JP2017534050A - １組の据置バッテリーの欠陥を診断するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は少なくとも１つのバッテリーを含む電力蓄積システムにおいて欠陥を検出するための方法に関する。方法は、バッテリーを充電または放電するための命令を供給するステップを備える。前記方法はまた、前記命令の適用の間にバッテリーを流れる電流を測定するステップを備える。前記方法はまた、測定された電流と理論上の命令の電流との間のｍ×ｎ平均誤差（ｅＴｊ（ｔｉｊ））ｊをｍ×ｎ時間間隔（［ｔｉｊ，ｔｉｊ＋Ｔｊ］）ｊにおいてそれぞれ計算するステップを備える。前記方法はまた、１からｍの間の各ｊについて、ｅｊ＝ｍａｘ（ｅ（ｔｉｊ））を計算するステップを備える。ただしｉ＝１，．．．，ｎである。最後に、前記方法は、ｅｊが完全にまたは部分的に予め定められた閾値を超えたらカウンタＣｊをインクリメントするステップを備える。Ｃｊが予め定められた閾値を超えたら欠陥が検出される。【選択図】図３a

Description

本発明は、１組の据置バッテリーの不良を診断するための方法に関する。本発明は、特に、風力または光電型の再生可能資源からのエネルギーを蓄えるための設備に適用する。

地球の温暖化を取り巻く現在の合意の状況において、二酸化炭素（ＣＯ_２）排出量の削減は、全ての産業、特にエネルギー生産者および自動車製造業者が直面している主要な課題あり、これらの業界では常に基準が常により厳しくなっている。

自動車製造業者の部門において、従来の熱内燃機関のＣＯ_２排出量の低減をもたらす定期的な性能の向上に加えて、最近では電気自動車および熱電ハイブリッド自動車が、ＣＯ_２排出量の削減に対してもっとも有望な解決手段であると考えられている。以下、本願における「電気自動車」という表現は、無差別に再充電可能なハイブリッド自動車を含む電気自動車および熱電ハイブリッド自動車を指す。

電気自動車のための牽引用バッテリーの設計について様々な技術が検討されており、それぞれが利点および欠点を有する。特に、リチウムイオン（ｌｉ−ｉｏｎ）技術はエネルギー密度と出力密度との間の素晴らしい折衷案を提供しており、自動車用途にとって理想的である。しかしながら、この技術を実施するには技術的な理由および経済的な理由の両方において多大な困難が伴う。特に、電気自動車の牽引のために用いられるリチウムイオンバッテリーは、時間に応じておよび使用状態に応じて容量の低下を被る。一定の容量閾値に端を発して、これらのバッテリーの自律性は、自動車における使用のためにもはや十分ではなくなり、取り替える必要がある。残念ながら、リチウムイオンバッテリーを保管し再利用するためのコストは非常に高く、これらのバッテリーの経済的採算性を弱める。このため出願人は、リチウムイオンバッテリーを他の用途、特に建物に電力を供給することを目的として風力または光電型の再生可能な電気エネルギーを蓄えるための据置用途で使用することを提案することによって、これらのバッテリーの寿命を伸ばすことに取り組んでいる。特に、バッテリーのコストの償却の期間を延ばすことによって、バッテリーの再利用コストを吸収することが可能となり、これにより経済的採算性を向上させることができる。このために出願人は建物に電力を供給するためのエネルギー蓄積システムを開発し、このシステムは電気自動車において第１の使用がなされるかまたは「第１の寿命（ｆｉｒｓｔ ｌｉｆｅ）」を経たという意味で「再利用された」バッテリーを使用する。したがって、これらのバッテリーの「第２の寿命（ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｆｅ）」に言及する。しかしながら、バッテリーは既に経年劣化しているため、要求される安全および性能のレベルを確保するために特別の配慮をしてシステムを維持しなくてはならない。これが本発明が解決すべきものとして提案する課題の１つである。

ＥＰ２１４７３２３特許は、建物に電力を供給するために使用される据置バッテリーのシステムを開示しており、バッテリーの不良を検出するための手段を含んでいる。この解決手段の１つの主要な欠点は、不良の発端に関する正確な表示を提供せず、正確な診断任務をメンテナンス作業員に任せることである。これが本発明が解決すべきものとして提案する別の課題である。

