KR101704067B1

KR101704067B1 - 납 축전지의 운용 방법 및 그 운용 방법에 의해 운용되는 납 축전지를 구비한 축전 장치

Info

Publication number: KR101704067B1
Application number: KR1020117004103A
Authority: KR
Inventors: 신이찌 사노; 가쯔라 미따니; 요시까즈 히로세; 히로유끼 와까따베; 이찌로 시모우라
Original assignee: 신코베덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2017-02-07
Also published as: EP2348569B1; PL2348569T3; KR20120083211A; JPWO2011051997A1; CN102150316B; US8441236B2; EP2348569A4; EP2348569A1; CN102150316A; WO2011051997A1; US20110273135A1; JP4941618B2

Abstract

태양 전지나 풍력 발전기 등의 자연 에너지 발전 장치의 발전량의 변동을 보상하기 위해서, 발전 장치에 의한 충전과 부하에의 방전이 행해지는 납 축전지를 운용하는 방법이다. 납 축전지의 만충전 상태를 100％로 하여, 전지의 충전 상태를 30∼90％의 범위 내로 유지하고, 또한, 전지 전압을 1.80∼2.42V/셀의 규정 범위로 유지하여 전지의 방전 및 충전을 행하게 함으로써, 전지의 장기 수명화를 도모한다. 25℃를 기준 온도로서 설정하고, 분위기 온도가 기준 온도보다 상승 또는 저하하였을 때에는, 온도의 상승량 또는 하강량에 따라서, 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 -4㎷/℃∼-6㎷/℃의 범위에서 보정하여 보정 후 전압 범위를 구하고, 전지 전압을 보정한 후 전압 범위로 유지하여 축전지의 방전 및 충전을 행하게 하여 전지를 운용한다.

Description

납 축전지의 운용 방법 및 그 운용 방법에 의해 운용되는 납 축전지를 구비한 축전 장치{LEAD STORAGE BATTERY OPERATING METHOD AND CAPACITOR WITH LEAD STORAGE BATTERY OPERATED BY THE METHOD}

본 발명은, 태양광 발전 기기나 풍력 발전 기기 등의 자연 에너지를 이용한 발전 장치를 구비한 발전 설비에 설치되는 납 축전지를 운용하는 방법 및 이 운용 방법에 따라서 운용되는 납 축전지를 구비한 축전 장치에 관한 것이다.

최근, 지구 환경의 보호나 온난화를 억제하기 위해서, 이산화탄소의 배출량을 삭감하는 것이 중요시되고 있다. 따라서, 태양광 발전 기기나 풍력 발전 기기 등의 자연 에너지를 이용하여 발전을 행하는 발전 장치(이하 「자연 에너지 발전 장치」라고 함)를 이용하여, 부하를 구동하는 것이 행해지도록 되어 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 태양 전지로부터 얻어지는 전력으로 전기 자동차의 배터리를 충전하는 것이 제안되어 있다.

또한, 자연 에너지 발전 장치에서 발생시킨 전력의 잉여분의 유효 이용을 도모하기 위해서, 자연 에너지 발전 장치를 전력 회사의 전력 계통(이하, 「계통」이라고 함)과 연계시키는 것도 행해지고 있다.

주지와 같이, 자연 에너지 발전 장치의 발전량은, 불규칙하게 변동하기 때문에, 자연 에너지 발전 장치를 계통과 직접 연계시키면, 계통의 전력 품질이 크게 손상되게 된다. 또한 자연 에너지 발전 장치를 계통과 연계시키는 경우에, 발전 장치로부터 계통에 공급되는 전력이 크게 변동되면, 전력 회사가 요구하는 연계 요건을 만족시키지 않게 될 우려가 있다.

따라서, 자연 에너지 발전 장치를 계통과 연계시키는 시스템에서는, 발전 장치에 이차 전지를 접속하여, 발전 장치의 출력에 의한 이차 전지의 충전과, 그 이차 전지로부터 계통으로의 방전을 행하게 함으로써, 발전 장치의 발전량의 변동을 보상하여, 발전 장치로부터 계통에 공급되는 전력의 변동을 억제하도록 하고 있다. 이차 전지로서는, 저코스트이며 안전하고 또한 신뢰성이 높은, 납 축전지가 많이 이용되고 있다.

구체적으로는, 특허 문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 자연 에너지 발전 장치가 발생한 교류 전력을 컨버터 등에 의해 적절한 직류 전력으로 변환하고, 이 직류 전력으로 납 축전지의 충전을 행하고, 납 축전지로부터 얻어지는 직류 전력을 인버터에 의해 다시 교류 전력으로 변환하여, 안정된 전력을, 계통에 공급하도록 하고 있다.

이 경우, 납 축전지는, 그 충전 상태(이하, 「SOC」라고 하는 경우도 있음. SOC는 State Of Charge의 약칭)를, 만충전 상태보다도 적은 상태(부족 충전 상태)로 하여, 자연 에너지 발전 장치의 발전량이 감소 변동을 나타낼 때에는 전지로부터 계통으로 방전을 행하게 하고, 발전량이 증가 변동을 나타낼 때에는 충전을 받아들이는 것이 가능한 상태에서 사용되는 것이 요망된다.

일본 특개 2004-221521호 공보 일본 특개 2008-072774호 공보

그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 자연 에너지 발전 장치의 발전량은 불규칙하게 변동하기 때문에, 납 축전지는, 과방전의 상태(예를 들면, SOC가 30％ 이하인 상태)나 과충전의 상태(SOC가 100％를 초과하는 상태)가 장기간 계속되는 경우가 있고, 이들 상태가 계속되면, 납 축전지의 수명이 극단적으로(예를 들면 5년 전후로) 짧아지게 된다고 하는 문제가 있다.

예를 들면, 납 축전지가 과방전 상태에 있는 시간이 긴 경우에는, 방전 활물질인 황산납이 크게 결정 성장하여 충전 불가한 상태로 되는 현상(소위 설페이션 현상)이 일어나서, 납 축전지의 용량이 조기에 저하하게 된다. 반대로, 납 축전지가 과충전 상태에 있는 시간이 긴 경우에는, 정극 집전체인 납 합금이 부식되거나, 전해액 중의 수분이 전기 분해에 의해 감소하거나 함으로써, 전지가 조기에 수명에 이른다.

풍력 발전 기기나 태양광 발전 기기는, 17∼20년의 수명을 갖도록 설계하는 것이 가능하고, 또한 컨버터 및 인버터도 거의 동일한 정도의 내구성을 갖게 하는 것이 가능하지만, 이들 수명을 아무리 길게 해도, 납 축전지의 수명이 5년 전후로 되게 되면, 납 축전지의 교환을 빈번하게 행하는 것이 필요로 되기 때문에, 결과적으로, 시스템 전체의 코스트가 높아지게 된다.

본 발명은, 태양광 발전 기기나 풍력 발전 기기 등의 자연 에너지 발전 장치의 출력의 변동을 보상하기 위해서 발전 장치에 의해 충전되는 납 축전지의 장기 수명화를 도모하기 위해 최적의, 납 축전지의 운용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 납 축전지의 장기 수명화를 도모할 수 있는 자연 에너지 이용 발전 설비용 축전 장치를 제공하는 것에 있다.

본원에서는, 상기의 목적을 달성하는 위해서, 하기의 발명이 개시된다.

