特許 7300088 蓄電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-21

(45)【発行日】2023-06-29

(54)【発明の名称】蓄電システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/44 20060101AFI20230622BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230622BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20230622BHJP

【ＦＩ】

H01M10/44 P

H02J7/00 302C

H02J7/00 303C

H02J7/02 F

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019169280

(22)【出願日】2019-09-18

(65)【公開番号】P2021048028

(43)【公開日】2021-03-25

【審査請求日】2022-03-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100152294

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 雅宜

(72)【発明者】

【氏名】中村 雅規

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０６７１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２５９５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０５７２１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１１７０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１９３５９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４２ －１０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電機構からの供給電力を蓄電する主蓄電池を含む主蓄電機構と、
前記主蓄電機構からの供給電力を再蓄電する、前記主蓄電池よりも蓄電能力の小さい副蓄電池を有する副蓄電機構とからなり、
前記副蓄電機構は、複数の前記副蓄電池から構成されるとともに、前記主蓄電機構からの供給対象となる前記副蓄電池を選択するための切替手段を有し、
前記主蓄電機構から前記副蓄電機構への電力供給は、コントローラにより、略同一量を継続的かつ安定的に行い、
前記主蓄電機構から直接負荷には電力を供給せずに、前記副蓄電機構から前記負荷に電力を供給することを特徴とする蓄電システム。

【請求項2】

前記主蓄電池は化学反応を利用した電池であることを特徴とする請求項１の蓄電システム。

【請求項3】

前記副蓄電池はインタレーション型の電池であることを特徴とする請求項１及び／又は請求項２の蓄電システム。

【請求項4】

前記主蓄電池は鉛蓄電池であることを特徴とする請求項２の蓄電システム。

【請求項5】

前記副蓄電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項３の蓄電システム。

【請求項6】

前記主蓄電機構から前記副蓄電機構への再蓄電は、前記主蓄電池から連続的な放電により行われることを特徴とする請求項１の蓄電システム。

【請求項7】

前記主蓄電機構から前記副蓄電機構への再蓄電は、前記主蓄電池から休止期間を介在させながらの連続的な放電により行われることを特徴とする請求項１の蓄電システム。

【請求項8】

前記副蓄電機構は２つの前記副蓄電池を有し、
一方の前記副蓄電池が放電状態の時間帯において、他方の前記副蓄電池が充電状態にあることを特徴とする請求項１の蓄電システム。

【請求項9】

前記発電機構は再生エネルギーであることを特徴とする請求項１の蓄電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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レーション型蓄電池を使った蓄電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

太陽光や風力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の利用が不可欠といえる。
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。

【0003】

ここで、蓄電池としては、リチウムイオン電池が代表的には存在するが、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）が１００％にできないこと、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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－５９５１２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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主蓄電池を含む主蓄電機構と、主蓄電池からの供給電力を再蓄電する、主蓄電池よりも蓄電能力の小さい副蓄電池を有する副蓄電機構とからなる。
そして、副蓄電機構は、複数の副蓄電池からなるとともに、主蓄電機構からの供給対象となる副蓄電池を選択するための切替手段を有し、主蓄電機構から副蓄電機構への電流供給は、一定の電流量を安定的に供給することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

この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、まずは主蓄電機構に蓄積させて、その後、主蓄電機構から蓄電能力の小さい副蓄電機構に略安定的に電力供給することができるので、主蓄電機構は安定的な放電を行うことでサルフレーション除去を良好に解決できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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。

【図2】本発明の主蓄電機構と副蓄電機構をより具体的に表した構造図である。

【図3】本発明を説明するための便宜的な図面を示す。

【図4】本発明の主蓄電機構の放電を示す。

【図5】本発明の蓄電システムのタイムシーケンスを示す。

【図6】本発明の蓄電システムの他の実施形態を示す。

【図7】図６に示す実施形態のタイムシーケンスを示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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からの電力はまず主蓄電機構２に充電される。主蓄電機構２に充電された電力は次に副蓄電機構３に再充電される。さらに、副蓄電機構３に充電された電力は負荷４に対して供給される。これらの充放電は、コントローラ５により各機構が制御される。負荷４は、本発明の蓄電システムにより電力供給される機器や装置であって、例えば、照明機器、モータ、コンプレッサなどが適用される。

