蓄电池系统以及电池模块的配置方法
【专利摘要】提供一种能恢复系统性能、且能长期维持系统性能的蓄电池系统以及电池模块的配置方法。在蓄电池系统(10)中，设置有多个电池板(2)而构成电池板群，所述电池板是连接多个成为交换单位的电池模块(1)而构成的，该电池板群与进行充放电控制的PCS(3)相连接，该PCS(3)与电池控制器(7)相连接。电池控制器(7)具有：劣化诊断部，通过掌握各电池模块的特性来诊断劣化状态；号码赋予部，根据由该劣化诊断部掌握的所述特性，按照劣化度从小到大的顺序依次对各电池模块进行编号；以及重新配置决定部，以使由该号码赋予部赋予的号码在同一电池板内成为连续号码的方式，决定所述各电池模块的重新配置位置。
【专利说明】
蓄电池系统以及电池模块的配置方法
技术领域
[0001] 本发明的实施方式涉及能恢复系统性能、且能长期维持系统性能的蓄电池系统以 及电池模块的配置方法。
【背景技术】
[0002] 在利用太阳能、风能等自然能源的发电的变动抑制、电力需求的变动抑制、或者峰 值漂移等的用途中，希望利用二次电池的大规模蓄电池系统。特别是最近出现了一种利用 了性能提高显著的锂离子电池的大规模蓄电池系统。希望这种大规模蓄电池系统能持续15 年、20年这样长期地运行。
[0003]在上述大规模蓄电池系统中，一般是将1个作为蓄电池最小单位的单格(cell)或 多个作为蓄电池最小单位的单格并联连接而成的部分进行串联连接，然后再将其进一步并 联连接等，分级地反复进行串联构成或并联构成，从而构筑成系统。作为故障或劣化时的交 换单位，在利用锂离子电池的大规模蓄电池系统中，一般并不是按照每个单个单格进行交 换，多数情况是以被称作模块或单元等的由数个至数十个单格构成的集中体作为单位。在 本说明书中将这种交换中的最小单位称作电池模块。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1:日本特开2008 -118790号公报 [0007] 专利文献2:日本特开2011 -177025号公报 [0008] 专利文献3:日本特开2012 - 210039号公报
【发明内容】
[0009]发明所要解决的问题
[0010] 作为蓄电池最小单位的单格或集中几个单格进行串并联连接而构成的电池模块 的性能随着时间经过而劣化。此外，其各个单格或电池模块的劣化速度根据使用条件不同 而不同，进而，即使假设谋求了相同的使用条件，也会根据原本的个体差异和设置位置(例 如，空间上的配置或电路上的配置）的不同，而在各自的严密使用条件上产生偏差，结果在 劣化速度上也产生偏差。
[0011] 另一方面，关于串联连接的单格群或电池模块群的性能，其串联构成要素中的最 低特性的要素左右着整体性能。因此，在串联连接的单格或电池模块间的特性偏差随着劣 化进展而扩大时，就会有整个蓄电池系统的性能降低进一步发展的问题。
[0012] 本发明的实施方式的目的在于，提供一种能恢复系统性能、且能长期维持系统性 能的蓄电池系统以及电池模块的配置方法。
[0013] 用于解决问题的手段
[0014] 为了达到上述目的，本发明的实施方式涉及的一种蓄电池系统中，设置有多个电 池板而构成电池板群，所述电池板是连接多个成为交换单位的电池模块而构成的，该电池 板群与进行充放电控制的PCS相连接，该PCS与电池控制器相连接，所述蓄电池系统的特征 在于，所述电池控制器具有:劣化诊断部，通过掌握各电池模块的特性来诊断劣化状态；号 码赋予部，根据由该劣化诊断部掌握的所述特性，按照劣化度从小到大的顺序依次对各电 池模块进行编号；以及，重新配置决定部，以使由该号码赋予部赋予的号码在同一电池板内 成为连续号码的方式，决定所述各电池模块的重新配置位置。
[0015] 此外，在如上所述的实施方式中实行的电池模块的配置方法也是本发明的实施方 式之一。
【附图说明】
[0016] 图1是示出本发明的一个实施方式涉及的蓄电池系统的整体结构的概略图。
[0017] 图2是示出电池板内的物理电池模块配置例子的立体图。
[0018] 图3是示出电池控制器的结构的框图。
[0019] 图4是示出在电池模块间没有特性偏差的基准状态下的电池板和电池模块与性能 指标之间的关系的三维柱状图。
[0020] 图5是示出在电池模块间存在特性偏差的状态下重新配置前的电池板和电池模块 与性能指标之间的关系的三维柱状图。
