JP2012023889A - Electrical power system and vehicle using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源システムおよびこれを用いた車両に関する。 The present invention relates to a power supply system and a vehicle using the same.
近年、地球温暖化防止に配慮した自動車の研究開発が活発に行なわれている。その1つとして有望視されているのが、電気自動車であり、中でも出力密度の大きなキャパシタを電源システムに用いる電気自動車が注目されている。 In recent years, research and development of automobiles taking into account the prevention of global warming has been actively conducted. One promising example is an electric vehicle, and among them, an electric vehicle using a capacitor with a high output density in a power supply system has attracted attention.
例えば、電源システムに電気二重層キャパシタを用いた電気自動車として、車体底部またはフレームの一部に、車体構造体の補強を兼ねた電気二重層キャパシタの保護ケースを車体または車体フレームと一体化して設けたものが知られている(特許文献1参照)。 For example, as an electric vehicle using an electric double layer capacitor in the power supply system, a protective case for the electric double layer capacitor that also serves as a reinforcement of the vehicle body structure is integrated with the vehicle body or the vehicle body frame at the bottom of the vehicle body or a part of the frame. Is known (see Patent Document 1).
また、建設機械のような分野においても、近年は電動式建設機械の開発が行なわれている。 Also in the field of construction machinery, in recent years, electric construction machines have been developed.
例えば、ホイールローダ10と呼ばれる車両において、複数の電気二重層キャパシタ(電源デバイス)からなるキャパシタモジュール22を筐体23で覆うとともに、この筐体23を外部に露出して設け、外装カバーを兼用させる。そして、筐体23を構成する少なくとも天板30を、上下複数の面状部31、32を有した多重構造とし、これらの面状部31、32間には外気が流通する通風部33を形成した構成のものが知られている(特許文献2参照)。
For example, in a vehicle called a
しかしながら、上記特許文献1に開示された電気自動車においては、電源システムに電気二重層キャパシタが用いられるため、出力密度は大きいもののエネルギー密度が不足する。したがって、十分なエネルギーを確保しようとすると、どうしても重量が重くなり、かつ、体積が大きくなってしまうという問題点を有していた。
However, in the electric vehicle disclosed in
また、上記特許文献2に開示されたホイールローダ10においては、電気二重層キャパシタが用いられるため、エネルギー密度が不足することに加えて、内部抵抗による発熱もどうしても大きくなりやすい。このような大きな発熱があると、温度上昇による電気二重層キャパシタの性能劣化が生じてしまう。そのため、この性能劣化を防止するために、電源システム内の電気二重層キャパシタには、放熱設備を設けなければならないという問題点を有していた。
In the
本発明の目的は、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムおよびこれを用いた車両を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power supply system that satisfies both a predetermined output density and an energy density, is lightweight, small, and does not require a heat dissipation facility for a capacitor, and a vehicle using the same.
この目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の発明は、電源システムであって、キャパシタと、このキャパシタに接続された充放電装置と、この充放電装置の充放電電力を制御するための充放電制御装置とを備え、前記キャパシタは、多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質を有したリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする電源システムである。
In order to achieve this object, an invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電源システムと、この電源システムに接続されたインバータと、このインバータにより駆動される電動機とを有した車両である。
The invention according to
以上のように、本発明の請求項1に記載の発明は、電源システムであって、キャパシタと、このキャパシタに接続された充放電装置と、この充放電装置の充放電電力を制御するための充放電制御装置とを備え、前記キャパシタは、多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質を有したリチウムイオンキャパシタであるため、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムを提供することができる。また、車両や電気機器等にとって必要な所定電圧および所定電流も供給可能になる。さらに、キャパシタの過充電および過放電が防止されるため、キャパシタのサイクル寿命も一段と向上するという作用効果も得られる。したがって、電源システムとしての寿命も延びる。
また、本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電源システムと、この電源システムに接続されたインバータと、このインバータにより駆動される電動機とを有した車両であるため、車両としての構造も単純、かつ、軽量、コンパクトになる。また、前記電源システムが車両に採用されることで、走行距離の向上を図ることも可能になる。
As described above, the invention according to
The invention according to
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明に係る負極活物質の一実施形態の合成方法を説明するための模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view for explaining a synthesis method of one embodiment of a negative electrode active material according to the present invention.