【0010】

発電機構１は、主電源と、この主電源からの電力を定電流制御、定電圧制御あるいはその複合制御により主蓄電機構２に対して充電するための充電器を有している。主電源は電力供給源であればよく、商用電源でよいが、太陽電池、燃料電池、風力発電などの直流電源であってもかまわない。

【0011】

図２は主蓄電機構２と副蓄電機構３をより具体的に表した構造図である。
主蓄電機構２は、複数の主蓄電池２ａ（２ａ１、２ａ２・・・２ａＮ）と、各々に対するスイッチ２ｓ（２ｓ１、２ｓ２・・・２ｓＮ）が直列に接続されている。スイッチ２ｓは、コントローラにより、対応する主蓄電池２ａに対する充放電を制御するものであり、特定の主蓄電池に対して負荷が集中しないように制御される。主蓄電機構２の入力端子２Ｔには発電機構の出力が接続される。

【0012】

主蓄電池２ａは化学反応を利用した二次電池が適用され、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。

【0013】

図２において、副蓄電機構３は、切替スイッチ３１と、複数の直列回路３２０、３３０から構成される。直列回路３２０と直列回路３３０は並列接続されており、直列回路３２０はスイッチ３２ｓと複数の副蓄電池３２（３２１，３２２，３２３）が直列接続され、直列回路３３０はスイッチ３３ｓと複数の副蓄電池３３（３３１，３３２，３３３）が直列接続されている。副蓄電池機構３の出力端子３Ｔには負荷が接続されるが、ＡＣ仕様の場合はＤＣ／ＡＣ変換機を介在して負荷が接続される。

【0014】

副蓄電機構３は、切替スイッチ３１がＯＮ状態において、主蓄電機構２から供給される電力が再蓄電される。後述するが、主蓄電池の放電（副蓄電池への電力供給）を一定のタイミングで安定的に行わせるためである。これにより、主蓄電池の早期劣化を防止できる。

【0015】

主蓄電機構２からの供給電力は、直列回路３２０または直列回路３３０のいずれかに選択的に充電される。直列回路３２０について言えば、スイッチ３２ｓが図示のように副蓄電池３２側に接続されている場合は、主蓄電池２ａからの供給電力は直列回路３２０の副蓄電池３２に充電されることになる。その一方で、直列回路３３０について、スイッチ３３ｓが図示のように副蓄電池３３側に接続されていない場合は、直列回路３３０の副蓄電池３３から負荷に対して放電が行われる。

【0016】

副蓄電池３２，３３は、インタレーション型の二次電池が適用され、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。副蓄電池３２、３３は過充電・過放電により熱や発火という問題が起こりえるため、本発明では複数の副蓄電池を並列に接続して、いずれかの電池が負荷に対して良好に対応できるように工夫している。なお、スイッチ３２ｓ、３３ｓはコントローラ５による信号に基づいている。なお、本発明においては、主蓄電池の容量が副蓄電池の容量よりも大きい関係になっている。また、主蓄電池、副蓄電池ともにリチウムイオン電池を使うこともできるが、同一のものではなく、主蓄電池のほうが副蓄電池よりも容量の大きいリチウムイオン電池を使うことになる。なお、副蓄電池は２つに限るものではなく、それ以上の数を配置させてもよい。

【0017】

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、まずは主蓄電機構に蓄積させて、その後、主蓄電機構から蓄電能力の小さい副蓄電機構に、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、主蓄電機構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、副蓄電機構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、コントローラにより、主蓄電機構および副蓄電機構を一体的に制御することを特徴としており、仮に、複数の蓄電池を段階的に接続するような先行例が存在したとしても、それらとは技術的意義が異なる。

【0018】

図３は本発明の蓄電システムを説明するための便宜的な模式図であり、負荷の電力変動に対する鉛蓄電池からの出力（放電電流）を示す。図において、０－１時間は８Ａの電力を要求するので蓄電池からも同様の放電が行われる。同様に、１－２時間は２Ａ、２－３時間は３Ａ、３－５時間は１Ａ、５－６時間は６Ａ、６－７時間は２Ａ、７－８時間は放電はなし、８－９時間は４Ａ、９－１０時間は３Ａの放電が行われる。

