KR101763502B1

KR101763502B1 - 축전지 관리 장치, 방법 및 프로그램

Info

Publication number: KR101763502B1
Application number: KR1020157023863A
Authority: KR
Inventors: 야스지 사카타; 마미 미즈타니; 다케노리 고바야시; 도모히로 도요사키
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2017-07-31
Also published as: JPWO2016135853A1; KR20160112924A; US10205335B2; JP6301935B2; CN107615087A; CN107615087B; EP3086133A4; WO2016135853A1; EP3086133A1; US20160372935A1

Abstract

실시 형태의 축전지 관리 장치의 충방전 가능 용량 테이블은, 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 대응하는 충방전 가능 용량을 미리 기억하고, 제어부는, 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 기초하여 충방전 가능 용량 테이블을 참조하여, 실제의 충방전 가능 용량을 산출하고, 통신 제어부는, 산출된 이차 전지의 충방전 가능 용량을 상위 장치에 통지하므로, 충방전을 항상 반복하는 축전지 시스템에 있어서도, 실제로 충방전 가능한 용량을 정확하게 추정하여, 축전지 시스템을 안정적으로 운용할 수 있다.

Description

축전지 관리 장치, 방법 및 프로그램{STORAGE BATTERY MANAGEMENT DEVICE, METHOD, AND COMPUTER PROGRAM}

본 발명의 실시 형태는, 축전지 관리 장치, 방법 및 프로그램에 관한 것이다.

최근 들어, 태양광 발전이나 풍력 발전 등을 비롯한 안전하고도 깨끗한 재생 가능 에너지의 도입이 진행되고 있다. 그러나, 재생 가능 에너지의 출력은 불안정하여, 대량 도입이 진행되면 전력 계통에 있어서의 전압이나 주파수에 악영향을 미칠 것이 염려된다. 또한, 전력 수요에 비하여 이들 재생 가능 에너지의 공급량이 대폭으로 상회하면, 재생 가능 에너지의 발전 시스템을 정지시키지 않으면 안되어, 발전 설비의 이용률이 저하되어버린다.

이 문제를 해결하기 위해서, 이차 전지를 사용한 대규모 축전지를 발전 시스템에 병설하여, 축전지로부터의 충방전 전력에 의해 자연 에너지의 출력 변동을 억제하거나, 전력 잉여분을 축전지에 저장하는 등의 용도가 기대되고 있다.

미국 특허 제6534954호 일본 특허 제5292375호 공보 일본 특허 공개 제2013-183509호 공보 일본 특허 공개 제2013-195232호 공보 일본 특허 공개 제2014-119397호 공보

그런데, 전력 계통용 축전지 시스템의 이용 목적으로서, 재생 가능 에너지의 출력 변동 억제나, 전력 계통의 주파수 안정화 등을 들 수 있다. 축전지 시스템을 이러한 용도로 이용하는 경우, 축전지는 항상 충방전을 반복하고, 시스템을 정지시키는 시간은 거의 없다. 축전지의 SOC를 추정하는 방식으로서 종래에는 전류 적산 방식 등이 사용되어 왔지만, 이렇게 충방전을 항상 반복하는 용도에 있어서는, 전류의 계측 오차가 축적되어, SOC를 정확하게 추정할 수 없어, 축전지 시스템의 운용에 지장이 발생할 우려가 있었다.

보다 구체적으로는, SOC 추정값이 본래의 값보다도 적게 견적된 경우에는, 방전 가능한 용량이 외관상 적어져서, 축전지 시스템을 효율적으로 운용할 수 없게 되거나, SOC 추정값이 본래의 값보다도 많게 견적된 경우에는, SOC가 0％로 되기 전에 축전지가 방전말 전압(V_lower)에 도달하여, 축전지 시스템이 예기치 않게 정지되거나 할 우려가 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 충방전을 항상 반복하는 축전지 시스템에 있어서도, 실제로 충방전 가능한 용량을 정확하게 추정하여, 축전지 시스템을 안정적으로 운용하는 것이 가능한 축전지 관리 장치, 방법 및 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

실시 형태의 축전지 관리 장치의 충방전 가능 용량 테이블은, 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 대응하는 충방전 가능 용량을 미리 기억한다.

제어부는, 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 기초하여 충방전 가능 용량 테이블을 참조하여, 실제의 충방전 가능 용량을 산출하고, 통신 제어부는, 산출된 이차 전지의 충방전 가능 용량을 상위 장치에 통지한다.

도 1은 축전지 시스템을 구비한 재생 가능 에너지 발전 시스템의 개요 구성도이다.
도 2는 실시 형태의 축전지 시스템의 개요 구성 블록도이다.
도 3은 셀 모듈, CMU 및 BMU의 상세 구성 설명도이다.
도 4는 이차 전지의 등가 회로 모델의 설명도이다.
도 5는 방전율이 상이한 경우의 방전 가능 전력량의 설명도이다.
도 6은 이차 전지의 열화율의 추정 처리 흐름도이다.
도 7은 동일 평균 전지 온도에 있어서의 내부 저항 추정값의 평균 SOC에 대한 변화 상태의 설명도이다.
도 8은 소정의 전지 열화율에 있어서의 충전 가능 전력량 예측 테이블의 일례의 설명도이다.
도 9는 소정의 전지 열화율에 있어서의 방전 가능 전력량 예측 테이블의 일례의 설명도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 구체예의 설명도이다.
도 11은 충전 가능 전력량 산출 테이블을 사용하여, 이차 전지의 충전 가능 용량을 산출하기 위한 산출 회로의 블록도이다.
도 12는 방전 가능 전력량 산출 테이블을 사용하여, 이차 전지의 방전 가능 용량을 산출하기 위한 산출 회로의 블록도이다.

다음으로 도면을 참조하여 실시 형태에 대하여 설명한다.

[1] 제1 실시 형태

도 1은, 축전지 시스템을 구비한 재생 가능 에너지 발전 시스템의 개요 구성도이다.

재생 가능 에너지 발전 시스템(100)은 태양광, 수력, 풍력, 바이오매스, 지열 등의 재생 가능 에너지를 이용하여, 계통 전력으로서 출력 가능한 재생 가능 에너지 발전 유닛(1)과, 재생 가능 에너지 발전 유닛(1)의 발전 전력을 측정하는 전력계(2)와, 전력계(2)의 측정 결과에 기초하여 재생 가능 에너지 발전 유닛(1)의 잉여 전력을 충전하고, 부족 전력을 방전하여 재생 가능 에너지 발전 유닛(1)의 발전 전력에 중첩하여 출력하는 축전지 시스템(3)과, 재생 가능 에너지 발전 유닛(1)의 출력 전력(축전지 시스템(3)의 출력 전력이 중첩되어 있는 경우도 포함한다)의 전압 변환을 행하는 변압기(4)와, 축전지 시스템(3)의 로컬적인 제어를 행하는 축전지 제어 컨트롤러(5)와, 도시하지 않은 복수의 축전지 시스템(3)의 리모트 제어를 행하는 상위 제어 장치(6)를 구비하고 있다.

도 2는, 실시 형태의 축전지 시스템의 개요 구성 블록도이다.

