JP2020005467A - Power storage element and power storage system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電素子及び蓄電システムに関する。 The present invention relates to a power storage element and a power storage system.
ウェアラブル機器のようなエッジデバイス、ハイブリッド自動車又は電気自動車等の電源として、蓄電素子が使用されている。中でも、蓄電素子として、エネルギー密度が高い非水系電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)が広く普及している。 2. Description of the Related Art Electric storage elements are used as power sources for edge devices such as wearable devices, hybrid vehicles, electric vehicles, and the like. Among them, non-aqueous electrolyte secondary batteries (lithium ion secondary batteries) having a high energy density are widely used as power storage elements.
このような蓄電素子として、例えば、ハイブリッド車両に備えられるバッテリーパックに電池として使用される蓄電デバイスがある。蓄電デバイスは充電部から供給される電流で所定電圧まで充電され、電池に充電された電流はモータに供給されている(例えば、特許文献1参照)。 As such a power storage element, for example, there is a power storage device used as a battery in a battery pack provided in a hybrid vehicle. The power storage device is charged to a predetermined voltage by a current supplied from a charging unit, and the current charged in the battery is supplied to a motor (for example, see Patent Document 1).
蓄電デバイスは、正極と、負極と、非水系電解質とを有しており、正極又は負極は、電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を2つ以上含んでいる。そのため、蓄電デバイスの充電率と電圧との関係を示す充電率対電圧曲線は、電圧変化量の異なる複数の領域を備え、複数の比較的フラットな領域と、比較的フラットな領域同士の間に形成される比較的傾斜の大きな領域とを備えている。 The power storage device has a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, and the positive electrode or the negative electrode contains two or more active materials having different output characteristics with respect to battery voltage. Therefore, the charging rate vs. voltage curve indicating the relationship between the charging rate and the voltage of the power storage device includes a plurality of regions having different voltage change amounts, and includes a plurality of relatively flat regions and a plurality of relatively flat regions. And a relatively large slope region to be formed.
ここで、特許文献1の蓄電デバイスでは、蓄電デバイスの充電率対電圧曲線の比較的傾斜の大きな領域は、充電率に応じて電圧が傾斜して変化している。このため、従来では、蓄電デバイスに対する充放電を行う際に、充電率対電圧曲線の形状に合わせて、出力電圧と残容量を求める必要があり、蓄電デバイスの状態を監視するためのシステムが複雑となる。 Here, in the power storage device of Patent Literature 1, in a region where the charge rate versus voltage curve of the power storage device has a relatively large slope, the voltage changes in a slope in accordance with the charge rate. For this reason, conventionally, when charging and discharging a power storage device, it is necessary to obtain the output voltage and the remaining capacity in accordance with the shape of the charging rate versus voltage curve, and a system for monitoring the state of the power storage device is complicated. It becomes.
本発明の一態様は、簡素な構成で蓄電素子の状態を監視することを目的とする。 An object of one embodiment of the present invention is to monitor a state of a power storage element with a simple configuration.
本発明の一態様に係る蓄電素子は、残容量と出力電圧との関係を示す充放電曲線において、第1範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、第1電圧から所定の誤差の範囲内となる第1安定領域と、第2範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧よりも高い電圧である第2電圧から前記所定の誤差の範囲内となる第2安定領域と、前記第1範囲と前記第2範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧から第2電圧まで変化する第1傾斜領域と、を有する。 In the charge / discharge curve showing the relationship between the remaining capacity and the output voltage, the power storage element according to one embodiment of the present invention has a structure in which the output voltage changes by a predetermined error from the first voltage with respect to a change in the remaining capacity in a first range. A first stable region that falls within a range of; and a change in the remaining capacity within a second range, wherein the output voltage falls within a range of the predetermined error from a second voltage that is a voltage higher than the first voltage. A second stable region, and a first inclined region in which the output voltage changes from the first voltage to the second voltage with respect to a change in the remaining capacity in a range between the first range and the second range. And
本発明の一態様は、簡素な構成で蓄電素子の状態を監視できる。 According to one embodiment of the present invention, the state of a power storage element can be monitored with a simple structure.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[第1の実施形態]
(蓄電システム)
一実施形態に係る蓄電素子を備える蓄電システムについて、図面を参照して説明する。図1は、第1の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図1に示すように、蓄電システム100Aは、蓄電素子110と、監視部120と、スイッチ部130A、130Bとを有する。蓄電システム100Aは、蓄電素子110に充電した電力を負荷部200に供給するものである。
[First Embodiment]
(Power storage system)
A power storage system including a power storage element according to one embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the power storage system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
蓄電システム100Aを構成する各部材について説明する。
Each member constituting
蓄電素子110は、充放電可能な非水系電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)であり、正極と、負極と、電解質とを有する。
The
蓄電素子110の充放電特性について説明する。蓄電素子110の充放電特性として、残容量に対する出力電圧の関係を示す充放電曲線の一例を図2に示す。図2に示すように、蓄電素子110の、残容量と出力電圧との関係を示す充放電曲線は、25℃±5℃の雰囲気において、0.2Cの電流値で蓄電素子110の残容量が0%から100%までの出力電圧の範囲で定電流充放電を行ったときの充放電曲線である。なお、蓄電素子110の残容量が0%の時の出力電圧は、完全放電時の出力電圧(放電終止電圧)であり、残容量が100%の時の出力電圧は、満充電時の出力電圧(充電終止電圧)である。図2に示す、蓄電素子110の充放電曲線は、蓄電素子110の典型的な充放電曲線であり、蓄電素子110の種類、使用環境又は電流値等によって変動する可能性がある。
The charge and discharge characteristics of the
図2に示すように、蓄電素子110の充放電曲線は、安定領域Aと、安定領域A同士の間をつなぐ傾斜領域Bとを有する。蓄電素子110は、下限電圧VLと上限電圧VHとの間で充放電が繰り返し行われる。
As shown in FIG. 2, the charge / discharge curve of
下限電圧VLは、放電時に蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、20%)まで低下した時の出力電圧であり、完全放電時の出力電圧(例えば、2.5V)よりも高い出力電圧(例えば、2.7V)である。
The lower limit voltage VL is an output voltage when the remaining capacity of the
上限電圧VHは、充電時に蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、80%)まで上昇した時の出力電圧であり、満充電時の電圧(例えば、4.2V)よりも低い出力電圧(例えば、3.7V)である。
The upper limit voltage VH is an output voltage when the remaining capacity of the
安定領域Aは、蓄電素子110の残容量の変化に対して出力電圧の変化が小さい領域であり、充放電曲線の傾きが比較的平坦な領域をいう。本実施形態において、出力電圧の変化が小さいとは、領域内での出力電圧の誤差が所定の範囲内であることをいい、誤差の範囲は、5%以下であることが好ましく、3%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。
The stable region A is a region where the change in the output voltage is small with respect to the change in the remaining capacity of the
安定領域Aは、第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3を有する。第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の残容量は、第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の順に高くなっている。第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の出力電圧は、第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の順に高くなっている。 The stable area A has a first stable area A1, a second stable area A2, and a third stable area A3. The remaining capacities of the first stable area A1, the second stable area A2, and the third stable area A3 increase in the order of the first stable area A1, the second stable area A2, and the third stable area A3. The output voltages of the first stable region A1, the second stable region A2, and the third stable region A3 increase in the order of the first stable region A1, the second stable region A2, and the third stable region A3.
第1安定領域A1は、残容量の変化が第1範囲となる領域であり、領域内の出力電圧の誤差が下限電圧VLよりも低い第1電圧V1に対して所定の範囲内となる領域である。 The first stable region A1 is a region where the change in the remaining capacity is in a first range, and is a region where the error of the output voltage in the region is within a predetermined range with respect to the first voltage V1 lower than the lower limit voltage VL. is there.
