JP2018170167A - 電池エネルギー貯蔵システム、電池管理システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルが使用制限温度を超えず、電池システムが充放電プロセスを停止する頻度を低下させること、および仮に充放電プロセスが停止したとしても復帰までの時間短縮化した電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】本発明に記載の電池システムは、複数の電池セルと、電池セルの充放電電流を制御する制御回路と、を有し、制御回路は、電池温度、充放電電流、およびタイムウィンドウの時間幅に基づいて複数の温度上昇予測を行い、制御回路は、前記温度上昇予測のうち前記電池セルの使用制限温度を超えない温度上昇予測に対応する充放電電流を選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池セル温度を最大値以下に保つように充放電処理を制御する電池管理システム及びその方法を有する電池エネルギー貯蔵システムに関する。

近年、気候変動や地球温暖化の懸念から、多くの国が温室効果ガス排出量削減について検討している。

スマートグリッド用途および輸送用途のためのバッテリエネルギー貯蔵システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ。以下、ＢＥＳＳと略す。）は、一般に、複数の電池セル、電力エレクトロニクス装置、電池セル温度を制御する冷却システム、および電池管理システムを有しており、システムを安全な動作状態に保っている。このような冷却システムを有する電池システムの場合、冷却システムがセル温度を所定の最大値以下に保つように設計および制御されている。

また近年、電池システムのサイズと重量もより小型、軽量化することが求められている。この電池システムの小型化及び軽量化のためには、冷却システムを削減することが１つの解決策となっている。そのため、強制冷却機構（冷却システム）を有しない、いわゆる自然冷却電池システムに対しての需要が高まっている。

このような自然冷却の電池システムでは、動作条件または周囲条件に応じては、冷却性能が十分でないため、温度が最大許容値まで上昇してしまうことが予想される。特に電池セルの温度が限界値まで達すると、電池セルの温度が低下するまでの間、充放電プロセスを停止する必要があり、その結果、電池システムの利用率は低くなってしまう。

上記課題を考慮して、電池セル温度を使用制限温度以下に保ち、電池システムが充放電プロセスを停止する頻度を低下させること、および仮に充放電プロセスが停止したとしても復帰までの時間短縮化する電池システムの提供が要求されている。

米国特許出願公開第２００９／００８５５２７号明細書

特許文献１には、電池セルの表面温度が使用制限温度を超えないように電池セルを充電することが可能な充電システムおよび充電方法が記載されている。この方法を用いた場合、現在の充電値でそのまま充電が行われると仮定して、温度上昇予測を行っている。そのため、このよう電流を設定した場合、推定温度が目標温度範囲よりも低い場合に増加し、目標温度範囲よりも高い場合に減少するように制御される。

しかし、多くのアプリケーションにおいて、将来の充電／放電電流は予測不可能であり、必ずしも現在または過去のものと等しいとは限らない。そのため、特許文献１では、充放電電流が近い将来変化する可能性があることや、電池セルの温度が様々な運転条件や周囲条件で動的に変化することは一切考慮されていない。これは、電池システムの突然の停止につながる可能性があります。

上記課題を考慮して、本発明の目的は、電池セルが使用制限温度を超えず、電池システムが充放電プロセスを停止する頻度を低下させること、および仮に充放電プロセスが停止したとしても復帰までの時間短縮化した電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に記載の電池システムは、複数の電池セルと、電池セルの充放電電流を制御する制御回路と、を有し、制御回路は、電池温度、充放電電流、およびタイムウィンドウの時間幅に基づいて複数の温度上昇予測を行い、制御回路は、前記温度上昇予測のうち前記電池セルの使用制限温度を超えない温度上昇予測に対応する充放電電流を選択する。

本発明の電池システムを用いることによって、電池セルが使用制限温度を超えず、電池システムが充放電プロセスを停止する頻度を低下させること、および仮に充放電プロセスが停止したとしても復帰までの時間短縮化することが可能となる。

