CN110911719B - 电力调整系统、电梯系统以及车辆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力调整系统、电梯系统以及车辆系统，电力调整系统是输入输出密度和能量密度大的电力调整系统。二次电池式的电力调整系统是附设于输出发生变动的电源装置和/或输入发生变动的负载来使用且具有正极活性物质和负极活性物质的电力调整系统，具备：一个以上的蓄电单元，其具有电极和输入输出端子，所述电极中含浸或流通正极活性物质和负极活性物质中的至少一方的氧化还原性的活性物质液；检测部，其检测或预测一个以上的蓄电单元中的任意的输入输出端子的电压值和/或电流值；以及控制部，其基于由检测部检测或预测出的值来控制活性物质液的流入流出量和/或针对外部设备的输入输出端子的位置。

Description

电力调整系统、电梯系统以及车辆系统
技术领域
本发明涉及一种附设于输出发生变动的电源装置和/或输入发生变动的负载来使用且具有正极活性物质和负极活性物质的二次电池式的电力调整系统。
背景技术
在蓄电池之中，氧化还原液流二次电池具有容易大型化、寿命长、安全性高等优点，并且具有由于使用碳纤维电极而静电电容大、能够向各单电池间供给共同的活性物质这样的特征。因此，通过降低内部电阻，即使对于输入输出剧烈变动的电源、负载也能够发挥优异的充电接受性、负载追随性。例如，为了实现对输出变动的调整，氧化还原液流二次电池附设于太阳能发电、风力发电等输出不稳定的自然能量的发电装置来使用。氧化还原液流二次电池是使电极中流通或含浸活性物质液的电池的一种，通过使包含电池活性物质的活性物质液循环来进行充放电。
例如在专利文献1中记载了一种使包含钒作为活性物质的电解液在电池单体中循环来进行充放电的氧化还原液流电池系统。在专利文献1中，电解液包含溶解后的钒化合物和呈粒子状地分散的钒化合物，两种钒化合物的钒浓度合计为1.7mol/L以上，在用于使电解液循环的循环路径上具备将呈粒子状地分散的钒化合物的粒径调整得小的粒径调整单元，由此，即使在使用了高浓度的钒电解液的情况下，也能够与完全溶解系统同样地得到基于该钒电解液的浓度的电极反应性。
专利文献1：国际公开第2018/123963号
发明内容
发明要解决的问题
氧化还原液流电池的能量密度和成本(制作费)很大程度上受活性物质电解液的影响，因此继续维持足够的活性物质利用率对于评价氧化还原电池的经济性来讲非常重要。例如，在上述那样的钒系氧化还原电池中，当活性物质利用率从90％下降至50％时，在以往的仅以蓄电功能为目的的电池中，制作成本上升50％以上，认为与锂离子二次电池(LIB)等相比缺乏优势。
本发明作为具有输入输出调整功能的氧化还原液流型二次电池来使用，由此除了电源、负载之外还直接连接其它二次电池，能够实现以往没有的电池系统的最优化。
尤其是，本发明的目的在于通过与LIB模块等进行组合来提供一种输入输出密度和能量密度大的电力调整系统。
用于解决问题的方案
即，本发明的一个方式是一种附设于输出发生变动的电源装置和/或输入发生变动的负载来使用且具有正极活性物质和负极活性物质的二次电池式的电力调整系统，所述电力调整系统具备：一个以上的蓄电单元，其具有电极和输入输出端子，所述电极中含浸或流通正极活性物质和负极活性物质中的至少一方的氧化还原性的活性物质液；检测部，其检测或预测一个以上的蓄电单元中的任意的输入输出端子的电压值和/或电流值；以及控制部，其基于由检测部检测或预测出的值来控制活性物质液的流入流出量和/或针对外部设备的输入输出端子的位置。
根据本发明的一个方式，检测输入输出端子的电压值和/或电流值，并且根据该值来控制活性物质液的流入流出量、针对外部设备的输入输出端子的位置，因此能够实现高的充电接受性以及与负载的输出适应性。
此时，在本发明的一个方式中，多个蓄电单元能够设为将氧化还原液流二次电池的单电池串联地层叠而成的电池列。
通过设为氧化还原液流二次电池的电池单体堆，能够进行各电池单体单位层面的精细的控制，能够更高效地进行可靠性高的控制。
另外，在本发明的一个方式中，也可以设为多个电池列以电并联的方式配置的结构，能够在串联与并联之间任意变更。
通过设为这样的结构，能够设为即使在蓄电单元的一部分损坏或发生故障的情况下也能够工作的电力调整系统。
另外，在本发明的一个方式中，也可以是，充放电深度不同的活性物质液被贮存在多个罐中，在控制部中控制从各个罐向电池单体堆的各电池单体的流路的连接和/或流量。
通过使用充放电深度不同的活性物质液，能够通过根据状况切换活性物质液来进行各种控制。
另外，在本发明的一个方式中，采取检测部检测电池单体堆的输入输出时的电压和/或电流、或者还预测这些控制因素来进行控制的方法。
通过检测和预测输入输出时的电压和/或电流，能够进行更符合状况的控制。
另外，在本发明的一个方式中，也可以设为二次电池与一个以上的蓄电单元以并联的方式电连接的结构。
通过使二次电池以并联的方式电连接，能够利用电力调整系统整体来防止二次电池的过度的输入输出。
另外，在本发明的一个方式中，也可以设为与蓄电单元连接的电源装置和负载中的至少一个为锂离子二次电池和/或锂离子二次电池模块。
通过与作为二次电池的锂离子二次电池和/或锂离子二次电池模块一并设置，能够在各种用途中提高LIB的性能。
