JP6036236B2 - 蓄電システム及び蓄電池の劣化診断方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明は、互いに並列に設けられた複数のストリング(201〜204)によって構成される蓄電池群(200)と、当該蓄電池群を外部電源(1)により充電し、放電により負荷に給電するための制御装置(300)とを備えた蓄電システム(100)であって、前記制御装置は、前記複数のストリングのうちから劣化診断対象の1ストリング(例えば201)を選択し、残余のストリング(例えば202〜204)に放電の責務を担わせながら、当該1ストリングを構成する少なくとも1つの蓄電池を第1の電池容量まで充電する充電制御部(311)と、前記残余のストリングに前記外部電源からの充電の責務を担わせながら、前記第1の電池容量となった前記蓄電池を第2の電池容量まで、途中で充電することを抑制しつつ放電させる放電制御部(312)と、前記蓄電池が前記第1の電池容量から前記第2の電池容量までの放電により実際に放出した電池容量を演算し、当該電池容量を所定値と比較して劣化の程度を診断する劣化診断部(313)と、を有するものである。
なお、上記の括弧内の符号は後述の、発明を実施するための形態における符号を、参考用として付している。
この場合、当該蓄電池の充電を迅速に行うことができる。
この場合、当該蓄電池を迅速に放電させることができる。
この場合、放電スイッチをオフにして充電スイッチをオンにすることにより1ストリングのうちの1個又は一部である蓄電池のみを充電し、また、充電スイッチをオフにして放電スイッチをオンにすることにより当該蓄電池のみを放電させることができる。通常、1ストリング内では各蓄電池の劣化の程度は、ほぼ同等であることが経験的にわかっており、従って、1個又は一部の蓄電池の劣化診断により、実質的に、1ストリングの劣化診断を行うことができる。
この場合、1ストリングのDC/DCコンバータの出力電圧により残余のストリングへの放電が可能であり、逆に、1ストリングを、残余のストリングのDC/DCコンバータの出力電圧により充電することが可能である。すなわち、必ずしも外部電源や負荷に依存しなくても、ストリング同士で、電荷を自在に移動させ、特定のストリングを第1の電池容量まで充電し、かつ、第2の電池容量まで放電させることができる。
また、この場合、以下の利点がある。
(i)一定電流での充電・放電ができるので劣化診断の精度が高い。
(ii)診断時間が短縮される。
(iii)ストリング毎に、異なる接続構成(電圧構成)や、種類の異なる電池を用いることができる。
(iv)需給制御補償用とバックアップ用にストリングを分けて運用できる。
この場合、制御装置は、対象とした蓄電池を、満充電の状態から完全放電の状態まで、途中で充電することを抑制しつつ放電させ、放電によって実際に放出した電池容量を演算する。この実際に放出した電池容量とは、現時点での当該蓄電池にとって、充放電可能な実容量である。従って、この実容量と、所定値(例えば新品のときの実容量)との比較に基づいて、蓄電池の劣化の程度すなわち劣化状態(SOH)の診断を行うことができる。
この場合、劣化診断対象となったことにより放電しているストリングを含めて複数のストリングの電圧を均等化することができる。従って、劣化診断対象となったストリングを円滑に、蓄電池群の1ストリングとして復帰させることができる。
この劣化診断方法では、対象とした蓄電池を、満充電の状態から完全放電の状態まで、途中で充電することを抑制しつつ放電させ、放電によって実際に放出した電池容量を演算する。この実際に放出した電池容量とは、現時点での当該蓄電池にとって、充放電可能な実容量である。従って、この実容量と、所定値(例えば新品のときの実容量)との比較に基づいて、蓄電池の劣化の程度すなわち劣化状態(SOH)の診断を行うことができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る蓄電システムと、その周辺回路を示す接続図である。図において、太陽光発電パネル1の出力(直流)は、DC/DCコンバータ2を介してインバータ3により交流に変換され、負荷4に電力を供給することができる。DC/DCコンバータ2及びインバータ3は、パワーコンディショナ23を構成している。DC/DCコンバータ2は、太陽光発電パネル1に対してMPPT(最大電力点追従)制御を行う。蓄電システム100は、主として、互いに並列に設けられ複数(並列数は4であるが、これは一例に過ぎない。)の蓄電池のストリングによって構成される蓄電池群200と、制御装置300とによって構成されている。なお、1ストリングを構成する蓄電池(セル)の数は、図示の便宜上3個にしているが、実際はもっと多い。
一方、太陽光発電パネル1の発電電力が、負荷4の電力需要より少ない場合は、蓄電池群200からDC/DCコンバータ309を経て、電路Pに電力が供給され、電力の不足分が補われる。
言い換えれば、充電制御部311は、複数のストリングのうちから劣化診断対象の1ストリングを選択し、残余のストリングに放電の責務(ステップS6,S7)を担わせながら、当該1ストリングを構成する蓄電池を満充電の状態とする。
