JP6375549B2 - 電力供給システム - Google Patents

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Description

本発明は、電力供給システムに関する。
近年、商用電力系統、風力発電、太陽光発電といった電力供給機構と蓄電パックとを組み合わせて電気負荷に接続した電力供給システムの普及が進みつつある。この電力供給システムにおいて、蓄電パックは電力供給機構から供給された電力を貯蔵する機能や、電力供給機構からの供給電力を安定化する系統安定化機能を有している。
例えば、特許文献1では、電力系統に蓄電池を接続した電力供給システムにおいて、電力系統と蓄電池との間で充放電をすることで、電力の安定供給や停電時のバックアップが可能になるとしている。
特開2014−233098号公報
ところで、一般的に蓄電パックは過充電状態や過放電状態になることによって早期に劣化する。したがって、蓄電池の充電状態を表すSOC(State of Charge:満充電状態の充電量に対する充電容量の割合)が過充放電状態にならない範囲(SOC使用範囲)で蓄電デバイスを使用することが望ましい。
上記特許文献1記載の蓄電システムでは、電力系統と蓄電池との間に充放電指示受付部、操作指示受付部、SOC監視部、適正値決定部、充放電制御部、及び充放電開始時刻決定部からなる制御装置やスイッチ回路を設けることによって、蓄電池のSOCの監視や制御を行い、蓄電池が過充放電状態にならないように制御していると共に電力系統への充放電の制御を行っている。
しかしながら、制御装置やスイッチ回路は高価かつ大型なものであるため、蓄電池のSOCの監視や制御に制御装置やスイッチ回路が必須である上記特許文献1記載の電力供給システムには、高価かつ大型であるという問題がある。
本発明の主な目的は、電力供給システムの低価格化及び小型化を図ることにある。
本発明に係る電力供給システムは、電力供給機構と、電気負荷と、送電線と、蓄電パックとを備える。電力供給機構は、直流電力を供給する。電気負荷は、電力供給機構に接続されている。送電線は、電力供給機構と電気負荷とを接続している。蓄電パックは、送電線に接続されている。蓄電パックの充放電曲線は、電力供給機構の定格電圧を通過する段差を有している。蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が定格電圧の−20%以上である。蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が定格電圧の+20%以下である。
本発明に係る第1の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線は、電力供給機構の定格電圧を通過する段差を有している。このため、蓄電パックの電圧が、蓄電パックの充放電曲線が有する段差において、電力供給機構の定格電圧とほぼ一致する。このため、蓄電パックに電流がほとんど流れない。よって、蓄電パックのSOCをほぼ一定の状態に保持するために、蓄電パックのSOCを監視したり、制御したりするための制御装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システムの低価格化及び小型化が可能となる。
また、本発明に係る第1の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が電力供給機構の定格電圧の−20%以上である。このため、電力供給機構からの電力供給量の減少や電気負荷における消費電力の増加が生じ、電力供給機構から供給される電力の電圧が電気負荷が必要としている電圧よりも低くなった場合に蓄電パックから電気負荷への放電が行われる。これにより、電気負荷に供給される電力の電圧が、電力供給機構の定格電圧の−20%よりも低くなることを抑制することができる。よって、電気負荷に供給される電力の電圧低下による停電や、電気負荷に障害が生じることを抑制することができる。また、電力供給機構から供給される電力の電圧や、蓄電パックの電圧等を監視する監視装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システムの低価格化及び小型化が可能となる。
本発明に係る第1の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が電力供給機構の定格電圧の+20%以下である。このため、電力供給機構からの電力供給量の増加や電気負荷における消費電力の減少が生じ、電力供給機構から供給される電力の電圧が電気負荷が必要としている電圧よりも高くなった場合に電力供給機構から蓄電パックへの充電が行われる。これにより、電気負荷に供給される電力の電圧が、電力供給機構の定格電圧の+20%よりも高くなることを抑制することができる。よって、電気負荷に供給される電力の電圧が過電圧になることに起因する停電や、電気負荷に障害が生じることを抑制することができる。また、電力供給機構から供給される電力の電圧や、蓄電パックの電圧等を監視する監視装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システムの低価格化及び小型化が可能となる。
本発明に係る第1の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が定格電圧の−2%以下であることが好ましい。この場合、蓄電パックの充放電頻度を減らすことができ、また、蓄電パックの充放電による劣化を防ぐことができるため、電力供給システムの長寿命化が可能となる。蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が定格電圧の+2%以上であることが好ましい。この場合、蓄電パックの充放電頻度を減らすことができ、また、蓄電パックの充放電による劣化を防ぐことができるため、電力供給システムの長寿命化が可能となる。
本発明に係る第2の電力供給システムは、電力供給機構と、電気負荷と、送電線と、蓄電パックとを備える。電力供給機構は、直流電力を供給する。電気負荷は、電力供給機構に接続されている。送電線は、電力供給機構と電気負荷とを接続している。蓄電パックは、送電線に接続されている。蓄電パックの充放電曲線は、電力供給機構の定格電圧を通過する段差を有している。蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、蓄電パックの放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の−20%以上である。蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、蓄電パックの充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の+20%以下である。
本発明に係る第2の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線は、電力供給機構の定格電圧を通過する段差を有している。このため、蓄電パックの電圧が、蓄電パックの充放電曲線が有する段差において、電力供給機構の定格電圧とほぼ一致する。このため、蓄電パックに電流がほとんど流れない。よって、蓄電パックのSOCをほぼ一定の状態に保持するために、蓄電パックのSOCを監視したり、制御したりするための制御装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システムの低価格化及び小型化が可能となる。
また、本発明に係る第2の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、蓄電パックの放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の−20%以上である。このため、電力供給機構からの電力供給量の減少や電気負荷における消費電力の増加が生じ、電力供給機構から供給される電力の電圧が電気負荷が必要としている電圧よりも低くなった場合に蓄電パックから電気負荷への放電が行われる。これにより、電気負荷に供給される電力の電圧が、電力供給機構の定格電圧の−20%よりも低くなることを抑制することができる。よって、電気負荷に供給される電力の電圧低下による停電や、電気負荷に障害が生じることを抑制することができる。また、電力供給機構から供給される電力の電圧や、蓄電パックの電圧等を監視する監視装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システムの低価格化及び小型化が可能となる。
本発明に係る第2の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、蓄電パックの充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の+20%以下である。このため、電力供給機構からの電力供給量の増加や電気負荷における消費電力の減少が生じ、電力供給機構から供給される電力の電圧が電気負荷が必要としている電圧よりも高くなった場合に電力供給機構から蓄電パックへの充電が行われる。これにより、電気負荷に供給される電力の電圧が、電力供給機構の定格電圧の+20%よりも高くなることを抑制することができる。よって、電気負荷に供給される電力の電圧が過電圧になることに起因する停電や、電気負荷に障害が生じることを抑制することができる。また、電力供給機構から供給される電力の電圧や、蓄電パックの電圧等を監視する監視装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システムの低価格化及び小型化が可能となる。