另外，在本发明的一个方式中，也可以是，电力调整系统能够与作为充电对象的蓄电池连接，并且能够进行快速充电。
通过一并使用LIB和氧化还原二次电池，也能够进行快速充电。
另外，在本发明的一个方式中，也可以设为输出发生变动的电源装置与同一个以上的蓄电单元以并联的方式电连接的二次电池能够通过继电器和/或开关装置直接电连接。
如果电源的输入变动处于二次电池(LIB)的接受范围内，则不进行氧化还原电池反应就能够进行连接。
另外，在本发明的一个方式中，也可以设为控制部通过人工智能进行控制。
通过人工智能进行控制，由此即使对更复杂的状况也能够进行恰当的控制。
另外，在本发明的另一方式中，能够设为如下的电梯系统或车辆系统：电力调整系统附设于电梯或车辆，使用电力调整系统来调整电源与电梯或车辆之间的电力。
根据本发明的另一方式，能够有效地利用在电梯运行、车辆驱动时产生的再生电力。
发明的效果
如以上所说明的那样，根据本发明，能够提供一种输入输出密度和能量密度大的电力调整系统。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的结构的概要图。
图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的应用状态的框图。
图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中的氧化还原二次电池系统的一例的立体图。
图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中的氧化还原二次电池系统的电池单体的构造的一例的立体图。
图5是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中的控制的一例的概念图。
图6是表示一并设置有氧化还原电池系统和LIB模块的电力调整系统的一例的概要图。
图7是表示一并设置有氧化还原电池系统和LIB模块的电力调整系统的另一例的概要图。
图8的(A)是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的另一结构的概要图，图8的(B)是框图。
图9是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中的串联和并联的切换的一例的概要图。
图10是表示氧化还原电池系统的结构的一例的简化图。
图11的(A)是表示恒流充电中的各堆的电流值随时间的变化的图，图11的(B)是表示恒流充电中的各堆的电压值随时间的变化的图。
图12是表示应用了本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的电梯系统中的结构的一例的概要图。
附图标记说明
1、10：电力调整系统；2：充电电源；3：负载；11：蓄电单元；12：检测部；13：控制部；14：输入输出端子；15：罐；16：泵；20：氧化还原二次电池系统；21：电极；22：框体；23：隔膜；24：泵；25：极板；26：输入输出端子；27、28：正极液/负极液流入管；31：金属薄片；32、33：导电性树脂薄片；40：电力调整系统；41：发电装置；42：检测部；43：控制部；44：氧化还原二次电池系统；45：输入输出端子；46：送液罐；50：电力调整系统；51：检测部/控制部；52：电源装置；53：负载装置；54：氧化还原液流型二次电池；55：LIB模块用BMS；56：LIB模块；60：电力调整系统；62A：太阳能电池；62B：风力发电；62C：直流电源；63：负载；64A、64B、64C：氧化还原电池；65：电池管理系统；70：电梯系统；71：电动机；72：轿厢；73：配重；74：电源；75：逆变器；76：电力调整系统。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本发明的优选实施方式。此外，以下所说明的本实施方式不会对权利要求书所记载的本发明的内容进行不当限定，本实施方式中说明的所有结构都未必是本发明的解决方案所必须的。
在利用二次电池进行的电力储存中，重要的是1：充电接受性、负载追随性(输入输出密度)以及2：能量密度，氧化还原电池具有的优点是寿命特性、电解液是共同的，但由于内部电阻大以及电解液中的活性物质溶解度的限制，还没有作为主要的电力储存用二次电池广泛普及。
关于氧化还原电池中的表观的每单位面积的面积电阻率，钒系、铁铬系等均可降低至约0.5Ωcm2，但当从层叠而成的堆水平看时，相比于铅二次电池、锂离子电池等而言相当大。尤其是，随着近年来锂离子电池的普及，固置型二次电池和锂离子电池均满足上述条件，作为在经济性方面也优异的二次电池，具有在世界范围内普及的倾向。
然而，作为变电站设置型、智能电网用、大型的再生电流受电用的二次电池，包括控制系统(调节器)使得在经济性方面不足，当前，无论在哪个领域都倾向于不使用二次电池，通过电网(受供电)调整来实现效率提高等。作为使用价格便宜的电池的方法，即使从在EV(电动汽车)中使用LIB(锂离子二次电池)的二手产品中选择足以能够作为固置型使用的产品来制作电力储存设备的情况下，控制系统的成本降低也不足，能够导入电力储存设备的领域变得有限。
