JP6575835B2 - 蓄電素子の管理装置、蓄電装置、太陽光発電システム、劣化量の推定方法およびコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
初めに、本実施形態にて開示する蓄電素子の管理装置、蓄電装置、太陽光発電システム、劣化量の推定方法および劣化量を推定するコンピュータプログラムの概要について説明する。
太陽光発電システムは光を電力に変換して出力する光発電装置と、光発電装置によって発電した直流電流を交流電流に変換するパワーコンディショナと、前記蓄電装置とを備える。
蓄電素子における満充電容量の劣化量を推定するコンピュータプログラムは、前記蓄電素子が電源非供給状態となる直前に測定された第1温度と、前記蓄電素子が電源供給状態に復帰し最初に測定された第2温度とを取得する取得ステップと、前記第1温度および前記第2温度に基づいて内挿を行う内挿ステップと、第1温度測定時から第2温度測定時までの前記蓄電素子の温度を決定する温度決定ステップと、決定された温度に基づいて満充電容量の劣化量を推定する推定ステップと、をコンピュータに実行させる。
第1温度測定時から第2温度測定時までの蓄電素子の温度を平均温度として補間(内挿)することにより、満充電容量の劣化量を1回の演算だけで推定することができる。
実施形態1について図1から図11を参照して説明する。
図1は、太陽の光を起電力とする太陽光発電システムPSを示しており、太陽光発電システムPSは、光発電装置PVと、パワーコンディショナPCと、蓄電装置10とを備えて構成されている。
パワーコンディショナPCは、光発電装置PVによって発電した直流電流を交流電流に変換する。電化製品などの負荷Eは、パワーコンディショナPCを介して光発電装置PVと接続されている。
電流遮断装置51は、例えばNチャネルのFETなどの半導体スイッチやリレーからなる。電流遮断装置51は、BMU30からの駆動指令に応答して作動し、組電池20と正極端子部12Pとの間の通電を遮断する。
本実施形態の太陽光発電システムPSでは、蓄電装置10における組電池20の放電を抑制するために、太陽光発電システムPSの電源をオフ状態にすることに伴って、BMU30を通じて電流遮断装置51により通電を遮断する。そして、太陽光発電システムPSの電源をオン状態にする場合には、パワーコンディショナPCから供給される電力によりBMU30を通じて電流遮断装置51を通電状態に切り替える。
図3は、縦軸が満充電容量の劣化量Q、横軸が電池の放置による経過時間TiであるQ−Ti相関グラフである。満充電容量の劣化量Qの時間的推移を表す容量変化曲線R1およびR2は、経過時間Tiに対するルート曲線となっている。ここで、図3の容量変化曲線(実線)R1は、容量変化曲線(破線)R2よりも電池温度が低い設定となっている。図3に示すように、電池温度が高いほど劣化量Qが増加する。
ここで、劣化速度係数kは、Eaを活性エネルギー、Aを頻度因子、Rを気体定数、Teを絶対温度とした場合、以下に示すアレニウスの反応速度式である(1)式として表すことができる。
となる。そして、図5に示すように、アレニウスの反応速度式を直線式と見立てて、切片lnAと傾きEa/Rを実験的に求めることで、縦軸が劣化速度lnk、横軸が絶対温度Teであるlnk−Te相関グラフを以下の(2)式で表すことができる。
劣化速度係数kは、一般に、経過時間が同一の場合、図6に示すように、組電池のSOC(state of charge[%]:充電状態(満充電容量に対する残存容量の比率))が低いほどおおよそ小さくなる傾向にある。図6は、縦軸が劣化速度係数k、横軸がSOCであるk−SOC相関グラフである。実線k35は、電池温度が35[℃]の時の劣化速度係数とSOCの関係を示す。破線k25は、電池温度が25[℃]の時の劣化速度係数とSOCの関係を示し、一点鎖線k10は、電池温度が10[℃]の時の劣化速度係数とSOCの関係を示している。
蓄電装置10では、組電池20の電池温度および前回の電池温度測定からの経過時間Tiが、温度センサ52および計時部36からCPU33に常時または定期的に入力され、前回の電池温度測定時における電池電圧と今回の電池温度測定時における電池電圧とが電圧検出回路31からCPU33に入力されている。
そして、この経時劣化推定処理を定期的に繰り返すことで、組電池20の満充電容量を推定することができる。
オフ期間劣化推定処理では、CPU33は、まず、未測定時間Tbにおける最終温度Tfと初回温度Tsとの間の電池温度が直線的に変化したとして、未測定時間Tb中の電池温度を直線によって補間し、未測定時間Tbにおける単位時間あたりの温度変化量Tcを算出する(S21)。
(S25)。なお、劣化速度係数kf1のfは、最終係数kfのfを表し、kf1の1は第1係数k1の1を表している。
