JP6746076B2 - 直流電源 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池を用いた直流電源に関し、詳しくは、タップ付きトランスを用い電圧を選択可能にした直流電源に関する。
電池は直流電源を構成するもっとも簡単な電源の一つである。電池を直列および並列に接続することにより電源の電圧を調節することが可能であり、電源容量を増やすことも可能である。しかし、電池は放電すれば再度使用するには充電を必要とし、再度の利用に手間がかかるという問題がある。
特許文献１には、交流を直流に変換したのち電圧の異なる直流に変換する主電源用DCDCコンバータと、負荷回路の入力端子に接続されるバックアップ用DCDCコンバータと、バックアップ用DCDCコンバータの電力源となる二次電池と、二次電池と負荷回路の入力端子の間に接続されるスイッチと、主電源用DCDCコンバータの電圧を検知しこの電圧が所定電圧より下がったとき、スイッチをオン状態にする検知回路と、二次電池を充電する充電器を有する瞬断を防止することが可能な直流電源装置が開示されている。
DCDCコンバータは、回路内にもうけた半導体スイッチを高速でON/OFFすることにより、所望の電圧の電源を構成することが可能である。すなわち、DCDCコンバータを用いれば、スイッチング周波数を変えることにより所望の電圧の直流電源を得ることができる。また、DCDCコンバータは二次電池のような使用後の充電の必要がない。
DCDCコンバータは、熱損出が小さく、効率よく電圧の昇降が容易といったメリットがある反面、部品点数が多く、スイッチングノイズを発生するといったデメリットがある。
二次電池はDCDCコンバータのようにスイッチングノイズを発生することはないが、使用の度に充電を行う必要があり継続的な使用には手間がかかるという問題がある。もっとも、放電の都度充電を行い満充電状態を維持するいわゆるフローティング充電を行えば充電の手間は省けるが、従来の二次電池でフローティング充電を行えば、電池内部の温度上昇による電池性能の劣化を招くこととなる。
本発明が解決しようとする課題は、フローティング充電の行っても劣化することのない二次電池を用いて、ノイズの発生がない、使用後の充電の手間を要しない直流電源を実現することである。
前記した目的を達成するために、本発明に係る直流電源は、複数のタップ巻線を有するトランスと、前記タップ巻線の両端に充電可能に接続された二次電池と、前記タップ巻線の高電圧側と前記二次電池の正極の間には、前記二次電池から前記タップ巻線への電流を阻止する向きに整流器が接続されていて、前記二次電池から直流電力が取り出し可能となっている。
この構成によれば、二次電池を適切に直列接続することにより種々の電圧の直流電源を得ることができる。そして、DCDCコンバータのようなスイッチング素子を使用していないので、スイッチングノイズの発生することのない電源を実現する。
更に、二次電池は放電により外部に対して直流電力を供給するとともに、交流の電力系統から電力により常時充電されるので、充電の手間を必要としない。
更に、二次電池は放電により外部に対して直流電力を供給するとともに、交流の電力系統から電力により常時充電されるので、充電の手間を必要としない。
本発明に係る直流電源は、前記二次電池には水素ガスが封入されている。この構成によれば、過充電により二次電池を損傷することなく、満充電状態を維持することができる。当該二次電池は水素を負極活物質として利用する。
本発明に係る直流電源は、前記タップ巻線の巻き数が異なる。また、本発明に係る直流電源は、前記二次電池が直列に接続されている。この構成において、一の二次電池の負極と他の二次電池の正極が接続されている。
本発明に係る直流電源は、前記二次電池の充電終止電圧と放電開始電圧が等しい。
本発明に係る直流電源用の二次電池は、正極が酸化金属を有している。また、本発明に係る直流電源用の二次電池は、密閉構造を有している。
本発明に係る直流電源用の二次電池は、正極と負極の間に介在するセパレータが、ポリオレフィン系不織布を親水処理したものである。また、本発明に係る直流電源用の二次電池は、前記セパレータが金属酸化物で被覆されている。
本発明に係る直流送電システムは、直流電源の出力に設けたタップチェンジャーを介して直流電力を送電する。また、本発明に係る直流送電システムは、１の前記直流電源に対して複数の前記タップチェンジャーを備えている。
本発明に係る直流送電システムは、直流電源の出力に設けた交換機を介して直流電力を送電する。この構成において、交換機は直流電源からの複数の出力端子を適宜選択して出力する。これにより多様な電源構成の電源を得ることができる。
