(57)【要約】【課題】大容量なナトリウム−硫黄電池システムにおいては、保温のためのヒータ稼働の集中を抑制することが必要であり、また、この集中回避によりヒータの電源容量も低減させ、設備コストを抑制することも望まれる。【解決手段】複数のモジュール電池を複数の群に区分けし、このモジュール電池群のモジュール電池の各ヒータを一定時ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温することを特徴とするナトリウム−硫黄電池システム。【選択図】 図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、
グルーピングしたモジュール電池群の各ヒータを１サイクル時間（ｔｃ）で一定時間ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温することを特徴とするナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項２】
グルーピングの数ｎを、モジュール電池のヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値（比を表す数が小数でなく整数の場合は、それより１だけ小さい整数値）以下の整数値に選定することを特徴とする請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項３】
前記１サイクル時間（ｔｃ）における前記発熱量を前記放熱量より大きくなるように前記各モジュール電池群のヒータ稼働時間（ｔＯＮ）を定めたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項４】
前記１サイクル時間（ｔｃ）をｎ等分した時間を二等辺三角形の底辺とするとともに、二等辺三角形の高さを一定の基準温度を挟んでのある一定の二つの温度の差とする三角波信号を作出し、この三角波信号と各モジュール電池群の各モジュール電池の内部温度を水平線とした信号を重畳した場合の交点において、
各モジュール電池は、三角波信号の正の傾きをもつ辺の交点においてヒータをＯＮし、負の傾きをもつ辺の交点で前記ヒータをＯＦＦすることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項５】
高位限界温度（ＴＨ）を定め、モジュール電池内部の温度が前記高位限界温度（ＴＨ）に達したときは、当該モジュール電池のヒータをＯＦＦとすることを特徴とする請求項１から請求項４に記載のナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項６】
低位限界温度（ＴＬ）を定め、モジュール電池内部の温度が前記低位限界温度（ＴＬ）に低下しときは、ヒータＯＮを再開することを特徴とする請求項１から請求項４に記載のナトリウム−硫黄電池システム。
【請求項７】
請求項４の三角波信号開始時刻を基準として、１サイクル時間（ｔｃ）ごとに基準パルス信号を発信し、１サイクル時間（ｔｃ）前に計測したモジュール電池の内部温度から、ヒータ稼働時間と基準パルス信号からの遅れ時間（ｔｄ）を計算し、ヒータのＯＮとＯＦＦのタイミングを決定することを特徴とする請求項４から請求項６に記載のナトリウム−硫黄電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナトリウム−硫黄電池システムのヒータ出力の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウム−硫黄電池（以下、元素記号を用いて「ＮａＳ電池」と称することもある）は、３００℃程度以上で動作する高温動作型蓄電池であり、高いエネルギー密度と長いサイクル寿命から普及が進んでいる。ＮａＳ電池は、当初は、揚水発電所代替の設備として設置することを目的に開発されたが、最近は、需要家の負荷平準化対策や瞬時電圧低下対策としての設置が主流となり、また、風力発電での出力変動抑制用途として併設されることも多くなっている。
【０００３】
ＮａＳ電池システム１は、図１に示すように、直流で入出力するＮａＳ電池本体２と交流の電力系統に連系するための交直変換装置３が主要な構成要素である。
【０００４】
