JP6419809B2 - 蓄電システム及び特性パラメータの推定方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、充放電可能な複数の電池を組み合わせたシステムの運用を停止することなく前記電池の状態を高精度に把握できる蓄電システム及び該システムにおける各電池の特性パラメータの推定方法に関する。
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システムの利用が期待されている。こうした大規模な蓄電システムおける性能を最大限に発揮できるように運用するには、当該時点における蓄電池（以下、単に「電池」とも記す）の特性、すなわち容量や内部抵抗などの状態を正確に把握しておくことが重要である。
システムを稼働状態のまま、蓄電池の容量、内部抵抗を推定する目的で既にいくつかの方式が提案されている。例えば、閉回路電圧、電流、温度から開回路電圧を計算で求めることによってＳＯＣ（State of Charge：残量）を求め、電池容量は相関や外挿を用いて算出する方法、モデルによるパラメータ同定を各種条件での学習を行うことによって内部抵抗を求める方法等が開示されている。
特開２０１３−１２２４５０号公報 特開２０１３−０４４５９８号公報
前記の両方法は共に稼働状態でのパラメータ推定を実現するものであるが、稼働状態の充放電条件への依存性は否めないという本質的な問題がある。即ち、充放電を全く行っていない電流ゼロの状態では内部抵抗推定は不可能であり、精度よく内部抵抗を推定するためにはある程度以上の電流変動量が必須である。また、同様に、ＳＯＣ変動がゼロの状態では容量推定は不可能であり、精度よく容量を推定する為にはある程度以上のＳＯＣ変動が必須である。
一方、蓄電池の容量や内部抵抗を高精度に把握するには、対象システムの運用を停止して試験用の充放電を行い、実測してしまうことが最も確実で正確な方法である。しかし、蓄電システムの運用を一時的にせよ停止することは、稼働率の低下、即ち本来の用途に使用できない時間帯が生じてしまうという問題があった。これに対して、稼働状態のまま推定する方法の場合、その稼働の状況すなわち充放電パターンによっては推定精度が低下するという課題があった。
本発明の実施形態は、充放電可能な複数の電池を組み合わせたシステムの運用を停止することなく前記電池の状態を高精度に把握できる蓄電システム及び該システムにおける各電池の特性パラメータの推定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、本発明の実施形態の蓄電システムは、充放電可能な複数の電池と、該電池の各々に対応して接続され該電池に充放電を行う複数の充放電装置と、定周期または任意のタイミングでシステム全体としての充放電電力値を前記充放電装置の各々に対する指令値として配分する電池コントローラと、を備え、前記電池コントローラは、選択した電池に対して予め規定した試験用充放電の為の充放電指令を行い、該選択した電池を除く他の電池に対して、前記システム全体としての充放電電力値から前記試験用充放電のための充放電電力値を減算した値を配分することを特徴とする。
また、本発明の実施形態の特性パラメータの推定方法は、充放電可能な複数の電池を組み合わせた蓄電システムにおける各々の電池の特性パラメータを推定する方法であって、特性パラメータを推定するための電池を選択する工程と、前記選択した電池に対して予め規定した試験用充放電の為の充放電指令を行うとともに、該選択した電池を除く他の電池に対して、前記システム全体としての充放電電力値から前記試験用充放電のための充放電電力値を減算した値を配分する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の一実施形態の蓄電システムの構成を示す概略図である。 図１の蓄電システムにおける各電池への電力配分を示すイメージ図である。 