CN1934745A - 电力系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统，其包含电化学元件、负荷部、发电部和电化学元件的充放电控制部，电化学元件具有正极、负极以及电解液或固体电解质，电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃，在所述突跃之中的任选突跃中，设定对应于拐点或其附近点的电压的临界值，通过充放电控制部控制电化学元件的充放电，使电化学元件的电压接近临界值。

Description

电力系统及其管理方法

技术领域

本发明涉及包含电化学元件、负荷部和发电部的电力系统及其管理方法。

背景技术

近年来，作为便携式电子设备、例如信息设备、通信设备、图像设备、音响设备、静止图像设备和电动车辆的电源，研究了将电化学元件和发电部并用的方案。通过并用电化学元件和发电部，当由发电部产生的电力产生量不足时，可以由电化学元件将电力供给至负荷部；当由发电部产生的电力产生量过剩时，可以将过剩部分充电至电化学元件。

但是，如果电化学元件的剩余容量较少，则当由发电部产生的电力产生量不足时，不能向负荷部供给必需量的电力，从而使便携式设备或电动车辆的运转变得不稳定。另外，如果电化学元件的剩余容量过多，则当由发电部产生的电力产生量过剩时，不能将剩余部分全部充电，从而徒劳地浪费了能量。因此，在包含电化学元件、负荷部和发电部的电力系统中，希望能够一直掌握电化学元件的剩余容量，同时预先在电化学元件中存储一定水平以上的剩余容量。

其中，对于以往提出的掌握电力系统中电化学元件的剩余容量的方法，一边参考图1一边进行说明。图1是以往的电力系统的系统图(参考专利文献1)。图1的系统具有燃料电池30作为向负荷部50进行电力供给的发电部。该系统具有蓄电池60作为备用的电化学元件。将由转化器20生成的燃料送入燃料电池。将来自原料罐101的燃料原料送入转化器20。

燃料电池30的输出可以通过用辅机控制部100控制各种辅机来进行。即，辅机控制部100控制：将空气送入燃料电池的阴极的反应空气鼓风机90、将空气送入转化器20的燃烧部的燃烧空气鼓风机80、和将来自原料罐101的燃烧原料送入转化器的原料泵70。从燃料电池输出的电流值用输出电流检测器170进行检测。

另一方面，蓄电池60与电流检测器110和电压检测器130连接。将电流检测器110检测出的电流用积分器120进行积分。检测出的电压和积分的电流值被送入系统控制部150。系统控制部150具备存储器140，存储器中储存着蓄电池的剩余容量目标值。系统控制部150以检测出的电压值、积分的电流值、剩余容量目标值等作为基础进行运算，根据运算结果来控制辅机控制部100。将用输出电流检测器170检测出的电流值、和由系统控制部150得到的运算结果传送给数据比较器180，在那里进行比较。根据比较结果来控制用于控制DC/DC转换器40的调节器160。

在如上所述的系统中，可以基于蓄电池的剩余容量来控制由燃料电池送入蓄电池和负荷的电流。但是，需要具备有电流检测器110和积分器120的电路，控制方式也复杂。电流检测器由分流电阻和霍尔元件等构成，成本也高。

图2是普通的电化学元件的充放电曲线。

充放电曲线可以如图2所示分为A～C的3个区域。在区域B中，在电化学元件中进行可逆的充放电反应，而在区域C中，具有可逆性破坏的趋势。在包含电化学元件、负荷部和发电部的电力系统中，优选只利用表现出稳定输出的平坦区域B。

但是，在平坦区域B中，由于电压几乎没有变化，所以很难只由电压来掌握电化学元件的剩余容量。另外，如果电流值和环境温度等条件不同，则即使是相同的剩余容量，检测出的电压值也会不同。此外，即使可使用电流值等参数来推测电化学元件的电压，但在充放电曲线是平坦的区域中，这对电化学元件的剩余容量的推测也不起作用。因此，无论如何也需要用以时间对电流值进行积分的方法(以下称为“电流积分”)来掌握剩余容量。

另外，当B区域不是完全平坦而是缓慢倾斜时，要想只通过电压来掌握电化学元件的剩余容量，则要求高度的电压检测精度。同样，还要求对校正是必要的参数的精度。但是，如果要想实现这样的精度，成本变高。另一方面，如果精度变低，则不能由电压准确地掌握剩余容量。因此，结果是要想准确地测量电化学元件的剩余容量，电流积分是不可缺少的。

此时，如果在对电化学元件充电直到满充电状态(剩余容量为100％)时将电流积分值重设为100％，则可以通过重设而消除积分误差。如果定期地进行这种操作，则可以比较准确地掌握剩余容量。