負荷に接続された自然冷却された電池システムの概略図 自然冷却された電池システムの温度制御と最適充放電限界計算のための制御ブロック図 バッテリ状態計算ユニットのブロック図 電池セル等価回路の例 本発明に係る充放電電流制限演算部のブロック図 本発明に係る充放電電流制限演算のフローチャート 複数の温度予測と電流制限の選択を示すグラフ

以下、本発明について説明する。

≪実施例１≫
図１は、インバータ２を介して負荷３に結合された自然冷却用電池システム１の概略図を示しており、インバータ２および電池システム１の両方は、上位システムコントローラ４によって監視されている。電池システム１は、電池セル１０１、電池管理システム１０２、電流センサ１０３、各電池セルの電圧を計測する電圧測定回路１０４、複数個直列に接続された電池セル１０１の総電圧を測定する電圧センサ１０５、温度センサ１０６、リレー１０７と有している。電池システム１は双方向に情報を送信できる通信ケーブルを介して上位システムコントローラ４に接続されている。

自然冷却用電池システム１は、電池セル１０１の温度を使用制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}以下に維持するためのファンや冷却プレートなどの冷却装置を備えていない。そのため、充放電プロセス中、電池セル１０１の温度は、電気化学反応、相変化、ジュール熱および周囲条件影響によって大きく変化する。特に充放電電流は電池セルの温度に大きく影響する。

本発明では電池セル１０１を流れる電流を制限することによって、急峻な温度上昇を低減し、電池セル１０１の温度を使用制限温度以内に保つことができる。

続いて電池管理システム１０２の内容について説明する。図２は、電池管理システム１０２のブロック図を示すものである。電池管理システム１０２は、電池状態演算部５０１と、電流制限演算部５０２とを有する。電池状態演算部５０１は、電流センサ１０３から実電流Ｉを、電圧センサ１０５から全閉回路電圧（Ｃｌｏｓｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ。以下、ＣＣＶと略す。）を、温度センサ１０６から電池セル温度情報を受け取り、開回路電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ。以下、ＯＣＶと略す。）、分極電圧Ｖｐ、充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、以下ＳＯＣと略す）、劣化状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ、以下ＳＯＨと略す）等の実際の電池状態を算出する。そして電流制限演算部５０２には、実電流Ｉ、全閉回路電圧ＣＣＶ、電池セル温度、外部温度Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}及び電池状態演算部５０１からの情報が入力され、充放電電流指令が上限電流値を超えないようにＩ_{ｌｉｍｉｔ}を算出して上位コントローラ４に送信する。

続いて電池状態演算部５０１の内容について説明する。図３は、電池状態演算部５０１のブロック図の一例である。電池状態演算部５０１は、電池モデル部６０１と状態検出部６０２からなる。電池モデル部６０１は、電池セルの等価回路を有し、その中の情報として電池システム１の構成、すなわち直列数や１つのストリング中の接続セル数、並列ストリングの数などの情報が含まれている。

また電池モデル部６０１は、電流センサ１０３、電圧センサ１０５、温度センサ１０６から実電流値Ｉ、総電圧値、電池セルの温度値情報を受信し、電池セル１０１の開放電圧ＯＣＶ、分極電圧Ｖ_ｐ、充電状態ＳＯＣを算出する。

電池セル１０１は、動作状態および環境条件に応じて、容量劣化および内部抵抗の増加が発生する。そのため、状態検出ユニット６０２は、入力情報として電池モデル部６０１に入力される情報と同じ情報（電流センサ１０３、電圧センサ１０５、温度センサ１０６からの情報）を受け取り、電池セルの実際の劣化条件である容量劣化情報（ＳＯＨ_Ｑ）および内部抵抗増加情報（ＳＯＨ_Ｒ）を推定して出力する。