[0021]图6是示出本发明的一个实施方式涉及的电池模块的配置方法的流程图。
[0022] 图7是示出在电池模块间存在特性偏差的状态下重新配置后的电池板和电池模块 与性能指标之间的关系的三维柱状图。
【具体实施方式】
[0023] 以下，参照附图，对本发明的实施方式具体地进行说明。
[0024] 在本实施方式中，作为蓄电池系统，以将多个电池模块串联连接而成的部分再多 个地并联连接而构成的结构作为例子进行说明。在本实施方式中，在任意时刻对运行中的 蓄电池系统进行各电池模块劣化状态的诊断，并根据其结果进行各电池模块的重新配置。 具体而言，其特征在于，按照劣化程度对蓄电池系统内的全部电池模块排次序，通过在同一 串联构成群中重新配置连续号码的电池模块，由此降低串联构成内的劣化偏差，从而实现 系统整体性能的恢复。以下，对本实施方式涉及的蓄电池系统的结构进行说明。
[0025](蓄电池系统的整体结构）
[0026]图1示出本发明的一个实施方式涉及的蓄电池系统的整体结构。
[0027]在蓄电池系统10中，多个电池模块1串联连接构成电池板2，利用布线(直流)4将多 个电池板2的正极彼此之间和多个电池板2的负极彼此之间分别并联连接，进而连接在PCS (Power Conditioning System:功率转换器)3的直流端子上。此外，从PCS3的交流端子经由 布线(交流)6与未图示的电力系统进行并网连接。另外，PCS3与电池控制器7用信号线连接， 以使得对并联连接的电池板2的群进行充放电控制。电池控制器7和各电池板2之间也由用 于状态监视的信号线进行连接。
[0028]上述电池模块1是将多个单格串联或并联、或者串联和并联组合而成的，成为交换 的最小单位。此外，在图1中，为了明确地表示布线(直流)4的布线电阻，在电池板2之间的连 接布线以及PCS3与电池板2之间配置有布线电阻5。
[0029] 图2中示出电池板2内的物理电池模块配置的例子。在该例子中，在金属制壳体内， 在铅垂方向上层叠配置多个电池模块1而形成电池板2。在此，在电池板2中不进行利用风扇 等的强制空气冷却，而是形成为利用对流的自然空气冷却结构。
[0030] (电池控制器7的结构）
[0031]图3示出电池控制器7的详细结构。
[0032]电池控制器7具备：劣化诊断部11，对全部电池模块1进行劣化诊断；号码赋予部 12,按照劣化诊断结果，对系统内的电池模块1进行编号；以及，重新配置决定部13,按照所 述编号决定重新配置位置。
[0033](锂离子电池的劣化现象）
[0034] 下面，对使用锂离子电池时的劣化现象进行说明。由劣化导致变化的代表性参数 为容量和内部电阻。容量随着时间经过而减少，内部电阻随着时间经过而增加。容量减少的 主要原因之一可以例举出内部电阻增加，但认为还存在不是由内部电阻引起的纯粹的容量 劣化。此外，劣化速度一般是电池温度越高劣化越快。
[0035] 以下对图1所示的蓄电池系统10中的劣化进展(特性变化)具体地进行说明。首先， 观察单个的电池板2内，从图可知，在串联连接的多个电池模块1中流过同一电流。当在电池 模块1中流过电流时（即进行充放电动作），由于电池模块1中存在内部电阻，因此产生焦耳 热，电池模块1的温度上升。其结果，电池板2内的气氛温度也上升。于是，在图2所示的板内 配置的情况下，加热的电池板2内温度上升，在电池板2内产生铅垂方向的温度分布。
[0036] 即，位于铅垂方向的高位置上的电池模块1的周围温度变得比位于低位置的电池 模块1的周围温度高。因此，位于高位置的电池模块1的劣化进展（内部电阻增加）比位于低 位置的电池模块1的劣化进展进行得快。其结果，位于高位置的电池模块1在充放电时产生 的焦耳热比位于低位置的电池模块1大。因而，认为，位于高位置的电池模块1与位于低位置 的电池模块1之间的温度差会随着时间经过而扩大。
[0037] 接着对电池板2之间的劣化进展进行比较。在图1的结构中，由于多个电池板2并联 连接，因此，相对于从PCS3提供的合计电流值，流到各电池板2中的电流值未必是均等的。特 别是在成为图1所示的布线方式、即从PCS3开始连接的布线的情况下，从PCS3看的、到各电 池板2的电阻值各自不同，因此，在从电流零的平衡状态开始充放电的瞬间，（布线上)接近 PCS3侧的电池板2中流过更大的电流。但是，之后在充电或放电的同一方向上连续地持续流 过电流的情况下的电流分配行为关系到S0C(State of Charge:残量)变化和随之的特性变 化，因此很复杂，无法笼统地表现。