第2安定領域A2は、残容量の変化が第2範囲となる領域であり、領域内における出力電圧の誤差が下限電圧VLよりも高く上限電圧VHよりも低い第2電圧V2に対して所定の範囲内となる領域である。 The second stable region A2 is a region in which the change in the remaining capacity is in the second range. The second stable region A2 has a predetermined output voltage error in the region that is higher than the lower limit voltage VL and lower than the upper limit voltage VH. This is an area within the range.
第3安定領域A3は、残容量の変化が第3範囲となる領域であり、領域内における出力電圧の誤差が上限電圧VHよりも高い第3電圧V3に対して所定の範囲内となる領域である。 The third stable region A3 is a region in which the change in the remaining capacity is in a third range, and in which the error of the output voltage in the region is within a predetermined range with respect to the third voltage V3 higher than the upper limit voltage VH. is there.
傾斜領域Bは、蓄電素子110の残容量の変化に対して出力電圧の変化が大きな領域であり、充放電曲線の傾きが大きな領域をいう。本実施形態において、出力電圧の変化が大きいとは、充放電曲線の傾きが安定領域Aに比べて大きいことをいう。
The slope region B is a region where the change in the output voltage is large with respect to the change in the remaining capacity of the
傾斜領域Bは、第1傾斜領域B1及び第2傾斜領域B2を有する。 The inclined region B has a first inclined region B1 and a second inclined region B2.
第1傾斜領域B1は、第1安定領域A1と第2安定領域A2との間に形成される領域である。第1傾斜領域B1では、残容量の変化の範囲が、第1範囲と第2範囲の間の範囲である。第1傾斜領域B1における、残容量の変化の範囲は、第1範囲及び第2範囲よりも狭い。 The first inclined area B1 is an area formed between the first stable area A1 and the second stable area A2. In the first inclined region B1, the range of the change in the remaining capacity is a range between the first range and the second range. The range of the change in the remaining capacity in the first inclined region B1 is narrower than the first range and the second range.
第2傾斜領域B2は、第2安定領域A2と第3安定領域A3との間に形成される領域である。第2傾斜領域B2では、残容量の変化の範囲が、第2範囲と第3範囲の間の範囲である。第2傾斜領域B2における、残容量の変化の範囲は、第2範囲及び第3範囲よりも狭い。 The second inclined region B2 is a region formed between the second stable region A2 and the third stable region A3. In the second inclined region B2, the range of the change in the remaining capacity is a range between the second range and the third range. The range of change in the remaining capacity in the second inclined region B2 is narrower than the second range and the third range.
なお、第1安定領域A1よりも残容量が高い領域及び第3安定領域A3よりも残容量が低い領域は、いずれも、傾斜領域Bに含まれない。これは、第1安定領域A1よりも残容量が高い領域は、出力電圧が放電終止電圧まで降下する領域であり、第3安定領域A3よりも残容量が低い領域は、出力電圧が充電終止電圧まで上昇する領域であり、何れも出力電圧が安定する領域をつなぐ領域ではないためである。 Note that neither the region where the remaining capacity is higher than the first stable region A1 nor the region where the remaining capacity is lower than the third stable region A3 is not included in the inclined region B. This is a region where the remaining voltage is higher than the first stable region A1 is a region where the output voltage drops to the discharge termination voltage, and a region where the remaining voltage is lower than the third stable region A3 is where the output voltage is lower than the charge termination voltage. This is because these regions are not regions that connect regions where the output voltage is stable.
蓄電素子110の充放電曲線において、蓄電素子110が負荷部200に供給できる最大電流を放電すると、蓄電素子110の出力電圧は、第2電圧V2から電圧降下分ΔV1だけ降下して、最大下降電圧V2'となる。
In the charge / discharge curve of the
図3は、負荷部200に供給できる最大電流を蓄電素子110から放電した時の出力電圧の変化を示す説明図である。図3に示すように、蓄電素子110の電圧が第2電圧V2の時に、蓄電素子110が負荷部200に供給できる最大電流Imaxを放電すると、蓄電素子110の電圧は、第2電圧V2から電圧降下分ΔV1だけ降下して最大下降電圧V2'になる。
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a change in the output voltage when the maximum current that can be supplied to the
図2に示すように、最大下降電圧V2'は、下限電圧VLよりも高く、下限電圧VLは、第1電圧V1と最大下降電圧V2'との間になる。そのため、第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差は、第2電圧V2の電圧降下分ΔV1よりも大きい。 As shown in FIG. 2, the maximum falling voltage V2 'is higher than the lower limit voltage VL, and the lower limit voltage VL is between the first voltage V1 and the maximum falling voltage V2'. Therefore, the voltage difference between the first voltage V1 and the second voltage V2 is larger than the voltage drop ΔV1 of the second voltage V2.
なお、図2に示す蓄電素子110の充放電曲線は、第1安定領域A1と第3安定領域A3との間に、傾斜領域Bを2つ含んでいるが、3つ以上含んでもよい。
Note that the charge and discharge curve of
なお、図2に示す蓄電素子110の充放電曲線において、蓄電素子110を充電する際の最大電流(最大充電電流)で充電すると、蓄電素子110の電圧は、第2電圧V2から電圧上昇分ΔV2だけ上昇して、最大上昇電圧V2''になる。電圧上昇分ΔV2及び最大上昇電圧V2''は、蓄電素子110を充電する際に考慮するものであるため、詳細については後述する。
In the charge / discharge curve of
蓄電素子110が、図2の充放電曲線のような充放電特性を示すようにするためには、蓄電素子110の正極又は負極を構成する電極活物質を調整することで制御できる。
In order for the
蓄電素子110を構成する正極、負極及び電解質について説明する。
The positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte included in the
正極について説明する。正極は、正極活物質を1種以上含んで形成できる。正極は、単一の正極活物質で形成されてもよいし、出力電圧に対して出力特性が異なる複数の正極活物質で形成されていてもよい。 The positive electrode will be described. The positive electrode can be formed including one or more positive electrode active materials. The positive electrode may be formed of a single positive electrode active material, or may be formed of a plurality of positive electrode active materials having different output characteristics with respect to output voltage.
正極活物質は、同一の負極や非電解質に対してリチウム(Li)イオンの挿入離脱が可能(作動可能)であり、正極活物質を形成する材料の種類に応じてLiイオンの挿入脱離に伴い生じる蓄電素子110の電圧の範囲(作動電圧範囲)が異なる。
The positive electrode active material is capable of inserting and removing lithium (Li) ions with respect to the same negative electrode and non-electrolyte (operable), and is capable of inserting and removing Li ions depending on the type of material forming the positive electrode active material. The resulting voltage range (operating voltage range) of the
正極が出力特性が異なる複数の正極活物質で形成される場合、正極活物質としては、Liの含有組成の異なる複数の正極活物質が一次粒子内に共存する形態をとりながらLiイオンの挿入脱離反応が進行する材料を用いることができる。Liイオンの挿入脱離反応が進行する過程においては、正極活物質の自由エネルギーが一定に保たれる。そのため、Liイオンの挿入脱離反応の電位は一定のまま推移することになるので、蓄電素子110の出力電圧はある一定の範囲内で安定した値を維持できる。
When the positive electrode is formed of a plurality of positive electrode active materials having different output characteristics, as the positive electrode active material, a plurality of positive electrode active materials having different Li-containing compositions coexist in the primary particles while inserting and removing Li ions. A material in which a separation reaction proceeds can be used. In the process in which the Li ion insertion / desorption reaction proceeds, the free energy of the positive electrode active material is kept constant. Therefore, the potential of the Li ion insertion / desorption reaction remains constant, so that the output voltage of the
また、正極が出力特性が異なる複数の電極活物質で形成される場合、正極に異なる正極活物質が含まれていても異なる正極活物質同士は反応しない。そのため、充放電時の電圧におけるリチウムイオンの挿入離脱は、それぞれの正極活物質に依存して、充放電特性に現れる。 Further, when the positive electrode is formed of a plurality of electrode active materials having different output characteristics, the different positive electrode active materials do not react with each other even if the positive electrode contains different positive electrode active materials. Therefore, insertion / removal of lithium ions at the voltage during charge / discharge appears in charge / discharge characteristics depending on the respective positive electrode active materials.