氧化还原电池通过使用多孔碳纤维电极来具有大的双电层电容、增大电极面积、或者使电池列并联化，由此能够实质性地减小电池的内部电阻，对于输入、负载具有足够的应对性。在以往的不具有共同的电解液(活性物质)的二次电池中，在将电池列设为多个的情况下，针对各个电池列分别安装调节器来实现各电池列的均等化，但氧化还原电池无需这样。
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的结构的概要图，图2是表示电力调整系统的应用状态的框图。本发明的一个方式是一种附设于输出发生变动的电源装置和/或输入发生变动的负载来使用且具有正极活性物质和负极活性物质的二次电池式的电力调整系统10，所述电力调整系统10具备：一个以上的蓄电单元11，其具有电极和输入输出端子14，该电极中含浸或流通正极活性物质和负极活性物质中的至少一方的氧化还原性的活性物质液；检测部12，其检测或预测一个以上的蓄电单元11中的任意的输入输出端子14的电压值和/或电流值；以及控制部13，其基于由检测部12检测或预测出的值来控制活性物质液的流入流出量和/或针对外部设备的输入输出端子14的位置。
像这样，检测或预测输入输出端子14的电压值和/或电流值，并且根据该值来控制活性物质液的流入流出量、针对外部设备的输入输出端子的位置，因此能够实现输入输出密度和能量密度大的电力调整系统。如图2所示，通过连接本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统1，能够与充电电源2(例如太阳能面板等)直接电连接，因此即使在发电电压低的情况下也能够进行充电，在自然能量中，无论输入电压的大小如何都能够实现稳定的操作以及电池效率的提高。
检测部12可靠地掌握充放电的状况，并且获取用于进行与状况的变化相应的恰当的控制的信息。作为检测部12，能够列举电流计、电压计、流量计等。检测部12检测多个蓄电单元整体的状况，但更优选的是设置为获取各蓄电单元各自的信息。
控制部13例如具备CPU、主存储装置、外部存储装置、通信装置、输入装置、输出装置、显示装置等。控制部13基于由检测部12检测出的信息来进行控制。在后文叙述控制部13的详细控制。
各蓄电单元具备输入输出端子14，为了使输出电力等稳定，控制部13从所设置的多个蓄电单元11之中选择要连接的输入输出端子14以达到期望的电压。另外，活性物质液例如贮藏在罐15中，并通过泵16在蓄电单元11内循环。因而，例如，控制部13能够通过控制泵16的动作来调整活性物质液的流入流出量。另外，优选的是设置有多个罐15以能够贮存浓度和/或种类不同的活性物质液。
作为多个蓄电单元11，优选的是使用以下所说明的那样的氧化还原液流二次电池的电池单体堆(以下称作氧化还原二次电池系统)。图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中的氧化还原二次电池系统的一例的立体图，图4是表示构成氧化还原二次电池系统的电池单体的构造的一例的立体图。
例如图3、图4所示，氧化还原二次电池系统20具备：多个电池单体30，其具有电极21、框体22以及隔膜23，并且包含活性物质液；极板25，其以与电极21接触的方式将电池单体30分隔；以及泵24，其用于使活性物质液循环，其中，极板25具有输入输出端子26。下面，简单地说明各结构。
氧化还原二次电池系统20中使用的电极21为流通、含浸活性物质液的多孔导电体，材质为碳或铅等金属。电极21例如为碳纤维毡(碳纤维电极)。另外，构成碳纤维电极的碳纤维为纤维直径为5μm以下的碳纤维，但以活性物质补充性这一点来看，优选能够通过显微镜观察(例如扫描型电子显微镜(SEM))进行确认的碳纤维。
如图4所示，电池单体30在框体22中具备以隔着隔膜23的方式设置的一对以上的电极21。例如，通过正极液/负极液流入管27、28向电池单体30内的各个电极21循环供给活性物质液。各正极液/负极液流入管27、28例如与外部的歧管连接，最终通过控制部而被控制活性物质液的切换、流量。
作为氧化还原二次电池系统20中使用的活性物质液，例如能够列举铁/铬系溶液、钒系溶液。为了提高电极反应性，重要的必要条件是与电极具有亲和性、流动性大等。另外，在硫酸酸性的情况下，需要考虑粘度、导电率。在将硫酸酸性钒水溶液设为活性物质的情况下，钒浓度超过2.5M、总硫酸根浓度超过5M这样的高浓度化能够使活性物质液的能量密度在一定程度上变大，但粘度会变大，另外导电率容易变小且电池单体电阻容易变大。此外，既可以使电池单体30内始终流通(循环)活性物质液(不仅包括通常的电解液，也包括悬浮液)也可以间歇地流通活性物质液，或者也可以不流通活性物质液，仅仅是使电极21中预先含浸活性物质液。
隔膜23主要为质子导电性强的阳、阴离子交换膜。例如，使用氟树脂系(那非翁(Nafion(注册商标)117、211等)、聚苯乙烯磺酸系、聚烯烃系等的离子交换膜。作为多孔膜，存在精滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)等使用例。铁/铬系活性物质液的体积电阻率与盐酸接近，为1Ωcm左右，但在将硫酸酸性的钒水溶液设为活性物质的情况下，具有该电阻的数倍以上的电阻，需要充分地考虑隔膜的离子交换容量、厚度。
