JP6126520B2 - 蓄電システム及び電力調整器並びに蓄電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電システム及び電力調整器並びに蓄電システムの制御方法に関する。

近年、世界的に地球温暖化防止と二酸化炭素排出削減に関心が集まっており、風力発電や太陽光発電といった再生可能エネルギーが、電力システムに大量に導入され、将来の電力システムに大きな役割を果たすと予測されている。しかしながら、再生可能エネルギーは天候に依存するため、出力が不安定である。そのため、再生可能エネルギーを大量に導入した場合には、周波数変動と電圧変動を制御することが課題である。電力系統の安定性と信頼性を向上するために、電力ネットワークの異なる場所に蓄電システムが設置されている。周波数若しくは電圧を規定以内に制御するアンシラリーサービス（補助的サービス）、又は電力平滑化には、応答性の良い蓄電システムが必要とされる。

蓄電システムは、従来の自動車と比較して二酸化炭素排出及び燃料消費を低減できるハイブリッド自動車にも使用されている。定置向けや移動体向けの用途において、様々な種類の電池技術が開発されている。蓄電システムを使用する利益を最大化するためには、電力制御においてそれぞれの用途における技術の特性を考慮に入れる必要がある。

一般に、蓄電システムは、１個又は複数個の電池ユニットと、周波数を変換するためのインバータとで構成されている。電池ユニットは、複数の電池セルを直列接続するストリング構成を複数並列接続する構成である。電池セルは、主に、負極、正極及び電解液の３つの部品から構成されている。電池セルの充放電の過程で、酸化反応で生成する電子が陰極から陽極へ移動する。充放電サイクルを繰り返すことで電解液及び電極に物理的変化が生じ、不可逆的な劣化により電池セルの寿命までの期間が短くなり、電池ユニットの交換時期が近づく。

複数の電池ユニットを電力系統に並列接続する場合、初期の電池ユニット間の劣化状態の差は小さい。充放電サイクルを繰り返すことで、システムの電池ユニット毎のライフタイムの残量の違いが生じ、電池ユニット間の劣化状態の相違が大きくなる。

このような蓄電システム全体の信頼性を損なう劣化状態の相違を回避するためには、電池ユニット毎に充放電する電力を制御する方式を適用することが望ましい。

特許文献１に開示されているように、従来は、電池ユニット毎の電流の振幅を決定するために劣化状態を用いて電力制御を実施している。ただし、特許文献１では、電池の劣化状態は主に電流の振幅により引き起こされると仮定している。

実際、電池製造業者は、電池の陽極、陰極及び電解液に用いる材料を種々選択することができる。技術的な特性とコストを考慮すると、使用する材料とその材料の組合せは複数考えられる。そのため、使用する材料により、劣化の過程が変わる。ある材料に対しては、電流の振幅が劣化の主要因となるが、これはすべての材料に当てはまることではない。劣化の主要因が中心充電状態（以下、「中心ＳＯＣ」という。）となる材料もある。ここで、中心ＳＯＣとは、充放電サイクルの過程で充電状態が中心となる値である。

陽極及び陰極の劣化は、電圧に依存する電極材料の膨張と関係があり、陽極の膨張と負極の膨張との間には、電圧値によるトレードオフの関係がある。電圧は充電状態に関係しているため、中心ＳＯＣは劣化過程に影響を与える。それゆえ、電池セルのライフタイムにも影響を与える。

特許文献２には、電動車両の蓄電装置において、残容量推定値に従って制御中心値ＳＯＣｒ（中心ＳＯＣ）を変化させるように制御する技術が開示されている。

国際公開第２０１２／０３２７７６号 特開２０１１−２４０８６３号公報

並列に接続された複数の電池ユニットで構成される蓄電システムでは、充放電サイクル数の増加に伴い、異なる電池ユニット間の劣化過程の相違が増加する。このような相違により、蓄電システム全体の寿命は短くなり、信頼性は低下する。劣化の原因は、電池ユニットの電池セルを構成する材料の特性に依存する。材料によっては、中心ＳＯＣの値が劣化の主な原因となる。