在图1系统的情况下，当电化学元件是满充电或完全放电状态时，系统控制部150可以通过将电化学元件的剩余容量识别为100％或0％来重设剩余容量。然后，在记忆了该剩余容量的状态下开始积分电化学元件的充放电电流，由此可以提高剩余容量的测量精度。

但是，负荷部的消耗电量(要求能量)常常有变化的可能性，具有不可预测的一面。因此，如果为了使剩余容量为100％而使电化学元件满充电，则在负荷部的运转突然停止时，电化学元件不能吸收由发电部产生的电力，从而使能量失去去处。在包含如燃料电池那样的直到停止需要一定时间的发电部的系统中，能量的损失变得特别大。相反，当将电化学元件完全放电直到剩余容量为0％而对电流积分值进行重设时，则变得不能应对负荷部的消耗电量的急剧增加。当在剩余容量为0％的状态下停止系统时，有时会出现下一次的系统不能启动的现象。

例如，在电动汽车和混合式汽车的情况下，要避免电化学元件的满充电，以便能够用电化学元件回收车辆减速时的再生能量。另外，为了用电化学元件补偿加速时的能量不足，要避免电化学元件的完全放电。这样一来，不用按照使剩余容量为100％或0％的方式对剩余容量进行重设，系统就能够基于电流积分和电压值等连续地进行运转。

专利文献1：特开平1-211860号公报(图1、图3)

发明内容

在便携式电子设备的电化学元件(在笔记本电脑中使用的智能电池等)的充放电管理规格或电动式车辆中使用的电化学元件的充放电管理中，正在研究适用如上所述的以往的系统。

但是，在以往的系统中，要想准确地掌握电化学元件的剩余容量，需要复杂的操作。第1，除了检测电压值外，还需要检测电流值并对其进行时间积分。第2，为了校正积分误差，需要高速地获取各种参数。第3，由于需要应对急剧的负荷变化，因此需要提高检测电流的取样率。因此电路复杂化，成本变高。另外，系统在操作中经常需要进行电流积分，这部分也使得电力消耗变多。

另外，在以往的系统中，由于经过长时间没有对积分电流进行重设，因此积分误差变大。因此，即使打算将剩余容量保持在一定范围内，实际上有时也会接近满充电或完全放电状态。由此，有可能损害系统的可靠性、可维持性和安全性。为了改善这种状况，需要复杂的电路结构，成本变高，随着零部件数量的增加，故障的可能性也增大。

鉴于上述情况，本发明的主要目的是：在包含电化学元件、负荷部和发电部的电力系统中，对用于比较容易地掌握电化学元件的剩余容量、同时将电化学元件的剩余容量经常保持在一定范围内的控制进行简化。

本发明涉及一种电力系统，其包含电化学元件、负荷部、发电部和电化学元件的充放电控制部；电化学元件具有正极、负极以及电解液或固体电解质；电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃(step)，在上述突跃之中的任选突跃中，设定对应于拐点或其附近点的电压的临界值；充放电控制部按照使上述电化学元件的电压接近上述临界值的方式来控制上述电化学元件的充放电。

本发明的一个方式中的电力系统具有将电化学元件的电压和临界值进行比较的比较部。此时，充放电控制部根据比较部的输出，当电压比临界值低，则对电化学元件进行充电；当实测电压比临界值高，则对电化学元件进行放电。

本发明的另一个方式中的电力系统具有将电化学元件的电压和临界值进行比较的比较部、和根据比较部的输出而计算出电化学元件的剩余容量的剩余容量检测部。此时，充放电控制部根据剩余容量检测部的输出，当剩余容量比对应于临界值的剩余容量少，则对电化学元件进行充电；当剩余容量比对应于临界值的剩余容量多，则对电化学元件进行放电。当剩余容量与对应于临界值的剩余容量相等时，例如可以任意选择进行充电或放电，或者也可以既不充电也不放电地放置起来。

电化学元件的充放电曲线在电化学元件的充放电条件，例如电流值、温度、内部阻抗等不同时，可根据该条件进行变化。因此，希望剩余容量按照电化学元件的充放电条件进行校正。即，本发明的电力系统优选具有参数检测部和场修正部，其中，参数检测部可检测选自电化学元件的充放电电流、温度和内部阻抗中的至少一个参数，场修正部根据检测出的参数，对电化学元件的电压与临界值的关系或者电化学元件的剩余容量与临界值的关系进行修正。

本发明的电力系统优选具有下述功能，即当判断电化学元件的电压和临界值为相同时，可将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值。或者说，本发明的电力系统具有：突跃检测部，其根据电化学元件的电压来检测电化学元件的剩余容量是对应于突跃附近的剩余容量；和电流积分部，其在突跃的附近进行电流积分；并且具有下述功能：当电压相对于由电流积分求出的容量变化ΔC的变化率ΔV/ΔC、与根据充放电电流而预先设定的临界值处的ΔV/ΔC相同时，将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值。