本発明の目的は、上記の欠点を克服し、特に据置バッテリーの充電または放電の設定値の到達に関する診断を提供することにある。この目的を達成するために、本発明の１つの主題は、少なくとも１つのバッテリーを含む電気エネルギー蓄積システムにおいて不良を検出するための方法である。この方法は、バッテリーに充電または放電の設定値を供給するステップを備える。方法はまた、この設定値の適用の間にバッテリーを流れる電流を測定するステップを備える。方法はまた、測定された電流と理論上の設定値の電流との間のｍ×ｎ平均誤差

をｍ×ｎ時間間隔

においてそれぞれ計算するステップを備える。方法はまた、１からｍの間の任意の値ｊについて、

を計算するステップを備える。最後に、方法は、ｅ_ｊが絶対値または相対共有値に関して予め定められた閾値を超えたらカウンタＣ_ｊをインクリメントするステップを備える。Ｃ_ｊが予め定められた閾値を超えたら不良が検出される。

有利な実施形態において、１からｍの間の任意の値ｊおよび１からｎの間の任意の値ｉについて、ｔ_ｉ＋１ ^ｊ＝ｔ_ｉ ^ｊ＋Δｔ^ｊであり、Δｔ^ｊは予め定められたサンプリング間隔であり得る。

さらに有利な実施形態において、Ｔ_ｊが予め定められた閾値より短い持続時間であり、ｅ_ｊがアンペアについて予め定められた閾値を超えるか、またはＴ_ｊが予め定められた閾値より長い持続時間であり、ｅ_ｊと前記持続時間Ｔ_ｊについて予め定められた平均誤差との間の比率が予め定められた比率を超えたら、カウンタＣ_ｊがインクリメントされ得る。

例えば、平均誤差

は、

によって計算され得る。

ある非常にとりわけ有利な実施形態において、方法は、不良アラームを発するステップをさらに備えることができ、アラームは、Ｔ_ｊ≦ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_１の場合には、不良の発端はコネクタ不良であり、ただしｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_１は予め定められた時間閾値であり、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_１≦Ｔ_ｊ≦ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_２の場合には、不良の発端はセンサ不良であり、ただしｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_２は予め定められた時間閾値であり、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_２≦Ｔ_ｊの場合には、不良の発端はバッテリーの経年劣化であることを示すことを含むことができる。

本発明の他の主題は、再生可能資源からの電気エネルギーを蓄積するためのシステムであり、少なくとも１つのバッテリーと、不良を検出するためのそのような方法を実行するためのハードウェア手段およびソフトウェア手段と、を備える。

本発明の最後の主題は、このようなシステムを含む建物である。

本発明の主要な利点は、バッテリーの不良を検出するだけではなく、これらを交換することができるように欠陥のあるバッテリーを分離することが可能になり、これにより、性能を向上させ、メンテナンスに集中し、これにより、クライアントへ提供するサービスを向上させることができることである。

本発明の他の構成および利点は、添付の図面を参照しつつ与えられた以下の説明によって明らかになる。

本発明が実施され得るシステムの一例を構造ダイヤグラムを用いて示す図である。 充電設定値とこの設定値の到達とを比較して本発明の１つの原理をグラフを用いて示す図である。 充電設定値とこの設定値の到達とを比較して本発明の１つの原理をグラフを用いて示す図である。 充電設定値とこの設定値の到達とを比較して本発明の１つの原理をグラフを用いて示す図である。 充電設定値とこの設定値の到達とを比較して本発明の１つの原理をグラフを用いて示す図である。 本発明の方法の一例の実施形態をグラフを用いて示す図である。 本発明の方法の一例の実施形態グラフを用いて示す図である。 本発明の方法の一例の実施形態グラフを用いて示す図である。

図１は、バッテリー管理システム（ＢＭＳ）制御システムとともにバッテリー１１を備えるシステム１を示す図である。バッテリー１１は、３相または単相交流電流を直流電流に変換し、逆もまた同様に変換することが可能な充電および放電システムの手段によって電気分配ネットワークＲに連結されている。

