WO2017158706A1

WO2017158706A1 - 蓄電池評価装置、蓄電システムおよび蓄電池評価方法

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Publication number: WO2017158706A1
Application number: PCT/JP2016/058042
Authority: WO
Inventors: 山本　幸洋; 小林　武則; 佐久間　正剛; 亮介竹内; 卓久和田
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-21
Also published as: JP6431644B2; US20180188330A1; US10845421B2; JPWO2017158706A1

Abstract

【課題】蓄電システムの劣化評価を、その機能を停止させることなく行う。【解決手段】本発明の実施形態としての蓄電池評価装置は、充放電制御部と、劣化評価部とを備える。前記充放電制御部は、充放電電力指令値を取得し、前記充放電電力指令値に従って蓄電装置を充放電するように制御し、前記充放電電力指令値の絶対値がしきい値以下の場合に充放電を行わない不感帯を設け、前記不感帯に前記充放電電力指令値が入った場合は前記充放電を停止するように制御する。前記劣化評価部は、前記蓄電装置が充放電されている状態から前記充放電が停止されたときの前記蓄電装置の電圧の応答特性を計測し、前記応答特性に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を評価する。

Description

蓄電池評価装置、蓄電システムおよび蓄電池評価方法

　本発明の実施形態は、蓄電池評価装置、蓄電システムおよび蓄電池評価方法に関する。

　蓄電システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）は充放電機能を備えており、電力系統が供給する電力の安定や、電力系統における周波数変動の抑制など、電力品質の向上のために用いられる。また、蓄電システムは、需要家のピーク使用量の削減のためにも用いられる。このような蓄電システムは、今後市場の拡大が期待されている。

　蓄電システムは、系統の電力品質向上の用途では、基本的に２４時間／３６５日運転稼働する。このため、蓄電システムの劣化評価を行う場合、蓄電システムの機能を停止させずに、当該劣化評価を行うことが望まれる。現状の主流は、充放電履歴に基づき劣化推定を行うものであるが、２０年といった長期間にわたる運転での状態評価はまだ実現していない。また、蓄電システムのモニタリングおよび遠隔監視により劣化推定を行う方法があるが、これもまだ実現していない。車載用途や下位の配電側用途の蓄電システムでは、稼働中の蓄電システムを停止させることができるため、蓄電システムを停止させて、実際に充放電試験を行って、精密な劣化評価を行うことができる。しかしながら、電力系統における電力品質向上の用途の蓄電システムでは、稼働中の蓄電システムを停止できないため、この方法は現実的ではない。

特開２０１５－３１６７４号公報

　本発明の実施形態は、蓄電システムの機能を停止させることなく、当該蓄電システムの劣化評価を行うことを目的とする。

　本発明の実施形態としての蓄電池評価装置は、充放電制御部と、劣化評価部とを備える。前記充放電制御部は、充放電電力指令値を取得し、前記充放電電力指令値に従って蓄電装置を充放電するように制御し、前記充放電電力指令値の絶対値がしきい値以下の場合に充放電を行わない不感帯を設け、前記不感帯に前記充放電電力指令値が入った場合は前記充放電を停止するように制御する。前記劣化評価部は、前記蓄電装置が充放電されている状態から前記充放電が停止されたときの前記蓄電装置の電圧の応答特性を計測し、前記応答特性に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を評価する。

本発明の実施形態に係る蓄電システムを示す図。充放電電力指令値のグラフの例を示す図。不感帯に含まれる充放電電力指令値をゼロに変換した後の充放電電力指令値のグラフの例を示す図。充放電電力指令値の分布の例を示す図。蓄電池の構成例を示す図。電池モジュールの構成の一例を示す図。状態評価部の構成を示すブロック図。電圧データおよび電流データのグラフ例を示す図。充電量データおよび温度データのグラフ例を示す図。不感帯で充放電電流がゼロになることを示す図。電圧の応答特性を説明する図。正常な蓄電装置の応答特性を示す図。劣化の進んだ蓄電装置の応答特性を示す図。瞬時電圧（Ｖ_Ω＋Ｖ_ＣＴ）の応答特性を示す図。緩和電圧（Ｖ_ｄ）の応答特性を示す図。モデルの例を示す図。モデルの別の例を示す図。劣化状態評価画面の例を示す図。劣化状態評価画面の他の例を示す図。インパルスを説明する図。本発明の実施形態に係る蓄電システムの動作のフローチャートを示す図。本発明の実施形態に係るハードウェア構成例を示す図。

　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

　図１に、本発明の実施形態に係る蓄電システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）１０１を示す。蓄電システム１０１は、充放電制御部１１１と、交直変換機１１２と、蓄電池１１３と、蓄電池評価装置である状態評価部１１４とを備える。蓄電システム１０１は、ＳＣＡＤＡ２０１からの充放電電力指令値（電力指令値）に応じて、電力系統に対する充放電を行う機能を有する。また、蓄電システム１０１は、蓄電池１１３の劣化評価を行って、蓄電池１１３の状態を表すＥＳＳ状態情報をＥＳＳ監視システム３０１に通知する機能を有する。以下、蓄電システム１０１についてさらに詳細に説明する。

　蓄電システム１０１は、変圧器４０２を介して、電力系統４０１に接続されている。変圧器４０２は、電力系統４０１から送電される電力の電圧を変換し、変換後の電力が蓄電システム１０１に供給される。また変圧器４０２は、蓄電システム１０１から放電される電力を系統４０１用の電圧に変換して、変換後の電力を系統４０１に供給する。