电化学元件由于重复进行充放电而逐渐退化。另外，由于充放电曲线随着电化学元件的退化而缩小，因此突跃的大小也缩小。因此，本发明的电力系统优选具有校正部，其根据由突跃附近的积分电流值而求出的突跃大小来校正电化学元件的剩余容量。

本发明的电力系统中，电压的临界值优选设定在电化学元件的剩余容量为额定容量的80～90％时的电压区域。

当把电化学元件的最大放电容量规定为1时，在设定临界值的突跃中，电压(V)相对于容量的变化率ΔV/ΔC的绝对值的最大值优选为1～10。

希望充放电控制部以下述方式来控制电化学元件的充放电，即发电部的电力产生量与负荷部的电力消耗量之差的至少一部分被供给或存储。具体地讲，当充放电控制部具有判断发电部的每单位时间电力产生量与负荷部的每单位时间电力消耗量之差的电力差判断部时，充放电控制部可根据电力差判断部的输出，一边控制发电部的每单位时间的电力产生量，一边控制电化学元件的充放电。

也可以利用来自负荷部的再生能量对电化学元件进行充电。

从获得具有至少一个突跃的充放电曲线的观点出发，希望选自电化学元件的正极和负极的至少一方包含具有由通式(1)表示的结构的化合物：

[化学式1]

(式中，R¹和R²分别独立地是链状或环状的脂肪族基，R¹和R²可以相同也可以不同，X¹～X⁴分别独立地是硫原子、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选自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子和硼原子中的一种以上。)

本发明还涉及电力系统的管理方法，其中，所述电力系统包含电化学元件、负荷部和发电部，电化学元件具有正极、负极、以及电解液或固体电解质，电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃；上述方法具有下述工序：在上述突跃之中的任选突跃中，设定对应于拐点或其附近点的电压的临界值，按照使电化学元件的电压接近临界值的方式来控制电化学元件的充放电。

作为上述控制充放电的工序，第1，本发明提出了如下工序：测量电化学元件的电压，比较测量电压和临界值，当电压比临界值低，则对电化学元件进行充电，当电压比临界值高，则对电化学元件放电。当电压和临界值相等时，可以任意选择进行充电或放电，或者也可以既不充电也不放电地放置起来。

作为控制上述充放电的工序，第2，本发明提出了如下工序：测量电化学元件的电压，比较测量电压和临界值，根据比较结果计算出电化学元件的剩余容量，当剩余容量比对应于临界值的剩余容量少，则对电化学元件进行充电，当剩余容量比对应于临界值的剩余容量多，则对电化学元件进行放电。当电压和临界值相等时，例如，可以任意选择进行充电或放电，或者也可以既不充电也不放电地放置起来。

在本发明的管理方法中，优选具有下述工序：当判断电化学元件的电压和临界值相同时，将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值的工序；或者在临界值的附近进行电流积分，当电压相对于由电流积分求出的容量变化ΔC的变化率ΔV/ΔC、与根据充放电电流而预先设定的临界值处的ΔV/ΔC相同时，将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值的工序。

根据本发明，在包含电化学元件、负荷部和发电部的电力系统中，能够比较容易掌握电化学元件的剩余容量，而且能够简单地进行控制，将电化学元件的剩余容量时常保持在一定范围内。即，与以往相比能够将电力系统的结构简化。另外，根据本发明，能够提供不会缩短电化学元件的寿命、提高了可靠性、可维持性和安全性的系统。

当电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃时，在突跃附近电化学元件的电压变化大。因此，易于判断电压比设定在突跃的拐点或其附近点的临界值是大还是小。另外，突跃的拐点或其附近点的电化学元件的剩余容量的偏差小。因此，可以通过预先明确对应于临界值的剩余容量，并以该剩余容量作为基准使用，能够计算出大致准确的剩余容量。另外，如果按照使电压接近于临界值的方式来管理充放电，则可以将剩余容量大致准确地保持在一定范围内。其结果是，掌握剩余容量时不需要进行各种校正。此外也不需要进行电流积分。

此外，当对剩余容量进行校正时，与以往相比可以进行高精度的校正。这是因为当电化学元件的电压或电压变化率(ΔV/ΔC)变得与临界值或临界值处的ΔV/ΔC相同时，如果将电化学元件的剩余容量重设为预定值，则可以消除积分误差等误差。当求ΔC时，只要在突跃的附近进行电流积分就足够了，不需要继续地进行电流积分。