本発明に係る第2の電力供給システムでは、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、蓄電パックの放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の−2%以下であることが好ましい。この場合、蓄電パックの充放電頻度を減らすことができ、また、蓄電パックの充放電による劣化を防ぐことができるため、電力供給システムの長寿命化が可能となる。蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、蓄電パックの充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の+2%以上であることが好ましい。この場合、蓄電パックの充放電頻度を減らすことができ、また、蓄電パックの充放電による劣化を防ぐことができるため、電力供給システムの長寿命化が可能となる。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムでは、蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池又はニッケル水素蓄電池を含んでもよい。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムでは、蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池を含んでもよい。その場合、リチウムイオン蓄電池の正極が、正極活物質として、Li[NiMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.45)、Li[CoMn(2−x)]O(0.1≦x≦1)、Li[FeMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.45)、LiFeMnCoNiPO(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、0≦d≦1、a+b+c+d=1)及びLi(POからなる群から選択された少なくとも一種を含んでいてもよい。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムでは、蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池を含んでもよい。その場合、リチウムイオン蓄電池の正極が、複数種類の正極活物質を含んでいてもよい。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムでは、蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池を含み、リチウムイオン蓄電池の負極が、複数種類の負極活物質を含んでいてもよい。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムでは、蓄電パックが、直列に接続された複数の蓄電デバイスからなる複数の蓄電モジュールが並列に接続されてなり、複数の蓄電モジュールは、接続段数が相互に異なる蓄電モジュールを含んでいてもよい。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムでは、蓄電パックが、異なる種類の蓄電デバイスを有する複数種類の蓄電モジュールを備えていてもよい。この場合、蓄電パックの充放電曲線に段差を設けることができる。
本発明に係る第1及び第2の電力供給システムのそれぞれでは、蓄電パックにおいて、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側での容量と、蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側での容量との比が10:90〜90:10の範囲にあることが好ましい。
本発明によれば、電力供給システムの低価格化及び小型化を図ることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る電力供給システムの略図的回路図である。 図2は、本発明の一実施形態における蓄電パックの略図的回路図である。 図3は、第1の変形例における蓄電パックの略図的回路図である。 図4は、第2の変形例における蓄電パックの略図的回路図である。 図5は、第3の変形例における蓄電パックの略図的回路図である。 図6は、本発明の一実施形態における蓄電パックの充放電曲線を説明する図である。 図7は、本発明の一実施形態における蓄電パックのdQ/dV曲線を説明する図である。 図8は、実施例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図9は、実施例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図10は、実施例2において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図11は、実施例2において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図12は、実施例3において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図13は、実施例3において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図14は、実施例4において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図15は、実施例4において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図16は、実施例5において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図17は、実施例5において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図18は、参考例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図19は、参考例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図20は、参考例2において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図21は、参考例2において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図22は、実施例6において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図23は、実施例6において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図24は、実施例7において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図25は、実施例7において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図26は、実施例8において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図27は、実施例8において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図28は、実施例9において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図29は、実施例9において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図30は、実施例10において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図31は、実施例10において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図32は、実施例11において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図33は、実施例11において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図34は、実施例13において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図35は、実施例13において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図36は、参考例3において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図37は、参考例3において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図38は、参考例4において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図39は、参考例4において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図40は、参考例5において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図41は、参考例5において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図42は、参考例6において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図43は、参考例6において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図44は、参考例7において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図45は、参考例7において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図46は、実験例17において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図47は、実験例17において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図48は、実験例18において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図49は、実験例18において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図50は、実験例19において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図51は、実験例19において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図52は、実験例20において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図53は、実験例20において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図54は、実験例21において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図55は、実験例21において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。 図56は、実施例56において作製した蓄電パックの略図的回路図である。 図57は、実験例22において作製した蓄電パック13の充放電曲線である。 図58は、実験例22において作製した蓄電パック13の充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。