제1 발명은, 태양 전지나 풍력 발전기 등의 자연 에너지 발전 장치의 발전량의 변동을 보상하기 위해서 발전 장치에 접속되어, 발전 장치의 출력에 의한 충전과 외부 회로에의 방전이 행해지는 납 축전지를 운용하는 납 축전지의 운용 방법에 관한 것이다. 본 발명의 운용 방법에서는, 납 축전지의 만충전 상태를 100％로 하여, 그 납 축전지의 충전 상태를 30∼90％의 범위 내로 유지하고, 또한, 전지 전압을 1.80∼2.42V/셀의 규정 범위로 유지하여 납 축전지의 방전 및 충전을 행한다.

제2 발명은, 제1 발명에 적용되는 것으로, 본 발명에서는, 25℃를 기준 온도로서 정하고, 납 축전지의 분위기 온도가 기준 온도일 때에 전지 전압을 상기 규정 범위(1.80∼2.42V/셀의 범위)로 유지하여 납 축전지의 방전 및 충전을 행한다. 분위기 온도가 기준 온도보다도 상승하고 있을 때에는, 분위기 온도의 기준 온도로부터의 상승량에 따라서, 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 저하시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 전지 전압을 이 보정 후 전압 범위로 유지하여 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 분위기 온도가 기준 온도보다도 저하하고 있을 때에는, 분위기 온도의 기준 온도로부터의 저하량에 따라서, 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 상승시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 전지 전압을 이 보정 후 전압 범위로 유지하여, 납 축전지의 방전 및 충전을 행함으로써 납 축전지를 운용한다.

제3 발명은, 제1 발명 또는 제2 발명에 적용되는 것으로, 본 발명에서는, 운용 시의 납 축전지의 최대 방전 전류를, 0.4CA(C는, 납 축전지의 정격 용량[Ah]을 나타냄) 이하로 유지한다.

제4 발명은, 제1 발명, 제2 발명 또는 제3 발명에 적용되는 것으로, 본 발명에서는, 운용 시의 납 축전지의 최대 충전 전류를, 0.3CA(C는, 납 축전지의 정격 용량[Ah]을 나타냄) 이하로 유지한다.

제5 발명은, 제1 내지 제4 발명 중 어느 하나에 적용되는 것으로, 본 발명에서는, 납 축전지의 운용이 개시된 후, 설정된 기간이 경과할 때마다 운용을 중단하고, 납 축전지를 만충전 상태까지 균등 충전하는 리프레시 충전을 행한다.

제6 발명은, 제1 발명 내지 제5 발명 중 어느 하나에 적용되는 것으로, 본 발명에서는, 충전 전기량 및 방전 전기량[Ah]을 적산함으로써 운용 시의 납 축전지의 충전 상태를 연산한다.

제7 발명은, 자연 에너지 발전 장치의 출력의 변동을 보상하기 위해서 발전 장치에 접속되어, 발전 장치에 의한 충전과, 외부에의 방전이 행해지는 납 축전지를 구비한 축전 장치로서, 본 발명에서는, 상기 제1 내지 제6에 기재된 운용 방법에 의해 납 축전지를 운용하도록 납 축전지의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치를 구비하고 있다.

본 발명에 따르면, SOC를 30∼90％의 범위 내로 유지하고, 또한, 운용 시의 납 축전지의 방전과 충전을, 전지 전압을 1.80∼2.42V/셀의 범위로 유지하여, 납 축전지의 방전 및 충전을 행하도록 한 것에 의해, 납 축전지를 부족 충전 상태에서 운용하고, 또한 납 축전지의 수명을 대폭 연장시킬 수 있다.

또한 본 발명에서, 25℃를 기준 온도로서 정하고, 납 축전지의 분위기 온도가 기준 온도일 때에 전지 전압을 규정 범위(1.80∼2.42V/셀의 범위)로 유지하여 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 분위기 온도가 기준 온도(25℃)보다도 상승 또는 저하하고 있을 때에는, 분위기 온도의 기준 온도로부터의 상승량 또는 저하량에 따라서, 상기 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 저하 또는 상승시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 전지 전압을 이 보정 후 전압 범위로 유지한 상태에서 납 축전지의 방전 및 충전을 행하도록 한 경우에는, 분위기 온도가 높을 때에 납 축전지가 과충전 상태로 되는 것을 방지하여, 정극 격자의 부식의 진행 및 전해액의 감소를 억제하여, 수명의 연장을 도모할 수 있다. 즉, 고온 시에는, 전압이 낮아도 충전의 효율이 좋기 때문에, 전지 전압의 범위를 마이너스측으로 시프트하여 운용함으로써, 납 축전지가 과충전 상태로 되는 것을 방지할 수 있다. 반대로 저온 시에는, 충전 효율이 매우 나빠지기 때문에, 운용 시의 전지 전압의 온도 보정을 행하여, 전지 전압의 범위를 플러스측으로 시프트함으로써, 충전 부족에 의한 설페이션 현상의 발생을 억제할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 납 축전지의 최대 방전 전류를 0.4CA 이하로 하고, 및/또는, 최대 충전 전류를 0.3CA 이하로 함으로써, 충방전 전류에 의한 쥴 열의 발생을 억제하여 전지를 사용할 수 있어, 납 축전지 내부의 온도 상승을 극력 작게 함으로써, 납 축전지의 수명을 연장시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 또한, 충방전 전류를 제한함으로써, 극판 이외의 부재(예를 들면, 극주(極柱)ㆍ단자ㆍ스트랩 등)에 열이 집중되어 납이나 수지제의 전조를 용단할 가능성을 적게 할 수 있다고 하는 효과도 얻어진다.

또한 본 발명에 따르면, 충방전 전류를 제한함으로써, 순간적인 전압의 변동을 억제하여, 전지 전압이, 납 축전지를 안전하게 사용할 수 있는 전압 범위를 일탈하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 전지의 구조를 복잡하게 하지 않고, 전지의 수명을 연장시키기 위한 운용을 행하기 위한 시스템 제어를 용이하게 행할 수 있다고 하는 효과도 얻어진다.

본 발명에서, 충방전 전기량을 적산함으로써 납 축전지의 SOC를 연산하도록 한 경우에는, 상시 납 축전지의 SOC를 파악하여, 순간적인 충전 수용이 가능한 전기량 및 방전 가능한 전기량을 예측할 수 있기 때문에, 풍력 발전 기기나 태양광 발전 기기 등의 자연 에너지 발전 장치의 발전량의 랜덤한 변화에 대응할 수 있다.

도 1은 격자 기판의 단면도.
도 2는 실시예 1∼3 및 비교예 1, 2에 대하여 행한 변동 억제 시험의 결과를 나타내는 그래프.
도 3은 실시예 2∼3 및 참고예 1, 2에 대하여 행한 변동 억제 시험의 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 실시예 4∼7에 대하여 행한 변동 억제 시험의 결과를 나타내는 그래프.
도 5는 실시예 1 및 8∼9에 대하여 행한 변동 억제 시험의 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 실시예 1 및 10∼11에 대하여 행한 변동 억제 시험의 결과를 나타내는 그래프.

본 발명의 운용 방법에 의해 운용하는 납 축전지를 충전하는 자연 에너지 발전 장치의 대표적인 것은, 이하에 기재하는 태양광 발전 기기나 풍력 발전 기기이다.

<태양광 발전 기기>

본 명세서에서, 태양광 발전 기기란, 태양광을 에너지원으로 하여 발전을 행하는 발전 요소를 이용한 발전 기기를 의미한다. 태양광을 에너지원으로 하여 발전을 행하는 발전 요소의 구체예는, 태양 전지(Solar cell)이다.