図１の電池コントローラの詳細な構成を示すブロック図である。 電池コントローラの通常時における各電池への電力配分の説明図である。 電池コントローラの特性パラメータ取得時における各電池への電力配分の説明図である。 充放電計画が確定している場合における特性パラメータの推定方法の処理手順を示すフローチャートである。 充放電計画が不確定な場合における特性パラメータの推定方法の処理手順を示すフローチャートである。 実施例１（特性パラメータが容量の場合）において、ＳＯＣ、充電電流及び充放電電力の時間変化を示すグラフであり、（ａ）は試験対象電池のＳＯＣ、（ｂ）は試験対象電池を除くシステム全体のＳＯＣ、（ｃ）は試験対象電池の充電電流、（ｄ）は試験対象電池を除くシステム全体の充放電電力である。 実施例２（特性パラメータが内部抵抗の場合）において、ＳＯＣ、充電電流及び充放電電力の時間変化を示すグラフであり、（ａ）は試験対象電池のＳＯＣ、（ｂ）は試験対象電池を除くシステム全体のＳＯＣ、（ｃ）は試験対象電池の充電電流、（ｄ）は試験対象電池を除くシステム全体の充放電電力である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳しく説明する。
（蓄電システムの全体構成）
図１に、本発明の一実施形態の蓄電システムの構成を示す。
本蓄電システム１０は、各電池に対して充放電電力の配分を行う電池コントローラ１と、各電池に接続されて該電池の放充電制御を行う複数（例えば３０個）のＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）２−１〜２−３０と、該ＰＣＳ２−１〜２−３０と１：１に対応して設けられた充放電可能な複数（例えば３０個）の電池盤（電池、または電池群とも記す）３−１〜３−３０と、を備えている。この蓄電システム１０においては、多種多様な電池盤３−１〜３−３０が、それぞれ対応したＰＣＳ２−１〜２−３０のＤＣ側に接続されるとともに、ＰＣＳ２−１〜２−３０のＡＣ側が全て並列接続されて電力系統５に連系接続されている。
また、ＰＣＳ２−１〜２−３０は、全て電池コントローラ１に接続されており、電池コントローラ１から充放電制御が可能な構成となっている。更に、電池コントローラ１は、その上位に位置するＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）４と信号線で接続され、当該蓄電システム１０全体についての充放電電力指令値を定期的或いは任意のタイミングで受けることができるようにされている。
電池コントローラ１がＥＭＳ４からの充放電電力指令値（システム全体としての合計値）に応じて実施することは、各ＰＣＳ２−１〜２−３０への電力値の配分である。電池コントローラ１は、通常動作時には、図２に示すように、各電池盤３−１〜３−３０のＳＯＣ状態等に応じて、ＥＭＳ４からの充放電電力値を各ＰＣＳ２−１〜２−３０へ適宜配分する。
ＥＭＳ４からの指令値が蓄電システム１０の定格電力値相当より小さい場合には、電池コントローラ１には配分の自由度が存在する。この自由度を利用することによって、ＥＭＳ４からの指令値が一定であっても、全ＰＣＳ２−１〜２−３０への電力配分の合計値を一定に保ちながら（即ちＥＭＳ４の指令に忠実に従いながら）特定のＰＣＳの充放電電力を本来の目的とは別に意図的に変化させることが可能となる。この仕組みを活用して特定のＰＣＳに接続された電池盤に試験用充放電を行い、内部状態に関する特性パラメータ（例えば、容量、内部抵抗）を実測することができる。
（電池コントローラ１の構成）
図３に、電池コントローラ１の詳細な構成を示す。
電池コントローラ１は、選択部１１と、配分割合決定部１２と、ＳＯＣデータ取得部１３と、演算・判定部１４と、実施可否判断部１５とを備えている。
