KR20150106912A

KR20150106912A - 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템 및 충방전 전력 등의 배분 방법

Info

Publication number: KR20150106912A
Application number: KR1020157021555A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 도하라; 요시토 사메다; 마미 미즈타니; 다모츠 엔도
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2015-09-22
Also published as: CN105027379B; CN105027379A; KR101725701B1; US9825474B2; ES2657417T3; EP2966751B1; EP2966751A4; EP2966751A1; US20160013670A1; JP6157880B2; JP2014171335A; WO2014136705A1

Abstract

각 전지의 장기 수명화나 시스템 전체의 충방전(에너지) 효율 향상에 기여할 수 있는 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템을 제공한다. 이차 전지 시스템(10)은, 개별로 충방전 제어 가능한 복수의 전지 3-1 내지 3-30과, 상기 전지 각각에 대응해서 접속되어 상기 전지에 충방전을 행하는 복수의 PCS2-1 내지 2-30과, 일정 주기 또는 임의의 타이밍에서 시스템 전체로서의 충방전 전력값을 PCS2-1 내지 2-30의 각각에 대하여 배분하는 전지 컨트롤러(1)를 구비한다. 전지 컨트롤러(1)는, 전지 3-1 내지 3-30 각각의 SOC에 관한 열화 특성에 기초하여 각 시점에서 복수의 전지 3-1 내지 3-30에 우선 순위 부여를 행하는 우선 순위 산출부와, 상기 우선 순위에 따라서 PCS2-1 내지 2-30에 대한 충방전 전력값을 배분하는 배분 비율 결정부를 갖는다.

Description

복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템 및 충방전 전력 등의 배분 방법 {SECONDARY CELL SYSTEM HAVING PLURALITY OF CELLS, AND METHOD FOR DISTRIBUTING CHARGE/DISCHARGE ELECTRIC POWER}

본 발명의 실시 형태는, 개별로 충방전 제어 가능한 전지를 복수 갖는 이차 전지 시스템 및 그 이차 전지 시스템을 사용한 충방전 전력 또는 전류(이하, 충방전 전력 등으로 기재함)의 배분 방법에 관한 것이다.

태양광, 풍력 등의 자연 에너지를 이용한 발전의 변동 억제, 전력 수요의 변동 억제나 피크 시프트 등의 용도로 이차 전지에 의한 대규모 축전 시스템의 이용이 기대되고 있다. 이러한 대규모 축전 시스템을 구성하기 위해서는, 개별로 충방전 전력 등을 제어 가능한 전지(서브 전지 시스템: 이하, 단순히 「전지」라고 기재함)를 복수개 조합해서 이용하는 케이스가 증가하게 된다. 이러한 복수의 전지를 포함하는 시스템에서는, 축전 시스템 전체에 대한 충방전 전력 등의 명령값을 구성 요소인 개별 전지에 어떻게 배분할지가 문제가 된다.

일본 특허 공개 제2008-118790호 공보 일본 특허 공개 제2011-177025호 공보 일본 특허 공개 제2012-210039호 공보

개별로 충방전 제어 가능하며, 특히 다종 다양한 종류를 포함하는 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템에서는, 각 전지에 대한 충방전 전력 배분을 적절하게 행하지 않으면, 각 전지의 조기 열화나, 시스템 전체의 충방전 에너지 효율이 저하되어 버린다. 예를 들어, 일반적인 납 축전지는 저SOC(State of Charge: 잔량), 리튬 이온 전지는 고SOC에서 각각 열화가 진행되기 쉽고, 장기간 체류하는 SOC 영역을 적절하게 고려하지 않으면 수명이 짧아지는 경우가 있었다.

또한, 시스템 전체의 충방전 전력이 정격 전력에 비해 극단적으로 적은 저부하 운전 시에는, 충방전 전력을 전체 전지에 균등하게 배분하면 PCS(Power Conditioning System: 전력 변환기)의 저효율 영역에서의 운전으로 되어, 에너지 효율의 저하를 초래하게 되어 버린다.

