(57)【要約】【課題】電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力管理システムにおいて、電気化学素子の残存容量を常に一定範囲内に維持するための制御を簡略化すること。【解決手段】電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力管理システムにおいて、電気化学素子はその充放電曲線に少なくとも１つの段差を有し、前記電気化学素子の残存容量が前記段差を基準に電流積算を組合せて求められる残存容量の範囲を上限残存容量および下限残存容量として定義し下限残存容量少なくなったと判断した場合、上限残存容量まで充電し、前記電気化学素子が上限残存容量より多くなったと判断した場合、下限残存容量まで放電する制御を行うように、前記電気化学素子の充放電を管理する充放電制御部を有する電力管理システムとすることで、電気化学素子の残存容量を上限残存容量と下限残存容量との間に維持することが容易となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学素子と、負荷部と、発電部とを含む電力管理システムであって、
前記電気化学素子は、正極と、負極と、電解液または固体電解質とを有し、
前記電気化学素子の充放電曲線は、少なくとも１つの段差を有し、
前記少なくとも１つの段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の閾値が設定されており、
前記電気化学素子の端子電圧を測定し、出力する電圧測定部と、
前記電気化学素子から流出または前記電気化学素子へ流入する電流を検出し、出力する電流検出部と、
前記電流検出部の出力を積算し、充放電電流の積算値に対する電圧変化率を測定し、出力する傾き検出部と、
前記電圧測定部の出力を前記閾値と比較し、前記閾値付近であると判定する電圧判定部と、
前記傾き検出部の出力に基づき、予め決めておいた所定の傾きより大きくなった場合、前記段差であると判断し、前記電気化学素子の残存容量を所定の値にリセットし、リセット時の残存容量の基準として前記電流検出部の出力をリセット時から積分し電池の残量を測定し、出力する残存容量検出部と、
前記残存容量検出部の出力に基づいて、前記電気化学素子の残存容量が所定の下限残存容量より少なくなったと判断した場合には前記電気化学素子を充電し、前記電気化学素子の残存容量が所定の上限残存容量より多くなったと判断した場合、前記電気化学素子を放電する制御を行うように、前記電気化学素子の充放電を管理する充放電制御部と、
を有する電力管理システム。
【請求項２】
前記上限残存容量は前記電気化学素子の残存容量が公称容量の６０〜９０％である範囲に設定されており、
前記下限残存容量は前記電気化学素子の残存容量が公称容量の３０〜５０％である範囲に設定されていること、
を特徴とする請求項１記載の電力管理システム。
【請求項３】
前記電気化学素子の最大放電容量を１とし、容量変化（ΔＣ）に対する電圧（Ｖ、単位ボルト）の変化率：ΔＶ／ΔＣを電圧変化率とした時、
前記段差における電圧変化率の絶対値：｜ΔＶ／ΔＣ｜の最大値は１以上であること、
を特徴とする請求項１記載の電力管理システム。
【請求項４】
前記充放電制御部は、前記発電部による電力発生量と前記負荷部による電力消費量との差の少なくとも一部を充電し、もしくは放電するように、前記電気化学素子の充放電を管理すること、
を特徴とする請求項１記載の電力管理システム。
【請求項５】
前記充放電制御部は、前記発電部の単位時間あたりの電力発生量を制御する発電制御部と、
前記発電部の単位時間あたりの電力発生量と、前記負荷部の単位時間あたりの電力消費量との差を判定する電力差判定部と、
をさらに有し、
前記電力差判定部の出力に基づいて、前記電気化学素子の充放電と前記発電部の発電量とを制御すること、
を特徴とする請求項４記載の電力管理システム。
【請求項６】
前記充放電制御部は、前記発電部の発電量を制御する発電制御部と、
前記負荷部から前記電気化学素子へ供給される回生エネルギの電力量を測定し、出力する回生電力測定部と、
前記発電部の単位時間当たりの発電量と前記回生電力測定部から出力された単位時間当たりの回生エネルギの電力量との和と、前記負荷部の単位時間当たりの電力消費量との差を判定し、出力する電力差判定部と、
をさらに有し、
前記電力差判定部の出力に基づいて、前記電気化学素子の充放電と前記発電部の発電量とを制御すること、
を特徴とする請求項４記載の電力管理システム。
【請求項７】
前記残存容量検出部で検出された前記電気化学素子の残存容量を補正する残存容量補正部をさらに有すること、
を特徴とする請求項１記載の電力管理システム。
【請求項８】
前記残存容量補正部は、前記電気化学素子の充放電電流、温度および内部インピーダンスよりなる群から選ばれる少なくとも１つのパラメータを検出するパラメータ検出部と、
検出されたパラメータに基づいて、前記閾値と前記上限残存容量および下限残存容量との関係、または前記閾値の残存容量と前記上限残存容量および下限残存容量との関係を修正するフィールド修正部と、を有すること、
を特徴とする請求項７記載の電力管理システム。
【請求項９】
前記正極および前記負極より選ばれる少なくとも一方が、一般式（１）：
【化１】
2006338889.tif 000009