選択部１１は、電池盤３−１〜３−３０の中から特性取得対象となる電池盤を選択する。配分割合決定部１２は、各電池盤３−１〜３−３０についての配分割合を決定する。ＳＯＣデータ取得部１３は、任意の時点での各電池盤３−１〜３−３０のＳＯＣのデータ及びその時点での温度のデータを取得して、保存する。演算・判定部１４は、ＳＯＣや充放電可能最大電力が所定範囲内にあるか否かを演算し、判定する。実施可否判断部１５は、上記判定結果に基づいて試験用充放電を実施するか否かを判断する。
（電池コントローラ１の処理手順）
まず、特性パラメータ取得を行わない通常時の電池コントローラ１による処理内容について、図４を参照して説明する。
電池コントローラ１の配分割合決定部１２（図３）は、処理周期（例えば１秒）毎にＥＭＳ４からシステム全体に対する充放電電力指令値Ｐｅｍｓ（ｔ）を受取り、この充放電電力指令値Ｐｅｍｓ（ｔ）について各電池盤（各電池群）に対して配分する割合を決定する。この配分の具体的な方法については本発明とは直接関連しないため省略するが、各電池盤のＳＯＣ状態等を考慮して満充電に近い電池に対しては充電電力を絞り、完放電に近い電池に対しては放電電力を絞るような制御を行う。
次に、特性パラメータ取得時の電池コントローラ１による処理内容について、図５を参照して説明する。
電池コントローラ１の選択部１１（図３）は、特性取得対象の電池盤を１つ選択する。選択した電池盤について特性取得処理を開始すると、配分割合決定部１２は、選択した特性取得対象の電池盤に対して試験用充放電パターンに従い充放電電力指令Ｐｔｅｓｔ（ｔ）を発する。
一方、特性取得対象ではない残りの全電池盤に対して、配分割合決定部１２は、下記（１）式に従い、ＥＭＳ４からの指令値である全充放電電力値Ｐｅｍｓ（ｔ）から上記のＰｔｅｓｔ（ｔ）を減じた電力値Ｐｒｅｍ（ｔ）を配分する。
Ｐｒｅｍ（ｔ）＝Ｐｅｍｓ（ｔ）−Ｐｔｅｓｔ（ｔ）・・・・・（１）
この特性取得対象ではない残りの全電池盤に対する配分割合の決定方法は、配分対象電池数が１つ減っている点を除けば基本的に通常時の配分割合の決定方法と同じである。
（試験用充放電実施の可否を決定するための処理手順）
上述した特性パラメータの取得処理を実施するに当たっては、事前に各電池盤のＳＯＣとＥＭＳ４の充放電指令値パターンとから、試験用充放電実施（これには一般に最大数時間を要する）が可能か否かの判断を行うことが重要である。例えば、ＥＭＳ４からの指令値がゼロを継続していたとしても、試験対象電池に充電しようとした際に残りの電池盤のＳＯＣが全て完放電や満充電に近い状況であると、ＥＭＳ４の指令値を順守（即ち、蓄電システム１０全体としては充放電しない）しながら試験用充放電を行うことは不可能である。そこで、試験用充放電実施の可否を確認するための具体的な処理手順をアプリケーションの条件に従い以下に説明する。
アプリケーションとしては、（１）試験用充放電を実施しようという期間の間のＥＭＳ指令値が事前に確定している場合と、（２）電力系統におけるエネルギーの需要と供給との関係でＥＭＳ指令値が変化するなど事前に当該期間のＥＭＳ指令値が確定していない場合とがある。いずれの場合も、試験対象電池に対する試験用充放電のパターンは既定とする。
（１）直近将来の試験用充放電実施期間のアプリの充放電計画が確定している場合
当該期間におけるＥＭＳ４からの充放電電力指令値と試験用充放電電力値とから、試験対象電池を除く電池盤の当該期間を通じてのＳＯＣと最大充放電電力値を計算により求める。その結果で以下の２つの条件が満たされているか否かを計算によって確認する。
（ｉ）ＳＯＣが当該期間を通じて利用可能ＳＯＣ範囲（例えば、０〜１００％）に収まっていること。
（ｉｉ）最大充放電可能電力が当該期間を通じて利用可能充放電電力値範囲に収まっていること。
両者とも満たされていれば、試験用充放電は実施可能であり、一方でも満たされていなければ実施不可能と判定する。
（２）直近将来の試験用充放電実施期間のアプリの充放電計画が不確定の場合