축전지 시스템(3)은 크게 나누면, 전력을 축적하는 축전지 장치(11)와, 축전지 장치(11)로부터 공급된 직류 전력을 원하는 전력 품질을 갖는 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 전력 변환 장치(PCS: Power Conditioning System)(12)를 구비하고 있다.

축전지 장치(11)는 크게 나누면, 복수의 전지반(21-1 내지 21-N)(N은 자연수)과, 전지반(21-1 내지 21-N)이 접속된 전지 단자반(22)을 구비하고 있다.

전지반(21-1 내지 21-N)은, 서로 병렬로 접속된 복수의 전지 유닛(23-1 내지 23-M)(M은 자연수)과, 게이트웨이 장치(24)와, 후술하는 BMU(Battery Management Unit: 전지 관리 장치) 및 CMU(Cell Monitoring Unit: 셀 감시 장치)에 동작용의 직류 전원을 공급하는 직류 전원 장치(25)를 구비하고 있다.

여기서, 전지 유닛의 구성에 대하여 설명한다.

전지 유닛(23-1 내지 23-M)은, 각각, 고전위측 전원 공급 라인(고전위측 전원 공급선) LH 및 저전위측 전원 공급 라인(저전위측 전원 공급선) LL을 통하여, 출력 전원 라인(출력 전원선; 모선) LHO, LLO에 접속되어, 주회로인 전력 변환 장치(12)에 전력을 공급하고 있다.

전지 유닛(23-1 내지 23-M)은 동일 구성이므로, 전지 유닛(23-1)을 예로 들어 설명한다.

전지 유닛(23-1)은, 크게 나누면, 복수(도 2에서는, 24개)의 셀 모듈(31-1 내지 31-24)과, 셀 모듈(31-1 내지 31-24)에 각각 설치된 복수(도 2에서는, 24개)의 CMU(32-1 내지 32-24)와, 셀 모듈(31-12)과 셀 모듈(31-13) 사이에 설치된 서비스 디스커넥트(33)와, 전류 센서(34)와, 컨택터(35)를 구비하고, 복수의 셀 모듈(31-1 내지 31-24), 서비스 디스커넥트(33), 전류 센서(34) 및 컨택터(35)는, 직렬로 접속되어 있다.

여기서, 셀 모듈(31-1 내지 31-24)은, 전지 셀이 복수, 직병렬로 접속되어서 조전지를 구성하고 있다. 그리고, 복수의 직렬 접속된 셀 모듈(31-1 내지 31-24)로 조전지군을 구성하고 있다.

또한 전지 유닛(23-1)은, BMU(36)를 구비하고, 각 CMU(32-1 내지 32-24)의 통신 라인, 전류 센서(34)의 출력 라인은, BMU(36)에 접속되어 있다.

BMU(36)는, 게이트웨이 장치(24)의 제어 하에서, 전지 유닛(23-1) 전체를 제어하여, 각 CMU(32-1 내지 32-24)와의 통신 결과(후술하는 전압 데이터 및 온도 데이터) 및 전류 센서(34)의 검출 결과에 기초하여 컨택터(35)의 개폐 제어를 행한다.

다음으로 전지 단자반의 구성에 대하여 설명한다.

전지 단자반(22)은 전지반(21-1 내지 21-N)에 대응시켜서 설치된 복수의 반차단기(41-1 내지 41-N)와, 축전지 장치(11) 전체를 제어하는 마이크로컴퓨터로서 구성된 마스터(Master) 장치(42)를 구비하고 있다.

마스터 장치(42)에는, 전력 변환 장치(12)와의 사이에 전력 변환 장치(12)의 UPS(Uninterruptible Power System)(12A)를 통하여 공급되는 제어 전원선(51)과, 이더넷(등록 상표)으로서 구성되고, 제어 데이터의 수수를 행하는 제어 통신선(52)이 접속되어 있다.

여기서, 셀 모듈(31-1 내지 31-24), CMU(32-1 내지 32-24) 및 BMU(36)의 상세 구성에 대하여 설명한다.

도 3은, 셀 모듈, CMU 및 BMU의 상세 구성 설명도이다.

셀 모듈(31-1 내지 31-24)은, 각각, 직렬 접속된 복수(도 3에서는, 10개)의 전지 셀(61-1 내지 61-10)을 구비하고 있다.

CMU(32-1 내지 32-24)는, 대응하는 셀 모듈(31-1 내지 31-24)을 구성하고 있는 전지 셀의 전압 및 소정 개소의 온도를 측정하기 위한 전압 온도 계측 IC(Analog Front End IC: AFE-IC)(62)와, 각각이 대응하는 CMU(32-1 내지 32-24) 전체의 제어를 행하는 MPU(63)와, BMU(36) 사이에서 CAN 통신을 행하기 위한 CAN(Controller Area Network) 규격에 준한 통신 컨트롤러(64)와, 셀 마다의 전압에 상당하는 전압 데이터 및 온도 데이터를 저장하는 메모리(65)를 구비하고 있다.

이하의 설명에 있어서, 셀 모듈(31-1 내지 31-24) 각각과, 대응하는 CMU(32-1 내지 32-24)를 합친 구성에 대해서는, 전지 모듈(37-1 내지 37-24)이라 칭하기로 한다. 예를 들어, 셀 모듈(31-1)과 대응하는 CMU(32-1)를 합친 구성을 전지 모듈(37-1)이라 칭하기로 한다.

또한, BMU(36)는, BMU(36) 전체를 제어하는 MPU(71)와, CMU(32-1 내지 32-24) 사이에서 CAN 통신을 행하기 위한 CAN 규격에 준한 통신 컨트롤러(72)와, CMU(32-1 내지 32-24)로부터 송신된 전압 데이터 및 온도 데이터를 저장하는 메모리(73)를 구비하고 있다.

축전지 제어 컨트롤러(5)는 재생 가능 에너지 발전 유닛(1)의 발전 전력을 검출하고, 이 발전 전력이 전력 계통에 미치는 영향을 완화하기 위해서, 축전지 장치(11)를 사용하여 발전 전력의 출력 변동 억제를 행하고 있다. 여기서, 축전지 장치(11)에 대한 변동 억제량은 그 축전지 제어 컨트롤러(5) 또는 그의 상위 제어 장치(6)에서 산출하고, 축전지 장치(11)에 대응하는 PCS(Power Conditioning System)(12)에 충방전 명령으로서 부여된다.

여기서, 축전지 장치(11)의 충방전 가능 전력량에 관한 추정을, 축전지 제어 컨트롤러(5)가 행하는 것으로서 설명한다.

축전지 제어 컨트롤러(5)는 도 1에 도시한 바와 같이, 축전지 장치(11)의 충전 가능 전력량 및 방전 가능 전력량을 예측하기 위한 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC) 및 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)(이하, 양자를 통합하여 취급할 때는, 충방전 가능 전력량 예측 테이블(5T)라고 한다)을 미리 유지하고 있다.