特許文献２に記載の技術を用いた場合、推定値に従って制御するため、正確な制御を実現する観点から、改善の余地があると考えられる。

本発明の目的は、並列接続した複数の電池ユニットで構成された蓄電システムの寿命を長くし、信頼性を向上することにある。

本発明の蓄電システムは、共通の電力系統に並列に接続された複数個の電池ユニットと、電力調整器とを備え、電池ユニットには、インバータ及びセンサユニットが接続され、インバータには、インバータ制御部が接続され、インバータは、電池ユニットと電力系統との間に配置され、センサユニットは、電池ユニットの状態を検出し、検出した電池ユニットの状態に関する信号を電力調整器に送る機能を有し、電力調整器は、電池ユニット間の劣化状態の違いを減らすようにそれぞれの電池ユニットの充放電を制御することを特徴とする。

本発明によれば、電池ユニット間の劣化状態（ＳＯＨ）のばらつきを縮小することができるため、劣化している電池の更なる劣化を抑えることができ、これにより蓄電システム全体の寿命を改善することが可能となる。

共通のＡＣバスに自励式インバータを介して並列接続された複数の電池ユニットと、電力調整器とを備えた蓄電システムを示す全体構成図である。 自励式インバータの例を示す構成図である。 センサユニットの内部の構成を示すブロック図である。 充放電電流パターンの例を示すグラフである。 ＳＯＣ変化パターンの例を示すグラフである。 中心ＳＯＣと劣化速度との関係の例を示すグラフである。 電力調整器の内部の構成を示すブロック図である。 充電状態と電池ユニットの開回路電圧との関係の例を示すグラフである。

以下、本発明を実施するために望ましい形態について説明する。

図１は、蓄電システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の全体構成を示している。

本図において、蓄電システム１００は、複数の電池ユニット１１−１〜１１−Ｎと、それぞれの電池ユニット１１−１〜１１−Ｎと電力系統３００との間に配置された複数のインバータ１２−１〜１２−Ｎと、それぞれのインバータ１２−１〜１２−Ｎが出力する有効電力を制御するインバータ制御部１３−１〜１３−Ｎと、電力調整器２００（パワーマネージメントシステム）と、を備えている。ここで、Ｎは、電池ユニットの数に対応している。また、蓄電システム１００は、それぞれの電池ユニット１１−１〜１１−Ｎに接続された複数のセンサユニット４００−１〜４００−Ｎを有する。電力系統３００には、太陽光発電、風力、水力等を用いた発電装置５００と、負荷とが接続されている。電力系統３００は、交流である。インバータ１２−１〜１２−Ｎは、電力系統３００のＡＣバスに並列接続されている。なお、インバータ１２−１〜１２−Ｎは、自励インバータであることが望ましい。

センサユニット４００−１〜４００−Ｎからの信号は、電力調整器２００に送られるようなっている。電力調整器２００は、インバータ制御部１３−１〜１３−Ｎにインバータ１２−１〜１２−Ｎを制御するための信号を送ることができるようになっている。さらに、電力調整器２００に全電力システム監視部６００を接続して制御に活用してもよい。全電力システム監視部６００は、主として、発電装置５００の発電量等、電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの蓄電量等、電力系統３００に接続された負荷の電力消費量等の情報を入手し、蓄積し、監視している。

発電装置５００の発電する有効電力が負荷を超えた場合、蓄電システム１００は余剰の有効電力を蓄積（充電）できる。発電装置５００が負荷に必要な有効電力を供給できない場合、蓄電システム１００は、電力需要を満たすように不足する有効電力を供給（放電）できる。

センサユニット４００−１〜４００−Ｎは、電池ユニット１１−１〜１１−Ｎが出力する直流の電圧や電流を計測する。複数の電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの充電状態や劣化状態については、電力調整器２００で演算する。この演算に際しては、センサユニット４００−１〜４００−Ｎで計測した電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの出力電圧や出力電流等を用いてもよい。また、電力調整器２００は、電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの出力電力を制御する。