본 발명의 실시 형태는, 각 전지의 장기 수명화나 시스템 전체의 충방전(에너지) 효율 향상에 기여할 수 있는 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템 및 그 이차 전지 시스템을 사용한 충방전 전력 등의 배분 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 실시 형태에 따른 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템은, 개별로 충방전 제어 가능한 복수의 전지와, 상기 전지의 각각에 대응해서 접속되어 상기 전지에 충방전을 행하는 복수의 충방전 장치와, 일정 주기 또는 임의의 타이밍에서 시스템 전체로서의 충방전 전력값 또는 전류값을 상기 충방전 장치의 각각에 대하여 배분하는 전지 컨트롤러를 구비하고, 상기 전지 컨트롤러는, 상기 전지의 각각의 SOC에 관한 열화 특성에 기초하여 각 시점에서 상기 복수의 전지에 우선 순위 부여를 행하는 우선 순위 산출부와, 상기 우선 순위에 따라서 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값 또는 전류값을 배분하는 배분 비율 결정부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 충방전 전력 등의 배분 방법은, 개별로 충방전 제어 가능한 복수의 전지와, 상기 전지의 각각에 대응해서 접속되어 상기 전지에 충방전을 행하는 복수의 충방전 장치와, 일정 주기 또는 임의의 타이밍에서 시스템 전체로서의 충방전 전력값 또는 전류값을 상기 충방전 장치의 각각에 대하여 배분하는 전지 컨트롤러를 구비하고, 상기 전지 컨트롤러에 의해, 상기 전지의 각각의 SOC에 관한 열화 특성에 기초하여 각 시점에서 상기 복수의 전지에 우선 순위 부여를 행하고, 상기 우선 순위에 따라서 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값 또는 전류값을 배분하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이차 전지 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 실시 형태의 전지 컨트롤러의 상세한 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 충전 요구 특성을 구하는 방법을 설명하는 그래프이며, (a)는 SOC와 열화 속도의 관계, (b)는 SOC와 충전 요구의 관계이다.
도 4는 특정 종류의 전지에 관한 SOC와 충전 요구의 관계를 나타내는 그래프이며, (a)는 종류 A의 전지(리튬 이온 전지)의 경우, (b)는 종류 B의 전지(납 축전지)의 경우이다.
도 5는 특정 종류의 전지(PCS를 포함함)에 대한 정격 전력비로 나타낸 충방전 전력값과 충방전 효율의 관계를 나타내는 그래프이며, (a)는 종류 A의 전지의 경우, (b)는 종류 B의 전지의 경우이다.
도 6은 배분하는 전력의 범위를 설명하는 그래프이다.
도 7은 최고 효율점을 정격 전력비로 67％로 한 경우의 3종의 배분 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 최고 효율점을 정격 전력비로 40％로 한 경우의 3종의 배분 방법의 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 실시 형태의 이차 전지 시스템에 의한 충방전 전력의 배분 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 충전 요구 특성을 이용한 열화 억제 효과를 설명하는 그래프이다.
도 11은 충방전 효율 특성을 이용한 고충방전 효율화를 설명하는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

(이차 전지 시스템의 구성)

도 1에, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이차 전지 시스템의 구성을 나타낸다.

본 이차 전지 시스템(10)은 각 전지에 대하여 충방전 전력의 배분을 행하는 전지 컨트롤러(1)와, 각 전지에 접속되어서 상기 전지의 충방전을 행하는 복수(예를 들어 30개)의 PCS2-1 내지 2-30과, 상기 PCS2-1 내지 2-30과 1:1로 대응해서 설치된 충방전 가능한 복수(예를 들어 30개)의 전지 3-1 내지 3-30을 구비하고 있다. 이 이차 전지 시스템(10)에서는, 다종 다양한 전지 3-1 내지 3-30이 각각 대응한 PCS2-1 내지 2-30의 DC측에 접속됨과 함께, PCS2-1 내지 2-30의 AC측이 모두 병렬 접속되어서 전력 계통(4)에 연계 접속되어 있다. 또한, PCS2-1 내지 2-30은 모두 전지 컨트롤러(1)에 접속된다.

(전지 컨트롤러(1)의 구성)

도 2에, 전지 컨트롤러(1)의 상세한 구성을 나타낸다.

전지 컨트롤러(1)는 SOC 데이터 보존부(11)와, 충전 요구 특성 보존부(12)와, 충방전 효율 특성 보존부(13)와, 충전 요구값 산출부(14)와, 우선 순위 산출부(15)와, 배분 비율 결정부(16)를 구비하고 있다. 전지 컨트롤러(1)는, 이들 요소에 의해, 일정 주기마다(예를 들어 1분마다) 배분처의 전지 3-1 내지 3-30에 대한 우선 순위를 결정하고, 이 우선 순위에 따른 충방전 전력의 배분을 결정한다.

(SOC 데이터 보존부(11))

SOC 데이터 보존부(11)는 임의의 시점에서의 각 전지 3-1 내지 3-30의 SOC(State of Charge: 잔량)의 데이터 및 그 시점에서의 온도의 데이터를 취득하고 보존한다.