　蓄電システム１０１は、通信ネットワークを介して、ＳＣＡＤＡ２０１に接続されている。ＳＣＡＤＡ２０１（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｎｄ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）は、地域内に存在する様々な蓄電システム（ＥＳＳ）１０１を１つの大型ＥＳＳに見立て、個々のＥＳＳに、時間に応じて充放電電力を指示した充放電電力指令値（電力指令値）を送る。これにより、電力系統４０１に対する個々のＥＳＳの充放電を制御する。充放電電力指令値は、充電の指令値および放電の指令値の両方、もしくはこれらのうちの少なくとも一方を含む。図１における蓄電システム１０１は、地域内に存在する様々なＥＳＳのうちの１つに相当する。ＳＣＡＤＡ２０１は、電力会社の中央給電指令所など、上位のエネルギー・マネジメント・システムからの指令、または下位の配電側の個々のエネルギー管理システム（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）からの指令、またはこれらの両方等に基づき、個々のＥＳＳの充放電の制御を行う。

　蓄電システム１０１は、通信ネットワークを介して、ＥＳＳ監視システム３０１に接続されている。ＥＳＳ監視システム３０１は、蓄電システム１０１から提供されるＥＳＳ状態情報に基づき、蓄電システム１０１を監視する。ＥＳＳ監視システム３０１はモニタを備え、監視に基づき画面データを生成して、モニタに表示する。監視員は、モニタに表示された画面を参照することで、ＥＳＳの状態を把握する。ＥＳＳ監視システム３０１は、ＥＳＳの監視結果に応じて、または監視員の指令に応じて、ＥＳＳの動作を制御してもよい。

　蓄電システム１０１およびＥＳＳ監視システム３０１間を接続する通信ネットワークと、ＳＣＡＤＡ２０１および蓄電システム１０１間を接続する通信ネットワークは同じであっても、異なっても良い。通信ネットワークは、無線ネットワーク、有線ネットワーク、またはこれらの混合であってもかまわない。通信プロトコルは、ＳＣＡＤＡ２０１またはＥＳＳに対して独自に定められたプロトコルであっても、汎用のプロトコルまたはこれをベースとしたものであってもかまわない。

　蓄電システム１０１の充放電制御部１１１は、ＳＣＡＤＡ２０１から充放電電力指令値を受信する。充放電制御部１１１は、充放電電力指令値を受信する受信部を含む。充放電制御部１１１は、当該充放電電力指令値に基づき、交直変換機が解釈可能な充電または放電の命令（充放電命令）を生成する。充放電制御部１１１は、生成した充放電命令を交直変換機１１２に送る。交直変換機１１２が充放電電力指令値をそのまま解釈可能な場合は、充放電電力指令値をそのまま送ってもよい。また、充放電制御部１１１は、受信した充放電電力指令値を状態評価部１１４に送る。この際、当該充放電電力指令値を状態評価部１１４が解釈可能な形式に変換して送ってもよい。

　ここで、充放電制御部１１１は、充放電電力指令値の絶対値がしきい値以下の場合に充放電しない出力不感帯（以下、不感帯）を設け、不感帯に充放電電力指令値が含まれるかを検査する。充放電電力指令値が正の場合を充電、負の場合を放電としてもよいし、この逆でもよい。本実施形態では、充放電を行わないことを表す指令値をゼロで表現する。充放電制御部１１１は、充放電電力指令値が不感帯に含まれない場合は、上述したように、ＳＣＡＤＡ２０１から受信した充放電電力指令値またはそれを変換した充放電命令を出力する。一方、充放電電力指令値が不感帯に含まれる場合は、充放電電力指令値をゼロに変換して、変換後の充放電電力指令値またはその充放電命令を出力する。元々ゼロの充放電電力指令値の場合は、そのまま出力または、それを変換した充放電命令を出力する。これにより、充放電電力指令値が不感帯に含まれる場合は、その充放電電力指令値に対しては交直変換機１１２では充放電量がゼロの充放電を実行する。すなわち、蓄電池１１３の充放電を停止する。不感帯を設けることで、小さい電流の充放電を行わないようにし、電流値累積誤差を低減できる。本実施形態では、充放電が行われている状態から、不感帯に入った瞬間に充放電が急停止されたときの蓄電池の電圧の過渡応答特性を用いて、蓄電池の劣化状態を評価することを特徴の１つとする。

　図２に、ＳＣＡＤＡ２０１から受信される充放電電力指令値のグラフＧ１の例を示す。横軸が経過時間で、縦軸が充放電電力指令値である。充放電電力指令値は、例えば充電電力または放電電力（Ｗ）を指示する。図２において、充放電電力指令値は規格化されている。図３に、不感帯に含まれる充放電電力指令値をゼロに変換した後の充放電電力指令値のグラフＧ２の例を示す。不感帯以外の部分では、グラフＧ１とグラフＧ２は一致している。なお、不感帯に入る場合として、充電している途中で不感帯に入る場合と、放電している途中で不感帯に入る場合とがある。図３ではこの両方の場合が示されている。

　図４（Ａ）に、充放電電力指令値の分布の例を示す。横軸は充放電電力指令値、縦軸は頻度である。ヒストグラムと、これを近似する正規分布とが表示されている。図４（Ｂ）に、不感帯に含まれる充放電電力指令値をゼロに変換した後の分布の例を示す。ゼロ付近の充放電電力指令値がすべてゼロに変換されるため、横軸のゼロ付近では、ゼロの頻度が著しく高くなっている。

　交直変換機１１２は、系統４０１側の交流電力と蓄電池１１３側の直流電力とを、双方向に変換する機能を有する。交直変換機１１２は、単一のＡＣ／ＤＣコンバータを含んでも良いし、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＡＣコンバータのうちの２種類以上のコンバータを任意に接続したものでもよい。例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータを直接に接続してもよいし、ＡＣ／ＡＣコンバータとＡＣ／ＤＣコンバータを直接に接続してもよいし、ＡＣ／ＡＣコンバータとＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＤＣコンバータとをこの順で直列に接続してもよい。交直変換機１１２は、充放電制御部１１１からの充放電命令に応じて、蓄電池１１３に対する充放電の実行を行う。

