうち、電池状態判定部１はスイッチ開閉指令部３、切り離し判定部４から構成される。この図には記載していないが、切り離し判定部４と上位システム間で情報をやりとりする。電池パック群２には電池パック５が複数並列される。この図には記載していないが、電池パック群２と上位システム間で電力を融通させている。各電池パック５は、複数の電池６、スイッチ７、電流測定部８、各セルの電圧検出部９、温度計測部１０から構成される。電池パック５は複数の電池６が直列に接続されて構成される。電池パック５を構成する電池６として、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等を採用できる。さらに、電池パックとしては、リチウムイオン電池からなる電池パックのみを並列したもの、ニッケル水素電池からなる電池パックのみを並列したもの、鉛蓄電池からなる電池パックのみを並列したもの、または、異種電池パックの組み合わせから、電池パック群が構成される。電流計測部８では、シャント抵抗やホール素子等により電池パックに流れる電流を計測する。また、温度計測部１０ではサーミスタや熱電対を用いて電池パック５内部の温度を測定する。必要に応じて、複数のサーミスタや熱電対を組み合わせて使用することもある。これらの計測手段で計測した電流や電圧や温度の情報は、切り離し判定部４に伝達される。

電池状態判定部１での処理内容をより詳細に示したものを図２に示す。電池状態判定部１は、計測した温度、電流、電圧の情報を取り込む電池計測情報取り込み部１１、季節変動等に基づく電力の変動に関連するデータが格納されているデータ格納部１２、電池許容電流に関する情報が格納されている部分１３、過去の計測データを保存する部分１４、電池パックの切り離しを判定する切り離し判定部４、要求停止時間１６、及び切り離し判定部４からの指令に基づきスイッチ７の開閉を指示するスイッチ開閉指令部から構成される。

電池計測情報取り込み部１１は、計測手段で計測した電流や電圧や温度の情報を取り込み、切り離し判定部並びに過去の計測情報部に送達する。季節変動等時期によって変動する電力データが格納されるデータ格納部１２及び電池許容電流に関する情報が格納されている部分１３は、予め作成したものをベースに、必要に応じて書き換え可能とする。

図３に、電池システムを用いたエネルギーシステムを示す。太陽光や風力発電等を示す発電部１７、負荷１８、交直変換器１９、電池システム２０、上位コントローラ２１から構成される。図１に示す電池システム２０は図３中の電池システム２０に相当する。このうち、風力発電や太陽光発電をする発電部１７は、複数の発電部から出力されても構わない。また、負荷１８は、家庭で消費する電力のような電力を消費するものや蓄電池等電力を貯蔵するものである。必要に応じて、負荷１８の直前に電力変換器を取り付けることがある。発電部１７で発電した電力は負荷１８に送達されるが、太陽光や風力等のエネルギーは不安定であるため、負荷が要求する電力に合致しないことが多い。この問題を解決するため、発電部の電力と負荷等のバランスをとる役割を有する電池システム２０が交直変換器１９を介して接続される。上位コントローラ２１はこれら電力の融通を監視し、各要素に指令を送付するとともに、各要素で計測した情報を取り込む役割がある。

以下、図４〜図６を用いて、電池パック５を電池パック群２から切り離す手法について概説する。以下、発電部１７として太陽光発電を用いた場合を示すが、風力発電等他の発電手段でも同様の手法を用いることができる。

発電部１７として太陽光発電を用いた場合、負荷１８側と発電部１７側の電力需給バランスから電池に要求される電流波形の１例(３日間のデータに相当する)を図４に示す。この図で、横軸は時間で縦軸は電流である。上向きが充電方向である。充放電電流が大きな部分(Ａ)と小さな部分(Ｂ)から構成されていることが分かる。(Ａ)は昼間に相当し、太陽光発電で得られた電力を蓄電池で貯蔵している期間に相当する。また、(Ｂ)は夜間に相当し、貯蔵した電力を用いて負荷側で電力を消費している期間に相当する。

