JP4835808B2 - 電力貯蔵システム - Google Patents
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Description
本発明は、組電池、特に、電力貯蔵システムに用いられる組電池に関する。
機器、車両等に搭載される組電池は、機器に必要な電圧または容量を得るために蓄電池を、直列に或いは並列に複数個組みあわせて構成される。組電池の２次側には、電圧変換器などを介して半導体やモータ等の負荷が接続される。負荷側の要求仕様に従って高電圧を必要とする場合や、必要な電力を低電流で得ようとする場合には、蓄電池を直列に接続して組電池の電圧を高くする。また、機器が長時間動作する必要がある場合は、並列数を増やして容量を増やす。このように、負荷である機器等の仕様等によって直列／並列の組合せが決まる。
組電池については従来から多くの工夫がなされてきた。例えば、特許文献１においては、製造された複数の蓄電池を組電池化する過程で容量が最小の電池を抽出して制御用の代表蓄電池に用いることが記載されている。特許文献２においては、組電池の中で、過放電した蓄電池の早期検出の工夫がなされている。
組電池における課題のひとつとして、組電池に接続する機器等における外部短絡が発生すると、電流により蓄電池が加熱してダメージを受けてしまうという課題がある。
このための対策として、従来では、組電池を用いる電力貯蔵システムの中に安全性確保のための電流遮断機能を果たすサーミスタや電圧センシング回路等が搭載され、信号によって電流回路を遮断する電流遮断機能が構成されていた。
例えば、携帯機器など小型組電池であれば電流も小さく、異常時に動作させるスイッチも小型で、上記のような電流遮断機能を持たせることが十分可能である。
しかし、例えば、数百Ａの電流で充放電させる電力貯蔵システムにおいては、上記のような電流遮断機能を持たせることは装置の大幅な大型化を招く。
本発明はこのような問題を考慮してなされたもので、装置の大型化を抑制しつつ、外部短絡による蓄電池へのダメージを最小限に抑えるための組電池を提供することを目的とする。
本発明における電力貯蔵システムにおいては、第１の蓄電池と、第２の蓄電池とを直列に接続して構成され、第１の蓄電池の拡散律速領域の開始点が第２の蓄電池の拡散律速領域の開始点より小さく、第１の蓄電池の電圧を検出する検出手段と、検出手段が検出する電圧が反転したときに故障信号を出力する故障信号出力手段を備えた。
本発明における組電池においては、外部短絡によるダメージを最小限に抑えるための機構を構築することができる。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る組電池内の配置図である。図１において、本発明の実施の形態１に係る組電池は、組電池のプラス端子３、銅にニッケルメッキを施した導電性金属板４、組電池のマイナス端子５、１個の第１の蓄電池６、複数の第２の蓄電池７を備えている。各蓄電池は導電性金属板４によって直列に接続されており、組電池ケース８に一列に並べて収納される。また、各蓄電池のプラス端子とマイナス端子を図中上下交互になるように配置することで、隣り合う蓄電池同士を図中左右に繋ぐ導電性金属板４による電流経路が短くなるようにしてある。
容量が均一でない複数の蓄電池を組電池化すると、放電時の下限終止電圧に、容量が最小の蓄電池が最も早く到達するため、この蓄電池の容量が組電池の容量と等価になってしまう。また、直流内部抵抗が均一でない複数の蓄電池を組電池化すると、充電時に個々の電池電圧にばらつきが生じ、直流内部抵抗が大きい蓄電池は材料の耐久性を損なうことがある。したがって、蓄電池の性能を十分に発揮して組電池を長時間使用可能にするためには、定格電流において可能な限り容量及び直流内部抵抗が揃った蓄電池で組電池を構成することが好ましい。
そこで、本発明の実施の形態１における第１の蓄電池６は、定格電流においては組電池を構成する第２の蓄電池７と容量差はなく、短絡時のような大電流で放電するときのみ直流内部抵抗が高抵抗になり容量が小さくなるようにする。また、第２の蓄電池７の直流内部抵抗と容量は、電流の変化によって大きく変わらないようにする。
このようにすることで、図１の構成の組電池においてプラス端子３とマイナス端子５とが低抵抗で短絡した場合は、第１の蓄電池６だけが大きく分極し、電圧がプラスからマイナスに転極する。これにより電流が停止し、プラス端子３とマイナス端子５との間の電圧が外部短絡によりほぼ０になっているため、第２の蓄電池７はプラス電圧を示して定格値以下の電流しか流れない状態で安定し、第２の蓄電池７へのダメージは最小限に抑えられる。