言い換えれば、放電制御部312は、対象ストリング201ではない残余のストリング202〜204に、外部電源である太陽光発電パネル1からの充電の責務を担わせながら、一旦満充電となったストリング201の蓄電池を、完全放電まで、途中で充電することなく放電させる。積算した放電電流により、現状の電池容量がわかる。
言い換えれば、劣化診断部313は、蓄電池が満充電から完全放電までの放電により実際に放出した電池容量を演算し、当該電池容量を所定値と比較して劣化の程度を診断する。
なお、このような電圧の均等化制御を行わずに、ストリング201のスイッチ301(図1)をオンにすると、他のストリング202〜204から一気に大電流が流れ込むので、好ましくない。
このようにして、負荷4への給電を停止せずに、ストリング単位で、定期的に劣化診断を行うことができる。従って、蓄電池の劣化状態を正確に把握することができる。
また、対象ストリング201の放電は、途中で充電さえしなければよいのであるから、途中で放電を休止させることは問題ない。図5は、対象ストリング201の充放電の過程の他の例を示すグラフである。この場合、放電の期間B内に、放電休止の時間Δtがあるが、このことによって、容量測定に影響はない。
図6は、本発明の第2実施形態に係る蓄電システムと、その周辺回路を示す接続図である。図1(第1実施形態)との違いは、劣化診断の対象ストリングに対して充電・放電を行うための構成及び動作が異なる点であり、その他は同様であるので、同一符号を付した部位についての同様の説明は省略する。1ストリングを構成する各セルの劣化状態は、ほぼ同じ程度であることが経験的にわかっている。そこで、各ストリング201〜204の複数セルのうちの任意の1個(但し2個以上でもよい。)に着目して、現在の電池容量を測定すれば、ストリングの劣化状態がわかる、というのが、この第2実施形態の考え方である。
一方、太陽光発電パネル1の発電電力が、負荷4の電力需要より少ない場合は、蓄電池群200からDC/DCコンバータ309を経て、電路Pに電力が供給され、電力の不足分が補われる。
このようにして、スイッチ201が開くことにより、他のストリング202〜204とは縁が切れたストリング201について、セルを充電する。こうして、いわば専用の充電器315で、セルを満充電の状態にすることができる。そして、制御部310は、電池容量(SOC)が100%に達しているか否かを判定し(ステップS24)、100%に達するまで、ステップS23、S24を実行する。
言い換えれば、充電制御部311は、複数のストリングのうちから劣化診断対象の1ストリングを選択し、残余のストリングに通常の放電及び充電の責務を担わせながら、当該1ストリングを構成する蓄電池(セル)を満充電の状態とする。
言い換えれば、放電制御部312は、対象ストリング201ではない残余のストリング202〜204に、通常の充電及び放電の責務を担わせながら、一旦満充電となったストリング201のセルを、完全放電まで、途中で充電することなく放電させる。積算した放電電流により、現状の電池容量がわかる。
言い換えれば、劣化診断部313は、蓄電池が満充電から完全放電までの放電により実際に放出した電池容量を演算し、当該電池容量を所定値と比較して劣化の程度を診断する。
このようにして、負荷4への給電を停止せずに、ストリング単位で、定期的に劣化診断を行うことができる。従って、蓄電池の劣化状態を正確に把握することができる。
図8は、本発明の第3実施形態に係る蓄電システムと、その周辺回路を示す接続図である。図1(第1実施形態)との違いは、制御装置300内でのDC/DCコンバータの設け方であり、その他は同様であるので、同一符号を付した部位についての同様の説明は省略する。
図8において、各ストリング201〜204に対してそれぞれ直列に、双方向性のDC/DCコンバータ321〜324が介挿されている。つまり、図1におけるDC/DCコンバータ309の代わりに、各ストリングに対して、DC/DCコンバータ321〜324が設けられている。
また、この場合、劣化診断の対象となるのが、例えばストリング201であり、仮にこのストリング201が満充電の状態であるとすると、DC/DCコンバータ321をストリング201からの放電モードとし、かつ、他のDC/DCコンバータ322,323,324を充電モードとすれば、図の矢印に示すように、ストリング201を放電させ、そのエネルギーにより、ストリング202〜204を充電することができる。逆に、DC/DCコンバータ322,323,324を放電モードとし、DC/DCコンバータ321をストリング201への充電モードとすれば、ストリング201を充電することができる。
また、この場合、以下の利点がある。
(i)一定電流での充電・放電ができるので劣化診断の精度が高い。
(ii)診断時間が短縮される。
(iii)ストリング毎に、異なる接続構成(電圧構成)や、種類の異なる電池を用いることができる。
(iv)需給制御補償用とバックアップ用にストリングを分けて運用できる。
なお、上記の各実施形態では、満充電の状態となった蓄電池を完全放電の状態まで、途中で充電することなく放電させる放電制御について説明したが、必ずしも「満充電」、「完全放電」でなくてもよい。例えば、図10によれば、DODの低いところと、高いところとで、電圧の変化が大きくなることがわかる。そこで、電圧変化が急峻になるところを、電圧の高値及び低値として劣化診断用に設定することができる。
