JP2011185619A - 蓄電池評価装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単相電力貯蔵装置の直流側電流において発生する脈動を、種々の周波数成分の電流リプルについて測定することにより電池の内部状態のより広範囲な変化を精度良く判定する方法及び装置を提供すること。
【解決手段】蓄電池評価装置は、インバータ制御手段１０４とインピーダンス計測手段１０５とからなる。蓄電池の内部状態を判定は、インバータ制御手段１０４がＰＣＳ１０２のスイッチング周波数を変化させ、それらスイッチング周波数毎にインピーダンス計測手段１０５が脈動率を算出して判定を行う。全波整流リプル分抽出手段２０２には、例えば中心周波数が１００ＨｚのＢＰＦを用い、スイッチングリプル分抽出手段２０３には、例えばカットオフ周波数が１ｋＨｚ、１０ｋＨｚのＨＰＦを用いる。スイッチング周波数ｆ_swの情報は、インバータ制御手段１０７から取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は蓄電池評価装置及び方法に関し、より詳細には、電力貯蔵装置に使用した二次電池の経年変化、充電量などの内部状態を判定する蓄電池評価装置及び方法に関する。

蓄電池システムを運用する際、システムを正常に稼動させるために、充放電を繰り返して寿命劣化する蓄電池は定期的に取り替える必要がある。但し、その使用状況によって各蓄電池の寿命劣化度合いは異なるため、一定期間経過したものを一律に取り替えてしまうと、正常なものまで取り替えることになり非常に不経済である。そのため、蓄電池の寿命劣化度合いを判定する様々な方法が提案されている。

二次電池の経年劣化、充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）などの内部状態を把握するために外部からバッテリーに交流電圧を印加してインピーダンスを計測し、交流周波数の変化に対するインピーダンスの変化から電池の内部状態を把握する方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、単相電力貯蔵用ＰＣＳの直流側に発生する電流の脈動率を用いて電池の内部状態を判定する方法が提案されている（特許文献２参照）。

特表２００７−５０６９５２号公報 特願２００８−３３００２２号明細書

しかしながら、前者の方法では外部に周波数可変の交流電源が必要となりコストアップとなる課題があった。

また、後者の方法では周波数が電源周波数の２倍と比較的低周波数であるため、抵抗の変化が小さい場合には検出しにくいという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単相電力貯蔵装置の直流側電流において発生する脈動を、種々の周波数成分の電流リプルについて測定することにより電池の内部状態のより広範囲な変化を精度良く判定する方法及び装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、単相電力貯蔵交直変換装置に用いる蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池評価装置であって、前記単相電力貯蔵交直変換装置のインバータのスイッチング周波数を所定の周波数に変更するインバータ制御手段と、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出された電流値を複数の周波数毎のリプル分、直流分に分離し、各リプル分の直流分に対する割合である脈動率を前記複数の周波数毎のリプル分のそれぞれについて算出する脈動率演算手段と、前記複数の周波数毎の脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、前記脈動率演算手段によって算出された前記脈動率と、前記記憶手段から読み込んだ前記インバータ制御手段から受信した変更された前記所定の周波数に対応する前記脈動率−内部抵抗対応データとを照合して、前記蓄電池の前記蓄電池の内部状態を判定する内部状態判定手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄電池評価装置において、前記脈動率演算手段は、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率を算出し、前記記憶手段は、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率について前記脈動率−内部抵抗対応データを格納していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の蓄電池評価装置において、前記インバータ制御手段は、複数の単相電力貯蔵交直変換装置が直列に接続された多重化電力貯蔵交直変換装置の各単相電力貯蔵交直変換装置の各インバータのスイッチング周波数を選択的に変更する手段を含み、前記電流検出手段は、前記各単相電力貯蔵交直変換装置の蓄電池に流入する電流を選択的に検出する手段を含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、単相電力貯蔵交直変換装置に用いる蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池評価方法であって、前記単相電力貯蔵交直変換装置のインバータのスイッチング周波数を所定の周波数に変更するインバータ制御ステップと、前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出された電流値を複数の周波数毎のリプル分、直流分に分離し、各リプル分の直流分に対する割合である脈動率を前記複数の周波数毎のリプル分のそれぞれについて算出する脈動率演算ステップと、前記複数の周波数毎の脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段から、前記インバータ制御ステップにおいて変更された前記所定の周波数に対応する前記脈動率−内部抵抗対応データを読み込むステップと、前記脈動率演算ステップおいて算出された前記脈動率と、前記記憶手段から読み込んだ脈動率−内部抵抗対応データとを照合して、前記蓄電池の前記蓄電池の内部状態を判定する内部状態判定ステップとを有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の蓄電池評価装置において、前記脈動率演算ステップは、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率を算出し、前記記憶手段は、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率について前記脈動率−内部抵抗対応データを格納していることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の蓄電池評価装置において、前記インバータ制御ステップは、複数の単相電力貯蔵交直変換装置が直列に接続された多重化電力貯蔵交直変換装置の各単相電力貯蔵交直変換装置の各インバータのスイッチング周波数を選択的に変更するステップを含み、前記電流検出ステップは、前記各単相電力貯蔵交直変換装置の蓄電池に流入する電流を選択的に検出するステップを含むことを特徴とする。