図1において、1は容器、2は負極側に接続されたアルミニウム箔、3は正極側に接続されたリチウム板、4は容器1に注がれた電解液である。
In FIG. 1, 1 is a container, 2 is an aluminum foil connected to the negative electrode side, 3 is a lithium plate connected to the positive electrode side, and 4 is an electrolytic solution poured into the
アルミニウム箔2は、下記の前処理条件により予め準備しておく。
(アルミニウム箔2の前処理)
純度99.9%、厚さ110μmのアルミニウム箔を、10質量%塩酸と0.1質量%硫酸を含む水溶液中、38℃の電解液中で60Hz、電流密度180mA/cm2で500秒エッチングを行ない、イオン交換水で洗浄した。
The
(Pretreatment of aluminum foil 2)
An aluminum foil having a purity of 99.9% and a thickness of 110 μm is etched for 500 seconds in an aqueous solution containing 10% by mass hydrochloric acid and 0.1% by mass sulfuric acid in an electrolyte at 38 ° C. at 60 Hz and a current density of 180 mA / cm 2. And washed with ion-exchanged water.
図1において、正極側、負極側にそれぞれ接続されたリチウム板3、上記予め前処理されたアルミニウム箔2を電解液{濃度1モル; 電解質(LiPF6)、有機溶媒(エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=1:1の混合溶液)}4内に浸漬し対峙させ、アルミニウム箔2の電位を25mV(対Li/Li+)に制御して50℃で電解することにより合金化し、下記表1に示す試験No.1の多孔質のリチウム含有アルミニウム合金製負極活物質12{以下、負極活物質12と称す(図2〜図6参照)}を合成した。
In FIG. 1, a
図2は、図1に示す合成方法により形成した負極活物質12の一部拡大模式図である。図2において、負極活物質12は表層部12aと母体部12bからなることを示す。この表層部12aは、三次元網目状骨格をなし、かつ、多数の細孔を有する構造である(所謂、スポンジ状構造を呈する)。この細孔の開口径Dは、0.5μm〜2μmである。また、ここで言う細孔とは、上記アルミニウム箔2の前処理条件等により発生する多少の穴を含んだ場合も含めた総称である。
FIG. 2 is a partially enlarged schematic view of the negative electrode
図3は、図2に示す負極活物質12の表層部12aの表面を矢印Aの方向から走査型電子顕微鏡により観察した表面状態を示す図面代用写真である。
FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing the surface state of the surface of the
図4は、図2に示す負極活物質12のBB断面を走査型電子顕微鏡により観察した断面状態を示す図面代用写真である。図4より、表層部12aの平均厚さは、約5μmである。この表層部12aの所定厚さは、本願発明の目的に照らすと、1μm〜50μmが好ましい。また、図2〜図4では、負極活物質12の表面(一面側)の表層部12aが上記スポンジ状構造であることの説明を行なったが、負極活物質12の裏面(他面側)にも表層部12aは存在し、この表層部12aの構造も上記スポンジ状構造である。
4 is a drawing-substituting photograph showing a cross-sectional state of the negative electrode
上述したように、表層部12aには、多数の細孔を有するが、この細孔の開口径Dとしては、0.1〜5μmが好ましい。何故ならば、5μm超では負極活物質12の表面積が減少して容量が減少し、0.1μm未満では、後述する電解液の上記細孔内への浸入が困難になるためである。ただし、細孔の断面形状は、円形に限定されるものではない。
As described above, the
また、多数の細孔を有する表層部12aの表面および断面の性状を上述した走査型電子顕微鏡により観察し、表面開口率を測定した。この表面開口率とは、図5に示す定義に従う。この定義において、細孔の開口径Dは、平均径であり、細孔間の距離Lも平均長さである。表層部12aの表面開孔率は、10〜80%が好ましい。何故ならば、10%未満では、充電時に負極活物質12内のリチウム含有量が増加することによる体積膨張に起因した応力の緩和が不十分であり、80%超では負極活物質12としての機械的強度が不十分であるためであると思われる。
Further, the surface and cross-sectional properties of the
本実施の形態においては、アルミニウム箔2として、厚さが110μmの場合を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、厚さが約5μm〜200μmのものを用いることができる。また、本実施の形態においては、アルミニウム合金として実質的にAlとLiとからなる例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、Li以外にMg、Zn等の元素を含有したアルミニウム合金とすることもできる。なお、本願発明のアルミニウム合金は、不可避不純物として、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti等を0.05原子(at)%以下含有しても良い。また、本実施の形態においては、負極活物質12を合成する条件として、純度99.9%のアルミニウム箔2を負極側に接続し、電位を25mV(対Li/Li+)に制御して、50℃の電解液中で電解することにより合金化する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。電解することによりLiと合金化することができる。
In the present embodiment, the case where the thickness is 110 μm has been described as an example of the
(実施の形態2)
図6は、本発明に係るリチウムイオンキャパシタの一実施形態を説明するための模式構成図である。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining an embodiment of a lithium ion capacitor according to the present invention.