図1は、本実施形態に係る電力供給システム1の略図的回路図である。
図1に示す電力供給システム1は、電力供給機構10を備えている。電力供給機構10は、直流電力を供給する機構である。電力供給機構10は、例えば、ディーゼル発動機や風力発電機、原子力発電機、水力発電機、火力発電機、燃料電池、太陽電池等の各種発電機、内燃機関等を用いて構成することができる。また、電力供給機構10は、複数種類の発電機構等を有していてもよい。
本実施形態では、電力供給機構10が、発電機などにより構成されており、交流電力を供給する電力供給部10aと、電力供給部10aに接続されたAC−DC変換機能を有する電力変換部10bとにより構成されている例について説明する。なお、AC−DC変換機能を有する電力変換部10bの後段に、さらにDC−DC変換機能を有する電力変換部を接続して電力供給機構を構成してもよい。
なお、太陽電池等の直流電力を発生させる発電機構を電力供給部として用いる場合は、電力供給部のみにより電力供給機構を構成してもよいし、電力供給部及びそれに接続されたDC−DC変換機能を有する電力変換部により電力供給機構10を構成してもよい。
本願における電力供給機構の定格電圧とは、電力供給機構にAC−DC変換機能を有する電力変換部、DC−DC変換機能を有する電力変換部等を含まない場合には、電力供給部の出力の定格電圧を示している。
また、電力供給機構にAC−DC変換機能を有する電力変換部、DC−DC変換機能を有する電力変換部等を含む場合には、これらの最後段の出力の定格電圧を示している。
電力供給機構10には、電気負荷11が接続されている。電気負荷11は、電力供給機構10からの電力を、運動エネルギー等の電力以外のエネルギーに変換する機構である。電気負荷11は、例えば、自動車、船舶、航空機等のモーター、一般家庭、公共施設、民間施設等で用いられる電気製品(例えば、エアーコンディショナー、コンピューター、サーバー等)であってもよい。なお、電気負荷11の主体が交流電力を駆動力とするものである場合は、電気負荷11に、DC−AC変換機能を有する電力変換部を含んでもよい。また、直流電圧を変換する必要がある場合には、電気負荷11に、DC−DC変換機能を有する電力変換部を含んでもよい。
電力供給機構10と電気負荷11とは、送電線12により電気的に接続されている。送電線12には、蓄電パック13が接続されている。なお、送電線12と蓄電パック13との間には、必要に応じて、ヒューズ、FET(Field effect transistor)スイッチ等が設けられていてもよい。また、蓄電パック13には、必要に応じて、過充電状態や過熱等の異常の発生を抑制するための制御装置が接続されていてもよい。
なお、本発明において、「蓄電パック」は、少なくとも一種の蓄電デバイスを含む。蓄電パックのうち、少なくともひとつの蓄電池により構成されたものを「蓄電池パック」とする。従って、リチウムイオン蓄電池パックは、少なくともひとつのリチウムイオン蓄電池により構成された蓄電池パックを意味する。鉛蓄電池パックは、少なくともひとつの鉛蓄電池により構成された蓄電池パックを意味する。ニッケル水素蓄電池パックは、少なくともひとつのニッケル水素蓄電池により構成された蓄電池パックを意味する。
蓄電パックは、ひとつの蓄電モジュールにより構成されていてもよい。蓄電パックは、並列に接続された複数の蓄電モジュールにより構成されていてもよい。蓄電パックは、直列に接続された複数の蓄電モジュールの少なくともひとつに蓄電モジュールが並列に接続されたものであってもよい。
本発明において、「蓄電デバイス」は、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池等の蓄電池や、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタ等の単セルを意味している。
本発明において、「蓄電モジュール」は、直列に接続された少なくともひとつの蓄電デバイスを意味する。従って、蓄電パックは、蓄電モジュールを有し得る。
本発明において、蓄電パックが複数の蓄電デバイスを有する場合、それら複数の蓄電デバイスは、同種であってもよいし、複数種類の蓄電デバイスを含んでいてもよい。
図2に示すように、本実施形態では、蓄電パック13が、直列に接続された複数の蓄電デバイス13aにより構成された一つの蓄電モジュール13bにより構成されている例について説明する。具体的には、本実施形態では、蓄電パック13が直列に接続された4つのリチウムイオン蓄電池デバイス13aにより構成されている例について説明する。
本発明において、蓄電パックは、一つの蓄電モジュールにより構成されている必要は必ずしもない。例えば、図3及び図4に示すように、蓄電パック13において、複数の蓄電モジュール13bが並列に接続されていてもよい。例えば、図5に示すように、蓄電パック13において、直列に接続された複数の蓄電モジュール13bの少なくともひとつに蓄電モジュール13bが並列に接続されていてもよい。
蓄電パック13がリチウムイオン蓄電池パックである場合、リチウムイオン蓄電池の正極に含まれる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、遷移金属硫化物等の無機化合物、有機化合物などが挙げられる。具体的には、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(1+a)NiMnCo(0≦a≦0.5、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)、Li[NiMn(2−x)]O(0≦x≦0.5)、Li[CoMn(2−x)]O(0≦x≦1)、Li[FeMn(2−x)]O(0≦x≦1)、LiNiVO、LiFePO、LiMnPO、LiCoPO、LiNiPO、LiFeMnCoNiPO(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、0≦d≦1、a+b+c+d=1)、Li(PO、LiVOPOなどの遷移金属とリチウムとの複合酸化物;MnO、MnO、Vなどの遷移金属酸化物;FeS、TiSなどの遷移金属硫化物;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、有機ラジカル化合物などの有機化合物等が好ましく用いられる正極活物質として挙げられる。上記の無機化合物の遷移金属元素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。これらの正極活物質は1種単独で用いてもよく、2種以上の正極活物質を同時に用いてもよい。
リチウムイオン蓄電池の負極に含まれる負極活物質としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物、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、リチウム金属などが挙げられる。具体的にはLiMn、LiTi12、LiTi、LiMg1/2Ti3/2、LiCo1/2Ti3/2、LiZn1/2Ti3/2、LiFeTiO、LiCrTiO、LiSrTi14、LiBaTi14などの遷移金属とリチウムとの複合酸化物;TiO、WO、MoO、MnO、V、SiO、SiO、SnOなどの金属酸化物;Si、Snなどの合金系材料;FeS、TiSなどの遷移金属硫化物;黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素などの炭素材料;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、有機ラジカル化合物などの有機化合物等が負極活物質として挙げられる。無機化合物には、上記の化合物の遷移金属元素を異種元素で置換した化合物を用いてもよい。これらの負極活物質は1種単独で用いてもよく、2種以上の負極活物質を同時に用いてもよい。また、上記の負極活物質に対してリチウムイオンのプレドープ処理を行ったものを負極活物質として用いてもよい。
図6は、本実施形態における蓄電パックの充放電曲線を説明する図である。詳細には、図6に示す蓄電パック13の充放電曲線は、25℃±5℃の雰囲気において、0.2Cの電流値で放電終止電圧から充電終止電圧までの電圧範囲で定電流充放電を行ったときの充放電曲線である。
図6に示すように、電力供給システム1は、以下の条件(a)、(b)及び(c)を満たす。なお、図6において、定格電圧は電力供給機構10の定格電圧を表しており、Chaは蓄電パック13の充電曲線を表しており、Disは蓄電パック13の放電曲線を表している。
(a)蓄電パックの充放電曲線は、電力供給機構10の定格電圧を通過する段差を有している。
(b)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が定格電圧の−20%以上である。
