JP2019105565A - 蓄電池の経済性推定装置および経済性推定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本実施形態に係る蓄電池の経済性推定装置を搭載する蓄電装置の構成を示している。この蓄電装置1は、主として、パワーコンディショナ(Power conditioning system)2と、電池モジュール3と、バッテリー管理部(バッテリーマネジメントユニットBMU : Battery Management Unit)4と、エネルギー管理部(エネルギーマネジメントユニットEMU : Energy Management Unit 又はEMS : Energy Management system)5と、経済性推定装置6と、電池温度測定部7と、で構成される。尚、図示していないが、通常の蓄電装置が備えている構成部位は、本実施形態の蓄電装置も備えているものとし、詳細な説明は省略する。
演算制御部14は、コンピュータの演算処理部等と同等の機能を有し、バッテリー管理部4への電池モジュール3に対する充電及び放電の指示や、パワーコンディショナ2への電池モジュール3の充電及び放電への指示を行う。また、電池モジュール3毎に充電上限電圧値や放電下限電圧値が予め設定されており、エネルギー管理部5から送信されたモニタ情報に基づき、充電停止や放電停止の指示を行う。
次に、蓄電池の経済性推定装置6について説明する。図3は、蓄電池の経済性推定装置6の構成例を示している。
この経済性推定装置6は、充電用電源部22と、放電部23と、放電用負荷部24と、電圧測定部25と、時間計測部26と、推定演算処理部27とで構成される。経済性推定装置6は、電池モジュール3内の二次電池11における後述する経済性指標SOEcを推定する。推定された各二次電池11の経済性指標SOEcは、サーバー16に格納される。
電池モジュール3は、図1に示すように、直流電流電圧を出力する二次電池(蓄電池)11と、セル監視部(セルモニタユニット)12と、保護部13と、を備えている。電池モジュール3は、特定負荷等の電力供給量における設計に従い、その数量が適宜設定され、大容量の二次電池を形成する場合には、複数の電池モジュール3を電気的に接続して、1台の電池パックとして構成することがある。また、本実施形態では、経済性推定の対象となる二次電池11として、リチウムイオン蓄電池を一例に説明するが、これに限定されるものではなく、リチウムイオン蓄電池と同様に、メモリ効果が小さく、且つ自己放電特性が良好な電池であれば、異なる構造の電池にも容易に適用でき、例えば、リチウムイオン蓄電池から改良されたナノワイヤーバッテリー等に適用することも可能である。
まず、蓄電装置1に搭載されている電池モジュール3の二次電池11における充電状態を電圧測定部25が測定した電圧が予め設定された満充電状態である充電上限電圧Vcharge−max(以下、Vcとする)か否かを判断する(ステップS1)。この判断で、満充電状態ではない場合には(NO)、充電用電源部22により、二次電池11が充電上限電圧Vcに到達するまで充電を行う(ステップS2)。
ここで、前記ステップS5における放電電圧Vdを測定する規定時間について説明する。
放電部23により、電池モジュール3を放電用負荷部24へ電気的に接続することで放電が開始される。本実施形態では、放電開始直後から放電電圧Vdの測定を開始するのではなく、一定の時間に至るまで待機する。この一定時間は、拡散インピーダンスが発現しはじめる時間よりは大きく、充電率SOCが大きく変化しない程度の時間とする必要があり、数十秒(例えば、10秒から70秒)程度とする。
まず、経済性を推定するため、充放電曲線の推定を行う。予め設定された充電上限電圧Vcと規定時間内で測定された放電電圧Vdとの差を差電圧Vdifference(以下、Veとする)とする。充放電曲線は、差電圧Veから推定される所定の充電容量における推定充電電圧Vpcおよび所定の放電容量における推定放電電圧Vpdとから求められる。
差電圧Veと所定の充電容量における推定充電電圧Vpcは、直線的に増加する線形関係になっており、正の相関関係を示している。従って、それぞれの充電容量における差電圧Veと所定の充電容量における推定充電電圧Vpcの関係式が最小二乗法で線形近似して求められる。
予め求められた差電圧Ve(上限電圧差)と推定充電電圧Vpcの関係式(1)、
Ve = Vc − Vd
Vpc = An × Ve + Bn (An及びBnは定数) …(1)
に基づき、差電圧Veから算出された推定充電電圧Vpcから、充電曲線が推定できる。ここで、関係式における定数AnおよびBnは、電池モジュールの充放電サイクル試験で、上限電圧差Veと推定充電電圧Vpcの複数の充放電サイクルから得られた充電結果に基づき、最小二乗法による線形近似によって求められる。
Ve = Vc − Vd
Vpd = Cn × Ve + Dn (Cn及びDnは定数) …(2)
に基づき、上限電圧差Veから算出された推定放電電圧Vpdから、放電曲線が推定できる。ここで、関係式における定数CnおよびDnは、電池モジュールの充放電サイクル試験で、上限電圧差Veと推定放電電圧Vpdの複数の充放電サイクルから得られた放電結果に基づき、最小二乗法による線形近似によって求められる。