以上のように、本発明に係る直流電源によれば、スイッチングノイズの発生がない、使用後の再充電の手間を要しない直流電源を実現することが可能となる。
以下、本発明に係る一実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。
本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、本発明が適用される二次電池としてニッケル水素電池を例に取り説明する。なお、二次電池のタイプは負極活物質が水素であればよくニッケル水素電池に限定されるものでない。
集電体は、電気伝導性が高く、保持した電極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。正極集電体は、電解液中の安定性と耐酸化性がよい観点からＮｉが好ましい。なお、Ｎｉの代わりに鉄にニッケルを被覆したものを用いてもよい。負極集電体は、電解液中の安定性と耐還元性がよい観点から、Ｎｉが好ましいが、鉄にニッケルやカーボンを被覆したものを用いてもかまわない。
集電体の形状としては、線状、棒状、板状、箔状、網状、エキスパンド、多孔体、エンボス体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エンボス体又は発泡体が好ましい。
正極材料は、酸化金属が好ましい。例えば、酸化銀、二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケルがあげられる。負極材料としては、水素吸蔵合金、白金、パラジウムがあげられる。このうち、水素貯蔵容量、充放電特性、自己放電特性およびサイクル寿命特性の観点から、ＡＢ５型の希土類−ニッケル合金である、ＭｍＮｉＣｏＭｎＡｌのミッシュメタルを含んだ５元系合金であることが好ましい。あるいは、超格子水素吸蔵合金といわれるＬａＭｇＮｉ系であることが好ましい。なお、これら合金は１種又は２種以上を用いてもよい。
導電助剤は、活物質に導電性を付与し、その利用率を高めるためのものである。導電助剤は、放電時に電解液に溶出することなく、かつ、水素で還元されにくい炭素材料であることが好ましい。
正極材料、結着剤、および、導電性粉末を混合してペースト状に混練する。このペーストを、集電体に塗布または充填し、乾燥させる。その後、ローラープレス等で集電体を圧延することにより、正極が作製される。同様に、負極材料、結着剤、および、導電性粉末を混合してペースト状に混練する。このペーストを、集電体に塗布または充填し、乾燥させる。その後、ローラープレス等で集電体を圧延することにより、負極が作製される。
結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、エチレン−ビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、フッ素系樹脂、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）を含むものが挙げられる。
また、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用してもよい。ＰＴＦＥは、水素により還元されにくく、水素雰囲気中で長期間使用しても劣化が進みにくく、長寿命が期待できる。
負極材料、正極材料、結着剤、および、導電助剤の合計を１００重量％とした場合、正極および負極に配合される結着剤の重量比は、２０重量％以下に設定するのが好ましく、１０重量％以下に設定するのがより好ましく、５重量％以下に設定するのがさらに好ましい。結着剤は電子伝導性とイオン伝導性に乏しく、結着剤の割合が２０重量％を超えると高容量化を図ることが困難になる。
本実施形態のアルカリ二次電池用の正極は、必要に応じ、本発明の目的を損なわない範囲において上述の必須成分以外の他の成分を含んでいてもよい。本実施形態のアルカリ二次電池用の正極は、例えば、正極材料と導電助剤を十分にかつ均一に混合し、これに結着剤を加えてペースト状に混練して得られる。
電解質は、水素を活物質とする電池で用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの塩を水に溶かしたものが好適である。電池の出力特性の観点から、電解液は水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましい。