（式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に鎖状または環状の脂肪族基であり、Ｒ１とＲ２は同じであっても異なっていてもよく、Ｘ１〜Ｘ４は、それぞれ独立に硫黄原子、酸素原子またはテルル原子であり、Ｘ１〜Ｘ４は同じであっても異なっていてもよく、前記脂肪族基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子およびホウ素原子よりなる群から選ばれる１種以上を含むことができる）で表される構造を有する化合物を含むこと、
を特徴とする請求項１記載の電力管理システム。
【請求項１０】
電気化学素子と、負荷部と、発電部とを含む電力管理システムの管理方法であって、
前記電気化学素子は、正極と、負極と、電解液または固体電解質とを有し、
前記電気化学素子の充放電曲線は、少なくとも１つの段差を有し、
前記少なくとも１つの段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の閾値が設定されており、
前記システムは、さらに、
（ａ）前記電気化学素子の端子電圧を測定し、出力する工程と、
（ｂ）前記電気化学素子から流出または前記電気化学素子へ流入する電流を検出し、出力する工程と、
（ｃ）前記電流検出部の出力を積算し、充放電電流の積算値に対する電圧変化率を測定し、出力する工程と
（ｄ）前記傾き検出部の出力に基づき、予め決めておいた所定の傾きより大きくなった場合、前記段差であると判断し、前記電気化学素子の残存容量を所定の値にリセットする工程と、
（ｅ）前記リセット時の残存容量を基準とし、リセット時から前記電流を積分することにより前記電気化学素子の残存容量を測定し、出力する工程と、
（ｆ）前記残存容量の出力に基づいて、前記電気化学素子の残存容量が所定の下限残存容量より少なくなったと判断した場合には前記電気化学素子を充電し、前記電気化学素子の残存容量が所定の上限残存容量より多くなったと判断した場合、前記電気化学素子を放電する制御を行うように、前記電気化学素子の充放電を管理する工程と、
を有する電力管理システムの管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力管理システム、および電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力システムの管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯型の電子機器、例えば情報機器、通信機器、映像機器、音響機器、静止画像機器や、電動式車両の電源として、電気化学素子と発電部とを併用することが検討されている。電気化学素子と発電部とを併用することにより、発電部による電力発生量が不足するときは、電気化学素子から負荷部に電力を供給し、発電部による電力発生量が過剰のときは、過剰分を電気化学素子に充電することが可能となる。
【０００３】
しかし、電気化学素子の残存容量が少ないと、発電部による電力発生量が不足するときに、負荷部に必要量の電力を供給することができず、携帯型機器や電動式車両の運転は不安定になる。また、電気化学素子の残存容量が多すぎると、発電部による電力発生量が過剰のときに、余剰分を全て充電することができず、エネルギを無駄に浪費することになる。
【０００４】
従って、電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力システムにおいては、常に電気化学素子の残存容量を把握するとともに、電気化学素子に一定以上の残存容量を蓄えておくことが望まれる。
【０００５】
ここで、従来提案されている電力システムにおける電気化学素子の残存容量の把握方法について、図６を参照しながら説明する。
【０００６】
図６は、従来の電力システムの系統図である（特許文献１参照）。図６のシステムは、負荷部５０への電力供給を行う発電部として燃料電池３０を有する。このシステムは、バックアップ用の電気化学素子として蓄電池６０を有する。燃料電池には、改質器２０で生成させた燃料が送られる。改質器２０には、原料タンク１０１から燃料原料が送られる。
【０００７】
燃料電池３０の出力は、補機制御部１００によって、各種補機を制御することにより行われる。すなわち、補機制御部１００は、燃料電池のカソードに空気を送る反応空気ブロワ９０、改質器２０の燃焼部に空気を送る燃焼空気ブロワ８０、および原料タンク１０１から燃料原料を改質器へ送る原料ポンプ７０を制御する。燃料電池から出力される電流値は、出力電流検出器１７０によって検出される。
【０００８】
一方、蓄電池６０は、電流検出器１１０および電圧検出器１３０に接続されている。電流検出器１１０で検出された電流は、積算器１２０で積算される。検出された電圧および積算された電流値は、システム制御部１５０に送られる。システム制御部１５０は、メモリ１４０を具備し、メモリには蓄電池の残存容量目標値が格納されている。
【０００９】
システム制御部１５０は、検出された電圧値、積算された電流値、残存容量目標値などをベースに演算を行い、演算結果に基づいて、補機制御部１００を制御する。
【００１０】
出力電流検出器１７０で検出された電流値と、システム制御部１５０で得られた演算結果とは、データ比較器１８０に送られ、そこで対比される。対比結果により、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を制御する調節器１６０が制御される。
【００１１】
上記のようなシステムでは、燃料電池から蓄電池および負荷へ送られる電流を、蓄電池の残存容量に基づいて制御することが可能である。