像这样构成的电池单体30被极板25分隔。即，作为一例，多个电池单体30以隔着极板25的方式层叠，各极板25与相邻的电池单体30的电极21接触。在极板25具备输入输出端子26。通过调节像这样串联地层叠的电池单体数，能够具有电力调整的功能。
在氧化还原二次电池系统20中，为了使用多个输入输出端子(调节电池单体端子)来实现输入输出(电压)的最优化，优选的是极板(多极隔板、双极板)为具有金属的输入输出端子的构造。另一方面，在使用金属的极板的情况下，具有在与电池单体内的活性物质液接触时溶解或产生氢的担忧。因此，在本发明中，通过如图4所示那样以用导电性树脂薄片32、33夹住金属薄片31的方式形成极板25来降低内部电阻(电池单体面积电阻率)，并且通过在极板25的一端具有输入输出端子26，不再需要考虑遍及极板整面地形成均匀的电位分布。此外，为了说明极板的构造，将图4所示的极板25A、25B图示得较厚，但不表示实际的极板的厚度。
作为极板25(双极板)的一例，优选为碳塑料薄片/具有输入输出端子的铜薄片/碳塑料薄片这样的结构。此外，在电极与极板25的两面接触的多极隔板(双极板)的情况下，需要用导电性树脂薄片32、33夹着金属薄片的两面，但在电池单体堆的两端中只有一侧与电极接触的单极隔板(端板)的情况下，可以用导电性树脂薄片32、33仅仅覆盖与电极接触的面。
并且，优选的是，本发明中使用的碳塑料薄片使用聚乙烯、聚丙烯等热塑性树脂作为树脂，通过热熔接、利用溶剂实现的熔接等方法来与作为电极的导电性碳纤维无纺布一体化。适合热熔接的碳塑料薄片的树脂有聚烯烃系树脂等，适合熔接的树脂有聚氯乙烯等。另外，通过热熔接使极板与电极一体化，由此在电池单体的层叠数增加的情况下能够降低由螺栓等抑制电池单体堆的力。
泵24用于向电池单体30内的电极21循环供给活性物质液。在本发明的一个方式中，通过检测部12来测量电池单体堆的电压或任意的电池单体的电压，通过控制部13来调节(包括导通/截止控制)利用泵24进行的活性物质液的输送，由此能够大幅度降低液输送所需的动力。并且，泵24可以分为正极和负极来使用，如分为正极用泵和负极用泵来使用，但也可以使用能够向正极和负极这两方输送活性物质的双轴式活性物质液送液泵。
为了降低活性物质电解液的电极内流动阻力并维持高的活性物质利用率和充放电能量效率(充放电中的库伦效率与电压效率之积)，能够通过采取如下的方法来实现。即，根据正负极液将电池主体(电池单体堆)及电解液容器(罐)分别设置为多个，通过控制部来限定根据输入输出值进行通电的电池单体堆和用于向堆送液的电解液罐。由此，例如进行以下控制是重要的：在充电时，向最佳规模(单电池层叠数等)的电池单体堆供给充电深度小的电解液来长时间维持高充电接受性，并且，相反地，在放电时从充电深度高的电解液的罐向电池单体堆进行送液来尽可能地维持大的输出。由此，能够以比通常的额定输入输出高的输入输出进行充放电。
另一方面，这样的氧化还原电池具有由于电解液中的活性物质浓度(钒化合物浓度)的限制而无法获得大的能量密度这样的缺点，这阻碍了氧化还原电池的普及。在本发明中，通过使二次电池与氧化还原电池以并联的方式电连接，能够通过流动型的氧化还原电池来进行输入输出的调整，通过二次电池(锂离子电池)来进行电力储存，从而能够提供一种灵活利用两种类型的电池的特征的电力储存设备。
另外，在本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中，具备能够基于自然能量的发电装置等的输出电压来切换为多个电池单体的输入输出端子中的至少任一输入输出端子的无触点切换元件、触点式切换开关等，通过利用控制部来控制这些元件，能够提高充电接受性。
图5是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统40中的控制的一例的概念图。例如，在使用太阳能面板作为自然能量的发电装置41的情况下，在阴、雨等天气的情况下，输出电压大幅度下降。此时，能够采用如下的结构(SEL)：通过检测部42来读取来自太阳能面板的输出电压，根据该输出电压的值，通过控制部43来切换氧化还原电池系统44的输入输出端子45位置。作为一例，当在阴、雨等天气中输出电压低时，通过将开关切换为使氧化还原二次电池系统44的电池单体数少的输入输出端子45，能够利用与一个电池单体相应的电压(例如1.5V)进行充电。另一方面，当在晴天等天气中输出电压上升时，通过将输入输出端子45切换至使层叠电池单体数多的位置，能够调整氧化还原二次电池系统44的输出电压。从消除在机械切换时产生过电流等问题的观点出发，理想的是在没有施加输入输出时对切换开关进行切换。或者，也能够通过调整电解液的送液量、送液罐46的切换(Freq)来调整充电深度。
另外，这些控制不限于利用检测部的实际测量值，也可以利用根据预测得到的值。例如，在上述的太阳能面板、风力发电的情况下，事先通过IoT技术获取当天的天气、日照时间、风速/风向的预测等，由此能够决定所需的输入输出端子位置(SEL)、电解液送液的条件(Freq)。并且，还可以监视输入输出端子位置处的电池单体堆的电压s(t)、太阳能面板的电压VP(t)、电流的变化量ΔI(t)、电压的变化量ΔV(t)，并通过基于人工智能等的计算来决定以这些量为参数的函数SEL＝f1(s(t)、VP(t)、ΔI(t)、ΔV(t))、Freq＝f2(s(t)、VP(t)、ΔI(t)、ΔV(t))。