正極活物質としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物、遷移金属酸化物若しくは遷移金属硫化物等の無機化合物又は有機化合物等が挙げられる。 Examples of the positive electrode active material include a composite oxide of a transition metal and lithium, an inorganic compound such as a transition metal oxide or a transition metal sulfide, and an organic compound.
複合酸化物としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2又はLiMn2O4)、ピロリン酸鉄リチウム(Li2FeP2O7)、ニッケルマンガン酸リチウム(LiNi0.5Mn1.5O4)、バナジウムニッケル酸リチウム(LiNiVO4);オリビン構造を有する、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO4)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)又はリン酸ニッケルリチウム(LiNiPO4);ナシコン構造を有するリン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3)等が挙げられる。 As the composite oxide, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 ), lithium iron pyrophosphate (Li 2 FeP 2 O 7 ), nickel manganese Lithium oxide (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ), lithium vanadium nickelate (LiNiVO 4 ); lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ) having an olivine structure ) Or lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ); lithium vanadium phosphate having a NASICON structure (Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 ).
遷移金属酸化物としては、MnO2、MnO又はV2O5等が挙げられる。 Examples of the transition metal oxide include MnO 2 , MnO, and V 2 O 5 .
遷移金属硫化物としては、FeS又はTiS等が挙げられる。 Examples of the transition metal sulfide include FeS and TiS.
なお、上記の無機化合物は、遷移金属を異種元素で置換した化合物を正極活物質として用いてもよい。例えば、Li3V2(PO4)3は、リン酸バナジウムの構造の一部を変性してもよい。 Note that, as the above-mentioned inorganic compound, a compound in which a transition metal is replaced with a different element may be used as the positive electrode active material. For example, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 may modify part of the structure of vanadium phosphate.
有機化合物としては、キノン化合物、ジスルフィド化合物、ジアジン化合物、ラジアレン化合物、ルベアン酸化合物又は有機ラジカル化合物等が挙げられる。 Examples of the organic compound include a quinone compound, a disulfide compound, a diazine compound, a radialene compound, a rubeanic acid compound, and an organic radical compound.
正極活物質としては、上記の無機化合物及び有機化合物の中でも、Li3V2(PO4)3を用いることが好ましい。 As the positive electrode active material, among the above-mentioned inorganic compounds and organic compounds, it is preferable to use Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
これらの正極活物質は1種単独で用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。 One of these positive electrode active materials may be used alone, or two or more thereof may be used.
正極活物質は、上記の無機化合物又は有機化合物を用いて粒子状に形成され、正極活物質の粒子は、複数の微細な粒子(一次粒子)が凝集して形成された、略球状の二次粒子からなる。 The positive electrode active material is formed into particles using the above-described inorganic compound or organic compound, and the particles of the positive electrode active material are formed into a plurality of fine particles (primary particles) by agglomeration. Consists of particles.
正極を単一の正極活物質で形成する場合、正極活物質としては、Li3V2(PO4)3を用いるのが好ましい。Li3V2(PO4)3は、リン酸バナジウムの構造の一部を変性した化合物でもよい。 When the positive electrode is formed of a single positive electrode active material, it is preferable to use Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as the positive electrode active material. Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 may be a compound obtained by partially modifying the structure of vanadium phosphate.
正極活物質がLi3V2(PO4)3である場合、Li3V2(PO4)3の粒子の平均粒子径は、3μm以下であることが好ましい。Li3V2(PO4)3の粒子の平均粒子径を3μm以下とすることで、Li3V2(PO4)3の粒子内でのLiイオンの拡散を促進させることができる。 When the positive electrode active material is Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , the average particle diameter of the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 is preferably 3 μm or less. By setting the average particle diameter of the Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 particles to 3 μm or less, diffusion of Li ions in the Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 particles can be promoted.
なお、平均粒子径とは、有効径による体積平均粒径をいい、平均粒子径は、例えば、レーザ回折・散乱法又は動的光散乱法等によって測定される。 The average particle diameter refers to a volume average particle diameter based on an effective diameter, and the average particle diameter is measured by, for example, a laser diffraction / scattering method or a dynamic light scattering method.
正極活物質がLi3V2(PO4)3である場合、Li3V2(PO4)3の一次粒子の表面の一部又は全てが炭素によって被覆されていてもよい。この場合、炭素の被覆量は、Li3V2(PO4)3の重量に対して2wt%以上であることが好ましい。Li3V2(PO4)3の一次粒子の表面を一定以上の炭素で被覆することで、Li3V2(PO4)3の粒子の電子伝導性を向上させることができる。 When the positive electrode active material is Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , part or all of the surface of the primary particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 may be coated with carbon. In this case, the coating amount of carbon is preferably 2 wt% or more based on the weight of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 . By coating the surface of the primary particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 with a certain amount or more of carbon, the electron conductivity of the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 can be improved.
正極活物質がLi3V2(PO4)3である場合、Li3V2(PO4)3の粒子の平均粒子径を3μm以下とすると共に、Li3V2(PO4)3の粒子の表面を一定以上の炭素で被覆するのがより好ましい。これにより、Li3V2(PO4)3の粒子内でのLiイオンの拡散を促進させると共に、Li3V2(PO4)3の粒子の電子伝導性を向上させることができる。Li3V2(PO4)3の粒子内でのLiイオンの拡散の促進及び電子伝導性の向上は、負荷部200への出力時の電圧降下を軽減し、電圧降下分ΔV1を小さくできる。これにより、下限電圧VLの設定範囲が広がるため、下限電圧VLの設定を緩和できる。
When the positive electrode active material is Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , the average particle diameter of the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 is 3 μm or less, and the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 are Is more preferably coated with a certain amount or more of carbon. Thereby, the diffusion of Li ions in the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 can be promoted, and the electron conductivity of the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 can be improved. The promotion of the diffusion of Li ions in the particles of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the improvement of the electron conductivity can reduce the voltage drop at the time of output to the
正極を出力電圧に対して出力特性が異なる複数の正極活物質で形成するとする。この場合、正極は、Liの酸化還元電位に対して4.0Vよりも貴な電位に安定領域Aを有する正極活物質を少なくとも一種類と、Liの酸化還元電位に対して4.0Vよりも卑な電位に安定領域Aを有する正極活物質を少なくとも一種類とを有することが好ましい。 It is assumed that the positive electrode is formed of a plurality of positive electrode active materials having different output characteristics with respect to the output voltage. In this case, the positive electrode includes at least one positive electrode active material having a stable region A at a potential noble than 4.0 V with respect to the oxidation-reduction potential of Li, and a positive electrode having a stability region A higher than 4.0 V with respect to the redox potential of Li. It is preferable to have at least one type of positive electrode active material having a stable region A at a low potential.
正極活物質は、Liの酸化還元電位に対して4.0Vよりも貴な電位に安定領域Aを有する正極活物質としては、Li3V2(PO4)3を用いることができる。 As the positive electrode active material, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 can be used as the positive electrode active material having the stable region A at a potential nobler than 4.0 V with respect to the oxidation-reduction potential of Li.
Liの酸化還元電位に対して4.0Vよりも卑な電位に安定領域Aを有する正極活物質としては、LiFePO4を用いることができる。 LiFePO 4 can be used as the positive electrode active material having the stable region A at a potential lower than 4.0 V with respect to the oxidation-reduction potential of Li.