(충전 요구 특성 보존부(12))

충전 요구 특성 보존부(12)는, 각 전지 3-1 내지 3-30에 대하여 이하에서 설명하는 SOC, 온도의 각 값에 대한 충전 요구 특성의 데이터를 테이블 형식 등으로 보존한다.

충전 요구 특성은, 열화 억제·장기 수명화의 목적으로 이용되는 특성이며, 대상으로 하는 전지를 최대한 열화시키지 않기 위한 충전 필요성의 정도를 나타낸다. 이 충전 요구 특성은, 각 전지 3-1 내지 3-30의 SOC와 온도의 각 값에 대한 열화 속도 특성에 기초하는 특성값이며, 미리 각종 조건에서의 가속 수명 시험 등을 행하고, 그 결과 얻어진 열화 속도 특성을 바탕으로 제작해 둔다. 전지의 열화 요인으로서 캘린더 열화와 충방전 사이클 열화가 있지만, 본 특성은 캘린더 열화에 대응한다. 충전 요구 특성은, 현상의 SOC보다 고SOC측에서 열화 속도가 저하되는 경우에는 플러스 값으로 되고, 현상의 SOC보다 저SOC측에서 열화 속도가 저하되는 경우에는 마이너스 값으로 된다. 즉, 어떤 온도에서의 충전 요구 특성 커브는, 상기 온도에서의 열화 속도 커브의 미분값의 부호를 반전시킨 특성과 유사한 특성으로 된다.

각 전지의 충전 요구 특성을 구하는 구체적인 하나의 방법은, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 상기 전지의 캘린더 열화 시험 결과를 바탕으로 해서 SOC와 열화 속도(예를 들어 단위 시간당 용량 저감율)의 그래프를 작성하고, 이를 SOC에 대해서 미분해서 부호 반전한 것을 사용하는 것이다. 왜냐하면, SOC에 관한 열화 속도의 미분값이 정인 경우, SOC가 증가할수록 열화가 빨라지기 때문에, 충전 요구 특성은 부(방전되는 편이 바람직함)이며, SOC에 관한 열화 속도의 미분값이 부인 경우, SOC가 증가할수록 열화가 느려지기 때문에, 충전 요구 특성은 정(충전하는 편이 바람직함)이기 때문이다. 상기 방법을 고려해서 구한 SOC와 충전 요구의 관계에 대해서 도 3의 (b)에 나타낸다.

또한, 특정 종류의 전지에 관한 SOC와 충전 요구의 관계를 도 4에 나타낸다. 일반적인 리튬 이온 전지의 경우, 고SOC측에서 열화되기 쉽기 때문에, 충전 요구 특성은, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이 고SOC측으로 갈수록 마이너스측으로 기울어지는(즉, 이 영역에 들어가지 않도록, 가능한 한 충전하지 않는 취지의) 특성으로 된다. 또한, 저SOC측도 열화면에서는 반드시 좋지는 않기 때문에, 충전 요구 특성은 도 4의 (a)와 같이, 저SOC측이 플러스측으로 기울어지는(이 영역으로부터 벗어나기 위해서, 가능한 한 충전하는 취지의) 특성으로 된다.

이에 반해, 일반적인 납 축전지의 경우, 만충전 상태에서 열화가 가장 적고, 저SOC측으로 갈수록 열화 속도가 커지기 때문에, 충전 요구 특성은 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 대부분 전체 SOC 영역에서 플러스측에 있으며, 특히 저SOC측에서 큰 값으로 된다. 또한, 납 축전지에 대해서는 열화면만을 고려하면 항상 만충전이 바람직하다(즉, 충전 요구 특성은 SOC 100％에서 제로로 된다). 그러나, 전지 본래의 설치 목적인 충방전의 예비력을 확보하기 위해서는, 만충전 상태에서는 충전 수용 불가하기 때문에, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 특성 커브의 SOC 100％ 근방은 마이너스측 값으로 하고, 바람직한 대기 상태는 만충전보다 약간 적은 SOC 위치로 하고 있다.

(충방전 효율 특성 보존부(13))

충방전 효율 특성 보존부(13)는, 각 전지 3-1 내지 3-30에 대해서 이하에서 설명하는 사전 효율 특성 시험을 행하고, 그 결과 얻어진 충방전 효율 특성을 보존한다.

충방전 효율 특성은 손실 저감·효율 향상의 목적으로 이용된다.

