JP7287483B2 - 蓄電装置および充放電の制御方法 - Google Patents
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Description
結晶性カーボンを含む負極を備える複数の二次電池と、
複数の二次電池のうちの一部の充電状態が0%以上50%未満の範囲となり、残りの充電状態が70%を超え100%以下の範囲となるように、複数の二次電池の充放電を制御する充放電制御部と
を備える蓄電装置である。
結晶性カーボンを含む負極を備える複数の二次電池の充電状態を算出することと、
複数の二次電池のうちの一部の充電状態が0%以上50%未満の範囲となり、残りの充電状態が70%を超え100%以下の範囲となるように、複数の二次電池の充放電を制御することと
を備える充放電の制御方法である。
図1は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置10の構成の一例を示すブロック図である。蓄電装置10は、電池モジュール11A、11Bと、充放電制御部20と、外部入出力部12とを備える。蓄電装置10は、系統安定性向上のために使用されるピークアシスト用蓄電装置である。一実施形態では、蓄電装置10が、2つの電池モジュール11A、11Bを備える場合について説明するが、電池モジュールの数はこれに限定されるものではなく、1であってもよいし、3以上であってもよい。
電池モジュール11A、11Bは、低SOC範囲または高SOC範囲で使用される。ここで、「低SOC範囲」とは、SOC0%以上50%未満の範囲をいい、「高SOC範囲」とは、SOC70%を超え100%以下の範囲をいう。
外部入出力部12は、細かな充放電を絶え間なく繰り返す負荷に接続されている。
充放電制御部20は、電池モジュール11A、11BそれぞれのSOCを測定する。充放電制御部20は、SOCの測定結果に基づき、SOCが50%以上70%以下の範囲にならないように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御する。具体的には、充放電制御部20は、SOCの測定結果に基づき、電池モジュール11A、11Bのうちの一方が低SOC範囲となり、他方が高SOC範囲となるように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御する。すなわち、電池モジュール11A、11Bのうちの一方を構成する各二次電池に負極活物質として含まれる結晶性カーボンのステージ構造が、ステージ2以上の状態となり、他方を構成する各二次電池に負極活物質として含まれる結晶性カーボンのステージ構造がステージ1の状態となるように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御する。
双方向電圧変換部21Aは、当該双方向電圧変換部21Aに接続されている電池モジュール11Aの電圧と、外部入出力部12の電圧との間の電圧変換を行う。双方向電圧変換部21Bは、当該双方向電圧変換部21Bに接続されている電池モジュール11Bの電圧と、外部入出力部12の電圧との間の電圧変換を行う。
SOC検知部22Aは、電池モジュール11Aの電圧と、電池モジュール11Aと双方向電圧変換部21Aとの間を流れる電流とをモニターし、電池モジュール11AのSOCを算出する。SOC検知部22Aは、蓄電装置10に対する細かな充放電よりも大きな時定数で、算出したSOCを移動平均することによって平滑化する。
SOC調整部23A、23Bは、低SOC充放電モード(第1の充放電モード)と高SOC充放電モード(第2の充放電モード)とを有し、SOC調整部23A、23Bは、互いに異なる充放電モードに設定される。SOC調整部23A、23Bは、タイマー24からの通知に応じて、充放電モードを定期的に入れ換える。
時間計測部としてのタイマー24は、電池モジュール11Aと電池モジュール11BのSOC範囲を定期的に入れ換える時間を計測し、計測時間が入れ替え時間に到達したら、電池モジュール11Aと電池モジュール11BのSOC範囲(充放電モード)の入れ換えをSOC調整部23A、23Bに通知する。
図2は、上述の構成を有する蓄電装置10の充放電動作の一例について説明するためのフローチャートである。なお、双方向電圧変換部21A、SOC検知部22AおよびSOC調整部23Aと、双方向電圧変換部21B、SOC検知部22BおよびSOC調整部23Bとの動作は同様であるため、以下では、双方向電圧変換部21A、SOC検知部22AおよびSOC調整部23Aの動作についてのみ説明する。
上述したように、一実施形態に係る蓄電装置10では、充放電制御部20が、SOCが50%以上70%以下の範囲にならないように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御する。これにより、蓄電装置10に細かな充放電が絶え間なく繰り返された場合にも、負極に含まれる結晶性カーボンの結晶構造がステージ1とステージ2の間で相転移する回数を低減することができるので、負極活物質の粒径の変化や負極内の歪みの発生等に起因する二次電池の特性劣化を抑制することができる。したがって、系統蓄電装置に特有な細かな充放電が絶え間なく繰り返された場合にも、その細かな充放電によって二次電池の特性が劣化することを抑制することができる。