ＮａＳ電池本体２は、多数の単電池（セル）を断熱容器内部で直並列に接続してモジュール電池とし、そのモジュール電池をさらに直並列に接続して構成される。ＮａＳ電池は３００℃程度以上に昇温するため、モジュール電池の断熱容器内部に電気式のヒータ５を内蔵し、このヒータ５により昇温し、又は、保温している。
【０００５】
現在市販されているモジュール電池は出力５０ｋＷであるが、この一つのモジュール電池には出力数ｋＷのヒータが内蔵されており、ヒータは、モジュール電池の断熱容器内部が３００℃〜３６０℃程度の温度範囲に収まるように図２に示すようにＯＮ・ＯＦＦ制御される。また、ヒータ制御は複数台のモジュール電池で同期を取って行われている訳ではない。
【０００６】
このため、モジュール電池を幾つか組み合わせたＮａＳ電池システムでは、場合によっては各モジュール電池のヒータ稼働のＯＮの時間帯が重なってしまい、ヒータの合計消費電力が大きくなってしまう。
【０００７】
ＮａＳ電池は、その電気化学的な性質から、放電時のナトリウムと硫黄が結合し多硫化ナトリウムが生成されるときに発熱し、充電時の多硫化ナトリウムがナトリウムと硫黄に分離されるときに吸熱する。需要家の昼夜間の負荷平準化用途でＮａＳ電池を使用する場合には、一般に、昼間が放電、夜間が充電となるため、図３に示すように、放電主体の昼間帯では発熱反応により熱がモジュール電池内に蓄積されて断熱容器内の温度は上昇し、充電主体の夜間帯では吸熱反応により断熱容器内の温度は低下する（実線で示す）。ヒータを稼働させない場合には、放電開始時と放電終了時の温度差が大きくなることから、充電時間帯の末期から放電開始直後の時間帯においてヒータを稼働させる（点線で示す）。一日のうちでヒータ稼働する時間帯は限られており、また確率的に考えても各ヒータの稼働はばらつくので、精々数百から千ｋＷ規模の中小容量のＮａＳ電池システムでは、ヒータを同期を取らずに制御しても、ヒータ稼働の集中によるヒータ消費電力の増大が問題となることはなかった。
【０００８】
一方、ヒータによる電力消費の低減のため、負荷平準化運転においてＮａＳ電池システムの放電終了から充電終了までのヒータの設定温度に対して、充電終了から放電開始までのヒータの設定温度を下げるようにすること（特許文献１参照）や、ＮａＳ電池の保温時のヒータ出力を昇温時のヒータ出力よりも低く抑えるよう出力切替を行うこと（特許文献２参照）等が提案されているが、ヒータ出力の集中を如何に回避するかについては、提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１１１１２３号公報
【特許文献２】特開２０００−０２１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、ＮａＳ電池を負荷平準化用ではなく系統安定化用として運用する場合のように、充電と放電を頻繁に切り換えるように運用する場合には、ヒータ稼働も頻繁となり、負荷平準化用途の場合よりもヒータ稼働時間が格段に長くなる。また、大容量のＮａＳ電池システムの場合、モジュール電池の数が多くなることから、ヒータ稼働が集中してしまった場合の消費電力も中小容量の場合より大きくなり、確率的には低いものの、ヒータ消費電力が系統安定化を阻害することもあり得る（例えば、１００００ｋＷのＮａＳ電池システムの場合、仮に、モジュール電池１台のヒータ容量を５ｋＷとし、全ヒータが稼働するとすると、容量の５／５０＝１０％の１０００ｋＷの消費電力となる）。
【００１１】
このため、系統安定化のための大容量なＮａＳ電池システムの設置においては、ヒータ稼働の集中を抑えることが必要であり、また更に、集中回避によりヒータの電源容量も低減させ、設備コストを抑制することも望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、発明者は、この課題を解決すべく、次の構成のＮａＳ電池システム、つまり、
複数のモジュール電池をｎ個の群にグルーピングし、
グルーピングしたモジュール電池群の各ヒータを１サイクル時間ｔｃで一定時間ごとに順次切り替えて稼働させることでモジュール電池内部を保温することを特徴とするＮａＳ電池システム、
を発明した。
【００１３】
更に、前記のＮａＳ電池システムであり、