[0038] 因而，认为，在比较短的周期中交替充放电的应用中，在布线上接近PCS3侧的电池 板2的平均电流变大，其结果，发热和温度也变大，劣化进展变快。
[0039] 总结以上劣化进展现象具有以下两种。
[0040] (A)在同一电池板2内，位于铅垂方向高位置的电池模块1的劣化快。
[00411 (B)在电池板2之间，距离PCS3的布线距离短的电池板2内的电池模块1的劣化快。
[0042]但是，实际上并不只有这样的两种现象，还会存在由电池自身的制造偏差引起的 作为个体偏差的初始特性偏差或劣化速度偏差，因此，劣化进展现象变得更复杂。总之认 为，随着时间经过的劣化所导致的特性偏差呈扩大趋势这点，在大部分情况中都适用。 [0043](蓄电池系统10整体的性能）
[0044]下面，对组合了存在特性偏差的电池模块1而构成的蓄电池系统10的整体性能进 行说明。观察电池板2的一面中的串联连接的电池模块群，电池板2的一面的容量(Ah)不会 超过最小容量的电池模块1的容量(例如，如果配合最大容量的电池模块1而进行了从完全 放电到充满电，则其他电池模块1会成为过放电或者过充电）。即，对容量来说，在串联构成 内性能最低的模块性能决定了整个串联构成的性能。与此相对，若考虑作为并联构成的电 池板2的群，则整个系统的容量至少静态上成为各电池板2的容量的合计。
[0045](系统性能降低的试算例）
[0046]以下的表1~表3中示出系统性能下降的试算例。在这些表中，用10 X 10矩阵的各 块表示出横向为电池板2 (共计10面）、纵向为电池板2内的电池模块1 (共计10个)从而总计 100个电池模块1。块中的数值是表示各电池模块1的性能(例如容量)的无量纲相对指标。各 电池板2的容量等于所对应的纵向上10个电池模块1的指标中的最小值，在矩阵下方的栏外 示出。系统整体性能为电池板2的指标的合计值，在矩阵右下方的栏外示出。
[0047]表1是电池模块1群中完全没有性能指标偏差(全部为0.5)的情况，系统性能成为 5.000(结合参照图4)。
[0048][表1]
[0050] 与此相对，表2是在电池模块1的群中，作为性能指标，平均是0.5,且自动生成标准 偏差为0.1的随机数的情况，系统性能成为3.605(结合参照图5)。
[0051] [表 2]
[0053] 即，根据表2的结果可以确认，由于存在特性偏差，系统性能从5.000降低到3.605。
[0054](本实施方式涉及的电池模块的配置方法）
[0055] 图6中示出本实施方式涉及的电池模块1的配置方法的流程图。在此，将系统规模 的表现更通用化，设电池板面数为Np_max，电池板一面中的模块数为Nm_max。
[0056] 首先，电池控制器7的劣化诊断部11通过进行各电池模块1的容量推断等，由此对 全部电池模块1进行劣化诊断(步骤S1)。在此，由于实际上各电池模块1也是由多个单格构 成的，因此，容量推断首先对各单格进行实施，将对象电池模块1内的最小单格容量作为该 电池模块1的容量。
[0057]接着，号码赋予部12对蓄电池系统10内的全部电池模块1，按照在步骤S1中推断的 容量值从大到小的顺序，以升序的方式依次进行编号。即，按该顺序赋予从1到Np_max X Nm_ max的号码（步骤S2) 〇
[0058]进一步，号码赋予部12对系统内的全部电池板2,按照距离PCS3的布线距离从短到 长的顺序，以升序的方式依次赋予从1到Np_max的号码(步骤S3)。
[0059]接着，重新配置决定部13进行重新配置对象的电池板号码Np、该电池板内的重新 配置对象的电池模块号码Nm的初始化(步骤S4、步骤S5)。
[0060] 接着，重新配置决定部13将未配置的电池模块群中最小号码的电池模块1决定为 配置在号码Np的电池板2上从上数第Nm段上（步骤S6)。即，若是第一次，就决定为在最靠近 PCS3的电池板2的最上段配置号码1的电池模块1。
[0061] 进一步，重新配置决定部13通过对同一电池板2反复进行步骤S6的处理，由此完成 该电池板2内的电池模块1的重新配置位置的决定(步骤S7、步骤S8)。