また、第１の蓄電池６を組電池ケース８内のマイナス端子５に最も近い端部に配置した。転極した蓄電池は多くの場合使用不可能になるため、転極する第１の蓄電池６を組電池ケース８の最端に配置することで、組電池を電力貯蔵システムに組み込んだ状態でも交換が容易になる。希に第１の蓄電池６が発熱した場合でも、第１の蓄電池６が端部に配置されていれば、第２の蓄電池７への影響が最小限に抑制される。
次に、本発明の実施の形態１における蓄電池の製造方法について説明する。一般に、蓄電池の直流内部抵抗は蓄電池に流れる電流値が変わっても大きく変化しないが、蓄電池に極端に大きな電流が流れる（高率放電）と、高くなるものも製造可能である。直流内部抵抗が高率放電時に高くなる蓄電池の抽出は、製造された複数の蓄電池の中から選別する方法と、高率放電時の抵抗の高い蓄電池を製造する方法とがある。ここでは後者について説明する。
１個の第１の蓄電池６と（ｎ−１）個の第２の蓄電池７とを合わせた組電池の全蓄電池個数をｎ、第１の蓄電池６及び第２の蓄電池７の定格電流をＩ、定格電流が通電された時の第１の蓄電池６及び第２の蓄電池７の直流内部抵抗をＲ、単位蓄電池電圧をＶ、とすると、第１の蓄電池６の外部短絡時の抵抗Ｒxは以下式であらわされる。
この場合、正常時の直流内部抵抗Ｒは一般に非常に小さいため、転極する蓄電池の高率放電時の直流内部抵抗はｎ・Ｖ／Ｉ以上であれば、上記のような転極させる第１の蓄電池６として好適である。したがって、例えば、６直列組電池で、単位蓄電池電圧が４Ｖ、定格電流３０Ａのとき、外部短絡時の直流内部抵抗が０．８Ω以上で第１の蓄電池６として好適である。
以下では、本発明の実施の形態１に係る組電池の蓄電池にリチウムイオン電池を用いることとして説明するが、これをニッケル水素、アルカリ蓄電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシター、リチウムイオンキャパシターなどに置き換えてもかまわない。
本発明の実施の形態１に係る組電池に用いるリチウムイオン電池の製造方法について説明する。リチウムイオン電池の正極は、正極集電体であるアルミニウム板（またはアルミニウム箔）に、コバルト酸リチウムとアセチレンブラックとＰＶＤＦバインダーとを溶剤に溶解、分散させたスラリーを塗布し、乾燥、プレス成形して作製する。負極は、負極集電体である銅板（または銅箔）に、グラファイトとＳＢＲバインダーとを溶剤に溶解、分散させたスラリーを塗布、乾燥、プレス成形して作製する。
これら両電極の間にポリオレフィン系微多孔膜を挟み、ＬｉＰＦ６の塩を水分が10ppm以下に制御されたＥＣ（エチレンカーボネート）とＤＥＣ（ジエチルカーボネート）とを体積比で４対６に混合した溶媒に溶解させた電解液を注入して電池エレメントを作製する。この電池エレメントをステンレスまたはアルミニウム容器に挿入後、電極幾何面積に対し３Ａ／ｃｍ２の電流密度で３０分間、ガス発生のため予備充電を行い、その後、不活性ガス中、レーザー溶接で容器とフタを溶接、封入してリチウムイオン電池を製造する。
このようにしてを製造した容量２０Ａｈのリチウムイオンについて、２５℃前後に制御した環境で、１Ｃレートの電流で３時間充電し、１０分休止後、３０Ａ放電による容量値を測定し、この測定値を定格電流放電容量とした。高率放電容量は、充電条件は同じで、放電電流を１５０Ａ、３００Ａと変化させて容量を測定した。
図２は、上記のような条件下で測定したリチウムイオン電池の容量特性の例を示すグラフである。曲線１は、電流値が大きい高率放電時に容量が大きく低下するリチウムイオン電池の容量特性であり、このリチウムイオン電池は第１の蓄電池６として使用する。その他の曲線２は、高率放電でも容量が得られるリチウムイオン電池の容量特性であり、これらのリチウムイオン電池は第２の蓄電池７として使用する。
図２において、第１の蓄電池６の拡散律速領域の開始点は第２の蓄電池７の拡散律速領域の開始点より小さくなっており、曲線１が示す第１の蓄電池６の容量は、電流が高くなると曲線２が示す第２の蓄電池７の容量より素早く低下する。
これにより、本発明の実施の形態１に係る組電池においては、外部短絡時に流れる大電流によって第１の蓄電池６は転極するが、第２の蓄電池７は開回路電圧近くで推移する。