태양 전지는, 광 기전력 효과를 이용하여, 광 에너지를 직접 전력으로 변환하는 발전 요소이다. 태양 전지로서는, p형 반도체와 n형 반도체를 접합한, pn 접합 형의 것이나, 이산화티탄에 흡착된 색소 중의 전자를 여기시키는 색소 증감형의 것 등을 이용할 수 있다.

<풍력 발전 기기>

본 명세서에서, 풍력 발전 기기란, 풍력을 에너지원으로 하여 발전을 행하는 발전 기기를 의미한다. 풍력 발전 기기의 대표적인 것은, 풍차를 이용하여 발전기를 구동하는 풍력 발전기이다.

본 발명에서, 자연 에너지 발전 장치로서 풍력 발전기를 이용하는 경우, 풍차의 종류는, 특별히 한정되는 것이 아니라, 양력형 수평축 풍차, 항력형 수평축 풍차, 양력 수직축 풍차, 또는 항력형 수직축 풍차 등, 적당한 형식의 풍차를 이용할 수 있다. 양력형 수평축 풍차로서는, 프로펠라 풍차나, 리본형 풍차 등을 이용할 수 있고, 항력형 수평축 풍차로서는, 세일윙 풍차, 네덜란드형 풍차, 다익형 풍차, 팔랑개비형 풍차 등을 이용할 수 있다. 또한 양력 수직축 풍차로서는, 다리우스 풍차나, 자이로밀 풍차 등을 이용할 수 있고, 항력형 수직축 풍차로서는, 사보니우스 풍차, 크로스 플로우 풍차, S형 풍차, 패들 풍차 등을 이용할 수 있다.

자연 에너지 발전 장치로서 이용할 수 있는 풍력 발전 기기는, 풍차를 이용한 풍력 발전기에 한정되는 것이 아니라, 바람을 쐼으로써 진동하는 진동판에, 압전 소자를 설치함으로써 전력을 얻도록 한 것 등을 이용할 수도 있다.

앞서 설명한 태양광 발전 기기는, 낮 동안 어느 정도 태양광이 있는 상태에서 발전하는 것이며, 시간, 날씨 및 지역에 의해 발전량이 변화한다. 또한 풍력 발전 기기는, 바람의 강도에 의해 발전량이 변화한다.

또한 본 발명의 방법에 의해 운용되는 납 축전지를 충전하는 발전 장치는, 태양광 발전 기기나 풍력 발전 기기에 한정되는 것이 아니라, 조석력이나 파력을 이용한 것 등이어도 된다.

상기한 바와 같이, 태양광 발전 기기나 풍력 발전 기기를 발전 요소로서 이용하는 자연 에너지 발전 장치의 발전량은 불규칙하게 변동하기 때문에, 자연 에너지 발전 장치를 계통과 직접 연계시키면, 계통의 전력 품질이 크게 손상되게 된다. 따라서, 자연 에너지 발전 장치를 계통과 연계시키는 경우에는, 발전 장치의 출력의 변동을 보상하기 위해서, 발전 장치가 발전한 전력을 이차 전지에 축적하는 축전 장치를 설치하여, 축전지로부터 계통에 안정된 전력을 공급하도록 할 필요가 있다. 본 발명에서는, 축전 장치에 설치하는 이차 전지로서, 납 축전지를 이용한다.

<납 축전지>

본 발명에 따른 운용 방법에 의해 운용하는 납 축전지는, 납 또는 납 합금제의 기판에 활물질을 담지시킨 극판을, 전해액에 침지한 구조를 갖는다. 극판으로서는, 클래드식, 페이스트식 또는 튜더식의 것 등이 이용되고 있지만, 제조성이 좋고, 극판 면적을 용이하게 늘릴 수 있는 페이스트식의 것이 바람직하다.

극판에 이용하는 기판은, 격자 기판이라고 불린다. 그 제조 방법으로서는, 중력 주조법(GDC : Gravity Die Casting), 연속 주조법, 익스팬드법, 펀칭법 등이 있지만, 본 발명의 운용 방법에 의해 운용하는 납 축전지의 극판에 이용하는 격자 기판은, 중력 주조 방식을 이용하여 제조한 것인 것이 바람직하다. 중력 주조 방식에 의해 제조되는 격자 기판은, 주조 가능한 격자의 굵기에 이론상 한계가 없고, 집전 특성 및 내식성이 우수하기 때문이다.

중력 주조법에서는, 격자 기판을 형성하는 재료 금속(합금)을 용융하고, 이 용융 금속(합금)을, 내열성을 갖는 금형에 중력에 의해 흘려 넣어, 주조한다. 이 주조법에 의하면, 집전 특성 및 내식성이 우수한 격자 기판을, 고속으로, 능률적으로 제조할 수 있다.

기판 재료로서는, 주원료를 납으로 하고, 이것에, 주석, 칼슘, 안티몬 등을 첨가한 합금 재료를 이용할 수 있다. 기판 재료로서는, 특히, 납에 주석 및 칼슘의 쌍방을 첨가한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 납에 칼슘을 첨가하면, 자기 방전의 비율을 감소시킬 수 있다. 납에 칼슘을 첨가하면, 골(骨)의 부식이 일어나기 쉽다고 하는 문제가 생기지만, 납에 칼슘과 함께 주석을 첨가하면, 골의 부식을 억제할 수 있다.

페이스트식의 극판에서는, 기판에 대하여 페이스트 형상의 활물질을 담지시킬 필요가 있는데, 이 작업은, 기판에 대하여 페이스트 형상의 활물질을, 압력을 가하여 밀어내고, 그 후 롤러를 이용하여 활물질을 기판의 격자의 사이에 다시 밀어넣음으로써 행할 수 있다.

이 때, 기판의 한쪽의 면으로부터 격자의 골의 사이에 밀어넣은 활물질을, 기판의 다른 쪽의 면으로 감돌아 들어가게 하여, 기판의 격자를 활물질로 완전히 덮을 필요가 있다. 그를 위해서는, 기판의 격자를 형성하는 골을, 도 1의 (a)와 같이 모두 동일하게 하는 것이 아니라, 도 1의 (b)와 같이 태골(太骨)(1)과 세골(細骨)(2)을 혼재시켜, 태골(1)과 태골(1) 사이에, 1개 또는 복수개의 세골(2)을 배치한 구조로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 골을 갖는 기판을 이용하면, 기판의 한쪽의 면으로부터 격자의 골의 사이에 밀어넣어진 활물질이, 세골(2)의 부분으로부터, 태골(1)의 이면 부분으로도 감돌아 들어가기 쉬워지기 때문에, 기판의 격자 전체를 활물질로 덮을 수 있어, 격자가 노출되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 운용하는 납 축전지에서, 극판의 활물질은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일산화납을 함유한 납 분말, 물, 황산 등을 혼련하여 제작하는 것이 바람직하다. 활물질에는, 정극, 부극의 특성에 맞추어, 컷트 파이버, 탄소 분말, 리그닌, 황산 바륨, 연단 등의 첨가물을 가하는 경우도 있다.

전해액은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 희황산을 정제수로 희석하고, 질량 퍼센트 농도로 약 30질량％ 전후로 조합한 것을, 전지 용량ㆍ수명 등을 고려한 적정한 농도로 조정하여, 전조 내에 주액하는 것이 바람직하다. 전지의 특성에 맞추어, 희황산을 정제수로 희석한 전해액에 황산 마그네슘, 실리카겔 등의 첨가제를 가하는 경우도 있다.

