專利名稱：電力系統(tǒng)及其管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部的電力系統(tǒng)及其管理方法。
背景技術(shù)：
近年來，作為便攜式電子設(shè)備、例如信息設(shè)備、通信設(shè)備、圖像設(shè)備、音響設(shè)備、靜止圖像設(shè)備和電動車輛的電源，研究了將電化學元件和發(fā)電部并用的方案。通過并用電化學元件和發(fā)電部，當由發(fā)電部產(chǎn)生的電力產(chǎn)生量不足時，可以由電化學元件將電力供給至負荷部；當由發(fā)電部產(chǎn)生的電力產(chǎn)生量過剩時，可以將過剩部分充電至電化學元件。
但是，如果電化學元件的剩余容量較少，則當由發(fā)電部產(chǎn)生的電力產(chǎn)生量不足時，不能向負荷部供給必需量的電力，從而使便攜式設(shè)備或電動車輛的運轉(zhuǎn)變得不穩(wěn)定。另外，如果電化學元件的剩余容量過多，則當由發(fā)電部產(chǎn)生的電力產(chǎn)生量過剩時，不能將剩余部分全部充電，從而徒勞地浪費了能量。因此，在包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部的電力系統(tǒng)中，希望能夠一直掌握電化學元件的剩余容量，同時預先在電化學元件中存儲一定水平以上的剩余容量。
其中，對于以往提出的掌握電力系統(tǒng)中電化學元件的剩余容量的方法，一邊參考圖1一邊進行說明。圖1是以往的電力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖(參考專利文獻1)。圖1的系統(tǒng)具有燃料電池30作為向負荷部50進行電力供給的發(fā)電部。該系統(tǒng)具有蓄電池60作為備用的電化學元件。將由轉(zhuǎn)化器20生成的燃料送入燃料電池。將來自原料罐101的燃料原料送入轉(zhuǎn)化器20。
燃料電池30的輸出可以通過用輔機控制部100控制各種輔機來進行。即，輔機控制部100控制將空氣送入燃料電池的陰極的反應空氣鼓風機90、將空氣送入轉(zhuǎn)化器20的燃燒部的燃燒空氣鼓風機80、和將來自原料罐101的燃燒原料送入轉(zhuǎn)化器的原料泵70。從燃料電池輸出的電流值用輸出電流檢測器170進行檢測。
另一方面，蓄電池60與電流檢測器110和電壓檢測器130連接。將電流檢測器110檢測出的電流用積分器120進行積分。檢測出的電壓和積分的電流值被送入系統(tǒng)控制部150。系統(tǒng)控制部150具備存儲器140，存儲器中儲存著蓄電池的剩余容量目標值。系統(tǒng)控制部150以檢測出的電壓值、積分的電流值、剩余容量目標值等作為基礎(chǔ)進行運算，根據(jù)運算結(jié)果來控制輔機控制部100。將用輸出電流檢測器170檢測出的電流值、和由系統(tǒng)控制部150得到的運算結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)比較器180，在那里進行比較。根據(jù)比較結(jié)果來控制用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器40的調(diào)節(jié)器160。
在如上所述的系統(tǒng)中，可以基于蓄電池的剩余容量來控制由燃料電池送入蓄電池和負荷的電流。但是，需要具備有電流檢測器110和積分器120的電路，控制方式也復雜。電流檢測器由分流電阻和霍爾元件等構(gòu)成，成本也高。
圖2是普通的電化學元件的充放電曲線。
充放電曲線可以如圖2所示分為A～C的3個區(qū)域。在區(qū)域B中，在電化學元件中進行可逆的充放電反應，而在區(qū)域C中，具有可逆性破壞的趨勢。在包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部的電力系統(tǒng)中，優(yōu)選只利用表現(xiàn)出穩(wěn)定輸出的平坦區(qū)域B。
但是，在平坦區(qū)域B中，由于電壓幾乎沒有變化，所以很難只由電壓來掌握電化學元件的剩余容量。另外，如果電流值和環(huán)境溫度等條件不同，則即使是相同的剩余容量，檢測出的電壓值也會不同。此外，即使可使用電流值等參數(shù)來推測電化學元件的電壓，但在充放電曲線是平坦的區(qū)域中，這對電化學元件的剩余容量的推測也不起作用。因此，無論如何也需要用以時間對電流值進行積分的方法(以下稱為“電流積分”)來掌握剩余容量。
另外，當B區(qū)域不是完全平坦而是緩慢傾斜時，要想只通過電壓來掌握電化學元件的剩余容量，則要求高度的電壓檢測精度。同樣，還要求對校正是必要的參數(shù)的精度。但是，如果要想實現(xiàn)這樣的精度，成本變高。另一方面，如果精度變低，則不能由電壓準確地掌握剩余容量。因此，結(jié)果是要想準確地測量電化學元件的剩余容量，電流積分是不可缺少的。
此時，如果在對電化學元件充電直到滿充電狀態(tài)(剩余容量為100％)時將電流積分值重設(shè)為100％，則可以通過重設(shè)而消除積分誤差。如果定期地進行這種操作，則可以比較準確地掌握剩余容量。
在圖1系統(tǒng)的情況下，當電化學元件是滿充電或完全放電狀態(tài)時，系統(tǒng)控制部150可以通過將電化學元件的剩余容量識別為100％或0％來重設(shè)剩余容量。然后，在記憶了該剩余容量的狀態(tài)下開始積分電化學元件的充放電電流，由此可以提高剩余容量的測量精度。