　蓄電池１１３は、電気エネルギーを蓄積（充電）および放電可能な蓄電池である。蓄電池１１３は、例えば１つ以上の電池盤を備える。各電池盤は、一例として、１つ以上の電池モジュールと、１つのＢＭＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ：電池監視部）とを備える。各電池モジュールは、複数の単位電池（セル）を備える。各電池モジュールが、１つのＣＭＵ（Ｃｅｌｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｕｎｉｔ：セル監視部）を備えてもよい。各電池盤が備える電池モジュールの数は、同数でも異なってもよい。各電池モジュールが備えるセルの数は、同数でも異なってもよい。また、各電池盤および各電池モジュールが備えるＢＭＵおよびＣＭＵは１つとしているが、複数あってもよい。蓄電池１１３は、交直変換機１１２からの放電指示に応じて、セル群に蓄電している電力を交直変換機１１２に放電し、また充電指示に従って、交直変換機１１２を介して系統４０１から供給される電力をセル群に充電する。セル、電池モジュール、電池盤および蓄電池は、それぞれいずれも、電気エネルギーを内部に蓄積する蓄電装置の一形態である。

　図５は、蓄電池の構成例を示す図である。複数の電池盤１１が並列に接続されて、電池アレイが構成されている。各電池盤１１において、複数の電池モジュール１２が直列に接続されている。各電池盤１１は、ＢＭＵ１３を備えている。図５で示した構成は一例であり、複数の電池モジュール１２が並列に接続されてもよいし、複数の電池モジュール１２が直並列に接続されてもよい。また、複数の電池盤が、直列または直並列に接続されていてもよい。ＢＭＵ１３は、状態評価部１１４と情報を送受信する通信部を備えていてもよい。当該通信部は、ＢＭＵ１３とは独立した機能として、電池盤１１の内部または外部に配置されていてもよい。

　図６は、電池モジュール１２の構成の一例を示す図である。電池モジュール１２は、複数のセル１４が直並列に接続された構成を備える。図６で示した構成は一例であり、他の構成も可能である。例えば、複数のセル１４が直列にのみ接続される形態、並列にのみ接続される形態も可能である。図６の例では、電池モジュール１２にＣＭＵが備えられていてもよい。セル１４は、充放電が可能な２次電池である。例えば、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などが挙げられる。

　各セルに対して、電圧、電流、温度等のパラメータを計測する計測部（図示せず）が配置されている。同様に、各電池モジュール１２に対して、電池モジュールの電圧、電流、温度等のパラメータを計測する計測部（図示せず）が配置されている。また、各電池盤に対して、電池盤の電圧、電流、温度等のパラメータを計測する計測部（図示せず）が配置されている。また電池アレイ（蓄電池１１３）に対して、蓄電池１１３の電圧、電流、温度等のパラメータを計測する計測部（図示せず）が配置されている。ここでは、セル、電池モジュール、電池盤、および蓄電池１１３のすべての蓄電装置の種類に対して、電圧、電流、温度等を計測する計測部が配置されているとしたが、これらのうちの一部の種類にのみ配置されていてもよい。また、セルの場合、すべてのセルではなく、一部のセルにのみ計測部が配置されてもよく、このことは、他の種類の蓄電装置（電池モジュール、電池盤）でも同様である。また、各計測部は、電圧、電流、温度以外に、湿度など、他のパラメータを計測してもよい。なお、計測部の計測のサンプル頻度は、充放電電力指令値の受信頻度に比べて十分に高くてもよい。

　蓄電池１１３は、評価対象となる蓄電装置（１つのセル、１つの電池モジュール、１つの電池盤、または蓄電池など）に関する電池情報を状態評価部１１４に送出する。電池情報は、計測部により計測されたパラメータ（電圧、電流、温度等）を含む。

　蓄電池１１３は、予備のセルまたは予備の電池モジュールまたは予備の電池盤を含んでいてもよい。この場合、故障のセルまたは故障の電池モジュールまたは故障の電池盤が発生した場合は、当該故障したセルまたは故障した電池モジュールまたは故障の電池盤を、予備のセルまたは予備の電池モジュールまたは予備の故障盤に切り換えるようになっていてもよい。

　状態評価部１１４は、蓄電池１１３から評価対象となる蓄電装置の電池情報を取得する。また、状態評価部１１４は、充放電制御部１１１から充放電電力指令値を取得する。状態評価部１１４は、これらに基づき、評価対象の蓄電装置の劣化状態を評価する。状態評価部１１４は、当該蓄電装置の劣化状態を含むＥＳＳ状態情報を、ＥＳＳ監視システム３０１に送信する。

　図７は、状態評価部１１４の構成を示すブロック図である。状態評価部１１４は、情報取得部１５０、情報記憶部１５１、指令値判定部１５２、モデル記憶部１５４、データ生成部１５６、劣化評価部１７０を備える。劣化評価部１７０は、応答評価部１５３、ＳｏＨ算出部１５９、およびメンテナンス計画部１６０を備える。

　情報取得部１５０は、蓄電池１１３に電気的に接続されており、蓄電池１１３から評価対象となる蓄電装置の電池情報（電流、電圧、温度等）を受け取る。情報記憶部１５１は、情報取得部１５０により取得された電池情報を内部に記憶する。電池情報に時刻情報が付加されており、当該時刻情報に基づいて時系列に電池情報を記憶してもよい。あるいは、時刻を係数する時計から時刻情報を取得して、受け取った電池情報に当該時刻情報を関連づけて記憶してもよい。

