JP2020095926A

JP2020095926A - 鉛長寿命蓄電池

Info

Publication number: JP2020095926A
Application number: JP2018248870A
Authority: JP
Inventors: 江本　雅文; Masafumi Emoto; 雅文江本
Original assignee: Mass Tech Corp
Current assignee: Mass Tech Corp
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】本発明の課題は鉛二次電池のサイクル寿命を向上させ、安価で長寿命な太陽光発電用蓄電デバイスを提供することにある。【解決手段】鉛二次電池に、リン酸鉄イオン二次電池を複合化した電池により、ここで複合化した電池とは、鉛二次電池は６×Ｎ（Ｎは整数）個のセルを直列に繋いだものであり、リン酸鉄イオン二次電池は４×Ｎ個のセルを直列に繋いだものであるが、其々を並列に接合させたものである。この複合化した電池により、長寿命化を図りコストアップを抑える。【選択図】図３

Description

発明の詳細な説明

太陽光発電に関する蓄電技術分野、及び蓄電池に関する充放電技術分野

リン酸鉄イオン二次電池（以下ＬＦＰという）が太陽光発電用蓄電池や電気自動車用蓄電池として用いられるようになってきた。

ＬＦＰは、エネルギー密度は他のリチウムイオン二次電池（以下ＬｉＢという）に比べて小さいが、結晶構造が強固であり、熱分解温度が高く、熱安定性に優れ、サイクル寿命が長い等の特徴を有し、レアメタルを使用しない安価な電池であるため、需要が高まっている。

鉛二次電池（以下ＰｂＢという）は、ＬＦＰに比べ安価であるが、長寿命化のための技術に行き詰っており、ＬＦＰに代替される傾向が出てきた。

ＬＦＰの価格は鉛バッテリーの価格の約４倍と高く、地球温暖化対策のための太陽光発電用蓄電デバイスとして、市場ニーズに応えられないでいる。

太陽光発電１０ｋＷ以下の一般住宅用を主とする蓄電デバイスには、ＬｉＢやＰｂＢが用いられてきた。

ＬｉＢは当初３元系のものが主に用いられていたが、熱暴走等の安全性の問題があり、またサイクル寿命が短いため、熱暴走の危険性が少ない鉄系やＭｎ系のものに置き換えられている。

また、太陽光発電ＭＷクラスの大型のものでは、ナトリウム硫黄（ＮＡＳ）電池がエネルギーコストの理由で採用されるようになってきた。

サイクル寿命に関して、５０００サイクルを長寿命の目安とすると、ＰｂＢの場合ＡＧＭで放電深度（以下ＳＯＣという）は６０〜７０％、ＬＦＰの場合、ＳＯＣが９０〜９５％であることを、発明者は実験結果から知見した。

特許第３４９１４７３号公報

発明が解決しようとする課題

ＰｂＢのサイクル寿命を向上させ、安価で長寿命な太陽光発電用蓄電デバイスを提供することにある。

課題を解決するための手段

安価なＰｂＢを用いて、ＬＦＰと複合化した二次電池（以下ＨＶ電池という）により、ここで言うＨＶ電池とは、ＰｂＢは６×Ｎ個のセルを直列に繋いだものであり、ＬＰＦは４×Ｎ個のセルを直列に繋いだものであるが、其々を並列に接合させたものである。ＨＶ電池化により、長寿命化を図りコストアップを抑える。

ＰｂＢの長寿命化のため、ＳＯＣを小さくし、サルフェーションを防ぐため、放電時のセル電圧が１．９２Ｖより小さくならないようにしなければならないのは、公知の事実であるが、これをＬＦＰのバッテリーマネージメントシステム（以下ＢＭＳという）により制御する。具体的には、ＬＦＰのセル電圧が３Ｖを割った時点で、ＨＶ電池の放電を停止する。

図１はＬＦＰ１セルの放電曲線であるが、ＬｉＦｅＰＯ４とＦｅＰＯ４の二相共存反応により、作動電圧でフラットな部分が多くを占めるのが特徴である。

図２はＰｂＢ１セルの放電曲線であるが、満充電より急激なドロップの後、２Ｖまではほぼリニア―にゆっくりと電圧降下が生じており、その後電圧降下が大きくなっていることが分かる。ＨＶ化により、ＬＦＰの放電時のフラットゾーンにより、この大きく変動するＰｂＢの電圧降下が抑制できれば、ＰｂＢのＳＯＣは小さくなり、サイクル寿命を伸ばすことができる。また、ＰｂＢのサルフェーションも抑制でき、更にＰｂＢの長寿命化に寄与できる。

