KR20100040745A

KR20100040745A - 전력 저장 시스템

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Publication number: KR20100040745A
Application number: KR1020107003155A
Authority: KR
Inventors: 다케히코 니시다; 가츠아키 고바야시; 도모 아키야마; 가츠오 하시자키; 히데히코 다지마; 가즈유키 아다치; 신지 무라카미; 요시히로 와다; 히로유키 시바타; 고우지 구라야마
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤; 규슈덴료쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2010-04-20
Also published as: US8729861B2; CN101803103B; US20100207580A1; JP5319903B2; EP2192649A4; KR101162937B1; EP2192649B1; JP2009070777A; CN101803103A; WO2009037881A1; EP2192649A1

Abstract

수명을 장기화할 수 있는 축전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 망간계 정극 재료를 사용한 적어도 1 개의 리튬 2 차 전지를 갖는 조전지 (2) 와, 조전지 (2) 의 충방전을 제어하는 제어 장치 (3) 를 구비하고, 제어 장치 (3) 는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 전압 범위 내에서 충방전을 제어한다.

Description

전력 저장 시스템{POWER STORAGE SYSTEM}

본 발명은 망간계 정극 (正極) 재료를 사용한 리튬 2 차 전지를 사용한 축전 시스템에 관한 것이다.

리튬 2 차 전지는 고전압 영역 및 저전압 영역에서 사용하면 성능이 악화되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 일반적으로 성능이 악화되는 전지 전압을 피한 전압 범위 (예를 들어, 단(單)전지 전압이 2.2 V 이상 4.2 V 이하가 되는 전압 범위) 에서 사용된다.

또, 망간계 정극 재료를 사용한 리튬 2 차 전지는, 고온시에 전지 열화가 현저히 나타난다. 예를 들어, 고온시에는 고전압 영역에 가까운 전압 범위에서 전지를 사용할 것이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1).

또, 리튬 2 차 전지의 보관시에는 안전성을 고려하여 중간 충전 상태 (예를 들어, 개(開)회로 전압 (전류가 흐르지 않는 상태에서의 단전지 전압) 이 3.5 V 내지 3.8 V 사이) 또는 방전 상태 (예를 들어, 개회로 전압이 3.5 V 이하) 로 하고 있다.

일본공개특허공보2000-058134호

발명자들은 상기 서술한 종래의 전지 사용시에 있어서의 전압 범위 (예를 들어, 단전지 전압이 2.2 V 이상 4.2 V 이하가 되는 전압 범위) 에는 전지 열화율이 높은 전압 범위가 포함되어 있음을 알아냈다.

이러한 전압 범위에서 충방전을 행하면, 전지 열화가 촉진되어 전지 수명이 짧아질 우려가 있다. 특히, 10 년 이상의 장수명화를 목표로 하는 대형 축전 시스템에서는, 가능한 한 전지 열화가 발생되지 않는 전압 범위에서 사용하는 것이 중요해진다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 수명을 장기화할 수 있는 축전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.

본 발명의 제 1 양태는, 망간계 정극 재료를 사용한 적어도 1 개의 리튬 2 차 전지를 갖는 축전 장치와, 상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 전압 범위 내에서 충방전을 제어하는 축전 시스템이다.

예를 들어, 도 2 에 일례가 나타나 있는 바와 같이, 개회로 전압과 용량 저하율 (바꾸어 말하면, 전지 열화율) 의 관계를 조사한 결과, 3.5 V 부근에서 전지 열화율이 가장 높아진다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 종래와 같이 3.5 V 를 포함하는 넓은 전압 범위에서 축전 장치를 사용하면, 전지의 열화를 촉진시키게 된다.

이 양태에서는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 전압 범위 내에서 사용하기 때문에, 상기 서술한 바와 같은 전지 열화율이 높아지는 전지 전압에서의 사용을 피할 수 있다. 이로써, 축전 장치의 열화율을 억제할 수 있다.

상기 축전 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 전지 전압이 저열화 전압 범위에서 벗어난 경우에, 전지 전압이 저열화 전압 범위 내이고, 또한 고압측에 설정된 기준 전지 전압과 일치될 때까지 충전 또는 방전을 행하는 것으로 해도 된다.

이와 같이, 저열화 전압 범위로부터 전지 전압이 벗어난 경우에는, 전지 전압이 저열화 전압 범위 중에서도 고압측에 설정된 기준 전지 전압에 일치될 때까지 충전 또는 방전이 행해지기 때문에, 축전 장치의 충전율을 항상 높은 위치로 확보할 수 있게 된다. 이로써, 방전시에는 보다 많은 전력을 공급할 수 있다.