另外，优选的是，检测部检测电池单体堆的输入输出时的电压和/或电流。在对电池单体堆进行充电时，进行以下控制：在充电的中途切换为恒压模式或抑制了由于低电力化引起的充电电压上升的模式，以使不超过电池单体堆施加电压或施加电流的容许范围。另一方面，在放电时，为了抑制来自电池单体堆的输出电压的下降或输出电流的增大，进行用于通过恒压模式、低输出化来防止超过容许范围的放电电压下降的控制。
像这样，在通过控制部将如太阳能发电那样变动剧烈的输出进行整流(不需要特别地平滑)之后输入至具有输入输出端子的、具备电容器功能和二次电池功能的串联的氧化还原液流型电池的单电池列的最佳的输入输出端子。另一方面，在从氧化还原液流型电池系统向负载进行输出时，同样地通过控制部从最佳的输入输出端子向负载进行输出。在同时进行针对电源、负载的输入输出的情况下，进行控制以使尽可能地不进行电池反应，在利用电容器功能进行处理之后直接向负载侧进行输入。
另外，除了自然能量的发电装置以外，在负载为二次电池、例如LIB(锂离子电池)的情况下，氧化还原电池系统与LIB与电源并联连接，由此本发明所涉及的电力调整系统担负对LIB进行最佳且安全的充放电的控制功能。该控制是实现LIB的最佳充放电电压和电流的控制。由此，能够安全地使用LIB，并且也能够大幅度提高电力调整系统整体的蓄电效率。
图6是表示一并设置有氧化还原电池系统和LIB模块的电力调整系统50的一例的概要图。如图6所示，能够在检测部51中检测或预测电源装置52和/或负载装置53的电压、电流，并根据状况通过控制部51进行氧化还原液流型二次电池列54的输入输出端子的选择、氧化还原液流型二次电池列54间的串联/并联的变更。另外，可以通过LIB模块用BMS 55(电池管理系统)来调整LIB模块56的充电深度等，以将各LIB的充电深度调整为均等化。通过设为这样的结构，相比于针对输出发生变动的电源装置和/或输入发生变动的负载单独地连接LIB的情况，能够构建能够迅速地应对状况的变化且可靠性高的电池系统。
另外，通过像这样一并设置氧化还原电池系统和LIB模块，也能够作为快速充电装置灵活利用。即，例如通过太阳能面板(PV)、深夜电力对LIB模块进行充电。在利用高电压放电来进行快速充电时，能够通过以并联的方式连接氧化还原电池系统来进行应对。
并且，本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统能够构成为，输出发生变动的电源装置与同一个以上的蓄电单元以并联的方式电连接的二次电池能够通过继电器和/或开关装置直接电连接。图7是表示一并设置有氧化还原电池系统和LIB模块的电力调整系统的另一例的概要图。在本发明的一个方式所涉及的电力调整系统60中，如果电源(太阳能电池(PV)62A、风力发电(WT)62B、直流电源(DCPS)62C)的输入变动处于LIB(66A、66B)的接受范围内，则利用电池管理系统(包括BMS、检测部、控制部)65，通过继电器和/或开关装置以使氧化还原电池(64A、64B、64C)的输入与输出为相同的端子的方式选择输入输出端子，由此能够以不进行氧化还原电池反应的方式进行连接。
本发明的电力调整系统不仅具有输入电源和输出负载的调节器功能，还具有蓄电功能，由此能够应对剧烈的输入、负载变动。以往，能够通过使用双电层电容器等来应对这样的功能，但当使用在此使用的氧化还原二次电池时，其蓄电容量提高几个数量级，能够高效地进行应用的范围大幅度提高。例如，通过使用本发明的系统，也能够高效地应对再生电流接受、即时响应备用电力。此时，氧化还原电池以及与其并联连接的二次电池(例如LIB)在输入输出电压值通过MPPT等而接近后，输入输出不经由氧化还原电池反应，能够通过将电源―LIB、LIB―负载直接连结来避免由于经由氧化还原电池引起的电力的损失。通过使本系统在输入输出剧烈变动的情况下发挥功能，能够有效且高效地发挥作用。但是，在维持稳定的输入输出状态的情况下，优选的是将电源―LIB、LIB―负载直接连结，以避免由于氧化还原电池反应引起的损失(由于充放电效率引起的损失)。
由于氧化还原电池和LIB特性随时间变化等，最佳的控制水平总是发生变化，但这例如能够通过人工智能(AI)技术进行应对。另外，能够通过IoT技术来应对与基于各种因素(作为输入信息的电源/负载的种类、电流、电压、温度、日期时间、各电解液的充放电深度等)对各输入输出量的预测对应的控制。例如，在接受风力发电机的输出的情况下，要求与非常剧烈的输出变动对应的氧化还原电池的运转，并且要求送液泵的运转方式与稳定的输入不同。并且，输入的电源不仅需要与风力发电机对应，还需要与来自其它的输入对应，这能够通过IoT技术进行应对。
通过在本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中导入如上述那样的氧化还原液流型电池，能够在很大程度上省略或完全省略以往使用的针对各电源、各负载的输入输出调整功能，能够大幅度改善例如智能电网、微电网、再生电力回收(有效利用)装置、用于间歇发电的电力储存设备等各种设备的经济性。