セパレータとしては、水素を活物質とする電池に用いられる公知のものが使用できる。セパレータの形状としては、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられ、このうち、出力特性と作製コストの観点から不織布が好ましい。セパレータの材質としては、特に限定されないが、耐アルカリ性、耐酸化性、耐還元性を有することが好ましい。具体的にはポリオレフィン系繊維が好ましく、例えば、ポリプロピレンもしくはポリエチレンが好ましい。この他に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド等の材料が挙げられる。また、これらのセパレータにセラミックスを被覆し、耐熱性、親液性、ガス透過性などを向上させたセパレータであってもよい。
ポリオレフィン系繊維は疎水性であるので、親水処理する必要がある。水素ガス雰囲気中で使用する場合は、フッ素ガス処理を施したセパレータが好ましい。また、金属酸化物をセパレータの表面に塗布もしくは被覆したセパレータが好ましい。
フッ素ガス処理もしくは金属酸化物の塗布により、親水性を付与したセパレータは、水素ガス中で使用しても、水素により親水性が失われにくく、長寿命が期待できる。
フッ素ガス処理は、例えば、不活性ガスで希釈したフッ素ガスに、気密空間の中で不織布をさらすことにより不織布の繊維表面を親水化することができる。また、金属酸化物としては例えば、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、イットリウム酸化物、ハフニウム酸化物、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウムなどが挙げられる。ジルコニア（ＺｒＯ２）もしくは酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）が好ましい。金属酸化物は親水性を有しており、かつ、水素により劣化しにくいから長期にわたって親水性を保持し、電解液のドライアウトを抑制することが可能である。
フッ素ガス処理は、例えば、不活性ガスで希釈したフッ素ガスに、気密空間の中で不織布をさらすことにより不織布の繊維表面を親水化することができる。また、金属酸化物としては例えば、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、イットリウム酸化物、ハフニウム酸化物、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウムなどが挙げられる。ジルコニア（ＺｒＯ２）もしくは酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）が好ましい。金属酸化物は親水性を有しており、かつ、水素により劣化しにくいから長期にわたって親水性を保持し、電解液のドライアウトを抑制することが可能である。
従来の二次電池でフローティング充電を行えば、過充電による電池温度の上昇が生じ、この結果電池内部抵抗が低下して、充電電流が増加する。充電電流の増加は電池温度のさらなる上昇を招くという悪循環を引き起こす。この結果、電池内部の温度上昇による電池性能の劣化を招くこととなる。
しかしフローティング充電を行えば、負極から水素ガスが発生するところ、電池は密閉構造を採用しているので、充電が進むにつれて、電池に封入された水素に加えて発生水素ガス量が加わり、電池内部の水素ガス濃度は上昇する。電池内部の水素ガス濃度の上昇につれて負極の電位は低下する（ネルンストの法則）。この結果電池の端子電圧が緩やかに上昇し、ついには直流電源の充電電圧と等しくなる。すなわち充電が進めば電池電位が上昇して、直流電源の電圧と等しくなれば充電電流は流れなくなり、事実上、充電は停止する。
本発明の実施に用いたニッケル水素二次電池の充放電特性を測定した。なお、測定に先立ち二次電池の蓋部材(図示せず)には、電解液および水素ガスの供給を行うための供給口（図示せず）が設けられていて、この供給口には水素ガスタンク（図示せず）が接続可能となっている。
負極と正極を、予め電解液を含浸させたセパレータを介して重ね合わせて外装体に収納して、密閉して電池を組立てる。電池の組立完了後に、真空引きして、電池内部の空気を排除する。次に、４ＭＰａの水素ガスタンクを接続して電池内部に水素ガスを封入する。再度真空引きして、４ＭＰａの水素ガスタンクから水素ガスを電池内部に供給する。
図１に、本発明に用いた二次電池の充電曲線と放電曲線を示す。水素ガスが封入されていない二次電池の充電特性の一部が破線で示してある。図１において水素ガスが封入されていない二次電池は、破線で示すように過充電になると電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度上昇の悪循環が生じて、充電電流が急激に増加する。一方、図１において実線で示す水素ガスが封入された二次電池は、前述したような悪循環を繰り返すことなく、良好な充電特性を有することが分かる。