但是，負荷部的消耗電量(要求能量)常常有變化的可能性，具有不可預測的一面。因此，如果為了使剩余容量為100％而使電化學元件滿充電，則在負荷部的運轉(zhuǎn)突然停止時，電化學元件不能吸收由發(fā)電部產(chǎn)生的電力，從而使能量失去去處。在包含如燃料電池那樣的直到停止需要一定時間的發(fā)電部的系統(tǒng)中，能量的損失變得特別大。相反，當將電化學元件完全放電直到剩余容量為0％而對電流積分值進行重設(shè)時，則變得不能應對負荷部的消耗電量的急劇增加。當在剩余容量為0％的狀態(tài)下停止系統(tǒng)時，有時會出現(xiàn)下一次的系統(tǒng)不能啟動的現(xiàn)象。
例如，在電動汽車和混合式汽車的情況下，要避免電化學元件的滿充電，以便能夠用電化學元件回收車輛減速時的再生能量。另外，為了用電化學元件補償加速時的能量不足，要避免電化學元件的完全放電。這樣一來，不用按照使剩余容量為100％或0％的方式對剩余容量進行重設(shè)，系統(tǒng)就能夠基于電流積分和電壓值等連續(xù)地進行運轉(zhuǎn)。
專利文獻1特開平1-211860號公報(圖1、圖3)發(fā)明內(nèi)容在便攜式電子設(shè)備的電化學元件(在筆記本電腦中使用的智能電池等)的充放電管理規(guī)格或電動式車輛中使用的電化學元件的充放電管理中，正在研究適用如上所述的以往的系統(tǒng)。
但是，在以往的系統(tǒng)中，要想準確地掌握電化學元件的剩余容量，需要復雜的操作。第1，除了檢測電壓值外，還需要檢測電流值并對其進行時間積分。第2，為了校正積分誤差，需要高速地獲取各種參數(shù)。第3，由于需要應對急劇的負荷變化，因此需要提高檢測電流的取樣率。因此電路復雜化，成本變高。另外，系統(tǒng)在操作中經(jīng)常需要進行電流積分，這部分也使得電力消耗變多。
另外，在以往的系統(tǒng)中，由于經(jīng)過長時間沒有對積分電流進行重設(shè)，因此積分誤差變大。因此，即使打算將剩余容量保持在一定范圍內(nèi)，實際上有時也會接近滿充電或完全放電狀態(tài)。由此，有可能損害系統(tǒng)的可靠性、可維持性和安全性。為了改善這種狀況，需要復雜的電路結(jié)構(gòu)，成本變高，隨著零部件數(shù)量的增加，故障的可能性也增大。
鑒于上述情況，本發(fā)明的主要目的是在包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部的電力系統(tǒng)中，對用于比較容易地掌握電化學元件的剩余容量、同時將電化學元件的剩余容量經(jīng)常保持在一定范圍內(nèi)的控制進行簡化。
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)，其包含電化學元件、負荷部、發(fā)電部和電化學元件的充放電控制部；電化學元件具有正極、負極以及電解液或固體電解質(zhì)；電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍(step)，在上述突躍之中的任選突躍中，設(shè)定對應于拐點或其附近點的電壓的臨界值；充放電控制部按照使上述電化學元件的電壓接近上述臨界值的方式來控制上述電化學元件的充放電。
本發(fā)明的一個方式中的電力系統(tǒng)具有將電化學元件的電壓和臨界值進行比較的比較部。此時，充放電控制部根據(jù)比較部的輸出，當電壓比臨界值低，則對電化學元件進行充電；當實測電壓比臨界值高，則對電化學元件進行放電。
本發(fā)明的另一個方式中的電力系統(tǒng)具有將電化學元件的電壓和臨界值進行比較的比較部、和根據(jù)比較部的輸出而計算出電化學元件的剩余容量的剩余容量檢測部。此時，充放電控制部根據(jù)剩余容量檢測部的輸出，當剩余容量比對應于臨界值的剩余容量少，則對電化學元件進行充電；當剩余容量比對應于臨界值的剩余容量多，則對電化學元件進行放電。當剩余容量與對應于臨界值的剩余容量相等時，例如可以任意選擇進行充電或放電，或者也可以既不充電也不放電地放置起來。
電化學元件的充放電曲線在電化學元件的充放電條件，例如電流值、溫度、內(nèi)部阻抗等不同時，可根據(jù)該條件進行變化。因此，希望剩余容量按照電化學元件的充放電條件進行校正。即，本發(fā)明的電力系統(tǒng)優(yōu)選具有參數(shù)檢測部和場修正部，其中，參數(shù)檢測部可檢測選自電化學元件的充放電電流、溫度和內(nèi)部阻抗中的至少一個參數(shù)，場修正部根據(jù)檢測出的參數(shù)，對電化學元件的電壓與臨界值的關(guān)系或者電化學元件的剩余容量與臨界值的關(guān)系進行修正。
本發(fā)明的電力系統(tǒng)優(yōu)選具有下述功能，即當判斷電化學元件的電壓和臨界值為相同時，可將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值?；蛘哒f，本發(fā)明的電力系統(tǒng)具有突躍檢測部，其根據(jù)電化學元件的電壓來檢測電化學元件的剩余容量是對應于突躍附近的剩余容量；和電流積分部，其在突躍的附近進行電流積分；并且具有下述功能當電壓相對于由電流積分求出的容量變化ΔC的變化率ΔV/ΔC、與根據(jù)充放電電流而預先設(shè)定的臨界值處的ΔV/ΔC相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值。
電化學元件由于重復進行充放電而逐漸退化。另外，由于充放電曲線隨著電化學元件的退化而縮小，因此突躍的大小也縮小。因此，本發(fā)明的電力系統(tǒng)優(yōu)選具有校正部，其根據(jù)由突躍附近的積分電流值而求出的突躍大小來校正電化學元件的剩余容量。
本發(fā)明的電力系統(tǒng)中，電壓的臨界值優(yōu)選設(shè)定在電化學元件的剩余容量為額定容量的80～90％時的電壓區(qū)域。