蓄電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの充放電電力を制御するため、各インバータ１２−１〜１２−Ｎは、インバータ制御部１３−１〜１３−Ｎから送信される制御指令を受信する。インバータ制御部１３−１〜１３−Ｎが送信する制御指令は、それぞれが電力調整器２００より受信する波形情報に基づいている。

図２は、インバータの構成を示している。ここではインバータの基本機能を説明する。

本図において、インバータ１２は、半導体スイッチ１２０ｍ、１２０ｎ、１２０ｏ、１２０ｐ、１２０ｑ、１２０ｒと、高調波フィルタ１２０とを内蔵している。ここでは、半導体スイッチ１２０ｍ、１２０ｎ、１２０ｏ、１２０ｐ、１２０ｑ、１２０ｒとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）を用いている。このほかにも、ＩＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯその他のＩＧＢＴ以外の半導体スイッチを用いてもよい。

電池ユニットは、端子Ｐ、Ｎに接続され、インバータ１２の放電の際は直流電力を供給し、インバータ１２の充電の際は直流電力を吸収する。インバータ１２は、内部に備えた高周波スイッチングを行う半導体スイッチ１２０ｍ、１２０ｎ、１２０ｏ、１２０ｐ、１２０ｑ、１２０ｒのブリッジ回路の動作により、所望の交流電圧及び電流を発生し、放電の際の直流電力を交流電力に変換する。変換の際に半導体スイッチ１２０ｍ、１２０ｎ、１２０ｏ、１２０ｐ、１２０ｑ、１２０ｒに供給されるゲート信号は、インバータ制御部１３−１〜１３−Ｎのうちの１つより供給される。これにより、半導体スイッチ１２０ｍ、１２０ｎ、１２０ｏ、１２０ｐ、１２０ｑ、１２０ｒの制御が行われる。

図１に示すインバータ１２−１〜１２−Ｎはそれぞれ、図２に示すような主回路を備えている。

図３は、図１のセンサユニット（検知器）の内部構造を示している。

本図において、センサユニット４００は、電流センサ４０１、電圧センサ４０２、ＳＯＣ演算器４０３（充電状態演算ユニット）及びＳＯＨ演算器４０４（劣化状態演算ユニット）を備えている。蓄電池のＳＯＣは、定格容量に対する可能放電容量の比率で定義する。これは下記数式（１）のように示すことができる。なお、以下の数式（１）、数式（２）等は、Ｅｑ．１、Ｅｑ．２等と表しているが、それぞれ同じ数式に対応するものである。また、充電状態（ＳＯＣ）は、「充電率」ともいう。

ここで、ＳＯＣ（０）は初期値、Ｉは電流センサ４０１で検出した蓄電池ユニット１１の電流値、Ａｈ_{ｎｏｍｉｎａｌ}は単位をアンペア時とした蓄電池の定格容量である。電流Ｉは、充電方向を正、放電方向を負として扱う。ＳＯＣ演算器４０３は、電流と上記数式（１）で演算したＳＯＣの履歴を保存するメモリユニット（記憶部）を備えることとする。

また、ＳＯＨは、Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈの略であり、「劣化状態」を定量的に表したものである。言い換えると、ＳＯＨは、蓄電池の電極や活物質の品質低下や劣化の度合いについて新品を基準とした比率で表したパラメータである。品質低下は、蓄電池の内部抵抗の上昇や容量の低下を代表とする。内部抵抗に関するＳＯＨ_Ｒ及び容量に関するＳＯＨ_Ｑの瞬時値はそれぞれ、下記数式（２）、（３）で与えられる。