グルーピングの数ｎを、モジュール電池のヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値（比を表す数が小数でなく整数の場合は、それより１だけ小さい整数値）以下の整数値に選定することを特徴とするもの、
を発明した。
【００１４】
更に、前記のＮａＳ電池システムであり、
前記１サイクル時間ｔｃにおける前記発熱量を前記放熱量より大きくなるように前記各モジュール電池群のヒータ稼働時間ｔＯＮを定めたことを特徴とするもの、
を発明した。
【００１５】
更に、前記のＮａＳ電池システムであり、
前記１サイクル時間ｔｃをｎ等分した時間を二等辺三角形の底辺とするとともに、二等辺三角形の高さを一定の基準温度を挟んでのある一定の二つの温度の差とする三角波信号を作出し、この三角波信号と各モジュール電池群の各モジュール電池の内部温度を水平線とした信号を重畳した場合の交点において、
各モジュール電池は、三角波信号の正の傾きをもつ辺の交点においてヒータをＯＮし、負の傾きをもつ辺の交点で前記ヒータをＯＦＦすることを特徴とするもの、
を発明した。
【００１６】
更に、前記のＮａＳ電池システムであり、
高位限界温度ＴＨを定め、モジュール電池内部の温度が前記高位限界温度ＴＨに達した場合は、当該モジュール電池のヒータをＯＦＦとし、また、低位限界温度ＴＬを定め、モジュール電池内部の温度が前記低位限界温度ＴＬに低下したら、ヒータＯＮを再開することを特徴とすることを特徴とするもの、
を発明した。
【００１７】
更に、前記のＮａＳ電池システムであり、
三角波信号開始時刻を基準として、１サイクル時間ｔｃごとに基準パルス信号を発信し、１サイクル時間ｔｃ前に計測したモジュール電池の内部温度から、ヒータ稼働時間と基準パルス信号からの遅れ時間ｔｄを計算し、ヒータのＯＮとＯＦＦのタイミングを決定することを特徴とするもの、
を発明した。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、ＮａＳ電池システムのヒータ稼働が集中せず、設備的にも、ヒータの全容量の高々ｎ分の１程度の電源容量にて運用可能であり、設備コストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＮａＳ電池システムの基本構成を示す図面である。
【図２】ヒータ稼働（出力）の概念を示す図面である。
【図３】負荷平準化運転におけるＮａＳ電池出力とモジュール電池（内部）温度の変        化の関係を示す図面である。
【図４】モジュール電池のグルーピング例を示す図面である。
【図５】一群のモジュール電池内部が熱的平衡状態（平均温度が一定）にあるときの        ヒータ稼働パターンとそれによるモジュール電池（内部）温度の昇降を示す        図面である。
【図６】一群のモジュール電池内部の平均温度が上昇するときのヒータ稼働パターン        とそれによるモジュール電池（内部）温度の昇降を示す図面である。
【図７】４つのモジュール電池群（Ａ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群）とした場合の、各群で        のヒータ制御の考え方を説明する図面である。
【図８】４つのモジュール電池群（Ａ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群）とした場合の、各群で        のヒータ制御の考え方を説明する第２の図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
（実施例の説明）
ＮａＳ電池システムは、出力５０ｋＷのモジュール電池を複数組み合わせて構成される。以下においては、１０００ｋＷ（２０個のモジュール電池を使用）のサブシステムを４台組み合わせたシステムにて説明する。
このシステムを図４に示す。電池部分の箱２０には５段重にしたモジュール電池５個（２５０ｋＷ分）が含まれており、この２箱を直列に接続し、さらにこれらを２並列にして交直変換装置３に接続している。この１０００ｋＷのサブシステムを４台組合せたものが４０００ｋＷシステムである。この４０００ｋＷシステムの８０個のモジュール電池を幾つかにグルーピングし、このグルーピングしたモジュール電池群毎に、ヒータをＯＮしてよい時間帯を割り振り、これを一定間隔で行うようにする。
