JP6356785B2 - 蓄電池システムおよび電池モジュールの配置方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、システムの性能を回復でき、長期的にシステムの性能維持が可能な蓄電池システムおよび電池モジュールの配置方法に関する。

太陽光、風力等の自然エネルギーを利用した発電の変動抑制、電力需要の変動抑制やピークシフト等の用途に、二次電池による大規模な蓄電池システムの利用が期待されている。特に、最近では性能向上の著しいリチウムイオン電池を利用した大規模蓄電池システムが出現している。こうした大規模蓄電池システムは１５年、２０年といった長期に亘る運用が期待されている。

上記大規模蓄電池システムでは、蓄電池の最小単位であるセルを１個または複数個並列接続したものを直列接続し、これを更に並列接続するなど、直列構成と並列構成を階層的に繰り返してシステム構築することが一般的である。故障や劣化の際の交換単位としては、単セル毎に交換可能とすることはリチウムイオン電池を採用した大規模蓄電池システムでは一般的ではなく、モジュールやユニット等と称される数個から数十個のセルで構成されるひとまとまりを単位とすることが多い。本明細書ではこうした交換における最小単位を電池モジュールと呼ぶことにする。

特開２００８−１１８７９０号公報 特開２０１１−１７７０２５号公報 特開２０１２−２１００３９号公報

蓄電池の最小単位であるセルやそれをいくつかまとめて直並列に接続して構成する電池モジュールは、経時的にその性能が劣化していく。また、その個々のセルや電池モジュールの劣化速度は使用条件が異なれば異なるうえ、仮に同一の使用条件を意図していたとしても、もともとの個体差に加えて設置位置（例えば、空間的配置や回路上での配置）によって個々の厳密な使用条件にはばらつきが生じ、結果として劣化速度にもばらつきが生じる。

一方、直列に接続したセル群や電池モジュール群の性能は、その直列構成要素のうちの最も低い特性のものが全体性能を左右する。このため、直列接続されたセルや電池モジュール間の特性ばらつきが劣化進行に従って拡大すると、蓄電池システム全体の性能低下が進行してしまうという問題があった。

本発明の実施形態は、システムの性能を回復でき、長期的にシステムの性能維持が可能な蓄電池システムおよび電池モジュールの配置方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る蓄電池システムは、交換単位となる電池モジュールを複数個接続してなる電池盤が複数個設けられて電池盤群をなし、該電池盤群が充放電制御を行うＰＣＳと接続され、該ＰＣＳは電池コントローラと接続された蓄電池システムにおいて、前記電池コントローラは、各電池モジュールの特性を把握することによって劣化状態を診断する劣化診断部と、該劣化診断部により把握した前記特性に基づいて劣化度が小さい方から大きい方にかけて順に各電池モジュールに付番する番号付与部と、該番号付与部によって付番された番号が同一電池盤内で連番となるように前記各電池モジュールの再配置位置を決定する再配置決定部と、を有することを特徴とする。

また、前記のような実施形態で実行される電池モジュールの配置方法も本発明の実施形態の１つである。

本発明の一実施形態に係る蓄電池システムの全体構成を示す概略図である。 電池盤内の物理的な電池モジュール配置例を示す斜視図である。 電池コントローラの構成を示すブロック図である。 電池モジュール間で特性ばらつきが無い基準状態での電池盤および電池モジュールと性能指標との関係を示す３次元棒グラフである。 電池モジュール間で特性ばらつきが有る状態で再配置前の電池盤および電池モジュールと性能指標との関係を示す３次元棒グラフである。 本発明の一実施形態による電池モジュールの配置方法を示すフローチャートである。 電池モジュール間で特性ばらつきが有る状態で再配置後の電池盤および電池モジュールと性能指標との関係を示す３次元棒グラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
本実施形態では、蓄電池システムとして、電池モジュールを複数個直列接続したものを複数個並列接続した構成を例として説明する。本実施形態では、運用中の蓄電池システムに対して任意の時点で各電池モジュールの劣化状態の診断を行い、その結果に基づいて各電池モジュールの再配置を行う。具体的には、蓄電池システム内の全電池モジュールを劣化程度に応じて順位付けし、同一直列構成群には連番の電池モジュールを再配置することで、直列構成内の劣化ばらつきを低減することによってシステム全体の性能の回復を実現することを特徴とする。以下、本実施形態に係る蓄電池システムの構成について説明する。

