特許 7518630 蓄電池の運用方法

(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】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】蓄電池の運用方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/35 20060101AFI20240710BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240710BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240710BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240710BHJP

【ＦＩ】

H02J7/35 K

H02J7/00 B

H01M10/44 P

H01M10/48 P

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020028709

(22)【出願日】2020-02-21

(65)【公開番号】P2021136710

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2022-09-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000005382

【氏名又は名称】古河電池株式会社

(72)【発明者】

【氏名】吉田 英明

【審査官】木村 励

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１２８０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２５４６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１５９６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－５１８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－８１９０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／３５

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

再生可能エネルギーの発生電力平滑化を目的として併設される蓄電池の運用方法において、
総放電容量を事前に設定し、
１日当たりに実施される充放電は放電容量と充電容量が等しいと仮定したもとで、前記蓄電池の第１充電状態から前記第１充電状態よりも低い第２充電状態まで放電し、再び前記第１充電状態に充電するまでの １サイクルを１日１回実施可能であるとして放電容量を設定し、
前記事前に設定した総放電容量を前記設定した放電容量で除することで期待寿命期間を算出し、
前記期待寿命期間を、前記期待寿命期間の半分以下に相当する一定期間で除した値で前記事前に設定した総放電容量を除することで前記一定期間中に使用できる最大の総放電容量を算出し、
前記一定期間中は前記最大の総放電容量の範囲内で前記蓄電池を運用する
蓄電池の運用方法。

【請求項2】

前記期待寿命期間のうちの半分の期間が経過する前に、一定期間中に使用される前記最大の総放電容量を減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池の運用方法。

【請求項3】

蓄電池は鉛蓄電池である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池の運用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、再生可能エネルギーの発生電力平滑化を目的として併設される蓄電池の運用方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

太陽光発電システムや風力発電システムなどの再生可能エネルギーを用いた発電システムは、太陽光発電の場合は日照量、風力発電の場合は風量によって発電量が変動する為に、電力貯蔵手段としての蓄電池を併設して、再生可能エネルギーの出力電力が不足している場合は蓄電池から補い、余っている場合は蓄電池を充電するなどして出力電力を平滑化することが知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２９５２０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

再生可能エネルギーの発生電力平滑化を目的として併設される蓄電池は、太陽光発電の場合は日照量、風力発電の場合は風量によって変動する発電量により、運用中の一定期間中に使用される蓄電池の容量が異なってくる。一方、用いられる蓄電池には一般的に期待寿命および期待サイクル数が設けられている。期待寿命は期待サイクル数を年間運用日数で除した年数とする場合がある。期待サイクル数は一定の充放電条件を繰り返し評価された結果から得られるサイクル数であるため、不規則な充放電を伴う再生可能エネルギーの発生電力平滑化用途で使用された場合、一定期間中に充電されたり放電したりの充放電容量に大きなばらつきが生じる。そして、一定期間中の充放電容量が極端に大きくなると蓄電池の劣化が促進され、期待される蓄電池寿命が満足されない可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、これらの課題を解決したもので、再生可能エネルギーの発生電力平滑化を目的として併設される蓄電池の運用方法において、
総放電容量を事前に設定し、
１日当たりに実施される充放電は放電容量と充電容量が等しいと仮定したもとで、前記蓄電池の第１充電状態から前記第１充電状態よりも低い第２充電状態まで放電し、再び前記第１充電状態に充電するまでの１サイクルを１日１回実施可能であるとして放電容量を設定し、
前記事前に設定した総放電容量を前記設定した放電容量で除することで期待寿命期間を算出し、
前記期待寿命期間を、前記期待寿命期間の半分以下に相当する一定期間で除した値で前記事前に設定した総放電容量を除することで前記一定期間中に使用できる最大の総放電容量を算出し、
前記一定期間中は前記最大の総放電容量の範囲内で前記蓄電池を運用する
ことを特徴する蓄電池の運用方法である。
また、本発明の蓄電池の運用方法は、期待寿命期間のうちの半分の期間が経過する前に、一定期間中に使用される最大の総放電容量を減少させる。