【００１２】
図７は、一般的な電気化学素子の充放電曲線である。
【００１３】
充放電曲線は、図７のようにＡ〜Ｃの３つの領域に分けることができる。領域Ｂでは、電気化学素子の中で可逆的な充放電反応が進行するが、領域Ｃでは、可逆性が崩れる傾向がある。電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力システムにおいては、安定な出力を示すフラットな領域Ｂだけを利用することが好ましい。
【００１４】
しかし、フラットな領域Ｂでは、電圧がほとんど変化しないため、電圧のみによって、電気化学素子の残存容量を把握することは困難である。また、電流値や環境温度などの条件が違えば、同じ残存容量であっても、検出される電圧値は異なる。さらに、電流値などのパラメータを用いて、電気化学素子の電圧を推測したところで、充放電曲線がフラットな領域では、電気化学素子の残存容量の推測には役に立たない。そのため、どうしても電流値を時間で積分する方法による残存容量の把握（以下、電流積算という）が必要となる。
【００１５】
また、Ｂ領域が完全にフラットでなく、傾きが緩やかである場合には、電圧のみによって電気化学素子の残存容量を把握するためには、高度な電圧検出精度が要求される。同様に、補正に必要なパラメータの精度も要求される。しかし、そのような精度を実現しようとすれば、コストが高くなる。一方、精度が低くなると、電圧から残存容量を正確に把握することはできない。従って、結局は電気化学素子の残存容量を正確に測定するには、電流積算が不可欠となる。
【００１６】
ところで電気化学素子を満充電状態（残存容量を１００％）になるまで充電し、そこで電流積算値を１００％とリセットすれば、リセットによって積算誤差がなくなる。このような操作を定期的に行えば、比較的正確に残存容量を把握することが可能となる。
【００１７】
図６のシステムの場合、電気化学素子が満充電もしくは完全放電状態であるとき、システム制御部１５０は、電気化学素子の残存容量を１００％もしくは０％と認識することにより、残存容量をリセットすることができる。そして、その残存容量を記憶した状態で、電気化学素子の充放電電流の積算を開始することにより、残存容量の測定精度を高めることができる。
【００１８】
しかし、負荷部の消費電力量（要求エネルギ）は、常に変動する可能性があり、予測できない面がある。そのため、残存容量を１００％にするために電気化学素子を満充電すると、負荷部の稼働が急に停止した際に、電気化学素子が発電部で発生する電力を吸収することができず、エネルギが行き場を失ってしまう。燃料電池のように、停止までに時間がかかる発電部を含むシステムにおいては、エネルギの損失は特に大きくなる。逆に、残存容量が０％になるまで電気化学素子を完全放電して、電流積算値をリセットする場合には、負荷部の消費電力量の急増に対応できなくなる。残存容量が０％のままでシステムが停止した場合、次回のシステム起動が不可能になることもある。
【００１９】
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車では、車両減速時の回生エネルギを電気化学素子で回収できるように、電気化学素子の満充電を避けている。また、加速時の不足エネルギを電気化学素子で補うために、電気化学素子の完全放電を避けている。このように、残存容量を１００％もしくは０％にすることによる残存容量のリセットを行えないまま、電流積算と電圧値などに基づいて、システムが稼働し続けることになる。
【特許文献１】特開平１−２１１８６０号公報（第１図、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、前記従来のシステムでは、電気化学素子の残存容量を正確に把握するためには、複雑な作業を要する。積分誤差を補正するためには、様々なパラメータを高速で取り込む必要がある。また、長時間にわたって残存容量のリセットを行えないため、次第に積分誤差が大きくなる。そのため、残存容量を一定範囲内に維持していたつもりでも、実際には満充電もしくは完全放電状態に近づいている場合がある。そのため、システムの信頼性、保守性および安全性が損なわれる可能性がある。このような状況を改善するには、複雑な回路構造が必要となり、コストが高くなり、部品点数の増加に伴って、故障の可能性も増大する。
【００２１】
以上を鑑み、本発明は、電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力システムにおいて、電気化学素子の残存容量を比較的容易に把握するとともに、電気化学素子の残存容量を常に一定範囲内に維持するための制御を簡略化することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力管理システムは、電気化学素子と、負荷部と、発電部とを含む電力管理システムであって、
電気化学素子は、正極と、負極と、電解液または固体電解質とを有し、
電気化学素子の充放電曲線は、少なくとも１つの段差を有し、
少なくとも１つの段差において、変曲点もしくはその近傍点に対応する電圧の閾値が設定されている。
【００２３】
さらに、電気化学素子の端子電圧を測定し、出力する電圧測定部と、
電気化学素子から流出または電気化学素子へ流入する電流を検出し、出力する電流検出部と、
電流検出部の出力を積算し、充放電電流の積算値に対する電圧変化率を測定し、出力する傾き検出部と、
前記電圧測定部の出力を閾値と比較し、閾値付近であると判定する電圧判定部と、