本実施例では、エネルギーシステムとして負荷を接続する例を示したが、負荷ではなく電力会社の系統に接続した場合でもよい。その場合、太陽光で発電した電力が負荷で要求される電力よりも相対的に多い場合は系統に電力を送達することが出来る。

電池システムに充放電電流を通電していくと、ＳＯＣ(電池の充電状態)誤差が増加する。これは、ＳＯＣ算出方法が初期のＳＯＣに電流を積算していく方式であるためであり、積算する電流に誤差が含まれるためである。

図５に、ＳＯＣ誤差の時間変化の一例を示す。例えばＳＯＣ許容誤差を１０%以下と規定すると、１０日間経過すると許容誤差以上となることが分かる。このため、１０日間経過した時点で、ＳＯＣを再推定する必要がある。

電池の電圧は、電池の端子間で測定する電圧であり、「(開回路電圧)に((抵抗×電流)起因の電圧)が加算された電圧」として計測される。このうち、開回路電圧からＳＯＣを低誤差にて推定出来る。しかし、抵抗は複数の要素(例えば、電池の分極や溶液抵抗等)で構成されるため抵抗を推定することは非常に難しくなり、((抵抗×電流)起因の電圧)を推定しにくくなる。ここで、電流がゼロの状態であれば、((抵抗×電流)起因の電圧)をゼロとすることが出来、電池の端子間で測定する電圧が(開回路電圧)のみとなることからＳＯＣを容易に推定出来る。これは電池をシステム本体から切り離すことで、電流が流れない状態を一定時間設けることで対処可能である。

図４中の＜Ｂ＞の部分では、電流システムに流れる電流が低い状態が定期的に継続することがある。そこで、この期間を狙って、ＳＯＣ初期化を実施したい電池パックをシステム本体から切り離すことで、電流が流れない状態を一定時間設けることが可能となる。

具体的なフローチャートを図６に示す。まず、ステップＳ１で切り離し判定部４が過去の情報、季節データ、電池の許容電流等をもとに電池パック許容停止時間を算出する。本実施例では、図４の(Ｂ)の時間が許容停止時間に相当する。続いてステップＳ２で切り離し判定部４がＳＯＣ初期化に必要な時間等から算出される各電池パック要求停止時間を算出する。そしてステップＳ３で各電池パックの要求停止時間と許容停止時間を比較して、許容停止時間の方が大きい場合はステップＳ４に進み、スイッチ開閉指令部３が該電池パック切り離し命令を出して、スイッチ８を開放して電池パック５を停止させる。一方、各電池パックの要求停止時間と許容停止時間を比較して、許容停止時間の方が小さい場合はステップＳ５に進み、電池パックを切り離さず、ステップＳ１に戻り処理を継続する。

停止期間中の電池の電圧挙動を図７に示す。この中で、電圧変動が小さくなったところを該電池の開回路電圧とみなす。電圧変動が小さくなる時間の一例をあげるとすれば１時間である。つまり、電池パック要求停止時間は電圧変動が十分小さくなる時間よりも大きくなるように設定される。開回路電圧からＳＯＣを再推定し、ＳＯＣ誤差を小さく出来る。

一旦切り離しした電池パックは、再接続する際に、電池パックの電圧・電流変化に対応して、最も良好な状態で電池パックが接続できるようにタイミングを図る（。ここで言う最も良好なタイミングとは、例えば並列に接続されている他の電池パックの電圧が同じ状態、または同じに近い状態（例えば電圧差が５％以内など）を言う。また、切り離し判定部１５で再接続を判断することが可能である。

続いて、実施例１の変形例について説明する。図８は当該実施例の変形例である。上述した本実施例１では、データが格納されるデータ格納部１５が電池状態判定部１に含まれた場合を示したが、図８に示すように、データ格納部を電池状態判定部１から独立させ、外付けしても構わない。