（蓄電池システムの全体構成）
図１に、本発明の一実施形態に係る蓄電池システムの全体構成を示す。
蓄電池システム１０は、電池モジュール１が複数個直列に接続されて電池盤２を構成し、複数の電池盤２が配線（直流）４によって正極同士、負極同士それぞれ並列に接続され、ＰＣＳ（Power Conditioning System：電力変換器）３の直流端子に接続されている。また、ＰＣＳ３の交流端子からは配線（交流）６を介して図示しない電力系統に連系接続されている。さらに、ＰＣＳ３は電池コントローラ７と信号線で接続され、並列接続された電池盤２群への充放電制御を行うようにされている。電池コントローラ７と各電池盤２の間も状態監視のための信号線で接続されている。

上記電池モジュール１は、複数個のセルを直列もしくは並列、または直列及び並列に組み合わせたものであり、交換の最小単位となる。また、図１では、配線（直流）４の配線抵抗分を明示的に表すために、配線抵抗５を電池盤２間の渡り配線、及びＰＣＳ３と電池盤２の間に配置している。

図２に、電池盤２内の物理的な電池モジュール配置例を示す。この例では、金属製の筐体内に複数の電池モジュール１が鉛直方向に積層配置されて電池盤２を形成している。ここで、電池盤２ではファン等による強制空冷は行われず、対流による自然空冷構造とされている。

（電池コントローラ７の構成）
図３に、電池コントローラ７の詳細な構成を示す。
電池コントローラ７は、全ての電池モジュール１に対して劣化診断を行う劣化診断部１１と、劣化診断の結果に応じてシステム内の電池モジュール１に対して付番を行う番号付与部１２と、前記付番に従って再配置位置を決定する再配置決定部１３と、を備えている。

（リチウムイオン電池の劣化現象）
次に、リチウムイオン電池を用いた場合の劣化現象について説明する。劣化によって変化する代表的なパラメータは、容量と内部抵抗である。容量は経時的に減少し、内部抵抗は経時的に増加する。容量の減少の要因の一つに内部抵抗増加が挙げられるが、内部抵抗に起因しない純粋な容量劣化も存在すると考えられている。また、劣化速度は一般に電池温度が高いほど大きくなる。

以下、具体的に、図１に示した蓄電池システム１０における劣化進行（特性変化）について説明する。まず単一の電池盤２内についてみると、図から明らかなように、直列接続された複数の電池モジュール１には同一の電流が流れる。電池モジュール１に電流が流れる（即ち、充放電動作をする）と、電池モジュール１には内部抵抗が存在するためにジュール熱が発生して電池モジュール１の温度が上昇する。この結果、電池盤２内の雰囲気温度も上昇する。すると、図２に示した盤内配置の場合、温まった電池盤２内で温度が上昇し、電池盤２内には鉛直方向の温度分布が生じる。

即ち、鉛直方向の高い位置にある電池モジュール１の周囲温度は、低い位置にある電池モジュール１の周囲温度よりも高くなる。このため、高い位置にある電池モジュール１の劣化進行（内部抵抗増加）が低い位置にある電池モジュール１の劣化進行より速く進む。その結果、高い位置にある電池モジュール１が充放電時に発生するジュール熱の発生は低い位置にある電池モジュール１よりも大きくなる。よって、高い位置にある電池モジュール１と低い位置にある電池モジュール１との温度差は経時的に拡大していくと考えられる。

次に、電池盤２間の劣化進行について比較を行う。図１の構成では複数の電池盤２が並列接続されているため、ＰＣＳ３から供給される合計電流値に対して各電池盤２に流れる電流値は均等であるとは限らない。特に、図１に示される配線方式、即ちＰＣＳ３から渡り配線となっている場合、ＰＣＳ３からみた各電池盤２までの抵抗値がそれぞれ異なるため、電流ゼロの平衡状態から充放電を開始した瞬間にはＰＣＳ３に（配線的に）近い側の電池盤２により大きな電流が流れる。ただし、その後に充電又は放電の同一方向に連続して電流を流し続けた場合の電流配分挙動は、ＳＯＣ（State of Charge：残量）
の変化とそれに伴う特性変化が関係するために複雑であり、一概には表現できない。

よって、比較的短い周期で充放電が入れ替わるようなアプリケーションにおいては、ＰＣＳ３に配線的に近い側の電池盤２の平均電流が大きくなり、その結果発熱、温度上昇とも大きくなって劣化進行が速くなると考えられる。

