TW202346886A - 充放電試驗裝置及電池壽命評價方法 - Google Patents
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Abstract
[課題]本發明是提供一種充放電試驗裝置、及使用該充放電試驗裝置而可適當的掌握中古二次電池壽命之電池壽命評價方法，前述充放電試驗裝置是可反覆再利用初期所給予之能量而大幅減少消耗功率，且不用進行複雜之控制即可以低成本實現複數個二次電池之壽命評價者。
[解決手段]充放電試驗裝置10具備：AC/DC轉換器14，是交流側端子連接於商用交流電源12，直流側端子連接於共用直流匯流排13；複數個雙向DC/DC轉換器15，是各個前述雙向DC/DC轉換器15之一端連接於共用直流匯流排13，而各個前述雙向DC/DC轉換器15之另一端連接於複數個二次電池串聯連接之各試驗體11；連接於共用直流匯流排13之蓄電池16及太陽能板17；以及控制部18，是控制各雙向DC/DC轉換器15；該充放電試驗裝置10進行充放電試驗時，是於各試驗體11與蓄電池16之間進行電力之傳輸與接收，且蓄電池16不足之電力以太陽能板17所發電之電力加以補充。
Description
發明領域
本發明是有關一種可以較少的消耗功率，整合且有效率地進行多數個鋰離子電池等二次電池之充放電試驗（壽命試驗）的充放電試驗裝置及使用該充放電試驗裝置之電池壽命評價方法。
發明背景
近年，由於手機等IT機器的發達及電動車等的實用化，二次電池（主要為鋰離子電池）的需求急遽增加。於該二次電池的量產過程中之最終程序，進行所生產的二次電池之活化及品質管制，並藉由充放電試驗來檢查是否滿足預定的性能及特性而後才出貨。然而，伴隨電動車等之普及，二次電池的容量增加，充放電試驗中之耗電量增大。再者，由於電動車等會使用多數個二次電池，因此要求一種可並聯更多個二次電池，有效率地節電的進行試驗之充放電裝置。故，譬如專利文獻1提出一種充放電試驗系統，其具備：雙向AC/DC轉換器，是交流側端子連接於交流電源，直流側端子連接於直流匯流排；雙向DC/DC轉換器，是一端連接於直流匯流排，另一端連接於試樣（二次電池）；及控制裝置，是控制雙向DC/DC轉換器，而控制雙向DC/DC轉換器對試樣進行充放電，連接於直流匯流排之雙向DC/DC轉換器之數量是多於連接於直流匯流排之雙向AC/DC轉換器之數量，控制裝置依分別連接於複數個雙向DC/DC轉換器之複數個試樣的充放電模式，而控制複數個雙向DC/DC轉換器，複數個試樣之充放電模式是排定成由複數個雙向DC/DC轉換器供給至雙向AC/DC轉換器之再生電力為最小化。
先行技術文獻
專利文獻
[專利文獻1]日本專利公開公報特開第2012-154793號公報
發明概要
發明欲解決之課題
專利文獻1中，藉由設置用以於複數個雙向DC/DC轉換器間交換電流之直流匯流排，來降低由雙向AC/DC轉換器返回至交流匯流排之再生電力，減少雙向AC/DC轉換器中之交流轉換損耗，提高充放電試驗系統之電力使用效率。惟，每次對新的二次電池進行試驗時，都必須由系統電力（商用交流電源）對作為試驗對象之複數個二次電池供給電力來進行充電，耗電量本身難以降低，對於低成本化有其限度，亦有難以確保電力之可能性。又，控制裝置中，依分別連接於複數個雙向DC/DC交換器之複數個試樣的充放電模式來控制複數個雙向DC/DC轉換器時，一定要排定成由複數個雙向DC/DC轉換器供給至雙向AC/DC轉換器之再生電力為最小化，需要複雜的控制，可能導致成本增加。再者，專利文獻1中，雖有記載藉由於直流匯流排追加連接蓄電池來降低再生交流電源（雙向AC/DC轉換器）之峰值功率，有助於再生交流電源的大量減少、低成本化，但如何使用蓄電池卻未具體載述，不清楚其動作。
如以上之說明，目前並無法實現伴隨巨大耗電量的電動車等之大容量二次電池之壽命評價。因此，無法掌握出現在中古市場之電動車等的二次電池壽命，價值降低，無法進行適切的交易，而有未達壽命之二次電池或可再利用之二次電池並未流通於市場即遭廢棄之問題。