當把電化學元件的最大放電容量規(guī)定為1時，在設(shè)定臨界值的突躍中，電壓(V)相對于容量的變化率ΔV/ΔC的絕對值的最大值優(yōu)選為1～10。
希望充放電控制部以下述方式來控制電化學元件的充放電，即發(fā)電部的電力產(chǎn)生量與負荷部的電力消耗量之差的至少一部分被供給或存儲。具體地講，當充放電控制部具有判斷發(fā)電部的每單位時間電力產(chǎn)生量與負荷部的每單位時間電力消耗量之差的電力差判斷部時，充放電控制部可根據(jù)電力差判斷部的輸出，一邊控制發(fā)電部的每單位時間的電力產(chǎn)生量，一邊控制電化學元件的充放電。
也可以利用來自負荷部的再生能量對電化學元件進行充電。
從獲得具有至少一個突躍的充放電曲線的觀點出發(fā)，希望選自電化學元件的正極和負極的至少一方包含具有由通式(1)表示的結(jié)構(gòu)的化合物[化學式1] (式中，R1和R2分別獨立地是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族基，R1和R2可以相同也可以不同，X1～X4分別獨立地是硫原子、氧原子或碲原子，X1～X4可以相同也可以不同，上述脂肪族基可以包含選自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子和硼原子中的一種以上。)本發(fā)明還涉及電力系統(tǒng)的管理方法，其中，所述電力系統(tǒng)包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部，電化學元件具有正極、負極、以及電解液或固體電解質(zhì)，電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍；上述方法具有下述工序在上述突躍之中的任選突躍中，設(shè)定對應于拐點或其附近點的電壓的臨界值，按照使電化學元件的電壓接近臨界值的方式來控制電化學元件的充放電。
作為上述控制充放電的工序，第1，本發(fā)明提出了如下工序測量電化學元件的電壓，比較測量電壓和臨界值，當電壓比臨界值低，則對電化學元件進行充電，當電壓比臨界值高，則對電化學元件放電。當電壓和臨界值相等時，可以任意選擇進行充電或放電，或者也可以既不充電也不放電地放置起來。
作為控制上述充放電的工序，第2，本發(fā)明提出了如下工序測量電化學元件的電壓，比較測量電壓和臨界值，根據(jù)比較結(jié)果計算出電化學元件的剩余容量，當剩余容量比對應于臨界值的剩余容量少，則對電化學元件進行充電，當剩余容量比對應于臨界值的剩余容量多，則對電化學元件進行放電。當電壓和臨界值相等時，例如，可以任意選擇進行充電或放電，或者也可以既不充電也不放電地放置起來。
在本發(fā)明的管理方法中，優(yōu)選具有下述工序當判斷電化學元件的電壓和臨界值相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值的工序；或者在臨界值的附近進行電流積分，當電壓相對于由電流積分求出的容量變化ΔC的變化率ΔV/ΔC、與根據(jù)充放電電流而預先設(shè)定的臨界值處的ΔV/ΔC相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值的工序。
根據(jù)本發(fā)明，在包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部的電力系統(tǒng)中，能夠比較容易掌握電化學元件的剩余容量，而且能夠簡單地進行控制，將電化學元件的剩余容量時常保持在一定范圍內(nèi)。即，與以往相比能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化。另外，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供不會縮短電化學元件的壽命、提高了可靠性、可維持性和安全性的系統(tǒng)。
當電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍時，在突躍附近電化學元件的電壓變化大。因此，易于判斷電壓比設(shè)定在突躍的拐點或其附近點的臨界值是大還是小。另外，突躍的拐點或其附近點的電化學元件的剩余容量的偏差小。因此，可以通過預先明確對應于臨界值的剩余容量，并以該剩余容量作為基準使用，能夠計算出大致準確的剩余容量。另外，如果按照使電壓接近于臨界值的方式來管理充放電，則可以將剩余容量大致準確地保持在一定范圍內(nèi)。其結(jié)果是，掌握剩余容量時不需要進行各種校正。此外也不需要進行電流積分。
此外，當對剩余容量進行校正時，與以往相比可以進行高精度的校正。這是因為當電化學元件的電壓或電壓變化率(ΔV/ΔC)變得與臨界值或臨界值處的ΔV/ΔC相同時，如果將電化學元件的剩余容量重設(shè)為預定值，則可以消除積分誤差等誤差。當求ΔC時，只要在突躍的附近進行電流積分就足夠了，不需要繼續(xù)地進行電流積分。
如果沒有積分誤差，則可以省略應對由此引起的過充電和過放電的措施。也就是說，不需要設(shè)置附加的電路。因此，可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單、且可靠性、可維持性和安全性優(yōu)異的系統(tǒng)。


圖1是以往的電力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。
圖2是以往的電力系統(tǒng)包含的電化學元件的充放電曲線。
圖3是本發(fā)明的電力系統(tǒng)包含的電化學元件的充放電曲線的一個例子。
圖4是本發(fā)明實施方式1中的電力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。