以上の劣化進行現象をまとめると、次の２つとなる。
（Ａ）同一電池盤２内では、鉛直方向の高い位置にある電池モジュール１の劣化が速い。
（Ｂ）電池盤２の間では、ＰＣＳ３からの配線距離が短い電池盤２内の電池モジュール１の劣化が速い。

但し、実際にはこうした２つの現象だけではなく、電池自体の製造ばらつきに起因した個体ばらつきとしての初期特性ばらつきや、劣化速度ばらつきも存在するため、劣化進行現象はより複雑になる。いずれにせよ経時的に劣化による特性ばらつきは拡大していく方向であることはほとんどのケースであてはまると考えられる。

（蓄電池システム１０全体の性能）
次に、特性がばらついた電池モジュール１を組み合わせて構成される蓄電池システム１０全体の性能について説明する。電池盤２の一面の中の直列接続された電池モジュール群についてみると、電池盤２の一面の容量（Ａｈ）は最小容量の電池モジュール１の容量を超えることはできない（例えば、最大容量の電池モジュール１に合わせて完放電から満充電まで行うと、他の電池モジュール１は過放電あるいは過充電となってしまう）。即ち、容量については直列構成内で最も性能の低いモジュール性能が直列構成全体の性能を規定する。これに対して、並列構成である電池盤２群について考えると、システム全体の容量は、少なくとも静的には各電池盤２の容量の合計になる。

（システム性能低下の試算例）
以下の表１〜表３に、システム性能低下の試算例を示す。これらの表では、電池盤２を横方向（計１０面）、電池盤２内の電池モジュール１を縦方向（計１０個）の総計１００個の電池モジュール１を１０×１０のマトリクスの各マスで表している。マスの中の数値は各電池モジュール１の性能（例えば、容量）を表す無次元の相対指標である。各電池盤２の容量は対応した縦方向の１０個の電池モジュール１分の指標のうちの最小値に等しく、マトリクス下の欄外に示している。システム全体性能は電池盤２指標の合計値であり、マトリクス右下の欄外に示している。

表１は、電池モジュール１群に性能指標のばらつきが全くない（全て０．５）場合であり、システム性能は５．０００となる（図４を併せて参照）。

これに対して、表２は、電池モジュール１群に性能指標として平均０．５、標準偏差０．１の乱数として自動生成させた場合であり、システム性能は３．６０５となる（図５を併せて参照）。

即ち、表２の結果より、特性ばらつきが存在することによってシステム性能が５．０００から３．６０５に低下することが確認できる。

（本実施形態による電池モジュールの配置方法）
図６に、本実施形態による電池モジュール１の配置方法のフローチャートを示す。ここで、システム規模の表現をより汎用化し、電池盤面数をＮｐ_ｍａｘ、電池盤一面の中のモジュール数をＮｍ_ｍａｘとする。

まず、電池コントローラ７の劣化診断部１１は、各電池モジュール１の容量推定を行うこと等により、全電池モジュール１に対して劣化診断を行う（ステップＳ１）。ここで、実際には各電池モジュール１も複数個のセルで構成されているため、容量推定は各セルに対してまず実施し、対象電池モジュール１内の最小のセル容量をもって当該電池モジュール１の容量とする。

次に、番号付与部１２は、蓄電池システム１０内の全電池モジュール１に対してステップＳ１で推定した容量の値の大きい順に昇順に付番を行う。即ち、１からＮｐ_ｍａｘ×Ｎｍ_ｍａｘまでの番号をこの順に付与する（ステップＳ２）。

さらに、番号付与部１２は、システム内の全電池盤２に対してＰＣＳ３からの配線距離の短い順に昇順に１からＮｐ_ｍａｘまでの番号を付与する（ステップＳ３）。

次に、再配置決定部１３は、再配置対象の電池盤番号Ｎｐ、当該電池盤内の再配置対象の電池モジュール番号Ｎｍの初期化を行う（ステップＳ４、ステップＳ５）。

次に、再配置決定部１３は、未配置の電池モジュール群の中で最も小さい番号の電池モジュール１を、番号Ｎｐの電池盤２の上からＮｍ番目の段に配置するように決定する（ステップＳ６）。即ち、初回であれば、最もＰＣＳ３に近い電池盤２の最上段に番号１の電池モジュール１を配置するように決定する。

