JP2016081934A

JP2016081934A - 蓄電システム及び警報方法

Info

Publication number: JP2016081934A
Application number: JP2015206511A
Authority: JP
Inventors: 亮二蓮井; Ryoji Hasui; 雅行野口; Masayuki Noguchi
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】リチウムイオン電池を用いた蓄電システムにてガス検出センサモジュールを用いることなくＤＥＣガス等、常温自然揮発性電解液からの揮発ガスの濃度を推定する。【解決手段】リチウムイオン電池を用いた電池パック３１を有する蓄電システムにおいて、電池パック３１の温度を計測するＢＭＵ３０と、ＢＭＵ３０にて計測された温度に基づいてジエチルカーボネートの時間当たりの自然揮発量を計算し、電池パック３１の筐体内のジエチルカーボネートの濃度を推定するシステム制御部１４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、筐体内にリチウムイオン電池が収容されてなる蓄電システムに関し、特に、爆発の危険性を通知する技術に関する。

近年では、リチウムイオン電池の技術が進化してきたことにより、小型化、低価格化が進み、一般住宅でも使用可能な性能、大きさの蓄電システムが実用化され、蓄電システムの普及が進んでいる。
蓄電システムに利用されるリチウムイオン電池の電解液には主成分として、例えば、ジエチルカーボネート（以下、ＤＥＣと称する）を含んでおり、このＤＥＣは可燃性物質であり、常温で自然揮発する特徴がある。
蓄電システム等の大容量のリチウムイオン電池を利用する装置では、内部短絡等の要因による電池の発火を想定し、電池が発火した際には筐体内の酸素欠乏により鎮火されるように密閉筐体構造の設計とする場合がある。一方、ラミネート外装を有するリチウムイオン電池は、ＤＥＣガスが微量ながら自然揮発するため、密閉筐体の内部でＤＥＣガスの濃度が徐々に上昇し、爆発下限濃度に達することが懸念される。

リチウムイオン電池が収容された筐体内に充満したＤＥＣガスを検知するためにガス検出センサモジュールを搭載する方法がある。ところが、ガス検出センサモジュールの部材コストがかかることや、ガス検出センサモジュールは長期運用で装置の経年劣化によるシロキサン被毒でガス検出センサモジュールが故障し、ガスを誤検出してしまうという問題点がある。
蓄電システムの充放電頻度等の運用状態や、設置場所の外気温等によって、運用される電池温度は変化するため、各装置によって筐体内で発生するＤＥＣガスの量は異なる。高温地域等のＤＥＣガスの自然揮発量が多い装置において、筐体内のＤＥＣガスが爆発下限濃度に達する前に点検が実施されることが課題になっている。

本発明は、リチウムイオン電池を用いた蓄電システムにてガス検出センサモジュールを用いることなくＤＥＣガス等、常温自然揮発性電解液からの揮発ガスの濃度を推定できる蓄電システム及び警報方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、
リチウムイオン電池を用いた電池パックを有する蓄電システムにおいて、
前記リチウムイオン電池の温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段にて計測された温度に基づいて常温自然揮発性電解液の時間当たりの自然揮発量を計算し、前記電池パックの筐体内の前記電解液からの揮発ガスの濃度を推定する制御手段とを有する。
また、リチウムイオン電池を用いた電池パックを有する蓄電システムにおける警報方法であって、
前記リチウムイオン電池の温度を計測する処理と、
前記計測された温度に基づいて常温自然揮発性電解液の時間当たりの自然揮発量を計算し、前記電池パックの筐体内の前記電解液からの揮発ガスの濃度を推定する処理と、
前記推定された揮発ガスの濃度が予め決められた閾値となった場合に警報を出力する処理とを有する。

本発明は、リチウムイオン電池を用いた蓄電システムにてガス検出センサモジュールを用いることなくＤＥＣガス等、常温自然揮発性電解液からの揮発ガスの濃度を推定できる。

本発明の蓄電システムの実施の一形態を示す図である。図１に示した蓄電システムの動作を説明するためのフローチャートである。１時間ごとのＤＥＣガス自然揮発量を示す図である。

本発明は、ガス検出センサモジュールの代わりに、リチウムイオン電池が収容された筐体内のＤＥＣガス等、常温自然揮発性電解液からの揮発ガスの濃度が爆発下限濃度に達する前に、点検を促す警報を出力する機能を実現するものである。
本発明では、常温自然揮発性電解液の一例として、リチウムイオン電池の電解液のＤＥＣは、電池温度が高温になるほど自然揮発量が多くなるという特徴に着目し、電池温度とＤＥＣの自然揮発量に相関性があることを利用する。具体的には、システムが定期的にリチウム電池の温度を計測し、その電池温度からＤＥＣの自然揮発量を算出することで、システム運転中に発生したＤＥＣガスの積算値を求め、その積算値が爆発下限濃度手前に設定した閾値を超えたことを検出したことを契機に、点検を促す警報を出力する。
リチウム電池の温度とＤＥＣの自然揮発量との相関性を利用することにより、例えば、充放電頻度が高いため常に電池温度が高い状態で運用される装置や、高温地域に設置された装置等、ＤＥＣの自然揮発量が多い装置は、その他装置と比較して短い期間で点検の警報が出力される制御となり、装置の運用状態や設置環境にあわせた適切な期間での点検の実施が可能となる。