상기 축전 시스템은, 저열화 운전 모드를 포함하는 복수의 운전 모드를 구비하고, 상기 저열화 운전 모드가 선택된 경우에, 상기 제어 장치는, 상기 저열화 전압 범위 내에서 충방전 제어를 행하는 것으로 해도 된다.

저열화 운전 모드가 선택된 기간에 한하여 저열화 전압 범위 내에서 사용하기 때문에, 축전 장치의 열화를 억제하면서 요구 전력에 따른 운전 모드에 의해 충방전 제어를 할 수 있게 된다.

본 발명의 제 2 양태는, 망간계 정극 재료를 사용한 적어도 1 개의 리튬 2 차 전지를 갖는 축전 장치와, 상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 충전율 범위 내에서 충방전을 제어하는 축전 시스템이다.

예를 들어, 도 3 에 일례가 나타나 있는 바와 같이, 충전율과 용량 저하율 (바꾸어 말하면, 전지 열화율) 의 관계를 조사한 결과, 30 ％ 부근에서 전지 열화율이 가장 높아진다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 종래와 같이 30 ％ 를 포함하는 넓은 충전율 범위에서 축전 장치를 사용하면, 전지의 열화를 촉진시키게 된다.

이 양태에서는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 충전율 범위 내에서 사용하기 때문에, 상기 서술한 바와 같은 전지 열화율이 높아지는 충전율에서의 사용을 피할 수 있다. 이로써, 축전 장치의 열화율을 억제할 수 있다.

상기 축전 시스템에 있어서, 상기 제어 장치는, 충전율이 저열화 충전율 범위에서 벗어난 경우에, 충전율이 저열화 충전율 범위 내이고, 또한 고충전율측에 설정된 기준 충전율이 되도록 충방전을 행하는 것으로 해도 된다.

이와 같이, 저열화 충전율 범위로부터 충전율이 벗어난 경우에는, 충전율이 저열화 충전율 범위 중에서도 고충전율측에 설정된 기준 충전율에 일치될 때까지 충전 또는 방전이 행해지기 때문에, 높은 충전율을 확보할 수 있게 된다. 이로써, 방전시에는 보다 많은 전력을 공급할 수 있다.

상기 축전 시스템은, 저열화 운전 모드를 포함하는 복수의 운전 모드를 구비하고, 상기 저열화 운전 모드가 선택된 경우에, 상기 제어 장치는, 상기 저열화 충전율 범위 내에서 충방전 제어를 행하는 것으로 해도 된다.

저열화 운전 모드가 선택된 기간에 한하여 축전 장치의 충전율을 저열화 충전율 범위 내로 하는 충방전을 행하기 때문에, 축전 장치의 열화를 억제하면서, 사용 상황에 따른 운전 모드에 의해 충방전 제어를 할 수 있게 된다.

상기 축전 시스템은, 상기 운전 모드의 전환을 수동으로 설정하기 위한 입력부를 구비하는 것으로 해도 된다.

이와 같은 구성에 의하면, 사용자가 사용 상태 등에 맞춰 운전 모드의 전환을 자유롭게 행할 수 있게 된다.

상기 축전 시스템에 있어서, 상기 제어 장치에는 상기 운전 모드의 전환 조건이 미리 등록되어 있어, 그 전환 조건에 기초하여 상기 운전 모드의 전환을 행하는 것으로 해도 된다.

이와 같은 구성에 의하면, 요구 전력 등에 따라 적절한 시기에 운전 모드를 전환할 수 있게 된다. 또, 자동적으로 운전 모드가 전환되기 때문에, 사용자의 부담을 경감시킬 수 있다.

본 발명의 축전 시스템은, 미리 설정된 시간대 (예를 들어, 야간 시간대) 에 충전을 행하고, 미리 설정된 시간대 (예를 들어, 주간 시간대) 에 방전을 행하는 전력 저장 시스템에 사용되는 것이 적합하다. 전지 용량이 큰 전력 저장 시스템에 본 발명의 축전 시스템을 적용함으로써 장수명화를 실현시킬 수 있게 된다.

또, 상기의 각 양태는 가능한 범위에서 조합해서 이용할 수 있는 것이다.

본 발명에 의하면 수명을 장기화할 수 있다는 효과를 나타낸다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 축전 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 개회로 전압과 용량 저하율의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3 은 충전율과 용량 저하율의 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 축전 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 5 는 통상 운전 모드에 속하는 각종 운전 모드를 예시하여 나타낸 표이다.
※부호의 설명※
1, 1' : 축전 시스템
2 : 조전지
3, 3' : 제어 장치
4 : 전력 변환 장치
5 : 부하

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하에 본 발명에 관련된 축전 시스템의 일 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

〔제 1 실시형태〕

도 1 에는 본 실시형태에 관련된 축전 시스템의 개략 구성이 나타나 있다.