本発明は、単相電力貯蔵装置の直流側電流において発生する脈動を、種々の周波数成分の電流リプルについて測定することにより電池の内部状態のより広範囲な変化を精度良く判定することを可能にする効果を奏する。

本発明の実施形態に係る蓄電池評価装置の主回路構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るインピーダンス検出手段の検出回路構成を示す図である。 単相電力貯蔵ＰＣＳの主回路構成例を示す図である。 シミュレーションに用いた回路構成を示す図である。 （ａ）、（ｃ）、（ｅ）は内部抵抗ｒ_iを１０ｍΩで一定とし、スイッチング周波数ｆ_swを１０ｋＨｚ、５ｋＨｚ、２ｋＨｚと変化させたときの直流電流Ｉ_dc2のシミュレーション結果を示す図であり、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は内部抵抗ｒ_iを５０ｍΩで一定とし、スイッチング周波数ｆ_swを１０ｋＨｚ、５ｋＨｚ、２ｋＨｚと変化させたときの直流電流Ｉ_dc2のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、この回路構成において内部抵抗ｒ_iを１０００ｍΩで一定とし、スイッチング周波数ｆ_swを１０ｋＨｚ、５ｋＨｚ、２ｋＨｚと変化させたときの直流電流Ｉ_dc2のシミュレーション結果を示す図である。 ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）とバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いて直流電流からスイッチングリプルと整流リプルを抽出する回路構成を示す図である。 シミュレーション結果の内部抵抗とリプル分との関係を示す図である。 内部抵抗ｒ_iの大きさ毎のリプル実効値を測定するのに適した周波数を示す図である。

電池の内部インピーダンスの変化に対する電流リプルの変化は、高周波数のリプルに対しては微小なインピーダンスでも変化するため微小なインピーダンス変化には適するが、インピーダンスが大きくなると高周波数のリプル分は観測できなくなる。

一方、低周波数のリプル分については電池の内部インピーダンスの変化に対し鈍感であるが、インピーダンスが大きく変化した場合でもその変化を観測できる。従って、種々の周波数成分の電流リプルにより内部状態を推定することで、より精度良くより広範囲なインピーダンス変化を測定できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の実施形態に係る蓄電池評価装置の主回路構成を示す。また、図９に、本発明の実施形態に係るインピーダンス検出手段の検出回路構成を示す。蓄電池評価装置は、インバータ制御手段１０４とインピーダンス計測手段１０５とからなる。

蓄電池の内部状態を判定は、インバータ制御手段１０４がＰＣＳ１０２のスイッチング周波数を変化させ、それらスイッチング周波数毎にインピーダンス計測手段１０５が脈動率を算出して判定を行う。