この場合は、試験用充放電の実施可否を事前に正確に判断することはできない。そこで、充放電余力が比較的大きい時に試験用充放電を実施し、実施中にＥＭＳ４の指令値への対応が試験用充放電の為に不可能となった場合には試験用充放電を中止するものとする。例えば、試験用充放電実施可否の判断は下記（ｉｉｉ）と（ｉｖ）が満たされている場合とする。
（ｉｉｉ）試験対象電池を除く電池盤の現在のＳＯＣが、所定の範囲内（例えば、４０〜６０％の範囲内）にあること。
（ｉｖ）試験対象電池を除く電池盤の現在の最大充放電可能電力が、所定の範囲内（例えば、１ＭＷ以上（充電／放電とも））にあること。
図６は、充放電計画が確定している場合における特性パラメータの推定方法の処理手順を示すフローチャートである。
この処理手順では、先ず、電池コントローラ１のＳＯＣデータ取得部１３は、全ての電池について現在のＳＯＣと温度を取得する（ステップＳ１１）。
次に、演算・判定部１４は、試験対象電池に試験用充放電を行う場合の電流の時系列パターンを求める（ステップＳ１２）。ここで、容量は、前回取得値を利用する。
さらに、演算・判定部１４は、試験対象電池を除くシステム全体についての、試験用充放電実施期間のＳＯＣの時系列パターンを求める（ステップＳ１３）。
次に、演算・判定部１４は、ＳＯＣが試験用充放電実施期間中、常に所定範囲内か否かを判定し（ステップＳ１４）、所定範囲内の場合は（ステップＳ１４でＹｅｓ）、試験対象電池を除くシステム全体についての、試験用充放電実施期間の充放電可能最大電力の時系列パターンを求める（ステップＳ１５）。
さらに、演算・判定部１４は、充放電可能最大電力が試験用充放電実施期間中常に所定範囲内か否かを判定する（ステップＳ１６）。所定範囲内の場合は（ステップＳ１６でＹｅｓ）、実施可否判断部１５は、試験対象電池に対し試験用充放電の実施を決定する。
配分割合決定部１２は、試験対象電池に対し試験用充放電指令を行い、試験対象電池を除くシステム全体に対しては、本来のアプリケーションの為の充放電電流から試験対象電池用充放電電流を減じた電流値で配分を行う（ステップＳ１７）。
これに対して、ＳＯＣが所定範囲内ではない場合（ステップＳ１４でＮｏ）又は充放電可能最大電力が所定範囲内ではない場合（ステップＳ１６でＮｏ）、今回は試験用充放電を実施しない（ステップＳ１８）。
図７は、充放電計画が不確定な場合における特性パラメータの推定方法の処理手順を示すフローチャートである。
この処理手順では、先ず、電池コントローラ１のＳＯＣデータ取得部１３は、全ての電池について現在のＳＯＣと温度を取得する（ステップＳ２１）。
次に、演算・判定部１４は、試験対象電池を除く全電池の現ＳＯＣが所定範囲内か否かを判定し（ステップＳ２２）、所定範囲内の場合は（ステップＳ２２でＹｅｓ）、試験対象電池を除く全電池の充放電可能最大電力が所定範囲内か否かを判定する（ステップＳ２３）。所定範囲内の場合は（ステップＳ２３でＹｅｓ）、実施可否判断部１５は、試験対象電池に対し試験用充放電の実施を決定する。
配分割合決定部１２は、試験対象電池に対し試験用充放電指令を行い、試験対象電池を除くシステム全体に対しては、本来のアプリケーションの為の充放電電流から試験対象電池用充放電電流を減じた電流値で配分を行う（ステップＳ２４）。実施中にＥＭＳ４の指令値への対応が試験用充放電の為に不可能となった場合には試験用充放電を中止するものとする。
これに対して、ＳＯＣが所定範囲内ではない場合（ステップＳ２２でＮｏ）又は充放電可能最大電力が所定範囲内ではない場合（ステップＳ２３でＮｏ）、今回は試験用充放電を実施しない（ステップＳ２５）。
（効果）
（１）本実施形態によれば、蓄電システム１０を停止する必要がないので、システム全体を停止して特性取得の為の試験用充放電を実施した場合と比較して、当該システムの本来の目的に対する稼働率を向上することができる。