圖5是本發(fā)明實施方式2中的電力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。
圖6是本發(fā)明實施方式3中的電力系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。
具體實施例方式
實施方式1本發(fā)明涉及具備發(fā)電部、電化學元件、負荷部和充放電控制部的電力系統(tǒng)及其管理方法。
本發(fā)明對于如下情況特別有效，即使用了像燃料電池那樣的根據(jù)負荷部要求的電力變化、迅速地增加或減少發(fā)電量比較困難的發(fā)電部。這是因為根據(jù)本發(fā)明，可以使由發(fā)電部產(chǎn)生的電力產(chǎn)生量與由負荷部產(chǎn)生的電力消耗量之差通過電化學元件的充放電相抵銷。其中，對發(fā)電部沒有特別的限制。此外，作為優(yōu)選的發(fā)電部，可列舉出太陽能電池、設(shè)置在車輛發(fā)動機上的發(fā)電機等。
電化學元件只要是使用能進行電的充放電的元件就可以，沒有特別的限制。例如，可列舉出鋰離子二次電池、堿性蓄電池、鉛蓄電池等。
對負荷部沒有特別的限制，但是，本發(fā)明對于如小型便攜式設(shè)備和電動車輛那樣的使用在運轉(zhuǎn)過程中電力消耗量變化大的負荷部的情況是特別有效的。
本發(fā)明中使用的電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍。有無突躍也可以由充放電曲線來掌握。在以1C的速率進行充放電時，突躍中的電壓變化率優(yōu)選相對于額定容量每10％的容量變化為300mV以上。另外，在以0.1C的速率進行充放電時，突躍中的電壓變化率優(yōu)選相對于額定容量每10％的容量變化為200mV以上。例如，當電化學元件是額定容量為2000mAh的電池時，在1C速率的放電中，在電池的容量變化了10％(200mAh)的期間，希望電池電壓變化在300mV以上。另外，在0.1C速率的放電中，在電池的容量變化了10％的期間，希望電池電壓變化在200mV以上。
此外，當電化學元件的最大放電容量為1時，在設(shè)定臨界值的突躍中，電壓(V)對容量的變化率ΔV/ΔC的絕對值的最大值優(yōu)選為1～10，更優(yōu)選為1～7。
充放電控制部按照使電化學元件的電壓接近于預定的臨界值的方式來控制電化學元件的充放電。電壓的臨界值可設(shè)定在電化學元件的充放電曲線所具有的任選突躍的拐點或其附近點。對充放電控制部的結(jié)構(gòu)沒有特別的限制，可以使用各種電子電路等構(gòu)成。
本發(fā)明一個方式中的電力系統(tǒng)具有將電化學元件的電壓與臨界值進行比較的比較部。比較部通過定期測量電化學元件的電壓，對測量電壓和臨界值進行比較。比較部首先測量電化學元件的電壓。將得到的電壓與在預定的存儲機構(gòu)中儲存的臨界值進行比較。比較的結(jié)果如果是電壓比臨界值低，則根據(jù)充放電控制部的命令對電化學元件進行充電。其結(jié)果是電化學元件的電壓朝著臨界值上升。另一方面，如果電壓比臨界值高，則根據(jù)充放電控制部的命令對電化學元件進行放電。其結(jié)果是電化學元件的電壓朝著臨界值下降。如果電壓和臨界值相等，則根據(jù)充放電控制部的命令任意選擇進行充電或放電。當輸出比較結(jié)果時正在對電化學元件進行充電，則優(yōu)選選擇進行充電，當輸出比較結(jié)果時電化學元件正在進行放電，則優(yōu)選選擇進行放電。
本發(fā)明另一個方式中的電力系統(tǒng)具有將電化學元件的電壓與臨界值進行比較的比較部、和根據(jù)比較部的輸出計算出電化學元件的剩余容量的剩余容量檢測部。比較部首先測量電化學元件的電壓。將得到的電壓與在預定的存儲機構(gòu)中儲存的臨界值進行比較。比較部的輸出被傳送給剩余容量檢測部。
當電壓比臨界值高時，電化學元件的剩余容量以一定概率比對應的臨界值的剩余容量多。另一方面，當電壓比臨界值低時，電化學元件的剩余容量以一定概率比對應的臨界值的剩余容量少。因此，剩余容量檢測部通過把對應于臨界值的剩余容量用作基準，可以計算出大致準確的剩余容量。電壓、臨界值和剩余容量的關(guān)系等儲存在預定的存儲機構(gòu)中。如果剩余容量比對應于臨界值的剩余容量還少，則根據(jù)充放電控制部的命令，對電化學元件進行充電。如果剩余容量比對應于臨界值的剩余容量還多，則根據(jù)充放電控制部的命令，對電化學元件進行放電。當剩余容量與對應于臨界值的剩余容量相等時，與上述相同，可以任意選擇進行充電或放電。
臨界值可以通過由系統(tǒng)的使用者預先決定并儲存在預定的存儲機構(gòu)、例如構(gòu)成比較部的硬件的一部分中而進行設(shè)定?；蛘?，也可以賦予比較部以自身自動地設(shè)定臨界值的功能。在這種情況下，比較部可以具有如下功能例如，監(jiān)測充電或放電過程中電化學元件的電壓，找出電壓變化率ΔV/ΔC的絕對值相對變大的拐點，并以拐點為基準設(shè)定臨界值。
臨界值可以設(shè)定在拐點，也可以設(shè)定在拐點的附近點(與拐點具有電壓差ΔVx的點)。其中，優(yōu)選臨界值存在于當電化學元件的剩余容量為額定容量的80～90％時的電壓區(qū)域中。這是因為希望電化學元件在保持充分的輸出電壓和容量的同時，具有用于充電的余裕(空容量)。另外，當電壓差ΔVx與電化學元件的容量變化ΔC相對應時，優(yōu)選ΔC相當于額定容量的10％以下。這是因為如果ΔC過大，則拐點和臨界值離得過遠，因此對剩余容量的判斷就會產(chǎn)生誤差。
通過如上所述的控制，可按照使電化學元件的電壓接近于臨界值的方式來管理電化學元件的充放電。另外，當將臨界值設(shè)定在電化學元件的剩余容量為額定容量的80～90％時的電壓區(qū)域中時，設(shè)法使電化學元件的剩余容量趨近額定容量的80～90％。