傾き検出部の出力に基づき、予め決めておいた所定の傾きより大きくなった場合、段差であると判断し、電気化学素子の残存容量を所定の値にリセットし、リセット時の残存容量の基準として電流検出部の出力をリセット時から積分し電池の残量を測定し、出力する残存容量検出部と、
残存容量検出部の出力に基づいて、電気化学素子の残存容量が所定の下限残存容量より少なくなったと判断した場合には電気化学素子を充電し、電気化学素子の残存容量が所定の上限残存容量より多くなったと判断した場合、電気化学素子を放電する制御を行うように、電気化学素子の充放電を管理する充放電制御部と、を有する。
【００２４】
この構成により、電気化学素子の残存容量を比較的容易に把握することができ、さらに、電気化学素子の残存容量を常に一定範囲内に維持する制御を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、電気化学素子と負荷部と発電部とを含む電力システムにおいて、電気化学素子の残存容量を比較的容易に把握することができ、さらに、電気化学素子の残存容量を常に一定範囲内に維持する制御を簡単に行うことができる。すなわち、電力管理システムの構造を従来に比べて簡略化することができる。また、本発明によれば、電気化学素子の寿命を早めることなく、信頼性、保守性および安全性を高めたシステムを提供することができる。
【００２６】
さらに、電気化学素子の残存容量を補正する場合には、従来に比べて精度の高い補正を行うことができる。電気化学素子の電圧や、容量変化に対する電圧の変化率（ΔＶ／ΔＣ；以下、電圧変化率という）が、閾値や閾値における電圧変化率と同じになった時に、電気化学素子の残存容量を所定値にリセットすれば、積分誤差などの誤差をなくすことができるからである。
【００２７】
積分誤差がなくなれば、これに起因する過充電および過放電に対する対策を省くことができる。すなわち、付加的な回路を設ける必要がなくなる。従って、簡易な構造でありながら、信頼性、保守性および安定性に優れたシステムを構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における電力管理システムを示す系統図である。図１において、電力管理システムは、負荷部３への電力供給を行う発電部１と、発電部１から出力される電力が不足する場合に負荷部３への電力供給を行い、発電部１から出力される電力が過剰である場合に余剰の電力を充電する電気化学素子２とを有する。その他の構成については後述する。
【００３０】
負荷部３は、発電部１と電気化学素子２とから電力を供給され、消費する機器等である。本実施の形態１において、負荷部３の種類や構成には特に制限は無いが、小型携帯機器や電動車両のように、稼働中の電力消費量が大きく変動する場合に、本発明の電力管理システムは特に有効である。
【００３１】
発電部１は、負荷部３と電気化学素子２とに電力を供給する機器等である。本実施の形態１において、発電部１の種類や構成には特に制限は無いが、燃料電池のように、負荷部が要求する電力変動に応じて、素早く発電量を増加もしくは減少させることが比較的困難な発電部を用いる場合に、本発明の電力管理システムは特に有効である。発電部１による電力発生量と、負荷部３による電力消費量との差を、電気化学素子２の充放電により相殺することができるからである。他に、好ましい発電部１としては、太陽電池、車両のエンジンに設けられた発電機などを挙げることができる。
【００３２】
電気化学素子２は、正極と負極と電解液または固体電解質とを有し、電気の充放電を行える素子であれば、特に限定なく用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池、アルカリ蓄電池、鉛蓄電池等を挙げることができる。特に一般式（化１）で示す材料を正極と負極との少なくともいずれかに用いると、充放電曲線に効果的な段差を有する電気化学素子を容易に得ることができる。
【００３３】
【化１】
2006338889.tif 000003
【００３４】
（式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に鎖状または環状の脂肪族基であり、Ｒ１とＲ２は同じであっても異なっていてもよく、Ｘ１〜Ｘ４は、それぞれ独立に硫黄原子、酸素原子またはテルル原子であり、Ｘ１〜Ｘ４は同じであっても異なっていてもよく、前記脂肪族基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子およびホウ素原子よりなる群から選ばれる１種以上を含むことができる）
ここで、電気化学素子２の充放電曲線は、少なくとも１つの段差を有する。電気化学素子２の充放電曲線について、図２を用いて説明する。
【００３５】
図２は、電気化学素子２の充放電曲線を例示したものである。図２において、充放電曲線Ａは１つの段差を有し、段差のほぼ中心に変曲点Ｐを有する。また段差において、変曲点の近傍点に対応する電圧の閾値（以下、Ｖｔｈともいう）が設定されている。変曲点Ｐに対応する残存容量をこの例では５０％とする。
【００３６】
図２に示すように段差付近で電気化学素子の電圧は大きく変化する。従って、実測電圧が、段差の変曲点Ｐもしくはその近傍点に設定したＶｔｈよりも大きいか小さいかを判断することは容易である。また、段差の変曲点Ｐもしくはその近傍点における電気化学素子の残存容量のばらつきは小さく、温度やサイクル劣化を考慮しても全体容量に占める残存容量の比率に対するばらつきは小さい。従って、段差の変曲点もしくはその近傍点に設定した閾値に対応する残存容量を予め明らかにしておき、その残存容量を基準に用いることで、ほぼ正確な残存容量を算出することができる。