도 5에, 특정 종류의 전지에 대한 정격 전력비로 나타낸 충방전 전력값과 충방전 효율의 관계를 나타낸다. 충방전 효율은, 각 전지 3-1 내지 3-30과 그에 대응한 PCS2-1 내지 2-30의 세트에 대해서 충방전 에너지 효율, 즉 충전한 에너지(Wh) 중 얼마만큼이 방전으로 취출될 수 있는지의 비율을 나타내는 것이다.

도 5의 (a), (b) 모두 정격 전력비에서의 0％와 100％ 사이의 중간 영역 중 어딘가에 최고 효율점 전력값(MEP: Maximum Efficiency Point)이 존재한다. 그 이유는, 고출력 영역에서는 전지의 내부 저항을 포함한 저항분에 의한 주울 손실이 전류의 제곱에 비례해서 증가하는 것, 한편, 저출력 영역에서는 제어 회로 등의 자기 소비 전력분의 영향이 상대적으로 증가함에 의한다.

(충전 요구값 산출부(14))

충전 요구값 산출부(14)는, 각 전지 3-1 내지 3-30에 대하여 충전 요구 특성 보존부(12)로부터 그 고유의 충전 요구 특성을 취득하고, SOC 데이터 보존부(11)로부터 당해 시점의 SOC의 데이터를 취득하여 충전 요구값을 산출한다.

(우선 순위 산출부(15))

우선 순위 산출부(15)는, 전지 3-1 내지 3-30의 우선 순위 부여에서, 전지 3-1 내지 3-30의 종류마다 미리 규정된 SOC에 대한 「충전 요구 특성」값을 이용한다. 즉, 우선 순위 산출부(15)는 시스템 전체로서의 충방전 전력값 Ptotal(tn)이 충전측인 경우에는 당해 시점의 각 전지 3-1 내지 3-30의 충전 요구값이 높은 것으로부터 순서대로 우선 순위를 부여하고, 시스템 전체로서의 충방전 전력값이 방전측인 경우에는 당해 시점의 각 전지 3-1 내지 3-30의 충전 요구값이 낮은 것으로부터 순서대로 우선 순위를 부여한다.

(배분 비율 결정 방법)

배분처의 전지에 대하여 우선 순위가 결정된 후에는, 상기 순위에 따라서 각 전지 3-1 내지 3-30에 배분하는 전력값을 결정할 필요가 있다. 배분 비율 결정 방법으로서는, 도 6의 정격 전력비와 충방전 효율의 관계를 나타내는 그래프에서, 최대값인 최고 효율점 전력값(MEP)을 기준으로 하여, 각 전지 3-1 내지 3-30에 배분하는 전력값을, 도 6에 나타낸 MEP로부터 MPP(Maximum Power Point: 충방전 가능 최대 전력값) 사이의 값으로 하는 방법이 있다.

이 방법에서는, 시스템 전체로서의 충방전 명령값이 각 전지의 MEP의 합계값보다 큰 경우에는, 각 전지 3-1 내지 3-30에 대하여 MEP로부터 MPP 사이의 값을 배분할 수 있다. 한편, 시스템 전체로서의 충방전 명령값이 각 전지의 MEP의 합계값보다 작은 경우에는, 충방전 명령값을 완전히 배분하는 마지막 전지에 대한 배분량이 MEP를 하회하고, 또한 이 마지막 배분량을 마지막으로부터 1개 전의 배분이 완료된 전지에 대한 추가 배분을 할 수 없을 때에는, 그대로 마지막 1개의 전지만이 MEP를 하회한 배분값으로 된다. 그러나, 이것으로는 효율적으로 최선의 방법이라고는 말할 수 없다.

이 점에 대해서, 도 7을 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 7에서, 10kW 정격의 전지 3개에 11kW의 명령값을 배분하는 경우에 대해서, 3개의 배분 케이스를 비교한다. 여기서, 충전 요구값(NOC)에 의해 3개의 전지가 전지(1), 전지(2), 전지(3)의 순으로 우선 순위가 부여된 것으로 한다. 또한, 각 전지의 손실 내역에 대해서, 대기 전력분을 P₀으로 하고, 전류 제곱 비례분을 k×P²로 한다. 또한, 각 전지의 최고 효율점 전력을 정격 전력비로 67％라고 가정한다.