圖3是本發(fā)明電力系統(tǒng)中使用的電化學元件的充放電曲線的一個例子?？v軸表示電化學元件的電壓，橫軸表示電化學元件的剩余容量(或充放電時間)。
圖4是本發(fā)明電力系統(tǒng)的一個例子的系統(tǒng)圖。該電力系統(tǒng)具備發(fā)電部31、電化學元件32和負荷部33，電化學元件32的充放電通過充放電控制部34來管理。
充放電曲線A具有一個突躍，在突躍的大致中心處具有拐點P。另外，拐點P處的剩余容量為50％。其中，充放電曲線的形狀并不限于這種形狀，突躍的數(shù)也可以是多個。這是因為充放電曲線的形狀根據(jù)電化學元件種類而不同，但通過著眼于多個突躍中任選的一個，就可以實現(xiàn)本發(fā)明的效果。
電化學元件的充放電曲線根據(jù)電化學元件的使用環(huán)境或電流值有可能會發(fā)生變化。圖3中，充放電曲線A是平均的充放電曲線。曲線A1和曲線A2分別表示變化范圍的下限和上限。曲線A1和曲線A2在突躍附近，通過與充放電曲線A的拐點P具有相同電壓的點P1和點P2。對應于點P1和點P2的剩余容量都可以大致判斷為50％。
當電化學元件具有如圖3的充放電曲線，并將臨界值設(shè)定為點P處的電壓時，圖4的比較器35通過監(jiān)測電化學元件32的電壓，對實測電壓和點P處的電壓進行比較。點P處的電壓通過基準電源36作為臨界值而施加于比較器35。另外，可以用AD轉(zhuǎn)換器獲取電化學元件的電壓，以后的處理可以用數(shù)字數(shù)據(jù)進行，也可以在中途轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)。
其次，根據(jù)比較器35的輸出，剩余容量檢測部37計算出剩余容量為50％以上或不足50％。然后，根據(jù)剩余容量檢測部37的輸出，充放電控制部34對電化學元件32的充電/放電進行切換，使電化學元件32的剩余容量接近50％。
在這里，一邊參考圖3～4，一邊以充放電曲線的拐點對應于剩余容量為50％的情況為例進行說明，但是電化學元件的空容量只要是可以吸收發(fā)電部停止時產(chǎn)生的能量就足夠了。實際上，從提高系統(tǒng)的能量供給能力的觀點出發(fā)，希望充放電曲線的拐點對應于剩余容量為80～90％。其中，當將該系統(tǒng)適用于電動汽車等電動車輛時，作為電化學元件，只需要有能夠吸收來自負荷部的再生能量的余裕。用于管理剩余容量的臨界值，根據(jù)電化學元件的種類或各要素的連接方法等而變化。
為了提高系統(tǒng)的能量效率，優(yōu)選以下述方式來管理電化學元件的充放電，即使電化學元件能夠供給或儲存由發(fā)電部產(chǎn)生的電力產(chǎn)生量與由負荷部產(chǎn)生的電力消耗量之差的至少一部分。
為了此目的，有效的方法是充放電控制部具有電力差判斷部，來判斷發(fā)電部每單位時間的電力產(chǎn)生量與負荷部每單位時間的電力消耗量之差，并且根據(jù)電力差判斷部的輸出，來控制發(fā)電部每單位時間的電力產(chǎn)生量，同時控制電化學元件的充放電。
電化學元件由充放電控制部進行控制，以使一直具有空容量。因此，當發(fā)電部每單位時間的電力產(chǎn)生量超過負荷部每單位時間的電力消耗量時，可以將多余的電力充電給電化學元件。如果電化學元件的剩余容量變多，則充放電控制部發(fā)出使電化學元件進行放電的指令。指令被傳送至例如控制發(fā)電部每單位時間的電力產(chǎn)生量的發(fā)電控制部。
另一方面，當發(fā)電部每單位時間的電力產(chǎn)生量低于負荷部每單位時間的電力消耗量時，可以通過電化學元件的放電來補償不足的電力。如果電化學元件的剩余容量變少，則充放電控制部發(fā)出使電化學元件進行充電的指令。指令被傳送至發(fā)電控制部。另外，也可以將來自負荷部的再生能量存儲于電化學元件，來代替使發(fā)電部每單位時間的電力產(chǎn)生量增大。
電化學元件的拐點和剩余容量的相關(guān)關(guān)系可以通過對電化學元件的設(shè)計而任意設(shè)定。例如，通過單獨使用或二種以上組合使用由下述通式表示的材料作為構(gòu)成電化學元件的正極和/或負極的活性物質(zhì)，可以使充放電曲線具有任意的突躍。
上述式中，R1和R2分別獨立地是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族基，R1和R2可以相同也可以不同，X1～X4分別獨立地是硫原子、氧原子或碲原子，X1～X4可以相同也可以不同，上述脂肪族基可以包含選自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和鹵原子中的一種以上。
充放電曲線中突躍的位置和突躍的數(shù)量可以通過例如改變R1、R2、X1～X4而進行控制。作為由上述通式表示的化合物的具體例子，例如可列舉出以下化合物。
上述式中，R1～R4分別獨立地是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族基、氫原子、羥基、氰基、氨基、硝基或亞硝基，R1～R4可以相同也可以不同，上述脂肪族基可以包含選自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和鹵原子中的一種以上。
上述式中，R1和R2分別獨立地是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族基、氫原子、羥基、氰基、氨基、硝基或亞硝基，R1和R2可以相同也可以不同，X是硫原子、氧原子或碲原子，上述脂肪族基可以包含選自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和鹵原子中的一種以上。