도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 축전 시스템 (1) 은, 정극에 망간계 재료를 사용한 복수의 리튬 2 차 전지를 구비하는 조(組)전지 (축전 장치) (2) 와, 조전지 (2) 의 충방전을 제어하는 제어 장치 (3) 를 구비하고 있다. 축전 시스템 (1) 은, 인버터 등의 기능을 구비하는 전력 변환 장치 (4) 를 개재하여 부하 (5) 및 상용 계통에 접속되어 있다.

조전지는, 복수의 리튬 2 차 전지가 직렬로 접속되어 구성되어 있다. 혹은 복수의 셀이 직접 접속된 복수의 전지 유닛이 추가로 병렬로 접속되어 구성되어 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 조전지 (2) 의 단자 간 전압을 「조전지 전압」, 조전지 (2) 를 구성하는 각 리튬 2 차 전지의 단자 간 전압을 「단전지 전압」, 각 리튬 2 차 전지를 「셀」 이라고 한다.

제어 장치 (3) 에 의해 전력 변환 장치 (4) 가 구동 제어됨으로써, 방전시에는 조전지 (2) 에 저장되어 있는 전력이 부하 (5) 혹은 상용 계통에 공급되고, 충전시에는 상용 계통으로부터 조전지 (2) 에 대하여 전력이 공급되도록 되어 있다.

제어 장치 (3) 는 조전지 전압 V 를 감시하고 있어, 조전지 전압 V 가 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 전압 범위 (V2 이상 V1 이하) 내가 되도록 조전지 (2) 의 충방전을 제어한다. 구체적으로는, 제어 장치 (3) 는, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위를 고압측으로 벗어난 경우에는, 보간 (補間) 방전을 행함으로써 조전지 전압 V 를 저열화 전압 범위 내로 되돌린다. 마찬가지로, 제어 장치 (3) 는, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위를 저압측으로 벗어난 경우에는, 보간 충전을 행함으로써 조전지 전압 V 를 저열화 전압 범위 내로 되돌린다.

이 때, 제어 장치 (3) 는, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위의 고압 영역측에 설정된 기준 전지 전압, 바꾸어 말하면 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위 내로서, 상한값 (V1) 근방에 설정된 기준 전지 전압에 일치될 때까지 보간 방전 또는 보간 충전을 행한다. 이와 같이 제어함으로써 조전지 전압 V 를 높게 유지할 수 있기 때문에, 방전을 행하는 경우에 보다 많은 전력을 부하 (5) 등에 공급할 수 있게 된다.

또한, 상기 서술한 보완 충전, 보간 방전은, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위의 경계 전압 (V1 또는 V2) 에 달하거나 또는 이 경계값을 벗어난 시점에 행해도 되고, 혹은 설정된 충방전 허가 시간대가 있으면 그 시간대에 행하는 것으로 해도 된다.

다음으로, 상기 저열화 전압 범위의 상한값 (V1) 및 하한값 (V2) 의 설정 순서의 일례에 대하여 설명한다.

먼저, 1 일분의 목표 열화율 D (％/day) 를 결정하고, 1 일의 열화율이 목표 열화율 D 이하가 되는 단전지 전압 범위 (V2' 이상 V1' 이하) 를 결정한다. 이 때, 단전지 전압 범위는, 후술하는 통상 운전 모드로 설정되어 있는 단전지 전압 범위를 초과하지 않는 범위에서 설정된다.

예를 들어, 셀이 도 2 에 나타내는 바와 같은 열화 특성을 갖는 경우로서, 목표 열화율 D 를 0.02 [％/day] 로 했을 경우, 단전지 전압 범위의 상한값 V1' 은 4.2 V, 하한값 V2' 는 3.85 V 가 된다.

도 2 에서 횡축은 개회로 전압, 요컨대 조전지 (2) 에 전류가 흐르지 않을 때의 단전지 전압, 종축은 환경 온도 25 ℃ 일 때의 1 일간의 용량 저하율, 바꾸어 말하면 전지 열화율을 나타내고 있다.

여기에서, 상기 단전지 전압 범위는, 셀의 평균 특성으로부터 결정해도 되고, 열화율의 예측 최악값으로부터 결정해도 된다. 이와 같이 단전지 전압 범위를 결정하기 위한 특정에 대해서는 적절히 선택할 수 있다.

다음으로, 단전지 전압 범위의 상한값 (V1') 에 셀의 개수를 곱함으로써 저열화 전압 범위의 상한값 (V1) 을 설정한다.