(c)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が定格電圧の+20%以下である。
図7は、本実施形態における蓄電パック13のdQ/dV曲線を説明する図である。詳細には、図7に示す蓄電パック13のdQ/dV曲線は、25℃±5℃の雰囲気において、0.2Cの電流値で放電終止電圧から充電終止電圧までの電圧範囲で定電流充放電を行ったときの充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)である。
なお、電力供給機構10の定格電圧よりも低い電圧に蓄電パック13のdQ/dV曲線(放電曲線)のピークが複数存在する場合や、電力供給機構10の定格電圧よりも高い電圧に蓄電パック13のdQ/dV曲線(充電曲線)のピークが複数存在する場合は、それぞれ、最大のピークの電圧を、ピークトップ電圧とするものとする。
図7に示すように、電力供給システム1は、さらに、以下の条件(d)及び(e)を満たす。
(d)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、蓄電パック13の放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の−20%以上である。
(e)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、蓄電パック13の充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の+20%以下である。
本発明において、「充放電曲線の段差」とは、第2の蓄電パックのSOCが5%以上95%以下の範囲において電圧が大きく変化する範囲のことを言い、具体的にはSOCが5%以上95%以下の範囲においてSOCの変化量(ΔSOC)に対する充電曲線又は放電曲線の少なくとも一方の電圧の変化量(ΔV)の割合であるΔV/ΔSOCの絶対値が(0.008×定格電圧)V/%以上となる範囲のことを言う。ここで、定格電圧は電力供給機構10の定格電圧の値(単位:V)である。
「段差の開始点」とは1つの段差の範囲における放電曲線の最小電圧及びその電圧におけるSOCを意味する。
「段差の開始点よりも低SOC側での平均放電電圧」とは、SOCが0%から段差の開始点におけるSOCまでの範囲での放電曲線の電圧の算術平均値のことである。
「段差の終了点」とは同じ1つの段差の範囲における充電曲線の最大電圧及びその電圧におけるSOCを意味する。
「段差の終了点よりも高SOC側での平均充電電圧」とは、段差の終了点におけるSOCからSOC100%までの範囲での充電曲線の電圧の算術平均値のことである。
なお、本実施形態の電力供給システム1は、条件(a)、(b)、(c)、(d)及び(e)の全てを満たしているが、本発明は、これに限定されなくてもよい。本発明に係る蓄電システムは、条件(a)、(b)及び(c)のみを満たしていてもよい。また、本発明に係る蓄電システムは、条件(a)、(d)及び(e)のみを満たしていてもよい。
本実施形態に係る電力供給システム1は、条件(a)を満たしている。このため、蓄電パック13の電圧が、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差において、電極供給機構10の定格電圧とほぼ一致する。このため、蓄電パック13に電流がほとんど流れない。よって、蓄電パック13のSOCをほぼ一定の状態に保持するために、蓄電パック13のSOCを監視したり、制御したりするための制御装置を設けることが必ずしも必要ではない。また、蓄電パック13に必要な容量を低減することができる。従って、電力供給システム1の低価格化及び小型化が可能となる。さらに、蓄電パック13の充放電頻度を減らすことができる。このため、充放電サイクルが行われることによる蓄電パック13の劣化や、充放電に伴う発熱に起因する劣化を抑制することができる。そのえっ過、蓄電パック13の交換費用やメンテナンス費用を削減することができるため、電力供給システム1のランニングコストを低くすることができる。
また、電力供給システム1は、条件(b)及び条件(d)の少なくとも一方を満たしている。このため、電力供給機構10からの電力供給量の減少や電気負荷11における消費電力の増加が生じ、電力供給機構10から供給される電力の電圧が電気負荷11が必要としている電圧よりも低くなった場合に蓄電パック13から電気負荷11への放電が行われる。また、例えば、電力供給機構10からの電力供給が停止した場合にも蓄電パック13から電気負荷11への放電が行われる。これにより、電気負荷11に供給される電力の電圧が、電力供給機構10の定格電圧の−20%よりも低くなることを抑制することができる。よって、電気負荷11に供給される電力の電圧低下による停電や、電気負荷11に障害が生じることを抑制することができる。また、電力供給機構10から供給される電力の電圧や、蓄電パック13の電圧等を監視する監視装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システム1の低価格化及び小型化が可能となる。この観点から、電力供給システム1は、下記の条件(b1)及び(d1)の少なくとも一方を満たしていることが好ましい。
(b1)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が定格電圧の−15%以上である。
(d1)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、蓄電パック13の放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の−15%以上である。
上述のように、蓄電パック13からの電気負荷11への放電が行われた後に、電力供給機構10からの供給電力の減少や、電気負荷11における消費電力の増加が解消された場合、電力供給システム1では、条件(a)が満たされるため、蓄電パック13の電圧は、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差において電力供給機構10の定格電圧とほぼ一致する。このため、蓄電パック13は、電力供給機構10からの電力によって自動的に充電される。このため、蓄電パック13に特別な制御装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システム1の低価格化及び小型化が可能となる。
さらに、電力供給システム1は、条件(c)及び条件(e)の少なくとも一方を満たしている。このため、電力供給機構10からの電力供給量の増加や電気負荷11における消費電力の減少が生じ、電力供給機構10から供給される電力の電圧が電気負荷11が必要としている電圧よりも高くなった場合に電気負荷11から蓄電パック13への充電が行われる。また、例えば、電気負荷11がモーターを有しており、そのモーターから回生エネルギーが発生した場合にも、電気負荷11から蓄電パック13への充電が行われる。これにより、電気負荷11に供給される電力の電圧が、電力供給機構10の定格電圧の+20%よりも高くなることを抑制することができる。よって、電気負荷11に供給される電力の電圧が過電圧になることに起因する停電や、電気負荷11に障害が生じることを抑制することができる。また、電力供給機構10から供給される電力の電圧や、蓄電パック13の電圧等を監視する監視装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システム1の低価格化及び小型化が可能となる。この観点から、電力供給システム1は、下記の条件(c1)及び(e1)の少なくとも一方を満たしていることが好ましい。
(c1)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が定格電圧の+15%以下である。
(e1)蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、蓄電パック13の充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の+15%以上である。
上述のように、電力供給機構10から蓄電パック13への充電が行われた後に、電力供給機構10からの電力供給量の増加や電気負荷11における消費電力の減少が解消された場合、電力供給システム1では、条件(a)が満たされるため、蓄電パック13の電圧は、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差において電極供給機構10の定格電圧とほぼ一致する。このため、蓄電パック13は、自動的に放電し、電気負荷11に電力を供給する。このため、蓄電パック13に特別な制御装置を設けることが必ずしも必要ではない。従って、電力供給システム1の低価格化及び小型化が可能となる。
電力供給システム1では、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が定格電圧の−2%以下であることが好ましい。この場合、蓄電パック13の充放電頻度を減らすことができ、また、蓄電パック13の充放電による劣化を防ぐことができるため、電力供給システム1の長寿命化が可能となる。同様の観点から、電力供給システム1では、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、蓄電パック13の放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の−2%以下であることが好ましい。
また、電力供給システム1では、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が定格電圧の+2%以上であることが好ましい。この場合、蓄電パック13の充放電頻度を減らすことができ、また、蓄電パック13の充放電による劣化を防ぐことができるため、電力供給システムの長寿命化が可能となる。同様の観点から、電力供給システム1では、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、蓄電パック13の充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が定格電圧の+2%以上であることが好ましい。