그리고, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 축전지 장치(11)를 하나의 축전지로서 취급하고, 축전지 장치(11)의 현재의 SOC, 전지 온도, 충방전 전력 및 전지 열화율을 사용하여, 충전 가능 전력량 또는 방전 가능 전력량을 예측한다.

예측된 충전 가능 전력량 또는 방전 가능 전력량은, 상위 제어 장치(6)에 통지되고, 상위 제어 장치(6)는 이 예측값에 기초하여 축전지 장치(11)의 충방전 제어를 행한다.

그런데, 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC) 및 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)은, 이차 전지의 등가 회로 모델과, 미리 취득한 이차 전지의 특성값을 사용하여, 시뮬레이션에 의해 각 전지 상태(전지 온도, SOC)에 있어서의 충방전 가능한 전력량을 추정한 결과를 저장하고 있다.

먼저, 축전지로서의 이차 전지의 등가 회로 모델에 대하여 설명한다.

도 4는, 이차 전지의 등가 회로 모델의 설명도이다.

이차 전지의 등가 회로 모델은, 도 4에 도시한 바와 같이, 개회로 전압 OCV(Open Circuit Voltage), 정전류 펄스 인가 직후에 순시에 상승하는 저항 성분인 반응 저항 Ra, 정전류 펄스 인가 중에 완만하게 증가하는 저항 성분인 확산 저항 Rb 및 캐패시터 성분 C로 나타낼 수 있다.

여기서, 반응 저항 Ra는, 전지 내부의 세퍼레이터 부분에서의 이온 전도 저항, 정극/부극의 전하 이동 저항이다.

또한, 확산 저항 Rb는, 정부극 활물질 입자 내부에서의 이온의 확산 지연에 의한 저항 성분이다.

이차 전지의 특성값인 개회로 전압 OCV, 반응 저항 Ra, 확산 저항 Rb 및 캐패시터 성분 C는, 정전류 펄스법 등의 이차 전지의 특성 시험에 의해 측정할 수 있다.

이들 각종 특성값은, 전지 온도나 SOC 등의 전지 상태에 따라 변화한다. 예를 들어, 리튬 이온 전지는 온도가 낮을수록 내부 저항의 값이 높아지고, 충전 또는 방전 가능한 용량이 감소하기 때문에, 이들 특성값의 취득은 전지 상태마다 행할 필요가 있다.

따라서, 이들 각종 특성값을 내장한 이차 전지의 등가 회로 모델을 사용하여, 축전지의 충방전 동작을 시뮬레이션하고, 전지 상태마다의 충방전 가능 전력량을 미리 산출하고, 충방전 가능 전력량 예측 테이블(5T)로서, 축전지 제어 컨트롤러(5)에 탑재된 도시하지 않은 기억 장치에 기록해 두는 것이다.

축전지의 충방전 가능 전력량은, 현재의 SOC 및 전지 온도뿐만 아니라, 충방전 전력의 크기(충방전율: 예를 들어, 2시간율, 1시간율, 1/2시간율 등)에 따라서도 변화한다.

도 5는, 방전율이 상이한 경우의 방전 가능 전력량의 설명도이다.

1시간율에 상당하는 전력 P₁로 방전하는 경우의 방전 용량 Cap₁(도 5 중, 높이 P1, 폭 x의 면적에 상당)과, 2시간율에 상당하는 전력 P₂로 방전하는 경우의 방전 용량 Cap₂(도 5 중, 높이 P2, 폭 2x의 면적에 상당)를 비교하면,

Cap₁<Cap₂

로 되어 있어, 2시간율로 방전하는 경우 쪽이 실질적인 방전 가능 전력량은 크게 되어 있다. 이것은, 일반적으로 충방전 전류가 크면 전압 상승 또는 전압 강하가 커지고, 실질적인 충방전 가능 용량은 감소하기 때문이다.

상술한 충방전 가능 용량의 감소는, 이차 전지의 내부 저항의 변화에 기인하는 것이며, 이러한 축전지의 충방전 동작도 등가 회로 모델을 사용한 시뮬레이션으로 시뮬레이트(모의)할 수 있다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 예측 정밀도를 향상시키기 위하여 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC) 및 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)을 충전율 또는 방전율마다 준비하고 있다.

또한, 이차 전지는 충방전 사이클이나 경시 변화에 따라 열화되고, 내부 저항값이 증가함과 함께, 전지 용량은 감소해 간다. 이차 전지의 열화 경향은 여러가지지만, 등가 회로 모델에 있어서, 특히 반응 저항 Ra의 증가로 나타난다고 생각된다.

예를 들어, 초기 상태(BOL: Begin Of Life)의 전지에 비하여, 수명 말기 상태(EOL: End Of Life)의 전지에서는 이 반응 저항 Ra가 몇배 정도로 증가하는 것이 알려져 있다. 이 내부 저항값의 변화에 따라, 이차 전지의 충방전 가능 전력량이 변화한다.

따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 내부 저항값의 증가 경향을 파악하고, 이차 전지의 열화율을 추정함으로써, 열화 후의 충방전 가능 전력량을 예측한다.

구체적으로는, BOL 시에 취득한 내부 저항값에 대한 현재의 내부 저항값의 비율을 구하고, 그것을 전지의 열화율이라 정의한다. 이차 전지의 열화율에 따라, 미리 복수 준비된 충방전 가능 전력량 예측 테이블(5T)을 준비하고, 현재의 전지 열화율에 맞춰서 충방전 가능 전력량을 예측한다.

여기서, 이차 전지의 SOH(State Of Health: 전지의 열화 상태)의 정의에 대하여 설명한다.

이차 전지의 SOH에 관한 정의는 여러가지지만, 이차 전지는 열화에 따라 내부 저항이 증가함과 함께, 충방전 가능한 용량은 감소하기 때문에, 내부 저항 증가율이나 용량 저하율 등으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 초기의 전지 용량을 Cap₀, 현재의 전지 용량을 Cap, 수명 말기의 전지 용량을 Cap_EOL이라 하면, 이차 전지의 SOH는, 수학식 1로 표현된다.

예를 들어, 차량 탑재용 이차 전지에서는, 초기의 전지 용량 Cap₀을 기준으로 하여 전지 용량이 초기의 전지 용량 Cap₀의 80％까지 저하된 시점을 수명 말기라 정의하는 경우가 많다. 이 경우, 수명 말기의 전지 용량 Cap_EOL은, 수학식 2로 정의 할 수 있다.

또한, 정전류 펄스법 등을 사용하여 내부 저항값을 측정한 경우, 초기의 내부 저항값을 R₀, 현재의 내부 저항값을 R, 수명 말기의 내부 저항값을 R_EOL로 하면, 이차 전지의 SOH는 수학식 3으로 표현된다.

예를 들어, 이차 전지로서의 리튬 이온 전지에서는, 초기의 내부 저항값 R₀에 대하여 수명 말기의 내부 저항값 R_EOL은, 몇배 정도까지 증가한다.

여기서, 전지 용량이나 내부 저항값은, 전지의 열화에 관계없이, 전지 온도에 따라서도 변화하는 것에 주의해야만 한다.

