蓄電池系統以及電池模塊的配置方法

蓄電池系統以及電池模塊的配置方法
【專利摘要】提供一種能恢復系統性能、且能長期維持系統性能的蓄電池系統以及電池模塊的配置方法。在蓄電池系統(10)中，設置有多個電池板(2)而構成電池板群，所述電池板是連接多個成為交換單位的電池模塊(1)而構成的，該電池板群與進行充放電控制的PCS(3)相連接，該PCS(3)與電池控制器(7)相連接。電池控制器(7)具有：劣化診斷部，通過掌握各電池模塊的特性來診斷劣化狀態；號碼賦予部，根據由該劣化診斷部掌握的所述特性，按照劣化度從小到大的順序依次對各電池模塊進行編號；以及重新配置決定部，以使由該號碼賦予部賦予的號碼在同一電池板內成為連續號碼的方式，決定所述各電池模塊的重新配置位置。
【專利說明】
蓄電池系統以及電池模塊的配置方法
技術領域
[0001] 本發明的實施方式涉及能恢復系統性能、且能長期維持系統性能的蓄電池系統以 及電池模塊的配置方法。
【背景技術】
[0002] 在利用太陽能、風能等自然能源的發電的變動抑制、電力需求的變動抑制、或者峰 值漂移等的用途中，希望利用二次電池的大規模蓄電池系統。特別是最近出現了一種利用 了性能提高顯著的鋰離子電池的大規模蓄電池系統。希望這種大規模蓄電池系統能持續15 年、20年這樣長期地運行。
[0003]在上述大規模蓄電池系統中，一般是將1個作為蓄電池最小單位的單格(cell)或 多個作為蓄電池最小單位的單格并聯連接而成的部分進行串聯連接，然后再將其進一步并 聯連接等，分級地反復進行串聯構成或并聯構成，從而構筑成系統。作為故障或劣化時的交 換單位，在利用鋰離子電池的大規模蓄電池系統中，一般并不是按照每個單個單格進行交 換，多數情況是以被稱作模塊或單元等的由數個至數十個單格構成的集中體作為單位。在 本說明書中將這種交換中的最小單位稱作電池模塊。
[0004] 現有技術文獻
[0005] 專利文獻
[0006] 專利文獻1:日本特開2008 -118790號公報 [0007] 專利文獻2:日本特開2011 -177025號公報 [0008] 專利文獻3:日本特開2012 - 210039號公報

【發明內容】

[0009]發明所要解決的問題
[0010] 作為蓄電池最小單位的單格或集中幾個單格進行串并聯連接而構成的電池模塊 的性能隨著時間經過而劣化。此外，其各個單格或電池模塊的劣化速度根據使用條件不同 而不同，進而，即使假設謀求了相同的使用條件，也會根據原本的個體差異和設置位置(例 如，空間上的配置或電路上的配置）的不同，而在各自的嚴密使用條件上產生偏差，結果在 劣化速度上也產生偏差。
[0011] 另一方面，關于串聯連接的單格群或電池模塊群的性能，其串聯構成要素中的最 低特性的要素左右著整體性能。因此，在串聯連接的單格或電池模塊間的特性偏差隨著劣 化進展而擴大時，就會有整個蓄電池系統的性能降低進一步發展的問題。
[0012] 本發明的實施方式的目的在于，提供一種能恢復系統性能、且能長期維持系統性 能的蓄電池系統以及電池模塊的配置方法。
[0013] 用于解決問題的手段
[0014] 為了達到上述目的，本發明的實施方式涉及的一種蓄電池系統中，設置有多個電 池板而構成電池板群，所述電池板是連接多個成為交換單位的電池模塊而構成的，該電池 板群與進行充放電控制的PCS相連接，該PCS與電池控制器相連接，所述蓄電池系統的特征 在于，所述電池控制器具有:劣化診斷部，通過掌握各電池模塊的特性來診斷劣化狀態；號 碼賦予部，根據由該劣化診斷部掌握的所述特性，按照劣化度從小到大的順序依次對各電 池模塊進行編號；以及，重新配置決定部，以使由該號碼賦予部賦予的號碼在同一電池板內 成為連續號碼的方式，決定所述各電池模塊的重新配置位置。