【0006】

この様に一定期間中の蓄電池の最大の総放電容量を定め、この範囲内で運用することにより、蓄電池使用容量のバラツキを抑制し、蓄電池の著しい劣化を抑制し得るので、穏やかな劣化により期待寿命を満足することが出来る。また、一定期間中に使用される総放電容量を運用の経過に伴い次第に減少させることにより、より長寿命を提供できる。蓄電池は運用と共に穏やかに劣化していき、蓄電池から取り出せる放電容量も次第に減少してくる。そのため、運用当初から運用終盤まで同じ放電容量で運用した場合、運用終盤では相対的に蓄電池に対する負荷が大きくなり、劣化しやすい傾向となる。一定期間中に使用される総放電容量を運用の経過に伴い減少させることにより、運用中期から終盤でも蓄電池劣化を抑制し、更なる長寿命運用を提供できる。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、再生可能エネルギーの出力電力平滑化を目的として併設される蓄電池の運用方法において、一定期間中に使用される最大の総放電容量を定め、該一定期間中の総放電容量はその範囲内で運用することで、長期に渡り蓄電池の容量の低下を抑制することが出来、期待される蓄電池の寿命を達成することが出来る。

【0008】

更に、該一定期間中の総放電容量を運用の経過に伴い次第に減少させることで、更なる長寿命を達成することが出来る。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下本発明の実施形態について説明する。公知の鉛合金からなる格子状基板に公知のペースト状活物質を塗布充填してなる鉛蓄電池製造における公知の方法で作製した複数の正極未化成板と負極未化成板とをガラス繊維の不職布からなるガラスマットを介して交互に積層し、同極性の極板の耳部にバーナー方式でストラップ溶接を施して同極性の極板同士を溶接して極板群を製造した。次にこの極板群を、開口部を有するポリプロピレン製の箱状電槽に収納し、開口部にヒートシールにより蓋を溶着した。この蓋の注液口から電解液を極板群の飽和電解液量に対し１００％程度の量を注液し、その後充放電を繰り返して電槽化成を行い、更に必要なら補液や補充電をして２V－２００Ahの制御弁式鉛蓄電池を作製した。

【0010】

次に作製した制御弁式鉛蓄電池を実際に運用される条件で加速サイクル寿命試験に投入した。１つの試験水準に対して制御弁式鉛蓄電池１個を試験設備に接続し評価した。

【0011】

寿命試験条件は風力発電の風力や太陽光発電の太陽光による発電を模擬したパルスサイクル試験とした。このパルスサイクル試験は運用される条件の蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）を９０％とし、放電深度を５０％として蓄電池のＳＯＣの範囲を９０％～４０％の範囲とし、９０％の充電状態から４０％の充電状態まで放電される場合は、再び９０％の充電状態へ充電するまでを１サイクルとした。充電と放電は秒間隔で行われ、９０％の充電状態である制御弁式鉛蓄電池を４０％の充電状態にまで放電する際は、実際に運用される条件の１．０Ｃ₁₀Ａ以下の電流を用い、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを、制御弁式鉛蓄電池の充電状態が４０％になるまで繰り返し、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを繰り返した。この１サイクルに要した時間は４時間だった。従って１日に６サイクルまで実施可能である。そしてこの１サイクルを１日分とした。本実施形態の制御弁式鉛蓄電池の場合の１Ｃ₁₀Ａは２００Ａである。

【0012】

パルスサイクル試験を繰り返した際に取り出せる総放電容量は事前の評価から求めた値を用い、その値は５１１ｋＡｈであった。この値は、本実施形態においては２００Ａｈの鉛蓄電池を上記パルスサイクル試験での１サイクルにおける放電容量は１４０Ａｈ（０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電して、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％にするまでの２時間の放電量は１２０Ａｈで、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電して制御弁式鉛蓄電池の充電状態を９０％にするまでの２時間の放電量は２０Aｈで、合計１４０Ａｈ）であり、５１１ｋＡｈを１４０Ａｈで除すると３６５０で、１日１回の充放電をするとすれば１０年間に相当し、これが期待寿命となる。この総放電容量を期待寿命の１０年を一定期間である１年で除した値は１０であるので、これで総放電容量を除すれば５１１ｋＡｈ÷１０＝５１．１ｋＡｈとなります。そして、この値を１年間で使用できる最大の総放電容量とし、１年間に相当する期間（３６５日）における使用において、この最大の総放電容量の５１.１ｋＡｈの値（１００％）となるように０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電して、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％にするまでの２時間繰り返し、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電して制御弁式鉛蓄電池の充電状態を９０％にするまで２時間繰り返すことで１日分とし、1年を３６５日として１０年分に相当する試験をした。パルスサイクル試験の放電容量と充電容量が等しいため、充放電効率の影響や蓄電池自体の自己放電量により、サイクル試験を継続していくと僅かながら充電状態（ＳＯＣ）が低下してしまい、蓄電池電圧が下限電圧１．８Ｖへ到達してしまう。試験途中で蓄電池の電圧が１．８Ｖまで低下した場合は、一旦蓄電池を満充電させ、その後充電状態（ＳＯＣ）を９０％へ調整して試験を再開した。蓄電池想定年数１年が経過した蓄電池は容量試験に投入した。容量試験は蓄電池電圧を１．８Ｖまで放電させ、その容量を放電容量とした。これを定格容量で除して対定格容量比を求めその値が７０％を下回った場合は蓄電池寿命と判断した。それ以上であればサイクル試験を継続させた。試験の結果、表１の試験鉛蓄電池の試験１に示す様に想定年数１０年経過後の制御弁式鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の７８％であった。これは期待寿命を満足する結果であった。