図４は、電池モデル部６０１に実装される電池セル等価回路の一例を示す。電池セル等価回路は、内部抵抗Ｒ６０４と直列に接続された開放電圧源（Ｖ_ＯＣ）６０３と、分極現象をモデル化するためのＲＣ並列回路である容量回路６０５と抵抗回路６０６を含む。本実施例では当該電池モデルを使用して開放電圧ＯＣＶ、分極電圧Ｖ_ｐ、充電状態ＳＯＣを算出した。

続いて電流制御演算部５０２の詳細について説明する。本発明の特徴はこの電流制御演算部５０２にあり、この部分で複数の定電流に対応する複数の温度上昇予測（仮想情報）が算出されることとなる。図５は、電流制御演算部５０２のブロック図である。電流制御演算部５０２は、電池状態計算部６０７、温度モデル部６０８、メモリ部６０９と、最適条件演算部６１０とを有する。具体的な制御や演算については図６を用いて説明する。

図６は、電流制限演算部５０２が許容最大充放電電流Ｉ_{ｌｉｍｉｔ}を算出する手順を詳細に説明するフローチャートである。

まず第１のステップＳ１は、電流制御演算部５０２が電流センサ１０３、電圧センサ１０５、温度センサ１０６及び電池状態演算部５０１から実際のバッテリ情報である実電圧Ｖ、実電流Ｉ、電池セル温度Ｔ_ｃｅｌｌ、電池システムの周囲温度Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}、および電池状態演算部５０１で演算された充電状態ＳＯＣ、容量劣化情報ＳＯＨ_Ｑ、内部抵抗増加情報ＳＯＨ_Ｒを取得する。

続いて、電池状態計算部６０７では、０からシステムの最大電流Ｉｍａｘとの間に含まれる複数の仮想電流Ｉ_ｉ（１≦ｉ≦ｐ、ｉ及びｐは整数で、ｐは任意の固定値）と、複数の仮想タイムウィンドウをΔｔ_ｊ＞０（１≦ｊ≦ｑ、ｊ及びｑは整数で、ｑは任意の固定値）決定する。そのためにステップＳ２及びステップＳ３でｉとｊを初期化して１にする。そして、これらの値はメモリ部６０９に記憶される。

なお、このタイムウィンドウは電流を流す時間と対応することとなり、この値の取り方によって、どの程度電流を流せば電池セル１０１の上限使用温度に達するのかが決まるため非常に重要な値となる。

続いてステップＳ４で電池状態計算部６０７は、上述した実電流Ｉ、閉回路電圧ＣＣＶ、充電状態ＳＯＣ、劣化状態ＳＯＨ、電池セル温度Ｔ_ｃｅｌｌに加え、メモリ部６０９から出力される仮想電流Ｉ_ｉ、仮想タイムウィンドウΔｔ_ｊ取得する。そしてその後、ｔ（現在）からｔ＋Δｔ_ｊ（未来）までの予想値である仮想電流Ｉ_ｉと仮想タイムウィンドウΔｔ_ｊとの組み合わせ（Ｉ_ｉ、Δｔ_ｊ）（１≦ｉ≦ｐ、１≦ｊ≦ｑ）について、それぞれ開回路電圧ＯＣＶ_ｉ,ｊ、総電圧ＣＣＶ_ｉ,_j、充電電流ＳＯＣ_ｉ,_j、および分極電圧Ｖｐ_ｉ,ｊを演算する。

そしてステップＳ５では、温度モデル部６０８が、これらの予測結果を受け取り、仮想電流Ｉ_ｉが印加された場合の電池セル１０１の熱的挙動を予測する。

このとき温度モデル部６０８は、温度Ｔ_ｉ,ｊ（ｔ）＝ Ｔ（Ｉ_ｉ,ｔ＋Δｔ_ｊ）と温度の時間変化の微分値（温度勾配）であるＴ’_ｉ,_ｊ（ｔ）＝ ｄＴ ／ ｄｔを計算する。