図6において、10は容器、12は上記実施の形態1で述べた合成により得られた負極活物質、13はアルミニウム製の集電体、14は正極活物質、15は電解液が含浸されたセパレータ、20はリチウムイオンキャパシタである。本実施形態において、実施の形態1の構成と同一の要素に関しては同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
In FIG. 6, 10 is a container, 12 is a negative electrode active material obtained by the synthesis described in
セパレータ15は、負極活物質12と集電体13上に塗布乾燥して設けた活性炭(BET比表面積:800〜1300m2/g)を有した正極活物質14とに挟まれた構成である。セパレータ15に含浸されている電解液は、電解質(LiBF4)と有機溶媒{エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)=1:1の混合溶液}からなる濃度1.5モルの電解液である。このようにして構成されたリチウムイオンキャパシタ20を上述した実施の形態1の上記表1に示す試験No.1の負極活物質12に合わせて、下記表2に示すように試験No.1とした。
上記表2に示す試験No.1は、充電時に負極活物質12内のリチウム含有量が増加し、体積膨張するが、負極活物質12の表層部12aが、三次元網目状骨格をなし、かつ、多数の細孔を有する構造である(所謂、スポンジ状構造)ため、充電時に負極活物質12内のリチウム含有量が増加することによる体積膨張に起因した応力の緩和が図られる(影響が吸収される)。したがって、リチウムイオンキャパシタ20が充放電制御なしで使用されたとしても、サイクル寿命は800を示し、所定のサイクル寿命(600以上)を満足する。また、本リチウムイオンキャパシタ20は、化学反応に基づく蓄電メカニズムであり、エネルギー密度は上記表2に示すように70(Wh/kg)となり、電気二重層キャパシタと比べて重量当り、および、体積当り共に約10倍以上となる。このエネルギー密度{70(Wh/kg)}は、電気自動車等の車両用の電源として要求されるエネルギー密度{60(Wh/kg)以上}を満足し、前記電源としての必要な持続力(所定の走行距離を実現できる能力)を有する。また、本リチウムイオンキャパシタ20は、出力密度が上記表2に示すように3100(W/kg)となり、電気自動車等の車両用の電源として要求される出力密度{3000(W/kg)以上}を満足し、前記電源としての必要な瞬発力を有する。また、本リチウムイオンキャパシタ20は、デンドライトが生成されることもない。
Test No. shown in Table 2 above. 1 is a structure in which the lithium content in the negative electrode
本実施の形態においては、試験No.1に示すように負極活物質12中のLiの含有量が30at%である例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。負極活物質12中のLiの含有量は、5at%〜50at%が好ましい。その理由は、5at%未満では、電気自動車等の車両用の電源として要求されるエネルギー密度を満足できなくなり、50at%を超えるとデンドライトが発生しやすくなるためである。負極活物質12中のLiの含有量としては、上述した持続力とデンドライトの発生の点から、5at%〜50at%とするのがより好ましい。
In the present embodiment, test No. 1, the example in which the content of Li in the negative electrode
なお、本実施の形態においては、負極活物質12に対して集電体を別途設けない構成について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、負極活物質12を銅製の集電体に導電ペーストを介して軽く圧接し、負極とするなど、負極活物質12に対して集電体を別途設けることも可能である。
In the present embodiment, a configuration in which a current collector is not separately provided for the negative electrode
(実施の形態3)
図7は、本発明に係る電源システムおよびこれを用いた車両の一実施形態を説明するための概略ブロック図である。本実施形態において、実施の形態1、2の構成と同一の要素に関しては同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a schematic block diagram for explaining an embodiment of a power supply system according to the present invention and a vehicle using the same. In the present embodiment, the same elements as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図7において、45はリチウムイオンキャパシタ20と、リチウムイオンキャパシタ20に接続された充放電装置30と、この充放電装置30の充放電電力を制御するための充放電制御装置40とを有した電源システムである。また、80は車両としての電気自動車であり、この電気自動車80は電源システム45と、この電源システム45に接続されたインバータ50と、このインバータ50から供給される交流電力で駆動輪70、71を駆動する電動機としての三相同期モータ60とを有している。電気自動車80は前輪駆動方式を採用しており、電気自動車80の後部には被駆動輪72、73が配置されている。