以上、本発明の構成を用いることによって、電池の数量を増やすことなく、２４時間運転のもと、電池を定期的に診断することができる。

続いて実施例２について説明する。本実施例では電池にニッケル水素電池や鉛蓄電池を用い、これらの電池に特有な制御を加えた点が実施例１と異なる。

本実施例２では、図１に示す電池システムの電池群を構成する電池パック５がニッケル水素電池や鉛蓄電池で構成される。鉛蓄電池やニッケル水素電池の場合、一定の閾値電圧を越えるとそれ以上充電されずフル充電のまま継続する現象が生じる。この現象を利用して、電池システムから切り離したニッケル水素電池や鉛蓄電池に充電機を接続して満充電状態にすることで、ＳＯＣを再推定する方法をとることができる。さらに、電池パック群に充電が要求される時のみ、鉛蓄電池やニッケル水素電池を接続する手法もとれる。

この時のフローチャートを図９に示す。ステップＳ１１では、実施例１で用いた(１)〜(３)の情報に加えて、（４）鉛蓄電池のみを接続した場合に流れる電流を算出し、これらの情報をもとに鉛蓄電池のみで持続可能な許容停止時間を算出する。続いてステップＳ１２で各電池パックの要求停止時間を算出する。そしてステップＳ１３で許容停止時間が要求停止時間より小さいか否かを判定する。許容停止時間が要求停止時間以上である場合にはステップＳ１６に進み電池パックを切り離すことなくステップＳ１１に戻り処理を継続する。一方、ステップＳ１３で許容停止時間が要求停止時間より小さい場合にはステップＳ１５に進み、電池パックへの要求電力が充電方向か放電方向かを判定する。電池パックへの要求電力が放電方向の場合にはステップＳ１６に進み電池パックを切り離すこと無くステップＳ１１に戻り処理を継続する。一方、電池パックへの要求電力が充電方向の場合、ステップＳ１５に進み鉛蓄電池以外の電池パックの接続をオフとする。この手法をとることにより、鉛蓄電池からなる電池パックを満充電状態にすることが出来、鉛蓄電池を満充電にした状態でＳＯＣを精度よく算出することができる。また、この手法を用いて、直列セル間のバランシングや長寿命化のためのリフレッシュ充電をすることが出来る。

続いて実施例３について説明する。本実施例では、図１に示す電池システムのスイッチ開閉指令部３と切り離し判定部４との間に新たに電池パックの稼働時間を計測する部分３４を設けた点が実施例１と異なる。なお、その他の構成で実施例１と同様の構成については、実施例１で用いた図面番号と同様の番号を使用している。

本実施例の電池システムを図１０に示す。電池パックの稼働時間を計測する稼働時間計測部３４から、電池計測情報取り込み部１１に電池パックの稼働時間に関する情報が送信され、電池情報取り込み部１１は切り離し判定部４に当該情報を送信する。

電池パック稼働時間を計測する部分３４を設けた場合のフローチャートを図１１に示す。まず、ステップＳ２１では実施例１で用いた(１)〜(３)の情報に基づいて、停止して良い電池パック数とその時の電池パック許容停止時間との関係を算出する。そしてステップＳ２２で各電池パックの要求停止時間を算出する。その後ステップＳ２３に進み、許容停止時間＜要求休止時間の条件を満たす電池パックがあるか否かを判定する。許容停止時間＜要求休止時間の条件を満たす電池パックが一つも存在しない場合には、ステップＳ２５に進み、電池パックを切り離さず、ステップＳ２１に戻り処理を継続する。

一方、ステップＳ２３で許容停止時間＜要求休止時間の条件を満たす電池パックが２つ以上存在する場合、ステップＳ２４に進み、電池稼働時間が長い電池パックを優先的に停止させる。電池稼働時間が長い電池パックを優先的に停止させることによって、誤差が大きくなった電池パックのＳＯＣの再推定が可能となる。そのため、誤差が大きくなった電池パックのＳＯＣ推定の制度を向上させることが出来、電池システム全体として信頼性が向上する。