電力供給システム1が条件(a)、(b)、(c)、(d)及び(e)を満たすようにする方法としては、以下の方法が考えられる。
(方法1)
蓄電パック13を、リチウムイオン蓄電池を有するリチウムイオン蓄電池パックとし、リチウムイオン蓄電池の正極を、正極活物質として、リチウムイオン蓄電池の充放電曲線が段差を有するようになる正極活物質を用いる方法。若しくは、リチウムイオン蓄電池の負極を、負極活物質として、リチウムイオン蓄電池の充放電曲線が段差を有するようになる負極活物質を用いる方法。
リチウムイオン蓄電池の充放電曲線が段差を有するようになる正極活物質の具体例としては、例えば、Li[NiMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.45)、Li[CoMn(2−x)]O(0.1≦x≦1)、Li[FeMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.45)、LiFeMnCoNiPO(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、0≦d≦1、a+b+c+d=1)、Li(PO等が挙げられる。これらの正極活物質の1種のみを用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。
(方法2)
蓄電パック13を、リチウムイオン蓄電池を有するリチウムイオン蓄電池パックとし、リチウムイオン蓄電池の正極に、複数種類の正極活物質を含ませる方法。
例えば、リチウムイオン蓄電池の正極に、以下、正極活物質を含ませることが考えられる。
1)LiFePO及びLiCoO
2)LiFePO及びLiMn
3)LiFePO及びLi(1+a)NiMnCo(0≦a≦0.5、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)
4)LiFePO及びLi[NiMn(2−x)]O(0≦x≦0.5)
5)LiFePO及びLiMnPO
6)LiFePO及びLiCoPO
7)LiMn及びLi[NiMn(2−x)]O(0≦x≦0.5)
8)LiMn及びLiCoPO
(方法3)
蓄電パック13を、リチウムイオン蓄電池を有するリチウムイオン蓄電池パックとし、リチウムイオン蓄電池の負極に、複数種類の負極活物質を含ませる方法。
例えば、リチウムイオン蓄電池の負極に、以下、負極活物質を含ませることが考えられる。
1)黒鉛及びLiTi12
2)黒鉛及びSiO
3)黒鉛及びSnO
4)黒鉛及びSi
5)黒鉛及びSn
6)難黒鉛化炭素及びLiTi12
7)難黒鉛化炭素及びSiO
8)難黒鉛化炭素及びSnO
9)難黒鉛化炭素及びSi
10)難黒鉛化炭素及びSn
11)LiTi12及びSiO
12)LiTi12及びSnO
13)LiTi12及びSi
14)LiTi12及びSn
(方法4)
蓄電パック13を、1種類の複数の蓄電デバイスにより構成し、かつ、並列に接続された接続段数の異なる蓄電モジュールにより構成する方法。
(方法5)
蓄電パック13を、異なる種類の蓄電デバイスを有する複数種類の蓄電モジュールにより構成する方法。
例えば、蓄電パック13に、以下の1)〜8)のように、正極活物質が異なるリチウムイオン蓄電池を含ませることが考えられる。
1)LiFePOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiCoOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
2)LiFePOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiMnを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
3)LiFePOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Li(1+a)NiMnCo(0≦a≦0.5、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
4)LiFePOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Li[NiMn(2−x)]O(0≦x≦0.5)を正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
5)LiFePOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiMnPOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
6)LiFePOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiCoPOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
7)LiMnを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Li[NiMn(2−x)]O(0≦x≦0.5)を正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
8)LiMnを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiCoPOを正極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
例えば、蓄電パック13に、以下の9)〜22)のように、負極活物質が異なるリチウムイオン蓄電池を含ませることが考えられる。
9)黒鉛を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiTi12を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
10)黒鉛を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、SiOを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
11)黒鉛を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、SnOを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
12)黒鉛を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Siを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
13)黒鉛を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Snを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
14)難黒鉛化炭素を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、LiTi12を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
15)難黒鉛化炭素を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、SiOを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
16)難黒鉛化炭素を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、SnOを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
17)難黒鉛化炭素を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Siを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
18)難黒鉛化炭素を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Snを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
19)LiTi12を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、SiOを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
20)LiTi12を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、SnOを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
21)LiTi12を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Siを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
22)LiTi12を負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池と、Snを負極活物質として含むリチウムイオン蓄電池。
また、例えば、蓄電パック13に、リチウムイオン蓄電池モジュール、ニッケル水素蓄電池モジュール、鉛蓄電池モジュール及びキャパシタからなる群から選ばれた少なくとも2種の蓄電モジュールを含ませてもよい。
(方法6)
蓄電パック13を、並列に接続された、電圧が相互に異なる複数の蓄電モジュールと、少なくともひとつの蓄電モジュールに設けられたスイッチと、スイッチをオン/オフする制御部とにより構成する方法。方法6の場合、スイッチのオン/オフにより充放電曲線に段差が形成される。
方法6においては、電圧が相対的に低い蓄電モジュールに対してスイッチが設けられていることが好ましい。この場合、スイッチが設けられた蓄電モジュールが過充電になる前にスイッチをオフすることにより充放電曲線に段差を形成することができる。