本発明の実施に用いたニッケル水素電池について、充電電圧をパラメータにとり、フローティング充電の行った場合の充放電特性曲線を図２に示す。縦軸は電池電位をＶ（ボルト）単位で示してあり、横軸はＳＯＣであり％単位で示してある。充電電圧に依存して、ピーク電位が変化する。充電が進むにつれて、水素ガスが発生して電池内部の水素ガス濃度が上昇し、起電圧が上昇して、電池電位は大きくなる。電池電位が充電電圧と等しくなると充電電流は流れなくなる。つまり、充電終了時の電池電圧は充電電圧と等しいことが分かる。このことから水素が封入された二次電池はフローティング充電による悪循環が生じることがないことが立証された。
図２から分かるように、充電電圧が電源電圧により定まる。更に、本発明の実施に用いた二次電池のもう一つの特徴は、充電終止電圧と放電開始電圧が等しいということである。厳密にいえば、回路のオーム損失および酸化還元反応の切り替わりによる若干の電位差を除いて充電終止電圧と放電開始電圧が等しい。
本発明の実施にはタップ付きのトランスを用いる。ここにタップとは、トランスの変圧比を換えるために設けられたコイルの口出し線のことである。口出し線間の電圧は、トランスの一次巻線の巻数と二次巻線であるタップ巻線の巻数の比と一次側に印加する電圧により定まる。
図３を用いて本発明に係る直流電源について説明する。直流電源１０は、一次巻線１１と二次巻線１２とを有するトランス１３と、整流器１４および二次電池１５とから主として構成される。１の一次巻線１１に対して複数の二次巻線１２があり、二次巻線１２の両端には二次電池１５が充電可能に接続されている。
二次巻線１２の高電圧側と二次電池１５の正極の間には、二次電池１５から二次巻線１２への電流を阻止する向きに整流器１４が接続されていて、二次巻線１２からの電力で二次電池１５が充電可能となっている。そして、二次電池１５の両端に接続された出力端子１６から直流電力が取り出し可能となっている。
出力端子１６から取り出される直流電力の電圧は、本実施例に用いた水素ガスを封入したニッケル水素電池の場合は、二次巻線１２の巻き数により定まる。なお、複数の二次電池１５を直列に接続することにより、より高い直流電圧の取出しが可能となる。
例えば、二次巻線１２の巻き数を適切に選ぶことにより、出力端子１６−１と出力端子１６−２の間の電圧は１．４２Ｖとすることができる。図３に示すように、二次電池１５を５個直列に接続して、出力端子１６−１と出力端子１６−６を使用すれば、１．４２ｘ５＝７．１Ｖの直流電源となる。
二次電池１５のＳＯＣは出力端子１６から電力の取出しにより減少するが、一次巻線１１に供給される交流電源からの電力により二次電池は常時充電されているので、二次電池の充電状態（ＳＯＣ）はほぼ一定状態に保たれる。
図３において二次巻線１２の巻き数は各タップにおいて等しい例を示したが、二次巻線１２の巻き数を変更して各タップの電圧を変更することが可能である。タップの電圧が高くなれば出力端子の電圧はそれに伴い高くなる。図４において、二次巻線２２−２は二次巻線２２−１より巻き数が多く、出力端子２６−３と出力端子２６−４間の電圧は出力端子２６−１と出力端子２６−２間の電圧より高い。同様に、二次巻線２２−３は二次巻線２２−２より巻き数が多く、出力端子２６−５と出力端子２６−６間の電圧は出力端子２６−３と出力端子２６−４間の電圧より高い。
出力端子を適切に選ぶことにより、種々の電圧の直流電力の取出しが可能となる。例えば、図３において出力端子間に接続された二次電池は互いに直列に接続されているので、出力端子を適切に選ぶことにより、２直列もしくは３直列はじめ多直列の二次電池から直流電力を取出すことができる。また、二次電池を並列に接続するなどして電池容量を増加させれば、出力端子から取り出し可能な電力は増加する。
直流電源１０，２０の使用により二次電池１５、２５が放電して、二次電池のＳＯＣが低下すれば、その分二次巻線からの電力により充電されて、二次電池は満充電状態を維持する。二次電池の満充電状態における電圧は二次巻線の巻き数により定められた電圧となる。すなわち、水素ガスを封入した二次電池は、電池電位が充電電圧と等しくなるまで充電電流が流れ充電電圧と等しくなれば充電は停止する。