[0015] 此外，在如上所述的實施方式中實行的電池模塊的配置方法也是本發明的實施方 式之一。
【附圖說明】
[0016] 圖1是示出本發明的一個實施方式涉及的蓄電池系統的整體結構的概略圖。
[0017] 圖2是示出電池板內的物理電池模塊配置例子的立體圖。
[0018] 圖3是示出電池控制器的結構的框圖。
[0019] 圖4是示出在電池模塊間沒有特性偏差的基準狀態下的電池板和電池模塊與性能 指標之間的關系的三維柱狀圖。
[0020] 圖5是示出在電池模塊間存在特性偏差的狀態下重新配置前的電池板和電池模塊 與性能指標之間的關系的三維柱狀圖。
[0021]圖6是示出本發明的一個實施方式涉及的電池模塊的配置方法的流程圖。
[0022] 圖7是示出在電池模塊間存在特性偏差的狀態下重新配置后的電池板和電池模塊 與性能指標之間的關系的三維柱狀圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下，參照附圖，對本發明的實施方式具體地進行說明。
[0024] 在本實施方式中，作為蓄電池系統，以將多個電池模塊串聯連接而成的部分再多 個地并聯連接而構成的結構作為例子進行說明。在本實施方式中，在任意時刻對運行中的 蓄電池系統進行各電池模塊劣化狀態的診斷，并根據其結果進行各電池模塊的重新配置。 具體而言，其特征在于，按照劣化程度對蓄電池系統內的全部電池模塊排次序，通過在同一 串聯構成群中重新配置連續號碼的電池模塊，由此降低串聯構成內的劣化偏差，從而實現 系統整體性能的恢復。以下，對本實施方式涉及的蓄電池系統的結構進行說明。
[0025](蓄電池系統的整體結構）
[0026]圖1示出本發明的一個實施方式涉及的蓄電池系統的整體結構。
[0027]在蓄電池系統10中，多個電池模塊1串聯連接構成電池板2，利用布線(直流)4將多 個電池板2的正極彼此之間和多個電池板2的負極彼此之間分別并聯連接，進而連接在PCS (Power Conditioning System:功率轉換器)3的直流端子上。此外，從PCS3的交流端子經由 布線(交流)6與未圖示的電力系統進行并網連接。另外，PCS3與電池控制器7用信號線連接， 以使得對并聯連接的電池板2的群進行充放電控制。電池控制器7和各電池板2之間也由用 于狀態監視的信號線進行連接。
[0028]上述電池模塊1是將多個單格串聯或并聯、或者串聯和并聯組合而成的，成為交換 的最小單位。此外，在圖1中，為了明確地表示布線(直流)4的布線電阻，在電池板2之間的連 接布線以及PCS3與電池板2之間配置有布線電阻5。
[0029] 圖2中示出電池板2內的物理電池模塊配置的例子。在該例子中，在金屬制殼體內， 在鉛垂方向上層疊配置多個電池模塊1而形成電池板2。在此，在電池板2中不進行利用風扇 等的強制空氣冷卻，而是形成為利用對流的自然空氣冷卻結構。
[0030] (電池控制器7的結構）
[0031]圖3示出電池控制器7的詳細結構。
[0032]電池控制器7具備：劣化診斷部11，對全部電池模塊1進行劣化診斷；號碼賦予部 12,按照劣化診斷結果，對系統內的電池模塊1進行編號；以及，重新配置決定部13,按照所 述編號決定重新配置位置。
[0033](鋰離子電池的劣化現象）
[0034] 下面，對使用鋰離子電池時的劣化現象進行說明。由劣化導致變化的代表性參數 為容量和內部電阻。容量隨著時間經過而減少，內部電阻隨著時間經過而增加。容量減少的 主要原因之一可以例舉出內部電阻增加，但認為還存在不是由內部電阻引起的純粹的容量 劣化。此外，劣化速度一般是電池溫度越高劣化越快。