全波整流リプル分抽出手段２０２には、例えば中心周波数が１００ＨｚのＢＰＦを用い、スイッチングリプル分抽出手段２０３には、例えばカットオフ周波数が１ｋＨｚ、１０ｋＨｚのＨＰＦを用いる。スイッチング周波数ｆ_swの情報は、インバータ制御手段１０７から取得する。ＢＰＦの中心周波数を１００Ｈｚとしたのは、交流電源１０１の電源周波数の２倍とするためであり、この場合は５０Ｈｚ系を想定しているためである。すなわち、交流電源１０１を６０Ｈｚ系のものとすると、ＢＰＦの中心周波数は１２０Ｈｚとする。

インピーダンス計測手段１０５は、全波整流リプル分抽出手段２０２、スイッチングリプル分抽出手段２０３で整流リプル分とスイッチングリプル分とを分離して抽出し、平均値算出手段２０４で直流分を抽出する。そして各リプル分の直流分に対する割合である脈動率を、整流リプル分、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚのスイッチングリプル分の各々について算出する。

脈動率と内部抵抗との関係についてスイッチング周波数に応じた関係をデータベースに予め記録しておき、その記録された脈動率−内部抵抗の関係と新たに測定された脈動率とを内部状態判定手段２０６により比較することにより、内部抵抗及び内部状態（ＳＯＣ及び経年劣化）を推定する。すなわち、内部状態判定手段２０６は、スイッチング周波数ｆ_swに応じて整流リプル分、１ｋＨｚのスイッチングリプル分、１０ｋＨｚのスイッチングリプル分のいずれか適したものの脈動率を選択し、その脈動率と対応する記録された脈動率−内部抵抗データベースとから内部抵抗及び内部状態（ＳＯＣ及び経年劣化）を推定する。

尚、この蓄電池評価装置は、低電圧電池モジュール多重化ＰＣＳの各段に対しても同様に適用可能であることは言うまでもない。

以下、本発明の動作原理について詳細に説明する。

単相電力貯蔵用ＰＣＳの直流側電流には単相全波整流による電源周波数の２倍の周波数のリプル分及びスイッチングによる高調波リプル分が含まれている。平滑用コンデンサＣの両端にはこの電流リプルによる主として電源周波数の２倍の周波数の電圧リプルが発生し、その結果、蓄電池に流入する電流には電源周波数の２倍のリプル分が生ずることとなる。また平滑化用リアクトルを含まない、もしくは平滑化用リアクトルのインピーダンスが小さい場合には、スイッチングによる高周波数の電流成分も含まれる。さらに、スイッチング周波数を変化させた場合には種々の周波数のリプル成分を得ることができる。

これにより、電池の状態変化による内部抵抗の変化を種々の周波数のリプル分により計測することができ、電池の内部状態を精度良く広範囲に判定することができる。また、既存のＰＣＳでインバータのスイッチング周波数を変化させて測定するだけなので、周波数可変の交流電源を追加する必要がある従来の方法よりも低コストで実現できる。

本発明では、蓄電池に流れる直流分に対するリプル電流の割合の変化にのみ着目し簡易に電池の寿命劣化度合いを判定する発明において、電源周波数の２倍の周波数のリプル分及びスイッチングによる高調波リプル分の両方を使用するものである。

図３に、単相電力貯蔵ＰＣＳの主回路構成例を示す。ＰＣＳ１０２から流入する電流Ｉｄｃｏには単相全波整流による電源周波数の２倍の周波数のリプル分及びスイッチングによる高調波リプル分が含まれている。平滑用コンデンサＣの両端にはこの電流リプルによる主として電源周波数の２倍の周波数の電圧リプルが発生し、その結果、蓄電池１０３に流入する電流には電源周波数の２倍のリプル分が生ずることとなる。また平滑化用リアクトルを含まない、もしくは平滑化用リアクトルのインピーダンスが小さい場合には、蓄電池１０３に流入する電流にはスイッチングによる高周波数の電流成分も含まれる。