【0013】

次に、４年目相当までは上記の最大の総放電量での運用をし、その後の５年目から７年目相当の期間を最大の総放電量の９０％での運用をし、更にその後の８年目から１０年目相当の期間を最大の総放電量の８０％での運用をした結果、表１の試験鉛蓄電池の試験２に示す様に試験後の制御弁式鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の９３％であった。これは期待寿命を満足する結果であり、更なる長寿命が期待される結果でもある。なお、最大の総放電量の９０％での運用とは、５年目相当の開始以降は総放電容量が９０％である４５．９ｋＡｈになった時点で放電を停止し、再び制御弁式鉛蓄電池をＳＯＣ９０％の充電状態に戻して５年目の終了とし、満充電及び容量試験後、充電状態（ＳＯＣ）を９０％へ調整して試験を再開した。最大の総放電量の８０％での運用とは、８年目相当の開始以降は総放電容量が８０％になった時点で上記同様に停止し、以後上記と同じように試験を実施した。

【0014】

一方、１年間に相当する期間における使用において、上記の最大の総放電容量の１．５倍である７６．６ｋＡｈの値（１５０％）での運用をし、同様に１０年分に相当する試験をした結果、表１の試験鉛蓄電池の試験３に示す様に６年目の終了に相当する時期において、制御弁式鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の６５％になり、期待寿命を満足できない結果となった。なお、この場合の運用は、０．８Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．３Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを2時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．７５Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返して１日分とし、これを６年分に相当する期間繰り返した。

【0015】

更に、上記最大の総放電量の１５０％の値と５０％の値で１年毎に交互に運用した場合の試験結果は、表１の試験鉛蓄電池の試験４に示す様に試験後の制御弁式鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の６７％とこれも期待寿命を満足できない結果となった。この場合の総放電量は試験１の場合と変わらないが、放電容量のバラツキが原因で、一定期間中最大の総放電容量が１００％を超えた運用がされた為に劣化が加速したと思われる。この場合の１５０％の運用は前記と同様にし、５０％の運用は、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを、制御弁式鉛蓄電池の充電状態が４０％になる2時間繰り返し、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１C₁₀Aで１秒間放電することを2時間繰り返すことを繰り返し、総放電容量が５０％である２５．５ｋＡｈになった時点で放電を停止して、再び制御弁式鉛蓄電池を９０％の充電状態に戻して１年分の終了とした。

【0016】

次に、一定期間を一月とし、期待寿命の１０年を一月で除した値は１２０となり、これで総放電容量を除すると４．２ｋＡｈとなり、これを一月の最大の総放電容量とし、一月毎での放電容量がこの最大の総放電容量（１００％）となるようにして１０年分に相当する試験をした結果、表１の試験鉛蓄電池の試験５に示す様に試験後の制御弁式鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の８６％であった。これは期待寿命を満足する結果である。この場合の運用は、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを２時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返し１日分とし、カレンダー通りの一月の日数に相当する日数充放電し、各月の相当日数に至る前に総放電容量が４．２ｋＡｈになった場合はそこで停止し、再び制御弁式鉛蓄電池を９０％の充電状態に戻して一月分の終了とした。試験の充放電条件は試験１と同等であるが、試験１と比較して１０年目の放電容量が大きい要因として、充電状態１００％まで回復させる回復充電の回数が考えられる。一般的にＰＳＯＣ（部分充電）状態で鉛蓄電池を運用した場合、活物質に放電生成物である硫酸鉛が蓄積し、それが粗大化し、充電しても解消されないサルフェーションと呼ばれる劣化要因によって蓄電池の容量が低下し、最終的には寿命となる。それを抑制するためには、ＰＳＯＣ状態から一度満充電状態とし、活物質をリフレッシュさせる回復充電を定期的に実施することが重要である。一定期間を一月とした場合、容量試験直前に実施する回復充電の回数が、一定期間を１年と比べて多いため、サルフェーションが抑制されたと考える。

