JP2018156866A - 温度管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は蓄電池の寿命保障範囲で、充放電量を最大化する適正な温度管理装置および温度管理方法を提供する。【解決手段】上記の課題を達成するために、実施形態に係る温度管理装置は、複数の電池セル６と、電池セル６の各々の充放電電力を所定時間間隔で検知する電力センサ７と、電池セル６の各々の温度を所定時間間隔で検知する温度センサ８と、電力センサ７が検知した充放電電力から電力代表値を算出する電力代表値算出部と、温度センサ８が検知した温度から温度代表値を算出する温度代表値算出部と、温度代表値算出部によって算出された温度代表値から放熱特性を同定する放熱特性同定部と、電力代表値算出部によって算出された電力代表値と放熱特性同定部によって同定された放熱特性から空調設定を算出し出力する空調設定算出部１４とを具備する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、温度管理装置に関する。

蓄電池の充放電量は高温ほど高いが、高温になると蓄電池の寿命は短くなる二律背反があり、充放電ロスと劣化および劣化進行のバラツキを抑えるため、適正な温度管理が求められている。

特開２０１３―２００９７９号公報 特開２０１５−１３３２９０号公報 特開２００６−３２０１３号公報

本発明の実施形態は、蓄電池の寿命保障範囲で、充放電量を最大化する適正な温度管理装置および温度管理方法を提供する。

上記の課題を達成するために、実施形態に係る温度管理装置は、複数の電池セルと、電池セルの各々の充放電電力を所定時間間隔で検知する電力センサと、電池セルの各々の温度を所定時間間隔で検知する温度センサ８と、電力センサが検知した充放電電力から電力代表値を算出する電力代表値算出部と、温度センサが検知した温度から温度代表値を算出する温度代表値算出部と、温度代表値算出部によって算出された温度代表値から放熱特性を同定する放熱特性同定部と、電力代表値算出部によって算出された電力代表値と放熱特性同定部によって同定された放熱特性から空調設定を算出し出力する空調設定算出部とを具備する。

第１の実施形態に係る温度管理装置のブロック図。 第１の実施形態に係る温度管理装置において蓄電池部２の熱量収支図。 蓄電池温度管理部３による標準空調設定を求めるフローチャート。 第２の実施形態に係る温度管理装置のブロック図。 第３の実施形態に係る温度管理装置のブロック図。 充放電模擬関数の一例。 第４の実施形態に係る温度管理装置のブロック図。 標準空調設定では電池セル６の各々の不規則な充放電によって生じるジュール熱による温度変動に対処できないときのフローチャート。 第５の実施形態に係る温度管理装置のブロック図。 電池セル６の各々の温度にムラがある場合のフローチャート。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る温度管理装置のブロック図である。

本実施形態に係る温度管理装置は、蓄電池部２の放熱特性を同定し、充放電量に対して、寿命保障する空調設定を設定できる。ここで、放熱特性とは、蓄電池部２の放熱の特性を示している。同定とは、代表値算出及び放熱特性同定部１２が放熱特性α´を推定することを意味する。寿命保障するとは、一定の期間、蓄電池の充放電品質を保つことを示す。

第１の実施形態に係る温度管理装置は、系統１と蓄電地部２と蓄電池温度管理部３と空調部４を含む。蓄電池部２は複数の電池セル６を備えている。系統１は、電力を蓄電池部２に供給するもので、指令値出力部５を有する。指令値出力部５は、蓄電池部２に充放電を行う指令値を出力する。

蓄電池部２は、指令値出力部５による指令値から充放電を行うもので、充放電ができる複数の電池セル６と、電池セル６の各々の充放電電力を所定時間間隔で検知する電力センサ７と、電池セル６の各々の温度を所定時間間隔で検知する温度センサ８と、
、指令値出力部５からの指令および蓄電池温度管理部３からの充放電開始指令とを受けて各電池セル６の充放電を制御する充放電制御部９を含む。