또한, 배분 방법으로서, 케이스(A)에서는 전지(1)에 MEP 상당의 6.7kW(67％)를 배분, 전지(2)에 나머지 4.3kW(43％)를 배분한다. 케이스(B)에서는, 전지(1)에 MPP 상당의 10kW(100％)를 배분, 전지(2)에 나머지 1kW(10％)를 배분한다. 케이스(C)에서는, 전지(1)에 5.5kW(55％), 전지(2)에 5.5kW(55％)로 등배분한다. 이들 3개의 케이스에 대해서 손실량을 계산한 결과를 표 1에 나타낸다.

즉, 동일한 2개의 전지에 배분하는 경우에는, 케이스(C)가 가장 손실이 적고, 효율이 높은 것을 알 수 있다. 이는, 손실의 내역에 전류 제곱비분이 있기 때문에, 정격 전력비로 보았을 때의 균등 배분이 가장 손실이 작아지는 것에 의한 것으로 생각된다.

(배분 비율 결정부(16))

상기에서 설명한 방법을 고려한 배분 비율 결정부(16)에서의 배분 비율 결정 방법을 표 2에 나타낸다.

즉, 배분 비율 결정부(16)는, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충방전 가능 최대 전력값(MPP)의 합계값과, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값을 비교하고, 후자가 전자보다 큰거나 동일한 경우에는, 모든 전지 3-1 내지 3-30에 그 충방전 가능 최대 전력값(MPP)을 배분한다. 또한, 후자가 전자보다 큰 경우에는, 명령값을 완전히 배분할 수는 없게 된다.

또한, 배분 비율 결정부(16)는, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충방전 가능 최대 전력값(MPP)의 합계값보다 작고, 또한 전체 전지 3-1 내지 3-30의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값보다도 크거나 동일한 경우에는, 충방전 가능한 전체 전지에 그 MEP를 일단 배분하고, 미배분된 나머지를 배분이 완료된 각 전지에 여력(MPP-MEP)의 비로 추가 배분한다.

또한, 배분 비율 결정부(16)는, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 전체 전지 3-1 내지 3-30의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값보다도 작은 경우에는, 충방전 가능한 우선 순위의 상위 n개의 전지에 MEP의 비로 배분한다. 여기서, 개수의 n에 대해서는, 배분 전력과 MEP의 비가 가장 1에 가까워지고, 가장 효율이 높아지는 n을 채용한다.

이 점에 대해서, 도 8을 이용하여 구체적으로 설명한다. 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 전체 전지 3-1 내지 3-30의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값보다도 작은 경우에는, 시스템으로서의 충방전 전력에 여력이 있기 때문에, 배분처의 전지의 수를 줄이는 것이 가능하다. 도 8에, 예로서, 1개로 배분한 케이스(A), 2개로 배분한 케이스(B), 3개로 배분한 케이스(C)을 나타냈지만, 배분처가 복수개인 경우, MEP에 비례한 배분으로 하고 있다. 최고 효율로 되는 배분법은, 배분량이 MEP에 가까운 케이스(B), (C) 중 어느 하나라고 생각된다. 엄밀하게는 표 1에 나타내는 바와 같이, 양자의 효율을 계산해서 결정하게 되지만, 효율 특성은 일반적으로 MEP 부근의 기울기는 작기 때문에, 어느 쪽의 케이스를 채용하더라도 큰 차이는 없다고 생각된다. 따라서, 가장 간단한 대응책으로서는, 각 전지에 MEP로 배분해 갔을 때의 마지막 배분량이 상기 전지의 MEP의 1/2 미만이라면, 도 8의 케이스(B)와 같이 1개 전의 전지까지 MEP비로 등배분으로 되도록 덧붙이고, 1/2 이상이라면 케이스(c)와 같이 상기 전지를 포함해서 MEP비로 등배분하는 것이다.

이상의 처리에 의해, 전지 열화 속도가 큰 SOC 영역에 대한 장기간 체류의 회피와, 저부하 운전 시의 효율 저하 회피의 양자의 달성이 가능해진다.

(작용)

본 실시 형태의 이차 전지 시스템(10)에 의한 충방전 전력 배분 방법을 도 9에 따라서 설명한다.

우선, 전지 컨트롤러(1)의 충전 요구값 산출부(14)는, 모든 전지 3-1 내지 3-30에 대해서, 충전 요구 특성 보존부(12)로부터 그 고유의 충전 요구 특성 데이터(SOC의 각 값에 대한 특성값)를 취득하고, SOC 데이터 보존부(11)로부터 당해 시점의 SOC를 취득하여, 충전 요구값을 산출한다(스텝 S11). 이어서, 우선 순위 산출부(15)는 충전 요구값 산출부(14)로부터 충전 요구값을 취득하고, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 충전 방향인 경우에는 충전 요구값이 큰 전지로부터, 또한 방전 방향인 경우에는 충전 요구값이 작은 전지로부터, 순서대로 우선 순위 부여를 행한다(스텝 S12).

