JP2017505603A - バッテリの充電状態を管理する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、配電システム（５５）に給電するために接続されたバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法に関する。本方法は下記のステップを含む。バッテリの経年状態を最小限に抑えるバッテリの充電状態の値の範囲を推定するステップ（１００）、上記の値の範囲内の最適な充電状態値を得るために、バッテリを充電又は放電するステップ。本方法は、バッテリが充電も放電もしていないバッテリの不使用状態を検知する予備ステップ（１２０）も含む。【選択図】図２

Description

本発明は、配電網に給電するために接続されたバッテリの充電状態を管理する方法に関する。

本発明は、バッテリのタイプに関わらず応用され得、非限定的に、輸送体に拡大適用され得る。具体的には、本発明は、配電網に給電するために接続された複数のバッテリの充電状態を管理して残留容量を最大化するために応用可能であり特に有利である。

この分野では、配電網に給電するために接続されたバッテリの充電状態を管理する方法が知られている。これらの方法は、下記のステップを含む。
バッテリの経年状態を最小化するバッテリの前記充電状態の値の範囲を推定するステップ、
前記値の範囲内に含まれる充電状態の値に到達するように、バッテリを充電又は放電するステップ。

そのような例の１つが米国特許出願公開第２０１２／０２４９０４８号明細書に開示されており、その解決方法によれば、バッテリの経年状態が、２つの値の間に含まれる充電状態の値の範囲内で、充電及び放電の両方においてバッテリを動作させることによって制限される。

米国特許出願公開第２０１２／０２４９０４８号明細書に記載された発明は、バッテリの経年状態を最小化するのに必要なすべての要素を考慮していないという欠点が見出された。固定された値の範囲が開示されているが、これはバッテリの経年状態を最小化するには最適でない。例えば、バッテリが使用されない長期間、バッテリは、バッテリの劣化がより少ないかも知れない充電状態の他の値が存在するという意味において、充電状態の最適値未満に維持され得る。

この文脈において、提示された課題とは、バッテリの充電状態を最適化することである。具体的には、バッテリの経時劣化を最小限に抑えることが目的である。別の目的は、バッテリの動作状態を考慮することによって、バッテリの充電状態の値の範囲の選択を最適化することである。具体的には、本発明は、充電もしくは放電状態、又は、バッテリの不使用期間（バッテリが充電も放電もしていないが自己放電し得る期間）などの、バッテリの動作状態を考慮することを目的とする。更なる目的は、バッテリの経年状態を最小限に抑えるために、バッテリの動作温度及び／又は周囲温度（ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）に応じて、バッテリの充電状態の値の範囲を最適化することである。

この目的のため、本発明の一主題は、特に、配電網に給電するために接続されたバッテリの充電状態を管理する方法である。本方法は、バッテリの経年状態を最小限に抑える前記充電状態の値の範囲を推定するステップを含む。本方法はまた、前記値の範囲内に含まれる充電状態の最適値に到達するように、バッテリを充電又は放電するステップを含む。有利には、本発明による方法は、バッテリが充電も放電もしていないバッテリの不使用状態を検知する予備ステップを含むことを特徴とする。

このソリューションにより、前述の課題が解決する。

具体的には、バッテリの不使用状態を検知することにより、バッテリが良好な状態に置かれ、バッテリが使用されていない間、その経年状態を最小限に抑えることが可能となる。

一実施形態で、予備ステップ中、バッテリが不使用状態にある所定の期間の満了が検知される。

一実施形態で、バッテリの経年状態を最小限に抑えるバッテリの前記充電状態の値の範囲は、バッテリに関連する温度に応じて変化する第１の最小値及び第２の最大値によって定められる。

