(57)【要約】【課題】  運転条件にかかわらず蓄電池のバックアップ能力及び寿命の劣化を抑制できる蓄電システムを提供する。【解決手段】  少なくとも放電モードにおける蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力すると共に、制御情報を取得し、当該制御情報に基づき蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替える電池補機と、電池補機から電池情報を取得し、端子電圧が所定の放電停止閾値に達したときには放電モードを蓄電モードに切り替える制御情報を生成して電池補機に出力する制御部と、を備える。【選択図】      図２
2016093022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池を含む蓄電池部を搭載した蓄電システムであって、
少なくとも放電モードにおける前記蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力すると共に、制御情報を取得し、当該制御情報に基づき前記蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替える電池補機と、
前記電池補機から前記電池情報を取得し、前記端子電圧が所定の放電停止閾値に達したときには前記放電モードを前記蓄電モードに切り替える前記制御情報を生成して前記電池補機に出力する制御部と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄電システムであって、
前記放電停止閾値は、前に行った放電モードで得られた前記端子電圧の微分曲線の変曲点又は極値を状態特異点とし、当該状態特異点に対応する前記端子電圧を前記放電停止電圧としたことを特徴とする蓄電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の蓄電システムであって、
前記放電停止閾値を前記放電停止電圧で更新して用いることを特徴とする蓄電システム。
【請求項４】
リチウムイオン電池を含む蓄電池部を搭載した蓄電システムを運転する運転方法であって、
少なくとも放電モードにおける前記蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力し、
前記電池情報に含まれる前記端子電圧が、所定の放電停止閾値に達したときには前記放電モードを前記蓄電モードに切り替える前記制御情報を生成し、
前記制御情報に基づき前記蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替える、
ことを特徴とする蓄電システムの運転方法。
【請求項５】
請求項４に記載の蓄電システムを運転する運転方法であって、
前記放電停止閾値として、前に行った放電モードで得られた前記端子電圧の微分曲線の変曲点又は極値を状態特異点とし、当該状態特異点に対応する前記端子電圧を前記放電停止電圧とする、
ことを特徴とする蓄電システムの運転方法。
【請求項６】
請求項５に記載の蓄電システムを運転する運転方法であって、
前記放電停止閾値を前記放電停止電圧で更新する、
ことを特徴とする蓄電システムの運転方法。
【請求項７】
リチウムイオン電池を含む蓄電池部を搭載した蓄電システムを運転する運転プログラムであって、
少なくとも放電モードにおける前記蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力するステップと、
前記電池情報に含まれる前記端子電圧が、所定の放電停止閾値に達したときには前記放電モードを前記蓄電モードに切り替える前記制御情報を生成するステップと、
前記制御情報に基づき前記蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替えるステップと、
を含むことを特徴とする蓄電システムの運転プログラム。
【請求項８】
請求項７に記載の蓄電システムを運転する運転プログラムであって、
前記放電停止閾値として、前に行った放電モードで得られた前記端子電圧の微分曲線の変曲点又は極値を状態特異点とし、当該状態特異点に対応する前記端子電圧を前記放電停止電圧とするステップ、
を含むことを特徴とする蓄電システムを運転する運転プログラム。
【請求項９】
請求項８に記載の蓄電システムを運転する運転プログラムであって、
前記放電停止閾値を前記放電停止電圧で更新するステップ、