【００３７】
ただし、充放電曲線の形状は、このような形状に限定されないし、段差の数は２つ以上であってもよい。充放電曲線の形状は電気化学素子の種類によって異なるし、複数の段差のうち、検出感度の高い任意の１つに着眼することにより、本発明の効果を発揮することができるからである。
【００３８】
なお、電気化学素子２の充放電曲線Ａは、電気化学素子２の使用環境や電流値によって、変動する可能性がある。図２中、充放電曲線Ａは、典型的な充放電曲線であり、曲線Ａ１は充放電曲線の変動範囲の下限を示し、曲線Ａ２は充放電曲線の変動範囲の上限を示している。曲線Ａ１の変曲点Ｐ１および曲線Ａ２の変曲点Ｐ２における残存容量は、曲線Ａの変曲点とほぼ同じ残存容量と判断可能である。
【００３９】
電気化学素子２が図２に示す充放電曲線Ａを有し、変曲点ＰにＶｔｈを設定している場合、電圧計などからなる電圧測定部８は電気化学素子２の電圧を測定し、電圧判定部９へ測定値を出力する。その出力を元に電圧判定部９は電気化学素子２の電圧がＶｔｈ付近かを判断する。電圧判定部９は、電気化学素子２の電圧の測定値を傾き検出部５へ出力する。
【００４０】
また、電流計などからなる電流検出部６は、電気化学素子２から流出または流入する電流を検出し、傾き検出部５へ出力する。傾き検出部５は、その出力を元に電流値を積算し、電気化学素子２から流出または流入する容量（ｍＡｈ）を求める。また、傾き検出部５は、電圧判定部９から入力された電気化学素子２の電圧の測定値と容量の経時変化を元に、電気化学素子２の充電あるいは放電容量に対する電圧の変化率（ΔＶ／ΔＣ）を求める。ここで、電圧の変化率は常時求めていても良いが、電気化学素子２の電圧がＶｔｈ付近である場合のみ求めても良い。求めたΔＶ／ΔＣの値は、残存容量検出部７へ出力される。
【００４１】
また、電気化学素子２の電圧がＶｔｈ付近であると判断した場合、電圧判定部９は傾き検出部５へその情報を出力する。
【００４２】
残存容量検出部７は、電気化学素子２の電圧がＶｔｈ付近であると判断し、なおかつ求めたΔＶ／ΔＣが予め定めておいた値よりも大きい場合、電気化学素子２の状態は段差であると判断し、対応する残存容量を充放電制御部４へ出力する。ここで、残存容量検出部７が段差であると判断した場合、その時点で段差に対応するほぼ正確な残存容量を算出することができるので、電気化学素子の残存容量を段差に対応する所定値にリセットし、電流積算時に生じる積分誤差などをなくすことができる。積分誤差がなくなれば、これに起因する過充電および過放電に対する対策を省くことができる。すなわち、付加的な回路を設ける必要がなくなる。従って、簡易な構造でありながら、信頼性、保守性および安定性に優れたシステムを構築できる。
【００４３】
充放電制御部４は、残存容量検出部７の出力に基づいて、電気化学素子２の残存容量が所定の下限残存容量より少なくなったと判断した場合、発電部を動作させ電気化学素子２を充電し、電気化学素子２の残存容量が所定の上限残存容量より多くなったと判断した場合、発電部１を停止し、電気化学素子２を放電する制御を行うように、電気化学素子２の充放電を管理する。また、上限残存容量および下限残存容量の中間に対応する場合は、定格を超えるような放電時に発電部１を動作させるなど特段の充放電指令を割り込ませない限り、充電時は上限残存容量まで充電し、放電時は下限残存容量まで放電する。この発電ＯＮ／ＯＦＦと残存容量の関係はヒステリシス特性を持ち、その様子をあらわしたのが図４である。その結果、電気化学素子の残存容量は、電気化学素子は上限残存容量および下限残存容量の間に管理されるとともに、発電部１が１度動くたびに充電側で１度はリセットされ、発電部１が停止してから次回の起動時までの放電側でも少なくとも１度はリセット可能であるため、満充電時や完全放電時でリセットするよりはるかに頻繁に残存容量のリセットがかけられ、電流積分誤差が改善される。
【００４４】
例えば、図２において、電気化学素子２の充電状態が４５％で発電部が動作している充電状態だった場合、いずれ電気化学素子２の電圧はＶｔｈに近づく。すると電圧判定部９が傾き検出部５へ電気化学素子２の電圧がＶｔｈ付近であるとの信号を送り、傾きが閾値を超えたところで傾き検出部５は残存容量検出部７へ信号を送り、残存容量検出部７は残存容量を５０％にリセットするとともに、充放電制御部４へ信号を送る。傾き検出部５は電流積算を継続し、発電部１も動作を続ける。発電部１からの充電が進み、電流積算の結果、電気化学素子２の残存容量が上限残存容量である６０％に達した時点で残存容量検出部７は充放電制御部４へ信号を送り、充放電制御部４は発電部１を停止する。発電部１が停止した後は電気化学素子２のエネルギが徐々に使われ、残存容量が減る。この場合電気化学素子２の電圧はＶｔｈに近づく。すると電圧判定部９が傾き検出部５へ電気化学素子２の電圧がＶｔｈ付近であるとの信号を送り、傾きが閾値を超えたところで傾き検出部５は残存容量検出部７へ信号を送り、残存容量検出部７は残存容量を５０％にリセットするとともに、充放電制御部４へ信号を送る。傾き検出部５は電流積算を継続し、電気化学素子２の放電が進み、電流積算の結果、電気化学素子２の残存容量が下限残存容量である４０％に達した時点で残存容量検出部７は充放電制御部４へ信号を送り、充放電制御部４は発電部１を起動させる。充放電制御部４は以上の動作を繰り返し、電気化学素子２の充電および放電を切り替え、電気化学素子２の残存容量を４０％〜６０％に収束させようとする。