예를 들어, 단전지 전압 범위의 상한값 (V1') 을 「4.20 V」 로 하고, 셀의 개수를 20 개로 했을 경우, 저열화 전압 범위의 상한값 (V1) 은, 이하의 (1) 식과 같이 구할 수 있다.

V1 = 4.2 * 20 = 84 (V) (1)

또, 조전지 (2) 에 전지 내부 저항, 배선 저항에 의한 전압 강하가 있는 경우, 또 셀 특성의 편차가 있는 경우에는, 이들 요소에 의한 오차를 고려하여, 상기 상한값 (V1) 을 이하의 (2) 식을 사용하여 설정하는 것으로 해도 된다.

예를 들어, 상기 조건에 있어서, 충전 전류 10 A, 조전지 전체의 내부 저항과 배선 저항의 합계가 0.2 Ω, 셀의 편차를 최대 ± 0.05 V 로 가정하면, 상한값 (V1) 은, 이하와 같이 설정된다.

V1 = (4.2 (V) - 0.05 (V)) * 20 (개) + 10 (A) * 0.2 (Ω) = 85 (V) (2)

다음으로, 저열화 전압 범위의 하한값 (V2) 는, 셀의 개수를 20 개로 했을 경우, 이하의 (3) 식으로 주어진다.

V2 = 3.85 * 20 = 77 V (3)

또, 상기 서술한 각종 요소에 기초하는 오차를 고려하여 하한값 (V2) 를 설정하는 경우에는, 이하의 (4) 식과 같이 된다.

V2 = (3.85 (V) + 0.05 (V)) * 20 (개) - 10 (A) * 0.2 (Ω) = 76 (V) (4)

또한, 상기 (2) 식과 (4) 식의 충방전 전류와 내부 저항 및 배선 저항에 의한 보정항은, 현재의 전류값에 따라 변화시켜도 된다.

또한, 상기 단전지 전압 범위의 상한값, 하한값에 대해서는, 1 일분의 열화율이 목표 열화율 D [％/day] 이하가 되는 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다. 또, 저열화 전압 범위에 대해서도, 상기 단전지 전압 범위에 기초하여 적절히 설정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 축전 시스템에 의하면, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위의 상한값 (V1) 에 달한 경우 또는 상한값 (V1) 을 초과한 경우에, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위 내가 되도록 보간 방전이 제어 장치 (3) 에 의해 행해지고, 또 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위의 하한값 V2 에 달한 경우 또는 하한값 V2 를 하회한 경우에, 조전지 전압 V 가 저열화 전압 범위 내가 되도록 제어 장치 (3) 에 의해 보간 충전이 행해지기 때문에, 조전지를 전지 열화가 낮은 전압 범위로 제한하여 사용 및 보관할 수 있다. 이로써, 전지의 열화를 억제할 수 있어, 전지 수명을 장기화시킬 수 있다.

또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 조전지 전압 V 가 열화 전압 범위 내가 되도록 충방전 제어를 행하는 것으로 했는데, 이 대신에 조전지 충전율 SOC 에 기초하여 충방전 제어를 행하는 것으로 해도 된다.

이 경우, 예를 들어 제어 장치 (3) 가 충전율 SOC (％) 와 조전지 전압 V 의 상관 테이블을 가지고 있어, 이 상관 테이블로부터 조전지 전압 V 에 대응하는 충전율 SOC 를 산출한다. 또, 제어 장치 (3) 에는 저열화 전압 범위에 대응하는 저열화 충전율 범위로서, 조전지 전압 V1, V2 에 상당하는 충전율 SOC1, SOC2 가 각각 설정되어 있어, 조전지의 충전율 SOC 가 이 저열화 충전율 범위 (SOC2 이상 SOC1 이하) 내가 되도록 충방전 제어를 행한다.

또한, 저열화 충전율 범위에 대해서는, 상기 조전지 전압 V1, V2 에 대응하는 충전율을 상관 테이블을 사용하여 구하는 것 외에, 도 3 에 나타내는 바와 같이 충전율에 대한 전지 열화율을 나타내는 열화 특성을 이용하여 전지 열화율이 목표 열화율 D 이하가 되는 충전율의 범위를 구하는 것으로 해도 된다. 도 3 에서 횡축은 충전율, 종축은 환경 온도 25 ℃ 일 때의 1 일간의 용량 저하율을 나타내고 있다.

〔제 2 실시형태〕

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 축전 시스템에 대하여 설명한다.

상기 서술한 제 1 실시형태에 관련된 축전 시스템 (1) 에서는, 조전지 전압 V 에 기초하여 충방전 제어를 행했지만, 본 실시형태에서는 셀의 단전지 전압에 기초하여 충방전 제어를 행한다.