一方、電圧が相対的に高い蓄電モジュールに対してスイッチが設けられている場合は、スイッチが設けられた蓄電モジュールが過放電になる前にスイッチをオフすることにより充放電曲線に段差を形成することができる。
なお、上記(方法1)〜(方法6)は、適宜組み合わせて実施することができる。
電力供給システム1では、蓄電パック13において、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側での容量と、蓄電パック13の充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側での容量との比が10:90〜90:10の範囲にあることが好ましい。この場合、電気負荷11に供給される電力の電圧低下および過電圧の両方を蓄電パック13によってさらに防止することができ、電力供給システム1のさらなる低価格化及び小型化が可能となる。
(実施例)
(実施例1)
電力供給部10aとしての三相交流200Vの電源と、AC−DC変換機能を有する電力変換部10bとしての三相交流200Vの電力を直流48Vの電力に変換するAC−DCコンバーターとによる定格電圧が48Vの電力供給機構10を用い、蓄電パック13として以下の構成の蓄電モジュールを用いて、上記実施形態に係る電力供給システム1を構築した。
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比が1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を11個直列接続した蓄電モジュールを作製し、蓄電パック13として用いた。
図8に、本実施例において作製した蓄電パック13の充放電曲線を示し、図9に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例2)
正極活物質としてLi[Ni0.05Mn1.95]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図10に、本実施例において作製した蓄電パック13の充放電曲線を示し、図11に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例3)
正極活物質としてLi[Ni0.15Mn1.85]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図12に、本実施例において作製した蓄電パック13の充放電曲線を示し、図13に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例4)
正極活物質としてLi[Ni0.35Mn1.65]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図14に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図15に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例5)
正極活物質としてLi[Ni0.40Mn1.60]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図16に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図17に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)曲線を示す。
(参考例1)
正極活物質としてLiMnを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を12個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図18に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図19に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(参考例20)
正極活物質としてLi[Ni0.50Mn1.50]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図20に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図21に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例6)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質としてハードカーボンを用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を12個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図22に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図23に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例7)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質としてソフトカーボンを用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を12個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図24に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図25に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例8)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質としてSiを用い、A/C比=2.0で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を12個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図26に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図27に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
表1に各実施例及び参考例における定格電圧、蓄電パック13の構成、段差の開始点でのSOC及び電圧、段差の終了点でのSOC及び電圧、段差の開始点より低SOC側での平均放電電圧及びdQ/dV曲線において得られるピークトップの電圧、段差の終了点より高SOC側での平均充電電圧及びdQ/dV曲線において得られるピークトップの電圧、段差の開始点よりも低SOC側での容量と段差の終了点よりも高SOC側での容量との比を示す。
実施例1〜8の結果から、充放電曲線に段差をもつ正極活物質であるLi[NiMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.40)を用いることによって、上記条件(a)(b)(c)及び条件(a)(d)(e)の少なくとも一方を満たす蓄電パック13の設計が可能となることが分かる。
Li[NiMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.40)においては、活物質組成におけるxの値や合成条件を調整することによって、段差の開始点及び段差の終了点の位置を容易に調整することができ、それにより段差の開始点よりも低SOC側での容量と段差の終了点よりも高SOC側での容量との比も容易に調整することができる。また、xの値や合成条件だけでなく、異種元素(例えばLi、Ti、Al、Mg、B、Cr、Coなど)を添加又は異種元素でNiやMnを置換することによっても、段差の開始点及び段差の終了点の位置を調整することができる。
(実施例9)
正極活物質としてLiMnとLi[Ni0.5Mn1.5]Oとを重量比(LiMn:Li[Ni0.5Mn1.5]O)が60:40となるように混合したものを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図28に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図29に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例10)
正極活物質としてLiFePOとLiNi1/3Co1/3Mn1/3を重量比(LiFePO:LiNi1/3Co1/3Mn1/3)が35:65となるように混合したものを用い、負極活物質としてSiを用い、A/C比=3.0で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を16個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図30に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図31に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例11)
正極活物質としてLiFePOとLiNi1/3Co1/3Mn1/3とを重量比(LiFePO:LiNi1/3Co1/3Mn1/3)が50:50となるように混合したものを用い、負極活物質としてLiTi12を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を24個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図32に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図33に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例9〜10の結果から、複数種類の正極活物質を用いることによって、上記条件(a)(b)(c)及び条件(a)(d)(e)の少なくとも一方を満たす蓄電パック13の設計が可能となることが分かる。また、正極活物質の混合比を変更することによって、充放電曲線の段差の開始点や終了点の位置を容易に調製することができる。それにより、段差の開始点よりも低SOC側での容量と段差の終了点よりも高SOC側での容量との比も容易に調整することができる。