　また情報取得部１５０は、充放電制御部１１１から充放電電力指令値を取得する。情報記憶部１５１は、情報取得部１５０により取得された充放電電力指令値を内部に記憶する。充放電電力指令値に時刻情報が付加されていてもよい。あるいは、時刻を係数する時計から時刻情報を取得して、受け取った充放電電力指令値に当該時刻情報を関連づけてもよい。

　図８（Ａ）に、電池情報に含まれる電圧値をプロットしたデータ（電圧データ）のグラフを示す。

　図８（Ｂ）に、電池情報に含まれる電流値をプロットしたデータ（電流データ）のグラフを示す。０より大きい値が放電電流、０より小さな値が充電電流を表す。

　図９（Ａ）に、蓄電装置の充電量をプロットしたデータのグラフを示す。ここでは充電量をＳｏＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）で表している。ＳｏＣの単位は、％としている。なお、充電量が０の場合を０％、規定容量の充電量を１００％としてもよいし、予め定めた範囲の下限を０％、上限を１００％にするなど、任意に定めてもよい。このグラフは、充放電開始時の充電量（初期状態の充電量）から、充電または放電される電流を累積（積分）していくことで得られる。蓄電池１１３が出力する電池情報に充電量に関する情報が含まれる場合は、この情報を利用してＳｏＣのグラフを取得してもよい。

　図９（Ｂ）に、蓄電装置の温度をプロットしたデータのグラフを示す。温度の代わりに、充放電開始時からの温度の平均、あるいは一定時間前までの温度の平均値を利用してもよい。

　図８および図９に示した以外の項目が、電池情報に含まれていてもよい。また、電池情報に含まれる複数の項目から計算可能な項目を定義し、その項目のデータを取得してもよい。

　図１０は、図３に示したグラフＧ１、Ｇ２に、電圧のグラフＧ３と、充放電電流のグラフＧ４を重ねたものである。不感帯では、充放電が停止されることから、充放電電流がゼロになっている。また、不感帯では、充放電電流がゼロになったことで、不感帯に入った直後から電圧が急降下している。

　データ生成部１５６は、情報記憶部１５１に記憶された情報に基づき、時刻ｔと、充電量Ｑと、電圧Ｖと、電流Ｉと、温度Ｔとを対応づけたデータを作成する。例えば、データ生成部１５６は、応答評価部１５３または指令値判定部１５２からの要求に応じて、当該データを作成する。データに含める項目はここに列挙したものに限定される必要はなく、一部の項目がなかったり、別の項目が追加されてもよい。

　指令値判定部１５２は、情報記憶部１５１に記憶された情報を、時間に沿って検査し、非ゼロの値からゼロになった時刻（不感帯に入った時刻）を検出する。また、その後、最も早くゼロから非ゼロになった時刻（不感帯から抜けた時刻）を検出する。なお、不感帯に含まれる充放電電力指令値がゼロの場合として、元々受信した充放電電力指令値がゼロの場合と、変換後の値がゼロの充放電電力指令値の場合がある。指令値判定部１５２は、不感帯に入った時刻（または入る直前の時刻）と、不感帯から抜ける直前の時刻（または抜けた直後の時刻）を、劣化評価部１７０に通知する。

　劣化評価部１７０は、蓄電装置が充放電されている状態から不感帯に入ったときの蓄電装置の電圧の応答特性を計測し、当該応答特性を利用して、蓄電装置の劣化状態を評価する。

　ここで不感帯に入ったときの蓄電装置の電圧の応答特性について説明する。図１１に、不感帯に入ったときの電圧の応答特性を模式的に示す。蓄電装置の抵抗Ｒは、オーミック抵抗Ｒ_Ωと、反応抵抗Ｒ_ＣＴと、拡散抵抗Ｒ_ｄとの和として表される。オーミック抵抗Ｒ_Ωと、反応抵抗Ｒ_ＣＴは、時定数がゼロまたは小さいため、電流が変動すると、その直後にその変動量に応じた電圧変化が表される。このときの電圧変動を図１１に示すように、瞬時電圧と呼ぶ場合がある。瞬時電圧は、オーミック抵抗に対応する電圧変動Ｖ_Ωと、反応抵抗に対応する電圧変動Ｖ_ＣＴの和である。瞬時電圧＝（Ｒ_Ω＋Ｒ_ＣＴ）×Ｉである。通常は、Ｒ_Ω＞＞Ｒ_ＣＴであり、線形で電圧が瞬時に変動する。オーミック抵抗Ｒ_Ωと、反応抵抗Ｒ_ＣＴをまとめて瞬時抵抗と呼ぶ場合もある。一方、拡散抵抗Ｒ_ｄは、ある大きさの時定数をともなうため、電流が変動すると、時定数に応じた時間をかけて電圧変化が現れる。この電圧変動を図１１に示すように、緩和電圧Ｖ_ｄと呼ぶ場合がある。緩和電圧Ｖ_ｄは、変数ＡとＢと、時刻ｔを用いて、
　Ｖｄ＝Ａ×ｌｎ（ｔ）＋Ｂ・・・式（１）
　によって表現できる。“ｌｎ”は対数を表す。“×”は乗算、“＋”は加算を表す。

　このような応答特性は、蓄電装置にインパルス状の充放電を行ったときに得られる電圧の応答特性と同様である。この場合、インパルスの終了時刻（電流の供給の終了時点）が、不感帯に入る直前の時刻に相当する。

　図１２に、正常な蓄電装置（新品の蓄電装置）を用いて、様々な充電状態（ＳｏＣ）で、インパルスを印加したときの電圧の応答の例を示す。図には、複数のグラフが示されている。紙面に沿って上側のグラフほど、ＳｏＣが大きく、下側のグラフほどＳｏＣが小さい。横軸は、インパルスを印加（ステップ充電開始）からの経過時間、縦軸は電圧を表している。時刻０から時刻ＴＡまでの長さのインパルスを、印加している。印加終了直後から電圧が、図１１に示したのと同様の特性に従って低下している。