如果没有积分误差，则可以省略应对由此引起的过充电和过放电的措施。也就是说，不需要设置附加的电路。因此，可以构建结构简单、且可靠性、可维持性和安全性优异的系统。

附图说明

图1是以往的电力系统的系统图。

图2是以往的电力系统包含的电化学元件的充放电曲线。

图3是本发明的电力系统包含的电化学元件的充放电曲线的一个例子。

图4是本发明实施方式1中的电力系统的系统图。

图5是本发明实施方式2中的电力系统的系统图。

图6是本发明实施方式3中的电力系统的系统图。

具体实施方式

实施方式1

本发明涉及具备发电部、电化学元件、负荷部和充放电控制部的电力系统及其管理方法。

本发明对于如下情况特别有效，即使用了像燃料电池那样的根据负荷部要求的电力变化、迅速地增加或减少发电量比较困难的发电部。这是因为根据本发明，可以使由发电部产生的电力产生量与由负荷部产生的电力消耗量之差通过电化学元件的充放电相抵销。其中，对发电部没有特别的限制。此外，作为优选的发电部，可列举出太阳能电池、设置在车辆发动机上的发电机等。

电化学元件只要是使用能进行电的充放电的元件就可以，没有特别的限制。例如，可列举出锂离子二次电池、碱性蓄电池、铅蓄电池等。

对负荷部没有特别的限制，但是，本发明对于如小型便携式设备和电动车辆那样的使用在运转过程中电力消耗量变化大的负荷部的情况是特别有效的。

本发明中使用的电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃。有无突跃也可以由充放电曲线来掌握。在以1C的速率进行充放电时，突跃中的电压变化率优选相对于额定容量每10％的容量变化为300mV以上。另外，在以0.1C的速率进行充放电时，突跃中的电压变化率优选相对于额定容量每10％的容量变化为200mV以上。例如，当电化学元件是额定容量为2000mAh的电池时，在1C速率的放电中，在电池的容量变化了10％(200mAh)的期间，希望电池电压变化在300mV以上。另外，在0.1C速率的放电中，在电池的容量变化了10％的期间，希望电池电压变化在200mV以上。

此外，当电化学元件的最大放电容量为1时，在设定临界值的突跃中，电压(V)对容量的变化率ΔV/ΔC的绝对值的最大值优选为1～10，更优选为1～7。

充放电控制部按照使电化学元件的电压接近于预定的临界值的方式来控制电化学元件的充放电。电压的临界值可设定在电化学元件的充放电曲线所具有的任选突跃的拐点或其附近点。对充放电控制部的结构没有特别的限制，可以使用各种电子电路等构成。

本发明一个方式中的电力系统具有将电化学元件的电压与临界值进行比较的比较部。比较部通过定期测量电化学元件的电压，对测量电压和临界值进行比较。比较部首先测量电化学元件的电压。将得到的电压与在预定的存储机构中储存的临界值进行比较。比较的结果如果是电压比临界值低，则根据充放电控制部的命令对电化学元件进行充电。其结果是电化学元件的电压朝着临界值上升。另一方面，如果电压比临界值高，则根据充放电控制部的命令对电化学元件进行放电。其结果是电化学元件的电压朝着临界值下降。如果电压和临界值相等，则根据充放电控制部的命令任意选择进行充电或放电。当输出比较结果时正在对电化学元件进行充电，则优选选择进行充电，当输出比较结果时电化学元件正在进行放电，则优选选择进行放电。

本发明另一个方式中的电力系统具有将电化学元件的电压与临界值进行比较的比较部、和根据比较部的输出计算出电化学元件的剩余容量的剩余容量检测部。比较部首先测量电化学元件的电压。将得到的电压与在预定的存储机构中储存的临界值进行比较。比较部的输出被传送给剩余容量检测部。

当电压比临界值高时，电化学元件的剩余容量以一定概率比对应的临界值的剩余容量多。另一方面，当电压比临界值低时，电化学元件的剩余容量以一定概率比对应的临界值的剩余容量少。因此，剩余容量检测部通过把对应于临界值的剩余容量用作基准，可以计算出大致准确的剩余容量。电压、临界值和剩余容量的关系等储存在预定的存储机构中。如果剩余容量比对应于临界值的剩余容量还少，则根据充放电控制部的命令，对电化学元件进行充电。如果剩余容量比对应于临界值的剩余容量还多，则根据充放电控制部的命令，对电化学元件进行放电。当剩余容量与对应于临界值的剩余容量相等时，与上述相同，可以任意选择进行充电或放电。

临界值可以通过由系统的使用者预先决定并储存在预定的存储机构、例如构成比较部的硬件的一部分中而进行设定。或者，也可以赋予比较部以自身自动地设定临界值的功能。在这种情况下，比较部可以具有如下功能：例如，监测充电或放电过程中电化学元件的电压，找出电压变化率ΔV/ΔC的绝对值相对变大的拐点，并以拐点为基准设定临界值。