（２）システムの一部を停止して特性取得の為の試験用充放電を実施する際に、本実施形態によらない場合は、試験対象電池を除く全電池でＥＭＳ指令値Ｐｅｍｓ（ｔ）に対応することになるため、特性取得の為の充放電電力分が電力系統にとって外乱（即ち、ＥＭＳ指令値に対する誤差）となってしまう。これに対して、本実施形態では、試験対象電池を除く全電池に対して、全充放電電力値Ｐｅｍｓ（ｔ）からＰｔｅｓｔ（ｔ）を減じた電力値Ｐｒｅｍ（ｔ）を配分しているので、上記のような外乱（誤差）が発生することがない。即ち、上記の本実施形態によらない場合と比較して、ＥＭＳ４からの充放電電力指令に忠実に従うことができる。
（３）システムを停止せずに稼働状態のまま特性値を推定する場合は、従来技術の欄で記載したように、稼働状態の充放電条件への依存性は否めないという本質的な問題がある。これに対して、本実施形態によれば、システムを停止せずに稼働状態のまま特性値を推定する場合と比較して、高精度な特性取得が可能となる。
［実施例１］
図８に、試験用充放電の実施の可否によって、ＳＯＣ及び充放電電力が時間と共にどのように変化するかを測定した例を示す。
図８では取得対象の特性パラメータとして放電容量を採用している。図８（ａ）は、試験対象電池のＳＯＣの時間変化を示すものである。図８（ａ）に示すように、試験用充放電期間が開始されると試験対象電池に対してはまず規定電流値（例えば１Ｃ相当）での放電を行い（Ｔ１）、完放電（ＳＯＣ＝０％）に到達して休止する（Ｔ２）。完放電での休止時間経過後に規定電流値での充電を行い（Ｔ３）、満充電（ＳＯＣ＝１００％）に到達して休止する（Ｔ４）。満充電での休止時間経過後に規定電流値での放電を行い（Ｔ５）、再度完放電に到達して休止する（Ｔ６）。再び完放電での休止時間経過後に規定電流値で充電し（Ｔ７）、元（試験用充放電期間の直前）のＳＯＣまで戻った時点で休止し（Ｔ８）、試験用充放電期間を終了する。この過程のうち満充電から完放電に至る放電期間（Ｔ５）の試験対象電池に流れる電流を積算することで放電容量の値を特性パラメータとして取得する。
図８（ｂ）は、試験対象電池を除くシステム全体のＳＯＣの時間変化を示すものである。ここで、点線は試験用充放電を実施した場合の結果であり、実線は試験用充放電を実施しない場合の結果である。この結果より、ＳＯＣに関しては、試験用充放電を行うことによる試験対象電池を除くシステム全体のＳＯＣが、試験対象電池のＳＯＣ変化を相殺するように変化していることが分かる。
次に、図８（ｃ）は試験対象電池の充電電流の時間変化、図８（ｄ）は試験対象電池を除くシステム全体の充放電電力の時間変化を示すものである。図８（ｄ）で、点線は試験用充放電を実施した場合の結果であり、実線は試験用充放電を実施しない場合の結果である。
図８（ｄ）の結果より、試験用充放電を行うことにより試験対象電池を除くシステム全体の充放電電力波形が試験対象電池の充放電電力を相殺するように変化していることが分かった。
［実施例２］
実施例１では取得対象の特性パラメータを放電容量としたが、試験用充放電パターンとして定電流での正弦波状波形を用いれば、当該波形の周波数に対する内部抵抗値を求めることができる。また、この際の周波数を変えることで低周波から高周波まで各周波数に対する内部抵抗を求めることができる。さらに、適切な矩形波状波形を用いれば直流抵抗を求めることも可能である。
図９に、特性パラメータが内部抵抗の場合において、ＳＯＣ及び充放電電力の時間変化の結果を示す。
図９（ａ）は、試験対象電池のＳＯＣの時間変化を示すものであり、試験用充放電パターンとして定電流での正弦波状波形を用いている。
図９（ｂ）は、試験対象電池を除くシステム全体のＳＯＣの時間変化を示すものである。ここで、点線は試験用充放電を実施した場合の結果であり、実線は試験用充放電を実施しない場合の結果である。
図９（ｂ）の結果より、ＳＯＣに関して、試験用充放電を行うことによる試験対象電池を除くシステム全体のＳＯＣが、試験対象電池のＳＯＣ変化を相殺するように変化していることが分かる。