ここで、Ｒ_{ｉｎｔ，ｎｅｗ}は新品電池の内部抵抗とし、Ｒ_ｉｎｔ（ｔ）は内部抵抗の瞬時値、Ｑ_ｎｅｗは新品電池の容量、Ｑ（ｔ）は容量の瞬時値とする。

Ｒ_ｉｎｔ（ｔ）及びＱ（ｔ）は、電流センサ４０１及び電圧センサ４０２の信号に基づき、ＳＯＨ演算器４０４により計算される。ＳＯＨ演算器４０４は、上記数式（２）及び（３）を用いてＳＯＨ_Ｒ及びＳＯＨ_Ｑを計算する。ＳＯＨ_Ｒは経過とともに上昇し、ＳＯＨ_Ｑは低下する値となり、ＳＯＨ_Ｒの上昇及び／又はＳＯＨ_Ｑの低下が劣化を示すことになる。よって、「劣化状態が悪い」とは、ＳＯＨ_Ｒが上昇した場合、及び／又はＳＯＨ_Ｑが低下した場合をいう。

各蓄電池に設けられたセンサユニット４００−１〜４００−Ｎは、電力調整器２００に対して伝送路を通じて電力調整器２００にＳＯＣ及びＳＯＨの情報を伝達する。

内部抵抗および容量の変化に関わる蓄電池の劣化プロセスは、例えば電流パターン、充放電サイクル、放電深度、中心ＳＯＣ、温度など、様々な要因に影響を受ける。ＳＯＨ_Ｒ及びＳＯＨ_Ｑは、これらのパラメータに重みを付けて足し合わせたものとして表される。特に、電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの電池劣化に与える要素として中心ＳＯＣに注目する。

中心ＳＯＣの概念を以下に示す。

図４Ａは、充放電電流パターンの例を示したものである。図４Ｂは、ＳＯＣ変化パターンの例を示したものである。これらは非常に簡略化した例であるが、実際の複雑な波形においても同様の数式を適用することができる。

図４Ｂは、充放電電流パターン図４Ａに示すような周期的波形を有する場合におけるＳＯＣの波形を示したものである。

この場合のＳＯＣの経時変化は、本図に示すような周期的波形となる。このような場合には、中心ＳＯＣは下記数式（４）で表される。

図５は、ある充放電パターンにおける中心ＳＯＣと劣化速度との関係を示したものである。

蓄電池の特性は、通常、充放電サイクル試験によって示される。その結果を用いると、図５の劣化曲線７００のように中心ＳＯＣに対する傾向を明らかにすることができる。ここで、劣化曲線７００は、図中のＳＯＣ_{ｃｅｎｔｅｒ，ｏｐｔｉｍｕｍ}で示すような最小値をとる。劣化曲線７００における極小値（最適値）は、蓄電池に固有の値である。

用途によっては充放電サイクルが固定されないものもある。そのような場合は、中心ＳＯＣを下記数式（５）のように定義する。

ここで、Ｔは０時から２４時までの時刻、λはサイクル試験の電流パターンと実際の電流との歪みを現す指標としての重み係数を示している。時刻ｈにおける当該重み係数λ（ｈ）を下記数式（６）で定義する。

ここで、Ｉ_{ｒａｔｅｄ}は電池ユニットの定格電流、Ｉ_ｔｅｓｔは１時間の電流波形を表すデータセット、Ｉは実際の１時間の電流波形を表すデータセットである。

一般に、２つのデータセットＸ＝（ｘ_ｉ）_{１≦ｉ≦Ｎ}，Ｙ＝（ｙ_ｉ）_{１≦ｉ≦Ｎ}について、ＸとＹとの相関係数を下記数式（７）と定義する。

ここで、Ｘ、Ｙの分散Ｓ_ＸＸ、Ｓ_ＹＹ、及びＸとＹとの間の共分散Ｓ_ＸＹはそれぞれ、下記数式（８）〜（１０）で定義される。

図６は、電力調整器の内部構成を示している。

本図において、電力調整器２００は、指令選択ユニット２０１と、中心ＳＯＣ演算ユニット２０２−ａ及び補償電力最適化ユニット２０２−ｂを有する電力演算ユニット２０２とを備えている。電力調整器２００は、センサユニットからの出力信号を用いて各電池ユニットが入出力すべき電力を演算する。

指令選択ユニット２０１は、センサユニット４００−１〜４００−Ｎを通じて蓄電システム１００の各ＳＯＨ情報を受信する。指令選択ユニット２０１は、各蓄電池のＳＯＨについて劣化傾向の順位付けを行い、平衡モードにおける最高ＳＯＨ_Ｒもしくは最低ＳＯＨ_Ｑのレベルを選択する。