ここでは、「許容停止時間＜要求休止時間」を満たす電池パックのうち、稼働時間が大きなものを停止する電池パックとして選択したが、鉛蓄電池から構成される電池パックを常に優先的に選択し、鉛蓄電池の電池パック中で稼働時間が大きなものを停止させる電池パックとして選択しても構わない。

続いて実施例４について説明する。本実施例では、電池パック群に要求される電力が、該電池パックを切り離した場合に電池パック群の許容電力以下となる許容停止時間と電池パックの要求休止時間の関係において、許容停止時間が要求休止時間以下であっても一定の条件を満たす場合に電池パックを電池システムから切り離しする制御を行う点が実施例１と異なる。

図１２に、電池パック停止までのフローチャートを示す。まず、ステップＳ３１では実施例１で用いた(１)〜(３)の情報に基づいて各電池パックの要求休止時間を算出する。続いてステップＳ３２で各電池パックの要求休止時間を算出する。その後ステップＳ３３に進み、各電池パックの許容停止時間 ＞該電池パック要求休止時間となるか否かを判定する。各電池パックの許容停止時間 ＞該電池パック要求休止時間の条件を満たす場合にはステップＳ３４に進む。

一方、許容停止時間＜要求停止時間の時はステップＳ３５に進み、許容停止時間＞要求停止時間×Ａ（Ａが１の場合は要求停止時間は１時間になる。）であるかを判断する。許容停止時間＞要求停止時間×Ａの条件を満たす場合にはステップＳ３６に進み電池パックのＳＯＣ誤差を低減させる制御を行う。Ａの値は電圧変動が小さい時間帯をどこで区切るか決定する値である。従って、電圧変動が小さい時間帯を１時間（つまり要求停止時間が１時間）、Ａの値が１／２とすると、ＳＯＣ誤差を低減させる制御は要求停止時間を３０分とする制御になる。その後、ＳＯＣを再計算することになる。このような制御をすることによって、完全に電圧変動が抑えられておらず電圧には分極による誤差が乗っているが、素早くＳＯＣを再推定できるというメリットがある。一方、許容停止時間＞要求停止時間×Ａの条件を満たさない場合にはステップＳ３７に進み、電池パックを切り離さず、ステップＳ３１に戻り処理を継続する。

なお、Ａは電池の容量、電池サイズ等により決定される１以下の定数である。例えば、電池の電圧変化から算出することができる。本実施例ではＡの値によって、制御内容を変更する。Ａの値の違いで変更する制御内容を図１４に示す。

図１３は、電池に流れる充電電流をオフした時に生じる電圧変化の結果を示した図である。この図では、原点で電流をオフとしている。「要求休止時間」は電圧がほぼ一定となった時間をもとに決定する。一方、「要求休止時間×Ａ」は電流をオフとした時の電圧（Ｖ１）と一定電圧（Ｖ２）の中間の点((Ｖ１＋２×Ｖ２)／３)に電圧が到達する時間と定義する。(中間の点は、Ｖ１とＶ２をもとに算出するのであれば、((Ｖ１＋２×Ｖ２)／３)に拘わらなくても良い。)
「許容停止時間＞要求休止時間×Ａ」を満たす時は、電池パックを電池システムから切り離して、要求休止時間×Ａだけ停止する。停止時に電圧低下測定結果から電池の開回路電圧を推定することでＳＯＣを算出する。この時に想定されるＳＯＣ誤差を推定し、過去の計測情報記憶部１４に記憶させる。ここでは、ＳＯＣの再推定そのものは出来ないが、ＳＯＣ誤差を低減出来る。