<납 축전지의 운용>

본 실시 형태에서는, 자연 에너지 발전 장치의 발전량의 변동을 보상하기 위해서, 상기의 납 축전지를 다수 조합함으로써 구성한 축전 장치를 발전 장치에 접속하고, 그 발전 장치의 출력에 의한 납 축전지의 충전과, 그 납 축전지로부터 외부 회로로의 방전을 소정의 조건에서 행하게 하여, 납 축전지를 부족 충전 상태에서 운용한다.

또한 「외부 회로」는, 통상은 전력 계통이지만, 공장 등의 특정한 수요 가내의 부하에 연결되는 회로이어도 된다.

이하 본 실시 형태의 운용 방법에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 상기 축전 장치를 구성하는 납 축전지를 운용할 때에, 납 축전지의 만충전 상태를 100％로 하여, 납 축전지의 충전 상태(SOC)를 30∼90％의 범위 내로 유지하고, 또한, 전지 전압을 1.80∼2.42V/셀의 규정 범위로 유지하여 납 축전지의 방전 및 충전을 행한다.

또한 본 실시 형태의 바람직한 양태에서는, 납 축전지의 분위기 온도가 25℃일 때에, 전지 전압의 규정 범위를 상기의 범위로 하고, 납 축전지의 분위기 온도가 25℃ 이외일 때에는, 분위기 온도에 따라서 전지 전압의 범위를 보정한다.

본 실시 형태의 바람직한 양태에서는 또한, 운용 시의 납 축전지의 최대 방전 전류를, 0.4CA(C는, 납 축전지의 정격 용량[Ah]을 나타냄) 이하로 유지하고, 운용 시의 납 축전지의 최대 충전 전류를, 0.3CA(C는, 납 축전지의 정격 용량[Ah]을 나타냄) 이하로 유지한다.

이하, 본 실시 형태의 운용 방법에 의해 납 축전지를 운용할 때의 전지의 SOC, 전지 전압, 방전 전류, 충전 전류 등에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

<납 축전지의 SOC>

본 발명의 방법에 의해 운용하는 납 축전지는, 발전 기기에 이용되는 각 부품과 동등 이상의 수명을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 전지의 수명을 연장시키기 위해서, SOC를 30∼90％의 범위 내로 유지하여 충전 및 방전을 행함으로써 전지를 운용한다.

SOC를 30∼90％의 범위 내로 유지하여 납 축전지를 운용할 때에는, 우선 납 축전지를 만충전 상태(정극 용량 지배에서 정극 활물질 모두가 충전되어 있는 상태)로 하여, 그 상태에서의 SOC를 100％로 정의한 후에, 납 축전지를 일정한 방전 전류로 방전시킴으로써, SOC를 30∼90％의 범위의 적당한 값으로까지 감소시킨다. 이 때의 SOC를 초기값으로 하여, 이후 충전 전기량을 가산하고, 방전 전기량을 감산함으로써, 충방전 전기량을 적산하여 각 시각에서의 SOC를 축차적으로 연산하고, 연산된 SOC가, 30∼90％의 범위로부터 벗어나지 않도록, 납 축전지의 충방전을 제어하면서 전지를 운용한다.

여기서, SOC가 30∼90％의 범위로부터 벗어나지 않도록 납 축전지의 충방전을 제어한다고 하는 것은, SOC가 30％ 미만으로 된 경우에는 방전을 강제적으로 정지하고, SOC가 90％를 초과한 경우에는 충전을 강제적으로 정지함으로써, SOC를 30∼90％의 범위로 유지한다고 하는 것이다.

SOC를 상기의 범위 외로 하여 납 축전지를 운용하게 되면, SOC가 90％를 초과하는 영역에서는, 납 축전지가 과충전의 상태로 되기 쉬워, 정극 격자의 부식이 촉진되거나, 전해액 중의 물이 고전위에 의해 전기 분해되어 감소하거나 하는 등, 수명이 짧아질 가능성이 커진다.

또한 SOC가 30％ 미만으로 되는 영역에서는, 납 축전지가 과방전 상태로 되기 쉬워, 충전 부족으로 되기 쉽기 때문에, 부극 활물질의 설페이션이 일어날 가능성이 있어, 수명이 짧아지는 것이 생각된다.

또한, 상기의 설명에서는, SOC가 30∼90％의 범위로부터 벗어나지 않도록 납 축전지의 충방전을 제어하는 것으로 하였지만, 본 발명에서는, SOC를 30∼90％의 범위로부터 벗어나지 않도록 납 축전지의 충방전을 제어하면 되고, SOC를, 30∼90％의 범위로 설정한 더욱 좁은 범위, 예를 들면 30∼60％의 범위에 들어가도록 납 축전지의 충방전을 제어하도록 해도 된다.

<SOC의 산출>

SOC의 값은, 전지의 용량이 정격 용량인 상태(만충전된 상태)를 100％로 하여, 납 축전지의 충전 전기량 및 방전 전기량(Ah)을 축차적으로 가산 및 감산함으로써 연산한다. 예를 들면, 충전 전기량 및 방전 전기량을 계측하는 적산 전력계를 설치하고, 충전이 행해지고 있는 사이에 그 적산 전력계에 의해 계측된 충전 전기량을 그 충전이 개시되기 직전에 연산되어 있던 전기량의 적산값에 가산하고, 방전이 행해지고 있는 사이에 적산 전력계에 의해 계측된 방전 전기량을, 그 방전이 개시되기 직전에 연산되어 있던 전기량으로부터 감산함으로써, 충전 전기량 및 방전 전기량을 축차적으로 적산하여, 각 시각에서 연산되어 있는 전기량의 정격 용량에 대한 백분율(％)을, 그 시각에서의 SOC로 한다.

구체적으로는, 예를 들면, 정격 용량 100Ah의 납 축전지의 경우, 만충전 상태(SOC : 100％)의 용량은 100Ah이다. 그리고, 10A로 6분간(0.1시간) 방전을 행하면 방전 용량은 1Ah로 되기 때문에, 잔존 용량은 99Ah로 된다. 이것을 SOC : 99％로 계산한다.

납 축전지의 SOC는, 상기한 바와 같이 하여 연산되지만, 이와 같은 연산을 행함으로써, 임의의 시각에서의 납 축전지의 SOC를 파악할 수 있고, 파악한 SOC로부터, 순간적으로 납 축전지에 충전 수용이 가능한 전기량 및 납 축전지로부터 방전 가능한 전기량을 예측할 수 있기 때문에, 자연 에너지 발전 장치의 랜덤한 발전량의 변화에 대응하여, 발전 장치에 접속되어 있는 외부 회로(예를 들면 전력 계통)에 공급되는 전력의 변동을 억제하는 제어를 적확하게 행하게 할 수 있다.

예를 들면, 자연 에너지 발전 장치의 발전량이 증가 방향으로 변동하고 있을 때에는, 발전 장치의 출력에 의해 납 축전지를 충전함으로써 외부 회로에 공급되는 전력의 변동을 억제할 수 있고, 발전량이 감소 방향으로 변동을 하고 있을 때에는, 납 축전지의 충전을 정지시키고 납 축전지로부터 외부 회로로 방전시킴으로써, 외부 회로에 공급되는 전력의 변동을 억제할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 연산된 납 축전지의 방전 전기량을 축차적으로 적산하도록 해 두면, 납 축전지의 수명을 추정하는 데 있어서 중요한 요소인, 방전량의 적산값(총 방전량)을 파악함으로써, 납 축전지의 열화 상태를 어느 정도 추정할 수 있고, 그 추정 결과에 기초하여, 시스템 제어를 적확하게 프로그램할 수 있는 효과가 있다. 즉, SOC의 상태를 파악하고 있으면, 예측되는 바람의 상태로부터 추정되는 발전 출력의 변동에 대하여, 시스템이 축전지에 어떤 제어를 행하면 좋은지를 결정할 수 있어, 충방전 전류 및 충방전 시간을 적확하게 계산할 수 있으므로, 시스템 제어를 적확하게 행할 수 있다.