In FIG. 7,
充放電装置30は、一般的にDC−DCコンバータ等で構成される。また、電源システム45は、充放電装置30の出力電圧を検出して、その出力電圧に対応した信号を出す電圧検出器(図示せず)の信号と、リチウムイオンキャパシタ20の電圧を検出する電圧検出器(図示せず)の出力信号と、リチウムイオンキャパシタ20の電流を検出する電流検出器(図示せず)の出力信号に基づいて、充放電装置30の充放電電力を充放電制御装置40で制御するように構成されている。したがって、所定の出力密度とエネルギー密度をともに満足し、軽量、小型、かつ、キャパシタ用放熱設備が不要な電源システムを実現できる。また、このような電源システム45を用いることで、電気自動車80にとって必要な所定電圧および所定電流も供給可能になる。すなわち、インバータ50を介して三相同期モータ60に所定の可変電圧、可変周波数の交流電力を供給可能になる。
The charging / discharging
また、電源システム45内に充放電制御装置40が採用されたことで、リチウムイオンキャパシタ20の過充電および過放電が防止されるため、リチウムイオンキャパシタ20のサイクル寿命も1200というように、一段と向上するという作用効果も得られる(上記表2の試験No.2参照)。したがって、電源システム45としての寿命も延びる。
In addition, since the charging / discharging
また、電源システム45が電気自動車80に用いられることにより、車両としての構造も単純、かつ、軽量、コンパクトになる。また、電源システム45が電気自動車80に採用されることで、走行距離の向上を図ることも可能になる。
In addition, since the
なお、本実施の形態においては、車両として電気自動車を例に説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、車両として、上記電源システム45を有したホイールローダ等のような建設機械も本願発明の技術的範囲に包含される。このような建設機械においては、電源システム45を走行距離の向上に寄与させることが可能であるばかりでなく、土砂などをダンプカーに積み込んだり、除雪する際に使用するバケットの駆動のために寄与させることも可能である。
In the present embodiment, an electric vehicle has been described as an example of a vehicle, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, a construction machine such as a wheel loader having the
また、本願発明の車両においては、回生ブレーキ時の回生エネルギーをリチウムイオンキャパシタ20に貯蔵させるように構成するのがより好ましい。また、車両としては、本電源システム45のみを用いた駆動に限定されることはなく、エンジンシステムを併用したハイブリッド方式とすることも可能である。
In the vehicle of the present invention, it is more preferable that the regenerative energy at the time of regenerative braking is stored in the
1、10 容器
2 アルミニウム箔
3 リチウム板
4 電解液
12 負極活物質
12a 表層部
12b 母体部
13 集電体
14 正極活物質
15 電解液が含浸されたセパレータ
20 リチウムイオンキャパシタ
30 充放電装置
40 充放電制御装置
45 電源システム
50 インバータ
60 三相同期モータ
70、71 駆動輪
72、73 被駆動輪
80 電気自動車
DESCRIPTION OF
Claims (2)
A vehicle comprising the power supply system according to claim 1, an inverter connected to the power supply system, and an electric motor driven by the inverter.
Priority Applications (1)
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JP2010160636A JP2012023889A (en) | 2010-07-15 | 2010-07-15 | Electrical power system and vehicle using the same |
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