そして実際の温度を初期値として、仮想タイムウィンドウΔｔ_ｊの間に仮想電流Ｉ_ｉ（定電流）を印加した場合の熱的挙動を計算する。一例として、電池セル１０１の熱的挙動は、（数１）のエネルギー平衡方程式を解くことによって得られる。

続いてステップＳ６に進み、温度Ｔ_ｉ,ｊと温度勾配Ｔ’_ｉ,_ｊがメモリ部６０９に格納される。そしてステップＳ６ａに進みｊがｑを比較し、ｊがｑより小さい（ｊ＋１＞ｑを満たさない）場合にはステップＳ４の前に戻りｊの値にｊ＋１を代入して再度ステップＳ４からステップＳ６までを繰り返す。一方でｊがｑより大きい（ｊ＋１＞ｑを満たす）場合、ステップＳ６ｂに進み、ｉの値でもｊと同様の計算（ｉの場合にはｉ＋１＞ｐか否か）を計算する。そして全ての予測結果Ｔ_ｉ,_ｊ（ｔ）、Ｔ’_ｉ、ｊ（ｔ）、１≦ｉ≦ｐ、１≦ｊ≦ｑがメモリＳ６に格納されることになる。なお、ステップＳ６ａとステップＳ６ｂの処理は入れ替えることも可能であり、処理装置の能力が高い場合には同時にステップＳ６ａとステップＳ６ｂの処理をすることも可能である。

続いて最適条件演算部６１０の処理を説明する。ステップＳ６ｂからステップＳ７に進み、最適条件演算部６１０には、全ての予測結果と使用制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}が入力される。そして、最適条件演算部６１０は、メモリ部６０９に格納されている全組み合わせ（Ｉ_ｉ、Δｔ_ｊ）（１≦ｉ≦ｐ≦ｊ≦ｑ）の中から１つの組み合わせ（Ｉ_ｉ０、Δｔ_ｊ０）を選択し、例えば下記数２を満たすようＩ_ｉ０を計算する。

そして絶対充放電電流制限Ｉ_{ｌｉｍｉｔ}が、Ｉ_ｉ０に等しく設定される。

最後に、ステップＳ８で記憶部６０９から全ての温度Ｔ_ｉ,_ｊ（ｔ）、温度勾配Ｔ’_ｉ,ｊ（ｔ）、１≦ｉ≦ｐ、１≦ｊ≦ｑがクリアされて本フローが終了する。

図７は本発明を適用した場合の結果を示すものである。それぞれ、ｔからｔ''までの電流制限の変化（上図）とその時の電池セル１０１温度の変化（下図）を示す図である。図７（ａ）は現在の時刻ｔの時の図を示すものであり、実線部は今までの電流履歴や温度履歴を示し、二点鎖は使用制限温度を示すものである。図６で説明した制御を用いて、現時刻ｔの電流値Ｉを仮想電流Ｉ_１、Ｉ_ｉ、・・・Ｉ_ｐに変化させた仮想値（点線部）とした場合の電池セル１０１の温度変化を表すものである。なお、仮想電流Ｉ_１は仮想の温度変化Ｔ_１，１（ｔ）に、仮想電流Ｉ_ｉは仮想の温度変化Ｔ_ｉ，ｊ（ｔ）に、仮想電流Ｉ_ｐは仮想の温度変化Ｔ_ｐ，ｑ（ｔ）に対応している。

図７（ａ）では時間ｔにおいて、求められる出力要求（たとえばｔ＋Δｔ_１まで大きな電流を流したいという要求）から最適条件演算部６１０によって得られる最適解が（Ｉ_１、Δ_ｔ１）となった場合を示している。そして図７（ｂ）のｔ’に至るまでのしばらくの間、充放電電流はＩ_１に制限される。