電流に関する建物の要求に適合するために、システム１２の主制御器は、システムの様々なモジュールの管理器として作動する。特に、本発明の方法は、システム１２の主制御器内で実行される。特に、システム１２の主制御器は、充電（または、放電それぞれの）電力Ｐの設定値を充電器１３（または、インバータ１４それぞれ）に送信する。インターフェースモジュール１５は、使用することが良く知られているＥｔｈｅｒＣＡＴ、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、ＣＡＮ、およびＭｏｄｂｕｓネットワークを介してコンピュータとシステムの他の要素との間の通信を可能にする。制御器１６は、ハードウェアレベルでの電気的な問題を診断することに専念する。もし、例えば回路短絡という問題が検出されたら、制御器１６は、ネットワークＲ、充電器１３、およびインバータ１４の間に配置された図示されていない回路遮断器を開く。バッテリー１１の末端をまたがる電圧Ｕの測定値が与えられ、電力Ｐの設定値は、Ｐ＝Ｕ×Ｉの関係式を介して充電（または放電それぞれの）電流Ｉの設定値として解釈され得る。図２ａ〜図２ｄによって示された本発明の１つの原理は、バッテリー１１に実際に流れた測定電流Ｉ^ｂａｔの経時進行τを電流設定値Ｉ^ｃｏｎｓと比較することである。具体的には、本発明は、電流設定値Ｉ^ｃｏｎｓと測定電流Ｉ^ｂａｔとの間の誤差を計算することを提案する。図２ａは、不良がない理想のケースにおける比較を示しており、測定電流Ｉ^ｂａｔは実線によって示されている一方、電流設定値Ｉ^ｃｏｎｓは破線で示されている。システムが充電フェーズであるかまたは放電フェーズであるときに、誤差は計算され、計算は無差別に実行され得る。

本発明の他の原理は、可変持続時間を有するスライディング時間窓における誤差を計算することである。これにより、不良が現れる周波数を推測することが可能となり、この周波数の関数として適正処理に集中することが可能となる。図２ｂ、図２ｃおよび図２ｄは、３個の周波数範囲を示しており、したがって、本発明によって区別され得る３種類の不良を示している。図２ｂは、コネクタの問題を示す高周波数不良（図２ｂにおいて考慮された時間間隔において標準基準で例えば４回繰り返される）を示している。図２ｃは、センサの問題を示す中周波数不良（図２ｃにおいて考慮された時間間隔においてより少ない標準基準で例えば２回繰り返される）を示している。図２ｄは、経年劣化を示す低周波数不良（図２ｄにおいて考慮された時間間隔において連続する）を示している。

時点ｔと時点ｔ＋Ｔとの間に伸びる持続時間Ｔの時間窓における設定値電流Ｉ^ｃｏｎｓと測定電流Ｉ^ｂａｔとの間の平均誤差は、例えば次式の二乗平均平方根によって与えられ得る。

略語ＲＭＳは、二乗平均平方根を表している。

考慮された持続時間Ｔの時間窓の全体の最大誤差は、次式によって与えられる。

図３ａ、図３ｂおよび図３ｃは、時間τの関数として与えられた電流Ｉ^ｂａｔの同一のプロフィールについて、本発明による最大誤差

を計算するステップを示している。

初めに、図３ａに描かれているように、誤差

が時点ｔ_１ ^０と時点ｔ_１ ^０＋Ｔ_０との間の持続時間Ｔ_０の第１の時間窓にわたって計算される。続いて、時間窓を第１の時点ｔ_１ ^０から第２の時点ｔ_２ ^０＝ｔ_１ ^０＋Δｔ^０へスライドするために時間サンプリング間隔Δｔ^０が選択される。続いて、誤差