보다 구체적으로는, 리튬 이온 전지는, 온도가 저하되면 내부 저항값이 증가하여, 충방전 가능한 용량이 저하된다. 한편, 리튬 이온 전지는, 온도가 높아지면, 내부 저항값은 감소하기 때문에 충방전 가능한 용량이 조금 증가한다.

즉, 전지 용량이나 내부 저항값의 변화로부터 이차 전지의 SOH를 추정하는 경우, 동일 온도 조건 하에서 측정해야 한다. 동일 온도 조건 하에서 계속적으로 전지 용량이나 내부 저항값의 측정이 가능하면, 전지의 SOH를 추정할 수 있다.

그러나, 가동 중인 축전지 시스템(3)에서는, 전지 온도를 일정하게 유지한 상태에서 전지 용량이나 내부 저항값을 측정하는 것은 현실적으로 보아 용이하지는 않아, 전지의 열화 상태를 정확하게 파악하는 것은 곤란하다.

그런데, 내부 저항 추정 방식은, 이와 같은 과제를 해결하기 위한 하나의 수단으로서, 충방전 중의 전류 변화와 전지 전압 변화의 상관을 분석하여, 전지의 직류 내부 저항을 추정하는 것이다.

여기서, 이차 전지의 내부 저항값은, 직렬 유닛의 전체 전압, 전지 모듈 전압 또는 각 전지 셀의 전압 중, 어느 하나를 사용하여 산출할 수 있다. 또한, 직렬 유닛의 전체 전압→전지 모듈 전압→각 전지 셀의 전압의 순서로 후자가 될수록 개개의 전지 셀의 내부 저항값을 보다 상세하게 파악할 수 있다.

또한, 이차 전지의 충방전 중에는 주위 온도의 변화뿐만 아니라, 이차 전지의 내부 발열 등의 영향으로 전지 온도는 항상 변화한다.

따라서, 전지 온도에 따른 내부 저항값의 변화와, 전지 열화에 수반하는 내부 저항값의 변화를 구별할 수 없으면, 이차 전지의 열화 상태를 정확하게 파악할 수는 없다. 그 때문에, 일정 기간마다 내부 저항값의 추정을 반복하여, 해석 시의 평균 전지 온도나 평균 SOC에 기초하여 각각의 추정값을 클러스터링화한다.

이 결과, 동일 측정 조건(전지 온도 및 SOC)의 내부 저항 추정값을 비교함으로써, 그 증가분을 파악할 수 있다.

또한, 내부 저항 추정 방식에서는, 웨이브렛 변환에 있어서의 주파수가 높은 영역에서의 회귀 분석 결과일수록, 반응 저항 Ra의 영향이 강하게 나타난다. 리튬 이온 전지의 열화 경향은 이 반응 저항 Ra에 나타나기 쉽다고 생각되기 때문에, 이 고주파 영역에서 이차 전지의 내부 저항값을 추정하고, 그 증가 경향을 파악한다.

이어서, 내부 저항 추정 방식을 사용한 이차 전지의 열화율의 산출 방법에 대하여 설명한다.

도 6은, 이차 전지의 열화율의 추정 처리 흐름도이다.

축전지 시스템(3)의 축전지 장치(11)에 있어서는, 일정 주기(예를 들어, 100ms 등)마다, 충방전 전류, 전지 셀 전압 및 전지 온도를 계측한다(스텝 S11).

그리고, 일정 기간 내(예를 들어, 수십분마다)에 계측된 충방전 전류의 계측값(전류 파형에 상당)을 웨이브렛 변환하고, 주파수 마다의 웨이브렛 계수 W_Ψi(a, b)[a: 다일레이션(확대 축소), b: 시프트]을 산출한다(스텝 S12).

또한, 동일 기간 내의 전지 셀 전압의 계측값(전압 파형에 상당)을 웨이브렛 변환하고, 주파수 마다의 웨이브렛 계수 W_Ψv(a, b)를 산출한다(스텝 S13).

산출한 충방전 전류의 웨이브렛 계수 W_Ψi(a, b) 및 전지 셀 전압의 웨이브렛 계수 W_Ψv(a, b)에 기초하여, 축전지 장치(11)의 내부 저항값 R(a)를 수학식 4로 표현되는 회귀 분석에 의해 산출한다(스텝 S14). 이 내부 저항값 R(a)는 주파수마다 산출한다.

구체적으로는, 웨이브렛 변환에 있어서의 해석 레벨을 j로 하고, 일정한 해석 구간 내에 산출된 충방전 전류와 전지 셀 전압의 각 계측값에 대한 웨이브렛 계수를, 각각 Wi[j][k](k=1, 2, ...n, n은 해석 구간 폭에 따른 계수의 수), Wv[j][k](k=1, 2, ...n)로 하면, 회귀 분석으로 구해지는 내부 저항값 R[j]은, 이하의 수학식 5로 표현된다.

여기서, 높은 주파수(해석 레벨이 작을수록)일수록 내부 저항값 R(a)는 낮아져, 반응 저항 Ra의 영향이 강하게 나타난다고 생각된다. 한편, 주파수에 따라서는, 계측 센서의 노이즈의 영향을 받거나, 전지 온도나 SOC의 영향을 받거나 하여, 추정 오차가 커지는 경우가 있다. 그로 인해, 보다 고주파측, 또한, 회귀 분석에 있어서의 결정 계수 R²가 높은 주파수에서 이차 전지의 열화율의 추정을 행하면, 보다 추정 정밀도가 높아진다.

이와 같이 하여, 수시 계측된 충방전 전류와 전지 셀 전압으로부터 내부 저항값 R(a)의 추정을 행하고, 추정 구간의 평균 전지 온도와 평균 SOC에 기초하여 클러스터링화하고, 각 측정 조건에 있어서의 내부 저항값 R(a)의 증가율을 파악한다.

구체적으로는, 평균 전지 온도 25℃, 평균 SOC 50％ 등의 조건에 있어서, 중·장기적인 내부 저항값 R(a)의 변화를 관측하고, 추정값의 비교를 행한다. 이러한 조건에 있어서, 초기의 내부 저항 추정값과 현재의 내부 저항 추정값의 관계를 수학식 3에 의해 구하여, 이차 전지의 열화율(SOH)을 추정한다(스텝 S15).

도 7은, 동일 평균 전지 온도에 있어서의 내부 저항 추정값의 평균 SOC에 대한 변화 상태의 설명도이다.

도 7에 있어서는, 추정 기간(추정 구간)에 있어서의 평균 전지 온도가 동일한 내부 저항 추정값을, 내부 저항값을 종축으로 하고, 평균 SOC를 횡축으로 하여 나타내고 있다.

초기(BOL)의 이차 전지의 내부 저항 특성 CR_BOL은, 평균 SOC에 따라 그 내부 저항값이 변화하여, 도 7에 도시한 바와 같이, 평균 SOC가 낮은 영역 및 높은 영역에서 내부 저항값이 높고, 평균 SOC=50％ 전후에서 낮아지는 U자 형상으로 변화하고 있다.