(変形例1)
上述の一実施形態では、充放電制御部20が、電池モジュール11A、11Bのうちの一方が低SOC範囲となり、他方が高SOC範囲となるように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御する場合について説明したが、電池モジュール11A、11Bの両方の充電状態が低SOC範囲または高SOC範囲となるように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御するようにしてもよい。すなわち、電池モジュール11A、11Bの両方を構成する各二次電池に負極活物質として含まれる結晶性カーボンのステージ構造が、ステージ2以上の状態またはステージ1の状態となるように、電池モジュール11A、11Bの充放電を制御するようにしてもよい。
上述の一実施形態では、充放電制御部20がタイマー24を備え、タイマー24からSOC調整部23A、23Bへの通知に応じて、SOC調整部23A、23Bの充放電モードの入れ換えが行われる場合について説明したが、充放電制御部20がタイマー24を備えず、SOC調整部23A、23Bの充放電モードの入れ換えが行われないようにしてもよい。
まず、試料として、市販の円筒型リチウムイオン二次電池(正極活物質:NCM(ニッケル・コバルト・マンガン)系正極材料、負極活物質:黒鉛)を10個準備した。次に、準備した10個の二次電池をSECI(株式会社ソフトエネジーコントロールズ社)製の二次電池充放電検査装置のCH1~10にそれぞれ接続した。
上述の実施例1~7、比較例1~3の充放電の制御方法における容量維持率のサイクル数依存性および容量維持率のSOC依存性を求めた。なお、容量は、フルスイング充放電の放電カーブ(0.05C)から算出した。また、容量維持率は、最初のフルスイングの測定値を基準に算出した。また、フルスイング充放電の放電カーブのOCV解析を行うことによって、正負極それぞれの拡大率を算出した。
上述の実施例1~7、比較例1~3の充放電の制御方法で用いた二次電池の反応抵抗をGITT(Galvanostatic Intermittent Titration Technique)法により測定した。
図5は、CH1(SOC範囲:15%~20%)の二次電池の容量維持率のサイクル数依存性を示すグラフである。細かな充放電を絶え間なく繰り返すことによる劣化は、正極よりも負極の劣化が速く、負極が支配的であるといえる。この傾向は、CH2~10の二次電池でも、同様であった。したがって、電池の劣化には、負極の劣化が大きく関与していると考えられる。すなわち、負極の劣化が最小となるような充放電制御をすることにより、電池の延命が可能となると考えられる。
系統安定性向上のために使用される二次電池には、細かな充放電が絶え間なく繰り返される。そして系統安定性向上のために使用される二次電池は、電力の受け入れ能力も供給能力も最大化するため、SOC50%近辺にて待機することが望ましいと、従来考えられている。しかし、上記評価結果によると、二次電池の延命をするには、負極の延命を考えることが有効であり、SOCが50%以上70%以下の範囲で細かな充放電が絶え間なく繰り返されないように充放電を制御することが望ましい。
11A、11B 蓄電モジュール
12 外部入出力部
20 充放電制御部
21A、21B 双方向電圧変換部
22A、22B SOC検知部
23A、23B SOC調整部
24 タイマー
Claims (5)
- 結晶性カーボンを含む負極を備える複数の二次電池と、
複数の前記二次電池のうちの一部の充電状態が0%以上50%未満の範囲となり、残りの充電状態が70%を超え100%以下の範囲となるように、複数の前記二次電池の充放電を制御する充放電制御部と
を備える蓄電装置。 - 前記充放電制御部は、複数の前記二次電池のうちの前記一部の充電状態の範囲と前記残りの充電状態の範囲とを定期的に入れ替える請求項1に記載の蓄電装置。
- 前記充放電制御部は、複数の前記二次電池のうちの前記一部に含まれる前記結晶性カーボンのステージ構造がステージ2以上の状態となり、前記残りに含まれる前記結晶性カーボンのステージ構造がステージ1の状態となるように、複数の前記二次電池の充放電を制御する請求項1に記載の蓄電装置。
- 前記充放電制御部は、前記充電状態が0%以上50%未満の範囲となる前記一部の二次電池と前記充電状態が70%を超え100%以下の範囲となる前記残りの二次電池とはどちらも蓄電装置が充電する時は充電され、蓄電装置が放電する時は放電されるように、複数の前記二次電池の充放電を制御する請求項1に記載の蓄電装置。
- 結晶性カーボンを含む負極を備える複数の二次電池の充電状態を算出することと、
複数の前記二次電池のうちの一部の充電状態が0%以上50%未満の範囲となり、残りの充電状態が70%を超え100%以下の範囲となるように、複数の前記二次電池の充放電を制御することと
を備える充放電の制御方法。
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