【００４５】
なお、システムの用途などに依り、電気化学素子２の電圧がＶｔｈに近づく頻度が異なる。傾きが閾値を超える毎に残存容量のリセットをしても良いが、前回のリセットからの時間、日数、温度履歴、電気化学素子２の劣化の程度を勘案し、傾きが閾値を１０回超えるたびにリセットしたりしても良い。また、リセット回数が１００回までは傾きが閾値を１０回超えるたびにリセットし、リセット回数が１００回を超えると傾きが閾値を５回超えるたびにリセットする、などの条件でリセットを間引いても良い。他にも、所定時間内の温度変化が１０℃を超えた場合は都度リセットし、１０℃を超えない場合は間引くようにしても良い。リセットを間引く条件は、以上のように、周囲状況や履歴などを元に設定できるようにしておけば良い。これにより、リセットに伴う処理負担を軽減し、処理に伴う電力も削減でき、電気化学素子の寿命も延ばすことが可能となる。
【００４６】
別の例として、図２において、システム起動時において電気化学素子２の残存容量が４０％から６０％の範囲に無い場合、あるいは残存容量そのものの初期値が不明な場合、残存容量検出部７は電圧判定部９からの出力に基づき、図５に示す流れ図に従って暫定的に残存容量を図５のＡからＢに示す各領域であることを推定し、残存容量が４０％から６０％の範囲に向かうよう、充放電制御部４が発電部の起動停止を含めた電気化学素子２の充放電電流の管理を行う。
【００４７】
上記の構成により、本発明の電力管理システムは、電気化学素子２を上限残存容量および下限残存容量の間に保つように、電気化学素子２の充放電を制御することが容易な電力管理システムを実現する。上限残存容量および下限残存容量の間に電気化学素子２の残存容量を保つことが容易である理由は、電流の積分誤差を長期間、多サイクルに渡り保証することなく毎回発電部が起動するたびに誤差がリセットされ、段差を検出すれば、自ずと残存容量が分かるからである。
【００４８】
なお、電圧判定部９は、例えばシステムの使用者が予め決定した閾値を、電圧判定部９を構成するハードウエアの一部に格納することにより、閾値を設定することができる。また、電圧判定部９に、自ら自動的に閾値を設定する機能を付与してもよい。その場合、電圧判定部は、例えば、充電もしくは放電中の電気化学素子の電圧をモニタして、電圧の時間変化率ΔＶ／Δｔあるいは残存容量に対する電圧の変化率ΔＶ／ΔＣ（電圧変化率）の絶対値が相対的に大きくなる変曲点を見出し、変曲点を基準に閾値を設定する機能を有すればよい。なお、電気化学素子２の電圧をＡＤコンバータで取り込み、以降の処理をデジタルデータで行ってもよいし、一部でアナログデータを取り扱ってもよい。
【００４９】
なお、ここでは図１、図２および図４を参照しながら、充放電曲線の変曲点が残存容量５０％に対応し、上限残存容量が公称容量の６０％に設定されており、下限残存容量が公称容量の４０％に設定されている場合を例にあげて説明したが、電気化学素子の空き容量は、発電部の停止時に発生するエネルギを吸収できる程度であれば十分である。実際には、上限残存容量が公称容量の６０〜９０％に対応する範囲に設定されており、下限残存容量が公称容量の３０〜５０％に対応する範囲に設定されていることが、システムのエネルギ供給能力を向上させる観点から望ましい。特に、電気自動車などの電動車両にシステムを適用する場合、電気化学素子には負荷部からの回生エネルギを吸収できるだけの余裕が必要であるので、下限残存容量を上述の範囲に設定することが好ましい。
【００５０】
なお、電子化学素子の充放電曲線は、少なくとも１つの段差を有する。段差の有無は、充放電曲線から把握することも出来る。１Ｃレートでの充放電時の場合、段差における電圧変化率は、公称容量の１０％の容量変化当たり、３００ｍＶ以上であることが好ましい。また、０．１Ｃレートでの充放電時の場合、段差における電圧変化率は、公称容量の１０％の容量変化当たり、２００ｍＶ以上であることが好ましい。例えば、電気化学素子が公称容量２０００ｍＡｈの電池である場合、１Ｃレートで放電中の電池の容量が１０％（２００ｍＡｈ）変化する間に、電池電圧が３００ｍＶ以上変化することが望ましい。また、０．１Ｃレートで放電中の電池の容量が１０％変化する間に、電池電圧が２００ｍＶ以上変化することが望ましい。
【００５１】
また、充放電曲線において最大放電容量を１とした時、段差における容量変化：ΔＣ（例えば０．０５〜０．１５）に対する前記電圧差：ΔＶ（例えば０．１５〜０．３Ｖ）から求められる電圧変化率の絶対値：｜ΔＶ／ΔＣ｜の最大値が１以上１０以下であることが好ましい。｜ΔＶ／ΔＣ｜の最大値とは、変曲点Ｐにおける充放電曲線の傾きを意味する。｜ΔＶ／ΔＣ｜の最大値が１より小さい場合には段差の検出が困難となる場合があり、｜ΔＶ／ΔＣ｜の最大値が１０より大きい場合には電圧や電流の検出頻度を高めなければ段差と認識できなくなり、システム自体が高価になる場合があるからである。また充放電曲線における段差の数が増えると、一つの段差あたりの傾きや、電圧差および容量差は一般に小さくなるため、検出感度の高い段差を利用することで段差の検出漏れも回避することが出来る。
【００５２】
電力管理システムのエネルギ効率を高めるには、発電部１による電力発生量と負荷部３による電力消費量との差の少なくとも一部を、電気化学素子２が供給し、もしくは蓄えるように、電気化学素子２の充放電を充放電制御部４が管理することが好ましい。