次に、定格電流における容量特性を変化させずに高率放電時の容量特性だけを低下させる蓄電池の作成方法について説明する。先に述べたように、複数個の直列組電池の容量は、その中で最も容量の低い電池の容量が組電池の容量となる。そのため、定格電流における容量特性はできるだけ低下させずに、高率放電時の容量特性だけを低下させることが望ましい。
容量を低下させるためには、内部抵抗を増大させればよい。さらに、次に説明するように、高率放電時の内部抵抗は主に電池内部の物質移動抵抗を反映したものであるから、電池内部の物質移動抵抗を増大させればよい。
電池内部では、充電時または放電時に、電極反応とそれに続く物質移動が進行する。主な物質移動は、負極または正極活物質結晶中のリチウムイオンの移動と、電解液中の正負イオンの移動である。これらの物質移動の駆動力は濃度差が主であるため、大電流の充電時または放電時には拡散速度が追いつかず、見かけの抵抗である物質移動抵抗が高くなる。これは放電末期に顕著である。このような現象が起こる電流値の領域を拡散律速領域という。したがって、電池内部の物質移動抵抗を増大させることで、高率放電容量を低下させることができる。
第１の蓄電池と同種の第２の蓄電池とが同種（リチウムイオン電池）である場合において、電池内部の物質移動抵抗を増大させる方法は３つある。以下、これらの方法を説明する。１つ目は電解液量を減らす方法である。例えば、第１の蓄電池６の電解液量を第２の蓄電池７の電解液量の平均より少量にする。
電解液は、通常、電池エレメントの空孔部に含浸され、電解液量100%は完全に液が満たされた状態である。図３はリチウムイオン電池の電解液量に対する容量を示す表である。図３において、定格電流放電容量は、放電電流を３０Ａとしたときの容量値であり、高率放電容量は、放電電流を３００Ａとしたときの容量値である。また、図３には放電末期の抵抗も示した。第１の蓄電池６の電解液量を例えば９０％以下に減らせば、図３に示すように、高率放電容量を十分に低下させることができる。
電池内部の物質移動抵抗を増大させる２つめの方法は、電解液濃度を低下させる方法である。つまり、第１の蓄電池６の電解液塩濃度が第２の蓄電池７の電解液塩濃度より低くなるようにする。
リチウムイオン電池の電解液は、通常、有機溶媒中に電荷担体である塩LiPF6を１mol/L 程度含んでいる。図４はリチウムイオン電池の塩濃度に対する容量を示す表である。図４において、定格電流放電容量は、放電電流を３０Ａとしたときの容量値であり、高率放電容量は、放電電流を３００Ａとしたときの容量値である。また、図４には放電末期の抵抗も示した。第１の蓄電池６の塩濃度を、例えば０．９以下に下げることで、図４に示すように、高率放電容量を十分に低下させることができる。
電池内部の物質移動抵抗を増大させる３つめの方法として、電解液特性の制御以外にグラファイト負極活物質と接する電解液界面にあるＳＥＩ（固体電解質界面層）を成長させることによって物質移動速度を増大させることもできる。
ＳＥＩの成長促進方法について説明する。製造した電池を一定電流で、１００％の充電レベルまで充電する。この状態の電池を６０℃の恒温槽内で２４時間保持（エージング）することで、リチウムがインターカレーションしたグラファイト表面層に、厚くＳＥＩ層が生成する。これにより、放電時にＳＥＩ層中を拡散して活物質相間から電解液にリチウムイオンが移動するときの物質移動抵抗が上昇する。この方法により、第１の蓄電池６の高率放電容量を低下させることができる。
以上、本発明の実施の形態１に係る組電池においては、容量−電流特性の相対的に低い特定の電池６を含み、外部短絡時に流れる大電流によってその第１の蓄電池６が転極することを特徴としており、第２の蓄電池７のダメージを回避することができる。
また、組電池が自立的に電流を遮断するので、組電池の両端の極が組み立て工程で短絡した場合や、組み立て後のシステム組み込み時、外部負荷接続時、システム起動前などに外部短絡が発生した場合など、センサ類が機能しない場合であっても、大電流放電による自己加熱によって蓄電池がダメージを受けたり、接続機器が故障することを防ぐことができる。
また、従来の電流遮断機能を果たす回路等と異なり、短時間の短絡によって電池が高温化してダメージが与えられたもののすぐに電圧が復帰した場合でも、電池のダメージに気付かず使用し続けるということがなくなる。
また、組電池の外部に設ける電流遮断機能を果たすサーミスタや電圧センシング回路等が不要になるため、この組電池を適用する電力貯蔵システムの小型、軽量化が図れる。