　図１３に、劣化の進んだ蓄電装置を用いて、様々な充電状態（ＳｏＣ）で、インパルスを印加したときの電圧の応答の例を示す。図１２と同様の条件で計測を行っている。図１２と比較して分かるように、劣化の進んだ蓄電装置では、インパルスを印加しているときの電圧の上昇が大きくなっており、これに応じて、インパルスの印加終了後の瞬時電圧降下、および緩和電圧降下の幅も大きくなっている。また、充電状態（ＳｏＣ）の違いによっても、これらの違いは顕著になっている。例えば、緩和電圧を表す上記の式１の切片Ｂが、充電状態によって大きく変化する。

　図１４に、正常な蓄電装置（新品の蓄電装置）と、劣化の進んだ蓄電装置のそれぞれについて、充電状態（ＳｏＣ）ごとに、瞬時電圧（Ｖ_Ω＋Ｖ_ＣＴ）の応答特性を示す。正常な蓄電装置と、劣化の進んだ蓄電装置では、瞬時応答電圧が大きく異なっている。劣化の進んだ蓄電装置の方が、瞬時電圧の幅（絶対値、すなわち０からの距離）が、正常な蓄電装置よりも大きい。

　図１５に、正常な蓄電装置（新品の蓄電装置）と、劣化の進んだ蓄電装置のそれぞれについて、充電状態（ＳｏＣ）ごとに、緩和電圧（Ｖ_ｄ）の応答特性を示す。応答特性の式（１）であるＡ×ｌｎ（ｔ）＋Ｂについて、変数Ｂの値を示している。

　正常な蓄電装置と、劣化の進んだ蓄電装置では、切片（Ｂ）が大きく異なっている。劣化の進んだ蓄電装置の方が、切片（Ｂ）の絶対値が、正常な蓄電装置よりも大きい。正常の蓄電装置の各ＳｏＣに対応する切片の値（点）を直線近似したときの傾き（Ｓｌｏｐｅ）と、劣化の進んだ蓄電装置の各ＳｏＣでの切片の値（点）を直線近似したときの傾きを比較する。正常の蓄電装置の方が、劣化の進んだ蓄電装置よりも、傾きが小さいことが分かる。直線近似は、最小二乗法など、公知の方法を用いればよい。

　上述したような、正常な蓄電装置の応答特性と、劣化の進んだ蓄電装置の応答特性の違いを利用して、蓄電装置の劣化状態を評価する。

　モデル記憶部１５４は、蓄電装置の応答特性から、蓄電装置の劣化状態を評価するためのモデルを格納している。

　図１６は、モデルの一例を示す。瞬時電圧（Ｖ_Ω＋Ｖ_ＣＴ）と、劣化状態（ＳｏＨ：Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈ）とが関連づけられている。このモデルはテーブルで表現されてもよいし、関数で表現されてもよい。

　劣化状態（ＳｏＨ）は、蓄電装置の劣化具合を表す指標であれば、何でもよい。例えば初期容量に対する現在容量の比（現在容量／初期容量）でもよい。あるいは、内部抵抗の値、またはその他の種類の値を用いてもよい。

　図１６のモデルは、様々な劣化状態の蓄電装置を対象に、瞬時電圧とＳｏＨの関係を取得することで生成できる。このモデルに基づき、検査対象の蓄電装置から計測した瞬時電圧から、劣化状態を特定できる。このモデルの瞬時電圧は、例えば予め定めた範囲内の複数のＳｏＣで計測した瞬時電圧の平均でもよい。以下の説明では、当該平均の場合を想定する。所定の範囲は、上述した例では、劣化が進んだ蓄電装置でも適正に計測可能であればよい。

　図１７は、モデルの別の例を示す。切片Ｂの傾きと、劣化状態（ＳｏＨ：Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈ）とが関連づけられている。このモデルはテーブルで表現されてもよいし、関数で表現されてもよい。様々な劣化状態の蓄電装置を対象に、Ｂの傾きとＳｏＨの関係を取得することで生成できる。傾きの算出対象とするＳｏＣ範囲は、劣化が進んだ蓄電装置でも適正に計測可能であればよい。検査対象の蓄電装置から複数のＳｏＣで計測したＢからＢの傾きを計算し、計算した傾きをこのモデルに適用することで、劣化状態を特定できる。

　図１６および図１７で示したモデルは、一例であり、蓄電装置の電圧の応答特性から劣化状態を特定可能なモデルであれば、何でもかまわない。例えば、Ｂの値と、劣化状態とを対応づけたモデルを構築してもよい。蓄電装置の種類（型番または材料など）ごとに、モデルを構築してもよい。この場合、検査対象となる蓄電装置の種類に対応するモデルを用いればよい。

　劣化評価部１７０の応答評価部１５３は、不感帯に入る直前の時刻から、不感帯を抜けるまでの時間帯のデータ（例えば時刻ｔと、充電量Ｑと、電圧Ｖと、電流Ｉと、温度Ｔ）を、データ生成部１５６から取得する。そのデータから、瞬時電圧ＶまたはＢの値を算出する。例えば不感帯に入る直前の時刻の電圧と、不感帯に入った時刻の電圧との差分を、瞬時電圧Ｖとして算出できる。Ｂの値は、不感帯に入った時刻から不感帯を出る直前の時刻のデータから変数Ａ、Ｂを算出することで得られる。なお、充電量Ｑに応じたＳｏＣを求め、ＳｏＣが閾値以下かを判断し、閾値より大きければ、そのデータは用いないことを決定してもよい。

