JP2021131968A - 蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】再生エネルギーの活用をより進展させるために、従来の蓄電池の問題を解消させた新たな蓄電システムを提供する。【解決手段】発電機構１からの供給電力を蓄電する複数の主蓄電池３０（３１、３２）と、この主蓄電池３０からの電力を再蓄電する当該主蓄電池３０よりも蓄電能力の小さい副蓄電池４０と、前記複数の主蓄電池３０から副蓄電池４０に向けて放電すべき電池を選択するための切替手段５を有し、主蓄電池３０から副蓄電池４０に再放電する際に形成される閉ループにおいて、主蓄電池３０と副蓄電池４０の間に、放電特性を規制するための双方向型コンデンサＣcapを有することを特徴とする蓄電システム。【選択図】 図２

Description

本発明は蓄電システムに関する。特に、鉛蓄電池に代表される化学反応型蓄電池と、リチウムイオン蓄電池に代表されるインターカレーション型蓄電池を2段階的に構築した蓄電システムに関する。

太陽光発電や風力発電に代表される再生エネルギーは温室効果ガスを排出しないという点で有望とされているが、出力が常に変動するという欠点があり、突発的な負荷変動に迅速に追従できないという問題を有している。このことは工場の稼働、夜間の照明利用、空調システムなど不規則な利用に対して再生エネルギーは向いていないことを意味する。このため、再生エネルギーのより広く活用させるためには、安定的に電力を供給できる蓄電池とそのシステムの利用が不可欠になっている。
また、再生エネルギーに限らなくても、工場の稼働と休止においては電力需要の変化が大きいので、発電システムからの直接の供給ではなく、夜間に電力を充電するような蓄電システムは有用である。
また、近年は、電力調整市場としてデマンドレスポンス（ＤＲ）が注目されているが、この観点からも蓄電システムに対する期待は大きい。

ここで、蓄電池としては、リチウムイオン電池が代表的に存在するが、高価格であることと、過充電や過放電の耐性が低いため発熱の問題を有している。また、価格という点では、鉛蓄電池も有用ではあるが、ＳＯＣ（充電率）を１００％利用できないこと、ＤＯＤ（放電深度）が浅いこと、さらに、硫酸鉛（ＰｂＳＯ４）が結晶化して電気の流れが阻害される現象、いわゆる「サルフェーション」が発生するなどの問題があった。

特開２０１７−５９５１２

そこで、この発明が解決しようとする課題は、再生エネルギーの活用をより進展させるために、従来の蓄電池の問題を解消させた新たな蓄電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係る蓄電システムは、発電機構からの供給電力を蓄電する複数の主蓄電池と、この主蓄電池からの電力を再蓄電する当該主蓄電池よりも蓄電能力の小さい副蓄電池と、前記複数の主蓄電池から副蓄電池に向けて放電すべき電池を選択するための切替手段を有する。そして、主蓄電池から副蓄電池に再放電する際に形成される閉ループにおいて、主蓄電池と副蓄電池の間に、放電特性を規制するための双方向型コンデンサを有することを特徴とする。

この発明に係る蓄電システムによれば、主蓄電池と副蓄電池の2段階の蓄電機能により、まず、太陽電池などの発電機構から主蓄電池に電力が充電される。次に、主蓄電池から副蓄電池に対して、必要な補充分として再蓄電が行われる。これは、例えば、プールとバケツの関係に相当する。プールが主蓄電池であり、バケツが副蓄電池となり、水道水の蛇口が太陽電池などの発電機構に相当し、蛇口からの給水は不規則であっても容量の大きいプールには蓄水できる。その一方で、火災に対してはプールの水ではなく、蓄水量の小さいバケツを利用して効率的に消火することができる。プールからバケツへの給水は、規則的かつ安定的に行うことで、急な火災に対しても良好に消化活動ができる。これは、主蓄電池から副蓄電池に対しても、規則的かつ安定的に再蓄電を行うことに相当する。

さらに、本発明は、主蓄電池から副蓄電池に対する再蓄電に際して形成される閉ループにおいて、主蓄電池と副蓄電池の間に双方向型のコンデンサを接続することで、主蓄電池の寿命を効果的に伸ばすことができる。

本発明の蓄電システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の主蓄電池を具体的に表した構成図である。 本発明の主蓄電池を具体的に表した構成図である。

図１は本発明の蓄電システムの全体構成を示すブロック図である。
発電機構１からの電力は電力調整回路２を介して主蓄電回路３にまず充電される。主蓄電回路３に蓄電された電力は次に副蓄電回路４に再蓄電される。そして、副蓄電回路４に蓄電された電力は負荷に供給される。主蓄電回路３には主蓄電池が、副蓄電回路４には副蓄電池がそれぞれ含まれる。

発電機構１は太陽電池、風力発電などが適用される。電力調整回路２は例えばチョッパ回路であり電圧や電力が調整される。主蓄電回路３は例えば鉛蓄電池が複数個並列に、あるいは直列に、あるいはその組み合わせで接続構成される。また、主蓄電回路３には複数の鉛蓄電池から放電対象となるものを選択する切替手段５が接続されている。副蓄電回路４は例えばリチウムイオン電池などの二次電池が使われ、この副蓄電回路４からの電力が負荷に供給される。電力調整回路２を制御したり、切替手段５を制御するためコントローラ６を具備している。

主蓄電回路３は、化学反応を利用した二次電池からなる主蓄電池が適用され、例えば、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、リチウムイオン電池、燃料電池が存在するが、なかでも鉛蓄電池は古くから広く使われている電池でもあり、コスト、耐熱性、信頼性と、リサイクルの観点からももっとも代表的なものといえる。