本發明是有鑑於前述情事而作成者，目的在於提供一種藉由反覆再利用初期所給予之能量而大幅減少消耗功率且無須進行複雜之控制即可以低成本實現複數個二次電池之壽命評價的充放電試驗裝置、及使用該充放電試驗裝置而可適當的掌握中古二次電池壽命之電池壽命評價方法。
用以解決課題之手段
符合前述目的之第1發明之充放電試驗裝置是用以將串聯連接之複數個二次電池作為試驗體，同時進行複數個該試驗體之充放電試驗的充放電試驗裝置，其具備：AC/DC轉換器，是交流側端子連接於商用交流電源，直流側端子連接於共用直流匯流排；複數個雙向DC/DC轉換器，是各個前述雙向DC/DC轉換器之一端連接於前述共用直流匯流排，且各個前述雙向DC/DC轉換器之另一端連接於前述各試驗體；蓄電池，是具有與同時進行試驗之複數個前述試驗體之總容量同等以上之容量，預先蓄電且連接於前述共用直流匯流排；太陽能板，是開路電壓比前述蓄電池之滿充電壓還高，且連接於前述共用直流匯流排；及控制部，是控制各前述雙向DC/DC轉換器，
前述充放電試驗裝置在充放電試驗時，是於前述各試驗體與前述蓄電池之間進行電力之傳輸與接收，且前述蓄電池不足之電力是以前述太陽能板所發電之電力加以補充。
第1發明之充放電試驗裝置中，前述試驗體亦可為複數個前述二次電池串聯連接而模組化之電池模組、或複數個該等電池模組串聯連接之電池組。
第1發明之充放電試驗裝置中，前述AC/DC轉換器宜為雙向AC/DC轉換器。
符合前述目的之第2發明之電池壽命評價方法是使用第1發明之充放電試驗裝置的電池壽命評價方法，
其是將串聯連接之複數個新品二次電池作為前述試驗體而反覆進行之充放電試驗的結果作為製造時試驗結果加以保存，且將之與和前述新品二次電池同型且串聯連接之複數個中古二次電池作為前述試驗體而進行之充放電試驗的結果加以比較，藉此進行前述中古二次電池之壽命預測。
第2發明之電池壽命評價方法中，作為前述製造時試驗結果，宜作成以前述充放電試驗之重複次數為橫軸、以各前述充放電試驗所求得之容量為縱軸的圖表。
發明效果
第1發明之充放電試驗裝置是可於試驗體（串聯連接之複數個二次電池）與蓄電池之間反覆進行充放電，且對於初期（開始使用前）時已預先蓄電之蓄電池，不需要來自商用交流電源之電力供給，可大幅減少消耗功率，並可以極少之能量同時進行複數個試驗體（多數個二次電池）之壽命試驗。不是將試驗體放電時之再生直流電轉換為再生交流電而返回至商用交流電源，而是將再生直流電直接儲能於蓄電池，於試驗體充電時再利用，藉此可消除再生電力之轉換損耗，高效率地有效利用再生電力。由於將試驗體之放電能量儲存於蓄電池並作為充電能源再利用，因此可抑制峰值功率，於試驗中穩定且確實地提供電力，不需進行對停電之控制，可無突然中斷而由蓄電池以恆定電壓持續供給電力，動作的穩定性優異。蓄電池不足之電力可以太陽能板所發電之電力加以補充，故可盡量減少商用交流電源之使用量或電費，可達到低成本化。太陽能板之開路電壓設定得比蓄電池之滿充電壓更高，藉此，即使在充放電試驗時，共用直流匯流排之電壓有所變動，亦可不需經由DC/DC轉換器而是由太陽能板直接將電力供給至蓄電池，可謀求裝置之精簡化及低成本化。
第1發明之充放電試驗裝置中，若試驗體為複數個二次電池串聯連接而模組化之電池模組或複數個電池模組串聯連接之電池組時，可在各二次電池之充放電試驗的同時，進行一個或複數個電池模組抑或電池組之充放電試驗，不需分別進行各二次電池之充放電試驗與電池模組或是電池組之充放電試驗，相較習知可大幅減少充放電試驗所需之心力及時間。
第1發明之充放電試驗裝置中，若AC/DC轉換器是雙向AC/DC轉換器，在未進行充放電試驗時，亦可由業已充電完成之蓄電池依需求而將剩餘的再生直流電轉換為再生交流電來利用，可有助於減低商用交流電源之耗電量及削峰（peak cut）。