이하, 상기 서술한 제 1 실시형태와 공통되는 점에 대해서는 설명을 생략하고, 상이한 점에 대하여 주로 설명한다.

도 4 에는 본 실시형태에 관련된 축전 시스템 (1') 의 개략 구성이 나타나 있다. 도 4 에서 도 1 과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고 있다.

도 4 에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시형태의 축전 시스템의 제어 장치 (3') 에는, 각 전지 셀의 단전지 전압 V' 가 입력되도록 되어 있다.

제어 장치 (3') 는, 각 전지 셀의 단전지 전압 V' 가 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 전압 범위 내가 되도록 충방전을 제어한다. 구체적으로는, 어느 단전지 전압 V' 가 저열화 전압 범위의 상한값 V1' 에 달하거나 혹은 초과한 경우에 보간 방전을 행하여, 단전지 전압 V' 를 저열화 전압 범위 내로 되돌린다. 마찬가지로, 어느 단전지 전압 V' 가 저열화 전압 범위의 하한값 V2' 에 달하거나 혹은 하회한 경우에 보간 충전을 행하여, 단전지 전압 V' 를 저열화 전압 범위 내로 되돌린다.

또한, 이와 같은 보간 충전 또는 보간 방전은, 어느 단전지 전압 V' 가 상기 저열화 전압 범위를 벗어난 시점에 바로 행하는 것으로 해도 되고, 혹은 충방전 허용 시간대가 설정되어 있는 경우에는 그 시간대에 행하는 것으로 해도 된다.

다음으로, 저열화 전압 범위는, 예를 들어 이하와 같은 순서로 결정된다.

먼저, 1 일분의 목표 열화율 D (％/day) 를 결정하고, 1 일의 열화율이 목표 열화율 D 이하가 되는 저열화 전압 범위 (V2' 이상 V1' 이하) 를 결정한다. 예를 들어, 셀이 도 2 에 나타내는 바와 같은 열화 특성을 갖는 경우로서, 목표 열화율 D 를 0.02 (％/day) 로 했을 경우, 저열화 전압 범위는 3.85 V 이상 4.2 V 이하의 범위 내에서 임의로 설정할 수 있다. 예를 들어, 상한값 V1' 을 4.2, 하한값 V2' 를 3.85 V 로 설정할 수 있다.

여기에서, 상기 저열화 전압 범위는 셀의 평균 특성으로부터 결정해도 되고, 열화율의 예측 최악값으로부터 결정해도 된다. 이와 같이, 저열화 전압 범위를 결정하기 위한 특성에 대해서는 적절히 선택할 수 있다.

또, 비교하는 셀의 단전지 전압 V' 는, 축전 시스템 내의 셀의 최대 전압, 평균 전압 혹은 최소 전압 중 어느 것을 사용해도 된다.

또한, 상기 저열화 전압 범위의 상한값 V1' 및 하한값 V2' 는, 상기 서술한 제 1 실시형태와 마찬가지로, 전지 내부 저항 및 배선 저항에 의한 전압 강하가 있는 경우를 고려하여 이하와 같이 설정하는 것으로 해도 된다.

예를 들어, 단전지 전압 충전시의 충전 전류가 10 A, 셀의 전지 내부 저항이나 배선 저항의 합계를 0.01 Ω 으로 하면, 상한값 V1' 은, 이하의 (5) 식과 같이 구해진다.

V1' = 4.2 (V) + 10 (A) * 0.01 (Ω) = 4.3 (V) (5)

마찬가지로, 하한값 V2' 는 이하의 (6) 식과 같이 구해진다.

V2' = 3.85 (V) - 10 (A) * 0.01 (Ω) = 3.75 (V) (6)

또한, 상기 (5) 식과 (6) 식의 충방전 전류와 내부 저항 및 배선 저항에 의한 보정항은, 현재의 전류값에 따라 변화시켜도 된다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 각 셀의 성능 편차가 커서 전체 단전지 전압을 상기 저열화 전압 범위로 할 수 없는 경우에는, 상한값 V1' 및 하한값 V2' 중 어느 것을 우선시키는 것으로 해도 된다.

예를 들어, 상한값 V1' 을 우선시킨 경우에는, 어느 단전지 전압 V' 가 상한값 V1' 을 초과한 경우에, 모든 단전지 전압이 상한값 V1' 이하가 되도록 보간 방전을 행한다. 이 경우, 보간 방전을 행하고 있을 때, 다른 셀의 단전지 전압이 하한값 V2' 이하가 되어도 보간 방전을 계속해서 행하게 된다. 또, 어느 단전지 전압 V' 가 하한값 V2' 를 하회한 경우에 모든 단전지 전압이 하한값 V2' 이상이 되도록 보간 충전을 행하는데, 이 경우, 보간 충전 중에 다른 셀의 단전지 전압이 상한값 V1' 에 달한 경우에는, 보간 충전을 정지시키게 된다.