図４に、シミュレーションに用いた回路構成を示す。リアクトルがある場合は高周波数のリプル分は平滑化用コンデンサＣと内部抵抗ｒ_iによるローパスフィルタ効果により除去されて観測されにくいため、図１に示す直流リアクトルを割愛できる低電圧電池多重化ＰＣＳについてシミュレーションを行った。２つの蓄電池モジュールを直列接続した多重化ＰＣＳのインバータ１０２ａ、１０２ｂは、スライダック１０６を介して交流電源１０１に接続されている。可変抵抗１０８は、蓄電池の内部抵抗を模擬するために使用するものである。また、交流側、直流側にそれぞれ突防１０７ａ〜１０７ｃを設置している。

図５（ａ）〜（ｆ）に、この回路構成において内部抵抗ｒ_iを１０ｍΩ及び５０ｍΩで一定とし、スイッチング周波数ｆ_swを１０ｋＨｚ、５ｋＨｚ、２ｋＨｚと変化させたときの直流電流Ｉ_dc2のシミュレーション結果を示す。尚、このシミュレーション結果は、試作機での実験結果と良く一致することを確認している。

この結果から、ｆ_swを下げるとスイッチングリプルが大きくなること、内部抵抗が大きくなるとスイッチングリプルが減衰することが分かる。

図６（ａ）〜（ｃ）に、この回路構成においてスイッチング周波数ｆ_swを２ｋＨｚで一定とし、内部抵抗ｒ_iを１００ｍΩ、５００ｍΩ、１０００ｍΩと変化させたときの直流電流Ｉ_dcのシミュレーション結果を示す。図５に示す内部抵抗ｒ_iの変化では、１００Ｈｚの脈動分はほとんど変化していないが、内部抵抗ｒ_iを１０００ｍΩまで大きくした場合、整流により生じる１００Ｈｚの脈動分も抵抗の増加に伴い減衰していることが分かる。従って、抵抗が大きいところでは低い周波数、例えば整流によるリプル分である１００Ｈｚ成分を測定することによって精度良く蓄電池の内部状態を知ることができる。

このように、内部抵抗とリプルの周波数とリプル電流の大きさには相関がある。図７に示すように、シミュレーションした直流電流Ｉ_dcをハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）のフィルタ回路を通して測定回路で測定し、スイッチングリプルの実効値と整流リプルの実効値の変化を測定した。ＨＰＦはカットオフ周波数を１０００Ｈｚとし、ＢＰＦの中心周波数を１００Ｈｚとした。

図８に、シミュレーション結果の内部抵抗とリプル分との関係を示す。この関係から、スイッチング周波数を変えてリプル実効値を測定することにより、内部抵抗ｒ_iの推定が精度良く広範囲に可能になる。すなわち、内部抵抗ｒ_iの小さいところでは高いスイッチング周波数におけるリプル実効値を測定することにより、リプル実効値から内部抵抗ｒ_iがユニークに決まり、内部抵抗ｒ_iの大きいところでは低いスイッチング周波数におけるリプル実効値を測定することにより、リプル実効値から内部抵抗ｒ_iがユニークに決まる。

図９に、内部抵抗ｒ_iの大きさ毎のリプル実効値を測定するのに適した周波数を示す。ｒ_i＞２００ｍΩでは整流リプル、２００ｍΩ≧ｒ_i≧８ｍΩでは１ｋＨｚのスイッチング周波数ｆ_sw、３０ｍΩ＞ｒ_iでは１０ｋＨｚのスイッチング周波数ｆ_swでそれぞれ測定するのが適当といえる。