第2發明之電池壽命評價方法是將製造二次電池時反覆進行之充放電試驗之結果（壽命試驗結果），作為製造時之試驗結果加以保存，並與中古二次電池之充放電試驗之結果比較，藉此可進行中古二次電池之壽命預測，而提高中古二次電池之市場價值。
第2發明之電池壽命評價方法中，製造時試驗結果若作成以充放電試驗之重複次數為橫軸、以各充放電試驗所求得之容量為縱軸的圖表，可由中古二次電池之充放電試驗之結果，簡單又確實的預測中古二次電池之壽命。
用以實施發明之態樣
接著，參照附圖說明將本發明具體化之實施態樣，有助於理解本發明。
圖1所示之本發明一實施態樣之充放電試驗裝置10是用以將串聯連接之複數個二次電池作為試驗體11，同時進行複數個試驗體11之充放電試驗者。該充放電試驗裝置10亦會用於所生產之二次電池（例如鋰離子電池）之活化及品質管制，惟特別適合使用於壽命試驗（電池壽命預測）。
以下，詳細說明充放電試驗裝置10。
如圖1所示，充放電試驗裝置10具備有：雙向AC/DC轉換器（AC/DC轉換器之一例）14，是交流側端子連接於商用交流電源12，直流側端子連接於共用直流匯流排13；及複數個雙向DC/DC轉換器15，是各個雙向DC/DC轉換器15之一端連接於共用直流匯流排13而各個雙向DC/DC轉換器15之另一端連接於串聯連接複數個二次電池之試驗體11。又，充放電試驗裝置10具備有：蓄電池16，具有與同時進行試驗之複數個試驗體11之總容量同等以上之容量，預先蓄電且連接於共用直流匯流排13；及太陽能板17，是開路電壓高於蓄電池16之滿充電壓，且連接於共用直流匯流排13；及控制部18， 控制各雙向DC/DC轉換器15。
該充放電試驗裝置10是藉由以控制部18控制各雙向DC/DC轉換器15，而控制對各試驗體11（各二次電池）進行之充放電。進行充放電試驗時，於各試驗體11與蓄電池16之間進行電力之傳輸與接收，且蓄電池16之電力不足時，以太陽能板17所發電之電力加以補充。又，於初期（開始使用前）預先儲電於蓄電池16時，可適宜地使用商量交流電源12，惟亦可使用以太陽能板17或其他發電手段所發電之電力。
其中，雙向AC/DC轉換器14、雙向DC/DC轉換器15、蓄電池16及太陽能板17構成電源單元20。又，一般以太陽能板所發電之電力以DC/DC轉換器加以升壓或降壓後，以AC/DC轉換器轉換為交流電而加以使用，即使是直接使用直流電時，亦需以DC/DC轉換器進行升壓或降壓。然而，在該充放電試驗裝置10中，太陽能板17之開路電壓設定得較蓄電池16之滿充電壓更高，藉此，即使在充放電試驗中，共用直流匯流排13之電壓有所變動，亦可不經由DC/DC轉換器而由太陽能板17直接供給電力至蓄電池16。如此，蓄電池16及太陽能板17可直接連接於共用直流匯流排13而省略DC/DC轉換器，藉此，可簡化充放電試驗裝置10之構成，圖謀低成本化。
在充放電試驗裝置10中，藉由將習知之交流匯流排變更為共用直流匯流排13，變得不需要對各雙向DC/DC轉換器15連接雙向AC/DC轉換器，構成簡化。又，為了由商用交流電源12供給電力至共用直流匯流排13，需要至少一個AC/DC轉換器，惟亦可藉由使用雙向AC/DC轉換器14，在未進行充放電試驗時，由充電完成之蓄電池16依需求而將剩餘之再生直流電（放電能量）轉換為再生交流電加以利用，可有助於減低商用交流電源12之耗電量及削峰。再者，在充放電試驗裝置10中，試驗體11及蓄電池16分別連接於共用直流匯流排13，故可不需將試驗體11放電時之再生直流電（放電能量）轉換為再生交流電，而是儲電於蓄電池16，再利用於試驗體11充電時。因此，在充放電試驗裝置10中，可消除由再生直流電轉換為再生交流電之轉換損耗，高效率的利用再生直流電，並且不會受到停電影響，可確實且連續的進行試驗體11之充放電試驗（壽命試驗）。
又，充放電試驗裝置10在蓄電池16之電力不足時，可以太陽能板17所發電之電力加以補充，因此，可降低商用交流電源12之使用量或電費，可圖謀低成本化。此時，除了太陽能板17之外，亦可組合一種或複數種輔助發電手段而加以使用。再者，蓄電池16亦可藉由深夜用電取代太陽能板17而進行蓄電，也可組合太陽能板17及深夜用電，依天候及時間區段而選擇使用二者。惟，亦可依需求，蓄電池16以商用交流電源12儲電。