以下に、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は、本発明の蓄電システムの実施の一形態を示す図である。
本形態の蓄電システムは図１に示すように、複数の電池パック３１と、システムコントローラ１０と、パワーコンディショナ（以下、ＰＣＳと称する）２０と、温度計測手段となるバッテリーマネジメントユニット（以下、ＢＭＵと称する）３０とから構成されている。

複数の電池パック３１はそれぞれ、ラミネート外装を有するリチウムイオン電池であって、複数の電池セル３２から構成されている。
システムコントローラ１０は、システム全体を制御するものであって、表示部１１と、入力部１２と、送信手段であるネットワーク制御部１３と、制御手段であるシステム制御部１４とから構成されている。
ＰＣＳ２０は、交流電力と直流電力との変換を行い充放電の制御を行うものであって、公知のものを用いることができる。そのため、本発明において詳細な動作は省略する。
ＢＭＵ３０は、電池パック３１に流れる電流や電圧、電池パック３１の温度等の状態を監視し、システムコントローラ１０のシステム制御部１４へ状態を通知する。例えば、ＢＭＵ３０は、電池パック３１の充電時の満充電検出や、放電時の放電末検出、異常電流／異常電圧の検出、電池セル３２の温度等の状態を常時監視し、定期的にシステム制御部１４へ通知する。
表示部１１は、蓄電システムの電池残量や充放電状態等を表示する。
入力部１２は、ユーザからの充放電の設定変更等を受け付ける。
システム制御部１４は、ユーザが設定したパラメータや系統状態やＢＭＵ３０から通知された電池パック３１の状態に合わせて充電／放電／待機等をＰＣＳ２０へ指示する。
ネットワーク制御部１３は、ルータ４０及びインターネット６０を経由して外部ネットワークのクラウドサーバ５０へ、蓄電システムの制御情報や故障情報を通知する。

以下に、上記のように構成された蓄電システムの動作について説明する。
図２は、図１に示した蓄電システムの動作を説明するためのフローチャートである。
図１に示した蓄電システムでは、ＢＭＵ３０が電池パック３１、電池セル３２の状態を監視し、定期的にシステム制御部１４へ通知する。ＢＭＵ３０は、上述したように、電池パック３１の状態として電池セル３２の温度を計測しており（ステップ１）、この計測した温度をシステム制御部１４に定期的に通知する（ステップ２）。
システム制御部１４は、ＢＭＵ３０が定期的に通知してくる電池セル３２の温度に基づいて、時間当たりのＤＥＣの自然揮発量を計算する（ステップ３）。
そして、システム制御部１４は、自然揮発したＤＥＣガス量を、筐体内に滞留しているＤＥＣガス量として積算し、電池パック３１内のＤＥＣ濃度を推定する（ステップ４）。
その後、システム制御部１４は、積算したＤＥＣガス量に基づくＤＥＣ濃度が、予め決められた閾値を超えた場合（ステップ５）、保守員による点検が必要であるメッセージを表示部１１に警報として表示出力してユーザへ通知する（ステップ６）。
またその際、ネットワーク制御部１３は、ＤＥＣのガス積算量に基づくＤＥＣ濃度が、予め決められた閾値を超えたため、保守員による点検が必要である通知を送信する。蓄電システム運用企業は、クラウドサーバ５０の通知を見て、対象装置の点検を実施する。
ここで、点検が必要と判断されるＤＥＣのガス積算量に基づくＤＥＣ濃度に対する閾値は、筐体内のＤＥＣガス爆発下限濃度に達するＤＥＣガス量よりも小さな値に設定し、爆発下限濃度に達する前に点検の通知が上がるような実装とする。

実施例として、１時間毎にＤＥＣガスの自然揮発量を計算し、ガス発生量を積算する実装とした場合を説明する。
図３は、１時間ごとのＤＥＣガス自然揮発量を示す図である。
図１に示した蓄電システムに搭載されるリチウムイオン電池の量から、異なる電池温度環境で１時間運転した場合のＤＥＣ自然揮発量を計測し、サンプリングすると図３に示すように、高温になるほど揮発量が増加する。このサンプリング結果から、電池温度Ｘを引数とした１時間当たりのＤＥＣ自然揮発量の近似式Ｙを作成する。そして、電池パック３１の筐体の換気量は、密閉筐体構造の場合でもパッキン等から極微量の換気が発生するため、その換気量を筐体換気量Ｏ（固定値）とする。
これにより、１時間当たりのＤＥＣガスの増加量Ｚは、下記の式１で表すことができる。
（筐体内のＤＥＣガス増加量Ｚ）＝（１時間当たりのＤＥＣ自然揮発量Ｙ（電池温度Ｘ））−（筐体換気量Ｏ）・・・（式１）