一方で充放電パターンによっては、電流がＩ_１に制限された場合であっても、想定した以上に内部抵抗が増加し、温度が急激に上昇し始める可能性がある。この場合には制限電流をＩ_１としていたのでは電池セル１０１の温度が使用制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を超えてしまう。そのため図７（ｂ）に示すように時刻ｔ’で再度図６の処理が行われ、時刻ｔ’＋Δｔ_ｊまで電流を流す要求があった場合、使用制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を超えないように仮想電流Ｉ’_ｉを選択して充放電電流Ｉをしばらくの間Ｉ’_ｉに制限する。そして、やはり同様にｔ’’までの間に想定した以上に電池セル１０１の温度が急激に上昇した場合（たとえば外部温度が急激に上がった場合など）、制限電流をＩ’_ｉとしていたのでは電池セル１０１の温度が使用制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を超えてしまう。そのため図７（ｃ）に示すように時刻ｔ’’で再度図６の処理が行われ、時刻ｔ’’＋Δｔ_ｑまで電流を流す要求があった場合、制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を超えないように仮想電流Ｉ’’_ｐを選択して充放電電流Ｉをしばらくの間Ｉ’’_ｐに制限する。以後、この繰り返しにより、極力高い出力を出しつつも制限温度Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}を超えない電池制御を提供することができる。本発明の電流制限方法を用いることによって、温度勾配が減少し、それによって制限値Ｔｌｉｍｉｔに達するリスクが制限される。なお、本図７では、電池セル１０１の利用率が最大となる仮想電流を選択するようにしたが、要求によっては利用率が最大となる仮想電流を選択する必要はない。この場合には電池が不測の温度上昇によってより電池１０１が停止してしまう可能性は低くなる。

以上、簡単に本発明についてまとめる。

本発明の電池システム１は、複数の電池セル１０１と、電池セル１０１の充放電電流を制御する制御回路１０２と、を有し、制御回路１０２は、温度情報（Ｔ_ｃｅｌｌやＴ_{ａｍｂｉｅｎｔ}）、充放電電流（Ｉ、Ｉ_ｉ）、およびタイムウィンドウの時間幅（Δｔ_ｊ）に基づいて複数の温度上昇予測を行い、
当該制御回路１０２は、前記温度上昇予測のうち前記電池セルの使用制限温度を超えない温度上昇予測に対応する充放電電流（Ｉ_ｉ）を選択する。このような構成にすることによって、将来の充電／放電電流は予測不可能であったとしても電池セル１０１が使用制限温度を超えず、電池システムが充放電プロセスを停止する頻度を低下させること、および仮に充放電プロセスが停止したとしても復帰までの時間短縮化した電池システムを提供することが可能となる。

また、本発明に記載の電池システム１では、温度センサ１０６、電流センサ１０３、および電圧センサ１０５を有し、制御回路１０２が、電池セルの充電状態ＳＯＣ、劣化状態ＳＯＨ、およびその他の電池パラメータを計算するための演算部５０１を有する。このような構成にすることによって、電池モデルを使用したより正確な熱的挙動の予測が可能となる。

また、本発明に記載の電池システム１は、一具体例として、制御回路１０２が、複数の電流情報と、複数のタイムウィンドウの時間幅とを有するメモリ部６０９を有し、電流情報Ｉ、タイムウィンドウの時間幅Δｔ及び現在の動作状況に基づいて複数の温度上昇予測を行う。

また、本発明に記載の電池システム１は、制御回路１０２が、複数の温度上昇予測の中で電池セル１０１を使用制限温度以下に保ち、かつ電池セル１０１の利用率を増加させる温度上昇予測を選択する最適条件演算部６１０を有する。このようにすることによって、電池セル１０１の利用率を最大化しつつ使用制限温度に達することがなくなり、電池１０１の利用率を最大化することと使用制限温度に到達しないようなバランスを取ることが可能となる。

≪実施例２≫
続いて実施例２について説明する。ハイブリッド電気自動車などの輸送用途では、予測運転時間、運転パターン、ユーザー運転スタイル、平坦／斜面道路、気象情報などの追加情報がカーナビゲーションシステムから利用可能になる場合がある。