또한, 이차 전지의 열화에 따라 내부 저항값은 증가하고, 열화 후에 추정되는 이차 전지의 내부 저항 특성 CR_DEG에 도시한 바와 같이, 가동부터 수 년을 경과한 이차 전지의 내부 저항값(평균 SOC=50％의 경우, 도 7의 예에서는, 내부 저항값 R)은 초기의 내부 저항값(=R0)과 비교하여 증가한다.

따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 이차 전지의 열화에 수반하는 내부 저항값의 증가 경향을 파악함으로써, 전지의 열화율의 추정을 행하고 있다.

이상의 결과로부터, 제어 컨트롤러(5)에 유지하는 충방전 가능 전력량 예측 테이블(5T)은, SOC, 전지 온도, 충방전율, 전지 열화율(SOH)의 네가지의 파라미터를 사용하여 충방전 가능 전력량의 예측을 행하도록 되어 있다.

도 8은, 소정의 전지 열화율에 있어서의 충전 가능 전력량 예측 테이블의 일례의 설명도이다.

도 9는, 소정의 전지 열화율에 있어서의 방전 가능 전력량 예측 테이블의 일례의 설명도이다.

도 8 및 도 9에 있어서는, 이차 전지의 전지 열화율을 나타내는 SOH=0％의 경우(초기 상태)를 예로서 나타내고 있지만, 실제로는 복수의 전지 열화율에 대해서, 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC) 및 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)을 각각 작성하여 둘 필요가 있다. 예를 들어, 수명 말기(EOL)의 이차 전지를 SOH=100％로 하고, 그때의 충방전 가능 전력량 예측 테이블(5T)이나, 그 중간을 나타내는 SOH=50％의 충방전 가능 전력량 예측 테이블(5T) 등을 작성해 둔다.

그리고, 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC)로부터 축전지의 열화율(SOH)에 따른 충전 가능 전력량을 예측하고, 또는, 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)로부터 축전지의 열화율(SOH)에 따른 방전 가능 전력량을 예측한다.

보다 구체적으로는, 축전지의 열화율 SOH=0％인 경우, 전지 온도가 20도이고, 현재의 SOC=40퍼센트일 경우에, 2시간율 충전시에 충전 가능 전력량은, 도 8에 도시한 바와 같이 106kWh가 된다.

마찬가지로, 축전지의 열화율 SOH=0％의 경우, 전지 온도가 30도이고, 현재의 SOC=50퍼센트일 경우에, 2시간율 방전시에 방전 가능 전력량은, 도 9에 도시한 바와 같이 90kWh가 된다.

이상의 설명과 같이, 본 제1 실시 형태에 의하면, 축전지의 상태 및 충방전 조건에 기초하여 충전 가능 전력량 및 방전 가능 전력량을 보다 확실하게 예측할 수 있다.

[2] 제2 실시 형태

먼저, 제2 실시 형태의 원리에 대하여 설명한다.

이차 전지를 재생 가능 에너지의 출력 변동 억제에 사용하는 경우, 이차 전지를 제어하는 상위 제어 장치는, 이차 전지의 SOC가 만충전이나 완전 방전에 이르지 않도록 항상 소정의 범위 내에서 제어하면서 충방전을 행한다. 또한, 축전지는 열화에 따라 충방전 가능한 용량(실용량)이 서서히 감소하기 때문에, 충방전 가능 전력량의 예측에 있어서는 전지의 열화도 고려해야 한다.

따라서, 본 제2 실시 형태는, 이차 전지의 기대 수명에 따라서 전지 용량에 마진을 갖게 하고, SOC=50％를 기준으로 하여 축전지의 사용 범위를 제한하도록 한 실시 형태이다.

이에 의해, 축전지의 상위 제어 장치로부터는, 이차 전지의 기대 수명 내이면, 언제나 결정된 용량의 범위(이것을 운용 용량 Cap_l이라 칭한다) 내에서, 축전지의 충방전 제어를 행할 수 있게 된다.

여기서, 전지의 운용 범위(사용 범위)를 SOC를 사용하여 제한하는 방법도 생각된다. 예를 들어, 운용 용량 100kWh로 제한하기 위해서, SOC=20％ 내지 80％로 제한하는 것이 생각된다. 그러나, SOC와 방전 가능 용량의 관계는, 전지 온도나 열화 상태에 따라 변화하기 때문에, 이 방법으로는 정확하게 방전 가능 용량을 구할 수 없다.

그런데, 이차 전지로서 리튬 이온 전지를 사용한 경우, 리튬 이온 전지는, SOC 50％의 경우에 비하여, 고SOC나 저SOC의 영역에서는 열화의 진행이 빠른 경향이 있다. 따라서, SOC=50％(=소정의 기준 SOC)를 중심으로 하여 축전지의 운용 범위(사용 범위)를 제한함으로써, 전지의 열화를 억제할 수 있어, 장수명화를 도모할 수 있다.

따라서, 제2 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태에서 사용한 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC) 및 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)을 사용하여, 수명 말기(EOL)에 있어서의 이차 전지의 충/방전 가능 전력량을 예측하고, 수명 말기(EOL)를 포함하는 운용 시에 있어서의 이차 전지의 실용량을 추정하고, 기대 수명 내에 있어서의 실제의 운용 용량이 실용량의 범위에 들어가고, 또한, 전지 수명을 짧게 하는 운용을 행하지 않도록, 운용 용량을 산출하고 있다.

도 10은, 제2 실시 형태의 구체예의 설명도이다.

초기 상태(BOL)에 있어서의 SOC=100％일 때의 실용량은 도 10 좌측 단부에 도시한 바와 같이, 160kWh이며, SOC=0％일 때의 실용량은 0kWh인 것으로 한다. 즉, 이차 전지로서의 실용량은 160kWh이다.

한편, 제1 실시 형태에서 사용한 충전 가능 전력량 예측 테이블(5TC) 및 방전 가능 전력량 예측 테이블(5TD)을 사용하여, 수명 말기(EOL)에 있어서의 이차 전지의 충/방전 가능 전력량을 예측한 경우, 도 10의 중앙부에 도시한 바와 같이, 수명 말기(EOL)에 있어서의 SOC=100％일 때의 실용량은 120kWh이며, SOC=0％일 때의 실용량은 0kWh인 것으로 한다. 즉, 이차 전지로서의 실용량은 120kWh이다.

그런데, 상술한 바와 같이 고SOC나 저SOC의 영역에서는 열화의 진행이 빠른 경향이 있으므로, 수명 말기(EOL)에 있어서도, SOC=10％ 내지 90％ 정도의 범위로 이차 전지의 사용 범위를 제한하는 것을 생각하면, SOC=50％를 기준으로 하여 운용 용량을 상하 50kWh 정도(실용량 범위: 10kWh 내지 110kWh)로 하는 것이 바람직하다(=실제로 SOC=8 내지 92％).

이렇게 실용량을 정해 둠으로써, 기대 수명 내에서 어느 운용 시에 있어서도, 실용량은 운용 용량보다도 항상 크므로, 이차 전지의 운용 용량을 실용량의 제한을 초과할 일 없이, 확실하게 확보할 수 있어, 열화 상태를 고려할 일 없이 항상 동일한 제어로 운용을 행하는 것이 가능하게 된다.