[0062]接着，重新配置决定部13通过反复进行步骤S6~S8的处理，由此完成对系统内的 全部电池板2的电池模块1的重新配置位置的决定(步骤S9、步骤S10)。
[0063]最后，基于由图6所示的处理所决定的电池模块1的重新配置位置，实际进行电池 模块1的重新配置。重新配置可以由未图示的重新配置机构进行。
[0064](本实施方式的效果）
[0065]使用表3和图7,对通过图6的处理进行了电池模块1的重新配置位置的决定后的效 果进行说明。
[0066] 表3是示出在表2所示的电池模块1之间具有特性偏差的状态下，通过图6所示的过 程进行了重新配置决定后的电池板2和电池模块1与性能指标之间的关系。
[0067] [表 3]
[0068]
[0069 ]由表3的结果可知，在电池板2之间存在比较大的性能指标差，但各电池板2内的电 池模块1之间的性能指标差变小，作为其结果，系统性能变为4.824,与重新配置前的表2的 3.605相比有很大改善（结合参照图7)。因此，证明了通过适用本实施方式涉及的电池模块 的配置方法恢复了因特性偏差而降低了的系统性能。
[0070] 因此，本实施方式涉及的电池模块的配置方法能够特别适合地使用于长时间运行 大规模蓄电池系统的情况下的系统性能维持。此外，也可以利用于使用了最初就具备多种 特性的电池模块群的蓄电池系统的初始配置。
[0071] (其他实施方式）
[0072] (1)在上述实施方式中使用容量作为特性值，但也可以使用内部电阻。在将蓄电池 从充满电到完全放电而完全使用的应用中，容量是重要的特性参数，但在例如太阳能发电 或风力发电等的变动抑制用途中，与容量相比，在任意时刻都能应对的输出更加重要，在这 种情况下，不是利用容量，而是利用内部电阻作为特性值是有效的。
[0073] (2)在上述实施方式中，结合电池板2内的电池模块1的配置和电池板2之间的配置 这两者进行了实施，但也可以仅进行电池板2内的电池模块1的配置。即，也可以仅使电池板 2内的电池模块1的特性值成为连续号码，来抑制电池板2内的特性偏差。
[0074]但是，若考虑配置后的系统运行所产生的特性偏差变化，则考虑针对劣化进展现 象而在先指出的(A)、（B)两点来进行配置的方法，在抑制特性偏差扩大方面是有效的。即， 在电池板2内一般会存在由电池模块1的设置场所导致的温度梯度和作为其结果的劣化速 度梯度，因此，将劣化程度小的电池模块1配置为劣化速度快的方法是有效的。
[0075]同样的，对于电池板2之间，若距离PCS3的布线长度(布线电阻)有差别，则也期待 布线电阻越小，PCS3的驱动电流变化时的电流值越大，劣化速度变快，因此，将劣化程度小 的电池模块1配置为布线电阻小的方法是有效的。因此，将电池板2的特性值(例如，内置的 电池模块1的特性值的合计值或者平均值等）良好的电池板配置为布线电阻小的方法是有 效的。
[0076] (3)对于电池板2内的配置顺序以及电池板2之间的配置顺序，也可以不是为了谋 求对特性偏差扩大的抑制（即，均一化）。例如，在全部电池模块1迎来五年一次的更换期时， 因为是全部替换，所以该年的设备预算在这个时候会很突出。也可以考虑如下方法:倒不如 使特性偏差扩大，每年有计划地推进对劣化特别严重的一部分的电池模块1的更换。该情况 下，将劣化程度大的电池模块1配置为劣化速度快的方法反而有效。再有，该情况下也需要 确保串联连接的电池模块1的群的特性均匀性这点没有改变。
[0077] (4)首先考虑到在系统运转开始时，与各电池模块1的初始制造偏差相对应地进行 上述实施方式的电池模块的配置方法，但不可否认，作为运行结果，特性偏差随着时间经过 而扩大。因而，每几年定期进行重新配置以恢复系统性能的方法也是有效的。此外，还有如 下运行方法:不是以经过的时间为基准，而是按照定期/不定期地进行的全部电池模块1的 诊断(也可以一边运转一边在线进行该诊断）的结果，根据系统性能降低的状况来进行重新 配置。
[0078] 此外，考虑到，在系统的一部分更新或增设时，针对电池模块1的制造时期等混合 存在的状态进行本实施方式的电池模块配置方法的手段也是有效的。
[0079] (5)在上述实施方式中，利用电池控制器7内的劣化诊断部11进行电池模块1的劣 化诊断，利用号码赋予部12对电池模块1进行编号，利用重新配置决定部13决定重新配置位 置，但也可以使电池控制器7的外部装置具有这些功能。