<납 축전지의 전지 전압>

납 축전지의 보다 장기 수명화를 도모하기 위해서, 본 발명에서는, 1.80∼2.42V/셀의 전압 범위를 전지 전압(전지의 단자 전압)의 규정 범위로 하고, 전지 전압을 이 규정 범위로 유지하여 납 축전지의 방전과 충전을 행함으로써 납 축전지를 운용한다.

본 발명의 바람직한 양태에서는, 25℃를 기준 온도로서 정해 두고, 납 축전지의 분위기 온도가 기준 온도일 때에 전지 전압을 상기 규정 범위(1.80∼2.42V/셀의 범위)로 유지하여 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 분위기 온도가 기준 온도(25℃)보다도 상승 또는 저하하고 있을 때에는, 분위기 온도의 기준 온도로부터의 상승량 또는 저하량에 따라서, 상기 규정 범위의 상한값 및 하한값을 저하 또는 상승시킨다. 즉, 분위기 온도가 기준 온도(25℃)보다도 상승하고 있을 때에는, 분위기 온도의 기준 온도로부터의 상승량에 따라서, 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 저하시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 전지 전압을 보정 후 전압 범위로 유지하여, 납 축전지의 방전 및 충전을 행한다. 또한 분위기 온도가 기준 온도보다도 저하하고 있을 때에는, 분위기 온도의 기준 온도로부터의 저하량에 따라서, 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 상승시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 전지 전압을 보정 후 전압 범위로 유지하여, 납 축전지의 방전 및 충전을 행한다.

예를 들면, 분위기 온도가 기준 온도보다도 상승하였을 때에, 전지 전압의 규정 범위의 상한값 및 하한값을 5㎷/℃ 보정하는 경우, 25℃일 때의 전지 전압을 기준(기준 운용 전압)으로 하여, 분위기 온도가 1℃ 상승할 때마다, 전지 전압의 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 5㎷ 내림으로써 보정 후 전압 범위를 구한다. 또한, 분위기 온도가 기준 온도보다도 저하하였을 때에, 전지 전압의 규정 범위의 상한값 및 하한값을 5㎷/℃ 보정하는 경우에는, 분위기 온도가 1℃ 저하될 때마다, 전지 전압의 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 5㎷ 올림으로써 보정 후 전압 범위를 구한다. 예를 들면, 분위기 온도가 40℃이면, 1개의 셀당, 0.005×(40-25)=0.075를, 규정 범위의 상한 및 하한을 정한 1.80 및 2.42로부터 빼어, 보정 후 전압 범위를 1.725∼2.345V/셀로 한다.

납 축전지는, 전지 전압의 범위를, 상기의 보정 후 전압 범위로 함으로써, 보다 적정한 전압 범위에서 운용되게 되고, 전지 전압이 이 보정 후 전압 범위로부터 벗어남에 따라서, 온도에 의한 열화의 영향을 받기 쉬운 상태로 된다.

납 축전지의 전압을, 상기 보정 후 전압 범위 내로 하기 위해서는, 예를 들면 일부의 납 축전지의 근방에 온도 센서를 설치하고, 이 온도 센서로부터 얻어지는 신호를 온도 수치로 변환함으로써 납 축전지의 분위기 온도를 검출하고, 검출된 분위기 온도의 기준 온도(25℃)로부터의 어긋남량을 계산한다. 이 분위기 온도의 기준 온도로부터의 어긋남량에 기초하여 규정 범위의 상한(2.42V/셀) 및 하한(1.80V/셀)을 보정하여, 보정 후 전압 범위를 구한다. 단, 온도 보정값에서, ±1㎷/℃의 범위의 오차는 허용 범위로 한다. 예를 들면, 5㎷/℃의 온도 보정을 행하는 경우, 5㎷/℃±1㎷/℃의 범위는 허용 범위로 한다.

<리프레시 충전>

본 발명의 운용 방법을 실시할 때에는, 납 축전지의 열화를 억제하기 위해서, 정기적으로, 납 축전지를 리프레시시키기 위해서, 납 축전지를 만충전 상태로 할 때까지, 균등 충전(리프레시 충전)을 행하는 것이 바람직하다. 균등 충전은, 다수개의 이차 전지를 1조로 하여 장시간 사용한 경우에 생기는 전지간의 충전 상태의 변동을 없애고, 충전 상태를 균일하게 하기 위해서 행하는 충전이다. 균등 충전에서는, 각 전지의 전지 전압이 소정 전압으로 될 때까지는 정전류 충전을 행하고, 그 후 정전압으로 일정 시간 충전을 행한다.

균등 충전 실시 시의 충전 전기량은, 충방전 전기량의 적산에 카운트되고, 균등 충전 종료 후에 전회의 균등 충전 종료 시부터의 충방전 전류의 적산값을 클리어한다. 균등 충전 종료 후에는, 정전류 방전을 실시하여, SOC 60∼65％ 정도의 낮은 상태로 되돌리고 나서 납 축전지의 운용을 재개한다.

또한, 본 명세서에서, 운용 시의 상태란, 태양광 발전 기기 또는 풍력 발전 기기 등의 자연 에너지 발전 장치의 발전량의 랜덤한 변동을 가능한 한 평활하게 한 후에 발전 장치를 계통에 연계시키기 위해서, 납 축전지를 필요에 따라서 충방전시키고 있는 상태를 말하며, 운용 시 이외의 상태란, 발전 장치의 고장ㆍ점검 등에 의해 발전을 정지한 상태, 또한 납 축전지를 리프레시시키기 위해서 균등 충전(정전류 충전)을 실시하고 있는 상태를 말한다.

<납 축전지의 최대 방전 전류>

운용 시의 최대 방전 전류는, 0.4CA 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 말하는 「C」란, 납 축전지의 정격 용량(Ah : 암페어 아워)이며, 규정의 온도, 방전 전류 및 종지 전압 조건에서, 만충전 상태(SOC : 100％)로부터 취출할 수 있는 전기량을 나타낸다.

운용 시의 최대 방전 전류는, 납 축전지의 수명에 영향을 미치는 중요한 요인이며, 0.4CA 이하의 방전 전류로 사용함으로써, 쥴 열에 의한 납 축전지 내부의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이에 의해, 납 축전지의 온도에 의한 열화를 최소한으로 억제할 수 있다.

또한, 운용 시의 최대 방전 전류를 0.4CA 이하로 제한함으로써, 납 축전지가 과방전으로 되기 쉬워지는 것을 방지하여, 설페이션 현상에 의한 납 축전지의 수명 열화를 억제할 수도 있다.

또한, 0.4CA를 초과하는 방전 전류로 납 축전지를 계속해서 사용하면, 납 축전지 내부의 극판을 비롯하여, 극주ㆍ스트랩 등의 부재나, 수지제의 전조, 또한 전해액의 온도가, 상승하게 되어, 정극판의 부식 촉진뿐만 아니라, 각 부재의 열화도 진행되게 된다.