一実施形態で、バッテリに関連する温度は、バッテリの動作温度である。

一実施形態で、バッテリに関連する温度は、バッテリが設置されたハウジングの周囲温度である。

一実施形態で、あるステップが、前記周囲温度とバッテリの動作に関する情報とに基づいて、バッテリに関連する温度の推定を可能にする。

一実施形態で、１０℃と２５℃との間に含まれるバッテリの動作温度の範囲において、
第１の値は１０％に等しく、
第２の値は７０％に等しい。

一実施形態で、４５℃に実質的に等しいバッテリの動作温度において、
第１の値は５０％に等しく、
第２の値は７０％に等しい。

一実施形態で、５５℃に実質的に等しいバッテリの動作温度において、
第１の値は５０％に等しく、
第２の値は７０％に等しい。

一実施形態で、本方法は下記の予備ステップを含む。
複数のバッテリの充電状態を測定するステップと、
前記複数のバッテリから１つのバッテリを選択するステップ。

一実施形態で、追加のステップにより、バッテリの物理量に関する情報を収集することによりバッテリの経年状態が判定されることが可能となる。

上記の実施形態のうち任意のものによる方法を実装する手段を含む、バッテリの充電状態を管理するシステムという、本発明の第２の主題も目標とされる。

静的貯蔵システム（ｓｙｓｔｅｍｅ ｄｅ ｓｔｏｃｋａｇｅ ｓｔａｔｉｏｎｎａｉｒｅ）の構造の一例を示す。 本発明による管理方法の一例を示す図である。 本発明による管理方法の別の例を示す図である。 バッテリの劣化係数（即ち、その経年状態）の変化を、１０℃〜２５℃の範囲のバッテリの動作温度のバッテリの充電状態の関数として表す曲線を示す。 バッテリの劣化係数（即ち、その経年状態）の変化を、４５℃に概ね等しいバッテリの動作温度についてのバッテリの充電状態の関数として表す曲線を示す。 バッテリの劣化係数（即ち、その経年状態）の変化を、５５℃に概ね等しいバッテリの動作温度についてのバッテリの充電状態の関数として表す曲線を示す。

バッテリ５０の機能特性は、経年に応じて、使用中に有意に変化し得る。静的貯蔵システム５６はこの情報を監視する。

静的貯蔵システム５６の主な機能は、複数のバッテリ５０のエネルギー容量が最大限に利用されると同時に、バッテリ５０の経年状態を最小限に抑えるように、複数のバッテリ５０を構成している各バッテリ５０の状態についての情報の管理を実施することである。

通常、静的貯蔵システムは、ステップ２０によって、バッテリの経年状態を判定するための物理量に関する下記のタイプの情報を収集することができる（非網羅的なリストである）。
バッテリの様々な点における動作温度、
バッテリの電流及びバッテリ総電圧、
バッテリの各セルの電圧、
バッテリの充電状態、
放電モードで残存している利用可能なエネルギー、放電モードで利用可能な電力。

図１に示すように、複数のバッテリ５０の残留容量のための静的貯蔵システム５６は、下記の要素を含む。
バッテリ５０、
バッテリを監視するシステム５１、
静的貯蔵制御システム５２、
充電器５３、
インバータ５４。

これらの要素が静的貯蔵システム５６を形成する。この静的貯蔵システム５６は、ＡＣ給電網５５に接続される。

バッテリ５０を監視するシステム５１は、バッテリの物理量（温度、各セルの電圧、電流などの測定値）の取得を行う。これら物理量は、特に、バッテリ５０の経年状態を判定する機能を有する。バッテリ５０を監視するシステム５１は、例えば下記を判定するために、これら測定値に基づいて計算を実施する。
セルの最小電圧Ｖ_{ＣｅｌｌＭｉｎ}、
充電が終了しているか否かを示す第１の２進値ｆ_ＥＯＣ＝１又はｆ_ＥＯＣ＝０、
バッテリ５０が損傷なく扱える充電電力Ｐ_{ＣＨＧ，ＨＶＢ}又は放電電力Ｐ_{ＤＣＨＧ，ＨＶＢ}、
バッテリ５０の端子間で測定された電圧Ｖ_ＨＶＢ及び電流Ｉ_ＨＶＢ、
バッテリ５０から得られるエネルギー量Ｅ_ＨＶＢ。

バッテリ５０を監視するシステム５１は、バッテリ５０の経年状態の判定を可能にする物理量を、静的貯蔵制御システム５２へと通信する。バッテリ５０を監視するシステム５１は、特に、バッテリ５０の動作温度を測定するステップ７０の実施を可能にする。

静的貯蔵制御システム５２は、何らかのエネルギー上の制約（ｃｏｎｔｒａｉｎｔｅｓ ｅｎｅｒｇｅｔｉｑｕｅｓ）を受ける。例えば、静的貯蔵制御システム５２が、バッテリ５０をオフピーク期間中は充電し、ピーク期間中は放電するよう要求し得る。