そのため、正極を出力電圧に対して出力特性が異なる複数の正極活物質で形成する場合、正極活物質は、Li3V2(PO4)3と、LiFePO4又はLiNi0.5Mn1.5O4とを含むことが好ましい。これにより、蓄電素子110の充放電曲線は、図2に示すように、複数の安定領域Aを有することができる。
Therefore, when the positive electrode is formed of a plurality of positive electrode active materials having different output characteristics with respect to the output voltage, the positive electrode active material includes Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and LiFePO 4 or LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 . It is preferred to include. Thereby, the charge / discharge curve of
負極について説明する。負極は、負極活物質を1種以上含んで形成できる。負極は、単一の負極活物質で形成されてもよいし、出力電圧に対して出力特性が異なる複数の負極活物質で形成されていてもよい。 The negative electrode will be described. The negative electrode can be formed including one or more negative electrode active materials. The negative electrode may be formed of a single negative electrode active material, or may be formed of a plurality of negative electrode active materials having different output characteristics with respect to output voltage.
負極活物質は、正極活物質と同様、同一の正極や非電解質に対してLiイオンの挿入離脱が可能(作動可能)であり、負極活物質を形成する材料の種類に応じてLiイオンの挿入脱離に伴い生じる蓄電素子110の電圧の範囲(作動電圧範囲)が異なる。
Like the positive electrode active material, the negative electrode active material is capable of inserting and removing (operating) Li ions with and from the same positive electrode and non-electrolyte, and inserts Li ions according to the type of material forming the negative electrode active material. The voltage range (operating voltage range) of the
負極が出力特性が異なる複数の負極活物質で形成される場合、負極活物質としては、正極活物質と同様、Liの含有組成の異なる複数の負極活物質が一次粒子内に共存する形態をとりながらLiイオンの挿入脱離反応が進行する材料を用いることができる。Liイオンの挿入脱離反応が進行する過程においては、負極活物質の自由エネルギーが一定に保たれる。そのため、Liイオンの挿入脱離反応の電位は一定のまま推移することになるので、蓄電素子110の出力電圧はある一定の範囲内で安定した値を維持できる。
When the negative electrode is formed of a plurality of negative electrode active materials having different output characteristics, as in the case of the positive electrode active material, the negative electrode active material takes a form in which a plurality of negative electrode active materials having different Li-containing compositions coexist in the primary particles. However, a material in which the Li ion insertion / desorption reaction proceeds can be used. In the process of the Li ion insertion / desorption reaction proceeding, the free energy of the negative electrode active material is kept constant. Therefore, the potential of the Li ion insertion / desorption reaction remains constant, so that the output voltage of the
負極が出力特性が異なる複数の負極活物質で形成される場合、負極に異なる負極活物質が含まれていても異なる負極活物質同士は反応しない。そのため、充放電時の電圧におけるLiイオンの挿入離脱は、正極活物質と同様、それぞれの負極活物質に依存して、充放電特性に現れる。 When the negative electrode is formed of a plurality of negative electrode active materials having different output characteristics, the different negative electrode active materials do not react with each other even if the negative electrode includes different negative electrode active materials. Therefore, the insertion / removal of Li ions at the voltage during charging / discharging appears in the charging / discharging characteristics depending on the respective negative electrode active materials, similarly to the positive electrode active material.
負極活物質は、Liイオンを吸蔵及び脱離できる材料を用いることができる。このような材料としては、遷移金属とLiとの複合酸化物、金属酸化物、合金系材料、遷移金属硫化物等の無機化合物、炭素材料、有機化合物又はLi金属等が挙げられる。 As the negative electrode active material, a material capable of inserting and extracting Li ions can be used. Examples of such a material include composite oxides of transition metals and Li, metal oxides, alloy materials, inorganic compounds such as transition metal sulfides, carbon materials, organic compounds, and Li metals.
複合酸化物としては、LiMnO2、LiMn2O4、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12、Li2Ti3O7)、マンガンチタン酸リチウム(LiMg1/2Ti3/2O4)、コバルトチタン酸リチウム(LiCo1/2Ti3/2O4)、亜鉛チタン酸リチウム(LiZn1/2Ti3/2O4)、鉄チタン酸リチウム(LiFeTiO4)、クロムチタン酸リチウム(LiCrTiO4)、ストロンチウムチタン酸リチウム(Li2SrTi6O14)、バリウムチタン酸リチウム(Li2BaTi6O14)等が挙げられる。 Examples of the composite oxide include LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 Ti 3 O 7 ), lithium manganese titanate (LiMg 1/2 Ti 3/2 O 4 ), lithium cobalt titanate (LiCo 1/2 Ti 3/2 O 4) , lithium zinc titanate (LiZn 1/2 Ti 3/2 O 4) , lithium iron titanate (LiFeTiO 4), lithium chromate titanate (LiCrTiO 4 ), Lithium strontium titanate (Li 2 SrTi 6 O 14 ), lithium barium titanate (Li 2 BaTi 6 O 14 ), and the like.
金属酸化物としては、TiO2、WO3、MoO2、MnO2、V2O5、SiO2、SiO及びSnO2等が挙げられる。 Examples of the metal oxide include TiO 2 , WO 3 , MoO 2 , MnO 2 , V 2 O 5 , SiO 2 , SiO, and SnO 2 .
合金系材料として、Al、Si、Sn、Ge、Pb、As及びSb等が挙げられる。 Examples of alloy-based materials include Al, Si, Sn, Ge, Pb, As, and Sb.
遷移金属硫化物としては、FeS及びTiS等が挙げられる。 Examples of the transition metal sulfide include FeS and TiS.
炭素材料として、黒鉛、難黒鉛化炭素及び易黒鉛化炭素等が挙げられる。 Examples of the carbon material include graphite, non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, and the like.
無機化合物には、上記の複合酸化物の遷移金属を異種元素で置換した化合物を用いてもよい。 As the inorganic compound, a compound in which the transition metal of the above composite oxide is replaced with a different element may be used.
有機化合物としては、キノン化合物、ジスルフィド化合物、ジアジン化合物、ラジアレン化合物、ルベアン酸化合物及び有機ラジカル化合物等が挙げられる。 Examples of the organic compound include a quinone compound, a disulfide compound, a diazine compound, a radialene compound, a rubeanic acid compound, and an organic radical compound.
負極活物質としては、上記の中でも、チタン酸リチウム又は黒鉛を用いることが好ましい。 Among the above, it is preferable to use lithium titanate or graphite as the negative electrode active material.
これらの負極活物質は、1種単独で用いてもよく、2種以上用いてもよい。 One of these negative electrode active materials may be used alone, or two or more thereof may be used.
負極活物質は、上記のLiイオンを吸蔵及び脱離できる材料を用いて粒子状に形成され、負極活物質の粒子は、複数の微細な粒子(一次粒子)が凝集した二次粒子である。 The negative electrode active material is formed into a particle shape using the above-described material capable of inserting and extracting Li ions, and the particles of the negative electrode active material are secondary particles in which a plurality of fine particles (primary particles) are aggregated.
負極活物質の粒子の平均粒子径は、3μm以下であること好ましい。上述の正極活物質と同様に、負極活物質の粒子の平均粒子径を小さくすることで、粒子内でのLiイオンの拡散を促進させることができる。 The average particle diameter of the negative electrode active material particles is preferably 3 μm or less. Similarly to the above-described positive electrode active material, by reducing the average particle diameter of the particles of the negative electrode active material, diffusion of Li ions in the particles can be promoted.