【0019】

すなわち、従来技術の蓄電池の場合、例えば、工場の稼働、夜間の照明利用、空調システムなど不規則な負荷変動に対して、時間的にも放電電流量的にも不規則に対応しなければならず、負荷が休止している時間（図3の場合、７－８時間）のみ急速に充電をしなければならなかった。この場合、鉛電池はＳＯＣ（充電率）、ＤＯＤ（放電深度）、「サルフェーション」の問題も生じていた。

【0020】

図４は、図３に対応させて本発明の蓄電システムにおける、主蓄電池から副蓄電池への出力（放電電流）パターンを示すものであり、（ａ）は休止期間を介在させながらの略連続的な放電パターンを示し、（ｂ）は連続的な放電パターンを示す。すなわち、本発明は、主蓄電池から直接負荷に出力するのではなく、副蓄電池に再充電させるよう出力している。

【0021】

具体的に説明すると、（ａ）に示すパターンでは、０―０．７５時間に５Ａを主蓄電池から副蓄電池に供給し、同様に、１－１．７５時間、２－２．７５時間、３－３．７５時間、４―４．７５時間・・・というように、常に、４５分の供給と１５分の停止を規則的に繰り返す。また、（ｂ）に示すパターンでは、０－４時間に４Ａを主蓄電池から副蓄電池に供給して、その後、１時間停止するとともに、５時間後から再び４Ａの放電を開始している。このように、主蓄電池から副蓄電池に対する電力供給は、負荷に直接対応するのではなく、略同一量を継続的かつ安定的に行うことを特徴としている。なお、略安定的な放電パターンは（ａ）や（ｂ）に限定されるものではなく、適宜の停止期間を介在させて、ほぼ同一量の電力供給さえできれば、これらに制限されるものではない。

【0022】

ここで、本発明に係る蓄電システムをわかりやすく説明するならば、プールとバケツに例えることができる。プールが主蓄電機構に相当して、バケツが副蓄電機構に相当する。また、プールに対する給水バルブは太陽電池や風力発電、あるいは商用電源などの発電機構に相当し、さらに、火災が負荷に相当する。給水バルブからの給水は不規則であっても容量の大きいプールに蓄水できるように、例えば、風力発電が不規則であって主蓄電機構（主蓄電池）に蓄電することが可能である。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消火することが望ましいように、負荷の要求に対しては副蓄電機構（副蓄電池）の電力を活用する。そして、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ように、主蓄電機構から副蓄電機構に対しても、規則的かつ安定的に再蓄電を行うことができる。これにより主蓄電機構（主蓄電池）の寿命を効果的に伸ばすことができる。

【0023】

図５は本発明の蓄電システムのタイムシーケンスを示す。（ａ）は発電機構、（ｂ）は主蓄電池、（ｃ）は切替スイッチ（図２における切替スイッチ３１）、（ｄ）は副蓄電池ａ、（ｅ）は副蓄電池ｂのオンオフ状態をそれぞれ示す。

【0024】

図５において、発電機構がオンのときに主蓄電池の充電が行われ、発電機構がオフのときは主蓄電池から放電が行われる。切替スイッチがオンの状態において副蓄電池ａに対する充電が行われて、切替スイッチがオフの状態において副蓄電池ｂに対する充電が行われる。副蓄電池ａ，ｂの放電は負荷に対応するので不規則になっている。

【0025】

図６は本発明に係る蓄電システムの他の実施形態を示し、図７はそのタイムチャートを示す。
図６において、全体としては、充電器６１、主蓄電機構６２、副蓄電機構６３より構成される。商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ）に接続される充電器６１は交流を直流に変換する回路ブロックである。スイッチング素子Ｕ１を含むチョッパー回路によって主蓄電池への充電を行う。図７において、Ｔ１は初期充電開始状態、すなわち、主蓄電池Ｓ６２も副蓄電池Ｆ６３（Ｆ６３ａ、Ｆ６３ｂ）も充電されていない状態（SOC＝０）を示す。この状態では、主蓄電池６２１および副蓄電池Ｆ６３（Ｆ６３ａ、Ｆ６３ｂ）の両方に対して充電が同時に行われる。ただし、副蓄電池は主蓄電池から電力供給されるので、期間T1-T2においては、まずは主蓄電池が充電され、期間T2-T3において、副蓄電池の充電も同時に行われている。なお、上記は初期状態（主蓄電池も副蓄電池も充電されていない状態）であって使用初期の場合だけであるが、通常は、充電器６１は主蓄電池Ｓ６２に対してのみ充電を行う。ただし、緊急時は該当する蓄電池への充電を優先的に行うことも可能である。