　応答評価部１５４は、不感帯に入るごとに、同様にしてデータを取得し、瞬時電圧ＶまたはＢの値を算出する。

　応答評価部１５４は、複数のＳｏＣについて瞬時電圧ＶまたはＢの値を算出したら、これらのＶの平均、またはＢを近似する直線の傾きを計算する。計算したＶの平均、またはＢの傾きを、特徴量として、ＳｏＨ算出部１５９に出力する。

　ＳｏＨ算出部１５９は、Ｖの平均を用いる場合は、図１６の形式のモデルをモデル記憶部１５４から読み出す。読み出したモデルに基づき、Ｖの平均に対応する劣化状態（ＳｏＨ）を特定する。または、ＳｏＨ算出部１５９は、Ｂの傾きを用いる場合は、図１７の形式のモデルをモデル記憶部１５４から読み出す。読み出したモデルに基づき、Ｂの傾きに対応する劣化状態（ＳｏＨ）を特定する。

　その他のモデルを用いる場合は、応答評価部１５３で、使用するモデルに応じた特徴量を計算し、ＳｏＨ算出部１５８は、当該特徴量に対応するモデルを用いればよい。例えば特徴量として、前述したＢの値を用いてもよい。また、Ｖの平均の代わりに、Ｖの値を利用してもよい。Ｂの値、またはＶの値を利用する場合、１回の計測で（つまり不感帯へ１回入れば）、劣化状態（ＳｏＨ）を評価することが可能である。この場合、複数のＳｏＣ、または複数のＳｏＣ範囲ごとに、モデルを作成しておく。そして、今回の計測時のＳｏＣに対応するモデルを用いる。また、その他の特徴量として、瞬時抵抗（Ｒ_Ω＋Ｒ_ＣＴ）を計算してもよい。例えば瞬時抵抗（Ｒ_Ω＋Ｒ_ＣＴ）は、前述した瞬時電圧と、不感帯に入ったときの電流とから計算できる。また、特徴量としてＲ_ｄを計算してもよい。

　メンテナンス計画部１６０は、ＳｏＨ算出部１５９により計算された劣化状態（ＳｏＨ）に基づき、蓄電装置の状態を表すＥＳＳ状態情報を生成する。ＥＳＳ状態情報の生成の際、情報記憶部１５１およびモデル記憶部１５４の少なくとも一方を追加的に利用してもよい。メンテナンス計画部１６０は、ＥＳＳ状態情報を、通信ネットワークを介して、ＥＳＳ監視システム３０１に送信する。

　ＥＳＳ状態情報の一例として、メンテナンス計画部１６０は、蓄電装置の稼働可否に関する情報を送信してもよい。具体的に、メンテナンス計画部１６０は、蓄電装置のＳｏＨに基づき、蓄電池１１３の稼働可否を判断する。例えばＳｏＨの範囲を、閾値Ａと、閾値Ｂを用いて３つに区切り、閾値Ａ以下の範囲１、閾値Ａより大きく閾値Ｂ以下の範囲２、閾値Ｂ以上の範囲３を得る。蓄電装置のＳｏＨが範囲１に属する場合は、これ以上の蓄電池１１３の稼働は不可（すなわち、蓄電池１１３は寿命を迎えた）と判断して、故障アラートのメッセージを、ＥＳＳ監視システム３０１に通知してもよい。範囲２に属する場合は、まだ稼働は可能であるが、メンテナンスが必要であると判断し、メンテナンス・コールのメッセージをＥＳＳ監視システム３０１に通知してもよい。範囲３に属する場合は、蓄電池１１３は正常で、今後も稼働可能であると判断する。その場合に、ＥＳＳ監視システム３０１には、蓄電池１１３が正常である（故障はなく、メンテナンスの必要もまだない）旨のメッセージを通知してもよいし、そのような通知を特段行わなくてもよい。

　ここで述べた稼働可否の判断方法は一例であり、別の判断方法を用いてもよい。例えば、複数回の劣化評価により、複数のＳｏＨを算出する。これらのＳｏＨの平均、中央値、最大値、または最小値を利用して、稼働可否の判断を行っても良い。

　また、例えば、使用する特徴量（Ｖの平均、Ｂの傾き等）の遷移から稼働可否を判断する状態遷移モデルを生成しておく。そして、当該状態遷移モデルと、複数回の劣化評価により算出した複数の特徴量に基づき、稼働可否の判断を行ってもよい。

　または、ロジスティック回帰分析等により特徴量から故障確率を判定するモデルを生成しておく。そして、当該モデルと、算出した特徴量から故障率を算出し、当該故障率の値から、稼働可否を判断してもよい。ここで例示した以外の方法で、稼働可否を判断することも、もちろん可能である。

　稼働可否に関する情報の他、ＥＳＳ状態情報として、充放電電力指令値データ（電力指令値データ）、電圧データ、電流データ、充電量データ、温度データを送信してもよい。また、上記した充放電電力指令値のヒストグラムまたはこれを近似する正規分布のデータを送信してもよい。また、劣化状態を特定する際に用いたモデルを送信してもよい。また今回得られた劣化状態（ＳｏＨ）を示す情報を送信してもよい。ここで述べた以外のデータを送信してもよい。

　ＥＳＳ監視システム３０１は、ＥＳＳ１０１からＥＳＳ状態情報を受信し、ＥＳＳ状態情報に基づき、管理者が蓄電池１１３の状態を評価するための画面（劣化状態評価画面）を表示装置に表示する。また、ＥＳＳ状態情報に稼働可否情報が含まれているとき、当該稼働可否情報に応じた動作を行ってもよい。例えば稼働可否情報が稼働不可を示す場合は、故障アラートのメッセージを当該画面に表示してもよい。稼働は可能であるが、メンテナンスが必要である場合は、メンテナンス・コールのメッセージを画面に表示してもよい。蓄電池１１３が正常である場合は、蓄電池１１３の正常を通知するメッセージを画面に表示してもよい。画面への表示の他、スピーカを介して故障アラート、メンテナンス・コール、または蓄電池１１３の正常を通知するメッセージ音を出力してもよい。また稼働不可は赤色、稼働可能であるがメンテナンスが必要な場合は黄色、および蓄蓄電池１１３が正常な場合は緑色など、画面に色を表示（例えば点灯）させることで、ＥＳＳ１０１の稼働状態を通知してもよい。