具体的には、図10において、例えば充電は3.7Vまで行い、放電は3.5Vになるまで行わせる、という充放電でも、サイクル数の違いによる劣化の影響は現れる。すなわち、前述のように蓄電池をコップに例えるとすれば、コップの満杯に近いと推定される一定の電池容量から、空に近いと推定される一定の電池容量までに、実際に放出した電池容量に基づいてでも、新品から見た現状の容量変化(劣化)がわかる。
上記のXH[%]を第1の電池容量(SOC)、XL[%]を第2の電池容量とすると、前述の満充電、完全放電も含めて、包括的には、以下のように表現することができる。
なお、上記各実施形態では、蓄電システム100に対する外部電源として太陽光発電パネル1を示したが、外部電源は、他の再生可能エネルギー源(風力、水力、地熱、バイオマスその他)であってもよい。また、蓄電システム100に対する外部電源は、必ずしも再生可能エネルギー源に限らず、その他の電源であってもよい。さらに、商用電源のバックアップ電源として蓄電システムを使用する場合でも、同様の要領で劣化診断を行うことができる。
4 負荷
200 蓄電池群
201〜204 ストリング
300 制御装置
301〜304 スイッチ
311 充電制御部
312 放電制御部
313 劣化診断部
315 充電器
316 放電用負荷
320 コンデンサ
321〜324 DC/DCコンバータ
330 均等化装置
CS1〜CS4 充電スイッチ
DS1〜DS4 放電スイッチ
Claims (7)
- 互いに並列に設けられた複数のストリングによって構成される蓄電池群と、当該蓄電池群を外部電源により充電し、放電により負荷に給電するための制御装置とを備えた蓄電システムであって、
前記制御装置は、
前記複数のストリングのうちから劣化診断対象の1ストリングを選択し、前記外部電源から電力供給が得られる間に、前記電力供給と前記負荷の電力消費との需給バランスに基づいて、放電が必要な場合は、残余のストリングのみに放電の責務を担わせ、充電が可能な場合は、当該1ストリングを構成する少なくとも1つの蓄電池を優先的に、途中で充電を停止することは許容しつつも放電はさせることなく第1の電池容量まで充電する充電制御部と、
前記第1の電池容量までの充電が完了すると、前記需給バランスに基づいて、充電が必要な場合は、前記残余のストリングのみに前記外部電源からの充電の責務を担わせ、放電が可能な場合は、前記第1の電池容量となった前記蓄電池を優先的に、第2の電池容量まで、途中で放電を停止することは許容しつつも充電はすることなく放電させる放電制御部と、
前記蓄電池が前記第1の電池容量から前記第2の電池容量までの放電により実際に放出した電池容量を演算し、当該電池容量を所定値と比較して劣化の程度を診断する劣化診断部と、
を有することを特徴とする蓄電システム。 - 前記蓄電池は、前記1ストリングのうちの1個又は一部であり、前記制御装置は、
前記複数のストリングにそれぞれ介挿されたスイッチと、
前記蓄電池を充電するための充電器と、
前記蓄電池を放電させるための放電用負荷と、
前記充電器を前記蓄電池に接続する充電スイッチと、
前記放電用負荷を前記蓄電池に接続する放電スイッチと、を備えている請求項1記載の蓄電システム。 - 前記制御装置は、前記複数のストリングのそれぞれについて設けられたDC/DCコンバータを含む請求項1記載の蓄電システム。
- 前記第1の電池容量とは満充電の状態であり、前記第2の電池容量とは完全放電の状態である請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電システム。
- 劣化診断対象となったストリングを含む前記複数のストリングの電荷を、コンデンサを仲介して相互に移動させることにより電圧を均等化する均等化装置を備えている請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電システム。
- 互いに並列に設けられた複数のストリングによって構成される蓄電池群と、当該蓄電池群を外部電源により充電し、放電により負荷に給電するための制御装置とを備えた蓄電システムにおいて前記制御装置によって実行される、蓄電池の劣化診断方法であって、
前記複数のストリングのうちから劣化診断対象の1ストリングを選択し、
前記外部電源から電力供給が得られる間に、前記電力供給と前記負荷の電力消費との需給バランスに基づいて、放電が必要な場合は、残余のストリングにのみ放電の責務を担わせ、充電が可能な場合は、前記1ストリングを構成する少なくとも1つの蓄電池を優先的に、途中で充電を停止することは許容しつつも放電はさせることなく第1の電池容量まで充電し、
前記第1の電池容量までの充電が完了すると、前記需給バランスに基づいて、充電が必要な場合は、前記残余のストリングにのみ前記外部電源からの充電の責務を担わせ、放電が可能な場合は、前記第1の電池容量となった前記蓄電池を優先的に、第2の電池容量まで、途中で放電を停止することは許容しつつも充電はすることなく放電させ、
前記蓄電池が前記第1の電池容量から前記第2の電池容量までの放電により実際に放出した電池容量を演算し、当該電池容量を所定値と比較して劣化の程度を診断する、
ことを特徴とする蓄電池の劣化診断方法。 - 前記第1の電池容量とは満充電の状態であり、前記第2の電池容量とは完全放電の状態である請求項6に記載の蓄電池の劣化診断方法。
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