次に、図９（ｃ）は試験対象電池の充電電流の時間変化、図９（ｄ）は試験対象電池を除くシステム全体の充放電電力の時間変化を示すものである。図９（ｄ）で、点線は試験用充放電を実施した場合の結果であり、実線は試験用充放電を実施しない場合の結果である。
図９（ｄ）の結果より、試験用充放電を行うことにより試験対象電池を除くシステム全体の充放電電力波形が試験対象電池の充放電電力を相殺するように変化していることが分かった。
［他の実施形態］
上記実施形態では、特性取得対象の電池盤を１つとしていた為に、蓄電システム１０内の全電池盤の特性を取得するには同様の手順を繰り返し複数回実施する必要がある。これに対して、一度に２つ以上の電池盤に対して試験用充放電を実施して２つ以上の電池盤の特性を同時に取得することも同様の方法で可能である。この方法は、ＥＭＳ指令値に対するシステム的余力の大きな大規模蓄電システムにおいては有効である。
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…電池コントローラ
２−１〜２−３０…ＰＣＳ（充放電装置）
３−１〜３−３０…電池盤（電池）
４…ＥＭＳ
５…電力系統
１０…蓄電システム
１１…選択部
１２…配分割合決定部
１３…ＳＯＣデータ取得部
１４…演算・判定部
１５……実施可否判断部

Claims (9)

  1. 充放電可能な複数の電池と、該電池の各々に対応して接続され該電池に充放電を行う複数の充放電装置と、定周期または任意のタイミングでシステム全体としての充放電電力値を前記充放電装置の各々に対する指令値として配分する電池コントローラと、を備え、
    前記電池コントローラは、選択した電池に対して予め規定した試験用充放電の為の充放電指令を行い、該選択した電池を除く他の電池に対して、前記システム全体としての充放電電力値から前記試験用充放電のための充放電電力値を減算した値を配分することを特徴とする蓄電システム。
  2. 前記試験用充放電として、満充電から完放電までの放電容量、又は完放電から満充電までの充電容量を測定するパターンを用いることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
  3. 前記試験用充放電として、内部抵抗を推定するための一定振幅、一定周期の繰り返し充放電パターンを用いることを特徴とする請求項１記載の蓄電システム。
  4. 前記充放電パターンとして正弦波状の電流波形を用いることを特徴とする請求項３記載の蓄電システム。
  5. 前記正弦波の周波数を時間的に変化させることを特徴とする請求項４記載の蓄電システム。
  6. 試験対象電池を２つ以上としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の蓄電システム。
  7. 充放電可能な複数の電池を組み合わせた蓄電システムにおける各々の電池の特性パラメータを推定する方法であって、
    特性パラメータを推定するための電池を選択する工程と、
    前記選択した電池に対して予め規定した試験用充放電の為の充放電指令を行うとともに、該選択した電池を除く他の電池に対して、前記システム全体としての充放電電力値から前記試験用充放電のための充放電電力値を減算した値を配分する工程と、
    を有することを特徴とする特性パラメータの推定方法。
  8. 前記試験用充放電の実施期間の計画が確定している場合は、前記試験対象電池を除く電池のＳＯＣ及び最大充放電可能電力が当該期間を通じて利用可能な範囲内にある場合に、前記試験用充放電を行うことを特徴とする請求項７記載の特性パラメータの推定方法。
  9. 前記試験用充放電の実施期間の計画が確定していない場合は、前記試験対象電池を除く電池のＳＯＣ及び最大充放電可能電力が、前記試験用充放電実施の可否を確認する時点において、所定の範囲内にある場合に、前記試験用充放電を行うことを特徴とする請求項７記載の特性パラメータの推定方法。
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