また、蓄電池温度管理部３は蓄電池部２で行った充放電から空調部４の適正な設定温度を算出して、その設定を空調部４に出力し、空調部４を作動させることで蓄電池部２の温度管理を行う。電池セル６の各々の充放電電力を記憶する充放電経時データ記憶部１０と、電池セル６の各々の温度を記憶する電池温度経時データ記憶部１１と、を含む。また、充放電経時データ記憶部１０で記憶した充放電電力から電池セル６の合計の実効値である電力代表値を算出する電力代表値算出部及び、電池温度経時データ記憶部１１で記憶した温度の平均値である温度代表値を算出する温度代表値算出部及び、温度代表値算出部によって算出された温度代表値から放熱特性を同定する放熱特性同定部を含んだ代表値算出及び放熱特性同定部１２も備えている。さらに代表値算出及び放熱特性同定部１２で同定した放熱特性を記憶する放熱特性記憶部１３と、放熱特性を評価して基準とする空調設定を空調部４へ設定を出力する標準空調設定算出部１４と、を有する。標準空調設定とは、基準とする空調設定である。

蓄電池温度管理部３に属する代表値算出及び放熱特性同定部１２から、空調部４は空調設定を入力されて、蓄電池部２の各電池セル６の温度を適正に保つための空調設備、例えばエアコンである。また空調設定には、例えば、設定温度、風量、風向きがある。

代表値算出及び放熱特性同定部１２は、充放電経時データ記憶部１０と電池温度経時データ記憶部１１に記憶した電池セル６の各々の充放電電力から電力代表値、電池セル６の各々の温度から温度代表値を算出する。また、代表値算出及び放熱特性同定部１２は、温度代表値から放熱特性を同定し、ある空調設定に対して同定された放熱特性を放熱特性記憶部１３に記憶する。ここでもし蓄電地部２が稼動していない場合、代表値算出及び放熱特性同定部１２は充放電を開始する信号を蓄電池部２の充放電制御部９に出力する。代表値算出及び放熱特性同定部１２は以上の動作を様々な空調設定に対して繰り返し、それぞれで同定した放熱特性を放熱特性記憶部１３に蓄積する。放熱特性記憶部１３に一定の空調設定が蓄積されたら、これを用いて標準空調設定算出部１４は、一定の空調で寿命保障でき最も省エネとなる標準空調設定を求め、空調部４へそれを出力する。放熱特性記憶部１３に記憶される放熱特性は例えば設定とα´の値の対応表であって、その算出方法の一例を次に示す。

図２は、本実施形態に係る温度管理装置において蓄電池部２の熱量収支を表した模式図である。充放電により蓄電池部２に生じた熱のうち、空調部４による除熱量ΔＱ _ａと電池庫を伝わって外部とやりとりする熱量ΔＱ _ｂはそれぞれ未知であるが、時間 Δｔ における、蓄電池部２の熱量収支 ΔＱ はΔＱ＝κＰΔｔ―α（Ｔ_Ｂａｔ―Ｔ_{ＳｅｔＣｏｎｓｔ}）Δｔで表すことができる。ここで、ΔＱはΔＱ＝ΔＱ _ａ＋ΔＱ _ｂであり、Ｐは充放電電力の絶対値、κ（＞０）は充放電電力のうち熱に変わる割合、Ｔ_Ｂａｔは温度代表値(℃)、α（＞０）は放熱特性（Ｗ/Δ℃）である。また、Ｔ_{ＳｅｔＣｏｎｓｔ}は設定温度 (℃)であり、一定である。さらに電池の熱容量Ｃ（Ｗ・ｓ/Δ℃）とおくと、Δｔでの温度上昇 ΔＴ＝ΔＱ/Ｃ は、（１）式を満たす。

設定温度を一定に保ち、十分長い時間で積分すると 左辺=0 となり、（２）式が成立する。

一般にはα´は空調設定 (設定温度、風量、風向) の関数となる。その関数形は、各空調のすべての設定に対して実行した結果を空調設定とα´の値の対応表として放熱特性記憶部１３に出力し、そこで保持してもよいし、いくつかの代表的な空調設定にて算定された値から補完してもよい。空調部４が複数ある場合、α´の引数はすべての空調部４の設定にしてもよいし、連動する空調部４の設定にしてもよい。

次に放熱特性関数α´を用いた標準空調設定の求め方の一例を示す。積分期間において電池温度が上昇傾向を持たず、寿命保証範囲から逸脱しないようにするためには、（３）式を満足させる必要がある。