Liイオンの拡散を促進させることで、負荷部200への出力時の電圧降下を軽減し、電圧降下分ΔV1を小さくできる。これにより、下限電圧VLの設定範囲が広がるため、下限電圧VLの設定を緩和できる。
By promoting the diffusion of Li ions, the voltage drop at the time of output to the
電解質について説明する。電解質は、固体電解質又は非水系電解質を用いることができる。非水系電解質は、非水溶媒に電解質塩が溶解したものであり、液体(電解液)でもよいし、非水系電解質を基質としたゲル状電解質でもよい。 The electrolyte will be described. As the electrolyte, a solid electrolyte or a non-aqueous electrolyte can be used. The non-aqueous electrolyte is a solution in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent, and may be a liquid (electrolyte solution) or a gel electrolyte using a non-aqueous electrolyte as a substrate.
非水系電解質は、支持塩であるLi塩を有機溶媒に溶解したものである。 The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving a Li salt as a supporting salt in an organic solvent.
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート;ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物;エチルメチルスルホンやブタンスルトン等の硫黄化合物;リン酸トリエチルやリン酸トリオクチル等のリン化合物等を用いることができる。有機溶媒は、これらのうち、1種単独で又は2種類以上を混合して用いることができる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate; tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and dimethoxycarbonate. Ether compounds such as ethane; sulfur compounds such as ethyl methyl sulfone and butane sultone; and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate can be used. Among these, the organic solvent can be used alone or in combination of two or more.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC4F9SO3及びそれらの複合塩等を用いることができる。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3, and a composite salt thereof can be used.
なお、非水系電解質は、蓄電素子110の特性改善のため、ラジカル捕捉剤、界面活性剤又は難燃剤等を含んでいてもよい。
Note that the non-aqueous electrolyte may include a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, or the like for improving the characteristics of the
蓄電素子110は、正極と負極との間にセパレータを備えてもよい。セパレータは、電極間に挟み込んで配置されるものであり、正極と負極とを分離して電解質を保持する機能を有している。セパレータは、上記機能を有するものであればよく、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等で形成された、微細な孔を多数有する薄膜や不織布等を用いることができる。
The
図1に示すように、監視部120は、蓄電素子110と接続されている。監視部120は、電圧検出部121と、制御部122とを有する。
As shown in FIG. 1,
電圧検出部121は、蓄電素子110に接続されており、蓄電素子110の電圧を検出する。
制御部122は、電圧検出部121、スイッチ部130A、130B及び負荷部200に接続されている。制御部122は、電圧検出部121が検知した電圧に対応する蓄電素子110の残容量を算出する。制御部122は、蓄電素子110の電圧が、下限電圧VLと上限電圧VHとの範囲内となるように、蓄電素子110の充放電を制御する。
The
制御部122は、制御プログラムや各種記憶情報を格納する記憶手段と、制御プログラムに基づいて動作する演算手段とを有している。記憶手段には、RAM、ROM、ストレージ等がある。演算手段には、CPUなどがある。制御部122は、演算手段が記憶手段に格納されている制御プログラム等を読み出して実行することで実現される。また、制御部122の有する記憶手段には、図2に示す充放電特性を示す情報が格納されていてもよい。
The
制御部122は、蓄電素子110の放電時に、蓄電素子110の下限電圧VLを閾値として設定する。制御部122は、電圧検出部121で検出された蓄電素子110の出力電圧が下限電圧VL未満である場合に、負荷部200に対し、過放電状態であることの警報信号を通知する。
蓄電素子110の出力側は、給電線L12を介して負荷部200に接続されている。負荷部200には、蓄電素子110から電力が供給される。
The output side of
図1に示すように、スイッチ部130Aは、蓄電素子110の入力側の給電線L11には設けられている。スイッチ部130Aは、蓄電素子110と給電線L11との間を接続又は遮断する。
As shown in FIG. 1,
スイッチ部130Bは、蓄電素子110の出力側の給電線L12に設けられている。スイッチ部130Bは、蓄電素子110と給電線L12との間を接続又は遮断する。
負荷部200は、蓄電システム100Aから電力の供給を受けて動作するものである。負荷部200としては、例えば、ウェアラブル機器のようなエッジデバイス、電子機器、ハイブリッド自動車、電気自動車、船舶又は航空機等の発電機やモータ等が挙げられる。
The
負荷部200は、蓄電システム100Aから供給される電圧が、所定値(例えば、4.2V)以上の場合に動作を開始し、蓄電システム100Aから供給される電圧が、所定値(例えば、2.5V)以下になると動作を停止するように構成されている。なお、負荷部200の動作開始時及び動作停止時の電圧は、蓄電素子110の種類、蓄電システム100Aの用途等に応じた電圧値に適宜設計される。
The
蓄電システム100Aの動作について説明する。外部から直流電流が給電線L11を介して蓄電素子110に供給されることで、蓄電素子110が充電される。このとき、スイッチ部130Aは、蓄電素子110を給電線L11に接続させ(オン)、スイッチ部130Bは蓄電素子110を給電線L12から遮断する(オフ)。蓄電素子110が放電すると、直流の電流が蓄電素子110から給電線L12を介して負荷部200に流れて、電力が蓄電素子110から負荷部200に供給される。このとき、スイッチ部130Aは蓄電素子110を給電線L11から遮断し、スイッチ部130Bは蓄電素子110を給電線L12に接続させる。蓄電システム100Aは、蓄電素子110の残容量及び負荷部200の運転状態等に応じて、蓄電素子110の充放電を行う。
The operation of
(放電の制御方法)
次に、蓄電システム100Aを用いて、蓄電素子110の放電を制御する方法について図4を参照して説明する。なお、図4では、蓄電素子110には、上限電圧VHに相当する残容量まで電力が充電されているものとする。
(Discharge control method)
Next, a method for controlling discharge of
図4は、蓄電素子110の放電を制御する方法を説明するフローチャートである。図4に示すように、蓄電素子110は、蓄電素子110に充電した電力を負荷部200に供給しつつ、電圧検出部121が蓄電素子110の電圧V0を検出する(ステップS11)。蓄電素子110の放電が進行している場合、蓄電素子110の電圧は、上限電圧VHから下限電圧VLに徐々に下降する。
FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for controlling discharge of
なお、電圧検出部121は、蓄電素子110の電圧V0を連続して検出しているが、任意のタイミングで行うことができ、所定間隔で検出してもよい。また、電圧検出部121は、蓄電素子110が放電して電力を負荷部200に供給していない状態の時に、蓄電素子110の電圧V0を検出してもよい。
Note that the
続いて、制御部122は、電圧検出部121で検出された蓄電素子110の電圧V0が下限電圧VL未満か否かを判別する(ステップS12)。
Subsequently,
ステップS12において、電圧V0が下限電圧VL未満であるとする。この場合、制御部122は、蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、20%)未満であり、蓄電素子110が過放電の状態であるものと判定し、負荷部200に警報の信号を通知する(ステップS13)。これにより、負荷部200は、負荷部200で蓄積されたデータの保存等の蓄電システム100Aを安全に停止させるために必要な処理を実施した後、負荷部200は運転を停止できる。
In step S12, it is assumed that the voltage V 0 is lower than the lower limit voltage VL. In this case,
一方、ステップS12において、蓄電素子110の電圧V0が下限電圧VL以上である場合には、制御部122は、蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、20%)以上であり、蓄電素子110からの放電が可能と判定し、ステップS11へ戻る。
On the other hand, in step S12, when voltage V 0 of
続いて、ステップS13に続いて、制御部122は、蓄電システム100Aの運転を停止する(ステップS14)。
Subsequently, following step S13,
これにより、負荷部200の運転を安全に停止した後、蓄電システム100Aの運転を停止させることができる。
