JP6179755B2 - 鉛蓄電池による蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、鉛蓄電池を使用して充放電を行う蓄電システムに関する。

鉛蓄電池は、その信頼性の高さから、様々な用途に用いられており、近年では、安価な深夜電力を用いて充電を行い、この充電した電力を昼間の主電力又は補助電力として用いることが行われている。
電力会社はピーク需要に対して余力のある発電能力を持ち、日々の天候・気温等の予報を元に需要予測を立て、需要に見合った発電設備・装置を稼動させて電力を供給している。電力需要の落ちる夜間においては、供給側は効率良く動かすために稼動せざるを得ない火力発電設備等があり、また、電力負荷平準化（ピークカット・ボトムアップ）の考え方から、昼間よりも割安な料金で夜間電力を供給し、夜間蓄熱式機器等の普及を図っている。

この割安な料金設定となっている深夜電力を貯蔵しておいて、昼間のピーク時に放電を行って相対的に割高な電力の使用を抑えるシステムが開示されている。（特許文献１、２参照）

特開Ｈ０３−２２６２３３号公報 特開２００３−１２５５３７号公報

しかしながら、特許文献１、２のような蓄電システムに設置される蓄電池においては、夜間の充電開始時刻までの時間に行われる放電の制御については検討されていなかった。このため、電力需要の高い日に、昼間の放電開始から早い段階で蓄電池が所定許容量の放電を完了すると、放電完了時刻から深夜電力を利用して充電する充電開始時刻までの間、蓄電池が放電した状態で放置される問題があった。
このような蓄電システムに設置される蓄電池として鉛蓄電池を使用した場合、放電した状態で放置することは、鉛蓄電池の寿命が設計寿命よりも短くなる原因の一つとなっている。これは、蓄電システムに限らず、深い放電と充電を繰り返すサイクル用途の鉛蓄電池が抱える問題でもある。
より詳細に述べると、放電によって電解液中の硫酸が消費されると電解液比重が低下し、金属鉛の溶解度が上昇する。このような状態で長期放置されると正極の鉛格子体が腐食する。腐食の進行にともない、鉛格子体の導電性が低下して内部抵抗値が上昇したり、鉛格子体の膨張応力により鉛格子体と活物質の間に剥離が生じて電池容量が低下して鉛蓄電池の短寿命化につながる。

この鉛蓄電池の短寿命化を抑制するための充放電制御方法として、放電後は速やかに充電を開始して鉛格子体の腐食量を抑えることが重要であるが、これまで、蓄電システムに設置された鉛蓄電池の充放電制御において、所定許容量の放電完了後から充電を開始するまでの放置時間が鉛蓄電池の寿命に係ることを検証して、鉛蓄電池に及ぼす悪影響を回避する方法が検討されることはなかった。

本発明の目的は、鉛蓄電池を使用して充放電が行われる蓄電システムにおいて、鉛蓄電池の長寿命化を図ることにある。
本発明の他の目的は、鉛蓄電池を充電する外部電源の時間帯料金が季節や電力供給状況により変動しても、上述した充電開始時刻、放電開始時刻を任意に設定して、相対的に安価な外部電力が供給される時間帯を選択して鉛蓄電池を充電し、相対的に高価な外部電力が供給される時間帯を選択して鉛蓄電池から負荷へ放電することができる蓄電システムを提供することにある。

本発明のうち、代表的な発明を以下に説明する。
本発明に係る蓄電システムは、鉛蓄電池と、外部電源により鉛蓄電池を充電する充電手段と、鉛蓄電池から負荷へ放電をする放電手段と、前記鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出手段と、前記充電手段と放電手段を管理する制御手段を備えており、前記制御手段は、少なくとも、次の（１）〜（５）の動作を行う制御機能を有することを特徴とする蓄電システム。
（１）予め設定されている放電開始時刻ｔ_１に至ったとき、前記鉛蓄電池から負荷への放電を所定の許容電流値以下になるよう、前記放電手段を制御する機能
（２）前記ＳＯＣ検出手段が規定第１ＳＯＣを検出したときに、当該検出時刻ｔ₂から、前記充電手段を動作させるために予め設定されている充電開始時刻ｔ_３までの時間Ｔ_rを求めて、鉛蓄電池から負荷への許容放電量を、前記時刻ｔ₂における鉛蓄電池の規定第１ＳＯＣとそれより小さい規定第２ＳＯＣの差から計算する機能
（３）検出時刻ｔ_２以降から充電開始時刻ｔ_３までの放電が、前記許容放電量を前記時間Ｔ _ｒ で除して計算される調整電流値以下になるよう、前記放電手段を制御する機能
（４）前記充電開始時刻ｔ₃に至ったとき、前記放電手段による鉛蓄電池の放電を停止するとともに前記充電手段による鉛蓄電池の充電を開始するよう、前記放電手段と前記充電手段を制御する機能
（５）予め設定された充電終了時刻ｔ_４に至ったとき、前記充電手段による前記鉛蓄電池の充電を停止するよう前記充電手段を制御するとともに上記（１）の制御機能を動作させる機能
上記において、鉛蓄電池を充電する外部電源を、電力会社から供給される商用電源に設定することができる。また、放電開始時刻ｔ_１、充電開始時刻ｔ_３、充電終了時刻ｔ_４、第１、第２のＳＯＣを任意に設定できるようにするのが好ましい。