上述式中，X和Y分別獨立地是硫原子、氧原子或亞甲基，X和Y可以相同也可以不同。
上述式中，R1和R2分別獨立地是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族基、氫原子、羥基、氰基、氨基、硝基或亞硝基，R1和R2可以相同也可以不同，上述脂肪族基可以包含選自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和鹵原子中的一種以上，n大于等于1。
實施方式2本實施方式中，對下述電力系統(tǒng)及其管理方法進行說明，所述電力系統(tǒng)具有參數(shù)檢測部和場修正部，所述參數(shù)檢測部對電化學元件的電壓以外的參數(shù)進行檢測，所述場修正部根據(jù)檢測出的參數(shù)對電化學元件的電壓與臨界值的關(guān)系、或電化學元件的剩余容量與臨界值的關(guān)系進行修正。
如圖3所示，充放電曲線在電化學元件的充放電條件不同時，就會相應地進行變化。因此，優(yōu)選根據(jù)電化學元件的充放電條件對電化學元件的電壓與臨界值的關(guān)系、或電化學元件的剩余容量與臨界值的關(guān)系進行修正。這種修正可以利用電化學元件的電壓以外的參數(shù)進行。
作為電化學元件的電壓以外的參數(shù)，可列舉出充放電電流、溫度、內(nèi)部阻抗等。最好預先求出這種參數(shù)與電化學元件的剩余容量、電壓以及臨界值相關(guān)聯(lián)的函數(shù)或圖，并保存在場修正部。
圖5是具有參數(shù)檢測部和場修正部的電力系統(tǒng)的一個例子的系統(tǒng)圖，參數(shù)檢測部對電壓以外的參數(shù)進行檢測，場修正部基于檢測的參數(shù)對電化學元件的剩余容量與臨界值的關(guān)系進行修正。該電力系統(tǒng)除了具有參數(shù)檢測部和場修正部以外，還具有與實施方式1的電力系統(tǒng)相同的結(jié)構(gòu)。具體地講，該電力系統(tǒng)具備發(fā)電部51、電化學元件52和負荷部53，電化學元件52的充放電通過充放電控制部54進行管理。比較器55通過監(jiān)測電化學元件52的電壓而對電壓和臨界值進行比較。臨界值通過基準電源56施加給比較部55。
場修正部具備校正基準算出部58和校正值算出部59。另外，校正基準算出部58與參數(shù)檢測部、即溫度檢測器503和電流計504相聯(lián)系。具體地講，在電化學元件52上安裝熱電偶等溫度檢測器503，此外，電流計504與電化學元件52串聯(lián)連接。溫度檢測器503和電流計504分別與剩余容量檢測部57所具備的校正基準算出部58聯(lián)系。校正基準算出部58儲存有參數(shù)與電化學元件的剩余容量相關(guān)聯(lián)的函數(shù)。校正基準算出部58通過將實測參數(shù)代入上述函數(shù)，求出校正基準。得到的校正基準被送往校正值算出部59。
剩余容量檢測部57根據(jù)比較器55的輸出，輸出電化學元件的剩余容量。該輸出被送往校正值算出部59。校正值算出部59使用上述校正基準對剩余容量的輸出進行校正。然后，充放電控制部54根據(jù)校正后的剩余容量切換電化學元件52的充電/放電，設(shè)法使其剩余容量趨近預定值。
實施方式3本實施方式中，對具有如下功能的電力系統(tǒng)及其管理方法進行說明，所述電力系統(tǒng)在判斷電化學元件的電壓與臨界值為相同時，或者在判斷電化學元件的電壓相對于容量的變化率ΔV/ΔC、與按照充放電電流預先設(shè)定的臨界值的ΔV/ΔC為相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值。
如圖3所示，在臨界值附近，電化學元件的剩余容量沒有大的變化。另外可以預先求出臨界值處的剩余容量。通常，在電力系統(tǒng)所掌握的電化學元件的剩余容量與實際的剩余容量之間存在誤差，并且誤差隨著時間的流逝而變大。在這種情況下，當判斷電化學元件的電壓與臨界值相同時，如果將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值，則可以消除或者縮小誤差。
由圖3可知，曲線A、A1和A2的拐點的電壓值各自不同，但是拐點的電壓變化率幾乎沒有變化。這意味著即使電化學元件的使用環(huán)境或使用頻率發(fā)生變化，實測電壓變化率也難以產(chǎn)生變化。因此，也可以通過判斷實測的ΔV/ΔC與臨界值處的ΔV/ΔC是否相同來代替判斷電化學元件的電壓與臨界值是否相同，當判斷為相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為預定值。此外，如果根據(jù)充放電電流，臨界值處的ΔV/ΔC發(fā)生改變時，可預先求出充放電電流與臨界值處的ΔV/ΔC的關(guān)系，并儲存在預定的存儲機構(gòu)中。然后，按照充放電電流利用必要的關(guān)系進行判斷。
用于求出ΔC的電流積分可以只在突躍附近進行?？梢杂呻娀瘜W元件的電壓來判斷電化學元件具有相應于突躍附近的剩余容量。因此，剩余容量檢測部優(yōu)選具有檢測電化學元件具有相應于突躍附近的剩余容量的突躍檢測部，并根據(jù)突躍檢測部的信號開始電流積分。然后，當判斷由電流積分得到的ΔV/ΔC、與按照充放電電流預先設(shè)定的臨界值處的ΔV/ΔC相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于臨界值的預定值。