최대 방전 전류를 0.4CA 이하로 하기 위해서는, 납 축전지의 방전 전압을 상시 판독하고, 방전 전압(방전 시의 전지 전압)이 규정 전압(0.4CA의 방전 전류가 흘렀을 때의 전지 전압)에 근접하였을 때에, 방전 전류를 줄여 가는 식의 제어를 행하면 된다. 이와 같은 제어를 행함으로써, 상시 전지의 방전 전류의 최대값을 0.4CA 이하로 하여 운용하는 것이 가능하게 된다.

<납 축전지의 최대 충전 전류>

운용 시의 최대 충전 전류는, 0.3CA 이하로 하는 것이 바람직하다. 운용 시의 최대 충전 전류는, 납 축전지의 수명에 영향을 미친다. 최대 충전 전류를 0.3CA 이하로 하여 충전을 행함으로써, 납 축전지의 급격한 전압 상승을 피하여, 전지 본체의 온도 상승 및 정극 격자의 부식을 억제할 수 있다.

충전 전류를 0.3CA를 초과하는 전류로 하여 충전을 행하면, 전지의 온도 상승이 심하게 되어, 정극 격자의 부식이 촉진될 뿐만 아니라, 전지가 과충전으로 되기 쉬워, 전해액 중의 물의 전기 분해에 의해, 전해액의 감소가 진행되게 되어, 조기에 수명에 이르게 될 가능성이, 서서히 높아진다.

최대 충전 전류를 0.3CA 이하로 하기 위해서는, 납 축전지의 충전 전압을 상시 계측한 후에, 전지 전압이 규정 전압(0.3CA의 충전 전류를 흘렸을 때의 충전 전압)에 도달하였을 때에 충전 전류를 줄여 가는 충전 방식, 소위 정전압 충전 방식에 의해 충전을 행하게 함으로써, 0.3CA 이하로 제어하는 것이 가능하게 된다.

<축전 장치의 구성>

본 발명의 운용 방법에 의해 납 축전지가 운용되는 축전 장치에는, 본 발명에 따른 운용 방법에 의해 납 축전지를 운용하도록 각 납 축전지의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치를 설치해 둔다. 이 충방전 제어 장치는, SOC, 전지 전압, 최대 방전 전류 및 최대 충전 전류를 검출하는 수단과, 이들 검출값을 본 발명의 운용 방법에서의 목표 범위로 유지하도록 납 축전지의 충전 및 방전을 제어하는 수단에 의해 구성할 수 있다. 납 축전지의 충방전을 제어하는 방법은 공지의 방법에 의하면 된다.

또한 자연 에너지 발전 장치를 계통과 연계시키는 경우에는, 당연히, 발전 장치로부터 계통에 공급하는 전압의 주파수 및 전압값을 각각 계통의 주파수 및 전압값과 동일하게 하기 위한 제어가 행해진다.

이하, 도면을 이용하여, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 우선 운용 시험용의 제어 밸브식 납 축전지의 제작 방법을 이하에 설명한다.

(정극판의 제작)

납에, 주석 : 1.6질량％, 칼슘 : 0.08질량％를 첨가 혼합하여 혼합물 전체를 100질량％로 한 납 합금을 용융하고, 중력 주조 방식에 의해 세로 : 385㎜, 가로 : 140㎜, 두께 : 5.8㎜의 격자 기판을 제작하였다. 여기서, 골의 단면 형상은, 세로 골, 가로 골 모두 육각형으로 하고, 각각의 골의 높이를 3.2㎜, 폭을 2.4㎜로 하였다. 이 격자 기판에, 일산화납을 주성분으로 하는 납 분말의 질량에 대하여, 폴리에스테르 섬유를 0.1질량％ 가하여 혼합하고, 다음으로 물을 12질량％, 희황산을 16질량％ 가하여 다시 혼련한 페이스트 형상 활물질을 충전하였다. 격자 기판에 활물질을 충전한 후에는, 숙성 및 건조를 행하여 정극판으로 하였다.

(부극판의 제작)

납에, 주석 : 0.2질량％, 칼슘 : 0.1질량％를 첨가 혼합하여 혼합물 전체를 100질량％로 하여 제작한 납 합금을 용융하고, 중력 주조 방식에 의해 세로 : 385㎜, 가로 : 140㎜, 두께 : 3.0㎜의 격자 기판을 제작하였다. 여기서 골의 단면 형상은, 세로 골 및 가로 골 모두 육각형으로 하고, 각각의 골의 높이를 2.6㎜, 폭을 1.8㎜로 하였다. 또한, 일산화납을 주성분으로 하는 납 분말의 질량에 대하여, 리그닌 : 0.2질량％, 황산 바륨 : 0.1질량％, 통상의 시판되고 있는 흑연 등의 카본 분말 : 0.2질량％, 폴리에스테르 섬유 : 0.1질량％를 가하여 혼합하였다. 다음으로, 이것에 물 : 12질량％를 가하여 혼련한 후, 다시 희황산 : 13질량％를 가하여 다시 혼련하여 얻은 페이스트 형상 활물질을 상기 격자 기판에 충전하였다. 격자 기판에 활물질을 충전한 후, 숙성 및 건조를 행하여 부극판으로 하였다.

(제어 밸브식 납 축전지의 제작)

전술한 정극판과 부극판을, 사이에 세퍼레이터를 개재시키면서 1매씩 교대로 적층하고, 동극판끼리를 스트랩으로 연결하여, 정극판 : 24매/부극판 : 25매로 이루어지는 극판군을 제작하였다. 이 극판군을 전조 안에 넣고, 희황산을 주액하고, 화성을 행하여 2V-1500Ah의 제어 밸브식 납 축전지를 제작하였다.

(제어 밸브식 납 축전지의 운용 시험)

상기한 바와 같이 하여 제작한 납 축전지를 이용하여, 25℃의 환경 온도에서 운용 시험을 행하였다. 또한 시험에 이용한 전지에 대해서는, 1개월마다 25℃ 환경 하에서 0.1CA 방전 용량(0.1CA=150A)으로 정전류 방전을 실시하고, 전지 전압이 방전 종지 전압 1.80V/셀로 된 시점에서 시험을 종료하고, 그 방전 시간으로부터 Ah를 계산하여 방전 용량으로 하였다. 이와 같이 하여 측정한 방전 용량의 추이를 확인하였다. 또한, 전지가 수명에 이를 때까지 열화가 진행되었는지의 여부를 판단하는 기준으로서, 초기의 전지 용량의 70％의 용량을 수명 판정 용량으로 하고, 전지 용량이 초기의 용량에 대하여 70％ 이하로 된 상태를 수명에 도달한 상태로 하여, 열화의 진행 정도를 판정하였다.

<실시예 1>

SOC의 영향을 파악하는 운용의 시험을 행하였다. 이 시험에서는, SOC를 60％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 60％로 유지하였다.

<실시예 2>

SOC의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 30％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 30％로 유지하였다. 본 실시예와 실시예 1과의 상위점은, SOC뿐이다.

<실시예 3>

SOC의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 90％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 90％로 유지하였다. 본 실시예와 실시예 1과의 상위점은, SOC뿐이다.

<비교예 1>

SOC의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 20％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 비교예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 20％로 유지하였다. 본 비교예와 실시예 1과의 상위점은, SOC뿐이다.

<비교예 2>

SOC의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 100％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 비교예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 100％로 유지하였다. 본 비교예와 실시예 1과의 상위점은, SOC뿐이다.