도 11은, 충전 가능 전력량 산출 테이블을 사용하여, 이차 전지의 충전 가능 용량을 산출하기 위한 산출 회로의 블록도이다.

축전지 시스템(3)은 축전지 시스템(3) 내의 각 전지 모듈의 온도를 계측하고, 그 최저 온도를 산출하여 축전지 제어 컨트롤러(5)에 통지한다. 또한, 축전지 시스템(3)은 도 2에 도시한 바와 같이, 이차 전지가 병렬 접속되어 있는 경우에는, 그들의 평균 SOC를 추정하고, 축전지 제어 컨트롤러(5)에 통지한다.

또한 축전지 제어 컨트롤러(5)는 제1 실시 형태에서 설명한 이차 전지의 열화율 추정 방법을 사용하여, 축전지의 현재의 열화율(SOH)을 추정한다.

그리고, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 최저 전지 온도, 평균 SOC, 현재의 충방전 전력 및 전지 열화율을 파라미터로 하여, 충전 가능 전력량 산출 테이블로부터 축전지의 충전 가능 전력량을 산출한다. 이 충전 가능 전력량은, 축전지의 전체 용량에 대한 충전 가능한 전력량이다.

마찬가지로, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 최저 전지 온도, 기준 SOC=50％, 현재의 충방전 전력 및 전지 열화율을 파라미터로 하여, 충전 가능 전력량 산출 테이블(5TC)로부터 이차 전지의 충전 가능 전력량을 산출한다. 이 충전 가능 전력량은, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량(도면 중, kWh＠SOC 50％라 표기)이다.

그리고, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 감산기로서 기능하고, 축전지의 전체 용량에 대한 충전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량을 차감한다.

그리고 축전지 제어 컨트롤러(5)는 차감한 값의 절댓값이 운용 용량 Cap_l의 1/2 이하인 경우에는, 축전지의 전체 용량에 대한 충전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량을 차감한 값을 그대로, 가산기의 한쪽 입력 단자에 출력한다.

또한, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 리미터는, 차감한 값의 절댓값이 운용 용량 Cap_l의 1/2를 초과하는 경우에는, 축전지의 전체 용량에 대한 충전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량을 차감한 값 대신에, 운용 용량 Cap_l의 1/2를 가산기의 한쪽 입력 단자에 출력한다.

또한, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 리미터는, 차감한 값의 절댓값이 운용 용량-Cap_l의 1/2 미만인 경우에는, 축전지의 전체 용량에 대한 충전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량을 차감한 값 대신에, 운용 용량-Cap_l의 1/2를 가산기의 한쪽 입력 단자에 출력한다.

상기 가산기의 한쪽 입력 단자에의 출력과 병행하여, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 셀렉터는, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량(도면 중, kWh＠SOC 50％라 표기)이 운용 용량 Cap_l의 1/2 이상인 경우에는, 운용 용량 Cap_l의 1/2를 가산기의 다른 쪽 입력 단자에 출력한다.

또한, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 셀렉터는, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량(도면 중, kWh＠SOC 50％라 표기)이 운용 용량 Cap_l의 1/2 미만인 경우에는, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 충전 가능한 전력량을 가산기의 다른 쪽 입력 단자에 출력한다.

이들에 의해 축전지 제어 컨트롤러(5)의 가산기는, 리미터의 출력과 셀렉터의 출력을 가산하고, 충전 가능 용량으로서 출력한다.

보다 구체적으로는, 예를 들어, BOL 시의 정격 용량 160kWh의 축전지를 운용 용량 Cap_l=100kWh로 제한하여 제어를 행하는 경우를 생각한다.

현재의 전지 온도가 30℃, SOC=30％, 충전 가능 전력량이 80kW(2시간율), SOH=0％일 경우, 운용 용량 100kWh로 제한한 현재의 충전 가능 용량은, 이하의 수순으로 산출된다.

(1) 도 8에 도시한 2시간율 충전 시의 충전 가능 전력량 예측 테이블로부터, 전지 온도=30℃, SOC 30％에 있어서의 충전 가능 전력량을 산출한다.

구체적으로는, 전지 온도 30℃, SOC=30％에 있어서의 충전 가능 전력량은, 139kWh로 구해진다.

(2) 마찬가지로, 2시간율 충전 시의 충전 가능 전력량 예측 테이블로부터, 기준 SOC=50％, 전지 온도=30℃에서의 충전 가능 전력량을 산출한다.

구체적으로는, 전지 온도 30℃, SOC=50％에 있어서의 충전 가능 전력량은, 99kWh로 구해진다.

(3) 계속해서, 전지 온도 30℃, SOC 30％에 있어서의 충전 가능 전력량(=139kWh)으로부터 SOC 50％에 있어서의 충전 가능 전력량(=99kWh)을 차감하고(139-99=40kWh), 차감하여 얻어진 값이 최대로 운용 용량 Cap_l의 1/2이 되도록 제한한다. 본 예의 경우에는, 운용 용량 Cap_l의 1/2인 50kWh보다도 적으므로, 40kWh 그대로가 된다.

(4) 기준 SOC 50％, 전지 온도 30℃에서의 충전 가능 전력량(=99kWh)과, 운용 용량 Cap_l의 1/2(=50kWh) 중 어느 것이든 작은 쪽(금회에는 50kWh)을 상기 (3)에서 구한 값(40kWh)에 가산하여 충전 가능 용량(=90kWh)으로 한다.

이 운용 용량을 사용한 축전지 제어에 의해, 충방전 가능 전력량의 예측이 곤란한 충전말 부근에 있어서, 충전 가능 전력량이 0kWh가 되기 전에, 먼저 충전 종지 전압 또는 방전 종지 전압에 도달하여, 축전지 시스템이 예기치 않게 정지하는 것을 피할 수 있다. 또한, 상위 제어 장치는 전지 열화에 수반하는 전지 용량의 감소를 의식하지 않고, 항상 결정된 용량의 범위 내에서 축전지의 충전을 행할 수 있다. 이와 같이, 전지 온도나 전지의 열화 상태에 따른 충전 가능 전력량 산출 테이블(5TC)에 기초하여 예측을 행함으로써, 전지의 사용 범위를 단지 SOC를 기준으로 하여 제한하는 방법에 비하여, 충전 가능 용량의 예측 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 12는, 방전 가능 전력량 산출 테이블을 사용하여, 이차 전지의 방전 가능 용량을 산출하기 위한 산출 회로의 블록도이다.

그리고, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 최저 전지 온도, 평균 SOC, 현재의 충방전 전력 및 전지 열화율을 파라미터로 하여, 방전 가능 전력량 산출 테이블(5TD)로부터 축전지의 방전 가능 전력량을 산출한다. 이 방전 가능 전력량은, 축전지의 전체 용량에 대한 방전 가능한 전력량이다.

마찬가지로, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 최저 전지 온도, 기준 SOC=50％, 현재의 충방전 전력 및 전지 열화율을 파라미터로 하여, 방전 가능 전력량 산출 테이블(5TD)로부터 이차 전지의 방전 가능 전력량을 산출한다. 이 방전 가능 전력량은, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량(도면 중, kWh＠SOC 50％라 표기)이다.