Thereby, after safely stopping the operation of the
以上のように構成された、蓄電システム100Aは、蓄電素子110及び監視部120を有している。また、蓄電素子110は、その充放電曲線が、図2に示すように、安定領域Aと傾斜領域Bとを有するような特性を備えている。
The
このため、本実施形態では、蓄電素子110の出力電圧が、安定領域A(A1、A2、A3)、傾斜領域B(B1、B2)のうち、どの領域と対応しているかを監視するだけで、蓄電素子110の残容量の範囲を判定できる。したがって、本実施形態によれば、簡易な構成で、蓄電素子110の状態を監視することができる。
For this reason, in the present embodiment, it is only necessary to monitor which of the stable region A (A1, A2, A3) and the inclined region B (B1, B2) the output voltage of the
なお、蓄電素子110の状態とは、主に、蓄電素子110の残容量と出力電圧とを含む。また、蓄電素子110の状態とは、過放電状態であるか否か、過充電状態であるか否か、といった状態を含んでもよい。さらには、蓄電素子110の状態とは、蓄電素子110の劣化の度合い等を含んでもよい
Note that the state of
また、本実施形態では、図2に示す充放電曲線の第1電圧V1と第2電圧V2との間に蓄電素子110の過放電を検出する閾値として下限電圧VLを設定する。
In the present embodiment, the lower limit voltage VL is set as a threshold for detecting overdischarge of the
したがって、本実施形態の監視部120は、蓄電素子110の出力電圧が、第1電圧V1と第2電圧V2との間である場合にのみ、出力電圧と下限電圧VLとの比較を行えば良く、簡易な構成で蓄電素子110が過放電状態である否かを検出できる。
Therefore, the
蓄電システム100Aは、蓄電素子110の出力電圧が、下限電圧VL未満となったとき、放電を禁止する。そのため、蓄電素子110の放電時に蓄電素子110の残容量が過度に低下する前(又は残容量が0%になる前)に所定値(例えば、20%)まで低下した状態で蓄電素子110の放電を停止できる。これにより、蓄電システム100Aは、蓄電素子110が過放電状態となることを抑制する。
また、蓄電システム100Aは、負荷部200に過放電状態となったことを示す警報の信号を通知するため、負荷部200が、蓄電素子110から供給される電力を突然喪失して、運転が突然シャットダウンする等のトラブルを回避できる。
In addition,
また、蓄電素子110はリチウムイオン二次電池であるため、過度な放電が繰り返されると、劣化し易い傾向にある。本実施形態によれば、蓄電素子110の負担を軽減できるので、蓄電素子110の劣化を抑制できる。また、蓄電システム100Aは、蓄電素子110の負担を軽減することで、蓄電素子110の寿命を伸ばすことができる。
Further, since the
蓄電システム100Aは、蓄電素子110の充放電曲線において第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差を、第2電圧V2の電圧降下分ΔV1よりも大きくして、下限電圧VLは、第1電圧V1と最大下降電圧V2'との間に設定している。これにより、蓄電素子110の出力電圧は、負荷部200への出力に応じて一時的に電圧降下が大きくなっても、下限電圧VLを下回らない。そのため、制御部122は、一時的に電圧降下が大きくなっても蓄電素子110の残容量が低く、警報の信号を通知する状態にあると誤認するのを防ぐことができる。これにより、蓄電素子110の充電状態の誤検知を抑制できる。
The
このように、蓄電システム100Aは、簡素な構成で蓄電素子110の状態を監視できるため、ウェアラブル機器のようなエッジデバイス、電子機器、ハイブリッド自動車、電気自動車、船舶又は航空機等の電源として好適に用いることができる。
As described above, since the
なお、本実施形態では、下限電圧VLを蓄電素子110の過放電を停止する閾値に設定しているが、第1電圧V1と第2電圧V2との間、すなわち第1傾斜領域B1内であれば、いずれの電圧の値を閾値として設定してもよい。
Note that, in the present embodiment, the lower limit voltage VL is set as a threshold value for stopping overdischarge of the
本実施形態では、蓄電素子110はリチウムイオン二次電池を用いているが、アルカリ蓄電池や鉛蓄電池等の充放電可能な電池であれば用いることができる。
In the present embodiment, a lithium ion secondary battery is used as the
[第2の実施形態]
一実施形態に係る蓄電素子を備える蓄電システムについて、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態に係る蓄電システムは、上記図1に示す第1の実施形態の蓄電システム100Aに、発電素子、予備蓄電素子及び電力変換部を設けたものである。
[Second embodiment]
A power storage system including a power storage element according to one embodiment will be described with reference to the drawings. Note that members having the same functions as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In the power storage system according to the present embodiment, a power generation element, a standby power storage element, and a power conversion unit are provided in the
図5は、第2の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図5に示すように、蓄電システム100Bは、発電素子140A、予備蓄電素子である第1蓄電素子150、電力変換部160、第2蓄電素子170及び監視部120を有する。なお、第2蓄電素子170には、上記の第1の実施形態に係る蓄電システム100Aの蓄電素子110が用いられる。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a power storage system according to the second embodiment. As shown in FIG. 5,
発電素子140Aは、直流の電流を生成する。発電素子140Aとしては、光や熱等のエネルギーを回収して直流の電力に変換する発電素子を用いることができる。発電素子140Aとして、例えば、太陽電池(太陽光発電素子)又は熱電変換素子等を用いることができる。
The
発電素子140Aは、所定の出力電圧が得られるように構成されている。例えば、発電素子140Aが太陽電池である場合、太陽電池は受光面側に複数の太陽電池セルを配列してそれぞれ直列に接続されており、所定の出力電圧が得られるように構成される。発電素子140Aが熱電変換素子である場合、複数の熱電変換素子を直列に接続して、所定の出力電圧が得られるように構成される。
The
発電素子140Aの出力側は、給電線L21を介して、第1蓄電素子150の入力側に接続されている。発電素子140Aは、第1蓄電素子150に電力を供給する。
The output side of
第1蓄電素子150は、発電素子140Aから出力された電力により充電されると共に電力変換部160に電力を供給する。第1蓄電素子150としては、例えば、電気二重層コンデンサを用いることができる。第1蓄電素子150の容量は、発電素子140Aの発電量、負荷部200の消費電力又は負荷部200の運転時間等に基づいて適宜選定できる。
First
第1蓄電素子150の出力側は、給電線L22を介して、電力変換部160の入力側に接続されている。
The output side of first
電力変換部160は、第1蓄電素子150から供給された電力を昇圧又は降圧する電力変換回路である。電力変換部160の出力側は、給電線L23を介して、第2蓄電素子170の入力側に接続されている。
電力変換部160としては、DC/DCコンバータ(直流電圧−直流電圧変換装置)等を用いることができる。電力変換部160は、第1蓄電素子150から入力された電圧を第2蓄電素子170の充電に応じた電圧に変換する。電力変換部160は、例えば、第1蓄電素子150の出力電圧が負荷部200の必要とする電圧よりも低い場合には、電力を昇圧する。電力変換部160は、第1蓄電素子150の出力電圧が高い場合には、第2蓄電素子170の充電時の電圧が所定の上限電圧を超えないように出力電圧を制御する。
As
第2蓄電素子170は、監視部120に接続されている。第2蓄電素子170は、上記図1に示す第1の実施形態の蓄電システム100Aの蓄電素子110と同様であるため、第2蓄電素子170の説明は省略する。
The
第2蓄電素子170の容量は、発電素子140Aの発電量、負荷部200の消費電力又は負荷部200の運転時間等に基づいて、適宜選定することができる。
The capacity of the second
第2蓄電素子170の容量は、第1蓄電素子150の容量よりも大きいことが好ましい。第1蓄電素子150は発電素子140Aで生じた電力を一時的に貯蔵できればよく、第2蓄電素子170は負荷部200に電力を直接供給している。そのため、第2蓄電素子170の容量は第1蓄電素子150の容量よりも大きくして、負荷部200の消費電力や運転時間の変化等に対応し易いことが好ましい。また、第2蓄電素子170は、長時間に渡り電荷を保存できることが好ましい。さらに、第1蓄電素子150が電気二重層コンデンサである場合、第2蓄電素子170はリチウムイオン二次電池であるため、第1蓄電素子150は第2蓄電素子170よりもリーク電流が多くなりやすい傾向にある。そのため、第2蓄電素子170の容量を大きくしても、第2蓄電素子170は、電気二重層コンデンサ等で構成される第1蓄電素子150に比べてリーク電流を抑えられる。
It is preferable that the capacity of second
第2蓄電素子170の出力側は、給電線L24を介して、負荷部200の入力側に接続されている。