圖6是剩余容量檢測部通過電流積分對剩余容量進行重設(shè)的電力系統(tǒng)的一個例子的系統(tǒng)圖。該電力系統(tǒng)具有與實施方式2的電力系統(tǒng)相同的結(jié)構(gòu)，除了剩余容量檢測部具有檢測電化學元件的剩余容量是相應于突躍附近的剩余容量的突躍檢測部以及電流積分部，以代替校正基準算出部和校正值算出部。具體地講，該電力系統(tǒng)具備發(fā)電部61、電化學元件62和負荷部63，電化學元件62的充放電通過充放電控制部64進行控制。比較器65通過監(jiān)測電化學元件62的電壓而對電壓和臨界值進行比較。臨界值通過基準電源66施加給比較部65。
對于電化學元件62，電流計604與電化學元件62串聯(lián)連接。電流計604與剩余容量檢測部67所具備的電流積分部68相聯(lián)系。如果突躍檢測部69從電化學元件的電壓檢測到剩余容量是相應于突躍附近的剩余容量，則電流積分部68開始對用電流計604檢測出的電流進行積分。
剩余容量檢測部67具有下述功能根據(jù)比較器65的輸出，在檢測到電化學元件的剩余容量是相應于突躍附近的剩余容量時開始電流積分；在判斷電化學元件的電壓相對于容量的電壓變化率ΔV/ΔC、與按照充放電電流預先設(shè)定的臨界值處的ΔV/ΔC相同時，將電化學元件的剩余容量重設(shè)為預定值。然后，充放電控制部64根據(jù)重設(shè)后的剩余容量對電化學元件62的充電/放電進行切換，使其剩余容量趨近預定值。
另外，如果電化學元件退化，則充放電曲線幾乎以相似形狀縮小。也可以利用該性質(zhì)對剩余容量進行校正。例如突躍的大小隨著充放電曲線的縮小而變小。因此，當在突躍附近進行電流積分時，例如可以由夾著拐點的任意兩個ΔV/ΔC值的間隔來掌握突躍的大小，可以根據(jù)突躍的大小對剩余容量進行校正。
如實施方式2～3的電力系統(tǒng)，雖然電路結(jié)構(gòu)稍微變得復雜，但是可以更加確切地進行剩余容量的測量。因此，可以防止電化學元件變?yōu)闈M充電或完全放電狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。
另外，實施方式2中，也可以賦予校正基準算出部以下述功能在判斷電化學元件的電壓與臨界值相同時，或者在判斷電化學元件的電壓相對于容量的變化率ΔV/ΔC、與按照充放電電流預先設(shè)定的臨界值處的ΔV/ΔC相同時，對預定的函數(shù)進行校正。
本發(fā)明適于用作具有燃料電池等發(fā)電部的電力系統(tǒng)，可以適用于電動汽車或混合式汽車等電動式車輛、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備等用途。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)，其包含電化學元件、負荷部、發(fā)電部和所述電化學元件的充放電控制部，所述電化學元件具有正極、負極、以及電解液或固體電解質(zhì)，所述電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍，在所述突躍之中的任選突躍中，設(shè)定對應于拐點或其附近點的電壓的臨界值，所述充放電控制部按照使所述電化學元件的電壓接近所述臨界值的方式來控制所述電化學元件的充放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其具有將所述電化學元件的電壓和所述臨界值進行比較的比較部，所述充放電控制部根據(jù)所述比較部的輸出，當電壓比所述臨界值低，則對所述電化學元件進行充電，當電壓比所述臨界值高，則對所述電化學元件進行放電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其具有將所述電化學元件的電壓和所述臨界值進行比較的比較部、和根據(jù)所述比較部的輸出計算出所述電化學元件的剩余容量的剩余容量檢測部，所述充放電控制部根據(jù)所述剩余容量檢測部的輸出，當剩余容量比對應于所述臨界值的剩余容量少，則對所述電化學元件進行充電，當剩余容量比對應于所述臨界值的剩余容量多，則對所述電化學元件進行放電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其中，所述臨界值設(shè)定在所述電化學元件的剩余容量為額定容量的80～90％時的電壓區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其中，當將最大放電容量規(guī)定為1時，在所述突躍中，電壓相對于容量的變化率ΔV/ΔC的絕對值的最大值為1～10。
6.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其中，所述充放電控制部控制所述電化學元件的充放電，使得所述發(fā)電部的電力產(chǎn)生量與所述負荷部的電力消耗量之差的至少一部分被供給或存儲。
7.根據(jù)權(quán)利要求6記載的電力系統(tǒng)，其中，所述充放電控制部還具有判斷所述發(fā)電部的每單位時間的電力產(chǎn)生量與所述負荷部的每單位時間的電力消耗量之差的電力差判斷部，所述充放電控制部根據(jù)所述電力差判斷部的輸出，一邊控制所述發(fā)電部的每單位時間的電力產(chǎn)生量，一邊控制所述電化學元件的充放電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其中，來自所述負荷部的再生能量被用于所述電化學元件的充電中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1記載的電力系統(tǒng)，其中，選自所述正極和負極中的至少一方包含具有由通式(1)表示的結(jié)構(gòu)的化合物通式(1) 式中，R1和R2分別獨立地是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族基，R1和R2可以相同也可以不同，X1～X4分別獨立地是硫原子、氧原子或碲原子，X1～X4可以相同也可以不同，所述脂肪族基可以包含選自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子和硼原子中的一種以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求2記載的電力系統(tǒng)，其具有檢測選自所述電化學元件的充放電電流、溫度和內(nèi)部阻抗中至少一個參數(shù)的參數(shù)檢測部、和根據(jù)檢測出的參數(shù)對所述電化學元件的電壓與所述臨界值的關(guān)系進行修正的場修正部。