【0017】

一定期間を5年とし、期待寿命の１０年を5年で除した値は２となり、これで総放電容量を除すると２５５．５ｋＡｈとなり、これを5年の最大の総放電量とし、５年毎での放電容量がこの最大の総放電量（１００％）となるようにして１０年分に相当する試験をした結果、表１の試験鉛蓄電池の試験６に示す様に試験後の制御弁式鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の７１％であった。これは期待寿命を満足する結果である。この場合の運用は、５年間の内の最初の1年目に相当する期間は０．８Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．３Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを２時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．７５Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返して１日分とし、これを１年分に相当する期間繰り返し、２年目に相当する期間は０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを２時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を７５％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返して１日分とし、これを１年分に相当する期間繰り返し、３年目に相当する期間は１年目相当と同じ運用をし、４年目に相当する期間は２年目相当と同じ運用をし、５年目に相当する期間は、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１C₁₀Aで１秒間充電することを２時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．６Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返して１日分とし、これを１年分に相当する期間繰り返した。

【0018】

一定期間を６年とし、期待寿命１０年を６年で除した値は１．６となり、これで総放電容量を除すると３１９．３ｋＡｈとなり、これを6年の最大の総放電量とし、６年毎での総放電容量がこの最大の総放電容量（１００％）となるようにして１０年分に相当する試験をした結果、表１の試験鉛蓄電池の試験７に示す様に試験後の鉛蓄電池の放電容量は定格放電容量の６８％になり、期待寿命を満足できない結果となった。なお、後半の７年目以降は残り４年しかないので、最大の総放電容量の６７％（４／６）となる。
この場合の運用は、１年目は０．８Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．３Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを２時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を４０％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．７５Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返して1日分とし、これを１年分に相当する期間繰り返し、２年目は０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間放電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間充電することを２時間繰り返し、制御弁式鉛蓄電池の充電状態を７５％とし、次いで、９０％の充電状態にもどすべく、０．２５Ｃ₁₀Ａで１秒間充電し、０．１Ｃ₁₀Ａで１秒間放電することを２時間繰り返して１日分とし、これを１年分に相当する期間繰り返し、以下３年目以降は１年毎に１年目と２年目の運用を繰り返した。なお、全ての試験において、蓄電池の電圧が１．８Ｖを下回った場合は蓄電池を満充電する回復充電はした。

【0019】

【表1】

【0020】

表１の試験鉛蓄電池の試験１から４の結果から、一定期間中は最大の放電容量の範囲内で運用することで期待寿命を満足でき、これを超えると期待寿命を満足できないことが分かった。更に試験２の結果から、一定の期間に使用される総放電容量を経過に伴い次第に低下させることで寿命期間の延長が期待できることが分かった。試験５から一定期間の最短期間は１年ではなく、１か月でも問題なく期待寿命を満足することが分かった。この結果から一定期間を日単位として運用しても問題ないことは容易に想定できる。
試験６と７の結果からは、一定期間を期待寿命の半分以下とすることで期待寿命を満足でき、これを超えると期待寿命を満足できないことが分かった。

【0021】

以上の様に、再生可能エネルギーの発生電力の平準化を目的として併設される蓄電池の運用方法を、蓄電池が運用される条件のもとでの充放電を繰り返す事で期待寿命期間中に取り出せる総放電容量を、期待寿命の半分以下に相当するある一定期間で除した値で除して、該一定期間中に使用する最大の総放電容量を定め、該一定期間中は最大の総放電容量の範囲内で運用することにより、期待される蓄電池の寿命を達成することが出来る。更に、該一定期間中の総放電容量を経過に伴い次第に減少させることで、更なる長寿命を達成することが可能となる。

【0022】

尚、上記実施形態では、制御弁式鉛蓄電池を１個だけ用いた場合を示したが、多数の蓄電池を直並列に接続した場合も同様の効果が得られ、更に、蓄電池として電解液を多量に有する所謂液式の鉛蓄電池を用いても同様の効果が得られる。更に、アルカリ蓄電池などのその他の種類の二次電池を用いても同様の効果が得られるものと考える。

【0023】

この様に、再生可能エネルギーの発生電力の平準化を目的として併設される蓄電池の運用方法を、蓄電池が運用される条件のもとでの充放電を繰り返して期待寿命期間中に取り出せる総放電容量を、期待寿命の半分以下に相当するある一定期間で除した値で除して、該一定期間中に使用する最大の総放電容量を定め、該一定期間中は最大の総放電容量の範囲内で運用することにより、期待される蓄電池の寿命を達成することが出来る。更に、一定期間中に使用される総放電容量を運用の経過に伴い次第に減少させることで、寿命の延長を図ることが可能となる。