図１に示すように、静的貯蔵制御システム５２は、受け取る情報、及びエネルギー制約に応じて、充電又は放電の設定点を確立する。これらの設定点は、印加するために充電器５３又はインバータ５４に送られ、それに応じてバッテリ５０が充電又は放電される。

本発明によれば、配電網５５に給電するために接続されたバッテリの５０の充電状態ＳＯＣを管理する方法は、下記のステップを含む。
バッテリが充電も放電もしていないバッテリの不使用状態を検知するステップ１２０、
バッテリの経年状態を最小限に抑えるバッテリの前記充電状態の値の範囲を推定するステップ１００、
前記値の範囲内に含まれる充電状態の最適値に到達するように、バッテリを充電又は放電するステップ１１０。

バッテリが充電も放電もしていないバッテリの不使用状態の検知を含む予備ステップ１２０は、例えば、バッテリが不使用状態にある所定の期間の満了の検知であり得る。有利には、この予備ステップが、バッテリを、経時的劣化を最小限に抑えた状態におくことを可能にする。バッテリの不使用状態とは、バッテリが特に損傷しやすい状態であるので、経年状態を最小限に抑える値の範囲内に含まれる値に到達するためにバッテリを充電又は放電することが、前記バッテリの維持を可能にする。従って、バッテリ５０は、劣化を制限するよう、能動的に使用されない場合にはできる限り充電状態ＳＯＣに設定されているべきである。能動的使用状態で（使用状態で）、バッテリ５０は典型的に、バッテリ５０の経年状態を最小限に抑える前記値の範囲を考慮せずに充電されるか或いは放電されるであろう。静的貯蔵制御システム５２は、貯蔵システム５６の利用が要求される設定点を待つあいだ、各バッテリ５０が設定される充電レベルを自由に決定する。

更に、本発明は、配電網５５に給電するための互いに接続された複数のバッテリの充電状態を管理する方法も目的とする。本方法は、給電網５５からのエネルギーを複数のバッテリ５０に貯蔵する貯蔵段階と、エネルギーを給電網５５内に放電するエネルギー放出段階とを含む。従って、バッテリ５０を充電するステップ１１０が、給電網５５からのエネルギーを複数のバッテリ内に貯蔵する貯蔵段階に対応し、バッテリ５０の放電が、エネルギーを給電網５５内に放電するエネルギー放出段階に対応することが理解されよう。静的貯蔵制御システム５２は、貯蔵システム５６の利用が要求される設定点を待つあいだ、各バッテリ５０が設定される充電レベルを自由に決定する。このように、複数のバッテリの充電状態を管理する方法が貯蔵段階にもエネルギー放出段階にもないときには、複数のバッテリ５０が不使用状態にある、換言すれば貯蔵システム５６は使用されていないとされる。

バッテリ５０の経年状態に影響する因子のうち、その温度がある。複数のバッテリ５０を含む静的貯蔵システム５６での使用という文脈では、バッテリ５０は通常、例えば作業室などの狭く密封されたハウジング内に局所化されている。結果として、配電網５５に給電するためにバッテリ５０が接続されているハウジングの周囲温度は、問題となるハウジングの地理上の位置、建物内のハウジングの位置などのパラメータに応じて変化する。更に、同じハウジングについて、太陽への露出、季節などに応じて周囲温度は経時的に変化し得る。最後に、そのような静的貯蔵システム５６の使用により熱が発生し、部屋の周囲温度に影響が及ぶであろう。バッテリ５０の経年状態への温度による影響を考慮すると、バッテリ５０をバッテリの経年状態を最小限に抑える充電状態の値の範囲内とするために用いられるパラメータの更新が可能となるので、バッテリの不使用状態の検知を含むステップ１２０は特に有利である。

別の実施形態では、値の範が、バッテリ５０に関連する温度Ｔに応じて変化する、ＳＯＣ_１＝ｆ_１（Ｔ）、ＳＯＣ２＝ｆ_２（Ｔ）、の各関係式による第１の最小値ＳＯＣ１及び第２の最大値ＳＯＣ２を含む。有利には、これにより、バッテリ５０の経年状態に影響するバッテリ５０の経時的な劣化が最小限に抑えられ得る。バッテリに関連する温度は、バッテリ５０が設置されているハウジングの周囲温度、又はバッテリの動作温度であり得る。