を含むことを特徴とする蓄電システムを運転する運転プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電システム、その運転方法及び運転プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池を搭載した蓄電システムをバックアップ電源として用いる提案がなされている（特許文献１参照）。この蓄電池システムでは、充電された蓄電池を長期間維持し、必要になったときに放電（電力供給）する蓄電制御を行う。
【０００３】
蓄電制御には、蓄電容量の現在値を確認するための機能、この現在値に基づき充放電を切り替えるための機能が必要となり、蓄電池システムには、これらの機能（以下、監視機能と記載する）が備わっている。監視機能は常時動作している必要があり、特許文献１においては、当該監視機能を動作させるための電源を蓄電池から供給する提案がなされている。
【０００４】
監視機能に対して蓄電池からの電力供給を行うと、当然のことながら蓄電池に蓄積されている蓄電容量は減少する。従って、蓄電容量が少なくなると、バックアップ電源としての機能が損なわれるので、充電する必要がある。このときの蓄電池に対する充放電モードの切り替え制御は、蓄電池の端子電圧に基づいて行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５４５９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、蓄電池の内部抵抗は、放電電流や蓄電池温度等の運転条件によって変化（増大）するため、バックアップ電源として期待される能力と、実際の能力とに差が生じてしまうことがある。
【０００７】
なお、内部抵抗の増大は、蓄電池の蓄電量の低下を意味し、この意味から蓄電池の寿命を短くする要因となっている。
【０００８】
即ち、内部抵抗の変化が端子電圧に与える影響を与えるにもかかわらず、特許第３５４５９７２号公報におけるように、端子電圧に基づき充放電モードを切り替えると、端子電圧から期待されるバックアップ電源の能力が、実際の能力より大きく見積られてしまう不都合が生じる。
【０００９】
そこで、運転条件の応じた蓄電池の劣化量（又は劣化度合い）をデータベース化しておき、端子電圧から期待できる電池容量を補正することが考えられる。しかし、この場合には膨大なデータ量が必要となると共に、このデータを用いた制御の負荷が増大すると共に手順が複雑化する問題がある。
【００１０】
このようなことから、運転条件によらず、実際のバックアップ能力及び寿命の劣化を抑制するための制御方法が望まれている。
【００１１】
そこで、本願発明の主目的は、運転条件にかかわらず蓄電池のバックアップ能力及び寿命の劣化を抑制できる蓄電システム、その運転方法及び運転プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、リチウムイオン電池を含む蓄電池部を搭載した蓄電システムにかかる発明は、少なくとも放電モードにおける蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力すると共に、制御情報を取得し、当該制御情報に基づき蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替える電池補機と、電池補機から電池情報を取得し、端子電圧が所定の放電停止閾値に達したときには放電モードを蓄電モードに切り替える制御情報を生成して電池補機に出力する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、リチウムイオン電池を含む蓄電池部を搭載した蓄電システムを運転する運転方法にかかる発明は、少なくとも放電モードにおける蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力し、電池情報に含まれる端子電圧が、所定の放電停止閾値に達したときには放電モードを蓄電モードに切り替える制御情報を生成し、制御情報に基づき蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替える、ことを特徴とする。
【００１４】
さらに、リチウムイオン電池を含む蓄電池部を搭載した蓄電システムを運転する運転プログラムにかかる発明は、少なくとも放電モードにおける蓄電池部の端子電圧を計測し、これを電池情報として出力するステップと、電池情報に含まれる端子電圧が、所定の放電停止閾値に達したときには放電モードを蓄電モードに切り替える制御情報を生成するステップと、制御情報に基づき蓄電池部を充電モード又は放電モードに切り替えるステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、運転条件に依存せず、容易に蓄電池の容量劣化及び寿命の抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態にかかる蓄電システムのブロック図である。