なお、第１の蓄電池６は複数あってもよい。外部短絡時にはこれら複数の第１の蓄電池６は犠牲になるが、それ以外の第２の蓄電池７を保護することができる。
実施の形態２．
図５に本発明の実施の形態２に係る組電池の比較例として示す電力貯蔵システムの一部の構成図である。図５において、１０は電池、１５は各電池の電圧をそれぞれ測定する電圧計、９は電圧計からの電圧信号に基いて電圧の変化から各電池の転極を検出する転極検出部、１７は転極検出部９から送られる転極信号を受けた場合に故障信号を発信及び故障履歴の記憶を行う故障信号発信・記憶部である。
図５に本発明の実施の形態２に係る組電池の比較例として示す電力貯蔵システムの一部の構成図である。図５において、１０は電池、１５は各電池の電圧をそれぞれ測定する電圧計、９は電圧計からの電圧信号に基いて電圧の変化から各電池の転極を検出する転極検出部、１７は転極検出部９から送られる転極信号を受けた場合に故障信号を発信及び故障履歴の記憶を行う故障信号発信・記憶部である。
組電池が電力貯蔵システムに組み込まれ、組電池が外部の補助電源から電力を供給されて稼働状態にあれば、外部短絡したときに、図５に示すように、各蓄電池電圧を電圧計１５によって測定することができる。電圧計１５は測定結果に応じた電圧信号を転極検出部９に送る。そして転極検出部９は、電圧信号からどの蓄電池が転極したかを判断することができる。
故障信号発信記憶部１７は、転極検出部９から転極を知らせる信号を受けることで、外部装置に故障を知らせるための故障信号を発信し、転極の履歴を記憶することもできる。しかし、組電池を電力貯蔵システムに組み込む前の状態では、故障信号の発信、転極の履歴の記憶など組電池の監視のための電力は、組電池自身の電力で賄う必要がある。
一方、図６は本発明の実施の形態２に係る組電池の構成図である。電圧計１６、転極検出部１９、故障信号発信・記憶部１７、電力供給ケーブル１８を備えた点が、実施の形態１に係る組電池との相違点である。他の構成は実施の形態１に係る組電池と同様であり、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
この組電池の中で転極する電池は、特定の位置に配置した高率放電時に抵抗の高い蓄電池６である。従って、この単電池電圧を代表して監視しておけば、転極の有無、つまり外部短絡の有無を検出できる。また、この特定の電池６以外の第２の蓄電池７は短絡時に転極しないので、転極検出、故障信号の発信・記憶のための駆動電源として利用できる。そのため、この組電池においては、システムが稼働していなくても、短絡を検知、記憶することが可能となる。
次に動作を説明する。第１の蓄電池６が転極すると、第１の蓄電池６の電圧を測定する電圧計１６が電圧信号を転極検出部１９へ送り、転極を知らせる。転極検出部１９はこれにより、転極を検出し、転極信号を故障信号発信・記憶部１７へ送る。転極信号を受けた故障信号発信・記憶部１７は、外部装置に故障を知らせるための故障信号を発信し、転極の履歴を記憶する。なお、転極検出部１９及び故障信号発信・記憶部１７等は、転極していない第２の蓄電池７から電力供給ケーブル１８を介して電力供給を受けることができる。
以上、本発明の実施の形態２に係る組電池においては、システムが稼働していなくても、短絡を検知、記憶することができる。
実施の形態３．
実施の形態１及び２で説明した組電池は、電気車の回生エネルギー貯蔵システムに適用することができる。図７は、その適用例を示す、本発明の実施の形態３に係る電気車の回生エネルギー貯蔵システムの概念図である。
実施の形態１及び２で説明した組電池は、電気車の回生エネルギー貯蔵システムに適用することができる。図７は、その適用例を示す、本発明の実施の形態３に係る電気車の回生エネルギー貯蔵システムの概念図である。
本実施の形態３に係る電気車の回生エネルギー貯蔵システムは、図７に示すように、変電所からの電力を供給するための架線５０、架線５０に接続された地上用電力貯蔵システム４１、車上用電力貯蔵システム２１及びパンタグラフ２２を有する電気車２０、車上用電力貯蔵システム３１及びパンタグラフ３２を有する電気車３０を備える。地上用電力貯蔵システム４１、車上用電力貯蔵システム２１、車上用電力貯蔵システム３１には実施の形態２に係る組電池が搭載されている。