그리고, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 감산기는, 축전지의 전체 용량에 대한 방전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량을 차감한다.

그리고 축전지 제어 컨트롤러(5)는 차감한 값의 절댓값이 운용 용량 Cap_l의 1/2 이하인 경우에는, 축전지의 전체 용량에 대한 방전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량을 차감한 값을 그대로, 가산기의 한쪽 입력 단자에 출력한다.

또한, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 리미터는, 차감한 값의 절댓값이 운용 용량 Cap_l의 1/2를 초과하는 경우에는, 축전지의 전체 용량에 대한 방전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량을 차감한 값 대신에, 운용 용량 Cap_l의 1/2를 가산기의 한쪽 입력 단자에 출력한다.

또한, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 리미터는, 차감한 값의 절댓값이 운용 용량-Cap_l의 1/2 미만인 경우에는, 축전지의 전체 용량에 대한 방전 가능한 전력량으로부터 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량을 차감한 값 대신에, 운용 용량-Cap_l의 1/2를 가산기의 한쪽 입력 단자에 출력한다.

상기 가산기의 한쪽 입력 단자에의 출력과 병행하여, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 셀렉터는, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량(도면 중, kWh＠SOC 50％라 표기)이 운용 용량 Cap_l의 1/2 이상인 경우에는, 운용 용량 Cap_l의 1/2를 가산기의 다른 쪽 입력 단자에 출력한다.

또한, 축전지 제어 컨트롤러(5)의 셀렉터는, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량(도면 중, kWh＠SOC 50％라 표기)이 운용 용량 Cap_l의 1/2 미만인 경우에는, 이차 전지의 기준 SOC=50％ 시에 있어서의 방전 가능한 전력량을 가산기의 다른 쪽 입력 단자에 출력한다.

이들에 의해 축전지 제어 컨트롤러(5)의 가산기는, 리미터의 출력과 셀렉터의 출력을 가산하고, 방전 가능 용량으로서 출력한다.

현재의 전지 온도가 30℃, SOC=70％, 방전 전력이 80kW(2시간율), SOH=0％일 경우, 운용 용량 100kWh로 제한한 현재의 방전 가능 용량은, 이하의 수순으로 산출된다.

(1) 도 9에 도시한 2시간율 방전 시의 방전 가능 전력량 예측 테이블로부터, 전지 온도=30℃, SOC 70％에 있어서의 방전 가능 전력량을 산출한다.

구체적으로는, 전지 온도 30℃, SOC=70％에 있어서의 방전 가능 전력량은, 126kWh로 구해진다.

(2) 마찬가지로, 2시간율 방전 시의 방전 가능 전력량 예측 테이블로부터, 기준 SOC=50％, 전지 온도=30℃에서의 방전 가능 전력량을 산출한다.

구체적으로는, 전지 온도 30℃, SOC=50％에 있어서의 방전 가능 전력량은, 90kWh로 구해진다.

(3) 계속해서, 전지 온도 30℃, SOC 70％에 있어서의 방전 가능 전력량(=126kWh)으로부터 SOC 50％에 있어서의 방전 가능 전력량(=90kWh)을 차감하고(126-90=36kWh), 차감하여 얻어진 값이 최대로 운용 용량 Cap_l의 1/2이 되도록 제한한다. 본 예의 경우에는, 운용 용량 Cap_l의 1/2인 50kWh보다도 적으므로, 36kWh가 상태로 된다.

(4) 기준 SOC 50％, 전지 온도 30℃에서의 방전 가능 전력량(=90kWh)과, 운용 용량 Cap_l의 1/2(=50kWh) 중 어느 것이든 작은 쪽(금회에는(50kWh)을 상기 (3)에서 구한 값(36kWh)에 가산하고, 방전 가능 용량(=86kWh)으로 한다.

이 운용 용량을 사용한 축전지 제어에 의해, 방전 가능 전력량의 예측이 곤란한 방전말 부근에 있어서, 방전 가능 전력량이 0kWh가 되기 전에, 먼저 방전 종지 전압에 도달하여, 축전지 시스템이 예기치 않게 정지하는 것을 피할 수 있다. 또한, 상위 제어 장치는 전지 열화에 수반하는 전지 용량의 감소를 의식하지 않고, 항상 결정된 용량의 범위 내에서 축전지의 방전을 행할 수 있다.

이상의 설명과 같이, 본 제2 실시 형태 의하면, 방전 시에 있어서도, 기대 수명 내에 있어서의 실제의 운용 용량이 실용량의 범위에 들어가고, 또한, 전지 수명을 짧게 하는 운용을 행하지 않도록, 운용 용량을 산출하고 있어서 방전 가능한 실용량은 방전 운용 용량보다도 항상 크므로, 이차 전지의 운용 용량을 실용량의 제한을 초과할 일 없이, 확실하게 확보할 수 있고, 열화 상태를 고려할 일 없이 항상 동일한 제어로 방전 시의 운용을 행하는 것이 가능하게 된다.

이상을 정리하면, 전지 온도나 전지의 열화 상태에 따른 충방전 가능 전력량 산출 테이블에 기초하여 예측을 행함으로써, 전지의 사용 범위를 단지 SOC를 기준으로 하여 제한하는 방법에 비하여, 충방전 가능 용량의 예측 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이상의 설명에 있어서는, 어떤 전지 온도에 있어서, 기준 SOC에 있어서의 충방전 가능 전력량에 대하여 운용 용량을 균등하게 할당하고 있었지만, 이차 전지(축전지)의 BOL로부터 EOL에 이르기까지 실용량에 대하여 운용 용량이 확실하게 수용되도록 하면, 어떻게 할당해도 마찬가지로 적용이 가능하다.

[3] 제3 실시 형태

이차 전지(축전지)를 재생 가능 에너지 발전 장치의 출력 변동 억제에 사용하는 경우, 항상 필요에 따라 충방전을 행할 수 있게, 축전지를 제어하는 상위 제어 장치로부터는, 축전지가 만충전 상태나 완전 방전 상태에 이르지 않도록 항상 SOC를 제어하면서 충방전을 행할 필요가 있다.

그로 인해, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 축전지의 기대 수명에 따라서 전지 용량에 마진을 갖게 하여, SOC 50％를 기준으로 한 운용 용량의 범위 내에서 제어한다(축전지의 사용 범위를 제한).

한편, 전력 공급 능력에 대하여 전력 수요가 대폭으로 증가한 경우, 피크커트를 목적으로 하여 축전지 내에 축적된 모든 전력 에너지를 방전하는 케이스에도 대응할 수 있을 것이 요망된다.

따라서, 이러한 경우에는, 운용 용량에 따른 축전지의 사용 범위 제한을 해제하여, 충방전 가능한 전체 용량으로 제어할 수 있는 구조를 제공할 것이 요망된다.

그 때문에, 상위 제어 장치(6)는 피크커트 등의 용도로 축전지를 우선하여 사용하는 경우에, 축전지 시스템(3)을 제어하고 있는 축전지 제어 컨트롤러(5)에 대하여 사용 범위 제한을 해제할 것을 요구한다.