이에 대해, 하한값 V2' 를 우선시킨 경우에는, 어느 단전지 전압이 하한값 V2' 를 초과한 경우에, 모든 단전지 전압이 하한값 V2' 이상이 되도록 보간 충전을 행한다. 이 경우, 보간 충전을 행하고 있을 때, 다른 셀의 단전지 전압이 상한값 V1' 이상이 되어도 보간 충전을 계속해서 행하게 된다. 또, 어느 단전지 전압 V' 가 상한값 V1' 을 초과한 경우에 모든 단전지 전압이 상한값 V1' 이하가 되도록 보간 방전을 행하는데, 이 경우, 보간 방전 중에 다른 셀의 단전지 전압이 하한값 V2' 에 달한 경우에는, 보간 방전을 정지시키게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 축전 시스템 (1') 에 의하면, 단전지 전압 V' 가 저열화 전압 범위의 상한값 V1' 에 달하거나 또는 상한값 V1' 을 초과한 경우에, 단전지 전압 V' 가 저열화 전압 범위 내가 되도록 보간 방전이 제어 장치 (3) 에 의해 행해지고, 또 단전지 전압 V 가 저열화 전압 범위의 하한값 V2' 에 달하거나 또는 하한값 V2' 를 하회한 경우에, 단전지 전압 V' 가 저열화 전압 범위 내가 되도록 제어 장치 (3) 에 의해 보간 충전이 행해진다. 이와 같이, 셀 단위로 전압을 감시하기 때문에, 보다 세밀한 충방전 제어를 할 수 있게 된다. 또, 셀에 성능 편차가 있어도 가능한 한 각 셀의 단전지 전압을 저열화 전압 범위 내로 할 수 있다.

또한, 상기 서술한 실시형태에서는, 단전지 전압 V' 가 열화 전압 범위 내가 되도록 충방전 제어를 행하는 것으로 했는데, 이 대신에 단전지의 충전율 SOC 에 기초하여 충방전 제어를 행하는 것으로 해도 된다.

이 경우, 예를 들어 제어 장치 (3) 가 충전율 SOC' (％) 와 단전지 전압 V' 의 상관 테이블을 가지고 있어, 이 상관 테이블로부터 단전지 전압 V' 에 대응하는 충전율 SOC' 를 산출한다. 또, 제어 장치 (3') 에는 저열화 충전율 범위로서 단전지 전압 V1', V2' 에 상당하는 충전율 SOC1', SOC2' 가 설정되어 있어, 각 셀의 충전율 SOC' 가 이 저열화 충전율 범위 (SOC2' 이상 SOC1' 이하) 내가 되도록 충방전 제어를 행한다.

또한, 충전율의 범위에 대해서는, 상기 조전지 전압 V1', V2' 에 대응하는 충전율을 상관 테이블을 사용하여 구하는 것 외에, 예를 들어 도 3 에 나타내는 바와 같이 충전율에 대한 전지 열화율을 나타내는 열화 특성을 이용하여, 전지 열화율이 목표 열화율 D 이하가 되는 충전율의 범위를 구하는 것으로 해도 된다.

〔제 3 실시형태〕

다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 축전 시스템에 대하여 설명한다.

상기 서술한 제 1 또는 제 2 실시형태에 관련된 축전 시스템에서는, 전지 열화를 억제하기 위해, 항상 조전지 전압 V 혹은 단전지 전압 V' 가 저열화 전압 범위 내가 되도록 충방전을 행하고 있기 때문에, 조전지 (2) 에 저장되어 있는 에너지를 유효하게 이용할 수 없었다.

본 실시형태에서는, 상기 서술한 저열화 전압 범위 내에서 충방전을 행함으로써 전지 열화를 억제하는 「저열화 운전 모드」 와, 저열화 전압 범위보다 넓은 전압 범위에서 충방전을 행함으로써 조전지 (2) 에 저장되어 있는 에너지를 유효하게 이용할 수 있는 「통상 운전 모드」 를 형성하여, 부하 (5) 로부터의 요구 전력 등에 따라 적절한 운전 모드를 선택할 수 있도록 하고 있다.

여기에서, 「통상 운전 모드」 란 미리 설정되어 있는 허용 전압 범위 (예를 들어, 2.2 V 이상 4.2 V 미만) 내에서 충방전을 행하는 운전 모드이다. 허용 전압 범위는, 상기 서술한 저열화 전압 범위의 전압 폭보다 넓은 전압 폭 (상한값 - 하한값) 을 갖도록 설정되어 있다.