本実施形態では、定格容量500Ah、 定格電圧29.6Vのリチウムイオン蓄電池8直モジュールを用い、1085Wの定電力方式 で充放電試験を実施した。なお、充電と放電の間には1.5時間のインターバルを設けた。計測は各セルの電圧(分解能0.001V)、2セル毎のセル間温度(分解能 0.1 ℃)、モジュール全体を流れる電流(分解能 0.001A)を、時間分解能 1secで実施した。
すなわち、具体的には、次に示す式(14)乃至式(19)における評価関数JcおよびJdを最小化する最適化問題となる。
本実施形態のリチウムイオン蓄電池8直モジュールの充放電試験において、差電圧Veから充電電力量Ecおよび放電電力量Edを推定して得た経済メリットG[円/kWh]を図11に示す。なお、東京電力エナジーパートナーのスマートライフプラン(2017年9月16日時点)を参考に、電気料金の高値Thighを25.33円/kWh、安値Tlowを17.46円/kWhとした。
この寿命末期差電圧Veendから寿命末期の充放電曲線が得られ、寿命末期の満充電容量FCCendと寿命末期の充放電曲線から寿命末期充電電力量Ecendと寿命末期放電電力量Edendが推定され、そこから寿命末期経済メリットGendを得ることができる。
Claims (2)
- 二次電池の充電状態を検知し、予め定めた充電上限電圧まで満充電させる充電部と、
満充電された前記二次電池に対して、負荷を電気的に接続し、前記二次電池から電力を放電させる放電部と、
前記放電部による放電が開始されてから、前記二次電池内で電荷移動に伴う過渡応答が消失する時間経過後から予め規定された時間範囲内で計測を開始して、放電電圧を測定する電圧測定部と、
測定により求められた前記放電電圧と前記充電上限電圧との差電圧を用いて、予め求められた差電圧と前記二次電池の満充電容量および充放電電力量とにより関連づけた式、
で表される経済性指標SOEcを推定する推定演算処理部と、
を備える蓄電池の経済性推定装置。 - 蓄電池の経済性推定装置により二次電池の前記経済性指標SOEcを推定する方法であって、
二次電池を予め設定された充電上限電圧Vcまで充電する満充電処理と、
前記満充電処理の後で電池温度を周囲温度に馴らす安定化処理と、
前記安定化処理の後で実施される放電処理と、
前記二次電池の所定の充電容量における推定充電電圧Vpcを、複数の充電容量において計算し推定する充電電圧推定処理と、
前記二次電池の所定の放電容量における推定放電電圧Vpdを、複数の放電容量において計算し推定する放電電圧推定処理と、を有し、
前記経済性の推定は、前記放電処理中において電荷移動に伴う過渡応答が消失後に規定された時間の範囲内で計測が開始されて取得された放電電圧Vdと前記充電上限電圧Vcとの差電圧Veが計算され、予め求められた前記差電圧Veと所定の充電容量における推定充電電圧Vpcの関係式、
Ve = Vc − Vd
Vpc = An × Ve + Bn (An及びBnは定数)
に基づいて、前記差電圧Veから算出された所定の充電容量における推定充電電圧Vpcを計算して推定し、さらに、予め求められた前記差電圧Veと前記二次電池の所定の放電容量における推定放電電圧Vpdの関係式、
Ve = Vc − Vd
Vpd = Cn × Ve + Dn (Cn及びDnは定数)
に基づいて、前記差電圧Veから算出された所定の放電容量における推定放電電圧Vpdを計算して推定する充放電電圧推定処理から、複数の前記推定充電電圧Vpcに基づいて近似曲線を求めることにより充電曲線を推定し、複数の前記推定放電電圧Vpdに基づいて近似曲線を求めることにより放電曲線を推定し、
予め求められた前記差電圧Veと前記二次電池の満充電容量FCCの関係式、
FCC = M × Ve +N(M及びNは定数)
に基づいて、前記差電圧Veから算出された現在の充放電サイクルの満充電容量FCCcurrを推定し、前記FCCcurrと前記充電曲線から現在の充放電サイクルの充電電力量Eccurrを推定し、前記満充電容量FCCcurrと前記放電曲線から現在の充放電サイクルの放電電力量Edcurrを推定し、前記式
現在の充放電サイクル1回分の経済メリットGcurrを推定し、前記満充電容量FCCの関係式に基づいて、初期差電圧Ve0から算出された初期満充電容量FCC0を計算して推定し、
初期満充電容量FCC0と前記充電曲線から初期充電電力量Ec0を推定し、初期満充電容量FCC0と前記放電曲線から初期放電電力量Ed0を推定し、初期充電電力量Ec0および初期放電電力量Ed0より、前記式
前記満充電容量FCCの関係式に基づいて、
寿命末期差電圧Veendから算出された寿命末期満充電容量FCCendを計算して推定し、
前記寿命末期満充電容量FCCendと前記充電曲線から寿命末期充電電力量Ecendを推定し、
前記寿命末期満充電容量FCCendと前記放電曲線から寿命末期放電電力量Edendを推定し、
前記寿命末期充電電力量Ecendおよび前記寿命末期放電電力量Edendより、前記式
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