が時点ｔ_２ ^０と時点ｔ_２ ^０＋Ｔ_０との間の持続時間Ｔ_０の第２の時間窓にわたって計算される。続いて、誤差

が時点ｔ_３ ^０＝ｔ_２ ^０＋Δｔ^０と時点ｔ_３ ^０＋Ｔ_０との間の持続時間Ｔ_０の第３の時間窓にわたって計算される。誤差

が時点ｔ_ｎ ^０＝ｔ_ｎ−１ ^０＋Δｔ^０と時点ｔ_ｎ ^０＋Ｔ_０との間の持続時間Ｔ_０の第ｎ番目の時間窓にわたって計算されるまで、この計算が繰り返される。最大誤差

が続いて計算される。

次に、図３ｂに描かれているように、誤差

が時点ｔ_１ ^１と時点ｔ_１ ^１＋Ｔ_１との間のＴ_０よりも長い持続時間Ｔ_１の第１の時間窓にわたって計算される。続いて、時間窓を第１の時点ｔ_１ ^１から第２の時点ｔ_２ ^１＝ｔ_１ ^１＋Δｔ^１へスライドするために時間サンプリング間隔Δｔ^１が選択される。続いて、誤差

が時点ｔ_２ ^１と時点ｔ_２ ^１＋Ｔ_１との間の持続時間Ｔ_１の第２の時間窓にわたって計算される。続いて、誤差

が時点ｔ_３ ^１と時点ｔ_３ ^１＋Ｔ_１との間の持続時間Ｔ_１の第３の時間窓にわたって計算される。誤差

が時点ｔ_ｎ ^１と時点ｔ_ｎ ^１＋Ｔ_１との間の持続時間Ｔ_１の第ｎ番目の時間窓にわたって計算されるまで、この計算が繰り返される。最大誤差

が続いて計算される。

次に、図３ｃに描かれているように、誤差

が時点ｔ_１ ^２と時点ｔ_１ ^２＋Ｔ_２との間のＴ_１よりも長い持続時間Ｔ_２の第１の時間窓にわたって計算される。続いて、誤差

が時点ｔ_２ ^２と時点ｔ_２ ^２＋Ｔ_２との間の持続時間Ｔ_２の第２の時間窓にわたって計算される。続いて、誤差

が時点ｔ_３ ^２と時点ｔ_３ ^２＋Ｔ_２との間の持続時間Ｔ_２の第３の時間窓にわたって計算される。誤差

が時点ｔ_ｎ ^２と時点ｔ_ｎ ^２＋Ｔ_２との間の持続時間Ｔ_２の第ｎ番目の時間窓にわたって計算されるまで、この計算が繰り返される。最大誤差

が続いて計算される。

窓Ｔ_ｍ−１より長い持続時間Ｔ_ｍのｎ個のスライディング窓にわたって

が計算されるまで、計算プロセスはこのようにｍ回繰り返される。

持続時間Ｔ_ｊ（１≦ｊ≦ｍ）の選択は、システムの応答時間すなわち到達すべき所望の設定値のために必要な時間に依存する。本ケースでは、電流を確立するための時間となる。以下の例示の実施形態では、持続時間Ｔ_１＝１ｓ、Ｔ_２＝１０ｓ、Ｔ_３＝１００ｓ、Ｔ_４＝１０００ｓ、Ｔ_５＝３６００ｓが選択される。

最大誤差

、ただし１≦ｊ≦ｍ、が予め定められた閾値を超えるごとに、確認カウンタＣ_ｊがインクリメントされる。カウンタ自体が較正を通じて予め定められた閾値に到達したら、不良が検出されたと考えられる。これに対して、やはり予め定められた所定の期間の終わりにおいて確認閾値に到達しなければ、カウンタＣ_ｊは０にリセットされる。

本願の以下において、欠陥および不良という用語は無差別に使用される。

スライディング窓の第１のシリーズ
・Ｔ_０：１秒（ｓ）
・Δｔ^０：２０ミリ秒（ｍｓ）
・ｔ_１ ^０とｔ_ｎ ^０＋Ｔ_０との間の観察の総持続時間：１０ｓ
・持続時間Ｔ_０の連続する２個のスライディング窓間の重複：４００ｍｓ
・欠陥が検出されるまでのカウンタＣ_０への確認の数：３０確認
・欠陥が検出されなかった場合にカウンタＣ_０を０へリセットするまでの時間：３０分（ｍｉｎ）