従って、一実施形態では、バッテリ５０が設置されているハウジングの周囲温度を測定するステップ６０が提供される。代替的に、バッテリ５０の動作温度を測定するステップ７０が実行され得る。

本発明の別の実施形態では、周囲温度、及びバッテリの動作に関する情報に基づいて、バッテリ５０に関連する温度Ｔを推定するステップ８０が提供される。バッテリの動作に関する情報の収集を含むステップ６５は、例えば、バッテリが充電も放電もされていない期間に対応し得る。

第１の値ＳＯＣ１及び第２の値ＳＯＣ２は、バッテリの動作温度と、バッテリ５０が配電網５５に給電するために接続されているハウジングの周囲温度とに応じて第１の値ＳＯＣ１及び第２の値ＳＯＣ２が計算されるステップ９０の結果であり得る。代替的に、第１の値ＳＯＣ１及び第２の値ＳＯＣ２は、ステップ９０中、バッテリの動作温度のみに応じて計算される。更に代替的に、第１の値ＳＯＣ１及び第２の値ＳＯＣ２は、ステップ９０中、周囲温度に応じて計算される。

ハウジングの周囲温度及びバッテリの動作温度のほかに、使用されているバッテリ５０のタイプ（リチウムイオンなど）も考慮されねばならない。実際、配電網５５に給電するために接続された複数のバッテリを構成するバッテリ５０がすべて、周囲温度に対し同じ感受性を有するわけではない。従って、経年状態を最小限に抑える各バッテリの充電状態の値の範囲は異なり得る。

図４では、バッテリ５０の平均動作温度が１０℃〜２５℃の範囲であるとき、経時的劣化の係数、即ちバッテリ５０の経年状態が、バッテリ５０の充電状態ＳＯＣに影響されることがわかった。より正確には、バッテリ５０の充電状態ＳＯＣが高いほどバッテリの劣化係数が高い。更に、図４に見られるように、バッテリの充電状態の７０％を超えると、曲線は急速に上昇し、指数関数型の曲線形態をとっている。この状況で、バッテリの経年状態を最小限に抑えるために、バッテリの充電状態は相対的に低く保たれるべきである。従って、有利な運用によれば、１０℃〜２５℃の間に含まれるバッテリの動作温度の範囲において、
第１の値（ＳＯＣ１）は１０％に等しく、
第２の値（ＳＯＣ２）は７０％に等しい。

図５では、４５℃に概ね等しいバッテリ５０の平均動作温度について図４に示すのと同様の試験が実施された。図４に示す結果と同じ方式で、１０℃〜２５℃の間に含まれる温度の範囲について、バッテリ５０の充電状態が７０％を超えると劣化の係数は急速に上昇している。更に、２０％〜４０％の間のバッテリの充電状態ＳＯＣについて劣化係数が急激に上昇している。従って、別の有利な運用によれば、４５℃に概ね等しいバッテリの動作温度において
第１の値（ＳＯＣ１）は５０％に等しく、
第２の値（ＳＯＣ２）は７０％に等しい。

最後に、図６で、バッテリの動作温度が更に高い、５５℃に概ね等しいバッテリの動作温度の条件下で、経時的劣化の係数の曲線は同様の形状を有する。バッテリ５０の充電状態が２０％〜４０％の間で急激に上昇し、バッテリ５０の充電状態が７０％を超えると更に上昇している。従って、別の有利な運用によれば、５５°Ｃに概ね等しいバッテリの動作温度において
第１の値（ＳＯＣ１）は５０％に等しく、
第２の値（ＳＯＣ２）は７０％に等しい。

バッテリの動作温度及び／又はバッテリ５０が配電網に給電するために接続されているハウジングの周囲温度に応じて、バッテリ５０の充電状態ＳＯＣが計算される（ここが図２に示すステップ９０に対応する）と、エネルギー貯蔵システム５６に印加させる必要がある設定点を特定するために、この充電状態ＳＯＣをエネルギーに変換するのが便利である。例として、１４ＫＷｈに等しい容量を有するバッテリ５０について、バッテリ５０の経年状態を最小限に抑える、７ｋＷｈ〜９．８ＫＷｈの間に含まれるエネルギーの目標範囲が得られるであろう。