ここで、離島マイクログリッドなど、再生可能エネルギーが多くを占める状況で前日に単位時間毎の電力需要を予測して終日蓄電システム１００を稼動させるものとする。稼動中、蓄電システム１００は充放電の収支が等しくなる、いわゆるエネルギーニュートラルとなるように運用される。ここではバランシングモードをＳＯＨ_Ｒレベルについて行うものとする。

以下、各電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの充放電指令について説明する。

電力調整器２００は、稼働日の前日に、単位時間ステップｔ_ｋ毎に需給のバランスを制御するため、電力系統に対し蓄電システムが充放電する電力の総量Ｐ_{ｔｏｔａｌ，ｒｅｆ}（ｔ_ｋ）を計算する。前日の終わりに、センサユニット４００−１〜４００−Ｎが電池ユニット１１−１〜１１−ＮのＳＯＣ及びＳＯＨを算出する。ＳＯＣ_１（０）〜ＳＯＣ_Ｎ（０）、ＳＯＨ_１（０）〜ＳＯＨ_Ｎ（０）で表されたこれらの値は、電力調整器２００に伝送路を通じて送信される。指令選択ユニット２０１は、ＳＯＨ_Ｒの値を順位付け、最も悪化した蓄電池を選定する。添え字ｋは、最大ＳＯＨ_Ｒの蓄電池を表すものとして、ユニットｋは稼働日当初に最も不調のユニットとなる。

電力演算ユニット２０２は、センサユニット４００−１〜４００−Ｎで検出された各電池ユニット１１−１〜１１−Ｎの初期ＳＯＣデータと、電力需要Ｐ_{ｔｏｔａｌ，ｒｅｆ}（ｔ_ｋ）とを受信する。蓄電池ｊより充放電される電力をＰ_ｊとする。すると、各インバータに対し単位時間ｔ_ｋで与える基準値Ｐ_ｋ（ｔ_ｋ）は、下記数式（１２）及び（１３）で与えられる。

電力調整器２００の電力演算ユニット２０２は、最も不調のユニットについて劣化を最小化する下記数式（１４）で表される最適化問題を解くΔＰ（ｔ_ｋ）を計算する。

この最適化問題は、下記数式（１５）〜（１９）で表される条件を満たす。

ここで、Ｖ_{ｂａｔｔｅｒｙ ｕｎｉｔ，ｉ}（ｔ_ｋ）は電圧、Ｖ_ＯＣ，ｉ（ｔ_ｋ）は開路電圧、Ｉ_ｉ（ｔ_ｋ）は電流、ＳＯＣ_ｉ（ｔ_ｋ）は充電率、Ｐ_ｉ（ｔ_ｋ）は時間ステップｔ_ｋにおける蓄電池ユニット１１−ｉの電力とする。Ｖ_ｍｉｎ及びＶ_ｍａｘは、電池ユニット１１の電圧の最小値及び最大値とし、ＳＯＣ_{ｌｉｍ ｉｎｆ}及びＳＯＣ_{ｌｉｍ ｓｕｐ}は、蓄電池ユニット１１のＳＯＣの上限値及び下限値とする。

蓄電池ユニットの開路電圧は、上記数式（１７）で示されるように、それぞれのＳＯＣに関連する。

図７は、リチウムイオン電池の場合のＶ_ＯＣとＳＯＣとの関係の例を示すグラフである。

上述のような電力分配方式であれば、最も不調の電池は劣化を抑制され、他の蓄電池はより劣化を進める運転を行うことになる。その結果、複数の電池ユニットの劣化を均等に進めることができる。