The output side of second
蓄電システム100Bの動作について説明する。発電素子140Aで外部からのエネルギーを直流の電力に変換する。発電素子140Aで発生した直流の電力は、発電素子140Aから第1蓄電素子150に給電線L21を介して供給され、第1蓄電素子150が充電される。第1蓄電素子150で蓄えられた電力は、給電線L22を介して電力変換部160に供給され、昇圧又は降圧される。
The operation of the
その後、電力変換部160で昇圧又は降圧された電力は、給電線L23を介して第2蓄電素子170に供給され、第2蓄電素子170で蓄電される。このとき、スイッチ部130Aはオンし、スイッチ部130Bは、オフする。第2蓄電素子170が放電すると、電流が第2蓄電素子170から給電線L24を介して負荷部200に流れて電力が供給される。このとき、スイッチ部130Aはオフし、スイッチ部130Bは、オンする。蓄電システム100Bは、第2蓄電素子170の残容量又は負荷部200の運転状態に応じて、第2蓄電素子170の充放電を行う。
Thereafter, the power stepped up or stepped down by
蓄電システム100Bは、電力変換部160を備えているので、第1蓄電素子150から供給される電力を電力変換部160によって一定の電圧である上限電圧VHに昇圧又は降圧することで、一定の電圧で第2蓄電素子170の充電を行うことができる。
Since the
本実施形態では、図6に示すように、第2蓄電素子170の他に、電力変換部160を給電線L25を介して負荷部200にさらに接続させてもよい。この場合、給電線L25にスイッチ部130Cを設ける。制御部122は、スイッチ部130A、130Bをオフし、スイッチ部130Cをオンする。これにより、蓄電システム100Bは、発電素子140Aで発電した電力を第2蓄電素子170に蓄えずに負荷部200に直接供給して、負荷部200で使用することもできる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a
[第3の実施形態]
一実施形態に係る蓄電素子を備える蓄電システムについて、図面を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態に係る蓄電システムは、上記図5に示す第2の実施形態の蓄電システム100Bに、コンバータを設けたものである。
[Third Embodiment]
A power storage system including a power storage element according to one embodiment will be described with reference to the drawings. Note that members having the same functions as those in the above embodiments are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The power storage system according to the present embodiment is obtained by providing a converter in the
図7は、第3の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図7に示すように、蓄電システム100Cは、発電素子140B、コンバータ180、第1蓄電素子150、電力変換部160、第2蓄電素子170及び監視部120を有する。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of a power storage system according to the third embodiment. As shown in FIG. 7,
発電素子140Bは、交流の電流を生成している。発電素子140Bとしては、振動等のエネルギーを回収して交流の電力に変換する発電素子を用いることができる。発電素子140Bとして、例えば、振動発電素子等を用いることができる。
The
発電素子140Bの出力側は、給電線L31を介して、コンバータ180の入力側に接続されている。
The output side of the
コンバータ180は、発電素子140Bから供給される交流の電力を直流に変換する。コンバータ180としては、交流−直流変換器を用いることができる。
コンバータ180の出力側は、給電線L32を介して、第1蓄電素子150の入力側に接続されている。
The output side of
給電線L33〜L35は、それぞれ、上記図5に示す蓄電システム100Bの給電線L22〜L24と同様である。
The power supply lines L33 to L35 are the same as the power supply lines L22 to L24 of the
蓄電システム100Cの動作について説明する。発電素子140Bで外部からのエネルギーを交流の電力に変換する。発電素子140Bで発生した交流の電力は、発電素子140Bから給電線L31を介してコンバータ180に供給される。コンバータ180で電流を交流から直流に変換した後、直流の電流はコンバータ180から給電線L32を介して第1蓄電素子150に送られ、第1蓄電素子150が充電される。第1蓄電素子150で蓄えられた電力は、給電線L33を介して電力変換部160に供給され、昇圧又は降圧される。その後、電力変換部160で昇圧又は降圧された電力は、給電線L34を介して第2蓄電素子170に送られ、第2蓄電素子170で蓄電される。このとき、スイッチ部130Aはオンし、スイッチ部130Bはオフする。第2蓄電素子170が放電すると、電流が第2蓄電素子170から給電線L35を介して負荷部200に流れて電力が供給される。このとき、スイッチ部130Aはオフし、スイッチ部130Bはオンする。蓄電システム100Cは、第2蓄電素子170の残容量又は負荷部200の運転状態に応じて、第2蓄電素子170の充放電を行う。
The operation of
本実施形態では、図8に示すように、第2蓄電素子170の他に、電力変換部160を給電線L36を介して負荷部200にさらに接続させてもよい。この場合、給電線L36にスイッチ部130Cを設ける。制御部122は、スイッチ部130A、130Bをオフし、スイッチ部130Cをオンする。ここれにより、蓄電システム100Cは、発電素子140Bで発電した電力を第2蓄電素子170に蓄えずに負荷部200に直接供給して、負荷部200で使用することもできる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, in addition to the second
[第4の実施形態]
一実施形態に係る蓄電素子を備える蓄電システムについて、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。第4の実施形態に係る蓄電システムは、上記図1に示す第1の実施形態の蓄電システム100Aにおいて、蓄電素子110の充電時に、蓄電素子110の過充電を制御するものである。
[Fourth embodiment]
A power storage system including a power storage element according to one embodiment will be described with reference to the drawings. Note that members having the same functions as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The power storage system according to the fourth embodiment controls overcharging of the
図9は、第4の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図9に示すように、蓄電システム100Dは、上記図1に示す第1の実施形態の蓄電システム100Aと同様の構成を有する。本実施形態に係る蓄電システム100Dを構成する各部材は、上記図1に示す第1の実施形態の蓄電システム100Aと同様であるため、説明は省略する。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of a power storage system according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 9, the
本実施形態に係る蓄電システム100Dは、蓄電素子110の充電時に、図2に示す蓄電素子110の充放電曲線において、第2電圧V2から第3電圧V3に移行する段階である第2傾斜領域B2で過充電を検出する閾値として上限電圧VHを検出する。
The
図2に示す蓄電素子110の充放電曲線において、蓄電素子110を直流電源から入力されうる最大電流を充電すると、蓄電素子110の電圧は、第2電圧V2から電圧上昇分ΔV2だけ上昇して、最大上昇電圧V2''になる。
In the charge / discharge curve of the
図10は、直流電源から入力されうる最大電流で蓄電素子110を充電した時の出力電圧の関係を示す説明図である。図10に示すように、蓄電素子110の電圧が第2電圧V2の時に、直流電源から入力されうる最大電流Imaxで蓄電素子110を充電すると、蓄電素子110の電圧は第2電圧V2から電圧上昇分ΔV2だけ上昇して、最大上昇電圧V2''となる。
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a relationship between output voltages when the
図2に示すように、最大上昇電圧V2''は上限電圧VHよりも低く、上限電圧VHは、最大上昇電圧V2''と第3電圧V3との間にある。そのため、第2電圧V2と第3電圧V3との電圧差は、第2電圧V2の電圧上昇分ΔV2よりも大きい。 As shown in FIG. 2, the maximum rising voltage V2 ″ is lower than the upper limit voltage VH, and the upper limit voltage VH is between the maximum rising voltage V2 ″ and the third voltage V3. Therefore, the voltage difference between the second voltage V2 and the third voltage V3 is larger than the voltage increase ΔV2 of the second voltage V2.