作為太陽能板以外的輔助發電手段，亦可使用利用風力發電或其他可再生能源者。
其次，說明充放電試驗裝置10之動作。
首先，複數個二次電池作為試驗體11對各雙向DC/DC轉換器15串聯連接。初期之試驗體11（各二次電池）是未充電狀態，蓄電池16預先以商用交流電源12（或以太陽能板17所發電之電力）而加以充電，又，由控制部18指示對各試驗體11進行充電時，由蓄電池16供給電力至各試驗體11，進行對各試驗體11（各二次電池）的充電。接著，在充電程序結束後，由控制部18指示進行來自各試驗體11之放電時，由各試驗體11供給電力至蓄電池16，進行來自各試驗體11（各二次電池）之放電。如此，藉由於各試驗體11與蓄電池16之間進行電力之傳輸與接收，而反覆進行各試驗體11之充放電，惟，各試驗體11因特性（性能）之不同（譬如內電阻或容量等之不均勻等），充電時間及放電時間各異。因此，各試驗體11以非同步狀態而各自個別地在與蓄電池16之間反覆充電與放電。
反覆進行預定次數之充電與放電而結束充放電試驗之試驗體11依來自控制部18之指示而進入次一程序，且隨時進行新搬運來之試驗體11之試驗。蓄電池16不足之電力是以太陽能板17所發電之電力加以補充（實際上，以太陽能板17所發電之電力供給至蓄電池16，以免發生蓄電池16電力不足之情形），因此，充放電試驗可穩定且連續的進行。作為蓄電池16，可合宜地使用鋰離子電池，其容量是依同時試驗之試驗體11的總容量而適宜的加以選擇。亦即，選擇試驗體11之數量或構成各試驗體11之二次電池的數量，使得蓄電池16之容量等於或大於同時試驗之試驗體11的總容量，亦同時試驗容量及種類不同之二次電池。
又，試驗體只要是串聯連接複數個二次電池者即可，亦可為複數個二次電池串聯連接而模組化之電池模組，亦可為複數個電池模組串聯連接之電池組。
在此，充放電試驗裝置10可具備有電壓調整機構21，前述電壓調整機構21是於充放電試驗中連接於各試驗體11，並以控制部18進行控制，且將構成各試驗體11之各個二次電池之充放電電壓調整成落在預先設定之容許偏差範圍內。
作為電壓調整機構21，可舉例如具有電壓測量電路及附通/斷開關之旁路電路，前述電壓測量電路是藉由與構成各試驗體11之各個二次電池並聯地電連接之電壓感測器，來測量各二次電池之充放電電壓，前述附通/斷開關之旁路電路是並聯連接於各二次電池。藉由以控制部18來控制各電壓感測器及各旁路電路（通/斷開關），而於充放電試驗中，以預先設定之測定時間間隔來測定各二次電池之充放電電壓，所測定出之充放電電壓高於基準電壓值之二次電池並聯連接之旁路電路於一定時間為開啟（ON），該二次電池之充放電電流的一部分分流至旁路電路。其結果，流向充放電電壓高於基準電壓值之二次電池的充放電電流減少而抑制充放電，整體之充放電電壓之偏差減少。此時，分流至旁路電路之電流是以與通/斷開關串聯連接之電阻進行放電，成為熱能而被消耗。
藉由如以上構成之充放電試驗裝置10，可一邊將來自商用交流電源12之電力供給抑制到最小限度，一邊反覆進行充放電試驗，對於以往難以實現之大容量的試驗體（二次電池）亦可進行壽命試驗。而且，可使用該充放電試驗裝置10來進行中古二次電池之電池壽命評價（壽命預測）。
以下，說明使用了該充放電試驗裝置10之電池壽命評價方法。
首先，如前所述，將電動車等所使用之新品二次電池（串聯連接之複數個新品二次電池）作為試驗體，以充放電試驗裝置10反覆進行充放電試驗，其結果（壽命試驗結果）作為製造時試驗結果加以保存。之後，需要對與先前已進行壽命試驗之二次電池同型之中古二次電池進行壽命預測時，是將該同型之中古二次電池（串聯連接之複數個中古二次電池）作為試驗體而進行充放電試驗，並將其結果與製造時之試驗結果加以比較，藉此預測中古二次電池之壽命。