本発明のうち、代表的な発明によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、外部電源を用いて鉛蓄電池を充電し、規定のＳＯＣ（State Of Charge）まで負荷へ放電して、その時点から充電開始時刻ｔ_３に至るまでの間、調整電流値以下で放電を継続する制御手段を備えることにより、極板を構成する格子の腐食を抑制することができるので、鉛蓄電池による長寿命の蓄電システムを実現することが可能となる。
また、上述した放電開始時刻ｔ_１、充電開始時刻ｔ_３、充電終了時刻ｔ_４、第１、第２のＳＯＣを任意に設定することができるようにした場合は、季節や電力供給状況により外部電源の時間帯料金が変動した場合にも、相対的に安価な電力料金の時間帯を選択して電力を貯蔵し、相対的に高価な電力料金の時間帯に負荷へ放電する鉛蓄電池による蓄電システムを実現することが可能となる。

鉛蓄電池による蓄電システムの、ＳＯＣが３０％%〜１００％の範囲における充放電サイクル試験において、放電終了時刻から充電開始時刻までの放置時間と極板格子の腐食速度の関係を示す曲線図である（放置時間０の場合が本発明の一実施形態）。 本発明の一実施形態である蓄電システムの簡易ブロック図である。 本発明の一実施形態における蓄電システムの制御手段の例について概要を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態である蓄電システムの運用を示したタイムチャートである。 鉛蓄電池による蓄電システムの、ＳＯＣが３０％〜１００％の範囲における充放電サイクル試験において、放電終了時刻から充電開始時刻までの放置時間と鉛蓄電池の寿命までのサイクル数の関係を示す曲線図である（放置時間０の場合が本発明の一実施形態）。

以下、図面を参照して本発明の鉛蓄電池による蓄電システム（電力貯蔵システム）の一実施形態について説明する。
鉛蓄電池は放電を終了した状態で放置された場合、極板の集電体である鉛格子の腐食が促進される。このことを確認するために公称電圧１２Ｖ（６セル）、容量５０Ａｈの蓄電池を作製して、ＳＯＣが３０％〜１００％の範囲で充放電サイクル試験を行い、放電終了時から充電開始までの放置時間の長短による正極板の鉛格子の腐食量を測定した。なお、充放電サイクル試験条件を、
放電：０．２ＣＡ、終止ＤＯＤ７０％（ＳＯＣ３０％）
充電：次に示す（１）から（４）のステップを行う多段充電
（１）定電流０．２ＣＡ、電圧値２．４２Ｖ／セルまで充電
（２）定電流０．１ＣＡ、電圧値２．４２Ｖ／セルまで充電
（３）定電流０．０５ＣＡ、電圧値２．４２Ｖ／セルまで充電
（４）定電流０．０２ＣＡ、電圧値２．４２Ｖ／セルで充電を行いトータルの充電量が放電量の１０２％に到達した時点で充電終了
としてサイクル試験を行い、放電終了時刻から充電開始時刻までの放置時間を、０ｈｒ（実施例）、１ｈｒ、２ｈｒ、３ｈｒ、４ｈｒ、６ｈｒ、８ｈｒとして、１０００サイクル終了時点の正極板の鉛格子体腐食速度を測定した結果を図１に示す。
ここで、正極板の鉛格子体腐食速度は、放置時間毎に１０００サイクル終了後の正極板の鉛格子体腐食量を測定して腐食速度とした。測定方法について示すと、まず１０００サイクル終了後の蓄電池を解体し、鉛格子体の一部を切り出して測定用サンプルとする。次に鉛格子体腐食層のみを溶解する溶液（水３０００ｇに水酸化ナトリウム１００ｇ、塩酸ヒドラジン１０ｇおよびマンニトール２０ｇを混合したもの)に浸漬し、鉛格子体の腐食層を溶解する。最後に鉛格子体腐食層の溶解前後の重量変化を測定して鉛格子の腐食量を求めた。
図１より、放置時間が長くなるにつれて単位サイクル当りの極板格子の腐食量が大きくなることが判る。特に、放置時間が４ｈｒを超えたところから腐食量が急激に大きくなる。この結果から、放電後の放置時間を短くすることにより極板格子の腐食を抑制することができ、鉛蓄電池の劣化の進行を抑えて長寿命化を図ることができる。