이어서, 배분 비율 결정부(16)는, 충방전 효율 특성 보존부(13)로부터 취득한 각 전지 3-1 내지 3-30에 대하여 충방전 효율 특성에 기초하여, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충방전 가능 최대 전력값(MPP)의 합계값과, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값을 비교한다(스텝 S13). 후자가 전자보다 크거나 동일한 경우(스텝 S13에서 "예")에는 모든 전지 3-1 내지 3-30에 그 충방전 가능 최대 전력값(MPP)을 배분하고(스텝 S14) 종료한다.

한편, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충방전 가능 최대 전력값(MPP)의 합계값이 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값보다 큰 경우(스텝 S13에서 "아니오")에는, 배분 비율 결정부(16)는 충방전 효율 특성 보존부(13)로부터 취득한 각 전지 3-1 내지 3-30에 대하여 충방전 효율 특성에 기초하여, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값과, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값을 비교한다(스텝 S15). 후자가 전자보다 크거나 동일한 경우(스텝 S15에서 "예")에는, 모든 전지 3-1 내지 3-30에 그 최고 효율점 전력값(MEP)을 일단 배분하고, 나머지를 각 전지의 여력(MPP-MEP)의 비로 배분하고(스텝 S16) 종료한다.

한편, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값이 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값보다 큰 경우(스텝 S15에서 "아니오")에는, 배분 비율 결정부(16)는 우선 순위로 각 전지의 MEP를 배분하고(스텝 S17), 마지막 배분처 전지의 우선 순위를 n으로 한다(스텝 S18).

또한, 배분 비율 결정부(16)는, n번째의 전지 배분량이 MEP의 절반보다도 작고, 또한 1 내지 (n-1)번 전지에 추가 가능한지 여부를 판정한다(스텝 S19). 상기 조건을 만족시키는 경우(스텝 S19에서 "예")에는, n번째 전지의 배분량을 (n-1)개의 배분이 완료된 전지에, 각 전지의 여력(MPP-MEP)의 비로 추가 배분하여 옮긴다(스텝 S20). 이에 반해, 상기 조건을 만족시키지 않는 경우(스텝 S19에서 "아니오")에는, 1 내지 n번의 전지에 대하여 충방전 명령값을 각 전지의 MEP의 비로 다시 배분한다(스텝 S21). 상기 스텝 S20 또는 스텝 S21이 종료된 후, 배분 전력이 제로인 전지(PCS를 포함함)를 저소비전력 모드로 이행시키고(스텝 S22) 종료한다.

(효과)

이하, 본 실시 형태에 의한 효과에 대해서, 충전 요구 특성을 이용한 열화 억제 효과와, 충방전 효율 특성을 이용한 고충방전 효율화로 나누어서 설명한다.

(충전 요구 특성을 이용한 열화 억제 효과)

본 실시 형태의 전지 컨트롤러(1)의 배분 비율 결정부(16)는, 시스템 전체가 충전 방향에 있을 때, 충전 요구가 높은 전지에 우선해서 충전 전력을 배분한다. 즉, 도 10에 나타내는 바와 같이, 충전 요구 커브가 높은 위치에 있는 전지가 낮은 쪽으로 이동하므로, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충전 요구값이 맞춰지는 방향으로 작용한다. 한편, 시스템 전체가 방전 방향에 있을 때, 충전 요구가 낮은 전지에 우선해서 방전 전력을 배분한다. 즉, 충전 요구 커브가 낮은 위치에 있는 전지가 높은 쪽으로 이동하므로 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충전 요구값이 맞춰지는 방향으로 작용한다.

이러한 작용의 결과, 시스템 전체로서의 SOC가 변동될 때, 도 10에 나타낸 바와 같이 수평 방향의 점선이 상하 이동하고, 그에 따라서 각 전지 3-1 내지 3-30의 SOC 위치는 점선과 상기 전지의 충전 요구 커브의 교점 위치로서 이동한다. 즉, 전체 전지 3-1 내지 3-30의 충전 요구값, 즉 그래프의 종축 방향의 높이 위치가 맞춰지도록 이동하게 된다.