【図２】蓄電システムの運転手順を示すフローチャートである。
【図３】蓄電システムの他の運転手順を示すフローチャートである。
【図４】実施例１の説明に適用される充電モードと放電モードとを１サイクルとして、運転時間に対する初期時、１か月経過時、３か月経過時における端子電圧の変化を示した図である。
【図５】３か月経過時の端子電圧の微分曲線を示した図である。
【図６】実施例２の説明に適用される充電モードと放電モードを１サイクルとして、運転時間に対する初期、１か月後、及び３か月後の蓄電池部の端子電圧を示した図である
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する。本発明者らは、複数のリチウムイオン電池セルを含む蓄電池部の蓄電能力や寿命の劣化の一因として蓄電池を構成する部材（材料）の構造変化や起電力発生反応に伴い生じる副反応が関与していることを見いだした。そして、かかる構造変化は、放電モードにおける蓄電池の端子電圧波形の変化から判断できることを見いだした。本実施形態は、かかる知見に基づき、蓄電池部の蓄電能力や寿命の劣化を抑制する。以下、具体的に説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態にかかる蓄電システム２のブロック図である。この蓄電システム２は、複数のリチウムイオン電池セルを直並列に接続して構成された蓄電池部１１、電池情報を収集すると共に、制御情報に基づき蓄電池部１１の充放電を実行する電池補機（ＢＭＵ）１２、直流電力を交流電力に変換し、又は、交流電力を直流電力に変換するＤＣ／ＡＣ等の変換器（ＰＣＳ）１３、電池情報に基づき制御情報を生成し、電池補機１２に出力する制御部１４を備える。
【００１９】
なお、電池情報には、充放電時における蓄電池部１１の端子電圧、電流値、電池温度、及び、運転時の蓄電池部１１の環境温度が含まれる。また、制御情報は、蓄電池部１１を充電モードにするか、放電モードにするかを指示する情報である。
【００２０】
そして、蓄電システム２は、負荷及び系統電源等の外部機器１５に接続されて、例えば系統電源が遮断された場合等において、電力を蓄電池部１１から外部機器１５に供給する。
【００２１】
なお、外部機器１５として発電所と接続された送電線等が例示できるが、当該外部機器１５は蓄電システム２の必須要件ではないことを付言する。以下の説明においては、当該送電線を介して発電所からの電力が蓄電池部１１の充電電力として利用されるものとする。この場合には、変換器１３は送電線からの交流電力を直流電力に変換することになる。
【００２２】
電池補機１２は、電池情報を所定時間間隔で計測して制御部１４に出力する。制御部１４又はその上位のサーバー（必要に応じて設ける）は、この電池情報を格納する。なお、電池補機１２の電力は、蓄電池部１１から供給されるとする。このとき、電池補機１２は二次電池を内蔵しているか否かは問わない。
【００２３】
蓄電池部１１が電池補機１２に電力供給すると、当該蓄電池部１１に蓄積されている容量は減少する（バックアップ能力が小さくなる）なるので、適宜充電する必要がある。かかる充電モードへの切り替えは、制御部１４が電池情報に基づき制御情報を生成して、電池補機１２に出力することにより行われる。
【００２４】
蓄電池部１１がバックアップ電源として動作していない時（待機時）においても、電池補機１２の動作に必要な電力は供給しているため、当該蓄電池部１１は放電モードとなっている。
【００２５】
そこで、制御部１４は、電池情報に含まれる端子電圧を時間した微分曲線を算出する。そして、微分曲線の極値点又は変曲点が、予め設定された放電停止閾値に達した時、蓄電池部１１を放電モードから充電モードに切り替える。以下、微分曲線の極値点又は変曲点を状態特異点と記載する。
【００２６】
先に述べたように、状態特異点は、蓄電池部１１を構成する材料の結晶構造の変化や副反応等の不可逆な状態変化が一因をなしていると考えられる。そこで、不可逆的な状態変化が起きない段階又は進まない段階で、放電モードから充電モードに切り替えるように制御する。
【００２７】
なお、放電停止閾値は、予め設定された値としたがこれに限定するものではない。例えば、状態特異点に対応した端子電圧（以下、放電停止電圧と記載する）を定期的に取得し、この放電停止電圧を次回の放電モードにおける放電停止閾値として記憶してもよい（又は既に記憶されている場合には、更新してもよい）。
【００２８】
次に、蓄電システム２の運転手順を、図２に示すフローチャートに従い説明する。図２に示す運転手順で、ステップＳＡ１〜ステップＳＡ３は充電モードを示し、ステップＳＡ４〜ステップＳＡ７は放電モードを示している。