11.根據(jù)權(quán)利要求3記載的電力系統(tǒng)，其具有檢測選自所述電化學元件的充放電電流、溫度和內(nèi)部阻抗中至少一個參數(shù)的參數(shù)檢測部、和根據(jù)檢測的參數(shù)對所述電化學元件的電壓或剩余容量與所述臨界值的關(guān)系進行修正的場修正部。
12.根據(jù)權(quán)利要求3記載的電力系統(tǒng)，其中，所述剩余容量檢測部在判斷所述電化學元件的電壓與所述臨界值相同時，將所述電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于所述臨界值的預定值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12記載的電力系統(tǒng)，其中，所述剩余容量檢測部具有突躍檢測部、電流積分部和校正部，所述突躍檢測部根據(jù)所述電化學元件的電壓來檢測所述電化學元件具有對應于所述突躍附近的剩余容量，所述電流積分部在所述突躍的附近進行電流積分，所述校正部根據(jù)基于所述突躍附近的積分電流值而求出的突躍的大小對所述電化學元件的剩余容量進行校正。
14.根據(jù)權(quán)利要求3記載的電力系統(tǒng)，其中所述剩余容量檢測部具有根據(jù)所述電化學元件的電壓來檢測所述電化學元件具有對應于所述突躍附近的剩余容量的突躍檢測部、和在所述突躍的附近進行電流積分的電流積分部，并且在判斷電壓相對于由電流積分而求出的容量變化ΔC的變化率ΔV/ΔC、與按照充放電電流預先設(shè)定的所述臨界值處的ΔV/ΔC相同時，將所述電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于所述臨界值的預定值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14記載的電力系統(tǒng)，其中，所述剩余容量檢測部具有校正部，所述校正部根據(jù)基于所述突躍的附近的積分電流值而求出的突躍的大小，對所述電化學元件的剩余容量進行校正。
16.一種電力系統(tǒng)的管理方法，其中所述電力系統(tǒng)包含電化學元件、負荷部和發(fā)電部，所述電化學元件具有正極、負極以及電解液或固體電解質(zhì)，所述電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍，在所述突躍之中的任選突躍中，設(shè)定對應于拐點或其附近點的電壓的臨界值；所述方法具有下述工序按照使所述電化學元件的電壓接近所述臨界值的方式來控制所述電化學元件的充放電。
17.根據(jù)權(quán)利要求16記載的電力系統(tǒng)的管理方法，其中，所述控制充放電的工序包括測量所述電化學元件的電壓的工序；將測量電壓和所述臨界值進行比較的工序；以及當測量電壓比所述臨界值低，則對所述電化學元件進行充電，當測量電壓比所述臨界值還高，則對所述電化學元件進行放電的工序。
18.根據(jù)權(quán)利要求16記載的電力系統(tǒng)的管理方法，其中，所述控制充放電的工序包括測量所述電化學元件的電壓的工序；將測量電壓和所述臨界值進行比較的工序；根據(jù)所述比較結(jié)果計算出所述電化學元件的剩余容量的工序；以及當剩余容量比對應于所述臨界值的剩余容量少，則對所述電化學元件進行充電，當剩余容量比對應于所述臨界值的剩余容量多，則對所述電化學元件進行放電的工序。
19.根據(jù)權(quán)利要求18記載的電力系統(tǒng)的管理方法，其中包括下述工序當判斷所述電化學元件的電壓與所述臨界值相同時，將所述電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于所述臨界值的預定值。
20.根據(jù)權(quán)利要求18記載的電力系統(tǒng)的管理方法，其中包括下述工序在所述臨界值的附近進行電流積分，當判斷電壓相對于由電流積分求出的容量變化ΔC的變化率ΔV/ΔC、與按照充放電電流預先設(shè)定的所述臨界值處的ΔV/ΔC相同時，將所述電化學元件的剩余容量重設(shè)為對應于所述臨界值的預定值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電力系統(tǒng)，其包含電化學元件、負荷部、發(fā)電部和電化學元件的充放電控制部，電化學元件具有正極、負極以及電解液或固體電解質(zhì)，電化學元件的充放電曲線具有至少一個突躍，在所述突躍之中的任選突躍中，設(shè)定對應于拐點或其附近點的電壓的臨界值，通過充放電控制部控制電化學元件的充放電，使電化學元件的電壓接近臨界值。
文檔編號G01R31/36GK1934745SQ20058000870
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者倉貫正明, 稻富友 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社