そして、劣化量Q1をもとに、満充電容量の劣化量を更新して未測定時間Tb中のSOCを算出し直し、算出し直されたSOCに対応する上記の(2)式を選択する。
次に、実施形態2について図12から図14を参照して説明する。
実施形態2は、実施形態1におけるオフ期間劣化推定処理のステップを一部変更したものであって、実施形態1と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態1と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。
電源がオフになった時は、(y,x)=(t1,T1)であり、
となる。
したがって、
と求めることができる。
次に、実施形態3について図15から図16を参照して説明する。
実施形態3は、実施形態1におけるオフ期間劣化推定処理のステップを一部変更したものであって、実施形態1と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態1と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。
オフ期間劣化推定処理では、CPU33は、まず、未測定時間Tbにおける最終温度Tfと初回温度Tsとの平均温度Tmを算出する(S41)。
そして、選択された(2)式と平均温度Tmとに基づいて平均温度Tmの劣化温度係数である平均係数kmを算出する(S43)。
次に、実施形態4について図17から図18を参照して説明する。
実施形態4は、実施形態1におけるオフ期間劣化推定処理のステップを一部変更したものであって、実施形態1と共通する構成、作用、および効果については重複するため、その説明を省略する。また、実施形態1と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。
オフ期間劣化推定処理では、CPU33は、まず、未測定時間Tbにおける最終温度Tfと初回温度Tsとを比較し、いずれか高い電池温度を未測定時間Tb中の未測定電池温度Tuとする(S51)。
本発明の実施例について図19から図22を参照して説明する。
本実施例は、実施形態1から実施形態4における組電池20の電池容量の時間的推移を示したグラフであり、図19は実施形態1、図20は実施形態2、図21は実施形態3、図22は実施形態4を示している。
これらのグラフにおいて、縦軸は組電池20の電池容量[Ah]を表したものであり、横軸は時間[day]を表している。
各実施形態の結果を比較すると、本実施形態のオフ期間劣化推定処理を実行しなかった場合のRMSEは、0.24であるものの、実施形態1のオフ期間劣化推定処理を実行した場合のRMSEは、0.01となっている。
本実施例では、実施形態2に比べて、実施形態1、実施形態3および実施形態4のRMSEが小さいという結果であったが、未測定時間中に組電池20の温度が徐々に変化した場合には、実施形態2の二乗平均誤差(RMSE)が小さくなる傾向である。
本明細書で開示される技術は上記記述および図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。
(1)上記実施形態では、蓄電装置10を太陽光発電システムPSに適用した。しかしながら、これに限らず、蓄電装置を他の設備や車両(自動車、二輪車、鉄道車両、産業用車両)、産業用機器(航空用、宇宙用、海洋用、港湾用)、電源機器などに適用してもよい。これらの利点としては、制御装置に電源供給されない場合(例えば、運転終了後から、次の運転再開(再始動)まで)であっても、その間の劣化推定を行うことができ、実際の劣化状態に近い予測を行うことが可能となる。それにより実際に近い蓄電素子の容量予測から正確な運転可能時間の予測ができたり、蓄電素子の寿命予測ができたり、適切な蓄電素子の交換時期が予測できたりなど、使用時の不具合や使用途中で停止してしまうといった心配がなくなる。
(4)上記実施形態では、1つの組電池20を電池管理装置30によって管理する蓄電装置10とした。しかしながら、これに限らず、蓄電素子を複数直列に接続した組電池と電池管理装置とを備えた蓄電装置を、複数直列に接続してバンクを構成してもよい。バンクを統括する別の制御装置を設けて、蓄電装置の電池管理装置と上位の制御装置とで機能を分担してもよい。電池管理装置はセンサ情報を取得して上位の制御装置にデータを送信する簡易的な電池管理装置(いわゆるセル監視装置:CMU)であってもよい。バンクを複数並列に接続して、ドメインを構成してもよい。ドメインを統括する別の制御装置を設けてもよい。