本発明の直流電源の別の特徴は逆潮流が可能であることである。例えば、図３の出力端子１６−５と１６−６の間に接続された電力設備からの電力で二次電池１５は充電されうる。このような電力設備として鉄道車両、いわゆる電車用の電動機を挙げることができる。電車が力行するときは直流電源からの電力の供給を受け、電車が減速するときは電車からの電流で二次電池を充電する。
本発明に係る直流電源は、図示しない直流送電線を介して需要家に送電することができる。多数の需要家が電力を使用することにより、需要家端における電圧が低下することがある。このような場合、直流電源の出力端子を切り替えることにより送電電圧を上げることが可能となる。このような目的を果たすために直流電源にタップチェンジャーを設けることが考えられる。タップチェンジャーのタップ切換により送電する電圧を変更することが可能となる。
図５は直流電源とタップチェンジャーを組合わせた直流送電システムの例である。直流電源３０の出力側にはタップチェンジャー３５が接続されている。タップチェンジャー３５は、直流電源３０の出力端子３２をリレー等により切り替えて、出力端子３２の１を選択することにより送電端３４における電圧を調節することができる。例えば、タップチェンジャー３５が中間段３３−３のタップを選択して送電時に需要家端における電圧が低下したとき、より上位のタップ（例えば３３−２のタップ）に切り替えると、需要家端における電圧低下を補償することができる。
図６は直流電源と交換機を組合わせた直流送電システムの例である。直流電源４０の出力側には交換機４５が接続されている。交換機４５は、直流電源４０からのｍ個の出力端子４２から選択的にｎ個の端子を取出して需要家端に送電する。このように交換機４５を利用することにより、種々の電圧構成の電源を取出すことができる。また、二次電池等に不具合が生じた場合、当該電池を容易に切り離すことができる。このような交換機はコンピュータ制御されており、需要家に送り出す直流電力仕様を容易に調整することができる。
本発明に係る直流電源は、１モジュールあたり５７Ｖのニッケル水素電池を１個用いれば、電話用の電源に使用ができる。２７モジュールを用いれば鉄道用の電源とすることができる。４５０モジュールを用いれば新幹線用の電源として使用することができる。
本発明の二次電池を用いた直流電源は、デジタル機器をはじめ各種装置の直流電源として好適に用いることができる。
１０ 直流電源
１１ 一次巻線
１２ 二次巻線
１３ トランス
１４ 整流器
１５ 二次電池
１６ 出力端子
２０ 直流電源
２１ 一次巻線
２２ 二次巻線
２３ トランス
２４ 整流器
２５ 二次電池
２６ 出力端子
３０ 直流電源
３５ タップチェンジャー
４０ 直流電源
４５ 交換機
１１ 一次巻線
１２ 二次巻線
１３ トランス
１４ 整流器
１５ 二次電池
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２０ 直流電源
２１ 一次巻線
２２ 二次巻線
２３ トランス
２４ 整流器
２５ 二次電池
２６ 出力端子
３０ 直流電源
３５ タップチェンジャー
４０ 直流電源
４５ 交換機
Claims (9)
- 複数のタップ巻線を有するトランスと、前記タップ巻線の両端に接続され水素が封入され負極活物質を水素とする密閉構造を有する二次電池を備え、
前記タップ巻線の高電圧側と前記二次電池の正極の間に前記二次電池から前記タップ巻線への電流を阻止する向きに整流器が接続されていて、
前記二次電池は、充電に伴い負極から発生する水素ガスにより前記二次電池内部の水素ガス濃度が上昇して前記負極の電位が低下して充電電圧と端子電圧が等しくなり充電終止時の電圧と放電開始時の電圧が等しくなる、直流電源。 - 前記タップ巻線の巻き数が異なる請求項１に記載の直流電源。
- 前記二次電池が直列に接続されてなる請求項１および２のいずれか一項に記載の直流電源。
- 請求項３に記載の二次電池の正極が酸化金属を有している直流電源の二次電池。
- 請求項４に記載の二次電池の正極と負極の間に介在するセパレータが、ポリオレフィン系不織布を親水処理したものである直流電源用の二次電池。
- 前記セパレータが金属酸化物で被覆されている請求項５に記載の直流電源用の二次電池。
- 請求項１に記載の直流電源を含み前記直流電源の出力に設けたタップチェンジャーを介して直流電力を送電する直流送電システム。
- 請求項１に記載の直流電源を含み１の前記直流電源に対して複数の前記タップチェンジャーを備えた請求項７に記載の直流送電システム。
- 請求項１に記載の直流電源を含み前記直流電源の出力に設けた交換機を介して直流電力を送電する直流送電システム。
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