한편, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 사용 범위 제한의 해제 요구를 받은 경우, 사용 범위 제한을 해제하고, 마진을 0으로 설정한다.

구체적으로는, 상기 사용 범위 제한을 행하기 위한 운용 용량 Cap_l을 일시적으로 실용량(BOL)으로 재설정하고, 충방전 가능 용량을 산출하도록 설정 변경을 행한다.

이 결과, 축전지 제어 컨트롤러(5)는 축전지의 상한 전압(충전 종지 전압) 및 하한 전압(방전 종지 전압)의 범위 한계까지의 전체 용량으로 충방전을 행하게 되어, 충방전 가능 용량을 일시적으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 시스템의 유연한 운용이 이루어진다.

본 제3 실시 형태에 따르면, 재생 가능 에너지 발전 시스템(100)에 있어서, 일시적으로 전력 수요가 대폭으로 증가한 경우에도, 운용 용량 설정 시의 전지 용량의 마진을 변경하여 제어를 행함으로써, 유연하게 전력 수요에 따른 제어를 행할 수 있다.

본 실시 형태의 축전지 관리 장치는, CPU 등의 제어 장치와, ROM(Read Only Memory)이나 RAM 등의 기억 장치와, HDD, CD 드라이브 장치 등의 외부 기억 장치와, 디스플레이 장치 등의 표시 장치와, 키보드나 마우스 등의 입력 장치를 구비하고 있고, 통상의 컴퓨터를 이용한 하드웨어 구성으로 되어 있다.

본 실시 형태의 축전지 관리 장치에서 실행되는 프로그램은, 인스톨 가능한 형식 또는 실행 가능한 형식의 파일로 CD-ROM, 플렉시블 디스크(FD), CD-R, DVD(Digital Versatile Disk) 등의 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록되어서 제공된다.

또한, 본 실시 형태의 축전지 관리 장치에서 실행되는 프로그램을, 인터넷 등의 네트워크에 접속된 컴퓨터 상에 저장하고, 네트워크 경유로 다운로드시킴으로써 제공하도록 구성해도 된다. 또한, 본 실시 형태의 축전지 관리 장치에서 실행되는 프로그램을 인터넷 등의 네트워크 경유로 제공 또는 배포하도록 구성해도 된다.

또한, 본 실시 형태의 축전지 관리 장치의 프로그램을 ROM 등에 미리 내장하여 제공하도록 구성해도 된다.

본 발명의 몇 가지의 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 기타의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.

Claims

복수의 충전율 각각에 대하여 이차 전지의 온도, SOC 및 전지 열화율에 대응하는 충전 가능 용량을 미리 기억한 복수의 충전 가능 용량 테이블과,
복수의 방전율 각각에 대하여 이차 전지의 온도, SOC 및 전지 열화율에 대응하는 방전 가능 용량을 미리 기억한 복수의 방전 가능 용량 테이블과,
상기 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 기초하여 상기 복수의 충전 가능 용량 테이블 및 복수의 방전 가능 용량 테이블 중 어느 한쪽 테이블을 참조하여, 실제의 운용 시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용 시의 방전 가능 용량을 산출하는 제어부와,
상기 이차 전지의 실제 운용 시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용 시의 방전 가능 용량을 상위 장치에 통지하는 통신 제어부를 구비한, 축전지 관리 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 참조한 테이블로부터 얻어지는 상기 충전 가능 용량 또는 상기 방전 가능 용량에 대하여 소정의 마진을 확보하여 상기 실제의 운용 시의 충전 가능 용량 또는 방전 가능 용량을 설정하는, 축전지 관리 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 축전지 관리 장치의 상위 장치로부터 요구가 있는 경우에, 상기 마진을 일시적으로 0으로 설정하는, 축전지 관리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 미리 설정된 기준 SOC를 기준으로 하여, 상기 실제의 운용 시의 충전 가능 용량 또는 방전 가능 용량을 설정하는, 축전지 관리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 이차 전지의 내부 저항값의 측정값 또는 추정값에 기초하여 상기 전지 열화율을 산출하는, 축전지 관리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충방전 가능 용량 테이블은, 상기 이차 전지의 등가 회로 모델 및 상기 이차 전지의 특성값을 사용하여, 시뮬레이션에 의해 산출한 상기 충방전 가능 용량을 기억하고 있는, 축전지 관리 장치.
복수의 충전율 각각에 대하여 이차 전지의 온도, SOC 및 전지 열화율에 대응하는 충전 가능 용량을 미리 기억한 복수의 충전 가능 용량 테이블과, 복수의 방전율 각각에 대하여 이차 전지의 온도, SOC 및 전지 열화율에 대응하는 방전 가능 용량을 미리 기억한 복수의 방전 가능 용량 테이블을 갖고, 상기 이차 전지의 충방전을 관리하는 축전지 관리 장치에 있어서 실행되는 방법이며,
상기 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 기초하여 상기 복수의 충전 가능 용량 테이블 및 복수의 방전 가능 용량 테이블 중 어느 한쪽 테이블을 참조하는 과정과,
실제의 운용 시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용 시의 방전 가능 용량을 산출하는 과정과,
상기 이차 전지의 실제 운용 시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용 시의 방전 가능 용량을 상위 장치에 통지하는 과정
을 구비한 방법.
복수의 충전율 각각에 대하여 이차 전지의 온도, SOC 및 전지 열화율에 대응하는 충전 가능 용량을 미리 기억한 복수의 충전 가능 용량 테이블과, 복수의 방전율 각각에 대하여 이차 전지의 온도, SOC 및 전지 열화율에 대응하는 방전 가능 용량을 미리 기억한 복수의 방전 가능 용량 테이블을 갖고, 상기 이차 전지의 충방전을 관리하는 축전지 관리 장치를 컴퓨터에 의해 제어하기 위한 프로그램이며,
상기 컴퓨터를,
상기 이차 전지의 온도, SOC, 요구되는 충전율 또는 방전율 및 전지 열화율에 기초하여 상기 복수의 충전 가능 용량 테이블 및 복수의 방전 가능 용량 테이블 중 어느 한쪽 테이블을 참조하는 수단과,
실제의 운용 시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용 시의 방전 가능 용량을 산출하는 수단과,
상기 이차 전지의 실제 운용 시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용 시의 방전 가능 용량을 상위 장치에 통지하는 수단으로서 기능시키는, 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 축전지 관리 장치의 상위 장치로부터 요구가 있었던 경우에, 상기 마진을 일시적으로 0으로 설정하고, 미리 설정된 기준 SOC를 기준으로 하여, 실제의 운용시의 충전 가능 용량 또는 실제의 운용시의 방전 가능 용량을 설정하는, 축전지 관리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 이차 전지의 내부 저항값의 측정값 또는 추정값에 기초하여 상기 전지 열화율을 산출하고,
상기 충방전 가능 용량 테이블은, 상기 이차 전지의 등가 회로 모델 및 상기 이차 전지의 특성값을 사용하여, 시뮬레이션에 의해 산출한 상기 충방전 가능 용량을 기억하고 있는, 축전지 관리 장치.