또, 「통상 운전 모드」 에서는, 미리 설정되어 있는 제어 조건에 따라서 충방전이 행해진다.

도 5 는 통상 운전 모드에 속하는 각종 운전 모드를 예시하여 나타낸 표이다. 도 5 에 나타나 있는 바와 같이, 예를 들어 계통 연계 로드 레벨링에서는, 미리 설정되어 있는 충전 시간대에 계통 전력을 조전지 (2) 에 공급하고, 또 미리 설정되어 있는 방전 시간대에 조전지 (2) 로부터 부하 (5) 에 전력을 공급하도록 제어 장치 (3) 가 전력 변환 장치 (4) 등을 제어한다. 계통 연계 피크 클리핑에서는, 미리 설정된 충전 시간대에 계통 전력을 조전지 (2) 에 공급하고, 또 미리 설정되어 있는 방전 시간대에 계약 전력 초과분의 전력을 조전지 (2) 로부터 부하 (5) 에 공급하도록 제어 장치 (3) 가 전력 변환 장치 등을 제어한다. 또, 강제 충전 및 강제 방전은, 사용자로부터 충전 또는 방전의 지시가 입력되었을 경우에, 이 지시에 따라서 강제적으로 충전 또는 방전을 행하는 것이다.

상기 서술한 「통상 운전 모드」 와 「저열화 운전 모드」 란, 수동으로 또는 자동적으로 전환할 수 있도록 되어 있다.

축전 시스템에는 사용자가 모드 전환을 지시하기 위한 입력부 (도시 생략) 가 형성되어 있어, 이 입력부로부터 입력된 운전 모드 전환 지시에 따라서 소정의 운전 모드에서 제어 장치 (3) 가 충방전 제어를 행한다. 또, 입력부로부터 자동 전환을 하기 위한 조건을 입력할 수도 있다. 예를 들어, 계절, 달, 요일, 시간 등을 설정함으로써 모드 전환의 스케줄링을 할 수 있게 된다. 또, 일시 등에 따라 모드 전환 조건을 설정하는 것 외에, 예를 들어 요구 전력 등에 따라 모드 전환 조건을 설정하는 것으로 해도 된다. 이와 같이, 모드 전환 조건은 특별히 제한되지 않는다.

또, 운전 모드의 전환 조건을 미리 등록해 두고, 이 전환 조건에 따라서 자동적으로 운전 모드를 전환하는 것으로 해도 된다.

자동적으로 운전 모드를 전환하는 경우에는, 예를 들어 이하와 같은 조건에 따라서 모드 전환을 행하는 것으로 해도 된다.

전력 요금이 저렴한 야간 시간대 (예를 들어, 23 시부터 다음날 6 시) 에 상용 계통으로부터 전력을 조전지 (2) 에 충전하고, 전력 요금이 비교적 비싼 주간 시간대 (예를 들어, 6 시부터 23 시) 에 조전지 (2) 에 저장된 전력을 부하 (5) 등에 공급하는 전력 저장 시스템에 당해 축전 시스템을 적용하는 경우에는, 이하와 같은 판단을 함으로써 운전 모드를 전환한다.

이 경우, 제어 장치는, 방전시 (예를 들어, 6 시부터 23 시) 에 저부하 상태인지 통상 부하 상태인지를 판단한다. 예를 들어, 제어 장치 (3) 는 방전시에 단전지 전압 V', 조전지 전압 V, 방전 전력 W, 방전 전류 I 를 계측하고, 각 계측값에 대하여 일정 기간 (시간, 일간, 주간, 월간 등) 의 최대값, 최소값, 평균값, 적산값 중 적어도 1 개는 연산한다.

그리고, 각 계측값 및 각 연산 결과 중 어느 것이 이하의 조건 1 에 나타낸 요건 1-1 부터 요건 1-6 중 어느 것에 해당했을 경우에 저부하 상태인 것으로 판단하고, 한편 이하의 조건 2 에 나타낸 요건 2-1 부터 요건 2-6 중 어느 것에 해당했을 경우에 통상 부하 상태인 것으로 판단한다.

저부하 상태인 경우에는, 운전 모드에 「저열화 운전 모드」 를 설정함으로써 전지 열화를 억제하고, 또 통상 부하 상태인 경우에는, 운전 모드에 「통상 운전 모드」 를 설정함으로써, 조전지 (2) 에 저장된 전력을 적극적으로 방전함으로써 조전지의 전력을 유효하게 사용한다.