【００２９】
（充電モード）
ステップＳＡ１：  先ず、制御部１４は、内蔵又は外部設置された記憶手段に記憶されているデータベースから充電停止条件を取得する。この放電停止条件には、充電停止を端子電圧に基づき行う際の電圧停止条件、及び、電池温度に基づき行う際の温度停止条件が含まれる。本実施形態では、これらの条件をオア条件として用いる。
【００３０】
制御部１４は、取得した放電停止条件を一次記憶し、電池補機１２に充電モードに移行することを示す制御情報を出力する。
【００３１】
ステップＳＡ２、ＳＡ３：  制御情報を受信した電池補機１２は、変換器１３に外部機器１５からの交流電力を直流電力に変換させて蓄電池部１１に供給して、充電を開始する。その後、電池補機１２は、端子電圧や電池温度等を定期的に計測して、電池情報として制御部１４に出力する。
【００３２】
制御部１４は、蓄電池部１１の端子電圧が電圧停止条件を満たすか（端子電圧≧電圧停止条件）否かを監視している。そして、電圧停止条件を満たす場合には、所定量の蓄電が行われたとして、充電モードを停止させる制御情報を電池補機１２に出力する。
【００３３】
また、制御部１４は、電池温度が温度停止条件を満たすか（電池温度≧温度停止条件）否かについても監視している。これは充放電を行うと、蓄電池部１１の温度上昇が生る。この温度上昇度合いにより、蓄電池部１１が破損したりする恐れがあるので、これを防止するため電池温度が温度停止条件を満たすか否かを判断している。温度停止条件を満たす場合には、充電モードを停止させる制御情報を電池補機１２に出力する。
【００３４】
また、端子電圧は、電池温度の影響を受ける。そこで、温度検出することにより、端子電圧を補正する。これにより、正確な端子電圧を得ることができるようになる。
【００３５】
なお、電圧停止条件と温度停止条件とは、オア条件であるため、いずれかの条件が満たされると、充電モードが停止する。
【００３６】
ステップＳＡ４：  電池補機１２は、制御部１４から充電を停止する制御情報を受信すると、放電モードに切り替える。このとき制御部１４は、データベースから放電停止条件を取得して一次記憶する。
【００３７】
（放電モード）
ステップＳＡ５〜ＳＡ７：  放電モードに移行して放電が開始されると、電池補機１２は所定時間毎に端子電圧を計測して、電池情報として制御部１４に出力する。制御部１４は、電池情報から端子電圧の微分曲線を算出する。そして、状態特異点に対応する放電停止電圧を求め、この放電停止電圧が予め設定した放電停止条件を満たすか否かを判断する。放電停止条件が満たされると、制御部１４は放電モードを停止して充電モードに切り替える。
【００３８】
なお、上記説明では、放電停止条件を状態特異点に対応する放電停止電圧とした。しかし、本実施形態は、他の方法で定義した放電停止条件を用いることを妨げるものではない。
【００３９】
例えば、放電停止電圧をデータベースに格納されている放電停止閾値として、当該放電停止閾値を更新する方法が可能である。図３は、このような制御手順を示したフローチャートである。このとき、ステップＳＢ１〜ＳＢ３は、図２に示すステップＳＡ１〜ＳＡ３と同じ手順である。また、ステップＳＢ５は、ステップＳＡ４と、ステップＳＢ６〜ＳＢ７は、ステップＳＡ６〜ＳＡ７と、同じ手順である。但し、ステップＳＢ４は、放電停止閾値を放電停止電圧で更新する手順を示している。
【００４０】
この方法では、電池温度と電流値も取得してデータベースと照合する。蓄電池の種類にもよるが、データベース量が膨大になるのを避けるために電池温度は１０℃以内刻み、電流レートは１Ｃ以下で制御することが望ましい。周囲環境温度に比べて蓄電池部１１の温度上昇を十分に小さくするためには、電流レートを０．１Ｃ以下にすることが望ましい。
【００４１】
次に、本発明の実施例１〜３を説明する。
【００４２】
（実施例１）
蓄電池部１１を、リチウムイオン電池として正極活物質にマンガン酸リチウムとニッケル酸リチウムとの混合物、負極活物質に非晶質炭素を用いた３０Ａｈの積層型ラミネート型セルにより構成した。そして、電池補機１２の消費電流は０．３Ａとし、図２のフローチャートに従って本発明の効果を検証した（この検証を発明方法と記載する）。
【００４３】
充電は、定電流定電圧モードで行った。この定電流定電圧モードとは、先ず定電流モードで充電し、その後に定電圧モードで充電するモードである。最初に行う定電流モードにより、端子電圧が目標電圧になるまで、所定値の定電流で充電する。このとき、目標電圧を４．１Ｖ、電流値を１０Ａとした。
【００４４】
その後、定電圧モードに移行して、所定の定電圧で電流値が目標値（以下、下限電流と記載する）になるまで充電する。このとき、下限電流を1Ａとした。
【００４５】