图8的(A)是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的另一结构的概要图，图8的(B)是框图。在电力调整系统的一个方式中，如图8的(A)所示，可以将多个蓄电单元(电池单体堆)以并联的方式电连接。通过设为这样的结构，例如即使在第一块至第十块系统中的一个系统中发生了故障的情况下，也能够适当地通过控制部来切换电路，由此能够无障碍地继续工作，因此能够设为可靠性高的电力调整系统。
此时，在本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中，如图8的(A)所示，通过利用检测部(电流计)A1～A10来检测块电流，能够恰当地利用控制部对开关元件Q1～Q10进行操作，由此进行电力调整。作为开关元件，例如能够使用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。
并且，在本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中，可以针对以串联地层叠的方式连接的电池单体堆的各电池单体设置电池单体间的旁路电路等，使得能够进行控制以通过开关动作来改变层叠数。通过设为这样的结构，即使在电池单体堆的一部分损坏或发生故障的情况下，也能够以通过旁路电路来避开该电池单体的方式重新连接电路，由此，不使电力调整系统停止就能够进行电池单体的更换。
图9是表示本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中的串联与并联之间的切换的一例的概要图。图中的各ST表示电池单体堆，各SW表示开关。在图9中，通过将SW12、SW23、SW34、SW45、SW56和SWP1、SWN6设为接通(ON)，将SWP2～SWP5和SWN2～SWN5设为断开(OFF)，能够将全部的电池单体堆ST#1～ST#6串联连接。另外，通过将SW12、SW23、SW34、SW45、SW56设为断开，将SWP1～SWP6和SWN1～SWN6设为接通，能够将全部的电池单体堆ST#1～ST#6并联连接。或者，当将SW12、SW34、SW56设为接通，将SW23、SW45设为断开，将SWP1、SWN2、SWP3、SWN4、SWP5、SWN6设为接通，将SWN1、SWP2、SWN3、SWP4、SWN5、SWP6设为断开时，也能够使ST#1与ST#2之间、ST#3与ST#4之间、ST#5与ST#6之间串联连接，且使这三组串联电池并联连接。关于这样的串联与并联之间的切换，由控制部基于在检测部中检测或预测出的信息来判断，通过对各开关在接通与断开之间进行切换，能够进行整体的控制。
如以上所说明的那样，通过以各电池单体堆为单位、进而以电池单体堆的各电池单体为单位进行控制，能够进行更符合状况的细致的控制，但另一方面，大量的数据处理以及用于从中导出最佳的条件的解的计算量变大。因此，在本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统中，当利用人工智能(AI)进行控制时更为有效。人工智能能够通过积累过去的实施数据并进行机器学习来进行与各状况相应的控制。
[实施例]
下面，使用实施例进一步具体地说明本发明，但本发明不限定为以下的任一实施例。
<实施例1.对氧化还原电池系统的控制>
为了应用本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统，例如可以考虑如以下那样的10kW-10kWh氧化还原电池系统。
(氧化还原电池系统的结构)
作为实施的一例，将由40个电池单体的层叠体构成的2kW/40个电池单体堆设为一个单位，使用五个该电池单体堆，将电解液量设为500L。将五个堆串联电连接，另一方面，针对各堆分配电解液，总共使用十个正负极液罐。将电解液设为3.5价的钒电解液500L，将正极液和负极液分别设为250L，约使用十个40L罐。
针对各电池单体堆各配置一个正极液泵和一个负极液泵，以使五个电池单体堆均单独地从正负极液罐这两个罐分别进行送液的方式安装配管。在此，通过在泵与罐间设置阀等，能够抑制成本和泵动力的上升，因此将罐/泵/堆设为一组来使用。但是，要设置能够使电解液通过这些泵在各罐间移动的配管。该配管也具有在各罐内的电解液量失衡的情况下调整液量的功能。
(检测项目)
为了使本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统同时应对多个输入(电源)和负载，考虑在上述的氧化还原电池系统的检测部中检测以下的项目以供控制部进行控制用。
(1)输入(电源)的输出条件···与电压、电流→堆电压、罐内电极电位以及各输入输出相对应地决定以怎样的负载比例使用哪个电池子系统的重要的测量项目。
(2)堆电压
(3)串(串联连接的电池列)电流
(4)电解液···罐内液水平、罐内电极电位、电解液温度等
(5)泵···在温度→泵温度达到容许上限的情况下，减少基于该泵的送液量来增大其它电池子系统的负载。
(控制)