例如，作為製造時試驗結果，若針對新品二次電池做成以充放電試驗之重複次數為橫軸、以各充放電試驗所求得之容量（每一個新品二次電池之平均值）為縱軸的圖表，藉由與已進行充放電試驗之中古二次電池之容量（每一個中古二次電池之平均值）的比較（中古二次電池之容量是位於先前所做成之圖表上之何處），簡單地預測中古二次電池之壽命。
藉此，充放電試驗裝置10之利用者可判斷可否販售（使用）中古二次電池、或決定買賣的適當價格。而且，防止未達壽命之二次電池及可再利用之二次電池被廢棄，促進二次電池（自動車）之中古市場的擴大及適當化。再者，即使是成為製造時試驗（壽命試驗）之對象之新品二次電池的串聯連接數目、與成為壽命預測對象之中古二次電池的串聯連接數目不同的情況，亦可作成製造時試驗結果，就顯示充放電試驗之重複次數與各充放電試驗所求得之容量的關係之圖表，將容量之數值換算為每一個二次電池之容量，藉此預測中古二次電池之壽命。
以上，已說明本發明之實施態樣，惟，本發明並不限於任何上述之實施型態記載之構成者，亦包含在記載於申請專利範圍之事項的範圍內可思及之其他實施形態或變形例。
作為試驗體之二次電池，除鋰離子電池之外，可例舉鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛電池等。
在前述實施態樣中，是於商用交流電源與共用直流匯流排之間連接雙向AC/DC轉換器，惟，亦可非為雙向AC/DC轉換器。又，連接於共用直流匯流排之雙向DC/DC轉換器之數量可適宜地加以選擇。
10:充放電試驗裝置
11:試驗體
12:商用交流電源
13:共用直流匯流排
14:雙向AC/DC轉換器
15:雙向DC/DC轉換器
16:蓄電池
17:太陽能板
18:控制部
20:電源單元
21:電壓調整機構
圖1是顯示本發明一實施態樣之充放電試驗裝置之構成的說明圖。
10:充放電試驗裝置
11:試驗體
12:商用交流電源
13:共用直流匯流排
14:雙向AC/DC轉換器
15:雙向DC/DC轉換器
16:蓄電池
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21:電壓調整機構
Claims (5)
- 一種充放電試驗裝置，是用以將串聯連接之複數個二次電池作為試驗體，同時進行複數個該試驗體之充放電試驗的充放電試驗裝置，其特徵在於具備： AC/DC轉換器，是交流側端子連接於商用交流電源，直流側端子連接於共用直流匯流排； 複數個雙向DC/DC轉換器，是各個前述雙向DC/DC轉換器之一端連接於前述共用直流匯流排，且各個前述雙向DC/DC轉換器之另一端連接於前述各試驗體； 蓄電池，是具有與同時進行試驗之複數個前述試驗體之總容量同等以上之容量，預先蓄電且連接於前述共用直流匯流排； 太陽能板，是開路電壓比前述蓄電池之滿充電壓還高，且連接於前述共用直流匯流排；及 控制部，是控制各前述雙向DC/DC轉換器， 前述充放電試驗裝置在充放電試驗時，是於前述各試驗體與前述蓄電池之間進行電力之傳輸與接收，且前述蓄電池不足之電力是以前述太陽能板所發電之電力加以補充。
- 如請求項1之充放電試驗裝置，其中前述試驗體是複數個前述二次電池串聯連接而模組化之電池模組、或複數個該等電池模組串聯連接之電池組。
- 如請求項1或2之充放電試驗裝置，其中前述AC/DC轉換器是雙向AC/DC轉換器。
- 一種電池壽命評價方法，是使用如請求項1之充放電試驗裝置的電池壽命評價方法， 其是將串聯連接之複數個新品二次電池作為前述試驗體而反覆進行之充放電試驗的結果作為製造時試驗結果加以保存，且將之與和前述新品二次電池同型且串聯連接之複數個中古二次電池作為前述試驗體而進行之充放電試驗的結果加以比較，藉此進行前述中古二次電池之壽命預測。
- 如請求項4之電池壽命評價方法，其中作為前述製造時試驗結果，是作成一以前述充放電試驗之重複次數為橫軸、以各前述充放電試驗所求得之容量為縱軸的圖表。
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