電気鉄道車両の特長は、ブレーキ時の回生電力を、架線を通して他の車両で再使用することで省エネルギー化が可能なことである。この利点を最大限に生かすには、車両のブレーキ時に発生する回生電力が架線を通して別の力行電気車両で消費されることが望ましい。しかし、回生車両と別の力行車両の距離が遠く離れていたり、回生電力が大きく別の力行車両で十分に消費できない場合は、架線電圧が上昇する。この際、架線電圧が一定以上とならないように、機械ブレーキによって制動エネルギーの一部は熱として無駄に消費させていた。
そこで、実施の形態３に係る電気車の回生エネルギー貯蔵システムにおいては、エネルギーを無駄に消費させてないため、地上用電力貯蔵システム４１、車上用電力貯蔵システム２１、及び車上用電力貯蔵システム３１で回生電力を吸収して、貯蔵しておくものである。
次に動作を説明する。通常、電気車２０がブレーキをかけた時に発生する回生電力は、架線５０を介して電気車３０へ供給され、電気車３０で消費される。
一方、電気車２０がブレーキをかけた時に、電気車２０と電気車３０の距離が遠く離れていたり、ブレーキ時の回生電力が大きく電気車３０で十分に消費できない場合は、ブレーキ時の回生電力一部又は全部を蓄電デバイス２１で吸収して貯蔵する。貯蔵した電力は必要な際に取り出して使用することができる。
以上、本実施の形態３に係る電気車の回生エネルギー貯蔵システムでは、回生電力を貯蔵し、有効活用することができる。
なお、地上用電力貯蔵システム４１、車上用電力貯蔵システム２１、及び車上用電力貯蔵システム３１は、搭載されている組電池が故障した時に、組電池の故障を知らせる信号を安全装置などに対して出力したり、記憶したりするように構成してもよい。これにより、システムの信頼性と安全性が向上する。
３ 組電池のプラス端子
４ 導電性金属
５ 組電池のマイナス端子
６ 第１の蓄電池
７ 第２の蓄電池
８ 組電池ケース
１７ 故障信号発信・記憶部
１８ 電力供給ケーブル
１９ 転極検出部
２０ 電気車
２１ 車上用電力貯蔵システム
２２ パンタグラフ
３０ 電気車
３１ 車上用電力貯蔵システム
３２ パンタグラフ
４１ 地上用電力貯蔵システム
５０ 架線
４ 導電性金属
５ 組電池のマイナス端子
６ 第１の蓄電池
７ 第２の蓄電池
８ 組電池ケース
１７ 故障信号発信・記憶部
１８ 電力供給ケーブル
１９ 転極検出部
２０ 電気車
２１ 車上用電力貯蔵システム
２２ パンタグラフ
３０ 電気車
３１ 車上用電力貯蔵システム
３２ パンタグラフ
４１ 地上用電力貯蔵システム
５０ 架線
Claims (6)
- 少なくとも１個以上の充放電可能な第１の蓄電池と、
少なくとも１個以上の充放電可能な第２の蓄電池とを直列に接続して構成され、
前記第１の蓄電池の拡散律速領域の開始点は前記第２の蓄電池の拡散律速領域の開始点より小さい組電池と、
前記第１の蓄電池の電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出する電圧が反転したときに故障信号を出力する故障信号出力手段を備えたことを特徴とする電力貯蔵システム。 - １個の、充放電可能で、定格電流がＩ、定格電流通電時の電圧がＶの第１の蓄電池と、
（ｎ−１）個の、充放電可能で、定格電流がＩ、定格電流通電時の電圧がＶの第２の蓄電池とを直列に接続して構成され、
前記第１の蓄電池に短絡時の電流が流れたときの前記第１の蓄電池の直流内部抵抗Ｒｘが、
Ｒｘ≧ｎ・Ｖ／Ｉ
である組電池と、
前記第１の蓄電池の電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出する電圧が反転したときに故障信号を出力する故障信号出力手段を備えたことを特徴とする電力貯蔵システム。 - 前記第１の蓄電池の電解液量が前記第２の蓄電池の電解液量の平均より少量であることを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵システム。
- 前記第１の蓄電池の電解液塩濃度が前記第２の蓄電池の電解液塩濃度より低いことを特徴とする請求項１に記載の電力貯蔵システム。
- 前記第１の蓄電池及び前記第２の蓄電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
- 故障履歴を記憶する故障履歴記憶手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力貯蔵システム。
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