조건 1

요건 1-1 : 단전지 전압 V' 의 최소값이 미리 설정된 저열화 운전 이행값 Vp' 이상

요건 1-2 : 조전지 전압 V 의 최소값이 미리 설정된 저열화 운전 이행값 Vp 이상

요건 1-3 : 방전 전력 W 의 최대값이 미리 설정된 저열화 운전 이행값 Wp 이하

요건 1-4 : 방전 전류 I 의 최대값이 미리 설정된 저열화 운전 이행값 Ip 이하

요건 1-5 : 전력량 W 의 적산값이 미리 설정된 저열화 운전 이행값 Wf 이하

요건 1-6 : 전류량 I 의 적산값이 미리 설정된 저열화 운전 이행값 If 이하

조건 2

요건 2-1 : 단전지 전압 V' 의 계측값이 미리 설정된 통상 운전 이행값 Vq' 이하

요건 2-2 : 조전지 전압 V 의 계측값이 미리 설정된 통상 운전 이행값 Vq 이하

요건 2-3 : 방전 전력 W 의 계측값이 미리 설정된 통상 운전 이행값 Wq 이상

요건 2-4 : 방전 전류 I 의 계측값이 미리 설정된 통상 운전 이행값 Iq 이상

요건 2-5 : 전력량 W 의 적산값이 미리 설정된 통상 운전 이행값 Wh 이상

요건 2-6 : 전류량 I 의 적산값이 미리 설정된 통상 운전 이행값 Ih 이상

또한, 상기 서술한 각 저열화 운전 이행값 및 각 통상 운전 이행값은, 최대값, 최소값, 평균값, 적산값의 전(前)회분을 메모리에 기억시키고, 그 기억 데이터에 대한 최신 데이터의 변화 비율로 지정할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 축전 시스템에 의하면, 「통상 운전 모드」 와 「저열화 운전 모드」 를 구비하기 때문에, 부하 (5) 의 요구 전력 등의 상황에 따라 적절한 운전 모드를 채용할 수 있게 된다. 이로써, 예를 들어, 통상 부하 상태에서는, 「통상 운전 모드」 를 설정함으로써 전지 용량을 최대한으로 발휘시킬 수 있어, 조전지에 저장된 전력을 유효하게 이용할 수 있게 된다. 또, 저부하 상태에서는, 「저열화 운전 모드」 를 설정함으로써 방전 전류를 최대한 억제함으로써, 전지의 열화를 억제할 수 있게 된다.

또, 상기 운전 모드의 전환을 자동으로 행함으로써, 사용자를 번거롭게 하지 않고, 전지의 사용 상태에 따라 적절한 운전 모드를 설정할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 서술하였지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다.

Claims

망간계 정극 재료를 사용한 적어도 1 개의 리튬 2 차 전지를 갖는 축전 장치와,
상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 전압 범위 내에서 충방전을 제어하는, 축전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 전지 전압이 저열화 전압 범위에서 벗어난 경우에, 전지 전압이 저열화 전압 범위 내이고, 또한 고압측에 설정된 기준 전지 전압과 일치될 때까지 충전 또는 방전을 행하는, 축전 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
저열화 운전 모드를 포함하는 복수의 운전 모드를 구비하고,
상기 저열화 운전 모드가 선택된 경우에, 상기 제어 장치가 상기 저열화 전압 범위 내에서 충방전 제어를 행하는, 축전 시스템.
망간계 정극 재료를 사용한 적어도 1 개의 리튬 2 차 전지를 갖는 축전 장치와,
상기 축전 장치의 충방전을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는, 목표로 하는 전지 열화율에 기초하여 설정된 저열화 충전율 범위 내에서 충방전을 제어하는, 축전 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 충전율이 저열화 충전율 범위에서 벗어난 경우에, 충전율이 저열화 충전율 범위 내이고, 또한 고충전율측에 설정된 기준 충전율과 일치될 때까지 충전 또는 방전을 행하는, 축전 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
저열화 운전 모드를 포함하는 복수의 운전 모드를 구비하고,
상기 저열화 운전 모드가 선택된 경우에, 상기 제어 장치가 상기 저열화 충전율 범위 내에서 충방전 제어를 행하는, 축전 시스템.
제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 운전 모드의 전환을 수동으로 설정하기 위한 입력부를 구비하는, 축전 시스템.
제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 제어 장치에는 상기 운전 모드의 전환 조건이 미리 등록되어 있어, 그 전환 조건에 기초하여 상기 운전 모드의 전환을 행하는, 축전 시스템.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 설정된 시간대에 충전을 행하고, 미리 설정된 시간대에 방전을 행하는 전력 저장 시스템에 사용되는, 축전 시스템.
제 9 항에 있어서,
충전 시간대를 야간으로 설정하고, 방전 시간대를 주간으로 설정한, 축전 시스템.