<참고예 1>

전압의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 30％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.70V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 참고예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 30％로 유지하였다. 본 참고예는 전압 제어만이 실시예 2와 상위하다.

<참고예 2>

전압의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 90％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을, 1.80V∼2.52V/셀의 범위로 유지하도록 제어하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 참고예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 90％로 유지하였다. 본 참고예는, 전압 제어만이 실시예 3과 상위하다.

<실시예 4>

온도 보정의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 90％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하였다. 또한 시험 온도를 40℃로 하고, 전지 전압을 1.725V∼2.345V/셀의 범위(1개의 셀당, -5㎷/℃의 온도 보정을 행함)로 유지하도록 전압 제어를 행하여 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 90％로 유지하였다.

<실시예 5>

온도 보정의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 90％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 40℃로 하고, 전지 전압을 1.80V∼2.42V/셀(온도 보정 없음)의 범위로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 90％로 유지하였다. 본 실시예는, 전지 전압의 범위의 온도 보정을 행하지 않은 점만이 실시예 4와 상위하다.

<실시예 6>

온도 보정의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 30％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 40℃로 하고, 전지 전압을 1.725V∼2.345V/셀의 범위(전압 범위의 상한값 및 하한값에 대하여 1개의 셀당, -5㎷/℃의 온도 보정을 행함)로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 30％로 유지하였다.

<실시예 7>

온도 보정의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 30％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 방전과 1초간의 충전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 40℃로 하고, 전지 전압을 1.65V∼2.27V/셀의 범위(전압 범위의 상한값 및 하한값에 대하여 1개의 셀당, -10㎷/℃의 온도 보정을 행함)로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 30％로 유지하였다. 본 실시예는, 온도 보정에 기초하는 전압 제어만이 실시예 6과 상위하다.

<실시예 8>

방전 전류의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 60％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.4CA로 하여, 2초간의 충전과 1초간의 방전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 60％로 유지하였다.

<실시예 9>

방전 전류의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 60％, 충전 전류를 0.2CA, 방전 전류를 0.6CA로 하여, 3초간의 충전과 3초간의 방전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 60％로 유지하였다. 본 실시예는, 방전 전류 및 충전 시간이 실시예 8과 상위하다.

<실시예 10>

충전 전류의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 60％, 충전 전류를 0.3CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 충전과 1.5초간의 방전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 60％로 유지하였다.

<실시예 11>

충전 전류의 영향을 파악하는 운용의 시험으로서, SOC를 60％, 충전 전류를 0.4CA, 방전 전류를 0.2CA로 하여, 1초간의 충전과 2초간의 방전을 휴지 기간을 두지 않고 반복하고, 시험 온도를 25℃로 하고, 전지 전압을 1.80V∼2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어하는 시험을 행하여, 각 시험과의 열화 진행 정도를 비교하였다. 본 실시예에서는, 운용 시험의 기간을 통하여, SOC를 60％로 유지하였다. 본 실시예는, 충전 전류 및 방전 시간만이 실시예 10과 상위하다.

전술한 실시예 1∼11, 비교예 1, 2 및 참고예 1, 2에 대하여, 각 조건을 하기의 표 1에 모아서 기재한다.

또한 상기의 각 실시예, 비교예 및 참고예에서는, 계통에의 전력 공급의 변동을 억제하기 위해서, 5000사이클/일(약 17초에 1회)의 충방전을 반복한다고 상정하여, 시험 시의 충방전 사이클을 상정한 충방전 사이클보다도 충분히 짧게 설정함으로써, 가속 수명 시험을 행하고 있다.

실시예 1∼7, 비교예 1∼2, 참고예 1∼2에서는, 2초에 1회 충방전을 반복하고 있어, 43200사이클/일로 된다. 이것은, 43200/5000=8.6배의 가속 수명 시험을 실시하고 있는 것에 상당한다.

또한 실시예 8∼11에서는, 충방전 사이클이 상기의 예보다 길게 되어 있으므로, 각각의 가속 수명 시험의 배율은 다음과 같다.

실시예 8 : 28800/5000=5.7배

실시예 9 : 21600/5000=4.3배

실시예 10 : 34560/5000=6.9배

실시예 11 : 28800/5000=5.7배

(운용 시험 결과)

<SOC의 영향 파악 : 실시예 1∼3, 비교예 1, 2>

도 2에 0.1CA 방전 시험의 용량 추이를 도시한다. 실시예 1∼3에서는, 시험 기간 24개월 동안 초기 용량을 유지하고 있는 것에 대하여, 비교예 1에서는 약 18개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 부극판에 황산납이 많이 축적되어 있고, 이것이 수명 원인인 것을 알 수 있었다. 즉, 비교예 1에서는, 충전 부족의 상태가 길게 계속된 것에 의해, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다. 또한, 비교예 2에서는 약 12개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 부식에 의한 정극판의 신장이 심하고, 이것이 수명 원인인 것을 알 수 있었다. 즉, 비교예 2에서는, SOC가 100％로 유지되어 있는 상태에서 0.2CA 충전을 행한 결과, 순간적으로 전지의 전압이 상승하여, 정극이 산화되기 쉬운 전위에 놓여지는 상태가 반복된 것에 의해, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 1∼3의 운용 시험과 같이, SOC를 30 내지 90％의 범위로 유지함으로써, 납 축전지의 수명을 연장시키는 운용 방법을 제공할 수 있는 것을 알 수 있다.

<전압의 영향의 파악 : 실시예 2∼3, 참고예 1, 2>

도 3에 0.1CA 방전 시험의 용량 추이를 도시한다. 실시예 2∼3은, 시험 기간 24개월 동안 초기 용량을 유지하고 있는 것에 대하여, 참고예 1에서는 약 21개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 부극판에 황산납이 많이 축적되어 있고, 이것이 수명 원인인 것을 알 수 있었다. 즉, 참고예 1에서는, 충전 부족의 상태가 길게 계속된 것에 의해, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다. 또한, 참고예 2에서는 약 18개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 부식에 의한 정극판의 신장이 심하고, 이것이 수명 원인인 것을 알 수 있었다. 즉, 참고예 2에서는, 과충전의 상태가 길게 계속된 것에 의해, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 2∼3의 운용 시험에서는, 시험 온도가 25℃일 때에, 전지 전압을 1.80 내지 2.42V/셀의 범위로 유지하도록 제어함으로써, 납 축전지의 수명을 연장시키는 운용 방법을 제공할 수 있는 것을 알 수 있다.

<온도 보정의 영향의 파악 : 실시예 4∼7>

도 4에 0.1CA 방전 시험의 용량 추이를 도시한다. 실시예 4에서는, 시험 기간 24개월 동안 초기 용량을 유지하고 있는 것에 대하여, 실시예 5에서는 약 22개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 고온 환경 하에 의한 화학 반응의 활성화가 일어나, 부식에 의한 정극판의 신장이 진행되어 있고, 이것이 수명 원인인 것을 알 수 있었다. 즉, 실시예 5에서는, 온도 보정을 가하고 있지 않으므로 과충전의 상태가 계속된 것에 의해, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다.

또한, 실시예 6에서는, 시험 기간 24개월 동안 초기 용량을 유지하고 있는 것에 대하여, 실시예 7에서는 약 23개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 부극판에 황산납이 많이 축적되어 있고, 이것이 수명 원인이라고 알 수 있었다. 즉, 실시예 7에서는, 온도 보정의 값을 크게 하였기 때문에, 충전 부족의 상태가 계속된 것에 의해, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 4, 6과 같이, 전지 전압의 제어 범위에 적정한 온도 보정을 행함으로써, 적정한 범위 내에서의 전압 제어를 행할 수 있어, 납 축전지의 수명을 연장시키는 운용 방법을 제공할 수 있는 것을 알 수 있다.

