詳解鋰離子電容器開發(fā)

我們開發(fā)的LIC已經(jīng)在瞬低補(bǔ)償裝置和太陽能發(fā)電負(fù)荷平均化等領(lǐng)域得到了采用。例如，瞬低補(bǔ)償裝置不同于可供應(yīng)5分鐘以上電力的UPS，可針對(duì)在1分鐘以內(nèi)的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電力下降供給電力?！　DLC由于容量較小，最多只能補(bǔ)償雷電造成的數(shù)ms左右的瞬時(shí)電壓下降。而LIC的容量比較大，可用于電力公司自動(dòng)供電導(dǎo)致的停電以及從常用線路切換為備用線路時(shí)的停電等數(shù)秒左右的電壓下降。

瞬低補(bǔ)償裝置并非設(shè)置在每臺(tái)設(shè)備上，而是通過統(tǒng)一補(bǔ)償整個(gè)工廠，從而可降低管理成本。瞬低補(bǔ)償裝置目前仍以鉛蓄電池為主流，但鉛蓄電池的漏電流大，需要花費(fèi)成為來維持電壓，因此今后有望被LIC取代。

正在海島上做驗(yàn)證試驗(yàn)

作為太陽能發(fā)電負(fù)荷平均化的應(yīng)用事例，在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的“平成21年度海島獨(dú)立型系統(tǒng)新能源導(dǎo)入驗(yàn)證事業(yè)”中，沖繩縣的與那國島（150kW）、北大東島（90kW）和多良間島（230kW）采用了我們的LIC。

沖繩電力在多良間島設(shè)置了230kW的太陽能發(fā)電設(shè)備，在實(shí)施使用LIC的負(fù)荷平均化驗(yàn)證試驗(yàn)。

海島上存在的問題有用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電的發(fā)電成本高和需要為減輕環(huán)境負(fù)荷而削減CO2排放量等。作為對(duì)策，通過導(dǎo)入太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，在減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電用燃料的運(yùn)輸量的同時(shí)，還可削減CO2排放量。另外，由于海島上使用的是獨(dú)立的小規(guī)模系統(tǒng)，可作為微型智能電網(wǎng)驗(yàn)證，因此已經(jīng)開始了驗(yàn)證試驗(yàn)。

與鉛蓄電池組合使用

我們認(rèn)為，包括怠速停止系統(tǒng)（ISS）在內(nèi)的混合動(dòng)力車市場今后非常有潛力。電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力車等需要一定能量容量的汽車無疑最適合使用LIB。然而，對(duì)混合動(dòng)力車而言，輸出功率、再生效率和壽命比能量容量更為重要，與LIB和鎳氫充電電池等充電電池相比，LIC更合適。

具體地，我們打算在配備ISS的車輛上將其與鉛蓄電池組合使用。ISS可發(fā)揮兩個(gè)作用：①在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)向啟動(dòng)器供電；②在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)及發(fā)電停止時(shí)供電。

關(guān)于①向啟動(dòng)器供電，采用LIC可代替鉛蓄電池供給大電力。鉛蓄電池如果反復(fù)以大電力放電，會(huì)加速劣化。因此，通過將LIC與鉛蓄電池并聯(lián)，從低電阻LIC中釋放大電力，可防止鉛蓄電池因發(fā)生大的輸出變動(dòng)而劣化。

在鉛蓄電池上并聯(lián)我們的LIC時(shí)的電流和電壓變化如圖6所示。試驗(yàn)條件參考了混合動(dòng)力車的實(shí)車行駛模擬模式。從結(jié)果可知，較大電流的變動(dòng)LIC會(huì)予應(yīng)對(duì)，鉛蓄電池不會(huì)發(fā)生大變動(dòng)。

通過并聯(lián)鉛蓄電池和低電阻LIC，鉛蓄電池不會(huì)發(fā)生較大輸出變動(dòng)，因而可防止劣化。

另外，②的發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)和發(fā)電停止時(shí)向車載電裝品供電很重要。汽車一般以發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)獲得能量，因此發(fā)電機(jī)直接與燃效相關(guān)。所以，采用使發(fā)電機(jī)脫離動(dòng)力源的構(gòu)造，可實(shí)現(xiàn)具有出色燃效的車輛。