따라서, 각 전지 3-1 내지 3-30의 충전 요구 특성을 개별로 설정함으로써, 시스템 전체로서의 각 SOC 포인트에 대한 개개의 전지가 있어야 할 SOC 위치(SOC 분포)를 지정하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 도 10의 예에서는 전지 B는 저SOC 영역에서 열화가 빠른 특성이기 때문에, 도시한 것과 같은 충전 요구 커브로 된다. 이에 의해, 시스템으로서의 고SOC 상태일 때에는 거의 만충전 상태의 위치에 있고, 시스템으로서의 저SOC 상태일 때에도 전지 A보다도 항상 비교적 높은 SOC의 상태를 유지하는 것이 가능해진다.

이상에서 설명한 동작에 의해, 전지 3-1 내지 3-30에서의 각 전지의 SOC에 대한 열화 속도 특성을 고려하여, 열화가 빠른 SOC 영역에 대한 체류 시간을 최대한 피하는 운용을 실현할 수 있다.

(충방전 효율 특성을 이용한 고충방전 효율화)

이어서, 충방전 효율 특성을 이용한 각 전지 3-1 내지 3-30에 대한 충방전 전력 배분에 의한 손실 저감, 즉 고충방전 효율화에 대해서 설명한다.

도 11에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 3개의 전지(전지(1), 전지(2), 전지 3))를 포함하는 시스템에 대하여, 어느 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 1개의 전지만으로 대응 가능한 정도의 값인 경우(즉, 저부하 운전 시), 예를 들어 3개의 전지에 균등하게 전력을 배분하면 모든 전지는 저효율의 조건에서의 운용으로 된다(도 11의 점선 I).

이에 반해, 전술한 열화 억제 관점에서 정한 우선 순위 순으로 최대한 최고 효율점 전력으로 배분하면, 소수의 전지에만 거의 최고 효율점(Pemax) 전력으로 배분하게 되는 한편(도 11의 전지(1)의 점선 II), 나머지 배분 전력 제로(점선 III)의 전지군(전지(2), 전지(3))은 저소비전력의 대기 모드로 이행되는 등, 시스템 전체의 자기 소비 전력을 저감시킬 수 있다.

따라서, 전체 전지 3-1 내지 3-30에 대한 균등 배분보다 높은 충방전 효율, 즉 저손실을 실현시킬 수 있다.

(다른 실시 형태)

(1) 상기 실시 형태에서는, 충전 요구 특성은 SOC에 대한 2차원 그래프로 표현되는 특성으로 했지만(도 4 및 도 10 참조), 일반적으로 전지의 열화에는 SOC 뿐만 아니라 온도도 크게 영향을 미친다. 이로 인해, 충전 요구 특성은 SOC와 온도의 양쪽 파라미터에 대응한 3차원 그래프로 표현할 수도 있다. 단, 이 경우에서도 임의인 시점에서의 온도는 일의적으로 정해지기 때문에, 상기 온도에 대응한 2차원 그래프의 충전 요구 특성값을 사용함으로써 도 9에 나타낸 배분 방법과 마찬가지의 처리를 행할 수 있다.

(2) 본 실시 형태에서 대상으로 하는 복수의 전지로서는 다양한 전지를 사용할 수 있다. 종류도 리튬 이온 전지 외에, 니켈 수소 전지, 납 축전지 등으로 한정되지 않고, 또한 각 전지의 용량(Wh)이나 출력(W)도 맞추어져 있을 필요는 없다.

(3) 각 전지가, 예를 들어 저온 환경 하에 있는 등, 경우에 따라서는 정격 전력까지의 충방전이 불가능한 상황도 상정된다. 이러한 경우에는, 실시 형태에서 설명한 「정격 전력」을 「충방전 가능 최대 전력」으로 함으로써, 상기 실시 형태에서 설명한 배분 방법을 그대로 적용할 수 있다. 이 때, 「최고 효율점 전력」을 「충방전 가능한 범위에서의 최고 효율점」으로 한다.

(4) 상기 실시 형태에서는, 충방전 전력의 배분 방법에 대해서 설명했지만, 충방전 전력 대신에 전류값을 사용할 수도 있다.

(5) 도 10에서는 전지의 수가 2개인 경우에서의 충전 요구 특성을 이용한 열화 억제 효과를 설명하고, 도 11에서는 전지의 수가 3개인 경우에서의 충방전 효율 특성을 이용한 고충방전 효율화에 대해서 설명했지만, 전지의 수는 임의이며, 전지수를 증가시켜도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 명확하다.

(6) 이상, 본 발명의 몇 가지 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것으로, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.