【0026】

主蓄電池Ｓ６２や副蓄電池Ｆ６３（Ｆ６３ａ、Ｆ６３ｂ）への充電は、スイッチング素子Ｕ１のオンオフ制御により行われるが、スイッチングのデューティ比や繰り返し周波数は、検出電圧値Ｖ１，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ２，Ｖ３や検出電流値Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と、コントローラ５（図１に示す）により計算された各蓄電池の充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）に基づき行われる。また、充電においては、電池安全性の観点から各蓄電池の限界値がコントローラに入力されており、当該限界値の範囲内で制御が行われる。

【0027】

図７において、時間Ｔ２では、副蓄電池Ｆ６３（Ｆ６３ａ、Ｆ６３ｂ）の両方に対して充電が開始する。副蓄電池Ｆ６３ａはスイッチング素子Ｕ２がオンオフ動作を開始することで充電が始まり、電圧Ｖ２が上昇するとともに、電流Ａ２も断続的に流れ始める。一方、副蓄電池Ｆ６３ｂはスイッチング素子Ｕ３がオンオフ動作を開始することで充電が始まり、電圧Ｖ３が上昇するとともに、電流Ａ３も断続的に流れ始める。

【0028】

時間Ｔ３は、主蓄電池Ｓ６２、副蓄電池Ｆ６３（Ｆ６３ａ、Ｆ６３ｂ）が充電完了した状態を示す。この状態は全ての蓄電池が充電完了（ＳＯＣ=１００）になっている。時間Ｔ３からは、主蓄電池Ｓ６２の自放電に対応して定電流制御から定電圧制御に切り替え、スイッチング素子Ｕ１のデューティ比も変えて動作させている。

【0029】

時間Ｔ４は副蓄電池Ｆ６３ａが放電動作を開始する状態を示す。副蓄電池Ｆ６３ａの放電時はスイッチング素子Ｕ２のオンオフ動作は停止しているとともに、電圧Ｖ２も下がり始める。
時間Ｔ５は副蓄電池Ｆ６３ｂが放電動作を開始する状態を示す。副蓄電池Ｆ６３ｂの放電時はスイッチング素子Ｕ３のオンオフ動作は停止しているとともに、電圧Ｖ３も下がり始める。

【0030】

このように、２つの副蓄電池は、いずれかの副蓄電池が放電のときは、もう一方の副蓄電池は充電状態となる。図に照らすならば、Ｔ５とＴ７は副蓄電池Ｆ６３ａが充電状態であるのに対して副蓄電池Ｆ６３ｂは放電状態にあり、Ｔ６は逆に副蓄電池Ｆ６３ｂが充電状態であるのに対して副蓄電池Ｆ６３ａは放電状態となる。
スイッチング素子Ｕ２とＵ３の動作は、主蓄電池Ｓ６２の充電量（ＳＯＣ）と各副蓄電池Ｆ６３の充電量（ＳＯＣ）に基づいて周波数やデューティが変化して副蓄電池に対する充電が行われる。スイッチＫもコントローラに基づき放電すべき副蓄電池に対応して接続が選択される。電流Ａ５は負荷変動を示す。

【0031】

以上、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、まずは主蓄電機構に蓄積させて、その後、主蓄電機構から蓄電能力の小さい副蓄電機構に略安定的に電力供給することができるので、主蓄電機構は安定的な放電を行うことでサルフレーション除去を良好に解決できる。

【符号の説明】

【0032】

１ : 発電機構
２ ： 主蓄電機構
２ａ ：主蓄電池
２ｓ ：スイッチ
３ ：副蓄電機構
３１ ：切替スイッチ
３２ ：副蓄電池
３２０ ：直列回路
３２ｓ ：スイッチ
３３ ：副蓄電池
３３０ ：直列回路
３３ｓ ：スイッチ
４ ：負荷
５ :コントローラ
６１ ：充電器
６２ ：主蓄電機構
Ｓ６２ ：主蓄電池
６３ ：副蓄電機構
Ｆ６３ ：副蓄電池
Ｆ６３ａ ：副蓄電池
Ｆ６３ｂ ：副蓄電池

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】