事先掌握负载变动等，并且在事项开始前进行要使用的堆的选定、泵送液量的调整对于提高可靠性而言很重要，因此基于预想的电源的输出模式、负载模式进行控制。另外，作为利用人工智能进行的控制的例子，在太阳能发电的情况下，考虑根据当天的预想的日照量等来预测向电池系统进行输入的模式，来控制在分割后的电池子系统中进行使用的顺序等。
在应对同时输入输出时，对来自电源的输入进行控制，以使尽可能不经由电池反应，能够直接输出到负载侧。在对该氧化还原电池系统连接二次电池、尤其是锂离子电池(LIB)等来作为电源和负载等的情况下，成为LIB等与氧化还原电池系统并联连接的形式，但通过测量LIB等的电压、电流(为了安全还测量电池温度)，能够通过电力调整系统来控制LIB等的输入输出。
(恒流充电中的控制例)
图10是表示氧化还原电池系统的结构的一例的简化图。S1～S4为电池单体堆，例如一个堆为2kW/40个电池单体。TA1、TA2为正极液罐，TC1、TC2为负极液罐，P1～P8表示泵。检测部(未图示)检测各堆的电流和电压的值，控制部(未图示)控制所输送的活性物质液的流量，还控制各泵的打开/关闭。基于这样的结构来进行恒流的充电。
图11的(A)是表示恒流充电中的各堆的电流值随时间的变化的图，图11的(B)是表示恒流充电中的各堆的电压值随时间的变化的图。在时间0～t1期间，进行控制以使仅将泵P1、P2设为打开来从罐TA1和TC1进行送液，并且仅使用了电池单体堆S1。
如图11的(B)所示，随着时间经过，堆S1的电压上升。在S1的电压超过上限电压(80V)后，切换为使泵P3、P4工作来利用堆S1和S2这两个堆进行的充电(时间t1～t2)。这是为了当超过上限电压时在堆内明显地产生气体。
再经过一段时间后，各堆S1、S2的电压达到上限电压，因此进一步使泵P5～P8也运行，来切换为利用全部的堆S1～S4进行的充电(时间t2～t3)。通过采用设定为以能够通过控制部来进行以上的流程的电力调整系统，能够具有以下所列举的优点。
在输入以某个固定的值进行输出的电源来在TA1和TC1中进行蓄电的情况下，泵的消耗电力虽然也取决于送液量，但大致为堆的额定输入输出值的5％左右(如果为4kW堆，则泵的消耗电力为200W)，当考虑充放电时，泵的消耗电力为堆的额定输入输出值的10％。因而，期望在充电初期有少量的泵运行。
如果将TA1和TC1的活性物质液充电深度(SOC)提高至80％，使TA2、TC2仍保持低的SOC，则在放电时能够通过TA1、TC1的活性物质液以高功率对电池进行输入，另外，在充电时还能够通过TA2、TC2的低SOC的活性物质以高功率对电池进行输入。
此外，在氧化还原电池中，通过泵的流量控制对堆的输入输出密度进行调整是存在极限的，为了将活性物质液充电至高的SOC，需要调整充电时的电流、电压。当然，在放电中也需要同样的调节。通过使用本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统，能够维持高的活性物质利用率并且实现高的充放电效率。
<实施例2.串联和并联时的充放电试验>
对于将40个表观的电极面积470cm2(碳纤维毡电极的表观的面积)的单电池层叠而成的堆，在仅使用一个堆、并联地使用两个堆、并联地使用三个堆以及串联地使用三个堆的情况下进行了充放电试验。隔膜使用那非翁117，多极隔板使用石墨粘接板，电解液使用从1M氯化物离子共存体系的2.0M硫酸酸性、2.0M盐酸酸性、2.1M硫酸氧钒水溶液进行了氧化还原状态的调整(调整为钒3价：4价、浓度比1：1)而得到的电解液。根据充放电中的电压差与电流密度之比求出的该单电池的面积电阻率约为0.5Ωcm2。在表1中示出结果。
[表1]
Figure BDA0002133640750000181
如表1所示，在并联的情况下，能够实现高的电压效率，在串联的情况下，能够实现高电压，因此根据用途、状况进行串联/并联的切换是高效的。
<实施例3.电梯系统中的控制>
图12是表示应用了本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的电梯系统70中的结构的一例的概要图。
一般的绳索式电梯采取经由电动机71在与轿厢72相反的一侧配置有配重73的结构。因而，在以(包括乘坐人员在内的轿厢的重量(以下简化为“轿厢的重量”))>(配重的重量)进行上升的情况下或在以(轿厢的重量)<(配重的重量)进行下降的情况下，需要使电源74通过逆变器75来驱动电动机71(马达)驱动。另一方面，在以(轿厢的重量)>(配重的重量)进行下降的情况下或在以(轿厢的重量)<(配重的重量)进行上升的情况下，通过轿厢72或配重73的自重来进行下降或上升，因此该动力在电动机71中转换为电能(再生电力)并返回逆变器75，因此需要对再生电力进行处理。
因此，在应用了本发明的一个实施方式所涉及的电力调整系统的电梯系统中，连接利用氧化还原二次电池系统的电力调整系统76，由此在产生再生电力时切换电路以通过氧化还原二次电池系统进行充电，并且在进行相反的动作时，能够通过从氧化还原二次电池系统放电使电动机驱动来减小电源电流，因此能够减小消耗电力量、电源容量。另外，通过氧化还原二次电池系统中蓄积的电力，在停电时等紧急时刻还能够进行救援运转。