グルーピングの方法は、例えば、図４中の実線で囲むようにサブシステム毎に行ってもよいし、また点線で囲むように他のサブシステムとの組み合わせとしてもよい。また、各モジュール電池群のモジュール電池数は均等にする必要もない。
【００２２】
グルーピングの数ｎについては、ヒータによる断熱容器内部の発熱量と断熱容器からの放熱量の比を表す数の整数部分の値（比を表す数が小数でなく整数の場合は、それより１だけ小さい整数値）以下の整数値に選定する。
【００２３】
つまり、一つのモジュール電池においてヒータ容量を５ｋＷ、断熱容器からの放熱量を１ｋＷとすると、グルーピング数ｎは５／１−１＝４以下にすることとなる。
【００２４】
また、モジュール電池群を群毎に順繰りに稼働して、次に当該モジュール電池群のヒータが再びＯＮするまでの時間を１サイクル時間ｔｃ、ヒータがＯＮしている時間をｔＯＮとし、同じヒータ容量、放熱量のモジュール電池を用いたとすると、ＮａＳ電池システム１の待機時に発熱量と放熱量がバランスするためには、１サイクル時間での発熱量は５×ｔＯＮ、放熱量は１×ｔｃであるから、ｔＯＮ＝ｔｃ／５となる。
ここで、仮にｎ＝５とした場合には、図５に示すように、ｔｃ／５期間に一つのモジュール電池群のヒータをＯＮし、残りの４ｔｃ／５期間はヒータをＯＦＦにする。この４ｔｃ／５期間ごとに順次ヒータをＯＮさせると、マクロ的に熱的平衡状態にあるため、モジュール電池の内部温度の平均値は、一定となる。
【００２５】
しかし、モジュール電池内部の温度制御のためには、熱的平衡状態ではなく、ヒータをＯＮにすることにより多少温度上昇させることが必要であり、発熱量＞放熱量とするためには、ｎ＜５およびｔＯＮ＞ｔｃ／５の関係を満足させる必要がある。ただし、ｎ＜５は満たすものの、例えばｎ＝２と小さく設定すると、一時にヒータ稼働させるモジュール電池の数が多くなり、ヒータ電源容量が大きくなるという、本発明の課題解決の方向性に反した結果となる。また、モジュール電池群毎の温度変化が大きくなり放電可能時間がモジュール電池群毎に変わってしまうという不具合が生じる。そのため、グルーピング数ｎは、５より１小さいだけのｎ＝４に選定するのが望ましい。
【００２６】
ｎ＜５とした場合の平均的なモジュール電池内部の温度変化の一例を図６に示すが、ｔＯＮ＞ｔｃ／５とすることで、モジュール電池内部の平均温度は、図５とは異なり、時間の経過とともに上昇する。
【００２７】
４群に分割したときの各モジュール電池群の制御を説明する。
まず、一つのモジュール電池群での基本となるパターンを図７に示す。上がヒータ稼働パターンを決めるための（二等辺の）三角波信号と各モジュール電池群の電池温度を示しており、下がヒータのＯＮ・ＯＦＦ状態を示している。この三角波信号は、ＮａＳ電池システム１の内部（例えば、ＮａＳ電池制御装置４など）で仮想的に発生させるものであり、これに各モジュール電池群の電池温度の信号を重畳させることで、図７の上図で示される形が得られる。
【００２８】
１サイクル時間ｔｃの間に、Ａ群、Ｂ群、Ｃ群、Ｄ群と１群毎に順繰りにヒータをＯＮしていく。１サイクル時間ｔｃを４等分し、この時間を二等辺三角形の底辺とし、高さを３４０℃−２９０℃＝５０℃とする三角波信号を作る。この三角波信号と各モジュール電池の内部温度（水平線）を重ねたときの交点で、ヒータのＯＮ・ＯＦＦのタイミングを決定する。三角波信号で正の傾きをもつ辺（時間の経過とともに上昇する辺）の交点でヒータをＯＮし、負の傾きをもつ辺（時間の経過とともに下降する辺）の交点でヒータをＯＦＦする。このように制御することで、基準温度を３００℃とした場合に、モジュール電池の内部温度がこの基準温度より低いときはｔＯＮ＞ｔｃ／５となり、この基準温度より高いときはｔＯＮ＜ｔｃ／５となる。
【００２９】
大容量のＮａＳ電池システムは、複数台のモジュール電池をキュービクル等に収納して構成される。そして、キュービクルに収納されたモジュール電池から放熱される熱は、キュービクル内部で上昇気流となってキュービクル上部の屋根から外部に排出されるため、その内部では、上部ほど気温が高い。そのため、キュービクルの上部に収納されるモジュール電池からの放熱量は下部に収納されるもののそれよりも、幾分小さくなる。
また、モジュール電池は、電気的、熱的に同質になるように製造されるが、完全に同一性能にはならない。更には、充放電サイクルが進むに従い、性能がばらついて行くのも避けがたい。