１１−１〜１１−Ｎ：電池ユニット、１２−１〜１２−Ｎ：インバータ、１３−１〜１３−Ｎ：インバータ制御部、１００：蓄電システム、１２０：高調波フィルタ、１２０ｍ、１２０ｎ、１２０ｏ、１２０ｐ、１２０ｑ、１２０ｒ：半導体スイッチ、２００：電力調整器、２０１：指令選択ユニット、２０２：電力演算ユニット、２０２−ａ：中心ＳＯＣ演算ユニット、２０２−ｂ：補償電力最適化ユニット、３００：電力系統、４００−１〜４００−Ｎ：センサユニット、４０１：電流センサ、４０２：電圧センサ、４０３：ＳＯＣ演算器、４０４：ＳＯＨ演算器、５００：発電装置、６００：全電力システム監視部。

Claims (3)

1. 共通の電力系統に並列に接続された複数個の電池ユニットと、電力調整器とを備え、
   前記電池ユニットには、インバータ及びセンサユニットが接続され、
   前記インバータには、インバータ制御部が接続され、
   前記インバータは、前記電池ユニットと前記電力系統との間に配置され、
   前記センサユニットは、前記電池ユニットの状態を検出し、検出した前記状態に関する信号を前記電力調整器に送る機能を有し、電流センサ、電圧センサ、充電状態演算ユニット及び劣化状態演算ユニットを含み、
   前記電力調整器は、前記電池ユニット間の劣化状態の違いを減らすようにそれぞれの前記電池ユニットの充放電を制御するものであり、
   前記電力調整器は、前記複数個の電池ユニットのうち最も劣化状態が悪い電池ユニットを判定する指令選択ユニットと、電力演算ユニットと、を含み、
   前記電力演算ユニットは、電力需要の予測と、前記センサユニットから送られた前記充電状態及び前記劣化状態と、前記劣化状態が最も悪い前記電池ユニットの中心充電状態とに基づいて、それぞれの前記電池ユニットの電力出力を決定することを特徴とする蓄電システム。
2. 共通の電力系統に並列に接続された複数個の電池ユニットと、
   前記電池ユニットに接続されたインバータ及びセンサユニットと、
   前記インバータに接続されたインバータ制御部と、を含む蓄電システムにおける前記電池ユニットの充放電を制御する装置であって、
   前記複数個の電池ユニットのうち最も劣化状態が悪い電池ユニットを判定する指令選択ユニットと、電力演算ユニットと、を含み、
   前記インバータは、前記電池ユニットと前記電力系統との間に配置され、
   前記センサユニットは、前記電池ユニットの状態を検出し、検出した前記状態に関する信号を送信する機能を有し、電流センサ、電圧センサ、充電状態演算ユニット及び劣化状態演算ユニットを含み、
   前記電力演算ユニットは、電力需要の予測と、前記センサユニットから送られた前記充電状態及び前記劣化状態と、前記劣化状態が最も悪い前記電池ユニットの中心充電状態とに基づいて、それぞれの前記電池ユニットの電力出力を決定するものであり、
   前記電池ユニット間の劣化状態の違いを減らすように前記インバータ制御部に送る信号を発生することを特徴とする電力調整器。
3. 共通の電力系統に並列に接続された複数個の電池ユニットと、電力調整器と、前記電池ユニットに接続されたインバータ及びセンサユニットと、前記インバータに接続されたインバータ制御部と、を含み、前記インバータは、前記電池ユニットと前記電力系統との間に配置された、蓄電システムにおける前記電池ユニットの充放電を制御する方法であって、
   前記センサユニットにて、前記電池ユニットの状態を検出し、検出した前記状態に関する信号を前記電力調整器に送り、
   前記電力調整器にて、前記電池ユニット間の劣化状態の違いを減らすようにそれぞれの前記電池ユニットの充放電を制御し、
   前記センサユニットにて、電流及び電圧を検出し、充電状態及び劣化状態を算出し、
   前記電力調整器にて、前記複数個の電池ユニットのうち最も劣化状態が悪い電池ユニットを判定し、前記電池ユニットの充放電する際の電力を算出し、
   電力需要の予測と、前記センサユニットから送られた前記充電状態及び前記劣化状態と、前記劣化状態が最も悪い前記電池ユニットの中心充電状態とに基づいて、それぞれの前記電池ユニットの電力出力を決定することを特徴とする蓄電システムの制御方法。

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