　図１８に、ＥＳＳ監視システム３０１の表示装置に表示される劣化状態評価画面の例を示す。この画面の左側には、充放電電力指令値データ（電力指令値データ）、電圧データ、電流データ、充電量データ、温度データが表示されている。また、中央には、ＳＣＡＤＡ２０１から受信された充放電電力指令値の分布と、不感帯の充放電電力指令値をゼロに変換した分布と、使用されたモデルと表示されている。管理者は、この画面を見ることで、蓄電池１１３の状態を監視することができる。劣化状態評価画面に、各種のメッセージを表示するメッセージ表示部が配置されてもよい。メッセージ表示部を備えた劣化状態評価画面の例を図１９に示す。メッセージ表示部２０２に、蓄電池１１３の状態に応じたメッセージを表示する。例えば蓄電池１１３が稼働不可と判断された場合には、「蓄電池１１３は故障しています」など、故障アラートのメッセージを表示する。図における「・・・・」は、任意のメッセージが表示されている状態を表現している。なお、メッセージは、ポップアップ表示など、別の方法で表示されてもよい。

　上述した実施形態では、不感帯に入ったときの電圧の応答特性を利用して、劣化状態を評価した。別の方法として、不感帯内でインパルスを蓄電装置に印加し、その応答特性を利用して、劣化状態を評価することも可能である。すなわち、充放電制御部１１１は、不感帯内でインパルスを表す充放電電力指令値を生成し、交直交換機１１２および状態評価部１１４に出力する（例えば充放電電力指令値をゼロに変換するのではなく、インパルスを表す値に変換する）。この充放電電力指令値を交直変換器１１２が実行することで、不感帯内でインパルスが蓄電装置に印加される。図２０に、不感帯内でインパルスの値を表す充放電電力指令値を設定する例を示す。インパルス印加時には、不感帯に入ったときに生じた電圧の応答が残っていない、もしくは少ないことが望ましい。このため、不感帯に入ってから一定時間後、または一定サンプル後に、インパルスを印加してもよい。図示の例では、たまたまＳＣＡＤＡから受信した充放電電力指令値が０のタイミングで、インパルスを重畳した充放電電力指令値を生成しているが、これに限定されない。インパルスが終了した時点が、不感帯に入る直前の時刻と見なして、これまでと同様の処理を実行することで、劣化状態を評価できる。

　図２１は、本発明の実施形態に係る蓄電システムの動作のフローチャートである。

　蓄電システム１０１は、任意のタイミングで、蓄電装置の劣化状態評価処理を開始する。充放電制御部１１１が出力する充放電電力指令値と、蓄電装置から計測される電池情報とを情報記憶部１５１に蓄積していく。指令値判定部１５２は、充放電電力指令値を監視し、不感帯に入ったか否か、すなわち、充放電電力指令値がゼロでない値から、ゼロになったかを判断する（Ｓ３０１）。不感帯に入ったと判断すると、不感帯に入る直前の時刻のデータと、不感帯内の各時刻のデータを、データ生成部１５６が情報記憶部１５１から取得して、応答評価部１５３に渡す（Ｓ３０２）。指令値判定部１５２が不感帯から出たと判断するまで、不感帯内のまだ取得していない時刻のデータを取得することを繰り返す（Ｓ３０３）。なお、本フローチャートでは、リアルタイムに処理を行っているが、情報記憶部１５１に電池情報および充放電指示値を記憶させておき、バッチ処理で行うことも可能である。

　応答評価部１５３は、不感帯内の各時刻のデータと、不感帯に入る直前のデータとを用いて特徴量を算出する（Ｓ３０４）。特徴量としては、瞬時電圧の平均、または切片Ｂの傾きを用いることができる。あるいは、切片Ｂの値、瞬時電圧の値、瞬時抵抗、または緩和抵抗などを用いることも可能である。ここで述べた以外の特徴量でもよい。

　ＳｏＨ算出部１５９は、応答評価部１５３で算出した特徴量に応じたモデルをモデル記憶部１５４から読み出す。読み出したモデルにおいて、特徴量に対応する劣化状態（ＳｏＨ）を特定する（Ｓ３０５）。

　メンテナンス計画部１６０は、ＳｏＨの値に基づき、蓄電装置の稼働状態を判断する（Ｓ３０６）。蓄電装置が稼働可の状態であれば、ステップ３０１に戻る。あるいは、管理者から終了指示が与えられた場合など、所定の終了条件が成立した場合は、処理を終了してもよい。また、稼働状態が稼働可の状態であるが、蓄電池の余寿命期間内にメンテナンスの必要があると判断された場合は、メンテナンス・コールのメッセージをＥＳＳ監視システム３０１に送信し（Ｓ３０７）、ステップ３０１に戻る。稼働状態が稼働不可のときは、故障アラートのメッセージをＥＳＳ監視システム３１０に送信し（Ｓ３０８）、本処理を終了する。

　以上、本発明の実施形態によれば、電力系統４０１の周波数変動抑制など、電力系統４０１に対して入出力する電流（充放電電流）が連続的に可変する蓄電システム１０１（ＥＳＳ）において、周波数変動抑制などＥＳＳとしての機能を稼働させつつ（蓄電システム１０１を停止させることなく）、蓄電システム１０１の電池状態を評価することが可能となる。