临界值可以设定在拐点，也可以设定在拐点的附近点(与拐点具有电压差ΔVx的点)。其中，优选临界值存在于当电化学元件的剩余容量为额定容量的80～90％时的电压区域中。这是因为希望电化学元件在保持充分的输出电压和容量的同时，具有用于充电的余裕(空容量)。另外，当电压差ΔVx与电化学元件的容量变化ΔC相对应时，优选ΔC相当于额定容量的10％以下。这是因为如果ΔC过大，则拐点和临界值离得过远，因此对剩余容量的判断就会产生误差。

通过如上所述的控制，可按照使电化学元件的电压接近于临界值的方式来管理电化学元件的充放电。另外，当将临界值设定在电化学元件的剩余容量为额定容量的80～90％时的电压区域中时，设法使电化学元件的剩余容量趋近额定容量的80～90％。

图3是本发明电力系统中使用的电化学元件的充放电曲线的一个例子。纵轴表示电化学元件的电压，横轴表示电化学元件的剩余容量(或充放电时间)。

图4是本发明电力系统的一个例子的系统图。该电力系统具备发电部31、电化学元件32和负荷部33，电化学元件32的充放电通过充放电控制部34来管理。

充放电曲线A具有一个突跃，在突跃的大致中心处具有拐点P。另外，拐点P处的剩余容量为50％。其中，充放电曲线的形状并不限于这种形状，突跃的数也可以是多个。这是因为充放电曲线的形状根据电化学元件种类而不同，但通过着眼于多个突跃中任选的一个，就可以实现本发明的效果。

电化学元件的充放电曲线根据电化学元件的使用环境或电流值有可能会发生变化。图3中，充放电曲线A是平均的充放电曲线。曲线A1和曲线A2分别表示变化范围的下限和上限。曲线A1和曲线A2在突跃附近，通过与充放电曲线A的拐点P具有相同电压的点P₁和点P₂。对应于点P₁和点P₂的剩余容量都可以大致判断为50％。

当电化学元件具有如图3的充放电曲线，并将临界值设定为点P处的电压时，图4的比较器35通过监测电化学元件32的电压，对实测电压和点P处的电压进行比较。点P处的电压通过基准电源36作为临界值而施加于比较器35。另外，可以用AD转换器获取电化学元件的电压，以后的处理可以用数字数据进行，也可以在中途转换为模拟数据。

其次，根据比较器35的输出，剩余容量检测部37计算出剩余容量为50％以上或不足50％。然后，根据剩余容量检测部37的输出，充放电控制部34对电化学元件32的充电/放电进行切换，使电化学元件32的剩余容量接近50％。

在这里，一边参考图3～4，一边以充放电曲线的拐点对应于剩余容量为50％的情况为例进行说明，但是电化学元件的空容量只要是可以吸收发电部停止时产生的能量就足够了。实际上，从提高系统的能量供给能力的观点出发，希望充放电曲线的拐点对应于剩余容量为80～90％。其中，当将该系统适用于电动汽车等电动车辆时，作为电化学元件，只需要有能够吸收来自负荷部的再生能量的余裕。用于管理剩余容量的临界值，根据电化学元件的种类或各要素的连接方法等而变化。

为了提高系统的能量效率，优选以下述方式来管理电化学元件的充放电，即：使电化学元件能够供给或储存由发电部产生的电力产生量与由负荷部产生的电力消耗量之差的至少一部分。

为了此目的，有效的方法是：充放电控制部具有电力差判断部，来判断发电部每单位时间的电力产生量与负荷部每单位时间的电力消耗量之差，并且根据电力差判断部的输出，来控制发电部每单位时间的电力产生量，同时控制电化学元件的充放电。

电化学元件由充放电控制部进行控制，以使一直具有空容量。因此，当发电部每单位时间的电力产生量超过负荷部每单位时间的电力消耗量时，可以将多余的电力充电给电化学元件。如果电化学元件的剩余容量变多，则充放电控制部发出使电化学元件进行放电的指令。指令被传送至例如控制发电部每单位时间的电力产生量的发电控制部。

另一方面，当发电部每单位时间的电力产生量低于负荷部每单位时间的电力消耗量时，可以通过电化学元件的放电来补偿不足的电力。如果电化学元件的剩余容量变少，则充放电控制部发出使电化学元件进行充电的指令。指令被传送至发电控制部。另外，也可以将来自负荷部的再生能量存储于电化学元件，来代替使发电部每单位时间的电力产生量增大。

电化学元件的拐点和剩余容量的相关关系可以通过对电化学元件的设计而任意设定。例如，通过单独使用或二种以上组合使用由下述通式表示的材料作为构成电化学元件的正极和/或负极的活性物质，可以使充放电曲线具有任意的突跃。

[化学式2]