(実施例12)
正極活物質としてLiMnを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が6Ahのリチウムイオン蓄電池を作製し、このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続することで第1の蓄電モジュールを作製した。また、正極活物質としてLi[Ni0.5Mn1.5]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が4Ahのリチウムイオン蓄電池を作製し、このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続することで第2の蓄電モジュールを作製した。さらに、第1の蓄電モジュールと第2の蓄電モジュールとを並列接続することで蓄電パック13を作製した。この蓄電パック13を用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
実施例12において作製した蓄電パック13の充放電曲線は、実施例9において作製した蓄電パック13の充放電曲線と同様である。実施例12において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線は、実施例9において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線と同様である。
(実施例13)
正極活物質としてLiFePOを用い、負極活物質としてLiTi12を用い、A/C比=0.8で容量が5Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を、24個直列接続することで第1の蓄電モジュールを組み立てた。また、上記リチウムイオン蓄電池を28個直列接続することで第2の蓄電モジュールを組み立てた。さらに第1の蓄電モジュールと第2の蓄電モジュールとを並列接続することで蓄電パック13を組み立てた。この蓄電パック13を用いたこと以外は実施例1と同様の方法で電力供給システム1を作製した。
図34に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図35に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例13の結果から分かるように、直列接続数が異なる複数の蓄電モジュールを並列接続することによって、上記条件(a)(b)(c)及び条件(a)(d)(e)の少なくとも一方を満たす蓄電パック13の設計が可能となることが分かる。また、2つの蓄電モジュールの容量比を変えた場合には、段差の開始点及び段差の終了点の位置を調整することができ、それにより段差の開始点よりも低SOC側での容量と段差の終了点よりも高SOC側での容量との比も調整することができる。
(参考例3)
正極活物質としてLiFePOとLi[Ni0.50Mn1。50]Oとを重量比(LiFePO:Li[Ni0.50Mn1。50]O)が50:50となるように混合したものを用い、負極活物質としてハードカーボンを用い、A/C比=1.5で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を13個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図36に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図37に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(参考例4)
正極活物質としてLiFePOとLiMnとを重量比(LiFePO:LiMn)が50:50となるように混合したものを用い、負極活物質としてLiTi12を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を21個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図38に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図39に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(参考例5)
正極活物質としてLiFePOとLiMnとを重量比(LiFePO:LiMn)が50:50となるように混合したものを用い、負極活物質としてLiTi12を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を23個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図40に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図41に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(参考例6)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を9個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図42に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図43に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(参考例7)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を13個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
図44に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図45に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
(実施例14)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が1Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続して作製した蓄電モジュールを蓄電パック13として用いたこと以外は、実施例1と同様にして電力供給システム1を構築した。
実施例14において作製した蓄電パック13の充放電曲線は、実施例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線と同様である。実施例14において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線は、実施例1において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線と同様である。
(実施例15)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が50Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続することで蓄電モジュールを組み立て、その蓄電モジュールを2つ並列接続することで蓄電パック13を組み立てた。それ以外は実施例1と同様の方法で電力供給システム1を作製した。
実施例15において作製した蓄電パック13の充放電曲線は、実施例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線と同様である。実施例15において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線は、実施例1において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線と同様である。
(実施例16)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が50Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を11個直列接続することで蓄電モジュールを組み立て、その蓄電モジュールを20個並列接続することで蓄電パック13を組み立てた。それ以外は実施例1と同様の方法で電力供給システム1を作製した。
実施例16において作製した蓄電パック13の充放電曲線は、実施例1において作製した蓄電パック13の充放電曲線と同様である。実施例16において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線は、実施例1において作製した蓄電パック13のdQ/dV曲線と同様である。
(実施例17)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質としてハードカーボンを用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を3個直列接続した蓄電モジュールを作製し、蓄電パック13として用いた。
図46に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図47に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
本実施例17において作製した蓄電パック13は、定格電圧が直流12Vである電力供給機構10を有する電力供給システム1に好適に用いられる。
(実施例18)
正極活物質としてLiFePOとLiNi1/3Co1/3Mn1/3とを重量比(LiFePO:LiNi1/3Co1/3Mn1/3)が50:50となるように混合したものを用い、負極活物質としてLiTi12を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を7個直列接続した蓄電モジュールを作製し、蓄電パック13として用いた。