副蓄電回路４は、インターカレーション（Intercalation）型の二次電池からなる副蓄電池が適用され、例えば、イオン電池が存在するが、なかでもリチウムイオン電池は高速充電が可能であること、いわゆるメモリ効果がないので長寿命であることからもっとも代表的といえる。

図２と図３は主蓄電回路３と副蓄電回路４の具体的機能を示すための回路構成を示す。
図２において、主蓄電回路３は、主蓄電池３０として、第一主蓄電地３１と第二主蓄電地３２を有し、切替手段５であるSW1およびSW2により、副蓄電池４０（副蓄電回路４）に対して放電すべき主蓄電池を選択できる。ここで、主蓄電池３１と３２の間には、双方向型コンデンサＣcapが接続されている。図２においては、切替手段であるSW1およびSW2が主蓄電池３２を放電させるように接続されることで、点線で図示するように、主蓄電池３２⇒スイッチSW2⇒副蓄電池４⇒スイッチSW1⇒コンデンサＣcapの方向に電流が流れる。

一方、図３においては、切替手段５であるSW1およびSW2が、図２とは異なる端子に接続しており、主蓄電池３１を放電させるように接続される。具体的には、図３において、CcapがVｃに充電されているため、初期には、コンデンサＣcap⇒主蓄電池３１⇒スイッチSW2⇒副蓄電池４⇒スイッチ３２の方向に電流が流れて、コンデンサCcapが放電され、Ccapが放電終了して、主電池＞副電池の場合は、Ccapは逆電圧になるように充電される。

このように双方向型コンデンサＣcapを介在させて、主蓄電池３０（３１，３２）を副蓄電池４０に向けて放電させることで、瞬間的に主蓄電池３０からの放電電流を副蓄電池４０に再充電させることができる。そして、単純に、コンデンサを介在させるだけであれば、コンデンサに電荷が貯まってしまい電流が流れなくなるので、本発明においては、複数の主蓄電池を使って双方向回路を構築している。

ここで、一般的に、平滑回路などコンデンサに充電された電力を放電させる回路として、通常は、コンデンサの後段にインダクタンス要素としてコイルが接続される。これは急激な電流変化を緩和させる機能を期待するものであるが、本発明においては、主蓄電池の耐久性向上の観点から主蓄電池の後段に、コイルではなくコンデンサを介在させて、そのうえで副蓄電池を接続している。これにより、主蓄電池⇒コンデンサ⇒副蓄電池⇒主蓄電池の閉ループが形成されることになるが、主蓄電池の放電電流は、瞬間的な突入電流として流れ、Exp（エクスポーネンシャル）的に電流減衰し、副蓄電池に流れることなる。

一般に、蓄電池を構成する活物質の表面に、領域的に不均一な薄い層（10n程度）の電気二重層が形成されると、活物質と電解液の界面の電気伝導が過大となり、電極表面抵抗がバラツキ、放電に必要な界面反応が抑制されてしまう（局所反応の促進）。この現象は、インダクタンス型の緩やかな電流変化を形成するものより、キャパシンタス型の急激に変化する電流のほうが発生しにくいのである。本発明はこのような蓄電池特有の事情に鑑みて、主蓄電池から副蓄電池への再蓄電という機能において、より効果的な方法を考案したものである。

切替手段５は例えばMOSFETなどの半導体素子が適用されて、数Hｚ〜数十ｋHZで切替動作をする。また、主蓄電池３は２つに限らずに３つ以上を構成することも可能である。また、主蓄電池にリチウムイオン電池を採用して、副蓄電池にそれよりも蓄電能力の小さい電池を採用することも可能である。

本発明に係る蓄電システムによれば、発電機構から供給される電力を、まずは主蓄電池に蓄積させて、その後、主蓄電池から蓄電能力の小さい副蓄電池に、供給量をほぼ一定とした安定的な電流供給を行う。これにより、主蓄電池においてはサルフレーションの問題を良好に解決できるとともに、放電深度やサイクル回数を増加できる。さらに、副蓄電池においても安定的に充電されるため、過電流や過放電という耐性に悪影響を及ぼす使用を避けることができるという利点を有する。
さらに、本発明は、主蓄電池から副蓄電池への再蓄電に際し、双方向型コンデンサを接続することで、主蓄電池からの放電電流を急峻な波形のものとすることができ、これにより、蓄電池内の界面反応の抑制をいう問題を良好に解決することができる。
また、主蓄電池の放電電流は、Exp（エクスポーネンシャル）的に電流減衰するため、電解液の拡散遅延による問題にも良好な手段である。

１ : 発電機構
２ ： 電力調整回路
３ ： 主蓄電回路
３０ ： 主蓄電池
３１ ： 第一主蓄電池
３２ ： 第二主蓄電池
４ ： 副蓄電回路
４０ ： 副蓄電池
５ ： 切替手段
６ ： コントローラ
Ｃcap ： 双方向型コンデンサ

Claims (3)

1. 発電機構からの供給電力を蓄電する複数の主蓄電池と、
   この主蓄電池からの電力を再蓄電する当該主蓄電池よりも蓄電能力の小さい副蓄電池と、
   前記複数の主蓄電池から副蓄電池に向けて放電すべき電池を選択するための切替手段を有し、
   主蓄電池から副蓄電池に再放電する際に形成される閉ループにおいて、主蓄電池と副蓄電池の間に、放電特性を規制するための双方向型コンデンサを有することを特徴とする蓄電システム。
2. 前記主蓄電池は鉛蓄電池から構成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記副蓄電池はリチウムイオン電池から構成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。

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