上述式中，R¹和R²分别独立地是链状或环状的脂肪族基，R¹和R²可以相同也可以不同，X¹～X⁴分别独立地是硫原子、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选自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和卤原子中的一种以上。

充放电曲线中突跃的位置和突跃的数量可以通过例如改变R¹、R²、X¹～X⁴而进行控制。作为由上述通式表示的化合物的具体例子，例如可列举出以下化合物。

[化学式3]

上述式中，R¹～R⁴分别独立地是链状或环状的脂肪族基、氢原子、羟基、氰基、氨基、硝基或亚硝基，R¹～R⁴可以相同也可以不同，上述脂肪族基可以包含选自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和卤原子中的一种以上。

[化学式4]

上述式中，R¹和R²分别独立地是链状或环状的脂肪族基、氢原子、羟基、氰基、氨基、硝基或亚硝基，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选自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和卤原子中的一种以上。

[化学式5]

上述式中，X和Y分别独立地是硫原子、氧原子或亚甲基，X和Y可以相同也可以不同。

[化学式6]

上述式中，R¹和R²分别独立地是链状或环状的脂肪族基、氢原子、羟基、氰基、氨基、硝基或亚硝基，R¹和R²可以相同也可以不同，上述脂肪族基可以包含选自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子、硼原子和卤原子中的一种以上，n大于等于1。

[化学式7]

实施方式2

本实施方式中，对下述电力系统及其管理方法进行说明，所述电力系统具有参数检测部和场修正部，所述参数检测部对电化学元件的电压以外的参数进行检测，所述场修正部根据检测出的参数对电化学元件的电压与临界值的关系、或电化学元件的剩余容量与临界值的关系进行修正。

如图3所示，充放电曲线在电化学元件的充放电条件不同时，就会相应地进行变化。因此，优选根据电化学元件的充放电条件对电化学元件的电压与临界值的关系、或电化学元件的剩余容量与临界值的关系进行修正。这种修正可以利用电化学元件的电压以外的参数进行。

作为电化学元件的电压以外的参数，可列举出充放电电流、温度、内部阻抗等。最好预先求出这种参数与电化学元件的剩余容量、电压以及临界值相关联的函数或图，并保存在场修正部。

图5是具有参数检测部和场修正部的电力系统的一个例子的系统图，参数检测部对电压以外的参数进行检测，场修正部基于检测的参数对电化学元件的剩余容量与临界值的关系进行修正。该电力系统除了具有参数检测部和场修正部以外，还具有与实施方式1的电力系统相同的结构。具体地讲，该电力系统具备发电部51、电化学元件52和负荷部53，电化学元件52的充放电通过充放电控制部54进行管理。比较器55通过监测电化学元件52的电压而对电压和临界值进行比较。临界值通过基准电源56施加给比较部55。

场修正部具备校正基准算出部58和校正值算出部59。另外，校正基准算出部58与参数检测部、即温度检测器503和电流计504相联系。具体地讲，在电化学元件52上安装热电偶等温度检测器503，此外，电流计504与电化学元件52串联连接。温度检测器503和电流计504分别与剩余容量检测部57所具备的校正基准算出部58联系。校正基准算出部58储存有参数与电化学元件的剩余容量相关联的函数。校正基准算出部58通过将实测参数代入上述函数，求出校正基准。得到的校正基准被送往校正值算出部59。

剩余容量检测部57根据比较器55的输出，输出电化学元件的剩余容量。该输出被送往校正值算出部59。校正值算出部59使用上述校正基准对剩余容量的输出进行校正。然后，充放电控制部54根据校正后的剩余容量切换电化学元件52的充电/放电，设法使其剩余容量趋近预定值。

实施方式3

本实施方式中，对具有如下功能的电力系统及其管理方法进行说明，所述电力系统在判断电化学元件的电压与临界值为相同时，或者在判断电化学元件的电压相对于容量的变化率ΔV/ΔC、与按照充放电电流预先设定的临界值的ΔV/ΔC为相同时，将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值。

如图3所示，在临界值附近，电化学元件的剩余容量没有大的变化。另外可以预先求出临界值处的剩余容量。通常，在电力系统所掌握的电化学元件的剩余容量与实际的剩余容量之间存在误差，并且误差随着时间的流逝而变大。在这种情况下，当判断电化学元件的电压与临界值相同时，如果将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值，则可以消除或者缩小误差。

由图3可知，曲线A、A1和A2的拐点的电压值各自不同，但是拐点的电压变化率几乎没有变化。这意味着即使电化学元件的使用环境或使用频率发生变化，实测电压变化率也难以产生变化。因此，也可以通过判断实测的ΔV/ΔC与临界值处的ΔV/ΔC是否相同来代替判断电化学元件的电压与临界值是否相同，当判断为相同时，将电化学元件的剩余容量重设为预定值。此外，如果根据充放电电流，临界值处的ΔV/ΔC发生改变时，可预先求出充放电电流与临界值处的ΔV/ΔC的关系，并储存在预定的存储机构中。然后，按照充放电电流利用必要的关系进行判断。