[0035] 以下對圖1所示的蓄電池系統10中的劣化進展(特性變化)具體地進行說明。首先， 觀察單個的電池板2內，從圖可知，在串聯連接的多個電池模塊1中流過同一電流。當在電池 模塊1中流過電流時（即進行充放電動作），由于電池模塊1中存在內部電阻，因此產生焦耳 熱，電池模塊1的溫度上升。其結果，電池板2內的氣氛溫度也上升。于是，在圖2所示的板內 配置的情況下，加熱的電池板2內溫度上升，在電池板2內產生鉛垂方向的溫度分布。
[0036] 即，位于鉛垂方向的高位置上的電池模塊1的周圍溫度變得比位于低位置的電池 模塊1的周圍溫度高。因此，位于高位置的電池模塊1的劣化進展（內部電阻增加）比位于低 位置的電池模塊1的劣化進展進行得快。其結果，位于高位置的電池模塊1在充放電時產生 的焦耳熱比位于低位置的電池模塊1大。因而，認為，位于高位置的電池模塊1與位于低位置 的電池模塊1之間的溫度差會隨著時間經過而擴大。
[0037] 接著對電池板2之間的劣化進展進行比較。在圖1的結構中，由于多個電池板2并聯 連接，因此，相對于從PCS3提供的合計電流值，流到各電池板2中的電流值未必是均等的。特 別是在成為圖1所示的布線方式、即從PCS3開始連接的布線的情況下，從PCS3看的、到各電 池板2的電阻值各自不同，因此，在從電流零的平衡狀態開始充放電的瞬間，（布線上)接近 PCS3側的電池板2中流過更大的電流。但是，之后在充電或放電的同一方向上連續地持續流 過電流的情況下的電流分配行為關系到S0C(State of Charge:殘量)變化和隨之的特性變 化，因此很復雜，無法籠統地表現。
[0038] 因而，認為，在比較短的周期中交替充放電的應用中，在布線上接近PCS3側的電池 板2的平均電流變大，其結果，發熱和溫度也變大，劣化進展變快。
[0039] 總結以上劣化進展現象具有以下兩種。
[0040] (A)在同一電池板2內，位于鉛垂方向高位置的電池模塊1的劣化快。
[00411 (B)在電池板2之間，距離PCS3的布線距離短的電池板2內的電池模塊1的劣化快。
[0042]但是，實際上并不只有這樣的兩種現象，還會存在由電池自身的制造偏差引起的 作為個體偏差的初始特性偏差或劣化速度偏差，因此，劣化進展現象變得更復雜。總之認 為，隨著時間經過的劣化所導致的特性偏差呈擴大趨勢這點，在大部分情況中都適用。 [0043](蓄電池系統10整體的性能）
[0044]下面，對組合了存在特性偏差的電池模塊1而構成的蓄電池系統10的整體性能進 行說明。觀察電池板2的一面中的串聯連接的電池模塊群，電池板2的一面的容量(Ah)不會 超過最小容量的電池模塊1的容量(例如，如果配合最大容量的電池模塊1而進行了從完全 放電到充滿電，則其他電池模塊1會成為過放電或者過充電）。即，對容量來說，在串聯構成 內性能最低的模塊性能決定了整個串聯構成的性能。與此相對，若考慮作為并聯構成的電 池板2的群，則整個系統的容量至少靜態上成為各電池板2的容量的合計。
[0045](系統性能降低的試算例）
[0046]以下的表1~表3中示出系統性能下降的試算例。在這些表中，用10 X 10矩陣的各 塊表示出橫向為電池板2 (共計10面）、縱向為電池板2內的電池模塊1 (共計10個)從而總計 100個電池模塊1。塊中的數值是表示各電池模塊1的性能(例如容量)的無量綱相對指標。各 電池板2的容量等于所對應的縱向上10個電池模塊1的指標中的最小值，在矩陣下方的欄外 示出。系統整體性能為電池板2的指標的合計值，在矩陣右下方的欄外示出。