そのため、同一モジュール電池群において同一パターンのヒータ稼働を継続しても、各モジュール電池の間で温度に少しずつズレが生じてしまう。
【００３０】
この温度ズレが小さい範囲に収まっていれば特に問題も生じないが、これが大きくなると不都合が生じる得る（例えば、ＮａＳ電池システムを待機状態から長時間の放電状態に移行した場合、温度ズレが大きいと、放電開始時点で内部温度が既に高くなっているモジュール電池は、いち早く放電終了の温度に達してしまい、ＮａＳ電池システム全体としては、定格以下の放電しかできなくなる虞がある）。
【００３１】
そこで、モジュール電池の内部温度を一定の範囲に収めるようにするため、Ａ群三角波信号に重ね比較する温度はＡ群の全てのモジュール電池温度として、モジュール電池毎にヒータのＯＮ・ＯＦＦタイミングを決定する。すなわち、１つの三角波信号に対してＡ群の２０台のモジュール温度を重ねて比較され、この２０台の各ヒータが個別に制御される。そして、Ａ群の２０台の電池ヒータは、全てＡ群三角波信号が出力されている期間のみ稼働し、同様にＢ群、Ｃ群、及びＤ群においても同様に、各群の２０台のヒータは全て各群の三角波信号が出力されている期間内のみ稼働させる。
このように分割された時間内にのみヒータを稼働させるため、ヒータの消費電力としては、最大でも５ｋＷ×２０台＝１００ｋＷを超えることはない。
【００３２】
ＮａＳ電池は、前述のように、放電時は発熱反応により温度は上昇し、充電時および待機時は吸熱反応およびモジュール電池の断熱容器からの放熱により温度は低下する。このためモジュール電池の内部温度が基準温度を超える場合には、ヒータＯＮにせずともよく、図７に示す三角波信号の頂点である３４０℃になるまでヒータＯＮにする必要はない。
そこで、ヒータＯＦＦとする温度条件として高位限界温度ＴＨを、ヒータＯＮとする温度条件として低位限界温度ＴＬを、それぞれ定める。ＴＨの一例として、基準温度＋５℃と定め、これを超えたらヒータＯＦＦとし、またＴＬの一例として基準温度−５℃と定め、これを下回ったら図７で示す方法によるヒータＯＮを再開するなどの条件を加えることにより、ヒータＯＮとする時間の短縮を図れ、エネルギー効率の向上が期待できる。
【００３３】
また、ヒータのＯＮ・ＯＦＦタイミングを決定する方法としては、次のように決めてもよい（図８を参照）。すなわちＡ群三角波信号開始時刻を基準として、１サイクル時間ｔｃごとに基準パルス信号を発信する。１サイクル時間前に計測したモジュール電池の内部温度からｔＯＮと基準パルス信号からの遅れ時間ｔｄを計算し、ヒータのＯＮタイミングとＯＦＦタイミングを決定するものである。
Ａ群のあるモジュール電池の内部温度がＴＡであるとすると、ヒータＯＮ時間のｔＯＮ_Ａは、  
ｔＯＮ_Ａ＝1/200×ｔｃ×（３００−ＴＡ）＋1/5×ｔｃ，
であり、また、基準パルスから
ｔｄ_Ａ＝1/2×（ｔｃ／４−ｔＯＮ_Ａ），
だけ遅れてＡ群のヒータをＯＮにし、更にヒータＯＮからｔＯＮ_Ａ時間後にヒータをＯＦＦする。
Ｂ群についても、Ｂ群のあるモジュール電池の内部温度がＴＢであるとすると、ヒータＯＮ時間のｔＯＮ_Ｂは、  
ｔＯＮ_Ｂ＝1/200×ｔｃ×（３００−ＴＢ）＋1/5×ｔｃ
であり、また、基準パルス信号から、
ｔｄＢ＝1/2×（ｔｃ／４−ｔＯＮ_Ｂ）−ｔｃ／４，
だけ遅れてＢ群モジュール電池のヒータをＯＮさせる。さらにヒータＯＮからｔＯＮ_Ｂ後にヒータをＯＦＦさせる。
以下、Ｃ群、Ｄ群も同様である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＮａＳ電池システム（ナトリウム−硫黄電池システム）
２  ＮａＳ電池本体（ナトリウム−硫黄電池本体）
３  交直変換装置
４  ＮａＳ電池制御装置（ナトリウム−硫黄電池制御装置）
５  ＮａＳ電池ヒータ（ナトリウム−硫黄電池ヒータ）
６  連系変圧器
７  降圧変圧器
１０  制御線
１１  機器への電力供給線
２０  電池箱（モジュール電池を段重ねしたものを収納する箱）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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