また、電池の劣化を加速させるために、蓄電池部１１を４５℃の恒温槽を入れて試験を行った。
【００４６】
また、放電停止条件の端子電圧は、図２に示す手順に従い、端子電圧の微分曲線の極値を電池特異点とし、そのときの端子電圧を放電停止電圧として、運転開始前の値、運転開始後から１か月後の値、３か月後の値に設定した。即ち、運転開始１か月までは運転開始時の放電停止電圧、１か月〜３か月は１か月後の放電停止電圧を、３か月から半年間は３か月後の放電停止電圧を、放電停止条件として用いた。
【００４７】
図４は、充電モードと放電モードとを１サイクルとして、運転時間に対する初期時、１か月経過時、３か月経過時における端子電圧の変化を示した図である。運転時間が長くなるに従い、電池容量が低下するため、端子電圧曲線（放電モードにおける端子電圧曲線）の形状が変化している。
【００４８】
図５は、３か月経過時の端子電圧の微分曲線を示した図である。この図から状態特異点は、４４９０８秒のときに観測された。
【００４９】
図４に示すように、放電停止条件の放電停止電圧は、運転開始時で４．０００Ｖ、１か月後で４．０１８Ｖ、３か月後で４．０２７Ｖと推移し、その時点での電池容量も確認した。その結果を表１に示す。放電停止条件を４．１Ｖに固定した場合（これを従来方法とする）、この従来方法と比べて、発明方法では１か月後で０．０５％、３か月後で０．２３％、６か月後で０．５９％と運転時間に伴う電池容量低下改善効果が確認できた。
2016093022.tif 000003
【００５０】
この電池容量低下改善量は、運転時間のルート則に従っており、１年後では１．１％、３年後では３％と見積もられる。そして、運転時間が長くなるに従い電池容量の低下改善量が大きくなる傾向にあったことから、本発明による蓄電池部１１の寿命延長効果が実証できた。なお、ルート則とは、二次電池の可逆容量の減少量と、二次電池の内部抵抗の増加量とは、ともに二次電池の充放電期間のルートに比例する経験則である。
【００５１】
（実施例２）
次に、上記電池容量低下改善効果が、環境温度によらないことを検証するため、環境温度を２５℃として同様の試験を行った。図６は、このときの充電モードと放電モードを１サイクルとして、運転時間に対する初期、１か月後、及び３か月後の蓄電池部１１の端子電圧を示した図である
端子電圧の微分曲線の極値から、放電停止条件を運転開始時、１か月経過後、３か月経過後に計測し、６か月間運転した。微分曲線の極値は、運転開始時の４Ｖから３か月経過後に４．００１Ｖ、６か月経過後に４．０１４Ｖとなり、実施例１とは異なる値を示した。
【００５２】
放電停止電圧を４．１Ｖに固定した場合を従来方法としたとき、この従来方法と比べて発明方法の６か月経過後の電池容量は０．２５％改善していた。そして、１年経過後の電池容量はルート則によれば０．５２％となると推定され、実施例１と同様に電池容量低下改善効果が得られることが確認できた。
【００５３】
（実施例３）
さらに、０℃でも１サイクルあたりでの端子電圧の微分曲線の極値を運転開始時、１か月経過後で算出して、放電停止電圧を設定し、３か月間の運転を行った。従来方法として放電停止電圧を４．１Ｖに固定した場合と比べて、３か月経過後の電池容量は０．１５％改善した。従って、実施例２の結果も踏まえると、本発明を用いることで温度環境によらずサイクル寿命を延長できることが実証できた。
【００５４】
（実施例４）
また８枚のセルを直列化してモジュールでも実施例１と同様な測定を行った。この際はサイクルに伴う電池特性のばらつきが生じるため、一番容量が低くなるセルの端子電圧から微分曲線の極値を求めた。その結果、同様にサイクル寿命の延長効果を確認できた。
【００５５】
以上説明したように、電池容量を一定に保って長期間待機する用途において、運転方法と使用環境によらず蓄電池部１１の実効的な電池容量と電池寿命とを向上させることができるようになった。
【００５６】
なお、上述した蓄電システムの運転方法をプログラム化して情報記録媒体等を介して利用することも可能である。このとき、例えば、制御部１４や電池補機１２の全て又は一部をパーソナルコンピュータ等で構成することも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
２    蓄電システム
１１    蓄電池部
１２    電池補機
１３    変換器
１４    制御部
【図１】
2016093022.tif 000004
【図２】
2016093022.tif 000005
【図３】
2016093022.tif 000006
【図４】
2016093022.tif 000007
【図５】
2016093022.tif 000008
【図６】
2016093022.tif 000009