システム制御部は１時間ごとに電池セル温度の最高温度を計測し、式１より筐体内のＤＥＣガス増加量Ｚを計算し、Ｚを積算して筐体内のＤＥＣガス量Ｇを計算することで、筐体内のＤＥＣガスの濃度を推定する。この際、筐体内にＤＥＣ爆発下限濃度に達するＤＥＣガス量をＷ１、点検を通知するＤＥＣガス量の閾値をＷ２とすると、Ｗ２＜Ｗ１となるようにＷ２を設定する。
システム制御部１４は、Ｇ≧Ｗ２となったことを検出すると、表示部１１にて警報を表示出力するとともに、ネットワーク制御部１３において、ルータ４０及びインターネット６０を介してクラウド５０へ警報を通知する。
その後、保守員が装置の点検を実施し、筐体の換気を行った後、システムコントローラ１０のシステム制御部１４が記録している筐体内のＤＥＣガス量Ｇを初期化する操作を実施し、システム制御部１４は筐体内のＤＥＣガス量Ｇを初期化する。

上記のように本発明においては、定期的に計測しているリチウムイオン電池の温度からＤＥＣガスの自然揮発量を算出し、筐体内のＤＥＣガス量を計算し、ＤＥＣガス濃度を推定する方法を採用している。
これにより、例えば、充放電の頻度が高く常に電池温度が高温の状態で運用されている装置や、設置環境が高温地域のため電池温度が高温で運用されている装置等、ＤＥＣガスの自然揮発量が多い装置において、その自然揮発量にあわせて点検通知を表示することができる。
また、リチウムイオン電池の温度の計測とＤＥＣガスの自然揮発量の算出を基に点検時期を通知する方式とすることで、ガス検出センサモジュールを装置に取りつけずにガス濃度上昇に対する安全機能を実現することができ、ガス検出センサモジュールの部材費削減と、経年劣化によっておこるガス検出センサモジュールの故障による誤検出動作を回避することができる。

以上、常温自然揮発性電解液としてＤＥＣを用いた蓄電システムについて説明したが、ＤＥＣは、多くのプラスチックや樹脂への侵食性が高いことが知られており、ラミネート外装を通して自然揮発しやすく、有効に本発明を適用する事ができるためである。同様にプラスチックや樹脂への浸食性が高い常温揮発性電解液であれば、本発明を有効に適用する事ができる。また、プラスチックや樹脂への侵食性はＤＥＣより小さいと思われる場合でも、ラミネート外装の材質や構造によって自然揮発しやすい場合は、同様に本発明を有効に適用する事ができる。例えば、同様に常温で自然揮発するエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等を電解液として用いた場合でも本発明を適用する事ができる。
また、本発明によれば、密閉筐体内のガス濃度上昇を推定して、定期的に点検（換気）を行うことで安全機能を実現できるが、さらに、防水通気性膜を備えた通気口（特開２０１３−１９６８５１号公報参照）を設けることで、密閉性を有する筐体を用いながら、筐体内にガスが溜まりにくくしても良く（上記（式１）の筐体換気量Ｏが増加）、安全性をより高めることができる。

１０システムコントローラ
１１表示部
１２入力部
１３ネットワーク制御部
１４システム制御部
２０ＰＣＳ
３０ＢＭＵ
３１電池パック
３２電池セル
４０ルータ
５０クラウドサーバ
６０インターネット

Claims

リチウムイオン電池を用いた電池パックを有する蓄電システムにおいて、
前記リチウムイオン電池の温度を計測する温度計測手段と、
前記温度計測手段にて計測された温度に基づいて常温自然揮発性電解液の時間当たりの自然揮発量を計算し、前記電池パックの筐体内の前記電解液からの揮発ガスの濃度を推定する制御手段とを有する蓄電システム。
請求項１に記載の蓄電システムにおいて、
前記推定された揮発ガスの濃度が予め決められた閾値を超えた場合に警報を出力する出力手段を有する蓄電システム。
請求項２に記載の蓄電システムにおいて、
前記出力手段は、前記警報を表示出力する表示手段である蓄電システム。
請求項２に記載の蓄電システムにおいて、
前記出力手段は、ネットワークを介して警報を送信する送信手段である蓄電システム。
請求項１乃至４に記載の蓄電システムにおいて、
前記常温自然揮発性電解液として、ジエチルカーボネートを用いた蓄電システム。
リチウムイオン電池を用いた電池パックを有する蓄電システムにおける警報方法であって、
前記リチウムイオン電池の温度を計測する処理と、
前記計測された温度に基づいて常温自然揮発性電解液の時間当たりの自然揮発量を計算し、前記電池パックの筐体内の前記電解液からの揮発ガスの濃度を推定する処理と、
前記推定された揮発ガスの濃度が予め決められた閾値となった場合に警報を出力する処理とを有する警報方法。
請求項６に記載の警報方法において、
前記常温自然揮発性電解液として、ジエチルカーボネートを用いた警報方法。