これらの情報データは、電流制限演算部５０２のメモリ部６１０に送信することができ、複数の温度予測において考慮すべきΔｔ_ｊのセットをより良く選択するために使用することができる。

このような情報を用いることによって、より最適条件を演算する精度を向上させることができる。

≪実施例３≫
続いて実施例３について説明する。例えば、太陽電池発電所の出力電力を平滑化するために電池システムが設置されている電力網アプリケーションでは、太陽光発電出力を１日前に予測することができ、電池システムの充放電要件が予期可能である。

異なる電流制限値とタイムウィンドウ時間値に基づいて複数の温度予測を実行し、最適化することができる。その結果、電流制限スケジュールを取得し、より正確な温度制御を行うことができる。

以上、本発明について簡単にまとめる。

本発明は、電流限界値が動作条件および周囲条件によって動的に変化することを特徴とする。つまり、電流制限値が、Ｔ_{ｌｉｍｉｔ}とＴ_ｃｅｌｌの差のみに依存するのではなく、制御のタイムウィンドウの時間幅によっても最適条件が変化する。そのため、本発明では最適化条件演算部とそのタイムウィンドウに応じて逐次的に最適な条件が選択されることによって、電池セル１０１の温度制御をより正確に行うことができる。また、本発明は冷却制御をしないような自然冷却システムにおいて特に効果を発揮する。

また、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。 本発明ではいくつかの変形が考えられる。

一例として、温度モデル部６０８は、（数１）の本発明に示した温度モデル以外のモデルを使用することも可能である。

また、電池状態演算部６０７は必ずしも電池状態演算部５０１と異なっている必要はなく、例えば電池状態演算部５０１のみを用いてもよい。

また、温度モデル部６０８に必要とされる入力は、本発明に記載されたものに限られるものではなく、電池情報に関連する他の入力値を用いてもよい。

また、本発明は、自然冷却された電池システムに限定されない。この方法は、強制冷却された電池システムでも実施することができ、冷却システムでより電池制御システムの信頼性を上げる場合や、システムのランニングコストを低減するために使用することができる。

本発明によれば、電池管理システムにおいて、ＢＥＳＳの利用率を最大化し、しかも電池セル温度を使用制限温度以下に保つことが可能となる。

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 電池システム
２ インバータ
３ 負荷
４ 上位コントローラ
１０１ 電池セル
１０２ 電池管理システム
１０３ 電流センサ
１０４ 電圧測定回路
１０５ 電圧センサ
１０６ 温度センサ
１０７ リレー

Claims (4)

1. 複数の電池セルと、
   前記電池セルの充放電電流を制御する制御回路と、を有する電池システムにおいて、
   前記制御回路は、温度情報、充放電電流、およびタイムウィンドウの時間幅に基づいて複数の温度上昇予測を行い、
   当該制御回路は、前記温度上昇予測のうち前記電池セルの使用制限温度を超えない温度上昇予測に対応する充放電電流を選択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、
   前記電池システムは、温度センサ、電流センサ、および電圧センサを有し、
   前記制御回路は、前記電池セルの充電状態、劣化状態、およびその他の電池パラメータを計算するための演算部を有することを特徴とする電池システム。
3. 請求項２に記載の電池システムにおいて、
   前記制御回路は、複数の電流情報と、複数のタイムウィンドウの時間幅とを有するメモリ部６０９を有し、
   前記電流情報、前記タイムウィンドウの時間幅及び現在の動作状況に基づいて複数の温度上昇予測を行うことを特徴とする電池システム。
4. 請求項３に記載の電池システムにおいて、
   前記制御回路は、複数の温度上昇予測の中で前記電池セルを使用制限温度以下に保ち、かつ前記電池セルの利用率を増加させる温度上昇予測を選択する最適条件演算部を有することを特徴とする電池システム。

Images