これは、毎秒繰り返される欠陥が早くとも５分、遅くとも１５時間内に確認され得ることを意味している。

スライディング窓の第２のシリーズ
・Ｔ_１：１０ｓ
・Δｔ^１：２００ｍｓ
・ｔ_１ ^１とｔ_ｎ ^１＋Ｔ_１との間の観察の総持続時間：１００ｓ
・持続時間Ｔ_１の連続する２個のスライディング窓間の重複：４ｓ
・欠陥が検出されるまでのカウンタＣ_１への確認の数：１５確認
・欠陥が検出されなかった場合にカウンタＣ_１を０へリセットするまでの時間：１時間（ｈ）

これは、毎秒繰り返される欠陥が早くとも２５分、遅くとも１５時間内に確認され得ることを意味している。

スライディング窓の第３のシリーズ
・Ｔ_２：１００ｓ
・Δｔ^２：２ｓ
・ｔ_１ ^２とｔ_ｎ ^２＋Ｔ_２との間の観察の総持続時間：１０００ｓ
・持続時間Ｔ_２の連続する２個のスライディング窓間の重複：４０ｓ
・欠陥が検出されるまでのカウンタＣ_２への確認の数：５確認
・欠陥が検出されなかった場合にカウンタＣ_２を０へリセットするまでの時間：５ｈ

これは、毎秒繰り返される欠陥が早くとも８０分、遅くとも２５時間内に確認され得ることを意味している。

スライディング窓の第４のシリーズ
・Ｔ_３：１０００ｓ
・Δｔ^３：２０ｓ
・ｔ_１ ^３とｔ_ｎ ^３＋Ｔ_３との間の観察の総持続時間：５０００ｓ
・持続時間Ｔ_３の連続する２個のスライディング窓間の重複：４００ｓ
・欠陥が検出されるまでのカウンタＣ_３への確認の数：３確認
・欠陥が検出されなかった場合にカウンタＣ_３を０へリセットするまでの時間：８ｈ

これは、毎秒繰り返される欠陥が早くとも４時間、遅くとも２４時間内に確認され得ることを意味している。

スライディング窓の第５のシリーズ
・Ｔ_４：３６００ｓ
・Δｔ^４：２０ｓ
・ｔ_１ ^４とｔ_ｎ ^４＋Ｔ_４との間の観察の総持続時間：１０８００ｓ
・持続時間Ｔ_４の連続する２個のスライディング窓間の重複：１４４０ｓ
・欠陥が検出されるまでのカウンタＣ_４への確認の数：２確認
・欠陥が検出されなかった場合にカウンタＣ_４を０へリセットするまでの時間：１２ｈ

これは、毎秒繰り返される欠陥が早くとも６時間、遅くとも２４時間内に確認され得ることを意味している。

短い持続時間、特に持続時間Ｔ_０、Ｔ_１、Ｔ_２を有する窓に対して、誤差の絶対値は重要であると考えられ得る。これらのケースでは、

、

、

の誤差は、カウンタＣ_０、Ｃ_１、Ｃ_２をそれぞれインクリメントする観点とともに、それぞれＳＴ_０＝６Ａ、ＳＴ_１＝４Ａ、ＳＴ_２＝２Ａなどのようなアンペア（Ａ）のための絶対閾値と比較され得る。これに対して、より長い持続時間、特に持続時間Ｔ_３およびＴ_４を有する窓に対して、誤差の絶対値は重要であるとは考えられないことがある。具体的には、短い期間すなわち高周波数期間にわたって動作しているときに、高い電流ピークが観察されるので、誤差の絶対値に関して考える。一方、より低周波数に対しては、システムの性能を観察するよう求められるので、設定値が達成される割合に関して考え、この割合は実質的に性能に対応する。これらのケースにおいて、これらは