用于求出ΔC的电流积分可以只在突跃附近进行。可以由电化学元件的电压来判断电化学元件具有相应于突跃附近的剩余容量。因此，剩余容量检测部优选具有检测电化学元件具有相应于突跃附近的剩余容量的突跃检测部，并根据突跃检测部的信号开始电流积分。然后，当判断由电流积分得到的ΔV/ΔC、与按照充放电电流预先设定的临界值处的ΔV/ΔC相同时，将电化学元件的剩余容量重设为对应于临界值的预定值。

图6是剩余容量检测部通过电流积分对剩余容量进行重设的电力系统的一个例子的系统图。该电力系统具有与实施方式2的电力系统相同的结构，除了剩余容量检测部具有检测电化学元件的剩余容量是相应于突跃附近的剩余容量的突跃检测部以及电流积分部，以代替校正基准算出部和校正值算出部。具体地讲，该电力系统具备发电部61、电化学元件62和负荷部63，电化学元件62的充放电通过充放电控制部64进行控制。比较器65通过监测电化学元件62的电压而对电压和临界值进行比较。临界值通过基准电源66施加给比较部65。

对于电化学元件62，电流计604与电化学元件62串联连接。电流计604与剩余容量检测部67所具备的电流积分部68相联系。如果突跃检测部69从电化学元件的电压检测到剩余容量是相应于突跃附近的剩余容量，则电流积分部68开始对用电流计604检测出的电流进行积分。

剩余容量检测部67具有下述功能：根据比较器65的输出，在检测到电化学元件的剩余容量是相应于突跃附近的剩余容量时开始电流积分；在判断电化学元件的电压相对于容量的电压变化率ΔV/ΔC、与按照充放电电流预先设定的临界值处的ΔV/ΔC相同时，将电化学元件的剩余容量重设为预定值。然后，充放电控制部64根据重设后的剩余容量对电化学元件62的充电/放电进行切换，使其剩余容量趋近预定值。

另外，如果电化学元件退化，则充放电曲线几乎以相似形状缩小。也可以利用该性质对剩余容量进行校正。例如突跃的大小随着充放电曲线的缩小而变小。因此，当在突跃附近进行电流积分时，例如可以由夹着拐点的任意两个ΔV/ΔC值的间隔来掌握突跃的大小，可以根据突跃的大小对剩余容量进行校正。

如实施方式2～3的电力系统，虽然电路结构稍微变得复杂，但是可以更加确切地进行剩余容量的测量。因此，可以防止电化学元件变为满充电或完全放电状态，提高系统的可靠性。

另外，实施方式2中，也可以赋予校正基准算出部以下述功能：在判断电化学元件的电压与临界值相同时，或者在判断电化学元件的电压相对于容量的变化率ΔV/ΔC、与按照充放电电流预先设定的临界值处的ΔV/ΔC相同时，对预定的函数进行校正。

本发明适于用作具有燃料电池等发电部的电力系统，可以适用于电动汽车或混合式汽车等电动式车辆、笔记本电脑等便携式电子设备等用途。

Claims (20)

1.一种电力系统，其包含电化学元件、负荷部、发电部和所述电化学元件的充放电控制部，所述电化学元件具有正极、负极、以及电解液或固体电解质，所述电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃，在所述突跃之中的任选突跃中，设定对应于拐点或其附近点的电压的临界值，所述充放电控制部按照使所述电化学元件的电压接近所述临界值的方式来控制所述电化学元件的充放电。

2.根据权利要求1记载的电力系统，其具有将所述电化学元件的电压和所述临界值进行比较的比较部，所述充放电控制部根据所述比较部的输出，当电压比所述临界值低，则对所述电化学元件进行充电，当电压比所述临界值高，则对所述电化学元件进行放电。

3.根据权利要求1记载的电力系统，其具有将所述电化学元件的电压和所述临界值进行比较的比较部、和根据所述比较部的输出计算出所述电化学元件的剩余容量的剩余容量检测部，所述充放电控制部根据所述剩余容量检测部的输出，当剩余容量比对应于所述临界值的剩余容量少，则对所述电化学元件进行充电，当剩余容量比对应于所述临界值的剩余容量多，则对所述电化学元件进行放电。

4.根据权利要求1记载的电力系统，其中，所述临界值设定在所述电化学元件的剩余容量为额定容量的80～90％时的电压区域。

5.根据权利要求1记载的电力系统，其中，当将最大放电容量规定为1时，在所述突跃中，电压相对于容量的变化率ΔV/ΔC的绝对值的最大值为1～10。

6.根据权利要求1记载的电力系统，其中，所述充放电控制部控制所述电化学元件的充放电，使得所述发电部的电力产生量与所述负荷部的电力消耗量之差的至少一部分被供给或存储。