図３に示す一実施形態で、管理方法は下記の予備ステップも含む。
複数のバッテリ５０の充電状態ＳＯＣを測定するステップと、
前記複数のバッテリ５０からあるバッテリ５０を選択するステップ。

この実施形態は、給電網に給電するために互いに接続された複数のバッテリにおいて有利である。

本管理方法は、バッテリ５０の経年状態を判定するために物理量に関する情報を収集するステップ２０も含み得る。この情報は、機能特性が不十分であるバッテリ５０の廃棄を決定するために用いられ得る。商業的に提示している機能に関して言えば、顧客に保証しているエネルギーの最小レベルはＥ_{２ｎｄ，ＭＩＮ}である。顧客に保証しているこのエネルギーの最小レベルＥ_{２ｎｄ，ＭＩＮ}は、バッテリ５０が晒される動作温度に応じて確立される。従って、実際には、第２の値ＳＯＣ２よりも低い第１の値ＳＯＣ１によって、Ｅ_{２ｎｄ，ＭＩＮ}を上回るエネルギーの供給が可能であることが立証されるべきである。そうでない場合、エネルギーの保証最小レベルＥ_{２ｎｄ，ＭＩＮ}を保証するために、例えば、バッテリ５０を充電するものの充電状態の値の範囲内に維持させることによって静的貯蔵制御システム５２の挙動を改変するか、或いは、複数の他のバッテリ５０に接続されているバッテリ５０を、より高い残留容量を有している別のバッテリ５０に交換することを意図する必要がある。

静的貯蔵制御システム５２は、本発明のフレームワークに関する計算の重要部分を実行する。

Claims (12)

1. 配電網（５５）に給電するために接続されたバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法であって、
   前記バッテリの経年状態を最小限に抑える、前記バッテリの前記充電状態の値の範囲を推定するステップ（１００）、
   前記値の範囲内に含まれる充電状態の最適値に到達するように、前記バッテリを充電又は放電するステップ（１１０）
   を含む方法において、
   前記バッテリが充電も放電もされていない前記バッテリの不使用状態を検知する予備ステップ（１２０）
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記予備ステップ（１２０）中、前記バッテリが前記不使用状態にある所定の期間の満了が検知されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
3. 前記バッテリの前記経年状態を最小限に抑える前記値の範囲が、前記バッテリに関連する温度（Ｔ）に応じて変化する第１の最小値（ＳＯＣ１）及び第２の最大値（ＳＯＣ２）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
4. 前記バッテリに関連する前記温度（Ｔ）が前記バッテリの動作温度であることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
5. 前記バッテリに関連する前記温度（Ｔ）が、前記バッテリが設置されているハウジングの周囲温度であることを特徴とする、請求項３に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
6. 前記周囲温度と前記バッテリ（５０）の前記動作に関する情報とに基づいて、前記バッテリに関連する前記温度（Ｔ）を推定するステップ（８０）を含むことを特徴とする、請求項５に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
7. １０℃から２５℃の間に含まれる前記バッテリの動作温度の範囲において、
   前記第１の値（ＳＯＣ１）は１０％に等しく、
   前記第２の値（ＳＯＣ２）は７０％に等しいことを特徴とする、請求項４に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
8. ４５℃に概ね等しい前記バッテリの動作温度において、
   前記第１の値（ＳＯＣ１）は５０％に等しく、
   前記第２の値（ＳＯＣ２）は７０％に等しいことを特徴とする、請求項４に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
9. ５５℃に概ね等しい前記バッテリの動作温度において、
   前記第１の値（ＳＯＣ１）は５０％に等しく、
   前記第２の値（ＳＯＣ２）は７０％に等しいことを特徴とする、請求項４に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
10. 複数のバッテリの前記充電状態（ＳＯＣ）を測定する（１０）予備ステップ、及び
    前記複数のバッテリから前記バッテリ（５０）を選択する（３０）予備ステップを含むことを特徴とする、請求項１から９の何れか一項に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
11. 前記バッテリ（５０）の物理量に関する情報を収集する（２０）ことによって、前記バッテリ（５０）の前記経年状態を判定する追加のステップを更に含むことを特徴とする、請求項１から１０の何れか一項に記載のバッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理する方法。
12. 本請求項１から１１の何れか一項に記載の方法を実施する手段を含む、バッテリ（５０）の充電状態（ＳＯＣ）を管理するシステム。
    

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