(6)上記実施形態では、BMU30のCPU33がメモリ34から読み出した経時劣化推定処理を実行する構成とした。しかしながら、これに限らず、蓄電素子の劣化方法を、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを記憶した記憶媒体として実現してもよい。蓄電素子における満充電容量の劣化量を推定させるコンピュータプログラムは、前記蓄電素子が電源非供給状態となる直前に測定された第1温度と、前記蓄電素子が電源供給状態に復帰し最初に測定された第2温度とを取得させるステップと、前記第1温度および第2温度に基づいて内挿を行わせるステップと、前記第1温度測定時から前記第2温度測定時までの前記蓄電素子の温度を決定させるステップと、決定された温度に基づいて満充電容量の劣化量を推定させるステップと、を、コンピュータに実行させる。複数のコンピュータが、前記コンピュータプログラムの処理ステップを分担して実行してもよい。
21:蓄電素子
30:電池管理装置(「管理装置」の一例)
33:CPU(「制御部」の一例)
36:計時部
52:温度センサ(「測定部」の一例)
PC:パワーコンディショナ
PV:光発電装置
Claims (8)
- 蓄電素子における満充電容量の劣化量を推定する蓄電素子の管理装置であって、
前記管理装置に電源が供給されている電源供給状態の時の前記蓄電素子の温度を測定する測定部と、
前記管理装置に電源が供給されていない電源非供給状態の時間を計時する計時部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、前記蓄電素子が電源非供給状態となる直前に測定された第1温度と、前記蓄電素子が電源供給状態に復帰し最初に測定された第2温度とに基づいて内挿を行い、第1温度測定時から第2温度測定時までの前記蓄電素子の温度を複数点決定することにより、決定された複数点の温度の経時変化に基づいて満充電容量の劣化量を推定する蓄電素子の管理装置。 - 蓄電素子における満充電容量の劣化量を推定する蓄電素子の管理装置であって、
前記管理装置に電源が供給されている電源供給状態の時の前記蓄電素子の温度を測定する測定部と、
前記管理装置に電源が供給されていない電源非供給状態の時間を計時する計時部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、前記蓄電素子が電源非供給状態となる直前に測定された第1温度と、前記蓄電素子が電源供給状態に復帰し最初に測定された第2温度とに基づいて内挿を行い、第1温度測定時から第2温度測定時までの時間における所定サンプリング時間毎の温度を決定し、前記所定サンプリング時間毎の温度に基づいて前記所定サンプリング時間毎の劣化量を決定することにより満充電容量の劣化量を推定する蓄電素子の管理装置。 - 前記制御部は、前記第1温度測定時から前記第2温度測定時までの時間における前記蓄電素子の温度が曲線的に変化すると仮定して前記所定サンプリング時間毎の温度を決定する請求項2に記載の蓄電素子の管理装置。
- 前記制御部は、前記第1温度測定時から前記第2温度測定時までの時間における前記蓄電素子の温度が直線的に変化すると仮定して前記所定サンプリング時間毎の温度を決定する請求項2に記載の蓄電素子の管理装置。
- 蓄電素子と、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の蓄電素子の管理装置とを備えた蓄電装置。 - 太陽光を電力に変換して出力する光発電装置PVと、
光発電装置PVによって発電した直流電流を交流電流に変換するパワーコンディショナPCと、
請求項5に記載の蓄電装置とを備えた太陽光発電システム。 - 蓄電素子における満充電容量の劣化量を推定する劣化量の推定方法であって、
前記蓄電素子が電源非供給状態となる直前に測定された第1温度と、前記蓄電素子が電源供給状態に復帰し最初に測定された第2温度とに基づいて内挿を行い、第1温度測定時から第2温度測定時までの時間における所定サンプリング時間毎の温度を決定し、前記所定サンプリング時間毎の温度に基づいて前記所定サンプリング時間毎の劣化量を決定することにより満充電容量の劣化量を推定する劣化量の推定方法。 - 蓄電素子における満充電容量の劣化量を推定するコンピュータプログラムであって、
前記蓄電素子が電源非供給状態となる直前に測定された第1温度と、前記蓄電素子が電源供給状態に復帰し最初に測定された第2温度とを取得する取得ステップと、
前記第1温度および第2温度に基づいて内挿を行う内挿ステップと、
第1温度測定時から第2温度測定時までの時間における所定サンプリング時間毎の温度を決定する温度決定ステップと、
前記所定サンプリング時間毎の温度に基づいて前記所定サンプリング時間毎の劣化量を決定することにより満充電容量の劣化量を推定する推定ステップと、をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
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