7.根据权利要求6记载的电力系统，其中，所述充放电控制部还具有判断所述发电部的每单位时间的电力产生量与所述负荷部的每单位时间的电力消耗量之差的电力差判断部，所述充放电控制部根据所述电力差判断部的输出，一边控制所述发电部的每单位时间的电力产生量，一边控制所述电化学元件的充放电。

8.根据权利要求1记载的电力系统，其中，来自所述负荷部的再生能量被用于所述电化学元件的充电中。

9.根据权利要求1记载的电力系统，其中，选自所述正极和负极中的至少一方包含具有由通式(1)表示的结构的化合物：

通式(1)

式中，R¹和R²分别独立地是链状或环状的脂肪族基，R¹和R²可以相同也可以不同，X¹～X⁴分别独立地是硫原子、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选自氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、磷原子和硼原子中的一种以上。

10.根据权利要求2记载的电力系统，其具有检测选自所述电化学元件的充放电电流、温度和内部阻抗中至少一个参数的参数检测部、和根据检测出的参数对所述电化学元件的电压与所述临界值的关系进行修正的场修正部。

11.根据权利要求3记载的电力系统，其具有检测选自所述电化学元件的充放电电流、温度和内部阻抗中至少一个参数的参数检测部、和根据检测的参数对所述电化学元件的电压或剩余容量与所述临界值的关系进行修正的场修正部。

12.根据权利要求3记载的电力系统，其中，所述剩余容量检测部在判断所述电化学元件的电压与所述临界值相同时，将所述电化学元件的剩余容量重设为对应于所述临界值的预定值。

13.根据权利要求12记载的电力系统，其中，所述剩余容量检测部具有突跃检测部、电流积分部和校正部，所述突跃检测部根据所述电化学元件的电压来检测所述电化学元件具有对应于所述突跃附近的剩余容量，所述电流积分部在所述突跃的附近进行电流积分，所述校正部根据基于所述突跃附近的积分电流值而求出的突跃的大小对所述电化学元件的剩余容量进行校正。

14.根据权利要求3记载的电力系统，其中所述剩余容量检测部具有根据所述电化学元件的电压来检测所述电化学元件具有对应于所述突跃附近的剩余容量的突跃检测部、和在所述突跃的附近进行电流积分的电流积分部，并且在判断电压相对于由电流积分而求出的容量变化ΔC的变化率ΔV/ΔC、与按照充放电电流预先设定的所述临界值处的ΔV/ΔC相同时，将所述电化学元件的剩余容量重设为对应于所述临界值的预定值。

15.根据权利要求14记载的电力系统，其中，所述剩余容量检测部具有校正部，所述校正部根据基于所述突跃的附近的积分电流值而求出的突跃的大小，对所述电化学元件的剩余容量进行校正。

16.一种电力系统的管理方法，其中所述电力系统包含电化学元件、负荷部和发电部，所述电化学元件具有正极、负极以及电解液或固体电解质，所述电化学元件的充放电曲线具有至少一个突跃，在所述突跃之中的任选突跃中，设定对应于拐点或其附近点的电压的临界值；所述方法具有下述工序：按照使所述电化学元件的电压接近所述临界值的方式来控制所述电化学元件的充放电。

17.根据权利要求16记载的电力系统的管理方法，其中，所述控制充放电的工序包括：测量所述电化学元件的电压的工序；将测量电压和所述临界值进行比较的工序；以及当测量电压比所述临界值低，则对所述电化学元件进行充电，当测量电压比所述临界值还高，则对所述电化学元件进行放电的工序。

18.根据权利要求16记载的电力系统的管理方法，其中，所述控制充放电的工序包括：测量所述电化学元件的电压的工序；将测量电压和所述临界值进行比较的工序；根据所述比较结果计算出所述电化学元件的剩余容量的工序；以及当剩余容量比对应于所述临界值的剩余容量少，则对所述电化学元件进行充电，当剩余容量比对应于所述临界值的剩余容量多，则对所述电化学元件进行放电的工序。

19.根据权利要求18记载的电力系统的管理方法，其中包括下述工序：当判断所述电化学元件的电压与所述临界值相同时，将所述电化学元件的剩余容量重设为对应于所述临界值的预定值。

20.根据权利要求18记载的电力系统的管理方法，其中包括下述工序：在所述临界值的附近进行电流积分，当判断电压相对于由电流积分求出的容量变化ΔC的变化率ΔV/ΔC、与按照充放电电流预先设定的所述临界值处的ΔV/ΔC相同时，将所述电化学元件的剩余容量重设为对应于所述临界值的预定值。

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