図48に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図49に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例18において作製した蓄電パックは、定格電圧が直流14.4Vである電力供給機構10を有する電力供給システム1に好適に用いられる。
(実施例19)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質としてハードカーボンを用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を6個直列接続した蓄電モジュールを作製し、蓄電パック13として用いた。
図50に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図51に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例19において作製した蓄電パックは、定格電圧が直流24Vである電力供給機構10を有する電力供給システム1に好適に用いられる。
(実施例20)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質として黒鉛を用い、A/C比=1.2で容量が10Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を86個直列接続した蓄電モジュールを作製し、蓄電パック13として用いた。
図52に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図53に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例20において作製した蓄電パックは、定格電圧が直流380Vである電力供給機構10を有する電力供給システム1に好適に用いられる。
(実施例21)
正極活物質としてLi[Ni0.25Mn1.75]Oを用い、負極活物質としてハードカーボンを用い、A/C比=1.2で容量が50Ahのリチウムイオン蓄電池を作製した。このリチウムイオン蓄電池を345個直列接続した蓄電モジュールを作製し、蓄電パック13として用いた。
図54に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図55に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例21において作製した蓄電パックは、定格電圧が直流1500Vである電力供給機構10を有する電力供給システム1に好適に用いられる。
(実施例22)
図56に示すように、容量が5Ahのニッケル水素蓄電池を蓄電デバイス13aとして用い、このニッケル水素蓄電池を8個直列接続することで第1の蓄電モジュール13b1を作製した。また、このニッケル水素蓄電池を10個直列接続することで第2の蓄電モジュール13b2を作製した。さらに、第1の蓄電モジュール13b1と第2の蓄電モジュール13b2とを並列接続し、第1の蓄電モジュール13b1側にスイッチ14を設けることで蓄電パック13を作製した。スイッチ14は、第1の蓄電モジュール13b1の電圧が12.0V以下でONとなり、12.0Vよりも大きくなるとOFFとなるスイッチである。
図57に、この蓄電パック13の充放電曲線を示し、図58に、その充放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)を示す。
実施例22において作製した蓄電パックは、定格電圧が直流12Vである電力供給機構10を有する電力供給システム1に好適に用いられる。
実施例22の結果から分かるように、蓄電パック13に一定の電圧でON/OFFをするスイッチ14を設置することによって、充放電曲線に段差を形成することができる。また、スイッチを設けることで、充放電電圧が低い方の蓄電モジュールが過充電状態になったり充放電電圧が高い方の蓄電モジュールが過放電状態になったりすることを防ぐことができる。このため、蓄電パック13にニッケル水素蓄電池や過充電耐性の低いリチウムイオン蓄電池を用いることができる。従って、蓄電パック13により第1の蓄電パック11の電圧が過充電領域又は過放電領域に入ることを防ぐことができる。
1 電力供給システム
10 電力供給機構
10a 電力供給部
10b 電力変換部
11 電気負荷
12 送電線
13 蓄電パック
13a 蓄電デバイス
13b 蓄電モジュール
13b1 第1の蓄電モジュール
13b2 第2の蓄電モジュール
14 スイッチ

Claims (11)

  1. 直流電力を供給する電力供給機構と、
    前記電力供給機構に接続された電気負荷と、
    前記電力供給機構と前記電気負荷とを接続している送電線と、
    前記送電線に接続された蓄電パックと、
    を備え、
    前記蓄電パックの充放電曲線は、前記電力供給機構の定格電圧を通過する段差を有しており、
    前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が前記定格電圧の−20%以上であり、
    前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が前記定格電圧の+20%以下である、電力供給システム。
  2. 前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側における平均放電電圧が前記定格電圧の−2%以下であり、
    前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側における平均充電電圧が前記定格電圧の+2%以上である、請求項1に記載の電力供給システム。
  3. 直流電力を供給する電力供給機構と、
    前記電力供給機構に接続された電気負荷と、
    前記電力供給機構と前記電気負荷とを接続している送電線と、
    前記送電線に接続された蓄電パックと、
    を備え、
    前記蓄電パックの充放電曲線は、前記電力供給機構の定格電圧を通過する段差を有しており、
    前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、前記蓄電パックの放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が前記定格電圧の−20%以上であり、
    前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、前記蓄電パックの充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が前記定格電圧の+20%以下である、電力供給システム。
  4. 前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側において、前記蓄電パックの放電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が前記定格電圧の−2%以下であり、
    前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側において、前記蓄電パックの充電曲線を電圧で微分した曲線(dQ/dV曲線)において得られるピークトップの電圧が前記定格電圧の+2%以上である、請求項3に記載の電力供給システム。
  5. 前記蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池又はニッケル水素蓄電池を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力供給システム。
  6. 前記蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池を含み、
    前記リチウムイオン蓄電池の正極が、正極活物質として、Li[NiMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.45)、Li[CoMn(2−x)]O(0.1≦x≦1)、Li[FeMn(2−x)]O(0.05≦x≦0.45)、LiFeMnCoNiPO(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、0≦d≦1、a+b+c+d=1)及びLi(POからなる群から選択された少なくとも一種を含む、請求項5に記載の電力供給システム。
  7. 前記蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池を含み、
    前記リチウムイオン蓄電池の正極が、複数種類の正極活物質を含む、請求項5又は6に記載の電力供給システム。
  8. 前記蓄電パックが、リチウムイオン蓄電池を含み、
    前記リチウムイオン蓄電池の負極が、複数種類の負極活物質を含む、請求項5〜7のいずれか一項に記載の電力供給システム。
  9. 前記蓄電パックは、直列に接続された複数の蓄電デバイスからなる複数の蓄電モジュールが並列に接続されてなり、
    前記複数の蓄電モジュールは、接続段数が相互に異なる蓄電モジュールを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電力供給システム。
  10. 前記蓄電パックは、異なる種類の蓄電デバイスを有する複数種類の蓄電モジュールを備える、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電力供給システム。
  11. 前記蓄電パックにおいて、前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の開始点よりも低SOC側での容量と、前記蓄電パックの充放電曲線が有する段差の終了点よりも高SOC側での容量との比が10:90〜90:10の範囲にある、請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力供給システム。
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