【００５３】
電気化学素子２の充放電を充放電制御部４が管理するためには、充放電制御部４は、発電部１の単位時間あたりの電力発生量を制御する発電制御部と、発電部１の単位時間あたりの電力発生量と負荷部３の単位時間あたりの電力消費量との差を判定し、結果を出力する電力差判定部とを有し、電力差判定部の出力に基づいて、電気化学素子２の充放電と発電部１の発電量とを管理することが有効である。
【００５４】
電気化学素子２は、常に空き容量を有するように、充放電制御部４により制御されている。従って、発電部１の単位時間あたりの電力発生量が、負荷部３の単位時間あたりの電力消費量を上回る場合には、余分の電力を電気化学素子２に充電することができる。電気化学素子２の残存容量が多くなると、充放電制御部４は、電気化学素子２の放電を行うように指令を出すとともに、発電部１の単位時間あたりの電力発生量を充放電制御部４を介して減少させる。
【００５５】
一方、発電部１の単位時間あたりの電力発生量が、負荷部３の単位時間あたりの電力消費量を下回る場合には、不足する電力を電気化学素子２の放電により補うことができる。電気化学素子２の残存容量が少なくなると、充放電制御部４は、電気化学素子２の充電を行うように指令を出すとともに、発電部１の電力を増大させる。また、発電電力増大の代わりに、負荷部３からの回生エネルギを電気化学素子２に蓄えることもできる。
【００５６】
負荷部３からの回生エネルギを電気化学素子２に蓄える場合には、充放電制御部４は発電部１の単位時間あたりの電力発生量を制御する発電制御部と、負荷部３から電気化学素子２へ供給される回生エネルギの電力量を測定し、出力する回生電力測定部と、発電部１の単位時間あたりの電力発生量と回生電力測定部から出力された単位時間当たりの回生エネルギ電力量との和と、負荷部３の単位時間あたりの電力消費量との差を判定し、結果を出力する電力差判定部とを有し、電力差判定部の出力に基づいて、電気化学素子２の充放電と発電部１の発電量とを管理することが有効である。
【００５７】
電気化学素子２の充放電曲線における変曲点と残存容量との相関関係は、電気化学素子の設計により、任意に設定することができる。例えば、電気化学素子を構成する正極と負極との少なくともいずれかの活物質として、前述した（化１）で表される材料を、単独で、もしくは２種以上を組み合わせて用いることにより、充放電曲線に任意の段差を持たせることができる。
【００５８】
充放電曲線における段差の位置および段差の数は、（化１）において例えばＲ１、Ｒ２、Ｘ１〜Ｘ４を変化させることによって制御することができる。上記一般式で表される化合物の具体例として、例えば以下の（化２）〜（化６）で表される化合物を挙げることができる。
【００５９】
【化２】
2006338889.tif 000004
【００６０】
上記式中、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ独立に鎖状または環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、Ｒ１〜Ｒ４は同じであっても異なっていてもよく、前記脂肪族基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる１種以上を含むことができる。
【００６１】
【化３】
2006338889.tif 000005
【００６２】
上記式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に鎖状または環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、Ｒ１とＲ２は同じであっても異なっていてもよく、Ｘは、イオウ原子、酸素原子またはテルル原子であり、前記脂肪族基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる１種以上を含むことができる。
【００６３】
【化４】
2006338889.tif 000006
【００６４】
上記式中、ＸおよびＹは、それぞれ独立に硫黄原子、酸素原子またはメチレン基であり、ＸとＹは同じであっても異なっていてもよい。
【００６５】
【化５】
2006338889.tif 000007
【００６６】
上記式中、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ独立に鎖状または環状の脂肪族基、水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、アミノ基、ニトロ基またはニトロソ基であり、Ｒ１とＲ２は同じであっても異なっていてもよく、前記脂肪族基は、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子、リン原子、ホウ素原子およびハロゲン原子よりなる群から選ばれる１種以上を含むことができ、ｎは１以上である。
【００６７】
【化６】
2006338889.tif 000008
【００６８】
（実施の形態２）
本実施形態２では、電気化学素子の残存容量を補正する残存容量補正部をさらに有する電力管理システムについて説明する。
【００６９】