このように、スイッチング周波数を変えてリプル実効値を測定することにより、蓄電池の内部状態の変化に応じて内部抵抗を精度良く広範囲に推定することができる。従って、例えば経年劣化が始まる前の内部抵抗が小さいときにはスイッチング周波数を高くしてリプル実効値の変化を観測することで、経年変化を早期に発見することができる。また、経年的に内部抵抗が上昇してきたときにはスイッチング周波数を下げてリプル実効値を観測することによりその変化を精度良く推定することができる。

１０１ 交流電源
１０２ ＰＣＳ
１０２ａ、１０２ｂ インバータ
１０３ 蓄電池
１０４ インバータ制御手段
１０５ インピーダンス計測手段
１０６ スライダック
１０７ａ〜１０７ｂ 突防
１０８ 可変抵抗
１０９ 蓄電池評価装置

Claims (6)

1. 単相電力貯蔵交直変換装置に用いる蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池評価装置であって、
   前記単相電力貯蔵交直変換装置のインバータのスイッチング周波数を所定の周波数に変更するインバータ制御手段と、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段で検出された電流値を複数の周波数毎のリプル分、直流分に分離し、各リプル分の直流分に対する割合である脈動率を前記複数の周波数毎のリプル分のそれぞれについて算出する脈動率演算手段と、
   前記複数の周波数毎の脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段と、
   前記脈動率演算手段によって算出された前記脈動率と、前記記憶手段から読み込んだ前記インバータ制御手段から受信した変更された前記所定の周波数に対応する前記脈動率−内部抵抗対応データとを照合して、前記蓄電池の前記蓄電池の内部状態を判定する内部状態判定手段と
   を備えたことを特徴とする蓄電池評価装置。
2. 前記脈動率演算手段は、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率を算出し、
   前記記憶手段は、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率について前記脈動率−内部抵抗対応データを格納していることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池評価装置。
3. 前記インバータ制御手段は、複数の単相電力貯蔵交直変換装置が直列に接続された多重化電力貯蔵交直変換装置の各単相電力貯蔵交直変換装置の各インバータのスイッチング周波数を選択的に変更する手段を含み、
   前記電流検出手段は、前記各単相電力貯蔵交直変換装置の蓄電池に流入する電流を選択的に検出する手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電池評価装置。
4. 単相電力貯蔵交直変換装置に用いる蓄電池の内部抵抗を判定する蓄電池評価方法であって、
   前記単相電力貯蔵交直変換装置のインバータのスイッチング周波数を所定の周波数に変更するインバータ制御ステップと、
   前記蓄電池に流入する電流を検出する電流検出ステップと、
   前記電流検出ステップにおいて検出された電流値を複数の周波数毎のリプル分、直流分に分離し、各リプル分の直流分に対する割合である脈動率を前記複数の周波数毎のリプル分のそれぞれについて算出する脈動率演算ステップと、
   前記複数の周波数毎の脈動率と前記蓄電池の内部抵抗とを関係付けた脈動率−内部抵抗対応データが格納された記憶手段から、前記インバータ制御ステップにおいて変更された前記所定の周波数に対応する前記脈動率−内部抵抗対応データを読み込むステップと、
   前記脈動率演算ステップおいて算出された前記脈動率と、前記記憶手段から読み込んだ脈動率−内部抵抗対応データとを照合して、前記蓄電池の前記蓄電池の内部状態を判定する内部状態判定ステップと
   を有することを特徴とする蓄電池評価方法。
5. 前記脈動率演算ステップは、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率を算出し、
   前記記憶手段は、電源周波数の２倍、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚの脈動率について前記脈動率−内部抵抗対応データを格納していることを特徴とする請求項４に記載の蓄電池評価方法。
6. 前記インバータ制御ステップは、複数の単相電力貯蔵交直変換装置が直列に接続された多重化電力貯蔵交直変換装置の各単相電力貯蔵交直変換装置の各インバータのスイッチング周波数を選択的に変更するステップを含み、
   前記電流検出ステップは、前記各単相電力貯蔵交直変換装置の蓄電池に流入する電流を選択的に検出するステップを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の蓄電池評価方法。

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