成果報告書詳細
管理番号20160000000461
タイトル平成23年度―平成27年度成果報告書 安全・低コスト大規模蓄電システム技術開発 共通基盤研究 系統安定化用蓄電システムの劣化診断基盤技術の開発
公開日2017/2/4
報告書年度2011 - 2015
委託先名学校法人早稲田大学
プロジェクト番号P11007
部署名スマートコミュニティ部
和文要約 太陽光発電や風力発電などの次世代自然エネルギー機器の大量導入には、蓄電池による電力の平準化が必要であり、一般の電力使用まで考慮した系統安定化用蓄電システムが期待される。求められる蓄電池システムを安全に実現するためには、使用中の蓄電池の「今の状態」と「今後の寿命」、つまり蓄電池の「現在」と「未来」を正確に把握・推定する技術が必要不可欠である。そこで本プロジェクトでは、低コストな大型蓄電池の診断システムを開発して、系統用蓄電池の寿命診断や評価を実現させるとともに、電力変動プロファイル生成システムを構築し、「系統連系円滑化蓄電システム」を模したリチウムイオン電池(LIB)蓄電池システムを用いて劣化診断評価システムの実現に取り組んだ。
 大型蓄電池に適用可能な劣化診断技術の開発では、安価な測定システムすなわち、周波数応答解析装置FRAを使用しない安価なシステムで、高価なシステムを使用したときと同等の周波数応答を実現する、矩形波インピーダンス法を開発した。そのときの測定誤差は従来法との比較においておおよそ1%未満であった。また、インピーダンス解析から、蓄電池の劣化部位の推定手法を開発した。
 劣化診断測定が可能な実験プラットフォームの開発では、LIB単セル及びアレイにおいて、矩形波インピーダンス法による安価なシステムで周波数応答を得るシステムを構築した。また、加速劣化試験の妥当性が証明できる条件を見いだして劣化加速試験による劣化部位の推定を行い、大型蓄電池の劣化部位の推定手法の道筋をつけた。
 電力変動プロファイル生成システムの構築では、実際の家庭の電力負荷、太陽光発電、風力発電の推移データに基づき、その時系列統計的な性質の地域的な特徴を反映する形で実際の電力系統上の任意の蓄電池配置箇所において想定される短周期電力変動プロファイルを導出する方法論の開発を実施した。ここで開発した技術を活用することで、再生可能エネルギーの導入状況や気象条件等の異なる地域において想定される短周期電力変動プロファイルを電力潮流計算によって実現した。
 電力変動プロファイルを用いた劣化診断技術の検証では、実験プラットフォームを用いて、電力変動プロファイルを用いた実験プラットフォームを運用することで、地域性の異なる環境において劣化するLIBを実証し、運用中及び準定常状態でのインピーダンス取得が可能なことを実証し、劣化部位の推定を実現した。さらに、100kW級の実験プラットフォームを構築し、10kWhの蓄電池キュービクル及び1kWhのモジュールの運用中及び準定常状態でのインピーダンス取得を実証し、LIBモジュールの劣化の検出を実現した。
 以上の結果より、「系統安定化用蓄電池システムの劣化診断基盤技術」が確立された。
英文要約Massive introduction of green energy, which is generated by solar and wind power, requires an energy storage system for grid stabilization to level even non-industrial electric power. To operate the energy storage system reliably and safely, a diagnosis technology is indispensable to grasp the state of energy storages. This project aimed to develop low-cost diagnosis system for large-scale energy storages and to develop a simulation system for an electric power flow profile at arbitrary point, followed by establishing the energy storage system for grid stabilization.
To realize impedance measurement for large-scale lithium ion batteries (LIBs), cost-effective measurement technique and its system is requested. We successfully obtained frequency response using several square potential and current inputs of commercial LIB (5Ah cell) without using expensive measurement system such as FRA systems. New techniques called “Square-Potential / Current Electrochemical Impedance Spectroscopy (SP-EIS, SC-EIS)” demonstrated to be suitable method for EIS. Residual differences of |Z| between SC-EIS and conventional FRA measurements were reached about less than 1%. Furthermore, SC-EIS could be achieved at the wide range of 5 mHz - 10 kHz by using new algorithmic correction. We applied SC-EIS to evaluate a degradation of LIB with the charge-discharge cycling. Operating condition of accelerated deterioration test was determined. And degradation state of LIB could be measured by SC-EIS during this test. Additionally, measurement of LIB module (4 LIBs in 2 parallel, 2 series) could be also achieved by SC-EIS. Moreover, we could detect degraded cell in the module using SC-EIS.
Assuming the way of using the storage battery systems placed in the power grid, we need a preliminary test of energy storage diagnosis based on the power flow simulation by using plausible charge-discharge profiles. We have developed a procedure for generating plausible synthetic profiles of residential power load and renewable energy sources generated from photovoltaic solar panels and wind turbines; the generated profiles reflects the short term time-series statistical structure of the real-world datasets and also reflects their regional characteristics. We derived possible charge-discharge profiles for energy storage diagnosis by performing power flow calculation on the typical power distribution system based on the generated synthetic profiles.
The kW-class battery assessment system for LIB systems using SC-EIS technology was constructed. Using this system, impedance response of 1.1 kWh module with 24 LIB cells (20 Ah) and 11kWh cubicle with 10 modules were successfully obtained to be able to use high accuracy analysis of battery diagnosis. Degraded module in the cubicle was successfully detected using this system.
From these fruitful results, basic diagnosis technology of energy storage system for grid stabilization was established.
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