　図２２は、本発明の実施形態に係る蓄電システムにおける状態評価部１１４および充放電制御部１１１のハードウェア構成例を示す。図２２のハードウェア構成は、ＣＰＵ６１、入力部６２、表示部６３、通信部６４、主記憶部６５、外部記憶部６６を備え、これらはバス６７により相互に通信可能に接続される。

　入力部６２は、蓄電池１１３で計測された電池情報を配線等を介して取得する。出力部６３は、交直変換機１１２に充放電命令を出力する。通信部６４は、無線または有線の通信手段を含み、ＳＣＡＤＡ２０１およびＥＳＳ監視システム３０１と、それぞれ所定の通信方式で通信を行う。入力部６２、出力部６３および通信部６４は、それぞれ別個の集積回路等の回路で構成されていてもよいし、単一の集積回路等の回路で構成されてもよい。

　外部記憶部６６は、例えば、ＨＤＤ、ＳＳＤ、メモリ装置、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－ＲＷ、ＤＶＤ－ＲＡＭ、ＤＶＤ－Ｒ等の記憶媒体等を含む。外部記憶部６６は、状態評価部および充放電制御部の機能を、プロセッサであるＣＰＵ６１に実行させるためのプログラムを記憶している。また、情報記憶部１５１およびモデル記憶部１５４も、外部記憶部６６に含まれる。ここでは、外部記憶部６６を１つのみ示しているが、複数存在しても構わない。

　主記憶部６５は、ＣＰＵ６１による制御の下で、外部記憶部６６に記憶された制御プログラムを展開し、当該プログラムの実行時に必要なデータ、当該プログラムの実行により生じたデータ等を記憶する。主記憶部６５は、例えば揮発性メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等）または不揮発性メモリ（ＮＡＮＤフラッシュメモリ、ＭＲＡＭ等）など、任意のメモリまたは記憶部を含む。主記憶部６５に展開された制御プログラムがＣＰＵ６１により実行されることで、状態評価部１１４および充放電制御部１１１の機能が実行される。

　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１：蓄電システム
１１４：状態評価部
１５０：情報取得部
１５１：情報記憶部
１５２：指令値判定部１５２
１５３：応答評価部
１５４：モデル記憶部
１５６：データ生成部
１５９：ＳｏＨ算出部
１６０：メンテナンス計画部
１１１：充放電制御部
１１２：交直変換機
１１３：蓄電池
１１４：状態評価部
２０１：ＳＣＡＤＡ
３０１：ＥＳＳ監視システム
４０１：電力系統
４０２：変圧器

Claims

　充放電電力指令値を取得し、前記充放電電力指令値に従って蓄電装置を充放電するように制御し、前記充放電電力指令値の絶対値がしきい値以下となる場合に充放電を行わない不感帯を設け、その不感帯に前記充放電指令値が入った場合は前記充放電を停止するように制御する、充放電制御部と、
　前記蓄電装置が充放電されている状態から前記充放電が停止されたときの前記蓄電装置の電圧の応答特性を計測し、前記応答特性に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を評価する劣化評価部と
　を備えた蓄電池評価装置。
　前記劣化評価部は、前記蓄電装置のオーミック抵抗および反応抵抗の電圧の応答特性に基づいて、前記蓄電池の劣化状態を評価する
　請求項１に記載の蓄電池評価装置。
　前記電圧の応答特性は、前記オーミック抵抗および反応抵抗の電圧の変化量を含む
　請求項２に記載の蓄電池評価装置。
　前記劣化評価部は、前記蓄電装置の拡散抵抗の電圧の応答特性に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を評価する
　請求項１に記載の蓄電池評価装置。
　前記電圧の応答特性は、前記拡散抵抗の電圧の応答特性を表す式の切片の値を含む
　請求項４に記載の蓄電池評価装置。
　前記充放電制御部は、前記蓄電装置の充放電が停止されている間に、前記蓄電装置にインパルスを印加するように制御し、
　前記劣化評価部は、前記インパルスの印加による電圧の応答を計測することにより、前記蓄電装置の劣化状態を評価する
　請求項１に記載の蓄電池評価装置。
　前記しきい値を設定する設定部を備え、
　前記充放電制御部は、前記設定部により設定された前記しきい値を用いる
　請求項１ないし６のいずれか一項に記載の蓄電池評価装置。
　前記蓄電装置は、
　セル、
　複数の前記セルを直列または並列または直並列に接続したモジュール、
　複数の前記モジュールを直列または並列または直並列に接続した電池盤、または
　複数の前記電池盤を直列または並列または直並列に接続した電池アレイ
　である、
　請求項１ないし７のいずれか一項に記載の蓄電池評価装置。
　蓄電装置と、
　充放電電力指令値を受信する受信部と、
　前記充放電電力指令値に従って蓄電装置を充放電するように制御し、前記充放電電力指令値の絶対値がしきい値以下の場合に充放電を行わない不感帯を設け、前記不感帯に前記充放電電力指令値が入った場合は前記充放電を停止するように制御する、充放電制御部と、
　前記蓄電装置が充放電されている状態から前記充放電が停止されたときの前記蓄電装置の電圧の応答特性を計測し、前記応答特性に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を評価する、劣化評価部と
　を備えた蓄電システム。
　充放電電力指令値を取得し、
　前記充放電電力指令値に従って蓄電装置を充放電するように制御し、前記充放電電力指令値の絶対値がしきい値以下の場合に充放電を行わない不感帯を設け、前記不感帯に前記充放電電力指令値が入った場合は前記充放電を停止するように制御する、ステップと、
　前記蓄電装置が充放電されている状態から前記充放電が停止されたときの前記蓄電装置の電圧の応答特性を計測し、前記応答特性に基づいて、前記蓄電装置の劣化状態を評価するステップと
　を備えた蓄電池評価方法。