図３に、蓄電池温度管理部３による標準空調設定を求めるフローチャートを示す。

代表値算出及び放熱特性同定部１２に入力された充放電電力が電池温度経時データ記憶部１１に記憶された過去の充放電電力と類似しているか判別する（ステップ１）。ステップ1で類似と判別された場合は第２、第４、第５の実施形態で述べる。ステップ１で類似していない場合、代表値算出及び放熱特性同定部１２は適当な空調設定で空調部４を作動させる（ステップ２）。空調設定として例えば最弱設定 (２９℃冷房・風量=弱・風向=スイング、) を設定してもよい。代表値算出及び放熱特性同定部１２は、もし充放電がなされていない場合、充放電を開始するように充放電制御部９に充放電開始指令を出力する（ステップ３）。代表値算出及び放熱特性同定部１２は、次に上記のように設定した設定温度を温度代表値から引いた値が収束するかどうかを判別する（ステップ４）。ステップ４で収束する場合、代表値算出及び放熱特性同定部１２は温度代表値から放熱特性を同定し、同定した放熱特性α´を放熱特性記憶部１３に記憶する（ステップ５）。ステップ５の工程の後、もしくはステップ４で収束しなかった場合、その他の温度等の空調設定について、代表値算出及び放熱特性同定部１２は放熱特性の同定を繰り返すかどうか判別する（ステップ６）。ステップ６で繰り返す判別がなされると、ステップ１から繰り返される。ステップ６で繰り返さない判別がなされると、標準空調設定算出部１４は充放電を行っている電池について、所定期間の熱量収支がマイナスとなる最弱の空調設定を、電池温度が寿命保障されるように探索し、標準空調設定として空調部４へ出力する（ステップ７）。

従来方法では、充放電傾向と熱源である電池位置がユーザごとに異なるため、適切な空調設定を施すことが困難であった。しかし、上述した方法で放熱特性を同定し、寿命保障範囲内で電池温度を保ち、最も省エネとなる空調設定を施すことで、第１の実施形態に係る温度管理装置は、蓄電池の寿命保障範囲で空調を省エネ運転することにより、充放電量 (収益) を最大化できた。

図１の例では、１つの電池セル６に対して電力センサ７及び温度センサ８がそれぞれ１つずつ備えているが、複数の電池セル６に対して電力センサ７及び温度センサ８をそれぞれ１つずつ備えてもよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態と異なる点のみを説明する。図４に第２の実施形態に係る温度管理装置を示す。

第２の実施形態に係る温度管理装置は、蓄電池温度管理部３にさらに類似性判定部１５を有する。

類似性判定部１５は、充放電電力から蓄電池部２の電池セル６の個数や配置換え、あるいは系統１が要求する充放電傾向が変化したかどうかを判定している。具体的には例えば、充放電経時データ記憶部１０が持つ過去の充放電経時データのヒストグラムと現在のヒストグラムを比較し、相似形かどうか判定してもよい。類似していない場合、放熱特性記憶部１３から過去の放熱特性同定結果を抹消する。

第１の実施形態のフローチャートと異なる点のみを説明する。

図３のステップ１で類似した充放電電力がない場合は、放熱特性記憶部１３から過去の放熱特性の同定結果を抹消し、ステップ２以下のサイクルに従う。充放電電力がある場合は、ステップ２以下のサイクルを何も実行せずに終える。

指令値出力部５からの指令値の傾向や、電池セル６の個数、配置がユーザによって変更された場合、放熱特性が変わる場合がある。類似性判定部１５を備えて、例えば所定期間毎に上記のフローチャートを実行することで、そのような事態に適切なタイミングで対応することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態と第２の実施形態と異なる点のみを説明する。図５に第３の実施形態に係る温度管理装置を示す。図５では、電力センサ７が省略されて、代わりに充放電推定部１６が設けられている。

第３の実施形態に係る温度管理装置は、指令値と充放電経時データ記憶部１０に記憶された充放電電力の対応関係 (充放電模擬関数) をあらかじめ求めておく。充放電模擬関数の一例を図６に示す。これを用いて、充放電推定部１６は指令値出力部５から入力された指令値を基に充放電電力を推定し、この推定値を充放電経時データ記憶部１０に記憶する。

充放電模擬関数は傾き１、切片０の一次関数、もしくは図６のように原点付近に不感帯を持つ区分線形関数となる。不感帯の範囲は、実際に充放電させることなく、規格情報から求めることができる。規格情報として例えば、充放電サービス事業者と系統１側の間の契約に定められた、電池６が充放電に応じなくてもよい指令値帯を利用することができる。

従って本実施形態に係る温度管理装置は、指令値だけで充放電電力を推定することができ、電力センサ７を省略できる。また多数の電力センサ７のデータから電力代表値を求める計算コストを抑えることができる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態と第２の実施形態と第３の実施形態と異なる点のみを説明する。図７に第４の実施形態に係る温度管理装置を示す。