[0047]表1是電池模塊1群中完全沒有性能指標偏差(全部為0.5)的情況，系統性能成為 5.000(結合參照圖4)。
[0048][表1]
[0050] 與此相對，表2是在電池模塊1的群中，作為性能指標，平均是0.5,且自動生成標準 偏差為0.1的隨機數的情況，系統性能成為3.605(結合參照圖5)。
[0051] [表 2]
[0053] 即，根據表2的結果可以確認，由于存在特性偏差，系統性能從5.000降低到3.605。
[0054](本實施方式涉及的電池模塊的配置方法）
[0055] 圖6中示出本實施方式涉及的電池模塊1的配置方法的流程圖。在此，將系統規模 的表現更通用化，設電池板面數為Np_max，電池板一面中的模塊數為Nm_max。
[0056] 首先，電池控制器7的劣化診斷部11通過進行各電池模塊1的容量推斷等，由此對 全部電池模塊1進行劣化診斷(步驟S1)。在此，由于實際上各電池模塊1也是由多個單格構 成的，因此，容量推斷首先對各單格進行實施，將對象電池模塊1內的最小單格容量作為該 電池模塊1的容量。
[0057]接著，號碼賦予部12對蓄電池系統10內的全部電池模塊1，按照在步驟S1中推斷的 容量值從大到小的順序，以升序的方式依次進行編號。即，按該順序賦予從1到Np_max X Nm_ max的號碼（步驟S2) 〇
[0058]進一步，號碼賦予部12對系統內的全部電池板2,按照距離PCS3的布線距離從短到 長的順序，以升序的方式依次賦予從1到Np_max的號碼(步驟S3)。
[0059]接著，重新配置決定部13進行重新配置對象的電池板號碼Np、該電池板內的重新 配置對象的電池模塊號碼Nm的初始化(步驟S4、步驟S5)。
[0060] 接著，重新配置決定部13將未配置的電池模塊群中最小號碼的電池模塊1決定為 配置在號碼Np的電池板2上從上數第Nm段上（步驟S6)。即，若是第一次，就決定為在最靠近 PCS3的電池板2的最上段配置號碼1的電池模塊1。
[0061] 進一步，重新配置決定部13通過對同一電池板2反復進行步驟S6的處理，由此完成 該電池板2內的電池模塊1的重新配置位置的決定(步驟S7、步驟S8)。
[0062]接著，重新配置決定部13通過反復進行步驟S6~S8的處理，由此完成對系統內的 全部電池板2的電池模塊1的重新配置位置的決定(步驟S9、步驟S10)。
[0063]最后，基于由圖6所示的處理所決定的電池模塊1的重新配置位置，實際進行電池 模塊1的重新配置。重新配置可以由未圖示的重新配置機構進行。
[0064](本實施方式的效果）
[0065]使用表3和圖7,對通過圖6的處理進行了電池模塊1的重新配置位置的決定后的效 果進行說明。
[0066] 表3是示出在表2所示的電池模塊1之間具有特性偏差的狀態下，通過圖6所示的過 程進行了重新配置決定后的電池板2和電池模塊1與性能指標之間的關系。
[0067] [表 3]
[0068]
[0069 ]由表3的結果可知，在電池板2之間存在比較大的性能指標差，但各電池板2內的電 池模塊1之間的性能指標差變小，作為其結果，系統性能變為4.824,與重新配置前的表2的 3.605相比有很大改善（結合參照圖7)。因此，證明了通過適用本實施方式涉及的電池模塊 的配置方法恢復了因特性偏差而降低了的系統性能。
[0070] 因此，本實施方式涉及的電池模塊的配置方法能夠特別適合地使用于長時間運行 大規模蓄電池系統的情況下的系統性能維持。此外，也可以利用于使用了最初就具備多種 特性的電池模塊群的蓄電池系統的初始配置。