[0080] (6)在上述实施方式中，号码赋予部12根据劣化诊断部11所掌握的特性，按照劣化 程度从小到大的顺序，以升序的方式依次对各电池模块编码，但也可以以降序的方式依次 编码。此外，同样地，号码赋予部12根据PCS3与各电池板2之间的布线电阻值，按照电阻值从 低到高的顺序，以升序的方式依次对各电池板2编码，但也可以以降序的方式依次编码。
[0081] (7)以上说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子而提出的， 并不是想限定发明范围。这些实施方式可以以其他各种各样的方式实施，可以在不脱离发 明主旨的范围内进行各种各样的省略、置换和变更。这些实施方式或其变形包含在发明范 围或主旨内，并且也包含在权利要求范围中记载的发明及其均等的范围内。
[0082]附图标记的说明
[0083] 1…电池模块
[0084] 2…电池板
[0085] 3---PCS
[0086] 4…布线(直流）
[0087] 5…布线电阻
[0088] 6…布线(交流）
[0089] 7···电池控制器
[0090] 10…蓄电池系统
[0091] 11…劣化诊断部
[0092] 12…号码赋予部
[0093] 13…重新配置决定部
【主权项】
1. 一种蓄电池系统，设置有多个电池板而构成电池板群，所述电池板是连接多个成为 交换单位的电池模块而构成的，该电池板群与进行充放电控制的PCS相连接，该PCS与电池 控制器相连接，所述蓄电池系统的特征在于， 所述电池控制器具有:劣化诊断部，通过掌握各电池模块的特性来诊断劣化状态;号码 赋予部，根据由该劣化诊断部掌握的所述特性，按照劣化度从小到大的顺序依次对各电池 模块进行编号；以及重新配置决定部，以使由该号码赋予部赋予的号码在同一电池板内成 为连续号码的方式，决定所述各电池模块的重新配置位置。2. 根据权利要求1所述的蓄电池系统，其特征在于，所述电池板群是，将多个电池模块 串联连接作为电池板、进而将多个该电池板并联连接而构成的，所述电池模块是将1个或多 个作为蓄电池最小单位的单格并联连接而成的。3. 根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其特征在于，利用容量作为所述电池模块的 所述特性。4. 根据权利要求1或2所述的蓄电池系统，其特征在于，利用内部电阻作为所述电池模 块的所述特性。5. 根据权利要求1至4的任一项所述的蓄电池系统，其特征在于， 所述重新配置决定部以使所述电池板内沿着气氛温度的梯度方向按照温度从高到低 被进行了编码后的所述电池模块的号码成为劣化度从小到大的顺序的方式，决定所述电池 模块的重新配置位置。6. 根据权利要求1至5的任一项所述的蓄电池系统，其特征在于， 所述号码赋予部根据所述PCS与各所述电池板之间的布线电阻值，按照电阻值从低到 高的顺序依次对各电池板进行编码，所述重新配置决定部以使所述电池板的劣化度沿着编 码后的所述号码成为从小到大的顺序的方式，决定所述电池模块的重新配置位置。7. -种电池模块的配置方法，是蓄电池系统中的电池模块的配置方法，在所述蓄电池 系统中，设置有多个电池板而构成电池板群，所述电池板是连接多个成为交换单位的电池 模块而构成的，该电池板群与进行充放电控制的PCS相连接，该PCS与电池控制器相连接，所 述电池模块的配置方法的特征在于， 具有:劣化诊断工序，通过掌握各电池模块的特性来诊断劣化状态；号码赋予工序，根 据由该劣化诊断工序掌握的所述特性，按照劣化度从小到大的顺序依次对各电池模块进行 编号；以及重新配置工序，以使由该号码赋予工序赋予的号码在同一电池板内成为连续号 码的方式，进行所述各电池模块的重新配置。8. 根据权利要求7所述的电池模块的配置方法，其特征在于，根据定期地掌握全部电池 模块的特性的结果或者在任意时刻掌握全部电池模块的特性的结果，在所述蓄电池系统性 能的降低超过规定值的情况下，实施所述各工序。
【文档编号】H01M10/42GK106030967SQ201580010149
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月24日
【发明人】户原正博, 水谷麻美, 久保田雅之, 小林武则
【申请人】株式会社东芝