第４の実施形態に係る温度管理装置は、デマンド算定部を蓄電池温度管理装置３にさらに備える。

標準空調設定だけでは、電池セル６の不規則な充放電によって生じるジュール熱による温度変動に適時対処できない。不規則な充放電の例として、第1の実施形態の積分期間と比べて短い時間、例えば数秒から１、２分の間の Ｐ_ｅｆｆより大きな充放電がある。そのため、第４の実施形態に係る温度管理装置は、このような充放電電力から電池セル６のジュール熱を算定し、放熱特性記憶部１３に記憶してある放熱特性を用いてジュール熱を除去する空調設定を決定するデマンド算定部１７をさらに有することで、不規則なジュール熱に対応する。

図８に標準空調設定では電池セル６の各々の不規則な充放電によって生じるジュール熱による温度変動に対処できないときのフローチャートを示す。

入力された充放電電力の傾向が電池温度経時データ記憶部１１に記憶された過去の充放電電力と類似しているか判別する（ステップ１）。ステップ１で類似していない場合、図３のフローチャートのステップ２以下に従う。ステップ１で類似している場合、デマンド算定部１７は、直前の不規則な充放電電力に対する、電池に生じるジュール熱を算定する（ステップ１２）。次に放熱特性記憶部１３に記憶した放熱特性からジュール熱を除去する空調設定を決定する（ステップ１３）。空調設定を変更し、不規則な充放電に相当する時間だけこの設定での空調を続けた後、標準空調設定へ戻す（ステップ１４）。

次に標準空調設定では電池セル６の不規則な充放電によって生じるジュール熱による温度変動に対処できない場合にデマンド算定部１７が行う具体的な変更方法について述べる。短い時間Δｔにおける電力代表値Ｐおよび電池セル６全体の平均温度Ｔ_Ｂａｔに対して、式（４）を満足する最弱の空調設定 (設定温度Ｔ_{ＳｅｔＣｏｎｓｔ}と風量) を探索し、空調へ出力する。

従来の方法だと、電池セル６の不規則な充放電によるジュール熱が、電池や空気を介して遅れて伝わり、空調の除熱が遅れるため、寿命保証範囲から電池温度が逸脱したり、電池以外に由来する熱を除熱するために空調の過剰運転が発生してしまう。第４の実施形態に係る温度管理装置は、不規則な充放電電力 (または指令値) の絶対値の積算値から、電池セル６に生じるジュール熱を打ち消すよう、空調設定を一時的に変更することで電池の過熱や空調の過剰運転を抑え、電池保証範囲を逸脱するリスクと無駄な空調を削減できた。

（第５の実施形態）
第１の実施形態と第２の実施形態と第３の実施形態と第４の実施形態と異なる点のみを説明する。図９に第５の実施形態に係る温度管理装置を示す。

第５の実施形態に係る温度管理装置は、全て電池セル６から温度ムラのあるものを特定し対処する温度ムラ対応部１８と、全ての電池セル６の中で優先的に除熱したいものに合わせた風向設定の対応情報を記憶している電池セルと風向の対応記憶部１９をさらに有する。これにより、全ての電池セル６に渡る温度を均一化することができる。

温度ムラ対応部１８は、全ての電池セル６に渡る温度ムラが所定内であるかを判別して、所定外である場合、最高温度の電池セル６を検索する。電池セルと風向の対応記憶部１９の記憶情報から風向を決定して、空調部４の風向を変更する。また、温度ムラが所定内である場合、風向を変更しない。

図１０に電池セル６の各々の温度にムラがある場合のフローチャートを示す。

入力された充放電電力の傾向が電池温度経時データ記憶部１１に記憶された充放電電力と類似しているかどうか判別する（ステップ１）。ステップ１で非類似の場合、図３のフローチャートに従う。ステップ１で類似している場合、温度ムラ対応部１８は、電池セル６の各々の温度ムラが所定内であるかを判別する（ステップ２２）。ステップ２２で所定外である場合、温度ムラ対応部１８は最高温度の電池セル６を検索する（ステップ２３）。ステップ２３後に温度ムラ対応部１８は、電池セルと風向の対応記憶部１９の記憶情報に対応した空調部４の風向きを決定する（ステップ２４）。空調の風向を変更する（ステップ２５）。ステップ２２で所定内である場合、空調の風向きを変更しない。

