JP5630537B2 - 寿命予測システム - Google Patents
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Description
また、自然エネルギーを使って発電した電力の収益や、保守費用を含む風力発電・蓄電池システムのコストおよび電力会社に支払うコストなどのトータルコストを最適化(収益最大化)するような風力発電・蓄電池システム制御を、随時実施してゆくことができる。
〔蓄電池運用・蓄電池劣化データ収集部〕
次に、各機能ブロックの動作・内容について詳しく説明する。蓄電池運用・蓄電池劣化データ収集部102は各種センサと記憶装置、通信装置等を備え、鉛蓄電池の運用や劣化に関するデータを収集する。蓄電池運用・蓄電池劣化データ収集部102が収集するデータの例を図3に示す。蓄電池運用・蓄電池劣化データ収集部102は、蓄電池の運用データ(制御可能データ)、蓄電池劣化データ等のデータを収集する。
〔蓄電池運用−劣化関係評価部〕
蓄電池運用・蓄電池劣化データ収集部102は、上述のようなデータを収集し、収集したデータをネットワークを介して蓄電池運用−劣化関係評価部103に送信する。
(2)SOC(State of Charge):鉛蓄電池のチャージレベル
(3)充放電サイクル:充放電のサイクル(周期)(充電・放電の時間間隔)
(4)充放電電流:充放電する時の電流の大きさ
(5)温度:電池を設置する場所の温度
(6)充電効率:充電時の効率、SOCを推定する時に用いるパラメータ
また、鉛蓄電池の劣化部位/劣化現象の代表的な例としては下記の(A)〜(C)が挙げられる。
電池役割に支障をきたす。
(1)均等充電間隔:定期的に満充電状態とすると、長期間部分充電状態(PSOC)で使用する時に起こりがちな(B)負極のサルフェーションや(C)電解液の成層化を緩和し、鉛蓄電池の寿命を延ばすことができる。
(2)SOC:SOCレベルが高くて過充電となると(A)正極格子腐食が進む。逆にSOCレベルが低いと(B)負極のサルフェーションが起こる可能性が高まる。
(3)充放電サイクル:一般的には、充放電のサイクルが多いと劣化が進行する。(風力発電出力のような周期の短い充放電による影響は、これと異なる場合がある)。
(4)充放電電流:充放電する時の電流の大きさがあまり大きいと、電池の発熱により電池内温度が上昇して、正極格子腐食を促進する。また、電解液の水分蒸発(電解液減少)も引き起こし、通常より早い容量低下が起こる場合がある。
(5)温度:電池設置場所の温度が高温の場合、正極格子腐食が促進される傾向がある。
(6)充電効率:SOCを推定する時に用いる充電時の効率パラメータであり、実際の充電効率と異なっているとSOC推定誤差が累積し、過充電となって(A)正極格子腐食が進む恐れがある。
〔寿命・劣化予測モデル〕
電池の運用条件と電池の寿命・劣化関係に関する予測モデルを構築するための、タグチメソッド(動特性)を使ったモデル化手法について説明する。電池の劣化にかかわる運用条件は前述のとおり様々なものがある。さらに、これらの条件の組合せについては膨大な組合せ数が考えられ、コストや期間の制約から全ての組合せ条件について寿命や劣化がどのように進むのか実験・測定を行うのは困難である。しかし、タグチメソッド技法とL18実験計画技法を用いることにより、電池の劣化にかかわる運用条件との寿命や劣化の関係を、現実的な組合せ数範囲内の実験により求めることができる。図7にタグチメソッドの動特性を使った寿命予測モデルの模式図を示す。
(B)負極のサルフェーション・・・測定値:硫酸鉛量、使用限界:15%
(C)電解液の成層化・・・測定値:電解液比重、使用限界:0.1
前節で説明したのと同様に、劣化に関係する様々な運用条件と各部位の劣化の関係を調べるため、タグチメソッドの要因分析を行いて各要因の感度を求める。それにより、複雑な運用条件(制御因子)の組合せがある中で、各々の運用条件についてそれぞれ独立に各部位の劣化に対する影響度を調べることができる。
(2)30%〜80%
(3)40%〜90%
一般的には、SOCが高い方が「(A)正極格子腐食」を促進する方向の影響が出やすく、SOCが低い方が「(B)負極のサルフェーション」を促進する方向の影響が出やすい傾向があると言われている。しかし、もし上記(1)〜(3)の水準にて実験を行い、タグチメソッドの要因分析を行った結果、感度が図9(b)に示すような関係だったとする。即ち、現在の標準的な使用範囲(2)のケースでは図9(a)に示すように「(A)正極格子腐食」の進行が目標の年数を達成するか否かぎりぎりのところであるが、使用範囲を(1)に下げると、「(A)正極格子腐食」の進行が劇的に遅くなる(長寿命化する)とする。一方、図10(a)に示す様に(B)負極のサルフェーションについては、現状のSOC使用範囲(2)から使用範囲を(1)に下げても劣化の進行はそれほど早まらず目標の年数をクリアできるとする。その場合、風力発電用鉛蓄電池のSOC使用範囲は(1)とした方が長寿命にできることが分かる。