さらに、再配置決定部１３は、ステップＳ６の処理を同一電池盤２に対して繰り返すことで当該電池盤２内の電池モジュール１の再配置位置の決定を完了する（ステップＳ７、ステップＳ８）。

次に、再配置決定部１３は、ステップＳ６〜Ｓ８の処理を繰り返すことでシステム内の全電池盤２について電池モジュール１の再配置位置の決定を完了する（ステップＳ９、ステップＳ１０）。

最後に、図６に示す処理によって決定した電池モジュール１の再配置位置に基づき、実際に電池モジュール１の再配置を行う。再配置は、図示しない再配置手段によって行うことができる。

（本実施形態の効果）
図６の処理によって電池モジュール１の再配置位置の決定を行った効果について表３および図７を用いて説明する。

表３は、表２に示した電池モジュール１間で特性ばらつきの有る状態で、図６で示した手順によって再配置決定を行った場合の電池盤２および電池モジュール１と性能指標との関係を示すものである。

表３の結果より、電池盤２間には比較的大きな性能指標差が存在するが、各電池盤２内の電池モジュール１間の性能指標差は小さくなり、この結果としてシステム性能が４．８２４となり、再配置前である表２の３．６０５から大きく改善していることが分かる（図７を併せて参照）。よって、本実施形態による電池モジュールの配置方法を適用することで、特性ばらつきによって低下したシステム性能を回復することが証明できた。

このため、本実施形態による電池モジュールの配置方法は、特に、大規模蓄電池システムを長期間運用する場合のシステム性能維持に好適に用いることができる。また、当初から多様な特性を備えた電池モジュール群を用いる蓄電池システムの初期配置にも利用可能である。

（他の実施形態）
（１）上記実施形態では特性値として容量を用いたが、内部抵抗を用いてもよい。蓄電池を満充電から完放電までフルに活用するようなアプリケーションにおいては容量が重要な特性パラメータであるが、例えば、太陽光発電や風力発電などの変動抑制用途では、容量よりも任意時点で対応可能な出力が重要であり、こうしたケースでは容量ではなく内部抵抗を特性値として利用することが効果的である。

（２）上記実施形態では電池盤２内の電池モジュール１の配置と、電池盤２間の配置の両者を合わせて実施したが、電池盤２内の電池モジュール１の配置のみを行うこともできる。即ち、電池盤２内の電池モジュール１の特性値を連番にして電池盤２内の特性ばらつきを抑えることだけを行うこともできる。

但し、配置後のシステム運用による特性ばらつき変化を考慮すると、劣化進行現象について先に指摘した（Ａ）、（Ｂ）の２点を考慮して配置を行うことが特性ばらつき拡大を抑制するうえで有効である。即ち、電池盤２内では一般に電池モジュール１の設置場所による温度勾配とその結果として劣化速度勾配が存在するため、劣化速度が速い方に劣化程度が小さい電池モジュール１を配置することが有効である。

同様に、電池盤２間についてもＰＣＳ３からの配線長（配線抵抗）に違いがあると、配線抵抗が小さいほどＰＣＳ３の駆動電流変化時の電流値が大きくなり劣化速度が速くなると期待されるため、配線抵抗が小さい方に劣化程度が小さい電池モジュール１を配置することが有効である。このため、配線抵抗が小さい方に電池盤２の特性値（例えば、内蔵する電池モジュール１の特性値の合計値、または平均値等）が良好なものを配置することが有効である。

（３）電池盤２内の配置順、及び電池盤２間の配置順については、特性ばらつき拡大の抑制（即ち、均一化）を敢えて意図しないようにすることもできる。例えば、全電池モジュール１が５年に一度交換時期を迎えるとすると、全取り替えであるためにその年の設備予算がその時だけ突出してしまう。むしろ特性ばらつきを拡大させて、毎年、劣化が特に進んだ一部の電池モジュール１の交換を計画的に進めていくといった方法も考えられる。この場合には、劣化速度が速い方に劣化程度が大きい電池モジュール１を配置する方がむしろ有効である。なお、この場合でも直列接続された電池モジュール１群の特性の均一性を確保することが必要であることに変わりはない。