[0071] (其他實施方式）
[0072] (1)在上述實施方式中使用容量作為特性值，但也可以使用內部電阻。在將蓄電池 從充滿電到完全放電而完全使用的應用中，容量是重要的特性參數，但在例如太陽能發電 或風力發電等的變動抑制用途中，與容量相比，在任意時刻都能應對的輸出更加重要，在這 種情況下，不是利用容量，而是利用內部電阻作為特性值是有效的。
[0073] (2)在上述實施方式中，結合電池板2內的電池模塊1的配置和電池板2之間的配置 這兩者進行了實施，但也可以僅進行電池板2內的電池模塊1的配置。即，也可以僅使電池板 2內的電池模塊1的特性值成為連續號碼，來抑制電池板2內的特性偏差。
[0074]但是，若考慮配置后的系統運行所產生的特性偏差變化，則考慮針對劣化進展現 象而在先指出的(A)、（B)兩點來進行配置的方法，在抑制特性偏差擴大方面是有效的。即， 在電池板2內一般會存在由電池模塊1的設置場所導致的溫度梯度和作為其結果的劣化速 度梯度，因此，將劣化程度小的電池模塊1配置為劣化速度快的方法是有效的。
[0075]同樣的，對于電池板2之間，若距離PCS3的布線長度(布線電阻)有差別，則也期待 布線電阻越小，PCS3的驅動電流變化時的電流值越大，劣化速度變快，因此，將劣化程度小 的電池模塊1配置為布線電阻小的方法是有效的。因此，將電池板2的特性值(例如，內置的 電池模塊1的特性值的合計值或者平均值等）良好的電池板配置為布線電阻小的方法是有 效的。
[0076] (3)對于電池板2內的配置順序以及電池板2之間的配置順序，也可以不是為了謀 求對特性偏差擴大的抑制（即，均一化）。例如，在全部電池模塊1迎來五年一次的更換期時， 因為是全部替換，所以該年的設備預算在這個時候會很突出。也可以考慮如下方法:倒不如 使特性偏差擴大，每年有計劃地推進對劣化特別嚴重的一部分的電池模塊1的更換。該情況 下，將劣化程度大的電池模塊1配置為劣化速度快的方法反而有效。再有，該情況下也需要 確保串聯連接的電池模塊1的群的特性均勻性這點沒有改變。
[0077] (4)首先考慮到在系統運轉開始時，與各電池模塊1的初始制造偏差相對應地進行 上述實施方式的電池模塊的配置方法，但不可否認，作為運行結果，特性偏差隨著時間經過 而擴大。因而，每幾年定期進行重新配置以恢復系統性能的方法也是有效的。此外，還有如 下運行方法:不是以經過的時間為基準，而是按照定期/不定期地進行的全部電池模塊1的 診斷(也可以一邊運轉一邊在線進行該診斷）的結果，根據系統性能降低的狀況來進行重新 配置。
[0078] 此外，考慮到，在系統的一部分更新或增設時，針對電池模塊1的制造時期等混合 存在的狀態進行本實施方式的電池模塊配置方法的手段也是有效的。
[0079] (5)在上述實施方式中，利用電池控制器7內的劣化診斷部11進行電池模塊1的劣 化診斷，利用號碼賦予部12對電池模塊1進行編號，利用重新配置決定部13決定重新配置位 置，但也可以使電池控制器7的外部裝置具有這些功能。
[0080] (6)在上述實施方式中，號碼賦予部12根據劣化診斷部11所掌握的特性，按照劣化 程度從小到大的順序，以升序的方式依次對各電池模塊編碼，但也可以以降序的方式依次 編碼。此外，同樣地，號碼賦予部12根據PCS3與各電池板2之間的布線電阻值，按照電阻值從 低到高的順序，以升序的方式依次對各電池板2編碼，但也可以以降序的方式依次編碼。