〔寿命予測ツール〕
図13〜図15は、タグチメソッド(動特性)を用いた寿命予測ツールによる鉛蓄電池の寿命・劣化予測結果を、ユーザが容易に確認できるようにしたコンピュータシステムにおけるインタフェース画面の例である。図13に、寿命予測ツールの入力(メニュー選択)画面を示す。画面左に表示されている「制御可能な条件の選択」メニューボタンにより、鉛蓄電池の運用条件を指定し、指定した条件での鉛蓄電池の寿命や劣化の評価を行うことができる。運用条件は、制御因子(a〜h)で、風力発電用鉛蓄電池の実験水準(a:2水準、b〜h:3水準)がプルダウンメニュー表示され、その組合せで指定できるようになっている。
102:蓄電池運用・蓄電池劣化データ収集部
103:蓄電池運用−劣化関係評価部
104:蓄電池運用計画部
105:蓄電池運用指示部
106:半導体チップ
201:蓄電池コスト評価部
202:電力会社ペナルティコスト評価部
203:最適コスト蓄電池運用計画部
Claims (12)
- 蓄電池の運用条件を制御因子とするタグチメソッドを用いて蓄電池の各部位の劣化情報を算出し、
算出された前記蓄電池の各部位の劣化情報に基づいて前記蓄電池の寿命を算出する評価部と、
均等充電間隔のデータを収集するデータ収集部を有し、
前記蓄電池の運用条件は、少なくとも前記均等充電間隔を用いている
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項1に記載の寿命予測システムにおいて、
前記蓄電池の各部位の劣化情報は、正極の劣化情報、負極の劣化情報、及び電解液の劣化情報である
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項2に記載の寿命予測システムにおいて、
前記蓄電池の運用条件は、さらにSOC情報を用いている
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項3に記載の寿命予測システムにおいて、
前記蓄電池の運用条件は、さらに充放電電流の情報を用いている
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項4に記載の寿命予測システムにおいて、
前記蓄電池の運用条件は、さらに蓄電池設置場所の温度情報を用いている
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項5に記載の寿命予測システムにおいて、
前記蓄電池の運用条件は、さらに蓄電池の充電効率を用いている
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項6に記載の寿命予測システムにおいて、
前記蓄電池の運用条件は、さらに蓄電池の充放電サイクルを用いている
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項7に記載の寿命予測システムにおいて、
前記タグチメソッドに用いる情報は、L18実験計画法によって算出される
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項1乃至8のいずれかに記載の寿命予測システムにおいて、
前記評価部によって算出された前記蓄電池の寿命を出力するインタフェース画面を有する
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載の寿命予測システムにおいて、
算出された前記蓄電池の各部位の劣化情報に基づいて蓄電池の運用条件を算出する運用計画部を有する
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 請求項1乃至10のいずれかに記載の寿命予測システムにおいて、
(A)均等充電間隔「2週間毎」、(B)均等充電間隔「1カ月毎」の制御因子で比較した時に、入力(電池使用年月)に対する出力(電池容量低下)の感度の比(β(B)/β(A))が1.5倍である
ことを特徴とする寿命予測システム。 - 蓄電池の運用条件を制御因子とするタグチメソッドを用いて蓄電池の各部位の劣化情報を算出し、
算出された前記蓄電池の各部位の劣化情報に基づいて前記蓄電池の寿命を算出する評価部と、
均等充電間隔のデータを収集するデータ収集部を有し、
前記蓄電池の運用条件は、少なくとも前記均等充電間隔を用いており、
所定時間経過後の正極格子腐食量を35%まで低減し、使用限界未満である
ことを特徴とする寿命予測システム。
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