鋰離子電容器的開發(fā)：制成模塊和鉛蓄電池組合使用

　　通過制成模塊來削減成本

　　大型蓄電元器件并不是只要便宜就好的產(chǎn)品，其長(zhǎng)期可靠性非常重要，一旦發(fā)生問題就會(huì)失去市場(chǎng)的信賴，最終會(huì)造成巨大損失。

　　在實(shí)際使用條件下，不是單元單體使用，而是需要制成模塊，以確保既定的電壓或輸出功率，因此必須實(shí)現(xiàn)模塊的低成本化。

　　LIC可由以下3點(diǎn)來削減模塊成本：①單元單體的電壓較高，可減少單元數(shù)量；②高溫耐久性出色，設(shè)置條件比較寬松；③可削減管理成本。

　　關(guān)于①，制成既定電壓的模塊時(shí)，單元電壓越高，使用的單元數(shù)量越少。例如，電壓為300V時(shí)，需要120個(gè)EDLC的2.5V單元，而使用LIC的3.8V單元只需80個(gè)即可。

　　由于②的特性，可在比較廣泛的溫度條件下使用。像LIB那樣，需要進(jìn)行非常嚴(yán)密的溫度管理時(shí)，則設(shè)置場(chǎng)所會(huì)受限。但如果高溫耐久性出色，可放寬對(duì)溫度環(huán)境的限制，因此設(shè)置場(chǎng)所的自由度較高，能為削減成本做出貢獻(xiàn)。

　?、鄣墓芾沓杀?，是指蓄電元器件的管理系統(tǒng)“Battery Management System（BMS）”相關(guān)的成本。LIB等充電電池的充放電曲線會(huì)隨著電流值和溫度環(huán)境發(fā)生巨大變化，因此為管理充電狀態(tài)，BMS會(huì)花費(fèi)成本。

　　LIC如圖3所示，充放電曲線的斜率不會(huì)隨著電流值發(fā)生大幅變化。這種趨勢(shì)也不會(huì)隨溫度而變化，只需管理電壓就能掌握充電狀態(tài)，因此可降低BMS的成本。

圖3：即使電流值發(fā)生變化也容易管理充電狀態(tài)的LIC

　　LIC即使輸入輸出時(shí)的電流值發(fā)生大幅變化，其斜率也不會(huì)改變，因此可輕松管理單元的充電狀態(tài)。

　　電力再生市場(chǎng)占LIC的一大半市場(chǎng)

　　以上介紹了LIC的一般特征，下面將介紹我們開發(fā)的LIC——EneCapTen的特征（圖4）。EneCapTen的單元采用重視散熱性的層壓構(gòu)造，可進(jìn)行大電力的充放電。壽命極長(zhǎng)，達(dá)到10萬次以上。另外，考慮到環(huán)境負(fù)荷，沒有使用鉛等重金屬。

圖4：FDK開發(fā)的LIC“EneCapTen”

　　單元采用層壓構(gòu)造（a）。45V模塊由12個(gè)單元構(gòu)成（b）。

　　模塊將根據(jù)用戶的性能參數(shù)設(shè)計(jì)。此外，表2所示的通用模塊現(xiàn)已上市，用于混合動(dòng)力車的4000F單元現(xiàn)正在開發(fā)中。

　　目前，LIC的主要用途有以下四方面：①瞬低補(bǔ)償裝置和UPS（不間斷電源）等備用（Backup）市場(chǎng)；②混合動(dòng)力車、起重機(jī)及建筑機(jī)械等電力再生市場(chǎng)；③太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等負(fù)荷平均化市場(chǎng)；④混合動(dòng)力車和復(fù)印機(jī)等電力輔助市場(chǎng)。

　　其中，市場(chǎng)規(guī)模最大的是電力再生市場(chǎng)，估計(jì)將占一半以上。不過，預(yù)計(jì)今后隨著智能電網(wǎng)領(lǐng)域的擴(kuò)大，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等負(fù)荷平均化用途也將形成一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

　　作為瞬低補(bǔ)償裝置

　　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（表3）。

　　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（圖5）。

圖7：用于多良間島的太陽能發(fā)電負(fù)荷平均化（點(diǎn)擊放大）

　　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)。（攝影：沖繩電力）

　　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(chǎng)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（表4）。

　　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)。

圖9：以LIC應(yīng)對(duì)較大的輸出變動(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。