／ｍｅａｎ＿ｃｕｒｒｅｎｔ＿Ｔ_３および

／ＲＭＳ＿ｃｕｒｒｅｎｔ＿Ｔ_４の相対誤差であり、ｍｅａｎ＿ｃｕｒｒｅｎｔ＿Ｔ_３およびＲＭＳ＿ｃｕｒｒｅｎｔ＿Ｔ_４はそれぞれ、

および

によって計算される期間Ｔ_３およびＴ_４にわたる平均電流をそれぞれ意味し、それぞれ０．８および０．７５のような比率と比較され得る。診断を相互に区別することを可能にするためには閾値の値の低下が大きくなることに留意する必要がある。具体的には、様々な独立した診断間の区別を可能にするために閾値の較正に特別の注意が払われなければならない。例えば、１秒の期間にわたって２０Ａを超過することは、１０秒の範囲にわたって２Ａを超過することに相当する。したがって、診断が１秒の窓にわたって行われなければならず、１０秒の窓ではない場合には、１０秒の窓の閾値は２Ａより大きくしなければならない。

上記の例示の実施形態は、メンテナンススタッフが不良の種類の関数として適切な決定を行うことを補助することを可能にする。
・１から１０秒のオーダーの持続時間Ｔ_ｊにおいて不良が検出されたら、システムは直ちに停止することができ、メンテナンススタッフはコネクタの問題（導通試験）またはシステムが不安定であるという問題（ソフトウェアアップデート）に向かい得る。
・１００秒のオーダーの持続時間Ｔ_ｊにおいて不良が検出されたら、メンテナンススタッフは、センサドリフト（センサ交換の予期）に向かい得る。
・１０００秒またはそれ以上のオーダーの持続時間Ｔ_ｊにおいて不良が検出されたら、おそらく経年劣化の影響によるものであり、したがってバッテリーの交換を予期する必要がある。

不良の発端に関する正確な診断を提供することによって、本発明はメンテナンス費用を著しく低減させるというさらなる利点を提供することができる。

Claims (7)

1. 少なくとも１つのバッテリーを含む電気エネルギー蓄積システムにおいて不良を検出するための方法であって、
   前記バッテリーに充電または放電の設定値を供給するステップと、
   前記設定値の適用の間に前記バッテリーを流れる電流を測定するステップと、
   前記測定された電流と前記理論上の設定値の電流との間のｍ×ｎ平均誤差
   

   

   をｍ×ｎ時間間隔
   

   

   においてそれぞれ計算するステップと、
   １からｍの間の任意の値ｊについて、
   

   

   を計算するステップと、
   ｅ_ｊが絶対値または相対共有値に関して予め定められた閾値を超えた場合にカウンタＣ_ｊをインクリメントするステップと
   を備え、
   Ｃ_ｊが予め定められた閾値を超えた場合に不良が検出される、
   ことを特徴とする方法。
2. １からｍの間の任意の値ｊおよび１からｎの間の任意の値ｉについて、ｔ_ｉ＋１ ^ｊ＝ｔ_ｉ ^ｊ＋Δｔ^ｊであり、ただしΔｔ^ｊは予め定められたサンプリング間隔であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 以下の２個の条件
   Ｔ_ｊが予め定められた閾値より短い持続時間であり、ｅ_ｊがアンペアについて予め定められた閾値を超える、または
   Ｔ_ｊが予め定められた閾値より長い持続時間であり、ｅ_ｊと前記持続時間Ｔ_ｊについて予め定められた平均誤差との間の比率が予め定められた比率を超える、
   のうちの１つが満たされた場合に、前記カウンタＣ_ｊがインクリメントされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記平均誤差
   

   

   は、
   

   

   によって計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 不良アラームを発するステップをさらに備え、前記アラームは、
   Ｔ_ｊ≦ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_１の場合には、不良の発端はコネクタ不良であり、ただしｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_１は予め定められた時間閾値である、
   ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_１≦Ｔ_ｊ≦ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_２の場合には、不良の発端はセンサ不良であり、ただしｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_２は予め定められた時間閾値である、
   ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_２≦Ｔ_ｊの場合には、不良の発端は前記バッテリーの経年劣化である、
   と示すことを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 再生可能資源からの電気エネルギーを蓄積するためのシステムであって、少なくとも１つのバッテリーを備え、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法を実行するためのハードウェア手段およびソフトウェア手段を備えることを特徴とする、システム。
7. 請求項６に記載のシステムを備えることを特徴とする建物。

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