[0081] (7)以上說明了本發明的幾個實施方式，但是這些實施方式是作為例子而提出的， 并不是想限定發明范圍。這些實施方式可以以其他各種各樣的方式實施，可以在不脫離發 明主旨的范圍內進行各種各樣的省略、置換和變更。這些實施方式或其變形包含在發明范 圍或主旨內，并且也包含在權利要求范圍中記載的發明及其均等的范圍內。
[0082]附圖標記的說明
[0083] 1…電池模塊
[0084] 2…電池板
[0085] 3---PCS
[0086] 4…布線(直流）
[0087] 5…布線電阻
[0088] 6…布線(交流）
[0089] 7···電池控制器
[0090] 10…蓄電池系統
[0091] 11…劣化診斷部
[0092] 12…號碼賦予部
[0093] 13…重新配置決定部
【主權項】
1. 一種蓄電池系統，設置有多個電池板而構成電池板群，所述電池板是連接多個成為 交換單位的電池模塊而構成的，該電池板群與進行充放電控制的PCS相連接，該PCS與電池 控制器相連接，所述蓄電池系統的特征在于， 所述電池控制器具有:劣化診斷部，通過掌握各電池模塊的特性來診斷劣化狀態;號碼 賦予部，根據由該劣化診斷部掌握的所述特性，按照劣化度從小到大的順序依次對各電池 模塊進行編號；以及重新配置決定部，以使由該號碼賦予部賦予的號碼在同一電池板內成 為連續號碼的方式，決定所述各電池模塊的重新配置位置。2. 根據權利要求1所述的蓄電池系統，其特征在于，所述電池板群是，將多個電池模塊 串聯連接作為電池板、進而將多個該電池板并聯連接而構成的，所述電池模塊是將1個或多 個作為蓄電池最小單位的單格并聯連接而成的。3. 根據權利要求1或2所述的蓄電池系統，其特征在于，利用容量作為所述電池模塊的 所述特性。4. 根據權利要求1或2所述的蓄電池系統，其特征在于，利用內部電阻作為所述電池模 塊的所述特性。5. 根據權利要求1至4的任一項所述的蓄電池系統，其特征在于， 所述重新配置決定部以使所述電池板內沿著氣氛溫度的梯度方向按照溫度從高到低 被進行了編碼后的所述電池模塊的號碼成為劣化度從小到大的順序的方式，決定所述電池 模塊的重新配置位置。6. 根據權利要求1至5的任一項所述的蓄電池系統，其特征在于， 所述號碼賦予部根據所述PCS與各所述電池板之間的布線電阻值，按照電阻值從低到 高的順序依次對各電池板進行編碼，所述重新配置決定部以使所述電池板的劣化度沿著編 碼后的所述號碼成為從小到大的順序的方式，決定所述電池模塊的重新配置位置。7. -種電池模塊的配置方法，是蓄電池系統中的電池模塊的配置方法，在所述蓄電池 系統中，設置有多個電池板而構成電池板群，所述電池板是連接多個成為交換單位的電池 模塊而構成的，該電池板群與進行充放電控制的PCS相連接，該PCS與電池控制器相連接，所 述電池模塊的配置方法的特征在于， 具有:劣化診斷工序，通過掌握各電池模塊的特性來診斷劣化狀態；號碼賦予工序，根 據由該劣化診斷工序掌握的所述特性，按照劣化度從小到大的順序依次對各電池模塊進行 編號；以及重新配置工序，以使由該號碼賦予工序賦予的號碼在同一電池板內成為連續號 碼的方式，進行所述各電池模塊的重新配置。8. 根據權利要求7所述的電池模塊的配置方法，其特征在于，根據定期地掌握全部電池 模塊的特性的結果或者在任意時刻掌握全部電池模塊的特性的結果，在所述蓄電池系統性 能的降低超過規定值的情況下，實施所述各工序。
【文檔編號】H01M10/42GK106030967SQ201580010149
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月24日
【發明人】戶原正博, 水谷麻美, 久保田雅之, 小林武則
【申請人】株式會社東芝