次に温度ムラが所定外である場合に対応して、風向を変更する具体的な方法について一例を示す。

全ての電池セル６の温度｛Ｔ_{Ｃｅｌｌｉ}｝を集計し、ばらつきσと最高温度ｈ＝ｍａｘ｛Ｔ_{Ｃｅｌｌｉ}｝を集計し、σが所定内であるときには空調部４へ何も送信しない (直前の風向設定が引継がれる)。σ が所定外となる場合は、ｈ＝Ｔ_{Ｃｅｌｌｉ}なる電池セル６の番号Ｃｅｌｌｉを特定し、番号Ｃｅｌｌｉに対応した新しい風向を空調部４へ出力する。なおばらつきとして例えば全ての電池セル６に渡る温度の標準偏差を用いてもよい。

従来の方法では、電池セル６の各々に温度が異なる状態で長期間運用されると、電池の寿命にばらつきが生じる等、寿命評価が困難になる。第３の実施形態に係る温度管理装置は、電池セル６の各々の温度を均一化するよう、風向を変更することで、劣化の進行や劣化度 (または寿命) の個体差を抑え、劣化度調査におけるサンプリング数を削減する等、寿命管理コストを削減できた。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・系統、２・・蓄電池部、３・・蓄電池温度管理部、４・・空調部、５・・指令値出力部、６・・電池セル、７・・電力センサ、８・・温度センサ、９・・充放電制御部、１０・・充放電経時データ記憶部、１１・・電池温度経時データ記憶部、１２・・代表値算出及び放熱特性同定部、１３・・放熱特性記憶部、１４・・標準空調設定算出部、１５・・変更判定部、１７・・デマンド算定部、１８・・温度ムラ対応部、１９・・電池セルと風向の対応記憶部

Claims (8)

1. 複数の電池セルと、
   前記電池セルの各々の充放電電力を所定時間間隔で検知する電力センサ と、
   前記電池セルの各々の温度を所定時間間隔で検知する温度センサ と、
   前記電力センサが検知した前記充放電電力から電力代表値を算出する電力代表値算出部と、
   前記温度センサが検知した前記温度から温度代表値を算出する温度代表値算出部と、
   前記温度代表値算出部によって算出された前記温度代表値から放熱特性を同定する放熱特性同定部と、
   前記電力代表値算出部によって算出された前記電力代表値と前記放熱特性同定部によって同定された前記放熱特性から前記蓄電池の空調設定を算出し出力する空調設定算出部とを具備する温度管理装置。
2. 複数の電池セルの充放電電力を測定する電力センサが検知した充放電電力から実効値の合計である電力代表値を算出する電力代表値算出部と、
   前記複数の電池セルの温度を測定する温度センサが検知した所定時間間隔の温度の平均値である温度代表値を算出する温度代表値算出部と、
   前記温度代表値算出部によって算出された前記温度代表値から放熱特性を同定する放熱特性同定部と、
   前記電力代表値算出部によって算出された前記電力代表値と前記放熱特性同定部によって同定された前記放熱特性から空調設定を算出し出力する空調設定算出部とを具備する温度管理装置。
3. 前記電力センサが検知した前記充放電電力を記憶する充放電経時データ記憶部と、
   前記温度センサが検知した前記温度を記憶する電池温度経時データ記憶部と、
   前記放熱特性同定部が同定した前記放熱特性を記憶する放熱特性記憶部とをさらに具備する請求項１または２記載の温度管理装置。
4. 前記充放電経時データ記憶部で記憶した前記充放電電力から前記電池セルの個数や配置換えをしたかどうかを判定する変更判定部をさらに具備する請求項３に記載の温度管理装置。
5. 前記充放電経時データ記憶部で記憶した前記充放電電力から前記電池セルに生ずるジュール熱を算定し、前記放熱特性記憶部に記憶してある前記放熱特性を用いて前記ジュール熱を除去する前記空調設定を決定するデマンド算定部をさらに具備する請求項３または４に記載の温度管理装置。
6. 前記電池セルの各々の前記温度のムラに風向を変更することで均一化する温度ムラ対応部と、をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか記載の温度管理装置。
7. 前記電力代表値は、前記各々の電池セルの合計の実効値である請求項１乃至６のいずれか記載の温度管理装置。
8. 前記温度代表値は、前記温度の平均値である請求項１乃至７のいずれか記載の温度管理装置。