在电力调整系统中的检测部中，例如检测轿厢的重量、电梯的当前位置和目的地(上升或下降)、停电的发生等。而且，在控制部中能够基于由检测部检测或预测出的信息利用开关等对电路进行切换控制等。
<实施例4.车辆系统中的控制>
利用实施例3中说明的电力调整系统进行的再生电力的充放电也能够应用于车辆系统中。作为车辆，能够应用于汽车(电动汽车(EV)、混合动力车等)、公共汽车、铁路等。再生电力是在利用轮胎、车轮的旋转使电动机(马达等)作为发电机工作时产生的(再生制动)。
不对电源进行特别限定，但例如在汽车的情况下，例如能够在车顶部分设置1m2以下、150W的太阳能电池面板，氧化还原液流型二次电池利用额定200W、高功率10kW的电池，例如与10kWh锂离子二次电池一并设置。另外，在公共汽车的情况下，例如太阳能面板能够使用10m2以下、1.5kW的太阳能面板，氧化还原电池能够使用额定2kW、高功率100kW的电池。
通过使用这样的电力调整系统，例如通过检测部来检测车辆的速度、有无发生制动等，在控制部中对充放电的切换进行控制等，由此能够有效地灵活利用再生电力。
此外，如上述的那样详细地说明了本发明的各实施方式以及各实施例，但本领域人员能够理解的是，在实质上不脱离本发明的新规事项和效果的情况下能够进行多种变形。因而，这样的变形例均包括在本发明的范围中。
例如，在说明书和附图中，与更广义或同义的不同的术语一同被记载了至少一次的术语在说明书或附图的任意的部位均能够置换为该不同的术语。另外，电力调整系统的结构、动作也不限定为在本发明的各实施方式和各实施例中说明的那样，能够进行各种变形实施。

Claims (12)

1.一种电力调整系统，是附设于输出发生变动的电源装置和/或输入发生变动的负载来使用且具有正极活性物质和负极活性物质的二次电池式的电力调整系统，所述电力调整系统的特征在于，具备：
一个以上的蓄电单元，其具有电极和输入输出端子，所述电极中含浸或流通所述正极活性物质和负极活性物质中的至少一方的氧化还原性的活性物质液；
检测部，其检测或预测所述一个以上的蓄电单元中的任意的输入输出端子的电压值和/或电流值；以及
控制部，其基于由所述检测部检测或预测出的值来控制所述活性物质液的流入流出量和/或针对外部设备的输入输出端子的位置。
2.根据权利要求1所述的电力调整系统，其特征在于，
所述一个以上的蓄电单元为将氧化还原液流二次电池的单电池串联地层叠而成的电池列。
3.根据权利要求2所述的电力调整系统，其特征在于，
多个所述电池列以电并联的方式配置。
4.根据权利要求2所述的电力调整系统，其特征在于，
充放电深度不同的所述活性物质液被贮存在多个罐中，在所述控制部中控制从各个所述罐向所述电池列的各单电池的流路的连接和/或流量。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电力调整系统，其特征在于，
所述检测部检测或预测所述蓄电单元的输入输出时的电压和/或电流。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的电力调整系统，其特征在于，
二次电池与所述一个以上的蓄电单元以并联的方式电连接。
7.根据权利要求6所述的电力调整系统，其特征在于，
与所述蓄电单元连接的所述电源装置和所述负载中的至少一个为锂离子二次电池和/或锂离子二次电池模块。
8.根据权利要求7所述的电力调整系统，其特征在于，
所述电力调整系统能够与作为充电对象的蓄电池连接，并且能够进行快速充电。
9.根据权利要求7或8所述的电力调整系统，其特征在于，
所述输出发生变动的电源装置与同所述一个以上的蓄电单元以并联的方式电连接的所述二次电池能够通过继电器和/或开关装置直接电连接。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的电力调整系统，其特征在于，
所述控制部通过人工智能进行控制。
11.一种电梯系统，其特征在于，
根据权利要求1至10中的任一项所述的电力调整系统附设于电梯，使用所述电力调整系统来调整电源与所述电梯之间的电力。
12.一种车辆系统，其特征在于，
根据权利要求1至10中的任一项所述的电力调整系统附设于车辆，使用所述电力调整系统来调整电源与所述车辆之间的电力。
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Effective date of registration: 20221011

Address after: Building 12, Zhongce Century Expo Park, Lane 689, Changxing Road, Jiangbei District, Ningbo City, Zhejiang Province

Patentee after: NINGBO HAIZHI INSTITUTE OF MATERIALS INDUSTRY INNOVATION

Address before: Saitama Prefecture, Japan

Patentee before: Sego Innovation Co.,Ltd.

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