図9に示す制御部122は、蓄電素子110の充電時に、蓄電素子110の上限電圧VHを閾値として設定する。制御部122は、電圧検出部121で検出された蓄電素子110の電圧が上限電圧VHを超えている場合に、蓄電素子110の充電の停止又は蓄電システム100Cの運転停止を行う。
(充電の制御方法)
次に、蓄電システム100Dを用いて、蓄電素子110の充電を制御する方法について図11を参照して説明する。なお、図11では、蓄電素子110は、残容量が下限電圧VLに相当する残容量まで放電されているものとする。
(Charging control method)
Next, a method for controlling charging of
図11は、蓄電素子110の充電を制御する方法を説明するフローチャートである。図11に示すように、蓄電素子110に電力を供給して充電しつつ、電圧検出部121は、蓄電素子110の電圧V0を検出する(ステップS21)。蓄電素子110の充電中は、蓄電素子110の電圧は徐々に上昇していく。
FIG. 11 is a flowchart illustrating a method for controlling charging of
なお、電圧検出部121は、蓄電素子110の電圧V0を連続して検出しているが、任意のタイミングで行うことができ、所定間隔で検出してもよい。また、電圧検出部121は、蓄電素子110が充電されていない場合であっても、蓄電素子110の電圧V0を検出してもよい。
Note that the
続いて、制御部122は、電圧検出部121で検出された蓄電素子110の電圧V0が上限電圧VHより大きいか否かを判別する(ステップS22)。
Subsequently,
ステップS22において、電圧V0が上限電圧VHをより大きい場合、制御部122は、蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、80%)を超えており、蓄電素子110が過充電の状態であると判定する。この場合、制御部122は、スイッチ部130Aをオフして、蓄電素子110の充電を停止する(ステップS23)。これにより、蓄電素子110の充電が停止される。
In step S22, when voltage V 0 is greater than upper limit voltage VH,
一方、ステップS22において、蓄電素子110の電圧V0が上限電圧VH以下である場合には、制御部122は、蓄電素子110が過充電の状態に達していないと判定し、ステップS21へ戻る。
On the other hand, in step S22, when voltage V 0 of
このように、蓄電システム100Dでは、蓄電素子110の出力電圧が第2傾斜領域B2にある場合にのみ、過充電あるか否かを判定すればよい。したがって、本実施形態では、充電状態の精密な検出を必要とせず、簡易な構成で蓄電素子110の過充電を抑制できる。
As described above, in
なお、本実施形態では、上限電圧VHを蓄電素子110の過充電を停止する閾値に設定しているが、第2電圧V2と第3電圧V3との間、すなわち第2傾斜領域B2内であれば、いずれの電圧の値を閾値として設定してもよい。
In the present embodiment, the upper limit voltage VH is set as a threshold value for stopping overcharging of the
本実施形態では、上記図1に示す第1の実施形態に係る蓄電システム100Aの蓄電素子110の放電の制御方法と組み合わせて、充放電を行うようにしてもよい。
In the present embodiment, charging and discharging may be performed in combination with the control method for discharging the
本実施形態では、上記図5に示す第2の実施形態の蓄電システム100B及び上記図7に示す第3の実施形態の蓄電システム100Cの第2蓄電素子170の充電を行う際に、同様に制御してもよい。
In the present embodiment, when charging the
以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更等を行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As described above, the embodiment has been described. However, the above embodiment is presented as an example, and the present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment can be implemented in other various forms, and various combinations, omissions, replacements, changes, and the like can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and its equivalents.
100A〜100D 蓄電システム
110 蓄電素子
120 監視部
140A、140B 発電素子
150 第1蓄電素子(予備蓄電素子)
160 電力変換部
170 第2蓄電素子
180 コンバータ
200 負荷部
A 安定領域
A1 第1安定領域
A2 第2安定領域
A3 第3安定領域
B 傾斜領域
B1 第1傾斜領域
B2 第2傾斜領域
B3 第3傾斜領域
100A to 100D
160
Claims (13)
第1範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、第1電圧から所定の誤差の範囲内となる第1安定領域と、
第2範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧よりも高い電圧である第2電圧から前記所定の誤差の範囲内となる第2安定領域と、
前記第1範囲と前記第2範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧から第2電圧まで変化する第1傾斜領域と、を有する、蓄電素子。 In the charge and discharge curve showing the relationship between the remaining capacity and the output voltage,
A first stable region in which the output voltage is within a predetermined error range from the first voltage with respect to a change in the remaining capacity in a first range;
A second stable region in which the output voltage falls within a range of the predetermined error from a second voltage that is higher than the first voltage with respect to a change in the remaining capacity in a second range;
A power storage element comprising: a first slope region in which the output voltage changes from the first voltage to the second voltage with respect to a change in the remaining capacity in a range between the first range and the second range. .
前記第1傾斜領域に過放電を検出する閾値が設定される請求項1に記載の蓄電素子。 The difference between the first voltage and the second voltage is larger than the voltage drop when the maximum current is discharged to the load,
The power storage device according to claim 1, wherein a threshold value for detecting overdischarge is set in the first inclined region.
前記第2範囲と前記第3範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第2電圧から第3電圧まで変化する第2傾斜領域と、を有する、請求項1乃至4の何れか一項に記載の蓄電素子。 A third stable region in which the output voltage is within a range of the predetermined error from a third voltage that is higher than the second voltage with respect to a change in the remaining capacity in a third range;
The second slope region in which the output voltage changes from the second voltage to the third voltage with respect to a change in the remaining capacity in a range between the second range and the third range. The power storage device according to any one of claims 1 to 4.
前記第2傾斜領域に過充電を検出する閾値が設定される請求項5に記載の蓄電素子。 The difference between the second voltage and the third voltage is larger than the voltage rise when charging at the maximum current,
The power storage device according to claim 5, wherein a threshold value for detecting overcharge is set in the second inclined region.
前記正極及び前記負極の何れか一方又は両方は、1種以上の電極活物質を有する請求項1〜7の何れか一項に記載の蓄電素子。 Having a positive electrode and a negative electrode,
The power storage device according to claim 1, wherein one or both of the positive electrode and the negative electrode include one or more types of electrode active materials.
前記出力電圧が前記下限電圧未満となったとき、過放電を検出する監視部と、
を含む蓄電システム。 A power storage element according to any one of claims 3 to 8,
When the output voltage is less than the lower limit voltage, a monitoring unit that detects overdischarge,
Power storage system including.
前記蓄電素子の前記出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記過放電が検出されたとき、前記蓄電素子から電力が供給される負荷部に警報信号を通知する制御部と、
を有する請求項9に記載の蓄電システム。 The monitoring unit is
A voltage detection unit that detects the output voltage of the power storage element,
When the overdischarge is detected, a control unit that notifies an alarm signal to a load unit to which power is supplied from the power storage element,
The power storage system according to claim 9, comprising:
前記発電素子で発生した電力の充電及び充電した電力の放電を行う予備蓄電素子と、
さらに含み、
前記蓄電素子は、前記予備蓄電素子から電力が供給される請求項9又は10に記載の蓄電システム。 A power generating element,
A reserve storage element that performs charging of the power generated by the power generation element and discharging of the charged power,
In addition,
The power storage system according to claim 9, wherein the power storage element is supplied with power from the standby power storage element.
前記発電素子に接続され、前記発電素子で発生した電力を交流から直流に変換し、直流に変換した電力を前記予備蓄電素子に供給するコンバータを更に含む請求項11又は12に記載の蓄電システム。 When the current generated in the power generating element is an alternating current,
The power storage system according to claim 11, further comprising a converter connected to the power generation element, for converting power generated by the power generation element from AC to DC, and supplying the converted power to the standby power storage element.
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