不過，即使發(fā)電機(jī)脫離動(dòng)力源，助力方向盤等電裝品也需要較大的電力。因此認(rèn)為，不僅是鉛蓄電池，還要追加LIC，方可實(shí)現(xiàn)大電力的供給。

最適合用于混合動(dòng)力車

我們還進(jìn)一步將LIC用于混合動(dòng)力車作為了目標(biāo)。此前由于EDLC容量不足，混合動(dòng)力車主要采用鎳氫充電電池，但LIC的能量密度是EDLC的4倍，因此認(rèn)為可以用于混合動(dòng)力車。

LIC的優(yōu)點(diǎn)如上文所述，是可大幅擴(kuò)大充放電深度。鎳氫充電電池和LIB如果擴(kuò)大充放電深度會(huì)導(dǎo)致劣化，因此其充放電深度一直在40％左右。

也就是說，容量實(shí)際上只利用了40％。如此看來，用容量雖然小，但能以100％的深度充放電的LIC構(gòu)成模塊，也可實(shí)現(xiàn)不遜于充電電池的外形尺寸和重量。

在很多方面具有優(yōu)勢的LIC

圖7是面向混合動(dòng)力車試制的模塊。模塊的外形尺寸為400mm×400mm×90mm。容量為240Wh，工作電壓為144～72V。該模塊可設(shè)置在車輛前座下方，用一個(gè)模塊能滿足輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的弱混合動(dòng)力車，用兩個(gè)模塊可支持僅靠馬達(dá)行駛的強(qiáng)混合動(dòng)力車。

面向混合動(dòng)力車開發(fā)的模塊，容量為240Wh，其外形可供設(shè)置在前座下方。

表5是實(shí)際使用的混合動(dòng)力車模塊與用我們的LIC構(gòu)成的模塊的比較。若A～C公司的混合動(dòng)力車的充放電深度為40％左右，則利用我們開發(fā)的模塊就能充分確保相同的性能。

而且，如果實(shí)際容量相同，LIC在壽命、充電狀態(tài)管理、安全性、設(shè)置自由度以及系統(tǒng)小型化等上具有優(yōu)勢。壽命、充電狀態(tài)管理和安全性優(yōu)勢基于前述的LIC特征。而關(guān)于設(shè)置自由度，因LIC耐高溫，所以設(shè)置場所的限制小。另外，由于具備耐高溫的特征，無需采用水冷等需要嚴(yán)格溫度管理的冷卻方式，因此有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

高容量化和低溫特性的改善

我們認(rèn)為，今后隨汽車的電動(dòng)化的一步步推進(jìn)，蓄電元器件會(huì)在混合動(dòng)力車等高輸出用途和電動(dòng)汽車等高容量用途上發(fā)展，特別是高輸出用途的市場會(huì)擴(kuò)大。

雖然還未被充分認(rèn)識(shí)到，但我覺得對(duì)蓄電元器件而言，完善的壽命管理尤為重要。蓄電元器件最希望避免的是出現(xiàn)突然無法使用的情況。為避免陷入這種事態(tài)，需要高精確地管理蓄電元器件。而充放電特性穩(wěn)定、充放電曲線不會(huì)隨著不同條件發(fā)生變化的LIC可進(jìn)行精細(xì)的管理，因此可以稱得上是最佳蓄電元器件。

我們的模塊在汽車用途的使用范圍如圖8所示。除了混合動(dòng)力車以外，還能用于電動(dòng)助力方向盤及電動(dòng)汽車空調(diào)等多種用途。

除了混合動(dòng)力車外，LIC模塊還可利用于多種用途。圖由FDK根據(jù)日本電氣學(xué)會(huì)“汽車電源的42V化技術(shù)”制作。

作為對(duì)今后的單元的要求，我們計(jì)劃提高容量和改善低溫特性。提高容量方面，計(jì)劃開發(fā)在保持高輸出的同時(shí)，具備5000F以上靜電容量的單元，以實(shí)現(xiàn)模塊的小型化。

改善低溫特性方面，將開發(fā)在-40℃的低溫下也能供電的單元。不過，在低溫下的使用情況只有最初啟動(dòng)時(shí)的較短時(shí)間，考慮到混合動(dòng)力車為開啟車內(nèi)暖氣需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，能在多大程度上改善低溫特性，可能還需要考慮與材料成本的關(guān)系。