<방전 전류의 영향 파악 : 실시예 1, 8∼9>

도 5에 0.1CA 방전 시험의 용량 추이를 도시한다. 실시예 1 및 실시예 8에서는, 시험 기간 24개월 동안 초기 용량을 유지하고 있는 것에 대하여, 실시예 9에서는 약 23개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 방전 전류를 크게 한 것에 의한 전지 전압의 저하 때문에, 부극판에 황산납이 많이 축적되어 있고, 이것이 수명 원인인 것을 알 수 있었다. 즉, 실시예 9에서는, 순간적인 심한 방전이 반복됨으로써, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 1, 8의 운용 시험과 같이, 최대 방전 전류를 0.4CA 이하로 하도록 운용함으로써, 적정한 범위 내에서의 전압 제어를 할 수 있어, 보다 긴 수명의 납 축전지의 운용 방법을 제공할 수 있는 것을 알 수 있다.

<충전 전류의 영향 파악 : 실시예 1, 10∼11>

도 6에 0.1CA 방전 시험의 용량 추이를 도시한다. 실시예 1 및 실시예 10에서는, 시험 기간 24개월 동안 초기 용량을 유지하고 있는 것에 대하여, 실시예 11에서는 약 24개월에서 수명으로 되었다. 수명으로 된 전지를 해체한 바, 충전 전류를 크게 한 것에 의한 전지 전압의 상승 때문에, 부식에 의한 정극판의 신장이 진행되어 있고, 이것이 수명 원인이라고 알 수 있었다. 즉, 실시예 11에서는, 순간적인 과충전이 반복됨으로써, 전지 수명이 짧아진 것으로 판단할 수 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 1, 10의 운용 시험과 같이, 최대 충전 전류를 0.3CA 이하로 하도록 운용함으로써, 적정한 범위 내에서의 전압 제어를 행하여, 납 축전지의 수명을 연장시키는 운용 방법을 제공할 수 있는 것을 알 수 있다.

1 : 태골
2 : 세골

Claims

자연 에너지 발전 장치의 발전량의 변동을 보상하기 위해서 상기 발전 장치에 접속되어, 상기 발전 장치의 출력에 의한 충전과 외부 회로에의 방전이 행해지는 납 축전지를 운용하는 납 축전지의 운용 방법으로서,
상기 납 축전지의 만충전 상태를 100％로 하여, 상기 납 축전지의 충전 상태가 30% 미만이 되었을 때 납 축전지의 방전을 정지하고, 납 축전지의 충전 상태가 90%를 초과할 때 납 축전지의 충전을 정지함으로써, 상기 납 축전지의 충전 상태를, 30∼90％의 범위 내로 유지하고, 25℃를 기준 온도로 하여, 상기 납 축전지의 분위기 온도가 상기 기준 온도일 때에 전지 전압을 1.80∼2.42V/셀의 규정 범위로 유지하여 상기 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 상기 분위기 온도가 상기 기준 온도보다도 상승하고 있을 때에는, 상기 분위기 온도의 기준 온도로부터의 상승량에 따라서, 상기 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 저하시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 상기 전지 전압을 상기 보정 후 전압 범위로 유지하여, 상기 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 상기 분위기 온도가 상기 기준 온도보다도 저하하고 있을 때에는, 상기 분위기 온도의 기준 온도로부터의 저하량에 따라서, 상기 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 상승시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 상기 전지 전압을 상기 보정 후 전압 범위로 유지하여, 상기 납 축전지의 방전 및 충전을 행함으로써 상기 납 축전지를 운용하며,
상기 납 축전지의 운용 시의 최대 방전 전류는, 0.4C[A](C는, 납 축전지의 정격 용량[Ah]을 나타냄) 이하로 유지하고, 상기 납 축전지의 운용 시의 최대 충전 전류는, 0.3C[A] 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는
납 축전지의 운용 방법.
제1항에 있어서,
상기 납 축전지의 운용이 개시된 후, 설정된 기간이 경과할 때마다 운용을 중단하고, 상기 납 축전지를 만충전 상태까지 균등 충전하는 리프레시 충전을 행하는 납 축전지의 운용 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
운용 시의 납 축전지의 충전 상태를, 충전 전기량 및 방전 전기량(Ah)을 적산함으로써 연산하는 납 축전지의 운용 방법.
자연 에너지 발전 장치의 출력의 변동을 보상하기 위해서 상기 발전 장치에 접속되어, 상기 발전 장치에 의한 충전과, 외부에의 방전이 행해지는 납 축전지를 구비한 축전 장치로서,
제1항 또는 제2항에 기재된 운용 방법에 의해 상기 납 축전지를 운용하도록 상기 납 축전지의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치를 구비하고 있는
자연 에너지 발전 설비용 축전 장치.
자연 에너지 발전 장치의 출력의 변동을 보상하기 위해서 상기 발전 장치에 접속되어, 상기 발전 장치에 의한 충전과, 외부에의 방전이 행해지는 납 축전지를 구비한 축전 장치로서,
상기 납 축전지의 만충전 상태를 100％로 하여, 상기 납 축전지의 충전 상태가 30% 미만이 되었을 때 납 축전지의 방전을 정지하고, 납 축전지의 충전 상태가 90%를 초과할 때 납 축전지의 충전을 정지함으로써, 상기 납 축전지의 충전 상태를, 30∼90％의 범위 내로 유지하고, 25℃를 기준 온도로 하여, 상기 납 축전지의 분위기 온도가 상기 기준 온도일 때에 전지 전압을 1.80∼2.42V/셀의 규정 범위로 유지하여 상기 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 상기 분위기 온도가 상기 기준 온도보다도 상승하고 있을 때에는, 상기 분위기 온도의 기준 온도로부터의 상승량에 따라서, 상기 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 저하시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 상기 전지 전압을 상기 보정 후 전압 범위로 유지하여, 상기 납 축전지의 방전 및 충전을 행하고, 상기 분위기 온도가 상기 기준 온도보다도 저하하고 있을 때에는, 상기 분위기 온도의 기준 온도로부터의 저하량에 따라서, 상기 규정 범위의 상한값 및 하한값을 1셀당 4㎷/℃∼6㎷/℃의 범위로 선정한 보정량만큼 상승시키는 보정을 행함으로써 보정 후 전압 범위를 구하고, 상기 전지 전압을 상기 보정 후 전압 범위로 유지하여, 상기 납 축전지의 방전 및 충전을 행함으로써 상기 납 축전지를 운용하도록 상기 납 축전지의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치를 구비하며,
상기 충방전 제어 장치는, 상기 납 축전지의 운용 시의 최대 방전 전류를 0.4C[A](C는, 납 축전지의 정격 용량[Ah]을 나타냄) 이하로 유지하고, 상기 납 축전지의 운용 시의 최대 충전 전류를 0.3C[A] 이하로 유지하고, 상기 납 축전지의 운용이 개시된 후, 설정된 기간이 경과할 때마다 상기 납 축전지의 운용을 중단하고, 상기 납 축전지를 만충전 상태까지 균등 충전하는 리프레시 충전을 행하고, 또한 상기 납 축전지의 운용 시의 충전 상태를, 충전 전기량 및 방전 전기량(Ah)을 적산함으로써 연산하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
축전 장치.
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