以上、本発明について簡単にまとめる。

本発明の電池システムは、スイッチ７と直列に接続された電池を有する電池パック５が複数個並列に接続されており、電池システムは電池状態判定部１を有し、電池状態判定部１は、スイッチ７の切り離しを制御する切り離し判定部４及びスイッチ７の開閉を制御するスイッチ開閉指令部３を有し、切り離し判定部４は、過去のデータ、季節データ、及び電池の許容電流をもとに電池パック５の許容停止時間及び要求停止時間を算出し、要求停止時間が許容停止時間よりも小さい場合にスイッチ開閉指令部３に情報を出力し、スイッチ開閉指令部３は、スイッチ７を開状態にすることを特徴とする。このように、電池パック５の許容停止時間を過去のデータ、季節データ、及び電池の許容電流をもとに算出することによって、電池６の充放電電流が小さい時をねらって電池パック５を開放することが可能となる。従って、電池パックを増設せずとも定期的にＳＯＣを再設定することが可能となる。

また、本発明の電池システムは、切り離し判定部４が電池パック５の稼働時間を計測する稼働時間計測部３４から各電池パック５の稼働時間情報を取得し、要求停止時間が許容停止時間よりも小さい電池パックが複数存在する場合、稼働時間が長い電池パック５を切り離す指示をスイッチ開閉指令部３に出力することを特徴とする。このようにすることによって、稼働時間が長く、ＳＯＣの誤差が大きくなった電池パック５を優先的に切り離すことが可能となる。そのため、電池システム全体としてＳＯＣ推定の誤差が小さくなり、信頼性が向上する。
また、本発明の電池システムは、切り離し判定部４は、要求停止時間が許容停止時間よりも大きい場合に、許容時間＞要求停止時間×Ａ（Ａは１以下の値）を満たす場合、スイッチ開閉指令部３に情報を出力し、スイッチ開閉指令部３は要求停止時間×Ａの時間、スイッチ７を開状態にすることを特徴とする。このような構成にすることによって、多少ＳＯＣ推定をするための電圧に誤差が残っていたとしても、素早くＳＯＣ推定をすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池状態判定部
２ 電池パック群
３ スイッチ開閉指令部
４ 切り離し判定部
５ 電池パック
６ 電池
７ スイッチ
８ 電流計測部
９ 電圧計測部
１０ 温度計測部
１１ 電池計測情報取り込み部
１２ 季節変化等に基づく電力変動データ
１３ 電池許容電流に関する情報格納部
１４ 過去の計測情報記憶部
１５ 切り離し判定部
１６ 要求停止時間
１７ 風力・太陽光発電等
１８ 負荷側
１９ 交直変換器
２０ 電池システム
２１ データベース
２２ 稼働時間測定部

Claims (3)

1. スイッチと直列に接続された電池を有する電池パックが複数個並列に接続された電池システムにおいて、
   前記電池システムは電池状態判定部を有し、
   前記電池状態判定部は、前記スイッチの切り離しを制御する切り離し判定部及び前記スイッチの開閉を制御するスイッチ開閉指令部を有し、
   前記切り離し判定部は、過去のデータ、季節データ、及び電池の許容電流をもとに電池パックの許容停止時間及び要求停止時間を算出し、前記要求停止時間が前記許容停止時間よりも小さい場合にスイッチ開閉指令部に情報を出力し、
   前記スイッチ開閉指令部は、前記スイッチを開状態にすることを特徴とする電池システム。
2. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
   前記切り離し判定部は、電池パックの稼働時間を計測する稼働時間計測部から各電池パックの稼働時間情報を取得し、前記要求停止時間が前記許容停止時間よりも小さい電池パックが複数存在する場合、稼働時間が長い電池パックを切り離す指示を前記スイッチ開閉指令部に出力することを特徴とする電池システム。
3. 請求項１または２に記載の電池システムにおいて、
   前記切り離し判定部は、前記要求停止時間が前記許容停止時間よりも大きい場合に、
   許容時間＞要求停止時間×Ａ（Ａは１以下の値）
   を満たす場合、前記スイッチ開閉指令部に情報を出力し、
   前記スイッチ開閉指令部は要求停止時間×Ａの時間、スイッチを開状態にすることを特徴とする電池システム。