1: 전지 컨트롤러
2-1 내지 2-30: PCS(충방전 장치)
3-1 내지 3-30: 전지
4: 전력 계통
10: 이차 전지 시스템
11: SOC 데이터 보존부
12: 충전 요구 특성 보존부
13: 충방전 효율 특성 보존부
14: 충전 요구값 산출부
15: 우선 순위 산출부
16: 배분 비율 결정부

Claims

개별로 충방전 제어 가능한 복수의 전지와, 상기 전지의 각각에 대응해서 접속되어 상기 전지에 충방전을 행하는 복수의 충방전 장치와, 일정 주기 또는 임의의 타이밍에서 시스템 전체로서의 충방전 전력값 또는 전류값을 상기 충방전 장치 각각에 대하여 배분하는 전지 컨트롤러를 구비하고, 상기 전지 컨트롤러는, 상기 전지의 각각의 SOC에 관한 열화 특성에 기초하여 각 시점에서 상기 복수의 전지에 우선 순위 부여를 행하는 우선 순위 산출부와, 상기 우선 순위에 따라서 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값 또는 전류값을 배분하는 배분 비율 결정부를 갖는 것을 특징으로 하는 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전지 컨트롤러는 또한 각각의 전지의 상기 열화 특성으로서, 상기 전지의 당해 시점의 SOC에 대한 열화 속도를 기초로 한 충전 요구 특성에 의해 충전 요구값을 산출하는 충전 요구값 산출부를 갖는 것을 특징으로 복수 전지를 갖는 이차 전지 시스템.
개별로 충방전 제어 가능한 복수의 전지와, 상기 전지의 각각에 대응해서 접속되어 상기 전지에 충방전을 행하는 복수의 충방전 장치와, 일정 주기 또는 임의의 타이밍에서 시스템 전체로서의 충방전 전력값 또는 전류값을 상기 충방전 장치의 각각에 대하여 배분하는 전지 컨트롤러를 구비하고, 상기 전지 컨트롤러에 의해, 상기 전지의 각각의 SOC에 관한 열화 특성에 기초하여 각 시점에서 상기 복수의 전지에 우선 순위 부여를 행하고, 상기 우선 순위에 따라서 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값 또는 전류값을 배분하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제3항에 있어서, 각각의 전지의 상기 열화 특성으로서, 상기 전지의 당해 시점의 SOC에 대한 열화 속도를 기초로 한 충전 요구 특성을 이용한 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제3항에 있어서, 각각의 전지의 상기 열화 특성으로서, 상기 전지의 당해 시점의 SOC 및 온도에 대한 열화 속도를 기초로 한 충전 요구 특성을 이용한 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 각각의 전지의 상기 충전 요구 특성으로서, 상기 전지의 SOC에 대한 열화 속도 특성의 SOC에 관한 미분값에 비례한 특성값을 이용하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 우선 순위에 따른 각각의 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값의 배분에서, 상기 전지 및 상기 충방전 장치의 충방전 전력에 대한 효율 특성을 기초로 해서 상기 각 충방전 장치에 대한 충방전 전력값을 배분하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제7항에 있어서, 상기 우선 순위에 따른 각각의 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값의 배분에서, 전체 전지의 충방전 가능 최대 전력값(MPP)의 합계값이, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값보다 작거나 동등한 경우에는, 모든 전지에 그 충방전 가능 최대 전력값(MPP)을 배분하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 우선 순위에 따른 각각의 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값의 배분에서, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 전체 전지의 충방전 가능 최대 전력값(MPP)의 합계값보다 작고, 또한 전체 전지의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값보다도 크거나 동일한 경우에는, 충방전 가능한 전체 전지에 그 MEP를 일단 배분하고, 미배분된 나머지를 배분이 완료된 각 전지에 여력(MPP-MEP)의 비로 추가 배분하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 우선 순위에 따른 각각의 상기 충방전 장치에 대한 충방전 전력값의 배분에서, 당해 시점의 시스템 전체의 충방전 전력 명령값이 전체 전지의 최고 효율점 전력값(MEP)의 합계값보다도 작은 경우에는, 배분 전력과 MEP의 비가 가장 1에 가까워지는 개수의 충방전 가능한 전지에 우선 순위가 높은 순으로 MEP의 비로 배분하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.
제3항 내지 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 충방전 전력의 배분 결과, 배분량이 제로인 전지를 충방전 실시 시보다 소비 전력이 적은 저소비전력 모드로 하는 것을 특징으로 하는 충방전 전력 등의 배분 방법.