図２は、鉛蓄電池蓄電システムの簡易ブロック図である。鉛蓄電池による蓄電システムは、外部電源１と負荷設備３の間に補助電源として接続され、図示しないマイクロコンピュータにより制御される制御装置５により充放電を制御される。鉛蓄電池７のＳＯＣは、ＳＯＣ管理用の電流検出器６によって充放電時に流れた電流が検出され、制御装置５で積算して管理される。

充放電制御は、図３に示すフローチャートに従って、図示しないマイクロコンピュータにより制御される制御装置５が実施する。制御装置５を制御するコンピュータプログラムでは、満充電状態で待機している鉛蓄電池７が放電開始設定時刻になると（Ｓ１０）、鉛蓄電池から負荷への放電を所定の許容電流値以下になるよう、放電手段の制御を行い、負荷設備７に対して通常放電が開始される（Ｓ２０）。上記所定の許容電流値は、大電流放電によって鉛蓄電池の寿命が短くならないように３ＣＡ以下に設定すれば良い。本例では、許容電流値を０．４ＣＡに設定して鉛蓄電池の発熱を抑え、鉛蓄電池７の早期劣化、電槽の変形、端子の脱落等の発生を防止している。上記通常放電は、負荷設備３への定電流放電、あるいは負荷設備３の電力需要に対して一定割合を出力する等、蓄電システムの利用者が、予め制御装置５を制御する図示しないマイクロコンピュータに、任意に設定して運用することができる。本例では、負荷設備３の電力需要の一部を供給するように設定している。

Ｓ４０では、鉛蓄電池の現在時刻ｔ_n時点のＳＯＣと、運用前に設定した規定第１ＳＯＣとの大小を判定して、ｔ_n時点の鉛蓄電池のＳＯＣが規定第１ＳＯＣより大きいときは、鉛蓄電池の放電容量に余裕があるので、Ｓ３０でｔ_nが予め設定した充電開始時刻ｔ_３か否かを判定して、ｔ_nが充電開始時刻ｔ_３前であれば継続して放電を行い、充電開始時刻ｔ_３であれば放電を終了する。ｔ_n時点の鉛蓄電池のＳＯＣが規定第１ＳＯＣ以下となったときは、Ｓ５０で調整電流値Ｉ_aを算出し、調整電流値Ｉ_ａ以下の電流で予め設定した充電開始時刻ｔ_３まで継続して放電を行う。
調整電流値Ｉ_aは、規定第１ＳＯＣとこれより小さい値で予め設定した規定第２ＳＯＣとの差分を鉛蓄電池の残容量Ｃ_r（Ａｈ）とし、規定第１ＳＯＣを検出した検出時刻ｔ_２と充電開始時刻ｔ_３との差をＴ_r（ｈ）として、調整電流値Ｉ_aは、式（１）で算出され、充電開始時刻ｔ_３まで継続して調整電流値Ｉ_a以下の電流で放電が行われる。ここで、残容量Ｃ_rは、放電を開始する時点で、制御装置５を制御するマイクロコンピュータ内のＳＯＣの値を１００％にリセットしておき、電流検出器６で検出した電流を制御装置５で積算した放電量との差分により計算される。
Ｉ_a＝Ｃ_r／Ｔ_r ・・・式（１）
Ｓ６０では、Ｓ５０で計算した調整電流値Ｉ_a以下の電流で負荷設備３へ充電開始時刻ｔ_３まで継続して放電し、充電開始時刻ｔ_３に至ったとき、放電を終了し、充電を開始する（Ｓ８０）。