（４）上記実施形態の電池モジュールの配置方法は、システム稼働開始にあたって、各電池モジュール１の初期の製造ばらつきに対応して行うことがまず考えられるが、運用の結果として経時的に特性ばらつきが拡大することは否めない。よって、数年毎など定期的に再配置を行ってシステム性能を回復することも効果的である。また経過時間基準ではなく、定期／不定期に行う全電池モジュール１の診断（この診断も稼働しながらオンラインで行うことが可能である）の結果に応じて、システム性能低下の状況によって再配置を行う運用方法もある。

また、システムの一部更新や増設の際にも、電池モジュール１の製造時期等が混在した状態に対して本実施形態の電池モジュールの配置方法を行うことも有効と考えられる。

（５）上記実施形態では、電池コントローラ７内の劣化診断部１１によって電池モジュール１の劣化診断を行い、番号付与部１２によって電池モジュール１に対して付番を行い、再配置決定部１３によって再配置位置を決定したが、電池コントローラ７の外部の装置にこれらの機能を持たせることもできる。

（６）上記実施形態では、番号付与部１２は劣化診断部１１により把握した特性に基づいて劣化度が小さい方から大きい方にかけて昇順に各電池モジュールに付番したが、降順に付番することもできる。また、同様に、番号付与部１２は、ＰＣＳ３と各電池盤２との間の配線抵抗値に沿って抵抗値の低い方から高い方にかけて昇順に各電池盤２に付番したが、降順に付番することもできる。

（７）以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電池モジュール
２…電池盤
３…ＰＣＳ
４…配線（直流）
５…配線抵抗
６…配線（交流）
７…電池コントローラ
１０…蓄電池システム
１１…劣化診断部
１２…番号付与部
１３…再配置決定部

Claims (8)

1. 交換単位となる電池モジュールを複数個接続してなる電池盤が複数個設けられて電池盤群をなし、該電池盤群が充放電制御を行うＰＣＳと接続され、該ＰＣＳは電池コントローラと接続された蓄電池システムにおいて、
   前記電池コントローラは、各電池モジュールの特性を把握することによって劣化状態を診断する劣化診断部と、該劣化診断部により把握した前記特性に基づいて劣化度が小さい方から大きい方にかけて順に各電池モジュールに付番する番号付与部と、該番号付与部によって付番された番号が同一電池盤内で連番となるように前記各電池モジュールの再配置位置を決定する再配置決定部と、を有することを特徴とする蓄電池システム。
2. 前記電池盤群は、蓄電池の最小単位であるセルを１個または複数個並列接続した電池モジュールを複数個直列に接続して電池盤とし、この電池盤を更に複数個並列に接続したものであることを特徴とする請求項１記載の蓄電池システム。
3. 前記電池モジュールの前記特性として容量を利用したことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電池システム。
4. 前記電池モジュールの前記特性として内部抵抗を利用したことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電池システム。
5. 前記再配置決定部は、前記電池盤内で雰囲気温度の勾配方向に沿って温度の高い方から低い方にかけて前記付番された電池モジュールの番号が劣化度の小さい順となるように、前記電池モジュールの再配置位置を決定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蓄電池システム。
6. 前記番号付与部は、前記ＰＣＳと前記各電池盤との間の配線抵抗値に沿って抵抗値の低い方から高い方にかけて順に各電池盤に付番し、前記再配置決定部は、前記付番された番号に沿って前記電池盤の劣化度が小さい方から大きい方の順になるように、前記電池モジュールの再配置位置を決定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蓄電池システム。
7. 交換単位となる電池モジュールを複数個接続してなる電池盤が複数個設けられて電池盤群をなし、該電池盤群が充放電制御を行うＰＣＳと接続され、該ＰＣＳは電池コントローラと接続された蓄電池システムにおける電池モジュールの配置方法であって、
   各電池モジュールの特性を把握することによって劣化状態を診断する劣化診断工程と、該劣化診断工程により把握した前記特性に基づいて劣化度が小さい方から大きい方にかけて順に各電池モジュールに付番する番号付与工程と、該番号付与工程によって付番された番号が同一電池盤内で連番となるように前記各電池モジュールの再配置を行う再配置工程と、を有することを特徴とする電池モジュールの配置方法。
8. 定期的に全電池モジュールの特性を把握した結果、又は任意の時点で全電池モジュールの特性を把握した結果に基づいて、前記蓄電池システムの性能の低下が所定の値を超えた場合に、前記各工程を実施することを特徴とする請求項７記載の電池モジュールの配置方法。