電気化学素子が劣化すると、充放電曲線はほぼ相似形で縮小する。この性質を利用して、電気化学素子の残存容量を補正することができる。例えば、段差の大きさは、充放電曲線の縮小に伴って小さくなる。よって、充放電曲線において、例えば変曲点を挟む任意の２点間（例えば変曲点±５０ｍＡｈ）の容量変化に対する電圧変化率を把握することで、段差の大きさの推移を把握することが出来る。例えば段差の大きさが初期のＸ％になった時は、充放電曲線の大きさは初期のＹ％になっており、変曲点における残存容量はＺ％になっている、といった情報を予め求めておき、この情報を残存容量補正部に格納しておき、必要に応じて参照することで、電気化学素子の残存容量を容易に補正することが出来る。
【００７０】
また、別の方法としては、例えば、初期状態で図２に示す充放電曲線を有する電気化学素子において、上限残存容量は全容量の６０％、下限残存容量は全容量の４０％であるが、この時の電圧値を予め記憶しておき、電流積算結果と電圧を照合することで本来の容量が劣化や温度で変化した場合にも全体容量を補正しながら上限残存容量および下限残存容量までの電流積算値を動的に可変することで残量を適切な範囲に制御することが可能となる。その際、動的に上限残存容量および下限残存容量間の幅を可変することにより、常に安定した残存容量間での駆動が可能になるため、満充電や過放電に至ることなくシステムを運用でき、発電部から電力供給できない場合は事前に警告や停止を確実に行うことが出来るので、突然のシャットダウンなどのトラブルを回避することが出来る。残存容量補正部は電力管理システム内にあれば良く、残存容量検出部が兼ねていても良い。
【００７１】
なお、本実施形態２に係る電力管理システムは、電気化学素子の電流以外のパラメータを検出するパラメータ検出部を備えていても良い。この場合の電力管理システムについて、図３を参照しながら説明する。なお、図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７２】
図３に示す電力管理システムは、電気化学素子２の温度を測定し、出力する温度測定部１０と、フィールド修正部１１とを有することを除いて、図１に示す電力管理システムと同じ構成を有する。
【００７３】
電気化学素子２には、熱電対などからなる温度検出器１０が取り付けられ、さらに、電流検出部６が電気化学素子２と直列に接続されている。電圧測定部８と温度検出器１０と電流検出部６とは、それぞれフィールド修正部１１と連絡している。フィールド修正部１１は、電気化学素子２の電圧、電流、温度および内部インピーダンスからなる各パラメータと電気化学素子の残存容量とを関連付ける関数またはマップを有する。電気化学素子２の内部インピーダンスは、電気化学素子２の電圧、電流および温度から算出可能である。
【００７４】
フィールド修正部１１は、前述したパラメータの実測値を前記関数またはマップに代入して、電気化学素子２の端子電圧を推定する。得られた端子電圧の推定値は、電圧判定部９に送られる。これ以降は実施の形態１と同じであるので説明を省略する。
【００７５】
なお、電気化学素子２の残存容量検出は、端子電圧を電気化学素子の充放電電流、温度、内部インピーダンスなどから補正した値を利用する場合と、上記各パラメータ測定と電流積算を組み合わせて行う場合がある。これらのパラメータは、電気化学素子の残存容量予測に影響を与えることが知られている。従って、これらのパラメータと残存容量とを関連付ける関数もしくはマップを予め求めることができる。
【００７６】
本実施の形態２に示すフィールド修正部および残存容量補正部をシステムに設ける場合、回路構造は少し複雑になるが、残存容量の測定をより確実に行うことができ、電気化学素子が満充電もしくは完全放電状態になることを防止でき、システムの信頼性は高められる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、燃料電池などの発電部を有する電力管理システムにおいて有用であり、電気自動車やハイブリッド自動車などの電動式車両、ロボット、ノートパソコンなどの携帯電子機器等の用途に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力管理システムの系統図
【図２】本発明の電力管理システムが含む電気化学素子の充放電曲線の一例を示す図
【図３】本発明の実施の形態２に係る電力管理システムの系統図
【図４】本発明の充放電制御図と充放電曲線の対比を示す図
【図５】本発明の電力管理システムの初期状態の充電状態簡易判定の流れ図
【図６】従来の電力管理システムの系統図
【図７】従来の電力管理システムが含む電気化学素子の充放電曲線を示す図
【符号の説明】
【００７９】
１    発電部
２    電気化学素子
３    負荷部
４    充放電制御部
５    傾き検出部
６    電流測定部
７    残存容量検出部
８    電圧測定部
９    電圧判定部
１０    温度測定部
１１    フィールド修正部
２０    改質器
３０    燃料電池
４０    ＤＣ／ＤＣコンバータ
５０    負荷部
６０    蓄電池
７０    原料ポンプ
８０    燃焼空気ブロワ
９０    反応空気ブロワ
１００    補機制御部
１０１    原料タンク
１１０    電流検出器
１２０    積算器
１３０    電圧検出器
１４０    メモリ
１５０    システム制御部
１６０    調節器
１７０    出力電流検出器
１８０    データ比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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