具体的な実施の一例を図４のタイムチャートで説明すると、放電開始時刻ｔ_１が７時、充電開始時刻ｔ_３が２３時、充電終了時刻ｔ_４が７時、規定第１ＳＯＣが３５％、規定第２ＳＯＣが３０％に設定され、安価な夜間電力を利用して鉛蓄電池を充電し、昼間の電力需要時に負荷設備へ放電を行う、ＳＯＣが３０〜１００％の範囲で運用される鉛蓄電池による蓄電システムとした。充放電制御方法は、７時から放電を開始して、例えば、１８時に規定第１ＳＯＣ３５％に達したとき、規定第２ＳＯＣとの差は５％なので鉛蓄電池容量をＣ（Ａｈ）とすると、Ｃ_r＝０．０５Ｃ（Ａｈ）であり、充電開始時刻までの時間Ｔ_r＝５（ｈ）より、調整電流値Ｉ_a（Ａ）は式（１）を用いて次のように求められる。
Ｉ_a＝Ｃr／Ｔ_r＝０．０５Ｃ（Ａｈ）／５（ｈ）＝０．０１Ｃ（Ａ）・・・（式１）
この場合、１８時に第１ＳＯＣに達して通常放電を終了し、１８時から充電開始時刻２３時まで調整電流値Ｉ_aで継続放電して、調整電流値Ｉ_a以下による放電後、鉛蓄電池を放電状態で放置することなく直ちに充電を開始することができる。
尚、放電開始時刻ｔ_１は、充電終了時刻ｔ_４と同じであっても、充電終了時刻ｔ_４より遅い時刻であっても良い。放電開始時刻ｔ_１が充電終了時刻ｔ_４より遅い時刻であって、その間、放電が行なわれなくても、鉛蓄電池は充電状態にあるので劣化が進むことはない。

図５に、放電終了時刻から充電開始時刻までの放置時間を変化させたときの、極板格子腐食速度から算出した鉛蓄電池の寿命を、放置時間０（実施例）のときを１００％として相対的に示す。
図５より、放電後の放置時間が長くなるにつれて鉛蓄電池の寿命が短くなっている。本例の実施により、放電後に鉛蓄電池を放置することなく充電を開始することができるので、鉛蓄電池の劣化が抑えられ、鉛蓄電池による長寿命の蓄電システムを実現することができる。

本発明は、バックアップ電源用途、電力負荷平準化用途など、サイクル利用する蓄電システムとして利用可能である。

１ 外部電源
２ 高圧負荷開閉器
３ 負荷設備
４ インバータ
５ 制御装置
６ 電流検出器
７ 鉛蓄電池

Claims (3)

1. 鉛蓄電池と、外部電源により鉛蓄電池を充電する充電手段と、鉛蓄電池から負荷へ放電をする放電手段と、前記鉛蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出手段と、前記充電手段と放電手段を管理する制御手段を備えており、前記制御手段は、少なくとも、次の（１）〜（５）の動作を行う制御機能を有することを特徴とする蓄電システム。
   （１）予め設定されている放電開始時刻ｔ_１に至ったとき、鉛蓄電池から負荷への放電を所定の許容電流値以下になるよう、前記放電手段を制御する機能
   （２）前記ＳＯＣ検出手段が規定第１ＳＯＣを検出したときに、当該検出時刻ｔ_２から、前記充電手段を動作させるために予め設定されている充電開始時刻ｔ_３までの時間Ｔ_ｒを求めて、鉛蓄電池から負荷への許容放電量を、前記時刻ｔ_２における鉛蓄電池の規定第１ＳＯＣとそれより小さい規定第２ＳＯＣの差から計算する機能
   （３）検出時刻ｔ_２以降から充電開始時刻ｔ_３までの放電が、前記許容放電量を前記時間Ｔ _r で除して計算される調整電流値以下になるよう、前記放電手段を制御する機能
   （４）前記充電開始時刻ｔ_３に至ったとき、前記放電手段による前記鉛蓄電池の放電を停止するとともに、前記充電手段による前記鉛蓄電池の充電を開始するよう、前記放電手段と前記充電手段を制御する機能
   （５）予め設定された充電終了時刻ｔ_４に至ったとき、前記充電手段による前記鉛蓄電池の充電を停止するよう前記充電手段を制御するとともに上記（１）の制御機能を動作させる機能
2. 前記外部電源が、電力会社から供給される商用電源であり、前記充電開始時刻ｔ_３が相対的に低廉な電力使用料金が適用される時間帯に設定されることを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池蓄電システム。
3. 前記規定第１、第２ＳＯＣの値と、前記放電開始時刻ｔ_１と、前記充電開始時刻ｔ_３と、前記充電終了時刻ｔ_４を任意に設定することができることを特徴とする請求項１、２何れかに記載の鉛蓄電池蓄電システム。

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