ＬＦＰの過充電は、電池の熱的ダメージに繋がるため、充電時のセル電圧が約３．６Ｖになった時点でＢＭＳにより過充電にならないようにするため、ＬＦＰの充電を停止することは、公知の事実である。

ＰｂＢセルの充電終止電圧を２．５Ｖとし、その後電圧が降下し２．２５Ｖで、フローティング充電に切り替えるのが、ＰｂＢにダメージを与えない最良の方法であることは、公知の事実である。ＨＶ電池においてＬＦＰはＰｂＢの電圧が２．２５Ｖでも問題ないため、ＰｂＢがフローティング充電に切り替え時にＬＦＰの充放電を再開する。

ＰｂＢとＬＦＰのバッテリー容量に関しては、〔０００９〕より、容積比は、其々ＳＯＣの低い方の値を取るとＰｂＢ／ＬＦＰ＝９０／６０となり、ＨＶ電池におけるＬＦＰの容量はＰｂＢの容量の３分の２程度になる。

ＰｂＢは一般的な１２Ｖのものとして、説明する。

ＰｂＢはサイクル寿命に優れたＡＧＭタイプのものを用いる。

ＰｂＢには、サルフェーション防止用のパルサーをＰｂＢに並列に接続し、１秒間に５０００回程の±１５ｍＶ程度の微弱パルスを印加し、サルフェーションを還元するのが良い。

ＡＧＭに用いるセパレーターは耐久性と効率向上のため、有機系の物よりガラス製マットを用いた方が良い。

ＬＦＰは正極に炭素系のものを用い、負極に用いるＬｉＰＯ４はセル電圧が、限りなく３Ｖに近づくよう、選択して用いる。ＬＦＰの平均作動電圧はできるだけ１２．０Ｖに近づくようにする。

ＬＦＰにはＢＭＳを設け、過放電、過充電を防止する。
過放電に関しての詳細は〔００１３〕の通り、過充電に関しての詳細は〔００１６〕及び〔００１７〕の通り。

ＨＶ電池のＰｂＢとＬＦＰのバッテリー容量に関しては、〔００１８〕の通り。

以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、これらの実施例に何ら制約されるものではない。

考案の実施の形態について図３を参照して説明する。

ＬＦＰ▲１▼には、過放電防止及び過充電防止用のＢＭＳを内蔵している。

ＰｂＢ▲２▼には一秒間に５０００回程度の微弱パルス発信器（以下パルサーという）が並列に接続されており、その印加電圧は±１５ｍＶである。

充電器に付属するリレーは、外部出力端子に繋がっており、過放電防止用のものである。ＨＶ電池の放電時、１２．０ＶでＨＶ電池の放電を停止させる。

ＬＦＰ▲１▼の容量は１２Ｖで３０Ａｈ、ＰｂＢ▲２▼の容量は１２Ｖで４５Ａｈである。

考案の実施は、図３のＨＶ電池を用い、ＳＯＣを７５％とし、サイクル試験を実施した結果、サイクル寿命は７５００回以上に達し、オリジナルのＰｂＢより５０％向上した。

ＬＦＰの放電曲線ＰｂＢの放電曲線ＨＶ電池構造図

１ＬＦＰ
２ＰｂＢ
３パルサー

Claims

鉛二次電池（以下ＰｂＢという）とリン酸鉄リチウムイオン二次電池（以下ＬＦＰという）を並列に接合させた複合型二次電池（以下ＨＶ電池という）であって、ＬＦＰのセルの平均作動電圧は３．０〜３．３（Ｖ）のものとし、ＰｂＢのセルの平均作動電圧は２．０Ｖとする。
ＨＶ電池は、該ＰｂＢは６×Ｎ（Ｎは整数）個のセルを直列に繋いだものであり、該ＬＦＰは４×Ｎ個のセルを直列に繋いだものであるが、其々を並列に接合させたものとする。
該ＬＦＰは、過充電防止回路と過放電防止回路からなるバッテリーマネージメントシステム（ＢＭＳ）を設け、過充電防止回路は充電時セル電圧３．５×Ｎ〜３．６×Ｎ（Ｖ）、過放電防止回路は放電時セル電圧２．９〜３．０（Ｖ）で働くようにしたもので、過放電防止回路は該ＬＦＰと該ＰｂＢとを連動させ、同時に放電を停止させる構造のものとする。
該ＬＦＰの容積は、該ＰｂＢの容積を１とすると、０．２〜１．０の範囲とする。